[发明专利]增强现实的齿形镶嵌平面波导光学器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种平面波导光学器件，特别是一种视场大、结构紧凑、重量轻的可用于全眼穿戴穿透显示的增强现实的齿形镶嵌平面波导光学器件。

背景技术

对于可穿戴光学器件来说，为了便于穿戴者的观察，通常要求该类光学系统具有视场大、重量轻、增强显示的效果。传统的头盔穿戴显示是基于45o反射式结构或离轴光学结构来实现的。这些结构在视场增大和头盔的整体重量方面存在着很大的矛盾。例如基于45o反射式结构显示系统，为了增大视场，只有通过增加45o反射面的面积来实现，这意味着整体显示系统的重量增加，不利于轻便灵活的应用该系统。

为了达到增强现实的效果，头盔穿戴显示光学系统通常利用光学元件将图像信息虚拟的显示在人眼前方的一定距离处，使得穿戴者在浏览信息的同时可以观察到周围景物的变化，从而不影响正常的行为方式。此类光学显示系统的核心组件由三部分组成：图形信息光波耦合输入组件、信息光波传输衬底以及图像光波耦合输出显示组件。因此，视场大、结构紧凑、重量轻以及高分辨率的图像显示一直是此类光学系统亟待解决的关键问题。其中光学系统的重量轻和视场大尤为重要。在某些应用领域，图像的对比度和视场的大小直接影响到观察人员的安全以及获取信息的完整性，同时显示系统的重量对佩戴者的舒服程度有很大的影响。

为了解决传统穿戴显示光学系统中重量和视场的矛盾以及制造工艺带来的一系列问题，本发明设计了一种增强现实的齿形镶嵌平面波导光学器件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种增强现实的齿形镶嵌平面波导光学器件。

为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种增强现实的齿形镶嵌平面波导光学器件，其特征在于：依次包括：图像显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；准直透镜，对光源发出的光波进行准直；耦合输入面，将准直光波耦合进入到平面波导；平面波导衬底，对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波；锯齿槽结构，用于视场扩展以及光波耦合输出衬底；盖片，用于消除鬼影的出现，提高图像的清晰度。其中，准直透镜位于显示光源和平面波导衬底之间，锯齿槽结构位于平面波导衬底远离耦合输入面一侧的上表面，盖片位于锯齿槽结构的上方。本发明主要是采用全反射原理、微齿形面一次反射成像原理、镀膜技术和纳米加工技术来实现的。来自图像显示光源的光线经过准直透镜准直后入射到耦合输入面，经折射进入到平面波导衬底中。采用棱镜改变光线传播方向的原理，使光线以满足全反射的条件，在平面波导衬底中无损耗地传输到需要显示输出的位置。由于锯齿槽结构位于显示输出的位置，该结构的存在打破了光线在平面波导中的全反射传输条件，经过微形齿面的一次反射成像，使光波耦合输出到平面波导外，从而进入到观察者的视野中。而来自周围景物的光线，经过平面波导衬底上下表面以及锯齿槽结构的反射直接进入到人眼，从而实现了图像信息和周围景物的同时观察。

本发明提供的平面波导光学器件，还具有这样的特征：耦合输入面的有效通光口径内蒸镀有相应的多层增透膜，耦合输入面的外表面旋涂有相应的反射膜。

本发明提供的平面波导光学器件，还具有这样的特征：锯齿槽结构的齿形表面需要加工到镜面（表面粗糙度R_a应小于于成像光的波长尺寸，如10-20nm）的效果，锯齿槽结构与盖片的材料相同，且在两者之间使用适当的光学胶水进行粘结，如折射率匹配的紫外胶。

本发明提供的平面波导光学器件，还具有这样的特征：锯齿槽结构的锯齿单元的两个斜面与水平面的夹角β_-c1与β_-c2之间满足下述关系：

β_-c2 =90°－ β_-c1。

本发明提供的平面波导光学器件，还具有这样的特征：主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移L1与锯齿结构的总长度L2之间满足下述关系：

L1 ≥ L2。

与现有的成像系统相比，本发明的有益效果是：视场增加灵活、重量轻结构紧凑、加工工艺简单易实现、成本低廉。这些有益效果使得本发明与传统45o反射显示系统相比，图像的对比度得以提高，成像系统的体积和重量得以减小。在相同的体积下，本发明光学系统的视场更大，光波耦合效率更高、制造工艺更简单易行、成本更低、结构也更紧凑小巧。本发明光学系统不仅能用于可穿戴显示，还可用于医疗耳镜、裸眼3D显示、移动通信显示等诸多领域。

附图说明