[发明专利]一种高耦合效率的齿形平面波导光学器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种平面波导光学器件，特别是一种可用于全眼穿戴穿透显示的一种高耦合效率的齿形平面波导光学器件。

背景技术

传统的头盔穿戴显示采用45o反射式的结构来实现。这种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。为了增加视场，只有通过增加45o反射面的面积来实现，这意味着整体反射系统的重量增加。通常，头盔穿戴显示设备为了方便穿戴者在浏览信息的同时不影响正常的行为方式，利用光学元件将图像信息虚拟地显示在人眼前方的一定距离处。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，高效耦合、结构紧凑、轻重量、大视场以及高分辨率的图像显示技术一直是此类光学显示系统亟待解决的关键问题。其中，高效耦合、轻重量和大视场尤为重要。在某些应用领域，图像的对比度和观察视场范围直接影响到人员的安全以及观察者获取信息的完整性，同时显示系统的整体重量对于佩戴者的舒服程度也有很大的影响。

为了解决传统穿戴显示光学系统中由于光学成像系统光波耦合效率低、重量和视场矛盾以及制造工艺带来的一系列问题，本发明设计了一种高耦合效率的齿形平面波导光学器件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高耦合效率的齿形平面波导光学器件。

为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种高耦合效率的齿形平面波导光学器件，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；微齿形结构，对全反射光波进行耦合输出。其中，准直透镜设置在显示图像光源与平面波导衬底之间，微齿形结构设置在平面波导衬底远离显示图像光源的一端侧面上，微齿形结构由一定数量的微型小齿衔接组成，这些微型小齿对在平面波导衬底中传播的全反射光波进行耦合输出。本发明主要采用镜面反射、全反射、微齿形面反射原理以及镀膜技术和纳米加工技术实现的。来自显示图像光源的光线经准直透镜准直后入射到耦合输入面，经反射进入到平面波导衬底。采用棱镜改变光线传播方向的原理，使光线满足全反射的条件，在平面波导衬底中无损耗地传输到需要显示输出的位置。由于镶嵌微齿形结构的存在，打破了光线在平面波导衬底中全反射传播的条件，经过微齿形齿面的反射，使光线耦合输出到微齿形结构外而进入到观察者的视野中。对于周围环境中的光线，经过波导上下表面的反射直接进入到人眼中，从而完成图像信息和周围环境信息的同时观察。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：准直透镜采用单个非球面镜，耦合输入面镀有增透膜，微齿形结构的各个微型小齿的表面加工到镜面（表面粗糙度Ra应小于成像光的波长尺寸，如10-20nm）的效果，微齿形结构和平面波导衬底采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中，还具有这样的特征：准直透镜和显示光源位于耦合输入面的前方，即采用侧面耦合的方式对准直透镜发出的准直光波进行耦合进入到平面波导内，同时平面波导光学器件的纵向尺寸Height与平面波导的厚度Hw之间满足下述关系：Height = Hw。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：平面波导衬底由具有相互平行的且镀有反射膜的上表面和下表面的光学材料构成，该材料具备有合适的折射率、透过率及机械性能，如PMMA。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：其中，耦合输入面顶角到微齿形结构靠近耦合输入面所在位置的物理长度Lray与平面波导衬底的厚度Hp以及全反射光波与衬底下表面的夹角αSur之间满足下述关系：Lray >3 Hp*tan(αSur )。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：其中，微齿形结构的整体长度Lt与平面波导衬底的厚度Hp以及全反射光波与衬底下表面的夹角αSur之间满足下述关系：Lt > 2 Hp*tan(αSur )。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：其中，微齿形结构中单个微齿的宽度Tw应大于成像光波长的长度，如600um，以避免由于微齿形结构造成强烈衍射效应，而影响成像效果。