[发明专利]增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种平面波导光学显示器件，特别是一种视场大、结构紧凑、增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件。

背景技术

对于应用于增强现实的可穿戴光学显示元件，为了方便穿戴者能够及时的获取来自显示光源的全部信息，通常要求该显示系统具有视场大、重量轻、体积小以及增强现实的效果。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，给佩戴者带来了不舒适感，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。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。其中显示光学元件的厚度、重量和大视场尤为重要。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锯齿结构平面波导目视光学显示器件。

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锯齿结构平面波导目视光学显示器件。

为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件，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；准直透镜组，对光源发出的光波进行准直；纵向扩展结构，用于增加纵向耦合输入通光面积，从而对垂直方向的视场进行扩展；耦合反射面，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，用于水平方向的视场扩展以及光波耦合输出衬底；消棱镜效应盖片，用于消除鬼影的出现，提高图像的清晰度。其中，准直透镜组位于显示光源和纵向扩展结构之间，纵向扩展结构位于平面波导耦合反射面位置的下方，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，消棱镜效应盖片位于锯齿槽结构的上方。本发明主要是采用波导纵向扩展、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实现的。来自图像显示光源的光波经准直透镜准直以后入射到纵向扩展结构中，经过纵向扩展结构的纵向扩展光波被耦合进入波导衬底中，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目视光学显示器件，还具有这样的特征：耦合反射面的有效通光口径内蒸镀有相应的多层增透膜，耦合反射面的外表面旋涂有相应的反射膜，纵向扩展结构的表面镀有增透膜。

本发明提供的平面波导目视光学显示器件，还具有这样的特征：纵向扩展结构中的锯齿的宽度与锯齿槽结构中的锯齿的宽度相等且数量相同，这些齿形表面需要加工到镜面（表面粗糙度R_a应小于成像光的波长尺寸，如10-20nm）的效果，锯齿槽结构与消棱镜效应盖片的材料相同，且在两者之间使用适当的光学胶水进行胶合，如与材料折射率匹配的紫外胶。

本发明提供的平面波导目视光学显示器件，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目视光学显示器件，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。

本发明提供的平面波导目视光学显示器件，还具有这样的特征：耦合反射面到锯齿槽结构输出面的距离W1与主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移L1之间满足下述关系：