高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件的制作方法
【技术领域】
[0001]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高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件。
[0002]
【背景技术】
[0003]传统的头盔穿戴显示采用45°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45°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。
[0004]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效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件。
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【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明提供了一种高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件。
[0007]为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案:
一种高效耦合、结构紧凑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；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。
[0008]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IUS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。
[0009]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 = Hw0
[0010]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。
[0011]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ct Sm?之间满足下述关系:Lray >3 Hp*tan(a Sur )。
[0012]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a 之间满足下述关系:Lt > 2 Hp*tan(aSur )。
[0013]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。
[0014]与现有的成像系统相比，本发明的有益效果是:耦合效率高、重量轻、结构紧凑、力口工工艺简单易实现、视场增加灵活。这些有益的效果使得本发明光学系统相比于传统45°反射显示系统，图像的对比度得以提高，系统的体积和重量得以减小。在相同的体积下，本发明的光学系统视场更大，耦合光波耦合效率更高、成本更低、结构也更紧凑小巧。本发明光学系统不仅可用于可穿戴显示，同时在扩展均匀照明、汽车导航显示以及野外地图指示方面也有着应用潜力。
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【附图说明】
[0016]图1为本发明高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件的示意图；
图2为本发明高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件的平面波导示意图； 图3为本发明高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件的微齿形结构示意图；
图4为正面耦合光波齿形镶嵌平面波导光学器件示意图；
图5为正面耦合光波光阑限光齿形镶嵌平面波导光学器件示意图；
图6为正面棱镜耦合光波齿形镶嵌平面波导光学器件示意图；
图7为齿形镶嵌平面波导的光学器件正面耦合和侧面耦合光线示意图，其中图7A为正面耦合光线示意图，7B为侧面耦合光线示意图；
图8为30°入射角对应的不同入射介质反射率曲线示意图；以及图9为屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学穿戴显示器件单眼应用示意图。
[0017]
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图对本发明的具体工作工程给予说明。
[0019]图1为本发明高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件的示意图，如图1所示，本发明光学器件的系统组成包括:显示图像光源10，准直透镜11，耦合输入面12，平面波导衬底13，微齿形结构14。显示图像光源10上一点Q发出的光波经过准直透镜11的准直后入射到耦合输入面12上，通过耦合表面的反射后进入平面波导衬底13中传播，光线传播一定的光程后到达微齿形结构14上，打破了全反射条件使光线耦合输出到观察者的Eye中。下面针对本发明的各个组成部分的作用给以相应的说明。
[0020]显示图像光源10在头戴显示应用系统中主要提供用来观察的图像信息。而目前主流的图像显示光源有DLP、IXD、OLED、Lcos等。不同的显示技术对应于不同的显示要求。为了能够使得显示系统的整体结构在体积上趋于微型化，且考虑光源各点亮度的均匀性、输出光效以及亮度要求和分辨率与尺寸的限制等因素，通常选择体积合适、亮度均匀、分辨率高的光源作为微显示系统的显示光源，如Lcos。为了满足光学设计和膜系设计等要求，通常会在显示光源前面加偏光片，用于改变来自显示系统的光波的偏振态。但这将导致进入波导显示系统的整体光效的大大减弱。不过，硅基液晶Lcos的光效足以满足相应的应用要求。对于娃基液晶Lcos可根据具体的要求选择CF-Lcos或CS-Lcos,两者主要在分辨率上存在显著差别。同尺寸的CS-Lcos的分辨率通常高于CF-Lcos。
[0021]准直透镜11主要是对显示图像光源发出的光波进行准直。在头戴显示应用中，人眼作为最终的图像信息接收器，需要对来自图像的光波进行准直以达到人眼自由放松观看的实际要求。一般采用光学球面透镜对光波进行准直，但是由于光学系统像差的存在，图像经过透镜后存在着象散、畸变、场曲、彗差等像差，为此对于准直透镜需要按照应用要求进行严格的像差矫正，以期达到理想的成像效果，否则就会影响光学系统的最终分辨率，使得人眼无法清楚的观看到真实的图像信息。由于普通球面镜在矫正像差时，需要有不同材料和曲率半径的透镜组合而成，这会使整个系统的重量和体积增大。因此通常采用非球面镜来完成像差的矫正，由于在矫正像差时，单个非球面镜即可实现，从而给系统的整体结构及重量带来了益处。
[0022]耦合输入面12是采用镜面折射的原理利用棱镜来改变光线的传播方向。来自准直透镜11的光线入射到耦合输入面12后，经过耦合输入面12的反射进入到平面衬底。由于采用斜面耦合光波进入衬底，可以有效地避免反射光线对原始图像像质的影响。通常为了进一步提高光波的耦合输入效率，可在耦合输入面12的有效通光口径范围内镀上相应的增透膜，来提高光波的耦合输入能量。
[0023]平面波导衬底13的加工材料有很多种，如玻璃材料几31、几32、1(9、81(7等，塑料材料有PET、PMMA等。由于每种材料的折射率、色散系数不同，导致全反射临界角、材料的透过率、吸收吸收系数和重量不同。考虑到实际应用条件的限制，需要根据具体要求进行选择。光波在衬底中传播时需要满足全反射的条件，以保证光线没有折射出衬底。同时应尽可能减少