基于紧密排布微棱镜的几何型光波导显示系统的制作方法

本发明涉及光学，特别涉及基于紧密排布微棱镜的几何型光波导显示系统。

背景技术：

1、抬头显示系统(head-up display，hud)是一类具有增强现实功能的机载、车载仪表设备，它将行驶参数、导航信息等以图像、字符的形式，通过光学系统投射到驾驶员正前方，使得驾驶员在观察行驶环境的同时，还可以获得来自飞机、汽车的各类信息。

2、随着汽车产业的飞速发展，车辆内部系统集成化要求大幅度提高，对hud系统轻量化、小型化以及显示效果的要求越来越高。传统的车载hud系统主要是按照离轴反射型结构来设计，像源显示的图像首先经过离轴反射镜系统投射到挡风玻璃或辅助显示屏上，然后再反射进入人眼中，若想使用此设计方案实现大眼动范围、大视场角，反射镜的体积及系统的整体体积及重量会很大，无法实现系统的小型化和轻量化，车辆内部无法提供足够的装配空间。而光波导技术可以在一个玻璃平板中将耦合入光束扩展为若干个耦合出光束(这一过程称为扩瞳)，将其应用到车载抬头显示系统中，可有效缩小光机系统的体积；并且扩瞳后光束一般为平行光，有助于人眼观察，扩瞳前后光束角度不会发生改变，保证图像不会失真。因此，基于光波导的hud系统被业界广泛视为下一代hud系统的重要方向。

3、光波导显示系统根据使用的光波导类型可分为几何型光波导和衍射型光波导。衍射型光波导通过衍射元件(如液晶光栅、全息光栅等)实现光束的扩瞳，但衍射元件的衍射角度和衍射效率对光波长都非常敏感，难以实现全彩显示。

4、由于几何型光波导hud可以实现系统小型化和全彩显示，在应用市场受到了广泛的关注。几何型光波导显示技术摒弃了传统设计方案中所需的复杂光学系统和大尺寸反射镜，通过平板光波导及嵌入的耦合输入光学元件、耦合输出光学元件完成图像传输和最终的成像显示，在实现hud系统轻量化、小型化方向具有重要的应用潜力，同时对光的波长没有选择性，易于实现全彩显示。

5、几何型光波导根据耦合输出光学元件的不同可分为透反膜光波导和微棱镜光波导。其中，透反膜光波导利用多个部分反射镜(partially reflective mirror,prm)来控制光束的耦合输出，由于每个部分反射镜都要嵌入波导板内部，实际加工中需要先分块制作再胶合成一个整体，加工时间长，成本高，多次胶合时难以控制光波导整体的平面度，批量生产受限。而微棱镜波导通过微棱镜阵列来控制光束的耦合输出；其中，微棱镜阵列胶合在玻璃平板表面，由于单独的玻璃平板加工简单，且微棱镜阵列加工一次成型，因此量产性极强。

6、在有些微棱镜光波导中，是通过控制微棱镜阵列的不同疏密排布来实现控制反射和透射光的比例，进而控制出射光的均匀性，但这会导致光束出现不必要的间隔，影响观察效果。

技术实现思路

1、为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的目的是提供基于紧密排布微棱镜的几何型光波导显示系统，包括光源、准直系统、光波导；所述光波导包括玻璃平板和微棱镜阵列，所述微棱镜阵列中的微棱镜紧密排列，所述玻璃平板上设有反射面、出光面、入射区域、分光区域，所述分光区域位于所述玻璃平板沿光线传播方向不同的微棱镜区域处，所述微棱镜阵列固定在所述玻璃平板的分光区域上，所述反射面用于反射从所述入射区域入射的光束，所述分光区域用于对入射光经反射面反射后在玻璃平板中全反射传播的光线分光，所述出光面用于出射光束，所述反射面与所述出光面、所述入射区域所在的面相邻，所述反射面与所述入射区域所在的面之间呈一锐角的夹角，所述反射面与所述出光面之间呈一钝角的夹角，所述出光面与所述入射区域、分光区域相对；

2、所述光源发出的光束经过所述准直系统准直后从所述入射区域进入所述光波导中，被所述光波导的反射面反射并改变角度在所述光波导中以大角度全反射方式传播，接触到所述分光区域处的微棱镜区域时，一部分光透过所述玻璃平板经微棱镜的斜边反射后，以小角度通过所述分光区域再次进入所述玻璃平板并透过所述出光面出射，剩余光束继续向后传播，实现扩瞳；其中，所述大角度表示大于波导对应的全反射临界角，所述小角度为0°±20°。

3、进一步地，从所述出光面出射的光束的角度与入射进所述光波导的光束的角度一致。

4、进一步地，所述微棱镜的倾角为

5、

6、其中，θ为入射光束的角度，n1为玻璃平板的折射率，n2为微棱镜的折射率，α1为玻璃平板的倾角，α2为微棱镜的倾角。

7、进一步地，所述玻璃平板上的分光区域对大角度入射光分光时，反射部分的比例沿光束传播方向由近到远逐渐减小。

8、进一步地，所述玻璃平板沿光线传播方向不同区域处的分光区域的透过率的计算公式为：

9、

10、其中，i＝1，2，…，n；n为微棱镜区域总数；i表示第i个微棱镜区域。

11、进一步地，所述微棱镜阵列中单个微棱镜的基本形状为三角棱锥。

12、进一步地，每个构成微棱镜阵列的微棱镜紧密排列无间隔或间隔距离不超过1/10单个微棱镜边长。

13、进一步地，所述玻璃平板上的分光区域所镀的分光膜对大角度入射光按照预设比例分光，对小角度入射光透过率大于90％。

14、进一步地，所述玻璃平板上的反射面镀有反射膜，将小角度的入射光束以大角度耦合入光波导中，使入射光束以全反射在光波导中传播。

15、进一步地，当所述玻璃平板的折射率与微棱镜的折射率相等时，所述反射面与所述入射区域之间的夹角与所述微棱镜阵列中的微棱镜的倾角相等。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、本发明中的几何光波导包括微棱镜阵列和玻璃平板，利用微棱镜阵列实现光束的扩瞳。微棱镜阵列由相同尺寸的三角棱柱紧密排列而成，胶合在玻璃平板的一面。光束在玻璃平板中传播接触到微棱镜阵列区域时，部分光束透过玻璃平板并由微棱镜反射进行扩瞳，其余光束在玻璃平板中继续反射传播。通过控制玻璃平板不同区域光束透过和反射的能量比例即可实现不同区域扩瞳光束能量的均匀分布。

18、本发明实现扩瞳功能的微棱镜阵列是紧密排列的，能够最大程度地减少不必要的光束间隔。同时，通过控制玻璃平板上不同区域镀膜来实现控制反射和透射光的比例，进而控制出射光的均匀性。

19、本发明中的几何光波导是由一块玻璃平板和紧密排列的微棱镜组成，结构非常简单，克服了其他几何波导结构复杂、工艺困难的问题，便于一次成型和组装，易于量产。

20、本发明考虑到光线在光波导中传播时角度很大，一般大于40°，接触到镀膜面时部分光透射、部分光反射，透射光经微棱镜反射回到镀膜面时，经过恰当设计角度的微棱镜，光线角度接近0°，透过率接近100％。通过恰当的膜系设计可以实现同一镀膜面同时满足光波导中传播光束的分光和扩瞳光束的增透。

21、本发明以微棱镜阵列作为构建波导显示系统的耦合输出光学元件，未来有望在机载和车载领域产生显著的社会、经济效益。

22、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。