平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的制作方法
【专利说明】平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种目视光学显示器件，特别是一种可用于全眼穿戴穿透显示的平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件。
[0003]
【背景技术】
[0004]对于头戴显示光学系统来说，为了体现增强现实的效果，通常是利用光学元件将图像信息虚拟的显示在人眼前方一定的距离处，使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。为此增强现实型的可穿戴显示光学系统，为了使穿戴者能够及时的获取来自显示光源的全部信息，通常要求显示系统具有视场大、结构轻薄以及增强现实的特点。而传统的头戴显示系统是基于45°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45°反射式结构显示系统，为了增大视场，只有通过增加45°反射面的面积来实现，这意味着整体显示系统的重量增加，给佩戴者带来了很大的不舒适感。
[0005]为此，视场大，结构紧凑、轻薄，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。其中显示系统的紧凑、轻薄和大视场尤为重要。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，同时显示系统的整体重量对佩戴者的舒服程度有很大的影响。
[0006]为了解决传统穿戴显示光学系统的重量与视场之间的矛盾以及制造工艺复杂等带来的一系列问题，本发明设计了一种平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件。
[0007]
【发明内容】
[0008]为了解决上述问题，本发明提供了一种平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件。
[0009]为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案:
一种平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件，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，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。其中，准直透镜组位于图像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的中间夹层位置。本发明主要是采用多次内分光技术、微纳米加工技术、全反射原理和微齿形面一次反射成像原理来实现的。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中传播。光线在平面波导衬底中无损耗地传输到需要显示输出的位置后，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，经过齿形结构倾斜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。
[0010]本发明提供的目视光学显示器件，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，锯齿结构的外表面旋涂有反射膜。
[0011]本发明提供的目视光学显示器件，还具有这样的特征:锯齿夹层结构的平面波导衬底是由带有凸出锯齿结构和凹陷锯齿结构的两个平面衬底通过锯齿黏合嵌套在一起的。
[0012]本发明提供的目视光学显示器件，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Ra应小于成像光的波长尺寸，如10-20nm)的效果，且单个锯齿单元的长度应大于一个成像光波长。
[0013]本发明提供的目视光学显示器件，还具有这样的特征:平面波导衬底的上下两个平行表面的粗糙度、平行度以及平面度都必须满足基本光学加工的要求。
[0014]本发明提供的目视光学显示器件，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^-。工与β _。2之间满足下述关系:
β -c2 =90° — β _cl。
[0015]本发明提供的目视光学显示器件，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LI与锯齿结构的总长度L2之间满足下述关系:
LI 彡 L2。
[0016]本发明提供的目视光学显示器件，还具有这样的特征:耦合输入面到锯齿槽结构输出面的距离Wl与主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移LI之间满足下述关系:
Wl = M*L1，其中M为正整数。
[0017]与现有的成像系统相比，本发明的有益效果是:结构轻薄、视场角易于扩展、加工工艺简单易实现和成本低廉。这些有益效果使得本发明与传统45°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，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，还可用于实时现场操作、裸眼3D显示、搜寻定位显示等诸多领域。
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【附图说明】
[0019]图1为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的示意图；
图2为传统潜望式光学显示系统的光线传播示意图；
图3为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的平面波导衬底示意图；
图4为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的锯齿结构示意图；
图5为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的旋涂示意图；
图6为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的光线传播示意图；
图7为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的结构参数示意图；
图8为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的锯齿结构旋涂膜层的反射率随入射角度变化的曲线图；
图9为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的锯齿结构旋涂膜层的反射率随波长变化的曲线图；以及
图10为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的集成单眼应用示意图。
[0020]
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图对本发明的具体工作过程给予说明。
[0022]图1为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的示意图。如图1所示，本发明光学显示器件的系统组成包括:图像显示光源10，准直透镜组11，耦合输入面12，平面波导衬底13，锯齿槽结构14。来自图像显示光源10的光线经过准直透镜组11的准直后入射到耦合输入面12，经耦合面的反射进入到平面波导衬底13中。光线在平面波导衬底中无损耗地传输到需要显示输出的位置后，由于锯齿槽结构14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，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。
[0023]本发明目视光学显示器件的基本结构由五部分组成，对于具体应用可对本发明的组成部分进行相应的扩展，从而进一步提高系统在具体应用方面的潜力。下面针对本发明六个部分的作用给以相应的说明性解释:
图像显示光源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。
[0024]准直透镜组11主要是对图像显示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，否则将会对人眼造成伤害。为了达到让人眼轻松查看信息的要求，一般采用光学透镜对显示光源发出的光波进行准直，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，导致图像的对比度严重降低。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，使得人眼无法观看到清晰的图像信息。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