像信息从一个位置移动到另外一个位置。
[0036]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。为了实现本发明所述的效果，在进行光学设计时，衬底的结构参数和锯齿的结构参数之间应该满足一定的条件，否则将导致最终图像的分辨率、对比度和清晰度都会降低，达不到预期的效果。如图7所示，以轴上物点发出的主轴光线为参考光线进行设计，各参数的相应关系为:
β -sur2= 2* β _surl
Y = β
d -c-sur I
其中，i3-suri为耦合输入面与平面波导衬底下表面的夹角，Y _。为主轴光线与锯齿反射面法线的夹角，为主轴光线与平面波导衬底上表面法线的夹角，为了满足光波可以无损耗的在平面波导衬底中传输，要求β -sur2必须大于材料本身的全反射临界角。
[0037]对于锯齿槽结构，为了使到达锯齿斜面的光线能尽可能的避免发生由于反射产生鬼影以及减少能量的损失，锯齿的两个斜面和水平面的夹角需满足:
^ -cl ^ -surl
β -c2 =90° — β -cl
其中，为锯齿反射面Surf-s与水平面的夹角，β _。2为锯齿反射面Mirror-b与水平面的夹角，通过上述条件可以尽量避免鬼影的出现，
LI 彡 L2 L2=N*(W-H)
Ll=2Hl*cot ( β _sur2)
Wl = M*L1Hl= 2*h
其中，LI为主轴光线在平面波导衬底上下两表面一个回程反射的位移，L2为锯齿的总长度，Hl为平面波导衬底的厚度，N为微型锯齿的总个数。Wl为耦合输入面到锯齿槽结构输出面的距离，M为正整数，h为锯齿槽结构距离平面波导衬底上表面的距离。在LI比L2长度长的情况下，主轴光线经过一次反射可以使大部分的能量耦合输出到衬底外，同时进行出瞳的扩展，进而扩展视场，否则由于光线的二次反射将导致鬼影的出现。
[0038]为了进一步说明上述参数的关系，特以实际参数来说明带有锯齿夹层结构的平面波导的原理:取当i3-surl=30°时，则
^-sur2=60°Y_c=30°β-ci=30°β_?=60°
选取平面波导衬底的厚度为:H1=4.5mm, ff-H=l.08mm，则:
Ll=15.59mmL2=13.75mmWl=46.77mmh=2.25mm
利用上述参数设计器件，可得到本发明器件的水平视场扩展为17°，波导的厚度仅仅为4.5mm，而传统的光学显示系统在相同的视场下，需要的波导厚度为10mm，相比之下，本发明极大地减轻了波导的重量。如需进一步增加视场可以通过增加波导的厚度来满足相应的需求。
[0039]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。对于图7实例中的波导对应的尺寸，当β _sml=30°时，相对应的波导内的视场角ct_fOT为±7°。如图8所不，当波长为550nm,入射角度为时,对于P偏振光，其相对应的反射率单调递减，而对于S偏振光，其相对应的反射率单调递增。这个特点有利于在设计旋涂膜层时，提高S偏振光的反射率的同时降低P偏振光的反射率，有利于光波能量经过一次反射被大量耦合出衬底，消除光线的影响，这是因为透过锯齿反射面的光线沿逆光路反射回来时由于加工误差的存在可能会引起杂散光。
[0040]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。对于图7实例中的波导对应的尺寸，当i3_sml=30°时，设计旋涂膜层时应当以30°为中心入射角进行设计。如图9所示，当入射角为30°时，对应于波长为440nm-680nm的光波，其P偏振光的反射率约为50%，S偏振光的反射率约为80%，因此对于入射到锯齿面上的各个波长的光波都可以很大程度上的被耦合出衬底外。
[0041]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。如图10所示，100为图像显示光源、101为准直棱镜组、102为平面波导衬底、103为锯齿槽结构。其基本工作过程为:来自图像显示光源100的光线通过准直透镜组101的准直后，光波被耦合进入平面波导衬底102中，光波在平面波导衬底中传输到锯齿槽结构103所在的位置，被耦合输出到衬底外，紧接着被折射到观察者的视野中。通过将上述几部分按照机械结构的设计的要求，组装在眼镜框中可用于穿透式显示。将本发明的组件用于可穿戴显示时，一方面可以实时观看需要显示的显示图片，同时由于本发明的组件没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界景物光的进入，因此还可以观察外面景物的变化。再者根据具体的要求可在普通眼镜框的两面分别加入波导器件，用于双眼3D显示。由于本发明选取的材质偏向于密度较小的PMMA光学塑料，因此用于双眼穿戴显示时，不会在重量上给佩戴者带来不舒服的感受。
[0042]实施例的作用与效果:
本实施例提供的平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件由于锯齿槽结构的存在使得整个齿形表面都可以实现对光线的反射，经过反射的光线能够覆盖衬底的大部分表面，从而实现了观察者视场的扩展，即出瞳的扩展。
[0043]本实施例提供的平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件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啮合嵌套在一起的，且在锯齿结构的外表面处旋涂着具有一定反射率的膜层，可以使光线很好地耦合输出衬底，实现图像信息从一个位置移动到另一个位置。
[0044]本实施例提供的平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界景物光的进入，因此，该光学器件应用于可穿戴显示时，不仅可以实时观看需要显示的图片信息，还可以观察外面景物的变化。
【主权项】
1.一种平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件，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，对显示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。
2.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于: 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。
3.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于: 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。
4.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于: 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)的效果，且单个锯齿单元的长度应大于一个光波长。
5.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于: 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。
6.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于: 锯齿槽结构的锯齿单元的两个斜面与水平面的夹角^吣与β _。2之间满足下述关系: β -c2 =90° — β _cl。
7.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于: 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。
8.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于: 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。
【专利摘要】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，包括图像显示光源、准直透镜组、耦合输入面、平面波导衬底以及锯齿槽结构。其中图像显示光源用来发出显示所需图像的显示光波，准直透镜组用来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，平面波导衬底则对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波，锯齿槽结构将用于视场扩展以及光波耦合输出衬底。本发明具有结构轻薄、视场角易于扩展、加工工艺简单易实现和成本低廉的特点，不仅能用于可穿戴显示，同时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。
【IPC分类】G02B27-01
【公开号】CN104597603
【申请号】CN201510036616
【发明人】张圣军, 张庆
【申请人】上海理湃光晶技术有限公司
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月25日