入波导的光波能量，从而不需要其他的辅助技术就可以满足显示要求，具有很大的益处。
[0039]为了更好的说明器件的工作原理，以具体的器件实例参数给予定量说明。在平面光学设计中，通常对于器件参数的确定以主轴光线为参考光线进行相应参数的确定，具体关系如下:
Hp= 4 mm
其中，Hp为平面波导衬底的厚度。本器件的加工主要以PMMA为主要材料。PMMA材料具有密度小的巨大优势，考虑到为了扩展观察者的观察视场，器件的厚度和微齿形结构的长度应有一定的要求。平面波导的厚度太小光线无法一次反射完成视场的扩展，同时加大了加工工艺的难度，另一方面微齿形结构的长度太短，必然导致微小齿的数量减少，这两方面都影响光线的耦合输出效率以及工艺的难易，为此对于器件的后度必须兼顾重量和一次光线耦合输出来设计。
[0040]β = 30°
考虑到主轴光线垂直入射进入衬底以后，经过反射面反射后，很可能经过Sur_b(rtt(MW反射后再次与反射面Ref _surf相遇，因此上述参数值可避免光线的二次相遇。
[0041]Qsur = 2β = 60°
对于Cism必须保证大于平面波导衬底材料的全反射临界角，否则图像信息将由于光线的折射导致大量的损失。对于本发明器件主要材料的选取偏向于PMMA材料,对于PMMA材料全反射临界角为42.2°，Qsur= 60° > 42.2°满足设计要求。
[0042]Lray = 32.7 mm
其中，Lray为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，为了避免杂散光对成像质量的影响，一般通过增加Lray的长度，使杂散光在传播过程中由于反射角小于临界角而耦合输出到衬底外。一般要求:
Lray >3 Hp*tan (Ctsur)
对于微齿形结构的角度参数相应的可由平面波导结构的参数给予确定:
^t-1 =3 t-2 =旦 t-3 = α Sur= 60° β ref-t = 3 t-2 = 60°
β surf-t = β ref-t = 60°
β = β = (^0°
^ bottom^ surf-t
Ht = 0.87mmLt = 20.5mmTw = 0.8mm
其中，Ht为齿形结构的整体厚度，Lt是微齿形结构的整体长度，Tw为微型齿结构的宽度。为了使光线进入衬底，被齿形面反射以后还能继续传播返回平面衬底中，通常在微齿和微齿形结构的底面直接保持一定的厚度，但是厚度不必要太大否则易造成齿形结构整体体积的增加。，Lt长度确定通常依据主轴光线一次反射来确定，即要求:
Lt > 2 Hp*tan ( a Sur )
Tw的数值不能过于太小，否则将发生光波的衍射效应，破坏了几何光学设计的基本要求，为了避免上述现象的出现，通常Tw的取值选取应大于相应成像光波长的尺寸，以避免因为微齿形结构造成强烈衍射效应，而影响成像效果。
[0043]对于本发明齿形镶嵌平面波导光学器件的横向长度可根据相应的应用选取，没有固定的比例。再者横向尺寸对于光学设计不会造成任何影响。上述参数的选取是基于主轴光线来设计和选取的，对于其它角度入射的光线也满足相应的要求。
[0044]在满足上述参数的前提下，图像显示光源上一点Q发出的光波经过准直透镜准直后入射到耦合反射表面，通过耦合表面的反射进入到衬底中，以全反射的方式无损耗的传播，光线传播一定的光程后到达微齿形结构，微齿形结构打破全反射条件使其稱合输出到观察者的Eye中。
[0045]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。其中90为显示控制器，91为连接显示控制器和显示源的连接线，92为承载显示源和准直透镜的镜架，93为显示光源，94为准直透镜，95为平面波导衬底，96为微齿形结构，97为屈光度矫正薄负透镜。其基本工作过程为:显示控制器90发出相应的显示信息，显示光源93接收显示信息后通过光波的形式将信息投递出去，通过准直透镜94的准直，将光波耦合进入平面波导衬底95中，光波在平面波导中传输到微齿形结构96所在位置，被耦合输出到屈光度矫正薄负透镜97中，紧接着被折射到观察者的视野中。将上述几部分按照机械结构设计的要求，组装在眼镜框中用于单眼穿透式显示。通过将本发明的组件用于可穿戴显示，一方面可以实时观看需要显示的图片信息，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。
[0046]实施例作用与效果:
本实施例提供的高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件，由于微齿形结构和平面波导衬底采用匹配折射率的紫外胶进行粘结，从而可以使光线没有偏折地直接到达微齿形结构，可以使整个齿形表面都实现对光线的反射，由于光线能够覆盖整体表面，从而实现了观察者视场的扩展。而且通过采用注塑、金刚石切割等加工办法可以使齿形结构的表面加工到镜面的效果，减弱了漫反射，提高了图像的清晰度。
[0047]本实施例提供的高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件仅仅采用了准直透镜、平面波导衬底以及微齿形结构对光波进行传播和扩展，材料方面选择了密度较小的PMMA，整体上还具有结构紧凑、体积小重量轻、制造工艺简单等优点。
[0048]本实施例采用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，本实施例提供的高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件引用于可穿戴显示时，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】
1.一种高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件，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，用于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，对全反射光波进行稱合输出， 其中，所述的准直透镜设置在显示图像光源与平面波导衬底之间，所述的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。
2.根据权利要求1所述的平面波导光学器件，其特征在于: 其中，所述准直透镜采用单个非球面镜，所述耦合输入面镀有增透膜，所述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Ra应小于相应成像光波长的尺寸)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。
3.根据权利要求1所述的平面波导光学器件，其特征在于: 其中，所述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、透过率以及机械性能。
4.根据权利要求1所述的平面波导光学器件，其特征在于: 其中，所述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
5.根据权利要求1所述的平面波导光学器件，其特征在于: 其中，所述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，以避免因微齿形结构造成强烈衍射效应，而影响成像效果。
6.根据权利要求1所述的平面波导光学器件，其特征在于: 其中，所述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为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aSm之间满足下述关系:Lray >3 Hp*tan ( a Sur )。
7.根据权利要求1所述的平面波导光学器件，其特征在于: 其中，所述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aSur之间满足下述关系:Lt > 2 Hp*tan ( a Sur )。
【专利摘要】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，包括图像显示光源、准直透镜、耦合输入面、平面波导衬底以及微齿形结构。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，微齿形结构将对全反射光波进行耦合输出。本发明具有耦合效率高、重量轻、结构紧凑、加工工艺简单易实现、视场增加灵活的特点，不仅可用于可穿戴显示，同时还可用于扩展均匀照明、汽车导航显示以及野外地图指示等应用领域。
【IPC分类】G02B6-32, G02B1-11, G02B27-01
【公开号】CN104597602
【申请号】CN201510036605
【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24日