专利名称：光波导和光信息处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于光源模块、光学互连和光通信元件等的包括芯层和包层的结合部件的光波导，以及例如显示装置等的光信息处理装置。
背景技术：
迄今为止，人们已习惯在电装置的电路板或电路板上的芯片表面之间通过相对短的距离传输信息，其中主要是电信号。为了使电装置的集成电路具有更好的性能，需要集成电路中的电信号以更快的速度传输，并且以更高的密度构造集成电路中的电信号互连。然而，由于电信号互连的时间常数导致的信号延迟和由电信号互连引起的噪声妨碍了电信号以更快的速度传输，也妨碍了电信号在更高密度构造下的互连。
因此，注意力集中在了以光学互连作为介质的信息传输上。光学互连可以在不同的场合使用，例如电装置之间、电装置中的电路板之间和电路板上的芯片之间等。在例如芯片之间的短距离信号传输中，可以在安装有芯片的板上构造具有光波导的光传输/通信系统，光波导作为传输路径传输由信号调制的激光束等。
众所周知，光波导可以用作显示装置的光源模块。例如，已经开发了一种头戴式显示装置(HMD)，有了它使用者就可以在独自拥有的大屏幕上欣赏视频软件图像、游戏图像、计算机图像和电影图像。如附图20中所示，提供的一种个人显示装置，使用者能够像太阳镜一样将其戴上，在任何需要的地方随意观看虚拟图像(参见美国专利5467104)。
已知的头戴式显示装置具有包括红、绿和蓝的发光二极管(LED)的光源。LED发出非相干光，但是通过宽辐射角辐射的光很难将三种颜色的光线会聚并混合。已知有一种技术可以使通过光波导的三种颜色的LED光产生均匀的白色光(东京电子2003年3月31日，第127页)。
附图21A和21B示出了由美国Lmileds Lighting有限责任公司开发的包括LED和光波导的模块组件。图21A是模块组件的横截面视图，图21B是模块组件的透视图。
如图21A和21B所示，背光模块80包括安装在印刷电路板81上的三个RGB LED模块82，光波导83，两块反射镜84a，84b和光导板85。LED模块82以间隔为9mm的线性阵列布置。从LED模块82发出的RGB LED光86经反射镜84a，84b反射并在光波导83内合并为基本上均匀的白色光，并且白色光通过光导板85传输到液晶面板的背面。
已知如附图22所示的光波导，其芯的横截面尺寸从其光输入端朝向其光输出端逐渐线性地变小(日本公开专利平成第5-173036号(第2页，权利要求的范围，第3页第3栏第3-4行和图1(d)))。
如图22所示的光波导具有连续布置在底板17上的下包层2，芯层3，和虚线所示的上包层4。如图22所示，芯层3从其光输入端18朝向其光输出端19在宽度和高度方面具有逐渐线性变小的横截面区域。施加到光输入端18的光线基本上线性地通过芯层3并从光输出端19输出。
附图23A和23B示出了一种已知的供光束输出的三叉光波导。图23A是三叉光波导的平面图，图23B是图23A中沿剖面线23b-23b的横截面图。
三叉光波导的芯层被分叉为红光芯26R、绿光芯26G和蓝光芯26B，分别相应于面对的红光源27R、绿光源27G和蓝光源27B，光芯具有各自的光输入端。红光芯26R和蓝光芯26B具有弯曲的端部部分并与线性延伸的绿光芯26G结合形成公共芯26。被引导通过红光芯26R、绿光芯26G和蓝光芯26B的RGB信号光28R、28G、28B被公共芯26合并，从公共芯26的输出端输出一束输出光线29。
另一已知的光波导与设置在芯层下的光源结合形成。附图24示出了这种已知的光波导。
如图24所示，芯层3具有大约30μm的厚度，例如夹在厚度均为14μm的下包层2和上包层4之间。芯层3在从其光输入端到光输出端的整个长度上宽度恒定。光波导的光输入端23相对于光波导的水平面以45°角倾斜。作为光源的LED13布置在倾斜光输入端23的下方。
如图21A和21B所示的背光模块80具有将光信号86从LED模块82耦合到光波导83和光导板85的反射镜84a和84b。由于光波导和反射镜是不同的组件，当安装时它们需要进行位置调整，因此背光模块80的生产率是很低的。而且，因为LED模块82和光波导83是相互垂直分开的，背光模块80不适合薄厚度的整体结构。背光模块80不能将会聚的LED光转变为具有所需直径的光斑。
如图22所示的光波导是没有弯曲部分的直线形。然而，与光波导结合的光源不能进行自由定位，并且需要沿着光波导的输入端定位。这样布置光源往往会导致光输入损耗。
如图23A和23B所示的光波导能够发出光线，该光线通过光输入端进入并从相对于光输入端的光输出端输出。然而，由于LED不能相应于光波导自由定位，并且受到光输入端的线性阵列安装布置的限制，它们很容易导致光的输入损耗。此外，如图23A虚线所示的，当R信号光28R和B信号光28B分别由红光芯26R和蓝光芯26B引导时，在红光芯26R和蓝光芯26B的弯曲部分就会产生泄漏光29a。因此，光波导具有低聚光率，不适合于高输出的设计。
如图24所示的光波导比图22和23A、23B中所示的光波导能够从光源接收更多的光，因为光源(LED)13布置在芯层3的光输入端下方。然而，从LED光源13发出的信号光14输入到芯层3的具有很小宽度的区域上。当信号光14以宽发射角从LED光源13发出时，被芯层3上的倾斜光输入端23反射的信号光14的比例是相对较小的。输入到下包层2、上包层4上的倾斜光输入端23上的信号光作为损耗浪费掉了。因此，图24所示的光波导的聚光率很低。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本的光波导，其对来自光源的光进入光波导具有高的光输入效率，对光波导会聚的输入光具有高的聚光效率；并且提供一种结合有这种光波导的光信息处理装置。
根据本发明，提供了一种光波导，其包括芯层和包层的结合部件，芯层具有光输入区域和光输出区域，光输入区域具有比光输出区域更宽的宽度，光输入区域具有至少一个侧表面形成为反射表面用于向光输出区域反射施加到光输入区域的光；和光源，其设置成与光输入区域的不是侧表面的另一表面接触或面对。
根据本发明，还提供了一种光信息处理装置，其包括根据如上所述本发明的光波导，向所述光波导的芯层中引入光的光施加部件，和接收由所述芯层输出的光的光接收部件。
采用根据本发明的光波导，光输入区域的宽度大于光输出区域的宽度，并且光输入区域的至少一个侧表面形成为反射表面用于向光输出区域反射施加到光输入区域的光。由于光输入区域的侧表面具有大的面积，并且至少该侧表面形成为反射表面，所以增加了导入到芯层的光输入区域中的光量，并且增加了从至少该侧表面反射的光量。因此，向光输出区域引导光的效率提高，以有效地会聚被引导的光。
因为光源设置成与光输入区域的不是该侧表面的另一表面接触或面对，所以光源易于在适当位置定位。即使光源在定位上有稍微的偏离，但由于提高了引导来自光源的光到光输入区域的效率，光源布局的容许偏差就变得很大。由于光输入区域的宽度大，就增加了导入光的量，并且导入光被反射表面高效引导和聚集到光输出区域，从而从光波导中输出。
根据本发明的光信息处理装置由根据本发明的具有上述多方面优点的光波导、用于向光波导的芯层引导光的光施加部件、和用于接收从芯层发出的光的光接收部件组成。光信息处理装置能够适用作光通信系统、显示装置，等等。
在如上所述的光波导和光信息处理装置中，光输入区域的侧表面最好具有抛物线形、半圆形或多边形的形状，如平面图所示，以提高聚光效率。而且，为了提高光反射效率，光输入区域的至少该侧表面最好应该涂覆有光反射金属膜。
优选地，芯层具有至少两个芯，每个芯具有光输入区域，芯在光输出区域连接在一起以形成公共的光输出端，以便具有不同波长范围的光信号可由芯聚集和合并到一起。
而且，光源最好一体地布置在芯层下面的包层中，并且光源最好具有保持在光输入区域上的发光部分，以允许光源更准确且容易地定位、提高光源定位的容许偏差、使光波导厚度更薄、并提高光导入到光输入区域中的效率。
优选地，芯层宽度从光输入区域向光输出区域逐渐线性减小，以允许导入光被芯层的至少该侧表面反射，易于向光输出区域引导反射光，并易于将输出光成形为具有所需光斑直径的光斑。
在上述光信息处理装置的光波导中，光源包括发光二极管。光信息处理装置可用作对从芯层发出的光经过扫描部件进行投影的显示装置。
结合借助示例说明本发明优选实施例的附图，本发明的上述和其它目的、特征和优点在下文中将显而易见。
图1A是沿图1B中剖面线1a-1a的根据本发明的第一实施例光波导的横截面图；图1B是图1A中沿剖面线1b-1b的横截面视图；图2A表示沿图2B中剖面线2a-2a的光导入图1A和图1B所示的光波导中的方式；图2B是沿图2A中剖面线2b-2b的横截面图；图3A是沿图3B中剖面线3a-3a的根据本发明的第二实施例光波导的横截面图；图3B是沿图3A中剖面线3b-3b的横截面图；图4A表示沿图4B中剖面线4a-4a的光线导入图3A和图3B所示的光波导中的方式；图4B是沿图4A中剖面线4b-4b的横截面图；图5示出光源间距与三叉光波导的波导长度之间的关系曲线图；图6示出光输入端宽度与向前逐渐变细的光波导的波导长度之间的关系曲线图；图7A至7C和8A至8C是根据本发明的光波导的制造过程的说明图；图9A是根据本发明的改型光波导的横截面图；图9B是沿图9A中剖面线9b-9b的横截面图；图10A是根据本发明的另一改型光波导的横截面图；图10B是沿图10A中剖面线10b-10b的横截面图；图11A仍然是根据本发明的另一改型光波导的横截面图；图11B是沿图11A中剖面线11b-11b的横截面图；图12A至12C是根据本发明的改型光波导的制造过程的说明图；图13A是根据本发明的另一改型光波导的横截面图；图13B是沿图13A中剖面线13b-13b的横截面图；图14A仍然是根据本发明的另一改型光波导的横截面图；
图14B是沿图14A中剖面线14b-14b的横截面图；图15A仍然是根据本发明的另一改型光波导的横截面图；图15B是沿图15A中剖面线15b-15b的横截面图；图16A仍然是根据本发明的另一改型光波导的横截面图；图16B是沿图16A中剖面线16b-16b的横截面图；图17A是根据本发明的进一步改型的光波导的横截面图；图17B是沿图17A中剖面线17b-17b的横截面图；图18A仍然是根据本发明的进一步改型的光波导的横截面图；图18B是沿图18A中剖面线18b-18b的横截面图；图19A仍然是根据本发明的进一步改型的光波导的横截面图；图19B是沿图19A中剖面线19b-19b的横截面图；图19C是沿图19B中剖面线19c-19c的横截面图；图20是结合根据本发明的光波导的显示装置的示意性前视图；图21A和21B是常规光波导的视图；图22是另一常规光波导的透视图；图23A仍然是另一常规光波导的横截面图；图23B是沿图23A中剖面线23b-23b的横截面图；和图24仍然是另一常规光波导的横截面图。
具体实施例方式
实施例1图1A和1B是根据本发明第一实施例光波导10的横截面图。图2A和2B是与图1A和1B相似的横截面图，但是示出了施加到光波导10上的光线反射并通过光波导10引导的方式。
如图1A和1B所示，光波导10包括在底板1上形成的下包层2、在下包层2上形成的上包层4和布置在下包层2和上包层4之间的三叉的芯层3。光源LED13具有与芯层3的光输入区域5的下表面接触的光输出表面，该光输出表面整体布置在下包层2内。芯层3包括具有各自的光输入区域5并合并成公共芯26的红、绿和蓝光芯26R、26G、26B，该公共芯26具有暴露在光输出区域7上的端面。光输入区域5不暴露，并具有比光输出区域7处芯层3的宽度更大的宽度。芯层3的红、绿和蓝光芯26R、26G、26B在光输入区域5具有各自的抛物线形端部。由于LED 13被保持在光输入区域5上，LED 13就能够为提高光输入效率而可靠和方便地定位。光源LED13的宽度和芯层3的光输入区域5的最大宽度的比例最好是在1∶2至1∶3的范围内。
如图1A所示，LED13包括红光源17R、绿光源27G和蓝光源27B。如图2A所示，从这些LED 13发出的信号光束由光输入区域5的侧表面6反射，如箭头所示，当反射光线15在芯26R、26G、26B中全反射时，反射光线15被导向光输出区域7。引导光线15在公共芯26中有效地合并为一束光束并从光输出区域7输出。
如图1A和2A所示，由于光输入区域5的宽度增大，所以其中的侧表面6的面积也增大。这些侧表面6形成具有抛物线外形的反射表面以便有效地反射光。因此，增加了导入到光输入区域5中的光量，并且也增加了从侧表面6向光输出区域7反射的光量。
因此，信号光以高的光输入效率从LED13发射到芯层3中，并且输入光被有效反射并导入到光输出区域7。导入到高折射率的芯层3中的光限制在芯层3中，而难于泄漏至低折射率的下包层2和上包层4中。在本发明的实施例中，芯层3的折射率n为1.35，下包层2和上包层4的折射率n为1.51，底板1的折射率n为3.5。这些折射率值可以运用到根据本发明的其它实施例和改型中。
根据本发明，芯层3的光输入区域5具有比光输出区域7更大的宽度，并且光输入区域5的侧表面6形成抛物线外形的反射表面，能够朝向光输出区域7有效地反射从LED 13发出至光输入区域5的光。因此，光输入区域5的侧表面6具有用于反射表面的增大面积，光输入区域5能够接收更多的从LED 13发出的光量并反射更多的光量。
引导到光输出区域7的输入光的效率提高，以有效地发射输入光。由于LED 13与光输入区域5的下表面保持接触，光波导10可以具有薄的厚度，并且LED 13能够容易定位在适当位置。即使LED 13在定位上有稍微偏移，LED 13发出的光也能高效地导入光输入区域5。因为光输入区域5的宽度增加，而增加了导入到光输入区域5中的光量，并且导入光被包括侧表面6的包层的分界面反射，向光输出区域7有效引导和会聚从芯层3出射的光。芯层3的形状决定输入光可能形成的所需光斑直径。
实施例2图3A和3B是根据本发明第二实施例的光波导10A的横截面图。图4A和4B是与图3A和3B相似的横截面图，但是示出了施加到光波导10A上的光被反射并通过光波导10A被引导的方式。
如图3A和3B所示，光波导10A包括在底板1上形成的下包层2、上包层4，以及布置在下包层2和上包层4之间并向公共的光输出区域7线性延伸的三叉的芯层3。光源LED 13具有与芯层3的光输入区域5下表面接触的光输出表面，该光输出表面一体地布置在下包层2内。芯层3包括具有各自的光输入区域5和合并成公共芯26的红、绿和蓝光芯26R、26G、26B，该公共芯26具有暴露在光输出区域7上的端面。光输入区域5不暴露，并且宽度比光输出区域7的芯层3的宽度更大。芯层3的红、绿和蓝光芯26R、26G、26B在光输入区域5具有各自的抛物线形端部，并朝向光输出区域7宽度逐渐线性减小。由于LED 13被保持在光输入区域5上，LED13就能够为提高输入效率而可靠和方便地定位。光源LED 13的宽度和芯层3的光输入区域5的最大宽度比例最好是在1∶2至1∶3的范围内。
如图3A所示，与第一实施例相同，LED 13包括红光源17R、绿光源27G和蓝光源27B。如图4A所示，从这些LED 13发出的信号光线被光输入区域5的侧表面6反射，如箭头所示，反射的光线15由芯26R、26G、26B导向光输出区域7，上述芯在光输出区域7的方向上宽度逐渐线性减小同时在芯26R、26G、26B内产生全反射。被引导的光束15在公共芯26中被有效地合并为一束从光输出区域7输出的光束。
如图3A和4A所示，与第一实施例相同，由于光输入区域5具有增加的宽度，所以其中的侧表面6也具有增加的面积。这些侧表面6形成具有抛物线外形的反射表面以有效地反射光。因此，增加了导入到光输入区域5中的光量，并且也增加了从侧表面6向光输出区域7反射的光量。因此，信号光以高的光输入效率从LED 13输出到芯层3中，并且输入光被有效反射并导入到光输出区域7。
根据本发明，芯层3的光输入区域5具有比光输出区域7更大的宽度，并且光输入区域5的侧表面6形成抛物线形的反射表面，能够有效地朝向光输出区域7反射从LED 13发出的光到光输入区域5。因此，由于光输入区域5的侧表面6具有用于反射表面的增大面积，所以引导到光输出区域7的输入光的效率提高，以便有效发射输入光。
由于LED 13与光输入区域5的下表面接触，LED 13能够在适当位置容易地定位。即使LED 13在定位上有稍微偏移，LED 13发出的光也能高效地导入光输入区域5。因为光输入区域5具有增加的宽度，就增加了导入到光输入区域5中的光量，并且导入光被侧表面6反射，向光输出区域7有效引导和会聚从芯层3出射的光。由于芯26R、26G、26B关于公共光输出区域7线性排列，即，这些芯的宽度在光输出区域7的方向上逐渐线性减小，在稍后对图6的描述中将会看到，从芯层到包层的泄漏光减少了，由于增加了光引导的效率并减小了波导的长度。根据第二实施例的光波导10A也能够提供与根据第一实施例的那些光波导10一样的优点。
图5和6是不同光波导数据的曲线图。
图5示出结合与光波导相对布置的三个光源的三叉光波导的数据图，例如图22中所示的常规的三叉光波导。这种类型的三叉光波导，由于光源需要在芯层3的光输入端定位，从光源输出光到细小的光输入端的效率低。导入光量与从光输出端输出的光量的比例受到光源间距W的限制。
特别地，三叉光波导的外部芯易于从其弯曲部分导致光的泄漏损耗。光源间距W越大，外部芯就更加弯曲，从而导致更大的光损耗，降低光波导输出光的效率。当光源间距W越小时，外部芯的弯曲度更小，导致光损耗的降低，提高光波导输出光的效率。因此，当光源间距W变大时，需要增加光波导的长度d，从而控制光波导输出光的效率的降低。
任何引入到光波导中的光损耗最好都能保持在至多为2dB的水平。图5示出了引入到光波导中的光损耗保持在至多2dB的水平时，光源间距W和波导长度d之间的关系图。
如图5所示，如果光源间距W设置为400μm，为了保持光损耗在至多2dB的水平，那么波导长度d必须是2cm或更长。
图6示出了一种光波导的数据图，该光波导具有三种光源的公共光输入区域，带有在光输出区域方向上宽度逐渐线性减小的芯。
从图6中可以看出，为了使引入到光波导中的光损耗保持在至多2dB的水平，如果输出端的宽度W2是常数，例如，W2＝400μm，而输入端的宽度W1是变化的，那么光波导的长度d就可约为3mm。因此，光波导的长度d就可以比图5中所示的光波导的长度d大大减小，从而允许光波导具有更小的尺寸。这是因为光波导侧部的逐渐线性变细消除了包层分界面上的光泄漏。因此，即使减小了光波导的长度，根据第一和第二实施例的使用至少一部分芯层具有如图6所示的芯宽度构造的光波导也能够有效降低光损耗。
根据第一和第二实施例的光波导可以根据图7A至7C和8A至8C所示的制造过程进行制造。图7A至7C和8A至8C只是示意性地示出了光波导的一部分，该部分包括其中一个光输入区域5和图1A和3A所示的逐渐延伸变窄的芯部分。
根据第一和第二实施例的光波导用于引导信号光进入芯层3。下包层2和上包层4用于限制信号光在芯层3中传输。芯层3由具有n为1.53的高折射率材料制成，下包层2和上包层4由具有比芯层3的折射率低的折射率n为1.51的材料制成，底板1由折射率n为3.5的硅制成。
芯层3和下包层2、上包层4最好由光聚合树脂制成。如果芯层3由光聚合树脂制成，那么这样就可以很容易地根据施加到其上的曝光(具体地，紫外辐射)模式形成芯的形状。这样的光聚合树脂对于包层材料也很有用。光聚合树脂可以是高聚物有机材料，例如日本专利公开第2000-356720号中公开的氧杂环丁烷树脂(oxetane resin)。这样的高聚物有机材料对波长为390nm至850nm范围内的可见光应该具有90％的透过率。芯层3和下包层2、上包层4也可以由无机材料而不是光聚合树脂制成。
光波导可以由包括具有如下所示的氧杂环丁烷环(oxetane ring)的氧杂环丁烷化合物的氧杂环丁烷树脂，或者由包括具有如下所示的氧硅烷环(oxysilane ring)的氧硅烷化合物的聚硅烷制成。这些材料可以是含有由光聚合链反应引起聚合的阳离子聚合引发剂的合成物。
氧杂环丁烷环 氧硅烷环 首先，如图7A所示，光源LED13布置在硅板1上。光源这样牢固地固定在适当位置。在图7A至7C和8A至8C中的每一图中，左边的图是横截面图而右边的图是平面图。
然后，如图7B所示，在硅板1上涂覆形成下包层2，这样在聚合后下包层就具有大约30μm的厚度。下包层2由具有比芯层折射率低的折射率n为1.51的氧杂环丁烷树脂制成。
然后，如图7C所示，涂覆形成芯层材料3A，这样在聚合后芯层就具有大约40μm的厚度。芯层材料3A由具有比包层折射率高的折射率n为1.53的氧杂环丁烷树脂制成。
其后，如图8A所示，掩模36具有在形状上与芯层互补的开口36a，如平面图所示放置在芯层材料3A上。然后，整个表面暴露在紫外辐射中固化开口36a下的芯层材料3A。掩模36的开口36a具有一个相应于光输入区域5宽度较大的区域，与宽度较大区域连接的抛物线形端部，和相应于光输出区域7的相对端部7a，端部7a具有提供预定光斑尺寸的形状。
然后，如图8B所示，移去掩模36以制造与掩模36的开口36a在形状上互补的芯层3。这样形成的芯层3具有以更高的效率引导信号光从LED 13进入的光输入区域5，并且作为反射表面的侧表面6具有与光输入区域5连接的抛物线形端部。
其后，如图8C所示，上包层4涂覆形成在包括芯层3的整个表面上，这样上包层4就和下包层2厚度相同。上包层4由和下包层2相同的材料制成。如此制成如图1A和1B所示的根据第一实施例的光波导10。可以改变如图8A所示的掩模36的开口36a以制造如图3A和3B所示的根据第二如上所述，为了制造根据第一和第二实施例的光波导，具有不同折射率的高聚物材料连续地沉积在安装有LED 13的底板1上，因此，形成了下包层2、芯层3和上包层4。使用具有图案的掩模36制造芯层3，使其围绕LED 13形成具有较大宽度的光输入区域5。从LED 13输出的光能够有效地导入到光输入区域5，并且导入的光被光输入区域5的侧表面6反射。可以调整光输出区域7a处的芯层尺寸，以输出作为具有所需光斑尺寸的光斑的导引光。能够以低成本制造根据上述实施例的高性能光波导。
下面将会参照图9A和9B至19A、19B和19C对上述的第一和第二实施例进行根据本发明的变化进行描述。图9A和9B至19A、19B和19C只示出了相应于图7A至7C和8A至8C所示部分的光波导的一部分。
图9A和9B至11A和11B示出了光波导，其光输入区域的端部形状不是根据第一和第二实施例的抛物线形状。
在图9A和9B中，光输入区域5具有半圆形的端部。通过改变如图8A所示的上述制造过程中的掩模36，就能很容易地形成光输入区域5的半圆形端部。光输入区域5具有较大的宽度。该光波导除了光输入区域5的形状之外的其它细节都和根据第一和第二实施例的那些光波导的相同。在光输入区域5的半圆形端部被侧表面6反射的导入光被有效导向光输出区域7a，这样就具有与根据第一和第二实施例的光波导相似的聚光效率。
在图10A和10B中，光输入区域5具有三角形端部。通过改变如图8A所示的上述制造过程中的掩模36就能很容易地形成光输入区域5的三角形端部。虽然光输入区域5具有不同的形状，但从光源导入的光也能有效地被三角形端部的三个侧表面上的反射表面所反射，并且被有效地导向光输出区域7a。光输入区域5具有较大的宽度。该光波导除了光输入区域5的形状之外的其它细节都和根据第一和第二实施例的那些光波导的相同。图10A和10B所示的光波导具有与根据第一和第二实施例的光波导相似的聚光效率。
在图11A和11B中，光输入区域5具有六边形端部。通过改变如图8A所示的上述制造过程中的掩模36就能很容易地形成光输入区域5的六边形端部。虽然光输入区域5具有不同的形状，但从光源导入的光也能有效地被六边形端部的六个侧表面上的反射表面所反射，并且被有效地导向光输出区域7a。光输入区域5具有较大的宽度。该光波导除了光输入区域5的形状之外的其它细节都和根据第一和第二实施例的那些光波导的相同。图10A和10B所示的光波导具有与根据第一和第二实施例的光波导相似的聚光效率。
光输入区域5可以具有除了图10A和10B所示的三角形端部和图11A和11B所示的六边形端部之外的任何不同的多边形端部。
如图12A至12C至18A和18B所示，上述的光波导在光输入区域的侧表面、上表面或下表面上可以具有由光反射金属制成的反射镜。
图12A至12C示出了形成具有抛物线形端部的光输入区域5的侧表面6和上表面9a上的反射镜8的过程。反射镜8可以在上述的制造过程中形成。
相应于图8A的图12A示出了上述制造过程。在图12B中，在光输入区域5的侧表面6和上表面9a上形成反射镜(反射膜)8。反射镜8可以通过例如溅射法沉积光反射金属而形成。
然后，如图12C所示，根据与如图8C所示相似的过程形成上包层4，这样所制造的光波导具有更好的光反射效率。具有上述结构的反射镜8也能够运用到具有图9A和9B所示的半圆形端部的光输入区域和具有图10A，10B，11A和11B所示的多边形端部的光输入区域。
反射镜8可以由例如Au、Al、Ti等金属成形。反射镜8能够有效地充分增加向光输出区域7a反射导入光的效率和减少芯层3中的光泄漏。因此，具有反射镜8的光波导比根据第一和第二实施例的光波导具有更好的聚光效率。
图13A和13B至15A和15B示出了反射镜8只布置在光输入区域5的侧表面6上的光波导。说明中省略了具有半圆形光输入区域端部的光波导。
图13A和13B示出了具有抛物线形端部的光输入区域的光波导。图14A和14B示出了具有六边形端部的光输入区域的光波导。图15A和15B示出了具有三角形端部的光输入区域的光波导。在本发明的每一种变化中，反射镜8都布置在侧表面6上，这样就使得其比根据第一和第二实施例的光波导具有更好的光反射效率。这些变化了的光波导比图1A和1B至11A和11B所示的光波导具有更好的聚光效率。由上述的制造过程可以很容易地制造出改型的光波导。
图16A和16B至18A和18B示出了反射镜8布置在光输入区域5的侧表面6和上下表面9a，9b上的光波导。说明中省略了具有半圆形光输入区域端部的光波导。
图16A和16B示出了具有抛物线形端部的光输入区域的光波导。图17A和17B示出了具有六边形端部的光输入区域的光波导。图18A和18B示出了具有三角形端部的光输入区域的光波导。在本发明的每一种变化中，反射镜8都布置在侧表面6和上下表面9a，9b上，这样就使得其比图13A和13B，14A和14B，和15A和15B所示的光波导具有更好的光反射效率。这些变化了的光波导比图13A和13B、14A和14B、以及15A和15B所示的光波导具有更好的聚光效率。由上述的制造过程可以很容易地制造这种结构的反射镜8。
图19A至19C示出了没有上包层的改型光波导。
图19A至19C所示的改型光波导消除了可能发生的从芯层3至上包层向上泄漏光，并且光波导的出射光主要在芯层3中获得。因此，根据芯层3的横截面形状输出光的光斑可以具有很小的尺寸。图19A至19C所示的光输入区域5的端部具有抛物线形的形状，图19A至19C所示的改型的光波导的原理也可以适用到具有其它端部形状的光输入区域5中。由于能够通过简单的过程制造图19A至19C所示的改型光波导，因此降低了制造成本。
如上所述，根据上述实施例和改型的光波导能够有效地会聚从LED 13输出的光，并且将光耦合到光波导中。因为LED 13与芯层3的光输入区域5整体结合，所以诸如定位偏移的容差很大，并且整个光波导具有薄的厚度。而且，具有抛物线形等形状的芯端部能够有效地会聚LED光束。通过调整光波导的形状就可以引导聚集的LED光和输出作为具有所需直径光斑的引导光。
根据第一或第二实施例的光波导具有被分为红光芯26R，绿光芯26G，和蓝光芯26B的芯层，和与芯26R，26G，26B的光输入区域5的下表面接触的红光源27R、绿光源27G和蓝光源27B，每一光源都包含一LED。红光芯26R和蓝光芯26B在其前部与绿光芯26G结合，形成公共芯26的端部。信号光线28R、28G、28B被分别引导通过红光芯26R、绿光芯26G和蓝光芯26B，并彼此通过公共芯26合并为一束光束，然后从公共芯26另一端部的光输出区域7输出。
控制信号光线的亮度和色彩平衡，输出光束29(R，G，B)作为具有预定颜色信息的信号光投射到下一级，例如屏幕，这样就提供了一种再现全彩色图像的显示装置。
如果这样的显示装置运用到如图20所示的头戴式显示装置(HMD)30中，那么图1A和1B或3A和3B所示的光波导用作一个单位像素。头戴式显示装置具有与图20的纸张垂直排列的单位像素单元线性阵列。由作为像素单元的光波导发出的直径减小的光束29通过扫描图像平面31，然后由光学透镜34以光斑聚焦到与扫描图像平面31有光学共轭关系的人眼32的视网膜33上。聚焦光斑在视网膜33上形成单线。由于视网膜33上的聚焦光斑在垂直于单线的方向上发生偏斜，头戴式显示装置30的使用者能够用头戴式显示装置30亲自体验和享受到虚拟图像。
在这种显示装置中，从LED27R、27G、27B发出的三色光线通常不相干并且以宽的辐射角辐射，从而很难将它们合并在一起。根据上述实施例，由于从LED发出的光线被导入到光波导的芯中、被会聚、并以所需光斑输出，因此在显示装置中作为点光源的光波导极为有用。
使用者像太阳镜一样佩戴的头戴式显示装置30可以与投影仪、摄像机、计算机或游戏机合组合，从而提供一种小型的视频显示系统。
根据上述实施例和变化的光波导可以进行不同的修改和变化。
例如，光波导的不同组件可以由与上述材料不同的材料制成，并且光波导的各层也可以与上述那些方式不同的方式排列。光波导的不同组件可以在能够提供上述相同优点的范围内，由除上述那些材料以外的材料制成。
光输入区域5的形状和光源的布置也可以不同于上述实施例和变型。例如，光源可以布置在不与芯层的光输入区域接触的位置，即，LED的光输出表面与在芯层和下包层之间的分界面隔开。可选地，LED 13可以布置在光输入区域5的上表面上，以引导发出的光向下进入光输入区域5。光输入区域5可以是半椭圆形。
可以对头戴式显示装置30的光学系统的排列方式进行改变。例如，光学系统可以使用包括微镜装置和多边形镜的扫描装置，并将图像投影到屏幕上。
本发明可广泛适用于操作信息处理的不同应用，包括具有光波导的显示装置，该光波导用于引导以LED光或激光作为光源的光束，和用于向光波导施加光信号并在下一阶段引导激光束到光接收元件的光通信系统，例如光学互连器、光电探测器等。
本发明的原理能够体现在这样的显示装置中光波导有效地会聚并输出光线，或者被有效地引导入光波导的信号广输出并由扫描部件扫描和投射，或者这样的光信息处理系统中，例如将从光波导输出的信号光在下一阶段被施加到光接收元件的光通信系统，例如光学互连器，光电探测器等。
虽然示出和具体描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，不脱离下面的权利要求书的范围可以提出各种修改和变化。
权利要求
1.一种光波导，包括芯层和包层的结合部件；所述芯层具有光输入区域和光输出区域，所述光输入区域具有比所述光输出区域更宽的宽度；所述光输入区域具有至少一个侧表面形成为反射表面，用于向所述光输出区域反射施加到所述光输入区域的光；和光源，其设置成与所述光输入区域的不是所述侧表面的另一表面接触或面对。
2.如权利要求1所述的光波导，其中所述光输入区域的所述侧表面是抛物线形、半圆形或多边形，如平面图所示。
3.如权利要求1所述的光波导，其中光输入区域的至少所述侧表面覆盖有光反射金属膜。
4.如权利要求1所述的光波导，其中所述芯层具有至少两个芯，每个芯具有所述光输入区域，所述芯在所述光输出区域连接在一起以提供公共的光输出端。
5.如权利要求4所述的光波导，其中具有不同波长范围的光信号由所述芯会聚和合并到一起。
6.如权利要求1所述的光波导，其中所述光源整体布置在所述芯层下面的包层中，所述光源具有保持在所述光输入区域上的发光部分。
7.如权利要求1所述的光波导，其中所述芯层的宽度从所述光输入区域向所述光输出区域逐渐线性减小。
8.如权利要求1所述的光波导，其中所述光源包括发光二极管。
9.一种光信息处理装置，包括根据权利要求1至8中任一项的光波导；光施加部件，用于将光引导到所述光波导的芯层中；和光接收部件，用于接收所述芯层发出的光。
10.如权利要求9所述的装置，用作对从所述芯层发出的所述光经过扫描部件进行投影的显示装置。
全文摘要
本发明公开了一种光波导和光信息处理装置。芯层具有光输入区域和光输出区域，所述光输入区域的宽度比所述光输出区域的宽度要宽。光输入区域具有至少一个侧表面形成反射表面。光输入区域具有抛物线形端部。LED设置成与光输入区域的下表面接触。信号光以提高的光输入效率从LED引导进入光输入区域，并且被光输入区域的侧表面高效反射，以获得更高的聚光效率。
文档编号G02B27/02GK1591060SQ200410076689
公开日2005年3月9日 申请日期2004年9月6日 优先权日2003年9月5日
发明者荒木田孝博, 中田英彦, 铃木健二 申请人:索尼株式会社