增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的制作方法
【專利說明】増強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件
[0001]
技術領域
[0002]本發明涉及一種平面波導光學顯示器件，特別是一種視場大、結構緊湊、增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件。
【背景技術】
[0003]對于應用于增強現實的可穿戴光學顯示元件，為了方便穿戴者能夠及時的獲取來自顯示光源的全部信息，通常要求該顯示系統具有視場大、重量輕、體積小以及增強現實的效果。傳統的頭盔穿戴顯示是基于45°反射式結構或離軸光學結構來實現的。這些結構在視場增大和頭盔的整體重量方面存在著很大的矛盾。例如基于45°反射式結構顯示系統，為了增大視場，只有通過增加45°反射面的面積來實現，這意味著整體顯示系統的重量增加，給佩戴者帶來了不舒適感，不利于輕便靈活的應用該系統。
[0004]為了達到增強現實的效果，頭盔穿戴顯示光學系統通常利用光學元件將圖像信息虛擬的顯示在人眼前方的一定距離處，使得穿戴者在瀏覽信息的同時可以觀察到周圍景物的變化，從而不影響正常的行為方式。因此，視場大、結構緊湊、重量輕以及高分辨率的圖像顯示一直是此類光學系統亟待解決的關鍵問題。其中顯示光學元件的厚度、重量和大視場尤為重要。在某些應用領域，圖像的對比度和視場的大小直接影響到觀察人員的安全以及獲取信息的完整性，同時顯示系統的重量對佩戴者的舒服程度有很大的影響。
[0005]為了解決傳統穿戴顯示光學系統中重量和視場矛盾以及制造工藝帶來的一系列問題，本發明設計了一種增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件。
[0006]
【發明內容】
[0007]為了解決上述問題，本發明提供了一種增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件。
[0008]為了達到上述目的，本發明采用了以下的技術方案:
一種增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件，其特征在于:依次包括:圖像顯示光源，用于發出顯示所需圖像的顯示光波；準直透鏡組，對光源發出的光波進行準直；縱向擴展結構，用于增加縱向耦合輸入通光面積，從而對垂直方向的視場進行擴展；耦合反射面，將準直光波耦合進入到平面波導；平面波導襯底，對耦合進入的光波進行反射傳播形成全反射光波；鋸齒槽結構，用于水平方向的視場擴展以及光波耦合輸出襯底；消棱鏡效應蓋片，用于消除鬼影的出現，提高圖像的清晰度。其中，準直透鏡組位于顯示光源和縱向擴展結構之間，縱向擴展結構位于平面波導耦合反射面位置的下方，鋸齒槽結構位于平面波導襯底遠離耦合輸入面一側的上表面，消棱鏡效應蓋片位于鋸齒槽結構的上方。本發明主要是采用波導縱向擴展、全反射原理、微齒形面一次反射成像原理、鍍膜技術和納米加工技術實現的。來自圖像顯示光源的光波經準直透鏡準直以后入射到縱向擴展結構中，經過縱向擴展結構的縱向擴展光波被耦合進入波導襯底中，采用棱鏡改變光線傳播方向的原理，使光線以滿足全反射的條件，在平面波導襯底中無損耗地傳輸到需要顯示輸出的位置。由于鋸齒槽結構位于顯示輸出的位置，該結構的存在打破了光線在平面波導中的全反射傳輸條件，經過微形齒面的一次反射成像，使光波耦合輸出到平面波導外，從而進入到觀察者的視野中。而來自周圍景物的光線，經過平面波導襯底上下表面以及鋸齒槽結構的反射直接進入到人眼，從而實現了圖像信息和周圍景物的同時觀察。
[0009]本發明提供的平面波導目視光學顯示器件，還具有這樣的特征:耦合反射面的有效通光口徑內蒸鍍有相應的多層增透膜，耦合反射面的外表面旋涂有相應的反射膜，縱向擴展結構的表面鍍有增透膜。
[0010]本發明提供的平面波導目視光學顯示器件，還具有這樣的特征:縱向擴展結構中的鋸齒的寬度與鋸齒槽結構中的鋸齒的寬度相等且數量相同，這些齒形表面需要加工到鏡面(表面粗糙度1^應小于成像光的波長尺寸，如10-20nm)的效果，鋸齒槽結構與消棱鏡效應蓋片的材料相同，且在兩者之間使用適當的光學膠水進行膠合，如與材料折射率匹配的紫外膠。
[0011]本發明提供的平面波導目視光學顯示器件，還具有這樣的特征:鋸齒槽結構的鋸齒單元的兩個斜面與水平面的夾角β -。2之間滿足下述關系:
β -C2 =90° — β _cl。
[0012]本發明提供的平面波導目視光學顯示器件，還具有這樣的特征:主軸光線在波導上下表面一個回程反射的位移LI與鋸齒結構的總長度L2之間滿足下述關系:
LI 彡 L2o
[0013]本發明提供的平面波導目視光學顯示器件，還具有這樣的特征:耦合反射面到鋸齒槽結構輸出面的距離Wl與主軸光線在波導上下表面一個回程反射的位移LI之間滿足下述關系:
Wl = M*L1，其中M為正整數。
[0014]與現有的成像系統相比，本發明的有益效果是:水平方向和垂直方向的視場易于擴展、波導結構輕薄、結構緊湊、加工工藝簡單易實現、成本低廉。這些有益效果使得本發明與傳統45°反射顯示系統相比，圖像的對比度得以提高，成像系統的體積和重量得以減小。在相同的體積下，本發明光學系統的水平和垂直視場更大，光波耦合效率更高、制造工藝更簡單易行、成本更低、結構也更緊湊小巧。本發明光學系統不僅能用于可穿戴顯示，還可用于場景訓練模擬、醫療耳鏡、裸眼3D顯示、移動顯示等諸多領域。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的示意圖；
圖2為基于45°反射式結構的光學顯示系統的光線傳播示意圖；
圖3為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的平面波導襯底示意圖；
圖4為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的鋸齒結構示意圖；
圖5為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的45°反射結構縱向視場擴展不意圖；
圖6為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的波導結構縱向視場擴展不意圖；
圖7為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件縱向擴展結構應用示意圖；
圖8為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的縱向擴展結構襯底制作工藝示意圖；
圖9為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的縱向擴展結構鋸齒制作工藝示意圖；
圖10為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的結構參數示意圖；圖11為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的旋涂膜層反射率隨入射角度變化的曲線圖；
圖12為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的旋涂膜層反射率隨波長變化的曲線圖；以及
圖13為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件集成單眼應用示意圖。
[0016]
【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖對本發明的具體工作過程給予說明。
[0018]圖1為本發明增強現實的鋸齒結構平面波導目視光學顯示器件的示意圖。如圖1所示，本發明光學器件的系統組成包括:圖像顯示光源10，準直透鏡組11，縱向擴展結構12，耦合反射面13，平面波導襯底14，鋸齒槽結構15，消棱鏡效應蓋片16。圖像顯示光源10發出的光波，經過準直透鏡組11的準直后入射到縱向擴展結構12，經過縱向擴展結構的縱向擴展光波被耦合進入耦合反射面13上，通過耦合面的反射進入到平面波導襯底14中傳播，光線經過一定的光程后到達鋸齒槽結構15上，打破了光線的全反射條件，使得光線耦合輸出襯底，且由于消棱鏡效應蓋片16的存在，避免了鬼影的出現，提高了圖像的清晰度。
[0019]本發明平面波導目視光學顯示器件的基本結構由七部分組成，對于具體應用可對本發明的組成部分進行相應的擴展，從而進一步提高系統在具體應用方面的潛力。