一種多層衍射光波導裝置的制作方法

1.本發明屬于光波導裝置領域，具體涉及一種多層衍射光波導裝置。


背景技術：

2.衍射光波導裝置一般包含微光機、透明或者半透明的單層波導或者多層波導結構、耦入光柵以及出瞳擴展光柵。其中，微光機為用戶提供一定視場角下的單色或者彩色的圖像，通過耦入光柵，在滿足全反射的條件下，將其耦入光波導結構中以進行全反射傳輸，最后通過出瞳擴展光柵實現二維出瞳擴展并從光波導中耦出，最終進入人眼，以使用戶在觀察到虛擬圖像的同時，能夠觀察到真實世界的場景。為了實現彩色(多波長)、大視場角下圖像的傳輸，一般需要使用多層波導結構(如三層波導)，通過耦入光柵，分別將一定視場角下的單一波長耦入到每層波導中，并最終通過出瞳擴展光柵從每一層波導中耦出，合成為彩色圖像后進入人眼中，以讓用戶能夠觀察到大視場角下的彩色圖像以及真實世界的場景。
3.為了實現彩色、大視場角下的圖像傳輸，現有的技術都是使用多層衍射光波導結構，微光機為光波導提供彩色圖像，每一層波導都包含一個耦入光柵，以將不同顏色的光分別耦入到每一層波導中，最后通過出瞳擴展光柵實現二維出瞳擴展并耦出。其中，耦入光柵的周期一般是在亞波長級別的表面浮雕光柵，如傾斜光柵、矩形光柵、閃耀光柵等，為了滿足全反射條件，一般使用耦入光柵的第一衍射級次，以保證微光機耦入的圖像能夠在光波導內進行全反射傳輸。由于耦入光柵是一種周期為亞波長的衍射光柵，其對入射角度和波長都非常敏感，因此，對于微光機提供了具有一定視場角的彩色圖像，其無法保證在不同的角度下，第一衍射級次的衍射效率和均勻性，從而降低了耦出圖像的效率以及均勻性；同時，除了第一衍射級次外，還有零級次，其無法利用，會直接透過光波導而被損耗掉，進一步降低耦出圖像的效率，以及由于邊緣視場角的部分圖像在經過耦入光柵，產生第一衍射級次，在第一次全反射后再次與耦入光柵相互作用，發生二次衍射，同樣降低了耦入光束的效率和均勻性。


技術實現要素：

4.本發明的目的在于針對現有技術中耦出圖像的效率以及均勻性較低的問題，提出一種多層衍射光波導裝置。
5.為實現上述目的，本發明所采取的技術方案為：
6.本發明提出的多層衍射光波導裝置，包括微光機、第一波導組件、第二波導組件、第三波導組件、第一光柵組件、第二光柵組件和第三光柵組件，其中：
7.微光機，用于提供第一光線、第二光線和第三光線，依次對應為藍色光線、綠色光線和紅色光線，并滿足d1＝d2＝d3≤d，其中，d、d、d依次對應為第一光線、第二光線和第三光線的光束直徑，d為相鄰光線的中心間距；
8.各波導組件并排設置，均包括波導板和直角棱鏡，直角棱鏡的第一直角面貼合波
導板的厚度方向側壁設置，第二直角面靠近微光機設置，且其斜面設有高反膜層，直角棱鏡還滿足如下條件：
[0009][0010]
tanθ＝d4/t1
??????????????????????
(2)；
[0011]
其中，
[0012]
n0sin i＝n1sini'
????????????????????
(3)；
[0013]
ρ＝sin-1
(1/n2)
??????????????????
(4)；
[0014]
n1≤n2，d4≥d1，t≥t1；
[0015]
其中，θ為直角棱鏡上第一直角面和斜面的夾角，n0為空氣折射率，n1為直角棱鏡的折射率，n2為波導板的折射率，i為對應光線在直角棱鏡中的入射角度，i
′
為對應光線在直角棱鏡中的折射角度，η為對應光線在波導板中的全反射角度，t為波導板的厚度，d4為直角棱鏡的第二直角面的寬度，t1為直角棱鏡的第一直角面的寬度；
[0016]
所述第一光柵組件、第二光柵組件和第三光柵組件一一對應設置于第一波導組件、第二波導組件和第三波導組件上靠近人眼在側，用于實現出瞳擴展并耦出；
[0017]
第一光線、第二光線和第三光線一一對應入射至第一波導組件、第二波導組件和第三波導組件，各直角棱鏡分別將對應的光線反射耦入對應的波導板進行全反射傳輸，再通過對應的光柵組件實現出瞳擴展并耦出至人眼。
[0018]
優選地，第一光線的中心波長為450nm-460nm，第二光線的中心波長為525nm-535nm，第三光線的中心波長為620nm-635nm。
[0019]
優選地，第一光線、第二光線和第三光線的光束直徑取值范圍為d1＝d2＝d3≥1mm，相鄰光線的中心間距d＝1.5mm-2mm。
[0020]
優選地，各波導板均為透明波導或者半透明波導，其厚度t＝0.8mm-1.2mm。
[0021]
優選地，各光柵組件包括兩個一維光柵或一個二維光柵，兩個一維光柵分別為出瞳擴展光柵和耦出光柵。
[0022]
優選地，一維光柵為一維表面浮雕光柵或體全息光柵，一維表面浮雕光柵為傾斜光柵、閃耀光柵、矩形光柵，二維光柵為二維表面浮雕光柵，二維表面浮雕光柵為柱狀光柵或六角光柵，各光柵的光柵周期為250nm-500nm。
[0023]
優選地，直角棱鏡的折射率n1和波導板的折射率n2取值范圍為1.7-2.0。
[0024]
優選地，高反膜層為ta2o5和sio2的交替層、al金屬層或silver金屬層。
[0025]
優選地，微光機包括led光源、準直透鏡組、微透鏡陣列、偏振分光棱鏡、投影透鏡和lcos投影芯片，led光源發出的光線依次經過準直透鏡組、微透鏡陣列和偏振分光棱鏡入射至lcos投影芯片，lcos投影芯片發出的光線通過偏振分光棱鏡反射至投影透鏡投影后投影至外界。
[0026]
優選地，微光機包括led光源、準直透鏡組、微透鏡陣列、投影透鏡和dmd投影芯片，led光源發出光線依次經過準直透鏡組和微透鏡陣列入射至dmd投影芯片，dmd投影芯片發出的光線通過投影透鏡后投影至外界。
[0027]
與現有技術相比，本發明的有益效果為：各光線分別經過相對應直角棱鏡進行反射并無損耗耦入至相對應層次的波導中進行全反射傳輸，通過采用微光機提供的藍色光
線、綠色光線和紅色光線，各光線再通過對應的光柵組件實現出瞳擴展并耦出至人眼，解決了現有技術中微光機提供的光線在耦入或耦出過程中損耗較大的問題，從而極大的提高整體耦出圖像的效率和顏色的均勻性，實現彩色、大視場角下的高質量圖像傳輸。
附圖說明
[0028]
圖1為本發明多層衍射光波導裝置的結構示意圖；
[0029]
圖2為本發明多層衍射光波導裝置的局部結構示意圖；
[0030]
圖3為本發明直角棱鏡的結構示意圖；
[0031]
圖4為本發明的波導組件的另一種實施方式的結構示意圖；
[0032]
圖5為本發明的光線在直角棱鏡中的入射角度和反射率的關系圖。
[0033]
附圖標記說明：1、人眼；2、微光機；3、第一波導組件；4、第二波導組件；5、第三波導組件；6、第一光柵組件；7、第二光柵組件；8、第三光柵組件。
具體實施方式
[0034]
下面將結合本技術實施例中的附圖，對本技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本技術一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒炯夹g中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本技術保護的范圍。
[0035]
需要說明的是，當組件被稱為與另一個組件“連接”時，它可以直接與另一個組件連接或者也可以存在居中的組件。除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本技術的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本技術的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是在于限制本技術。
[0036]
如圖1-5示，一種多層衍射光波導裝置，包括微光機2、第一波導組件3、第二波導組件4、第三波導組件5、第一光柵組件6、第二光柵組件7和第三光柵組件8，其中：
[0037]
微光機2，用于提供第一光線、第二光線和第三光線，依次對應為藍色光線、綠色光線和紅色光線，并滿足d1＝d2＝d3≤d，其中，d1、d2、d3依次對應為第一光線、第二光線和第三光線的光束直徑，d為相鄰光線的中心間距；
[0038]
各波導組件并排設置，均包括波導板和直角棱鏡，直角棱鏡的第一直角面貼合波導板的厚度方向側壁設置，第二直角面靠近微光機2設置，且其斜面設有高反膜層，直角棱鏡還滿足如下條件：
[0039][0040]
tanθ＝d4/t1
??????????????????
(2)；
[0041]
其中，
[0042]
n0sin i＝n1sin i'
????????????????????
(3)；
[0043]
η＝sin-1
(1/n2)
??????????????????
(4)；
[0044]
n1≤n2，d4≥d1，t≥t1；
[0045]
其中，θ為直角棱鏡上第一直角面和斜面的夾角，n0為空氣折射率，n1為直角棱鏡的折射率，n2為波導板的折射率，i為對應光線在直角棱鏡中的入射角度，i
′
為對應光線在直
角棱鏡中的折射角度，η為對應光線在波導板中的全反射角度，t為波導板的厚度，d4為直角棱鏡的第二直角面的寬度，t1為直角棱鏡的第一直角面的寬度；
[0046]
第一光柵組件6、第二光柵組件7和第三光柵組件8一一對應設置于第一波導組件3、第二波導組件4和第三波導組件5上靠近人眼1在側，用于實現出瞳擴展并耦出；
[0047]
第一光線、第二光線和第三光線一一對應入射至第一波導組件3、第二波導組件4和第三波導組件5，各直角棱鏡分別將對應的光線反射耦入對應的波導板進行全反射傳輸，再通過對應的光柵組件實現出瞳擴展并耦出至人眼1。
[0048]
其中，以圖1為例，以人眼1在的位置為上，以第三波導組件5在的位置為下，直角棱鏡所在的位置為左，波導板所在的位置為右，僅便于描述，具體方位不作限定。具體地，第一波導組件3、第二波導組件4和第三波導組件5由上到下依次設置，人眼1位于第一波導組件3的上方，各波導組件中直角棱鏡位于波導板的左側，光線在各波導組件中的的傳輸方向為從左向右傳播，第一光柵組件6、第二光柵組件7和第三光柵組件8分別位于對應的波導板上方，微光機2位于三個直角棱鏡的上方。從微光機2發出的第一光線、第二光線和第三光線從右至左依次分布，第一光線入射至第一波導組件3的直角棱鏡中，經過各直角棱鏡的斜面反射后耦入至第一波導組件3的波導板中，在波導板中由左向右全反射傳輸，再從第一光柵組件6耦出；第二光線入射至第二波導組件4的直角棱鏡中，經過各直角棱鏡的斜面反射后耦入至第二波導組件4的波導板中，在波導板中由左向右全反射傳輸，再從第二光柵組件7耦出；第三光線入射至第三波導組件5的直角棱鏡中，經過各直角棱鏡的斜面反射后耦入至第三波導組件5的波導板中，在波導板中由左向右全反射傳輸，再從第三光柵組件8耦出；第一光線、第二光線和第三光線耦出后合成為彩色圖像進入人眼1中，使用戶能夠觀察到大視場角下的真實世界場景。
[0049]
光波導能夠耦入的視場角度跟光譜寬度、波導組件的折射率以及耦入光柵的周期有關，在波導組件折射率、耦入光柵的周期確定的情況下，光譜寬度越窄，能夠耦入的視場角度越大。因此，對于白光光源，可以分成紅、綠、藍三個單色窄帶光，每種顏色對應層波導組件，這樣單個顏色的光能夠耦入的視場角就增大了，最終三種顏色合并后整個耦入的視場角也會增大。
[0050]
需要說明的是，各波導組件的直角棱鏡和波導板可為分體式結構或一體式結構，分體式結構如圖1所示，一體式結構如圖4所示，具體地，在圖4中，各波導組件的直角棱鏡和波導板均為透明或半透明波導，為一體式結構，各波導組件左側切割為斜面，在該斜面上鍍有高反膜層，實現對應光線的反射。
[0051]
θ需滿足公式(1)，直角棱鏡需滿足公式(2)，如，θ＝60
°
，d4＝d＝1.5mm，則t1＝0.86mm。
[0052]
在一個實施例中，第一光線的中心波長為450nm-460nm，第二光線的中心波長為525nm-535nm，第三光線的中心波長為620nm-635nm。
[0053]
具體為，如圖1示，第一光線的中心波長λ1為450nm-460nm，第二光線的中心波長λ2為525nm-535nm，第三光線的中心波長λ3為620nm-635nm，且各光線進入相對應直角棱鏡中的入射角度可根據實際需要調整。
[0054]
在一個實施例中，第一光線、第二光線和第三光線的光束直徑取值范圍為d1＝d2＝d3≥1mm，相鄰光線的中心間距d＝1.5mm-2mm。
[0055]
在一個實施例中，各波導板均為透明波導或者半透明波導，其厚度t＝0.8mm-1.2mm。
[0056]
在一個實施例中，各光柵組件包括兩個一維光柵或一個二維光柵，兩個一維光柵分別為出瞳擴展光柵和耦出光柵。
[0057]
具體為，當光柵組件為兩個一維光柵時，光線經波導板全反射到達出瞳擴展光柵，并在水平方向進行出瞳擴展，同時在垂直方向進行傳輸至耦出光柵；當光柵組件為二維光柵時，二維光柵可直接實現出瞳擴展和耦出的功能。
[0058]
在一個實施例中，一維光柵為一維表面浮雕光柵或體全息光柵，一維表面浮雕光柵為傾斜光柵、閃耀光柵、矩形光柵，二維光柵為二維表面浮雕光柵，二維表面浮雕光柵為柱狀光柵或六角光柵，各光柵的光柵周期為250nm-500nm。
[0059]
在一個實施例中，直角棱鏡的折射率n1和波導板的折射率n2取值范圍為1.7-2.0。
[0060]
在一個實施例中，高反膜層為ta2o5和sio2的交替層、al金屬層或silver金屬層。
[0061]
具體為，針對不同光線的中心波長，高反膜層種類相同時，直角棱鏡的斜面需要鍍有不同厚度的高反膜層。
[0062]
在一個實施例中，微光機2包括led光源、準直透鏡組、微透鏡陣列、偏振分光棱鏡、投影透鏡和lcos投影芯片，led光源發出的光線依次經過準直透鏡組、微透鏡陣列和偏振分光棱鏡入射至lcos投影芯片，lcos投影芯片發出的光線通過偏振分光棱鏡反射至投影透鏡投影后投影至外界。
[0063]
具體為，led光源發出的光線經過準直透鏡組進行準直和擴束，再經微透鏡陣列進行勻光，再經偏振分光棱鏡入射至lcos投影芯片，lcos投影芯片被照亮發出的光線由lcos投影芯片反射進入至偏振分光棱鏡，最后通過投影透鏡后投影至外界。
[0064]
在另一個實施例中，微光機2包括led光源、準直透鏡組、微透鏡陣列、投影透鏡和dmd投影芯片，led光源發出光線依次經過準直透鏡組和微透鏡陣列入射至dmd投影芯片，dmd投影芯片發出的光線通過投影透鏡后投影至外界。
[0065]
具體為，led光源發出的光線經過準直透鏡組進行準直和擴束，再經微透鏡陣列進行勻光，再入射至dmd投影芯片，dmd投影芯片被照亮發出的光線經投影透鏡后投影至外界。
[0066]
在一個實施例中，當：
[0067]
i＝20
°
，n1＝n2＝1.7，則根據公式(1)，則：
[0068]
50.7
°
＜θ＜66.2
°
。
[0069]
其中，直角棱鏡的斜面所鍍高反射膜層可以為ta2o5和sio2的交替層來實現不同偏振態下入射光線的高反射率(也可以使用al或silver的膜層)，如圖5示，對于中心波長λ3＝630nm，對于中心波長λ3＝630nm，ta2o5和sio2交替堆疊，具體可根據實際需求調整層數，如層數為十五層，且每層ta2o5的厚度為73.82nm，每層sio2的厚度為108.09nm，在0-45
°
的入射范圍內，p偏振光平均反射率達到96％以上，s偏振光平均反射率達到99％以上，以及兩種偏振態下平均反射率(reflectancemean-pol)在98％左右，反射率較高。
[0070]
在另一個實施例中，當：
[0071]
i＝30
°
，n1＝n2＝1.8，則根據公式(1)，則：
[0072]
53
°
＜θ＜65
°
。
[0073]
其中，直角棱鏡的斜面所鍍高反射膜層可以為ta2o5和sio2的交替層來實現不同
偏振態下入射光線的高反射率(也可以使用al或silver的膜層)，如圖5示，對于中心波長λ3＝630nm，對于中心波長λ3＝630nm，ta2o5和sio2交替堆疊，具體可根據實際需求調整層數，如層數為十五層，且每層ta2o5的厚度為73.82nm，每層sio2的厚度為108.09nm，在0-45
°
的入射范圍內，p偏振光平均反射率達到96％以上，s偏振光平均反射率達到99％以上，以及兩種偏振態下平均反射率(reflectancemean-pol)在98％左右，反射率較高。
[0074]
該裝置采用各光線分別經過相對應直角棱鏡進行反射并無損耗耦入至相對應層次的波導中進行全反射傳輸，微光機提供的藍色光線、綠色光線和紅色光線，各光線再通過對應的光柵組件實現出瞳擴展并耦出至人眼，解決了現有技術中微光機提供的光線在耦入或耦出過程中損耗較大的問題，從而極大的提高整體耦出圖像的效率和顏色的均勻性，實現彩色、大視場角下的高質量圖像傳輸。
[0075]
以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。
[0076]
以上所述實施例僅表達了本技術描述較為具體和詳細的實施例，但并不能因此而理解為對申請專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本技術構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本技術的保護范圍。因此，本技術專利的保護范圍應以所附權利要求為準。