CN104597602A - 高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件 - Google Patents

Abstract

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。

Description

高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件

技术领域

本发明涉及一种平面波导光学器件，特别是一种可用于全眼穿戴穿透显示的高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件。

背景技术

传统的头盔穿戴显示采用45º反射式的结构来实现。这种结构在视场增大和头盔的整体重量方面存在着很大的矛盾。为了增加视场，只有通过增加45º反射面的面积来实现，这意味着整体反射系统的重量增加。通常，头盔穿戴显示设备为了方便穿戴者在浏览信息的同时不影响正常的行为方式，利用光学元件将图像信息虚拟地显示在人眼前方的一定距离处。此类光学显示系统的核心组件由三部分组成：图形信息光波耦合输入组件、信息光波传输衬底以及图像光波耦合输出显示组件。因此，高效耦合、结构紧凑、轻重量、大视场以及高分辨率的图像显示技术一直是此类光学显示系统亟待解决的关键问题。其中，高效耦合、轻重量和大视场尤为重要。在某些应用领域，图像的对比度和观察视场范围直接影响到人员的安全以及观察者获取信息的完整性，同时显示系统的整体重量对于佩戴者的舒服程度也有很大的影响。

为了解决传统穿戴显示光学系统中由于光学成像系统光波耦合效率低、重量和视场矛盾以及制造工艺带来的一系列问题，本发明设计了一种高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件。

发明内容

为了解决上述问题，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。

为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件，其特征在于：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，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，对全反射光波进行耦合输出。其中，准直透镜设置在显示图像光源与平面波导衬底之间，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。本发明主要采用镜面反射、全反射、微齿形面反射原理以及镀膜技术和纳米加工技术实现的。来自显示图像光源的光线经准直透镜准直后入射到耦合输入面，经反射进入到平面波导衬底。采用棱镜改变光线传播方向的原理，使光线满足全反射的条件，在平面波导衬底中无损耗地传输到需要显示输出的位置。由于镶嵌微齿形结构的存在，打破了光线在平面波导衬底中全反射传播的条件，经过微齿形齿面的反射，使光线耦合输出到微齿形结构外而进入到观察者的视野中。对于周围环境中的光线，经过波导上下表面的反射直接进入到人眼中，从而完成图像信息和周围环境信息的同时观察。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：准直透镜采用单个非球面镜，耦合输入面镀有增透膜，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R_a应小于成像光的波长尺寸，如10-20nm）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，如折射率匹配的紫外胶。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：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 = Hw。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：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、透过率及机械性能，如PMMA。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：其中，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α_Sur之间满足下述关系：Lray >3 Hp*tan(α_Sur )。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：其中，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α_Sur之间满足下述关系：Lt > 2 Hp*tan(α_Sur )。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：其中，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，如600um，以避免由于微齿形结构造成强烈衍射效应，而影响成像效果。

与现有的成像系统相比，本发明的有益效果是：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。这些有益的效果使得本发明光学系统相比于传统45º反射显示系统，图像的对比度得以提高，系统的体积和重量得以减小。在相同的体积下，本发明的光学系统视场更大，耦合光波耦合效率更高、成本更低、结构也更紧凑小巧。本发明光学系统不仅可用于可穿戴显示，同时在扩展均匀照明、汽车导航显示以及野外地图指示方面也有着应用潜力。

附图说明

图1为本发明高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件的示意图；

图2为本发明高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件的平面波导示意图；

图3为本发明高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件的微齿形结构示意图；

图4为正面耦合光波齿形镶嵌平面波导光学器件示意图；

图5为正面耦合光波光阑限光齿形镶嵌平面波导光学器件示意图；

图6为正面棱镜耦合光波齿形镶嵌平面波导光学器件示意图；

图7为齿形镶嵌平面波导的光学器件正面耦合和侧面耦合光线示意图，其中图7A为正面耦合光线示意图，7B为侧面耦合光线示意图；

图8为30^o入射角对应的不同入射介质反射率曲线示意图；以及

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。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体工作工程给予说明。

图1为本发明高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件的示意图，如图1所示，本发明光学器件的系统组成包括：显示图像光源10，准直透镜11，耦合输入面12，平面波导衬底13，微齿形结构14。显示图像光源10上一点Q发出的光波经过准直透镜11的准直后入射到耦合输入面12上，通过耦合表面的反射后进入平面波导衬底13中传播，光线传播一定的光程后到达微齿形结构14上，打破了全反射条件使光线耦合输出到观察者的Eye中。下面针对本发明的各个组成部分的作用给以相应的说明。

显示图像光源10在头戴显示应用系统中主要提供用来观察的图像信息。而目前主流的图像显示光源有DLP、LCD、OLED、Lcos等。不同的显示技术对应于不同的显示要求。为了能够使得显示系统的整体结构在体积上趋于微型化，且考虑光源各点亮度的均匀性、输出光效以及亮度要求和分辨率与尺寸的限制等因素，通常选择体积合适、亮度均匀、分辨率高的光源作为微显示系统的显示光源，如Lcos。为了满足光学设计和膜系设计等要求，通常会在显示光源前面加偏光片，用于改变来自显示系统的光波的偏振态。但这将导致进入波导显示系统的整体光效的大大减弱。不过，硅基液晶Lcos的光效足以满足相应的应用要求。对于硅基液晶Lcos可根据具体的要求选择CF-Lcos或CS-Lcos，两者主要在分辨率上存在显著差别。同尺寸的CS-Lcos的分辨率通常高于CF-Lcos。

准直透镜11主要是对显示图像光源发出的光波进行准直。在头戴显示应用中，人眼作为最终的图像信息接收器，需要对来自图像的光波进行准直以达到人眼自由放松观看的实际要求。一般采用光学球面透镜对光波进行准直，但是由于光学系统像差的存在，图像经过透镜后存在着象散、畸变、场曲、彗差等像差，为此对于准直透镜需要按照应用要求进行严格的像差矫正，以期达到理想的成像效果，否则就会影响光学系统的最终分辨率，使得人眼无法清楚的观看到真实的图像信息。由于普通球面镜在矫正像差时，需要有不同材料和曲率半径的透镜组合而成，这会使整个系统的重量和体积增大。因此通常采用非球面镜来完成像差的矫正，由于在矫正像差时，单个非球面镜即可实现，从而给系统的整体结构及重量带来了益处。

耦合输入面12是采用镜面折射的原理利用棱镜来改变光线的传播方向。来自准直透镜11的光线入射到耦合输入面12后，经过耦合输入面12的反射进入到平面衬底。由于采用斜面耦合光波进入衬底，可以有效地避免反射光线对原始图像像质的影响。通常为了进一步提高光波的耦合输入效率，可在耦合输入面12的有效通光口径范围内镀上相应的增透膜，来提高光波的耦合输入能量。

平面波导衬底13的加工材料有很多种，如玻璃材料JGS1、JGS2、K9、BK7等，塑料材料有PET、PMMA等。由于每种材料的折射率、色散系数不同，导致全反射临界角、材料的透过率、吸收吸收系数和重量不同。考虑到实际应用条件的限制，需要根据具体要求进行选择。光波在衬底中传播时需要满足全反射的条件，以保证光线没有折射出衬底。同时应尽可能减少材料本身对光波能量的吸收，否则会使大量的光波能量在传输过程中损失而影响图像的可见度。另外平面衬底材料本身限制了在衬底中传输的图像的范围，为了扩大传输图像的范围，通常在衬底表面按照需求镀上一定反射率的膜层，对材料的全反射角给予一定的扩展。为此，平面波导衬底的材料通常选择具备合适折射率、透过率以及机械性能的光学材料，如塑料亚克力PMMA。且塑料亚克力PMMA（n_d=1.49）的全反射临界角为42.2º，高于一般的K9玻璃（n_d=1.52）的全反射临界角41.8º，另外PMMA的重量较轻，对于同等体积的K9玻璃和PMMA塑料，PMMA的重量是K9玻璃的一半，这种优势可以用来减轻穿戴显示应用设备的重量。

微齿形结构14用来破坏光线的全反射条件使其耦合输出到齿形结构外。光波经过平面波导衬底13的传输进入到微齿形结构14中，由于微齿形结构14和平面波导衬底13采用适当的光学胶水进行粘结，如折射率匹配的紫外胶，从而可以使光线没有偏折地直接到达微齿形结构14中。经过微齿形结构14齿面的反射，破坏了光线的全反射条件使光线耦合输出进入人眼。齿形结构的存在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。这种视场扩展齿形结构在工艺加工上很容易实现、但是齿形结构表面加工需要达到镜面（表面粗糙度R_a应小于相应成像光波长的尺寸，如10-20nm）的效果，否则由于漫反射的存在会使图像的清晰度降低。通常齿形结构采用注塑、金刚石切割等办法实现，这些加工工艺相对应的表面粗糙度均可满足要求。

本发明平面波导器件的工作步骤以及实例应用：

图2为本发明高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件的平面波导示意图。主要利用全反射原理来实现光线在衬底中的无能量损失传输。来自图像显示光源的准直光线20垂直入射到平面衬底中，由于垂直光线20在衬底中应按照全反射的原理传播，为此采用棱镜反射面来改变光线的传播方向。经反射面Ref_-surf 的反射，光线 20初次和平面波导衬底的下表面Sur_-bottom 碰撞，通过衬底下表面 Sur_-bottom的反射，光线 20紧接着与平面波导衬底的上表面 Sur_-up 碰撞。在整个光线传播过程中必须始终保持光线 20和平面波导衬底法线的夹角α_Sur大于衬底材料( PMMA n_d=1.49)的全反射临界角(42.2º)，否则光波能量在传播过程中极易损失，造成最终显示图像信息的丢失。为了实现上述光线传播的光路路径，以主轴光线为设计参考，各参数需满足的条件为：

α_Sur-ref = β

其中，β是反射面Ref_-surf 和衬底下表面Sur_-bottom 的夹角，α_Sur-ref 是主轴光线和反射面Ref_-surf 法线的夹角。

α_Sur = 2α_Sur-ref

其中，α_Sur 是主光线和平面波导衬底上表面Sur_-up 法线的夹角。满足上述条件的情况下，主轴光线可以无能量损失的在衬底中传播，对于其它方向的光束，只要和衬底下表面的反射角大于临界角都可以无损的传输。

图3为本发明高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件的微齿形结构示意图。微齿形结构32由一定数量的微型小齿31组成，这些微型小齿用于破坏光线在衬底表面的全反射条件，从而使其耦合输出到衬底外。来自衬底的光线 34首先与微齿形结构的Sur_-input面相碰撞，垂直折射进入齿形微结构中。进入齿形微结构后光线 34紧接着和微齿形结构的Sur_-output 面相碰撞，经过Sur_-output 面的反射被耦合输出到微齿形结构外进入到观察视野范围之内。光线 33首先与微齿形结构的Sur_-input面相碰撞垂直折射进入微齿形结构中。进入微齿形结构后光线34 紧接着和微齿形结构的Sur_-output面相碰撞，再次经过 Sur_-output面的折射后与Sur_-input 面相碰撞，由Sur_-input 面折射进入微齿形结构。进入微齿形结构后和微齿形结构的Sub-bottom面相碰撞，由于光线和Sub_-bottom面的法线夹角大于全反射临界角，从而光线继续在微齿形结构中传播。为了使光线在微齿形结构中传播时满足上述条件，以主轴光线为结构参数参考设计光线，齿形结构的各参数满足下述关系：

β_t-1 = β_t-2 = β_t-3 = α_Sur

其中，β_t-1 是微齿形结构的Sur_-input面与水平面的夹角，β_t-2是微齿形结构的Sur_-output 面与Sur_-input面的夹角，β_t-3 是微齿形结构的Sur_-output 面与水平面的夹角。

β_ref-t = β_t-2

其中，β_ref-t 是主轴光线与微齿形结构的Sur_-input 面法线的夹角。

β_surf-t = β_ref-t

其中，β_surf-t 是主光线与微齿形结构的Sub_-bottom面法线的夹角。

β_bottom = β_surf-t

其中，β_bottom是微齿形结构的Sub_-bottom面与Sur_-output 面的夹角。

上述微齿形结构参数，均以主光轴线为参考进行光路参数确定，对于轴外点的光线传输时，由于微显示轴外点光束的偏轴角一般很小，因此，上述参数关系足以满足相应轴外光束传播条件。

对于平面波导类型的光学器件，通常有正面耦合和侧面耦合两种方式。下面通过附图对这两种耦合方式进行比较：

图4为正面耦合光波齿形镶嵌平面波导的光学器件示意图。图像显示光源Sour发出的光波经过准直透镜41的准直后进入平面波导衬底42中传播，通过全反射使得光波无损耗的进入到微齿形结构43中后被耦合输出到微齿形结构外。对于采用正面耦合的方式使光波进入平面波导衬底，虽然准直透镜和显示图像光源可以近距离的和平面波导衬底的耦合面直接接触，但是在体积上以及耦合光效上有很大的弊端。首先对于系统的纵向尺寸Height，即

Height = ∆+ F

其中，F是图像显示光源到准直透镜的距离，∆是准直透镜到平面衬底的距离。虽然可通过控制∆的大小来减小系统的纵向尺寸Height，但是对于需要大屏幕显示的系统，F 的变化范围很有限，这将导致平面波导器件在应用中的体积过于庞大，失去了模块微小化的要求。对于系统的横向宽度Length，通常和平面波导的厚度相关，在系统的扩展应用中并没有很大的影响，因此设计中不必过于考虑。

图5为正面耦合光波光阑限光齿形镶嵌平面波导的光学器件示意图。在正面耦合中为了限制杂散光进入平面波导系统中影响图像的最终像质，通常需要在准直系统后方一定距离处引入孔径光阑来限制杂散光。图5为在准直透镜50后加入了孔径光阑 51，孔径光阑大小为：

Kwa = Hw * ctg(β)

其中，Kwa为孔径光阑的尺寸，Hw为平面波导的厚度，β是反射面 Ref_-surf 与衬底下表面Sur_-bottom的夹角。通过引入孔径光阑 51，限制了不需要进入平面波导衬底的光线，提高了图形的最终清晰度。然而光阑虽然可以限制杂散光，但是无法限制光线的二次反射。

图6为正面棱镜耦合光波齿形镶嵌平面波导的光学器件示意图。为了减小正面耦合时的横向尺寸，可通过采用棱镜P-45°转像的特点来实现。光学设计中常用棱角γ = 45°的直角棱镜来实现这一需求。通过采用棱镜，平面波导类型光学器件的纵向向尺寸 Height 可以得到一定的控制，即

Height = Length =Hw * ctg(γ)

虽然横向尺寸可以得到控制，但是由于棱镜本身视场角的限制以及尖角散光等特点，造成了输入图像视场的限制以及加工工艺的难度，为此需要一个更好的耦合方式来满足相应的要求。

由于正面耦合无法减小光学器件的整体体积，因此需要采用一种更有力、更方便的耦合方式，如图1所示，采用的是侧面耦合的方式。对于纵向尺寸Height：

Height=Hw

因此纵向尺寸可以得到有效地缩减。

对于波导整体的横向尺寸Length,由于准直透镜和显示光源位于耦合输入面的前方，有利于在应用时将整体水平扩展，另外侧面耦合方式更大的益处在于耦合光效的提高。

图7为齿形镶嵌平面波导的光学器件正面耦合和侧面耦合光线示意图。图7A采用了正面耦合的方式，来自准直透镜的光线70垂直入射到耦合输入面上进行折反射，在平面波导中全反射的光线71来自于光线70在耦合输入面上的反射光线。图7B采用了侧面耦合的方式，来自准直透镜的光线72直接在耦合输入面上折反射，其折射光线73将继续在平面波导中以全反射的方式无损耗传输。

图8为30^o入射角对应的不同入射介质反射率曲线示意图。本发明选取的衬底材料主要为光学加工中常用的光学塑料 PMMA，耦合方式的不同，使得耦合进入平面波导衬底中的能量也就不同，这会对输出图像的对比度产生影响。如图8所示，在30^o入射角的情况下，不同波长的光从PMMA入射到空气中的平均反射率为6%，而从空气入射到PMMA的平均反射率为4%，为此如图7所示，采用正面耦合时进入波导中的光波能量将有94%经过反射面的折射进入到空气中，而仅有6%的光波能量在平面波导中传输。而采用侧面耦合方式耦合时，光波能量将有96%经过反射面的折射进入到平面波导中，极大地提高了耦合进入波导的光波能量，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。

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。

β = 30º

考虑到主轴光线垂直入射进入衬底以后，经过反射面Ref_-surf的反射后，很可能经过Sur_-bottom的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。

α_Sur = 2β = 60º

对于α_Sur 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42.2º，α_Sur = 60º > 42.2º 满足设计要求。

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(α_Sur )

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：

β_t-1 =β_t-2 =β_t-3 =α_Sur= 60º

β_ref-t = β_t-2 = 60º

β_surf-t = β_ref-t = 60º

β_bottom = β_surf-t = 60º

Ht = 0.87mm

Lt = 20.5mm

Tw = 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(α_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。

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。

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耦合输出到观察者的 Eye中。

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。

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。

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。

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。

Claims (7)

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，对全反射光波进行耦合输出，

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 = Hw。

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α_Sur

之间满足下述关系：

Lray >3 Hp*tan(α_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α_Sur之间满足下述关系：

Lt > 2 Hp*tan(α_Sur )。