CN104614858B - 增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件，包括图像显示光源、准直透镜组、纵向扩展结构、耦合反射面、平面波导衬底、锯齿槽结构和消棱镜效应盖片。其中图像显示光源发出所需的显示光波，准直透镜组对光源光波进行准直，纵向扩展结构对垂直方向视场的扩展，耦合反射面将扩展后的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全反射传输，锯齿槽结构用于水平方向的视场扩展以及光波的耦合输出，盖片用于消除鬼影，提高图像的清晰度。本发明具有水平和垂直视场易于扩展、波导轻薄、结构紧凑、加工工艺简单、成本低廉的特点，不仅用于可穿戴显示，还可用于场景训练模拟、医疗耳镜、裸眼3D显示、移动显示等领域。

Description

增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件

技术领域

本发明涉及一种平面波导光学显示器件，特别是一种视场大、结构紧凑、增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件。

背景技术

对于应用于增强现实的可穿戴光学显示元件，为了方便穿戴者能够及时的获取来自显示光源的全部信息，通常要求该显示系统具有视场大、重量轻、体积小以及增强现实的效果。传统的头盔穿戴显示是基于45º反射式结构或离轴光学结构来实现的。这些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。例如基于45º反射式结构显示系统，为了增大视场，只有通过增加45º反射面的面积来实现，这意味着整体显示系统的重量增加，给佩戴者带来了不舒适感，不利于轻便灵活的应用该系统。

为了达到增强现实的效果，头盔穿戴显示光学系统通常利用光学元件将图像信息虚拟的显示在人眼前方的一定距离处，使得穿戴者在浏览信息的同时可以观察到周围景物的变化，从而不影响正常的行为方式。因此，视场大、结构紧凑、重量轻以及高分辨率的图像显示一直是此类光学系统亟待解决的关键问题。其中显示光学元件的厚度、重量和大视场尤为重要。在某些应用领域，图像的对比度和视场的大小直接影响到观察人员的安全以及获取信息的完整性，同时显示系统的重量对佩戴者的舒服程度有很大的影响。

为了解决传统穿戴显示光学系统中重量和视场矛盾以及制造工艺带来的一系列问题，本发明设计了一种增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件。

为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件，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；准直透镜组，对光源发出的光波进行准直；纵向扩展结构，用于增加纵向耦合输入通光面积，从而对垂直方向的视场进行扩展；耦合反射面，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；锯齿槽结构，用于水平方向的视场扩展以及光波耦合输出衬底；消棱镜效应盖片，用于消除鬼影的出现，提高图像的清晰度。其中，准直透镜组位于显示光源和纵向扩展结构之间，纵向扩展结构位于平面波导耦合反射面位置的下方，锯齿槽结构位于平面波导衬底远离耦合输入面一侧的上表面，消棱镜效应盖片位于锯齿槽结构的上方。本发明主要是采用波导纵向扩展、全反射原理、微齿形面一次反射成像原理、镀膜技术和纳米加工技术实现的。来自图像显示光源的光波经准直透镜准直以后入射到纵向扩展结构中，经过纵向扩展结构的纵向扩展光波被耦合进入波导衬底中，采用棱镜改变光线传播方向的原理，使光线以满足全反射的条件，在平面波导衬底中无损耗地传输到需要显示输出的位置。由于锯齿槽结构位于显示输出的位置，该结构的存在打破了光线在平面波导中的全反射传输条件，经过微形齿面的一次反射成像，使光波耦合输出到平面波导外，从而进入到观察者的视野中。而来自周围景物的光线，经过平面波导衬底上下表面以及锯齿槽结构的反射直接进入到人眼，从而实现了图像信息和周围景物的同时观察。

本发明提供的平面波导目视光学显示器件，还具有这样的特征：耦合反射面的有效通光口径内蒸镀有相应的多层增透膜，耦合反射面的外表面旋涂有相应的反射膜，纵向扩展结构的表面镀有增透膜。

本发明提供的平面波导目视光学显示器件，还具有这样的特征：纵向扩展结构中的锯齿的宽度与锯齿槽结构中的锯齿的宽度相等且数量相同，这些齿形表面需要加工到镜面（表面粗糙度R_a应小于成像光的波长尺寸，如10-20nm）的效果，锯齿槽结构与消棱镜效应盖片的材料相同，且在两者之间使用适当的光学胶水进行胶合，如与材料折射率匹配的紫外胶。

本发明提供的平面波导目视光学显示器件，还具有这样的特征：锯齿槽结构的锯齿单元的两个斜面与水平面的夹角β_-c1与β_-c2之间满足下述关系：

β_-c2 =90°－ β_-c1。

本发明提供的平面波导目视光学显示器件，还具有这样的特征：主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移L1与锯齿结构的总长度L2之间满足下述关系：

L1 ≥ L2。

本发明提供的平面波导目视光学显示器件，还具有这样的特征：耦合反射面到锯齿槽结构输出面的距离W1与主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移L1之间满足下述关系：

W1 = M*L1，其中M为正整数。

与现有的成像系统相比，本发明的有益效果是：水平方向和垂直方向的视场易于扩展、波导结构轻薄、结构紧凑、加工工艺简单易实现、成本低廉。这些有益效果使得本发明与传统45º反射显示系统相比，图像的对比度得以提高，成像系统的体积和重量得以减小。在相同的体积下，本发明光学系统的水平和垂直视场更大，光波耦合效率更高、制造工艺更简单易行、成本更低、结构也更紧凑小巧。本发明光学系统不仅能用于可穿戴显示，还可用于场景训练模拟、医疗耳镜、裸眼3D显示、移动显示等诸多领域。

附图说明

图1为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的示意图；

图2为基于45º反射式结构的光学显示系统的光线传播示意图；

图3为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的平面波导衬底示意图；

图4为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的锯齿结构示意图；

图5为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的45°反射结构纵向视场扩展示意图；

图6为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的波导结构纵向视场扩展示意图；

图7为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件纵向扩展结构应用示意图；

图8为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的纵向扩展结构衬底制作工艺示意图；

图9为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的纵向扩展结构锯齿制作工艺示意图；

图10为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的结构参数示意图；

图11为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的旋涂膜层反射率随入射角度变化的曲线图；

图12为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的旋涂膜层反射率随波长变化的曲线图；以及

图13为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件集成单眼应用示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体工作过程给予说明。

图1为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的示意图。如图1所示，本发明光学器件的系统组成包括：图像显示光源10，准直透镜组11，纵向扩展结构12，耦合反射面13，平面波导衬底14，锯齿槽结构15，消棱镜效应盖片16。图像显示光源10发出的光波，经过准直透镜组11的准直后入射到纵向扩展结构12，经过纵向扩展结构的纵向扩展光波被耦合进入耦合反射面13上，通过耦合面的反射进入到平面波导衬底14中传播，光线经过一定的光程后到达锯齿槽结构15上，打破了光线的全反射条件，使得光线耦合输出衬底，且由于消棱镜效应盖片16的存在，避免了鬼影的出现，提高了图像的清晰度。

本发明平面波导目视光学显示器件的基本结构由七部分组成，对于具体应用可对本发明的组成部分进行相应的扩展，从而进一步提高系统在具体应用方面的潜力。下面针对本发明六个部分的作用给以相应的说明性解释：

图像显示光源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。

准直透镜组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。由于现代光学的发展，自由曲面技术也被应用于像差矫正中，因此可结合自由曲面技术来实现光学系统微型化的要求。

纵向扩展结构12主要用于对准直方向的视场进行扩展。来自光源的图像其在水平方向的视场扩展由锯齿槽结构来实现，而其垂直方向的视场即纵向视场的扩展则是由耦合进入平面波导的纵向通光面积来确定。因此为了要实现对纵向视场的扩展，必须要扩大纵向的有效通光面积，这可以通过采用扩大透镜数值孔径的方法来实现，但是这必然导致了系统的体积和重量的增加，为此必须采用其他的方式来实现。纵向扩展结构的使用极大的减轻了系统的体积，这对于穿戴设备的使用是非常有利的。

耦合反射面13是采用镜面折射的原理利用棱镜来改变光线的传播方向。在成像系统中通过棱镜使图像光波从一个位置传播到另一个所需的位置。来自纵向扩展结构的光线入射到耦合反射面13后，经耦合面的折反射进入到平面波导衬底中。由于采用了斜面来对光波进行耦合，使其进入衬底，可以有效的避免由于色差的存在而出现的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，可在耦合输入面的有效通光口径内蒸镀相应的多层增透膜，另外通过在耦合输入面的外表面旋涂相应的反射膜可以进一步提高进入到波导衬底的光波能量。

平面波导衬底14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或者选用高折射率的萤火玻璃材料，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。

锯齿槽结构15用于实现水平视场的扩展以及将光波耦合输出到衬底外。光波在平面波导衬底中传输一定的距离后到达锯齿槽结构15，锯齿的外表面旋涂了一定反射率的膜层，从而使得光线发生反射，偏离了原来的传输方向，使一部分的能量折射出衬底。由于锯齿槽结构15与消棱镜效应盖片16之间采用适当的光学胶水进行胶合，如折射率匹配的紫外胶，因此一部分光线将沿着原来的光线传输方向进入到由盖片16和紫外胶组成的等效折射率介质中继续传播，折射出衬底的光线将会进入到人眼形成所需的图像信息。由于锯齿槽结构的存在可以使整个齿形表面都实现对光线的反射，经过反射的光线能够覆盖衬底的大部分表面，从而实现了观察者视场的扩展，即出瞳的扩展。此种方式的视场扩展齿形结构在加工工艺上很容易实现。但是齿形结构表面加工需要达到镜面（表面粗糙度R_a应小于成像光的波长长度，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可满足要求。

消棱镜效应盖片16用于消除鬼影的出现，提高图像的清晰度。由于经过锯齿槽结构的折射进入到空气的光线会在齿形结构的外表面进行二次反射进入到波导中继续传输成像，这将导致鬼影的出现，影响原始图像的清晰度。消棱镜效应盖片16采用与齿形槽结构相同的材料，且在盖片和锯齿槽结构之间填充适当的光学胶水，如折射率匹配的紫外胶。这样锯齿槽折射的光线将保持传输方向不变地继续在由盖片和紫外胶组成的介质中传输，从而避免了鬼影的出现，极大地提高了图像的清晰度，同时来自周围景物的信息也可无干扰的到达观察者的视野中，体现了增强现实的效果。

本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的工作步骤以及实例应用：

图2为基于45º反射式结构的光学显示系统的光线传播示意图。传统的这种基于45º反射式结构的光学显示系统由耦合输入面Surf-input 、相互平行的衬底上下表面Surf1和Surf2以及耦合输出面Surf-output组成。

β_-145°=45°

其中，β_-145°为耦合输入面Surf-input和衬底下表面Surf2的夹角。

β_-245°=45°

其中，β_-245°为耦合输出面Surf-output和衬底上表面Surf1的夹角。

来自图像显示光源同一物点的光束20到达耦合输入面Surf-input后，经过耦合输入面的反射进入到衬底中，此时需保证反射光线与衬底上表面法线的夹角大于衬底的全反射临界角，从而使得光线可以在衬底中全反射传播。光束在衬底中传输一定光程后到达耦合输出面Surf-output，经过第一个面的反射，部分光束折射出衬底形成成像光束21，另一部分光束则会在衬底中继续传输。继续传输的光束会和第二个反射面相遇，继而被反射出衬底形成成像光束22。光束21和光束22虽然来自同一物点，但经过输出面的反射，光束21和光束22的空间方向以对称的形式出现，变成了空间两个物点发出的光线，导致了鬼影的出现，影响了原始图像的清晰度。为了避免鬼影的出现，需要消除光束22，为此需要去掉第二反射面，这将导致观察视场的减小，从而无法观察到整体图像。为了扩大视场，可增加衬底的厚度H-45，使H-45变为原来的两倍，这样才可以保持和原来视场的同等效果，这将导致显示系统的整体重量变为原来的两倍。为此需要采用新的方式来改善，以减轻系统的重量。

图3为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的平面波导衬底示意图。为了使图像信息在既定的位置输出，必须借用相应的波导衬底来实现。如图3所示，该齿形镶嵌的平面衬底由相互平行的上下表面31和32、锯齿结构33以及光线延伸端34组成。对于衬底的上下表面31和32，在粗糙度、平行度以及平面度等方面必须满足基本光学加工的要求，否则将会由于光线在衬底中无法按照镜面反射的要求传输，导致来自同一物点的光束在耦合输出衬底后的夹角大于人眼的分辨率，从而降低了图像的清晰度和对比度。锯齿结构33在光线输出时起着关键作用，对该结构的加工必须满足镜面的要求，这样才能保证图像的清晰度不会降低。光线延伸端34主要用于完成对剩余光线的传输和损耗，这样可以提高输出图像的对比度，否则二次反射的成像光束和一次反射的成像光束发生叠加，会导致一次成像的锐度和对比度的降低。

图4为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的锯齿结构示意图。水平视场角的扩展和图像的显示输出主要借助于镜面反射原理来实现的，通过改变光线传输的路径使其输出到光波导衬底外。如图4所示，该锯齿结构有一系列的微型锯齿单元40组成。微型锯齿单元40的放大示意图如图4左下角所示，由相互倾斜的两个光滑斜面Surf-b和Surf-s组成。斜面Surf-s主要改变光线的传输路径，使其耦合输出波导，斜面Surf-b使光线按原始路径继续传播。为了避免因Surf-b和Surf-s之间的距离W-H过小而引起衍射效应导致原始图像的清晰度降低，通常W-H的长度应大于成像光的波长长度，。为了实现光线传播路径的偏转以及原始路径的继续，图中各参数需满足的关系为：

W-H = sin(β_-c1)/h + sin(β_-c2)/h

其中sin(β_-c1)和sin(β_-c2)分别为斜面Surf-s和Surf-b与水平面的夹角，h 为锯齿的高度。由β_-c1和β_-c2的存在，锯齿的高度h不应过大，否则将导致斜面Surf-s和Surf-b之间无法形成需要的夹角，最终影响光学设计的要求。

视场角的扩展，主要借助于锯齿结构的数量来实现。由于锯齿结构的出现，可使光线反射由单一的反射面变成多反射面的反射，这样将会增大出瞳的面积。通过增加出瞳的面积，可以实现观察范围的增大。

图5为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的45°反射结构纵向视场扩展示意图。对于目视可穿戴光学器件来说，观察者在自己的视场范围内应尽可能地观察到来自图像光源的全部信息，否则就会因为观察信息的不完整而影响最终的观察效果，为此波导的水平视场和垂直视场都必须符合观察者的要求。本发明中波导的水平视场的扩展由锯齿槽结构的整体长度来完成，而垂直视场的扩展不依赖锯齿槽结构，主要由耦合面垂直方向进入波导的有效通光面积来决定。如图5所示采用的是用45°反射结构来实现耦合面垂直方向有效通光面积的增加。图中的45°反射结构是由反射率为38%的两个反射面Surf-re组成的，各个参数的关系为：

T = L

β_-45 =45°

其中，T是45°反射结构的厚度，L是反射面Surf-re在水平方向的投影长度， β_-45是反射面Surf-re和水平面的夹角。

来自准直透镜组的光线50经过45°反射结构第一个反射面的折反射，一部分光按照原路径继续传播，一部分被反射到45°结构的另外一个反射面，经过45°结构另一个反射面的反射，光线52 和原始的光线具有相同的空间分布不会产生鬼影。为此波导垂直方向的耦合有效面积就变为原来的两倍，波导垂直方向的视场角得到了有效地扩展。但是45°反射结构由于厚度T和反射面Surf-re在水平方向的投影长度相等，导致增加通光有效面积的同时不得不增加厚度，这样将导致显示系统的重量增加。为了使垂直耦合的重量减轻，必须寻求更好的纵向扩展方式。

图6为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的波导结构纵向视场扩展示意图。图5所示的45°反射结构虽然可以实现纵向视场的扩展，但同时会增加系统的重量，为了本发明采用了一种新的纵向视场扩展结构。如图6A所示，该纵向扩展结构采用了和本发明波导类似的结构。纵向扩展结构的耦合输入面61 的方向和本发明光波导的耦合输入面的方向相反。光线 60经过反射面 61的反射在波导纵向扩展结构内部传输，传输到锯齿结构的位置被耦合输出到扩展结构外部，由于锯齿结构可以实现水平视场的扩展，因此可以有效的实现纵向耦合输入通光面积的扩展，进而扩展垂直视场。图6B为此纵向扩展的俯视图，光源63的光波经过上述原理的传输，到达锯齿结构64，经过锯齿结构的扩展后被耦合进入波导中。

图7为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件纵向扩展结构应用示意图。图7中纵向扩展结构位于平面光波导耦合输入面的位置，为了使纵向扩展输出的有效通光面积可以完全的覆盖耦合输入面，纵向扩展的宽度W2应该大于耦合输入面在H方向的长度。同时，为了减少二次光线反射引起的杂散光，纵向扩展结构和波导耦合输入面相对应的表面都应该度相应的增透膜。进入纵向扩展结构的光波首先在锯齿结构 70中完成 V方向的视场扩展，扩展以后的光线沿着波导衬底传输到波导的锯齿 72位置，由锯齿结构实现H方向的扩展，最终输出到74所示的人眼中。

图8为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的纵向扩展结构衬底制作工艺示意图。如图8所示，纵向扩展结构的衬底可以分四部分完成，其中，图a是制作衬底的精加工材料，必须满足光学设计的要求，如平行度、面型以及粗糙度等，其中粗糙度尤为重要，如果图a中长方体材料上下表面达不到镜面的效果，则图像最终的清晰度会严重降低，甚至无法观察到图像。图b为耦合输入斜面 80的加工，经过图a的精加工处理，按照一定角度需求，加工出需要的斜面，斜面同样也必须满足相应的光学设计要求。图c为在加工好的镜面斜面上旋涂需要的反射膜 84，然后和棱镜82胶合，通常为了满足设计的要求，采用UV胶水进行黏合。图d是对黏合好的纵向衬底进行二次切割，以满足设计需要的厚度，对于切割后的表面需要采用上述要求进行二次精加工。

图9为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的纵向扩展结构锯齿制作工艺示意图。如图9a所示，需要在精加工好的纵向扩展衬底的固定位置处加工出一定数量的锯齿。这些锯齿的表面以及每一个锯齿的反射面必须满足镜面反射的要求，否则由于误差的累计，会导致观察视场的清晰度降低。图9b为在加工好的锯齿表面按照设计的要求旋涂具有相应反射率的膜层90。通常镀膜时采用加热衬底的方法来提高膜层的牢固度，但是对于采用PMMA材料的扩展结构，不能采用传统的蒸镀方式，需采用最新的离子冷镀方式来实现，这样可以避免出现因加热而导致的材料变形问题。图9c为消棱镜效应盖片和旋涂好膜层的锯齿之间用合适的光学胶水，如折射率匹配的紫外胶进行黏合，由于两者之间存在缝隙，因此黏合时必须保证紫外胶中不存在气泡和杂质等影响光学设计的因素在内，同时所用的紫外胶水的折射率必须和材料的折射率匹配，以其达到最好的设计效果。

图10为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的结构参数示意图。为了实现上述光学设计的要求，衬底和锯齿的结构参数之间应满足一定的条件，否则将导致最终图像的分辨率、对比度和清晰度失去实际的意义。如图10所示，各参数的对应关系为：

β_-sur2= 2*β_-sur1

γ_-c = β_-sur1

β_-c1=β_-sur1

其中，β_-sur1为耦合输入面和波导衬底下表面的夹角，β_-sur2为主轴光线和波导上下表面法线的夹角，γ_-c为主轴光线和锯齿反射面法线的夹角。

为了使进入盖片的的光线尽可能不要产生鬼影以及减少能量的损失，锯齿的两个斜面和水平面的夹角需满足：

β_-c2 =90°－ β_-c1

通过上述条件可以尽量避免鬼像的出现。

L1 ≥ L2

L2=N*(W-H)

L1=2H1*cot( β_-sur2)

W1 = M*L1

其中，L1为主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移，L2为锯齿结构的总长度，H1为波导的厚度，N为锯齿结构的总个数，W1为耦合反射面到锯齿槽结构输出面的距离，M为正整数。在L1的长度大于L2的情况下，主轴光线经过一次反射可以使大部分的能量耦合输出到衬底外，同时还可以进行出瞳的扩展，进而扩展视场，否则由于光线的二次反射将导致鬼像的出现。

为了进一步说明上述参数的关系，特以实际参数来说明锯齿镶嵌波导的原理：取当β_-sur1=30°时，

β_-sur2=60°

γ_-c=30°

β_-c1=30°

β_-c2=60°

选取波导的厚度为：H1=4.5mm，纵向扩展结构中的锯齿宽度与锯齿槽结构中的锯齿宽度相等且数量相同，取W-H=1.08mm，则：

L1=15.59mm

L2=13.75mm

W1=46.77mm

此时，波导的水平视场扩展为17.2°，纵向视场扩展为10.1°，波导的厚度仅仅为4.5mm，而传统的光学显示系统在相同的水平视场下，需要的波导厚度为9mm，相比之下，本发明极大地减轻了波导的重量。如需进一步增加视场可以通过增加波导的厚度来满足相应的需求。

图11为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的旋涂膜层反射率随入射角度变化的曲线图。对于图10实例中的波导对应的尺寸，当β_-sur1=30°时，相对应的波导内的视场角α_-fov为±7°。如图11所示，当波长为550nm，入射角度为时，对于P偏振光，其相对应的反射率单调递减，而对于S偏振光，其相对应的反射率单调递增。这个特点有利于在设计旋涂膜层时，提高S偏振光的反射率的同时降低P偏振光的反射率，有利于光波能量经过一次反射被大量耦合出衬底，消除光线的影响，这是因为透过锯齿反射面的光线沿逆光路反射回来时由于加工误差的存在可能会引起杂散光。

图12为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的旋涂膜层反射率随波长变化的曲线图。对于图10实例中的波导对应的尺寸，当β_-sur1=30°时，设计旋涂膜层时应当以30°为中心入射角进行设计。如图12所示，当入射角为30°时，对应于波长为440nm-680nm的光波，其P偏振光的反射率约为50%，S偏振光的反射率约为80%，因此对于入射到锯齿面上的各个波长的光波都可以很大程度上的被耦合出衬底外。

图13为本发明增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件集成单眼应用示意图。如图13所示，130 为显示控制器、131 为连接显示控制器和显示源的连接线、132 为承载显示源和准直透镜的镜架、133为显示光源、134为准直透镜、135为平面波导衬底、136为锯齿形结构、137为盖片结构。其基本工作过程为：显示控制器 130发出相应的显示信息，显示光源133接收到显示信息后通过光波的形式将信息传递出去，通过准直透镜 134的准直，将光波耦合进入平面波导衬底 135中，光波在平面波导中传输到锯齿形结构 136所在位置，被耦合输出波导衬底外，紧接着被折射到观察者的视野中。通过将上述几部分按照机械结构的设计要求，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。

实施例的作用与效果：

本实施例提供的增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件的纵向扩展结构采用了类似衬底的锯齿形结构，使得纵向耦合输入通光面积得到扩大，进而扩展了垂直方向的视场，而平面衬底中锯齿槽结构的存在使得整个齿形表面都可以实现对光线的反射，经过反射的光线能够覆盖衬底的大部分表面，从而实现了观察者水平方向视场的扩展，即出瞳的扩展。

本实施例提供的增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件中在锯齿槽结构外加入了与锯齿材料相同的盖片，且锯齿槽结构与盖片之间使用了与两者折射率相同的紫外胶进行胶合，从而避免了由于二次反射成像造成的鬼影的出现，从而提供了图像的清晰度和对比度。

本实施例提供的增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器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，该光学器件应用于可穿戴显示时，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 (5)

1.一种增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件，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；

准直透镜组，对显示光源发出的光波进行准直；

纵向扩展结构，用于增加纵向耦合输入通光面积，从而对垂直方向的视场进行扩展；

耦合反射面，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；

锯齿槽结构，用于水平方向的视场扩展以及光波耦合输出衬底；

消棱镜效应盖片，用于消除鬼影的出现，提高图像的清晰度，

其中，准直透镜组位于显示光源和纵向扩展结构之间，纵向扩展结构位于平面波导耦合反射面位置的下方，锯齿槽结构位于平面波导衬底远离耦合输入面一侧的上表面，消棱镜效应盖片位于锯齿槽结构的上方；

纵向扩展结构中的锯齿的宽度与锯齿槽结构中的锯齿的宽度相等且数量相同，这些齿形表面需要加工到镜面的效果，该镜面的表面粗糙度Ra小于成像光的波长尺寸，锯齿槽结构与消棱镜效应盖片的材料相同，且在两者之间使用适当的光学胶水进行胶合。

2.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：耦合反射面的有效通光口径内蒸镀有相应的多层增透膜，耦合反射面的外表面旋涂有相应的反射膜，纵向扩展结构的表面镀有增透膜。

3.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：锯齿槽结构的锯齿单元的两个斜面与水平面的夹角β_-c1与β_-c2之间满足下述关系：

β_-c2＝90°－β_-c1。

4.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移L1与锯齿结构的总长度L2之间满足下述关系：

L1≥L2。

5.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：耦合反射面到锯齿槽结构输出面的距离W1与主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移L1之间满足下述关系：

W1＝M*L1，其中M为正整数。