CN109917513B - 一种光波导及应用光波导的平板透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光波导及应用光波导的平板透镜，目的在于解决现有单列多排等效负折射率平板透镜的三维成像亮度低用户体验差的问题，其包括光波导单元，光波导单元包括至少一类全反射层和由全反射层隔开的至少两个子波导，每类全反射层由至少一层单一全反射层组成。本发明一种光波导及应用光波导的平板透镜通过在光波导单元中构造全反射层和由全反射层隔开的至少两个子波导，实现了对传统条形光波导中损耗区的光能量的收集，在一定程度上提升了三维成像的成像光亮度，提升了用户的视觉体验。

Description

一种光波导及应用光波导的平板透镜

技术领域

本发明涉及光电显示领域，具体而言，本发明涉及一种光波导及应用光波导的平板透镜。

背景技术

随着成像显示技术的发展，对成像的特性要求不断提高，一方面要求有较高的解像，也即在保证观察画面清晰度的同时要求满足小畸变，另一方面需具有裸眼三维全息显示。

请参阅图1，为了满足上述要求，申请号为CN201711305661.5的中国公开一种单列多排等效负折射率平板透镜，其包括分别具有两个光学面的一对玻璃窗口，以及位于两个玻璃窗口之间的两组光波导阵列，该光波导阵列由45°斜向布置的单列多排且横截面为矩形的光波导组成，两组光波导阵列相互对应部分的波导方向相互垂直。但是，该单列多排等效负折射率平板透镜各条形光波导横截面尺寸一致，且均为单侧镀反射膜的条形光波导，该条形光波导对不同角度入射的光较为敏感，随着入射角度的变化，损耗区会越变越大，致使光能量损失严重，使得三维成像亮度大大降低，这些在一定程度上影响了用户视觉体验。

发明内容

为了解决现有单列多排等效负折射率平板透镜的三维成像亮度低用户体验差的问题，本发明提供了一种三维成像亮度高具有良好用户体验光波导及应用光波导的平板透镜。

方案一：

为实现上述目的，本发明提供一种光波导，所述光波导包括光波导单元，所述光波导单元包括至少一类全反射层和由所述全反射层隔开的至少两个子波导，所述每类全反射层由至少一层单一全反射层组成；

所述光波导单元的横截面呈矩形，所述横截面的宽为W，所述横截面的长为H；以所述横截面上的左上顶点为原点O，以所述横截面的宽的方向为y轴，以所述横截面的长的方向为x轴构建直角坐标系，

所述每类全反射层均与所述光波导单元的上表面平行，所述每类全反射层在所述光波导单元中的位置满足如下函数关系：

（I）

其中，x为x轴上的变量；

i为第i类全反射层，且为正整数；

k为光波导单元中全反射层类的数目；

m_i表示第i类全反射层中所有单一全反射层的总层数；

num表示第i类全反射层中单一全反射层的层序数；

T_i表示第i类全反射层的位置周期，所述位置周期T_i的计算方式如下：

（II）；

δ(t)表示脉冲函数，其计算公式如下：

（III）；

式中，为变量且满足；

comb(x)表示梳状函数，当变量x值使得t=0，comb(x)=∞时，该变量x值为所述每类全反射层在光波导单元中的位置；

所述每类全反射层的折射率n_ei由如下公式确定：

（IV）；

在公式（II）和公式（IV）中，θ _i为光线刚好满足第i类全反射层的临界角时，光线在所述光波导单元的表面上的入射角；n为所述光波导单元的折射率。

优选地，所述光波导单元的横截面的宽W满足0.1mm< W<5mm；所述光波导单元的横截面的长H满足0.1mm<H<5mm。

优选地，所述光波导单元的折射率n大于1.4。

优选地，所述光波导还包括上表面铝反射膜和下表面铝反射膜，所述上表面铝反射膜设置所述光波导单元顶部表面，所述下表面铝反射膜设置在所述光波导单元底部表面。

方案二：

为实现上述目的，本发明还提供一种应用光波导的平板透镜，所述应用光波导的平板透镜包括第一玻璃窗口、第二玻璃窗口、第一光波导阵列以及第二光波导阵列，所述第一玻璃窗口、第二玻璃窗口相对设置且均具有两个光学面；所述第一光波导阵列、第二光波导阵列分别包括至少一个光波导，所述至少一个光波导呈45度斜向布置且所述第一光波导阵列、第二光波导阵列相互对应部分的光波导相正交，所述光波导为方案一中任意一项所述的光波导。

优选地，所述第一光波导阵列由呈左下方向45度并排且横截面为矩形的光波导组成，所述第二光波导阵列由呈右下方向45度并排且横截面为矩形的光波导组成。

优选地，所述第一光波导阵列、第二光波导阵列的各光波导与其相邻的光波导之间存在两个交接面，所述两个交接面之间由第一粘剂接合；所述第一光波导阵列与所述第一玻璃窗口、所述第二光波导阵列与所述第二玻璃窗口通过第二粘剂接合。

优选地，所述第一粘剂为光敏胶或者热敏胶且所述第一粘剂的厚度0.001毫米；所述第二粘剂为光敏胶或者热敏胶。

与现有技术相比，本发明一种光波导及应用光波导的平板透镜具有如下有益效果：

本发明一种光波导及应用光波导的平板透镜通过在光波导单元中构造全反射层和由全反射层隔开的至少两个子波导，实现了对传统条形光波导中损耗区的光能量的收集，在一定程度上提升了三维成像的亮度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术中的损耗区结构示意图；

图2为本发明实施例一种光波导中包括一类全反射层的光波导单元的截面结构示意图；

图3为本发明实施例一种光波导的整体结构示意图；

图4为本发明实施例一种光波导中包括两类全反射层的光波导单元的截面结构示意图；

图5为本发明实施例一种光波导在包括第一类全反射层的光波导单元截面中构建坐标系的示意图；

图6为本发明实施例一种光波导中包括第一类全反射层的光波导单元截面的光路示意图；

图7为本发明另一实施例一种应用光波导的平板透镜的整体结构示意图；

图8为图7中A处放大结构示意图；

图9为本发明另一实施例中第一光波导阵列、第二光波导阵列的结构示意图。

图中标识说明：

80、光波导；801、第一光波导阵列；803、第二光波导阵列；500、第一玻璃窗口；300、第二玻璃窗口；700、第一粘剂；900、第二粘剂；

10、光波导单元；101、全反射层；1011、第一类全反射层；1012、第二类全反射层；1012a、第二类第一层全反射层；1012b、第二类第二层全反射层；103、子波导；1031、第一子波导；1033、第二子波导；1035、第三子波导；1037、第四子波导；

20、上表面铝反射膜；40、下表面铝反射膜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、 “右”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图2-图4，本发明实施例一种光波导80，其包括光波导单元10、设置光波导单元10顶部表面的上表面铝反射膜20以及设置在光波导单元10底部表面的下表面铝反射膜40，其中，光波导单元10包括至少一类全反射层101和由全反射层101隔开的至少两个子波导103，每类全反射层101由至少一层单一全反射层组成；每类全反射层均与光波导单元10上表面平行。

示例地，图2示出了本发明实施例一种光波导中仅包括一类全反射层的光波导单元的截面结构示意图，从图2中可以看出，光波导单元10由第一类全反射层1011隔开。值得注意的是，该第一类全反射层1011是针对入射角度θ设定的且设置的位置可将入射角度θ存在的损耗区光线正好全部或近似全部收集。

优选地，入射角度θ为光线刚好满足第一类全反射层1011的临界角时，光线在光波导单元10的表面上的入射角。

示例地，图4示出了包括两类全反射层的光波导单元10的结构示意图，从图4可以看出，光波导单元10包括第一类全反射层1011、第二类全反射层1012和子波导103，其中，第二类全反射层1012包括第二类第一层全反射层1012a和第二类第二层全反射层1012b，也即第二类全反射层1012由两层单一全反射层组成。同时，子波导103包括第一子波导1031、第二子波导1033、第三子波导1035以及第四子波导1037，其中，第一子波导1031与第二子波导1033通过第二类第一层全反射层1012a隔开；第二子波导1033与第三子波导1035通过第一类全反射层1011隔开；第三子波导1035与第四子波导1037通过第二类第二层全反射层1012b隔开。

优选地，每类全反射层所处的位置均可将各自对应的θ_i角度存在的损耗区光线正好全部或近似全部收集且θ _i角度为光线刚好满足第i类全反射层的临界角时，光线在光波导单元10表面上的入射角。

优选地，每类全反射层在光波导单元10中的位置满足预设函数关系；光波导单元10的横截面呈矩形。

请参阅图5，图5示出了包括第一类全反射层1011的光波导单元10的截面结构示意图，为了便于说明预设函数关系，下面结合图5并定义光波导单元10横截面的宽为W，横截面的长为H，并以横截面上的左上顶点为O点，以横截面宽的方向为y轴，以横截面长的方向为x轴构建直角坐标系，则每类全反射层在光波导单元10中的位置满足如下函数关系：

（I）

其中，x为x轴上的变量；

i为第i类全反射层，且为正整数；

k为光波导单元中全反射层类的数目；

m_i表示第i类全反射层中所有单一全反射层的总层数；

num表示第i类全反射层中单一全反射层的层序数；

T_i表示第i类全反射层的位置周期，位置周期T_i的计算方式如下：

（II）；

δ(t)表示脉冲函数，其计算公式如下：

（III）；

式中，为变量且满足；

comb(x)表示梳状函数，当变量x值使得t=0，comb(x)=∞时，该变量x值为每类全反射层在光波导单元中的位置；

每类全反射层的折射率n_ei由如下公式确定：

（IV）；

在公式（II）和公式（IV）中，θ _i为光线刚好满足第i类全反射层的临界角时，光线在光波导单元10的表面上的入射角；n为光波导单元的折射率。

在实际生产过程中，首先，通过公式（I）、（II）、（III）确定每类全反射层在光波导单元10中的位置，也即每个子波导的横截面的长度；其次，通过公式（IV）确定每类反射层的折射率n_ei，根据每类反射层的折射率n_ei选择全反射层材料；然后，按照多类全反射层在光波导单元10中的布局以及平行平板-全反射层-平行平板-全反射层-平行平板的顺序进行依次类推，就可以生产出多个平行平板单元；最后沿其中一条边就可以切割成多个光波导单元10。

优选地，光波导单元10的折射率n大于1.4。

在一些实施方式中，为了防止光波导阵列成像质量受衍射影响，光波导单元10的横截面长H不能太小优选为大于0.1mm，同时，为了提高光波导阵列对物点清晰成像，光波导单元10的横截面长H不能太大，优选小于5mm，也即，光波导单元10的横截面的宽W满足0.1mm< W<5mm；横截面的长H满足0.1mm<H<5mm。

优选地，横截面的长H是位置周期T_i的整数倍。

优选的，全反射层厚度Te满足，0.004mm<Te<(0.1xH)mm，该全反射层厚度不应太小，目的是为了避免该全反射层厚度小于全反射倏逝波的穿透深度，引起该全反射层失效。进一步地，该全反射层厚度Te不应太大，避免光线进入全反射层，导致全反射层与光波导层不同折射率带来的光线偏折，影响成像清晰度。

请参阅图6，为便于进一步理解本发明实施例一种光波导80，下面结合图6简述其工作原理，其中，图6示出了包括第一类全反射层1011的光波导单元10截面的光路示意图，其中，为光线刚好满足第一类全反射层1011的临界角；θ₁为光线刚好满足第一类全反射层1011的临界角时，光线在光波导单元10的表面上的入射角；θ₁小于θ₂。值得注意的是，本发明光波导阵列在实际应用过程中由于光波导单元横截面长H 远远小于物体到光波导阵列之间的距离，因此物面单点发出的光经过每一个光波导单元时，可近似成一束很细的平行光入射。从图6中可以看出，光波导单元10的第一类全反射层1011将入射角小于角度θ₁的入射光进行全反射，并将入射角大于角度θ₁且小于角度θ₂的透过，且透过的光线均由光波导单元上表面反射，这样就实现对大角度和小角度光分别调制的目的，进而实现对损耗区的光能量的收集。

应当理解的是，为了提升对损耗区的收集效果，本发明实施例在实施过程中可以对光波导单元10适当增加或减少全反射层数量和子波导数量以满足收光要求，而当同时需要对多个入射角进行损耗区光线收集时，则需要多类全反射层，本发明实施例对此并不做限制。

与现有技术相比，本发明实施例一种光波导80具有如下有益效果：

本发明实施例一种光波导80通过在光波导单元10中构造全反射层101和由全反射层101隔开的至少两个子波导103，实现了对传统条形光波导中损耗区的光能量的收集，在一定程度上提升了三维成像的光亮度。

请参阅图7-图9，基于同本发明实施例一种光波导80相同的发明构思，本发明另一实施例提供一种应用光波导的平板透镜，其包括第一玻璃窗口500、第二玻璃窗口300、第一光波导阵列801以及第二光波导阵列803，其中，第一玻璃窗口500、第二玻璃窗口300相对设置且均具有两个光学面；第一光波导阵列801、第二光波导阵列803分别包括至少一个光波导80，该至少一个光波导80呈45度斜向布置且第一光波导阵列801、第二光波导阵列803相互对应部分的光波导80相正交。

在一些实施方式中，第一光波导阵列801由呈左下方向45度并排且横截面为矩形的光波导80组成，第二光波导阵列803由呈右下方向45度并排且横截面为矩形的光波导80组成。值得注意的是，在实际中，在大屏幕显示时可以通过拼接多块光波导阵列来实现大尺寸需求。光波导阵列的整体形状根据应用场景需要设置，本发明实施例中，第一光波导阵列801和第二光波导阵列803整体呈矩形结构，第一光波导阵列801、第二光波导阵列803的各光波导80与其相邻的光波导80之间存在两个交接面，各交接面之间由第一粘剂700接合。第一光波导阵列801与第一玻璃窗口500、第二光波导阵列803与第二玻璃窗口300之间通过第二粘剂900接合。

在一些实施方式中，为了保证粘接剂的粘接强度，第一粘剂700为光敏胶或者热敏胶且其厚度大于0.001毫米。第二粘剂900为光敏胶或者热敏胶。

在一些实施方式中，第一玻璃窗口500、第二玻璃窗口300的两个光学面均设置有增透膜。

与现有技术相比，本发明实施例一种应用光波导的平板透镜具有如下有益效果：

本发明实施例一种应用光波导的平板透镜通过在光波导单元10中构造全反射层101和由全反射层101隔开的至少两个子波导103，实现了对传统条形光波导中损耗区的光能量的收集，在一定程度上提升了三维成像的亮度。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光波导，其特征在于，所述光波导包括光波导单元，所述光波导单元包括至少两类全反射层和由所述全反射层隔开的至少两个子波导，每类全反射层由至少一层单一全反射层组成；

所述光波导单元的横截面呈矩形，所述横截面的宽为W，所述横截面的长为H；以所述横截面上的左上顶点为原点O，以所述横截面的宽的方向为y轴，以所述横截面的长的方向为x轴构建直角坐标系，

所述每类全反射层均与所述光波导单元的上表面平行，所述每类全反射层在所述光波导单元中的位置满足如下函数关系：

其中，x为x轴上的变量；

i为第i类全反射层，且为正整数；

k为光波导单元中全反射层类的数目；

m_i表示第i类全反射层中所有单一全反射层的总层数；

num表示第i类全反射层中单一全反射层的层序数；

T_i表示第i类全反射层的位置周期，所述位置周期T_i的计算方式如下：

δ(t)表示脉冲函数，其计算公式如下：

式中，为变量且满足；

comb(x)表示梳状函数，当变量x值使得t=0，时，该变量x值为所述每类全反射层在光波导单元中的位置；

所述每类全反射层的折射率n_ei由如下公式确定：

在公式（II）和公式（IV）中，θ _i为光线刚好满足第i类全反射层的临界角时，光线在所述光波导单元的表面上的入射角；n为所述光波导单元的折射率。

2.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导单元的横截面的宽W满足0.1mm< W<5mm；所述光波导单元的横截面的长H满足0.1mm<H<5mm。

3.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导单元的折射率n大于1.4。

4.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导还包括上表面铝反射膜和下表面铝反射膜，所述上表面铝反射膜设置所述光波导单元顶部表面，所述下表面铝反射膜设置在所述光波导单元底部表面。

5.一种应用光波导的平板透镜，所述应用光波导的平板透镜包括第一玻璃窗口、第二玻璃窗口、第一光波导阵列以及第二光波导阵列，所述第一玻璃窗口、第二玻璃窗口相对设置且均具有两个光学面；所述第一光波导阵列、第二光波导阵列分别包括至少一个光波导，所述至少一个光波导呈45度斜向布置且所述第一光波导阵列、第二光波导阵列相互对应部分的光波导相正交，其特征在于，

所述光波导为如权利要求1-4任意一项所述的光波导。

6. 如权利要求5所述的应用光波导的平板透镜，其特征在于，所述第一光波导阵列由呈左下方向45度并排且横截面为矩形的光波导组成，所述第二光波导阵列由呈右下方向45度并排且横截面为矩形的光波导组成。

7.如权利要求5所述的应用光波导的平板透镜，其特征在于，所述

第一光波导阵列、第二光波导阵列的各光波导与其相邻的光波导之间存在两个交接面，所述两个交接面之间由第一粘剂接合；所述第一光波导阵列与所述第一玻璃窗口、所述第二光波导阵列与所述第二玻璃窗口通过第二粘剂接合。

8.如权利要求7所述的应用光波导的平板透镜，其特征在于，所述第一粘剂为光敏胶或者热敏胶且所述第一粘剂的厚度大于0.001毫米；所述第二粘剂为光敏胶或者热敏胶。