CN114859554A - 一种多层衍射光波导装置 - Google Patents

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CN114859554A CN202210350457.XA CN202210350457A CN114859554A CN 114859554 A CN114859554 A CN 114859554A CN 202210350457 A CN202210350457 A CN 202210350457A CN 114859554 A CN114859554 A CN 114859554A
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Abstract

本发明公开了多层衍射光波导装置，包括微光机、第一波导组件、第二波导组件、第三波导组件、第一光栅组件、第二光栅组件和第三光栅组件，其中，微光机，用于提供第一光线、第二光线和第三光线，依次对应为蓝色光线、绿色光线和红色光线；各光线分别经过相对应直角棱镜进行反射并无损耗耦入至相对应层次的波导中进行全反射传输，通过采用微光机提供的蓝色光线、绿色光线和红色光线，各光线再通过对应的光栅组件实现出瞳扩展并耦出至人眼，解决了现有技术中微光机提供的光线在耦入或耦出过程中损耗较大的问题，从而极大的提高整体耦出图像的效率和颜色的均匀性，实现彩色、大视场角下的高质量图像传输。

Description

一种多层衍射光波导装置
技术领域
本发明属于光波导装置领域，具体涉及一种多层衍射光波导装置。
背景技术
衍射光波导装置一般包含微光机、透明或者半透明的单层波导或者多层波导结构、耦入光栅以及出瞳扩展光栅。其中，微光机为用户提供一定视场角下的单色或者彩色的图像，通过耦入光栅，在满足全反射的条件下，将其耦入光波导结构中以进行全反射传输，最后通过出瞳扩展光栅实现二维出瞳扩展并从光波导中耦出，最终进入人眼，以使用户在观察到虚拟图像的同时，能够观察到真实世界的场景。为了实现彩色(多波长)、大视场角下图像的传输，一般需要使用多层波导结构(如三层波导)，通过耦入光栅，分别将一定视场角下的单一波长耦入到每层波导中，并最终通过出瞳扩展光栅从每一层波导中耦出，合成为彩色图像后进入人眼中，以让用户能够观察到大视场角下的彩色图像以及真实世界的场景。
为了实现彩色、大视场角下的图像传输，现有的技术都是使用多层衍射光波导结构，微光机为光波导提供彩色图像，每一层波导都包含一个耦入光栅，以将不同颜色的光分别耦入到每一层波导中，最后通过出瞳扩展光栅实现二维出瞳扩展并耦出。其中，耦入光栅的周期一般是在亚波长级别的表面浮雕光栅，如倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅等，为了满足全反射条件，一般使用耦入光栅的第一衍射级次，以保证微光机耦入的图像能够在光波导内进行全反射传输。由于耦入光栅是一种周期为亚波长的衍射光栅，其对入射角度和波长都非常敏感，因此，对于微光机提供了具有一定视场角的彩色图像，其无法保证在不同的角度下，第一衍射级次的衍射效率和均匀性，从而降低了耦出图像的效率以及均匀性；同时，除了第一衍射级次外，还有零级次，其无法利用，会直接透过光波导而被损耗掉，进一步降低耦出图像的效率，以及由于边缘视场角的部分图像在经过耦入光栅，产生第一衍射级次，在第一次全反射后再次与耦入光栅相互作用，发生二次衍射，同样降低了耦入光束的效率和均匀性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中耦出图像的效率以及均匀性较低的问题，提出一种多层衍射光波导装置。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的多层衍射光波导装置，包括微光机、第一波导组件、第二波导组件、第三波导组件、第一光栅组件、第二光栅组件和第三光栅组件，其中：
微光机，用于提供第一光线、第二光线和第三光线，依次对应为蓝色光线、绿色光线和红色光线，并满足D1＝D2＝D3≤D，其中，D、D、D依次对应为第一光线、第二光线和第三光线的光束直径，D为相邻光线的中心间距；
各波导组件并排设置，均包括波导板和直角棱镜，直角棱镜的第一直角面贴合波导板的厚度方向侧壁设置，第二直角面靠近微光机设置，且其斜面设有高反膜层，直角棱镜还满足如下条件：
Figure BDA0003579854830000021
tanθ＝D4/t1 (2)；
其中，
n0sin i＝n1sini' (3)；
ρ＝sin-1(1/n2) (4)；
n1≤n2，D4≥D1，t≥t1；
其中，θ为直角棱镜上第一直角面和斜面的夹角，n0为空气折射率，n1为直角棱镜的折射率，n2为波导板的折射率，i为对应光线在直角棱镜中的入射角度，i′为对应光线在直角棱镜中的折射角度，η为对应光线在波导板中的全反射角度，t为波导板的厚度，D4为直角棱镜的第二直角面的宽度，t1为直角棱镜的第一直角面的宽度；
所述第一光栅组件、第二光栅组件和第三光栅组件一一对应设置于第一波导组件、第二波导组件和第三波导组件上靠近人眼在侧，用于实现出瞳扩展并耦出；
第一光线、第二光线和第三光线一一对应入射至第一波导组件、第二波导组件和第三波导组件，各直角棱镜分别将对应的光线反射耦入对应的波导板进行全反射传输，再通过对应的光栅组件实现出瞳扩展并耦出至人眼。
优选地，第一光线的中心波长为450nm-460nm，第二光线的中心波长为525nm-535nm，第三光线的中心波长为620nm-635nm。
优选地，第一光线、第二光线和第三光线的光束直径取值范围为D1＝D2＝D3≥1mm，相邻光线的中心间距D＝1.5mm-2mm。
优选地，各波导板均为透明波导或者半透明波导，其厚度t＝0.8mm-1.2mm。
优选地，各光栅组件包括两个一维光栅或一个二维光栅，两个一维光栅分别为出瞳扩展光栅和耦出光栅。
优选地，一维光栅为一维表面浮雕光栅或体全息光栅，一维表面浮雕光栅为倾斜光栅、闪耀光栅、矩形光栅，二维光栅为二维表面浮雕光栅，二维表面浮雕光栅为柱状光栅或六角光栅，各光栅的光栅周期为250nm-500nm。
优选地，直角棱镜的折射率n1和波导板的折射率n2取值范围为1.7-2.0。
优选地，高反膜层为Ta2O5和SiO2的交替层、Al金属层或Silver金属层。
优选地，微光机包括LED光源、准直透镜组、微透镜阵列、偏振分光棱镜、投影透镜和LCOS投影芯片，LED光源发出的光线依次经过准直透镜组、微透镜阵列和偏振分光棱镜入射至LCOS投影芯片，LCOS投影芯片发出的光线通过偏振分光棱镜反射至投影透镜投影后投影至外界。
优选地，微光机包括LED光源、准直透镜组、微透镜阵列、投影透镜和DMD投影芯片，LED光源发出光线依次经过准直透镜组和微透镜阵列入射至DMD投影芯片，DMD投影芯片发出的光线通过投影透镜后投影至外界。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：各光线分别经过相对应直角棱镜进行反射并无损耗耦入至相对应层次的波导中进行全反射传输，通过采用微光机提供的蓝色光线、绿色光线和红色光线，各光线再通过对应的光栅组件实现出瞳扩展并耦出至人眼，解决了现有技术中微光机提供的光线在耦入或耦出过程中损耗较大的问题，从而极大的提高整体耦出图像的效率和颜色的均匀性，实现彩色、大视场角下的高质量图像传输。
附图说明
图1为本发明多层衍射光波导装置的结构示意图；
图2为本发明多层衍射光波导装置的局部结构示意图；
图3为本发明直角棱镜的结构示意图；
图4为本发明的波导组件的另一种实施方式的结构示意图；
图5为本发明的光线在直角棱镜中的入射角度和反射率的关系图。
附图标记说明：1、人眼；2、微光机；3、第一波导组件；4、第二波导组件；5、第三波导组件；6、第一光栅组件；7、第二光栅组件；8、第三光栅组件。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
如图1-5示，一种多层衍射光波导装置，包括微光机2、第一波导组件3、第二波导组件4、第三波导组件5、第一光栅组件6、第二光栅组件7和第三光栅组件8，其中：
微光机2，用于提供第一光线、第二光线和第三光线，依次对应为蓝色光线、绿色光线和红色光线，并满足D1＝D2＝D3≤D，其中，D1、D2、D3依次对应为第一光线、第二光线和第三光线的光束直径，D为相邻光线的中心间距；
各波导组件并排设置，均包括波导板和直角棱镜，直角棱镜的第一直角面贴合波导板的厚度方向侧壁设置，第二直角面靠近微光机2设置，且其斜面设有高反膜层，直角棱镜还满足如下条件：
Figure BDA0003579854830000051
tanθ＝D4/t1 (2)；
其中，
n0sin i＝n1sin i' (3)；
η＝sin-1(1/n2) (4)；
n1≤n2，D4≥D1，t≥t1；
其中，θ为直角棱镜上第一直角面和斜面的夹角，n0为空气折射率，n1为直角棱镜的折射率，n2为波导板的折射率，i为对应光线在直角棱镜中的入射角度，i′为对应光线在直角棱镜中的折射角度，η为对应光线在波导板中的全反射角度，t为波导板的厚度，D4为直角棱镜的第二直角面的宽度，t1为直角棱镜的第一直角面的宽度；
第一光栅组件6、第二光栅组件7和第三光栅组件8一一对应设置于第一波导组件3、第二波导组件4和第三波导组件5上靠近人眼1在侧，用于实现出瞳扩展并耦出；
第一光线、第二光线和第三光线一一对应入射至第一波导组件3、第二波导组件4和第三波导组件5，各直角棱镜分别将对应的光线反射耦入对应的波导板进行全反射传输，再通过对应的光栅组件实现出瞳扩展并耦出至人眼1。
其中，以图1为例，以人眼1在的位置为上，以第三波导组件5在的位置为下，直角棱镜所在的位置为左，波导板所在的位置为右，仅便于描述，具体方位不作限定。具体地，第一波导组件3、第二波导组件4和第三波导组件5由上到下依次设置，人眼1位于第一波导组件3的上方，各波导组件中直角棱镜位于波导板的左侧，光线在各波导组件中的的传输方向为从左向右传播，第一光栅组件6、第二光栅组件7和第三光栅组件8分别位于对应的波导板上方，微光机2位于三个直角棱镜的上方。从微光机2发出的第一光线、第二光线和第三光线从右至左依次分布，第一光线入射至第一波导组件3的直角棱镜中，经过各直角棱镜的斜面反射后耦入至第一波导组件3的波导板中，在波导板中由左向右全反射传输，再从第一光栅组件6耦出；第二光线入射至第二波导组件4的直角棱镜中，经过各直角棱镜的斜面反射后耦入至第二波导组件4的波导板中，在波导板中由左向右全反射传输，再从第二光栅组件7耦出；第三光线入射至第三波导组件5的直角棱镜中，经过各直角棱镜的斜面反射后耦入至第三波导组件5的波导板中，在波导板中由左向右全反射传输，再从第三光栅组件8耦出；第一光线、第二光线和第三光线耦出后合成为彩色图像进入人眼1中，使用户能够观察到大视场角下的真实世界场景。
光波导能够耦入的视场角度跟光谱宽度、波导组件的折射率以及耦入光栅的周期有关，在波导组件折射率、耦入光栅的周期确定的情况下，光谱宽度越窄，能够耦入的视场角度越大。因此，对于白光光源，可以分成红、绿、蓝三个单色窄带光，每种颜色对应层波导组件，这样单个颜色的光能够耦入的视场角就增大了，最终三种颜色合并后整个耦入的视场角也会增大。
需要说明的是，各波导组件的直角棱镜和波导板可为分体式结构或一体式结构，分体式结构如图1所示，一体式结构如图4所示，具体地，在图4中，各波导组件的直角棱镜和波导板均为透明或半透明波导，为一体式结构，各波导组件左侧切割为斜面，在该斜面上镀有高反膜层，实现对应光线的反射。
θ需满足公式(1)，直角棱镜需满足公式(2)，如，θ＝60°，D4＝D＝1.5mm，则t1＝0.86mm。
在一个实施例中，第一光线的中心波长为450nm-460nm，第二光线的中心波长为525nm-535nm，第三光线的中心波长为620nm-635nm。
具体为，如图1示，第一光线的中心波长λ1为450nm-460nm，第二光线的中心波长λ2为525nm-535nm，第三光线的中心波长λ3为620nm-635nm，且各光线进入相对应直角棱镜中的入射角度可根据实际需要调整。
在一个实施例中，第一光线、第二光线和第三光线的光束直径取值范围为D1＝D2＝D3≥1mm，相邻光线的中心间距D＝1.5mm-2mm。
在一个实施例中，各波导板均为透明波导或者半透明波导，其厚度t＝0.8mm-1.2mm。
在一个实施例中，各光栅组件包括两个一维光栅或一个二维光栅，两个一维光栅分别为出瞳扩展光栅和耦出光栅。
具体为，当光栅组件为两个一维光栅时，光线经波导板全反射到达出瞳扩展光栅，并在水平方向进行出瞳扩展，同时在垂直方向进行传输至耦出光栅；当光栅组件为二维光栅时，二维光栅可直接实现出瞳扩展和耦出的功能。
在一个实施例中，一维光栅为一维表面浮雕光栅或体全息光栅，一维表面浮雕光栅为倾斜光栅、闪耀光栅、矩形光栅，二维光栅为二维表面浮雕光栅，二维表面浮雕光栅为柱状光栅或六角光栅，各光栅的光栅周期为250nm-500nm。
在一个实施例中，直角棱镜的折射率n1和波导板的折射率n2取值范围为1.7-2.0。
在一个实施例中，高反膜层为Ta2O5和SiO2的交替层、Al金属层或Silver金属层。
具体为，针对不同光线的中心波长，高反膜层种类相同时，直角棱镜的斜面需要镀有不同厚度的高反膜层。
在一个实施例中，微光机2包括LED光源、准直透镜组、微透镜阵列、偏振分光棱镜、投影透镜和LCOS投影芯片，LED光源发出的光线依次经过准直透镜组、微透镜阵列和偏振分光棱镜入射至LCOS投影芯片，LCOS投影芯片发出的光线通过偏振分光棱镜反射至投影透镜投影后投影至外界。
具体为，LED光源发出的光线经过准直透镜组进行准直和扩束，再经微透镜阵列进行匀光，再经偏振分光棱镜入射至LCOS投影芯片，LCOS投影芯片被照亮发出的光线由LCOS投影芯片反射进入至偏振分光棱镜，最后通过投影透镜后投影至外界。
在另一个实施例中，微光机2包括LED光源、准直透镜组、微透镜阵列、投影透镜和DMD投影芯片，LED光源发出光线依次经过准直透镜组和微透镜阵列入射至DMD投影芯片，DMD投影芯片发出的光线通过投影透镜后投影至外界。
具体为，LED光源发出的光线经过准直透镜组进行准直和扩束，再经微透镜阵列进行匀光，再入射至DMD投影芯片，DMD投影芯片被照亮发出的光线经投影透镜后投影至外界。
在一个实施例中，当：
i＝20°，n1＝n2＝1.7，则根据公式(1)，则：
50.7°＜θ＜66.2°。
其中，直角棱镜的斜面所镀高反射膜层可以为Ta2O5和SiO2的交替层来实现不同偏振态下入射光线的高反射率(也可以使用Al或Silver的膜层)，如图5示，对于中心波长λ3＝630nm，对于中心波长λ3＝630nm，Ta2O5和SiO2交替堆叠，具体可根据实际需求调整层数，如层数为十五层，且每层Ta2O5的厚度为73.82nm，每层SiO2的厚度为108.09nm，在0-45°的入射范围内，P偏振光平均反射率达到96％以上，S偏振光平均反射率达到99％以上，以及两种偏振态下平均反射率(Reflectancemean-pol)在98％左右，反射率较高。
在另一个实施例中，当：
i＝30°，n1＝n2＝1.8，则根据公式(1)，则：
53°＜θ＜65°。
其中，直角棱镜的斜面所镀高反射膜层可以为Ta2O5和SiO2的交替层来实现不同偏振态下入射光线的高反射率(也可以使用Al或Silver的膜层)，如图5示，对于中心波长λ3＝630nm，对于中心波长λ3＝630nm，Ta2O5和SiO2交替堆叠，具体可根据实际需求调整层数，如层数为十五层，且每层Ta2O5的厚度为73.82nm，每层SiO2的厚度为108.09nm，在0-45°的入射范围内，P偏振光平均反射率达到96％以上，S偏振光平均反射率达到99％以上，以及两种偏振态下平均反射率(Reflectancemean-pol)在98％左右，反射率较高。
该装置采用各光线分别经过相对应直角棱镜进行反射并无损耗耦入至相对应层次的波导中进行全反射传输，微光机提供的蓝色光线、绿色光线和红色光线，各光线再通过对应的光栅组件实现出瞳扩展并耦出至人眼，解决了现有技术中微光机提供的光线在耦入或耦出过程中损耗较大的问题，从而极大的提高整体耦出图像的效率和颜色的均匀性，实现彩色、大视场角下的高质量图像传输。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多层衍射光波导装置，其特征在于：所述多层衍射光波导装置包括微光机(2)、第一波导组件(3)、第二波导组件(4)、第三波导组件(5)、第一光栅组件(6)、第二光栅组件(7)和第三光栅组件(8)，其中：
所述微光机(2)，用于提供第一光线、第二光线和第三光线，依次对应为蓝色光线、绿色光线和红色光线，并满足D1＝D2＝D3≤D，其中，D1、D2、D3依次对应为所述第一光线、第二光线和第三光线的光束直径，D为相邻光线的中心间距；
各所述波导组件并排设置，均包括波导板和直角棱镜，所述直角棱镜的第一直角面贴合所述波导板的厚度方向侧壁设置，第二直角面靠近所述微光机(2)设置，且其斜面设有高反膜层，所述直角棱镜还满足如下条件：
Figure FDA0003579854820000011
tanθ＝D4/t1 (2)；
其中，
n0sin i＝n1sini′ (3)；
η＝sin-1(1/n2) (4)；
n1≤n2，D4≥D1，t≥t1；
其中，θ为直角棱镜上第一直角面和斜面的夹角，n0为空气折射率，n1为直角棱镜的折射率，n2为波导板的折射率，i为对应光线在直角棱镜中的入射角度，i′为对应光线在直角棱镜中的折射角度，η为对应光线在波导板中的全反射角度，t为波导板的厚度，D4为直角棱镜的第二直角面的宽度，t1为直角棱镜的第一直角面的宽度；
所述第一光栅组件(6)、第二光栅组件(7)和第三光栅组件(8)一一对应设置于所述第一波导组件(3)、第二波导组件(4)和第三波导组件(5)上靠近人眼(1)所在侧，用于实现出瞳扩展并耦出；
所述第一光线、第二光线和第三光线一一对应入射至所述第一波导组件(3)、第二波导组件(4)和第三波导组件(5)，各所述直角棱镜分别将对应的光线反射耦入对应的所述波导板进行全反射传输，再通过对应的所述光栅组件实现出瞳扩展并耦出至人眼(1)。
2.如权利要求1所述的多层衍射光波导装置，其特征在于：所述第一光线的中心波长为450nm-460nm，所述第二光线的中心波长为525nm-535nm，所述第三光线的中心波长为620nm-635nm。
3.如权利要求1所述的多层衍射光波导装置，其特征在于：所述第一光线、第二光线和第三光线的光束直径取值范围为D1＝D2＝D3≥1mm，所述相邻光线的中心间距D＝1.5mm-2mm。
4.如权利要求1所述的多层衍射光波导装置，其特征在于：各所述波导板均为透明波导或者半透明波导，其厚度t＝0.8mm-1.2mm。
5.如权利要求1所述的多层衍射光波导装置，其特征在于：各所述光栅组件包括两个一维光栅或一个二维光栅，两个所述一维光栅分别为出瞳扩展光栅和耦出光栅。
6.如权利要求5所述的多层衍射光波导装置，其特征在于：所述一维光栅为一维表面浮雕光栅或体全息光栅，所述一维表面浮雕光栅为倾斜光栅、闪耀光栅、矩形光栅，所述二维光栅为二维表面浮雕光栅，所述二维表面浮雕光栅为柱状光栅或六角光栅，各所述光栅的光栅周期为250nm-500nm。
7.如权利要求1所述的多层衍射光波导装置，其特征在于：所述直角棱镜的折射率n1和波导板的折射率n2取值范围为1.7-2.0。
8.如权利要求1所述的多层衍射光波导装置，其特征在于：所述高反膜层为Ta2O5和SiO2的交替层、Al金属层或Silver金属层。
9.如权利要求1所述的多层衍射光波导装置，其特征在于：所述微光机(2)包括LED光源、准直透镜组、微透镜阵列、偏振分光棱镜、投影透镜和LCOS投影芯片，所述LED光源发出的光线依次经过所述准直透镜组、微透镜阵列和偏振分光棱镜入射至LCOS投影芯片，所述LCOS投影芯片发出的光线通过所述偏振分光棱镜反射至所述投影透镜投影后投影至外界。
10.如权利要求1所述的多层衍射光波导装置，其特征在于：所述微光机(2)包括LED光源、准直透镜组、微透镜阵列、投影透镜和DMD投影芯片，所述LED光源发出光线依次经过所述准直透镜组和微透镜阵列入射至DMD投影芯片，所述DMD投影芯片发出的光线通过所述投影透镜后投影至外界。
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