CN118192001A - 具有高光能利用率的波导光学装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种具有高光能利用率的波导光学装置，包括：光波导片；光波导片的入射光区域内面上设置耦入光栅；光波导片的入射光区域的背面上正对耦入光栅镀制增反膜层；光波导片的出射光区域内面上镀制扩展耦出光栅；光波导片的出射光区域的背面上正对扩展耦出光栅镀制增透膜；光波导片的入射光区域、光波导片的出射光区域之间为光衍射区。该波导光学装置通过在内部采用具有上述结构的光栅作为光波导片，能在380～680nm波段下，相对未镀制任何膜的光栅，实现光能的平均利用率提高55.1％的效果。
Description
技术领域
本申请涉及光栅结构技术领域，特别是一种具有高光能利用率的波导光学装置。
背景技术
当今社会进入了信息多元化时代，为了增加信息获取量，近眼显示技术应运而生应用价值和潜力较大。衍射光波导显示技术系统在为人眼提供必要信息的同时，又使人眼能够透过光波导片观察外景，成为了当下显示系统的关键技术和研究热点。
参见图3，现有的光波导显示系统中，光路传播示意图，衍射光波导显示系统相较于现有目镜成像系统具有可直视、无遮挡、低突出、重量轻的优势，通过与增强现实显示技术的有机融合，将原有显示空间中没有的各种信息通过眼镜将其套用至现实世界，并与现实世界产生相应互动。衍射光波导技术利用表面浮雕光栅的衍射作用，对垂直入射光进行衍射，使得光传播方向改变，再通过扩展光栅进行扩展，最后通过耦出光栅耦出到人眼。
例如CN 202120947835.3中公开的光波导结构和近眼显示器，该显示器通过多个光波导片叠加设置，相邻的两个光波导片具有叠合区，叠合区上设置有胶结构以形成胶接区，并在胶接区内设置入射角大于35°时反射率大于98％的增反膜，能将胶接区处的逃逸光反射到光波导片边缘，从而防止光传输到另一个光波导片中造成串扰的现象，提高了成像质量。但该结构不能解决现有光波导结构光利用率低的问题。
在耦入光栅结构中，除部分光被衍射外，还有绝大部分光是直接透射传出，这导致衍射光波导的光能利用率低下。另外，在耦出区域内，除了虚拟信息直接耦出传入人眼外，环境光也需要透过耦出区传入人眼，但环境光在传入人眼的过程中有较大的损耗，导致用户无法看清自然环境。
公开于背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本申请针对上述技术问题提供了一种具有高光能利用率的波导光学装置，通过在衍射光波导显示系统的表面浮雕光栅结构的耦入光栅，并在光栅底部设置增反膜层，提升表面浮雕光栅结构对入射光的反射率，增加衍射光波导显示系统的光能利用率；并在耦出区域外侧镀制增透膜，增加环境光的透过率，使显示屏在较低照度环境下仍能正常工作。
本申请提供了一种具有高光能利用率的波导光学装置，包括：光波导片；光波导片的入射光区域内面上设置耦入光栅；光波导片的入射光区域的背面上正对耦入光栅镀制增反膜层；
光波导片的出射光区域内面上镀制扩展耦出光栅；光波导片的出射光区域的背面上正对扩展耦出光栅镀制增透膜；
光波导片的入射光区域、光波导片的出射光区域之间为光衍射区。
优选地，耦入光栅由一系列规则排布的一维亚微米光栅组成；垂直光波导片入射耦入光栅的平行光经耦入光栅后发生衍射。
优选地，耦出光栅由一些系列规则排布的一维亚微米光栅组成；经耦入光栅衍射的光经耦出光栅后垂直光波导扩输出。
优选地，增反膜层或增透膜层的厚度为100nm～500nm。
优选地，增反膜层包括：多个叠置的周期单元，周期单元包括：叠置的t1层和t2层，t1层的镀制材料为银、镁氟化物、铝和二氧化硅中的至少一种；t2层的镀制材料为银、镁氟化物、铝和二氧化硅中的至少一种。
优选地，增透膜层包括：多个叠置的周期单元，周期单元包括：叠置的t1层和t2层，t1层和t2层的组合为：镁氟化物(MgF2)和二氧化硅、二氧化钛和二氧化硅、五氧化二钽和二氧化硅、氧化铪和二氧化硅中的至少一种。
优选地，周期单元设置个数至少为40个。
优选地，包括：准直镜头、微显示屏；微显示屏与准直镜头光路连通；准直镜头与光波导片的入射光区域光路连通；用户通过正对光波导片另一侧的入射光区域获取图像。
优选地，准直镜头包括：至少两个透镜，透镜为凸透镜、凹透镜、平面镜、超透镜中的至少一种。准直镜头所用透镜的焦距均不同。
优选地，微显示屏为OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、LCoS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)、DLP(Digital Light Processing，数字光处理)中的至少一种。微显示屏用于将图像或信息以光学方式显示出来，用作光学系统的输出设备，将光学信息图像传输到光波导片上。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的具有高光能利用率的波导光学装置，通过在耦入区域的外侧镀制增反膜，将透过耦入光栅的光重新反射回耦入光栅，能将光的利用率相对现有结构提高20％，同时在耦出区域外侧镀制增透膜，增加了环境光通过耦入区进入人眼的透过率，解决表面浮雕光栅光波导结构光能利用率低的问题，最终可提升自然光能利用率55.1％，提高使用者的视野清晰度，该技术可应用于增强现实领域。
2)本申请所提供的波导光学装置，该波导光学装置通过在内部采用具有上述结构的光栅作为光波导片，能在380～680nm波段下，相对未镀制任何膜的光栅，实现光能的平均利用率提高55.1％的效果。
附图说明
图1为本申请提供的衍射光波导的结构示意图；
图2为本申请提供的耦入、波导、耦出区域示意图；
图3为现有光波导显示系统中光传播轨迹图；
图4为本申请提供光栅在光波导显示系统中的光传播轨迹图；
图5为本申请实施例1中所得光栅在光波导显示系统中的光能利用率检测结果与现有光栅的检测结果对比图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请中未详述的且并不用于解决本申请技术问题的技术手段，均按本领域公知常识进行设置，且多种公知常识设置方式均可实现。
实施例
以下实施例中所用物料和仪器如无特殊说明均为商业渠道获得；所用检测方法如无特殊说明，均为现有方法。
下面结合具体实施方式和附图对本波导光学装置进行详细说明。以下实施例中所用电子束蒸发的方式按本领域常用方法进行，例如可以参见CN202011334442.1中实施例1公开的方法设置增透膜；按CN201310352750的实施例1中公开方法设置增反膜。
实施例1
参加图1，本实施例的一种波导光学装置包括：微显示屏001、准直镜头002及光波导片003，微显示屏001用于将输入的数字信号转换为模拟信号并输出图像；准直镜头002用于将微显示屏001输出的图像进行准直；光波导片003用于将准直镜头准直后的图像经过衍射、波导传输、扩展后输出到人眼。
请参考图2，光波导片003主要包括：两个光栅区域，分别为耦入光栅004、耦出光栅005。其中耦入光栅004的作用为对垂直入射的平行光实现衍射，使得入射光通过光栅衍射作用发生衍射，并且衍射角满足全反射条件；耦出光栅005的作用为通过衍射将耦入光栅004传入的光导出到人眼。耦入光栅004通过纳米压印结合刻蚀的方法设置于光波导片003上；耦出光栅005通过纳米压印结合刻蚀方法设置于光波导片003上；
请参考图4，在光波导片003上的耦入光栅004背侧镀制增反膜006，用于将透过耦入区域的光反射回耦入光栅004，减少光的损失。在本实施例中，增反膜006的厚度为200nm，由Al和SiO2两种材料通过电子束蒸发的方式交替沉积而成，其中单层Al膜厚度为3nm，单层SiO2的厚度为2nm，一层Al膜加一层SiO2膜为一个周期，总设置40个周期。
请参考图4，在光波导片003的耦出区域005外侧镀制有增透膜007，用于提高耦出区域005的环境光透过率。在本实施例中，该增透膜007的厚度为380nm，由TiO2和Al2O3两种材料通过原子层沉积的方式交替沉积而成，其中单层TiO2膜厚度为8nm,单层Al2O3的厚度为2nm,一层TiO2膜加一层Al2O3膜为一个周期，总共38个周期。
对比例1
与实施例1的区别在于：未镀任何膜层结构。
对比例2
与实施例1的区别在于：仅设置增透膜007。
对比例3
与实施例1的区别在于：仅设置增反膜006。
将实施例1及对比例1～3中所得光波导片003按如图1所示结构，组装后得到波导光学装置后，检测波导光学能量利用率的装置为光亮度计，即通过光亮度计首先测量不同波长入射光在准直镜头002输出的亮度，再测量耦出光栅005处不同波长的输出亮度，耦出光栅亮度和准直镜头002亮度的比值即为光能利用率。不同波长下的光能利用率图谱如图5所示。
所得结果如图5所示，单独镀制增反膜006的对比例3、单独镀制增透膜007的对比例2、同时镀制增透膜和增反膜的实施例1，所得光能利用率的检测结果，相比于未镀膜的对比例1的光能利用率均有提高，
在本实施例中，单独镀制增反膜006在380nm-680nm波段，光能的平均利用率提高19.5％；单独镀制增透膜007在380nm-680nm波段，光能的平均利用率提高35.5％；同时镀制增反膜006和增透膜007在380～680nm波段，光能的平均利用率提高55.1％。
通过在该光栅结构上设置增反膜和增透膜，成功提高了光能利用率，降低了对微显示屏的发光亮度要求，提升了最终光波导产品的入眼亮度，提升了用户体验。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有高光能利用率的波导光学装置，其特征在于，包括：光波导片；光波导片的入射光区域内面上设置耦入光栅；光波导片的入射光区域的背面上正对耦入光栅镀制增反膜层；
光波导片的出射光区域内面上镀制扩展耦出光栅；光波导片的出射光区域的背面上正对扩展耦出光栅镀制增透膜；
光波导片的入射光区域、光波导片的出射光区域之间为光衍射区。
2.根据权利要求1所述的具有高光能利用率的波导光学装置，其特征在于，耦入光栅由一系列规则排布的一维亚微米光栅组成；垂直光波导片入射耦入光栅的平行光经耦入光栅后发生衍射。
3.根据权利要求1所述的具有高光能利用率的波导光学装置，其特征在于，耦出光栅由一些系列规则排布的一维亚微米光栅组成；经耦入光栅衍射的光经耦出光栅后垂直光波导扩输出。
4.根据权利要求1所述的具有高光能利用率的波导光学装置，其特征在于，增反膜层或增透膜层的厚度为100nm～500nm。
5.根据权利要求1所述的具有高光能利用率的波导光学装置，其特征在于，增反膜层包括：多个叠置的周期单元，周期单元包括：叠置的t1层和t2层，t1层的镀制材料为银、镁氟化物、铝和二氧化硅中的至少一种；t2层的镀制材料为银、镁氟化物、铝和二氧化硅中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的具有高光能利用率的波导光学装置，其特征在于，增透膜层包括：多个叠置的周期单元，周期单元包括：叠置的t1层和t2层，t1层和t2层的组合为：镁氟化物和二氧化硅、二氧化钛和二氧化硅、五氧化二钽和二氧化硅、氧化铪和二氧化硅中的至少一种。
7.根据权利要求5或6所述的具有高光能利用率的波导光学装置，其特征在于，周期单元设置个数至少为40个。
8.根据权利要求1所述的具有高光能利用率的波导光学装置，其特征在于，包括：准直镜头、微显示屏；微显示屏与准直镜头光路连通；准直镜头与光波导片的入射光区域光路连通；用户通过正对光波导片另一侧的入射光区域获取图像。
9.根据权利要求1所述的具有高光能利用率的波导光学装置，其特征在于，准直镜头包括：至少两个透镜，透镜为凸透镜、凹透镜、平面镜、超透镜中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的具有高光能利用率的波导光学装置，其特征在于，微显示屏为OLED、LCD、LCoS、DLP中的至少一种。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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