带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件制造技术

本发明专利技术提供了一种带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件，包括图像显示光源、准直透镜组、耦合输入面、平面波导衬底、锯齿槽结构和二分之一分光结构。其中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光波进行准直，耦合输入面则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全反射传播，锯齿槽结构用于视场扩展以及光波耦合输出衬底，二分之一分光结构用于光线的均匀分布，提高图像的亮度均匀性。本发明专利技术具有图像亮度均匀、结构轻薄、视场角易于扩大、加工工艺简单、成本低廉的特点，不仅能用于可穿戴显示，还可用于现场实时训练模拟、裸眼3D显示、搜寻定位事实显示等诸多领域。

【技术实现步骤摘要】
带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件
本专利技术涉及一种平面波导光学显示器件，特别是一种可用于全眼穿戴穿透显示的带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件。
技术介绍
对于头戴显示光学系统来说，为了体现增强现实的效果，通常是利用光学元件将图像信息虚拟的显示在人眼前方一定的距离处，使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。为此增强现实型的可穿戴显示光学系统，为了使穿戴者能够及时的获取来自显示光源的全部信息，通常要求显示系统具有视场大、结构轻薄、视场范围内图像亮度均匀的特点。而传统的头戴显示系统是基于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，不利于轻便灵活的应用该系统。为此，亮度均匀，视场大，结构紧凑、轻薄，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。其中显示系统的紧凑、轻薄、大视场和图像亮度的均匀性尤为重要。在某些应用领域，图像亮度的均匀和观察视场范围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，同时显示系统的整体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显示图像亮度不均匀、视场小以及制造工艺复杂等带来的一系列问题，本专利技术设计了一种带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件。为了达到上述目的，本专利技术采用了以下的技术方案：一种带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件，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，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；锯齿槽结构，用于视场扩展以及光波耦合输出衬底；二分之一分光结构，用于使光线均匀分布，提高图像的亮度均匀性。其中，准直透镜组位于图像显示光源和平面波导衬底之间，两个带有锯齿槽结构的平面波导衬底的耦合输入面对称的胶合在一起，显示光源位于胶合后的对称结构的中央。本专利技术主要是采用多次内分光技术、微纳米加工技术、全反射原理和微齿形面一次反射成像原理来实现的。来自图像显示光源的光线经过准直透镜准直后入射到耦合输入面，经折射进入到平面波导衬底中。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中传播。利用二分之一分光结构，使平面波导衬底中的光线一边传输一边均分，经过多次均分后达到均匀分配。光线在平面波导衬底中无损耗地传输到需要显示输出的位置后，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，经过齿形结构倾斜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。本专利技术提供的平面波导双目光学显示器件，还具有这样的特征：耦合输入面的有效通光口径内蒸镀有相应的多层增透膜，耦合输入面的外表面旋涂有相应的反射膜，锯齿结构的外表面旋涂有反射膜。本专利技术提供的平面波导双目光学显示器件，还具有这样的特征：带有锯齿夹层的平面波导衬底是由带有凸出锯齿结构和凹陷锯齿结构的两个平面衬底通过锯齿黏合嵌套在一起的，且这两个平面衬底之间存在着分光结构。本专利技术提供的平面波导双目光学显示器件，还具有这样的特征：锯齿槽结构的齿形表面需要加工到镜面（表面粗糙度Ra应成像光的波长尺寸，如10-20nm）的效果，且单个锯齿单元的长度应大于一个光波长。本专利技术提供的平面波导双目光学显示器件，还具有这样的特征：平面波导衬底的上下两个平行表面的粗糙度、平行度以及平面度都必须满足基本光学加工的要求。本专利技术提供的平面波导双目光学显示器件，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。本专利技术提供的平面波导双目光学显示器件，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。与现有的成像系统相比，本专利技术的有益效果是：图像亮度均匀、结构轻薄、视场角易于扩大、加工工艺简单、成本低廉。这些有益效果使得本专利技术与传统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，本专利技术光学系统的视场更大，输出图像的亮度更均匀，制造工艺更简单易行、成本更低、结构也更紧凑小巧。本专利技术光学系统不仅能用于可穿戴显示，还可用于现场实时训练模拟、裸眼3D显示、搜寻定位事实显示等诸多领域。附图说明图1为本专利技术带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件的示意图；图2为传统潜望式光学显示系统的光线传播示意图；图3为本专利技术带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件的平面波导衬底示意图；图4为本专利技术带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件的锯齿结构示意图；图5为本专利技术带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件的旋涂示意图；图6为本专利技术带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件的光线传播示意图；图7为本专利技术带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件的对称耦合示意图；图8为本专利技术带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件的单向耦合示意图；图9为本专利技术带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件的中央耦合示意图；图10为本专利技术带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件的结构参数示意图；以及图11为本专利技术带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件的集成应用示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体工作过程给予说明。图1为本专利技术带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件的示意图。如图1所示，本专利技术光学显示器件的系统组成包括：图像显示光源10，准直透镜组11，耦合输入面12，平面波导衬底13，锯齿槽结构14，二分之一分光结构15。来自图像显示光源10的光线经过准直透镜组11的准直后入射到耦合输入面12，经耦合面的反射进入到平面波导衬底13中。光线在平面波导衬底中无损耗地传输到需要显示输出的位置后，由于锯齿槽结构14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，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。另外当光线在波导中传播时，由于二分之一分光结构15的存在，使平面波导衬底中的光线一边传输一边均分，经过多次均分后达到均匀分配，从而提高了输出图像的亮度均匀性。本专利技术平面波导光学器件的基本结构由六部分组成，对于具体应用可对本专利技术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。下面针对本专利技术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，因此对图像显示光源的尺寸有一定的要求，否则将不利于穿戴者轻便的使用穿戴设备。目前主流的可用于穿戴显示的微尺寸图像显示光源有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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件，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；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；锯齿槽结构，用于视场扩展以及光波耦合输出衬底；二分之一分光结构，使光线均匀分布，提高图像的亮度均匀性；其中，准直透镜组位于图像显示光源和平面波导衬底之间，两个带有锯齿槽结构的平面波导衬底的耦合输入面对称的胶合在一起，显示光源位于胶合后的对称结构的中央。

【技术特征摘要】
1.一种带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件，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；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；锯齿槽结构，用于视场扩展以及光波耦合输出衬底；二分之一分光结构，使光线均匀分布，提高图像的亮度均匀性；其中，准直透镜组位于图像显示光源和平面波导衬底之间，两个带有锯齿槽结构的平面波导衬底的耦合输入面对称的胶合在一起，显示光源位于胶合后的对称结构的中央；带有锯齿夹层的平面波导衬底是由带有凸出锯齿结构和凹陷锯齿结构的两个平面衬底通过锯齿黏合嵌套在一起的，这两个平面衬底之间存在着分光结构。2.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：耦合输入面的有效通光口径内蒸...

【专利技术属性】
技术研发人员：张圣军，张庆，
申请(专利权)人：上海理湃光晶技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31