CN104678555B - 屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有屈光度矫正的可用于全眼穿戴显示的齿形镶嵌平面波导光学器件，包括显示光源、准直透镜、耦合输入面、平面波导衬底、微齿形结构以及薄负透镜。其中显示光源用来发出显示所需图像的显示光波，准直透镜用来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，平面波导衬底则对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波，微齿形结构将对全反射光波进行耦合输出，薄负透镜用于对屈光度进行矫正。本发明具有屈光度矫正方便、重量轻、结构紧凑、加工工艺简单、视场增加灵活以及光波耦合效率高的特点，不仅可用于可穿戴显示，同时还可用于医疗耳镜、裸眼3D显示、GPS导航以及移动屏幕显示等应用领域。

Description

屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件

技术领域

本发明涉及一种平面波导光学器件，特别是一种带有屈光度矫正的可用于全眼穿戴显示的齿形镶嵌平面波导光学器件。

背景技术

传统的头盔穿戴显示采用45°反射式的结构来实现。这种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。为了增加视场，只有通过增加45°反射面的面积来实现，这意味着整体反射系统的重量增加。通常，头盔穿戴显示设备为了方便穿戴者在浏览信息的同时不影响正常的行为方式，利用光学元件将图像信息虚拟地显示在人眼前方的一定距离处。此类光学显示系统的核心组件由三部分组成：图形信息光波耦合输入组件、信息光波传输衬底以及图像光波耦合输出显示组件。另外，对于视力有问题的观察者来说，屈光度矫正也是必须的，否则将影响最终观察图像的清晰度。因此，屈光度矫正、重量轻、结构紧凑、大视场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，屈光度矫正、重量轻和大视场尤为重要。在某些应用领域，观察视场范围的大小直接影响到人员的安全以及观察者获取信息的完整性，同时显示系统的重量和屈光度矫正对于佩戴者的舒服程度和图像的清晰度都有很大的影响。

为了解决传统穿戴显示光学系统由于光学成像系统重量和视场的矛盾以及屈光度异常观察带来的一系列问题，本发明设计了一种屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件。

为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件，其特征在于：依次包括：显示光源，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；微齿形结构，对全反射光波进行耦合输出；薄负透镜，对屈光度进行矫正。其中，准直透镜设置在显示光源与平面波导衬底之间，微齿形结构设置在平面波导衬底远离显示光源的一端侧面上，微齿形结构由一定数量的微型小齿衔接组成，这些微型小齿对在平面波导衬底中传播的全反射光波进行耦合输出。本发明主要采用微齿形面反射、全反射以及负透镜屈光度矫正原理和镀膜技术来实现的。来自显示光源的光线经像差矫正良好的准直透镜准直以后入射到耦合输入面，经反射进入到平面波导衬底中，使光线以满足全反射的条件在平面波导衬底中无损耗的传输到所需要显示输出的位置。由于微齿形结构的存在，打破了光线在平面波导中的全反射传播条件，经过微齿形齿面的反射，使光波耦合输出到微齿形结构外进入到超薄负透镜中。经过超薄负透镜的屈光度矫正，光线进入到观察者的视野中。对于来自周围景物的光线，经过波导上下表面的反射直接进入到人眼，从而完成图像信息和周围景物信息的实时观察。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：准直透镜采用单个非球面镜，微齿形结构的各个微型小齿的表面加工到镜面(表面粗糙度Ra应小于成像光的波长尺寸，如10-20nm)的效果，微齿形结构和平面波导衬底采用适当的光学胶水进行粘结，如折射率匹配的紫外胶。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：矫正薄负透镜与平面波导衬底和微齿形结构的材料一致，均由光学材料构成，该材料具备有合适的折射率、透过率及机械性能，如PMMA。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：耦合输入面镀有增透膜，微齿形结构的下表面用二向色旋涂的方法镀有光学薄膜，薄负透镜的光线出射面镀有增透膜。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：其中，耦合输入面顶角到微齿形结构靠近耦合输入面所在位置的物理长度Lray与平面波导衬底的厚度Hp以及全反射光波与衬底下表面的夹角α_Sur之间满足下述关系：Lray>3Hp*tan(α_Sur)。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：其中，微齿形结构的整体长度Lt与平面波导衬底的厚度Hp以及全反射光波与衬底下表面的夹角α_Sur之间满足下述关系：Lt>2Hp*tan(α_Sur)。

本发明提供的平面波导光学器件中，还具有这样的特征：其中，微齿形结构中单个微齿的宽度Tw应大于成像光波长的长度，如600um，以避免因微齿形结构造成强烈的衍射效应，而影响成像效果。

与现有的成像系统相比，本发明的有益效果是：屈光度矫正方便、重量轻、结构紧凑、加工工艺简单、视场增加灵活以及光波耦合效率高。这些优点使得本发明光学器件相比于传统45°反射显示系统，系统的体积和重量得以减小。在相同的体积下，本发明光学系统的成像视场更大，光波耦合效率更高，制造工艺更简单易行、成本更低，同时本发明相比于传统的成像系统屈光度矫正简单易行，极大地解决了屈光度异常人眼观察带来的不便。

附图说明

图1为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件的结构示意图；

图2为无屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导器件的光线示意图；

图3为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件微齿形结构示意图；

图4为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件的光线示意图；

图5为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中微齿形结构下表面镀膜后的光线示意图；

图6为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中透射率随到达微齿形结构的光线的入射角度变化的曲线图；

图7为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中到达微齿形结构的光线的入射角度为10°时各个波长的透射率曲线图；

图8为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中到达微齿形结构的光线的入射角度为60°时各个波长的透射率曲线图；

图9为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中光线在微齿形结构和薄负透镜中传播的示意图；

图10为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中薄负透镜的光线出射面镀增透膜前后的透射率曲线；

图11为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件人眼观察示意图；以及

图12为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件单眼应用示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体工作工程给予说明。

图1为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件的结构示意图，如图1所示，本发明光学器件的系统组成包括：显示光源10，准直透镜11，耦合输入面12，平面波导衬底13，微齿形结构14，薄负透镜15。本发明光学器件的基本结构由六部分组成，对于具体应用可对本发明的各组成部分进行相应的扩展，从而进一步提高系统在应用方面的潜力。下面针对本发明六个部分的作用给以相应的说明：

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11主要是对显示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。

耦合输入面12是采用镜面反射的原理利用棱镜来改变光线的传播方向。来自准直透镜11的光线入射到耦合输入面12后，经过耦合输入面12的反射进入到平面衬底。由于采用斜面耦合光波进入衬底，可以有效地避免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12的有效通光口径范围内镀上相应的增透膜，来提高光波的耦合输入能量。

平面波导衬底13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以及图像的亮度，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，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42.2°，高于一般的K9玻璃(n_d＝1.52)的全反射临界角41.8°，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。

微齿形结构14用来破坏光线的全反射条件使其耦合输出到齿形结构外。光波经过平面波导衬底13的传输进入到微齿形结构14中，由于微齿形结构14和平面波导衬底13采用适当的光学胶水进行粘结，如折射率匹配的紫外胶，从而可以使光线没有偏折地直接到达微齿形结构14中。经过微齿形结构14齿面的反射，破坏了光线的全反射条件使光线耦合输出进入人眼。齿形结构的存在可以使整个齿形表面都实现对光线的反射，由于光线能够覆盖整体表面，从而实现了观察者视场的扩展。这种视场扩展齿形结构在工艺加工上很容易实现、但是齿形结构表面加工需要达到镜面(表面粗糙度Ra应小于成像光的波长尺寸，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。

薄负透镜15用来对屈光度进行矫正。对于屈光度异常的人眼来说，必须考虑屈光度的矫正，否则将影响最终的信息观察。薄负透镜15的设计必须考虑到材料的折射率以及对于轻微屈光度异常人眼的屈光度值。为了方便薄负透镜15与微齿形结构14进行胶合，通常薄负透镜和平面波导衬底以及微齿形结构的材料在选取上应保持一致。入射到微齿形结构下表面的大角度光线应全反射进入到平面波导衬底中继续传播，但由于薄负透镜和微齿形结构之间是通过合适的光学胶水，如折射率匹配的紫外胶进行胶合的，使得进入微齿形结构的大角度光线可能直接进入薄负透镜中，这将导致二次成像的存在。为了消除二次成像对原始图像的影响，且为了使入射到微齿形结构下表面的小角度光线完全进入到薄负透镜中去，在微齿形结构和薄负透镜之间引入了光学薄膜。

本发明光学器件的工作步骤以及实例应用：

图2为无屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导器件的光线示意图。来自显示光源的准直光线20垂直入射到耦合输入面，从而改变光线的传播方向，使其在平面波导衬底中全反射传播。经反射面Ref_-surf的反射，光线20初次和平面波导衬底的下表面Sur_-bottom碰撞，通过衬底下表面Sur_-bottom的反射，光线20紧接着与平面波导衬底的上表面Sur_-up碰撞。在整个光线传播过程中必须始终保持光线20和平面波导衬底法线的夹角α_Sur大于衬底材料(PMMA，n_d＝1.49)的全反射临界角(42.2°)，否则光波能量在传播过程中极易损失，造成最终显示图像信息的丢失，影响观察图像的视场范围。为了实现上述光线传播的光路路径，以主轴光线为设计参考，各参数需满足的条件为：

α_Sur-ref＝β

其中，β是反射面Ref_-surf和衬底下表面Sur_-bottom的夹角，α_Sur-ref是主轴光线和反射面Ref_-surf法线的夹角。

α_Sur＝2α_Sur-ref

其中，α_Sur是主光线和平面波导衬底下表面Sur_-bottom法线的夹角。满足上述条件的情况下，主轴光线可以无能量损失的在衬底中传播，对于其它方向的光束，只要和衬底下表面的反射角大于临界角都可以无损的传输。

图3为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件微齿形结构示意图。微齿形结构31由一定数量的微型小齿32组成，这些微型小齿用于打破光线在衬底表面的全反射条件使其耦合输出到衬底外。来自衬底的光线33首先与齿形微结构31的Sur_-input面相碰撞，垂直折射进入微齿形结构中。进入微齿形结构后光线33紧接着和齿形微结构31的Sur_-output面相碰撞，经过Sur_-output面的反射后被耦合输出到微齿形结构外进入到观察视野范围之内。对于光线34，首先与齿形微结构31的Sur_-input面相碰撞垂直折射进入微齿形结构中。进入微齿形结构后光线34紧接着和齿形微结构31的Sur_-output面相碰撞，再次经过Sur_-output面的折射与Sur_-input面相碰撞，由Sur_-input面折射进入齿形微结构31。然后和微齿形结构31的Sub_-bottom面相碰撞，由于光线和Sub_-bottom面的法线夹角大于全反射临界角，从而光线继续在齿形微结构31中传播。为了使光线在微齿形结构中传播时满足上述条件，以主轴光线为结构参数参考设计光线，齿形结构的各参数满足下述关系：

β_t-1＝β_t-2＝β_t-3＝α_Sur

其中，β_t-1是微齿形结构31的Sur_-input面和水平面的夹角，β_t-2是微齿形结构31的Sur_-output面和Sur_-input面的夹角，β_t-3是微齿形结构31的Sur_-output面和水平面的夹角。

β_ref-t＝β_t-2

其中，β_ref-t是主轴光线和微齿形结构31的Sur-input面法线的夹角。

β_surf-t＝β_ref-t

其中，β_surf-t是主光线和微齿形结构31的Sub_-bottom面法线的夹角。

β_bottom＝β_surf-t

其中，β_bottom是微齿形结构31的Sub_-bottom面和Sur_-output面的夹角。

对于上述微齿形结构参数，均以主光轴线为参考进行光路参数确定，对于轴外点的光线传输时，由于微显示轴外点光束的偏轴角一般很小，因此，上述参数关系足以满足相应轴外光束传播条件。

图4为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件的光线示意图。位于光轴40上的来自显示光源的点光源Q发出的光波经过准直透镜准直后，准直光线41首先和耦合输入面碰撞发生反射和折射，其中折射光线将继续在平面波导中传播。而由于耦合输入面对光线反射作用的存在，使光波的能量发生损失，通常可在耦合输入面上镀一定光学厚度的增透膜，用于提高进入平面波导衬底中的光波能量。折射光线在平面波导衬底中以全反射的形式传播一定光学路程后进入到微齿形结构中，打破了光线全反射传播的条件，使其耦合进入薄负透镜中，经过薄负透镜的屈光度矫正，光线最终进入到观察者的视野中。

图5为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中微齿形结构下表面镀膜后的光线示意图。来自光源的准直光线垂直入射到耦合输入面，耦合输入面类似于共轴光学系统中的孔径光阑，限制了进入平面波导衬底中的光束的大小，即限制了进入衬底的光束能量。通常，光线垂直进入衬底时有4％的能量由于衬底表面的反射而被损失掉。这些反射光束一方面造成了整体图像能量的损失，另一方面也产生了二次成像，影响了原始图像的清晰度。为此通常在耦合输入面的有效面积处镀相应的增透膜，用于增加入射光波的能量。进入平面波导衬底的准直光束经过反射，在平面波导衬底中以满足全反射的形式进行传播，一定光程后到达微齿形结构，齿形结构的存在打破了光束的全反射条件使其耦合输出到观察者的视野中。光线50经过微齿形结构小齿面的反射，一部分光线52垂直微齿形结构的下表面出射，一部分光线51继续传播，以大角度和齿形结构的下表面接触。为了进行屈光度矫正，必须保证大角度入射的光线51可以再次返回衬底中继续传播，否则将导致观察到的图像出现重影。另外，以小角度和微齿形结构下表面接触的光线52应全部出射，否则显示图像的对比度会降低。这些目的主要依靠光学薄膜53来实现。

图6为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中透射率随到达微齿形结构的光线的入射角度变化的曲线图。为了实现上述图5所说的大角度入射的光线完全的返回衬底，同时小角度的光线能够完全的出射齿形结构下表面，需要在微齿形结构的下表面采用二向色旋涂光学薄膜的方式实现。如图6所示为S偏振光的反射率随入射到微齿形结构的角度变化的曲线，由此可知，对于波长为510nm的S偏振光，入射角为0°～20°时，透射率T>99％，因此小角度的光线几乎可以完全出射到齿形结构的下表面。入射角为50°～90°时，透射率T<0.01％，因而大角度入射的光线几乎全部返回到平面衬底中继续传播，对于剩余的越0.01％的光波能量，人眼是无法感知的，因此不会对原始图像的观察造成影响。

图7为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中到达微齿形结构的光线的入射角度为10°时各个波长的透射率曲线图。对于图5所述的小角度人射光线，必须考察所有的小角度在整个波长范围内的反射率曲线。若图像光波在波导内的视场角为±ω°，则必须保证0～ω°任意角度对应的所有波长范围内的反射率值都必须小于一定的值，且这个值必须保持几乎恒定，否则反射光线会对原图像造成影响，且图像最终的显示色彩将发生丢失，影响图像的饱和度。如图7所示，在到达微齿形结构的光线的入射角度为10°时，波长范围在430～680nm内的所有光线的透射率T均满足T>99％，因而满足相应的设计要求。

图8为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中到达微齿形结构的光线的入射角度为60°时各个波长的透射率曲线图。对于图5所述的大角度入射光线，必须保证全部返回到衬底中继续传播，否则折射进薄负透镜中的光线将会导致二次成像。由于原始的小角度光线的方向和二次成像的光线的方向不同，将会有重影出现，从而影响原始图像像质的观察。若图像光波在波导内的视场角为±ω°，则必须保证α_Sur±ω°对应的所有波长范围内的反射率都必须大于一定的值，且这个值必须保证对原始图像成像的影响很小。如图8所示，入射角度为60°时，波长范围在430～680nm内的所有光线的透射率均很小。图8A中纵坐标透射率的范围为0～100％，可以看出此时的透射率几乎为0％。图8B中纵坐标透射率的范围为0～1％，可以更加明显的看到入射角度为60°时，波长范围在430～680nm内的所有光线的透射率T满足T<0.01％，这些能量对原始图像的影响，可以忽略不计。

图9为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中光线在微齿形结构和薄负透镜中传播的示意图。来自平面波导衬底的光线90入射到微齿形结构中，经过微型小齿的反射，小角度光线91进入到薄负透镜中，而大角度光线92则在被反射到衬底中继续传播，避免了二次成像。微齿形结构和薄负透镜通常采用适当的光学胶水，如与衬底折射率匹配的紫外胶进行胶合，因为折射率的不匹配会导致光学薄膜93的失效，无法保证大角度的光波能量全部被反射回到衬底中。光线91进入到薄负透镜后，紧接着将被折射到空气中。光线从光密介质到光疏介质时，入射角在0～30°范围内，光波的透射率通常为95％，剩余的5％的光波能量将被反射回光密介质中。这5％的反射光波成的像会对原来的图像造成严重的干扰，为此通常在薄负透镜的光线出射面蒸镀一定的增镀膜，来降低反射光线的影响。

图10为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中薄负透镜的光线出射面镀增透膜前后的透射率曲线。当入射角度为20°，如图10A所示为薄负透镜的光线出射面未镀增透膜时的透射率曲线，可以看到波长范围在430～680nm内的所有光线的透射率为T＝95％，剩余的5％的能量将返回到衬底中继续传播。当这些光线再次反射进入到薄负透镜中时，就会造成二次成像。如图10B所示为薄负透镜的光线出射面镀增透膜时的透射率曲线，可以看到在整个波长范围内所有光线的透射率为T>99％，剩余的不足1％的光波能量对人眼的影响很小，可以忽略不计。

图11为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件人眼观察示意图。显示光源轴上一点S发出的光波经过准直透镜的准直进入到耦合输入面，经过输入面的反射在平面波导衬底中进行全反射传播，最终到达微齿形结构中，通过微齿形结构和薄负透镜的作用，最终进入到观察者视野中。为了更好的说明器件的工作原理，以具体的器件实例参数给予定量说明。在平面光学设计中，通常以主轴光线为参考光线进行相应参数的确定，具体关系如下：

Hp＝4.0mm

其中，Hp为本发明光学器件的平面波导衬底厚度。本器件的加工材料以PMMA为主。PMMA材料具有密度小的巨大优势，考虑到为了扩展观察者的观察视场，器件的厚度和微齿形结构的长度应有一定的要求。平面波导厚度太小将导致光线无法一次反射完成视场的扩展，同时加大了加工工艺的难度。另一方面微齿形结构的长度太短，必然导致微型小齿的数量减少，这两方面都将影响光线的耦合输出以及工艺的难易程度，为此对于器件的厚度必须兼顾重量和一次光线耦合输出来设计。

β＝30°

其中，β是反射面Ref_-surf和衬底下表面Sur_-bottom的夹角，考虑到主轴光线垂直入射进入衬底以后，经过反射面Ref-surf的反射后，很可能经过衬底地面Sur_-bottom的反射后再次与反射面Ref_-surf相遇，因此上述参数值可避免光线的二次相遇。

α_Sur＝2β＝60°

其中，α_Sur是主轴光线和衬底上表面Sur_-up法线的夹角。对于α_Sur必须保证大于平面波导材料的衬底的全反射临界角，否则图像的信息将由于光线的折射而造成大量的损失。PMMA材料全反射临界角为42.2o，α_Sur＝60°>42.2满足设计要求。

Lray＝32.7mm

其中，Lray为耦合输入面顶角到微齿形结构靠近耦合输入面所在位置的物理长度，为了避免杂散光对成像质量的影响，一般通过增加Lray的长度，使杂散光在传播过程中由于反射角小于临界角而耦合输出到衬底外。一般要求：

Lray>3Hp*tan(α_Sur)

对于微齿形结构的角度参数相应的可由平面波导结构的参数给予确定：

β_t-1＝β_t-2＝β_t-3＝α_Sur＝60°

β_ref-t＝β_t-2＝60°

β_surf-t＝β_ref-t＝60°

β_bottom＝β_surf-t＝60o

Ht＝0.87mm

Lt＝20.5mm

Tw＝0.8mm

其中，Ht为齿形结构的整体厚度，为了使光线进入衬底后，被齿形面反射以后还能继续传播返回平面衬底中，通常在微型小齿和微齿形结构的底面之间保持一定的厚度，但是厚度不必要太大否则易造成齿形结构整体体积的增加。Lt是微齿形结构的整体长度，Lt长度确定通常依据主轴光线一次反射来确定，即要求：

Lt>2Hp*tan(α_Sur)

Tw为微齿形结构的宽度，Tw的数值不能过于太小，否则将发生光波的衍射效应，破坏了几何光学设计的基本要求，为了避免上述现象的出现，通常Tw的选取值应大于成像光的波长尺寸，如600um，以避免因微齿形结构造成强烈的衍射效应，而影响成像效果。

对于薄负透镜的选取，一方面要考虑横向尺寸，另一方面需要考虑屈光度的数值，由于薄负透镜需要和微齿形结构胶合，因此：

L-W＝Lt＝20.5mm

F＝200度

其中，L-W是薄负透镜的横向宽度，F是薄负透镜的屈光度值。

对于本发明齿形镶嵌平面波导光学器件的横向长度可根据相应的应用选取，没有固定的比例。再者横向尺寸对于光学设计不会造成任何影响。上述参数的选取是基于主轴光线来设计和选取的，对于其它角度入射的光线也满足相应的要求。

图12为本发明屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件单眼应用示意图。其中120为显示控制器，121为连接显示控制器和显示光源的连接线，122为承载显示光源和准直透镜的镜架，123为显示光源，124为准直透镜，125为平面波导衬底，126为微齿形结构，117为屈光度矫正薄负透镜。其基本工作过程为：显示控制器120发出相应的显示信息，显示光源123收到显示信息后通过光波的形式将信息传播出去，通过准直透明124的准直，将光波耦合进入到平面波导衬底125中，光波在平面波导衬底中传输到微齿形结构126所在的位置，被耦合到薄负透镜127中进行屈光度矫正，紧接着被折射到观察者的视野中。通过本发明的组件用于可穿戴显示，一方面可以实现实时观看需要显示的图片信息，另一方面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，因此还可以观察到外面景物的变化。另外根据具体的要求可以在普通眼镜框的两面分别加入波导器件，用于3D显示。由于本发明选取了密度较小的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造成不舒服的感觉。

实施例作用与效果：

本实施例提供的屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中在微齿形结构的下表面利用二向色旋涂的方式镀有光学薄膜，一方面使大角度入射的光线可以完全返回衬底，另一方面又使小角度的光线可以完全出射齿形结构下表面，避免了观察图像出现重影，同时又提高了图像的对比度。

本实施例提供的屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中在矫正薄负透镜的光线出射面镀有增透膜，避免了二次成像，保证了最终观察图像的清晰度。

本实施例提供的屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中平面波导衬底、微齿形结构和薄负透镜均采用密度较小的PMMA光学塑料，使得整个系统的质量较轻，增加了佩戴者使用时的舒服程度。

本实施例提供的屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件中没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界景物光的进入，因此，本实施例提供的高效耦合、结构紧凑的齿形镶嵌平面波导光学器件引用于可穿戴显示时，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 (6)

1.一种屈光度矫正的齿形镶嵌平面波导光学器件，依次包括：

显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；

准直透镜，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；

微齿形结构，对全反射光波进行耦合输出；

薄负透镜，对屈光度进行矫正，

其中，准直透镜设置在显示光源与平面波导衬底之间，微齿形结构设置在平面波导衬底远离显示光源的一端侧面上，平面波导衬底与微齿形结构和薄负透镜之间分别采用适当的光学胶水进行胶合；

微齿形结构的下表面用二向色旋涂的方法镀有光学薄膜。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：

准直透镜采用单个非球面镜，微齿形结构的各个小微型小齿的表面加工到镜面的效果，以使得表面粗糙度Ra小于成像光的波长尺寸。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：

耦合输入面镀有增透膜，薄负透镜的光线出射面镀有增透膜。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：

其中，耦合输入面顶角到微齿形结构靠近耦合输入面所在位置的物理长度Lray与平面波导衬底的厚度Hp以及全反射光波与衬底下表面的夹角α_Sur之间满足下述关系：

Lray>3Hp*tan(α_Sur)。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：

其中，微齿形结构的整体长度Lt与平面波导衬底的厚度Hp以及全反射光波与衬底下表面夹角α_Sur之间满足下述关系：

Lt>2Hp*tan(α_Sur)。

6.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：

其中，微齿形结构的单个微齿的宽度Tw应大于成像光的波长长度。