[发明专利]光内耦合元件、相关方法和用途

说明书

提供了一种以可附着在光导(20)上的分立物品的形式提供的光学内耦合元件(100)，包括基板(100A)和至少一个三维形成的光学表面(104)。光学表面(104)配置成内耦合入射至其的光，并调节通过在元件基板(100A)和光导介质(20)之间的界面处建立的光学接触表面(107)传输的内耦合光的方向，使得内耦合光经由一系列全内反射获得通过光导介质(20)的传播路径。光学表面(104)可以包括至少一个光学腔图案(101)。元件(100)配置成从基本平行于平面光导(20)的纵向平面的方向将光接收到所述至少一个三维形成的光学表面(104)上。还提供了用于制造光学内耦合元件(100)的方法、相关装置、光学单元(250)和用途。

技术领域

总的来说，本发明涉及提供用于波导的光学结构及其制造方法。具体而言，本发明涉及具有预定形状并基于集成腔光学器件的元件解决方案、相关方法和用途，该元件解决方案适于将发射光内耦合到光学波导中并控制光传播通过所述波导。

背景技术

光学波导或光导技术已经广泛用于各种现有技术应用中。光分配系统的适当选择通常预先决定了光学波导在照明和显示应用中的照明性能。典型的光导(LG)系统包含用于边缘内耦合由一个或多个发射器发射的光线的部件、用于通过光导元件进行光分布的部件以及用于光提取(外耦合)的部件或区域。内耦合结构接收光并调节其方向以将光线导入光分布区域。先进的光导包括光学图案，其在光进入光导时控制光边缘内耦合效率。

为了控制发射光的角度分布并实现期望的光学性能，为照明应用设计的传统光导解决方案仍利用许多单独的光学膜，例如增亮膜(BEF)。在没有BEF的情况下实现的已知光导解决方案通常采用微透镜和V形凹槽形状的光学图案。通过使用这种解决方案，不可能以期望的方式实现完全受控的光分布。光内耦合通常在光导的边缘进行，没有任何先进的光学解决方案。在一些特殊情况下，比如增强和虚拟现实头戴式耳机，基于例如包含在光导元件中的表面起伏光栅来利用平面表面内耦合。

US2018/031840A1(Hofmann等人)公开了一种具有嵌入式光栅的光学元件，以从光导中提取光。通过使用已知的方法，例如化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD),光栅的表面涂覆有光学有效层。此外，光栅中存在的凹槽被光学胶合剂或光学粘合材料填充。

US10598938B1(Huang和Lee)公开了一种角度选择性倾斜光栅耦合器，用于控制光从光导中耦合出或在光导中耦合的角度。可以通过调制光栅之间的折射率或者调制不同区域中光栅的占空比来实现选择性。

Kress[1]公开了用于光学波导的内耦合其和外耦合器，所述耦合器包括配置用于透射功能和/或反射功能的不同类型的光栅。耦合器可以夹在/埋在光导中，或者作为表面起伏解决方案提供。

Moon等人[2]公开了一种使用微结构中空(空气)腔光栅来改善LED器件中的光提取的外耦合器。用典型方法在半导体材料中制造空腔。除了LED之外，没有提供外耦合解决方案的其他应用(例如在光导中)。

Angulo Barrios和Canalejas-Tejero[3]公开了一种通过集成金属衍射光栅可获得的柔性Scotch带波导中的光耦合解决方案。内耦合和外耦合光栅嵌入在两层Scotch带内；由此Scotch带具有光学波导功能。光栅被实现为金属(Al)纳米孔阵列(NHA)光栅。

US2015/192742A1(Tarsa和Durkee)公开了一种层压在光导表面上的光提取膜。光提取功能基于全内反射(TIR)。当通过例如层压固定到光导上时，提取膜在膜和光导之间形成气穴。

设计和优化基于光导的照明相关解决方案面临多个挑战，这些挑战与光导内部的不均匀光分布、不充分的耦合、光捕获和/或提取效率相关。上述解决方案在某种意义上也是有限的，不能为各种目标应用提供具有令人满意的通用性和适应性的集成的基于空气腔光学器件的解决方案，例如具有平面表面光内耦合的大尺寸窗户照明。