[发明专利]一种多层衍射光波导装置

说明书

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。

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，且直角棱镜的斜面设有高反射膜层，直角棱镜还满足如下条件：

tanθ＝D4/t1  (2)；

其中，

n₀sin i＝n₁sini′  (3)；

η＝sin^-1(1/n₂)  (4)；

n₁≤n₂，D4≥D1，t≥t1；