[发明专利]一种几何光波导系统及方法

说明书

本发明公开了一种几何光波导系统及方法，涉及光波导显示领域，包括：像源、准直透镜、耦合输入光学元件、耦合输出光学元件；所述像源与所述准直透镜平行设置，所述耦合输入光学元件与所述准直透镜所成角度为α，所述耦合输出光学元件与所述准直透镜所成角度为180+β。本发明通过优化微棱镜的结构尺寸来降低衍射效应的影响，同时根据入射光的视场角大小调整偶入、耦出光学元件的结构尺寸来降低杂散光的产生以及保证出瞳扩展光束连续无间隔，最后优化不同微结构区域占空比提高出瞳扩展的整体能量均匀性。

技术领域

本发明涉及光波导显示领域，更具体的说是涉及一种几何光波导系统及方法。

背景技术

光波导显示技术将光压缩到波导中传播，可有效降低投影光学系统的体积，广泛应用于AR/VR显示领域。显示光波导根据耦合光学元件的类型可分为衍射光波导和几何光波导。衍射型光波导的耦合光学元件通常采用周期为几百纳米的光栅，如表面浮雕光栅和体全息光栅，大面积的衍射型光波导制备存在难度，并且由于衍射光栅存在着较大的衍射色差，实现全彩显示时往往需要多层光波导，在增加系统复杂度的同时也增加了成本。几何型光波导的耦合输出光学元件采用多个部分反射镜(partially reflective mirror，PRM)，优势在于几何光波导不受色差和角度敏感性的影响，广泛用于近眼显示领域，在实际应用场景中还需要解决大面积光波导制造的成品率和成本问题。基于表面三角形微结构的几何光波导利用光在两种材料的界面全反射实现耦合输出，还需要进一步分析衍射效应的影响。

衍射效应指的是光波在遇到障碍物时，偏离直线方向传播的现象。几何光波导中，扩展光束的能量分布多为矩形波，如图1(a)所示的脉冲宽度为τ，脉冲幅度为A，周期为T的周期矩形脉冲信号，经傅里叶变换后得到光束衍射后的能量分布，即周期矩形脉冲频谱：

其频谱如图1(b)所示。矩形波频谱的变化规律为：当T不变τ减小时，普线间距不变，但每两个零点间距离增大。

几何光波导系统通常采用多个部分反射镜来完成光线的全反射出瞳扩展，然而光线在连续周期性的结构上反射时会产生衍射效应，零级衍射与次级衍射叠加在一起会导致成像模糊，降低分辨率。因此，如何解决这一问题是本领域技术人员亟需研究的

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种几何光波导系统及方法，通过优化微棱镜的结构尺寸来降低衍射效应的影响，同时根据入射光的视场角大小调整偶入、耦出光学元件的结构尺寸来降低杂散光的产生以及保证出瞳扩展光束连续无间隔，最后优化不同微结构区域占空比提高出瞳扩展的整体能量均匀性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面公开了一种几何光波导系统，包括：像源、准直透镜、耦合输入光学元件、耦合输出光学元件；所述像源与所述准直透镜平行设置，所述耦合输入光学元件与所述准直透镜所成角度为α，所述耦合输出光学元件与所述准直透镜所成角度为180+β。

可选的，所述耦合输入光学元件为嵌入波导板中的半透半反膜；所述耦合输出光学元件为波导表面浮雕-微棱镜阵列。

可选的，所述耦合输出光学元件的最小结构为三角棱柱，通过周期排布组成微棱镜阵列，但波导表面浮雕-微棱镜阵列的表面浮雕不限于三角棱柱。

可选的，所述三角棱柱沿周期排布方向的结构尺寸在500μm以上。

可选的，所述微棱镜阵列分为多个不同占空比的区域。

另一方面公开了一种几何光波导方法，利用任意一项所述的一种几何光波导系统，包括以下步骤：

所述像源发出的光束经所述准直透镜进入波导；

所述耦合输入光学元件将第一光束投射出波导，将第二光束反射至所述耦合输出光学元件；