《光波導單元、陣列及平板透鏡》是安徽省東超科技有限公司於2019年6月26日申請的專利，該專利申請號：2019209893950，專利公布號：CN210005808U，專利公布日：2020年1月31日，發明人是：范超、韓東成。
《光波導單元、陣列及平板透鏡》包括：多個反射單元，所述反射單元的構成均相同，所述反射單元為金屬層、全反射層、介質反射層中的任意一種或任意兩種的組合；彼此層疊設定的多個子波導，每個所述子波導的兩側分別具有一個所述反射單元，且在所述多個子波導的層疊方向上，所述多個子波導的高度中的至少兩個不同，所述子波導的不同高度值對應不同的入射角方向。根據該發明實施例的光波導單元，通過設定多個高度的子波導，分別對多個高度下針對不同視角進行調製，從而可以實現對多個無損耗區角度的能量進行分配，從而可以提高成像光束在整個成像視角範圍內能量的均勻性。該發明還公開了具有所述光波導單元的光波導陣列、以及平板透鏡。
2021年8月16日，《光波導單元、陣列及平板透鏡》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《光波導單元、陣列及平板透鏡》的附圖說明）
基本介紹
- 中文名：光波導單元、陣列及平板透鏡
- 公布號：CN210005808U
- 公布日：2020年1月31日
- 申請號：2019209893950
- 申請日：2019年6月26日
- 申請人：安徽省東超科技有限公司
- 地址：安徽省合肥市高新區望江西路5089號中國科學技術大學先進技術研究院嵌入式開發樓204-A5
- 發明人：范超、韓東成
- Int.Cl.：G02B30/30(2020.01)I、G02B6/00(2006.01)I
- 專利代理機構：北京景聞智慧財產權代理有限公司
- 代理人：盧春燕
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著成像顯示技術的發展，對成像的特性要求不斷提高。一方面要求有較高的解析度，保證觀察畫面清晰度的同時，還需要滿足小畸變要求。另一方面要求有三維立體顯示特性的同時，具有裸眼三維全息顯示要求。截至2019年6月，已有的成像技術一方面，主要採用透鏡成像，主要受視場和孔徑的限制，其存在球差、彗差、像散、場曲、畸變、色差等光學像差，其在大視場、大孔徑成像顯示領域受限較大；另一方面，已有的裸眼三維顯示技術大多數是基於調節左右眼視差來實現三維感官，而非實際三維顯示技術。
發明內容
專利目的
《光波導單元、陣列及平板透鏡》旨在至少解決2019年6月以前的技術中存在的技術問題之一。為此，該發明提出了一種光波導單元。
技術方案
根據《光波導單元、陣列及平板透鏡》實施例的一種光波導單元，包括：多個反射單元，所述反射單元的構成均相同，所述反射單元為金屬層、全反射層、介質反射層中的任意一種或任意兩種的組合；彼此層疊設定的多個子波導，每個所述子波導的兩側分別具有一個所述反射單元，且在所述多個子波導的層疊方向上，所述多個子波導的高度中的至少兩個不同，所述子波導的不同高度值對應不同的入射角方向。根據該發明實施例的光波導單元，通過設定多個高度的子波導，分別對多個高度下針對不同視角進行調製，從而可以實現對多個無損耗區角度的能量進行分配，從而可以提高成像光束在整個成像視角範圍內能量的均勻性。根據該發明的一些實施例，每個所述子波導的高度範圍為0.1毫米-5毫米。這樣不但可以防止光波導陣列成像質量受衍射影響，還能夠提高光波導陣列對物點清晰成像。根據hm的一些實施例，所述子波導的折射率n＞1.46。根據hm的一些實施例，所述多個子波導包括多類，每一類子波導的高度相同，其中第i類所述子波導的高度滿足：
根據《光波導單元、陣列及平板透鏡》的一些實施例，所述介質反射層的高度hj滿足：hj<（0.1H），其中H為所述全反射層所在的相應子波導的高度。根據hm第二方面實施例的一種光波導陣列，包括多個根據hm第一方面實施例所述的光波導單元，每個所述光波導單元的橫截面呈矩形且多個所述光波導單元並列接合；所述光波導陣列的外輪廓成矩形形狀，且所述光波導單元的延伸方向與所述光波導陣列外輪廓的至少兩條邊均呈30-60度角。根據hm的一些實施例，所述光波導單元的延伸方向與所述光波導陣列外輪廓的至少兩條邊呈45度角。根據hm的一些實施例，所述多個所述光波導單元之間通過粘膠層接合，所述粘膠層的厚度大於0.001毫米。根據hm第三方面實施例的一種平板透鏡，包括：兩個透明基板，每個所述透明基板均具有兩個光學面；兩個根據hm第二方面實施例所述的光波導陣列，所述兩個光波導陣列通過粘膠設定在所述兩個透明基板之間，且所述兩個光波導陣列的光波導延伸方向正交布置。根據hm的一些實施例，所述每個透明基板的遠離所述光波導陣列的光學面設定有增透膜。
改善效果
根據《光波導單元、陣列及平板透鏡》實施例的平面透鏡，採用單列多排且橫截面為矩形的光波導組成陣列結構，可以使二維或者三維光源直接在空氣中成實像實現真正的全息影像，成像效果好的同時實現裸眼三維立體顯示特性。另外，通過由反射單元1隔開的多個高度的子波導2層疊設定而成的光波導單元，可以提升成像視角均勻性，一定程度上提升用戶體驗。
附圖說明
圖1a是根據《光波導單元、陣列及平板透鏡》實施例的光波導陣列的示意圖，其中兩個光波導陣列正交布置；圖1b是圖1a中框示G處的放大圖；
圖2a是圖2b中顯示的兩個子波導之間通過粘膠層配合的示意圖；圖2b是圖2a中任一子波導的橫截面圖，其中W為寬度、H為高度；
圖3是根據該發明實施例的兩個光波導單元正交放置時重疊區調製光原理圖；
圖4是根據該發明實施例的兩個光波導陣列正交時成像原理圖；
圖5是2019年6月以前已有技術中等效光波導單元某一θa角度入射光無損耗區時原理圖；
圖6是2019年6月以前已有技術中等效光波導單元某一θb角度入射光無損耗區時原理圖；
圖7是根據該發明實施例的光波導單元光線入射的原理圖；
圖8是根據該發明一個實施例的光波導單元的示意圖；
圖9是根據該發明另一個實施例的光波導單元的示意圖；
圖10是根據該發明一個實施例的光波導單元的示意圖，其中反射單元為金屬層；
圖11是根據該發明另一個實施例的光波導單元的示意圖，其中反射單元為全反射層或干涉型介質反射層；
圖12是根據該發明一個實施例的光波導單元的示意圖，其中反射單元為金屬層和全反射層或干涉型介質反射層的組合；
圖13是根據該發明實施例的平面透鏡的示意圖。
附圖示記：光波導陣列1000a、1000b；光波導單元100；反射單元1；子波導2；透明基板2000；增透膜2100。
技術領域
《光波導單元、陣列及平板透鏡》涉及光學顯示領域，尤其是涉及一種光波導單元、包括所述光波導單元的光波導陣列、以及包括所述光波導陣列的平板透鏡。
權利要求
1《光波導單元、陣列及平板透鏡》包括：多個反射單元，所述反射單元的構成均相同，所述反射單元為金屬層、全反射層、介質反射層中的任意一種或任意兩種的組合；彼此層疊設定的多個子波導，每個所述子波導的兩側分別具有一個所述反射單元，且在所述多個子波導的層疊方向上，所述多個子波導的高度中的至少兩個不同，所述子波導的不同高度值對應不同的入射角方向。
2.根據權利要求1所述的光波導單元，其特徵在於，每個所述子波導的高度範圍為0.1毫米-5毫米。
3.根據權利要求1所述的光波導單元，其特徵在於，所述子波導的折射率n＞1.46。
4.根據權利要求1所述的光波導單元，其特徵在於，所述多個子波導包括多類，每一類子波導的高度相同，其中第i類所述子波導的高度滿足：其中，參數θi為觀測視角範圍內選定的預定角度，n為所述子波導的光學折射率，W為子波導寬度；其中，所述多類子波導的高度大小與相應子波導的數量多少成反比。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的光波導單元，其特徵在於，所述反射單元為金屬層、金屬層和全反射層、金屬層和介質反射層中的其中一種。
6.根據權利要求5所述的光波導單元，其特徵在於，所述金屬層的材料為銀、鋁、或鉻，所述金屬層的高度hm滿足：0.001毫米<hm<0.1毫米。
7.根據權利要求5所述的光波導單元，其特徵在於，當所述反射單元為金屬層和全反射層、或金屬層和介質反射層時，所述金屬層的朝向相應子波導的一側表面具有預定粗糙度；和/或所述金屬層為氧化發黑的金屬膜層。
8.根據權利要求1-4中任一項所述的光波導單元，其特徵在於，所述反射單元為全反射層，所述全反射層的折射率範圍nei通過如下公式計算：其中，參數θei為滿足全反射條件時光波導單元表面的最大入射角，n為所述子波導的光學折射率。
9.根據權利要求8所述的光波導單元，其特徵在於，所述全反射層的高度h2滿足：0.004毫米<hr<（0.1H），其中H為所述全反射層所在的相應子波導的高度。
10.根據權利要求1-4中任一項所述的光波導單元，其特徵在於，所述反射單元為干涉型介質反射層，所述干涉型介質反射層包含以下類型的一層或多層透明介質膜層：1/4波長膜、1/2波長膜，其中所述1/4波長膜的膜層光學厚度為入射光波長的1/4，所述1/2波長膜的膜層光學厚度為入射光波長的1/2；其中，所述膜層光學厚度T＝ng·l，其中ng為該膜層材料的折射率，l為該膜層厚度。
11.根據權利要求10所述的光波導單元，其特徵在於，所述介質反射層的高度hj滿足：hj<（0.1H），其中H為所述全反射層所在的相應子波導的高度。12.一種光波導陣列，其特徵在於，包括多個根據權利要求1-11中任一項所述的光波導單元，每個所述光波導單元的橫截面呈矩形且多個所述光波導單元並列接合；所述光波導陣列的外輪廓成矩形形狀，且所述光波導單元的延伸方向與所述光波導陣列外輪廓的至少兩條邊均呈30-60度角。
13.根據權利要求12所述的光波導陣列，其特徵在於，所述光波導單元的延伸方向與所述光波導陣列外輪廓的至少兩條邊呈45度角。
14.根據權利要求12所述的光波導陣列，其特徵在於，所述多個所述光波導單元之間通過粘膠層接合，所述粘膠層的厚度大於0.001毫米。
15.一種平板透鏡，其特徵在於，包括：兩個透明基板，每個所述透明基板均具有兩個光學面；兩個根據權利要求12-14中任一項所述的光波導陣列，所述兩個光波導陣列通過粘膠設定在所述兩個透明基板之間，且所述兩個光波導陣列的光波導延伸方向正交布置。
16.根據權利要求15所述的平板透鏡，其特徵在於，所述每個透明基板的遠離所述光波導陣列的光學面設定有增透膜。
實施方式
如圖1a和圖1b所示，光波導陣列1000a、1000b包括多個光波導單元100，每個光波導單元100的橫截面呈矩形且多個光波導單元100並列接合。光波導陣列的外輪廓成矩形形狀，且光波導單元100的延伸方向與光波導陣列外輪廓的至少兩條邊均呈30-60度角。可選地，光波導單元100的延伸方向與光波導陣列外輪廓的至少兩條邊均呈45度角。當然，《光波導單元、陣列及平板透鏡》不限於此，在大螢幕顯示時可以通過拼接多塊光波導陣列來實現大尺寸需求。光波導陣列的整體形狀根據套用場景需要設定。如圖1a所示的示例中，光波導陣列1000a、1000b的外輪廓均為矩形形狀，如圖1b所示，延伸在矩形兩個對角之間的光波導單元的長度最長，位於兩個對角處的光波導單元100為三角形且長度最短。中間的光波導單元為梯形或平行四邊形結構，單個光波導的長度不相等。在一些進一步可選示例中，延伸在矩形兩個對角之間的光波導單元為基準，位於其兩側的光波導單元可以對稱設定。兩個光波導陣列1000a、1000b的光波導延伸方向正交布置，以形成一個等效的負折射率平面透鏡。其中，光波導陣列1000a中每條光波導的延伸方向也都正交於光波導陣列1000b中每條光波導的延伸方向。如圖3所示的是兩條光波導單元正交放置時重疊區調製光原理圖，其中a、b表示兩條光波導單元，A、B表示奇次反射光束、C表示透射雜光，D為成像光束，O表示物方光源點，Ox表示像方成像點，從而，當兩條光波導單元正交放置時，物象面光束相對於等效負折射率平板透鏡成鏡面對稱，產生負折射率現象，實現了平板透鏡成像，如圖5所示。
在《光波導單元、陣列及平板透鏡》的一些實施例中，如圖2a所示，多個光波導單元100之間通過粘膠層4接合，粘膠層4的厚度大於0.001毫米。膠粘層4例如為光敏膠或熱敏膠。下面參考圖5-圖12描述根據《光波導單元、陣列及平板透鏡》實施例的光波導單元。根據《光波導單元、陣列及平板透鏡》一個實施例的一種光波導單元100，包括多個反射單元1和彼此層疊設定的多個子波導2，每個子波導2的兩側分別具有一個反射單元1。反射單元1為金屬層1a、全反射層1b、介質反射層1c中的任意一種或任意兩種的組合，也就是說，反射單元1可能有如下幾種方式：金屬層1a、全反射層1b、介質反射層1c、金屬層1a和全反射層1b的組合、金屬層1a和介質反射層1c的組合、全反射層1b和介質反射層1c組合。其中，同一光波導單元內的反射單元1的構成均相同，即都是金屬層1a、或都是金屬層a和全反射層1b的組合等。且在多個子波導2的層疊方向上，多個子波導2的高度中的至少兩個不同，子波導2的不同高度值對應不同的入射角方向。
下面針對根據《光波導單元、陣列及平板透鏡》實施例的光波導單元100的具體原理進行描述。如圖5和圖6所示，當一個光波導單元中只包含一類光波導時，隨著入射光的角度變化，當光線入射後，光波導單元將會存在無損耗區角度和有損耗區角度。如圖6所示，對於有損耗區角度，該部分損耗區的光線不參與成像，而是作為雜光損耗成像光束能量，且光能量角分布以無損耗區時角度對應的能量最大，大於或小於該角度的光能量均減小，從而引起成像光束角度均勻性降低。基於上述問題，發明人提出了可以通過光波導單元中設計多個子波導，且通過改變橫截面高度H的方式來收集該部分損耗區能量，如圖7所示，從而提高了該子波導對應的角度θi光線的能量收集，此時θi為該類光波導橫截面長Hi的無損耗區角度。基於此，通過增加多個類型橫截面長H的子波導，來針對不同物方光線入射角進行能量分配。如圖8所示的示例中，一個光波導單元中採用兩種類型的子波導，不同類型的子波導存在各自對應的無損耗區θa、θb。不同子波導對不同無損耗區角度的光束收集的能量橫截面尺寸與子波導橫截面高度Hi有關，橫截面高度Hi大的子波導，其對應的無損耗區角度所收集的能量大，橫截面高度Hi小的子波導，其對應的無損耗區角度所收集的能量小。因此橫截面高度Hi小的子波導，其數量需要大於橫截面高度Hi大的子波導數量。因此，在《光波導單元、陣列及平板透鏡》的一些實施例中，多個子波導2包括多類，每一類子波導2的高度相同，其中第i類子波導2的高度滿足：
可選地，子波導2的折射率n＞1.46。根據《光波導單元、陣列及平板透鏡》的一些實施例，反射單元1為金屬層1a。如圖10所示，金屬層1a可以為銀、鋁、或鉻等金屬材料，金屬層1a的高度hm滿足：0.001毫米<hm<0.1毫米。金屬層1a可以作為光潔度很高的光學反射面，主要起到反射作用和阻隔光線作用，由於氣泡、雜質、灰塵等容易使得光線散射產生雜光，通過金屬層1a可以隔絕該類光線進入探測器或人眼等接收部件。可選地，金屬層1a內僅包括一種金屬層。根據《光波導單元、陣列及平板透鏡》的一些實施例，反射單元1可以為全反射層1b（如圖11所示），全反射層1b的材料可以為樹脂、玻璃、晶體等透明的光學材料，其可以通過全反射的方式進行反射光線的作用，全反射效應可以使得入射光線幾乎無損耗的反射，大大提高該層面的反射率。全反射層1b的折射率範圍nei通過如下公式計算：其中，參數θei為滿足全反射條件時光波導單元100表面的最大入射角，n為子波導2的光學折射率。可選地，全反射層1b的高度h2滿足：0.004毫米<hr<（0.1H），其中h為全反射層1b所在的相應子波導2的高度。全反射層厚度大於0.004毫米，是為了避免該全反射層1b厚度小於全反射倏逝波的穿透深度，引起該全反射層1b失效。進一步地，該全反射層1b的厚度不應太大，避免光線進入全反射層，導致全反射層與光波導層不同折射率帶來的光線偏折，影響成像清晰度。根據《光波導單元、陣列及平板透鏡》的一些實施例，反射單元1為干涉型介質反射層1c，如圖11所示，其反射特性是通過透明介質干涉的方式，使得入射的光線發生反射，該類型的反射膜層反射率比其他金屬膜層反射率要高，可以大大提高對光線的反射率。干涉型介質反射層1c可以包含以下類型的一層或多層透明介質膜層：1/4波長膜、1/2波長膜，其中1/4波長膜的膜層光學厚度為入射光波長的1/4，1/2波長膜的膜層光學厚度為入射光波長的1/2；其中，膜層光學厚度T＝ng·l，其中ng為該膜層材料的折射率，l為該膜層厚度。其中，透明介質可以為氟化鎂、一氧化矽、二氧化矽等晶體材料。可選地，介質反射層1c的高度hj滿足：hj<（0.1h），其中h為全反射層1b所在的相應子波導2的高度。
根據《光波導單元、陣列及平板透鏡》的一些實施例，反射單元1為金屬層1a和全反射層1b的組合。或金屬層1a和介質反射層1c的組合時，金屬層1a的朝向相應子波導2的一側表面具有預定粗糙度；和/或金屬層1a為氧化發黑的金屬膜層。在一些可選的示例中，金屬層1a的朝向相應子波導2的一側表面可以形成為具有預定粗糙度的粗糙面11a，如圖12所示，該粗糙面用於散射全反射層1b或介質反射層1c透射過來的光線。在另一些可選的示例中，金屬層1a的朝向相應子波導2的一側表面可以設定為氧化發黑的金屬膜層，用於吸收全反射層1b或介質反射層1c透射過來的吸收光線。當然，在該發明的其他示例中，金屬層1a可以同時設定粗糙面11a和氧化發黑面，可以用於吸收全反射層或介質反射層1c透射過來的光線吸收並將剩餘光線進行散射。可選地，在該實施例的反射單元1中，包括金屬層1a和全反射層1b時，全反射層1b還可以控制出射光線角度，當入射光線的入射角不滿足全反射層1b的全反射條件時，通過全反射層1b的光線透射，透射光光線可以到達金屬層，被散射或吸收，從而控制角度光出射，如圖12所示。下面參考圖11描述根據該發明第三方面實施例的一種平板透鏡，包括：兩個透明基板2000和兩個根據上述實施例所述的光波導陣列1000a、1000b。每個透明基板2000均具有兩個光學面，光學面用於保護光波導陣列1000a、1000b。兩個光波導陣列通過粘膠設定在兩個透明基板2000之間，且兩個光波導陣列的光波導延伸方向正交布置，即光波導單元的延伸方向相互垂直，使得光束會聚於一點，且保證物像面相對於等效負折射率平板透鏡對稱，產生負折射率現象，實現平板透鏡成像。可選地，在光波導陣列和透明基板2000之間也通過光敏膠或熱敏膠進行貼合。在該發明的一些實施例中，如圖11所示，每個透明基板200的遠離光波導陣列的光學面設定有增透膜210，以進一步提高成像效果。
榮譽表彰
2021年8月16日，《光波導單元、陣列及平板透鏡》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。
