光学波导

背景技术

光学波导可以用于许多应用(例如，平视显示器(HUD)、头戴式显示器(HMD)和其他可穿戴显示器)中。在许多应用中的光学波导基本上是透明的，使得用户可以看到与真实生活场景交叠的虚拟图像。

附图说明

图1a和图1b示出了简单波导。

图2a和图2b示出了根据一些示例的光学波导。

图3示出了根据一些示例的受保护的光学波导。

图4示出了根据一些示例的波导。

具体实施方式

图1a示出了简单波导100。简单波导100包括导光层110和空气波导界面120。通过全内反射(TIR)被捕获在波导中的光的带宽受到波导材料(n

对于值为1.0的空气的折射率和值为1.8的基板的折射率，该式给出了限制在≥±33.75°角度的波导内的带宽。

图1b示出了简单波导100包括空气波导界面120上的污染物140的情况。空气波导120上的污染物140的存在可能使得界面被修改，有效地减小折射率的差并且因此减小简单波导100的带宽。这可能造成光在简单波导100的内部和外部二者的散射，并且可能产生由简单波导100的用户接收到的劣化图像。此外，从简单波导100散射出的光可能降低波导的效率，并且用户可能观察到散射光。污染物可以包括从指印引入到简单波导100上的材料，例如灰尘、油或皮肤颗粒。

图2a示出了根据一些示例的光学波导200。光学波导200包括导光层110、涂层波导界面220和防污染层240。防污染层240通过使TIR界面远离污染物可能到达的表面来保护波导免受污染物的存在。

与仅存在空气波导界面的情况相比，防污染层240的属性被选择成使得防污染层的属性对导光层110的TIR特性具有很小的影响或没有影响。光130被输入到波导中，并且在涂层波导界面220处经历TIR被反射。由于反射基本上发生在涂层波导界面220处，因此防污染层240表面上的任何污染物对光在波导中的传播具有基本上为零的影响。即使在防污染层240上存在污染物，这也不会致使光学波导200的用户接收到劣化图像。

这由图2b示出，与图1b相比，图2b示出了污染物250如何不影响光的TIR。

根据一些示例，导光层110可以具有等于1.8的折射率(n

这使得带宽≥41.8°。式2类似于式1，除了由n

可以通过选择具有较高折射率的基板或具有较低折射率的防污染涂层来缓解带宽的减小。如果导光层110的折射率等于2.0并且涂层的折射率为1.2，则带宽≥±36.9°。

防污染层240可以包括折射率接近空气的折射率的材料。在一些示例中，防污染层240的折射率可以基本上在1.0与1.5之间，然而，它不限于这些值，并且如上所述，防污染涂层的较低折射率是优选的。在一些示例中，折射率可以在1.1与1.3之间。在一些示例中，折射率可以在1.15与1.25之间。包括这样的折射率的材料可以包括聚合物。在一些示例中，聚合物包括多孔结构。在一些示例中，聚合物可以包括由Inkron提供的聚合物。例如，涂层可以包括硅氧烷基涂层，例如由Indron提供的IOC-560。

可以控制防污染层240的厚度以限制倏逝(evanescent)耦出防污染层240。该厚度取决于防污染层240的波长和其他属性。在一些示例中，防污染层240的厚度可以是至少1μm。

光学波导200可以用于在诸如HUD或HMD的透视显示器中向用户呈现图像。因此，可以要求光学波导200对于可见波长的光是基本上透明的，使得用户可以通过光学波导200观察与显示图像交叠的外部世界。因此，在一些示例中，光学波导200的可见光透射率(VLT)大于或等于75％，并且在一些示例中可以大于或等于90％。因此，防污染层240的示例可以具有大于或等于80％的VLT，并且在一些示例中可以大于或等于95％。

图3示出了受保护的光学波导300。受保护的光学波导300基本上类似于光学波导200，并且包括导光层110、涂层波导界面220和防污染层240。受保护的光学波导300还包括接合至防污染层240的保护层310。这可以保护防污染层240免受损坏，因为一些防污染层240可能不稳健。

防污染层240的存在使得保护层310的折射率高于或等于防污染层或导光层的折射率。这是因为光130在涂层波导界面220处被反射，并且因此防污染层上的任何材料将对波导的包含物基本上没有影响。在没有防污染层240的情况下，在任何保护层310之前需要气隙，否则光将不再经历TIR。

在一些示例中，可以使用光学透明胶将保护层310接合至波导。保护层310不需要是平坦的。

受保护的波导300也可以用于在诸如HUD或HMD的透视显示器中向用户呈现图像，并且因此可以要求该波导对于可见波长的光是基本上透明的，使得用户可以通过光学波导200观察与显示图像交叠的外部世界。

在一些示例中，光学波导200或受保护的波导300可以包括表面浮雕光栅。将防污染层240施加至表面浮雕涂层还可以增强光栅的性能，例如更精确地控制光栅的效率。

图4示出了根据一些示例的波导400。波导400包括导光层110和防污染层240。TIR发生在涂层波导界面220处。光130经由输入衍射元件410以一定范围的视场角耦入到波导400中，该输入衍射元件410在涂层波导界面220处以第二范围的视场角在TIR下将光130衍射到波导中。然后，光被第二衍射元件420衍射出波导至原始角度范围。

图4示出了作为表面浮雕光栅的第一衍射元件410，然而应当理解，第一衍射元件410可以包括表面或嵌入式光栅。此外，光栅可以以反射模式或透射模式操作。

图4示出了作为嵌入式光栅的第二衍射元件420，然而应当理解，第二衍射元件420可以包括表面浮雕光栅或嵌入式光栅。此外，光栅可以以反射模式或透射模式操作。

可以将附加基板接合到波导400的外表面上。

在一些示例中，光栅的光栅间距可以是400nm，并且光的源波长可以是532nm。源总视场可以是30°，使得空气中的视场角的范围为±15°。基板的折射率可以是1.8，使得基板中的视场角的范围可以是±8.3°。在穿过第一衍射元件410之后，基板中的视场角的范围是+36.3°至+61.6°。因此，为了实现光学隔离，n

重新布置式2使得

n

使得n