專利名稱：：高效率寬角度的耦合光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及衍射屏顯領(lǐng)域，尤其涉及ー種在大視場(chǎng)、小體積的衍射屏顯系統(tǒng)中，高效率耦合成像光束的耦合光柵。
背景技術(shù)：
：在衍射屏顯領(lǐng)域，小體積大視場(chǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為趨勢(shì)，尤其是頭戴式衍射屏顯，更要求小巧輕便。如圖I所示，傳統(tǒng)方式是將各視場(chǎng)的成像光束，經(jīng)準(zhǔn)直后入射帶有楔形斜面的波導(dǎo)板內(nèi)，光束的耦合能量可接近100%。但是要求成像光源傾斜放置，波導(dǎo)板需要較寬的橫截面，増加了系統(tǒng)的體積和重量。圖2將閃耀光柵作為耦合元件，成像光束可以垂直波導(dǎo)面入射，光束發(fā)生衍射后，在波導(dǎo)內(nèi)全反射傳播。這種設(shè)計(jì)可以減小體積和重量，但是閃耀光柵的耦合效率一般低于70%，當(dāng)屏顯要求的視場(chǎng)較大，即入射角度變化范圍較寬吋，部分角度的耦合效率可降至30%，損失了較多的入射能量。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的衍射屏顯系統(tǒng)中，小體積的耦合系統(tǒng)，在大視場(chǎng)的成像范圍內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)高衍射耦合的問題，提供ー種高效率寬角度的耦合光柵，可嵌入波導(dǎo)中，形成小體積的光束耦合系統(tǒng)，并在20°X30°的視場(chǎng)范圍內(nèi)，提供大于93%的耦合效率。本發(fā)明提供的高效率寬角度的耦合光柵，包含閃耀光柵結(jié)構(gòu)的基底，在基底上鍍折射率、厚度不完全相同的三層膜，即第一層膜、第二層膜和第三層膜。第一層膜和第三層膜的折射率相同，第二層膜的折射率小于第一層膜和第三層膜。第一層膜和第三層膜的折射率大于2.4，第二層膜的折射率小于I.4。由基底到出射介質(zhì)的方向，膜層的厚度按照逐漸變薄的規(guī)則變化，第一層膜的厚度大于lOOnm、第二層膜的厚度大于60nm并小于lOOnm、第三層膜的厚度小于60nm。膜層上方即第三層膜與光束出射介質(zhì)相粘合。光束出射介質(zhì)一般為波導(dǎo)。出射介質(zhì)的折射率小于第一層膜和第三層膜。耦合光柵的基底呈現(xiàn)閃耀光柵的結(jié)構(gòu)形貌。閃耀光柵斷面的槽型，可以是單閃耀光柵，閃耀光柵ー邊的槽線與底面傾斜，ー邊的槽線與底面垂直；也可以是雙閃耀光柵，閃耀光柵ー邊的槽線與底面傾斜，另ー邊的槽線也與底面傾斜。基底材料為金屬。耦合光柵的周期由入射光束的波長(zhǎng)而定，周期與波長(zhǎng)的關(guān)系為周期=波長(zhǎng)/(nXsinA)，其中η是出射介質(zhì)的折射率;Α是光束垂直入射光柵表面吋，一級(jí)衍射光束與光柵表面法線的夾角。A大于出射介質(zhì)在空氣中的全反射臨界角。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果和現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明提供的高效率寬角度耦合光柵，可以形成小體積的耦合系統(tǒng)，在大視場(chǎng)的成像范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高效率的光束耦合。圖I是現(xiàn)有的楔形斜面耦合系統(tǒng)。圖2是現(xiàn)有的閃耀光柵耦合系統(tǒng)。圖3是本發(fā)明耦合光柵的單周期結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明I禹合光柵的稱合光束不意圖。圖5是本發(fā)明耦合光柵在寬角度入射下，衍射效率的分布圖。圖中，I是波導(dǎo)板,2是楔形斜面,3是閃耀光柵,4是閃耀光柵結(jié)構(gòu)的基底、5是第一層膜、6是第二層膜、7是第三層膜、8是出射介質(zhì)、9是耦合光柵。具體實(shí)施例方式圖3是本發(fā)明耦合光柵的單周期結(jié)構(gòu)圖。該耦合光柵由基底、多層膜、出射介質(zhì)組成。其中基底4呈現(xiàn)閃耀光柵的槽型結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，基底4是單閃耀光柵，閃耀光柵ー邊的槽線與底面傾斜，ー邊的槽線與底面垂直。閃耀角是30°。基底4的材料是金屬銀。在基底4的斜面上，依次鍍第一層膜5、第二層膜6、第三層膜7。在本實(shí)施例中，第一層膜層5和第三層膜7的折射率是2.5,第二層膜6的介質(zhì)是I.38。第一層膜層5、第二層膜層6、第三層膜層7的鍍膜均勻，膜層的上、下表面均與基底4的斜面平行。第一層膜的厚度大于第二層膜的厚度，第二層膜的厚度大于第三層膜的厚度。在本實(shí)施例中，第一層膜的厚度為120nm，第二層膜的厚度為lOOnm，第三層膜的厚度為50nmo出射介質(zhì)8與第三層膜7相粘合，出射介質(zhì)8為低折射率透明的材質(zhì)，出射介質(zhì)的折射率小于第一層膜和第三層膜。在本實(shí)施例中，出射介質(zhì)的折射率為1.52。如圖4所不,I禹合光柵9經(jīng)過出射介質(zhì)8與波導(dǎo)板I相粘合，光束由垂直于I禹合光柵的方向入射，經(jīng)衍射后，一級(jí)衍射光束在波導(dǎo)板內(nèi)發(fā)生全反射，繼續(xù)傳播。圖4中，光束在說明書的紙面內(nèi)變化時(shí)，變化的角度稱之為縱向角b;光束在與紙面垂直的平面內(nèi)變化的角度稱之為橫向角a。耦合光柵的周期是由入射光束的波長(zhǎng)而定的。周期與波長(zhǎng)的關(guān)系是周期=波長(zhǎng)/(nXsinA)，其中η是出射介質(zhì)的折射率；Α是光束垂直入射光柵表面吋，一級(jí)衍射光束與光柵表面法線的夾角。A大于出射介質(zhì)在空氣中的全反射臨界角。在本例中,波長(zhǎng)是532nm，η是I.52,A是60°。經(jīng)過計(jì)算,得到周期T是410nm。圖5顯示了光束的縱向角b在[-8°，12°]、橫向角a在[-15°，15°]內(nèi)變化時(shí)，最高耦合效率接近97%，最低耦合效率大于93%。圖5的計(jì)算結(jié)果是基于“M.G.Monaram,Formuiationforstableandefficientimplementationoftnerigorouscoupled-waveanalysisofbinarygratings,J.Opt.Soc.Am.A12，5(1995)”,米用嚴(yán)格率禹合波的方法理論計(jì)算得到的。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例，并未因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所做的等效結(jié)構(gòu)或流程變化，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的
技術(shù)領(lǐng)域：
，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。權(quán)利要求1.一種高效率寬角度的稱合光柵，其特征在于，所述的稱合光柵包含閃耀光柵結(jié)構(gòu)的基底，在基底上鍍折射率、厚度不完全相同的三層膜，即第一層膜、第二層膜和第三層膜，第一層膜和第三層膜的折射率相同，第二層膜的折射率小于第一層膜和第三層膜；第一層膜的厚度大于第二層膜的厚度，第二層膜的厚度大于第三層膜的厚度，膜層上方即第三層膜與光束出射介質(zhì)相粘合；光束出射介質(zhì)一般為波導(dǎo)。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合光柵，其特征在于，基底呈現(xiàn)閃耀光柵的結(jié)構(gòu)形貌；閃耀光柵斷面的槽型是單閃耀光柵，閃耀光柵一邊的槽線與底面傾斜，一邊的槽線與底面垂直。3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合光柵，其特征在于，基底呈現(xiàn)閃耀光柵的結(jié)構(gòu)形貌；閃耀光柵斷面的槽型是雙閃耀光柵，閃耀光柵一邊的槽線與底面傾斜，另一邊的槽線也與底面傾斜。4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合光柵，其特征在于，基底材料為金屬。5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合光柵，其特征在于，第一層膜和第三層膜的折射率大于2.4，第二層膜的折射率小于I.4。6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的耦合光柵，其特征在于，由基底到出射介質(zhì)的方向，膜層的厚度按照逐漸變薄的規(guī)則變化，第一層膜的厚度大于lOOnm、第二層膜的厚度大于60nm并小于lOOnm、第三層膜的厚度小于60nm。7.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的耦合光柵，其特征在于，與膜層上方粘合的出射介質(zhì)是低折射率透明介質(zhì)，出射介質(zhì)的折射率小于第一層膜和第三層膜。8.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的耦合光柵，其特征在于，耦合光柵的周期由入射光束的波長(zhǎng)而定，周期與波長(zhǎng)的關(guān)系是周期=波長(zhǎng)/(nXsinA)，其中n是出射介質(zhì)的折射率;A是光束垂直入射光柵表面時(shí)，一級(jí)衍射光束與光柵表面法線的夾角。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的稱合光柵,其特征在于,A大于出射介質(zhì)在空氣中的全反射臨界角。全文摘要一種高效率寬角度的耦合光柵。包括閃耀光柵結(jié)構(gòu)的基底，在基底的斜面上，鍍折射率、厚度不完全相同的三層膜，第一層膜和第三層膜的折射率相同，第二層膜的折射率小于第一層膜和第三層膜。第一層膜的厚度大于第二層膜，第二層膜的厚度大于第三層膜，在膜層上方粘合透明的光學(xué)膠，與耦合光束的出射介質(zhì)相連。耦合光柵的周期，與入射波長(zhǎng)及出射介質(zhì)的折射率相關(guān)。在入射波長(zhǎng)為532nm，出射介質(zhì)的折射率為1.52時(shí)，周期為410nm。當(dāng)光束垂直入射時(shí)，耦合效率接近97%。當(dāng)光束的縱向角在[-8°，12°]、橫向角在[-15°，15°]內(nèi)變化時(shí)，耦合效率大于93%。本發(fā)明的耦合光柵可在寬入射角的范圍內(nèi)，高效率的耦合光束。該光柵可應(yīng)用于大視場(chǎng)的衍射屏顯系統(tǒng)。文檔編號(hào)G02B5/18GK102681066SQ201210163678公開日2012年9月19日申請(qǐng)日期2012年5月23日優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日發(fā)明者尤勐,蔡懷宇,黃戰(zhàn)華申請(qǐng)人:天津大學(xué)