本發(fā)明涉及顯示技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種平面光波導(dǎo)技術(shù)。

背景技術(shù)：

在顯示領(lǐng)域，平面光波導(dǎo)的應(yīng)用主要有兩種，一種是液晶顯示器的背光源，led光源入射到光波導(dǎo)中，通過(guò)全內(nèi)反射(tir)在光波導(dǎo)中不斷反射，光波導(dǎo)的下表面上通過(guò)絲印或雕刻一系列均勻分布的網(wǎng)點(diǎn)，當(dāng)光傳輸?shù)竭@些網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，全內(nèi)反射的條件被破壞，光得以垂直從光波導(dǎo)輸出，以產(chǎn)生均勻的照明光源。另一種應(yīng)用于虛擬增強(qiáng)顯示(ar)設(shè)備中，第9513480號(hào)美國(guó)專利中揭示了該技術(shù)方案的實(shí)例，光波導(dǎo)上采用微納技術(shù)加工出多個(gè)納米級(jí)尺寸的光柵結(jié)構(gòu)，微顯示器經(jīng)過(guò)透鏡系統(tǒng)準(zhǔn)直后的光照射到光波導(dǎo)的納米光柵結(jié)構(gòu)上，耦合進(jìn)入光波導(dǎo)傳播，零級(jí)光在光波導(dǎo)內(nèi)不斷反射，一級(jí)光通過(guò)納米光柵結(jié)構(gòu)耦合輸出，通過(guò)光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微顯示器圖像的擴(kuò)展，使得微顯示器的圖像在更大的區(qū)域出射，人眼可以直接觀看。

以上兩種技術(shù)方案都存在一定的局限性和不足，應(yīng)用于lcd背光裝置中的導(dǎo)光板現(xiàn)有技術(shù)中，因?yàn)椴捎猛裹c(diǎn)或凹點(diǎn)散射導(dǎo)光板中的光線，破壞全反射條件，所以從導(dǎo)光板出射的光具有較大的發(fā)散角度，難以獲得準(zhǔn)直度高的面光源，對(duì)于一些要求高亮度，高準(zhǔn)直度面光源的特殊應(yīng)用達(dá)不到要求。應(yīng)用于虛擬增強(qiáng)顯示(ar)設(shè)備中的光波導(dǎo)，通過(guò)設(shè)置納米光柵的周期調(diào)制光線的偏轉(zhuǎn)角度，傳播方向，由光柵方程d(sinα±sinβ)＝mλ(m＝±1,±2…)可知，對(duì)同一個(gè)光柵周期結(jié)構(gòu)d，對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，相同的入射光角度α，出射光角度β不同，因此采用同一片光波導(dǎo)難以實(shí)現(xiàn)彩色顯示，目前通常采用三組光波導(dǎo)疊加的方式實(shí)現(xiàn)全彩顯示。另外光柵是納米結(jié)構(gòu)，加工難度大，成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種平面光波導(dǎo)，包括相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)表面，第一表面和第二表面，第一表面和第二表面之間存在一定的夾角，第一表面用于出射經(jīng)過(guò)光波導(dǎo)的光線，第一表面是全內(nèi)反射tir表面，滿足全反射條件的光線通過(guò)第一表面在光波導(dǎo)內(nèi)反射，第二表面包括多個(gè)線性棱鏡，每個(gè)線性棱鏡特征包括第一琢面和第二琢面，其中所述第一琢面與第一表面為平行設(shè)置，是全內(nèi)反射tir表面，光線通過(guò)第一琢面在光波導(dǎo)內(nèi)反射傳播；第二琢面與第一表面之間存在一定夾角，光線在第二琢面反射后改變光線的傳播方向，通過(guò)第一表面出射。第二表面的多個(gè)線性棱鏡具有相同的結(jié)構(gòu)和尺寸，多個(gè)線性棱鏡排列方式為周期性密排，周期范圍是2um至200um之間。

本發(fā)明提出的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，不改變?nèi)肷涔饨嵌确植?，只改變光線的傳播方向，同時(shí)具有擴(kuò)展輸入光源光束面積的作用，可以應(yīng)用于方向性準(zhǔn)直背光和微顯示器的圖像傳輸和光瞳擴(kuò)展等領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種平面光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)透視圖；

圖2為圖1所示平面光波導(dǎo)的側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的平面光波導(dǎo)傳輸光線示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種準(zhǔn)直光學(xué)背光的結(jié)構(gòu)透視圖；

圖5為圖4所示平面光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)透視圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的平面光波導(dǎo)傳輸光線示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種顯示裝置的結(jié)構(gòu)透視圖；

圖8為圖7所示平面光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)透視圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的顯示裝置成像的原理圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例中光線偏折方向示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。

實(shí)施例一

本發(fā)明揭示的平面光波導(dǎo)如圖1所示，平面光波導(dǎo)100為傾斜角度為θ1的楔形體，其包括第一表面101和第二表面102和入射表面103，入射表面為長(zhǎng)寬均為a的正方形平面，第一表面為長(zhǎng)為a/tanθ1,寬為a的矩形，第二表面為長(zhǎng)為a/sinθ1，寬為a的矩形。led光源經(jīng)過(guò)透鏡準(zhǔn)直成具有水平發(fā)散角α和豎直發(fā)散角β的一束準(zhǔn)直光通過(guò)光波導(dǎo)100的入射表面103入射到光波導(dǎo)中，水平發(fā)散角α為10度，豎直發(fā)散角β為8度。平面光波導(dǎo)100的第一表面101和第二表面102之間的夾角θ1為20度，如圖2所示，第二表面102包括多個(gè)周期性密排的線性棱鏡，線性棱鏡的周期為p，為30um,每個(gè)線性棱鏡包括第一琢面110和第二琢面120，其中所述第一琢面110與第一表面101為平行設(shè)置，第一琢面110與第二表面102的夾角為θ1，是20度，第一琢面是全內(nèi)反射tir表面，第二琢面120與第二表面102之間的夾角為θ2，為25度，第二琢面120與第一表面101的夾角是θ1與θ2之和，為45度。平面光波導(dǎo)的第二表面102上蒸鍍有金屬ag作為反射層。第一表面平行于y-z表面設(shè)置，準(zhǔn)直光垂直于x-z平面射入光波導(dǎo)，準(zhǔn)直光線在光波導(dǎo)的第一表面和第二表面的第一琢面之間傳播滿足全反射條件，不斷的反射傳播，不改變準(zhǔn)直光束發(fā)散角度，如圖3所示。光波導(dǎo)的第二表面的第二琢面與準(zhǔn)直光的傳播方向成45度角，當(dāng)準(zhǔn)直光束照射到第二琢面上時(shí)，光束的傳播方向改變90度，轉(zhuǎn)向?yàn)榇怪庇诠獠▽?dǎo)的第一表面照射，因?yàn)榻?jīng)過(guò)第二琢面偏折后的光線不滿足全反射條件，所以準(zhǔn)直光通過(guò)光波導(dǎo)的第一表面出射。準(zhǔn)直光射入平面光波導(dǎo)100的光束尺寸為a*a，從平面光波導(dǎo)出射的光束尺寸變?yōu)閍*a/tanθ1,準(zhǔn)直光由點(diǎn)光束變成了線光束，出射光束面積為入射光束面積的2.75倍，平面光波導(dǎo)起到了一維擴(kuò)束的作用。同時(shí)，出射光束的水平發(fā)散角α為10度，豎直發(fā)散角β為8度，與入射光束的發(fā)散角相同。

本發(fā)明揭示的平面光波導(dǎo)可以采用注塑成型的制造技術(shù)進(jìn)行加工，首先加工出該平面光波導(dǎo)的模具，包括第二表面上的線棱鏡結(jié)構(gòu)，可以采用刀具精雕刻的機(jī)械方法加工，然后通過(guò)注塑工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。

實(shí)施例二

本發(fā)明揭示的準(zhǔn)直光學(xué)背光如圖4所示，包括平面光波導(dǎo)100和準(zhǔn)直光源陣列200。準(zhǔn)直光源陣列由發(fā)光二極管led陣列201和透鏡陣列202構(gòu)成，led與透鏡一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，本發(fā)明揭示的是一種簡(jiǎn)化的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，但并不局限于此。準(zhǔn)直光源陣列用于產(chǎn)生發(fā)散角度為12度的帶狀光源。平面光波導(dǎo)100為傾斜角度為θ1的楔形體，材質(zhì)為pmma,折射率為1.5，如圖5所示，其包括第一表面101和第二表面102和入射表面103。平面光波導(dǎo)按照第一表面與水平面x-y平行設(shè)置，入射表面與y-z平面平行，準(zhǔn)直光源射出的光線通過(guò)光波導(dǎo)100的入射表面103垂直入射到光波導(dǎo)中。平面光波導(dǎo)100的第一表面101和第二表面102之間的夾角θ1為15度，第二表面102包括多個(gè)周期性密排的線性棱鏡，線性棱鏡的周期為p，為60um,每個(gè)線性棱鏡包括第一琢面110和第二琢面120，其中所述第一琢面110與第一表面101為平行設(shè)置，第一琢面110與第二表面102的夾角為θ1，是15度，第一琢面是全內(nèi)反射tir表面，第二琢面120與第二表面102之間的夾角為θ2，為15度，第二琢面120與第一表面101的夾角是θ1與θ2之和，為30度。準(zhǔn)直光線在光波導(dǎo)的第一表面和第二表面的第一琢面之間傳播滿足全反射條件，不斷的反射傳播，不改變準(zhǔn)直光束發(fā)散角度。光波導(dǎo)的第二表面的第二琢面與準(zhǔn)直光的傳播方向成30度角，如圖6所示，當(dāng)準(zhǔn)直光束照射到第二琢面上時(shí)，光線在第二琢面上發(fā)生全反射，光束的傳播方向改變120度后按照與水平面夾角60度的方向照射到第一表面，此時(shí)光線不滿足全反射條件，從光波導(dǎo)的第一表面101射出。如此平面光波導(dǎo)將準(zhǔn)直帶狀光源轉(zhuǎn)變成與水平面成60度夾角的均勻面光源，實(shí)現(xiàn)了帶有方向性的準(zhǔn)直背光的作用，搭配液晶顯示模組可以用于要求方向單一，亮度高的顯示領(lǐng)域。

實(shí)施例三

本發(fā)明揭示的顯示裝置如圖7所示，包括第一平面光波導(dǎo)100，第二平面光波導(dǎo)200和光學(xué)引擎300。光學(xué)引擎由顯示裝置301和透鏡302構(gòu)成，顯示裝置用來(lái)提供顯示圖像，顯示圖像位于透鏡的焦平面處，透鏡用來(lái)將顯示圖像不同位置的像素透射到空間中的不同方向上，顯示裝置的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)角度的光線束，本發(fā)明揭示的是一種簡(jiǎn)化的光學(xué)引擎，但并不局限于此。第一平面光波導(dǎo)100和第二平面光波導(dǎo)200為傾斜角度為θ1的楔形體，它們置于同一平面內(nèi)。平面光波導(dǎo)100包括第一表面101和第二表面102和入射表面103，平面光波導(dǎo)200包括第一表面201和第二表面202和入射表面203，如圖8所示。平面光波導(dǎo)200的第一表面201和第二表面202之間的夾角θ1為20度，第二表面102包括多個(gè)周期性密排的線性棱鏡，線性棱鏡的周期為p，為40um,每個(gè)線性棱鏡包括第一琢面210和第二琢面220，其中所述第一琢面210與第一表面201為平行設(shè)置，第一琢面210與第二表面202的夾角為θ1，是20度，第一琢面是全內(nèi)反射tir表面，第二琢面220與第二表面202之間的夾角為θ2，為25度，第二琢面220與第一表面201的夾角是θ1與θ2之和，為45度。平面光波導(dǎo)的第二表面202上蒸鍍有金屬al作為反射層。平面光波導(dǎo)100的第一表面101和第二表面102之間的夾角θ1為20度，第二表面102包括多個(gè)周期性密排的線性棱鏡，線性棱鏡的周期為p，為40um,每個(gè)線性棱鏡包括第一琢面110和第二琢面120，其中所述第一琢面110與第一表面101為平行設(shè)置，第一琢面110與第二表面102的夾角為θ1，是20度，第一琢面是全內(nèi)反射tir表面，第二琢面120與第二表面102之間的夾角為θ2，為25度，第二琢面120與第一表面101的夾角是θ1與θ2之和，為45度。平面光波導(dǎo)的第二表面102上蒸鍍有金屬al作為反射層。在本實(shí)施例中第一平面光波導(dǎo)100和第二平面光波導(dǎo)200為傾角相同的楔形體，第一平面光波導(dǎo)100的第二表面102和第二平面光波導(dǎo)200的第二表面202上的微棱鏡結(jié)構(gòu)和尺寸也設(shè)置為相同，在其他實(shí)施例中，它們可以被設(shè)置為不相同。顯示裝置的一個(gè)顯示像素o通過(guò)透鏡準(zhǔn)直為在x-y平面?zhèn)鞑?，與y軸夾角為φ的一束光線，如圖10中的1所示。該光線通過(guò)平面光波導(dǎo)200的入射表面203射入光波導(dǎo)中，在光波導(dǎo)的第一表面201和第二表面202的第一琢面210之間傳播滿足全反射條件，不斷的反射傳播，當(dāng)該光束照射到第二琢面220上時(shí)，光束的傳播方向改變90度，轉(zhuǎn)向?yàn)榇怪庇诠獠▽?dǎo)的第一表面201照射，因?yàn)榻?jīng)過(guò)第二琢面偏折后的光線不滿足全反射條件，所以該光束通過(guò)光波導(dǎo)的第一表面出射，光束在x-y平面?zhèn)鞑?，與x軸的夾角為φ，如圖10中2所示，此時(shí)該光束變成了帶狀光束，延x軸方向傳播。之后，該束光線通過(guò)平面光波導(dǎo)100的入射表面103射入光波導(dǎo)中，平面光波導(dǎo)100優(yōu)選的設(shè)計(jì)為扇形結(jié)構(gòu)，為了減少光損失，平面光波導(dǎo)100與平面光波導(dǎo)200之間的間距d設(shè)置為1um，當(dāng)該光束照射到第二表面102的第二琢面120上時(shí)，光束的傳播方向改變90度，轉(zhuǎn)向?yàn)榇怪庇诠獠▽?dǎo)的第一表面101照射，因?yàn)榻?jīng)過(guò)第二琢面120偏折后的光線不滿足全反射條件，所以該光束通過(guò)光波導(dǎo)的第一表面出射，光束在y-z平面內(nèi)傳播，角度為φ，如圖10中3所示。此時(shí)入射光束被轉(zhuǎn)化成為面光束，人眼通過(guò)平面光波導(dǎo)100的第一表面101觀察，角度為φ的平行平面波經(jīng)過(guò)人眼在視網(wǎng)膜上成像為o點(diǎn)，同理，顯示裝置的每一個(gè)像素都可以經(jīng)過(guò)平面光波導(dǎo)100和平面光波導(dǎo)200轉(zhuǎn)化為不同角度出射的平面光波，結(jié)合近眼顯示原理，人眼通過(guò)第一表面可以觀看到放大的光引擎的圖像。該顯示裝置可以應(yīng)用于vr顯示設(shè)備中。

綜上所述，本發(fā)明提出的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，不改變?nèi)肷涔饨嵌确植?，只改變光線的傳播方向，同時(shí)具有擴(kuò)展輸入光源光束面積的作用，應(yīng)用在背光領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)直度的方向性背光。應(yīng)用于ar/vr顯示領(lǐng)域，可以傳輸微顯示器的圖像和擴(kuò)展光瞳，解決現(xiàn)有采用納米衍射結(jié)構(gòu)帶來(lái)的彩色化困難和成本高的問(wèn)題。

這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說(shuō)明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對(duì)這里所披露的實(shí)施例進(jìn)行其它變形和改變。