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申请/专利权人：安徽省东超科技有限公司

摘要：本发明公开了一种光波导单元，包括：多个反射单元，所述反射单元的构成均相同，所述反射单元为金属层、全反射层、介质反射层中的任意一种或任意两种的组合；彼此层叠设置的多个子波导，每个所述子波导的两侧分别具有一个所述反射单元，且在所述多个子波导的层叠方向上，所述多个子波导的高度中的至少两个不同，所述子波导的不同高度值对应不同的入射角方向。根据本发明实施例的光波导单元，通过设置多个高度的子波导，分别对多个高度下针对不同视角进行调制，从而可以实现对多个无损耗区角度的能量进行分配，从而可以提高成像光束在整个成像视角范围内能量的均匀性。本发明还公开了具有所述光波导单元的光波导阵列、以及平板透镜。

主权项：1.一种光波导单元，其特征在于，包括：多个反射单元，所述反射单元的构成均相同；当所述反射单元为金属层和全反射层、或金属层和介质反射层时，所述金属层的朝向相应子波导的一侧表面具有预定粗糙度，和或所述金属层为氧化发黑的金属膜层；其中，所述全反射层的材料为透明的光学材料；彼此层叠设置的多个子波导，每个所述子波导的两侧分别具有一个所述反射单元，且在所述多个子波导的层叠方向上，所述多个子波导的高度中的至少两个不同，所述子波导的不同高度值对应不同的入射角方向。

全文数据：光波导单元、阵列及平板透镜技术领域本发明涉及光学显示领域，尤其是涉及一种光波导单元、包括所述光波导单元的光波导阵列、以及包括所述光波导阵列的平板透镜。背景技术随着成像显示技术的发展，对成像的特性要求不断提高。一方面要求有较高的分辨率，保证观察画面清晰度的同时，还需要满足小畸变要求。另一方面要求有三维立体显示特性的同时，具有裸眼三维全息显示要求。现有的成像技术一方面，主要采用透镜成像，主要受视场和孔径的限制，其存在球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差等光学像差，其在大视场、大孔径成像显示领域受限较大。另一方面，现有的裸眼三维显示技术大多数是基于调节左右眼视差来实现三维感官，而非实际三维显示技术。发明内容本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种光波导单元。根据本发明实施例的一种光波导单元，包括：多个反射单元，所述反射单元的构成均相同，所述反射单元为金属层、全反射层、介质反射层中的任意一种或任意两种的组合；彼此层叠设置的多个子波导，每个所述子波导的两侧分别具有一个所述反射单元，且在所述多个子波导的层叠方向上，所述多个子波导的高度中的至少两个不同，所述子波导的不同高度值对应不同的入射角方向。根据本发明实施例的光波导单元，通过设置多个高度的子波导，分别对多个高度下针对不同视角进行调制，从而可以实现对多个无损耗区角度的能量进行分配，从而可以提高成像光束在整个成像视角范围内能量的均匀性。根据本发明的一些实施例，每个所述子波导的高度范围为0.1mm-5mm。这样不但可以防止光波导阵列成像质量受衍射影响，还能够提高光波导阵列对物点清晰成像。根据本发明的一些实施例，所述子波导的折射率n＞1.46。根据本发明的一些实施例，所述多个子波导包括多类，每一类子波导的高度相同，其中第i类所述子波导的高度满足：其中，参数θi为观测视角范围内选定的预定角度，n为所述子波导的光学折射率；其中，所述多类子波导的高度大小与相应子波导的数量多少成反比。根据本发明的一些实施例，所述反射单元为金属层、金属层和全反射层、金属层和介质反射层中的其中一种。根据本发明的一些实施例，所述金属层的材料为银、铝、或铬，所述金属层的高度hm满足：0.001mmhm0.1mm根据本发明的一些实施例，当所述反射单元为金属层和全反射层、或金属层和介质反射层时，所述金属层的朝向相应子波导的一侧表面具有预定粗糙度；和或所述金属层为氧化发黑的金属膜层。根据本发明的一些实施例，所述反射单元为全反射层，所述全反射层的折射率范围nei通过如下公式计算：其中，参数θei为满足全反射条件时光波导单元表面的最大入射角，n为所述子波导的光学折射率。根据本发明的一些实施例，所述全反射层的高度h2满足：0.004mmhr0.1H，其中H为所述全反射层所在的相应子波导的高度。根据本发明的一些实施例，所述反射单元为干涉型介质反射层，所述干涉型介质反射层包含以下类型的一层或多层透明介质膜层：14波长膜、12波长膜，其中所述14波长膜的膜层光学厚度为入射光波长的14，所述12波长膜的膜层光学厚度为入射光波长的12；其中，所述膜层光学厚度T＝ng·l,其中ng为该膜层材料的折射率，l为该膜层厚度。根据本发明的一些实施例，所述介质反射层的高度hj满足：hj0.1H，其中H为所述全反射层所在的相应子波导的高度。根据本发明第二方面实施例的一种光波导阵列，包括多个根据本发明第一方面实施例所述的光波导单元，每个所述光波导单元的横截面呈矩形且多个所述光波导单元并列接合；所述光波导阵列的外轮廓成矩形形状，且所述光波导单元的延伸方向与所述光波导阵列外轮廓的至少两条边均呈30-60度角。根据本发明的一些实施例，所述光波导单元的延伸方向与所述光波导阵列外轮廓的至少两条边呈45度角。根据本发明的一些实施例，所述多个所述光波导单元之间通过粘胶层接合，所述粘胶层的厚度大于0.001mm。根据本发明第三方面实施例的一种平板透镜，包括：两个透明基板，每个所述透明基板均具有两个光学面；两个根据本发明第二方面实施例所述的光波导阵列，所述两个光波导阵列通过粘胶设置在所述两个透明基板之间，且所述两个光波导阵列的光波导延伸方向正交布置。根据本发明的一些实施例，所述每个透明基板的远离所述光波导阵列的光学面设置有增透膜。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明本发明的上述和或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1a是根据本发明实施例的光波导阵列的示意图，其中两个光波导阵列正交布置；图1b是图1a中框示G处的放大图；图2a是图2b中显示的两个子波导之间通过粘胶层配合的示意图；图2b是图2a中任一子波导的横截面图，其中W为宽度、H为高度；图3是根据本发明实施例的两个光波导单元正交放置时重叠区调制光原理图；图4是根据本发明实施例的两个光波导阵列正交时成像原理图；图5是现有技术中等效光波导单元某一θa角度入射光无损耗区时原理图；图6是现有技术中等效光波导单元某一θb角度入射光无损耗区时原理图；图7是根据本发明实施例的光波导单元光线入射的原理图；图8是根据本发明一个实施例的光波导单元的示意图；图9是根据本发明另一个实施例的光波导单元的示意图；图10是根据本发明一个实施例的光波导单元的示意图，其中反射单元为金属层；图11是根据本发明另一个实施例的光波导单元的示意图，其中反射单元为全反射层或干涉型介质反射层；图12是根据本发明一个实施例的光波导单元的示意图，其中反射单元为金属层和全反射层或干涉型介质反射层的组合；图13是根据本发明实施例的平面透镜的示意图。附图标记：光波导阵列1000a、1000b；光波导单元100；反射单元1；子波导2；透明基板2000；增透膜2100。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“高度”、“厚度”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。下面首先参考图1-图5描述根据本发明实施例的光波导阵列。如图1a和图1b所示，光波导阵列1000a、1000b包括多个光波导单元100，每个光波导单元100的横截面呈矩形且多个光波导单元100并列接合。光波导阵列的外轮廓成矩形形状，且光波导单元100的延伸方向与光波导阵列外轮廓的至少两条边均呈30-60度角。可选地，光波导单元100的延伸方向与光波导阵列外轮廓的至少两条边均呈45度角。当然，本发明不限于此，在大屏幕显示时可以通过拼接多块光波导阵列来实现大尺寸需求。光波导阵列的整体形状根据应用场景需要设置。如图1a所示的示例中，光波导阵列1000a、1000b的外轮廓均为矩形形状，如图1b所示，延伸在矩形两个对角之间的光波导单元的长度最长，位于两个对角处的光波导单元100为三角形且长度最短。中间的光波导单元为梯形或平行四边形结构，单个光波导的长度不相等。在一些进一步可选示例中，延伸在矩形两个对角之间的光波导单元为基准，位于其两侧的光波导单元可以对称设置。两个光波导阵列1000a、1000b的光波导延伸方向正交布置，以形成一个等效的负折射率平面透镜。其中，光波导阵列1000a中每条光波导的延伸方向也都正交于光波导阵列1000b中每条光波导的延伸方向。如图3所示的是两条光波导单元正交放置时重叠区调制光原理图，其中a、b表示两条光波导单元，A、B表示奇次反射光束、C表示透射杂光，D为成像光束，O表示物方光源点，Ox表示像方成像点，从而，当两条光波导单元正交放置时，物象面光束相对于等效负折射率平板透镜成镜面对称，产生负折射率现象，实现了平板透镜成像，如图5所示。在本发明的一些实施例中，如图2a所示，多个光波导单元100之间通过粘胶层4接合，粘胶层4的厚度大于0.001mm。胶粘层4例如为光敏胶或热敏胶。下面参考图5-图12描述根据本发明实施例的光波导单元。根据本发明一个实施例的一种光波导单元100，包括多个反射单元1和彼此层叠设置的多个子波导2，每个子波导2的两侧分别具有一个反射单元1。反射单元1为金属层1a、全反射层1b、介质反射层1c中的任意一种或任意两种的组合，也就是说，反射单元1可能有如下几种方式：金属层1a、全反射层1b、介质反射层1c、金属层1a和全反射层1b的组合、金属层1a和介质反射层1c的组合、全反射层1b和介质反射层1c组合。其中，同一光波导单元内的反射单元1的构成均相同，即都是金属层1a、或都是金属层a和全反射层1b的组合等。且在多个子波导2的层叠方向上，多个子波导2的高度中的至少两个不同，子波导2的不同高度值对应不同的入射角方向。下面针对根据本发明实施例的光波导单元100的具体原理进行描述。如图5和图6所示，当一个光波导单元中只包含一类光波导时，随着入射光的角度变化，当光线入射后，光波导单元将会存在无损耗区角度和有损耗区角度。如图6所示，对于有损耗区角度，该部分损耗区的光线不参与成像，而是作为杂光损耗成像光束能量，且光能量角分布以无损耗区时角度对应的能量最大，大于或小于该角度的光能量均减小，从而引起成像光束角度均匀性降低。基于上述问题，发明人提出了可以通过光波导单元中设计多个子波导，且通过改变横截面高度H的方式来收集该部分损耗区能量，如图7所示，从而提高了该子波导对应的角度θi光线的能量收集，此时θi为该类光波导横截面长Hi的无损耗区角度。基于此，通过增加多个类型横截面长H的子波导，来针对不同物方光线入射角进行能量分配。如图8所示的示例中，一个光波导单元中采用两种类型的子波导，不同类型的子波导存在各自对应的无损耗区θa、θb。不同子波导对不同无损耗区角度的光束收集的能量横截面尺寸与子波导横截面高度Hi有关，横截面高度Hi大的子波导，其对应的无损耗区角度所收集的能量大，横截面高度Hi小的子波导，其对应的无损耗区角度所收集的能量小。因此横截面高度Hi小的子波导，其数量需要大于横截面高度Hi大的子波导数量。因此，在本发明的一些实施例中，多个子波导2包括多类，每一类子波导2的高度相同，其中第i类子波导2的高度满足：其中，参数θi为观测视角范围内选定的预定角度，即，在光线刚好满足无损耗区时的光束入射角，也是对应子波导所要调制的视角，n为子波导2的光学折射率；其中，多类子波导2的高度大小与相应子波导2的数量多少成反比，也就是说，子波导的横截面高度Hi越小、数量越多。如图8所示的实施例中，光波导单元100包括两类子波导11、12，子波导11的高度H1大于子波导12的高度H2，子波导11的数量1个小于子波导12的数量2个。这样，就可以收集到不同入射光线的能量。而如图9所示的实施例中，光波导单元100包括三类子波导11、12、13，子波导11的高度H1最大且数量最少1个，子波导13的高度H3最小且数量最多2个，而子波导12的高度H2满足：H3＜H2＜H1，且数量为2个。从而，在一个光波导单元100中通过设置分别具有三类横截面高度H的三种子波导来实现对三个无损耗区角度的能量进行分配，这样可以提高成像光束在整个成像视角范围内能量的均匀性。当然，以上参考图8和图9的实施例仅为根据本发明的可选示例，即按照高度从大到小进行排布。但在本发明中并不限定具体子波导的排布顺序，即不同横截面高度的子波导2的排列次序可以为任意次序排布，可以为按照高度从小到大排布，可以先大后小再大，或者也可以先小后大再小，均不会影响对多个入射光线角度下能量的分配。根据本发明实施例的光波导单元100，通过设置多个高度的子波导，分别对多个高度下针对不同视角进行调制，从而可以实现对多个无损耗区角度的能量进行分配，从而可以提高成像光束在整个成像视角范围内能量的均匀性。根据本发明的一些实施例，为了防止光波导阵列成像质量受衍射影响，子波导2的横截面高度不能太小，可以大于0.1mm，同时，为了提高光波导阵列的对物点清晰成像，子波导2的横截面高度H不能太大，可以小于5mm，也就是说，每个子波导2的横截面高度H满足0.1mmH5mm。可选地，子波导2的折射率n＞1.46。根据本发明的一些实施例，反射单元1为金属层1a。如图10所示，金属层1a可以为银、铝、或铬等金属材料，金属层1a的高度hm满足：0.001mmhm0.1mm。金属层1a可以作为光洁度很高的光学反射面，主要起到反射作用和阻隔光线作用，由于气泡、杂质、灰尘等容易使得光线散射产生杂光，通过金属层1a可以隔绝该类光线进入探测器或人眼等接收部件。可选地，金属层1a内仅包括一种金属层。根据本发明的一些实施例，反射单元1可以为全反射层1b如图11所示，全反射层1b的材料可以为树脂、玻璃、晶体等透明的光学材料，其可以通过全反射的方式进行反射光线的作用，全反射效应可以使得入射光线几乎无损耗的反射，大大提高该层面的反射率。全反射层1b的折射率范围nei通过如下公式计算：其中，参数θei为满足全反射条件时光波导单元100表面的最大入射角，n为子波导2的光学折射率。可选地，全反射层1b的高度h2满足：0.004mmhr0.1H，其中h为全反射层1b所在的相应子波导2的高度。全反射层厚度大于0.004mm，是为了避免该全反射层1b厚度小于全反射倏逝波的穿透深度，引起该全反射层1b失效。进一步地，该全反射层1b的厚度不应太大，避免光线进入全反射层，导致全反射层与光波导层不同折射率带来的光线偏折，影响成像清晰度。根据本发明的一些实施例，反射单元1为干涉型介质反射层1c，如图11所示，其反射特性是通过透明介质干涉的方式，使得入射的光线发生反射，该类型的反射膜层反射率比其他金属膜层反射率要高，可以大大提高对光线的反射率。干涉型介质反射层1c可以包含以下类型的一层或多层透明介质膜层：14波长膜、12波长膜，其中14波长膜的膜层光学厚度为入射光波长的14，12波长膜的膜层光学厚度为入射光波长的12；其中，膜层光学厚度T＝ng·l,其中ng为该膜层材料的折射率，l为该膜层厚度。其中，透明介质可以为氟化镁、一氧化硅、二氧化硅等晶体材料。可选地，介质反射层1c的高度hj满足：hj0.1h，其中h为全反射层1b所在的相应子波导2的高度。根据本发明的一些实施例，反射单元1为金属层1a和全反射层1b的组合。或金属层1a和介质反射层1c的组合时，金属层1a的朝向相应子波导2的一侧表面具有预定粗糙度；和或金属层1a为氧化发黑的金属膜层。在一些可选的示例中，金属层1a的朝向相应子波导2的一侧表面可以形成为具有预定粗糙度的粗糙面11a，如图12所示，该粗糙面用于散射全反射层1b或介质反射层1c透射过来的光线。在另一些可选的示例中，金属层1a的朝向相应子波导2的一侧表面可以设置为氧化发黑的金属膜层，用于吸收全反射层1b或介质反射层1c透射过来的吸收光线。当然，在本发明的其他示例中，金属层1a可以同时设置粗糙面11a和氧化发黑面，可以用于吸收全反射层或介质反射层1c透射过来的光线吸收并将剩余光线进行散射。可选地，在本实施例的反射单元1中，包括金属层1a和全反射层1b时，全反射层1b还可以控制出射光线角度，当入射光线的入射角不满足全反射层1b的全反射条件时，通过全反射层1b的光线透射，透射光光线可以到达金属层，被散射或吸收，从而控制角度光出射，如图12所示。下面参考图11描述根据本发明第三方面实施例的一种平板透镜，包括：两个透明基板2000和两个根据上述实施例所述的光波导阵列1000a、1000b。每个透明基板2000均具有两个光学面，光学面用于保护光波导阵列1000a、1000b。两个光波导阵列通过粘胶设置在两个透明基板2000之间，且两个光波导阵列的光波导延伸方向正交布置，即光波导单元的延伸方向相互垂直，使得光束会聚于一点，且保证物像面相对于等效负折射率平板透镜对称，产生负折射率现象，实现平板透镜成像。可选地，在光波导阵列和透明基板2000之间也通过光敏胶或热敏胶进行贴合。在本发明的一些实施例中，如图11所示，每个透明基板200的远离光波导阵列的光学面设置有增透膜210，以进一步提高成像效果。根据本发明实施例的平面透镜，采用单列多排且横截面为矩形的光波导组成阵列结构，可以使二维或者三维光源直接在空气中成实像实现真正的全息影像，成像效果好的同时实现裸眼三维立体显示特性。另外，通过由反射单元1隔开的多个高度的子波导2层叠设置而成的光波导单元，可以提升成像视角均匀性，一定程度上提升用户体验。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

权利要求：1.一种光波导单元，其特征在于，包括：多个反射单元，所述反射单元的构成均相同，所述反射单元为金属层、全反射层、介质反射层中的任意一种或任意两种的组合；彼此层叠设置的多个子波导，每个所述子波导的两侧分别具有一个所述反射单元，且在所述多个子波导的层叠方向上，所述多个子波导的高度中的至少两个不同，所述子波导的不同高度值对应不同的入射角方向。2.根据权利要求1所述的光波导单元，其特征在于，每个所述子波导的高度范围为0.1mm-5mm。3.根据权利要求1所述的光波导单元，其特征在于，所述子波导的折射率n＞1.46。4.根据权利要求1所述的光波导单元，其特征在于，所述多个子波导包括多类，每一类子波导的高度相同，其中第i类所述子波导的高度满足：其中，参数θi为观测视角范围内选定的预定角度，n为所述子波导的光学折射率；其中，所述多类子波导的高度大小与相应子波导的数量多少成反比。5.根据权利要求1-4中任一项所述的光波导单元，其特征在于，所述反射单元为金属层、金属层和全反射层、金属层和介质反射层中的其中一种。6.根据权利要求5所述的光波导单元，其特征在于，所述金属层的材料为银、铝、或铬，所述金属层的高度hm满足：0.001mmhm0.1mm。7.根据权利要求5所述的光波导单元，其特征在于，当所述反射单元为金属层和全反射层、或金属层和介质反射层时，所述金属层的朝向相应子波导的一侧表面具有预定粗糙度；和或所述金属层为氧化发黑的金属膜层。8.根据权利要求1-4中任一项所述的光波导单元，其特征在于，所述反射单元为全反射层，所述全反射层的折射率范围nei通过如下公式计算：其中，参数θei为满足全反射条件时光波导单元表面的最大入射角，n为所述子波导的光学折射率。9.根据权利要求8所述的光波导单元，其特征在于，所述全反射层的高度h2满足：0.004mmhr0.1H，其中H为所述全反射层所在的相应子波导的高度。10.根据权利要求1-4中任一项所述的光波导单元，其特征在于，所述反射单元为干涉型介质反射层，所述干涉型介质反射层包含以下类型的一层或多层透明介质膜层：14波长膜、12波长膜，其中所述14波长膜的膜层光学厚度为入射光波长的14，所述12波长膜的膜层光学厚度为入射光波长的12；其中，所述膜层光学厚度T＝ng·l,其中ng为该膜层材料的折射率，l为该膜层厚度。11.根据权利要求10所述的光波导单元，其特征在于，所述介质反射层的高度hj满足：hj0.1H，其中H为所述全反射层所在的相应子波导的高度。12.一种光波导阵列，其特征在于，包括多个根据权利要求1-11中任一项所述的光波导单元，每个所述光波导单元的横截面呈矩形且多个所述光波导单元并列接合；所述光波导阵列的外轮廓成矩形形状，且所述光波导单元的延伸方向与所述光波导阵列外轮廓的至少两条边均呈30-60度角。13.根据权利要求12所述的光波导阵列，其特征在于，所述光波导单元的延伸方向与所述光波导阵列外轮廓的至少两条边呈45度角。14.根据权利要求12所述的光波导阵列，其特征在于，所述多个所述光波导单元之间通过粘胶层接合，所述粘胶层的厚度大于0.001mm。15.一种平板透镜，其特征在于，包括：两个透明基板，每个所述透明基板均具有两个光学面；两个根据权利要求12-14中任一项所述的光波导阵列，所述两个光波导阵列通过粘胶设置在所述两个透明基板之间，且所述两个光波导阵列的光波导延伸方向正交布置。16.根据权利要求15所述的平板透镜，其特征在于，所述每个透明基板的远离所述光波导阵列的光学面设置有增透膜。

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