專利名稱：光波導(dǎo)和光信息處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于光源模塊、光學(xué)互連和光通信元件等的包括芯層和包層的結(jié)合部件的光波導(dǎo)，以及例如顯示裝置等的光信息處理裝置。
背景技術(shù)：
迄今為止，人們已習(xí)慣在電裝置的電路板或電路板上的芯片表面之間通過相對短的距離傳輸信息，其中主要是電信號。為了使電裝置的集成電路具有更好的性能，需要集成電路中的電信號以更快的速度傳輸，并且以更高的密度構(gòu)造集成電路中的電信號互連。然而，由于電信號互連的時(shí)間常數(shù)導(dǎo)致的信號延遲和由電信號互連引起的噪聲妨礙了電信號以更快的速度傳輸，也妨礙了電信號在更高密度構(gòu)造下的互連。
因此，注意力集中在了以光學(xué)互連作為介質(zhì)的信息傳輸上。光學(xué)互連可以在不同的場合使用，例如電裝置之間、電裝置中的電路板之間和電路板上的芯片之間等。在例如芯片之間的短距離信號傳輸中，可以在安裝有芯片的板上構(gòu)造具有光波導(dǎo)的光傳輸/通信系統(tǒng)，光波導(dǎo)作為傳輸路徑傳輸由信號調(diào)制的激光束等。
眾所周知，光波導(dǎo)可以用作顯示裝置的光源模塊。例如，已經(jīng)開發(fā)了一種頭戴式顯示裝置(HMD)，有了它使用者就可以在獨(dú)自擁有的大屏幕上欣賞視頻軟件圖像、游戲圖像、計(jì)算機(jī)圖像和電影圖像。如附圖20中所示，提供的一種個(gè)人顯示裝置，使用者能夠像太陽鏡一樣將其戴上，在任何需要的地方隨意觀看虛擬圖像(參見美國專利5467104)。
已知的頭戴式顯示裝置具有包括紅、綠和藍(lán)的發(fā)光二極管(LED)的光源。LED發(fā)出非相干光，但是通過寬輻射角輻射的光很難將三種顏色的光線會(huì)聚并混合。已知有一種技術(shù)可以使通過光波導(dǎo)的三種顏色的LED光產(chǎn)生均勻的白色光(東京電子2003年3月31日，第127頁)。
附圖21A和21B示出了由美國Lmileds Lighting有限責(zé)任公司開發(fā)的包括LED和光波導(dǎo)的模塊組件。圖21A是模塊組件的橫截面視圖，圖21B是模塊組件的透視圖。
如圖21A和21B所示，背光模塊80包括安裝在印刷電路板81上的三個(gè)RGB LED模塊82，光波導(dǎo)83，兩塊反射鏡84a，84b和光導(dǎo)板85。LED模塊82以間隔為9mm的線性陣列布置。從LED模塊82發(fā)出的RGB LED光86經(jīng)反射鏡84a，84b反射并在光波導(dǎo)83內(nèi)合并為基本上均勻的白色光，并且白色光通過光導(dǎo)板85傳輸?shù)揭壕姘宓谋趁妗?br> 已知如附圖22所示的光波導(dǎo)，其芯的橫截面尺寸從其光輸入端朝向其光輸出端逐漸線性地變小(日本公開專利平成第5-173036號(第2頁，權(quán)利要求的范圍，第3頁第3欄第3-4行和圖1(d)))。
如圖22所示的光波導(dǎo)具有連續(xù)布置在底板17上的下包層2，芯層3，和虛線所示的上包層4。如圖22所示，芯層3從其光輸入端18朝向其光輸出端19在寬度和高度方面具有逐漸線性變小的橫截面區(qū)域。施加到光輸入端18的光線基本上線性地通過芯層3并從光輸出端19輸出。
附圖23A和23B示出了一種已知的供光束輸出的三叉光波導(dǎo)。圖23A是三叉光波導(dǎo)的平面圖，圖23B是圖23A中沿剖面線23b-23b的橫截面圖。
三叉光波導(dǎo)的芯層被分叉為紅光芯26R、綠光芯26G和藍(lán)光芯26B，分別相應(yīng)于面對的紅光源27R、綠光源27G和藍(lán)光源27B，光芯具有各自的光輸入端。紅光芯26R和藍(lán)光芯26B具有彎曲的端部部分并與線性延伸的綠光芯26G結(jié)合形成公共芯26。被引導(dǎo)通過紅光芯26R、綠光芯26G和藍(lán)光芯26B的RGB信號光28R、28G、28B被公共芯26合并，從公共芯26的輸出端輸出一束輸出光線29。
另一已知的光波導(dǎo)與設(shè)置在芯層下的光源結(jié)合形成。附圖24示出了這種已知的光波導(dǎo)。
如圖24所示，芯層3具有大約30μm的厚度，例如夾在厚度均為14μm的下包層2和上包層4之間。芯層3在從其光輸入端到光輸出端的整個(gè)長度上寬度恒定。光波導(dǎo)的光輸入端23相對于光波導(dǎo)的水平面以45°角傾斜。作為光源的LED13布置在傾斜光輸入端23的下方。
如圖21A和21B所示的背光模塊80具有將光信號86從LED模塊82耦合到光波導(dǎo)83和光導(dǎo)板85的反射鏡84a和84b。由于光波導(dǎo)和反射鏡是不同的組件，當(dāng)安裝時(shí)它們需要進(jìn)行位置調(diào)整，因此背光模塊80的生產(chǎn)率是很低的。而且，因?yàn)長ED模塊82和光波導(dǎo)83是相互垂直分開的，背光模塊80不適合薄厚度的整體結(jié)構(gòu)。背光模塊80不能將會(huì)聚的LED光轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兴柚睆降墓獍摺?br> 如圖22所示的光波導(dǎo)是沒有彎曲部分的直線形。然而，與光波導(dǎo)結(jié)合的光源不能進(jìn)行自由定位，并且需要沿著光波導(dǎo)的輸入端定位。這樣布置光源往往會(huì)導(dǎo)致光輸入損耗。
如圖23A和23B所示的光波導(dǎo)能夠發(fā)出光線，該光線通過光輸入端進(jìn)入并從相對于光輸入端的光輸出端輸出。然而，由于LED不能相應(yīng)于光波導(dǎo)自由定位，并且受到光輸入端的線性陣列安裝布置的限制，它們很容易導(dǎo)致光的輸入損耗。此外，如圖23A虛線所示的，當(dāng)R信號光28R和B信號光28B分別由紅光芯26R和藍(lán)光芯26B引導(dǎo)時(shí)，在紅光芯26R和藍(lán)光芯26B的彎曲部分就會(huì)產(chǎn)生泄漏光29a。因此，光波導(dǎo)具有低聚光率，不適合于高輸出的設(shè)計(jì)。
如圖24所示的光波導(dǎo)比圖22和23A、23B中所示的光波導(dǎo)能夠從光源接收更多的光，因?yàn)楣庠?LED)13布置在芯層3的光輸入端下方。然而，從LED光源13發(fā)出的信號光14輸入到芯層3的具有很小寬度的區(qū)域上。當(dāng)信號光14以寬發(fā)射角從LED光源13發(fā)出時(shí)，被芯層3上的傾斜光輸入端23反射的信號光14的比例是相對較小的。輸入到下包層2、上包層4上的傾斜光輸入端23上的信號光作為損耗浪費(fèi)掉了。因此，圖24所示的光波導(dǎo)的聚光率很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本的光波導(dǎo)，其對來自光源的光進(jìn)入光波導(dǎo)具有高的光輸入效率，對光波導(dǎo)會(huì)聚的輸入光具有高的聚光效率；并且提供一種結(jié)合有這種光波導(dǎo)的光信息處理裝置。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種光波導(dǎo)，其包括芯層和包層的結(jié)合部件，芯層具有光輸入?yún)^(qū)域和光輸出區(qū)域，光輸入?yún)^(qū)域具有比光輸出區(qū)域更寬的寬度，光輸入?yún)^(qū)域具有至少一個(gè)側(cè)表面形成為反射表面用于向光輸出區(qū)域反射施加到光輸入?yún)^(qū)域的光；和光源，其設(shè)置成與光輸入?yún)^(qū)域的不是側(cè)表面的另一表面接觸或面對。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種光信息處理裝置，其包括根據(jù)如上所述本發(fā)明的光波導(dǎo)，向所述光波導(dǎo)的芯層中引入光的光施加部件，和接收由所述芯層輸出的光的光接收部件。
采用根據(jù)本發(fā)明的光波導(dǎo)，光輸入?yún)^(qū)域的寬度大于光輸出區(qū)域的寬度，并且光輸入?yún)^(qū)域的至少一個(gè)側(cè)表面形成為反射表面用于向光輸出區(qū)域反射施加到光輸入?yún)^(qū)域的光。由于光輸入?yún)^(qū)域的側(cè)表面具有大的面積，并且至少該側(cè)表面形成為反射表面，所以增加了導(dǎo)入到芯層的光輸入?yún)^(qū)域中的光量，并且增加了從至少該側(cè)表面反射的光量。因此，向光輸出區(qū)域引導(dǎo)光的效率提高，以有效地會(huì)聚被引導(dǎo)的光。
因?yàn)楣庠丛O(shè)置成與光輸入?yún)^(qū)域的不是該側(cè)表面的另一表面接觸或面對，所以光源易于在適當(dāng)位置定位。即使光源在定位上有稍微的偏離，但由于提高了引導(dǎo)來自光源的光到光輸入?yún)^(qū)域的效率，光源布局的容許偏差就變得很大。由于光輸入?yún)^(qū)域的寬度大，就增加了導(dǎo)入光的量，并且導(dǎo)入光被反射表面高效引導(dǎo)和聚集到光輸出區(qū)域，從而從光波導(dǎo)中輸出。
根據(jù)本發(fā)明的光信息處理裝置由根據(jù)本發(fā)明的具有上述多方面優(yōu)點(diǎn)的光波導(dǎo)、用于向光波導(dǎo)的芯層引導(dǎo)光的光施加部件、和用于接收從芯層發(fā)出的光的光接收部件組成。光信息處理裝置能夠適用作光通信系統(tǒng)、顯示裝置，等等。
在如上所述的光波導(dǎo)和光信息處理裝置中，光輸入?yún)^(qū)域的側(cè)表面最好具有拋物線形、半圓形或多邊形的形狀，如平面圖所示，以提高聚光效率。而且，為了提高光反射效率，光輸入?yún)^(qū)域的至少該側(cè)表面最好應(yīng)該涂覆有光反射金屬膜。
優(yōu)選地，芯層具有至少兩個(gè)芯，每個(gè)芯具有光輸入?yún)^(qū)域，芯在光輸出區(qū)域連接在一起以形成公共的光輸出端，以便具有不同波長范圍的光信號可由芯聚集和合并到一起。
而且，光源最好一體地布置在芯層下面的包層中，并且光源最好具有保持在光輸入?yún)^(qū)域上的發(fā)光部分，以允許光源更準(zhǔn)確且容易地定位、提高光源定位的容許偏差、使光波導(dǎo)厚度更薄、并提高光導(dǎo)入到光輸入?yún)^(qū)域中的效率。
優(yōu)選地，芯層寬度從光輸入?yún)^(qū)域向光輸出區(qū)域逐漸線性減小，以允許導(dǎo)入光被芯層的至少該側(cè)表面反射，易于向光輸出區(qū)域引導(dǎo)反射光，并易于將輸出光成形為具有所需光斑直徑的光斑。
在上述光信息處理裝置的光波導(dǎo)中，光源包括發(fā)光二極管。光信息處理裝置可用作對從芯層發(fā)出的光經(jīng)過掃描部件進(jìn)行投影的顯示裝置。
結(jié)合借助示例說明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)在下文中將顯而易見。


圖1A是沿圖1B中剖面線1a-1a的根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例光波導(dǎo)的橫截面圖；圖1B是圖1A中沿剖面線1b-1b的橫截面視圖；圖2A表示沿圖2B中剖面線2a-2a的光導(dǎo)入圖1A和圖1B所示的光波導(dǎo)中的方式；圖2B是沿圖2A中剖面線2b-2b的橫截面圖；圖3A是沿圖3B中剖面線3a-3a的根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例光波導(dǎo)的橫截面圖；圖3B是沿圖3A中剖面線3b-3b的橫截面圖；圖4A表示沿圖4B中剖面線4a-4a的光線導(dǎo)入圖3A和圖3B所示的光波導(dǎo)中的方式；圖4B是沿圖4A中剖面線4b-4b的橫截面圖；圖5示出光源間距與三叉光波導(dǎo)的波導(dǎo)長度之間的關(guān)系曲線圖；圖6示出光輸入端寬度與向前逐漸變細(xì)的光波導(dǎo)的波導(dǎo)長度之間的關(guān)系曲線圖；圖7A至7C和8A至8C是根據(jù)本發(fā)明的光波導(dǎo)的制造過程的說明圖；圖9A是根據(jù)本發(fā)明的改型光波導(dǎo)的橫截面圖；圖9B是沿圖9A中剖面線9b-9b的橫截面圖；圖10A是根據(jù)本發(fā)明的另一改型光波導(dǎo)的橫截面圖；圖10B是沿圖10A中剖面線10b-10b的橫截面圖；圖11A仍然是根據(jù)本發(fā)明的另一改型光波導(dǎo)的橫截面圖；圖11B是沿圖11A中剖面線11b-11b的橫截面圖；圖12A至12C是根據(jù)本發(fā)明的改型光波導(dǎo)的制造過程的說明圖；圖13A是根據(jù)本發(fā)明的另一改型光波導(dǎo)的橫截面圖；圖13B是沿圖13A中剖面線13b-13b的橫截面圖；圖14A仍然是根據(jù)本發(fā)明的另一改型光波導(dǎo)的橫截面圖；
圖14B是沿圖14A中剖面線14b-14b的橫截面圖；圖15A仍然是根據(jù)本發(fā)明的另一改型光波導(dǎo)的橫截面圖；圖15B是沿圖15A中剖面線15b-15b的橫截面圖；圖16A仍然是根據(jù)本發(fā)明的另一改型光波導(dǎo)的橫截面圖；圖16B是沿圖16A中剖面線16b-16b的橫截面圖；圖17A是根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改型的光波導(dǎo)的橫截面圖；圖17B是沿圖17A中剖面線17b-17b的橫截面圖；圖18A仍然是根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改型的光波導(dǎo)的橫截面圖；圖18B是沿圖18A中剖面線18b-18b的橫截面圖；圖19A仍然是根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改型的光波導(dǎo)的橫截面圖；圖19B是沿圖19A中剖面線19b-19b的橫截面圖；圖19C是沿圖19B中剖面線19c-19c的橫截面圖；圖20是結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的光波導(dǎo)的顯示裝置的示意性前視圖；圖21A和21B是常規(guī)光波導(dǎo)的視圖；圖22是另一常規(guī)光波導(dǎo)的透視圖；圖23A仍然是另一常規(guī)光波導(dǎo)的橫截面圖；圖23B是沿圖23A中剖面線23b-23b的橫截面圖；和圖24仍然是另一常規(guī)光波導(dǎo)的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1圖1A和1B是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例光波導(dǎo)10的橫截面圖。圖2A和2B是與圖1A和1B相似的橫截面圖，但是示出了施加到光波導(dǎo)10上的光線反射并通過光波導(dǎo)10引導(dǎo)的方式。
如圖1A和1B所示，光波導(dǎo)10包括在底板1上形成的下包層2、在下包層2上形成的上包層4和布置在下包層2和上包層4之間的三叉的芯層3。光源LED13具有與芯層3的光輸入?yún)^(qū)域5的下表面接觸的光輸出表面，該光輸出表面整體布置在下包層2內(nèi)。芯層3包括具有各自的光輸入?yún)^(qū)域5并合并成公共芯26的紅、綠和藍(lán)光芯26R、26G、26B，該公共芯26具有暴露在光輸出區(qū)域7上的端面。光輸入?yún)^(qū)域5不暴露，并具有比光輸出區(qū)域7處芯層3的寬度更大的寬度。芯層3的紅、綠和藍(lán)光芯26R、26G、26B在光輸入?yún)^(qū)域5具有各自的拋物線形端部。由于LED 13被保持在光輸入?yún)^(qū)域5上，LED 13就能夠?yàn)樘岣吖廨斎胄识煽亢头奖愕囟ㄎ?。光源LED13的寬度和芯層3的光輸入?yún)^(qū)域5的最大寬度的比例最好是在1∶2至1∶3的范圍內(nèi)。
如圖1A所示，LED13包括紅光源17R、綠光源27G和藍(lán)光源27B。如圖2A所示，從這些LED 13發(fā)出的信號光束由光輸入?yún)^(qū)域5的側(cè)表面6反射，如箭頭所示，當(dāng)反射光線15在芯26R、26G、26B中全反射時(shí)，反射光線15被導(dǎo)向光輸出區(qū)域7。引導(dǎo)光線15在公共芯26中有效地合并為一束光束并從光輸出區(qū)域7輸出。
如圖1A和2A所示，由于光輸入?yún)^(qū)域5的寬度增大，所以其中的側(cè)表面6的面積也增大。這些側(cè)表面6形成具有拋物線外形的反射表面以便有效地反射光。因此，增加了導(dǎo)入到光輸入?yún)^(qū)域5中的光量，并且也增加了從側(cè)表面6向光輸出區(qū)域7反射的光量。
因此，信號光以高的光輸入效率從LED13發(fā)射到芯層3中，并且輸入光被有效反射并導(dǎo)入到光輸出區(qū)域7。導(dǎo)入到高折射率的芯層3中的光限制在芯層3中，而難于泄漏至低折射率的下包層2和上包層4中。在本發(fā)明的實(shí)施例中，芯層3的折射率n為1.35，下包層2和上包層4的折射率n為1.51，底板1的折射率n為3.5。這些折射率值可以運(yùn)用到根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例和改型中。
根據(jù)本發(fā)明，芯層3的光輸入?yún)^(qū)域5具有比光輸出區(qū)域7更大的寬度，并且光輸入?yún)^(qū)域5的側(cè)表面6形成拋物線外形的反射表面，能夠朝向光輸出區(qū)域7有效地反射從LED 13發(fā)出至光輸入?yún)^(qū)域5的光。因此，光輸入?yún)^(qū)域5的側(cè)表面6具有用于反射表面的增大面積，光輸入?yún)^(qū)域5能夠接收更多的從LED 13發(fā)出的光量并反射更多的光量。
引導(dǎo)到光輸出區(qū)域7的輸入光的效率提高，以有效地發(fā)射輸入光。由于LED 13與光輸入?yún)^(qū)域5的下表面保持接觸，光波導(dǎo)10可以具有薄的厚度，并且LED 13能夠容易定位在適當(dāng)位置。即使LED 13在定位上有稍微偏移，LED 13發(fā)出的光也能高效地導(dǎo)入光輸入?yún)^(qū)域5。因?yàn)楣廨斎雲(yún)^(qū)域5的寬度增加，而增加了導(dǎo)入到光輸入?yún)^(qū)域5中的光量，并且導(dǎo)入光被包括側(cè)表面6的包層的分界面反射，向光輸出區(qū)域7有效引導(dǎo)和會(huì)聚從芯層3出射的光。芯層3的形狀決定輸入光可能形成的所需光斑直徑。
實(shí)施例2圖3A和3B是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光波導(dǎo)10A的橫截面圖。圖4A和4B是與圖3A和3B相似的橫截面圖，但是示出了施加到光波導(dǎo)10A上的光被反射并通過光波導(dǎo)10A被引導(dǎo)的方式。
如圖3A和3B所示，光波導(dǎo)10A包括在底板1上形成的下包層2、上包層4，以及布置在下包層2和上包層4之間并向公共的光輸出區(qū)域7線性延伸的三叉的芯層3。光源LED 13具有與芯層3的光輸入?yún)^(qū)域5下表面接觸的光輸出表面，該光輸出表面一體地布置在下包層2內(nèi)。芯層3包括具有各自的光輸入?yún)^(qū)域5和合并成公共芯26的紅、綠和藍(lán)光芯26R、26G、26B，該公共芯26具有暴露在光輸出區(qū)域7上的端面。光輸入?yún)^(qū)域5不暴露，并且寬度比光輸出區(qū)域7的芯層3的寬度更大。芯層3的紅、綠和藍(lán)光芯26R、26G、26B在光輸入?yún)^(qū)域5具有各自的拋物線形端部，并朝向光輸出區(qū)域7寬度逐漸線性減小。由于LED 13被保持在光輸入?yún)^(qū)域5上，LED13就能夠?yàn)樘岣咻斎胄识煽亢头奖愕囟ㄎ弧９庠碙ED 13的寬度和芯層3的光輸入?yún)^(qū)域5的最大寬度比例最好是在1∶2至1∶3的范圍內(nèi)。
如圖3A所示，與第一實(shí)施例相同，LED 13包括紅光源17R、綠光源27G和藍(lán)光源27B。如圖4A所示，從這些LED 13發(fā)出的信號光線被光輸入?yún)^(qū)域5的側(cè)表面6反射，如箭頭所示，反射的光線15由芯26R、26G、26B導(dǎo)向光輸出區(qū)域7，上述芯在光輸出區(qū)域7的方向上寬度逐漸線性減小同時(shí)在芯26R、26G、26B內(nèi)產(chǎn)生全反射。被引導(dǎo)的光束15在公共芯26中被有效地合并為一束從光輸出區(qū)域7輸出的光束。
如圖3A和4A所示，與第一實(shí)施例相同，由于光輸入?yún)^(qū)域5具有增加的寬度，所以其中的側(cè)表面6也具有增加的面積。這些側(cè)表面6形成具有拋物線外形的反射表面以有效地反射光。因此，增加了導(dǎo)入到光輸入?yún)^(qū)域5中的光量，并且也增加了從側(cè)表面6向光輸出區(qū)域7反射的光量。因此，信號光以高的光輸入效率從LED 13輸出到芯層3中，并且輸入光被有效反射并導(dǎo)入到光輸出區(qū)域7。
根據(jù)本發(fā)明，芯層3的光輸入?yún)^(qū)域5具有比光輸出區(qū)域7更大的寬度，并且光輸入?yún)^(qū)域5的側(cè)表面6形成拋物線形的反射表面，能夠有效地朝向光輸出區(qū)域7反射從LED 13發(fā)出的光到光輸入?yún)^(qū)域5。因此，由于光輸入?yún)^(qū)域5的側(cè)表面6具有用于反射表面的增大面積，所以引導(dǎo)到光輸出區(qū)域7的輸入光的效率提高，以便有效發(fā)射輸入光。
由于LED 13與光輸入?yún)^(qū)域5的下表面接觸，LED 13能夠在適當(dāng)位置容易地定位。即使LED 13在定位上有稍微偏移，LED 13發(fā)出的光也能高效地導(dǎo)入光輸入?yún)^(qū)域5。因?yàn)楣廨斎雲(yún)^(qū)域5具有增加的寬度，就增加了導(dǎo)入到光輸入?yún)^(qū)域5中的光量，并且導(dǎo)入光被側(cè)表面6反射，向光輸出區(qū)域7有效引導(dǎo)和會(huì)聚從芯層3出射的光。由于芯26R、26G、26B關(guān)于公共光輸出區(qū)域7線性排列，即，這些芯的寬度在光輸出區(qū)域7的方向上逐漸線性減小，在稍后對圖6的描述中將會(huì)看到，從芯層到包層的泄漏光減少了，由于增加了光引導(dǎo)的效率并減小了波導(dǎo)的長度。根據(jù)第二實(shí)施例的光波導(dǎo)10A也能夠提供與根據(jù)第一實(shí)施例的那些光波導(dǎo)10一樣的優(yōu)點(diǎn)。
圖5和6是不同光波導(dǎo)數(shù)據(jù)的曲線圖。
圖5示出結(jié)合與光波導(dǎo)相對布置的三個(gè)光源的三叉光波導(dǎo)的數(shù)據(jù)圖，例如圖22中所示的常規(guī)的三叉光波導(dǎo)。這種類型的三叉光波導(dǎo)，由于光源需要在芯層3的光輸入端定位，從光源輸出光到細(xì)小的光輸入端的效率低。導(dǎo)入光量與從光輸出端輸出的光量的比例受到光源間距W的限制。
特別地，三叉光波導(dǎo)的外部芯易于從其彎曲部分導(dǎo)致光的泄漏損耗。光源間距W越大，外部芯就更加彎曲，從而導(dǎo)致更大的光損耗，降低光波導(dǎo)輸出光的效率。當(dāng)光源間距W越小時(shí)，外部芯的彎曲度更小，導(dǎo)致光損耗的降低，提高光波導(dǎo)輸出光的效率。因此，當(dāng)光源間距W變大時(shí)，需要增加光波導(dǎo)的長度d，從而控制光波導(dǎo)輸出光的效率的降低。
任何引入到光波導(dǎo)中的光損耗最好都能保持在至多為2dB的水平。圖5示出了引入到光波導(dǎo)中的光損耗保持在至多2dB的水平時(shí)，光源間距W和波導(dǎo)長度d之間的關(guān)系圖。
如圖5所示，如果光源間距W設(shè)置為400μm，為了保持光損耗在至多2dB的水平，那么波導(dǎo)長度d必須是2cm或更長。
圖6示出了一種光波導(dǎo)的數(shù)據(jù)圖，該光波導(dǎo)具有三種光源的公共光輸入?yún)^(qū)域，帶有在光輸出區(qū)域方向上寬度逐漸線性減小的芯。
從圖6中可以看出，為了使引入到光波導(dǎo)中的光損耗保持在至多2dB的水平，如果輸出端的寬度W2是常數(shù)，例如，W2＝400μm，而輸入端的寬度W1是變化的，那么光波導(dǎo)的長度d就可約為3mm。因此，光波導(dǎo)的長度d就可以比圖5中所示的光波導(dǎo)的長度d大大減小，從而允許光波導(dǎo)具有更小的尺寸。這是因?yàn)楣獠▽?dǎo)側(cè)部的逐漸線性變細(xì)消除了包層分界面上的光泄漏。因此，即使減小了光波導(dǎo)的長度，根據(jù)第一和第二實(shí)施例的使用至少一部分芯層具有如圖6所示的芯寬度構(gòu)造的光波導(dǎo)也能夠有效降低光損耗。
根據(jù)第一和第二實(shí)施例的光波導(dǎo)可以根據(jù)圖7A至7C和8A至8C所示的制造過程進(jìn)行制造。圖7A至7C和8A至8C只是示意性地示出了光波導(dǎo)的一部分，該部分包括其中一個(gè)光輸入?yún)^(qū)域5和圖1A和3A所示的逐漸延伸變窄的芯部分。
根據(jù)第一和第二實(shí)施例的光波導(dǎo)用于引導(dǎo)信號光進(jìn)入芯層3。下包層2和上包層4用于限制信號光在芯層3中傳輸。芯層3由具有n為1.53的高折射率材料制成，下包層2和上包層4由具有比芯層3的折射率低的折射率n為1.51的材料制成，底板1由折射率n為3.5的硅制成。
芯層3和下包層2、上包層4最好由光聚合樹脂制成。如果芯層3由光聚合樹脂制成，那么這樣就可以很容易地根據(jù)施加到其上的曝光(具體地，紫外輻射)模式形成芯的形狀。這樣的光聚合樹脂對于包層材料也很有用。光聚合樹脂可以是高聚物有機(jī)材料，例如日本專利公開第2000-356720號中公開的氧雜環(huán)丁烷樹脂(oxetane resin)。這樣的高聚物有機(jī)材料對波長為390nm至850nm范圍內(nèi)的可見光應(yīng)該具有90％的透過率。芯層3和下包層2、上包層4也可以由無機(jī)材料而不是光聚合樹脂制成。
光波導(dǎo)可以由包括具有如下所示的氧雜環(huán)丁烷環(huán)(oxetane ring)的氧雜環(huán)丁烷化合物的氧雜環(huán)丁烷樹脂，或者由包括具有如下所示的氧硅烷環(huán)(oxysilane ring)的氧硅烷化合物的聚硅烷制成。這些材料可以是含有由光聚合鏈反應(yīng)引起聚合的陽離子聚合引發(fā)劑的合成物。
氧雜環(huán)丁烷環(huán) 氧硅烷環(huán) 首先，如圖7A所示，光源LED13布置在硅板1上。光源這樣牢固地固定在適當(dāng)位置。在圖7A至7C和8A至8C中的每一圖中，左邊的圖是橫截面圖而右邊的圖是平面圖。
然后，如圖7B所示，在硅板1上涂覆形成下包層2，這樣在聚合后下包層就具有大約30μm的厚度。下包層2由具有比芯層折射率低的折射率n為1.51的氧雜環(huán)丁烷樹脂制成。
然后，如圖7C所示，涂覆形成芯層材料3A，這樣在聚合后芯層就具有大約40μm的厚度。芯層材料3A由具有比包層折射率高的折射率n為1.53的氧雜環(huán)丁烷樹脂制成。
其后，如圖8A所示，掩模36具有在形狀上與芯層互補(bǔ)的開口36a，如平面圖所示放置在芯層材料3A上。然后，整個(gè)表面暴露在紫外輻射中固化開口36a下的芯層材料3A。掩模36的開口36a具有一個(gè)相應(yīng)于光輸入?yún)^(qū)域5寬度較大的區(qū)域，與寬度較大區(qū)域連接的拋物線形端部，和相應(yīng)于光輸出區(qū)域7的相對端部7a，端部7a具有提供預(yù)定光斑尺寸的形狀。
然后，如圖8B所示，移去掩模36以制造與掩模36的開口36a在形狀上互補(bǔ)的芯層3。這樣形成的芯層3具有以更高的效率引導(dǎo)信號光從LED 13進(jìn)入的光輸入?yún)^(qū)域5，并且作為反射表面的側(cè)表面6具有與光輸入?yún)^(qū)域5連接的拋物線形端部。
其后，如圖8C所示，上包層4涂覆形成在包括芯層3的整個(gè)表面上，這樣上包層4就和下包層2厚度相同。上包層4由和下包層2相同的材料制成。如此制成如圖1A和1B所示的根據(jù)第一實(shí)施例的光波導(dǎo)10。可以改變?nèi)鐖D8A所示的掩模36的開口36a以制造如圖3A和3B所示的根據(jù)第二如上所述，為了制造根據(jù)第一和第二實(shí)施例的光波導(dǎo)，具有不同折射率的高聚物材料連續(xù)地沉積在安裝有LED 13的底板1上，因此，形成了下包層2、芯層3和上包層4。使用具有圖案的掩模36制造芯層3，使其圍繞LED 13形成具有較大寬度的光輸入?yún)^(qū)域5。從LED 13輸出的光能夠有效地導(dǎo)入到光輸入?yún)^(qū)域5，并且導(dǎo)入的光被光輸入?yún)^(qū)域5的側(cè)表面6反射?？梢哉{(diào)整光輸出區(qū)域7a處的芯層尺寸，以輸出作為具有所需光斑尺寸的光斑的導(dǎo)引光。能夠以低成本制造根據(jù)上述實(shí)施例的高性能光波導(dǎo)。
下面將會(huì)參照圖9A和9B至19A、19B和19C對上述的第一和第二實(shí)施例進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的變化進(jìn)行描述。圖9A和9B至19A、19B和19C只示出了相應(yīng)于圖7A至7C和8A至8C所示部分的光波導(dǎo)的一部分。
圖9A和9B至11A和11B示出了光波導(dǎo)，其光輸入?yún)^(qū)域的端部形狀不是根據(jù)第一和第二實(shí)施例的拋物線形狀。
在圖9A和9B中，光輸入?yún)^(qū)域5具有半圓形的端部。通過改變?nèi)鐖D8A所示的上述制造過程中的掩模36，就能很容易地形成光輸入?yún)^(qū)域5的半圓形端部。光輸入?yún)^(qū)域5具有較大的寬度。該光波導(dǎo)除了光輸入?yún)^(qū)域5的形狀之外的其它細(xì)節(jié)都和根據(jù)第一和第二實(shí)施例的那些光波導(dǎo)的相同。在光輸入?yún)^(qū)域5的半圓形端部被側(cè)表面6反射的導(dǎo)入光被有效導(dǎo)向光輸出區(qū)域7a，這樣就具有與根據(jù)第一和第二實(shí)施例的光波導(dǎo)相似的聚光效率。
在圖10A和10B中，光輸入?yún)^(qū)域5具有三角形端部。通過改變?nèi)鐖D8A所示的上述制造過程中的掩模36就能很容易地形成光輸入?yún)^(qū)域5的三角形端部。雖然光輸入?yún)^(qū)域5具有不同的形狀，但從光源導(dǎo)入的光也能有效地被三角形端部的三個(gè)側(cè)表面上的反射表面所反射，并且被有效地導(dǎo)向光輸出區(qū)域7a。光輸入?yún)^(qū)域5具有較大的寬度。該光波導(dǎo)除了光輸入?yún)^(qū)域5的形狀之外的其它細(xì)節(jié)都和根據(jù)第一和第二實(shí)施例的那些光波導(dǎo)的相同。圖10A和10B所示的光波導(dǎo)具有與根據(jù)第一和第二實(shí)施例的光波導(dǎo)相似的聚光效率。
在圖11A和11B中，光輸入?yún)^(qū)域5具有六邊形端部。通過改變?nèi)鐖D8A所示的上述制造過程中的掩模36就能很容易地形成光輸入?yún)^(qū)域5的六邊形端部。雖然光輸入?yún)^(qū)域5具有不同的形狀，但從光源導(dǎo)入的光也能有效地被六邊形端部的六個(gè)側(cè)表面上的反射表面所反射，并且被有效地導(dǎo)向光輸出區(qū)域7a。光輸入?yún)^(qū)域5具有較大的寬度。該光波導(dǎo)除了光輸入?yún)^(qū)域5的形狀之外的其它細(xì)節(jié)都和根據(jù)第一和第二實(shí)施例的那些光波導(dǎo)的相同。圖10A和10B所示的光波導(dǎo)具有與根據(jù)第一和第二實(shí)施例的光波導(dǎo)相似的聚光效率。
光輸入?yún)^(qū)域5可以具有除了圖10A和10B所示的三角形端部和圖11A和11B所示的六邊形端部之外的任何不同的多邊形端部。
如圖12A至12C至18A和18B所示，上述的光波導(dǎo)在光輸入?yún)^(qū)域的側(cè)表面、上表面或下表面上可以具有由光反射金屬制成的反射鏡。
圖12A至12C示出了形成具有拋物線形端部的光輸入?yún)^(qū)域5的側(cè)表面6和上表面9a上的反射鏡8的過程。反射鏡8可以在上述的制造過程中形成。
相應(yīng)于圖8A的圖12A示出了上述制造過程。在圖12B中，在光輸入?yún)^(qū)域5的側(cè)表面6和上表面9a上形成反射鏡(反射膜)8。反射鏡8可以通過例如濺射法沉積光反射金屬而形成。
然后，如圖12C所示，根據(jù)與如圖8C所示相似的過程形成上包層4，這樣所制造的光波導(dǎo)具有更好的光反射效率。具有上述結(jié)構(gòu)的反射鏡8也能夠運(yùn)用到具有圖9A和9B所示的半圓形端部的光輸入?yún)^(qū)域和具有圖10A，10B，11A和11B所示的多邊形端部的光輸入?yún)^(qū)域。
反射鏡8可以由例如Au、Al、Ti等金屬成形。反射鏡8能夠有效地充分增加向光輸出區(qū)域7a反射導(dǎo)入光的效率和減少芯層3中的光泄漏。因此，具有反射鏡8的光波導(dǎo)比根據(jù)第一和第二實(shí)施例的光波導(dǎo)具有更好的聚光效率。
圖13A和13B至15A和15B示出了反射鏡8只布置在光輸入?yún)^(qū)域5的側(cè)表面6上的光波導(dǎo)。說明中省略了具有半圓形光輸入?yún)^(qū)域端部的光波導(dǎo)。
圖13A和13B示出了具有拋物線形端部的光輸入?yún)^(qū)域的光波導(dǎo)。圖14A和14B示出了具有六邊形端部的光輸入?yún)^(qū)域的光波導(dǎo)。圖15A和15B示出了具有三角形端部的光輸入?yún)^(qū)域的光波導(dǎo)。在本發(fā)明的每一種變化中，反射鏡8都布置在側(cè)表面6上，這樣就使得其比根據(jù)第一和第二實(shí)施例的光波導(dǎo)具有更好的光反射效率。這些變化了的光波導(dǎo)比圖1A和1B至11A和11B所示的光波導(dǎo)具有更好的聚光效率。由上述的制造過程可以很容易地制造出改型的光波導(dǎo)。
圖16A和16B至18A和18B示出了反射鏡8布置在光輸入?yún)^(qū)域5的側(cè)表面6和上下表面9a，9b上的光波導(dǎo)。說明中省略了具有半圓形光輸入?yún)^(qū)域端部的光波導(dǎo)。
圖16A和16B示出了具有拋物線形端部的光輸入?yún)^(qū)域的光波導(dǎo)。圖17A和17B示出了具有六邊形端部的光輸入?yún)^(qū)域的光波導(dǎo)。圖18A和18B示出了具有三角形端部的光輸入?yún)^(qū)域的光波導(dǎo)。在本發(fā)明的每一種變化中，反射鏡8都布置在側(cè)表面6和上下表面9a，9b上，這樣就使得其比圖13A和13B，14A和14B，和15A和15B所示的光波導(dǎo)具有更好的光反射效率。這些變化了的光波導(dǎo)比圖13A和13B、14A和14B、以及15A和15B所示的光波導(dǎo)具有更好的聚光效率。由上述的制造過程可以很容易地制造這種結(jié)構(gòu)的反射鏡8。
圖19A至19C示出了沒有上包層的改型光波導(dǎo)。
圖19A至19C所示的改型光波導(dǎo)消除了可能發(fā)生的從芯層3至上包層向上泄漏光，并且光波導(dǎo)的出射光主要在芯層3中獲得。因此，根據(jù)芯層3的橫截面形狀輸出光的光斑可以具有很小的尺寸。圖19A至19C所示的光輸入?yún)^(qū)域5的端部具有拋物線形的形狀，圖19A至19C所示的改型的光波導(dǎo)的原理也可以適用到具有其它端部形狀的光輸入?yún)^(qū)域5中。由于能夠通過簡單的過程制造圖19A至19C所示的改型光波導(dǎo)，因此降低了制造成本。
如上所述，根據(jù)上述實(shí)施例和改型的光波導(dǎo)能夠有效地會(huì)聚從LED 13輸出的光，并且將光耦合到光波導(dǎo)中。因?yàn)長ED 13與芯層3的光輸入?yún)^(qū)域5整體結(jié)合，所以諸如定位偏移的容差很大，并且整個(gè)光波導(dǎo)具有薄的厚度。而且，具有拋物線形等形狀的芯端部能夠有效地會(huì)聚LED光束。通過調(diào)整光波導(dǎo)的形狀就可以引導(dǎo)聚集的LED光和輸出作為具有所需直徑光斑的引導(dǎo)光。
根據(jù)第一或第二實(shí)施例的光波導(dǎo)具有被分為紅光芯26R，綠光芯26G，和藍(lán)光芯26B的芯層，和與芯26R，26G，26B的光輸入?yún)^(qū)域5的下表面接觸的紅光源27R、綠光源27G和藍(lán)光源27B，每一光源都包含一LED。紅光芯26R和藍(lán)光芯26B在其前部與綠光芯26G結(jié)合，形成公共芯26的端部。信號光線28R、28G、28B被分別引導(dǎo)通過紅光芯26R、綠光芯26G和藍(lán)光芯26B，并彼此通過公共芯26合并為一束光束，然后從公共芯26另一端部的光輸出區(qū)域7輸出。
控制信號光線的亮度和色彩平衡，輸出光束29(R，G，B)作為具有預(yù)定顏色信息的信號光投射到下一級，例如屏幕，這樣就提供了一種再現(xiàn)全彩色圖像的顯示裝置。
如果這樣的顯示裝置運(yùn)用到如圖20所示的頭戴式顯示裝置(HMD)30中，那么圖1A和1B或3A和3B所示的光波導(dǎo)用作一個(gè)單位像素。頭戴式顯示裝置具有與圖20的紙張垂直排列的單位像素單元線性陣列。由作為像素單元的光波導(dǎo)發(fā)出的直徑減小的光束29通過掃描圖像平面31，然后由光學(xué)透鏡34以光斑聚焦到與掃描圖像平面31有光學(xué)共軛關(guān)系的人眼32的視網(wǎng)膜33上。聚焦光斑在視網(wǎng)膜33上形成單線。由于視網(wǎng)膜33上的聚焦光斑在垂直于單線的方向上發(fā)生偏斜，頭戴式顯示裝置30的使用者能夠用頭戴式顯示裝置30親自體驗(yàn)和享受到虛擬圖像。
在這種顯示裝置中，從LED27R、27G、27B發(fā)出的三色光線通常不相干并且以寬的輻射角輻射，從而很難將它們合并在一起。根據(jù)上述實(shí)施例，由于從LED發(fā)出的光線被導(dǎo)入到光波導(dǎo)的芯中、被會(huì)聚、并以所需光斑輸出，因此在顯示裝置中作為點(diǎn)光源的光波導(dǎo)極為有用。
使用者像太陽鏡一樣佩戴的頭戴式顯示裝置30可以與投影儀、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)或游戲機(jī)合組合，從而提供一種小型的視頻顯示系統(tǒng)。
根據(jù)上述實(shí)施例和變化的光波導(dǎo)可以進(jìn)行不同的修改和變化。
例如，光波導(dǎo)的不同組件可以由與上述材料不同的材料制成，并且光波導(dǎo)的各層也可以與上述那些方式不同的方式排列。光波導(dǎo)的不同組件可以在能夠提供上述相同優(yōu)點(diǎn)的范圍內(nèi)，由除上述那些材料以外的材料制成。
光輸入?yún)^(qū)域5的形狀和光源的布置也可以不同于上述實(shí)施例和變型。例如，光源可以布置在不與芯層的光輸入?yún)^(qū)域接觸的位置，即，LED的光輸出表面與在芯層和下包層之間的分界面隔開?？蛇x地，LED 13可以布置在光輸入?yún)^(qū)域5的上表面上，以引導(dǎo)發(fā)出的光向下進(jìn)入光輸入?yún)^(qū)域5。光輸入?yún)^(qū)域5可以是半橢圓形。
可以對頭戴式顯示裝置30的光學(xué)系統(tǒng)的排列方式進(jìn)行改變。例如，光學(xué)系統(tǒng)可以使用包括微鏡裝置和多邊形鏡的掃描裝置，并將圖像投影到屏幕上。
本發(fā)明可廣泛適用于操作信息處理的不同應(yīng)用，包括具有光波導(dǎo)的顯示裝置，該光波導(dǎo)用于引導(dǎo)以LED光或激光作為光源的光束，和用于向光波導(dǎo)施加光信號并在下一階段引導(dǎo)激光束到光接收元件的光通信系統(tǒng)，例如光學(xué)互連器、光電探測器等。
本發(fā)明的原理能夠體現(xiàn)在這樣的顯示裝置中光波導(dǎo)有效地會(huì)聚并輸出光線，或者被有效地引導(dǎo)入光波導(dǎo)的信號廣輸出并由掃描部件掃描和投射，或者這樣的光信息處理系統(tǒng)中，例如將從光波導(dǎo)輸出的信號光在下一階段被施加到光接收元件的光通信系統(tǒng)，例如光學(xué)互連器，光電探測器等。
雖然示出和具體描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，不脫離下面的權(quán)利要求書的范圍可以提出各種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種光波導(dǎo)，包括芯層和包層的結(jié)合部件；所述芯層具有光輸入?yún)^(qū)域和光輸出區(qū)域，所述光輸入?yún)^(qū)域具有比所述光輸出區(qū)域更寬的寬度；所述光輸入?yún)^(qū)域具有至少一個(gè)側(cè)表面形成為反射表面，用于向所述光輸出區(qū)域反射施加到所述光輸入?yún)^(qū)域的光；和光源，其設(shè)置成與所述光輸入?yún)^(qū)域的不是所述側(cè)表面的另一表面接觸或面對。
2.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中所述光輸入?yún)^(qū)域的所述側(cè)表面是拋物線形、半圓形或多邊形，如平面圖所示。
3.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中光輸入?yún)^(qū)域的至少所述側(cè)表面覆蓋有光反射金屬膜。
4.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中所述芯層具有至少兩個(gè)芯，每個(gè)芯具有所述光輸入?yún)^(qū)域，所述芯在所述光輸出區(qū)域連接在一起以提供公共的光輸出端。
5.如權(quán)利要求4所述的光波導(dǎo)，其中具有不同波長范圍的光信號由所述芯會(huì)聚和合并到一起。
6.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中所述光源整體布置在所述芯層下面的包層中，所述光源具有保持在所述光輸入?yún)^(qū)域上的發(fā)光部分。
7.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中所述芯層的寬度從所述光輸入?yún)^(qū)域向所述光輸出區(qū)域逐漸線性減小。
8.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中所述光源包括發(fā)光二極管。
9.一種光信息處理裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)的光波導(dǎo)；光施加部件，用于將光引導(dǎo)到所述光波導(dǎo)的芯層中；和光接收部件，用于接收所述芯層發(fā)出的光。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，用作對從所述芯層發(fā)出的所述光經(jīng)過掃描部件進(jìn)行投影的顯示裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光波導(dǎo)和光信息處理裝置。芯層具有光輸入?yún)^(qū)域和光輸出區(qū)域，所述光輸入?yún)^(qū)域的寬度比所述光輸出區(qū)域的寬度要寬。光輸入?yún)^(qū)域具有至少一個(gè)側(cè)表面形成反射表面。光輸入?yún)^(qū)域具有拋物線形端部。LED設(shè)置成與光輸入?yún)^(qū)域的下表面接觸。信號光以提高的光輸入效率從LED引導(dǎo)進(jìn)入光輸入?yún)^(qū)域，并且被光輸入?yún)^(qū)域的側(cè)表面高效反射，以獲得更高的聚光效率。
文檔編號G02B27/02GK1591060SQ200410076689
公開日2005年3月9日 申請日期2004年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月5日
發(fā)明者荒木田孝博, 中田英彥, 鈴木健二 申請人:索尼株式會(huì)社