CN111025657A - 近眼显示装置 - Google Patents

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CN111025657A
CN111025657A CN201911416916.4A CN201911416916A CN111025657A CN 111025657 A CN111025657 A CN 111025657A CN 201911416916 A CN201911416916 A CN 201911416916A CN 111025657 A CN111025657 A CN 111025657A
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杨濛
陈晓杰
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    • G02B2006/12107—Grating

Abstract

本发明提供了一种近眼显示装置，包括波导以及设置在所述波导上的耦入光栅、偏折光栅及耦出光栅，所述波导包括相对设置的上表面与下表面，所述耦入光栅包括设置在所述上表面的第一耦入光栅以及设置在所述下表面的第二耦入光栅，所述第一耦入光栅与所述第二耦入光栅正对且光栅矢量相互垂直。本发明提供的近眼显示装置中，耦入光栅、偏折光栅及耦出光栅分别设置在波导上，耦入光栅、偏折光栅及耦出光栅的光栅矢量和等于零，通过单一波导就能现实RGB三原色的传输和出瞳扩展，不会造成任何一种颜色的视场缺失，降低了制造的难度。

Description

近眼显示装置
【技术领域】
本发明涉及显示装置技术领域，尤其涉及一种近眼显示装置。
【背景技术】
增强现实(Augmented Reality,AR)技术也称之为混合现实技术，可以将虚拟的信息叠加到真实世界中，能应用到教育、辅助驾驶、购物、医疗等众多领域。AR技术带来了全新的交互方式，有可能在未来取代或部分取代手机成为个人计算平台。
衍射波导式近眼显示装置利用光栅来实现出瞳扩展，由于光栅有很强的色散特性，所以在显示彩色的RGB(R代表Red(红色),G代表Green(绿色),B代表Blue(蓝色))图像时需要为每个三原色制备一个单独的波导，从而增大了近眼显示装置的制备难度，因此，如何设计制备难度低的近眼显示装置是亟需解决的问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种近眼显示装置，以解决显示彩色的RGB图像时需要为每个三原色制备一个单独的波导，从而增大了近眼显示装置的制备难度的问题。
本发明的技术方案如下：本发明的目的在于提供一种近眼显示装置，包括波导以及设置在所述波导上的耦入光栅、偏折光栅及耦出光栅，所述波导包括相对设置的上表面与下表面，所述耦入光栅包括设置在所述上表面的第一耦入光栅以及设置在所述下表面的第二耦入光栅，所述第一耦入光栅与所述第二耦入光栅正对且光栅矢量相互垂直，所述偏折光栅包括与所述第一耦入光栅对应匹配的第一偏折光栅、以及与所述第二耦入光栅对应匹配的第二偏折光栅，所述偏折光栅、所述耦入光栅及所述耦出光栅在所述波导上的正投影互不重叠且相互间隔，所述第一耦入光栅与所述第一偏折光栅之间的最小距离小于所述第一耦入光栅与所述耦出光栅之间的最小距离，所述第二耦入光栅与所述第二偏折光栅之间的最小距离小于所述第二耦入光栅与所述耦出光栅之间的最小距离；
所述耦出光栅设置于所述上表面或所述下表面，包括阵列排布的耦出部，所述耦出部具有相互垂直的第一耦出光栅矢量和第二耦出光栅矢量，所述第一耦入光栅的光栅矢量、第一偏折光栅的光栅矢量以及所述第一耦出光栅的光栅矢量的和等于零，所述第二耦入光栅的光栅矢量、所述第二偏折光栅的光栅矢量及所述第二耦出光栅的光栅矢量的和为零。
作为一种改进，第一耦入光栅与所述第二耦入光栅的面积相等且相互间隔设置。
作为一种改进，所述第一耦入光栅与所述第一偏折光栅均设置于所述上表面。
作为一种改进，所述第二偏折光栅位于所述上表面。
作为一种改进，所述耦入光栅、所述耦出光栅及所述偏折光栅中的至少有一个刻蚀形成在所述波导。
作为一种改进，所述耦入光栅、所述耦出光栅及所述偏折光栅中的至少有一个贴设于所述波导。
作为一种改进，所述波导的上表面靠近图像源，所述第一耦入光栅为透射光栅，所述第二耦入光栅为反射光栅。
作为一种改进，所述第一耦入光栅呈方形，所述第一偏折光栅与所述第二偏折光栅在所述上表面的正投影分别位于所述第一耦入光栅的相邻两侧。
作为一种改进，所述第一耦入光栅包括相互垂直的第一侧边与第二侧边，所述第一偏折光栅呈梯形与所述第一侧边正对且间隔设置，所述第二偏折光栅与所述第二侧边正对且间隔设置。
作为一种改进，所述第一偏折光栅及所述第二偏折光栅呈梯形或方形，且靠近所述耦入光栅的一侧与所述耦入光栅平行。
作为一种改进，所述偏折光栅的面积大于所述耦入光栅的面积且小于所述耦出光栅的面积。
作为一种改进，所述耦入光栅的光栅矢量与对应所述耦出光栅的光栅矢量之间的夹角为45°。
作为一种改进，第一耦入光栅和第二耦入光栅均具有偏振选择性，所述近眼显示装置还包括设置于所述第一耦入光栅与图像源之间的偏振调制器，所述图像源的光束经所述偏振调制器调制后输出分别对应输出值所述第一耦入光栅与所述第二耦入光栅偏振态。
作为一种改进，所述耦出部呈二维周期性排列，所述耦出部自所述波导表面凹陷形成的凹槽或自所述波导的表面凸出形成凸起。
作为一种改进，所述耦出部为柱状或球状凸起；或者，所述耦出部为球形槽或柱形槽。
作为一种改进，所述波导为单层波导。
本发明的有益效果在于：
近眼显示装置包括波导、耦入光栅、偏折光栅及耦出光栅，耦入光栅、偏折光栅及耦出光栅分别设置在波导上，耦入光栅、偏折光栅及耦出光栅的光栅矢量和等于零，通过波导就能现实RGB三原色的传输和出瞳扩展，不会造成任何一种颜色的视场缺失，降低了制造的难度。
【附图说明】
图1为本发明一实施例提供的近眼显示装置的立体图；
图2为图1的A-A方向的剖视示意图；
图3为图2的B区域中耦入光栅的放大示意图；
图4为本发明一实施例提供的近眼显示装置的波导内的波矢空间的示意图；
图5为图1中耦出光栅的具体结构示意图；
图6为本发明一实施例提供的近眼显示装置的光传播路径图。
图中：10、波导；11、上表面；12、下表面；20、耦入光栅；21、第一耦入光栅；211、第一侧边；212、第二侧边；22、第二耦入光栅；30、偏折光栅；31、第一偏折光栅；32、第二偏折光栅；40、耦出光栅。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请参看图1，本发明的一实施方式提供了一种近眼显示装置，包括波导10以及设置在所述波导10上的耦入光栅20、偏折光栅30及耦出光栅40，所述偏折光栅30、所述耦入光栅20及所述耦出光栅40在所述波导10上的正投影互不重叠且相互间隔，所述耦入光栅20所述偏折光栅30的面积大于所述耦入光栅20的面积且小于所述耦出光栅40的面积，具体地，所述波导10为单层波导；所述耦入光栅20、所述耦出光栅40及所述偏折光栅30中的至少有一个刻蚀形成在所述波导10；另外应当指出的是，所述耦入光栅20、所述耦出光栅40及所述偏折光栅30中的至少有一个贴设于所述波导10；所述耦入光栅20用于将接收的光线耦入波导10上；所述偏折光栅30用于改变所述耦入光栅20耦入给波导10上的光线的方向、并传输给耦出光栅40；在一实施例中，所述耦入光栅20的光栅矢量与对应所述耦出光栅40的光栅矢量之间的夹角为45°。
请一并参看图2-图3，在一实施例中，所述波导10包括相对设置的上表面11与下表面12，所述耦入光栅20包括设置在所述上表面11的第一耦入光栅21以及设置在所述下表面12的第二耦入光栅22，所述第一耦入光栅21与所述第二耦入光栅22正对且光栅矢量相互垂直；优选地，第一耦入光栅21与所述第二耦入光栅22的面积相等且相互间隔设置；在一实施例中，所述第一耦入光栅21呈方形,在本发明的其他实施例中耦入光栅也可以是圆形或其他形状；具体地，所述第一耦入光栅21和所述第二耦入光栅22均包括相互垂直的第一侧边221与第二侧边222。
所述偏折光栅30包括与所述第一耦入光栅21对应匹配的第一偏折光栅31、以及与所述第二耦入光栅22对应匹配的第二偏折光栅32，所述第一耦入光栅21与所述第一偏折光栅31之间的最小距离(请参看图1中的h1)小于所述第一耦入光栅21与所述耦出光栅40之间的最小距离(请参看图1中的h2)，所述第二耦入光栅22与所述第二偏折光栅32之间的最小距离小于所述第二耦入光栅22与所述耦出光栅40之间的最小距离。
在一实施例中，所述第一偏折光栅31呈梯形且与所述第一侧边221正对且间隔设置，所述第二偏折光栅32与所述第一耦入光栅21的所述第二侧边222正对且间隔设置；在一实施例中，所述第一耦入光栅21为透射光栅，所述第二耦入光栅22为反射光栅。
在一实施例中，所述第一偏折光栅31也设置于所述上表面，所述第一偏折光栅31与所述第二偏折光栅32在所述上表面11的正投影分别位于所述第一耦入光栅21的相邻两侧；更为具体地是，所述第一偏折光栅31及所述第二偏折光栅32呈梯形或方形，且所述第一偏折光栅31及所述第二偏折光栅32靠近所述耦入光栅20的一侧均与所述耦入光栅20平行。
所述耦出光栅40设置于所述上表面11或所述下表面12，包括阵列排布的耦出部41，所述耦出部41具有相互垂直的第一耦出光栅矢量和第二耦出光栅矢量，所述第一耦入光栅21的光栅矢量、第一偏折光栅31的光栅矢量以及所述第一耦出光栅的矢量三者的矢量和等于零，所述第二耦入光栅22的光栅矢量、所述第二偏折光栅32的光栅矢量及所述第二耦出光栅矢量三者的矢量和为零。
请参看图5，具体地，所述耦出部41呈二维周期性排列，所述耦出部41自所述波导10表面凹陷形成的凹槽或自所述波导10的表面凸出形成凸起；更为具体地是，所述耦出部41为柱状或球状凸起；或者，所述耦出部41为球形槽或柱形槽。
在一实施例中，所述波导10的上表面11靠近图像源，第一耦入光栅21和第二耦入光栅22具有有限的波长带宽，第一耦入光栅21能衍射蓝光到绿光波段的入射光，而第二耦入光栅22能衍射绿光到红光波段的入射光。在另一实施案例中，第一耦入光栅21和第二耦入光栅22均具有偏振选择性，所述近眼显示装置还包括设置于所述第一耦入光栅21与图像源之间的偏振调制器，所述图像源的光束经所述偏振调制器调制后输出分别对应所述第一耦入光栅21的第一偏振光和对应所述第二耦入光栅22的第二偏振光，所述第一偏振光具有第一偏振态，所述第二偏振光具有第二偏振态；第一耦入光栅21只能对第一偏振光进行衍射，然后耦入波导10后再传输给第一偏折光栅31，第一偏折光栅31再传输给耦出光栅40；第二耦入光栅22只能对第二偏振光进行衍射，然后耦入波导10后再传输给第二偏折光栅32，第二偏折光栅32再传输给耦出光栅40。
请再参看图1，光栅对光线有很强的色散作用，会降低显示的质量，为了保证通过整个波导显示装置的光线不会发生色散，需要满足三个光栅矢量的和等于零，即K1+K2+K3＝0。
如图4所示，图4为波导10内部光线的波矢空间，图4包括图4-1和图4-2，其中图4-1的波矢空间中，耦入光栅21耦入蓝光和绿光，但只有蓝光和左半边绿光视场能在波导10中的传输，图4-2的波矢空间中，耦入光栅22耦入红光和绿光，但只有红光和右半边绿光视场能在波导10中的传输；图4中，空气的折射率为n0，波导10的折射率为n1，内虚线圆为波导10内全反射(total internal reflection，TIR)的边界，光线的波矢大于此边界能在波导10中发生内全反射(TIR)；TIR条件为：
Figure BDA0002351429520000061
所以内虚线圆的半径为n0；矩形框代表显示图像的光束在波矢空间中的分布范围，在本实施例中，该光束包括所述图像源的光束经所述偏振调制器调制后输出以预设频率交替显示的第一偏振光和第二偏振光；k0是入射光在自由空间中的波矢，kx是入射光在x轴上的波矢的分量，ky是入射光在y轴上的波矢的分量；外虚线圆为出瞳连续性的边界，其半径约等于n1；所以光线的波矢落到这两个圆之间才能在波导10中传播；实线和虚线箭头分别表示不同颜色光的耦入光栅20、偏折光栅30和耦出光栅40对应的光栅矢量；为了实现彩色显示，RGB(R代表Red(红色),G代表Green(绿色),B代表Blue(蓝色))三原色的光需要同时被耦入波导10中，此时任何波长的光线都满足：输出波导的光线和输入波导的光线方向相同，所以光线进入波导10到耦出波导后不会发生色散；另外应当指出的是，RGB视场在耦入前是完全重合的，图4为了更加直观，三个视场之间彼此错开了ー小段距离；第一耦入光栅21的光栅矢量方向为x轴的正半轴方向，光栅矢量的大小刚好能将蓝光全部耦入波导10，如图4-1所示，根据光栅矢量
Figure BDA0002351429520000071
计算出第一耦入光栅21光栅矢量的周期Λ1。对于不同波长，归一化的光栅矢量
Figure BDA0002351429520000072
与波长相关，波长越长，归一化的光栅矢量越大。所以图4-1中绿光的归一化光栅矢量大于蓝光，同时绿光的左半边(也就是靠近Kx/K0轴的负半轴方向)视场能被耦入波导10，同蓝光视场一起在波导10中通过全反射的方式传输到第一偏折光栅31中；偏折光栅30能改变光线的传输方向，把光线偏折到耦出光栅40中；第二耦入光栅22的光栅矢量方向为y轴的负半轴方向，第二耦入光栅22的光栅矢量的大小刚好能将红光全部耦入波导10，如图4-2所示；根据光栅矢量K2的大小能计算出光栅矢量的周期Λ2；同时绿光的全部视场也能被耦入波导10，但在被偏折光栅30衍射后，绿光的左半边视场会泄露出波导10，只保留了右半边视场；而红光则能保留全部的视场；为使全部的红光和部分绿光能透过第一耦入光栅21到达第二耦入光栅22；可以在近眼显示装置表面加入偏振调制器(polarization modulator)，将近眼显示装置接收的光线变为S或P偏振光，同时可以把第一耦入光栅21和第二耦入光栅22设计为具有偏振选择性，例如第一耦入光栅21只能衍射偏振态为S偏振的光，而第二耦入光栅22只能衍射偏振态为P偏振的光；利用时分复用的思想，微显示器交替显示蓝色、绿色图像和红色、绿色图像，偏振调制器对应将光线交替变为S和P偏振；这样蓝光和绿光能被第一耦入光栅21耦入波导10，红光和绿光能被第二耦入光栅22耦入波导10；蓝色和左半边绿色视场、红色和右半边绿色视场的光线最终都会被耦出光栅40耦出波导10到达人眼；不同颜色和视场的图像在耦出光栅40这里被融合；具体地光传播路径图请参看图6，图6中，深黑色实线线条和深黑色虚线线条表示光线进入波导10内或从波导10内耦出的示意线条；浅黑色实线线条和浅黑色虚线线条表示位于所述波导10的光线路径的示意图；具体地，浅黑色实线线条表示分别通过第一耦入光栅21、第一偏折光栅31及耦出光栅(图5-1中的A方向上的耦出光栅，图5-1中A方向为图1中的x轴方向)的光线路径；浅黑色虚线线条表示的分别通过第二耦入光栅22、第二偏折光栅32及耦出光栅(图5-2中的B方向上的耦出光栅，图5-2中B方向为图1中的y轴方向)的光线路径；更为具体地是，光线的一部分从第一耦入光栅21(第一耦入光栅21为透射光栅)耦入后，从第一耦入光栅21透射到波导10里面，在波导10里面全反射后进入第一偏折光栅31，经过第一偏折光栅31偏折后反射回波导10，再在波导10里面全反射后进入耦出光栅，通过耦出光栅40耦出光线；光线的另一部分的光线无法直接耦入波导10由波导10折射到第二耦入光栅22，应当指出的是，第二耦入光栅22为反射光栅，第二耦入光栅22将接收的光线反射到波导10里面，在波导10里面经过全反射后，进入第二偏折光栅32，经过第二偏折光栅32的偏折后，再次进入波导10里面，再在波导10内进行全反射后，通过耦出光栅40耦出光线。
请参看图5，图5包括图5-1和图5-2，其中图5-1为四种二维周期性衍射结构的形状，图5-2为衍射结构凹陷于波导10之中时的形状，耦出光栅40为二维周期性光栅，有两个相互垂直的光栅矢量，对应的两个光栅矢量也相互垂直；当第一偏折光栅31的光栅矢量与x轴的正半轴之间的夹角呈-135°，同时第二偏折光栅32的光栅矢量与x轴的正半轴之间的夹角呈45°时，耦出光栅40在x轴的正半轴方向的周期等于第二耦入光栅22的周期，A＝Λx＝Λ2，耦出光栅40在y轴的正半轴方向的周期等于第一耦入光栅21的周期，B＝Λy＝Λ1；图5-1列举了四种二维周期性衍射结构的形状，包括：立方体形、金字塔形、圆柱体形和半球形，二维周期性衍射结构的形状继而采用其中的任意一种，但可用的结构不仅限于此。衍射结构可以突出于波导10表面，也可以凹陷于波导10之中，当凹陷于波导10之中时就如图5-2所示(其为半球形的截面图)。
需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、内、外、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，该元件可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括波导以及设置在所述波导上的耦入光栅、偏折光栅及耦出光栅，所述波导包括相对设置的上表面与下表面，所述耦入光栅包括设置在所述上表面的第一耦入光栅以及设置在所述下表面的第二耦入光栅，所述第一耦入光栅与所述第二耦入光栅正对且光栅矢量相互垂直，所述偏折光栅包括与所述第一耦入光栅对应匹配的第一偏折光栅、以及与所述第二耦入光栅对应匹配的第二偏折光栅，所述偏折光栅、所述耦入光栅及所述耦出光栅在所述波导上的正投影互不重叠且相互间隔，所述第一耦入光栅与所述第一偏折光栅之间的最小距离小于所述第一耦入光栅与所述耦出光栅之间的最小距离，所述第二耦入光栅与所述第二偏折光栅之间的最小距离小于所述第二耦入光栅与所述耦出光栅之间的最小距离；
所述耦出光栅设置于所述上表面或所述下表面，包括阵列排布的耦出部，所述耦出部具有相互垂直的第一耦出光栅矢量和第二耦出光栅矢量，所述第一耦入光栅的光栅矢量、第一偏折光栅的光栅矢量以及所述第一耦出光栅的光栅矢量的和等于零，所述第二耦入光栅的光栅矢量、所述第二偏折光栅的光栅矢量及所述第二耦出光栅的光栅矢量的和为零。
2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于：第一耦入光栅与所述第二耦入光栅的面积相等且相互间隔设置。
3.根据权利要求1或2所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一耦入光栅与所述第一偏折光栅均设置于所述上表面。
4.根据权利要求3所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第二偏折光栅位于所述上表面。
5.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述耦入光栅、所述耦出光栅及所述偏折光栅中的至少有一个刻蚀形成在所述波导。
6.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述耦入光栅、所述耦出光栅及所述偏折光栅中的至少有一个贴设于所述波导。
7.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述波导的上表面靠近图像源，所述第一耦入光栅为透射光栅，所述第二耦入光栅为反射光栅。
8.根据权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一耦入光栅呈方形，所述第一偏折光栅与所述第二偏折光栅在所述上表面的正投影分别位于所述第一耦入光栅的相邻两侧。
9.根据权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一耦入光栅包括相互垂直的第一侧边与第二侧边，所述第一偏折光栅呈梯形与所述第一侧边正对且间隔设置，所述第二偏折光栅与所述第二侧边正对且间隔设置。
10.根据权利要求9所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一偏折光栅及所述第二偏折光栅呈梯形或方形，且靠近所述耦入光栅的一侧与所述耦入光栅平行。
11.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述偏折光栅的面积大于所述耦入光栅的面积且小于所述耦出光栅的面积。
12.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述耦入光栅的光栅矢量与对应所述耦出光栅的光栅矢量之间的夹角为45°。
13.根据权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于：第一耦入光栅和第二耦入光栅均具有偏振选择性，所述近眼显示装置还包括设置于所述第一耦入光栅与图像源之间的偏振调制器，所述图像源的光束经所述偏振调制器调制后输出分别对应输出值所述第一耦入光栅与所述第二耦入光栅偏振态。
14.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于：所述耦出部呈二维周期性排列，所述耦出部自所述波导表面凹陷形成的凹槽或自所述波导的表面凸出形成凸起。
15.根据权利要求14所述的近眼显示装置，其特征在于：所述耦出部为柱状或球状凸起；或者，所述耦出部为球形槽或柱形槽。
16.根据权利要求1-15任一项所述的近眼显示装置，其特征在于：所述波导为单层波导。
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