CN111142263B - 一种光栅波导元件及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光栅波导元件及近眼显示设备，属于光栅波导元件技术领域，包括光学基板以及光栅；光栅位于所述光学基板其中一个板面上；光栅包括两个交错布置的入射光栅、设置于两个入射光栅的两侧、且用于接收两个入射光栅产生的衍射光的转折光栅、以及用于接收转折光栅产生的衍射光的出射光栅。本发明提供的一种光栅波导元件及近眼显示设备，提高了光栅波导的光效以及光束能量的利用率；同时也增大了光栅波导的视场角。

Description

一种光栅波导元件及近眼显示设备

技术领域

本发明属于光栅波导元件技术领域，更具体地说，是涉及一种光栅波导元件及近眼显示设备。

背景技术

随着虚拟现实和增强现实技术逐渐被人们认识和接受，近眼显示设备得到了快速发展。在近眼显示设备中，光栅波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像。光栅波导技术具有透视效果好，轻薄，量产成本低等诸多优势，被认为是AR近眼显示技术的发展方向。目前的光栅波导元件结构如图8所示，通常有三个光栅区域：一个入射光栅112，一个转折光栅114和一个出射光栅116，入射光栅112处于转折光栅114上侧，转折光栅114设在出射光栅116一侧。现有的光栅波导器件存在能量利用率低，光能传导效率低，显示视场角度小的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光栅波导元件及近眼显示设备，旨在解决现有的光栅波导器件存在能量利用率低，光能传导效率低，显示视场角度小的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种光栅波导元件，包括：光学基板以及光栅；所述光栅位于所述光学基板其中一个板面上；所述光栅包括两个交错布置的入射光栅、设置于两个所述入射光栅的两侧、且用于接收两个所述入射光栅产生的衍射光的转折光栅、以及用于接收所述转折光栅产生的衍射光的出射光栅。

作为本申请另一实施例，所述转折光栅包括：

第一转折光栅，位于某一个所述入射光栅的一侧，用于同时接收两个所述入射光栅产生的衍射光；以及

第二转折光栅，位于另一个所述入射光栅的一侧，用于同时接收两个所述入射光栅产生的衍射光。

作为本申请另一实施例，所述第二转折光栅与所述第一转折光栅之间最短的直线间隔为0。

作为本申请另一实施例，所述第一转折光栅包括：

a1转折光栅，同时与两个所述入射光栅相邻设置，用于接收某一个所述入射光栅产生的衍射光；以及

a2转折光栅，位于所述a1转折光栅以及另一个所述入射光栅的一侧，用于接收所述a1转折光栅传导的及另一个所述入射光栅产生的衍射光。

作为本申请另一实施例，所述a1转折光栅的衍射效率为所述a2转折光栅的1.5-2.5倍。

作为本申请另一实施例，所述第二转折光栅包括：

b1转折光栅，与所述a1转折光栅交错布置，用于接收某一个所述入射光栅产生的衍射光；以及

b2转折光栅，位于所述b1转折光栅以及另一个所述入射光栅的一侧，用于接收所述b1转折光栅传导的及另一个所述入射光栅产生的衍射光。

作为本申请另一实施例，所述b1转折光栅的衍射效率为所述b2转折光栅衍射效率的1.5-2.5倍。

作为本申请另一实施例，所述a1转折光栅314a1衍射效率与所述b1转折光栅衍射效率相同；所述a2转折光栅314a2的衍射效率与所述b2转折光栅衍射效率相同。

作为本申请另一实施例，射入两个所述入射光栅的入射光束的角度范围为60°-80°。

本发明提供的一种光栅波导元件的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种光栅波导元件，设置交错布置的两个入射光栅，使得两个入射光栅的衍射光(包括+1级衍射光、-1级衍射光)经过转折光栅的衍射后，向出射光栅传导的光束中间无间隙，避免了光栅波导器件中央区域出现暗带，提高了光栅波导的光效以及光束能量的利用率；同时也增大了光栅波导的视场角。

本发明还提供一种近眼显示设备，其特征在于：所述近眼显示设备包括上文所述的任一种光栅波导元件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种光栅波导元件的结构示意图一；

图2为本发明实施例提供的一种光栅波导元件的结构示意图二；

图3为本发明实施例提供的光线入射到波导基板中并被入射光栅衍射的示意图一。

图4为本发明实施例提供的光线入射到波导基板中并被入射光栅衍射的示意图二。

图5为本发明实施例提供的光线入射到波导基板中并被入射光栅衍射的示意图三。

图6为本发明实施例提供的另一种光栅波导元件的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的再一种光栅波导元件的结构示意图；

图8为现有的光栅波导元件的结构示意图。

图中：30、入射光束；31、第一衍射光束；32、第二衍射光束；300、光学基板；312a、第一入射光栅；312b、第二入射光栅；314a、第一转折光栅；314a1、a1转折光栅；314a2、a2转折光栅；314b、第二转折光栅；314b1、b1转折光栅；314b2、b2转折光栅；316、出射光栅；411、第一传导区域；412、第二传导区域；421、第四传导区域；422、第三传导区域。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图6，现对本发明提供的一种光栅波导元件及近眼显示设备进行说明。所述一种光栅波导元件，包括光学基板300以及光栅；光栅位于光学基板300其中一个板面上；光栅包括两个交错布置的第一入射光栅312a、第二入射光栅、第二入射光栅312b；，设置于第一入射光栅312a、第二入射光栅312b的两侧且用于接收第一入射光栅312a、第二入射光栅312b的衍射光的转折光栅，以及用于接收转折光栅产生的衍射光的出射光栅316。

原理说明：入射光束30分别射入第一入射光栅312a及第二入射光栅312b，转折光栅完全接收第一入射光栅312a及第二入射光栅312b产生的衍射光，同时产生朝向出射光栅316传导的衍射光束，出射光栅316可以将光束沿水平方向扩展，同时将光能量传导出光学基板300，从而使得光栅波导元件所传导的图像光束被人眼感知，使人看到虚拟图像。

本发明提供的一种光栅波导元件，与现有技术相比，设置交错布置的第一入射光栅312a及第二入射光栅312b，使得第一入射光栅312a及第二入射光栅312b产生的衍射光(包括+1级衍射光、-1级衍射光)经过转折光栅的衍射后，向出射光栅316传导的光束中间无间隙，避免了光栅波导器件中央区域出现暗带，提高了光栅波导的光效以及光束能量的利用率；同时也增大了光栅波导的视场角。

需要说明的是，光学基板300材质包括光学玻璃、光学塑料等光学材料。光学基板的主要光学面为两个互相平行的表面：上板面和下板面，光栅设置于其中任一板面上。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，所述转折光栅包括上设有两块交错设置的空白区，两块空白区分别设置第一入射光栅312a、第二入射光栅312b。此时出射光栅316设置于转折光栅的一侧，用于接收转折光栅产生的衍射光束。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请一并参阅图1至图6，所述转折光栅包括第一转折光栅314a以及第二转折光栅314b，第一转折光栅314a位于第二入射光栅312b的一侧，用于同时接收第一入射光栅312a、第二入射光栅312b产生的衍射光；第二转折光栅314b位于第一入射光栅312a的一侧，用于同时接收第一入射光栅312a、第二入射光栅312b产生的衍射光。转折光栅在第一入射光栅312a、第二入射光栅312b的两侧分别进行设置，保证了转折光栅能同时接收第一入射光栅312a及第二入射光栅312b分别产生的+1级衍射光及-1级衍射光。

在本实施例中，第二转折光栅314b与第一转折光栅314a之间最短的直线间隔为0。本文中的直线间隔为第二转折光栅314b某一侧边或某一侧边的延长线与第一转折光栅314a某一侧边或某一侧边的延长线之间的最短距离。本发明提出的光栅波导元件中，包括第一入射光栅312a，第二入射光栅312b，第一入射光栅312a与第二入射光栅312b未处于相同的水平位置，而是相互错开，a1转折光栅314a1及b1转折光栅314b1也相互错开，使得沿水平方向观察，第一转折光栅314a与第二转折光栅314b之间几乎无间隙。这样可以使得a1转折光栅314a1、a2转折光栅314a2向出射光栅316传导的光与b1转折光栅314b1，b2转折光栅314b2向出射光栅316传导的光之间无间隙。

在本实施例中，所述第一转折光栅314a包括a1转折光栅314a1以及a2转折光栅314a2，a1转折光栅314a1，同时与第一入射光栅312a、第二入射光栅312b相邻设置，用于接收第二入射光栅312b产生的衍射光；a2转折光栅314a2位于a1转折光栅314a1以及第一入射光栅312a的一侧，用于接收a1转折光栅314a1传导的及第一入射光栅312a产生的衍射光。

在本实施例中，a1转折光栅314a1的衍射效率为a2转折光栅314a2的1.5-2.5倍。使第一入射光栅312a、第二入射光栅312b产生的沿同一侧方向的衍射光束得到有效利用，极大的提高了光能传导效率，并减少杂光。

在本实施例中，所述第二转折光栅314b包括b1转折光栅314b1以及b2转折光栅314b2，b1转折光栅314b1与a1转折光栅314a1交错布置、且同时与第一入射光栅312a、第二入射光栅312b相邻设置，用于接收第一入射光栅312a产生的衍射光；b2转折光栅314b2位于b1转折光栅314b1以及第二入射光栅312b的一侧，用于接收b1转折光栅314b1传导的及第二入射光栅312b产生的衍射光。

在本实施例中，b1转折光栅314b1的衍射效率为b2转折光栅314b2的1.5-2.5倍。使第一入射光栅312a、第二入射光栅312b产生的沿同一侧方向的衍射光束得到有效利用，极大的提高了光能传导效率，并减少杂光。

需要说明的是，a1转折光栅314a1衍射效率与b1转折光栅314b1衍射效率相同；a2转折光栅314a2的衍射效率与b2转折光栅314b2衍射效率相同。保证了第一转折光栅和第二转折光栅导出相同的衍射光束。使光栅波导光线传导更均匀，提高了器件的性能。

原理说明：第一入射光栅312a、第二入射光栅312b用于将具有一定视场角、一定入瞳直径的虚拟图像光束导入光栅波导器件中。第一入射光栅312a会将入射光朝向两个近似相对的方向衍射，一部分朝向a2转折光栅314a2传导(这部分光通常为+1级衍射光)，被a2转折光栅314a2衍射，产生朝向出射光栅316传导的衍射光束Laa2；另一部分朝向b1转折光栅314b1传导(这部分光通常为-1级衍射光)，被b1转折光栅314b1衍射，产生朝向出射光栅316传导的衍射光束Lab1；向b1转折光栅314b1传导的光束在被b1转折光栅314b1衍射的同时，还会继续传导至b2转折光栅314b2，被b2转折光栅314b2衍射，产生朝向出射光栅316传导的衍射光束Lab2。

同样第二入射光栅312b会将入射光朝向两个近似相对的方向衍射，一部分朝向b2转折光栅314b2传导(这部分光通常为-1级衍射光)，被b2转折光栅314b2衍射，产生朝向出射光栅316传导的衍射光束Lbb2；另一部分朝向a1转折光栅314a1传导(+1级衍射光)，被a1转折光栅314a1衍射，产生朝向出射光栅316传导的衍射光束Lba1；向a1转折光栅314a1传导的光束在被a1转折光栅314a1衍射的同时，还会继续传导至a2转折光栅314a2，被a2转折光栅314a2衍射，产生朝向出射光栅316传导的衍射光束Lba2。

在本实施例中，第一入射光栅312a和第二入射光栅312b的光栅线槽方向通常设计成沿x轴方向，以使得更多的光能量按照前述方式沿y轴和-y轴衍射而被利用。

下面对a1转折光栅314a1、b1转折光栅314b1、a2转折光栅314a2及b2转折光栅314b2的衍射效率分别进行详细说明，a1转折光栅314a1产生的衍射光束Lba1传导过程中会经过第一入射光栅312a，由于光束Lba1的传导方向与第一入射光栅312a光栅线槽方向平行(或夹角很小)，因此衍射光束Lba1经过第一入射光栅312a时被第一入射光栅312a衍射的能量接近于0，能量几乎不损失。

a2转折光栅314a2同时接收第一入射光栅312a和第二入射光栅312b衍射的光，并产生朝向出射光栅316传导的衍射光Laa2及Lba2，因此在第一传导区域411中传导的光强度为Laa2和Lba2两个光束光强度之和。

b2转折光栅314b2同时接收第一入射光栅312a和第二入射光栅312b衍射的光，并产生朝向出射光栅316传导的衍射光Lab2和Lbb2，因此在第四传导区域421中传导的光强度为Lab2和Lbb2之和。

b1转折光栅314b1只接收第一入射光栅312a衍射的光，产生朝向出射光栅316传导的衍射光Lab1，因此第三传导区域422中传导的光强度为Lab1的光强度。

a1转折光栅314a1只接收第二入射光栅312b衍射的光，产生朝向出射光栅316传导的衍射光Lba1，因此第二传导区域412中传导的光强度为Lba1的光强度。

转折光栅衍射的光传导到出射光栅316后，会被出射光栅316衍射，从光栅波导元件中耦出而被利用。为了保证光栅波导元件的光学性能，需要保证从出射光栅316耦合出的光强度的均匀性，出射光栅316耦合出的光强度的均匀性决定于转折光栅向出射光栅316传导的光的均匀性即第一传导区域411，第二传导区域412，第三传导区域422，第四传导区域421这四个区域的光强度均匀性。

四个区域光强度需尽可能相同。

因此有下列公式

Laa2+Lba2＝Lba1＝Lab1＝Lbb2+Lab2 (1)

注意：公式中的符号Laa2，Lba2，Lba1，Lab1，Lbb2，Lab2等既表示光束名称，又表示对应光束的光强度

第一入射光栅312a、第二入射光栅312b产生的衍射光束光强度通常相同，+1级衍射光设为A，-1级衍射光设为B，a1转折光栅314a1衍射效率为Xa1，a2转折光栅314a2区衍射效率为Xa2，b1转折光栅314b1衍射效率为Xb1，b2转折光栅314b2衍射效率为Xb2，则有：

Laa2＝A*Xa2，

Lba2＝A*(1-Xa1)*Xa2，

Lba1＝A*Xa1，

Lab1＝B*Xb1，

Lbb2＝B*Xb2，

Lab2＝B*(1-Xb1)*Xb2 (2)

结合公式(1)，则有

A*Xa2+A*(1-Xa1)*Xa2＝A*Xa1

B*Xb1＝B*Xb2+B*(1-Xb1)*Xb2

即有Xa2*(2-Xa1)＝Xa1，Xb1＝Xb2*(2-Xb1)

通常转折光栅的衍射效率小于0.2，因此有：

2*Xa2≈Xa1

Xb1≈2*Xb2 (3)

由于入射光栅的+1级和-1级衍射光束具有对称性，因此可以假定A＝B，结合公式(1)，(2)，则有：

Xa1＝Xb1

Xa2＝Xb2 (4)

即a1转折光栅314a1衍射效率与b1转折光栅314b1相同，a2转折光栅314a2的衍射效率与b2转折光栅314b2相同；

a1转折光栅314a1和b1转折光栅314b1的衍射效率近似是a2转折光栅314a2及b2转折光栅314b2衍射效率的2倍。

该种结构可以使第一入射光栅312a、第二入射光栅312b产生的不同方向的衍射光束均得到有效利用，可以极大的提高光能传导效率，减少杂光。另外，该种结构中，第一入射光栅312a、第二入射光栅312b产生的两束衍射光均携带虚拟图像的显示及视场角信息，两束衍射光在光栅波导中传导允许的角度范围近似是一束衍射光的两倍，因此该种结构的光栅波导视场角几乎是以往只依靠其中一束衍射光传导图像信息的光栅波导的两倍。四个转折光栅的衍射效率按照一定比例关系设置，保证了光栅波导器件的出光均匀性。

在本实施例中，射入第一入射光栅312a、第二入射光栅312b的入射光束30的角度范围为60°-80°。

下面对入射光束30的入射角度进行详细说明，请一并参阅图3至图5，入射光束30在FOV1视场角范围内变化时，光束能量主要依靠第一衍射光束31在光栅波导中传导。入射光束30携带的图像信息会由第一衍射光束31经过第一转折光栅314a传导至出射光栅316，然后传导出光栅波导镜片进入人眼被感知。入射光束30在FOV2视场角范围内变化时，光束能量主要依靠第二衍射光束32在光栅波导中传导。入射光束30携带的图像信息会由第二衍射光束32经过第二转折光栅314b传导至出射光栅316，然后传导出光栅波导镜片进入人眼被感知。

FOV1的大小受限于第一衍射光束31的角度变化范围，FOV2的大小受限于第二衍射光束32的角度变化范围。第一衍射光束31约为35度，对应的FOV1度大小也约为35度，同样第二衍射光束32的角度范围约为35度，对应的FOV2的大小也约为35度。因此入射光束30的角度即光栅波导器件的视场角FOV＝FOV1+FOV2≈35°+35°＝70°，该种情况下光栅波导视场角远大于以往只依靠其中一束衍射光传导图像信息的光栅波导的视场角。

需要说明的是，入射光栅312代表第一入射光栅312a、第二入射光栅312b中的任意一个。

FOV通常是指镜头所能覆盖的范围，即物体超过这个角就不会被收在镜头里,一个镜头能涵盖多大范围的景物，通常以角度来表示，这个角度就叫镜头的视角FOV。

请一并参阅图1至图6，现对本发明提供的再一种光栅波导元件进行具体说明。入射光栅a和入射光栅b的光栅线槽方向为沿X轴方向，可以使入射光被入射光栅a、入射光栅b衍射后产生沿y或-y方向传导的衍射光。转折光栅a1，转折光栅a2和转折光栅b1，转折光栅b2位于入射光栅a和入射光栅b的上下两侧，可以接受来自入射光栅a和入射光栅b的衍射光。转折光栅a1，转折光栅a2的光栅线槽方向与+x轴夹角为135°，从而使得由入射光栅a和入射光栅b传导至转折光栅a1、转折光栅a1的光束可以产生朝向出射光栅即-x方向传导的衍射光。转折光栅b1，转折光栅bb2的光栅线槽方向与+x轴夹角为45°，从而使得由入射光栅a和入射光栅b传导至转折光栅b1及转折光栅b1的光束可以产生朝向出射光栅即-x方向传导的衍射光。转折光栅a1，转折光栅a1b1的衍射效率设置成是转折光栅a2，转折光栅b2衍射效率的2倍，以保证器件导光均匀性。出射光栅的光栅线槽方向为沿y轴方向，可以使由转折光栅a和转折光栅b传导至出射光栅的光束沿-x方向传导的同时，将光束能量均匀传导出光栅波导被感知。需要说明的是，本领域技术人员应知晓，在本实施例中所说的入射光栅a相当于第一入射光栅312a，入射光栅b相当于第二入射光栅312b，转折光栅a1相当于a1转折光栅314a1，转折光栅a2相当于a2转折光栅314a2，转折光栅b1相当于b1转折光栅314b1，转折光栅b2相当于b2转折光栅314b2，出射光栅相当于出射光栅316。

请参阅图7，本发明的一种替代方案是将光学基板300上设有的光栅的位置进行调整(如旋转90度)，使得转折光栅将衍射光束沿水平方向扩展传导至出射光栅316上，然后出射光栅316将光束沿垂直方向扩展。

需要说明的是，光栅包括表面浮雕光栅、体全息光栅等光栅技术中一种或几种。

本发明还提供一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括有如上文所述的光栅波导元件。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光栅波导元件，其特征在于，包括：光学基板以及光栅；所述光栅位于所述光学基板其中一个板面上；所述光栅包括两个交错布置的入射光栅、设置于两个所述入射光栅的两侧、且用于接收两个所述入射光栅产生的衍射光的转折光栅、以及用于接收所述转折光栅产生的衍射光的出射光栅，所述转折光栅包括：

第一转折光栅，位于某一个所述入射光栅的一侧，用于同时接收两个所述入射光栅产生的衍射光；以及

第二转折光栅，位于另一个所述入射光栅的一侧，用于同时接收两个所述入射光栅产生的衍射光；

所述第一转折光栅包括：

a1转折光栅，同时与两个所述入射光栅相邻设置，用于接收某一个所述入射光栅产生的衍射光；以及

a2转折光栅，位于所述a1转折光栅以及另一个所述入射光栅的一侧，用于接收所述a1转折光栅传导的及另一个所述入射光栅产生的衍射光；

所述第二转折光栅包括：

b1转折光栅，与所述a1转折光栅交错布置，用于接收某一个所述入射光栅产生的衍射光；以及

b2转折光栅，位于所述b1转折光栅以及另一个所述入射光栅的一侧，用于接收所述b1转折光栅传导的及另一个所述入射光栅产生的衍射光。

2.如权利要求1所述的一种光栅波导元件，其特征在于：所述第二转折光栅与所述第一转折光栅之间最短的直线间隔为0。

3.如权利要求2所述的一种光栅波导元件，其特征在于：所述a1转折光栅的衍射效率为所述a2转折光栅的1.5-2.5倍。

4.如权利要求3所述的一种光栅波导元件，其特征在于，所述b1转折光栅的衍射效率为所述b2转折光栅衍射效率的1.5-2.5倍。

5.如权利要求4所述的一种光栅波导元件，其特征在于：所述a1转折光栅衍射效率与所述b1转折光栅衍射效率相同；所述a2转折光栅的衍射效率与所述b2转折光栅衍射效率相同。

6.如权利要求5所述的一种光栅波导元件，其特征在于，射入两个所述入射光栅的入射光束的角度范围为60°-80°。

7.一种近眼显示设备，其特征在于：所述近眼显示设备包括有如权利要求1-6任一项所述的光栅波导元件。

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