CN111443486A - 一种光栅波导元件及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光栅波导元件及近眼显示装置，属于光栅波导技术领域，包括光学基板、第一光栅区以及第二光栅区，第一光栅区设置于光学基板某一面上，用于衍射入射光线，并导出第一光束阵列；第二光栅区设置于光学基板另一面上，且与第一光栅区呈镜向对称设置，用于衍射入射光线，并导出与第一光束阵列朝向相同的第二光束阵列。本发明提供的一种光栅波导元件及近眼显示装置，具有更大的光束扩展性能，能够适配更小出瞳的投影光束系统，从而能使得整个近眼显示装置体积和重量更小。

Description

一种光栅波导元件及近眼显示装置

技术领域

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

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，近眼显示装置得到了快速发展，如微软的Hololens和Magic Leap公司的Magic Leap One。增强现实技术中的近眼显示装置可以将虚拟图像叠加到现实景物中，同时兼具透视特性，不影响对现实景物的正常观察。

利用传统光学元件将虚拟图像耦合进入人眼的方式已经被采用，包括棱镜、半透半反镜片、自由曲面波导、镜面阵列波导、光栅波导等。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。

现有的光栅波导元件一般如图1所示，整个元件由光学基板101和位于光学基板一侧表面的光栅区组成。光栅区包括：入射光栅102，转折光栅103和出射光栅104。现有的光栅波导元件的光束复制能力较低，对光能的利用率较低，现有的光栅波导元件不利于投影系统体积和重量的减小。导致现有的近眼显示装置体积和重量较大，不利于实际的使用。

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装置，旨在现有的近眼显示装置体积和重量较大，不利于实际的使用的技术问题。

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；

第一光栅区，设置于所述光学基板某一面上，用于衍射入射光线，并导出第一光束阵列；以及

第二光栅区，设置于所述光学基板另一面上，且与所述第一光栅区呈镜向对称设置，用于衍射入射光线，并导出与第一光束阵列朝向相同的第二光束阵列。

作为本申请另一实施例，所述第一光栅区包括：

入射光栅，设置于所述光学基板某一面上，用于衍射入射光线；

第一转折光栅，与所述入射光栅设置于同一面上，用于衍射经过所述入射光栅的入射光线，并产生若干束衍射光；以及

第一出射光栅，与所述第一转折光栅设置于同一面上，用于接收所述第一转折光栅产生的若干束衍射光，并导出第一光束阵列。

作为本申请另一实施例，所述第二光栅区包括：

反射光学件，设置于所述光学基板另一面上，与所述入射光栅的位置相对设置，用于反射透过所述入射光栅的入射光线。

作为本申请另一实施例，所述第二光栅区还包括：

第二转折光栅，与所述反射光学件相邻设置，用于多次衍射经过所述入射光栅的入射光线；以及

第二出射光栅，与所述第二转折光栅相邻设置，用于衍射经过所述第二转折光栅或/和第一转折光栅衍射的入射光线，并将所述入射光线导出。

作为本申请另一实施例，所述入射光栅与所述反射光学件形状相同，位置相对；所述第一转折光栅与所述第二转折光栅形状相同，位置相对；所述第一出射光栅与所述第二出射光栅形状相同，位置相对。

作为本申请另一实施例，所述光学基板包括两个互相平行的第一光学面和第二光学面，所述第一光栅区设置于所述第一光学面上；所述第二光栅区设置于所述第二光学面上。

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中的第一光栅区和第二光栅区都能对入射光线进行衍射，使得更多的光能被利用，本发明提供的光栅波导元件，具有更大的光束扩展性能，能够适配更小出瞳的投影光束系统，从而能使得整个近眼显示装置体积和重量更小。本发明提出的光栅波导元件还具有更高的光效。

本发明还提供一种近眼显示装置，其特征在于：包括如上文所述任一项所述的光栅波导元件。

作为本申请另一实施例，所述近眼显示装置还包括：

光源发生器，用于向所述光栅波导元件提供用于显示图像的激光束。

作为本申请另一实施例，所述近眼显示装置还包括：

MEMS振镜，用于接收射向所述光栅波导元件的光束，并将光束反射至所述光栅波导元件上。

本发明提供的一种近眼显示装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明中的一种近眼显示装置较现有的近眼显示装置具有更小的体积和重量，更高的光效的特点。

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为现有的光栅波导元件结构组成示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光栅波导元件的立体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光栅波导元件的剖视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种光栅波导元件的结构组成示意图；

图5为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的结构组成示意图；

图6为本发明实施例提供的一种近眼显示装置中控制器、激光器以及MEMS振镜的连接关系示意图。

图中：201、光学基板；202a、入射光栅；202b、反射光学件；203a、第一转折光栅；203b、第二转折光栅；204a、第一出射光栅；204b、第二出射光栅；221、第一光学面；222、第二光学面；210、准直激光束；211、入射光线；212、出射光束；231、激光器；232、准直透镜；233、MEMS振镜；240、人眼；250、控制器。

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2至图4，现对本发明提供的一种光栅波导元件进行说明。所述一种光栅波导元件，包括光学基板201、第一光栅区以及第二光栅区，第一光栅区，设置于光学基板201某一面上，用于衍射入射光线211，并导出第一光束阵列，第二光栅区设置于光学基板201另一面上，且与第一光栅区呈镜向对称设置，第二光栅区用于衍射入射光线211，并导出与第一光束阵列朝向相同的第二光束阵列。

入射光线211射入第一光栅区被第一光栅区衍射，并最终以第一光束阵列的形式被导出；入射光线211进入被第一光栅区衍射的过程中，部分的入射光线211会射入第二光栅区被第二光栅区衍射，最终以与第一光束阵列朝向相同的第二光束阵列被导出。

本发明提供的一种光栅波导元件，与现有技术相比，本发明提供的光栅波导元件中的第一光栅区和第二光栅区都能对入射光线211进行衍射，使得更多的光能被利用，本发明提供的光栅波导元件，具有更大的光束扩展性能，能够适配更小出瞳的投影光束系统，从而能使得整个近眼显示装置体积和重量更小。本发明提出的光栅波导元件还具有更高的光效。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请一并参阅图2至图4，所述第一光栅区包括入射光栅202a、第一转折光栅203a以及第一出射光栅204a，入射光栅202a设置于光学基板201某一面上，用于衍射入射光线211；第一转折光栅203a与入射光栅202a设置于同一面上，用于衍射经过入射光栅202a的入射光线211，并产生若干束衍射光；第一出射光栅204a与第一转折光栅203a设置于同一面上，用于接收第一转折光栅203a产生的若干束衍射光，并导出第一光束阵列。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请一并参阅图2至图4，所述第二光栅区包括反射光学件202b，反射光学件202b设置于光学基板201另一面上，与入射光栅202a的位置相对设置，用于反射透过入射光栅202a的入射光线211。入射光线211被入射光栅202a衍射，产生第一透射衍射光，入射光线211透过入射光栅202a还会继续入射到反射光学件202b，被反射光学件202b反射回入射光栅202a，在入射光栅202a上产生第一反射衍射光。

该光栅波导元件中能够通过反射光学件202b对入射光线211衍射2次，使得更多的光能被衍射进入该光栅波导元件内从而被利用，该光栅波导元件能使得射入入射光栅202a的入射光线211得到有效利用，从而提高对入射光线211的利用效率。

在本实施例中，反射光学件202b包括光学反射膜、反射镜片、反射光栅等结构，需要说明的是，反射光学件202b结构并不唯一，只要能实现对入射光线211的反射即可。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请一并参阅图2至图4，所述第二光栅区还包括第二转折光栅203b以及第二出射光栅204b，第二转折光栅203b与反射光学件202b相邻设置，用于多次衍射经过入射光栅202a的入射光线211；第二出射光栅204b与第二转折光栅203b相邻设置，用于衍射经过第二转折光栅203b或/和第一转折光栅203a衍射的入射光线211，并将入射光线211导出。

入射光线211被入射光栅202a衍射后，产生的第一透射衍射光和第一反射衍射光均朝向第一转折光栅203a和第二转折光栅203b传导，在入射到第一转折光栅203a表面区域和第二转折光栅203b表面区域的时候，均会产生朝向第一出射光栅204a，第二出射光栅204b传导的出射衍射光。

具体的是，第一透射衍射光和第一反射衍射光会在第一转折光栅203a和第二转折光栅203b区域被多次衍射，产生多束朝向第一出射光栅204a或/和第二出射光栅204b传导的出射衍射光。即第一透射衍射光和第一反射衍射光在第一转折光栅203a或/和第二转折光栅203b区域实现了沿y方向的复制扩展。本发明由于光学基板201的两个表面上均设有转折光栅结构，第一透射衍射光和第一反射衍射光入射到两个表面时均会产生衍射光，因此在同等基板厚度条件下下，本发明中的转折光栅结构产生的朝向出射光栅结构的多束出射衍射光密集程度要明显优于现有的光栅波导元件。

出射衍射光传导入射到第一出射光栅204a时，会产生第二透射衍射光从出射光栅204a表面导出该光栅波导元件。出射衍射光传导入射到第二出射光栅204b时，会产生第二反射衍射光，透过光学基板201及第一出射光栅204a导出光栅波导元件。出射衍射光会在第一出射光栅204a和第二出射光栅204b区域被多次衍射，产生多束从该光栅波导元件中导出的出射光束212。出射衍射光在出射光栅结构区域实现了沿x方向的复制扩展。

本发明由于光学基板201的两个表面上均有出射光栅结构，出射衍射光入射到两个表面均会产生出射光束212，在同等基板厚度情况下，出射光栅结构产生的朝向该光栅波导元件外出射的多束出射光束212密集程度要明显优于现有的光栅波导。

出射衍射光是沿y方向排列的多束光，出射衍射光在出射光栅结构区域沿x方向复制扩展后，会成为光束阵列，因此该光栅波导元件导出的出射光束212是一个光束阵列。即一束入射光线211经过该光栅波导元件作用后，在x和y两个方向上都得到了扩展。

需要说明的是，出射光束212在本发明中为第一光束阵列和第二光束阵列的集合。

在该光栅波导元件工作过程中，出射光束212会进入人眼240而被感知，因此出射光束212中相邻光束之间的间距需要小于人的瞳孔大小，否则人眼240可能无法接受到出射光束212。出射光束212中相邻光束之间的间距取决于入射光线211的光束直径和出射光束212的密集程度。该光栅波导元件较现有的光栅波导元件能够产生更密集的出射光束212，因此允许配合更细的入射光线211工作。更细的入射光线211有利于减小投影系统的体积和重量。因此该光栅波导元件可以使近眼显示装置体积和重量更小。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请一并参阅图2至图4，入射光栅202a与反射光学件202b形状相同，位置相对；第一转折光栅203a与第二转折光栅203b形状相同，位置相对；第一出射光栅204a与第二出射光栅204b形状相同，位置相对。即第一光栅区与第二光栅区在光学基板201上呈镜面对称。

入射光栅202a光栅线槽方向沿x轴方向，使得入射光线211产生沿y方向朝向第一转折光栅203a和第二转折203b传导的第一透射衍射光和第一反射衍射光。

第一转折光栅203a和第二转折光栅203b的光栅线槽方向和x轴方向呈一定夹角(通常为45度)，使得由入射光栅202a产生的第一透射衍射光和第一反射衍射光传导至第一转折光栅203a和第二转折光栅203b后，会再被第一转折光栅203a和第二转折光栅203b衍射而产生朝向第一出射光栅204a和第二出射光栅204b传导的出射衍射光。第一出射光栅204a和第二出射光栅204b光栅线槽方向沿y轴方向，使得由第一转折光栅203a和第二转折光栅203b传导至第一出射光栅204a和第二出射光栅204b的光发生衍射而从该光栅波导元件中导出。

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4，光学基板201包括两个互相平行的第一光学面221和第二光学面222，第一光栅区设置于第一光学面221上；第二光栅区设置于所述第二光学面222上。

本发明还提供一种近眼显示装置，请一并参阅图2至图6，所述近眼显示装置包括如上文所述的光栅波导元件。

本发明提供的一种近眼显示装置，较现有的近眼显示装置具有更小的体积和重量，更高的光效的特点。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请一并参阅图5及图6，该近眼显示设备还包括光源发生器，光源发生器用于向光栅波导元件提供用于显示图像的激光束。

在本实施例中，光源发生器包括激光器231，激光器231可以选用单色激光器，也可以选用以及多色激光器。

在本实施例中，该近眼显示设备还包括准直透镜232，激光器231发射的激光经过准直透镜232准直，产生准直激光束210。

在本实施例中，该近眼显示设备还包括MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)微振镜233，MEMS振镜用于接收射向光栅波导元件的光束，并将光束反射至光栅波导元件上。

准直激光束210会入射到MEMS振镜233上，被MEMS振镜233反射产生的入射光线211会入射到光栅波导元件的光栅结构中。经过光栅波导元件的传导和扩展后，产生出射光束212被人眼240感知。MEMS振镜233反射扫描的激光直接入射到光栅波导元件中，使得该近眼显示设备结构尽可能简单。

在本实施例中，该近眼显示设备还包括与MEMS振镜233和激光器231电连接的控制器250。MEMS振镜233和激光器231受到控制器250的调制。激光器231的强度受到控制器250的控制。当激光器231是彩色激光器时，激光器231的颜色也受到控制器250的控制。控制器250可以控制MEMS振镜233，使MEMS振镜231按照预设的频率沿α轴和β轴高速摆动，使得入射光线211按照一定的轨迹进行扫描。入射光线211在扫描的同时，入射光线211亮度和颜色受控制器250的调制而协调变化，从而产生图像信息。

MEMS振镜233和激光器231配合使用的优点是体积小，光效高，这需要配套使用的光栅波导元件具有较强的光束扩展能力才可以正常工作。本发明提出的一种光栅波导元件具备较强的光束扩展能力和出射光密集程度，可以和MEMS振镜233、激光器231良好配合。本发明提出的近眼显示装置具有结构简单，功耗低、体积小，重量小，光效高的特点。

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 (9)

1.一种光栅波导元件，其特征在于，包括：

光学基板；

第一光栅区，设置于所述光学基板某一面上，用于衍射入射光线，并导出第一光束阵列；以及

第二光栅区，设置于所述光学基板另一面上，且与所述第一光栅区呈镜向对称设置，用于衍射入射光线，并导出与第一光束阵列朝向相同的第二光束阵列。

2.如权利要求1所述的一种光栅波导元件，其特征在于，所述第一光栅区包括：

入射光栅，设置于所述光学基板某一面上，用于衍射入射光线；

第一转折光栅，与所述入射光栅设置于同一面上，用于衍射经过所述入射光栅的入射光线，并产生若干束衍射光；以及

第一出射光栅，与所述第一转折光栅设置于同一面上，用于接收所述第一转折光栅产生的若干束衍射光，并导出第一光束阵列。

3.如权利要求2所述的一种光栅波导元件，其特征在于，所述第二光栅区包括：

反射光学件，设置于所述光学基板另一面上，与所述入射光栅的位置相对设置，用于反射透过所述入射光栅的入射光线。

4.如权利要求3所述的一种光栅波导元件，其特征在于，所述第二光栅区还包括：

第二转折光栅，与所述反射光学件相邻设置，用于多次衍射经过所述入射光栅的入射光线；以及

第二出射光栅，与所述第二转折光栅相邻设置，用于衍射经过所述第二转折光栅或/和第一转折光栅衍射的入射光线，并将所述入射光线导出。

5.如权利要求4所述的一种光栅波导元件，其特征在于：所述入射光栅与所述反射光学件形状相同，位置相对；所述第一转折光栅与所述第二转折光栅形状相同，位置相对；所述第一出射光栅与所述第二出射光栅形状相同，位置相对。

6.如权利要求1所述的一种光栅波导元件，其特征在于：所述光学基板包括两个互相平行的第一光学面和第二光学面，所述第一光栅区设置于所述第一光学面上；所述第二光栅区设置于所述第二光学面上。

7.一种近眼显示装置，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的光栅波导元件。

8.如权利要求7所述的一种近眼显示装置，其特征在于，还包括：

光源发生器，用于向所述光栅波导元件提供用于显示图像的激光束。

9.如权利要求7或8所述的一种近眼显示装置，其特征在于，还包括：

MEMS振镜，用于接收射向所述光栅波导元件的光束，并将光束反射至所述光栅波导元件上。

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