CN112068233A - 一种纳米波导镜片及ar显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纳米波导镜片，包括波导衬底、设置在波导衬底表面用于将图像光信息衍射后满足波导衬底全反射的纳米级光栅区，光栅区包括用于将图像光信息耦合进入波导衬底的第一光栅、用于将经波导衬底传导过来的图像光信息改变方向的第二光栅、用于将经第二光栅及波导衬底传导过来的图像光信息投射到波导镜片外部空间中的第三光栅，第二光栅或/和第三光栅采用高度渐变或者占空比渐变的方式设置，用以均匀化衍射效率，减弱亮度渐变。本发明还公开了一种AR显示装置，包括上述纳米波导镜片。本发明利用光栅的渐变来实现亮度渐变的减弱，增强了视角效果，增大波导镜片的视场角、出瞳距离或者出瞳范围。

Description

一种纳米波导镜片及AR显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种纳米波导镜片及AR显示装置。

背景技术

AR(增强现实Augmented Reality)技术，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。以实现将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的技术，不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加，呈现给用户一个感知效果更丰富的新环境。在诸多领域，例如工业制造和维修领域、医疗领域、军事领域、娱乐游戏领域、教育领域等，有着巨大的潜在应用价值。

在AR产业链中，同时具有透明效果和成像/导光效果的波导镜片是AR硬件得以实施的最关键部件，其中扩瞳能力是波导镜片的一个重要参数，直接影响人眼观察舒适度及人群的适应度。而在AR显示技术中，亮度均匀化一直是限制大出瞳显示的主要原因，如图1所示，从光源发出的光以一定方向入射至波导镜片1的第一光栅13，经第一光栅13光栅衍射，衍射光线沿波导11内全反射方向传导至第二光栅。光线在第二光栅经数次全反射及衍射，衍射效率逐渐降低，经第三光栅17导出，在出瞳范围内，人眼可以明显观察到亮度渐变或突变，直观影响观看体验，造成较差的体验效果。

前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米波导镜片及AR显示装置，利用光栅的渐变，实现亮度渐变的减弱。

本发明提供一种纳米波导镜片，包括波导衬底、设置在所述波导衬底表面用于将图像光信息衍射后满足所述波导衬底全反射的纳米级光栅区，所述光栅区包括用于将图像光信息耦合进入所述波导衬底的第一光栅、用于将经所述波导衬底传导过来的图像光信息改变方向的第二光栅、用于将经所述第二光栅及所述波导衬底传导过来的图像光信息投射到波导镜片外部空间中的第三光栅，所述第二光栅或/和所述第三光栅采用高度渐变或者占空比渐变的方式设置，调节所述第二光栅或/和所述第三光栅中多个光栅单元的高度或者占空比，用以减弱亮度渐变。

在其中一实施例中，多个所述光栅单元的渐变方式为高度由低到高或者占空比由小到大。

在其中一实施例中，所述第二光栅中多个所述光栅单元的渐变方式为自靠近所述第一光栅一侧向远离所述第一光栅一侧渐变，所述第三光栅中多个所述光栅单元的渐变方式为自靠近所述第二光栅一侧向远离所述第二光栅一侧渐变。

在其中一实施例中，所述第一光栅采用高度渐变或者占空比渐变的方式，所述第一光栅中多个光栅单元的渐变方式自远离所述第二光栅一侧向靠近所述第二光栅一侧渐变。

在其中一实施例中，所述第一光栅、所述第二光栅、所述第三光栅各自为倾斜光栅或体光栅或矩形光栅。

在其中一实施例中，所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅均为纳米级倾斜光栅。

在其中一实施例中，当各光栅采用同一种光栅单元时，所述高度渐变或者所述占空比渐变的范围相同。

在其中一实施例中，所述光栅的高度从100-400nm渐变，所述光栅的占空比从0.1-0.7渐变。

在其中一实施例中，所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅设置在所述波导衬底的同一表面的不同位置。

本发明还提供一种AR显示装置，包括上述纳米波导镜片。

本发明提供的纳米波导镜片，通过调节所述第二光栅或/和所述第三光栅中多个光栅单元的高度或者占空比，实现亮度渐变的减弱，从而避免亮度渐变或突变带来的明暗视窗，增强了视角效果，同时增大纳米波导镜片的视场角、出瞳距离或者出瞳范围。

附图说明

图1为现有波导镜片的图像光信息传递示意图；

图2为本发明纳米波导镜片的结构示意图；

图3为本发明纳米波导镜片的图像光信息传递示意图；

图4为本发明倾斜光栅的衍射示意图；

图5为图3中A在本发明第一实施例的放大图；

图6为本发明第一实施例高度渐变倾斜光栅的衍射效果示意图；

图7为图3中A在本发明第二实施例的放大图；

图8为本发明第二实施例占空比渐变倾斜光栅的衍射效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

第一实施例

请参图2至图3，本实施例中提供的纳米波导镜片，包括波导衬底21、设置在波导衬底21表面用于将图像光信息衍射后满足波导衬底21全反射的纳米级光栅区。光栅区包括用于将图像光信息耦合进入波导衬底21的第一光栅23、用于将经波导衬底21传导过来的图像光信息改变方向的第二光栅25、用于将经第二光栅25及波导衬底21传导过来的图像光信息投射到波导镜片外部空间中的第三光栅27。第二光栅25或/和第三光栅27采用高度渐变或者占空比渐变的方式设置，调节第二光栅25或/和第三光栅27中多个光栅单元的高度或者占空比，用以减弱亮度渐变。

第一光栅23、第二光栅25和第三光栅27分别设置在波导衬底21同一侧表面的不同位置，且各光栅区域之间有间隙。第一光栅23采用高度渐变或者占空比渐变的方式设置。各光栅中的多个光栅单元的渐变方式为高度由低到高或者占空比由小到大。

其中，第一光栅23中多个光栅单元的渐变方式自远离所述第二光栅一侧向靠近所述第二光栅一侧渐变；第二光栅25中多个光栅单元的渐变方式为自靠近第一光栅23一侧向远离第一光栅23一侧渐变；第三光栅27中多个光栅单元的渐变方式为自靠近第二光栅25一侧向远离第二光栅25一侧渐变。

各光栅采用高度从100-400nm渐变或占空比从0.1-0.7渐变的方式设置，且各光栅为倾斜光栅或体光栅或矩形光栅；当不同的光栅采用同一类型的光栅单元时，其光栅单元采用同一范围的高度渐变或者占空比渐变。

如图4所示，入射光以角度α入射倾斜光栅时，衍射光线以角度β出射。其中，衍射角度取决于光栅周期、入射角度等，光栅深度和占空比调控衍射效率。通过合理调控倾斜光栅参数，可以实现某一波段光以大衍射角度出射，使此时一级次衍射效率最大，零级衍射效率降至最小，从而实现衍射效率均匀化，避免亮度渐变或突变带来的明暗视窗而影响视角效果。

工作时，外部图像光信息从波导镜片2的第一光栅23入射，经第二光栅25传导至第三光栅27。具体地，外部图像光信息光耦合至波导镜片2时，首先进入第一光栅23，经第一光栅23的光栅单元衍射，衍射光线角度满足波导衬底21全反射；光线沿全反射方向传导，耦合至第二光栅25，经第二光栅25的光栅单元衍射使光线发生多次全反射的转折(全反射的次数取决于波导衬底21的厚度以及衍射角)，传导至第三光栅27，经第三光栅27的光栅单元衍射，从第三光栅27聚焦输出光线至人眼视网膜，使人眼看到逼真的虚拟立体图像，实现水平和竖直方向视场扩大以及真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成。

在波导镜片对图像光信息进行传输，并对其出瞳进行扩大时，需要满足的基本原则是：输出的图像光信息和输入的图像光信息需要满足平行条件，这样在整个扩大出瞳的范围内，看到的图像不会产生畸变。因此，波导镜片在设计时，光线需要满足相位守恒条件，即，第一光栅23和第三光栅27的光路方向需要完全一致。

在本实施例中，各光栅均为纳米级倾斜光栅，且倾斜光栅采用高度渐变的方式。通过此种高度渐变的纳米级倾斜光栅，除了实现光路折叠和图像融合外，还对特定入射角度的光线具有成像功能，同时使衍射效率均匀化，避免光线在经各光栅后造成亮度渐变或突变带来的明暗视窗，同时增大纳米波导镜片的视场角、出瞳距离或者出瞳范围。

如图5所示，在本实施例中，当高度渐变倾斜光栅单元28倾斜角度为30°，周期为400nm，占空比为0.5，此时衍射效率随光栅高度变化，如图6所示，当光栅高度从200-400nm变化时，衍射效率从43％增大至95％。

本实施例还提供一种AR显示装置，包括上述的纳米波导镜片。

第二实施例

本发明第二实施例提供的纳米波导镜片与上述第一实施例的区别在于，在本实施例中，各光栅的倾斜光栅为占空比渐变倾斜光栅单元29，以实现出瞳范围内的增大以及衍射效率均匀化，避免亮度渐变或突变带来的明暗视窗。

如图7所示，当占空比渐变倾斜光栅单元29倾斜角度为30°，周期为400nm，光栅高度为300nm；此时衍射效率随光栅占空比变化，如图8所示，当光栅占空比从0.2-0.55变化时，衍射效率从20％增大至96％。

本实施例还提供一种AR显示装置，包括上述的纳米波导镜片。

第三实施例

本发明第三实施例提供的纳米波导镜片与上述第一实施例和第二实施例的区别在于，在本实施例中，第一、三光栅区域23、27均为能实现光线在波导衬底21全反射的普通光栅，第二光栅25采用高度渐变或者占空比渐变的方式，使第二光栅25的衍射效率均匀化，避免亮度渐变或突变带来的明暗视窗，以实现进入第三光栅27光线亮度相对于第二光栅的光线亮度不变，避免从第三光栅输出光线亮度相对于耦入第一光栅的光线亮度突变，从而影响视角效果。

第四实施例

本发明第三实施例提供的纳米波导镜片与上述第一实施例和第二实施例的区别在于，在本实施例中，第一、二光栅23、25均为能实现光线在波导衬底21全反射的普通光栅区域，第三光栅27采用高度渐变或者占空比渐变的方式，使第三光栅27的衍射效率均匀化，避免亮度渐变或突变带来的明暗视窗，避免从第三光栅输出光线亮度突变而影响视角效果，同时增大纳米波导镜片的视场角、出瞳距离或者出瞳范围。

在本发明产品中，通过光栅采用高度渐变或者占空比渐变的方式，实现外部图像光信息在波导镜片中的均匀化衍射效率，减弱亮度渐变，从而实现投射出的图像光信息亮度不变，避免亮度渐变或突变带来的明暗视窗，增强了视角效果，同时增大纳米波导镜片的视场角、出瞳距离或者出瞳范围；且此种光栅中的光栅单元的设计简单，制作容易；同时，利用一种光栅单元来实现图像光信息衍射后满足波导的全反射，降低波导镜片制作的成本和难度。

在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”、“设置在”或“位于”另一元件上时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。

在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”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，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种纳米波导镜片，其特征在于，包括波导衬底、设置在所述波导衬底表面用于将图像光信息衍射后满足所述波导衬底全反射的纳米级光栅区，所述光栅区包括用于将图像光信息耦合进入所述波导衬底的第一光栅、用于将经所述波导衬底传导过来的图像光信息改变方向的第二光栅、用于将经所述第二光栅及所述波导衬底传导过来的图像光信息投射到波导镜片外部空间中的第三光栅，所述第二光栅或/和所述第三光栅采用高度渐变或者占空比渐变的方式设置，调节所述第二光栅或/和所述第三光栅中多个光栅单元的高度或者占空比，用以减弱亮度渐变。

2.如权利要求1所述的纳米波导镜片，其特征在于，多个所述光栅单元的渐变方式为高度由低到高或者占空比由小到大。

3.如权利要求2所述的纳米波导镜片，其特征在于，所述第二光栅中多个所述光栅单元的渐变方式为自靠近所述第一光栅一侧向远离所述第一光栅一侧渐变，所述第三光栅中多个所述光栅单元的渐变方式为自靠近所述第二光栅一侧向远离所述第二光栅一侧渐变。

4.如权利要求1所述的纳米波导镜片，其特征在于，所述第一光栅采用高度渐变或者占空比渐变的方式，所述第一光栅中多个光栅单元的渐变方式自远离所述第二光栅一侧向靠近所述第二光栅一侧渐变。

5.如权利要求1所述的纳米波导镜片，其特征在于，所述第一光栅、所述第二光栅、所述第三光栅各自为倾斜光栅或体光栅或矩形光栅。

6.如权利要求5所述的纳米波导镜片，其特征在于，所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅均为纳米级倾斜光栅。

7.如权利要求5所述的纳米波导镜片，其特征在于，当各光栅采用同一种光栅单元时，所述高度渐变或者所述占空比渐变的范围相同。

8.如权利要求7所述的纳米波导镜片，其特征在于，所述光栅的高度从100-400nm渐变，所述光栅的占空比从0.1-0.7渐变。

9.如权利要求1所述的纳米波导镜片，其特征在于，所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅设置在所述波导衬底的同一表面的不同位置。

10.一种AR显示装置，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的纳米波导镜片。

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