CN112083569A - 纳米波导镜片和三维显示装置及眼镜 - Google Patents

纳米波导镜片和三维显示装置及眼镜 Download PDF

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Abstract

一种纳米波导镜片，包括波导片本体，波导片本体上设有耦入区域和耦出区域，耦入区域和耦出区域内均设有多个结构单元像素，结构单元像素包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单元；当图像光入射至耦入区域时，红光从第一结构子单元进入波导片本体，红光在波导片本体内全反射至耦出区域，从耦出区域的第一结构子单元射出；蓝光从第二结构子单元进入波导片本体，蓝光在波导片本体内全反射至耦出区域，从耦出区域的第二结构子单元射出；绿光从第三结构子单元进入波导片本体，绿光在波导片本体内全反射至该耦出区域，从耦出区域的第三结构子单元射出。其采用空间复用方式分配结构子单元，无需采用多层波导来分色实现彩色。本发明还涉及一种三维显示装置及眼镜。

Description

纳米波导镜片和三维显示装置及眼镜
技术领域
本发明涉及彩色显示技术领域，特别涉及一种纳米波导镜片和三维显示装置及眼镜。
背景技术
增强现实技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，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。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。随着虚拟现实和增强现实技术的发展，近眼式显示设备得到快速发展，利用传统光学元件耦合图像光进入人眼的方式已经被采用，包括使用棱镜、反射镜、自由曲面等。例如，谷歌眼镜采用的棱镜普遍厚度在10毫米左右，视场角仅15°,人们戴上眼镜后，往往只能看到一个极为袖珍的图像；爱普生的自由曲面棱镜，以及Meta的半反半透曲面方案，虽然具有较大视场角，但体积和厚度仍然难以缩减，画面效果、透过性也都一般，很难产生好的AR透视视觉效果。
目前主流的近眼式增强现实显示设备大多采用光波导原理。例如，
Hololens是将投影模块发射的图像光经过耦入光栅耦合至波导，光线在光波导内弯折、传导，自耦出光栅耦合至人眼，采用三片光波导镜片几何叠加的方式，实现彩色显示。Lumus通过阵列光栅设计实现AR显示，其显示具有扩瞳效果，但存在百叶窗效应，影响观看体验。因此，目前主流的显示方案无法做到显示单元轻薄化的同时实现良好的显示效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种纳米波导镜片，采用空间复用方式分配结构子单元，无需采用双层甚至多层波导来分色导光实现彩色。
一种纳米波导镜片，包括波导片本体，波导片本体的表面设有耦入区域和耦出区域，耦入区域和耦出区域内均设有多个结构单元像素，各结构单元像素包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单元；当图像光入射至耦入区域时，红光可从耦入区域的第一结构子单元进入波导片本体内，蓝光和绿光无法从第一结构子单元进入波导片本体内，红光在波导片本体内全反射至耦出区域，并从耦出区域的第一结构子单元射出；蓝光可从耦入区域的第二结构子单元进入波导片本体内，红光和绿光无法从第二结构子单元进入波导片本体内，蓝光在波导片本体内全反射至耦出区域，并可从耦出区域的第二结构子单元射出；绿光可从耦入区域的第三结构子单元进入波导片本体内，蓝光和红光无法从该耦入区域的第三结构子单元进入波导片本体内，绿光在波导片本体内全反射至该耦出区域，并可从耦出区域的第三结构子单元射出。
在本发明的实施例中，上述第一结构子单元包括多个第一衍射光栅，该第二结构子单元包括多个第二衍射光栅，该第三结构子单元包括多个第三衍射光栅。
在本发明的实施例中，上述第一衍射光栅的周期与红光的波长匹配；该第二衍射光栅的周期与蓝光的波长匹配；该第三衍射光栅的周期与绿光的波长匹配。
在本发明的实施例中，上述各该第一衍射光栅倾斜设置；各该第二衍射光栅倾斜设置；各该第三衍射光栅倾斜设置。
在本发明的实施例中，上述各该结构单元像素的尺寸为5～200μm。
在本发明的实施例中，上述波导片本体为单层结构。
本发明还提供一种三维显示装置，包括上述的纳米波导镜片。
在本发明的实施例中，上述三维显示装置还包括显示装置和透镜，该显示装置位于该纳米波导镜片的上方，该透镜设置于该显示装置与该纳米波导镜片之间，该显示装置发出的图像光经过该透镜后入射至该纳米波导镜片的耦入区域。
本发明还提供一种眼镜，包括上述的纳米波导镜片。
在本发明的实施例中，上述眼镜还包括镜框和镜腿，该镜腿的一端连接在该镜框上，该镜框上设有两块该纳米波导镜片，两块该纳米波导镜片的耦出区域与人眼对应设置。
本发明的纳米波导镜片的波导片本体的表面上设有耦入区域和耦出区域，耦入区域和耦出区域内均设有多个结构单元像素，各结构单元像素包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单元；当图像光入射至耦入区域时，红光可从耦入区域的第一结构子单元进入波导片本体内，蓝光和绿光无法从第一结构子单元进入波导片本体内，红光在波导片本体内全反射至耦出区域，并从耦出区域的第一结构子单元射出；蓝光可从耦入区域的第二结构子单元进入波导片本体内，红光和绿光无法从第二结构子单元进入波导片本体内，蓝光在波导片本体内全反射至耦出区域，并可从耦出区域的第二结构子单元射出；绿光可从耦入区域的第三结构子单元进入波导片本体内，蓝光和红光无法从该耦入区域的第三结构子单元进入波导片本体内，绿光在波导片本体内全反射至该耦出区域，并可从耦出区域的第三结构子单元射出。本发明的纳米波导镜片的无需采用复杂的波导结构，并且采用空间复用方式分配结构子单元，无需采用双层甚至多层波导来分色导光实现彩色，在制备工艺及技术成本上面更有优势。
附图说明
图1是本发明的纳米波导镜片的俯视结构示意图。
图2是图1所示的纳米波导镜片的剖视结构示意图。
图3a至图3c是本发明的结构单元像素在波导片本体上排布状态的示意图。
图4是本发明的三维显示装置的结构示意图。
图5是本发明的眼镜的结构示意图。
图6是本发明的增强现实显示装置的结构示意图。
图7是本发明第四实施例的微投系统的工作时的结构示意图。
图8是本发明第五实施例的微投系统的工作时的结构示意图。
图9是本发明第六实施例的纳米波导镜片的结构示意图。
图10是本发明的增强现实眼镜的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地描述。
第一实施例
图1是本发明的纳米波导镜片的俯视结构示意图。图2是图1所示的纳米波导镜片的剖视结构示意图。如图1和图2所示，纳米波导镜片10包括波导片本体11。波导片本体11的表面设有耦入区域11a和耦出区域11b。波导片本体11具有相对的第一表面101和第二表面102，第一表面101或第二表面102上，优选地，波导片本体11的第一表面101设有耦入区域11a和耦出区域11b，且耦入区域11a与耦出区域11b相互间隔设置。耦入区域11a和耦出区域11b内均设有多个结构单元像素12，各结构单元像素12包括第一结构子单元12a、第二结构子单元12b和第三结构子单元12c。在本实施例中，耦入区域11a和耦出区域11b的形状为圆形、矩形或锥形，但并不以此为限。
进一步地，第一结构子单元12a包括多个第一衍射光栅121，第一衍射光栅121的周期与红光的波长匹配。第二结构子单元12b包括多个第二衍射光栅122，第二衍射光栅122的周期与蓝光的波长匹配。第三结构子单元12c包括多个第三衍射光栅123，第三衍射光栅123的周期与绿光的波长匹配。在本实施例中，第一衍射光栅121、第二衍射光栅122和第三衍射光栅123的周期和取向角满足光栅方程，具体满足方程式(1)和(2)：
tanψ＝sinφ/(cosφ-nsinθ1(Λ/λ) (1)
其中，ψ表示衍射光的方位角；φ表示衍射光栅的取向角；θ1表示入射光的入射角；Λ表示衍射光栅的周期；λ表示入射光的波长；n表示衍射光栅的折射率；
sin2(θ2)＝(λ/Λ)2+(nsinθ1)2+2nsinθ1cosφ(λ/Λ) (2)
其中，θ2表示衍射光的衍射角。
当规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线衍射角和衍射方位角之后，就可以通过上述两个公式计算出所需的第一衍射光栅121、第二衍射光栅122和第三衍射光栅123的周期和取向角，具体计算过程请参照现有技术，此处不再赘述。
当图像光入射至耦入区域11a时，红光可从耦入区域11a的第一结构子单元12a进入波导片本体11内，蓝光和绿光无法从第一结构子单元12a进入波导片本体11内，红光在波导片本体11内全反射至耦出区域11b，并从耦出区域11b的第一结构子单元12a射出；
蓝光可从耦入区域11a的第二结构子单元12b进入波导片本体11内，红光和绿光无法从第二结构子单元12b进入波导片本体11内，蓝光在波导片本体11内全反射至耦出区域11b，并可从耦出区域11b的第二结构子单元12b射出；
绿光可从耦入区域11a的第三结构子单元12c进入波导片本体11内，蓝光和红光无法从耦入区域11a的第三结构子单元12c进入波导片本体11内，绿光在波导片本体11内全反射至耦出区域11b，并可从耦出区域11b的第三结构子单元12c射出，当红光、蓝光和绿光从耦出区域11b射出耦合后形成彩色图像。
图3a至图3c是本发明的结构单元像素在波导片本体上排布状态的示意图。如图3a至图3c所示，各第一衍射光栅121倾斜设置；各第二衍射光栅122倾斜设置；各第三衍射光栅123倾斜设置，且第一衍射光栅121、第二衍射光栅122和第三衍射光栅123的倾斜方向一致，倾斜设置的衍射光栅对波长具有选择性，避免色散，针对某一波段具有较高的衍射效率，例如红光可从耦入区域11a的第一结构子单元12a进入波导片本体11内、蓝光可从耦入区域11a的第二结构子单元12b进入波导片本体11内、绿光可从耦入区域11a的第三结构子单元12c进入波导片本体11内。在本实施例中，第一衍射光栅121、第二衍射光栅122和第三衍射光栅123可采用全息干涉技术、光刻技术或纳米压印技术制备而成，根据实际需要可自由选择。
各结构单元像素12的第一结构子单元12a、第二结构子单元12b和第三结构子单元12c的排布位置可根据实际需要自由选择，保证第一衍射光栅121、第二衍射光栅122和第三衍射光栅123处于倾斜状态即可。例如：第一结构子单元12a、第二结构子单元12b和第三结构子单元12c沿着波导片本体11的长度方向或宽度方向依次设置，如图3a所示。例如：第一结构子单元12a沿着波导片本体11的长度方向或宽度方向依次设置，第二结构子单元12b和第三结构子单元12c位于第一结构子单元12a的一侧，且第二结构子单元12b和第三结构子单元12c沿着波导片本体11的长度方向或宽度方向依次设置，如图3b所示。例如：第一结构子单元12a设置于第二结构子单元12b之间第三结构子单元12c之间，第二结构子单元12b、第一结构子单元12a和第三结构子单元12c依次倾斜设置，如图3c所示。
进一步地，各结构单元像素12的尺寸为5～200μm。
进一步地，波导片本体11为单层结构，彩色图像光经过耦入区域11a时形成红光、蓝光和绿光单色光进入导波片11，红光、蓝光和绿光在单层波导片本体11内发生全反射，且光线相互不干扰，红光、蓝光和绿光从耦出区域11b输出耦合形成彩色图像。波导片本体11的耦入区域11a和耦出区域11b分别设置多个分别对红光、蓝光和绿光进行衍射的结构单元像素12，充分利用空间资源通过单层镜片上的多个结构子单元实现多种波段光的有序传导。在不增加镜片的情况下，可以大幅缩小显示系统或装置的体积、质量，具有明显的轻薄化优势。
第二实施例
本发明还涉及一种三维显示装置，三维显示装置包括上述的纳米波导镜片10。
图4是本发明的三维显示装置的结构示意图。如图4所示，三维显示装置20还包括显示装置21和透镜22。显示装置21位于纳米波导镜片10的上方，透镜22设置于显示装置21与纳米波导镜片10之间，显示装置21发出的图像光经过透镜22后入射至纳米波导镜片10的耦入区域11a。
第三实施例
本发明还涉及一种眼镜，眼镜包括上述的纳米波导镜片10。
图5是本发明的眼镜的结构示意图。如图5所示，眼镜30还包括镜框31和镜腿32。镜腿32的一端连接在镜框31上，镜框31上设有两块纳米波导镜片10，两块纳米波导镜片10的耦出区域11b与人眼对应设置，耦入区域11a与镜腿32对应设置。在本实施例中，镜腿32与镜框31连接的端部设有容置腔，容置腔正对纳米波导镜片10的耦入区域11a，该容置腔内安装有显示屏(图未示)和DMD数字微镜阵列(图未示)。显示屏出射图像光，经过透镜组聚焦，图像光耦合至波导片本体11的耦入区域11a，经过各结构单元像素12的第一结构子单元12a、第二结构子单元12b和第三结构子单元12c传输至耦出区域11b，并从耦出区域11b输出至人眼，人眼接收来自纳米波导镜片10的耦合图像光，利用双眼视差，实现三维彩色显示。
第四实施例
本发明还涉及一种增强现实显示装置，增强现实显示装置包括上述的纳米波导镜片10。
图6是本发明的增强现实显示装置的结构示意图。如图6所示，增强现实显示装置40包括微投系统42和纳米波导镜片10。微投系统42设置于纳米波导镜片10的上方，微投系统42包括光源421和由光刻胶制成的功能薄膜422，功能薄膜422上设有聚焦成像的纳米结构,光源发出的光经过功能薄膜422后聚焦成像，图像光由纳米波导镜片10输出。
进一步地，微投系统42的光源可选自液晶投影机(Liquid Crystal onSilicon；LCOS)、投影仪(Digital Light Procession；DLP)、液晶显示器(Liquid Crystal Display；LCD)、发光二极管(LED)其中之一。
进一步地，纳米波导镜片10可以为第一实施例所述的单层结构，但并不以此为限，纳米波导镜片10也可为多层结构，优选地，纳米波导镜片10包括三片波导片本体12，三片波导片本体12堆叠设置，上层的波导片本体12的表面设有多个第一结构子单元12a，中层的波导片本体12的表面设有多个第二结构子单元12b，下层的波导片本体12的表面设有多个第三结构子单元12c，关于第一结构子单元12a、第二结构子单元12b和第三结构子单元12c的结构和功能请参照第一实施例，此处不再赘述。纳米波导镜片10的折射率为1.3～2.2。
在本实施例中，功能薄膜422为菲尼尔透镜，仅通过功能薄膜422便可以实现多组透镜的成像功能，减小了微投系统42的体积与重量，提高了用户舒适性。
图7是本发明第四实施例的微投系统的工作时的结构示意图。如图7所示，功能薄膜422表面的纳米结构为一系列锯齿型凹槽组成，功能薄膜422的中心区域的表面为椭圆弧面，从功能薄膜422的中心区域向边缘方向，各凹槽的角度不同，但每个凹槽将光线集中一处，形成中心焦点，每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平面光或聚光，这些凹槽均是采用光刻技术制作的纳米结构，因此纳米结构的尺度可以为纳米级，能极大压缩微投系统42的体积和重量。
第五实施例
图8是本发明第五实施例的微投系统的工作时的结构示意图。如图8所示，本实施例的增强现实显示装置40结构与第四实施例的增强现实显示装置40结构大致相同，不同点在于微投系统42结构不同。在本实施例中，功能薄膜422为纳米砖，仅通过功能薄膜422便可以实现多组透镜的成像功能，减小了微投系统42的体积与重量，提高了用户舒适性。
如图8所示，功能薄膜422的表面无序排布有多个纳米砖，使得功能薄膜422可以在平面上实现几何透镜的光学聚焦功能，这些纳米砖均是采用光刻技术制作的纳米结构，因此纳米结构的尺度可以为纳米级，能极大压缩微投系统42的体积和重量。
第六实施例
图9是本发明第六实施例的纳米波导镜片的结构示意图。如图9所示，本实施例的增强现实显示装置40结构与第四实施例的增强现实显示装置40结构大致相同，不同点在于纳米波导镜片10结构不同。
具体地，如图9所示，波导片本体11的表面还设有转折区域11c，转折区域11c内设有多个结构单元像素12，各结构单元像素12包括第一结构子单元12a、第二结构子单元12b和第三结构子单元12c，关于结构单元像素12的功能和作用请参照第一实施例，此处不再赘述。当图像光入射至耦入区域11a时，图像光在波导片本体11内全反射至转折区域11c，转折区域11c改变图像光的传播方向，使改变方向后的图像光全反射至耦出区域11b。在本实施例中，微投系统42出射的光线入射至纳米波导镜片10，光线经过弯折后出射至人眼，用户透过纳米波导镜片10在一定位置便可以看到所呈现的图像，实现虚实融合。纳米波导镜片10的转折区域11c改变了光线的传播方向，扩大了视角范围，更能满足用户需求。
第七实施例
本发明还涉及一种增强现实眼镜，增强现实眼镜包括上述的增强现实显示装置40。
图10是本发明的增强现实眼镜的结构示意图。如图10所示，增强现实眼镜50还包括框架51和支撑腿52，支撑腿52的一端连接在框架51上，框架51上设置有两块纳米波导镜片10，支撑腿52上设置有微投系统42。在本实施例中，左、右两个独立的微投系统42输出不同视差图像，从而实现立体三维显示。
本发明的纳米波导镜片10的波导片本体11的表面设有耦入区域11a和耦出区域11b，耦入区域11a和耦出区域11b内均设有多个结构单元像素12，各结构单元像素12包括第一结构子单元12a、第二结构子单元12b和第三结构子单元12c；当图像光入射至耦入区域11a时，红光可从耦入区域11a的第一结构子单元12a进入波导片本体11内，蓝光和绿光无法从第一结构子单元12a进入波导片本体11内，红光在波导片本体11内全反射至耦出区域11b，并从耦出区域11b的第一结构子单元12a射出；蓝光可从耦入区域11a的第二结构子单元12b进入波导片本体11内，红光和绿光无法从第二结构子单元12b进入波导片本体11内，蓝光在波导片本体11内全反射至耦出区域11b，并可从耦出区域11b的第二结构子单元12b射出；绿光可从耦入区域11a的第三结构子单元12c进入波导片本体11内，蓝光和红光无法从耦入区域11a的第三结构子单元12c进入波导片本体11内，绿光在波导片本体11内全反射至耦出区域11b，并可从耦出区域11b的第三结构子单元12c射出。本发明的纳米波导镜片10的无需采用复杂的波导结构，并且采用空间复用方式分配结构子单元12a、12b、12c，无需采用双层甚至多层波导来分色导光实现彩色，在制备工艺及技术成本上面更有优势。
本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种纳米波导镜片，其特征在于，包括波导片本体，该波导片本体的表面设有耦入区域和耦出区域，该耦入区域和该耦出区域内均设有多个结构单元像素，各该结构单元像素包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单元；
当图像光入射至该耦入区域时，红光可从该耦入区域的第一结构子单元进入该波导片本体内，蓝光和绿光无法从该第一结构子单元进入该波导片本体内，红光在该波导片本体内全反射至该耦出区域，并从该耦出区域的第一结构子单元射出；
蓝光可从该耦入区域的第二结构子单元进入该波导片本体内，红光和绿光无法从该第二结构子单元进入该波导片本体内，蓝光在该波导片本体内全反射至该耦出区域，并可从该耦出区域的第二结构子单元射出；
绿光可从该耦入区域的第三结构子单元进入该波导片本体内，蓝光和红光无法从该耦入区域的第三结构子单元进入该波导片本体内，绿光在该波导片本体内全反射至该耦出区域，并可从该耦出区域的第三结构子单元射出。
2.如权利要求1所述的纳米波导镜片，其特征在于，该第一结构子单元包括多个第一衍射光栅，该第二结构子单元包括多个第二衍射光栅，该第三结构子单元包括多个第三衍射光栅。
3.如权利要求2所述的纳米波导镜片，其特征在于，该第一衍射光栅的周期与红光的波长匹配；该第二衍射光栅的周期与蓝光的波长匹配；该第三衍射光栅的周期与绿光的波长匹配。
4.如权利要求2所述的纳米波导镜片，其特征在于，各该第一衍射光栅倾斜设置；各该第二衍射光栅倾斜设置；各该第三衍射光栅倾斜设置。
5.如权利要求1所述的纳米波导镜片，其特征在于，各该结构单元像素的尺寸为5～200μm。
6.如权利要求1所述的纳米波导镜片，其特征在于，该波导片本体为单层结构。
7.一种三维显示装置，其特征在于，包括权利要求1至6任意一项所述的纳米波导镜片。
8.如权利要求7所述的三维显示装置，其特征在于，该三维显示装置还包括显示装置和透镜，该显示装置位于该纳米波导镜片的上方，该透镜设置于该显示装置与该纳米波导镜片之间，该显示装置发出的图像光经过该透镜后入射至该纳米波导镜片的耦入区域。
9.一种眼镜，其特征在于，包括权利要求1至6任意一项所述的纳米波导镜片。
10.如权利要求9所述的眼镜，其特征在于，该眼镜还包括镜框和镜腿，该镜腿的一端连接在该镜框上，该镜框上设有两块该纳米波导镜片，两块该纳米波导镜片的耦出区域与人眼对应设置。
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