CN112859231A - 一种光栅波导光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅波导光学器件包括光学基板，光学基板设有两个互相平行的光学表面，分别为上表面和下表面，光学基板表面上设有光栅，光栅包括左转折光栅、右转折光栅、入射光栅和出射光栅。本发明提供的一种光栅波导光学器件的左转折光栅和右转折光栅的设置使入射光栅产生的两个方向的衍射光束均得到有效利用，提高光能传导效率并减少杂光；入射光栅产生的两束衍射光传导允许的角度范围是一束衍射光的两倍，增大了光栅波导的视场角；左转折光栅与右转折光栅紧邻设置，入射光栅设置在下表面，不会产生暗带，保证了波导器件光束传导的均匀性。本发明解决光栅波导器件能量利用率低，显示视场角小，光线传导不均匀的问题，作用效果显著。

Description

一种光栅波导光学器件

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，特别涉及，一种光栅波导光学器件。

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。但目前的光栅波导仍存在需要增大视场角，以及提高光能传导效率的问题。

目前，现有的光栅波导器件(参见图1)由于只利用了一个入射光栅一个方向的衍射光，能量利用率低，且容易产生杂光，影响整个光栅波导器件的性能；而且受到单侧衍射光束角度范围限制，光栅波导器件的显示视场角较小。现有的另一种设置两个转折光栅的光栅波导器件(参见图5)出射光栅的中央区域存在暗带，中央区域是光栅波导器件工作时人眼接受光栅的主要区域，此区域的暗带会严重影响光栅波导器件的工作性能。

针对上述问题，设计一种光学器件，解决现有技术所存在的能量利用率低，且容易产生杂光，影响整个光栅波导器件的性能；受到单侧衍射光束角度范围限制，光栅波导器件的显示视场角较小；光线传导均匀性差的问题。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种光栅波导光学器件，以解决现在技术所存在的能量利用率低，且容易产生杂光，影响整个光栅波导器件的性能；受到单侧衍射光束角度范围限制，光栅波导器件的显示视场角较小；光线传导均匀性差的问题。

本发明提供了一种光栅波导光学器件，包括光学基板，所述光学基板设有两个互相平行的光学表面，分别为上表面和下表面，所述光学基板上设有光栅，所述光栅包括：

左转折光栅，设置于所述上表面；

右转折光栅，与所述左转折光栅连接、且设置于所述上表面，所述右转折光栅和所述左转折光栅在所述下表面的投影区域为转折光栅区域；

入射光栅，设置于所述转折光栅区域内；

出射光栅，设置于所述左转折光栅和所述右转折光栅的同一侧。

优选地，以所述光学基板的厚度方向为Z轴方向，以所述左转折光栅与所述右转折光栅几何中心连线所在直线为Y轴，以同时与所述Y轴和所述Z轴垂直的方向为X轴方向，所述左转折光栅与所述右转折光栅关于所述上表面在所述X轴方向的中心线对称。

优选地，所述入射光栅为轴对称图形，其对称轴为所述下表面在所述X轴方向的中心线。

优选地，所述入射光栅的光栅线槽方向与所述X轴方向平行，其观察方向与所述Z轴方向平行。

优选地，所述出射光栅的光栅线槽方向与所述Y轴方向平行。

优选地，所述左转折光栅与所述右转折光栅的光栅线槽方向呈一定角度、且关于所述X轴对称。

优选地，所述左转折光栅与所述右转折光栅的光栅线槽方向夹角为90°。

优选地，所述出射光栅设置于所述上表面。

优选地，所述光栅为表面浮雕光栅或全息光栅。

由上述方案可知，本发明提供的一种光栅波导光学器件，与现有技术相比，左转折光栅和右转折光栅的设置使入射光栅产生的两个方向的衍射光束均得到有效利用，极大的提高光能传导效率，并减少杂光，提高了光栅波导的光效。入射光栅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，增大了光栅波导的视场角。左转折光栅与右转折光栅紧邻设置，中间没有间隙，入射光栅设置在下表面，因此不会产生暗带，保证了波导器件光束传导的均匀性，器件的性能显著提高。本发明解决光栅波导器件能量利用率低，显示视场角小的问题，同时解决光线传导均匀性问题，结构简单，作用效果显著，适于广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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为现有的光栅波导器件的结构示意图；

图2为现有的光栅波导器件的光栅波导原理示意图一；

图3为现有的光栅波导器件的光栅波导原理示意图二；

图4为现有的光栅波导器件的衍射光束在光学基板中传导的示意图；

图5为现有的另一种光栅波导器件的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种光栅波导光学器件的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种光栅波导光学器件的主视结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种光栅波导光学器件的光束沿Y轴传导的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种光栅波导光学器件的光束沿X轴传导的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种光栅波导光学器件的立体结构示意图。

图1-10中：

1、光学基板；2、入射光；3、投影系统；11、左转折光栅；12、右转折光栅；13、入射光栅；14、出射光栅；15、上表面；16、下表面；17、转折光栅；21、-1级衍射光；22、+1级衍射光；23、上衍射光束；211、左衍射光束；221、右衍射光束。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请一并参阅图1至图2，现有的光栅波导器件由光学基板1和位于光学基板1表面的光栅组成。光栅位于光学基板1的其中一个表面上，有三个光栅区域：一个入射光栅13、一个转折光栅17和一个出射光栅14，入射光栅13处于转折光栅17上侧，转折光栅17设在出射光栅14一侧。为方便说明，以空间内任一点为原点，以光学基板1厚度方向为Z轴，以入射光栅13与转折光栅17几何中心连线方向为Y轴，以与Y轴、Z轴同时垂直的直线方向为X轴，建立直角坐标系，其中，XY平面为水平面，水平面上指示的方向为水平方向，Z轴指示方向为竖直方向，入射光栅13几何中心到转折光栅17几何中心的方向为Y轴负方向。

请一并参阅图2至图3，光栅波导的工作原理为：投影系统3发出的带有图像信息的光线投射到入射光栅13上，入射光栅13衍射产生两束衍射光，+1级衍射光22和-1级衍射光21。当衍射光满足光学基板1的全反射条件，即入射到光学基板1两个表面的角度大于光学基板1的全反射临界角时，光束会产生全反射而在光学基板1中近乎无损传导。-1级衍射光21朝向-Y轴，即转折光栅17方向传导，当入射至转折光栅17区域中时，由于受到转折光栅17的衍射作用，在继续沿-Y轴方向传导的同时，产生朝向出射光栅14传导的一系列衍射光，这部分光传导至出射光栅14，被出射光栅14衍射后不再满足光学基板1的全反射条件而导出基板，进入人眼而被感知。入射光栅13产生的+1级衍射光22朝向+Y方向传导，无法传导至转折光栅17及出射光栅14，因此无法得到有效利用，能量利用率低，这部分光的一部分还会成为系统的杂散光，影响整个光栅波导器件的性能。

请参阅图4，上述光栅波导结构中，-1级衍射光21在光学基板1表面的入射角θ的范围限制了整个器件的视场角大小。-1级衍射光21在光学基板1中传导需满足全反射条件，因此，入射角θ的角度范围为：θ临界＜θ＜90°。θ临界取决于光学基板1材料折射率大小，通常在40度左右，当θ超过80°时，-1级衍射光束21的衍射效率已经降低到了几乎无法正常利用的程度，因此通常将θ控制在小于80°的范围内，即θ的范围通常为40°-80°，对应的光栅波导器件的视场角FOV小于40度，难以进一步大幅提升。受到单侧衍射光束角度范围限制，光栅波导器件的显示视场角较小。

请参阅图5，另一种光栅波导器件将入射光栅13设置在左转折光栅11和右转折光栅12之间，导致左转折光栅11和右转折光栅12之间存在较大的间隙D，这个间隙D会导致出射光栅14对应的区域无出射光线，即产生暗带。由于间隙D存在于光栅波导器件的出射光栅14的中央区域，因此，暗带也位于中央区域，中央区域是光栅波导器件工作时人眼接受光栅的主要区域，此区域的暗带会严重影响光栅波导器件的工作性能。

实施例1

请一并参阅图6至图10，现对本发明提供的一种光栅波导光学器件的一种具体实施方式进行说明。该种光栅波导光学器件包括光学基板1，光学基板1设有两个互相平行的光学表面，分别为上表面15和下表面16，光学基板1表面上设有光栅，光栅分成四个区域组成了光栅波导器件的四个主要功能区域，包括左转折光栅11、右转折光栅12、入射光栅13和出射光栅14，其中左转折光栅11设置于上表面15；右转折光栅12与左转折光栅11连接、且设置于上表面15，右转折光栅12和左转折光栅11在下表面16的投影区域为转折光栅区域；入射光栅13设置于转折光栅区域内；出射光栅14设置于左转折光栅11和右转折光栅12的同一侧，使得入射光栅13产生的衍射光经过左转折光栅11和右转折光栅12的衍射传导后均可入射到出射光栅14。

为方便说明，请参阅图6，以空间内任一点为原点，以光学基板1的厚度方向为Z轴，以左转折光栅11与右转折光栅12的几何中心连线方向为Y轴，以与Y轴、Z轴同时垂直的直线方向为X轴，建立直角坐标系，其中，左转折光栅11几何中心指向右转折光栅12几何中心的方向为Y轴正方向，左转折光栅11的衍射光束从左转折光栅11传导至出射光栅14的方向为X轴正方向。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“厚度”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示光学基板1及其上各部分间必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请一并参阅图7至图9，入射光栅13将入射光2朝向两个近似相对的方向衍射，一部分朝向+Y方向(这部分光通常为+1级衍射光22)，传导至右转折光栅12，在右转折光栅12中沿+Y方向反射传导的同时被右转折光栅12衍射，产生朝向出射光栅14传导且沿+Y方向扩展的一系列右衍射光束221；另一部分朝向-Y方向(这部分光通常为-1级衍射光21)，传导至左转折光栅11，在左转折光栅11中沿-Y方向反射传导的同时被左转折光栅11衍射，产生朝向出射光栅14传导且沿-Y方向扩展的一系列左衍射光束211。系列右衍射光束221和系列左衍射光束211传导至出射光栅14，在继续沿X方向反射传导的同时，被出射光栅14衍射从波导器件导出，从而产生沿X方向扩展的一系列上衍射光束23，进入人眼而被感知。

光学基板1材质可以是光学玻璃、光学塑料等光学材料。入射光栅13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，且使得导入光栅波导器件中的光束满足全反射条件(即光束入射到上表面15和下表面16的入射角大于全反射临界角)而近乎无损传导。入射光栅13沿Z轴方向观察，且完全位于转折光栅区域内。这样可以使入射光栅13产生的沿+Y轴的衍射光束完全进入右转折光栅12中，产生的沿-Y轴的衍射光束完全进入左转折光栅11中，避免入射光栅13产生的衍射光束传导至左转折光栅11和右转折光栅12以外的区域导致产生杂光、影响性能及光能损失，提升了能量利用率，也提升了光栅波导器件的显示视场角。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。在此，只要能够实现上述光学基板1相关性能作用的均在本申请文件保护的范围之内。

与现有技术相比，该种光栅波导光学器件的左转折光栅11和右转折光栅12的设置使入射光栅13产生的+1级和-1级两个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，并减少杂光，提高了光栅波导的光效。另外，入射光栅13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，因此这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，增大了光栅波导的视场角。本发明中左转折光栅11与右转折光栅12紧邻设置，中间没有间隙，使得入射光栅13产生的衍射光经过左转折光栅11和右转折光栅12的衍射后，向出射光栅14传导的光束中间无间隙，因此不会产生暗带，保证了波导器件光束传导的均匀性，光栅波导光线传导更均匀，器件的性能显著提高。入射光栅13设置在转折光栅区域，使入射光栅13产生的+1级衍射光22几乎全部传导至右转折光栅12中，产生的-1级衍射光21几乎全部传导至左转折光栅11中，保证光效。

实施例2

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请一并参阅图6至图10，本实施例提供的一种光栅波导光学器件的结构与实施例1基本相同，其不同之处在于左转折光栅11与右转折光栅12关于上表面15在X轴方向的中心线对称，且左转折光栅11与右转折光栅12之间几乎无间隙。右转折光栅12将入射光栅13的一部分衍射光束(通常为+1级衍射光束22)沿+Y方向扩展，同时产生朝向出射光栅14传导的衍射光束。左转折光栅11可以将入射光栅13的另外一部分衍射光束(通常为-1级衍射光束21)沿-Y方向扩展，同时产生朝向出射光栅14传导的衍射光束，出射光栅14可以将光束沿水平方向即X轴方向扩展，同时将光能量传导出光栅波导，从而使得光栅波导所传导的图像光束从出瞳出射并被人眼感知，使人看到虚拟图像。

在本实施例中，入射光栅13的光栅线槽方向与X轴方向平行，以使得更多的光能量沿Y轴和-Y轴衍射从被高效利用，其观察方向与Z轴方向平行。入射光栅13为轴对称图形，其对称轴为下表面16在X轴方向的中心线，对称轴与左转折光栅11和右转折光栅12的中间界线对齐，使得入射光栅13产生的+1级衍射光22高效的传导至右转折光栅12中，产生的-1级衍射光21传导至左转折光栅11中，避免-1级衍射光传21导至右转折光栅12以及+1级衍射光22传导至左转折光栅11从而导致的光能损失。

在本实施例中，光栅可以为表面浮雕光栅或全息光栅。出射光栅14可以设置于下表面16。左转折光栅11与右转折光栅12的光栅线槽方向呈一定角度、且关于X轴对称。左转折光栅11与右转折光栅12的光栅线槽方向夹角为90°。请参阅图10，左转折光栅11和右转折光栅12位于入射光栅13的两侧，接受来自入射光栅13的衍射光。右转折光栅12的光栅线槽方向与+X轴夹角为45°，从而使得由入射光栅13传导至右转折光栅12的光束可以产生朝向出射光栅14即X方向传导的衍射光。左转折光栅11的光栅线槽方向与+X轴夹角为-45°，从而使得由入射光栅13传导至左转折光栅11的光束可以产生朝向出射光栅14即X方向传导的衍射光。出射光栅14的光栅线槽方向与Y轴方向平行，可以使由左转折光栅11和右转折光栅12传导至出射光栅14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。

实施例3

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请一并参阅图6至图10，本实施例提供的一种光栅波导光学器件的结构与实施例2基本相同，其不同之处在于出射光栅14设置于上表面15。请参阅图8，入射光2入射到入射光栅13，入射光栅13产生两束衍射光：+1级衍射22和-1级衍射光21。+1级衍射光22入射到右转折光栅12，并沿Y轴方向在波导器件中反射传导，每次传导入射到右转折光栅12上均产生朝向出射光栅14传导的衍射光，从而产生一系列右衍射光束221。-1级衍射光21入射到左转折光栅11，并沿-Y轴方向在波导器件中反射传导，每次传导入射到左转折光栅11上均产生朝向出射光栅14传导的衍射光，从而产生一系列左衍射光束211。

请参阅图9，入射光2入射到入射光栅13，入射光栅13产生的衍射光入射到左转折光栅11和右转折光栅12，被左转折光栅11和右转折光栅12衍射后产生朝向出射光栅14传导的衍射光。这些衍射光传导至出射光栅14的区域时，在沿X轴方向在波导器件中继续反射传导的同时，被出射光栅14不断衍射，产生一系列耦出波导器件的上衍射光束23。上衍射光束23耦出波导器件后会进入人眼而被利用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种光栅波导光学器件，其特征在于，包括光学基板(1)，所述光学基板(1)设有两个互相平行的光学表面，分别为上表面(15)和下表面(16)，所述光学基板(1)上设有光栅，所述光栅包括：

左转折光栅(11)，设置于所述上表面(15)；

右转折光栅(12)，与所述左转折光栅(11)连接、且设置于所述上表面(15)，所述右转折光栅(12)和所述左转折光栅(11)在所述下表面(16)的投影区域为转折光栅区域；

入射光栅(13)，设置于所述转折光栅区域内；

出射光栅(14)，设置于所述左转折光栅(11)和所述右转折光栅(12)的同一侧。

2.根据权利要求1所述的一种光栅波导光学器件，其特征在于，以所述光学基板(1)的厚度方向为Z轴方向，以所述左转折光栅(11)与所述右转折光栅(12)几何中心连线所在直线为Y轴，以同时与所述Y轴和所述Z轴垂直的方向为X轴方向，所述左转折光栅(11)与所述右转折光栅(12)关于所述上表面(15)在所述X轴方向的中心线对称。

3.根据权利要求2所述的一种光栅波导光学器件，其特征在于，所述入射光栅(13)为轴对称图形，其对称轴为所述下表面(16)在所述X轴方向的中心线。

4.根据权利要求3所述的一种光栅波导光学器件，其特征在于，所述入射光栅(13)的光栅线槽方向与所述X轴方向平行，其观察方向与所述Z轴方向平行。

5.根据权利要求4所述的一种光栅波导光学器件，其特征在于，所述出射光栅(14)的光栅线槽方向与所述Y轴方向平行。

6.根据权利要求5所述的一种光栅波导光学器件，其特征在于，所述左转折光栅(11)与所述右转折光栅(12)的光栅线槽方向呈一定角度、且关于所述X轴对称。

7.根据权利要求6所述的一种光栅波导光学器件，其特征在于，所述左转折光栅(11)与所述右转折光栅(12)的光栅线槽方向夹角为90°。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种光栅波导光学器件，其特征在于，所述出射光栅(14)设置于所述上表面(15)。

9.根据权利要求8所述的一种光栅波导光学器件，其特征在于，所述光栅为表面浮雕光栅或全息光栅。

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