CN112859341B - 一种光波导及近眼显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及光学元件设计技术领域，公开了一种光波导，其包括基底、耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和/或所述耦出区域设置有具有至少一个光栅周期的一维波长复用光栅，在每一所述光栅周期内，所述一维波长复用光栅由至少一个蓝色通道的一维矩形光栅、至少一个绿色通道的一维矩形光栅和至少一个红色通道的一维矩形光栅组成，本发明实施例提供的光波导中采用了一种表面为由多个一级矩形光栅构成的多级垂直浮雕的光栅，其能够均匀化红、绿、蓝三色光的多角度耦合，减轻层叠结构带来的负重，应用于近眼显示设备中时，具有能够实现多色显示、且体积小的优点。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光学元件设计技术领域，特别涉及一种光波导及近眼显示设备。
背景技术
增强现实即AR(Augmented Reality)技术作为新一代显示技术，结合5G甚至6G等通讯手段，在未来具有巨大的商业和消费潜力，以及服务于公共领域安全的作用。目前已经发展较为成熟的技术方案如棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案等由于体积较大，限制了其在智能穿戴领域的应用。
因此，光波导是目前最有潜力的方案，其突破了体积这一限制。在这一技术中，几何阵列波导、表面浮雕、体全息波导等技术相继迭出。阵列波导由于阵列本身的尺度会带来画面的条纹效果和视场范围受限等问题，其技术方案的迭代速度已经减缓。表面浮雕和体全息光栅是目前研究较多的技术方向。利用纳米技术设计并制造一定图案的薄膜，进而调控光场衍射传播，能够突破视场角限制因而具有较大潜力。这其中，尤以表面浮雕光栅最为引人注目。其优势体现在，其制造难度相对全息光栅来说要小很多，成品率相应的提升，是未来5-10年最先能实现量产的衍射波导技术。
在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：目前市面上常见的光波导衍射方案，通常会对光波导的耦入区域和耦出区域的光栅进行优化，例如，利用闪耀光栅来实现光束的耦合，这种方案能够实现一定角度范围内的衍射均匀化，还有的，则采用倾斜光栅，优化后入射耦合效率能够达到80％以上，更有的，采用超结构垂直浮雕光栅，实现大角度的光束耦合，然而，如上述的光栅结构皆为单色光栅，若要实现多种颜色的显示时，需要增加额外的叠层结构，其制造难度和成本相对较高，且会导致光波导的体积较大。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供了一种结构简单、负重小、能够实现多种波长的光束复用耦合的光波导及近眼显示设备。
本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例中提供了一种光波导，包括：基底、耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和/或所述耦出区域设置有具有至少一个光栅周期的一维波长复用光栅，
在每一所述光栅周期内，所述一维波长复用光栅由至少一个蓝色通道的一维矩形光栅、至少一个绿色通道的一维矩形光栅和至少一个红色通道的一维矩形光栅组成。
在一些实施例中，所述一维波长复用光栅的光栅形状满足以下函数关系式：
A(x)＝GB(x)+GG(x)+GR(x)
其中，Gi＝B,G,R(x)表示蓝、绿、红三种颜色通道的一维矩形光栅的光栅形状函数，mi表示一维矩形光栅的高度，
表示一维矩形光栅的偏移距离，pi表示一维矩形光栅的光栅周期。
在一些实施例中，所述一维波长复用光栅的光栅周期为400-1000nm。
在一些实施例中，所述蓝色通道的一维矩形光栅的光栅周期为300-360nm，所述蓝色通道的一维矩形光栅的偏移距离为0-400nm，所述蓝色通道的一维矩形光栅的光栅高度为0-400nm。
在一些实施例中，所述绿色通道的一维矩形光栅的光栅周期为320-380nm，所述绿色通道的一维矩形光栅的偏移距离为0-500nm，所述绿色通道的一维矩形光栅的光栅高度为0-500nm。
在一些实施例中，所述红色通道的一维矩形光栅的光栅周期为400-600nm，所述红色通道的一维矩形光栅的偏移距离为0-700nm，所述红色通道的一维矩形光栅的光栅高度为0-700nm。
在一些实施例中，所述光波导还包括：转折区域，其设置在所述基底内，且设置在所述耦入区域和所述耦出区域的光路之间。
在一些实施例中，所述转折区域设置有所述一维波长复用光栅。
为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种近眼显示设备，包括：光机，以及如上述第一方面所述的光波导，所述光波导设置在所述光机的出光方向上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种光波导，其包括基底、耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和/或所述耦出区域设置有具有至少一个光栅周期的一维波长复用光栅，在每一所述光栅周期内，所述一维波长复用光栅由至少一个蓝色通道的一维矩形光栅、至少一个绿色通道的一维矩形光栅和至少一个红色通道的一维矩形光栅组成，本发明实施例提供的光波导中采用了一种表面为由多个一级矩形光栅构成的多级垂直浮雕的光栅，其能够均匀化红、绿、蓝三色光的多角度耦合，减轻层叠结构带来的负重，应用于近眼显示设备中时，具有能够实现多色显示、且体积小的优点。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例一提供的一种光波导的结构示意图；
图2是图1所示光波导中的一维波长复用光栅的结构示意图；
图3是图2所示一维光波导复用光栅的衍射效率示意图；
图4是图2所示一维光波导复用光栅中的衍射效率比示意图；
图5是采用图2所示一维光波导复用光栅的光波导的一种光线追迹(-10至10度)图；
图6是采用图2所示一维光波导复用光栅的光波导的另一种光线追迹(-40至-10度)图；
图7是本发明实施例一提供的第一种光波导形式的结构示意图；
图8是本发明实施例一提供的第二种光波导形式的结构示意图；
图9是本发明实施例一提供的中第三种光波导形式的结构示意图；
图10是本发明实施例二提供的一种近眼显示设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。
为了便于连接结构限定，本发明以光束的出光方向为参考进行部件的位置限定。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
实施例一
本发明实施例提供了一种光波导，请参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种光波导的结构，所述光波导包括：基底101、耦入区域102和耦出区域103，所述耦入区域102和/或所述耦出区域103设置有具有至少一个光栅周期的一维波长复用光栅，在每一所述光栅周期内，所述一维波长复用光栅由至少一个蓝色通道的一维矩形光栅、至少一个绿色通道的一维矩形光栅和至少一个红色通道的一维矩形光栅组成。具体地，所述每一颜色通道对应的一维矩形光栅的数量可根据实际需要进行设计，仅需满足至少包括一个蓝色通道的一维矩形光栅、一个绿色通道的一维矩形光栅和一个红色通道的一维矩形光栅，以实现波长复用。
具体地，请一并参见图2，其示出了图1所示光波导中的一维波长复用光栅的结构，如图2所示，本申请在单个光栅周期内复用了红绿蓝(RGB)三色的光栅形状，且各个周期中的光栅形状相同，从而实现了波长复用的光栅组合，所述一维波长复用光栅的光栅形状(图2中虚线所示)满足以下函数关系式：
A(x)＝GB(x)+GG(x)+GR(x)
其中，Gi＝B,G,R(x)表示蓝、绿、红三种颜色通道的一维矩形光栅的光栅形状函数，mi表示一维矩形光栅的高度，
表示一维矩形光栅的偏移距离，pi表示一维矩形光栅的光栅周期。通过如上述函数优化拟合得到的波长复用光栅，能够达到各个波长的光强均匀输出的。
所述一维波长复用光栅的光栅周期为400-1000nm。所述蓝色通道的一维矩形光栅的光栅周期为300-360nm，所述蓝色通道的一维矩形光栅的偏移距离为0-400nm，所述蓝色通道的一维矩形光栅的光栅高度为0-400nm。所述绿色通道的一维矩形光栅的光栅周期为320-380nm，所述绿色通道的一维矩形光栅的偏移距离为0-500nm，所述绿色通道的一维矩形光栅的光栅高度为0-500nm。所述红色通道的一维矩形光栅的光栅周期为400-600nm，所述红色通道的一维矩形光栅的偏移距离为0-700nm，所述红色通道的一维矩形光栅的光栅高度为0-700nm。所述基底101的材料优选为玻璃，且所述基底101的折射率为1.5-1.9。
基于上述光栅形状的优化函数，本发明实施例还通过优化算法对各波长的衍射效率在各个角度进行约束，从而优化得到如下一组波长复用光栅的光栅形状参数：所述蓝色通道的一维矩形光栅的光栅周期为332nm，其偏移距离为305nm，其光栅高度为292nm；所述绿色通道的一维矩形光栅的光栅周期为356nm，其偏移距离为406nm，其光栅高度为406nm；所述红色通道的一维矩形光栅的光栅周期为578nm，其偏移距离为438nm，其光栅高度为557nm。其中，所述一维波长复用光栅的光栅周期为800nm。所述基底101的材料为玻璃，且所述基底101的折射率为1.52。
且有，请一并参见图3和图4，图3示出了上述优化得到的一维光波导复用光栅的衍射效率，图4示出了上述优化得到的一维光波导复用光栅中的衍射效率比。通过图3不难看出，在-40度至10度的入射角范围内，红(R)、绿(G)、蓝(B)三色光之间的能量比例接近、衍射效率基本一致，在上述入射角范围内，RGB三色光的复用性较佳；通过图4不难看出，实线和虚线分别给出了绿色光(G)和红色光(R)与蓝色光(B)的比值在各个角度(-40度至10度的入射角)的变化，绿色光(G)和红色光(R)的比值(G/R)基本为1，绿色光(G)和蓝色光(B)的比值(G/B)也基本为1，在上述入射角范围内，同样能够看出，RGB三色光的复用性较佳。
基于上述以为光波导复用光栅，本申请提供了如图1所示的光波导设计，在该光波导中，且请一并参见图5和图6，其中，图5是采用图2所示一维光波导复用光栅作为耦入区域和耦出区域的光波导的一种光线追迹(-10至10度)图，图6是采用图2所示一维光波导复用光栅作为耦入区域和耦出区域的光波导的另一种光线追迹(-40至-10度)图。在图5和图6所示光波导中，耦入区域的一维光波导复用光栅(入射光栅)始于基底(玻璃)一端并且其总宽度为4mm，耦出区域的一维光波导复用光栅(出射光栅)起始于基底(玻璃)的另外一端且其总宽度为8mm，基底玻璃的宽度为40mm。通过图5不难看出，在-10至10度的入射角范围内，各个角度的耦入和耦出较好；通过图6不难看出，在-40度至-10度的入射角范围内，各个角度耦入和耦出也较好。
需要说明的是，在实际应用场景中，所述光波导中耦入区域、耦出区域、基底的尺寸、位置、材料、周期等可根据实际需要进行设计，构成所述一维光波导复用光栅的蓝、绿、红三种颜色通道的一维矩形光栅的尺寸、位置、材料、周期等同样的也可以根据实际需要进行设计，只需满足上述光栅形状的函数关系式即可，本发明实施例仅提供了一组以衍射效率和入射角为参考进行优化后得到的优化参数，因此，不需要拘泥于本发明实施例的限定。
进一步地，上述的一维波长复用光栅还可以应用在多种光波导的形式中，请一并参见图7、图8和图9，其分别示出了三种光波导的形式：
具体地，在图7所示光波导结构中，左侧矩形区域为耦入区域102，右侧矩形区域为耦出区域103，耦入区域102将光束耦入到波导片内进行全反射传播，耦出区域103将光束在一个方向上进行扩展，同时将光束耦出到人眼，本申请提供的一维波长复用光栅可以用于此种架构的光波导的耦入区域103或者耦出区域103中，且可以与其他形式的浮雕光栅结构、体全息光栅结构、偏振阵列薄膜结构、超表面结构和共振光栅等结构结合使用。
进一步地，所述光波导还可以包括：转折区域104，其设置在所述基底101内，且设置在所述耦入区域102和所述耦出区域103的光路之间。进一步地，所述转折区域104内也可以设置有所述一维波长复用光栅。例如，在图8所示光波导结构中，圆形区域为耦入区域102，右上角区域为转折区域104，右下角区域为耦出区域103，耦入区域102将光束耦入到波导片内部进行全反射传播，转折区域104使得光束在一个方向进行扩展，同时转折光束全反射传播方向，耦出区域103将光束在另一个方向上进行扩展，同时将光束耦出到人眼，本专利提出的复用三色RGB光栅结构可以用于此种架构的耦入区域102、转折区域104或者耦出区域103，且可以与其他形式的浮雕光栅结构、体全息光栅结构、偏振阵列薄膜结构、超表面结构和共振光栅等结构结合使用。
在图9所示光波导结构中，圆形区域为耦入区域102，方形区域为耦出区域103，耦入区域102将光束耦入到波导片内进行全反射传播，耦出区域103将光束在多个方向上进行扩展，同时耦出到人眼，本申请提供的一维波长复用光栅可以用于此种光波导架构的耦入区域102中。
需要说明的是，所述光波导的波导形式不限于上述图7、图8和图9三种形式，具体地，可根据实际需要对光波导中的耦入区域、耦出区域和/或转折区域进行设计，本发明实施例中所提供的一维波长复用光栅也可根据实际需要设置在光波导的耦入区域、耦出区域和/或转折区域中，不需要拘泥于本发明实施例的限定。
实施例二
本发明实施例提供了一种近眼显示设备，请参见图10，其示出了本发明实施例提供的一种近眼显示设备的结构，所述近眼显示设备包括：光机105，以及如上述实施例一所述的光波导(包括基底101、耦入区域102和耦出区域103)，所述光波导设置在所述光机105的出光方向上。
具体地，所述光波导的耦入区域102设置在所述光机105的出光方向上，所述光波导的耦出区域103朝向人眼106设置，所述光机105出射的光束从耦入区域102入射到光波导中，经基底传输后，从耦出区域103出射，在人眼106中成像。所述光波导进一步地还可以包括转折区域。
需要说明的是，本发明实施例所述的光波导为上述实施例一所述的光波导，所述光波导的具体形状、结构、尺寸等可参见上述实施例一所示，此处不再详述。
本发明实施例中提供了一种光波导，其包括基底、耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和/或所述耦出区域设置有具有至少一个光栅周期的一维波长复用光栅，在每一所述光栅周期内，所述一维波长复用光栅由至少一个蓝色通道的一维矩形光栅、至少一个绿色通道的一维矩形光栅和至少一个红色通道的一维矩形光栅组成，本发明实施例提供的光波导中采用了一种表面为由多个一级矩形光栅构成的多级垂直浮雕的光栅，其能够均匀化红、绿、蓝三色光的多角度耦合，减轻层叠结构带来的负重，应用于近眼显示设备中时，具有能够实现多色显示、且体积小的优点。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种光波导，其特征在于，包括：基底、耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和/或所述耦出区域设置有具有至少一个光栅周期的一维波长复用光栅，
在每一所述光栅周期内，所述一维波长复用光栅由至少一个蓝色通道的一维矩形光栅、至少一个绿色通道的一维矩形光栅和至少一个红色通道的一维矩形光栅组成；
所述一维波长复用光栅的光栅形状满足以下函数关系式：
A(x)＝GB(x)+GG(x)+GR(x)
其中，Gi＝B,G,R(x)表示蓝、绿、红三种颜色通道的一维矩形光栅的光栅形状函数，mi表示一维矩形光栅的高度，
表示一维矩形光栅的偏移距离，pi表示一维矩形光栅的光栅周期。
2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，
所述一维波长复用光栅的光栅周期为400-1000nm。
3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，
所述蓝色通道的一维矩形光栅的光栅周期为300-360nm，所述蓝色通道的一维矩形光栅的偏移距离为0-400nm，所述蓝色通道的一维矩形光栅的光栅高度为0-400nm。
4.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，
所述绿色通道的一维矩形光栅的光栅周期为320-380nm，所述绿色通道的一维矩形光栅的偏移距离为0-500nm，所述绿色通道的一维矩形光栅的光栅高度为0-500nm。
5.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，
所述红色通道的一维矩形光栅的光栅周期为400-600nm，所述红色通道的一维矩形光栅的偏移距离为0-700nm，所述红色通道的一维矩形光栅的光栅高度为0-700nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的光波导，其特征在于，
所述光波导还包括：转折区域，其设置在所述基底内，且设置在所述耦入区域和所述耦出区域的光路之间。
7.根据权利要求6所述的光波导，其特征在于，
所述转折区域设置有所述一维波长复用光栅。
8.一种近眼显示设备，其特征在于，包括：光机，以及如上述权利要求1-7任一项所述的光波导，所述光波导设置在所述光机的出光方向上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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