CN112987306A - 增强现实显示设备、体全息光波导结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增强现实显示设备、体全息光波导结构及其制备方法，体全息光波导结构包括多个耦入光栅、多个耦出光栅和光波导，其中，多个耦入光栅设置在光波导中，用于将不同颜色的光耦入至光波导中；光波导用于使耦入至其中的光产生全内反射；多个耦出光栅相对的设置在光波导中，并与多个耦入光栅相对应，用于将对应的耦入光栅耦入的光同轴且同向的耦出光波导。本发明提供的增强现实显示设备、体全息光波导结构及其制备方法能够实现彩色图像的显示，提高显示效果，提升用户体验。

Description

增强现实显示设备、体全息光波导结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，具体地，涉及一种增强现实显示设备、体全息光波导结构及其制备方法。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术是将真实世界信息和虚拟世界信息集成在一起的新技术，其将原本在现实世界的一定时间和空间范围内较难体验到的实体信息通过电脑等科学技术的模拟仿真后再叠加，将虚拟世界信息应用到真实世界中，并被人类感官所感知，从而实现超越现实的感官体验，真实环境和虚拟物体重叠在同一个画面或空间中同时存在。

目前增强现实显示设备，对于体全息光波导显示方案，由于光栅的波长选择性，使得采用体全息光波导结构的增强现实显示设备只能实现单色画面的显示，显示效果较差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种增强现实显示设备、体全息光波导结构及其制备方法，其能够实现彩色图像的显示，提高显示效果，提升用户体验。

为实现本发明的目的而提供一种体全息光波导结构，包括多个耦入光栅、多个耦出光栅和光波导，其中，多个所述耦入光栅设置在所述光波导中，用于将不同颜色的光耦入至所述光波导中；

所述光波导用于使耦入至其中的光产生全内反射；

多个所述耦出光栅相对的设置在所述光波导中，并与多个所述耦入光栅相对应，用于将对应的所述耦入光栅耦入的光同轴且同向的耦出所述光波导。

优选的，所述光波导的数量为多个，多个所述光波导相对间隔设置，且相邻的两个所述光波导之间填充有折射率低于相邻的两个所述光波导材料的介质，多个所述耦入光栅分别设置在多个所述光波导中，多个所述耦出光栅分别设置在多个所述光波导中，并与对应的所述耦入光栅设置在同一所述光波导中。

优选的，所述光波导的数量为两个，分别为第一光波导和第二光波导，所述耦入光栅的数量为三个，分别为第一耦入光栅、第二耦入光栅和第三耦入光栅，与多个所述耦入光栅对应的所述耦出光栅的数量为三个，分别第一耦出光栅、第二耦出光栅和第三耦出光栅，其中，所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅相对的设置在所述第一光波导中，所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅设置在所述第一光波导中，并位于第一耦出光栅和所述第二耦出光栅的两侧，所述第三耦入光栅和所述第三耦出光栅设置在所述第二光波导中。

优选的，所述第三耦入光栅与所述第一耦入光栅或所述第二耦入光栅相对设置。

优选的，所述体全息光波导结构还包括对应于所述第三耦出光栅的第四耦入光栅，所述第四耦入光栅设置在所述第二光波导中，并与所述第三耦入光栅位于所述第三耦出光栅的两侧，用于将与所述第三耦入光栅耦入的光的颜色相同的光耦入至所述第二光波导中，所述第三耦出光栅用于将所述第四耦入光栅耦入的光与所述第三耦入光栅耦入的光同轴且同向的耦出所述第二光波导。

优选的，所述第三耦入光栅与所述第一耦入光栅相对设置，所述第四耦入光栅与所述第二耦入光栅相对设置；或者，所述第三耦入光栅与所述第二耦入光栅相对设置，所述第四耦入光栅与所述第一耦入光栅相对设置。

优选的，所述第一耦入光栅、所述第二耦入光栅和所述第三耦入光栅用于将光学三原色中的不同颜色的光耦入至其所在的所述光波导中。

本发明还提供一种体全息光波导制备方法，用于制备如本发明提供的体全息光波导结构，包括以下步骤：

在所述光波导上涂覆光敏涂层；

分别向所述光敏涂层上与多个所述耦入光栅和多个所述耦出光栅对应的位置发射相互相干的第一相干光和第二相干光；

对所述光敏涂层进行曝光、显影及定影工艺，形成多个所述耦入光栅和多个所述耦出光栅；

其中，对应耦入光栅的所述第一相干光的波长与所述耦入光栅对应的颜色的光的波长相同，入射方向与所述耦入光栅所需使耦入的光产生衍射的衍射方向相同，对应耦出光栅的所述第一相干光的波长与所述耦出光栅对应的所述耦入光栅对应的颜色的光的波长相同，入射方向与所述耦出光栅对应的所述耦入光栅耦入的光入射至所述耦出光栅的入射方向相同，对应所述耦入光栅或所述耦出光栅的所述第二相干光的入射方向与所述耦入光栅或所述耦出光栅垂直。

优选的，用于制备如本发明提供的体全息光波导结构，向所述第三耦出光栅依次发射两组所述第一相干光和所述第二相干光，一组的所述第一相干光的波长与所述第三耦入光栅对应的颜色的光的波长相同，入射方向与所述第三耦入光栅所需使耦入的光产生衍射的衍射方向相同，另一组的所述第一相干光的波长与所述第四耦入光栅对应的颜色的光的波长相同，入射方向与所述第四耦入光栅所需使耦入的光产生衍射的衍射方向相同，两组的所述第二相干光的入射方向与所述第三耦出光栅垂直。

本发明还提供一种增强现实显示设备，包括图像发生组件和如本发明提供的体全息光波导结构，其中，所述图像发生组件用于分别向所述体全息光波导结构的多个所述耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光，所述体全息光波导结构用于将不同颜色的待显示图像光同轴且同向的耦出。

优选的，包括如本发明提供的体全息光波导结构，所述图像发生组件包括第一图像发生部件和第二图像发生部件，其中，所述第一图像发生部件用于向所述第三耦入光栅和与所述第三耦入光栅相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光，所述第二图像发生部件用于向未与所述第三耦入光栅相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光。

优选的，包括如本发明提供的体全息光波导结构，所述图像发生组件包括第一图像发生部件和第二图像发生部件，其中，所述第一图像发生部件用于向所述第三耦入光栅和与所述第三耦入光栅相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光，所述第二图像发生部件用于向所述第四耦入光栅和与所述第四耦入光栅相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的体全息光波导结构，借助多个耦入光栅将不同颜色的光耦入至光波导中，以借组光波导使耦入至其中的光产生全内反射，将耦入至其中的不同颜色的光传导至多个耦出光栅，以借助多个耦出光栅将对应的耦入光栅耦入的光同轴且同向的耦出光波导，使不同颜色的光同轴且同向的耦出，这样就可以通过将不同颜色所显示的待显示图像叠加在一起形成彩色图像，从而能够实现彩色图像的显示，提高显示效果，提升用户体验。

本发明提供的体全息光波导制备方法，通过制备如本发明提供的体全息光波导结构，能够实现彩色图像的显示，提高显示效果，提升用户体验。

本发明提供的增强现实显示设备，借助本发明提供的体全息光波导结构将不同颜色的待显示图像光同轴且同向的耦出，以通过将不同颜色所显示的待显示图像叠加在一起形成彩色图像，从而能够实现彩色图像的显示，提高显示效果，提升用户体验。

附图说明

图1为本发明实施例提供的增强现实显示设备及体全息光波导结构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的增强现实显示设备及体全息光波导结构传导红光待显示图像和绿光待显示图像的示意图；

图3为本发明实施例提供的增强现实显示设备及体全息光波导结构传导蓝光待显示图像和下一画面的蓝光待显示图像的示意图；

图4为本发明实施例提供的增强现实显示设备及体全息光波导结构传导下一画面的红光待显示图像和下一画面的绿光待显示图像的示意图；

图5为本发明实施例提供的增强现实显示设备及体全息光波导结构的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的体全息光波导制备方法制备第二耦出光栅的示意图；

图7为本发明实施例提供的体全息光波导制备方法制备第一耦入光栅、第一耦出光栅和第二耦入光栅的示意图；

图8为本发明实施例提供的体全息光波导制备方法制备第三耦入光栅、第三耦出光栅和第四耦入光栅的示意图；

图9为本发明实施例提供的体全息光波导制备方法制备第三耦出光栅的示意图；

图10为本发明实施例提供的体全息光波导制备方法的流程图；

附图标记说明：

11、第一光波导；12、第二光波导；13、第一耦入光栅；14、第二耦入光栅；15、第三耦入光栅；16、第四耦入光栅；17、第一耦出光栅；18、第二耦出光栅；19、第三耦出光栅；21、光敏涂层；22、第一图像发生部件；23、第二图像发生部件。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的增强现实显示设备、体全息光波导结构及其制备方法进行详细描述。

如图1和图5所示，本实施例提供一种体全息光波导结构，包括多个耦入光栅、多个耦出光栅和光波导，其中，多个耦入光栅设置在光波导中，用于将不同颜色的光耦入至光波导中；光波导用于使耦入至其中的光产生全内反射；多个耦出光栅相对的设置在光波导中，并与多个耦入光栅相对应，用于将对应的耦入光栅耦入的光同轴且同向的耦出光波导。

本发明实施例提供的体全息光波导结构，借助多个耦入光栅将不同颜色的光耦入至光波导中，以借组光波导使耦入至其中的光产生全内反射，将耦入至其中的不同颜色的光传导至多个耦出光栅，以借助多个耦出光栅将对应的耦入光栅耦入的光同轴且同向的耦出光波导，使不同颜色的光同轴且同向的耦出，这样就可以通过将不同颜色所显示的待显示图像叠加在一起形成彩色图像，从而能够实现彩色图像的显示，提高显示效果，提升用户体验。

以光学三原色(RGB)进行说明，光学三原色中的红色(R)和绿色(G)叠加会形成黄色，绿色和蓝色(B)叠加会形成青色，红色和蓝色叠加会形成亮紫，红色、绿色和蓝色叠加会形成白色，这里所说的颜色都是等量的100％颜色的叠加，而随着它们叠加的比例的不同，则可以形成不同的色彩。

在待显示图像中，待显示图像各处的红光、绿光和蓝光的比例是不同的，当多个耦入光栅将待显示图像的不同比例的例如红光待显示图像(即，待显示图像的红色画面)和绿光待显示图像(即，待显示图像的绿色画面)耦入至光波导中后，光波导会使耦入至其中的红光待显示图像和绿光待显示图像产生全内反射，将耦入至其中的红光待显示图像和绿光待显示图像在光波导内传导至多个耦出光栅，多个耦出光栅再将对应的耦入光栅耦入的红光待显示图像和绿光待显示图像同轴且同向的耦出光波导，使红光待显示图像和绿光待显示图像同轴且同向的耦出，这样就可以使红光待显示图像和绿光待显示图像叠加在一起，而由于红光待显示图像中各处的红光比例不同，绿光待显示图像中各处的绿光的比例不同，因此，当红光待显示图像和绿光待显示图像叠加在一起时，就可以形成彩色图像。

可选的，可以采用图像发生组件向耦入光栅发送单一光的待显示图像。

可选的，图像发生组件可以包括例如Micro-LED或Micro-OLED等微显示器。

可选的，图像发生组件向耦入光栅发送的待显示图像的轴向可以与对应的耦入光栅垂直，以使发送的待显示图像能够完全经过对应的耦入光栅的衍射而完全进入光波导中，从而避免漏光，进一步提高显示效果，提升用户体验。

可选的，耦出光栅耦出的待显示图像的轴向可以与光波导垂直，以使耦出的待显示图像能够完全耦出光波导中，从而避免漏光，进一步提高显示效果，提升用户体验。

如图1和图5所示，在本发明一优选实施例中，光波导的数量可以为多个，多个光波导相对间隔设置，且相邻的两个光波导之间填充有折射率低于相邻的两个光波导材料的介质，多个耦入光栅分别设置在多个光波导中，多个耦出光栅分别设置在多个光波导中，并与对应的耦入光栅设置在同一光波导中。

由于耦入光栅和耦出光栅具有波长的选择性，只能耦入或耦出同一种颜色的光，且由于多个耦出光栅需要相对设置，因此，通过增加光波导的数量可以增加耦入光栅和耦出光栅的数量，从而可以增加耦入和耦出光波导的颜色的种类，能够实现颜色更加丰富的彩色图像的显示，进一步提高显示效果，并提高彩色图像的成像速度，进一步提升用户体验。

在本发明实施例中，耦入光栅可以通过使对应的颜色的光产生衍射，将对应的颜色的光耦入至光波导中，由于全内反射的发生条件是在当光线从较高折射率的介质进入较低折射率的介质时，入射角大于临界角，则折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质，因此，需要在相邻的两个光波导之间填充有折射率低于相邻的两个光波导材料的介质，这样才可以使光线在光波导中发生全内反射。

可选的，折射率低于相邻的两个光波导材料的介质可以是空气。

如图5所示，在本发明一优选实施例中，光波导的数量可以为两个，分别为第一光波导11和第二光波导12，耦入光栅的数量可以为三个，分别为第一耦入光栅13、第二耦入光栅14和第三耦入光栅15，与多个耦入光栅对应的耦出光栅的数量可以为三个，分别第一耦出光栅17、第二耦出光栅18和第三耦出光栅19，其中，第一耦出光栅17和第二耦出光栅18相对的设置在第一光波导11中，第一耦入光栅13和第二耦入光栅14设置在第一光波导11中，并位于第一耦出光栅17和第二耦出光栅18的两侧，第三耦入光栅15和第三耦出光栅19设置在第二光波导12中。

下面以第一耦入光栅13用于将红光耦入至光波导中，第二耦入光栅14用于将绿光耦入至光波导中，第三耦入光栅15用于将蓝光耦入至光波导中为例对本发明实施例提供的体全息光波导结构进行说明。在借助本发明实施例提供的体全息光波导结构进行成像的过程中，可以借助图像发生组件同时分别向第一耦入光栅13、第二耦入光栅14和第三耦入光栅15发送向红光待显示图像、绿光待显示图像和蓝光待显示(即，待显示图像的蓝色画面)图像，即，同时向第一耦入光栅13发送红光待显示图像，向第二耦入光栅14发送绿光待显示图像，向第三耦入光栅15蓝光待显示图像。

当红光待显示图像到达第一耦入光栅13时，第一耦入光栅13可以使红光待显示图像产生衍射，将红光待显示图像耦入至第一光波导11中，当绿光待显示图像到达第二耦入光栅14时，第二耦入光栅14可以使绿光待显示图像产生衍射，将绿光待显示图像耦入至第一光波导11中，当蓝光待显示图像到达第三耦入光栅15时，第三耦入光栅15可以使蓝光待显示图像产生衍射，将蓝光待显示图像耦入至第二光波导12中，第一光波导11会使耦入至其中红光待显示图像(如图5中光线LR所示)和绿光待显示图像(如图5中光线LG所示)产生全内反射，将红光待显示图像和绿光待显示图像分别传导至第一耦出光栅17和第二耦出光栅18，第二光波导12会使耦入至其中蓝光待显示图像(如图5中光线LB所示)产生全内反射，将蓝光待显示图像传导至第三耦出光栅19。

当红光待显示图像到达第一耦出光栅17时，第一耦出光栅17可以使红光待显示图像产生衍射，将红光待显示图像耦出第一光波导11，当绿光待显示图像到达第二耦出光栅18时，第二耦出光栅18可以使绿光待显示图像产生衍射，将绿光待显示图像与红光待显示图像同轴且同向的耦出第一光波导11，当蓝光待显示图像到达第三耦出光栅19时，第三耦出光栅19可以使绿光待显示图像产生衍射，将绿光待显示图像与绿光待显示图像和红光待显示图像同轴且同向的耦出第二光波导12和第一光波导11，从而使红光待显示图像、绿光待显示图像和蓝光待显示图像叠加形成彩色图像。由于第一耦出光栅17、第二耦出光栅18和第三耦出光栅19相对设置，因此，第一耦出光栅17、第二耦出光栅18和第三耦出光栅19可以分别将红光待显示图像、绿光待显示图像和蓝光待显示图像同轴且同向的耦出。

在同时向第一耦入光栅13、第二耦入光栅14和第三耦入光栅15发送向红光待显示图像、绿光待显示图像和蓝光待显示图像时，图像发生组件可以包括三个图像发生部件，三个图像发生部件用于分别向第一耦入光栅13、第二耦入光栅14和第三耦入光栅15发送向红光待显示图像、绿光待显示图像和蓝光待显示图像。

但是，向第一耦入光栅13、第二耦入光栅14和第三耦入光栅15发送向红光待显示图像、绿光待显示图像和蓝光待显示图像的顺序并不限于同时发送，利用人眼的视觉暂留效应，也可以依次向第一耦入光栅13、第二耦入光栅14和第三耦入光栅15发送向红光待显示图像、绿光待显示图像和蓝光待显示图像，或者同时向第一耦入光栅13、第二耦入光栅14和第三耦入光栅15中的几个发送对应的颜色的待显示图像，以利用人眼的视觉暂留效应形成彩色的图像。可以理解的是，发送图像的顺序也可以是依次向第二耦入光栅14、第一耦入光栅13和第三耦入光栅15发送向绿光待显示图像、红光待显示图像和蓝光待显示图像，或者是依次向第三耦入光栅15、第二耦入光栅14和第一耦入光栅13发送向蓝光待显示图像、绿光待显示图像和红光待显示图像等顺序。

由于人眼的视觉暂留效应时间较短，因此，当图像发生组件可以包括三个图像发生部件时，各图像发生部件的刷新频率优选为大于或等于180Hz。

在本发明一优选实施例中，第三耦入光栅15可以与第一耦入光栅13或第二耦入光栅14相对设置。这样可以减少图像发生组件所使用的图像发生部件的数量，以降低增强现实显示设备成本，节省增强现实显示设备空间，减小增强现实显示设备的体积及重量。

如图5所示，以图像发生组件包括两个图像发生部件，分别为第一图像发生部件22和第二图像发生部件23，第三耦入光栅15与第一耦入光栅13相对设置为例进行说明。例如，可以先借助第一图像发生部件22显示红光待显示图像，以将红光待显示图像发送至第一耦入光栅13，并借助第二图像发生部件23显示绿光待显示图像，以将绿光待显示图像发送至第一耦入光栅13，红光待显示图像到达第一耦入光栅13，经过第一耦入光栅13产生衍射，被耦入至第一光波导11中产生全内反射到达第一耦出光栅17，经过第一耦出光栅17再次产生衍射被耦出第一光波导11到达人眼，同时绿光待显示图像到达第二耦入光栅14，经过第二耦入光栅14产生衍射，被耦入至第一光波导11中产生全内反射到达第二耦出光栅18，经过第二耦出光栅18再次产生衍射被耦出第一光波导11到达人眼。

然后，再借助第一图像发生部件22显示蓝光待显示图像，以将蓝光待显示图像发送至第三耦入光栅15，而第二图像发生部件23留白(即，显示暗态)，蓝光待显示图像到达第三耦入光栅15，经过第三耦入光栅15产生衍射，被耦入至第二光波导12中产生全内反射到达第三耦出光栅19，经过第三耦出光栅19再次产生衍射被耦出第二光波导12，并经过第二耦出光栅18和第一耦出光栅17到达人眼，由于第二耦出光栅18和第一耦出光栅17分别会对绿光待显示图像和红光待显示图像产生衍射，因此蓝光待显示图像可以穿过第二耦出光栅18和第一耦出光栅17到达人眼，并且，由于第一耦出光栅17、第二耦出光栅18和第三耦出光栅19相对设置，因此，第一耦出光栅17、第二耦出光栅18和第三耦出光栅19可以分别将红光待显示图像、绿光待显示图像和蓝光待显示图像同轴且同向的耦出，使红光待显示图像、绿光待显示图像和蓝光待显示图像叠加，利用人眼的视觉暂留效应就可以在人眼中形成彩色的图像。

由于人眼的视觉暂留效应时间较短，因此，第一图像发生部件22和第二图像发生部件23的刷新频率优选为大于或等于120Hz。

如图1所示，在本发明一优选实施例中，体全息光波导结构可以还包括对应于第三耦出光栅19的第四耦入光栅16，第四耦入光栅16可以设置在第二光波导12中，并与第三耦入光栅15位于第三耦出光栅19的两侧，用于将与第三耦入光栅15耦入的光的颜色相同的光耦入至第二光波导12中，第三耦出光栅19用于将第四耦入光栅16耦入的光与第三耦入光栅15耦入的光同轴且同向的耦出第二光波导12。

借助第四耦入光栅16可以提高成像的速度，例如，在借助第一图像发生部件22显示蓝光待显示图像，以将蓝光待显示图像发送至第三耦入光栅15是，第二图像发生部件23可以不留白(即，显示暗态)，而是显示下一帧画面的蓝光待显示图像，将下一帧画面的蓝光待显示图像发送至第四耦入光栅16，下一帧画面的蓝光待显示图像到达第四耦入光栅16，经过第四耦入光栅16产生衍射，被耦入至第二光波导12中产生全内反射到达第三耦出光栅19，经过第三耦出光栅19再次产生衍射被耦出第二光波导12，并经过第二耦出光栅18和第一耦出光栅17到达人眼，并且，由于第一耦出光栅17、第二耦出光栅18和第三耦出光栅19相对设置，因此，下一帧画面的蓝光待显示图像会与上一帧的彩色图像叠加。从而借助人眼的视觉暂留效应就可以在人眼中形成彩色的动态图像。

在本发明一优选实施例中，第三耦入光栅15可以与第一耦入光栅13相对设置，第四耦入光栅16可以与第二耦入光栅14相对设置；或者，第三耦入光栅15可以与第二耦入光栅14相对设置，第四耦入光栅16可以与第一耦入光栅13相对设置。

如图1-图4所示，以图像发生组件包括两个图像发生部件，分别为第一图像发生部件22和第二图像发生部件23，第三耦入光栅15与第一耦入光栅13相对设置，第四耦入光栅16与第二耦入光栅14相对设置为例进行说明。如图2所示，可以先借助第一图像发生部件22显示红光待显示图像，以将红光待显示图像发送至第一耦入光栅13，并借助第二图像发生部件23显示绿光待显示图像，以将绿光待显示图像发送至第一耦入光栅13，红光待显示图像(如图2中光线LR1所示)到达第一耦入光栅13，经过第一耦入光栅13产生衍射，被耦入至第一光波导11中产生全内反射到达第一耦出光栅17，经过第一耦出光栅17再次产生衍射被耦出第一光波导11到达人眼，同时绿光待显示图像(如图2中光线LG1所示)到达第二耦入光栅14，经过第二耦入光栅14产生衍射，被耦入至第一光波导11中产生全内反射到达第二耦出光栅18，经过第二耦出光栅18再次产生衍射被耦出第一光波导11到达人眼。

然后，如图3所示，再借助第一图像发生部件22显示蓝光待显示图像，以将蓝光待显示图像发送至第三耦入光栅15，并借助第二图像发生部件23显示下一帧画面的蓝光待显示图像，以将下一帧画面的蓝光待显示图像发送至第四耦入光栅16，蓝光待显示图像(如图3中光线LB1所示)到达第三耦入光栅15，经过第三耦入光栅15产生衍射，被耦入至第二光波导12中产生全内反射到达第三耦出光栅19，经过第三耦出光栅19再次产生衍射被耦出第二光波导12，并经过第二耦出光栅18和第一耦出光栅17到达人眼，同时下一帧画面的蓝光待显示图像(如图3中光线LB2所示)到达第四耦入光栅16，经过第四耦入光栅16产生衍射，被耦入至第二光波导12中产生全内反射到达第三耦出光栅19，经过第三耦出光栅19再次产生衍射被耦出第二光波导12，并经过第二耦出光栅18和第一耦出光栅17到达人眼，由于第二耦出光栅18和第一耦出光栅17分别会对绿光待显示图像和红光待显示图像产生衍射，因此蓝光待显示图像可以穿过第二耦出光栅18和第一耦出光栅17到达人眼，并且，由于第一耦出光栅17、第二耦出光栅18和第三耦出光栅19相对设置，因此，第一耦出光栅17、第二耦出光栅18和第三耦出光栅19可以分别将红光待显示图像、绿光待显示图像、蓝光待显示图像和下一帧画面的蓝光待显示图像同轴且同向的耦出，使红光待显示图像、绿光待显示图像、蓝光待显示图像和下一帧画面的蓝光待显示图像叠加。

如图4所示，之后再借助第一图像发生部件22显示下一帧画面的红光待显示图像(如图4中光线LR2所示)，以将下一帧画面的红光待显示图像发送至第一耦入光栅13，并借助第二图像发生部件23显示下一帧画面的绿光待显示图像(如图4中光线LG2所示)，以将下一帧画面的绿光待显示图像发送至第二耦入光栅14，如此循环，就可以利用人眼的视觉暂留效应就可以在人眼中形成彩色的动态图像。

由于人眼的视觉暂留效应时间较短，因此，第一图像发生部件22和第二图像发生部件23的刷新频率优选为大于或等于120Hz。

在本发明一优选实施例中，第一耦入光栅13、第二耦入光栅14和第三耦入光栅15可以用于将光学三原色中的不同颜色的光耦入至其所在的光波导中。

如图10所示，作为本发明的另一种技术方案，本发明实施例还提供一种体全息光波导制备方法，用于制备如本发明实施例提供的体全息光波导结构，包括以下步骤：

S1，在光波导上涂覆光敏涂层21；

S2，分别向光敏涂层21上与多个耦入光栅和多个耦出光栅对应的位置发射相互相干的第一相干光和第二相干光；

S3，对光敏涂层21进行曝光、显影及定影工艺，形成多个耦入光栅和多个耦出光栅；

其中，对应耦入光栅的第一相干光的波长与耦入光栅对应的颜色的光的波长相同，入射方向与耦入光栅所需使耦入的光产生衍射的衍射方向相同，对应耦出光栅的第一相干光的波长与耦出光栅对应的耦入光栅对应的颜色的光的波长相同，入射方向与耦出光栅对应的耦入光栅耦入的光入射至耦出光栅的入射方向相同，对应耦入光栅或耦出光栅的第二相干光的入射方向与耦入光栅或耦出光栅垂直。

本发明实施例提供的体全息光波导制备方法，通过制备如本发明提供的体全息光波导结构，能够实现彩色图像的显示，提高显示效果，提升用户体验。

如图6所示，以制备第一光波导11中的用于耦出绿光的第二耦出光栅18为例，先在第一光波导11上涂覆光敏涂层21，再向光敏涂层21上与第二耦出光栅18对应的位置发射相互相干的第一相干光L0和第二相干光L1，在光敏涂层21上与第二耦出光栅18对应的位置形成明暗相间的条纹，之后对光敏涂层21进行曝光、显影及定影工艺，就可以在第一光波导11上形成第二耦出光栅18，其中，第一相干光L0的波长与绿光的波长相同，第一相干光L0的入射方向与绿光经过第二耦入光栅14耦入至第一光波导11中，并经过第一光波导11的全内反射传导至第二耦出光栅18时，入射至第二耦出光栅18的入射角相同，第二相干光L1的入射方向与第二耦出光栅18垂直。

如图7所示，以制备第一光波导11中的用于耦入红光的第一耦入光栅13，用于耦出红光的第一耦出光栅17和用于耦入绿光的第二耦入光栅14为例，先在第一光波导11上涂覆光敏涂层21，再向光敏涂层21上与第一耦入光栅13对应的位置发射相互相干的第一相干光L01和第二相干光L11，在光敏涂层21上与第一耦入光栅13对应的位置形成明暗相间的条纹，并向光敏涂层21上与第一耦出光栅17对应的位置发射相互相干的第一相干光L02和第二相干光L12，在光敏涂层21上与第一耦出光栅17对应的位置形成明暗相间的条纹，并向光敏涂层21上与第二耦入光栅14对应的位置发射相互相干的第一相干光L03和第二相干光L13，在光敏涂层21上与第二耦入光栅14对应的位置形成明暗相间的条纹，之后对光敏涂层21进行曝光、显影及定影工艺，就可以在第一光波导11上形成第一耦入光栅13、第一耦出光栅17和第二耦入光栅14。

其中，第一相干光L01的波长与红光的波长相同，第一相干光L01的入射方向与第一耦入光栅13所需使耦入的红光产生衍射的衍射方向相同，第二相干光L11的入射方向与第一耦入光栅13垂直，第一相干光L02的波长与红光的波长相同，第一相干光L02的入射方向与红光经过第一耦入光栅13耦入至第一光波导11中，并经过第一光波导11的全内反射传导至第一耦出光栅17时，入射至第一耦出光栅17的入射角相同，第二相干光L12的入射方向与第一耦出光栅17垂直，第一相干光L03的波长与绿光的波长相同，第一相干光L03的入射方向与第二耦入光栅14所需使耦入的绿光产生衍射的衍射方向相同，第二相干光L13的入射方向与第二耦入光栅14垂直。

如图8所示，以制备第二光波导12中的用于耦入蓝光的第三耦入光栅15和第四耦入光栅16为例，先在第二光波导12上涂覆光敏涂层21，再向光敏涂层21上与第三耦入光栅15对应的位置发射第一相干光L011和第二相干光L111，在光敏涂层21上与第三耦入光栅15对应的位置形成明暗相间的条纹，并向光敏涂层21上与第四耦入光栅16对应的位置发射相互相干的第一相干光L033和第二相干光L133，在光敏涂层21上与第四耦入光栅16对应的位置形成明暗相间的条纹，之后对光敏涂层21进行曝光、显影及定影工艺，就可以在第二光波导12上形成第三耦入光栅15和第四耦入光栅16。

其中，第一相干光L011的波长与蓝光的波长相同，第一相干光L011的入射方向与第三耦入光栅15所需使耦入的蓝光产生衍射的衍射方向相同，第二相干光L111的入射方向与第三耦入光栅15垂直，第一相干光L033的波长与蓝光的波长相同，第一相干光L033的入射方向与第四耦入光栅16所需使耦入的蓝光产生衍射的衍射方向相同，第二相干光L133的入射方向与第四耦入光栅16垂直。

在本发明一优选实施例中，当需要制备能够将第三耦入光栅15和第四耦入光栅16耦入至第二光波导12中的光均耦出第二光波导12的第三耦出光栅19时，可以向第三耦出光栅19依次发射两组第一相干光和第二相干光，一组的第一相干光的波长与第三耦入光栅15对应的颜色的光的波长相同，入射方向与第三耦入光栅15所需使耦入的光产生衍射的衍射方向相同，另一组的第一相干光的波长与第四耦入光栅16对应的颜色的光的波长相同，入射方向与第四耦入光栅16所需使耦入的光产生衍射的衍射方向相同，两组的第二相干光的入射方向与第三耦出光栅19垂直。

如图8和图9所示，以制备能够将第三耦入光栅15和第四耦入光栅16耦入至第二光波导12中的蓝光均耦出第二光波导12的第三耦出光栅19为例，先在第一光波导11上涂覆光敏涂层21，再向光敏涂层21上与第三耦出光栅19对应的位置发射两组相互相干的第一相干光L022和第二相干光L122，以及第一相干光L0222和第二相干光L1222，在光敏涂层21上与第三耦出光栅19对应的位置形成明暗相间的条纹，之后对光敏涂层21进行曝光、显影及定影工艺，就可以在第二光波导12上形成第三耦出光栅19，其中，第一相干光L022的波长与蓝光的波长相同，第一相干光L022的入射方向与蓝光经过第三耦入光栅15耦入至第二光波导12中，并经过第二光波导12的全内反射传导至第三耦出光栅19时，入射至第三耦出光栅19的入射角相同，第二相干光L122的入射方向与第三耦出光栅19垂直，第一相干光L0222的波长与蓝光的波长相同，第一相干光L0222的入射方向与蓝光经过第四耦入光栅16耦入至第二光波导12中，并经过第二光波导12的全内反射传导至第三耦出光栅19时，入射至第三耦出光栅19的入射角相同，第二相干光L1222的入射方向与第三耦出光栅19垂直。

如图1和图5所示，作为本发明的另一个技术方案，本发明实施例还提供一种增强现实显示设备，包括图像发生组件和如本发明实施例提供的体全息光波导结构，其中，图像发生组件用于分别向体全息光波导结构的多个耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光，体全息光波导结构用于将不同颜色的待显示图像光同轴且同向的耦出。

本发明实施例提供的增强现实显示设备，借助本发明实施例提供的体全息光波导结构将不同颜色的待显示图像光同轴且同向的耦出，以通过将不同颜色所显示的待显示图像叠加在一起形成彩色图像，从而能够实现彩色图像的显示，提高显示效果，提升用户体验。

如图5所示，在本发明一优选实施例中，光波导可以包括第一光波导11和第二光波导12，耦入光栅可以包括第一耦入光栅13、第二耦入光栅14和第三耦入光栅15，与耦入光栅对应的耦出光栅可以包括第一耦出光栅17、第二耦出光栅18和第三耦出光栅19，第一耦出光栅17和第二耦出光栅18相对的设置在第一光波导11中，第一耦入光栅13和第二耦入光栅14设置在第一光波导11中，并位于第一耦出光栅17和第二耦出光栅18的两侧，第三耦入光栅15和第三耦出光栅19设置在第二光波导12中，且第三耦入光栅15可以与第一耦入光栅13或第二耦入光栅14相对设置，图像发生组件可以包括第一图像发生部件22和第二图像发生部件23，其中，第一图像发生部件22用于向第三耦入光栅15和与第三耦入光栅15相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光，第二图像发生部件23用于向未与第三耦入光栅15相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光。

如图5所示，例如第三耦入光栅15与第一耦入光栅13相对设置，而第二耦入光栅14未与第三耦入光栅15相对设置，则第一图像发生部件22用于向第三耦入光栅15和第一耦入光栅13发射对应的颜色的待显示图像光，第二图像发生部件23用于向第二耦入光栅14发射对应的颜色的待显示图像光。这样可以减少图像发生组件所使用的图像发生部件的数量，以降低增强现实显示设备成本，节省增强现实显示设备空间，减小增强现实显示设备的体积及重量。

如图1所示，在本发明一优选实施例中，体全息光波导结构可以还包括对应于第三耦出光栅19的第四耦入光栅16，第四耦入光栅16设置在第二光波导12中，并与第三耦入光栅15位于第三耦出光栅19的两侧，用于将与第三耦入光栅15耦入的光的颜色相同的光耦入至第二光波导12中，第三耦出光栅19用于将第四耦入光栅16耦入的光与第三耦入光栅15耦入的光同轴且同向的耦出第二光波导12，且第三耦入光栅15可以与第一耦入光栅13相对设置，第四耦入光栅16可以与第二耦入光栅14相对设置；或者，第三耦入光栅15可以与第二耦入光栅14相对设置，第四耦入光栅16可以与第一耦入光栅13相对设置，图像发生组件可以包括第一图像发生部件22和第二图像发生部件23，其中，第一图像发生部件22用于向第三耦入光栅15和与第三耦入光栅15相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光，第二图像发生部件23用于向第四耦入光栅16和与第四耦入光栅16相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光。

如图1所示，例如第三耦入光栅15与第一耦入光栅13相对设置，第四耦入光栅16与第二耦入光栅14相对设置，则第一图像发生部件22用于向第三耦入光栅15和第一耦入光栅13发射对应的颜色的待显示图像光，第二图像发生部件23用于向第四耦入光栅16和第二耦入光栅14发射对应的颜色的待显示图像光。这样可以减少图像发生组件所使用的图像发生部件的数量，以降低增强现实显示设备成本，节省增强现实显示设备空间，减小增强现实显示设备的体积及重量。

综上所述，本发明实施例提供的增强现实显示设备、体全息光波导结构及其制备方法能够实现彩色图像的显示，提高显示效果，提升用户体验。

可以解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种体全息光波导结构，其特征在于，包括多个耦入光栅、多个耦出光栅和光波导，其中，多个所述耦入光栅设置在所述光波导中，用于将不同颜色的光耦入至所述光波导中；

所述光波导用于使耦入至其中的光产生全内反射；

多个所述耦出光栅相对的设置在所述光波导中，并与多个所述耦入光栅相对应，用于将对应的所述耦入光栅耦入的光同轴且同向的耦出所述光波导。

2.根据权利要求1所述的体全息光波导结构，其特征在于，所述光波导的数量为多个，多个所述光波导相对间隔设置，且相邻的两个所述光波导之间填充有折射率低于相邻的两个所述光波导材料的介质，多个所述耦入光栅分别设置在多个所述光波导中，多个所述耦出光栅分别设置在多个所述光波导中，并与对应的所述耦入光栅设置在同一所述光波导中。

3.根据权利要求2所述的体全息光波导结构，其特征在于，所述光波导的数量为两个，分别为第一光波导和第二光波导，所述耦入光栅的数量为三个，分别为第一耦入光栅、第二耦入光栅和第三耦入光栅，与多个所述耦入光栅对应的所述耦出光栅的数量为三个，分别第一耦出光栅、第二耦出光栅和第三耦出光栅，其中，所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅相对的设置在所述第一光波导中，所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅设置在所述第一光波导中，并位于第一耦出光栅和所述第二耦出光栅的两侧，所述第三耦入光栅和所述第三耦出光栅设置在所述第二光波导中。

4.根据权利要求3所述的体全息光波导结构，其特征在于，所述第三耦入光栅与所述第一耦入光栅或所述第二耦入光栅相对设置。

5.根据权利要求3所述的体全息光波导结构，其特征在于，所述体全息光波导结构还包括对应于所述第三耦出光栅的第四耦入光栅，所述第四耦入光栅设置在所述第二光波导中，并与所述第三耦入光栅位于所述第三耦出光栅的两侧，用于将与所述第三耦入光栅耦入的光的颜色相同的光耦入至所述第二光波导中，所述第三耦出光栅用于将所述第四耦入光栅耦入的光与所述第三耦入光栅耦入的光同轴且同向的耦出所述第二光波导。

6.根据权利要求5所述的体全息光波导结构，其特征在于，所述第三耦入光栅与所述第一耦入光栅相对设置，所述第四耦入光栅与所述第二耦入光栅相对设置；或者，所述第三耦入光栅与所述第二耦入光栅相对设置，所述第四耦入光栅与所述第一耦入光栅相对设置。

7.根据权利要求3所述的体全息光波导结构，其特征在于，所述第一耦入光栅、所述第二耦入光栅和所述第三耦入光栅用于将光学三原色中的不同颜色的光耦入至其所在的所述光波导中。

8.一种体全息光波导制备方法，用于制备如权利要求1-7任意一项所述的体全息光波导结构，其特征在于，包括以下步骤：

在所述光波导上涂覆光敏涂层；

分别向所述光敏涂层上与多个所述耦入光栅和多个所述耦出光栅对应的位置发射相互相干的第一相干光和第二相干光；

对所述光敏涂层进行曝光、显影及定影工艺，形成多个所述耦入光栅和多个所述耦出光栅；

其中，对应耦入光栅的所述第一相干光的波长与所述耦入光栅对应的颜色的光的波长相同，入射方向与所述耦入光栅所需使耦入的光产生衍射的衍射方向相同，对应耦出光栅的所述第一相干光的波长与所述耦出光栅对应的所述耦入光栅对应的颜色的光的波长相同，入射方向与所述耦出光栅对应的所述耦入光栅耦入的光入射至所述耦出光栅的入射方向相同，对应所述耦入光栅或所述耦出光栅的所述第二相干光的入射方向与所述耦入光栅或所述耦出光栅垂直。

9.根据权利要求8所述的体全息光波导制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求5所述的体全息光波导结构，向所述第三耦出光栅依次发射两组所述第一相干光和所述第二相干光，一组的所述第一相干光的波长与所述第三耦入光栅对应的颜色的光的波长相同，入射方向与所述第三耦入光栅所需使耦入的光产生衍射的衍射方向相同，另一组的所述第一相干光的波长与所述第四耦入光栅对应的颜色的光的波长相同，入射方向与所述第四耦入光栅所需使耦入的光产生衍射的衍射方向相同，两组的所述第二相干光的入射方向与所述第三耦出光栅垂直。

10.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括图像发生组件和如权利要求1-7任意一项所述的体全息光波导结构，其中，所述图像发生组件用于分别向所述体全息光波导结构的多个所述耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光，所述体全息光波导结构用于将不同颜色的待显示图像光同轴且同向的耦出。

11.根据权利要求10所述的增强现实显示设备，其特征在于，包括如权利要求4所述的体全息光波导结构，所述图像发生组件包括第一图像发生部件和第二图像发生部件，其中，所述第一图像发生部件用于向所述第三耦入光栅和与所述第三耦入光栅相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光，所述第二图像发生部件用于向未与所述第三耦入光栅相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光。

12.根据权利要求10所述的增强现实显示设备，其特征在于，包括如权利要求6所述的体全息光波导结构，所述图像发生组件包括第一图像发生部件和第二图像发生部件，其中，所述第一图像发生部件用于向所述第三耦入光栅和与所述第三耦入光栅相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光，所述第二图像发生部件用于向所述第四耦入光栅和与所述第四耦入光栅相对设置的耦入光栅发射对应的颜色的待显示图像光。

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