CN113009694A - 一种基于彩色双层光栅波导片的光机模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于彩色双层光栅波导片的光机模组，包括：LED灯、菲涅尔透镜、彩色双层光栅波导片、PBS器件和反射式像源芯片；光栅波导片的基底厚度可控，且光路可折叠，可控制照明光路的体积，减少佩戴时的阻挡。同时，LED的光线可以通过改变双层波导的光栅结构来进行调制，使所需波长的+1级衍射效率最大化且强度分布均匀。

Description

一种基于彩色双层光栅波导片的光机模组
技术领域
本发明涉及照明装置技术领域，特别是涉及一种基于彩色双层光栅波导片的光机模组。
背景技术
增强现实(Augmented Reality,AR)是一种将现实世界信息和虚拟世界信息叠加后通过透明或半透明的显示装置投射至人眼的技术，结合相关的算法，即可实现所需的功能。由于AR技术能够对真实环境信息进行增强输出，其在军工、三维建模、实时跟踪、医疗技术等方面具有广泛的应用。目前，市场上的透射式AR产品主要设计方向有两种，一个是几何光波导方向，一个是衍射光波导方向。几何光波导主要是通过阵列排布的反射镜传播光线至目标位置输出到人眼。衍射光波导方向分为全息光波导和浮雕光栅光波导，全息光波导具有透明度高、衍射效率高的优势；浮雕光栅光波导具备大视场，不容易产生伪影，且可量产的优势。
但是，AR眼镜仍存在一些挑战，如照明模组体积过大，波导片视场角有限等。针对目前AR眼镜的照明劣势。现有较为常用的光机模组主要由光学镜片组、LED灯、LCOS屏及PBS等组成。如图2所示，该方法光路主要由LED灯、透镜组、PBS、LCOS屏组成。LED灯发出的光线通过透镜组后，被调制为准直均匀的面光源，接着光线直线传播至PBS后，部分光线经过PBS反射至LCOS屏的表面，再次由LCOS屏反射至PBS的半反半透面，直接透射出射。这种光机设计方案，中间透镜组有固定大小，体积较大。光机模组过大，会致使波导片设计的原本视场受到阻挡，且人眼佩戴会有所不适。同时，LED灯发出的光不是强度均匀的光，导致照射至LCOS屏上的光，中间强边缘弱。
目前，也有技术人员提出用光栅波导片代替光学透镜组和PBS实现光机小体积的方法，LED灯发出的光线通过光栅耦入方式/波导倾斜反射面反射方式传播入平行波导内进行全反射传播，接着光线经过波导内另一端的耦出光栅从平行波导出射至LCOS屏，光线从LCOS屏反射出射再次进入平行波导中，最后从平行波导的底部出射。这种光机设计方法有效减小了照明模组体积，但是从照明波导片出射的光线强度会大大下降，另外色彩均匀度也会有所牺牲。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于彩色双层光栅波导片的光机模组，通过光栅波导片替换透镜组的方法，对光路进行折叠来减小光机体积，同时将光栅波导片设计成双层彩色衍射波导，来提高照明的色彩均匀性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于彩色双层光栅波导片的光机模组，包括：
LED灯，用于发射光线；
菲涅尔透镜，设置在所述LED灯的发射光路上，用于对所述LED灯发射的光线进行准直；
彩色双层光栅波导片，设置在所述菲涅尔透镜的出射光路上，用于对准直后的光线进行衍射传播；
PBS器件，设置在所述彩色双层光栅波导片的出射光路上，用于将衍射后的光线传播至反射式像源芯片上；
反射式像源芯片，用于将PBS器件传播的光线反射到所述PBS器件，再经所述PBS器件反射出去。
进一步地，所述彩色双层光栅波导片包括上层波导片和下层波导片。
进一步地，所述上层波导片为蓝绿光衍射波导片，所述下层波导片为红光衍射波导片。
进一步地，所述上层波导片为蓝光衍射波导片，所述下层波导片为红绿光衍射波导片。
进一步地，所述上层波导片为蓝绿光衍射波导片，所述下层波导片为红绿光衍射波导片。
进一步地，所述上层波导片和所述下层波导片均包括耦入光栅和耦出光栅。
进一步地，所述耦入光栅为一维光栅结构或超表面光栅结构。
进一步地，所述耦出光栅为一维光栅结构或二维光栅结构。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的基于彩色双层光栅波导片的光机模组包括：LED灯、菲涅尔透镜、彩色双层光栅波导片、PBS器件和反射式像源芯片；光栅波导片的基底厚度可控，且光路可折叠，可控制照明光路的体积，减少佩戴时的阻挡。同时，LED的光线可以通过改变双层波导的光栅结构来进行调制，使所需波长的+1级衍射效率最大化且强度分布均匀。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于彩色双层光栅波导片的光机模组的结构示意图；
图2为常用的光机模组的结构示意图；
图3为本发明实施例耦入光栅为一维结构的示意图；
图4为本发明实施例耦入光栅为超表面光栅结构的示意图；
图5为本发明实施例耦出光栅的结构示意图。
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。
本发明的目的是提供一种基于彩色双层光栅波导片的光机模组，通过光栅波导片替换透镜组的方法，对光路进行折叠来减小光机体积，同时将光栅波导片设计成双层彩色衍射波导，来提高照明的色彩均匀性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的基于彩色双层光栅波导片的光机模组，包括：LED灯1、菲涅尔透镜2、彩色双层光栅波导片、反射式像源芯片5以及PBS器件(Polarization BeamSplitter,偏振分光棱镜)6。所述反射式像源芯片5可以为LCOS(Liquid Crystal onSilicon，液晶附硅)屏幕。
LED灯1用于发射光线。
菲涅尔透镜2设置在所述LED灯1的发射光路上，用于对所述LED灯1发射的光线进行准直。
彩色双层光栅波导片，设置在所述菲涅尔透镜2的出射光路上，用于对准直后的光线进行衍射传播。
PBS器件6设置在所述彩色双层光栅波导片的出射光路上，用于将衍射后的光线投射到反射式像源芯片5上。
反射式像源芯片5用于将PBS器件6传播的光线反射到所述PBS器件6，再经所述PBS器件6反射出去。
其中，彩色双层光栅波导片包括上层波导片3和下层波导片4。所述上层波导片3为蓝绿光衍射波导片，所述下层波导片4为红光衍射波导片；或者，所述上层波导片3为蓝光衍射波导片，所述下层波导片4为红绿光衍射波导片；再或者，上层波导片3为蓝绿光衍射波导片，下层波导片4为红绿光衍射波导片。
所述上层波导片3和所述下层波导片4均包括耦入光栅i和耦出光栅j。所述耦入光栅i可以为一维光栅结构，形状为梯形结构，斜齿结构，锥形结构不等，如图3所示；亦可以为超表面光栅结构，如图4所示。所述耦出光栅j为一维光栅结构或二维光栅结构，如图5所示。
工作原理如下：
LED灯1发射的光线，经过菲涅尔透镜2准直后照射至上层波导片3上，光线一部分通过上层波导片3的耦入光栅后反生衍射，另一部分光线经过上层波导片3进入下层波导片4中，+1级衍射级光线在上层波导片3内进行全内反射，最后+1级衍射光线经过上层波导片3的耦出光栅衍射出射，出射的光线通过PBS器件6透射至反射式像源芯片表面，接着光线从反射式像源芯片反射传播至PBS的半反半透面，反射出射，PBS器件6可以降低反射式像源芯片反射的光线进入到光栅波导片进行再次全反射传播的几率，提高照明模组的光强及工作效率。其中，下层波导片4同理。
光栅波导片的基底厚度可控，且光路可折叠，可控制照明光路的体积，减少佩戴时的阻挡。同时，LED的光线可以通过改变双层波导的光栅结构来进行调制，使所需波长的+1级衍射效率最大化且强度分布均匀。
具体实施例：
本实施例中，耦入光栅选择闪耀光栅结构，耦出光栅选择圆柱型光栅结构，呈六角形分布，红、蓝、绿光的设计波长分别为617nm、460nm、525nm。根据波导片设计理论，得到一个实施例，如以下表格所示。
表1蓝、绿光波导片的设计参数
耦入光栅周期 410nm
耦入区域直径 2mm
耦入光栅高度 300nm
耦出区域大小 5.8928×4.4196mm
耦出光栅周期 810nm
耦出光栅高度 300nm
耦出光栅直径 210nm
基底厚度 0.4mm
基底材料 H-K9
表2红光波导片的设计参数
Figure BDA0002953998180000051
Figure BDA0002953998180000061
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他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于彩色双层光栅波导片的光机模组，其特征在于，包括：
LED灯，用于发射光线；
菲涅尔透镜，设置在所述LED灯的发射光路上，用于对所述LED灯发射的光线进行准直；
彩色双层光栅波导片，设置在所述菲涅尔透镜的出射光路上，用于对准直后的光线进行衍射传播；
PBS器件，设置在所述彩色双层光栅波导片的出射光路上，用于将衍射后的光线传播至反射式像源芯片上；
反射式像源芯片，用于将PBS器件传播的光线反射到所述PBS器件，再经所述PBS器件反射出去。
2.根据权利要求1所述的基于彩色双层光栅波导片的光机模组，其特征在于，所述彩色双层光栅波导片包括上层波导片和下层波导片。
3.根据权利要求2所述的基于彩色双层光栅波导片的光机模组，其特征在于，所述上层波导片为蓝绿光衍射波导片，所述下层波导片为红光衍射波导片。
4.根据权利要求2所述的基于彩色双层光栅波导片的光机模组，其特征在于，所述上层波导片为蓝光衍射波导片，所述下层波导片为红绿光衍射波导片。
5.根据权利要求2所述的基于彩色双层光栅波导片的光机模组，其特征在于，所述上层波导片为蓝绿光衍射波导片，所述下层波导片为红绿光衍射波导片。
6.根据权利要求2所述的基于彩色双层光栅波导片的光机模组，其特征在于，所述上层波导片和所述下层波导片均包括耦入光栅和耦出光栅。
7.根据权利要求6所述的基于彩色双层光栅波导片的光机模组，其特征在于，所述耦入光栅为一维光栅结构或超表面光栅结构。
8.根据权利要求6所述的基于彩色双层光栅波导片的光机模组，其特征在于，所述耦出光栅为一维光栅结构或二维光栅结构。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113820865A (zh) * 2021-09-26 2021-12-21 维沃移动通信有限公司 投影装置及智能眼镜
CN114185123A (zh) * 2022-02-16 2022-03-15 北京亮亮视野科技有限公司 超表面光栅、光波导和头戴式设备
WO2023093144A1 (zh) * 2021-11-29 2023-06-01 歌尔光学科技有限公司 光栅结构、镜片及头戴显示设备

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140140653A1 (en) * 2012-11-16 2014-05-22 Rockwell Collins, Inc. Transparent waveguide display
CN107797287A (zh) * 2017-11-28 2018-03-13 苏州苏大维格光电科技股份有限公司 光波导镜片及显示装置
CN208384249U (zh) * 2018-07-27 2019-01-15 京东方科技集团股份有限公司 一种ar眼镜
CN111474713A (zh) * 2020-04-10 2020-07-31 谷东科技有限公司 基于光波导技术的lcos照明方法
CN211348864U (zh) * 2020-02-12 2020-08-25 苏州苏大维格科技集团股份有限公司 一种双通道波导镜片模组及ar显示装置
CN212302101U (zh) * 2020-07-30 2021-01-05 舜宇光学（浙江）研究院有限公司 近眼显示光学设备

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140140653A1 (en) * 2012-11-16 2014-05-22 Rockwell Collins, Inc. Transparent waveguide display
CN107797287A (zh) * 2017-11-28 2018-03-13 苏州苏大维格光电科技股份有限公司 光波导镜片及显示装置
CN208384249U (zh) * 2018-07-27 2019-01-15 京东方科技集团股份有限公司 一种ar眼镜
CN211348864U (zh) * 2020-02-12 2020-08-25 苏州苏大维格科技集团股份有限公司 一种双通道波导镜片模组及ar显示装置
CN111474713A (zh) * 2020-04-10 2020-07-31 谷东科技有限公司 基于光波导技术的lcos照明方法
CN212302101U (zh) * 2020-07-30 2021-01-05 舜宇光学（浙江）研究院有限公司 近眼显示光学设备

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113820865A (zh) * 2021-09-26 2021-12-21 维沃移动通信有限公司 投影装置及智能眼镜
WO2023093144A1 (zh) * 2021-11-29 2023-06-01 歌尔光学科技有限公司 光栅结构、镜片及头戴显示设备
CN114185123A (zh) * 2022-02-16 2022-03-15 北京亮亮视野科技有限公司 超表面光栅、光波导和头戴式设备

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