CN113075767B - 光波导结构和近眼显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光波导结构和近眼显示器。光波导结构包括：光波导片，光波导片为多个，多个光波导片至少包括两个叠置的光波导片，叠置的两个光波导片具有叠合区，叠合区上设置有胶结构以形成胶接区，以将两个光波导片固定连接；传输结构，传输结构设置在光波导片的一侧表面上；光栅结构，光栅结构位于胶接区处，光栅结构与传输结构设置在光波导片的同一侧的表面上或不同侧的表面上，传输结构和光栅结构在光波导片上的投影错位设置。本发明解决了现有技术中的光波导结构存在成像质量差的问题。

Description

光波导结构和近眼显示器

技术领域

本发明涉及光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种光波导结构和近眼显示器。

背景技术

光学成像设备的类型多种多样，随着科技的发展，虚拟现实(VR)，增强现实(AR)，混合现实(MR)已经逐渐进入人们的生活中，其中在AR增强现实方面，光波导技术是不可缺少的一步，但目前单片全彩的光波导结构的显示效果还不够理想，需要将多片光波导片进行叠合以显示全彩图像，目前主要选择两片叠加式而不是三片叠加的增强现实眼镜，这样的搭配可以提高显示效率同时不会增加过多厚度及整体佩戴重量影响舒适度，但多片的光波导设计对叠合有高精度的要求。

另外，多片的光波导结构的主要通过叠合胶进行光波导片之间的连接，胶接区内是未导出至人眼的逃逸光线，该光线部分会通过叠合胶进入另一层光波导片中，从而引起光线串扰，这会影响最终的成像效果。

也就是说，现有技术中的光波导结构存在成像质量差的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光波导结构和近眼显示器，以解决现有技术中的光波导结构存在成像质量差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光波导结构，包括：光波导片，光波导片为多个，多个光波导片至少包括两个叠置的光波导片，叠置的两个光波导片具有叠合区，叠合区上设置有胶结构以形成胶接区，以将两个光波导片固定连接；传输结构，传输结构设置在光波导片的一侧表面上；光栅结构，光栅结构位于胶接区处，光栅结构与传输结构设置在光波导片的同一侧的表面上或不同侧的表面上，传输结构和光栅结构在光波导片上的投影错位设置。

进一步地，光栅结构为多个，当光栅结构与传输结构设置在光波导片的同一侧的表面上时，传输结构的四周均设置有光栅结构。

进一步地，胶接区为一个或多个，光栅结构为一个或多个，且胶接区与光栅结构一一对应设置且面积相等。

进一步地，光栅结构为矩形光栅。

进一步地，传输结构包括：耦入光栅，耦入光栅将外部光源组件所发出的光耦入到光波导片内；转折光栅，转折光栅用于接收耦入光栅的光，转折光栅位于耦入光栅的一侧；耦出光栅，耦出光栅用于接收转折光栅的光，耦出光栅位于转折光栅的一侧，耦入光栅的中心和转折光栅的中心的连线与耦出光栅的中心和转折光栅的中心的连线垂直，耦出光栅将光耦出光波导片。

进一步地，光波导片的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米。

进一步地，光波导片的材质为玻璃，玻璃的折射率不低于1.7。

进一步地，玻璃的折射率大于等于1.7且小于等于2.3。

进一步地，矩形光栅的周期大于等于230纳米且小于等于250纳米；和/或矩形光栅的高度大于等于450纳米且小于等于500纳米。

根据本发明的另一方面，提供了一种近眼显示器，包括：光源组件；上述的光波导结构，光源组件向光波导结构发射光，光波导结构将光耦入到人眼中。

应用本发明的技术方案，光波导结构包括光波导片、传输结构和光栅结构，光波导片为多个，多个光波导片至少包括两个叠置的光波导片，叠置的两个光波导片具有叠合区，叠合区上设置有胶结构以形成胶接区，以将两个光波导片固定连接；传输结构设置在光波导片的一侧表面上；光栅结构位于胶接区处，光栅结构与传输结构设置在光波导片的同一侧的表面上或不同侧的表面上，传输结构和光栅结构在光波导片上的投影错位设置。

叠置的两个光波导片具有叠合区，叠合区上设置有胶结构以形成胶接区，以将两个光波导片固定连接。这样设置使得两个光波导片是通过胶结构连接的，增强了连接强度，避免在工作过程中相邻两个光波导片脱离的风险，保证了连接稳定性。传输结构设置在光波导片的一侧表面上，这样设置使得传输结构起到了传输光的作用，使得光波导片接收到的外部光源组件发出的光能在传输结构内传输，以使光源组件发出的光经光波导片进而耦入到人眼中，以保证光在光波导片中传输的稳定性，进而保证成像的稳定性。由于叠置的两个光波导片是通过胶结构进行连接固定的，这样易使一个光波导片中由胶接区逃逸的未用于成像的光会通过胶结构进入另一个光波导片中，从而引起两个光波导片中光线的串扰，进而对成像质量造成影响。通过在胶接区处设置光栅结构，使得光栅结构起到了反射的作用，能将胶接区处的逃逸光反射到光波导片边缘，从而防止光传输到另一个光波导片中造成串扰的现象，提高了成像质量，保证了成像稳定性。

另外，传输结构和光栅结构在光波导片上的投影错位设置，这样设置使得传输结构和光栅结构是分开设置的，使得传输结构和光栅结构均能够单独使用，避免了二者功能上的相互干涉，保证了传输结构和光栅结构的工作稳定性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中一个光波导结构的结构示意图；

图2示出了现有技术中另一个光波导结构的结构示意图；

图3示出了本发明的一个可选实施例的光波导结构的结构示意图；

图4示出了图3中的光波导结构的局部放大图；

图5示出了本发明的光波导片上的光栅结构与传输结构位于不同侧表面的示意图；

图6示出了图5中光波导片的另一个角度的示意图；

图7示出了本发明的光波导片上的光栅结构与传输结构位于同侧表面的示意图；

图8示出了图7中光波导片的另一个角度的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、光波导片；11、胶接区；20、胶结构；30、耦入光栅；40、转折光栅；50、耦出光栅；60、光栅结构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中的光波导结构存在成像质量差的问题，本发明提供了一种光波导结构和近眼显示器。

如图1至图8所示，光波导结构包括光波导片10、传输结构和光栅结构60，光波导片10为多个，多个光波导片10至少包括两个叠置的光波导片10，叠置的两个光波导片10具有叠合区，叠合区上设置有胶结构20以形成胶接区11，以将两个光波导片10固定连接；传输结构设置在光波导片10的一侧表面上；光栅结构60位于胶接区11处，光栅结构60与传输结构设置在光波导片10的同一侧的表面上或不同侧的表面上，传输结构和光栅结构60在光波导片10上的投影错位设置。

叠置的两个光波导片10具有叠合区，叠合区上设置有胶结构20以形成胶接区11，以将两个光波导片10固定连接。这样设置使得两个光波导片10是通过胶结构20连接的，增强了连接强度，避免在工作过程中相邻两个光波导片10脱离的风险，保证了连接稳定性。传输结构设置在光波导片10的一侧表面上，这样设置使得传输结构起到了传输光的作用，使得光波导片10接收到的外部光源组件发出的光能在传输结构内传输，以使光源组件发出的光经光波导片10进而耦入到人眼中，以保证光在光波导片10中传输的稳定性，进而保证成像的稳定性。由于叠置的两个光波导片10是通过胶结构20进行连接固定的，这样易使一个光波导片10中由胶接区11逃逸的未用于成像的光会通过胶结构20进入另一个光波导片10中，从而引起两个光波导片10中光线的串扰，进而对成像质量造成影响。通过在胶接区11处设置光栅结构60，使得光栅结构60起到了反射的作用，能将胶接区11处的逃逸光反射到光波导片10边缘，从而防止光传输到另一个光波导片10中造成串扰的现象，提高了成像质量，保证了成像稳定性。

另外，传输结构和光栅结构60在光波导片10上的投影错位设置，这样设置使得传输结构和光栅结构60是分开设置的，使得传输结构和光栅结构60均能够单独使用，避免了二者功能上的相互干涉，保证了传输结构和光栅结构60的工作稳定性。

需要说明的是，上述光栅结构60是刻蚀在光波导片10上的。

如图3、图5和图7所示，光栅结构60与传输结构设置在光波导片10的同一侧的表面上或不同侧的表面上。也就是说，传输结构和光栅结构60可间隔设置在光波导片10的同一侧的表面上，或者传输结构可设置在光栅结构60所在的表面的相对侧的表面上，且光栅结构60在光波导片10上的投影与传输结构在光波导片10上的投影间隔设置。可根据实际情况设置传输结构的位置。

需要说明的是，光波导结构中的多片光波导片10的形状均是相同的，但内部的传输结构的参数可以是相同的也可以是不同的。本申请采用的是两片光波导片10进行叠加的方案，当然可根据实际情况选取不同数量的光波导片10进行叠加。

具体的，光栅结构60为多个，当光栅结构60与传输结构设置在光波导片10的同一侧的表面上时，传输结构的四周均设置有光栅结构60。也就是说，胶接区11为多个，传输结构的四周均设置有胶接区11。这样设置增加了光栅结构60的数量，增强了光栅结构60对逃逸光的反射效果，进一步减小了两片光波导片中的一个光波导片10的逃逸光传输到另一个光波导片10中从而造成光的串扰现象，以保证成像的稳定性。同时在传输结构的四周均设置有光栅结构60，使得传输结构在传光过程中所逃逸的光能够大部分射入四周的光栅结构60中，大大减小了光线串扰的可能性，保证了成像质量。

需要说明的是，当光栅结构60与传输结构设置在光波导片10的不同侧的表面上时，多个光栅结构60在光波导片10具有传输结构的一侧表面上的投影分别位于传输结构的四周。

具体的，胶接区11为一个或多个，光栅结构60为一个或多个，且胶接区11与光栅结构60一一对应设置且面积相等。通过使胶接区11与光栅结构60一一对应设置且面积相等，使得每个胶接区11处均设置有光栅结构60，且光栅结构60能够完全覆盖住整个胶接区11，以保证光栅结构60的使用可靠性和工作稳定性。

需要说明的是，胶接区11的数量可根据实际情况进行设置，只要保证胶接区11处设置有光栅结构60即可。

需要说明的是，本申请中的胶结构20为透明胶。透明胶的折射率大于等于1.3且小于等于1.7。

如图1所示，为现有技术中的一个光波导结构的示意图，图中的两片光波导片10’采用透明胶进行连接，上方的光波导片10’中的箭头表示的是光波导片10’中光的传输方向，当光入射到透明胶与上方的光波导片10’的连接区域处时，光线经透明胶进入到了下方的光波导片10’中，从而造成光的串扰现象。图中竖直向下的箭头表示的是外界光能够由透明胶透过去，使得透明胶不会对光造成遮挡。

如图2所示，为现有技术中的另一个光波导结构的示意图，与图1中的光波导结构的区别是，将透明胶换成了黑胶，这样虽然能够避免上方的光波导片10’中的光线串扰的情况，但是黑胶的设置使得外界光无法透射过去，从而会影响美观。

如图3和图4所示，光栅结构60为矩形光栅。矩形光栅是一种横截面上为矩形的结构来进行衍射的光栅。由图3所示，上方光波导片10中的箭头表示的是光在光波片中的传输方向，当光线传输至胶接区11处时，由于矩形光栅的设置使得矩形光栅将光反射回上方的光波导片10中，避免上方的光波导片10中的逃逸光通过胶结构20进入下方的光波导片10中造成串扰。同时由于胶结构20为透明胶，不会影响外界光的透射，保证了光波导结构具有良好的外观，有效提高了成像质量。

表1中展示的是现有技术中没有设置光栅结构60的光波导结构的光透过率和光反射率，和本申请中的光波导结构的光透过率和光反射率。由表1可知，对于胶接区11未做特殊处理的情况下，胶结构20会破坏全反射条件，光波导片10内0级次光透过率高，使光线会经胶结构20传输到下一光波导片内，而本申请设计的光栅结构60使该0级次光反射率高，保证其继续在原来的光波导片10内反射而不传输到下一光波导片内，从而减少不必要的串扰现象。需要说明的是，该表1中的数据是针对光波导片内全反射角入射到胶接区11处的光线的透反射率。

	现有技术中的光波导结构	本申请的光波导结构
			光透过率	T0级：98.1％；T1级：0％	T0级：0％；T1级：1.1％
光反射率	R0级：1.9％；R1级：0％	R0级：97.6％；R1级：1.3％

表1

如图5和图6所示，传输结构包括耦入光栅30、转折光栅40和耦出光栅50。耦入光栅30能够将外部光源组件所发出的光大部分耦入到光波导片10内，以保证光波导片10的耦入效率。转折光栅40用于接收耦入光栅30的光，转折光栅40位于耦入光栅30的一侧，这样设置使得耦入光栅30的光能够大部分射入转折光栅40用于转折光栅40对光进行放大，保证了转折光栅40能够稳定工作。耦出光栅50用于接收转折光栅40的光，耦出光栅50位于转折光栅40的一侧，耦入光栅30的中心和转折光栅40的中心的连线与耦出光栅50的中心和转折光栅40的中心的连线垂直，耦出光栅50将光耦出光波导片10。这样设置使得转折光栅40内的有效光能够大部分射入耦出光栅50用于耦出光栅50对光进行耦出，保证了光波导片10的耦出效率，同时使得耦出光栅50所耦出的光能够大部分进入人眼进行成像，以保证光波导片10的成像稳定性。

需要说明的是，上述转折光栅40与耦出光栅50可分别设计，也可设计为一体。随着光在光波导片10内传播，光波导片10将接收到的光至少扩展为一维，使得光至少朝向一个方向进行传播。耦入光栅30被设计为将外部光源组件所发出的光耦入到光波导片10中，转折光栅40被设计成接收耦入光栅30的光并进行扩瞳传输，进而由耦出光栅50将扩瞳后的光耦出光波导片10并输出到人眼用于成像。

可选地，耦入光栅30可为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅中的一种；或者转折光栅40可为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅中的一种；或者耦出光栅50可为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅中的一种。这样设置可以根据不同应用要求采用不同的光栅，耦入光栅30可将输入的光场信息导入，然后通过转折光栅40进行扩瞳传输至耦出光栅50，最终导出至人眼，光栅内的参数可调节，最终调整耦出光场的均匀性和衍射效率以满足实际应用。

需要说明的是，上述闪耀光栅为一种刻槽面与光栅法线不平行，即在两者之间存在一个小夹角，具有闪耀特性的光栅。锯齿型光栅为最理想的闪耀光栅，锯齿型光栅的横截面上为锯齿形的结构来进行衍射。上述倾斜光栅是一种光栅的平面与光栅切向呈一定倾角的光栅。上述矩形光栅是一种横截面上为矩形的结构来进行衍射的光栅。

具体的，耦入光栅30为衍射光栅。衍射光栅的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。这样设置保证了外部光源组件发出的光在衍射光栅内能够发生全反射，使得外部光源组件发出的光能够大部分耦入光波导片10内，保证了耦入光栅30的耦入效率，保证了耦入光栅30能够稳定工作。

如图7和图8所示，一个光波导片10上的光栅结构60为四个，胶接区11为四个，四个胶接区11与四个光栅结构60一一对应设置。当胶接区11与传输结构设置在光波导片10的同一侧的表面上时，一个胶接区11设置在耦入光栅30的左侧，另一个胶接区11设置在转折光栅40的上侧，另一个胶接区11设置在转折光栅40的右侧，另一个胶接区11设置在耦出光栅50的下侧。

具体的，光波导片10的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米。若光波导片10的厚度小于400微米，使得光波导片10不易制作，增强了光波导片10的加工难度，同时使得光波导片10在使用过程中易发生折断，降低了光波导片10的结构强度。若光波导片10的厚度大于1毫米，使得光波导片10的厚度过大，不利于光波导片10的小型化。将光波导片10的厚度限制在400微米到1毫米的范围内，保证了光波导片10的小型化的同时保证了光波导片10的结构强度。

具体的，光波导片10的材质为玻璃，玻璃的折射率不低于1.7。这样设置是因为基于全反射的条件，内外材料折射率的差值影响光波导片10的视场角，对于越大的视场角需要越高的折射率玻璃基底来实现。同样，可根据实际需求选择不同材质的光波导片10。

具体的，玻璃的折射率大于等于1.7且小于等于2.3。这样设置有利于保证玻璃的高折射率特性，以实现超大视场角的光波导片10。

具体的，光栅结构60采用的是矩形光栅，矩形光栅的周期大于等于230纳米且小于等于250纳米，矩形光栅的角度大于等于85°且小于等于90°，矩形光栅的占空比大于等于70％且小于等于80％。这样设置保证了矩形光栅的使用可靠性，同时不会影响外界光的透射，保证了光波导片10能够稳定工作。矩形光栅的高度大于等于450纳米且小于等于500纳米。若矩形光栅的高度小于450纳米，使得高度过小，从而影响矩形光栅的使用效果。若矩形光栅的高度大于500纳米，使得矩形光栅的高度过高，容易影响光在光波导片10中的稳定传输，而且还会使光波导片10上具有矩形光栅的位置过薄从而易发生折断，影响结构强度。将矩形光栅的高度限制在450纳米到500纳米的范围内，有利于保证矩形光栅的使用效果，同时不会影响光波导片10的结构稳定性和成像效果。

近眼显示器包括光源组件和上述的光波导结构，光源组件向光波导结构发射光，光波导结构将光耦入到人眼中。近眼显示器用于向用户展示图像信息，具有上述光波导结构的近眼显示器具有成像质量佳、外观好的优点。

当然，上述近眼显示器可以是AR眼镜。

当然，上述的光波导结构也可以应用在其他结构件上。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光波导结构，其特征在于，包括：

光波导片(10)，所述光波导片(10)为多个，多个所述光波导片(10)至少包括两个叠置的所述光波导片(10)，叠置的两个所述光波导片(10)具有叠合区，所述叠合区上设置有胶结构(20)以形成胶接区(11)，以将两个所述光波导片(10)固定连接；

传输结构，所述传输结构设置在所述光波导片(10)的一侧表面上；

光栅结构(60)，所述光栅结构(60)位于所述胶接区(11)处，所述光栅结构(60)与所述传输结构设置在所述光波导片(10)的同一侧的表面上或不同侧的表面上，所述传输结构和所述光栅结构(60)在所述光波导片(10)上的投影错位设置，所述光栅结构(60)起到了反射的作用，能将所述胶接区(11)处的逃逸光反射到所述光波导片(10)边缘。

2.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述光栅结构(60)为多个，当所述光栅结构(60)与所述传输结构设置在所述光波导片(10)的同一侧的表面上时，所述传输结构的四周均设置有所述光栅结构(60)。

3.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述胶接区(11)为一个或多个，所述光栅结构(60)为一个或多个，且所述胶接区(11)与所述光栅结构(60)一一对应设置且面积相等。

4.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述光栅结构(60)为矩形光栅。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光波导结构，其特征在于，所述传输结构包括：

耦入光栅(30)，所述耦入光栅(30)将外部光源组件所发出的光耦入到所述光波导片(10)内；

转折光栅(40)，所述转折光栅(40)用于接收所述耦入光栅(30)的光，所述转折光栅(40)位于所述耦入光栅(30)的一侧；

耦出光栅(50)，所述耦出光栅(50)用于接收所述转折光栅(40)的光，所述耦出光栅(50)位于所述转折光栅(40)的一侧，所述耦入光栅(30)的中心和所述转折光栅(40)的中心的连线与所述耦出光栅(50)的中心和所述转折光栅(40)的中心的连线垂直，所述耦出光栅(50)将所述光耦出所述光波导片(10)。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的光波导结构，其特征在于，所述光波导片(10)的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的光波导结构，其特征在于，所述光波导片(10)的材质为玻璃，所述玻璃的折射率不低于1.7。

8.根据权利要求7所述的光波导结构，其特征在于，所述玻璃的折射率大于等于1.7且小于等于2.3。

9.根据权利要求4所述的光波导结构，其特征在于，

所述矩形光栅的周期大于等于230纳米且小于等于250纳米；和/或

所述矩形光栅的高度大于等于450纳米且小于等于500纳米。

10.一种近眼显示器，其特征在于，包括：

光源组件；

权利要求1至9中任一项所述的光波导结构，所述光源组件向所述光波导结构发射光，所述光波导结构将所述光耦入到人眼中。

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