CN113325505A - 一种光波导镜片及三维显示装置 - Google Patents

一种光波导镜片及三维显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光波导镜片及增强现实显示装置，光波导镜片包括：波导；位于波导上的功能性区域，功能性区域包括入射功能性区域、转折功能性区域及出射功能性区域。入射功能性区域内设置有第一二维阵列结构，第一二维阵列结构将光线耦入至波导内，被耦入至波导内的光线中，部分光线沿第一方向朝向出射功能性区域传播，部分光线沿第二方向朝向转折功能性区域传播；转折功能性区域内设置有一维光栅，一维光栅将朝向转折功能性区域传播的光线反射回入射功能性区域；出射功能性区域内设置有第二二维阵列结构，第二二维阵列结构将朝向转折功能性区域传播的光线耦合出波导。本发明其能够将背离耦出区域传播的衍射光线反射回耦入区域，从而提升光效率。

Description

一种光波导镜片及三维显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术，具体涉及一种光波导镜片及三维显示装置。
背景技术
增强现实(AR)技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。
目前，主流的近眼式增强现实显示设备大都采用光波导原理。例如，Hololens 是将LCOS上的图像经过三片全息光栅耦合输出，透射至人眼，并且经过光波导的方式实现彩色投影。为了简化制备工艺、进一步缩小显示设备的体积，越来越多的研究人员开始尝试使用二维阵列光栅进行衍射传导，该方案中的波导片上形成有耦入区域和耦出区域，耦入区域和耦出区域内均设置有二维阵列光栅。入射光线入射至耦入区域，经耦入传导至耦出区域，最后经耦出区域进入人眼，从而实现彩色投影。光线在与耦入区域和耦出区域内的二维阵列光栅的交互过程中得到扩展、拉伸，从而实现二维空间的扩瞳。
然而，这种使用二维阵列光栅进行衍射传导的解决方案存在如下显著缺陷：光线入射至耦入区域后，由于二维阵列光栅的衍射特征，入射光被分光成多束衍射光线，其中只有少部分衍射光线朝向耦出区域传导，大部分衍射光线则背离耦出区域传导从而被损耗。如此，导致显示设备的光效率低下，成像效果欠佳。
鉴于此，有必要对现有的二维阵列光栅衍射传导方案进行改进，以实现让尽可能多的衍射光线朝向耦出区域传导，以提升光效率、增强成像效果。
发明内容
为实现上述技术目标，本发明第一方面提供了一种光波导镜片，其能够将部分背离耦出区域传播的衍射光线反射回耦入区域，从而提升光效率、增强成像效果。本发明的详细技术方案如下：
一种光波导镜片，其包括：
波导；
位于波导上表面或下表面的具有光学衍射功能的功能性区域，所述功能性区域包括入射功能性区域、转折功能性区域及出射功能性区域，其中：
所述入射功能性区域内设置有第一二维阵列结构，所述第一二维阵列结构被配置为将光线耦入至所述波导内，被耦入至所述波导内的光线中，部分光线沿第一方向朝向所述出射功能性区域传播，部分光线沿第二方向朝向所述转折功能性区域传播；
所述转折功能性区域内设置有一维光栅，所述一维光栅被配置为将所述沿第二方向朝向所述转折功能性区域传播的光线反射回所述入射功能性区域；
所述出射功能性区域内设置有第二二维阵列结构，所述第二二维阵列结构被配置为将所述沿第二方向朝向所述转折功能性区域传播的光线耦合出波导。
在一些实施例中，所述转折功能性区域包括对称设置于所述入射功能性区域两侧的第一转折功能性区域和第二转折功能性区域。
在一些实施例中，所述沿第二方向朝向所述转折功能性区域传播的光线与设置于所述转折功能性区域内的所述一维光栅之间满足Littrow条件。所述一维光栅为全息光栅、闪耀光栅或矩形光栅。
在一些实施例中，所述一维光栅为闪耀光栅，所述沿第二方向朝向所述转折功能性区域传播的光线的入射角与所述闪耀光栅的闪烁角相匹配。
在一些实施例中，所述第一二维阵列结构和所述第二二维阵列结构包括圆柱阵列结构、矩形柱阵列结构及楔形柱阵列结构。
在一些实施例中，所述第一二维阵列结构和所述第二二维阵列结构经两次叠加曝光形成，所述两次叠加曝光为：
固定曝光光源与波导位置，完成第一次曝光，获得一维光栅结构；
曝光光源保持不动，波导沿中心旋转预定角度，完成第二次曝光，获得二维阵列结构；
所述曝光光源由两束平面光束构成，两束平面光束形成一曝光干涉面。
在一些实施例中，所述入射功能性区域和所述出射功能性区域隔开设置。
在一些实施例中，所述入射功能性区域和所述出射功能性区域一体成型。
在一些实施例中，所述波导的折射率大于1.4，厚度不超过2mm。
在一些实施例中，所述第一二维阵列结构、所述第二二维阵列结构为结构相同的二维阵列结构，所述二维阵列结构的光栅周期为200nm～600nm，光栅深度为50nm～600nm，所述二维阵列结构的两个光栅取向之间的夹角为90°～160°。
本发明第二方面提供了一种增强现实显示装置，其包括：
微投影装置，用于产生图像光；
光波导镜片，所述光波导镜片为本发明的第一方面任一项所述的光波导镜片。
与现有技术相比，本发明通过设置转折功能性区域，能够将部分背离耦出区域传播的衍射光线反射回耦入区域，从而提升光效率、提升成像效果。
附图说明
图1为本发明的光波导镜片的结构示意图；
图2为本发明的光波导镜片的光路示意图；
图3为光线在入射功能性区域的光路示意图；
图4为光线在转折功能性区域的光路示意图；
图5为本发明中的二维阵列结构的光栅取向图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的抬头显示系统及汽车的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下:
有关本发明的前述及其它技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
图1为本发明的光波导镜片的结构示意图，该光波导镜片用作增强现实显示装置的显示屏。如图1所示，该光波导镜片包括：
波导1；
位于波导1上表面或下表面的具有光学衍射功能的功能性区域，如图1所示，如果定义图像光入射及出射的一面为上表面，则图1实施例中，各功能性区域均设置在波导1的上表面。
功能性区域包括入射功能性区域2、转折功能性区域4及出射功能性区域3，其中：
入射功能性区域内设置有第一二维阵列结构，第一二维阵列结构被配置为将光线耦入至波导1内。被耦入至波导1内的光线中，部分光线沿第一方向朝向出射功能性区域3传播，部分光线沿第二方向朝向转折功能性区域4传播。
转折功能性区域4内设置有一维光栅，一维光栅被配置为将沿第二方向朝向转折功能性区域4传播的光线反射回入射功能性区域3内。
出射功能性区域3内设置有第二二维阵列结构，第二二维阵列结构被配置为将沿第二方向朝向转折功能性区域4传播的光线耦合出波导1。
下文将对本发明的多向衍射扩展光波导镜片的光学原理进行介绍，在此之间，我们定义如下坐标轴：
X轴：波导1的宽度方向，同时也是用户的双眼连线方向；
Y轴：波导1的高度方向，同时也是用户的鼻梁的延伸方向；
Z轴：与X轴、Y轴限定的X—Y平面垂直(或正交)的方向。
可见，本发明中的入射功能性区域2、转折功能性区域4及出射功能性区域 3位于X—Y平面上。
本发明中入射功能性区域2和出射功能性区域3内的衍射结构均为二维阵列结构。
如图2和图3所示，微投影装置发出的图像光入射光线沿Z轴入射至入射功能性区域2时，图像光与入射功能性区域2内的第一二维阵列结构产生交互形成多路1级和-1级衍射光，其中：满足波导1的全反射条件的衍射光以全反射形态在波导1内传导，全反射过程中，光线反复多次回到波导1内并与第一二维阵列结构产生新的交互，每次交互过程均形成多路的衍射光，其中：部分光线形成反射式衍射，同时改变了方位角，沿第一方向(朝向出射功能性区域3 的方向)朝向出射功能性区域3传导，部分光线则继续沿原方向以全反射角传导。
此外，每次交互过程中，还有部分衍射光沿第二方向(远离出射功能性区域3)朝向转折功能性区域4传播。该部分光线入射至转折功能性区域4后，与转折功能性区域4内的一维光栅交互后产生180°偏转从而返回至入射功能性区域2内。该过程至少能够实现如下技术效果：将背离出射功能性区域3传播的衍射光线反射回入射功能性区域2内，从而增加了进入至出射功能性区域3 的光线的总量，降低图像光的损耗，提升了光效率，最终增强成像效果。
为了实现入射至转折功能性区域4后的光线能够最大程度地返回至入射功能性区域2，以进一步提升光效率。如图4所示，可以通过对转折功能性区域4 内的一维光栅的光栅结构进行适应性设置，使得入射至一维光栅的光线与该一维光栅之间满足Littrow(利特罗)条件，即：入射光与经一维光栅衍射生成的一级衍射光处于自准直状态，从而实现：一级衍射光能够沿着入射光的入射路径偏转180°后原路返回至入射功能性区域2内。
Littrow条件为本领域一般技术人员所熟知，其可由下述公式表征：
θ1＝sin-1(λ/2*Λ))，其中：λ为入射光线的波长，Λ为光栅周期，θ1为入射光线的入射角。
因此，本发明实施例中，只需要根据入射至转折功能性区域4后的光线的波长及入射角对一维光栅的光栅结构进行适应性设置，即能实现入射至转折功能性区域4的光线与一维光栅之间满足Littrow(利特罗)条件。
一维光栅可以为全息光栅、闪耀光栅或矩形光栅。作为一种可选的解决方案，转折功能性区域4内的一维光栅设置为闪耀光栅，沿第二方向朝向转折功能性区域4传播的光线的入射角与该闪耀光栅的闪耀角相匹配。
继续参考图1和图2所示，为了尽量可能多地捕捉到背离出射功能性区域3 的衍射光线。优选的，转折功能性区域4包括对称设置于入射功能性区域2两侧的第一转折功能性区域41和第二转折功能性区域42。
自入射功能性区域2传导来的图像光沿波导1到达出射功能性区域3时，光线与出射功能性区域3内的第二二维阵列结构产生交互，并形成多个方向的衍射光，其中：部分衍射光沿Z轴被衍射出出射功能性区域3并被观察到，部分衍射光以全反射形态在波导1内传导，全反射过程中，光线反复多次回到出射功能性区域3内，并与第二二维阵列结构产生新的交互，每次交互过程均形成多个方向的衍射光，其中的部分光线沿Z轴被衍射出出射功能性区域3并被观察到，部分光线则继续传播扩展。
可见，通过与第二二维阵列结构的交互，自入射功能性区域2传导过来的图像光不仅能够被耦合出波导1以实现成像，此外，在与第二二维阵列结构的多次交互过程中，图像光能够实现扩展、拉伸，以进一步扩大视场图像及可视区域。
由于，在发明中，出射功能性区域3内的第二二维阵列结构的各个交互点均能耦出图像光线，因此，人眼在整个出射功能性区域3内均能看到清晰的图像。
如本领域一般技术人员所熟知，现阶段，一般采用干涉曝光工艺在波导上制备各种一维光栅、二维阵列光栅。在一些实施例中，本发明中的第一二维阵列结构及第二二维阵列结构均经两次单光束组叠加曝光形成，每次单光束组曝光均对应形成一组结构。具体的，两次单光束组叠加曝光为：
固定曝光光源与波导位置，完成第一次曝光，获得一维光栅结构；
曝光光源保持不动，波导沿中心旋转预定角度，完成第二次曝光，获得二维阵列结构；
所述曝光光源由两束平面波构成，两束平面波形成一曝光干涉面。
其中：波导沿中心旋转的预定角度的大小与最终形成的二维阵列结构的两个光栅取向的夹角相对应。如所要形成的二维阵列结构的两个光栅取向的目标取向夹角为90°时，则该预定角度为90°。
在另外一些实施里中，为了提高生产效率，第一二维阵列结构和第二二维阵列结构均经一次曝光形成。在这些实施例中，曝光光源由四束平面波构成，四束平面波中，每两束平面波形成一曝光干涉面，两个曝光干涉面的取向相互间形成预定角度。
在一些实施例中，第一二维阵列结构和第二二维阵列结构的结构完全相同，其光栅周期为200nm～600nm，光栅深度为50nm～600nm。第一二维阵列结构和所述第二二维阵列结构可以是圆柱阵列结构、矩形柱阵列结构、楔形柱阵列结构等。
在一些实施例中，如图5所示，二维阵列结构的两个光栅取向之间的夹角a 为90°～160°。
由于本发明的一些实施例中，第一二维阵列结构和第二二维阵列结构的结构设置为完全相同，因此，为了提高生产效率，可以将入射功能性区域2和出射功能性区域3无区别地一次性成型。
当然，也可以将入射功能性区域2和出射功能性区域3隔开设置。即入射功能性区域2和出射功能性区域3中间有一段光滑的波导，其上无任何衍射阵列结构。如此设置可以提高人眼观看区域的光学效率，避免不必要的衍射衰减。
进一步的，本发明的一些实施例中，波导1的为具有高透过率的、折射率大于1.4、厚度不超出2mm的玻璃波导。
本发明还提供了一种增强现实显示装置，其包括：微投影装置，用于产生图像光；光波导镜片，该光波导镜片采用本发明上述任一实施例提供的光波导镜片。
上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。

Claims (12)

1.一种光波导镜片，其特征在于，其包括：
波导；
位于波导上表面或下表面的具有光学衍射功能的功能性区域，所述功能性区域包括入射功能性区域、转折功能性区域及出射功能性区域，其中：
所述入射功能性区域内设置有第一二维阵列结构，所述第一二维阵列结构被配置为将光线耦入至所述波导内，被耦入至所述波导内的光线中：部分光线沿第一方向朝向所述出射功能性区域传播，部分光线沿第二方向朝向所述转折功能性区域传播；
所述转折功能性区域内设置有一维光栅，所述一维光栅被配置为将所述沿第二方向朝向所述转折功能性区域传播的光线反射回所述入射功能性区域；
所述出射功能性区域内设置有第二二维阵列结构，所述第二二维阵列结构被配置为将所述沿第二方向朝向所述转折功能性区域传播的光线耦合出波导。
2.如权利要求1所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述转折功能性区域包括对称设置于所述入射功能性区域两侧的第一转折功能性区域和第二转折功能性区域。
3.如权利要求1所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述沿第二方向朝向所述转折功能性区域传播的光线与设置于所述转折功能性区域内的所述一维光栅之间满足Littrow条件。
4.如权利要求3所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述一维光栅为全息光栅、闪耀光栅或矩形光栅。
5.如权利要求3所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述一维光栅为闪耀光栅，所述沿第二方向朝向所述转折功能性区域传播的光线与所述闪耀光栅的光栅面法线之间的夹角等于所述闪耀光栅的闪耀角。
6.如权利要求1所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述第一二维阵列结构和所述第二二维阵列结构包括圆柱阵列结构、矩形柱阵列结构及楔形柱阵列结构。
7.如权利要求1所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述第一二维阵列结构和所述第二二维阵列结构经两次叠加曝光形成，所述两次叠加曝光为：
固定曝光光源与波导位置，完成第一次曝光，获得一维光栅结构；
曝光光源保持不动，波导沿中心旋转预定角度，完成第二次曝光，获得二维阵列结构；
所述曝光光源由两束平面波构成，两束平面波形成一曝光干涉面。
8.如权利要求1所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述入射功能性区域和所述出射功能性区域隔开设置。
9.如权利要求1所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述入射功能性区域和所述出射功能性区域一体成型。
10.如权利要求1所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述波导的折射率大于1.4，厚度不超过2mm。
11.如权利要求1所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述第一二维阵列结构、所述第二二维阵列结构为结构相同的二维阵列结构，所述二维阵列结构的光栅周期为200nm～600nm，光栅深度为50nm～600nm，所述二维阵列结构的两个光栅取向之间的夹角为90°～160°。
12.一种增强现实显示装置，其特征在于：其包括：
微投影装置，用于产生图像光；
光波导镜片，所述光波导镜片为权利要求1至11任一项所述的光波导镜片。
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