CN113376739A - 光学设备及显示系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学设备及显示系统，光学设备包括波导层，波导层包括光波导本体；耦合光栅，包括耦入光栅和耦出光栅，耦入光栅和耦出光栅间隔设于光波导本体的同一侧面，耦入光栅和耦出光栅分别包括感光层和加强层，感光层为体全息光栅且靠近光波导本体设置，加强层设于感光层背离光波导本体的一侧，加强层用于将感光层衍射出光波导本体的光信号传输至光波导本体中。本申请通过简单的感光层结构作为体全息光栅，并设置加强层在感光层背离光波导本体的一侧，捕获感光层中损失的光信息，使得光信号在加强层中无损传输，有利于改善耦合器件因制程精度的影响出现光信号损失的问题，优化进入人眼图像的亮度均匀性与清晰度等信号质量与成像质量。

Description

光学设备及显示系统

技术领域

本申请属于显示技术领域，具体涉及一种光学设备及显示系统。

背景技术

相关技术中，增强现实(Augmented Reality，AR)与虚拟现实(Virtual Reality，VR)是近年来广受关注的科技领域，它们都属于近眼显示(Near-eye display，NED)范畴并通过利用NED系统将微型显示器(Microdisplay)上的像素，通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。但是，如图1为AR技术的简要原理图，有所区别的是，AR技术需要通过光学组合器D将人眼B看到的真实世界的真实信息F并结合显示器C投影到人眼B中的图像、视频、3D模型等虚拟信息E相互叠加而形成“层叠”的形式，形成近眼显示系统A，将虚拟信息E和真实信息F融为一体，互相补充，互相“增强”。

一般而言，AR设备的光学显示系统通常由微型显示屏和光学元件组成。按照目前市场上的分类组合，AR眼镜中光学显示方案主要包含以下几种：采用各种微型显示系统和棱镜、自由曲面、BirdBath、离轴全息透镜以及光波导等光学元件的组合，其中光学组合器的差异性是区分AR显示系统的关键部分。具体的，棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案这三种方案中都存在一个不可规避的矛盾，即视场角(FOV)越大，光学镜片就越厚，体积越大，也正是因为这一无可调和的矛盾限制了其在智能穿戴方面，即增强现实眼镜方面的应用。

离轴全息透镜方案的原理是将一个全息准直透镜和一个简单的线性光栅记录在相同的全息干板上，全息准直透镜将微型显示器射出的光束准直为平面波，然后衍射进入基底并进行全反射传输，最后线光栅将光束衍射输出进入人眼。这种以全息光学元件作为耦合元件的光学系统，具有结构紧凑，设计与加工较为简便且具有大的FOV以及小体积等优点，但是其缺点也很明显，由于离轴全息透镜具有复杂像差与严重色散问题，其成像效果并不理想。

基于波导技术的AR眼镜主要由微型显示器、波导和耦合器三部分组成，其过程是由微型显示器发出的光学信号通过耦合器件耦入光波导中，然后在波导内以全反射的形式向前传播，当其到达耦出部分时，被耦出光波导的光线会进入人眼而成像。基于上述原理不难发现，由于采用了波导的方式折叠了光路，因此其系统体积相对较小，而且光波导方案在清晰度、可视角度等方面也具有优势。一般，棱镜方案的FOV约为15°左右，自由曲面方案的FOV约为30°左右，而光波导方案的FOV可达到30°到60°。

根据耦合器的原理，采用光波导技术的AR眼镜总体上可分为几何波导方案和衍射光波导方案两种，而衍射光波导又分为表面浮雕光栅波导方案和体全息光栅波导方案。尽管光波导方案利用光在玻璃镜片中的全反射原理，可以做到在一块仅为2mm厚度的镜片上传输影像，其产品在重量大小和形态从长远来说是最有潜力的消费级AR光学方案，但是在实现本申请过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

对于光波导显示技术，大视场、大出瞳以及良好的图像均匀性、清晰度以及亮度是限制其发展的关键因素。由于光在入耦合端以及出耦合端反复衍射，部分光会衍射出波导而出现严重的光信号损失，因此导致沿着出瞳方向光的能量逐渐降低，视野范围内的图像亮度变暗，对于大视场来说，边缘视场因为能量过低甚至观察不到图像。因此，体全息光波导方案也会面临着由于制程问题导致光信号损失引起光能量降低以及视场边缘模糊不清晰的类似问题。

发明内容

本申请旨在提供一种光学设备及显示系统，至少解决现有体全息光波导方案由于制程问题导致光信号损失引起光能量降低以及视场边缘模糊不清晰的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提出了一种光学设备，包括波导层，所述波导层包括：光波导本体；耦合光栅，包括耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅间隔设于所述光波导本体的同一侧面，所述耦入光栅和所述耦出光栅分别包括感光层和加强层，所述感光层为体全息光栅且靠近所述光波导本体设置，所述加强层设于所述感光层背离所述光波导本体的一侧，所述加强层用于将所述感光层衍射出所述光波导本体的光信号传输至所述光波导本体中。

根据本申请实施例的光学设备，还包括杂光防护层，所述杂光防护层设于所述耦合光栅的外表面，以及所述光波导本体设置所述耦合光栅的侧面除所述耦合光栅之外的部位。

根据本申请实施例的光学设备，所述杂光防护层为黑色防护层，所述杂光防护层形成有用于容纳所述耦合光栅的开口槽，所述开口槽的开口朝向所述光波导本体的一侧。

根据本申请实施例的光学设备，所述加强层包括基体和凸设于所述基体表面的凸起结构，所述凸起结构设于所述基体靠近所述感光层的一侧。

根据本申请实施例的光学设备，所述凸起结构包括条状凸起和柱状凸起中的至少一种。

根据本申请实施例的光学设备，所述条状凸起沿所述基体的宽度方向间隔设置且沿所述基体的长度方向延伸，所述条状凸起的长度与所述基体的长度一致；或所述条状凸起沿所述基体的宽度方向间隔设有多排，且所述条状凸起沿所述基体的长度方向间隔设置。

根据本申请实施例的光学设备，所述感光层包括依次叠层设置的红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层，且所述蓝光感光层靠近所述光波导本体。

根据本申请实施例的光学设备，所述红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层背离所述光波导本体的一侧各设有一层所述加强层。

根据本申请实施例的光学设备，所述感光层包括在同一平面排列设置的红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层，所述红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层的所在平面背离所述光波导本体的一侧设有所述加强层。

第二方面，本申请实施例提出了一种显示系统，包括：光学设备，所述光学设备为上述任一项所述的光学设备，包括光波导本体和耦合光栅；微型显示器，所述微型显示器设于所述光波导本体背离所述耦合光栅的一侧，且与所述耦入光栅对应；准直器，所述准直器设于所述微型显示器和所述光波导本体之间。

根据本申请实施例提供的显示系统，所述显示系统为智能眼镜，所述智能眼镜包括：镜片，所述镜片的两侧内部分别设有所述光学设备；所述微型显示器和所述准直器设于所述镜片的任一侧外部与所述光学设备的对应处。

在本申请的实施例中，光学设备和显示系统基于简单的感光层结构设计作为体全息光栅，并设置加强层在感光层背离光波导本体的一侧，捕获从感光层中损失的光信息，使得光信号在加强层中无损传输，有利于改善耦合器件因制程精度的影响出现光信号损失的问题，从而保证光的能量传输效率，提高光线调制的效果，改善视野范围内的图像亮度，对于大视场来说，有利于改善边缘视场，优化了进入人眼图像的亮度均匀性与清晰度等信号质量与成像质量。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有AR技术的简要原理示意图；

图2是根据本申请实施例的感光层叠层设置的光学设备立体示意图；

图3是根据本申请实施例的感光层叠层设置的光学设备截面示意图；

图4是根据本申请实施例的感光层叠层设置的结构示意图之一；

图5是根据本申请实施例的加强层的结构示意图之一；

图6是根据本申请实施例的感光层叠层设置的结构示意图之二；

图7是根据本申请实施例的加强层的结构示意图之二；

图8是根据本申请实施例的感光层叠层设置的结构示意图之三；

图9是根据本申请实施例的加强层的结构示意图之三；

图10是根据本申请实施例的感光层平排设置的光学设备截面示意图；

图11是根据本申请实施例的感光层平排设置的结构示意图之一；

图12是根据本申请实施例的感光层平排设置的结构示意图之二；

图13是根据本申请实施例的感光层平排设置的结构示意图之三。

附图标记：

A：近眼显示系统；B：人眼；C：显示器；D：光学组合器；E：虚拟信息；F：真实信息；11：光波导本体；12：耦合光栅；12a：耦入光栅；12b：耦出光栅；2：感光层；21：蓝光感光层；22：绿光感光层；23：红光感光层；3：加强层；31：基体；321：第一条状凸起；322：第二条状凸起；323：柱状凸起；4：杂光防护层；5：镜片；6：微型显示器；7：准直器。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合图2-图13描述根据本申请实施例的光学设备及显示系统。

如图2和图3所示，根据本申请一些实施例的一种光学设备，光学设备包括：波导层。所述波导层包括光波导本体11；耦合光栅12，包括耦入光栅12a和耦出光栅12b，耦入光栅12a和耦出光栅12b间隔设于所述光波导本体11的同一侧面，所述耦入光栅12a和耦出光栅12b分别包括感光层2和加强层3，所述感光层2为体全息光栅且靠近所述光波导本体11设置，所述加强层3设于所述感光层2背离所述光波导本体11的一侧，所述加强层3用于将所述感光层2衍射出所述光波导本体11的光信号传输至所述光波导本体11中。

本实施例的光学设备的波导层，用于接收彼此传播方向不同的平行光束组，经由反复全反射来传播光束，并将光束以平行光束组射出。其中，光波导本体11同一侧面的两个耦合光栅12一个为耦入光栅12a，一个为耦出光栅12b。耦合光栅12具有感光层2体全息光栅结构。耦入光栅12a用于耦入带有图像信息的光束，在其光束入射区域对平行光束组进行衍射和反射，以满足波导层中的内部全反射调节。耦出光栅12b用于耦出带有图像信息的光束，在其上的平行光束射出区域中对平行光束组进行衍射和反射，以从波导层中射出。

本实施例的光学设备，设置感光层2为体全息光栅作为光波导的耦入器件和耦出器件，感光层2可对光信号感光，进行彩色光的调制转向传输，可实现彩色图像显示。进一步地，理想状态下的体全息光栅是可以无损的改变光信号的方向，但是由于受到制程与其他外界环境的影响，在耦入与耦出过程中总是会或多或少的出现光信号的损失，针对此问题，本实施例提出在耦合光栅12中设置加强层3，加强层3设在感光层2背离光波导本体11的一侧，加强层3同样为光栅结构，在感光层2背离光波导本体11的一侧，可捕获从感光层2中损失的光信息将捕获的光信息传输至光波导本体11中，使得光信号在加强层3中无损传输，从而可解决感光层2体全息光栅光信号损失的问题。

根据本申请实施例的光学设备，基于简单的感光层2结构设计作为体全息光栅，并设置加强层3在感光层2背离光波导本体11的一侧，捕获从感光层2中损失的光信息，使得光信号在加强层3中无损传输，有利于改善耦合器件因制程精度的影响出现光信号损失的问题，从而保证光的能量传输效率，提高光线调制的效果，改善视野范围内的图像亮度，对于大视场来说，有利于改善边缘视场，优化了进入人眼B图像的亮度均匀性与清晰度等信号质量与成像质量。

进一步地，本实施例的光学设备，设置耦合光栅12中的感光层2为体全息光栅结构，即利用体全息光栅来作为光线的耦入与耦出装置，将波导的全反射特性和全息光栅的衍射特性相结合，可实现大视场、大出瞳图像输出，从而可被应用于新一代AR眼镜系统中，而且其具有整体质量和体积更为紧凑的优点，相对于传统的阵列光波导中采用几何光学元件来作为光线的耦入/耦出装置，体全息光波导可有效降低显示系统的厚度和重量。

进一步地，耦合光栅12采用感光层2体全息光栅波导的方案，是一种具有周期性结构的光学元件，一般通过双光束全息曝光的方式，直接在超薄的感光聚合物薄膜内部干涉形成明暗分布的干涉条纹，从而引起了材料内部的折射率周期性变化。由于是通过干涉而改变了折射率所形成的纳米级衍射光栅，其光栅结构与光波长同属一个数量级，因此可有效对光线进行调制，进而改变光线的传输方向。

具体地，感光层2的表面设有感光薄膜，通过对感光薄膜干涉曝光形成干涉条纹，进而形成体全息光栅。本实施例的光学设备，基于简单的感光层2结构设计为体全息光栅，有利于降低成本以及实现体全息光波导的推广应用。

进一步地，本实施例中两个耦入光栅12a和耦出光栅12b对应设于光波导本体11同一侧面的相对边缘位置。即耦入光栅12a设于光波导本体11的一侧边缘，耦出光栅12b设于光波导本体11相对的另一侧边缘。即耦合光栅12的边缘与光波导本体11的边缘对齐设置。两个耦合光栅12位于光波导本体11的边缘，有利于实现全部光信号的耦入耦出。

在其他实施例中，耦入光栅12a和耦出光栅12b之间的间距也可为其他间距，例如，耦合光栅12距离光波导本体的边缘也可具有一定间距，具体不做限定。

根据本申请进一步的实施例，光学设备还包括杂光防护层4，所述杂光防护层4设于所述耦合光栅12的外表面，以及所述光波导本体11设置所述耦合光栅12的侧面除所述耦合光栅12之外的部位。本实施例考虑到由于光学设备的波导层通常设在镜片5内，由于镜片5为透明材质，除了耦入光栅12a接收的入射光线外，还会有其他方向的杂光，不可避免的总会有部分杂光进入耦入器件和耦出器件而影响虚拟图像质量，基于此，本实施例提出设置杂光防护层4，用于防止除入射光线之外的其他光线射入波导层中。

本实施例中在波导层设置耦合光栅12的一侧均设置杂光防护层4。具体地，耦合光栅12设置在光波导本体11的一侧面，耦合光栅12的一侧面连接于光波导本体11，在耦合光栅12的其他侧面均设置杂光防护层4；另外，光波导本体11设置耦合光栅12的侧面上，在耦合光栅12之外的部位也均设置杂光防护层4。可实现杂光的有效全面防护。

根据本申请进一步的实施例，所述杂光防护层4形成有用于容纳所述耦合光栅12的开口槽，所述开口槽的开口朝向所述光波导本体11的一侧。在波导层安装完成时，开口槽的开口与光波导本体11的侧面相接，耦合光栅12设在开口槽的内部，使得杂光防护层4可全面包围耦合光栅12，实现全面有效防护。

进一步地，本实施例中所述杂光防护层4为黑色防护层。在其他实施例中，杂光防护层4也可为其他形式，例如可设置外反射层作为杂光防护层4以使得射向波导层的杂光均会反射走从而实现防护，杂光防护层4的具体形式不做限定，以能实现杂光防护为目的。

根据本申请进一步的实施例，加强层3满足全反射条件，从而可实现感光层2中损失信号的捕获，将光信号限制在波导内并沿着波导方向向前无损传输。进一步地，加强层3具有显微结构；通过显微结构形成表面浮雕光栅结构，以实现感光层2中损失信号的捕获。

具体地，所述加强层3包括基体31和凸设于所述基体31表面的凸起结构，所述凸起结构设于所述基体31靠近所述感光层2的一侧。凸起结构为形成在基体31表面的显微结构。

根据本申请进一步的实施例，所述凸起结构包括条状凸起和柱状凸起323中的至少一种。

具体地，参考图4和图5，本实施例中所述条状凸起沿所述基体31的宽度方向间隔设置且沿所述基体31的长度方向延伸，所述条状凸起的长度与所述基体31的长度一致。本实施例中条状凸起为第一条状凸起321，第一条状凸起321沿基体31的长度方向延伸，多个第一条状凸起321沿基体31的宽度方向间隔分布。

或者，参考图6和图7，在另一实施例中所述条状凸起沿所述基体的宽度方向间隔设有多排，且所述条状凸起沿所述基体的长度方向间隔设置。本实施例中条状凸起为第二条状凸起322，第二条状凸起322在基体31的表面阵列分布。第二条状凸起322为离散分布结构。

上述实施例中，基体31为板状结构，具有长度方向和宽度方向，长度方向为基体31一侧边的延伸方向，宽度方向为基体31与该侧边垂直的侧边的延伸方向。第一条状凸起321是相对第二条状凸起322而言长度更长，第二条状凸起322是相对第一条状凸起321而言长度更短。即第一条状凸起321是沿基体31的长度方向延伸，在基体31长度方向上只具有一个第一条状凸起321；而第二条状凸起322虽然也是沿基体31的长度方向延伸，但在基体31的长度方向上具有多个第二条状凸起322。

或者，参考图8和图9，在又一实施例中凸起结构为柱状凸起323，多个柱状凸起323在基体31的侧面呈孤岛状离散阵列分布。进一步地，柱状凸起323可为圆柱结构，也可为方柱结构或其他柱状结构，具体不做限定。

进一步地，加强层3的同一基体31上的凸起结构可为一种形式，也可为多种形式的组合。即同一基体31上可单一设置一种凸起结构，例如均设置第一条状凸起321、第二条状凸起322或柱状凸起323；同一基体31上也可组合设置多种凸起结构，例如同时设有第一条状凸起321和第二条状凸起322等组合；具体不做限定。

根据本申请进一步的实施例，感光层2为X、Y方向的二维结构。X、Y方向为与光波导本体11设置耦合光栅12的侧面平行的方向，Z方向为垂直于光波导本体11侧面的方向。参考图2和图3，本实施例中所述感光层2包括依次叠层设置的红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21，且所述蓝光感光层21靠近所述光波导本体11。

本实施例考虑到由于目前体全息光栅波导方案是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅，通过两束激光对全息材料进行干涉曝光，对曝光时间和曝光量有严格要求，因此，色彩的一致性上来说，体全息光波导要比阵列光波导要差很多，甚至在快速转动头部或者看纯白物体的时候会出现彩虹效应。基于此，本实施例的光学设备，设置红、绿、蓝三种感光层2，利用感光薄膜分别对红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)感光，进行形成R/G/B三色光的调制转向传输，最终在人眼B中形成全彩色的虚拟图像。

进一步地，本实施例中感光层2为叠层设置结构，即耦合光栅12具有红、绿、蓝三层感光层2，红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21相互平行设置且依照波长长短依次靠近光波导本体11设置。

根据本申请进一步的实施例，所述红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21背离所述光波导本体11的一侧各设有一层所述加强层3。即每层感光层2均对应设有一层加强层3，用于捕获该层感光层2中损失的光信号，从而实现各个感光层2损失光信号的捕获，提高信号传输效率。

进一步地，本实施例中感光层2和加强层3是体全息光波导耦入耦出不可或缺的重要组成部分，其膜层结构与显微结构在很大程度上决定了微型显示器6入射进光学组合器的传输效率与信号质量。针对目前产品的光信号损失等问题，基于加强层3的多种实现结构，本实施例提出了三种不同结构的耦合光栅12。在R/G/B三色感光材料上分别增加三层具有不同显微结构的加强层3，图4为具有第一条状凸起321加强层3的叠层感光层2结构，图6为具有第二条状凸起322加强层3的叠层感光层2结构，图8为具有孤岛状的圆柱形凸起加强层3的叠层感光层2结构。

相应的，本实施例中每层加强层3的凸起结构也可为其他形状或者多种形状的组合，具体不做限定。

根据本申请进一步的实施例，多层所述加强层3的结构相同或不同。参考图4、图6和图8，本实施例中在多层感光层2叠层设置时，多层加强层3的结构相同。在其他实施例中，多层感光层2叠层设置时，多层加强层3相互之间的结构也可不同，例如可设置蓝光感光层21上方的加强层3具有第一条状凸起321，设置绿光感光层22上方的加强层3具有第二条状凸起322，设置红光感光层23上方的加强层3具有柱状凸起323，具体不做限定。

根据本申请进一步的实施例，参考图10，本实施例中所述感光层2包括在同一平面排列设置的红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21，所述红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21的所在平面背离所述光波导本体11的一侧设有所述加强层3。即耦合光栅12只具有一层感光层2，同一层感光层2中设有红、绿、蓝三种感光层2；相应的，设有一层加强层3。

具体的，本实施例中红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21平排设置，即在同一平面排列设置，红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21可为分体独立结构；即红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21是基于三个独立的光栅本体形成的，通过将三个独立的感光层2平排设置形成一层感光层2。

在另一实施例中，红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21也可为一体结构；即红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21是基于一个光栅本体形成的，通过在一个光栅本体上依次设置不同的感光薄膜，实现三种感光层2。

进一步地，在红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21平排设置时，加强层3同样具有多种设置形式。参考图11，本实施例中红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21平排设置，加强层3的凸起结构为第一条状凸起321。参考图12，本实施例中红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21平排设置，加强层3的凸起结构为第二条状凸起322。参考图13，本实施例中红光感光层23、绿光感光层22和蓝光感光层21平排设置，加强层3的凸起结构为柱状凸起323。

进一步地，本实施例中，由于加强层3感光薄膜的光学折射率差异很大，加强层3应满足光波导的全反射条件，当加强层3满足全反射条件时，从感光薄膜中损失的光信号会被加强层3捕获，在加强层3中的显微结构中无损传输，进而解决了光信息损失的问题。因此，通过上述方案，可以有效的将偶入器件中的光线无损的传输至镜片5的光波导本体11中，通过光波导本体11的进一步传输，将光信息送到耦出器件，由于耦出器件的结构与偶入器件的结构一致，因此光线再次通过体全息光栅发生转向而垂直进入人眼B，最终成像。与此同时，由于眼镜为透明材质，除了从微型显示器6射入耦入器件的光线外，还有其他方向的杂光，由于感光加强层3显微结构制程精度的限制，总会有部分杂光进入耦入器件与耦出器件而影响虚拟图像质量，因此本实施例中在感光层2的其他方向均设计了杂光防护层4(黑色)，以防止其他方向光线的干扰。

进一步地，上述实施例中耦入光栅12a和耦出光栅12b的结构可相同，因此对耦合光栅12是统一进行结构说明，没有区分耦入光栅12a和耦出光栅12b。在其他实施例中，耦入光栅12a和耦出光栅12b的结构也可不同，具体不做限定。

根据本申请一些实施例的一种显示系统，参考图3和图10，显示系统包括：光学设备，所述光学设备为根据上述任一实施例所述的光学设备，包括光波导本体11和耦合光栅12；微型显示器6，所述微型显示器6设于所述光波导本体11背离所述耦合光栅12的一侧，且与所述耦入光栅12a对应；准直器7，所述准直器7设于所述微型显示器6和所述光波导本体11之间。耦合光栅12包括感光层2和加强层3。

根据本申请实施例的显示系统，通过微型显示器6作为虚拟图像的光源，并基于简单的感光层2结构设计作为体全息光栅，利用本申请实施例中显微结构的特殊结构设计，在改善耦入器件与耦出器件因制程精度等影响而出现大量光学信息失真以及信号损失问题的同时，有效提高了光线调制的效果，极大优化了进入人眼B图像的色彩均匀性、亮度均匀性与清晰度等信号质量与成像质量。

进一步地，本实施例中显示系统的光学设备还设有杂光防护层4。本实施例的显示系统结合杂光防护层4，可改善耦入器件和耦出器件因环境光等影响出现光学信号失真的问题，有效提高了光线调制的效果。

根据本申请进一步的实施例，所述显示系统为智能眼镜，所述智能眼镜包括：镜片5，所述镜片5的两侧内部分别设有所述光学设备；所述微型显示器6和所述准直器7设于所述镜片的任一侧外部与所述光学设备的对应处。即所述镜片5的任一侧对应所述光学设备的外部设有所述微型显示器6和所述准直器7。参考图2和图3，为镜片5内一侧的光学设备的示意图。

根据本申请实施例的显示系统的其他构成例如镜架和镜腿等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

进一步地，本实施例提供了一款结构简单的AR眼镜，该结构的主体主要包括以下几部分：含有光学组合器的镜片5；可放置主板、电池、柔性电路板、芯片、蓝牙天线、麦克风等各种电子原件的镜架；可调整角度并内嵌在镜架内的微型显示器6；以及含有充电口的镜腿等。首先，当镜架内部主板上的芯片发送指令后，微型显示器6亮屏并发出光线进入镜片5，其次，当微型显示器6发出光线通过准直器7后平行射入镜片5中的光学组合器及波导层，通过光学组合器内的耦入处理、光波导传输以及耦出处理后，便可将光学信号无损的传递至人眼B，最后进入眼睛内被视网膜神经捕获成像，与此同时，由于镜片5两侧较小位置设计了微型显示器6，镜片5的中央区域等一大片位置为透光区域，用于捕获真实世界的光学信息用于视网膜成像。因此，通过上述虚拟世界的光学图像与真实世界的光学图像相互叠加，最终在人眼B内形成了虚拟现实的光学成像。

根据本申请的一些实施例，本实施例基于体全息光栅波导采用全息干涉曝光的方法进行波导片的加工，受限于加工精度与环境影响，导致其色彩均匀性、亮度一致性与清晰度有所欠缺，并难以大批量量产。因此，基于上述问题，本申请实施例提出的一种具有大视角AR眼镜的体全息全彩光学设备设计，是基于耦入端和耦出端中同步设计X方向与Y方向的二维红光感光层23、绿光感光层22、蓝光感光层21、具有显微结构的加强层3以及防杂光层等多层2D结构，对波导内的光路进行重定向，最大限度降低了整个光学组合器中的光信号损失与失真，当光路通过光波导传播至耦出端光栅时，再次转向进而全部进入人眼B成像。

本实施例中分别设计了两种结构的感光层2，分别为叠层式(图3)以及平排式(图10)，成像光路示意图成像原理已在上文中陈述，此处不再赘述。在感光层2为叠层式设置结构时，对应设有多层加强层3，多层加强层3具有多种显微结构，如图4、图6和图8。在感光层2为平排式设置结构时，共用同一片加强层3，且加强层3也有三种显微结构，参考图11、图12和图13。

本实施例方案通过在设计具有二维多层结构的体全息光栅作为光波导的耦入器件以及耦出器件，让微型显示器6产生的光学图像经过准直系统后变为平行光，该部分平行光透过波导后射入耦合端的二维多层结构全息光栅上，借助全息光栅的衍射效应改变平行光的传播方向后而进入光波导中，当其满足全反射条件时，这些光线就会被限制在波导内并沿着波导方向向前无损传播。当平行光传播到出耦合端的二维多层结构全息光栅上时，全反射条件被破坏，光线再次发生衍射变为平行光从波导中出射，进入人眼B成像。

本实施例中的多层感光结构设计不仅仅局限于整体式AR眼镜与分体式AR眼镜，对于其他VR眼镜、全息显示、可穿戴式智能眼镜等电子产品，任何采用本实施例中的结构设计的产品都在本申请的保护范围内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种光学设备，其特征在于，包括：波导层，所述波导层包括：

光波导本体；

耦合光栅，包括耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅间隔设于所述光波导本体的同一侧面，所述耦入光栅和所述耦出光栅分别包括感光层和加强层，所述感光层为体全息光栅且靠近所述光波导本体设置，所述加强层设于所述感光层背离所述光波导本体的一侧，所述加强层用于将所述感光层衍射出所述光波导本体的光信号传输至所述光波导本体中。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，还包括杂光防护层，所述杂光防护层设于所述耦合光栅的外表面，以及所述光波导本体设置所述耦合光栅的侧面除所述耦合光栅之外的部位。

3.根据权利要求2所述的光学设备，其特征在于，所述杂光防护层为黑色防护层，所述杂光防护层形成有用于容纳所述耦合光栅的开口槽，所述开口槽的开口朝向所述光波导本体的一侧。

4.根据权利要求1至3任一所述的光学设备，其特征在于，所述加强层包括基体和凸设于所述基体表面的凸起结构，所述凸起结构设于所述基体靠近所述感光层的一侧。

5.根据权利要求4所述的光学设备，其特征在于，所述凸起结构包括条状凸起和柱状凸起中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的光学设备，其特征在于，所述条状凸起沿所述基体的宽度方向间隔设置且沿所述基体的长度方向延伸，所述条状凸起的长度与所述基体的长度一致；或所述条状凸起沿所述基体的宽度方向间隔设有多排，且所述条状凸起沿所述基体的长度方向间隔设置。

7.根据权利要求1至3任一所述的光学设备，其特征在于，所述感光层包括依次叠层设置的红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层，且所述蓝光感光层靠近所述光波导本体。

8.根据权利要求7所述的光学设备，其特征在于，所述红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层背离所述光波导本体的一侧各设有一层所述加强层。

9.根据权利要求1至3任一所述的光学设备，其特征在于，所述感光层包括在同一平面排列设置的红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层，所述红光感光层、绿光感光层和蓝光感光层的所在平面背离所述光波导本体的一侧设有所述加强层。

10.一种显示系统，其特征在于，包括：

光学设备，所述光学设备为根据权利要求1-9中任一项所述的光学设备，包括光波导本体和耦合光栅；

微型显示器，所述微型显示器设于所述光波导本体背离所述耦合光栅的一侧，且与所述耦入光栅对应；

准直器，所述准直器设于所述微型显示器和所述光波导本体之间。

11.根据权利要求10所述的显示系统，其特征在于，所述显示系统为智能眼镜，所述智能眼镜包括：

镜片，所述镜片的两侧内部分别设有所述光学设备；

所述微型显示器和所述准直器设于所述镜片的任一侧外部与所述光学设备的对应处。

Images