CN113692549B - 全息导波器 - Google Patents

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Abstract

公开了全息导波器，其包括：导光单元，所述导光单元被配置成引导光；第一全息光学元件，所述第一全息光学元件设置在导光单元的一个表面或另一个表面上使得从光源输出的光输入并在导光单元上被引导，并且所述第一全息光学元件被配置成使输入光衍射；第二全息光学元件，所述第二全息光学元件设置在导光单元的一个表面和另一个表面中的任一者上，并且被配置成接收由第一全息光学元件衍射并通过导光单元引导的光，并通过衍射将接收的光的一部分引导至导光单元的一个表面和另一个表面中的另一者；第三全息光学元件，所述第三全息光学元件设置在导光单元的与其上设置有第二全息光学元件的表面相对的表面上，并且被配置成接收由第二全息光学元件衍射的光，并通过衍射将接收的光引导至导光单元上与其中设置有第一全息光学元件和第二全息光学元件的区域不同的区域；以及第四全息光学元件，所述第四全息光学元件被配置成接收由第三全息光学元件衍射的光并通过衍射使接收的光从导光单元输出。

Description

全息导波器
技术领域
本发明要求于2019年10月17日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2019-0124013号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。本发明涉及全息导波器。
背景技术
图1是示意性地示出一般的车辆平视显示器(head-up display，HUD)系统的图。
一般的车辆平视显示器(HUD)系统10可以包括产生和输出图像的显示器1和将图像导向车辆风窗玻璃的光学系统2。
如图1所示，光学系统2使用复数个反射镜3和4以在确保显示器1与风窗玻璃之间的光路的同时减小平视显示器(HUD)系统10的总体积。
虽然如上使用复数个反射镜3和4，但由于要确保显示器1与复数个反射镜3和4之间的距离，在将平视显示器(HUD)系统10的总体积减小至约10L方面存在限制。
在这样的平视显示器(HUD)系统中，难以形成宽的眼动箱(eye motion box，EMB)，所述眼动箱是驾驶员通过风窗玻璃可以视觉识别图像的区域。因此，考虑到驾驶员瞳孔的视轴和图像的视角，驾驶员需要不方便地并且直接地调节复数个反射镜3和4之间的角度，使得图像可以到达风窗玻璃的有限范围。
此外，在相关技术中，为了扩展眼动箱，使用第一导波器在垂直方向上扩展入射光，然后使用第二导波器在水平方向上扩展入射光，即，使用两个导波器在垂直方向和水平方向上扩展入射光。然而，在使用两个导波器的情况下，在结构上减小体积方面存在限制。此外，需要精确地布置两个导波器使得从第一导波器发出的光入射在第二导波器的适当位置处。因此，制造过程中需要精确度，导致制造成本和制造时间的增加。
上述背景技术是本发明人为了得到本发明的实施方案而持有或者在得到本发明的实施方案的过程中获得的技术信息，并且可能未必说背景技术是在提交本发明的实施方案的申请之前向一般公众公开的公知技术。
发明内容
技术问题
本发明的实施方案旨在提供适用于平视显示器的全息导波器。
本发明要解决的问题不限于前述问题，并且本领域技术人员将根据以下描述清楚地理解其他未提及的问题。
技术方案
根据本发明的一个方面的一个实施方案提供了全息导波器，所述全息导波器包括：导光单元，所述导光单元被配置成引导光；第一全息光学元件，所述第一全息光学元件设置在导光单元的一个表面或另一个表面上使得从光源输出的光输入并在导光单元上被引导，并且所述第一全息光学元件被配置成使输入光衍射；第二全息光学元件，所述第二全息光学元件设置在导光单元的一个表面和另一个表面中的任一者上，并且被配置成接收由第一全息光学元件衍射并通过导光单元引导的光，并通过衍射将接收的光的一部分引导至导光单元的一个表面和另一个表面中的另一者；第三全息光学元件，所述第三全息光学元件设置在导光单元的与其上设置有第二全息光学元件的表面相对的表面上，并且被配置成接收由第二全息光学元件衍射的光，并通过衍射将接收的光引导至导光单元上与其中设置有第一全息光学元件和第二全息光学元件的区域不同的区域；以及第四全息光学元件，所述第四全息光学元件被配置成接收由第三全息光学元件衍射的光并通过衍射使接收的光从导光单元输出。
在本实施方案中，第一全息光学元件和第二全息光学元件各自可以包括其中沿第一方向交替设置有高折射部分和低折射部分的图案，第三全息光学元件和第四全息光学元件各自可以包括其中沿垂直于第一方向的第二方向交替设置有高折射部分和低折射部分的图案。
在本实施方案中，第二全息光学元件可以被配置成使得通过第二全息光学元件的图案的衍射效率沿第一方向增加。
在本实施方案中，第三全息光学元件可以被配置成使得通过第三全息光学元件的图案的衍射效率在一定区域内沿第一方向是基本均匀的。
在本实施方案中，第四全息光学元件可以被配置成使得通过第四全息光学元件的图案的衍射效率沿第二方向增加。
在本实施方案中，可以在第二全息光学元件与第三全息光学元件之间设置有相位延迟膜。
在本实施方案中，相位延迟膜可以设置在导光单元与第三全息光学元件之间。
有益效果
根据本发明的实施方案的全息导波器可以有助于减小平视显示器。
此外，全息导波器具有能够显示图像，同时保持高亮度的优点。
附图说明
图1是示意性地示出一般的车辆平视显示器系统的图。
图2是示意性地示出根据本发明的一个实施方案的全息导波器的图。
图3是示意性地示出通过图2所示的全息导波器的光路和光路上的主偏振方向的图。
图4是示出从A侧观察的图3所示的全息导波器的图。
图5是示出从B侧观察的图3所示的全息导波器的图。
具体实施方式
通过结合附图参照以下详细描述，本发明将变得明显。然而，本发明不限于这样的实施方案并且可以以各种形式实现。以下将描述的实施方案仅是为了使本发明的公开内容完善，并帮助本发明所属领域的技术人员彻底地理解本发明的范围而提供的实施方案。本发明仅由所附权利要求书的范围来限定。本文中使用的术语仅用于描述实施方案的目的，并且不旨在限制本发明。如本文所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也旨在包括复数形式。当在本文中使用时，术语“包括”和/或“包含”所述组件、步骤、操作和/或元件不排除存在或添加一个或更多个另外的组件、步骤、操作和/或元件。术语例如第一和第二可以用于描述多个组件，但组件不受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个组件与另一组件。
在本说明书中，术语“导光单元”可以被定义为通过利用全内反射在内部引导光的结构。全内反射的条件是导光单元的折射率需要大于与导光单元的表面相邻的周围介质的折射率。导光单元可以由玻璃和/或塑料材料形成并且可以为透明或半透明的。导光单元可以以板型形成为各种布局。术语“板”意指在一个表面和与其相对侧上的另一个表面之间具有预定厚度的三维结构，一个表面和另一个表面可以为基本上平坦的平面，而且一个表面和另一个表面中的至少一者可以形成为在一个维度或两个维度上弯曲。例如，板型导光单元可以在一个维度上弯曲，使得其一个表面和/或另一个表面可以具有对应于圆柱形的一些侧表面的形状。然而，优选地，通过其弯曲形成的曲率具有足够大的曲率半径以促进全内反射，从而在导光单元上引导光。
在本说明书中，术语“全息光学元件”可以指其中沿预定方向交替设置有高折射部分和低折射部分的全息光栅图案，到达全息光学元件的光的光路可以由于其衍射而改变。这样的全息光栅图案可以通过复数个激光在光敏材料例如光聚合物上的干涉来记录。全息光学元件可以被理解为通过经由被设置在导光单元的一个表面或另一个表面上来使光在导光单元上衍射而改变光路的结构。
在本说明书中，全息光学元件可以包括其中沿预定方向交替设置有高折射部分和低折射部分的全息光栅图案，全息光栅图案的纵向方向可以被定义为与其中高折射部分和低折射部分交替设置的方向垂直的方向。
其可以指其中沿预定方向交替设置有高折射部分和低折射部分的全息光栅图案，到达全息光学元件的光的光路可以由于其衍射而改变。这样的全息光栅图案可以通过复数个激光在光敏材料例如光聚合物上的干涉来记录。全息光学元件可以被理解为通过经由被设置在导光单元的一个表面或另一个表面上来使光在导光单元上衍射而改变光路的结构。
在本说明书中，在导光单元上被全内反射的光的光路可以由于其被全息光学元件的部分衍射而改变，剩余部分可以在衍射之前沿光路被全反射，术语“衍射效率”可以指通过将其光路由于衍射而改变的衍射光的光量除以紧接在衍射之前的光量而获得的值。
图2是示意性地示出根据本发明的一个实施方案的全息导波器的图，图3是示意性地示出通过图2所示的全息导波器的光路和光路上的主偏振方向的图。
图4是示出从A侧观察的图3所示的全息导波器的图，图5是示出从B侧观察的图3所示的全息导波器的图。
参照图2至图5，全息导波器100可以包括导光单元110、第一全息光学元件120、第二全息光学元件130、第三全息光学元件140、第四全息光学元件150和相位延迟膜160。
导光单元110可以被配置成通过利用全内反射在内部引导光。
第一全息光学元件120可以设置在导光单元110的一个表面110a或另一个表面110b上使得从光源(未示出)输出的光L可以输入并在导光单元110上被引导，并且第一全息光学元件120可以被配置成使输入光L衍射。光源可以接收具有图像信息的电信号并输出用于图像信息的图像显示光。作为光源，例如可以使用液晶显示(LCD)面板、由有机发光二极管(OLED)构成的显示面板(在下文中，有机发光显示面板)、或显示装置例如激光束扫描投影仪。图2示出了其中第一全息光学元件120设置在导光单元110的一个表面110a上的一个实施方案。
第一全息光学元件120可以包括其中沿预定方向交替设置有高折射部分120a和低折射部分120b的全息光栅图案。其中第一全息光学元件120的高折射部分120a和低折射部分120b交替设置的方向被定义为第一方向，并且可以为基于图3的x轴方向。第一全息光学元件120的全息光栅图案的纵向方向可以为垂直于第一方向的第二方向，即基于图3的z轴方向。
第二全息光学元件130可以设置在导光单元110的一个表面110a和另一个表面110b中的任一者上，并且可以被配置成接收由第一全息光学元件120衍射并通过导光单元110引导的光L1，并通过衍射将接收的光的一部分引导至导光单元110的一个表面110a和另一个表面110b中的另一者。在一个实施方案中，第二全息光学元件130被设置成沿第一方向与第一全息光学元件120间隔开预定间距，图2至图5示出了第二全息光学元件130设置在导光单元110的一个表面110a上；然而，本公开内容不限于此。
第二全息光学元件130可以包括其中沿预定方向交替设置有高折射部分130a和低折射部分130b的全息光栅图案。如第一全息光学元件120的情况，其中第二全息光学元件130的高折射部分130a和低折射部分130b交替设置的方向可以为第一方向，即基于图3的x轴方向。第二全息光学元件130的全息光栅图案的纵向方向可以为垂直于第一方向的第二方向，即基于图3的z轴方向。
同时，基于图2至图5所示的实施方案，第二全息光学元件130被配置成接收由第一全息光学元件120衍射并通过导光单元110引导的光L1，以通过衍射将光L1的一部分引导至导光单元110的另一个表面110b并通过全反射将光L1的剩余部分在导光单元110上引导通过现有光路。具体地，最初由第二全息光学元件130接收的光L1沿特定方向例如第一方向在相隔预定间距的各点处被部分衍射，衍射光L2被引导至导光单元110的另一个表面110b，剩余光沿第一方向在导光单元110中被全反射和引导，使得最终可以实现一维扩展。
第三全息光学元件140可以设置在与其上设置有第二全息光学元件130的表面相对的表面上，并且可以被配置成接收来自第二全息光学元件130的衍射光L2和衍射光L2'，并通过衍射将接收的光L2和L2'引导至导光单元110上与其中设置有第一全息光学元件120和第二全息光学元件130的区域不同的区域。在一个实施方案中，由于第二全息光学元件130设置在导光单元110的一个表面110a上，因此第三全息光学元件140可以设置在导光单元110的作为与一个表面110a相对的表面的另一个表面110b上。
第三全息光学元件140可以包括其中沿预定方向交替设置有高折射部分140a和低折射部分140b的全息光栅图案。其中第三全息光学元件140的高折射部分140a和低折射部分140b交替设置的方向可以为与其中布置有第一全息光学元件120和第二全息光学元件130的全息光栅图案的第一方向垂直的第二方向，即基于图3的z轴方向。第三全息光学元件140的全息光栅图案的纵向方向可以为垂直于第二方向的第一方向，即基于图3的x轴方向。
第四全息光学元件150可以被配置成接收来自第三全息光学元件140的衍射光L3并通过衍射使接收的光L3从导光单元110输出。
第四全息光学元件150可以设置在导光单元110的一个表面110a和另一个表面110b中的任一者上，图2至图5示出了其中第四全息光学元件150设置在导光单元110的作为其上设置有第三全息光学元件140的侧面的另一个表面110b上的一个实施方案。
第四全息光学元件150可以包括其中沿预定方向交替设置有高折射部分150a和低折射部分150b的全息光栅图案。如第三全息光学元件140的情况，其中第四全息光学元件150的高折射部分150a和低折射部分150b交替设置的方向可以为第二方向，即基于图3的z轴方向。第四全息光学元件150的全息光栅图案的纵向方向可以为垂直于第二方向的第一方向，即基于图3的x轴方向。
同时，基于图2至图5所示的实施方案，第四全息光学元件150被配置成接收由第三全息光学元件140衍射并通过导光单元110引导的光L3，以通过衍射使光L3的一部分从导光单元110输出并通过全反射将光L3的剩余部分在导光单元110上引导通过现有光路。具体地，最初由第四全息光学元件150接收的光L3沿特定方向例如第二方向在相隔预定间距的各点处被部分衍射，衍射光L4从导光单元110输出，剩余光沿第二方向在导光单元110中被全反射和引导，使得最终可以实现一维扩展。同时，最初由第四全息光学元件150接收的光L3是已通过第二全息光学元件130沿第一方向扩展并通过第三全息光学元件140到达第四全息光学元件150的光。由于这样的光L3通过第四全息光学元件150沿第二方向扩展，因此与由第一全息光学元件120从光源接收的光L相比，通过第四全息光学元件150从导光单元110输出的光L4处于二维扩展的状态。由于如上在宽的区域上实施二维扩展，因此可以广泛地形成眼动箱(EMB)，所述眼动箱(EMB)是其中可以设置观察者的瞳孔使得可以视觉识别输出光的区域。
发明实施方式
在本实施方案中，优选地，第二全息光学元件130被配置成使得通过其全息光栅图案的衍射效率沿第一方向增加。第二全息光学元件130可以被配置成使得通过其全息光栅图案的衍射效率在10％至100％之间逐渐增加。由第二全息光学元件130从第一全息光学元件120接收的光L1在作为主方向的其中在导光单元110上布置有全息光栅图案的第一方向上被全反射。一些光L2通过全息光栅图案在全反射路径上随着衍射而被分开，使得其光路被导向第三全息光学元件140。因此，光量沿以第一方向作为主方向的全反射路径减少。因此，即使到达全息光栅图案的光量沿全反射路径减少，当第二全息光学元件130被配置成使得其衍射效率沿第一方向增加时，通过第二全息光学元件130的全息光栅图案被衍射并被导向第三全息光学元件140的光L2的量也可以彼此相似。同时，全息光栅图案的衍射效率与高折射部分的厚度和/或高度相关。即，通过沿预定方向增加高折射部分的厚度和/或高度，可以增加通过沿预定方向布置的全息光栅图案的衍射效率。
在本实施方案中，优选地，第三全息光学元件140被配置成使得通过其全息光栅图案的衍射效率在一定区域内沿第一方向是基本均匀的，并且衍射效率优选为80％或更大。在第三全息光学元件140中，全息光栅图案沿第二方向布置，并且光可以通过衍射基本上沿第二方向被引导至其中设置有第四全息光学元件150的区域。同时，如上所述，由第三全息光学元件140从第二全息光学元件130接收的光L2和L2'具有相似的光量，并且由于第三全息光学元件140的全息光栅图案而不在第一方向上被全反射。因此，需要通过使衍射效率在所述区域内沿第一方向是均匀的来保持通过衍射的光L3的光量彼此相似。同时，通过使高折射部分的厚度和/或高度沿预定方向基本相同，通过沿预定方向布置的全息光栅图案的衍射效率可以为基本均匀的。
在本实施方案中，优选地，第四全息光学元件150被配置成使得通过其全息光栅图案的衍射效率沿第二方向增加。第四全息光学元件150可以被配置成使得通过全息光栅图案的衍射效率在10％至100％之间逐渐增加。由第四全息光学元件150从第三全息光学元件140接收的光L3在作为主方向的其中在导光单元110上布置有全息光栅图案的第二方向上被全反射。一些光L4通过全息光栅图案在全反射路径上随着衍射而被分开，使得其光路形成在其中光L4从导光单元110输出的方向上。因此，光量沿以第二方向作为主方向的全反射路径减少。因此，即使到达全息光栅图案的光量沿全反射路径减少，当第四全息光学元件150被配置成使得其衍射效率沿第二方向增加时，通过第四全息光学元件150的全息光栅图案被衍射并从导光单元110输出的光L4的量也可以彼此相似。
同时，当光的偏振方向平行于全息光学元件中的全息光栅图案的纵向方向时，由全息光学元件接收的光的衍射效率增加。
具体地，第一全息光学元件120和第二全息光学元件130主要使在平行于第二方向的方向上偏振的光衍射，因为其全息光栅图案的纵向方向为第二方向。因此，经由第一全息光学元件120被引导至第二全息光学元件130的光L1和经由第二全息光学元件130被引导至第三全息光学元件140的光L2的主偏振方向可以为第二方向。
同时，第三全息光学元件140主要使在平行于第一方向的方向上偏振的光衍射，因为其全息光栅图案的纵向方向为垂直于第二方向的第一方向。然而，由于经由第二全息光学元件130被引导至第三全息光学元件140的光L2的主偏振方向为第二方向，因此可以通过第三全息光学元件140的全息光栅图案衍射的光的量显著减少。
在这方面，在本实施方案中，通过在第二全息光学元件130与第三全息光学元件140之间设置相位延迟膜160，可以将经由第二全息光学元件130被引导至第三全息光学元件140的光L2的主偏振方向从第二方向转换至第一方向。在此，相位延迟膜160可以设置在导光单元110与第三全息光学元件140之间。作为相位延迟膜160，可以使用λ/4相位延迟膜、λ/2相位延迟膜等；然而，本发明不限于此，并且可以使用任何配置，只要其可以将偏振方向从第二方向转换至第一方向即可。
其主偏振方向通过相位延迟膜160转换至第一方向的光L2'到达第三全息光学元件140，第三全息光学元件140主要使在平行于第一方向的方向上偏振的光衍射。因此，光损失被最小化并且可以将光L2'导向第四全息光学元件150。由此，可以从导光单元110输出图像，同时保持高的光亮度。
根据本发明的一个实施方案的全息导波器在使光损失最小化的同时可通过衍射用作导波器，从而有助于减小平视显示器。
虽然关于上述优选实施方案描述了本发明，但可以在不脱离本发明的主题和范围的情况下做出各种修正或修改。因此，所附权利要求书将包括这样的修正或修改，只要其属于本发明的主题即可。
[附图标记说明]
100：全息导波器
110：导光单元
120：第一全息光学元件
130：第二全息光学元件
140：第三全息光学元件
150：第四全息光学元件
160：相位延迟膜

Claims (7)

1.一种全息导波器，包括：
导光单元，所述导光单元被配置成在一个表面和相反侧的另一个表面之间具有预定厚度的内部引导光；
第一全息光学元件，所述第一全息光学元件设置在所述导光单元的一个表面或另一个表面上使得从光源输出的光输入并在所述导光单元上被引导，并且所述第一全息光学元件被配置成使输入光衍射；
第二全息光学元件，所述第二全息光学元件设置在所述导光单元的所述一个表面和所述另一个表面中的任一者上，并且被配置成接收由所述第一全息光学元件衍射并通过所述导光单元引导的光，并通过衍射将接收的光的一部分引导至所述导光单元的所述一个表面和所述另一个表面中沿着所述厚度方向的另一者；
第三全息光学元件，所述第三全息光学元件设置在所述导光单元的与其上设置有所述第二全息光学元件的表面相对的表面上，并且被配置成接收由所述第二全息光学元件衍射的光，并通过衍射将接收的光引导至所述导光单元上与其中设置有所述第一全息光学元件和所述第二全息光学元件的区域不同的区域；以及
第四全息光学元件，所述第四全息光学元件被配置成接收由所述第三全息光学元件衍射的光并通过衍射使接收的光从所述导光单元输出。
2.根据权利要求1所述的全息导波器，其中所述第一全息光学元件和所述第二全息光学元件各自包括其中沿第一方向交替设置有高折射部分和低折射部分的图案，以及
所述第三全息光学元件和所述第四全息光学元件各自包括其中沿垂直于所述第一方向的第二方向交替设置有高折射部分和低折射部分的图案。
3.根据权利要求2所述的全息导波器，其中所述第二全息光学元件被配置成使得通过所述第二全息光学元件的图案的衍射效率沿所述第一方向增加。
4.根据权利要求2所述的全息导波器，其中所述第三全息光学元件被配置成使得通过所述第三全息光学元件的图案的衍射效率在一定区域内沿所述第一方向是基本均匀的。
5.根据权利要求2所述的全息导波器，其中所述第四全息光学元件被配置成使得通过所述第四全息光学元件的图案的衍射效率沿所述第二方向增加。
6.根据权利要求2所述的全息导波器，其中在所述第二全息光学元件与所述第三全息光学元件之间设置有相位延迟膜。
7.根据权利要求6所述的全息导波器，其中所述相位延迟膜设置在所述导光单元与所述第三全息光学元件之间。
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