CN113960799A - 用于ar近眼显示设备的高光效衍射波导元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，至少两层衍射波导层；其中，每层衍射波导层均包括基板和在基板上间隔分布设置的入射光栅、转折光栅和出射光栅，同一层衍射波导层的基板上的入射光栅、转折光栅和出射光栅的位置相匹配；各层衍射波导层从上至下叠放组合成整体的衍射波导结构，叠放组合后的所述衍射波导结构中，各层衍射波导层的入射光栅在y轴方向上的位置相互错开；各层衍射波导层的出射光栅在y轴方向上的位置相重合。能将不同入射方向的光束分到不同的衍射波导层中传导，减少了光束传导过程中的光能浪费，大幅提高了光效，同时减少了杂光，提高了衍射波导器件的显示质量。

Description

用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件

技术领域

本发明涉及衍射波导领域，尤其涉及一种衍射波导器件。

背景技术

随着虚拟现实和增强现实技术逐渐被人们认识和接受，近眼显示设备得到了快速发展。增强现实技术中的近眼显示可以将虚拟图像叠加到现实景物中，同时兼具透视特性，不影响对现实景物的正常观察。利用传统光学器件将虚拟图像耦合进入人眼的方式已经被采用，包括：棱镜、半透半反镜片、自由曲面波导、镜面阵列波导、衍射波导等。衍射波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像。由于采用和光纤技术一样的全反射原理，衍射波导显示组件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明。且由于对光线的转折是通过镜片表面的衍射光栅来实现的，与底板的形状基本没有关系，因此易于批量制造，生产成本低。

但是，衍射波导是新兴的技术，虽然目前已经达到了较高的技术水平，但仍存在很多挑战，如光效难以提高的问题。目前常用的衍射波导结构及其工作原理如图1所示，其中，图1A、1B分别为现有衍射波导的正视图和侧视图；图1C为采用衍射波导的近眼显示光学系统结构及其工作原理；该衍射波导100组成包括：基板106、入射光栅112、转折光栅114和出射光栅116；其中，入射光栅112将被投影组件210调制的图像光束221导入基板106，并满足全反射条件而在基板106中向转折光栅114近乎无损传导，转折光栅114将光束在y轴方向上进行扩展，并且将扩展后的光束向出射光栅116转折，出射光栅116则将光束在x方向扩展的同时，将光能量从基板106导出，出射光线222传导至人眼被感知。

上述衍射波导100的基板106材质可采用光学玻璃或光学塑料，基板106包括：第一表面108和第二表面110，第一表面108和第二表面110分设于基板106板体的两侧，且互相平行，基板106是光束传导的介质，光束可以通过在第一表面108和第二表面110上发生全反射从而在基板106中近乎无损传导，基板106及衍射波导100是透明的，可以使人眼透过衍射波导100看到外界实景。

投影组件210调制的图像光束221会以不同的角度入射到衍射波导100的入射光栅112上，不同入射角度的光束对应的是近眼显示光学系统所显示图像画面的不同位置的图像，如：入射光束221在y轴方向上(即上下方向)倾斜入射时，对应的光束传导的是画面上下不同位置的像素图像。

图2为不同角度的入射光束在衍射波导中传导的情况，当入射光束221在y轴方向上倾斜入射时，光束在衍射波导中经过转折光栅114偏转，向出射光栅116传导方向也会发生倾斜。例如：入射光线221向上(-y轴方向)倾斜入射时，转折光栅114向出射光栅116传导的光束会向左下方倾斜，如图2A所示；入射光线221向下(+y轴方向)倾斜入射时，转折光栅114向出射光栅116传导的光束会向左上方倾斜，如图2B所示。

由于衍射波导工作时，眼睛会接收出射光栅116传导出的光线222，为了使眼睛能正常观察完整图像，且保证系统具有所设计的出瞳直径，不同角度的入射光束经过衍射波导传导后，需要在出射光栅116全区域均能传导出光线222，因此需要转折光栅114在y轴方向的长度大于出射光栅116在y轴方向的长度，从而使不同方向倾斜入射的光束经过转折光栅114传导后可以覆盖全部出射光栅116区域，以确保其能够从出射光栅116全区域导出，参见图2A、2B所示。由于在y轴方向处于出射光栅116两端外存在一部分转折光栅114，则产生了的光能浪费，如图2A中这一部分转折光栅114传导的部分光束一223以及图2B中传导的部分光束二224，由于无法入射到出射光栅116，不能得到利用而浪费，影响了系统的光能利用效率，并且，这部分浪费的光会在衍射波导中产生杂光，影响显示效果。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供了一种用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，能大幅提高衍射波导的光效，同时可以减少杂光，提高显示质量，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，包括：

至少两层衍射波导层；其中，

每层衍射波导层均包括基板和在基板上间隔分布设置的入射光栅、转折光栅和出射光栅，同一层衍射波导层的基板上的入射光栅、转折光栅和出射光栅的位置相匹配；

各层衍射波导层从上至下叠放组合成整体的衍射波导结构，叠放组合后的所述衍射波导结构中，各层衍射波导层的入射光栅在y轴方向上的位置相互错开；各层衍射波导层的出射光栅在y轴方向上的位置相重合。

与现有技术相比，本发明所提供的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，其有益效果包括：

通过将至少两层衍射波导层从上至下叠放组合成整体的衍射波导结构，且使各层衍射波导层的入射光栅的位置相互错开，出射光栅的位置完全重合，在传导光时，能实现将不同入射方向的光束分到不同的衍射波导层中传导，经对应的转折光栅转折后的光束会全部转折至对应的出射光栅全部导出，不会出现不被出射光栅接收的外溢光束，从而减少了光束传导过程中的光能浪费，大幅提高了光效，同时减少了杂光，提高了衍射波导器件的显示质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有衍射波导的结构示意图，其中，图1A为现有衍射波导的正视图；图1B为现有衍射波导的侧视图；图1C为采用衍射波导的近眼显示光学系统结构原理图；

图2为不同角度的入射光束在现有衍射波导中传导的示意图；其中，图2A为入射光线221向上(-y轴方向)倾斜入射时在现有衍射波导中传导的示意图；图2B为入射光线向下(+y轴方向)倾斜入射时在现有衍射波导中传导的示意图；

图3为本发明实施例提供的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件的结构示意图，其中，图3A为本发明实施例提供的衍射波导的平视图；3B为本发明实施例提供的衍射波导的侧视图；

图4为不同角度的入射光束在本发明实施例提供的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件中光传导的示意图；其中，图4A为向下倾斜入射的光束在本发明实施例提供的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件中传导的示意图；图4B为向上倾斜入射的光束在本发明实施例提供的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件中传导的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，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，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以是两个器件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。

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”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，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或器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文的限制。

下面对本发明所提供的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如图3A和3B所示，本发明实施例提供一种用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，包括：

至少两层衍射波导层；其中，

每层衍射波导层均包括基板和在基板上间隔分布设置的入射光栅、转折光栅和出射光栅，同一层衍射波导层的基板上的入射光栅、转折光栅和出射光栅的位置相匹配；

各层衍射波导层从上至下叠放组合成整体的衍射波导结构，叠放组合后的所述衍射波导结构中，各层衍射波导层的入射光栅在y轴方向上的位置相互错开；各层衍射波导层的出射光栅在y轴方向上的位置相重合。

上述用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件中，所述各层衍射波导层的入射光栅在y轴方向上的位置相互错开是指：

各层衍射波导层的入射光栅在y轴方向上的位置完全错开(即不同层的入射光栅之间仅一条边重合或紧邻)，且各层衍射波导层的入射光栅叠加组合成的整体入射光栅之间没有空隙；

或者，各层衍射波导层的入射光栅在y轴方向上的位置部分错开(即不同层的入射光栅之间存在部分重合)，且各层衍射波导层的入射光栅叠加组合成的整体入射光栅之间没有空隙。

上述用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件中，所述同一层衍射波导层的基板上的入射光栅、转折光栅和出射光栅的位置相匹配是指；同一层衍射波导层的所述转折光栅能将该层衍射波导层的入射光栅的入射光全部转折至该层衍射波导层的出射光栅全部导出。可以知道，由于每层衍射波导层的入射光栅相互错开，而各层衍射波导层的转折光栅位置与同一层的转折光栅的位置相匹配，这样各层衍射波导层的转折光栅的位置也相互错开。多层的话，入射光栅和转折光栅不同层错开的相对位置是与各层传导的光束角度相对应，如从上到下各层传导的是光束从上到下倾斜程度逐渐变化的，那各层入射光栅错开位置是沿y(或-y)依次延伸错开的。这时转折光栅也是沿-y(或y)方向依次延伸错开的。即各层衍射波导层的入射光栅都互相错开，以保证各层衍射波导层能传导不同角度的入射光，而转折光栅的位置根据各层衍射波导层传导入射光的角度来设置，以便每层衍射波导层都能将该层传导的光全部传导至出射光栅。

上述用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件中，每层衍射波导层的基板上，均是入射光栅设置在转折光栅的上侧或下侧，出射光栅设置在所述转折光栅的右侧或左侧。

上述衍射波导器件中，每层衍射波导层的基板上，均是入射光栅设置在转折光栅的上侧或下侧，出射光栅设置在所述转折光栅的右侧或左侧。优选的，入射光栅设置在转折光栅的上侧，出射光栅设置在所述转折光栅的左侧。

综上可见，本发明实施例的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件通过多层衍射波导层叠加形成整体的衍射波导结构，实现将不同入射方向的光束分到不同的衍射波导层中传导，避免了转折后的部分光束无法被出射光栅接收的情况，从而减少了光束传导过程中的光能浪费，大幅提高了光效，同时减少了杂光，提高了衍射波导器件的显示质量。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件进行详细描述。

实施例

本发明实施例提供一种用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，可以解决现有结构衍射波导光能浪费的问题，大幅提高衍射波导的光效，同时减少杂光，提高显示效果。该衍射波导器件由多层衍射波导层叠加组成，图3B的该用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件的侧视图示意的是两层衍射波导层叠加的衍射波导结构，可以按照相同方式拓展为多层结构的衍射波导结构。下面以两层衍射波导层叠加组成的衍射波导结构为例对该用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件进行说明。

如图3A和3B所示，该用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件由两层衍射波导层叠加组成，分别为第一衍射波导层310和第二衍射波导层320，第一衍射波导层310上设有第一入射光栅312、第一转折光栅314和第一出射光栅316；第二衍射波导320层上设有第二入射光栅322、第二转折光栅324和第二出射光栅326；两个衍射波导层叠加组合后，第一入射光栅312和第二入射光栅322在y轴方向上的位置相错开(可以有部分重合)，第一转折光栅314和第二转折光栅324在y轴方向上的位置相错开(可以有部分重合)。

上述结构的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件在光时，如图4A所示，向下倾斜入射的第一光束331入射到第一入射光栅312上，在第一衍射波导层310中传导，经过第一转折光栅314偏折后，全部传导至第一出射光栅316，被第一出射光栅316全部导出，进入人眼而被感知；第一转折光栅314的位置位于第一出射光栅316右上方，使得第一转折光栅314向左下方传导的光束几乎全部入射到第一出射光栅316，从而使向下倾斜入射的光束能量得到充分利用。

同理，如图4B所示，当向上倾斜入射的第二光束332入射到第二入射光栅322上，在第二衍射波导层320中传导，经过第二转折光栅324偏折后，全部传导至第二出射光栅326，被第二出射光栅326全部导出，进入人眼而被感知；第二转折光栅324的位置位于第二出射光栅326右下方，使得第二转折光栅324向左上方传导的光束几乎全部入射到第二出射光栅326，从而使向上倾斜入射的光束能量得到充分利用。

可以知道，上述用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件中，每层衍射波导层的入射光栅、转折光栅和出射光栅在基板上设置的位置，只要满足能对一个入射方向的光充分传导即可，并且，不同层衍射波导层能充分传导的是不同入射方向的入射光。即能实现各层衍射波导层配合，满足不同入射方向的入射光的充分传导，提高器件光效和显示效果。

综上可见，本发明实施例的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，通过多层衍射波导层叠加组成的衍射波导结构，因不同衍射波导层的入射光栅位置相错开，使得不同的衍射波导层能传导不同入射角度的光束，能将不同入射方向的光束分到不同的衍射波导层中传导，同时，由于不同的衍射波导层中的转折光栅与出射光栅的相对位置不同，使得光束在不同衍射波导层中传导时，转折光栅传导的能量均可以较充分的传导至出射光栅，从而使光能得到充分利用，不会出现单层结构的衍射波导器件传导不同入射方向的光，会有部分光束无法被出射光束接收而浪费以及形成杂光的问题，从而减少了光束传导过程中的光能浪费，大幅提高了光效，同时减少了杂光，提高了衍射波导器件的显示质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，其特征在于，包括：

至少两层衍射波导层；其中，

每层衍射波导层均包括基板和在基板上间隔分布设置的入射光栅、转折光栅和出射光栅，同一层衍射波导层的基板上的入射光栅、转折光栅和出射光栅的位置相匹配；

各层衍射波导层从上至下叠放组合成整体的衍射波导结构，叠放组合后的所述衍射波导结构中，各层衍射波导层的入射光栅在y轴方向上的位置相互错开；各层衍射波导层的出射光栅在y轴方向上的位置相重合。

2.根据权利要求1所述的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，其特征在于，所述各层衍射波导层的入射光栅在y轴方向上的位置相互错开是指：

各层衍射波导层的入射光栅在y轴方向上的位置完全错开，且各层衍射波导层的入射光栅叠加组合成的整体入射光栅之间没有空隙；

或者，各层衍射波导层的入射光栅在y轴方向上的位置部分错开，且各层衍射波导层的入射光栅叠加组合成的整体入射光栅之间没有空隙。

3.根据权利要求1或2所述的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，其特征在于，所述同一层衍射波导层的基板上的入射光栅、转折光栅和出射光栅的位置相匹配是指；同一层衍射波导层的所述转折光栅能将该层衍射波导层的入射光栅的入射光全部转折至该层衍射波导层的出射光栅全部导出。

4.根据权利要求1或2所述的用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，其特征在于，每层衍射波导层的基板上，均是入射光栅设置在转折光栅的上侧或下侧，出射光栅设置在所述转折光栅的右侧或左侧。

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