CN114815238A - 波导模组和显示系统 - Google Patents

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CN114815238A CN202110130016.4A CN202110130016A CN114815238A CN 114815238 A CN114815238 A CN 114815238A CN 202110130016 A CN202110130016 A CN 202110130016A CN 114815238 A CN114815238 A CN 114815238A
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Abstract

本申请提供一种波导模组，包括波导、耦入光栅和耦出光栅；波导用于接收并引导第一图像光至耦入光栅；耦入光栅设置于波导上，用于衍射第一图像光并引导第一图像光至波导；波导还用于将第一图像光引导至耦出光栅；耦出光栅设置于波导上，耦出光栅包括衍射层、连接层和防漏光层；衍射层固定设置于波导的表面，用于衍射部分第一图像光；连接层位于衍射层和防漏光层之间，用于固定连接衍射层和防漏光层；防漏光层位于连接层远离波导的一侧，用于反射另一部分第一图像光，以使另一部分第一图像光被衍射层衍射后出射至波导；波导还用于将衍射后的第一图像光作为第二图像光出射，第二图像光用于显示增强现实图像。本申请还提供一种显示系统。

Description

波导模组和显示系统
技术领域
本发明涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种波导模组及应用该波导模组的显示系统。
背景技术
增强现实(Augmented Reality,AR)技术被广泛应用于各类场景。其中AR眼镜常被应用于娱乐游戏。AR眼镜包括衍射光波导模组，衍射光波导模组包括波导和出瞳光栅(或称耦出光栅)。出瞳光栅用于基于光栅的衍射效应将接收到的光从波导中耦出进入人眼。由于光栅对光的衍射具有对称性，出瞳光栅处的光线一部分耦出进入人眼，另一部分进入到外界环境中，从而导致漏光问题。一方面，漏光使得光线所展示的信息暴露于外界环境，用户隐私泄露；另一方面，漏光使得AR眼镜被从外部观察时呈现大面积亮光，影响美观；此外，漏光的光量与入人眼的光量在同一数量级，导致波导效率低，增加了功耗。
现有技术中一种解决漏光问题的方式是在出瞳光栅远离波导一侧设置吸收元件，用于吸收漏掉的光，防止其入射至外界环境。但该吸收元件所吸收的光的光量与入射至人眼的光的光量在同一数量级，采用吸收元件时光利用效率较低。且吸收元件为与波导分立的元器件，增设吸收元件会增加装置整体厚度。
现有技术中另一种解决上述问题的方式是在出瞳光栅远离波导的一侧设置镀有反射滤光膜的保护玻璃，防止漏掉的光入射至外界环境。但镀有反射滤光膜的保护玻璃为与波导分立的元器件，增设保护玻璃也会增加装置整体厚度。
发明内容
本申请一方面提供一种波导模组，包括：波导、耦入光栅和耦出光栅；所述波导用于接收并引导第一图像光至所述耦入光栅；所述耦入光栅设置于所述波导上，用于衍射所述第一图像光并引导经衍射后的第一图像光至所述波导；所述波导还用于将所述耦入光栅衍射后的第一图像光引导至所述耦出光栅；所述耦出光栅设置于所述波导上且与所述耦入光栅位于所述波导的同一侧，所述耦出光栅包括衍射层、连接层和防漏光层；所述衍射层固定设置于所述波导的表面，用于衍射部分第一图像光并将衍射后的所述部分第一图像光引导至所述波导；所述连接层位于所述衍射层和所述防漏光层之间，用于固定连接所述衍射层和所述防漏光层；所述防漏光层位于所述连接层远离所述波导的一侧，用于反射朝向远离所述波导的方向从所述衍射层出射的另一部分第一图像光，以使所反射的所述另一部分第一图像光被所述衍射层衍射后出射至所述波导；所述波导还用于将经过所述耦入光栅和所述衍射层衍射后的第一图像光作为第二图像光出射，所述第二图像光用于显示增强现实图像。
上述波导模组，第一方面，通过防漏光层反射第一图像光至衍射层，可对从衍射层远离波导一侧出射的第一图像光进行回收利用，可有效改善波导模组漏光问题，有利于提升显示系统美观度，还有利于提升光能利用率。第二方面，连接层位于衍射层和防漏光层之间，进而使得连接层与衍射层可用于共同承载防漏光层，避免另外设置用于承载防漏光层的基底(例如选用玻璃基底，玻璃基底的厚度在毫米级别)，而连接层厚度在微米数量级(例如在十几微米左右)，因此有利于减小耦出光栅整体的厚度和重量，从而减小显示系统整体的厚度和重量。第三方面，连接层起到固定连接的作用，用于将分别位于其两侧的衍射层和防漏光层固定连接为一个整体，使得各层结构(主要指衍射层、连接层和防漏光层)之间更加紧凑，相较于设置分立的元件或模组，有利于减小耦出光栅整体的厚度和重量，从而减小显示系统整体的厚度和重量，还有利于提升显示系统整体可靠性。
在一些实施例中，所述防漏光层为反射滤光膜。
在一些实施例中，所述防漏光层为反射体光栅。
在一些实施例中，所述反射体光栅为掺杂有液晶材料的光敏材料。
通过掺杂液晶材料，有利于提升防漏光层的折射率调制度，折射率调制度提升时，要达到相同的折射效果所需的防漏光层的厚度更低，因此，通过掺杂液晶材料有利于减小防漏光层的厚度。
在一些实施例中，所述连接层的折射率不同于所述衍射层的折射率。
从而使得第一图像光可由衍射层透射至连接层，并从连接层透射出去。
在一些实施例中，所述连接层通过镀膜的方式形成。
在一些实施例中，所述连接层固定连接所述防漏光层的表面与所述衍射层固定连接所述连接层的表面之间具有最小垂直距离d，0nm≤d≤10μm。
连接层的厚度在微米数量级，有利于减小衍射模组的厚度和重量。
在一些实施例中，所述连接层固定连接所述防漏光层的表面为连续、平坦的表面，所述连接层固定连接所述防漏光层的表面与所述衍射层固定连接所述连接层的表面之间具有最小垂直距离d，0nm＜d≤10μm。
如此，连接层位于衍射层和防漏光层之间，起到平坦衍射层的作用，进而使得连接层可用于承载防漏光层，避免另外设置用于承载防漏光层的基底(例如选用玻璃基底，玻璃基底的厚度在毫米级别)，而连接层厚度在微米数量级(例如在十几微米左右)，因此有利于减小耦出光栅整体的厚度和重量，从而减小显示系统整体的厚度和重量。
在一些实施例中，所述第一图像光中包括波长互不相同的多种基色光；
所述耦入光栅和所述衍射层用于对第一图像光中的至少一种基色光进行衍射。
所述耦入光栅和所述衍射层对所有基色光进行衍射时，有利于减小所述耦入光栅和所述衍射层厚度；所述耦入光栅和所述衍射层对第一图像光中其中一种或几种基色光进行衍射时，需要更多层的波导模组，多层的波导模组分别对第一图像光中的各个基色光进行衍射，有利于提升第二图像光的颜色均匀性和增大第二图像光的视场。
在一些实施例中，所述耦入光栅所衍射的基色光与所述衍射层所衍射的基色光相同。
本申请另一方面提供一种波导模组，包括第一波导、第一耦入光栅、第一耦出光栅、第二波导、第二耦入光栅及第二耦出光栅；所述第一耦入光栅和所述第一耦出光栅设置于所述第一波导的同一侧，所述第一波导用于接收包括三种基色光的第一图像光，所述第一波导用于引导至少一基色光至所述第一耦入光栅，并引导其余基色光至所述第二波导；所述第一耦入光栅用于对所述至少一基色光进行衍射，并用于引导衍射后的所述至少一基色光至所述第一波导；所述第一波导还用于将所述第一耦入光栅衍射后的所述至少一基色光引导至所述第一耦出光栅；所述第一耦出光栅包括第一衍射层、第一连接层和第一防漏光层；所述第一衍射层固定设置于所述第一波导的表面，用于衍射部分至少一基色光并将衍射后的所述部分至少一基色光引导至所述第一波导；所述第一连接层位于所述第一衍射层和所述第一防漏光层之间，用于固定连接所述第一衍射层和所述第一防漏光层；所述第一防漏光层位于所述第一连接层远离所述第一波导的一侧，用于反射朝向远离所述第一波导的方向从所述第一衍射层出射的另一部分至少一基色光，以使所反射的所述另一部分至少一基色光被所述第一衍射层衍射后出射至所述第一波导；所述第二耦入光栅和所述第二耦出光栅设置于所述第二波导的同一侧，所述第二波导用于接收并引导所述其余基色光至所述第二耦入光栅；所述第二耦入光栅用于对所述其余基色光进行衍射，并用于引导衍射后的所述其余基色光至所述第二波导；所述第二波导还用于将所述第二耦入光栅衍射后的所述其余基色光引导至所述第二耦出光栅；所述第二耦出光栅包括第二衍射层、第二连接层和第二防漏光层；所述第二衍射层固定设置于所述第二波导的表面，用于衍射部分所述其余基色光并将衍射后的所述部分其余基色光引导至所述第二波导；所述第二连接层位于所述第二衍射层和所述第二防漏光层之间，用于固定连接所述第二衍射层和所述第二防漏光层；所述第二防漏光层位于所述第二连接层远离所述第二波导的一侧，用于反射朝向远离所述第二波导的方向从所述第二衍射层出射的另一部分其余基色光，以使所反射的所述另一部分其余基色光被所述第二衍射层衍射后出射至所述第一波导；所述第一波导还用于将经过所述第一耦入光栅、所述第一衍射层、所述第二耦入光栅及所述第二衍射层衍射后的第一图像光作为第二图像光出射，所述第二图像光用于显示增强现实图像。
上述的波导模组，通过增加波导、耦入光栅和耦出光栅的数量，使得每个波导需要引导的基色光的数量减少，则每个波导对其引导的基色光的反射效果更好，有利于提高第二图像光的颜色均匀性，还有利于增大第二图像光的视场。
在一些实施例中，波导模组还包括第三波导、第三耦入光栅及第三耦出光栅，所述第一图像光包括第一基色光、第二基色光及第三基色光；所述第一波导用于引导所述第一基色光至所述第一耦入光栅，并引导所述第二基色光和所述第三基色光至所述第二波导；所述第一耦入光栅和所述第一衍射层用于衍射所述第一基色光；所述第二波导用于引导所述第二基色光至所述第二耦入光栅，并引导所述第三基色光至所述第三波导；所述第二耦入光栅和所述第二衍射层用于衍射所述第二基色光；所述第三耦入光栅和所述第三耦出光栅设置于所述第三波导的同一侧，所述第三波导用于引导所述第三基色光至所述第三耦入光栅，所述第三耦入光栅用于对所述第三基色光进行衍射，并用于引导衍射后的所述第三基色光至所述第三波导；所述第三波导还用于将所述第三耦入光栅衍射后的所述第三基色光引导至所述第三耦出光栅；所述第三耦出光栅包括第三衍射层、第三连接层和第三防漏光层；所述第三衍射层固定设置于所述第三波导的表面，用于衍射部分所述第三基色光并将衍射后的所述部分第三基色光引导至所述第三波导；所述第三连接层位于所述第三衍射层和所述第三防漏光层之间，用于固定连接所述第三衍射层和所述第三防漏光层；所述第三防漏光层位于所述第三衍射层远离所述第三波导的一侧，用于反射朝向远离所述第三波导的方向从所述第三衍射层出射的另一部分第三基色光，以使所反射的所述另一部分第三基色光被所述第三衍射层衍射后出射至所述第一波导；所述第一波导还用于将经过所述第一耦入光栅、所述第一衍射层、所述第二耦入光栅、所述第二衍射层、所述第三耦入光栅及所述第三衍射层衍射后的第一图像光作为第二图像光出射，所述第二图像光用于显示增强现实图像。
上述的波导模组，通过增加波导、耦入光栅和耦出光栅的数量，使得每个波导需要引导的基色光的数量减少，则每个波导对其引导的基色光的反射效果更好，有利于提高第二图像光的颜色均匀性，还有利于增大第二图像光的视场。
本申请另一方面提供一种显示系统，包括：微显示器，用于发射第一图像光；以及至少一波导模组，位于所述第一图像光的光路上，每一波导模组为如上述任一项所述的波导模组。
上述显示系统，第一方面，通过防漏光层反射第一图像光至衍射层，可对从衍射层远离波导一侧出射的第一图像光进行回收利用，可有效改善波导模组漏光问题，有利于提升显示系统美观度，还有利于提升光能利用率。第二方面，连接层位于衍射层和防漏光层之间，进而使得连接层与衍射层可用于共同承载防漏光层，避免另外设置用于承载防漏光层的基底(例如选用玻璃基底，玻璃基底的厚度在毫米级别)，而连接层厚度在微米数量级(例如在十几微米左右)，因此有利于减小耦出光栅整体的厚度和重量，从而减小显示系统整体的厚度和重量。第三方面，连接层起到固定连接的作用，用于将分别位于其两侧的衍射层和防漏光层固定连接为一个整体，使得各层结构(主要指衍射层、连接层和防漏光层)之间更加紧凑，相较于设置分立的元件或模组，有利于减小耦出光栅整体的厚度和重量，从而减小显示系统整体的厚度和重量，还有利于提升显示系统整体可靠性。
附图说明
图1A为本申请实施例一中显示系统的一结构示意图。
图1B为本申请实施例一中显示系统的另一结构示意图。
图2为图1A所示显示系统中的光路结构示意图。
图3为第一图像光的光谱分布示意图。
图4为图2中防漏光层对第一图像光中各个基色光的反射率示意图。
图5为本申请实施例二中显示系统的结构示意图。
图6为本申请实施例二中显示系统中的光路结构示意图。
图7为图6中第一波导模组对第一图像光中各个基色光的反射率示意图。
图8为图7中第二波导模组对第一图像光中各个基色光的反射率示意图。
图9为本申请实施例三中显示系统的结构示意图
图10为本申请实施例三中显示系统的结构示意图。
主要元件符号说明
显示系统 10、20、30
微显示器 11、21、31
波导模组 12、22、23、32、33、34
波导 121、221、231、321、331、341
耦入光栅 122、222、232、322、332、342
耦出光栅 123、223、233、323、333、343
衍射层 1231、2231、2331、3231、3331、3431
连接层 1232、2232、2332、3232、3332、3432
防漏光层 1233、2233、2333、3233、3333、3433
框架 24、35
承载部 241、351、352
空气间隙 25、36、37
接触面 S1
基色光 R、G、B
第一图像光 L1
第二图像光 L2
距离 d
人眼 40
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
当增强现实眼镜中采用衍射光波导实现近眼显示时，可以使用本申请的将耦出光栅区域平坦化，并设置防漏光层，从而实现在防止衍射光波导漏光的基础上，减小衍射光波导的厚度与重量。
实施例一
请一并参阅图1A和图1B，本实施例提供一种基于增强现实(Augmented Reality,AR)的显示系统10。显示系统10可结合真实图像和虚拟图像，以生成AR图像。用户通过穿戴显示系统10，显示系统10生成的AR图像进入人眼40，用户即可观察到显示系统10所生成的AR图像。本实施例中，显示系统10为AR眼镜，用户可将AR眼镜佩戴于眼部以观察图像。于其他实施例中，显示系统10还可为AR头盔等。
请参阅图2，显示系统10包括微显示器11及波导模组12。微显示器11用于出射第一图像光L1。波导模组12用于接收第一图像光L1并对其进行调制，以生成第二图像光L2并出射。第二图像光L2可被引导进入人眼40，以向用户展示AR图像。
第一图像光L1中包括多种基色光，该多种基色光可相互配合以调制出彩色图像。本实施例中，第一图像光L1中包括波长不同的三种基色光。三种基色光分别为：基色光R(红光)、基色光G(绿光)以及基色光B(蓝光)。波导模组12用于分别对基色光R、基色光G以及基色光B进行调制。
波导模组12包括波导121、设置于波导121上同一侧的耦入光栅122和耦出光栅123。微显示器11位于波导121远离耦入光栅122和耦出光栅123的一侧。
波导模组12位于第一图像光L1的光路上。波导121用于接收第一图像光L1并用于先后引导第一图像光L1至耦入光栅122和耦出光栅123。第一图像光L1入射至波导121后，可被波导121引导至耦入光栅122。耦入光栅122用于对第一图像光L1进行第一次衍射，并将衍射后的第一图像光L1引导至波导121。经耦入光栅122衍射后的第一图像光L1入射至波导121后，在波导121中发生多次全反射，并最终被波导121引导至耦出光栅123。耦出光栅123用于对接收到的第一图像光L1进行第二次衍射并引导至波导121。波导121用于将耦出光栅123引导的光引导至人眼40。由波导121出射并被引导至人眼40的、经过两次衍射后的光定义为上述的第二图像光L2。
耦出光栅123包括衍射层1231、连接层1232以及防漏光层1233。衍射层1231固定设置于波导121表面。连接层1232固定设置于波导121设置该衍射层1231的表面并覆盖该衍射层1231，防漏光层1233位于连接层1232远离衍射层1231的一侧。
衍射层1231为一维或二维衍射光栅，用于对接收到的第一图像光L1中各个基色光分别进行衍射。衍射层1231的光栅周期为100纳米到1000纳米，光栅高度为20纳米到1000纳米，光栅形状可以为矩形、倾斜、闪耀光栅等。衍射层1231可为单层结构或多层结构。衍射层1231为单层结构时，该单层用于对第一图像光L1中所有的基色光进行衍射。衍射层1231包括多层结构时，其中的每一层用于对第一图像光L1中的至少一种基色光进行衍射。例如衍射层1231为三层结构时，每一层用于衍射第一图像光L1中的基色光R、基色光G以及基色光B的其中一种基色光。衍射层1231采用单层结构时，有利于减小整体厚度。衍射层1231采用多层结构时，由于每一层用于衍射其中一种基色光，有利于降低光栅结构复杂度。
衍射层1231对第一图像光L1进行衍射后，将衍射后的第一图像光L1引导至波导121。然而由于制作工艺等原因，入射至衍射层1231的第一图像光L1中一部分光可能朝向衍射层1231远离波导121一侧出射，导致入射至衍射层1231的第一图像光L1无法全部被衍射后再被引导回波导121。
连接层1232为透光材料，例如为二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)等。朝向衍射层1231远离波导121一侧出射的第一图像光L1可从连接层1232透射。连接层1232选用雾度较小的材料，本实施例中，连接层1232采用雾度小于0.1的材料，有利于减小第一图像光L1经过连接层1232时的光损失。
衍射层1231对第一图像光L1具有第一折射率，连接层1232对第一图像光L1具有第二折射率。第一折射率不同于第二折射率，以使得衍射层1231与连接层1232之间产生折射率差，从而使得第一图像光L1可由衍射层1231透射至连接层1232，并从连接层1232透射出去。本实施例中，衍射层1231的折射率(也即第一折射率)为1.4到2.6，连接层1232的折射率(也即第二折射率)也为1.4到2.6。第一折射率和第二折射率的数值范围虽相同，但同时应满足上述的形成折射率差的要求。
如上述的，衍射层1231可为矩形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅等，其可能具有例如凹槽、狭缝等，也即衍射层1231远离波导121的表面(定义为接触面S1)并非为一连续、平坦的表面。连接层1232覆盖衍射层1231，用于填充接触面S1上不连续、不平坦的区域，且连接层1232远离接触面S1的表面形成为连续、平坦的表面，以便承载和固定连接防漏光层1233。
连接层1232可为通过镀膜、旋涂后烘干等工艺形成的覆盖衍射层1231的薄膜。连接层1232远离衍射层1231的表面与衍射层1231的接触面S1之间具有最小垂直距离d，0nm≤d≤10μm(包括端点)。由于接触面S1可能为凹凸不平的，上述最小垂直距离指接触面S1上距离连接层1232远离衍射层1231的表面最近的点与连接层1232远离衍射层1231的表面之间的垂直距离。
接触面S1为平坦表面时，最小距离d可以等于0nm，连接层1232未覆盖接触面S1，也即接触面S1相对连接层1232裸露，连接层固定连接防漏光层1233的一面和接触面S1皆直接与防漏光层1233接触，且用于共同承载防漏光层1233，此时耦出光栅123的整体厚度较小。接触面S1为凹凸不平的表面时，0nm＜d≤10μm，连接层1232覆盖接触面S1，连接层固定连接防漏光层1233的一面直接与防漏光层1233接触，连接层1232固定连接防漏光层1233的一面对衍射层1231起到平坦的作用，用于承载防漏光层1233，此时连接层1232与防漏光层1233的表面接触面积更大，有利于提升固定效果。
防漏光层1233用于接收并反射从连接层1232入射的第一图像光L1。经防漏光层1233反射的第一图像光L1可重新入射至衍射层1231以被衍射层1231衍射后出射至波导121。防漏光层1233为一层厚度很小(厚度为微米级)的薄膜层，其可通过镀膜的方式直接形成于连接层1232远离衍射层1231的表面。由于连接层1232与防漏光层1233皆为厚度为微米级的薄膜层，两者之间可通过薄膜层之间自然的粘附力进行固定连接。
本实施例中，防漏光层1233为反射滤光膜，其制造工艺较成熟，易实现大批量生产。防漏光层1233包括依次层叠的、折射率互不相同的多层薄膜以及一层金属层，该多层薄膜以及该金属层用于确保对特定的波长和光谱范围具有较高的反射率。
于其他实施例中，防漏光层1233还可为反射体光栅。反射体光栅为光敏材料，例如为光敏树脂。反射体光栅可通过曝光显影的方式形成，由于曝光装置简单，使得防漏光层1233为反射体光栅时，成本较低。反射体光栅的厚度为5微米到1000微米。防漏光层1233为反射体光栅时，可在其中掺杂液晶材料。掺杂液晶材料有利于提升防漏光层1233的折射率调制度。折射率调制度提升时，要达到相同的折射效果所需的防漏光层1233的厚度更低。因此，防漏光层1233为反射体光栅时，通过掺杂液晶材料有利于减小防漏光层1233的厚度。
防漏光层1233为反射体光栅时，可为单层结构或依次层叠的多层结构。防漏光层1233为单层结构时，该单层结构同时对所有的基色光都具备高反射率，有利于减小防漏光层1233整体厚度。防漏光层1233为依次层叠的多层结构时，例如为三层结构，每层结构对第一图像光L1中某一基色光具有高反射率，有利于降低光栅结构复杂度。
请参阅图3，第一图像光L1中的三种基色光的光强相同。基色光R具有中心波长λR，光谱宽度为ΔλR，光谱范围为633±2nm。基色光G具有中心波长λG，光谱宽度为ΔλG，光谱范围为532±2nm。基色光B具有中心波长λB，光谱宽度为ΔλB，光谱范围为450±2nm。
请参阅图4，防漏光层1233对各个基色光的反射率相同，且对波长为λR、λG、λB的光的反射率为100％。
经耦入光栅122和耦出光栅123衍射后，第一图像光L1的视场被扩大，因此第二图像光L2的视场面积大于第一图像光L1的视场面积。
本实施例中，第一方面，通过防漏光层1233反射第一图像光L1至衍射层1231，可对从衍射层1231远离波导121一侧出射的第一图像光L1进行回收利用，可有效改善波导模组12漏光问题，有利于提升显示系统10美观度，还有利于提升光能利用率。第二方面，连接层1232位于衍射层1231和防漏光层1233之间，连接层1232起到平坦衍射层1231的接触面S1的作用，进而使得连接层1232可用于承载防漏光层1233，避免另外设置用于承载防漏光层1233的基底(例如选用玻璃基底，玻璃基底的厚度在毫米级别)，而连接层1232厚度在微米数量级(例如在十几微米左右)，因此有利于减小耦出光栅123整体的厚度和重量，从而减小显示系统10整体的厚度和重量。第三方面，连接层1232起到固定连接的作用，用于将分别位于其两侧的衍射层1231和防漏光层1233固定连接为一个整体，使得各层结构(主要指衍射层1231、连接层1232和防漏光层1233)之间更加紧凑，相较于设置分立的元件或模组，有利于减小耦出光栅123整体的厚度和重量，从而减小显示系统10整体的厚度和重量，还有利于提升显示系统10整体可靠性。
实施例二
请参阅图5(图5主要用于示意显示系统20的整体架构，未展示波导模组的具体结构)，本实施例提供的显示系统20，与实施例一中的显示系统10基本相同，两者之间的区别主要在于：显示系统20包括两个波导模组。以下主要对实施例二与实施例一的区别部分进行说明。
本实施例中，显示系统20包括微显示器21、第一波导模组22和第二波导模组23。第一波导模组22和第二波导模组23相互层叠，且第一波导模组22位于微显示器21和第二波导模组23之间。
本实施例中，显示系统20还包括玻璃框架24。玻璃框架24位于第一波导模组22和第二波导模组23的外围，用于固定第一波导模组22和第二波导模组23，以保持第一波导模组22和第二波导模组23相互位置不发生偏移。玻璃框架24具有一承载部241，承载部241凸伸入第一波导模组22和第二波导模组23之间。承载部241本身的厚度使得第一波导模组22和第二波导模组23之间产生一空气间隙25。空气间隙25宽度小于0.1毫米。
微显示器21用于出射第一图像光L1。第一波导模组22和第二波导模组23位于第一图像光L1的光路上，用于接收第一图像光L1并对其进行调制，以生成第二图像光L2并出射。第二图像光L2可被引导进入人眼40，以向用户展示AR图像。
请参阅图6，第一图像光L1中包括波长不同的三种基色光。三种基色光包括：基色光R(红光)、基色光G(绿光)以及基色光B(蓝光)。第一波导模组22用于调制第一图像光L1中的基色光G和基色光B。第二波导模组23用于调制第一图像光L1中的基色光R。
第一波导模组22包括第一波导221、设置于第一波导221上同一侧的耦入光栅222和耦出光栅223。微显示器21位于波导221远离耦入光栅222和耦出光栅223的一侧。
第一波导221用于接收并引导第一图像光L1至耦入光栅222。耦入光栅222用于对第一图像光L1中的基色光G和基色光B进行第一次衍射。第一波导221和耦入光栅222还用于透射第一图像光L1中的基色光R。经耦入光栅222衍射后的基色光G和基色光B入射至第一波导221，在第一波导221中被多次全反射，并被第一波导221引导至耦出光栅223。
耦出光栅223包括依次层叠的衍射层2231、连接层2232及防漏光层2233。其中衍射层2231相较于防漏光层2233更靠近第一波导221。衍射层2231用于对接收到的基色光G和基色光B进行第二次衍射。入射至衍射层2231的基色光G和基色光B中，一部分光被第二次衍射后引导回第一波导221中，另一部分光可能从朝向防漏光层2233的方向出射。连接层2232为透光材料，朝向防漏光层2233的方向出射的光从连接层2232透射后被防漏光层2233反射回衍射层2231，以被衍射层2231衍射后出射至第一波导221中。图7示出了防漏光层2233对基色光G和基色光B的反射率。第一波导221还用于出射经两次衍射后的基色光G和基色光B。
第二波导模组23包括第二波导231、设置于第二波导231上同一侧的耦入光栅232和耦出光栅233。
第二波导231用于接收从第一波导模组22透射的基色光R，并用于引导基色光R至耦入光栅232。耦入光栅232用于对基色光R进行第一次衍射。经耦入光栅232衍射后的基色光R入射至第二波导231，在第二波导231中被多次全反射，并被第二波导231引导至耦出光栅233。
耦出光栅233包括依次层叠的衍射层2331、连接层2332及防漏光层2333。其中衍射层2331相较于防漏光层2333更靠近第二波导231。衍射层2331用于对接收到的基色光R进行第二次衍射。入射至衍射层2331的基色光R中，一部分光被第二次衍射后引导回第二波导231中，另一部分光可能从朝向防漏光层2333的方向出射。连接层2332为透光材料，朝向防漏光层2333的方向出射的光从连接层2332透射后被防漏光层2333反射回衍射层2331，以被衍射层2331衍射后出射至第二波导231中。图8示出了防漏光层2333对基色光R的反射率。
第二波导231还用于引导经两次衍射后的基色光R至第一波导模组22。第一波导模组22用于将经两次衍射后的基色光R、基色光G及基色光B作为第二图像光L2引导至人眼40，以展示AR图像。
本实施例中，虽然上述描述了第一波导模组22衍射基色光G和基色光B，并透射基色光R，基色光R由第二波导模组23衍射。但实际产品中，基色光R在经过第一波导模组22中的耦入光栅222时，耦入光栅222对基色光R也具有一定的衍射作用，但耦入光栅222对基色光G和基色光B的衍射效率远大于对基色光R的衍射效率。因此耦入光栅222对基色光R的衍射作用可忽略不计。
本实施例中的显示系统20，可以实现如实施例一中显示系统10的所有有益效果。在此基础上，通过增加波导模组的数量，使得每个波导模组需要引导的基色光的数量减少，则每个波导模组对其引导的基色光的反射效果更好，有利于提高第二图像光L2的颜色均匀性，还有利于增大第二图像光L2的视场。
实施例三
请参阅图9(图9主要用于示意显示系统30的整体架构，未展示波导模组的具体结构)，本实施例的显示系统30，与实施例二中的显示系统20基本相同，两者之间的区别主要在于：显示系统30包括三个波导模组。以下主要对实施例三与实施例二的区别部分进行说明。
本实施例中，显示系统30包括微显示器31、第一波导模组32、第二波导模组33及第三波导模组34。第一波导模组32、第二波导模组33及第三波导模组34依次层叠，且第一波导模组32相较于第三波导模组34更靠近微显示器31。
本实施例中，显示系统30还包括玻璃框架35。玻璃框架35位于第一波导模组32、第二波导模组33和第三波导模组34的外围，用于固定第一波导模组32、第二波导模组33和第三波导模组34，以保持第一波导模组32、第二波导模组33和第三波导模组34相互位置不发生偏移。玻璃框架35具有相互平行的承载部351和承载部352。承载部351凸伸入第一波导模组32和第二波导模组33之间。承载部351本身的厚度使得第一波导模组32和第二波导模组33之间产生一空气间隙36。承载部352凸伸入第二波导模组33和第三波导模组34之间。承载部352本身的厚度使得第二波导模组33和第三波导模组34之间产生一空气间隙37。空气间隙36和37宽度小于0.1毫米。
微显示器31用于出射第一图像光L1。第一波导模组32、第二波导模组33及第三波导模组34位于第一图像光L1的光路上，用于接收第一图像光L1并对其进行调制，以生成第二图像光L2并出射。第二图像光L2可被引导进入人眼40，以向用户展示AR图像。
请参阅图10，第一图像光L1中包括波长不同的三种基色光。三种基色光包括：基色光R(红光)、基色光G(绿光)以及基色光B(蓝光)。第一波导模组32用于调制第一图像光L1中的基色光B。第二波导模组33用于调制第一图像光L1中的基色光G。第三波导模组34用于调制第一图像光L1中的基色光R。
第一波导模组32包括第一波导321、设置于第二波导321上同一侧的耦入光栅322和耦出光栅323。微显示器31位于波导321远离耦入光栅322和耦出光栅323的一侧。
第一波导321用于接收并引导第一图像光L1至耦入光栅322。耦入光栅322用于对第一图像光L1中的基色光B进行第一次衍射。第一波导321和耦入光栅322还用于透射第一图像光L1中的基色光G和基色光R。经耦入光栅322衍射后的基色光B入射至第一波导321，在第一波导321中被多次全反射，并被第一波导321引导至耦出光栅323。
耦出光栅323包括依次层叠的衍射层3231、连接层3232及防漏光层3233。其中衍射层3231相较于防漏光层3233更靠近第一波导321。衍射层3231用于对接收到的基色光B进行第二次衍射。入射至衍射层3231的基色光B中，一部分光被第二次衍射后引导回第一波导321中，另一部分光可能从朝向防漏光层3233的方向出射。连接层3232为透光材料，朝向防漏光层3233的方向出射的光从连接层3232透射后被防漏光层3233反射回衍射层3231，以被衍射层3231衍射后出射至第一波导321中。第一波导321还用于出射经两次衍射后的基色光B。
第二波导模组33包括第二波导331、设置于第二波导331上同一侧的耦入光栅332和耦出光栅333。
第二波导331用于接收从第一波导模组32透射的基色光G和基色光R，并用于引导基色光G和基色光R至耦入光栅332。耦入光栅332用于对基色光G进行第一次衍射，还用于透射基色光R。经耦入光栅332衍射后的基色光G入射至第二波导331，在第二波导331中被多次全反射，并被第二波导331引导至耦出光栅333。
耦出光栅333包括依次层叠的衍射层3331、连接层3332及防漏光层3333。其中衍射层3331相较于防漏光层3333更靠近第二波导331。衍射层3331用于对接收到的基色光G进行第二次衍射。入射至衍射层3331的基色光G中，一部分光被第二次衍射后引导回第二波导331中，另一部分光可能从朝向防漏光层3333的方向出射。连接层3332为透光材料，朝向防漏光层3333的方向出射的光从连接层3332透射后被防漏光层3333反射回衍射层3331，以被衍射层3331衍射后出射至第二波导331中。
第三波导模组34包括第三波导341、设置于第三波导341上同一侧的耦入光栅342和耦出光栅343。
第三波导341用于接收从第二波导模组33透射的基色光R，并用于引导基色光R至耦入光栅342。耦入光栅342用于对基色光R进行第一次衍射。经耦入光栅342衍射后的基色光R入射至第三波导341，在第三波导341中被多次全反射，并被第三波导341引导至耦出光栅343。
耦出光栅343包括依次层叠的衍射层3431、连接层3432及防漏光层3433。其中衍射层3431相较于防漏光层3433更靠近第三波导341。衍射层3431用于对接收到的基色光R进行第二次衍射。入射至衍射层3431的基色光R中，一部分光被第二次衍射后引导回第三波导341中，另一部分光可能从朝向防漏光层3433的方向出射。连接层3432为透光材料，朝向防漏光层3433的方向出射的光从连接层3432透射后被防漏光层3433反射回衍射层3431，以被衍射层3431衍射后出射至第三波导341中。
第二波导331还用于引导经两次衍射后的基色光G至第一波导模组32。第三波导331还用于引导经两次衍射后的基色光R至第一波导模组32。第一波导模组32用于将经两次衍射后的基色光R、基色光G及基色光B作为第二图像光L2引导至人眼40，以展示AR图像。
本实施例中，虽然上述描述了第一波导模组32衍射基色光B，并透射基色光G和R；第二波导模组33衍射基色光G，并透射基色光R；基色光R由第三波导模组34衍射。但实际产品中，基色光G和基色光R在经过第一波导模组32中的耦入光栅322时，耦入光栅322对基色光G和基色光R也具有一定的衍射作用，但耦入光栅322对基色光B的衍射效率远大于对基色光G和基色光B的衍射效率。因此耦入光栅322对基色光G和基色光R的衍射作用可忽略不计。且基色光R在经过第二波导模组33中的耦入光栅332时，耦入光栅332对基色光R也具有一定的衍射作用，但耦入光栅332对基色光G的衍射效率远大于对基色光G的衍射效率。因此耦入光栅332对基色光R的衍射作用也可忽略不计。
本实施例中的显示系统30，可以实现如实施例二中显示系统20的所有有益效果。在此基础上，通过进一步增加波导模组的数量，使得每个波导模组需要引导的基色光的数量进一步减少，则每个波导模组对其引导的基色光的反射效果更好，有利于进一步提高第二图像光L2的颜色均匀性，还有利于进一步增大第二图像光L2的视场。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (12)

1.一种波导模组，其特征在于，包括：波导、耦入光栅和耦出光栅；
所述波导用于接收并引导第一图像光至所述耦入光栅；
所述耦入光栅设置于所述波导上，用于衍射所述第一图像光并引导经衍射后的第一图像光至所述波导；
所述波导还用于将所述耦入光栅衍射后的第一图像光引导至所述耦出光栅；
所述耦出光栅设置于所述波导上且与所述耦入光栅位于所述波导的同一侧，所述耦出光栅包括衍射层、连接层和防漏光层；
所述衍射层固定设置于所述波导的表面，用于衍射部分第一图像光并将衍射后的所述部分第一图像光引导至所述波导；
所述连接层位于所述衍射层和所述防漏光层之间，用于固定连接所述衍射层和所述防漏光层；
所述防漏光层位于所述连接层远离所述波导的一侧，用于反射朝向远离所述波导的方向从所述衍射层出射的另一部分第一图像光，以使所反射的所述另一部分第一图像光被所述衍射层衍射后出射至所述波导；
所述波导还用于将经过所述耦入光栅和所述衍射层衍射后的第一图像光作为第二图像光出射，所述第二图像光用于显示增强现实图像。
2.如权利要求1所述的波导模组，其特征在于，所述防漏光层为反射滤光膜。
3.如权利要求1所述的波导模组，其特征在于，所述防漏光层为反射体光栅。
4.如权利要求3所述的波导模组，其特征在于，所述反射体光栅为掺杂有液晶材料的光敏材料。
5.如权利要求1～4任一项所述的波导模组，其特征在于，所述连接层的折射率不同于所述衍射层的折射率。
6.如权利要求1～4任一项所述的波导模组，其特征在于，所述连接层通过镀膜的方式形成。
7.如权利要求1～4任一项所述的波导模组，其特征在于，所述连接层固定连接所述防漏光层的表面与所述衍射层固定连接所述连接层的表面之间具有最小垂直距离d，0nm≤d≤10μm。
8.如权利要求1～4任一项所述的波导模组，其特征在于，所述连接层固定连接所述防漏光层的表面为连续、平坦的表面。
9.如权利要求8所述的波导模组，其特征在于，所述连接层固定连接所述防漏光层的表面与所述衍射层固定连接所述连接层的表面之间具有最小垂直距离d，0nm＜d≤10μm。
10.如权利要求1～4任一项所述的波导模组，其特征在于，所述第一图像光中包括波长互不相同的多种基色光；
所述耦入光栅和所述衍射层用于对第一图像光中的至少一种基色光进行衍射。
11.如权利要求10所述的波导模组，其特征在于，所述耦入光栅所衍射的基色光与所述衍射层所衍射的基色光相同。
12.一种显示系统，其特征在于，包括：
微显示器，用于发射第一图像光；以及
至少一波导模组，位于所述第一图像光的光路上，每一波导模组为如权利要求1～11任一项所述的波导模组。
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