CN115469393A - 衍射光波导及ar眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种衍射光波导及AR眼镜，包括：反常色散基底层；耦入光栅和耦出光栅，均与反常色散基底层连接；所述耦入光栅耦入的光线经过所述反常色散基底层反射后从所述耦出光栅耦出；所述反常色散基底层用于减少具有相同入射角但不同波长的光线对应的衍射角之间的角度差异。在本发明中，可以将光波导基底设置为反常色散光波导基底，由于反常色散基底层可以减少或抵消光栅色散导致的不同波长的衍射角差异，因此，可以有效提高光波导的色彩均匀性，且应用反常色散基底层后仅需单层基底便能保证色彩均匀性，可以无需设计多层基底、不同的光栅结构，因此减轻了光波导的体积、厚度和重量。也因为无需多层设计，降低了光栅母版的数量要求，降低了成本。

Description

衍射光波导及AR眼镜

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，尤其涉及一种衍射光波导及AR眼镜。

背景技术

在增强现实(AugmeNted reality,AR)、混合现实(Mixed reality,MR)领域，相比Bird Bath(BB,半反半透式)、虫眼(离轴反射式)、自由曲面棱镜等显示方案，光波导方案更轻薄、眼盒更大，因此有更广阔的应用前景。在光波导方案中，相比使用部分透反膜的阵列光波导，衍射光波导生产制备工艺难度更低，在实现二维扩瞳(两个维度的出瞳拓展)时不存在栅格状暗条纹，因此更受关注。

然而，由于光栅衍射存在较大色散，即在相同光栅结构、相同的入射介质和出射介质下，波长较长的光线衍射角更大，因此相同入射角、不同波长光线的传播周期存在差异，这将导致衍射光波导的色彩均匀性差，人眼在不同位置观察到的色彩不同。

目前，为了提高色彩均匀性，通常需要采用多层光波导的方案，针对不同波长设计不同的光栅结构，但这也导致光波导基底层数增加，使得头戴显示设备的总体积、总重量增加，而若要用单层光波导基底实现色彩较均匀的全彩显示，则通常需要减小视场角。

因此，现有技术还有待改善和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种衍射光波导及显示装置，旨在解决现有技术中衍射光波导的色彩均匀性差、视场角有限、体积质量大的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种衍射光波导，包括：

反常色散基底层；

耦入光栅和耦出光栅，均与所述反常色散基底层连接；

所述耦入光栅耦入的光线经过所述反常色散基底层反射后从所述耦出光栅耦出；

其中，所述反常色散基底层用于减少具有相同入射角但不同波长的光线对应的衍射角之间的角度差异。

可选的，在第一预设波长范围内，所述反常色散基底层的折射率随着光的波长的增大而增大。

可选的，所述反常色散基底层的折射率和光的波长满足如下公式：

λ_i/n_i＝C；

其中，式中λ_i为i光线对应的波长，n_i为i光线对应的折射率，C为常数。

可选的，在第二预设波长范围内，所述反常色散基底层的折射率保持不变。

可选的，所述反常色散基底层通过玻璃材料、树脂材料、光学塑料、透明陶瓷材料、二维材料、零折射率材料和负折射率材料中的一种或多种制成。

可选的，所述衍射光波导还包括：

至少一层正常色散基底层；

至少一层所述正常色散基底层和至少一层所述反常色散基底层层叠设置。

可选的，所述耦入光栅和所述耦出光栅位于所述反常色散基底层的同一侧；

或；

所述耦入光栅和所述耦出光栅位于所述反常色散基底层的相对两侧。

可选的，

所述耦入光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅；

所述耦出光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。

所述表面浮雕光栅为直槽浮雕光栅、斜齿浮雕光栅、台阶浮雕光栅、闪耀浮雕光栅以及曲面浮雕光栅中的一种；

和/或；

所述体全息光栅通过卤化银、液晶、聚合物分散液晶和液晶聚合物中的一种或多种制备而成。

第二方面，本发明提供了一种AR眼镜，所述AR眼镜包括：

光机，以及如上述任一技术方案所述的衍射光波导；

其中，所述光机向所述衍射光波导发射信号光，所述衍射光栅光波导耦入所述信号光，并将所述信号光耦出至人眼。

有益效果：本发明提供了一种衍射光波导及显示装置，包括：反常色散基底层；耦入光栅和耦出光栅，均与所述反常色散基底层连接；所述耦入光栅耦入的光线经过所述反常色散基底层反射后从所述耦出光栅耦出；其中，所述反常色散基底层用于减少具有相同入射角但不同波长的光线对应的衍射角之间的角度差异。在本发明中，可以将光波导基底设置为反常光波导基底，由于反常色散基底层可以减少或抵消光栅色散导致的不同波长其衍射角差异，因此，可以有效提高光波导的色彩均匀性，且应用反常色散基底层后仅需单层基底便能保证色彩均匀性，可以无需设计多层基底、不同的光栅结构，因此减轻了光波导的体积和重量。也因为无需多层设计，降低了光栅母版的数量要求，降低了成本。

附图说明

图1为现有技术中使用正常色散基底时，光栅衍射导致色彩不均匀的示意图；

图2为现有技术中使用正常色散基底时，一特定视场区域按不同波长真空波矢各自归一的k矢量图；

图3为本发明实施例一种衍射光波导结构示意图，使用反常色散基底层后，不同波长光线对应相同衍射角因此色彩更均匀；

图4为本发明实施例使用反常色散基底层后，一特定视场区域按不同波长真空波矢各自归一的k矢量图；

图5为本发明实施例表面浮雕光栅和全息光栅的结构示意图。

现有技术附图标注：

10、正常色散基底；20、耦入光栅；30、耦出光栅；

本发明实施例附图标注：

100、反常色散基底层；200、耦入光栅；300、耦出光栅；

(a)、直槽包络；(b)、斜齿包络；(c)、闪耀包络；(d)、台阶包络；(e)、曲面包络；(f)、体全息光栅。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

目前，现有技术中衍射光波导通常使用正常色散基底10作为光波导基底，在正常色散基底10上设置有耦入区、耦出区，耦入区设置耦入光栅20，耦出区设置耦出光栅30，也有可能存在一个或多个中间分区或转折区。衍射光波导方案中的耦入区将自由空间光束(由光引擎投影至光波导)转换成在光波导基底中以全反射形式传输的光束，耦出区执行逆过程，将以全反射形式传输的光束部分转换为自由空间光束为人眼所接收。转折区(若存在)将全反射形式传输的光束部分改变传输方向，以新的方向继续全反射形式的传输。当原本以全反射形式传输的光线传输路径存在部分转换时，由于另一部分光线传输路径不变，因此完成了一次出瞳拓展，如图1中光线入射至耦出光栅30后可以有两个传输方向。

如图1中，在正常色散基底10的情况下，光栅衍射存在较大色散，例如在同一折射率下，波长较长的光线衍射角更大，因此相同入射角、不同波长的光线衍射后的传播周期存在差异，如图1所示(波长λ₁长于波长λ₂)，这将导致衍射光波导的色彩均匀性差，即人眼在不同位置观察到的色彩不同。

另外，如图2所示，图2显示的是按不同波长真空波矢(k_0B,k_0G,k_0R)各自归一的k矢量图，折合后内外圈对应的是真空折射率和各个波长(三个外圈从内到外依次对应红、绿、蓝波长)在正常色散材料下的折射率。只有归一化k矢量位于实线内圈和各自外圈内的光线才能在正常色散基底10内传播。入射时，红(R)、绿(G)、蓝(B)波长对应的k矢量框形状、大小一致，故标注为(实线框)。红、绿、蓝光波长依次变短，真空波矢数值依次变大，对正常色散的材料，折射率依次变高，不过通常差别不大。彩色光入射至相同的光栅上，感受到的光栅k矢量相同，不过除以各自的真空波矢后便存在长度差异，如图2所示，红、绿、蓝箭头(图2中离外圈由近到远的依次为红箭头、绿箭头和蓝箭头)长度依次变短。入射后，各色光的k矢量框按箭头平移。可见，为了保证全彩传输，即各自颜色的归一化k矢量框不存在切边问题，需要确保例如红光k矢量框与红色波长对应的外圈不相交(相交时，落在外圈外的部分视场无法以全反射形式在基底内传播)，则只能减小视场角。

也就是说，由于光栅衍射色散，若要用单层光波导基底实现色彩较均匀的全彩显示，则通常需要减小视场角；为了提高色彩均匀性并增大视场角，则通常需要采用多层光波导的方案，针对不同波长设计不同的光栅结构，但这也导致光波导基底层数增加，使得头戴显示设备的总体积、总重量增加。

基于此，本发明希望提供一种能够解决上述技术问题的方案，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本发明实施例提供的衍射光波导及AR眼镜进行详细地说明。

本发明实施例提供了一种衍射光波导，包括：反常色散基底层100；耦入光栅200和耦出光栅300，耦入光栅200和耦出光栅300均与所述反常色散基底层100连接；所述耦入光栅200耦入的光线经过所述反常色散基底层100反射后从所述耦出光栅300耦出；其中，所述反常色散基底层100用于减少具有相同入射角但不同波长的光线对应的衍射角之间的角度差异。

具体的，反常色散基底层100用于传输光线，如图3所示，在本发明实施例中，光线耦入后通过反常色散基底层100从耦入光栅200传输到耦出光栅300，并通过耦出光栅300耦出入射到人眼。耦入光栅200和耦出光栅300可以位于所述反常色散基底层100的同一侧或相对两侧。

如图3所示，在本发明实施例中，制作衍射光波导结构的光波导基底至少使用了一层反常色散基底层100，由于反常色散基底层100可以减少或抵消光栅色散导致的不同波长衍射角的角度差异，从而提高了衍射光波导的色彩均匀性。

较佳的，光波导基底可以设置为单层反常色散基底层100，应用单层反常色散基底层100后仅需单层基底便能保证色彩均匀性，可以无需设计多层基底、和不同的光栅结构，因此减轻了光波导的体积和重量。也因为无需多层设计，降低了光栅母版的数量要求，降低了衍射光波导的加工制造成本。

在一个较佳实施例中，反常色散基底层100具有在所述预设波长范围内，所述反常色散基底层100的折射率随着光的波长的增大而增大的色散特性。

具体的，反常色散基底层100使用反常色散材料制作而成，反常色散材料通常在某一波段范围内，具有正常色散材料(正常色散材料波长越短，折射率越大)相反色散特征，较佳的，在可见光波长范围内，反常色散基板材料具有波长越短、折射率越小的色散特性，通常，反常色散材料可以是玻璃、树脂、光学塑料、透明陶瓷、二维材料、零折射率材料、负折射率材料或其他材料的单一体材料，也可由多种材料堆叠而成。

由于在光栅衍射中，相同入射角、相同入射折射率和出射折射率下，波长越长，对应的衍射角越大，而反常色基底层100具备的波长越长，折射率越大的色散特性，使得波长较长的光线不再具有更大的衍射角，减少了相同入射角但不同波长的光线对应的衍射角之间的角度差异。提高了光波导的颜色显示均匀性。

为了使得相同入射角、不同波长的光线能够具有相同的衍射角，在一个较佳实施例中，所述反常色散基底层100的折射率和光的波长满足如下公式：λ_i/n_i＝C；其中，式中λ_i为i光线对应的波长，n_i为i光线对应的折射率，C为常数。

具体的，i对应着不同的颜色，如i为红色时，λ_i为红光的波长，n_i为红光在该反常色散基底层100内的折射率。当不同颜色的光线，其折射率和波长的比值均相等时，则相同入射角、不同波长的光线对应相同的衍射角。也就是说，当两种波长的光线，其折射率比值与波长比值相等时，则相同入射角、不同波长的光线对应相同的衍射角。

如图1和图3所示，图1展示了正常色散基底10下，光栅衍射的色散示意图，可以看出，图1中两束波长分别为λ₁和λ₂的光线(波长λ₂<λ₁)，为了便于描述，这里假设λ₁对应的为红光，λ₂对应的是蓝光，可见，红光对应的衍射角更大，由于蓝光和红光的衍射角度的不同，红光和蓝光在正常色散基底10下每完成一次全反射所经历的路程长度也会不同，红光全反射的次数少于蓝光，最终导致耦出光栅30出射的光线其耦出的次数不同，造成色彩均匀性差异，这会导致眼睛移动到眼盒的不同位置看到的色彩比例是不一致的。

图3展示了本发明实施例使用反常色散基底层100后的效果示意图，图3中两束波长分别为λ₁和λ₂的光线(也分别对应为红光和蓝光)，其在该反常色散基底层100的折射率分别为n₁和n₂，由于其满足公式λ_i/n_i＝C；即，λ₁/n₁＝λ₂/n₂，因此，应用该反常色散基底层抵消了光栅色散导致的λ₁和λ₂之间的衍射角差异，使得两个不同波长的最终衍射角相同，红光和蓝光在反常色散基底层100内每完成一次全反射所经历的路程长度一致，最终导致耦出光栅300出射的光线耦出次数相同，并在耦出光栅的同一位置耦出，进一步提高了光波导的色彩均匀性。

上述实施方式主要阐述了其反常色散基底层100具有波长越短、折射率越小的色散特性，而在另外的实施方式中，反常色散基底层100还可以是具有其他色散特性的基底，例如，在一个实施例中，反常色散基底层100具有：在预设波长范围内，其折射率保持不变的色散特性，由于和正常色散材料色散特性不同，使用该特性的反常色散基底层100，也可以减少不同波长的光线衍射角差异。

值得注意的是，在本发明实施例中，由于使用了具有反常色散特性的基底材料制备衍射光波导，其k矢量平移关系参见图4所示，图4中显示的是按不同波长真空波矢(k_0B,k_0G,k_0R)各自归一的k矢量图，折合后内外圈对应的是真空折射率和各个波长在反常色散基底材料下的折射率。当使用了反常色散基底层100后，与图2相反，图4中三个外圈从外到内分别对应红、绿、蓝三个颜色，与各自颜色的归一化k矢量框之间的错位一致，折合各自折射率后，三个k矢量框对应的衍射角一致，不容易出现视场缺失，因此，本方案可以支持更大的视场角。

在上述实施方式的基础上，所述衍射光波导还包括：至少一层正常色散基底层；所述至少一层正常色散基底层和所述至少一层反常色散基底层层叠设置。

由于反常色散材料通常较为昂贵，为了节约制作成本，在一些实施例中，可以将反常色散材料和正常色散材料混合使用。

在一个实施例中，光波导基底可以包括层叠设置的一层正常色散基底层和一层反常色散基底层，具体设置方式本领域技术人员可以根据实际需求来设定，例如，正常色散基底层可以是靠近耦入光线投影方向的一侧，或反常色散基底为靠近耦入光线投影方向的一侧均可。

在一个实施例中，光波导基底还可以包含更多层正常色散基底层和更多层反常色散基底层，例如，在包含两层正常色散基底层和一层反常色散基底层的三层结构中，其层叠顺序可以依次为正常色散基底层/正常色散基底层/反常色散基底层；或正常色散基底层/反常色散基底层/正常色散基底层,或，反常色散基底层/正常色散基底层/正常色散基底层；其他多层光波导基底以此类推。光波导基底上的各光栅区域可以是对齐的，也可以有错位，具体本领域技术人员可以根据实际设计需求来确定。

在上述实施方式的基础上，所述耦入光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅；所述耦出光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。

如图5所示，耦入光栅和耦出光栅可以为表面浮雕光栅，也可为体全息光栅。表面浮雕光栅可具有直槽/斜齿/台阶/闪耀/曲面型轮廓；其具体形状参见如图5(a-e)所示，图5中(a)为直槽包络、(b)为斜齿包络、(c)为闪耀包络、(d)为台阶包络、(e)为曲面包络。体全息光栅均可使用卤化银、液晶、聚合物分散液晶、液晶聚合物等材料制成，图5(f)为体全息光栅示意图。耦入光栅和耦出光栅可在光波导基底外侧(可为单面或双面)，也可在内侧夹层。光栅靠近或远离基底侧可以有镀介质或金属膜/膜系。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种显示装置，所述显示装置包括：光机，以及如上述任一技术方案所述的衍射光波导；其中，所述光机向所述衍射光波导发射信号光，所述衍射光栅光波导耦入所述信号光，并将所述信号光耦出至人眼。

具体的，光机负责提供光信号，耦入光栅负责接收光信号，并将光线传递到耦出光栅，期间，耦入光栅或耦出光栅可以对光线进行扩瞳，耦出光栅最终将扩瞳后的光线输出，并投射到人眼中。

此外，耦入光栅和耦出光栅之外还可存在其他功能的光栅模块对光线进行扩瞳。扩瞳不限于是水平方向或垂直方向的，但通常可分为一维扩瞳(一个方向扩瞳)或二维扩瞳(两个方向扩瞳)两类。不同入射角的光线，扩瞳方向可以不一致。

较佳的，该显示装置为AR眼镜，由于AR眼镜包括如上述技术方案所述的衍射光波导，由于该方案能够提高光波导的色彩均匀性、增大视场角，使得AR眼镜不同视场色彩均匀性和不同眼动位置的色彩均匀性都得到提升。同时，反常色散基底层的设置使其仅需单层基底便能保证均匀性，无需设计多层、不同的光栅结构，因此减轻了AR眼镜的体积和重量，提升用户的观看舒适度和佩戴舒适度。也因为无需多层设计，降低了光栅母版的数量要求，降低了AR眼镜制作成本。

综上所述，本发明涉提供了一种衍射光波导及显示装置，包括：反常色散基底层；耦入光栅和耦出光栅，均与所述反常色散基底层连接；所述耦入光栅耦入的光线经过所述反常色散基底层反射后从所述耦出光栅耦出；其中，所述反常色散基底层用于减少具有相同入射角但不同波长的光线对应的衍射角之间的角度差异。在本发明中，可以将光波导基底设置为反常光波导基底，由于反常色散基底层可以减少光栅色散导致的不同波长其衍射角差异，因此，可以有效提高光波导的色彩均匀性，且应用反常色散基底层后仅需单层基底便能保证色彩均匀性，可以无需设计多层基底、不同的光栅结构，因此减轻了光波导的体积和重量。也因为无需多层设计，降低了光栅母版的数量要求，降低了成本。此外，相比现有的单层彩色光波导方案，本发明方案无需考虑不同波长k矢量框的错位，因此支持的视场角更大。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种衍射光波导，其特征在于，包括：

反常色散基底层；

耦入光栅和耦出光栅，均与所述反常色散基底层连接；

所述耦入光栅耦入的光线经过所述反常色散基底层反射后从所述耦出光栅耦出；

其中，所述反常色散基底层用于减少具有相同入射角但不同波长的光线对应的衍射角之间的角度差异。

2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，

在第一预设波长范围内，所述反常色散基底层的折射率随着光的波长的增大而增大。

3.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述反常色散基底层的折射率和光的波长满足如下公式：

λ_i/n_i＝C；

其中，式中λ_i为i光线对应的波长，n_i为i光线对应的折射率，C为常数。

4.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，

在第二预设波长范围内，所述反常色散基底层的折射率保持不变。

5.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述反常色散基底层通过玻璃材料、树脂材料、光学塑料、透明陶瓷材料、二维材料、零折射率材料和负折射率材料中的一种或多种制成。

6.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述衍射光波导还包括：

至少一层正常色散基底层；

至少一层所述正常色散基底层和至少一层所述反常色散基底层层叠设置。

7.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，

所述耦入光栅和所述耦出光栅位于所述反常色散基底层的同一侧；

或；

所述耦入光栅和所述耦出光栅位于所述反常色散基底层的相对两侧。

8.根据权利要求7所述的衍射光波导，其特征在于，

所述耦入光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅；

所述耦出光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。

9.根据权利要求8所述的衍射光波导，其特征在于，

所述表面浮雕光栅为直槽浮雕光栅、斜齿浮雕光栅、台阶浮雕光栅、闪耀浮雕光栅以及曲面浮雕光栅中的一种；

和/或；

所述体全息光栅通过卤化银、液晶、聚合物分散液晶和液晶聚合物中的一种或多种制备而成。

10.一种AR眼镜，其特征在于，所述AR眼镜包括：

光机，以及如权利要求1-9中任一项所述的衍射光波导；

其中，所述光机向所述衍射光波导发射信号光，所述衍射光栅光波导耦入所述信号光，并将所述信号光耦出至人眼。

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