CN115616769A - 光学显示元件及光学设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种光学显示元件及光学设备，该光学设备可以是近眼显示系统、抬头显示系统、光学滤波器、光学相位片、空间光通信设备，该光学显示元件包括：多道条纹，该条纹呈弧线形状，且该条纹的弯曲方向相同，该条纹用于所述光学显示元件的工作光进行反射，使得该工作光成像；其中，该条纹包括：多个谐振元件，所述工作光在一个或多个所述谐振元件中产生谐振效应。光栅结构为微纳尺寸，体积较小，减小了空间占用，实现了设备的小型化。同时，采用谐振元件可以选择性提高工作光的衍射，实现对工作光波长的高反射率，实现波长选择特性。
Description
技术领域
本申请实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学显示元件及光学设备。
背景技术
增强现实(augmented reality，AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界信息相融合的技术，增强现实技术的目标是在屏幕上将虚拟世界套在现实世界，并进行互动，可以将真实世界的时间空间范围内的很难体验到的实体信息(比如视觉信息、声音、或触觉等)通过电脑等模拟仿真后再叠加，将虚拟信息应用到真实世界。目前，增强现实技术已广泛应用在增强现实装置中，比如AR眼镜，能够将虚拟图像投影到人眼之中，实现虚拟图像与真实图像的叠加。
图1为一种AR近眼成像系统示意图，该系统可分为两大部分：光学投影系统101和光学显示元件102。
如图1所示，该增强现实近眼成像系统包括：光学投影系统101和光学显示元件102。其中，光学显示元件102位于用户的眼前，光学显示元件102既可以透射外部的环境光，也可以反射投影系统的光到人眼103。
在一些实施例中，如图2所示，该增强现实近眼成像系统使用了曲面反射镜1021作为光学显示元件，将光学投影系统101发射的图像源反射并成像到人眼中。其中曲面反射镜1021对工作光线进行普通的镜面反射，镜面切线方向与人眼平视前方的视线之间呈现大约45度角。同时，反射面是半反半透型的，呈现均匀的宽波段响应，即对于可见光波段的所有波长，都是一部分光被反射，剩下的一部分光被透射。
曲面反射镜1021与人眼平视前方的视线之间呈现大约45度的夹角，因此使用者在佩戴时成像系统要往前凸出很大一块体积，不利于实现体积紧凑的近眼成像系统。
发明内容
本申请实施例提供一种光学显示元件及光学设备，将谐振元件与条纹搭配在一起，以增强特定阶数的衍射效率。
为达到上述目的，本申请实施例采用如下技术方案：本申请实施例的第一方面，提供一种光学显示元件，包括：多道条纹，该条纹呈弧线形状，且该条纹的弯曲方向相同，该条纹用于对该光学显示元件的工作光进行反射，使得该工作光成像；其中，该条纹包括：多个谐振元件，该工作光在一个或多个该谐振元件中产生谐振效应。由此，光栅结构为微纳尺寸，体积较小，减小了空间占用，实现了设备的小型化。同时，将谐振元件与条纹搭配在一起，可以增强特定阶数的衍射效率。该谐振元件可以选择性提高工作光的衍射，而对其他波段的光的衍射保持在较低的水平，实现对工作光波长的高反射率，以及实现对环境光波长的高透射率，实现波长选择特性。
一种可选的实现方式中，该条纹的弯曲方向与该光学显示元件的表面平行。由此，可以节省光学显示元件的空间。
一种可选的实现方式中，至少1道条纹的曲率半径和其他条纹的曲率半径不同。由此，可以根据光线入射角度、出射角度，以及成像需求而设计的非均匀光栅结构，可以在不同区域呈现不同的光栅结构，使得入射光线经过光栅衍射后可以形成一阶衍射光线，衍射光线沿着光学系统所需要的角度发射出来。
一种可选的实现方式中，该条纹的曲率半径沿一个方向变化。由此，可在不同区域呈现不同的衍射响应，导致光进入不同区域可以实现不同方向的衍射光出来，有利于成像。
一种可选的实现方式中，所述条纹的曲率半径沿着工作光入射的方向在光学显示元件上的投影逐渐变大。由此，可以将不同方向的入射光衍射光出来，有利于成像。
一种可选的实现方式中，所述条纹的最小曲率半径不小于100μm。由此，使得条纹的衍射效率均匀性更好。
一种可选的实现方式中，至少一对相邻条纹之间的距离与其他相邻条纹的之间的距离不同。由此，可以根据光线入射角度、出射角度，以及成像需求而设计的非均匀光栅结构，可以在不同区域呈现不同的光栅结构，使得入射光线经过光栅衍射后可以形成一阶衍射光线，衍射光线沿着光学系统所需要的角度发射出来。
一种可选的实现方式中，相邻条纹之间的距离沿一个方向均变化。由此，可在不同区域呈现不同的衍射响应，导致光进入不同区域可以实现不同方向的衍射光出来，有利于成像。
一种可选的实现方式中，相邻条纹之间的距离沿着工作光入射的方向在光学显示元件上的投影逐渐变小。由此，可以将不同方向的入射光的衍射光出来，有利于成像。
一种可选的实现方式中，相邻两道条纹之间的距离大于或等于工作光波长的1/4，且小于工作光波长的10倍。由此，可保证条纹对工作光的衍射性能。
一种可选的实现方式中，该工作光的入射方向与该条纹所在平面的法线方向的夹角大于或等于40度。由此，该光学显示元件可对大角度倾斜入射的光进行衍射，使得光系统结构更加紧凑。
一种可选的实现方式中，所述工作光经光学显示元件反射后呈收敛状。由此，可以使得以大角度倾斜入射的投射光线经过光栅衍射后按照成像所需要的角度反射出来。
一种可选的实现方式中，所述工作光经光学显示元件反射后，成像的眼盒区域在光学显示元件所在平面的投影位于光学显示元件内部。由此，可以在光学显示元件内部成像。
一种可选的实现方式中，该光学显示元件集成有像差矫正功能。由此，光学显示元件集成像差矫正功能，使得AR近眼显示系统可以避免在前端光路使用像差矫正透镜组，进一步减小系统体积和重量。
一种可选的实现方式中，所述光学显示元件对入射的工作光在沿着光学显示元件表面的两个相互正交的方向上具有不同的光焦度。由此，可以缓解光系统的像散问题，使得AR近眼显示系统可以避免在前端光路使用像差矫正透镜组，减小系统体积和重量。
一种可选的实现方式中，所述工作光形成的像与光学元件之间的距离大于或等于5cm。由此，可以在合适的位置成像。
一种可选的实现方式中，该条纹包括：邻接设置的凸条纹和凹条纹。由此，实现了条纹的衍射功能。
一种可选的实现方式中，该凸条纹由多个该谐振元件组成。由此，凸条纹直接由谐振元件组成，无需专门成型凸条纹，制备工艺更简单。
一种可选的实现方式中，该凸条纹上设有多个该谐振元件。由此，可以在光栅结构上设置谐振元件，可实现更高的衍射效率。
一种可选的实现方式中，该凹条纹中设有多个该谐振元件。由此，可以在光栅结构上设置谐振元件，通过谐振元件与光栅凸条纹搭配，可在不增加工艺复杂度的条件下实现更高的衍射效率。
一种可选的实现方式中，该条纹包括：多个间隔排布的谐振元件，每道条纹的相邻谐振元件之间的距离小于或等于工作波长的2倍。由此，可以提高谐振强度，有助于产生更高的衍射效率。
一种可选的实现方式中，该谐振元件的谐振方式为米氏共振、导模共振GMR、连续体束缚态BIC共振或回音壁模式WGM中的任意一种或几种。由此，可以利用单个谐振元件的谐振现象。
一种可选的实现方式中，该条纹包括：多个连续排布的谐振元件。由此，可增加结构对光场的限制作用，形成更高品质因子的谐振效果。
一种可选的实现方式中，该谐振元件的谐振方式为导模共振GMR、连续体束缚态BIC共振中的任意一种或几种。由此，谐振元件可以达到更高品质因子的谐振效果。
一种可选的实现方式中，该谐振元件的高度小于1μm。由此，确保更高的透明度，且工艺简单。
一种可选的实现方式中，该谐振元件的截面形状包括圆形、矩形、十字形、T字形、或梯形。由此，谐振元件形状灵活，适用于多种工作场景。
一种可选的实现方式中，该光学显示元件包括多个子区域，该多个子区域位于同一平面，且相邻子区域之间为空白区域。由此，增加了光学显示元件透明度，可以增加条纹的环境光透过率。
一种可选的实现方式中，该光学显示元件包括多个子区域，该多个子区域沿垂直于条纹所在平面的方向层叠设置。
一种可选的实现方式中，每个子区域的光学显示元件对应一个工作光波长，多个子区域的光学显示元件至少具有两个工作光波长。由此，不同子区域的条纹具有不同的波长选择性，使得该多个子区域的条纹可以实现对多个波长进行衍射。
一种可选的实现方式中，所包括的多个子区域的工作光波长包括红、绿、蓝三种颜色。由此，实现彩色的衍射成像。
一种可选的实现方式中，每道该条纹的弧度小于π。由此，使得条纹的衍射效率均匀性更好。
本申请实施例的第二方面，提供一种光学设备，该光学设备包括：光学投影系统，以及如上所述的光学显示元件；其中，该光学投影系统用于产生工作光，并将该工作光射向该光学显示元件；该光学显示元件用于将该工作光反射至人眼。由此，该光学设备采用上述光学显示元件，结构更紧凑，且对工作光的衍射效率更高。
一种可选的实现方式中，该光学设备为增强现实近眼成像系统。由此，条纹的厚度只在微纳尺度，其体积可以忽略不计。
一种可选的实现方式中，该光学设备为抬头显示系统，该抬头显示系统用于车辆。由此，可以减小抬头显示系统尺寸。
一种可选的实现方式中，所述光学投影系统在所述光学显示元件上的投影位于所述条纹的弯曲方向上，且所述条纹的曲率半径方向指向所述光学投影系统在所述光学显示元件上的投影。由此，可以将光学投影系统发出的光通过光学显示元件反射至人眼。
附图说明
图1为一种AR近眼成像系统示意图；
图2为另一种AR近眼成像系统示意图；
图3为本申请实施例提供的一种光学显示元件的结构示意图；
图4a为图3中A处的一种局部放大图；
图4b为图3中A处的另一种局部放大图；
图4c为图3中A处的另一种局部放大图；
图4d为图3中A处的另一种局部放大图；
图4e为图3中A处的另一种局部放大图；
图5为本申请实施例提供的谐振元件的工作状态示意图；
图6为本申请实施例提供的谐振元件的横截面图；
图7为示例一提供的AR近眼显示系统的工作状态图；
图8为示例一中的光学显示元件进行波长选择的示意图；
图9为示例一提供的光学显示元件的成像结果示意图；
图10为本申请实施例提供的另一种光学显示元件的结构示意图；
图11为本申请实施例提供的另一种光学显示元件的结构示意图；
图12为图11所示的光学显示元件的立体图；
图13为示例二提供的一种抬头显示系统的工作状态示意图；
图14为示例三提供的一种光束准直元件的工作状态示意图；
图15为示例四提供的一种光束聚焦元件的工作状态示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等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。
此外，本申请中，“上”、“下”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
本申请实施例提供一种光学设备，该光学设备包括但不限于抬头显示(HUD，head-up display)、虚拟现实(VR，virtual reality)系统、增强现实(augmented reality，AR)近眼成像系统、光学滤波器、光学相位片、空间光通信等。
本申请以该光学设备为AR近眼成像系统为例进行说明。
如图1所示，AR近眼显示系统包括：光学投影系统101和光学显示元件102。其中，光学显示元件102位于用户的眼前。光学显示元件102既可以透射外部的环境光，也可以反射投影系统的光到人眼103。
本申请实施例提供的光学显示元件102如图3所示，该光学显示元件102例如包括多道条纹1020。
在一些实施例中，如图4a所示，该光学显示元件102还包括该基底1024，条纹1020设置在基底1024上。
本申请实施例对基底1024的材质不做限制。该基底1024的材质包括但不限于氧化硅、氮化硅、氧化钛、硅、聚合物、金属等。其中，条纹1020可以采用和基底1024相同的材料，也可以采用和基底1024不同的材料。
本申请实施例对条纹1020的形状不做限制。在一些实施例中，所述条纹1020呈弧线形状，所述条纹1020的弯曲方向与所述光学显示元件102的平面平行。
如图3所示，所述条纹1020的弯曲方向相同，所述条纹1020用于对所述光学显示元件102的工作光进行反射，并透射环境光。
需要说明的是，条纹1020的弯曲方向相同指的是每条条纹的弧线开口方向相同。例如，图3中条纹的弧线开口方向如箭头所指，其弧线开口方向向右。弯曲方向相同里的“相同”是定性而不是定量的描述。
上述条纹1020例如为衍射光栅，衍射光栅可以在近波长尺度下呈现周期性结构变化或折射率变化，可以对入射光的振幅或相位进行周期性空间调制。衍射型衍射光栅可以将入射光以特定的一个或几个角度反射出去。不同的反射角度对应着特定的衍射级数。
其中，光栅的零阶衍射光的角度是与入射光角度关于光栅表面法线对称的，与光栅周期无关。
高阶衍射光(1阶或以上)的角度不与入射光角度对称，属于异常角度反射，此类反射的角度与光栅周期相关。
衍射光栅的工作原理简单，体积紧凑，已在光谱测量、光通信等领域得到广泛的应用。
其中，对于共面入射的情况，光栅结构的周期和出射光、入射光之间的关系可以通过光栅衍射方程描述：
sinθi–sinθm＝mλ/d
其中，θi为入射角，θm为衍射级数为m的衍射角，λ为入射光的波长，d为光栅相邻条纹之间的距离。
需要说明的是，光栅相邻条纹之间的距离指的是相邻条纹的中心之间的距离。
参见图5，衍射光栅的零阶衍射光的衍射角(此时，衍射级数m＝0，衍射角为θ0)与入射光的入射角(θi)关于光栅表面法线对称，即零阶衍射光的衍射角等于入射角度，属于对称反射，且与光栅周期无关。
而高阶(±1阶及±1阶以上)衍射光的衍射角与入射光的入射角不对称，例如，衍射光栅的1阶衍射光的衍射角(此时，衍射级数m＝1，衍射角为θ1)与入射光的入射角(θi)关于光栅表面法线不对称，衍射光栅的2阶衍射光的衍射角(此时，衍射级数m＝2，衍射角为θ2)与入射光的入射角(θi)关于光栅表面法线不对称，属于异常角度反射，异常角度反射与光栅周期有关。
其中，光栅的结构参数(例如光栅周期)取决于工作光波长与光学系统对光的偏转方向的要求，具体的，该条纹1020可以是根据近眼成像系统的光线入射角度、出射角度，以及成像需求而设计的非均匀光栅结构，可以在不同区域呈现不同的光栅结构，如条纹1020之间的间距不同、条纹1020的曲率半径变化等。
条纹之间的间距、以及条纹1020的曲率半径可以根据光学系统在该处对光线的入射、出射角度的需求而定，使得入射光线经过光栅衍射后可以形成高阶衍射光线，衍射光线沿着光学系统所需要的角度发射出来
由此，条纹放置于人的眼前，可以将各角度入射的特定波段的投射光通过衍射后以特定角度进入人眼，使得光线进入人眼后成像。
其中，由于光栅的厚度只有微纳尺度，其体积较小，实现了设备的小型化。
AR显示系统具有眼盒(eyebox)的概念，在眼盒范围内，人眼能观察到清晰的图像。在本发明的一些实施例中，眼盒区域在光学显示元件平面的投影位于光学显示元件内部。
同时，由于光栅的设计与制备具有灵活性，光栅经过设计后可集成像差矫正功能。需要说明的是，AR近眼显示系统中通常会存在像差，如果像差没有得到矫正，会降低视觉体验。尤其在离轴AR近眼显示系统中，像散现象比较严重，导致出现图像模糊的问题。本申请实施例可以通过设计光栅周期与方向的排布，使得光学显示元件在两个相互正交的方向上(如x与y方向)具有不同的光焦度，缓解光系统的像散问题。使得AR近眼显示系统可以避免在前端光路使用像差矫正透镜组，减小系统体积和重量。
本申请实施例对条纹1020的具体曲率半径不做限制。其中，至少1道条纹1020的曲率半径和其他条纹1020的曲率半径不同。
由此，可以根据光线入射角度、出射角度，以及成像需求而设计的非均匀光栅结构，可以在不同区域呈现不同的光栅结构，使得入射光线经过光栅衍射后可以形成一阶衍射光线，衍射光线沿着光学系统所需要的角度发射出来。
在一些实施例中，如图3所示，所述条纹1020的曲率半径沿一个方向变化。在一些实施例中，条纹1020的曲率半径沿一个方向均匀变化，例如，图3中的条纹1020的曲率半径沿左右方向均匀变化。由此，可在不同区域呈现不同的衍射响应。
在另一些实施例中，不同区域的条纹1020的曲率半径的变化方向不同，可在不同区域呈现不同的衍射响应，导致光进入不同区域可以实现不同方向的衍射光出来，有利于成像。
本申请实施例对相邻两道条纹1020之间的距离不做限制。其中，至少两道相邻条纹1020之间的距离与其他相邻条纹1020的之间的距离不同。
由此，可以根据光线入射角度、出射角度，以及成像需求而设计的非均匀光栅结构，可以在不同区域呈现不同的光栅结构，使得入射光线经过光栅衍射后可以形成一阶衍射光线，衍射光线沿着光学系统所需要的角度发射出来。
在一些实施例中，如图3所示，相邻条纹1020之间的距离沿一个方向变化。在一些实施例中，相邻条纹1020之间的距离沿一个方向均匀变化。例如，图3中的相邻条纹1020之间的距离沿左右方向均匀变化。由此，可在不同区域呈现不同的衍射响应。
在另一些实施例中，不同区域的相邻条纹1020之间的距离的变化方向不同，可在不同区域呈现不同的衍射响应，导致光进入不同区域可以实现不同方向的衍射光出来，有利于成像。
本申请实施例对条纹1020的结构不做限制。该条纹1020例如包括：邻接设置的凸条纹1022和凹条纹1023。其中，该凸条纹1022可以是形成在基底1024表面的凸棱，该凹条纹1023可以是形成在基底表面的凹槽。
在一些实施例中，如图4a、图4b、图4c所示，该光学显示元件102包括基底1024，该基底1024的一个表面形成有多个凸条纹1022，且所述多个凸条纹1022间隔设置，相邻的两个凸条纹1022之间形成凹条纹1023，所述多个凸条纹1022之间形成多个凹条纹1023。
在另一些实施例中，如图4d、图4e所示，该光学显示元件102包括基底1024，该基底1024的一个表面形成有多个凹条纹1023，且所述多个凹条纹1023间隔设置，相邻的两个凹条纹1023之间形成凸条纹1022，所述多个凹条纹1023之间形成多个凸条纹1022。
本申请实施例对该条纹的具体结构不做限制。在一些实施例中，如图4a所示，所述条纹1020包括：多个谐振元件10221，谐振元件10221按照条纹1020的轮廓排列。该谐振元件10221用于限制所述工作光的光场，且所述谐振元件10221的谐振波长位于所述光学显示元件102的工作光波段内。
本申请实施例对谐振元件10221的结构不做限制，在一些实施例中，谐振元件10221具有谐振腔，谐振腔能够使得特定波长的光在其中产生谐振效应。其中，谐振腔可以通过谐振效应，选择特定波长的输入光，增强其与光学显示元件的相互作用，从而增强光学显示元件对特定波长的输入光的反射效率，而其他波长的输入光的反射效率则保持在较低的水平。
本申请实施例对该谐振元件的具体材料不做限制。谐振元件10221采用介质材料组成。其中，谐振元件10221的材料包括但不限于氮化硅、氧化钛、硅、氧化硅、聚合物、金属等介质材料，该谐振元件10221可以采用和基底1024相同的材料，也可以采用和基底1024不同的材料。
由此，该光学显示元件包括对特定波段具有光学谐振作用的谐振元件10221，可增强对工作光的反射效率，而对其他波段的光的反射保持在较低的水平。可同时实现对工作光的高反射率，以及实现对其他波段的光的高透射率，同时，由于光栅本身是色散的，不同波长会被衍射到不同的角度，本申请实施例的光栅具有谐振效应，可对较窄的一段波长进行衍射，而其他的波长衍射效应较弱，因此色散现象较弱，从而可以减弱由于光栅本身的色散特性导致的图像模糊问题。
在一些实施例中，如图4a所示，该谐振元件10221设置在基底1024表面，多个谐振元件10221排列成弧线形状，组成条纹1020中的凸条纹1022。由此，凸条纹直接由谐振元件组成，无需专门在基底上成型凸条纹，制备工艺更简单。
在另一些实施例中，如图4b、图4d所示，基底1024上设有凹条纹1023和凸条纹1022，该谐振元件10221可以设置在凸条纹1022上。
由此，将谐振元件与条纹搭配在一起，可以增强特定阶数的衍射效率。其中，谐振元件10221与凸条纹1022可以增强工作光的高阶衍射效率，使得工作光的高阶衍射效率比零阶衍射效率更高。
在另一些实施例中，如图4c、图4e所示，基底1024上设有凹条纹1023和凸条纹1022，该谐振元件10221可以设置在凹条纹1023中。
由此，可以在光栅结构上设置谐振元件，通过谐振元件与光栅凸条纹搭配，可在不增加工艺复杂度的条件下实现更高的衍射效率。
在另一些实施例中，基底1024上设有凹条纹1023和凸条纹1022，凸条纹1022上和凹条纹1023中例如均设有该谐振元件10221。
由此，可以在光栅结构上设置谐振元件，应用范围更广。
本申请实施例对该谐振元件的形状不做限制。在一些实施例中，如图4a所示，该谐振元件10221为圆柱体，其横截面例如为如图6中的(a)所示的圆形。需要说明的是，该谐振元件10221的横截面形状为谐振元件10221在xy平面的投影。
在另一些实施例中，谐振元件10221的横截面形状可以是如图6中(b)所示的矩形、如图6中的(c)所示的十字形、如图6中(d)所示的T字形、或如图6中(e)所示的梯形。由此，谐振元件形状灵活。
需要说明的是，上述谐振元件10221的横截面形状仅为本申请实施例的一些示例，本领域技术人员可根据需要选择合适的谐振元件10221形状，这些均属于本申请的保护范围。
本申请实施例对该谐振元件的尺寸不做限制。其中，谐振元件10221沿z方向的高度例如小于1μm。由此，可以确保光学显示元件具有更高的透明度，且工艺简单。
谐振元件10221所产生的光学谐振的谐振方式可以是Mie米氏共振、导模共振(GMR，guided-mode resonance)、连续体束缚态(BIC，bound states in the continuum)共振、回音壁模式(WGM，whispering gallery mode)等。
在一些实施例中，组成同一道条纹的谐振元件10221间隔设置，同一道条纹中的相邻谐振元件10221之间的距离应小于或等于该工作光波长的2倍。此时，单个元件可对工作光波长产生谐振，所述谐振元件的谐振方式为米氏共振、导模共振GMR、连续体束缚态BIC共振或回音壁模式WGM中的任意一种或几种。
由此，可以提高谐振元件的谐振强度，有助于产生更高的衍射效率。
在另一些实施例中，组成同一道条纹的谐振元件10221可以连续排布。此时，多个相同的谐振元件10221内限制的光场相互作用，可对工作光波长产生谐振，所述谐振元件的谐振方式为导模共振GMR、连续体束缚态BIC共振中的任意一种或几种。由此，可增加结构对光场的限制作用，形成更高品质因子的谐振效果。
每个谐振元件10221沿着所在条纹的曲率半径方向的尺寸小于该区域相邻条纹之间的距离。
在一些实施例中，在同一道条纹中，沿着所在光栅的曲率半径方向可以不止有一个谐振元件10221。
下面结合示例一对本申请实施例提供的光学显示元件进行具体说明。
示例一：
图7为示例一提供的AR近眼显示系统的工作状态图。如图7所示，AR近眼显示系统包括：光学投影系统101和光学显示元件102。其中，光学显示元件102位于用户的眼前。
本申请对光学投影系统101的结构不做限制，其中，光学投影系统101至少包括：发光元件，在一些实施例中，该发光元件可以是有机发光二极管(Organic Light-EmittingDiode，OLED)显示屏，在另一些实施例中，该光发光元件还可以是微米发光二极管(microLED)显示屏。
在一些实施例中，光学投影系统101例如还包括：像差矫正光学元件、色散矫正光学元件。
其中，光学显示元件102包括：基底1024，以及设置在基底1024上的条纹1020。
条纹1020放置于人的眼前，既可以透射外部的环境光，还可以将光学投影系统101发出的投射光通过衍射后以特定角度进入人眼103，使得光线进入人眼后成像。
其中，条纹之间的间距、以及条纹1020的曲率半径可以根据光学系统在该处对光线的入射、出射角度的需求而定，使得入射光线经过光栅衍射后可以形成一阶衍射光线，衍射光线沿着光学系统所需要的角度发射出来。
如图7所示，所述光学投影系统101在所述光学显示元件102平面上的投影例如位于所述条纹1020的弯曲方向上。也即，条纹1020的曲率中心与投影系统101在光学显示元件102平面的投影位置位于条纹1020的同一侧，例如均位于条纹1020的右侧，且所述条纹1020的曲率半径指向投影系统101在光学显示元件102平面的投影位置。
图7中示出了条纹1020的整体轮廓。如图7所示，该条纹1020的整体轮廓呈现弯曲渐变状，即条纹之间的间距与条纹1020的曲率半径随着其所在空间位置的不同而逐渐变化。
具体的，条纹1020整体轮廓是弯曲的，多条条纹1020近似呈现同心圆环状，条纹1020的曲率半径平行于基底1024表面，条纹1020的曲率半径和条纹之间的间距沿一个方向渐变。
需要说明的是，上述多条条纹1020近似呈现同心圆环状，指的是条纹可以不严格按照同心圆环排布，允许存在误差。
在一个空间维度(图中为左右方向的维度)，条纹1020的曲率半径和相邻条纹之间的间距发生变化，其中，如图7所示，条纹1020的曲率半径和相邻条纹之间的间距沿左右方向均匀变化。
如图7所示，相邻条纹1020之间的距离沿着工作光入射的方向在光学显示元件102上的投影逐渐变小，也即相邻条纹1020之间的间距从左到右逐渐变大，即条纹1020的空间排布变疏。同时条纹1020的曲率半径沿着工作光入射的方向在光学显示元件102上的投影逐渐变大，也即条纹1020弯曲的曲率半径从左到右逐渐变小，即光栅的曲率变大。
其中，需要说明的是，条纹1020之间的间距的变化范围与工作时使用的光波长直接相关。例如，相邻条纹1020之间的间距的大于或等于光波长的1/4，且小于或等于工作光波长的10倍。由此，保证了条纹对工作光的衍射性能。
光栅弯曲的最小曲率半径不小于100μm，每道该条纹的弧度小于π。
由此，使得条纹的衍射效率均匀性更好。
同时，在另一空间维度(图中为上下方向的维度)，条纹1020的曲率半径方向也逐渐变化。
例如，如图7所示，沿着图中从上到下的方向，条纹1020的曲率半径指向曲率中心的方向呈现右下-右-右上方向的变化。
其中，本示例中弯曲渐变光栅所包含的每段弧线对应的角度小于180度。
其中，在条纹中心处，工作光的入射角不小于40度，即工作光的入射方向与条纹1020所在表面法向方向的夹角应不小于40度。由此，该光学显示元件可对大角度倾斜入射的光进行衍射，使得光系统结构更加紧凑。
此时，所述工作光形成的像与光学元件之间的距离大于或等于5cm。由此，可以在合适的位置成像。
如图7所示，所述工作光经光学显示元件反射后呈收敛状。使得每个区域的条纹1020结构均可使得以大角度倾斜入射的投射光线经过光栅衍射后形成一阶衍射光，所述一阶衍射光按照成像所需要的角度反射出来，进入到人眼或其他光学成像系统中成像。
其中，所述工作光经光学显示元件反射后，成像的眼盒区域在光学显示元件所在平面的投影位于光学显示元件内部。
由此，可以使得以大角度倾斜入射的投射光线经过光栅衍射后按照成像所需要的角度反射出来，并在光学显示元件内部成像。
其中，该光学显示元件的厚度仅为微纳尺度，其结构紧凑，占用空间小，用于AR近眼系统中，可以实现系统小型化，便于使用和携带。
此外，该条纹的设计与制备更加灵活，本申请实施例可以通过设计光栅周期与方向的排布，使得光学显示元件在两个相互正交的方向上(如x与y方向)具有不同的光焦度，可集成像差矫正(如可矫正像素)等功能，缓解光系统的像散问题，使得AR近眼显示系统可以避免在前端光路使用像差矫正透镜组，减小系统体积和重量。
该条纹的具体结构可参考图4a。如图4a所示，条纹1020包括：多条邻接设置的凹条纹1023和凸条纹1022。其中，凸条纹1022由多个谐振元件10221排列组成，所述多个凸条纹1022且间隔设置，相邻的两个凸条纹1022之间形成凹条纹1023，所述多个凸条纹1022之间形成多个凹条纹1023。
如图4a所示，该谐振元件10221为圆柱体形状。谐振元件10221沿z方向的高度例如小于1μm。
如图4a所示，组成同一道条纹的谐振元件10221间隔设置，同一道条纹中的相邻谐振元件10221之间的距离应小于或等于该工作光波长的2倍。此时，所述谐振元件例如采用米氏共振。
图8为示例一中的光学显示元件进行波长选择的示意图。如图8所示，横坐标为波长，纵坐标为反射率，如图8所示，该光学显示元件对波长位于工作光L1波段范围的光反射率较高，对工作频率位于工作光L1波段范围之外的环境光L2的反射率低。
由此，该光学显示元件利用谐振现象增强对特定波段的入射光的反射，实现波长选择性，以增强对工作光的反射效率，而同时对其他波段的环境光的反射保持在较低的水平。
图9为示例一提供的光学显示元件的成像结果示意图。实验中使用的投影工作光波长为525nm，条纹1020的材料采用氮化硅，基底1024的材料采用石英。
在可见光波段的器件结构是透明的，在实现衍射成像的同时可观察到条纹背后的环境。在条纹中心处，入射光的入射角约为45度。
如图9所示，工作光经过该条纹衍射可以产生清晰的图像。
此外，本示例提供的光学显示元件，可基于成熟的半导体微纳制备工艺而实现，制备难度更低，更易实现量产。
并且，该光学显示元件可由性质稳定的材料组成，在不同环境条件下的表现保持一致性，不存在体积收缩的问题。
本示例提供的光学显示元件，采用整体轮廓呈现弯曲渐变状的非均匀结构条纹对光学系统的入射光线进行衍射，形成高阶衍射光线，使得每个区域的衍射光线可沿着光学系统所需要的光线角度发射出来。
其中，条纹的厚度只在微纳尺度，其体积可以忽略不计。且得益于设计与制备的高度灵活性，本发明条纹可集成像差矫正功能，使得AR近眼显示系统可以避免在前端光路使用像差矫正透镜组，减小系统体积和重量。
此外，本申请实施例对条纹1020在基底1024上的分布位置不做限制。在上述实施例中，所述光学显示元件包括一个区域(基底1024的一个表面)，条纹1020分布在该区域内。
在另一些实施例中，所述光学显示元件包括多个子区域，条纹1020分布在子区域内。
例如，如图10所示，所述多个子区域位于同一平面，且相邻子区域之间不存在光栅结构。
或者，如图11、图12所示，所述多个子区域沿垂直于条纹所在平面的方向层叠设置。
其中，每个子区域的光学显示元件对应一个工作光波长，多个子区域的光学显示元件至少具有两个工作光波长。由此，不同子区域的条纹具有不同的波长选择性，使得该多个子区域的条纹可以实现对多个波长进行衍射。
一种可选的实现方式中，所包括的多个子区域的工作光波长包括红、绿、蓝三种颜色。由此，实现彩色的衍射成像。
下面分别结合图10、图11和图12光学显示元件102包括多个子区域的情况进行具体说明。
图10为本申请实施例提供的另一种光学显示元件的结构示意图。如图10所示，该示例与图7中条纹1020的区别在于本实施例的条纹只分布在基底1024结构的部分区域，并不完全分布在整个基底1024结构的表面。
如图10所示，所述光学显示元件102包括多个子区域S0，所述多个子区域S0位于同一平面(图10所示的XY平面)，且相邻子区域S0之间为空白区域10201。
参考图10，子区域S0例如为矩形，基底1024结构表面被一系列相互垂直的平行线划分成多个子区域S0，这些子区域S0在两个空间维度上(从左到右和从上到下)均周期性重复排列，呈现为矩形网格结构。
条纹1020分布在这些被隔开的子区域S0中，条纹1020可以实现衍射功能。相邻子区域S0之间的部分是空白的，没有光栅结构分布。
本实施例的光栅结构只分布在基底1024结构的部分区域，增加了光学显示元件透明度，可以增加条纹的环境光透过率。
在本示例的一些实施例中，可以在不同子区域设计对应不同工作波长的光栅结构(例如不同子区域分别对应红、绿、蓝三种颜色的不同波长的工作光)，使得整个条纹能够对多个波长进行衍射，实现彩色的衍射成像。
例如，如图10所述，光学显示元件包括位于同一层的第一子区域S1、第二子区域S2，以及第三子区域S3。其中，第一子区域S1的工作波长为红色，第二子区域S2的工作波长为绿色，第三子区域S3的工作波长为蓝色。
图11为本申请实施例提供的另一种光学显示元件的主视图。图12为本申请实施例提供的另一种光学显示元件的俯视图。如图11、图12所示，所述光学显示元件包括多个子区域(第一子区域S1、第二子区域S2，以及第三子区域S3)，所述多个子区域沿垂直于条纹所在平面的方向(z方向)层叠设置，每个子区域包括：基底，以及设置在基底上的条纹。
在本示例的一些实施例中，可以在不同子区域设计对应不同工作波长的条纹(例如不同子区域分别对应红、绿、蓝三种颜色的不同波长的工作光)，使得整个条纹能够对多个波长进行衍射，实现彩色的衍射成像。例如，不同层的条纹具有不同的波长选择性，使得该多层条纹可以实现对多个波长进行衍射。
例如，如图11、图12所示，光学显示元件包括：位于不同层的第一子区域S1、第二子区域S2，以及第三子区域S3。其中，第一子区域S1的工作波长为红色，第二子区域S2的工作波长为绿色，第三子区域S3的工作波长为蓝色。。
由此，节省了光学显示元件水平方向的空间。
在上述实施例中，该光学显示元件可以用于AR近眼系统中，在另一些实施例中，该光学显示元件还可以用于抬头显示(HUD)系统。
下面结合示例二对光学显示元件应用于抬头显示(HUD)系统中的情况进行说明。
示例二：
图13为示例二提供的一种抬头显示系统的工作状态示意图。如图13所示，抬头显示系统包括：光学投影系统101和光学显示元件102。其中，光学显示元件102位于用户的眼前。光学显示元件102包括：基底1024以及设置在基底1024上的条纹1020。条纹1020放置于人的眼前，既可以透射外部的环境光，还可以将光学投影系统101发出的投射光衍射后以特定角度进入人眼103，使得光线进入人眼后成像。
本实施例与AR近眼显示系统最主要的区别在于条纹1020的尺寸，HUD系统的光学显示元件102的宽度通常在10cm以上。
其中，抬头显示(HUD)系统的应用场景在车载应用上，例如可以安装在车的前挡风玻璃，而不是直接佩戴在人的眼前。
此外，该光学显示元件还可以作为光束聚焦元件或光束准直元件。下面分别结合示例三和示例四对光学显示元件作为光束聚焦元件或光束准直元件的情况进行说明。
示例三：
图14为示例三提供的一种光束准直元件的工作状态示意图。如图14所示，在光束元件应用中，可通过设置条纹参数，使得在器件外部同一个点发射并入射到条纹上不同区域的光经过局部光栅衍射后，均朝着一个相同的方向出射，形成平行光，从而实现光束准直。
示例四：
图15为示例四提供的一种光束聚焦元件的工作状态示意图。如图15所示，在光束聚焦应用中，可通过设置条纹参数，使得以同一方向入射到条纹上不同区域的光经过局部光栅衍射后，均朝着器件外部的一个空间位置点反射，形成聚焦光，从而实现光束聚焦。
该光学显示元件的光束聚焦功能和光束准直功能均可通过调整条纹的参数而实现，条纹的整体轮廓均为弯曲渐变状，在实施例1的描述范围内。相邻条纹之间的距离，和条纹的曲率半径可以根据光系统所使用的光波长与其对光线的输入输出角度需求确定。
上述示例一至示例四仅为本申请的一些实施例，在上述示例中，本申请的光学显示元件均产生投影，为人眼所见。需要说明的是，本申请的光学显示元件不仅可以应用于光学波段，如可见光波段、红外波段、紫外波段等，还可以应用于太赫兹、微波、无线电等领域，这些均属于本申请的保护范围。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (35)
1.一种光学显示元件，其特征在于，包括：多道条纹，所述条纹呈弧线形状，且所述条纹的弯曲方向相同，所述条纹用于对所述光学显示元件的工作光进行反射，使得所述工作光成像；
其中，所述条纹包括：多个谐振元件，其中，所述工作光在一个或多个所述谐振元件中产生谐振效应。
2.根据权利要求1所述的光学显示元件，其特征在于，所述条纹的弯曲方向与所述光学显示元件的表面平行。
3.根据权利要求1或2所述的光学显示元件，其特征在于，至少1道条纹的曲率半径和其他条纹的曲率半径不同。
4.根据权利要求3所述的光学显示元件，其特征在于，所述条纹的曲率半径沿一个方向变化。
5.根据权利要求3或4所述的光学显示元件，其特征在于，所述条纹的曲率半径沿着工作光入射的方向在光学显示元件上的投影逐渐变大。
6.根据权利要求3-5任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述条纹的最小曲率半径不小于100μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的光学显示元件，其特征在于，至少一对相邻条纹之间的距离与其他相邻条纹的之间的距离不同。
8.根据权利要求7所述的光学显示元件，其特征在于，相邻条纹之间的距离沿一个方向变化。
9.根据权利要求7或8所述的光学显示元件，其特征在于，相邻条纹之间的距离沿着工作光入射的方向在光学显示元件上的投影逐渐变小。
10.根据权利要求7-9任一项所述的光学显示元件，其特征在于，相邻两道条纹之间的距离大于或等于工作光波长的1/4，且小于工作光波长的10倍。
11.根据权利要求1-10任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述工作光的入射方向与所述条纹所在平面的法线方向的夹角大于或等于40度。
12.根据权利要求11所述的光学显示元件，其特征在于，所述工作光经光学显示元件反射后呈收敛状。
13.根据权利要求11或12所述的光学显示元件，其特征在于，所述工作光经光学显示元件反射后，成像的眼盒区域在光学显示元件所在平面的投影位于光学显示元件内部。
14.根据权利要求1-13任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述光学显示元件集成有像差矫正功能。
15.根据权利要求1-14任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述光学显示元件对入射的工作光在沿着光学显示元件表面的两个相互正交的方向上具有不同的光焦度。
16.根据权利要求1-15任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述工作光形成的像与光学元件之间的距离大于或等于5cm。
17.根据权利要求1-16任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述条纹包括：邻接设置的凸条纹和凹条纹。
18.根据权利要求17所述的光学显示元件，其特征在于，所述凸条纹由多个所述谐振元件组成。
19.根据权利要求17所述的光学显示元件，其特征在于，所述凸条纹上设有多个所述谐振元件。
20.根据权利要求17-19任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述凹条纹中设有多个所述谐振元件。
21.根据权利要求1-20任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述条纹包括：多个间隔排布的谐振元件，每道条纹的相邻谐振元件之间的距离小于或等于工作波长的2倍。
22.根据权利要求21所述的光学显示元件，其特征在于，所述谐振元件的谐振方式为米氏共振、导模共振GMR、连续体束缚态BIC共振或回音壁模式WGM中的任意一种或几种。
23.根据权利要求1-20任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述条纹包括：多个连续排布的谐振元件。
24.根据权利要求23所述的光学显示元件，其特征在于，所述谐振元件的谐振方式为导模共振GMR、连续体束缚态BIC共振中的任意一种或几种。
25.根据权利要求1-24任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述谐振元件的高度小于1μm。
26.根据权利要求1-25任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述谐振元件的截面形状包括圆形、矩形、十字形、T字形、或梯形。
27.根据权利要求1-26任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述光学显示元件包括多个子区域，所述多个子区域位于同一平面。
28.根据权利要求1-26任一项所述的光学显示元件，其特征在于，所述光学显示元件包括多个子区域，所述多个子区域沿垂直于条纹所在平面的方向层叠设置。
29.根据权利要求27或28所述的光学显示元件，其特征在于，每个子区域的光学显示元件对应一个工作光波长，多个子区域的光学显示元件至少具有两个工作光波长。
30.根据权利要求27或28所述的光学显示元件，其特征在于，所包括的多个子区域的工作光波长包括红、绿、蓝三种颜色。
31.根据权利要求1-30任一项所述的光学显示元件，其特征在于，每道所述条纹的弧度小于π。
32.一种光学设备，其特征在于，所述光学设备包括：光学投影系统，以及如权利要求1-31任一项所述的光学显示元件；
其中，所述光学投影系统用于产生工作光，并将所述工作光射向所述光学显示元件；
所述光学显示元件用于将所述工作光反射至人眼。
33.根据权利要求32所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备为增强现实近眼成像系统。
34.根据权利要求32所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备为抬头显示系统，所述抬头显示系统用于车辆。
35.根据权利要求32-34任一项所述的光学设备，其特征在于，所述光学投影系统在所述光学显示元件上的投影位于所述条纹的弯曲方向上，且所述条纹的曲率半径方向指向所述光学投影系统在所述光学显示元件上的投影。
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