CN115629439A - 一种避免颜色串扰的波导显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种避免颜色串扰的波导显示器，包括微光机，波导显示器还包括第一入射耦合器、第二入射耦合器、第一波导板、第二波导板、第一扩展耦合器、第二扩展耦合器、第一输出耦合器和第二输出耦合器。本波导显示器通过在各波导板上设置相应的入射耦合器，利用第一入射耦合器的第一衍射级次使得第一波长光线下和a视场角光线完全耦入至第一波导板中进行全反射传输，且利用第二入射耦合器的第一衍射级次使得b视场角光线和第三波长光线完全耦入至第二波导板中进行全反射传输，并通过各扩展耦合器扩展，防止第一波长光线和第三波长光线发生串扰，进而提高输出图像的亮度和颜色的均匀性。

Description

一种避免颜色串扰的波导显示器
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及一种避免颜色串扰的波导显示器。
背景技术
为了增大AR衍射光波导的最大视场角(FOV)，现有技术中通过多层波导板上下堆叠的方法，如用三层波导板，使每一层波导板承担一光线，以实现大视场角情况多光线的传输。但是每层波导板中都存在不同光线的传输，各光线之间发生颜色串扰，导致输出图像的亮度和颜色均匀性较差。
现有专利EP2887128B1中通过在不同的波导板之间使用偏振器件，将入射到不同层波导板的不同光线转换为不同的偏振方向，以让相邻两层波导板所对应的入射光线具有正交的偏振态，通过不同波导板的入射耦合器件的偏振敏感特性以降低颜色串扰问题，但由于入射耦合器对偏振并不是很敏感，因此防止串扰的效果会大大低于预期；专利US20220229290A1中通过在不同的波导板，通过添加不同的可吸收光线材料，以吸收掉串扰到波导板的其它光线，但在波导板中添加可吸收光线材料，会降低波导板的透明度，大大降低进入人眼中的光线强度。
发明内容
本发明的目的在于针对解决背景技术中提出的问题，提出一种避免颜色串扰的波导显示器。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种避免颜色串扰的波导显示器，包括微光机，波导显示器还包括第一入射耦合器、第二入射耦合器、第一波导板、第二波导板、第一扩展耦合器、第二扩展耦合器、第一输出耦合器和第二输出耦合器，其中：
第一波导板、第二波导板依次并排设置。
第一入射耦合器、第一扩展耦合器、第一输出耦合器贴合设置在第一波导板上且均位于远离第二波导板的一侧，第二入射耦合器、第二扩展耦合器、第二输出耦合器贴合设置在第二波导板上且均位于靠近第二波导板的一侧。
微光机，输出第一波长光线、第二波长光线和第三波长光线，各波长光线下的视场角相等，各入射耦合器利用第一衍射级次和零级衍射级次将第二波长光线划分为a视场角光线和b视场角光线。
第一入射耦合器利用第一衍射级次使得第一波长光线和a视场角光线均耦入至第一波导板中，并由第一波导板进行全反射传输后通过第一扩展耦合器扩展，然后从第一输出耦合器耦出至人眼，第一入射耦合器利用零级衍射级次使得b视场角光线和第三波长光线穿过第一波导板后到达第二入射耦合器，第二入射耦合器利用第一衍射级次将b视场角光线和第三波长光线均耦入至第二波导板中，并由第二波导板进行全反射传输后通过第二扩展耦合器扩展，然后从第二输出耦合器耦出至人眼，实现耦出图像颜色和亮度的均匀性。
优选地，各波导板为透明的高折射率玻璃，且折射率为1.7～2.0。
优选地，第一波长光线的波长为440nm～460nm，第二波长光线的波长为520nm～540nm，第三波长光线的波长为615nm～635nm。
优选地，各入射耦合器为一维周期性结构，各入射耦合器的周期为200nm～500nm。
优选地，微光机的对角线视场角为28°～50°。
优选地，各耦合器为表面浮雕光栅或者体全息光栅。
优选地，各波导板上对应的入射耦合器、扩展耦合器和输出耦合器呈L形分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本波导显示器通过在各波导板上设置相应的入射耦合器，利用第一入射耦合器的第一衍射级次使得第一波长光线下和a视场角光线完全耦入至第一波导板中进行全反射传输，且利用第二入射耦合器的第一衍射级次使得b视场角光线和第三波长光线完全耦入至第二波导板中进行全反射传输，并通过各扩展耦合器扩展，防止第一波长光线和第三波长光线发生串扰，进而提高输出图像的亮度和颜色的均匀性；
2、本波导显示器与现有技术中相比，将三层波导板减少为两层波导板，降低了整个波导显示器的重量，同时无需使用偏振器件和可吸收光线材料就可以实现防止光线之间的串扰。
附图说明
图1为本发明避免颜色串扰的波导显示器的结构示意图；
图2为本发明各波导板上对应的各耦合器的第一方式分布图；
图3为本发明各波导板上对应的各耦合器的第二方式分布图；
图4为本发明第一波导板的K-Layout图；
图5为本发明第二波导板的K-Layout图。
附图标记说明：1、微光机；2、第一入射耦合器；3、第二入射耦合器；4、第一波导板；5、第二波导板；6、第一输出耦合器；7、第二输出耦合器；8、人眼。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
如图1-5所示，一种避免颜色串扰的波导显示器，包括微光机1，波导显示器还包括第一入射耦合器2、第二入射耦合器3、第一波导板4、第二波导板5、第一扩展耦合器、第二扩展耦合器、第一输出耦合器6和第二输出耦合器7，其中：
第一波导板4、第二波导板5依次并排设置。
第一入射耦合器2、第一扩展耦合器、第一输出耦合器6贴合设置在第一波导板4上且均位于远离第二波导板4的一侧，第二入射耦合器3、第二扩展耦合器、第二输出耦合器7贴合设置在第二波导板5上且均位于靠近第二波导板5的一侧。
微光机1，输出第一波长光线、第二波长光线和第三波长光线，各波长光线下的视场角相等，各入射耦合器利用第一衍射级次和零级衍射级次将第二波长光线划分为a视场角光线和b视场角光线。
第一入射耦合器2利用第一衍射级次使得第一波长光线和a视场角光线均耦入至第一波导板4中，并由第一波导板4进行全反射传输后通过第一扩展耦合器扩展，然后从第一输出耦合器6耦出至人眼8，第一入射耦合器2利用零级衍射级次使得b视场角光线和第三波长光线穿过第一波导板4后到达第二入射耦合器3，第二入射耦合器3利用第一衍射级次将b视场角光线和第三波长光线均耦入至第二波导板5中，并由第二波导板5进行全反射传输后通过第二扩展耦合器扩展，然后从第二输出耦合器7耦出至人眼8，实现耦出图像颜色和亮度的均匀性。
具体为，以图1为例，以各输入耦合器所在的位置为左，以各输出耦合器所在的位置为右，微光机1、第一入射耦合器2、第一波导板4、第二入射耦合器3和第二波导板5由上到下依次设置，第一入射耦合器2、第二入射耦合器3依次对应安装在第一波导板4、第二波导板5的上侧，第一扩展耦合器、第二扩展耦合器依次对应安装在第一波导板4、第二波导板5的上侧，第一输出耦合器6、第二输出耦合器7依次对应安装在第一波导板4、第二波导板5的上侧，各耦合器均以压印的方式压在相应的波导板上，以上下方向为Z轴、以左右方向为X轴，则以分别垂直于X轴、Z轴的方向为Y轴(即前后方向)，且微光机1与X轴或Y轴所呈的角度的范围为-10°～10°。图1中的虚线箭头表示a视场角光线的传输，实线箭头表示b视场角光线的传输。第一入射耦合器2利用第一衍射级次负责将第一波长光线下和a视场角光线耦入至第一波导板4中并进行全反射传输，且第一入射耦合器2利用零衍射级次使得b视场角光线和第三波长光线透过第一波导板4到达第二入射耦合器3，第二入射耦合器3利用第一衍射级次负责将b视场角光线和第三波长光线耦入至第二波导板5中并进行全反射传输，然后通过各扩展耦合器对相应视场角下的光线扩展、传输，实现对各视场角下的光线进行优化，防止各波导板中不同光线间的串扰，最后通过各输出耦合器将波长光线的耦出至人眼8，实现耦出图像的亮度和颜色均匀性。为了使得a视场角光线和b视场角光线耦出的视场角为第二波长光线下的完整的视场角，a视场角光线耦出的视场角和b视场角光线耦出的视场角均大于所述第二波长光线完整视场角的一半。
具体为，这样可以保证耦出的图像中第二波长光线为完整的视场角。
在一个实施例中，各波导板为透明的高折射率玻璃，且折射率为1.7～2.0。
在一个实施例中，第一波长光线的波长为440nm～460nm，第二波长光线的波长为520nm～540nm，第三波长光线的波长为615nm～635nm。
在一个实施例中，各入射耦合器为一维周期性结构，各入射耦合器的周期为200nm～500nm。
在一个实施例中，微光机1的对角线视场角为28°～50°。
在一个实施例中，各耦合器为表面浮雕光栅或者体全息光栅。
在一个实施例中，各波导板上对应的入射耦合器、扩展耦合器和输出耦合器呈L形分布。
具体为，各波导板上对应的输入耦合器、输出耦合器和扩展耦合器的分布可表现为一下两种：
一种为，如图2所示，各波导板上对应的输入耦合器和扩展耦合器沿着X轴分布，且扩展耦合器和输出耦合器沿着Y轴分布。各输入耦合器沿X轴周期性变化，各扩展耦合器的第零衍射级次将相应的光线沿X轴方向进行扩展、第一衍射级次将相应的光线沿Y轴方向进行传输，且沿Y轴方向传输的光线通过对应输出耦合器(周期沿Y轴方向)的第一衍射级的输出并进入人眼8。
另一种为，如图3所示，各波导板上对应的输入耦合器和扩展耦合器沿着Y轴分布，且扩展耦合器和输出耦合器沿着X轴分布。各输入耦合器沿Y轴周期性变化，各扩展耦合器的第零衍射级次将相应的光线沿Y轴方向进行扩展、第一衍射级次将相应的光线沿X轴方向进行传输，且沿X轴方向传输的光线通过对应输出耦合器(周期沿X轴方向)的第一衍射级的输出并进入人眼8。
在一个实施例中，微光机1的对角线视场角为35度，且其中水平方向视场角为32度，垂直方向视场角为16度，第一波长光线的波长λ1＝450nm，第二波长光线的波长λ2＝530nm，第三波长光线的波长λ3＝630nm，基于光栅方程及全反射原理，各波导板的折射率可取n＝1.8，微光机1与X轴或Y轴所呈的角度θ＝6度，第一入射耦合器2的周期P1＝290nm，第二入射耦合器3的周期P2＝500nm，且各周期沿Y轴方向，以避免第一波长光线和第三波长光线在不同的波导板中发生串扰，同时保证第二波长光线输出的是一个完整的视场角。
在另一个实施例中，微光机1的对角线视场角为40度，且其中水平方向视场角为36度，垂直方向视场角为20度，第一波长光线的波长λ1＝450nm，第二波长光线的波长λ2＝530nm，第三波长光线的波长λ3＝630nm，基于光栅方程及全反射原理，各波导板的折射率可取n＝1.9，微光机1与X轴或Y轴所呈的角度θ＝5度，第一入射耦合器2的周期P1＝270nm，第二入射耦合器3的周期P2＝500nm，且各周期沿Y轴方向，以避免第一波长光线和第三波长光线在不同的波导板中发生串扰，同时保证第二波长光线输出的是一个完整的视场角。
如图4所示，采用K-Layout图表示第一波导板4中各光线的波矢方向的一种(图4中的横纵坐标都表示波矢坐标)：
A区域表示微光机1对应的视场角，其中包含第一波长光线、第二波长光线和第三波长光线(且第一波长光线、第二波长光线和第三波长光线的波长依次为450nm、530nm和630nm)，通过第一入射耦合器2的第一衍射级次，将第一波长光线下完全耦入到折射率为n的第一波导板4中，即用B区域表示，同时将a视场角光线耦入到折射率为n的第一波导板4中，且b视场角光线无法耦入到折射率为n的第一波导板4中进行全反射传输，即用C区域表示，并保证第四视场的第三波长光线也无法耦入折射率为n的第一波导板4中进行全反射传输，即用D区域表示。进而避免第一波长光线和第三波长光线在第一波导板4中的串扰。
如图5所示，采用K-Layout图表示第二波导板5中各光线的波矢方向的一种(图5中的横纵坐标都表示波矢坐标)：
A区域表示微光机1对应的视场角，其中包含第一波长光线、第二波长光线和第三波长光线(且第一波长光线、第二波长光线和第三波长光线的波长依次为450nm、530nm和630nm)，通过第二入射耦合器3的第一衍射级次，将第三波长光线完全耦入到折射率为n的第二波导板5中，即用E区域表示，同时将b视场角光线耦入到折射率为n的第二波导板5中，且a视场角光线无法耦入到折射率为n的第二波导板5中进行全反射传输，即用F区域表示，并保证第一视场的第一波长光线也无法耦入折射率为n的第二波导板5中进行全反射传输，即用G区域表示。进而避免第一波长光线和第三波长光线在第二波导板5中的串扰。
本波导显示器通过在各波导板上设置相应的入射耦合器，利用第一入射耦合器的第一衍射级次使得第一波长光线下和a视场角光线完全耦入至第一波导板中进行全反射传输，且利用第二入射耦合器的第一衍射级次使得b视场角光线和第三波长光线完全耦入至第二波导板中进行全反射传输，并通过各扩展耦合器扩展，防止第一波长光线和第三波长光线发生串扰，进而提高输出图像的亮度和颜色的均匀性；本波导显示器与现有技术中相比，将三层波导板减少为两层波导板，降低了整个波导显示器的重量，同时无需使用偏振器件和可吸收光线材料就可以实现防止光线之间的串扰。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种避免颜色串扰的波导显示器，包括微光机(1)，其特征在于：所述波导显示器还包括第一入射耦合器(2)、第二入射耦合器(3)、第一波导板(4)、第二波导板(5)、第一扩展耦合器、第二扩展耦合器、第一输出耦合器(6)和第二输出耦合器(7)，其中：
所述第一波导板(4)、第二波导板(5)依次并排设置；
所述第一入射耦合器(2)、第一扩展耦合器、第一输出耦合器(6)贴合设置在所述第一波导板(4)上且均位于远离所述远离所述第二波导板(4)的一侧，所述第二入射耦合器(3)、第二扩展耦合器、第二输出耦合器(7)贴合设置在所述第二波导板(5)上且均位于靠近所述第二波导板(5)的一侧；
所述微光机(1)，输出第一波长光线、第二波长光线和第三波长光线，各所述波长光线下的视场角相等，各所述入射耦合器利用第一衍射级次和零级衍射级次将第二波长光线划分为a视场角光线和b视场角光线；
所述第一入射耦合器(2)利用第一衍射级次使得所述第一波长光线和a视场角光线均耦入至所述第一波导板(4)中，并由所述第一波导板(4)进行全反射传输后通过所述第一扩展耦合器扩展，然后从所述第一输出耦合器(6)耦出至人眼(8)，所述第一入射耦合器(2)利用零级衍射级次使得所述b视场角光线和第三波长光线穿过所述第一波导板(4)后到达所述第二入射耦合器(3)，所述第二入射耦合器(3)利用第一衍射级次将b视场角光线和第三波长光线均耦入至所述第二波导板(5)中，并由所述第二波导板(5)进行全反射传输后通过所述第二扩展耦合器扩展，然后从所述第二输出耦合器(7)耦出至人眼(8)，实现耦出图像颜色和亮度的均匀性。
2.如权利要求1所述的避免颜色串扰的波导显示器，其特征在于：各所述波导板为透明的高折射率玻璃，且折射率为1.7～2.0。
3.如权利要求1所述的避免颜色串扰的波导显示器，其特征在于：所述第一波长光线的波长为440nm～460nm，第二波长光线的波长为520nm～540nm，第三波长光线的波长为615nm～635nm。
4.如权利要求1所述的避免颜色串扰的波导显示器，其特征在于：各所述入射耦合器为一维周期性结构，各所述入射耦合器的周期为200nm～500nm。
5.如权利要求1所述的避免颜色串扰的波导显示器，其特征在于：所述微光机(1)的对角线视场角为28°～50°。
6.如权利要求1所述的避免颜色串扰的波导显示器，其特征在于：各所述耦合器为表面浮雕光栅或者体全息光栅。
7.如权利要求1所述的避免颜色串扰的波导显示器，其特征在于：各所述波导板上对应的入射耦合器、扩展耦合器和输出耦合器呈L形分布。
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