CN116224490A - 一种光线衍射返回式光波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光线衍射返回式光波导，具体涉及AR显示技术领域，包括衍射光波导，所述衍射光波导包括：至少一耦入区、至少一耦出区、至少一返回区和至少一光波导基底材料，所述耦入区、耦出区和返回区位于光波导基底材料的同一侧，所述耦出区位于耦入区和返回区之间，所述耦入区、耦出区和返回区分别设置有耦入光栅、耦出光栅和返回光栅，所述耦入光栅为倾斜槽型设置，所述耦出光栅为矩形槽型设置，所述返回光栅的表面设置有若干个反射槽。本发明通过设置返回光栅，将单向传输光线返回并重复多次经过耦出区，以保证AR显示区域亮度均匀的衍射光波导，从而光学效果来讲，本发明具有较高的外界光线透过率和较低的外侧漏光率。

Description

一种光线衍射返回式光波导

技术领域

本发明涉及AR显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种光线衍射返回式光波导。

背景技术

已知增强现实(AR)正在诸如智能制造、交通、医疗、信息、游戏、购物等领域广泛普及，极大影响人们的生产生活。尤其随着技术的成熟，消费级电子产品如穿戴式近眼显示(NED)、车规级抬头显示(HUD)得到快速发展。

其中，衍射光波导在AR显示技术中扮演重要作用，具有轻薄、视场角大、显示区域大的优势，但存在光能利用率低，显示区域亮度不均匀的问题，而光能利用率带来的附属问题是严重的侧面漏光和无法控制的光污染。

现有技术中，通过调节耦出光栅衍射效率的渐变分布，无法兼顾光能利用率和亮度均匀性；而理论上，要达到完美的的亮度均匀性和百分之百的光能利用率，需调控显示区域内耦出光栅1级衍射效率在0.1-1之间(扩瞳十次)变化，但实际上，通过一维矩形光栅结构参数变化无法实现如此大变化范围的耦出效率调控。业界目前采用的策略是降低区域内整体耦出效率，如0.05-0.1的衍射效率即可达到高亮度均匀性，但如此带来的后果是大部分光线无法耦出，衍射光波导的光能利用率将只有10％以下，且不被利用的光线将造成光污染。其中，相近专利中，CN215219322U采用棱镜阵列使得光线原路返回，该方案仅能用于正入射光线的返回利用。

因此，为了解决上述的光能利用率低和亮度不均匀的问题，本方案提出一种光线衍射返回式光波导，在低耦出效率衍射光波导的前提下，采用衍射返回的方式，非正入射的光线返回时角度自修正，如附图2所示，使停留在光波导内无法耦出的光线返回，并重复经过耦出区域，使得大部分光线得到充分利用。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种光线衍射返回式光波导，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光线衍射返回式光波导，包括衍射光波导，所述衍射光波导包括：至少一耦入区、至少一耦出区、至少一返回区和至少一光波导基底材料，所述耦入区、耦出区和返回区均被设置在光波导基底材料的表面，且所述耦入区、耦出区和返回区位于光波导基底材料的同一侧，所述耦出区位于耦入区和返回区之间，所述耦入区、耦出区和返回区分别设置有耦入光栅、耦出光栅和返回光栅，所述耦入光栅为倾斜槽型设置，所述耦出光栅为矩形槽型设置，所述返回光栅的表面设置有若干个反射槽。

进一步地，若干个所述反射槽均匀的分布在返回光栅的表面，所述反射槽的形状设置成V型。

进一步地，与所述衍射光波导平行且与入射光线垂直的面设置为基准面，衍射光波导内部的入射光线与所述反射槽垂直的面设置为反射面，所述反射面与基准面的夹角设置为闪耀角。

进一步地，所述闪耀角的范围设置为24°-34°。

进一步地，所述衍射光波导还包括：被设置在光波导基底材料表面的反射区，所述反射区位于光波导基底材料相对返回区的另一侧。

进一步地，所述反射槽的凸面和反射区的表面均设置有金属膜，所述金属膜的材料包括银膜或铝膜中的一种或多种。

进一步地，所述金属膜的厚度为50nm-100nm。

进一步地，所述衍射光波导的折射率范围设置为1.45-2.2。

进一步地，所述衍射光波导的材料包括石英玻璃或光学树脂中的一种或多种。

进一步地，所述耦入光栅的横向尺寸和返回光栅的横向尺寸相同，所述耦入光栅的纵向尺寸、耦出光栅的纵向尺寸和返回光栅的纵向尺寸均相同。本发明的技术效果和优点：

1、与现有技术相比，通过设置返回光栅，将单向传输光线返回并重复多次经过耦出光栅，本发明的光能利用率提高到20％以上，改变了现有技术中分布耦出效率只有3％的方案，以保证AR显示区域亮度均匀的衍射光波导，从而光学效果来讲，本发明具有较高的外界光线透过率和较低的外侧漏光率。

2、与现有技术相比，通过设置反射膜，由于反射膜属于反射闪耀光栅，可实现不同角度光线的正向耦出和返回耦出的角度相同，从而避免显示的重影问题，与耦出效率光能利用率只有3％的方案，本发明的光能利用率提高到20％以上，大大提高了效率；

3、本方案使用的光线衍射返回式光波导可显著提高可穿戴近眼显示的续航时长，对于车载AR-HUD，不受控制的光污染得到解决，无需额外在波导侧壁添加光吸收材料，是一种低成本的光污染控制手段。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明非正入射光线在耦出区传输路径示意图。

图3为本发明返回区的反射槽示意图。

图4为实施例一中返回光栅布置方式。

图5为实施例一中返回光栅的效率。

图6为本发明不具有衍射的返回光栅波导光线追迹后耦出光线能量分布。

图7为本发明实施例一的返回光栅波导光线追迹后耦出光线能量分布。

图8为实施例二中返回光栅布置方式。

图9为实施例二中返回光栅的效率。

附图标记为：

1、衍射光波导；

11、耦入区；111、耦入光栅；

12、耦出区；121、耦出光栅；

13、返回区；131、返回光栅；132、反射槽；

14、光波导基底材料；

15、反射区；

A、基准面；B、反射面；a、闪耀角；

2、金属膜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图1-9所示的一种光线衍射返回式光波导，包括衍射光波导1，衍射光波导1包括：至少一耦入区11、至少一耦出区12、至少一返回区13和至少一光波导基底材料14，耦入区11、耦出区12和返回区13均被设置在光波导基底材料14的表面，且耦入区11、耦出区12和返回区13位于光波导基底材料14的同一侧，耦出区12位于耦入区11和返回区13之间，耦入区11、耦出区12和返回区13分别设置有耦入光栅111、耦出光栅121和返回光栅131，耦入光栅111为倾斜槽型设置，耦出光栅121为矩形槽型设置，返回光栅131的表面设置有若干个反射槽132；

其中，由于耦入光栅111为倾斜槽型设置，使得耦入效率尽可能高于0.6；

其中，耦出光栅121为矩形槽型设置，使得耦出效率低于0.1；

其中，返回光栅131的表面设置有若干个反射槽132，即返回光栅131设置为反射式闪耀光栅，从而使光线以原方向返回，而返回光栅131分布在衍射光波导1上的光线传播方向末端，使得光在返回光栅131处尽可能不损失能量，使得返回光的效率高于0.70。

在一个优选地实施方式中，如附图1-9所示，若干个反射槽132均匀的分布在返回光栅131的表面，反射槽132的形状设置成V型；与衍射光波导1平行且与入射光线垂直的面设置为基准面A，衍射光波导1内部的入射光线与反射槽132垂直的面设置为反射面B，反射面B与基准面A的夹角设置为闪耀角a，闪耀角a的范围设置为24°-34°。

其中，根据闪耀角a可以确定反射槽132的槽型参数；

其中，反射槽132具体的制作过程采用常见的离子束刻蚀或纳米压印的制备方法。

在一个优选地实施方式中，如附图1-9所示，衍射光波导1还包括：被设置在光波导基底材料14表面的反射区15，反射区15位于光波导基底材料14相对返回区13的另一侧；

反射槽132的凸面和反射区15的表面均设置有金属膜2，金属膜2的材料包括银膜或铝膜中的一种或多种；

金属膜2的厚度为50nm-100nm。

其中，耦入光栅111的周期和耦出光栅121的周期均设置为d，返回光栅131的周期设置为p；

其中，p的值与耦入光栅111周期d有关；

在一个优选地实施方式中，如附图1-9所示，衍射光波导1的折射率范围设置为1.45-2.2。

其中，正入射光线和非正入射光线在衍射光波导1内折射或反射等传输时，尽可能不损失能量。

在一个优选地实施方式中，如附图1-9所示，衍射光波导1的材料包括石英玻璃或光学树脂中的一种或多种；

其中，衍射光波导1的材料包括但不限于石英玻璃、光学树脂；而衍射光波导1的形状，可使用任意形状的平板；

在一个优选地实施方式中，如附图1-9所示，耦入光栅111的横向尺寸和返回光栅131的横向尺寸相同，耦入光栅111的纵向尺寸、耦出光栅121的纵向尺寸和返回光栅131的纵向尺寸均相同；

其中，横向尺寸指垂直与光栅线条的方向；纵向尺寸指沿光栅线条的方向。

实施例一：

根据利特罗条件下光栅方程2npsinθ＝λ，则正入射光线在耦入光栅111处满足方程ndsinθ＝λ，因此可确定光栅周期p＝d/2。

通过光栅的严格分析理论，计算出返回光栅131即反射式闪耀光栅-1级衍射效率在波长550nm下随闪耀角a变化的情况，如图5所示，在不同折射率，即n＝1.45、n＝1.7、n＝2.0条件下，分别选择闪耀角

对应的衍射效率为0.72、0.6、0.8；

对上述设计的波导进行光线追迹，获得不具有返回光栅波导和具有返回光栅波导两种情况下的耦出能量分布，如图6和图7所示，可见能量分布均匀性有明显提升。

实施例二：

与实施例一区别的是，光线在返回光栅131处不原路返回，而是垂直入射到反射区15的金属膜2，利用金属膜2使光线二次进入返回光栅131；

如图8所示；此时，根据正入射条件下光栅方程npsinθ＝λ，则正入射光线在耦入光栅111处满足方程ndsinθ＝λ，因此可确定光栅周期p＝d；其中，d优选值为430nm；

通过光栅的严格分析理论，计算出反射式闪耀光栅-1级衍射效率在波长550nm下随闪耀角a变化的情况，如图9所示；在不同折射率，即n＝1.45、n＝1.7、n＝2.0条件下，分别选择闪耀角

对应的衍射效率为0.48、0.65、0.71。

因此，本发明旨在提高衍射光波导的显示亮度及其均匀性，同时降低光能浪费和外侧漏光，进一步提高近眼显示装置续航时长。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种光线衍射返回式光波导，包括衍射光波导(1)，其特征在于：所述衍射光波导(1)包括：至少一耦入区(11)、至少一耦出区(12)、至少一返回区(13)和至少一光波导基底材料(14)，所述耦入区(11)、耦出区(12)和返回区(13)均被设置在光波导基底材料(14)的表面，且所述耦入区(11)、耦出区(12)和返回区(13)位于光波导基底材料(14)的同一侧，所述耦出区(12)位于耦入区(11)和返回区(13)之间，所述耦入区(11)、耦出区(12)和返回区(13)分别设置有耦入光栅(111)、耦出光栅(121)和返回光栅(131)，所述耦入光栅(111)为倾斜槽型设置，所述耦出光栅(121)为矩形槽型设置，所述返回光栅(131)的表面设置有若干个反射槽(132)。

2.根据权利要求1所述的一种光线衍射返回式光波导，其特征在于：若干个所述反射槽(132)均匀的分布在返回光栅(131)的表面，所述反射槽(132)的形状设置成V型。

3.根据权利要求2所述的一种光线衍射返回式光波导，其特征在于：与所述衍射光波导(1)平行且与入射光线垂直的面设置为基准面(A)，衍射光波导(1)内部的入射光线与所述反射槽(132)垂直的面设置为反射面(B)，所述反射面(B)与基准面(A)的夹角设置为闪耀角(a)。

4.根据权利要求3所述的一种光线衍射返回式光波导，其特征在于：所述闪耀角(a)的范围设置为24°-34°。

5.根据权利要求1所述的一种光线衍射返回式光波导，其特征在于：所述衍射光波导(1)还包括：被设置在光波导基底材料(14)表面的反射区(15)，所述反射区(15)位于光波导基底材料(14)相对返回区(13)的另一侧。

6.根据权利要求5所述的一种光线衍射返回式光波导，其特征在于：所述反射槽(132)的凸面和反射区(15)的表面均设置有金属膜(2)，所述金属膜(2)的材料包括银膜或铝膜中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的一种光线衍射返回式光波导，其特征在于：所述金属膜(2)的厚度为50nm-100nm。

8.根据权利要求1所述的一种光线衍射返回式光波导，其特征在于：所述衍射光波导(1)的折射率范围设置为1.45-2.2。

9.根据权利要求1所述的一种光线衍射返回式光波导，其特征在于：所述衍射光波导(1)的材料包括石英玻璃或光学树脂中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的一种光线衍射返回式光波导，其特征在于：所述耦入光栅(111)的横向尺寸和返回光栅(131)的横向尺寸相同，所述耦入光栅(111)的纵向尺寸、耦出光栅(121)的纵向尺寸和返回光栅(131)的纵向尺寸均相同。

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