CN116400447A - 衍射波导结构以及显示设备 - Google Patents

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CN116400447A CN202111624998.9A CN202111624998A CN116400447A CN 116400447 A CN116400447 A CN 116400447A CN 202111624998 A CN202111624998 A CN 202111624998A CN 116400447 A CN116400447 A CN 116400447A
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Abstract

本发明公开一种衍射波导结构以及显示设备，衍射波导结构包括光波导基板、至少两个耦入光栅以及耦出光栅，光波导基板的侧表面设有耦入区和耦出区；两个耦入光栅设于耦入区，两个耦入光栅用以将入射光线耦入至光波导基板，且经过两个耦入光栅耦入的光线角度范围不完全重叠；耦出光栅设置在耦出区，用以将耦入至光波导基板内的光线耦出；从而将两个视场角的光线耦入，再由耦出光栅耦出，将两个视场角拼凑呈一个整体视场角以显示图像，相较于一个耦入光栅形成的整体视场角有较大提升，从而在不改变波导物理性质，完成整体视场角的增大；且各所述耦入光栅和所述耦出光栅的光栅种类包括一维光栅，工艺简单，容易制作。

Description

衍射波导结构以及显示设备
技术领域
本发明涉及显示设备技术领域，具体涉及一种衍射波导结构以及显示设备。
背景技术
现有的光波导方案多为单一的耦入区域，受限于本身的物理性质，其FOV(Fieldof View)大小难以突破；其余的扩大FOV的方案，一种是采用额外的转折光栅区域构成Butterfly(蝴蝶)结构，使得整体所占区域面积过大，另一种为采用双面光栅作为耦入，这又无疑加大了工艺制备难度。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种衍射波导结构以及显示设备，旨在解决现有的为了扩大FOV的光波导方案使得占用区域过大以及工艺制备难度大的问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种衍射波导结构，包括：
光波导基板，所述光波导基板的侧表面设置有耦入区和耦出区；
至少两个耦入光栅，设于所述耦入区，所述两个耦入光栅用以将入射光线耦入至所述光波导基板上，且经过所述两个耦入光栅耦入的光线角度范围不完全重叠；以及，
耦出光栅，设置在所述耦出区，用以将经过所述两个耦入光栅耦入至所述光波导基板内的光线耦出；
其中，各所述耦入光栅和所述耦出光栅的光栅种类包括一维光栅。
可选地，所述两个耦入光栅的光栅纹路呈夹角设置，以使得经过所述两个耦入光栅耦入的光线角度范围不完全重叠。
可选地，所述耦出光栅包括至少两个，两个所述耦出光栅的光栅纹路呈夹角设置，以将耦入至所述光波导基板的光线耦出。
可选地，两个所述耦入光栅的光栅矢量分别记为A1和A2，A1和A2的矢量和的方向朝向所述耦出光栅设置。
可选地，两个所述耦入光栅的光栅矢量与两个所述耦出光栅的光栅矢量的矢量和为零。
可选地，两个所述耦入光栅并排设置，且两个所述耦入光栅的光栅纹路对称设置。
可选地，所述光波导基板的两侧表面均设有耦入区和耦出区，一侧面的所述耦入区在另一侧面的投影与另一侧面的所述耦入区并排设置，两个所述耦入光栅分别一一对应置于两侧表面的两个所述耦入区；
一侧面的所述耦出区在另一侧面的投影与另一侧面的所述耦出区并排设置，两个所述耦出光栅分别一一对应置于两侧表面的两个所述耦出区。
可选地，两个所述耦入光栅至少部分重叠设置；和/或，
两个所述耦出光栅至少部分重叠设置。
可选地，所述光波导基板的两侧表面设置有耦入区和耦出区；
所述耦入光栅设置为四个，其中两个所述耦入光栅设于一侧面的耦入区，另外两个所述耦入光栅设于另一侧面的耦入区，且位于两侧表面的两个所述耦入光栅一一相对设置；
所述耦出光栅设置为四个，其中两个所述耦出光栅设于一侧面的耦出区，另外两个所述耦出光栅设于另一侧面的耦出区，且位于两侧表面的两个所述耦出光栅一一相对设置。
可选地，所述耦入光栅和所述耦出光栅的光栅种类还包括二维光栅。
本发明还提出一种显示设备，包括所述衍射波导结构，所述衍射波导结构包括：
光波导基板，所述光波导基板的侧表面设置有耦入区和耦出区；
至少两个耦入光栅，设于所述耦入区，所述两个耦入光栅用以将入射光线耦入至所述光波导基板上，且经过所述两个耦入光栅耦入的光线角度不等；以及，
耦出光栅，设置在所述耦出区，用以将经过所述两个耦入光栅耦入至所述光波导基板内的光线耦出。
本发明的技术方案中，已知所述耦入光栅能够将一定范围内的角度的入射光线耦入至所述波导中，且将从所述耦入光栅耦入的入射光线的一定范围内的角度称作视场角(FOV)；通过两个所述耦入光栅将入射光线耦入至所述光波导基板中，且经过两个所述耦入光栅耦入的光线角度范围不完全重叠，也就是说两个所述耦入光栅耦入的光线角度范围之间至少部分重叠，经过所述两个耦入光栅的入射光线的一定范围内的角度不同，从而能够将两个视场角的光线耦入至所述光波导基板中，再通过所述耦出光栅将经过所述两个耦入光栅耦入至所述光波导基板内的光线耦出，将两个视场角拼凑成一个整体视场角以显示图像，此时两个视场角合成的整体视场角相较于一个视场角形成的整体视场角来讲有较大提升，从而能够在不改变波导物理性质的基础上，通过增加所述耦入光栅以增大耦入部分的视场角，完成整体视场角的增大；且所述耦入光栅和所述耦出光栅设置为一维光栅，工艺制备难度低，容易设置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的衍射波导结构的第一实施例的俯视示意图；
图2为图1的入射光线从一个耦入光栅耦入的侧视示意图；
图3为图1的入射光线从两个耦入光栅耦入的侧视示意图；
图4为本发明提供的衍射波导结构的第二实施例的一表面的俯视示意图；
图5为图4的另一表面的俯视示意图；
图6为本发明提供的衍射波导结构的第三实施例的俯视示意图；
图7为图6中耦入光栅部分重叠设置的俯视示意图；
图8为图6中耦出光栅部分重叠设置的俯视示意图；
图9为本发明提供的衍射波导结构的第四实施例的侧视示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 衍射波导结构 3 耦出光栅
1 光波导基板 31 第一耦出光栅
2 耦入光栅 32 第二耦出光栅
21 第一耦入光栅 40 光栅纹路
22 第二耦入光栅 a 入射光线
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
现有的光波导方案多为单一的耦入区域，受限于本身的物理性质，其FOV(Fieldof View)大小难以突破；其余的扩大FOV的方案，一种是采用额外的转折光栅区域构成Butterfly(蝴蝶)结构，使得整体所占区域面积过大，另一种为采用双面光栅作为耦入，这又无疑加大了工艺制备难度。
鉴于此，本发明提供一种衍射波导结构，所述衍射波导结构能够在不改变波导物理性质的基础上，通过增加所述耦入光栅以增大耦入部分的视场角，完成整体视场角的增大。图1至图3为本发明提供的衍射波导结构第一实施例，图4和图5为本发明提供的衍射波导结构第二实施例，图6至图8为本发明提供的衍射波导结构第三实施例，图9为本发明提供的衍射波导结构第四实施例。
请参照图1至图3，所述衍射波导结构100包括光波导基板1、至少两个耦入光栅2以及耦出光栅3，所述光波导基板1的侧表面设置有耦入区和耦出区；所述两个耦入光栅2设于所述耦入区，所述两个耦入光栅2用以将入射光线a耦入至所述光波导基板1上，且经过所述两个耦入光栅2耦入的光线角度范围不完全重叠；所述耦出光栅3设置在所述耦出区，用以将经过所述两个耦入光栅2耦入至所述光波导基板1内的光线耦出；其中，各所述耦入光栅2和所述耦出光栅3的光栅种类包括一维光栅。
本发明的技术方案中，已知所述耦入光栅2能够将一定范围内的角度的入射光线a耦入至所述光波导基片1中，且将从所述耦入光栅2耦入的入射光线a的一定范围内的角度称作视场角(FOV)；通过两个所述耦入光栅2将入射光线a耦入至所述光波导基板1中，且经过两个所述耦入光栅2耦入的光线角度范围不完全重叠，也就是两个所述耦入光栅2耦入的光线角度范围之间至少部分重叠，经过所述两个耦入光栅2的入射光线a的一定范围内的角度不同，从而能够将两个视场角的光线耦入至所述光波导基板1中，再通过所述耦出光栅3将经过所述两个耦入光栅2耦入至所述光波导基板1内的光线耦出，将两个视场角拼凑成一个整体视场角以显示图像，此时两个视场角合成的整体视场角相较于一个视场角形成的整体视场角来讲有较大提升，从而能够在不改变波导物理性质的基础上，通过增加所述耦入光栅2以增大耦入部分的视场角，完成整体视场角的增大；且所述耦入光栅2和所述耦出光栅3设置为一维光栅，工艺制备难度低，容易制作。
需要说明是，本发明对所述耦入光栅2能够耦入的入射光线a一定范围内的角度不做限制，具体由所述光波导基板1而定；也就是能够通过所述耦入光栅2耦入至所述光波导基板1中的入射光线a需要满足全反射条件，全反射条件中需要入射光线a与所述耦入光栅2之间的夹角不小于临界角，而临界角与所述光波导基板1的折射率有关，从而所述耦入光栅2能够耦入的一定范围内的角度与所述光波导基板1的折射率有关，具体由所述光波导基板1而定。
已知所述耦入光栅2在将入射光线a耦入至所述光波导基板1中，入射光线a需要等于或者大于临界角，且入射光线a与所述耦入光栅2近似垂直时也能够将入射光线a耦入至所述光波导基板1中，因此一定范围内的角度的入射光线a为与所述耦入光栅2的角度不小于临界角的入射光线a，以及不大于与所述耦入光栅2近似垂直的入射光线a，所述两个耦入光栅2的光栅纹路40呈夹角设置，从而能够使得经过所述两个耦入光栅2耦入的入射光线a的角度范围不完全重叠，以增多耦入至所述光波导基板1中的入射光线a，增大视场角。
在一实施例中，所述耦出光栅3包括两个，两个所述耦出光栅3的光栅纹路40呈夹角设置，与两个所述耦入光栅2的光栅纹路40呈夹角的设置同理，以增大耦出的出射光线的角度，从而将耦入的所有入射光线a耦出，保证两个视场角的合并，完成整体视场角的增大。
在一实施例中，两个所述耦入光栅2的光栅矢量分别记为A1和A2，A1和A2的矢量和的方向朝向所述耦出光栅3设置；两个所述耦入光栅2分为第一耦入光栅21和第二耦入光栅22，在一入射光线a从所述第一耦入光栅21入射且衍射至所述第二耦入光栅22时，所述第二耦入光栅22将该入射光线a朝向所述第一耦入光栅21的光栅矢量和所述第二耦入光栅22的光栅矢量的矢量和的方向衍射，且该矢量和的方向朝向所述耦出光栅3设置，从而能够将该入射光线a衍射后的光线达到所述耦出光栅3再耦出，增大入射光线a衍射的位置处，进而顺利的将画面尺寸变大，便于入射光线a在人眼位置形成画面尺寸较大的像。
为了达到二维方向扩瞳的效果，已知光栅矢量与光栅纹路40呈垂直设置，且光栅矢量的长度表示为该光栅的周期，且光栅周期是一个折射率改变点到另一个折射率改变点的长度，也就是说跟折射率有关；在一实施例中，两个所述耦入光栅2的光栅矢量与两个所述耦出光栅3的光栅矢量的矢量和为零，两个所述耦入光栅2的光栅矢量和两个所述耦出光栅3的光栅矢量形成闭合的矢量平行四边形，两个所述耦出光栅3分为第一耦出光栅31和第二耦出光栅32；请参照图1，将一入射光线a从所述第二耦入光栅22耦入，所述第一耦出光栅31和第一耦入光栅21均接受该入射光线a；所述第一耦出光栅31由于与所述第一耦入光栅21的光栅矢量相等，则直接将该入射光线a耦出；而所述第一耦入光栅21将该入射光线a朝向所述第一耦入光栅21的光栅矢量和所述第二耦入光栅22的光栅矢量的矢量和方向衍射，且该矢量和的方向正对所述第一耦出光栅31，从而衍射至所述第一耦出光栅31；由于两个所述耦入光栅2的光栅矢量和两个所述耦出光栅3的光栅矢量形成闭合的矢量平行四边形，经过一次衍射的该入射光线a由所述第一耦出光栅31朝向第二耦出光栅32衍射，且衍射方向与所述第二耦出光栅32的光栅矢量方向相同，从而将一次衍射后的该入射光线a无色散耦出，如此，增大入射光线a衍射的位置处，进而顺利的将画面尺寸变大，便于入射光线a在人眼位置形成画面尺寸较大的像。
为了使光线衍射地更加均匀，在本实施例中，两个所述耦入光栅2并排设置，且两个所述耦入光栅2的光栅纹路40对称设置；将两个所述耦入光栅2的光栅纹路40对称设置，从而使得所述第一耦入光栅21的光栅矢量和第二耦入光栅22的光栅矢量相等，使得入射光线a的光衍射呈对称设置，使得光衍射的更加均匀，使得二维扩瞳的显示的画面更加清晰。
请参照图1，在一实施例中，所述光波导基板1的一侧表面设置有耦入区和耦出区，所述第一耦入光栅21和所述第二耦入光栅22并排放置在所述耦入区；所述耦出区位于所述第一耦入光栅21的光栅矢量和所述第二耦入光栅22的光栅矢量的矢量和的指向的正对位置处，所述第一耦出光栅31和所述第二耦出光栅32并排放置于该所述耦出区，且所述耦出光栅3的并排的方向与所述耦入光栅2的并排的方向一致，从而能够达到二维扩瞳的效果。
请参照图4及图5，在另一实施例中，所述光波导基板1的两侧表面均设有耦入区和耦出区，一侧面的所述耦入区在另一侧面的投影与另一侧面的所述耦入区并排设置，两个所述耦入光栅2分别一一对应置于两侧表面的两个所述耦入区；一侧面的所述耦出区在另一侧面的投影与另一侧面的所述耦出区并排设置，两个所述耦出光栅3分别一一对应置于两侧表面的两个所述耦出区；将所述第一耦入光栅21和所述第二耦出光栅32中的其中一个放置于一侧表面的耦入区，另一放置于另一侧表面的耦入区，且所述第一耦出光栅31和所述第二耦出光栅32中，同理将其中一个放置于一侧表面的耦入区，另一放置于另一侧表面的耦出区；在光线入射的过程中，例如，一部分入射光线a经由放置于一侧表面的第一耦入光栅21，进入所述光波导基板1，另一部分入射光线a穿过所述光波导基片再经由放置于另一侧表面的第二耦入光栅22进入所述光波导基板1，从而将完整的入射光线a耦入至所述光波导基板1中，再经由所述第一耦出光栅31和所述第二耦出光栅32耦出，以达到扩大视场角的效果。
为了使得光栅本体能够达到二维扩瞳的效果，在一实施例中，两个所述耦入光栅2至少部分重叠设置；请参照图7，将所述第一耦入光栅21和所述第二耦入光栅22分别置于所述光波导基板1的两侧表面的两个所述耦入区中，放置于一表面的所述第一耦入光栅21投影至另一表面的所述第二耦入光栅22的至少部分重叠设置；所述第一耦入光栅21和所述第二耦入光栅22相互重叠的部分就形成了二维光栅，例如，入射光线a经过一侧表面的所述第一耦入光栅21发上衍射，该入射光线a的衍射光朝向与所述第一耦入光栅21的光栅矢量垂直的方向，也就是朝向外侧延伸；而零级光，也就是该入射光线a经过衍射后没有利用的直接反射出来的复合光按原先方向传输到达另一侧表面上的所述第二耦入光栅22发生衍射，衍射光的方向为垂直于所述第二耦入光栅22的光栅矢量的方向，也就是朝向外侧衍射，从而在所述耦入区形成了二维光栅效果；
在另一实施例中，请参照图8，两个所述耦出光栅3至少部分重叠设置，将所述第一耦出光栅31和所述第二耦出光栅32分别置于所述光波导基板1的两侧表面的两个所述耦出区中，放置于一表面的所述第一耦出光栅31投影至另一表面的所述第二耦出光栅32的至少部分重叠设置；所述第一耦出光栅31和所述第二耦出光栅32相互重叠的部分就形成了二维光栅，其原理于上述重叠设置的两个耦入光栅2相同，在此不做赘述。
需要说明的是，上述两个相关联的技术特征，可以择一设置，也可以同时设置，同时设置的效果更好，参照图6，在一实施例中，上述两个技术特征同时设置，如此一来，不仅能够在所述耦入区达到二维光栅的效果，还能够在所述耦出区也能够达到二维光栅的效果，便于入射光线a在人眼位置形成画面尺寸较大的像。
在一实施例中，请参照图9，所述光波导基板1的两侧表面设置有耦入区和耦出区；所述耦入光栅2设置为四个，其中两个所述耦入光栅2设于一侧面的耦入区，另外两个所述耦入光栅2设于另一侧面的耦入区，且位于两侧表面的两个所述耦入光栅一一相对设置；所述耦出光栅3设置为四个，其中两个所述耦出光栅3设于一侧面的耦出区，另外两个所述耦出光栅3设于另一侧面的耦出区，且位于两侧表面的两个所述耦出光栅3一一相对设置；例如将入射光线a从放置于一侧表面的所述耦入光栅2耦入至所述波导片基板1中，在光线的传播过程中，又会在放置于另一侧表面的所述耦入光栅2出发生衍射；如此相较于原有的仅有一侧表面放置有所述耦入光栅2和所述耦出光栅3，增加了光线衍射行为发生的次数；并且所述光波导基板1的两侧表面均具有所述耦出光栅3，从而既能够将光线从一侧表面耦出，同时也能够在另一侧表面发生衍射将光线耦出，增大了扩瞳密度。
需要说明的是，本申请不限制所述耦入光栅2和所述耦出光栅3的结构，只要是能够将光线发生衍射并将光线耦入或者耦出于所述光波导基板1就可以，具体的，所述耦入光栅2和所述耦出光栅3可以设置成体光栅；在本实施例中，所述耦入光栅2和所述耦出光栅3设置为一维光栅，结构简单，容易制作；在另一实施中，所述耦入光栅2和所述耦出光栅3设置为二维光栅，从而能够增加光线衍射的次数，提高性能。
本发明还提出一种显示设备，所述显示设备包括所述衍射波导结构100，所述衍射波导结构100的具体结构参照上述实施例，由于所述衍射波导结构100采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种衍射波导结构，其特征在于，包括：
光波导基板，所述光波导基板的侧表面设置有耦入区和耦出区；
至少两个耦入光栅，设于所述耦入区，所述两个耦入光栅用以将入射光线耦入至所述光波导基板上，且经过所述两个耦入光栅耦入的光线角度范围不完全重叠；以及，
耦出光栅，设置在所述耦出区，用以将经过所述两个耦入光栅耦入至所述光波导基板内的光线耦出；
其中，各所述耦入光栅和所述耦出光栅的光栅种类包括一维光栅。
2.如权利要求1所述的衍射波导结构，其特征在于，所述两个耦入光栅的光栅纹路呈夹角设置，以使得经过所述两个耦入光栅耦入的光线角度范围不完全重叠。
3.如权利要求1或2所述的衍射波导结构，其特征在于，所述耦出光栅包括至少两个，两个所述耦出光栅的光栅纹路呈夹角设置，以将耦入至所述光波导基板的光线耦出。
4.如权利要求3所述的衍射波导结构，其特征在于，两个所述耦入光栅的光栅矢量分别记为A1和A2，A1和A2的矢量和的方向朝向所述耦出光栅设置。
5.如权利要求4所述的衍射波导结构，其特征在于，两个所述耦入光栅的光栅矢量与两个所述耦出光栅的光栅矢量的矢量和为零。
6.如权利要求1所述的衍射波导结构，其特征在于，两个所述耦入光栅并排设置，且两个所述耦入光栅的光栅纹路对称设置。
7.如权利要求3所述的衍射波导结构，其特征在于，所述光波导基板的两侧表面均设有耦入区和耦出区，一侧面的所述耦入区在另一侧面的投影与另一侧面的所述耦入区并排设置，两个所述耦入光栅分别一一对应置于两侧表面的两个所述耦入区；
一侧面的所述耦出区在另一侧面的投影与另一侧面的所述耦出区并排设置，两个所述耦出光栅分别一一对应置于两侧表面的两个所述耦出区。
8.如权利要求3或7所述的衍射波导结构，其特征在于，两个所述耦入光栅至少部分重叠设置；和/或，
两个所述耦出光栅至少部分重叠设置。
9.如权利要求1所述的衍射波导结构，其特征在于，所述光波导基板的两侧表面设置有耦入区和耦出区；
所述耦入光栅设置为四个，其中两个所述耦入光栅设于一侧面的耦入区，另外两个所述耦入光栅设于另一侧面的耦入区，且位于两侧表面的两个所述耦入光栅一一相对设置；
所述耦出光栅设置为四个，其中两个所述耦出光栅设于一侧面的耦出区，另外两个所述耦出光栅设于另一侧面的耦出区，且位于两侧表面的两个所述耦出光栅一一相对设置。
10.如权利要求1所述的衍射波导结构，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅的光栅种类还包括二维光栅。
11.一种显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-10任意一项所述的衍射波导结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117687204A (zh) * 2024-01-29 2024-03-12 南京平行视界技术有限公司 基于全息波导的二维扩瞳装置及其扩瞳方法

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