CN116964510A - 光波导结构和显示设备 - Google Patents
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Abstract
一种光波导结构,包括:至少两层叠置的、折射率相同的光波导(1),包括底层光波导和顶层光波导,底层光波导包括远离顶层光波导的第一表面,顶层光波导包括远离底层光波导的第二表面;耦入光栅(10),其设置在第一表面或第二表面,用于将接收到的平行光耦入光波导(1)内,并以第一传播步长在光波导(1)内全反射传播;分束结构(100),设置于相邻两层光波导(1)之间,反射在相应的光波导(1)内传播的光线的第一部分光线,使得第一部分光线以第二传播步长传播,并透射在相应的光波导(1)内传播的光线的第二部分光线,使得第二部分光线以第一传播步长传播,第二传播步长和第一传播步长不同;耦出光栅(20),设置在第一表面或第二表面,将在光波导(1)内全反射传播的光线取出。
Description
本公开涉及显示技术领域,尤其涉及一种光波导结构和显示设备。
常规AR衍射波导设计中一般通过改变波导表面光栅的刻槽形貌、深度、折射率等方式来提升耦出画面均一性,这种方式对微纳加工的精度及工艺复杂度具有非常高的要求,受限于工艺加工复杂度的限制,不能完全解决画面均一性的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本公开提供一种光波导结构和显示设备,解决通过改变光栅的参数来提升耦出画面的均一性,工艺受限的问题。
为了达到上述目的,本公开实施例中采用的技术方案是:一种光波导结构,包括:
至少两层叠置的、折射率相同的光波导,沿着叠置方向包括底层光波导和顶层光波导,所述底层光波导包括远离所述顶层光波导的第一表面,所述顶层光波导包括远离所述底层光波导的第二表面;
耦入光栅,其设置在所述第一表面或所述第二表面,用于将接收到的平行光耦入所述光波导内,并以第一传播步长在所述光波导内全反射传播;
分束结构,设置于相邻两层所述光波导之间,所述分束结构用于反射在相应的所述光波导内传播的光线中的第一部分光线,使得所述第一部分光线以第二传播步长传播,并透射在相应的所述光波导内传播的光线中的第二部分光线,使得所述第二部分光线以所述第一传播步长传播,其中,所述第二传播步长和所述第一传播步长不同;
耦出光栅,其设置在所述第一表面或所述第二表面,用于将在至少两层所述光波导内全反射传播的光线取出。
可选的,在所述光波导内传播的光线的传播方向上,所述分束结构的宽度 大于在所述光波导内传输的光线的宽度。
可选的,所述分束结构在所述第一表面上的正投影位于所述第一表面的第一区域,使得光线经所述分束结构分束后直接入射至所述耦出光栅。
可选的,沿着在所述光波导内的光线的传播方向,所述分束结构依次包括至少两个分光件,至少两个分光件反射的所述第一部分光线和透射的所述第二部分光线的光强比值不同。
可选的,沿着在所述光波导内的光线的传播方向,所述分束结构依次包括至少两个分光件,沿着在所述光波导内的光线的传播方向,至少两个分光件反射的所述第一部分光线和透射的所述第二部分光线的光强比值逐渐增大或逐渐减小。
可选的,还包括中间光栅,所述中间光栅在所述第一表面或所述第二表面上,且所述中间光栅在所述第一表面上的正投影位于所述耦入光栅在所述第一表面上的正投影和所述耦出光栅在所述第一表面的正投影之间;
所述分束结构包括第一子分束结构和第二子分束结构,所述第一子分束结构用于反射在相应的所述光波导内传播的光线中的第三部分光线,使得所述第三部分光线以第三传播步长传播至所述中间光栅,并透射在相应的所述光波导内传播的光线中的第四部分光线,使得所述第四部分光线以所述第一传播步长传播至所述中间光栅;所述第二子分束结构用于反射在相应的所述光波导内传播的光线中的第五部分光线,使得所述第五部分光线以第四传播步长传播至所述耦出光栅,并透射在相应的所述光波导内传播的光线中的第六部分光线,使得所述第六部分光线以所述第五传播步长传播至所述耦出光栅;
其中,所述第三传播步长和所述第一传播步长不同,所述第四传播步长和所述第一传播步长不同,且所述第三传播步长和所述第四传播步长不同;
所述第五传播步长与所述第一传播步长相同,或所述第五传播步长与所述第一传播步长不同。
可选的,所述分束结构包括沿着传播至所述中间光栅的光线的传播方向依次设置的至少两个第一分光件,以及沿着传播至所述耦出光栅的光线的传播方向依次设置的至少两个第二分光件,至少两个第一分光件反射的所述第三部分光线和透射的所述第四部分光线的光强比值不同,至少两个第二分光件反射的 所述第五部分光线和透射的所述第六部分光线的光强比值不同。
可选的,沿着从所述中间光栅传播至所述耦出光栅的光线的传播方向,所述分束结构包括至少两个第三分光件,且沿着从所述中间光栅传播至所述耦出光栅的光线的传播方向,至少两个所述第三分光件的反射的光线和透射的光线的光强比值逐渐增大或逐渐减小。
可选的,所述分束结构为采用金属线栅组成的偏振分束器。
可选的,所述分束结构包括多层具有不同折射率的介质膜层或金属膜层。
本公开实施例还提供一种显示设备,包括上述的光波导结构。
本公开的有益效果是:相邻光波导中间增加分束结构的办法来提升AR衍射波导均一性,工艺简单,且可以在光学上直接大幅改善由不同视场光线传播步长的差异所带来的耦出画面均一性的问题,增加了设计的自由度,可以大幅降低波导表面光栅设计的复杂度,在保证耦出画面均一性的前提下,提升产品良率。
图1表示传播步长小于光束宽度的示意图;
图2表示传播步长等于光束宽度的示意图;
图3表示传播步长大于光束宽度的示意图;
图4表示本实施例中的光波导结构光路传播示意图;
图5表示分束结构设置的示意图;
图6a表示耦入光栅和耦出光栅的分布示意图一;
图6b表示对应于图6a中的光栅分布的分束结构设置示意图一;
图6c表示对应于图6a中的光栅分布的分束结构设置示意图二;
图7a表示耦入光栅和耦出光栅的分布示意图二;
图7b表示对应于图7a中的光栅分布的分束结构设置示意图一;
图7c表示对应于图7a中的光栅分布的分束结构设置示意图二;
图8a表示表示耦入光栅和耦出光栅的分布示意图三;
图8b表示对应于图8a中的光栅分布的分束结构设置示意图一;
图8c表示对应于图8a中的光栅分布的分束结构设置示意图二;
图9表示线栅偏振光路示意图。
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本公开实施例的附图,对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本公开的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例,本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例,都属于本公开保护的范围。
在本公开的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本公开和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本公开的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
常规AR波导设计中,某些视角光线会因为传播步长与光束宽度的差异带来耦出光束分布不均匀的问题。对于图1中情况(传播步长小于光束宽度),可以通过在耦出光,20部分做分区设计,通过光栅耦出效率的变化进行补偿,但对于图3的情况,如果耦出光束间断过大(比如超过人眼瞳孔直径),则不能通过光栅耦出效率的变化进行补偿,对于这种情况,一般会通过调整耦入光栅周期,改变光线在波导中的传输角,或者将光波导1变薄,减小传播步长来避免这种问题的出现。但这种方式,是以牺牲光波导1所能支持的视角传输带宽为代价的,同时会引入光束在耦入光栅10区发生二次衍射的情况,降低光效,或者对耦入光栅10的设计提出了更高的要求(光线可以高效从空气耦入波导,光线在光波导1中二次打到耦入光栅上,二次衍射效率极低)。
对于传输角度为θ
dif的光束来说,传播步长为step=2*h*tan(θ
dif),其中h为光波导厚度,w_in为光束宽度(一般为耦入光栅10的孔径):
当step<w_in时:不同传输次数的光束会发生交叠,参考图1,交叠部分会在耦出光栅部分被多次取出,有机会采用分区耦出光栅的设计,改善耦出画面均一性;存在光束在耦入光栅区发生二次衍射的情况,降低光效。
当step=w_in时:不同传输次数的光束会恰恰密接,光束会在耦出光栅部分被“均匀”取出(需要采用分区耦出光栅的设计,补偿由于多次取光产生的强度损失,参考图2)
当step>w_in时:不同传输次数的光束会产生空隙,参考图3,光束会在耦出光栅部分被间歇取出(如果耦出光束间断过大(比如超过人眼瞳孔直径),则不能通过光栅耦出效率的变化进行补偿);不存在光束在耦入光栅区发生二次衍射的情况,降低光效。
参考图4-图9,针对上述问题,本实施例提供一种光波导1结构,包括:
至少两层叠置的、折射率相同的光波导1,沿着叠置方向包括底层光波导1和顶层光波导1,所述底层光波导1包括远离所述顶层光波导1的第一表面,所述顶层光波导1包括远离所述底层光波导1的第二表面;
耦入光栅10,其设置在所述第一表面或所述第二表面,用于将接收到的平行光耦入所述光波导1内,并以第一传播步长在所述光波导1内全反射传播;
分束结构100,设置于相邻两层所述光波导1之间,所述分束结构100用于反射在相应的所述光波导1内传播的光线中的第一部分光线,使得所述第一部分光线以第二传播步长传播,并透射在相应的所述光波导1内传播的光线中的第二部分光线,使得所述第二部分光线以所述第一传播步长传播,其中,所述第二传播步长和所述第一传播步长不同;
耦出光栅20,其设置在所述第一表面或所述第二表面,用于将在至少两层所述光波导1内全反射传播的光线取出。
相邻光波导1中间增加分束结构100的办法来提升AR衍射波导均一性,工艺简单,同时使得原来传播步长过大的视场角对应的光线,变成传播步长减小的光线,由完全不满足均一性需求,变成可以满足均一性需求了,扩大了视场角,可以在光学上直接大幅改善由不同视场光线传播步长的差异所带来的耦出画面均一性的问题,增加了设计的自由度,可以大幅降低波导表面光栅设计的复杂度,在保证耦出画面均一性的前提下,提升产品良率。
需要说明的是,本实施例中,相对于传统技术中的单层光波导1来说,每层所述光波导1的厚度小于传统技术中的单层的光波导1的厚度,在一实施方式中,本实施例中的至少两层所述光波导1是将传统技术中的单层光波导1 划分形成的,配合所述分束结构100的设置(对于反射的光线,相当于使得光波导1减薄,从而减小了反射的光线的传播步长,而对于透射的光线,由于还是在所有的光波导内传播,传播步长不变),可以降低传输至所述耦出光栅20的光线的传播步长,从而改善由不同视场光线传播步长的差异所带来的耦出画面均一性的问题。
需要说明的是,至少两层所述光波导1的厚度可以相同,也可以不同,至少两层所述光波导1的数量可以根据实际需要设定,例如可以包括两层所述光波导1,但并不以此为限。
需要说明的是,本实施例上述技术方案针对的是传播步长大于耦合入光波导1的光线的光束宽度的情况。
示例性的,在所述光波导1内传播的光线的传播方向上,所述分束结构100的宽度大于在所述光波导1内传输的光线的宽度。
采用上述方案可以有效的对通过所述耦入光栅10耦合进入所述光波导1内的所有光线进行分束。
示例性的,所述分束结构100在所述第一表面上的正投影位于所述耦入光栅10在所述第一表面上的正投影之外的第一区域,参考图5,且所述第一区域与所述耦入光栅10在所述第一表面上的正投影之间具有间隙,避免所述分束结构100对设置所述耦入光栅10的区域的入光遮挡。
示例性的,所述分束结构100在所述第一表面上的正投影位于所述第一表面的第一区域,使得光线经所述分束结构100分束后直接入射至所述耦出光栅20,所述第一区域在所述第一表面上的正投影位于所述耦入光栅10在所述第一表面上的正投影和所述耦出光栅20在所述第一表面上的正投影之间,所述第一区域可以与所述耦出光栅20在所述第一表面上的正投影部分重叠,但并不以此为限,只要光线经所述分束结构100后直接入射至所述耦出光栅20即可。这样的设置方式可以节省成本。
需要说明的是,所述分束结构100的具体设置位置并不以上述设置方式为限,例如,在一些实施例中,所述第一区域在所述第一表面上的正投影位于所述耦入光栅10在所述第一表面上的正投影和所述耦出光栅20在所述第一表面上的正投影之间,光线经所述分束结构100分束后,会在所述光波导1内传播 一段距离后再传播至所述耦出光栅20。
示例性的,沿着在所述光波导1内的光线的传播方向,所述分束结构100依次包括至少两个分光件101(参考图6b和图8b,图6b和图8b中的至少两个分光件101采用不同的图案填充表示不同的分光件101实现的透射光和反射光的比例不同),至少两个分光件101反射的所述第一部分光线和透射的所述第二部分光线的光强比值不同。
至少两个所述分光件101的设置,可以将从所述耦入光栅10耦入的光线多次分束,进而多次改变光线的传播步长,可以更有效的改善由不同视场光线传播步长的差异所带来的耦出画面不均一的问题。
示例性的,沿着在所述光波导1内的光线的传播方向,所述分束结构100依次包括至少两个分光件101,沿着在所述光波导1内的光线的传播方向,至少两个分光件101反射的所述第一部分光线和透射的所述第二部分光线的光强比值逐渐增大或逐渐减小,参考图6c和图8c,图6c中的至少两个分光件101的分束比例的变化是根据图6a中设置的耦入光栅10和耦出光栅20的设置,即传播至耦出光栅20的光的传播方向设定的,而图8c中的至少两个分光件101的分束比例的变化是根据图8a中设置的耦入光栅10和耦出光栅20的设置。
采用上述技术方案,更利于耦出画面均一性的改善。
参考图7a,示例性的,所述光波导1结构还包括中间光栅30,所述中间光栅30在所述第一表面或所述第二表面上,且所述中间光栅30在所述第一表面上的正投影位于所述耦入光栅10在所述第一表面上的正投影和所述耦出光栅20在所述第一表面的正投影之间;
所述分束结构100包括第一子分束结构100和第二子分束结构100,所述第一子分束结构100用于反射在相应的所述光波导1内传播的光线中的第三部分光线,使得所述第三部分光线以第三传播步长传播至所述中间光栅30,并透射在相应的所述光波导1内传播的光线中的第四部分光线,使得所述第四部分光线以所述第一传播步长传播至所述中间光栅30;所述第二子分束结构100用于反射在相应的所述光波导1内传播的光线中的第五部分光线,使得所述第五部分光线以第四传播步长传播至所述耦出光栅20,并透射在相应的所述光 波导1内传播的光线中的第六部分光线,使得所述第六部分光线以所述第五传播步长传播至所述耦出光栅20;
其中,所述第三传播步长和所述第一传播步长不同,所述第四传播步长和所述第一传播步长不同,且所述第三传播步长和所述第四传播步长不同;
所述第五传播步长与所述第一传播步长相同,或所述第五传播步长与所述第一传播步长不同。
所述中间光栅30的设置有利于提高光效,所述分束结构100的设置对应于所述中间光栅30和所述耦出光栅20的设置位置来设置,利于改善由不同视场光线传播步长的差异带来的耦出画面的均一性的问题。
需要说明的是,一些实施方式中,所述中间光栅30的设置并不影响光线的传播步长,此时,所述第五传播步长与所述第一传播步长相同,在一些实施方式中,所述中间光栅30的设置会改变光线的传播步长,此时,所述第五传播步长与所述第一传播步长不同。
示例性的,所述分束结构100包括沿着传播至所述中间光栅30的光线的传播方向依次设置的至少两个第一分光件102(参考图7b,图7b中采用不同的图案填充表示不同的第一分光件102实现的透射光和反射光的比例不同),以及沿着传播至所述耦出光栅20的光线的传播方向依次设置的至少两个第二分光件103,至少两个第一分光件102反射的所述第三部分光线和透射的所述第四部分光线的光强比值不同,至少两个第二分光件103反射的所述第五部分光线和透射的所述第六部分光线的光强比值不同。
至少两个第一分光件的设置和至少两个第二分光件的设置,将分光结构化整为零,在保证耦出画面均一性的基础上,调节光线的光强,有利于提高光效。
示例性的,沿着从所述中间光栅30传播至所述耦出光栅20的光线的传播方向,所述分束结构100包括至少两个第三分光件,且沿着从所述中间光栅30传播至所述耦出光栅20的光线的传播方向,至少两个所述第三分光件的反射的光线和透射的光线的光强比值逐渐增大或逐渐减小,参考图7c。
至少两个所述第三分光件的反射的光线和透射的光线的光强比值递增或递减的变化,可以更精确的的改善耦出画面均一性的问题。
所述分束结构100的具体结构形式可以有多种,参考图9,示例性的,所 述分束结构100为采用金属线栅组成的偏振分束器,例如采用周期几十到几百纳米,厚度几十到几百纳米的金属(Al、Ag、Au等)制成的线栅,可以反射一种偏振光,透射一种偏振光,此时,所述耦出光栅20设置于所述第一表面或者所述第二表面之外,也可以设置于经过分束后反射的偏振光的初始传播的光波导1的表面,以达到降低光线传播步长的目的。
需要说明的是,可以通过改变金属线栅的周期、高度、线宽等参数来调整金属线栅的偏振分束比,从而实现不同的分束调整效果。
示例性的,所述分束结构100包括多层具有不同折射率的介质膜层或金属膜层。此时所述分束结构100基于角度选择性的部分反射部分透射,且该分束结构100对一定范围内的正视角具有较高的透射率,对于在光波导1中传播的全反射光的大角度光线具有较好的部分反射、部分透射的分束效果。
需要说明的是,各个膜层的厚度可以相同也可以不同,可以通过调整至少部分膜层的厚度来实现部分反射部分透射的光的比例的改变。
需要说明的是,至少两层所述光波导的厚度可以相同,也可以不同,在相邻两层光波导之间设置所述分束结构,经所述分束结构反射的光线在部分所述光波导内传播(经所述分束结构透射的光线仍然在所有的光波导内传播,因此,传播步长不变),减小了该反射光线的传播步长,从而改善耦出光线的均一性,由于光波导的厚度是影响在光波导内传播的光线的传播步长的因素,因此经过分束结构反射的光线在不同厚度的光波导传播,可以获得不同的传播步长,因此,可以调整相应的所述光波导(位于分束结构的入光侧的光波导)的厚度,来调整耦出光线的均一性,在包括2层以上的光波导时,可以根据调整所述分束结构的设置位置(即调整分束结构的入光侧的光波导的数量),来调整耦出光线的均一性。若位于所述分束结构的入光侧的至少一层光波导的厚度和位于所述分束结构的出光侧的至少一层光波导的厚度不同,还可以通过改变耦入光栅的位置来改变分束结构反射的光线的传播步长。
需要说明的是,若所述分束结构为偏振分束器,所述分束结构反射的光线仅在位于所述分束结构的入光侧的光波导内传播,也就是说,光线的传播波长仅改变了一次。若所述分束结构包括多层具有不同折射率的介质膜层或金属膜层,光线第一次经过所述分束结构分束后,反射的光线改变传播步长,透射的 光线不改变传播步长,而透射的光线经顶层光波导的出光面全反射后,会再次入射至所述分束结构进行第二次分束,再次反射的光线会再次改变传播步长,再次透射的光线仍然不改变传播步长。
本公开实施例还提供一种显示设备,包括上述的光波导1结构。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式,然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本公开的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本公开的保护范围。
Claims (11)
- 一种光波导结构,其中,包括:至少两层叠置的、折射率相同的光波导,沿着叠置方向包括底层光波导和顶层光波导,所述底层光波导包括远离所述顶层光波导的第一表面,所述顶层光波导包括远离所述底层光波导的第二表面;耦入光栅,其设置在所述第一表面或所述第二表面,用于将接收到的平行光耦入所述光波导内,并以第一传播步长在所述光波导内全反射传播;分束结构,设置于相邻两层所述光波导之间,所述分束结构用于反射在相应的所述光波导内传播的光线中的第一部分光线,使得所述第一部分光线以第二传播步长传播,并透射在相应的所述光波导内传播的光线中的第二部分光线,使得所述第二部分光线以所述第一传播步长传播,其中,所述第二传播步长和所述第一传播步长不同;耦出光栅,其设置在所述第一表面或所述第二表面,用于将在至少两层所述光波导内全反射传播的光线取出。
- 根据权利要求1所述的光波导结构,其中,在所述光波导内传播的光线的传播方向上,所述分束结构的宽度大于在所述光波导内传输的光线的宽度。
- 根据权利要求1所述的光波导结构,其中,所述分束结构在所述第一表面上的正投影位于所述第一表面的第一区域,使得光线经所述分束结构分束后直接入射至所述耦出光栅。
- 根据权利要求1所述的光波导结构,其中,沿着在所述光波导内的光线的传播方向,所述分束结构依次包括至少两个分光件,至少两个分光件反射的所述第一部分光线和透射的所述第二部分光线的光强比值不同。
- 根据权利要求1所述的光波导结构,其中,沿着在所述光波导内的光线的传播方向,所述分束结构依次包括至少两个分光件,沿着在所述光波导内的光线的传播方向,至少两个分光件反射的所述第一部分光线和透射的所述第二部分光线的光强比值逐渐增大或逐渐减小。
- 根据权利要求1所述的光波导结构,其中,还包括中间光栅,所述中间光栅在所述第一表面或所述第二表面上,且所述中间光栅在所述第一表面上 的正投影位于所述耦入光栅在所述第一表面上的正投影和所述耦出光栅在所述第一表面的正投影之间;所述分束结构包括第一子分束结构和第二子分束结构,所述第一子分束结构用于反射在相应的所述光波导内传播的光线中的第三部分光线,使得所述第三部分光线以第三传播步长传播至所述中间光栅,并透射在相应的所述光波导内传播的光线中的第四部分光线,使得所述第四部分光线以所述第一传播步长传播至所述中间光栅;所述第二子分束结构用于反射在相应的所述光波导内传播的光线中的第五部分光线,使得所述第五部分光线以第四传播步长传播至所述耦出光栅,并透射在相应的所述光波导内传播的光线中的第六部分光线,使得所述第六部分光线以第五传播步长传播至所述耦出光栅;其中,所述第三传播步长和所述第一传播步长不同,所述第四传播步长和所述第一传播步长不同,且所述第三传播步长和所述第四传播步长不同;所述第五传播步长与所述第一传播步长相同,或所述第五传播步长与所述第一传播步长不同。
- 根据权利要求6所述的光波导结构,其中,所述分束结构包括沿着传播至所述中间光栅的光线的传播方向依次设置的至少两个第一分光件,以及沿着传播至所述耦出光栅的光线的传播方向依次设置的至少两个第二分光件,至少两个第一分光件反射的所述第三部分光线和透射的所述第四部分光线的光强比值不同,至少两个第二分光件反射的所述第五部分光线和透射的所述第六部分光线的光强比值不同。
- 根据权利要求6所述的光波导结构,其中,沿着从所述中间光栅传播至所述耦出光栅的光线的传播方向,所述分束结构包括至少两个第三分光件,且沿着从所述中间光栅传播至所述耦出光栅的光线的传播方向,至少两个所述第三分光件的反射的光线和透射的光线的光强比值逐渐增大或逐渐减小。
- 根据权利要求1所述的光波导结构,其中,所述分束结构为采用金属线栅组成的偏振分束器。
- 根据权利要求1所述的光波导结构,其中,所述分束结构包括多层具有不同折射率的介质膜层或金属膜层。
- 一种显示设备,其中,包括权利要求1-10任一项所述的光波导结构。
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