CN117631128B - 一种衍射光波导及增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种衍射光波导及增强现实显示设备，该衍射光波导包括：依次设置的平板波导基底、消光元件和补偿元件，平板波导基底上设置有耦出光栅，消光元件朝向平板波导基底的第一表面与平板波导基底平行，且第一表面上与耦出光栅对应的区域设置有消光光栅，消光元件背离平板波导基底的第二表面上与消光光栅对应的区域与第一表面不平行，补偿元件朝向消光元件的第三表面与第一表面的面型一致，补偿元件背离消光元件的第四表面与第一表面平行，从耦出光栅向背离人眼方向耦出的泄漏光线经消光光栅耦入消光元件，在消光元件的第二表面上与消光光栅对应的区域反射后离开消光光栅；本申请提供的技术方案能有效缓解漏光，保护用户隐私不泄漏。

Description

一种衍射光波导及增强现实显示设备

技术领域

本申请涉及增强现实领域，尤其涉及一种衍射光波导及增强现实显示设备。

背景技术

光波导显示技术是增强现实领域最具挑战性、最复杂的难题之一，因其轻薄和外界光线的高穿透性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案。

在增强现实显示系统中，波导基底内传播的光线经衍射耦出光学元件的衍射作用，由于衍射作用会同时存在反射级次和透射级次，衍射耦出光学元件设置于靠近人眼一侧的表面，透射级次作有效耦出级次进入人眼，反射级次则会从背离人眼一侧的表面耦出，导致部分光线泄漏，使得外界也可以看到光波导使用者所观看的内容，既影响了美观，也会造成用户隐私泄漏。

发明内容

本申请旨在缓解衍射光波导中光线泄漏，造成用户隐私泄漏的问题。

基于此，本申请提供了一种衍射光波导，包括：依次设置的平板波导基底、消光元件和补偿元件，所述平板波导基底上设置有耦出光栅，所述消光元件朝向所述平板波导基底的第一表面与所述平板波导基底平行，且所述第一表面上与所述耦出光栅对应的区域设置有消光光栅，所述消光元件背离所述平板波导基底的第二表面上与所述消光光栅对应的区域与所述第一表面不平行，所述补偿元件朝向所述消光元件的第三表面与所述第一表面的面型一致，所述补偿元件背离所述消光元件的第四表面与所述第一表面平行，从所述耦出光栅向背离人眼方向耦出的泄漏光线经所述消光光栅耦入所述消光元件，在所述消光元件的所述第二表面上与所述消光光栅对应的区域反射后离开所述消光光栅。

可选地，所述消光元件的所述第二表面上与所述消光光栅对应的区域为斜面或者自由曲面。

可选地，所述消光元件与所述补偿元件均为楔形结构，其中，所述消光元件背离所述平板波导基底的所述第二表面为斜面，所述补偿元件朝向所述消光元件的所述第三表面为斜面。

可选地，所述楔形结构的楔形角的角度范围为。

可选地，所述自由曲面满足以下公式：

其中，为沿目标方向上距离参考位置的距离，所述目标方向为所述消光光栅相对的两侧边界的其中一侧指向另一侧的方向，所述参考位置为所述目标方向中起始一侧的边界，/>为所述第二表面与所述第一表面之间的距离，/>为泄漏光线入射至所述消光光栅的入射位置沿所述目标方向上距离所述参考位置的距离，/>为泄漏光线首次入射至所述第二表面的入射位置沿所述目标方向上距离所述参考位置的距离，/>为入射位置/>距离所述第一表面的距离，/>为泄漏光线经所述消光光栅衍射后的衍射角，（/>）为泄漏光线进入所述消光元件后首次入射至所述第二表面时的入射角，/>为所述消光光栅的尺寸，，/>为消光元件的折射率，/>为外部介质的折射率，/>为泄漏光线入射至所述消光光栅的入射角，/>为泄漏光线的波长，/>为所述消光光栅的光栅周期。

可选地，所述的取值为泄漏光线的边界视场光线入射至所述消光光栅的入射角。

可选地，所述消光元件的厚度范围为。

可选地，所述消光元件的端部包括吸光元件。

可选地，所述消光光栅为斜齿光栅，所述斜齿光栅向所述消光元件厚度变窄的方向倾斜。

本申请还提供了一种增强现实显示设备，所述增强现实显示设备包括光机组件以及如上述任何一项所述的衍射光波导。

本申请提供的衍射光波导及增强现实显示设备，依次设置平板波导基底、消光元件和补偿元件，通过消光元件上的消光光栅以及消光元件一侧表面与平板波导基底的不平行设计，将泄漏光线耦入消光元件，并经过消光元件与平板波导基底的不平行表面的反射离开消光光栅，不与消光光栅再次作用，能够有效较少进入外部显示世界的泄漏光线，从而有效缓解了衍射光波导中光线泄漏造成用户隐私泄漏的问题。而且，与消光元件匹配的补偿元件也能补偿消光元件对现实世界光线的影响，避免对人眼正常观看现实世界造成不利的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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获得其他的附图；

图1为现有技术中的一种衍射光波导的示意图；

图2为本申请一种实施例中衍射光波导的示意图；

图3为本申请另一种实施例中衍射光波导的示意图；

图4为图3所示衍射光波导的侧视局部示意图；

图5为图3所示衍射光波导的俯视局部示意图；

附图标识：

101：光机组件；

102：耦入元件；

103：平板波导基底；

104：耦出光栅；

105：人眼；

106：泄漏光线；

107：现实光线；

209：消光光栅；

210：吸光元件；

211：消光元件；

212：补偿元件；

S1：第一表面，S2：第二表面，S3：第三表面，S4：第四表面；

D1、D2、D3、D4：目标方向；

Re1、Re2、Re3、Re4：参考位置。

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。

下面以具体实施例对本申请的技术方案进行详细说明。以下具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

现有的衍射光波导的示意图如图1所示，光机组件101出射的虚拟内容的光线入射到耦入元件102上，虚拟内容的光线在平板波导基底103内全内反射传输，随后被耦出光栅104衍射耦出，由于衍射作用既有反射级次，也有透射级次，因此总是会在正常耦出到人眼的光线的另一侧，存在泄漏光线106，这两类光线总是沿着波导平面成镜像，泄漏光线106会使得在人眼的另一侧也可以看到衍射光波导显示的画面，使得隐私存在极大的泄漏风险。而且人眼不仅要看到正常耦出的光线，同时也需要透过平板波导基底103看到现实世界的现实光线107，因此，无法将泄漏光线106直接进行遮挡来消除漏光。

有鉴于此，本申请实施例提供一种衍射光波导，该衍射光波导包括：依次设置的平板波导基底、消光元件和补偿元件，平板波导基底上设置有耦出光栅，消光元件朝向平板波导基底的第一表面与平板波导基底平行，且第一表面上与耦出光栅对应的区域设置有消光光栅，消光元件背离平板波导基底的第二表面上与消光光栅对应的区域与第一表面不平行，补偿元件朝向消光元件的第三表面与第一表面的面型一致，补偿元件背离消光元件的第四表面与第一表面平行，从耦出光栅向背离人眼方向耦出的泄漏光线经消光光栅耦入消光元件，在消光元件的第二表面上与消光光栅对应的区域反射后离开消光光栅。

具体地，参考图2和图3，平板波导基底103、消光元件211和补偿元件212依次设置，消光元件211朝向平板波导基底103的第一表面S1与平板波导基底103平行，消光元件211背离平板波导基底103的第二表面S2与平板波导基底103不平行。这样，泄漏光线106经消光光栅209衍射耦入消光元件211后，入射至消光元件211的第二表面S2，由于第二表面S2与第一表面S1不平行，使得泄漏光线106在第二表面S2的反射角度增大，则泄漏光线106与第二表面S2作用少量的数次，甚至一次便能离开光栅区域，减少甚至消除泄漏光线106与消光光栅209的再次作用。这样，既能拦截泄漏光线进入外部的现实世界，又能避免泄漏光线再次与消光光栅作用产生新的泄漏光线，从而有效缓解了衍射光波导中光线泄泄漏造成用户隐私泄漏的问题。而且，补偿元件212朝向消光元件211的第三表面S3，与消光元件211朝向补偿元件212的第二表面S2的面型一致，补偿元件212背离消光元件211的第四表面S4与平板波导基底103平行，消光元件211与补偿元件212相对的表面相互契合，两侧朝外的面均与平板波导基底103平行，这样，便能够补偿消光元件对现实世界光线的影响，避免对人眼正常观看现实世界造成不利的影响。

可实施地，消光光栅在平板波导基底表面上的投影覆盖耦出光栅，这样能够更好更全地将耦出光栅耦出的泄漏光线拦截，避免其进入外部的现实世界。

在一些实施例中，消光元件的第二表面上与消光光栅对应的区域为斜面。

可实施地，消光元件与补偿元件均为楔形结构，其中，消光元件背离平板波导基底的第二表面为斜面，补偿元件朝向消光元件的第三表面为斜面。

可选地，楔形结构的楔形角的角度范围为。

具体地，消光元件211背离平板波导基底的表面为斜面，泄漏光线106在该斜面反射后的角度变大，每次反射后角度的变化为两倍楔形角，理论上楔形角越大越有利于泄漏光线离开光栅区域，但楔形角变大意味着楔形结构的厚度变厚，为了平衡厚度与角度，楔形角的角度范围为比较适宜。

在一些实施例中，消光元件的第二表面上与消光光栅对应的区域为自由曲面，补偿元件朝向消光元件的第三表面与消光光栅对应的区域也为自由曲面，且与消光元件上自由曲面的曲面面型一致。可实施地，本申请中定义消光光栅相对的两侧边界的其中一侧指向另一侧的方向为目标方向，参考图4中示出的目标方向D1，定义目标方向中起始一侧的边界为参考位置，参考图4中示出的参考位置Re1。在另外的实施例中，参考图5，目标方向也可以是D2，此时的参考位置为Re2，或者，目标方向也可以是D3，此时的参考位置为Re3，或者，目标方向也可以是D4，此时的参考位置为Re4。

由于越靠近参考位置的泄漏光线需要更大的反射角度增加才有利于泄漏光线达到目标方向的另一侧而离开光栅区域，大的反射角度增加则意味着需要大的自由曲面斜率。为了更利于泄漏光线离开光栅区域，本申请中，沿着目标方向，自由曲面的斜率逐渐减小。

可选地，消光元件的第二表面上与消光光栅对应的自由曲面满足以下公式：

其中，为沿目标方向上距离参考位置的距离，目标方向为消光光栅相对的两侧边界的其中一侧指向另一侧的方向，参考位置为目标方向中起始一侧的边界，/>为第二表面与第一表面之间的距离，/>为泄漏光线入射至消光光栅的入射位置沿目标方向上距离参考位置的距离，/>为泄漏光线首次入射至第二表面的入射位置沿目标方向上距离所述参考位置的距离，/>为入射位置/>距离第一表面的距离，/>为泄漏光线经消光光栅衍射后的衍射角，（/>）为泄漏光线进入消光元件后首次入射至第二表面时的入射角，/> 为消光光栅的尺寸，/>，/>为消光元件的折射率，/>为外部介质的折射率，/>为泄漏光线入射至消光光栅的入射角，/>为泄漏光线的波长，/>为消光光栅的光栅周期。

具体地，参考图4，泄漏光线106在沿目标方向D1上与参考位置Re距离的入射位置处以入射角/>入射至消光光栅209后，经消光光栅的衍射作用：，以衍射角/>进入消光元件211，此后再入射至自由曲面上沿目标方向D1上与参考位置Re距离/>的反射位置处发生反射，由于该反射位置处的自由曲面斜率不再为零，反射角度发生变化，变为/>，/>为该反射位置处的自由曲面的切线方向与第一表面的夹角，/>为该反射位置处的自由曲面斜率。为使得泄漏光线106在自由曲面上经过一次反射后便离开光栅区域，则需要满足/>，则有：

在已知、/>、/>、/>、/>、/>、/>的场景下，便能求解得到泄漏光线在自由曲面上第一次反射时的位置距离第一表面的高度/>以及斜率/>。

可选地，的取值为泄漏光线的边界视场光线入射至所述消光光栅的入射角。可以理解，泄漏光线具有一定的视场范围，泄漏光线入射至消光光栅也有一定的角度范围，由于光栅具有角度选择性，不同的入射角对应不同的衍射角，衍射角也有一定的角度范围。本申请中通过控制自由区域的曲率变化使得边界视场角的泄漏光线能够经过一次反射便离开光栅区域，则其他视场角的泄漏光线也能够经过一次反射便离开光栅区域。这样便能更好地消除漏光。

可选地，消光元件的厚度范围为。

可选地，消光元件的端部包括吸光元件。参考图4，消光元件211的端部包括吸光元件210，泄漏光线106传输至吸光元件210后被吸光元件210吸收，使得泄漏光线106不再泄漏到外部的现实世界。当然，在另外的实施例中，消光元件的另一端也包括吸光元件210（图4中未示出）。

可选地，消光光栅的沟槽方向与消光元件厚度变窄的方向正交。消光光栅为斜齿光栅，斜齿光栅向消光元件厚度变窄的方向倾斜。可以理解，设置斜面或者自由曲面的消光元件是为了让泄漏光线更快地离开光栅区域，由于本申请采用的斜面和自由曲面都是朝一个方向倾斜，消光光栅为斜齿光栅，将泄漏光线的衍射级次集中在一侧，有利于泄漏光线的消除。例如，参考图5，本申请采用的斜面和自由曲面朝D1倾斜，即消光元件厚度变窄的方向为D1时，消光光栅的沟槽方向沿Y轴方向，消光光栅朝X轴负方向倾斜，消光元件沿X方向的端部设置吸光元件210。或者，本申请采用的斜面和自由曲面朝D4倾斜，即消光元件厚度变窄的方向为D4时，消光光栅的沟槽方向沿X轴方向，消光光栅朝Y轴正方向倾斜，消光元件沿Y方向的端部设置吸光元件210。

进一步地，通常泄漏光线包括两个方向（水平方向和竖直方向）上的视场，消光元件的第二表面上与消光光栅对应的自由曲面满足以下公式：

此时，为沿第一目标方向上距离第一参考位置的距离，/>为沿第二目标方向上距离第二参考位置的距离。消光光栅包括两对相对的侧边，第一对相对的侧边中，其中一侧指向另一侧的方向为第一目标方向，第一参考位置为第一目标方向中起始一侧的边界，第二对相对的侧边中，其中一侧指向另一侧的方向为第二目标方向，第二参考位置为第二目标方向中起始一侧的边界。/>为第二表面与第一表面之间的距离，/>为泄漏光线入射至消光光栅的入射位置沿第一目标方向上距离第一参考位置的距离，/>为泄漏光线首次入射至第二表面的入射位置沿第一目标方向上距离第一参考位置的距离，/>为泄漏光线入射至消光光栅的入射位置沿第二目标方向上距离第二参考位置的距离，/>为泄漏光线首次入射至第二表面的入射位置沿第二目标方向上距离第二参考位置的距离，/>为入射位置/>距离第一表面的距离，/>为泄漏光线入射至消光光栅是第一目标方向上的入射角，/>为泄漏光线经消光光栅衍射后第一目标方向上的衍射角，（/>）为泄漏光线进入消光元件后首次入射至第二表面时第一目标方向上的入射角，/>为消光光栅在第一目标方向上的尺寸， /> ，/>为泄漏光线入射至消光光栅时第二目标方向上的入射角，/>为泄漏光线经消光光栅衍射后第二目标方向上的衍射角，（/>为泄漏光线进入消光元件后首次入射至第二表面时第二目标方向上的入射角，/>为消光光栅在第二目标方向上的尺寸，/>，/>为消光元件的折射率，/>为外部介质的折射率，/>为泄漏光线入射至消光光栅的入射角，/>为泄漏光线的波长，/>为消光光栅的光栅周期。

举例说明，第一目标方向可以是如图5所示的D1，第一参考位置可以是如图5所示的Re1，第二目标方向可以是如图5所示的D4，第二参考位置可以是如图5所示的Re4。此时，消光光栅可以包括两种沟槽方向不同的光栅结构，比如，以消光光栅209的对角线将其划分为两个区域，右下区域消光光栅的沟槽方向沿Y轴方向，消光光栅朝X轴负方向倾斜，左上区域消光光栅的沟槽方向沿X轴方向，消光光栅朝Y轴正方向倾斜，消光元件沿X和Y方向的端部设置吸光元件210。

根据本申请的一方面，还提供了一种增强现实显示设备，该增强现实显示设备包括光机组件以及如前述任一实施例所述的衍射光波导。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种衍射光波导，其特征在于，包括：依次设置的平板波导基底、消光元件和补偿元件，所述平板波导基底上设置有耦出光栅，所述消光元件朝向所述平板波导基底的第一表面与所述平板波导基底平行，且所述第一表面上与所述耦出光栅对应的区域设置有消光光栅，所述消光元件背离所述平板波导基底的第二表面上与所述消光光栅对应的区域与所述第一表面不平行，所述补偿元件朝向所述消光元件的第三表面与所述第一表面的面型一致，所述补偿元件背离所述消光元件的第四表面与所述第一表面平行，从所述耦出光栅向背离人眼方向耦出的泄漏光线经所述消光光栅耦入所述消光元件，在所述消光元件的所述第二表面上与所述消光光栅对应的区域反射后离开所述消光光栅；其中，所述消光光栅为斜齿光栅，所述斜齿光栅向所述消光元件厚度变窄的方向倾斜。

2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述消光元件的所述第二表面上与所述消光光栅对应的区域为斜面或者自由曲面。

3.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述消光元件与所述补偿元件均为楔形结构，其中，所述消光元件背离所述平板波导基底的所述第二表面为斜面，所述补偿元件朝向所述消光元件的所述第三表面为斜面。

4.根据权利要求3所述的衍射光波导，其特征在于，所述楔形结构的楔形角的角度范围为γ∈[5°,10°]。

5.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述自由曲面满足以下公式：

其中，x为沿目标方向上距离参考位置的距离，所述目标方向为所述消光光栅相对的两侧边界的其中一侧指向另一侧的方向，所述参考位置为所述目标方向中起始一侧的边界，t(x)为所述第二表面与所述第一表面之间的距离，x₁为泄漏光线入射至所述消光光栅的入射位置沿所述目标方向上距离所述参考位置的距离，x₂为泄漏光线首次入射至所述第二表面的入射位置沿所述目标方向上距离所述参考位置的距离，t(x₂)为入射位置x₂距离所述第一表面的距离，为泄漏光线经所述消光光栅衍射后的衍射角，/>为泄漏光线进入所述消光元件后首次入射至所述第二表面时的入射角，L为所述消光光栅的尺寸，0≤x≤L，n_o为消光元件的折射率，n_i为外部介质的折射率，θ为泄漏光线入射至所述消光光栅的入射角，λ为泄漏光线的波长，d为所述消光光栅的光栅周期。

6.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，所述θ的取值为泄漏光线的边界视场光线入射至所述消光光栅的入射角。

7.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述消光元件的厚度范围为d∈[100μm,300μm]。

8.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述消光元件的端部包括吸光元件。

9.一种增强现实显示设备，其特征在于，所述增强现实显示设备包括光机组件以及如权利要求1-8中任何一项所述的衍射光波导。