CN117724202A - 衍射光波导及显示设备 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例涉及衍射光学技术领域，提供一种衍射光波导及显示设备，衍射光波导包括：光波导基底，光波导基底具有耦入区、转折区和耦出区，耦入区与转折区沿竖直方向排列，转折区与耦出区沿水平方向排列；耦入光栅，耦入光栅设置于耦入区，耦入光栅用于将光线耦入光波导基底中并将入射光线调制到转折区进行传播；转折光栅，转折光栅设置于转折区，转折光栅用于将耦入后的光线在光波导基底内纵向扩瞳，并将光线调制到耦出区；耦出光栅，耦出光栅设置于耦出区，耦出光栅用于接收经由转折光栅扩瞳后的光线，将接收到的光线进行横向扩瞳并耦出光波导基底。本公开实施至少可以提高用户的使用体验。
Description
技术领域
本公开实施例涉及衍射光学技术领域，特别涉及一种衍射光波导及显示设备。
背景技术
随着半导体工艺的高度发展，人与计算机之间的交互方式正在飞速发展，增强现实(Augmented ReaMity，AR)显示可以提供给人类以更多维度的信息，得到人们的广泛关注。衍射光波导具有可量产性强、轻薄等优势，在AR显示领域逐渐得到认可，有望成为未来AR领域主流技术发展方向。
然而，用户使用衍射光波导的使用体验有待提高。
发明内容
本公开实施例提供一种衍射光波导及显示设备，至少有利于提高用户的使用体验。
根据本公开一些实施例，本公开实施例一方面提供一种衍射光波导，包括：光波导基底，所述光波导基底具有耦入区、转折区和耦出区，所述耦入区与所述转折区沿竖直方向排列，所述转折区与所述耦出区沿水平方向排列；耦入光栅，所述耦入光栅设置于所述耦入区，所述耦入光栅用于将光线耦入所述光波导基底中并将入射光线调制到所述转折区进行传播；转折光栅，所述转折光栅设置于所述转折区，所述转折光栅用于将耦入后的光线在所述光波导基底内纵向扩瞳，并将光线调制到所述耦出区；将所述耦入光栅耦入至所述光波导基底中的光线进行扩瞳传输；耦出光栅，所述耦出光栅设置于所述耦出区，所述耦出光栅用于接收经由所述转折光栅扩瞳后的光线，将接收到的光线进行横向扩瞳并耦出所述光波导基底。
在一些实施例中，所述衍射光波导还包括：吸光膜，所述吸光膜与所述耦入区在同一个平面上，且所述吸光膜环绕所述耦入区设置。
在一些实施例中，所述耦入光栅、所述转折光栅以及所述耦出光栅满足以下关系式：
d2＝d1/(2cosα)，d3＝d1；其中，d1为耦入光栅的光栅周期，d2为转折光栅的光栅周期，d3为耦出光栅的光栅周期，α为所述耦入光栅的光栅矢量与所述转折光栅的光栅矢量的夹角。
在一些实施例中，所述耦入光栅的光栅矢量与所述转折光栅的光栅矢量的夹角为30°～40°。
在一些实施例中，所述光波导基底与入射到所述耦入光栅的光线满足以下关系式：ng*sinθt*sinφt＝sinθin*sinφin，ng*sinθt*cosφt＝sinθin*cosφin+λ/d1；其中，ng为所述光波导基底的折射率，θt为光线通过所述耦入光栅进入所述光波导基底的衍射角，φt为光线通过所述耦入光栅进入所述光波导基底的方位角，θin为光线入射至所述耦入光栅的入射角，φin为光线入射至所述耦入光栅的方位角，λ为入射至所述耦入光栅的光线波长，d1为耦入光栅的光栅周期。
在一些实施例中，所述耦入区为圆形，所述转折区与所述耦入区邻近的边为圆弧，所述转折区的圆弧的圆心与所述耦入区的圆心相同。
在一些实施例中，所述转折区由圆弧、两条侧边和底边构成，且两条侧边与底边的夹角相同，所述转折区满足：0.5mm＜R-D1/2＜1mm，M＝2*(R*tanφtmax+D2/2)+X1，0.5mm＜X1＜1.5mm，A＝π/2-φtmax，H＝2*u*t*tanθtmax-D2/2-1+X2，0.5mm＜X2＜1.5mm；其中，R为所述转折区的圆弧的半径，D1为所述耦入区的直径，D2为光线入射在所述耦入区的区域的直径，A为所述转折区的侧边与底边的夹角，M为所述转折区的底边的长度，X1为所述转折区底边的预留公差，H为所述转折区的底边与圆弧在垂直于底边的方向上的距离，X2为所述距离的预留公差，u为所述转折光栅的扩瞳次数，t为所述光波导基底在垂直于所述耦入区方向上的厚度，φtmax为光线通过所述耦入光栅进入所述光波导基底的最大衍射角，θtmax为光线通过所述耦入光栅进入所述光波导基底的最大方位角。
在一些实施例中，所述耦入光栅、所述转折光栅以及所耦出光栅满足： 其中，m1为所述耦入光栅的衍射级次，/>为所述耦入光栅的光栅矢量，m2为所述转折光栅的衍射级次，/>为所述转折光栅的光栅矢量，m3为所述耦出光栅的衍射级次，/>为所述耦出光栅的光栅矢量。
根据本公开一些实施例，本公开实施例另一方面还提供一种显示设备，包括：如上述任一实施例所述的衍射光波导；光引擎，所述光引擎向所述衍射光波导的所述耦入区投射光线。
在一些实施例中，所述衍射光波导的所述耦入区为圆形，所述耦入区的半径与所述光引擎的出瞳半径的差值为0.5mm～1mm。
在一些实施例中，所述显示设备包括：镜架，所述镜架包括连接件、镜圈和镜腿，所述连接件连接两个所述镜圈，所述镜腿与所述镜圈连接，所述镜圈用于放置所述衍射光波导，且所述衍射光波导中的所述耦入区域靠近所述连接件放置；其中，所述镜架的瞳距为所述镜架的瞳距为两个所述耦入区的中心的之间距离。
本公开实施例提供的技术方案至少具有以下优点：
本公开实施例提供的衍射光波导的技术方案中，包括：光波导基底。光波导基底具有耦入区、转折区和耦出区，耦入区与转折区沿竖直方向排列，转折区与耦出区沿水平方向排列。衍射光波导还包括耦入光栅、转折光栅以及耦出光栅。耦入光栅设置于耦入区，耦入光栅用于将光线耦入光波导基底中。转折光栅设置于转折区，转折光栅用于将耦入光栅耦入至光波导基底中的光线进行扩瞳传输。耦出光栅设置于耦出区，耦出光栅用于接收经由转折光栅扩瞳后的光线，将接收到的光线进行扩瞳并耦出光波导基底。相对于相关技术中将耦入区与转折区沿竖直方向排列以及转折区与耦出区水平方向排列而言，本公开实施例将耦入区与转折区沿竖直方向排列，转折区与耦出区沿水平方向排列，可以增加耦出区在竖直方向上的面积。当用户佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，耦出区中的耦出光栅将接收的光线耦出至人眼，耦出区在竖直方向上的面积增大，使用户在佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，可以避免显示设备滑移引起的图像信息损失问题，有利于消除图像缺失问题，从而可以提高用户的使用体验。此外，耦出区在竖直方向上的面积增大，使用户佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，接收衍射光波导的光线信息面积增大，可以提高用户的使用体验。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制；为了更清楚地说明本公开实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，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为相关技术中衍射光波导的一种结构示意图；
图2本公开实施例提供的衍射光波导的一种结构示意图；
图3为本公开实施例提供的衍射光波导的一种侧视结构示意图；
图4为本公开实施例提供的光线进入耦入光栅的示意图；
图5为本公开实施例提供的光线进入耦入光栅和光线从耦出光栅耦出的示意图；
图6为本公开实施例提供的衍射光波导的一种结构示意图；
图7为本公开实施例提供的转折区的高度示意图；
图8为本公开实施例提供的耦入光栅的几种结构示意图；
图9和图10为本公开实施例提供的光线在衍射光波导传播的示意图；
图11为本公开实施提供的光线进入衍射光波导并耦出至人眼的光线传输示意图；
图12为本公开实施例提供的转折区的高度示意图；
图13本公开实施例提供的显示设备的一种结构示意图。
具体实施方式
图1为相关技术中衍射光波导的一种结构示意图。
参考图1，相关技术中的衍射光波导包括：光波导基底100。光波导基底100具有耦入区110、转折区120和耦出区130，耦入区110与转折区120沿水平方向X排列，转折区120与耦出区130沿竖直方向Y排列。光波导基底100包括耦入光栅101、转折光栅102以及耦出光栅103。耦入光栅101设置于耦入区110，耦入光栅101用于将光线耦入光波导基底100中并将入射光线调制到转折区120进行传播。转折光栅102设置于转折区120，转折光栅120用于将耦入后的光线在光波导基底100内扩瞳传输，并将光线调制到耦出区130。耦出光栅103设置于耦出区130，耦出光栅103用于接收经由转折光栅扩瞳后的光线，将接收到的光线进行扩瞳并耦出光波导基底100。
其中，转折区120与耦出区130沿竖直方向Y排列，使耦出区130在竖直方向Y上的面积较小，当用户佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，耦出区130中的耦出光栅103将接收的光线耦出至人眼，耦出区130在竖直方向Y上的面积较小，使用户在佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，会发生显示设备滑移引起的图像信息损失问题，即会存在图像缺失问题，从而用户的使用体验不佳。此外，耦出区130在竖直方向Y上的面积较小，使用户佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，接收衍射光波导的光线信息面积较小，用户的使用体验不佳。因此，用户使用衍射光波导的使用体验有待提高。
本公开实施例提供一种衍射光波导，在该衍射光波导中，将耦入区与转折区沿竖直方向排列。相对于相关技术中将转折区与耦出区水平方向排列而言，将耦入区与转折区沿竖直方向排列可以增加耦出区在竖直方向上的面积。当用户佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，耦出区中的耦出光栅将接收的光线耦出至人眼，耦出区在竖直方向上的面积增大，使用户在佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，可以避免显示设备滑移引起的图像信息损失问题，有利于消除图像缺失问题，从而提高用户的使用体验。此外，耦出区在竖直方向上的面积增大，使用户佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，接收衍射光波导的光线信息面积增大，可以提高用户的使用体验。
下面将结合附图对本公开的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本公开各实施例中，为了使读者更好地理解本公开而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本公开所要求保护的技术方案。
图2本公开实施例提供的衍射光波导的一种结构示意图。其中，耦入区、转折区和耦出区中线条的倾斜方向分别代表着耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的光栅排列方向。
参考图2，衍射光波导包括：光波导基底200。光波导基底200具有耦入区210、转折区220和耦出区230，耦入区210与转折区220沿竖直方向Y排列，转折区220与耦出区230沿水平方向X排列。衍射光波导还包括耦入光栅201、转折光栅202以及耦出光栅203。耦入光栅201设置于耦入区210，耦入光栅201用于将光线耦入光波导基底200中，并将入射光线调制到转折区220进行传播。转折光栅202设置于转折区220，转折光栅202用于将耦入后的光线在光波导基底200内纵向扩瞳，并将光线调制到耦出区230。耦出光栅203设置于耦出区230，耦出光栅203用于接收经由转折光栅202扩瞳后的光线，将接收到的光线进行横向扩瞳并耦出光波导基底200。
光波导基底200用于全反射传输光线，将衍射光波导配置的光引擎发出的光线搬至人眼中。
光波导基底200的材料可以为玻璃或者塑料。
图3为本公开实施例提供的衍射光波导的一种侧视结构示意图。
参考图3，需要说明的是，光波导基底200具有相对设置的第一表面11和第二表面22。在用户使用该衍射光波导时，第二表面22为与用户人眼正对的面。耦入区210可以位于第一表面11或第二表面22上。转折区220可以位于第一表面11或第二表面22上，耦出区220可以位于第一表面11或第二表面22上。本公开实施例不对耦入区210、转折区220以及耦出区220在第一表面11或第二表面22做限定，只需满足耦入区210与转折区220沿竖直方向排列，转折区220与耦出区230沿水平方向排列即可。
图4为本公开实施例提供的光线进入耦入光栅的示意图。
参考图4，以水平方向X为x轴，竖直方向Y为y轴，耦入区210的圆心为原点，垂直于耦入区210的方向为z轴建立空间直角坐标系。光线L入射到耦入区210时与z轴的夹角为入射角θin，设定线段L'是光线L投影在xoy平面上的线段，线段L'与x轴的夹角为入射光线L的方位角φin，通过入射角θin及方位角φin就可以确定每一条入射到耦入区210的光线L，方位角φin的大小是从-180°到180°，方位角φin的改变会引起光线衍射后的衍射角及衍射后的方位角变化。
图5为本公开实施例提供的光线进入耦入光栅和光线从耦出光栅耦出的示意图。其中虚线L为耦入光栅的入射光线，虚线L1为从耦出光栅耦出的光线。
需要说明的是，同时参考图2和图5，θe为从耦出区230耦出光波导基底200的光线与z轴的夹角，θe具有最大值θemax，一般称2θemax为衍射光波导的视场角，为了使光线传输信息不失真，入射至耦入区210的光线与z轴的夹角应该等于从耦出区230耦出光波导基底200的光线与z轴的夹角，即θin＝θe，从而当θin有最大值θinmax时，2θinmax也被称为衍射光波导的视场角。
继续参考图2和图4，在一些实施例中，光波导基底200与入射到耦入区210的光线满足以下关系式：
ng*sinθt*sinφt＝sinθin*sinφin 公式1
ng*sinθt*cosφt＝sinθin*cosφin+λ/d1 公式2
其中，ng为光波导基底200的折射率，θt为光线通过耦入光栅201进入光波导基底200的衍射角，此衍射角为通过耦入光栅201进入光波导基底200的光线与z轴的夹角，φt为光线通过耦入光栅201进入光波导基底200的方位角，通过耦入光栅201进入光波导基底200的光线在xoy平面上有投影线段，φt为该投影线段与x轴的夹角，θin为光线入射至耦入光栅201的入射角，该入射角入射到耦入光栅201的光线与z轴的夹角，φin为光线入射至耦入光栅201的方位角，入射至耦入光栅201的光线在xoy平面上有投影线段，φin为该投影线段与x轴的夹角，λ为入射至耦入光栅201的光线波长，d1为耦入光栅201的光栅周期。
为了让通过耦入区210进入的光波导基底200的光线能够发生全反射，需要光线入射到耦入区210的入射角θin大于光波导基底200的全反射临界角θi，而全反射临界角θi满足：θi＝arcsin(1/ng)，且根据上述分析可知，入射角θin的最大值θinmax为衍射光波导的视场角的一半，从而光波导基底200的折射率决定了衍射光波导的视场角。
由于耦入光栅201是为了改变光线的传输角度，使光线能够在光波导基底200内发生全反射，从而耦入光栅201的衍射光栅级次不为0，通常耦入光栅201的衍射级次取1或-1，使用1级还是-1级的耦入光栅201的衍射光栅级次与光栅矢量方向有关。此时，入射光线耦入到光波导基底200需要满足公式1和公式2，从而可以使入射光线能够在光波导基底200内发生全反射，且使耦入后的光线可以通过转折区220的转折光栅202纵向扩瞳传输，并使光线可以调制到耦出区230，通过耦出区230的耦出光栅203横向扩瞳传输，最终耦出光波导基底200，进而可以提高衍射光波导的可靠性。
继续参考图2，耦入区210用于放置耦入光栅201。在一些例子中，耦入区210可以为圆形。在其他的例子中，耦出区230也可以为圆形、椭圆形、方形或其它形状。
在一些实施例中，衍射光波导还包括：吸光膜(未图示)。吸光膜与耦入区210在同一个平面上，且吸光膜环绕耦入区210设置。吸光膜的存在可以避免向耦入光栅201输入的光线未经过耦入光栅201进入光波导基底200中，从而可以提高衍射光波导的可靠性。
吸光膜的材料为吸光材料。吸光膜可以通过贴膜或者镀膜的方式环绕耦入区210设置。
在垂直于耦入区210的侧边方向上，吸光膜的宽度为0.5mm-3.5mm，例如0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm或者3.5mm。吸光膜的宽度在上述范围内，可以避免向耦入光栅201输入的光线未经过耦入光栅201进入光波导基底200中，进而可以提高衍射光波导的可靠性。
转折区220用于放置转折光栅202。
在一些实施例中，耦入区210可以为圆形，转折区220与耦入区210邻近的边为圆弧，转折区220的圆弧的圆心与耦入区210的圆心相同，且转折区220与耦入区210竖直方向排列，从而可以增加转折区220在竖直方向Y上的面积，使转折区220中的转折光栅202可以将耦入光栅201耦入至光波导基底200中的光线更多地进行扩瞳传输，有利于提高衍射光波导的实用性。
图6为本公开实施例提供的衍射光波导的一种结构示意图，图7为本公开实施例提供的转折区高度示意图。
同时参考图2、图6和图7，在一些实施例中，转折区220可以由圆弧、两条侧边和底边构成，且两条侧边与底边的夹角相同。转折区220满足：
0.5mm＜R-D1/2＜1mm
M＝2*(R*tanφtmax+D2/2)+X1，0.5mm＜X1＜1.5mm 公式3
A＝π/2-φtmax 公式4
H＝2*u*t*tanθtmax-D2/2-1+X2，0.5mm＜X2＜1.5mm 公式5
其中，R为转折区220的圆弧的半径，D1为耦入区210的直径，D2为光线入射在耦入区210的区域的直径，A为转折区的侧边与底边的夹角，M为转折区220中圆弧的切边长度，X1为转折区220圆弧切边长度的预留公差，H为转折区220的底边与圆弧在垂直于底边的方向上的距离，X2为距离H的预留公差，H也可以称为转折区220的高度，u为转折光栅202的扩瞳次数，t为光波导基底200在垂直于耦入区210方向上的厚度，φtmax为光线通过耦入光栅201进入光波导基底200的最大衍射角，θtmax为光线通过耦入光栅201进入所述光波导基底200的最大方位角。且公式3、公式4以及公式5中θtmax和φtmax的可以根据上述实施例中的公式1和公式2计算得到。
转折区220的圆弧与光线入射在耦入区210的形状直径满足0.5mm＜R-D1/2＜1mm时，转折区220和耦入区210之间存在的空隙可以为吸光膜贴膜或镀膜预留空间。
公式5中的扩瞳次数u的范围可以为3～6，例如3、4、5或6。扩瞳次数u在这个范围内可以避免扩瞳次数u太小而引起的部分耦出光栅230上没有光线的问题，还可以避免全反射次数太大而引起的单位面积的光线强度较低的问题，从而可以保证经过转折光栅202的光线传输至耦出光栅203的光线质量。公式5中的-1mm是为了给转折区220与耦入区210之间预留空间。
转折区220的形状满足公式3、公式4和公式5，可以使转折区220中的转折光栅202可以将耦入光栅201耦入至光波导基底200中的光线行扩瞳传输，并能将扩瞳后的光线传送给耦出区230中的耦出光栅203。
耦出区230用于放置耦出光栅203。
在一些实施例中，耦出区230可以为方形，在不遮挡耦入区210和转折区220的前提下，耦出区230尽可能多的铺满光波导基底200的表面，以扩大耦出区230的面积，从而可以扩大用户人眼的接受光线信息的面积，可以提高衍射光波导的实用性。在其他的实施例中，耦出区230也可以为圆形、椭圆形、方形或其它形状。
耦入区230与转折区220沿竖直方向Y排列，转折区220与耦出区230沿水平方向X排列，相对于相关技术中将耦入区210与转折区220沿竖直方向Y排列以及转折区220与耦出区230水平方向X排列而言，将耦入区210与转折区220沿竖直方向Y排列，转折区220与耦出区230沿水平方向X排列，可以增加耦出区230在竖直方向Y上的面积。当用户佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，耦出区230中的耦出光栅203将接收的光线耦出至人眼，耦出区230在竖直方向Y上的面积增大，使用户在佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，可以避免显示设备滑移引起的图像信息损失问题，有利于消除图像缺失问题，从而可以提高用户的使用体验。此外，耦出区230在竖直方向Y上的面积增大，使用户佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，接收衍射光波导的光线信息面积增大，也可以提高用户的使用体验。
继续参考图2，耦入光栅201用于将光线耦入光波导基底200中，使光线能够在光波导基底200内发生全反射。由于耦入光栅201是为了改变光线的传输角度，使光线能够在光波导基底200内发生全反射，从而耦入光栅201的衍射光栅m1不为0，通常m1＝-1或者m1＝1，使用1级还是-1级的耦入光栅201的衍射光栅级次与光栅矢量方向有关。耦入光栅201还用于将并将入射光线调制到转折区220进行传播。
图8为本公开实施例提供的耦入光栅的几种结构示意图。
参考图8，耦入光栅201可以为一维线光栅、一维倾斜光栅或者闪耀光栅等，本公开实施例只限定耦入光栅201的光栅周期及耦入光栅201的光栅矢量，不对耦入光栅201的类型做限定。
继续参考图2，转折光栅202用于将耦入后的光线在光波导基底200内纵向扩瞳，并将光线调制到耦出区230。光线经过转折光栅202后，其中一部分光线会改变转播方向，进入耦出区230，另一部分光沿着原来的传播方向继续在转折区220内进行全反射传播，每经过一次转折区220的转折光栅202又会分成两部分光，其中一部分会改变转播方向，进入耦出区域230，另一部分继续在转折区220进行传输扩瞳，也就是光线经过转折区220的转折光栅202调制后会分在转折区220内分多个位置进入耦出区230，实现竖直方向的扩瞳，也就是纵向扩瞳，增加Eye Box(眼眶)的竖向尺寸。Eye Box指的是具有该衍射光波导的显示设备与眼球之间的一块锥形区域，也是显示内容最清晰的区域。
转折光栅202可以为一维线光栅、一维倾斜光栅或者闪耀光栅等，本公开实施例只限定转折光栅202的光栅周期及转折光栅202的光栅矢量，不对转折光栅202的类型做限定。
耦出光栅203用于接收经由转折光栅202扩瞳后的光线，将接收到的光线进行横向扩瞳并耦出光波导基底200。光线经过耦出光栅203耦出光栅203后，其中一部分光线会改变转播方向耦出光波导基底200，另一部分光沿着原来的传播方向继续在耦出区230内进行全反射传播，每经过一次经过耦出光栅203又会分成两部分光，其中一部分会改变转播方向耦出光波导基底200，另一部分继续在耦出区230进行传输扩瞳，也就是光线经过耦出区230的耦出光栅203调制后会分别在耦出区230耦出光波导基底200，实现横向方向的扩瞳，也就是横向扩瞳，增加Eye Box的横向尺寸。
耦出光栅203可以为一维线光栅、一维倾斜光栅或者闪耀光栅等，本公开实施例只限定耦出光栅203的光栅周期及耦出光栅203的光栅矢量，不对耦出光栅203的类型做限定。
图9和图10为本公开实施例提供的光线在衍射光波导传播的示意图。
同时图9和图10，光线L入射在衍射光波导的耦入区210，光线经过耦入区201的耦入光栅201调制，改变传播方向，同时其在光波导内的衍射角度满足全内反射条件，在光波导内全反射传播。进入转折区220后，经过转折区220内的转折光栅202调制，部分光线继续沿着原来的方向继续传播，另一部分光线传播方向发生变化，转向耦出区203，耦出区域230的耦出光栅203对光线进行调制，一部分光耦出光波导基底200射入人眼，另一部分光沿着原来的传播方向进行传播。
在一些实施例中，耦入光栅201、转折光栅202以及耦出光栅203满足以下关系式：d2＝d1/(2cosα)，d3＝d1；其中，d1为耦入光栅201的光栅周期，d2为转折光栅202的光栅周期，d3为耦出光栅203的光栅周期，α为耦入光栅201的光栅矢量与转折光栅202的光栅矢量的夹角。当耦入光栅201、转折光栅202以及耦出光栅203满足上述关系式时，可以保证从耦入光栅201进入的光线能够通过转折光栅202传输至耦出光栅203，并通过耦出光栅203耦出光波导基底200，且可以让入射至耦入区210的光线的方向与从耦出区230耦出光波导基底200的光线传播方向相同，从而可以保证入射至耦入光栅201的光线被无失真耦出，从而保证入射进耦入光栅201的光线的像能够完善的在用户眼前成像，可以提供衍射光波导的可靠性。
在一些实施例中，耦入光栅201的光栅矢量与转折光栅202的光栅矢量的夹角为30°～40°，例如30°、32°、34°、36°、38°或40°。耦入光栅201的光栅矢量与转折光栅202的光栅矢量的夹角在这个范围内，可以保证转折光栅202可以将光线传输至耦出区230上方区域，以保证光线可以传输至整个耦出区230，可以提高耦出区230的利用率。耦入光栅201的光栅矢量与转折光栅202的光栅矢量的夹角在这个范围内，还能使转折区220的光线进入耦出区230时发生一个大的角度转折，从而将光线传输到耦出区230的上方，扩大耦出区230的光线出射范围，有利于提高衍射光波导的实用性。
在一些实施例中，耦入光栅201、转折光栅202以及耦出光栅203满足：
其中，m1为耦入光栅201的衍射级次，m1可以为-2、-1、1或2等值，此处m不取0是因为耦入光栅201需要改变入射光线的传输角度，为耦入光栅201的光栅矢量，m2为转折光栅202的衍射级次，m2可以为-2、-1、0、1或2等值，/>为转折光栅202的光栅矢量，m3为耦出光栅203的衍射级次，m3可以为-2、-1、0、1或2等值，/>为耦出光栅203的光栅矢量。当耦入光栅201、转折光栅202以及耦出光栅203满足上述关系式时，可以保证入射至耦入区210的入射光线的入射角度与光线从耦出区230耦出光波导基底200的出射角度相同，从而可以保证入射至耦入光栅201的光线被无失真耦出，从而保证入射进耦入光栅201的光线的像能够完善的在用户眼前成像，可以提供衍射光波导的可靠性。
在一个例子中，耦入光栅201的衍射级次m1为1，耦入光栅201的光栅矢量为[0,-1,0]，转折光栅202的衍射级次m2为-1，转折光栅202的光栅矢量/>为[1,-1,0]，耦出光栅203的衍射级次m3为1，耦出光栅203的光栅矢量/>为[1,0,0]。
图11为本公开实施提供的光线进入衍射光波导并耦出至人眼的光线传输示意图。其中，实线和虚线代表入射方向不同的两种光线。
参考图11，光线经过耦入光栅201后进入波导基底200内，在波导基底200内全反射传播，遇到耦出光栅203后，会被耦出光栅203调制，耦出光波导基底200并进入人眼33。其中，44为入射光线成的像，55为耦出光波导基底200的光线形成的像。
图12为本公开实施例提供的转折区的高度示意图。
同时参考图2、图6和图12，在一个具体的例子中，光线照射在耦入区210的区域的直径D2为4mm，光波导基底100的折射率ng为1.7，光波导基底200在垂直于耦入区210方向上的厚度t为1mm，入射进耦入区210的光线的波长为550nm，转折光栅202的扩瞳次数u为3。衍射光波导的视场角为36°，又2θinmax也被称为衍射光波导的视场角，可得θinmax为18°。耦入区210的直径D1为5mm，耦入光栅201的光栅周期d1为420nm，耦入光栅201的光栅矢量为[0,-1,0]，耦入光栅201的衍射级次为透射级次m1＝1。耦入光栅201的光栅矢量/>与转折光栅202的光栅矢量/>的夹角α为35°，且转折光栅202的光栅周期d2满足：d2＝d1/(2cosα)，可计算出转折光栅202的光栅周期d2为256.4nm。又通过α角和耦入光栅201的光栅矢量可计算出转折光栅202的光栅矢量/>为[-1,-1.4281,0]，转折光栅202的衍射级次为反射级次m20＝0及反射级次为m21＝-1。
当光线入射至耦入光栅201的入射方位角φin＝90°，光线入射至耦入光栅201的入射角θin＝18°时，根据公式1和公式2可以计算出光线通过耦入光栅202进入光波导基底200的最大衍射角φtmax＝13.26°，又转折区220与耦入区220的靠近的圆弧边的半径R＝3mm，且D2＝4mm、φtmax＝13.26°以及X1＝1mm，从而可以通过公式3可以计算出圆弧的切边M为6.414mm，同时还可以通过公式4计算出转折区220侧边与底边的夹角A为76.74°。
当光线入射至耦入光栅201的方位角φin＝0，光线入射至耦入光栅201的入射角θin为最大值θinmax＝18°，此时光线通过耦入光栅201进入光波导基底200的方位角θt可以取最大值，通过公式1和公式2计算得到θtmax＝72.2°，且u＝3、D2＝4mm、t＝1mm以及X2＝1mm，从而可以通过公式5计算出转折区220的底边与圆弧在垂直于底边的方向上的最大距离H＝16.7mm，也就是转折区的高度为16.7mm。
在上述的衍射光波导的实施例中，将耦入区与转折区沿竖直方向排列。相对于相关技术中将转折区与耦出区水平方向排列而言，将耦入区与转折区沿竖直方向排列可以增加耦出区在竖直方向上的面积。当用户佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，耦出区中的耦出光栅将接收的光线耦出至人眼，耦出区在竖直方向上的面积增大，使用户在佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，可以避免显示设备滑移引起的图像信息损失问题，有利于消除图像缺失问题，从而可以提高用户的使用体验。此外，耦出区在竖直方向上的面积增大，使用户佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，接收衍射光波导的光线信息面积增大，可以提高用户的使用体验。
相应的，本公开另一实施例还提供一种包括上述任一实施例中衍射光波导的显示设备。以下将结合附图对本公开另一实施例提供的显示设备进行详细说明，与前一实施例相同或者相应的部分，可参考前述实施例的相应说明，以下将不做详细赘述。
图13本公开实施例提供的显示设备的一种结构示意图。
显示设备包括上述任一实施例中衍射光波导。显示设备还包括光引擎(未图示)，光引擎向衍射光波导的耦入区投射光线。
显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备，其中，增强现实显示设备包括但不限于增强现实(Augmented Reality，AR)眼镜、车载抬头显示(Head Up Display，HUD)等设备。
光引擎用于向衍射光波导的耦入区投射光线。光引擎投射的光线为可见光。
光引擎可以为微型发光二极管(Micro Light-Emitting Diode，μLED)、数字光处理(Digital Light Procession，DLP)、激光束扫描仪(Laser Beam Scanning，LBS)、硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon，LCOS)、数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)或微机电系统(MicroElectro Mechanical System，MEMS)等微型显示器。
在一些实施例中，衍射光波导的耦入区210为圆形，耦入区210的半径与光引擎投射在耦入区210的出瞳半径的差值可以为0.5mm～1mm，例如0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm。在上述范围内，可以方便光引擎与衍射光波导的安装，同时可以减小耦入区210的面积，使衍射光波导表面的更多面积可以为耦出区230使用。
在一些实施例中，显示设备还包括：镜片300，镜片300包括衍射光波导。显示设备还包括：镜架400。镜架400包括连接件401、镜圈402和镜腿403，连接件401连接两个镜圈402，镜腿403与镜圈402连接，镜圈302用于放置镜片300，且镜片300中衍射光波导中的耦入区210靠近连接件401放置。其中，镜架的瞳距(PD，pupillary distance)为两个耦入区210的中心的之间距离。
在佩戴该显示设备时，镜片300与用户人眼正对，使用户可以看见用户所处的外界环境的同时，还可以看见光引擎通过衍射光波导所形成在镜片上的像。
镜片300的形状可以为圆形、椭圆形、方形或者其他形状。
镜架400用于给用户佩戴显示设备。
连接件401用于连接两个镜圈402。
镜圈402用于放置衍射光波导。显示设备包括两个镜圈402，分别对应于两只人眼，使用时用户的双眼前均放置有衍射光波导。
在佩戴该显示设备时，镜腿403用于用户佩戴，使镜圈402中衍射光波导可以放置在人眼前。
瞳距是指用户两眼视线呈正视或平行状态时两眼瞳孔中心间的距离。镜架300的瞳距是让两个镜圈402中的衍射光波导的光学中心位置与用户的瞳孔位置相符，以保证用户佩戴时的视觉效果。在本公开实施例中，镜架400的瞳距为两个耦入区210的中心的之间距离。
由上述分析可知，相对于相关技术中将衍射光波导中的转折区与耦出区水平方向排列而言，将耦入区与转折区沿竖直方向排列可以增加耦出区在竖直方向上的面积，使用户在佩戴具有该衍射光波导的显示设备时，可以避免显示设备滑移引起的图像信息损失问题，有利于消除图像缺失问题，从而可以提高用户的使用体验。此外，耦出区在竖直方向上的面积增大，使用户佩戴该显示设备时，接收衍射光波导的光线信息面积增大，也可以提高用户的使用体验。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本公开的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本公开的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本公开的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。
Claims (11)
1.一种衍射光波导，其特征在于，包括：
光波导基底，所述光波导基底具有耦入区、转折区和耦出区，所述耦入区与所述转折区沿竖直方向排列，所述转折区与所述耦出区沿水平方向排列；
耦入光栅，所述耦入光栅设置于所述耦入区，所述耦入光栅用于将光线耦入所述光波导基底中并将入射光线调制到所述转折区进行传播；
转折光栅，所述转折光栅设置于所述转折区，所述转折光栅用于将耦入后的光线在所述光波导基底内纵向扩瞳，并将光线调制到所述耦出区；耦出光栅，所述耦出光栅设置于所述耦出区，所述耦出光栅用于接收经由所述转折光栅扩瞳后的光线，将接收到的光线进行横向扩瞳并耦出所述光波导基底。
2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述衍射光波导还包括：
吸光膜，所述吸光膜与所述耦入区在同一个平面上，且所述吸光膜环绕所述耦入区设置。
3.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅、所述转折光栅以及所述耦出光栅满足以下关系式：
d2＝d1/(2cosα)，d3＝d1；
其中，d1为耦入光栅的光栅周期，d2为转折光栅的光栅周期，d3为耦出光栅的光栅周期，
α为所述耦入光栅的光栅矢量与所述转折光栅的光栅矢量的夹角。
4.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅的光栅矢量与所述转折光栅的光栅矢量的夹角为30°～40°。
5.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述光波导基底与入射到所述耦入光栅的光线满足以下关系式：
ng*sinθt*sinφt＝sinθin*sinφin，ng*sinθt*cosφt＝sinθin*cosφin+λ/d1；
其中，ng为所述光波导基底的折射率，θt为光线通过所述耦入光栅进入所述光波导基底的衍射角，φt为光线通过所述耦入光栅进入所述光波导基底的方位角，θin为光线入射至所述耦入光栅的入射角，φin为光线入射至所述耦入光栅的方位角，λ为入射至所述耦入光栅的光线波长，d1为耦入光栅的光栅周期。
6.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入区为圆形，所述转折区与所述耦入区邻近的边为圆弧，所述转折区的圆弧的圆心与所述耦入区的圆心相同。
7.根据权利要求6所述的衍射光波导，其特征在于，所述转折区由圆弧、两条侧边和底边构成，且两条侧边与底边的夹角相同，所述转折区满足：
0.5mm＜R-D1/2＜1mm，M＝2*(R*tanφtmax+D2/2)+X1，0.5mm＜X1＜1.5mm，
A＝π/2-φtmax，H＝2*u*t*tanθtmax-D2/2-1+X2，0.5mm＜X2＜1.5mm；
其中，R为所述转折区的圆弧的半径，D1为所述耦入区的直径，D2为光线入射在所述耦入区的区域的直径，A为所述转折区的侧边与底边的夹角，M为所述转折区的圆弧的切边长度，X1为所述转折区圆弧切边长度的预留公差，H为所述转折区的底边与圆弧在垂直于底边的方向上的最大距离，X2为所述距离的预留公差，u为所述转折光栅的扩瞳次数，t为所述光波导基底在垂直于所述耦入区方向上的厚度，φtmax为光线通过所述耦入光栅进入所述光波导基底的最大衍射角，θtmax为光线通过所述耦入光栅进入所述光波导基底的最大方位角。
8.根据权利要求1-7任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅、所述转折光栅以及所述耦出光栅满足：
其中，m1为所述耦入光栅的衍射级次，为所述耦入光栅的光栅矢量，m2为所述转折光栅的衍射级次，/>为所述转折光栅的光栅矢量，m3为所述耦出光栅的衍射级次，/>为所述耦出光栅的光栅矢量。
9.一种显示设备，其特征在于，包括：
如权利要求1-8任一项所述的衍射光波导；
光引擎，所述光引擎向所述衍射光波导的所述耦入区投射光线。
10.根据权利要求9所述的显示设备，其特征在于，所述衍射光波导的所述耦入区为圆形，所述耦入区的半径与所述光引擎的出瞳半径的差值为0.5mm～1mm。
11.根据权利要求10所述的显示设备，其特征在于，所述显示设备包括：
镜架，所述镜架包括连接件、镜圈和镜腿，所述连接件连接两个所述镜圈，所述镜腿与所述镜圈连接，所述镜圈用于放置所述衍射光波导，且所述衍射光波导中的所述耦入区域靠近所述连接件放置；
其中，所述镜架的瞳距为两个所述耦入区的中心的之间距离。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311738887.XA CN117724202A (zh) | 2023-12-15 | 2023-12-15 | 衍射光波导及显示设备 |
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