CN209086561U - 一种大视场衍射波导元件及显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大视场衍射波导元件及显示装置，包括：叠放设置的至少两层波导结构，不同层波导结构设有互补的视场角，各层波导结构的视场角能拼接成一个总视场角，所述总视场角均大于各层波导结构的视场角。通过将具有互补视场角的多层波导结构叠放设置，使各层波导结构的视场角能拼接成一个均大于各层波导结构视场角的总视场角。实现了以相对简单的方式扩大了波导元件的视场角。

Description

一种大视场衍射波导元件及显示装置

技术领域

本实用新型涉及增强现实设备领域，尤其涉及一种大视场衍射波导元件及显示装置。

背景技术

随着虚拟现实和增强现实技术逐渐被人们认识和接受，近眼显示设备得到了快速发展。增强现实技术中的近眼显示可以将虚拟图像叠加到现实景物中，同时兼具透视特性，不影响对现实景物的正常观察。利用传统光学元件将虚拟图像耦合进入人眼的方式已经被采用，包括棱镜、半透半反镜片、自由曲面波导、镜面阵列波导、衍射波导等。其中，衍射波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像。由于采用和光纤技术一样的全反射原理，衍射波导显示组件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明。且由于对光线的转折是通过镜片表面的衍射光栅来实现的，与底板的形状基本没有关系，因此易于批量制造，生产成本低。

但是，衍射波导是新兴的技术，虽然目前已经达到了较高的技术水平，但仍存在很多挑战，如视场角难以增大就是一个急需解决的问题。

在衍射波导元件中，光线只能在一定的角度范围内能实现传导与扩展。当光线与波导片上下表面平行时(此时光线在上下表面的入射角为90度)，光线无法入射到波导表面的出射或转折光栅，从而无法实现光束的扩展与出射，而当光线在波导片上下表面的入射角小于临界角时，不能发生全反射，光线会快速的透射衰减，也无法实现传导。参见图1，光线的入射角只有大于临界角而小于90度时，才能使波导正常工作。临界角与波导片的材料有关，如BK7玻璃材料的临界角为42度。通过采用高折射率的玻璃，可以减小临界角，但是目前光学玻璃的折射率最高在2.0左右，对应的临界角为30度。由于目前光学玻璃材料的限制，临界角很难再减小了，即使能减小，幅度也很有限。因此，光线在波导片内传导的角度范围通常小于60度。这个限制也使得衍射波导的视场角很难超过60度。如果再考虑其他的设计因素，如避免重影，光传导效率等，这个角度会更小，通常很难超过50度。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本实用新型的目的是提供一种大视场衍射波导元件及显示装置，能大幅提高衍射波导的视场角，解决目前衍射波导存在的视场角难以提高的问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型实施方式提供一种大视场衍射波导元件，包括：

叠放设置的至少两层波导结构，不同层波导结构设有互补的视场角，各层波导结构的视场角能拼接成一个总视场角，所述总视场角均大于各层波导结构的视场角。

本实用新型实施方式还提供一种显示装置，包括：衍射波导元件、投影模组和微显示器，所述微显示器经所述投影模组与所述衍射波导元件的入射光栅对应设置，其特征在于，所述衍射波导元件采用本实用新型所述的大视场衍射波导元件，该大视场衍射波导元件的出射光栅对应于观看者的眼睛。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的大视场衍射波导元件及显示装置，其有益效果为：

通过将具有互补视场角的多层波导结构叠放设置，使各层波导结构的视场角能拼接成一个均大于各层波导结构视场角的总视场角。实现了以相对简单的方式扩大了波导元件的视场角。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为现有技术提供的衍射波导元件示意图；

图2A～2C为本实用新型实施例提供的两个单层波导元件和一个双层波导结构的波导元件的示意图；

图3A～3C为本实用新型实施例提供的三种能用于大视场衍射波导元件的单层波导结构示意图；

图4A～4C为本实用新型实施例提供的另一种结构的双层波导结构的三种状态示意图；

图5为本实用新型实施例提供的AAA示意图；

图6为本实用新型实施例提供的AAA示意图。

具体实施方式

下面结合本实用新型的具体内容，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型的保护范围。本实用新型实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图2所示，本实用新型实施例提供一种大视场衍射波导元件，包括：

叠放设置的至少两层波导结构，不同层波导结构设有互补的视场角，各层波导结构的视场角能拼接成一个总视场角，所述总视场角均大于各层波导结构的视场角。

上述衍射波导元件的各层波导结构中，相邻层波导结构之间设有空隙。优选的，所述空隙不小于0.01mm。通过设置空隙能避免各层波导结构在各自导光时不会相互影响。

上述衍射波导元件的各层波导结构中，每层波导结构采用：由基板和设在基板上的入射光栅和出射光栅构成的单层波导结构，或，由基板和设在基板上的中间光栅、入射光栅和出射光栅构成的单层波导结构；

所述每层波导结构的入射光栅为反射光栅、闪耀光栅和透射光栅中的任一种。

上述衍射波导元件中，各层波导结构的入射光栅和出射光栅均设在每层波导结构的同一表面；

各层波导结构的入射光栅和出射光栅在某个方向上(如在x轴方向上)均部分重叠。

上述衍射波导元件中，各层波导结构的入射光栅在x轴方向上重叠，各层波导结构对应一组投影模组，靠近投影模组一侧的波导结构的入射光栅为透射光栅，该透射光栅能使入射的光线一部分被衍射进入该透射光栅所在波导结构，另一部分被透射后入射到另一层波导结构；

所述各层波导结构的出射光栅在x轴方向上部分重叠。

上述衍射波导元件中，各层波导结构的入射光栅在x轴方向上不重叠；

每层波导结构对应一组投影模组，各组投影模组的光线入射到对应波导结构的入射光栅时不会互相遮挡。

上述衍射波导元件中，入射光栅采用反射光栅、闪耀光栅和透射光栅中的任一种。

本实用新型实施例还提供一种显示装置，包括：衍射波导元件和投影模组，所述投影模组与所述衍射波导元件的入射光栅对应设置，其特征在于，所述衍射波导元件采用上述的大视场衍射波导元件，该大视场衍射波导元件的出射光栅对应于观看者的眼睛。

上述显示装置中，所述投影模组中的微显示器采用LCOS、OLED、DMD、MEMS中的任一种。

上述显示装置中，投影模组的数量与大视场衍射波导元件的结构相匹配，如大视场衍射波导元件为每层的波导结构的入射光栅不重叠，则设置多个数量与每层波导结构对应的投影模组，否则，其他结构的多层波导结构，则设置一个投影模组。

下面对本实用新型实施例具体作进一步地详细描述。

本实用新型实施例的大视场衍射波导元件，是由多个单层波导结构叠加在一起组成的多层波导结构，不同层波导结构具有互补的视场角，多层波导结构传导的光线组合在一起能拼接成一个总视场角，该波导元件解决了单层波导传导的光线视场角小，只覆盖部分视场的问题。

图2A～2C所示是两层波导结构组合在一起形成的大视场衍射波导元件，其中，上层波导结构310传导的光线覆盖的视场角为F1(参见图2A)，下层波导结构320传导的光线覆盖的视场角为F2(参见图2B)，分别设置上层波导结构310和320的入射光栅、中间光栅及出射光栅的光栅参数(如光栅周期)，可以使得上层波导结构310与下层波导结构320覆盖的视场角几乎不重叠，如上层波导结构310的视场角位于下层波导结构表面法线的左侧(负x轴方向)，下层波导结构320的视场角位于波导表面法线的右侧(正x轴方向)。这样，上层波导结构310和下层波导结构320叠加在一起，组成的双层波导结构300(参见图2C)的视场角F为：F＝F1+F2；受材料的限制，F1和F2角度范围可以达到40～50度，而双层波导结构300 的视场角F为F1和F2之和，可以达到80～100度，从而实现了增大波导元件视场角的目的。

图2A～2C中，上、下层波导结构310和波导结构320叠加在一起组成双层波导结构300 时，上、下层波导结构310和波导结构之间需留有空隙，空隙的大小大于0.01mm，以使得波导310和波导320在各自导光时不会相互影响。

本实用新型的大视场衍射波导元件中，单层波导结构的光栅可以由入射光栅、中间光栅、出射光栅组成，也可以只包含入射光栅和出射光栅。

图3A～3C示意了单层波导结构利用光栅的反射属性实现光线的入射和出射。本实用新型的波导元件中，还可以采用其他结构形式的波导。图3A～3C给出了几种可能的波导结构形式。图3A所示的波导利用入射光栅的透射属性将入射光线导入波导中。光线传导至出射光栅时，利用出射光栅的反射属性将光线导出波导。图3B所示的波导利用的是入射光栅的反射属性和出射光栅的透射属性实现光线的入射和出射；图3C所示的波导利用的是入射光栅和出射光栅的透射属性实现光线的入射和出射。

图4A～4C示意了本实用新型的多层波导结构的大视场衍射波导的一种结构，图4A、4B、 4C分别表示了不同视场角的光线传导原理。图4A～4C中，标号211为微显示器，可以为LCOS， OLED，DMD，MEMS等微显示器；图4A～4C中212为投影模组；多层波导结构中靠近投影模组 212一侧的波导结构320的入射光栅322为透射光栅，能使入射到322上的光线部分被衍射进入波导结构320内部，部分被透射，入射到另一层波导结构310。

图5示意的为采用本实用新型多层波导结构的大视场衍射波导元件的显示装置的一种结构。该结构采用多组投影模组，每组投影模组对应一层波导结构，多层波导结构中，各层波导结构的入射光栅312、322在x轴方向上不重叠，使得各自的投影模组的光线入射到对应的波导结构上的入射光栅时，不会互相遮挡。此结构中各层波导结构的入射光栅可以为反射光栅、闪耀光栅或透射光栅等光栅类型。通过设置一个微显示器与多组投影模组配合，则形成一种显示装置。

图6示意的为采用本实用新型多层波导结构的大视场衍射波导的显示装置的另一种结构。由于光线传导的原理与图5所示相同，因此该图6中省略了波导中的传导光束和出射光束。该结构各波导层的入射光栅312、322在x轴方向上相邻或较少重叠，采用单个投影模组，设置投影模组发出的光束，使得光束中波导法线向负x轴方向角度范围内的光线入射到入射光栅312上，波导法线向正x轴方向角度范围内的光线入射到入射光栅322上。此结构中各波导层的入射光栅可以为反射光栅、闪耀光栅或透射光栅。

上述的显示装置中，投影模组中的微显示器可以为LCOS，OLED，DMD，MEMS等。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种大视场衍射波导元件，其特征在于，包括：

叠放设置的至少两层波导结构，不同层波导结构设有互补的视场角，各层波导结构的视场角能拼接成一个总视场角，所述总视场角均大于各层波导结构的视场角。

2.根据权利要求1所述的大视场衍射波导元件，其特征在于，所述各层波导结构中，相邻层波导结构之间设有空隙。

3.根据权利要求2所述的大视场衍射波导元件，其特征在于，所述空隙不小于0.01mm。

4.根据权利要求1所述的大视场衍射波导元件，其特征在于，所述各层波导结构中，每层波导结构采用：由基板和设在基板上的入射光栅和出射光栅构成的单层波导结构，或，由基板和设在基板上的中间光栅、入射光栅和出射光栅构成的单层波导结构；

所述每层波导结构的入射光栅为反射光栅、闪耀光栅和透射光栅中的任一种。

5.根据权利要求1至4任一项所述的大视场衍射波导元件，其特征在于，所述各层波导结构的入射光栅和出射光栅均设在每层波导结构的同一表面；

各层波导结构的入射光栅和出射光栅在某个方向上均部分重叠。

6.根据权利要求1至3任一项所述的大视场衍射波导元件，其特征在于，所述各层波导结构的入射光栅在x轴方向上重叠，各层波导结构对应一组投影模组，靠近投影模组一侧的波导结构的入射光栅为透射光栅，该透射光栅能使入射的光线一部分被衍射进入该透射光栅所在波导结构，另一部分被透射后入射到另一层波导结构；

所述各层波导结构的出射光栅在x轴方向上部分重叠。

7.根据权利要求1至3任一项所述的大视场衍射波导元件，其特征在于，所述各层波导结构的入射光栅在x轴方向上不重叠；

每层波导结构对应一组投影模组，各组投影模组的光线入射到对应波导结构的入射光栅时不会互相遮挡。

8.根据权利要求7所述的大视场衍射波导元件，其特征在于，所述入射光栅采用反射光栅、闪耀光栅和透射光栅中的任一种。

9.一种显示装置，包括：衍射波导元件和投影模组，所述投影模组与所述衍射波导元件的入射光栅对应设置，其特征在于，所述衍射波导元件采用权利要求1至6任一项所述的大视场衍射波导元件，该大视场衍射波导元件的出射光栅对应于观看者的眼睛。

10.根据权利要求9所述的显示装置，所述投影模组中的微显示器采用LCOS、OLED、DMD、MEMS中的任一种。