CN210222363U - 一种混频式单片波导镜片及三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种混频式单片波导镜片及三维显示装置，其中的混频式单片波导镜片包括波导及位于波导上表面或下表面的入射功能性区域和出射功能性区域，其中：入射功能性区域内设置有将外部图像光信号耦合至波导的耦入峰状衍射光栅结构，耦入峰状衍射光栅结构由多组耦入衍射光栅混叠而成，各耦入衍射光栅对应耦入不同波长的图像光信号；出射功能性区域内设置有将波导内传输过来的图像光信号耦合出波导的耦出峰状衍射光栅结构，耦出峰状衍射光栅结构由多组耦出衍射光栅混叠而成，各耦出衍射光栅对应耦出不同波长的图像光信号。本实用新型实现单片波导镜片的彩色显示，保证了显示装置在结构上的紧凑性，同时降低了光损耗，提升了显示效果。

Description

一种混频式单片波导镜片及三维显示装置

技术领域

本实用新型涉及虚拟现实显示技术，具体涉及一种混频式单片波导镜片及三维显示装置。

背景技术

随着虚拟现实和增强现实技术分发展，近眼式显示设备得到快速发展，例如谷歌的Google Glass和微软的Holoens。增强现实的近眼式显示是一种将光场成像在现实空间的技术，并且可以同时兼顾虚拟和现实的操作。波导显示系统是利用全反射原理实现光波传输，结合衍射元件，实现光线的定向传导，进而将图像光导向人眼，使用户可以看到投影的图像。

传统的光波导镜片仅仅能够实现一个波段的基色图像光的耦合，因此为了实现彩色化的虚拟显示成像，需要将多片光波导镜片叠合在一起形成衍射元件。采用这种衍射元件构建的显示装置的重量和体积都较大，且制造成本偏高。此外，由于图像光信号在相邻波导镜片的交界处会产生较大的光损耗，因此降低了最终的显示效果。

鉴于传统的光波导镜片所存在的缺陷，申请人投入了大量的研发资源，以期实现单片波导镜片的彩色显示。在此之前，申请人在公开号为CN106773057A的中国实用新型专利申请中公开了一种单片全息衍射波导镜片，其功能性区域内设置有多个结构单元像素，每一结构单元像素内均包括多个针对不同的基色图像光进行耦合的结构子单元像素，采用该种单片全息衍射波导镜片构建的显示装置能够实现彩色显示。但是，由于各结构子单元像素均平铺于功能性区域内，其导致功能性区域占用的波导面积过大，降低了显示效果。此外，像素平铺类的空间复用对光栅对应各自光线的调制要求极高，容易产生光线之间的衍射串扰。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型第一方面提供了一种混频式单片波导镜片，其能够实现对多种不同波长的图像光信号的同步耦合以实现彩色显示，其具体技术方案如下：

一种混频式单片波导镜片，其特征在于，其包括：

波导；

位于波导上表面或下表面的具有透明光学和波导弯折功能的功能性区域，所述功能性区域至少包括：

入射功能性区域，所述入射功能性区域内设置有将外部图像光信号耦合至波导的耦入峰状衍射光栅结构，所述耦入峰状衍射光栅结构由多组耦入衍射光栅混叠而成，每组所述耦入衍射光栅对应耦入一特定波长的图像光信号；

出射功能性区域，所述出射功能性区域内设置有将波导内传输过来的图像光信号耦合出波导的耦出峰状衍射光栅结构，所述耦出峰状衍射光栅结构由多组与所述多组耦入衍射光栅对应的耦出衍射光栅混叠而成，每组所述耦出衍射光栅对应耦出一特定波长的图像光信号。

进一步的，所述耦入衍射光栅和所述耦出衍射光栅通过由两束平面波构成的光束组曝光形成。

进一步的，所述耦入峰状衍射光栅结构和所述耦出峰状衍射光栅结构分别经多次单光束组曝光形成，每次单光束组曝光均对应形成一组耦入衍射光栅或一组耦出衍射光栅。

进一步的，所述耦入峰状衍射光栅结构和所述耦出峰状衍射光栅结构分别经一次多光束组曝光形成，曝光过程中，每组光束组均对应形成一组耦入衍射光栅或耦出衍射光栅。

进一步的，所述功能性区域还包括位于波导上表面或下表面的中继功能性区域，所述中继功能性区域内设置有改变光束在波导镜片内的传播方向的中继衍射光栅结构。

进一步的，所述耦入衍射光栅和所述耦出衍射光栅为具有波长选择性的斜光栅、体光栅或闪耀光栅

进一步的，所述混频式单片波导镜片用于调控三基色图像光信号，其中：耦入峰状衍射光栅结构由三组耦入衍射光栅混叠而成，所述三组耦入衍射光栅分别将红光图像光信号、蓝光图像光信号及绿色图像光信号以不同角度耦合至波导；耦出峰状衍射光栅结构由三组耦出衍射光栅混叠而成，所述三组耦出衍射光栅分别将红光图像光信号、蓝光图像光信号及绿色图像光信号耦合出波导

进一步的，各功能性区域包括多个结构单元像素，每一结构单元像素均能耦合红光图像光信号、蓝光图像光信号及绿色图像光信号。

本实用新型第二方面提供了一种三维显示装置，其能够实现彩色三维虚拟成像，其具体技术方案如下：

一种三维显示装置，其包括：

微投影装置；

混频式单片波导镜片，所述混频式单片波导镜片为本实用新型第一方面所提供的混频式单片波导镜片。

进一步的。所述微投影装置的数目为两个，并分别与对应左右眼的混频式单片波导镜片对应设置。

与现有技术相比，本实用新型提供的混频式单片波导镜片及三维显示装置具有如下技术效果：

1、其由单片波导镜片单元实现彩色显示，从而保证了显示装置在结构上的紧凑性，同时降低了光损耗，提升了显示效果。

2、基于空间复用，功能性区域内的衍射光栅结构由为多组衍射光栅混叠形成的峰状的衍射光栅结构，其降低了光线之间的衍射串扰，提升了显示装置的显示效果。

附图说明

图1为本实用新型的一种三维显示装置在一个实施例中的剖面结构示意图；

图2为本实用新型的混频式单片波导镜片在一个实施例中的剖面结构示意图；

图3为实用新型中的入射功能性区域内的耦入峰状衍射光栅结构在一个实施例中的局部放大结构示意图；

图4为实用新型中的出射功能性区域内的耦出峰状衍射光栅结构在一个实施例中的局部放大结构示意图；

图5为本实用新型的混频式单片波导镜片在一个实施例中的平面结构示意图；

图6为本实用新型的混频式单片波导镜片在另一个实施例中的平面结构示意图；

图7A-图7D为一实施例中经三次单光束组曝光形成耦入峰状衍射光栅结构的曝光原理示意图；

图8A-8B为另一实施例中经一次三光束组曝光形成耦入峰状衍射光栅结构的曝光原理示意图；

图9为本实用新型的入射功能性区域的结构单元像素的平面结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，一种混频式单片波导镜片2，用于制备混频式单片波导三维显示装置，混频式单片波导镜片2包括：

波导21；

位于波导21的上表面或下表面的具有光学衍射功能的功能性区域(图2中，如果定义图像光信号入射的一面为上表面、出射的一面为下表面，则图2实施例中，两个功能性区域设于波导21的上表面)。

在一些实施例中，如图2和图5所示，功能性区域包括入射功能性区域22和出射功能性区域23，其中：

入射功能性区域22内设置有将外部图像光信号耦合至波导21上的耦入峰状衍射光栅结构，该耦入峰状衍射光栅结构由多组耦入衍射光栅混叠而成，每组耦入衍射光栅对应耦入一种特定波长(或者说是颜色)的图像光信号。

出射功能性区域23内设置有将波导内传输过来的图像光信号耦合出波导21的耦出峰状衍射光栅结构，该耦出峰状衍射光栅结构由多组与多组耦入衍射光栅对应的耦出衍射光栅混叠而成，每组耦出衍射光栅对应耦出一种特点波长(或者说是颜色)的图像光信号。

此处，需要进行说明的是，本实用新型所提及的特定波长的图像光信号，其中的“特定波长”是指某一波长范围。如红色图像光，其波长范围为610-650nm。因此，我们提及红色图像光的波长时，即指其波长为610-650nm，而不是其中的某个特定点值。此外，如本领域一般技术人员所周知的，目前的彩色显示装置至少为三基色模式，因此本实用新型提及的多组耦入衍射光栅、多组耦出衍射光栅，其中的“多组”可以被理解为三组及以上。

至于耦入峰状衍射光栅结构所包括的耦入衍射光栅的具体数目、耦出峰状衍射光栅结构所包括的耦出衍射光栅的具体数目，则可以根据其所构建的彩色三维显示装置的具体基色模式进行设置。如在三基色(红、绿、蓝)显示装置中，耦入峰状衍射光栅结构、耦出峰状衍射光栅结构分别包括三组衍射光栅，而在四基色显示系统中，耦入峰状衍射光栅结构、耦出峰状衍射光栅结构则分别包括四组衍射光栅，等等。

以三基色显示为例，如图3所示，耦入峰状衍射光栅结构由三组耦入衍射光栅混叠而成，分别为第一耦入衍射光栅221、第二耦入衍射光栅222及第三耦入衍射光栅223，其中：第一耦入衍射光栅221的结构与红色图像光的波长相匹配，其用于将红色图像光耦合至波导21；第二耦入衍射光栅222的结构与绿色图像光的波长相匹配，其用于将绿色图像光耦合至波导21；第三耦入衍射光栅223的结构与蓝色图像光的波长相匹配，其用于将蓝色图像光耦合至波导21。对应的，如图4所示，耦出峰状衍射光栅结构由三组耦出衍射光栅混叠而成。

由于峰状衍射光栅结构由耦入衍射光栅混叠而成，因此其包含了多个不同的振幅和相位信息。红绿蓝图像光同时入射峰状衍射光栅结构后，分别以不同的衍射角得到调整，从而避免了光线之间的串扰，最终提升了显示效果。

此处所描述的衍射光栅的结构包括光栅周期等参数，如本领域技术人员所周知的，通过对衍射光栅的周期等参数进行适应性设置，即能实现对特定波长(颜色)的光信号的调控，该特定波长范围外的光信号则会被该衍射光栅屏蔽(或者说无法通过该衍射光栅)。衍射光栅可以是斜光栅、体光栅或闪耀光栅等。

可见，本实用新型的混频式单片波导镜片2的功能性区域内的衍射光栅结构由多组具有不同结构的衍射光栅混叠而成，每组衍射光栅均能对应耦合一种特定波长的图像光信号。基于此结构，本实用新型实现了单片波导的彩色三维显示，从而大大地降低了三维显示装置的体积、重量及成本，并提升了显示效果。

与背景技术中的公开号为CN106773057A的中国实用新型专利申请中的单片全息衍射波导镜片相比，本实用新型中的混频式单片波导镜片，其功能性区域内的衍射光栅结构由多组衍射光栅混叠而成，降低了光线之间产生衍射串扰的可能性，进一步提升了显示效果。

优选的，如图6所示，所述功能性区域还包括中继功能性区域24，中继功能性区域24内设置有改变图像光信号在波导镜片内的传播方向的中继衍射光栅结构。中继功能性区域24将入射功能性区域22及波导21传导来的图像光信号改变方向后再经波导21传导至出射功能性区域23，从而延长了波导传输距离，实现了对图像的进一步放大，提升了显示效果。

在一些优选实施例中，一般将功能性区域设定为像素结构。如图9所示，以入射功能性区域22为例，入射功能性区域22内包括多个结构单元像素，每个结构单元像素内均设置有由第一耦入衍射光栅221、第二耦入衍射光栅222及第三耦入衍射光栅223混叠而成的耦入峰状衍射光栅结构，因此，每个结构单元像素均能耦合红光图像光信号、蓝光图像光信号及绿色图像光信号。

图1为一些实施例中，利用上述混频式单片波导镜片2构建的三维显示装置的剖面结构示意图，该三维显示装置用于实现三基色彩色成像。图1实施例中的各功能性区域均设置在波导21的入光面上，即设置在波导21的上表面。

结合图2至图4，图像光从微投影装置1发出并照射至波导21的入射功能性区域22，此时图像光中的三种基色光实现分光，其中：红色图像光信号经第一耦入衍射光栅221耦入至波导21内，衍射光线满足在波导内全反射要求；绿色图像光信号经第二耦入衍射光栅222耦入至波导21内，衍射光线满足在波导内全反射要求；蓝色图像光信号经第三耦入衍射光栅223耦入至波导21内，衍射光线满足在波导内全反射要求。

可见，经入射功能性区域22内的三耦入衍射光栅分光后，波导21内形成三条互不干扰的光信号传输通道，从而实现了对红色图像光信号、绿色图像光信号及蓝色图像光信号的同步、无干扰传输，后经耦出峰状衍射光栅结构耦出后聚焦至人眼。

在构建一套三维显示装置时，一般会包括两套微投影装置1和两片混频式单片波导镜片2，分别对应左右眼显示。

从制备工艺上考虑，可见，要获得本实用新型的混频式单片波导镜片2，关键问题是如何制备出由多组衍射光栅混叠而成的衍射光栅结构。

如本领域一般技术人员所熟知，现阶段，一般采用两束平面波通过干涉曝光工艺在波导上制备衍射光栅。根据光栅的基本理论，制得的衍射光栅的周期与两束平面波的夹角及波长之间满足如下数量关系：

其中，d为衍射光栅的周期，θrec为两束平面波的夹角，λrec为平面波的光波长。

因此，当选定好两束平面波的光波长后，通过设置两束平面波的夹角，即能够获得具有对应周期的衍射光栅，以满足对不同波长的基色光的调控。

本实用新型实施例中，仍然采用现有技术中的两束平面波干涉曝光工艺来制备功能性区域内的衍射光栅。以调控三基色图像光信号为例，下文以耦入峰状衍射光栅结构的制备过程为例，详细及介绍如何通过曝光工艺制备出由三组衍射光栅混叠而成的衍射光栅结构。

如图7A-7D所示，在第一类实施例中，依次经三次单光束组曝光形成该耦入峰状衍射光栅结构，即：曝光光源仅包括一组由两束平面波构成的光束组，具体的：

第一次单光束组曝光：如图7A，根据平面波的波长及待制备的第三耦入衍射光栅213的周期结构，将两束平面波的夹角调整至θ1，使用调整好的两束平面波对光波导21上的入射功能性区域22实施第一次曝光操作，以制备出第三耦入衍射光栅223，该第三耦入衍射光栅223用于实现对蓝色图像光信号的耦入。

第二次单光束组曝光：如图7B，根据平面波的波长及待制备的第二耦入衍射光栅212的周期结构，将两束平面波的夹角调整至θ2，使用调整好的两束平面波对光波导21上的入射功能性区域22实施第二次曝光操作，以制备出第二耦入衍射光栅222，该第二耦入衍射光栅222用于实现对绿色图像光信号的耦入。

第三次单光束组曝光：如图7C，根据平面波的波长及待制备的第一耦入衍射光栅221的周期，将两束平面波的夹角调整至θ3，使用调整好的两束平面波对光波导21上的入射功能性区域22实施第三次曝光操作，以制备出第一耦入衍射光栅221，该第一耦入衍射光栅221用于实现对红色图像光信号的耦入。

经过前后三次单光束组曝光后，如图7D，入射功能性区域22内形成由三组入衍射光栅混叠而成的耦入峰状衍射光栅结构。

在一个具体实施例中，平面波的波长被设定为532nm,计算出的两束平面波的夹角分别为：θ1＝166°,θ2＝120°,θ3＝93°。

当然，在另外一些实施例中，也可以按其他曝光顺序来制备三组耦入衍射光栅，如第一次单光束组曝光用于制备第一耦入衍射光栅221、第二次单光束组曝光用于制备第二耦入衍射光栅222、第三次单光束组曝光用于制备第三耦入衍射光栅223。

如图8A-8B所示，在第二类实施例中，经一次三光束组曝光即能形成耦入峰状衍射光栅结构，即：曝光光源包括三组光束组，分别为第一光束组a、第二光束组c及第三光束组d，每组光束组各组包括两束平面波，具体的：

如图8A，参照上述第一类实施例，将第一光束组a中的两束平面波的夹角为调整为θ1，将第二光束组b中的两束平面波的夹角调整为θ2，将第三光束组c中的两束平面波的夹角为调整为θ3。使用调整好的三组光束组对光波导21上的入射功能性区域22实施曝光，从而同步地在入射功能性区域22制备出相互混叠的第一耦入衍射光栅221、第二耦入衍射光栅222和第三耦入衍射光栅223，也即形成了图8B所示的耦入峰状衍射光栅结构。

在一个具体实施例中，各平面波的波长被设定为532nm,各光束组中的两束平面波的夹角分别为：θ1＝166°,θ2＝120°,θ3＝93°，曝光中，第一光束组a实现了第三耦入衍射光栅223的制备，第二光束组b实现了第二耦入衍射光栅222的制备，第三光束组c实现了第一耦入衍射光栅221的制备。

可见，与第一类实施例中的三次单光束组曝光相比，第二类实施例中的一次三光束组曝光能够通过一次曝光即完成了耦入峰状衍射光栅结构的制备，其显著地提升了光栅制备效率。

上文对本实用新型进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本实用新型的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本实用新型的保护范围。本实用新型所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。

Claims (10)

1.一种混频式单片波导镜片，其特征在于，其包括：

波导；

位于波导上表面或下表面的具有光学衍射功能的功能性区域，所述功能性区域至少包括：

入射功能性区域，所述入射功能性区域内设置有将外部图像光信号耦合至波导的耦入峰状衍射光栅结构，所述耦入峰状衍射光栅结构由多组耦入衍射光栅混叠而成，每组所述耦入衍射光栅对应耦入一特定波长的图像光信号；

出射功能性区域，所述出射功能性区域内设置有将波导内传输过来的图像光信号耦合出波导的耦出峰状衍射光栅结构，所述耦出峰状衍射光栅结构由多组与所述多组耦入衍射光栅对应的耦出衍射光栅混叠而成，每组所述耦出衍射光栅对应耦出一特定波长的图像光信号。

2.如权利要求1所述的混频式单片波导镜片，其特征在于，所述耦入衍射光栅和所述耦出衍射光栅通过由两束平面波构成的光束组曝光形成。

3.如权利要求2所述的混频式单片波导镜片，其特征在于，所述耦入峰状衍射光栅结构和所述耦出峰状衍射光栅结构分别经多次单光束组曝光形成，每次单光束组曝光均对应形成一组耦入衍射光栅或一组耦出衍射光栅。

4.如权利要求2所述的混频式单片波导镜片，其特征在于，所述耦入峰状衍射光栅结构和所述耦出峰状衍射光栅结构分别经一次多光束组曝光形成，曝光过程中，每组光束组均对应形成一组耦入衍射光栅或耦出衍射光栅。

5.如权利要求1所述的混频式单片波导镜片，其特征在于，所述功能性区域还包括位于波导上表面或下表面的中继功能性区域，所述中继功能性区域内设置有改变图像光信号在波导内的传播方向的中继衍射光栅结构。

6.如权利要求1所述的混频式单片波导镜片，其特征在于，所述耦入衍射光栅和所述耦出衍射光栅为具有波长选择性的斜光栅、体光栅或闪耀光栅。

7.如权利要求1所述的混频式单片波导镜片，其特征在于，其用于调控三基色图像光信号，其中：

所述耦入峰状衍射光栅结构由三组耦入衍射光栅混叠而成，所述三组耦入衍射光栅分别将红光图像光信号、蓝光图像光信号及绿色图像光信号以不同角度耦合至波导；

所述耦出峰状衍射光栅结构由三组耦出衍射光栅混叠而成，所述三组耦出衍射光栅分别将红光图像光信号、蓝光图像光信号及绿色图像光信号耦合出波导。

8.如权利要求7所述的混频式单片波导镜片，其特征在于，各功能性区域包括多个结构单元像素，每一个结构单元像素均能耦合红光图像光信号、蓝光图像光信号及绿色图像光信号。

9.一种三维显示装置，其特征在于：其包括：

微投影装置；

混频式单片波导镜片，所述混频式单片波导镜片为权利要求1至8任一项所述的混频式单片波导镜片。

10.如权利要求9所述的三维显示装置，其特征在于：所述微投影装置的数目为两个，并分别与对应左右眼的混频式单片波导镜片对应设置。

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