CN214225584U - 一种衍射光学显示器件以及增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种衍射光学显示器件，包括用于输出成像光线的成像芯片；用于接收成像芯片输出的光线，并对成像光线衍射输出显示的衍射光学元件；其中，衍射光学元件包括多个子衍射区域，每个子衍射区域用于对特定的入射角度范围的光线进行衍射，使得成像芯片上每个像素区域输出的成像光线被特定的子衍射区域衍射。本申请中将衍射光学元件划分了多个子衍射区域，使得每个子衍射区域对可衍射光线的入射角度存在选择性，能够使得成像芯片上各个像素点输出的光线仅仅能够被特定子衍射区域衍射，减小了因同一像素点输出的光线在衍射光学元件上不同区域被衍射出射的光线传输方向差异性大导致的色差问题，提升用户使用体验。

Description

一种衍射光学显示器件以及增强现实显示设备

技术领域

本实用新型涉及光学元件技术领域，特别是涉及一种衍射光学显示器件以及增强现实显示设备。

背景技术

在增强现实显示技术以及其他投影显示技术领域中，需要利用光学显示器件将成像光线传导至人眼中。而在光学器件中实现这种光线传导的包括几何光学器件和衍射光学器件。几何光学器件对波长不敏感，相同角度不同波长的入射光线经过几何光学界面之后的传播方向差异较小，使得光线经过几何光学器件的色差较小的优点，但是也存在器件占用空间体积大的问题；而衍射光学器件利用单个面的衍射作用来代替多组传统透镜的折射和反射光路，因而能极大的缩小光学系统的体积，但是现有的衍射光学元件却存在较大色差的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种衍射光学显示器件以及增强现实显示设备，能够在一定程度上减少显示图像的色差。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种衍射光学显示器件，包括：

用于输出成像光线的成像芯片；

用于接收所述成像光线，并对所述成像光线衍射输出显示的衍射光学元件；

其中，所述衍射光学元件包括多个子衍射区域，每个所述子衍射区域用于对特定的入射角度范围的光线进行衍射，使得所述成像芯片上每个像素区域输出的所述成像光线被特定的所述子衍射区域衍射。

在本申请的一种可选地实施例中，所述成像芯片包括阵列分布的多个所述像素区域；所述衍射光学元件的各个子衍射区域呈阵列分布；每个所述子衍射区域分别衍射对应的所述像素区域输出的光线。

在本申请的一种可选地实施例中，每个所述像素区域对应的所述子衍射区域包括多个子衍射区域；同一所述像素区域对应的每个所述子衍射区域可衍射光线的波长范围不同。

在本申请的一种可选地实施例中，同一行所述子衍射区域可衍射光线的波长范围相同；同一列所述子衍射区域可衍射光线的波长范围不相同。

在本申请的一种可选地实施例中，所述衍射光学元件为浮雕光栅或全息体光栅元件。

在本申请的一种可选地实施例中，所述衍射光学元件中位于同一行或同一列的各个所述子衍射区域对应的光栅周期和光栅倾斜角均逐个变化。

在本申请的一种可选地实施例中，各个所述子衍射区域的面积大小相同。

在本申请的一种可选地实施例中，所述衍射光学元件的厚度为20nm～200um。

在本申请的一种可选地实施例中，还包括和所述衍射光学元件贴合连接的光波导。

本申请还提供了一种增强现实显示设备，包括如上任一项所述的衍射光学显示器件。

本实用新型所提供的衍射光学显示器件，包括用于输出成像光线的成像芯片；用于接收成像芯片输出的光线，并对成像光线衍射输出显示的衍射光学元件；其中，衍射光学元件包括多个子衍射区域，每个子衍射区域用于对特定的入射角度范围的光线进行衍射，使得成像芯片上每个像素区域输出的成像光线被特定的子衍射区域衍射。

本申请中所提供的衍射光学显示器件中将衍射光学元件划分了多个子衍射区域，使得每个子衍射区域对可衍射光线的入射角度存在选择性，而在成像芯片上各个像素区域向同一个子衍射区域入射光线的角度显然是不相同的，由此，因为子衍射区域仅仅能够对特定角度范围内的像素区域的光线进行衍射，对于同一像素区域而言，其光线也仅仅能够被特定子衍射区域衍射，从而避免不同子衍射区域对同一像素区域的光线衍射而输出不同衍射方向的光线的问题；也即是减小了来同一个像素区域可被衍射光线的入射角宽度，进而减小了同一像素区域出射的光线在衍射光学系统传播过程中的杂光数量，进而减小色差。此外，因为单个子衍射区域仅仅只需要对小的入射角度范围内的光线进行衍射，而无需对各个较大角度范围的不同入射角度光线进行衍射，有利于提升单个子衍射区域对角度范围区间内的光线的衍射效率，进而保证了衍射光线的成像亮度。

由此，本申请中所提供的衍射光学显示器件能够在一定程度上减少成像芯片同一位置输出的光线的杂光数量，进而降低光线衍射出射显示的色差问题，并保证了成像图像的亮度，提升用户使用体验。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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为现有技术中衍射光学元件对成像芯片输出光线衍射的光路示意图；

图2为本申请实施例提供的衍射光学显示器件的光路结构示意图；

图3为本申请实施例提供的衍射光学显示器件的另一光路结构示意图。

具体实施方式

图1为现有技术中衍射光学元件对成像芯片输出光线衍射的光路示意图。如图1所示，成像芯片向衍射光学元件上不同位置M、N输出的成像光线的角度各不相同，且成像芯片各个不同的像素区域a、b、c向衍射光学元件上同一位置区域上输出的成像光线的入射角度也各不相同。

而对于每个位置区域而言需要对成像芯片各个像素区域从各个不同角度入射的光线均进行衍射，因为成像芯片输出的光线为宽波段的光线，难以做到所有每种波段光线从不同角度入射至衍射光线元件上的光线衍射出射的方向均相互平行衍射出射，也就是说，同一像素区域输出的光线被衍射光学元件上不同位置衍射出射的光线之间并不能保证具有良好的平行性。而该不相互平行的衍射光线入射至人眼时，因成像芯片上同一个物点发出光线在经过衍射元件上不同位置衍射之后就具有不同的传播方向，不同传播方向的光线进入人眼之后汇聚在不同的视网膜位置，人眼中不同视网膜位置表达人眼接收到的像点位置是不同的。即：相同的物点发出的不同方向的光线，最终在人眼中汇聚在不同的像点上，由此在人眼中产生色差。

为此，本申请中提出了一种能够在一定程度上减小衍射光学显示器件输出的光线成像的色差问题的技术方案。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。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，都属于本实用新型保护的范围。

如图2至图3所示，图2为本申请实施例提供的衍射光学显示器件的光路结构示意图，图3为本申请实施例提供的衍射光学显示器件的另一光路结构示意图；该衍射光学显示器件可以包括：

用于输出成像光线的成像芯片2；

用于接收成像光线，并对成像光线衍射输出显示的衍射光学元件1；

其中，衍射光学元件1包括多个子衍射区域11，每个子衍射区域11用于对特定的入射角度范围的光线进行衍射，使得成像芯片2上每个像素区域输出的成像光线被特定的子衍射区域11衍射。

本实施例中将衍射光学元件1衍射成像光线的表面划分为多个子衍射区域11，每个子衍射区域11仅仅只对特定入射角度范围内的光波进行衍射，也即是说每个子衍射区域11对入射角度范围具有选择性，因为同一个子衍射区域11仅仅只对一个相对较小范围内的入射角度光线进行衍射。而在成像芯片2上同一像素位置相对于每个子衍射区域11的方位不同，那么同一像素位置输出的光线入射到各个子衍射区域11的角度也就各不相同。在各个子衍射区域11仅仅只能对特定入射角度范围内的光线进行衍射的基础上，也就仅仅只有特定的子衍射区域11能够对成像芯片2上同一像素位置输出的光线进行衍射，由此即可在很大程度上减少能够对同一像素位置输出光线进行衍射的衍射光线方向，从而减少衍射光线成像的色差问题。

参考图2，基于成像芯片上各个像素区域a、b、c和衍射光学区域中各个不同的子衍射区域A、B、C的距离各不相同，显然，三个像素区域入射至三个不同衍射子区域的光线角度也必然不同。基于子衍射区域A、B、C对可衍射光线角度范围的可选择性，可以设定子衍射区域A可衍射光线的角度范围为像素区域a输出光线入射至子衍射区域A的角度范围，显然像素区域b输出光线入射至子衍射区域A的角度并不能在子衍射区域A发生衍射。同理对于像素区域b、c输出的成像光线也仅仅只能分别从子衍射区域B、C衍射出射。

对于成像芯片2而言，因为其每个像素区域能够衍射其成像光线的子衍射区域11减少，进而使得其对应的衍射光线的传输方向减少，由此即可在一定程度上减少衍射光学元件1输出衍射光线成像所产生的色差。

此外，成像芯片2向每个子衍射区域11入射的光线的波长也是存在也是一个较大的波段区间，而对于衍射光线元件1而言，不仅仅对入射光线的入射角度敏感，还对入射光线的波长较为敏感，对于不同波长的光线，其衍射出射的光线也存在差异性。但为了避免衍射光线在人眼中出现重影，应当尽可能保证同一子衍射区域11内衍射相同波长的光线的方向应当相同，因为每个子衍射区域11内可衍射光线的角度范围相对较小，因此，同一子衍射区域11对同种波长可衍射光线的入射角度范围也相对较小，能够在一定程度上保证同种光波的衍射方向的一致性。

并且，因为每个子衍射区域11仅仅只需要对小范围入射角度的光线进行衍射，基于衍射光学元件1对光线衍射的特性可知，仅仅只对小范围入射角度的光线衍射，可以在一定程度上提升子衍射区域对特定入射角度范围的光线的衍射效率，进而保证了衍射光学元件衍射输出的光线的成像亮度。

进一步地，对于衍射光学元件1而言具体可以为光栅元件，例如该衍射光学元件可以采用浮雕光栅或者是全息体光栅等等，光栅尺寸可以采用20nm～200um等等，对此本申请中不做具体限制。

以衍射光栅为例，每个子衍射区域11可衍射光线的入射角度范围，主要由光栅的光栅矢量决定，光栅矢量由光栅周期和光栅倾斜角决定。为此，在实际应用过程中可以在衍射光学显示器件的不同子衍射区域11设置不同的光栅周期和光栅倾斜角，从而实现子衍射区域对可衍射光线的入射角度具有选择性，进而实现本申请中减少衍射出射光线的色差问题。

综上所述，本申请所提供的衍射光线显示器件中，将衍射光学器件划分为多个不同的子衍射区域，每个子衍射区域对可衍射光线的入射角度存在可选择性，使得成像芯片上每个像素位置输出的成像光线仅仅只有特定的子衍射区域能够进行衍射，减小衍射出射光线的输出方向的角度范围，从而在一定程度上减少衍射出射光线成像的色差。

基于上述任意实施例，在本申请的一种可选地实施例中，还可以进一步地包括：

成像芯片2包括阵列分布的多个像素区域；衍射光学元件1的各个子衍射区域11呈阵列分布；每个子衍射区域11分别衍射对应的像素区域21输出的光线。

参考图3，图3为本申请实施例提供的衍射光学显示器件的另一光路结构示意图。在实际应用过程中，衍射光学元件1的各个子衍射区域11可以以阵列分布形式划分。同理也可以将成像芯片2上的各个像素区域21进行阵列划分。由此，各个像素区域21和各个子衍射区域11之间可以呈现一一对应的关系，每个像素区域21在衍射光学元件1上存在可衍射其输出的成像光线对应的子衍射区域11，而每个子衍射区域11也存在可衍射对应输出的成像光线的的像素区域21。

当然，在实际应用过程中，每个像素区域21并不必然仅仅存在一个对应的子衍射区域11，而每个子衍射区域11也并不仅仅限于只能衍射一个像素区域21输出的光线。

参考图3，每个子衍射区域11可以设定一个主衍射入射角度范围，例如，对于子衍射区域(1，1)，其主衍射光线的入射角度范围可以是像素区域[1，1]输出的光线入射至子衍射区域(1，1)的角度范围，由此，子衍射区域(1，1)对像素区域[1，1]输出的成像光线具有超高衍射效率；而子衍射区域(1，1)对像素区域[2，1]输出的成像光线也属于子衍射区域(1，1)可衍射光线角度范围内的光线，但衍射效率相对于对像素区域[1，1]输出光线的衍射效率要低。而子衍射区域(2，1)对像素区域[2，1]输出的成像光线具有超高衍射效率；而子衍射区域(2，1)也同样是像素区域[1，1]的可衍射区域，只是相对于对像素区域[2，1]的衍射效率而言，对像素区域[1，1]输出光线的衍射效率更低。以此类推，属于同一列的像素区域输出的成像光线，可以被具有相同列坐标的子衍射区域衍射，但具有相同矩阵坐标的子衍射区域衍射效率最高。

当然，在实际应用过程中，并不仅限于上述一种衍射方式。可以针对每个像素区域21分配设置多个相互相邻的子衍射区域11作为其对应的衍射区域，并以其中某一个或几个子衍射区域22作为衍射效率最高的衍射区域。而对于各个相邻像素区域21对应的子衍射区域11可以存在部分重合，尤其是对应的非最高衍射效率的区域，避免某个子衍射区域同时属于两个像素区域的高效率衍射区域，造成同一个子衍射区域需要对较大入射角度范围的角度均要高效率衍射，增加子衍射区域的加工难度。

基于上述论述，本申请中阵列分布的各个子衍射区域11可衍射光线的角度范围是存在部分重合的，且各个相邻子衍射区域11可衍射角度范围可以是渐变的。

在具体实施例中，如图3所示，在子衍射区域11的阵列中，同一行子衍射区域11或同一列子衍射区域11，以中心位置子衍射区域11为中心向两端方向的各个子衍射区域11的光栅周期可以逐渐增大；同理，在子衍射区域11的阵列中，同一行子衍射区域11或同一列子衍射区域11，以中心位置子衍射区域11为中心向两端方向的各个子衍射区域11的光栅倾斜角可以逐渐减小。也即是说，对于衍射光栅而言，衍射光学元件上各个子衍射区域11是以中心位置的子衍射区域11为中心，沿衍射光学元件1的中心向外的各个子衍射区域的光栅矢量逐渐变化，从而实现可衍射的光波入射角度的变化。

例如，若是同一列子衍射区域11是同一列像素区域21对应的衍射区域，仅仅是同一列像素区域21对应的最高衍射效的子衍射区域11为具有相同矩阵坐标的子衍射区域11，则在子衍射区域11的阵列中，同一列的子衍射区域11的光栅周期和光栅倾斜角逐渐渐变的范围大小应当远小于同一行的子衍射区域11的光栅周期和光栅倾斜角的渐变范围。

当然，在实际应用中，同样可以采用同一行子衍射区域11可衍射同一行像素区域21输出的成像光线，那么此时，应当同一行可衍射区域11的光栅周期和光栅倾斜角逐渐渐变的范围大小应当远小于同一列的子衍射区域21的光栅周期和光栅倾斜角的渐变范围。

如前所述，对于衍射光学元件而言，其衍射出射光线的传输方向，不仅仅对入射光线的入射角度敏感，还对入射光线的波长敏感。为此，在本申请的另一可选的实施例中，还可以进一步地包括：

每个像素区域对应的子衍射区域包括多个子衍射区域；同一像素区域对应的每个子衍射区域可衍射光线的波长范围不同。

本实施例中各个子衍射区域11在对可衍射光线的角度具有选择性的基础上，进一步地使得各个子衍射区域11可衍射的光线的波长范围也具有可选择性，从而进一步地减少因为衍射光线的波长不同而带来的衍射光线传播方向上的差异，进而进一步地减少衍射输出光线的成像色差。

例如，以图3中的像素区域[1，1]为例，可对其光线进行衍射的子衍射区域为和子衍射区域(1,1)位于同一列的子衍射区域11，而像素区域[1，1]对应的每个子衍射区域11仅仅只能对特定波段的光线进行衍射，因为像素区域[1，1]对应的每个子衍射区域11只需要对某一小波段范围内的光线进行衍射，从而可使得像素区域[1，1]对应的每个子衍射区域11衍射出射的各个不同波段的光线之间传输方向尽可能的相同，从而进一步低保证了同一像素区域21输出的光线经过对应的子衍射区域11衍射后不同波长光线之间的衍射传播方向能够保持一致性。

为了保证每个像素区域21内每每个波段的光线均存在对应的子衍射区域11可衍射，在本申请的另一可选地实施例中，可以包括：

同一行子衍射区域11可衍射光线的波长范围相同；同一列子衍射区域11可衍射光线的波长范围不相同；

同一列像素区域21输出成像光线的入射角度在同一列子衍射区域11可衍射光线的入射角度范围内。

如图3所示，例如子衍射区域(1，1)、(2，1)、(3，1)均可以对像素区域[1，1]输出的成像光线进行衍射，而子衍射区域(1，1)可衍射红色波段范围的光线，而子衍射区域(2，1)可衍射绿色波段范围内的光线，子衍射区域(3，1)可衍射蓝色波段范围内的光线，由此即可通过子衍射区域(1，1)、(2，1)、(3，1)实现像素区域[1，1]输出的光线的衍射，在减少色差的基础上，实现像素区域[1，1]所有波长范围内的光线的衍射。

当然，在实际应用过程中，每个子衍射区域11可衍射的光线的波段范围可以划分的更为细致，例如对于红色波段范围，可以依据波段范围的大小等分的划分三个相同区间大小的范围。对应地子衍射区域11也可以是三个面积大小相同的区域。

在实际应用过程中，可以将每个子衍射区域11的面积大小设定为相同大小，如图3所示；当然也可以设定为不同面积大小，对此本申请中不做具体限制。在实际应用中完全可以依赖衍射光学元件1加工方便决定。

基于上述论述，本申请中所提供的衍射光学显示器件中所包含的主要光学元件即为用于输出成像光线的成像芯片2，以及对成像芯片2输出的成像光线进行衍射的衍射光学元件1，但是在实际应用过程中，可以根据应用需要，配置其他光学元件。

例如，在本申请的一种可选的实施例中，该衍射光学显示器件中除了成像芯片2和衍射光学元件1之外还可以进一步地包括光波导；该衍射光学元件1贴合光波导设置，从成像芯片2输出的成像光线通过光波导入射至衍射光学元件1，并通过衍射光学元件1衍射出射至人眼中，形成成像画面。

例如AR显示设备中的镜片，该镜片也就相当于光波导，该衍射光学元件1也即是该光波导的耦出光栅元件，通过该衍射光学元件1的将光波导中的光线耦出至人眼范围内。

当然，对于本申请所提供的衍射光学显示器件，并不仅限于应用于增强现实显示设备，还可以应用于其他投影设备领域，对此，本申请中不再一一列举。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种衍射光学显示器件，其特征在于，包括：

用于输出成像光线的成像芯片；

用于接收所述成像光线，并对所述成像光线衍射输出显示的衍射光学元件；

其中，所述衍射光学元件包括多个子衍射区域，每个所述子衍射区域用于对特定的入射角度范围的光线进行衍射，使得所述成像芯片上每个像素区域输出的所述成像光线被特定的所述子衍射区域衍射。

2.如权利要求1所述的衍射光学显示器件，其特征在于，所述成像芯片包括阵列分布的多个所述像素区域；所述衍射光学元件的各个子衍射区域呈阵列分布；每个所述子衍射区域分别衍射对应的所述像素区域输出的光线。

3.如权利要求2所述的衍射光学显示器件，其特征在于，每个所述像素区域对应的所述子衍射区域包括多个子衍射区域；同一所述像素区域对应的每个所述子衍射区域可衍射光线的波长范围不同。

4.如权利要求3所述的衍射光学显示器件，其特征在于，同一行所述子衍射区域可衍射光线的波长范围相同；同一列所述子衍射区域可衍射光线的波长范围不相同。

5.如权利要求1至4任一项所述的衍射光学显示器件，其特征在于，所述衍射光学元件为浮雕光栅或全息体光栅元件。

6.如权利要求5所述的衍射光学显示器件，其特征在于，所述衍射光学元件中位于同一行或同一列的各个所述子衍射区域对应的光栅周期和光栅倾斜角均逐个变化。

7.如权利要求5所述的衍射光学显示器件，其特征在于，各个所述子衍射区域的面积大小相同。

8.如权利要求5所述的衍射光学显示器件，其特征在于，所述衍射光学元件的厚度为20nm～200um。

9.如权利要求5所述的衍射光学显示器件，其特征在于，还包括和所述衍射光学元件贴合连接的光波导。

10.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的衍射光学显示器件。

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