CN214335372U - 全息波导镜片及增强现实显示装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种全息波导镜片，其包括波导和设于波导表面上的耦入区域和耦出区域，耦入区域被配置为使得入射图像光线被耦合到波导中并沿波导全反射传导耦合至耦出区域，耦出区域被配置为将波导中的光线从波导耦出，全息波导镜片还包括设于波导表面上且用以反射光线的反射层，反射层和耦入区域相对设置在波导的两侧。该全息波导镜片的结构简单且易于制备，当光线经耦入区域进入波导时，形成的0级衍射光线会被反射层反射回至波导内并在波导内继续传送至耦出区域，减少了透射出波导的光线，提高了光线利用效率。

Description

全息波导镜片及增强现实显示装置

技术领域

本实用新型涉及一种全息波导镜片及增强现实显示装置，属于显示设备技术领域。

背景技术

增强现实(AR)显示是把真实世界信息和虚拟世界信息交融处理，把原本在自然世界中的感官刺激等，通过计算机技术，模拟处理后将虚拟的信息叠加到真实世界，被人类感官所感知。而针对视觉信息的融合呈现被认为是混合现实系列技术突破的重中之重。所谓视觉信息融合就是需要一种显示技术，它能把周围的视觉环境与虚拟的图形信息融合，即把真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间，这种技术又叫增强现实显示技术。

人们广泛认为，AR将取代手机成为下一代便携式计算显示平台。据市场分析机构IDC预测，2023年全年AR眼镜销量将达到3190万台，对应2019-2023年复合增长率高达169％；据中国信息通讯研究院预测，2022年全球AR市场规模将达到1416.7亿元，对应2019-2022年复合增速达到79％。AR技术为人与机器、自然景物提供了三方交互的平台和可能性，将在军事、医疗、建筑、教育、工程、影视、娱乐等诸多领域有广阔的应用前景，并将颠覆人们的日常生活习惯。

在众多增强现实显示技术方案中，衍射波导由于其超薄、超透且近眼显示匹配度高的特性，目前成为众多巨头的主要研究方案。在衍射波导方案中，采用衍射结构单元控制光线走线，理想情况中，衍射结构单元仅将光线衍射至人眼。然而由于耦入区域为衍射结构，其特征决定耦入波导的光线的效率不会太高，光线经耦入区域时，仅部分光线会衍射后在波导内传导，0级衍射光线会透过波导出射，这部分光线没有被利用，从而导致光线在耦入时存在大量损失，从而导致整体显示装置的光利用效率较低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光利用效率高且结构简单的全息波导镜片。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种全息波导镜片，包括波导和设于所述波导表面上的耦入区域和耦出区域，所述耦入区域被配置为使得入射图像光线被耦合到所述波导中并沿所述波导传导至耦出区域，所述耦出区域被配置为将所述波导中的光线从所述波导耦出，所述全息波导镜片还包括设于所述波导表面上且用以反射光线的反射层，所述反射层和所述耦入区域相对设置在所述波导的两侧。

进一步地，所述反射层和所述耦入区域在所述波导表面的投射至少部分重叠。

进一步地，所述反射层的尺寸不小于所述入射图像光线在所述波导表面的投射尺寸。

进一步地，所述耦入区域和所述耦出区域为周期性光栅结构。

进一步地，所述反射层的材料为金、银或铝。

进一步地，所述反射层的厚度为15nm-100um。

进一步地，所述波导的透过率大于80％。

进一步地，所述波导的厚度小于2mm。

进一步地，所述全息波导镜片还包括设于所述波导表面上的转折区域，所述转折区域用于改变光线在所述波导内的传播方向。

本实用新型还提供一种增强现实显示装置，所述增强现实显示装置包括图像输出源、成像元件、以及如上所述的全息波导镜片。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型所示的结构简单且易于制备的全息波导镜片，包括波导和设于波导表面上的耦入区域、耦出区域以及用以反射光线的反射层，反射层和耦入区域相对设置在波导的两侧，当光线经耦入区域进入波导时，形成的0级衍射光线会被反射层反射回至波导内并在波导内继续传送至耦出区域，减少了透射出波导的光线，提高了光线利用效率。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本实用新型一实施例所示的全息波导镜片的结构示意图；

图2为现有技术中无反射层的全息波导镜片的结构示意图；

图3为现有技术中无反射层的全息波导镜片的光线斜入射结构示意图；

图4为图1中所示的全息波导镜片的另一结构示意图；

图5为图1中所示的全息波导镜片的第三结构示意图；

图6为图1中所示的全息波导镜片中光线0°入射到反射层的吸收、反射和透射效率与波长的关系图；

图7为图1中所示的全息波导镜片的光线40°入射到反射层的结构示意图；

图8为图7中所示的全息波导镜片中光线40°入射到反射层的吸收、反射和透射效率与波长的关系图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图1，本实用新型一实施例所示的全息波导镜片，其包括波导1和设于波导1表面上的耦入区域2和耦出区域3。耦入区域2被配置为使得入射图像光线被耦合到波导1中并沿波导1传导至耦出区域3，耦出区域3被配置为将波导1中的光线从波导1耦出。

波导1将耦入的光线在满足全反射的条件下，能够向特定方向持续传导，波导1的透过率大于80％，波导1可以为玻璃、树脂或者在可见光下透过率大于80％的材料，在此不一一列举。波导1的厚度小于2mm，波导1的具体厚度在此不做具体限定，可根据实际需要进行设置。

耦入区域2和耦出区域3为都为周期性光栅结构，如纳米级的浮雕光栅，周期性光栅结构可以直接制作在波导1衬底上，也可以预先制作在薄膜上，再将载有光栅结构的薄膜与波导1衬底结合。形成耦入区域2和耦出区域3的光栅结构底部可位于波导1表面上或者波导1内。

耦入区域2和耦出区域3可以均可为矩形，其中，耦入区域2也可以采用圆形或其它形状，根据需要而定。耦入区域2和耦出区域3沿同一轴线排布在波导1的同一面的两侧或不同面的两侧，本实施例中，耦入区域2和耦出区域3位于波导1的同一表面上且两者之间具有间距。光栅结构可采用全息干涉技术、光刻技术或纳米压印技术制备而成，根据实际需要可自由选择。

耦入区域2优选为倾斜浮雕光栅，入射图像光线在耦入区域2位置，通过衍射过程被耦合至波导1内。倾斜设置的衍射光栅对波长具有选择性，避免色散，针对某一波段具有较高的衍射效率。耦出区域3的光栅结构的周期和取向和耦入区域2的光栅一致，其可为正光栅或者倾斜光栅。

请参见图2和图3，当光线耦入波导1内时，无论入射图像光线是垂直入射还是斜入射，仅部分光线会衍射后在波导1内传导，0级衍射光线都会透过波导1出射，该部分光线没有利用，从而导致在起初耦入的时候光线存在大量损失，从而影响整体传导的光利用效率。

请参见图1，为了提高光利用效率，全息波导镜片还包括设于波导1表面上且用以反射光线的反射层4，反射层4和耦入区域2相对设置在波导1的两侧且反射层4和耦入区域2在波导1表面的投射至少部分重叠，以将经过耦入区域2衍射形成的0级衍射光线透射出波导1后被反射层4反射回波导1内并与耦入区域2作用后，在波导内传送至耦出区域3，有效的提升了耦入的整体效率，提升了光线利用效率。反射层4的材料为金、银或铝，但不仅限于此，反射层4的材料还可以为其他能够高效率反射光线的材料或者复合材料，在此不一一列举。为了将照射至反射层4上的光线反射，反射层4的厚度为15nm-100um，具体厚度可根据实际需要进行设置。需要说明的是，金、银或铝为现有材料，且形成在波导1表面上与波导1的材料不发生任何反应，稳定性强。

全息波导镜片还包括设于波导1表面上的转折区域(未图示)，转折区域用于改变光线在波导1内的传播方向。当光线入射至耦入区域2后，光线在波导1内全反射至转折区域，转折区域改变光线的传播方向，使改变方向后的光线全反射至耦出区域3，可以对输出图像进行有效扩瞳，从而扩大了视角范围，更能满足用户需求。

请参见图4和图5，为了将透射出波导1的光线全都反射回波导1内，反射层4的尺寸不小于入射图像光线在波导1表面的投射尺寸。因耦入区域2和耦出区域3之间具有间距，为了不影响耦出的图像光线进入观察者眼睛，反射层4与耦出区域3在波导1上形成的投影没有重叠。反射层4的尺寸既可以大于耦入区域2的尺寸，也可以小于耦入区域2的尺寸，只需要满足，反射层4的尺寸不小于入射图像光线在波导1表面的投射尺寸且不影响观察即可。需要说明的是，反射层4在波导1表面的投影覆盖入射图像光线在波导1表面的投射区域。

请参见图6，入射图像光入射至耦入区域2后，0级衍射衍射光线0°入射至反射层4，反射层4的反射效率在85％以上，故，大部分光线被反射层4反射至波导1内，提高了光线的耦入效率。

请参见图7和图8，入射图像光入射至耦入区域2后，原来的40°衍射光线入射至反射层4，反射层4的反射效率在90％以上，即反射层4的存在并不会对其他角度的反射产生不利影响。

通过设置耦入区域2和耦出区域3的光栅结构的尺寸、两者之间的距离、光栅的具体结构，波导1的厚度尺寸以及反射层4的位置和尺寸，可以实现入射图像光线经耦入区域2衍射耦入，一部分光线经波导1反射并传送至耦出区域3，剩余的光线照射至反射层4并被反射层4反射到波导1内，与耦入区域2的光栅作用并在波导1内传送至耦出区域3，从而提高光效利用率。由于波导1内传播时间远小于图像的刷新间隔，因此不会引起串扰。

本实用新型还提供一种增强现实显示装置，其包括图像输出源、成像元件、以及如上所示的全息波导镜片。图像光线经成像元件成像后经过耦入区域耦入波导中，并向耦出区域传播，透射的光线经过反射层，再次进入波导内，光线最后经耦出区域耦出全息波导镜片，在全息波导镜片的前方空间中形成虚拟图像，并可进一步和现实景物融合，形成增强现实的图像显示。

增强现实显示装置中的全息波导镜片可以根据需要包含一片或者多片，实现单色或者彩色增强现实显示功能。该增强现实显示装置有着实现难度低、易于复制生产、观察舒适的优点。在实际应用中，可以选择，耦入区域的宽度和全息波导镜片的图像出瞳的宽度一致。

综上，本实用新型所示的结构简单且易于制备的全息波导镜片，包括波导和设于波导表面上的耦入区域、耦出区域以及用以反射光线的反射层，反射层和耦入区域相对设置在波导的两侧，当光线经耦入区域进入波导时，形成的0级衍射光线会被反射层反射回至波导内并在波导内继续传送至耦出区域，减少了透射出波导的光线，提高了光线利用效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种全息波导镜片，其特征在于，包括波导和设于所述波导表面上的耦入区域和耦出区域，所述耦入区域被配置为使得入射图像光线被耦合到所述波导中并沿所述波导传导至耦出区域，所述耦出区域被配置为将所述波导中的光线从所述波导耦出，所述全息波导镜片还包括设于所述波导表面上且用以反射光线的反射层，所述反射层和所述耦入区域相对设置在所述波导的两侧。

2.如权利要求1所述的全息波导镜片，其特征在于，所述反射层和所述耦入区域在所述波导表面的投射至少部分重叠。

3.如权利要求1所述的全息波导镜片，其特征在于，所述反射层的尺寸不小于所述入射图像光线在所述波导表面的投射尺寸。

4.如权利要求1所述的全息波导镜片，其特征在于，所述耦入区域和所述耦出区域为周期性光栅结构。

5.如权利要求1所述的全息波导镜片，其特征在于，所述反射层的材料为金、银或铝。

6.如权利要求1所述的全息波导镜片，其特征在于，所述反射层的厚度为15nm-100um。

7.如权利要求1所述的全息波导镜片，其特征在于，所述波导的透过率大于80％。

8.如权利要求1所述的全息波导镜片，其特征在于，所述波导的厚度小于2mm。

9.如权利要求1所述的全息波导镜片，其特征在于，所述全息波导镜片还包括设于所述波导表面上的转折区域，所述转折区域用于改变光线在所述波导内的传播方向。

10.一种增强现实显示装置，其特征在于，所述增强现实显示装置包括图像输出源、成像元件、以及如权利要求1-9任一项所述的全息波导镜片。

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