CN215833697U - 彩色波导及增强现实显示装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种彩色波导，包括波导和设于波导表面上的耦入区域、转折区域及耦出区域，耦入区域包括第一纳米光栅和覆盖在第一纳米光栅上的覆盖层，耦出区域包括第二纳米光栅，第一纳米光栅的取向与第二纳米光栅的取向形成90°夹角，转折区域包括相对设置在耦入区域两侧的第一转折分区和第二转折分区，且第一转折分区和第二转折分区以耦入区域的中心轴对称设置。图像光线分别经过耦入区域、转折区域和耦出区域的衍射后，能实现彩色增强现实显示，且覆盖层能够提升图像光线的衍射效率，从而有助于提升可见光波段整体的宽带衍射属性，该彩色波导的结构简单且合理，提高了耦合效率。

Description

彩色波导及增强现实显示装置

技术领域

本实用新型涉及一种彩色波导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((Augmented Reality，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。

在众多增强现实显示技术方案中，光学波导因其全反射光学特性、超薄、表面可加工等特点，在增强现实领域具备广泛的应用。然而，目前的大部分基于光学波导的增强现实显示技术，需要采用两片或两片以上的叠合方式来实现彩色显示的功能，且实际传导效率也不高，因此，在实际显示效果体验上差强人意。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种单片实现彩色显示且耦合效率高的彩色波导。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种彩色波导，包括波导和设于所述波导表面上的耦入区域、转折区域及耦出区域，所述耦入区域被配置为将图像光线耦合进入所述波导，所述转折区域用于将经所述波导传导的图像光线改变方向，所述耦出区域被配置为将经所述转折区域及所述波导传导的图像光线射出所述波导，所述耦入区域包括第一纳米光栅，所述耦出区域包括第二纳米光栅，所述第一纳米光栅的取向与所述第二纳米光栅的取向形成90°夹角，所述耦出区域的光栅周期与所述耦入区域的光栅周期相同，所述转折区域包括相对设置在所述耦入区域两侧的第一转折分区和第二转折分区，且所述第一转折分区和所述第二转折分区以所述耦入区域的中心轴对称设置，所述耦入区域包括覆盖在所述第一纳米光栅上的覆盖层。

进一步地，所述转折区域包括第三纳米光栅，所述第三纳米光栅的取向与所述第一纳米光栅的取向或所述第二纳米光栅取向形成45°夹角。

进一步地，所述第一转折分区的第三纳米光栅的取向和所述第二转折分区的第三纳米光栅的取向以所述耦入区域的中心轴对称设置。

进一步地，所述转折区域包括二维点阵。

进一步地，所述第一纳米光栅的折射率为1.4-2.0，所述覆盖层的折射率为1.8-3.0。

进一步地，所述覆盖层的厚度大于所述第一纳米光栅的高度，所述覆盖层的厚度为300-600nm，所述第一纳米光栅的高度为200-500nm。

进一步地，所述覆盖层的材料为氮化硅。

进一步地，所述耦入区域的光栅周期为200-600nm，所述转折区域的光栅周期为150-500nm。

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、以及如上所述的彩色波导。

本实用新型的有益效果在于：本申请所示的彩色波导，图像光线分别经过耦入区域、转折区域和耦出区域的衍射后，能实现彩色增强现实显示，且覆盖层能够提升图像光线的衍射效率，从而有助于提升可见光波段整体的宽带衍射属性，结构简单且合理，提高了耦合效率。

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彩色波导的结构示意图。

图2为图1中所示的彩色波导的另一结构示意图。

图3为图2中所示的彩色波导中图像光线传导的示意图。

图4为图1中所示的彩色波导的又一结构示意图。

图5为图4中所示的彩色波导中图像光线传导的示意图。

图6为图2中所示的彩色波导的剖面图。

图7为图2中所示的彩色波导在400nm-700nm波段图像光线入射时的负一级衍射效率图。

图8为图2中所示的彩色波导在400nm-700nm波段图像光线入射时的正一级衍射效率图。

图9为图2中所示的具有覆盖层的彩色波导的剖面图。

图10为图9中所示的彩色波导在400nm-700nm波段图像光线入射时的负一级衍射效率图。

图11为图9中所示的彩色波导在400nm-700nm波段图像光线入射时的正一级衍射效率图。

图12为图2中所示的未设覆盖层的波导在450nm波长入射时的衍射级次图。

图13为图9中所示设有覆盖层的波导在450nm波长入射时的衍射级次图。

图14为图2中所示的未设覆盖层的波导在532nm波长入射时的衍射级次图。

图15为图9中所示设有覆盖层的波导在532nm波长入射时的衍射级次图。

图16为图2中所示的未设覆盖层的波导在620nm波长入射时的衍射级次图。

图17为图9中所示设有覆盖层的波导在620nm波长入射时的衍射级次图。

图18为图9中所示设有覆盖层的彩色波导在入射光的波长为450nm情况下的一级衍射效率随入射角度变化而变化的曲线示意图。

图19为图9中所示设有覆盖层的彩色波导在入射光的波长为532nm情况下的一级衍射效率随入射角度变化而变化的曲线示意图。

图20为图9中所示设有覆盖层的彩色波导在入射光的波长为620nm情况下的一级衍射效率随入射角度变化而变化的曲线示意图。

图21为图9中所示设有覆盖层的彩色波导分别在覆盖层的厚度为300nm、400nm、500nm、600nm情况下的负一级衍射效率图。

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彩色波导100，其包括波导1和设于波导1表面上的耦入区域2、转折区域4及耦出区域3。耦入区域2被配置为将图像光线耦合进入波导1，转折区域4用于将经波导1传导的图像光线改变方向，耦出区域3被配置为将经转折区域4及波导1传导的图像光线射出波导1。当图像光线入射至耦入区域2后，图像光线在波导1内全反射至转折区域4，转折区域4改变图像光线的传导方向，使改变方向后的图像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。其中，图像光线可以为红绿蓝三色光线。

波导1将耦入的图像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、转折区域4和耦出区域3三者均位于波导1的一侧，但并不仅限于此，例如，耦入区域2和转折区域4位于波导1的一侧，耦出区域3位于波导1的另一侧，或者，耦入区域2位于波导1的一侧，转折区域4和耦出区域3位于波导1的另一侧。

请参见图2，耦入区域2包括第一纳米光栅21，耦出区域3包括第二纳米光栅31，即，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。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和耦出区域3可以均可为矩形、圆形等形状，在此不做具体限定，根据需要而定。

本实施例中，耦出区域3的光栅周期与耦入区域2的光栅周期相同，耦入区域2的光栅周期为200-600nm，第一纳米光栅21的取向与第二纳米光栅31的取向形成90°夹角。耦入区域2为圆形结构，耦出区域3为矩形结构。

转折区域4包括相对设置在耦入区域2两侧的第一转折分区41和第二转折分区42，且第一转折分区41和第二转折分区42以耦入区域2的中心轴对称设置，即，第一转折分区41的结构和第二转折分区42的结构呈镜像。很显然，耦入区域2的中心轴与第一纳米光栅21的取向平行。第一转折分区41和第二转折分区42为不规则形状，且以此合理利用波导1表面的空间。转折区域4的光栅周期为150-500nm。

请参见图2，转折区域4包括第三纳米光栅43，第三纳米光栅43的取向与第一纳米光栅21的取向或第二纳米光栅31取向形成45°夹角。第一转折分区41的第三纳米光栅43的取向和第二转折分区42的第三纳米光栅43的取向以耦入区域2的中心轴对称设置。请参见图3，当图像光线入射至耦入区域2后，图像光线衍射进入到波导1内并向两侧传导，一部分图像光线传导至第一转折分区41，另一部分图像光线传导至第二转折分区42，在第三纳米光栅43的作用下，图像光线垂直传导至耦出区域3，三色衍射图像光线传导至人眼，经人眼合成，实现彩色增强现实显示。

转折区域4还可以为其他结构，请参见图4，转折区域4还可以包括二维点阵44，第一转折分区41的二维点阵44和第二转折分区42的二维点阵44以耦入区域2的中心轴对称设置。请参见图5，图像光线经二维点阵44传导，至少部分图像光线向下传导至耦出区域3。

通过设置第一纳米光栅21的周期、高度和占空比等参数，可得到较强的宽带衍射特性。请参见图6，本实施例中，对耦入区域2进行设计，具体的，第一纳米光栅21的周期为440nm，深度为300nm，占空比0.5，且材料为二氧化硅。当图像光线照射在耦入区域2时，第一纳米光栅21的衍射包含正负一级衍射和零级衍射；在基于衍射光学波导1的方案中，仅采用正负一级的图像光线在波导1内传导使用，故只需要探索第一纳米光栅21的正一级衍射效率和负一级衍射效率即可。

请参见图7和图8，400nm-700nm波段图像光线入射时，图6所示的耦入区域2的正一级衍射效率和负一级衍射效率仅在蓝光波段具备高的衍射效率，在绿光和红光波段的衍射效率显著降低。

请参见图9，为了提高耦入区域2对绿光和红光波段的衍射效率，耦入区域2包括覆盖在第一纳米光栅21上的覆盖层5，覆盖层5均匀且覆盖在第一纳米光栅21之上。第一纳米光栅21的折射率为1.4-2.0，覆盖层5的折射率为1.8-3.0。覆盖层5的厚度大于第一纳米光栅21的高度，覆盖层5的厚度为300-600nm，第一纳米光栅21的高度为200-500nm，关于覆盖层5的具体厚度可根据实际需要进行设置。覆盖层5的材料为氮化硅，但不仅限于此，覆盖层5还可以为其他不影响彩色波导100整体光透过率材料，在此不一一列举。需要说明的是，氮化硅为现有材料，且形成在第一纳米光栅21表面上与第一纳米光栅21的材料不发生任何反应，稳定性强。本实施例中，覆盖层5为氮化硅，厚度为350nm。

在本实施例中，覆盖层5能改变能量局域属性，提升图像光线的衍射效率，从而有助于提升可见光波段整体的宽带衍射属性，即衍射效率较高的波长的波长范围变广。

请参见图10和图11，400nm-700nm波段图像光线入射时，设有覆盖层的耦入区域的正一级衍射效率和负一级衍射效率较为均匀，相比于没有设置覆盖层的耦入区域，其在绿光和红光波段的衍射效率显著提高。即，设有覆盖层的衍射效率高于未设覆盖层的衍射效率，设有覆盖层的波导比未设覆盖层的波导具备更高的一级衍射效率和更好的宽带衍射特性，能够更好的传导图像光线。

本实用新型一实施例的彩色波导的工作原理为：图像光线经耦入区域分别衍射，耦入区域具备宽带衍射功能，三色图像光线的衍射图像光线满足波导全反射条件，图像光线传导至转折区域，经转折区域衍射，衍射图像光线传导至耦出区域，经耦出区域衍射，三色衍射图像光线传导至人眼，经人眼合成，实现彩色增强现实显示。

为进一步分析不同波长的衍射情况，图12为未设有覆盖层的波导在450nm波长入射时的衍射级次图，图13为设覆盖层的波导在450nm波长入射时的衍射级次图。可以看出，在450nm波长下，设有覆盖层和未设覆盖层的正一级衍射效率和负一级衍射效率相差不大。

图14为未设有覆盖层的波导在532nm波长入射时的衍射级次图，图15为设覆盖层的波导在532nm波长入射时的衍射级次图。可以看出，在532nm波长下，未设覆盖层的波导的正一级衍射效率和负一级衍射效率仅为10％左右，而设有覆盖层的波导的正一级衍射效率和负一级衍射效率提升到18％左右。

图16为未设有覆盖层的波导在620nm波长入射时的衍射级次图，图17为设覆盖层的波导在620nm波长入射时的衍射级次图。可以看出，在620nm波长下，未设覆盖层的波导的正一级衍射效率和负一级衍射效率仅为4％左右，而设有覆盖层的波导的正一级衍射效率和负一级衍射效率提升到28％左右。

请参见图12至图16，在不同波长入射波导时，仅有正一级衍射和负一级衍射存在，不存在其他更高级次衍射光，从而避免鬼影等现象，且，设有覆盖层能够提高波导的正一级衍射效率和负一级衍射效率。

为进一步分析图像光线在特定波长下不同入射角度的衍射情况，图18为本申请一实施例得到的彩色波导在入射光的波长为450nm情况下的一级衍射效率随入射角度变化而变化的曲线示意图。图19为本申请一实施例得到的彩色波导在入射光的波长为532nm情况下的一级衍射效率随入射角度变化而变化的曲线示意图。图20为本申请一实施例得到的彩色波导在入射光的波长为620nm情况下的一级衍射效率随入射角度变化而变化的曲线示意图。请参见图18至图20，波长为450nm时，在较宽的入射角度范围内，其衍射效率波动不大，且平均衍射效率在65％左右。波长为532nm时，在较宽的入射角度范围内，其衍射效率波动不大，且平均衍射效率在37％左右。波长为620nm时，红光情况下的衍射效率波动没有蓝光和绿光好。表明对于不同波长的图像光线，本申请的彩色波导在一定的入射角范围内仍具有较高的衍射效率，具备宽角度特性，满足大视场增强现实显示的要求。

图21为本申请一实施例得到的彩色波导分别在覆盖层的厚度为300nm、400nm、500nm、600nm情况下的负一级衍射效率图。如图21所示，覆盖层的厚度在300nm至600nm，其可见光波段均保持较好的衍射效率，满足红绿蓝三色耦入衍射传导需求。

本申请还提供一种上述所示的彩色波导的制造方法，具体为：

步骤一、提供基底，并在基底的一表面旋涂光敏剂形成光刻胶层。

步骤二、通过干涉光刻、全息曝光、电子束等方法中的一种在光刻胶层上制备第一微结构、第二微结构、第三微结构或第四微结构。其中，第三微结构和第四微结构选择其中之一进行制备。

步骤三、通过电铸工艺，将第一微结构、第二微结构、第三微结构或第四微结构复制至母版上。

步骤四、通过纳米压印工艺，将母版上的第一微结构、第二微结构、第三微结构或第四微结构转移至波导表面，其中，第一微结构形成第一纳米光栅；第二微结构形成第二米光栅；第三微结构形成第三纳米光栅；第四微结构形成二维点阵。

步骤五、采用电子束蒸发、磁控溅射、热蒸发、化学气相沉积等方法中的一种，并通过遮挡方式在第一纳米光栅镀覆盖层，制备得到彩色波导。

本申请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、以及如上所示的彩色波导。图像光线经成像元件成像后从耦入区域耦入彩色波导中，并经过转折区域向耦出区域传导，图像光线最后经耦出区域耦出彩色波导，在彩色波导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彩色波导只需要包含一片或者多片，就能实现彩色增强现实显示功能，结构简单。

综上，本申请所示的彩色波导，图像光线分别经过耦入区域、转折区域和耦出区域的衍射后，能实现彩色增强现实显示，且覆盖层能够提升图像光线的衍射效率，从而有助于提升可见光波段整体的宽带衍射属性，结构简单且合理，提高了耦合效率。

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 (9)

1.一种彩色波导，其特征在于，包括波导和设于所述波导表面上的耦入区域、转折区域及耦出区域，所述耦入区域包括第一纳米光栅，所述耦出区域包括第二纳米光栅，所述第一纳米光栅的取向与所述第二纳米光栅的取向形成90°夹角，所述耦出区域的光栅周期与所述耦入区域的光栅周期相同，所述转折区域包括相对设置在所述耦入区域两侧的第一转折分区和第二转折分区，且所述第一转折分区和所述第二转折分区以所述耦入区域的中心轴对称设置，所述耦入区域还包括覆盖在所述第一纳米光栅上的覆盖层。

2.如权利要求1所述的彩色波导，其特征在于，所述转折区域包括第三纳米光栅，所述第三纳米光栅的取向与所述第一纳米光栅的取向或所述第二纳米光栅取向形成45°夹角。

3.如权利要求2所述的彩色波导，其特征在于，所述第一转折分区的第三纳米光栅的取向和所述第二转折分区的第三纳米光栅的取向以所述耦入区域的中心轴对称设置。

4.如权利要求1所述的彩色波导，其特征在于，所述转折区域包括二维点阵。

5.如权利要求1所述的彩色波导，其特征在于，所述第一纳米光栅的折射率为1.4-2.0，所述覆盖层的折射率为1.8-3.0。

6.如权利要求1所述的彩色波导，其特征在于，所述覆盖层的厚度大于所述第一纳米光栅的高度，所述覆盖层的厚度为300-600nm，所述第一纳米光栅的高度为200-500nm。

7.如权利要求1所述的彩色波导，其特征在于，所述覆盖层的材料为氮化硅。

8.如权利要求1所述的彩色波导，其特征在于，所述耦入区域的光栅周期为200-600nm，所述转折区域的光栅周期为150-500nm。

9.一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1-8任一项所述的彩色波导。

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