CN215986721U - 一种具有高耦合效率的波导显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有高耦合效率的波导显示装置，用于调节光引擎发出的入射光的衍射效率，包括：波导；耦入光栅，位于波导的一侧，用于将光引擎发出的入射光耦入波导；耦出光栅，与耦入光栅同侧设置且具有相同的周期；偏振转换机构，位于波导的另一侧且与耦入光栅相对布设，用于将入射光的偏振态转换为正交偏振态，转换后的入射光在波导内进行全反射传导，并通过耦出光栅耦出至人眼。该装置在二次衍射过程中可提高R0衍射级次的衍射效率的同时降低T‑1、R‑1和R‑2衍射级次的衍射效率，从而极大的提高了波导显示装置整体耦合效率，以提高成像对比度和成像质量，并有助于降低光引擎能耗以提高续航时间。

Description

一种具有高耦合效率的波导显示装置

技术领域

本实用新型属于显示技术领域，具体涉及一种具有高耦合效率的波导显示装置。

背景技术

增强现实(AR)或者混合现实(MR)显示系统集成了微显引擎，应用了透明或半透明的波导来传输及复制微显引擎所生成的图像并呈现给用户，因此，用户既可以看到真实世界的场景，又可以接收到微显引擎所生成的虚拟图像，虚实结合以使其具有可穿戴性、前庭以及视觉沉浸感和社交属性，可用于头盔显示(HMD)、平视显示(HUD)以及其它可穿戴眼镜设备等。

现有技术中增强现实(AR)或者混合现实(MR)显示系统主要包含两部分，一部分是微显引擎(光引擎)，主要采用LCOS、MicroLED或DLP等作为像源，经成像光学系统后获得准直的(以及线偏振或圆偏振)入射光(即像源)。另一部分是基于波导的图像扩展系统，由于经光引擎所获得的像源尺寸通常较小，因此，需要基于波导系统进行图像扩展，以获得大尺寸、高分辨率的图像。如图1所示，通常应用衍射光学元件，如表面浮雕光栅(SRG)或者体全息光栅(VHG)，将像源以一定的角度耦入到波导中，并基于全反射原理在波导内进行传输，之后使用两个一维光栅，即出瞳扩展(EPE)光栅和耦出光栅4来实现二维出瞳扩展，或直接用二维光栅来直接进行二维出瞳扩展以获得图像。

其中，波导3一般使用高折射率的玻璃，直径为D的耦入光栅2放置在波导的S1表面，周期一般为波长或者亚波长量级(如200-500nm)，光引擎1出射的入射光经耦入光栅2后，可以获得相应的透射级次：T+1、T0以及T-1衍射级次，其中，T+1衍射级次效率高且满足全反射条件：θ_T+1≥sin^-1(1/n)。因此，T+1级次光束能够在波导3内进行全反射传输，如图2所示。光引擎1生成的图像尺寸一般为d＝4～5mm，此时，为收集更多的能量和整个视场角度下的图像信息，耦入光栅2的尺寸D≥d。则若波导3的厚度为H，当D≤2Htanθ_T+1时，T+1衍射级次在经过波导3的S2表面反射后，不再与耦入光栅2相互作用，入射光仅与耦入光栅2发生一次衍射。反之，则经耦入光栅2的D1部分的入射光，在生成T+1级次后，将会再次与S1表面的耦入光栅2相互作用，发生二次衍射，生成相应的透射级次，如T-1衍射级次，以及相应的反射级次，如R0，R-1和R-2等衍射级次。如图3所示，其中，R0衍射级次在耦入光栅2内进行全反射传输，经耦出光栅4后耦出；R-1衍射级次直接从波导3的S2表面透射出来，R-2衍射级次将会原路返回并从S1表面耦出进入到光引擎1中。由此可见，二次衍射效应将会造成耦入光能量的损失，降低整个成像的对比度和整体的耦出效率。

通常为保证整个显示系统尺寸小、重量轻，且动框内均匀性足够好，需要轻薄的波导，当前的衍射光波导显示系统中，为了使用F数较小的光引擎以使进入到波导内的光强更高(F数的平方与光强成反比)，因此需要耦入光栅具有相对较大的尺寸，D一般为4mm～5mm左右；同时，由于需要保证使用高折射率的波导结构足够轻薄，其厚度H一般在0.8mm～1mm左右，因此会造成D≥2Htanθ_T+1，进而发生二次衍射，即经过耦入光栅的光在第一次全反射后将会再次与耦入光栅发生作用，从而造成整体的耦出效率降低以及成像对比度和成像质量的降低，在获取同等的耦出能量，需要光源具有更高的功率，因此也将极大的增加电池的功耗，降低可穿戴设备的使用时间。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对上述问题，提出一种具有高耦合效率的波导显示装置，通过将光引擎发出的入射光经耦入光栅耦入波导后，进一步通过偏振转换机构将入射光的偏振态转换为正交偏振态，并与耦入光栅发生二次衍射后耦出至人眼，从而提高波导显示装置整体的耦合效率，以提高成像对比度和成像质量，并有助于降低光引擎能耗以提高续航时间。

为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：

本实用新型提出的一种具有高耦合效率的波导显示装置，用于调节光引擎发出的入射光的衍射效率，包括：

波导；

耦入光栅，位于波导的一侧，用于将光引擎发出的入射光耦入波导；

耦出光栅，与耦入光栅同侧设置且具有相同的周期；

偏振转换机构，位于波导的另一侧且与耦入光栅相对布设，用于将入射光的偏振态转换为正交偏振态，转换后的入射光在波导内进行全反射传导，并通过耦出光栅耦出至人眼。

优选地，光引擎发出的入射光为TE偏振光、TM偏振光和圆偏振光其中一种。

优选地，偏振转换机构为亚波长线栅或半波片。

优选地，亚波长线栅的周期Λ满足如下公式：

其中，λ为入射光的波长，n_s为波导的折射率，n_i为入射光环境介质的折射率。

优选地，波导的折射率n_s为1.71，入射光的波长λ为530nm。

优选地，亚波长线栅还满足f＝0.2～0.8，h＝50nm～750nm，其中，f为占空比，h为调制深度。

优选地，半波片的快轴与入射光的振动方向呈45°夹角。

优选地，耦入光栅和耦出光栅分别为倾斜光栅、二元光栅、闪耀光栅和体全息光栅其中一种。

优选地，耦入光栅为倾斜光栅且周期为波长或亚波长量级。

优选地，波导镀有抗反射膜。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：该装置通过将光引擎发出的入射光经耦入光栅耦入波导后，进一步通过偏振转换机构将入射光的偏振态转换为正交偏振态，并与耦入光栅发生二次衍射，在提高R0衍射级次的效率的同时降低T-1、R-1和R-2衍射级次的效率，将平均耦入效率由1.96％提升到43％，从而极大的提高了波导显示装置整体耦合效率，以提高成像对比度及成像质量，并有助于降低光引擎能耗以提高续航时间，解决了现有技术中由于二次衍射造成耦入光栅衍射效率降低进而导致整体耦出效率降低的问题。

附图说明

图1为现有技术中的波导显示装置结构示意图；

图2为现有技术中的波导显示装置T+1衍射级次全反射工作示意图；

图3为现有技术中波导显示装置二次衍射工作示意图；

图4为本实用新型的波导显示装置结构示意图；

图5为本实用新型的T+1衍射级次效率与入射角度的变化关系图；

图6为本实用新型未增加偏振转换机构前R0、R-1和R-2衍射级次效率与入射角度的变化关系图；

图7为本实用新型的波导显示装置二次衍射工作示意图；

图8为本实用新型的R0、R-1和R-2衍射级次效率与入射角度的变化关系图。

附图标记说明：1、光引擎；2、耦入光栅；3、波导；4、耦出光栅；5、人眼；6、偏振转换机构。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。

如图4-8所示，一种具有高耦合效率的波导显示装置，用于调节光引擎发出的入射光的衍射效率，包括：

波导；

耦入光栅，位于波导的一侧，用于将光引擎发出的入射光耦入波导；

耦出光栅，与耦入光栅同侧设置且具有相同的周期；

偏振转换机构，位于波导的另一侧且与耦入光栅相对布设，用于将入射光的偏振态转换为正交偏振态，转换后的入射光在波导内进行全反射传导，并通过耦出光栅耦出至人眼。

光引擎1发出的入射光，如为TE偏振方向，经耦入光栅2后生成的T+1级次也为TE偏振光(简称TE光)。在与耦入光栅2发生二次衍射，则会生成T-1衍射级次，T-1衍射级次经波导3的表面S1与耦入光栅2相互作用后进入光引擎1中；R0衍射级次以与T+1衍射级次相同的角度在波导3内进行全反射传输，R-1衍射级次从波导3的下表面S2耦出并损失，R-2衍射级次原路返回经波导3的表面S1并与耦入光栅2相互作用最后进入光引擎1中。

在实际工作中，通常需要保证耦入光栅2对不同视场角度下的入射光都具有较高的衍射效率，如图5所示，在-10°～+10°入射角度下，TE偏振光入射时平均耦入效率约为77％，最大衍射效率为82.9％。此时，若不增加偏振转换机构6实现二次衍射，入射光的偏振为TE，入射角度为T+1衍射级次的衍射角度，则对应的R0衍射级次、R-1衍射级次和R-2衍射级次效率如图6所示，在不同的衍射角度下入射，此时的R0衍射级次平均衍射效率为2.54％、R-1衍射级次平均衍射效率为9.5％、R-2衍射级次平均衍射效率为11.78％，因此会造成装置整体的耦出效率降低从而降低成像质量。

本申请实施例中波导3为平板波导，包括相互平行的S1表面和S2表面，耦入光栅2和耦出光栅4位于波导3的同一侧，如均位于波导3的S1表面，偏振转换机构6位于波导3的另一侧，如位于波导3的S2表面并与耦入光栅2相对布设。通过增加偏振转换机构6将入射光的偏振态转换为正交偏振态，偏振方向旋转90°，如图4、7所示，偏振转换机构6位于波导3的S2表面，可以将耦入的T+1级次TE偏振光，在不损失能量的情况下，将从耦入光栅2出射的TE偏振光转换为TM偏振光(简称TM光)，之后发生二次衍射后，各衍射级次的衍射效率如图8所示，在不同的衍射角度下入射，所需的R0衍射级次的平均衍射效率为58.85％，R-1衍射级次的平均衍射效率为2.17％以及R-2衍射级次的平均衍射效率为1.69％，由此可见，通过使用偏振转换机构6，可以极大的提高耦入光栅2的衍射效率，并降低其它级次对成像质量的影响。经偏振转换机构6后将偏振态旋转90°变成TM偏振光，与耦入光栅2相互作用，经二次衍射后，保证R0级次以较高的能量在波导3内传导并最终经耦出光栅4耦出至人眼5。

该装置采用偏振转换机构6进行偏振转换后，在进行二次衍射时，R0衍射级次得到明显提升，可以将不同入射角度下的R0衍射级次的平均衍射效率由2.54％提升至58.85％，将平均耦入效率由1.96％提升到43％，同时降低了不需要的衍射级次的能量，如T-1、R-1和R-2衍射级次，从而极大的提高了波导显示装置整体的耦合效率，并降低了其它衍射级次的影响，大大提高成像对比度以及成像质量，并有助于降低光引擎能耗以提高续航时间。

需要说明的是，波导还可采用根据实际需求进行调整，如采用曲面波导等。光引擎1发出的入射光可根据实际需求调整，且耦出光栅4可直接使用二维光栅进行二维出瞳扩展以获得大尺寸、高分辨率的图像，或采用现有技术进行出瞳扩展后耦出至人眼5。

在一实施例中，光引擎发出的入射光为TE偏振光、TM偏振光和圆偏振光其中一种。

在一实施例中，偏振转换机构为亚波长线栅或半波片。

在一实施例中，亚波长线栅的周期Λ满足如下公式：

其中，λ为入射光的波长，n_s为波导的折射率，n_i为入射光环境介质的折射率。

在一实施例中，波导的折射率n_s为1.71，入射光的波长λ为530nm。

在一实施例中，亚波长线栅还满足f＝0.2～0.8，h＝50nm～750nm，其中，f为占空比，h为调制深度。

其中，对于经过耦入光栅2所获得的T+1衍射级次，其满足全内反射条件，亚波长线栅可作为一种双折射平板，即负的单轴晶体，用于将TE偏振光几乎100％转换为TM偏振光，且当亚波长线栅的周期Λ满足如下条件时：

其中，λ为入射光的波长，n_s为波导的折射率，n_i为入射光环境介质(如空气)的折射率。

若波导的折射率n_s为1.71，入射光环境介质的折射率n_i为1.0，入射光的波长λ为530nm，则当Λ<195.57nm时，此时不存在1级或者更高级次的衍射光，仅存在零级衍射光。通过对亚波长线栅其它参数，如占空比f和调制深度h进行优化和选择，一般情况下f＝0.2～0.8，调制深度h＝50nm～750nm，可以让亚波长线栅作为一种偏振转换反射膜层，若入射光为TE偏振光时，则经亚波长线栅后，入射光的偏振方向将会旋转90°，使入射的TE偏振态的T+1衍射级次完全转换为TM偏振态的R0衍射级次，经二次衍射后以较高的效率在波导3内进行全发射传导并最终经耦出光栅4耦出至人眼5。

在一实施例中，半波片的快轴与入射光的振动方向呈45°夹角。

其中，偏振转换机构6还可采用各向异性材料，如半波片，其在快轴和慢轴方向上具有不同的折射率，当其厚度为λ/2的奇数倍时，可以称为半波片，其材料可以是具有双折射特性的晶体材料，如石英；也可以使用PVA等材料，并通过拉伸聚合物薄膜以获得材料的双折射效应。若入射光为TE偏振光时，当快轴与其振动方向成θ角度时，则经半波片后，入射光的偏振方向将会旋转2θ角度，因此，当θ＝45°时，即可将入射的T+1级次TE偏振光转换为TM偏振光，经二次衍射后以较高的效率在波导3内进行全发射传到并最终耦出至人眼。需要说明的是，偏振转换机构6还可替换为应用液晶层，通过电路控制液晶的转向从而实现偏振转换或应用两个叠放的四分之一波片，来实现偏振转换。

在一实施例中，耦入光栅和耦出光栅分别为倾斜光栅、二元光栅、闪耀光栅和体全息光栅其中一种。或还可为三角光栅、矩形光栅等。

在一实施例中，耦入光栅为倾斜光栅且周期为波长或亚波长量级。为了产生全反射所需的衍射角度，耦入光栅2采用倾斜光栅，周期为波长或亚波长量级，不同的偏振态入射时衍射效率会发生较大的变化，具有较好的偏振敏感性。

在一实施例中，波导镀有抗反射膜。如在波导3的S1表面和S2表面均镀有抗反射膜(如AR膜等)，可降低反射率达到增透目的。

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申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具有高耦合效率的波导显示装置，用于调节光引擎发出的入射光的衍射效率，其特征在于：所述具有高耦合效率的波导显示装置包括：

波导；

耦入光栅，位于所述波导的一侧，用于将所述光引擎发出的入射光耦入所述波导；

耦出光栅，与所述耦入光栅同侧设置且具有相同的周期；

偏振转换机构，位于所述波导的另一侧且与所述耦入光栅相对布设，用于将入射光的偏振态转换为正交偏振态，转换后的入射光在所述波导内进行全反射传导，并通过所述耦出光栅耦出至人眼。

2.如权利要求1所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述光引擎发出的入射光为TE偏振光、TM偏振光和圆偏振光其中一种。

3.如权利要求1所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述偏振转换机构为亚波长线栅或半波片。

4.如权利要求3所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述亚波长线栅的周期Λ满足如下公式：

其中，λ为入射光的波长，n_s为波导的折射率，n_i为入射光环境介质的折射率。

5.如权利要求4所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述波导的折射率n_s为1.71，所述入射光的波长λ为530nm。

6.如权利要求4所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述亚波长线栅还满足f＝0.2～0.8，h＝50nm～750nm，其中，f为占空比，h为调制深度。

7.如权利要求3所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述半波片的快轴与入射光的振动方向呈45°夹角。

8.如权利要求1所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述耦入光栅和耦出光栅分别为倾斜光栅、二元光栅、闪耀光栅和体全息光栅其中一种。

9.如权利要求8所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述耦入光栅为倾斜光栅且周期为波长或亚波长量级。

10.如权利要求1所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述波导镀有抗反射膜。

Images