CN216083281U - 全息波导片及增强现实抬头显示装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种全息波导片，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传导至耦出区域，耦出区域被配置为将波导中的光线从波导耦出，耦入区域的部分区域的表面设置有镀膜层，且镀膜层在波导表面的投影覆盖入射图像光线在波导表面的投影。在耦入区域的部分区域的表面设置有镀膜层，可有效提升入射图像光线第一次衍射的衍射效率，故可有效提升全息波导片的光线利用效率，且该全息波导片的结构简单，成本低。

Description

全息波导片及增强现实抬头显示装置

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及一种全息波导片及增强现实抬头显示装置。

背景技术

近年来兴起的增强现实抬头显示(AR-HUD)，将数字图像叠加在真实环境上，得到增强现实的视觉效果，可用于AR导航、自适应巡航、车道偏离预警等。由于AR HUD与目前主流的C-HUD和W-HUD相比，具备体积小、投影距离远、视场角大、普适性高等特点。增强现实(AR)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。

在全息波导片中，浮雕型衍射光栅波导具有设计的高度自由、可批量压印制备等优点，越来越受到重视，是AR眼镜和AR-HUD常见的光学方案之一。目前，采用二维浮雕衍射光栅的光波导方案中，衍射效率普遍较低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有较高衍射效率的全息波导片。

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，所述耦入区域的部分区域的表面设置有镀膜层，且所述镀膜层在所述波导表面的投影覆盖所述入射图像光线在所述波导表面的投影。

进一步地，所述镀膜层的面积大于所述入射图像光线入射到所述波导表面形成的区域面积。

进一步地，所述镀膜层的厚度为10nm-200nm。

进一步地，所述镀膜层的材料为铝或硅。

进一步地，所述耦入区域为设置在所述波导表面上的二维光栅层，所述二维光栅层包括若干以第一周期线或第二周期线排布的光栅单元，所述镀膜层设置在部分所述光栅单元的上表面、侧面及相邻所述光栅单元之间的波导表面。

进一步地，所述第一周期线所在方向和所述第二周期线所在方向的夹角为90°-160°。

进一步地，所述光栅单元在所述第一周期线上和在所述第二周期线上的光栅周期相同，所述光栅周期为200nm-600nm。

进一步地，所述光栅单元的结构为圆柱形、方柱形、圆锥形、棱锥形或棱台形。

进一步地，所述光栅单元的高度为50nm-600nm。

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

本实用新型的有益效果在于：本实用新型所示的全息波导片，在耦入区域的部分区域的表面设置有镀膜层，可有效提升入射图像光线第一次衍射的衍射效率，故可有效提升全息波导片的光线利用效率，且该全息波导片的结构简单，成本低。

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为本申请一实施例所示的全息波导片的结构示意图；

图2为本申请一实施例所示的全息波导片的另一结构示意图；

图3为图1中所示的耦入区域的结构示意图；

图4为未设镀膜层的全息波导片的反射衍射效率和对应的衍射角分布图；

图5为设有镀膜层的全息波导片的反射衍射效率和对应的衍射角分布图；

图6为对图5中所示的全息波导片的硅Si镀膜层的厚度进行扫描得到衍射效率随硅镀膜层的厚度的变化曲线

图7为对图5中所示的全息波导片的光栅单元的高度Hg进行扫描得到方位角210°(或330°)的衍射效率随高度的变化曲线；

图8为对图5中所示的全息波导片的光栅单元的直径HD进行扫描得到方位角210°(或330°)的衍射效率随光栅单元的直径HD的变化曲线；

图9为对图5中所示的全息波导片进行入射角度扫描，得到方位角210°(-1，-1)、330°(1，-1)和方位角90°(0，-1/-2)的衍射效率变化曲线。

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至图3，本实用新型一实施例所示的全息波导片100，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，从而支持较大的视场角，关于波导1的具体材料，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，也可以预先制作在基底层上，再将载有光栅结构的基底层与波导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。

请参见图3，本实施例中，耦入区域2为二维浮雕光栅结构，其为设置在波导1表面上的二维光栅层2。

二维光栅层2包括若干以第一周期线a或第二周期线b排布的光栅单元21。光栅单元21的结构为圆柱形、方柱形、圆锥形、棱锥形或棱台形，但不仅限于此，光栅单元21还可以为其他结构，在此不一一列举。光栅单元21的高度Hg为50nm-600nm。本实施例中，第一周期线a所在方向和第二周期线b所在方向的夹角c为90°-160°，关于第一周期线a所在方向和第二周期线b所在方向形成的夹角c，可根据实际需要进行设置。光栅单元21在第一周期线a上和在第二周期线b上的光栅周期P相同，光栅周期P为200nm-600nm。

此外，波导1表面还可以设置有转折区域(未图示)，转折区域用于改变图像光线在波导1内的传播方向。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，转折区域改变图像光线的传播方向，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。

请参见图1和图2，为了提高入射图像光线在波导1的第一次衍射的衍射效率，耦入区域2的部分区域的表面设置有镀膜层4，镀膜层4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。

镀膜层4在波导1表面的投影覆盖入射图像光线在波导1表面的投影，即，镀膜层4的面积略大于入射图像光线入射到波导1表面形成的区域面积，与入射图像光线在波导1表面的投影区域大小匹配。具体的，入射图像光线在波导1表面形成的投影区5及其外周围设镀膜层4，在一实施例中，投影区6为类长方形，镀膜层的形状可为圆形或类长方形等形状，较佳的，镀膜层的形状与投影区形状类同。

图像光线可由微投影光机射出形成，该微投影光机可以是LCOS、MDM、OLED和MEMS等装置。微投影光机在波导1表面形成的投影区5被镀膜层4覆盖，使得图线光线能够全部照射到镀膜层4上，从而提高所有图像光线的衍射效率。需要说明的是，本实施例中，图像光线从与波导1的耦入区域2所在表面相对的另一表面，即波导1未设置耦入区域2的一表面入射，图像光线进入波导1后，经过耦入区域2后，再照射到镀膜层4上。

镀膜层4未设置在耦入区域2的全部表面，既降低了成本，且相比于耦入区2全部镀膜，还可以减少耦入区域2的漏光损失。镀膜层4的材料为铝或硅，但不仅限于此，还可以为其他材料，在此不一一列举。

镀膜层4均匀且覆盖在部分的耦入区域2之上，即，镀膜层4设置在部分光栅单元21的上表面、侧面及相邻光栅单元21之间的波导1表面。镀膜层4的厚度为10nm-200nm，关于镀膜层4的具体厚度可根据实际需要进行设置，在此不一一列举。需要说明的是，铝或硅为现有材料，且形成在光栅单元21表面或波导1表面与光栅单元21或波导1的材料不发生任何反应，稳定性强。

请参见图4，图4为未设有镀膜层的全息波导片的反射衍射效率和对应的衍射角分布图。理论上全息波导片上的二维光栅层的衍射级次仅由光栅周期和夹角决定，0°、90°、180°和270°的方位角如图1所示，从耦入区域与耦出区域的相对排布位置中可以看出二维光栅层的衍射级次中方位角为210°、270°和330°的衍射级次可以在波导中传导至耦出区域，其中，210°330°分别代表从耦入区域左侧和右侧向耦出区域传导光线的方向，270°代表从耦入区域垂直向耦出区域传导光线的方向。除此之外，其他方位角的衍射级次则无法到达耦出区域。未设有镀膜层时，210°、270°和330°这3个方位角的衍射效率均很低，在衍射角为63.97°时，衍射效率分别为0.0104、0.0071、0.0104，均不超过0.02(2％)。

请参见图5，图5为设有部分镀膜层的全息波导片的反射衍射效率和对应的衍射角分布图。传导向耦出区域的方位角210°和330°的衍射级的衍射效率可高达14.28％，相较于未设镀膜层，衍射效率大幅度提升。而方位角270°的衍射级的衍射效率仅为1.87％，此方位角的衍射效率提升幅度不大。结合图4和图5中二维光栅层在方位角270°的衍射效率，该方向的衍射光较少传导至耦出区域，故，耦出区域仅由方位角210°和330°的衍射光参与耦出，从而也方便耦出区域的光栅的设计。

局部镀膜的全息波导片的优点在于：和未设有镀膜层的全息波导片相比，提升了投影图像光线进入光波导的效率；和耦入区域全部镀膜的的全息波导片相比，可以减少耦入区域的漏光损失。

图像光线经过镀膜层的二维微纳结构发生衍射，其中衍射效率较大的衍射级次的传播方位角分别为30°、90°、150°、210°、270°和330°，其中30°、90°和150°的光线不能传至耦出区域，属于损失光线，其中210°、270°和330°方向的光线可以经过多次全反射和衍射传至耦出区域。

方位角为210°的光线在耦入区域经过全反射再次斜入射到镀膜的二维光栅上时，也会发生衍射，其中衍射光线的方位角也分别为0°、150°、210°、270°和330°，其中方位角0°、150°的光线同样不能传至耦出区域，属于损失光线，由于镀膜后各方位角的衍射效率远大于不镀膜时，即不能传至耦出区域的光线较不镀膜时也更多，因此，全面镀膜时耦入区域损失光大于局部镀膜。

同理，当方位角为270°的光线经过全反射再次斜入射到镀膜的二维光栅上时，也会发生衍射，其中衍射光线的方位分别为0°、30°、210°、270°和330°，其中方位角0°、30°的光线不能传至耦出区域，属于损失光线，由于镀膜的原因，方位角0°、30°的光线衍射效率更高，即损失光线更多，因此，全面镀膜时耦入区域损失光大于局部镀膜。

下面以具体实施例对本申请的全息波导片的设计步骤进行详细说明。

步骤一、先设置耦入区域，具体的，确定波导为折射率1.84的玻璃，二维光栅层为折射率1.63的光刻胶，镀膜层材料为硅，二维光栅层的光栅周期P为433nm，第一周期线所在方向和第二周期线所在方向的夹角为120°，光栅单元为圆柱形。

步骤二、选取二维光栅层的工作波长为620nm，入射角inc为0°，且由波导方向入射，并以此先后扫描优化耦入区域参数，该耦入区域参数包括：光栅单元高度、镀膜层的厚度、圆柱形的直径。(此外二维光栅层的折射率、镀膜层的材料、光栅单元的形貌也可作为参数进行优化，在此不再赘述)

具体的，请参见图6，对硅Si镀膜层的厚度进行扫描得到衍射效率随硅镀膜层的厚度的变化曲线，此时设定光栅单元的高度Hg为200nm，光栅单元为圆柱形且直径HD为250nm。当硅Si镀膜层的厚度为50nm时，衍射效率最大，且镀膜层厚度差异对衍射影响较小。

请参见图7，对光栅单元的高度Hg进行扫描得到方位角210°(或330°)的衍射效率随高度的变化曲线，此时设定硅镀膜层厚度分别为25nm、50nm和75nm，光栅单元为圆柱形且直径HD为250nm。当硅Si镀膜层的厚度为50nm，光栅单元的高度Hg为225nm时，衍射效率最大。

请参见图8，对光栅单元的直径HD进行扫描得到方位角210°(或330°)的衍射效率随光栅单元的直径HD的变化曲线，此时设定硅Si镀膜层的厚度为50nm，光栅单元的高度Hg为分别为75nm、150nm和225nm。最终得到，二维光栅层的光栅周期P为433nm，第一周期线所在方向和第二周期线所在方向的夹角为120°，硅Si镀膜层的厚度为50nm，光栅单元的高度Hg为225nm，光栅单元的直径HD为270nm时，方位角210°(或330°)的衍射效率最大约为14％，此数字远大于未设置镀膜层的全息波导片的衍射效率(2％)。

步骤三、当衍射效率优化到最佳时，扫描入射角从-30°到30°，计算传向耦出区域的衍射级的衍射效率与入射角的关系。

具体的，请参见图9，设定二维光栅层的光栅周期P为433nm，第一周期线所在方向和第二周期线所在方向的夹角为120°，硅Si镀膜层的厚度为50nm，光栅单元的高度Hg为225nm，光栅单元的直径HD为270nm，然后对入射角度进行扫描，得到方位角210°(-1，-1)、330°(1，-1)的衍射效率变化曲线，波导支持的不同角度的入射光衍射效率均超2％。

本实用新型还提供一种增强现实抬头显示装置，其包括图像输出源、成像元件、以及如上所示的全息波导片。图像光线经成像元件成像后经过镀膜成后耦入区域耦入全息波导片中，并向耦出区域传导，图像光线最后经耦出区域耦出，在全息波导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。

综上，本实用新型所示的全息波导片，在耦入区域的部分区域的表面设置有镀膜层，可有效提升入射图像光线第一次衍射的衍射效率，故可有效提升全息波导片的光线利用效率，且该全息波导片的结构简单，成本低。

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，所述耦入区域的部分区域的表面设置有镀膜层，且所述镀膜层在所述波导表面的投影覆盖所述入射图像光线在所述波导表面的投影。

2.如权利要求1所述的全息波导片，其特征在于，所述镀膜层的面积大于所述入射图像光线入射到所述波导表面形成的区域面积。

3.如权利要求1所述的全息波导片，其特征在于，所述镀膜层的厚度为10nm-200nm。

4.如权利要求1所述的全息波导片，其特征在于，所述镀膜层的材料为铝或硅。

5.如权利要求1所述的全息波导片，其特征在于，所述耦入区域为设置在所述波导表面上的二维光栅层，所述二维光栅层包括若干以第一周期线或第二周期线排布的光栅单元，所述镀膜层设置在部分所述光栅单元的上表面、侧面及相邻所述光栅单元之间的波导表面。

6.如权利要求5所述的全息波导片，其特征在于，所述第一周期线所在方向和所述第二周期线所在方向的夹角为90°-160°。

7.如权利要求5所述的全息波导片，其特征在于，所述光栅单元在所述第一周期线上和在所述第二周期线上的光栅周期相同，所述光栅周期为200nm-600nm。

8.如权利要求5所述的全息波导片，其特征在于，所述光栅单元的结构为圆柱形、方柱形、圆锥形、棱锥形或棱台形。

9.如权利要求5所述的全息波导片，其特征在于，所述光栅单元的高度为50nm-600nm。

10.一种增强现实抬头显示装置，其特征在于，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片。

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