CN216210024U - 光波导系统和近眼显示器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光波导系统和近眼显示器。光波导系统包括：光波导片，光波导片为多个，多个光波导片至少包括两个叠置的光波导片；耦入光栅，耦入光栅设置在光波导片上，耦入光栅用于将外部光机发射的光耦入到光波导片内；转折光栅，转折光栅位于耦入光栅的一侧，转折光栅用于接收耦入光栅的光；功能结构区，叠置的多个光波导片上的耦入光栅对应设置，功能结构区设置在相叠置的多个光波导片中位于远离外部光机的一个或多个光波导片上，且功能结构区位于其所在的光波导片上对应的耦入光栅与转折光栅之间。本实用新型解决了现有技术中的光波导系统存在光线串扰难以改善的问题。

Description

光波导系统和近眼显示器

技术领域

本实用新型涉及光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种光波导系统和近眼显示器。

背景技术

随着社会的发展和科技的不断创新，虚拟现实(VR)，增强现实(AR)，混合现实(MR)已经逐步进入人们的生活中，其中在AR增强现实方面，光波导技术是不可缺少的一步，但目前单片全彩的光波导系统的显示效果还不够理想，需要多片设计去显示全彩图像。这样的搭配可以提高显示效率但会增加整体厚度及整体佩戴重量，因此两片式的增强现实眼镜是目前常用选择。多片的光波导设计不仅对叠合有高精度要求，还会造成一定的光线串扰现象影响显示。现有技术中的光波导系统通常是在耦入光栅的正上方添加滤波片来减少光线串扰，但该种方案会大大增大光波导片的叠合难度，同时会增加光波导系统的厚度。

也就是说，现有技术中的光波导系统存在光线串扰难以改善的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种光波导系统和近眼显示器，以解决现有技术中的光波导系统存在光线串扰难以改善的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种光波导系统，包括：光波导片，光波导片为多个，多个光波导片至少包括两个叠置的光波导片；耦入光栅，耦入光栅设置在光波导片上，耦入光栅用于将外部光机发射的光耦入到光波导片内；转折光栅，转折光栅位于耦入光栅的一侧，转折光栅用于接收耦入光栅的光；功能结构区，叠置的多个光波导片上的耦入光栅对应设置，功能结构区设置在相叠置的多个光波导片中位于远离外部光机的一个或多个光波导片上，且功能结构区位于其所在的光波导片上对应的耦入光栅与转折光栅之间。

进一步地，功能结构区为吸收膜。

进一步地，功能结构区为光栅结构。

进一步地，光波导系统还包括耦出光栅，耦出光栅设置在转折光栅上并与转折光栅一体成型；或者耦出光栅与转折光栅间隔设置，耦入光栅的中心和转折光栅的中心的连线与耦出光栅的中心和转折光栅的中心的连线垂直，耦出光栅用于接收转折光栅的光，耦出光栅将光耦出光波导片，功能结构区位于其所在的光波导片上对应的转折光栅与耦出光栅之间。

进一步地，耦入光栅为衍射光栅，衍射光栅的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。

进一步地，耦入光栅为闪耀光栅、倾斜光栅和矩形光栅中的一种；或者转折光栅为闪耀光栅、倾斜光栅和矩形光栅中的一种；或者耦出光栅为闪耀光栅、倾斜光栅和矩形光栅中的一种。

进一步地，光波导片的材质为玻璃，玻璃的折射率不小于1.5。

进一步地，玻璃的折射率大于等于1.5且小于等于2.3。

进一步地，光波导片的厚度大于等于400微米小于等于1000微米。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种近眼显示器，包括：光机；上述的光波导系统，光机向光波导系统发射光，光波导系统将光耦入到人眼中。

应用本实用新型的技术方案，光波导系统包括光波导片、耦入光栅、转折光栅和功能结构区，光波导片为多个，多个光波导片至少包括两个叠置的光波导片，这样设置有利于合理规划不同颜色的光在不同的光波导片中的传输，以保证彩色光在多个光波导片中传输的稳定性，进而保证光波导系统能够显示全彩图像。耦入光栅设置在光波导片上，耦入光栅用于将外部光机发射的光大部分耦入到光波导片内，保证光波导片的耦入效率。转折光栅位于耦入光栅的一侧，转折光栅用于接收耦入光栅的光。并将光进行放大进而输出至人眼进行成像，以保证用户能够观察到彩色图像，保证成像的稳定性。叠置的多个光波导片上的耦入光栅对应设置，这样设置规划了多个光波导片上的耦入光栅的设置位置，有利于多个光波导片上的耦入光栅对外部光机所发射的光的耦入。功能结构区设置在相叠置的多个光波导片中位于远离外部光机的一个或多个光波导片上，且功能结构区位于其所在的光波导片上对应的耦入光栅与转折光栅之间。这样设置规划了功能结构区的安装位置，提高了功能结构区的使用可靠性，使得功能结构区能够将其所在的光波导片中不属于此光波导片中的光吸收掉，避免光线串扰现象，从而提升成像质量。

另外，将功能结构区设置在耦入光栅与转折光栅之间，避免了将功能结构区设置在耦入光栅上从而增加光波导系统整体厚度的情况，有利于保证光波导系统的轻薄化。同时降低了多个光波导片的叠合难度，节约了叠合成本，在不增加工艺难度的情况下，减少了光波导系统中的光线串扰现象，同时保证了多个光波导片的叠合稳定性，进而保证光波导系统能够稳定运行。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了未设置功能结构区的光波导系统的结构示意图；

图2示出了图1中的光波导系统的另一个角度的示意图；

图3示出了现有技术中的光波导系统的结构示意图；

图4示出了图3中的光波导系统的另一个角度的示意图；

图5示出了本实用新型的实施例一的光波导系统的结构示意图；

图6示出了图5中的光波导系统的另一个角度的示意图；

图7示出了图5中的功能结构区的对蓝光波段的吸收率的示意图；

图8示出了本实用新型的实施例二的光波导系统的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、光波导片；20、耦入光栅；30、转折光栅；40、耦出光栅；50、吸收膜；60、光栅结构；70、滤波片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。

为了解决现有技术中的光波导系统存在光线串扰难以改善的问题，本实用新型提供了一种光波导系统和近眼显示器。

如图1至图8所示，光波导系统包括光波导片10、耦入光栅20、转折光栅30和功能结构区，光波导片10为多个，多个光波导片10至少包括两个叠置的光波导片10；耦入光栅20设置在光波导片10上，耦入光栅20用于将外部光机发射的光耦入到光波导片10内；转折光栅30位于耦入光栅20的一侧，转折光栅30用于接收耦入光栅20的光；叠置的多个光波导片10上的耦入光栅20对应设置，功能结构区设置在相叠置的多个光波导片10中位于远离外部光机的一个或多个光波导片10上，且功能结构区位于其所在的光波导片10上对应的耦入光栅20与转折光栅30之间。

多个光波导片10至少包括两个叠置的光波导片10，这样设置有利于合理规划不同颜色的光在不同的光波导片10中的传输，以保证彩色光在多个光波导片10中传输的稳定性，进而保证光波导系统能够显示全彩图像。耦入光栅20设置在光波导片10上，耦入光栅20用于将外部光机发射的光大部分耦入到光波导片10内，保证光波导片10的耦入效率。转折光栅30位于耦入光栅20的一侧，转折光栅30用于接收耦入光栅20的光。并将光进行放大进而输出至人眼进行成像，以保证用户能够观察到彩色图像，保证成像的稳定性。叠置的多个光波导片10上的耦入光栅20对应设置，这样设置规划了多个光波导片10上的耦入光栅20的设置位置，有利于多个光波导片10上的耦入光栅20对外部光机所发射的光的耦入。功能结构区设置在相叠置的多个光波导片10中位于远离外部光机的一个或多个光波导片10上，且功能结构区位于其所在的光波导片10上对应的耦入光栅20与转折光栅30之间。这样设置规划了功能结构区的安装位置，提高了功能结构区的使用可靠性，使得功能结构区能够将其所在的光波导片10中不属于此光波导片10中的光吸收掉，避免光线串扰现象，从而提升成像质量。

另外，将功能结构区设置在耦入光栅20与转折光栅30之间，避免了将功能结构区设置在耦入光栅20上从而增加光波导系统整体厚度的情况，有利于保证光波导系统的轻薄化。同时降低了多个光波导片10的叠合难度，节约了叠合成本，在不增加工艺难度的情况下，减少了光波导系统中的光线串扰现象，同时保证了多个光波导片10的叠合稳定性，进而保证光波导系统能够稳定运行。

需要说明的是，光波导片10可以是多片进行叠加的，当光波导片10为多片时，远离外部光机的各个光波导片10上均设置有功能结构区。本申请主要针对两片的光波导系统进行描述，但在实际应用中可根据实际情况选取光波导片10的个数。

如图2所示，两片光波导片10被设计成靠近光机的光波导片10中传输蓝光和绿光，远离光机的光波导片10中传输红光和绿光。靠近光机的光波导片10也就是图中上方的光波导片10，远离光机的光光波导片10也就是图中下方的光波导片10。在未设置功能结构区时，会有部分蓝光通过耦入光栅20传输到下方的光波导片10中，从而造成光线串扰现象，影响成像效果。

如图3所示，为现有技术中光波导系统，图中滤波片70设置在相叠置的两个光波导片10上对应设置的两个耦入光栅20之间，以使滤波片70将垂直入射到滤波片70上的蓝光吸收，也就是图中最右侧的光线，以避免蓝光进入下层光波导片10中进行串扰。这样会增加两个光波导片10的叠合难度，同时会使两片光波导片10之间的间隙变大，从而增加光波导系统的整体厚度。

实施例一

如图5至图7所示，由于两片光波导片10被设计成靠近光机的光波导片10中传输蓝光和绿光，远离光机的光波导片10中传输红光和绿光。

如图6所示，功能结构区为吸收膜50，且吸收膜50设置在两个光波导片10中位于下方的光波导片10朝向上方的光波导片10的一侧表面上，且位于下方的光波导片10的耦入光栅20和转折光栅30之间，由于吸收膜50对特殊波段的光的吸收率不同，使得吸收膜50不会影响下层光波导片10中红光与绿光的扩瞳传输。这样设置使得由耦入光栅20进入下层光波导片10中的蓝光在传输到吸收膜50上的时能够被吸收膜50吸收，从而阻挡蓝光进一步传输至转折光栅30，避免了蓝光对输出图像的影响，从而保证成像效果。

需要说明的是，上述吸收膜50为蓝光膜。

在图中未示出的一个实施例中，光波导片10系统可重新规划其中两个光导片的对不同颜色的光的传输，不限于靠近光机的光波导片10中传输蓝光和绿光；远离光机的光波导片10中传输红光和绿光的这种方案。当然，功能结构区也可设置成吸收其他颜色光的膜层，不限于本申请中的蓝光膜。

需要说明的是，上述吸收膜50是镀制在光波导片10上的。

如图7所示，为功能结构区对蓝光的吸收率的示意图。

具体的，光波导系统还包括耦出光栅40，耦出光栅40与转折光栅30间隔设置，耦入光栅20的中心和转折光栅30的中心的连线与耦出光栅40的中心和转折光栅30的中心的连线垂直，耦出光栅40用于接收转折光栅30的光，耦出光栅40将光耦出光波导片10。这样设置使得转折光栅30内的有效光能够大部分射入耦出光栅40用于耦出光栅40对光进行耦出，保证了光波导片10的耦出效率，同时使得耦出光栅40所耦出的光能够大部分进入人眼进行成像，以保证光波导片10的成像稳定性。

需要说明的是，一个光波导片10上的功能结构区为一个或多个，当一个光波导片上的功能结构区为一个时，功能结构区位于其所在的光波导片10上对应的耦入光栅20与转折光栅30之间，或者功能结构区位于该光波导片10上对应的转折光栅30与耦出光栅40之间。当一个光波导片10上的功能结构区为多个时，一个功能结构区位于其所在的光波导片10上对应的耦入光栅20与转折光栅30之间，且另一个功能结构区位于该光波导片10上对应的转折光栅30与耦出光栅40之间。

需要说明的是，随着光在光波导片10内传播，光波导片10将接收到的光至少扩展为一维，使得光至少朝向一个方向进行传播。耦入光栅20被设计为将外部光机所发出的光耦入到光波导片10中，转折光栅30被设计成接收耦入光栅20的光并进行放大，进而由耦出光栅40将放大后的光耦出光波导片10并输出到人眼用于成像。

在图中未示出的一个实施例中，耦出光栅40设置在转折光栅30上并与转折光栅30一体成型。这样设置使得经耦入光栅20耦入到光波导片10中的光经全反射传输至转折光栅30，由转折光栅30直接进行放大并耦出光波导片10，进一步进入人眼进行成像。

具体的，耦入光栅20为衍射光栅，衍射光栅的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。这样设置保证了外部光机发出的光在衍射光栅内通过衍射后在光波导片10内进行全反射传输，使得外部光机发出的光能够大部分耦入光波导片10内，保证了耦入光栅20的耦入效率。

具体的，耦入光栅20为闪耀光栅、倾斜光栅和矩形光栅中的一种；或者转折光栅30为闪耀光栅、倾斜光栅和矩形光栅中的一种；或者耦出光栅40为闪耀光栅、倾斜光栅和矩形光栅中的一种。这样设置可以根据不同应用要求采用不同的光栅，耦入光栅20可将输入的光场信息导入，然后通过转折光栅30进行扩瞳传输至耦出光栅40，最终导出至人眼，光栅内的参数可调节，最终调整耦出光场的均匀性和衍射效率以满足实际应用。

需要说明的是，上述闪耀光栅为一种刻槽面与光栅法线不平行，即在两者之间存在一个小夹角，具有闪耀特性的光栅。锯齿型光栅为最理想的闪耀光栅，锯齿型光栅的横截面上为锯齿形的结构来进行衍射。上述倾斜光栅是一种光栅的平面与光栅切向呈一定倾角的光栅。上述矩形光栅是一种横截面上为矩形的结构来进行衍射的光栅。上述矩形光栅是一种横截面上为矩形的结构来进行衍射的光栅。

具体的，光波导片10的材质为玻璃，玻璃的折射率不小于1.5。这样设置是因为基于全反射的条件，内外材料折射率的差值影响光波导片10的视场角，对于越大的视场角需要越高的折射率玻璃基底来实现。同样，可根据实际需求选择不同材质的光波导片10。

具体的，玻璃的折射率大于等于1.5且小于等于2.3。这样设置有利于保证玻璃的高折射率特性，以保证光波导片10的大视场角。

具体的，光波导片10的厚度大于等于400微米小于等于1000微米。若光波导片10的厚度小于400微米，使得光波导片10不易制作，增加了光波导片10的加工难度，同时使得光波导片10在使用过程中易发生折断，降低了光波导片10的结构强度。若光波导片10的厚度大于1000微米，使得光波导片10的厚度过大，不利于光波导片10的小型化。将光波导片10的厚度限制在400微米到1000微米的范围内，保证了光波导片10的小型化的同时保证了光波导片10的结构强度。

近眼显示器包括光机和上述的光波导系统，光机向光波导系统发射光，光机集成为发射图像的光部分相干，光波导系统将光耦入到人眼中，以向用户展示图像信息。需要说明的是，上述近眼显示器可以是AR眼镜，当然本申请的光波导系统也可应用到其他用于显示的装置上。

需要说明的是，上述光机发射的是RGB三色光。

实施例二

与实施例一的区别是，功能结构区不是吸收膜50，而是光栅结构60。

如图8所示，功能结构区为光栅结构60。

如图8所示，将光栅结构60刻蚀在下层光波导片10上的耦入光栅20与转折光栅30之间，使得光栅结构60能够将射入到光栅结构60上的蓝光耦出，从而能够防止下层的光波导片10中的蓝光进入转折光栅30，以达到减少串扰的目的，同时不会影响红光和绿光的传输。

需要说明的是，上述光栅结构60为矩形光栅，矩形光栅的周期大于等于200nm且小于等于400nm，矩形光栅的高度大于等于20nm且小于等于300nm。将矩形光栅高度限制在20nm且到300nm的范围内，有利于保证矩形光栅的可加工性，降低了刻蚀加工难度，同时能够保证矩形光栅的光学特性，以保证耦出蓝光的稳定性。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光波导系统，其特征在于，包括：

光波导片(10)，所述光波导片(10)为多个，多个所述光波导片(10)至少包括两个叠置的所述光波导片(10)；

耦入光栅(20)，所述耦入光栅(20)设置在所述光波导片(10)上，所述耦入光栅(20)用于将外部光机发射的光耦入到所述光波导片(10)内；

转折光栅(30)，所述转折光栅(30)位于所述耦入光栅(20)的一侧，所述转折光栅(30)用于接收所述耦入光栅(20)的光；

功能结构区，叠置的多个所述光波导片(10)上的所述耦入光栅(20)对应设置，所述功能结构区设置在相叠置的多个所述光波导片(10)中位于远离所述外部光机的一个或多个所述光波导片(10)上，且所述功能结构区位于其所在的所述光波导片(10)上对应的所述耦入光栅(20)与所述转折光栅(30)之间。

2.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述功能结构区为吸收膜(50)。

3.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述功能结构区为光栅结构(60)。

4.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述光波导系统还包括耦出光栅(40)，

所述耦出光栅(40)设置在所述转折光栅(30)上并与所述转折光栅(30)一体成型；或者

所述耦出光栅(40)与所述转折光栅(30)间隔设置，所述耦入光栅(20)的中心和所述转折光栅(30)的中心的连线与所述耦出光栅(40)的中心和所述转折光栅(30)的中心的连线垂直，所述耦出光栅(40)用于接收所述转折光栅(30)的光，所述耦出光栅(40)将所述光耦出所述光波导片(10)，所述功能结构区位于其所在的所述光波导片(10)上对应的所述转折光栅(30)与所述耦出光栅(40)之间。

5.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述耦入光栅(20)为衍射光栅，所述衍射光栅的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。

6.根据权利要求4所述的光波导系统，其特征在于，

所述耦入光栅(20)为闪耀光栅、倾斜光栅和矩形光栅中的一种；或者

所述转折光栅(30)为闪耀光栅、倾斜光栅和矩形光栅中的一种；或者

所述耦出光栅(40)为闪耀光栅、倾斜光栅和矩形光栅中的一种。

7.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述光波导片(10)的材质为玻璃，所述玻璃的折射率不小于1.5。

8.根据权利要求7所述的光波导系统，其特征在于，所述玻璃的折射率大于等于1.5且小于等于2.3。

9.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述光波导片(10)的厚度大于等于400微米小于等于1000微米。

10.一种近眼显示器，其特征在于，包括：

光机；

权利要求1至9中任一项所述的光波导系统，所述光机向所述光波导系统发射光，所述光波导系统将所述光耦入到人眼中。

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