CN216792592U - 光波导组件和近眼显示装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种光波导组件和近眼显示装置。光波导组件包括：光波导片；衍射光栅，衍射光栅设置在光波导片的一侧表面上；透射膜层，透射膜层和衍射光栅位于光波导片的同一侧表面上，且透射膜层位于衍射光栅与光波导片之间。本实用新型解决了现有技术中的光波导组件存在显示不均匀的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及衍射光学设备技术领域，具体而言，涉及一种光波导组件和近眼显示装置。
背景技术
随着科技的不断创新，虚拟现实(VR)，增强现实(AR)，混合现实(MR)已经逐步进入工业教育等行业，其中在AR增强现实方面，光波导技术是不可缺少的一步，它采用带有衍射光栅的平板光波导片，将光机出射的图像光传输并放大到人眼进行显示，使得佩戴者在看到真实世界的同时观察到光机投出叠加在世界的虚像。
该显示技术通常由光波导组件实现，光波导组件由光机与光学元件组成，光学元件包括光波导片，微投光机提供单色或者彩色的图像光信息，光学元件负责将光机的图像信息扩瞳放大并传输到人眼进行显示。光机与光学元件的设计组合方式决定最终形成的产品形态，但目前的产品都有部分局限性，最大问题为显示效果不理想，其原因是不同角度光入射光波导片内，由于衍射角度不同导致光线在光波导片中传输路径不同，某些角度需要多次衍射传输才能到达人眼，因衍射次数多会使光能量大量损失，导致不同角度的光的效率不均匀的情况，这种不均匀性会影响图像显示，使人眼观察到成像效果差。
也就是说，现有技术中的光波导组件存在显示不均匀的问题。
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组件和近眼显示装置，以解决现有技术中的光波导组件存在显示不均匀的问题。
为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种光波导组件，包括：光波导片；衍射光栅，衍射光栅设置在光波导片的一侧表面上；透射膜层，透射膜层和衍射光栅位于光波导片的同一侧表面上，且透射膜层位于衍射光栅与光波导片之间。
进一步地，透射膜层为角度选择透射膜层，角度选择膜层具有阈值角度，以使角度选择透射膜层将入射角大于等于阈值角度的光以第一透射率透射，入射角小于阈值角度的光以第二透射率透射，第一透射率大于第二透射率。
进一步地，透射膜层包括多层膜层，至少相邻两层膜层的折射率不同。
进一步地，透射膜层包括第一折射率膜层和第二折射率膜层，第一折射率膜层和第二折射率膜层交替堆叠以形成多层膜层；或者透射膜层包括多层膜层，多层膜层被分为多组，多组中的每组均包括折射率呈梯度变化的第一折射率膜层、第二折射率膜层和第三折射膜层。
进一步地，衍射光栅包括：耦入光栅，耦入光栅用于将外部光机所发射的光耦入到光波导片内；转折光栅，转折光栅用于接收耦入光栅的光并进行扩瞳传输；耦出光栅，耦出光栅用于接收转折光栅的光并将光耦出光波导片，耦出光栅至少包括两种高度。
进一步地，光波导片朝向衍射光栅的一侧表面均设置有透射膜层，且透射膜层与光波导片的表面积相等；或者仅耦出光栅与光波导片之间设置有透射膜层；或者仅转折光栅与光波导片之间、耦出光栅与光波导片之间设置有透射膜层。
进一步地，透射膜层包括多层膜层，膜层的材料包括锗、硫化锌、金刚石、氧化铝、氧化铈、氧化镁、氟化镁、氧化钛、氧化锆中的一种。
进一步地，衍射光栅为一维光栅或二维光栅，一维光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和一维多层光栅中的一种；二维光栅包括长方形光栅、平行四边形光栅、菱形光栅和二维多层光栅中的一种。
进一步地，光波导片的材质为玻璃或光学晶体；和/或光波导片的折射率大于等于1.7且小于等于2.3；和/或光波导片的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种近眼显示装置，包括：光机；上述的光波导组件，光机向光波导组件发射单色或彩色的图像光，光波导组件将图像光耦出至人眼进行显示。
应用本实用新型的技术方案，光波导组件包括光波导片、衍射光栅和透射膜层，衍射光栅设置在光波导片的一侧表面上；透射膜层和衍射光栅位于光波导片的同一侧表面上，且透射膜层位于衍射光栅与光波导片之间。
通过设置光波导片，使得光波导片为衍射光栅提供了设置位置，提高了衍射光栅的使用可靠性，同时保证了光在光波导片中传输的稳定性和均匀性，保证光波导组件能够稳定均匀成像。透射膜层和衍射光栅位于光波导片的同一侧表面上，且透射膜层位于衍射光栅与光波导片之间，这样设置通过透射膜层与衍射光栅的配合，使得透射膜层能够对传输光线进行调制，通过透射膜层对不同角度的入射光进行反射或衍射的选择，对不同角度选择透射率以减少部分角度的光的衍射传输次数，从而避免在传输过程中光能量的损失，分别对不同的角度响应以有效的提高不同角度的光的衍射效率，进而提高整体的显示效率，提高显示均匀性，保证最终的成像效果。
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示出了本实用新型的一个可选实施例的光波导组件的结构示意图；
图2示出了本实用新型的另一个可选实施例的光波导组件的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、光波导片；21、耦入光栅；22、耦出光栅；30、透射膜层。
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组件存在显示不均匀的问题，本实用新型提供了一种光波导组件和近眼显示装置。
如图1和图2所示，光波导组件包括光波导片10、衍射光栅和透射膜层30，衍射光栅设置在光波导片10的一侧表面上；透射膜层30和衍射光栅位于光波导片10的同一侧表面上，且透射膜层30位于衍射光栅与光波导片10之间。
通过设置光波导片10，使得光波导片10为衍射光栅提供了设置位置，提高了衍射光栅的使用可靠性，同时保证了光在光波导片10中传输的稳定性和均匀性，保证光波导组件能够稳定均匀成像。透射膜层30和衍射光栅位于光波导片10的同一侧表面上，且透射膜层30位于衍射光栅与光波导片10之间，这样设置通过透射膜层30与衍射光栅的配合，使得透射膜层30能够对传输光线进行调制，通过透射膜层30对不同角度的入射光进行反射或衍射的选择，对不同角度选择透射率以减少部分角度的光的衍射传输次数，从而避免在传输过程中光能量的损失，分别对不同的角度响应以有效的提高不同角度的光的衍射效率，进而提高整体的显示效率，提高显示均匀性，保证最终的成像效果。
具体的，透射膜层30为角度选择透射膜层30，角度选择膜层具有阈值角度，以使角度选择透射膜层30将入射角大于等于阈值角度的光以第一透射率透射，入射角小于阈值角度的光以第二透射率透射，第一透射率大于第二透射率。由于光以不同角度进入光波导片10中，因衍射光栅的衍射特性，不同视场角的光在光波导片10中的传输角度和传输路径均不相同，越远的视场角光的传输路径越长，衍射次数越多导致光强效率降低，这样不同视场角的明暗强度具有差异，使得最终输出的光强效率不均匀，影响成像效果。通过设置透射膜层30，使得透射膜层30能够起到角度筛选的作用，以使透射膜层30将入射角大于等于自身阈值角度的光以高透射率透射，入射角小于阈值角度的光以低透射率透射，同时设计对应的光栅高度，不同的光栅高度对不同角度衍射响应不同，从而减少光的衍射次数，可以减少光强效率因衍射传输而造成的流失，减小了光强能量的损失，将光强有效利用，以提高显示效率均匀性，使得耦出至人眼的光更加均匀，使得用户观察到的图像更加清晰均匀，提高了成像效果。
具体的，透射膜层30包括多层膜层，至少相邻两层膜层的折射率不同，它们的光学厚度通常为应用中所使用的光的波长的λ/4光学厚度(QWOT)或λ/2光学厚度(HWOT)透射，透射膜层30通常由多个高折射率的膜层和多个低折射率的膜层交替堆叠而成，从而诱发需要的干涉效应。
在另一个可选地实施例中，多层膜层可以是一组，一组包括折射率逐渐减小的第一折射率膜层、第二折射率膜层和第三折射膜层。或者多层膜层被分为多组，多组中的每组均包括折射率逐渐减小的第一折射率膜层、第二折射率膜层和第三折射膜层。也就是说，第一折射率膜层为高折射率膜层，第二折射率膜层为中折射率膜层，第三折射率膜层为低折射率膜层。第一折射率膜层、第二折射率膜层和第三折射膜层是多层膜层中的一层。透射膜层30的具体层数可根据具体需求进行设置，仅需保证透射膜层30角度选择性能即可。
具体的，衍射光栅包括耦入光栅21、转折光栅(图中未示出)和耦出光栅22，耦入光栅21用于将外部光机所发射的光耦入到光波导片10内，以将光衍射成不同角度不同级次进行传输，以保证光在光波导片10中传输的均匀性，同时能够保证耦入光栅21的耦入效率；转折光栅能够接收耦入光栅21的大部分光，以使转折光栅将光沿着特定方向进行扩瞳传输；耦出光栅22用于接收转折光栅和耦入光栅21的光并将光高效耦出光波导片10，以将光机的信息均匀高效地耦出至人眼。
如图1所示，在图中所示的具体实施例中，耦入光栅21、转折光栅(图中未示出)、耦出光栅22分布在光波导的正面，当然也可以分布在背面(无论在哪面，光栅底部均有透射膜层30)，透射膜层30镀制在光波导片10上，光波导片10朝向衍射光栅的一侧表面均设置有透射膜层30，且透射膜层30与光波导片10的表面积相等；也就是说，透射膜层30镀制在整片光波导片10上。这样设置使得透射膜层30可对耦入光栅21、转折光栅和耦出光栅22的光都进行角度选择调制，从而有效减少部分角度的光的衍射次数，从而提高光的传输效率，保证最终能在人眼进行均匀显示。
如图1所示，图中耦入光栅21上方的黑色箭头为光机传输过来的光线，光波导片10的内部展示了由耦入光栅21至耦出光栅22的光路传输，本申请的耦出光栅22的高度不同，靠近耦入光栅21的一侧的耦出光栅22的高度小于远离耦入光栅21的一侧的耦出光栅22的高度。入射光以不同角度进入光波导片10后，因光栅的衍射特性，不同视场角在光波导片10内传输的路径以及角度不同，造成光路反射次数不同，因此镀上透射膜层30配合特定光栅参数进行有效衍射，通过透射膜层30和不同高度的耦出光栅22的配合，对于大角度光线(比如大于或等于20°)以高透射率透射至耦出光栅22的低高度光栅处发生衍射，衍射耦出达到人眼，同时部分光线继续传输再次耦出进行扩瞳；对于小角度光线(比如小于20°)以低透射率传输至低高度光栅处，因为光栅参数设计其衍射效率低，几乎不衍射，因此继续反射传输，从而保存光强能量，当抵达高高度光栅处时，因参数设计对该角度衍射效率高，发生衍射被耦出至人眼，这样的设计可以减少某些角度因传输路径长，衍射多次导致能量损失，可将光强有效利用。
如图2所示的具体实施例中，与图1中所示实施例的不同是，透射膜层30也可仅镀制在特定区域，仅耦出光栅22与光波导片10之间设置有透射膜层30。当然，在图中未示出的具体实施例中，仅转折光栅与光波导片10之间、耦出光栅22与光波导片10之间设置有透射膜层30。
具体的，透射膜层30包括多层膜层，膜层的材料包括锗、硫化锌、金刚石、氧化铝、氧化铈、氧化镁、氟化镁、氧化钛、氧化锆等其他常用光学镀膜材料中的一种。其中高折射材料可选用氧化铈；中折射率材料可选择硫化锌或金刚石薄膜；低折射率材料可选用氧化铝。当然，也可根据具体情况选取不同的材料。
具体的，衍射光栅为一维光栅或二维光栅，一维光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和一维多层光栅中的一种；二维光栅在两个方向上均有周期变化，二维光栅包括长方形光栅、平行四边形光栅、菱形光栅和二维多层光栅中的一种。耦入光栅21、转折光栅和耦出光栅22的具体选型可根据实际情况进行设置。
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。
具体的，耦入光栅21可以将入射光衍射成不同角度不同级次进行传输，其目的是将光机的光最大效率的导入光波导片10内。耦入光栅21的占空比在30％至80％的范围内；耦入光栅21的高度在50nm至500nm的范围内；当耦入光栅21为一维多层光栅时，一维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层，且每层的高度均在50nm至500nm的范围内，每层的光栅的结构均相同；当耦入光栅21为二维多层光栅时，二维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层，且每层的高度均在50nm至500nm的范围内，每层的光栅的结构均相同；耦入光栅21的周期在300nm至600nm的范围内。可调节具体参数，最终调整使耦出的光强均匀性达到特定要求。
具体的，转折光栅可以将光波导片10内的光进行一维或者二维方向上的传输，其目的是将内部光沿着特定方向进行扩瞳传输，将光机的信息进行扩瞳传输。转折光栅的占空比在30％至80％的范围内；转折光栅的高度在30nm至300nm的范围内；当转折光栅为一维多层光栅时，一维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层，且每层的高度均在30nm至300nm的范围内，且每层的光栅的结构均相同；当转折光栅为二维多层光栅时，二维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层，且每层的高度均在30nm至300nm的范围内，每层的光栅的结构均相同；转折光栅的周期在300nm至600nm的范围内。可调节具体参数，最终调整使耦出的光强均匀性达到特定要求。
具体的，耦出光栅22可接收转折光栅传输过来的光，将其进一步的扩瞳并耦出，其目的是将光机的信息均匀高效的耦出到人眼。耦出光栅22的占空比在30％至80％的范围内；耦出光栅22的高度在30nm至300nm的范围内；当耦出光栅22为一维多层光栅时，一维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层，且每层的高度均在30nm至300nm的范围内，且每层的光栅的结构均相同；当耦出光栅22为二维多层光栅时，二维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层，且每层的高度均在30nm至300nm的范围内，每层的光栅的结构均相同；耦出光栅22的周期在300nm至600nm的范围内。可调节具体参数，最终调整使耦出的光强均匀性达到特定要求。
具体的，光波导片10的材质为玻璃或光学晶体，玻璃为高折射率玻璃，光学晶体为高折射光学晶体；光波导片10的折射率大于等于1.7且小于等于2.3；这样设置有利于保证光波导片10的高折射率特性，高折射率可提高视场角的大小，以实现超大视场角的光波导片10。当然，也可根据实际需求选择不同的材料。
具体的，光波导片10的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米。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1毫米，使得光波导片10的厚度过大，不利于光波导片10的轻薄化。将光波导片10的厚度限制在400微米到1毫米的范围内，保证了光波导片10的轻薄化的同时保证了光波导片10的结构强度。
本申请还提供了一种近眼显示装置，包括光机和上述的光波导组件，光机向光波导组件发射单色或彩色的图像光，光波导组件将图像光耦出至人眼进行显示。具有上述光波导组件的近眼显示装置具有光能量损失小、显示效率高和显示均匀性佳的特点，保证光机的光能够在人眼中均匀成像。随着光机的光在光波导片10内传播，光波导片10将接收到的图像光至少扩展为一维。耦入光栅21被设计为将图像光耦入到光波导片10中，转折光栅和耦出光栅22被设计成输出扩大后图像的光并输出到眼眶。
需要说明的是，上述近眼显示装置可以是AR头戴式设备。
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)
1.一种光波导组件，其特征在于，包括：
光波导片(10)；
衍射光栅，所述衍射光栅设置在所述光波导片(10)的一侧表面上；
透射膜层(30)，所述透射膜层(30)和所述衍射光栅位于所述光波导片(10)的同一侧表面上，且所述透射膜层(30)位于所述衍射光栅与所述光波导片(10)之间。
2.根据权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述透射膜层(30)为角度选择透射膜层(30)，所述角度选择膜层具有阈值角度，以使所述角度选择透射膜层(30)将入射角大于等于所述阈值角度的所述光以第一透射率透射，入射角小于所述阈值角度的所述光以第二透射率透射，所述第一透射率大于所述第二透射率。
3.根据权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述透射膜层(30)包括多层膜层，至少相邻两层所述膜层的折射率不同。
4.根据权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，
所述透射膜层(30)包括第一折射率膜层和第二折射率膜层，所述第一折射率膜层和所述第二折射率膜层交替堆叠以形成多层膜层；或者
所述透射膜层(30)包括多层膜层，多层所述膜层被分为多组，多组中的每组均包括折射率呈梯度变化的第一折射率膜层、第二折射率膜层和第三折射膜层。
5.根据权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述衍射光栅包括：
耦入光栅(21)，所述耦入光栅(21)用于将外部光机所发射的光耦入到所述光波导片(10)内；
转折光栅，所述转折光栅用于接收所述耦入光栅(21)的光并进行扩瞳传输；
耦出光栅(22)，所述耦出光栅(22)用于接收所述转折光栅的光并将所述光耦出所述光波导片(10)，所述耦出光栅(22)至少包括两种高度。
6.根据权利要求5所述的光波导组件，其特征在于，
所述光波导片(10)朝向所述衍射光栅的一侧表面均设置有所述透射膜层(30)，且所述透射膜层(30)与所述光波导片(10)的表面积相等；或者
仅所述耦出光栅(22)与所述光波导片(10)之间设置有所述透射膜层(30)；或者
仅所述转折光栅与所述光波导片(10)之间、所述耦出光栅(22)与所述光波导片(10)之间设置有所述透射膜层(30)。
7.根据权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述透射膜层(30)包括多层膜层，所述膜层的材料包括锗、硫化锌、金刚石、氧化铝、氧化铈、氧化镁、氟化镁、氧化钛、氧化锆中的一种。
8.根据权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述衍射光栅为一维光栅或二维光栅，所述一维光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和一维多层光栅中的一种；所述二维光栅包括长方形光栅、平行四边形光栅、菱形光栅和二维多层光栅中的一种。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光波导组件，其特征在于，
所述光波导片(10)的材质为玻璃或光学晶体；和/或
所述光波导片(10)的折射率大于等于1.7且小于等于2.3；和/或
所述光波导片(10)的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米。
10.一种近眼显示装置，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组件，所述光机向所述光波导组件发射单色或彩色的图像光，所述光波导组件将所述图像光耦出至人眼进行显示。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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