CN216979351U - 衍射光波导和增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种衍射光波导和增强现实显示设备。衍射光波导包括基底、设置于基底的耦入光栅以及耦出光栅，耦出光栅设置于基底与耦入光栅间隔地设置于基底，耦出光栅包括沿基底的长度方向依次设置的多个子光栅区域，每个子光栅区域具有沿基底的长度方向等间距设置的多个光栅单元，子光栅区域的横向周期相同，子光栅区域的纵向周期沿远离耦入光栅的方向递减。其中，耦入光栅与耦出光栅均为体光栅结构，横向周期为相邻两个光栅单元沿基底的长度方向的距离，纵向周期为相邻两个光栅单元沿基底的厚度方向的距离，有助于保证最终耦出光线的图像不会出现错位重影等问题，提高了耦出光栅的耦出效率和衍射光波导的出光均匀性，降低衍射光波导的设计难度。

Description

衍射光波导和增强现实显示设备

技术领域

本申请涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种衍射光波导和增强现实显示设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)是一种实时采集现实世界信息，并将虚拟信息、图像等与现实世界相结合的显示技术。现阶段AR硬件显示系统的性能不佳，同时具有小体积、轻质化、高效率、大视场角(FOV)、大动眼框范围性能的AR显示系统仍未获得突破。

光学组合器是AR硬件显示系统的重要部件。目前的光学组合器有采用几何光学技术路线衍射光学技术路线两种，衍射光学技术路线从衍射光栅形态上可以分为体全息光栅(Volume Holographic Grating，VHG)和表面浮雕光栅(Surface Relief Grating，SRG)两种。VHG的波长敏感性和角度较高，可以避免多色光相互串扰的问题以及对环境光的色散问题。但是，VHG对于光源波长和FOV限制较大，并且通常采用有机材料，可靠性低，还需要采用全息光刻制备，量产困难。SRG可以采用基于半导体工艺制备的母模板并通过纳米压印的技术进行复制，可量产性好。但是SRG的效率不足，需要对光栅的倾斜角、深度、占空比等特殊设计以提高效率，难度较大。

光学组合器中的衍射光波导是实现AR硬件显示系统的核心模块，光波导的效率极大的决定了AR硬件显示系统显示时所需要的功耗，为了满足更长时间的佩戴，降低功耗提高光波导的效率很有裨益。然而，由于出瞳距的存在，即光波导与人眼接收图像的位置之间的距离为出瞳距，如图1所示，光栅的出光面101与实际的眼睛盒(eyebox)区域102存在一定的差别，eyebox区域102为人眼可以接收到完整的视场角内的光线的区域，导致边缘位置的耦出光栅的一些出光角度不能照射在eyebox区域102上。其中，图1中的细实线为能够照射在eyebox区域102的有效光线，虚线为照射在eyebox区域102外的无效光线。Eyebox区域102外，人眼的观察视场不全，因此不能看做有效的区域，使得最终在eyebox区域102外的光都变成了能量浪费。

实用新型内容

本申请实施方式提出了一种衍射光波导和增强现实显示设备，以解决上述技术问题。

本申请实施方式通过以下技术方案来实现上述目的。

第一方面，本申请实施方式提供一种衍射光波导，衍射光波导包括基底、耦入光栅以及耦出光栅，耦入光栅设置于基底。耦出光栅与耦入光栅间隔地设置于基底，耦出光栅包括沿基底的长度方向依次设置的多个子光栅区域，每个子光栅区域具有沿基底的长度方向等间距设置的多个光栅单元，子光栅区域的横向周期相同，子光栅区域的纵向周期沿远离耦入光栅的方向递减。其中，耦入光栅与耦出光栅均为体光栅结构，横向周期为相邻两个光栅单元沿基底的长度方向的距离，纵向周期为相邻两个光栅单元沿基底的厚度方向的距离。

在一些实施方式中，子光栅区域的横向周期为h，0.5λ≤h≤λ，λ为光线的波长。

在一些实施方式中，子光栅区域的纵向周期为v，v＝h*tanθ，h为子光栅区域的横向周期，θ为子光栅区域的倾斜角，20°≤θ<90°。

在一些实施方式中，25°≤θ≤40°。

在一些实施方式中，任意相邻两个子光栅区域的间距为d，0≤d≤1mm。

在一些实施方式中，子光栅区域的数量为2-4个。

在一些实施方式中，多个子光栅区域中靠近耦入光栅的子光栅区域出射的视场角大于多个子光栅区域中远离耦入光栅的子光栅区域出射的视场角。

在一些实施方式中，多个子光栅区域出射的视场角沿远离耦入光栅的方向依次递减。

在一些实施方式中，多个子光栅区域位于基底的同一表面。

第二方面，本申请实施方式还提供一种增强现实显示设备，增强现实显示设备包括光源和衍射光波导，耦入光栅用于接收光源发出的光。

本申请实施方式提供的衍射光波导和增强现实显示设备中，耦入光栅与耦出光栅间隔地设置于基底，耦出光栅的多个子光栅区域沿基底的长度依次设置，每个子光栅区域具有沿基底的长度方向等间距设置的多个光栅单元，耦入光栅与耦出光栅均为体光栅结构，子光栅区域的横向周期相同，横向周期为相邻两个光栅单元沿基底的长度方向的距离，有助于保证最终耦出光线的图像不会出现错位重影等问题。子光栅区域的纵向周期沿远离耦入光栅的方向递减，纵向周期为相邻两个光栅单元沿基底的厚度方向的距离，使得不同位置处的子光栅区域具有不同的衍射效率曲线，有效地提高了耦出光栅的耦出效率，还有助于提高衍射光波导的出光均匀性，降低衍射光波导的设计难度。本申请通过优化衍射光波导不同区域处的光栅形貌，可以有效地减少eyebox区域外的光能量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示例出现有的光波导与eyebox区域的示意图。

图2示例出本申请实施方式提供的衍射光波导的结构示意图。

图3示例出图2的衍射光波导的耦出光栅与eyebox区域的示意图。

图4示例出图2的衍射光波导的耦出光栅各位置的视场角与衍射效率的示意图。

图5示例出图2的衍射光波导的耦出光栅的部分结构示意图。

图6实例出本申请另一实施方式提供的衍射光波导的结构示意图。

图7示例出图6的衍射光波导的耦出光栅各位置的视场角与衍射效率的示意图。

图8示例出图6的衍射光波导的耦出光栅的发光强度的仿真的示意图。

图9示例出本申请实施方式提供的增强现实显示设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域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方式，都属于本申请保护的范围。

请参阅图2，本申请实施方式提供一种衍射光波导100，衍射光波导100可以应用于增强现实显示设备中，并用于实现光线的传播。该光线可以为可见光，例如可以为400nm-700nm波长的光线。该光线的视场角可以为10度至60度。

衍射光波导100包括基底10、耦入光栅30以及耦出光栅50。基底10可以为玻璃、树脂或其他材质。耦入光栅30与耦出光栅50间隔地设置于基底10。耦入光栅30用于将光线耦入基底10，光线在基底10内以全反射的形式进行传播，在传播至耦出光栅50时，经耦出光栅50耦出至基底10外并进入人眼。

耦入光栅30和耦出光栅50的横向周期相同，即耦入光栅30的光栅单元的横向周期和耦出光栅50的光栅单元的横向周期相同，有助于保证光线耦入基底10的角度与耦出基底10的角度保持相同，从而有助于保证光线的完整性。耦入光栅30和耦出光栅50均为体光栅(Volume Holographic Grating，VHG)结构。其中，光栅单元可以通过干涉曝光形成，有助于光栅单元具有较高的折射率。

由于出瞳距的存在，导致人眼区域无法接收到完整的光线。请参阅图3，本申请可以从几何关系上计算出耦出光栅50各个位置中能够入射到eyebox区域102对应的角度。耦出光栅50中最左侧和最右侧的光栅单元仅有边缘视场角(FOV)处的光束能够入射到eyebox区域中102。在耦出光栅50的中间处，光栅单元的出光边缘角度同时取决于视场角的最大角度和eyebox区域102边缘与该点连线的角度，从两者中取最小的值。如此，可以得到耦出光栅50中各处有效的出光角度范围，再对该出光角度范围的光栅单元的效率进行优化，从而可以确定出耦出光栅50各处较优的效率曲线。

如图4所示，各处较优的效率曲线不相同，主要差别在于耦合效率的中心角度位置各不相同，各处期望的效率曲线的角度宽度也会有些差异。如此，在大视场角、相对较小eyebox区域、长出瞳距的系统中，可以大大的提高耦出光栅50有效的耦出效率，还能大大降低光栅的设计难度。

基于上述设计思路，耦出光栅50可以进行分区域设置。例如图2和图5所示，耦出光栅50包括多个子光栅区域51，多个子光栅区域51沿基底10的长度依次设置。每个子光栅区域51具有多个光栅单元501，多个光栅单元501沿基底10的长度方向等间距设置。光线从耦入光栅30耦入基底10，并在基底10传播过程中依次经不同的子光栅区域51耦出基底10。

本申请，术语“多个”是指大于或等于两个，例如子光栅区域51的数量为2个、3个、4个或其他数量。如此，子光栅区域51的数量不至于过多而增加耦出光栅50的制作难度，子光栅区域51的数量不至于过少而导致耦出光栅50的耦出效率过低。

多个子光栅区域51可以位于基底10的同一表面，使得耦出光栅50可以集中形成于基底10的同一表面，有助于简化耦出光栅50的复杂度。多个子光栅区域51与耦入光栅30均可以位于基底10的同一表面，有助于简化耦入光栅30与耦出光栅50的复杂度。

任意相邻两个子光栅区域51的间距为d，0≤d≤1mm。例如d可以为0、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm或上述相邻两个数值之间的任意值。如此，有助于相邻两个子光栅区域51之间不至于相隔过远，有助于保证耦出光栅50具有较好的耦出效率。其中，任意相邻两个子光栅区域51的间距均可以相同，或者任意相邻两个子光栅区域51的间距均可以不同。

请参阅图5，子光栅区域51的横向周期为h，子光栅区域51的横向周期相同，有助于保证最终耦出光线的图像不会出现错位重影等问题。其中，横向周期h可以理解为相邻两个光栅单元501沿基底10的长度方向的距离。

其中，0.5λ≤h≤λ，λ为光线的波长。例如h可以为0.5λ、0.6λ、0.7λ、0.8λ、0.9λ、λ或上述相邻两个数值之间的任意值。如此，子光栅区域51的横向周期h的取值范围恰当，有助于耦出光栅50具有良好的衍射效率。

子光栅区域51的纵向周期为v，子光栅区域51的纵向周期沿远离耦入光栅30的方向递减，使得不同位置处的子光栅区域51具有不同的衍射效率曲线，有效地提高了耦出光栅50的耦出效率，还有助于提高衍射光波导100的出光均匀性，降低衍射光波导100的设计难度。其中，纵向周期v为相邻两个光栅单元501沿基底10的厚度方向的距离。

其中，v＝h*tanθ，h为子光栅区域51的横向周期，θ为子光栅区域51的倾斜角，20°≤θ<90°。例如θ可以为20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°、89°等。如此，子光栅区域51的纵向周期为v的取值范围恰当，有助于耦出光栅50具有良好的衍射效率。

在一些实施方式中，25°≤θ≤40°。如此，有助于进一步保证耦出光栅50具有良好的衍射效率。

多个子光栅区域51中靠近耦入光栅30的子光栅区域51出射的视场角可以大于多个子光栅区域51中远离耦入光栅30的子光栅区域51出射的视场角。如此，有助于适配于多个子光栅区域51中靠近耦入光栅30的子光栅区域51对大角度视场角的耦出效率更高的特性，亦有助于适配于多个子光栅区域51中远离耦入光栅30的子光栅区域51对小角度视场角的耦出效率更高的特性。

多个子光栅区域51出射的视场角可以沿远离耦入光栅30的方向依次递减。如此，有助于多个子光栅区域51较为合理地优化对应大小视场角的耦出效率。

本申请的衍射光波导100可以采用以下列举的方式进行设计。

如图6所示，耦入光栅30的横向周期为412.5nm，纵向周期为171nm，耦入光栅30的大小为2mm*2mm的正方形。

耦出光栅50包括4个子光栅区域51，4个子光栅区域51沿远离耦入光栅30的方向依次称为第一子光栅区域511、第二子光栅区域512、第三子光栅区域513以及第四子光栅区域514。

第一子光栅区域511的横向周期为412.5nm，第一子光栅区域511的纵向周期为196nm，第一子光栅区域511的大小为2mm*2mm的正方形。

第二子光栅区域512的横向周期为412.5nm，第二子光栅区域512的纵向周期为184nm，第二子光栅区域512的大小为2mm*2mm的正方形。

第三子光栅区域513的横向周期为412.5nm，第三子光栅区域513的纵向周期为174nm，第三子光栅区域513的大小为2mm*2mm的正方形。

第四子光栅区域514的横向周期为412.5nm，第四子光栅区域514的纵向周期为166nm，第四子光栅区域514的大小为2mm*2mm的正方形。

对耦出光栅50进行进行仿真，例如可以采用视场角为-10度至10度的一维光线，且该光线的波长为525nm±15nm。仿真结果如图7至图8所示，图7中的横坐标为角度值，纵坐标为效率值；图8中的W/sr表示发光强度，“W”表示功率，“sr”表示球面度。第一子光栅区域511对于大角度视场角的光线的耦出效率较高，第四子光栅区域514对于小角度视场角的光线的耦出效率更高，入瞳效率约是未优化之前的三倍。如此，通过调控不同子光栅区域51的纵向周期可以实现不同子光栅区域51对角度的不同响应，提高了有效耦出效率，通过调控纵向周期也提高了入瞳均匀性。

本申请实施方式提供的衍射光波导100中，耦入光栅30与耦出光栅50间隔地设置于基底10，耦出光栅50的多个子光栅区域51沿基底10的长度依次设置，每个子光栅区域51具有沿基底10的长度方向等间距设置的多个光栅单元501，耦入光栅30与耦出光栅50均为体光栅结构，子光栅区域51的横向周期相同，横向周期为相邻两个光栅单元501沿基底10的长度方向的距离，有助于保证最终耦出光线的图像不会出现错位重影等问题。子光栅区域51的纵向周期沿远离耦入光栅30的方向递减，纵向周期为相邻两个光栅单元501沿基底的厚度方向的距离，使得不同位置处的子光栅区域51具有不同的衍射效率曲线，有效地提高了耦出光栅50的耦出效率，还有助于提高衍射光波导100的出光均匀性，降低衍射光波导100的设计难度。本申请通过优化衍射光波导100不同区域处的光栅形貌，可以有效地减少eyebox区域外的光能量。

请参阅图9，本申请实施方式还提供一种增强现实显示设备1000，增强现实显示设备1000可以为AR眼镜或其他设备。增强现实显示设备1000包括光源200和上述任一实施方式的衍射光波导100。光源200可以为光机，光机可以发出携带图像信息的光线。耦入光栅30用于接收光源200发出的光。

本申请实施方式提供的增强现实显示设备1000中，耦入光栅30与耦出光栅50间隔地设置于基底10，耦出光栅50的多个子光栅区域51沿基底10的长度依次设置，每个子光栅区域51具有沿基底10的长度方向等间距设置的多个光栅单元501，耦入光栅30与耦出光栅50均为体光栅结构，子光栅区域51的横向周期相同，横向周期为相邻两个光栅单元501沿基底10的长度方向的距离，有助于保证最终耦出光线的图像不会出现错位重影等问题。子光栅区域51的纵向周期沿远离耦入光栅30的方向递减，纵向周期为相邻两个光栅单元501的沿基底的厚度方向的距离，使得不同位置处的子光栅区域51具有不同的衍射效率曲线，有效地提高了耦出光栅50的耦出效率，还有助于提高衍射光波导100的出光均匀性，降低衍射光波导100的设计难度。本申请通过优化衍射光波导100不同区域处的光栅形貌，可以有效地减少eyebox区域外的光能量。

在本申请中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为特指或特殊结构。术语“一些实施方式”、“其他实施方式”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本申请中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本申请中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。

以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施方式技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种衍射光波导，其特征在于，包括：

基底；

耦入光栅，设置于所述基底；以及

耦出光栅，与所述耦入光栅间隔地设置于所述基底，所述耦出光栅包括沿所述基底的长度方向依次设置的多个子光栅区域，每个所述子光栅区域具有沿所述基底的长度方向等间距设置的多个光栅单元，所述子光栅区域的横向周期相同，所述子光栅区域的纵向周期沿远离所述耦入光栅的方向递减；其中，所述耦入光栅与所述耦出光栅均为体光栅结构，所述横向周期为相邻两个所述光栅单元沿所述基底的长度方向的距离，所述纵向周期为相邻两个所述光栅单元沿所述基底的厚度方向的距离。

2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述子光栅区域的横向周期为h，0.5λ≤h≤λ，λ为光线的波长。

3.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述子光栅区域的纵向周期为v，v＝h*tanθ，h为所述子光栅区域的横向周期，θ为所述子光栅区域的倾斜角，20°≤θ<90°。

4.根据权利要求3所述的衍射光波导，其特征在于，25°≤θ≤40°。

5.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，任意相邻两个所述子光栅区域的间距为d，0≤d≤1mm。

6.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述子光栅区域的数量为2-4个。

7.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，多个所述子光栅区域中靠近所述耦入光栅的所述子光栅区域出射的视场角大于多个所述子光栅区域中远离所述耦入光栅的所述子光栅区域出射的视场角。

8.根据权利要求7所述的衍射光波导，其特征在于，多个所述子光栅区域出射的视场角沿远离所述耦入光栅的方向依次递减。

9.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述多个子光栅区域位于所述基底的同一表面。

10.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：

光源；以及

根据权利要求1至9任一项所述的衍射光波导，所述耦入光栅用于接收所述光源发出的光。

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