CN216979438U - 光波导和近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光波导，包括波导基底，波导基底设有耦入区、耦出区以及光回收区，耦入区、耦出区以及光回收区沿波导基底的光传播方向依次排布；耦入区用于将光束耦入波导基底，且耦入区、耦出区以及光回收区设有衍射光栅；耦出区用于耦出传播至耦出区的光束，光回收区用于利用‑2级反射衍射特性将传播至光回收区的光束反射到耦出区。本申请提供的光波导通过光回收区使得光可以反射回耦出区，增强了光波导的耦出效率，且耦出区接收来自两个方向的光，提高了光束耦出的均匀性。本申请还提供一种近眼显示装置。

Description

光波导和近眼显示装置

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种光波导和近眼显示装置。

背景技术

衍射光波导是实现增强现实(Augmented Reality,AR)眼镜的核心模块，光波导的效率极大地决定了AR眼镜光学模组显示时所需要的功耗。提升光波导的效率，降低AR眼镜光学模组的功耗可以满足用户更长时间的佩戴的需求。目前采用衍射光栅的光波导难以实现较高的效率，光在耦出区处无法实现高效的耦出，很多的能量会沿着光波导传播到波导的侧边上，造成能量损耗。

实用新型内容

本申请实施方式提出了一种光波导和近眼显示装置，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光波导，包括波导基底，波导基底设有耦入区、耦出区以及光回收区，耦入区、耦出区以及光回收区沿波导基底的光传播方向依次排布，且耦入区、耦出区以及光回收区设有衍射光栅；耦入区用于将光束耦入波导基底，耦出区用于耦出传播至耦出区的光束，光回收区用于利用-2级反射衍射特性将传播至光回收区的光束反射到耦出区。

在一种实施方式中，光回收区的光栅周期与耦出区的光栅周期一致，且光回收区为直光栅。

在一种实施方式中，光回收区的衍射光栅由胶水压印而成。

在一种实施方式中，胶水的折射率范围为0.65-0.95。

在一种实施方式中，耦出区在远离耦入区的方向对-2级的衍射效率逐渐增大。

在一种实施方式中，光回收区设置于耦出区的末端。

在一种实施方式中，耦出区与光回收区间隔设置于波导基底。

在一种实施方式中，光波导还包括转折区，转折区设有衍射光栅，转折区设置于波导基底，且位于耦入区和耦出区之间的光路上，用于将传播至转折区的光束引导至耦出区，转折区、耦出区和光回收区在第一方向依次排布，其中，第一方向为转折区至耦出区的光传播方向。

在一种实施方式中，光波导还包括第一子回收区，第一子回收区设有衍射光栅，耦入区、转折区和第一子回收区在第二方向依次排布，其中，第二方向为耦入区至转折区的光传播方向。

在一种实施方式中，光回收区还包括第二子回收区，第二子回收区设有衍射光栅，第二子回收区、转折区和耦出区在第一方向依次排布。

第二方面，本申请实施方式提供一种近眼显示装置，包括微投影光机以及第一方面的光波导，微投影光机用于发出投影光线，投影光线经耦入区耦入波导基底。

本申请提供的光波导和近眼显示装置，利用光回收区的衍射光栅的-2级反射衍射特性，能够将大部分传播至光回收区的光束大致沿着入射方向的反方向反射回去，从而能够回到耦出区，增强了光波导的耦出效率，且耦出区接收来自耦入区和光回收区两个方向的光，提高了光束耦出的均匀性。

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为相关技术提供的光波导中的光的传播示意图。

图2为本申请实施方式提供的耦出区在不同视场光线的各级衍射效率图。

图3为本申请实施方式提供的光波导中光的传播示意图。

图4为本申请实施方式提供的衍射效率与折射率的关系曲线示意图。

图5为本申请实施方式提供的光波导的结构示意图。

图6为本申请另一实施方式提供的光波导的结构示意图。

图7为本申请又一实施方式提供的光波导的结构示意图。

图8为本申请实施方式提供的近眼显示装置的结构示意图。

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。

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。

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，有望成为继个人电脑、智能手机后的新一代信息交互终端，具有广阔的市场规模和想象空间，AR 技术在近年来得到了广泛的关注和投入。近年来，AR显示系统已经逐渐在一些专业领域得到了应用，包括工业、培训、教育、观影、医疗、游戏等众多领域。

相较于通讯、大数据、软件算法等方面，现阶段AR硬件显示系统的性能从某种程度上制约了AR领域的快速发展，同时具有小体积、轻质化、高效率、大视场角、大动眼框范围性能的AR显示系统仍未获得突破。AR硬件显示系统通常包含微型光机(optical engine)和光学组合器(optical combiner)两部分。光学组合器更大程度上决定了AR显示装置的整体形态，主要有几何光学和衍射光学两种技术路线，每种技术路线又分成不同的解决方案。

采用表面浮雕光栅(Surface Relief Gratings,SRGs)的衍射光波导光学组合器，是利用具有周期性形貌变化的光栅，实现光的衍射，进而实现光波导的扩瞳功能。其优点在于，工艺可以采用基于半导体工艺制备的母模板、再通过纳米压印的技术进行SRG结构的复制，整个工艺方法具备很好的可量产性，在后续的大规模应用和生产中具有良好的前景，近年来得到了广泛的关注。但是这种技术的局限在于，想尽可能提高效率，则需要如倾斜光栅(Slanted SRG)、闪耀光栅(Blazed SRG)的特殊形貌设计，此外对于光栅的倾斜角、深度、占空比等需要特殊的设计，这些特殊设计都对SRG的加工工艺带来了一定挑战。

对于一个典型的衍射光栅光波导而言，在光束耦入和耦出时都会发生一些能量上的损失，提高光波导的效率对光波导器件而言意义重大。

如图1所示，在光波导的耦出区区域，T_-1级衍射为耦出光波导进入人眼的光线，0级反射衍射为继续以全反射角度向前传播的光线，-1级反射衍射为与目标耦出光线反向的光线，而-2级反射衍射的光线为方向与入射方向完全相反的光线。由此可见，在耦出区区域，T_-1级衍射和0级反射衍射为可以利用的有效光线，但是对于入射至耦出区域的初始位置且发生-2级反射衍射的光线来说，该光线将逃离耦出区域，返回到转折区域或耦入区域，而造成了光线的浪费。在耦出区域的中心区域，发生-2级反射衍射的光线虽然会反向传播，但是仍然会遇到耦出区域，进行光线的耦出，因此一部分-2级反射衍射的光线重新得到了利用。对于耦出区的末端区域，最后的0级反射衍射光线不再是有效光线，而是会被侧面的吸光层吸收掉，造成一定的能量浪费。

图2示出了不同视场光线在耦出区处的各级衍射效率，由图2可知，在耦出区中，0度视场的光线(Launch Angle＝50°)的-2级反射衍射的衍射效率高达59％，因此-2级反射衍射具有很高的衍射效率。

请参阅图3，本申请实施方式提供一种光波导10，包括波导基底100，波导基底100设有耦入区200、耦出区300以及光回收区400，耦入区200、耦出区300以及光回收区400沿波导基底100的光传播方向依次排布，且耦入区200、耦出区300以及光回收区400均设有衍射光栅；耦入区200用于将光束耦入波导基底100，耦出区300用于耦出传播至耦出区300的光束，光回收区400用于利用-2级反射衍射特性将传播至光回收区400的光束反射到耦出区300。

本申请提供的光波导10，利用光回收区400的-2级反射衍射特性，能够将大部分传播至光回收区400的光束大致沿着入射方向的反方向反射回去，从而能够回到耦出区300，增强了光波导10的耦出效率，且此时耦出区300 接收来自光回收区400和耦入区200的不同方向的光束，提高了光束耦出的均匀性。

在一种实施方式中，光回收区400的光栅周期与耦出区300的光栅周期一致，且光回收区400的衍射光栅为直光栅。其中，光栅周期是一个折射率改变点到相邻一个折射率改变点的长度。光回收区400的衍射光栅为直光栅，发生-2级反射衍射的光束在光回收区400上的出射方向与入射方向具有较高的对称性，且-2级反射衍射在光回收区400具有较高的衍射效率(如图2所示)，光回收区400利用-2级反射衍射特性，能够将传播至光回收区400的光束大致沿着入射方向的反方向反射回去。直光栅的制备工艺较为简单，生产成本较低，且光回收区400的光栅周期与耦出区300的光栅周期一致，不会引入额外的制造难度。

光回收区400的衍射光栅由胶水压印而成，耦入区200、耦出区300也可以为胶水压印制成，耦入区200、耦出区300和光回收区400的厚度可以一致。在一种实施方式中，光回收区400处的胶水的折射率范围为0.65-0.95。图4所示的曲线为衍射效率随折射率变化的关系图，横坐标的数值为折射率，纵坐标的数值为衍射效率，当折射率逐渐增大时，衍射效率也逐渐增大。采用此范围折射率的胶水压印而成的光回收区，-2级反射衍射增强，能够有效地将传播至光回收区的光束反射到耦出区。

本实施方式中，通过调节光回收区400的结构参数和材料参数调控光回收区400的-2级衍射效率的强弱，例如，可以在光回收区400涂敷高折射率的胶水，以增强光回收区400的-2级衍射的衍射效率。

在一种实施方式中，对光回收区400的衍射光栅的-2级反射衍射的衍射效率进行增强，使得光回收区的-2级反射衍射的衍射效率大于59％。此时在光回收区400中，-2级次的衍射占据了主要能量级次，这样大部分的光束能够反射回到耦出区300，形成有效的能量耦出。

在一种实施方式中，耦入区200、耦出区300以及光回收区400沿波导基底100的光传播方向依次排布，以形成一维的光波导结构。

在一种实施方式中，可以将耦出区300划分为多个区域，每个区域对应的衍射光栅所采用的胶水的折射率在远离耦入区200的方向逐渐增大，以使耦出区300的衍射光栅在远离耦入区200的方向对-2级衍射效率逐渐增大，这样的设置有助于提高光波导整体的耦出效率。

本实施方式中，光束入射到耦出区300邻近耦入区200的边缘时，会因为发生-2级反射衍射而造成损耗。在一种实施方式中，对耦出区300邻近耦入区200的边缘的-2级反射衍射进行弱化处理，使得耦出区300邻近耦入区 200的边缘的-2级反射衍射的衍射效率小于或等于30％，以减小对光线的反射，让尽可能多的光进入到耦出区300。具体地，可以通过调整耦出区300邻近耦入区200边缘的结构参数和材料参数以弱化-2级衍射效率，具体措施可以参考现有技术，此处不再赘述。

进一步地，耦出区300中间区域的-2级反射衍射可以进行适当的强化处理，使得耦出区300中间区域的-2级反射衍射的衍射效率大于50％，让光束在耦出区300发生更多的反射，用于增加耦出均匀性。

请参阅图5，在一种实施方式中，光回收区400设置于耦出区300的末端，也即耦出区300和光回收区400之间没有间隙，可以相当于直接在耦出区300的尾端做-2级反射衍射效率优化以形成光回收区400。由此，可以提升空间利用率，光波导10体积小，可以适用于小型的近眼显示装置。

请参阅图6，在一种实施方式中，耦出区300和光回收区400间隔设置于波导基底100，耦出区300和光回收区400之间形成明显的分区，可以适用于长度较长的光波导10。

请参阅图7，在一种实施方式中，光波导10还包括转折区500，转折区 500设有衍射光栅，转折区500设置于波导基底100，且位于耦入区200和耦出区300之间的光路上，用于将传播至转折区500的光束引导至耦出区300，以实现二维扩瞳。转折区500、耦出区300和光回收区400在第一方向D1 依次排布，其中，第一方向D1为转折区500至耦出区300的光传播方向。利用光回收区400处的衍射光栅-2级反射衍射特性可以将靠近耦出区300边缘的光束大致沿着入射方向的反方向反射回去，从而能够回到耦出区300，提高了光波导10的耦出效率。

在一种实施方式中，光波导10还包括第一子回收区402，第一子回收区 402设有衍射光栅，耦入区200、转折区500和第一子回收区402在第二方向 D2依次排布，其中，第二方向D2为耦入区200至转折区500的光传播方向，且第一子回收区402位于转折区500至耦出区300之间的光路外。利用第一子回收区402的-2级反射衍射特性，能够将走向光波导10靠近转折区500 边缘的光束大致沿着入射方向的反方向反射回去，从而能够回到转折区500，实现更高效率的光波导。

在一种实施方式中，光波导10还包括第二子回收区403，第二子回收区 403设有衍射光栅，第二子回收区403、转折区500和耦出区300在第一方向 D1依次排布，且第二子回收区403位于耦入区200至转折区500之间的光路外。利用第二子回收区403的-2级反射衍射特性，能够将走向光波导10靠近转折区500的另一边缘的光束大致沿着入射方向的反方向反射回去，从而能够回到转折区500，实现更高效率的光波导。

上述实施方式中，光回收区400、第一子回收区402和第二子回收区403 可同时设置，以实现最高效率的光波导。在其他实施方式中，在基于光回收区400的设置，可以选择性地设置第一子回收区402或者第二子回收区403，以降低加工难度和加工成本。

请参阅图3和图8，本申请实施方式还提供一种近眼显示装置20，包括微投影光机以及上述任一实施方式的光波导10，微投影光机用于发出投影光线，投影光线经耦入区200耦入波导基底100。近眼显示装置20可以为AR 眼镜等显示设备，本实施例以近眼显示装置20为AR眼镜为例进行说明。

本申请实施例提供的近眼显示装置20还可以包括壳体21，壳体21可以包括镜架211和两个镜腿212，两个镜腿212的一端均转动连接于镜架211，镜架 211设置有两个相互间隔的视窗区213，两个视窗区213并排设置于两个镜腿212 之间，以分别对应于人体左右眼。镜架211可以设置有两个光波导10，且两个光波导10的耦出区300分别位于两个视窗区213内，两个镜腿212分别设置有一微投系统，两个微投系统可输出不同视差图像，以实现三维显示。

其中，微投系统可以包括微型光机和光学透镜，光学透镜设置于微型光机和耦入区200之间的光路上。微型光机可以为液晶投影机(LCoS)、投影仪(DLP)、液晶显示器(LCD)或者发光二极管(LED)等，微型光机发出的光经过透镜后聚焦成像，并将图像光射入耦入区200，最终由耦出区300输出形成显示画面。

关于光波导10的详细结构特征请参阅上述实施例的相关描述。由于近眼显示装置20包括上述实施例中的光波导10，因而具有光波导10所具有的一切有益效果，在此不再赘述。

此外，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 (11)

1.一种光波导，其特征在于，包括波导基底，所述波导基底设有耦入区、耦出区以及光回收区，所述耦入区、所述耦出区以及所述光回收区沿所述波导基底的光传播方向依次排布，且所述耦入区、所述耦出区以及所述光回收区设有衍射光栅；所述耦入区用于将光束耦入所述波导基底，所述耦出区用于耦出传播至所述耦出区的光束，所述光回收区用于利用-2级反射衍射特性将传播至所述光回收区的光束反射到所述耦出区。

2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光回收区的光栅周期与所述耦出区的光栅周期一致，且所述光回收区的衍射光栅为直光栅。

3.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光回收区的衍射光栅由胶水压印而成。

4.根据权利要求3所述的光波导，其特征在于，所述胶水的折射率范围为0.65-0.95。

5.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述耦出区在远离所述耦入区的方向对-2级的衍射效率逐渐增大。

6.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光回收区设置于所述耦出区的末端。

7.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述耦出区与所述光回收区间隔设置于所述波导基底。

8.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导还包括转折区，所述转折区设有衍射光栅，所述转折区设置于所述波导基底，且位于所述耦入区和所述耦出区之间的光路上，用于将传播至所述转折区的光束引导至所述耦出区；所述转折区、所述耦出区和所述光回收区在第一方向依次排布，其中，所述第一方向为所述转折区至所述耦出区的光传播方向。

9.根据权利要求8所述的光波导，其特征在于，所述光波导还包括第一子回收区，所述第一子回收区设有衍射光栅，所述耦入区、所述转折区和所述第一子回收区在第二方向依次排布，其中，所述第二方向为所述耦入区至所述转折区的光传播方向。

10.根据权利要求8所述的光波导，其特征在于，所述光波导还包括第二子回收区，所述第二子回收区设有衍射光栅，所述第二子回收区、所述转折区和所述耦出区在所述第一方向依次排布。

11.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：微投影光机以及如权利要求1-10任一项所述的光波导，所述微投影光机用于发出投影光线，所述投影光线经所述耦入区耦入所述波导基底。

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