CN217543449U - 波导光学结构和波导装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种波导光学结构和波导装置。波导光学结构包括：波导基底；耦入光栅，耦入光栅设置在波导基底的一侧表面上，耦入光栅用于将外部光机的光耦入到波导基底内；转折光栅，转折光栅与耦入光栅间隔设置，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，耦出光栅与转折光栅位于波导基底的相同侧表面或不同侧表面，耦出光栅用于接收转折光栅的光，并将光耦出波导基底；其中，至少转折光栅包括多个呈周期阵列排布的二维光栅，二维光栅包括多个彼此间隔设置的子光栅，子光栅呈棱柱状。本实用新型解决了现有技术中的波导光学结构存在显示效率差的问题。

Description

波导光学结构和波导装置

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，涉及一种波导光学结构和波导装置。

背景技术

目前，虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)已经逐步进入人们的生活中，其中，在AR增强现实方面，波导技术是较为关键的一部分技术，也是目前主流的AR显示方案。但基于衍射波导光学结构(如浮雕光栅光波导或全息光波导等)存在一些固有缺陷，如系统效率低，不同视场角光线在波导基底中传播时，所走路径不同，其效率利用率也不相同。由于在一些波导显示中需包含一定的视场角范围，因为在设计过程中，需要考虑所有角度显示效果，导致为了均衡个别视场角的效率而牺牲部分视场角的效率，大大降低了波导光学结构的显示效果。

也就是说，现有技术中的波导光学结构存在显示效率差的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种波导光学结构和波导装置，以解决现有技术中的波导光学结构存在显示效率差的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种波导光学结构，包括：波导基底；耦入光栅，耦入光栅设置在波导基底的一侧表面上，耦入光栅用于将外部光机的光耦入到波导基底内；转折光栅，转折光栅与耦入光栅间隔设置，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，耦出光栅与转折光栅位于波导基底的相同侧表面或不同侧表面，耦出光栅用于接收转折光栅的光，并将光耦出波导基底；其中，至少转折光栅包括多个呈周期阵列排布的二维光栅，二维光栅包括多个彼此间隔设置的子光栅，子光栅呈棱柱状。

进一步地，多个二维光栅沿至少两个方向呈周期阵列排布，至少两个方向包括第一方向和第二方向，第一方向与第二方向垂直。

进一步地，多个子光栅在波导基底上的投影呈多边形，多个多边形包括三角形、四边形和五边形中的一种或多种。

进一步地，多个子光栅包括四个，四个子光栅呈田字状布置，各子光栅在波导基底上的投影呈四边形。

进一步地，多个子光栅包括两个，两个子光栅在波导基底上的投影相同或不相同。

进一步地，两个子光栅在波导基底上的投影均呈三角形，两个三角形对称设置且两个三角形的面积相同。

进一步地，各三角形的角均不在第一方向和第二方向上。

进一步地，两个子光栅中的一个在波导基底上的投影呈三角形，另一个子光栅在波导基底上的投影呈五边形，五边形的面积大于三角形的面积。

进一步地，三角形和五边形的角均不在第一方向和第二方向上，三角形和五边形对应的二维光栅在波导基底上的投影形状呈四边形。

进一步地，多个子光栅的高度相同或不同，多个子光栅中相邻两个子光栅之间的间距d与二维光栅的周期P之间满足：10％P<d<20％P。

进一步地，二维光栅的占空比大于等于30％且小于等于80％；和/或二维光栅的高度大于等于30nm且小于等于500nm；和/或二维光栅的周期P大于等于150nm且小于等于850nm。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种波导装置，包括：光机；上述的波导光学结构，光机向波导光学结构发射图像光，波导光学结构将图像光耦出到人眼中进行显示。

应用本实用新型的技术方案，波导光学结构包括波导基底、耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，耦入光栅设置在波导基底的一侧表面上，耦入光栅用于将外部光机的光耦入到波导基底内；转折光栅与耦入光栅间隔设置，转折光栅用于接收耦入光栅的光并进行扩瞳传输；耦出光栅与转折光栅位于波导基底的相同侧表面或不同侧表面，耦出光栅用于接收转折光栅的光，并将光耦出波导基底；其中，至少转折光栅包括多个呈周期阵列排布的二维光栅，二维光栅包括多个彼此间隔设置的子光栅，子光栅呈棱柱状。

至少转折光栅包括多个呈周期阵列排布的二维光栅，二维光栅包括多个彼此间隔设置的子光栅，子光栅呈棱柱状；使用上述的二维光栅作为转折光栅，使得二维光栅起到了合理分配各角度光效率的作用，二维光栅可将耦入光栅传输过来的光进行二维方向的传输，目的是将波导基底内部的光沿着特定的方向传输放大，将外部光机的信息进行扩瞳传输，有利于提高大角度下的光的衍射效率，改善了角度均匀性的问题，进而提高了波导光学结构的衍射效率和显示效率。

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波导光学结构的示意图；

图2示出了现有技术中的波导光学结构的衍射效率图；

图3示出了本实用新型的波导光学结构的衍射效率图；

图4示出了本实用新型的实施例一的多个二维光栅的示意图；

图5示出了图4中的一个二维光栅的示意图；

图6示出了本实用新型的实施例二的多个二维光栅的示意图；

图7示出了图6中的一个二维光栅的示意图；

图8示出了本实用新型的实施例三的多个二维光栅的示意图；

图9示出了图8中的一个二维光栅的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、耦入光栅；20、转折光栅；21、二维光栅；211、子光栅；30、耦出光栅；40、第一方向；50、第二方向。

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波导光学结构存在显示效率差的问题，本实用新型提供了一种波导光学结构和波导装置。

如图1至图9所示，波导光学结构包括波导基底、耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅30，耦入光栅10设置在波导基底的一侧表面上，耦入光栅10用于将外部光机的光耦入到波导基底内；转折光栅20与耦入光栅10间隔设置，转折光栅20用于接收耦入光栅10的光并进行扩瞳传输；耦出光栅30与转折光栅20位于波导基底的相同侧表面或不同侧表面，耦出光栅30用于接收转折光栅20的光，并将光耦出波导基底；其中，至少转折光栅20包括多个呈周期阵列排布的二维光栅21，二维光栅21包括多个彼此间隔设置的子光栅211，子光栅211呈棱柱状。

至少转折光栅20包括多个呈周期阵列排布的二维光栅21，二维光栅21包括多个彼此间隔设置的子光栅211，子光栅211呈棱柱状；使用上述的二维光栅21作为转折光栅20，使得二维光栅21起到了合理分配各角度光效率的作用，二维光栅21可将耦入光栅10传输过来的光进行二维方向的传输，目的是将波导基底内部的光沿着特定的方向传输放大，将外部光机的信息进行扩瞳传输，有利于提高大角度下的光的衍射效率，改善了角度均匀性的问题，进而提高了波导光学结构的衍射效率和显示效率。

如图1所示，为本申请的波导光学结构的示意图，波导基底未在图中示出，外部光机发射的光经耦入光栅10衍射后进入波导基底中，通过全反射在波导基底中进行传播，然后传输至转折光栅20的位置处，经转折光栅20将波导基底内传播的光线沿着两个方向进行扩展传输，进而通过耦出光栅30将光线耦出波导基底，最终衍射进入人眼进行显示。图中转折光栅20和耦出光栅30分别设置在波导基底的两个表面，且转折光栅20和耦出光栅30在波导基底上的投影大部分重合；当然在一个可选实施例中，转折光栅20和耦出光栅30在波导基底上的投影也可以是间隔的；转折光栅20和耦出光栅30也可设置在波导基底的同一侧的表面。

如图2所示，为现有技术中的波导光学结构的衍射效率图，由于常规的转折光栅20角度均匀性较差，使得在最终显示时在某些小角度的衍射效率较高，但是在大一些的角度，衍射效率较低，导致最终波导光学结构成像在人眼中的画面显示效率不均匀。如图3所示，为本申请的波导光学结构的衍射效率图，本申请通过特殊的转折光栅20设计，可提高大角度下的衍射效率，从而提高整体衍射效率，保证在各个角度衍射效率的一致性，从而提升画面显示的均匀性。

如图4所示的具体实施例中，多个二维光栅21沿至少两个方向呈周期阵列排布，至少两个方向包括第一方向40和第二方向50，第一方向40与第二方向50垂直。沿第一方向40和第二方向50分布的多个二维光栅21中的任意两个二维光栅21之间是间隔设置，且间距相等，这样有利于多个二维光栅21分布的均匀性，保证由多个二维光栅21周期阵列形成的转折光栅20的使用可靠性，保证光在波导基底中传输的稳定性。

具体的，多个子光栅211在波导基底上的投影呈多边形，多个多边形包括三角形、四边形和五边形中的一种或多种。多个多边形的形状可以是相同的，也可以是任意不同形状的组合，可根据具体情况进行设置，多边形的个数在此处也不做限定。

具体的，二维光栅21的占空比大于等于30％且小于等于80％；二维光栅21的高度大于等于30nm且小于等于500nm；多个二维光栅21的周期P大于等于150nm且小于等于850nm。其中，二维光栅21的占空比等于二维光栅21的边长L/二维光栅21的周期P。通过对多个二维光栅21的占空比、周期、高度等尺寸进行合理分配，有利于多个二维光栅21的周期性规律排布，有利于多个二维光栅21位置和尺寸的合理规划，保证二维光栅21传输光的角度均匀性，进而保证转折光栅20扩瞳传输的稳定性和角度均匀性。

具体的，多个子光栅211的高度相同或不同，多个子光栅211中相邻两个子光栅211之间的间距d与二维光栅21的周期P之间满足：10％P<d<20％P。这样设置有利于二维光栅21中的多个子光栅211位置的规律分布，在保证多个子光栅211位置分布均匀性的基础上，保证二维光栅21的使用可靠性和稳定性。

需要说明的是，本申请的耦入光栅10和耦出光栅30均为一种衍射光栅，均具有衍射光栅的衍射特性，能够保证光在波导基底中的均匀传输。耦入光栅10可以将入射光衍射成不同角度、不同级次进行传输，其目的是将光机发出的光最大功率地导入波导结构内。耦出光栅30的一种衍射光栅，耦出光栅30可接收本申请的二维光栅21传输过来的光，并将其耦出波导基底，其目的是将光机的信息均匀高效地耦出到人眼。由于衍射光栅的特性，使得耦出的光强会存在不均匀性，这种不均匀性表现为空间的不均匀性和角度的不均匀性，空间的不均匀性导致人眼处于眼盒内不同位置时，观察到的图像亮暗具有差异，角度的不均匀性导致不同视场角的明暗强度具有差异，本申请通过将转折光栅20设置成多个二维光栅21周期阵列的形式，能够解决上述的角度的不均匀性，以保证各个角度的光的均匀性。

下面结合具体附图，根据二维光栅21的几种不同结构形式进行描述。

实施例一

如图4和图5所示，在本实施例中，一个二维光栅21包括四个子光栅211，四个子光栅211呈田字状间隔布置，各子光栅211在波导基底上的投影呈四边形。具体的，该四边形为平行四边形。

如图4所示，同一个二维光栅21在第一方向40上有两个子光栅211，且在第二方向50上有两个子光栅211；二维光栅21的周期P的范围是150nm-850nm，占空比＝L/P的范围是30％-80％。

如图5所示，为单个二维光栅21的俯视图，单个二维光栅21由四个子光栅211组成，各子光栅211的俯视图均为平行四边形，四个平行四边形大小不同或相同，其中四个子光栅211的高度可以相同，也可以互相不同。各平行四边形的一组相邻的边分别在第一方向40和第二方向50上。各子光栅211的高度范围是30nm-500nm。相邻的子光栅211之间的间距d、与二维光栅21的周期P之间满足：10％P<d<20％P。

实施例二

如图6和图7所示，在本实施例中，一个二维光栅21包括两个子光栅211，两个子光栅211在波导基底上的投影相同。两个子光栅211在波导基底上的投影均呈三角形，两个三角形对称设置且两个三角形的大小和面积相同，两个三角形对应的子光栅211的高度相同或不相同。二维光栅21的周期P的范围是150nm-850nm，占空比＝L/P的范围是30％-80％。

如图6和图7所示，各三角形的角均不在第一方向40和第二方向50上，且各三角形的两个相邻的边分别与第一方向40和第二方向50平行；同一个二维光栅21的俯视图类似四边形，也就是说，通过两个三角形的特殊排布而组成的图形类似四边形。各子光栅211的高度范围是30nm-500nm。相邻的子光栅211之间的间距范围满足：10％P-20％P，其中P为二维光栅21的周期。

实施例三

如图8和图9所示，在本实施例中，一个二维光栅21包括两个子光栅211，两个子光栅211在波导基底上的投影不相同。二维光栅21的周期P的范围是150nm-850nm，占空比＝L/P的范围是30％-80％。两个子光栅211的高度可以相同，也可以不同；各子光栅211的高度范围是30nm-500nm。相邻的子光栅211之间的间距范围满足：10％P-20％P，其中P为二维光栅21的周期。

具体的，两个子光栅211中的一个在波导基底上的投影呈三角形，另一个子光栅211在波导基底上的投影呈五边形，五边形的面积大于三角形的面积，且该三角形和五边形均为对称结构。三角形和五边形的角均不在第一方向40和第二方向50上，三角形和五边形对应的单个二维光栅21在波导基底上的投影形状类似四边形。三角形的两个相邻的边分别与第一方向40和第二方向50平行；五边形的两个相邻的边分别与第一方向40和第二方向50平行。

另外，除上述三个具体的实施例之外，本申请的二维光栅21还涉及由至少两个多边形的子光栅211构成的结构，需满足在第一方向40和第二方向50上均呈周期性排布，均在本申请的保护范围之内。

本申请还提供了一种波导装置，包括光机和上述的波导光学结构，光机向波导光学结构发射图像光，波导光学结构将图像光耦出到人眼中进行显示。随着图像光在波导光学结构内传播，波导光学结构将接收到的图像光至少扩展为一维。耦入光栅10被设计为将图像光耦入到波导基底中。转折光栅20和耦出光栅30被设计成输出扩大后图像光并耦出到人眼。

需要说明的是，上述光机可以是自发光的有源器件，比如micro-OLED或micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏，包括透射式的LCD和反射式的LCOS，还有基于微机电系统MEMS技术的数字微镜阵列DMD，即DLP的核心和激光束扫描仪LBS等等。这样保证光机能够提供单色或彩色图像光源信息，光源大小形状需匹配耦入光栅10尺寸以及形状，例如圆形耦入口的光机需匹配圆形耦入光栅10，根据实际设备需求选择不同类型的光机搭配，以使波导装置的性能达到最好。

需要说明的是，上述波导装置可以是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 (12)

1.一种波导光学结构，其特征在于，包括：

波导基底；

耦入光栅(10)，所述耦入光栅(10)设置在所述波导基底的一侧表面上，所述耦入光栅(10)用于将外部光机的光耦入到所述波导基底内；

转折光栅(20)，所述转折光栅(20)与所述耦入光栅(10)间隔设置，所述转折光栅(20)用于接收所述耦入光栅(10)的光并进行扩瞳传输；

耦出光栅(30)，所述耦出光栅(30)与所述转折光栅(20)位于所述波导基底的相同侧表面或不同侧表面，所述耦出光栅(30)用于接收所述转折光栅(20)的光，并将所述光耦出所述波导基底；

其中，至少所述转折光栅(20)包括多个呈周期阵列排布的二维光栅(21)，所述二维光栅(21)包括多个彼此间隔设置的子光栅(211)，所述子光栅(211)呈棱柱状。

2.根据权利要求1所述的波导光学结构，其特征在于，多个所述二维光栅(21)沿至少两个方向呈周期阵列排布，所述至少两个方向包括第一方向(40)和第二方向(50)，所述第一方向(40)与所述第二方向(50)垂直。

3.根据权利要求1所述的波导光学结构，其特征在于，多个所述子光栅(211)在所述波导基底上的投影呈多边形，多个所述多边形包括三角形、四边形和五边形中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的波导光学结构，其特征在于，多个所述子光栅(211)包括四个，四个所述子光栅(211)呈田字状布置，各所述子光栅(211)在所述波导基底上的投影呈四边形。

5.根据权利要求2所述的波导光学结构，其特征在于，多个所述子光栅(211)包括两个，两个所述子光栅(211)在所述波导基底上的投影相同或不相同。

6.根据权利要求5所述的波导光学结构，其特征在于，两个所述子光栅(211)在所述波导基底上的投影均呈三角形，两个所述三角形对称设置且两个所述三角形的面积相同。

7.根据权利要求6所述的波导光学结构，其特征在于，各所述三角形的角均不在所述第一方向(40)和所述第二方向(50)上。

8.根据权利要求5所述的波导光学结构，其特征在于，两个所述子光栅(211)中的一个在所述波导基底上的投影呈三角形，另一个所述子光栅(211)在所述波导基底上的投影呈五边形，所述五边形的面积大于所述三角形的面积。

9.根据权利要求8所述的波导光学结构，其特征在于，所述三角形和所述五边形的角均不在所述第一方向(40)和所述第二方向(50)上，所述三角形和所述五边形对应的所述二维光栅(21)在所述波导基底上的投影形状呈四边形。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的波导光学结构，其特征在于，多个所述子光栅(211)的高度相同或不同，多个所述子光栅(211)中相邻两个所述子光栅(211)之间的间距d与所述二维光栅(21)的周期P之间满足：10％P<d<20％P。

11.根据权利要求1所述的波导光学结构，其特征在于，

所述二维光栅(21)的占空比大于等于30％且小于等于80％；和/或

所述二维光栅(21)的高度大于等于30nm且小于等于500nm；和/或

所述二维光栅(21)的周期P大于等于150nm且小于等于850nm。

12.一种波导装置，其特征在于，包括：

光机；

权利要求1至11中任一项所述的波导光学结构，所述光机向所述波导光学结构发射图像光，所述波导光学结构将所述图像光耦出到人眼中进行显示。

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