CN217543546U - 波导结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种波导结构。波导结构包括：波导片；光机，光机设置在波导片的外部，用于向波导片发射图像光；耦入光栅，耦入光栅设置在波导片的一侧表面上，光机与耦入光栅对应设置，耦入光栅用于将光机发射的图像光耦入到波导片内；二维光栅，二维光栅设置在波导片上且与耦入光栅位于同一侧或不同侧，二维光栅包括多个呈周期阵列排布的二维结构单元，二维结构单元包括多个彼此间隔设置的子单元，子单元呈棱柱状，且子单元的延伸方向与波导片的表面垂直；其中，波导片上仅设置有耦入光栅和二维光栅。本实用新型解决了现有技术中的波导结构存在显示效果差的问题。

Description

波导结构

技术领域

本实用新型涉及衍射光学技术领域，具体而言，涉及一种波导结构。

背景技术

现如今，虚拟现实VR、增强现实AR、混合现实MR已被人们所熟知，尤其在增强现实方面，波导结构是比较关键的机构，也是目前主流的AR显示方案不可或缺的结构。但是基于衍射波导结构，都存在一些固有缺陷，比如系统效率低等，不同视场角光线在波导片中传播时，所走的路径不同，其效率利用率也不相同。由于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，大大降低了波导结构的显示效果。

也就是说，现有技术中的波导结构存在显示效果差的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种波导结构，以解决现有技术中的波导结构存在显示效果差的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种波导结构，包括：波导片；光机，光机设置在波导片的外部，用于向波导片发射图像光；耦入光栅，耦入光栅设置在波导片的一侧表面上，光机与耦入光栅对应设置，耦入光栅用于将光机发射的图像光耦入到波导片内；二维光栅，二维光栅设置在波导片上且与耦入光栅位于同一侧或不同侧，二维光栅包括多个呈周期阵列排布的二维结构单元，二维结构单元包括多个彼此间隔设置的子单元，子单元呈棱柱状，且子单元的延伸方向与波导片的表面垂直；其中，波导片上仅设置有耦入光栅和二维光栅。

进一步地，多个二维结构单元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之间的夹角为锐角。

进一步地，多个子单元在波导片上的投影呈多边形，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，多个子单元包括四个，在第一方向和第二方向上各具有两个子单元，各子单元在波导片上的投影呈四边形。

进一步地，多个子单元包括两个，两个子单元在波导片上的投影相同或不相同。

进一步地，两个子单元在波导片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，各三角形的角均不在第一方向和第二方向上。

进一步地，两个子单元中的一个在波导片上的投影呈三角形，另一个子单元在波导片上的投影呈五边形，三角形的一条边与五边形的一条边对应，三角形和五边形的角均不在第一方向和第二方向上。

进一步地，二维光栅的周期P与相邻子单元之间的间隔D之间满足：5<P/D<10；和/或二维光栅的周期P在150nm-850nm的范围内；和/或二维光栅的高度在30nm-500nm的范围内；和/或二维光栅的占空比f满足：0.2≤f≤0.8。

进一步地，耦入光栅为一维光栅，一维光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅、多层光栅中的一种；和/或耦入光栅为一个或多个，当耦入光栅为多个时，多个耦入光栅间隔设置。

进一步地，波导片的材料为高折射率玻璃或高折射率光学晶体，高折射率玻璃或高折射率光学晶体的折射率不小于1.5；和/或波导片的折射率大于等于1.5且小于等于2.6；和/或波导片的厚度大于等于0.4毫米且小于等于1毫米。

应用本实用新型的技术方案，波导结构包括波导片、光机、耦入光栅和二维光栅，光机设置在波导片的外部，用于向波导片发射图像光；耦入光栅设置在波导片的一侧表面上，光机与耦入光栅对应设置，耦入光栅用于将光机发射的图像光耦入到波导片内；二维光栅设置在波导片上且与耦入光栅位于同一侧或不同侧，二维光栅包括多个呈周期阵列排布的二维结构单元，二维结构单元包括多个彼此间隔设置的子单元，子单元呈棱柱状，且子单元的延伸方向与波导片的表面垂直；其中，波导片上仅设置有耦入光栅和二维光栅。

通过设置波导片，使得波导片为耦入光栅和二维光栅提供了设置位置，有利于保证耦入光栅和二维光栅的使用可靠性。光机与耦入光栅对应设置，使得耦入光栅能够将光机发射的大部分光耦入进波导片内，保证了耦入效率，避免了光能量的损失。二维光栅包括多个呈周期阵列排布的二维结构单元，二维结构单元包括多个彼此间隔设置的子单元，子单元呈棱柱状，且子单元的延伸方向与波导片的表面垂直；这样设置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，目的是将波导片内部的光沿着特定的方向传输，将光机的信息进行扩瞳传输，并将光机的信息均匀高效地耦出到人眼进行成像。本申请的二维光栅可提高大角度下的光的衍射效率，解决了角度均匀性的问题，进提高波导结构的整体衍射效率，保证衍射效率的一致性，从而提升最终画面显示的均匀性，保证显示效果和波导结构的整体性能。波导片上仅设置有耦入光栅和二维光栅，使得耦入光栅起到将外部光机的图像光耦入到波导片内部的作用，而二维光栅则不仅能够将耦入光栅的光沿着特定方向进行扩瞳传输，还能将扩瞳后的图像光耦出至人眼进行显示，增加了二维光栅的应用范围，避免了增加其他光栅的情况，有利于保证波导片上的光栅所占面积足够小，进而保证波导结构整体的小型化。

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结构的示意图；

图2示出了现有技术中的波导结构的衍射效率图；

图3示出了本实用新型的波导结构的衍射效率图；

图4示出了本实用新型的实施例一的多个二维结构单元的示意图；

图5示出了图4中的一个二维结构单元的示意图；

图6示出了本实用新型的实施例二的多个二维结构单元的示意图；

图7示出了图6中的一个二维结构单元的示意图；

图8示出了本实用新型的实施例三的多个二维结构单元的示意图；

图9示出了图8中的一个二维结构单元的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、耦入光栅；20、二维光栅；21、二维结构单元；211、子单元；30、第一方向；40、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。

随着科技发展，车载HUD(Head-up Display)或AR(增强现实)头戴式设备现已成为当下科研热点，也已慢慢进入人们日常生活，波导结构目前作为主流的AR设计方案由于其体积小的优点被广泛关注，但其也存在固有缺陷包括系统效率低、角度均匀性差和眼盒均匀性差等问题，严重制约了波导结构在AR设备中的应用。

为了解决现有技术中的波导结构存在显示效果差的问题，本实用新型提供了一种波导结构。

如图1至图9所示，波导结构包括波导片、光机、耦入光栅10和二维光栅20，光机设置在波导片的外部，用于向波导片发射图像光；耦入光栅10设置在波导片的一侧表面上，光机与耦入光栅10对应设置，耦入光栅10用于将光机发射的图像光耦入到波导片内；二维光栅20设置在波导片上且与耦入光栅10位于同一侧或不同侧，二维光栅20包括多个呈周期阵列排布的二维结构单元21，二维结构单元21包括多个彼此间隔设置的子单元211，子单元211呈棱柱状，且子单元211的延伸方向与波导片的表面垂直；其中，波导片上仅设置有耦入光栅10和二维光栅20。

通过设置波导片，使得波导片为耦入光栅10和二维光栅20提供了设置位置，有利于保证耦入光栅10和二维光栅20的使用可靠性。光机与耦入光栅10对应设置，使得耦入光栅10能够将光机发射的大部分光耦入进波导片内，保证了耦入效率，避免了光能量的损失。二维光栅20包括多个呈周期阵列排布的二维结构单元21，二维结构单元21包括多个彼此间隔设置的子单元211，子单元211呈棱柱状，且子单元211的延伸方向与波导片的表面垂直；这样设置使得二维光栅20起到了合理分配各角度光效率的作用，二维光栅20可将耦入光栅10传输过来的光进行二维方向的传输，目的是将波导片内部的光沿着特定的方向传输，将光机的信息进行扩瞳传输，并将光机的信息均匀高效地耦出到人眼进行成像。本申请的二维光栅20可提高大角度下的光的衍射效率，解决了角度均匀性的问题，进提高波导结构的整体衍射效率，保证衍射效率的一致性，从而提升最终画面显示的均匀性，保证显示效果和波导结构的整体性能。波导片上仅设置有耦入光栅10和二维光栅20，使得耦入光栅10起到将外部光机的图像光耦入到波导片内部的作用，而二维光栅20则不仅能够将耦入光栅10的光沿着特定方向进行扩瞳传输，还能将扩瞳后的图像光耦出至人眼进行显示，增加了二维光栅20的应用范围，避免了增加其他光栅的情况，有利于保证波导片上的光栅所占面积足够小，进而保证波导结构整体的小型化。

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。上述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的耦入光栅10，根据实际设备需求选择不同类型的光机搭配，以使波导结构的性能达到最好。

还需要说明的是，在一些应用中，光栅是波导结构的一部分，并且在一些实例中，波导结构是近眼显示(NED)的一部分，NED是用于向用户展示图像信息的，是增强现实系统的一部分。NED包括光机和波导结构，光机是发射图像的光源，波导结构包括波导片(有一定厚度的高折射率玻璃)、耦入光栅10和二维光栅20。随着光在波导片内传播，波导片将接收到的图像光扩展为二维，耦入光栅10被设计为将图像光耦合到波导片中。二维光栅20被设计成输出扩大后的图像光并输出到眼盒。

如图1所示，为本申请的波导结构的示意图，波导片未在图中示出，光机发射的光经耦入光栅10衍射后进入波导片中，通过全反射在波导片中进行传播，然后传输至二维光栅20的位置处，经二维光栅20将波导片内传播的光线沿着两个方向进行扩展传输，然后二维光栅20将光线耦出波导片，最终衍射进入人眼进行显示。图中二维光栅20与耦入光栅10间隔设置，二维光栅20和耦入光栅10可设置在波导片的一侧表面上，也可分别设置在波导片的两个表面上。

如图2所示，为现有技术中的波导结构的衍射效率图，由于常规的波导结构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，为本申请的波导结构的衍射效率图，本申请通过特殊的二维光栅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，多个二维结构单元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30和第二方向40，第一方向30与第二方向40之间的夹角为锐角。优选的，第一方向30与第二方向40之间的夹角为60°。沿第一方向30和第二方向40分布的多个二维结构单元21中的任意相邻二维结构单元21之间间隔设置，且间距相等，这样有利于二维结构单元21分布的均匀性，进而提高由多个二维结构单元21周期阵列形成的二维光栅20的使用可靠性。

具体的，二维结构单元21可包括两个或两个以上的多棱柱构成，也就是说，子单元211的形状为多棱柱，多个子单元211在波导片上的投影呈多边形，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20的周期P在150nm-850nm的范围内；二维光栅20的高度在30nm-500nm的范围内；二维光栅20的占空比f满足：0.2≤f≤0.8，其中f＝二维结构单元21的边长L/二维光栅20的周期P。通过对二维光栅20的占空比、周期、高度等尺寸进行合理分配，有利于多个二维结构单元21的周期性规律排布，有利于多个二维结构单元21位置和尺寸的合理规划，进而保证二维光栅20传输光的角度均匀性，保证扩瞳传输的稳定性和角度均匀性。

具体的，二维光栅20的周期P与相邻子单元211之间的间隔D之间满足：5<P/D<10；这样设置有利于多个子单元211位置的规律分布，在保证多个子单元211位置分布均匀性的基础上，保证二维光栅20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和二维光栅20均为一种衍射光栅，均具有衍射光栅的衍射特性，能够保证光在波导片中的均匀传输。

具体的，耦入光栅10为一维光栅，如闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅、多层光栅中的一种；耦入光栅10的周期在300nm-600nm的范围内。耦入光栅10为一个或多个，当耦入光栅10为多个时，多个耦入光栅10间隔设置。也可根据具体的需求选取不同的光栅类型排列组合。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片内，多个的耦入光栅10目的在于对能量低的视场角或波长进行效率补偿，最终调整使耦出的光强均匀性达到特性要求。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，本申请通过设置二维光栅20，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。

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。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，波导片的材料为高折射率玻璃或高折射率光学晶体，高折射率玻璃或高折射率光学晶体的折射率不小于1.5；波导片的折射率大于等于1.5且小于等于2.6；这样设置有利于保证波导片的高折射率特性，高折射率可提高视场角的大小，以实现超大视场角的波导片。当然，也可根据实际需求选择不同的材料。

具体的，波导片的厚度大于等于0.4毫米且小于等于1毫米。若波导片的厚度小于0.4毫米，使得波导片过薄且不易制作，增强了波导片的加工难度，同时使得波导片在使用过程中易发生折断，降低了波导片的结构强度。若波导片的厚度大于1毫米，使得波导片的厚度过大，不利于波导片的小型化。将波导片的厚度限制在0.4毫米到1毫米的范围内，保证了波导片的轻薄化的同时保证了波导片的结构强度。

下面结合具体附图，根据二维结构单元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，一个二维结构单元21包括四个子单元211，四个子单元211的延伸方向均与波导片的表面垂直片，也就是说，各子单元211均垂直于波导片的表面设置。第一方向30与第二方向40之间的夹角为60°；同一个二维结构单元21在第一方向30和第二方向40上各具有两个子单元211，四个子单元211形成的二维结构单元21的形状类似菱形；各子单元211在波导片上的投影呈四边形，该四边形为平行四边形。

如图4所示，二维光栅20的周期P的范围是150nm-850nm，占空比＝L/P的范围是0.2-0.8。

如图5所示，为单个二维结构单元21的俯视图，单个二维结构单元21由四个子单元211组成，各子单元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，其中四个子单元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30和第二方向40上。各子单元211的高度范围是30nm-500nm。相邻的子单元211之间的垂直间距D、二维光栅20的周期P之间满足：0.1P<D<0.2P。

实施例二

如图6和图7所示，在本实施例中，一个二维结构单元21包括两个子单元211，两个子单元211在波导片上的投影相同，当然也可以不相同。两个子单元211在波导片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，各三角形的角均不在第一方向30和第二方向40上，且各三角形的两个相邻的边分别与第一方向30和第二方向40平行。两个三角形对应的子单元211的高度可相同也可不相同。

如图7所示，单个二维结构单元21由两个子单元211组成，单个二维结构单元21的俯视图类似四边形；两个子单元211的高度在30nm-500nm的范围内；两个三角形之间的垂直间距D、二维光栅20的周期P之间满足：0.1P<D<0.2P。

实施例三

如图8和图9所示，在本实施例中，一个二维结构单元21包括两个子单元211，两个子单元211在波导基底上的投影不相同。两个子单元211中的一个在波导片上的投影呈三角形，另一个子单元211在波导片上的投影呈五边形，五边形的面积大于三角形的面积，三角形的一条边与五边形的一条边对应，三角形和五边形的角均不在第一方向30和第二方向40上；三角形和五边形对应的单个二维结构单元21在波导片上的投影形状类似四边形。

具体的，两个子单元211的高度可相同也可不相同；各子单元211的高度均满足30nm-500nm。三角形与五边形之间的间距D、二维光栅20的周期P之间满足：0.1P<D<0.2P。

另外，除上述三个具体的实施例之外，本申请的二维结构单元21还涉及由至少两个多边形的子单元211构成的结构，需满足在第一方向30和第二方向40上均呈周期性排布，均在本申请的保护范围之内。

需要说明的是，上述波导结构可应用在AR显示领域中。

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)

1.一种波导结构，其特征在于，包括：

波导片；

光机，所述光机设置在所述波导片的外部，用于向所述波导片发射图像光；

耦入光栅(10)，所述耦入光栅(10)设置在所述波导片的一侧表面上，所述光机与所述耦入光栅(10)对应设置，所述耦入光栅(10)用于将所述光机发射的图像光耦入到所述波导片内；

二维光栅(20)，所述二维光栅(20)设置在所述波导片上且与所述耦入光栅(10)位于同一侧或不同侧，所述二维光栅(20)包括多个呈周期阵列排布的二维结构单元(21)，所述二维结构单元(21)包括多个彼此间隔设置的子单元(211)，所述子单元(211)呈棱柱状，且所述子单元(211)的延伸方向与所述波导片的表面垂直；

其中，所述波导片上仅设置有所述耦入光栅(10)和所述二维光栅(20)。

2.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，多个所述二维结构单元(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(30)和第二方向(40)，所述第一方向(30)与所述第二方向(40)之间的夹角为锐角。

3.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，多个所述子单元(211)在所述波导片上的投影呈多边形，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2所述的波导结构，其特征在于，多个所述子单元(211)包括四个，在所述第一方向(30)和所述第二方向(40)上各具有两个所述子单元(211)，各所述子单元(211)在所述波导片上的投影呈四边形。

5.根据权利要求2所述的波导结构，其特征在于，多个所述子单元(211)包括两个，两个所述子单元(211)在所述波导片上的投影相同或不相同。

6.根据权利要求5所述的波导结构，其特征在于，两个所述子单元(211)在所述波导片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，各所述三角形的角均不在所述第一方向(30)和所述第二方向(40)上。

7.根据权利要求5所述的波导结构，其特征在于，两个所述子单元(211)中的一个在所述波导片上的投影呈三角形，另一个所述子单元(211)在所述波导片上的投影呈五边形，所述三角形的一条边与所述五边形的一条边对应，所述三角形和所述五边形的角均不在所述第一方向(30)和所述第二方向(40)上。

8.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，

所述二维光栅(20)的周期P与相邻所述子单元(211)之间的间隔D之间满足：5<P/D<10；和/或

所述二维光栅(20)的周期P在150nm-850nm的范围内；和/或

所述二维光栅(20)的高度在30nm-500nm的范围内；和/或

所述二维光栅(20)的占空比f满足：0.2≤f≤0.8。

9.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，

所述耦入光栅(10)为一维光栅，所述一维光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅、多层光栅中的一种；和/或

所述耦入光栅(10)为一个或多个，当所述耦入光栅(10)为多个时，多个所述耦入光栅(10)间隔设置。

10.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，

所述波导片的材料为高折射率玻璃或高折射率光学晶体，所述高折射率玻璃或所述高折射率光学晶体的折射率不小于1.5；和/或

所述波导片的折射率大于等于1.5且小于等于2.6；和/或

所述波导片的厚度大于等于0.4毫米且小于等于1毫米。

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