CN218675519U - 导光器件以及可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种导光器件以及可穿戴设备；其中，所述导光器件包括波导基底以及设于所述波导基底的耦入区和耦出区；所述耦入区的法线方向与所述波导基底的法线方向形成设定夹角θ，且0＜θ≤90°，所述耦入区被配置为用于使得光线耦入所述波导基底内并以全反射传导至所述耦出区，且所述光线在所述波导基底内全反射的路径不会重新经过所述耦入区。本实用新型方案提供的导光器件，通过改变耦入区在波导基底上的设置位置，可以增加耦入效率，实现了提升导光器件的整体光学效率。

Description

导光器件以及可穿戴设备

技术领域

本实用新型涉及近眼显示技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种导光器件以及可穿戴设备。

背景技术

衍射光波导是增强现实(AR)设备的核心器件。在相关的技术中，衍射光波导是使用衍射元件如光栅作为耦入器件，但现有的耦入器件存在耦入效率低的问题，这会导致衍射光波导的光学效率较低。

造成耦入器件的耦入效率低的主要原因在于：在波导上，耦入器件将来自外界的光线耦入进波导内后，因部分全反射光线会再次经过耦入器件，从而导致这部分光线会经耦入器件而泄漏，在行业中，该部分泄漏光被称为Backcoupling，这一现象会影响增强现实(AR)设备的画面显示性能等。其中，部分全反射光线之所以会再次经过耦入器件是因为存在部分角度的扩瞳光线的一次传输距离小于耦入器件的尺寸。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供的一种导光器件以及可穿戴设备的新技术方案。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种导光器件。所述导光器件包括波导基底以及设于所述波导基底的耦入区和耦出区；

所述耦入区的法线方向与所述波导基底的法线方向形成设定夹角θ，且0＜θ≤90°，所述耦入区被配置为用于使得光线耦入所述波导基底内并以全反射传导至所述耦出区，且所述光线在所述波导基底内全反射的路径不会重新经过所述耦入区。

可选地，所述光线经所述耦入区衍射耦入所述波导基底内后能够形成两束对称级次的衍射光线，且所述两束对称级次的衍射光线均在所述波导基底内全反射传导至所述耦出区，经所述耦出区衍射出射。

可选地，所述波导基底包括相对设置的两个表面及侧部，所述耦入区设于所述侧部，且所述侧部为平面结构；

所述耦入区的入光一侧设有耦入棱镜。

可选地，所述波导基底包括相对设置的两个表面及侧部，所述侧部上形成有斜切面，所述耦入区位于所述斜切面上。

可选地，所述波导基底包括相对设置的两个表面及侧部，所述耦入区倾斜设于所述波导基底的至少一个表面。

可选地，所述耦入区的图案采用胶水经纳米压印后制得，所述耦入区与所述波导基底通过光学胶粘接固定。

可选地，所述耦入区包括至少一个衍射光学元件，所述衍射光学元件包括表面浮雕光栅、体全息光栅及光子晶体中的任一种。

可选地，所述耦入区包括至少一个一维光栅，所述一维光栅的周期为 200nm～1000nm。

可选地，所述耦入区和所述耦出区的光栅矢量之和为0。

可选地，所述耦出区设于所述波导基底的至少一个表面上，所述耦出区包括至少一个衍射光学元件。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种可穿戴设备。所述可穿戴设备包括：

如第一方面所述的导光器件；以及

光机，所述光机用以将光线或者图像射入所述导光器件中。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型实施例提供了一种衍射光波导设计方案，通过改变耦入区在波导基底上的布局位置，能够有效避免波导基底内部分全反射传播的光线因再次入射至耦入区而导致光线泄漏的情况发生，可以提升耦入效率，从而可以提升整个导光器件的整体光学效率。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。

图1是本实用新型实施例的导光器件的结构示意图之一；

图2是本实用新型实施例的导光器件的光学传播路径示意图；

图3是本实用新型实施例的导光器件的结构示意图之二；

图4是本实用新型实施例的导光器件的结构示意图之三。

附图标记说明：

10、波导基底；11、表面；12、侧部；20、耦入区；01、光线。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

下面结合附图对本实用新型实施例提供的导光器件以及可穿戴设备进行详细地描述。

在多种形式的头戴显示设备中，以AR设备为例，AR设备通常包括微型显示屏及光学模组。AR设备的光学模组中常用的光学元件例如有棱镜、自由曲面镜片及光波导器件等。在上述的这些光学元件中，光波导器件包括几何光波导和衍射光波导。而由于衍射光波导具有良好的光学性能，使其在AR设备中得到了较为广泛的应用。

根据本实用新型的一个实施例，提供了一种导光器件，该导光器件例如为光波导器件，所述光波导器件例如为衍射光波导。

本实用新型实施例提供的导光器件例如可应用于可穿戴设备中。可穿戴设备包括头戴显示设备。头戴显示设备例如为AR智能眼镜、AR头盔等。

本实用新型实施例提供的导光器件，参见图1至图4，所述导光器件可以包括波导基底10，以及设于所述波导基底10的耦入区20和耦出区；所述耦入区20的法线方向与所述波导基底10的法线方向形成设定夹角θ，且0＜θ≤90°，所述耦入区20被配置为用于使得光线01耦入所述波导基底10内并以全反射传导至所述耦出区，且所述光线01在所述波导基底10 内全反射的路径不会重新经过所述耦入区20。

现有的衍射光波导方案，用于耦入光线的耦入区域平行的设于波导的表面，当外部的光线经耦入区域耦入波导内之后，光线会以全反射的方式继续向耦出区域进行传播，在这一过程中，会有部分光线的全反射路径重新经过上述的耦入区域并从耦入区域衍射出射，这就产生了部分光线泄漏的情况，也即所谓的Backcoupling，而这会导致耦入效率低，从而会影响整个衍射光波导的光学效率，这也是现有衍射波导器件存在的弊端。

在本实用新型实施例的导光器件中，参见图1、图3及图4，所述耦入区20并非是传统的平行覆盖于所述波导基底10的表面11上，而是设计为所述耦入区20的法线方向与所述波导基底10的法线方向形成一定的夹角，如此设计的目的在于，可以使所述耦入区20不再位于所述波导基底 10内光线01全反射的传播路径上，就可以有效避免一部分全反射光线再次(重新)经过所述耦入区20，并从所述耦入区20衍射出射至所述波导基底10之外而产生漏光的不良现象。

本实用新型实施例的导光器件，重新设计了所述耦入区20在所述波导基底10上的布局位置，也即通过改变所述波导基底10上耦入位置的方法提升导光器件的耦入效率。参见图1及图2，外部的光线01经所述耦入区20调制后耦入至所述波导基底10中，由于所述耦入区20不再位于所述波导基底10的传播路径上，因此可以避免出现从所述耦入区20处出现漏光的情况发生，可以提升光的耦入效率。从而利于提升整个导光器件的光学效率。

可以理解的是，本实用新型实施例的导光器件，光线经所述耦入区20 耦入所述波导基底10中，扩瞳光线的一次传输距离大于所述耦入区20的尺寸，因此不会出现部分全反射光线再次经过所述耦入区20的情况。

在本实用新型的实施例中，通过一种新的耦入区20位置布局位置的方式提升了导光器件上光的耦入效率，从而提升了导光器件的整体光学效率。

本实用新型实施例提供的导光器件，参见图2，所述光线01经所述耦入区20衍射耦入所述波导基底10内后能够形成两束对称级次的衍射光线，所述两束对称级次的衍射光线均在所述波导基底10内全反射传导至所述耦出区，经所述耦出区衍射出射。

具体而言，请继续参见图2，当光线01经调制后垂直从所述波导基底10 的侧面耦入后，在所述波导基底10内可以产生两束对称级次的衍射光线，如 +1级衍射光线和-1级衍射光线(需要注意的是，0级衍射光线由于未经调制不会被耦入所述波导基底10之内)。与传统衍射光波导内仅利用了一个级次的衍射光，另一个级次的衍射光可能会被波导的侧壁吸收掉的方案(如+1级衍射光向全反射后耦出，-1级衍射光被波导的侧壁吸收而浪费)相比，本实用新型的方案能够利用两个衍射级别的衍射光且均能向所述耦出区传播后耦出光线在人眼中成像。因此，本实用新型的方案，可以提升光的耦入效率，从而提升导光器件的光效。提高了具有该导光器件的可穿戴设备的成像质量。

在本实用新型的一些示例中，参见图1及图2所示，所述波导基底10 包括相对设置的两个表面11及侧部12，所述耦入区20设于所述侧部12，且所述侧部12为平面结构；所述耦入区20的入光一侧设有耦入棱镜。

在本实用新型的实施例中，所述耦入区20例如可以设置在所述波导基底 10的侧部，这样，外部的光线01从所述波导基底10的侧面经调制后耦入至所述波导基底10内，所述光线01在所述波导基底10内在上、下两个表面11 的内壁之间以全反射向所述波导基底10上设置的所述耦出区传播，由于所述耦入区20没有设置在光线全反射的传播路径上，因此，不会有全反射的光线重新经过所述耦入区20，全反射传播的光线最终可以经所述耦出区衍射后出射至所述波导基底10之外，耦出的光线打入人眼中可进行成像。

在上述的示例中，可参见图2，所述光线01经所述耦入区20衍射耦入所述波导基底10内后形成了+1级次的衍射光线和-1级次的衍射光线，该两束对称级次的衍射光线均在所述波导基底10内全反射传导至所述耦出区，最终可以经所述耦出区衍射出射至人眼进行成像。

在本实用新型的一些示例中，参见图3，所述波导基底10包括相对设置的两个表面11及侧部12，所述侧部12上形成有斜切面，所述耦入区20 位于所述斜切面上。

本实用新型的导光器件，其还有一种形式为将所述耦入区20布设在斜切面上。具体而言，可以将所述波导基底10的侧部设计斜切面，将所述耦入区 20设于所述斜切面上。这样，外部的光线01也可以从所述波导基底10的侧面耦入所述波导基底10之内，所述光线01依然在所述波导基底10内在上、下两个表面11的内壁之间以全反射向所述波导基底10上设置的所述耦出区传播，所述耦入区20也没有设置在光线01全反射的传播路径上，因此，不会有全反射的光线重新经过所述耦入区20。这样也可以避免从所述耦入区20的位置发生漏光。

而且，将所述耦入区20设置在斜切面上，也即在所述波导基底10的侧部上形成了倾斜的耦入区域，在避免漏光的同时可以保证所述耦入区20一侧设置的光机的光轴不会完全水平放置，有助于整体外观设计。此外，还可以省去在所述耦入区入光的一侧设置转折元件例如上述的耦入棱镜，可以简化导光器件的整体结构设计。

在本实用新型的一些示例中，参见图4，所述波导基底10包括相对设置的两个表面11及侧部12，所述耦入区20倾斜设于所述波导基底10的至少一个表面11。

也就是说，对于布设在斜切面上的所述耦入区20并不限于设置在所述波导基底10的侧部上，还可以设于所述波导基底10的至少一个表面11 上，参见图4所示。耦入至所述波导基底10内的光线01，在以全反射的形式向所述耦出区传播时，所述光线01不会再次经过所述耦入区20，避免了部分光线01从所述耦入区20处泄漏。从图4中可以看出，所述耦入区20倾斜设于所述波导基底10的表面11，其与所述波导基底10的表面并不平行，所述耦入区20并不位于光线01全反射的路径上。可以到达提升光的耦入效率的效果。

可选的是，参见图4，所述耦入区20的图案采用胶水经纳米压印后制得，将所述耦入区20与所述波导基底10之间通过光学胶粘接固定。

具体而言，可以先通过纳米压印的方式制得所述耦入区20的图案，将其切割成设定形状，然后将制作好的所述耦入区20移动至所述波导基底 10表面11的合适位置处，再将二者之间通过例如光学胶粘接固定。

其中，用于粘接固定所述耦入区20的光学胶的折射率应当与制作所述耦入区20的胶水的折射率差异不大。

本实用新型中，采用先制作出所述耦入区20，再将其装配到所述波导基底10上的方式，可以降低导光器件的生产难度，提高良品率。

可选的是，所述耦入区20为包括至少一个衍射光学元件，所述衍射光学元件包括表面浮雕光栅、体全息光栅及光子晶体中的任一种。

上述的光栅均为衍射光栅，可以根据需要选择合适类型的衍射光栅应用在导光器件的耦入部分，本实用新型中对此不做具体限制。也就是说，本实用新型的方案对于所述耦入区20的具体类型可以不做限定，适用范围较广。

可选的是，所述耦入区20包括至少一个一维光栅，所述一维光栅的周期为200nm～1000nm。

一维光栅较为适合应用于大多数衍射光波导的耦入部分。一维光栅矢量的方向垂直于光栅线，是其周期性变化的方向，其长度等于光栅周期的倒数。上述周期范围的一维光栅可应用于大多数的衍射光波导器件。当然，所述一维光栅的周期为400nm～1000nm。

本实用新型实施例的导光器件，所述耦入区20和所述耦出区内均设有衍射光栅，所述耦入区20和所述耦出区的光栅矢量之和为0。

也可以理解为，所述耦入区20和所述耦出区对光线调制的矢量应能构成闭合形状。

具体地，入射的光线通过非零级光栅衍射，将所述波导基底10内的光线以全反射传播至耦出区，从所述耦出区耦出所述波导基底10之外。入射的光线从耦入所述耦入区20，再到经所述耦出区耦出，经过的所有路径，光栅矢量之和为0，以确保入射的光线和出射的光线的在波导基底10平面上的投影矢量方向一致。

在本实用新型的一些示例中，所述耦出区(图1至图4中均为示出) 设于所述波导基底10的至少一个表面上，所述耦出区可以包括至少一个衍射光学元件。

本实用新型的导光器件，在所述波导基底10上至少由两个区域构成，其中一个区域例如设置耦入区20以形成耦入部分，用于将入射的光线耦入所述波导基底10中，其中另一个区域设置为耦出区以形成耦出部分，用于将光线扩展并耦出至所述波导基底10之外，例如进入人眼中成像。

可选的是，所述耦出区可以平行的设于所述波导基底10的任一表面上。需要说明的是，当所述耦入区20位于所述波导基底10的表面上时，所述耦入区20与所述耦出区可以位于所述波导基底10的同一侧，也可以位于所述波导基底10的异侧，本实用新型中对此不做具体限制。

本实用新型实施例还提供了一种可穿戴设备。所述可穿戴设备包括如上所述的导光器件及光机；其中，所述光机用以将光线或者图像射入所述导光器件中。

所述可穿戴设备还包括壳体，所述导光器件及光机设于所述壳体内。

所述头戴显示设备例如为AR设备。所述AR设备包括AR智能眼镜或者AR智能头盔等，本实用新型中对此不做限制。

本实用新型实施例的可穿戴设备的具体实施方式可以参照上述的导光器件的实施例，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种导光器件，其特征在于，包括波导基底(10)以及设于所述波导基底(10)的耦入区(20)和耦出区；

所述耦入区(20)的法线方向与所述波导基底(10)的法线方向形成设定夹角θ，且0＜θ≤90°，所述耦入区(20)被配置为用于使得光线(01)耦入所述波导基底(10)内并以全反射传导至所述耦出区，且所述光线(01)在所述波导基底(10)内全反射的路径不会重新经过所述耦入区(20)。

2.根据权利要求1所述的导光器件，其特征在于，所述光线(01)经所述耦入区(20)衍射耦入所述波导基底(10)内后能够形成两束对称级次的衍射光线，且所述两束对称级次的衍射光线均在所述波导基底(10)内全反射传导至所述耦出区，经所述耦出区衍射出射。

3.根据权利要求1所述的导光器件，其特征在于，所述波导基底(10)包括相对设置的两个表面(11)及侧部(12)，所述耦入区(20)设于所述侧部(12)，且所述侧部(12)为平面结构；

所述耦入区(20)的入光一侧设有耦入棱镜。

4.根据权利要求1所述的导光器件，其特征在于，所述波导基底(10)包括相对设置的两个表面(11)及侧部(12)，所述侧部(12)上形成有斜切面，所述耦入区(20)位于所述斜切面上。

5.根据权利要求1所述的导光器件，其特征在于，所述波导基底(10)包括相对设置的两个表面(11)及侧部(12)，所述耦入区(20)倾斜设于所述波导基底(10)的至少一个表面(11)。

6.根据权利要求5所述的导光器件，其特征在于，所述耦入区(20)的图案采用胶水经纳米压印后制得，所述耦入区(20)与所述波导基底(10)通过光学胶粘接固定。

7.根据权利要求1所述的导光器件，其特征在于，所述耦入区(20)包括至少一个衍射光学元件，所述衍射光学元件包括表面浮雕光栅、体全息光栅及光子晶体中的任一种。

8.根据权利要求1所述的导光器件，其特征在于，所述耦入区(20)包括至少一个一维光栅，所述一维光栅的周期为200nm～1000nm。

9.根据权利要求1所述的导光器件，其特征在于，所述耦入区(20)和所述耦出区的光栅矢量之和为0。

10.根据权利要求1所述的导光器件，其特征在于，所述耦出区设于所述波导基底(10)的至少一个表面上，所述耦出区包括至少一个衍射光学元件。

11.一种可穿戴设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-10中任一项所述的导光器件；以及

光机，所述光机用以将光线或者图像射入所述导光器件中。

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