CN218788098U - 一种光波导及显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种光波导及显示装置。光波导具体包括层叠设置的第一波导层和第二波导层；第一波导层包括位于端部的几何耦入结构和位于中部的几何耦出结构，图像源出射的图像光线经过几何耦入结构耦入至第一波导层内，经过几何耦出结构耦出第一波导层后入射至第二波导层；第二波导层包括衍射结构，图像光线经过衍射结构从中部耦入第二波导层后继续经过衍射结构扩瞳并耦出第二波导层进入人眼。本实用新型实施例提供的光波导能量利用率高，图像均匀性易于调制。

Description

一种光波导及显示装置

技术领域

本实用新型实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种光波导及显示装置。

背景技术

增强现实作为一种将虚拟世界信息与真实世界信息“无缝”集成的技术，是将通过微型投影系统提供的虚拟内容与真实环境叠加到同一个画面或空间以同时存在，使用户获得虚拟与现实融合的体验。

现有常用的利用衍射光波导的波导显示方案，主要是利用衍射光栅的衍射特性来设计光路径，让图像光线在设计好的路径上传播，将图像光线导入人眼。然而光线衍射会产生多个级次，通常只有有限的衍射级次能够耦入光波导被利用，而且衍射效率低，导致衍射光波导的能量利用率低。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种光波导及显示装置，能够提高衍射光波导的能量利用效率。

根据本申请的一方面，提供了一种光波导，具体包括层叠设置的第一波导层和第二波导层；

第一波导层包括位于端部的几何耦入结构和位于中部的几何耦出结构，图像源出射的图像光线经过几何耦入结构耦入至第一波导层内，经过几何耦出结构耦出第一波导层后入射至第二波导层；

第二波导层包括衍射结构，图像光线经过衍射结构从中部耦入第二波导层后继续经过衍射结构扩瞳并耦出第二波导层进入人眼。

可选的，第二波导层位于第一波导层与人眼之间，图像光线入射至第二波导层后，部分光线透过第二波导层进入人眼，部分光线经过衍射结构耦入第二波导层后继续经过衍射结构扩瞳并耦出第二波导层进入人眼。

可选地，衍射结构零级透射衍射级次的效率小于其他衍射级次的衍射效率。

可选地，第一波导层位于第二波导层与人眼之间，图像光线入射至第二波导层后，部分光线透过第二波导层背离人眼出射，部分光线经过衍射结构耦入第二波导层后继续经过衍射结构扩瞳并耦出第二波导层进入人眼。

可选地，第二波导层远离人眼的一侧设置有吸收组件或者反射组件；吸收组件用于吸收透过第二波导层背离人眼出射的图像光线，反射组件用于将透过第二波导层背离人眼出射的图像光线反射回第二波导层。

可选地，几何耦入结构包括耦入棱镜或者耦入斜面，几何耦出结构包括全反射膜，图像光线经耦入棱镜或耦入斜面耦入第一波导层，在第一波导层内全反射传输至全反射膜后经全反射膜耦出第一波导层。

可选的，衍射结构包括二维光栅，二维光栅的光栅衍射效率关于视窗中央对称分布。

可选的，沿二维光栅与所述视窗中央对称的区域向四周的方向，二维光栅的衍射效率增大。

可选的，第二波导层存在多条光线传播路径，不同的光线传播路径携带不同的局部视场信息，各局部视场信息拼接得到完整视场信息。

根据本申请的另一方面，提供了一种显示装置，具体包括图像源和上述任一的光波导；图像源用于朝向第一波导层的几何耦入结构输出图像光线。可选的，显示装置为增强现实显示装置或虚拟现实显示装置。

本实用新型实施例提供的光波导，具体包括层叠设置的第一波导层和第二波导层；第一波导层包括位于端部的几何耦入结构和位于中部的几何耦出结构，图像源出射的图像光线经过几何耦入结构耦入至第一波导层内，经过几何耦出结构耦出第一波导层后入射至第二波导层；第二波导层包括衍射结构，图像光线经过衍射结构耦入第二波导层后继续经过衍射结构扩瞳并耦出第二波导层进入人眼。这样通过第一波导层利用几何方式将光线耦入波导并将大部分能量传输至视窗中央后传递给第二波导层，以从视窗中央位置耦入第二波导层，从而避免了传统衍射波导在耦入光栅处由于衍射效率造成的能量浪费，而且第二波导层的扩瞳、耦出从视窗中央开始，避免了传统衍射波导在视窗外的扩瞳能量浪费，从而大幅提高了能量利用率。此外，在优化图像均匀性时，由于第二波导层的扩瞳、耦出从视窗中央开始，实际需要调制的单向距离近、范围小，均匀性更容易优化。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为现有技术中一种光波导的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种光波导的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种光波导的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的又一种光波导的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种二维光栅波导的俯视结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种光线在第二波导层传输的K域图；

图7为本实用新型实施例提供的一种二维耦合耦出光栅示意图以及光线在第二波导层传输的K域图；

图8为本实用新型实施例提供的一种光波导显示装置图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

需要说明的是，本实用新型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，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为现有技术中一种光波导的结构示意图。参考图1，该光波导包括耦入光栅01和耦出光栅02，光线由耦入光栅01耦入光波导内，然后部分光线在光波导内全反射传输至耦出光栅02，光线在传输过程中通过耦出光栅02耦出至人眼03。在这个光线耦入光波导的过程中，光线中的大部分光线(0级衍射光a)由于不满足全反射条件而被损失掉，只有少部分光线(+1级衍射光b)被利用，由于通常情况下，0级的能量要高于+1级的能量，这样现有的基于衍射的光波导能利用的能量非常有限。

为了解决上述问题，本实用新型实施例提供了一种光波导，包括层叠设置的第一波导层和第二波导层；第一波导层包括位于端部的几何耦入结构和位于中部的几何耦出结构，图像源出射的图像光线经过几何耦入结构耦入至第一波导层内，所述几何耦出结构耦出第一波导层后入射至第二波导层；第二波导层包括衍射结构，图像光线经过衍射结构耦入第二波导层后继续经过衍射结构扩瞳并耦出第二波导层进入人眼。

其中，几何耦入结构用于将光线耦入波导传输，可以包括但不限于棱镜或者耦入斜面；几何耦出结构用于将光线从波导中耦出，可以包括但不限于棱镜或者全反射膜；衍射结构用于将光线耦入波导、从波导中扩瞳并耦出，可以包括但不限于光栅。本实用新型提供的光波导通过第一波导层利用几何方式将光线耦入波导并将大部分能量传输至视窗中央后传递给第二波导层，以从视窗中央位置耦入第二波导层，从而避免了传统衍射波导在耦入光栅处由于衍射效率造成的能量浪费，而且第二波导层的扩瞳、耦出从视窗中央开始，避免了传统衍射波导在视窗外的扩瞳能量浪费，从而大幅提高了能量利用率。此外，在优化图像均匀性时，由于第二波导层的扩瞳、耦出从视窗中央开始，实际需要调制的单向距离近、范围小，均匀性更容易优化。

图2为本实用新型实施例提供的一种光波导的结构示意图。参考图2，该光波导具体包括层叠设置的第一波导层10和第二波导层20；第一波导层10包括位于端部的几何耦入结构11和位于中部的几何耦出结构12，图像源(图1中未示出)出射的图像光线c经过几何耦入结构11耦入至第一波导层10内，经过几何耦出结构12耦出第一波导层10后入射至第二波导层20；第二波导层20包括衍射结构21，图像光线经过衍射结构21耦入第二波导层20后继续经过衍射结构21扩瞳并耦出第二波导层20，从光波导的第一表面100输出进入人眼3。

如图2所示的实施例中，第二波导层20位于第一波导层10与人眼3之间，图像光线入射至第二波导层20后，部分光线透过第二波导层20进入人眼，部分光线经过衍射结构21耦入第二波导层20后继续经过衍射结构21扩瞳并耦出第二波导层20进入人眼3。这样，图像光线入射到第二波导层后，未衍射的部分能量能直接进入人眼，进一步提高了能量利用率。

可选的，对于如图2所示的光波导，衍射结构零级透射衍射级次的效率小于其他衍射级次的衍射效率。

具体地，根据光栅衍射原理，经衍射结构21衍射后产生多个级次的衍射光线，零级透射级次直接透过波导，另外一部分级次被衍射结构衍射进入波导基底内全反射传输，通过多次与衍射结构作用，变扩瞳边耦出，能量也随着光线的扩瞳与耦出逐渐衰减。可以理解，未衍射进入波导的级次(零级透射级次)直接在第二波导层与几何耦出结构对应的位置直接透射进入人眼，衍射进入波导基底内衍射级次则需要在第二波导层与几何耦出结构对应位置外的区域变扩瞳边耦出，为提高图像均匀性，同时避免透射光线能量大，影响人眼观看，引起观察人员不适，衍射结构零级透射衍射级次的效率应当小于其他衍射级次的衍射效率，优选的，衍射结构零级透射衍射级次的效率应当远小于其他衍射级次的衍射效率。

本实用新型实施例提供的光波导，通过几何耦入结构将图像光线用几何方式耦入(比如棱镜耦入)第一波导层，图像光线在波导内全反射传输，然后通过几何耦出结构(全反射膜处发生反射)耦出第一波导层。由于第一波导层采用几何耦入耦出的方式传输图像光线，在整个第一波导层的工作过程中，几乎没有能量的损耗，所有光线能量都被耦出至眼睛观察的视窗中央传递至第二波导。此后，被第一波导层耦出的光线入射至第二波导层的衍射结构发生衍射后，一部分能量(比如0级)直接透过波导，进入人眼，另外一部分能量被第二波导层的衍射结构(比如二维光栅)衍射进入波导基底内全反射传输，极大地提高了光波导的能量利用效率。本实用新型实施例通过第一波导层将图像光线的大部分能量先传输至视窗(eyebox)中央，从第二波导层中部再次耦入，这样第二波导层未衍射的部分能量直接进入人眼，从而避免了传统衍射波导在耦入光栅处由于衍射效率造成的能量浪费。

在另一实施例中，可选的，图3为本实施例提供的另一种光波导的结构示意图，参考图3，第一波导层10位于第二波导层20与人眼之间，图像光线c入射至第一波导层10后，部分光线透过第一波导层10背离人眼3出射，部分光线经过衍射结构耦入第二波导层后继续经过衍射结构扩瞳并耦出第二波导层20进入人眼3。

在本实施例中，光线与视窗在波导层同侧且以一定角度入射第一波导层10，图像光线c在第一波导层10内部进行全反射，经耦出结构离开第一波导层10，经第二波导层20的衍射结构(比如二维光栅)衍射进入第二波导层20内全反射传输，此方案虽然在光的能量利用率上较上一方案有所降低，但是光线不再直接透过波导进入人眼，图像在视窗内的亮度均匀性会得到改善，并且相对传统衍射波导方案，仍然有效率高、均匀性好的优点。

由于上述方案会有一定的能量损失，在另一实施例中可选地，第二波导层远离人眼的一侧设置有吸收组件或者反射组件；吸收组件用于吸收透过第二波导层背离人眼出射的图像光线，反射组件用于将透过第二波导层背离人眼出射的图像光线反射回第二波导层回收利用。

图4为本实用新型实施例提供的又一种光波导的结构示意图，参考图4，在上一实施例基础上，在第二波导层20远离第一波导层10一侧的表面设置有吸收组件或者反射组件31，其中反射组件包括但不限于全反射膜层，可以将透过第二波导层20背离人眼3出射的图像光线反射回第二波导层20，吸收组件包括但不限于有机吸收层，可以吸收透过第二波导层背离人眼出射的图像光线。其中，反射组件或吸收组件应当能透射环境光线。

可以理解的是，在本实施例中，光线由衍射结构21耦入第二波导层20并发生衍射现象，产生零级衍射级次光线和次级衍射级次光线，一部分能量(比如零级衍射级次光线)直接穿过第二波导层20，被设置在第二波导层20远离人眼3的一侧的吸收组件或者反射组件31吸收或者反射回第二波导层20，反射光线透过第一波导层10，可以被观察，极大地提高了光波导的能量利用效率，同时，增设的吸收组件可以吸收透过第二波导层20背离人眼出射的图像光线，可以防止光线漏出，被外界观测，从而保护观察者隐私，反射组件则可以透过第二波导层20和第一波导层10被人眼3观察，使该部分能量被回收。

可选地，几何耦入结构包括耦入棱镜或者耦入斜面，几何耦出结构包括全反射膜，图像光线经耦入棱镜或耦入斜面耦入第一波导层，在第一波导层内全反射传输至全反射膜后经全反射膜耦出第一波导层。几何耦入结构包括耦入棱镜或者耦入斜面，几何耦出结构包括全反射膜层，多种结构在经过光学参数匹配后可以有多种组合构成不同结构的光波导。

可选的，衍射结构包括光栅结构，光栅结构的衍射效率关于视场(Eyebox)中央对称分布，以提高第二波导层耦出的亮度均匀性。光栅结构为一维光栅或者二维光栅，包括但不限于部分反射微镜阵列耦合(Partially-Reflective Mirrors Array,PRMA)表面浮雕光栅(Surface Relief Grating,SRG)、体积全息光栅(Holographic Volume Grating，VHG)和偏振体耦合光栅(Polarization Volume Grating，PVG)。

示例性的，当入射光照射在SRG上，光线会以不同的方位角和极角衍射，包括反射级次(R0、R±1、R±2、...)和透射级次(T0、T±1、T±2、...)。每一级衍射级次的衍射角(θm，m＝±1，±2，…)由入射光的入射角(θ)和光栅周期(T)决定。每一级衍射级次的衍射效率则受光栅结构的光栅深度/高度(h)、占空比(W/T)、折射率(n)、倾角以及光栅形状(直齿、斜齿、闪耀等)影响。比如，光栅深度/高度(h)越大，衍射效率越大。

具体地，二维光栅可以等效看做沿第一方向的第一光栅和沿第二方向的第二光栅的叠加，第一方向和第二方向的夹角大于或等于20°，小于或等于90°。这里的方向是光栅线的方向，第一方向和第二方向的夹角为二维耦出光栅的夹角。

图5为本实用新型实施例提供的一种二维耦出光栅的示意图及光线在第二波导层中传播时的K域图。图5的a)图中，左图为夹角θ＝90°二维耦出光栅，右图为光束在其中传播时的K域图；图5的b)图中，左图为夹角θ＝60°二维耦出光栅，右图为光束在第二波导层中传播时的K域图。

图6为本实用新型实施例提供的一种二维光栅波导的俯视结构示意图，参考图6，虚线框为视窗范围，光线从视窗中央均匀向四周视窗区域内传输。光线耦入波导层后，传播能量逐渐衰减，为了维持传播光线的强度基本不变，保障图像均匀性，可以通过调制靠近耦入结构的区域的光栅参数，获得相对较低的衍射效率；可以通过调制远离耦入结构的区域的光栅参数，获得相对较高的衍射效率，以随着光线的传播逐渐提高衍射效率，来调制波导中传播光线强度的均匀性。在参数调制时，传统的扩瞳方式随图像传输方向需要优化的范围大于整个视窗尺寸，优化难度大，而本实用新型光线传输从视窗中心开始进行对称优化，优化范围小，优化难度降低。可选的，沿二维光栅与视窗中央相对应的位置向四周的方向，二维光栅的光栅深度逐渐增大。

在本实用新型的一些实施例中，第二光栅层的衍射结构选用二维光栅，二维光栅将图像光线衍射进入第二波导层时，可衍射产生多个不同方向的传播光线，这样第二波导层中便存在多条光线传播路径，通过二维光栅的光栅参数设计，使得不同的光线传播路径携带不同的局部视场信息，各局部视场信息拼接得到完整视场信息，获取更大的视场角范围。

如图7所示，该图为光线在第二波导层中传播的K域图。其中，图7中a)图、b)图和c)图分别对应绿光、红光和蓝光在第二波导层中传播的K域图，且左侧图为一维光栅作用下的光线传播K域图，右侧图为夹角为90度的二维光栅作用下的光线传播K域图。矩形框表示完整视场信息，只有矩形框中落入圆环区域内的视场信息才能在第二波导层层内全反射传播。由图7可以看出，在一维光栅作用下，仅存在一条光线传播路径，在大视场场景下，所以容易造成长、短波长各有一部分视场区域无法耦入进入第二波导层，进而人眼观察到的图像会存在视场缺失。而在二维光栅作用下，存在多条光线传播路径，虽然单条光线传播路径下也有一部分视场区域无法耦入进入第二波导层，但通过二维光栅的光栅参数设计可以使得多条传播路径携带不同的局部视场信息，各局部视场信息拼接得到完整视场信息，实现大视场。需要说明的是图7中仅以夹角为90度的二维光栅为例进行说明，其他夹角的二维光栅也可以通过设计视场拼接实现大视场。

图8为本实用新型实施例提供了一种显示装置的结构示意图。根据本申请的另一方面，提供了一种显示装置，具体包括图像源和上述任一的光波导；图像源用于朝向第一波导层的几何耦入结构输出图像光线。参考图8，该显示装置包括图像源1和上述实施例提供的任意一种光波导2；图像源1用于朝向第一波导层10的几何耦入结构11输出图像光线；图像光线从第一波导层2的几何耦入结构11入射至第一波导层10内，经过第一波导层10的几何耦出结构12传输后耦合至第二波导层20；第二波导层20的衍射结构将成像光线衍射传输后从光波导的第一表面100输出至人眼3。

具体实施时，可以将图像源1出射的图像光线经棱镜(几何耦入结构)耦入第一波导层10，图像光线在波导内全反射传输，然后通过全反射膜处发生反射耦出第一波导层10。由于第一波导层采用全反射的方式，传输图像光线，在整个第一波导层的工作过程中，几乎没有能量的损耗，所有光能量都被耦出至眼睛观察的视窗中央传递至第二波导层20。被第一波导层10耦出的光线入射至第二波导层20的衍射结构发生衍射后，一部分能量(比如0级)直接透过波导，经第一表面100进入人眼，另外一部分能量被第二波导层20的衍射结构(比如二维光栅)衍射进入该波导层内全反射传输，传输过程中多次耦出至人眼3，极大地提高了光波导显示装置的能量利用效率。

可选的，显示装置为增强现实显示装置，比如近眼显示设备或车载抬头显示设备等。当然，显示装置不透射环境光时也可为虚拟现实显示装置。

上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光波导，其特征在于，包括层叠设置的第一波导层和第二波导层；

所述第一波导层包括位于端部的几何耦入结构和位于中部的几何耦出结构，图像源出射的图像光线经过所述几何耦入结构耦入至所述第一波导层内，经过所述几何耦出结构耦出所述第一波导层后入射至所述第二波导层；

所述第二波导层包括衍射结构，所述图像光线经过所述衍射结构从中部耦入所述第二波导层后继续经过所述衍射结构扩瞳并耦出所述第二波导层进入人眼。

2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述第二波导层位于所述第一波导层与人眼之间，所述图像光线入射至所述第二波导层后，部分光线透过所述第二波导层进入人眼，部分光线经过所述衍射结构耦入所述第二波导层后继续经过所述衍射结构扩瞳并耦出所述第二波导层进入人眼。

3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述衍射结构零级透射衍射级次的效率小于其他衍射级次的衍射效率。

4.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述第一波导层位于所述第二波导层与人眼之间，所述图像光线入射至所述第二波导层后，部分光线透过所述第二波导层背离人眼出射，部分光线经过所述衍射结构耦入所述第二波导层后继续经过所述衍射结构扩瞳并耦出所述第二波导层进入人眼。

5.根据权利要求4所述的光波导，其特征在于，所述第二波导层远离人眼的一侧设置有吸收组件或者反射组件；所述吸收组件用于吸收透过所述第二波导层背离人眼出射的图像光线，所述反射组件用于将透过所述第二波导层背离人眼出射的图像光线反射回所述第二波导层。

6.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述几何耦入结构包括耦入棱镜或者耦入斜面，所述几何耦出结构包括全反射膜，所述图像光线经所述耦入棱镜或所述耦入斜面耦入所述第一波导层，在所述第一波导层内全反射传输至所述全反射膜后经所述全反射膜耦出所述第一波导层。

7.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述衍射结构包括二维光栅，所述二维光栅的光栅衍射效率关于视窗中央对称分布。

8.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，沿所述二维光栅与所述视窗中央对应的区域向四周的方向，所述二维光栅的衍射效率增大。

9.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，所述第二波导层存在多条光线传播路径，不同的所述光线传播路径携带不同的局部视场信息，各所述局部视场信息拼接得到完整视场信息。

10.一种显示装置，其特征在于，包括图像源和权利要求1～9中任一所述的光波导；所述图像源用于朝向所述几何耦入结构输出图像光线。

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