CN218938549U - 一种单色光增强型衍射波导模组及ar设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单色光增强型衍射波导模组及AR设备，该衍射波导模组包括：光引擎，用于发出不同波段的色光；第一波导片，用于对所述光引擎发出的所有波段的色光进行波导成像，所述第一波导片上设置有第一入瞳区、第一扩瞳区和第一出瞳区；第二波导片，设置于所述第一波导片的下方并与所述第一波导片在z轴重合，用于对所述光引擎发出的特定波段的色光进行波导成像，所述第二波导片上设置有第二入瞳区、第二扩瞳区和第二出瞳区。本实用新型采用双层波导模组，为特定波段的色光单独设计所述第二波导片，并结合所述第一波导片组合为双层波导结构，从而提高该特定波段色光的衍射效率，实现在低光通量或者低衍射效率的情况下，有更高的入眼亮度。

Description

一种单色光增强型衍射波导模组及AR设备

技术领域

本实用新型涉及AR显示技术领域，具体涉及一种单色光增强型衍射波导模组及AR设备。

背景技术

随着成像技术的进步，人们对沉浸式体验的需求越来越高，近年来VR/AR技术的发展，逐渐满足人们对视觉体验的追求。头戴式设备能解放人们的双手，降低对屏幕的依赖，同时营造更好的视觉效果。对于头戴式设备，近眼显示是其技术的关键，成像质量和轻薄性则是主要的考虑因素。近眼显示系统一般由图像远近光传输系统组成，图像源发出的图像画面，通过光学传输系统传递到人眼中。在此，区别于VR对外部环境的阻断，AR则需要有一定透过率，使佩戴者在看到图像画面的同时，可以看到外界的环境。

对于光学传输系统，业界有很多种方案，例如自由空间光学、自由曲面光学以及显示光波导等等。其中，光波导技术由于其大eyebox的特点，及其轻薄的特性，明显优于其他光学方案，成为各大公司的主流路径。

AR眼镜模组的小型化趋势越来越明显，随之带来的对光引擎的体积要求也越来越高，自发光且亮度高的microLED技术再AR光引擎领域中独占鳌头。随着技术的进步，原本只有单绿光的microLED也发展出了彩色显示。然而在彩色microLED中，红光效率却极其低下，只有0.02lm的光通量，如果配合衍射波导进行白平衡调整的话，整体亮度将会非常低。另外，现有的三层波导技术，每一层单独对应一种波段的色光，即使是入射光通量较低，也能弥补回来，但三层波导的重量与厚度在如今的轻薄发展趋势中较为艰难。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种单色光增强型衍射波导模组及AR设备，旨在基于双层波导结构提高特定波段色光的衍射效率，实现在低光通量或者低衍射效率的情况下，有更高的入眼亮度。

本实用新型实施例提供了一种单色光增强型衍射波导模组，包括：

光引擎，用于发出不同波段的色光；

第一波导片，用于对所述光引擎发出的所有波段的色光进行波导成像，所述第一波导片上设置有第一入瞳区、第一扩瞳区和第一出瞳区；

第二波导片，设置于所述第一波导片的下方并与所述第一波导片在z轴重合，用于对所述光引擎发出的特定波段的色光进行波导成像，所述第二波导片上设置有第二入瞳区、第二扩瞳区和第二出瞳区。

进一步的，所述第一波导片为彩色波导片，所述第二波导片为单色波导片，所述第一波导片和第二波导片上的光栅特性不同。

进一步的，所述第一波导片的第一入瞳区的背面设置有第一滤波片，所述第二波导片的第二入瞳区的背面设置有第二滤波片。

进一步的，所述第一滤波片为带通滤波片，用于透过所述第二波导片对应波段的色光或者透过所述第二波导片对应波段的色光并反射其他所有波段的色光。

进一步的，所述第二滤波片为反射滤波片，用于反射所述第二波导片对应波段的色光或者反射所有波段的色光。

进一步的，所述第一入瞳区、第一扩瞳区和第一出瞳区对应设有第一入瞳光栅、第一扩瞳光栅和第一出瞳光栅，所述第一入瞳光栅、第一扩瞳光栅和第一出瞳光栅的光栅矢量和为零。

进一步的，所述第二入瞳区、第二扩瞳区和第二出瞳区对应设有第二入瞳光栅、第二扩瞳光栅和第二出瞳光栅，所述第二入瞳光栅、第二扩瞳光栅和第二出瞳光栅的光栅矢量和为零。

进一步的，所述单色光增强型衍射波导模组为单目单光机式波导模组或者双目单光机式波导模组。

进一步的，所述双目单光机式波导模组中的所述第一波导片设置有一个所述第一入瞳区、对称分布于所述第一入瞳区两侧的两个所述第一扩瞳区和分别位于两个所述第一扩瞳区下方的两个所述第一出瞳区；

所述双目单光机式波导模组中的所述第二波导片设置有一个所述第二入瞳区、对称分布于所述第二入瞳区两侧的两个所述第二扩瞳区和分别位于两个所述第二扩瞳区下方的两个所述第二出瞳区。

本实用新型实施例提还供了一种AR设备，包括如上任一项所述的单色光增强型衍射波导模组。

本实用新型实施例提供了一种单色光增强型衍射波导模组及AR设备，该衍射波导模组包括：光引擎，用于发出不同波段的色光；第一波导片，用于对所述光引擎发出的所有波段的色光进行波导成像，所述第一波导片上设置有第一入瞳区、第一扩瞳区和第一出瞳区；第二波导片，设置于所述第一波导片的下方并与所述第一波导片在z轴重合，用于对所述光引擎发出的特定波段的色光进行波导成像，所述第二波导片上设置有第二入瞳区、第二扩瞳区和第二出瞳区。本实用新型实施例采用双层波导模组，为特定波段的色光单独设计一片衍射光波导，即所述第二波导片，并结合所述第一波导片组合为双层波导结构，从而提高该特定波段色光的衍射效率，实现在低光通量或者低衍射效率的情况下，有更高的入眼亮度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，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为本实用新型实施例提供的单色光增强型衍射波导模组的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的单色光增强型衍射波导模组的另一结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的种单色光增强型衍射波导模组的光路示意图结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

下面请参见图1和图2，本实用新型实施例提供的一种单色光增强型衍射波导模组，包括：

光引擎，用于发出不同波段的色光；

第一波导片1000，用于对所述光引擎发出的所有波段的色光进行波导成像，所述第一波导片1000上设置有第一入瞳区1011、第一扩瞳区1021和第一出瞳区1031；

第二波导片2000，设置于所述第一波导片1000的下方并与所述第一波导片1000在z轴重合，用于对所述光引擎发出的特定波段的色光进行波导成像，所述第二波导片2000上设置有第二入瞳区2011、第二扩瞳区2021和第二出瞳区2031。

本实施例中，所述衍射波导模组包括光引擎、第一波导片1000和第二波导片2000，所述第一波导片1000和第二波导片2000在z轴上重合，入射光IN11入射第一波导片1000后能正常波导RGB三种波段的色光，入射光IN11透过第一波导片1000后，其透射部分的光为第二波导片2000的入射光IN21，其中第二波导片2000为补偿波导片，其是针对特定波长的一种亮度增强波导，用以补偿该特定波长的低亮度。

本实施例采用双层波导模组，为特定波段的色光单独设计一片衍射光波导，即所述第二波导片2000，并结合所述第一波导片1000组合为双层波导结构，从而提高该特定波段色光的衍射效率，实现在低光通量或者低衍射效率的情况下，有更高的入眼亮度。

现有技术中的单片彩色波导由于要综合RGB三种色光的衍射效率，无法单独提高某一波段的衍射效率，而为了维持白平衡，光引擎不得不降低整体光通量，这样一来会使得波导片整体入眼亮度大幅降低。而本实施例引入补偿波导片(即所述第二波导片2000)后，可以在光引擎维持较高光通量的同时，单独对低光通量波段的色光做亮度补偿，来维持整体的白平衡状态。

还需说明的是，本实施例所提供的衍射波导模组特别适用于在光引擎存在低光通量波段的情况，例如彩色MicroLED中，红光的光通量就非常低，仅0.02lm，此时可以通过所述第二波导片2000对该低光通量波段进行亮度增强。还适用于在波导片对于某个波段衍射效率较低的情况，此时同样可以通过所述第二波导片2000对该低衍射效率的波段进行亮度增强。

在一实施例中，所述第一波导片1000为彩色波导片，所述第二波导片2000为单色波导片，所述第一波导片1000和第二波导片2000上的光栅特性不同。

本实施例中，所述第一波导片1000为彩色波导片，可以正常显示430～680nm波段的色光，第二波导片2000为补偿波导片，补偿波导片的光栅特性与彩色波导片不同，其为特定波段的色光设计，对于该波段的色光(例如红光)衍射效率最高，而对于其他波段可能无法正常显示。所述第二波导片2000是专门用来弥补某一波段色光亮度较低的问题，该波段色光亮度较低主要是光引擎对于该波段光通量较低导致。所述第一波导片1000和第二波导片2000均可采用玻璃或塑料制作，其需具有高硬度，高平整度的特点。

在一实施例中，所述第一波导片1000的第一入瞳区1011的背面设置有第一滤波片1041，所述第二波导片2000的第二入瞳区2011的背面设置有第二滤波片2041。

具体的，所述第一滤波片1041为带通滤波片，用于透过所述第二波导片2000对应波段的色光或者透过所述第二波导片对应波段的色光并反射其他所有波段的色光。

所述第二滤波片2041为反射滤波片，用于反射所述第二波导片2000对应波段的色光或者反射所有波段的色光。

本实施例中，在所述第一波导片1000的入瞳区的背面设置第一滤波片1041，以及在所述第二波导片2000入瞳区的背面设置第二滤波片2041。其中，所述第一滤波片1041可以是带通滤波片，即仅能让需要补偿亮度(或增强亮度)的波段的色光透过，而对其他波段的色光进行反射/吸收；所述第二滤波片2041可以是反射型滤波片，即将透过第二波导片2000的色光再一次反射回去，从两片波导片的入瞳区背面重新耦合进波导。从而多次补偿该波段色光的亮度，在提高整体亮度的同时，也维持住较好的白平衡状态。也就是说，所述第一滤波片1041仅透过需要增强亮度的色光，反射/吸收其他波段的色光，所述第二波导片2000为反射需要增强亮度的色光，也可以是反射全波段的色光，被反射后的色光能从波导入瞳背面重新耦合进波导，进一步增强显示亮度。

在具体应用场景中，如图3所示，以RGB三色光为例，且输入光中R光较弱。在第一波导片1000和第二波导片2000的加层中，第一入瞳区1011的背面设有第一滤波片1041，该滤波片的特性为反射G光和B光，透射R光。G光入射光G11和B光入射光B11在进入第一入瞳区1011后，其衍射光会在波导内传播并最终转化为出射光OUTG11和OUTB11，而剩余的入射光则在第一滤波片1041的作用下反射回第一入瞳区1011，其反射光分别为G21和B21，并重新耦合进波导最终再行转换成出射光OUTG21和OUTB21。其中OUTG11/OUTG21约为0.2～0.5，即G光和B光的出射光亮度提高了1.2～1.5倍。

R光入射光R11在进入第一入瞳区1011后，其衍射光会在波导内传播并最终转化为出射光OUTR11，而剩余的入射光则会入射第二波导片2000的第二入瞳区2011，该入射光也称为R21。入射光R21在进入第二入瞳区2011后，其衍射光会在波导内传播并最终转化为出射光OUTR21，而剩余的入射光则在第二滤波片2041的作用下反射回第二波导片2000的第二入瞳区2011，该入射光也称为R31，同时透射光也能透过第一滤波片1041入射第一波导片1000的第一入瞳区1011，该入射光称为R41。R31会在第二波导片2000中会产生出射光OUTR31，R41会在第一波导片1000中产生出射光OUTR41。

因此，在引入滤波片后，G光和B光会两次经过第一波导片1000，产生两次出射光；而R光则会分别两次经过第一波导片1000和第二波导片2000，产生四次出射光。这样不仅能提高波导的整体入眼亮度，还能降低第二波导片2000对特定色光的衍射效率要求，提高整体良率。

在一实施例中，所述第一入瞳区1011、第一扩瞳区1021和第一出瞳区1031对应设有第一入瞳光栅、第一扩瞳光栅和第一出瞳光栅，所述第一入瞳光栅、第一扩瞳光栅和第一出瞳光栅的光栅矢量和为零。

同时，所述第二入瞳区2011、第二扩瞳区2021和第二出瞳区2031对应设有第二入瞳光栅、第二扩瞳光栅和第二出瞳光栅，所述第二入瞳光栅、第二扩瞳光栅和第二出瞳光栅的光栅矢量和为零。

上述各光栅均可采用衍射光栅，例如表面浮雕光栅或者体全息光栅等等，并且还可以采用对称的矩形光栅或斜光栅。

在一实施例中，所述单色光增强型衍射波导模组为单目单光机式波导模组或者双目单光机式波导模组。

在这里，如图1所示，即为单目单光机式波导模组，图2则为双目单光机式波导模组的结构示意图。

本实施例以单目式双层衍射波导模组为例，其具体的波导过程如下：

光引擎产生的第一入射光IN11从第一波导片1000的第一入瞳区1011耦合进入波导内。第一入瞳区1011设有第一入瞳光栅，在第一入瞳光栅的作用下，第一入射光IN11发生衍射，产生第一波导光B11，第一波导光B11在全内反射的条件下，朝第一扩瞳区1021的位置传导。第一扩瞳区1021设有第一扩瞳光栅，在第一扩瞳光栅的作用下，第一波导光B11发生衍射，产生第二波导光B12。第一波导光B11在第一扩瞳区1021内不停地通过反射来传导，每次接触第一扩瞳光栅都会发生衍射，产生第二波导光B12，此为第一次扩瞳。第二波导光B12在全内反射的条件下，朝第一出瞳区1031的位置传导。第一出瞳区1031设有第一出瞳光栅，在第一出瞳光栅的作用下，第二波导光B12发生衍射，并由于该衍射产生的衍射光破坏了全反射条件，因此从第一出瞳区1031耦合出波导，形成第一出射光OUT11。第二波导光B12在第一出瞳区1031内不停地通过反射来传导，每次接触第一扩瞳光栅都会发生衍射，产生第一出射光OUT11，此为第二次扩瞳。最终光斑经过两次扩瞳后被放大，并入射人眼。

第一入射光IN11在产生第一波导光B11的同时，剩余的入射光IN11会继续朝第二波导片2000传播，剩余的入射光称为第二入射光IN21。第二入射光IN21经过上述同样的流程在第二波导片2000内传导，最终形成第二出射光OUT21，入射人眼。

在满足衍射波导的波矢方程情况下，两束出射光OUT11和OUT21将会完全重合。

该实施例中，以RGB三色光为例，其中光引擎产生的R光光通量较低。第一波导片1000是彩色波导，第一出射光OUT11包含了RGB三种颜色的波段，但R光亮度较低(原因为光引擎的R光光通量较低导致)，因此无法达成有效的白平衡；第二波导片2000为补偿波导片，其表面的衍射光栅为针对R光的衍射光栅，对R光的衍射效率可以是第一波导片1000的3～7倍，第二出射光OUT21主要以R光为主，出射光OUT11和OUT21合束后，对R光的亮度补偿，可以有效地达成较为理想的白平衡。

在一实施例中，所述双目单光机式波导模组包括所述第一波导片1000和第二波导片2000；

所述第一波导片1000设置有一个所述第一入瞳区1011、对称分布于所述第一入瞳区1011两侧的两个所述第一扩瞳区1021和分别位于两个所述第一扩瞳区1021下方的两个所述第一出瞳区1031；

所述第二波导片2000设置有一个所述第二入瞳区2011、对称分布于所述第二入瞳区2011两侧的两个所述第二扩瞳区2021和分别位于两个所述第二扩瞳区2021下方的两个所述第二出瞳区2031。所述双目单光机式波导模组的波导过程与所述单目式双层衍射波导模组相近，此处不再赘述。

另外，所述的光引擎为微型投影仪，其投影方案可包括DLP，LCOS，LCD和MicroLED，该投影方案均为彩色投影。

如图2所示，双目单光机式波导模组的每一波导片上均设置有一个入瞳区，该入瞳区与单光机相对应。而扩瞳区和出瞳区则是分别设置有两个，并对称分布于波导片的两侧，

本实用新型实施例还提供了一种AR设备，包括如上所述的单色光增强型衍射波导模组。

可以理解的是，本实施例所述的AR设备具体可以指AR智能眼镜，又或者是其他AR装置，例如车载装置等等。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种单色光增强型衍射波导模组，其特征在于，包括：

光引擎，用于发出不同波段的色光；

第一波导片，用于对所述光引擎发出的所有波段的色光进行波导成像，所述第一波导片上设置有第一入瞳区、第一扩瞳区和第一出瞳区；

第二波导片，设置于所述第一波导片的下方并与所述第一波导片在z轴重合，用于对所述光引擎发出的特定波段的色光进行波导成像，所述第二波导片上设置有第二入瞳区、第二扩瞳区和第二出瞳区。

2.根据权利要求1所述的单色光增强型衍射波导模组，其特征在于，所述第一波导片为彩色波导片，所述第二波导片为单色波导片，所述第一波导片和第二波导片上的光栅特性不同。

3.根据权利要求1所述的单色光增强型衍射波导模组，其特征在于，所述第一波导片的第一入瞳区的背面设置有第一滤波片，所述第二波导片的第二入瞳区的背面设置有第二滤波片。

4.根据权利要求3所述的单色光增强型衍射波导模组，其特征在于，所述第一滤波片为带通滤波片，用于透过所述第二波导片对应波段的色光或者透过所述第二波导片对应波段的色光并反射其他所有波段的色光。

5.根据权利要求3所述的单色光增强型衍射波导模组，其特征在于，所述第二滤波片为反射滤波片，用于反射所述第二波导片对应波段的色光或者反射所有波段的色光。

6.根据权利要求1所述的单色光增强型衍射波导模组，其特征在于，所述第一入瞳区、第一扩瞳区和第一出瞳区对应设有第一入瞳光栅、第一扩瞳光栅和第一出瞳光栅，所述第一入瞳光栅、第一扩瞳光栅和第一出瞳光栅的光栅矢量和为零。

7.根据权利要求1所述的单色光增强型衍射波导模组，其特征在于，所述第二入瞳区、第二扩瞳区和第二出瞳区对应设有第二入瞳光栅、第二扩瞳光栅和第二出瞳光栅，所述第二入瞳光栅、第二扩瞳光栅和第二出瞳光栅的光栅矢量和为零。

8.根据权利要求1所述的单色光增强型衍射波导模组，其特征在于，所述单色光增强型衍射波导模组为单目单光机式波导模组或者双目单光机式波导模组。

9.根据权利要求8所述的单色光增强型衍射波导模组，其特征在于，所述双目单光机式波导模组中的所述第一波导片设置有一个所述第一入瞳区、对称分布于所述第一入瞳区两侧的两个所述第一扩瞳区和分别位于两个所述第一扩瞳区下方的两个所述第一出瞳区；

所述双目单光机式波导模组中的所述第二波导片设置有一个所述第二入瞳区、对称分布于所述第二入瞳区两侧的两个所述第二扩瞳区和分别位于两个所述第二扩瞳区下方的两个所述第二出瞳区。

10.一种AR设备，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的单色光增强型衍射波导模组。

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