CN218956846U - 一种衍射光波导及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种衍射光波导及近眼显示设备，衍射光波导包括至少一层波导基底，波导基底表面设置有至少一个耦入区域、至少三个转折区域、至少一个耦出区域和至少一个光束吸收区域，转折区域包括第一转折区域和至少两个第二转折区域；耦入区域包括耦入光栅，图像源出射的图像光线从耦入光栅耦入波导基底，在波导基底内全内反射传输至第一转折区域，再经过至少两个第二转折区域后传输至耦出区域；光束吸收区域位于第一转折区域和耦出区域之间，光束吸收区域用于吸收第一转折区域的0级衍射光线；耦出区域包括耦出光栅，耦出光栅将接收到的光线在耦出区域耦出。本实用新型的技术方案能够避免产生鬼像，提升成像效果。

Description

一种衍射光波导及近眼显示设备

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种衍射光波导及近眼显示设备。

背景技术

增强现实(AR)是一种将真实世界和虚拟信息相融合的技术，AR显示系统通常包括微型投影仪和光学显示屏，微型投影仪为AR显示系统提供虚拟内容，该虚拟内容通过光学显示屏投射到人眼中，光学显示屏通常是透明的光学部件，这样可以使得用户可以透过光学显示屏同时看到真实世界。

光波导是光学显示屏的一种实现路径。当传输介质折射率大于周围介质且在波导中的入射角大于全反射临界角时，光即可在波导内无泄漏地传输，发生全反射。

图1为现有的一种一维光栅衍射光波导的结构示意图，光束S由耦入区域1耦入到光波导基底2后，在转折区域3光栅的衍射作用下得到方向偏转的衍射级次，进而出射到耦出区域4后被耦出。其中转折区域3的光栅需要满足能将全视场的光线均偏转至耦出区域4，才能避免视场缺失，然而受限于近眼显示设备的外形设计，会出现近眼显示设备的外形无法完全包括光栅区域的情况，尤其是在大视场的场景下问题尤为明显。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种衍射光波导及近眼显示设备，该衍射光波导设置多个转折光栅，以通过多次转折后将图像光线偏转至耦出区域耦出，相较于单个转折光栅的设计，具有更高的优化自由度来匹配近眼显示设备的外形，而且在第一转折区域和耦出区域之间设置了光束吸收区域，该区域中设置有光束吸收材料用于吸收第一转折区域产生的0级次的图像光线，从而使图像光线能够正常耦出，避免了产生鬼像，使成像更清晰。

第一方面，本实用新型提供了一种衍射光波导，包括至少一层波导基底，波导基底表面设置有至少一个耦入区域、至少三个转折区域、至少一个耦出区域和至少一个光束吸收区域，转折区域包括第一转折区域和至少两个第二转折区域；

耦入区域包括耦入光栅，图像源出射的图像光线从耦入光栅耦入波导基底，在波导基底内全内反射传输至第一转折区域，再经过至少两个第二转折区域后传输至耦出区域；

光束吸收区域位于第一转折区域和耦出区域之间，光束吸收区域用于吸收第一转折区域的0级衍射光线；

耦出区域包括耦出光栅，耦出光栅将接收到的光线在耦出区域耦出。

可选的，光束吸收区域包括位于波导基底一侧或两侧的光束吸收材料。

可选的，光束吸收材料吸收波长与所述图像光线的波长匹配，吸收率大于或等于90％。

可选的，光束吸收材料包括多层金属或吸光油墨。

可选的，转折区域包括转折光栅，耦入光栅、转折光栅和耦出光栅均为一维光栅。

可选的，不同转折区域内的转折光栅的光栅周期、光栅方向均不相同。

可选的，转折光栅包括层叠设置的第一材料层和第二材料层，所述第一材料层位于所述波导基底和所述第二材料层之间，所述第二材料层的折射率大于所述第一材料层的折射率。

可选的，转折光栅的光栅周期为200nm～400nm，光栅深度为10nm～300nm。

可选的，沿0级衍射光线的传播方向，转折光栅的衍射效率增大。

可选的，包括至少两个层叠设置的波导基底，每个波导基底一侧设置有至少一个耦入区域、至少三个转折区域、至少一个耦出区域和至少一个光束吸收区域。

第二方面，本实用新型还提供了一种近眼显示设备，包括图像源和本实用新型第一方面的任一的衍射光波导；

图像源用于输出图像光线；

图像光线从耦入区域入射至波导基底，在波导基底内全内反射传输至第一转折区域再经过至少两个第二转折区域后传输至耦出区域；

耦出区域将图像光线衍射传输后从波导基底输出至人眼；

其中，光束吸收区域吸收第一转折区域的0级衍射光线。

本实用新型实施例提供的一种衍射光波导和近眼显示设备，设置了多个转折光栅，以通过多次转折后将图像光线偏转至耦出区域耦出，相较于单个转折光栅的设计，具有更高的优化自由度来匹配近眼显示设备的外形；同时通过在第一转折区域和耦出区域之间设置一光束吸收区域，该区域中设置有光束吸收材料用于吸收0级次的图像光线，从而使图像光线能够正常耦出，避免了产生鬼像，使成像更清晰。

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为现有的一种一维光栅衍射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衍射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衍射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衍射光波导的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的又一种衍射光波导的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的光线在如图5所示的衍射光波导中传输的K域图；

图7为本实用新型实施例提供的一种转折光栅的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的另一种转折光栅的结构示意图；

图9为本实用新型实施例提供的一种衍射光波导的剖面结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的一种近眼显示设备示意图。

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2为本实用新型实施例提供的一种衍射光波导的结构示意图，如图2所示，本实施例提供的衍射光波导包括至少一层波导基底10，波导基底10表面设置有至少一个耦入区域11、至少三个转折区域12、至少一个耦出区域13和至少一个光束吸收区域14，转折区域包括第一转折区域121和至少两个第二转折区域(图2中示意性示出两个转折区域，分别为第二转折区域122和第三转折区域123)；

其中，波导基底10可以光学玻璃基底，厚度在0.5mm—3mm之间，波导基底10的长度可根据实际场景的需要设置。

耦入区域11包括耦入光栅，图像源出射的图像光线从耦入光栅耦入波导基底10，在波导基底10内全内反射传输至第一转折区域121，再经过至少两个第二转折区域后传输至耦出区域13；

光束吸收区域14位于第一转折区域121和耦出区域13之间，光束吸收区域14用于吸收第一转折区域121的0级衍射光线；

耦出区域13包括耦出光栅，耦出光栅将接收到的光线在耦出区域耦出。

具体的，图3为本实用新型实施例提供的另一种衍射光波导的结构示意图如图3所示，图像光线S从耦入区域11，经过其中的耦入光栅入射到波导基底10中发生全反射传输，大部分光束S1经过第一转折区域121，第二转折区域122，第三转折区域123后，传输至耦出区域13耦出；一部分光线S2经过第一转折区域121后未发生偏转而向耦出区域13所在的方向传输。其中，耦出光栅为一维光栅。可以理解，正是由于耦出光栅为一维光栅，由于一维光栅只存在一种光栅周期和方向，无法将多个方向的光线同时耦出波导基底。本实用新型提供的衍射光波导，通过在第一转折区域121和耦出区域13之间设置光束吸收区域，该区域中设置有光束吸收材料用于吸收0级次的图像光线，也就是经过第一转折区域121后未发生偏转而向耦出区域13所在的方向传输的那部分光线S2，避免了这部分光线传输至耦出区域后无法正常耦出，而产生鬼像的问题。

可选的，图4为本实用新型实施例提供的又一种衍射光波导结构示意图，如图4所示，光束吸收区域14包括位于波导基底10一侧或两侧的光束吸收材料。

其中，光束吸收材料可以理解为可以吸收光束的材料，可以作为后道工艺添加到波导片上；示例性的，可以是蒸镀、溅射的多层介质或金属，可以是涂布的吸光油墨。吸光范围覆盖图像源出射的图像光线的波段。优选地，吸收率可达到90％及以上。

具体的，光束吸收区域14可以与光栅位于波导的同侧，或者位于波导的异侧；光束吸收区域14主要位于第一转折区域121和耦出区域13之间，吸收第一转折光栅的0级衍射光束。光束吸收区域14需覆盖全视场的0级衍射光束。

示例性的，如图4所示，图像光线S从耦入区域11入射后，部分光线S1经过第一转折区域121转折后进入到下一部分转折区域，部分光线S2经过第一转折区域121后未发生偏转而传输至光束吸收区域14中，光束吸收区域14中位于波导基底一侧或两侧的光束吸收材料将光线S2吸收。

可选的，图5为本实用新型实施例提供的又一种衍射光波导结构示意图，如图5所示，转折区域12包括转折光栅，耦入光栅、转折光栅和耦出光栅均为一维光栅。

其中，一维光栅可以理解为光栅的结构有且只有一种周期性变化/布置的光栅。

可选的，不同转折区域内的转折光栅的光栅周期、光栅方向均不相同。

具体的，参考图5，转折区域12中，第一转折区域121和第二转折区域122，第三转折区域123中的转折光栅的光栅周期、光栅方向均不相同。

其中，耦入光栅、转折光栅以及耦出光栅的光栅矢量在K域上闭合。如图6所示，耦入光栅、转折光栅、耦出光栅的光栅矢量依次为Kin、Kepe1、Kepe2、Kepe3、Kout。

在本实用新型实施例中，由于采用了多个转折光栅，每个转折光栅都有不被利用的0级能量被浪费，因此，为了让转折光栅能在有限次数的全反射里将光线尽可能多的偏折，需要提高每次衍射的效率，从而让剩余的0级光线能量近乎为0。

可选地，可以针对单个转折光栅对偏转有效的衍射级次进行优化，例如，如图3-5所示的衍射光波导，对于第一转折区域121内的转折光栅，优化向Y负向偏转有效的衍射级次的衍射效率，对于第二转折区域122内的转折光栅，优化向X负向偏转有效的衍射级次的衍射效率，对于第二转折区域123内的转折光栅，优化向X负向偏转有效的衍射级次的衍射效率。

其中，优化衍射效率具体可以是对光栅高度、光栅占空比等参数进行优化，或者对光栅面型进行选择和优化，例如采用闪耀光栅、斜齿光栅等。

可选的，转折光栅包括层叠设置的第一材料层和第二材料层，第一材料层位于波导基底和第二材料层之间，第二材料层的折射率大于第一材料层的折射率。

图7为本实用新型实施例提供的一种转折光栅的结构示意图，图8为本实用新型实施例提供的另一种转折光栅的结构示意图，如图7、图8所示，转折区域12中的转折光栅包括层叠设置的第一材料层N1和第二材料层N2，第二材料层N2的折射率n2大于第一材料层N1的折射率n1。

示例性的，第一材料可以为二氧化硅，其折射率n1可以为1.45，第二材料可以为氧化钛，其折射率n2为2.76，光束S经过转折光栅层叠设置的、折射率逐渐升高的第一材料层和第二材料层，其衍射效率随之提升。

可选的，转折光栅的光栅周期为200nm～400nm，光栅深度为10nm～300nm。

示例性的，在一个具体的实施例中，入射光波长为600nm，转折光栅的结构为斜齿，光栅周期为300nm，光栅深度为50nm，通过调节转折光栅的占空比，可以调制出不同衍射效率。

可选地，本实用新型中，对于每个转折区域，离开该转折区域边界的0级光线的能量小于光线进入该转折区域时能量的10％。

在本实用新型中，为了调制视场角的均匀性，可选的，沿0级衍射光线的传播方向，转折光栅的衍射效率增大。

在某一实施例中，可选的，衍射光波导包括至少两个层叠设置的波导基底，每个波导基底一侧设置有至少一个耦入区域、至少三个转折区域、至少一个耦出区域和至少一个光束吸收区域。

图9为本实用新型实施例提供的一种衍射光波导的剖面结构示意图。参考图9，该光波导包括层叠设置的第一波导基底10和第二波导基底20；第一波导基底10包括耦入区域11、至少三个转折区域：第一转折区域121、第二转折区域122和第三转折区域123，一个耦出区域13和至少一个光束吸收区域14。

具体的，图像光线S从耦入区域11入射至第一波导基底10内，经过第一转折区域121后，在该区域的作用下产生衍射次级，继续传播至第二转折区域122，第三转折区域133，最终传输至耦出区域13；同时，第一转折区域产生的0级光线则被位于其传播路径上的光束吸收区域14所吸收。同样的，光线S在第二波导基底20中也按照上述方式传播。

图10为本实用新型实施例提供的一种近眼显示设备示意图，如图10所示，该近眼显示设备包括图像源30和本实用新型第一方面的任一的衍射光波导；

图像源30用于输出图像光线；

其中，图像源可以理解为投射图像光线的装置，示例性的，可以为硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon LCOS)。

图像光线从耦入区域11入射至波导基底10，在波导基底10内全内反射传输至第一转折区域121再经过第二转折区域122和第三转折区域123后传输至耦出区域13；

耦出区域13将图像光线衍射传输后从波导基底10输出至人眼40；

其中，光束吸收区域14吸收第一转折区域121的0级衍射光线。

具体的，图像源30出射的图像光线经过耦入区域11耦入到波导基底10中，图像光线在波导内发送全反射传输，大部分光线经过第一转折区域121，第二转折区域122，第三转折区域123后，经过耦出区域13中的耦出光栅，传输至耦出区域13耦出，从波导基底10输出至人眼40中；一部分0级光线直射到第一转折区域121中，没有经过衍射直接反射出来后传输至光束吸收区域14。

本实用新型设置了多个转折光栅，以通过多次转折后将图像光线偏转至耦出区域耦出，相较于单个转折光栅的设计，具有更高的优化自由度来匹配近眼显示设备的外形；同时通过在第一转折区域和耦出区域之间设置一光束吸收区域，该区域中设置有光束吸收材料用于吸收0级次的图像光线，从而使图像光线能够正常耦出，避免了产生鬼像，使成像更清晰。

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 (11)

1.一种衍射光波导，其特征在于，包括至少一层波导基底，所述波导基底表面设置有至少一个耦入区域、至少三个转折区域、至少一个耦出区域和至少一个光束吸收区域，所述转折区域包括第一转折区域和至少两个第二转折区域；

所述耦入区域包括耦入光栅，图像源出射的图像光线从所述耦入光栅耦入所述波导基底，在所述波导基底内全内反射传输至所述第一转折区域，再经过至少两个所述第二转折区域后传输至所述耦出区域；

所述光束吸收区域位于所述第一转折区域和所述耦出区域之间，所述光束吸收区域用于吸收所述第一转折区域的0级衍射光线；

所述耦出区域包括耦出光栅，所述耦出光栅将接收到的光线在所述耦出区域耦出。

2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述光束吸收区域包括位于所述波导基底一侧或两侧的光束吸收材料。

3.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述光束吸收材料吸收波长与所述图像光线的波长匹配，吸收率大于或等于90％。

4.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述光束吸收材料包括多层金属或吸光油墨。

5.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述转折区域包括转折光栅，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅均为一维光栅。

6.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，不同所述转折区域内的所述转折光栅的光栅周期、光栅方向均不相同。

7.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，所述转折光栅包括层叠设置的第一材料层和第二材料层，所述第一材料层位于所述波导基底和所述第二材料层之间，所述第二材料层的折射率大于所述第一材料层的折射率。

8.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，所述转折光栅的光栅周期为200nm～400nm，光栅深度为10nm～300nm。

9.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，沿0级衍射光线的传播方向，所述转折光栅的衍射效率增大。

10.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，包括至少两个层叠设置的波导基底，每个所述波导基底一侧设置有至少一个耦入区域、至少三个转折区域、至少一个耦出区域和至少一个光束吸收区域。

11.一种近眼显示设备，其特征在于，包括图像源和权利要求1～10任一所述的衍射光波导；

所述图像源用于输出图像光线；

所述图像光线从所述耦入区域入射至所述波导基底，在所述波导基底内全内反射传输至所述第一转折区域再经过至少两个所述第二转折区域后传输至所述耦出区域；

所述耦出区域将所述图像光线衍射传输后从所述波导基底输出至人眼；

其中，所述光束吸收区域吸收所述第一转折区域的0级衍射光线。

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