CN219143136U - 一种设有回光区域的衍射光波导 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光学元件领域，具体而言，涉及一种设有回光区域的衍射光波导；包括波导基底，所述波导基底上设有回光区域、耦入区域和耦出区域，回光区域与耦出区域分别位于耦入区域的两侧；耦入区域用于耦合入射光线，并发生衍射、偏折入射光线，使其在波导基底内全反射传导，其中一部分光线直接传导至耦出区域，通过耦出区域扩大光束的传播面积，增大可观察区域；回光区域接收未传导至耦出区域的部分光线，再反向传导至耦出区域；通过回光区域的结构设计，有效利用从耦入区域浪费的光，提高耦入光效，进一步提升整体波导的光传导效率。

Description

一种设有回光区域的衍射光波导

技术领域

本实用新型属于光学元件领域，具体而言，涉及一种设有回光区域的衍射光波导。

背景技术

近眼显示是观察者在观看外界真实物体的同时，叠加在真实环境中的图像或者数据等信息也可被观看，因此被广泛应用于各个领域，尤其在军事领域及消费领域。近眼显示提供了传统显示设备不具备的与真实环境无障碍的实时实地交互的功能，给用户带来了全新的视觉体验。但因此近眼显示中首要的问题就是如何减少显示设备的体积和重量，并提供足够的亮度、视场角，实现设备轻便化和高空间分辨率、高角分辨率的近眼三维呈现效果。

近眼显示光学技术发展至今，主要方案大致分为共轴侧视棱镜方案、阵列式半透膜波导方案、自由曲面方案、衍射波导方案等,不同方案所具备的显示性能不同。目前众多巨头包括微软、Meta、Apple、Google、Snap等均采用较为主流的衍射波导技术方案，而此类方案主要的优势是体积小、轻薄，且更符合人体工程学的形态。大部分衍射波导的方案，采用耦入-转折-耦出的光传导设计，但更多的传导形态存在耦入区域的光损失，这会导致光传导效率的利用率不足。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种设有回光区域的衍射光波导，通过回光区域的结构设计，有效利用从耦入区域浪费的光，提高耦入光效，进一步提升整体波导的光传导效率。

为了达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种设有回光区域的衍射光波导，包括波导基底，所述波导基底表面设有回光区域、耦入区域和耦出区域，所述回光区域与耦出区域分别位于耦入区域的两侧；所述耦入区域用于耦合入射光线，并发生衍射、偏折入射光线，使光线在波导基底内全反射传导，其中一部分光线直接传导至耦出区域通过耦出区域扩大光束的传播面积，增大可观察区域；所述回光区域接收未传导至耦出区域的部分光线，再反向全反射至耦出区域。

优选的，所述回光区域、耦入区域和耦出区域均设有纳米结构。

优选的，所述回光区域的宽度为能够涵盖耦入区域全反射光线的间距， 即为最大全反射间距；回光区域的长度等于耦入区域的长度。

优选的，所述回光区域的周期与耦入区域相同。

优选的，所述回光区域采用的光栅深度为200nm-600nm，占空比为0.5-0.8。

优选的，回光区域采用的光栅深度为450nm-550nm，占空比为0.52-0.58。

优选的，所述耦入区域为一维光栅，且蜿蜒覆盖40nm铝层，周期为433nm，占空比为0.7，深度为230nm。

优选的，所述回光区域、耦入区域和耦出区域沿波导基底长度方向依次设置。

本发明具有以下有益效果：

本实用新型通过回光区域的结构设计，向回光区域传导的光满足波导的全反射，当这部分光线触碰到回光区域的纳米结构时，会产生沿原方向反向的光，这部分光会重新以原方向反向传导，从而强化了入射到耦出区域的光，有效利用从耦入区域浪费的光，提高耦入光效，进一步提升整体波导的光传导效率。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为一种常规衍射光波导的传导示意图；

图3为耦入区域耦合光线的传导示意图；

图4为图3所示情况的的衍射分布图；

图5为设有回光区域的衍射光波导的剖面光线传导示意图；

图6为回光区域纳米结构逆向传导的衍射光的深度和占空比的衍射效率图。

图中：1、回光区域；2、耦入区域；3、耦出区域；4、波导基底；5、耦入区域A；6、耦出区域A。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本实用新型。也就是说，在本实用新型的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

如图1所示，一种设有回光区域的衍射光波导，包括波导基底4，所述波导基底4上设有回光区域1、耦入区域2和耦出区域3，所述回光区域1、耦入区域2和耦出区域3均设有纳米结构；所述回光区域1与耦出区域3分别位于耦入区域2的两侧；所述耦入区域2用于耦合入射光线，并发生衍射、偏折入射光线，使其在波导基底4内全反射传导；其中一部分光线直接传导至耦出区域3，通过耦出区域3扩大光束的传播面积，增大可观察区域；回光区域1接收未传导至耦出区域的部分光线，再反向传导至耦出区域3。

进一步，回光区域1的宽度为最大全反射间距，即回光区域1能涵盖耦入区域2全反射的光线，将未传导至耦出区域3的传导光再反向传导至耦出区域3，强化入射到耦出区域3的光；长度与耦入区域2相同。

进一步，回光区域1的周期与耦入区域2的周期相同。

设有回光区域的衍射光波导的工作原理：带有图像信息的入射光线照射耦入区域2，经耦入区域2纳米结构衍射行为，产生向回光区域1传导的光和向耦出区域3传导的光；向耦出区域3传导的光满足波导的全反射，因此在传导过程中，以全反射形式进行传播；当这部分光线触碰耦出区域3纳米结构时，会产生多个方向的衍射光，包括在波导基底4内沿原方向传导的光、发生衍射的反射光、发生衍射的透射光。发生衍射的透射光从波导基底4中出去，并被人眼接收，从而人眼观察到图像；发生衍射的反射光与沿原方向传导的光，以特定角度进行扩散式传导，即每一束光的每一次触碰耦出区域3的纳米结构，就会发生上述多个方向衍射光的形式。当耦出区域3的覆盖范围均被光线传导后，人眼在耦出区域的任意出射位置都可以接收到光线。

第二部分光为向回光区域1传导的光。向回光区域传导的光同样满足波导基底4的全反射，在传导过程中以全反射形式进行传播；当这部分光线触碰到回光区域1的纳米结构时，会产生沿原方向反向的光，这部分光会重新以原方向反向（即向耦出区域3方向）传导，从而强化了入射到耦出区域3的光，继而有效利用从耦入区域浪2费的光，提高光效，进一步提升整体波导的光传导效率。

如图2所示，图2提供了一种常规衍射光波导的传导示意图。该衍射光波导包括耦入区域A 5和耦出区域A 6。其工作原理为：带有图像信息的入射光线照射耦入区域A 5，经耦入区域A 5纳米结构衍射行为，产生向耦出区域A 6传导的光；向耦出区域A 6传导的光满足波导的全反射，因此在传导过程中，以全反射形式进行传播；当这部分光线触碰耦出区域A 6纳米结构时，会产生多个方向的衍射光，包括在波导内沿原方向传导的光、发生衍射的反射光、发生衍射的透射光。发生衍射的透射光从波导中出去，并被人眼接收，从而人眼观察到图像；发生衍射的反射光与沿原方向传导的光，以特定角度进行扩散式传导，即每一束光的每一次触碰耦出区域的纳米结构，就会发生上述多个方向衍射光的形式。当耦出区域A6的覆盖范围均被光线传导后，人眼在耦出区域的任意出射位置都可以接收到光线。

如图3所示，图3提供了耦入区域耦合光线的传导示意图。带有图像信息的入射光线照射耦入区域2，经耦入区域纳米结构衍射行为，产生向回光区域1传导的光和向耦出区域3传导的光；而实际上，我们所利用的光线仅为向耦出区域传导的光，例如图2所示，这部分光经过耦出区域的多重衍射传导，从而实现视窗增大。若回光区域不在所设位置，即与向耦出区域传导的光的反向光会在波导内消耗传导，从而造成光的浪费。

图4提供了图3所示情况的的衍射分布图。图3中表明当带有图像信息的入射光线照射耦入区域2，经耦入区域2纳米结构衍射行为，产生向回光区域1传导的光和向耦出区域3传导的光。 图4中的情况为，当入射光线为正入射时，会产生方位角0度和180度的两个强衍射点，此时入射波长为520nm，耦入区域1的纳米结构为一维矩形光栅，且蜿蜒覆盖40nm铝层，结构参数为周期433nm，占空比0.7，深度230nm。

图5为本发明设有回光区域的衍射光波导的剖面光线传导示意图。图5进一步说明了本方案所述的设有回光区域的衍射光波导的工作原理。

图6为回光区域纳米结构逆向传导的衍射光的深度和占空比的衍射效率图。本方案虽然设置了回光区域，但回光区域对于耦入区域传导而来的光可以有效利用的程度却取决于回光区域纳米结构的参数设定。

本方案提供了回光区域纳米结构逆向传导的衍射光的深度和占空比的衍射效率图。从图中可以看出，当深度在200nm-600nm，占空比在0.5-0.8之间时，均有较高效率的衍射回光传导；尤其在深度450nm-550nm，占空比0.52-0.58之间，衍射回光效率可以达到90%以上，可以极大增加对于这部分光的利用，增大整体光波导的光利用率。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本实用新型的具体实施例，本实用新型的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本实用新型的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本实用新型的专利范围之中。

Claims (8)

1.一种设有回光区域的衍射光波导，其特征在于，包括波导基底（4），所述波导基底（4）表面设有回光区域（1）、耦入区域（2）和耦出区域（3），所述回光区域（1）与所述耦出区域（3）分别位于所述耦入区域（2）的两侧；所述耦入区域（2）用于耦合入射光线，并发生衍射、偏折入射光线，使光线在所述波导基底（4）内全反射传导，其中一部分光线直接传导至所述耦出区域（3），所述回光区域（1）接收未传导至所述耦出区域（3）的部分光线，再反向全反射至所述耦出区域（3）。

2.根据权利要求1所述的设有回光区域的衍射光波导，其特征在于，所述回光区域（1）、耦入区域（2）和耦出区域（3）均设有纳米结构。

3.根据权利要求1所述的设有回光区域的衍射光波导，其特征在于，所述回光区域（1）的宽度为能够涵盖耦入区域（2）全反射光线的间距，回光区域（1）的长度等于耦入区域（2）的长度。

4.根据权利要求1所述的设有回光区域的衍射光波导，其特征在于，所述回光区域（1）的周期与耦入区域（2）相同。

5.根据权利要求1所述的设有回光区域的衍射光波导，其特征在于，所述回光区域（1）采用的光栅深度为200nm-600nm，占空比为0.5-0.8。

6.根据权利要求1所述的设有回光区域的衍射光波导，其特征在于，回光区域（1）采用的光栅深度为450nm-550nm，占空比为0.52-0.58。

7.根据权利要求1所述的设有回光区域的衍射光波导，其特征在于，所述耦入区域（2）为一维光栅，且蜿蜒覆盖40nm铝层，周期为433nm，占空比为0.7，深度为230nm。

8.根据权利要求1所述的设有回光区域的衍射光波导，其特征在于，所述回光区域（1）、耦入区域（2）和耦出区域（3）沿波导基底（4）长度方向依次设置。

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