CN219657898U - 一种二维光栅、传输波导及近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及显示技术领域，公开了一种二维光栅、传输波导及近眼显示系统，包括：沿二维方向周期性排列且呈矩形的重复单元结构；各重复单元结构包括位于矩形中心的第一凸起部分和位于矩形四个顶角的第二凸起部分；在各重复单元结构中四个第二凸起部分的总尺寸等于第一凸起部分的尺寸；第一凸起部分的边界为四个圆弧组成的拼接结构；四个圆弧中相对两个圆弧的半径相等。这样的结构能够提高光束沿非原方向的衍射级次的衍射效率，同时降低被衍射成导致条纹效应的级次的光的比例，使耦出光束能在显示屏上更均匀，进而可以有效改善显示系统的中央亮条纹效应，为用户提供跨整个观察范围更均匀的显示效果。

Description

一种二维光栅、传输波导及近眼显示系统

技术领域

本实用新型涉及显示技术领域，特别是涉及一种二维光栅、传输波导及近眼显示系统。

背景技术

随着计算机科学的迅猛发展，基于近眼显示设备的增强现实(AugmentedReality，AR)等人机交互技术逐渐成为热点。AR近眼显示设备可以将生成的虚拟信息叠加到现实世界中，实现虚拟世界和现实世界的“无缝”集成，给用户带来移动场景的切实感受。AR显示系统，其一般主要由微显示器和传输波导系统组成。传输波导系统中耦入区域的光学元件将微显示器发出的光束耦入进波导片，并以全反射的方式传播，耦出区域的光学元件将波导片中传播的光束耦出到人眼，人眼就可以接收到来自微显示器的虚拟信息，同时波导片可以透射真实世界，实现了虚拟世界和真实世界的融合。

目前常见的传输光波导主要有几何光波导和衍射光波导。由于光栅在设计和生产上的灵活性，使得衍射光波导技术在可量产性和产品良率方面都比几何光波导具有更大的优势，衍射光波导一般采用衍射光栅来实现对出射光瞳的扩展。但是衍射光波导有一个普遍的问题，在输出图像的中间位置比其他位置具有更高的亮度，这是因为光束沿原方向传播的衍射级次的衍射效率相对较高，能量主要集中在中间位置，边缘位置能量低，从而形成了“中间条纹效应”。

因此，如何有效缓解上述“中间条纹效应”，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种二维光栅、传输波导及近眼显示系统，可以有效改善显示系统的中央亮条纹效应，实现更好的出瞳均匀性。其具体方案如下：

一种二维光栅，包括：沿二维方向周期性排列且呈矩形的重复单元结构；

各所述重复单元结构包括位于矩形中心的第一凸起部分和位于矩形四个顶角的第二凸起部分；在各所述重复单元结构中四个所述第二凸起部分(12、13、14、15)的总尺寸等于所述第一凸起部分的尺寸；

所述第一凸起部分的边界为四个圆弧组成的拼接结构；所述四个圆弧中相对两个圆弧的半径相等。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，所述第一凸起部分具有水平对称轴和竖直对称轴；所述水平对称轴和所述竖直对称轴将所述第一凸起部分分为四个子部分；

所述第一凸起部分的各子部分与各所述第二凸起部分相对应。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，所述第一凸起部分中位于左上的子部分与位于矩形右下顶角的第二凸起部分具有相同的形状、尺寸和方位；

所述第一凸起部分中位于右上的子部分与位于矩形左下顶角的第二凸起部分具有相同的形状、尺寸和方位；

所述第一凸起部分中位于左下的子部分与位于矩形右上顶角的第二凸起部分具有相同的形状、尺寸和方位；

所述第一凸起部分中位于右下的子部分与位于矩形左上顶角的第二凸起部分具有相同的形状、尺寸和方位。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，所述四个圆弧的圆心连线为菱形结构。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，所述四个圆弧中，其中一组相对两个圆弧的圆心位于所述水平对称轴上，另外一组相对两个圆弧的圆心位于所述竖直对称轴上。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，所述四个圆弧中，其中一组相对两个圆弧对应的圆心角为钝角，另外一组相对两个圆弧对应的圆心角为锐角。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，所述四个圆弧中，其中一组相对两个圆弧的半径范围为70nm至150nm，另外一组相对两个圆弧的半径范围为20nm至150nm。

优选地，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，所述第一凸起部分和所述第二凸起部分的高度范围为50nm至100nm。

本实用新型实施例还提供了一种传输波导，包括：波导板，位于所述波导板上的耦入光栅和耦出光栅；其中，所述耦入光栅为一维光栅；所述耦出光栅为如本实用新型实施例提供的上述二维光栅。

本实用新型实施例还提供了一种近眼显示系统，包括：微显示器，用于将所述微显示器发射的输入光变成平行光的光束准直透镜组，以及用于接收所述平行光的如本实用新型实施例提供的上述传输波导。

从上述技术方案可以看出，本实用新型所提供的一种二维光栅，包括：沿二维方向周期性排列且呈矩形的重复单元结构；各重复单元结构包括位于矩形中心的第一凸起部分和位于矩形四个顶角的第二凸起部分；在各重复单元结构中四个第二凸起部分的总尺寸等于第一凸起部分的尺寸；第一凸起部分的边界为四个圆弧组成的拼接结构；四个圆弧中相对两个圆弧的半径相等。

本实用新型提供的上述二维光栅，设计了具有第一凸起部分和第二凸起部分的重复单元结构，其中第一凸起部分的边界为四个圆弧组成的拼接结构，且相对两个圆弧的半径相等，这样的结构使光同时在两个维度扩展，能够提高光束沿非原方向的衍射级次的衍射效率，同时降低被衍射成导致条纹效应的级次的光的比例，使耦出光束能在显示屏上更均匀，进而可以有效改善显示系统的中央亮条纹效应，为用户提供跨整个观察范围更均匀的显示效果。

此外，本实用新型还针对二维光栅提供了相应的传输波导及近眼显示系统，进一步使得上述二维光栅更具有实用性，该传输波导及近眼显示系统具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的二维光栅的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的重复单元结构的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的第一凸起部分的边界结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的第一凸起部分中各子结构的示意图；

图5为本实用新型实施例提供的重复单元结构对应的单元周期的示意图；

图6a至图6c分别为本实用新型实施例提供的圆弧半径不同时对应的眼动范围中心处不同视场角度的均匀性图；

图7为本实用新型实施例提供的传输波导的结构俯视图；

图8为本实用新型实施例提供的近眼显示设备的结构示意图；

其中，1为重复单元结构，11为第一凸起部分，12为位于矩形左上顶角的第二凸起部分，13为位于矩形右上顶角的第二凸起部分，14为位于矩形左下顶角的第二凸起部分，15为位于矩形右下顶角的第二凸起部分，111、112、113、114为第一凸起部分的边界的四个圆弧，115为第一凸起部分中位于左上的子部分，116为第一凸起部分中位于右上的子部分，117为第一凸起部分中位于左下的子部分，118为第一凸起部分中位于右下的子部分，100为波导板，200为耦入光栅，300为耦出光栅，400为微显示器，500为光束准直透镜组。

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，所描述的实施例仅仅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。

本实用新型提供一种二维光栅，如图1至图3所示，包括：沿二维方向周期性排列且呈矩形的重复单元结构1；

各重复单元结构1包括位于矩形中心的第一凸起部分11和位于矩形四个顶角的第二凸起部分12、13、14、15；在各重复单元结构1中四个第二凸起部分12、13、14、15的总尺寸等于第一凸起部分11的尺寸；

第一凸起部分11的边界为四个圆弧111、112、113、114组成的拼接结构；四个圆弧111、112、113、114中相对两个圆弧的半径相等。

需要说明的是，重复单元结构1内的二维光栅分布如图2所示，图中黑色部分表示凸起，白色部分表示凹陷，11为位于矩阵中间的第一凸起部分，12为位于矩形左上顶角的第二凸起部分，13为位于矩形右上顶角的第二凸起部分，14为位于矩形左下顶角的第二凸起部分，15为位于矩形右下顶角的第二凸起部分。

如图3所示，第一凸起部分11的边界是由四个圆弧111、112、113、114相拼接组成的形状。111为第一凸起部分边界中位于左侧的圆弧，112为第一凸起部分边界中位于上方的圆弧，113为第一凸起部分边界中位于右侧的圆弧，114为第一凸起部分边界中位于下方的圆弧；其中，111与113是半径相等的两个圆弧，半径表示为R1；112与114是半径相等的两个圆弧，半径表示为R2。

在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，设计了具有第一凸起部分11和第二凸起部分12、13、14、15的重复单元结构1，其中第一凸起部分11的边界为四个圆弧111、112、113、114组成的拼接结构，且相对两个圆弧的半径相等，这样的结构使光同时在两个维度扩展，能够提高光束沿非原方向的衍射级次的衍射效率，同时降低被衍射成导致条纹效应的级次的光的比例，使耦出光束能在显示屏上更均匀，进而可以有效改善显示系统的中央亮条纹效应，为用户提供跨整个观察范围更均匀的显示效果。

在实际应用中，上述重复单元结构1可以是沿着二维方向(即水平方向和垂直方向这两个维度方向)呈周期性平铺排列，具体可以平铺排列在波导板表面。重复单元结构1为矩形结构，矩形的水平方向的长度为二维光栅的第一周期，矩形的竖直方向的长度为二维光栅的第二周期。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，如图4所示，第一凸起部分11具有水平对称轴和竖直对称轴；水平对称轴和竖直对称轴将第一凸起部分11分为四个子部分115、116、117、118；第一凸起部分11的各子部分与各第二凸起部分12、13、14、15相对应。此处的对应指的是第一凸起部分11的四个子部分115、116、117、118中任一部分可以与各第二凸起部分12、13、14、15之间具有相对的关系。例如：子部分115与第二凸起部分15具有相对的关系，子部分116与第二凸起部分14具有相对的关系，子部分117与第二凸起部分13具有相对的关系，子部分118与第二凸起部分12具有相对的关系。当然也可以根据实际情况组成其它相对的关系，在此不做赘述。

具体地，在具体实施时，上述第一凸起部分11的各子部分与各第二凸起部分12、13、14、15具有相对的关系可以包括：如图4所示，第一凸起部分11中位于左上的子部分115与位于矩形右下顶角的第二凸起部分15具有相同的形状、尺寸和方位；第一凸起部分11中位于右上的子部分116与位于矩形左下顶角的第二凸起部分14具有相同的形状、尺寸和方位；第一凸起部分11中位于左下的子部分117与位于矩形右上顶角的第二凸起部分13具有相同的形状、尺寸和方位；第一凸起部分11中位于右下的子部分118与位于矩形左上顶角的第二凸起部分12具有相同的形状、尺寸和方位。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，如图3所示，四个圆弧111、112、113、114的圆心连线为菱形结构。即圆弧111、112、113、114的圆心可以连接形成一个菱形。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，四个圆弧111、112、113、114中，其中一组相对两个圆弧111、113的圆心位于水平对称轴上，另外一组相对两个圆弧112、114的圆心位于竖直对称轴上。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，如图3所示，四个圆弧111、112、113、114中，其中一组相对两个圆弧111、113对应的圆心角α为钝角，另外一组相对两个圆弧112、114对应的圆心角β为锐角。较佳地，圆心角α可以设置为240°，圆心角β可以设置为60°。关于圆心角α和圆心角β的角度可以根据实际需求进行调整，在此不做限定。

较佳地，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，四个圆弧111、112、113、114中，其中一组相对两个圆弧111、113的半径范围可以设置为70nm至150nm，另外一组相对两个圆弧112、114的半径范围可以设置为20nm至150nm。关于圆弧的半径可以根据实际需求进行调整，在此不做限定。

为了更直观地表示本实用新型实施例提供的上述二维光栅的周期，如图5所示，在斜参考系中，水平方向的周期为q，斜方向的周期为p，斜方向与水平方向夹角为θ，值q和p的表达式为q＝2p·cosθ，夹角θ一般为15°至45°。也可以理解为重复单元结构的对角线与水平线之间的夹角角度范围为15°至45°，当重复单元结构的对角线与水平线之间的夹角为45时，2×2排列的四个重复单元结构的对角线可以构成一个正方形。

较佳地，在本实用新型实施例提供的上述二维光栅中，如图2所示，第一凸起部分11和第二凸起部分12、13、14、15的高度范围可以设置为50nm至100nm。关于第一凸起部分11和第二凸起部分12、13、14、15的高度可以根据实际需求进行调整，在此不做限定。

需要指出的是，在本实用新型中，二维光栅可以提供同时二维光束扩展和输出耦合，通过优化光栅结构参数，可以有效的缓解“中间条纹效应”，获得优良的成像效果。本实用新型可以调整上述二维光栅的多个参数，例如调节每一个重复单元结构的圆弧半径R1和R2、圆心角α和β、圆心位置，来调整相应衍射级次的衍射效率比值，调节或抑制特定区域中的光耦出效率，以产生均匀的出瞳，提升系统的显示均匀性，提高设计灵活性。

图6a示出了R1＝R2＝80nm时对应的眼动范围中心处各视场角度的均匀性图。图6b示出了R1＝R2＝100nm时对应的眼动范围中心处各视场角度的均匀性图。图6c示出了R1＝R2＝130nm时对应的眼动范围中心处各视场角度的均匀性图。x轴示出了沿x轴的视场FOV_x，y轴示出了沿y轴的视场FoV_y。如图6a所示，圆弧半径R1＝R2＝80nm时，视场中间部分的亮度明显很高，显示了中间条纹。如图6b所示，圆弧半径R1＝R2＝100nm时，具有更均匀的强度覆盖。如图6c所示，圆弧半径R1＝R2＝130nm时，虽然出瞳均匀性降低了，但是光耦出效率整体提升了。通过实施例结果表明，优化重复单元结构某一或几个参数，可以更好的控制衍射级次的衍射效率分布，调整所需衍射级次的衍射效率，获得符合目标的优化光学结构，从而使耦出光束能在显示屏上更均匀，能够有效缓解“中间条纹效应”，增大优化设计的自由度，有利于获得更加优化的设计方案。

基于同一实用新型构思，本实用新型实施例还提供了一种传输波导，如图7所示，包括：波导板100，位于波导板100上的耦入光栅200和耦出光栅300；其中，耦入光栅200为一维光栅；耦出光栅300为如本实用新型实施例提供的上述二维光栅。

耦入光栅200的作用是将光束耦合进入波导板100，耦出光栅300的作用是将光束耦合出波导板100进入人眼。

在具体实施时，波导板100可以是平板玻璃，通常为了便于加工，耦入光栅200和耦出光栅300可以位于波导板的同一侧。当然，耦入光栅200和耦出光栅300也可以位于波导板的不同侧。具体可以根据实际加工需求来设置耦入光栅200和耦出光栅300的具体位置。

上述耦入光栅200采用一维光栅，可以是表面浮雕光栅(SRG)或全息光栅，采用表面浮雕光栅可以是倾斜二元表面浮雕光栅，垂直二元表面浮雕光栅、悬垂三角形表面浮雕光栅、梯形表面浮雕光栅、正弦表面浮雕光栅等。

上述耦出光栅300采用本实用新型实施例提供的上述二维光栅，可以使输入光同时在两个维度扩展。二维耦出光栅的水平周期通常是一维耦入光栅周期的整数倍，通常为2倍。

另外，该传输波导的实施可以参见上述二维光栅的实施，重复之处不再赘述。

可以理解的是，本实用新型实施例提供的上述传输波导中，当光束从耦入光栅200进入到波导板100后，在耦入光栅200与耦出光栅300的光栅周期相同的情况下，出射光会从耦出光栅300以与入射光相同的方向进入到人眼。

在本实用新型实施例提供的上述传输波导中，通过一维光栅和二维光栅的组合，可以减少光栅数量，仅用两片光栅就可以完成光束扩展，同时降低了加工生产的难度，更容易实现波导装置的批量化生产，同时，上述传输波导采用本实用新型实施例提供的上述二维光栅，可以有效缓解“中间条纹效应”，产生均匀的出瞳。

基于同一实用新型构思，本实用新型实施例还提供了一种近眼显示系统，如图8所示，包括：微显示器400，用于将微显示器400发射的输入光变成平行光的光束准直透镜组500，以及用于接收平行光的如本实用新型实施例提供的上述传输波导。

需要说明的是，传输波导可以配置于图像源和眼睛之间，也可以配置成图像源和眼睛位于同一侧，传输波导位于相对的另一侧。只要满足在适当位置，人眼可以看到整个图像源的图像即可。

在本实用新型实施例提供的上述近眼显示系统中，如图8所示，微显示器400可发射出携带有图像信息的光，至光束准直透镜组500，通过准直透镜组500使输入光变成平行光束。传输波导的耦入光栅200接收携带有图像信息的平行光束，并耦入波导板100中，在波导板100中发生全反射传播至耦出光栅300，耦出光栅300可以实现光束的耦出和多个方向的扩展，最终光束射入人眼，使人眼看到虚拟信息的同时，传输波导还可以透过真实环境光线，最终实现增强现实的效果。该近眼显示系统的实施可以参见上述传输波导的实施，重复之处不再赘述。

最后，还需要说明的是，在本文中，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。在没有更多限制的情况下，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。

以上对本实用新型所提供的二维光栅、传输波导及近眼显示系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种二维光栅，其特征在于，包括：沿二维方向周期性排列且呈矩形的重复单元结构(1)；

各所述重复单元结构(1)包括位于矩形中心的第一凸起部分(11)和位于矩形四个顶角的第二凸起部分(12、13、14、15)；在各所述重复单元结构中四个所述第二凸起部分(12、13、14、15)的总尺寸等于所述第一凸起部分(11)的尺寸；

所述第一凸起部分(11)的边界为四个圆弧(111、112、113、114)组成的拼接结构；所述四个圆弧(111、112、113、114)中相对两个圆弧的半径相等。

2.根据权利要求1所述的二维光栅，其特征在于，所述第一凸起部分(11)具有水平对称轴和竖直对称轴；所述水平对称轴和所述竖直对称轴将所述第一凸起部分(11)分为四个子部分；

所述第一凸起部分(11)的各子部分与各所述第二凸起部分(12、13、14、15)相对应。

3.根据权利要求2所述的二维光栅，其特征在于，所述第一凸起部分(11)中位于左上的子部分(115)与位于矩形右下顶角的第二凸起部分(15)具有相同的形状、尺寸和方位；

所述第一凸起部分(11)中位于右上的子部分(116)与位于矩形左下顶角的第二凸起部分(14)具有相同的形状、尺寸和方位；

所述第一凸起部分(11)中位于左下的子部分(117)与位于矩形右上顶角的第二凸起部分(13)具有相同的形状、尺寸和方位；

所述第一凸起部分(11)中位于右下的子部分(118)与位于矩形左上顶角的第二凸起部分(12)具有相同的形状、尺寸和方位。

4.根据权利要求2或3所述的二维光栅，其特征在于，所述四个圆弧(111、112、113、114)的圆心连线为菱形结构。

5.根据权利要求4所述的二维光栅，其特征在于，所述四个圆弧(111、112、113、114)中，其中一组相对两个圆弧(111、113)的圆心位于所述水平对称轴上，另外一组相对两个圆弧(112、114)的圆心位于所述竖直对称轴上。

6.根据权利要求5所述的二维光栅，其特征在于，所述四个圆弧(111、112、113、114)中，其中一组相对两个圆弧(111、113)对应的圆心角为钝角，另外一组相对两个圆弧(112、114)对应的圆心角为锐角。

7.根据权利要求6所述的二维光栅，其特征在于，所述四个圆弧(111、112、113、114)中，其中一组相对两个圆弧(111、113)的半径范围为70nm至150nm，另外一组相对两个圆弧(112、114)的半径范围为20nm至150nm。

8.根据权利要求7所述的二维光栅，其特征在于，所述第一凸起部分(11)和所述第二凸起部分(12、13、14、15)的高度范围为50nm至100nm。

9.一种传输波导，其特征在于，包括：波导板(100)，位于所述波导板(100)上的耦入光栅(200)和耦出光栅(300)；其中，所述耦入光栅(200)为一维光栅；所述耦出光栅(300)为如权利要求1至8任一项所述的二维光栅。

10.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：微显示器(400)，用于将所述微显示器(400)发射的输入光变成平行光的光束准直透镜组(500)，以及用于接收所述平行光的如权利要求9所述的传输波导。