CN220626708U - 一种波导封装结构及增强现实设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种波导封装结构及增强现实设备，属于光学技术领域。一种波导封装结构，包括至少一波导和气凝胶层，气凝胶层贴合设置于波导的至少一侧表面；当波导包括至少两片，两片波导之间通过气凝胶层连接。通过气凝胶层来实现波导与波导或波导与其他光学元件之间的固定，气凝胶受环境温度变化影响较小，使用过程中不易发生形变，进而不易导致波导与波导或波导与其他光学元件之间的固定位置发生改变，使得显示效果较好；另外因气凝胶的多孔网络结构，波导与波导或波导与其他光学元件之间也不会产生封闭腔体，波导不易受到外界环境温度变化影响，使得显示效果较好，且波导封装结构的良率较高。

Description

一种波导封装结构及增强现实设备

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种波导封装结构及增强现实设备。

背景技术

增强现实(augmented reality，AR)技术可以将虚拟与现实结合，目前得到了越来越广泛的应用。光波导是增强现实设备必不可少的元件。

波导的使用场景包括采用多片波导进行叠合合像以实现全彩显示、波导与其他光学元件(例如近视镜片)配合使用。现有技术中对于与波导配合使用的光学元件的封装通常是利用黏合剂粘接，但是由于黏合剂的收缩率、硬度和杨氏模量等性能参数的影响，黏合剂从流体状态到固化的过程中以及黏合剂固化后的一段时间内，黏合剂会发生一定程度的形变，导致通过黏合剂粘接的波导与波导、波导与其他光学元件之间的固定位置发生改变从而与预设固定位置存在偏差，达不到预设的成像显示效果；并且当黏合剂的粘接路径完全闭合时，波导与波导或者波导与其他光学元件之间产生封闭腔体，此情况下，黏合剂加热固化过程中，封闭腔体内的空气受热膨胀容易导致波导或者光学元件发生形变甚至破裂；黏合剂固化后，封闭腔体内的空气还会随着外界环境的温度变化而热胀冷缩，对黏合剂以及波导产生一个持续的作用力，长时间后，黏合剂会有形变、产生气泡和破裂脱落的风险，使得波导与波导、波导与其他光学元件之间的固定位置发生改变而影响到成像显示效果；并且不论是上述哪种情况，最终都会导致整个封装结构的良率低。

实用新型内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种波导封装结构，它可以通过气凝胶层来实现波导与波导、波导与其他光学元件的固定，气凝胶受环境温度变化影响较小，使用过程中不易发生形变，进而不易导致波导与波导或波导与其他光学元件之间的固定位置发生改变，使得显示效果较好；另外因气凝胶的多孔网络结构，即使粘接路径完全闭合，波导与波导或波导与其他光学元件之间也不会产生封闭腔体，波导不易受到外界环境温度变化影响，使得显示效果较好，且波导封装结构的良率较高。

2.技术方案

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种波导封装结构，包括至少一波导和气凝胶层，所述气凝胶层贴合设置于所述波导的至少一侧表面；当所述波导包括至少两片，两片所述波导之间通过所述气凝胶层连接。

在本申请的一种可选地实施例中，所述波导表面或内部设有耦出元件，或，所述波导表面或内部设有耦入元件和/或耦出元件；当所述气凝胶层贴合设置于所述波导具有所述耦入元件和/或耦出元件的表面，所述气凝胶层覆盖所述耦入元件和/或所述耦出元件。

在本申请的一种可选地实施例中，所述耦入元件和/或耦出元件为面浮雕光栅、体全息光栅、反射镜或阵列反射镜。

在本申请的一种可选地实施例中，所述波导包括彼此相对的两个主表面，沿垂直于所述主表面的方向上设置有屈光镜片，所述屈光镜片与所述波导之间通过所述气凝胶层连接。

在本申请的一种可选地实施例中，所述波导包括彼此相对的两个主表面，沿垂直于所述主表面的方向上设置有覆盖层，所述覆盖层与所述波导之间通过所述气凝胶层连接。

在本申请的一种可选地实施例中，所述覆盖层贴合设置在所述气凝胶层上或所述覆盖层通过镀膜设置在所述气凝胶层上。

在本申请的一种可选地实施例中，所述覆盖层与所述波导或每相邻的两片所述波导之间设置有围绕所述气凝胶层的密封层。

在本申请的一种可选地实施例中，所述气凝胶层的厚度为≥50μm。

在本申请的一种可选地实施例中，所述气凝胶层为具有颜色的气凝胶层。

在本申请的一种可选地实施例中，所述气凝胶层具有与所述波导相匹配的形状，或具有非封闭形状，或具有封闭环形形状。

在本申请的一种可选地实施例中，所述波导与所述主表面相垂直的侧面设置有边框。

一种增强现实设备，包括如上所述的波导封装结构。

本申请所提供的一种波导封装结构，包括至少一波导和气凝胶层，所述气凝胶层贴合设置于所述波导的至少一侧表面；当所述波导包括至少两片，两片所述波导之间通过所述气凝胶层连接。在本申请的波导封装结构中，通过气凝胶层来实现波导与波导之间的固定，或者实现波导与其他光学元件之间的固定，相比于传统技术中的黏合剂的固定方式，气凝胶化学性能稳定，受环境温度变化影响较小，因而在使用的过程中不易发生形变，进而不易导致波导与波导或波导与其他光学元件之间的固定位置发生改变，使得显示效果较好；另外因气凝胶的多孔网络结构，即使波导与波导或波导与其他光学元件之间的粘接路径完全闭合，波导与波导或波导与其他光学元件之间也不会产生封闭腔体，波导不易受到外界环境温度变化影响，使得显示效果较好，且波导封装结构的良率较高。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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为使用间隔子或黏合剂的波导封装结构示意图；

图2为使用间隔子或黏合剂导致的波导变形结构示意图；

图3为本申请实施例提供的波导封装结构的示意图；

图4为本申请实施例提供的具有耦入和耦出区域的波导封装结构的示意图；

图5为本申请实施例提供的具有耦入和耦出区域的波导封装结构的另一示意图；

图6为本申请实施例提供的波导封装结构的另一示意图；

图7为本申请实施例提供的波导封装结构的另一示意图；

图8为本申请实施例提供的波导封装结构的又一示意图；

图9为本申请实施例提供的波导封装结构的再一示意图；

图10为本申请实施例提供的气凝胶层的结构示意图。

图中标号说明：

1-波导；11-耦入区域；12-耦出区域；2-气凝胶层；3-覆盖层；4-边框；5-密封层；6-屈光镜片。

具体实施方式

目前的波导与波导、波导与其他光学元件或结构件之间的固定方式是通过黏合剂进行粘接，但是黏合剂在使用过程中由于收缩率、硬度合杨氏模量等性能参数的影响，会发生一定程度的形变，导致通过黏合剂粘接的波导与波导、波导与其他光学元件或结构件之间的固定位置发生改变而偏离预设的固定位置，达不到预设的显示效果，也在一定程度上影响了波导封装结构的生产良率；并且当黏合剂的粘接路径完全闭合时，波导与波导、波导与其他光学元件或结构件之间产生封闭腔体，此情况下，黏合剂加热固化过程中，封闭腔体内的空气受热膨胀容易导致波导、其他光学元件或结构件发生形变甚至破裂；黏合剂固化后，封闭腔体内的空气还会随着外界环境的温度变化而热胀冷缩，对黏合剂以及波导产生一个持续的作用力，长时间后，黏合剂会有形变、产生气泡和破裂脱落的风险使得，波导与波导、波导与其他光学元件或结构件之间的固定位置发生改变而影响到显示效果。

如图1所示，相邻的两片波导之间通过间隔子或黏合剂来实现固定，同时为了保证波导中传输的光线满足全反射条件，两片波导之间保持有空气间隙。

如图2(a)所示，其表示为间隔子或黏合剂发生形变时导致的两片波导之间的位置改变示意图；如图2(b)和2(c)所示，其表示为当黏合剂的粘接路径完全闭合时，两片波导之间产生封闭腔体，封闭腔体内的空气受环境温度变化而热胀冷缩时两片波导产生向内凹陷或向外凸出的形变示意图。当然，图2仅仅是示出了几种可能的波导相对位置改变方式，其他的在此不做详细赘述。

基于上述论述，本申请提供了一种波导封装结构，通过气凝胶层来实现波导与波导之间的固定，或者实现波导与其他光学元件或结构件之间的固定，气凝胶具有稳定的化学性能稳定，受环境温度变化影响较小，因而在使用的过程中不易发生形变，进而不易导致波导与波导、波导与其他光学元件或结构件之间的固定位置发生改变，使得显示效果较好；另外因气凝胶的多孔网络结构，即使波导与波导、波导与其他光学元件或结构件之间的粘接路径完全闭合，波导与波导、波导与其他光学元件或结构件之间也不会产生封闭腔体，波导不易受到外界环境温度变化影响，使得显示效果较好，且波导封装结构的良率较高。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。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。

在本申请的一种具体的实施例中，波导封装结构可以包括至少一波导1和气凝胶层2，气凝胶层2贴合设置于波导1的至少一侧表面；当波导1包括至少两片，两片波导1之间通过气凝胶层2连接。

如图3所示，波导1的数量为两片，两片波导1之间通过气凝胶层2连接，因气凝胶层2的折射率接近于空气的折射率，因此气凝胶层2的设置既可以实现两片波导1之间的固定，又不会破坏波导1的全反射传输条件。两片波导1相背离的一侧也设置了气凝胶层2，在实际使用过程中，可以通过该侧的气凝胶层2将其他光学元件(例如屈光镜片)或结构件与波导1进行连接，或者该侧的气凝胶层2仅仅是充当一个空气间隙的作用。可以理解的是，波导1的数量可以不仅仅是图示的两片，气凝胶层2的设置位置也不仅仅是图示的位置，例如波导1的数量为三片或三片以上，仅在每相邻的两片波导1之间设置气凝胶层2，还有其他的方式在此不做逐一举例，可根据具体使用情况确定相应的波导1和气凝胶层2的设置方式。

在本申请的一种可选的实施例中，波导1表面或内部设有耦出元件12，或，波导1表面或内部设有耦入元件11和/或耦出元件12；当气凝胶层2贴合设置于波导1具有耦入元件11和/或耦出元件12的表面，气凝胶层2覆盖耦入元件11和/或耦出元件12。

可以理解的是，波导1对携带有图像信息的光线进行传输的过程中，在波导1上相对应的应有可供光线输入的耦入元件11和可供光线输出的耦出元件12；其中，对于耦入元件11，可以根据实际使用需求确定是否需要在波导1上设置，对应于波导1上不设置耦入元件11的情况，可以是在波导1的一侧面做斜切面设置，该斜切面充当耦入元件11的光线耦入功能，在此情况下波导1上仅设置有耦出元件12。

如图4-5所示，当耦入元件11和/或耦出元件12设置于波导1表面，且气凝胶层2也设置在波导1的该侧表面时，气凝胶层2覆盖耦入元件11和/或耦出元件12；具体的设置方式可以为：在波导1具有耦入元件11和/或耦出元件12的表面涂覆湿凝胶，然后通过超临界流体的方式制得气凝胶层2。可以理解的是，当耦入元件11和耦出元件12中的至少任意一个为面浮雕光栅时，气凝胶层2填充满面浮雕光栅的凹槽。

在本申请的一种可选的实施例中，耦入元件11和/或耦出元件12为面浮雕光栅、体全息光栅、反射镜或阵列反射镜。当耦入元件11和耦出元件12中的至少任意一个为反射镜或阵列反射镜时，耦入元件11和耦出元件12设置于波导1的内部。上述反射镜可以是完全反射的反射镜，也可以是部分透射部分反射的反射镜。

考虑到屈光异常的用户人群在逐渐扩大，为了兼顾用户在使用增强现实设备不方便佩戴单独的屈光镜片的使用场景，如图6所示，在本申请的一种可选的实施例中，提供了一种将屈光镜片6与波导1进行封装的实施方式，具体的，波导1包括彼此相对的两个主表面，沿垂直于主表面的方向上设置有屈光镜片6，屈光镜片6与波导1之间通过气凝胶层2连接。屈光镜片6可以设置在波导1靠近人眼的一侧，可以实现对增强现实显示画面进行矫正的同时对外界环境画面进行矫正；或者屈光镜片6设置在波导1远离人眼的一侧，仅对外界环境画面进行矫正。需要说明的是，此处波导1和气凝胶层2的设置数量或位置并不仅仅限于图示的方式，在此不做详细赘述。

为了保护波导1和气凝胶层2免于受外界侵蚀，提高波导封装结构的耐环境老化性能和结构可靠性能，如图7所示，在本申请的一种可选的实施例中，波导1包括彼此相对的两个主表面，沿垂直于主表面的方向上设置有覆盖层3，覆盖层3与波导1之间通过气凝胶层2连接。具体的，覆盖层3可以是设置在波导1上的气凝胶层2的外侧；覆盖层3贴合设置在气凝胶层2上或覆盖层3通过镀膜的方式设置在气凝胶层上。需要说明的是，覆盖层3可以是具有保护层作用的层结构；也可以是疏水层，防止外界或空气中的水分经气凝胶层2的孔隙透过接触波导1而破坏波导1的全反射传输条件；或者是防雾层等功能层结构；还有其他可能的层结构在此不做逐一举例。

为了有效气凝胶层2吸收空气中的水分等而对波导1的光学特性造成影响，如图8所示，在本申请的一种可选的实施例中，覆盖层3与波导1或每相邻的两片波导1之间设置有围绕气凝胶层2的密封层5。密封层5和与其连接的两片波导1之间或者密封层5和与其连接的波导1以及覆盖层3之间共同形成密封气凝胶层2的空间，可以防止外界或空气中的水分经气凝胶层2的孔隙透过接触波导1而破坏波导1的全反射传输条件。

需要说明的是，密封层5可以具有受力形变的性质，也可以不具有受力形变性质。当密封层5具有受力形变的性质时，即密封层5为弹性密封层，此情况下，当密封气凝胶层2的空间内由于热胀冷缩等原因导致内部空间压力大于(或小于)外界气压时，密封层5在压力的推动下会发生向外凸出(或向内凹陷)的形变，从而对密封空间内的压力起到缓解平衡的作用，进而减轻波导1受到的压力，有效避免波导1发生变形。

在本申请的一种可选的实施例中，气凝胶层2的厚度为≥50μm。示例性的，气凝胶层2的厚度可以为50μm、150μm、200μm。气凝胶层2为具有颜色的气凝胶层2，一方面可以起到修饰作用，另一方面可以根据实际使用需求设置成相应的颜色以起到滤波作用，例如经波导耦出的光线中绿光光强偏大导致显示画面颜色整体偏绿时，通过将气凝胶层2设置成相应的颜色，以吸收部分绿光，可使得最终显示画面颜色恢复正常，显示效果更好。

为了避免波导1在安装于模组或穿戴设备上时发生磕碰或划伤，如图9所示，在本申请的一种可选的实施例中，波导1与主表面相垂直的侧面设置有边框4。需要说明的是，当边框4为受力不可形变的硬质材质时，为了避免边框4与相邻的两片波导1之间形成封闭空间，可以在边框4上与气凝胶层2对应的水平位置上设置至少一透气口；当边框4为受力可形变的材质时，其对封闭空间内压力的缓解作用如同前述实施例中的密封层5，在此不做过多阐述。

在本申请的一种可选的实施例中，气凝胶层2具有与波导1相匹配的形状，或具有非封闭形状，或具有封闭环形形状。如图10(a)所示，气凝胶层2具有与波导1相匹配的形状；如图10(b)所示，气凝胶层2设置于波导1的周缘区域，且具有封闭的环形形状；如图10(c)所示，气凝胶层2为具有至少一缺口的非封闭环形形状；如图10(d)所示，气凝胶层2设置于波导1周缘区域的四个转角区域处。以上示例了气凝胶层2与波导1之间的几种安装方式，还有其他方式在此不做逐一列举。

本申请还提供了一种增强现实设备，包括上述的波导封装结构。本申请实施例的增强现实设备，通过采用上述的波导封装结构，可以获得较好的成像显示效果。

综上所述，本申请中的波导封装结构，通过气凝胶层2来实现波导1与波导1之间的固定，或者实现波导1与其他光学元件或结构件之间的固定，气凝胶化学性能稳定，受环境温度变化影响较小，因而在使用的过程中不易发生形变，进而不易导致波导1与波导1、波导1与其他光学元件或结构件之间的固定位置发生改变，使得显示效果较好；另外因气凝胶的多孔网络结构，即使波导1与波导1、波导1与其他光学元件或结构件之间的粘接路径完全闭合，波导1与波导1、波导1与其他光学元件或结构件之间也不会产生封闭腔体，波导1不易受到外界环境温度变化影响，使得显示效果较好，且波导封装结构的良率较高。

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。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种波导封装结构，其特征在于：包括至少一波导(1)和气凝胶层(2)，所述气凝胶层(2)贴合设置于所述波导(1)的至少一侧表面；当所述波导(1)包括至少两片，两片所述波导(1)之间通过所述气凝胶层(2)连接。

2.根据权利要求1所述的一种波导封装结构，其特征在于：所述波导(1)表面或内部设有耦出元件(12)，或，所述波导(1)表面或内部设有耦入元件(11)和/或耦出元件(12)；当所述气凝胶层(2)贴合设置于所述波导(1)具有所述耦入元件(11)和/或耦出元件(12)的表面，所述气凝胶层(2)覆盖所述耦入元件(11)和/或所述耦出元件(12)。

3.根据权利要求2所述的一种波导封装结构，其特征在于：所述耦入元件(11)和/或耦出元件(12)为面浮雕光栅、体全息光栅、反射镜或阵列反射镜。

4.根据权利要求1所述的一种波导封装结构，其特征在于：所述波导(1)包括彼此相对的两个主表面，沿垂直于所述主表面的方向上设置有屈光镜片(6)，所述屈光镜片(6)与所述波导(1)之间通过所述气凝胶层(2)连接。

5.根据权利要求1所述的一种波导封装结构，其特征在于：所述波导(1)包括彼此相对的两个主表面，沿垂直于所述主表面的方向上设置有覆盖层(3)，所述覆盖层(3)与所述波导(1)之间通过所述气凝胶层(2)连接。

6.根据权利要求5所述的一种波导封装结构，其特征在于：所述覆盖层(3)贴合设置在所述气凝胶层(2)上或所述覆盖层(3)通过镀膜设置在所述气凝胶层(2)上。

7.根据权利要求5所述的一种波导封装结构，其特征在于：所述覆盖层(3)与所述波导(1)或每相邻的两片所述波导(1)之间设置有围绕所述气凝胶层(2)的密封层(5)。

8.根据权利要求1所述的一种波导封装结构，其特征在于：所述气凝胶层(2)为具有颜色的气凝胶层(2)。

9.根据权利要求5所述的一种波导封装结构，其特征在于：所述波导(1)与所述主表面相垂直的侧面设置有边框(4)。

10.一种增强现实设备，其特征在于：包括权利要求1-9任一项所述的波导封装结构。