CN221007907U - 衍射光波导、ar眼镜和车载抬头显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种衍射光波导、AR眼镜和车载抬头显示设备。衍射光波导包括基底和设置在基底上的耦入光栅区和耦出光栅区，且耦入光栅区与耦出光栅区的折射率不同，至少耦出光栅区沿光线传输方向被分为多个耦出区，多个耦出区的折射率沿光线传输方向呈线性增大或非线性增大。本实用新型解决了现有技术中的衍射光波导存在传输效率低的问题。

Description

衍射光波导、AR眼镜和车载抬头显示设备

技术领域

本实用新型涉及光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种衍射光波导、AR眼镜和车载抬头显示设备。

背景技术

随着AR行业的迅速发展，市场对衍射光波导的需求急速上升，随着大量衍射光波导流入市场，从用户端到生产端都产生大量性能提升的需求。例如需要更轻的更薄的镜片，色彩还原度提升等。但其中较重要的需求是亮度的提升，这关系到用户能否在更多环境使用AR设备。

而目前的衍射光波导普遍面临着光利用效率低下的问题，因为现有的光栅结构大都是在提高利用效率的同时也提升了光能量的损耗率，同一微观结构的利用效率与损耗率有较大的正相关关系，导致整体传输效率难以提升。

也就是说，现有技术中的衍射光波导存在传输效率低的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种衍射光波导、AR眼镜和车载抬头显示设备，以解决现有技术中的衍射光波导存在传输效率低的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种衍射光波导，包括基底和设置在基底上的耦入光栅区和耦出光栅区，且耦入光栅区与耦出光栅区的折射率不同，至少耦出光栅区沿光线传输方向被分为多个耦出区，多个耦出区的折射率沿光线传输方向呈线性增大或非线性增大。

进一步地，衍射光波导还包括转折光栅区，转折光栅区位于耦入光栅区与耦出光栅区之间，耦入光栅区和转折光栅区之间的连线与转折光栅区和耦出光栅区之间的连线呈角度设置，耦入光栅区、转折光栅区和耦出光栅区中的至少两个的折射率不同。

进一步地，耦入光栅区的至少部分不同位置的折射率不同。

进一步地，耦入光栅区沿光线传输方向被分为多个耦入区，多个耦入区的折射率沿光线传输方向呈线性增大或非线性增大。

进一步地，转折光栅区的至少部分不同位置的折射率不同。

进一步地，转折光栅区沿远离耦入光栅区的方向被分为多个转折区，多个转折区的折射率沿远离耦入光栅区的方向呈线性增大或非线性增大。

进一步地，一个耦出区在光线传输方向上的各个位置的宽度相同，以使得多个耦出区中的相邻两个耦出区之间的共有位置为直线；或者一个耦出区在光线传输方向上的至少部分位置的宽度不相同，以使得多个耦出区中的相邻两个耦出区之间的共有位置为曲线。

进一步地，耦出光栅区的形状为矩形，矩形的耦出光栅区的长度小于等于26mm；和/或矩形的耦出光栅区的宽度小于等于20mm。

进一步地，耦出光栅区的形状为矩形，矩形的耦出光栅区的一个侧边与转折光栅区相对，或者矩形的耦出光栅区的一个角部与转折光栅区相对，耦出光栅区的光栅矢量方向与转折光栅区到耦出光栅区的光线传输方向相同。进一步地，多个耦出区中最靠近转折光栅区的耦出区为第一个耦出区，多个光线在耦出光栅区中的第一个步长点均位于第一个耦出区中。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种AR眼镜，包括上述的衍射光波导。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种车载抬头显示设备，包括上述的衍射光波导。

应用本实用新型的技术方案，衍射光波导包括基底和设置在基底上的耦入光栅区和耦出光栅区，耦入光栅区与耦出光栅区间隔设置，且耦入光栅区与耦出光栅区的折射率不同，至少耦出光栅区沿光线传输方向被分为多个耦出区，多个耦出区的折射率沿光线传输方向呈线性增大或非线性增大。

通过设置不同折射率的耦入光栅区和耦出光栅区，且规划耦出光栅区沿光线传输方向被分为多个耦出区，多个耦出区的折射率沿光线传输方向呈线性增大或非线性增大，从而使得基底中的光线在多个耦出区的耦出过程中的损耗逐渐减少，整体光效亮度增加，同时使得不同位置耦出的光线的均匀性增加，从而起到增加传输效率的作用，增加光能利用率，实现高亮度和高均匀性的显示。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型的实施例一的衍射光波导的示意图；

图2示出了图1中的衍射光波导的耦出光栅区的光栅矢量方向图；

图3示出了本实用新型的实施例二的衍射光波导的示意图；

图4示出了图3中的衍射光波导的耦出光栅区的光栅矢量方向图；

图5示出了本实用新型的一个可选实施例的衍射光波导的耦入光栅区的光线效率图；

图6示出了本实用新型的一个可选实施例的衍射光波导的转折光栅区的光线效率图；

图7示出了本实用新型的一个可选实施例的衍射光波导的耦出光栅区的光线效率图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、基底；20、耦入光栅区；30、转折光栅区；31、转折区；40、耦出光栅区；41、耦出区。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。

为了解决现有技术中的衍射光波导存在传输效率低的问题，本实用新型提供了一种衍射光波导、AR眼镜和车载抬头显示设备。

如图1至图7所示，衍射光波导包括基底10和设置在基底10上的耦入光栅区20和耦出光栅区40，且耦入光栅区20与耦出光栅区40的折射率不同，至少耦出光栅区40沿光线传输方向被分为多个耦出区41，多个耦出区41的折射率沿光线传输方向呈线性增大或非线性增大。

通过设置不同折射率的耦入光栅区20和耦出光栅区40，且规划耦出光栅区40沿光线传输方向被分为多个耦出区41，多个耦出区41的折射率沿光线传输方向呈线性增大或非线性增大，从而使得基底10中的光线在多个耦出区41的耦出过程中的损耗逐渐减少，整体光效亮度增加，同时使得不同位置耦出的光线的均匀性增加，从而起到增加传输效率的作用，增加光能利用率，实现高亮度和高均匀性的显示。

需要说明的是，上述呈线性增大，指的是等数值增大，也就是说多个耦出区41中的任意相邻两个耦出区41的折射率差值是相等的。呈非线性增大，指的是不等数值增大、不规则性增大，也就是说多个耦出区41中的任意相邻两个耦出区41的折射率差值可以包括相等和不相等的多种。

在本申请的可选实施例中，基底10上可仅设置耦入光栅区20和耦出光栅区40，此时，耦入光栅区20用于将外部光机发射的光耦入基底10中并向耦出光栅区40的方向进行传输，耦出光栅区40用于接收耦入光栅区20的光并进行扩瞳耦出。

或者，在本申请的可选实施例中，衍射光波导还包括转折光栅区30，转折光栅区30位于耦入光栅区20与耦出光栅区40之间，耦入光栅区20用于将外部光机发射的光耦入基底10中并向转折光栅区30的方向进行传输，转折光栅区30用于接收耦入光栅区20的光并进行扩瞳传输，进而传输至耦出光栅区40处，耦出光栅区40用于将光进行耦出。耦入光栅区20和转折光栅区30之间的连线与转折光栅区30和耦出光栅区40之间的连线呈角度设置，耦入光栅区20、转折光栅区30和耦出光栅区40中的至少两个的折射率不同。可以是耦出光栅区40与转折光栅区30的折射率不同，也可以是转折光栅区30与耦出光栅区40的折射率不同，或者耦入光栅区20、转折光栅区30、耦出光栅区40的折射率均不相同。

需要说明的是，基底10上的光栅区的折射率范围与基底10的折射率接近，以便于为衍射传输提供条件，优选地，各光栅区的折射率与基底10折射率差值可在0.5的范围内，当然可根据实际情况进行选择。

在本申请的可选实施例中，耦入光栅区20的至少部分不同位置的折射率不同。耦入光栅区20沿光线传输方向被分为多个耦入区，多个耦入区的折射率沿光线传输方向呈线性增大或非线性增大。通过对耦入光栅区20进行分区且设置多个耦入区的折射率沿光线传输方向等数值增大或者不规则性增大，可使得在耦入传输和往后传递经过的耦入区的损耗逐渐减少，整体光效亮度增加。

在本申请的可选实施例中，转折光栅区30的至少部分不同位置的折射率不同。转折光栅区30沿远离耦入光栅区20的方向被分为多个转折区31，多个转折区31的折射率沿远离耦入光栅区20的方向呈线性增大或非线性增大。通过对转折光栅区30进行分区且设置多个转折区31的折射率沿远离耦入光栅区20的方向呈等数值增大或者不规则性增大，可使得在光线在各转折区31传输的过程中损耗逐渐减少，从而增加传输效率。

本申请的衍射光波导在设计时，通过对转折光栅区30和耦出光栅区40进行折射率渐变的设计，使得光线在转折光栅区30和耦出光栅区40中传输的损耗越来越小，进而提高转折光栅区30和耦出光栅区40的利用效率，进而提高衍射光波导的总利用效率。同时通过折射率的渐变设计以及调整光栅区与基底10的折射率差，在保证衍射光波导的总利用效率的同时保证整体的均匀性较好。

在耦入光栅区20中，光线经过耦入光栅区20以一定角度进入基底10内，随后在基底10内进行全反射传输，然而当光线在基底10内再次入射光栅结构时会再次发生衍射，将光衍射到空气中从而损失。

本申请的耦入光栅区20在基底10上的投影呈圆形，参考图5，单独耦入光栅区20的利用效率有以下公式：

n＝D/d；

In＝I0*η₁*η₂*...*η_n

其中，n为耦入光栅区20光线的步长数量，D为耦入光栅区20的直径，d为光线步长长度，I0是光线进入到基底10中的能量，In是该束光线离开耦入光栅区20时的能量。

本申请通过设置耦入光栅区20沿光线传输方向被分为多个耦入区，多个耦入区的折射率呈逐渐增大，可以使η₁<η₂<...<η_n，使得损耗在光线传递过程中逐步降低，从而在步长更多的结构，尤其是AR-HUD这类光栅区域较大的情况中减少的损耗更为明显，有利于增加In。

如图6所示，光线在转折光栅区30实现一个维度的扩瞳，将来自耦入光栅区20的一条光线扩成多条光线射入耦出光栅区40，每条光线的效率计算公式为：

I_T1＝I_n*η_T1

I_T2＝I_n*(1-η_T1)*η_T2

...

I_Tn＝I_n*(1-η_T1)*(1-η_T2)*...*(1-η_Tn-1)*η_Tn

本申请通过设置转折光栅区30的多个转折区31的折射率逐渐变化，可以使每个转折区31的η值不相同：

η_T1≠η_T2≠...≠η_Tn

转折光栅区30的多个转折区31的折射率变化应根据光线角度和耦出光栅区40的形状共同决定，进而使转折到耦出光栅区40的多条光线的总能量以及能量均匀性提升。

如图7所示，光线在耦出光栅区40实现第二个维度的扩瞳，将来自转折光栅区30的每一条光线扩成多条光线出射到人眼，每条光线的计算公式是：

I_O1＝I_T*η_O1

I_O2＝I_T*(1-η_O1)*η_O2

...

I_On＝I_T*(1-η_O1)*(1-η_O2)*...*(1-η_TO-1)*η_On

本申请通过设置耦出光栅区40的多个耦出区41的折射率逐渐变化，可以使每个区域的η值不相同：

η_O1<η_O2<...<η_On

耦出光栅区40的多个耦出区41的折射率逐渐增大的变化形式可以使多个耦出区41的效率随着折射率的增加而增加，从而使得光损耗随着光线传输越来越小，进而使得出射的光线总亮度和均匀性提升。

此外，本申请的衍射光波导可应用在AR眼镜中，也可应用在车载抬头显示设备中。

下面结合具体实施例以及附图来描述本申请的衍射光波导。

实施例一

如图1和图2所示，描述了实施例一的衍射光波导。

在本实施例中，衍射光波导包括基底10和设置在基底10上的耦入光栅区20、转折光栅区30和耦出光栅区40。转折光栅区30沿远离耦入光栅区20的方向被分为多个转折区31，多个转折区31的折射率沿远离耦入光栅区20的方向呈线性增大或非线性增大。耦出光栅区40沿光线传输方向被分为多个耦出区41，多个耦出区41的折射率沿光线传输方向呈线性增大或非线性增大。

如图1和图2所示，一个转折区31在远离耦入光栅区20的方向上的各个位置的宽度相同，以使得多个转折区31中的相邻两个转折区31之间的共有位置为直线；一个耦出区41在光线传输方向上的各个位置的宽度相同，以使得多个耦出区41中的相邻两个耦出区41之间的共有位置为直线。这样设置使得多条光线经过多个耦出区41的折射率的变化规律相同。耦出光栅区40的形状为矩形，矩形的耦出光栅区40的长度小于等于26mm；矩形的耦出光栅区40的宽度小于等于20mm。矩形的耦出光栅区40的一个侧边与转折光栅区30相对，耦出光栅区40的光栅矢量方向和与转折光栅区30到耦出光栅区40的光线传输方向相同。

优选地，矩形的耦出光栅区40的长度等于26mm、宽度等于20mm。

由图1所示，多个耦出区41沿远离转折光栅区30的方向依次为第一个耦出区、第二个耦出区、第三个耦出区，以此类推。多个光线在耦出光栅区40中的第一个步长点均位于第一个耦出区中，多个光线在耦出光栅区40中的第二个步长点均位于第二个耦出区中，以此类推。图中多个光线上的点即为步长点，一根光线上的相邻两个步长点之间的距离为光线步长长度。

参考图1，本实施例通过设置转折光栅区30的多个转折区31折射率呈逐渐变化、耦出光栅区40的多个耦出区41的折射率呈逐渐变化，例如使得多个转折区31沿远离耦入光栅区20的折射率变化需要符合η_Tn的变化规律：

η_Tn＝η_Tn-1/(1-η_Tn-1)

这样可使得入射到耦出光栅区40的光线能量相等，即满足：

I_T1＝I_T2＝...＝I_Tn＝6*I_on

进而使得多个耦出区41的折射率沿光线传输方向的变化符合下面η_on的变化规律。

η_on＝η_on-1/(1-η_on-1)

这样设置合理规划转折光栅区30和耦出光栅区40的折射率变化规律，使得耦出光栅区40所耦出的光线非常均匀，使得耦出光栅区40任意位置出射的光线能量相同，即满足：

I_o1＝I_o2＝...＝I_on。

实施例二

如图3和图4所示，描述了实施例二的衍射光波导。

本实施例与实施例一的区别在于，耦出光栅区40的设置位置以及分区方式不同。

参考图2，一个耦出区41在光线传输方向上的至少部分位置的宽度不相同，以使得多个耦出区41中的相邻两个耦出区41之间的共有位置为曲线。这样设置使得不同光线经多个耦出区41的折射率的变化规律不同。

在本实施例中，耦出光栅区40的形状为矩形，矩形的耦出光栅区40的一个角部与转折光栅区30相对，此时耦出光栅区40的光栅矢量方向与耦出光栅区40的一个侧边的延伸方向之间的夹角为锐角。具体的，耦出光栅区40的光栅矢量方向与耦出光栅区40的长度方向的侧边的夹角为38°。耦出光栅区40光栅矢量方向与转折光栅区30到耦出光栅区40的光线传输方向相同。

由图3所示，多个耦出区41沿远离转折光栅区30的方向依次为第一个耦出区、第二个耦出区、第三个耦出区，以此类推。在多个光线在耦出光栅区40中的第一个步长点均位于第一个耦出区中，多个光线在耦出光栅区40中的第二个步长点均位于第二个耦出区中，以此类推。图中多个光线上的点即为步长点，一根光线上的相邻两个步长点之间的距离为光线步长长度。为便于理解，各光线在耦出光栅区40中的第一个步长点已标黑。

本实施例通过设置沿光线传输方向，转折光栅区30的多个转折区31的折射率增大规律符合下面η_Tn的变化规律，

η_T2＝η_T1/(1-η_T1)*5/3；

η_T3＝η_T2/(1-η_T2)*6/5；

η_T4＝η_T3/(1-η_T3)；

η_T5＝η_T5/(1-η_T5)；

η_T6＝η_T5/(1-η_T5)*5/6；

η_T7＝η_T6/(1-η_T6)*2/5；

从而使得，入射至耦出光栅区40的光线能量为该光线在耦出出射时的能量总和，即满足：

I_T1＝3*I_on；I_T2＝I_T6＝5*I_on；I_T3＝I_T4＝I_T5＝6*I_on；I_T7＝2*I_on；

进而设置沿光线传输方向，耦出光栅区40的多个耦出区41的折射率渐变规律符合下面η_on的变化规律。

η_on＝η_on-1/(1-η_on-1)，

本实施例通过合理规划转折光栅区30和耦出光栅区40的折射率变化规律，使得耦出光线非常均匀，使得耦出光栅区40的任意位置出射的光线能量相同，即满足：

I_o1＝I_o2＝...＝I_on。

显然，上述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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请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，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种衍射光波导，其特征在于，包括基底(10)和设置在所述基底(10)上的耦入光栅区(20)和耦出光栅区(40)，且所述耦入光栅区(20)与所述耦出光栅区(40)的折射率不同，至少所述耦出光栅区(40)沿光线传输方向被分为多个耦出区(41)，多个所述耦出区(41)的折射率沿光线传输方向呈线性增大或非线性增大。

2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述衍射光波导还包括转折光栅区(30)，所述转折光栅区(30)位于所述耦入光栅区(20)与所述耦出光栅区(40)之间，所述耦入光栅区(20)和所述转折光栅区(30)之间的连线与所述转折光栅区(30)和所述耦出光栅区(40)之间的连线呈角度设置，所述耦入光栅区(20)、所述转折光栅区(30)和所述耦出光栅区(40)中的至少两个的折射率不同。

3.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区(20)的至少部分不同位置的折射率不同。

4.根据权利要求3所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区(20)沿光线传输方向被分为多个耦入区，多个所述耦入区的折射率沿光线传输方向呈线性增大或非线性增大。

5.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述转折光栅区(30)的至少部分不同位置的折射率不同。

6.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，所述转折光栅区(30)沿远离所述耦入光栅区(20)的方向被分为多个转折区(31)，多个所述转折区(31)的折射率沿远离所述耦入光栅区(20)的方向呈线性增大或非线性增大。

7.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，

一个所述耦出区(41)在所述光线传输方向上的各个位置的宽度相同，以使得多个所述耦出区(41)中的相邻两个所述耦出区(41)之间的共有位置为直线；或者

一个所述耦出区(41)在所述光线传输方向上的至少部分位置的宽度不相同，以使得多个所述耦出区(41)中的相邻两个所述耦出区(41)之间的共有位置为曲线。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦出光栅区(40)的形状为矩形，

矩形的所述耦出光栅区(40)的长度小于等于26mm；和/或

矩形的所述耦出光栅区(40)的宽度小于等于20mm。

9.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦出光栅区(40)的形状为矩形，矩形的所述耦出光栅区(40)的一个侧边与所述转折光栅区(30)相对，或者矩形的所述耦出光栅区(40)的一个角部与所述转折光栅区(30)相对，所述耦出光栅区(40)的光栅矢量方向与所述转折光栅区(30)到所述耦出光栅区(40)的光线传输方向相同。

10.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，多个所述耦出区(41)中最靠近所述转折光栅区(30)的所述耦出区(41)为第一个耦出区，多个光线在所述耦出光栅区(40)中的第一个步长点均位于所述第一个耦出区中。

11.一种AR眼镜，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的衍射光波导。

12.一种车载抬头显示设备，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的衍射光波导。