CN111123523B - 无显示暗带的衍射波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无显示暗带的衍射波导，包括：入射光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅和出射光栅均设置在导基体表面上；入射光栅的两侧分别间隔设置第一转折光栅和第二转折光栅；第一转折光栅的下方间隔设置第三转折光栅；第三转折光栅的外侧设置出射光栅，该第三转折光栅遮挡住第一转折光栅与第三转折光栅之间间隔的缝隙。由于布置了第一、第二和第三转折光栅的三块转折光栅，具有双转折衍射波导的优点，可以同时利用入射光栅+1级和‑1级的衍射光，提升光的传输效率并利用两级衍射效率互补提升图像均匀性。另外，能有效避双转折光栅之间的暗带问题，提高了衍射波导的整体性能，增加了衍射波导的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件领域，尤其涉及一种无显示暗带的衍射波导。
背景技术
虚拟现实技术需要将虚拟信息与现实信息相结合，而近眼显示技术作为增强现实技术的一种解决方案近些年快速发展。市面上已经出现了多款基于不同光学原理的近眼显示器件，这其中，基于衍射波导的近眼显示器件具有质量轻，透明度高，可提升空间大等优点近些年受到广泛关注。
用于近眼显示的衍射光波导主要是利用波导上光栅的衍射效应实现对显示虚拟图像的光转向。通过光栅的转向作用和波导的导光作用，衍射波导可以将波导角落处由微投影仪器或者微显示屏幕产生的虚拟光传递至人眼正前方。虚拟光与直接透过波导片的现实世界的光相结合并同时入射进人眼，最终实现增强现实效果。
现有技术的一种方案是使用两块转折光栅分别收集来自入射光栅+1级和-1级的衍射光，并使得两级衍射光同时向出射光栅传输。一方面直接提升对入射光的利用率，另一方面利用+1和-1级别衍射光在各个入射角的效率互补，最终提升衍射波导成像的成像均匀性。双转折光栅的光栅结构和光束传输如图1所示，该双转折光栅是二维扩瞳双转折衍射光波导100，其中，波导101上分布设置入射光栅102、转折光栅一103、转折光栅二104、出射光栅105，来自微投影或微显示屏的入射光106从入射光栅102入射，经过双转折衍射波导二维扩瞳后的出射光107从出射光栅105出射。这种结构的双转折光栅的主要问题是：在两块转折光栅之间的区域，没有光被转折进入出射光栅105，这使耦出出射光栅的光束在中间位置形成暗带。当人眼处于中间位置观察时，虚拟图像亮度相对较低，或直接观察不到虚拟图像。
发明内容
基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种无显示暗带的衍射波导，能解决现有使用两块转折光栅的衍射波导，存在的耦出出射光栅的光束在中间位置形成暗带，暗带位置的虚拟图像亮度相对较低或不易观察到虚拟图像的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供一种无显示暗带的衍射波导，包括：
波导基体、入射光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅和出射光栅；其中，
所述入射光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅和出射光栅均设置在所述导基体表面上；
所述入射光栅的两侧分别间隔设置所述第一转折光栅和所述第二转折光栅；
所述第一转折光栅的下方间隔设置所述第三转折光栅；
所述第二转折光栅的外侧设置所述出射光栅，该第二转折光栅遮挡住所述第一转折光栅与所述第三转折光栅之间间隔的缝隙。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的无显示暗带的衍射波导，其有益效果为：
由于在入射光栅的两侧分别设置间隔第一转折光栅和第二转折光栅，使得该衍射波导具有双转折衍射波导的优点，可以同时利用入射光栅+1级和-1级的衍射光，提升光的传输效率并利用两级衍射效率互补提升图像均匀性；另外，通过在第一转折光栅的下方间隔设置了第三转折光栅，且第一转折光栅与第三转折光栅之间间隔的缝隙被第二转折光栅遮挡住，不会在出射光栅上形成暗带，提高了衍射波导的整体性能，增加了衍射波导的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为现有技术提供的两块转折光栅的衍射波导的示意图；
图2为本发明实施例提供的无显示暗带的衍射波导的示意图；
图3为本发明实施例一提供的无显示暗带的衍射波导的光路传输示意图；
图4为本发明实施例二提供的无显示暗带的衍射波导的示意图；
图5为本发明实施例三提供的无显示暗带的衍射波导的示意图；
图1中各标记对应的部件为：100-二维扩瞳双转折衍射光波导；101-波导；102-入射光栅；103-转折光栅一；104-转折光栅二；105-出射光栅；106-来自微投影或微显示屏的入射光；107-经过双转折衍射波导二维扩瞳后的出射光；
图2和图3中各标记对应的部件为：200-基于三块转折光栅的衍射波导；201-波导基体；202-入射光栅；203-第一转折光栅；204-第二转折光栅；205-第三转折光栅；206-出射光栅；207-来自微投影或微显示屏的入射光；208-经过双转折衍射波导二维扩瞳后的出射光；
图4中各标记对应的部件为：300-基于三块转折光栅的衍射波导；301-波导基体；302-入射光栅；303-第一转折光栅；304-第二转折光栅；305-第三转折光栅；306-出射光栅；307-来自微投影或微显示屏的入射光；308-经过双转折衍射波导二维扩瞳后的出射光；
图5中各标记对应的部件为：400-基于三块转折光栅的衍射波导；401-波导基体；402-入射光栅；403-第一转折光栅；404-第二转折光栅；405-第三转折光栅；406-出射光栅；407-来自微投影或微显示屏的入射光；408-经过双转折衍射波导二维扩瞳后的出射光。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图2、3所示，本发明实施例提供一种无显示暗带的衍射波导，包括：
波导基体、入射光栅202、第一转折光栅203、第二转折光栅204、第三转折光栅205和出射光栅206；其中，
所述入射光栅202、第一转折光栅203、第二转折光栅204、第三转折光栅205和出射光栅206均设置在所述导基体表面上；
所述入射光栅202的两侧分别间隔设置所述第一转折光栅203和所述第二转折光栅204；
所述第一转折光栅203的下方间隔设置所述第三转折光栅205；
所述第二转折光栅204的外侧设置所述出射光栅206，该第二转折光栅204遮挡住所述第一转折光栅203与所述第三转折光栅205之间间隔的缝隙。
来自微投影或者微显示屏的光经由入射光栅产生+1级和-1级衍射并耦合进入波导。1-级和+1级衍射光分别朝向入射光栅两侧的第一转折光栅和第二转折光栅传输。
所述+1级衍射光经过第二转折光栅向下扩束后直接进入出射光栅。
所述-1级衍射光经过第一转折光栅向下转向朝向第三转折光栅传输，之后经过第三转折光栅向右转向后朝着第二转折光栅传输，经过第二转折光栅的扩束后进入出射光栅。
+1级衍射光和-1级衍射光在出射光栅处合并，并且被出射光栅耦合出波导，最终被位于出射光栅正前方的人眼接收。
上述衍射波导中，入射光栅202的光栅沟槽方向为竖直方向；
所述第一转折光栅203 的光栅沟槽方向相对于所述入射光栅202的光栅沟槽方向顺时针旋转45°；
所述第二转折光栅204和第三转折光栅205的光栅沟槽方向相对于所述入射光栅202的光栅沟槽方向逆时针旋转45°，并与所述第一转折光栅203的光栅沟槽方向垂直；
所述出射光栅206的光栅沟槽方向与所述入射光栅202的光栅沟槽方向平行。
上述衍射波导中，入射光栅、转折光栅（三块转折光栅相同周期）和出射光栅的周期d I , d T , d O 满足以下公式：d I = d T = √2d O ；所述转折光栅指第一转折光栅、第二转折光栅和第三转折光栅中的每一块转折光栅。
上述衍射波导中，入射光栅和出射光栅采用对称结构的光栅。
上述衍射波导中，入射光栅和出射光栅采用梯形光栅、矩形光栅、全息光栅中的至少一种。
上述衍射波导中，入射光栅采用镀膜光栅，通过镀膜增加衍射效率。
优选的，第一转折光栅、第二转折光栅和第三转折光栅均采用矩形光栅、梯形光栅、全息光栅、倾斜光栅、闪耀光栅中的任一种。
上述衍射波导中，第三转折光栅205的宽度不小于所述第一转折光栅203的宽度；
所述第二转折光栅204的长度不小于所述入射光栅202到所述第三转折光栅205的距离。
本发明这种结构的衍射波导，由于按入射光栅两侧布置第一转折光栅和第二转折光栅，第一转折光栅的下方间隔设置第三转折光栅，这种在波导基体上布置了三块转折光栅的结构，能利用±1级的衍射光，通过设置的第二转折光栅遮挡住第一转折光栅和第三转折光栅之间间隔的缝隙，实现了能在利用±1级衍射的同时，有效避免传统的双转折衍射波导的暗带，极大提升了光传输效率和出光均匀性。
下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。
实施例一
如图2、3所示，本发明实施例提供一种基于三块转折光栅的衍射波导，该衍射波导的波导基体上分布设置三块转折光栅，其中，第一转折光栅和第三转折光栅上、下并列间隔设置，第二转折光栅处于所述第一转折光栅和第三转折光栅的外侧；第一转折光栅和第二转折光栅之间设置入射光栅，第二转折光栅的外侧设置出射光栅。
这种光栅布局的衍射波导，光束传输路径如图3所示，当来自微投影或者微显示屏的光束照射到入射光栅202时，由于光栅的衍射效用，+1级衍射光和-1级衍射光分别向左右两侧传输到达入射光栅两侧的第二转折光栅203和第一转折光栅204，进入第二转折光栅204的光向下扩展的同时穿过第二转折光栅204到达出射光栅206，并由出射光栅206的衍射耦出衍射波导进入人眼；而进入第一转折光栅203的光由于光栅的衍射向下传输进入第三转折光栅205，光束在第三转折光栅205中再一次被转向后传导进大面积第二转折光栅204，经过第二转折光栅204的扩展后，传输进入出射光栅206，最终+1级和-1级的衍射光都由出射光栅206耦出衍射波导最终进入人眼。
为了使光束按照期待方向扩展和传输，入射光栅202的光栅沟槽方向竖直，第一转折光栅203的光栅沟槽方向相对于入射光栅的光栅沟槽方向顺时针旋转45°；而第二转折光栅204和第三转折光栅205的 光栅沟槽方向相对于入射光栅202的光栅沟槽方向逆时针旋转45°，且与第一转折光栅203的光栅沟槽方向垂直，即正交。出射光栅206的光栅沟槽方向与入射光栅的光栅沟槽方向平行，都是竖直方向。
另外，为了保证由微投影或者微显示屏产生的图像经过衍射波导后能在人眼中成像，入射光栅、转折光栅（）以及出射光栅的周期d I , d T , d O 满足以下关系：
d I = d T = √2d O (1)
各个光栅的最佳周期可根据衍射波导的折射率优化，周期过大或者过小都会影响到视场角。光栅的种类以及光栅形貌（占空比、光栅高度等）可根据具体显示需求优化。
上述波导中各光栅的种类不限，为利用±1级的衍射光，入射光栅和出射光栅最好为对称结构的光栅，可采用梯形光栅、矩形光栅、全息光栅中的至少一种。优选的，为了提升入射光栅效率可采用镀膜的光栅。转折光栅没有具体要求，第一转折光栅、第二转折光栅和第三转折光栅均可采用梯形光栅、矩形光栅、全息光栅、倾斜光栅、闪耀光栅中的至少一种。
光栅的形貌（高度、占空比等）会决定光栅的衍射效率并最终影响到成像效果，可根据具体生产工艺以及需求进行设计和优化优化，本发明没有特别的限制。实际应用中，光栅区域的形状，尺寸，大小可以任意，可需要根据需求优化。
本发明的基于三块转折光栅的衍射波导，具有双转折衍射波导的优点，可以同时利用入射光栅+1级和-1级的衍射光，提升光的传输效率并利用两级衍射效率互补提升图像均匀性。另外，相比于传统的双转折光栅，转折光栅之间的暗带问题被有效避免，提高了衍射波导的整体性能，增加了衍射波导的实用性。
实施例二
如图4所示，本实施例提供的是一种减小了三块转折光栅面积并调整出射光栅位置的衍射波导，其中，出射光栅面积减小了近三分之一，第一转折光栅303与第三转折光栅305的面积相等，两者的长度接近第二转折光栅304的一半。这种结构的衍射波导，在较小面积的第一转折光栅、第二转折光栅和出射光栅仍能利用入射光栅+1级和-1级的衍射光，且避免形成暗带，提高了衍射波导的整体性能，增加了衍射波导的实用性。
实施例三
如图5所示，本实施例提供的是一种改变转折光栅区域形状的衍射光波导，其中，第一转折光栅403、第二转折光栅404和第三转折光栅405，均采用了非方形的光栅，如梯形光栅。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种无显示暗带的衍射波导，其特征在于，包括：
波导基体、入射光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅和出射光栅；其中，
所述入射光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅和出射光栅均设置在所述波导基体表面上；
所述入射光栅的两侧分别间隔设置所述第一转折光栅和所述第二转折光栅；
所述第一转折光栅的下方间隔设置所述第三转折光栅；
所述第二转折光栅的外侧设置所述出射光栅，该第二转折光栅遮挡住所述第一转折光栅与所述第三转折光栅之间间隔的缝隙；
来自微投影或者微显示屏的光经由所述入射光栅产生+1级和-1级衍射并耦合进入波导基体， -1级和+1级衍射光分别朝向所述入射光栅两侧的所述第一转折光栅和所述第二转折光栅传输；所述+1级衍射光经过第二转折光栅向下扩束后直接进入所述出射光栅；所述-1级衍射光经过所述第一转折光栅向下转向朝向所述第三转折光栅传输，之后经过所述第三转折光栅向右转向后朝着所述第二转折光栅传输，经过所述第二转折光栅的扩束后进入所述出射光栅；所述+1级衍射光和所述-1级衍射光在所述出射光栅处合并，被所述出射光栅耦合出所述波导基体，被位于所述出射光栅正前方的人眼接收。
2.根据权利要求1所述的无显示暗带的衍射波导，其特征在于，
所述入射光栅的光栅沟槽方向为竖直方向；
所述第一转折光栅的光栅沟槽方向相对于所述入射光栅的光栅沟槽方向顺时针旋转45°；
所述第二转折光栅和第三转折光栅的光栅沟槽方向相对于所述入射光栅的光栅沟槽方向逆时针旋转45°，并与所述第一转折光栅的光栅沟槽方向垂直；
所述出射光栅的光栅沟槽方向与所述入射光栅的光栅沟槽方向平行。
3.根据权利要求1或2所述的无显示暗带的衍射波导，其特征在于，所述入射光栅的周期d I 、第一转折光栅的周期d T1 、第二转折光栅的周期d T2 、第三转折光栅的周期d T3 和出射光栅的周期d O 满足以下关系：d I = d T1 = d T2 = d T3 = √2d O 。
4.根据权利要求1或2所述的无显示暗带的衍射波导，其特征在于，所述入射光栅和出射光栅采用对称结构的光栅。
5.根据权利要求4所述的无显示暗带的衍射波导，其特征在于，所述入射光栅和出射光栅均采用矩形光栅、梯形光栅、全息光栅中的至少一种。
6.根据权利要求1或2所述的无显示暗带的衍射波导，其特征在于，所述入射光栅采用镀膜光栅；
第一转折光栅、第二转折光栅和第三转折光栅均采用矩形光栅、梯形光栅、全息光栅、倾斜光栅、闪耀光栅中的任一种。
7.根据权利要求1或2所述的无显示暗带的衍射波导，其特征在于，所述第三转折光栅的宽度不小于所述第一转折光栅的宽度；
所述第二转折光栅的长度不小于所述入射光栅到所述第三转折光栅的距离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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