CN112630967B

CN112630967B - 光波导模组及电子设备

Info

Publication number: CN112630967B
Application number: CN202011537502.XA
Authority: CN
Inventors: 王世育
Original assignee: Interface Optoelectronics Shenzhen Co Ltd; Interface Technology Chengdu Co Ltd; Yecheng Optoelectronics Wuxi Co Ltd; General Interface Solution Ltd
Current assignee: Interface Optoelectronics Shenzhen Co Ltd; Interface Technology Chengdu Co Ltd; General Interface Solution Ltd
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2040-12-23
Also published as: CN112630967A

Abstract

本发明涉及一种光波导模组及电子设备。光波导模组，包括：第一光波导，具有相互间隔的第一输入区域及第一输出区域；第二光波导，具有相互间隔的第二输入区域及第二输出区域，所述第二输入区域与所述第一输入区域相对，所述第二输出区域与所述第一输出区域相对；其中，所述第一输入区域能够将第一原色光线及第二原色光线耦合输入所述第一光波导中，所述第二输入区域能够将第三原色光线耦合输入所述第二光波导中，所述第一原色光线、第三原色光线、第二原色光线的波长范围依次递减。上述光波导模组，设置两片波段的光线，能够缩小光波导模组的厚度尺寸，有利于AR电子设备的小型化设计。

Description

光波导模组及电子设备

技术领域

本发明涉及AR显示技术领域，特别是涉及一种光波导模组及电子设备。

背景技术

在增强现实(AR，Augmented Reality)显示技术领域，为保证虚拟信息与真实信息能够相互融合进入人眼，显示模组不能直接挡在人眼视线前方。为此，通常需要设置光波导(Optical Waveguide)模组将显示模组产生的虚拟信息传导并投射到人眼中，以便虚拟信息与视线前方的真实信息融合，形成AR图像。

然而，目前的光波导模组，为避免混光现象，通常采用三片光波导分别传导红、绿、蓝三种波段的光线，导致光波导模组的厚度尺寸增大，不利于AR电子设备的小型化设计。

发明内容

基于此，有必要提供一种光波导模组及电子设备，以缩小光波导模组的厚度尺寸。

一种光波导模组，包括：

第一光波导，具有相互间隔的第一输入区域及第一输出区域；

第二光波导，具有相互间隔的第二输入区域及第二输出区域，所述第二输入区域与所述第一输入区域相对，所述第二输出区域与所述第一输出区域相对；

其中，所述第一输入区域能够将第一原色光线及第二原色光线耦合输入所述第一光波导中，所述第二输入区域能够将第三原色光线耦合输入所述第二光波导中，所述第一原色光线、第三原色光线、第二原色光线的波长范围依次递减。

在其中一个实施例中，所述第二光波导背离所述第一光波导的表面形成所述光波导模组的入光面，所述第一输入区域、所述第二输入区域分别形成于所述第一光波导及所述第二光波导背离所述入光面的一侧。

在其中一个实施例中，所述第一原色光线为红色波段光线，所述第二原色光线为蓝色波段光线，所述第三原色光线为绿色波段光线。

在其中一个实施例中，所述光波导模组还包括红色全息光栅、蓝色全息光栅以及绿色全息光栅，所述红色全息光栅与所述蓝色全息光栅层叠设置于所述第一光波导背离所述光波导模组的入光面的一侧，以形成所述第一输入区域，所述绿色全息光栅设置于所述第二光波导背离所述光波导模组的入光面的一侧，以形成所述第二输入区域。

在其中一个实施例中，所述红色全息光栅设置于所述蓝色全息光栅背离所述入光面的一侧。

在其中一个实施例中，所述光波导模组还包括红色全息光栅、蓝色全息光栅以及绿色全息光栅，所述红色全息光栅与所述蓝色全息光栅层叠设置于所述第一光波导背离所述光波导模组的入光面的一侧，以形成所述第一输出区域，所述绿色全息光栅设置于所述第二光波导背离所述光波导模组的入光面的一侧，以形成所述第二输出区域。

在其中一个实施例中，所述光波导模组还包括第一透射光栅以及第二透射光栅，所述第一透射光栅设置于所述第一光波导内，所述第一透射光栅位于所述第一光波导内光线的传播路径上，所述第二透射光栅设置于所述第二光波导内，并位于所述第二光波导内光线的传播路径上。

在其中一个实施例中，所述第一透射光栅及所述第二透射光栅均包括透光基板，所述透光基板的表面设置有多条相互平行的衍射痕，每两条所述衍射痕之间形成衍射缝。

在其中一个实施例中，所述第二透射光栅的衍射缝与绿色波段光线相适配。

一种电子设备，包括显示模组以及上述任一实施例所述的光波导模组，所述显示模组朝向所述第一输入区域及所述第二输入区域发射光线。

上述光波导模组，其中一片光波导用于传导两种波段的光线，另一片光波导用于传导一种波段的光线。由此，仅设置两片光波导即可传导三种波段的光线，能够缩小光波导模组的厚度尺寸，有利于AR电子设备的小型化设计。进一步地，将波长范围介于第一原色光线及第二原色光线之间的第三原色光线单独通过第二光波导传导，而波长范围相差较大的第一原色光线与第二原色光线共同通过第一光波导传导，能够避免波长范围相近的两种光线通过一片光波导传导时发生混光的情况，保证光波导模组输出的图像具备良好的成像质量。另外，通过两片光波导传导三种波段的光线，以满足图像显示需求，从而能够减小光线在光波导模组内传导的总路径长度，从而减小光线的色散、混光等情况，进而提升边缘视场光线的成像质量，减少边缘视场杂散光的产生，使得边缘视场更多光线能够参与成像，达到扩大光波导模组的视场角的效果。

附图说明

图1为本申请一实施例中显示模组与光波导模组的示意图；

图2为本申请一实施例中第二光波导设置第二透射光栅的示意图；

图3为本申请一实施例中第二透射光栅的示意图。

其中，100、光波导模组；110、第一光波导；111、第一输入区域；112、第一输出区域；120、第二光波导；121、第二输入区域；122、第二输出区域；123、入光面；130、红色全息光栅；140、蓝色全息光栅；150、绿色全息光栅；160、第二透射光栅；161、透光基板；162、衍射痕；163、衍射缝；200、显示模组；210、显示器；220、光学元件；230、第一原色光线；240、第二原色光线；250、第三原色光线；300、人眼。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参见图1，图1示出了本申请一些实施例中显示模组200及光波导模组100的示意图。光波导模组100具有输入区域和输出区域，显示模组200能够朝光波导模组100的输入区域发射光线，而输入区域将光线耦合输入光波导内，从而使光线于光波导内传导至输出区域，输出区域将光线耦合输出并投射至人眼300。由此，人眼300能够接收到与光波导模组100的输入区域相对的显示模组200产生的虚拟信息，换言之，由于光波导模组100的设置，显示模组200无需挡在人眼300视线的前方，显示模组200产生的虚拟信息也能够被人眼300接收，进而与人眼300视线前方的真实信息融合，形成AR图像。因此，上述光波导模组100，能够与显示模组200组装形成运用AR显示技术的电子设备(图未示出)，电子设备包括但不限于AR眼镜以及具有AR显示功能的智能手机、平板电脑等移动AR设备。

可以理解的是，在本申请中，显示模组200产生的虚拟信息可以理解为显示模组200产生的图像信息，携带图像信息的光线经光波导模组100传导后形成图像投射到人眼300，而真实信息可以理解为人眼300视线前方真实环境图像，环境光投射至人眼300后，真实环境图像与虚拟图像融合形成AR图像。

另外，在图1所示的实施例中，显示模组200包括显示器210以及光学元件220，显示器210发射的光线经光学元件220的调整后朝向光波导模组100射出。在另一些实施例中显示模组200还可以有其他设置，只要能够向光波导模组100的输入区域投射携带虚拟图像信息的光线即可。

具体地，在一些实施例中，光波导模组100包括第一光波导110及第二光波导120，第一光波导110具有相间隔的第一输入区域111与第一输出区域112，第二光波导120具有第二输入区域121与第二输出区域122，第一输入区域111与第二输入区域121相对，第一输出区域112与第二输出区域122相对。光波导模组100接收光线的表面为光波导模组100的入光面123，例如，在图1所示的实施例中，显示模组200设置于第二光波导120背离第一光波导110的一侧，显示模组200发射的光线从第二光波导120背离第一光波导110的表面进入光波导模组100，则第二光波导120背离第一光波导110的表面可视为光波导模组100的入光面123。可以理解的是，入光面123与第一输入区域111及第二输入区域121相对的区域可视为光波导模组100的输入区域，入光面123与第一输出区域112及第二输出区域122相对的区域可视为光波导模组100的输出区域。

进一步地，显示模组200出射的光线包括第一原色光线230、第二原色光线240以及第三原色光线250，其中，第一原色光线230、第三原色光线250及第二原色光线240的波长范围依次递减。当显示模组200发射的光线从输入区域进入光波导模组100时，第一输入区域111能够将第一原色光线230及第二原色光线240耦合输入第一光波导110中，第二输入区域121能在将第三原色光线250耦合输出第二光波导120中。经第一光波导110及第二光波导120传导后，第一原色光线230及第二原色光线240于第一输出区域112耦合输出，第三原色光线250于第二输出区域122耦合输出，进而使三种波段的光线于光波导模组100的输出区域输出并透射至人眼300中形成虚拟信息图像。

需要说明的是，第一原色光线230、第二原色光线240及第三原色光线250并非指三种单一波长的光线，而应当理解为三种不同颜色波段的光线，且三种光线的波长范围不重叠。例如，在一些实施例中，第一原色光线230可以为红色波段光线，第二原色光线240可以为蓝色波段光线，第三原色光线250可以为绿色波段光线。当然，三种光线也可以为其他三原色系的三种光线，只要能够满足图像显示需求即可。另外，三种光线既可以为三种原色波段的全波段光线，也可以为三种原色波段中任意部分连续波长范围的光线。例如，在一些实施例中，红色波段光线的波长范围在622nm-760nm之间，则第一原色光线230的波长范围可以在622nm-760nm之间，也可以是622nm—760nm之间任意部分连续的波长范围。当然，每一原色波段光线的波长范围还可以有其他设置，而第一原色光线230、第二原色光线240及第三原色光线250的波长范围也能够有其他取值，具体可根据图像显示需求进行选择，只要能够形成虚拟图像即可。

可以理解的是，在图1所示的实施例中，第一原色光线230的光路示意仅示出了第一原色光线230中部分光线的光路，在其他实施例中，第一原色光线230中的其他波长的光线还可于第一光波导110内沿其他路径传导。且光线从第一输入区域111输入，从第二输出区域122输出，并不意外着光线直接从第一输入区域111沿第一光波导110到达第一输出区域112输出，在另一些实施例中，第一原色光线230中部分波长的光线于第一输入区域111输入第一光波导110后，还可沿第一光波导110进行多次往返后到达第一输出区域112输出。

上述光波导模组100，其中一片光波导用于传导两种波段的光线，另一片光波导用于传导一种波段的光线。由此，仅设置两片光波导即可传导三种波段的光线，以满足图像显示需求，从而能够缩小光波导模组100的厚度尺寸，当光波导模组100运用于电子设备中时，也有利于电子设备的小型化设计。

进一步地，将波长范围介于第一原色光线230及第二原色光线240之间的第三原色光线250单独通过第二光波导120传导，而波长范围相差较大的第一原色光线230与第二原色光线240共同通过第一光波导110传导，不容易发生混光，能够避免波长范围相近的两种光线通过一片光波导传导时发生混光的情况，保证光波导模组100输出的图像具备良好的成像质量。

另外，通过两片光波导传导三种波段的光线，光波导模组100整体厚度尺寸减小，能够减小三种波段光线整体在光波导模组100内传导的总路径长度，从而减小光线的色散、混光等情况，进而提升边缘视场光线的成像质量，减少边缘视场杂散光的产生，使得边缘视场更多光线能够参与成像。换言之，在成像时，能够采用更大的光圈以使边缘视场更多光线参与成像，进而达到扩大光波导模组100的视场角的效果。具体地，在一些实施例中，光波导模组100的整体厚度尺寸小于3mm，光波导模组100的最大视场角大于50°。

进一步地，在一些实施例中，光波导模组100光线的耦合输入通过全息光栅实现。具体地，在一些实施例中，光波导模组100包括红色全息光栅130、蓝色全息光栅140以及绿色全息光栅150，红色全息光栅130及蓝色全息光栅140层叠设置于第一光波导110背离入光面123的一侧，以于第一光波导110背离入光面123的一侧形成第一输入区域111。绿色全息光栅150设置于第二光波导120背离入光面123的一侧，并位于第一光波导110及第二光波导120之间，以于第二光波导120背离入光面123的一侧形成第二输入区域121。

可以理解的是，当光线经入光面123到达绿色全息光栅150时，第三原色光线250会在绿色全息光栅150内发生衍射等光学现象，进而输入第二光波导120内。第一原色光线230及第二原色光线240透过绿色全息光栅150后，分别在红色全息光栅130及蓝色全息光栅140内发生衍射等光学现象，进而输入第一光波导110内。

需要说明的是，在本申请中，描述某一原色的全息光栅，可以理解为入射光线进入该全息光栅后，入射光线中该原色的光线能够被该全息光栅耦合而从入射面射出。当然，某一原色的全息光栅，并不意味着其他原色的光线无法被该全息光栅耦合输入光波导中，例如，绿色全息光栅150耦合输入第二光波导120的光线中可能包含部分的第一原色光线230，只要不影响正常成像即可。

进一步地，在一些实施例中，红色全息光栅130设置于蓝色全息光栅140背离入光面123的一侧。第一原色光线230的波长范围大于第二原色光线240的波长范围，即第一原色光线230能够更容易地透过蓝色全息光栅140，换言之，第一原色光线230透过蓝色全息光栅140时的光线损耗比第二原色光线240透过红色全息光栅130时的光线损坏更小。由此，这样设置相对于蓝色全息光栅140设置于红色全息光栅130背离入光面123一侧的情况而言，能够减小透过全息光栅时光线的损耗，提升光波导模组100的成像质量。

当然，第一输入区域111及第二输入区域121还能够有其他设置，例如，在另一些实施例中，第一输入区域111形成于第一光波导110朝向第二光波导120的表面，第二输入区域121形成于第二光波导120背离第一光波导110的表面，则需采用其他类型的光栅以实现光线的耦合输入，此处不再赘述。

另外，光波导模组100中光线的输出耦合也可通过全息光栅实现，具体地，在一些实施例中，光波导模组100还包括另一组红色全息光栅130、蓝色全息光栅140以及绿色全息光栅150。其中，红色全息光栅130与蓝色全息光栅140层叠设置于第一光波导110背离光波导模组100的入光面123的一侧，以形成第一输出区域112，绿色全息光栅150设置于第二光波导120背离光波导模组100的入光面123的一侧，以形成第二输出区域122。

进一步地，一并参考图1和图2，图2示出了本申请一些实施例中设置第二透射光栅160的示意图。在一些实施例中，光波导模组100还包括第一透射光栅(图未示出)以及第二透射光栅160，第一透射光栅设置于第一光波导110内，并位于第一光波导110内光线的传播路径上，第二透射光栅160设置于第二光波导120内，并位于第二光波导120内光线的传播路径上。

需要说明的是，图2所示的实施例中仅示出了第二光波导120内设置第二透射光栅160的示意图，第一光波导110内第一透射光栅的设置方式可以与第二透射光栅160相同。另外，第二透射光栅160的数量不限，在一些实施例中，第二透射光栅160设置有多个，多个透射光栅依次间隔设置于第二光波导120内。第二透射光栅160位于第二光波导120内光线的传播路径上，可以理解为经第二光波导120传导的第三原色光线250中大部分光线均会经过第二透射光栅160。进一步地，在一些实施例中，第二透射光栅160位于第二光波导120的中间位置，换言之，第二透射光栅160平行于入光面123，且第二透射光栅160至入光面123及第二光波导120中与入光面123相对的一表面的距离相等。

参考图1所示，可以理解的是，当第二光波导120内未第二透射光栅160时，经绿色全息光栅150输入第二光波导120的光线在第二光波导120的表面发生多次全反射后到达第二输出区域122。而参考图2所示，在第二光波导120内设置第二透射光栅160，第三原色光线250经第二输入区域121输入第二光波导120后，到达第二透射光栅160的第三原色光线250会在第二透射光栅160内衍射一段距离后射出，在第二光波导120的表面发生全反射后进入下一个第二透射光栅160内。相对于未设置第二透射光栅160的情况而言，第三原色光线250在第二光波导120内传导路径变短。由此，第二透射光栅160能够减小第三原色光线250于第二光波导120内的传导路径，从而减少第三原色光线250于传导过程中发生的色散现象，减少成像光线的损耗，提升光线传导效率，进而提升光波导模组100的成像质量。第一透射光栅于第一光波导110内的作用可由第二透射光栅160的作用推得，此处不再赘述。

当然，透射光栅的具体设置不限，只要能够减小光线的传导路径即可，例如，一并参考图2和图3所示，图3示出了本申请一些实施例中第二透射光栅160的示意图，在一些实施例中，第二透射光栅160包括透光基板161，透光基板161的形状可以大致为长方体，且透光基板161的延伸方向平行于入光面123，图3所示的实施例中，表面A可以视为第二透射光栅160背离入光面123的表面。透光基板161相对的两表面均设置有多条相互平行的衍射痕162，每两条衍射痕162之间形成衍射缝163，到达第二透射光栅160的第三原色光线250能够在衍射缝163内发生衍射而于第二透射光栅160内传导一段距离。

进一步地，可以理解的是，第二透射光栅160中透光基板161的厚度以及每两条衍射痕162之间的距离会影响不同波段的光线在第二透射光栅160中的衍射效果。因此，在一些实施例中，通过对透光基板161的厚度以及没两条衍射痕162之间的距离进行设计，使得第二透射光栅160的衍射缝163与绿色波段光线适配，换言之，第三原色光线250在第二透射光栅160中的衍射效果良好，从而使第二透射光栅160能够更好地减小第三原色光线250于第二光波导120内的传导路径。当然，第一透射光栅的衍射缝163能够是适配红色波段光线以及蓝色波段光线，以便第一透射光栅能够更好地减小第一原色光线230及第二原色光线240于第一光波导110内的传导路径。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种光波导模组，其特征在于，包括：

其中，所述第一输入区域能够将第一原色光线及第二原色光线耦合输入所述第一光波导中，所述第二输入区域能够将第三原色光线耦合输入所述第二光波导中，所述第一原色光线为红色波段光线，所述第二原色光线为蓝色波段光线，所述第三原色光线为绿色波段光线；

所述光波导模组还包括第一透射光栅以及第二透射光栅，所述第一透射光栅设置于所述第一光波导内，所述第一透射光栅位于所述第一光波导内光线的传播路径上，所述第二透射光栅设置于所述第二光波导内，并位于所述第二光波导内光线的传播路径上，所述第一透射光栅被配置为能够将所述第一原色光线和所述第二原色光线以衍射的方式传播，以缩短所述第一原色光线和所述第二原色光线在所述第一光波导内的传导路径，所述第二透射光栅被配置为能够将所述第三原色光线以衍射的方式传播，以缩短所述第三原色光线在所述第二光波导内的传导路径。

2.根据权利要求1所述的光波导模组，其特征在于，所述第二光波导背离所述第一光波导的表面形成所述光波导模组的入光面，所述第一输入区域、所述第二输入区域分别形成于所述第一光波导及所述第二光波导背离所述入光面的一侧。

3.根据权利要求1所述的光波导模组，其特征在于，所述光波导模组的最大视场角大于50°。

4.根据权利要求1所述的光波导模组，其特征在于，还包括红色全息光栅、蓝色全息光栅以及绿色全息光栅，所述红色全息光栅与所述蓝色全息光栅层叠设置于所述第一光波导背离所述光波导模组的入光面的一侧，以形成所述第一输入区域，所述绿色全息光栅设置于所述第二光波导背离所述光波导模组的入光面的一侧，以形成所述第二输入区域。

5.根据权利要求4所述的光波导模组，其特征在于，所述红色全息光栅设置于所述蓝色全息光栅背离所述入光面的一侧。

6.根据权利要求1所述的光波导模组，其特征在于，还包括红色全息光栅、蓝色全息光栅以及绿色全息光栅，所述红色全息光栅与所述蓝色全息光栅层叠设置于所述第一光波导背离所述光波导模组的入光面的一侧，以形成所述第一输出区域，所述绿色全息光栅设置于所述第二光波导背离所述光波导模组的入光面的一侧，以形成所述第二输出区域。

7.根据权利要求1所述的光波导模组，其特征在于，所述第一透射光栅设有多个，多个所述第一透射光栅依次间隔设置，所述第二透射光栅设有多个，多个所述第二透射光栅依次间隔设置。

8.根据权利要求1所述的光波导模组，其特征在于，所述第一透射光栅及所述第二透射光栅均包括透光基板，所述透光基板的表面设置有多条相互平行的衍射痕，每两条所述衍射痕之间形成衍射缝。

9.根据权利要求8所述的光波导模组，其特征在于，所述第二透射光栅的衍射缝与绿色波段光线相适配。

10.一种电子设备，其特征在于，包括显示模组以及权利要求1-9任一项所述的光波导模组，所述显示模组朝向所述第一输入区域及所述第二输入区域发射光线。