CN112987180B - 衍射波导及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种衍射波导，包括波导基体、入射光栅、出射光栅和正交光栅阵列，入射光栅、出射光栅和正交光栅阵列均设于波导基体，且出射光栅位于入射光栅与正交光栅阵列之间，自入射光栅投射出的光线包括第一部分光线和第二部分光线，第一部分光线射入出射光栅并从出射光栅射出波导基体，第二部分光线穿过出射光栅且投射至正交光栅阵列，正交光栅阵列将第二部分光线反射至出射光栅，以使第二部分光线从出射光栅射出波导基体。上述方案能够解决相关技术中由于出射光栅出光不均而导致所呈现的虚拟图像存在亮度不均的问题。本申请公开一种电子设备。

Description

衍射波导及电子设备

技术领域

本申请属于电子设备技术领域，具体涉及一种衍射波导及电子设备。

背景技术

随着技术的发展及用户需求的提升，越来越多的电子设备涌入人们的生活之中，进而方便了人们的生活。其中，一些电子设备（例如AR眼镜）能够将虚拟图像与现实世界图像同时投射入用户的眼睛中，进而使得用户能够看到叠加在现实景物中的虚拟图像。

相关技术中，电子设备通常可以选择几何光波导、衍射光波导等多种波导实现图像的投射。其中，配置有衍射光波导的电子设备具有质量较轻、透明度较高等优点。但是，在具体的工作过程中，微投影机将虚拟图像投射到入射光栅处，入射光栅将虚拟图像耦合到出射光栅，最终由出射光栅投射至用户的眼睛中。但是，光束在出射光栅中传播的过程中不断将部分光耦合出，最终在远离入射光栅的方向上，穿过出射光栅的光束的强度不断降低，最终使得出射光栅的光强度逐渐降低，导致出射光栅的出光效率在邻近入射光栅的一侧较高，在远离入射光栅的另一侧较低，最终导致出光不均，使得所呈现的虚拟图像存在亮度不均的问题。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种衍射波导及电子设备，能够解决相关技术中由于出射光栅出光不均导致所呈现的虚拟图像存在亮度不均的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请公开一种衍射波导，包括波导基体、入射光栅、出射光栅和正交光栅阵列，其中：

所述入射光栅、所述出射光栅和所述正交光栅阵列均设于所述波导基体，且所述出射光栅位于所述入射光栅与所述正交光栅阵列之间，自所述入射光栅投射出的光线包括第一部分光线和第二部分光线，所述第一部分光线射入所述出射光栅并从所述出射光栅射出所述波导基体，所述第二部分光线经过所述出射光栅且投射至所述正交光栅阵列，所述正交光栅阵列将所述第二部分光线反射至所述出射光栅，以使所述第二部分光线从所述出射光栅射出所述波导基体。

第二方面，本申请公开一种电子设备，包括微投影机和衍射波导，所述衍射波导为第一方面所述的衍射波导，所述微投影机与所述入射光栅相对设置。

本申请采用的技术方案能够达到以下有益效果：

本申请实施例公开的衍射波导通过对相关技术进行改进，使得入射光栅射出的光线中的第一部分光线能够在投射到出射光栅时从出射光栅射出，同时使得入射光栅射出的第二部分光线能够在投射到出射光栅时穿过出射光栅，进而投射到正交光栅阵列。接着在正交光栅阵列的作用下，能够被反射至出射光栅，并最终从出射光栅射出。由于出射光栅位于入射光栅与正交光栅阵列之间，第二部分光线重新被射入出射光栅的背向入射光栅的一侧，进而能够起到补光的作用。此种结构相当于同一份光线能够从出射光栅相背的两侧射入，因此能够缓解出射光栅的出光不均的问题，最终能够提高虚拟图像的亮度均匀性。

附图说明

图1为本申请实施例公开的电子设备的结构示意图；

图2为本申请实施例公开的第一种衍射波导的结构示意图；

图3为光线经过第一正交子光栅的反射示意图；

图4为光线经过第二正交子光栅的反射示意图；

图5为光线经过正交光栅阵列的第一种反射示意图；

图6为光线经过正交光栅阵列的第二种反射示意图；

图7为光线经过正交光栅阵列的第三种反射示意图；

图8为光线经过正交光栅阵列的第四种反射示意图；

图9为第一种衍射波导的第一种光线反射示意图；

图10为第一种衍射波导的第二种光线反射示意图；

图11为本申请实施例公开的第二种衍射波导的结构示意图；

图12为本申请实施例公开的第三种衍射波导的结构示意图；

图13为本申请实施例公开的第四种衍射波导的结构示意图；

图14为本申请实施例公开的第五种衍射波导的结构示意图；

图15为本申请实施例公开的第六种衍射波导的结构示意图；

图16为本申请实施例公开的第七种衍射波导的结构示意图；

图17为本申请实施例公开的第八种衍射波导的结构示意图；

图18为本申请实施例公开的第九种衍射波导的结构示意图。

附图标记说明：

100-波导基体；

200-入射光栅；

300-出射光栅、310-渐扩区、320-方形区；

400-正交光栅阵列、410-第一正交子光栅、420-第二正交子光栅；

500-第一转折光栅；

600-第二转折光栅；

700-镜框；

800-微投影机；

900-镜腿。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不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，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的电子设备进行详细地说明。

请参考图1至图18，本申请实施例公开一种衍射波导，所公开的衍射波导包括波导基体100、入射光栅200、出射光栅300和正交光栅阵列400。

波导基体100为衍射波导的导光器件，能够对光线实施传导。当然，波导基体100也是衍射波导的基础器件，波导基体100为入射光栅200、出射光栅300、正交光栅阵列400等部件提供安装基础。在本申请实施例中，入射光栅200、出射光栅300和正交光栅阵列400均设于波导基体100。具体的，入射光栅200、出射光栅300和正交光栅阵列400可以设于波导基体100的内部，进而能够得到波导基体100的防护。

入射光栅200为衍射波导的衍射耦合器件，入射光栅200用于将光线衍射耦合并投射至波导基体100。其中，光线可以以全反射的形式在波导基体100中传递。

出射光栅300为衍射波导的衍射耦出器件，出射光栅300用于接收波导基体100中的光线进行衍射耦出并投射出波导基体100之外形成虚拟图像。

正交光栅阵列400为调整光线方向的功能器件，正交光栅阵列400能够将射入的光线反射至出射光栅300。在本申请实施例中，入射光栅200位于出射光栅300的第一侧，正交光栅阵列400设于出射光栅300的第二侧，第一侧和第二侧为出射光栅300相背的两侧，也就是说，出射光栅300位于入射光栅200和正交光栅阵列400之间。

在衍射波导的工作过程中，光线投射至入射光栅200处，入射光栅200将光线投射至波导基体100，光线经过波导基体100的传导而到达出射光栅300，其中，自入射光栅200投射出的光线包括第一部分光线和第二部分光线，第一部分光线在射入出射光栅300时，能够从出射光栅300射出波导基体100。

同时，第二部分光线射入出射光栅300中，并经过出射光栅300后投射至正交光栅阵列400，正交光栅阵列400将第二部分光线反射至出射光栅300，从而使得出射光栅300可以将第二部分光线投射出波导基体100之外。第一部分光线和第二部分光线从出射光栅300射向人眼，最终用户能够看到虚拟图像。

通过上文所述可知，本申请实施例公开的衍射波导通过对相关技术进行改进，使得入射光栅200射出的光线中的第一部分光线能够在投射到出射光栅300时从出射光栅300射出，同时使得入射光栅200射出的第二部分光线能够在投射到出射光栅300时穿过出射光栅300，进而投射到正交光栅阵列400。接着在正交光栅阵列400的作用下，能够被反射至出射光栅300，并最终从出射光栅300射出。由于出射光栅300位于入射光栅200与正交光栅阵列400之间，第二部分光线重新被射入出射光栅300的背向入射光栅200的一侧，进而能够起到补光的作用。此种结构相当于同一份光线能够从出射光栅300相背的两侧射入，因此能够缓解出射光栅300的出光不均的问题，最终能够提高虚拟图像的亮度均匀性。

如图2所示，正交光栅阵列400可以包括多个正交子光栅。具体地，相邻的两个正交子光栅可以分别为第一正交子光栅（如图3所示）410和第二正交子光栅（如图4所示）420，第一正交子光栅410与第二正交子光栅420相互垂直，光线经过第一正交子光栅410和第二正交子光栅420会被反射，第一正交子光栅410和第二正交子光栅420均发挥对光线的反射作用。通过图5至图8可知，光线从不同的角度射入后依次经过第一正交子光栅410和第二正交子光栅420的反射，光线会反射回正交光栅阵列400的光线射入侧，也就是说，在本申请实施例中，第二部分光线能够从出射光栅300射入正交光栅阵列400，并能够被正交光栅阵列400再向出射光栅300所在的一侧反射回。

由于第一正交子光栅410与第二正交子光栅420相垂直（即正交），因此第二部分光线射入到第一正交子光栅410和第二正交子光栅420后，会产生不同的转折方向，即向不同的方向被反射。如图3所示，射入第一正交子光栅410的光线（包含于第二部分光线）能够在一个方向上进行扩束；如图4所示，射入第二正交子光栅420的光线（包含于第二部分光线）能够在另一个方向上进行扩束。

在本申请实施例中，第一正交子光栅410的周期为第一周期，第二正交子光栅420的周期为第二周期，入射光栅200的周期为第三周期，它们之间的关系为以下的公式（1）所示：

（1）

其中，Λ1为第一周期，Λ2为第二周期，Λ0为第三周期。

在本申请中，各光栅（入射光栅200、出射光栅300、第一正交子光栅410和第二正交子光栅420以及后文所述的第一转折光栅500和第二转折光栅600）均由多个光栅条组成，相邻的两个光栅条之间均有间距，这个间距可以称之为光栅条间距。上文所述的周期指的是相邻的两个光栅条之间的间距与其中的一个光栅条的宽度之和。由此可知，第一周期为第一正交子光栅410的其中一个光栅条的宽度和与其邻近的另一个光栅条之间的间距之和。第二周期为第二正交子光栅420的其中一个光栅条的宽度与与其邻近的另一个光栅条之间的间距之和。第三周期为入射光栅200的其中一个光栅条的宽度与与其邻近的另一个光栅条之间的间距之和，当然，各光栅的光栅条宽度可以相同，也可以不相同，同样地，各光栅的光栅条之间的间距可以相同，也可以不相同。

发明人经过检测，意外发现，第一周期、第二周期和第三周期满足上文公式（1）的情况下，能够较好地保证光线在入射光栅200射出并最终通过出射光栅300射出后传递到人眼中。

由公式（1）可知，第一正交子光栅410的第一周期和第二正交子光栅420的第二周期相等，第一正交子光栅410和第二正交子光栅420对光线进行扩束效果相同。

如图5至图8所述，将第一正交子光栅410和第二正交子光栅420组合搭配可以将光线再反射回到出射光栅300，具体地，光线经过出射光栅300到达第一正交子光栅410与第二正交子光栅420处，光线经过第一正交子光栅410与第二正交子光栅420反射和扩束，扩束的光线反射回出射光栅300处，再投射出波导基体100，

在本申请实施例中，多个正交子光栅可以呈一列分布（如图9至图17所示），，此种分布方式有利于减小正交光栅阵列400的占用空间。如图18所示，多个正交子光栅也可以呈多列分布，同一列中相邻的两个正交子光栅相垂直，相邻的两列中的相邻的两个正交子光栅平行。此种分布方式，能够使得第二部分光线穿过其中一列的正交子光栅被反射后，能够被下一列的正交子光栅向着出射光栅300所在的一侧反射，从而避免这部分光线无法利用，最终能够提高光线的利用率。

如图17所示，一种可选的方案中，多个正交子光栅成列分布，正交光栅阵列400在多个正交子光栅的排列方向的尺寸为第一尺寸，出射光栅300在前述排列方向的尺寸为第二尺寸，第一尺寸大于第二尺寸，在此种情况下，正交光栅阵列400能够形成更长的排列结构，从而能够在更大的范围内拦截从出射光栅300射出的第二部分光线，最终对拦截到的光线进行反射。很显然，此种结构有利于提升光线的利用率，当然，更多的第二部分光线被反射到出射光栅300，有利于进一步增强补光，进而能更好地缓解不均匀现象。

如图15所示，在又一种可选的方案中，多个正交子光栅可以呈一列分布，多个正交子光栅的长度可以不全相等，需要说明的是，正交子光栅的长度方向可以与多个正交子光栅的排列方向相垂直。在此种情况下，投射至长度较小的正交子光栅上的光线在被反射后，那些未被反射的光线能够被长度较大的正交子光栅继续反射，这有利于提高光线的利用率。

请再次参考图15，在进一步的技术方案中，多个正交子光栅邻近出射光栅300的一端可以共线设置，此种结构，有利于使得第二部分光线在经过出射光栅300射出后，能够投射到正交光栅阵列400，使得多个正交子光栅反射至出射光栅300处的光线均匀度会更高。同时能够减少光线在向出射光栅300折回时受到的干扰。

在另一种可选的方式中，如图16所示，多个正交子光栅邻近出射光栅300的一端可以不全共线，此种排列方式对成列的多个正交子光栅的安装要求较低，从而方便工作人员装配，进而有利于提高衍射波导的装配效率。

如图11所示，本申请实施例公开的衍射波导还可以包括第一转折光栅500，第一转折光栅500具有二维扩瞳的作用。具体地，第一转折光栅500和入射光栅200均可以设于出射光栅300的同一侧，入射光栅200可以与第一转折光栅500的第一端相对设置，第一端的宽度尺寸与入射光栅200的投射光线面的宽度尺寸一致，第一转折光栅500具有第二端，在第一端至第二端的方向上，第一转折光栅500的宽度递增。第一转折光栅500可以对光线进行扩束，并反射至出射光栅300处，在靠近第一端处未反射的光线会沿第一端至第二端的方向，再次进入第一转折光栅500进行反射和扩束，从而提高入射光栅200投射光线的利用率，而且，通过调整第一转折光栅500宽度变化，从而提高出射光栅300的出光均匀性，当然，也有利于出射光栅300以满足预设要求的宽度最终被投射出衍射波导。

在进一步的技术方案中，如图12所示，第一转折光栅500可以为两个，具体地，入射光栅200可以位于两个第一转折光栅500之间，两个第一转折光栅500的第一端均与入射光栅200相对设置。

在具体的工作过程中，入射光栅200从第一方向和第二方向均投射光线分别至两个第一转折光栅500处，其中，第一方向和第二方向相反，光线可以包括第一光线和第二光线，第一光线从第一方向经过两个第一转折光栅500中的一者进行扩束后，反射至出射光栅300处，第一光线的部分被出射光栅300投射出波导基体100，其余的经过出射光栅300至正交光栅阵列400处反射，最终被反射至出射光栅300投射出波导基体100。同时，第二光线从第二方向经过两个第一转折光栅500中的另一者进行扩束和反射至出射光栅300处，第二光线的一部分被出射光栅300投射出波导基体100，第二光线的另一部分经过出射光栅300至正交光栅阵列400处反射，进而反射至出射光栅300处，再投射出波导基体100。

通过上段所述的工作过程可知，此种情况下，两个第一转折光栅500能够将入射光栅200两侧的光线均接收，并反射至出射光栅300。由于能够拾取更多的入射光栅200射出的光线，因此能够提高光线的利用率。与此同时，两个第一转折光栅500之间的区域为第一区域，入射光栅200位于第一区域内，出射光栅300上与第一区域相对的区域为第二区域，正交光栅阵列400能够通过对光线的反射将光线反射回第二区域，从而能够避免第二区域存在暗带，进而能够进一步提高光线的均匀性。

如图13所示，本申请实施例公开的衍射波导还可以包括第二转折光栅600。第二转折光栅600可以设于入射光栅200与出射光栅300之间，第二转折光栅600具有二维扩瞳的作用，本文中，扩瞳实质是对光线的扩束。其中，第二转折光栅600可以为透射型光栅。入射光栅200投射的光线经过第二转折光栅600被扩束，由于第二转折光栅600的透射性能，使得入射光栅200投射的光线在扩束的同时，能够功能部分光线穿过后直接射向出射光栅300，因此能够减少光线被反射造成的浪费，这无疑能够提高光线的利用率。

如图14所示，出射光栅300可以包括成排设置的多个第三子光栅和成排设置的多个第四子光栅。具体地，多个第三子光栅与多个第四子光栅交叉、且垂直，入射光栅200将光线投射至出射光栅300处，多个第三子光栅和多个第四子光栅会将光线进行扩束，同时分别将光线的一部分从两个不同的方向投射出波导基体100，光线的另一部分经过出射光栅300至正交光栅阵列400处，正交光栅阵列400将光线的另一部分反射至出射光栅300处，多个第三子光栅和多个第四子光栅分别将光线的另一部分从两个不同的方向衍射投射出波导基体100，从而使得出射光栅300可以将第一侧和第二侧的光线从两个不同的方向投射出波导基体100，进而提高出射光栅300的出光均匀性。与此同时，出射光栅300自身具有二维扩瞳效果，进而提高衍射波导显示虚拟图像的视觉效果。

在进一步的技术方案中，出射光栅300可以包括渐扩区310和方形区320，渐扩区310的第一端朝向入射光栅200，渐扩区310的第二端与方形区320对接。在渐扩区310的第一端向渐扩区310的第二端延伸的方向上，渐扩区310的宽度递增。在具体的工作过程中，入射光栅200的光线射入出射光栅300后会逐渐被扩束，因此在出射光栅300朝向入射光栅200的一侧还未被扩束成较宽的光束，因此出射光栅300在渐扩区310无需设置太宽的尺寸，此种结构有利于减小对波导基体100的空间的占用。

基于本发明实施例公开的衍射波导，本发明实施例公开一种电子设备，所公开的电子设备包括微投影机800和衍射波导，所涉及的衍射波导为上文实施例所述的衍射波导。微投影机800与入射光栅200相对设置。

在具体的工作过程中，微投影机800将形成虚拟图像的光线投射至衍射波导的入射光栅200处，入射光栅200接着将光线投射至出射光栅300处，自入射光栅200投射出的光线包括第一部分光线和第二部分光线，第一部分光线射入出射光栅300并从出射光栅300射出波导基体100，第二部分光线经过出射光栅300且投射至正交光栅阵列400，正交光栅阵列400将第二部分光线反射至出射光栅300，出射光栅300将第二部分光线投射出波导基体100，最终，第一部分光线和第二部分光线从出射光栅300射出后射向人眼，使得用户能够看到虚拟图像。

由于本申请实施例公开的衍射波导，能够提高出射光栅300的出光均匀度，因此能够使得虚拟图像的亮度更加均匀，有利于提升电子设备的虚拟图像的投射质量，最终有利于提高用户的使用体验。

在本申请实施例中，配置上文实施例所述的衍射波导的电子设备的种类有多种，例如，电子设备可以是智能眼镜，也可以为智能手环，也可以为智能头盔等，本申请实施例不限制电子设备的具体种类。

请再次参考图1，一种可选的方案中，在电子设备为智能眼镜的情况下，电子设备还包括镜框700，衍射波导设置在镜框700上。微投影机800可以安装在镜框700的内侧。当然，微投影机800也可以安装在镜腿900上。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种衍射波导，其特征在于，包括波导基体、入射光栅、出射光栅和正交光栅阵列，其中：

所述入射光栅、所述出射光栅和所述正交光栅阵列均设于所述波导基体，且所述出射光栅位于所述入射光栅与所述正交光栅阵列之间，自所述入射光栅投射出的光线包括第一部分光线和第二部分光线，所述第一部分光线射入所述出射光栅并从所述出射光栅射出所述波导基体，所述第二部分光线经过所述出射光栅且投射至所述正交光栅阵列，所述正交光栅阵列将所述第二部分光线反射至所述出射光栅，以使所述第二部分光线从所述出射光栅射出所述波导基体，所述出射光栅包括成排设置的多个第三子光栅和成排设置的多个第四子光栅，所述多个第三子光栅与所述多个第四子光栅交叉、且垂直，所述出射光栅包括渐扩区和方形区，所述渐扩区的第一端朝向所述入射光栅，所述渐扩区的第二端与所述方形区对接，在所述渐扩区的第一端向所述渐扩区的第二端延伸的方向上，所述渐扩区的宽度递增。

2.根据权利要求1所述的衍射波导，其特征在于，所述正交光栅阵列包括多个正交子光栅，相邻的两个所述正交子光栅分别为第一正交子光栅和第二正交子光栅，所述第一正交子光栅与所述第二正交子光栅相互垂直，所述第一正交子光栅的周期为第一周期，所述第二正交子光栅的周期为第二周期，所述入射光栅的周期为第三周期，其中：

；

其中，Λ₁为第一周期，Λ₂为第二周期，Λ₀为第三周期。

3.根据权利要求2所述的衍射波导，其特征在于，所述多个正交子光栅呈一列分布，或者，所述多个正交子光栅呈多列分布，同一列中相邻的两个所述正交子光栅相垂直，相邻的两列中的相邻的两个所述正交子光栅平行。

4.根据权利要求3所述的衍射波导，其特征在于，所述多个正交子光栅呈一列分布，所述多个正交子光栅的长度不全相等，所述正交子光栅的长度方向与所述多个正交子光栅的排列方向相垂直。

5.根据权利要求4所述的衍射波导，其特征在于，所述多个正交子光栅邻近所述出射光栅的一端共线设置。

6.根据权利要求4所述的衍射波导，其特征在于，所述多个正交子光栅邻近所述出射光栅的一端不全共线。

7.根据权利要求1所述的衍射波导，其特征在于，所述衍射波导还包括第一转折光栅，所述第一转折光栅和所述入射光栅设于所述出射光栅的同一侧，所述入射光栅与所述第一转折光栅的第一端相对设置，所述第一转折光栅具有第二端，在所述第一转折光栅的第一端至所述第一转折光栅的第二端的方向上，所述第一转折光栅的宽度递增。

8.根据权利要求7所述的衍射波导，其特征在于，所述第一转折光栅为两个，所述入射光栅位于两个所述第一转折光栅之间，两个所述第一转折光栅的第一端均与所述入射光栅相对设置。

9.根据权利要求1所述的衍射波导，其特征在于，所述衍射波导还包括第二转折光栅，所述第二转折光栅设于所述入射光栅与所述出射光栅之间，所述第二转折光栅为透射型光栅。

10.一种电子设备，其特征在于，包括微投影机和衍射波导，所述衍射波导为权利要求1至9中任一项所述的衍射波导，所述微投影机与所述入射光栅相对设置。

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