CN118112810A - 一种显示组件及ar设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种显示组件及AR设备，涉及光学显示技术领域，本申请的显示组件，包括光机、设置于光机出光侧的色散元件以及设置于色散元件出光侧的光波导，光波导的出光侧设置有色散补偿元件，光机出射混合光束，色散元件对混合光束中不同波长的光束进行不同程度的偏折，使得不同波长的光束以不同角度入射光波导的耦入区域，并由光波导的耦出区域耦出至色散补偿元件，色散补偿元件对不同波长的光束进行与色散元件偏折方向相反的偏折并出射形成显示组件的出射光束。本申请提供的显示组件及AR设备，能够提高显示组件出光的均匀性。

Description

一种显示组件及AR设备

技术领域

本申请涉及光学显示技术领域，具体而言，涉及一种显示组件及AR设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，这种利用增强现实技术的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼。其中，衍射光波导是较为主流的AR设备的显示方案，很多AR设备采用的都是这种显示方案，因为衍射光波导具有轻薄、视场角大、眼动范围大、量产成本低的优势，因此被普遍认为是AR行业主流显示技术路线。

衍射光波导如果要将光机发出的光束导入人眼，需要经过耦入和耦出的过程，即光机发出的光束通过耦入区域耦入光波导，并在其中进行多次全反射传播后由耦出区域出射进入人眼。具体的，如图1所示，衍射光波导的耦入区域和耦出区域设置衍射元件，衍射元件利用光的衍射效应实现对光束的耦入和耦出。当光机出射彩色光束时，由于衍射元件具有分光现象，不同波长的光束衍射角不同，从而使得不同颜色的光束在同一界面完成两次全反射的步长不同，进而使得不同波长的光束在光波导内发生全反射的次数不同，在耦出区域接触衍射元件的次数也就不相同，这将导致衍射光波导输出的光束的均匀性较差。

发明内容

本申请的目的在于提供一种显示组件及AR设备，能够提高显示组件出光的均匀性。

本申请的实施例一方面提供了一种显示组件，包括光机、设置于光机出光侧的色散元件以及设置于色散元件出光侧的光波导，光波导的出光侧设置有色散补偿元件，光机出射混合光束，色散元件对混合光束中不同波长的光束进行不同程度的偏折，使得同一视场不同波长的光束以不同角度入射光波导耦入区域，并由光波导耦出区域耦出至色散补偿元件，色散补偿元件对不同波长的光束进行与色散元件偏折方向相反的偏折并出射形成显示组件的出射光束。

作为一种可实施的方式，色散元件包括透射式衍射光栅，透射式衍射光栅设置于光机和光波导耦入区域之间，透射式衍射光栅对混合光束中的蓝光、绿光和红光进行不同程度的偏折以减少红光、绿光和蓝光之间在光波导耦入区域形成的衍射角差异。

作为一种可实施的方式，光机出射的零视场混合光束与透射式衍射光栅法线方向具有预设夹角以使绿光垂直入射耦入区域。

作为一种可实施的方式，色散元件包括闪耀光栅，光机和光波导设置于闪耀光栅同一侧，闪耀光栅对混合光束进行反射并对混合光束中的蓝光、绿光和红光进行不同程度的偏折以减少红光、绿光和蓝光之间在光波导耦入区域形成的衍射角差异。

作为一种可实施的方式，光机出射的零视场混合光束垂直于闪耀光栅法的光栅平面以使绿光垂直入射耦入区域。

作为一种可实施的方式，色散补偿元件为透射式衍射元件，透射式衍射元件与透射式衍射光栅的周期相同，衍射级次相反；闪耀光栅与透射式衍射元件的周期相同，衍射级次相反。

作为一种可实施的方式，色散补偿元件和透射式衍射光栅的出光侧贴合设置角度选择透过膜，以阻止零级衍射光束透过。

作为一种可实施的方式，色散元件包括第一色散棱镜，第一色散棱镜设置于光机和光波导耦入区域之间，第一色散棱镜对混合光束中的蓝光、绿光和红光进行不同程度的偏折以减少红光、绿光和蓝光之间在光波导耦入区域形成的衍射角差异，色散补偿元件包括第二色散棱镜，第一色散棱镜和第二色散棱镜对光束的偏折方向相反。

作为一种可实施的方式，光机出射的零视场混合光束与色散棱镜的入射面具有预设夹角以使绿光垂直入射耦入区域。

本申请的实施例另一方面提供了一种AR设备，包括上述的显示组件。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请提供的显示组件，包括光机、设置于光机出光侧的色散元件以及设置于色散元件出光侧的光波导，光波导的出光侧设置有色散补偿元件，光机出射混合光束，色散元件对混合光束中不同波长的光束进行不同程度的偏折，使得同一视场不同波长的光束以不同角度入射光波导的耦入区域，以减少不同波长的光束在耦入区域形成的衍射角差异，相对于现有技术，经过耦入区域衍射的同一视场不同波长光束的衍射角的差值减小，从而减少不同波长光在出瞳区域的衍射次数差异，提高光波导显示的均匀性。各个光束在光波导内进行多次全反射并由光波导的耦出区域耦出至色散补偿元件，色散补偿元件对不同波长的光束进行与色散元件偏折方向相反的偏折并出射形成显示组件的出射光束，使得同一视场不同波长的光以相同角度进入观看者眼睛。因此，本申请提供的显示组件，能够提高显示组件出光的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为现有技术的显示组件的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种显示组件的结构示意图之一；

图3为本申请实施例提供的一种色散元件的分光示意图之一；

图4为本申请实施例提供的一种显示组件的结构示意图之二；

图5为本申请实施例提供的一种显示组件的结构示意图之三；

图6为本申请实施例提供的一种色散元件的分光示意图之二；

图7为本申请实施例提供的一种显示组件的结构示意图之四；

图8为本申请实施例提供的一种显示组件的结构示意图之五；

图9为本申请实施例提供的一种色散元件的分光示意图之三；

图10为本申请实施例提供的一种显示组件的结构示意图之六；

图11为本申请实施例提供的一种色散元件和色散补偿元件的原理示意图。

图标：100-显示组件；110-光机；120-色散元件；121-透射式衍射光栅；122-闪耀光栅；123-第一色散棱镜；130-光波导；131-耦入区域；132-耦出区域；140-色散补偿元件；141-透射式衍射元件；142-第二色散棱镜；151-角度选择透过膜；152-增透膜。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

现有技术中的显示组件，如图1所示，包括光机以及设置于光机出光侧的光波导，光波导的耦入区域设置耦入光栅，耦出区域设置耦出光栅。光机包括微型显示屏以及设置于微型显示屏出光侧的准直元件，微型显示屏视为多个点光源，每个点光源对应一个像素点，其发出的球面光束经过准直透镜***后成为平面光束，不同像素点光束的出射角度也不同，每个出射角度都对应一个视场。每个像素点出射的光通常为包含不同波长成分的混合光，混合光由红(r)、绿(g)、蓝(b)三种不同波长的光按不同比例混合而成。光波导上的耦入光栅将光机出射的光束耦合进入光波导，由于耦入光栅的衍射效应，混合光中同一视场不同波长的光束进入光波导的衍射角不同，如图1所示，红光(r)的衍射角(θ_r)最大，绿光(g)衍射角(θ_g)次之，蓝光(b)衍射角(θ_b)最小。

不同衍射角的光(即不同波长的光)在光波导内发生全反射的次数不一样，衍射角越大在光波导内发生全反射的次数就越少，即在同一界面连续发生两次全反射的步长间隔就越大；衍射角越小在光波导内发生全反射的次数就越多，即在同一界面连续发生两次全反射的步长间隔就越小。

由于不同衍射角的光在光波导内发生全反射的次数不一样，在耦出区域接触耦出光栅的次数也就不相同，这将导致不同波长的光在耦出区域输出分布的均匀性是不相同的；红光在耦出区域的衍射次数比绿光少而蓝光在耦出区域的衍射次数比绿光多，当耦合输出光栅结构设置为绿光耦合输出分布是均匀时，蓝光则在靠近耦入区域偏亮而在远离耦入区域偏暗，红光则相反，在靠近耦入区域偏暗而在远离耦入区域偏亮。从而造成在耦出区域的显示出现颜色偏差。

本申请提供了一种显示组件100，如图2、图5和图8所示，包括光机110、设置于光机110出光侧的色散元件120以及设置于色散元件120出光侧的光波导130，光波导130的出光侧设置有色散补偿元件140，光机110出射混合光束，色散元件120对混合光束中不同波长的光束进行不同程度的偏折，使得不同波长的光束以不同角度入射耦入区域131，并由光波导130的耦出区域132耦出至色散补偿元件140，色散补偿元件140对不同波长的光束进行与色散元件120偏折方向相反的偏折并出射形成显示组件100的出射光束。

本申请实施例提供的显示组件100，在光机110的出光侧设置色散元件120，光机110出射的混合光入射色散元件120，色散元件120对混合光中不同波长光束的偏折程度不同，使得同一视场不同波长的光束分离，并且不同波长的光束以不同角度出射色散元件120，示例的，经过色散元件120的色散后，形成红(r)、绿(g)、蓝(b)三束光，红绿蓝三束光以不同的角度入射耦入区域131，经过耦入区域131的耦入光栅衍射进入光波导130，由于三束光为混合光经过色散形成，色散与波长有关，使得三束光入射耦入区域131的入射角度不相同。在光波导130耦入区域131的耦入光栅处，色散元件120出射的光经过耦入光栅的衍射进入光波导130，由于三束光入射耦入区域131的入射角度不相同，经过耦入光栅的衍射后，相对于现有技术，减小了三束光的衍射角的角度差值，从而减少不同波长光在出瞳区域的衍射次数差异，提高光波导130显示的均匀性。由于色散元件120的色散作用，同一像素点发出的光束在出瞳区域被耦合输出后不同波长光的耦合输出角度不相同，因此在光波导130的出光侧设置色散补偿元件140将同一像素点的耦合输出光向相反的偏折方向再偏折，使得同一像素点不同波长的光束以相同角度进入观看者眼睛。

本申请提供的显示组件100，通过在光波导130的入光侧和出光侧分别设置色散元件120和色散补偿元件140，色散元件120对混合光束中不同波长的光束进行不同程度的偏折，使得不同波长的光束以不同角度入射耦入区域131，进而减少不同波长的光束在耦入区域131形成的衍射角差距，相对于现有技术，经过耦入区域131衍射的各个光束的衍射角的差值减小，从而减少不同波长光在出瞳区域的衍射次数差异，提高光波导130显示的均匀性。各个光束在光波导130内进行多次全反射并由光波导130的耦出区域132耦出至色散补偿元件140，色散补偿元件140对不同波长的光束进行与色散元件120偏折方向相反的偏折并出射形成显示组件100的出射光束，使得同一视场不同波长的光以相同角度进入观看者眼睛。因此，本申请提供的显示组件100，能够提高显示组件100出光的均匀性。

实施例一

可选的，如图2、图3和图4所示，色散元件120包括透射式衍射光栅121，透射式衍射光栅121设置于光机和光波导130耦入区域131之间，透射式衍射光栅121对混合光束中的蓝光、绿光和红光进行不同程度的偏折使得红光、绿光和蓝光以不同的角度入射光波导130。

如图3和图4所示，当色散元件120采用透射式衍射光栅121时，光机110设置于透射式衍射光栅121远离光波导130的一侧，即透射式衍射光栅121位于光机110与耦入区域131之间，光机110出射的混合光束入射透射式衍射光栅121，透射式衍射光栅121对混合光束中的蓝光、绿光和红光进行不同程度的偏折，使得红光、绿光和蓝光以不同角度入射光波导130，透射式衍射光栅121的偏折，能够减小不同波长光束之间在光波导耦入区域131形成的衍射角差距，提高显示组件100显示的均匀性。

本申请实施例的一种可实现的方式中，光机110出射的零视场混合光束与透射式衍射光栅121法线方向具有预设夹角以使零视场绿光垂直入射耦入区域131所在的平面。

可选的，色散补偿元件140为透射式衍射元件141，透射式衍射元件141与透射式衍射光栅121的周期相同，衍射级次相反。

当色散补偿元件140为透射式衍射元件141时，由于衍射元件的衍射级次包括零级、±1级……，其中，零级衍射光的方向不变，+1级和-1级的偏折方向相反，为了使得透射式衍射元件141和透射式衍射光栅121对光束的偏折方向相反。本申请实施例设置透射式衍射元件141与透射式衍射光栅121的周期相同，衍射级次相反，即透射式衍射光栅121为+1级衍射光通过时，透射式衍射元件141为-1级衍射光衍射通过；透射式衍射光栅121为-1级衍射光通过时，透射式衍射元件141为+1级衍射光衍射通过。

可选的，透射式衍射光栅121和透射式衍射元件141的出光侧贴合设置角度选择透过膜151，以阻止少量的零级衍射光束透过。

另外，由于在透射式衍射光栅121以及透射式衍射元件141衍射时，光束能量主要集中在+1级或-1级衍射级次中，为了减少其他衍射级次的光形成杂散光，影响显示效果，角度选择透过膜151还能够阻止其他衍射级次光束，避免其他衍射级次光束进入光波导130或者进入人眼。

如图3所示，设置透射式衍射光栅121的光栅周期d1为800nm，当光机110出射的零视场混合光束以β角入射透射式衍射光栅121时，绿光(g)衍射角与光栅面法线平行，根据光栅方程公式(1)计算可知β＝43.04°，红光衍射角度θ_r1＝5.67°，蓝光衍射角度θ_b1＝6.17°，其中，n₁为出射介质折射率，n₂为入射介质折射率，θ为衍射角，α为入射角，k为衍射级次，λ为光波长，d为衍射光栅周期。当红光、蓝光分别以θ_r1、θ_b1射入耦入区域131时，如图4所示，由光栅方程公式计算可知θ_r、θ_g、θ_b分别为54.46°、49.13°、43.92°。设光波导130基片厚度为h＝2mm，+1级衍射光在光波导130基片内同一侧连续两次发生全反射的步长l由公式(2)计算：l＝2htanθ。根据公式(2)计算可知l_r1、l_g1、l_b1分别为5.60mm、4.62mm、3.85mm。其中红光与绿光的步长间隔差l_r1-l_g1＝0.98mm，红光与蓝光的步长间隔差为l_r1-l_b1＝1.75mm，绿光与蓝光的步长间隔差为l_g1-l_b1＝0.77mm。其中光波导130折射率n₁为1.9，光栅周期d为380nm，红光波长λ_(r)为625nm，绿光波长λ_(g)为546nm,蓝光波长λ_(g)为460nm。

实施例二

与实施一不同的是，实施例二的色散元件120采用闪耀光栅122，由于闪耀光栅122为反射式光栅，因此光机110和光波导130设置于闪耀光栅122同一侧，且光机110出射的混合光束经过闪耀光栅122的反射并在反射过程中对混合光束中的蓝光、绿光和红光进行不同程度的偏折。

如图6所示，设置闪耀光栅122的光栅周期d1为800nm，m为闪耀光栅122平面法线，当光机110出射的零视场混合光束以平行于闪耀光栅122平面法线方向入射闪耀光栅时，可通过设置光栅闪耀角a使得绿光垂直入射耦入区域131，红光和蓝光分别以θ_r1、θ_b1入射耦入区域131。如图7所示，由公式(1)计算可知θ_r、θ_g、θ_b分别为54.46°、49.13°、43.92°，由式(2)计算可知l_r1、l_g1、l_b1分别为5.60mm、4.62mm、3.85mm。其中红光与绿光的步长间隔差l_r1-l_g1＝0.98mm，红光与蓝光的步长间隔差为l_r1-l_b1＝1.75mm，绿光与蓝光的步长间隔差为l_g1-l_b1＝0.77mm。

为了更清楚的显示本申请实施例的有益效果，将现有技术、实施例一、实施例二的数据汇总如表一所示：

表一各实施例的参数对比

	现有技术	实施例一	实施例二
				θr(°)	59.96	54.46°	54.46°
θg(°)	49.13	49.13°	49.13°
				θb(°)	39.58	43.92°	43.92°
lr(mm)	6.92	5.60	5.60
				lg(mm)	4.62	4.62	4.62
lb(mm)	3.31	3.85	3.85
				lr-lg(mm)	2.3	0.98	0.98
lr-lb(mm)	3.61	1.75	1.75
				lg-lb(mm)	1.01	0.77	0.77

由表一看可以看出，相对于现有技术，减小了不同波长光衍射角之间的差值，以及不同波长光在光波导130同一侧连续发生两次全反射的步长间隔差，从而提高了显示组件100颜色显示的均匀性。

实施例三

与实施例二不同的是，实施例三的色散元件120采用第一色散棱镜123，如图8、图9和图10所示，色散元件120为第一色散棱镜123，第一色散棱镜123设置于光机110和光波导130耦入区域131之间，第一色散棱镜123对光机110出射的混合光束进行不同程度的偏折使得红光、绿光和蓝光以不同的角度入射光波导130，色散补偿元件140包括第二色散棱镜142，第一色散棱镜123和第二色散棱镜142对光束的偏折方向相反。

光机110出射的零视场混合光束以预设角度β2入射第一色散棱镜123，并且在第一色散棱镜123的上下两个表面经过两次折射，第一色散棱镜123的折射率为nλ，即对于不同波长的光具有不同的折射率，使得第一色散棱镜123对不同波长的光产生不同的偏折，波长越长折射率越小，偏折越小；波长越短折射率越大，偏折越大。

混合光的入射角和折射角的关系式由公式(3)计算：n₀sinβ＝n_λsina，其中，n₀为入射介质折射率，β为入射角，n_λ为折射介质折射率，α为折射角。如图9和图10所示，当混合光以(β₁)角度入射棱镜时，绿光垂直入射耦入光栅，红光和蓝光分别以θ_r2、θ_b2入射耦入光栅，经耦入区域131衍射调制后红光、绿光、蓝光衍射角分别为θ_r3、θ_g3、θ_b3，步长分别为l_r2、l_g2、l_b2。

如图9和图10所示，混合光在棱镜上下两表面经历两次折射后绿光将垂直入射光波导130的耦入光栅，而红光、蓝光分别以θ_r2、θ_b2角度入射耦入光栅。红光、绿光、蓝光被耦入光栅调制形成+1(或-1)级衍射光后形成的衍射角分别为θ_r3、θ_g3、θ_b3。由于第一色散棱镜123的色散作用，同一像素点发出的光束在耦出区域132被耦合输出后不同波长光的耦合输出角度不相同，因此增加第二色散棱镜142将同一像素点的耦合输出光再向相反的方向偏折，使得同一像素点不同波长的光以相同角度进入观看者眼睛。

其中，为了使得第一色散棱镜123和第二色散棱镜142对光束的偏折方向相反，第一色散棱镜123和第二色散棱镜142的折射率相同、棱角θ的角度相同，设置方向相反，如图11所示。

另外，为了增加混合光束入射第一色散棱镜123和各个波长的光束入射第二色散棱镜142的效率，可以在第一色散棱镜123和第二色散棱镜142的入光面设置增透膜152，从而提高显示组件100的出光效率。

可选的，光机110出射的零视场混合光束与色散棱镜的入射面具有预设夹角β2以使绿光垂直入射耦入区域131。

本申请实施例还公开了一种AR设备，包括上述显示组件100。该AR设备包含与前述实施例中的显示组件100相同的结构和有益效果。显示组件100的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

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

Claims (10)

1.一种显示组件，其特征在于，包括：光机、设置于所述光机出光侧的色散元件以及设置于所述色散元件出光侧的光波导，所述光波导的出光侧设置有色散补偿元件，所述光机出射混合光束，所述色散元件对混合光束中不同波长的光束进行不同程度的偏折，使得同一视场不同波长的光束以不同的角度入射所述光波导耦入区域，并由光波导耦出区域耦出至所述色散补偿元件，所述色散补偿元件对不同波长的光束进行与所述色散元件偏折方向相反的偏折并出射形成所述显示组件的出射光束。

2.根据权利要求1所述的显示组件，其特征在于，所述色散元件包括透射式衍射光栅，所述透射式衍射光栅设置于所述光机和所述光波导耦入区域之间，所述透射式衍射光栅对混合光束中的蓝光、绿光和红光进行不同程度的偏折以减少所述红光、绿光和蓝光之间在耦入区域形成的衍射角差异。

3.根据权利要求2所述的显示组件，其特征在于，所述光机出射的零视场混合光束与所述透射式衍射光栅法线方向具有预设夹角以使所述绿光垂直入射所述耦入区域。

4.根据权利要求1所述的显示组件，其特征在于，所述色散元件包括闪耀光栅，所述光机和所述光波导设置于所述闪耀光栅同一侧，所述闪耀光栅对混合光束进行反射并对混合光束中的蓝光、绿光和红光进行不同程度的偏折以减少所述红光、绿光和蓝光之间在光波导耦入区域形成的衍射角差异。

5.根据权利要求4所述的显示组件，其特征在于，所述光机出射的零视场混合光束垂直于所述闪耀光栅的光栅平面以使所述绿光垂直入射所述耦入区域。

6.根据权利要求3或5所述的显示组件，其特征在于，所述色散补偿元件为透射式衍射元件，所述透射式衍射元件与所述透射式衍射光栅的周期相同，衍射级次相反；所述闪耀光栅与所述透射式衍射元件的周期相同，衍射级次相反。

7.根据权利要求6所述的显示组件，其特征在于，所述色散补偿元件和所述透射式衍射光栅的出光侧贴合设置角度选择透过膜，以阻止零级衍射光束透过。

8.根据权利要求1所述的显示组件，其特征在于，所述色散元件包括第一色散棱镜，所述第一色散棱镜设置于所述光机和所述光波导耦入区域之间，所述第一色散棱镜对混合光束中的蓝光、绿光和红光进行不同程度的偏折以减少所述红光、绿光和蓝光之间在光波导耦入区域形成的衍射角差异，所述色散补偿元件包括第二色散棱镜，所述第一色散棱镜和所述第二色散棱镜对光束的偏折方向相反。

9.根据权利要求8所述的显示组件，其特征在于，所述光机出射的零视场混合光束与所述色散棱镜的入射面具有预设夹角以使所述绿光垂直入射所述耦入区域。

10.一种AR设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的显示组件。