CN118131387A - 一种光波导显示***及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光波导显示***及近眼显示设备，光波导显示***包括波导基体、一维耦入光栅、回收光学组件、出瞳扩展光学组件，一维耦入光栅设于波导基体的一侧面上，一维耦入光栅用于将目标像源耦入波导基体中，并产生能够在波导基体中沿第一方向全反射传播的第一目标光束，以及产生从波导基体中透射出的0级次衍射光；回收光学组件用于将0级次衍射光重新耦入波导基体中，并产生能够在波导基体中沿第二方向全反射传播的第二目标光束；出瞳扩展光学组件设于波导基体上，用于对第一目标光束和第二目标光束进行扩展并叠加耦合出波导基体；其中，第一方向与第二方向不同。本发明在复用0级衍射光的同时可以提高***视场角，且加工光波导的难度低。

Description

一种光波导显示***及近眼显示设备

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，特别涉及一种光波导显示***及近眼显示设备。

背景技术

光波导显示***主要是通过应用衍射光学元件，将目标像源以一定的角度耦入到波导基体中，并基于全反射原理在波导基体内传输，经过一维或者二维出瞳扩展后从波导基体中耦出并传递到人眼。

一方面，光波导显示***中的耦入光学元件一般选用周期为波长或亚波长量级(200nm～500nm)的衍射光栅，此时其主要衍射级次一般为0级、+1级和-1级，其中+1级次或者-1级次一般作为波导基体的工作级次，而0级衍射光一般会直接从波导基体中透射出。由于衍射光的大部分能量都集中在0级，因此需将其复用以提高光波导显示***的耦合效率。现有技术中，通常在波导基体的上下表面均设置衍射光栅，以同时对耦入的光线进行衍射以及对0级衍射光进行复用，但为了保证两侧衍射光栅衍射的+1级次和/或-1级次光线的传播方向完全一致，需要两组衍射光栅严格对准，且光栅方向不能有相对旋转，否则会影响成像效果，这就对制作设备的精度要求极高，同时在波导基体的上下表面均制作光栅结构，通常需要制作两块纳米压印模板，这会提高生产成本，降低产品良率。

另一方面，为了提高光波导显示***的视场角，现有技术中通常采用双通道的光路设计，具体是设置输入光栅、两个扩瞳单元和一个出瞳单元，其中输入光栅用于将目标像源分解成两条光束，两条光束分别通过两条主路径并经扩瞳单元扩瞳传播至出瞳单元，最后叠加到一起并从波导基体中耦出。但是，为了达到将输入光分解的目的，输入光栅需要选用二维光栅，由于二维光栅进行光栅设计时其可改变的参数较少，导致二维光栅的衍射效率较低，同时，在波导基体上制作二维光栅结构，需要在加工过程中保证两个方向的加工精度，工艺难度较大。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种光波导显示***及近眼显示设备，能够在复用0级衍射光的同时提高***的视场角，并且加工光波导的难度较低。

一方面，本发明提供了一种光波导显示***，包括波导基体、一维耦入光栅、回收光学组件、出瞳扩展光学组件。一维耦入光栅设于波导基体的一侧面上，一维耦入光栅用于将目标像源耦入波导基体中，并产生能够在波导基体中沿第一方向全反射传播的第一目标光束，以及产生从波导基体中透射出的0级次衍射光；回收光学组件用于将0级次衍射光重新耦入波导基体中，并产生能够在波导基体中沿第二方向全反射传播的第二目标光束；出瞳扩展光学组件设于波导基体上，用于对第一目标光束和第二目标光束进行扩展并叠加耦合出波导基体；其中，第一方向与第二方向不同。

另外，根据本发明上述的光波导显示***，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，回收光学组件包括反射光学元件和耦入光学元件，反射光学元件设于波导基体与一维耦入光栅相对的另一侧，耦入光学元件设于波导基体上，反射光学元件用于多次反射0级次衍射光至耦入光学元件上，耦入光学元件用于将0级次衍射光调制成第二目标光束。

进一步地，耦入光学元件为反射型衍射光栅，耦入光学元件与一维耦入光栅均位于波导基体上的同一侧面上，且耦入光学元件的面积区域与一维耦入光栅的面积区域不重叠。

进一步地，耦入光学元件为透射型衍射光栅，耦入光学元件与一维耦入光栅分别位于波导基体上的相对侧面上，且耦入光学元件的面积区域与一维耦入光栅的面积区域不重叠。

进一步地，反射光学元件包括底边、与底边的两端均呈β角度的侧边，底边靠近并平行于波导基体，底边的面积区域覆盖一维耦入光栅和耦入光学元件的面积区域，β角度满足：

其中，n为反射光学元件的折射率。

进一步地，底边上镀有AR膜，两个侧边均镀有HR膜或者金属膜。

进一步地，出瞳扩展光学组件包括第一转折光学元件、第二转折光学元件、耦出光学元件，第一转折光学元件用于扩展第一目标光束并转折至耦出光学元件的第一维方向，第二转折光学元件用于扩展第二目标光束并转折至耦出光学元件的第二维方向，耦出光学元件用于将第一维方向的光线和第二维方向的光线进行叠加并耦合出波导基体。

进一步地，第一转折光学元件和第二转折光学元件均为一维衍射光栅，耦出光学元件为二维衍射光栅。

进一步地，一维耦入光栅的光栅刻线方向与所述第二方向所在直线的夹角α1满足-45°≤α1≤45°，耦入光学元件的光栅刻线方向与第一方向所在直线的夹角α2满足-45°≤α2≤45°。

另一方面，本发明还提供了一种近眼显示设备，包括微光引擎和前述光波导显示***，微光引擎用于产生目标像源。

本发明具有以下有益效果：只需在波导基体上加工制作一维衍射光栅，并通过回收光学组件利用透射出波导基体的0级衍射光进行目标像源信息的传播，能够提高对入射的目标像源能量的利用率，同时，由于第一目标光束和第二目标光束分别有独立的传播主路径，当这两条主路径的光束分别携带不同视场角的图像信息或携带的图像的缺失视场角不同时，经出瞳扩展光学组件扩展并叠加耦合传递至人眼后，可以增加总体的视场角并增加光强分布的均匀性，相比现有技术，无需在波导基体的上下表面设置严格对齐的一维衍射光栅，使得波导基体的加工复杂度降低，同时也无需通过设置二维光栅以将目标像源分解成两条独立传播的光线，使得波导基体的加工复杂度降低的同时可以自由调节一维光栅的参数，使得本光波导***具有较高的衍射效率，从而提成像效果。

附图说明

图1为本发明实施例的第一种侧面结构的示意图；

图2为本发明实施例的第二种侧面结构的示意图；

图3为本发明实施例的俯视图；

图4为本发明实施例中的一维耦入光栅的光栅线方向示意图；

图5为本发明实施例中的耦入光学元件的光栅线方向示意图；

图6为本发明实施例的反射光学元件的结构示意图；

主要元件符号说明：

目标像源0、第一方向1、第二方向2、第一维方向3、第二维方向4、0级次衍射光11、-1级次衍射光12、+1级次衍射光13、一维耦入光栅21、耦入光学元件22、第一转折光学元件31、第二转折光学元件32、反射光学元件40、波导基体50、耦出光学元件60。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固接于”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”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

请参照图1和图3，为本发明提供的一种光波导显示***，该光波导***包括波导基体50、一维耦入光栅21、回收光学组件、出瞳扩展光学组件。波导基体50作为为一维耦入光栅21的载体，同时也是光路传输的媒介，因此波导基体50材料的选择既要保证具有良好的衍射性能，同时也要使更小入射角度的光线能够进行全反射，需要采用具有大折射率的材料。此外，当波导基体50厚度过厚时，光线在波导基体50内进行一次全反射的光程较长，会造成出瞳的光线密度小，出现各视场像无法重合的问题，为此优选地选择折射率为1.6～2.5的高折晶圆作为波导基体50，并将其厚度控制在0.3mm～1.5mm。

示例性地，一维耦入光栅21设于波导基体50的上侧面上，一维耦入光栅21用于将波导基体50上侧的目标像源0衍射调制成0级次衍射光11和-1级次衍射光12，即此时衍射光的能量集中在0级次衍射光11和-1级次衍射光12中。其中，0级次衍射光11穿过波导基体50并从其下侧面透射出，由于-1级次衍射光12的入射角大于等于波导基体50的全反射临界角，此时-1级次衍射光12会以一定步长在波导基体50中沿第一方向1进行多次全反射传播。可以理解的是，也可以选择能够将目标像源0衍射调制成0级次衍射光11和+1级次衍射光13(未在附图中示出)的一维耦入光栅21。

回收光学组件用于将从波导基体50透射出的0级次衍射光11重新耦入波导基体50中，并调制成能够在波导基体50中沿第二方向2全反射传播的第二目标光束，第二方向2与第一方向1不同，以形成两条独立的传播主路径。

出瞳扩展光学组件设于波导基体50上，用于对-1级次衍射光12和第二目标光束进行扩展并叠加耦合出波导基体50。示例性地，第一方向1与第二方向2相互垂直，即分别对应图3中的Y轴的负方向和X轴的正方向。

在本实施例中，通过回收光学组件利用透射出波导基体50的0级衍射光11进行目标像源信息的传播，能够提高对入射的目标像源能量的利用率，同时，由于-1级次衍射光12和第二目标光束分别有独立的传播主路径，当这两条主路径的光束分别携带不同视场角的图像信息或携带的图像的缺失视场角不同时，经出瞳扩展光学组件扩展并叠加耦合传递至人眼后，可以增加总体的视场角并增加光强分布的均匀性。

在一些可选的实施例中，一维耦入光栅21可以是表面浮雕光栅或者体全息光栅，为了实现将衍射光的能量集中在0级次衍射光11和-1级次衍射光12中，减少其他衍射次级的衍射光产生和避免产生杂散光，优选地使用表面浮雕光栅中的倾斜光栅或者闪耀光栅。此外，根据光栅衍射公式，为满足-1级次衍射光能满足波导基体50的全反射条件，倾斜光栅或者闪耀光栅的光栅周期小于目标像源的波长，即倾斜光栅或者闪耀光栅为亚波长光栅。

对于亚波长表面浮雕光栅，光栅的槽型对衍射效率有显著的影响。表面浮雕光栅工艺常用的槽型有矩形光栅、锯齿状光栅和倾斜光栅。对称式的矩形光栅将有一半的衍射光未朝向出瞳方向传播，浪费了一半的能量。而锯齿状光栅，也叫闪耀光栅，由于其非对称式设计，通过优化设计可以不存在非朝向出瞳方向的衍射光，从而可以将朝向出瞳方向的衍射光效率最大化。进一地，相比于锯齿状光栅，倾斜光栅则拥有更多的设计自由度，可以获得更大衍射效率，只是在表面浮雕光栅加工工艺上需求更高。因此，使用表面浮雕光栅中的倾斜光栅或者闪耀光栅均可实现本实例中的功能。

在一些可选的实施例中，如图1、3所示，回收光学组件包括反射光学元件40和耦入光学元件22，反射光学元件40设于波导基体50与一维耦入光栅21相对的另一侧，即位于波导基体50下侧面的一侧，耦入光学元件22设于波导基体50上，当0级次衍射光11从波导基体50的下侧面侧透射出时，经反射光学元件40多次反射后重新进入波导基体50中，之后耦入光学元件22将0级次衍射光11调制成第二目标光束，第二目标光束能够在波导基体50中沿第二方向2全反射传播。

在一些可选的实施例中，如图6所示，反射光学元件40为一等腰棱镜，等腰棱镜包括底边S1、与底边S1的两端均呈β角度的侧边S2和侧边S3，底边S1靠近波导基体50，而且底边S1平行于波导基体50。为了保证等腰棱镜能全部接收从波导基体50的下侧面侧透射出的0级次衍射光11，以及等腰棱镜多次反射的0级次衍射光11能全部被耦入光学元件22接收，底边S1的面积区域覆盖一维耦入光栅21和耦入光学元件22的面积区域。此外，为了使等腰棱镜能较好地反射0级次衍射光11，β角度需要满足以下公式：

其中，n为反射光学元件40的折射率，优选地，n的取值范围为1.5～2.5。

本实施例中，从波导基体50的下侧面耦出的0级次衍射光11从底边S1垂直入射(图中Z轴方向)进等腰棱镜中，经侧边S3反射传播至底边S1，之后经底边S1反射传播至侧边S2，最后从底边S1垂直出射并进入波导基体50中被耦入光学元件22接收。

在一些可选的实施例中，在底边S1上镀有抗反射膜(AR膜)，侧边S2和侧边S3均镀有高反射膜(HR膜)或者金属膜。可选地，金属膜可选用的膜料有金、银、铝等。在本实施例中，通过在底边S1上镀抗反射膜，可以减低反射，让0级次衍射光11更完全地透射进等腰棱镜中，以及让从底边S1垂直出射的0级次衍射光11更完全地透射出等腰棱镜，从而减少光束能量损耗。此外，通过在侧边S2和侧边S3上均镀有高反射膜(HR膜)或者金属膜，可以有效地反射0级次衍射光11，从而提高等腰棱镜的反射效率，同时可以在部分光线不满足β角度的反射条件时，依然可以通过高反射膜(HR膜)或者金属膜进行反射。

在一些可选的实施例中，如图1、3所示，耦入光学元件22为反射型衍射光栅，耦入光学元件22与一维耦入光栅21均位于波导基体50的上侧面上，为了避免一维耦入光栅21与耦入光学元件22相互干扰，耦入光学元件22的面积区域与一维耦入光栅21的面积区域不重叠。示例性地，一维耦入光栅21与耦入光学元件22的中心间距D1满足12mm≥D1≥4mm。

本实施例中，0级次衍射光11从波导基体50的下侧面侧透射出时，经反射光学元件40的多次反射作用后重新传导进波导基体50中，之后被反射型衍射光栅接收，反射型衍射光栅将0级次衍射光11衍射为第二目标光束。示例性地，第二目标光束为反射型衍射光栅衍射出的+1级次衍射光13，+1级次衍射光13在波导基体50中沿第二方向2全反射传播。可选地，反射型衍射光栅可以是表面浮雕光栅或者体全息光栅，为了实现将衍射光的能量集中在+1级次衍射光13，减少其他衍射次级的衍射光产生和避免产生杂散光，优选地使用表面浮雕光栅中的倾斜光栅或者闪耀光栅。此外，根据光栅衍射公式，为满足+1级次衍射光13能满足波导基体50的全反射条件，倾斜光栅或者闪耀光栅的光栅周期小于目标像源0的波长，即倾斜光栅或者闪耀光栅为亚波长光栅。

在一些可选的实施例中，如图2、3所示，耦入光学元件22为透射型衍射光栅，耦入光学元件22位于波导基体50的下侧面上，为了避免一维耦入光栅21与耦入光学元件22相互干扰，耦入光学元件22的面积区域与一维耦入光栅21的面积区域不重叠。示例性地，一维耦入光栅21与耦入光学元件22的中心间距D1满足12mm≥D1≥4mm。

本实施例中，0级次衍射光11从波导基体50的下侧面侧透射出时，经反射光学元件40的多次反射作用后重新传导进波导基体50中，之后被透射型衍射光栅接收，透射型衍射光栅将0级次衍射光11衍射为第二目标光束。示例性地，第二目标光束为反射型衍射光栅衍射出的+1级次衍射光13，+1级次衍射光13在波导基体50中沿第二方向2全反射传播。可选地，反射型衍射光栅可以是表面浮雕光栅或者体全息光栅，为了实现将衍射光的能量集中在+1级次衍射光13，减少其他衍射次级的衍射光产生和避免产生杂散光，优选地使用表面浮雕光栅中的倾斜光栅或者闪耀光栅。此外，根据光栅衍射公式，为满足+1级次衍射光13能满足波导基体50的全反射条件，倾斜光栅或者闪耀光栅的光栅周期小于目标像源0的波长，即倾斜光栅或者闪耀光栅为亚波长光栅。

在一些可选的实施例中，如图3所示，出瞳扩展光学组件包括第一转折光学元件31、第二转折光学元件32、耦出光学元件60，第一转折光学元件31用于扩展-1级次衍射光12并转折至耦出光学元件60的第一维方向3，第二转折光学元件32用于扩展第二目标光束并转折至耦出光学元件60的第二维方向4，耦出光学元件60用于将第一维方向3的光线和第二维方向4的光线进行叠加并耦合出波导基体50，从而实现二维出瞳扩展。优选地，第一转折光学元件31和第二转折光学元件32均为一维衍射光栅，耦出光学元件60为二维衍射光栅。本实施例中，由于-1级次衍射光12和第二目标光束分别有独立的传播主路径，当这两条主路径的光束分别携带不同视场角的图像信息或携带的图像的缺失视场角不同时，-1级次衍射光12经第一转折光学元件31转折扩展后进入耦出光学元件60中，并在第一维方向3上扩展，第二目标光束经第二转折光学元件32转折扩展后进入耦出光学元件60中，并在第二维方向4上扩展，当耦出光学元件60对应位置处的-1级次衍射光12和第二目标光束叠加后耦合传递至人眼，由此人眼观察的图像视场角增加，同时图像光强分布均匀。

在一些可选的实施例中，如图3所示，假设作为一维衍射光栅的一维耦入光栅21、耦入光学元件22、第一转折单元31和第二转折单元32的周期分别为P21、P22、P31和P32，对应的光栅矢量分别为K11、K21、K12和K22，作为二维衍射光栅的耦出光学元件60两个维度方向的周期分别为P61和P62，对应的光栅矢量为K13和K23。为了使第一条传播主路径的一维耦入光栅21、第一转折单元31和耦出光学元件60三者的相位变化是相互匹配，使目标像源0有效耦入波导基底50后无色散地耦出，提高视觉成像效果，使K11、K12、K13三者的矢量和为零。同理，对于第一条传播主路径，使K21、K22、K23三者的矢量和为零。此外，当衍射光栅均加工在波导基体50的同一侧时，相对于分布在波导基体50两侧的布局，可以降低加工难度和提高匹配精度，因此优选地将一维耦入光栅21、耦入光学元件22、第一转折单元31、第二转折单元32、耦出光学元件60均设置在波导基体50同一表面侧上。

在一些可选的实施例中，如图3、4所示，为了提高一维耦入光栅21的衍射效率，以及将波导基体50上侧的目标像源0衍射调制成只有0级次衍射光11和-1级次衍射光12，并提高-1级次衍射光12的能量占比，将一维耦入光栅21的光栅刻线方向与X轴的夹角α1设置为满足-45°≤α1≤45°。同理，如图3、5所示，为了使耦入光学元件22将0级次衍射光11衍射调制成只有+1级次衍射光13，并提高该级次衍射光衍射效率，将耦入光学元件22的光栅刻线方向与Y轴的夹角α2设置为满足-45°≤α2≤45°。

另一方面，本发明还提供了一种近眼显示设备，如图1和图3所示，近眼显示设备包括微光引擎10和前述光波导显示***，微光引擎10用于产生目标像源0，目标像源0垂直入射(图中Z轴方向)至一维耦入光栅21，可选地，微光引擎可以是Micro-LED光机、DLP光机、LCOS光机或者LBS光机。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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本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 (10)

1.一种光波导显示***，其特征在于，所述光波导显示***包括：

波导基体；

一维耦入光栅，设于所述波导基体的一侧面上，所述一维耦入光栅用于将目标像源耦入所述波导基体中，并产生能够在所述波导基体中沿第一方向全反射传播的第一目标光束，以及产生从所述波导基体中透射出的0级次衍射光；

回收光学组件，用于将所述0级次衍射光重新耦入所述波导基体中，并产生能够在所述波导基体中沿第二方向全反射传播的第二目标光束；

出瞳扩展光学组件，设于所述波导基体上，用于对所述第一目标光束和所述第二目标光束进行扩展并叠加耦合出所述波导基体；

其中，所述第一方向与所述第二方向不同。

2.根据权利要求1所述的光波导显示***，其特征在于，所述回收光学组件包括反射光学元件和耦入光学元件，所述反射光学元件设于所述波导基体与所述一维耦入光栅相对的另一侧，所述耦入光学元件设于所述波导基体上，所述反射光学元件用于多次反射所述0级次衍射光至所述耦入光学元件上，所述耦入光学元件用于将所述0级次衍射光调制成所述第二目标光束。

3.根据权利要求2所述的光波导显示***，其特征在于，所述耦入光学元件为反射型衍射光栅，所述耦入光学元件与所述一维耦入光栅均位于所述波导基体上的同一侧面上，且所述耦入光学元件的面积区域与所述一维耦入光栅的面积区域不重叠。

4.根据权利要求2所述的光波导显示***，其特征在于，所述耦入光学元件为透射型衍射光栅，所述耦入光学元件与所述一维耦入光栅分别位于所述波导基体上的相对侧面上，且所述耦入光学元件的面积区域与所述一维耦入光栅的面积区域不重叠。

5.根据权利要求2至4任一项所述的光波导显示***，其特征在于，所述反射光学元件包括底边、与所述底边的两端均呈β角度的侧边，所述底边靠近并平行于所述波导基体，所述底边的面积区域覆盖所述一维耦入光栅和所述耦入光学元件的面积区域，所述β角度满足：

其中，n为所述反射光学元件的折射率。

6.根据权利要求5所述的光波导显示***，其特征在于，所述底边上镀有AR膜，两个所述侧边均镀有HR膜或者金属膜。

7.根据权利要求1所述的光波导显示***，其特征在于，所述出瞳扩展光学组件包括第一转折光学元件、第二转折光学元件、耦出光学元件，所述第一转折光学元件用于扩展所述第一目标光束并转折至所述耦出光学元件的第一维方向，所述第二转折光学元件用于扩展所述第二目标光束并转折至所述耦出光学元件的第二维方向，所述耦出光学元件用于将所述第一维方向的光线和所述第二维方向的光线进行叠加并耦合出所述波导基体。

8.根据权利要求7所述的光波导显示***，其特征在于，所述第一转折光学元件和所述第二转折光学元件均为一维衍射光栅，所述耦出光学元件为二维衍射光栅。

9.根据权利要求3或4所述的光波导显示***，其特征在于，所述一维耦入光栅的光栅刻线方向与所述第二方向所在直线的夹角α1满足1-45°≤α1≤45°，所述耦入光学元件的光栅刻线方向与所述第一方向所在直线的夹角α2满足-45°≤α2≤45°。

10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括微光引擎和如权利要求1至9任一项所述的光波导显示***，所述微光引擎用于产生所述目标像源。