CN214895885U - 一种光波导器件和ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光波导器件，包括波导元件、耦入光栅、以及贴合波导元件设置的耦出光栅；还包括透光元件；其中，透光元件至少包括第一平面和第二平面；第一平面和耦入光栅贴合连接，第二平面和波导元件贴合连接；第一平面和第二平面之间形成透光元件的锐角尖端部，且锐角尖端部距离耦出光栅越近在垂直于第二平面方向的厚度越小。本申请中在波导元件和耦入光栅之间设置透光元件，透光元件等效的增加了波导基底的厚度，从而避免了耦入波导元件中的光线发生二次衍射，减少投影光线的光能损失，提升光波导器件用于AR显示设备的显示效果。本申请还提供了一种AR显示设备，具有上述有益效果。

Description

一种光波导器件和AR显示设备

技术领域

本实用新型涉及波导技术领域，特别是涉及一种光波导器件和AR显示设备。

背景技术

近年来AR领域由于广泛的应用前景和可见的技术突破得到了人们广泛的关注。AR技术能够将虚拟图像投影在真实场景中，从而在不影响使用者观察周围环境的前提下感知投影图像，浏览和处理虚拟信息。而在AR技术实现中，光波导是较为关键的光学器件之一，该光学器件在一定程度上相当于眼镜镜片，一方面将环境中的光线透射入使用者的人眼，另一方面将虚拟的投影画面耦入使用者的眼中。而该光波导将投影画面耦入人眼的耦入效率高低，直接影响投影光线的投影效果。因此，如何提高投入光线耦入人眼的耦入效率，是AR技术中需要重点关注的问题之一。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光波导器件以及AR显示设备，能够有效避免波导单元中全反射传导的光线的二次衍射，提升投影光线的显示效果。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种光波导器件，包括波导元件、耦入光栅、以及贴合所述波导元件设置的耦出光栅；还包括透光元件；

其中，所述透光元件至少包括第一平面和第二平面；所述第一平面和所述耦入光栅贴合连接，所述第二平面和所述波导元件贴合连接；所述第一平面和所述第二平面之间形成所述透光元件的锐角尖端部，且所述锐角尖端部距离所述耦出光栅越近在垂直于所述第二平面方向的厚度越小。

在本申请的一种可选地实施例中，所述透光元件的第一平面和所述耦入光栅的大小形状均相同；所述透光元件的第二平面至少覆盖所述耦入光栅在所述第二平面所在平面上的投影面。

在本申请的一种可选地实施例中，所述透光元件和所述波导元件为同一透光材质形成的部件；

所述透光元件上所述第一平面和所述第二平面之间所成的锐角θ₂满足

其中，L₁为所述耦入光栅距离所述波导元件最远的一侧在所述波导元件上的投影距离；L₂为所述波导元件的厚度，θ_max、θ_min分别为在平行于所述波导元件厚度所在平面内所述衍射光线和所述第一平面的最大夹角和最小夹角。

在本申请的一种可选地实施例中，所述透光元件和所述波导元件为一体成型结构。

在本申请的一种可选地实施例中，所述透光元件为直角三棱镜；所述第一平面为所述直角三棱镜的直角边表面；所述第二平面为所述直角三棱镜的斜角边表面。

在本申请的一种可选地实施例中，所述耦入光栅和所述耦出光栅的光栅矢量相同。

本申请还提供了一种AR显示设备，包括如上任一项所述的光波导器件。

本实用新型所提供的光波导器件，包括波导元件、耦入光栅、以及贴合波导元件设置的耦出光栅；还包括透光元件；其中，透光元件至少包括第一平面和第二平面；第一平面和耦入光栅贴合连接，第二平面和波导元件贴合连接；第一平面和第二平面之间形成透光元件的锐角尖端部，且锐角尖端部距离耦出光栅越近在垂直于第二平面方向的厚度越小。

本申请中考虑到在常规的光波导器件中耦入光栅和耦出光栅均是贴合于波导元件的表面设置的，经过耦入光栅的衍射作用耦入至波导元件的投影光线，往往因耦入光栅的尺寸相对于全反射光线的不仅尺寸过大，导致投影光线发生二次衍射耦出至波导元件，造成该部分投影光线的光线损失。为此，本申请中在波导元件和耦入光栅之间设置透光元件，且该透光元件分别贴合波导元件和耦入光栅的两个平面之间呈锐角夹角，也就使得耦入光栅和波导元件之间呈锐夹角，当投影光线经过耦入光栅耦入透光元件，并经过透光元件传导至波导元件时，透光元件等效的增加了波导基底的厚度，使得衍射耦入的光线在第一次全反射之前的光程增大，进而增大了全反射步长，从而避免了耦入波导元件中的衍射光线发生二次衍射，减少投影光线的光能损失，提升光波导器件用于AR显示设备的显示效果。

本申请还提供了一种AR显示设备，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1为常规技术中光波导器件的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的光波导器件的结构示意图。

具体实施方式

在常规的光波导器件中，如图1所示，投影光线在通过耦入光栅2由a点耦入至波导元件1中并经过b点发生一次全反射后入射至c点，显然c点为耦入光栅2和波导元件1之间的交界面，投影光线入射至c点会再次发射衍射，进而导致部分光线耦出而无法继续在波导元件1中继续全反射传导至耦出光栅3，最终造成该部分光线损失。

基于图1所示的光波导器件中，投影光线之所以会发生二次衍射，是因为投影光线在波导元件1中的全反射步长(也即是ac的长度)小于耦入光栅2的尺寸。但是如果直接减小耦入光栅2的尺寸，显然，也就缩小了耦入光栅2可以衍射的投影光线的光斑的大小，从而在一定程度上对投影光线产生一定程度的限制，导致人眼观看效果变差出现‘暗条纹’等现象。

为此，本申请提出了一种能够在一定程度上避免投影光线发生二次衍射的光波导器件。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图2所示，图2为本申请实施例提供的光波导器件的结构示意图，该光波导器件包括：

波导元件1、耦入光栅2、以及贴合波导元件1设置的耦出光栅3；还包括透光元件4；

其中，透光元件4至少包括第一平面41和第二平面42；第一平面41和耦入光栅2贴合连接，第二平面42和波导元件1贴合连接；第一平面41和第二平面42之间形成透光元件4的锐角尖端部，且锐角尖端部距离耦出光栅3越近在垂直于第二平面42方向的厚度越小。

本实施例中将波导元件1和耦入光栅2之间增加设置透光元件4，使得投影光线经过耦入光栅2的衍射作用后，先衍射至透光元件4内，经过透光元件4的传导进入波导元件1中，再经过波导元件1中的全反射实现投影光线在波导元件1中传导。

需要说明的是，对于透光元件4而言，包括分别贴合耦出光栅3的第一平面41和贴合波导元件1表面的第二平面42，第一平面41和第二平面42之间形成透光元件4的锐角尖端部，且锐角尖端部距离耦出光栅3越近在垂直于第一平面41方向的厚度越小。

参考图2，可以确定锐角尖端部距离耦出光栅3越近的方向也即是波导元件1中光线全反射传导的方向，也即是说沿着波导元件1耦入光线向耦出光线的方向，该透光元件4的第一平面41和第二平面42之间的厚度逐渐减小。

对于经过耦入光栅2衍射耦入的光线而言，波导元件1的厚度越大，投影光线全反射的步长越大，显然全反射步长越大，也有利于避免投影光线发生二次衍射。而经过透光元件4的第二平面42入射至波导元件1的光线中，越远离耦出光栅3入射的光线在透光元件4中的光程越大，全反射的步长因透光元件4的厚度增大的也就越多，而在投影光线传导过程中，也即是距离耦出光栅3更远的一侧的投影光线易发生二次反射；由此，加入透光元件4后便可在一定程度上解决经过耦入光栅2衍射后的投影光线中存在部分光线出现二次衍射的问题。

另外，透光元件4的第一平面41和第二平面42之间能够形成锐角尖端部，显然该第一平面41和第二平面42应当是透光元件4上相邻的两个表面。当耦入光栅2贴合在第一平面41上时，该耦入光栅2的边缘应当和第一平面41与第二平面42之间的交界线平齐。

此外，图2中示出的投影光线入射至耦入光栅2的方向是先经过波导元件1、透光元件4之后入射至耦入光栅2，在实际应用中，投影光线也可以是直接入射至耦入光栅2背离透光元件4的表面后发生衍射入射至透光元件4中的，对此，本申请中不做限制。

还需要进一步说明的是，为了避免因为透光元件4的加入造成从耦出光栅3耦出的投影光线存在色散，因此，在实际设置耦入光栅2和耦出光栅3时，二者应当采用光栅矢量相同的光栅，从而保证投影光线的成像效果。

综上所述，本申请中的光波导器件，通过在耦入光栅2和波导元件1之间增加设置透光元件4，使得耦入光栅2和波导元件1之间呈一定的夹角，进而使得经过耦入光栅2衍射入射至波导元件1的投影光线，在波导元件1上的耦入区域减小，从而在一定程度上避免部分经过耦入光栅2的投影光线衍射入射波导元件1后发生二次衍射，进而避免二次衍射带来的光能损失，提升了利用本申请的光波导器件的AR显示设备的显示效果。

如前所述，耦入光栅2的边缘应当和透明元件上第一平面41和第二平面42的交界线平齐，而对于第一平面41上耦入光栅2未覆盖的区域，显然并没有实质的作用，因此，在本申请的一种可选地实施例中，该第一平面41可以是和耦入光栅2大小面积相同的平面结构。

而对于透光元件4的第二平面42为波导元件1和透光元件4之间的交界面，经过耦入光栅2衍射的投影光线需要经过第二平面42入射至波导元件1中，因此，该第二平面42应当是能够覆盖所有投影光线入射至波导元件1中的入射区域。而基于上述实施例可知，这一入射区域最大面积为耦入光栅2在波导元件1上的投影面，因此该透光元件4的第二平面42至少应当覆盖耦入光栅2在波导元件1上的投影面。

当然，可以理解的是，如果能够精准确定从耦入光栅2衍射入射至波导单元中的投影光线在波导元件1上的入射区域，直接将该第二平面42设置成和入射区域大小区域一致的平面结构也能够实现本申请的技术方案。

对于透光元件4而言，其实际存在光学功能的界面即为第一平面41和第二平面42，因此对于透光元件4上除了第一平面41和第二平面42的表面，可以是从第一平面41边缘延伸至第二平面42边缘的任意非内凹表面。例如图1所示，该透光元件4可以是直角三棱镜，第一平面41为该直角三棱镜的直角边表面，而第二表面为该直角三棱镜的斜角边表面。也可以第一平面41为直角三棱镜的斜角边表面，第二平面42为直角三棱镜的直角边表面。对此本申请中不做具体限制。

在本申请的一种可选的实施例中透光元件4可以采用折射率小于波导元件1折射率的透光部件，可以使得投影光线从透光元件4入射至波导元件1时发生折射，进而进一步地增大投影光线在波导元件1中的反射角，从而增大波导元件1的全反射步长，避免光线发生二次衍射。

当然，本申请中也并不排除透光元件4和波导元件1为同种透光材料形成的透光部件，甚至透光元件4可以和波导元件1之间为一体成型结构。

对于透光元件4和波导元件1为同种材质的透光部件而言，在本申请的另一可选的实施例中，透光元件4上第一平面41和第二平面42之间所成的锐角θ₂满足

其中，L₁为耦入光栅2距离波导元件1最远的一侧在波导元件1上的投影距离；L₂为波导元件1的厚度，θ_max、θ_min分别为衍射光线在平行于波导元件1厚度方向的所在平面内和第一平面的最大夹角和最小夹角。

如图2所示，基于投影光线依次经过耦入光栅2、透光元件4以及波导元件1的光路满足的几何原理可知：

θ＞θ₂；

其中，θ即为衍射光线在平行于波导元件1厚度方向的所在平面内和第一平面42的夹角，又因为当θ取最大角度时，也即是从C点耦入的衍射光线经过波导元件1实现一次反射后，入射至B点。因此则有：

而

又基于OC＝L₁，OE＝L₂，θ_max＞θ₂；最终可以推导出

而对于θ_max、θ_min分别为衍射光线入射至波导元件1中的最大入射角和最小入射角都取决于耦出光栅3的光栅矢量。与此可见，对于透光元件4的设置规格和所选择的耦入光栅2之间应当满足

这一关系。

当然，针对透明元件和波导元件1采用同种材质的实施例而言，所采用的衍射光栅和透明元件之间满足上述公式。对应透光元件4和波导元件1之间采用不同材质的实施例而言，可以按照上述类似的方式推导出透光元件4和耦入光栅2之间所满足的关系，对此本申请不一一列举说明。

本申请还提供了一种AR显示设备，该AR显示设备具有如上任一项所述的光波导器件。

该AR显示设备可以是AR头盔、AR眼镜等任意一种设备。

本申请中所提供的AR显示设备中所采用的光波导器件在耦入光栅2和波导元件1之间设置有透光元件4，经过耦入光栅2耦入波导元件1的光线经过透明元件入射至波导元件1内并发生全反射传导，在一定程度上避免了投影光线的二次衍射，进而提升投影光线的有效利用率，保证了AR显示设备的显示效果。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光波导器件，其特征在于，包括波导元件、耦入光栅、以及贴合所述波导元件设置的耦出光栅；还包括透光元件；

其中，所述透光元件至少包括第一平面和第二平面；所述第一平面和所述耦入光栅贴合连接，所述第二平面和所述波导元件贴合连接；所述第一平面和所述第二平面之间形成所述透光元件的锐角尖端部，且所述锐角尖端部距离所述耦出光栅越近在垂直于所述第二平面方向的厚度越小。

2.如权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述透光元件的第一平面和所述耦入光栅的大小形状均相同；所述透光元件的第二平面至少覆盖所述耦入光栅在所述第二平面所在平面上的投影面。

3.如权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述透光元件和所述波导元件为同一透光材质形成的部件；

所述透光元件上所述第一平面和所述第二平面之间所成的锐角θ₂满足

其中，L₁为所述耦入光栅距离所述波导元件最远的一侧在所述波导元件上的投影距离；L₂为所述波导元件的厚度，θ_max、θ_min分别为在平行于所述波导元件厚度所在平面内衍射光线和所述第一平面的最大夹角和最小夹角。

4.如权利要求3所述的光波导器件，其特征在于，所述透光元件和所述波导元件为一体成型结构。

5.如权利要求3所述的光波导器件，其特征在于，所述透光元件为直角三棱镜；所述第一平面为所述直角三棱镜的直角边表面；所述第二平面为所述直角三棱镜的斜角边表面。

6.如权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅的光栅矢量相同。

7.一种AR显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的光波导器件。

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