CN219245802U - 一种用于提高波导耦入效率的结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于提高波导耦入效率的结构，包括光波导本体，光波导本体包括光束耦入区域、光束传导区域和光束耦出区域；所述的光束耦入区域的波导厚度大于光束耦出区域的波导厚度，光束耦入区域的波导厚度被配置为经由耦入光栅衍射后的光束经光波导本体反射后不再通过耦入光栅，即光束耦入区域的厚度被配置为使得光束在所述耦入光栅处不发生二次衍射。本实用新型保证光束耦入区域内传播光不会产生多次衍射而损失能量，这样就可以通过优化耦入光栅参数，使光的耦入效率提高，而不用去考虑传播光的传播效率；同时也不会影响光束耦出区域的结构设计，保证各视场扩瞳的连续性。

Description

一种用于提高波导耦入效率的结构

技术领域

本实用新型涉及显示技术领域，尤其涉及一种用于提高波导耦入效率的结构。

背景技术

增强现实(AR)或者混合现实(MR)显示***集成了微显引擎，应用透明或半透明的波导来传输及复制微显引擎所生成的图像并呈现给用户，因此，用户既可以看到真实世界的场景，又可以接收到微显引擎所生成的虚拟图像，虚实结合以使其具有视觉沉浸感。

现有技术中AR或者MR显示***主要包含两部分，一部分是微显引擎(光引擎)，主要采用LCOS、MicroLED或DLP等作为像源，经成像光学***后获得准直的(以及线偏振或圆偏振)入射光(即像源)。另一部分是基于波导的图像扩展***，由于经光引擎所获得的像源尺寸通常较小，因此，需要基于波导***进行图像扩展，以获得大尺寸、高分辨率的图像。

通常，入射光经耦入光栅发生衍射被耦合进入光波导，当光束衍射角小于光波导的全反射临界角时，光束将在光波导内部以全反射的方式向前传播。耦出光栅的结构与耦入光栅对称，因此光束传播到耦出光栅发生衍射从光波导出射，出射角度与入射光角度对称。为了保证人眼在一定范围内都能观察到图像，需要进行出瞳扩展，通过合理的设置耦出光栅的衍射效率分布，使得光束在经过耦出光栅时有部分能量耦出光波导，剩余能量继续向前传播，这样光束多次经过耦出光栅，实现了出瞳的扩展。

通常光波导要求在耦入光栅处不发生二次衍射、以保证能量的有效利用，同时要求在耦出光栅处的扩展出瞳是连续的、以保证观察的连续性，而这两个条件是在光路上是矛盾的，需要更加复杂的光路设计来同时满足这两个条件。

在波导设计过程中，当波导厚度与耦入光斑尺寸不匹配时，会造成耦出区域扩瞳的不连续，导致最终的视场丢失，如图1所示。

为了避免耦出区域扩瞳的不连续，以入射光的光束直径为D，波导板厚度为l，全反射光束入射角度为θ，上述参数需满足：

故，改变光束的直径(增大光束直径，如图2所示)和波导板的厚度(减小波导板的厚度，如图3所示)可以使出射的光束连续。

如上述公式所描述，当全反射角较大且入瞳尺寸较小时，其所需波导厚度就会较薄，当波导厚度较薄时，传播光线在每一次全反射传播后其间隔较小。结合在实际应用中，需考虑压印、切割和装配的误差，一般性的耦入区域会大于耦入光斑尺寸。这就意味着波导耦入区域大于入瞳尺寸，其传播光会多次入射到耦入区域发生衍射，如图3中虚线标出的部分，造成光能量的损失(耦入效率较高的光栅参数，其传播光在耦入区域的传播效率都较低)，最终导致传入耦出区域的光能降低。

这就使得波导的耦入效率难以提升。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种用于提高波导耦入效率的结构，通过改变耦入区域波导厚度，减少光在耦入区域的多次衍射。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种用于提高波导耦入效率的结构，包括光波导本体，光波导本体包括光束耦入区域、光束传导区域和光束耦出区域；

所述的光束耦入区域设置有耦入光栅，被配置为将光束耦合进入所述光波导本体，并在所述光波导本体内以全反射的方式传播；

所述的光束耦出区域设置有耦出光栅，被配置为将传播至所述光束耦出区域的光束耦出所述光波导本体，并具有连续的扩展出瞳；

所述的光束耦入区域的波导厚度大于光束耦出区域的波导厚度，

光束耦入区域的波导厚度被配置为经由耦入光栅衍射后的光束经光波导本体反射后不再通过耦入光栅，即光束耦入区域的厚度被配置为使得光束在所述耦入光栅处不发生二次衍射。

在光束耦入区域增加其厚度使得光束耦入区域传播光的传播间隔增大，避免其在耦入光栅再次衍射，保证光束耦入区域内传播光不会产生多次衍射损失能量，这样就可以通过优化耦入光栅参数，使光的耦入效率提高，而不用去考虑传播光的传播效率。同时也不会影响光束耦出区域的结构设计，保证各视场扩瞳的连续性。

可选的，所述的耦入光栅和耦出光栅均可为透射式光栅或反射式光栅。

可选的，所述的光束传导区域的波导厚度和光束耦出区域的波导厚度可以相同，也可以不同，可以根据工况进行设置，只要保证耦出光栅具有连续的扩展出瞳即可。

可选的，所述的光波导本体为异形玻璃晶元，光束耦入区域的厚度大于光束传导区域和光束耦出区域的厚度。

也可选的，所述的光波导本体包括一个体积较大的第一波导板和一个体积较小的第二波导板，第二波导板平行粘合于第一波导板的表面，第二波导板及其覆盖下第一波导板构成厚度增大的光束耦入区域，为尽可能减少中间胶合产生的杂散光，第二波导板与第一波导板之间的胶层厚度为100nm到1um，第二波导板与第一波导板之间的胶层的折射率接近第一波导板和第二波导板的折射率。这样相比采用异形玻璃晶元，能够降低制备难度。

本实用新型实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本实用新型通过增加光束耦入区域的厚度使得光束耦入区域传播光的传播间隔增大，避免其在耦入光栅再次衍射，保证光束耦入区域内传播光不会产生多次衍射损失能量，这样就可以通过优化耦入光栅参数，使光的耦入效率提高，而不用去考虑传播光的传播效率。同时也不会影响光束耦出区域的结构设计，保证各视场扩瞳的连续性。

附图说明

图1为光波导技术原理示意图；

图2为增大光束直径使出射的光束连续的原理示意图；

图3为减小波导板的厚度使出射的光束连续的原理示意图；

图4为本实用新型的一种实施例的结构示意图；

图5为本实用新型的另一种实施例的结构示意图；

图6为本实用新型的第三种实施例的结构示意图；

图7为本实用新型的第四种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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，都属于本实用新型保护的范围。

如图4-图7所示，本实用新型提供一种用于提高波导耦入效率的结构，包括光波导本体，光波导本体包括光束耦入区域101、光束传导区域102和光束耦出区域103；

所述的光束耦入区域101设置有耦入光栅104，被配置为将光束耦合进入所述光波导本体，并在所述光波导本体内以全反射的方式传播；

所述的光束耦出区域103设置有耦出光栅105，被配置为将传播至所述光束耦出区域103的光束耦出所述光波导本体，并具有连续的扩展出瞳；

所述的光束耦入区域101的波导厚度大于光束耦出区域103的波导厚度，

光束耦入区域101的波导厚度被配置为经由耦入光栅104衍射后的光束经光波导本体反射后不再通过耦入光栅104，即光束耦入区域101的厚度被配置为使得光束在所述耦入光栅104处不发生二次衍射。

在光束耦入区域101增加其厚度使得光束耦入区域101传播光的传播间隔增大，避免其在耦入光栅104再次衍射，保证光束耦入区域101内传播光不会产生多次衍射损失能量，这样就可以通过优化耦入光栅104参数，使光的耦入效率提高，而不用去考虑传播光的传播效率。同时也不会影响光束耦出区域103的结构设计，保证各视场扩瞳的连续性。

可选的，所述的耦入光栅104和耦出光栅105均可为透射式光栅或反射式光栅。

可选的，所述的光束传导区域102的波导厚度和光束耦出区域103的波导厚度可以相同，也可以不同，可以根据工况进行设置，只要保证光束在光波导本体内以全反射的方式传播、且耦出光栅105具有连续的扩展出瞳即可。

可选的，本实用新型的一些实施例中，如图4、图5所示，所述的光波导本体为异形玻璃晶元100，光束耦入区域101的厚度大于光束耦出区域103的厚度。如图4所示，光束耦入区域101相比于光束耦出区域103可以是向进光侧凸出，也可以是向进光侧相对的一侧凸出，如图5所示。

也可选的，本实用新型的另外一些实施例中，如图6、图7所示，所述的光波导本体包括一个体积较大的第一波导板201和一个体积较小的第二波导板202，第二波导板202平行粘合于第一波导板201的表面，第二波导板202及其覆盖下第一波导板201构成厚度增大的光束耦入区域101，为尽可能减少中间胶合产生的杂散光，第二波导板202与第一波导板201之间的胶层厚度为100nm到1um，第二波导板202与第一波导板201之间的胶层的折射率接近第一波导板201和第二波导板202的折射率。这样相比采用异形玻璃晶元100，能够降低制备难度。同样的，如图6所示，第二波导板202可以粘合于第一波导板201的进光侧表面，也可以是粘合于第一波导板201的进光侧相对的表面，如图7所示。

如图4-图7所示实施例，均给出的是耦入光栅104和耦出光栅105均为反射式光栅的实施例，当然可以理解的，耦入光栅104或耦出光栅105也可为透射式光栅，这对于本领域技术人员而言是常规技术手段。

应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种用于提高波导耦入效率的结构，其特征在于，包括光波导本体，光波导本体包括光束耦入区域、光束传导区域和光束耦出区域；

所述的光束耦入区域设置有耦入光栅，被配置为将光束耦合进入所述光波导本体，并在所述光波导本体内以全反射的方式传播；

所述的光束耦出区域设置有耦出光栅，被配置为将传播至所述光束耦出区域的光束耦出所述光波导本体，并具有连续的扩展出瞳；

所述的光束耦入区域的波导厚度大于光束耦出区域的波导厚度，

光束耦入区域的波导厚度被配置为经由耦入光栅衍射后的光束经光波导本体反射后不再通过耦入光栅，即光束耦入区域的厚度被配置为使得光束在所述耦入光栅处不发生二次衍射。

2.如权利要求1所述的一种用于提高波导耦入效率的结构，其特征在于，所述的耦入光栅为透射式光栅或反射式光栅。

3.如权利要求1所述的一种用于提高波导耦入效率的结构，其特征在于，所述的耦出光栅为透射式光栅或反射式光栅。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的一种用于提高波导耦入效率的结构，其特征在于，所述的光波导本体为异形玻璃晶元。

5.如权利要求1-3中任意一项所述的一种用于提高波导耦入效率的结构，其特征在于，所述的光波导本体包括一个体积较大的第一波导板和一个体积较小的第二波导板，第二波导板平行粘合于第一波导板的表面，第二波导板及其覆盖下第一波导板构成厚度增大的光束耦入区域。

6.如权利要求5所述的一种用于提高波导耦入效率的结构，其特征在于，第二波导板与第一波导板之间的胶层厚度为100nm到1um。

7.如权利要求5所述的一种用于提高波导耦入效率的结构，其特征在于，第二波导板与第一波导板之间的胶层的折射率接近第一波导板和第二波导板的折射率。

8.如权利要求6所述的一种用于提高波导耦入效率的结构，其特征在于，第二波导板与第一波导板之间的胶层的折射率接近第一波导板和第二波导板的折射率。

Images