CN116482793A - 一种光波导结构、装置及设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及光波导显示系统领域，公开了一种光波导结构、装置及设备。本发明中，光波导结构包括第一基底、第二基底、耦入光栅、耦出光栅；第二基底和耦出光栅设置在第一基底的上表面，且耦出光栅与第二基底间存在预设的间隔；耦入光栅设置在第二基底的上表面。本发明的实施方式在现有的光波导结构中的第一基底上的光线耦入区增加第二基底，通过增加光线耦入区的基底厚度，将耦入光线中衍射角度较小的光线传播距离变长，在第一基底下表面进行反射过后可以避开光线耦入区，来使更多进入光波导结构的光线在第一基底内进行全反射，同时解决了出瞳均匀性不佳和光线损失问题，并且简单易实现。

Description

一种光波导结构、装置及设备

技术领域

本发明实施例涉及光波导显示系统领域，特别涉及一种光波导结构、装置及设备。

背景技术

应用于增强现实(Augmented Reality,AR)和虚拟现实(Virtual Reality,VR)等领域的平面光波导显示技术，具有轻薄便携、可集成到穿戴产品的优势，被业界广泛看好。其中衍射光波导的厚度是一项关键指标，厚度越薄，出瞳的均匀性越好，但是薄波导面临着一项技术难题：当光耦入厚度很薄的平面光波导时，小衍射角对应的部分光经下表面全反射后，会再次打到耦入光栅上，导致这部分光发生模式泄漏，从而使得显示图像的亮度不均，出现暗区。

对于该问题，相关技术中的应对方案包括：(1)将透射耦入方式改为反射耦入或半透半反耦入。(2)放弃采用薄波导，增加波导的厚度以避免该问题产生。(3)采用特殊光谱响应的耦入光栅设计，通过损耗部分光效达到全画面亮度均匀。本申请的发明人发现上述方案中分别存在如下不足：方法(1)的不足是需要在光栅上面镀特定的膜层，这种区域化镀膜的难度较大，工艺复杂性和成本较高；方法(2)的不足是增加波导厚度后，出瞳的均匀性会恶化，无法兼顾波导厚度与出瞳均匀性；方法(3)的不足是损失光效后，整个系统的光效非常低，导致显示图像的亮度不足，功耗较大。因此，需要提供一种光波导结构能够解决现有薄波导耦入时存在的部分模式泄露问题的同时保证光波导具有较薄的厚度，并且简单易实现。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种光波导结构、装置及设备，使得光波导结构具有良好出瞳均匀性的同时具有较薄的厚度，并且简单易实现。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种光波导结构，包括：第一基底、第二基底、耦入光栅、耦出光栅；第二基底和耦出光栅设置在第一基底的上表面，且耦出光栅与第二基底间存在预设的间隔；耦入光栅设置在第二基底的上表面。

本发明的实施方式还提供了一种光波导装置，包括了上述的光波导结构。

本发明的实施方式还提供了一种设备，包括了上述的光波导结构。

在本发明实施方式中，光波导结构包括第一基底、第二基底、耦入光栅、耦出光栅；第二基底和耦出光栅均设置在第一基底的上表面，且耦出光栅与第二基底间隔预设的距离设置；耦入光栅设置在第二基底的上表面。本发明的实施方式在现有的光波导结构中的第一基底上的光线耦入区增加第二基底，通过增加光线耦入区的基底厚度，将耦入光线中衍射角度较小的光线传播距离变长，在第一基底下表面进行反射过后可以避开光线耦入区，来使更多进入光波导结构的光线在第一基底内进行全反射，同时解决了出瞳均匀性不佳和光线损失问题，并且简单易实现。

另外，在一个例子中，第一基底和第二基底由光学玻璃或者由光学树脂制成，第一基底的上表面与第一基底的下表面平行，第二基底的上表面与第二基底的下表面平行。使用光学玻璃和光学树脂作为基底更有利于光线在显示系统中传播，并且第一基底和第二基底的上下表面均平行设置使光线传播更可控，可以在显示系统中获得更好的显示效果。

另外，在一个例子中，当第二基底有且仅有一个侧面为斜面或曲面时，第二基底的斜面或曲面的朝向为耦出光栅所在的方向。将第二基底的侧面设置为朝向耦出光栅方向的斜面或者曲面，可以在保证光线传输不受影响的同时减小第二基底的体积，使光波导结构更简单，同时减轻光波导结构的重量。

另外，在一个例子中，耦入光栅的面积小于第二基底的面积，并且耦入光栅的边缘不超出第二基底的边缘。通过设置耦入光栅和第二基底的面积大小和位置关系，可以使射入光波导结构的光线都能够进行有效传播，减少射入光线的损失。

另外，在一个例子中，第二基底的厚度大于第一基底的厚度。将第二基底的厚度设置为大于第一基底的厚度，可以使射入光波导结构的光线大部分实现在第一基底上的全反射。

另外，在一个例子中，第二基底的下表面与所述第一基底的上表面之间采用粘结层粘结方式、键合方式、光胶结合方式和/或模压一体成型方式进行结合。并且第二基底的折射率、第二基底的折射率和粘结层的折射率相同。采用和第一基底、第二基底折射率相同的粘结层可以使光线在第二基底通过粘结层射入第一基底时不发生衍射，避免因为两层基底之间的粘结层造成耦入光线无法在第一基底进行全反射。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是相关技术中常用的平面光波导结构示意图；

图2是相关技术中光线在薄型光波导结构中的传输路径以及射出光斑密度示意图；

图3是相关技术中光线在厚型光波导结构中的传输路径以及射出光斑密度示意图；

图4是本发明一实施方式的光波导结构示意图；

图5是本发明一实施方式的包含粘结层的光波导结构示意图；

图6是本发明一实施方式的光波导结构中光线传输路径以及射出光斑密度示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

在相关技术中，用于增强现实(AR)和虚拟现实(VR)等近眼显示系统的平面衍射光波导通常具有如下的基本结构，如图1所示，包括平面波导基底1、耦入光栅区2、扩瞳或耦出光栅区3。

如图1所示，当光线4和光线5打到耦入光栅区2时，会发生衍射，对应产生衍射光线6和7，其中，光线6对应的衍射角度大，经过平面波导基底1的下表面全反射后，反射光线避开耦入光栅区2继续通过全反射方式向前传播；光线7对应的衍射角度小，经过平面波导基底1的下表面全反射后，反射光线会再次打到耦入光栅区2，此时会有一部分光发生模式泄露，从耦入光栅区2透射出去，形成光线8，造成这部分光的亮度损失。

而为了减少光波导的亮度损失，相关技术中通常通过增加平面波导基底1的厚度可以使衍射光线6的反射光线避开耦入光栅区2，从而避免模式泄露，消除掉透射光线8，但是增加平面波导基底1的厚度会使得衍射光波导的出瞳范围内的亮度均匀性恶化。如图2所示，在平面波导基底1的厚度较薄时，扩瞳或耦出光栅区3出射的光斑9具有较高的密度，使得整个出瞳区范围内的亮度均匀性较好；在平面波导基底1的厚度增厚时，扩瞳或耦出光栅区3出射的光斑9密度稀疏，具体如图3所示，使得整个出瞳区范围内的亮度均匀性恶化。

本发明的一实施方式涉及一种光波导结构，可以应用在增强现实(AR)和虚拟现实(VR)等近眼显示系统中。在本实施方式中，光波导结构包括第一基底、第二基底、耦入光栅、耦出光栅；第二基底和耦出光栅均设置在第一基底的上表面，且耦出光栅与第二基底间隔预设的距离设置；耦入光栅设置在第二基底的上表面。本发明的实施方式在现有的光波导结构中的第一基底上的光线耦入区增加第二基底，通过增加光线耦入区的基底厚度，将耦入光线中衍射角度较小的光线传播距离变长，在第一基底下表面进行反射过后可以避开光线耦入区，来使更多进入光波导结构的光线在第一基底内进行全反射，同时解决了出瞳均匀性不佳和光线损失问题，并且简单易实现。下面对本实施方式的光波导结构的细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

如图4所示，本实施方式中的光波导结构包括：第一基底11、耦入光栅12、耦出光栅13和第二基底10；第二基底10和耦出光栅13均设置在第一基底11的上表面，且耦出光栅13与第二基底10间隔预设的距离设置；耦入光栅12设置在第二基底10的上表面。需要注意的是，第二基底10和耦出光栅13可以沿第一基底11的长度延伸方向分别设置在第一基底11的上表面，如图4的方式，第二基底10和耦出光栅13一左一右设置；第二基底10和耦出光栅13也可以沿第一基底11的宽度延伸方向分别设置在第一基底11的上表面，图4中未示出，从相同方向观察可以得到第二基底10和耦出光栅13一前一后设置；在本实施方式中，不对第二基底10和耦出光栅13设置的位置进行限定，技术人员可以根据光线的射入方向选择对应的位置设置第二基底10和耦出光栅13。

在一个例子中，第一基底11和第二基底10由光学玻璃或者由光学树脂制成，第一基底11的上表面与第一基底11的下表面平行，第二基底10的上表面与第二基底10的下表面平行。使用光学玻璃和光学树脂作为基底更有利于光线在显示系统中传播，并且第一基底11和第二基底10的上下表面均平行设置使光线传播更可控，可以在显示系统中获得更好的显示效果。具体的，光学玻璃是传输光线的非晶态(玻璃态)光介质材料。可用以做成棱镜、透镜、滤光片等各种光学元件，光线通过后可改变传播方向、位相及强度等，因为光学玻璃有高度的透明性、物理及化学性质高度均匀性及特定的精确的光学常数，所以在本实施方式的光波导结构中，使用光学玻璃或者拥有一定光学性能的光学树脂作为第一基底11和第二基底10，可以更好地帮助光线在光波导结构中进行衍射及传播。而将第一基底11与第二基底10均设置成上下表面平行，是因为在光线在平面发生衍射或者折射时，衍射或者折射光线更容易进行捕捉和利用，并且以同一方向射入平面的光线衍射或者折射角的都是相同的，相比曲面可以在显示系统中获得更好的显示效果。

在一个例子中，当第二基底10有且仅有一个侧面为斜面或曲面时，第二基底10的斜面或曲面的朝向为耦出光栅13所在的方向。将第二基底10的侧面设置为朝向耦出光栅13方向的斜面或者曲面，可以在保证光线传输不受影响的同时减小第二基底10的体积，使光波导结构更简单，同时减轻光波导结构的重量。实际上，第二基底10可以有3种形态；第一种，第二基底10的侧面均为垂直于上下表面的平面；第二种，第二基底10的侧面均为斜面或曲面；第三种，第二基底10有且仅有一个侧面为斜面或曲面。在第二基底10的形态为第一种或第二种时，斜面或曲面或平面的设置没有特定方向，只需要注意在设置斜面或曲面时，不能影响到光线的射入；在第二基底10的形态为第三种时，就需要将斜面或者曲面设置在朝向耦出光栅13的方向，这是因为在简化第二基底10的结构时，只有将斜面或者曲面设置在朝向耦出光栅13的方向才能不影响到光线的射入。

具体的，如图4所示，本实施方式中的光波导结构中的第二基底10为直角梯形结构，直角梯形结构的一个侧面设置为斜面，另一个斜面设置为垂直于上下表面的平面，第二基底10的斜面朝向耦出光栅13所在的方向。在本实施方式中，采用直角梯形结构这种上下两底边相互平行的结构首先可以满足上述实施方式中的第二基底上下表面相互平行，并且在此基础上，将第二基底10的边缘削去一些，削去的部位是光线耦入时光线射入不到的部位(即：第二基底10中与光线耦入无关的部位)，可以让第二基底10的结构更加的简单，光波导结构总体的重量更轻一些。需要注意的是，在去除第二基底10无关的部位时，要注意第二基底10的上表面与耦入光栅12接触的部分不能被去除，并且该部分相对应的下表面部分也不能被去除，防止因为去除部分过多导致光线射入量减少。

在一个例子中，耦入光栅12的面积小于第二基底10的面积，并且耦入光栅12的边缘不超出第二基底10的边缘。通过设置耦入光栅12和第二基底10的面积大小和位置关系，可以使射入光波导结构的光线都能够进行有效传播，减少射入光线的损失。

在一个例子中，第二基底10的厚度大于第一基底11的厚度。将第二基底10的厚度设置为大于第一基底11的厚度，可以使射入光波导结构的光线可以实现大部分在第一基底11上的全反射。具体的，由于第二基底10的厚度大于第一基底11，光线到达第一基底11下表面的传播路径变长。通过延长光线在基底内的传播距离，光线在第一基底11的反射点就落在了远离光线进入耦入光栅12入射点的位置，此时光线发生反射，经过延长的传播距离，绝大部分光线在到达第一基底11上表面的位置已经离开了耦入光栅12的位置，甚至可以视为所有射入光线均在第一基底11内进行全反射。在本实施方式中，光线之所以能够在第一基底11内进行反射是因为：第二基底10的下表面接触第一基底11的上表面，两层基底介质都是相同的，光线射入第二基底10之后可以直接在第二基底10和第一基底11之间传播且不发生反射；而当光线射到第一基底11的下表面时，光线将要从第一基底11光学玻璃或者光学树脂一类的材质射入到空气，此时介质发生了变化，光线就会在第一基底11内进行全反射。

在一个例子中，耦入光栅12和耦出光栅13可以是表面浮雕光栅结构或体全息光栅结构。全息光栅的生成过程为：在光学稳定的平玻璃坯件上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层，由激光器发生两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，则光敏物质被感光，然后用特种溶剂溶蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像以得到光栅。表面浮雕光栅是指在光波导表面雕刻出光栅。具体的，在本实施方式中，由于表面浮雕光栅结构或体全息光栅结构都是利用基底的表面制成的，可以使得包含采用上述两种光栅结构制成的耦入光栅12和耦出光栅13的光波导结构比传统设计更紧凑、更轻。需要注意的是，本实施方式并不限定耦入光栅12和耦出光栅13的设置方式，耦入光栅12和耦出光栅13只要能够使光线发生衍射即可，在一个例子中使用表面浮雕光栅结构或体全息光栅结构是为了使光波导结构比传统设计更紧凑、更轻，结构更加简单。

在一个例子中，第二基底10的下表面与第一基底11的上表面之间采用粘结层粘结方式、键合方式、光胶结合方式和/或模压一体成型方式进行结合。具体的，键合方式将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术，在本实施方式中，利用键合方式就是将第一基底11的上表面和第二基底10的下表面一体化。光胶结合是指不用黏结剂，稍加压力使两个清洁光滑和面形一致的光学零件表面吸附在一起的工艺过程，在本实施方式中就是将第一基底11的上表面和第二基底10的下表面吸附在一起。模压一体成型是指将粉状，粒状或纤维状的材料放入成型温度下的模具型腔中，然后闭模加压而使其成型并固化的作业，在本实施方式中，首先做出阶梯型的基底模具，之后将制成光学玻璃或者光学树脂的材料放入模具中使第一基底11和第二基底10一体成型。利用粘结层进行粘结时，粘结层可以是胶水，将第一基底11的上表面和第二基底10的下表面粘结在一起。

在一个例子中，如图5所示，在第二基底10的下表面与第一基底11的上表面之间采用粘结层18进行粘结时，粘结层包括热固胶、紫外固化胶和/或混合固化胶水。并且第一基底11的折射率、第二基底10的折射率和粘结层18的折射率相同。具体在，由于第一基底11和第二基底10都采用同种材料制作，所以第一基底11和第二基底10的折射率都相同，设此时的第一基底11的折射率为n1，第二基底10的折射率为n2，可以得到n1＝n2；此时只需要选取一种胶水之后通过改变胶水的配方，如改变胶水中的水分含量，将选取的胶水的折射率设置n3，并且胶水的折射率要和第一基底11及第二基底10相同，即n1＝n2＝n3。采用和第一基底11、第二基底10折射率相同的粘结层18可以使光线在第二基底10通过粘结层18射入第一基底11时不发生衍射，避免因为两层基底之间的粘结层18造成耦入光线无法在第一基底11进行全反射。本实施方式中并不对胶水的种类进行限制，只要胶水可以配置出合适的折射率并且能稳定粘结第一基底11和第二基底10即可。

在一个例子中，光线进入光波导结构之后的传输路径以及射出光斑密度如图6所示。入射光束14和15经过耦入光栅12后，分别产生衍射光束17和16，衍射光束17和16具有不同的衍射角度，以各自的衍射角度穿过梯形结构10和折射率匹配粘结层18，到达第一基底11的下表面，并发生全反射，经过全反射的光全部打到第一基底11的上表面再次进行全反射传输。当传输过程中遇到耦出光栅13时，会发生衍射，分解出扩瞳光束或耦出光束，在出瞳区形成较高密度的出射光斑19，因此具有较好的出瞳均匀性。本发明的实施方式在现有的光波导结构中的第一基底上的光线耦入区增加第二基底，通过增加光线耦入区的基底厚度，将耦入光线中衍射角度较小的光线传播距离变长，在第一基底下表面进行反射过后可以避开光线耦入区，来使更多进入光波导结构的光线在第一基底内进行全反射，同时解决了出瞳均匀性不佳和光线损失问题，并且简单易实现。本实施方式提出的的阶梯型平面光波导避免了厚波导导致的出瞳均匀性恶化的问题，同时也避免了薄波导耦入区存在模式泄露的问题，并兼具两种技术方案的优势，解决了波导厚度、出瞳均匀性、光能利用三者之间无法兼得的技术难题。另外，本实施方式提出的阶梯型平面波导结构和方法简洁易实现、相比现有的其他技术，不需要复杂的工艺，具有可观的成本经济效益。

上面光波导结构中各部分的划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个部分或者对某些部分进行拆分，分解为多个部分，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对结构中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其结构的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明的另一施方式涉及一种光波导装置，包括了上述实施方式中的光波导结构。

本实施方式为与上述光波导结构实施方式相对应的装置实施例，本实施方式可与上述实施方式互相配合实施。上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。利用本实施方式中的光波导装置，能够解决现有薄波导耦入时存在的部分模式泄露问题，同时保证了光波导具有较薄的厚度，从而具有较好的出瞳均匀性。另外，这种装置不存在额外的光效损失，能够达到同时兼顾平面衍射光波导的光效、出瞳均匀性、厚度等指标的目的。加工方法也属于传统的光学冷加工范畴，不需要局域化镀特殊膜层等复杂工艺。

本发明的另一实施方式涉及一种设备，包括了上述实施方式中的光波导结构。本实施方式为与上述光波导结构实施方式相对应的设备的实施例，本实施方式可与上述实施方式互相配合实施。上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。具体的，本实施方式的设备可以是利用了上述光波导结构的增强现实(AR)设备和虚拟现实(VR)设备，将上述光波导结构集成到这些可穿戴设备上之后可以使设备有效解决现有薄波导耦入时存在的部分模式泄露问题，同时设备内具有较好的出瞳均匀性。另外，这种设备不存在额外的光效损失，能够达到同时兼顾平面衍射光波导的光效、出瞳均匀性、厚度等指标。加工方法也属于传统的光学冷加工范畴，不需要局域化镀特殊膜层等复杂工艺。十分轻薄便携、易实现。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光波导结构，其特征在于，包括：第一基底、第二基底、耦入光栅、耦出光栅；

所述第二基底和所述耦出光栅设置在所述第一基底的上表面，且所述耦出光栅与所述第二基底间存在预设的间隔；

所述耦入光栅设置在所述第二基底的上表面。

2.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述第一基底和所述第二基底由光学玻璃或者由光学树脂制成，所述第一基底的上表面与所述第一基底的下表面平行，所述第二基底的上表面与所述第二基底的下表面平行。

3.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，当所述第二基底有且仅有一个侧面为斜面或曲面时，所述第二基底的斜面或曲面的朝向为所述耦出光栅所在的方向。

4.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述耦入光栅的面积小于所述第二基底的面积，并且所述耦入光栅的边缘不超出所述第二基底的边缘。

5.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述第二基底的厚度大于所述第一基底的厚度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的光波导结构，其特征在于，所述第二基底的下表面与所述第一基底的上表面之间采用粘结层粘结方式、键合方式、光胶结合方式和/或模压一体成型方式进行结合。

7.根据权利要求6所述的光波导结构，其特征在于，在所述第二基底的下表面与所述第一基底的上表面之间采用粘结层进行粘结时，所述粘结层包括热固胶、紫外固化胶和/或混合固化胶水。

8.根据权利要求6所述的光波导结构，其特征在于，所述第二基底的折射率、第二基底的折射率和所述粘结层的折射率相同。

9.一种光波导装置，其特征在于，包括了权利要求1-7中任一项所述的光波导结构。

10.一种设备，其特征在于，包括了权利要求1-7中任一项所述的光波导结构。