CN212540774U - 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，包括波导单元；贴合波导单元设置的耦入光栅和耦出光栅；还包括镜像光栅；镜像光栅用于将从波导单元耦出的投影光线的耦出方向进行镜像偏折，其中，从波导单元耦出的投影光线经过镜像光栅偏折前和偏折后的输出方向关于垂直于波导单元表面的对称轴镜像对称。本申请中在波导单元上设置能够将投影光线的耦出方向进行镜像偏折的镜像光栅，在一定程度上使得不同衍射角的投影光线耦出至人眼之前经过的全反射次数更为接近，进而使得光波导输出的投影画面的颜色亮度更为均匀，提升输出画面的显示效果。本申请中还提供了一种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

本实用新型涉及光波导技术领域，特别是涉及一种光波导器件和AR显示设备。

背景技术

光栅光波导是用于将投影光机出射的光线耦入至光波导内，通过波导将投影光线导入人眼视线范围内的光学器件。但是在光栅光波导成像过程中，投影光线是需要在波导内经过多次全反射传导的，且每次入射至波导和耦出光栅的交界面时，投影光线就在该交界面产生部分光线反射部分光线耦出出射至人眼。由于光线在波导中全反射经过光栅材料时存在光吸收损耗，在耦出光栅处提前衍射、却未进入人眼的光束形成光衍射损耗，因而进入人眼的光线具有不同程度的光损耗。

在传统的光栅光波导显示方案中，小衍射角的光线因为具有更多的全反射次数，进而具有越更大的光吸收损耗；因为具有更多的衍射耦出次数，进而具有更大的光衍射损耗；相应地耦出至人眼的光线也就更暗；而大衍射角的光线因为具有更少的全反射次数，进而光吸收损失也越小；因为具有更少的衍射耦出次数，进而光衍射损失也越小；投影光线耦出至人眼的光线亮度也就更大。从投影光机出射的不同入射角度的投影光线耦出至人眼的衍射角度各不相同，进而形成波导输出画面的能量不均匀的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光波导器件和AR显示设备，提升了波导输出画面亮暗分布均匀性，进而提升投影画面的显示效果。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种光波导器件，包括波导单元；贴合所述波导单元设置的耦入光栅和耦出光栅；还包括镜像光栅；

所述耦入光栅用于将投影光机的投影光线耦入所述波导单元内，并在所述波导单元内全反射传播；

所述耦出光栅用于将所述波导单元内入射至所述波导单元和所述耦出光栅的交界面的投影光线衍射耦出所述波导单元；

所述镜像光栅用于将从所述波导单元耦出的投影光线的耦出方向进行镜像偏折，其中，从所述波导单元耦出的投影光线经过所述镜像光栅偏折前和偏折后的输出方向关于垂直于所述波导单元表面的对称轴镜像对称。

在本申请的一种可选地实施例中，所述镜像光栅设置在所述波导单元出射所述投影光线的表面。

在本申请的一种可选地实施例中，所述耦出光栅和所述镜像光栅设置在所述波导单元两个相对的表面；

或者，所述耦出光栅贴合所述波导单元设置，所述镜像光栅贴合所述耦出光栅设置。

在本申请的一种可选地实施例中，所述镜像光栅的衍射效率不小于0.8。

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厚度均为20nm～50um；所述耦入光栅与所述耦出光栅的光栅周期相等且所述光栅周期为0.6λ～0.9λ，其中λ为入射光中心波长。

在本申请的一种可选地实施例中，所述波导单元为透明玻璃平板或透明树脂平板，所述波导单元的折射率为1.5～2.0，所述波导单元的厚度为0.5mm～3mm。

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和投影光机。

本实用新型所提供的光波导器件，包括波导单元；贴合波导单元设置的耦入光栅和耦出光栅；还包括镜像光栅；耦入光栅用于将投影光机的投影光线耦入波导单元内，并在波导单元内全反射传播；耦出光栅用于将波导单元内入射至波导单元和耦出光栅的交界面的投影光线衍射耦出波导单元；镜像光栅用于将从波导单元耦出的投影光线的耦出方向进行镜像偏折，其中，从波导单元耦出的投影光线经过镜像光栅偏折前和偏折后的输出方向关于垂直于波导单元表面的对称轴镜像对称。

本申请中的光波导器件中，在波导单元上设置能够将投影光线的耦出方向进行镜像偏折的镜像光栅。由此，可以将全反射次数更少的小衍射角的投影光线偏折入射至人眼视线范围内，而将全反射次数更多的大衍射角的投影光线偏折至人眼视线范围内，在一定程度上使得不同衍射角的投影光线耦出至人眼之前经过的全反射次数更为接近，进而使得光波导输出的投影画面的颜色亮度更为均匀，提升输出画面的显示效果。

本申请中还提供了一种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为光波导中投影光线的光路结构示意图；

图2为光波导另一衍射角度的投影光线的光路结构示意图；

图3为本申请实施例提供的光波导的光路结构示意图；

图4为本申请实施例提供的光波导中另一衍射角度投影光线的光路结构示意图；

图5为本申请实施例提供的光波导的另一光路结构示意图；

图6为本申请实施例提供的光波导中另一衍射角度投影光线的光路结构示意图。

具体实施方式

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。

在光波导器件中，如图1和图2所示，图1和图2为光波导中两个不同衍射角的投影光线的光路结构示意图。

对于投影光机4而言，其出射的光线是具有一定的发散角度的，由此投影光机4投射至波导单元1内的投影光线的入射角度在一定的角度范围内。参照图1和图2，投影光机4输出的投影光线从波导单元1的一端耦入之后，需要向波导单元1的另一端进行全反射传输。图1和图2所示的光路为投影光机输出的与全反射传输方向夹角最大和最小的两路投影光线。

图1所示的投影光线经过耦入光栅2衍射耦入波导单元1后，也即形成衍射角最小的投影光线。该衍射角最小的投影光线需要经过多次全反射后，才能耦出至人眼5；并且，由于耦出光栅3和耦入光栅2的光栅周期是相等的，进而使得衍射角最小的投影光线入射至人眼5的方向指向投影光机4的一侧，也即是说实际入射至人眼5的光线是波导单元1上更远离投影光机4的位置点耦出的投影光线，也即是说入射至人眼5的投影光线经过更多次全反射之后才入射至人眼5中。

图2中所示的投影光线经过耦入光栅2衍射耦入波导单元1后，也即形成衍射角最大的投影光线。相对于图1而言，该衍射角最大的投影光线显然经过全反射的次数更少，即可经过耦出光栅3耦出出射至人眼5中；且同样因为耦出光栅3和耦入光栅2的光栅周期是相等的，使得衍射角最大的投影光线入射至人眼5的方向指向偏离投影光机4的一侧，相对于图1中的投影光线而言，图2中实际入射至人眼5的光线是波导单元1上距离投影光机4更近的位置点耦出的投影光线，也即是说投影入射至人眼5的投影光线经过更少的全反射之后入射至人眼5。

基于图1和图2对比可知，投影光机4投射至人眼5中的投影光线，入射光线的方向和波导单元1中投影光线全反射方向之间的夹角越大的投影光线，入射至人眼5中的亮度越大；反之，夹角越小亮度越小，这在一定程度上造成投影光机4不同方向入射的光线最终形成的显示画面明暗不均匀的问题。

另外，参考图1和图2可知，对于图1中的投影光线在入射至人眼5之前，就经过多次耦出波导单元1，却未被人眼5接收，同样造成光能损失，进一步增加画面明暗不均匀的问题。

为此本申请中提供了一种在波导单元对耦入的投影光机的投影光线耦出输出时，提高投影光线耦出形成显示画面的亮度分布均匀性。

下面将以具体实施例进行举例说明。如图3至图6所示，图3至图6为本申请实施例提供的光波导器件的四个不同的光路结构示意图。该光波导器件可以包括：

波导单元1；

贴合波导单元1设置的耦入光栅2和耦出光栅3；还包括镜像光栅6；

耦入光栅2用于将投影光机4的投影光线耦入波导单元1内，并在波导单元1内全反射传播；

耦出光栅3用于将波导单元1入射至波导单元1和耦出光栅3的交界面的投影光线从波导单元1衍射耦出；

镜像光栅6用于将耦出光栅3从波导单元1耦出的投影光线的耦出方向进行镜像偏折。

其中，从波导单元1耦出的投影光线经过镜像光栅6偏折前和偏折后的输出方向关于垂直于波导单元1表面的对称轴镜像对称。

如图3至图6所示，投影光机4向波导元件1的一端入射投影光线，经过耦入光栅2的衍射作用，投影光线在波导元件1中发生衍射，进而传播方向和角度发生变化，进而可以在波导单元1中发生全反射，最终通过耦出光栅3的衍射作用，对投影光线进行多次的部分衍射部分反射，实现投影光线耦出至人眼5。因为对于耦入光栅2和耦出光栅3在光波导器件中的作用以及布局方式和图1以及图2中类似，对此不再详细赘述。

本实施例中的光波导器件相对于常规的光波导器件而言，在波导单元1上增加了一个镜像光栅6。该镜像光栅6可以将对从波导单元1中耦出的投影光线进行衍射，使得该投影光线的耦出方向发生偏折。

如图3至图6中带箭头的虚线所示的投影光线也即是未经过镜像光栅6的衍射偏折作用前的耦出方向，而与带箭头的虚线关于点划线对称的带箭头的实线也即是经过镜像光栅6衍射偏折后投影光线的耦出方向。其中，点划线也是经过镜像光栅6衍射偏折前后的投影光线的镜像对称轴，该点划线垂直于波导单元1。

将图3和图5与图1对比，本申请中耦入波导单元1后衍射角小的投影光线，在耦出波导单元1时，经过多次全反射后向外衍射出射，因为镜像光栅6的作用，图3和图5相对于图1而言，投影光线出射至人眼5的方向由指向投影光机4的一侧变为指向偏离投影光机4的一侧；相应地，投影至人眼5的投影光线是波导单元1上更靠近投影光机4的一端的投影光线耦出至人眼5，也即是经过的反射次数更少的投影光线耦出至人眼5。

同理将图4和图6与图2对比，经过镜像光栅6耦出的投影光线的方向也图2中由指向背离投影光机4一侧偏折为图4和图6中指向投影光机4一侧，相应地，相对于图2中的投影光线，人眼5接收到的投影光线应当是波导单元1上更远离投影光机4的位置点耦出的光线。

也就是说本实施例中人眼5接收到的投影光线中，衍射角小的投影光线是波导单元1上更靠近投影光机4的位置点耦出的投影光线，而衍射角大的投影光线是波导单元1上更远离投影光机4的位置点耦出的投影光线，也即是说衍射角小的投影光线入射至人眼5之前，在波导单元1中全反射传播方向传导的距离比衍射角大的投影光线传导的距离短；而又因为衍射角小的投影光线发生全反射的角度更小，同一段传播距离全反射次数更多，而衍射角大的投影光线发射全反射的角度更大，同一段传播距离全反射次数少，由此，在一定程度上实现衍射角大的投影光线和衍射角小的投影光线在入射至人眼5前，在波导中发生全反射的次数大致均衡，相应地因全反射损失的光能也就更为接近，那么人眼5观测到的投影画面的明暗程度也就越趋于均匀，进而在很大程度上提升投影画面的显示效果，提升用户的使用体验。

综上所述，本申请中在波导单元上增加设置镜像光栅，使得波导单元耦出的投影光线发生镜像偏折，进而改变不同衍射角的投影光线投影入射至人眼5的位置，使得不同衍射角的投影光线衍射入射至人眼5之前，因全反射时的材料吸收和衍射耦出产生的光能损失更为均衡，进而在很大程度上提升投影光线形成的投影画面的明暗均匀性，提高显示画面的显示效果。

可选地，对于镜像光栅6，如图3至图6所示，一般是设置在波导单元1耦出投影光线的表面。

对于耦出光栅3而言，包括反射耦出光栅，如图3和图4所示，投影光线经过波导单元1和耦出光栅3之间的交界面发生反射衍射，从波导单元1未设置耦出光栅3的表面耦出，此时镜像光栅6和耦出光栅3分别设置在波导单元1的两个不同的表面。

耦出光栅3还可以是透射耦出光栅，如图5和图6所示，投影光线入射至波导单元1和耦出光栅3的交界面时，发生透射衍射，从波导单元1设置耦出光栅3的一侧透射衍射出射，此时镜像光栅6贴合耦出光栅3背离波导单元1的表面设置。

可选地，为了尽可能的减小镜像光栅6对耦出的投影光线造成的能量损失，应当尽可能的选用衍射效率高的光栅，该镜像光栅6的衍射效率应当不小于0.8，更优选的是采用衍射效率为1.0的光栅。

如前所述，对于耦出光栅3和耦入光栅2而言，需要采用周期相同的光栅，耦出光栅3和耦入光栅6的周期可以是0.6λ～0.9λ，其中λ为入射光中心波长。并且耦出光栅3和耦入光栅2的厚度可以是20nm～50um。

对于波导单元1可以采用透明玻璃平板或透明树脂平板，波导单元1的折射率为1.5～2.0，波导单元1的厚度为0.5mm～3mm。

本申请中还公开了一种AR显示设备的实施例，该AR显示设备可以包括如上任意实施例所述的光波导器件和投影光机4。

投影光机4向光波导投射投影光线，投影光线经过光波导器件中的耦入光栅2的衍射作用在光波导器件的波导单元1中全反射传输，并经过耦出光栅3的衍射作用耦出至人眼5视线范围内，又因为镜像光栅6对从波导单元1耦出的投影光线的方向进行偏折，进而使得投影光机4输出的不同角度的投影光线入射至人眼5时的亮度更为均匀，提升投影画面的显示效果，进而提升用户的使用体验。

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。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。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，包括波导单元；贴合所述波导单元设置的耦入光栅和耦出光栅；还包括镜像光栅；

所述耦入光栅用于将投影光机的投影光线耦入所述波导单元内，并在所述波导单元内全反射传播；

所述耦出光栅用于将所述波导单元内入射至所述波导单元和所述耦出光栅的交界面的投影光线衍射耦出所述波导单元；

所述镜像光栅用于将从所述波导单元耦出的投影光线的耦出方向进行镜像偏折，其中，从所述波导单元耦出的投影光线经过所述镜像光栅偏折前和偏折后的输出方向关于垂直于所述波导单元表面的对称轴镜像对称。

2.如权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述镜像光栅设置在所述波导单元出射所述投影光线的表面。

3.如权利要求2所述的光波导器件，其特征在于，所述耦出光栅和所述镜像光栅设置在所述波导单元两个相对的表面；

或者，所述耦出光栅贴合所述波导单元设置，所述镜像光栅贴合所述耦出光栅设置。

4.如权利要求2所述的光波导器件，其特征在于，所述镜像光栅的衍射效率不小于0.8。

5.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厚度均为20nm～50um；所述耦入光栅与所述耦出光栅的光栅周期相等且所述光栅周期为0.6λ～0.9λ，其中λ为入射光中心波长。

6.如权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述波导单元为透明玻璃平板或透明树脂平板，所述波导单元的折射率为1.5～2.0，所述波导单元的厚度为0.5mm～3mm。

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和投影光机。

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