波导结构和增强现实显示设备的制作方法

1.本公开涉及波导增强的技术领域，更具体地，涉及一种波导结构和具有该波导结构的增强现实显示设备。


背景技术：

2.相关技术中，波导光学器件可以应用在一系列显示器和传感器领域，光波导器件包括多个光栅层，通过编码复用实现多个光学功能，从而在近眼显示器中实现增强现实(ar)和虚拟现实(vr)紧凑型的创新型应用。
3.目前波导光学器件具有显示视场小和显示出瞳位置不合理的问题。


技术实现要素：

4.本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本公开一方面的实施例提出一种波导结构，该波导结构中合理的安排耦入光栅、第一中继光栅、第二中继光栅和耦出光栅的相对位置，保证出瞳位置在更合理的位置，保证佩戴时系统的舒适性。
6.本公开另一方面的实施例提出一种具有该波导结构的增强现实显示设备。
7.根据本公开第一方面实施例的波导结构包括：基底；耦入光栅，所述耦入光栅设在所述基底上；第一中继光栅，所述第一中继光栅设在所述基底上，且所述第一中继光栅与所述耦入光栅沿第一方向间隔设置；第二中继光栅，所述第二中继光栅设在所述基底上，且所述第二中继光栅与所述耦入光栅沿第二方向间隔设置，所述第一方向与所述第二方向正交；耦出光栅，所述耦出光栅设在所述基底上，所述第一中继光栅与所述耦出光栅沿所述第二方向间隔设置，所述第二中继光栅与所述耦出光栅沿所述第一方向间隔设置。
8.根据本公开实施例的波导结构，通过在基底上设置耦入光栅、第一中继光栅、第二中继光栅和耦出光栅，且耦入光栅和第一中继光栅沿第一方向间隔设置，第二中继光栅和耦出光栅沿第一方向间隔设置，耦入光栅和第二中继光栅沿第二方向间隔设置，第一中继光栅和耦出光栅沿第二方向间隔设置，由此，耦入光栅、第一中继光栅、第二中继光栅和耦出光栅大体成四角分布，本公开实施例的波导结构中合理的安排耦入光栅、第一中继光栅、第二中继光栅和耦出光栅的相对位置，保证出瞳位置在更合理的位置，保证佩戴时系统的舒适性。
9.在一些实施例中，所述耦入光栅、所述第一中继光栅、所述第二中继光栅和所述耦出光栅中的至少一者为体全息光栅。
10.在一些实施例中，所述耦入光栅、所述第一中继光栅、所述第二中继光栅和所述耦出光栅均为多个，多个所述耦入光栅沿所述基底的厚度方向重叠设置，多个所述第一中继光栅沿所述基底的厚度方向重叠设置，多个所述第二中继光栅沿所述基底的厚度方向重叠设置，多个所述耦出光栅沿所述基底的厚度方向重叠设置。
11.在一些实施例中，所述耦入光栅、所述第一中继光栅、所述第二中继光栅和所述耦
出光栅的数量一致。
12.在一些实施例中，多个所述耦入光栅的光栅周期彼此不同，多个所述第一中继光栅的光栅周期彼此不同，多个所述第二中继光栅的光栅周期彼此不同，多个所述耦出光栅的光栅周期彼此不同。
13.在一些实施例中，多个所述耦入光栅的光栅条纹倾斜分布彼此不同，多个所述第一中继光栅的光栅条纹倾斜分布彼此不同，多个所述第二中继光栅的光栅条纹倾斜分布彼此不同，多个所述耦出光栅的光栅条纹倾斜分布彼此不同。
14.在一些实施例中，所述耦入光栅、所述第一中继光栅、所述第二中继光栅和所述耦出光栅中的每一者均经过多次曝光以形成多层光栅层。
15.在一些实施例中，所述耦入光栅、所述第一中继光栅、所述第二中继光栅和所述耦出光栅的光栅层的层数一致。
16.在一些实施例中，所述的波导结构还包括保护板，所述保护板和所述基底相连，所述耦入光栅、所述第一中继光栅、所述第二中继光栅和所述耦出光栅位于所述保护板与所述基底之间。
17.根据本公开第二方面实施例的增强现实显示设备包括上述任一项实施例所述的波导结构。
18.根据本公开实施例的增强现实显示设备中的波导结构通过合理的安排耦入光栅、第一中继光栅、第二中继光栅和耦出光栅的相对位置，保证出瞳位置在更合理的位置，保证佩戴时系统的舒适性。
附图说明
19.图1是根据本公开实施例的波导结构的剖视图。
20.图2是根据本公开实施例的波导结构中耦入光栅到第一中继光栅的光线传输示意图。
21.图3是根据本公开实施例的波导结构中第二中继光栅到耦出光栅的光线传输示意图。
22.图4是根据本公开实施例的波导结构中光栅复用扩大fov示意图。
23.图5是根据本公开实施例的波导结构中第一层耦入光栅对光线的方向调制示意图。
24.图6是根据本公开实施例的波导结构中第二层耦入光栅对光线的方向调制示意图。
25.图7是根据本公开实施例的波导结构中第一层耦入光栅微结构对光线方向调制的示意图。
26.图8是根据本公开实施例的波导结构中第二层耦入光栅微结构对光线方向调制的示意图。
27.图9是根据本公开实施例的增强现实显示设备的示意图。
28.附图标记：
29.波导结构100，基底1，耦入光栅2，第一中继光栅3，第二中继光栅4，耦出光栅5，保护板6，增强现实显示设备200。
具体实施方式
30.下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
31.如图1-图8所示，根据本公开实施例的波导结构100包括基底1、耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4、耦出光栅5。
32.耦入光栅2设在基底1上，第一中继光栅3设在基底1上，且第一中继光栅3与耦入光栅2沿第一方向(例如图1中所示的左右方向)间隔设置，第二中继光栅4设在基底1上，且第二中继光栅4与耦入光栅2沿第二方向(例如图1中所示的上下方向)间隔设置，第一方向与第二方向正交，耦出光栅5设在基底1上，第一中继光栅3与耦出光栅5沿第二方向间隔设置，第二中继光栅4与耦出光栅5沿第一方向间隔设置。
33.具体地，如图1所示，基底1大体为平板结构，耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5均设在基底1上，且耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5的横截面均为矩形。
34.其中，耦入光栅2具有沿左右方向的长度和沿上下方向的宽度，第一中继光栅3具有沿左右方向的长度和沿上下方向的宽度，耦出光栅5具有沿左右方向的长度和沿上下方向的宽度，以及第二中继光栅4具有沿左右方向的宽度和沿上下方向的长度。
35.耦入光栅2与第一中继光栅3的宽度一致，第一中继光栅3与耦出光栅5的长度一致，耦入光栅2的长度与第二中继光栅4的宽度一致，第二中继光栅4的长度与耦出光栅5的宽度一致。
36.根据本公开实施例的波导结构100，通过在基底1上设置耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5，且耦入光栅2和第一中继光栅3沿左右方向间隔设置，第二中继光栅4和耦出光栅5沿左右方向间隔设置，耦入光栅2和第二中继光栅4沿上下方向间隔设置，第一中继光栅3和耦出光栅5沿上下方向间隔设置，由此，耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5大体成四角分布，本公开实施例的波导结构100中合理的安排耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5的相对位置，保证出瞳位置在更合理的位置，保证佩戴时系统的舒适性。
37.在一些实施例中，耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5中的至少一者为体全息光栅。
38.可以理解的是，体全息光栅特有的衍射属性以及加工材料特性使其具有极强的角度和波长选择性。其中，体全息光栅的强波长选择性保证光栅复用时不会出现色彩串扰和鬼像，保证系统视场角和出瞳扩大的同时具有更好地显示效果。
39.具体地，如图2-图3所示，图2和图3分别为耦入光栅2到第一中继光栅3，和第二中继光栅4到耦出光栅5的光线传输示意图。
40.如图2所示，光线1垂直入射，光线1通过基底1到达耦入光栅2，耦入光栅2对光线方向进行调制，保证光线在基底1中实现全反射，多次全反射后的光线到达第一中继光栅3，第一中继光栅3对光线方向再次进行调制。入射到第一中继光栅3的光线2，经过第一中继光栅3调制后沿基底1的厚度方向平直射出。
41.同样地，耦入光栅2到第二中继光栅4的光线传输过程与耦入光栅2到第一中继光栅3的光线传输过程类似。
42.如图3所示，光线1垂直入射，光线1通过基底1到达第二中继光栅4，第二中继光栅4对光线方向进行调制，保证光线在基底1中实现全反射，多次全反射后的光线到达耦出光栅5，耦出光栅5对光线方向再次进行调制。入射到耦出光栅5的光线5，经过耦出光栅5调制后沿基底1的厚度方向平直射出，其中，基底1的厚度方向为图3中所示的前后方向。本公开通过耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5实现波导结构100的二维扩瞳。
43.优选地，第一中继光栅3和第二中继光栅4在加工过程中，能够通过调整信号光与参考光的相对位置以及曝光参数，保证视场的均匀性。
44.在一些实施例中，耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5均为多个，多个耦入光栅2沿基底1的厚度方向重叠设置(未示出)，多个第一中继光栅3沿基底1的厚度方向重叠设置，多个第二中继光栅4沿基底1的厚度方向重叠设置，多个耦出光栅5沿基底1的厚度方向重叠设置。
45.可以理解的是，体全息光栅材料的折射率调制度参数较小，极大地限制了波导增强现实显示系统的视场角。因此，本公开实施例的波导结构100中采用多层体全息光栅复用的方案，每层光栅设计彼此不同结构，处理特定方向范围内的入射光线，通过多层光栅堆叠的方式扩大显示系统的视场角。
46.其中，光栅层厚度一般为几微米到十几微米，增加光栅层对波导结构100的整体厚度不会产生影响。
47.在一些实施例中，耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5的数量一致。
48.可以理解的是，多个耦入光栅2沿基底1的厚度重叠设置，定义邻近基底1的耦入光栅2为第一层耦入光栅2。
49.同样地，定义邻近基底1的第一中继光栅3为第一层第一中继光栅3，定义邻近基底1的第二中继光栅4为第一层第二中继光栅4，定义邻近基底1的耦出光栅5为第一层耦出光栅5。耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5的数量一致，则每一层的耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5彼此一一对应，由此，本公开通过多层结构叠加的方式可以扩展整个器件对角度的调制范围，继而扩大系统的显示视场。
50.进一步地，如图4-图6所示，其中，图4为通过两层光栅复用扩大系统显示fov的示意图，多层光栅相对应调制彼此不同入射角度的光线。图5为第一层光栅对特定方向范围内的入射光线的调制，图6为第二层光栅对特定方向范围的入射光线的调制。
51.在一些实施例中，如图7-图8所示，多个耦入光栅2的光栅周期彼此不同，多个第一中继光栅3的光栅周期彼此不同，多个第二中继光栅4的光栅周期彼此不同，多个耦出光栅5的光栅周期彼此不同。
52.在一些实施例中，如图7-图8所示，多个耦入光栅2的光栅条纹倾斜分布彼此不同，多个第一中继光栅3的光栅条纹倾斜分布彼此不同，多个第二中继光栅4的光栅条纹倾斜分布彼此不同，多个耦出光栅5的光栅条纹倾斜分布彼此不同。
53.具体地，两层耦入光栅2入射的信号光线与衍射光线在光栅中的传播如图7-图8所示，对比图7、图8两层耦入光栅2的微结构可以看出，两层光栅的光栅周期和光栅条纹倾斜分布均彼此不同，光栅周期和条纹分布决定光栅对耦入光线的方向调制。
54.进一步地，在实际应用中，光栅的复用结构并不局限于两层，也可加工多层彼此不
同结构，进一步扩大显示视场。
55.在一些实施例中，耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5中的每一者均经过多次曝光以形成多层光栅层。
56.可以理解的是，由于体全息材料的特殊性，可以在一层材料上通过控制曝光时间和曝光计量，调整记录光路并进行多次曝光，实现与多层光栅相同的性能。
57.在一些实施例中，耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5的光栅层的层数一致。
58.在一些实施例中，如图2-图3所示，波导结构100还包括保护板6，保护板6和基底1相连，耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5位于保护板6与基底1之间。
59.具体地，如图2-图3所示，保护板6和基底1大体均为平板结构，保护板6和基底1的表面紧密贴合在一起，耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5位于保护板6与基底1之间。
60.如图9所示，根据本公开第二方面实施例的增强现实显示设备200包括上述任一项实施例的波导结构100。
61.根据本公开实施例的增强现实显示设备200中的波导结构100通过合理的安排耦入光栅2、第一中继光栅3、第二中继光栅4和耦出光栅5的相对位置，保证出瞳位置在更合理的位置，保证佩戴时系统的舒适性。
62.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
63.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
64.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
65.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
66.在本公开中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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公开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必须针对的是相同的实
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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的彼此不同实施例或示例以及彼此不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
67.尽管上面已经示出和描述了本公开的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本公开的限制，本领域的普通技术人员在本公开的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。