一种光波导模组及AR显示装置的制作方法

一种光波导模组及ar显示装置
技术领域
1.本发明涉及光波导技术领域，尤其涉及的是一种光波导模组及ar显示装置。


背景技术：

2.在增强现实(augmented reality，ar)、混合现实(mixed reality，mr) 领域，相比bird bath(bb，半反半透式)、虫眼(离轴反射式)、自由曲面棱镜等显示方案，光波导方案更轻薄、眼盒更大，因此有更广阔的应用前景。在光波导方案中，相比使用部分透反膜的阵列光波导，衍射光波导生产制备工艺难度更低，在实现二维扩瞳(两个维度的出瞳拓展)时不存在栅格状暗条纹，因此更受关注。
3.衍射光波导通常设置耦入区、耦出区，也有可能存在一或多个中间分区或称转折区。衍射光波导方案中的耦入区将自由空间光束(由光引擎投影至光波导)转换成在光波导基底中以全反射形式传输的光束，耦出区执行逆过程，将以全反射形式传输的光束部分转换为自由空间光束为人眼所接收。转折区(若存在)将全反射形式传输的光束部分改变传输方向，以新的方向继续全反射形式的传输。当全反射传输的光线部分改变传输方向时，由于另一部分传输方向不变，则完成了一次出瞳拓展。
4.现有技术中，如图1和图2所示，光引擎镜头出瞳孔径光阑为圆形，耦入区一般也为圆形，不过在光引擎镜头出瞳孔径光阑呈圆形的设置下，出瞳拓展时光斑间容易出现空隙或交叠，则耦出光线能量分布不均匀，造成人眼观看效果明暗不均匀和/或色彩不均匀。
5.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光波导模组及ar显示装置，旨在解决现有技术中光波导模组的能量分布不均匀的问题。
7.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
8.一种光波导模组，其中，包括：
9.一或多个光源结构，用于产生初始光束，所述初始光束的横截面为多边形，所述多边形的边数大于3；
10.光波导结构，位于所述光源结构的出光方向上；
11.一或多个耦入结构和一或多个耦出结构，设置于所述光波导结构；
12.其中，所述初始光束自所述耦入结构耦入所述光波导结构后从所述耦出结构耦出多个耦出光束；
13.所述耦出光束的多边形顶点与相邻的耦出光束的相邻边之间的距离小于或等于预设阈值；其中，所述相邻边是指相邻的耦出光束的边中与所述耦出光束的多边形顶点的距离最小的边，该距离为非负数。
14.所述的光波导模组，其中，所述多边形满足如下关系：
[0015][0016]
其中，π表示圆周率，d
max
表示多边形外接圆的直径，s表示多边形的面积。
[0017]
所述的光波导模组，其中，所述耦出光束的多边形顶点与相邻的耦出光束的相邻边之间的距离为0，以形成密铺光束；
[0018]
所述多边形为矩形或对边平行的六边形；
[0019]
所述矩形满足如下关系：
[0020][0021]
其中，l表示矩形的长边，w表示矩形的短边。
[0022]
所述的光波导模组，其中，所述矩形为正方形；所述对边平行的六边形为正六边形，所述耦出光束的多边形顶点与相邻的耦出光束的相邻边之间的距离为0。
[0023]
所述的光波导模组，其中，所述多边形为类正方形或类正六边形；
[0024]
其中，所述类正方形为正四边形的四个角设置倒角而形成的；
[0025]
所述类正六边形为正六边形的六个角设置倒角而形成的，所述倒角为若干个直线段和/或曲线段连接形成的倒角。
[0026]
所述的光波导模组，其中，所述光源结构包括：
[0027]
图像源结构，用于发出光束；
[0028]
投影装置，位于所述图像源结构的出光方向上；
[0029]
光阑，位于所述投影装置的投影方向上；
[0030]
其中，所述光阑内通光孔形状为多边形。
[0031]
所述的光波导模组，其中，所述图像源结构选自led图像源结构、lcd 图像源结构、dlp图像源结构、lcos图像源结构、lbs mems图像源结构或fsd图像源结构。
[0032]
所述的光波导模组，其中，所述光波导结构包括玻璃波导基底、树脂波导基底、塑料波导基底、透明陶瓷波导基底中的至少一种；和/或
[0033]
所述耦入结构包括：表面浮雕光栅和/或体布拉格光栅；所述耦出结构包括：表面浮雕光栅和/或体布拉格光栅；其中，所述表面浮雕光栅采用固定折射率材料或梯度折射率材料；所述体布拉格光栅采用液晶材料或卤化银材料；和/或
[0034]
所述耦入结构的上方和/或下方设置有膜层；所述膜层包括介质膜和/ 或金属膜，所述膜层位于所述光波导结构与所述耦入结构之间，和/或位于所述耦入结构远离所述光波导结构的一侧；和/或
[0035]
所述耦出结构的上方和/或下方设置有膜层；所述膜层包括介质膜和/ 或金属膜，所述膜层位于所述光波导结构与所述耦出结构之间，和/或位于所述耦出结构远离所述光波导结构的一侧。
[0036]
所述的光波导模组，其中，所述耦入结构位于所述光波导结构的一侧或两侧；和/或
[0037]
所述耦出结构位于所述光波导结构的一侧或两侧；和/或
[0038]
所述光波导模组还包括转折结构，设置于所述光波导结构，所述耦入结构耦入的
初始光束经过所述转折结构传输至所述耦出结构，所述转折结构位于所述光波导结构的一侧或两侧；和/或
[0039]
所述光波导结构采用单层光波导或多层光波导；其中，当所述光波导结构采用多层光波导时，各层光波导的结构相同或不相同。
[0040]
一种ar显示装置，其中，包括：如上述任一项所述的光波导模组。
[0041]
有益效果：由于光源结构产生的初始光束为多边形的光束，因此自耦出结构耦出的耦出光束也是多边形的光束；初始光束出瞳拓展形成多个耦出光束时，耦出光束的多边形顶点与相邻的耦出光束多边形相邻边之间的距离小于预设阈值，使得多边形的耦出光束形成的交叠和间隙更少，提高了能量分布均匀性。
附图说明
[0042]
图1是现有技术中耦出光束交叠的示意图。
[0043]
图2是现有技术中耦出光束存在间隙的示意图。
[0044]
图3是本发明中光阑的第一类结构示意图。
[0045]
图4是本发明中光阑的第二类结构示意图。
[0046]
图5是本发明中正方形的耦出光束的示意图。
[0047]
图6是本发明中平行四边形的耦出光束的示意图。
[0048]
图7是本发明中梯形的耦出光束的示意图。
[0049]
图8是本发明中五边形的耦出光束的示意图。
[0050]
图9是本发明中对边平行的六边形的耦出光束的示意图。
[0051]
图10是本发明中对边平行的十二边形的耦出光束的第一示意图。
[0052]
图11是本发明中对边平行的十二边形的耦出光束的第二示意图。
[0053]
图12是本发明中类正方形的耦出光束的示意图。
[0054]
图13是本发明中类正六边形的耦出光束的示意图。
[0055]
图14是本发明中倒角的第一示意图。
[0056]
图15是本发明中倒角的第二示意图。
[0057]
图16是本发明中倒角的第三示意图。
[0058]
图17是本发明中光波导结构的第一类结构示意图。
[0059]
图18是本发明中光波导结构的第二类结构示意图。
[0060]
图19是本发明中光波导结构的第三类结构示意图。
[0061]
图20是本发明中光波导结构的第四类结构示意图。
[0062]
图21是本发明中光波导结构的第五类结构示意图。
[0063]
图22是本发明中光波导结构的第六类结构示意图。
[0064]
图23是本发明中光波导结构的侧视图。
[0065]
附图标记说明：
[0066]
10、耦出光束；11、多边形顶点；12、相邻边；13、倒角；20、光波导结构；30、耦入结构；40、耦出结构；50、转折结构；60、光阑；61、多边形孔；70、膜层。
具体实施方式
[0067]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0068]
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。
[0069]
还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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发明和简化描述，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，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
[0070]
请同时参阅图1-图22，本发明提供了一种光波导模组的一些实施例。
[0071]
如图5和17所示，本发明的光波导模组包括：
[0072]
光源结构，用于产生初始光束，所述初始光束的横截面为多边形，所述多边形的边数(需要说明的是，类多边形的倒角不纳入边数的计算，也就是说这里的类多边形的边不包括倒角边)大于3；
[0073]
光波导结构20，位于所述光源结构的出光方向上；
[0074]
耦入结构30和耦出结构40，设置于所述光波导结构20；
[0075]
其中，所述初始光束自所述耦入结构30耦入所述光波导结构20后从所述耦出结构40耦出多个耦出光束10；
[0076]
所述耦出光束10的多边形顶点11与相邻的耦出光束10多边形相邻边 12之间的距离小于或等于预设阈值；其中，所述相邻边12是指相邻的耦出光束10多边形的边中与耦出光束10的多边形顶点11的距离最小的边，该距离为非负数。
[0077]
值得说明的是，光源结构是指发出光束的结构，如图23所示，光波导结构20是指使光束在内部传输的结构，耦入结构30是指将光束耦入到光波导结构20中的结构，耦出结构40是指将光波导结构20中的光束耦出的结构。多边形顶点11是指多边形相邻两条边的交点，或者两条边的延长线的交点(类多边的相邻两条边的延长线的交点作为该类多边形的多边形顶点)，多边形顶点11的数量与多边形的边数(不包括类多边形的倒角边) 相同。
[0078]
通常，对于耦出光束10的某一多边形顶点11而言，在相邻的耦出光束10的所有边中存在一个距离最近的边，因此，将该边作为相邻边12；当耦出光束10的多边形顶点11与相邻的耦出光束10的多边形顶点11重合时，该相邻的耦出光束10存在两个与所述多边形顶点11距离最近的边，也就是说，相邻的耦出光束10中存在两个相邻边，且两个相邻边分别与耦出光束10的多边形顶点11的距离均为0。耦出光束10的任一多边形顶点 11与其相邻边12可以是相间隔(所述多边形顶点11位于相邻的耦出光束 10之外)，重合(所述多边形顶点11位于相邻的耦出光束10的某一条边或其延长线上)或重叠(所述多边形顶点11位于相邻的耦出光束10之内)。在重合时，多边形顶点11与相邻边12之间的距离为0，在间隔或重叠时，多边形顶点11与相邻边12之间的距离不为0。
[0079]
由于光源结构产生的初始光束为多边形的光束，耦出结构40的耦出光束10也是多边形的光束。初始光束出瞳拓展形成多个耦出光束10时，耦出光束10的多边形顶点11与相邻的耦出光束10的相邻边12之间的距离小于预设阈值，使得多边形的耦出光束10形成的交叠和间隙更少，提高了能量分布均匀性。光源结构产生的初始光束可以是可见光，例如，可以是红、蓝、绿或其他颜色中的一个或多个组合。
[0080]
需要说明的是，这里的多边形是指边数(不包括类多边形的倒角边) 大于3的多边形，也就是说，多边形的边数可以是4、5、6、7等。由于三角形的光束在出瞳拓展时，三角形不能旋转，因此，形成的交叠和间隙较多。
[0081]
如图5-7所示，采用四边形时，若四边形为平行四边形(具体如图5 和图6所示)，则多边形顶点11与相邻边12之间的距离为0时，没有交叠，也没有间隙；若四边形为除平行四边形之外的四边形(如图7所示，采用梯形)，则多边形顶点11与相邻边12之间的距离不完全为0，可能有部分交叠或间隙；其中，不完全为0是指，一个耦出光束10所有多边形顶点11 与对应相邻边的距离中，存在不为0的情况。如图8所述，采用五边形时，多边形顶点11与相邻边12之间的距离不完全为0，可能有部分交叠或间隙。如图9所示，采用六边形时，若六边形为对边平行的六边形，则多边形顶点11与相邻边12之间的距离为0时，没有交叠，也没有间隙；若六边形为除对边平行的六边形之外的六边形，则多边形顶点11与相邻边12之间的距离不完全为0，可能有部分交叠或间隙。采用七边形及七边以上的多边形(如图10-图11所示，采用十二边形)时，多边形顶点11与相邻边12 之间的距离不完全为0，可能有部分交叠或间隙。本发明各实施例所述的多边形光束在出瞳拓展时，形成的交叠和间隙较少，光束的均匀性较高。
[0082]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图4所示，所述多边形满足如下关系：
[0083][0084]
其中，π表示圆周率，d
max
表示多边形外接圆的直径，s表示多边形的面积。
[0085]
具体地，为了确保光源结构产生的初始光束具有较高的能量利用率，排除低能量利用率的多边形的光束。当时，多边形的面积占外接圆的面积的比例较小，能量利用率较低。
[0086]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图5、图6以及图9所示，所述耦出光束10的多边形顶点11与相邻的耦出光束10的相邻边12的距离为0，以形成密铺光束。
[0087]
具体地，密铺光束是指没有交叠部分或间隙部分的光束。耦出光束10 的多边形顶点11与相邻的耦出光束10的相邻边12的距离为0时，各耦出光束10之间没有交叠，也没有间隙，则可以形成密铺光束，光束的均匀性最高。所述多边形为平行四边形或对边平行的六边形时，也可以实现耦出光束10的多边形顶点11与相邻的耦出光束10的相邻边12的距离为0。
[0088]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图5和图9所示，在平行四边形中，矩形光束的能量利用率较高，因此，多边形采用矩形。多边形采用矩形或对边平行的六边形或对边平行的六边形，可以形成密铺光束，且光束的能量利用率较高。
[0089]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3所示，所述矩形满足如下关系：
mechanical systems)是指激光微机电扫描振镜显示。fsd图像源结构是指基于光纤扫描显示器的图像源结构，fsd(fiber scanning display) 表示光纤扫描显示器。
[0104]
led图像源结构采用micro led图像源结构、mini-led图像源结构或 micro oled图像源结构，led图像源结构为主动发光器件，不需要额外的照明光源，可以单独形成图像源结构。
[0105]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述光波导结构20包括玻璃波导基底、树脂波导基底、塑料波导基底、透明陶瓷波导基底中的至少一种。塑料波导基底，如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)波导基底，聚碳酸酯 (pc)波导基底等。光波导结构20可以采用单层基底或多层基底，采用多层基底时，各层基底上的光栅结构(光栅结构包括耦入结构30、耦出结构 40、转折结构50中的至少一种)，可以相同，也可以不相同。
[0106]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述耦入结构30包括：表面浮雕光栅和/或体布拉格光栅。所述耦出结构40包括：表面浮雕光栅和/或体布拉格光栅。耦入结构30和耦出结构40可以根据需要选择表面浮雕光栅和/或体布拉格光栅。
[0107]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述表面浮雕光栅包括：直槽光栅层、斜齿光栅层、闪耀光栅层、台阶光栅层、曲面光栅层、体全息光栅层中的至少一种。
[0108]
具体地，直槽光栅层中光栅槽的截面呈矩形，矩形的角可以具有倒角，例如圆倒角等，斜齿光栅层中光栅槽的截面呈平行四边形或梯形，闪耀光栅层中的光栅槽的截面呈三角形，台阶光栅层中的光栅槽的截面呈阶梯状，曲面光栅层中光栅槽的截面呈弧形，这里的弧形包括至少一个曲线，有多个曲线时多个曲线依次连接；除了曲线，弧形还可以包括直线，直线与曲线相连接。可以根据需要确定光栅槽的形状，从而采用不同的光栅层。
[0109]
所述表面浮雕光栅采用固定折射率材料或梯度折射率材料(grin)。所述体布拉格光栅采用液晶材料(包括液晶分散聚合物等)或卤化银材料。根据需要设置耦入结构30的折射率以及耦出结构40的折射率。
[0110]
具体地，耦入结构30设置于光波导结构20的一侧或两侧，也可以设置于光波导结构20的内部。耦出结构40设置于光波导结构20的一侧或两侧，也可以设置于光波导结构20的内部。耦入结构30和耦出结构40可以设置在光波导结构20的同一侧或两侧。耦入结构30采用一维光栅或二维光栅，耦出结构40也可以采用一维光栅或二维光栅。
[0111]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述光波导模组还包括转折结构50，设置于所述光波导结构20，所述耦入结构30耦入的光束经过所述转折结构50传输至所述耦出结构40。转折结构50可以设置于光波导结构20的一侧或两侧，还可以设置于光波导结构20的内部。如图17和图18 所示，耦入结构30位于耦出结构40的左上角的对应位置上，转折结构50 位于耦出结构40的左侧边或上侧边的对应位置上。当然，在其他的实现方式中，耦入结构30位于耦出结构40的右上角的对应位置上，转折结构50 位于耦出结构40的右侧边或上侧边的对应位置上。
[0112]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述光波导结构采用单层光波导或多层光波导；其中，当所述光波导结构采用多层光波导时，各层光波导的结构相同或不相同。
[0113]
具体地，采用多层光波导时，若某层光波导上设置有耦入结构30和耦出结构，则每层光波导均设置有耦入结构30和耦出结构，若某层光波导上还设置有转折结构50时，则每层光波导设置有转折结构50。
[0114]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图23所示，所述耦入结构 30的上方和/或下方设置有膜层70；所述膜层70包括介质膜和/或金属膜，所述膜层70位于所述光波导结构20与所述耦入结构30之间，和/或位于所述耦入结构30远离所述光波导结构20的一侧；和/或
[0115]
所述耦出结构40的上方和/或下方设置有膜层70；所述膜层70包括介质膜和/或金属膜，所述膜层70位于所述光波导结构20与所述耦出结构40 之间，和/或位于所述耦出结构40远离所述光波导结构20的一侧。
[0116]
具体地，为了提高光波导模组的光学性能，如透反特性、偏振特性、衍射效率分布特性、机械强度特性等特性，在耦入结构30或耦出结构40 的上方和/或下方设置膜层70。
[0117]
膜层70采用介质膜，介质膜位于光波导结构20与耦出结构40之间，或者介质膜位于光波导结构20与耦入结构30之间；膜层70还可以采用金属膜，金属膜位于耦出结构40背离光波导结构20的一侧，或者金属膜位于耦入结构30背离光波导结构20的一侧。当然，可以既采用介质膜，又采用金属膜。
[0118]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述耦入结构30位于所述耦出结构40的边或角的对应位置上。耦入结构30位于耦出结构40的边的对应位置时，光束自耦入结构30耦入，并从耦出结构40耦出，实现一维或二维扩瞳。这里的边包括：左侧边、右侧边、上侧边或下侧边。耦入结构 30位于耦出结构40的角的对应位置时，光束自耦入结构30耦入，并从耦出结构40耦出，实现二维扩瞳。这里的耦出结构40的角，包括：左上角、左下角、右上角或右下角。
[0119]
如图19所示，耦入结构30位于耦出结构40的左侧边对应位置上。如图20所示，耦入结构30位于耦出结构40的上侧边对应位置上。如图21 和图22所示，耦入结构30位于耦出结构40的左上角对应位置上。
[0120]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，耦入结构30可供光束全部通过，例如，所述耦入结构30的形状与所述光束的多边形适配，也就是说，耦入结构30优选地采用与光束的多边形相同的形状。耦入结构30可稍大于光束的多边形，例如，耦入结构30采用矩形，光束的多边形位于该矩形内。耦入结构30还可以采用圆形，光束部分的多边形顶点11与该圆形重合，光束其余的多边形顶点11位于该圆形内。耦入结构30还可以带有一定弧度、圆角或倒角13。
[0121]
耦入结构30采用非圆形(例如，矩形等多边形)时，可以对耦入结构 30的角度进行调整，如图22所示，耦入结构30采用矩形，耦入结构30相对于耦出结构40旋转了45
°
。
[0122]
基于上述任意一实施例的光波导模组，本发明还提供了一种ar显示装置的较佳实施例：
[0123]
本发明实施例的ar显示装置，包括：如上述任意一实施例的光波导模组，具体如上所述。
[0124]
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。