光波导器件、近眼显示装置以及智能眼镜的制作方法

1.本实用新型属于光学技术领域，尤其涉及一种光波导器件、近眼显示装置以及智能眼镜。


背景技术：

2.光波导作为近眼显示装置中的重要组成部分，总体上可以分为几何光波导 (geometric waveguide)和衍射光波导(diffractive waveguide)两种。其中，衍射光波导主要包括利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(surface reliefgrating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导vhg(volumetricholographic grating)或hoe(holographic optical element)。
3.传统的光波导方案是将光机发出来的不同视场角度的光线偶入并传播到偶出区域最后转折传播到人眼的。该方案在光波导的偶出区域对各视场角度的光线均起作用，如图1所示。此种方案会造成在眼盒范围外的大量光线的浪费，导致光波导方案的光效低。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种光波导器件、近眼显示装置以及智能眼镜，旨在解决现有技术中眼盒范围外的大量光线的浪费导致的光效低的技术问题。
5.本实用新型是这样实现的，第一方面，提供了一种光波导器件，包括基板、耦合输入元件和多个耦合输出元件；
6.所述耦合输入元件设置在所述基板的耦入区，用于使输入的不同视场角度的光波耦合进入所述基板；
7.所述基板用于将耦合进入所述基板的不同视场角度的光波以全反射的方式传输至所述基板的耦出区；
8.多个所述耦合输出元件设置在所述基板的耦出区，多个所述耦合输出元件用于输出传输至所述耦出区的光波，其中，多个所述耦合输出元件的出光参数至少不完全相同。
9.在一个可选的实施例中，多个所述耦合输出元件为多个耦合输出光栅，多个所述耦合输出光栅的衍射参数不同。
10.在一个可选的实施例中，多个所述耦合输出光栅的数量为3个，分别为第一耦合输出光栅、第二耦合输出光栅以及第三耦合输出光栅，所述第一耦合输出光栅用于将近端视场的光波输出至人眼，所述第二耦合输出光栅用于将中间视场的光波输出至人眼，所述第三耦合输出光栅用于将远端视场的光波输出至人眼。
11.在一个可选的实施例中，多个所述耦合输出光栅为表面浮雕光栅或者体全息光栅。
12.在一个可选的实施例中，多个所述耦合输出元件为多个分光元件，多个所述分光元件沿所述基板的长度方向以预设间距相互平行倾斜地内嵌于所述基板内，多个分光元件的反射参数不完全相同。
13.在一个可选的实施例中，多个所述分光元件的数量为5个，分别为第一分光元件、第二分光元件、第三分光元件、第四分光元件以及第五分光元件，所述第一分光元件、第二分光元件以及第三分光元件用于将近端视场的光波输出至人眼，所述第二分光元件、第三分光元件以及第四分光元件用于将中间视场的光波输出至人眼，所述第三分光元件、第四分光元件以及第五分光元件用于将远端视场的光波输出至人眼。
14.第二方面，提供了一种近眼显示装置，包括依次设置的光机以及上述各实施例提供的光波导器件，所述光机用于提供不同视场角度的光波。
15.在一个可选的实施例中，所述光机包括微有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器或液晶显示器。
16.在一个可选的实施例中，所述近眼显示装置包括虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。
17.第三方面，提供了一种智能眼镜，包括镜架以及安装于所述镜架上的两个上述各实施例提供的的近眼显示装置，两个所述近眼显示装置中的所述光机分别安装于所述镜架的两个镜腿上，两个所述光波导器件分别安装于所述镜架的两个镜框内。
18.本实用新型相对于现有技术的技术效果是：本实用新型实施例提供的光波导器件、近眼显示装置以及智能眼镜，多个所述耦合输出元件的出光参数至少不完全相同，使得每个耦合输出元件仅可以输出部分特定视场角度的光波，相当于将光机发出的不同视场角度的光波进行分割后，通过不同的耦合输出元件耦出到人眼成像，此种方案减少了光线的浪费，从而提高了光效。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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。
20.图1是现有技术中近眼显示装置的结构示意图；
21.图2是本实用新型一实施例提供的近眼显示装置的结构示意图；
22.图3是本实用新型另一实施例提供的近眼显示装置的结构示意图。
23.附图标记说明：
24.110、耦合输入元件；120、基板；130、耦合输出元件；200、光机。
具体实施方式
25.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
26.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
27.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一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
28.在本实用新型中，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；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。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实用新型中的具体含义。
29.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
30.现有技术方案中，为了控制整个眼盒范围内的光线的均匀性及虚拟画面的亮度均匀性，衍射光波导方案是将衍射效率降到很低，光线在光波导上下表面全反射的过程中每次衍射出很少量的光能，以此增加眼盒范围内的亮度均匀性及虚拟画面的均匀性，此种方案又进一步降低了衍射光波导的光效。对于阵列光波导方案，为了解决亮度均匀问题，同时又要考虑到光波导对现实世界场景的透过率，因此最后一片分光膜的反射率η不能太高(＜50％，优解＜20％，太小又会影响到亮度；倒数第二片分光膜反射率为η/(η+1)，倒数第三片膜的反射率为η/ (2η+1)，倒数第四片膜的反射率为η/3η+1)，
…
，以此类推。)由于η不大，第一片分光膜的反射率会很低，而且整个波导片分光膜区域的自然光透过率不一致。
31.为了解决上述现有技术方案光效利用率低的问题，第一方面，提供了一种光波导器件。光波导器件包括基板120、耦合输入元件110和多个耦合输出元件130。
32.所述耦合输入元件110设置在所述基板120的耦入区，用于使输入的不同视场角度的光波耦合进入所述基板120。所述基板120用于将耦合进入所述基板120 的不同视场角度的光波以全反射的方式传输至所述基板120的耦出区。多个所述耦合输出元件130设置在所述基板120的耦出区，多个所述耦合输出元件130用于输出传输至所述耦出区的光波，其中，多个所述耦合输出元件130的出光参数至少不完全相同。
33.可以理解的，耦合输入元件110的结构不做限定，只要可以实现将光波耦入进基板120中即可。可选地，耦合输入元件110可以为耦入棱镜或者耦入线栅。
34.需要说明的是，出光参数可以为衍射参数或反射参数。多个所述耦合输出元件130的出光参数至少不完全相同，是指每个耦合输出元件130仅能对特定角度范围的入射光进行调制，以使其输出至人眼，即每个耦合输出元件130仅用于对光机200发出的部分图像光进行耦出。
35.本实施例中，多个所述耦合输出元件130的出光参数至少不完全相同，使得每个耦合输出元件130仅可以输出部分特定视场角度的光波，相当于将光机200 发出的不同视场角度的光波进行分割后，通过不同的耦合输出元件130耦出到人眼成像，此种方案减少了光线的浪费，从而提高了光效。
36.请参见图2，在一个可选的实施例中，多个所述耦合输出元件130为多个耦合输出
光栅，多个所述耦合输出光栅的衍射参数不同。每一个耦合输出光栅可以输出部分特定视场角度的光波。
37.可以理解的是，图2中示出的三个耦合输出光栅仅是示意性的，并不是对本实用新型实施例的限定，具体实施时可以根据实际情况设计耦合输出光栅的数量。
38.在一个可选的实施例中，多个所述耦合输出光栅为表面浮雕光栅或者体全息光栅。可以理解的是，不对多个耦合输出光栅的形成工艺作限定，例如可以在一全息干板上的多个位置进行曝光，也可以在多个全息干板上进行曝光。又或者采用纳米压印形成多个耦合输出光栅。
39.下面将结合图2示意性的说明本技术是如何提高光效的。
40.耦合输入元件110为耦入光栅。多个所述耦合输出光栅的数量为3个，从左至右分别为第一耦合输出光栅、第二耦合输出光栅以及第三耦合输出光栅，所述第一耦合输出光栅用于将近端视场的光波输出至人眼，所述第二耦合输出光栅用于将中间视场的光波输出至人眼，所述第三耦合输出光栅用于将远端视场的光波输出至人眼。
41.根据光机200提供的不同视场角度的光波，分别设置每一个耦合输出光栅的复现角度范围。耦合输出光栅仅能衍射在其复现角度范围的光波。此种设计，可以确保，光机200出射的平行光入射到基板120的耦入区，耦入光栅通过衍射改变光线传播方向并往基板120的耦出区域传播，近端视场的光线在经过第一耦合输出光栅时发生衍射(中间视场及远端视场的光线不发生衍射)，中间视场的光线在经过第二耦合输出光栅发生衍射(远端视场的光线不发生衍射)，远端视场的光线在经过第三耦合输出光栅发生衍射。近端、中间、远端的光线分别通过不同的耦合输出光栅耦出到人眼成像，避免了眼盒范围外的大量光线的浪费，提高了光效。
42.此外，由于每个耦合输出光栅仅耦合输出部分光线，因此上述设计将可以针对性的提高几个耦合输出光栅的衍射效率，而不用担心光线均匀性的问题，从而进一步提高光效。
43.请参见图3，在一个可选的实施例中，多个所述耦合输出元件130为多个分光元件，多个所述分光元件沿所述基板120的长度方向以预设间距相互平行倾斜地内嵌于所述基板120内，多个分光元件的反射参数不完全相同。每一个分光元件可以输出部分特定视场角度的光波。
44.可以理解的是，图3中示出的五个分光元件(分束镜)仅是示意性的，并不是对本实用新型实施例的限定，具体实施时可以根据实际情况设计分束镜的数量，也不对多个分光元件的形成工艺作限定，例如可以先制作多个平行四边形结构，在平行四边形的两个侧面镀具有一定反射率和透过率的膜形成分束镜，再贴合在一起形成多个分光元件。
45.下面将结合图3示意性的说明本技术是如何提高光效的。
46.在一个可选的实施例中，耦合输入元件110为耦入棱镜。多个所述分光元件的数量为5个，从左至右分别为第一分光元件、第二分光元件、第三分光元件、第四分光元件以及第五分光元件，所述第一分光元件、第二分光元件以及第三分光元件用于将近端视场的光波输出至人眼，所述第二分光元件、第三分光元件以及第四分光元件用于将中间视场的光波输出至人眼，所述第三分光元件、第四分光元件以及第五分光元件用于将远端视场的光波输出至人眼。
47.根据光机200提供的不同视场角度的光波，分别设置每一个分光元件的反射角度范围。每一个分光元件仅能反射在其反射角度范围的光波。此种设计，可以确保，光机200出射的平行光入射到基板120的耦入区，耦入棱镜通过折射改变光线传播方向并使光线通过全反射向基板120的耦出区传播，通过将视场分割成近端、中间、远端，并对阵列分光元件的膜区域的镀膜做好角度选择性要求：前三个分光元件对近端视场有反射率，中间三个分光元件对中间视场有反射率，后三个分光元件对远端视场有一个反射率。这样近端光线通过1、2、3分光元件反射光线，中间视场通过2、3、4分光元件反射光线、远端视场通过3、4、5分光元件反射光线。对比现有技术中的全视场方案，原先需要将5个分光元件分别依次镀膜(分光比依次上升，上文有提到)，为了保证透过率，第一个分光元件的反射率较低；而该方案只需要分别针对3片分光元件镀膜(要求与现有技术中的全视场方案相同)，这样第一分光元件的反射率可以相应的做高。假设同样的最高反射率为20％，原方案的5片分光膜对所有有效视场的反射率分别为：11.11％， 12.5％，14.29％，16.67％，20％；而新方案的分光膜反射率与不同视场的对应关系如下表，如此将增加整个光学系统的光效。
[0048] 12345近端视场14.29％16.67％20％00中间视场014.29％16.67％20％0远端视场0014.29％16.67％20％
[0049]
基于相同的发明构思，本实用新型实施例还提供了一种近眼显示装置，包括依次设置的光机200以及上述各实施例提供的光波导器件，所述光机200用于提供不同视场角度的光波。
[0050]
其中，本实用新型实施例中的近眼显示装置可以为虚拟现实vr显示装置或增强现实ar显示装置。具体的，当基板120不能透过外界光线或者设置有遮光器件时，人眼不能观察到外界环境光线，该近眼显示装置即为vr显示装置，当基板120对外界光线具有一定的透过性时，人眼能同时观察到外界环境光线和光机200出射的光线，该近眼显示装置即为ar显示装置，具体实施时可以根据实际情况设计，本实用新型实施例对此不作限定。
[0051]
光机200用于出射成像光束，本实施例提供的近眼显示装置可以匹配多种光机200使用。可选的，光机200包括微有机发光二极管(micro oled)显示器、微发光二极管(micro led)显示器或液晶(lc)显示器。进一步的，微有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器或液晶显示器可以均为硅基显示器。硅基显示器以单晶硅片为基底，像素尺寸约为传统显示器的1/10，具有功耗低、体积小、分辨率高等优点，非常适用于近距离观察的近眼显示装置。
[0052]
基于相同的发明构思，本实用新型实施例还提供了一种智能眼镜，包括镜架以及安装于所述镜架上的两个上述各实施例提供的的近眼显示装置，两个所述近眼显示装置中的所述光机200分别安装于所述镜架的两个镜腿上，两个所述光波导器件分别安装于所述镜架的两个镜框内。
[0053]
本实用新型实施例提供的智能眼镜，采用了上述各实施例提供的近眼显示装置，可以同时兼顾大眼盒和光机200设计难度两个设计因素，且成像效果佳。
[0054]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，仅具体描述了本实用新型的技术原理，这些描述只是为了解释本实用新型的原理，不能以任何方式解释为对本实用新型保护
范围的限制。基于此处解释，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其他具体实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围之内。