一种波导片及近眼显示设备的制作方法

1.本实用新型实施例涉及技术领域，特别涉及一种波导片及近眼显示设备。


背景技术：

2.增强现实(ar，augmented reality)技术是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中，近眼显示设备是增强现实技术中的关键环节。近眼显示设备可以让用户看到真实世界的同时看到计算机构建的虚拟图像，人眼与所看到虚拟图像构成的锥形范围叫做视场角，人眼能看全虚拟图像时与显示设备的距离称为出瞳距离，人眼在一定的出瞳距离下能看全虚拟图像时人眼可以晃动的范围叫做眼动范围。
3.目前常见的能做到搭载小体积光机并实现大视场角和大眼动范围的光波导方案有多种，比如采用三个一维光栅(耦入光栅、转折光栅和耦出光栅)实现二维扩瞳；采用六边形柱状阵列光栅(二维光栅)实现二维扩瞳。
4.上述方案均可以同时实现大视场角和大眼动范围，但当前市面上的近眼显示方案大多数在兼顾光机尺寸小及大视场的同时，仍然会存在亮度均匀性差的问题。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种波导片及近眼显示设备。
6.本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
7.为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例中提供了一种波导片，包括：耦入光栅、转折光栅和耦出光栅；所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅的光栅周期相同，所述转折光栅包括沿远离所述耦入光栅的方向衍射效率逐渐增加、且宽度逐渐缩小的若干个第一子光栅；其中，所述耦入光栅用于将光线耦入到所述波导片中，所述转折光栅用于将所述耦入光栅耦入的光线进行纵向扩瞳，所述耦出光栅将经所述转折光栅纵向扩瞳后的光线进行横向扩瞳。
8.在一些实施例中，所述耦出光栅包括沿远离所述转折光栅的方向衍射效率逐渐增加、且宽度逐渐缩小的若干个第二子光栅。
9.在一些实施例中，所述耦入光栅包括第一耦入光栅和第二耦入光栅，所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅分别对称设置在所述波导片的两个表面上。
10.在一些实施例中，所述波导片还包括反射膜，所述反射膜与所述第一耦入光栅相对设置在所述波导片的两个表面上。
11.在一些实施例中，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅的光栅周期满足如下公式：
[0012][0013]
其中，d表示所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅的光栅周期，λ1表示蓝光的波长，λ3表示红光的波长，n表示所述波导片的折射率，θ表示光线的入射角。
[0014]
在一些实施例中，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅具有光栅槽线，所述耦入光栅的光栅槽线与所述转折光栅的光栅槽线之间呈60度夹角设置，所述转折光栅的光栅槽线与所述耦出光栅的光栅槽线之间呈60度夹角设置。
[0015]
在一些实施例中，所述耦出光栅的出瞳中心与所述耦入光栅的耦入中心在水平方向上的距离为40mm
±
10mm，在第二方向的距离为15mm
±
5mm，所述第一方向为垂直于所述耦出光栅的光栅槽线的方向，所述第二方向为平行于所述耦出光栅的光栅槽线的方向。
[0016]
为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示设备，包括如第一方面所述的波导片。
[0017]
在一些实施例中，所述近眼显示设备为双目近眼显示设备，所述双目近眼显示设备包括将图像光线输出至双眼成像的两组成像模组，所述成像模组包括光机和光波导。
[0018]
在一些实施例中，各成像模组的光波导包括至少一片所述波导片，且若一组成像模组的光波导包括至少两片波导片，则所述至少两片波导片在所述波导片的厚度方向上叠加设置。
[0019]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种波导片及近眼显示设备，该波导片包括光栅周期相同的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，转折光栅包括沿远离所述耦入光栅的方向衍射效率逐渐增加、宽度逐渐缩小的若干个第一子光栅，光线通过所述耦入光栅耦入到所述波导片中，并通过所述转折光栅实现纵向扩瞳，通过所述耦出光栅实现横向扩瞳，本实用新型实施例提供的波导片通过如上述转折光栅的结构设计使得波导片能够输出均匀的光束，且该波导片应用于近眼显示设备中时具有较大的眼动范围和视场角。
附图说明
[0020]
一个或多个实施例中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/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
[0021]
图1是本实用新型实施例一提供的波导片的一种俯视结构示意图；
[0022]
图2(a)是现有技术中的波导片的一种侧视结构示意图；
[0023]
图2(b)是本实用新型实施例一提供的波导片的一种侧视结构示意图；
[0024]
图3是光栅周期与红光和蓝光的光线入射角关系曲线图；
[0025]
图4是本实用新型实施例一提供的波导片的另一种俯视结构示意图；
[0026]
图5是本实用新型实施例一提供的波导片的一种结构尺寸图；
[0027]
图6(a)是本实用新型实施例一提供的波导片优化得到的中心视场光线光路图；
[0028]
图6(b)是图6(a)对应的亮度均匀性分布图。
具体实施方式
[0029]
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
[0030]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0031]
需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。为了便于连接结构限定，本实用新型以光的传播方向为参考进行部件的位置限定。
[0032]
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不适用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0033]
此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0034]
具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。
[0035]
实施例一
[0036]
本实用新型实施例提供了一种波导片，请参见图1，其示出了本实用新型的一些实施例提供的波导片的一种俯视结构，波导片包括：耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅30，耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅30的光栅周期相同，光线通过耦入光栅10耦入到波导片中，并通过转折光栅20实现纵向扩瞳，通过耦出光栅30实现横向扩瞳，从而实现二维扩瞳。
[0037]
在本实用新型实施例中，由于入射光线在转折光栅20全反射传输时，光线在纵向扩瞳的过程中会不断衰减，从而导致耦出光线在不同的耦出位置的亮度会不同，也即存在亮度均匀性较差的情况，基于此，将转折光栅20进行渐变分区形成若干个第一子光栅，渐变指的是第一子光栅的衍射效率和宽度的渐变，即沿远离耦入光栅的方向，各个第一子光栅的衍射效率逐渐增加且第一子光栅的宽度逐渐缩小，从而使得转折光栅20输出的光线的亮度具有较高的均匀性。具体地，请继续参见图1，转折光栅20包括若干个第一子光栅(如图1中的子光栅1至子光栅6)，各第一子光栅的宽度按照远离耦入光栅10的方向缩小，且各第一子光栅的衍射效率按照远离耦入光栅10的方向配置为逐渐增加，从而使得各子光栅输出的光线亮度基本一致。例如，在图1所示示例中，转折光栅20的6个子光栅从子光栅1至子光栅6宽度逐渐减小，且通过对各子光栅内光栅的参数设置使得子光栅1至子光栅6的一级衍射效率逐渐增大，从而使得经子光栅1、子光栅2、子光栅3、子光栅4、子光栅5、子光栅6反射传播的光线的亮度基本一致，保证经转折光栅纵向扩瞳后的光线的亮度均匀性。其中，可以通过设置光栅的高度和/或占空比等能够影响衍射效率的参数来设置各第一子光栅的衍射效率。具体地，可根据实际需要设置第一子光栅的数量及实际宽度及实际衍射效率，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
[0038]
在一些实施例中，由于入射光线在耦出光栅30全反射传输时，光线在横向扩瞳的过程中也会不断衰减，从而导致耦出光线在不同的耦出位置亮度会不同，也即存在亮度均匀性较差的情况，基于此，耦出光栅30也可以进行渐变分区，从而使得耦出光线的亮度具有
较高的均匀性。具体地，请继续参见图1，耦出光栅30设置有若干个第二子光栅(如图3中的子光栅7至子光栅11)，各第二子光栅的宽度按照远离转折光栅20的方向配置为逐渐缩小，且各第二子光栅的衍射效率按照远离转折光栅20的方向配置为逐渐增加，从而使得各子光栅输出的光线亮度基本一致。例如，在图1所示示例中，耦出光栅30的5个子光栅从子光栅7至子光栅11的宽度逐渐减小，且通过对各子光栅内光栅的参数设置，使得子光栅7至子光栅11的一级衍射效率逐渐增大，从而使得经子光栅7、子光栅8、子光栅9、子光栅10、子光栅11、子光栅12的耦出光线的亮度基本一致，保证耦出光栅总体的耦出光线的亮度均匀性。其中，可以通过设置光栅的高度和/或占空比等能够影响衍射效率的参数来设置各第二子光栅的衍射效率。具体地，可根据实际需要设置第二子光栅的数量及实际宽度及实际衍射效率，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
[0039]
在一些实施例中，耦入光栅10、转折光栅20和/或耦出光栅30可以是矩形光栅、斜光栅、闪耀光栅、阶梯光栅、全息光栅等一维光栅结构。在一些实施例中，转折光栅20的周期可以设计得较大，从而降低设计和加工难度。在另一些实施例中，波导片的材料可以是玻璃、树脂等透明材料，具体可根据实际需要进行设置。
[0040]
请参见图2(a)，其示出了现有的波导片的一种侧视结构。由于若仅在波导片的一侧设置耦入光栅结构，则主要仅有一级衍射光线t1可在波导片中全反射传输并最终输出成像，而大部分的零级衍射光线t0会透射损失掉，导致光波导的出光效率低，基于此，请参见图2(b)，其示出了在一些实施例中提供的波导片的一种侧视结构。耦入光栅10包括第一耦入光栅10a和第二耦入光栅10b，第一耦入光栅10a和第二耦入光栅10b分别对称设置在波导片的两个表面上。
[0041]
具体地，第一耦入光栅10a采用透射式光栅，第二耦入光栅10b采用反射式光栅，从而使得成像光线都能够通过第一耦入光栅10a耦入到波导片中，且零级衍射光线t0在达到第二耦入光栅10b后反射，反射的衍射光线r0再次打到第一耦入光栅10a上后产生有效的一级衍射光线r1，与第一次进入第一耦入光栅10a时产生的一级衍射光线t1一并在波导片中进行全反射传输，通过如上结构设置，原本会损失的零级衍射光线t0能够得到高效利用，从而可显著提升光波导的出光效率。
[0042]
在一些实施例中，波导片还包括反射膜(图未示)，反射膜与第一耦入光栅10a相对设置在波导片的两个表面上。从而有效利用零级衍射光线t0。在其中一种实施例中，反射膜可以选择具有高反射率的金属膜或介质膜，具体可根据实际应用场景进行选择。需要说明的是，设置反射膜可以是两种形式，一种为，在设置有第二耦入光栅10b的基础上，还在第二耦入光栅10b所在的波导片的位置上设置有反射膜，从而有效利用零级衍射光线t0；另一种为，可将第二耦入光栅10b替换为反射膜，虽然会损失部分反射的衍射光线r0，但依旧能够显著提高耦入光栅10的光效，且结构相较于在波导片的两面皆设置有耦入光栅的方案结构更加简单，加工成本更低。
[0043]
在一些实施例中，在波导片耦入的成像光线为全彩光线的情况下，由于蓝光的一级衍射角要比红光的一级衍射角小，即蓝光的全反射步长小于红光的全反射步长，为了保证出瞳光斑连续，且波导片具有较大的视场角，根据当前常见的光机模组的结构特性，限定入射光源一级最大衍射角度为75
°
，则耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅30的光栅周期均满足如下公式：
[0044][0045]
其中，d表示耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅30的光栅周期，λ1表示蓝光的波长，λ3表示红光的波长，n表示波导片的折射率，θ表示光线的入射角。
[0046]
基于上述计算公式，在一些实施例中，当n＝2，蓝、绿、红波长分别为460nm、525nm和617nm时，保证蓝光和红光沿耦入光栅10的光栅槽线的法线方向以光线入射角θ入射时，蓝光的衍射光线处于全反射临界角且红光的衍射角度为75
°
时，光栅周期d与红光和蓝光的光线入射角关系曲线图如图3所示，红色r和蓝色b曲线的交点代表可实现单个波导片全彩的最大θ角和相应的光栅周期d，将θ角按照图像比例16：9可转换为斜对角最大视场角，计算得出光栅周期d满足366nm《d《370nm时可实现单片全彩斜对角最大视场角32
°
。
[0047]
在一些实施例中，请参见图4，其示出了本实用新型的一些实施例提供的波导片的另一种俯视结构，耦入光栅10的光栅槽线l1与转折光栅20的光栅槽线l2之间呈60度夹角设置，转折光栅20的光栅槽线l2与耦出光栅30的光栅槽线l3之间呈60度夹角设置，通过将耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅30两两之间的光栅槽线之间的夹角设置为60度后，可以使得扩瞳区域(转折光栅20)和耦出区域(耦出光栅30)的相对排布更符合眼镜的形态。
[0048]
在一些实施例中，为了使得波导片更加适配眼镜的形态，耦出光栅30的出瞳中心与耦入光栅10的耦入中心在第一方向上的距离为40mm
±
10mm，在第二方向的距离为15mm
±
5mm，第一方向为垂直于耦出光栅30的光栅槽线的方向，第二方向为平行于耦出光栅30的光栅槽线的方向，其中一个实施例中，请参见图5，其示出了一些实施例提供的波导片的一种结构尺寸，耦出光栅30的出瞳中心与耦入光栅10的耦入中心在水平方向上的距离设置为40mm，在竖直方向的距离优选设置为15mm，从而使得波导片在应用于眼镜状态的近眼显示设备中时，与日常近视用户所佩戴的眼镜结构相似，采用该方案设计的波导片做成ar眼镜可以避免镜腿与人脸干涉，外形更加美观。
[0049]
本实施例提供的波导片通过如上设计，能够输出光效高、亮度均匀性也高的成像光线，具体请参见图6(a)和图6(b)，分别示出了优化得到的中心视场光线光路图和相应的亮度均匀性分布图，不难看出，能够输出光效高，亮度均匀性好的成像光线。
[0050]
实施例二
[0051]
本实施例提供了一种近眼显示设备，包括如实施例一中任意一个实施例的波导片。
[0052]
一方面，需要说明的是，波导片的具体结构及成像效果请参见实施例一中任意一个实施例，波导片可实现全彩显示，此处不再详述。需要说明的是，本实施例的近眼显示设备也可以是眼镜形态的设备，也可以是其他的可实现近眼显示的设备形态，具体可根据实际需要进行设计。
[0053]
在一些实施例中，近眼显示设备为双目近眼显示设备，双目近眼显示设备包括将图像光线输出至双眼成像的两组成像模组，成像模组包括光机和光波导。在其中一个实施例中，双目近眼显示设备为ar眼镜，ar眼镜包括左侧的光波导(ar眼镜的左侧的镜片)以及设置在左侧的镜腿中的光机、右侧的光波导(ar眼镜的右侧的镜片)以及设置在右侧的镜腿中的光机，左侧的光机输出的图像光通过左侧的光波导耦出至人的左眼成像，右侧的光机输出的图像光通过右侧的光波导耦出至人的右眼成像。
[0054]
在一些实施例中，为了实现更大视场角的全彩显示，各成像模组的光波导包括至少一片波导片，且若一组成像模组的光波导包括至少两片波导片，则至少两片波导片在波导片的厚度方向上叠加设置。例如，可以设置三片波导片分别输出r、g、b三种颜色的光束，从而实现全彩显示。
[0055]
在一些实施例中，提供了一种波导片及近眼显示设备，该波导片包括光栅周期相同的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，转折光栅包括沿远离耦入光栅的方向衍射效率逐渐增加、宽度逐渐缩小的若干个第一子光栅，光线通过耦入光栅耦入到波导片中，并通过转折光栅实现纵向扩瞳，通过耦出光栅实现横向扩瞳，本实用新型实施例提供的波导片通过如上述转折光栅的结构设计使得波导片能够输出均匀的光束，且该波导片应用于近眼显示设备中时具有较大的眼动范围和视场角。
[0056]
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
[0057]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以是以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其他变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。