导光器件以及可穿戴设备的制作方法

1.本实用新型涉及近眼显示技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种导光器件以及可穿戴设备。


背景技术：

2.衍射光波导是增强现实(ar)设备的核心器件。在现有的技术中，衍射光波导是使用衍射光栅作为耦入器件，利用衍射光栅将外界的光线耦入至光波导体中，并在耦出区域经扩瞳耦出器件(通常也为衍射光栅)扩瞳耦出至人眼进行成像，但因为扩瞳耦出器件及耦入器件的特性等，总会有部分光线/能量无法被利用，从而被光波导体的边缘部分吸收而被浪费掉，从而导致衍射光波导的整体光学效率较低。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供的一种导光器件以及可穿戴设备的新技术方案。
4.第一方面，本实用新型实施例提供了一种导光器件。所述导光器件包括包括波导基底以及设于所述波导基底上的耦入区、耦出区和至少一个第一光回收区；
5.所述第一光回收区位于所述耦出区的一侧与所述波导基底的边缘之间，且/或位于所述耦入区的一侧与所述波导基底的边缘之间，所述第一光回收区设有衍射光学元件或者衍射光学组件；
6.所述耦入区用于将光线耦入所述波导基底内并使所述光线全反射传播至所述耦出区，所述耦出区用于耦出传播至所述耦出区的光线，所述第一光回收区用于将耦入所述波导基底内并传播至所述第一光回收区的光线转变为回传光线后重新传播至所述耦出区。
7.可选地，所述衍射光学组件包括第一光栅和第二光栅；
8.所述第一光栅与所述第二光栅均为一维光栅，所述第一光栅的第一光栅线与所述第二光栅的第二光栅线关于所述第一光回收区的中轴线呈镜像对称设置，且所述第一光栅线与所述第二光栅线形成设定角度；
9.所述第一光栅、所述第二光栅及所述耦入区的光栅矢量之和为零。
10.可选地，所述第一光栅的第一光栅线与所述第二光栅的第二光栅线形成90度夹角；
11.所述第一光栅的光栅周期为第一周期t1，所述第二光栅的光栅周期为第二周期t2，所述第一周期t1与所述第二周期t2相同；
12.所述耦入区的光栅周期为第三周期t3；
13.所述第一周期t1和所述第二周期t2中的任一者为所述第三周期t3的
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倍。
14.可选地，所述第一周期t1与所述第二周期t2为140nm～520nm。
15.可选地，所述衍射光学元件为一维光栅，并与所述耦入区的光栅矢量之和零；
16.所述衍射光学元件的光栅矢量和光栅周期与所述耦入区的光栅矢量和光栅周期相同。
17.可选地，所述衍射光学元件的光栅周期及所述耦入区的光栅周期为200nm～600nm。
18.可选地，所述的导光器件还包括设置在所述波导基底上的两个第二光回收区，所述两个第二光回收区分别位于所述耦出区相对的两侧；
19.所述第二光回收区用于将耦入所述波导基底内并传播至所述第二光回收区的光线转变为回传光线后传播至所述耦出区。
20.可选地，所述第一光回收区在所述波导基底上沿第一方向设置，所述第二光回收区在所述波导基底上沿第二方向设置，所述第一方向与所述第二方向形成预设夹角。
21.可选地，所述第二光回收区设有所述衍射光学元件或者所述衍射光学组件。
22.可选地，至少一个所述第二光回收区与所述耦入区的光栅矢量之和为零。
23.可选地，所述耦入区及所述耦出区均设有衍射光栅，且所述耦入区与所述耦出区的光栅矢量之和为零。
24.可选地，所述衍射光栅包括表面浮雕光栅、体全息光栅及光子晶体中的任一种。
25.第二方面，本实用新型实施例提供了一种可穿戴设备。所述可穿戴设备包括：
26.如第一方面所述的导光器件；以及
27.光机，所述光机用以将光线或者图像射入所述导光器件中。
28.本实用新型的有益效果在于：
29.本实用新型实施例提供了一种衍射光波导方案，通过在波导基底上的耦入区和/或耦出区的周侧与波导基底边缘之间合理布局由衍射光学元件或衍射光学组件形成的光回收区，在耦入区及扩瞳耦出区衍射的光线能更好的被有效利用，而不会大量被波导基底的边缘部分所吸收，避免了光能量的浪费，利于提升整个导光器件的整体光效。
30.通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
31.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。
32.图1是本实用新型实施例的导光器件的一种结构示意图；
33.图2是本实用新型实施例的衍射光学组件的一种结构示意图；
34.图3是本实用新型实施例的导光器件的光栅矢量闭合形状示意图；
35.图4是本实用新型实施例的导光器件的一种光学传播路径示意图；
36.图5是本实用新型实施例的衍射光学元件的一种结构示意图；
37.图6是本实用新型实施例的导光器件的另一种光学传播路径示意图。
38.附图标记说明：
39.1、波导基底；2、耦入区；3、耦出区；4、第一光回收区；5、第一光栅；6、第二光栅；7、第二光回收区。
具体实施方式
40.现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另
外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。
41.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。
42.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
43.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
44.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
45.下面结合附图对本实用新型实施例提供的导光器件以及可穿戴设备进行详细地描述。
46.在多种形式的可穿戴设备中，以ar头戴显示设备为例，ar头戴显示设备通常包括微型显示屏及光学模组。ar设备的光学模组中常用的光学元件例如有棱镜、自由曲面镜片及光波导器件等。在上述的这些光学元件中，光波导器件包括几何光波导和衍射光波导。而由于衍射光波导具有良好的光学性能，使其在ar设备中得到了较为广泛的应用。
47.根据本实用新型的一个实施例，提供了一种导光器件，该导光器件例如为光波导器件，所述光波导器件例如为衍射光波导。
48.本实用新型实施例提供的导光器件例如可应用于可穿戴设备中。可穿戴设备包括头戴显示设备。头戴显示设备例如为ar智能眼镜、ar头盔等。
49.本实用新型实施例提供的导光器件，参见图1，包括波导基底1以及设于所述波导基底1上的耦入区2、耦出区3和至少一个第一光回收区4；
50.所述第一光回收区4位于所述耦出区3的一侧与所述波导基底1的边缘之间，且/或位于所述耦入区2的一侧与所述波导基底1的边缘之间，所述第一光回收区4设有衍射光学元件或者衍射光学组件；
51.所述耦入区2用于将光线耦入所述波导基底1内并使所述光线全反射传播至所述耦出区3，所述耦出区3用于耦出传播至所述耦出区3的光线，所述第一光回收区4用于将耦入所述波导基底1内并传播至所述第一光回收区4的光线转变为回传光线后重新传播至所述耦出区3。
52.现有的衍射光波导方案，在波导体的耦入区利用衍射光学元件如衍射光栅将外界的光线耦入至波导体中，并经耦出区的扩瞳耦出器件如另一衍射光栅将光线进行扩瞳后耦出至人眼进行成像。但是，因为扩瞳及衍射光学元件如衍射光栅的特性，总会有部分光线不会沿全反射路径传播至耦出区，这部分光线将无法被利用，会被波导体的边缘吸收而浪费掉，从而使得整个衍射光波导的整体光学效率表现的较低。因此，提高这部分光能量的利用率是非常重要的。
53.本实用新型实施例提出的导光器件，采用一些衍射光学元件或者衍射光学组件(两个或者两个以上的衍射光学元件组合形成，其中衍射光学元件例如可以为衍射光栅)布设在所述波导基底1上的所述耦入区2和/或所述耦出区3周侧合适位置处，可以将部分未沿着全反射路径传播的光线重新经例如所述第一光回收区4接收后反射至所述耦入区2，再经
所述耦入区2传播至所述耦出区3，通过重新利用原本被直接浪费的光线能量，实现了整个导光器件的光学效率改善，同时还可以提升光的耦入效率。
54.也就是说，所述第一光回收区4基于衍射光线元件或者多个衍射光学元件排列构成的衍射光学组件可以将原本被浪费的光线返回所述波导基底1内的有效光学区域，重新加以利用。
55.本实用新型实施例提出的导光器件，重新在所述波导基底1上设计了衍射光学元件的组合形式，在所述波导基底1上除了形成有所述耦入区2及所述耦出区3之外，还形成了至少一个所述第一光回收区4。
56.其中，所述耦入区2和所述耦出区3均设有衍射光栅。
57.可选的是，所述耦入区2设有一维光栅，本实用新型中对此不做限制。
58.可选的是，所述耦出区3可以设置一维光栅、也可以设置二维光栅，或者一维光栅与二维光栅组合等，本实用新型中对此不做限制。
59.其中，所述第一光回收区4例如可以设置在所述耦入区2的周侧，也可以设置在所述耦出区3的周侧，当然，还可以在所述耦入区2及所述耦出区3的周侧分别设置所述第一光回收区4，可参见图1。通过上述三种中的任一种第一光回收区4在波导基底1上的布局方式，均可以达到提升整个导光器件的光学效率的效果，这对于导光器件的成像都是有利的。
60.并且，在本实用新型的实施例中，所述第一光回收区4例如位于光线全反射传播的路径上，也即所述耦入区2、所述耦出区3及所述第一光回收区4可以沿着所述波导基底1的光传播方向进行排布，从而也可以在防止在所述耦入区2及所述耦出区3出现漏光的情况。
61.本实用新型的方案可以提升导光器件的光效。因此，也就提高了具有该导光器件的可穿戴设备的成像质量。
62.此外，本技术实施例提出的导光器件，在所述波导基底1上形成的所述第一光回收区4例如可以为衍射光栅，可以通过纳米压印的方式形成，不会增加整个导光器件的生产难度。所述第一光回收区4与所述耦入区2、所述耦出区3均可为衍射光栅，这样在所述波导基底1上形成了特定形式的衍射光学元件组合排布方式。
63.在本实用新型的一些示例中，参见图2，所述衍射光学组件包括第一光栅5和第二光栅6；所述第一光栅5与所述第二光栅6均设置为一维光栅，所述第一光栅5的第一光栅线与所述第二光栅6的第二光栅线关于所述第一光回收区4的中轴线呈镜像对称设置，且所述第一光栅线与所述第二光栅线二者形成设定角度；所述第一光栅5、所述第二光栅6及所述耦入区2的光栅矢量之和为零。
64.在本实用新型的实施例中，所述第一光回收区4例如可以设置上述示例中的至少一个衍射光学组件。所述衍射光学组件例如包括两个一维光栅，即上述的第一光栅5和第二光栅6，该两个一维光栅在组合之后例如可形成二维扩瞳效果，能调整产生的回传光线的传播路径，使得更多的光线能被传播至所述耦出区3而加以利用，利于更多的光线耦出后进入人眼进行成像。两个一维光栅组合的自由度高，可以提升导光器件设计的灵活度。
65.具体而言，参见图4，当经所述耦入区2调制后的光线01传播至所述耦出区3一侧的所述第一光回收区4且入射至所述第一光栅5和所述第二光栅6中的任一个时，会产生衍射向对方方向的衍射光02，衍射光02入射相对的光栅区域之后会产生回传光线03，从而重新利用部分光线能量。同理，在所述耦入区2一侧的所述第一光回收区4也可以实现光线的回
传。
66.一维光栅的光栅矢量方向垂直于自身的光栅线，是其周期性变化的方向，其长度等于光栅周期的倒数。
67.在本实用新型的实施例中，所述第一光回收区4内设有至少一个衍射光学组件，一个所述衍射光学组件例如包括上述的两个一维光栅，在此基础上，本技术实施例中设计所述第一光回收区4的光栅矢量与所述耦入区2的光栅矢量之和应当满足为零，也即所述第一光栅5、所述第二光栅6及所述耦入区2的光栅矢量之和为零。如此实现了在不破坏导光器件自身矢量闭合的基础上，有效提升了导光器件的整体光学效率。
68.具体而言，当入射至所述第一光回收区4的光线仅受到了所述耦入区2内衍射光栅的调制时，所述第一光回收区4的两个一维光栅需与所述耦入区2的衍射光栅构成矢量闭合关系。
69.可选的是，参见图2及图3，所述第一光栅5的第一光栅线与所述第二光栅6的第二光栅线可以形成90度夹角；所述第一光栅5的光栅周期为第一周期t1，所述第二光栅6的光栅周期为第二周期t2，所述第一周期t1与所述第二周期t2相同；所述耦入区2的光栅周期为第三周期t3；所述第一周期t1和所述第二周期t2中的任一者为所述第三周期t3的倍。
70.当在所述耦出区3设置所述第一光回收区4后，原本可能会被所述波导基底1的边缘吸收掉的光线会被打入所述第一光回收区4，经所述第一光回收区4的衍射光学组件调制后重新由所述耦入区2向所述耦出区3全反射传播，由于经所述第一光回收区4回传至所述耦入区2的是-2级次衍射光，而由所述耦入区2向所述耦出区3传播的光为+1级衍射光，抵消后形成-1级次衍射光，这样就与从所述耦入区2传播到所述耦出区3的主光线的矢量状态一致，以保证后面光线在耦出之后不会因为调制矢量不匹配而产生其他的光学问题，否则可能会影响到成像质量。
71.其中，在所述第一光回收区4内，所述第一光栅5的第一光栅线与所述第二光栅6的第二光栅线为镜像对称设计，且均与所述第一光回收区4所在平面的x轴方向(水平方向)形成45度夹角，这样设计的优势在于不会产生耦出光线，能使产生的回传光线尽可能多的传播至所述耦出区3经扩瞳耦出。
72.可选的是，所述第一周期t1与所述第二周期t2为140nm～520nm。
73.在本实用新型的另一些示例中，参见图5，所述衍射光学元件可以为一维光栅，并与所述耦入区2的光栅矢量之和零；所述衍射光学元件的光栅矢量和光栅周期与所述耦入区2的光栅矢量和光栅周期相同。
74.也就是说，本实用新型实施例提出的导光器件中，在所述第一光回收区4内也可以选择设置单个衍射光学元件。
75.具体地，在所述第一光回收区4设置单个一维光栅。如此同样可以实现光线回传的效果。
76.此外，因为入射至所述第一光回收区4的光线仅受到了所述耦入区2的调制，因此所述第一光回收区4内的一维光栅需要和所述耦入区2的衍射光栅构成矢量闭合关系。
77.需要说明的是，参见图6，在所述波导基底1内传播的光线01在入射至所述耦出区3一侧的所述第一光回收区4时，也产生可向所述耦出区3传播的回传光线04。但是也会同时产生少量的耦出光。
78.其中，所述衍射光学元件的光栅周期及所述耦入区2的光栅周期例如可以设计为200nm～600nm。
79.在本实用新型的实施例中，所述导光器件还包括设置在所述波导基底1上的两个第二光回收区7，所述两个第二光回收区7分别位于所述耦出区3相对的两侧；所述第二光回收区7用于将耦入所述波导基底1内并传播至所述第二光回收区7的光线转变为回传光线后传播至所述耦出区3。
80.在所述波导基底1上增设的两个所述第二光回收区7可以分设置在所述耦出区3相对的两侧，与所述耦出区3一侧设置的所述第一光回收区4的位置不同，两个所述第二光回收区7及一个所述第一光回收区4可以围合在所述耦出区3的三个侧面，参见图1；其中，两个所述第二光回收区7均位于耦出区3扩瞳光线的传播路径上。则在所述耦出区3进行对光线进行扩瞳时可以有效回收两侧的扩瞳光线，从而可以将原本浪费掉的扩瞳光线重新回收利用。
81.可选的是，请继续参见图1，所述第一光回收区4在所述波导基底1上沿第一方向设置，所述第二光回收区7在所述波导基底1上沿第二方向设置，所述第一方向与所述第二方向形成预设夹角。
82.例如，所述第一光回收区4位于所述波导基底1的上表面，且位于x轴方向上或者位于光线进入所述波导基底1内全反射传播路径上。所述第二光回收区7位于所述波导基底1的上表面上，且位于y轴方向上或者位于扩瞳光线的传播路径上。
83.其中，所述第二光回收区7设有所述衍射光学元件或者所述衍射光学组件。
84.例如，所述第二光回收区7设置的所述衍射光学元件或所述衍射光学组件可以与所述第一光回收区4内设置的所述衍射光学元件或所述衍射光学组件相同。
85.具体地，所述第二光回收区7内设置有单个一维光栅，参见图5。
86.具体地，参见图2，所述第二光回收区7包括第一光栅5和第二光栅6；所述第一光栅5与所述第二光栅6均设置为一维光栅，所述第一光栅5的第一光栅线与所述第二光栅6的第二光栅线关于所述第一光回收区4的中轴线呈镜像对称设置，且所述第一光栅线与所述第二光栅线二者形成90度夹角。
87.其中，至少一个所述第二光回收区7与所述耦入区2的光栅矢量之和为零。
88.在本实用新型实施例提出的导光器件中，参见图1，所述耦入区2及所述耦出区3均设有衍射光栅，且所述耦入区2与所述耦出区3的光栅矢量之和为零。也可以理解为，所述耦入区2和所述耦出区对光线调制的矢量应能构成闭合形状。
89.具体地，入射的光线通过非零级光栅衍射，将所述波导基底1内的光线以全反射传播至耦出区3，从所述耦出区3扩瞳耦出所述波导基底1之外。入射的光线从耦入所述耦入区2，再到经所述耦出区3扩瞳耦出，经过的所有路径，光栅矢量之和为0，以确保入射的光线和出射的光线的在波导基底1平面上的投影矢量方向一致。
90.可选的是，所述衍射光栅包括表面浮雕光栅、体全息光栅及光子晶体中的任一种。
91.需要说明的是，可以根据需要选择合适类型的衍射光栅应用在导光器件的耦入区2和耦出区3，本实用新型中对此不做具体限制。本实用新型的方案对于所述耦入区2及所述耦出区3的具体类型可以不做限定，适用范围较广。
92.在一个具体的例子中，参见图1，所述导光器件包括波导基底1以及设于所述波导
基底1上的耦入区2、耦出区3、两个第一光回收区4及两个第二光回收区7；其中一个所述第一光回收区4位于所述耦出区3的一侧与所述波导基底1的边缘之间，另一个所述第一光回收区4位于所述耦入区2的一侧与所述波导基底1的边缘之间；所述第一光回收区4设有单个一维光栅或者两个一维光栅组合；所述两个第二光回收区7分别位于所述耦出区3相对的两侧，所述第二光回收区7设有单个一维光栅或者两个一维光栅组合；所述耦入区2用于将光线耦入所述波导基底1内并使所述光线全反射传播至所述耦出区3，所述耦出区3用于耦出传播至所述耦出区3的光线，所述第一光回收区4用于将耦入所述波导基底1内并传播至所述第一光回收区4的光线转变为回传光线后重新传播至所述耦出区3；所述第二光回收区7用于将耦入所述波导基底1内并传播至所述第二光回收区7的光线转变为回传光线后传播至所述耦出区3；其中，两个所述第一光回收区4位于光线全反射传播的路径上，两个所述第二光回收区7均位于耦出区3扩瞳光线的传播路径上。
93.本实用新型的导光器件，在所述波导基底1上至少由三个区域构成：其中一个区域例如设置耦入光栅以形成耦入区2，用于将入射的光线耦入所述波导基底1中；其中另一个区域设置为耦出光栅区以形成耦出区3，用于将光线扩展并耦出至所述波导基底1之外，例如进入人眼中成像；还有一个区域位于所述耦入区2的一侧或者所述耦出区3的至少一侧，用于产生回传光线传播至所述耦出区3。
94.需要说明的是，当所述耦入区2位于所述波导基底1的表面上时，所述耦入区2与所述耦出区3可以位于所述波导基底1的同一侧，二者也可以位于所述波导基底1的异侧，本实用新型中对此不做具体限制。
95.本实用新型实施例还提供了一种可穿戴设备。所述可穿戴设备包括如上所述的导光器件及光机；其中，所述光机用以将光线或者图像射入所述导光器件中。
96.所述可穿戴设备还包括壳体，所述导光器件及光机设于所述壳体内。
97.所述头戴显示设备例如为ar设备。所述ar设备包括ar智能眼镜或者ar智能头盔等，本实用新型中对此不做限制。
98.本实用新型实施例的可穿戴设备的具体实施方式可以参照上述的导光器件的实施例，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
99.上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
100.虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。