一种光波导显示系统及近眼显示设备的制作方法

本发明涉及光波导，特别涉及一种光波导显示系统及近眼显示设备。

背景技术：

1、光波导显示系统主要是通过应用衍射光学元件，将目标像源以一定的角度耦入到波导基体中，并基于全反射原理在波导基体内传输，经过一维或者二维出瞳扩展后从波导基体中耦出并传递到人眼。

2、一方面，光波导显示系统中的耦入光学元件一般选用周期为波长或亚波长量级(200nm～500nm)的衍射光栅，此时其主要衍射级次一般为0级、+1级和-1级，其中+1级次或者-1级次一般作为波导基体的工作级次，而0级衍射光一般会直接从波导基体中透射出。由于衍射光的大部分能量都集中在0级，因此需将其复用以提高光波导显示系统的耦合效率。现有技术中，通常在波导基体的上下表面均设置衍射光栅，以同时对耦入的光线进行衍射以及对0级衍射光进行复用，但为了保证两侧衍射光栅衍射的+1级次和/或-1级次光线的传播方向完全一致，需要两组衍射光栅严格对准，且光栅方向不能有相对旋转，否则会影响成像效果，这就对制作设备的精度要求极高，同时在波导基体的上下表面均制作光栅结构，通常需要制作两块纳米压印模板，这会提高生产成本，降低产品良率。

3、另一方面，为了提高光波导显示系统的视场角，现有技术中通常采用双通道的光路设计，具体是设置输入光栅、两个扩瞳单元和一个出瞳单元，其中输入光栅用于将目标像源分解成两条光束，两条光束分别通过两条主路径并经扩瞳单元扩瞳传播至出瞳单元，最后叠加到一起并从波导基体中耦出。但是，为了达到将输入光分解的目的，输入光栅需要选用二维光栅，由于二维光栅进行光栅设计时其可改变的参数较少，导致二维光栅的衍射效率较低，同时，在波导基体上制作二维光栅结构，需要在加工过程中保证两个方向的加工精度，工艺难度较大。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的是提供一种光波导显示系统及近眼显示设备，能够在复用0级衍射光的同时提高系统的视场角，并且加工光波导的难度较低。

2、一方面，本发明提供了一种光波导显示系统，包括波导基体、一维耦入光栅、回收光学组件、出瞳扩展光学组件。一维耦入光栅设于波导基体的一侧面上，一维耦入光栅用于将目标像源耦入波导基体中，并产生能够在波导基体中沿第一方向全反射传播的第一目标光束，以及产生从波导基体中透射出的0级次衍射光；回收光学组件用于将0级次衍射光重新耦入波导基体中，并产生能够在波导基体中沿第二方向全反射传播的第二目标光束；出瞳扩展光学组件设于波导基体上，用于对第一目标光束和第二目标光束进行扩展并叠加耦合出波导基体；其中，第一方向与第二方向不同。

3、另外，根据本发明上述的光波导显示系统，还可以具有如下附加的技术特征：

4、进一步地，回收光学组件包括反射光学元件和耦入光学元件，反射光学元件设于波导基体与一维耦入光栅相对的另一侧，耦入光学元件设于波导基体上，反射光学元件用于多次反射0级次衍射光至耦入光学元件上，耦入光学元件用于将0级次衍射光调制成第二目标光束。

5、进一步地，耦入光学元件为反射型衍射光栅，耦入光学元件与一维耦入光栅均位于波导基体上的同一侧面上，且耦入光学元件的面积区域与一维耦入光栅的面积区域不重叠。

6、进一步地，耦入光学元件为透射型衍射光栅，耦入光学元件与一维耦入光栅分别位于波导基体上的相对侧面上，且耦入光学元件的面积区域与一维耦入光栅的面积区域不重叠。

7、进一步地，反射光学元件包括底边、与底边的两端均呈β角度的侧边，底边靠近并平行于波导基体，底边的面积区域覆盖一维耦入光栅和耦入光学元件的面积区域，β角度满足：

8、

9、其中，n为反射光学元件的折射率。

10、进一步地，底边上镀有ar膜，两个侧边均镀有hr膜或者金属膜。

11、进一步地，出瞳扩展光学组件包括第一转折光学元件、第二转折光学元件、耦出光学元件，第一转折光学元件用于扩展第一目标光束并转折至耦出光学元件的第一维方向，第二转折光学元件用于扩展第二目标光束并转折至耦出光学元件的第二维方向，耦出光学元件用于将第一维方向的光线和第二维方向的光线进行叠加并耦合出波导基体。

12、进一步地，第一转折光学元件和第二转折光学元件均为一维衍射光栅，耦出光学元件为二维衍射光栅。

13、进一步地，一维耦入光栅的光栅刻线方向与所述第二方向所在直线的夹角α1满足-45°≤α1≤45°，耦入光学元件的光栅刻线方向与第一方向所在直线的夹角α2满足-45°≤α2≤45°。

14、另一方面，本发明还提供了一种近眼显示设备，包括微光引擎和前述光波导显示系统，微光引擎用于产生目标像源。

15、本发明具有以下有益效果：只需在波导基体上加工制作一维衍射光栅，并通过回收光学组件利用透射出波导基体的0级衍射光进行目标像源信息的传播，能够提高对入射的目标像源能量的利用率，同时，由于第一目标光束和第二目标光束分别有独立的传播主路径，当这两条主路径的光束分别携带不同视场角的图像信息或携带的图像的缺失视场角不同时，经出瞳扩展光学组件扩展并叠加耦合传递至人眼后，可以增加总体的视场角并增加光强分布的均匀性，相比现有技术，无需在波导基体的上下表面设置严格对齐的一维衍射光栅，使得波导基体的加工复杂度降低，同时也无需通过设置二维光栅以将目标像源分解成两条独立传播的光线，使得波导基体的加工复杂度降低的同时可以自由调节一维光栅的参数，使得本光波导系统具有较高的衍射效率，从而提成像效果。

技术特征：

1.一种光波导显示系统，其特征在于，所述光波导显示系统包括：

2.根据权利要求1所述的光波导显示系统，其特征在于，所述回收光学组件包括反射光学元件和耦入光学元件，所述反射光学元件设于所述波导基体与所述一维耦入光栅相对的另一侧，所述耦入光学元件设于所述波导基体上，所述反射光学元件用于多次反射所述0级次衍射光至所述耦入光学元件上，所述耦入光学元件用于将所述0级次衍射光调制成所述第二目标光束。

3.根据权利要求2所述的光波导显示系统，其特征在于，所述耦入光学元件为反射型衍射光栅，所述耦入光学元件与所述一维耦入光栅均位于所述波导基体上的同一侧面上，且所述耦入光学元件的面积区域与所述一维耦入光栅的面积区域不重叠。

4.根据权利要求2所述的光波导显示系统，其特征在于，所述耦入光学元件为透射型衍射光栅，所述耦入光学元件与所述一维耦入光栅分别位于所述波导基体上的相对侧面上，且所述耦入光学元件的面积区域与所述一维耦入光栅的面积区域不重叠。

5.根据权利要求2至4任一项所述的光波导显示系统，其特征在于，所述反射光学元件包括底边、与所述底边的两端均呈β角度的侧边，所述底边靠近并平行于所述波导基体，所述底边的面积区域覆盖所述一维耦入光栅和所述耦入光学元件的面积区域，所述β角度满足：

6.根据权利要求5所述的光波导显示系统，其特征在于，所述底边上镀有ar膜，两个所述侧边均镀有hr膜或者金属膜。

7.根据权利要求1所述的光波导显示系统，其特征在于，所述出瞳扩展光学组件包括第一转折光学元件、第二转折光学元件、耦出光学元件，所述第一转折光学元件用于扩展所述第一目标光束并转折至所述耦出光学元件的第一维方向，所述第二转折光学元件用于扩展所述第二目标光束并转折至所述耦出光学元件的第二维方向，所述耦出光学元件用于将所述第一维方向的光线和所述第二维方向的光线进行叠加并耦合出所述波导基体。

8.根据权利要求7所述的光波导显示系统，其特征在于，所述第一转折光学元件和所述第二转折光学元件均为一维衍射光栅，所述耦出光学元件为二维衍射光栅。

9.根据权利要求3或4所述的光波导显示系统，其特征在于，所述一维耦入光栅的光栅刻线方向与所述第二方向所在直线的夹角α1满足1-45°≤α1≤45°，所述耦入光学元件的光栅刻线方向与所述第一方向所在直线的夹角α2满足-45°≤α2≤45°。

10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括微光引擎和如权利要求1至9任一项所述的光波导显示系统，所述微光引擎用于产生所述目标像源。

技术总结
本发明提供了一种光波导显示系统及近眼显示设备，光波导显示系统包括波导基体、一维耦入光栅、回收光学组件、出瞳扩展光学组件，一维耦入光栅设于波导基体的一侧面上，一维耦入光栅用于将目标像源耦入波导基体中，并产生能够在波导基体中沿第一方向全反射传播的第一目标光束，以及产生从波导基体中透射出的0级次衍射光；回收光学组件用于将0级次衍射光重新耦入波导基体中，并产生能够在波导基体中沿第二方向全反射传播的第二目标光束；出瞳扩展光学组件设于波导基体上，用于对第一目标光束和第二目标光束进行扩展并叠加耦合出波导基体；其中，第一方向与第二方向不同。本发明在复用0级衍射光的同时可以提高系统视场角，且加工光波导的难度低。

技术研发人员：刘滨,饶鹏辉
受保护的技术使用者：江西凤凰光学科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/6/5