CN107797287A - 光波导镜片及显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光波导镜片及显示装置，该光波导镜片包括波导衬底、中转元件、至少一个输入元件和至少一个输出元件，所述中转元件、输入元件和输出元件设置在所述波导衬底上。该光波导镜片和显示装置通过在输入元件和输出元件中设置一个中转元件，该中转元件为衍射式浮雕光栅，光束通过输入元件射入至中转元件后，进行两次相消的反射衍射，使其在第二方向上扩展，最后通过输出元件在第一方向上进行扩展，完成输出图像的2D扩展。并且，通过设置单片或双片或者三片光波导镜片，该光波导镜片和显示装置能够实现单色显示和/或彩色显示。

Description

光波导镜片及显示装置

技术领域

本发明涉及一种光波导镜片及显示装置。

背景技术

AR(Augmented Reality，增强现实)技术，借助计算机图形技术和可视化技术产生物理世界中不存在的虚拟对象，并将其准确“放置”在物理世界中，呈现给用户一个感知效果更丰富的新环境。在诸多领域，例如工业制造和维修领域、医疗领域、军事领域、娱乐游戏领域、教育领域等，有着巨大的潜在应用价值。在AR产业链中，同时具有透明效果和成像/导光效果的镜片是AR硬件得以实施的最关键部件，其中扩瞳能力是AR镜片的一个重要参数，直接影响人眼观察舒适度及人群的适应度。在当前的工业界或者学术界，已经有多种用于AR显示的镜片方案：利用单个反射棱镜将侧面图像直接投送到单个人眼中，实现方式简单，但是有着疲劳感强、视场角小、无扩瞳效果的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光波导镜片、显示装置，能以简单的制造工艺以及较低的成本使图像实现2D的扩展，具有优秀的2D扩瞳能力。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光波导镜片，包括波导衬底、中转元件、至少一个输入元件和至少一个输出元件，所述中转元件、输入元件和输出元件设置于所述波导衬底；光束通过所述输入元件从第一方向上输入，并通过所述中转元件在第二方向上扩展，再通过所述输出元件在第一方向上扩展并输出。

进一步地，所述光束通过所述输入元件耦合到所述波导衬底中的输入区域中并在第一方向上传播，所述光束传播到所述中转元件后，至少部分所述光束在第二方向上传播并扩展，随后所述光束传播到所述输出元件，且所述光束在第一方向上扩展并从所述波导衬底内输出。

进一步地，所述中转元件设置在所述波导衬底的表面上。

进一步地，所述中转元件设置在所述输入元件和输出元件之间，所述输入元件与输出元件的相对设置。

进一步地，所述输入元件与输出元件的光路对准以使所述光束在所述输入区域和输出元件中的传输方向和角度一致。

进一步地，所述中转元件为浮雕光栅。

进一步地，所述中转元件为衍射式浮雕光栅。

进一步地，所述衍射式浮雕光栅具有光栅槽和上边缘，所述光栅槽与所述第一方向成40°～60°的夹角θ，所述上边缘与所述第一方向成夹角α，且满足α-θ≤2°。

进一步地，所述波导衬底的折射率大于1.7。

进一步地，所述输入元件和输出元件为反射元件。

进一步地，所述反射元件包括镀膜反射元件和反射全息光栅。

进一步地，所述镀膜反射元件包括镀膜反射镜。

进一步地，所述输入元件和输出元件相对设置在所述波导衬底的内部，所述输入元件为单个的镀膜反射镜，所述输出元件为阵列式镀膜反射镜。

进一步地，所述输入元件和输出元件相对设置在所述波导衬底的表面，所述输入元件为第一反射全息光栅，所述输出元件为经过反射率调制的第二反射全息光栅。

为达到上述目的，本发明还提供了一种显示装置，包括所述光波导镜片。

进一步地，所述显示装置还包括光引擎，所述光引擎包括成像元件，所述成像元件具有出瞳，所述输入元件与所述出瞳对接。

进一步地，所述出瞳的尺寸与所述输入元件的尺寸相匹配。

本发明的有益效果在于：本发明的光波导镜片和显示装置通过在输入元件和输出元件中设置一个中转元件，该中转元件为衍射式浮雕光栅，光束通过输入元件射入至中转元件后，进行两次相消的反射衍射，使其在第二方向上扩展，最后通过输出元件在第一方向上进行扩展，完成输出图像的2D扩展。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例所示的光波导镜片的结构示意图；

图2为图1所示的光波导镜片的俯视图；

图3为本发明另一实施例所示的光波导镜片的结构示意图；

图4为图3所示的光波导镜片的侧视图；

图5为图3所示的光波导镜片的衍射效率计算图；

图6为本发明再一实施例所示的三种光波导镜片的结构示意图；

图7为图6所示的光波导镜片的衍射效率计算图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图1和图2，本发明一实施例所示的光波导镜片包括波导衬底1、中转元件2、至少一个输入元件3和至少一个输出元件4，在本实施例中，以一个输入元件和一个输出元件来进行说明，诚然，在其他实施例中，输入元件和输出元件的数量可根据实际情况而定。所述中转元件2、输入元件3和输出元件4设置在所述波导衬底1上，中转元件2设置在波导衬底1的表面上，输入元件3和输出元件4相对设置在中转元件2的两侧，在本实施例中，输入元件3和输出元件4都设置在波导衬底1的内部，并且，输入元件3为单个的镀膜反射镜，输出元件4为阵列式镀膜反射镜，诚然，在其他实施例中，输入元件3和输出元件4还可设置在波导衬底1的表面上，并且，输入元件3为第一反射全息光栅，输出元件4为经过反射率调制的第二反射全息光栅；或者，输入元件3和输出元件4还可为其他反射元件。另外，在AR光波导镜片对光束进行传输，并对其出瞳进行扩大时，需要满足的基本原则是：输出的光束和输入的光束需要满足平行条件，这样在整个扩大出瞳的范围内，看到的图像不会产生畸变。因此，光波导镜片在设计时，光线需要满足相位守恒条件，即，输入元件3和输出元件4的光路需要对准。例如，基于反射元件的光波导镜片，输入元件3和输出元件4需要高精度对称放置；或者，基于衍射元件的光波导镜片，输入元件3和输出元件4的周期和取向需要完全一致。

在本实施例中，中转元件2为衍射式浮雕光栅，该衍射式浮雕光栅可以为正光栅，也可以为倾斜光栅，其光栅周期优选为在250nm～350nm之间，以波导衬底1为基准面建立直角坐标系，设定X轴的方向为光束的第一方向，Y轴方向为光束的第二方向，所述X轴、Y轴和Z轴两两垂直。光束以一定的入射角β射入波导衬底1中，光束通过输入元件3入射到所述波导衬底1的输入区域(未图示)中，并沿X轴方向传输到中转元件2，该中转元件2将至少部分光束在波导衬底1的YZ面传播，最后由输出元件4反射并从波导衬底2内射出。由于所述输入元件3与输出元件4的相对设置，且所述输入元件3与输出元件4的光路对准，因而使所述光束在所述输入区域和输出元件4中的传输方向和角度一致。在本实施例中，输入元件3和输出元件4为矩形，中转元件2为不规则的多边形，诚然，在其他实施例中，根据实际需要，输入元件3、输出元件4以及中转元件2还可为其他形状。中转元件2具有光栅槽21和上边22，光栅槽21与Y轴所成的夹角θ为40°～60°，优选为45°，上边与Y轴所成的夹角为α，需满足α-θ≤2°。

在本实施例中，波导衬底2所采用的材料为环硫树脂，诚然，在其他实施例中，该波导衬底2所采用的材料还可为其他有机材料，或者无机材料，如重火石玻璃。该波导衬底2具有相对的上下表面(未标号)，其上下表面的平行度优于0.5分，波导衬底2的厚度为0.5mm～1.5mm，优选为1mm；其折射率需大于1.7，优选为1.84；并且，该波导衬底2在可见光波段400nm～700nm之间有着大于90％的透过率。在本实施例中，输入元件的宽度W、波导衬底的厚度H以及光束的最大入射角β需满足W≤2tanβH。同时，由于波导衬底的折射率需大于1.7，根据全反射公式可知所述最大入射角β需大于36°，并且，若所述光束的入射角过大，易使其能量受到损失，经过实验研究，所述最大入射角β优选为40°～70°。

在本实施例中，光波导镜片为矩形，诚然，在其他实施例中，该光波导镜片还可以为其他适合人眼观察的形状。

本发明还提供了一种显示装置(未图示)，该显示装置包括上述的光波导镜片以及光引擎(未图示)，光引擎中包括光源(未图示)，图像输出元件(未图示)和成像元件(未图示)，在成像元件中设置有出瞳(未图示)，为保证光束通过输入元件3完全耦合至波导衬底1中，出瞳的位置必须与输入元件3对接，优选为，出瞳的形状和尺寸与输入元件3的形状和尺寸一致。

请参见图3，本发明另一实施例所示的光波导镜片采用长度为4mm的正方形输入元件3’和长度为2cm、宽度为1.5cm的长方形输出元件4’，诚然，在其他实施例中，该输入元件3’以及输出元件4’还可以为其他形状。输入元件3’和输出元件4’都设在波导衬底1’的内部，且输入元件3’为镀银的反射镜，其反射效率＞90％，相应的输出元件4’为阵列式的镀银反射镜组成，同时，通过控制镀银厚度，可以控制输入元件3’和输出元件4’的反射效率。输入元件3’倾斜设置在波导衬底1’的内部，其倾斜角度γ为25°，由于输出元件4’须与输入元件3’对称设置，故，输出元件4’同样倾斜设置在波导衬底1’的内部，且其锐角倾斜角度γ同样为25°。如图所示，中转元件2’为不规则形状的衍射式浮雕光栅，其与输入元件3’之间的距离为0.5mm，与输出元件4’之间的距离为0.5mm。该中转元件2’具有左边21’、下边22’、右边23’以及上边24’，其中左边21’的长度为0.8cm，下边22’的长度为1cm，右边23’包括倾斜边(未标号)，该倾斜边与Y轴所成夹角δ’为60°，右边23’的总长度为1.5cm，上边24’与Y轴所成夹角α’为45°，且其在Y轴上投影的长度为1.5cm，通过该设计方式，可以光波导镜片的纵向导光效率，降低横向漏光率。在中转元件2’中设置的若干光栅槽25’与上边平行，且与Y轴所成夹角θ’为45°，诚然，在其他实施例中，α’和θ’还可取其他角度，只需满足θ’∈[40°,60°]，且α’-θ’≤2°即可。

请结合图4，因为只有满足全反射角的特定光束才能在波导衬底1’中传播，且临界全反射角直接决定了整个显示系统的视场角，因此波导衬底1’需要选择高折射率材料。考虑材料成熟性，波导衬底1’折射率优选为1.84。波导衬底1’材料在可见光波段400nm到700nm有良好的透过率，波导衬底1’厚度H选为1mm。当光束进入波导衬底1’后，在输入元件3’处被高效率反射，反射后光束满足全反射角，在XZ面内全反射传输，在光栅的全反射点，光束和光栅进行作用，光束的能量主要集中在负一级衍射和0级光上。由于光栅槽25’和Y轴夹角θ’为45°，反射负一级被易面在YZ面内传输，在全反射传输过程中，再次和光栅进行作用，总的波矢变化接近为0，从而回到原来XZ面传输。传输到输出元件4’的光束，其传播方向和角度和入射图像光达到输入区域后的光束传播方向和角度一致。且由于输入元件3’和输出元件4’对称放置，光束由输出元件4’反射，并从波导衬底1’内输出，因此最终出射光束和入射光束方向一致，只不过通过中转元件2’和输出元件3’的光束在XY面得到了二维的扩展，实现扩瞳的目的。由于光束在中转元件2’上经过两次反射衍射，最终增加的波矢为0，因此光栅周期和取向角可容纳一定误差，容差为10％。

请结合图5，在本实施例中，由于输入元件3’和输出元件4’都为镀银反射镜，对可见波长都具有反应，因此，通过设置具有全波段响应特性的中转元件2’即可实现单层光波导镜片的彩色显示。由图可知，反射负一级为折转光束(有效)，透射负一级为出射衬底光束(损耗)，反射0级为继续在波导衬底1”内传播的光束(有效)。可以看出在RGB谱线位置，该中转元件2”能够有效利用光能，单次折转效率在15％到35％之间，通过多次全反射作用，可以有效将光束在中转元件2”上扩展。RGB色彩的平衡度可以通过初始RGB照明光源的强度来平衡。光栅深度随正x和正y方向，缓慢增加，到传输的末端，反射负一级的效率接近100％。

请参见图6，本发明再一实施例所示的光波导镜片采用反射全息光栅来作为输入元件3”和输出元件4”，输入元件3”为第一反射全息光栅，输出元件4”为经过反射率调制的第二反射全息光栅，且输入元件3”、输出元件4”和中转元件2”都设置在波导衬底1”的表面上，同时，输入元件3”和输出元件4”的参数与镀银反射镜类似。如图6a所示，通过设置单层的光波导镜片，所述光波导镜片上设有一个所述输入元件3”、中转元件2”和一个所述输出元件4”，该光波导镜片可以实现单层单色显示。由于输入元件3”和输出元件4”都为具有波长敏感性的体光栅，因此需要通过设置多层输入元件3”和输出元件4”的方法来实现彩色显示。如图6b所示，通过设双层的光波导镜片，可以实现双层的RGB(Red，Green，Blue，红绿蓝)彩色显示，其中绿色图像占用一层光波导镜片，红色和蓝色图像共用一层光波导镜片。由于红光与蓝光波长相差较多，而绿光的波长与红光和蓝光都比较接近，若将用于传输绿色图像的输入元件31”和输出元件41”与用于传输蓝色图像和红色图像的输入元件32”和输出元件42”设置在一起，则容易产生串扰，从而影响装置的图像显示性能。如图6c所示，还可以通过通过堆叠三层反射全息光栅(或体全息光栅空间复用)来实现单层的RGB彩色显示。

请结合图7，在单层彩色或者多层彩色显示的情况下，中转元件2”可以根据响应波长进行优化设计。由于输入元件31”、32”和输出元件41”42”都为具有波长敏感性的体光栅，其反射波长可通过体光栅的周期进行调控。由图可知，通过优化中转元2”件的光栅周期，反射负一级在红绿蓝波段可以分别得到衍射效率极大，同时透射负一级效率为0。

综上所述：本发明的光波导镜片和显示装置通过在输入元件和输出元件中设置一个中转元件，该中转元件为衍射式浮雕光栅，光束通过输入元件射入至中转元件后，进行两次相消的反射衍射，使其在第一方向上扩展，最后通过输出元件在第二方向上进行扩展，完成输出图像的2D扩展，具有优秀的扩瞳效果，同时，中转元件的光栅周期和取向在一定容差内仍能保证相位条件的守恒，降低了镜片的加工难度。

并且，通过设置单片或双片或者三片光波导镜片，该光波导镜片和显示装置能够实现单色显示和/或彩色显示

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (17)

1.一种光波导镜片，其特征在于：包括波导衬底、中转元件、至少一个输入元件和至少一个输出元件，所述中转元件、输入元件和输出元件设置于所述波导衬底；光束通过所述输入元件从第一方向上输入，并通过所述中转元件在第二方向上扩展，再通过所述输出元件在第一方向上扩展并输出。

2.如权利要求1所述的光波导镜片，其特征在于，所述光束通过所述输入元件耦合到所述波导衬底中的输入区域中并在第一方向上传播，所述光束传播到所述中转元件后，至少部分所述光束在第二方向上传播并扩展，随后所述光束传播到所述输出元件，且所述光束在第一方向上扩展并从所述波导衬底内输出。

3.如权利要求1所述的光波导镜片，其特征在于，所述中转元件设置在所述波导衬底的表面上。

4.如权利要求1所述的光波导镜片，其特征在于，所述中转元件设置在所述输入元件和输出元件之间，所述输入元件与输出元件的相对设置。

5.如权利要求1或3或4所述的光波导镜片，其特征在于，所述输入元件与输出元件的光路对准以使所述光束在所述输入区域和输出元件中的传输方向和角度一致。

6.如权利要求1所述的光波导镜片，其特征在于，所述中转元件为浮雕光栅。

7.如权利要求1所述的光波导镜片，其特征在于，所述中转元件为衍射式浮雕光栅。

8.如权利要求7所述的光波导镜片，其特征在于，所述衍射式浮雕光栅具有光栅槽和上边缘，所述光栅槽与所述第一方向成40°～60°的夹角θ，所述上边缘与所述第一方向成夹角α，且满足α-θ≤2°。

9.如权利要求1所述的光波导镜片，其特征在于，所述波导衬底的折射率大于1.7。

10.如权利要求1所述的光波导镜片，其特征在于，所述输入元件和输出元件为反射元件。

11.如权利要求10所述的光波导镜片，其特征在于，所述反射元件包括镀膜反射元件和反射全息光栅。

12.如权利要求11所述的光波导镜片，其特征在于，所述镀膜反射元件包括镀膜反射镜。

13.如权利要求1或12中任一项所述的光波导镜片，其特征在于，所述输入元件和输出元件相对设置在所述波导衬底的内部，所述输入元件为单个的镀膜反射镜，所述输出元件为阵列式镀膜反射镜。

14.如权利要求1或12中任一项所述的光波导镜片，其特征在于，所述输入元件和输出元件相对设置在所述波导衬底的表面，所述输入元件为第一反射全息光栅，所述输出元件为经过反射率调制的第二反射全息光栅。

15.一种显示装置，其特征在于：包括至少一片如权利要求1至13中任一项所述光波导镜片。

16.如权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置还包括光引擎，所述光引擎包括成像元件，所述成像元件具有出瞳，所述输入元件与所述出瞳对接。

17.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述出瞳的尺寸与所述输入元件的尺寸相匹配。