一种全息光波导镜片及增强现实显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种全息光波导镜片及增强现实显示装置，全息光波导镜片包括：波导；位于波导上表面或下表面的具有光学衍射功能的功能性区域，所述功能性区域包括：入射功能性区域，所述入射功能性区域内设置有将外部图像光耦合至波导的一维光栅；出射功能性区域，所述出射功能性区域内设置有将波导内传输过来的图像光耦合出波导并实现图像光扩展的二维光栅。本发明专利技术只需要设置入射功能性区域和出射功能性区域两个功能区域，其降低了对波导的面积需求，适合微型显示系统。此外，通过在出射功能性区域内的二维光栅基于多向衍射实现光线的二维扩展，从而提升了图像对比度，保证了成像效果。

【技术实现步骤摘要】
一种全息光波导镜片及增强现实显示装置
本专利技术涉及虚拟现实显示技术，具体涉及一种全息光波导镜片及增强现实显示装置。
技术介绍
增强现实(AR)技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。一种可行的解决方案是提供在显示器的整个宽度上扩展视场的光栅波导结构。如图1所示，其示出了现有技术中的一种采用耦入-转折-耦出的光栅波导结构，其包括波导10、耦入区域20、转折区域30及耦出区域40，耦入区域20、转折区域30及耦出区域40内均设置有光栅。图像光从耦入区域20入射并在耦入区域20内发生衍射，满足全反射条件的光线经在波导10内经全反射传导至转折区域30，光线与转折区域30内的光栅交互并实现光路弯折，弯折后的光线继续以全反射传导的方式传导至耦出区域40，并最终被耦出区域40耦出至人眼以实现虚拟成像。上述过程中，光线从耦入区域20传导至转折区域30实现了在X轴方向的拉伸、扩展，光线从转折区域30传导至耦出区域40则实现了在Y轴方向的拉伸、扩展，从而实现了二维空间的扩瞳。这种采用三个分离区域的扩瞳解决方案需要配置大面积波导，在微型显示系统(如AR眼镜)并不适用。另一问题是，这种采取两次单向衍射扩展的方式需要大量的衍射交互(每个衍射交互均会导致散射损失)，从而降低了图像的对比度、影响了视觉效果。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述技术问题，本专利技术第一方面提供了一种全息光波导镜片，其仅通过设置两个功能区域即能实现对图像光的二维扩展，其具体技术方案如下：一种全息光波导镜片，其特征在于，其包括：波导；位于波导上表面或下表面的具有光学衍射功能的功能性区域，所述功能性区域包括：入射功能性区域，所述入射功能性区域内设置有将外部图像光耦合至波导的一维光栅；出射功能性区域，所述出射功能性区域内设置有将波导内传输过来的图像光耦合出波导并实现图像光扩展的二维光栅。在一些实施例中，所述一维光栅的光栅周期矢量与所述二维光栅在其一个取向上的光栅周期矢量平行，所述二维光栅在其两个取向上的光栅周期矢量相等且等于所述一维光栅的光栅周期矢量。在一些实施例中，所述波导的折射率设置为1.7～2.0，所述一维光栅的光栅周期、所述二维光栅在其两个取向上的光栅周期为290～710nm。在一些实施例中，所述一维光栅为具有波长选择性的矩形光栅、倾斜光栅及闪烁光栅。在一些实施例中，所述二维光栅为具有二维周期结构的阵列波导光栅。在一些实施例中，所述阵列波导光栅包括圆柱阵列波导光栅、矩形柱阵列波导光栅及楔形柱阵列波导光栅。在一些实施例中，所述阵列波导光栅由形成于所述波导内的二维光子晶体提供，所述二维光子晶体在两个交叉的方向上均具有周期性纳米结构。在一些实施例中，所述二维光栅经两次叠加曝光形成，所述两次叠加曝光为：固定曝光光源与波导位置，完成第一次曝光，获得一维光栅结构；曝光光源保持不动，波导沿中心旋转预定角度，完成第二次曝光，获得所述二维光栅；所述曝光光源由两束平面波构成，两束平面波形成一曝光干涉面。与现有技术相比，本专利技术只需要设置入射功能性区域和出射功能性区域两个功能区域，其降低了对波导的面积需求，适合微型显示系统。此外，通过在出射功能性区域内的二维光栅基于多向衍射实现光线的二维扩展，从而提升了图像对比度，保证了成像效果。本专利技术的第二方面提供了一种增强现实显示装置，其包括：微投影装置，用于产生图像光；光波导镜片，所述光波导镜片为本专利技术的第一方面任一项所提供的全息光波导镜片。在一些实施例中，所述微投影装置的数目为两个，并分别与对应左右眼的全息光波导镜片对应设置。附图说明图1为现有技术中的具有二维扩瞳效果的光波导镜片的结构示意图；图2为本专利技术的全息光波导镜片的结构示意图；图3为本专利技术的全息光波导镜片的光路示意图；图4为光线在入射功能性区域、出射功能性区域的光路示意图；图5为光线在出射功能性区域的光路示意图；图6为矩形光栅的光线衍射原理示意图；图7为倾斜光栅的光线衍射原理示意图；图8为闪烁光栅的光线衍射原理示意图；图9为几种常见的二维阵列光栅的结构示意图；图10为二维阵列光栅的光栅周期矢量的设置示意图；图11为本专利技术的增强现实显示装置的成像原理图。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本专利技术提出的抬头显示系统及汽车的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下:有关本专利技术的前述及其它
技术实现思路
、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本专利技术为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本专利技术加以限制。图2为本专利技术的全息光波导镜片的结构示意图，该全息光波导镜片用作增强现实显示装置的显示屏。如图1所示，该全息光波导镜片包括：波导1；位于波导1的上表面或下表面的具有光学衍射功能的功能性区域，如图2所示，如果定义图像光入射及出射的一面为上表面，则图2实施例中，两个功能性区域均设置在波导的上表面。功能性区域包括入射功能性区域2和出射功能性区域3，其中：入射功能性区域2内设置有将外部图像光耦合至波导1内的一维光栅。出射功能性区域3内设置有将波导内传输过来的图像光耦合出波导1，并实现图像光扩展的二维光栅。且如图2所示，本专利技术中，在光栅布置上，一维光栅的光栅周期矢量p0与二维光栅的在其一个取向上的光栅周期矢量p2平行。此外，所述二维光栅在两个取向上的光栅周期矢量相等且均等于所述一维光栅的光栅周期矢量。此处所提及的光栅周期矢量是指垂直于光栅取向(光栅的沟道延伸方向)的方向矢量。由于一维光栅由一组相互平行的光栅沟道排布形成，因此其仅具有一个光栅周期矢量p0，二维光栅则具有两个光栅周期矢量p1、p2。下文将对本专利技术的全息光波导镜片的光学原理进行介绍，在此之前，我们定义如下坐标轴：X轴：波导1的宽度方向，同时也是用户的双眼连线方向；Y轴：波导1的高度方向，同时也是用户的鼻梁的延伸方向；Z轴：与X轴、Y轴限定的X—Y平面垂直(或正交)的方向。可见，本专利技术中的入射功能性区域2、出射功能性区域3位于X—Y平面上。请参考图3至5所示：微投影装置发出的图像光以一定的扩散角入射至入射功能性区域2，光线与入射功能性区域2内的一维光栅产生交互，形成传播方向垂直于一维光栅沟道方向的衍射光。衍射光满足波导的全反射条件，从而以全反射形态在波导1内传导并最终传导至出射功能性区域3。光线到达出射功能性区域3后与出射功能性区域3内的二维光栅产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全息光波导镜片，其特征在于，其包括：/n波导；/n位于波导上表面或下表面的具有光学衍射功能的功能性区域，所述功能性区域包括：/n入射功能性区域，所述入射功能性区域内设置有将外部图像光耦合至波导的一维光栅；/n出射功能性区域，所述出射功能性区域内设置有将波导内传输过来的图像光耦合出波导并实现图像光扩展的二维光栅。/n

【技术特征摘要】
1.一种全息光波导镜片，其特征在于，其包括：
波导；
位于波导上表面或下表面的具有光学衍射功能的功能性区域，所述功能性区域包括：
入射功能性区域，所述入射功能性区域内设置有将外部图像光耦合至波导的一维光栅；
出射功能性区域，所述出射功能性区域内设置有将波导内传输过来的图像光耦合出波导并实现图像光扩展的二维光栅。


2.如权利要求1所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述一维光栅的光栅周期矢量与所述二维光栅在其一个取向上的光栅周期矢量平行，所述二维光栅在其两个取向上的光栅周期矢量相等且等于所述一维光栅的光栅周期矢量。


3.如权利要求2所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述波导的折射率设置为1.7～2.0，所述一维光栅的光栅周期、所述二维光栅在其两个取向上的光栅周期为290～710nm。


4.如权利要求1所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述一维光栅为矩形光栅、倾斜光栅及闪烁光栅。


5.如权利要求1所述的全息光波导镜片，其特征在于，所述二维光栅为具有二维周期结构的阵列波导光栅。
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【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞彬，罗明辉，乔文，成堂东，李玲，周振，
申请(专利权)人：苏州苏大维格科技集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32