一种具有高耦合效率的波导显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种具有高耦合效率的波导显示装置，用于调节光引擎发出的入射光的衍射效率，包括：波导；耦入光栅，位于波导的一侧，用于将光引擎发出的入射光耦入波导；耦出光栅，与耦入光栅同侧设置且具有相同的周期；偏振转换机构，位于波导的另一侧且与耦入光栅相对布设，用于将入射光的偏振态转换为正交偏振态，转换后的入射光在波导内进行全反射传导，并通过耦出光栅耦出至人眼。该装置在二次衍射过程中可提高R0衍射级次的衍射效率的同时降低T

【技术实现步骤摘要】
一种具有高耦合效率的波导显示装置


[0001]本专利技术属于显示
，具体涉及一种具有高耦合效率的波导显示装置。

技术介绍

[0002]增强现实(AR)或者混合现实(MR)显示系统集成了微显引擎，应用了透明或半透明的波导来传输及复制微显引擎所生成的图像并呈现给用户，因此，用户既可以看到真实世界的场景，又可以接收到微显引擎所生成的虚拟图像，虚实结合以使其具有可穿戴性、前庭以及视觉沉浸感和社交属性，可用于头盔显示(HMD)、平视显示(HUD)以及其它可穿戴眼镜设备等。
[0003]现有技术中增强现实(AR)或者混合现实(MR)显示系统主要包含两部分，一部分是微显引擎(光引擎)，主要采用LCOS、MicroLED或DLP等作为像源，经成像光学系统后获得准直的(以及线偏振或圆偏振)入射光(即像源)。另一部分是基于波导的图像扩展系统，由于经光引擎所获得的像源尺寸通常较小，因此，需要基于波导系统进行图像扩展，以获得大尺寸、高分辨率的图像。如图1所示，通常应用衍射光学元件，如表面浮雕光栅(SRG)或者体全息光栅(VHG)，将像源以一定的角度耦入到波导中，并基于全反射原理在波导内进行传输，之后使用两个一维光栅，即出瞳扩展(EPE)光栅和耦出光栅4来实现二维出瞳扩展，或直接用二维光栅来直接进行二维出瞳扩展以获得图像。
[0004]其中，波导3一般使用高折射率的玻璃，直径为D的耦入光栅2放置在波导的S1表面，周期一般为波长或者亚波长量级(如200
‑
500nm)，光引擎1出射的入射光经耦入光栅2后，可以获得相应的透射级次：T+1、T0以及T
‑
1衍射级次，其中，T+1衍射级次效率高且满足全反射条件：θ
T+1
≥sin
‑1(1/n)。因此，T+1级次光束能够在波导3内进行全反射传输，如图2所示。光引擎1生成的图像尺寸一般为d＝4～5mm，此时，为收集更多的能量和整个视场角度下的图像信息，耦入光栅2的尺寸D≥d。则若波导3的厚度为H，当D≤2Htanθ
T+1
时，T+1衍射级次在经过波导3的S2表面反射后，不再与耦入光栅2相互作用，入射光仅与耦入光栅2发生一次衍射。反之，则经耦入光栅2的D1部分的入射光，在生成T+1级次后，将会再次与S1表面的耦入光栅2相互作用，发生二次衍射，生成相应的透射级次，如T
‑
1衍射级次，以及相应的反射级次，如R0，R
‑
1和R
‑
2等衍射级次。如图3所示，其中，R0衍射级次在耦入光栅2内进行全反射传输，经耦出光栅4后耦出；R
‑
1衍射级次直接从波导3的S2表面透射出来，R
‑
2衍射级次将会原路返回并从S1表面耦出进入到光引擎1中。由此可见，二次衍射效应将会造成耦入光能量的损失，降低整个成像的对比度和整体的耦出效率。
[0005]通常为保证整个显示系统尺寸小、重量轻，且动框内均匀性足够好，需要轻薄的波导，当前的衍射光波导显示系统中，为了使用F数较小的光引擎以使进入到波导内的光强更高(F数的平方与光强成反比)，因此需要耦入光栅具有相对较大的尺寸，D一般为4mm～5mm左右；同时，由于需要保证使用高折射率的波导结构足够轻薄，其厚度H一般在0.8mm～1mm左右，因此会造成D≥2Htanθ
T+1
，进而发生二次衍射，即经过耦入光栅的光在第一次全反射后将会再次与耦入光栅发生作用，从而造成整体的耦出效率降低以及成像对比度和成像质
量的降低，在获取同等的耦出能量，需要光源具有更高的功率，因此也将极大的增加电池的功耗，降低可穿戴设备的使用时间。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对上述问题，提出一种具有高耦合效率的波导显示装置，通过将光引擎发出的入射光经耦入光栅耦入波导后，进一步通过偏振转换机构将入射光的偏振态转换为正交偏振态，并与耦入光栅发生二次衍射后耦出至人眼，从而提高波导显示装置整体的耦合效率，以提高成像对比度和成像质量，并有助于降低光引擎能耗以提高续航时间。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：
[0008]本专利技术提出的一种具有高耦合效率的波导显示装置，用于调节光引擎发出的入射光的衍射效率，包括：
[0009]波导；
[0010]耦入光栅，位于波导的一侧，用于将光引擎发出的入射光耦入波导；
[0011]耦出光栅，与耦入光栅同侧设置且具有相同的周期；
[0012]偏振转换机构，位于波导的另一侧且与耦入光栅相对布设，用于将入射光的偏振态转换为正交偏振态，转换后的入射光在波导内进行全反射传导，并通过耦出光栅耦出至人眼。
[0013]优选地，光引擎发出的入射光为TE偏振光、TM偏振光和圆偏振光其中一种。
[0014]优选地，偏振转换机构为亚波长线栅或半波片。
[0015]优选地，亚波长线栅的周期Λ满足如下公式：
[0016][0017]其中，λ为入射光的波长，n
s
为波导的折射率，n
i
为入射光环境介质的折射率。
[0018]优选地，波导的折射率n
s
为1.71，入射光的波长λ为530nm。
[0019]优选地，亚波长线栅还满足f＝0.2～0.8，h＝50nm～750nm，其中，f为占空比，h为调制深度。
[0020]优选地，半波片的快轴与入射光的振动方向呈45
°
夹角。
[0021]优选地，耦入光栅和耦出光栅分别为倾斜光栅、二元光栅、闪耀光栅和体全息光栅其中一种。
[0022]优选地，耦入光栅为倾斜光栅且周期为波长或亚波长量级。
[0023]优选地，波导镀有抗反射膜。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：该装置通过将光引擎发出的入射光经耦入光栅耦入波导后，进一步通过偏振转换机构将入射光的偏振态转换为正交偏振态，并与耦入光栅发生二次衍射，在提高R0衍射级次的效率的同时降低T
‑
1、R
‑
1和R
‑
2衍射级次的效率，将平均耦入效率由1.96％提升到43％，从而极大的提高了波导显示装置整体耦合效率，以提高成像对比度及成像质量，并有助于降低光引擎能耗以提高续航时间，解决了现有技术中由于二次衍射造成耦入光栅衍射效率降低进而导致整体耦出效率降低的问题。
附图说明
[0025]图1为现有技术中的波导显示装置结构示意图；
[0026]图2为现有技术中的波导显示装置T+1衍射级次全反射工作示意图；
[0027]图3为现有技术中波导显示装置二次衍射工作示意图；
[0028]图4为本专利技术的波导显示装置结构示意图；
[0029]图5为本专利技术的T+1衍射级次效率与入射角度的变化关系图；
[0030]图6为本专利技术未增加偏振转换机构前R0、R
‑
1和R
‑
2衍射级次本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高耦合效率的波导显示装置，用于调节光引擎发出的入射光的衍射效率，其特征在于：所述具有高耦合效率的波导显示装置包括：波导；耦入光栅，位于所述波导的一侧，用于将所述光引擎发出的入射光耦入所述波导；耦出光栅，与所述耦入光栅同侧设置且具有相同的周期；偏振转换机构，位于所述波导的另一侧且与所述耦入光栅相对布设，用于将入射光的偏振态转换为正交偏振态，转换后的入射光在所述波导内进行全反射传导，并通过所述耦出光栅耦出至人眼。2.如权利要求1所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述光引擎发出的入射光为TE偏振光、TM偏振光和圆偏振光其中一种。3.如权利要求1所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述偏振转换机构为亚波长线栅或半波片。4.如权利要求3所述的具有高耦合效率的波导显示装置，其特征在于：所述亚波长线栅的周期Λ满足如下公式：其中，λ为入射光的波长，n
s
为波导的折射率，n
i

【专利技术属性】
技术研发人员：饶鹏辉，王一，
申请(专利权)人：凤凰光学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：