实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实现彩色显示的单层光栅波导显示器件及近眼显示装置，光栅波导显示器件包括：透明波导片、共振波导RGB三色入射光栅和多元复合共振波导RGB三色出射光栅；其中，共振波导RGB三色入射光栅和多元复合共振波导RGB三色出射光栅分别设置在透明波导片表面，共振波导RGB三色入射光栅经透明波导片与多元复合共振波导RGB三色出射光栅构成传导三色光的衍射光路。由于形成的是一种单层结构的能实现均匀彩色显示的器件，其体积和重量较小，保证了器件小型化，能有效降低近眼显示装置的体积和重量，并且能很好的解决了由光栅衍射引起的光栅波导颜色不均匀的问题，实现无色散彩色显示。显示。显示。

Single layer grating waveguide device and near eye display device for color display

【技术实现步骤摘要】
实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置


[0001]本专利技术涉及近眼显示领域，尤其涉及一种实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置。

技术介绍

[0002]增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来倍受关注的热点科技领域，伴随着5G技术的发展，其未来市场化前景已日趋明朗，使得近眼显示技术得到了快速发展。其中增强现实(AR)是一种将数字化信息(包括文字、图像、视频等)叠加到现实物理世界之上的技术，其显著特征是要兼具强透视性及强移动性，不影响对现实环境的正常观察，给用户带来移动场景的切实感受。目前市场上的AR眼镜采用的显示系统是各种微显示屏与棱镜、Bird Bath、自由曲面、光波导等光学元件的组合，能将虚拟图像耦合进入人眼。其中光波导显示技术因其轻薄、对外界光线的高穿透特性而被认为是AR眼镜走向消费级的必选光学方案，无论从光学效果、外观美化、量产前景来说，都具备很大的发展潜力。
[0003]现有的光波导总体上可分为几何光波导和衍射光波导两种。由于光栅在设计和生产上的灵活性，使得衍射光波导技术在可量产性和产品良率方面都比几何光波导具有更大的优势。得益于微加工技术和“平面光学”技术的发展，目前表面浮雕光栅波导被国际上多家大公司采用并已验证其可量产性。光栅波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像。由于采用和光纤技术一样的全反射原理，光栅波导显示器件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明。
[0004]然而由于衍射元件本身对于角度和波长的选择性，导致了光栅波导色散问题的存在，主要表现为FOV和动眼框内的颜色不均匀即“彩虹效应”。目前采用的解决方案是将红绿蓝三色光分别耦合到三层波导里面(如图1所示)，每一层波导只传导单一颜色的光，对应的耦入、耦出光栅只针对某一个颜色而优化，即调整光栅参数使衍射角度达到最大FOV，从而可以改善最终在动眼框范围的颜色均匀性，减小“彩虹效应”。但是由于针对某一颜色光而优化的光栅在一定角度范围内仍会衍射其他颜色的光，并且每一种颜色并不是对应一个波长而是覆盖一定波长范围，因此，这种叠层结构分层优化的光栅波导衍射元件方案，只能在一定程度上得以改善色散问题，并不能完全消除“彩虹效应”，并且对所覆盖颜色波段和入射角范围(即FOV)很难兼顾。中国专利申请202111120326.4公开的一种共振波导光栅结构及近眼显示装置，利用共振波导光栅作为波导层的耦入、耦出光栅，实现了入射光耦入和耦出的共振衍射，虽解决了现有光栅波导等衍射元件的色散效应问题，从根本上消除了彩虹效应。但是这种共振波导光栅结构为实现彩色显示，至少需要三层光栅叠层设置形成层叠结构，增加了波导显示器件的体积和重量，不利于器件的小型化和轻便化。
[0005]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供了一种实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置，能实现单层波导结构的高色纯度彩色显示并实现最大视场角，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]本专利技术实施方式提供一种实现彩色显示的单层光栅波导显示器件，包括：
[0009]透明波导片、一个共振波导RGB三色入射光栅和一个多元复合共振波导RGB三色出射光栅；其中，
[0010]所述共振波导RGB三色入射光栅和多元复合共振波导RGB三色出射光栅分别设置在所述透明波导片表面，所述共振波导RGB三色入射光栅和多元复合共振波导RGB三色出射光栅共用所述透明波导片作为各自的透明波导基底，所述共振波导RGB三色入射光栅经所述透明波导片与所述多元复合共振波导RGB三色出射光栅构成传导彩色图像的衍射光路。
[0011]本专利技术实施方式还提供一种近眼显示装置，采用本专利技术所述的实现彩色显示的单层光栅波导显示器件。
[0012]与现有技术相比，本专利技术所提供的实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置，其有益效果包括：
[0013]由于在透明波导片表面设置共振波导RGB三色入射光栅和一个多元复合共振波导RGB三色出射光栅，形成一种单层结构的能实现均匀彩色显示的器件，由于不需要设置为叠层结构，其体积和重量较小，实现器件小型化，能有效降低近眼显示装置的体积和重量，并且能很好的解决了由传统衍射元件色散效应引起的光栅波导颜色不均匀的问题，实现无色散彩色显示。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0015]图1为现有技术提供的叠层结构分层优化的光栅波导衍射元件的结构示意图。
[0016]图2为本专利技术实施例提供的实现彩色显示的单层光栅波导器件的结构示意图。
[0017]图3a为本专利技术实施例提供的实现彩色显示的单层光栅波导器件的多元复合共振波导RGB三色出射光栅的结构示意图。
[0018]图3b为本专利技术实施例提供的出射光栅的共振波导光栅RGB三色复合单元的绿色子单元共振波导光栅的结构示意图。
[0019]图4为本专利技术实施例提供的出射光栅的一个共振波导光栅RGB三色复合单元中绿色子单元共振波导光栅对应波长为520nm、TE偏振的光入射的衍射效率示意图。
[0020]图5为本专利技术实施例提供的出射光栅中对应单一入射角度(11
°
)的一个共振波导光栅RGB三色复合单元在红光、绿光、蓝光入射下发生衍射共振的示意图。
[0021]图6为本专利技术实施例提供的单层光栅波导器件的出射光栅分区域示意图。
[0022]图中：100
‑
透明波导片；101
‑
红色入射光；102
‑
绿色入射光；103
‑
蓝色入射光；200
‑
共振波导RGB三色入射光栅；201
‑
红色子单元共振波导光栅；202
‑
绿色子单元共振波导光栅；203
‑
蓝色子单元共振波导光栅；300
‑
多元复合共振波导RGB三色出射光栅；301
‑
一组红绿蓝三单元共振波导光栅结构；302
‑
二组红绿蓝三单元共振波导光栅结构；303
‑
三组红绿蓝三单元共振波导光栅结构；30n
‑
n组红绿蓝三单元共振波导光栅结构；30n1
‑
红色子单元共振波导光栅；30n2
‑
绿色子单元共振波导光栅；30n3
‑
蓝色子单元共振波导光栅；110
‑
人眼。
具体实施方式
[0023]下面结合本专利技术的具体内容，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现彩色显示的单层光栅波导显示器件，其特征在于，包括：透明波导片(100)、一个共振波导RGB三色入射光栅(200)和一个多元复合共振波导RGB三色出射光栅(300)；其中，所述共振波导RGB三色入射光栅(200)和多元复合共振波导RGB三色出射光栅(300)分别设置在所述透明波导片(100)表面，所述共振波导RGB三色入射光栅(200)和多元复合共振波导RGB三色出射光栅(300)共用所述透明波导片(100)作为各自的透明波导基底，所述共振波导RGB三色入射光栅(200)经所述透明波导片(100)与所述多元复合共振波导RGB三色出射光栅(300)构成传导彩色图像的衍射光路。2.根据权利要求1所述的实现彩色显示的单层光栅波导显示器件，其特征在于，所述多元复合共振波导RGB三色出射光栅(300)是由多个共振波导光栅RGB三色复合单元按一层紧密排列组成的单层结构的复合共振光栅波导结构；其中，每个共振波导光栅RGB三色复合单元分别对应单一入射角度的红光、绿光、蓝光的波长，相邻的共振波导光栅RGB三色复合单元对应不同入射角度的红光、绿光、蓝光的波长，组合后的全部共振波导光栅RGB三色复合单元能覆盖视场角FOV范围内全部入射角度的红光、绿光、蓝色的波长；所述共振波导RGB三色入射光栅(200)包括：至少一组共振波导光栅RGB三色单元，全部的共振波导光栅RGB三色单元能覆盖视场角FOV范围内全部入射角度的红光、绿光、蓝光的波长。3.根据权利要求2所述的实现彩色显示的单层光栅波导显示器件，其特征在于，每个共振波导光栅RGB三色复合单元由依次紧密排列的一个共振波导光栅红色子单元、一个共振波导光栅绿色子单元和一个共振波导光栅蓝色子单元组成，所述共振波导光栅红色子单元、共振波导光栅绿色子单元和共振波导光栅蓝色子单元分别对应单一入射角度的红光、绿光、蓝光的波长，且满足λ
R
/a
R
＝λ
G
/a
G
＝λ
B
/a
B
，其中，λ
R
、λ
G
、λ
B
分别为红光、绿光、蓝光的波长；a
R
、a
G
、a
B
分别为对应红光、绿光、蓝光的光栅周期，所述共振波导光栅红色子单元、共振波导光栅绿色子单元和共振波导光栅蓝色子单元能在单一入射角度与波长下产生衍射共振。4.根据权利要求3所述的实现彩色显示的单层光栅波导显示器件，其特征在于，每个共振波导光栅RGB三色复合单元中，所述共振波导光栅红色子单元、共振波导光栅绿色子单元和共振波导光栅蓝色子单元的衍射效率相同。5.根据权利要求2至4任一项所述的实现彩色显示的单层光栅波导显示器件，其特征在于，所述多元复合共振波导RGB三色出射光栅(300)中，每个共振波导光栅RGB三色复合单元中的共振波导光栅红色子单元、共振波导光栅绿色子单元、共振波导光栅蓝色子单元的宽度均为20～50微米；每个共振波导光栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈鸿，史晓刚，王丙杰，张威，张洪，
申请(专利权)人：北京枭龙科技有限公司，
类型：发明
国别省市：