一种衍射光栅波导及增强现实显示设备制造技术

本发明专利技术提供一种衍射光栅波导及增强现实显示设备，涉及光学成像技术领域。通过耦入光栅接收入射的图像光线，入射的图像光线在波导基板内经过全反射进入耦出光栅的第一衍射光学元件、第一衍射光学单元以及第二衍射光学元件。第二衍射光学元件接收第一衍射光学元件和第一衍射光学单元衍射的图像光线，并将接收的图像光线耦出衍射光栅波导。由于第一衍射光学元件和第一衍射光学单元具有相对高的衍射效率，第二衍射光学元件具有相对低的衍射效率，提高了衍射光栅波导的视场均匀性。通过调节第一衍射光学元件、第一衍射光学单元以及第二衍射光学元件的衍射效率，使得耦出光栅耦出的图像光线更多地集中在人眼观察一侧。像光线更多地集中在人眼观察一侧。像光线更多地集中在人眼观察一侧。

【技术实现步骤摘要】
一种衍射光栅波导及增强现实显示设备


[0001]本专利技术涉及光学成像
，尤其涉及一种衍射光栅波导及增强现实显示设备。

技术介绍

[0002]增强现实（Augmented Reality，AR）技术是一种将计算机生成的虚拟信息与现实世界相互融合的技术，AR近眼显示技术则是AR技术的重要研究方向。在AR近眼显示技术中，通过一系列光学成像元件将微显示器的画面传递到人眼。由于其透视特性使得现实景物同时映入人眼，现实体验感被极大增强。
[0003]目前，比较成熟的光学成像方案主要包括棱镜、自由曲面、离轴全息透镜、阵列波导、体全息光栅波导和衍射光栅波导等。其中，衍射光栅波导方案主要利用光刻技术在波导表面制作表面浮雕光栅来实现图像的耦入和耦出。由于衍射光栅波导视场角大，波导重量轻，且其工艺过程与半导体行业成熟的制造技术兼容，批量生产良率高，衍射光栅波导是一种备受青睐的AR显示光学成像方案。
[0004]衍射光栅波导设置一维耦入光栅和二维耦出光栅。其中，耦出光栅同时具有扩展和耦出的功能。光束在耦出光栅区域传播的过程中不断将部分光扩展和耦合出，使得在远离耦入光栅的方向上，穿过耦出光栅的光束的强度不断降低，导致耦出光栅的出光效率在临近耦入光栅的一侧较高，在远离耦入光栅的另一侧较低，最终导致出瞳不均匀。
[0005]因此，改善衍射光栅波导的出瞳均匀性和视场均匀性是一大挑战。现有技术中，为了提高衍射光栅波导的出瞳均匀性和视场均匀性，一种方法是对耦出光栅区域进行分区，不同区域的光栅周期相同，光栅参数不同（如高度、结构大小等），从而调节不同区域的耦出效率，达到整个耦出光栅区域的出光均匀。然而这种方法需要在耦出光栅不同区域采用不同的光栅参数，增加了加工衍射光栅波导的难度，提高了加工衍射光栅波导的成本。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种衍射光栅波导，用以解决现有技术中衍射光栅波导的出瞳均匀性和视场均匀性差，改善难度大，加工成本高的缺陷，提高了衍射光栅波导的视场均匀性，改善了衍射光栅波导泄露图像光线的现象，还降低了衍射光栅波导的加工成本和加工难度。
[0007]本专利技术提供一种衍射光栅波导，包括：波导基板；耦入光栅，设置于所述波导基板；耦出光栅，设置于所述波导基板，包括多个第一衍射光学元件和多个第二衍射光学元件；多个所述第一衍射光学元件沿第一方向间隔设置，多个所述第二衍射光学元件沿第二方向间隔设置，所述第一衍射光学元件与所述第二衍射光学元件相交；所述第一衍射光学元件沿自身的长度方向间隔设置有多个第一衍射光学单元；所述第一衍射光学单元包括第一衍射光学结构和第二衍射光学结构，所述第一衍射光学结构和所述第二衍射光学结
构沿所述第一衍射光学元件的长度方向间隔布置，所述第一衍射光学结构的长度方向与所述第一衍射光学元件的长度方向呈第一预定夹角，所述第二衍射光学结构的长度方向与所述第一衍射光学元件的长度方向呈第二预定夹角；所述第一衍射光学元件和所述第一衍射光学单元的衍射效率大于所述第二衍射光学元件的衍射效率。
[0008]根据本专利技术实施例提供的一种衍射光栅波导，所述衍射光栅波导包括两个所述耦出光栅，两个所述耦出光栅关于所述耦入光栅的中心轴线对称设置。
[0009]根据本专利技术实施例提供的一种衍射光栅波导，所述第一衍射光学单元还包括：第三衍射光学结构，位于所述第一衍射光学结构和所述第二衍射光学结构之间，所述第三衍射光学结构的长度方向与所述第一衍射光学元件的长度方向相同。
[0010]根据本专利技术实施例提供的一种衍射光栅波导，所述第三衍射光学结构的宽度与所述第一衍射光学元件的宽度相同，所述第一衍射光学结构和所述第二衍射光学结构关于所述第三衍射光学结构对称布置。
[0011]根据本专利技术实施例提供的一种衍射光栅波导，所述第一衍射光学结构的长度与所述第二衍射光学结构的长度不同，所述第一衍射光学结构的长度方向和所述第二衍射光学结构的长度方向均与所述第一衍射光学元件的长度方向垂直。
[0012]根据本专利技术实施例提供的一种衍射光栅波导，所述第一衍射光学结构的长度小于所述第二衍射光学结构的长度。
[0013]根据本专利技术实施例提供的一种衍射光栅波导，所述第三衍射光学结构的宽度大于所述第一衍射光学元件的宽度，所述第三衍射光学结构的一端与所述第一衍射光学结构连接，所述第三衍射光学结构的另一端与所述第二衍射光学结构连接，所述第一衍射光学结构与所述第二衍射光学结构均与所述第一衍射光学元件垂直。
[0014]根据本专利技术实施例提供的一种衍射光栅波导，所述第三衍射光学结构的宽度大于所述第一衍射光学元件的宽度，所述第三衍射光学结构的一端与所述第一衍射光学结构连接，所述第三衍射光学结构的另一端与所述第二衍射光学结构连接，所述第一预定夹角与所述第二预定夹角相同。
[0015]根据本专利技术实施例提供的一种衍射光栅波导，所述第一衍射光学结构、所述第二衍射光学结构和所述第三衍射光学结构的形状均为矩形，所述矩形的长度范围为100nm~1μm，所述矩形的宽度范围为100nm~600nm。
[0016]本专利技术还提供一种增强现实显示设备，包括图像显示器和上述任意一项所述的衍射光栅波导；所述图像显示器用于向所述衍射光栅波导输出图像光线。
[0017]本专利技术实施例提供的衍射光栅波导，通过耦入光栅接收入射的图像光线，入射的图像光线在波导基板内经过全反射进入耦出光栅的第一衍射光学元件、第一衍射光学单元以及第二衍射光学元件。第一衍射光学元件和第一衍射光学单元接收由耦入光栅传导来的图像光线，并使接收的图像光线在衍射光栅波导内扩展传导。第二衍射光学元件接收第一衍射光学元件和第一衍射光学单元衍射的图像光线，并将接收的图像光线耦出衍射光栅波导。由于第一衍射光学元件和第一衍射光学单元具有相对高的衍射效率，第二衍射光学元件具有相对低的衍射效率，使得衍射光线可以更均匀地在耦出光栅内扩展传导和耦出，提高了衍射光栅波导的视场均匀性。通过调节第一衍射光学元件、第一衍射光学单元以及第
二衍射光学元件的衍射效率，使得耦出光栅耦出的图像光线更多地集中在人眼观察一侧，从而改善了衍射光栅波导泄露图像光线的现象，提高了衍射光栅波导对图像光线的利用效率。由于无需在耦出光栅不同区域采用不同的光栅参数，降低了衍射光栅波导的加工成本和加工难度。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
[0019]图1是本专利技术实施例提供的衍射光栅波导的结构示意图；图2是图1中A处的局部放大结构示意图；图3是图1中B处的局部放大结构示意图；图4是本专利技术实施例提供的第一衍射光学单元的结构示意图之一；图5是本专利技术实施例提供的图4中耦出光栅的衍射效率随入射角变化的示意图之一；图6是本专利技术实施例提供的图4中耦出光栅的衍射效率随入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种衍射光栅波导，其特征在于，包括：波导基板；耦入光栅，设置于所述波导基板；耦出光栅，设置于所述波导基板，包括多个第一衍射光学元件和多个第二衍射光学元件；多个所述第一衍射光学元件沿第一方向间隔设置，多个所述第二衍射光学元件沿第二方向间隔设置，所述第一衍射光学元件与所述第二衍射光学元件相交；所述第一衍射光学元件沿自身的长度方向间隔设置有多个第一衍射光学单元；所述第一衍射光学单元包括第一衍射光学结构和第二衍射光学结构，所述第一衍射光学结构和所述第二衍射光学结构沿所述第一衍射光学元件的长度方向间隔布置，所述第一衍射光学结构的长度方向与所述第一衍射光学元件的长度方向呈第一预定夹角，所述第二衍射光学结构的长度方向与所述第一衍射光学元件的长度方向呈第二预定夹角；所述第一衍射光学元件和所述第一衍射光学单元的衍射效率大于所述第二衍射光学元件的衍射效率。2.根据权利要求1所述的衍射光栅波导，其特征在于，所述衍射光栅波导包括两个所述耦出光栅，两个所述耦出光栅关于所述耦入光栅的中心轴线对称设置。3.根据权利要求1或2所述的衍射光栅波导，其特征在于，所述第一衍射光学单元还包括：第三衍射光学结构，位于所述第一衍射光学结构和所述第二衍射光学结构之间，所述第三衍射光学结构的长度方向与所述第一衍射光学元件的长度方向相同。4.根据权利要求3所述的衍射光栅波导，其特征在于，所述第三衍射光学结构的宽度与所述第一衍射光学元件的宽度相同，所述第一衍射光学结构和所述第二衍射光学结构关于所述第三衍射...

【专利技术属性】
技术研发人员：李会会，李勇，吴斐，
申请(专利权)人：北京亮亮视野科技有限公司，
类型：发明
国别省市：