【技术实现步骤摘要】
本申请涉及光学显示，尤其涉及一种光波导结构及其制作方法、光学组件和近眼显示设备，其中，光波导结构可以为光栅结构、耦出光栅、具有光栅结构的光波导结构等等，光学组件可以为光机、合光单元、具有光机与合光单元的光学组件等等。
技术介绍
1、近眼显示(near-to-eye display)，也称头戴显示或可穿戴显示，可在单眼或双眼视场中创建虚像，近眼显示通过置于人眼非明视距离内的显示设备，向人眼渲染出光场信息，进而在眼前重建虚拟场景的技术。
2、增强现实(augmented reality，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，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(如：视觉信息，三维形貌，声音，味道，触觉等)，通过光学、计算机、电子等，模拟仿真后再叠加，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。在视觉化的增强现实中，用户利用光学显示装置，把真实世界与虚拟图像结合在一起，形成虚实结合的沉浸式视觉体验。
3、将ar技术应用在近眼显示设备中...
【技术保护点】
1.一种合光单元，用于近眼显示设备的光机中，其特征在于，所述合光单元包括第一棱镜单元、第二棱镜单元、第三棱镜单元和第四棱镜单元，所述第一棱镜单元和所述第三棱镜单元为五面体结构，所述第二棱镜单元和所述第四棱镜单元为四面体结构，所述第一棱镜单元、所述第二棱镜单元、所述第三棱镜单元和所述第四棱镜单元拼接形成六面体架构，所述第一棱镜单元和所述第二棱镜单元之间对接的位置为第一面，所述第三棱镜单元和所述第四棱镜单元之间的对接位置为第二面，所述第一棱镜单元和所述第四棱镜单元之间对接的位置为第三面，所述第二棱镜单元和所述第三棱镜单元之间的对接位置为第四面，所述第一面和所述第二面设置第...
【技术特征摘要】
1.一种合光单元，用于近眼显示设备的光机中，其特征在于，所述合光单元包括第一棱镜单元、第二棱镜单元、第三棱镜单元和第四棱镜单元，所述第一棱镜单元和所述第三棱镜单元为五面体结构，所述第二棱镜单元和所述第四棱镜单元为四面体结构，所述第一棱镜单元、所述第二棱镜单元、所述第三棱镜单元和所述第四棱镜单元拼接形成六面体架构，所述第一棱镜单元和所述第二棱镜单元之间对接的位置为第一面，所述第三棱镜单元和所述第四棱镜单元之间的对接位置为第二面，所述第一棱镜单元和所述第四棱镜单元之间对接的位置为第三面，所述第二棱镜单元和所述第三棱镜单元之间的对接位置为第四面，所述第一面和所述第二面设置第一分光膜，所述第三面和所述第四面设置第二分光膜，所述第一分光膜和所述第二分光膜反射的光线的波长范围不同，所述第一面和所述第二面构成所述六面体架构的第一对角面，所述第三面和所述第四面构成所述六面体结构的第二对角面，所述第一对角面和所述第二对角面之间的相交线为所述六面体结构的体对角线。
2.如权利要求1所述的合光单元，其特征在于，所述第一棱镜单元、所述第二棱镜单元、所述第三棱镜单元和所述第四棱镜单元均为一体式棱镜结构。
3.如权利要求2所述的合光单元，其特征在于，
4.如权利要求1所述的合光单元，其特征在于，
5.如权利要求4所述的合光单元，其特征在于，所述第一子棱镜和所述第二子棱镜均为五面体棱镜；所述第三子棱镜和所述第四子棱镜中的一个为四面体棱镜，另一个为五面体棱镜；所述第五子棱镜和所述第六子棱镜均为五面体棱镜；所述第七子棱镜和所述第八子棱镜中的一个为四面体棱镜，另一个为五面体棱镜。
6.如权利要求4或5所述的合光单元，其特征在于，所述第三对角面设有第三分光膜，所述第三分光膜、所述第一分光膜和所述第二分光膜分别用于反射不同波长范围的光线。
7.如权利要求6所述的合光单元，其特征在于，所述第二分光膜和所述第三分光膜均包括四个子膜，所述第一分光膜为一体式的结构。
8.如权利要求1-3任一项所述的合光单元，其特征在于，所述第二分光膜包括两个子膜，所述第一分光膜为一体式的结构。
9.一种光机，其特征在于，包括发光单元、光学成像单元和权利要求1-8任一项所述的合光单元，所述合光单元用于将发光单元发出的单色光进行合光，所述光学成像单元位于所述合光单元的出光侧。
10.如权利要求9所述的光机，其特征在于，所述发光单元包括第一波长范围发射单元、第二波长范围发射单元和第三波长范围发射单元，所述第一波长范围发射单元正对所述合光单元的所述六面体结构的第一入光面，所述第二波长范围发射单元正对所述合光单元的所述六面体结构的第二入光面，所述第三波长范围发射单元正对所述合光单元的所述六面体结构的第三入光面，所述第一入光面、所述第二入光面和所述第三入光面两两相互垂直相邻设置，所述第一波长范围发射单元的发光面的法线方向和所述第二波长范围发射单元的发光面的法线方向均垂直于所述光机的所述光学成像单元的光轴，所述第三波长范围发射单元的发光面的法线方向与所述光机的所述光学成像单元的光轴方向相同。
11.如权利要求9所述的光机，其特征在于，所述发光单元包括第一波长范围发射单元、第二波长范围发射单元和第三波长范围发射单元，所述第一波长范围发射单元的发光面正对所述合光单元的所述六面体结构的第一入光面，所述第二波长范围发射单元的发光面正对所述合光单元的所述六面体结构的第二入光面，所述第三波长范围发射单元的发光面正对所述合光单元的所述六面体结构的第三入光面，所述第一入光面和所述第二入光面相互平行，所述第三入光面垂直于所述第一入光面，所述第一波长范围发射单元的发光面的法线方向、所述第三波长范围发射单元的发光面的法线方向和所述第二波长范围发射单元的发光面的法线方向均垂直于所述光机的所述光学成像单元的光轴。
12.一种近眼显示设备，包括结构件和镜片，所述结构件包括镜腿和镜框，所述镜腿连接于所述镜框，所述镜片具有光波导，所述镜片固定在所述镜框上，其特征在于，所述近眼显示设备包括如权利要求9-11任一项所述的光机，所述光机固定至所述结构件。
13.如权利要求12所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备设有控制器，所述发光单元包括第一柔性电路板、第二柔性电路板和第三柔性电路板，所述第一柔性电路板电连接在所述第一波长范围发射单元和所述控制器之间，所述第二柔性电路板电连接在所述第二波长范围发射单元和所述控制器之间，所述第三柔性电路板电连接在所述第三波长范围发射单元和所述控制器之间，所述第一柔性电路板、所述第二柔性电路板和所述第三柔性电路板中的至少一个无弯折状地顺着所述结构件延伸。
14.如权利要求13所述的近眼显示设备，其特征在于，所述光机固定至所述镜腿，所述第一柔性电路板、所述第二柔性电路板和所述第三柔性电路板中的至少一个无弯折状顺着所述镜腿延伸，所述合光单元的所述六面体结构中的一个外表面为非入光表面，所述非入光表面邻接所述合光单元的出光面，所述非入光表面朝向所述镜腿的内侧，所述镜腿的内侧用于贴近人脸。
15.一种光学组件，其特征在于，包括光机和光波导，所述光波导包括波导基底和耦入光栅，所述波导基底包括斜面，所述斜面位于所述耦入光栅和所述波导基底结合的位置或者位于所述耦入光栅和所述波导基底结合位置的入光侧，所述耦入光栅用于接收所述光机的光，所述斜面朝向所述光机，所述光机具有光轴，与所述光轴垂直的方向为第一方向，所述斜面和所述第一方向之间的夹角大于等于所述光机的视场角的二分之一，以使所述耦入光栅反射的所述光机的视场角的边缘光线能够偏出所述光机。
16.如权利要求15所述的光学组件，其特征在于，所述光机的视场角为水平面视场角或垂直面视场角。
17.如权利要求15或16所述的光学组件，其特征在于，所述光机的光轴为所述光机的有效光学区的中心轴。
18.如权利要求15-17任一项所述的光学组件，其特征在于，所述波导基底为一体成型结构，所述斜面为通过在所述波导基底上去除部分材料形成的结构。
19.如权利要求18所述的光学组件，其特征在于，所述耦入光栅形成在所述斜面上，经所述耦入光栅反射的光线与所述光轴之间的夹角为第二角度，入射在所述耦入光栅上的所述光机的视场角的边缘光线与所述光轴之间的夹角为第一角度，所述第二角度大于所述第一角度。
20.如权利要求18所述的光学组件，其特征在于，所述波导基底包括主平面，所述斜面相对所述主平面倾斜，所述耦入光栅形成在所述主平面上，在所述光轴的延伸方向上，所述斜面位于所述耦入光栅和所述光机之间，所述光机的视场角的边缘光线经过所述斜面入射在所述耦入光栅上，经所述耦入光栅反射的所述光机的视场角的边缘光线经过所述斜面偏出所述光机。
21.如权利要求15-17任一项所述的光学组件，其特征在于，所述波导基底包括波导主体结构和附加结构，所述附加结构固定至所述波导主体结构的面对所述光机的表面，所述斜面形成在所述附加结构上，所述斜面位于所述附加结构背离所述波导主体结构的表面。
22.如权利要求21所述的光学组件，其特征在于，所述耦入光栅形成在所述斜面上，从所述耦入光栅入射的光线经过所述附加结构后进入所述波导主体结构，经所述耦入光栅反射的光线与所述光轴之间的夹角为第二角度，入射在所述耦入光栅上的所述光机的视场角的边缘光线与所述光轴之间的夹角为第一角度，所述第二角度大于所述第一角度。
23.如权利要求21所述的光学组件，其特征在于，所述波导主体结构包括主平面，所述斜面相对所述主平面倾斜，所述耦入光栅形成在所述主平面上，在所述光轴的延伸方向上，所述斜面位于所述耦入光栅和所述光机之间，所述光机的视场角的边缘光线经过所述斜面进入所述附加结构和所述波主导体结构且入射在所述耦入光栅上，经所述耦入光栅反射的所述光机的视场角的边缘光线经过所述波导主体结构和所述附加结构且从所述斜面射出且偏出所述光机。
24.如权利要求21-23任一项所述的光学组件，其特征在于，所述附加结构的材料与所述波导主体结构的材料相同；和/或，所述附加结构的折射率与所述波导主体结构的折射率相同。
25.如权利要求24所述的光学组件，其特征在于，
26.一种近眼显示设备，其特征在于，包括结构件和权利要求15-25任一项所述光学组件，所述光学组件安装于所述结构件。
27.一种光波导，其特征在于，包括耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅用于将光线耦入所述光波导并在所述光波导内进行全反射，所述耦出光栅用于将光线耦出，所述耦出光栅包括第一区域和第二区域，沿第一方向，所述第一区域位于所述第二区域的入光侧，所述第一区域包括第一子区域和第二子区域，所述第一子区域和所述第二子区域沿第二方向排列，所述第二方向和所述第一方向相交，所述第一子区域和所述第二子区域内的光栅类型均为一维光栅，所述第二区域用于耦出光线，所述第二区域中至少部分光栅的光栅类型为二维光栅，所述第二区域的中轴线的延伸并穿过所述耦入光栅，所述第一子区域和所述第二子区域分布在所述中轴线的两侧。
28.如权利要求27所述的光波导，其特征在于，所述第一子区域、所述第二子区域均和所述第二区域接触。
29.如权利要求27所述的光波导，其特征在于，所述第一子区域和所述第二区域之间形成第一间隔区域，所述第二子区域和所述第二区域之间形成第二间隔区域，所述第一间隔区和所述第二间隔区内均无光栅结构。
30.如权利要求29所述的光波导，其特征在于，所述第一间隔区域沿所述第一方向延伸的尺寸小于等于4毫米，所述第二间隔区域沿所述第一方向延伸的尺寸小于等于4毫米。
31.如权利要求27-30任一项所述的光波导，其特征在于，所述耦入光栅的中心位于所述第二区域的中轴线上。
32.如权利要求27-31任一项所述的光波导，其特征在于，所述第一子区域和所述第二子区域以所述中轴线为中心呈镜相对称分布；或，所述第一子区域和所述第二子区域的面积不同。
33.如权利要求27-31任一项所述的光波导，其特征在于，所述第一子区域的中心和所述第二子区域的中心之间的连线方向为所述第二方向，所述第二方向和所述中轴线之间的夹角小于90度。
34.如权利要求27-33任一项所述的光波导，其特征在于，所述第一子区域内的一维光栅的栅线延伸方向为第一栅线方向，所述第二子区域内的一维光栅的栅线延伸方向为第二栅线方向，所述第二区域内的二维光栅包括相交设置的第一栅线和第二栅线，所述第一栅线的延伸方向为所述第一栅线方向，所述第二栅线的延伸方向为第二栅线方向。
35.如权利要求34所述的光波导，其特征在于，所述第一子区域内的一维光栅的分布周期与所述第一栅线的分布周期相同；和/或，所述第二子区域内的一维光栅的分布周期与所述第二栅线的分布周期相同。
36.如权利要求27-35任一项所述的光波导，其特征在于，所述第一子区域和所述第二子区域接触；或，所述第一子区域和所述第二子区域之间形成第三间隔区域。
37.如权利要求36所述的光波导，其特征在于，所述第三间隔区域内无光栅结构，所述第三间隔区域沿所述第二方向延伸的尺寸小于等于耦入光栅的最大径向尺寸。
38.如权利要求27-37任一项所述的光波导，其特征在于，所述第二区域内所有的光栅类型均为二维光栅。
39.如权利要求27-37任一项所述的光波导，其特征在于，所述第二区域内包括n个二维区和n-1个一维区，n≥2，n-1个所述一维区分别位于相邻的两个所述二维区之间，其中一个所述二维区邻接或邻近所述第一区域，所述一维区内的光栅类型为一维光栅，所述二维区内的光栅类型为二维光栅。
40.如权利要求39所述的光波导，其特征在于，所述一维区包括第三子区域和第四子区域，所述第三子区域和所述第四子区域沿所述第二方向排列且分布在所述中轴线的两侧，所述二维区中的部分光栅的栅线方向和所述第三子区域中的光栅的栅线方向相同，所述二维区中的部分光栅的栅线方向和所述第四子区域中的光栅的栅线方向相同。
41.一种近眼显示设备，其特征在于，包括光机和权利要求27-40任一项所述光波导，所述光机位于所述耦入光栅的入光侧。
42.一种光波导，其特征在于，包括耦出光栅，所述耦出光栅包括多个子光栅相互间隔排布，相邻的两个所述子光栅的间距为l，3mm≦l≦5mm,l指的是相邻的两个所述子光栅的中心之间的距离，其中一个所述子光栅为第一子光栅，所述第一子光栅与邻近所述第一子光栅的其它所述子光栅之间均设有隔开区域，所述第一子光栅的最大径向尺寸小于等于1.5mm，所述隔开区域无光栅结构。
43.如权利要求42所述的光波导，其特征在于，所述第一子光栅的最大径向尺寸为d，0.5mm≦d≦1mm。
44.如权利要求42所述的光波导，其特征在于，所述多个子光栅中的每一个所述子光栅的最大径向尺寸均为d，0.25mm≦d≦0.75mm；或，0.75mm≦d≦1.5mm。
45.如权利要求42-44任一项所述的光波导，其特征在于，所述多个子光栅呈多行多列的阵列排布，所述阵列排布具有相同的行间距和相同的列间距。
46.如权利要求42-44任一项所述的光波导，其特征在于，所述多个子光栅排列为多行，各行所述子光栅的排列方向为第一方向，多行所述子光栅中的奇数行和偶数行在错位设置，第二方向垂直于第一方向，在第二方向上，所述奇数行的所述子光栅正对所述偶数行的相邻的两个所述子光栅之间的所述隔开区域。
47.如权利要求46所述的光波导，其特征在于，任意两个邻近设置的所述子光栅之间的间距均相等。
48.如权利要求42-47任一项所述的光波导，其特征在于，各所述子光栅包括按预设周期排布的光栅微结构，所述预设周期为200-500nm。
49.如权利要求42-48任一项所述的耦出光栅，其特征在于，多个所述子光栅共面。
50.如权利要求42-48任一项所述的耦出光栅，其特征在于，相邻的两个所述子光栅中的一个位于光波导的波导基底的正面，相邻的两个所述子光栅中的另一个位于所述波导基底的反面，位于所述波导基底的正面的所述子光栅的中心为中心一，位于所述波导基底的反面的所述子光栅的中心在所述波导基底的正面的垂直投影为中心二，所述相邻的两个所述子光栅的间距为所述中心一和所述中心二之间的距离。
51.如权利要求42-50任一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括波导基底、耦入光栅、中继光栅和所述耦出光栅，所述中继光栅位于所述耦入光栅和所述耦出光栅之间，所述耦出光栅包括第一子光栅区域和第二子光栅区域，所述第一子光栅区域距离所述中继光栅的距离小于所述第二子光栅区域距离所述中继光栅的距离，所述第一子光栅区域中的所述子光栅的高度小于所述第二子光栅区域中的所述子光栅的高度。
52.如权利要求51所述的光波导，其特征在于，所述耦出光栅包括第一边缘和第二边缘，所述第一边缘为所述耦出光栅邻近所述中继光栅的边缘，所述第二边缘为所述耦出光栅远离所述中继光栅的边缘，从所述第一边缘向所述第二边缘的方向，所述子光栅的高度呈渐变增长趋势。
53.一种近眼显示设备，其特征在于，包括光机和如权利要求42-52任一项所述的光波导，所述光波导用于接收所述光机投射的光线。
54.一种近眼显示设备，其特征在于，包括光波导、控制单元、瞳孔检测件和光栅调节件，所述光波导包括耦出光栅，所述耦出光栅包括多个子光栅，多个所述子光栅阵列排布，各所述子光栅的最大径向尺寸为d，d≦1.5mm，相邻的两个所述子光栅的间距为l’，d≦l’≦4mm，l’指的是相邻的两个所述子光栅的中心之间的距离；
55.一种光波导，其特征在于，包括波导基底和形成在所述波导基底上的光栅结构，所述光栅结构包括多个芯结构和膜结构，所述膜结构的折射率和所述芯结构的折射率不同，多个所述芯结构沿所述光栅结构的矢量方向依次间隔排列，各所述芯结构包括连接端、自由端和侧面，所述连接端连接至所述波导基底，所述自由端和所述连接端在所述芯结构的高度方向上相对设置，所述侧面连接在所述连接端和所述自由端之间，所述膜结构包括膜主体，第一端部和第二端部，所述膜主体包覆所述芯结构的所述侧面，所述第一端部和所述第二端部分别位于所述膜主体的两端，所述第一端部连接所述波导基底，所述第二端部和所述芯结构的所述自由端共面，所有所述芯结构的所述自由端和所述膜结构的所述第二端部共同构成所述光栅结构的端面。
56.如权利要求55所述的光波导，其特征在于，所述芯结构的所述自由端的端面和所述膜结构的所述第二端部的端面共面。
57.如权利要求55或56所述的光波导，其特征在于，在相邻的所述芯结构之间，所述膜结构包括至少三层膜层，至少三层所述膜层层叠设置在相邻的所述芯结构的所述侧面之间，至少三层所述膜层具有不同的折射率，沿所述光栅结构的矢量方向，至少三层所述膜层的折射率呈正弦分布的渐变趋势。
58.如权利要求57所述的光波导，其特征在于，在相邻的所述芯结构之间，所述至少三层膜层具有不同的厚度，
59.如权利要求57或58所述的光波导，其特征在于，其中一层所述膜层包括一一对应交替间隔排布的多层第一子膜和多层第二子膜，所述第一子膜的折射率为n1，所述第二子膜的折射率为n2，所述多层第一子膜和所述多层第二子膜构成的所述膜层的折射率为n，n1<n<n2。
60.如权利要求55-59任一项所述的光波导，其特征在于，相邻的所述芯结构之间的部分所述膜结构呈无缝隙结构。
61.如权利要求55-59任一项所述的光波导，其特征在于，相邻的所述芯结构之间的所述膜结构的中间位置具有间隙。
62.如权利要求55-61所述的光波导，其特征在于，包括耦入光栅，所述耦入光栅包括第一耦入结构和第二耦入结构，所述第一耦入结构和所述第二耦入结构相对设置且分别位于所述波导基底的顶面和底面，所述第一耦入结构和所述第二耦入结构具有不同的光栅倾角；所述光栅结构为至少部分所述耦入光栅。
63.如权利要求62所述的光波导，其特征在于，所述第一耦入结构和所述第二耦入结构均为所述光栅结构，所述第一耦入结构的芯结构的折射率高于所述第二耦入结构的芯结构的折射率，所述第一耦入结构的膜结构的折射率高于所述第二耦入结构的膜结构的折射率。
64.一种近眼显示设备，其特征在于，包括光机和如权利要求55-63任一项所述的光波导，所述光波导用于接收所述光机投射的光线。
65.一种光波导，其特征在于，包括耦入区、耦出区和光线传播区，所述耦入区设有耦入光栅，所述耦入光栅用于接收入射光线，所述入射光线进入所述光波导后在所述光线传播区中全反射，所述耦出区设有耦出光栅，所述耦出光栅用于耦出光线，在所述光线传播区，所述光波导包括介质层和位于介质层两侧的第一光栅层和第二光栅层，所述第一光栅层和所述第二光栅层中的至少一个具有不同周期，所述介质层的折射率小于等于1.5。
66.如权利要求65所述的光波导，其特征在于，所述第一光栅层和所述第二光栅层均具有不同周期。
67.如权利要求66所述的光波导，其特征在于，所述第一光栅层和所述第二光栅层均为体全息光栅。
68.如权利要求65-67任一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导还包括中继光栅，在光路传输的方向上，所述中继光栅位于所述耦入区和所述耦出区之间，所述光线传播区中的所述第一光栅层和所述第二光栅层位于所述耦入光栅和所述耦出光栅之间，且包围所述中继光栅。
69.如权利要求65-67任一项所述的光波导，其特征在于，所述耦出光栅为二维光栅，所述光线传输区位于所述耦入光栅和所述耦出光栅之间，所述第一光栅层和所述第二光栅层填充所述耦入光栅和所述耦出光栅之间的所有区域。
70.如权利要求65-69任一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括功能区和边缘区，所述功能区内设所述耦入光栅、所述耦出光栅和所述光线传播区中的所述第一光栅层和所述第二光栅层，所述边缘区的折射率小于所述功能区的折射率，或者，所述边缘区的材料和所述功能区的材料不同。
71.如权利要求65-69任一项所述的光波导，其特征在于，所述第一光栅层和所述第二光栅层的周期范围为：大于等于100nm且小于等于700nm。
72.如权利要求65-71任一项所述的光波导，其特征在于，所述第一光栅层的材料的体积收缩率范围和所述第二光栅层的材料的体积收缩率范围为：小于等于0...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁武文，孙鹏，朱璐璐，杨健晗，赵骁宇，刘琦，邓焯泳，蒋珺楠，鲁云开，郭艳君，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。