一种实现均匀出光的波导显示结构

专利摘要:
本实用新型涉及一种实现均匀出光的波导显示结构。本实用新型包括微型投影器、准直系统、耦入光栅、平面波导基板和耦出光栅。所述的耦出光栅由多个周期相同的细分光栅区域组成，多个细分光栅区域的厚度渐增，使得多个细分光栅区域的耦合效率也呈渐增趋势。本实用新型将耦出区域的光栅细分为N个小的光栅区域，并根据光栅厚度和光栅耦合效率的关系，通过改变光栅厚度来控制每个耦出区域的光栅耦合效率，并根据光栅区域所在位置，每个光栅区域的耦合效率呈逐渐增大趋势，从而达到均匀出光的效果。
公开号:CN214335370U
申请号:CN202120563355.7U
申请日:2021-03-19
公开日:2021-10-01
发明作者:陈达如；杨培培；魏一振；张卓鹏
申请人:Hangzhou Guangli Technology Co ltd；Zhejiang Normal University CJNU；
IPC主号:G02B27-01

专利说明:
[n0001] 本实用新型涉及一种波导显示结构，具体是一种实现均匀出光的波导显示结构。
[n0002] 增强现实技术(Augmented Reality简称AR)是一种将计算机产生的虚拟图像信息叠加在现实场景上的一种全新技术，使用通过该技术即能看到外面真实的场景，同样也可以观察到虚拟的图像，给人一种虚实结合的视觉效果。随着增强现实技术的不断发展，AR技术被应用到各行各业，包括军事、医疗卫生、工业生产、教育等多个领域，当然随着人们生活水平的不断提高，AR技术逐渐走向生活中。
[n0003] 目前市面上的AR眼镜大多数采用的是波导显示技术，其中有个重要的问题就是波导显示技术是通过耦合元件将波导内部全反射的光耦合进入人眼，在实际的应用中，由于每个耦出元件位置的不同，同时光在波导内部传输的过程中存在损耗，导致每个位置进入人眼的光强度不同，使得波导显示系统的出光均匀性很差，给使用者带来不好的体验效果。
[n0004] 在现有技术中，在阵列波导中通常采用多个阵列波导形式，对每个位置的单元波导进行单独的设计，对每个波导单元的透过率和反射率进行设计，并对每个波导单元镀上不同反射率的膜层，最终使每个波导单元出来的光强度一致。而在对于全息光栅光波导显示技术，通常是采用渐变式的光栅，在某个方向上，在保持在该方向上光栅矢量不变的情况下，连续改变光栅周期以及光栅倾斜角，来达到出光均匀性的效果。
[n0005] 在上述两种方案中，对于阵列波导需要对每个波导单元的膜系反射进行单独设计，大大增加了工艺的制造难度，同时生产出的波导显示设备良率太低；而对于渐变式的全息光栅波导显示设备，也需要对每个部分的光栅周期以及倾斜角进行设计，并对每个部分曝光时，需要及时地调整全息光路两束光的夹角，同时需要改变每个部分的光栅周期，这大大增加了曝光的工艺，以及对曝光精度要求十分高，不利于后期的大批量生产。
[n0006] 为了解决现有技术的不足，本实用新型提出了一种新型的光栅结构来提高波导显示的均匀性，在获知光栅耦合效率和光栅厚度的关系后，对耦合部分光栅厚度进行设计，使每个部分的光栅出光效率一致，达到均匀出光的效果
[n0007] 本实用新型解决技术问题所采取的技术方案为：
[n0008] 本实用新型包括微型投影器、准直系统、耦入光栅、平面波导基板和耦出光栅；
[n0009] 微型投影器将计算机产生的图像源光投射出，通过准直系统后图像源光变为平行光照射在耦入光栅上；
[n0010] 耦入光栅在衍射效应下，改变光原本的传输方向，使其耦入至平面波导基板内，满足全反射条件的光在平面波导基板内进行全反射传输；
[n0011] 光传输到耦出区域的耦出光栅时，全反射条件被破坏，平面波导基板内的光被衍射出后进入人眼；
[n0012] 所述的耦出光栅由多个周期相同的细分光栅区域组成，多个细分光栅区域的厚度渐增，使得多个细分光栅区域的耦合效率也呈渐增趋势。
[n0013] 进一步说，所述的周期为纳米级。
[n0014] 进一步说，所述的耦入光栅和耦出光栅均采用浮雕光栅。
[n0015] 进一步说，所述的耦出光栅的最大厚度为4微米。
[n0016] 进一步说，所述的耦入光栅和耦出光栅均采用浮雕倾斜光栅。
[n0017] 进一步说，所述的微型投影器采用LCOS、DMO或LED。
[n0018] 进一步说，所述的准直系统主要由透镜组成。
[n0019] 本实用新型的有益效果是：
[n0020] 本实用新型通过对耦出浮雕光栅厚度的设计，采用改变光栅厚度的方式来达到改变每个部分的耦合效率来实现波导显示系统出光均匀性的效果。
[n0021] 图1为波导显示系统的结构；
[n0022] 图2为光栅厚度和耦合效率的关系图；
[n0023] 图3为光栅各区域耦合效率示意图；
[n0024] 图4为实施例结构示意图。
[n0025] 以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
[n0026] 为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，而所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，并不是全部的实施列。
[n0027] 本实用新型提出了一种实现均匀出光的波导显示结构，他包括微型投影器、准直系统、耦入光栅、平面波导基板、耦出光栅；微型投影器将计算机产生的图像源光投射出，通过准直系统后图像源光变为平行光照射在耦入光栅上，耦入光栅在衍射效应下，改变光原本的传输方向，耦入至平面波导基板内，满足全反射条件的光在平面波导基板内进行全反射传输，当光线传输到耦出区域的光栅时，全反射条件被破坏，平面波导基板内的光被衍射出波导进入人眼。
[n0028] 在全反射的过程中，在实际情况下，存在传输损耗，处于在靠前位置的光栅将部分的光耦合出，导致在波导内继续传播的光变少，那么处于后面的光栅耦合出的光也会变少，这样就使得每个位置出来的光强度不一致，使得波导显示系统的出光均匀性很差。
[n0029] 在本实用新型中使用的耦合光栅一般指的是浮雕光栅，耦入浮雕光栅的厚度设置为最佳的耦合效率的光栅厚度，而耦出浮雕光栅根据位置的不同，浮雕光栅的厚度逐渐变化，通过对浮雕光栅厚度的变化来改变光栅耦合效率，并根据光栅位于耦出区域位置的不同，光栅的耦合效率呈逐渐增大的趋势，从而来弥补由于光损耗造成的光强度不一致的情况。
[n0030] 在本实用新型中，微型投影设备包括LCOS、LED、DMO等一些常用的微型投影器。准直系统主要有透镜组成，通过透镜将投影设备投射出来的光变为各个方向的平行光束，照射在耦合光栅上。
[n0031] 实施例：
[n0032] 如图1所示，本实施例主要包括有微型投影设备1、准直系统主要由透镜2组成、通过透镜2将投影设备发出的光线变为各个方向上的平行光，由耦入光栅3将光线耦合到平板波导基板4中，其中满足全反射条件的光线在平板波导基板4中进行无损耗的传输，而不满足条件的光直接透过平板波导，当在波导基板内的光线遇到耦出光栅5时，全反射条件被破坏，光线被耦合出波导进入人眼中，所述的微型投影设备包括LCOS、DMO、LED等一些常用的微型投影器；
[n0033] 其中耦合光栅主要使用的是浮雕直角光栅、浮雕倾斜光栅，在耦入区域的光栅厚度设置为最佳的耦合效率的厚度，保证能够尽可能地将投影设备中的光耦合到波导内，在该显示系统中，主要是利用±1级的衍射光，所以选用浮雕倾斜光栅将光集中在±1级，使得更多的光在波导内进行全反射传输。
[n0034] 本实施例中的光栅的周期均是纳米级别的，浮雕光栅的制作可以是微纳光刻、电子束刻蚀以及掩膜版刻蚀的方式。本实施例中的耦出光栅5采用浮雕光栅，如图2所示，浮雕光栅存在每个位置光栅的厚度不同，即每个部分对应的耦合效率不同，并在某一个方向上呈逐渐增大的趋势，根据计算所得光栅厚度在0—4um之间进行选择，直至使最后的光栅区域的耦合效率达到最大值，从图中可知在光栅厚度为4um时，光栅的最大耦合效率为90％。
[n0035] 如图3所示，将耦出光栅分成N个不同的光栅区域，并按照各光栅所处的位置对该区域的耦合效率进行合理的设置，如第一耦出光栅区域的耦合效率设置为η％、第二区域的光栅耦合效率设置为(η+x)％.......直至最终的光栅区域耦出效率达到90％，其中η为初始耦合效率，x＝(100-η)/(N-1)为递增的耦合效率值，而且每个光栅的周期是相同的，保证每个光栅区域出射的光波段一致，也为了使得每个部分出来的光进入人眼的强度一致，使得系统的均匀性较好。
[n0036] 在如图4所示的实施例中，波导显示系统分为耦入光栅区、平板波导区、耦出光栅区三个部分。其中耦入光栅区的光栅结构要以最大耦合效率将光线耦合进入波导，让光线在波导内部进行全反射传输，因此需要满足传输角度大于全反射的临界角，而平板波导的临界角为q＝arcsin(1/n)，其中n为波导基板的折射率，对显示系统而言，波导基板一般选用折射率为1.52的K9玻璃，通过计算可知全发射的临界角为41.1°，在后面设计中，要保证在波导中传输角度要大于41.1°。其中光栅的周期为480nm，采用632nm红光作为入射光源，光栅方程为：Λ(sinq+sinφ)＝kλ，其中θ、φ为入射角和衍射角，k为光栅的衍射级次，由于光栅周期是亚波长光栅，只存在0和±1级的衍射光，在这里只考虑1级的衍射光，当把入射角设为30°时，通过光栅方程计算可得衍射角φ为54.68°，满足全发射条件；在此实施例中，基板的厚度为10um，耦出光栅的整体长度为60um，在实施例中耦出光栅区域被分成三个部分，将第一个光栅的耦合效率设置为30％，第二光栅的耦合效率设为50％，第三光栅的耦合效率设为90％，这样可以使得每个部分出来的光，进入人眼的光强一致。
[n0037] 综上，本实用新型是将耦出区域的光栅细分为N个小的光栅区域，并根据光栅厚度和光栅耦合效率的关系，通过改变光栅厚度来控制每个耦出区域的光栅耦合效率，并根据光栅区域所在位置，从左到右每个光栅区域的耦合效率呈逐渐增大趋势，从而达到均匀出光的效果。

权利要求:
Claims (7)
[0001] 1.一种实现均匀出光的波导显示结构，包括微型投影器、准直系统、耦入光栅、平面波导基板和耦出光栅；
微型投影器将计算机产生的图像源光投射出，通过准直系统后图像源光变为平行光照射在耦入光栅上；
耦入光栅在衍射效应下，改变光原本的传输方向，使其耦入至平面波导基板内，满足全反射条件的光在平面波导基板内进行全反射传输；
光传输到耦出区域的耦出光栅时，全反射条件被破坏，平面波导基板内的光被衍射出后进入人眼；
其特征在于：
所述的耦出光栅由多个周期相同的细分光栅区域组成，多个细分光栅区域的厚度渐增，使得多个细分光栅区域的耦合效率也呈渐增趋势。
[0002] 2.根据权利要求1所述的一种实现均匀出光的波导显示结构，其特征在于：所述的周期为纳米级。
[0003] 3.根据权利要求1所述的一种实现均匀出光的波导显示结构，其特征在于：所述的耦入光栅和耦出光栅均采用浮雕光栅。
[0004] 4.根据权利要求3所述的一种实现均匀出光的波导显示结构，其特征在于：所述的耦出光栅的最大厚度为4微米。
[0005] 5.根据权利要求3或4所述的一种实现均匀出光的波导显示结构，其特征在于：所述的耦入光栅和耦出光栅均采用浮雕倾斜光栅。
[0006] 6.根据权利要求1所述的一种实现均匀出光的波导显示结构，其特征在于：所述的微型投影器采用LCOS、DMO或LED。
[0007] 7.根据权利要求1所述的一种实现均匀出光的波导显示结构，其特征在于：所述的准直系统主要由透镜组成。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

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2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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CN202120563355.7U|CN214335370U|2021-03-19|2021-03-19|一种实现均匀出光的波导显示结构|CN202120563355.7U| CN214335370U|2021-03-19|2021-03-19|一种实现均匀出光的波导显示结构|