阅读说明：本技术 一种大视场光栅波导元件及近眼显示装置 (Large-view-field grating waveguide element and near-to-eye display device ) 是由 史晓刚 薛正辉 王丙杰 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大视场光栅波导元件及近眼显示装置,包括光栅波导器件,所述光栅波导器件由光学基板和位于光学基板表面的光栅区域组成,所述光栅区域具有五组功能区域,包括两个入射光栅区域a,b、两个转折光栅区域a,b和一个出射光栅区域,所述入射光栅区域a,b用于将具有一定视场角、一定入瞳直径的虚拟图像光束导入光栅区域波导器件中,本发明通过提出两个入射光栅+两个转折光栅+出射光栅的光栅波导结构,通过设计入射光栅,转折光栅和出射光栅的视场角,使得不同的入射光栅+转折光栅传导的光线范围互补,不同的入射光栅+转折光栅的视场角叠加在一起,拼接成更大的视场角。(The invention discloses a large-field grating waveguide element and a near-to-eye display device, which comprises a grating waveguide device, wherein the grating waveguide device consists of an optical substrate and grating regions positioned on the surface of the optical substrate, the grating regions have five groups of functional regions, and comprise two incident grating regions a and b, two turning grating regions a and b and an emergent grating region, the incident grating regions a and b are used for guiding virtual image light beams with a certain field angle and a certain entrance pupil diameter into the grating region waveguide device, the invention leads the light ranges conducted by different incident gratings and turning gratings to be complementary by providing grating waveguide structures of the two incident gratings, the two turning gratings and the emergent gratings and designs the field angles of the incident gratings, the turning gratings and the emergent gratings, and splicing to form a larger field angle.)

一种大视场光栅波导元件及近眼显示装置

技术领域

本发明涉及波导元件技术领域，具体为一种大视场光栅波导元件及近眼显示装置。

背景技术

随着虚拟现实和增强现实技术逐渐被人们认识和接受，近眼显示设备得到了快速发展。增强现实技术中的近眼显示可以将虚拟图像叠加到现实景物中，同时兼具透视特性，不影响对现实景物的正常观察。利用传统光学元件将虚拟图像耦合进入人眼的方式已经被采用，包括棱镜、半透半反镜片、自由曲面波导、镜面阵列波导、衍射波导等。衍射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，衍射波导显示组件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明。且由于对光线的转折是通过镜片表面的衍射光栅来实现的，与底板的形状基本没有关系，因此易于批量制造，生产成本低。

在衍射波导元件中，光线只能在一定的角度范围内能实现传导与扩展。当光线与波导片上下表面平行时(此时光线在上下表面的入射角为90度)，光线无法入射到波导表面的出射或转折光栅，从而无法实现光束的扩展与出射，而当光线在波导片上下表面的入射角小于临界角时，不能发生全反射，光线会快速的透射衰减，也无法实现传导。光线的入射角只有大于临界角而小于90度时，才能使波导正常工作。临界角与波导片的材料有关，如BK7玻璃材料的临界角为42度。通过采用高折射率的玻璃，可以减小临界角，但是目前光学玻璃的折射率最高在2.0左右，对应的临界角为30度。由于目前光学玻璃材料的限制，临界角很难再减小了，即使能减小，幅度也很有限。因此，光线在波导片内传导的角度范围通常小于60度。这个限制也使得衍射波导的视场角很难超过60度。如果再考虑其他的设计因素，如避免重影，光传导效率等，这个角度会更小，通常很难超过55度，衍射波导是新兴的技术，虽然目前已经达到了较高的技术水平，故目前衍射波导存在视场角难以提高的问题，为此，我们提出一种大视场光栅波导元件及近眼显示装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大视场光栅波导元件及近眼显示装置，以解决上述背景技术中衍射波导存在视场角难以提高的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大视场光栅波导元件，包括光栅波导器件,所述光栅波导器件由光学基板和位于光学基板表面的光栅区域组成，所述光栅区域具有五组功能区域，包括两个入射光栅区域a，b、两个转折光栅区域a，b和一个出射光栅区域；

所述入射光栅区域a，b用于将具有一定视场角、一定入瞳直径的虚拟图像光束导入光栅区域波导器件中；入射光栅区域a会将入射光主要朝向转折光栅区域a的方向衍射，入射光栅区域b会将入射光主要朝向转折光栅区域b的方向衍射；

入射光栅区域a，b产生的衍射光经过转折光栅区域a，b的转折传导后，均会进入出射光栅区域并得到利用。

优选的，所述转折光栅区域a可以将入射光栅a、b的一部分衍射光束通常为+级衍射光束沿垂直向上的方向扩展，同时产生朝向出射光栅区域传导的衍射光束。

优选的，所述转折光栅区域b可以将入射光栅区域a，b的另外一部分衍射光束通常为-级衍射光束沿垂直向下的方向扩展，同时产生朝向出射光栅区域传导的衍射光束，所述出射光栅区域可以将光束沿水平方向扩展，同时将光能量传导出光栅波导器件。

优选的，所述入射光栅区域a和转折光栅区域a传导的光线覆盖的视场角为F，光栅波导器件传导的光线覆盖的视场角为F，分别设置波导、入射光栅区域a，b、转折光栅区域a，b及出射光栅区域的光栅参数；

若F位于光栅波导器件表面法线的左侧，F位于波导表面法线的右侧，入射光栅区域a、入射光栅区域b、转折光栅区域a、转折光栅区域b和出射光栅区域叠加在一起，组成的光栅波导器件的视场角：

F＝F1+F2。

优选的，所述入射光栅区域a，b和转折光栅区域a，b交错布置，使其沿x轴方向观察，转折光栅区域a和转折光栅区域b之间无间隙。

一种大视场光栅波导元件的近眼显示装置，包括光栅波导器件、微显示器A和微显示器B；

所述微显示器A发出的光束投射到入射光栅区域a，入射光栅区域a产生的衍射光束在入射光栅区域b中沿y方向传导，并被不断衍射，产生朝向出射光栅区域传导的衍射光，转折光栅区域a产生的衍射光传导至出射光栅区域后会被出射光栅区域衍射出波导并被人眼感知；

所述微显示器B发出的光束投射到入射光栅区域b，入射光栅区域b产生的衍射光束在转折光栅区域b中沿-y方向传导，并被不断衍射，产生朝向出射光栅区域传导的衍射光，转折光栅区域b产生的衍射光传导至出射光栅区域后会被出射光栅区域衍射出波导并被人眼感知。

优选的，所述微显示器A产生的图像与微显示器B产生的图像具有较少重叠，甚至不重叠，从而拼接出近乎倍于单个微显示器图像的画面。

优选的，所述微显示器A和微显示器B为MEMS微显示器、光纤扫描微显示器、MicroLED微显示系统、DMD微投影系统、LCOS微投影系统中的一种或多种。

优选的，所述微显示器A采用MEMS微显示器，所述微显示器A内设有激光器和准直光学系统，所述激光器发射的激光经过准直光学系统准直，产生准直激光束，所述准直激光束入射到MEMS振镜上，被MEMS振镜反射产生的激光束会入射到光栅波导器件。

本发明提供了一种大视场光栅波导元件及近眼显示装置，具备以下有益效果：

(1)本发明通过提出两个入射光栅+两个转折光栅+出射光栅的光栅波导结构，通过设计入射光栅，转折光栅和出射光栅的视场角，使得不同的入射光栅+转折光栅传导的光线范围互补，不同的入射光栅+转折光栅的视场角叠加在一起，拼接成更大的视场角，大幅波导的视场角，解决目前衍射波导存在的视场角难以提高的问题。

(2)本发明的近眼显示装置通过采用多个投影系统与上述大视场波导元件相组合的方式，不同的投影系统与不同的入射光栅相配合，从而拼接出更大视场角的图像，解决了传统波导近眼显示装置视场角小的问题。

附图说明

图1为本发明的俯视图典型的衍射波导结构；

图2为本发明的一种采用衍射波导的近眼显示光学系统典型结构；

图3为本发明本发明提出的波导结构示意图；

图4为本发明的光线入射到入射光栅312a，入射光栅312a产生的衍射光传导至转折光栅314a，受到314a衍射后传导至出射光栅316，最后被出射光栅316衍射从波导中导出的过程示意图；

图5是光线入射到入射光栅312b，入射光栅312b产生的衍射光传导至转折光栅314b，受到314b衍射后传导至出射光栅316，最后被出射光栅316衍射从波导中导出的过程示意图；

图6是增大波导元件视场角结构示意图；

图7是本发明的近眼显示装置结构示意图；

图8为微显示器400产生的光束传导过程的截面示意图；

图9为微显示器500产生的光束传导过程截面示意图；

图10为整个近眼显示装置的光束传导过程的截面示意图。

图中：100、衍射波导；106、基板；108、第一表面；110、第二表面110；112、入射光栅112；114、中间光栅；116、出射光栅116；210、投影组件；

300、光栅波导器件；312a、入射光栅区域；312b、入射光栅区域；314a、转折光栅区域；314b、转折光栅区域；316、出射光栅区域；400、微显示器A；41、准直激光束；411、激光器；412、准直光学系统；42、激光束；500、微显示器B。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：传统的衍射波导结构及其近眼显示光学系统典型结构

如图1-2所示，衍射波导100包含基板106，入射光栅112，中间光栅114，出射光栅116，入射光栅112将被投影组件210调制的图像光束导入基板106，满足全反射条件的光束会在基板106中近乎无损传导，中间光栅114将光束在y方向上进行扩展，并且将扩展后的光束向出射光栅116转折，出射光栅116则将光束在x方向扩展的同时，将光能量从基板106导出，传导至人眼被感知。

基板106的材质可以是光学玻璃或光学塑料，基板106包含第一表面108和第二表面110，第一表面108和第二表面110位于基板106的两侧，且互相平行，基板106是光束传导的介质，光束可以通过在第一表面108和第二表面110上发生全反射从而在基板106中近乎无损传导，基板106及衍射波导100是透明的，可以使人眼透过衍射波导100看到外界实景。

衍射波导的结构也可能只由基板、入射光栅和出射光栅组成，没有中间光栅。在这种结构中，入射光栅将经过调制的图像光束导入基板并且朝向出射光栅传导。出射光栅将光束在一个方向(水平或垂直)扩展的同时，将光能量从基板导出，传导至人眼。

基板106具有一个内部参数：临界角A0，A0的大小取决于基板106的材料折射率n，计算公式如下：

光束在基板106内部传导时的反射角为A，当A≤A0时，光能量会透射出基板而损失掉，光束无法在基板中传导；只有当A＞A0时，光束在基板106的第一表面108和第二表面110发生全反射，才可以在基板106中传导。当A＝90°时，光束无法入射到出射光栅116，而无法实现扩展和出射，因此A的范围为A0＜A＜90°。由于光学材料的限制，目前A0很难小于30度，因此通常30°＜A＜90°。如果再考虑入射光栅112，中间光栅114及出射光栅116的光栅效率因素，A的角度范围会近一步缩小。

上述A角度范围的限制使得出射角B的大小也受到了限制，出射角B实际上对应的是衍射波导的视场角。A的角度范围的限制使的衍射波导的视场角难以达到60度，通常可以达到40-50度。

通常的波导元件单个入射光栅和转折光栅衍射的光线覆盖了全部视场角，如前面所述，内部反射角A的范围限制了波导元件的视场角大小，故衍射波导的视场角难以提高的问题。

实施例2：本发明提出的波导结构示意图

如图3-6所示，本发明提供一种技术方案：一种大视场光栅波导元件及近眼显示装置，包括包括光栅波导器件300,所述光栅波导器件300由光学基板和位于光学基板表面的光栅区域组成，所述光栅区域具有五组功能区域，包括两个入射光栅区域312a，312b、两个转折光栅区域314a，314b和一个出射光栅区域316；

所述入射光栅区域312a，312b用于将具有一定视场角、一定入瞳直径的虚拟图像光束导入光栅区域波导器件300中；入射光栅区域312a会将入射光主要朝向转折光栅区域314a的方向衍射，入射光栅区域312b会将入射光主要朝向转折光栅区域314b的方向衍射；

入射光栅区域312a，312b产生的衍射光经过转折光栅区域314a，314b的转折传导后，均会进入出射光栅区域316并得到利用。

优选的，所述转折光栅区域314a可以将入射光栅312a、312b的一部分衍射光束通常为+1级衍射光束沿垂直向上的方向扩展，同时产生朝向出射光栅区域316传导的衍射光束。

优选的，所述转折光栅区域314b可以将入射光栅区域312a，312b的另外一部分衍射光束通常为-1级衍射光束沿垂直向下的方向扩展，同时产生朝向出射光栅区域316传导的衍射光束，所述出射光栅区域316可以将光束沿水平方向扩展，同时将光能量传导出光栅波导器件300。

优选的，所述入射光栅区域312a和转折光栅区域314a传导的光线覆盖的视场角为F1，光栅波导器件300传导的光线覆盖的视场角为F2，分别设置波导32、入射光栅区域312a，312b、转折光栅区域314a，314b及出射光栅区域316的光栅参数(如光栅周期)；

若F1位于光栅波导器件300表面法线的左侧(负y轴方向)，F2位于波导表面法线的右侧(正y轴方向)，入射光栅区域312a、入射光栅区域312b、转折光栅区域314a、转折光栅区域314b和出射光栅区域316叠加在一起，组成的光栅波导器件300的视场角：

F＝F1+F2。

优选的，所述入射光栅区域312a，312b和转折光栅区域314a，314b交错布置，使其沿x轴方向观察，转折光栅区域314a和转折光栅区域314b之间无间隙，避免光线从出射光栅316导出时出现暗带。

实施例3：

如图7-10所示，本发明提供一种技术方案：一种大视场光栅波导元件的近眼显示装置，包括光栅波导器件300、微显示器A400和微显示器B500；

所述微显示器A400发出的光束投射到入射光栅区域312a，入射光栅区域312a产生的衍射光束在入射光栅区域312b中沿y方向传导，并被不断衍射，产生朝向出射光栅区域316传导的衍射光，转折光栅区域314a产生的衍射光传导至出射光栅区域316后会被出射光栅区域316衍射出波导并被人眼感知；

所述微显示器B500发出的光束投射到入射光栅区域312b，入射光栅区域312b产生的衍射光束在转折光栅区域314b中沿-y方向传导，并被不断衍射，产生朝向出射光栅区域316传导的衍射光，转折光栅区域314b产生的衍射光传导至出射光栅区域316后会被出射光栅区域316衍射出波导并被人眼感知。

优选的，所述微显示器A400产生的图像与微显示器B500产生的图像具有较少重叠，甚至不重叠，从而拼接出近乎2倍于单个微显示器图像的画面。

优选的，所述微显示器A400和微显示器B500为MEMS微显示器、光纤扫描微显示器、Micro LED微显示系统、DMD微投影系统、LCOS微投影系统中的一种或多种。

优选的，所述微显示器A400采用MEMS微显示器，所述微显示器A400内设有激光器411和准直光学系统412，所述激光器411发射的激光经过准直光学系统412准直，产生准直激光束41，所述准直激光束41入射到MEMS振镜上，被MEMS振镜反射产生的激光束42会入射到光栅波导器件300。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。