阅读说明：本技术 一种光波导及近眼显示系统 (Optical waveguide and near-to-eye display system ) 是由 宋强 郭晓明 黄浩 马国斌 于 2020-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明实施例涉及光学技术领域,特别涉及一种光波导及近眼显示系统。本发明实施例中提供的光波导包括波导基底、耦入区域、耦出区域和回光区域：耦入区域、耦出区域以及回光区域设置在所述波导基底上,耦入区域用于耦入带有图像信息的光束,耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束,回光区域用于反向回传所述带有图像信息的光束至所述耦出区域；所述耦出区域包括至少三侧边缘,所述耦出区域的至少一侧边缘设置有所述回光区域,当图像光束传播到耦出区域边缘时,由于回光区域的作用,部分图像光束会反向传播回到耦出区域,再经耦出区域耦出至人眼,从而提高二维扩展衍射光波导的能量利用率。(The embodiment of the invention relates to the technical field of optics, in particular to an optical waveguide and a near-to-eye display system. The optical waveguide provided in the embodiment of the present invention includes a waveguide substrate, a coupling-in region, a coupling-out region, and a light return region: the light-in area, the light-out area and the light-returning area are arranged on the waveguide substrate, the light-in area is used for coupling in the light beam with the image information, the light-out area is used for coupling out the light beam with the image information, and the light-returning area is used for returning the light beam with the image information to the light-out area in a reverse direction; the coupling-out area comprises at least three side edges, the light return area is arranged on at least one side edge of the coupling-out area, and when the image light beams are transmitted to the edge of the coupling-out area, partial image light beams can reversely transmit back to the coupling-out area under the action of the light return area and then are coupled out to human eyes through the coupling-out area, so that the energy utilization rate of the two-dimensional expanded diffraction light waveguide is improved.)

一种光波导及近眼显示系统

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种光波导及近眼显示系统。

背景技术

目前，在AR(Augmented Reality，增强现实技术)设备中，浮雕光栅波导技术得到广泛关注。由于纳米压印的便利性，且浮雕光栅波导方案相比于其他波导方案更具有大视场和大眼动范围的优势，浮雕光栅波导方案越来越得到广泛研究。

现有的浮雕光栅波导的方案主要有基于一维光栅的波导方案和基于二维光栅的波导方案，其中，二维光栅波导方案包括光波导基底和设置于光波导基底的耦入光栅及耦出光栅，图像光源出射的图像光束经耦入光栅衍射耦入光波导基底，并在光波导基底内以全反射的方式传播，耦出光栅用于将光波导基底内的图像光衍射耦出，供用户观看。但是当图像光束传播到耦出光栅区域边缘时，由于没有耦出光栅的作用，部分图像光束没有完全耦出，能量利用率不佳，所以提高二维扩展衍射光波导的能量利用率十分迫切。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的目的是提供一种能提高能量利用率的二维扩展衍射光波导及近眼显示系统。

本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：

为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例中提供了一种光波导，包括波导基底、耦入区域、耦出区域和回光区域：

所述耦入区域、所述耦出区域以及所述回光区域设置在所述波导基底上，所述耦入区域用于耦入带有图像信息的光束，所述耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束，所述回光区域用于反向回传所述带有图像信息的光束至所述耦出区域；

所述耦出区域包括至少三侧边缘，所述耦出区域的至少一侧边缘设置有所述回光区域。

在一些实施例中，所述耦出区域的至少三侧边缘中，除面向所述耦入区域的边缘外，其他边缘均设置有所述回光区域。

在一些实施例中，所述耦出区域的至少三侧边缘中，第一侧边缘背向所述耦入区域，所述第一侧边缘设置有所述回光区域。

在一些实施例中，所述第一侧边缘具有相邻的第二侧边缘和第三侧边缘，所述第二侧边缘和/或所述第三侧边缘也设置有所述回光区域。

在一些实施例中，所述回光区域贴合设置在所述耦出区域的边缘。

在一些实施例中，所述回光区域与所述耦出区域的边缘之间存在间隙。

在一些实施例中，所述回光区域的宽度为D，所述波导基底的厚度为d,光束在所述波导基底内全反射传播时的最大全反射角为θ，三者满足的关系为：D＞2*d*tanθ。

在一些实施例中，所述回光区域的表面设置有镀膜层。

在一些实施例中，所述耦入区域的结构为反射镜、棱镜、自由曲面结构、光栅结构、超表面结构、体全息结构或者是共振光栅结构中的一种，所述回光区域和所述耦出区域为二维光栅结构、超表面结构、体全息结构或者是共振光栅结构中的一种。

为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种近眼显示系统，包括：微投影光机，以及，如上述第一方面所述的光波导。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种光波导，应用于近眼显示系统，该光波导包括波导基底、耦入区域、耦出区域和回光区域：耦入区域、耦出区域以及回光区域设置在所述波导基底上，耦入区域用于耦入带有图像信息的光束，耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束，回光区域用于反向回传所述带有图像信息的光束至所述耦出区域；所述耦出区域包括至少三侧边缘，所述耦出区域的至少一侧边缘设置有所述回光区域，当图像光束传播到耦出区域边缘时，由于回光区域的作用，部分图像光束会反向传播回到耦出区域，再经耦出区域耦出至人眼，从而提高二维扩展衍射光波导的能量利用率。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例提供的一种近眼显示系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种光波导的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的一种光波导的结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的一种光波导的结构示意图；

图5是本发明实施例四提供的一种光波导的结构示意图；

图6是本发明实施例五提供的一种光波导的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种光波导回光区域的结构示意图；

图8是图7的结构放大示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。此外，在本说明书所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所述的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

下面对本发明的光波导及近眼显示系统进行具体描述和说明。

第一方面，本发明提供了一种光波导，请参阅图1，所述光波导包括波导基底4、耦入区域1、耦出区域2和回光区域3：耦入区域1、耦出区域2以及回光区域3设置在波导基底4上，耦入区域1用于耦入带有图像信息的光束，耦出区域2用于耦出所述带有图像信息的光束，回光区域3用于反向回传所述带有图像信息的光束至耦出区域2。

其中，回光区域3可以设置在波导基底4表面也可以设置在波导基底内部，同样可以使带有图像信息的光束反向回传至耦出区域2。

其中，耦入区域1的结构为反射镜、棱镜、自由曲面结构、光栅结构、超表面结构、体全息结构或者是共振光栅结构中的一种，耦出区域 2和回光区域3的结构为二维光栅结构、超表面结构、体全息结构或者是共振光栅结构中的一种。

请参阅图2，耦出区域2包括至少三侧边缘，在耦出区域2的至少一侧边缘设置有回光区域3。在实际应用中，耦入区域1的形状并不限定于图中所示的圆形，可以为多边形或者是不规则形状；同时耦出区域 2的形状也并不限定于图中所示的多边形，可以为其他多边形或者是不规则形状，耦入区域1的形状和耦出区域2的形状都可以根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例的限定。

在其中一些实施例中，请参阅图3，耦出区域2的至少三侧边缘中，除面向所述耦入区域1的边缘外，在耦出区域2的其他边缘均设置有回光区域3。在实际应用中，为降低加工成本和加工难度，可以在靠近耦入区域1的边缘不设置回光区域3。

在另一些实施例中，请再参阅图2，耦出区域2的至少三侧边缘中，第一侧边缘背向耦入区域1，所述第一侧边缘设置有回光区域3。在实际应用中，带有图像信息的光束可以在波导基底4中进行全反射传播，当所述光束传播到耦出区域2的边缘时，尤其是在远离耦入区域1的边缘，即在第一侧边缘，由于没有耦出区域2的作用，所述光束并没有完全耦出，部分光束并未得到利用，为进一步降低加工成本和加工难度，对于耦出区域2的至少三侧边缘中，可只在远离耦入区域1的边缘设置回光区域3，即可只在第一侧边缘设置回光区域3。

在其中一些实施例中，请参阅图4，所述耦出区域2的第一侧边缘具有相邻的第二侧边缘和第三侧边缘，所述第二侧边缘和/或所述第三侧边缘也设置有所述回光区域3。为进一步提高能量利用率，除在远离耦入区域1的边缘设置回光区域3，还可以在耦出区域2的左侧边缘和右侧边缘均设置有回光区域3，回光区域3呈现半包围结构或者是匚字型等结构，在其他一些实施例中，在远离耦入区域1的边缘设置有回光区域3的基础上，还可以只选择耦出区域2的左侧边缘或者右侧边缘设置回光区域3。

在一些实施例中，请参阅图5和图6，所述回光区域3可贴合设置在所述耦出区域2的边缘，在其他一些实施例中，请参阅图2至图4，所述回光区域3与所述耦出区域2的边缘之间可存在间隙。

在其中一些实施例中，回光区域3的宽度为D，波导基底4的厚度为d，光束在所述波导基底4内全反射传播时的最大全反射角为θ，则三者满足的关系为：D＞2*d*tanθ。

在其中一些实施例中，回光区域3的表面设置有镀膜层，所述镀膜层采用折射率高的材料。

请参阅图7和图8，在其中一些实施例中，回光区域3采用二维圆柱结构，圆柱的直径为200nm,高度为100nm，并镀有一层80nm厚的二氧化钛膜。回光区域3的光栅周期与耦出区域2的光栅周期一致，回光区域3的光栅方向与耦出区域2的光栅方向一致。

在实际应用中，回光区域3的光栅结构、尺寸、周期以及方向都可以根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例的限定。

第二方面，本发明实施例中提供了一种近眼显示系统，请参照图1，包括：微投影光机5，以及，如上述任意实施例所述的光波导，该光波导的具体技术细节请参照上述实施例，在此不再赘述，其中，所述微投影光机5中的图像源可以是LCOS、DMD、OLED和MEMS中的一种。

在本发明实施例中，所述微投影光机5所出射的光线，通过耦入区域1上耦入到波导基底4中，耦入到波导基底4中的光线在波导基底4 中全反射传播，光线传播到耦出区域2时，一部分光线通过耦出区域2 耦出波导基底4，传播到人眼6中成像，而有另一部分光线达到耦出区域2的边缘后，会进入到回光区域3，回光区域3会使得进入到回光区域3的光线反向传播回到耦出区域2，并在耦出区域2的作用下重新耦出至人眼6，从而提高能量利用率。

本发明实施例中提供的光波导和近眼显示系统，其中，光波导包括波导基底、耦入区域、耦出区域和回光区域：耦入区域、耦出区域以及回光区域设置在所述波导基底上，耦入区域用于耦入带有图像信息的光束，耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束，回光区域用于反向回传所述带有图像信息的光束至所述耦出区域；所述耦出区域包括至少三侧边缘，所述耦出区域的至少一侧边缘设置有所述回光区域，当图像光束传播到耦出区域边缘时，由于回光区域的作用，部分图像光束会反向传播回到耦出区域，再经耦出区域耦出至人眼，从而提高二维扩展衍射光波导的能量利用率。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。