一种双片波导镜片及三维显示装置的制作方法

本发明涉及虚拟现实显示技术，具体涉及一种双片波导镜片及三维显示装置。

背景技术：

随着虚拟现实和增强现实技术分发展，近眼式显示设备得到快速发展，例如谷歌的googleglass和微软的holoens。增强现实的近眼式显示是一种将光场成像在现实空间的技术，并且可以同时兼顾虚拟和现实的操作。利用传统光学波导元件耦合图像光进入人眼的方式已经被采用，包括使用棱镜、反射镜、半透半反光波导、全息及衍射光栅。波导显示系统是利用全反射原理实现光波传输，结合衍射元件，实现光线的定向传导，进而将图像光导向人眼，使用户可以看到投影的图像。

公开号为cn106773057a的中国发明专利申请中所提及的单片全息衍射波导三维显示装置通过在一片单片全息衍射波导镜片上蚀刻不同结构的、针对三种以上的基色图像光进行耦合的衍射光栅，该种单片全息衍射波导三维显示装置对蚀刻工艺的要求非常高，各纳米衍射光栅的蚀刻精度稍有偏差，即有可能造成不同的基色图像光之间的串扰，从而降低了成像效果。

公开号为cn106842397a的中国发明专利中所提及的树脂全息波导镜片包括三片以上叠加而成的全息波导镜片单元，由于每片全息波导镜片单元仅仅耦合一种基色图像光，因此其结构复杂、质量和体积较大，此外，由该树脂全息波导镜片构建的三维显示装置对图像光的损耗较大，对成像效果的影响较大。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种由两片波导镜片单元叠加而成的双片波导镜片，其能够将光损耗控制在合理的范围内，并降低了不同波长的图像光之间的串扰，同时也降低了波导镜片的制备难度。本发明的双片波导镜片的具体技术方案如下：

一种双片波导镜片，其由第一波导镜片单元和第二波导镜片单元叠加形成，所述第一波导镜片单元和所述第二波导镜片单元均包括：

波导：

位于波导上表面或下表面的入射功能性区域和出射功能性区域，所述入射功能性区域内设置有将外部光束耦合入波导的耦入衍射光栅，所述出射功能性区域内设置有将波导内传播过来的光束向波导外输出的出射衍射光栅；其中，

所述第一波导镜片单元的功能性区域内的衍射光栅调控具有第一波长的光信号；

所述第二波导镜片单元的功能性区域内的衍射光栅调控至少两种不同于所述第一波长的其他波长的光信号。

进一步的，所述功能性区域还包括中继功能区域，所述中继功能区域内设置有改变光束在波导镜片内的传播方向的中继衍射光栅。

进一步的，各功能性区域内均设有像素型衍射光栅，所述像素型衍射光栅包括多个结构单元像素。

进一步的，所述第二波导镜片单元的各功能性区域内的每一结构单元像素包括至少两个结构子单元像素，各结构子单元像素对应耦合不同波长的光信号。

进一步的，所述第二波导镜片单元调控的所述其他波长的光信号中至少有一种光信号的波长大于所述第一波长，至少有一种光信号的波长小于所述第一波长。

进一步的，其用于调控三基色图像光信号，其中：所述第一波长的光信号为绿光图像光信号，所述其他波长的光信号为红光图像光信号和蓝光图像信号。

进一步的，所述第一波导镜片单元上的衍射光栅采用斜光栅，所述第二波导镜片单元上的衍射光栅采用矩形光栅。

本发明第二方面提供了一种双片波导镜片构建的三维显示装置，其能够实现三维虚拟成像，其具体技术方案如下：

一种三维显示装置，其包括微投影装置及双片波导镜片，所述双片波导镜片由第一波导镜片单元和第二波导镜片单元叠加形成，所述第一波导镜片单元和所述第二波导镜片单元均包括：

波导：

位于波导上表面或下表面的入射功能性区域和出射功能性区域，所述入射功能性区域内设置有将外部光束耦合入波导的耦入衍射光栅，所述出射功能性区域内设置有将波导内传播过来的光束向波导外输出的出射衍射光栅；其中，

所述第一波导镜片单元的功能性区域内的衍射光栅调控具有第一波长的光信号；

所述第二波导镜片单元的功能性区域内的衍射光栅调控至少两种不同于所述第一波长的其他波长的光信号。

进一步的，所述功能性区域还包括中继功能区域，所述中继功能区域内设置有改变光束在波导镜片内的传播方向的中继衍射光栅。

进一步的，各功能性区域内均设有像素型衍射光栅，所述像素型衍射光栅包括多个结构单元像素。

进一步的，所述第二波导镜片单元的各功能性区域内的每一结构单元像素包括至少两个结构子单元像素，各结构子单元像素对应耦合不同波长的光信号。

进一步的，所述第二波导镜片单元调控的所述其他波长的光信号中至少有一种光信号的波长大于所述第一波长，至少有一种光信号的波长小于所述第一波长。

进一步的，其用于调控三基色图像光信号，其中：所述第一波长的光信号为绿光图像光信号，所述其他波长的光信号为红光图像光信号和蓝光图像信号。

进一步的，所述第一波导镜片单元上的衍射光栅采用斜光栅，所述第二波导镜片单元上的衍射光栅采用矩形光栅。

进一步的，所述微投影装置位于所述第一波导镜片单元的一侧，所述微投影装置发出的图像光经所述第一波导镜片单元的入射功能性区域进入至所述双片波导镜片内。

进一步的，所述微投影装置的数目为两个，并分别与对应左右眼的双片波导镜片对应设置。

与现有技术相比，本发明提供的双片波导镜片及三维显示装置具有如下技术效果：

1、其由两片波导镜片单元实现成像，从而保证了装置在结构上的紧凑性，同时将光损耗控制在合理的范围内。

2、将不同波长的图像光合理分配至两片波导镜片单元上进行处理，从而显著降低了不同波长的图像光之间的串扰率，同时也降低了波导镜片单元的制备难度。

附图说明

图1为本发明的一种三维显示装置在一个实施例中的剖面结构示意图；

图2为本发明的双片波导镜片在一个实施例中的剖面结构示意图；

图3为本发明的双片波导镜片所包含的第一波导镜片单元、第二波导镜片单元在一个实施例中的平面结构示意图；

图4为本发明的双片波导镜片所包含的第一波导镜片单元、第二波导镜片单元在另一个实施例中的平面结构示意图；

图5为本发明的双片波导镜片中的第一波导镜片单元的结构单元像素的平面结构示意图；

图6为本发明的双片波导镜片中的第二波导镜片单元的结构单元像素及结构子单元像素的平面结构示意图；

图7为本发明中的双片波导镜片所包含的第一波导镜片单元、第二波导镜片单元的功能性区域内的衍射光栅的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2、图3所示，一种双片波导镜片，用于制备双片波导三维显示装置，其由第一波导镜片单元3和第二波导镜片单元4叠加形成，所述第一波导镜片单元3及所述第二波导镜片单元4包括：

波导31/41；

位于波导31/41上表面或下表面的功能性区域(图2中，如果定义图像光信息入射的一面为上表面，则图2实施例中，两个功能性区域设于波导31/41的上表面上)。

在一些实施例中，所述功能性区域包括入射功能性区域32/42和出射功能性区域33/43，其中所述入射功能性区域32/42内设置有将外部光束耦合入波导31/41的耦入衍射光栅，所述出射功能性区域33/43内设置有将波导31/41传播过来的光束向波导31/41外输出的出射衍射光栅。所述耦入衍射光栅和所述出射衍射光栅的尺度与所对应的光束的波长相匹配。

所述双片波导镜片中的两片波导镜片单元，通过功能性区域和波导的配合，可以降低构建三维显示装置的厚度和体积，并且通过各功能区域中由衍射光栅进行图像放大。在实际应用中，各功能性区域均设有像素型衍射光栅。

优选的，如图4所示，所述功能性区域还包括中继功能区域34/44，所述中继功能区域34/44内设置有改变光束在波导31/41内的传播方向的中继衍射光栅。所述中继功能区域34/44用于将入射功能性区域32/42及波导31/41传导来的光束改变方向后再经波导31/41传导至出射功能性区域33/43，从而进一步放大图像。

本发明中的双片波导镜片中，所述第一波导镜片单元3的功能性区域内的衍射光栅对应调控具有第一波长(对应一种颜色)的光信号；所述第二波导镜片单元4的功能性区域内的衍射光栅对应调控至少两种不同于所述第一波长的其他波长(对应两种以上的其他颜色)的光信号。其中：

所述其他波长的光信号中至少有一种光信号的波长大于所述第一波长，至少有一种光信号的波长小于所述第一波长。

优选的，所述第一波导镜片单元的入射功能性区域与所述第二波导镜片单元的入射功能性区域上下对齐，所述第一波导镜片单元的出射功能性区域与所述第二波导镜片单元的出射功能性区域上下对齐。

图1为利用上述双片波导镜片构建的三维显示装置的剖面结构示意图，图1中的各功能性区域设置在波导31/41的入光面上，即设置在波导31/41的上表面。图像光从微投影装置1发出，图像光首先照射至第一波导镜片单元3，并被波导31上的入射功能性区域32耦入至波导31内，此时图像光实现分光，其中：

图像光中的具有第一波长的光信号的衍射角满足波导31的全反射要求，因此其经波导31全反射并传导至波导31上的出射功能性区域33，最终经出射功能性区域33衍射后离开波导31并直接穿过波导41上的出射功能性区域43，聚焦至人眼；

图像光中的其他波长的光信号的衍射角则不满足波导31的全反射要求，因此这些光信号透过波导31到达第二波导镜片单元4，并被波导41上的入射功能性区域42耦入至波导41内。由于这些波长的光信号的衍射角满足波导41的全反射要求，因此其经波导41的全反射并传导至波导41上的出射功能性区域43，并最终经出射功能性区域43衍射后离开波导41，聚焦至人眼。

可见，微投影装置1发出的图像光经过第一波导镜片单元3、第二波导镜片单元4分光衍射后，最终使得人眼最终看到图像被放大的虚拟三维图像。

在构建一套三维显示装置时，一般会包括两套微投影装置1和两个双片波导镜片，分别对应左右眼显示。

在一些实施例中，所述三维显示装置为三基色装置(红绿蓝三种颜色)，对应的，所述第一波导镜片单元3调控红绿蓝三种颜色的一种，所述第二波导镜片单元4则调控其他两种颜色。

三基色中，红光的波长约为610～650nm，绿光的波长约为500～560nm，蓝光的波长约为440～480nm。由于不同波长的光信号，其波长相差越大，传输过程中发生串扰的可能性越低，因此，在一个优选实施例中，所述第一波导镜片单元3用于调控波长居中的绿色图像光，而所述第二波导镜片单元4则用于调控波长最长的红色图像光和波长最短的蓝色图像光。

相应的，所述第一波导镜片单元3的波导31上的各功能区域内的衍射光栅的周期、深度及倾斜角等参数被设置为与绿光的波长相匹配。所述第二波导镜片单元4的波导41上的各功能区域内的衍射光栅的周期、深度及倾斜角等参数被设置为与红光、蓝光的波长相匹配。

在一些实施例中，波导31/41上的各功能区域包括多个结构单元像素。

例如，就入射功能性区域的结构而言：

在一些实施例中，如图5所示，第一波导镜片单元3的波导31的入射功能性区域32的每个结构单元像素320均为单像素结构，其对应耦合绿色图像光，即：每个结构单元像素320内设有的衍射光栅的周期和取向均与绿光相匹配。当绿色图像光入射至结构单元像素320时，其衍射角满足全反射要求，因此得以在波导31内传输，而蓝色图像光和红色图像光的衍射角无法满足全反射要求，从而无法继续在波导31内传输。因此，相当于在波导31内形成了一条专供绿色图像光传输的光线传输通道。

如图6所示，第二波导镜片单元4的波导41的入射功能性区域42的每个结构单元像素420则为双像素结构，其包括对应耦合红色图像光的红色结构子单元像素4201和对应耦合蓝色图像光的蓝色结构子单元像素4202，其中：红色结构子单元像素4201内设有的衍射光栅的周期和取向均与红光相匹配，蓝色结构子单元像素4202内设有的衍射光栅的周期和取向均与蓝光相匹配。当红色图像光入射至红色结构子单元像素4201时，其衍射角满足全反射要求，因此得以在波导41内传输，而蓝色图像光入射至红色结构子单元像素4201时，由于其衍射角不满足全反射要求，从而无法在波导41内传输。同理，当蓝色图像光入射至蓝色结构子单元像素4202时，其衍射角满足全反射要求，因此得以在波导41内传输，而红色图像光入射至蓝色结构子单元像素4202时，由于其衍射角不满足全反射要求，从而无法在波导41内传输。因此，相当于在波导41内形成了两条互不干扰的光线传输通道，以实现对红色图像光、蓝色图像光的同步传播。

如前文所述，由于红色图像光、蓝色图像光的波长相差较大，因此，两者之间发生串扰的可能性较低。因此，将红色图像光和蓝色图像光的光线传输通道分配在同一波导镜片单元上，无疑将显著降低衍射光栅的制备难度。

同理，就出射功能性区域而言：在一些实施例中，第一波导镜片单元3的波导31的出射功能性区域33的每个结构单元像素均为单像素结构，每个结构单元像素内设有的衍射光栅的周期和取向均与绿光相匹配，所有结构单元像素组合形成具有光学成像功能的纳米透镜。

第二波导镜片单元4的波导41的出射功能性区域43的每个结构单元像素则为双像素结构，其包括对应耦合红色图像光的红色结构子单元像素和对应耦合蓝色图像光的蓝色结构子单元像素，红色结构子单元像素及蓝色结构子单元像素内的衍射光栅的周期和取向分别与红光及蓝光相匹配，所有结构单元像素组合形成具有光学成像功能的纳米透镜。

关于出射功能性区域的具体结构及成像原理为现有技术，本说明书不再进行详细描述，本领域技术人员在实施本专利时，可以直接参考背景技术中所提到的公开号为cn106773057a的中国发明专利申请文件，该专利申请中已经公开了包括有红绿蓝三像素的出射功能性区域的具体结构及成像原理。参照其结构及成像原理，完全能够实现本发明中的包括单像素(绿)及双像素(红蓝)的出射功能性区域。

在一些实施例中，第二波导镜片单元4的波导41上的功能性区域内的各结构子单元像素的空间复用排布，巧妙的利用光栅衍射方程，不同颜色的光之间互不干扰，在波导41内有序传导。

在一些实施例中，第一波导镜片单元3及第二波导镜片单元4上的结构单元像素内包括的具有波长选择性衍设光栅可以为矩形光栅或斜光栅。如图7所示，以采用入射功能性区域32/42、出射功能性区域33/43两个功能性区域为例，第一波导镜片单元3上的入射功能性区域32、出射功能性区域33内的结构单元像素均设置为斜光栅结构，第二波导镜片单元4上的入射功能性区域42、出射功能性区域43内的结构单元像素均设置为矩形光栅结构。

在使用双片波导镜片构建双片衍射波导三维显示装置时，照明装置的光源可以采用包括红、绿、蓝三基色点光源或者平行光源，或者白色点光源或平行光源。波导41/42上的功能性区域的形状方位不同，以采用入射功能性区域32/42、中继功能性区域34/44、出射功能性区域33/43三个功能性区域为例，入射功能性区域32/42的形状可以为圆形或矩形，中继功能性区域34/44的形状可为三角形或矩形，出射功能性区域33/43可为矩形。所述功能性区域可位于镜片上表面或下表面，功能性区域所设置的结构单元至少包括衍射光栅，具备衍射及指向功能。如上文所述，对于三基色(红绿蓝)三维显示装置而言，所述第一波导镜片单元3的波导31的功能区域内的结构单元像素仅包括与绿色图像光耦合的绿色图像光单元像素，而第二波导镜片单元4的波导41的功能区域内的结构单元像素则包括分别与红色图像光、蓝色图像光耦合的红色图像光子单元像素和蓝色图像光子单元像素。

采用本发明的技术方案，使用两片叠加的波导镜片单元即能实现三基色三维彩色显示，其保证了装置在结构上的紧凑性、小巧性，此外光线只需要穿过两层波导镜片单元，因此其在传播过程中的光损耗保持在合理范围内。此外，分配在同一波导镜片单元的红色图像光、蓝色图像光之间的波长相差较大(两者之间的产生串扰的可能性非常小)，从而降低了该波导镜片上的结构单元像素(衍射光栅结构)的制备难度。

当然，对于四基色三维显示装置，同样可以根据各图像光的波长分布情况，将对不同波长的图像光合理分配在两片波导镜片单元上进行处理。

可见，与现有技术中的三维显示装置相比，本发明具有如下优势：

1、由两片波导镜片单元实现成像，从而保证了装置在结构上的紧凑性，同时将光损耗控制在合理的范围内。

2、将不同波长的图像光合理分配至两片波导镜片单元上进行处理，以显著降低了不同波长的图像光之间的串扰率，同时也降低了波导镜片单元的制备难度。

上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。