光波导系统和近眼显示器的制作方法

1.本实用新型涉及衍射光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种光波导系统和近眼显示器。


背景技术：

2.随着科技的不断发展和创新，虚拟现实(vr)，增强现实(ar)，混合现实(mr)已经逐步进入人们的生活当中，其中在ar增强现实方面，光波导技术是不可缺少的一步，它采用带有衍射光栅的平板光波导片，将微投光机出射的图像光传输并扩瞳到人眼，使得佩戴者在看到真实世界的同时观察到微投光机投出叠加在真实世界的虚像。
3.上述显示技术通常包括微投光机和光波导系统，微投光机提供单色或者彩色的图像信息，光波导系统负责将微投光机的图像信息扩瞳传输到人眼。微投光机与光波导系统的设计组合方式决定最终形成的产品形态，但目前的产品都有部分局限性，最大问题为显示效果不理想，显示效果不理想其原因是光线在光波导片中传输会使光强能量损失，以及衍射光栅的特性导致耦出光的效率不均匀。这种不均匀性会影响图像显示，导致人眼观察到成像效果差。
4.也就是说，现有技术中的光波导系统存在成像效果差的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于提供一种光波导系统和近眼显示器，以解决现有技术中的光波导系统存在成像效果差的问题。
6.为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种光波导系统，包括：光波导片；耦入光栅，耦入光栅设置在光波导片的一侧表面上，耦入光栅为一维光栅，耦入光栅用于将外部微投光机所发出的光耦入到光波导片内；转折光栅，转折光栅设置在光波导片上且与耦入光栅位于同一侧表面或不同侧表面，转折光栅为二维光栅，转折光栅用于接收耦入光栅的光；耦出光栅，耦出光栅设置在光波导片的另一侧表面上，转折光栅和耦出光栅在光波导片上的投影至少部分重合，耦出光栅为二维光栅，耦出光栅用于接收耦入光栅和转折光栅的光并将光耦出光波导片。
7.进一步地，耦入光栅为多个，多个耦入光栅位于转折光栅的一侧，且多个耦入光栅沿一直线间隔排列；或者多个耦入光栅绕转折光栅的周向间隔设置。
8.进一步地，光波导片为一个或多个，当光波导片为多个时，多个光波导片叠加设置，各光波导片上对应设置有耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，且各光波导片上的耦入光栅在相邻的光波导片上的投影互不重合。
9.进一步地，转折光栅包括第一光栅栅线方向和第二光栅栅线方向，第一光栅栅线方向与第二光栅栅线方向垂直设置；和/或耦出光栅包括第三光栅栅线方向和第四光栅栅线方向，第三光栅栅线方向与第四光栅栅线方向垂直设置。
10.进一步地，一维光栅为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和一维多层光栅
中的一种；和/或二维光栅为正方形光栅、长方形光栅、平行四边形光栅、菱形光栅和二维多层光栅中的一种。
11.进一步地，耦入光栅的占空比大于等于30％且小于等于80％；和/或当耦入光栅为一维多层光栅时，一维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层；和/或耦入光栅的高度大于等于50纳米且小于等于500纳米；和/或耦入光栅的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。
12.进一步地，转折光栅的占空比大于等于30％且小于等于80％；和/或当转折光栅为二维多层光栅时，二维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层；和/或转折光栅的高度大于等于30纳米且小于等于300纳米；和/或转折光栅的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。
13.进一步地，耦出光栅的占空比大于等于30％且小于等于80％；和/或当耦出光栅为二维多层光栅时，二维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层；和/或耦出光栅的高度大于等于30纳米且小于等于300纳米；和/或耦出光栅的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。
14.进一步地，光波导片的材质为玻璃或光学晶体，玻璃为高折射率玻璃，光学晶体为高折射光学晶体；和/或光波导片的折射率大于等于1.7且小于等于2.3；和/或光波导片的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米。
15.根据本实用新型的另一方面，提供了一种近眼显示器，包括：微投光机，微投光机为一个或多个；上述的光波导系统，微投光机向光波导系统发射图像光，光波导系统将图像光耦出到人眼中。
16.应用本实用新型的技术方案，光波导系统包括光波导片、耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，耦入光栅设置在光波导片的一侧表面上，耦入光栅为一维光栅，耦入光栅用于将外部微投光机所发出的光耦入到光波导片内；转折光栅设置在光波导片上且与耦入光栅位于同一侧表面或不同表面，转折光栅为二维光栅，转折光栅用于接收耦入光栅的光；耦出光栅设置在光波导片的另一侧表面上，转折光栅和耦出光栅在光波导片上的投影至少部分重合，耦出光栅为二维光栅，耦出光栅用于接收耦入光栅和转折光栅的光并将光耦出光波导片。
17.通过设置光波导片，使得光波导片为耦入光栅、转折光栅和耦出光栅提供了设置位置，提高了耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的使用可靠性，同时保证了光在光波导片中传输的均匀性，保证光波导系统能够均匀成像。耦入光栅为一维光栅，使得耦入光栅能够将外部微投光机发射的光大部分耦入光波导片中，以使耦入光栅将光衍射成不同角度不同级次进行传输，以保证光在光波导片中传输的均匀性，同时能够保证耦入光栅的耦入效率。转折光栅设置在光波导片上且与耦入光栅位于同一侧表面或不同表面，转折光栅为二维光栅，以使得转折光栅能够接收耦入光栅的大部分光，可以将光波导片内的光进行一维或者二维方向上的传输，以将光沿着特定方向进行传输扩瞳，将微投光机的信息进行扩瞳传输，以保证转折光栅的扩瞳匀光作用。耦出光栅设置在光波导片的另一侧表面上，耦出光栅为二维光栅，耦出光栅用于接收耦入光栅和转折光栅的光并将光进一步扩瞳，从而将光效率均分后再高效耦出光波导片，以将微投光机的信息均匀高效地耦出至人眼。转折光栅和耦出光栅在光波导片上的投影至少部分重合，这样设置缩短了光由转折光栅传输至耦出光栅的距
离，减小了光强能量的损失，增加了耦出效率，同时使得耦出至人眼的光更加均匀，保证了耦出光的均匀性，使得用户观察到的图像更加清晰均匀，提高了成像效果。
18.另外，转折光栅和耦出光栅在光波导片上的投影至少部分重合，这样设置能够有效减少转折光栅和耦出光栅在光波导片上的占用面积，保证了光波导系统的小型化。使得本技术的光波导结构使用较小的光波导片就能得到均匀的显示图像，提高了显示均匀性。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
20.图1示出了本实用新型的一个可选实施例的光波导系统的结构示意图；
21.图2示出了本实用新型的近眼显示器的结构示意图；
22.图3示出了本实用新型的另一个实施例的光波导系统的示意图。
23.其中，上述附图包括以下附图标记：
24.10、光波导片；20、耦入光栅；30、转折光栅；40、耦出光栅；50、微投光机。
具体实施方式
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
26.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
27.在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。
28.为了解决现有技术中的光波导系统存在成像效果差的问题，本实用新型提供了一种光波导系统和近眼显示器。
29.如图1至图3所示，光波导系统包括光波导片10、耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40，耦入光栅20设置在光波导片10的一侧表面上，耦入光栅20为一维光栅，耦入光栅20用于将外部微投光机50所发出的光耦入到光波导片10内；转折光栅30设置在光波导片10上且与耦入光栅20位于同一侧表面或不同侧表面，转折光栅30为二维光栅，转折光栅30用于接收耦入光栅20的光；耦出光栅40设置在光波导片10的另一侧表面上，转折光栅30和耦出光栅40在光波导片10上的投影至少部分重合，耦出光栅40为二维光栅，耦出光栅40用于接收耦入光栅20和转折光栅30的光并将光耦出光波导片10。
30.通过设置光波导片10，使得光波导片10为耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40提供了设置位置，提高了耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40的使用可靠性，同时保证了光在光波导片10中传输的均匀性，保证光波导系统能够均匀成像。耦入光栅20为一维光栅，使得耦入光栅20能够将外部微投光机50发射的光大部分耦入光波导片10中，以使耦入光栅20将光衍射成不同角度不同级次进行传输，以保证光在光波导片10中传输的均匀性，同时
能够保证耦入光栅20的耦入效率。转折光栅30设置在光波导片10上且与耦入光栅20位于同一侧表面或不同侧表面，转折光栅30为二维光栅，以使得转折光栅30能够接收耦入光栅20的大部分光，可以将光波导片10内的光进行一维或者二维方向上的传输，以将光沿着特定方向进行传输扩瞳，将微投光机50的信息进行扩瞳传输，以保证转折光栅30的扩瞳匀光作用。耦出光栅40设置在光波导片10的另一侧表面上，耦出光栅40为二维光栅，耦出光栅40用于接收耦入光栅20和转折光栅30的光并将光进一步扩瞳，从而将光效率均分后再高效耦出光波导片10，以将微投光机50的信息均匀高效地耦出至人眼。转折光栅30和耦出光栅40在光波导片10上的投影至少部分重合，这样设置缩短了光由转折光栅30传输至耦出光栅40的距离，减小了光强能量的损失，增加了耦出效率，同时使得耦出至人眼的光更加均匀，保证了耦出光的均匀性，使得用户观察到的图像更加清晰均匀，提高了成像效果。
31.另外，转折光栅30和耦出光栅40在光波导片10上的投影至少部分重合，这样设置能够有效减少转折光栅30和耦出光栅40在光波导片10上的占用面积，保证了光波导系统的小型化。使得本技术的光波导结构使用较小的光波导片10就能得到均匀的显示图像，提高了显示均匀性。
32.如图1所示的具体实施例中，转折光栅30和耦出光栅40分别设置在光波导片10的不同表面上，且转折光栅30和耦出光栅40在光波导片10上的投影完全对应且大部分重合。当然，在图中未示出的具体实施例中，转折光栅30和耦出光栅40在光波导片10上的投影也可不是完全对应的，转折光栅30和耦出光栅40在光波导片10上的投影可仅有一小部分重合。当然，转折光栅30和耦出光栅40的位置关系和投影重合面积大小可根据实际情况进行调整。
33.具体的，耦入光栅20为一维光栅，转折光栅30为二维光栅，耦出光栅40为二维光栅，耦入光栅20与转折光栅30在光波导片10的同一侧表面或不同表面，而耦出光栅40在转折光栅30背面，光通过耦入光栅20到达转折光栅30处，通过转折光栅30传输扩瞳到耦出光栅40，进而耦出光栅40将光高效耦出至人眼。这样设置使得转折光栅30和耦出光栅40同时起到了扩瞳匀光的作用，以使转折光栅30可将光进行二维扩瞳从而将光的效率均分再耦出，耦出光栅40放置在转折光栅30的背面，将转折光栅30衍射到该处的光进一步的扩瞳匀光同时耦出进行能量补偿，以保证转折光栅30传输至耦出光栅40的光尽可能地耦出至人眼。耦出光栅40和转折光栅30的具体参数可根据需求进行设置，不同区域内高度或占空比不同，最终调整使耦出的光强均匀性达到特定要求。同时这样设置能够有效减小光波导片10的尺寸，让它更好的适用在常规眼镜片上。
34.需要说明的是，图1中箭头均为光的传输方向。
35.如图2所示，展示了本技术的近眼显示器的结构示意图。由图中可知微投光机50是与耦入光栅20对应设置的。
36.如图3所示，因为部分微投光机50无法单独进行彩色显示，需要将多个单色光机组合显示彩色，所以在光波导片10上分别对应多个微投光机50进行多个耦入光栅20设计，提出图中所示的三色rgb光机分离方案，在图1方案的基础上增加额外两个耦入光栅20进行额外两个微投光机50的光线传输，多个耦入光栅20绕转折光栅30的周向间隔排布，如图中所示，耦入光栅20可以是三个，三个耦入光栅20分别设置在转折光栅30的三个周侧，此种三个耦入光栅20排布的方案所对应的光波导片10可以是一个也可以是三个，若光波导片10为三
个，则每个光波导片10均对应设置有一个耦入光栅20、一个转折光栅30和一个耦出光栅40。每个光波导片10上的转折光栅30和耦出光栅40的位置均相同，仅耦入光栅20位置不同，耦出光栅40为二维光栅，其目的是用于耦出水平方向与垂直方向的耦入光栅20的光线。
37.在图中未示出的实施例中，耦入光栅20为多个，多个耦入光栅20位于转折光栅30的一侧，且多个耦入光栅20沿一直线间隔排列。光波导片10为一个或多个，当光波导片10为多个时，多个光波导片10叠加设置，各光波导片10上对应设置有耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40，且各光波导片10上的耦入光栅20在相邻的光波导片10上的投影互不重合。比如，耦入光栅20可以是三个，三个耦入光栅20均设置在转折光栅30的左侧且横向间隔排列，此时由于三个耦入光栅20是延光的传输方向进行排布的，所以三个耦入光栅20不能设置在同一片光波导片10上，以避免三个耦入光栅20之间的干涉，将三个耦入光栅20分别设置在三个光波导片10上，也就是说，每个光波导片10上均有一个耦入光栅20、一个转折光栅30和一个耦出光栅40。每个光波导片10上的转折光栅30和耦出光栅40的位置一致，仅耦入光栅20位置不同。
38.需要说明的是，上述光的传输方向指的是耦入光栅20到转折光栅30光的传输方向。
39.或者三个耦入光栅20均设置在转折光栅30的左侧，且延纵向间隔排列，此时对应的光波导片10可以是一个也可以是多个，也就是说，三个耦入光栅20可设置在一片光波导片10上，或者三个耦入光栅20一一对应的设置在三个光波导片10上，三个光波导片10分别对应设置有转折光栅30和耦出光栅40。
40.需要说明的是，上述耦入光栅20和光波导片10的数量可根据实际情况进行设置。
41.具体的，转折光栅30包括第一光栅栅线方向和第二光栅栅线方向，第一光栅栅线方向与第二光栅栅线方向垂直设置；耦出光栅40包括第三光栅栅线方向和第四光栅栅线方向，第三光栅栅线方向与第四光栅栅线方向垂直设置。且转折光栅30的两个光栅栅线方向与耦出光栅40的两个光栅栅线方向的方向是不同的。
42.具体的，一维光栅为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和一维多层光栅中的一种；二维光栅为正方形光栅、长方形光栅、平行四边形光栅、菱形光栅和二维多层光栅中的一种。
43.具体的，耦入光栅20为一维光栅，耦入光栅20的占空比大于等于30％且小于等于80％；耦入光栅20的高度大于等于50纳米且小于等于500纳米；当耦入光栅20为一维多层光栅时，一维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层，且每层的高度均大于等于50纳米且小于等于500纳米，每层的光栅均为一维且结构相同；耦入光栅20的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。这样保证耦入光栅20可以将入射光衍射成不同角度不同级次进行传输，其目的是将微投光机50发射的光最大效率的导入波导片内，可调节具体参数，最终保证耦出的光强均匀性达到特定要求。
44.具体的，转折光栅30为二维光栅，转折光栅30的占空比大于等于30％且小于等于80％；转折光栅30的高度大于等于30纳米且小于等于300纳米；当转折光栅30为二维多层光栅时，二维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层，且每层的高度均大于等于30纳米且小于等于300纳米，每层的光栅均为二维且结构相同；转折光栅30的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。这样设置保证转折光栅30可以将光波导片10内的光进行一维或者
二维方向上的传输，其目的是将光沿着特定方向进行传输扩瞳，将微投光机50的信息进行扩瞳传输，转折光栅30的周期优选为耦入光栅20周期除以根号二的数值，可调节具体参数，最终调整保证耦出的光强均匀性达到特定要求。
45.具体的，耦出光栅40为二维光栅，耦出光栅40的占空比大于等于30％且小于等于80％；耦出光栅40的高度大于等于30纳米且小于等于300纳米；当耦出光栅40为二维多层光栅时，二维多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层，且每层的高度均大于等于30纳米且小于等于300纳米，且每层的光栅均为二维且结构相同；耦出光栅40的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。这样设置保证耦出光栅40能够稳定接收转折光栅30和耦入光栅20传输过来的光和水平方向与垂直方向的耦入光栅20的光，并将其进一步的扩瞳并耦出，其目的是将微投光机50的信息均匀高效地耦出到人眼，耦出光栅40周期优选与耦入光栅20周期一致，可调节具体参数，最终调整使耦出的光强均匀性达到特定要求。
46.具体的，光波导片10的材质为玻璃或光学晶体，玻璃为高折射率玻璃，光学晶体为高折射光学晶体；光波导片10的折射率大于等于1.7且小于等于2.3。这样设置有利于保证光波导片10的高折射率特性，高折射率可提高视场角的大小，以实现超大视场角的光波导片10。当然，也可根据实际需求选择不同的材料。
47.具体的，光波导片10的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米。若光波导片10的厚度小于400微米，使得光波导片10不易制作，增强了光波导片10的加工难度，同时使得光波导片10在使用过程中易发生折断，降低了光波导片10的结构强度。若光波导片10的厚度大于1毫米，使得光波导片10的厚度过大，不利于光波导片10的小型化。将光波导片10的厚度限制在400微米到1毫米的范围内，保证了光波导片10的轻薄化的同时保证了结构强度。
48.需要说明的是，耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40均为衍射光栅，以保证耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40对光的衍射作用，保证光在光波导片10中的均匀传输。由于衍射光栅的特性，使得耦出的光强会存在不均匀性，这种不均匀性表现为空间的不均匀性和角度的不均匀性，空间的不均匀性导致人眼处于眼盒内不同位置时，观察到的图像亮暗具有差异，角度的不均匀性导致不同视场角的明暗强度具有差异，本技术提供的光波导系统可以提高显示的均匀性，而且减小了光波导片10的尺寸，降低了成本，可以使光波导片10更贴近眼镜片符合人体工学，由于微投光机50的多样性，本技术提出了三色微投光机50分离的设计方案，提高了组合的兼容性。
49.近眼显示器包括微投光机50和上述的光波导系统，微投光机50为一个或多个；微投光机50向光波导系统发射图像光，光波导系统将图像光耦出到人眼中。随着图像光在光波导系统内传播，光波导系统将接收到的图像光至少扩展为一维。耦入光栅20被设计为将图像光耦入到光波导片10中。转折光栅30和耦出光栅40被设计成输出扩大后图像光并耦出到人眼。
50.需要说明的是，上述微投光机50的数量根据耦入光栅20的数量进行设置，多个微投光机50与多个耦入光栅20一一对应设置。
51.需要说明的是，上述微投光机50可以是自发光的有源器件，比如micro-oled或micro-led，也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏，包括透射式的lcd和反射式的lcos，还有基于微机电系统mems技术的数字微镜阵列dmd，即dlp的核心和激光束扫描仪lbs等等。这样保证微投光机50能够提供单色或彩色图像光源信息，光源大小形状需匹配耦入光栅20
尺寸以及形状，例如圆形耦入口的微投光机50需匹配圆形耦入光栅20，根据实际设备需求选择不同类型的微投光机50搭配，以使近眼显示器的性能达到最好。
52.需要说明的是，上述近眼显示器可以是ar头戴式设备。
53.显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
54.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
55.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
56.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。