光波导结构以及头戴显示设备的制作方法

1.本技术实施例涉及近眼显示成像技术领域，更具体地，本技术实施例涉及一种光波导结构以及头戴显示设备。


背景技术：

2.目前，vr虚拟现实设备容易做到90
°
以上的大视场，但是vr虚拟现实设备无法穿透显示屏幕看到外界，即没有融合现实的能力。ar增强现实设备虽然可以穿透显示屏幕看到外界，可以融合现实，但其视场一般较小很难超过60
°
。由此可见，现有的vr技术和ar技术在用户视觉体验方面均存在不同程度的不足。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种光波导结构以及头戴显示设备的新技术方案。
4.第一方面，本技术提供了一种光波导结构，所述光波导结构包括光波导本体、体全息元件及液晶元件；
5.所述光波导本体包括相对设置的第一表面和第二表面，所述体全息元件设置于所述第一表面，所述液晶元件设置于所述第二表面；
6.所述液晶元件用于对光线进行选择性的衍射和透射，所述光线中具有第一偏振状态的第一圆偏振光衍射向所述体全息元件，所述体全息元件用于使所述第一圆偏振光的偏振方向发生旋转形成具有第二偏振状态的第二圆偏振光衍射向所述液晶元件，所述第二圆偏振光经所述液晶元件透射后耦出所述光波导本体之外。
7.可选地，所述第一表面上相邻设置有第二全反射区及第二衍射区，所述体全息元件覆盖所述第二全反射区和所述第二衍射区；
8.所述第二表面上相邻设置有第一全反射区和第一衍射区，所述液晶元件覆盖所述第一衍射区。
9.可选地，光线在所述第一衍射区仅发生一次反射。
10.可选地，经所述液晶元件耦出的光线形成的图像的视场角为＞80
°
。
11.可选地，所述液晶元件包括层叠设置的配向层和液晶层；
12.其中，所述配向层提供的取向态的方向不同，所述配向层用于按照预设取向态排布方式对所述液晶层内的液晶分子进行配向；
13.所述液晶层中与所述配向层相接触的液晶分子按照所述预设取向态排列，上层的所述液晶分子依次旋转，形成左旋或者右旋的螺旋结构。
14.可选地，所述液晶元件对进入所述光波导本体内传播的光线具有偏振状态选择性。
15.可选地，所述第一圆偏振光为左旋圆偏振光，所述第二圆偏振光为右旋圆偏振光；
16.或者，所述第一圆偏振光为右旋圆偏振光，所述第二圆偏振光为左旋圆偏振光。
17.可选地，所述液晶元件为反射式液晶光栅，所述液晶元件为膜层结构，所述液晶元
件至少部分覆盖于所述第二表面的外侧。
18.可选地，所述体全息元件为反射式体全息光栅，所述体全息元件为膜层结构，所述体全息元件至少部分覆盖在所述第一表面的外侧。
19.第二方面，本技术提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括：
20.如上所述的光波导结构；以及
21.光机，所述光机对应所述光波导结构的耦入区，用以将光线或者图像射入所述耦入区。
22.本技术实施例提供的技术方案中，在光波导本体的两个表面上分别设置了体全息元件和液晶元件，通过体全息元件和液晶元件可以组成光学模组，相互配合后将光线通过液晶元件耦出，其中的液晶元件对光波导本体内传播的光线进行选择性衍射和透射，二者配合可以自由调制在光波导本体内传播的光线，有利于增大图像的成像范围，这就能增大光波导的视场，以使得进入人眼中的图像的视场可以被合理的放大，满足大视场的要求。
23.本技术实施例提供的方案，可以同时实现大视场且融合现实。
24.通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
25.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本说明书的实施例，并且连同其说明一起用于解释本说明书的原理。
26.图1为本技术实施例提供的光波导结构的结构示意图之一；
27.图2为现有的液晶元件的结构示意图之一；
28.图3为本技术实施例提供的液晶元件的结构示意图之一；
29.图4为本技术实施例提供的光波导结构的原理示意图之一；
30.图5为本技术实施例提供的光波导结构的原理示意图之二。
31.附图标记说明：
32.100、光波导本体；110、第一表面；111、第二全反射区；112、第二衍射区；113、耦入区；120、第二表面；121、第一全反射区；122、第一衍射区；200、体全息元件；300、液晶元件；310、配向层；320、液晶层；321、液晶分子；400、光机；001、人眼。
具体实施方式
33.现在将参照附图来详细描述本技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。
34.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。
35.对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。
36.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
37.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
38.下面结合附图1至图5对本技术实施例提供的光波导结构以及头戴显示设备进行详细地描述。
39.根据本技术实施例的一个方面，提供了一种光波导结构，所述光波导结构可适合应用于头戴显示设备(head mounted display，hmd)。
40.本技术实施例提供了一种光波导结构，如图1、图4及图5所示，所述光波导结构包括光波导本体100、体全息元件200及液晶元件300；
41.其中，所述光波导本体100包括相对设置的第一表面110和第二表面120，所述体全息元件200设置于所述第一表面110，所述液晶元件300设置于所述第二表面120；
42.所述液晶元件300用于对光线进行选择性的衍射和透射，所述光线中具有第一偏振状态的第一圆偏振光衍射向所述体全息元件200，所述体全息元件200用于使所述第一圆偏振光的偏振方向发生旋转形成具有第二偏振状态的第二圆偏振光衍射向所述液晶元件300，所述第二圆偏振光经所述液晶元件300透射后耦出所述光波导本体100之外。
43.在本技术实施例提供的光波导结构中，在第一表面110上还设置有耦入区113，耦入区113被配置为用于将光线耦入所述光波导本体100内。
44.本技术的实施例中，光波导本体100的第一表面110和第二表面120为相对设置，且二者之间具有一定的间隔，入射的光线可以经第一表面110上的耦入区113耦入至光波导本体100内，并在光波导本体100内进行传播。并且，还在第一表面110和第二表面120上分别设置有体全息元件200和液晶元件300，通过体全息元件200与液晶元件300的相配合可形成一整体耦出区，可用以对光波导本体100内传播的光线进行衍射后再耦出至光波导本体100之外，最终将耦出的光线打入人眼001中，以在人眼001中显示图像。
45.本技术实施例提供的光波导结构，光线经耦入区113进入光波导本体100内之后先以全反射的传播方式向前传播，当遇到体全息元件200后，由于此时的光线入射到体全息元件200上的角度不在体全息元件200的响应角度范围内，所以其传播方式不会受干扰和影响。当光线遇到液晶元件300后，光线入射到液晶元件300上的角度落在液晶元件300的响应角度范围内，就可以被衍射向体全息元件200，在这一过程中光线的全反射状态被改变，此时的光线已经被液晶元件300调制，使其带有一定的光焦度，这有助于后续成像中增加图像的视场范围。当被衍射的光线与体全息元件200相遇，且光线入射到体全息元件200上的角度刚好在体全息元件200的响应角度范围内，其被第二次衍射后向人眼001传播，此时的光线已被调制，调制后的光线可以正常成像。
46.本技术实施例提供的光波导方案，基于体全息元件200和液晶元件300组成的光学模组在透出光线之前可以较自由的调制光线，所以图像的视场可以被设计并合理的进行放大，以满足大视场的要求。这样，可以实现大视场，结合光波导还可以实现融合现实，提高用户的观看体验感。
47.也就是说，本技术实施例提供的光波导结构，在光波导本体100的两个表面上分别设置了体全息元件200和液晶元件300，通过体全息元件200和液晶元件300可以组成一光学模组，其中的液晶元件300可以对光波导本体100内传播的光线进行选择性衍射和透射，二者配合可以自由调制在光波导本体100内传播的光线，有利于增大图像的成像范围，这就能
增大视场角，以使得进入人眼中的图像的视场可以被合理的放大，满足大视场的要求。该光波导结构可以同时实现大视场且融合现实。
48.在本技术的一些示例中，所述第一表面110上相邻设置有第二全反射区111及第二衍射区112，所述体全息元件200覆盖所述第二全反射区111和所述第二衍射区112；所述第二表面120上相邻设置有第一全反射区121和第一衍射区122，所述液晶元件300覆盖所述第一衍射区122。
49.如图1所示，光线从光波导本体100上的耦入区113进入光波导本体100内之后，当光线遇到第一全反射区121可以发生全反射，经全反射之后遇到体全息元件200，由于此时的光线入射到体全息元件200上的角度不在体全息元件的响应角度范围内(即没有达到第二衍射区112)，所以其原本的传播方式不受干扰和影响。当光线遇到液晶元件300时，光线入射到液晶元件300上的角度在液晶元件300的响应角度范围内(即落在第一衍射区122)，所以其在第一衍射区122被衍射向体全息元件200，光线的全反射状态被改变，此时的光线已经被液晶元件300调制，带有一定的光焦度。被衍射的光线在第二衍射区220与体全息元件200相遇，此时光线入射到体全息元件200上的角度在体全息元件200的响应角度范围内，所以其被第二次衍射后向人眼001传播，同时这时的光线被调制，调制后的光线已经可以正常成像。
50.由于体全息元件200和液晶元件300组成的光学耦出结构可以较自由的调制光线，所以图像的视场可以被设计并放大，以满足大视场的要求，其视场通常大于80
°
。
51.在本技术的一些示例中，光线在所述第一衍射区122仅发生一次反射。
52.本技术实施例提供的光波导结构，其中，透过液晶元件300耦出光波导本体100之外的光线是在第一衍射区122经过一次反射至体全息元件200形成的具有第二偏振状态的第二圆偏振光，此时，具有第一偏振状态的第一圆偏振光在光波导本体100内传播并会接着进行反射，当遇到体全息元件200后会改变偏振状态形成可以透过液晶元件300的第二圆偏振光，而这些光线为杂散光，其会影响到入射至人眼01的光线。因此，在光波导本体100内还可以设置如黑色的光吸收膜层，来吸收杂散光。
53.在本技术的一些示例中，经所述液晶元件300耦出的光线形成的图像的视场角为＞80
°
。
54.本技术实施例提供的光波导结构，通过体全息元件200和液晶元件300相配合，可以对光波导本体100内传播的光线进行合理的调制，其中改变了光线全反射向前传播的方式，经调制后的光线可以带有一定的光焦度并耦出光波导本体100之外。这样，在人眼001中所形成的图像的视场是比较大的，其可以达到大于80
°
，这样能提升用户的视觉体验感。
55.在本技术的一些示例中，如图3至图5所示，所述液晶元件300包括层叠设置的配向层310和液晶层320；其中，所述配向层310提供的取向态的方向不同，所述配向层310用于按照预设取向态排布方式对所述液晶层320内的液晶分子321进行配向；所述液晶层320中与所述配向层310相接触的液晶分子321按照所述预设取向态排列，上层的所述液晶分子321依次旋转，形成左旋或者右旋的螺旋结构。
56.如图2所示，其中展示了现有液晶元件的组成结构。图2中示出的液晶元件主要包括位于下层的配向层和叠设在配向层上的液晶层，其中的配向层提供了取向态。图2中给出的是一种均一取向。实际上，取向态还可以是随空间位置变化的，各个位置的取向可以按照
设计要求做改变。液晶层中液晶分子和取向态接触，且接触配向层的液晶分子将按照取向态进行对应的排列，上层的液晶分子会依次扭转，每扭转180
°
的距离即为一个周期。
57.如图3所示，其示出了本技术实施例中的液晶元件300的结构，其与图2中示出的液晶元件不同，具体表现为：配向层310中取向态并非是均一取向，其是按照设计形成的图样排布，这种图样可以是透镜图样，也可以是光栅图样等。而且，液晶层320中的液晶分子的排布会依据图样的变化而进行相应的改变。
58.其中，液晶分子321的旋转态构成的连线例如可以是直线、二次曲线等，本技术的实施例中对此不作具体限制。
59.本技术的实施例中，通过设计改变液晶元件中液晶分子的排列，从而将入射的光线偏折至合适的角度，同时，由于液晶元件兼具较高的透过率，使得透过的光线几乎没有吸收损失，从而提高了成像效果，可以实现大视场需求。
60.在本技术的一些示例中，如图4所示，所述液晶元件300对进入所述光波导本体100内传播的光线具有偏振状态选择性。
61.本技术实施例提供的液晶元件300，只对一种偏振状态的圆偏振光产生响应，即衍射一种偏振状态的圆偏振光。
62.例如，本技术实施例提供的液晶元件300，可以衍射具有第一偏振状态的第一圆偏振光，则它可以透射具有第二偏振状态的第二圆偏振光，与此同时，被衍射的光线会继续保持原来的偏振状态。
63.在本技术的一些示例中，所述第一圆偏振光为左旋圆偏振光，所述第二圆偏振光为右旋圆偏振光；或者，所述第一圆偏振光为右旋圆偏振光，所述第二圆偏振光为左旋圆偏振光。
64.例如，图4中示出的液晶元件300，其只能衍射左旋圆偏振光，同时可以透射右旋偏振光，其中，衍射的光的偏振状态会保持原来的状态不变化。也就是说，左旋圆偏振光入射，衍射光还是左旋圆偏振光。
65.当然，也可以是，液晶元件300只衍射右旋圆偏振光，此时还可以透射左旋偏振光。也就是说，右旋圆偏振光入射，衍射光还是右旋圆偏振光。
66.在本技术的一些示例中，所述液晶元件300为反射式液晶光栅，所述液晶元件300为膜层结构，所述液晶元件300至少部分覆盖于所述第二表面120的外侧。
67.本技术实施例提供的液晶元件300例如为薄膜状结构，其可以直接贴装在光波导本体100的第二表面120上。
68.该液晶元件300可以局部覆盖于所述第二表面120，也可以全部覆盖所述第二表面120，本领域技术人员可以根据需要灵活选择，本技术实施例中对此不作限制。
69.上述的液晶元件300例如为反射型衍射光栅。
70.在本技术的一些示例中，所述体全息元件200为反射式体全息光栅，所述体全息元件为膜层结构，所述体全息元件200至少部分覆盖在所述第一表面110的外侧。
71.体全息元件200为衍射光栅中的一种。
72.在本技术的实施例中，体全息元件200可以改变入射光线的偏振状态。例如，当入射的光线为左旋圆偏振光，则可将左旋圆偏振光转变为右旋偏振光再射出。
73.反射式体全息光栅通常具有更高的衍射效率和更大的角度带宽，有助于增大图像
的成像范围，以使得进入人眼中的图像的视场可以被合理的放大，满足大视场的要求。
74.体全息元件200为薄膜状结构，可以直接贴装在第一表面110的外侧。
75.在本技术的实施例中，体全息元件200及液晶元件300均为薄膜结构，可以直接贴装在光波导本体100的两个表面上，这有利于减小光波导结构的体积，可以使得光波导结构更加轻薄。
76.在本技术的一些示例中，如图1所示，所述耦入区113在所述第一表面上为斜面结构；或者，所述耦入区113为平面结构，所述光波导结构还包括耦入棱镜，所述耦入棱镜设置于所述耦入区113。
77.本领域技术人员可以根据入射光的情况灵活调整耦入区113的形式，本技术的实施例中对此不作限制。
78.如图5所示，本技术实施例提供的光波导结构，通过体全息元件200和液晶元件300共同作用，当光波导本体100内传播的光线1传播至液晶元件300且达到响应位置(第一衍射区122)时，其中的左旋圆偏振光会经衍射和仅一次反射射向体全息元件200，同时光线2会保持左旋的偏振状态，当光线2被液晶元件300衍射时应满足体全息元件200的响应条件时，会被体全息元件200衍射向液晶元件300，这一过程中形成了光线3，其偏振状变为右旋圆偏振态，由于液晶元件300被设计为不响应右旋圆偏振光，所以，此时的右旋圆偏振光将会直接透过液晶元件300，透射的光线4可以到达人眼001中正常成像，其它反射的光线会被光波导本体100内的黑色吸光膜层吸收。
79.根据本技术实施例的另一方面，还提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括如上任一种所述的光波导结构及光机400，所述光机400用于将光线或者图像射入光波导结构内。
80.其中，如图1所示，所述光机400对应所述光波导结构的耦入区113，用以将光线或者图像射入所述耦入区113。
81.所述头戴显示设备例如为mr头戴设备，包括mr眼镜或者mr头盔等，本技术实施例对此不做具体限制。
82.本技术实施例提供的头戴显示设备通过使用上述的光波导结构，有利于增大图像的成像范围，进而有有利于增大视场。同时，由于光波导结构的体积小，进而有助于减小头戴显示设备的尺寸，实现头戴显示设备的小型化。
83.本技术实施例的头戴显示设备的具体实施方式可以参照上述显示模组各实施例，在此不再赘述。
84.上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
85.虽然已经通过示例对本技术的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本技术的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本技术的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本技术的范围由所附权利要求来限定。