导光结构及三维显示装置的制作方法

1.本实用新型涉及光学成像设备技术领域，尤其是涉及一种导光结构和三维显示装置。


背景技术：

2.随着社会的发展和科技的不断创新，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，将光源组件出射的图像传输并扩瞳耦出到人眼，使得用户在看到真实世界的同时观察到光源组件投出叠加在世界的虚像。
3.目前市面上有多种多样的设计方案，但显示效果还不够理想，其原因是光线在光波导片中的传输会使光强能量造成损失，导致人眼观察到成像效果差，同时，生产成本也相对较高。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的第一方面公开了一种导光结构，所述导光结构可以降低成本，降低光强能量损失，提高成像效果。
5.根据本实用新型实施例的导光结构，所述导光结构具有耦入光栅和扩散耦出光栅，所述扩散耦出光栅位于所述耦入光栅的出光侧，其中，所述扩散耦出光栅包括棱状体列，所述棱状体列由多个棱状体单元组成，在所述耦入光栅至所述扩散耦出光栅的方向上，具有多个所述棱状体列，所述棱状体单元的周侧具有第一入光面、第二入光面、出光面，所述第一入光面和所述第二入光面朝向所述耦入光栅，所述出光面背离所述耦入光栅，从所述第一入光面或者所述第二入光面入射至所述棱状体单元的光线从所述出光面射出为第一出射光线，所述棱状体单元还具有底端和顶端，所述顶端朝向成像面，在所述底端朝向所述顶端的方向上，所述棱状体单元的截面积逐渐减小，以使从所述第一入光面或者所述第二入光面入射至所述棱状体单元的光线从所述顶端朝向所述成像面射出为第二出射光线。
6.根据本实用新型实施例的导光结构，通过在导光结构内构造出扩散耦出光栅，省略了扩散光栅的布局区域，能在一定程度上降低加工成本，使得扩散耦出光栅的布局区域较大，从而使得镜片的出光区域增大，这样可以具有较大的成像区域，如从可以提高成像效果。另外，本技术中仅通过耦入光栅和扩散耦出光栅的配合，还能降低光线在传输过程中的光强能量损失，从而进一步提高成像效果。
7.另外，根据本实用新型的导光结构，还可以具有如下附加技术特征：
8.在本实用新型的一些实施例中，所述耦入光栅具有朝所述扩散耦出光栅投射的平行光线，所述第一入光面的第一底边与所述平行光线的光轴之间的夹角γ1满足：30
°
≤γ1≤45
°
，和/或，所述第二入光面的第二底边与所述平行光线的光轴之间的夹角γ2满足：30
°
≤γ2≤45
°
。当夹角γ1满足：30
°
≤γ1≤45
°
时，第一入光面能较好地将耦入光栅出射的光
线朝向同一列的棱状体单元反射，当夹角γ2满足：30
°
≤γ2≤45
°
时，第二入光面能较好地将耦入光栅出射的光线朝向同一列的棱状体单元反射。
9.在本实用新型的一些实施例中，棱状体单元为棱锥或者棱台，例如，可以为三棱锥、四棱锥，其中，三棱锥可以为正三棱锥，四棱锥可以为正四棱锥，当然，四棱锥也可以不是正四棱锥。可以理解的是，棱锥和棱台的顶端均朝向成像面，从而使得棱锥或者棱台构成的棱状体单元能将部分光线朝向顶端投射，也能将光线朝向两侧扩散。
10.进一步地，每列相邻的两个所述棱状体单元间隔开设置，和/或，相邻两列的所述棱状体单元间隔开设置。所述棱状体单元在所述棱状体列的长度方向的长度为l1，所述棱状体单元在所述棱状体列的宽度方向的长度为l2，其中，同一列内相邻的两个棱状体单元之间的距离t1满足：0≤t1≤3l1/4；相邻两列的两个所述棱状体单元之间的距离t2满足：0≤t2≤3l2/4。在一个具体示例中，棱状体单元为正四棱锥或正四棱台，正四棱锥或正四棱台的底面为正方形，其对角线的长度为l，其中，参考附图所示，同一列内相邻的两个棱状体单元之间的距离t1满足：0≤t≤3l/4；相邻两列的两个棱状体单元之间的距离t2满足：0≤t2≤3l/4。更进一步地，棱状体单元的底边长度l3满足：5um≤l3≤15um。由此，能使得多个棱状体单元构成的扩散耦出光栅更好地将带有图像信息的光线朝向成像面投射。
11.在本实用新型的一些实施例中，所述导光结构包括出射镜面，所述出射镜面位于所述顶端的出光侧，所述出射镜面上具有增透膜。由此，能使得光线较好地在扩散耦出光栅内扩散，也能使得带有图像信息的光线较好地朝向成像面投射，从而提高成像效果。
12.在本实用新型的一些实施例中，所述第一入光面和第二入光面上具有反射膜，在所述耦入光栅至所述扩散耦出光栅的方向上，所述反射膜的反射强度逐渐增大，和/或，在所述棱状体列由中部至两侧的方向上，所述反射膜的反射强度逐渐增大。能使得光线较好地在扩散耦出光栅内扩散，也能使得带有图像信息的光线较好地朝向成像面投射，从而提高成像效果。
13.在本实用新型的一些实施例中，在所述耦入光栅至所述扩散耦出光栅的方向上，所述棱状体单元逐渐增多。一方面，耦入光栅投射出的光线的角度有限，从而不必使得扩散耦出光栅靠近耦入光栅的一侧加工出过多的棱状体单元，由此可以降低加工成本，另一方面，由于棱状体的扩散原理，越远离耦入光栅，光线就越发散，因此可以设置更多的棱状体单元，从而更好地将带有图像信息的光线朝向成像面投射。
14.在本实用新型的一些实施例中，所述棱状体单元的折射率n满足：1.5≤n≤1.7。由此，能使得扩散耦出光栅更好地将光线扩散至其他列的棱状体单元，从而提高成像效果。
15.本实用新型第二方面还提出一种三维显示装置。
16.根据本实用新型实施例的三维显示装置包括光机模块和镜片模块，镜片模块包括导光结构，镜片模块用于接收带有三维图像信息的光线。由此，通过设置上述实施例的导光结构，能较好地将带有三维图像信息的光线投射到成像面上。
17.相较于现有技术，本技术的导光结构，省略了扩散光栅的布局区域，能在一定程度上降低加工成本，使得扩散耦出光栅的布局区域较大，从而使得镜片的出光区域增大，这样可以具有较大的成像区域，如此可以提高成像效果。另外，本技术中仅通过耦入光栅和扩散耦出光栅的配合，还能降低光线在传输过程中的光强能量损失，从而进一步提高成像效果。
18.在本实用新型的一些实施例中，三维显示装置可以是ar眼镜，也可以是三维投影
仪等，这里不做限制。
19.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
20.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
21.图1是根据本实用新型实施例的导光结构的示意图。
22.图2是根据本实用新型实施例的导光结构的扩散耦出光栅的一个实施例的棱状体单元的排布示意图。
23.图3是图2中a区域的放大图。
24.图4是根据本实用新型实施例的导光结构的扩散耦出光栅的一个实施例的棱状体单元的排布示意图。
25.图5是根据本实用新型实施例的导光结构的扩散耦出光栅的另一个实施例的棱状体单元的排布示意图。
26.图6是根据本实用新型实施例的导光结构的棱状体单元的一个实施例的棱状体单元的排布示意图。
27.图7是根据本实用新型实施例的导光结构的棱状体单元的另一个实施例的棱状体单元的排布示意图。
28.图8是根据本实用新型实施例的导光结构的棱状体单元的底面形状的一个实施例的示意图。
29.图9是根据本实用新型实施例的导光结构的棱状体单元的底面形状的另一个实施例的示意图。
30.附图标记：
31.10、导光结构；
32.1、耦入光栅；2、扩散耦出光栅；3、棱状体单元；31、第一入光面；32、第二入光面；33、出光面；b、底端；c、顶端。
具体实施方式
33.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
34.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新
型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
36.下面参考图1-图7描述根据本实用新型实施例的导光结构10。
37.根据本实用新型实施例的导光结构10，可以是由塑料、塑胶或者玻璃制成，也可以由导光胶水凝固后制成，能允许光线穿过。以ar眼镜为例，导光结构10可以为ar眼镜的镜片，如图1所示，导光结构10上具有耦入光栅1和扩散耦出光栅2，扩散耦出光栅2位于耦入光栅1的出光侧，由此，光线可以先经过耦入光栅1后朝向扩散耦出光栅2出射。
38.在一个具体地示例中，耦入光栅1可以调整入射至耦入光栅1的光线的角度，例如，当不平行的多束光线入射至耦入光栅1处，经过耦入光栅1后，光线能使得多束光线以互相平行的状态出射。当然，可以理解的是，本技术的耦入光栅1也可以使得入射至耦入光栅1的光线以更大的出射角度出射，也即使得出射光线相较于入射光线具有更大的出射范围。这里不做限制。
39.而本技术为了便于描述，以耦入光栅1出射多束平行光线为例进行下述的说明。
40.具体地，扩散耦出光栅2包括棱状体列，棱状体列由多个棱状体单元3组成，参考图2所示，多个棱状体单元3沿上下方向排列，构成一棱状体列，这里需要说明的是，棱状体列仅是为了方便本技术描述出扩散耦出光栅2的多个棱状体单元3具有上下排布趋势的布局形式，而非是特别限定其为规整的列的布局，例如也可以不是规整的列的布局，所谓规整的列的布局可以为棱状体列内的多个棱状体单元3在左右方向上不错位，所谓不规整的棱状体列的布局可以为棱状体列内的多个棱状体单元3在左右方向上可以具有一定程度的错位，当然，一些示例中，棱状体列内的多个棱状体单元3在左右方向上不错位，如此可以在一定程度上降低棱状体列的加工成本。其中，这里的上下方向和左右方向仅是为了便于对本技术的棱状体单元3的布局进行描述，而不作为特殊位置的限制。
41.进一步地，在耦入光栅1至扩散耦出光栅2的方向上，具有多个棱状体列，而每列的棱状体列内的棱状体单元3的数量可以相同，也可以不相同，具体可以根据实际需求设计，这里不做限制。
42.更进一步地，如图3和图7所示，棱状体单元3的周侧具有第一入光面31、第二入光面32、出光面33，第一入光面31和第二入光面32朝向耦入光栅1，出光面33背离耦入光栅1，从第一入光面31或者第二入光面32入射至棱状体单元3的光线从出光面33射出为第一出射光线，棱状体单元3还具有底端b和顶端c，顶端c朝向成像面，在底端b朝向顶端c的方向上，棱状体单元3的截面积逐渐减小，以使从第一入光面31或者第二入光面32入射至棱状体单元3的光线从顶端c朝向成像面射出为第二出射光线。
43.具体参考图3和图7所示，当耦入光栅1出射的光线为平行光线时：
44.平行光线可以投射到第一入光面31和第二入光面32，此时，一部分的光线可以透射到棱状体单元3内，透射到棱状体单元3内的光线的一部分光线可以透射出棱状体单元3，即为第一出射光线，第一出射光线以大致沿着耦入光栅1至耦出光线的方向出射，从而再次
投射到下一列的棱状体单元3的第一入光面31或者第二入光面32，如此继续参照上述光线走势，不断地朝向后续列的棱状体单元3投射；透射到棱状体单元3内的光线的另一部分光线还能在棱状体单元3内不断地反射，由于本技术的棱状体单元3的截面积在由底端至顶端的方向上逐渐减小，因此，最终光线会从棱状体单元3的顶端射出，即为第二出射光线，如上述示例的导光结构10应用在ar眼镜为例，第二出射光线即可将ar眼镜的光机模块发出的三维图像信息朝向人眼出射，从而在人眼成像。而人眼即可以为上述中的成像面；平行光线可以投射到第一入光面31和第二入光面32，此时，另一部分的光线可以分别被第一入光面31和第二入光面32反射，如此，棱状体单元3能使得光线朝向两侧扩散。
45.由此，根据上述平行光线的光线路径分析可见，通过由棱状体单元3构成的扩散耦出光线，能使得耦入光栅1出射的光线分别朝向四个方向出射，也即第一出射光线构造出一个出射方向的光线，第二出射光线构造出一个出射方向的光线，第一入光面31和第二入光面32反射的光线构造出两个不同出射方向的光线，第一入光面31和第二入光面32反射的光线以及射出的第一出射光线满足了光线的扩散需求，射出第二出射光线使得带有图像信息的光线直接朝向成像面投射，从而在成像面上成像。
46.而相较于现有技术中的ar眼镜，一般都需要在镜片内构造出耦入光栅1、扩散光栅和耦出光栅，而本技术仅需要在镜片内构造出耦入光栅1和扩散耦出光栅2，从而能在一定程度上降低加工成本，同时，本技术省略了扩散光栅的布局区域，使得扩散耦出光栅2的布局区域较大，从而使得镜片的出光区域增大，从而使得成像面可以布置的较大，如从可以提高成像效果。另外，本技术中仅通过耦入光栅1和扩散耦出光栅2的配合，还能降低光线在传输过程中的光强能量损失，从而进一步提高成像效果。
47.由此，根据本实用新型实施例的导光结构10，通过在导光结构10内构造出扩散耦出光栅2，省略了扩散光栅的布局区域，能在一定程度上降低加工成本，使得扩散耦出光栅2的布局区域较大，从而使得镜片的出光区域增大，这样可以具有较大的成像区域，如从可以提高成像效果。另外，本技术中仅通过耦入光栅1和扩散耦出光栅2的配合，还能降低光线在传输过程中的光强能量损失，从而进一步提高成像效果。
48.在本实用新型的一些实施例中，参考图3所示，耦入光栅1具有朝扩散耦出光栅2投射平行光线，第一入光面31的第一底边与平行光线的光轴之间的夹角γ1满足：30
°
≤γ1≤45
°
，和/或，第二入光面32的第二底边与平行光线的光轴之间的夹角γ2满足：30
°
≤γ2≤45
°
。这里，需要说明的是，第一底边和第二底边均位于棱状体单元的底端b，或者说第一底边和第二底边均位于棱状体单元的底面，而第一入光面31与底面的交接处为第一底边，第二入光面32与底面的交接处为第二底边；平行光线可以参考如图2所示的左右方向的光线，可以理解的是，由于导光结构10的装配的原因，无法较为准确地定义第一底边与第二底边的的设置角度，因此，参考图2所示的平行光线，平行光线仅为了表示夹角γ1和夹角γ2。其中，当夹角γ1满足：30
°
≤γ1≤45
°
时，第一入光面31能较好地将耦入光栅1出射的光线朝向同一列的棱状体单元3反射，当夹角γ2满足：30
°
≤γ2≤45
°
时，第二入光面32能较好地将耦入光栅1出射的光线朝向同一列的棱状体单元3反射。
49.可选地，夹角γ1可以为：30
°
、35
°
、40
°
、45
°
。
50.可选地，夹角γ2可以为：30
°
、35
°
、40
°
、45
°
。
51.可选地，夹角γ1可以等于夹角γ2。
52.在本实用新型的一些实施例中，棱状体单元3为棱锥或者棱台，例如，参考图6和图7所示，可以为三棱锥、四棱锥，其中，三棱锥可以为正三棱锥，四棱锥可以为正四棱锥，当然，四棱锥也可以不是正四棱锥，具体的棱锥或者棱台可以根据实际情况设计，这里不做限制。具体参考图8所示的棱状体单元3，为便于展示棱状体单元3的底面，仅以棱状体单元3的底面形状进行示意，但并不作为对棱状体单元3的限制，图8中，四棱锥的底面可以为等腰梯形，其第一入光面31和第二入光面32朝向耦入光栅1。可以理解的是，棱锥或者棱台的顶端c均朝向成像面，从而使得棱锥或者棱台构成的棱状体单元3能将部分光线朝向顶端c投射，同时也能将光线朝向两侧扩散，当然，如图9所示的示例中，图9也是为便于展示棱状体单元3的底面，仅以棱状体单元3的底面形状进行示意，但并不作为对棱状体单元3的限制，图9中四棱锥的底面也可以不是等腰梯形，具体可以根据实际需求进行设计，当然还可以有其他的示例，本技术不做限制。
53.如图5所示，进一步地，每列相邻的两个所述棱状体单元3间隔开设置，和/或，相邻两列的所述棱状体单元3间隔开设置。棱状体单元3在棱状体列的长度方向的长度为l1，棱状体单元在棱状体列的宽度方向的长度为l2，其中，长度方向可以参考附图2所示的上下方向，宽度方向可以参考附图2所示的左右方向。同一列内相邻的两个棱状体单元之间的距离t1满足：0≤t1≤3l1/4；相邻两列的两个所述棱状体单元之间的距离t2满足：0≤t2≤3l2/4。
54.在一个具体示例中，棱状体单元3为正四棱锥或者正四棱台，正四棱锥或者正四棱台的底面为正方形，其对角线的长度为l，也即l＝l
1＝
l2，其中，参考附图5所示，同一列内相邻的两个棱状体单元3之间的距离t1满足：0≤t1≤3l/4；相邻两列的两个棱状体单元3之间的距离t2满足：0≤t2≤3l/4。更进一步地，棱状体单元3的底边长度l3满足：5um≤l3≤15um。由此，能使得多个棱状体单元3构成的扩散耦出光栅2更好地将带有图像信息的光线朝向成像面投射。
55.具体还可以参考附图2所示，多个棱状体单元3行列式布局，同一行的两个棱状体单元3距离为0，同一列的两个棱状体单元3的距离为0，如此可以设置较多的棱状体单元3，能使得光线在扩散耦出光栅2内进行更多的反射和折射，可以有利于光线的扩散，进而提高成像效果；参考图4所示，同一列的两个棱状体单元3的距离为0，同一行的两个棱状体单元3间隔开；参考图5所示，同一列的两个棱状体单元3间隔开，而每行的两个棱状体单元3均错位布置。由此可见，只要满足0≤t2≤3l/4，5um≤l3≤15um，棱状体单元3的相对位置可以根据实际需求布置，这里不做限制。
56.进一步需要说明的是，当棱状体单元3为其他形状的时，例如三棱锥时，三棱锥在棱状体列的长度方向的长度为l1，三棱锥在棱状体列的宽度方向的长度为l2，同一列内相邻的两个三棱锥之间的距离t1满足：0≤t≤3l1/4；相邻两列的两个三棱锥之间的距离t2满足：0≤t2≤3l2/4。棱状体单元3的底边长度l3满足：5um≤l3≤15um。
57.在本实用新型的一些实施例中，导光结构10包括出射镜面，出射镜面位于顶端c的出光侧，出射镜面上具有增透膜。以ar镜片为例，出射镜面为ar镜片朝向人眼的侧面，增透膜能减少光线的反射，增加光线的透射率，从而能使得带有图像信息的光线更好地投射到成像面上，由此可以提高成像效果。
58.在本实用新型的一些实施例中，第一入光面31和第二入光面32上具有反射膜，在耦入光栅1至扩散耦出光栅2的方向上，反射膜的反射强度逐渐增大，也就是说，在耦入光栅
1至扩散耦出光栅2的方向上，光线投射到第一入光面31和第二入光面32上后，反射率逐渐增强，由此，能使得光线较好地在扩散耦出光栅2内朝向附图2所示的上下方向扩散，也能使得带有图像信息的光线较好地朝向成像面投射，从而提高成像效果。
59.可选地，在棱状体列由中部至两侧的方向上，反射膜的反射强度逐渐增大，如此，当光线朝向两侧扩散时，更多的扩散光线能被朝向扩散耦出光栅2内反射，这样，可以减少光强能量的散失，提高成像效果。
60.在本实用新型的一些实施例中，在耦入光栅1至扩散耦出光栅2的方向上，棱状体单元3逐渐增多。这里，一方面，耦入光栅1投射出的光线的角度有限，从而不必使得扩散耦出光栅2靠近耦出光栅的一侧加工出过多的棱状体单元3，由此可以降低加工成本，另一方面，由于棱状体的扩散原理，越远离耦入光栅1，光线的就越发散，因此可以设置更多的棱状体单元3，从而更好地将带有图像信息的光线朝向成像面投射。
61.另外，对于上述“在耦入光栅1至扩散耦出光栅2的方向上，棱状体单元3逐渐增多”，还需要说明的是，具体地数量可以根据实际地需求设计，这里不做限制。例如可以按照等比数列或者等差数列的形式设计，还可以参考光线在该列的最大出射光线的角度设计。
62.在本实用新型的一些实施例中，棱状体单元3的折射率n满足：1.5≤n≤1.7。由此，可以有效控制光线从棱状体单元3的出射角度。以耦入光栅1朝向扩散耦出光栅2投射平行光线为例，从出光面33出射的光线与平行光线之间的夹角β可以满足：0≤β≤10
°
。由此，能使得扩散耦出光栅2更好地将光线扩散至其他列的棱状体单元3，从而提高成像效果。
63.在本实用新型的一些实施例中，耦入光栅1和扩散耦出光栅2可以通过纳米压印构造出，也可以在镜片上直接刻蚀。
64.本实用新型还提出一种三维显示装置。
65.根据本实用新型实施例的三维显示装置包括光机模块和镜片模块，镜片模块包括导光结构10，镜片模块用于接收带有三维图像信息的光线。由此，通过设置上述实施例的导光结构10，能较好地将带有三维图像信息的光线投射到成像面上，同时相较于现有技术，省略了扩散光栅的布局区域，能在一定程度上降低加工成本，使得扩散耦出光栅2的布局区域较大，从而使得镜片的出光区域增大，这样可以具有较大的成像区域，如从可以提高成像效果。另外，本技术中仅通过耦入光栅1和扩散耦出光栅2的配合，还能降低光线在传输过程中的光强能量损失，从而进一步提高成像效果。
66.在本实用新型的一些实施例中，三维显示装置可以是ar眼镜，也可以是三维投影仪等，这里不做限制。
67.根据本实用新型实施例的三维显示装置的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”、“可选地”、“进一步地”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
69.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨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，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。