一种光波导显示设备的制作方法

本发明涉及光学器件，特别是涉及一种光波导显示设备。

背景技术：

1、增强现实（augmented reality，ar）技术是一种将虚拟的信息（影像，声音，触觉等）叠加在现实信息之上的技术，ar设备可以通过对虚拟场景对现实场景进行注释、扩增等并进行交互，使用户能够通过ar设备获得基于现实而又超越现实特殊体验。ar设备目前在医疗、教育、安防等众多领域已经得到了广泛的应用。为了实现虚拟信息和现实信息同时显示，ar设备需要合理设计的成像系统，将显示芯片发出的光线导入人眼，同时不遮挡外界的光线。

2、目前较为普遍使用的ar设备主要是通过投影光机和光波导组成的，投影光机中的光源输出的投影光线经过多种几何光学元件进行调制后耦入到光波导内，并在光波导内进行全反射传输，并最终耦出至人眼，进而使得佩戴者可以接收到投影光线所形成的虚拟投影画面，与此同时，环境光线也可以通过光波导透射入射至人眼，从而形成虚拟现实叠加显示的画面。

3、但目前利用光波导等光学元件实现ar显示的设备，仍然存在投影画面小等问题，而如果要实现投影光线的扩瞳，往往需要采用较为复杂的光学结构，在一定程度上使得ar显示设备结构复杂且成本高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种光波导显示设备，在避免设备光学结构过于复杂的基础上，有利于实现投影光线扩瞳。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种光波导显示设备，包括光源元件和波导元件；所述波导元件的第一表面和第二表面均设置有hoe元件；

3、所述光源元件用于向所述波导元件的耦入端输出投影光线，以使所述投影光线经所述波导元件的耦入端耦入至所述波导元件内；

4、每个所述hoe元件分别用于对以对应的入射角度范围入射的投影光线进行反射式衍射；

5、当所述投影光线耦入所述波导元件内可依次经过各个所述hoe元件反射式衍射在所述波导元件内传导，且所述投影光线由上一个hoe元件衍射输出的角度在下一个hoe元件对应的入射角度范围内，并经最后一个hoe元件衍射后从所述波导元件内耦出输出。

6、可选地，所述波导元件的第一表面设置有第一hoe元件，第二表面设置有第二hoe元件；所述第一hoe元件对应的入射角度范围为第一角度范围；所述第二hoe元件对应的入射角度范围为第二角度范围；

7、所述光源元件输出的投影光线耦入所述波导元件后以所述第一角度范围入射至所述第一hoe元件；

8、所述第一hoe元件用于对以所述第一角度范围入射的投影光线进行反射式衍射，并以和所述第二角度范围衍射输出至所述第二hoe元件；

9、所述第二hoe元件用于对以所述第二角度范围入射的投影光线进行反射式衍射，并以所述第一角度范围之外的角度衍射输出。

10、可选地，所述波导元件的第一表面还设置有第三hoe元件，第二表面还设置有第四hoe元件；且所述第三hoe元件对应的入射角度范围为和所述第一角度范围完全不重合的第三角度范围；所述第四hoe元件对应的入射角度范围为和所述第二角度范围完全不重合的第四角度范围；

11、其中，所述第二hoe元件用于对以所述第二角度范围入射的投影光线进行反射式衍射，并以所述第三角度范围入射至所述第三hoe元件；

12、所述第三hoe元件用于对以所述第三角度范围入射的投影光线进行反射式衍射，并以和所述第四角度范围衍射输出至所述第四hoe元件；

13、所述第四hoe元件用于对以所述第四角度范围入射的投影光线进行反射式衍射，并以所述第三角度范围之外的角度衍射输出。

14、可选地，所述波导元件的第一表面上还设置有耦出光栅，用于经所述第二hoe元件衍射输出的投影光线进行衍射，使得所述投影光线从所述波导元件内耦出；

15、其中，所述耦出光栅对入射的投影光线的可衍射角度范围和所述第一hoe元件对应的第一角度范围完全不重合；且所述耦出光栅为具有光焦度的光栅，用于对所述投影光线进行准直输出。

16、可选地，至少一个所述hoe元件为具有光焦度的元件。

17、可选地，所述光波导元件的耦入端为斜面耦入端；且所述斜面耦入端的斜面表面和所述波导元件的第一表面以及第二表面之间具有倾斜夹角；或，所述光波导元件的耦入端为曲面耦入端。

18、可选地，所述光源元件和所述波导元件的耦入端之间还设置有曲面反射镜。

19、可选地，所述光源元件输出的投影光线依次经过所述曲面反射镜和所述波导元件的耦入端，以平行光耦入所述波导元件内。

20、可选地，所述曲面反射镜为凹曲面反射镜，且所述光源元件位于所述凹曲面反射镜的焦平面上。

21、可选地，所述波导元件包括分别位于所述波导元件两端的第一耦入端和第二耦入端；所述光源元件包括分别用于向所述第一耦入端和所述第二耦入端对称输出第一投影光线和第二投影光线的第一光源元件和第二光源元件；

22、各个所述hoe元件分别对以对应的入射角度范围入射的所述第一投影光线和所述第二投影光线进行反射式衍射，使得耦入所述波导元件内的所述第一投影光线和所述第二投影光线均依次经过各个所述hoe元件反射式衍射在所述波导元件内传导后耦出输出。

23、本发明所提供的光波导显示设备，包括光源元件和波导元件；波导元件的第一表面和第二表面均设置有hoe元件；光源元件用于向波导元件的耦入端输出投影光线，以使投影光线经波导元件的耦入端耦入至波导元件内；每个hoe元件分别用于对以对应的入射角度范围入射的投影光线进行反射式衍射；当投影光线耦入波导元件内可依次经过各个hoe元件反射式衍射在波导元件内传导，且投影光线由上一个hoe元件衍射输出的角度在下一个hoe元件对应的入射角度范围内，并经最后一个hoe元件衍射后从波导元件内耦出输出。

24、本申请中考虑到常规的光波导显示设备中，投影光线在光波导内的传输基本都是以全反射的角度传输的，这也就要求投影光线在光波导内的反射传输需要满足一定的角度要求，而这也就在一定程度上限制了投影光线的视场角。为此本申请中在波导元件的两个表面上均设置hoe元件，使得投影光线在波导元件内入射到其表面界面时，可以通过hoe元件发生反射式衍射传输，也即是说，本申请中的投影光线在波导元件内的传输方式不再受全反射条件的限制，而是可以根据实际需要按照更大的视场角的方向进行衍射的方式传输，从而在一定程度上增大整个投影光线的视场角；且本申请的设备光学结构简单易实现，无需过于复杂的光学结构设计，有利于ar显示技术的广泛应用。

技术特征：

1.一种光波导显示设备，其特征在于，包括光源元件和波导元件；所述波导元件的第一表面和第二表面均设置有hoe元件；

2.如权利要求1所述的光波导显示设备，其特征在于，所述波导元件的第一表面设置有第一hoe元件，第二表面设置有第二hoe元件；所述第一hoe元件对应的入射角度范围为第一角度范围；所述第二hoe元件对应的入射角度范围为第二角度范围；

3.如权利要求2所述的光波导显示设备，其特征在于，所述波导元件的第一表面还设置有第三hoe元件，第二表面还设置有第四hoe元件；且所述第三hoe元件对应的入射角度范围为和所述第一角度范围完全不重合的第三角度范围；所述第四hoe元件对应的入射角度范围为和所述第二角度范围完全不重合的第四角度范围；

4.如权利要求2所述的光波导显示设备，其特征在于，所述波导元件的第一表面上还设置有耦出光栅，用于经所述第二hoe元件衍射输出的投影光线进行衍射，使得所述投影光线从所述波导元件内耦出；

5.如权利要求1所述的光波导显示设备，其特征在于，至少一个所述hoe元件为具有光焦度的元件。

6.如权利要求1所述的光波导显示设备，其特征在于，所述光波导元件的耦入端为斜面耦入端；且所述斜面耦入端的斜面表面和所述波导元件的第一表面以及第二表面之间具有倾斜夹角；或，所述光波导元件的耦入端为曲面耦入端。

7.如权利要求1至6任一项所述的光波导显示设备，其特征在于，所述光源元件和所述波导元件的耦入端之间还设置有曲面反射镜。

8.如权利要求7所述的光波导显示设备，其特征在于，所述光源元件输出的投影光线依次经过所述曲面反射镜和所述波导元件的耦入端，以平行光耦入所述波导元件内。

9.如权利要求8所述的光波导显示设备，其特征在于，所述曲面反射镜为凹曲面反射镜，且所述光源元件位于所述凹曲面反射镜的焦平面上。

10.如权利要求1所述的光波导显示设备，其特征在于，所述波导元件包括分别位于所述波导元件两端的第一耦入端和第二耦入端；所述光源元件包括分别用于向所述第一耦入端和所述第二耦入端对称输出第一投影光线和第二投影光线的第一光源元件和第二光源元件；

技术总结
本发明涉及光学器件技术领域，公开了一种光波导显示设备，包括光源元件和波导元件；波导元件的两个表面均设置有HOE元件；当投影光线耦入波导元件内可依次经过各个HOE元件反射式衍射在波导元件内传导，且投影光线由上一个HOE元件衍射输出的角度在下一个HOE元件对应的入射角度范围内，并经最后一个HOE元件衍射后从波导元件内耦出输出。本申请中在波导元件的两个表面设置HOE元件，使得投影光线在波导元件内衍射传输，而不受全反射条件的限制，有利于在一定程度上增大整个投影光线的视场角。

技术研发人员：丁毅,魏一振,张卓鹏
受保护的技术使用者：杭州光粒科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14