[发明专利]一种混频式单片波导镜片及三维显示装置

说明书

本发明提供了一种混频式单片波导镜片及三维显示装置，其中的混频式单片波导镜片包括波导及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，其中：入射功能性区域内设置有将外部图像光信号耦合至波导的耦入峰状衍射光栅结构，耦入峰状衍射光栅结构由多组耦入衍射光栅混叠而成，各耦入衍射光栅对应耦入不同波长的图像光信号；出射功能性区域内设置有将波导内传输过来的图像光信号耦合出波导的耦出峰状衍射光栅结构，耦出峰状衍射光栅结构由多组耦出衍射光栅混叠而成，各耦出衍射光栅对应耦出不同波长的图像光信号。本发明实现单片波导镜片的彩色显示，保证了显示装置在结构上的紧凑性，同时降低了光损耗，提升了显示效果。

技术领域

本发明涉及虚拟现实显示技术，具体涉及一种混频式单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Google Glass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。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。

传统的光波导镜片仅仅能够实现一个波段的基色图像光的耦合，因此为了实现彩色化的虚拟显示成像，需要将多片光波导镜片叠合在一起形成衍射元件。采用这种衍射元件构建的显示装置的重量和体积都较大，且制造成本偏高。此外，由于图像光信号在相邻波导镜片的交界处会产生较大的光损耗，因此降低了最终的显示效果。

鉴于传统的光波导镜片所存在的缺陷，申请人投入了大量的研发资源，以期实现单片波导镜片的彩色显示。在此之前，申请人在公开号为CN106773057A的中国发明专利申请中公开了一种单片全息衍射波导镜片，其功能性区域内设置有多个结构单元像素，每一结构单元像素内均包括多个针对不同的基色图像光进行耦合的结构子单元像素，采用该种单片全息衍射波导镜片构建的显示装置能够实现彩色显示。但是，由于各结构子单元像素均平铺于功能性区域内，其导致功能性区域占用的波导面积过大，降低了显示效果。此外，像素平铺类的空间复用对光栅对应各自光线的调制要求极高，容易产生光线之间的衍射串扰。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种混频式单片波导镜片，其能够实现对多种不同波长的图像光信号的同步耦合以实现彩色显示，其具体技术方案如下：

一种混频式单片波导镜片，其特征在于，其包括：

波导；

位于波导上表面或下表面的具有透明光学和波导弯折功能的功能性区域，所述功能性区域至少包括：

入射功能性区域，所述入射功能性区域内设置有将外部图像光信号耦合至波导的耦入峰状衍射光栅结构，所述耦入峰状衍射光栅结构由多组耦入衍射光栅混叠而成，每组所述耦入衍射光栅对应耦入一特定波长的图像光信号；

出射功能性区域，所述出射功能性区域内设置有将波导内传输过来的图像光信号耦合出波导的耦出峰状衍射光栅结构，所述耦出峰状衍射光栅结构由多组与所述多组耦入衍射光栅对应的耦出衍射光栅混叠而成，每组所述耦出衍射光栅对应耦出一特定波长的图像光信号。

进一步的，所述耦入衍射光栅和所述耦出衍射光栅通过由两束平面波构成的光束组曝光形成。

进一步的，所述耦入峰状衍射光栅结构和所述耦出峰状衍射光栅结构分别经多次单光束组曝光形成，每次单光束组曝光均对应形成一组耦入衍射光栅或一组耦出衍射光栅。

进一步的，所述耦入峰状衍射光栅结构和所述耦出峰状衍射光栅结构分别经一次多光束组曝光形成，曝光过程中，每组光束组均对应形成一组耦入衍射光栅或耦出衍射光栅。

进一步的，所述功能性区域还包括位于波导上表面或下表面的中继功能性区域，所述中继功能性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结构。