[发明专利]用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件

说明书

本发明公开了一种用于AR近眼显示设备的高光效衍射波导元件，至少两层衍射波导层；其中，每层衍射波导层均包括基板和在基板上间隔分布设置的入射光栅、转折光栅和出射光栅，同一层衍射波导层的基板上的入射光栅、转折光栅和出射光栅的位置相匹配；各层衍射波导层从上至下叠放组合成整体的衍射波导结构，叠放组合后的所述衍射波导结构中，各层衍射波导层的入射光栅在y轴方向上的位置相互错开；各层衍射波导层的出射光栅在y轴方向上的位置相重合。能将不同入射方向的光束分到不同的衍射波导层中传导，减少了光束传导过程中的光能浪费，大幅提高了光效，同时减少了杂光，提高了衍射波导器件的显示质量。

技术领域

本发明涉及衍射波导领域，尤其涉及一种衍射波导器件。

背景技术

随着虚拟现实和增强现实技术逐渐被人们认识和接受，近眼显示设备得到了快速发展。增强现实技术中的近眼显示可以将虚拟图像叠加到现实景物中，同时兼具透视特性，不影响对现实景物的正常观察。利用传统光学器件将虚拟图像耦合进入人眼的方式已经被采用，包括：棱镜、半透半反镜片、自由曲面波导、镜面阵列波导、衍射波导等。衍射波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像。由于采用和光纤技术一样的全反射原理，衍射波导显示组件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明。且由于对光线的转折是通过镜片表面的衍射光栅来实现的，与底板的形状基本没有关系，因此易于批量制造，生产成本低。

但是，衍射波导是新兴的技术，虽然目前已经达到了较高的技术水平，但仍存在很多挑战，如光效难以提高的问题。目前常用的衍射波导结构及其工作原理如图1所示，其中，图1A、1B分别为现有衍射波导的正视图和侧视图；图1C为采用衍射波导的近眼显示光学系统结构及其工作原理；该衍射波导100组成包括：基板106、入射光栅112、转折光栅114和出射光栅116；其中，入射光栅112将被投影组件210调制的图像光束221导入基板106，并满足全反射条件而在基板106中向转折光栅114近乎无损传导，转折光栅114将光束在y轴方向上进行扩展，并且将扩展后的光束向出射光栅116转折，出射光栅116则将光束在x方向扩展的同时，将光能量从基板106导出，出射光线222传导至人眼被感知。

上述衍射波导100的基板106材质可采用光学玻璃或光学塑料，基板106包括：第一表面108和第二表面110，第一表面108和第二表面110分设于基板106板体的两侧，且互相平行，基板106是光束传导的介质，光束可以通过在第一表面108和第二表面110上发生全反射从而在基板106中近乎无损传导，基板106及衍射波导100是透明的，可以使人眼透过衍射波导100看到外界实景。

投影组件210调制的图像光束221会以不同的角度入射到衍射波导100的入射光栅112上，不同入射角度的光束对应的是近眼显示光学系统所显示图像画面的不同位置的图像，如：入射光束221在y轴方向上(即上下方向)倾斜入射时，对应的光束传导的是画面上下不同位置的像素图像。

图2为不同角度的入射光束在衍射波导中传导的情况，当入射光束221在y轴方向上倾斜入射时，光束在衍射波导中经过转折光栅114偏转，向出射光栅116传导方向也会发生倾斜。例如：入射光线221向上(-y轴方向)倾斜入射时，转折光栅114向出射光栅116传导的光束会向左下方倾斜，如图2A所示；入射光线221向下(+y轴方向)倾斜入射时，转折光栅114向出射光栅116传导的光束会向左上方倾斜，如图2B所示。