[发明专利]提高光能耦入效率的光栅波导显示装置及近眼显示设备

说明书

本发明公开了一种提高光能耦入效率的光栅波导显示装置及近眼显示设备，显示装置包括：波导基片、透射型共振波导光栅和1/4波片；其中，透射型共振波导光栅作为入射光栅，设置在波导基片表面；1/4波片镶嵌在波导基片内，该1/4波片的上下表面平行于波导基片的上下平面，1/4波片的光轴方向平行于波片的上下表面以及所述波导基片的上下平面，并且1/4波片的光轴方向与入射偏振光的电场方向成45°角。1/4波片处于透射型共振波导光栅的正下方，该1/4波片在垂直方向的投影范围处于透射型共振波导光栅在垂直方向的投影范围内。该光栅波导显示装置能在提高光能耦入效率的同时，保证显示质量。

技术领域

本发明涉及光栅波导显示领域，尤其涉及一种光栅波导显示装置及近眼显示设备。

背景技术

增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来倍受关注的热点科技领域，伴随着5G技术的发展，其未来市场化前景已日趋明朗，使得近眼显示技术得到了快速发展。其中增强现实(AR)是一种将数字化信息(包括文字、图像、视频等)叠加到现实物理世界之上的技术，其显著特征是要兼具强透视性及强移动性，不影响对现实环境的正常观察，给用户带来移动场景的切实感受。目前市场上的AR眼镜采用的显示系统是各种微显示屏与棱镜、Bird Bath、自由曲面、光波导等光学元件的组合，能将虚拟图像耦合进入人眼。其中光栅波导显示技术因其轻薄、对外界光线的高穿透特性而被认为是AR眼镜走向消费级的必选光学方案，无论从光学效果、外观美化、量产前景来说，都具备很大的发展潜力。光栅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，光栅波导显示器件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明。光栅波导的优势主要体现在光栅区域的面积、形态、排布方式可以根据AR眼镜的光学参数要求和外形设计来灵活调节。

但是，光栅波导显示技术是新兴的技术，虽然目前得以快速发展，但仍存在很多挑战，比如提高光能利用效率就是亟需解决的问题之一。而提高光能耦入效率，不仅仅取决于入射光栅的衍射效率，还与入射光栅的面积大小密切相关。因为如果光栅的宽度太大，耦入到波导基片中的光经全反射后会再一次入射到入射光栅，经光栅二次衍射后会以和入射光相同的角度耦出光波导，造成很大一部分光能的损耗。为避免光栅二次衍射对光能造成的损失，通常对入射光栅的宽度有所限制，最大的光栅宽度为：W_max＝2Dtanθ，其中，D为波导基片的厚度，θ为波导基片中光线与波导基片法线之间的夹角。可见入射光栅的宽度受到波导基片厚度的限制。图1为光波导中入射光栅的二次衍射示意图。由于入射光栅的宽度较宽，使得耦入到波导中的光线经波导基片全反射后再次入射到光栅表面发生二次衍射而逸出光波导，造成光能量损耗，使近眼显示器件的光效降低；如果为避免二次衍射而将入射光栅面积设计得过小(基于AR眼镜的光学参数及AR产品对外观美化及消费者舒适度的追求，目前也会力求波导基片的轻薄)，则会影响与投影系统的匹配，进而影响近眼显示器件的成像质量。

因此，如何克服入射光栅二次衍射对光能损失的同时，又要保证AR显示器件的轻薄性和成像质量是目前衍射光栅波导技术亟待解决的问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供了一种提高光能耦入效率的光栅波导显示装置及近眼显示设备，能在保证成像质量以及AR显示器件的轻薄性的前提下，克服入射光栅二次衍射的光能损失，提升光能利用效率，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种提高光能耦入效率的光栅波导显示装置，包括：

波导基片、透射型共振波导光栅和1/4波片；其中，

所述透射型共振波导光栅作为入射光栅，设置在所述波导基片表面；

所述1/4波片镶嵌在所述波导基片内，该1/4波片的光轴方向平行于所述波导基片的上下平面并与入射光的电场方向成45°角。