一种光波导结构及近眼显示模组的制作方法

1.本发明涉及投影显示领域，尤其涉及一种光波导结构及近眼显示模组。


背景技术：

2.在波导设计过程中，为保证视场角尽可能大，波导中传输光的传播角差异往往比较大。各视场对应的光束在波导中的传播角不一致，会影响光束的扩瞳次数，传播角大的光束扩瞳次数少，传播角小的光束扩瞳次数多，如图1所示，实线所示的光束的传播角度大于虚线所示的光束的传播角度，实线表示的光束的扩瞳次数少，虚线所示光束的扩瞳次数多。
3.为保证出瞳连续，波导厚度较薄，在扩瞳次数较多时，光线每次耦出效率需降低，在传播过程中需要对每一次耦出光束的耦出效率进行排布，如果耦出效率过大，则会造成扩瞳次数多的光束能量利用率较低，而耦出效率过小，则会导致扩瞳次数少的光束能量利用率较低，以上都会导致全视场亮度均匀性较差，如图2所示，左右两幅图像分别为耦出效率高和耦出效率低时的视场亮度输出图。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种光波导结构及近眼显示模组，用于缓解现有的波导设计中存在的出瞳不连续、视场亮度均匀性较差的技术问题。
5.为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供一种光波导结构，包括：
6.平行设置的分光波导和成像波导；
7.所述成像波导包括分别位于所述成像波导两端的第一耦入区域和第二耦入区域；
8.所述分光波导用于将耦入光分为两束，其中一束光束从所述成像波导的第一耦入区域进行耦入，另一束光束经所述分光波导传播到的所述成像波导的第二耦入区域进行耦入，使得所述成像波导中存在两束沿相对的方向传播且传播角不同的光。
9.可选的，所述分光波导为衍射光波导；
10.在图像源垂直耦入所述分光波导时，所述图像源出射的光进入所述分光波导的耦入区域产生0级衍射光、-1级衍射光和+1级衍射光；其中，所述0级衍射光沿原光线方向进入所述成像波导的第一耦入区域，所述+1级衍射光通过全反射在所述分光波导内传输，到达分光波导的耦出区域后，经所述成像波导的第二耦入区域耦入所述成像波导。
11.可选的，所述分光波导包括浮雕型衍射光波导或全息型衍射光波导。
12.可选的，所述分光波导的耦入区域/耦出区域包括直齿光栅、倾斜光栅、闪耀光栅或超表面结构。
13.可选的，沿所述分光波导或成像波导的法线方向对所述分光波导和成像波导进行投影，在投影面上，所述成像波导的第一耦入区域能够包含所述分光波导的耦入区域；所述成像波导的第二耦入区域能够包含所述分光波导的耦出区域。
14.可选的，在所述投影面上，所述分光波导的耦入区域与所述成像波导的第一耦入区域重合，且所述分光波导的耦出区域与所述成像波导的第二耦入区域重合。
15.可选的，所述分光波导的耦出区域的形状为长方形或椭圆；所述成像波导的第二耦入区域的形状为长方形或椭圆。
16.可选的，所述分光波导为几何阵列型波导；所述分光波导包括一个耦入区域和两个耦出区域；
17.所述图像源出射的光经过所述分光波导的耦入区域进入所述分光波导传播；当所述图像源出射的光进入所述分光波导的第一耦出区域时，所述图像源出射的光分为两束，其中一束光束从所述分光波导的第一耦出区域耦出，并经过所述成像波导的第一耦入区域耦入所述成像波导，另一束光束经所述分光波导传播到的所述分光波导的第二耦出区域，耦出后经过所述成像波导的第二耦入区域进入所述成像波导。
18.可选的，沿所述分光波导或成像波导的法线方向对所述分光波导和成像波导进行投影，在投影面上，所述成像波导的第一耦入区域能够包含所述分光波导的第一耦出区域；所述成像波导的第二耦入区域能够包含所述分光波导的第二耦出区域。
19.本发明实施例第二方面提供一种近眼显示模组，包括图像源和第一方面所述的光波导结构，所述图像源用于输出成像光线并投射至所述光波导结构，所述成像光线经由所述光波导结构传输后输出。
20.本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
21.本发明实施例的方案中，平行设置分光波导和成像波导，所述分光波导用于将耦入光分为两束，其中一束光束从所述成像波导的第一耦入区域进行耦入，另一束光束经所述分光波导传播到的所述成像波导的第二耦入区域进行耦入，使得所述成像波导中存在两束沿相对的方向传播且传播角不同的光。由于每一个视场光束在波导中传播的衍射光存在两种以上，一种衍射光传播角大，扩瞳次数少，另一种衍射光传播角小，扩瞳次数多，且，两束光束从两个相对的方向传播进入成像波导的耦出区域，这样就可以使得各个视场的能量利用率得到均衡并保持一致，从而缓解现有的波导设计中存在的出瞳不连续、视场亮度均匀性较差的技术问题。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
23.图1为不同传播角的光束的示意图；
24.图2为不同耦出效率的视场亮度输出图；
25.图3为本发明实施例提供的光波导结构的示意图；
26.图4为本发明实施例提供的传播波矢图；
27.图5为本发明实施例提供的传播角和方位角的示意图；
28.图6为本发明实施例提供的分光波导为衍射波导的示意图；
29.图7为本发明实施例提供的分光波导的耦出区域形状的示意图；
30.图8为本发明实施例提供的分光波导为几何阵列型波导的示意图；
31.图9为本发明实施例提供的分光波导的耦出区域形状的示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明实施例提出一种两片式波导结构，如图3所示，一片波导作为耦入分光结构，即分光波导30，另一片作为成像波导31，成像波导31包括分别位于成像波导31两端的第一耦入区域311和第二耦入区域312。分光波导30可以使耦入光分为两束，一束光从第一耦入区域311进行耦入，分光波导30将另一束光束传播到成像波导31另外一处的第二耦入区域312进行耦入，从而使得成像波导31中存在两束沿相对的方向传播且传播角不同的光，两束光在成像波导31内的传输过程中，从两个相对的方向传播进入成像波导31的耦出区域313，这样就可以使得各个视场的能量利用率得到均衡并保持一致，从而提升亮度均匀性。
34.本发明实施例中，如果每一个视场光束在波导中传播的衍射光存在两种以上，且一种衍射光传播角大，扩瞳次数少，另一种衍射光传播角小，扩瞳次数多。如图4中的传播波矢图所示，这样就可以使得各个视场的能量利用率得到均衡并保持一致，从传播波矢图可以看出，两个级次的衍射光传播方位角相差180度，如图5所示，图5中示出了方位角的示意图。因此，两种衍射光需要从两个相对的方向传播进入耦出区才能实现亮度均匀的效果。
35.在一种可能的实施方式中，图像源垂直耦入时，图像源入射光线的方位角大于90度，几何阵列型波导难以保证所有视场的光线都能随分光波导传入下一个耦入区域。因此，图像源垂直耦入时，可以采用衍射光波导作为分光波导。衍射波导可以为浮雕型或全息型。浮雕型光栅可为直齿光栅、倾斜光栅或闪耀光栅，一般而言，采用倾斜光栅和闪耀光栅，可以保证尽可能少的能量损耗。
36.如图6所示，图6中采用虚线和实线对分光波导30分光后的两束光束进行了区分，以图像源为光纤扫描显示器件为例，光纤扫描显示器件出射的光经成像系统后出射平行光进入分光波导30的耦入区域，光在分光波导30的耦入区域301将产生0级、-1级和+1级衍射光，其中，0级光延原光线方向进入成像波导31的耦入区域311，-1级衍射光传出分光波导30被吸收消耗，+1级衍射光通过全反射在分光波导30内传输，最终到达分光波导30的耦出区域302。为保证成像波导31扩瞳后具有良好的亮度均匀性，分光波导30的耦入区域301采用斜光栅、闪耀光栅或超表面等结构，使得衍射光中的0级衍射光和+1级衍射光的能量比值略低于1：1，且-1级衍射光尽可能低，其中，0级衍射光和+1级衍射光的能量比值的具体数值可以需根据各个区域的衍射效率进行优化配比。在光束传输过程中，由于各视场光线在耦入时有不同的方位角和入射角，因此，各光线在分光波导30中传播的方位角不同，分光波导30的耦出区域302可以采用长方形或椭圆等形状，能够包含所有传播光耦出的形状，如图7所示。
37.同样的，如图7所示，为保证耦出光线能顺利进入成像波导31的第二耦入区域312，成像波导31的第二耦入区域312的形状与分光波导30的耦出区域302的形状一致或包含其形状。也就是说，沿所述分光波导30或成像波导31的法线方向(即z轴方向)对所述分光波导30和成像波导31进行投影，在投影面上，成像波导31的第一耦入区域311与分光波导30的耦入区域301重合，或者成像波导31的第一耦入区域311能够包含分光波导30的耦入区域301；
成像波导31的第二耦入区域312与分光波导30的耦出区域302重合，或者成像波导31的第二耦入区域312能够包含分光波导30的耦出区域302。其中，投影面即x，y空间维度所在的平面，如图5所示。
38.如图6所示，光在分光波导30传输后进入耦出区域302，会产生-2级、-1级和0级透射衍射光，其中，0级光传出分光波导30被消耗，-1级衍射光进入成像波导31的第二耦入区域312，-2级衍射光在成像波导31中以原传播角返回，同样为保证较高的能量利用率，分光波导30的耦出区域302采用斜光栅、闪耀光栅或超表面等结构使其-1级衍射光能量尽可能高，且-2级衍射光能量尽可能低。
39.在另一种可能的实施方式中，图像源倾斜耦入，图像源耦入分光波导的光线方位角均小于90度，此时，分光波导可以采用几何阵列型波导。如图8所示，采用几何阵列型波导的分光波导80包括一个耦入区域和两个耦出区域。
40.以图像源为光纤扫描显示器件为例，光纤扫描显示器件经成像系统后出射平行光进入分光波导80的耦入区域，经过耦入区域进入分光波导80传播。当光进入分光波导80的第一耦出区域801时，光束将分为两束，一束光直接进入成像波导81的第一耦入区域811，另一束光在分光波导80内继续传播，光在分光波导80传输后进入分光波导80的第二耦出区域802，然后，全部反射进入成像波导81的第二耦入区域812。为保证成像波导81扩瞳后具有良好的亮度均匀性，分光光能量比值一般等于1：1。同样的，在光线传输过程中，由于各视场光线在耦入成像波导81时有不同的方位角和入射角，各光线在成像波导81中传播的方位角不同，因此，如图9所示，成像波导81的第二耦入区域812形状可以为长方形或椭圆等形状，能够包含所有传播光耦出的形状。
41.从上述实施例可以看出，图像光经过分光波导进行分光后，各视场对应的光在成像波导内存在两个方向且具备不同传播角的传播光，从而能够有效缓解现有波导设计中出瞳不连续，视场亮度均匀性较差的问题。
42.基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种近眼显示模组，包括图像源和光波导结构，所述图像源用于输出成像光线并投射至所述光波导结构，所述成像光线经由所述光波导结构传输后输出。该近眼显示模组可应用于ar眼镜，图像源可以为光纤扫描显示器件、mems振镜，micro led等，本发明对此不做限制。
43.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
44.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
45.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

技术特征：
1.一种光波导结构，其特征在于，包括：平行设置的分光波导和成像波导；所述成像波导包括分别位于所述成像波导两端的第一耦入区域和第二耦入区域；所述分光波导用于将耦入光分为两束，其中一束光束从所述成像波导的第一耦入区域进行耦入，另一束光束经所述分光波导传播到的所述成像波导的第二耦入区域进行耦入，使得所述成像波导中存在两束沿相对的方向传播且传播角不同的光。2.如权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述分光波导为衍射光波导；在图像源垂直耦入所述分光波导时，所述图像源出射的光进入所述分光波导的耦入区域产生0级衍射光、-1级衍射光和+1级衍射光；其中，所述0级衍射光沿原光线方向进入所述成像波导的第一耦入区域，所述+1级衍射光通过全反射在所述分光波导内传输，到达分光波导的耦出区域后，经所述成像波导的第二耦入区域耦入所述成像波导。3.如权利要求2所述的光波导结构，其特征在于，所述分光波导包括浮雕型衍射光波导或全息型衍射光波导。4.如权利要求2或3所述的光波导结构，其特征在于，所述分光波导的耦入区域/耦出区域包括直齿光栅、倾斜光栅、闪耀光栅或超表面结构。5.如权利要求2所述的光波导结构，其特征在于，沿所述分光波导或成像波导的法线方向对所述分光波导和成像波导进行投影，在投影面上，所述成像波导的第一耦入区域能够包含所述分光波导的耦入区域；所述成像波导的第二耦入区域能够包含所述分光波导的耦出区域。6.如权利要求5所述的光波导结构，其特征在于，在所述投影面上，所述分光波导的耦入区域与所述成像波导的第一耦入区域重合，且所述分光波导的耦出区域与所述成像波导的第二耦入区域重合。7.如权利要求6所述的光波导结构，其特征在于，所述分光波导的耦出区域的形状为长方形或椭圆；所述成像波导的第二耦入区域的形状为长方形或椭圆。8.如权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述分光波导为几何阵列型波导；所述分光波导包括一个耦入区域和两个耦出区域；所述图像源出射的光经过所述分光波导的耦入区域进入所述分光波导传播；当所述图像源出射的光进入所述分光波导的第一耦出区域时，所述图像源出射的光分为两束，其中一束光束从所述分光波导的第一耦出区域耦出，并经过所述成像波导的第一耦入区域耦入所述成像波导，另一束光束经所述分光波导传播到的所述分光波导的第二耦出区域，耦出后经过所述成像波导的第二耦入区域进入所述成像波导。9.如权利要求8所述的光波导结构，其特征在于，沿所述分光波导或成像波导的法线方向对所述分光波导和成像波导进行投影，在投影面上，所述成像波导的第一耦入区域能够包含所述分光波导的第一耦出区域；所述成像波导的第二耦入区域能够包含所述分光波导的第二耦出区域。10.一种近眼显示模组，其特征在于，包括图像源和权利要求1-9中任一项所述的光波导结构，所述图像源用于输出成像光线并投射至所述光波导结构，所述成像光线经由所述光波导结构传输后输出。

技术总结
本发明公开了一种光波导结构及近眼显示模组，该光波导结构包括：平行设置的分光波导和成像波导；所述成像波导包括分别位于所述成像波导两端的第一耦入区域和第二耦入区域；所述分光波导用于将耦入光分为两束，其中一束光束从所述成像波导的第一耦入区域进行耦入，另一束光束经所述分光波导传播到的所述成像波导的第二耦入区域进行耦入，使得所述成像波导中存在两束沿相对的方向传播且传播角不同的光，从而缓解现有的波导设计中存在的出瞳不连续、视场亮度均匀性较差的技术问题，使得各个视场的能量利用率得到均衡并保持一致，提升市场亮度均匀性。场亮度均匀性。场亮度均匀性。


技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：成都理想境界科技有限公司
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/28