一种光波导显示器件以及AR显示设备的制作方法

一种光波导显示器件以及ar显示设备
技术领域
1.本发明涉及光学器件技术领域，特别是涉及一种光波导显示器件以及ar显示设备。


背景技术：

2.ar显示设备主要包括投影光机和光波导等两部分光路元件，其中投影光机部分主要用于向光波导输出投影光线，一般是通过照明光源向可调制投影图案的芯片投射照明光线从而输出携带有投影画面的投影光线。投影光机输出的投影光线基于光波导的传导作用传导至人眼，使得用户能够通过该透明光波导观看到叠加在现实物景上的投影画面。
3.但基于ar显示设备最终需要输出彩色投影画面的需要，就要求投影光机的照明光源输出的光线是多种不同颜色的光波混合成一束形成的照明光束，而要实现不同光线的混合并照明投影芯片，需要配套设置较为复杂的光学结构，在一定程度上增大了光路结构的复杂性，不利于整体ar显示设备的小型化。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种光波导显示器件以及一种ar显示设备，能够在一定程度上提升使用该波导显示器件的显示设备的使用体验。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种光波导显示器件，包括波导元件，设置于所述波导元件上的耦入光栅和耦出光栅；
6.其中，所述耦入光栅包括不相互贴合的设置在所述波导元件上的的第一衍射光栅、第二衍射光栅以及第三衍射光栅，分别用于将不同波长范围内的光波耦入至所述波导元件内；
7.其中，所述耦入光栅包括不相互贴合的设置在所述波导元件上的的第一衍射光栅、第二衍射光栅以及第三衍射光栅，分别用于将不同波长范围内的光波耦入至所述波导元件内；
8.所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅以及所述第三衍射光栅在内的三个衍射光栅设置于所述波导元件的表面预设区域内；且所述预设区域沿所述波导元件的长度方向的最大宽度，小于单个所述衍射光栅沿所述波导元件的长度方向的宽度的两倍；
9.三个所述衍射光栅的光栅矢量各不相同，以使所述第一衍射光栅对光波的衍射方向与所述第一衍射光栅的中心指向所述耦出光栅的中心的方向平行、所述第二衍射光栅对光波的衍射方向与所述第二衍射光栅的中心指向所述耦出光栅的中心的方向平行、所述第三衍射光栅对光波的衍射方向与所述第三衍射光栅的中心指向所述耦出光栅的中心的方向平行。
10.在本技术一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅以及所述第三衍射光栅；
11.或者，三个所述衍射光栅设置在所述波导元件的不同表面且三个所述衍射光栅的
中心所在平面垂直于所述波导元件的长度方向。
12.在本技术一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅以及所述第三衍射光栅可衍射耦入的光波波长范围分别为红光波段范围、绿光波段范围以及蓝光波段范围。
13.在本技术一种可选地实施例中，所述波导元件包括相互贴合设置的第一子波导和第二子波导，其中，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅以及所述第三衍射光栅中的一个衍射光栅设置于所述第一子波导和所述第二子波导之间，另两个衍射光栅分别设置于所述第一子波导和所述第二子波导相互背离的两个表面。
14.在本技术一种可选的实施例中，所述耦出光栅包括分别用于耦出所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅以及所述第三衍射光栅对应的波长范围内的光波的第一耦出光栅、第二耦出光栅和第三耦出光栅；且所述第一耦出光栅、所述第二耦出光栅和所述第三耦出光栅在沿所述波导元件的厚度方向依次平行排布。
15.在本技术一种可选地实施例中，还包括分别用于向所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅以及第三衍射光栅输入对应波长范围的投影光波的第一microled芯片、第二microled芯片、第三microled芯片。
16.本技术还提供了一种ar显示设备，其特征在于，包括如上任一项所述的光波导显示器件。
17.在本技术的一种可选地实施例中，所述ar显示设备为ar眼镜。
18.本发明所提供的光波导显示器件，包括波导元件，设置于波导元件上的耦入光栅和耦出光栅；其中，耦入光栅包括不相互贴合的设置在波导元件上的的第一衍射光栅、第二衍射光栅以及第三衍射光栅，分别用于将不同波长范围内的光波耦入至波导元件内；第一衍射光栅、第二衍射光栅以及第三衍射光栅在内的三个衍射光栅设置于波导元件的表面预设区域内；且预设区域沿波导元件的长度方向的最大宽度，小于单个衍射光栅沿波导元件的长度方向的宽度的两倍；三个衍射光栅的光栅矢量各不相同，以使第一衍射光栅对光波的衍射方向与第一衍射光栅的中心指向耦出光栅的中心的方向平行、第二衍射光栅对光波的衍射方向与第二衍射光栅的中心指向耦出光栅的中心的方向平行、第三衍射光栅对光波的衍射方向与第三衍射光栅的中心指向耦出光栅的中心的方向平行。
19.本技术中所提供的光波导显示器件中针对不同波长范围内的光线分别设置在空间上相互独立隔离的用于耦入不同波长光波的衍射光栅，使得在进行投影显示时，无需将各种不同的光波进行混合输出，在一定程度上简化显示设备中照明光源的光路结构；在此基础上，沿着波导元件长度方向的最大宽度，要小于单个衍射光栅沿着波导长度方向的宽度的两倍，也即三个衍射光栅不能沿着波导元件的长度方向单层排布，而是大体上沿着垂直于波导元件长度方向的方向进行排布，避免对应的投影光机在波导元件长度方向的尺寸过大；并且各个衍射光栅耦入光线的方向各不相同，以保证各个光栅衍射的光波能够在耦出光栅的位置重合，保证不同颜色光波图像的重合效果，并且避免了该光波导显示器件应用于ar显示设备中时，投影光机横向尺寸过大，不便于ar显示设备佩戴，并造成ar显示设备体积过大的问题。
20.本技术还提供了一种ar显示设备，具有上述有益效果。
附图说明
21.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本技术实施例提供的一种波导耦入光路的示意图；
23.图2为本技术实施例提供的光波导显示器件的光路结构示意图；
24.图3为本技术实施例提供的光波导显示器件的另一光路结构是示意图；
25.图4为本技术实施例提供的各个衍射光栅之间相对位置示意图。
26.图5为本技术实施例提供的光波导显示器件的又一光路结构是示意图。
具体实施方式
27.在常规的ar显示设备中，投影光机输出的投影光线一般是通过红、蓝、绿三色光线混合形成的白色光线，该白色光线通过图像芯片反射至波导的耦入光栅耦入至波导内，并由在波导内部从耦入光栅的一端传导至耦出光栅一端并通过耦出光栅的衍射作用耦出至人眼。
28.而目前没有合适的方案量产rgb芯片，仅有三片单色芯片分别输出的红、蓝、绿三色光线混合成一束白色光线来生成彩色图像，将图像芯片先合色合像，再投影的光路比较复杂。因此，本技术中想到将红、蓝、绿三色光线在入射波导之前不进行混合，而是通过三色光束分别耦入至波导中。而为了使得相互隔离耦入波导的三色光线从波导的耦出光栅耦出至人眼时，用户观看到的投影画面中三色光线是混合在一起的，就需要通过如图1所示，通过沿波导01的长度方向依次设置三个耦入光栅02，使得三色光线在波导01上的耦入位置点的排布方向和波导01的长度方向平行，而耦入光线耦入三色光线之后，三色光线在波导01中传播的方向和波导01的长度方向也相互平行，进而使得三色光线在波导01中的传导空间重合，最终在耦出光栅03混合耦出。
29.尽管上述耦入三色光线的方式能够实现投影光线的三色光线在波导01上分区耦入而混合耦出，但是也导致向波导01耦入三色光线的三个投影光机需要沿平行于波导01的长度方向依次排布。而在ar显示设备在用户佩戴使用过程中，投影光机的安装位置大致上位于人的太阳穴位置，三个投影光机沿波导长度方向排布也就相当于沿水平方向排布，这就导致ar显示设备在对用户的太阳穴位置的横向尺寸较大，导致用户在佩戴使用ar显示设备时，容易产生不适感，同时影响ar显示设备的整体结构的美观性。
30.为此，本技术中提供了一种具有不同光路结构的光波导显示设备，能够在一定程度上避免投影光机横向尺寸过大的问题。
31.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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做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。
32.如图2和图3所示，图2为本技术实施例提供的光波导显示器件的光路结构示意图，图3为本技术实施例提供的光波导显示器件的另一光路结构是示意图，该光波导显示器件
可以包括：
33.波导元件1，设置于波导元件表面的耦入光栅和耦出光栅3；
34.其中，耦入光栅3包括不相互贴合的设置在波导元件1的同一表面或相对的不同表面上的第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23，分别用于将不同波长范围内的光波耦入至波导元件1内。
35.显然，本实施例中第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23可衍射耦入波导元件1内的光波波长范围可以分别对应于红色光波、蓝色光波和绿色光波的波长范围。当然可以理解的是，本实施例中并不限制三个衍射光栅中具体哪一个对应于哪一种颜色的波段，只要三个衍射光栅各对应一种颜色光波的光栅即可。
36.可以理解的是，在实际应用中，如果最终输出的投影画面是其他三种颜色的光波混合而成的投影光线形成的，三个衍射光栅可衍射的光波也可以是其他波长范围，对此本技术中不做限制。
37.第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23在内的三个衍射光栅设置于波导元件1的表面预设区域内，且预设区域沿波导元件1的长度方向的最大宽度小于单个衍射光栅沿波导元件1的长度方向宽度的两倍。
38.当预设区域沿波导元件1的长度方向的最大宽度小于单个衍射光栅的宽度的两倍，则在波导元件1的表面平面内，任意两个衍射光栅也就不能沿平行于波导元件1的长度方向设置，从而使得三个衍射光栅大体上沿垂直于波导元件1的长度方向设置，也就在一定程度上减小三个衍射光栅对应的投影光机在波导元件1的长度方向的尺寸。
39.可以理解的是，三个衍射光栅可以设置在波导元件1相对的两个表面，当三个衍射光栅分别设于波导元件1的两个表面，则相应的在波导元件1的两个表面各存在一个设置衍射光栅的预设区域，显然，这两个预设区域应当大体上相互正对；且其中一个预设区域沿波导元件1的长度方向的宽度对应的两条宽度边界线中任意一条宽度边界线，与另一个预设区域对应的两条宽度边界线在沿波导元件1长度方向的距离均小于两倍的衍射光栅宽度。
40.为了便于理解，可参考图4，图4中虚线框abcd和虚线框ebgh分别为位于波导元件1的两个不同表面的预设区域的边界线。对于波导元件1同一个表面上的预设区域沿波导元件的长度方向宽度(可以是图4中的l0)对应的两条宽度边界线之间的距离(可以是直线ad和直线bc之间的距离l1)，小于单个衍射光栅沿波导元件1长度方向的宽度的两倍，也即是图4中的l1小于单个衍射光栅沿波导元件1的长度方向的宽度l0的两倍，即l1<2l0；
41.如图4所示，虚线框e’b’g’h’为虚线框ebgh在虚线框abcd所在平面上的投影，那么对于波导元件两个不同表面上的预设区域，一个预设区域沿波导元件1的长度方向的宽度对应的两条宽度边界线中任意一条宽度边界线(可以是直线ad和直线bc)，与另一个预设区域对应的两条宽度边界线(可以是直线eh和直线gf)在沿波导元件1长度方向的距离均小于两倍的衍射光栅宽度；显然，直线ad和直线eh以及和直线gf、直线bc和直线eh以及和直线gf分别沿波导元件1的长度方向的距离均小于两倍的衍射光栅宽度2l0；而直线ad和直线eh以及和直线gf、直线bc和直线eh以及和直线gf分别沿波导元件1的长度方向的距离中最大的距离是直线ad和直线eh之间沿波导元件1的长度方向的距离，由此，只要直线ad和直线eh之间沿波导元件1的长度方向的距离满足小于2l0即可，而直线ad和直线eh之间沿波导元件1的长度方向的距离即等于直线ad和直线e’h’之间的距离，即l2<2l0。
42.无论三个衍射光栅是设置在波导元件1的同一个表面还是不同表面，三个衍射光栅大体上都是沿垂直于波导元件1的长度方向分布。
43.在本技术的一种可选地的实施例中，第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23可以设置于波导元件1的同一个表面，且三个衍射光栅在波导元件1上沿着垂直于波导元件1的长度方向的方向依次设置。
44.如图2所示，三个耦入光线的衍射光栅(第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23)可以设置在波导元件1的同一表面，且各个衍射光栅沿着垂直于波导元件1的长度方向的方向依次设置。
45.在本技术的另一种可选地的实施例中，第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23可以设置在波导元件1的不同表面，但三个衍射光栅的中心在同一平面内，且三个衍射光栅的中心所在平面垂直于波导元件1的长度方向。
46.如图3所示，三个衍射光栅也可以分别设置在波导元件1的两个相对的表面，三个衍射光栅中的两个设置在波导元件1同一表面，而另一衍射光栅设置在波导元件1的另一表面，其中设置在波导元件1同一表面的两个衍射光栅沿垂直于波导元件1长度方向依次设置，而另一衍射光栅可以在波导元件1另一表面正对设置在波导元件1的同一表面的两个光栅设置。
47.基于图2和图3基本可以确定本实施例中三个用于耦入不同波段的衍射光栅的不论是设置在波导元件1的同一表面还是不同表面，三个衍射光栅基本均位于垂直于波导元件1的长度方向的同一平面内，也就使得三个衍射光栅对应的投影光机位于垂直于波导元件1的长度方向的平面内，从而使得投影光机的空间排布在波导元件1的长度方向尺寸相对较小，仅仅只有一个投影光机的横向尺寸即可，当投影光机设于ar眼镜的镜腿等位置时，即可达到减小容纳投影光机的ar眼镜镜腿在平行于波导元件1的长度方向的横向尺寸目的，尽管这在一定程度上增大了投影光机沿垂直于波导元件1长度方向的尺寸，也即是纵向尺寸，但这一方向在用户佩戴ar显示设备时是和用户的太阳穴部位表面大致平行的表面，并不会对用户的太阳穴产生压迫感，从而避免因为投影光机的横向排布尺寸过大导致的ar显示设备的佩戴体验差的问题。
48.需要说明的是，波导元件1一般为大体矩形的镜片结构，其长度方向是指用户佩戴ar显示设备时，波导元件1大体和水平方向平行的边长的方向，具体方向可以参照图2箭头指示的波导元件1的长度方向。
49.进一步地，第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23的光栅矢量各不相同。
50.第一衍射光栅21的光栅矢量使得第一衍射光栅21对光波的衍射方向与由第一衍射光栅21的中心指向耦出光栅3的中心的方向平行；
51.第二衍射光栅21的光栅矢量使得第二衍射光栅22对光波的衍射方向与由第二衍射光栅22的中心指向耦出光栅3的中心的方向平行；
52.第一衍射光栅21的光栅矢量使得第三衍射光栅23对光波的衍射方向与由第三衍射光栅23的中心指向耦出光栅3中心的方向平行。
53.对于常规的耦入光栅而言，其衍射耦入波导元件1的光线在波导元件1内的传导方向一般都是平行于波导元件1的长度方向。而本实施例中，各个衍射光栅之间是沿垂直于波
导元件1的长度方向排布的，显然，三个衍射光栅衍射耦入波导元件1内的光线在波导元件1内部的传输空间无法相互重合，最终从耦出光栅3耦出的三种衍射的三色光线之间形成的投影画面也无法实现重合，导致在人眼中所成像的投影画面成像效果差。
54.为此，本技术中进一步地合理设置第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23的光栅矢量，使得三个衍射光栅分别衍射耦入的光线并不必然的平行于波导元件1的长度方向，而是和由三个衍射光栅中心分别指向耦出光栅的中心的方向平行。
55.如图2所示，在图2中第二衍射光栅22设置在波导元件1高度方向的中心位置，第一衍射光栅21和第三衍射光栅23分别设置在第二衍射光栅22的上方和下方，那么第一衍射光栅21衍射光线的方向即为由第一衍射光栅21的中心指向耦出光栅中心，也即是斜向下衍射；而第二衍射光栅22衍射光线的方向和波导长度1方向平行，且第三衍射光栅22的衍射光线方向则是斜向上；由此，三个衍射光栅衍射耦入波导元件1的光线在波导元件1内部全反射传导至耦出光栅3时，入射至耦出光栅3上的位置也就相同，从而通过耦出光栅3发生衍射实现三色光线的重合耦出。
56.如图3所示，在图3中第一衍射光栅21和第二衍射光栅22均设置于波导元件1的顶角区域，那么第一衍射光栅21和第二衍射光栅22耦入衍射的光线均是斜向下指向耦出光栅3，此外位于波导元件1的另一表面的第三衍射光栅23的衍射光线的方向也是斜向下指向耦出光栅，也同样能够实现三色光线在耦出光栅处重合耦出。
57.需要说明的是，本实施例中仅仅示出了涉及本技术改进点的光栅，但在实际应用中波导元件上并不仅限于只有耦入光栅和耦出光栅，还可以设置为了实现二维扩瞳的转折光栅等等，对此本技术中不一一列举。
58.综上所述，本技术所提供的光波导显示设备，在设置波导元件上的耦入光栅时，分别针对不同范围波长的光波，分别设置采用多个衍射光栅分别耦入不同波段范围的投影光波，使得各个不同波长范围的光波在波导元件的入射位置在空间上相互隔离，从而无需在光线耦入波导之前进行多色光线的混合，简化光路结构；在此基础上还进一步考虑到投影光机的横向尺寸过大的问题，将耦入光栅的各个衍射光栅沿垂直于波导元件的长度方向设置，并通过合理设置光栅矢量使得各个衍射光栅衍射耦入的光线能够在耦出光栅的位置重合输出，由此即可在减小投影光机的横向尺寸较小的条件下，实现各色投影光线的重合输出，避免因投影光机的横向尺寸过大引起的用户使用体验不佳的问题，保证使用该光波导显示设备的ar显示设备的外观美观性。
59.基于上述论述，在本技术的另一可选的实施例中，还可以进一步地包括：
60.波导元件1包括相互贴合设置的第一子波导11和第二子波导12，其中，第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23中的一个衍射光栅设置于第一子波导11和第二子波导12之间，另两个衍射光栅分别设置于第一子波导11和第二子波导12相互背离的两个表面。
61.在光波导显示器件中，波导元件1可以是完整的一块透光长方体结构的光学元件，也可以是两块相互贴合设置的长方体结构的光学元件。当波导元件1包括两个相互贴合的第一子波导11和第二子波导12时，可以将该第一子波导11和第二子波导12之间相邻且贴合的表面设置一个衍射光栅，而在第一子波导11和第二子波导12不相邻的两个表面分别设置另外两个衍射光栅。
62.如图5所示，图5中第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23分别设置在第一子波导11背离第二子波导12的表面、第一子波导11和第二子波导12相互贴合的表面、第二子波导12背离第一子波导的表面。
63.另外需要注意的是，第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23中至多只能有两个衍射光栅的中心线连线和波导元件1的厚度方向平行，也就是说至多只能有两个衍射光栅在波导元件厚度方向相互正对设置，从而确保各个衍射光栅对应的投影光机向衍射光栅输出投影光线的位置在空间上相互错开。
64.当然，也可以将两个甚至三个衍射光栅同时设置于波导元件1的同一表面。或者两个衍射光栅设置于波导元件1的同一表面而另一个设置在其他表面。对此本技术中不做具体限制。
65.此外，对于耦出光栅而言，一般针对不同波长范围的光波需要设置不同的耦出光栅。为此，在本技术的一种可选的实施例中，所述耦出光栅包括：
66.分别用于耦出第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三耦出光栅23对应的波长范围内的光波的第一耦出光栅31、第二耦出光栅32和第三耦出光栅33；且第一耦出光栅31、第二耦出光栅32和第三耦出光栅33在沿波导元件1的厚度方向依次平行排布。
67.和耦入光栅类似，三个耦出光栅可以设置在波导元件1的同一个表面也可以设置在不同表面。但三个耦出光栅的表面的中心点连线应当和波导厚度方向相互平行，从而保证不同波长的光线重合输出。
68.当然若是波导元件1由两个子波导组成，应当保证每个耦入光线的衍射光栅和对应耦出光栅设置再同一个子波导的表面，可以是同一个子波导的同一表面，也可以是同一子波导相对的两个表面，对此本技术不做具体限制。
69.此外，对于本技术中的耦入光栅、耦出光栅均可以采用浮雕光栅、体全息光栅等等，对此，本技术中不做限制。
70.更进一步地，在本技术的另一可选的实施例中，还可以进一步地包括：
71.分别用于向第一衍射光栅21、第二衍射光栅22以及第三衍射光栅23输入对应波长范围的投影光波的第一microled芯片、第二microled芯片、第三microled芯片。
72.microled芯片相对于传统的图像芯片而言，区别在于其相当于自身带有光源的图像芯片，即相对于常规的照明光源 图像芯片，当然可以理解的时，在实际应用中microled芯片的输出光路上应当还设有能够对光束进行调制的类似于准直透镜等光学元件，对此本实施例中不一一列举。microled芯片在很大程度上减小的投影光机的尺寸，有利于实现ar显示设备结构的小型化。
73.另外，自发光的微显示芯片中，microled芯片亮度目前最高做到几百万nit，对衍射波导来讲，microled芯片在亮度上完全满足衍射光波导的需求，但是目前最具量产希望的是单色microled。对rgb三色一体的microled芯片来说，目前业界并未有可行的量产方案。因此，本实施例中分别采用三个单色microled芯片各自输出rgb投影画面之后，再进行合光，最终输出包含三色光线合光的显示画面。
74.本技术还提供了一种ar显示设备的实施例，该ar显示设备可以包括如上任一项所述的光波导显示器件。
75.具体地，该ar显示设备可以是ar眼镜或者其他ar头戴设备。
76.在实际应用中，投影光机可以设置在ar眼镜的镜腿中，以提高空间利用率。
77.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本技术实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
78.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。