光波导组件及显示设备的制作方法

1.本技术涉及光学器件及显示技术领域，具体涉及一种光波导组件及显示设备。


背景技术：

2.目前，在一些显示设备中用到了增强现实(augmented reality，ar)技术，ar技术是一种将虚拟信息与真实世界信息巧妙融合的技术，利用这种技术的头戴显示设备可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，既要看到真实的外部世界，也要看到虚拟信息，通过层叠的形式将将虚拟信息和真实场景融为一体，互相补充，互相增强，ar技术在军事，工业，娱乐，医疗，交通运输等领域有着重要的意义。
3.可以使用光波导结构对虚拟信息进行呈现，受限于图像入瞳的大小以及为了适应眼睛活动的范围，需要对图像的出瞳进行扩增，然而，现有的光波导结构往往只能实现单一维度的扩瞳，不能满足实际需要。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本技术提供了一种光波导组件，用于实现图像的传导，所述光波导组件包括：
5.第一波导件，用于在第一维度上扩增出瞳的面积；以及
6.第二波导件，所述图像经所述第一波导件向所述第二波导件传导，所述第二波导件用于在第二维度上扩增出瞳的面积，所述第二维度与所述第一维度相交，以使所述第一波导件和所述第二波导件在包含所述第一维度与所述第二维度的二维平面上扩增出瞳的面积，所述第一波导件与所述第二波导件为不同类型的波导件。
7.根据本技术的光波导组件，第一波导件可以在第一维度上扩增出瞳的面积，不同于第一波导件的第二波导件可以在与第一维度相交的第二维度上扩增出瞳的面积，实现了光波导组件在二维平面扩瞳，扩大了图像的出瞳面积，成像效果更好。
8.在可选的实施方式中，所述第一维度与所述第二维度垂直，形成所述图像的光线出射所述光波导组件的方向分别与所述第一维度和所述第二维度垂直。如此，光波导组件实现了在垂直于出光方向的平面上扩瞳，扩瞳更具有方向针对性。
9.在可选的实施方式中，所述第一波导件为几何波导件，所述第二波导件为衍射波导件；或者，所述第一波导件为衍射波导件，所述第二波导件为几何波导件。如此，使用几何波导件作为第一波导件或者第二波导件，可以避免在第一维度或第二维度上存在较大的颜色偏差；使用衍射波导件作为第一波导件或者第二波导件，可以减少制造成型的困难。几何波导件和衍射波导件相互搭配，相得益彰，使得图像在二维平面具有更优良的扩瞳效果。
10.在可选的实施方式中，所述第一波导件包括第一入射面、第一扩瞳部和第一出射面，形成所述图像的光线自所述第一入射面进入所述第一波导件，并经过所述第一扩瞳部在第一维度上扩增出瞳的面积后，由所述第一出射面射出所述第一波导件。如此，第一入射面提供图像光线的进入部，第一扩瞳部用来在第一维度上扩增出瞳的面积，第一出射面提
供扩瞳后的图像光线的出射部，光线在第一波导件中进出顺畅，可以稳定地扩瞳。
11.在可选的实施方式中，所述第一波导件为几何波导件，所述第一扩瞳部为镜面阵列部，所述镜面阵列部包括平行排列多个分光层，且多个所述分光层倾斜于所述第一出射面，以使经所述多个分光层反射的光线从所述第一出射面射出，所述多个分光层沿第一方向排列，每个所述分光层沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向相交。如此，光线从第一入射面进入第一波导件后，经过前一个分光层反射一部分光线从第一出射面射出第一波导件，再透射一部分光线到后一个分光层继续进行反射和透射，最终从第一出射面射出的光线在第一维度得以扩增，也即图像在第一维度的出瞳面积得以扩增，扩瞳更加简便。
12.在可选的实施方式中，每个所述分光层具有分光面，所述多个所述分光层具有m个分光面，沿所述第一方向，第n个分光面的反射率rn满足关系式：
13.0.95/(m-n 1)《rn《1.05/(m-n 1)，且1≤n≤m。如此，每个分光层依次具有梯度增加的反射率，每个扩增的出瞳画面具有较为接近的光通量，整个出瞳画面更加均匀。
14.在可选的实施方式中，所述第二波导件包括第二入射面、第二扩瞳部和第二出射面，所述第二入射面面向所述第一出射面设置，以使所述第一出射面出射的所述光线通过所述第二入射面进入所述第二波导件，并经所述第二扩瞳部扩增出瞳的面积后，由所述第二出射面出射。如此，第一波导件在第一维度上扩瞳后的光线从第二入射面进入第二波导件，第二扩瞳部用来在与第一维度相交的第二维度上扩增出瞳的面积，第二出射面提供二维扩瞳后的图像光线的出射部，光线在第二波导件中进出顺畅，可以稳定地扩瞳。
15.在可选的实施方式中，所述第一出射面出射的所述光线与所述第二入射面的夹角为α，α的范围为30
°
≤α≤150
°
。如此，第一波导件和第二波导件之间形成更有利于光线传输的摆放关系，有利于第一波导件与第二波导件分别在不同的维度上传导光线，从而光波导组件具有二维扩瞳效果。
16.在可选的实施方式中，所述第二波导件为衍射波导件，所述第二扩瞳部包括间隔设置的耦入光栅部和耦出光栅部，所述耦入光栅部靠近所述第二入射面设置，所述耦出光栅部靠近所述第二出射面设置，进入所述第二入射面的所述光线依次经所述耦入光栅部和耦出光栅部扩增出瞳的面积后，由所述第二出射面出射。如此，将第二波导件为衍射波导件，光线经过第二扩瞳部的耦入光栅耦入并从耦出光栅耦出，实现在第二维度进行扩瞳，通过几何波导件和衍射波导件这两种不同原理和结构的波导件分别在相交的第一维度和第二维度上扩增出瞳的面积，既使得二维平面扩瞳的工艺更加简单，结构制作良率更高，又使得图像具有更好的色彩还原效果。
17.另一个方面，本技术还提供了一种显示设备，包括如上所述的光波导组件和光引擎，所述光引擎用于将图像转化为光线进入所述光波导组件，以使所述光波导组件扩增出瞳的面积。
18.根据申请的显示设备，在二维平面扩增了出瞳的面积，在结构简单的同时还能实现更好成像质量，显示效果更加优良。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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。
20.图1是本技术一个实施例的光波导组件的结构示意图。
21.图2是图1光波导组件的右向结构示意图。
22.图3是图1光波导组件的俯向结构示意图。
23.图4是本技术另一个实施例的光波导组件的结构示意图。
24.图5是本技术一个实施例的显示设备的结构示意图。
25.图6是本技术另一个实施例的显示设备的结构示意图。
26.附图标记说明：
27.100-光波导组件，1-第一波导件，11-第一入射面，12-第一扩瞳部，121-分光层，1211-分光面，13-第一出射面，2-第二波导件，21-第二入射面，22-第二扩瞳部，221-耦入光栅部，222-耦出光栅部，23-第二出射面，200-本体部，210-光引擎，220-光源，1000-显示设备
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
29.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
30.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
31.此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
32.此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。需要说明的是，为便于说明，在本技术的实施例中，相同的附图标记表示相同的部件，并且为了简洁，在不同实施例中，省略对相同部件的详细说明。
33.为了使图像具有更大范围的出瞳，更好的适配动眼眶的范围，可以对图像进行二维扩瞳，二维扩瞳可以采用单一类型的光波导结构实现。例如仅采用几何光波导结构；或仅采用衍射光波导结构进行扩瞳。
34.如果单纯使用几何光波导结构进行多维多次扩瞳，需要在一片平片玻璃上做多个方向的扩瞳效果，需要特定形状的多个方向的分光结构来实现，这加大了加工工艺的难度，
良率较难控制，良率整体较低。能够单纯使用几何光波导结构进行多维扩瞳是使用玻璃胶合、切割、抛光等工艺来实现的。要实现二维扩瞳需要做至少三个方向的玻璃层交替胶合排列，这些交替胶合排列方向各异，使得工艺上实现起来十分困难。
35.如果单纯使用衍射光波导结构进行多维多次扩瞳，需要光线进入不同类型的衍射光栅，随着光线通过衍射光栅的次数和类型的增加，会存在衍射渐变色散的现象。衍射光栅对于不用波长的光线衍射效果是不同的。根据光栅公式sinθ＝kλ/d，其中θ为衍射角，k为衍射级次，λ为衍射波长，d为光栅常数，随衍射波长变长衍射角度变大，可以知道两次扩瞳都使用纯衍射光栅实现会造成本应该在一个角度的不同颜色光线产生两次角度偏差，这样加大了颜色的角度分离，色彩还原变差。且多个分区需要的衍射光学结构不同，对微纳加工，纳米压印的工艺要求较高。
36.下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。需要说明的是，为便于说明，在本技术的实施例中，相同的附图标记表示相同的部件，并且为了简洁，在不同实施例中，省略对相同部件的详细说明。
37.请参阅图1、图2、图3和图4，本技术提供了一种光波导组件100，用于将图像进行传导并投影出去，光波导组件100包括第一波导件1以及第二波导件2，第一波导件1用于在第一维度w1上扩增出瞳的面积；图像经第一波导件1向第二波导件2传导，第二波导件2用于在第二维度w2上扩增出瞳的面积，第二维度w2与第一维度w1相交，以使第一波导件1和第二波导件2在包含第一维度1与第二维度2的二维平面上扩增出瞳的面积，第一波导件1与第二波导件2为不同类型的波导件。
38.根据本技术的光波导组件100，第一波导件1可以在第一维度w1上扩增出瞳的面积，不同于第一波导件1的第二波导件2可以在与第一维度w1相交的第二维度w2上扩增出瞳的面积，实现了光波导组件100在二维平面扩瞳，扩大了图像的出瞳面积，成像效果更好。单一类型的波导件要实现二维扩瞳，会受到结构加工和衍射色散问题的制约，而第一波导件1与第二波导件2设置为不同波导件有利于平衡结构加工的难度和衍射色散的程度，使光波导组件100整体上既能较为容易的加工，又能减少衍射色散的产生，有利于降低生产成本和提高成像或显示效果。
39.需要说明的是，光学系统的孔径光阑在光学系统像空间所成的像称为系统的“出瞳”，这里光学系统可以为整个光波导组件100、第一波导件1或者第二波导件2。第二波导件2与第一波导件1呈预设角度设置是指第二波导件2与第一波导件1呈现一定的夹角，第二波导件2与第一波导件1之间的相对位置对其作用的发挥有所影响。图中，带箭头的虚线为示意的光线轨迹。
40.所述维度指的是空间意义上的维度，一个维度在相对的方向上直线延伸。“二维平面”指第一维度与第二维度组成的平面。可选的，第一维度w1与第二维度w2垂直，形成所述图像的光线出射光波导组件100的方向分别与第一维度w1和第二维度w2垂直。如此，光波导组件100实现了在垂直于出光方向的平面上扩瞳，扩瞳更具有方向针对性。
41.请参阅图1和图2，在一些实施例中，第一波导件1为几何波导件，第二波导件2为衍射波导件。
42.可选的，图像的光线经几何波导件在第一维度w1上进行扩瞳后，进入衍射波导件在第二维度w2上进行扩瞳。使用几何波导件作为第一波导件1，可以避免在第一维度w1上存
在较大的颜色偏差；使用衍射波导件作为第二波导件2，可以在第二维度w2上减少制造成型的困难。几何波导件和衍射波导件相互搭配，相得益彰，使得图像在二维平面具有更优良的扩瞳效果。
43.请参阅图4，在另一些实施例中，第一波导件1为衍射波导件，第二波导件2为几何波导件。
44.可选的，图像的光线衍射波导件在第二维度w2上进行扩瞳，进入瞳经几何波导件在第一维度(第一维度在垂直于纸面的方向，图4中未示出)上进行扩瞳后。使用衍射波导件作为第一波导件1，可以在第二维度w2上减少制造成型的困难；使用几何波导件作为第二波导件2，可以避免在第一维度上存在较大的颜色偏差。衍射波导件和几何波导件相互搭配，相得益彰，使得图像在二维平面具有更优良的扩瞳效果。
45.请参阅图1、图2和图3，在一些实施例中，第一波导件1包括第一入射面11、第一扩瞳部12和第一出射面13，形成图像的光线自第一入射面11进入第一波导件1，并经过第一扩瞳部12在第一维度w1上扩增出瞳的面积后，由第一出射面13射出第一波导件1。如此，第一入射面11提供图像光线的进入部，第一扩瞳部12用来在第一维度w1上扩增出瞳的面积，第一出射面13提供扩瞳后的图像光线的出射部，光线在第一波导件1中进出顺畅，可以稳定地扩瞳。
46.可选的，第一波导件1为几何波导件，第一扩瞳部12为镜面阵列部，镜面阵列部包括平行排列的多个分光层121，且多个分光层121倾斜于第一出射面13，以使经多个分光层121反射的光线从第一出射面13射出，多个分光层121沿第一方向x排列，每个分光层121沿第二方向y延伸，第一方向x与第二方向y相交。多个分光层121可以紧邻接触设置，也可以间隔设置。分光层121为半透半反分光片或半透半反分光膜，换言之，分光层121具有“半透半反”的作用，即分光层121将打在其上的光线一部分进行反射，一部分进行透射。如此，光线从第一入射面11进入第一波导件1后，经过前一个分光层121反射一部分光线从第一出射面13射出第一波导件1，再透射一部分光线到后一个分光层121继续进行反射和透射，最终从第一出射面13射出的光线在第一维度w1上得以扩增，也即图像在第一维度w1的出瞳面积得以扩增，扩瞳更加简便。
47.可选的，第一方向x平行于第一维度w1，第二方向y与第一方向x的夹角β为135
°
，更有利于分光层121实现分光。
48.可选的，每个分光层121具有分光面1211，多个分光层121具有m个分光面1211，分光面1211作为分光层121实现“半透半反”作用的面，沿第一方向x，第n个分光面1211的反射率rn满足关系式：
49.0.95/(m-n 1)《rn《1.05/(m-n 1)，且1≤n≤m。如此，每个分光层121依次具有梯度增加的反射率，每个扩增的出瞳画面具有较为接近的光通量，整个出瞳画面更加均匀。有m个分光面1211，则每个分光面1211反射出的能量占总能量的1/m时画面均匀。对于第n个面，前面n-1个面每个已经反射掉1/m的总能量了，那么到达第n个面的能量应该为1-(n-1)*1/m，那么假设第n个面的反射率为rn，则(1-(n-1)*1/m)*rn＝1/m时，第n个面反射出的能量也为1/m，得到rn＝1/(m-n 1)，再考虑能够容许的公差范围，则0.95/(m-n 1)《rn《1.05/(m-n 1)。
50.可选的，第二波导件2包括第二入射面21、第二扩瞳部22和第二出射面23，第二入
射面21面向第一出射面13设置，以使第一出射面13出射的光线通过第二入射面21进入第二波导件2，并经第二扩瞳部22扩增出瞳的面积后，由第二出射面23出射。如此，第一波导件1在第一维度w1上扩瞳后的光线从第二入射面21进入第二波导件2，第二扩瞳部22用来在与第一维度w1垂直的第二维度w2上扩增出瞳的面积，第二出射面23提供二维扩瞳后的图像光线的出射部，光线在第二波导件2中进出顺畅，可以稳定地扩瞳。
51.可选的，第一出射面13出射的所述光线与第二入射面21的夹角为α，α的范围为30
°
≤α≤150
°
。如此，第一波导件1和第二波导件2之间形成更有利于光线传输的摆放关系，有利于第一波导件1与第二波导件2分别在不同的维度上传导光线，从而光波导组件具有二维扩瞳效果。
52.可选的，所述夹角α为90
°
。如此，第一出射面13出射的所述光线垂直于第二入射面21，有利于光线从第一导件1进入第二波导件2，从而更方便控制光波导组件100扩瞳的方向。
53.可选的，第一出射面13与第二出射面23正对设置。第二入射面21可以与第二出射面23共面不共区，即第二入射面21可以与第二出射面23分布于同一面的不同区域。
54.请参阅图1、图2和图3，在一些实施例中，第二波导件2为衍射波导件，第二扩瞳部22包括间隔设置的耦入光栅部221和耦出光栅部222，耦入光栅部221靠近第二入射面21设置，耦出光栅部222靠近第二出射面23设置，进入第二入射面21的光线依次经耦入光栅部221和耦出光栅部222扩增出瞳的面积后，由第二出射面23出射。如此，将第二波导件2为衍射波导件，光线经过第二扩瞳部22的耦入光栅耦入并从耦出光栅耦出，通过光线耦合入和耦合出的作用实现在第二维度w2上扩瞳，通过几何波导件和衍射波导件这两种不同原理和结构的波导件分别在相交的第一维度w1和第二维度w2上扩增出瞳的面积，既使得二维平面扩瞳的工艺更加简单，结构制作良率更高，又使得图像具有更好的色彩还原效果。只把几何光波导做第一维扩瞳使用，结构上实现只需要比较简单的等间隔胶合排列即可，故复杂度低，良率更高。第一次扩瞳使用几何波导件不纯在色散问题，相当于降低了一半单纯使用衍射波导件进行二维扩瞳造成的颜色偏差。
55.可选的，耦入光栅部221和耦出光栅部222均为表面浮雕光栅，或者耦入光栅部221和耦出光栅部222均为全息体光栅。
56.请参阅图1、图2和图3，在一具体实施例中，第一波导件1为几何波导件，第二波导件2为衍射波导件，图像的光线从第一入射面11进入第一波导件1，依次经多个分光层121反射和透射，从第一出射面13射出，实现了在第一维度w1上的扩瞳；从第一出射面13射出的光线从第二入射面21进入第二波导件2，依次经过耦入光栅部221和耦出光栅部222，从第二出射面23射出，实现了在第二维度w2上的扩瞳。最终表现为图像经过光波导组件100实现了在二维平面的扩增出瞳。
57.请参阅图5，本技术实施例还提供了显示设备1000，包括光波导组件100和光引擎210，光引擎210用于将图像转化为光线进入光波导组件100，以使光波导组件100扩增出瞳的面积。
58.请参阅图5和图6，可选的，显示设备1000还包括本体部200和光源220，光波导组件100、光源220及光引擎210均设于本体部200上。光源220出射的光线经过光引擎210的不断扫描实现对投射图像的呈现，将图像的光线射入光波导组件100，以在光波导组件100中对
图像在二维平面上进行扩瞳。
59.根据申请的显示设备1000，在二维平面扩增了出瞳的面积，在结构简单的同时还能实现更好成像质量，显示效果更加优良。
60.如图6，在一些实施例中，显示设备1000为增强现实(augmented reality，ar)设备，例如ar眼镜、头戴式显示器等，光引擎210为微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)振镜。当光源220将光束打到mems振镜上，mems振镜通过不断扫描实现对投射图像的呈现，将图像的光线射入光波导组件100。本技术附图中显示设备1000以ar眼镜进行示意，不应理解为对本技术实施例的光波导组件100的限制。
61.在本文中提及“实施例”“实施方式”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现所述短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
62.最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本技术的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本技术进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本技术的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本技术技术方案的精神和范围。