波导结构和显示装置的制作方法

1.本实用新型涉及光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种波导结构和显示装置。


背景技术：

2.随着科技的不断创新，虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)已经逐步进入工业教育等行业，其中在ar增强现实方面，光波导技术是不可缺少的一步，它采用带有衍射光栅的平板波导片，将微投光机出射的图像传输并放大到人眼，使得佩戴者在看到真实世界的同时观察到光机投出叠加在真实世界的虚像。该显示技术通常由微投光机与波导结构组成，微投光机提供单色或者彩色的图像信息，波导结构负责将光机的图像信息扩瞳放大并传输到人眼。
3.但目前波导结构的衍射效率还不够理想，人眼通过波导结构看到的虚拟图像亮度较低，特别是在室外环境下。其原因是不同视场角的光线在波导结构内所走的路径是不一样的，但目前的浮雕型衍射光栅会无差别地调制不同视场角的光线的衍射效率(这里的无差别指的是趋势一致，并不是一模一样)，这就会导致有些视场角光线的能量过早丢失，导致某些视场角的光线明暗差异较大。
4.也就是说，现有技术中的波导结构存在衍射效率低的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于提供一种波导结构和显示装置，以解决现有技术中的波导结构存在衍射效率低的问题。
6.为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种波导结构，包括：波导片，波导片包括一个或多个；耦入光栅，耦入光栅设置在波导片的一侧表面上，耦入光栅用于将外部光机所发出的光耦入到波导片内；转折光栅，转折光栅设置在波导片上且与耦入光栅处于同一侧或不同侧，转折光栅用于接收耦入光栅的光；耦出光栅，耦出光栅设置在波导片上且与转折光栅处于同一侧，耦出光栅用于接收转折光栅的光并将光耦出波导片；其中，转折光栅和耦出光栅中的至少一个为动态调制光栅，动态调制光栅可通过控制电压实现不同视场角的光的衍射效率的切换。
7.进一步地，动态调制光栅包括声光调制光栅和液晶光栅中的一种。
8.进一步地，转折光栅和耦出光栅均为液晶光栅；或者转折光栅和耦出光栅均为声光调制光栅。
9.进一步地，动态调制光栅可通过控制电压来调整其的光栅结构，光栅结构包括高度和占空比中的一种或多种，进而调制不同视场角的光的衍射效率。
10.进一步地，动态调制光栅具有多个调制区，多个调制区沿光线传输方向顺次设置。
11.进一步地，耦入光栅的占空比在30％-80％的范围内，高度在50nm-500nm的范围内，周期在200nm至600nm的范围内；和/或转折光栅的占空比在30％-80％的范围内，高度在
30nm-300nm的范围内，周期在200nm至600nm的范围内；和/或耦出光栅的占空比在30％-80％的范围内，高度在30nm-300nm的范围内，周期在200nm至600nm的范围内。
12.进一步地，耦入光栅的形状为一维光栅或二维光栅；和/或转折光栅的形状为一维光栅或二维光栅；和/或耦出光栅的形状为一维光栅或二维光栅。
13.进一步地，波导片的材料包括高折射率玻璃，高折射率玻璃的折射率不低于1.5。
14.进一步地，波导片的厚度大于等于400um且小于等于1mm；和/或波导片的折射率大于等于1.5且小于等于2.5。
15.根据本实用新型的另一方面，提供了一种显示装置，包括：光机；上述的波导结构，光机向波导结构发射图像光，图像光在波导结构中进行衍射传输后被波导结构耦出至人眼进行成像。
16.应用本实用新型的技术方案，波导结构包括波导片、耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，波导片包括一个或多个；耦入光栅设置在波导片的一侧表面上，耦入光栅用于将外部光机所发出的光耦入到波导片内；转折光栅设置在波导片上且与耦入光栅处于同一侧或不同侧，转折光栅用于接收耦入光栅的光；耦出光栅设置在波导片上且与转折光栅处于同一侧，耦出光栅用于接收转折光栅的光并将光耦出波导片；其中，转折光栅和耦出光栅中的至少一个为动态调制光栅，动态调制光栅可通过控制电压实现不同视场角的光的衍射效率的切换。
17.由于波导片上耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的衍射特性、不同角度的入射光被耦入光栅耦入波导片后的衍射角不同，导致不同角度的入射光在波导片内传输的路径不同，越远的视场角的光的传输路径越长，衍射次数越多，导致最终输出光强效率降低，这样使得不同视场角的光的明暗强度具有差异，影响成像效果。本技术的转折光栅和耦出光栅的至少一个通过选用动态调制光栅，可以动态地对不同视场角的光线进行独立调制，提高不同视场角的光线的衍射效率，进而提高波导结构整体的衍射效率，保证最终输出的图像具有较强的亮度同时保证较佳的成像均匀性。另外，本技术的动态调制光栅可以加强光栅对光线的角度选择性，对不同视场角的光采用不同的衍射效率，避免能量过早损失，提升波导结构的整体衍射效率，保证显示均匀性。
附图说明
18.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
19.图1示出了传统波导结构的k域图；
20.图2示出了图1中的k域图所对应的波导结构上光栅的分布图；
21.图3示出了波导结构上两个视场的光的衍射传播路径图；
22.图4示出了本实用新型的一个可选实施例的波导结构的示意图；
23.图5示出了本实用新型的波导结构的工作示意图；
24.图6示出了本实用新型的液晶光栅的工作原理图；
25.图7示出了动态调制光栅在不同时刻的驱动电压的变化曲线图。
26.其中，上述附图包括以下附图标记：
27.10、波导片；20、耦入光栅；30、转折光栅；40、耦出光栅；50、调制区；60、第一点；70、第二点；80、第一视场；90、第二视场；100、控制器；110、偏振片；120、液晶分子；130、ito层；140、入射偏振光；150、出射偏振光。
具体实施方式
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
29.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。
31.为了解决现有技术中的波导结构存在衍射效率低的问题，本实用新型提供了一种波导结构和显示装置。
32.如图1至图7所示，波导结构包括波导片10、耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40，波导片10包括一个或多个；耦入光栅20设置在波导片10的一侧表面上，耦入光栅20用于将外部光机所发出的光耦入到波导片10内；转折光栅30设置在波导片10上且与耦入光栅20处于同一侧或不同侧，转折光栅30用于接收耦入光栅20的光；耦出光栅40设置在波导片10上且与转折光栅30处于同一侧，耦出光栅40用于接收转折光栅30的光并将光耦出波导片10；其中，转折光栅30和耦出光栅40中的至少一个为动态调制光栅，动态调制光栅可通过控制电压实现不同视场角的光的衍射效率的切换。
33.由于波导片10上耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40的衍射特性、不同角度的入射光被耦入光栅20耦入波导片10后的衍射角不同，导致不同角度的入射光在波导片10内传输的路径不同，越远的视场角的光的传输路径越长，衍射次数越多，导致最终输出光强效率降低，这样使得不同视场角的光的明暗强度具有差异，影响成像效果。本技术的转折光栅30和耦出光栅40的至少一个通过选用动态调制光栅，可以动态地对不同视场角的光线进行独立调制，提高不同视场角的光线的衍射效率，进而提高波导结构整体的衍射效率，保证最终输出的图像具有较强的亮度同时保证较佳的成像均匀性。另外，本技术的动态调制光栅可以加强光栅对光线的角度选择性，对不同视场角的光采用不同的衍射效率，避免能量过早损失，提升波导结构的整体衍射效率，保证显示均匀性。
34.需要说明的是，上述耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40均为衍射光栅。以保证耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40对光的衍射作用，保证光在波导片10中的均匀传输。由于衍射光栅的特性，使得耦出的光强会存在不均匀性，这种不均匀性表现为空间的不均匀性和角度的不均匀性，空间的不均匀性导致人眼处于眼盒内不同位置时，观察到的图像亮暗具有差异，角度的不均匀性导致不同视场角的明暗强度具有差异。
35.具体的，动态调制光栅包括声光调制光栅和液晶光栅中的一种。声光调制光栅和液晶光栅都可通过控制电压从而改变光栅的结构形貌，比如光栅的高度、占空比等，进而调制光栅对不同视场角的光的衍射效率，进而增加不同视场角的光的衍射效率，增加输出的
光强效率，合理改善成像明暗差异大的问题，保证成像面上各个位置亮度一致，保证成像均匀性。
36.具体的，耦入光栅20的形状为一维光栅或二维光栅，耦入光栅20是一种衍射光栅，可以将入射光衍射成不同角度不同级次进行传输，其目的是将光机发射的光最大效率的导入波导片10内。转折光栅30为一种动态调制光栅，即可动态调制的光栅，例如声光调制光栅、液晶光栅等其他可以通过任何形式动态调制的光栅，转折光栅30可以通过控制电压实现不同衍射效率的切换。可以将波导片10内的光进行一维或者二维方向上的传输，其目的是将内部光沿着特定方向进行传输，将光机的信息进行第一方向扩瞳传输，并且对不同角度的光采用不同的调制效果；转折光栅30的形状为一维光栅或二维光栅。耦出光栅40为一种动态调制光栅，例如声光调制光栅、液晶光栅等其他可以通过任何形式动态调制的光栅。耦出光栅40是一种动态的衍射光栅，可以通过控制电压实现不同衍射效率的切换。可接受转折光栅30传输过来的光，将其进一步的沿第二方向扩瞳并耦出，其可对不同角度的光线采用不同的调制效果，其目的是将光机的信息均匀高效的耦出到人眼进行成像；耦出光栅40的形状为一维光栅或二维光栅。一维光栅能够将波导片10中的光进行一维方向上的传输，一维光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅、一维多层光栅等；二维光栅即两个方向上均有周期变化，包括长方形光栅、平行四边形光栅和菱形光栅等。
37.需要说明的是，上述闪耀光栅为一种刻槽面与光栅法线不平行，即在两者之间存在一个小夹角，具有闪耀特性的光栅。上述倾斜光栅是一种光栅的平面与光栅切向呈一定倾角的光栅。上述矩形光栅是一种横截面上为矩形的结构来进行衍射的光栅。
38.具体的，耦入光栅20的占空比在30％-80％的范围内，高度在50nm-500nm的范围内，对于一维多层光栅，高度是指每层光栅的高度，一维多层光栅的层数范围为1-10层；周期在200nm至600nm的范围内。转折光栅30的占空比在30％-80％的范围内，高度在30nm-300nm的范围内，对于一维多层光栅，高度是指每层光栅的高度，一维多层光栅的层数范围为1-10层；周期在200nm至600nm的范围内，可调节具体参数，最终调整使耦出的光强均匀性达到特定要求。耦出光栅40的占空比在30％-80％的范围内，高度在30nm-300nm的范围内，对于一维多层光栅，高度是指每层光栅的高度，一维多层光栅的层数范围为1-10层；周期在200nm至600nm的范围内，当然可具体调节参数，调整使耦出的光强均匀性达到特定要求。
39.具体的，波导片10的材料包括高折射率玻璃，高折射率玻璃的折射率不低于1.5。波导片10的折射率大于等于1.5且小于等于2.5。这样设置有利于保证波导片10的高折射率特性，高折射率可提高视场角的大小，以实现超大视场角的波导片10。当然，也可根据实际需求选择不同的材料。
40.具体的，波导片10的厚度大于等于400um且小于等于1mm。若波导片10的厚度小于400um，使得波导片10过薄且不易制作，增强了波导片10的加工难度，同时使得波导片10在使用过程中易发生折断，降低了波导片10的结构强度。若波导片10的厚度大于1mm，使得波导片10的厚度过大，不利于波导片10的小型化。将波导片10的厚度限制在400um到1mm的范围内，保证了波导片10的轻薄化的同时保证了波导片10的结构强度。
41.下面结合附图对本技术进一步详细说明。
42.在本技术的一个实施例中，波导结构的波导片10选用高透明、高折射率的玻璃材料，其折射率大于等于1.5且小于等于2.5。波导片10上设置耦入光栅20，其一种表面浮雕光
栅或体全息光栅。转折光栅30和耦出光栅40均为液晶光栅。
43.如图1所示，为现有技术中的波导片的k域图，其中第一点60和第二点70在k域上分别代表不同视场角的光线，与此图相对应的波导片上光栅分布如图2所示，由图可知，由耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40组成，且耦入光栅20、转折光栅30、和耦出光栅40彼此间隔设置，耦入光栅20的中心和转折光栅30的中心的连线与耦出光栅40的中心和转折光栅30的中心的连线垂直。这里描述以单个波导片为例，但是在一些可选地实施例中波导片的个数也可设置为2片、3片甚至更多，且各波导片上均搭载耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40。
44.由于不同视场角的光线被耦入光栅20耦入波导片10后的衍射角是不同的，导致不同视场角的光在波导片10内传输的路径不同，因此他们的传播周期也是不同的。如图3所示，第一视场80的光线由于耦入的衍射角较小，因此其传播路径较短，因此传播次数较多。而对于第二视场90的光线，由于耦入的衍射角较大，因此其传播路径较长，因此传播的次数较少。对于第一视场80的光线，我们希望在从左往右传播时前几次的衍射效率不要过大，因为过大的话大部分的能量在左侧就向下传播了，当光线传播到右侧时，就没多少能量往下传播了，这会导致扩瞳不均匀的情况。而对于第二视场90的光线，我们希望衍射效率比第一视场80的大一些，因为其总的衍射次数要少于第一视场80，所以需要以较大的衍射效率向下衍射光线。
45.由于第一视场80和第二视场90对于光栅衍射效率的需求不一样。如图4所示，为一种转折光栅30和耦出光栅40均使用了动态调制光栅的情况，在本实施例中，动态调制光栅为液晶光栅。如图4所示，两个动态调制光栅均具有多个调制区50，多个调制区50沿光线传输方向顺次设置。也就是说，转折光栅30上的多个调制区50由左到右依次排列，且各调制区50的电压值不同，转折光栅30上的多个调制区50从左至右电压值依次增大，使得多个调制区50的光栅深度(高度)依次增大，进而使得衍射效率依次增大；耦出光栅40上的多个调制区50由上至下依次排列，这样设置通过分区设计使得各个调制区50是独立设置的，可分别对不同路径不同级次的光的衍射效率进行调整，以保证最终输出的光的衍射效率达到要求；由图4所示，耦出光栅40上的多个调制区50的电压值由上至下依次增大，也就是说，多个调制区50的光栅深度(高度)依次增大，进而使得衍射效率依次增大。
46.如图5所示，当转折光栅30和耦出光栅40均为动态调制光栅时，可采用两个控制器100分别实现转折光栅30和耦出光栅40的电压的独立控制，图5仅为一个示意图，仅示出了一个控制器100与转折光栅30或耦出光栅40连接的示意图。其可利用控制器100控制电压从而更改光栅的结构，如光栅的高度、占空比等，通过控制电压来调整动态调制光栅的深度、占空比等光栅结构，进而调制不同视场角内光线的衍射效率。以实现针对不同视场角实现不同衍射效率的效果。
47.如图6所示，为液晶光栅的具体结构和工作原理图。液晶光栅包括两片间隔设置的偏振片110，且两片偏振片110内侧均贴合设置一层ito层130，液晶光栅的内部存在大量液晶分子120，光栅的本质是形成折射率周期性排布的结构，液晶光栅内的液晶分子120会根据加载的电压不同而实现不同的排布，例如设置形成随着电压的增大，使得光栅高度增大的情况，继而使得入射偏振光140经过液晶光栅后的出射偏振光150的衍射效率得以提高。
48.如表1所示，表示的是第一视场80的光线在转折光栅30内传播4次，那么这4次的衍
射效率可以设置为25％，33.3％，50％，100％。如表2所示，表示的是第二视场90的光线在转折光栅30内传播6次，那么这6次的衍射效率可以设置为16.67％，20％，25.01％，33.35％，50％，100％。通过控制光机的不同视场角的显示顺序，相应地协同改变动态调制光栅的电压，针对不同视场角的光线实现独立调制的效果。如图7所示，不同时刻动态调制光栅的驱动电压不一样，图中可表示为转折光栅30的电压变化规律，也可以是耦出光栅40的电压变化规律。上述示例只对两个视场角的光线进行了说明，在其他示例中其数量不固定。
49.表1
50.衍射次数1234衍射效率25％33.3％50％100％
51.表2
52.衍射次数123456衍射效率16.67％20％25.01％33.35％50％100％
53.在其他实施例中，上述液晶光栅可替换成声光调制光栅，也就是说，转折光栅30和耦出光栅40均为声光调制光栅。声光调制光栅同样能够通过控制电压动态调制光栅的形貌结构，从而实现对不同视场角的光的衍射效率的调制。
54.本技术还提供一种显示装置，显示装置包括光机和上述的波导结构，光机向波导结构发射图像光，图像光在波导结构中进行衍射传输后被波导结构耦出至人眼进行成像。在一些实例中，波导结构可以是近眼显示器(ned)的一部分，ned是用于向用户展示图像信息的，是增强现实系统的一部分。ned包括微投光机和波导结构，微投光机发射图像光信息，波导结构包括波导片10(有一定厚度的高折射率玻璃)、耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40。随着图像光在波导体片内传播，波导片10将接收到的图像光至少扩展为一维。耦入光栅20被设计为将图像光耦合到波导片10中，转折光栅30和耦出光栅40被设计成输出扩大后的图像光并输出到眼眶。具有上述波导结构的显示装置能够输出衍射效率强且均匀的图像，使得用户在观察到真实世界的像的同时能够清晰地的观察到显示装置投出的在真实世界的虚像，且用户的眼球在眼盒内的各个位置所接收到的图像光的光强度是均匀且一致的，以保证用户的使用满意度。
55.需要说明的是，上述光机可选用mems投影光机，上述显示装置可以是ar头戴式设备。
56.显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
57.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
58.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
59.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。