高彩均匀性的衍射光波导及显示装置的制作方法

1.本发明涉及虚拟现实显示技术领域，尤其涉及一种高彩均匀性的衍射光波导及显示装置。

背景技术：

2.光波导是一种可将信号光束缚在其内部，并使信号光朝着特定方向传输的器件，同时光波导具有良好的透光性。基于这些特性，光波导可以作为增强现实(ar)近眼显示装置的显示器。光波导将投影光机投出的信号光定向传输到人眼中，因此人眼可以看到待显示的图像，又因光波导具有良好的透光性，人眼还可以清晰看到波导后的真实环境，因此人眼最终看到的是待显示图像和真实环境的融合。
3.光波导按照不同的实现原理可分为几何光波导，衍射光波导等种类。衍射光波导因其厚度薄、重量轻、透光性好等优点，逐渐成为增强现实(ar)近眼显示装置中显示器的优选方案。
4.在波导片表面，靠近投影光机处的区域为耦入区，靠近人眼的区域为耦出区。当利用光波导显示彩图像时，需要输入不同通道的信号光，不同通道信号光的波长不同，当不同波长的信号光经过波导内路径传播，会存在某些通道部分视场无法完整地被波导传输，因此在耦出端观看时会存在某一通道图像的缺失，进而导致图像彩的失真。
5.所以，现有技术还有待改进。

技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提出一种高彩均匀性的衍射光波导，可以消除波导内传输的具有不完整视场的信号光，从而可以提高耦出端输出图像的高彩均匀性及显示效果。
7.本发明通过以下技术方案实现的：
8.一种高彩均匀性的衍射光波导，包括耦入区、耦出区和波导片，所述耦入区和所述耦出区均设于所述波导片上，所述耦入区用于将光机射入的信号光耦合入所述波导片，所述耦出区用于将所述波导片内传输的光线进行扩展和耦出，所述波导片还设有至少两个转折区，所述转折区设于所述耦入区与所述耦出区之间，所述波导片上对应所述转折区的区域设置有滤光层。
9.进一步地，所述滤光层设于所述转折区的对侧。
10.进一步地，所述滤光层设于所述转折区的同侧，所述滤光层贴附于所述转折区与所述波导片之间。
11.进一步地，所述滤光层设于所述波导片的内部。
12.进一步地，所述滤光层的覆盖范围与所述转折区的覆盖范围一致。
13.进一步地，所述滤光层的覆盖范围与所述转折区的覆盖范围不同。
14.进一步地，所述转折区设置有两个。
15.本发明还提出一种显示装置，所述显示装置包括上述的高彩均匀性的衍射光波导。
16.本发明的有益效果：本发明在波导片设有至少两个转折区，转折区设于耦入区与耦出区之间，多个转折区将波长不同的信号光进行分路径传输，波导片上对应转折区的区域设置有滤光层，通过滤光层滤除某一路径输送的特定信号光外的所有不完整信号光，特定信号光为某一通道信号光或多个通道的信号光，经过滤光之后的信号光从耦出端耦出并合并，形成高彩均匀性的彩图像。
附图说明
17.图1为本发明的高彩均匀性的衍射光波导的俯视图；
18.图2为本发明的高彩均匀性的衍射光波导的立体图；
19.图3为本发明的实施例两个转折区传播信号光的k矢量图；
20.图4为本发明的滤光层的第一设置位置图；
21.图5为本发明的滤光层的第二设置位置图；
22.图6为本发明的滤光层的第三设置位置图；
23.图7为本发明的滤光层的第一设置方式示意图；
24.图8为本发明的滤光层的第二设置方式示意图。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.请参考图1-8，一种高彩均匀性的衍射光波导，包括耦入区10、耦出区13和波导片1，所述耦入区和所述耦出区均设于所述波导片上(可以位于同侧，也可以位于异侧)，所述耦入区用于将光机射入的信号光耦合入所述波导片，所述耦出区用于将波导片内传输的光线进行扩展和耦出。
27.具体而言，耦入区的衍射微结构利用光的衍射、将光机出射的部分信号光耦合入波导片内传输，耦出区的衍射微结构利用光的衍射可以将在波导内传输的一束光线在两个维度上进行扩展和耦出，这样从耦入区入射的一束光在经过波导传输和耦出后将被扩展成多个光束，对于仅有耦入区和耦出区的波导，这些光束在波导片内经过全反射传输至耦出区的衍射微结构，利用光的衍射将波导片内传输的光耦合出波导片。耦合出波导片的光入射至人眼，在视网膜上形成待显示的图像。
28.但是，当利用光波导显示彩图像时，需要输入不同通道的信号光，不同通道信号光的波长不同，当不同波长的信号光经过波导内路径传播，某些通道部分视场无法完整地被波导传输，因此在耦出端观看时会存在某一通道图像的缺失。
29.为了解决这一问题，本发明在所述波导片还设有至少两个转折区11，所述转折区设于所述耦入区与所述耦出区之间。转折区也具有衍射微结构，转折区衍射微结构利用光的衍射可以将在其中传输的一束光线在两个维度上进行分束和扩展，并使耦入区耦合进波导的光朝向耦出区传播。需要注意的是，转折区的设置位置可以位于波导片的两侧，当耦入区、转折区和耦出区衍射微结构位于波导片的同侧时，耦入区、转折区和耦出区衍射微结构
间隔设置或者邻接设置。多个转折区可以将波长不同的信号光进行分路径传输，并且波导片上对应所述转折区的区域设置有滤光层14，通过滤光层14滤除某一路径输送的特定信号光外的所有不完整信号光(特定信号光为某一通道信号光或多个通道的信号光)，经过滤光之后的信号光从耦出端耦出并合并，形成高彩均匀性的彩图像。
30.在本发明的一些实施例中，所述转折区设置有两个。
31.请参考图1-2，波导片上设有一个耦入区10，第一转折区111，第二转折区112，一个耦出区13，各区之间具有全反射区域。
32.红光通道的信号光和绿光通道的信号光经耦入区耦入波导片后，经第一转折区111转折最终被耦出区耦出，称该传播路径为p1；蓝光通道的信号光和绿光通道的信号光经耦入区耦入波导片后，经转折区112转折最终被耦出区耦出，称该传播路径为p2。
33.图3为通过两个转折区传播的k矢量图，λ1，λ2，λ3分别为蓝通道、绿通道和红通道信号光的中心波长。λ1范围为420nm-480nm，λ2范围为480nm-590nm，λ3范围为590nm-700nm。
34.在p1路径下，红光通道的信号光和绿光通道的信号光在该传播路径下能够保持完整的视场角。而蓝通道信号光经过该路径传输后，从耦出区出射时会存在部分视场角缺失的情况，即图3中的a1区域。这将导致最终显示图像的蓝光通道亮度不均匀。
35.因此，本发明在第一转折区11对侧波导表面设置第一滤光层141，红光通道的信号光和绿光通道的信号光可以经过第一滤光层141而不被吸收，第一滤光层141对蓝光通道的信号光具有强吸收性，使得蓝光通道的信号光在第一转折区11传播后被完全吸收，无法到达耦出区，因此在显示时不会存在不完整的蓝光通道信号光。
36.请参考图4(其中突出部分表示的是转折区的表面微结构)，图中滤光片14可以选择性吸收特定波长的光而不影响其他波长光的传播，r1，r2为具有可透过波长的光线，r3为具有选择性吸收波长的光线。
37.同理，蓝光通道的信号光和绿光通道的信号光在p2传播路径下能够保持完整的视场角。而红光通道的信号光经过该路径传输后，从耦出区出射时会存在部分视场角缺失的情况，即图3中a2区域。这将导致最终显示图像的红光通道亮度不均匀。
38.因此，本发明在第二转折区12对侧波导表面设置第二滤光层142，，第二滤光层142对蓝光通道的信号光和绿光通道的信号光具有高透过性，而对红光通道的信号光具有强吸收性，使得红光通道的信号光在第二转折区12传播后被完全吸收，而无法到达耦出区，因此在显示时不会存在不完整的红光通道信号光。
39.需要说明的是，在本发明的其他实施例中，转折区的设置可以为三个。例如在传播红光、绿光和蓝光时，可以将转折区设为三个，这样，红光、绿光和蓝光三种信号光均为单独传播，从而可以方便地选择滤光片的型号，并且每种光单独传播也可以使最后从波导片耦合出的图像清晰度更高。并且，本领域技术人员可以根据需求对转折区数量具体设置，本发明对转折区的数量上限并无具体的限制，同时也不应成为本发明公开不充分或是得不到说明书支持的理由。
40.请参考图5，在本发明的一些实施例中，所述滤光层14设于所述转折区的同侧，所述滤光层贴附于所述转折区微结构与所述波导片之间。图中，r1，r2为具有可透过波长的光线，r3为具有选择性吸收波长的光线。由于在设置滤光层时，需要对准一部分的转折区，如果要将滤光层安装于转折区的对侧，进行位置对应非常不便，但是如果将其设置于转折区
的同侧，就会便于对滤光层安装对准，操作方便。
41.请参考图6，在本发明的一些实施例中，所述滤光层14设于所述转折区对应的波导片内。图中，r1，r2为具有可透过波长的光线，r3为具有选择性吸收波长的光线。由于本发明中，滤光层的设置是为了吸收各个传输通道内除特定信号光外的信号光，从而耦出亮度均匀光线，而信号光在波导片内传输依靠的是全反射，只需要在对应转折区的波导片内设置滤光层，即可对待滤除信号光的全反射光线进行吸收。所述滤光层设于所述波导片的内部，从而也能达到滤光的作用，并且能使本发明的高彩均匀性的衍射光波导结构更加紧凑。
42.在本发明的一些实施例中，所述滤光层的覆盖范围与所述转折区的覆盖范围一致。滤光层的覆盖范围与波导片的转折区的覆盖范围一致，也就是说波导片的转折区被滤光层完全覆盖，在波导片的转折区就能完全过滤掉波导片内传播的不完整的信号光，进一步的提升通道内信号光的彩均匀性。
43.由于设置转折区是为了分光，然后在转折区设置滤光层过滤掉不完整的信号光，滤光层的设置面积只需要满足上述目的即可。
44.所以作为上述方案的进一步改进，所述滤光层的覆盖范围与所述转折区的覆盖范围不同。需要注意的是，上述的范围不同可以指滤光层的覆盖范围大于所述转折区的覆盖范围，也可以指滤光层的覆盖范围小于所述转折区的覆盖范围。
45.当滤光层的覆盖范围小于所述转折区的覆盖范围时，这里给出两种示例用于说明，需要说明的是，这里的示例仅用于对本发明的原理说明，并不限定滤光层的形状，除了示例所提到的形状，滤光层还可以是具有弧线边缘的多边形、中间存在孔洞和中间部分间断的多边形等。
46.1.滤光层只布置在光路的前半段就足够完全吸收不完整的信号光。所以没必要把整个转折区对侧都铺满吸收层，如图7所示。
47.2.由于待滤除的光不一定是沿整个转折区往前传播的，在一些情况下，待滤除的光在转折区内的传播路径只是转折区的一个窄条部分，所以只需要在这个信号光传输的区域内设置吸收层即可，如图8所示。
48.作为上述方案的进一步改进，所述滤光层贴附于所述波导片。滤光层与波导片之间需为贴紧关系，这样保证不会破坏波导片的全反射条件，不影响在波导片内的光线传播，进而不影响人眼接收图像光线而观看图像。防止空气间隙对吸收层滤光的影响。综上所述，本发明通过在转折区的波导片表面和内部设置滤光层，用于吸收在其中传播的，视场不完整的指定通道的信号光，以阻止其传播到耦出区参与成像；而保留具有完整视场的通道的信号光，使其正常传播到耦出区参与成像。有效抑制了残缺视场信号光对成像亮度均匀性和彩均匀性的影响，使近眼显示装置具有更好的亮度均匀性和彩还原性。
49.本发明还提出一种显示装置，所述显示装置包括上述的高彩均匀性的衍射光波导。通过采用上述的高彩均匀性的衍射光波导，其满足了ar眼镜多维度扩瞳的需求，使其对不同脸型，不同鼻梁高度等有更好的包容性，显示装置具有更好的亮度均匀性和彩还原性。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
51.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
52.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
54.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
55.当然，本发明还可有其它多种实施方式，基于本实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获得其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

技术特征：

1.一种高彩均匀性的衍射光波导，包括耦入区、耦出区和波导片，所述耦入区和所述耦出区均设于所述波导片上，所述耦入区用于将光机射入的信号光耦合入所述波导片，所述耦出区用于将所述波导片内传输的光线进行扩展和耦出，其特征在于，所述波导片还设有至少两个转折区，所述转折区设于所述耦入区与所述耦出区之间，所述波导片上对应所述转折区的区域设置有滤光层。2.根据权利要求1所述的高彩均匀性的衍射光波导，其特征在于，所述滤光层设于所述转折区的对侧。3.根据权利要求1所述的高彩均匀性的衍射光波导，其特征在于，所述滤光层设于所述转折区的同侧，所述滤光层贴附于所述转折区与所述波导片之间。4.根据权利要求1所述的高彩均匀性的衍射光波导，其特征在于，所述滤光层设于所述波导片的内部。5.根据权利要求1-4所述的高彩均匀性的衍射光波导，其特征在于，所述滤光层的覆盖范围与所述转折区的覆盖范围一致。6.根据权利要求1-4所述的高彩均匀性的衍射光波导，其特征在于，所述滤光层的覆盖范围与所述转折区的覆盖范围不同。7.根据权利要求1所述的高彩均匀性的衍射光波导，其特征在于，所述转折区设置有两个。8.一种显示装置，其特征在于，所述显示装置包括权利要求1-7任一项所述的高彩均匀性的衍射光波导。

技术总结

本发明提出一种高彩均匀性的衍射光波导及显示装置，包括耦入区、耦出区和波导片，耦入区和耦出区设于波导片上，耦入区用于将射入的信号光耦合入波导片，耦出区用于将波导片内传输的光线进行扩展和耦出，波导片设有至少两个转折区，转折区设于耦入区与耦出区之间，波导片上对应转折区的区域设有滤光层。本发明在波导片设有至少两个转折区，转折区设于耦入区与耦出区之间，多个转折区将波长不同的信号光进行分路径传输，波导片上对应转折区的区域设置有滤光层，滤光层滤除某一路径输送的特定信号光外的所有不完整信号光，特定信号光为某一通道信号光或多个通道的信号光，经过滤光之后的信号光从耦出端耦出并合并，形成高彩均匀性的彩图像。性的彩图像。性的彩图像。