波导片、衍射光波导显示装置的制作方法

本申请涉及增强现实，特别是一种波导片、衍射光波导显示装置。

背景技术：

1、增强现实(augmented reality，ar)技术，是一种将虚拟信息与真实世界环境相结合的技术，通过显示设备将虚拟元素叠加在用户的真实视图中。光波导装置是决定高质量的增强现实体验是否能实现的关键组件之一。

2、现有光波导装置在使用过程中存在以下问题：

3、首先，由于耦合效率有限，光信号在传输过程中发生衰减，导致亮度降低。其次，输出光束的亮度均匀性不佳，出现亮度差异或不均匀分布的情况。这些问题会影响增强现实体验的质量和稳定性。

4、为了解决上述问题，现有主要在光波导装置中采用倾斜光栅和渐变光栅，以提高光效。

5、倾斜光栅通过在光波导通路中引入斜向耦合来增加光的耦合效率，通过优化光栅参数和倾斜角度，显著提高光信号的耦合效率，增强输出光束的亮度。如cn202010921027.x中公开了用于ar设备的光波导装置及其制造方法和ar设备，该设备中第一光栅选用了倾斜光栅，但该装置并未对所用光栅的设计参数进行优化，且所得装置也无法实现对成像均匀性提高。

6、渐变光栅是一种具有逐渐变化耦合系数的光栅结构。通过在光波导中引入渐变耦合的特性，可以增加不同位置的光信号的耦合效率，实现输出光束亮度均匀性的提高。未见现有技术中将渐变光栅用于光波导装置中。

7、公开于背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本申请提供了一种衍射光波导显示装置，该装置中所用光波导光栅经过微纳结构参数设计，可以解决现有光波导产品光效低和亮度均匀性差的问题，具有体积小，重量轻，可设计性强、易加工等优点。

2、本申请提供了一种衍射光波导显示装置，包括：微显示屏、准直镜头及波导片，微显示屏通过准直镜头与波导片光路连接；其特征在于，波导片上设置依序光路连接的耦入光栅设置区、扩展光栅设置区、耦出光栅设置区；

3、耦入光栅设置区与准直镜头光路连接；耦出光栅设置区向用户传输图像信息；

4、耦入光栅设置区上设置耦入光栅；扩展光栅设置区上设置扩展光栅；耦出光栅设置区上设置耦出光栅；耦入光栅为矩形光栅或倾斜光栅；扩展光栅为矩形光栅或转折光栅；转折光栅、耦出光栅采用占空比渐变式结构；

5、耦入光栅与耦出光栅常数一致；扩展光栅的光栅常数为耦入光栅或耦出光栅常数的0.4～0.8范围之内。

6、优选地，耦入光栅为矩形光栅时，扩展光栅、耦出光栅均为矩形光栅。

7、优选地，微显示屏包括：显示面板、排线、pcb板；显示面板通过排线与pcb板电连接；pcb板用于处理本底或远程输入的图像信号；显示面板用于将排线输入的图像转换为可见光信号并向准直镜头传输；显示面板与准直镜头的一端光路连接。

8、优选地，微显示屏向准直镜头输出光线波长范围在380nm～780nm之间，输入光线角度相对于准直镜头内的镜头组光轴范围在0°-45°之间，焦距范围在10mm-20mm之间，入瞳直径在5mm-15mm之间，出瞳直径在3mm-10mm之间。

9、优选地，耦入光栅用于对垂直入射的平行光进行衍射，使得非零级衍射光满足全反射条件；

10、扩展光栅用于对耦入光栅的入射光实现至少两个方向的扩展及传输；

11、耦出光栅用于通过衍射将扩展光栅传入的光导出到用户端。

12、优选地，波导片包括：片体，片体上镀有折射率大于等于1.9的介质膜层；介质膜层的材料为二氧化钛、二氧化铪、铌酸锂、聚乙烯基苯基硫醚、聚苯胺中至少一种。

13、优选地，耦入光栅、转折光栅、耦出光栅的形状、周期、占空比、倾斜角为渐变形式。

14、优选地，采用优化算法根据入射光波长和角度优化得到耦入光栅、转折光栅、耦出光栅的形状、周期、占空比、倾斜角、高度。

15、优选地，优化算法为最速下降法、遗传算法、粒子群算法或模拟退火算法中的至少一种。

16、优选地，耦入光栅、转折光栅、耦出光栅的结构参数的优化结果选取标准为耦出图像的平均输出亮度和均匀性在60％以上。

17、本申请能产生的有益效果包括：

18、1)本申请所提供的衍射光波导显示装置，该装置中成像均匀性可达62.875％，相较现有结构的装置的成像均匀性为9.78％得到显著提高。成像亮度也有显著提高，相对现有装置可提高1500cd/m2的亮度提高到了2500cd/m2。

19、2)本申请所提供的衍射光波导显示装置，本装置通过在波导片上设置耦入光栅、扩展光栅、耦出光栅，并对3种光栅的形状、周期、占空比、倾斜角等微纳结构参数进行优化，使得用于近眼显示系统的光波导衍射装置的输出亮度均匀性从9.8％提升到了62.9％，极大程度上提升了用户的观看使用体验。

技术特征：

1.一种波导片，其特征在于，波导片上设置依序光路连接的耦入光栅设置区、扩展光栅设置区、耦出光栅设置区；

2.根据权利要求1所述的波导片，其特征在于，耦入光栅为矩形光栅时，扩展光栅、耦出光栅均为矩形光栅。

3.根据权利要求1所述的波导片，其特征在于，微显示屏包括：显示面板、排线、pcb板；显示面板通过排线与pcb板电连接；pcb板用于处理本底或远程输入的图像信号；显示面板用于将排线输入的图像转换为可见光信号并向准直镜头传输；显示面板与准直镜头的一端光路连接。

4.根据权利要求1所述的波导片，其特征在于，微显示屏向准直镜头输出光线波长范围在380nm～780nm之间，输入光线角度相对于准直镜头内的镜头组光轴范围在0°-45°之间，焦距范围在10mm-20mm之间，入瞳直径在5mm-15mm之间，出瞳直径在3mm-10mm之间。

5.根据权利要求1所述的波导片，其特征在于，耦入光栅用于对垂直入射的平行光进行衍射，使得非零级衍射光满足全反射条件；

6.根据权利要求1所述的波导片，其特征在于，波导片包括：片体，片体上镀有折射率大于等于1.9的介质膜层；介质膜层的材料为二氧化钛、二氧化铪、铌酸锂、聚乙烯基苯基硫醚、聚苯胺中至少一种。

7.根据权利要求1所述的波导片，其特征在于，耦入光栅、转折光栅、耦出光栅的形状、周期、占空比、倾斜角为渐变形式。

8.根据权利要求1所述的波导片，其特征在于，耦入光栅、转折光栅、耦出光栅的形状、周期、占空比、倾斜角等结构参数采用优化算法根据入射光波长和角度进行优化得到；

9.根据权利要求8所述的波导片，其特征在于，耦入光栅、转折光栅、耦出光栅的结构参数的优化结果选取标准为耦出图像的平均输出亮度和均匀性在60％以上。

10.一种衍射光波导显示装置，其特征在于，包括：微显示屏、准直镜头及波导片，微显示屏通过准直镜头与波导片光路连接；波导片具有如权利要求1～9中任一项所述的结构。

技术总结本申请公开了一种波导片、衍射光波导显示装置，波导片上设置依序光路连接的耦入光栅设置区、扩展光栅设置区、耦出光栅设置区；耦入光栅设置区与准直镜头光路连接；耦出光栅设置区向用户传输图像信息；耦入光栅设置区上设置耦入光栅；扩展光栅设置区上设置扩展光栅；耦出光栅设置区上设置耦出光栅。本装置通过在波导片上设置耦入光栅、扩展光栅、耦出光栅，并对3种光栅的形状、周期、占空比、倾斜角等微纳结构参数进行优化，使得用于近眼显示系统的光波导衍射装置的输出亮度均匀性从9.8％提升到了62.9％,极大程度上提升了用户的观看使用体验。技术研发人员：汪云,李耀斌,赵恒,李娇娇,李廷涛,龚燕妮,王乙瑾,褚祝军,吴佩遥,黄峻堃,王婷,杨琼连,曾进能受保护的技术使用者：北方夜视技术股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/12