消色差光栅及制备方法、光波导装置、AR近眼显示设备

本发明涉及显示，特别是涉及一种消色差光栅、光波导装置、ar显示设备。

背景技术：

1、ar(augmented reality)显示设备将虚拟影像叠加到现实影像上，可以实现虚拟和显示结合的显示效果。衍射光波导具有超轻超薄、扩瞳范围大、透明度高和量产成本低等优势，是当下实现ar显示的主流方案之一。

2、为了给佩戴者提供更加优质的视觉体验，全彩显示是增强现实技术的发展趋势，传统的衍射光波导在进行全彩显示时，由于作为波导耦合器的光栅对不同波长光的衍射角度与衍射效率不同，会产生色差，对显示的质量造成影响。

3、为了解决色差问题，目前的ar产品多采用多波导方案，即将作为光学显示三基色的红绿蓝(rgb)光分别耦合到三片不同的波导中进行传输，以消除色差。这种方案虽然可以减轻光波导的色差，但是会引入片间串扰、界面反射以及增大系统体积和重量，对佩戴舒适度产生影响，并且不同颜色光的效率很难保持一致，难以实现良好的显示效果。

技术实现思路

1、本发明在于提供一种消色差光栅及制备方法、消色差光波导装置、ar近眼显示设备，以解决传统ar波导中出现的色散、色差等问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种消色差光栅，其特征在于，包括：

4、所述消色差光栅的结构被配置为能够使像源光线中红光、绿光和蓝光分别进行不同的高阶衍射，以使调制后的所述红光、所述绿光和所述蓝光的衍射角相同；所述红光的波长、所述绿光的波长、所述蓝光的波长和其对应的衍射阶数满足：

5、mrλr＝mgλg＝mbλb

6、mr为红光的衍射阶数；

7、mg为绿光的衍射阶数；

8、mb为蓝光的衍射阶数；

9、λr为红光的波长；

10、λg为绿光的波长；

11、λb为蓝光的波长；

12、其中，当所述红光的波长与其对应的衍射阶数的乘积、所述蓝光的波长与其对应的衍射阶数的乘积、所述绿光的波长与其对应的衍射阶数的乘积中的最大值与最小值之间的差值不超过最小值的5％时，视为满足上述公式。在其中一个实施例中，所述红光的波长是663nm，所述绿光的波长是530nm，所述蓝光的波长为442nm，经所述消色差光栅调制后的所述红光的+4阶衍射角、所述绿光的+5阶衍射角和所述蓝光的+6阶衍射角相同。

13、在其中一个实施例中，所述消色差光栅的周期与所述红光的波长的比值、所述消色差光栅的周期与所述绿光的波长的比值和所述消色差光栅的周期与所述蓝光的波长的比值均大于2。

14、一种消色差光栅制备方法，包括如下步骤：

15、选择具有红光、绿光、蓝光的像源光线；

16、根据所述红光的波长、所述绿光的波长、所述蓝光的波长，配置消色差光栅的结构，使得所述红光、所述绿光、所述蓝光能够在所述消色差光栅处发生不同的高阶衍射，且所述红光的波长、所述绿光的波长、所述蓝光的波长和其对应的衍射阶数满足：

17、mrλr＝mgλg＝mbλb

18、mr为红光的衍射阶数；

19、mg为绿光的衍射阶数；

20、mb为蓝光的衍射阶数；

21、λr为红光的波长；

22、λg为绿光的波长；

23、λb为蓝光的波长；

24、其中，当所述红光的波长与其对应的衍射阶数的乘积、所述蓝光的波长与其对应的衍射阶数的乘积、所述绿光的波长与其对应的衍射阶数的乘积中的最大值与最小值之间的差值不超过最小值的5％时，视为满足上述公式。

25、一种光波导装置，包括耦入结构、波导基体和耦出结构，所述耦入结构设于所述波导基体且用于将像源光线耦入至所述波导基体并在所述波导基体反射至所述耦出结构，所述耦出结构设于所述波导基体用于将所述波导基体中传播的所述像源光线从所述波导基体耦出；所述耦入结构和所述耦出结构中的至少一者为上述消色差光栅或者上述制备方法制得的消色差光栅。

26、在其中一个实施例中，所述耦入结构和所述耦出结构皆为所述消色差光栅，所述耦入结构的周期和所述耦出结构的周期相同。

27、在其中一个实施例中，所述光波导装置还包括偏振组件，所述偏振组件包括偏振反射镜、相位延迟片和全反射镜，所述偏振反射镜设置于所述像源光线的图像源和所述耦入结构之间且位于所述图像源的发光路径上，所述相位延迟片设置于所述耦入结构背向所述偏振反射镜的一侧，所述全反射镜设置于所述相位延迟片背向所述耦入结构的一侧；

28、所述像源光线经所述偏振反射镜进入所述耦入结构后，所述像源光线的部分光线被所述耦入结构耦入至所述波导基体，剩余光线穿过所述耦入结构经所述相位延迟片转换后被所述全反射镜反射，反射后的剩余光线经所述相位延迟片再次进入所述耦入结构且至少部分被所述耦入结构耦入至所述波导基体，使得所述像源光线至少被所述耦入光线耦入至所述波导基体四次。

29、在其中一个实施例中，所述耦入结构为非衍射的光学元件，所述光学元件用于将所述像源光线耦入到所述波导基体，所述耦出结构为所述消色差光栅。

30、在其中一个实施例中，所述波导基体具有相互平行的第一表面和第二表面，所述光学元件的延伸方向与所述第一表面呈夹角设置，所述光学元件能够通过反射或者折射的方式将所述像源光线耦入所述波导基体，以使所述像源光线在所述波导基体的所述第一表面和所述第二表面之间反射至所述耦出结构。

31、一种ar近眼显示设备，包括：

32、可穿戴支架；以及

33、上述波导装置，设于所述可穿戴支架。

34、由上述技术方案可知，本发明实施例至少具有如下优点和积极效果：

35、本发明实施例的消色差光栅及制备方法、光波导装置、ar近眼显示设备中，利用入射光线的不同波长匹配不同的衍射阶数，使入射光线的波长与其衍射阶数的乘积为一常数，从而使光栅实现了多波长消色差，同时解决了现有衍射光波导显示色彩均匀性差的问题。

技术特征：

1.一种消色差光栅，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的消色差光栅，其特征在于，所述红光的波长是663nm，所述绿光的波长是530nm，所述蓝光的波长为442nm，经所述消色差光栅调制后的所述红光的+4阶衍射角、所述绿光的+5阶衍射角和所述蓝光的+6阶衍射角相同。

3.根据权利要求1所述的消色差光栅，其特征在于，所述消色差光栅的周期与所述红光的波长的比值、所述消色差光栅的周期与所述绿光的波长的比值和所述消色差光栅的周期与所述蓝光的波长的比值均大于2。

4.一种消色差光栅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.一种光波导装置，其特征在于，包括耦入结构、波导基体和耦出结构，所述耦入结构设于所述波导基体且用于将像源光线耦入至所述波导基体并在所述波导基体反射至所述耦出结构，所述耦出结构设于所述波导基体且用于将所述波导基体中传播的所述像源光线从所述波导基体耦出；所述耦入结构和所述耦出结构中的至少一者为如权利要求1至2任一项所述的消色差光栅或者由权利要求3所述的制备方法制得的消色差光栅。

6.根据权利要求5所述的光波导装置，其特征在于，所述像源光线经所述耦入结构调制后的衍射角大于所述波导基体的全反射角，以使所述像源光线被耦入所述波导基体后能够以全反射的方式反射至所述耦出结构。

7.根据权利要求5所述的光波导装置，其特征在于，所述光波导装置还包括偏振组件，所述偏振组件包括偏振反射镜、相位延迟片和全反射镜，所述偏振反射镜设置于所述像源光线的图像源和所述耦入结构之间且位于所述图像源的发光路径上，所述相位延迟片设置于所述耦入结构背向所述偏振反射镜的一侧，所述全反射镜设置于所述相位延迟片背向所述耦入结构的一侧；

8.根据权利要求5所述的光波导装置，其特征在于，所述耦入结构为非衍射的光学元件，所述光学元件用于将所述像源光线耦入到所述波导基体，所述耦出结构为所述消色差光栅。

9.根据权利要求8所述的光波导装置，其特征在于，所述波导基体具有相互平行的第一表面和第二表面，所述光学元件的延伸方向与所述第一表面呈夹角设置，所述光学元件能够通过反射或者折射的方式将所述像源光线耦入所述波导基体，以使所述像源光线在所述波导基体的所述第一表面和所述第二表面之间反射至所述耦出结构。

10.一种ar近眼显示设备，其特征在于，包括：

技术总结本发明涉及一种消色差光栅及制备方法、光波导装置、AR近眼显示设备。消色差光栅的结构被配置为根据像源光线中红光的波长、绿光的波长、蓝光的波长分别匹配不同的高阶衍射进行调制，使红光的波长与其衍射阶数的乘积、蓝光的波长与其衍射阶数的乘积、绿光的波长与其衍射阶数的乘积为同一常数，以使调制后的红光、绿光和蓝光的衍射角相同，从而使光栅实现了多波长消色差，同时解决了现有衍射光波导显示色彩均匀性差的问题。技术研发人员：田仲韬,孙小卫,朱秀玲受保护的技术使用者：南方科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29