[发明专利]衍射光栅波导和AR显示设备

说明书

本申请提供了一种衍射光栅波导和AR显示设备，包括：波导板；耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，当入射光入射至所述耦入光栅后发生方向改变并进入所述波导板，在所述波导板内全反射后进入所述转折光栅，在所述转折光栅内发生方向改变后进入所述波导板，在所述波导板内全反射后进入所述耦出光栅，在所述耦出光栅内发生方向改变后出射；其中，所述耦入光栅和所述转折光栅的相对位相角ρ等于所述转折光栅和所述耦出光栅的相对位相角ρ；所述耦入光栅和所述耦出光栅的光栅周期均为d，所述转折光栅的光栅周期为d/2cosρ。本申请提供的衍射光栅波导和AR显示设备，耦出光束可以复现耦入光束的信息，降低光束传播中的失真，用户可以看到和图像源一致的画面。

技术领域

本发明涉及近眼显示光学领域，特别涉及一种衍射光栅波导和AR显示设备。

背景技术

在AR等近眼显示系统通常包括图像源、光束准直透镜组、传输波导等核心组件。图像源的图像通常是由微型显示屏来生成显示，光束准直透镜组用于将图像点发出的具有不同角度信息的光束变成平行光，传输波导用于将图像从显示屏传送到人眼，对准直后的光束进行调制。传输波导元件可以包括透镜、反射镜、波导板(管)、全息纹和衍射光栅等。

衍射光栅波导是目前受到行业重视并广泛应用的传输波导，其包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。由于每个光栅处都会发生衍射，图像在经过传播过程出射后会发生重影，耦出光束不能完全地还原耦入光束的信息，造成图像失真。

发明内容

本申请提供了一种衍射光栅波导和AR显示设备，能够使得耦出光束复现耦入光束的信息，用户能够看到与图像源一致的画面。

本申请的第一方面公开了一种衍射光栅波导，所述衍射光栅波导包括：波导板；设置在所述波导板表面的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，当入射光入射至所述耦入光栅后发生方向改变并进入所述波导板，在所述波导板内全反射后进入所述转折光栅，在所述转折光栅内发生方向改变后进入所述波导板，在所述波导板内全反射后进入所述耦出光栅，在所述耦出光栅内发生方向改变后出射；其中，所述耦入光栅和所述转折光栅的相对位相角ρ等于所述转折光栅和所述耦出光栅的相对位相角ρ；所述耦入光栅和所述耦出光栅的光栅周期均为d，所述转折光栅的光栅周期为d/2cosρ。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述相对位相角ρ＝60°，此时所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅的光栅周期均为d。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述耦入光栅的面积小于所述耦出光栅的面积，所述转折光栅的一边靠近所述耦入光栅，所述转折光栅的另一边靠近所述耦出光栅。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述转折光栅包括连续设置且错位的第一部分和第二部分，所述第一部分靠近所述耦入光栅，所述第二部分远离所述耦入光栅，使得进入所述第一部分的光束比进入所述第二部分的光束先发生衍射。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅中的一种或多种为表面光栅，所述表面光栅的光栅周期为250-500nm，槽深度为30-400nm，槽倾角为0-45°。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述耦入光栅使得入射光束发生衍射产生衍射光束，所述衍射光束的衍射极角φ满足：φ≥sin^(-1)(1/n)，其中，n为所述耦入光栅所在的波导板的折射率。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述耦入光栅、所述转折光栅、和所述耦出光栅中的一种或多种为梯形表面浮雕光栅、正弦表面浮雕光栅、全息光栅。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述耦入光栅、所述转折光栅、所述耦出光栅位于所述波导板的同一侧。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述波导板为玻璃基体、光学胶基体或者表面具有光学胶层的玻璃层。

本申请的第二方面公开了一种AR显示设备，所述显示设备包括上述第一方面中的衍射光栅波导。