[發(fā)明專利]具有兩種超表面光柵的光波導和頭戴式設(shè)備

有效

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• 申請日: 2022-02-15
• 公開（公告）號: CN114200571B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王萌光;李勇;吳斐
• 申請（專利權(quán)）人: 北京亮亮視野科技有限公司
• 主分類號: G02B6/00
• 分類號: G02B6/00;G02B6/124;G02B27/01
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 孟省

本發(fā)明提供了一種具有兩種超表面光柵的光波導和頭戴式設(shè)備。其中，光波導包括光波導片、結(jié)構(gòu)不同的第一和第二超表面光柵；第一超表面光柵包括高度和寬度相同的三個條狀單元；三個條狀單元之間相距第一距離平行設(shè)置組成基本單元，基本單元以第二距離周期性地設(shè)置于光波導片的表面；在條狀單元的高度大于或等于光機發(fā)出光束最小波長三分之一的情況下，光束入射到第一超表面光柵發(fā)生第一次偏轉(zhuǎn)并產(chǎn)生與條狀單元高度成正比的相位差，進入光波導片向兩側(cè)發(fā)生第二次偏轉(zhuǎn)并發(fā)生全反射，分別從二個第二超表面光柵出射在人眼成像，第二超表面光柵只對光束進行單向偏轉(zhuǎn)。本發(fā)明通過第一超表面光柵可以向兩側(cè)實現(xiàn)雙向擴瞳，提高光波導的利用率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超表面技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有兩種超表面光柵的光波導和頭戴式設(shè)備。

背景技術(shù)

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）通過將虛擬圖像投影到人眼與現(xiàn)實空間疊加在一起，形成亦真亦幻的顯示效果。增強現(xiàn)實以其人機可交互性﹑逼真的沉浸感以及豐富的想象空間，為使用者提供了前所未有的體驗，在工業(yè)、消費類電子等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。增強現(xiàn)實顯示設(shè)備的實現(xiàn)方案通常為基于傳統(tǒng)幾何光學透鏡的方案或者基于光波導的方案。

光波導是一種利用光柵實現(xiàn)圖像近眼顯示的技術(shù)，隨著光學元件從毫米級別到微納米級別，從“立體”轉(zhuǎn)向“平面”，促進了光波導在AR設(shè)備中的應(yīng)用。光波導可以通過全反射壓縮將圖像傳導到人眼，具有輕薄、透過率高的特點，外觀接近近視鏡片，比較符合消費級AR設(shè)備的需求。

目前AR行業(yè)中最為領(lǐng)先的微軟的HoloLens，是通過將2到3片光波導片疊加實現(xiàn)三色混色，形成彩色畫面，其中每片光波導片都采用表面浮雕光柵用于光的耦和耦出。多片光波導片疊加使用容易產(chǎn)生色散、鬼影等問題，并且其投影部分光機體積較大、存在多級衍射導致圖像外泄、雙目視差引起的眩暈問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種具有兩種超表面光柵的光波導和頭戴式設(shè)備，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中光波導容易產(chǎn)生色散、鬼影等問題，以及多級衍射導致圖像外泄、雙目視差引起的眩暈問題，可以通過單片光波導實現(xiàn)彩色顯示，提高衍射效率，有效抑制多級衍射，獲得更好的成像效果，可以滿足AR設(shè)備的需求。

第一方面，本發(fā)明提供了一種具有兩種超表面光柵的光波導，包括：光波導片、第一超表面光柵和二個第二超表面光柵；所述第一超表面光柵設(shè)置于所述光波導片靠近光機一側(cè)的表面上的中間區(qū)域，二個所述第二超表面光柵分別設(shè)置于所述光波導片靠近人眼一側(cè)的表面上的左右兩側(cè)區(qū)域；

所述第一超表面光柵與所述第二超表面光柵具有不同的結(jié)構(gòu)，所述第一超表面光柵包括：第一條狀單元、第二條狀單元和第三條狀單元，所述第一條狀單元、所述第二條狀單元和所述第三條狀單元具有相同的高度和寬度，并且條狀單元的寬度小于條狀單元的高度；所述第一條狀單元與所述第二條狀單元、所述第二條狀單元與所述第三條狀單元分別相距第一距離，平行地設(shè)置于所述光波導片的表面上，組成所述第一超表面光柵的基本單元，所述基本單元以第二距離周期性地設(shè)置于所述光波導片的表面上；

在所述條狀單元的高度大于或者等于所述光機發(fā)出的光束最小波長的三分之一的情況下，所述光機發(fā)出的光束入射到所述第一超表面光柵，經(jīng)過所述基本單元發(fā)生第一次偏轉(zhuǎn)，并累計產(chǎn)生所述條狀單元的高度成正比的相位差，進入所述光波導片向兩側(cè)發(fā)生第二次偏轉(zhuǎn)，向兩側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的光束分別在所述光波導片中發(fā)生全反射，并分別從二個所述第二超表面光柵出射在人眼成像，其中，所述第二超表面光柵只對光束進行單向偏轉(zhuǎn)，光束在所述基本單元中三個條狀單元之間的耦合可以忽略。

根據(jù)本發(fā)明提供的具有兩種超表面光柵的光波導，所述第一超表面光柵與所述第二超表面光柵設(shè)置于所述光波導片同一側(cè)的表面上；或者，

所述第一超表面光柵與所述第二超表面光柵設(shè)置于所述光波導片相對兩側(cè)的表面上。