WO2023160159A1 - 光波导及近眼显示设备 - Google Patents

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    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic

Definitions

  • the shape of the outermost edge of the projection of the first turning grating on the first lens is a right triangle, one right-angled side of the right-angled triangle is adjacent to the coupling-in grating, and the length of the right-angled side is slightly longer than the stripes of the coupling-in grating
  • the length of the right triangle, the hypotenuse of the right triangle is towards the first outcoupling grating
  • the shape of the outermost edge of the projection of the second turning grating on the second lens is another right triangle, and one right angle side of the other right triangle is adjacent to the incoupling grating , and the length of the right-angled side is slightly longer than the length of the stripes of the in-coupling grating, and the hypotenuse of the other right-angled triangle faces the second out-coupling grating.
  • each stripe of the first upper sub-grating extends from one edge of the first lens along the Y-axis direction to the junction of the first upper outcoupling region and the first lower outcoupling region;
  • the other edge of one lens extends to the junction of the first upper outcoupling region and the first lower outcoupling region along the X-axis direction;
  • each stripe of the second upper sub-grating extends from one edge of the second lens along the Y-axis direction to the first The junction of the second upper outcoupling region and the second lower outcoupling region;
  • the second lower sub-grating extends from the other edge of the second lens along the X-axis direction to the junction of the second upper outcoupling region and the second lower outcoupling region.
  • both the first refraction grating and the second refraction grating are two-dimensional diffraction gratings.
  • the first turning grating and the second turning grating are both parallel to the X-axis direction and the Y-axis direction so that the gratings intersect.
  • any one of the incoupling grating, the first inflection grating, the second inflection grating, the first outcoupling grating and the second outcoupling grating is a vertical grating or an oblique grating.
  • the grating period of any one of the incoupling grating, the first inflection grating, the second inflection grating, the first outcoupling grating and the second outcoupling grating is less than 1 micron.
  • the structural parameters of any one of the coupling-in grating, the first inflection grating, the second inflection grating, the first out-coupling grating and the second out-coupling grating such as grating height, width, duty cycle, period, and tilt angle
  • the optimization of one or more of them can realize the wavelength selection function, that is, the diffraction efficiency of light in a certain wavelength range can be higher, while the diffraction efficiency of light in the rest of the wavelength range is lower, thereby improving the exit pupil
  • the incoupling grating, the first inflection grating, the second inversion grating, the first outcoupling grating and the second outcoupling grating are all formed on the same side of the waveguide substrate; or are formed on different sides of the waveguide substrate.
  • the coupling-in grating, the first inflection grating, the second inversion grating, the first outcoupling grating and the second outcoupling grating when all the grating structures are located on the same side of the waveguide substrate, processing the grating on the waveguide substrate
  • the waveguide substrate is transparent glass or transparent organic material, and the refractive index of the waveguide substrate ranges from 1.7 to 2.5.
  • the waveguide substrate is transparent, so that the user can clearly see real images in the real world through the first lens and the second lens.
  • the refractive index of the waveguide substrate is in the range of 1.7 to 2.5, which is beneficial for incident light to meet the total reflection condition and enter the optical waveguide.
  • the optical waveguide further includes a transparent protective layer, and the protective layer covers at least one of the incoupling grating, the first inflection grating, the second inflection grating, the first outcoupling grating, and the second outcoupling grating, and the protective layer
  • the refractive index is less than that of the waveguide substrate. Since the refractive index of the protective layer is smaller than that of the waveguide base material, it is favorable for the incident light to meet the total reflection condition to enter the optical waveguide.
  • the protection layer is bonded to at least one of the incoupling grating, the first inflection grating, the second inversion grating, the first outcoupling grating and the second outcoupling grating through transparent glue.
  • the transparent glue is low refractive index, its refractive index is smaller than that of the waveguide substrate.
  • the refractive index of the transparent glue is smaller than that of the waveguide substrate, which is beneficial for the incident light to meet the total reflection condition and enter the optical waveguide.
  • the protective layer is fully bonded to the waveguide substrate through the transparent glue. There is no air layer between the protective layer and the waveguide substrate.
  • the full lamination of the protective layer and the waveguide base material is conducive to improving the impact resistance of the entire optical waveguide.
  • the transparent glue can absorb part of the impact and prevent the optical waveguide from being broken by force.
  • the method of fully laminating the protective layer and the waveguide substrate omits the air layer between the protective layer and the waveguide substrate, the optical waveguide is more beautiful, and the probability of dust ingress is reduced, the picture is more transparent, and the display effect is enhanced. .
  • the first inflection grating and the second inflection grating are axisymmetric to the centerline of the optical waveguide in the Y-axis direction; the first outcoupling grating and the second outcoupling grating are axisymmetric to the centerline of the optical waveguide in the Y-axis direction.
  • the optical waveguide is symmetrical about the left and right along the X-axis direction, so that the propagation paths of the first diffracted light and the second diffracted light are symmetrical before reaching the human eye, so that the symmetrical expansion of the field of view can be realized, thereby providing a good
  • the balance makes the image effect seen by both eyes of the user consistent.
  • the second aspect of the present application provides a near-eye display device, which includes:
  • the display is arranged corresponding to the connection part
  • the optical waveguide included in the near-eye display device is coupled with a grating to bidirectionally transmit the incident light, thereby realizing binocular display with one display, reducing the number of displays, reducing the weight of the near-eye display device, and improving the wearing comfort of the user . Further, production costs can also be reduced due to the reduction in the number of displays.
  • FIG. 1 is a three-dimensional schematic diagram of a near-eye display device according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the optical waveguide in FIG. 1 .
  • FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view of an optical waveguide in an embodiment of the present application.
  • FIG. 6 is a schematic partial cross-sectional view of an optical waveguide in another embodiment of the present application.
  • FIG. 7 is a schematic partial cross-sectional view of an optical waveguide in yet another embodiment of the present application.
  • the second upper sub-grating 1221 is the second upper sub-grating 1221
  • the first lens 11 and the second lens 12 transmit images of the real world to the user's eyes, for example, the real world is a shop. At this time, what the user sees is a real image of a store.
  • the display 20 can provide virtual images to the first lens 11 and the second lens 12 , such as virtual images of commodities and salespersons. At this time, the first lens 11 and the second lens 12 transmit the virtual image provided by the display 20 to the user, and the image the user sees is a virtual salesperson selling commodities in a real store.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the optical waveguide in FIG. 1 .
  • the structure of the optical waveguide 10a in the near-eye display device 100a will be described in detail below with reference to FIG. 1 and FIG. 2 .
  • take any point in the space as the origin take the thickness direction of the optical waveguide 10a as the Z-axis direction, and the direction that the optical waveguide 10a points to the display 20 as the positive direction of the Z-axis; take the geometric center of the first lens 11 and the second lens
  • the straight line where the geometric centers of 12 are located is the X-axis direction, and the direction that the geometric center of the first lens 11 points to the geometric center of the second lens 12 is the positive direction of the X-axis; the direction that is perpendicular to the Z-axis and the X-axis simultaneously is A Cartesian coordinate system is established in the Y-axis direction.
  • the light diffracted by the first turning grating 111a and propagating in the negative direction of the X-axis is totally reflected in the first lens 11 and propagates to the first upper outcoupling region, then is diffracted by the first upper sub-grating 1121 and then outcoupled from the optical waveguide 10a, and Along the negative direction of the Z axis, it is emitted vertically to the left eye of the person.
  • the second lens 12 is divided into a second upper outcoupling region (not shown) approximately located on the upper right of the second lens 12 and a second upper outcoupling region (not shown) approximately located on the upper right of the second lens 12 . 12 on the lower left second outcoupling area (not shown).
  • the second outcoupling grating 122a includes a second upper sub-grating 1221 and a second lower sub-grating 1222 respectively located in the second upper outcoupling region and the second lower outcoupling region.
  • the second upper sub-grating 1221 and the second lower sub-grating 1222 are respectively located on the right side and the lower side of the second turning grating 121a.
  • Both the second upper sub-grating 1221 and the second lower sub-grating 1222 are one-dimensional diffraction gratings
  • the second upper sub-grating 1221 includes a plurality of stripes parallel to the Y axis
  • the second lower sub-grating 1222 includes a plurality of stripes parallel to the X axis. That is to say, the stripes of the second upper sub-grating 1221 and the second lower sub-grating 1222 form a certain angle with the stripes of the second turning grating 121a.
  • the light diffracted by the second refraction grating 121a and propagating forward along the X-axis is totally reflected in the second lens 12 and propagates to the second upper outcoupling region, then is diffracted by the second upper sub-grating 1221 and then outcoupled from the optical waveguide 10a, and Along the negative direction of the Z axis, it is emitted vertically to the right eye of the person.
  • the grating 131 can be coupled into the optical waveguide 131 to transmit the incident light in both directions, thereby realizing binocular display by using one display, reducing the number of displays, reducing the weight of the near-eye display device, and improving the wearability of the user. comfort. Further, production costs can also be reduced due to the reduction in the number of displays.
  • the optical waveguide included in the near-eye display device may omit the first and second folding gratings. That is, after the light emitted by the display is coupled into the optical waveguide, the incident light is coupled into the grating and diffracted to form the first diffracted light transmitted in the first lens and the second diffracted light transmitted in the second lens. The first diffracted light and the second diffracted light are directly coupled out of the first lens and the second lens through the first outcoupling grating and the second outcoupling grating respectively, and then enter the human eye for imaging.
  • FIG. 3 is a three-dimensional schematic diagram of a near-eye display device according to another embodiment of the present application.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of the optical waveguide in FIG. 3 .
  • the difference between the near-eye display device 100b and the near-eye display device 100a is that the types and arrangements of the first inflection grating, the second inflection grating, the first outcoupling grating and the second outcoupling grating are different.
  • the first outcoupling grating 112b is an arc-shaped one-dimensional diffraction grating.
  • the first outcoupling grating 112b includes a plurality of arc-shaped stripes arranged in concentric circles with openings facing the first inflection grating 111b.
  • a plurality of arc-shaped stripes extend from one right-angled edge (upper edge or left edge) of the first lens 11 to another right-angled edge (right edge or lower edge) of the first eyeglass 11, and the arc-shaped stripe part It surrounds the first deflection grating 111b and fills most of the surface of the first lens 11 to achieve a large-area eye movement range.
  • the second deflection grating 121b diffracts the incident light uniformly to the fourth wave formed by the positive direction of the X-axis and the negative direction of the Y-axis.
  • the diffracted light continues to be totally reflected in the second lens 12 and propagates to the second outcoupling grating 122b, and is coupled out of the optical waveguide 10b after being diffracted by the second outcoupling grating 122b, and then vertically exits to the right side of the person along the negative direction of the Z axis. Eye.
  • the grating 131 can be coupled into the incident light to transmit the incident light in both directions, thereby realizing binocular display with one display, reducing the number of displays, reducing the weight of the near-eye display device 100b, and improving the wearability of the user. comfort. Further, production costs can also be reduced due to the reduction in the number of displays.
  • the incoupling grating 131, the first turning grating 111a (or the first turning grating 111b), the second turning grating 121a (or the second turning grating 121b), the first outcoupling grating 112a (or the first outcoupling The grating 112b) and the second outcoupling grating 122a (or the second outcoupling grating 122b) can both be formed on the same side of the waveguide substrate (for example, when the optical waveguide and the display are assembled, the above grating structures are all located on the waveguide substrate close to the display One side of the waveguide substrate, or the above-mentioned grating structure is located on the side of the waveguide substrate away from the display), so as to facilitate processing; or randomly formed on different sides of the waveguide substrate (such as, when the optical waveguide and the display are assembled, in the above-mentioned grating structure, Part of the grating structure is located on the side of the waveguide substrate close to the
  • FIG. 5 to 8 are partial cross-sectional schematic views of optical waveguides in different embodiments of the present application.
  • surface relief gratings 14 are processed on the surface of the same side of the same waveguide substrate 10 .
  • the microstructure of the surface relief grating 14 is convex or concave relative to the surface of the waveguide substrate 10 .
  • the surface relief grating 14 on the left is an oblique grating
  • the surface relief grating 14 on the right is a vertical grating.
  • the transparent glue 16 fills the recesses formed on the surface of the waveguide substrate 10 and bonds the protective layer 17 and the waveguide substrate 10 .
  • the protective layer 17 serves to protect the grating structure from external aggressions.
  • the protective layer can also be attached to the periphery of the waveguide substrate through a transparent frame glue, and the central area between the protective layer and the waveguide substrate is an air layer. Understandably, in the optical waveguide 10a, two of the incoupling grating 131, the first inflection grating 111a, the second inflection grating 121a, the first outcoupling grating 112a and the second outcoupling grating 122a may be the ones shown in FIG. Two surface relief gratings 14 .
  • two of the incoupling grating 131, the first inflection grating 111b, the second inflection grating 121b, the first outcoupling grating 112b and the second outcoupling grating 122b can be the two surface reliefs in FIG. grating14.

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Abstract

本申请实施例涉及显示技术领域，旨在解决现有的可实现双眼显示的近眼显示设备重量大，导致使用者的佩戴不适性的问题，并提供一种光波导及应用该光波导的近眼显示设备。该光波导包括第一镜片、第二镜片、连接第一镜片和第二镜片的连接部、耦入光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅。耦入光栅位于连接部上用于将入射光耦入所述光波导。所述入射光经耦入光栅衍射后，形成在第一镜片内传输的第一衍射光和在所述第二镜片内传输的第二衍射光。第一耦出光栅位于所述第一镜片上用于将第一衍射光耦出第一镜片。第二耦出光栅位于所述第二镜片上用于将第二衍射光耦出第二镜片。该近眼显示设备重量轻，佩戴舒适。

Description

光波导及近眼显示设备
相关申请的交叉引用
本申请要求在2022-02-28提交中国专利局、申请号为202210186270.0、申请名称为“光波导及近眼显示设备”的中国专利的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种光波导及应用其的近眼显示设备。
背景技术
现有的可实现双眼显示的近眼显示设备通常包括分别负责双眼成像的两个光波导。其中，对应每个光波导设置有一个显示器，每个显示器出射的光只能在单个光波导内传播。因此，现有的双眼显示的近眼显示设备需要两个显示器，导致现有的双眼显示的近眼显示设备重量大，使用者佩戴不舒适。
发明内容
本申请第一方面提供一种光波导，其包括：
第一镜片、第二镜片及连接第一镜片和第二镜片的连接部；
耦入光栅，位于连接部上，用于将入射光耦入光波导，其中，入射光经耦入光栅衍射后，形成在第一镜片内传输的第一衍射光和在第二镜片内传输的第二衍射光；
第一耦出光栅，位于第一镜片上，用于将第一衍射光耦出第一镜片；以及
第二耦出光栅，位于第二镜片上，用于将第二衍射光耦出第二镜片。
该光波导中，耦入光栅能够使入射光衍射后，分别在第一镜片和第二镜片上传播。当该光波导应用于近眼显示设备时，近眼显示设备可仅对应耦入光栅的位置设置一个显示器，使显示器的光入射至耦入光栅后，衍射形成的第一衍射光和第二衍射光，分别在第一镜片和第二镜片上传输，进而实现双眼显示。如此，可减少了近眼显示设备中显示器的数量，降低近眼显示设备的重量，提升使用者佩戴的舒适感。
一些实施例中，第一镜片、第二镜片及连接部由同一片波导基材一体成型。相较于第一镜片、第二镜片及连接部分别加工再通过胶或其他机械结构连接的方式，一体成型可简化加工流程，并保证第一镜片、第二镜片及连接部的光学平面的一致性，提高生产良率。
一些实施例中，以光波导的厚度方向为Z轴方向，以第一镜片和第二镜片的几何中心连线所在的直线为X轴方向，以同时垂直于Z轴和X轴的方向为Y轴方向；耦入光栅为一维衍射光栅，耦入光栅包括平行于Y轴的多个条纹。耦入光栅能够对入射光衍射产生两个相反方向上的衍射光，以使得分别在第一镜片和第二镜片内传输的光可利用一个显示器产生。
一些实施例中，光波导还包括第一转折光栅以及第二转折光栅。第一转折光栅位于第一镜片上，用于将第一衍射光进行扩展，其中，扩展后的第一衍射光通过第一镜片传输至第一耦出光栅。第二转折光栅位于第二镜片上，用于将第二衍射光进行扩展，其中，扩展后的第 二衍射光通过第二镜片传输至第二耦出光栅。通过设置第一转折光栅以及第二转折光栅分别对第一衍射光和第二衍射光进行扩展，可扩大光波导中光传输的范围，增大有效动眼框的范围。
一些实施例中，第一转折光栅在第一镜片上的投影的最外缘的形状呈直角三角形，直角三角形的一个直角边紧邻耦入光栅，且该直角边的长度略大于耦入光栅的条纹的长度，直角三角形的斜边朝向第一耦出光栅；第二转折光栅在第二镜片上的投影的最外缘的形状呈另一直角三角形，另一直角三角形的一个直角边紧邻耦入光栅，且该直角边的长度略大于耦入光栅的条纹的长度，另一直角三角形的斜边朝向第二耦出光栅。第一转折光栅和第二转折光栅采用直角三角形的设置，利于将耦入光栅中衍射出的光最大化地传输至第一转折光栅和第二转折光栅中，并将第一转折光栅和第二转折光栅衍射出的光最大化地经第一耦出光栅或第二耦出光栅传输至人眼中，提高光线的利用率。
一些实施例中，第一转折光栅和第二转折光栅均为一维衍射光栅，第一转折光栅包括与X轴呈第一角度的多个条纹；第二转折光栅包括与X轴呈第二角度的多个条纹。或者说，第一转折光栅的条纹、第二转折光栅的条纹均与耦入光栅的条纹呈一定角度，如此，耦入光栅衍射出的光经第一转折光栅和第二转折光栅后，可实现光路的转折以及实现横向扩瞳和纵向扩瞳。
一些实施例中，第一角度的范围为100°至170°，第二角度的范围为100°至170°。当第一角度大于170°或小于100°时，第一转折光栅对入射光的转折效果变差，或基本不发生转折。因此，第一角度的范围为100°至170°，可使第一转折光栅对入射其上的光具有较佳的转折效果。同理，当第二角度大于170°或小于100°时，第二转折光栅对入射光的转折效果变差，或基本不发生转折。因此，第二角度的范围为100°至170°，可使第二转折光栅对入射其上的光具有较佳的转折效果。
一些实施例中，沿着与X轴呈45°夹角的方向，第一镜片被分为第一上耦出区域和第一下耦出区域；第一耦出光栅包括分别位于第一上耦出区域和第一下耦出区域的第一上子光栅和第一下子光栅；沿着与X轴呈135°夹角的方向，第二镜片被分为第二上耦出区域和第二下耦出区域；第二耦出光栅包括分别位于第二上耦出区域和第二下耦出区域的第二上子光栅和第二下子光栅；第一上子光栅、第一下子光栅、第二上子光栅、第二下子光栅均为一维衍射光栅，第一上子光栅和第二上子光栅均包括平行于Y轴的多个条纹，第一下子光栅和第二下子光栅均包括平行于X轴的多个条纹。也就是说，第一上子光栅的条纹、第一下子光栅的条纹均与第一转折光栅的条纹呈一定角度。第二上子光栅的条纹、第二下子光栅的条纹均与第二转折光栅的条纹呈一定角度。如此，第一转折光栅衍射的沿X轴负向传播的光线在第一镜片内全反射传播至第一上耦出区域后，经第一上子光栅衍射后耦出光波导，并沿Z轴负方向垂直出射至人的左眼。第一转折光栅衍射的沿Y轴负向传播的光线在第一镜片内全反射传播至第一下耦出区域后，经第一上下光栅衍射后耦出光波导，并沿Z轴负方向垂直出射至人的左眼。第二转折光栅衍射的沿X轴正向传播的光线在第二镜片内全反射传播至第二上耦出区域后，经第二上子光栅衍射后耦出光波导，并沿Z轴负方向垂直出射至人的右眼。第二转折光栅衍射的沿Y轴负向传播的光线在第二镜片内全反射传播至第二下耦出区域后，经第二下子光栅衍射后耦出光波导，并沿Z轴负方向垂直出射至人的右眼。
一些实施例中，第一上子光栅的每个条纹自第一镜片的一条边沿Y轴方向延伸至第一上 耦出区域和第一下耦出区域的交界处；第一下子光栅自第一镜片的另一条边沿X轴方向延伸至第一上耦出区域和第一下耦出区域的交界处；第二上子光栅的每个条纹自第二镜片的一条边沿Y轴方向延伸至第二上耦出区域和第二下耦出区域的交界处；第二下子光栅自第二镜片的另一条边沿X轴方向延伸至第二上耦出区域和第二下耦出区域的交界处。如此，第一上子光栅和第一下子光栅部分环绕第一转折光栅并填充第一镜片的大部分表面，第二上子光栅和第二下子光栅部分环绕第二转折光栅，并填充第二镜片的大部分表面，利于实现大面积的动眼范围。
一些实施例中，第一转折光栅和第二转折光栅均为二维衍射光栅。第一转折光栅和第二转折光栅均平行于X轴方向和平行于Y轴方向的以为光栅相交而成。传播至光波导内的第一衍射光照射至第一转折光栅的表面后，第一转折光栅将入射光均匀衍射至X轴负方向和Y轴负方向形成的第三象限区域内，而传播至光波导内的第二衍射光照射至第二转折光栅的表面后，第二转折光栅将入射光均匀衍射至X轴正方向和Y轴负方向形成的第四象限区域内，衍射光在第二镜片内继续全反射传播至第二耦出光栅，经第二耦出光栅衍射后耦出光波导，进而沿Z轴负方向垂直出射至人的右眼。
一些实施例中，第一耦出光栅和第二耦出光栅均为一维衍射光栅，第一耦出光栅包括呈同心圆设置且开口朝向第一转折光栅的多个弧形的条纹，第二耦出光栅包括呈同心圆设置且开口朝向第二转折光栅的多个弧形的条纹。第一耦出光栅的弧形的条纹部分环绕第一转折光栅并填充第一镜片大部分的表面，第二耦出光栅的弧形的条纹部分环绕第二转折光栅并填充第二镜片大部分的表面，利于实现大面积的动眼范围。
一些实施例中，耦入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅中的任意一个为表面浮雕光栅或全息光栅。表面浮雕光栅的微结构相对波导基材的表面上凸或下凹。全息光栅可通过在波导基材的表面贴合全息光栅材料形成。耦入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅的光栅结构类型一致(如，全部为表面浮雕光栅或全部为全息光栅)时，在波导基材上加工光栅结构时，利于工艺实现并可简化制程。
一些实施例中，耦入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅中的任意一个为垂直光栅或倾斜光栅。耦入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅中的任意一个的光栅周期小于1微米。可理解地，耦入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅中的任意一个的光栅高度、宽度、占空比、周期和倾斜角度等结构参数中的一个或多个的优化，可实现波长选择功能，即，可以使某一波长范围内的光的衍射效率较高，而其余波长范围内的光的衍射效率较低，从而改善了出瞳范围内特定波长的光线衍射效率的均衡性。
一些实施例中，耦入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅均形成在波导基材的相同侧；或者形成在波导基材的不同侧。其中，耦入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅中，所有的光栅结构均位于波导基材的同一侧时，在波导基材上加工光栅结构时，利于工艺实现并可简化制程。
一些实施例中，波导基材为透明的玻璃或透明的有机材料，波导基材的折射率范围为1.7至2.5。波导基材为透明的，使得使用者能够透过第一镜片和第二镜片看清真实世界中的真实图像。波导基材的折射率范围为1.7至2.5，利于入射光满足全反射条件进入光波导中。一些 实施例中，光波导还包括透明的保护层，保护层覆盖耦入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅中的至少一个，保护层的折射率小于波导基材的折射率。由于保护层的折射率均小于波导基材，利于入射光满足全反射条件进入光波导中。
一些实施例中，保护层通过透明胶粘接至耦入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅中的至少一个。透明胶为低折射率的，其折射率小于波导基材的折射率。透明胶的折射率均小于波导基材，利于入射光满足全反射条件进入光波导中。
一些实施例中，所述保护层通过所述透明胶全贴合至所述波导基材。保护层和波导基材之间不存在空气层。保护层和波导基材全贴合的方式，利于提升整个光波导的抗冲击性，当该光波导跌落时，透明胶可吸收部分冲击，避免光波导的受力破裂。而且，保护层和波导基材全贴合的方式，省略掉了保护层与波导基材间存在的空气层，光波导更美观，并减小了进灰几率，画面更加通透，增强显示效果。
另一些实施例中，所述保护层通过所述透明胶框贴至所述波导基材，所述保护层与所述波导基材之间具有空气层。由于空气层的折射率低于波导基材的折射率，其同样利于入射光满足全反射条件进入光波导。
一些实施例中，第一转折光栅和第二转折光栅关于光波导在Y轴方向的中心线轴对称；第一耦出光栅和第二耦出光栅关于光波导在Y轴方向的中心线轴对称。如此，光波导在沿X轴方向上左右对称，使得第一衍射光和第二衍射光在到达人眼之前的传播路径具有对称性，由此可以实现视场范围的对称式扩展，从而提供良好的均衡性，使得使用者双眼看到的图像效果一致。
本申请第二方面提供一种近眼显示设备，其包括：
显示器；以及
第一方面的光波导，显示器对应连接部设置；
当使用者佩戴近眼显示设备时，第一镜片和第二镜片分别对应于使用者的左眼和右眼，光波导相较于显示器更靠近使用者的鼻梁；显示器出射的光垂直入射至耦入光栅后，衍射形成所述第一衍射光和所述第二衍射光。
该近眼显示设备包括的光波导中，耦入光栅能够将入射光双向传播，进而实现利用一个显示器实现双眼显示，减少了显示器的数量，降低了近眼显示设备的重量，提升使用者佩戴的舒适感。进一步地，由于显示器数量的减少，还可降低生产成本。
一些实施例中，显示器为有机发光二极管显示器、微型无机发光二极管显示器、液晶显示器、硅基液晶显示器、数字微镜器件和激光束扫描仪中的任意一种。
附图说明
图1为本申请一实施例的近眼显示设备的立体示意图。
图2为图1中光波导的平面示意图。
图3为本申请另一实施例的近眼显示设备的立体示意图。
图4为图3中光波导的平面示意图。
图5为本申请一实施例中，光波导的局部剖面示意图。
图6为本申请另一实施例中，光波导的局部剖面示意图。
图7为本申请又一实施例中，光波导的局部剖面示意图。
图8为本申请再一实施例中，光波导的局部剖面示意图。
主要元件符号说明
近眼显示设备               100a、100b
光波导                     10a、10b
波导基材                   10
第一镜片                   11
第一转折光栅               111a、111b
第一耦出光栅               112a、112b
第一上子光栅               1121
第一下子光栅               1122
第二镜片                   12
第二转折光栅               121a、121b
第二耦出光栅               122a、122b
第二上子光栅               1221
第二下子光栅               1222
连接部                     13
耦入光栅                   131
第一角度                   θ1
第二角度                   θ2
第一衍射光                 L1
第二衍射光                 L2
表面浮雕光栅               14
全息光栅                   15
透明胶                     16
保护层                     17
显示器                     20
具体实施方式
增强现实(Augmented Reality，AR)技术，是指透过显示器(也称光机或投影机)影像的位置及角度精算并加上图像分析技术，让屏幕上的虚拟场景能够与现实世界的真实场景进行结合与互动的技术。
本申请一些实施例中，近眼显示设备也可以为AR显示设备，以向用户提供增强现实内容，通过AR技术将虚拟世界和现实世界相结合，给用户全新的交互体验。此外，本申请实施例中，近眼显示设备可配置为眼镜的形态(如AR眼镜)，也可配置为头盔或护目镜的形态，在此不做限制。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本申请一实施例的近眼显示设备的立体示意图。如图1所示，近眼显示设备100a包括显示器20以及光波导10a。光波导10a包括第一镜片11、第二镜片12及连接部13。第 一镜片11和第二镜片12位于连接部13的相对两侧，并由连接部13连接。显示器20对应(朝向)连接部13设置。本实施例中，显示器20在光波导10a上的投影落在连接部13上。
第一镜片11、第二镜片12及连接部13由同一片波导基材一体成型。相较于第一镜片、第二镜片及连接部分别加工再通过胶或其他机械结构连接的方式，一体成型可简化加工流程，并保证第一镜片、第二镜片及连接部的光学平面的一致性，提高生产良率。
可理解地，近眼显示设备100a被配置为眼镜的形态时(如，AR眼镜)，近眼显示设备100a还可包括镜框(图未示)和连接在镜框的两侧的镜腿(图未示)等结构。光波导10a和显示器20可设置于所述镜框上。镜腿便于使用者通过耳部固定将近眼显示设备100a佩戴在前脸。镜框、镜腿等结构可为眼镜的常规结构，例如镜框、镜腿等结构的材质可选为金属、塑料或者碳纤维等。另，为了减轻近眼显示设备的重量，镜框、镜腿等结构采用高强度、高模量纤维的纤维材料，重量轻，可避免用户长时间佩戴近眼显示设备对耳部造成的压迫感。其他实施例中，近眼显示设备100a被配置为头盔的形态，或者护目镜的形态时，其还相应的包括使用户佩戴在头部的具体结构，在此不做赘述。
显示器20可以为有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示器、微型无机发光二极管(Micro Light-Emitting Diode，Micro LED)显示器、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)显示器、数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)和激光束扫描仪(Laser Beam Scanning，LBS)中的任意一种。显示器20出射的光可以为可见光，其可以为单一波长的光线，也可以包含多个波段的光线(例如，红光、蓝光和绿光)。
具体地，当使用者佩戴近眼显示设备100a时，连接部13对应使用者的鼻梁，第一镜片11和第二镜片12分别对应于使用者的左眼和右眼。光波导10a相较于显示器20更靠近使用者的眼睛；或者说，光波导10a位于显示器20和使用者的眼睛之间。显示器20用于发出带有图像信息的光，以向第一镜片11和第二镜片12提供虚拟图像。
一些实施例中，近眼显示设备100a为AR显示设备，第一镜片11和第二镜片12为透明的，能够直接透射真实世界的光线，使用者能够透过第一镜片11和第二镜片12看清真实世界中的真实图像。当使用者佩戴近眼显示设备100a时，近眼显示设备100a能够将虚拟图像与真实世界相叠加，让使用者看到真实图像与虚拟图像结合的图像，达到超越现实的感官体验。举例而言，近眼显示设备100a为AR显示设备时，可使使用者体验虚拟购物。当使用者佩戴上近眼显示设备100a时，第一镜片11和第二镜片12将真实世界的图像传递给使用者的眼睛，例如真实世界为一个商店。此时，使用者看到的是一个商店的真实图像。此外，显示器20能够提供虚拟图像给第一镜片11和第二镜片12，例如虚拟图像为商品和售货员。此时，第一镜片11和第二镜片12将显示器20提供的虚拟图像传递给使用者，使用者看到的图像是一个真实的商店里，有个虚拟的售货员在售卖商品。
图2为图1中光波导的平面示意图。以下结合附图1和图2具体说明近眼显示设备100a中光波导10a的结构。为方便描述，以空间内任意一点为原点，以光波导10a的厚度方向为Z轴方向，光波导10a指向显示器20的方向为Z轴正向；以第一镜片11的几何中心和第二镜片12的几何中心连线所在的直线为X轴方向，以第一镜片11的几何中心指向第二镜片12的几何中心的方向为X轴正向；以同时垂直于Z轴和X轴的方向为Y轴方向建立直角坐标系。以观看者面向光波导10a远离显示器20的表面的视角看，以下也称X轴负方向和X轴 正方向分别为左、右方向，Y轴正方向和Y轴负方向分别为上、下方向。此外，以下也称X轴方向为横向，Y轴方向为纵向。
如图1和图2所示，光波导10a还包括位于连接部13上的耦入光栅131、位于第一镜片11上的第一转折光栅111a和第一耦出光栅112a、以及位于第二镜片12上的第二转折光栅121a和第二耦出光栅122a。耦入光栅131用于将入射光耦入光波导10a，因此光波导10a上耦入光栅131所在的区域也称耦入区域。第一转折光栅111a设置于第一镜片11靠近耦入光栅131的位置，并位于耦入光栅131和第一耦出光栅112a之间的光路上。第一转折光栅111a用于将入射至其上的光进行横向扩瞳(X轴方向)和纵向扩瞳(Y轴方向)。第二转折光栅121a设置在第二镜片12靠近耦入光栅131的位置，并位于耦入光栅131和第二耦出光栅122a之间的光路上。第二转折光栅121a用于将入射至其上的光进行横向扩瞳(X轴方向)和纵向扩瞳(Y轴方向)。由于第一转折光栅111a和第二转折光栅121a均用于改变光的传播方向，以将光进行二维扩瞳，因此光波导10a上第一转折光栅111a和第二转折光栅121a所在的区域也称转折区域或扩瞳区域。第一耦出光栅112a部分环绕第一转折光栅111a，并用于将光耦出光波导10a。第二耦出光栅122a部分环绕第二转折光栅121a，并用于将光耦出光波导10a。由于第一耦出光栅112a和第二耦出光栅122a均用于将光耦出光波导10a，因此光波导10a上第一耦出光栅112a和第二耦出光栅122a所在的区域也称耦出区域。即，光波导10a上大致分为三个光栅区域，耦入区域、转折区域(或扩瞳区域)和耦出区域。
具体地，显示器20出射的带有图像信息的光沿Z轴方向垂直照射至连接部13。耦入光栅131为一维衍射光栅。耦入光栅131包括平行于Y轴的多个条纹。耦入光栅131对入射光进行衍射产生沿X轴负向和X轴正向的两个方向的衍射光。其中，满足光波导10a内全反射的条件的衍射光(即图1中的第一衍射光L1和第二衍射光L2)在光波导10a内全反射，并近乎无损地分别在第一镜片11和第二镜片12内传输。当X轴负向的第一衍射光L1遇到第一转折光栅111a时，由于第一转折光栅111a的衍射作用，第一转折光栅111a将入射光(第一衍射光L1)衍射至X轴负方向和Y轴负方向。X轴负方向和Y轴负方向的两个衍射光在第一镜片11内继续全反射传播至第一耦出光栅112a。其中，经第一耦出光栅112a衍射后，不满足光波导10a的全反射条件的光耦出光波导10a，进入人的左眼而被感知。
类似的，当X轴正向的第二衍射光L2遇到第二转折光栅121a时，由于第二转折光栅121a的衍射作用，第二转折光栅121a将入射光衍射至X轴正方向和Y轴负方向。X轴正方向和Y轴负方向的两个衍射光在第二镜片12内继续全反射传播至第二耦出光栅122a。其中，经第二耦出光栅122a衍射后，不满足光波导10a的全反射条件的光耦出光波导10a，进入人的右眼而被感知。
第一转折光栅111a和第二转折光栅121a均为一维衍射光栅。第一转折光栅111a包括与X轴呈第一角度θ1的多个条纹。第二转折光栅121a包括与X轴呈第二角度θ2的多个条纹。也就是说，第一转折光栅111a的条纹、第二转折光栅121a的条纹均与耦入光栅131的条纹呈一定角度，如此，耦入光栅131衍射出的光经第一转折光栅111a和第二转折光栅121a后，可实现光路的转折以及实现横向扩瞳和纵向扩瞳，进而扩大光波导中光传输的范围，增大有效动眼框的范围。
一些实施例中，第一角度θ1的范围为100°至170°(例如，100°至110°、110°至120°、130°至140°、140°至150°、150°至160°或160°至170°)。第二角度θ2的 范围为100°至170°(例如，100°至110°、110°至120°、130°至140°、140°至150°、150°至160°或160°至170°)。当第一角度θ1大于170°或小于100°时，第一转折光栅111a对入射光的转折效果变差，或基本不发生转折。因此，第一角度θ1的范围为100°至170°，可使第一转折光栅111a对入射其上的光具有较佳的转折效果。同理，当第二角度θ2大于170°或小于100°时，第二转折光栅121a对入射光的转折效果变差，或基本不发生转折。因此，第二角度θ2的范围为100°至170°，可使第二转折光栅121a对入射其上的光具有较佳的转折效果。
一些实施例中，沿着与X轴呈45°夹角的方向，第一镜片11被分为大致位于第一镜片11的左上方的第一上耦出区域(图未示)和大致位于第一镜片11的右下方的第一下耦出区域(图未示)。第一耦出光栅112a包括分别位于第一上耦出区域和第一下耦出区域的第一上子光栅1121和第一下子光栅1122。第一上子光栅1121和第二子光栅分别位于第一转折光栅111a的左侧和下侧。第一上子光栅1121、第一下子光栅1122均为一维衍射光栅，第一上子光栅1121包括平行于Y轴的多个条纹，第一下子光栅1122包括平行于X轴的多个条纹。也就是说，第一上子光栅1121的条纹、第一下子光栅1122的条纹均与第一转折光栅111a的条纹呈一定角度。其中，第一转折光栅111a衍射的沿X轴负向传播的光线在第一镜片11内全反射传播至第一上耦出区域后，经第一上子光栅1121衍射后耦出光波导10a，并沿Z轴负方向垂直出射至人的左眼。第一转折光栅111a衍射的沿Y轴负向传播的光线在第一镜片11内全反射传播至第一下耦出区域后，经第一上下光栅衍射后耦出光波导10a，并沿Z轴负方向垂直出射至人的左眼。
类似的，沿着与X轴呈135°夹角的方向，第二镜片12被分为大致位于第二镜片12的右上方的第二上耦出区域(图未示)和大致位于第二镜片12的左下方的第二下耦出区域(图未示)。第二耦出光栅122a包括分别位于第二上耦出区域和第二下耦出区域的第二上子光栅1221和第二下子光栅1222。第二上子光栅1221和第二下子光栅1222分别位于第二转折光栅121a的右侧和下侧。第二上子光栅1221、第二下子光栅1222均为一维衍射光栅，第二上子光栅1221包括平行于Y轴的多个条纹，第二下子光栅1222包括平行于X轴的多个条纹。也就是说，第二上子光栅1221的条纹、第二下子光栅1222的条纹均与第二转折光栅121a的条纹呈一定角度。其中，第二转折光栅121a衍射的沿X轴正向传播的光线在第二镜片12内全反射传播至第二上耦出区域后，经第二上子光栅1221衍射后耦出光波导10a，并沿Z轴负方向垂直出射至人的右眼。第二转折光栅121a衍射的沿Y轴负向传播的光线在第二镜片12内全反射传播至第二下耦出区域后，经第二下子光栅1222衍射后耦出光波导10a，并沿Z轴负方向垂直出射至人的右眼。
如图1所示，第一镜片11、第二镜片12、连接部13均大致呈矩形板状。耦入光栅131大致布满连接部13的整个表面，以使入射至连接部13的光大部分被耦入至光波导10a。其他实施例中，第一镜片11、第二镜片12、连接部13的形状不限矩形板状。例如，第一镜片11、第二镜片12还可呈圆形、椭圆形等。
一些实施例中，第一转折光栅111a和第二转折光栅121a关于光波导10a在Y轴方向的中心线轴对称，第一耦出光栅112a和第二耦出光栅122a关于光波导10a在Y轴方向的中心线轴对称，如此，光波导10a在沿X轴方向上左右对称，使得第一衍射光L1和第二衍射光L2在到达人眼之前的传播路径具有对称性，由此可以实现视场范围的对称式扩展，从而提供 良好的均衡性，使得使用者双眼看到的图像效果一致。
如图2所示，第一转折光栅111a在第一镜片11上的投影的最外缘的形状呈直角三角形，直角三角形的一个直角边紧邻耦入光栅131，且该直角边的长度略大于耦入光栅131的条纹的长度，直角三角形的斜边朝向第一耦出光栅112a。如此，利于将耦入光栅131中衍射出的光最大化地传输至第一转折光栅111a中，并将第一转折光栅111a衍射出的光最大化地经第一耦出光栅112a传输至人眼中，提高光线的利用率。
类似的，第二转折光栅121a在第二镜片12上的投影的最外缘的形状呈一直角三角形，该直角三角形的一个直角边紧邻耦入光栅131，且该直角边的长度略大于耦入光栅131的条纹的长度，该直角三角形的斜边朝向第二耦出光栅122a。如此，利于将耦入光栅131中衍射出的光最大化地传输至第二转折光栅121a中，并将第二转折光栅121a衍射出的光最大化地经第二耦出光栅122a传输至人眼中，提高光线的利用率。
请继续参阅图2，第一上子光栅1121和第一下子光栅1122在第一镜片11上的投影均呈直角梯形，且两个直角梯形的斜边相对设置。第一上子光栅1121所呈的直角梯形的上底边对应第一转折光栅111a，下底边对应第一镜片11的左侧边缘，并与第一镜片11的左侧边缘的长度大致相当。第一下子光栅1122所呈的直角梯形的上底边对应第一转折光栅111a，下底边对应第一镜片11的下侧边缘，并与第一镜片11的下侧边缘的长度大致相当。第一上子光栅1121的每个条纹自第一镜片11的一条直角边(上侧边缘)沿Y轴方向延伸至第一上耦出区域和第一下耦出区域的交界处。第一下子光栅1122自第一镜片11的另一条直角边(右侧边缘)沿X轴方向延伸至第一上耦出区域和第一下耦出区域的交界处。第一上子光栅1121、第一下子光栅1122环绕第一转折光栅111a，并填充第一镜片11的大部分表面，以实现大面积的动眼范围。
类似的，第二上子光栅1221和第二下子光栅1222在第二镜片12上的投影均呈直角梯形，且两个直角梯形的斜边相对设置。第二上子光栅1221所呈的直角梯形的上底边对应第二转折光栅121a，下底边对应第二镜片12的右侧边缘，并与第二镜片12的右侧边缘的长度大致相当。第二下子光栅1222所呈的直角梯形的上底边对应第二转折光栅121a，下底边对应第二镜片12的下侧边缘，并与第二镜片12的下侧边缘的长度大致相当。第二上子光栅1221的每个条纹自第二镜片12的一条直角边(上侧边缘)沿Y轴方向延伸至第二上耦出区域和第二下耦出区域的交界处；第二下子光栅1222自第二镜片12的另一条直角边(左侧边缘)沿X轴方向延伸至第二上耦出区域和第二下耦出区域的交界处。第二上子光栅1221、第二下子光栅1222环绕第二转折光栅121a，并填充第二镜片12的大部分表面，以实现大面积的动眼范围。
一些实施例中，耦入光栅131、第一转折光栅111a、第二转折光栅121a、第一耦出光栅112a和第二耦出光栅122a中的每一个均具有恒定的节距、恒定的周期的条纹。其他实施例中，耦入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅中的一个或多个可具有恒定的节距，变化的周期，以利于给定波长在一定的入射角上保持高的衍射效率，避免光波导中的不期望的光效率损失和亮度变化。
可理解地，近眼显示设备100a还包括控制电路(图未示)。控制电路例如包括处理器以及与处理器耦合的内部存储器。处理器用于控制近眼显示设备100a的操作(例如，产生向用户显示的图像内容的图像呈现操作、涉及使用控制信号调节元件的操作等)。内部存储器用于 存储一个或多个计算机程序。一个或多个计算机程序被配置为被该处理器执行。
该近眼显示设备100a包括的光波导10a中，耦入光栅131能够将入射光双向传播，进而实现利用一个显示器实现双眼显示，减少了显示器的数量，降低了近眼显示设备的重量，提升使用者佩戴的舒适感。进一步地，由于显示器数量的减少，还可降低生产成本。
此外，现有技术中，通常具有两个显示器的近眼显示设备(如，AR眼镜)，其两个显示器设分别置在眼镜的两侧(如两个镜腿)上，可进一步导致使用者的佩戴的不适性。而本申请实施例的近眼显示设备100a被配置为眼镜形态时，显示器20位于两个镜片之间的连接部13上，而非两侧的镜腿上，可避免用户长时间佩戴近眼显示设备对耳部造成的压迫感。
需要说明的是，其他变形例中，近眼显示设备包括的光波导，可省略第一转折光栅和第二转折光栅。即，显示器出射的光耦入光波导后，入射光经耦入光栅衍射后，形成在第一镜片内传输的第一衍射光和在第二镜片内传输的第二衍射光。而第一衍射光和第二衍射光直接分别经第一耦出光栅和第二耦出光栅耦出第一镜片和第二镜片，进而进入人眼成像。
图3为本申请另一实施例的近眼显示设备的立体示意图。图4为图3中光波导的平面示意图。如图1和图3所示，近眼显示设备100b与近眼显示设备100a的区别在于，第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅的类型及排布不同。
近眼显示设备100b中，第一转折光栅111b和第二转折光栅121b均为二维衍射光栅。第一转折光栅111b和第二转折光栅121b均平行于X轴方向和平行于Y轴方向的以为光栅相交而成。传播至光波导10b内的第一衍射光L1照射至第一转折光栅111b的表面后，第一转折光栅111b将入射光均匀衍射至X轴负方向和Y轴负方向形成的第三象限区域内，衍射光在第一镜片11内继续全反射传播至第一耦出光栅112b，经第一耦出光栅112b衍射后耦出光波导10b，进而沿Z轴负方向垂直出射至人的左眼。第一耦出光栅112b为圆弧形一维衍射光栅。第一耦出光栅112b包括呈同心圆设置且开口朝向第一转折光栅111b的多个弧形的条纹。多个弧形的条纹自第一镜片11的一条直角边(上侧边缘或左侧边缘)延伸至第一镜片11的另一条直角边(右侧边缘或下侧边缘)，弧形的条纹部分环绕第一转折光栅111b，并填充第一镜片11大部分的表面，以实现大面积的动眼范围。
类似的，传播至光波导10b内的第二衍射光L2照射至第二转折光栅121b的表面后，第二转折光栅121b将入射光均匀衍射至X轴正方向和Y轴负方向形成的第四象限区域内，衍射光在第二镜片12内继续全反射传播至第二耦出光栅122b，经第二耦出光栅122b衍射后耦出光波导10b，进而沿Z轴负方向垂直出射至人的右眼。第二耦出光栅122b为圆弧形一维衍射光栅。第二耦出光栅122b包括呈同心圆设置且开口朝向第二转折光栅121b的多个弧形的条纹。多个弧形的条纹自第二镜片12的一条直角边(上侧边缘或右侧边缘)延伸至第二镜片12的另一条直角边(左侧边缘或下侧边缘)，弧形的条纹部分环绕第二转折光栅121b，并填充第二镜片12大部分的表面，以实现大面积的动眼范围。
近眼显示设备100b包括的光波导10b中，耦入光栅131能够将入射光双向传播，进而实现利用一个显示器实现双眼显示，减少了显示器的数量，降低了近眼显示设备100b的重量，提升使用者佩戴的舒适感。进一步地，由于显示器数量的减少，还可降低生产成本。
一些实施例中，耦入光栅131、第一转折光栅111a(或第一转折光栅111b)、第二转折光栅121a(或第二转折光栅121b)、第一耦出光栅112a(或第一耦出光栅112b)和第二耦出光栅122a(或第二耦出光栅122b)中的任意一个的光栅周期小于1微米，例如，光栅周期例如在100 纳米至800纳米之间。
一些实施例中，耦入光栅131、第一转折光栅111a(或第一转折光栅111b)、第二转折光栅121a(或第二转折光栅121b)、第一耦出光栅112a(或第一耦出光栅112b)和第二耦出光栅122a(或第二耦出光栅122b)中的任意一个为表面浮雕光栅或全息光栅。表面浮雕光栅可为垂直光栅或倾斜光栅，全息光栅可为垂直光栅或倾斜光栅。
一些实施例中，耦入光栅131、第一转折光栅111a(或第一转折光栅111b)、第二转折光栅121a(或第二转折光栅121b)、第一耦出光栅112a(或第一耦出光栅112b)和第二耦出光栅122a(或第二耦出光栅122b)可均形成在波导基材的相同侧(如，当光波导和显示器组装后，上述光栅结构均位于波导基材靠近显示器的一侧，或上述光栅结构均位于波导基材远离显示器的一侧)，以便于加工；或者随机形成在波导基材的不同侧(如，当光波导和显示器组装后，上述光栅结构中，部分光栅结构位于波导基材靠近显示器的一侧，部分光栅结构位于波导基材远离显示器的一侧)。
一些实施例中，波导基材为透明的玻璃或透明的有机材料，使得使用者能够透过第一镜片11和第二镜片12看清真实世界中的真实图像。波导基材具有高的折射率，其折射率范围为1.7至2.5(如，1.7至1.8、1.9至2.0、2.0至2.1、2.1至2.2、2.2至2.3、2.3至2.4或2.4至2.5)，利于入射光满足全反射条件进入光波导中。
一些实施例中，光波导10a(或光波导10b)还包括透明的保护层。光波导10a中，保护层覆盖耦入光栅131、第一转折光栅111a、第二转折光栅121a、第一耦出光栅112a和第二耦出光栅122a中的至少一个。光波导10b中，保护层覆盖耦入光栅131、第一转折光栅111b、第二转折光栅121b、第一耦出光栅112b和第二耦出光栅122b中的至少一个。保护层具有高强度，其折射率小于波导基材的折射率。保护层的材质例如为高强度的玻璃或有机物，有机物例如为聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)或亚克力。
一些实施例中，保护层通过透明胶粘接至耦入光栅131、第一转折光栅111a(或第一转折光栅111b)、第二转折光栅121a(或第二转折光栅121b)、第一耦出光栅112a(或第一耦出光栅112b)和第二耦出光栅122a(或第二耦出光栅122b)中的至少一个。透明胶为低折射率的，其折射率小于波导基材的折射率。由于保护层及透明胶的折射率均小于波导基材，利于入射光满足全反射条件进入光波导10a(或光波导10b)中。其中，保护层可以通过透明胶整面粘接至波导基材，保护层和波导基材之间不存在空气层(也称全贴合的方式)。保护层覆盖波导基材上的光栅结构。保护层和波导基材全贴合的方式，利于提升整个光波导的抗冲击性，当该光波导跌落时，透明胶可吸收部分冲击，避免光波导的受力破裂。而且，保护层和波导基材全贴合的方式，省略掉了保护层与波导基材间存在的空气层，光波导更美观，并减小了进灰几率，画面更加通透，增强显示效果。保护层还可以通过透明胶(如，透明的框胶)与波导基材的周边进行贴合(即非全贴合的方式，或者称框贴的方式)，保护层与波导基材的中心区域为空气层。由于空气层的折射率低于波导基材的折射率，其同样利于入射光满足全反射条件进入光波导。
可理解地，耦入光栅131、第一转折光栅111a(或第一转折光栅111b)、第二转折光栅121a(或第二转折光栅121b)、第一耦出光栅112a(或第一耦出光栅112b)和第二耦出光栅122a(或第二耦出光栅122b)中的任意一个的光栅高度、宽度、占空比、周期和倾斜角度等结 构参数中的一个或多个的优化，可实现波长选择功能，即，可以使某一波长范围内的光的衍射效率较高，而其余波长范围内的光的衍射效率较低，从而改善了出瞳范围内特定波长的光线衍射效率的均衡性。
图5至图8分别为本申请不同实施例中，光波导的局部剖面示意图。图5中，同一波导基材10的同一侧的表面加工有表面浮雕光栅14。表面浮雕光栅14的微结构相对波导基材10的表面上凸或下凹。其中，左侧的表面浮雕光栅14为倾斜光栅，右侧的表面浮雕光栅14为垂直光栅。透明胶16填充波导基材10表面形成的下凹处，并粘接保护层17及波导基材10。保护层17用于使光栅结构免受外部侵害。保护层还可以通过透明的框胶与波导基材的周边进行贴合，保护层与波导基材的中心区域为空气层。可理解地，光波导10a中，耦入光栅131、第一转折光栅111a、第二转折光栅121a、第一耦出光栅112a和第二耦出光栅122a中的其中两个可为图5中的两个表面浮雕光栅14。光波导10a中，耦入光栅131、第一转折光栅111b、第二转折光栅121b、第一耦出光栅112b和第二耦出光栅122b中的其中两个可为图5中的两个表面浮雕光栅14。
图6中，同一波导基材10的不同侧的表面分别加工有表面浮雕光栅14。表面浮雕光栅14的微结构相对波导基材10的表面上凸或下凹。其中，左侧的表面浮雕光栅14为倾斜光栅，右侧的表面浮雕光栅14为垂直光栅。波导基材10的不同侧分别设置有保护层17。透明胶16填充波导基材10表面形成的下凹处，以粘接保护层17及波导基材10。保护层17用于使光栅结构免受外部侵害。可理解地，光波导10a中，耦入光栅131、第一转折光栅111a、第二转折光栅121a、第一耦出光栅112a和第二耦出光栅122a中的其中两个可为图6中的两个表面浮雕光栅14。光波导10a中，耦入光栅131、第一转折光栅111b、第二转折光栅121b、第一耦出光栅112b和第二耦出光栅122b中的其中两个可为图6中的两个表面浮雕光栅14。
图7中，同一波导基材10的同一侧的表面分别设置有表面浮雕光栅14和全息光栅15。表面浮雕光栅14的微结构相对波导基材10的表面上凸或下凹。全息光栅15可通过在波导基材10的表面贴合全息光栅15材料形成。同样，在全息光栅15和表面浮雕光栅14的远离波导基材10的一侧设置有保护层17，保护层17通过透明胶16粘接，以使全息光栅15和表面浮雕光栅14免受外部侵害。具体地，全息光栅材料可以为感光树脂(Photopolymer)和液晶(Liquid Crystal)或者两者混合。制作过程中，可先将一层全息光栅材料涂在玻璃基底上，然后通过两个激光光束产生干涉条纹对薄膜进行曝光，明暗干涉条纹会引起材料不同的曝光特性，导致薄膜内出现了折射率差，即生成了衍射光栅必备的“折射率周期”。也就是说，全息光栅材料形成条纹的部分具有一个折射率，而条纹之间的部分具有另一个折射率，以使得到的全息光栅具有周期性的折射率变化。可理解地，光波导10a中，耦入光栅131、第一转折光栅111a、第二转折光栅121a、第一耦出光栅112a和第二耦出光栅122a中的其中两个可为图7中的表面浮雕光栅14和全息光栅15。光波导10a中，耦入光栅131、第一转折光栅111b、第二转折光栅121b、第一耦出光栅112b和第二耦出光栅122b中的其中两个可为图7中的表面浮雕光栅14和全息光栅15。
图8中，同一波导基材10的同一侧的表面均为全息光栅15。全息光栅15可通过在波导基材10的表面贴合全息光栅15材料形成。在全息光栅15远离波导基材10的一侧设置有保护层17，保护层17通过透明胶16粘接，以使全息光栅15和表面浮雕光栅14免受外部侵害。可理解地，光波导10a中，耦入光栅131、第一转折光栅111a、第二转折光栅121a、第一耦 出光栅112a和第二耦出光栅122a中的其中两个可为图8中的两个全息光栅15。光波导10a中，耦入光栅131、第一转折光栅111b、第二转折光栅121b、第一耦出光栅112b和第二耦出光栅122b中的其中两个可为图8中的两个全息光栅15。
可理解地，耦入光栅131、第一转折光栅111a(或第一转折光栅111b)、第二转折光栅121a(或第二转折光栅121b)、第一耦出光栅112a(或第一耦出光栅112b)和第二耦出光栅122a(或第二耦出光栅122b)的布置，不限于图5至图8所示的方式，其还具有其他变形。
此外，光波导中，耦入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅的所有的光栅结构类型一致(如，全部为表面浮雕光栅或全部为全息光栅)且所有的光栅结构均位于波导基材的同一侧时，在波导基材上加工光栅结构时，利于工艺实现并可简化制程。
综上，本申请实施例的近眼显示设备，其包括的光波导可将入射光双向传播，进而利用一个显示器可实现双眼显示，相较于设置两个显示器的方案，减少了显示器的数量，降低了近眼显示设备的重量，提升了使用者佩戴的舒适感。
以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (22)

  1. 一种光波导，其特征在于，包括：
    第一镜片、第二镜片及连接所述第一镜片和所述第二镜片的连接部；
    耦入光栅，位于所述连接部上，用于将入射光耦入所述光波导，其中，所述入射光经所述耦入光栅衍射后，形成在所述第一镜片内传输的第一衍射光和在所述第二镜片内传输的第二衍射光；
    第一耦出光栅，位于所述第一镜片上，用于将所述第一衍射光耦出所述第一镜片；以及
    第二耦出光栅，位于所述第二镜片上，用于将所述第二衍射光耦出所述第二镜片。
  2. 根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述第一镜片、所述第二镜片及所述连接部由同一片波导基材一体成型。
  3. 根据权利要求1或2所述的光波导，其特征在于，以所述光波导的厚度方向为Z轴方向，以所述第一镜片和所述第二镜片的几何中心连线所在的直线为X轴方向，以同时垂直于所述Z轴和所述X轴的方向为Y轴方向；所述耦入光栅为一维衍射光栅，所述耦入光栅包括平行于Y轴的多个条纹。
  4. 根据权利要求3所述的光波导，其特征在于，所述光波导还包括：
    第一转折光栅，位于所述第一镜片上，用于将所述第一衍射光进行扩展，其中，扩展后的所述第一衍射光通过所述第一镜片传输至所述第一耦出光栅；以及
    第二转折光栅，位于所述第二镜片上，用于将所述第二衍射光进行扩展，其中，扩展后的所述第二衍射光通过所述第二镜片传输至所述第二耦出光栅。
  5. 根据权利要求4所述的光波导，其特征在于，所述第一转折光栅在所述第一镜片上的投影的最外缘的形状呈直角三角形，所述直角三角形的一个直角边紧邻所述耦入光栅，所述直角三角形的斜边朝向所述第一耦出光栅；所述第二转折光栅在所述第二镜片上的投影的最外缘的形状呈另一直角三角形，所述另一直角三角形的一个直角边紧邻所述耦入光栅，所述另一直角三角形的斜边朝向所述第二耦出光栅。
  6. 根据权利要求5所述的光波导，其特征在于，所述第一转折光栅和所述第二转折光栅均为一维衍射光栅，所述第一转折光栅包括与所述X轴呈第一角度的多个条纹；所述第二转折光栅包括与所述X轴呈第二角度的多个条纹。
  7. 根据权利要求6所述的光波导，其特征在于，所述第一角度的范围为100°至170°，所述第二角度的范围为100°至170°。
  8. 根据权利要求5至7中任意一项所述的光波导，其特征在于，沿着与所述X轴呈45°夹角的方向，所述第一镜片被分为第一上耦出区域和第一下耦出区域；所述第一耦出光栅包括分别位于所述第一上耦出区域和所述第一下耦出区域的第一上子光栅和第一下子光栅；
    沿着与所述X轴呈135°夹角的方向，所述第二镜片被分为第二上耦出区域和第二下耦出区域；所述第二耦出光栅包括分别位于所述第二上耦出区域和所述第二下耦出区域的第二上子光栅和第二下子光栅；
    所述第一上子光栅、所述第一下子光栅、所述第二上子光栅、所述第二下子光栅均为一维衍射光栅，所述第一上子光栅和所述第二上子光栅均包括平行于所述Y轴的多个条纹，所述第一下子光栅和所述第二下子光栅均包括平行于所述X轴的多个条纹。
  9. 根据权利要求8所述的光波导，其特征在于，所述第一上子光栅的每个所述条纹自所述第一镜片的一条边沿Y轴方向延伸至所述第一上耦出区域和所述第一下耦出区域的交界处；所述第一下子光栅自所述第一镜片的另一条边沿X轴方向延伸至所述第一上耦出区域和所述第一下耦出区域的交界处；
    所述第二上子光栅的每个所述条纹自所述第二镜片的一条边沿Y轴方向延伸至所述第二上耦出区域和所述第二下耦出区域的交界处；所述第二下子光栅自所述第二镜片的另一条边沿X轴方向延伸至所述第二上耦出区域和所述第二下耦出区域的交界处。
  10. 根据权利要求5所述的光波导，其特征在于，所述第一转折光栅和所述第二转折光栅均为二维衍射光栅。
  11. 根据权利要求10所述的光波导，其特征在于，所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅均为一维衍射光栅，所述第一耦出光栅包括呈同心圆设置且开口朝向所述第一转折光栅的多个弧形的条纹，所述第二耦出光栅包括呈同心圆设置且开口朝向所述第二转折光栅的多个弧形的条纹。
  12. 根据权利要求4至11中任意一项所述的光波导，其特征在于，所述耦入光栅、所述第一转折光栅、所述第二转折光栅、所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅中的任意一个为表面浮雕光栅或全息光栅。
  13. 根据权利要求4至12中任意一项所述的光波导，其特征在于，所述耦入光栅、所述第一转折光栅、所述第二转折光栅、所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅中的任意一个为垂直光栅或倾斜光栅。
  14. 根据权利要求4至13中任意一项所述的光波导，其特征在于，所述耦入光栅、所述第一转折光栅、所述第二转折光栅、所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅中的任意一个的光栅周期小于1微米。
  15. 根据权利要求4至14中任意一项所述的光波导，其特征在于，所述耦入光栅、所述第一转折光栅、所述第二转折光栅、所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅均形成在所述波导基材的相同侧；或者形成在所述波导基材的不同侧。
  16. 根据权利要求4至15中任意一项所述的光波导，其特征在于，所述波导基材为透明的玻璃或透明的有机材料，所述波导基材的折射率范围为1.7至2.5。
  17. 根据权利要求4至16中任意一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导还包括透明的保护层，所述保护层覆盖所述耦入光栅、所述第一转折光栅、所述第二转折光栅、所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅中的至少一个，所述保护层的折射率小于所述波导基材的折射率。
  18. 根据权利要求17所述的光波导，其特征在于，所述保护层通过透明胶粘接至所述耦入光栅、所述第一转折光栅、所述第二转折光栅、所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅中的至少一个。
  19. 根据权利要求18所述的光波导，其特征在于，所述保护层通过所述透明胶全贴合至所述波导基材；或者，所述保护层通过所述透明胶框贴至所述波导基材，所述保护层与所述波导基材之间具有空气层。
  20. 根据权利要求4至19中任意一项所述的光波导，其特征在于，所述第一转折光栅和所述第二转折光栅关于所述光波导在所述Y轴方向的中心线轴对称；所述第一耦出光栅和第二耦出光栅关于所述光波导在所述Y轴方向的中心线轴对称。
  21. 一种近眼显示设备，其特征在于，包括：
    显示器；以及
    根据权利要求1至20中任意一项所述的光波导，所述显示器对应所述连接部设置；
    当使用者佩戴所述近眼显示设备时，所述第一镜片和所述第二镜片分别对应于所述使用者的左眼和右眼，所述光波导相较于所述显示器更靠近所述使用者的鼻梁；所述显示器出射的光垂直入射至所述耦入光栅后，衍射形成所述第一衍射光和所述第二衍射光。
  22. 根据权利要求21所述的近眼显示设备，其特征在于，所述显示器为有机发光二极管显示器、微型无机发光二极管显示器、液晶显示器、硅基液晶显示器、数字微镜器件和激光束扫描仪中的任意一种。
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