CN210348063U - 一种纳米波导镜片及ar显示装置 - Google Patents
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Abstract
一种纳米波导镜片，包括波导衬底、介质膜和纳米光栅，介质膜设置在波导衬底上，纳米光栅设置在介质膜上，纳米光栅与介质膜形成夹角，波导衬底的折射率与纳米光栅的折射率相同，纳米光栅的折射率大于介质膜的折射率。本实用新型的纳米波导镜片的结构简单，厚度小，衍射效率高、视场角大，并且纳米光栅的响应光谱较宽，单片镜片即可实现彩色化显示。本实用新型还提供一种AR显示装置。
Description
技术领域
本实用新型涉及显示技术领域，特别是涉及一种纳米波导镜片及AR显示装置。
背景技术
AR(增强现实Augmented Reality)技术，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。以实现将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的技术，不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加，呈现给用户一个感知效果更丰富的新环境。在诸多领域，例如工业制造和维修领域、医疗领域、军事领域、娱乐游戏领域、教育领域等，有着巨大的潜在应用价值。
AR镜片常见的光学方案有：
1.棱镜反射：运用普通角棱镜将显示器发出的光从镜片反射进人眼，同时也让现实世界的光透射进来。此法简单便捷，但由于技术限制视场角仅能做到20°左右，想提高视场角只能通过增厚镜片实现。光线先后两次经过半透半反膜层导致光能利用率低(约为20％)，画面较暗；自由曲面棱镜可改善上述问题，光线经过非旋转对称的XY多项式自由曲面棱镜的变换，形成虚拟放大的图像，其全反射的出射面和反射面能消除色差、畸变等像差，因此成像质量更加清晰，视角可以达54°，采用双自由曲面棱镜视场角可以进一步提高。缺点就是体积较大，厚度约在7至10mm，并且表面形状不能被连续加工，设计难度较大。
2.阵列光波导：Lumus是采用阵列光栅波导设计，对耦入光进行数次半透半反流程，透射光进入人眼，实现增强现实显示。与潜望镜类似，不同的是使用了多个反射片扩展出瞳，每个反射片反射的都是平行光，形成同一个像。
Lumus公司使用这种器件的代表性产品PD-18分辨率800×600，视场角26°×20°，出瞳10mm，出瞳距23mm，器件厚度2.3mm，重量小于70g，显示区透过率70％。此方法技术壁垒低，但工艺上采用多片胶合，其量产成本较高。
3.衍射光波导：主要由微显示器、光栅和平板波导组成。微显示器的图像经过微型准直透镜后变成平行光进入光波导到达第一个光栅，由于光栅的衍射效应使平行光改变传输方向，因满足全反射条件将沿着光波导无损传输。当平行光传输到第二个光栅时，全反射条件被破坏从而使平行光从光栅出射并进入人眼成像。由于光栅和波导的存在，光学图像可以垂直偏转传播。这不但减小了传播距离，还可保持光学系统的重心在头部以内。例如，Hololens是将LCOS上的图像经过三片全息光栅耦合至光波导，通过三片光波导分别传输，最后在人眼正前方通过相应的全息光栅耦合输出，投影至人眼，并且以多层光波导的方式，实现彩色投影。
结合以上分析得出，现有技术的缺点包括：衍射光栅的响应光谱较窄；通过3片或者多片叠加实现彩色化显示，镜片较厚。
前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种纳米波导镜片及AR显示装置，结构简单，厚度小，衍射效率高、视场角大，并且纳米光栅的响应光谱较宽，单片镜片即可实现彩色化显示。
一种纳米波导镜片，包括波导衬底、介质膜和纳米光栅，介质膜设置在波导衬底上，纳米光栅设置在介质膜上，纳米光栅与介质膜形成夹角，波导衬底的折射率与纳米光栅的折射率相同，纳米光栅的折射率大于介质膜的折射率。
进一步地，所述夹角为15°-30°。
进一步地，所述波导衬底的折射率为1.7-2.0。
进一步地，所述介质膜的折射率为1.3-1.6，并且厚度为50-500nm。
进一步地，所述纳米光栅的周期为400-450nm，所述纳米光栅的高度大于330nm，并且占空比为0.3-0.6。
本实用新型还提供一种AR显示装置，包括上述纳米波导镜片。
本实用新型的纳米波导镜片的包括波导衬底、介质膜和纳米光栅，结构简单，厚度小；纳米光栅与介质膜形成夹角，波导衬底的折射率与纳米光栅的折射率相同，纳米光栅的折射率大于介质膜的折射率，在该夹角的一定范围内，再结合波导衬底、介质膜和纳米光栅的具体参数，使纳米波导镜片具有衍射效率高、视场角大的特点；并且纳米光栅的响应光谱较宽，各波长覆盖性好，单片镜片即可实现彩色化显示。
附图说明
图1为本实用新型一实施例的纳米波导镜片的剖视结构示意图。
图2为本实用新型一实施例的纳米波导镜片的-1级衍射效率与波长的关系示意图。
图3为本实用新型一实施例的纳米波导镜片在入射光波长为450nm时的-1级衍射效率与光入射角的关系示意图。
图4为本实用新型一实施例的纳米波导镜片在入射光波长为550nm时的-1级衍射效率与光入射角的关系示意图。
图5为本实用新型一实施例的纳米波导镜片在入射光波长为650nm时的-1级衍射效率与光入射角的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
图1为本实用新型一实施例的纳米波导镜片的剖视结构示意图。如图1所示，纳米波导镜片10包括波导衬底12、介质膜13和纳米光栅14，介质膜13设置在波导衬底12上，纳米光栅14设置在介质膜13上，纳米光栅14与介质膜13形成夹角101，具体地，夹角101为15°-30°，波导衬底12的折射率与纳米光栅14的折射率相同，纳米光栅14的折射率大于介质膜13的折射率。
在本实施例中，波导衬底12的折射率为1.7-2.0，具体地，波导衬底12的材料可以为玻璃材料，但并不以此为限。介质膜13的折射率为1.3-1.6，并且厚度为50-500nm，具体地，介质膜13可以为氟化镁、氟化铝，但并不以此为限。纳米光栅14的周期为400-450nm，其高度大于330nm，并且占空比为0.3-0.6，具体地，纳米光栅14的材料可以为玻璃材料，但并不以此为限。因此，结合以上条件及纳米波导镜片10自身的结构，使得本实用新型的纳米波导镜片10具有衍射效率高、视场角大的特点。
图2为本实用新型一实施例的纳米波导镜片的-1级衍射效率与波长的关系示意图。如图2所示，横坐标表示波长，纵坐标表示衍射效率。当波长范围为400-650nm时，衍射效率的变化比较平缓，并且衍射效率较高，均大于0.5，当波长大于650nm时，衍射效率开始逐渐下降，在波长400-700nm的范围，衍射效率最低值大于0.2。因此，本实用新型的纳米波导镜片10的衍射效率高，纳米光栅14的响应光谱较宽，即具有衍射效率较高的波长范围较宽。在本实施例中，图2的测试条件为：纳米光栅14的周期为440nm、高度为400nm、纳米光栅14与介质膜13的夹角101为20°、占空比为0.45、折射率为1.9，介质膜13的厚度为100nm、折射率为1.4，入射光的入射角为8°。
图3为本实用新型一实施例的纳米波导镜片在入射光波长为450nm时的-1级衍射效率与光入射角的关系示意图。图4为本实用新型一实施例的纳米波导镜片在入射光波长为550nm时的-1级衍射效率与光入射角的关系示意图。图5为本实用新型一实施例的纳米波导镜片在入射光波长为650nm时的-1级衍射效率与光入射角的关系示意图。图3-图5均在同一条件下测得，如图3-图5所示，横坐标表示光入射角，纵坐标表示衍射效率，可以看出，在以40％的衍射效率减损计算视场角时，入射光波长为450nm的视场角为29°，入射光波长为550nm的视场角为31°，入射光波长为650nm的视场角为26°。因此，本实用新型的纳米波导镜片10的视场角较大。
本实用新型的纳米波导镜片10的包括波导衬底12、介质膜13和纳米光栅14，结构简单，厚度小；纳米光栅14与介质膜13形成夹角101，波导衬底12的折射率与纳米光栅14的折射率相同，纳米光栅14的折射率大于介质膜13的折射率，在该夹角101的一定范围内，再结合波导衬底12、介质膜13和纳米光栅14的具体参数，使纳米波导镜片10具有衍射效率高、视场角大的特点；并且纳米光栅14的响应光谱较宽，各波长覆盖性好，单片镜片即可实现彩色化显示。
本实用新型还提供一种AR显示装置，包括上述纳米波导镜片10。
在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”、“设置在”或“位于”另一元件上时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。
在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本实用新型的限制。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种纳米波导镜片，其特征在于，包括波导衬底、介质膜和纳米光栅，所述介质膜设置在所述波导衬底上，所述纳米光栅设置在所述介质膜上，所述纳米光栅与所述介质膜形成夹角，所述波导衬底的折射率与所述纳米光栅的折射率相同，所述纳米光栅的折射率大于所述介质膜的折射率。
2.如权利要求1所述的纳米波导镜片，其特征在于，所述夹角为15°-30°。
3.如权利要求1所述的纳米波导镜片，其特征在于，所述波导衬底的折射率为1.7-2.0。
4.如权利要求1所述的纳米波导镜片，其特征在于，所述介质膜的折射率为1.3-1.6，并且厚度为50-500nm。
5.如权利要求1所述的纳米波导镜片，其特征在于，所述纳米光栅的周期为400-450nm，高度大于330nm，并且占空比为0.3-0.6。
6.一种AR显示装置，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的纳米波导镜片。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201921184611.0U CN210348063U (zh) | 2019-07-25 | 2019-07-25 | 一种纳米波导镜片及ar显示装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201921184611.0U CN210348063U (zh) | 2019-07-25 | 2019-07-25 | 一种纳米波导镜片及ar显示装置 |
Publications (1)
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| CN210348063U true CN210348063U (zh) | 2020-04-17 |
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ID=70215821
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| CN201921184611.0U Active CN210348063U (zh) | 2019-07-25 | 2019-07-25 | 一种纳米波导镜片及ar显示装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN210348063U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114442211A (zh) * | 2020-11-03 | 2022-05-06 | 暨南大学 | 基于rgb三基色宽光谱高效率偏振无关的斜双层光栅 |
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2019
- 2019-07-25 CN CN201921184611.0U patent/CN210348063U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114442211A (zh) * | 2020-11-03 | 2022-05-06 | 暨南大学 | 基于rgb三基色宽光谱高效率偏振无关的斜双层光栅 |
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