高亮度均匀性的ar衍射光波导结构及其使用方法
技术领域
1.本发明涉及ar衍射光波导技术领域，尤其涉及一种高亮度均匀性的ar衍射光波导结构及其使用方法。
背景技术：
2.增强现实（ar）技术已经成为了下一代交互平台的关键技术，它能够将虚拟信息无缝融入到现实世界中，为用户提供富有吸引力的体验。在ar系统中，波导显示器是其中的核心组件。它采用全反射的原理，将图像从微型显示器传送至用户的视野中。波导的优点在于，它能够实现轻薄、透明的显示系统，从而让ar设备更加便携，更适合日常使用。
3.然而，波导显示器的设计和制造存在一些挑战，尤其是在精确控制光线路径上，这对于实现高质量的图像显示至关重要。而在现有的ar光波导结构中通过允许特殊波长的光透过，其余波长则无法透过的特殊的透明胶层，使得透过的光可以在第二层波导内全反射并再次透过胶层进入下层波导进行传播，然而该结构无法做到动态调节和像素级调节，需要在波导设计生产之初就确定光波长范围以及其对应的厚度等参数，针对不同设计都需要额外做一套设计，不仅增加了设计开模的成本，而且在中间涂胶贴合的时候由于玻璃上提前镀膜等原因，生产工艺难度较大，生产良率低，生产成本高。
技术实现要素：
4.本发明公开了一种高亮度均匀性的ar衍射光波导结构及其使用方法，通过采用灌封液晶的技术使其在控制不同波长的光线在波导内传播时有更多的控制选项，利用此项技术可以根据不同的波导设计用不同的驱动策略带来更好的高亮度和高均匀性的显示效果，同时如果搭配更加精确的驱动技术，则可以实现像素级的精准的光线控制。
5.为解决上述技术问题，现提出以下技术方案：一种高亮度均匀性的ar衍射光波导结构，其特征在于，包括依次设置的光栅层、第一波导基底、第一液晶层、第二波导基底；所述第一液晶层设有用于改变所述第一液晶层折射率的电极；其中，根据时序向所述第一波导基底射入不同波长的光，所述电极根据所述时序控制所述第一液晶层的折射率在第一波导基底和第二波导基底符合发生全反射或者不符合发生全反射的状态中来回切换，使波长符合需求的光往返穿过所述第一液晶层。
6.作为优选，还包括第一保护层，所述第一保护层与所述第二波导基底间隔设置，并形成充满空气的空腔，且所述第二波导基底的折射率低于空气的折射率，使光线在接触所述第二波导基底与空气接触的一面时发生全反射。
7.作为优选，还包括第二保护层，所述第二保护层与所述光栅层贴合。
8.作为优选，所述光栅层为表面浮雕工艺光栅或体全息光栅。
9.作为优选，还包括第二液晶层和第三波导基底，所述第二液晶层置于所述第一波导基底与所述第一液晶层之间，所述第三波导基底置于所述第一液晶层与所述第二液晶层
之间，所述第二液晶层设有用于改变所述第二液晶层折射率的电极。
10.作为优选，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别置于所述第一液晶层的两侧，所述第一电极和所述第二电极均为透明电极，且所述第一电极与所述第一波导基底的折射率匹配；所述第二电极的折射率与所述第二波导基底的折射率匹配。
11.作为优选，所述第一液晶层完全填充在所述第一电极和所述第二电极之间。
12.作为优选，所述第一电极、所述第二电极、所述第一波导基底和所述第二波导基底的折射率相同。
13.作为优选，所述第一波导基底和所述第二波导基底为质地均匀且透明的光密介质材料制成。
14.有益效果：本发明为一种高亮度均匀性的ar衍射光波导结构，根据时序向波导结构内射入不同波长的光，这些不同波长的光在通过光栅层时会发生衍射，此时电极根据时序控制第一液晶层的折射率，使得第一液晶层的折射率在符合第一波导基底和第二波导基底发生全反射或者不符合发生全反射的状态中来回切换，进而使得波长符合需求的光能够穿过第一液晶层进入第二波导基底中，不符合波长需求的光则在停留在第一波导基底中传播，而在这些光线在进入第二波导基底后发生全反射，通过动态调节第一液晶层折射率的方法，以实现控制光线碰到光栅的次数，从而动态控制光线的全反射，最终实现的效果是改善不同波长的光线在波导内的颜色均匀性，提供更高质量的显示效果、更高的亮度均匀性以及其他有益效果，提高ar光波导的使用体验。
附图说明
15.图1为现有技术的结构图；图2为本发明ar衍射光波导结构剖面图；图3为本发明实施例1中不同波长的光在ar衍射光波导结构的效果图；图4为本发明实施例2的ar衍射光波导结构剖面图；图5为本发明实施例3的ar衍射光波导结构剖面图；图6为本发明实施例3中不同波长的光在ar衍射光波导结构的效果图；图7为本发明在获取颜色均匀的图画时光机与衍射光波导结构的控制流程图。
16.主要元件符号说明如下：1、光栅层；2、第一波导基底；3、第一液晶层；4、第二波导基底；5、电极；6、第一保护层；61、空腔；7、第二保护层；8、第二液晶层；9、第三波导基底；input、入射光；blue、蓝光；green、绿光；red、红光。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
18.以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本
发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.本发明为一种高亮度均匀性的ar衍射光波导结构，请参阅图2-7，包括依次设置的光栅层1、第一波导基底2、第一液晶层3、第二波导基底4；第一液晶层3设有用于改变第一液晶层3折射率的电极5；其中，第一波导基底2和第二波导基底4作为一种折射率比较高的均匀介质，一般为玻璃，也可以是树脂等表面高平整度高折射率的透明材料，可以作为光线在其内部做全反射的空间，而当与第一波导基底2和第二波导基底4接触的介质的折射率低于第一波导基底2和第二波导基底4时，射入第一波导基底2和第二波导基底4的光线，可在第一波导基底2和第二波导基底4内发生全反射；而第一液晶层3通过电极5改变第一液晶层3的折射率，进而使得第一液晶层3的折射率高于第一波导基底2和第二波导基底4进而使得第一波导基底2中部分光线能够穿过第一液晶层3进入第二波导基底4中，以使得颜色更加均匀。
20.具体的，根据时序向波导结构内射入不同波长的光，这些不同波长的光在通过光栅层1是会发生衍射，进而改变光进入第一波导基底2内的射入角度，此时电极5根据时序控制第一液晶层3的折射率，使得第一液晶层3的折射率在第一波导基底和第二波导基底符合发生全反射或者不符合发生全反射的状态中来回切换，进而使得波长符合需求的光能够穿过第一液晶层3进入第二波导基底4中，不符合波长需求的光则在停留在第一波导基底中传播，而在这些光线在进入第二波导基底后发生全反射，通过动态调节第一液晶层折射率的方法，以实现控制光线碰到光栅的次数，从而动态控制光线的全反射，最终实现的效果是改善不同波长的光线在波导内的颜色均匀性，提供更高质量的显示效果、更高的亮度均匀性以及其他有益效果，提高ar光波导的使用体验。
21.在本实施例中，若波导基底不慎被油污、灰尘等污染物污染时，这些污染物会影响光在波导内的全反射条件，进而出现光晕、清晰度变差、亮度变低等光学问题，因此为解决上述问题光波导结构还包括第一保护层6，用于保护第二波导基底4，同时第一保护层6与第二波导基底4间隔设置，并形成充满空气的空腔61，众所周知，空气的折射率远远小于第二波导基底4，因此将第一保护层6与第二波导基底4间隔设置，不仅能够有效保护第二波导基底4被污染，而且还能防止第一保护层6对第二波导基底4内光线的全反射照成影响。
22.在本实施例中，还包括第二保护层7，第二保护层7与光栅层1贴合，通过第二保护层7保护光栅层1的表面，防止在使用过程中光栅层1的受损。
23.在本实施例中，电极5包括第一电极5和第二电极5，第一电极5和第二电极5分别置于第一液晶层3的两侧，第一电极5和第二电极5均为透明电极5，且第一电极5和第二电极5的折射率与第一波导基底2和第二波导基底4的折射率匹配（即且第一电极5和第二电极5的折射率与第一波导基底2和第二波导基底4的折射率相同），进而使得光线能够顺利穿过第一电极5和第二电极5。
24.在本实施例中，所述第一电极、所述第二电极、所述第一波导基底和所述第二波导基底的折射率相同，使得第一电极和第二电极在动态调节液晶层的折射率时，只需调节较小的数值的折射率，即可使得液晶层的折射率在在第一波导基底和第二波导基底符合发生全反射或者不符合发生全反射的状态中来回切换。
25.在本实施例中，第一液晶层3完全填充在第一电极5和第二电极5之间，防止第一电
极5与第二电极5之间形成气泡，进而影响第一液晶层3的折射率。
26.在本实施例中，第一波导基底2和第二波导基底4作为一种折射率比较高的均匀介质，一般为玻璃，也可以是树脂等表面高平整度高折射率且透明的光密介质材料制成。
27.实施例1高亮度均匀性的ar衍射光波导结构，包括依次设置的表面浮雕工艺光栅、第一波导基底2、第一液晶层3、第二波导基底4；第一液晶层3设有用于改变第一液晶层3折射率的电极5；在第一波导基底2和第二波导基底4中间设置第一液晶层3，并通过透明的电极5控制，可以通过控制液晶的折射率动态的调整两层波导之间的透过关系；根据全反射公式sinθc = n2/n1当将液晶层折射率调高，此时第一波导基底2和第二波导基底4和第一液晶层3之间折射率比值就不能满足全反射条件，则部分光线会透过第一液晶层3以平行于入射方向的方式继续在第二层波导基底里面传播，其余光线在第一层波导内全反射向前传播，在碰到第一液晶层3后可以部分透过之后到达第一层波导基底，进而在其内部全反射传播成像，此时可以通过控制光机各类颜色光的刷新频率（即射入表面浮雕工艺光栅不同波长光的时序）配合第一液晶层3的折射率转换频率，以时序叠加的方式将需要补偿的特定的光耦合入第二波导基底4，此时光线碰到出瞳区域光栅的次数增多，每次光线碰到出瞳区域光栅都会有一部分耦合出波导成像，剩下的部分能量继续向前全反射，使得离入瞳较远的一侧亮度增高，从而可以起到提高此颜色亮度均匀性的作用，若不需要补偿的光则直接在第一波导基底2内传播。
28.实施例2：高亮度均匀性的ar衍射光波导结构，包括依次设置的体全息光栅、第一波导基底2、第一液晶层3、第二波导基底4；第一液晶层3设有用于改变第一液晶层3折射率的电极5；在第一波导基底2和第二波导基底4中间设置第一液晶层3，并通过透明的电极5控制，可以通过控制液晶的折射率动态的调整两层波导之间的透过关系；根据全反射公式sinθc = n2/n1当将液晶层折射率调高，此时第一波导基底2和第二波导基底4和第一液晶层3之间折射率比值就不能满足全反射条件，则部分光线会透过第一液晶层3以平行于入射方向的方式继续在第二层波导基底里面传播，其余光线在第一层波导内全反射向前传播，在碰到第一液晶层3后可以部分透过之后到达第一层波导基底，进而在其内部全反射传播成像，此时可以通过控制光机各类颜色光的刷新频率（即射入体全息光栅不同波长光的时序）配合第一液晶层3的折射率转换频率，以时序叠加的方式将需要补偿的特定的光耦合入第二波导基底4，此时光线碰到出瞳区域光栅的次数增多，每次光线碰到出瞳区域光栅都会有一部分耦合出波导成像，剩下的部分能量继续向前全反射，使得离入瞳较远的一侧亮度增高，从而可以起到提高此颜色亮度均匀性的作用，若不需要补偿的光则直接在第一波导基底2内传播。
29.实施例3高亮度均匀性的ar衍射光波导结构，包括依次设置的体全息光栅、第一波导基底2、第二液晶层8、第三波导基底9、第一液晶层3、第二波导基底4；第一液晶层3设有用于改变
第一液晶层3和第二液晶层8折射率的电极5；在实施例中，实施例3向较于实施1或2，实施例3在实施1或2的基础上增加了第三波导基底9和第二液晶层8，变为了三层波导基底中间夹了两层液晶层的结构，如此做可以使三个波长的光线有更多的控制方法，可以使中间的波导基底补偿绿色和蓝色，最上面的第三层波导基底补偿蓝色，若如此做则可以针对三种通道各自针对设计，使光波导的各颜色均匀性都有显著提升，大大提高ar波导显示产品的使用体验。
30.本发明还公开了上述任一种高亮度均匀性的ar衍射光波导结构的使用方法，包括以下步骤：控制光机依次向ar衍射光波导结构发射rgb纯色图像；rgb纯色图像在经过ar衍射光波导结构形成成像效果图被测试设备所获取；通过分析计算测试设备获取的成像效果图，以得到各个颜色控制液晶折射率变化的策略；最后依照光机时分复用的时间加载液晶控制的策略；进而获得颜色均匀的图像。
31.优势之处：（1）在本发明中通过液晶层和多层波导基底大大增加了波导基底内反射次数少的光线反射次数，进而大大提高ar光波导的亮度均匀性。
32.（2）在本发明中使用液晶层控制光线是否能够进入第二波导基底，通过液晶层响应速度快驱动技术成熟的优点，可以做到精准控制，进而达到可以实现像素级精度的光线控制。
33.（3）液晶层灌封液晶技术成熟，良率很高，可以降低波导生产难度。
34.（4）在本发明中液晶的折射率是一个动态的范围，可以根据需要动态的调整，进而可以实现ar光波导的更广泛的应用场景。
35.以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。