一种环绕式波导及基于环绕式波导的AR-HUD显示的制作方法

一种环绕式波导及基于环绕式波导的ar-hud显示
技术领域
1.本实用新型属于光学元件领域，具体而言，涉及一种环绕式波导及基于环绕式波导的ar-hud显示。


背景技术：

2.ar-hud （augmented reality hud）：结合最先进的ar技术，让导航实现了与路况的融合。与hud直接将信息投射到挡风玻璃上不同，ar-hud是让车辆信息、导航与视线内的景象所综合。我们看hud的信息尚且需要聚焦在挡风玻璃上，在前路与挡风玻璃，有一个视线焦点的转换过程，但ar-hud进一步省略了这个过程。同时，ar-hud成像区域更大、投射距离更远，成像上也更为生动直观。由于ar-hud显示技术结合了增强现实和抬头显示两者间的优良特性，能帮助驾驶员分析掌控路况仪表等信息并显示在抬头显示模块，以便驾驶员更轻松方便的执行驾驶任务。
3.部分hud产品基于光波导实现ar-hud，但是大部分的光波导方案均是自上而下或者自左而右光波导，为扩大眼动范围，需要增大波导的耦出面积，这极大的增大hud的前装体积。
4.有鉴于此，本发明提出一种环绕式波导及基于环绕式波导的ar-hud显示。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种环绕式波导及基于环绕式波导的ar-hud显示，通过耦出区域环绕耦入区域的设计，实现上下左右环绕耦出，充分利用多角度传导光线，避免单向扩大耦出面积带来的大表面积。
6.为了达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：第一方面：一种环绕式波导，包括平面基底与平面基底表面上的耦合区域，所述耦合区域包括耦入区域和耦出区域，所述耦出区域环绕所述耦入区域；所述耦入区域承接入射光线，并将所述入射光线进行衍射产生多方位的传导光，所述耦入区域采用能够产生多个方位角度的衍射光的纳米结构；所述耦出区域用以承接所述耦入区域产生的衍射传导光，并继续扩散至整个耦出区域。
7.当入射光线耦合进入二维结构时，通过设计适当的周期、深度、占空比等结构，可以实现多个方向的衍射光，方向指方位角方向，包括0度方位角、30度方位角、90度方位角、150度方位角、210度方位角、270度方位角、330度方位角。衍射角度基本不变，此时具备不同方位角的衍射角在波导内全反射传导，每触碰一次表面结构，即会发生多个方位角度的衍射行为，从而扩散至这个耦出幅面。
8.优选的，所述耦入区域与所述耦出区域均采用二维点阵结构或二维孔洞结构。
9.优选的，所述耦入区域与耦出区域均采用二维点阵圆柱结构。
10.优选的，所述耦入区域与耦出区域为表面浮雕光栅、全息光栅、体全息结构、doe结构或液晶体光栅结构。
11.优选的，所述平面基底为可见光透过率大于80%的材料，折射率范围1.4-2.0。
12.优选的，所述耦入区域的尺寸大于入射光线的入射范围，即接收并耦合所有的入射光线。
13.优选的，所述耦出区域与耦入区域之间完全贴合或留有缝隙。
14.优选的，所述耦出区域为方形或椭圆形。
15.第二方面，一种基于环绕式波导的ar-hud显示，包括第一方面任一项所述的环绕式波导。
16.本发明具有以下有益效果：
17.（1）本实用新型通过耦出区域环绕耦入区域的设计，图像光线经过耦入区域的衍射传导，会呈现多方位角衍射，多方位角衍射光会在波导内传导触碰到耦出区域，耦出区域兼备扩展与输出的功能，在环绕耦入的耦出范围，均有光线射出，并几乎覆盖整个波导面积，最大化增大耦出面积，扩大眼盒范围，耦出区域既为波导面积，极致利用空间。
18.（2）本实用新型中所述环绕式设计，充分利用耦入传导光，避免了单向传导中耦入区域带来的光效损失，既提高耦入利用效率，又避免单向扩大耦出面积带来的大表面积。
附图说明
19.图1为环绕式波导的示意图；
20.图2为耦入区域的光线传导示意图；
21.图3为仿真得到的衍射角度与方位角度的示意图；
22.图4为第一种已知的传导结构示意图；
23.图5为第二种已知的传导结构示意图；
24.图6为本实用新型的环绕式波导光线传导示意图；
25.图7为基于环绕式波导的ar-hud显示光线传导的示意图；
26.图8为环绕式波导的另一实施例的示意图。
27.图中：1、耦入区域；2、耦出区域；3、耦入区域a、4、传导结构；5、耦出区域a；6、耦入区域b、7、耦出区域b。
实施方式
28.以下将以图式揭露本实用新型的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本实用新型。也就是说，在本实用新型的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
29.如图1所示，一种环绕式波导，包括平面基底与平面基底表面上耦合区域，平面基底为可见光透过率大于80%的材料，折射率范围1.4-2.0；耦合区域包括耦入区域1和耦出区域2，耦出区域2为纳米结构；耦出区域2环绕耦入区域1，耦入区域1与图像光源相对；
30.耦入区域1承接入射光线，并将所述入射光线进行衍射产生多方位的传导光，耦入区域1采用能够产生多个方位角度的衍射光的纳米结构；耦出区域2用以承接所述耦入区域1产生的衍射传导光，并继续扩散至整个耦出区域2；耦入区域1与所述耦出区域2均采用二维点阵结构或二维孔洞结构。
31.最优的适用于本发明的是周期性的二维点阵或孔洞结构，是表面浮雕的结构，通
过设计适当的周期、深度、占空比等结构以产生多个方位角度的衍射光，其中方位角度包括0度方位角、30度方位角、90度方位角、150度方位角、210度方位角、270度方位角、330度方位角。衍射角度基本不变，此时具备不同方位角的衍射光在波导内全反射传导，每触碰一次表面结构，即会发生多个方位角度的衍射行为，从而扩散至这个耦出幅面，因此其他具备此种衍射特性的结构当都属于本发明的结构涵盖范围，包括全息光栅、体全息结构、doe结构、液晶体光栅结构等。
32.耦入区域的尺寸大于入射光线的入射范围，耦入区域可以是任意形状，但比入射光斑大即可，也不用大太多，保证可以接收并耦合所有的入射光线。
33.耦出区域2包围耦入区域1，并不一定是完全贴合的包围，中间四周也可以留一点缝隙，缝隙尽可能小，以提高观看体验。
34.耦出区域为方形或椭圆形。
35.图3为仿真得到的衍射角度与方位角度的示意图。示例采用表面浮雕二维点阵圆柱结构，其中结构参数采用周期440nm，深度100nm，占空比0.4；可以看出，在一些参数下，光线垂直入射耦入区域，可以产生多个不同方位角的衍射光，这些衍射光四面八方均有，而本方案所设计的环绕式波导，可以最大限度的利用所有的衍射传导光，从而最大化传导效率。
36.图4为第一种已知的传导结构示意图图。该结构包括耦入区域a 3、传导结构4、耦出区域a 5，可以看出，光线需要经过多个结构的传导，才可以在耦出区域a 3实现光线输出，而耦出仅占整个波导幅面的一部分，也就是说会有部分波导面积无法利用，只能用于传导而无法承担输出的角色，从而造成面积的浪费；另一方面，光线传导为自左而右，实际上，耦入区域a 3会产生往左的传导光，这部分光无法利用到，从而降低传导效率。图5为第二种已知的传导结构示意图图。该结构包括耦入区域b 6、耦出区域b 7，可以看出，耦入区域b 6将入射光线耦合并向下传导，耦出区域b 7承担扩展与输出的功能，因此在起初部分需要部分空间用于扩展光线，而导致实际输出部分的面积被挤压，从而造成波导面积的浪费；另一方面，光线传导自上而下，实际上耦入区域不仅会产生向下的传导光，也会产生向上的传导光，这部分向上的光线无法利用到，从而降低了传导效率。
37.图4和图5为较为常见的光波导传导示意图，在实际汽车用hud场景中，仪表板位置所拥有的空间有限，而如图4和图5的结构波导，所需要的空间相对较大，且表面积利用率也不足；同时，从效率的角度出发，也存在部分耦入效率的损失，造成整体传导效率的损失。
38.图6为本方案提出的环绕式波导的光线传导示意图。图像光线从环绕式波导的耦入区域1入射，耦入区域的尺寸不需要大，仅需要涵盖图像光线的入射范围即可；图像光线经过耦入区域的衍射传导，会呈现多方位角衍射，多方位角衍射光会在波导内传导触碰到耦出区域，耦出区域具备扩展与输出兼备的功能，因此在环绕耦入的耦出范围，均有光线出射，并几乎覆盖整个波导面积。本方案的设计所突出的重点是耦出区域几乎等同于波导表面，因此必将大幅度缩减波导面积，减小仪表台位置的空间占用率。
39.图7为本方案提出的基于环绕式波导的hud显示光线传导示意图。图像光线经过环绕式波导出射直挡风玻璃，挡风玻璃具备反射一定角度光线的能力，因此，经过挡风玻璃的反射，在满足正常驾驶位置处即为设计的眼盒范围，人眼在眼盒范围的观察区域可以无阻碍的观看到虚拟图像。
40.图8为环绕式波导的其他结构示意图。耦入区域被耦出区域所环绕，因此耦入区域
是否完全居中、耦出区域是否为标准图案并不存在决定性形貌。其波导的形貌完全可以根据实际汽车hud列装所容许的空间体积面积去合理规划设计波导尺寸与形貌。
41.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本实用新型的具体实施例，本实用新型的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本实用新型的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本实用新型的专利范围之中。

技术特征：
1.一种环绕式波导，包括平面基底与平面基底表面上的耦合区域，其特征在于，所述耦合区域包括耦入区域（1）和耦出区域（2），所述耦出区域（2）环绕所述耦入区域（1）；所述耦入区域（1）承接入射光线，并将所述入射光线进行衍射产生多方位的传导光，所述耦入区域（1）采用能够产生多个方位角度的衍射光的纳米结构；所述耦出区域（2）用以承接所述耦入区域（1）产生的衍射传导光，并继续扩散至整个耦出区域（2）。2.根据权利要求1所述的环绕式波导，其特征在于，所述耦入区域（1）与所述耦出区域（2）均采用二维点阵结构或二维孔洞结构。3.根据权利要求2所述的环绕式波导，其特征在于，所述耦入区域（1）与耦出区域（2）均采用二维点阵圆柱结构。4.根据权利要求1所述的环绕式波导，其特征在于，所述耦入区域（1）与耦出区域（2）为表面浮雕光栅、全息光栅、体全息结构、doe结构或液晶体光栅结构。5.根据权利要求1所述的环绕式波导，其特征在于，所述平面基底为可见光透过率大于80%的材料，折射率范围1.4-2.0。6.根据权利要求1所述的环绕式波导，其特征在于，所述耦入区域（1）的尺寸大于入射光线的入射范围，即接收并耦合所有的入射光线。7.根据权利要求1所述的环绕式波导，其特征在于，所述耦出区域（2）与耦入区域（1）之间完全贴合或留有缝隙。8.根据权利要求1所述的环绕式波导，其特征在于，所述耦出区域（2）为方形或椭圆形。9.一种基于环绕式波导的ar-hud显示，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的环绕式波导。

技术总结
本实用新型属于光学元件领域，具体而言，涉及一种环绕式波导及基于环绕式波导的AR-HUD显示；包括平面基底与平面基底表面上耦合区域，所述耦合区域包括耦入区域和耦出区域，所述耦出区域包围耦入区域；耦入区域承接入射光线，并将所述入射光线进行衍射产生多方位的传导光，耦入区域采用能够产生多个方位角度的衍射光的纳米结构；所述耦出区域用以承接所述耦入区域产生的衍射传导光，并继续扩散至整个耦出区域；通过耦出区域环绕耦入区域的设计，最大化增大耦出面积，扩大眼盒范围，耦出区域既为波导面积，极致利用空间；环绕式设计，充分利用耦入传导光，避免了单向传导中耦入区域带来的光效损失，提高耦入利用效率。提高耦入利用效率。提高耦入利用效率。


技术研发人员：罗明辉 袁裴裴 李瑞彬 杨明 赵改娜 朱平 乔文 陈林森
受保护的技术使用者：苏州苏大维格科技集团股份有限公司
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/9/1