CN109459813A - 一种基于二维光栅的平面光波导 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二维光栅的平面光波导，属于增强现实技术领域。本发明包括光波导传输机构和光栅工作机构；所述光波导传输机构为透明的平行波导；所述光栅工作机构由周期固定的夹角为60°的二维光栅构成；所述二维光栅凸出或凹陷于所述平行波导的上表面。微投影仪的图像可在光栅工作机构的任意区域入射光波导，人眼在可在光栅工作机构的任意区域观看出射图像；本发明通过一片二维光栅即可实现对微投影仪图像的耦入、扩瞳和耦出，有效降低光波导与微投影仪的光学安装精度并扩大光波导的可视区域，有效实现增强现实显示装置的低成本制造。本发明结构简单，易于量产加工，且使用形式灵活，具有较高的应用价值。

Description

一种基于二维光栅的平面光波导
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，特别涉及一种基于二维光栅的平面光波导。
背景技术
增强现实技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间和空间范围内很难体验到的实体信息, 通过计算机模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。
增强现实技术不仅在与虚拟现实技术相类似的应用领域，诸如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有比虚拟现实技术更加明显的优势。
为了实现光学透射式的增强现实显示方案，有人设计了自由曲面棱镜元件，利用折反光路加补偿棱镜的方式实现了光学透射式的增强现实显示，但鉴于自由曲面棱镜达成曲率的需要，在达到良好视觉体验的情况下，这种方案的光学系统的厚度不能做到非常轻薄，限制了眼镜类增强现实显示的进一步轻薄化。
而另外一些设计则使用平面光波导方案，利用光线在平面波导元件内的全内反射传输投影机输出光束，并使用多个反射面或光栅截获传输光束实现光学系统出瞳扩展，有效降低了光学元件的厚度，但是目前已有的平面光波导设计方案中，图像的耦入、扩瞳、耦出部分通常需要单独设计加工，制造难度大、成本高，并且光波导的显示区域受限，灵活性不高。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种耦入、扩瞳、耦出一体化的基于二维光栅的平面光波导。本发明的光学波导易于加工且使用灵活方便。
本发明的技术方案为：
一种基于二维光栅的平面光波导，包括光波导传输机构和光栅工作机构；所述光波导传输机构为透明的平行波导；所述光栅工作机构由周期固定的夹角为60°的二维光栅构成；所述二维光栅凸出或凹陷于所述平行波导的上表面。
所述平行波导为由可见光透明的光学材料构成的平板结构，所述平行波导的上下表面平行。
本发明在使用时，微投影仪发出的光线经过光栅工作机构任意区域后，会被二维光栅衍射产生多个级次的光线方向进入光波导，在光波导传输机构内通过全反射向外传输；每次光线进过光栅工作机构，都会再次发生衍射，一部分光线会被衍射耦出光波导进入人眼，另一部分光线会被衍射成多个级次方向在光波导内继续传输。最终在整个光栅工作机构区域都有光线耦出，人眼在整个光栅工作机构区域都可以观察到完整连续的图像。
作为优选方案，所述平行波导的折射率为1.4～2.2，厚度为0.3～2.5mm。目前市面上的光学材料折射率一般在该范围内，从理论上来说，本发明中平行波导的折射率越大越好。
作为优选方案，所述二维光栅的周期为200～700nm。
作为优选方案，所述二维光栅为圆柱形或底面为菱形的棱柱形。当然二维光栅还可以为其他可行的形状。
作为优选方案，所述二维光栅的直径或边长为50～650nm，高度或深度为 80～650nm。
作为优选方案，在所述光栅工作机构上设置固定的耦入点。为了解决由于二维光栅耦出光线后光波导内光传输强度减弱，进而引起最终图像在光传输方向上亮度逐渐变弱的问题，通过分区域对二维光栅的深度进而控制，从而控制每个区域内光耦出强度均匀性。为了便于控制强度均匀性，在所述光栅工作机构上设置固定的耦入点。当然，如果对均匀性要求不高，可以不做深度调制，在任意位置耦入都行，即不需要专门设置耦入点。
进一步地，耦入点的直径或边长为200～650nm，高度或深度为200～650nm。
作为优选方案，耦入点的直径或边长大于位于其周边的各耦出点的直径或边长，高度或深度大于位于其周边的各耦出点的高度或深度。
进一步地，耦出点距耦入点越远，其直径或边长越大。
作为优选方案，耦出点距耦入点越远，其高度或深度越大。
对二维光栅进行深度和形状的调制，使每个区域内光耦出强度均匀性较好。
本发明的有益效果为：
1、光波导传输机构为透明的平行波导，光栅工作机构为周期固定的二维光栅，且夹角为60°。微投影仪的图像可在光栅工作机构的任意区域入射光波导，人眼在可在光栅工作机构的任意区域观看出射图像。
2、本发明通过一片二维光栅即可实现对微投影仪图像的耦入、扩瞳和耦出，有效降低光波导与微投影仪的光学安装精度并扩大光波导的可视区域，有效实现增强现实显示装置的低成本制造。
3、可通过光栅在平行波导表面按区域进行深度、形状的调制，提高每个区域内光耦出强度的均匀性。
4、本发明结构简单，易于量产加工，且使用形式灵活，具有较高的产业应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于二维光栅的平面光波导的一种结构示意图；
图2为本发明中二维光栅为圆柱形的示意图；
图3为使用本发明时光线在光波导内传输原理图；
图4为本发明中光栅工作机构分区域示意图；
图5为本发明基于二维光栅的平面光波导的另一种结构示意图；
图6为本发明中二维光栅(形状：底面为菱形的棱柱形)的示意图；
图7为本发明中二维光栅为椭圆柱形的示意图；
图8为本发明中二维光栅(形状：底面为双菱形的棱柱形)的示意图；
图9为本发明中二维光栅为三棱柱形的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于理解，下面结合具体图示和实例进一步阐述本发明。
如图1、图2所示，本发明基于二维光栅的平面光波导包括光波导传输机构 1和光栅工作机构2。
光波导传输机构1为透明的平行波导，平行波导为由可见光透明的光学材料构成的平板结构，平行波导上下表面平行，平行波导的厚度为0.3～2.5mm，波导材料折射率为1.4～2.2。参照图2，光栅工作机构2由一块周期固定的夹角为60°的二维光栅构成，光栅周期T的范围为200～700nm，光栅在波导表面可按区域进行深度、形状的调制。图2中二维光栅的形状为圆柱形，二维光栅也可以为其他形状，如图6、图7、图8、图9所示。
参照图3，微投影仪3图像的光线照射到光栅工作区的任意区域a后，光线经过光栅衍射产生四个衍射级次b、c、d、e分别向光波导内的四个方向进行传输，这四束光线在光波导内与波导界面夹角大于全反射所需的布鲁斯特角度，保证光线在波导传输部内无损耗传输，当b、c、d、e光线再次照射到光栅工作区时，会分别有部分光线进过衍射耦出波导，剩下的光线会被二维光栅再次衍射成三个级次在光波导内继续全反射传输，如b光线会被衍射成f、g、h光线在光波导内继续传输，如此循环，最终可以在整个光栅工作区都有光线耦出，从而人眼4在任意位置均可看到完整连续的图像。
图1中二维光栅凸出于平行波导的上表面。参照图5，本发明基于二维光栅的平面光波导也可以凹陷于平行波导的上表面。
实施例1
如图1、图2所示，本发明基于二维光栅的平面光波导包括光波导传输机构 1和光栅工作机构2。
在本实施例中，光波导传输机构1为厚度0.5mm、折射率为1.5的平行平板玻璃。
在平行平板玻璃(光波导)表面加工夹角为60°，周期T为360nm，直径 R为100nm，深度150nm的圆柱形二维光栅，构成光栅工作机构2。
将光波导分为纵向A～E，横向1～6共30个区域，将微投影仪图像从C5区域投射进入光波导，在其余区域测量图像强度，并作归一化处理，测量结果如表1 所示。
表1实施例1图像强度测试结果
1 2 3 4 5 6
A 0.5 0.6 0.7 0.8 0.7 0.8
B 0.6 0.65 0.75 1 0.8 1
C 0.65 0.7 0.8 0.9 耦入 0.9
D 0.6 0.65 0.75 1 0.8 1
E 0.5 0.6 0.7 0.8 0.7 0.8
实施例2
如图1、图2所示，本发明基于二维光栅的平面光波导包括光波导传输机构 1和光栅工作机构2。
在本实施例中，光波导传输机构1为厚度为1.9mm、折射率为1.8的平行平板玻璃。
在平行平板玻璃(光波导)表面加工夹角为60°，周期T为450nm，边长200nm，深度250nm的底面为菱形的棱柱形二维光栅，构成光栅工作机构2。
将光波导分为纵向A～E，横向1～6共30个区域，将微投影仪图像从C4区域投射进入光波导，在其余区域测量图像强度，并作归一化处理，测量结果如表1 所示。
表2实施例2图像强度测试结果
1 2 3 4 5 6
A 0.65 0.75 0.85 0.75 0.85 0.75
B 0.7 0.75 1 0.85 1 0.75
C 0.75 0.85 0.9 耦入 0.9 0.85
D 0.7 0.8 1 0.8 1 0.8
E 0.65 0.75 0.85 0.7 0.85 0.75
实施例3
如图1、图2所示，本发明基于二维光栅的平面光波导包括光波导传输机构 1和光栅工作机构2。
在本实施例中，光波导传输机构1为厚度为0.5mm、折射率为1.5的平行平板玻璃。
在平行平板玻璃(光波导)表面加工夹角为60°，周期T为360nm，直径为100nm的圆柱形二维光栅，构成光栅工作机构2。
为了解决由于二维光栅耦出光线后光波导内光传输强度减弱，进而引起最终图像在光传输方向上亮度逐渐变弱的问题，通过分区域对二维光栅的深度进而控制，从而控制每个区域内光耦出强度均匀性，将光波导分为纵向A～E，横向1～6共30个区域，加工二维光栅圆柱深度分区域如表3所示。
表3实施例3二维光栅圆柱深度分区域情况
1 2 3 4 5 6
A 250nm 200nm 170nm 140nm 120nm 140nm
B 200nm 170nm 140nm 120nm 100nm 120nm
C 200nm 170nm 140nm 120nm 250nm 120nm
D 200nm 170nm 140nm 120nm 100nm 120nm
E 250nm 200nm 170nm 140nm 120nm 140nm
将微投影仪图像从C5区域投射进入光波导，在其余区域测量图像强度，并作归一化处理，测量结果如表4所示。
表4实施例3图像强度测试结果
1 2 3 4 5 6
A 0.85 0.88 0.95 0.96 0.7 0.96
B 0.9 0.92 0.95 1 0.8 1
C 0.9 0.92 0.95 0.97 耦入 0.97
D 0.9 0.92 0.95 1 0.8 1
E 0.85 0.88 0.95 0.97 0.7 0.97
实施例4
如图1、图2所示，本发明基于二维光栅的平面光波导包括光波导传输机构 1和光栅工作机构2。
在本实施例中，光波导传输机构1为厚度为0.5mm、折射率为1.5的平行平板玻璃。
在平行平板玻璃(光波导)表面加工夹角为60°，周期T为360nm，深度为150nm的圆柱形二维光栅，构成光栅工作机构2。
为了解决由于二维光栅耦出光线后光波导内光传输强度减弱，进而引起最终图像在光传输方向上亮度逐渐变弱的问题，通过分区域对二维光栅的深度进而控制，从而控制每个区域内光耦出强度均匀性，将光波导分为纵向A～E，横向1～6共30个区域，加工二维光栅圆柱直径R分区域如表3所示。
表5实施例4二维光栅圆柱直径R分区域情况
1 2 3 4 5 6
A 260nm 240nm 210nm 170nm 130nm 170nm
B 240nm 210nm 170nm 130nm 100nm 130nm
C 240nm 210nm 170nm 130nm 220nm 130nm
D 240nm 210nm 170nm 130nm 100nm 130nm
E 260nm 240nm 210nm 170nm 130nm 170nm
将微投影仪图像从C5区域投射进入光波导，在其余区域测量图像强度，并作归一化处理，测量结果如表6所示。
表6实施例4图像强度测试结果
1 2 3 4 5 6
A 0.82 0.88 0.91 0.94 0.94 0.94
B 0.88 0.91 0.95 1 0.96 1
C 0.88 0.91 0.93 0.96 耦入 0.96
D 0.88 0.91 0.93 1 0.96 1
E 0.82 0.88 0.91 0.94 0.94 0.94
本发明通过一块固定周期的二维光栅光波导实现图像的耦入、扩瞳、耦出，微投影仪发出的光线经过光栅工作机构任意区域后，会被二维光栅衍射产生多个级次的光线方向进入光波导，在光波导内通过全反射传输后耦出波导，最终在光栅工作部分任意区域均可看见图像。本发明结构简单，易于量产加工，且使用形式灵活，具有较高的产业应用价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于二维光栅的平面光波导，其特征在于：包括光波导传输机构和光栅工作机构；所述光波导传输机构为透明的平行波导；所述光栅工作机构由周期固定的夹角为60°的二维光栅构成；所述二维光栅凸出或凹陷于所述平行波导的上表面。
2.如权利要求1所述基于二维光栅的平面光波导，其特征在于：所述平行波导的折射率为1.4~2.2，厚度为0.3~2.5mm。
3.如权利要求1所述基于二维光栅的平面光波导，其特征在于：所述二维光栅的周期为200~700nm。
4.如权利要求1所述基于二维光栅的平面光波导，其特征在于：所述二维光栅为圆柱形或底面为菱形的棱柱形。
5.如权利要求1或4所述基于二维光栅的平面光波导，其特征在于：所述二维光栅的直径或边长为50~650nm，高度或深度为80~650nm。
6.如权利要求1所述基于二维光栅的平面光波导，其特征在于：在所述光栅工作机构上设置固定的耦入点。
7.如权利要求6所述基于二维光栅的平面光波导，其特征在于：耦入点的直径或边长为200~650nm，高度或深度为200~650nm。
8.如权利要求6所述基于二维光栅的平面光波导，其特征在于：耦入点的直径或边长大于位于其周边的各耦出点的直径或边长，高度或深度大于位于其周边的各耦出点的高度或深度。
9.如权利要求8所述基于二维光栅的平面光波导，其特征在于：耦出点距耦入点越远，其直径或边长越大。
10.利要求8所述基于二维光栅的平面光波导，其特征在于：耦出点距耦入点越远，其高度或深度越大。
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