CN111045146A - 一种光栅型光波导及其光传播调控方法 - Google Patents

一种光栅型光波导及其光传播调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光栅型光波导及其光传播调控方法，光栅型光波导包括：耦入区，用于耦入一定视场角范围的光束；传递区，用于传播经所述耦入区耦入的光束；耦出区，用于出射经所述传递区传播的光束；其中，传递区设置于耦入区与耦出区之间的光路上，包括多层反射型体布拉格光栅组成的波导层，光束在不同波导层间进行全反射并由耦出区的同一位置出射。实现光传播调控从而达到传播周期一致性；光束出射的位置一致，将极有利于光栅型光波导结构的各区域光栅结构优化，从而达到更优良的显示效果。

Description

一种光栅型光波导及其光传播调控方法
技术领域
本发明涉及增强现实(AR)/近眼显示技术领域，尤其涉及一种光栅型光波导及其光传播调控方法。
背景技术
已有技术中，头戴式显示设备采用平面光波导作为显示器件，包括光栅型光波导、阵列型光波导等。光栅型光波导通过耦入光栅，将输入光耦入波导中进行全反射传输，随后，经耦出光栅实现出瞳扩展和光线耦出，在增强现实显示技术中，出瞳扩展的次数将直接影响使用者的观看效果。然而，在全反射过程中，不同角度的光线的传播周期不一致，由此导致与耦出光栅的作用次数形成差异。所以，不同视场/角度的光线经耦出光栅后的出瞳扩展次数可能存在较大的差异，从而影响最终显示效果。通过对全反射光进行传播调控，可以在一定程度上缓解甚至消除角度间的传播周期差异，从而保证全视场角的出瞳扩展一致性。同时，经传播一致性调控的光线，由于作用位置一致，因此将极有利于光栅型光波导结构的各区域光栅结构优化，从而达到更优良的显示效果。
发明内容
本发明为了解决现有的问题，提供一种光栅型光波导及其光传播调控方法。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种光栅型光波导，耦入区，用于耦入一定视场角范围的光束；传递区，用于传播经所述耦入区耦入的所述光束；耦出区，用于出射经所述传递区传播的所述光束；其中，所述传递区设置于所述耦入区与所述耦出区之间的光路上，包括多层反射型体布拉格光栅组成的波导层，所述光束在不同波导层间进行全反射并由所述耦出区的同一位置出射。
在本发明的一种实施例中，所述不同波导层分别用于调控所述光束的传播周期使得所述光束的传播周期一致。所述耦入区和所述耦出区是百纳米级的衍射光栅和/或衍射光学元件。所述耦出区与所述传递区构成出瞳扩展区，用于扩展所述光束的出瞳范围和提高所述光束在出瞳处的能量均匀性。所述耦入区和所述耦出区设置于所述传递区的内表面和/或设置于所述传递区的外表面。
在本发明的另一种实施例中，所述光束来自于显示引擎，所述显示引擎面向光栅型光波导的前侧表面，用于发射光束至所述光栅型光波导。所述波导层还包括基材，所述基材是光学玻璃或光学树脂材料。所述光束根据满足所述体布拉格光栅的布拉格衍射条件的不同分为不同部分光束。所述反射型体布拉格光栅的结构由所述光束的衍射角决定。
本发明还提供一种光栅型光波导的光传播调控方法，包括如下步骤：S1：具有对应视场角相关联的图像信息的光束耦合到光栅型光波导中；S2：根据光束通过耦入区衍射至传递区的光束的方向满足反射型体布拉格光栅的布拉格衍射条件的不同分为不同部分的光束；S3：所述不同部分的光束在对应的反射型体布拉格光栅的作用下在不同的波导层中进行传播；S4：组合发生反射的不同部分的光束并从耦出区同一位置出射所述光栅型光波导。
本发明的有益效果为：提供一种光栅型光波导及其光传播调控方法，通过设置由多层反射型体布拉格光栅形成的光波导，将耦合到波导中的光束根据不同的入射衍射角度分为多个部分的光束，通过体布拉格光栅的角度选择反射，使得不同部分的光束的有效传递厚度不一致，由此补偿传播角度不同的传播周期差异，实现光传播调控从而达到传播周期一致性。同时，经传播一致性调控的光线，由于光束出射的位置一致，将极有利于光栅型光波导结构的各区域光栅结构优化，从而达到更优良的显示效果。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的一种波导结构示意图。
图2(a)为根据本发明实施例提供的以入射光束的入射角度为变量的反射型体布拉格光栅曲线原理图。
图2(b)为根据本发明实施例提供的以入射光束的波长为变量的反射型体布拉格光栅曲线原理图。
图3为根据本发明实施例提供的一种光栅型光波导结构示意图。
图4为根据本发明实施例提供的一种光传播调控原理图。
图5为根据本发明实施例提供的一种光栅型光波导的光传播调控方法的示意图。
其中，100-波导，101-耦入区，102-传递区，103-耦出区，10-显示引擎，11-照明器，12-图像形成器，13-准直透镜，300-光栅型光波导，301-耦入区，302-传递区，303-第一基材，304-第一反射型体布拉格光栅，305-第二基材，306-第二体反射型布拉格光栅，307-第三基材，308-第三反射型体布拉格光栅，309-第四基材，310-耦出区，311-前侧表面，400-光栅型光波导，401-耦入区，402-传递区，403-第一基材，404-第一反射型体布拉格光栅，405-第二基材，406-第二体反射型布拉格光栅，407-第三基材，408-第三反射型体布拉格光栅，409-第四基材，410-耦出区，21-第一部分光束，22-第二部分光束，23-第三部分光束，24-第四部分光束，25-出射光束。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1为根据本发明实施例的一种波导结构示意图。波导100包括耦入区101、耦出区103和传递区102。耦入区101用于接收与输入图像相关联的不同方向的光束，耦出区103是光束输出端，传递区102设置在耦入区101和耦出区103之间的光路上，用于将耦入区101接收的光传递到耦出区103，并输出光束。波导100可以是头戴式显示设备，如AR设备、抬头显示器等。
在一个实施例中，耦入区101和耦出区103可以是光栅周期为百纳米级的衍射光栅，如表面浮雕光栅、闪耀光栅或体全息光栅等，还可以为衍射光学元件(DOE)，使入射光改变传播方向、分离(称为光学阶数)和角度变化取决于衍射光栅的特性。一般地，耦入区101的范围为入瞳范围，耦出区103的范围为出瞳范围，此外，耦出区103与传递区100一起构成出瞳扩展区，以扩展光束出瞳范围和提高不同视场角光束在出瞳处的能量均匀性。在一个实施例中，耦入区101和耦出区103的尺寸可根据光学系统的目标出瞳尺寸和特性决定。
需要说明的是，耦入区101、耦出区103可以嵌入传递区102中(内表面)，也可以设置在其外表面。当然，还可以有其他位置，此处不做限制。
图2(a)和图2(b)为反射型体布拉格光栅曲线原理图。体布拉格光栅是一种具有角度选择性反射特性的光栅，可以对某个特定角度和波长的入射光束区别对待，在特定的入射光束条件下，分别生成图2(a)和图2(b)中以入射光束的入射角度和入射光束的波长为变量的变化曲线图。在一实施例中，当入射光束的波长一定时，针对不同角度的入射光束，反射型体布拉格光栅具有不同的反射率，其中，当入射光束以15°的入射角度进入体布拉格光栅时，该角度的光束发生反射，衍射效率可达100％，其余角度光束则透过反射型体布拉格光栅。在另一实施例中，当入射光束的入射角度一定时，针对不同波长的入射光束，反射型体布拉格光栅具有不同的反射率，其中，当入射光束以550nm的波长透过体布拉格光栅时，该波长的光束发生反射，衍射效率可达100％，其余光束则透过反射型体布拉格光栅。
图3是根据本发明实施例的一种光栅型光波导结构。图3包括含显示引擎10被示出为面向光栅型光波导300的前侧表面311，以及光栅型光波导结构300。其中，耦入区301、耦出区310设置于光栅型光波导结构300的前侧表面311的外表面。显示引擎10发射光束至光栅型光波导300，从耦入区301衍射后射入传递区302，经过反射后，从耦出区310同一位置出射。
在一个实施例中，显示引擎10包含照明器11、图像形成器12和准直透镜13，但不限于此。图像形成器12可以使用透射投影技术实现，其中光源由光学活性材料调制，并且背光用白光，这些技术通常用具有强大背光和高光密度的液晶显示器(LCD)型显示器来实现。照明器11可以提供上述背光。图像形成器12也可以使用反射技术来实现，其中，外部光由活性材料反射和调制。单独或与照明器11组合的图像形成器12也可以称为微显示器。准直透镜13被设置为从图像形成器12接收发散显示图像，以准直、汇聚显示图像，并将准直图像朝向光栅型光波导300的耦入区301发射，以衍射至传递区302。在一个实施例中，与光栅型光波导300相关的入射光瞳的大小可以与图像形成器12相关联的出射光瞳大小相同，也可以更小，可以根据具体需求，合理设计，此处不做限制。
在本实施例中，光栅型光波导300包括耦入区301、耦出区310和传递区302。其中，传递区302包括第一基材303、第一反射型体布拉格光栅304、第二基材305、第二体反射型布拉格光栅306、第三基材307、第三反射型体布拉格光栅308、第四基材309。一般地，第一基材303、第二基材305、第三基材307以及第四基材309包括光学玻璃或光学树脂材料(如BK-7玻璃)。需要说明的是，第一基材303与第一反射型体布拉格光栅304构成第一波导层，第二基材305与第二反射型体布拉格光栅306构成第二波导层，第三基材307与反射型第三反射型体布拉格光栅308构成第三波导层。第一反射型体布拉格光栅304、第二反射型体布拉格光栅306、第三反射型体布拉格光栅308的结构由不同方向的入射光束的光束衍射角所决定。
在一实施例中，耦入区301可以设置在光栅型光波导300外表面和内表面(如图中虚线所示)，耦出区310可以设置在光栅型光波导300的外表面和内表面(如图中虚线所示)，此外，耦出区310与耦入区301设置在相对的表面，根据具体需求进行设置，此处不做限制。
需要说明的是，光栅型光波导300还可以包含多层波导层，如二层、四层、五层等，本实施例仅以三层波导层进行说明，但不限于此。
图4是基于图3所示光栅型光波导结构的一种光传播调控原理图。从显示引擎10发射的具有一定FOV的光束通过耦入区401衍射后，根据满足反射型体布拉格光栅的布拉格衍射条件的不同分为不同部分光束，如第一部分光束、第二部分光束、第三部分光束和第四部分光束。需要说明的是，第一部分光束的衍射角度不小于第二部分光束衍射角度，第二部分光束的衍射角度不小于第三部分光束衍射角度，第三部分光束衍射角度不小于第四部分光束衍射角度。
第一部分光束、第二部分光束、第三部分光束和第四部分光束分别包含一个或多个不同方向的光束，其按照是否满足对应的反射型体布拉格光栅的布拉格衍射条件进行分类。即一个波导层可对多个方向的光束进行全反射，决定于体布拉格光栅的结构。
在本实施例中，当所有光线通过耦入区401衍射至传递区402，第一部分光束，如光束21，满足第一反射型体布拉格光栅404的布拉格衍射条件，经第一反射型体布拉格光栅404的作用后，光束21发生反射，使得该部分的光束在第一波导层进行传播，并从耦出区410出射光束25，其余部分的光束由于不满足第一反射型体布拉格光栅404的布拉格衍射条件，从而透射进入下一波导层；第二部分光束，如光束22，满足第二反射型体布拉格光栅406的布拉格衍射条件，经第二反射型体布拉格光栅406的作用后，光束22发生反射，使得该部分的光束在第一波导层与第二波导层组成的波导层中进行传播，并从耦合区410出射光束25，其余部分的光束由于不满足第二反射型体布拉格光栅406的布拉格衍射条件，从而透射进入更高层区域；第三部分光束，如光束23，满足第三反射型体布拉格光栅408的布拉格衍射条件，经过第三反射型体布拉格光栅408的作用后，光束23发生反射，使得该部分的光束的第一波导层、第二波导层与第三波导层组成的波导层中进行传播，并从耦合区410出射光束25；其余部分的光束(如光束24)不满足第三反射型体布拉格光栅408的布拉格衍射条件，从而投射进入下一波导层，当其满足下一波导层的布拉格衍射条件时，发生反射，在波导层间进行传播，通过耦合区410出射。
可以理解的是，根据不同部分光束的衍射角度的不同，补偿传播角度不同的传播周期差异，实现光传播调控从而达到传播周期一致性。
在另一实施例中，光栅型光波导400还可以设置为两层，四层或四层以上(记为N)波导层的波导结构，根据具体需求进行合理设置，此处不做限制。可以理解的是，当设置为N层波导时，对应衍射光束应为N部分光束。
图5为根据本发明实施例提供的一种光栅型光波导的光传播调控方法流程图。分为四个步骤进行说明：
步骤S1：具有对应视场角相关联的图像信息的光束耦合到光栅型光波导中；
步骤S2：根据光束通过耦入区衍射至传递区的光束的方向满足反射型体布拉格光栅的布拉格衍射条件的不同分为不同部分的光束；
步骤S3：所述不同部分的光束在对应的反射型体布拉格光栅的作用下在不同的波导层中进行传播；
步骤S4：组合发生反射的所述不同部分的光束并从耦出区同一位置出射所述光栅型光波导。
更为具体地，在步骤S2中，根据光束通过耦入区衍射至传递区的角度按一定间隔可分为第一部分光束、第二部分光束、第三部分光束、…、第N部分光束(N不小于三)；在步骤S3中，第一部分光束在所述第一波导层中发生反射；第二部分光束在所述第一波导层和第二波导层组成的波导层中发生反射；第三部分光束在所述第一波导层、第二波导层和第三波导层组成的波导层中发生反射；…；第N部分光束在所述第一波导层、第二波导层、第三波导层、…、第N波导层组成的波导层中发生反射；在步骤S4中，组合发生反射的第一部分光束、第二部分光束、第三部分光束、…、第N部分光束，并从耦出区同一位置出射所述光栅型光波导。
本发明达到的有益效果为，通过设置由多层反射型体布拉格光栅形成的光波导，将耦合到波导中的光束根据不同的入射衍射角度分为多个部分的光束，通过体布拉格光栅的角度选择反射，使得不同部分的光束的有效传递厚度不一致，由此补偿传播角度不同的传播周期差异，实现光传播调控从而达到传播周期一致性。同时，经传播一致性调控的光线，由于光束出射的位置一致，将极有利于光栅型光波导结构的各区域光栅结构优化，从而达到更优良的显示效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光栅型光波导，其特征在于，包括：
耦入区，用于耦入一定视场角范围的光束；
传递区，用于传播经所述耦入区耦入的所述光束；
耦出区，用于出射经所述传递区传播的所述光束；
其中，所述传递区设置于所述耦入区与所述耦出区之间的光路上，包括多层反射型体布拉格光栅组成的波导层，所述光束在不同波导层间进行全反射并由所述耦出区的同一位置出射。
2.如权利要求1所述的光栅型光波导，其特征在于，所述不同波导层分别用于调控所述光束的传播周期使得所述光束的传播周期一致。
3.如权利要求1所述的光栅型光波导，其特征在于，所述耦入区和所述耦出区是百纳米级的衍射光栅和/或衍射光学元件。
4.如权利要求1所述的光栅型光波导，其特征在于，所述耦出区与所述传递区构成出瞳扩展区，用于扩展所述光束的出瞳范围和提高所述光束在出瞳处的能量均匀性。
5.如权利要求1所述的光栅型光波导，其特征在于，所述耦入区和所述耦出区设置于所述传递区的内表面和/或设置于所述传递区的外表面。
6.如权利要求1-5任一所述的光栅型光波导，其特征在于，所述光束来自于显示引擎，所述显示引擎面向光栅型光波导的前侧表面，用于发射光束至所述光栅型光波导。
7.如权利要求1-5任一所述的光栅型光波导，其特征在于，所述波导层还包括基材，所述基材是光学玻璃或光学树脂材料。
8.如权利要求1-5任一所述的光栅型光波导，其特征在于，所述光束根据满足所述体布拉格光栅的布拉格衍射条件的不同分为不同部分光束。
9.如权利要求1-5任一所述的光栅型光波导，其特征在于，所述反射型体布拉格光栅的结构由所述光束的衍射角决定。
10.一种光栅型光波导的光传播调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：具有对应视场角相关联的图像信息的光束耦合到光栅型光波导中；
S2：根据光束通过耦入区衍射至传递区的光束的方向满足反射型体布拉格光栅的布拉格衍射条件的不同分为不同部分的光束；
S3：所述不同部分的光束在对应的反射型体布拉格光栅的作用下在不同的波导层中进行传播；
S4：组合发生反射的不同部分的光束并从耦出区同一位置出射所述光栅型光波导。
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