CN111123524A - 能扩瞳且出光均匀的衍射波导 - Google Patents

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史晓刚
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Abstract

本发明公开了一种能扩瞳且出光均匀的衍射波导，包括：波导基体、入射光栅、均光光栅阵列和出射光栅；其中，所述入射光栅、所述均光光栅阵列和所述出射光栅依次间隔排列设置在所述波导基体的表面，所述入射光栅经所述均光光栅阵列至所述出射光栅形成传输光路。通过在入射光栅与出射光栅之间的波导基体上设置均光光栅阵列，使入射光栅的光经均光光栅阵列进入出射光栅，实现了在保证衍射波导光效的前提下，大范围二维扩瞳的同时，提供较高的出光均匀性，从而有效改善现有衍射波导的整体性能，能扩展衍射波导的应用。

Description

能扩瞳且出光均匀的衍射波导
技术领域
本发明涉及近眼显示器件领域，尤其涉及一种能扩瞳且出光均匀的衍射波导。
背景技术
近眼显示器件作为增强显示技术的核心硬件，近年来快速发展并且成功应用于军用器件，工业生产，医疗诊断以及日常生活等众多领域。近眼显示器件可以将虚拟图像与现实世界图像同时投射进人眼，使得观测者可以看到叠加在现实景物中的虚拟图像。在实现近眼显示器件的众多方案中，衍射波导具有轻便，高透明度，提升潜力大等特点在近些年受到广泛关注。
衍射波导主要利用波导上不同区域的光栅相互协同工作。来自微投影或者微显示屏(用于显示虚拟图像)的光的经过波导角落处的入射光栅耦合进入波导，再经过波导的导光以及转折光栅的转向和扩瞳，最终通过出射光栅从波导一侧出射，与现实世界光一同入射进人眼。
现有的光栅衍射波导的设计中，根据功能以及性能的需求，光栅个数从两块到数块不等，光栅形式可以是一维光栅或者二维光栅，形貌可以是矩形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅或者全息光栅。如，目前分别有没有转折光栅的衍射波导和设有一块转折光栅的衍射波导的方案，或存在出曈范围小，或存在出光不均匀等问题。目前常用的是图1所示的设有两块转折光栅的衍射波导，该方案通过两块转折光栅，收集入射光栅的±1级衍射，一方面提升光传输效率，另一方面双侧纵向扩瞳提高出曈范围。但这种方案存在更严重的出射效率不均的问题。主要体现于两个转折光栅的中间宽度为D的区域将没有光被转折进入出射光栅，最终导致观察时出现明显的暗带，影响虚拟图像的显示效果。
发明内容
基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种能扩瞳且出光均匀的衍射波导，能解决现有设有两块转折光栅的衍射波导，因两个转折光栅的中间分隔的区域没有光被转折进入出射光栅，导致观察时出现明显的暗带，影响虚拟图像的显示效果的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供一种能扩瞳且出光均匀的衍射波导，包括：
波导基体、入射光栅、均光光栅阵列和出射光栅；其中，
所述入射光栅、所述均光光栅阵列和所述出射光栅依次间隔排列设置在所述波导基体的表面，所述入射光栅经所述均光光栅阵列至所述出射光栅形成传输光路。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的能扩瞳且出光均匀的衍射波导，其有益效果为：
通过在入射光栅与出射光栅之间的波导基体上设置均光光栅阵列，使入射光栅的光经均光光栅阵列进入出射光栅，实现了在保证衍射波导光效的前提下，大范围二维扩瞳的同时，提供较高的出光均匀性，从而有效改善现有衍射波导的整体性能，能扩展衍射波导的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为现有技术提供的具有两块转折光栅的衍射波导的示意图；
图2为本发明实施例一提供的衍射波导的示意图；
图3为本发明实施例一提供的衍射波导的均光光栅阵列的示意图；
图4为本发明实施例一提供的衍射波导的传输光路示意图；
图5为本发明实施例提供的衍射波导的均光光栅阵列的示意图；
图6为本发明实施例提供的衍射波导的示意图，其中，(a)为第一类子光栅的扩瞳方向示意图；(b)为第二类子光栅的扩瞳方向示意图；(c)为空白区域的无扩瞳效果示意图；
图7为本发明实施例提供的衍射波导的示意图，其中，(a)为第一种基本形式的均光光栅阵列的示意图；(b)为第二种基本形式的均光光栅阵列的示意图；(c)为第三种基本形式的均光光栅阵列的示意图；(d)为第四种基本形式的均光光栅阵列的示意图；
图8为本发明实施例二提供的衍射波导的示意图；
图9为本发明实施例三提供的衍射波导的示意图；
图10为本发明实施例四提供的衍射波导的示意图；
图11为本发明实施例五提供的衍射波导的示意图；
图12为本发明实施例六提供的衍射波导的示意图；
图13为本发明实施例七提供的衍射波导的示意图；
图1中各标记对应的部件为：100-二维扩瞳双转折衍射波导；101-波导；102-入射光栅；103-转折光栅一；104-转折光栅二；105-出射光栅；106-来自微投影或微显示屏的入射光；107-经过双转折衍射波导二维扩瞳后的出射光；
图2至图4和图8至图13中各标记对应的部件为：200-含有光栅阵列的二维扩瞳衍射波导；201-波导具体；202-入射光栅；203-均光光栅阵列；204-出射光栅；2031-均光光栅阵列中的第一类子光栅；2032-均光光栅阵列中的第二类子光栅；2033-均光光栅阵列中的空白区域；
图5至图7中各标记对应的部件为：300-由三种类型子光栅构成的均光光栅阵列；2031-第一类子光栅；2032-第二类子光栅；2033-空白区域；3041-入射进第一类子光栅的入射光；3042-入射进第二类子光栅的入射光；3043-入射进空白区域的入射光；3001-第一种形式的均光光栅阵列；3002-第二种形式的均光光栅阵列；3003-第三种形式的均光光栅阵列；3004-第四种形式的均光光栅阵列。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图2至图4所示，本发明实施例提供一种能扩瞳且出光均匀的衍射波导，包括：
波导基体、入射光栅、均光光栅阵列和出射光栅；其中，
所述入射光栅、所述均光光栅阵列和所述出射光栅依次间隔排列设置在所述波导基体的表面，所述入射光栅经所述均光光栅阵列至所述出射光栅形成传输光路。
上述衍射波导中，均光光栅阵列是由至少四块子光栅按阵列结构排列而成的阵列结构光栅；
所述均光光栅阵列中的子光栅包括：光栅沟槽方向相互垂直的第一类子光栅与第二类子光栅；
所述入射光栅的周期dI、第一类子光栅的周期dA1、第二类子光栅的周期dA2和出射光栅的周期dO满足以下关系：dI＝√2dA1＝√2dA2＝dO。
上述均光光栅阵列的各子光栅形状相同。
上述均光光栅阵列的各子光栅形状为正方形、六边形、圆形中的任一种。
优选的，上述均光光栅阵列的各子光栅为闪耀光栅、矩形光栅、倾斜光栅、全息光栅中的任一种。
上述衍射波导中，均光光栅阵列还包括：至少一块空白区域，所述空白区域的形状与所述子光栅的形状相同。
上述衍射波导中，阵列结构光栅为长方形结构或正方形结构。
上述这种结构的衍射波导由于设置均光光栅阵列，通过均光光栅阵列使得进入出射光栅的光更均匀，提升显示成像效果。
可以知道，上述的均光光栅阵列可根据实际需要，设置多块不同类型的子光栅组成各种形式的阵列结构光栅(如图7至图12所示的均光光栅阵列)，只要保证子光栅类型为光栅沟槽方向相互垂直的两类子光栅和一类空白区域即可，能保证更好的均光和扩瞳效果。实际中，可通过优化光栅阵列中的每个子光栅的方向以及效率，极大的提高出射均匀性以及出曈范围。
参见图，进一步的，上述衍射波导还包括：第一转折光栅，设在所述入射光栅的下方，与所述入射光栅处于所述均光光栅阵列同一侧；
所述入射光栅经所述第一转折光栅、所述均光光栅阵列至所述出射光栅形成传输光路。这种结构的衍射波导由于设置第一转折光栅和均光光栅阵列，不仅提升了光利用效率，而且通过均光光栅阵列使得进入出射光栅的光更均匀，提升显示成像效果。
进一步的，上述衍射波导还包括：第二转折光栅，设在所述入射光栅的上方，与所述入射光栅处于所述均光光栅阵列的同一侧；入射光栅与上、下方间隔设置第一、二转折光栅形成一种双转折光栅；
所述入射光栅经所述第一转折光栅、所述第二转折光栅、所述均光光栅阵列至所述出射光栅形成传输光路。
这种结构的衍射波导，由于设置两块转折光栅和均光光栅阵列，使得经两块转折光栅的衍射光先经过均光光栅阵列后再进入出射光栅，不仅能收集±1级的衍射光以提升效率，而且能通过均光光栅阵列使得进入出射光栅的光更均匀，消除两块转折光栅之间间隔空隙形成的显示暗带，提升显示成像效果。
本发明通过在衍射波导中，在入射光栅与出射光栅之间的波导基体上设置由多块子光栅构成的均光光栅阵列，使得入射光栅的光经均光光栅阵列进入出射光栅，这样在保证衍射波导光效的前提下，实现大范围二维扩瞳的同时，提供较高的出光均匀性，从而有效改善现有衍射波导的整体性能，扩展衍射波导的应用。
下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。
本发明实施例提供一种出光均匀且出曈范围较大的衍射波导，是一种基于光栅阵列，能保证衍射波导(Diffractive waveguide)光效的前提下，获得较大出曈范围的同时，保证良好出光均匀性。
通过图5、6和7所示的均光光栅阵列对均光光栅阵列原理进行说明。图5为均光光栅阵列300的示意图，这种均光光栅阵列300主要由三种不同属性的子光栅组合而成；其中，第一类子光栅2031与第二类子光栅2032为周期相同但光栅方向正交(垂直)的两种光栅；第一类子光栅2031与第二类子光栅2032的光栅周期由入射光光栅周期决定，即入射光栅的周期dI、均光光栅阵列中第一类子光栅2031周期dA1、均光光栅阵列中第二类子光栅2032周期dA2和出射光栅的周期dO满足以下关系：dI＝√2dA1＝√2dA2＝dO。
而入射光光栅周期主要由波导折射率、入射光的波长、以及所需求的视场角决定；第一类子光栅2031、第二类子光栅2032可采用闪耀光栅、矩形光栅、或者倾斜光栅、全息光栅等任意类型，子光栅的高度、占空比等具体形貌参数需要根据具体应用场景进行优化；由于第一类子光栅2031与第二类子光栅2032光栅正交，所以入射光经过第一类子光栅2031与第二类子光栅2032后产生不同转折方向。另外由于第一类子光栅301与第二类子光栅2032光栅周期相同，所以扩瞳效果相同，仅扩瞳方向存在区别(参见图6(a)和(b))；均光光栅阵列300内还可以设置无光栅的空白区域2033，光经过此处将不会被扩瞳(参见图6(c))。
如图7所示，上述均光光栅阵列300中，各位置子光栅可设置上述三种属性中的任意一种。均光光栅阵列的构成不同，所产生的扩瞳效果以及均匀性也不同。如图7(a)所示为不同类型子光栅分布的2×2的均光光栅阵列，该图7(a)中的均光光栅阵列3001为4块第一类子光栅2031构成的光栅阵列，其扩瞳效果等同于一块大的第一类子光栅2031；光束呈两个方向扩展(扩瞳)。图7(b)中的均光光栅阵列3002为2块第一类子光栅2031和2块第二类子光栅2032构成的光栅阵列，其中，光束向四个方向扩展。图7(c)中的3003为2块第一类子光栅2031、1块第二类子光栅2032和1块空白区域2033构成的光栅阵列，其中，光束呈三个方向扩展。图7(d)中的均光光栅阵列3004为2块第一类子光栅2031和2块空白区域2033构成的光栅阵列，扩瞳效果等同于图7(a)示意的均光光栅阵列3001。但是转折光的效率分布不同与均光光栅阵列3001，因为右上角区域并没有产生转折光。由此可见，改变光栅阵列中子光栅的类型可以对光产生不同的调控效果，使得光束传输方向、扩展方向、以及效率分布不同。因此通过增加光栅阵列构成各区域的子光栅，并合理优化各个小区域的子光栅类型，可以实现更理想的扩瞳效果。上述均光光栅阵列原理说明中，仅用2×2发四小块子光栅作为示例，实际应用中，通过增加均光光栅阵列中小块子光栅的数量，能实现对扩瞳进行更精细的控制和调节，使得衍射波导能在保证光效的前提下，获得较大出曈范围的同时，保证良好衍射均匀性。根据以上均光光栅阵列原理可知，将这种均光光栅阵列用于衍射波导中可有效提高衍射波导性能。
另外，上述均光光栅阵列中的光栅类型没有限定，可以是矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅或者全息光栅。光栅形貌(占空比、高度等)也没有限定，可根据需求优化这些参数使得光栅阵列的效果达到最佳。另外均光光栅阵列的子光栅和空白区域数量不限，子光栅之间的间距也没有下载，光栅阵列区域形状不限，每块子光栅形状也不限于矩形。
实施例一
本实施例提供一种衍射波导，是一种设有均光光栅阵列的一维扩瞳光栅，具体如图2至4所示，在入射光栅202与出射光栅204之间的波导基体201上设置均光光栅阵列203，使得来自入射光栅201的光被均光光栅阵列203有效的扩瞳，该均光光栅阵列中包括第一类子光栅、第二类子光栅和空白区域，并通过优化各个子光栅和空白区域，实现均匀的纵向扩展，相比于传统一维衍射波导，不损失光效的前提下提升光栅波导的出曈尺寸和出光均匀性。
实施例二
如图8所示，本实施例提供一种设有均光光栅阵列的二维扩瞳衍射波导，在第一转折光栅205和出射光栅204之间的波导基体201上设置均光光栅阵列203。通过均光光栅阵列203调整来自第一转折光栅205的光的均匀性，改善转折光栅导致的出光不均匀问题，最终提升衍射波导整体的出光均匀性。
实施例三
如图9所示，本实施例提供一种设有均光光栅阵列的双转折的二维扩瞳衍射波导，在入射光栅201上下分别间隔设置第一转折光栅205和第二转折光栅206，在入射光栅201、第一转折光栅205和第二转折光栅206与出射光栅204之间的波导基体201上设置均光光栅阵列203。这种结构的衍射波导具有传统双转折衍射波导的优越性(同时收集±1级的衍射光)，另外通过均光光栅阵列调整来自两个转折光栅的光的均匀性，改善转折光栅导致的出光不均匀，同时消除两个转折光栅之间的暗带，最终提升衍射波导的整体性能。
实施例四～实施例七
这三个实施例提供的衍射波导的结构与实施例一的衍射波导基本相同，不同的是均光光栅阵列的构成不同。
如图10所示，实施例四的均光光栅阵列中，两类子光栅均为矩形光栅，不仅设置了较多的空白区域且两类子光栅设置的间隔较大，但仍能保证较好的均光效果；实施例五的均光光栅阵列中，设置了较多的空白区域，但仍能保证较好的均光效果。
如图11所示，实施例五的均光光栅阵列中，两类子光栅均为矩形光栅，但设置了较多的空白区域，但仍能保证较好的均光效果；实施例五的均光光栅阵列中，设置了较多的空白区域，但仍能保证较好的均光效果。
如图12所示，实施例六的均光光栅阵列中，两类子光栅均为矩形光栅，但阵列外周设置了较多的空白区域，也能保证较好的均光效果；实施例五的均光光栅阵列中，设置了较多的空白区域，但仍能保证较好的均光效果。
如图13所示，实施例七的均光光栅阵列中，两类子光栅均为正六边形光栅，空白区域也为正六边形，但阵列外周设置了较多的空白区域，也能保证较好的均光效果；实施例五的均光光栅阵列中，设置了较多的空白区域，但仍能保证较好的均光效果。
可以知道，上述实施例四至实施例六的各形式均光光栅阵列均可用于具有一个转折光栅、两个转折光栅的衍射波导中，只要根据需要微调其构成的子光栅和空白区域位置即可。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种能扩瞳且出光均匀的衍射波导，其特征在于，包括：
波导基体、入射光栅、均光光栅阵列和出射光栅；其中，
所述入射光栅、所述均光光栅阵列和所述出射光栅依次间隔排列设置在所述波导基体的表面，所述入射光栅经所述均光光栅阵列至所述出射光栅形成传输光路。
2.根据权利要求1所述的能扩瞳且出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述均光光栅阵列是由至少四块子光栅按阵列结构排列而成的阵列结构光栅；
所述均光光栅阵列中的子光栅包括：光栅沟槽方向相互垂直的第一类子光栅与第二类子光栅；
所述入射光栅的周期dI、第一类子光栅的周期dA1、第二类子光栅的周期dA2和出射光栅的周期dO满足以下关系：dI＝√2dA1＝√2dA2＝dO。
3.根据权利要求2所述的能扩瞳且出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述均光光栅阵列的各子光栅形状相同。
4.根据权利要求3所述的能扩瞳且出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述均光光栅阵列的各子光栅形状为正方形、六边形、圆形中的任一种。
5.根据权利要求2所述的能扩瞳且出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述均光光栅阵列的各子光栅为闪耀光栅、矩形光栅、倾斜光栅、全息光栅中的任一种。
6.根据权利要求2所述的能扩瞳且出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述均光光栅阵列还包括：至少一块空白区域，所述空白区域的形状与所述子光栅的形状相同。
7.根据权利要求2所述的能扩瞳且出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述阵列结构光栅为长方形结构或正方形结构。
8.根据权利要求1至7任一项所述的能扩瞳且出光均匀的衍射波导，其特征在于，还包括：第一转折光栅，设在所述入射光栅的下方，与所述入射光栅处于所述均光光栅阵列同一侧；
所述入射光栅经所述第一转折光栅、所述均光光栅阵列至所述出射光栅形成传输光路。
9.根据权利要求8所述的能扩瞳且出光均匀的衍射波导，其特征在于，还包括：第二转折光栅，设在所述入射光栅的上方，与所述入射光栅处于所述均光光栅阵列的同一侧；
所述入射光栅经所述第一转折光栅、所述第二转折光栅、所述均光光栅阵列至所述出射光栅形成传输光路。
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