CN112346173A - 一种介质柱光子晶体光波导转折光栅结构及近眼显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介质柱光子晶体光波导转折光栅结构及近眼显示系统，所述介质柱光子晶体光波导转折光栅结构由多个等间隔设置的介质柱组成，通过减少介质柱以沿光束的传输方向上形成有输入波导区、微环微腔区、输出波导区以及扩瞳区；其中，所述微环微腔区置于所述输入波导区的上方以及所述输出波导区的下方。该介质柱光子晶体光波导转折光栅结构可以减小光传播过程中的损耗，并且可以尽可能减小整个转折光栅的面积。
Description
技术领域
本发明涉及AR光学方案，具体地，涉及一种介质柱光子晶体光波导转折光栅结构及近眼显示系统。
背景技术
AR近眼显示系统是将显示器上的像素，通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。AR眼镜需要透视(see-through)，既要看到真实的外部世界，也要看到虚拟信息，所以成像系统不能挡在视线前方。这就需要多加一个或一组光学组合器(opticalcombiner)，通过“层叠”的形式，将虚拟信息和真实场景融为一体，互相补充，互相“增强”。AR设备的光学显示系统通常由微型显示屏和光学元件组成。概括来说，目前市场上的AR眼镜采用的显示系统就是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合，其中光学组合器的不同，是区分AR显示系统的关键部分，光波导，因其轻薄和外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案。
光波导总体上可以分为几何光波导(Geometric Waveguide)和衍射光波导(Diffractive Waveguide)两种，几何光波导就是所谓的阵列光波导，其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，代表光学公司是以色列的Lumus，目前市场上还未出现大规模的量产眼镜产品。
衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(Surface ReliefGrating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导(Volumetric HolographicGrating)，HoloLens 2，Magic Leap One均属于前者，全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅，苹果公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅，另外致力于这个方向的还有Digilens。
AR眼镜想要具备普通眼镜的外观，真正走向消费市场，衍射光波导，具体说表面浮雕光栅方案是目前的不二之选。目前诸如微软HoloLens一代和二代、Magic Leap One等多家明星产品，使用并用消费级产品证明了衍射光波导的可量产性。Rokid最新发布的RokidVision AR眼镜也是采用双目衍射光波导的方案。
用衍射光栅实现二维扩瞳的概念十几年前由位于芬兰的Nokia研究中心的科学家Dr.Tapani Levola提出，并且给业内贡献了许多有价值的论文，主要使用的是表面浮雕光栅(SRG)，后来这部分IP分别被Microsoft和Vuzix购买或者获得使用执照(license)，所以现在的HoloLens I和Vuzix Blade用的都是类似的光栅结构和排布。
全息体光栅(VHG)的代表光学公司Digilens也是用类似的三区域光栅排布来实现二维扩瞳。可以看到当入射光栅(input grating)将光耦合入波导后，会进入一个转折光栅(fold/turn grating)的区域，这个区域内的光栅沟壑方向与入射光栅呈一定角度，为了方便理解我们假定它是45度角，那么它就像一个45度的镜子一样将X方向打来的光反射一下变成沿Y方向传播。
并且在这个转向的过程中，由于全反射行进的光线会与转折光栅相遇好几次，每一次都将一部分光转90度，另一部分光继续横向前进，这就实现了的在X方向的一维扩瞳，只不过扩瞳后的光并没有耦合出波导，而是继续沿Y方向前进进入第三个光栅区域–出射光栅(output grating)。
出射光栅的结构与入射光栅类似，只不过面积要大很多而且光栅沟壑的方向与入射光栅垂直，因为它承担着在Y方向扩瞳的重任，它接受的是多个光束而非一个。我们假设单瞳(pupil)的入射光在经过转折光栅后扩展成M*1个瞳(即一个X方向的一维阵列)，那么在经过出射光栅后就被扩展成了一个M*N的二维矩阵，其中N是光线在出射光栅区域全反射的次数即扩瞳的个数。
用转折光栅实现二维扩瞳是一个比较直观也是目前市面上主流产品如HoloLensI，Vuzix Blade，Magic Leap One，Digilens等采取的方式，其中三个光栅区域的面积、形态、排布方式可以根据眼镜的光学参数要求和外形设计来灵活调节。
另外一种实现二维扩瞳的方式是直接使用二维光栅，即光栅在至少两个方向上都有周期，比较直观来讲就是单向“沟壑”变为柱状阵列。来自英国的衍射光波导公司WaveOptics就是采用的这种结构，从入射光栅(区域1)耦合进波导的光直接进入区域3，这个区域的二维柱状阵列可以同时将光线在X和Y两个方向实现扩束，并且一边传播一边将一部分光耦合出来进入人眼。上述方案中的转折光栅的面积需要较大，且光在传播过程中的损耗较多。
发明内容
本发明的目的是提供一种介质柱光子晶体光波导转折光栅结构，该介质柱光子晶体光波导转折光栅结构可以减小光传播过程中的损耗，并且可以尽可能减小整个转折光栅的面积。
为了实现上述目的，本发明提供了一种介质柱光子晶体光波导转折光栅结构，所述介质柱光子晶体光波导转折光栅结构由多个等间隔设置的介质柱组成，通过减少介质柱以沿光束的传输方向上形成有输入波导区、微环微腔区、输出波导区以及扩瞳区；其中，所述微环微腔区置于所述输入波导区的上方以及所述输出波导区的下方。
优选地，除所述输入波导区、微环微腔区、输出波导区以及扩瞳区之外的相邻两个所述介质柱之间的距离小于所述光束的波长的1/2。
优选地，除所述输入波导区、微环微腔区、输出波导区以及扩瞳区之外的相邻两个所述介质柱之间的距离为400nm；所述输入波导区和输出波导区中两侧介质柱之间的距离均为800nm；所述微环微腔区的两侧介质柱之间的距离为900nm。
优选地，所述输入波导区中光束传输的末端设置有高反射率结构，以使得光束在所述输入波导区的末端被反射至所述微环微腔区中。
优选地，所述扩瞳区被配置为由多个等间隔设置的介质柱按照二维柱状阵列排列构成，以使得所述光束在X方向和Y方向上均进行扩束。
优选地，所述微环微腔区被配置为能够将来自所述输入波导区的光束耦合输出至所述输出波导区中。
另外，一种近眼显示系统，所述近眼显示系统包括上述的介质柱光子晶体光波导转折光栅结构。
根据上述技术方案，本发明的介质柱光子晶体光波导转折光栅结构利用所述微环微腔区置于所述输入波导区的上方以及所述输出波导区的下方的结构使得所述输出波导区可以占据更大的面积，另外，本发明的上述光栅结构能够减少光束在传播过程中的损耗，并且利用微环微腔区来调整光束方向性满足耦合出光区对于角度的选择性。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是说明本发明的一种介质柱光子晶体光波导转折光栅结构的结构示意图。
附图标记说明
1 输入波导区 2 微环微腔区
3 输出波导区 4 扩瞳区
5 介质柱
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上、下、左、右”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
图1是本发明的一种介质柱光子晶体光波导转折光栅结构，如图1所示，所述介质柱光子晶体光波导转折光栅结构由多个等间隔设置的介质柱5组成，通过减少介质柱5以沿光束的传输方向上形成有输入波导区1、微环微腔区2、输出波导区3以及扩瞳区4；其中，所述微环微腔区2置于所述输入波导区1的上方以及所述输出波导区3的下方。所述输入波导区1和所述输出波导区3分别设置在微环微腔区2的上下侧，通过此折叠的方式可以扩大所述输出波导区3的面积，并且配合所述扩瞳区4实现了眼眶的范围的增大。另外，本发明的输入波导区1、微环微腔区2、输出波导区3以及扩瞳区4的排列方式可以减少光束传输过程中的损耗。
优选地，除所述输入波导区1、微环微腔区2、输出波导区3以及扩瞳区4之外的相邻两个所述介质柱5之间的距离小于所述光束的波长的1/2。并且，所述输入波导区1中光束传输的末端设置有高反射率结构，以使得光束在所述输入波导区1的末端被反射至所述微环微腔区2中。利用上述的结构可以有效选择光束的角度，根据工作波长调整输入波导区1域的高度，可以形成波导增强的效果。其中，输入波导区1域右侧(高反射率结构)为高反区域，光波耦合进入微环，形成与工作波长相匹配的微环微腔。
优选地，除所述输入波导区1、微环微腔区2、输出波导区3以及扩瞳区4之外的相邻两个所述介质柱5之间的距离为400nm；所述输入波导区1和输出波导区3中两侧介质柱5之间的距离均为800nm；所述微环微腔区2的两侧介质柱5之间的距离为900nm。实际上，如图1所示，所述输入波导区1和输出波导区3为中间一排少了一部分的介质柱5，刚好形成一个区域通道，因此，两侧的距离默认为正常区域的两倍，所述微环微腔区2的两侧相当于中间少了一部分的介质柱5。
优选地，所述扩瞳区4被配置为由多个等间隔设置的介质柱5按照二维柱状阵列排列构成，以使得所述光束在X方向和Y方向上均进行扩束。所述扩瞳区4的作用是将光束进行扩束，并且一边传播一边将一部分光耦合出来进入人眼，完成光束的处理。
优选地，所述微环微腔区2被配置为能够将来自所述输入波导区1的光束耦合输出至所述输出波导区3中。
另外，本发明还提供一种近眼显示系统，所述近眼显示系统包括上述的介质柱5光子晶体光波导转折光栅结构。
其中，所述近眼显示系统与现有技术相比能够达到与本发明的介质柱5光子晶体光波导转折光栅结构相同的区别技术特征和技术效果，在此不再赘述。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种介质柱光子晶体光波导转折光栅结构，其特征在于，所述介质柱(5)光子晶体光波导转折光栅结构由多个等间隔设置的介质柱(5)组成，通过减少介质柱(5)以沿光束的传输方向上形成有输入波导区(1)、微环微腔区(2)、输出波导区(3)以及扩瞳区(4)；其中，所述微环微腔区(2)置于所述输入波导区(1)的上方以及所述输出波导区(3)的下方。
2.根据权利要求1所述的介质柱光子晶体光波导转折光栅结构，其特征在于，除所述输入波导区(1)、微环微腔区(2)、输出波导区(3)以及扩瞳区(4)之外的相邻两个所述介质柱(5)之间的距离小于所述光束的波长的1/2。
3.根据权利要求1所述的介质柱光子晶体光波导转折光栅结构，其特征在于，除所述输入波导区(1)、微环微腔区(2)、输出波导区(3)以及扩瞳区(4)之外的相邻两个所述介质柱(5)之间的距离为400nm；
所述输入波导区(1)和输出波导区(3)中两侧介质柱(5)之间的距离均为800nm；
所述微环微腔区(2)的两侧介质柱(5)之间的距离为900nm。
4.根据权利要求1所述的介质柱光子晶体光波导转折光栅结构，其特征在于，所述输入波导区(1)中光束传输的末端设置有高反射率结构，以使得光束在所述输入波导区(1)的末端被反射至所述微环微腔区(2)中。
5.根据权利要求1所述的介质柱光子晶体光波导转折光栅结构，其特征在于，所述扩瞳区(4)被配置为由多个等间隔设置的介质柱(5)按照二维柱状阵列排列构成，以使得所述光束在X方向和Y方向上均进行扩束。
6.根据权利要求1所述的介质柱光子晶体光波导转折光栅结构，其特征在于，所述微环微腔区(2)被配置为能够将来自所述输入波导区(1)的光束耦合输出至所述输出波导区(3)中。
7.一种近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统包括权利要求1-6中任意一项所述的介质柱光子晶体光波导转折光栅结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210209 |