CN113433621A - 一种高效光栅波导元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效光栅波导元件，包括：入射光栅、出射光栅、至少一个转折光栅和至少一组双回转光栅组合，它们分布设在光学基板的表面上；入射与转折光栅间隔设置，出射光栅设在转折光栅的一侧，入射、转折和出射光栅组成入射衍射光路；每组双回转光栅组合由两个回转光栅组成，两个回转光栅分别间隔设置在对应的所述转折光栅的两个衍射光溢出外侧面，两个回转光栅分别与所对应转折光栅组成溢出光回转光路。在转折光栅周围简单设置双回转光栅组合，可使传导出转折光栅且不能被传导至出射光栅的衍射光再次被衍射回并传导至出射光栅，产生朝向人眼方向衍射光，提高能量利用率。

Description

一种高效光栅波导元件

技术领域

本发明涉及光栅波导元件领域，尤其涉及一种高效光栅波导元件。

背景技术

随着虚拟现实和增强现实技术的应用与普及，近眼显示设备得到了快速发展。在近眼显示设备中，光栅波导器件是可能用到的一种主要部件，光栅波导器件是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而实现虚拟图像显示的。光栅波导技术具有透视效果好，轻薄，量产成本低等诸多优势，被认为是AR近眼显示技术的发展方向，但目前的光栅波导器件仍存在需要提高光能利用效率的问题。

如图1所示，现有的光栅波导器件主要由光学基板和在光学基板表面设置的光栅组成。光学基板的材质可以是光学玻璃、光学塑料等光学材料，通常为平面结构。光学基板的主要光学面为两个互相平行的表面，光栅位于光学基板的其中一个表面上，通常有：入射光栅112，转折光栅114和出射光栅116三个光栅区域。如图2和图3所示，光栅波导器件的工作原理是：当投影系统210发出的带有图像信息的光线214投射到入射光栅112上后，入射光栅112会发生衍射产生衍射光束，当衍射光束满足光学基板的全反射条件，即入射到光学基板的光学表面的角度大于基板的全反射临界角时，衍射光束会产生全反射而在光学基板中近乎无损传导，一部分衍射光216朝向-y，即转折光栅114方向传导，当入射至转折光栅114区域中时，由于受到转折光栅114的衍射作用，会在继续沿-y方向传导的同时，产生朝向出射光栅116传导的一系列衍射光218，衍射光218传导至出射光栅116，被出射光栅116衍射后，出射衍射光220进入人眼212被感知，而外传衍射光216沿-y方向传导出转折光栅114区域后，会继续沿-y方向传导，而这部分外传衍射光此时则无法再被利用，造成能量浪费。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效光栅波导元件，能对沿-y方向传导出转折光栅区域的部分衍射光进行利用，来提升能量利用率，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。

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高效光栅波导元件，包括：

光学基板、入射光栅、至少一个转折光栅、出射光栅和与所述转折光栅相同数量的双回转光栅组合；其中，

所述入射光栅，至少一个转折光栅，至少一组双回转光栅组合和出射光栅均分布设置在所述光学基板的表面上；

所述入射光栅与所述转折光栅间隔设置，所述出射光栅设置在所述转折光栅的一侧，所述入射光栅、转折光栅和出射光栅组成入射衍射光路；

每组双回转光栅组合由两个回转光栅组成，两个回转光栅分别间隔设置在对应的所述转折光栅的两个衍射光溢出外侧面，两个回转光栅分别与所对应转折光栅组成溢出光回转光路。

与现有技术相比，本发明所提供的高效光栅波导元件，至少具有以下有益效果：

通过设置数量与转折光栅数量相同的双回转光栅组合，在每个转折光栅的能外溢光的两个衍射光溢出外侧面设置由两个回转光栅组成的双回转光栅组合，使得传导出转折光栅且不能被传导至出射光栅的衍射光再次被衍射回转折光栅，进而能再次传导至出射光栅，产生朝向人眼方向的衍射光，提高系统能量利用率；这种结构的光栅波导元件由于仅在对应的转折光栅外周设置双回转光栅组合，相比于现有利用复杂的转折光栅结构来提高能量利用率的方案，其结构和制作工艺更简单。

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为现有技术提供的光栅波导器件的结构示意图；

图2为现有技术提供的光栅波导器件的工作原理示意图；

图3为现有技术提供的光栅波导器件的衍射光传播路径示意图；

图4为本发明实施例提供的高效光栅波导元件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的高效光栅波导元件的工作原理示意图；

图6为本发明实施例提供的高效光栅波导元件的工作原理的具体示意图；

图7为本发明实施例提供的高效光栅波导元件的一种结构示意图；

图8为本发明实施例提供的高效光栅波导元件的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，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，这并不构成对本发明的限制。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。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明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文的限制。

下面对本发明所提供的高效光栅波导元件方法进行详细描述。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。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如图4、5和6所示，本发明实施例提供一种高效光栅波导元件，其特征在于，包括：

光学基板、入射光栅412、至少一个转折光栅414、出射光栅420和与所述转折光栅414相同数量的双回转光栅组合；其中，

所述入射光栅412，至少一个转折光栅414，至少一组双回转光栅组合和出射光栅420均分布设置在所述光学基板的表面上；

所述入射光栅412与所述转折光栅414间隔设置，所述出射光栅420设置在所述转折光栅414的一侧，所述入射光栅412、转折光栅414和出射光栅420组成入射衍射光路；

每组双回转光栅组合由两个回转光栅组成，两个回转光栅分别间隔设置在对应的所述转折光栅的两个衍射光溢出外侧面A、B，两个回转光栅分别与所对应转折光栅组成溢出光回转光路。具体的，转折光栅的两个衍射光溢出外侧面可根据入射光栅位置以及转折光栅的结构确定。两个衍射光溢出外侧面A、B可以是转折光栅与入射光栅的相对侧面和相邻侧面，相对侧面可以是与入射光栅邻近的相对侧面，也可以是与入射光栅远离的相对侧面。

上述光栅波导元件中，每个回转光栅的光栅周期与对应的转折光栅的光栅周期和光栅矢量方向满足以下关系：

其中，d_T表示转折光栅的光栅周期；d_R1表示第一回转光栅的光栅周期；d_R2表示第二回转光栅的光栅周期；φ_T表示转折光栅的光栅矢量方向与y轴的夹角；

所述双回转光栅组合的两个回转光栅中，处于所述转折光栅的两个衍射光溢出外侧面中的第一衍射光溢出外侧面A的第一回转光栅的光栅线槽沿水平方向设置，处于所述转折光栅的两个衍射光溢出外侧面中的第二衍射光溢出外侧面B的第二回转光栅的光栅线槽沿竖直方向设置。

满足上述关系的两个回转光栅，能使重新衍射回转折光栅的衍射光和被入射光栅衍射并传导至转折光栅且被转折光栅衍射的衍射光的方向相同，进而使得这两束衍射光由转折光栅传导至出射光栅的方向也会相同，从而使从出射光栅出射的两束衍射光的方向也相同，能避免产生杂光和图像重影等效应，提升了光的利用率。

上述光栅波导元件中，所述转折光栅为一个或多个，所述双回转光栅组合为一组或多组；

每组双回转光栅组合对应间隔设置在一个转折光栅的两个外侧面，与该转折光栅组成溢出光回转光路。

上述光栅波导元件中，所述回转光栅采用矩形光栅、梯形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅中的任一种。

上述光栅波导元件中，入射光栅、转折光栅和出射光栅均采用矩形光栅、梯形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅中的任一种。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的高效光栅波导元件方法进行详细描述。

实施例

本发明实施例提供一种高效光栅波导元件，如图4所示，光栅波导元件由光学基板和位于光学基板表面的光栅组成，光栅分成五个区域：入射光栅412、一个转折光栅414、双回转光栅组合(由第一回转光栅416和第二回转光栅418组成)和出射光栅420。如图5所示，入射光栅412用于将投影系统发出的虚拟图像光束514导入光栅波导元件400中，入射光栅412将入射光514朝向两个近似相对的方向衍射，一部分朝向转折光栅414区域传导(即入射衍射光516)，入射衍射光516传导至转折光栅414区域，被转折光栅414衍射，会产生朝向出射光栅420传导的一系列第一转折衍射光518和继续沿-y方向传导的第一外传衍射光520，第一转折衍射光518传导至出射光栅420，被出射光栅420衍射后，第一出射衍射光522进入人眼被感知；第一外传衍射光520沿-y方向传导出转折光栅414区域后，会继续沿-y方向传导至双回转光栅组合的第一回转光栅416，被第一回转光栅416衍射，产生朝向+y方向传导的第一回转衍射光524，第一回转衍射光524沿+y方向传导回转折光栅414，被转折光栅414衍射，产生朝向+x方向传导的第二外传衍射光526，第二外传衍射光526沿+x方向传导至双回转光栅组合的第二回转光栅418，被第二回转光栅418衍射，产生朝向-x方向传导的第二回转衍射光528，第二回转衍射光528沿-x方向传导回转折光栅414，被转折光栅414衍射，产生第二转折衍射光530和第三外传衍射光532，第二转折衍射光530继续沿-x方向传导，传导至出射光栅420区域后，被出射光栅420衍射产生第二出射衍射光534，第二出射衍射光534进入人眼被感知；

上述高效光栅波导元件中，入射衍射光516被转折光栅414衍射后产生第一转折衍射光518和第一外传衍射光520，第一转折衍射光518的极角θ₅₁₈和方位角φ₅₁₈(极角是光线与z轴的夹角，方位角如图6所示)由以下光栅方程给出：

n_w是光学基板的折射率，λ是入射光波长，d_T是转折光栅414的光栅周期，θ₅₁₆和φ₅₁₆是入射衍射光516的极角和方位角。

第一外传衍射光520的极角θ₅₂₀和方位角φ₅₂₀为：

第一外传衍射光520被第一回转光栅416衍射后产生第一回转衍射光524，其极角θ₅₂₄和方位角φ₅₂₄为：

φ_T是转折光栅414的光栅矢量方向与y轴的夹角，d_R1是第一回转光栅416的光栅周期。

第一回转衍射光524被转折光栅414衍射后产生第二外传衍射光526，其极角θ₅₂₆和方位角φ₅₂₆为：

第二外传衍射光526被第二回转光栅418衍射后产生第二回转衍射光528，其极角θ₅₂₈和方位角φ₅₂₈为：

d_R2是第二回转光栅418的光栅周期。

第二回转衍射光528被转折光栅414衍射后产生第二转折衍射光530和第三外传衍射光532，第二转折衍射光530的极角θ₅₃₀和方位角φ₅₃₀为：

第三外传衍射光532的极角θ₅₃₂和方位角φ₅₃₂为：

由式(1)，式(3)，式(4)，式(5)和式(6)可得：

由式(2)，式(3)，式(4)，式(5)和式(7)可得：

当

时，由式(8)可得：

于是有：θ₅₃₀＝θ₅₁₈，

第二转折衍射光530的方向与第一转折衍射光518的方向相同。

由式(9)可得：

于是有：θ₅₃₂＝θ₅₂₀，

第三外传衍射光532的方向与第一外传衍射光520的方向相同。

由

可得：

因此，转折光栅414的光栅矢量方向与光栅周期，第一回转光栅416的光栅周期和第二回转光栅418的光栅周期满足(12)式时，第二转折衍射光530和第一转折衍射光518的方向将会相同，第三外传衍射光532和第一外传衍射光520的方向将会相同。从而，第二出射衍射光534和第一出射衍射光522的方向将会相同。

这种结构中，第二出射衍射光534和第一出射衍射光522的方向相同时，可使传导出转折光栅414区域的衍射光重新得到利用，且避免产生杂光和图像重影等效应，保证了光栅波导元件的光学性能。

本发明的光栅波导元件结构中，通过在转折光栅周围设置两个回转光栅组成的双回转光栅组合，可使传导出转折光栅且不能被传导至出射光栅的衍射光再次被衍射回并传导至出射光栅，产生朝向人眼方向的衍射光，提高系统能量利用率。并且，这种结构仅通过布置在转折光栅周围的双回转光栅组合来提高能量利用率，不需要改变转折光栅的结构，相比于现有利用复杂的转折光栅结构来提高能量利用率的方案，其结构和制作工艺更简单。

上述波导中各光栅的种类不限，入射光栅、转折光栅、第一、第二回转光栅和出射光栅均可采用矩形光栅、梯形光栅、倾斜光栅和闪耀光栅等光栅结构。入射光栅、转折光栅和出射光栅的光栅周期和光栅区域形状、尺寸、大小可根据需求优化。

入射光栅、转折光栅和出射光栅的具体个数和分布可任意，如图7示意的双转折光栅波导结构和图8示意的光栅波导结构，只要光线传导出转折光栅的对应侧无其它光栅结构，均可设置双回转光栅组合来提高能量利用率。

每组双回转光栅组合的第一、第二回转光栅的光栅区域形状、尺寸、大小可根据需求优化，其光栅周期与转折光栅的光栅周期满足相应关系；回转光栅416的光栅线槽沿水平方向，回转光栅418的光栅线槽沿竖直方向。

第一、第二回转光栅和转折光栅可位于光学基板的同一表面或不同表面上。

综上可见，本发明实施例的光栅波导元件，通过在转折光栅没有其他光栅的外周设置由两个回转光栅组成的双回转光栅组合，在不需要改变转折光栅结构的前提下，提升了整个光栅波导元件的光效。

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。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种高效光栅波导元件，其特征在于，包括：

光学基板、入射光栅(412)、至少一个转折光栅(414)、出射光栅(420)和与所述转折光栅(414)相同数量的双回转光栅组合；其中，

所述入射光栅(412)，至少一个转折光栅(414)，至少一组双回转光栅组合和出射光栅(420)均分布设置在所述光学基板的表面上；

所述入射光栅(412)与所述转折光栅(414)间隔设置，所述出射光栅(420)设置在所述转折光栅(414)的一侧，所述入射光栅(412)、转折光栅(414)和出射光栅(420)组成入射衍射光路；

每组双回转光栅组合由两个回转光栅组成，两个回转光栅分别间隔设置在对应的所述转折光栅的两个衍射光溢出外侧面，两个回转光栅分别与所对应转折光栅组成溢出光回转光路。

2.根据权利要求1所述的高效光栅波导元件，其特征在于，每个回转光栅的光栅周期与对应的转折光栅的光栅周期和光栅矢量方向满足以下关系：

其中，d_T表示转折光栅的光栅周期；d_R1表示第一回转光栅的光栅周期；d_R2表示第二回转光栅的光栅周期；φ_T表示转折光栅的光栅矢量方向与y轴的夹角；

所述双回转光栅组合的两个回转光栅中，处于所述转折光栅的两个衍射光溢出外侧面中的第一衍射光溢出外侧面的第一回转光栅的光栅线槽沿水平方向设置，处于所述转折光栅的两个衍射光溢出外侧面中的第二衍射光溢出外侧面的第二回转光栅的光栅线槽沿竖直方向设置。

3.根据权利要求1或2所述的高效光栅波导元件，其特征在于，所述转折光栅为一个或多个，所述双回转光栅组合为一组或多组；

每组双回转光栅组合对应间隔设置在一个转折光栅的两个衍射光溢出外侧面，与该转折光栅组成溢出光回转光路。

4.根据权利要求1或2所述的高效光栅波导元件，其特征在于，所述双回转光栅组合的两个回转光栅采用矩形光栅、梯形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅中的任一种。

5.根据权利要求1或2所述的高效光栅波导元件，其特征在于，所述入射光栅、转折光栅和出射光栅均采用矩形光栅、梯形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅中的任一种。

6.根据权利要求1或2所述的高效光栅波导元件，其特征在于，所述双回转光栅组合与转折光栅位于所述光学基板的同一表面或不同表面上。

Images