CN113625386A

CN113625386A - 光学装置和电子设备

Info

Publication number: CN113625386A
Application number: CN202110915615.7A
Authority: CN
Inventors: 蒋楚豪
Original assignee: Guangdong Oppo Mobile Telecommunications Corp Ltd
Current assignee: Guangdong Oppo Mobile Telecommunications Corp Ltd
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2041-08-10
Also published as: CN113625386B

Abstract

本申请实施例提供一种光学装置和电子设备，光学装置包括：波导，包括相对的第一侧和第二侧；第一衍射光栅，设置于所述波导的第一侧；耦入光栅，设置于所述波导的第二侧，且与所述第一衍射光栅相对设置，所述耦入光栅和所述第一衍射光栅的色散相反；第二衍射光栅，设置于所述波导的第一侧；以及耦出光栅，设置于所述波导的第二侧，且与所述第二衍射光栅相对设置，所述耦出光栅和所述第二衍射光栅的色散相反。对耦入光栅及耦出光栅分别设置对应的色散补偿的光栅，可解决传统单片衍射波导所面临的缺色问题。

Description

光学装置和电子设备

技术领域

本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种光学装置和电子设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR,)是近年来广受关注的科技领域，而AR眼镜产品是AR的主要实现方式之一，它的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，通过“层叠”的形式，将虚拟信息和真实场景融为一体。但是，相关技术中的AR眼镜的存在缺色的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种光学装置和电子设备，能够改善光信号传输过程中缺色的问题。

本申请实施例提供一种光学装置，其包括：

波导，包括相对的第一侧和第二侧；

第一衍射光栅，设置于所述波导的第一侧；

耦入光栅，设置于所述波导的第二侧，且与所述第一衍射光栅相对设置，所述耦入光栅和所述第一衍射光栅的色散相反；

第二衍射光栅，设置于所述波导的第一侧；以及

耦出光栅，设置于所述波导的第二侧，且与所述第二衍射光栅相对设置，所述耦出光栅和所述第二衍射光栅的色散相反。

本申请实施例还提供一种电子设备，其包括：

壳体；

光学装置，设置于所述壳体内，所述光学装置为上述所述的光学装置。

本申请实施例的光学装置中，设置有色散相反的第一衍射光栅和耦入光栅、以及另一色散相反的第二衍射光栅和耦出光栅，并且耦入光栅与所述第一衍射光栅相对设置，耦出光栅与所述第二衍射光栅相对设置，对耦入光栅及耦出光栅分别设置对应的色散补偿的光栅，可解决传统单片衍射波导所面临的缺色问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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的附图。

为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行以下说明，其中在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。

图1为本申请实施例提供的光学装置的第一种结构示意图。

图2为本申请实施例提供的布拉格光栅相对于浮雕光栅的光谱与角谱特性的示意图。

图3为相关技术中光学装置的结构示意图。

图4为图3所示光学装置在k空间的光学传输的示意图。

图5本申请实施例提供的光学装置的第二种结构示意图。

图6为图5所示光学装置在k空间的光学传输的示意图。

图7为本实施例光学装置中入射光对应的光栅周期倾斜角示意图。

图8为图5所示光学装置在k空间中光线传输的另一示意图。

图9为图5所示光学装置另一角度示意图。

图10本申请实施例提供的光学装置的第三种结构示意图。

图11为图10所示光学装置在k空间中光线传输的示意图。

图12本申请实施例提供的光学装置的第四种结构示意图。

图13本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。

本申请实施例提供一种光学装置，具体请参阅图1，图1为本申请实施例提供的光学装置的第一种结构示意图。光学装置10包括波导11、第一衍射光栅12、耦入光栅14、第二衍射光栅18和耦出光栅16。波导11包括相对的第一侧112和第二侧114。第一衍射光栅12设置于所述波导11的第一侧112。耦入光栅14设置于所述波导11的第二侧114，且与所述第一衍射光栅12相对设置，所述耦入光栅14和所述第一衍射光栅12的色散相反。第二衍射光栅18设置于所述波导11的第一侧112。耦出光栅16设置于所述波导11的第二侧114，且与所述第二衍射光栅18相对设置，所述耦出光栅16和所述第二衍射光栅18的色散相反。对耦入光栅14及耦出光栅16分别设置对应的色散补偿的光栅，可解决传统单片衍射波导11所面临的缺色问题。

其中，所述第一衍射光栅12用于将入射的第一光信号22色散为多个单色光信号24。所述耦入光栅14用于将多个所述单色光信号24引导为反射角度相同的多个单色光信号24，以使多个所述单色光信号24在所述波导11内平行传导。所述耦出光栅16用于将多个所述单色光信号24引导至所述第二衍射光栅18，且在所述第二衍射光栅18交汇。所述第二衍射光栅18用于将交汇的多个所述单色光信号24汇聚成第二光信号28。

可选的，第一衍射光栅12和第二衍射光栅18可以为布拉格光栅(Volume BraggGrating，VBG)。VBG是一种利用全息曝光技术在光敏玻璃上形成周期性折射率调制的衍射器件。请结合图2，图2为本申请实施例提供的布拉格光栅相对于浮雕光栅的光谱与角谱特性的示意图。图2中图示(a)的横坐标为波长，纵坐标为衍射效率，可以看出相对于浮雕光栅而言，VBG只对特定波长的光有衍射作用；图2中图示(b)的横坐标为入射角度，纵坐标为衍射效率，可以看出相对于浮雕光栅而言，VBG只对特定入射角度的光有衍射作用。综上所述，可以通过调节VBG的周期参数，使其只对特定角度入射下特定波长的光衍射，并且衍射效率很高。当然，第一衍射光栅12和第二衍射光栅18也可以根据需要设置为其他光栅。其他一些实施例中，第一衍射光栅12和第二衍射光栅18也可由具有相似功能的超表面代替。

所述第一衍射光栅12可以包括一个或多个布拉格光栅，所述第二衍射光栅18可以包括一个或多个布拉格光栅。第一衍射光栅12与第二衍射光栅18可以为多个复用的VBG，每个VBG被设计用于特定的FOV与波长范围，其中每个VBG的光栅周期均可以为0.2μm至1.5μm之间。例如，第一衍射光栅12可以为三个复用的VBG，三个VBG分别用于红色单色光、蓝色单色光和绿色单色光。

第一衍射光栅12与第二衍射光栅18可以被设置为对入射光中心波长不发生衍射作用。耦入光栅14可以为闪耀光栅、矩形光栅或倾斜光栅，光栅周期可以为0.2μm至1.5μm之间。耦出光栅16可以为任意二维光栅，其两基矢所成夹角的角平分线上的光栅周期可以为0.4μm至3μm之间。上述各光栅与波导11的折射率可以为1.5至3之间，材料可以是硅、塑料、玻璃、聚合物或上述材料的某种组合。

为了更好的理解本实施例，下面举例说明。

对于布拉格光栅或浮雕光栅来说，同一角度入射不同波长的光会由于光栅的色散作用被分成不同衍射角度的光线。色散作用可以理解为光栅对不同波长光的衍射分量大小不同，导致不同颜色的光会有不同的衍射角度。

请参阅图3和图4，相关技术中，入射视场(彩色光)被光栅衍射后由于色散被分离开。k空间的横坐标与纵坐标分别为Kx/K0和Ky/K0，其中，Kx为光线在x方向的光波失，Ky为光线在y方向的光波失，K0为光线的真空波失，k空间反应了光线与xy平面的夹角，越远离零点，光线与xy平面法线的夹角越大，在此也可明显看出，同一角度入射的彩色光被分为了不同角度的单色光。例如，单色光按照与入射光的角度从小到大分别包括蓝色单色光、绿色单色光和红色单色光。

最大波长的红光与最小波长的蓝光的色散差异为：

其中，Λin为耦入光栅的光栅周期，λmax为入射彩色光最大波长，λmin为入射彩色光最小波长。

那么为了改善上述现象，请结合图5和图6，图5本申请实施例提供的光学装置的第二种结构示意图，图6为图5所示光学装置在k空间的光学传输的示意图。可以先计算出本实施例中耦入光栅14的色散大小，再设计一组与耦入光栅14色散相反的第一衍射光栅12(如布拉格光栅)把ΔK补偿掉，那么就可以实现各波长光在波导内均以同一个角度进行传播。例如，耦入光栅14进行色散补偿的第一衍射光栅12对各色的色散差异为：

其中，Λmaxin为第一衍射光栅中衍射最长波长入射光对应的光栅周期，Λminin为第一衍射光栅中衍射最短波长入射光对应的光栅周期，λmax为入射彩色光最大波长，λmin为入射彩色光最小波长，i_maxin为第一衍射光栅中衍射最长波长入射光对应的光栅周期倾斜角，i_minin为第一衍射光栅中衍射最短波长入射光对应的光栅周期倾斜角。在此只要ΔK＝-ΔK2，那么就可实现补偿。

第二衍射光栅18与耦出光栅16对于彩色光的色散是相反的，设耦出光栅16的光栅周期为Λout，耦出光栅16的光栅周期Λout与耦入光栅14的光栅周期平行或同一方向，入射彩色光最大波长为λmax，入射彩色光最小波长为λmin，那么

就有：

其中，Λmaxout为第二衍射光栅18中衍射最长波长入射光对应的光栅周期，Λminout为第二衍射光栅18中衍射最短波长入射光对应的光栅周期，i_maxout为第二衍射光栅18中衍射最长波长入射光对应的光栅周期倾斜角，i_minout为第二衍射光栅18中衍射最短波长入射光对应的光栅周期倾斜角。角度i为入射光对应的光栅周期倾斜角，具体请参阅图7。

由于布拉格光栅只与特定角度特定波长的光发生衍射，所以此处对于不同波长，布拉格光栅的周期不同。

请继续参阅图5，第一光信号22(如彩色入射光线)入射到光学装置10时先被第一衍射光栅12衍射从而分裂出蓝(24a)、绿(24b)、红(24c)三种单色光信号24(如三束单色光线)，三束单色光线接着被耦入光栅14衍射耦入变为耦入光线25a、25b和25c，由于第一衍射光栅12与耦入光栅14对于彩色光的色散是相反的，所以此时三色的耦入光线25a、25b和25c的全内反射角度均相同，耦入光线25a、25b和25c到达耦出光栅16并经衍射变为光线26a、26b和26c。又由于第二衍射光栅18与耦出光栅16对于彩色光的色散是相反的，光线26a、26b和26c经第二衍射光栅18衍射后的出射光线角度均相等，这代表光线26a、26b和26c被重新合束到一起变为彩色光线的第二光信号28，完成对入射光线的还原，从而耦出到人眼中，使用户看到投影光机的画面。在上述过程中，由于第一衍射光栅12和第二衍射光栅18只对特定波长特定入射角度的光发生衍射作用，除去将第一光信号22衍射变为单色光信号24a、24b和24c与将光线26a、26b和26c衍射变为第二光信号28外，不会与其他任何光线发生衍射作用。

多个所述单色光信号在所述波导11内的反射角的角度小于所述波导11中全内反射的最大临界角，且大于所述波导11中全内反射的最小临界角。可以理解为耦入光线25a、25b和25c，在所述波导11内的反射角的角度小于所述波导11中全内反射的最大临界角，且大于所述波导11中全内反射的最小临界角。单色光信号24a、24b和24c，光线26a、26b和26c与耦入光线25a、25b和25c类似。

示例性地，请参阅图8，图8为图5所示光学装置在k空间中光线传输的另一示意图。入射图像光311经第一衍射光栅12衍射后被分为光线311a(红)、311b(绿)、311c(蓝)三部分，由于第一衍射光栅12与耦入光栅14对于彩色光的色散是相反的，因此光线311a、311b和311c在经耦入光栅14衍射耦入后，由于耦入光栅14的色散，会统一变为光线312(对应着三色光在波导11中的全内反射角相同)，此时光线312均在环A&B之内，这就代表不同波长的光在耦入后均可在波导11中传输。

光线312通往耦出的路径有三条：1、在与耦出光栅16作用后变为扩瞳光线313a、313b和313c并向上扩瞳，紧接着再与耦出光栅16第二次作用后变为扩瞳光线311a、311b和311c耦出；2、在与耦出光栅16作用后变为扩瞳光线314a、314b和314c并向下扩瞳，紧接着再与耦出光栅16第二次作用后耦出变为扩瞳光线311a、311b和311c耦出；3、与耦出光栅16作用后直接变为扩瞳光线311a、311b和311c耦出，以上三条路径的最终结果都是变为扩瞳光线311a、311b和311c并耦出。在耦出后，扩瞳光线311a、311b和311c会经第二衍射光栅18衍射，由于第二衍射光栅18与耦出光栅16对于彩色光的色散是相反的，所以扩瞳光线311a、311b和311c在经第二衍射光栅18衍射后会重新变为光线311，完成对入射光线的还原，从而耦出到人眼中，使用户看到投影光机的画面。可以看到，相较于传统二维衍射波导结构，本实施例的光学结构的第一衍射光栅12和第二衍射光栅18的衍射波导在传输图像时，耦入后的光线与扩瞳光线均在环A&B之内，因此不存在缺色问题。

边界B代表光线在波导11中全内反射的最小临界角，边界A代表光线在波导11中全内反射的最大临界角，也就是说，只有在环A&B之内的画面能在波导11中传输。

其中，第一衍射光栅12在所述第一侧112的正投影面积大于或等于所述耦入光栅14在所述第一侧112的正投影的面积；和/或第二衍射光栅18在所述第一侧112的正投影面积大于或等于所述耦出光栅16在所述第一侧112的正投影的面积。

在波导11相对于入射光的背面与正面分别放置耦出光栅16/耦入光栅14与第一衍射光栅12/第二衍射光栅18。其中，耦入光栅14与第一衍射光栅12为一组，该两光栅在XY平面上重叠放置，并且正常情况下第一衍射光栅12的覆盖面积大于或等于耦入光栅14；耦出光栅16与第二衍射光栅18为一组，该两光栅在XY平面上重叠放置，并且正常情况下第二衍射光栅18的覆盖面积大于或等于耦出光栅16。

需要说明的是，上述实施例仅为对垂直入射(中心视场)光线进行示意，本实施例对任意角度入射光线均可达到相似的效果。

请参阅图9，图9为图5所示光学装置另一角度示意图。其中第一衍射光栅12可以相对设置在波导中间位置，第二衍射光栅18的面积较大。

可选的，请参阅图10，图10本申请实施例提供的光学装置的第三种结构示意图。光学装置还可以包括转折光栅15，所述波导11用于将所述耦入光栅14传导的多个所述单色光信号24传输到所述转折光栅15，所述转折光栅15用于将多个所述单色光信号24衍射形成单一方向的扩瞳光束，并将所述扩瞳光束通过所述波导11传输到所述耦出光栅16。所述耦入光栅14和所述转折光栅15设置于所述波导11一侧，所述耦出光栅16设置于所述波导11另一侧。

请参阅图11，图11为图10所示光学装置在k空间中光线传输的示意图。入射图像光411经第一衍射光栅12衍射后被分为光线411a(红)、411b(绿)、411c(蓝)三部分，由于第一衍射光栅12与耦入光栅14对于彩色光的色散是相反的，因此光线411a、411b和411c在经耦入光栅14衍射耦入后，由于耦入光栅14的色散，会统一变为光线412(对应着三色光在波导11中的全内反射角相同)，注意此时光线412均在环A&B之内，这就代表不同波长的光在耦入后均可在波导11中传输。光线412通往耦出的路径只有一条：在被转折光栅15衍射后变为向上的扩瞳光束413a、413b和413c，扩瞳光束413a、413b和413c会再被耦出光栅16衍射从而变为扩瞳光束411a、411b和411c从而耦出，在耦出后，扩瞳光束411a、411b和411c会经第二衍射光栅18衍射，由于第二衍射光栅18与耦出光栅16对于彩色光的色散是相反的，所以扩瞳光束411a、411b和411c在经第二衍射光栅18衍射后会重新变为光线411，完成对入射光线的还原，从而耦出到人眼中，使用户看到投影光机的画面。可以看到，相较于传统二维衍射波导，本实施例的基于VGB的一维衍射波导结构在传输图像时，耦入后的光线与扩瞳光线均在环A&B之内，因此不存在缺色问题。

需要说明的是，本实施例中，第一衍射光栅与耦入光栅对于彩色光的色散是相反的，设耦入光栅的光栅周期为Λin，入射彩色光最大波长为λmax，入射彩色光最小波长为λmin，那么就有：

其中，Λmaxin为第一衍射光栅中衍射最长波长入射光对应的光栅周期，Λminin为第一衍射光栅中衍射最短波长入射光对应的光栅周期，λmax为入射彩色光最大波长，λmin为入射彩色光最小波长，i_maxin为第一衍射光栅中衍射最长波长入射光对应的光栅周期倾斜角，i_minin为第一衍射光栅中衍射最短波长入射光对应的光栅周期倾斜角

第二衍射光栅与耦出光栅对于彩色光的色散是相反的，设耦出光栅的光栅周期为Λout，耦出光栅的光栅周期Λout与耦入光栅14的光栅周期平行或同一方向，入射彩色光最大波长为λmax，入射彩色光最小波长为λmin，那么就有：

其中，Λmaxout为第二衍射光栅18中衍射最长波长入射光对应的光栅周期，Λminout为第二衍射光栅18中衍射最短波长入射光对应的光栅周期，i_maxout为第二衍射光栅18中衍射最长波长入射光对应的光栅周期倾斜角，i_minout为第二衍射光栅18中衍射最短波长入射光对应的光栅周期倾斜角。

耦入光栅14可以为闪耀光栅、矩形光栅或倾斜光栅，光栅周期可以为0.2μm至1.5μm之间。耦出光栅16可以为闪耀光栅、矩形光栅或倾斜光栅，光栅周期Λin可以为0.2μm至1.5μm之间。转折光栅22可以为闪耀光栅、矩形光栅或倾斜光栅，光栅周期Λin可以为0.2μm至1.5μm之间。上述各光栅与波导10的折射率可以为1.5至3，材料可以是硅、塑料、玻璃、聚合物或上述材料的某种组合。

请参阅图12，图12本申请实施例提供的光学装置的第四种结构示意图。本实施与上述实施例的主要区别在于波导。本实施例中，所述波导11包括叠设的第一波导层116和第二波导层118，所述第一衍射光栅12和所述第二衍射光栅18设置于所述第一波导层116远离所述第二波导层118一侧，所述耦入光栅14和所述耦出光栅16设置于所述第二波导层118远离所述第一波导层116一侧。

由于需要在单片波导11的两面均做上光栅结构，这对工艺造成了较大挑战。因此本实施例在上述实施例的基础上，将波导11分为第一波导层116和第二波导层118两层，第一波导层116和第二波导层118之间用胶水粘合。这样两片第一波导层116和第二波导层118可以先在单面上做对应的光栅结构，之后再粘合在一起，这样即可以降低工艺难度。

本申请实施例还提供一种电子设备，电子设备包括壳体和光学装置，光学装置设置于所述壳体内，所述光学装置为上述任意一个实施例中的光学装置，光学装置的结构在此不再赘述。

示例性地，如图13所示，电子设备100可以为智能眼镜，电子设备100包括光学装置10。智能眼镜可以为AR眼镜或VR眼镜或其他智能眼镜。当然，电子设备还可以为智能头盔等穿戴设备，也可以为其他具有波导结构的设备

以上对本申请实施例所提供的光学装置及电子设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims

1.一种光学装置，其特征在于，包括：

波导，包括相对的第一侧和第二侧；

第一衍射光栅，设置于所述波导的第一侧；

第二衍射光栅，设置于所述波导的第一侧；以及

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述第一衍射光栅用于将入射的第一光信号色散为多个单色光信号；

所述耦入光栅用于将多个所述单色光信号引导为反射角度相同的多个单色光信号，以使多个所述单色光信号在所述波导内平行传导；

所述耦出光栅用于将多个所述单色光信号引导至所述第二衍射光栅，且在所述第二衍射光栅交汇；

所述第二衍射光栅用于将交汇的多个所述单色光信号汇聚成第二光信号。

3.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，多个所述单色光信号在所述波导内的反射角的角度小于所述波导中全内反射的最大临界角，且大于所述波导中全内反射的最小临界角。

4.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置还包括转折光栅，所述波导用于将所述耦入光栅传导的多个所述单色光信号传输到所述转折光栅，所述转折光栅用于将多个所述单色光信号衍射形成单一方向的扩瞳光束，并将所述扩瞳光束通过所述波导传输到所述耦出光栅。

5.根据权利要求4所述的光学装置，其特征在于，所述耦入光栅和所述转折光栅设置于所述波导一端，所述耦出光栅设置于所述波导另一端。

6.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，第一衍射光栅在所述第一侧的正投影面积大于或等于所述耦入光栅在所述第一侧的正投影的面积；和/或

第二衍射光栅在所述第一侧的正投影面积大于或等于所述耦出光栅在所述第一侧的正投影的面积。

7.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述第一衍射光栅包括一个或多个布拉格光栅；和/或

所述第二衍射光栅包括一个或多个布拉格光栅。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光学装置，其特征在于，所述波导包括叠设的第一波导层和第二波导层，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅设置于所述第一波导层远离所述第二波导层一侧，所述耦入光栅和所述耦出光栅设置于所述第二波导层远离所述第一波导层一侧。

9.根据权利要求8所述的光学装置，其特征在于，所述第一波导层和所述第二波导层胶黏连接。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：

壳体；

光学装置，设置于所述壳体内，所述光学装置为上述权利要求1-9中任一项所述的光学装置。