CN113625447B - Ar光波导耦出光栅的设计方法及ar光波导的设计方法 - Google Patents

Ar光波导耦出光栅的设计方法及ar光波导的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种AR光波导的耦出光栅的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体及所述耦出光栅，所述设计方法包括：S101：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长和所述耦入光栅的光栅周期，计算所述光束通过所述耦入光栅衍射耦入至所述光波导主体的衍射耦入角度；S102：根据所述衍射耦入角度和所述光波导主体的厚度计算所述光束在所述耦出光栅上相邻两次耦出位置之间的距离；S103：根据所述耦出光栅的最大衍射效率计算经所述耦出光栅多次耦出后的所述光束的亮度差异率；S104：根据所述耦出光栅的长度、人眼对所述光束的敏感度、所述亮度差异率和所述相邻两次耦出位置之间的距离，计算所述耦出光栅的分区数量。

Description

AR光波导耦出光栅的设计方法及AR光波导的设计方法
技术领域
本发明大致涉及近眼显示技术领域，尤其涉及一种AR光波导耦出光栅的设计方法以及AR光波导的设计方法。
背景技术
随着计算机技术和显示技术的发展，通过计算机仿真系统来体验虚拟世界的虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术以及将显示内容融合到真实环境背景中的增强现实(Augmented Reality,AR)技术和混合现实(Mixed Reality,MR)技术已经迅猛发展。
近眼显示是上述VR、AR和MR技术发展的重要技术热点。近眼显示的VR技术主要追求浸没式大视场的虚拟显示，对应的是虚拟现实显示头盔。而近眼AR和MR技术的目的是实现透视式的虚实融合，对应的是增强现实智能眼镜。
目前，用于AR/MR的近眼显示装置多使用自由曲面的几何光学方案，但是其存在尺寸的限制，制约了AR/MR眼镜的推广；阵列光波导、衍射光波导逐渐出现在视野中，阵列光波导的设计原理相对简单，但是工艺难度较大，不适合大规模量产，并且由于阵列光波导需要搭配特定光机也制约了其大规模推广。
而衍射光波导作为增强现实光学引擎，实现了图像的耦入、耦出和扩瞳等功能。衍射光波导具有可量产性强，轻薄等优势，其渐渐在AR/MR领域得到认可，并做为未来AR/MR领域的主流技术发展方向。但使用衍射光波导的AR/MR眼镜，通常在佩戴者的视野中会出现图像明暗度不均匀的现象。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种AR光波导的耦出光栅的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体及所述耦出光栅，所述设计方法的特征在于，包括：
S101：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长和所述耦入光栅的光栅周期，计算所述光束通过所述耦入光栅衍射耦入至所述光波导主体的衍射耦入角度；
S102：根据所述衍射耦入角度和所述光波导主体的厚度计算所述光束在所述耦出光栅上相邻两次耦出位置之间的距离；
S103：根据所述耦出光栅的最大衍射效率计算经所述耦出光栅多次耦出后的所述光束的亮度差异率；
S104：根据所述耦出光栅的长度、人眼对所述光束的敏感度、所述亮度差异率和所述相邻两次耦出位置之间的距离，计算所述耦出光栅的分区数量。
根据本发明的一个方面，其中所述光束以具有一定视场角的锥形光束入射，步骤S101进一步包括：
根据所述锥形光束的中心入射角度或所述锥形光束入射角度的正极值/负极值计算所述衍射耦入角度。
本发明还提供一种AR光波导的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体以及耦出光栅，所述设计方法的特征在于，包括：
S201：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长对所述耦入光栅的光栅参数进行优化，所述光栅参数包括光栅周期、光栅深度以及光栅占空比；
S202：根据所述耦入光栅的光栅周期以及光栅深度确定所述耦出光栅的光栅周期以及光栅深度；
S203：采用如上文所述的设计方法，对所述耦出光栅进行分区；
S204：以所述耦出光栅的耦出总光功率以及非均匀性为优化目标，得到所述耦出光栅的各分区的光栅占空比。
根据本发明的一个方面，其中步骤S201进一步包括：
S2011：根据初始光栅参数，所述光束的波长确定所述光栅参数的优化范围；
S2012：根据最大衍射耦入角度及设定耦入角度步长，计算不同耦入角度下的衍射效率；
S2013：根据所述不同耦入角度下的衍射效率，计算所述耦入光栅的平均衍射效率和非均匀性参数；
S2014：以所述平均衍射效率和非均匀性参数为优化目标，得到优化后的所述耦入光栅的光栅周期、调制深度和占空比。
根据本发明的一个方面，其中步骤S2014进一步包括：
采用最速下降法、遗传算法、粒子群算法或模拟退火算法进行优化。
根据本发明的一个方面，其中步骤S202进一步包括：
所述耦出光栅设计为与所述耦入光栅具有一致的光栅深度、光栅周期。
根据本发明的一个方面，其中步骤S204进一步包括：
S2041：将所述耦出光栅的眼动范围根据瞳孔尺寸划分为多个眼动子区域，计算各个眼动子区域的耦出光功率；
S2042：根据所述各个眼动子区域的耦出光功率，计算所述耦出光栅的眼动范围内耦出光功率的非均匀性参数；
S2044：以所述耦出光栅的耦出总光功率以及所述非均匀性参数、作为优化目标，得到优化后的所述分区的光栅占空比。
根据本发明的一个方面，其中步骤S2044进一步包括：
采用最速下降法、遗传算法、粒子群算法或模拟退火算法进行优化。
本发明还提供一种用于AR眼镜的光波导，采用如上文所述的设计方法设计制成。
本发明的优选实施例提供了一种AR光波导耦出光栅的设计方法，根据耦出光栅、光波导的参数和人眼对于光线明暗的敏感程度，对耦出光栅进行分区，使得在同一分区内人眼不易觉察明暗的变化，而对于不同分区，通过优化分区内的光栅占空比，使得各个分区的耦出衍射效率不同，改善了通过AR光波导传输的图像，在佩戴者的视野中呈现明暗变化的情况。本发明的优选实施例还提供了一种AR光波导的设计方法，通过优化耦入光栅的各项光栅参数，使得从不同角度耦入光波导的光束的衍射效率相近；在耦出光栅的眼动范围内，对光栅占空比进行优化，使得各个眼动子区域的衍射效率均匀，进一步改善了上述显示图像的明暗不均匀的情况。
附图说明
附图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，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出了根据本发明的一个优选实施例的AR光波导；
图2示出了根据本发明的一个优选实施例的AR光波导的设计方法；
图3示出了耦入光栅的衍射效率关于耦入角度的函数；
图4示出了根据本发明的一个优选实施例对于耦入光栅的优化；
图5示出了根据本发明的一个优选实施例对于耦入光栅优化后，耦入光栅的衍射效率关于耦入角度的函数；
图6示出了根据本发明的一个优选实施例对于耦出光栅进行分区；
图7示出了根据本发明的一个优选实施例光波导主体的各项参数；
图8示出了根据本发明的一个优选实施例对于耦出光栅的优化；
图9示出了根据本发明的一个优选实施例将眼动范围按照瞳孔大小划分为多个子区域；
图10示出了根据本发明的一个优选实施例进行耦入光栅优化、耦出光栅分区、耦出光栅优化后的显示效果。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，AR光波导100包括耦入光栅110、光波导主体120以及耦出光栅130。AR光波导100由光机140提供入射光束，光机140配置成形成光锥分布的光束组，所述光束组中不同方向的光束例如可携带有不同图像像素的颜色信息和/或亮度信息。
如图1所示，光机140生成了发散角度为θ的呈光锥分布的光束组，其中从不同角度耦入AR光波导100的光束的衍射效率不同，且随着光束在传输过程中不断地耦合出射，在眼动范围(Eyebox)内的光通量会逐渐降低，导致人眼在眼动范围内活动时观察到的图像出现了明暗变化的现象。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种AR光波导的设计方法10。根据本发明的一个优选实施例，如图1所示，AR光波导100包括耦入光栅110、光波导主体120以及耦出光栅130。图2示出了设计方法10的流程图，包括步骤S101-步骤S104。其中：
在步骤S101中，根据光束入射至耦入光栅110的角度、所述光束的波长对耦入光栅110的光栅参数进行优化，所述光栅参数包括光栅周期、光栅深度以及光栅占空比。
例如，耦入光栅110针对+1级衍射进行设计，即+1级衍射光经耦入光栅110耦入光波导主体120后，进行全反射传播。而+1级衍射的衍射效率关于0°不对称，即从不同角度耦入AR光波导100中的光束的衍射效率不同。图3示出了+1级衍射中，衍射效率关于不同耦入角度的函数。如图1所示，光机140产生的光束L1以-10°的角度耦入AR光波导100中，光机140产生的光束L2以10°的角度耦入AR光波导100中。由图3中可知，光束L1的+1级衍射效率为16.8％，而光束L2的+1级衍射效率为6.5％。在未对耦入光栅110进行优化的情况下，光束L1、光束L2经光波导主体120传播，由耦出光栅130耦出后，由于不同角度耦入的光束的+1级衍射效率不同所造成的光损失，人眼观察到的由光束L1传递的图像信息的亮度将明显大于由光束L2传递的图像信息的亮度。
耦入光栅110的+1级衍射效率与耦入光束的波长、光束的耦入角度相关，因此，在步骤S101中，首先根据光束入射至耦入光栅110的角度、所述光束的波长，对耦入光栅110的光栅参数进行优化，优化的参数包括光栅周期、光栅深度以及光栅占空比。优化后的耦入光栅110，能够使以不同角度耦入AR光波导100的光束的+1级衍射效率较为均匀，且同时兼顾耦入光栅110的出光率，即耦入光栅110的平均衍射效率。
设计方法10的步骤S101克服或改善了由于从不同角度耦入AR光波导100中的光束的衍射效率不同，所造成的不同视场的成像亮度不同的问题，进而使得光机140发出的光束，由耦入光栅110耦入、经光波导主体120进行全反射传播、再由耦出光栅130耦出后，人眼所观察到的图像明暗较为均匀。
在步骤S102中，根据耦入光栅110的光栅周期以及光栅深度确定耦出光栅130的光栅周期以及光栅深度。
通过步骤S101，可以确定耦入光栅110的光栅参数，再根据耦入光栅110的光栅周期、光栅深度确定耦出光栅130的光栅周期、光栅深度。设置耦入光栅110的光栅周期与耦出光栅130的光栅周期相同，则光机140产生的光束L1例如以-10°的入射角耦入AR光波导100的耦入光栅110，经光波导主体120传播后，由耦出光栅130仍然以-10°的出射角从AR光波导100中耦出。并且，将耦入光栅110与耦出光栅130的光栅深度设置为相同，对于工艺友好，便于加工制造，在进行光栅压印、刻蚀的过程中，采用同一标准的刻蚀深宽比，使得刻蚀的工艺难度降低。
在步骤S103中，对耦出光栅130进行分区。
如图1所示，光束L1、L2在AR光波导100的光波导主体120中全反射传播，随着光束L1、L2在耦出光栅130所在的区域范围内不断耦合出射，若耦出光栅130的衍射效率一定，则光束L1、L2的亮度会不断地降低。这也是使用衍射光波导的AR/MR眼镜，观察者的视野中出现明暗变化的图像的原因之一。本发明的优选实施例，根据人眼对光线变化的敏感度，将耦出光栅130对应的耦出区域进行分区，在同一个分区内设置相同的光栅参数，在该分区内人眼感受不到亮度的衰减；在不同的分区内，通过调整光栅参数，使得光束的出光率(衍射效率)不同，每一次衰减之后，衍射效率增加，则光束的亮度变化不明显。对于耦出光栅的分区方法下文将进行详细的介绍。
在步骤S104中，以所述耦出光栅的耦出总光功率以及非均匀性为优化目标，得到所述耦出光栅的各分区的光栅占空比。
通过步骤S103确定耦出光栅130的光栅分区，以眼动范围内的耦出光总功率以及非均匀性为优化目标，确定每个分区内的光栅占空比。
根据本发明的一个优选实施方式，如4所示，设计方法10中，步骤S101中对于耦入光栅的光栅参数进行优化通过以下方法实现，包括步骤S1011-步骤S1014。
在步骤S1011中，设定耦入光栅光栅参数的优化范围。
根据耦入AR光波导100的光束的波长，确定光栅参数的优化范围。例如，针对绿光，光栅周期的优化范围为300nm-500nm，占空比的优化范围为30％-70％，考虑到工艺限制，光栅脊的深宽比不超过2:1，则光栅深度的优化范围为100nm-300nm。
在步骤S1012中，设定耦入角度步长，计算不同耦入角度下的衍射效率。
分别计算不同耦入角度下的衍射效率。例如，按照步长0.2°划分耦入角度，设光机140的出光角度范围为θ，且关于0°对称，共划分为m个耦入角度，即m＝θ/0.2。每0.2°记录一次衍射效率，共记录m次，设不同耦入角度下的衍射效率为Ei，其中i∈(-θ/2,…-0.4,-0.2,0,0.2,0.4…θ/2)。
在步骤S1013中，根据所述不同耦入角度下的衍射效率，计算所述耦入光栅的平均衍射效率和非均匀性参数。
通过设计耦入光栅110的各项光栅参数，优化+1级衍射效率关于耦入角度的函数，使其近似于均匀分布。然而仅提高+1级衍射效率的均匀性，牺牲了耦入光栅110的出光率(通过平均衍射效率表征)，也是不可取的。因此，在本发明的优选实施例中，将+1级衍射效率的均匀性和平均衍射效率同时作为优化目标。其中，平均衍射效率为：
Figure BDA0003163820600000091
衍射效率的非均匀性参数为：
Figure BDA0003163820600000092
在步骤S1014中，以所述平均衍射效率和非均匀性参数为优化目标，得到优化后的耦入光栅110的光栅周期、调制深度和占空比。
将最大化平均衍射效率Emean-efficiency、最小化非均匀性参数Enon-uniform作为优化目标，采用最速下降法(DS)、遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)或模拟退火算法(SA)对光栅周期、调制深度、占空比进行优化。
如图5所示，得到优化后的耦入光栅110的衍射效率关于光束耦入角度的函数。如果采用优化后的耦入光栅110，如图1所示，光机140产生的光束L1以-10°的角度耦入AR光波导100中，光机140产生的光束L2以10°的角度耦入AR光波导100中。由图5中可知，光束L1的+1级衍射效率为17.75％，而光束L2的+1级衍射效率为17.5％。光束L1、光束L2经光波导主体120传播，由耦出光栅130耦出后，人眼观察到的由光束L1传递的图像信息的亮度与由光束L2传递的图像信息的亮度差异不大。
根据本发明的一个优选实施例，如图6所示，设计方法10中，步骤S103中对于耦出光栅130进行分区通过以下方法实现，包括步骤S1031-步骤S1034。
在步骤S1031中，根据光束入射至耦入光栅110的角度、所述光束的波长和耦入光栅110的光栅周期，计算所述光束通过耦入光栅110衍射耦入至光波导主体120的衍射耦入角度。
如图7所示，光机140发出的光束L1，经耦入光栅110耦入AR光波导100后，在光波导主体120中进行全反射传播，光束L1的衍射耦入角度
Figure BDA0003163820600000101
为：
Figure BDA0003163820600000102
其中λ为光束L1的波长,Λ为耦入光栅110的光栅周期，θin为光束L1入射至耦入光栅110的入射角，n为衍射级次。
在步骤S1032中，根据衍射耦入角度
Figure BDA0003163820600000104
和光波导主体120的厚度计算所述光束在耦出光栅130上相邻两次耦出位置之间的距离。
如图7所示，设光波导主体120的厚度为h，则耦出光栅130的耦出区域内相邻两次光束耦出的位置之间的距离为：
Figure BDA0003163820600000103
在步骤S1033中，根据耦出光栅130的最大衍射效率计算经耦出光栅130多次耦出后的所述光束的亮度差异率。
设耦出光栅130的最大衍射效率为a，则第m次出光效率为：
m-1
am＝a(1-a)
第p次耦合出光与第m次耦合出光的亮度差异率为：
Δa＝a((1-a)m-1-(1-a)p-1)
由于光束在光波导主体120传播的过程中以最开始耦出时衰减最多，设m＝1，则
Δa＝a(1-(1-a)p-1)
在步骤S1034中，根据耦出光栅130的长度、人眼对所述光束的敏感度、所述亮度差异率Δa和所述相邻两次耦出位置之间的距离d1，计算耦出光栅130的分区数量。
设人眼对固定波长的光的明暗敏感度为Δb，不同光强下，人眼对光的明暗敏感度需要添加一个系数α，为了保证人眼在接收光信息时感受不到明显的明暗变化，需要保证亮度差异率Δa<αΔb，即：
a(1-(1-a)p-1)<αΔb
由上式可以得到在保证人眼不能觉察到明暗变化的前提下，在耦出光栅130的同一分区内耦出的次数p：
Figure BDA0003163820600000111
以耦出次数p划分耦出光栅130的耦出区域，在同一分区内，采用相同的光栅参数，人眼观察到的亮度衰减不明显。同一分区内，最大耦出次数为p，则分区长度为p*d1，即相邻两次耦出位置之间的距离与最大耦出次数的乘积，耦出光栅130的长度为d2，则耦出光栅130上的分区数量为：
f＝d2/(p*d1)，
取f为整数。
在不同的分区，通过调整光栅占空比或其他光栅参数使得不同分区的衍射效率不同，随着光束在光波导主体120中进行全反射传播，光强不断衰减，因此在光传播路径上设置各个分区的衍射耦出效率不断提高，以弥补光强衰减所造成的亮度差异。
根据本发明的一个优选实施例，设计方法10中，所述光束以具有一定视场角的锥形光束入射，上述步骤S1031进一步包括：
根据所述锥形光束的中心入射角度或所述锥形光束入射角度的正极值/负极值计算衍射耦入角度
Figure BDA0003163820600000112
根据本发明的一个优选实施方式，如图8所示，设计方法10中，步骤S104中以耦出光栅130的耦出总光功率以及非均匀性为优化目标，得到耦出光栅130的各分区的光栅占空比通过以下方法实现，包括步骤S1041-步骤S1043。
在步骤S1041中，将耦出光栅130的眼动范围根据瞳孔尺寸划分为多个眼动子区域，计算各个眼动子区域的耦出光功率。
如图9所示，将耦出光栅的眼动范围根据瞳孔尺寸划分为12个子区域，分别计算各个眼动子区域的耦出光功率Uj，其中j∈(1,2,…12)。
在步骤S1042中，根据所述各个眼动子区域的耦出光功率Uj，计算耦出光栅130的眼动范围内耦出光功率的非均匀性参数。
眼动范围(Eyebox)内的耦出光功率的非均匀性参数为：
Figure BDA0003163820600000121
眼动范围(Eyebox)内的耦出光的总功率为：
Utotal＝∑Uj
由于光机140的出光光强在通常的情况下一定，因此，AR光波导100的耦合效率与耦出光栅130的耦出光总功率一致，在本发明的优选实施例中，采用耦出光栅130的耦出光总功率及各个眼动子区域的耦出光功率的非均匀性作为优化目标。
在步骤S1043中，以耦出光栅130的耦出光总功率Utotal以及非均匀性参数Unon-uniform作为优化目标，得到优化后的所述分区的光栅占空比。优选地，采用最速下降法、遗传算法、粒子群算法或模拟退火算法进行优化。
下面通过一个具体实施例对本发明所提供的设计方法10进行进一步地介绍。
设人眼的敏感度系数α＝1，人眼在环境光下的明暗敏感度Δb≈1：20＝0.05。AR光波导100的光波导主体120的厚度h＝1mm，耦出光栅130的宽度d2＝23mm，光栅与光波导的折射率均为1.816。
针对绿光，光栅周期的优化范围为300nm-500nm，占空比的优化范围为30％-70％，考虑到工艺限制，光栅脊的深宽比不超过2:1，则光栅深度的优化范围为100nm-300nm。
以耦入光栅110的光栅周期为390nm，占空比为50％，光栅深度为190nm作为初始光栅参数。
以0.2°为步长划分耦入角度，采用最速下降(DS)算法对优化目标进行优化。
通过优化得到：耦入光栅110的平均衍射效率收敛在10％-20％之间，非均匀性系数的扰动区间较大。对优化结果进行分析，并对光栅周期、占空比、调制深度进行选择，光栅周期优选为420nm-450nm，调制深度优选为160nm-200nm，耦入光栅110的占空比优选为44％-53％。耦入光栅110的平均衍射效率可以达到17％，非均匀性系数为3％。
由计算得到，光波导主体120中，发生全反射的最大角度为
Figure BDA0003163820600000132
通过上文所述的方法对耦出光栅130进行分区，得到p＝1.9，相邻两次耦出位置之间的距离d1＝2.36mm，则耦出光栅130的分区数量f＝23/(1.9*2.36),取整数f＝5。
耦出光栅130的5个分区内，光栅周期、调制深度与耦入光栅110的光栅周期、调制深度相同。将耦出光栅130的5个分区内的光栅占空比做为优化变量，将眼动范围(Eyebox)按照瞳孔尺寸进行划分。其中眼动范围(Eyebox)为15mm*10mm，将眼动范围(Eyebox)划分为4*3共12个区域，每个区域内分别计算光功率Uj。将每块分区内部的光栅占空比fi做为优化变量，以耦出光栅130的耦出总光功率Utotal以及非均匀性参数Unon-uniform作为优化目标，使用粒子群算法(PSO)对目标进行优化。通过优化得到：眼动范围(Eyebox)内的光功率非均匀性逐渐收敛到15％-20％。对优化结果进行分析后，获得最佳优化组合，得到的光栅占空比fi如表1所示。
Figure BDA0003163820600000131
表1
将优化后的结果用于重建波导模型，进行仿真，仿真结果如图10，可以看出眼动范围(Eyebox)的范围内，相较图9所示未优化前的情况，光的均匀性有了非常大的提升。
根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种用于AR眼镜的光波导，采用如上文所述的设计方法10设计制成。
本发明的优选实施例提供了一种AR光波导耦出光栅的设计方法，根据耦出光栅、光波导的参数和人眼对于光线明暗的敏感程度，对耦出光栅进行分区，使得在同一分区内人眼不易觉察明暗的变化，而对于不同分区，通过优化分区内的光栅占空比，使得各个分区的耦出衍射效率不同，改善了通过AR光波导传输的图像，在佩戴者的视野中呈现明暗变化的情况。本发明的优选实施例还提供了一种AR光波导的设计方法，通过优化耦入光栅的各项光栅参数，使得从不同角度耦入光波导的光束的衍射效率相近；在耦出光栅的眼动范围内，对光栅占空比进行优化，使得各个眼动子区域的衍射效率均匀，进一步改善了上述显示图像的明暗不均匀的情况。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种AR光波导的耦出光栅的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体及所述耦出光栅，所述设计方法的特征在于，包括：
S101：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长和所述耦入光栅的光栅周期，计算所述光束通过所述耦入光栅衍射耦入至所述光波导主体的衍射耦入角度；
S102：根据所述衍射耦入角度和所述光波导主体的厚度计算所述光束在所述耦出光栅上相邻两次耦出位置之间的距离；
S103：根据所述耦出光栅的最大衍射效率计算经所述耦出光栅多次耦出后的所述光束的亮度差异率；
S104：根据所述耦出光栅的长度、人眼对所述光束的敏感度、所述亮度差异率和所述相邻两次耦出位置之间的距离，计算所述耦出光栅的分区数量。
2.如权利要求1所述的设计方法，其中所述光束以具有一定视场角的锥形光束入射，步骤S101进一步包括：
根据所述锥形光束的中心入射角度或所述锥形光束入射角度的正极值/负极值计算所述衍射耦入角度。
3.一种AR光波导的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体以及耦出光栅，所述设计方法的特征在于，包括：
S201：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长对所述耦入光栅的光栅参数进行优化，所述光栅参数包括光栅周期、光栅深度以及光栅占空比；
S202：根据所述耦入光栅的光栅周期以及光栅深度确定所述耦出光栅的光栅周期以及光栅深度；
S203：采用如权利要求1或2所述的设计方法，对所述耦出光栅进行分区；
S204：以所述耦出光栅的耦出总光功率以及非均匀性为优化目标，得到所述耦出光栅的各分区的光栅占空比。
4.如权利要求3所述的设计方法，其中步骤S201进一步包括：
S2011：根据初始光栅参数，所述光束的波长确定所述光栅参数的优化范围；
S2012：根据最大衍射耦入角度及设定耦入角度步长，计算不同耦入角度下的衍射效率；
S2013：根据所述不同耦入角度下的衍射效率，计算所述耦入光栅的平均衍射效率和非均匀性参数；
S2014：以所述平均衍射效率和非均匀性参数为优化目标，得到优化后的所述耦入光栅的光栅周期、调制深度和占空比。
5.如权利要求4所述的设计方法，其中步骤S2014进一步包括：
采用最速下降法、遗传算法、粒子群算法或模拟退火算法进行优化。
6.如权利要求3-5中任一项所述的设计方法，其中步骤S202进一步包括：
所述耦出光栅设计为与所述耦入光栅具有一致的光栅深度、光栅周期。
7.如权利要求3-5中任一项所述的设计方法，其中步骤S204进一步包括：
S2041：将所述耦出光栅的眼动范围根据瞳孔尺寸划分为多个眼动子区域，计算各个眼动子区域的耦出光功率；
S2042：根据所述各个眼动子区域的耦出光功率，计算所述耦出光栅的眼动范围内耦出光功率的非均匀性参数；
S2044：以所述耦出光栅的耦出总光功率以及所述非均匀性参数、作为优化目标，得到优化后的所述分区的光栅占空比。
8.如权利要求7所述的设计方法，其中步骤S2044进一步包括：
采用最速下降法、遗传算法、粒子群算法或模拟退火算法进行优化。
9.一种用于AR眼镜的光波导，采用如权利要求3-8中任一项所述的设计方法设计制成。
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