CN113777787B - 一种具有高效率高均匀性的波导装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高效率高均匀性的波导装置，包括：波导；耦入元件，贴合波导设置，用于将光耦入波导；耦出元件，贴合波导设置，用于将经波导全反射传导的光耦出至人眼，耦入元件和耦出元件为衍射光栅或全息光栅，且至少其一远离波导的一侧设有多个周期性分布的多边形凸脊；膜层，为折射率为2.0～2.5的透光材质，并覆盖凸脊上贴合波导以外的面、以及覆盖介于相邻凸脊之间的波导上，膜厚为1nm～100nm且相对面膜厚不同。通过光栅上覆盖膜层，并将不同侧面膜层镀制不同厚度，并选用高折射率透光材料，使得在不同入射角度下兼顾高平均效率以及低一致性误差，从而获得高亮度、高成像质量的耦出图像。
Description
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种具有高效率高均匀性的波导装置。
背景技术
增强现实(AR)、混合现实(MR)以及HUD(抬头显示)系统主要包含计算控制单元、光学微投影引擎和光学耦合器。其中，计算控制单元用于控制光学微投影引擎提供准直的图像，光学耦合器负责将微投影引擎提供的准直图像进行扩展并投影到真实世界场景中，与真实世界融合，使用户能够获得图像。
在AR、MR以及HUD系统中，光学耦合器是其关键部分，为了保证整个系统尺寸小巧轻薄以便于穿戴，一般采用衍射光学元件(DOE)或者全息光学元件(HOE)作为光学耦合器的耦入元件和耦出元件，通过耦入元件，将光学微投影引擎提供的准直的图像耦入到高折射率光波导中，并基于全反射原理在光波导内进行传输，之后经由耦出元件进行复制并从光波导中耦出，并与真实世界场景融合。对于耦入元件，专利公告号US09513480B2《Waveguide》中展示了一种直的二元表面浮雕光栅，即矩形光栅，通过应用二元表面浮雕光栅，将光学微投影引擎提供的不同入射角度的准直光耦入到高折射率光波导中，以获得相应的第一衍射级次：T+1、T0和T-1衍射级次，T+1衍射级次在光波导内进行全反射传输；同时展示了一种倾斜二元表面浮雕光栅，即倾斜光栅，以实现相同的效果。
其中，不同入射角度入射光经耦入元件后其平均效率ME为：
En为第n个入射角度第一衍射级次的衍射效率；
其中，不同入射角度入射光经耦入元件后其一致性误差UE为：
Emax为整个入射角度范围内最大的衍射效率，Emin为整个入射角度范围内最小的衍射效率。
对于矩形光栅耦入元件，由于其结构简单，易于加工，因此在衍射光波导中方案中广泛得到应用，但由于其结构的特性，即其凸脊之间的凹槽为直的二元结构，衍射级次具有对称性，且衍射效率相等，因此，无法使大部分入射能量衍射到所需的第一衍射级次上去。无法保证不同入射角度下，第一衍射级次在具较低的一致性误差时保证较高的平均效率，成像质量低。而对于倾斜光栅耦入元件，相对于矩形光栅额外引入了一个倾斜角度α，因此对于不同的入射角度，第一衍射级次具有较高的平均效率，但无法同时保证较低的一致性误差，成像质量低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种具有高效率高均匀性的波导装置，通过在耦入元件或耦出元件上覆盖膜层，并将不同侧面膜层镀制不同厚度，且膜层选用高折射率透光材料，可进一步提高平均效率和均匀性，使得在不同入射角度下兼顾高平均效率以及低一致性误差，从而获得高亮度、高成像质量的耦出图像。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种具有高效率高均匀性的波导装置，包括：
波导；
耦入元件，贴合波导设置，用于将光耦入波导；
耦出元件，贴合波导设置，用于将经波导全反射传导的光耦出至人眼，耦入元件和耦出元件为衍射光栅或全息光栅，且至少其一远离波导的一侧设有多个周期性分布的多边形凸脊；
膜层，折射率为2.0～2.5，并覆盖凸脊上贴合波导以外的面、以及覆盖介于相邻凸脊之间的波导上，膜厚为1nm～100nm且相对面膜厚不同。
优选地，衍射光栅或全息光栅的周期为250nm～500nm，调制深度为50nm～350nm，占空比为20％～80％。
优选地，膜层材质为TiO2、Ta2O5和ZrO2其中一种。
优选地，衍射光栅和全息光栅为矩形光栅或倾斜光栅。
优选地，倾斜光栅的倾斜角度α满足：0°＜α≤70°。
优选地，膜层的膜厚为10nm～90nm。
优选地，波导上镀有抗反射膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过在耦入元件或耦出元件上覆盖膜层，并将不同侧面膜层镀制不同厚度，且膜层选用高折射率透光材料，可进一步提高平均效率和均匀性，使得在不同入射角度下兼顾高平均效率以及低一致性误差，从而获得高亮度、高成像质量的耦出图像。
附图说明
图1为本发明的波导装置结构示意图；
图2为本发明的矩形光栅的膜层结构示意图；
图3为本发明的倾斜光栅的膜层结构示意图；
图4为本发明矩形光栅的膜层添加前后的入射角度和衍射效率关系图；
图5为本发明倾斜光栅的膜层添加前后的入射角度和衍射效率关系图；
图6为本发明矩形光栅在不同膜厚下的入射角度和衍射效率关系图；
图7为本发明倾斜光栅在不同膜厚下的入射角度和衍射效率关系图。
附图标记说明：1、光学微投影引擎；2、耦入元件；3、波导；4、耦出元件；5、人眼；6、膜层。
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，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
如图1-5所示，一种具有高效率高均匀性的波导装置，包括：
波导3；
耦入元件2，贴合波导3设置，用于将光耦入波导3；
耦出元件4，贴合波导3设置，用于将经波导3全反射传导的光耦出至人眼5，耦入元件2和耦出元件4为衍射光栅或全息光栅，且至少其一远离波导3的一侧设有多个周期性分布的多边形凸脊；
膜层6，折射率为2.0～2.5，并覆盖凸脊上贴合波导3以外的面、以及覆盖介于相邻凸脊之间的波导3上，膜厚为1nm～100nm且相对面膜厚不同。
其中，光学微投影引擎1发出的光进入耦入元件2，耦入元件2再将光耦入波导3内进行全反射传导后通过耦出元件4耦出至人眼5，佩戴人员即可获得所需图像。膜层6所用材料为高折射率材料，折射率为2.0～2.5，可见光范围内透光，可以通过原子层沉积(ALD)的方法对纳米厚度的膜层进行制备，以及可以通过光刻、刻蚀以及纳米压印方法实现光栅的制备等。并通过在各侧面添加高折射率的不同厚度的膜层，能够改变不同视场角入射到光栅区域的有效折射率分布，从而实现对不同视场角度下分别进行调制的效果，使得在不同入射角度下兼顾高平均效率以及低一致性误差，具有高效率、高均匀性，从而获得高亮度、高成像质量的耦出图像。
在一实施例中，衍射光栅或全息光栅的周期为250nm～500nm，调制深度为50nm～350nm，占空比为20％～80％。便于加工，并有助于保证所需衍射级次，获得高质量成像。
在一实施例中，膜层6材质为TiO2、Ta2O5和ZrO2其中一种。为具有高反射率的膜层材质，可提高光栅的整体衍射效率及均匀性。
在一实施例中，衍射光栅和全息光栅为矩形光栅或倾斜光栅。
在一实施例中，倾斜光栅的倾斜角度α满足：0°＜α≤70°。
在一实施例中，膜层6的膜厚为10nm-90nm。
在一实施例中，波导3上镀有抗反射膜。如在波导3的上下表面均镀有AR膜等，可降低反射率达到增透目的。
具体地，耦入元件2和耦出元件4均为矩形光栅(如图2所示)或倾斜光栅(如图3所示)，图中膜层的覆盖范围可为矩形光栅或倾斜光栅沿阵列方向的最外边缘侧面或在此基础上进一步延伸覆盖至波导3的局部，光栅的底面与波导3贴合，膜层6满足：Tt≠Tb，Tl≠Tr，其中，Tt为光栅的顶面膜厚，Tb为波导3的表面膜厚，Tl为光栅的左侧面膜厚，Tr为光栅的右侧面膜厚，Tl与Tr为相对面，Tb与Tt为相对面。
如图4、6所示，为采用矩形光栅的情况，图4矩形光栅的光栅周期为390nm，调制深度为350nm，占空比为58％；图6矩形光栅的光栅周期为369.7nm，调制深度为191.8nm，占空比为36.8％。图4中灰色曲线(E)为现有技术中未添加膜层6时不同入射角度下的衍射效率，当入射角度在-10°～10°范围内时，其平均效率仅为17.86％，一致性误差为2.82％；图4中黑色曲线(E’)为当Tl＝56nm，Tb＝80nm，Tt＝60nm，Tr＝60nm时不同入射角度下的衍射效率，其平均效率为44.7％，整体平均效率由17.86％提升到44.7％，一致性误差基本保持不变。图6中灰色曲线(效率1)为当Tl＝79nm，Tb＝36nm，Tt＝10nm，Tr＝10nm时不同入射角度下的衍射效率，当入射角度在-10°～10°范围内时，其平均效率为41.3％，一致性误差基本保持不变；图6中黑色曲线(效率2)为当Tl＝74nm，Tb＝42nm，Tt＝15nm，Tr＝15nm时不同入射角度下的衍射效率，其平均效率为46％，一致性误差基本保持不变。因此，添加膜层后对于矩形光栅能够提高平均效率的同时保证一致性误差基本不变，具有高效率、高均匀性。
如图5、7所示，为采用倾斜光栅的情况，图5倾斜光栅的倾斜角度为33°，光栅周期为390nm，调制深度为350nm，占空比为58％；图7倾斜光栅的倾斜角度为34.5°，光栅周期为372nm，调制深度为314nm，占空比为44.65％。图5中灰色曲线(E)为现有技术中未添加膜层6时不同入射角度下的衍射效率，当入射角度在-10°～10°范围内时，其平均效率可以达到72.3％，但一致性误差为14.9％；图5中黑色曲线(E’)为本申请添加膜层6时不同入射角度下的衍射效率，其平均效率为到80.75％，一致性误差为6.28％，其平均效率由72.3％提升到80.75％，一致性误差由14.5％降低到6.28％。图7中灰色曲线(效率1)为当Tl＝23nm，Tb＝10nm，Tt＝88nm，Tr＝45.6nm时不同入射角度下的衍射效率，当入射角度在-10°～10°范围内时，其平均效率为82.5％，一致性误差为7.2％；图7中黑色曲线(效率2)为当Tl＝10nm，Tb＝25nm，Tt＝83nm，Tr＝90nm时不同入射角度下的衍射效率，其平均效率为85％，一致性误差为8.9％。对于倾斜光栅，既能够提高平均效率，又可以降低一致性误差。
综上，通过在耦入元件或耦出元件上覆盖膜层，并将不同侧面膜层镀制不同厚度，且膜层选用高折射率透光材料，可进一步提高平均效率和均匀性，使得在不同入射角度下兼顾高平均效率以及低一致性误差，从而获得高亮度、高成像质量的耦出图像。需要说明的是，耦入元件2和耦出元件4还可为三角光栅或闪耀光栅等或采用不同类型的光栅等，或根据实际需求设计光栅。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种具有高效率高均匀性的波导装置，其特征在于：所述具有高效率高均匀性的波导装置包括：
波导(3)；
耦入元件(2)，贴合所述波导(3)设置，用于将光耦入所述波导(3)；
耦出元件(4)，贴合所述波导(3)设置，用于将经所述波导(3)全反射传导的光耦出至人眼(5)，所述耦入元件(2)和耦出元件(4)为衍射光栅或全息光栅，且至少其一远离所述波导(3)的一侧设有多个周期性分布的多边形凸脊，所述衍射光栅和全息光栅为矩形光栅或倾斜光栅；
膜层(6)，折射率为2.0～2.5，并覆盖所述凸脊上贴合所述波导(3)以外的面、以及覆盖介于相邻所述凸脊之间的所述波导(3)上，所述膜层(6)的膜厚为10nm～90nm且相对面膜厚不同，满足：Tt≠Tb，Tl≠Tr，当所述耦入元件(2)或耦出元件(4)为矩形光栅时，Tl＝56nm～79nm，Tb＝36nm～80nm，Tt＝10nm～60nm，Tr＝10nm～60nm，当所述耦入元件(2)或耦出元件(4)为倾斜光栅时，Tl＝10nm～23nm，Tb＝10nm～25nm，Tt＝83nm～88nm，Tr＝45.6nm～90nm，其中，Tt为矩形光栅或倾斜光栅的顶面膜厚，Tb为波导(3)的表面膜厚，Tl为矩形光栅或倾斜光栅的左侧面膜厚，Tr为矩形光栅或倾斜光栅的右侧面膜厚。
2.如权利要求1所述的具有高效率高均匀性的波导装置，其特征在于：所述衍射光栅或全息光栅的周期为250nm～500nm，调制深度为50nm～350nm，占空比为20％～80％。
3.如权利要求1所述的具有高效率高均匀性的波导装置，其特征在于：所述膜层(6)材质为TiO2、Ta2O5和ZrO2其中一种。
4.如权利要求1所述的具有高效率高均匀性的波导装置，其特征在于：所述倾斜光栅的倾斜角度α满足：0°＜α≤70°。
5.如权利要求1所述的具有高效率高均匀性的波导装置，其特征在于：所述波导(3)上镀有抗反射膜。
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