CN114415283A - 一种多通道衍射光波导装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道衍射光波导装置，包括：波导；第一耦入光栅，用于将第一部分出射光衍射为至少一种传导光并耦入波导；第二耦入光栅，用于将第二部分出射光衍射为至少一种传导光并耦入波导；第一扩展单元，包括与第一部分出射光衍射的传导光类别数量等同且一一对应的扩展光栅，扩展后的传导光共同形成第一光线；第二扩展单元，包括与第二部分出射光衍射的传导光类别数量等同且一一对应的扩展光栅，扩展后的传导光共同形成第二光线；第一耦出光栅，用于将第一光线耦出至人眼；第二耦出光栅，用于将第二光线耦出至人眼。该装置有助于实现小型化、高效率和更大的观察范围，且能够在单波长或多波长情况下达到目视所需视场角。
Description
技术领域
本发明属于光波导显示技术领域，具体涉及一种多通道衍射光波导装置。
背景技术
可穿戴设备，如AR(增强现实)系统或者HMD(头戴显示系统)，其光学模组一般包括光学引擎、光波导以及耦合器件三部分。其中，光波导一般为透明或者半透明的高折玻璃，通过光波导上的耦合器件，将光学引擎输出的图像耦入到波导中，并对其进行复制，最后耦出到人眼之中，使用户在观察到虚拟图像的同时，也可以观察到现实世界中的场景。其中，由于人眼的双目的视场约为120°，因此需要AR或者HMD的FOV(视场角)尽可能的大，从而为用户提供足够高的分辨率以及沉浸式体验。
衍射光波导作为当前可穿戴设备中的主流方案，其FOV一般受波导的折射率n2以及环境折射率n1决定，当前能够应用于波导的高折玻璃，其折射率n2≈2.0，只能够提供有限的FOV；同时，高折玻璃具有价格贵以及重量大的缺点，因此不利于可穿戴设备的轻量化以及成本控制。
为了扩大AR或者HMD的FOV，现有技术中提出了一种蝴蝶结式布局。参考专利公告号US09791703B1-Optical device with diffractive grating，如图1所示。其中，输入耦合器件1将入射的FOV分成第一部分和第二部分，并分别衍射进入第一中间器件2和第二中间器件3，第一中间器件2和第二中间器件3分别对第一部分的FOV和第二部分的FOV进行水平方向的复制，并将其衍射进入输出耦合器件4，输出耦合器件4分别对第一部分的FOV和第二部分的FOV进行垂直方向的复制，并在耦出波导5后对第一部分的FOV和第二部分的FOV进行组合，以实现扩大FOV的目的。在专利公告号CN212647158U-光学扩瞳装置及其显示设备中提出的一种类似的布局，如图2所示，通过第一光学衍射入射单元6，将FOV分成第一部分和第二部分，并分别衍射进入第二光学衍射扩瞳单元7和第三光学衍射扩瞳单元8，通过第二光学衍射扩瞳单元7和第三光学衍射扩瞳单元8，分别在水平方向和垂直方向进行扩展，之后第一部分和第二部分FOV进入第四光学衍射出瞳单元9，分别在垂直方向和水平方向进行扩展，然后耦出波导5并将两部分FOV进行组合，以达到扩大视场角的目的。
但当前用于扩大FOV的衍射光波导布局，一般是在波导的单面上应用蝴蝶结布局结构，存在如下缺陷：一方面，在波导的单面上应用蝴蝶结布局以扩大FOV，需要输入耦合器件1(或者第一光学衍射入射单元6)以及输出耦合器件4(或者第四光学衍射出瞳单元9)为二维光栅，如二维柱状光栅，以在耦入时实现FOV的分离，但应用二维光栅作为耦入器件，其耦入效率低于应用一维光栅，如闪耀光栅或者倾斜光栅，因而会降低光效的利用率；另一方面，在波导的单面上应用蝴蝶结布局，只能将视场角扩大到70°～90°，难以满足人眼双目视场所需的120°；其次，由于第一中间器件2和第二中间器件3(或第二光学衍射扩瞳单元7和第三光学衍射扩瞳单元8)的尺寸受其承担的FOV限制，若FOV扩展到70°甚至是90°，则会导致中间器件(或者扩瞳单元)尺寸过大，进而无法形成眼镜形态。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种多通道衍射光波导装置，有助于实现装置小型化、高效率和更大的观察范围，且能够在单波长或多波长情况下达到目视所需的视场角。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种多通道衍射光波导装置，用于将光学引擎的出射光进行扩展后耦入人眼，包括波导和均贴附波导设置的第一耦入光栅、第二耦入光栅、第一扩展单元、第二扩展单元、第一耦出光栅和第二耦出光栅，其中：
第一耦入光栅，为透射式光栅且靠近光学引擎设置，用于将光学引擎的第一部分出射光衍射为至少一种传导光，并耦入波导进行全反射传输；
第二耦入光栅，为反射式光栅且与第一耦入光栅相对设置，用于将光学引擎的第二部分出射光衍射为至少一种传导光，并耦入波导进行全反射传输；
第一扩展单元，包括与第一部分出射光衍射的传导光类别数量等同且一一对应进行扩展的扩展光栅，扩展后的传导光共同形成第一光线；
第二扩展单元，位于第一扩展单元的对侧，包括与第二部分出射光衍射的传导光类别数量等同且一一对应进行扩展的扩展光栅，扩展后的传导光共同形成第二光线；
第一耦出光栅，用于将第一光线耦出至人眼；
第二耦出光栅，与第一耦出光栅相对设置，用于将第二光线耦出至人眼。
优选地，第一耦入光栅将第一部分出射光衍射为第一传导光，第二耦入光栅将第二部分出射光衍射为第二传导光，第一扩展单元包括第一扩展光栅，用于对第一传导光扩展形成第一光线，第二扩展单元包括第二扩展光栅，用于对第二传导光扩展形成第二光线。
优选地，第一耦入光栅将第一部分出射光衍射为第一传导光和第三传导光，第二耦入光栅将第二部分出射光衍射为第二传导光，第一扩展单元包括第一扩展光栅和第三扩展光栅，第一扩展光栅用于对第一传导光扩展形成第三光线，第三扩展光栅用于对第三传导光扩展形成第四光线，第三光线和第四光线形成第一光线，第二扩展单元包括第二扩展光栅，用于对第二传导光扩展形成第二光线。
优选地，第一耦入光栅将第一部分出射光衍射为第一传导光和第三传导光，第二耦入光栅将第二部分出射光衍射为第二传导光和第四传导光，第一扩展单元包括第一扩展光栅和第三扩展光栅，第一扩展光栅用于对第一传导光扩展形成第三光线，第三扩展光栅用于对第三传导光扩展形成第四光线，第三光线和第四光线形成第一光线，第二扩展单元包括第二扩展光栅和第四扩展光栅，第二扩展光栅用于对第二传导光扩展形成第五光线，第四扩展光栅用于对第四传导光扩展形成第六光线，第五光线和第六光线形成第二光线。
优选地，波导的厚度为0.5mm～1.5mm，折射率为1.7～2.0。
优选地，各光栅为表面浮雕光栅或体布拉格光栅。
优选地，表面浮雕光栅为倾斜光栅、闪耀光栅和柱状光栅其中之一。
优选地，各扩展光栅为一维光栅。
优选地，第一耦入光栅、第二耦入光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅具有相同的光栅周期250nm～500nm。
优选地，对应的耦入光栅、扩展光栅和耦出光栅的光栅矢量为封闭三角形。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：该装置通过将第一耦入光栅、第一扩展单元和第一耦出光栅设置于波导的第一表面，将第二耦入光栅、第二扩展单元和第二耦出光栅设置于波导的第二表面，如采用双面单通道结构、单面双通道加单面单通道结构或双面双通道结构，在实现相同视场角扩展情况下，可使整体结构尺寸更加小巧轻薄，且对于双面单通道结构或单面双通道加单面单通道结构，通过利用一维光栅具有更高的耦入效率，有助于实现小型化、高效率和更大的观察范围，且能够在单波长或多波长情况下达到目视所需的视场角。
附图说明
图1为现有技术中衍射光波导装置的方案一结构示意图；
图2为现有技术中衍射光波导装置的方案二结构示意图；
图3为本发明的衍射光波导装置的实施例一立体图；
图4为本发明的衍射光波导装置的实施例一侧视图；
图5为本发明的光栅矢量方向示意图；
图6为本发明的衍射光波导装置工作流程图；
图7为本发明的衍射光波导装置的实施例二立体图；
图8为本发明的衍射光波导装置的实施例三立体图。
附图标记说明：1、输入耦合器件；2、第一中间器件；3、第二中间器件；4、输出耦合器件；5、波导；6、第一光学衍射入射单元；7、第二光学衍射扩瞳单元；8、第三光学衍射扩瞳单元；9、第四光学衍射出瞳单元；10、光学引擎；11、第一耦入光栅；12、第二耦入光栅；13、第一扩展单元；14、第二扩展单元；15、第一耦出光栅；16、第二耦出光栅；17、人眼；131、第一扩展光栅；132、第三扩展光栅；141、第二扩展光栅；142、第四扩展光栅；S1、第一表面；S2、第二表面；A、耦入光栅矢量方向；B、扩展光栅矢量方向；C、耦出光栅矢量方向。
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。
实施例1：
如图3-6所示，一种多通道衍射光波导装置，用于将光学引擎10的出射光进行扩展后耦入人眼17，包括波导5和均贴附波导5设置的第一耦入光栅11、第二耦入光栅12、第一扩展单元13、第二扩展单元14、第一耦出光栅15和第二耦出光栅16，其中：
第一耦入光栅11，为透射式光栅且靠近光学引擎10设置，用于将光学引擎10的第一部分出射光衍射为至少一种传导光，并耦入波导5进行全反射传输；
第二耦入光栅12，为反射式光栅且与第一耦入光栅11相对设置，用于将光学引擎10的第二部分出射光衍射为至少一种传导光，并耦入波导5进行全反射传输；
第一扩展单元13，包括与第一部分出射光衍射的传导光类别数量等同且一一对应进行扩展的扩展光栅，扩展后的传导光共同形成第一光线；
第二扩展单元14，位于第一扩展单元13的对侧，包括与第二部分出射光衍射的传导光类别数量等同且一一对应进行扩展的扩展光栅，扩展后的传导光共同形成第二光线；
第一耦出光栅15，用于将第一光线耦出至人眼17；
第二耦出光栅16，与第一耦出光栅15相对设置，用于将第二光线耦出至人眼17。
本实施例中，第一耦入光栅11将第一部分出射光衍射为第一传导光，第二耦入光栅12将第二部分出射光衍射为第二传导光，第一扩展单元13包括第一扩展光栅131，用于对第一传导光扩展形成第一光线，第二扩展单元14包括第二扩展光栅141，用于对第二传导光扩展形成第二光线。
其中，光学引擎10包括微显示芯片，为本领域技术人员熟知技术，如需要照明的数字光处理器(DLP)和硅基液晶(LCOS)，或者自发光的微LED(Micro LED)，以及准直和均光光学器件，以为波导5提供视场角FOV(对角线)、准直且与第一耦入光栅11和第二耦入光栅12尺寸相当的显示图像，并可提供与每个图像像素相对应的光线(即出射光)，将光学引擎10的出射光耦合到波导5并进行扩展后耦入人眼17。出射光可为单波长或多波长。
波导5采用平板波导，可选用现有的波导材质，且具有相对的第一表面S1和第二表面S2，第一表面S1和第二表面S2相互平行，通过将第一耦入光栅11、第一扩展单元13和第一耦出光栅15设置于波导5的第一表面S1，将第二耦入光栅12、第二扩展单元14和第二耦出光栅16设置于波导5的第二表面S2，如图3所示。波导5与方向X和方向Y限定的平面平行，方向X、Y和Z形成正交坐标系，即Z向为波导5的厚度方向。本实施例中，通过将第一扩展单元13和第二扩展单元14设置于波导5的两侧，第一耦入光栅11、第二耦入光栅12、第一扩展单元13、第二扩展单元14、第一耦出光栅15和第二耦出光栅16均可为一维光栅，一维光栅相对于二维光栅耦入效率更高，且在耦出视场角相同的情况下，该装置具有更小的体积。
光学引擎10靠近第一表面S1设置，第一耦入光栅11为透射式光栅，通过将第一部分出射光高效耦入到波导5中，如一级衍射级次经全反射传播至第一扩展单元13；同时，第一部分出射光经第一耦入光栅11后传输至第二耦入光栅12，第二耦入光栅12为反射式光栅，通过应用零级衍射级次，将第二部分出射光高效耦入波导5内进行全反射传输至第二扩展单元14。
其中，光学引擎10提供的出射光被分为第一部分和第二部分，第一耦入光栅11将第一部分出射光衍射为第一传导光(为一级衍射级次，如T+1级次)并耦入波导5进行全反射传输，第二耦入光栅12将第二部分出射光衍射为第二传导光(为一级衍射级次，如R+1级次)并耦入波导5进行全反射传输，第一扩展单元13包括第一扩展光栅131，用于对第一传导光进行水平方向(X向)扩展形成第一光线，第一光线通过第一耦出光栅15在垂直方向(Y向)进行扩展耦出至人眼17；第二扩展单元14包括第二扩展光栅141，用于对第二传导光进行水平方向(X向)扩展形成第二光线，第二光线通过第二耦出光栅16在垂直方向(Y向)进行扩展耦出至人眼17，以分别实现第一部分出射光和第二部分出射光在水平方向和垂直方向的扩展，之后以第一光线和第二光线组合形式进入人眼17，如图4所示。
在一实施例中，波导5的厚度为0.5mm～1.5mm，折射率为1.7～2.0。波导5的材料具有透明和高折射率的特性，以满足全反射条件。
在一实施例中，各光栅为表面浮雕光栅或体布拉格光栅。表面浮雕光栅具有较低的量产成本，而体布拉格光栅有着高光谱选择性和卓越的透明质量，具体可根据实际需求确定。
在一实施例中，表面浮雕光栅为倾斜光栅、闪耀光栅和柱状光栅其中之一。如为闪耀光栅或者柱状光栅，可以使用电子束曝光技术获得母版，之后使用纳米压印技术进行双面压印以进行批量复制；如为倾斜光栅，则需要使用离子束刻蚀技术以获得倾斜的结构，之后使用纳米压印技术进行批量复制，为现有加工方法，在此不在赘述，或还可为现有技术其他常用的光栅。
在一实施例中，各扩展光栅为一维光栅。
在一实施例中，第一耦入光栅11、第二耦入光栅12、第一耦出光栅15和第二耦出光栅16具有相同的光栅周期250nm～500nm。
在一实施例中，对应的耦入光栅、扩展光栅和耦出光栅的光栅矢量为封闭三角形。如图5所示，衍射光栅一般通过光栅周期、光栅方向和光栅矢量来描述，第一耦入光栅11、第二耦入光栅12、第一扩展单元13、第二扩展单元14、第一耦出光栅15和第二耦出光栅16的光栅周期、光栅方向和光栅矢量可根据实际需求设计，通过设计使对应的耦入光栅的光栅矢量(A)、扩展光栅的光栅矢量(B)和耦出光栅的光栅矢量(C)形成封闭三角形，即光栅矢量之和为零。如第一耦入光栅11具有第一光栅矢量V1以形成第一传导光，第一扩展光栅131具有第三光栅矢量V3以形成第一光线，第一耦出光栅15具有第五光栅矢量V5以将第一光线耦入人眼17，第一光栅矢量V1、第三光栅矢量V3和第五光栅矢量V5形成封闭三角形；第二耦入光栅12具有第二光栅矢量V2以形成第二传导光，第二扩展光栅141具有第四光栅矢量V4以形成第二光线，第二耦出光栅16具有第六光栅矢量V6以将第二光线耦入人眼17，第二光栅矢量V2、第四光栅矢量V4和第六光栅矢量V6形成封闭三角形。
具体地，如光学引擎10提供90°的视场角，具体视场角可根据实际需求确定，将-45°～0°划分为第一部分出射光，0°～45°划分为第二部分出射光，第一耦入光栅11将第一部分出射光衍射为第一传导光，第二耦入光栅12将第二部分出射光衍射为第二传导光。该装置应用双面单通道结构，具有两个通道，相比于现有技术中单面双通道结构，可以节省一个扩展区域，使整体结构尺寸更加小巧轻薄，一般情况下可以减小约三分之一的面积，并可以实现单波长情况下，如第一耦入光栅11和第二耦入光栅12可选用倾斜光栅或者闪耀光栅，优选倾斜光栅；第一扩展光栅131和第二扩展光栅141为一维光栅，优选倾斜光栅；第一耦出光栅15和第二耦出光栅16为一维光栅，优选倾斜光栅；当波长为530nm时，波导5的折射率为1.8，各耦入光栅和耦出光栅的光栅周期均为370nm～390nm，优选光栅周期为380nm，第一扩展光栅131和第二扩展光栅141的光栅周期为261.63nm～275.77nm，优选光栅周期为268.7nm，则视场角FOV可扩展到约90°；对于多波长情况下，采用相同结构，如波长范围为450nm～630nm，优选R、G、B中心波长分别为620nm、530nm和460nm，为保证覆盖所有波长范围，其中波导5的折射率为2.0，各耦入光栅和耦出光栅的光栅周期为358nm～362nm，优选光栅周期为360nm，第一扩展光栅131和第二扩展光栅141的光栅周期为253.14nm～255.97nm，优选光栅周期为254.56nm，则视场角FOV可以扩展到约70°，且采用一维光栅具有更高的耦入效率。该装置有助于实现小型化、高效率和更大的观察范围。实际使用过程中，基于衍射光波导装置所承担的视场角来确定扩展角度，具体满足如下公式：
其中，β为扩展角度，λ1为入射波长，i为入射的视场角，T为耦出光栅的周期，n为波导的折射率。
实施例2：
如图7所示，一种多通道衍射光波导装置，基于实施例1，区别在于：
本实施例中，第一耦入光栅11将第一部分出射光衍射为第一传导光和第三传导光，第二耦入光栅12将第二部分出射光衍射为第二传导光，第一扩展单元13包括第一扩展光栅131和第三扩展光栅132，第一扩展光栅131用于对第一传导光扩展形成第三光线，第三扩展光栅132用于对第三传导光扩展形成第四光线，第三光线和第四光线形成第一光线，第二扩展单元14包括第二扩展光栅141，用于对第二传导光扩展形成第二光线。
其中，通过将第一耦入光栅11、第一扩展单元13和第一耦出光栅15设置于波导5的第一表面S1，第一扩展单元13包括呈蝴蝶结式布局的第一扩展光栅131和第三扩展光栅132，将第二耦入光栅12、第二扩展单元14和第二耦出光栅16设置于波导5的第二表面S2，第二扩展单元14包括第二扩展光栅141，如图7所示。波导5与方向X和方向Y限定的平面平行，方向X、Y和Z形成正交坐标系，即Z向为波导5的厚度方向。本实施例中，通过将第一扩展单元13和第二扩展单元14设置于波导5的两侧，第一表面S1采用双通道结构，第二表面S2采用单通道结构，共三个通道，第一耦入光栅11和第一耦出光栅15均为二维光栅，第一扩展光栅131和第三扩展光栅132均为一维光栅，第二耦入光栅12、第二扩展单元14和第二耦出光栅16均为一维光栅，一维光栅相对于二维光栅耦入效率更高，且在耦出视场角相同的情况下，该装置具有更小的体积。如通过将大部分出射光分担至相对设置的第一扩展光栅131和第二扩展光栅141，则可对应缩小第三扩展光栅132的体积，从而在扩大视场角的同时有助于减小整体体积。
其中，光学引擎10提供的出射光被分为第一部分和第二部分，第一耦入光栅11将第一部分出射光衍射为第一传导光和第三传导光(均为一级衍射级次，如T+1级次和T-1级次)并耦入波导5进行全反射传输，第二部分出射光经过第一耦入光栅11后到达第二耦入光栅12，第二耦入光栅12将第二部分出射光衍射为第二传导光(为一级衍射级次，如R+1级次)并耦入波导5进行全反射传输，第一扩展单元13包括第一扩展光栅131和第三扩展光栅132，第一扩展光栅131用于对第一传导光进行水平方向(X向)扩展形成第三光线，第三扩展光栅132用于对第三传导光进行垂直方向(Y向)扩展形成第四光线，第三光线和第四光线形成第一光线，第一光线中的第三光线通过第一耦出光栅15在垂直方向(Y向)进行扩展耦出至人眼17，第一光线中的第四光线通过第一耦出光栅15在水平方向(X向)进行扩展耦出至人眼17；第二扩展单元14包括第二扩展光栅141，用于对第二传导光进行水平方向(X向)扩展形成第二光线，第二光线通过第二耦出光栅16在垂直方向(Y向)进行扩展耦出至人眼17，以分别实现第一部分出射光和第二部分出射光在水平方向和垂直方向的扩展，之后以第一光线和第二光线组合形式进入人眼17。
衍射光栅一般通过光栅周期、光栅方向和光栅矢量来描述，第一耦入光栅11、第二耦入光栅12、第一扩展单元13、第二扩展单元14、第一耦出光栅15和第二耦出光栅16的光栅周期、光栅方向和光栅矢量可根据实际需求设计，通过设计使对应的耦入光栅的光栅矢量(A)、扩展光栅的光栅矢量(B)和耦出光栅的光栅矢量(C)形成封闭三角形，即光栅矢量之和为零。如第一耦入光栅11具有第一光栅矢量V1以形成第一传导光和第七光栅矢量V7以形成第三传导光，第一扩展光栅131具有第三光栅矢量V3以形成第三光线，第三扩展光栅132具有第八光栅矢量V8以形成第四光线，第一耦出光栅15具有第五光栅矢量V5以将第三光线耦入人眼17和第九光栅矢量V9以将第四光线耦入人眼17，第三光线和第四光线共同形成第一光线，则第一光栅矢量V1、第三光栅矢量V3和第五光栅矢量V5形成封闭三角形，第七光栅矢量V7、第八光栅矢量V8和第九光栅矢量V9形成封闭三角形，第二耦入光栅12具有第二光栅矢量V2以形成第二传导光、第二扩展光栅141具有第四光栅矢量V4以形成第二光线、第二耦出光栅16具有第六光栅矢量V6以将第二光线耦入人眼17，第二光栅矢量V2、第四光栅矢量V4和第六光栅矢量V6形成封闭三角形。
具体地，如光学引擎10提供120°的视场角，具体视场角可根据实际需求确定，将-60°～20°划分为第一部分出射光，20°～60°划分为第二部分出射光，如第一耦入光栅11将第一部分出射光衍射为第一传导光和第三传导光，即对应将-60°～-20°的第一部分出射光衍射为第一传导光、将-20°～20°的第一部分出射光衍射为第三传导光，第二耦入光栅12将第二部分出射光衍射为第二传导光，即对应将20°～60°的第二部分出射光衍射为第二传导光，具体划分区间可根据实际需求确定。该装置应用单面双通道加单面单通道的结构，具有三个通道，相比于现有技术中单面双通道结构，有助于减小整体结构尺寸，并可以实现单波长情况下，如第一耦入光栅11为二维光栅，如柱状光栅或者六角光栅，优选柱状光栅；第二耦入光栅12为一维光栅，如闪耀光栅或者倾斜光栅，优选闪耀光栅；第一扩展光栅131、第三扩展光栅132和第二扩展光栅141为一维光栅，优选倾斜光栅；第一耦出光栅15为二维光栅，优选柱状光栅；第二耦出光栅16为一维光栅，优选倾斜光栅，当波长为530nm，波导5的折射率为1.8，各耦入光栅和耦出光栅的光栅周期范围为350nm～415nm，优选光栅周期为385nm，各扩展光栅的光栅周期范围为272.195nm～293.405nm，优选光栅周期为272.195nm，则视场角FOV可扩展到约120°，对于多波长情况下，采用相同结构，如波长范围为450nm～630nm，优选R、G、B中心波长分别为620nm、530nm和460nm，为保证覆盖所有波长范围，其中波导5的折射率为2.0，各耦入光栅和耦出光栅的光栅周期为358nm～365nm，优选光栅周期为360nm，各扩展光栅的光栅周期为253.106nm-258.055nm，优选光栅周期为254.52nm，则视场角FOV可以扩展到约90°，且采用一维光栅具有更高的耦入效率。该装置有助于实现小型化、高效率和更大的观察范围。实际使用过程中，基于衍射光波导装置所承担的视场角来设定扩展角度，具体满足如下公式：
其中，β为扩展角度，λ1为入射波长，i为入射的视场角，T为耦出光栅的周期，n为波导的折射率。
实施例3：
如图8所示，一种多通道衍射光波导装置，基于实施例1，区别在于：
本实施例中，第一耦入光栅11将第一部分出射光衍射为第一传导光和第三传导光，第二耦入光栅12将第二部分出射光衍射为第二传导光和第四传导光，第一扩展单元13包括第一扩展光栅131和第三扩展光栅132，第一扩展光栅131用于对第一传导光扩展形成第三光线，第三扩展光栅132用于对第三传导光扩展形成第四光线，第三光线和第四光线形成第一光线，第二扩展单元14包括第二扩展光栅141和第四扩展光栅142，第二扩展光栅141用于对第二传导光扩展形成第五光线，第四扩展光栅142用于对第四传导光扩展形成第六光线，第五光线和第六光线形成第二光线。
其中，通过将第一耦入光栅11、第一扩展单元13和第一耦出光栅15设置于波导5的第一表面S1，第一扩展单元13包括呈蝴蝶结式布局的第一扩展光栅131和第三扩展光栅132，将第二耦入光栅12、第二扩展单元14和第二耦出光栅16设置于波导5的第二表面S2，第二扩展单元14包括呈蝴蝶结式布局的第二扩展光栅141和第四扩展光栅142，如图8所示。波导5与方向X和方向Y限定的平面平行，方向X、Y和Z形成正交坐标系，即Z向为波导5的厚度方向。本实施例中，通过将第一扩展单元13和第二扩展单元14设置于波导5的两侧，第一表面S1和第二表面S2均采用双通道结构，共四个通道，第一耦入光栅11、第二耦入光栅12、第一耦出光栅15和第二耦出光栅16均为二维光栅，第一扩展光栅131、第三扩展光栅132、第二扩展光栅141和第四扩展光栅142均为一维光栅，该装置可实现更大的视场角，对应地在耦出视场角相同的情况下，相较于现有技术该装置可实现更小的体积。
其中，光学引擎10提供的出射光被分为第一部分和第二部分，第一耦入光栅11将第一部分出射光衍射为第一传导光和第三传导光(均为一级衍射级次，如T+1级次和T-1级次)并耦入波导5进行全反射传输，第二部分出射光经过第一耦入光栅11后到达第二耦入光栅12，第二耦入光栅12将第二部分出射光衍射为第二传导光和第四传导光(均为一级衍射级次，如R+1级次和R-1级次)并耦入波导5进行全反射传输，第一扩展单元13包括第一扩展光栅131和第三扩展光栅132，第一扩展光栅131用于对第一传导光进行水平方向(X向)扩展形成第三光线，第三扩展光栅132用于对第三传导光进行垂直方向(Y向)扩展形成第四光线，第三光线和第四光线形成第一光线，第一光线中的第三光线通过第一耦出光栅15在垂直方向(Y向)进行扩展耦出至人眼17，第一光线中的第四光线通过第一耦出光栅15在水平方向(X向)进行扩展耦出至人眼17；第二扩展单元14包括第二扩展光栅141和第四扩展光栅142，第二扩展光栅141用于对第二传导光进行水平方向(X向)扩展形成第五光线，第四扩展光栅142用于对第四传导光进行垂直方向(Y向)扩展形成第六光线，第五光线和第六光线形成第二光线，第二光线中的第五光线通过第二耦出光栅16在垂直方向(Y向)进行扩展耦出至人眼17，第二光线中的第六光线通过第二耦出光栅16在水平方向(X向)进行扩展耦出至人眼17，以分别实现第一部分出射光和第二部分出射光在水平方向和垂直方向的扩展，之后以第一光线和第二光线组合形式进入人眼17。
衍射光栅一般通过光栅周期、光栅方向和光栅矢量来描述，第一耦入光栅11、第二耦入光栅12、第一扩展单元13、第二扩展单元14、第一耦出光栅15和第二耦出光栅16的光栅周期、光栅方向和光栅矢量可根据实际需求设计，通过设计使对应的耦入光栅的光栅矢量(A)、扩展光栅的光栅矢量(B)和耦出光栅的光栅矢量(C)形成封闭三角形，即光栅矢量之和为零。如第一耦入光栅11具有第一光栅矢量V1以形成第一传导光和第七光栅矢量V7以形成第三传导光，第一扩展光栅131具有第三光栅矢量V3以形成第三光线，第三扩展光栅132具有第八光栅矢量V8以形成第四光线，第一耦出光栅15具有第五光栅矢量V5以将第三光线耦入人眼17和第九光栅矢量V9以将第四光线耦入人眼17，第三光线和第四光线共同形成第一光线，则第一光栅矢量V1、第三光栅矢量V3和第五光栅矢量V5形成封闭三角形，第七光栅矢量V7、第八光栅矢量V8和第九光栅矢量V9形成封闭三角形；第二耦入光栅12具有第二光栅矢量V2以形成第二传导光和第十光栅矢量V10以形成第四传导光，第二扩展光栅141具有第四光栅矢量V4以形成第五光线，第四扩展光栅142具有第十一光栅矢量V11以形成第六光线，第二耦出光栅16具有第六光栅矢量V6以将第五光线耦入人眼17和第十二光栅矢量V12以将第六光线耦入人眼17，第五光线和第六光线共同形成第二光线，则第二光栅矢量V2、第四光栅矢量V4和第六光栅矢量V6形成封闭三角形，第十光栅矢量V10、第十一光栅矢量V11和第十二光栅矢量V12形成封闭三角形。
具体地，如光学引擎10提供120°的视场角，具体视场角可根据实际需求确定，将-60°～0°划分为第一部分出射光，0°～60°划分为第二部分出射光，如第一耦入光栅11将第一部分出射光衍射为第一传导光和第三传导光，即对应将-60°～-30°的第一部分出射光衍射为第一传导光、将-30°～0°的第一部分出射光衍射为第三传导光，第二耦入光栅12将第二部分出射光衍射为第二传导光和第四传导光，即对应将0°～30°的第二部分出射光衍射为第二传导光、将30°～60°的第二部分出射光衍射为第四传导光，具体划分区间可根据实际需求确定。该装置应用双面双通道结构，具有四个通道，相比于现有技术中单面双通道结构，有助于减小整体结构尺寸，并可以实现单波长情况下，如第一耦入光栅11和第二耦入光栅12都为二维光栅，如柱状光栅或者六角光栅，优选柱状光栅；各扩展光栅均为一维光栅，优选倾斜光栅；第一耦出光栅15和第二耦出光栅16均为二维光栅，优选柱状光栅；当波长为530nm，波导5的折射率为1.8，各耦入光栅和耦出光栅的光栅周期范围为340nm～430nm，优选光栅周期为390nm，各扩展光栅的光栅周期范围为240.38nm～304.01nm，优选光栅周期为275.73nm，则视场角FOV可扩展到约120°，对于多波长情况下，采用相同结构，如波长范围为450nm～630nm，优选R、G、B中心波长分别为620nm、530nm和460nm，为保证覆盖所有波长范围，其中波导5的折射率为2.0，各耦入光栅和耦出光栅的光栅周期为355nm～370nm，优选光栅周期为363nm，各扩展光栅的光栅周期为250.985nm～261.59nm，优选光栅周期为256.641nm，则视场角FOV也可以扩展到约120°，达到目视所需角度。该装置有助于实现小型化和更大的观察范围。实际使用过程中，基于衍射光波导装置所承担的视场角来设定扩展角度，具体满足如下公式：
其中，β为扩展角度，λ1为入射波长，i为入射的视场角，T为耦出光栅的周期，n为波导的折射率。
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 (10)
1.一种多通道衍射光波导装置，用于将光学引擎(10)的出射光进行扩展后耦入人眼(17)，其特征在于：所述多通道衍射光波导装置包括波导(5)和均贴附所述波导(5)设置的第一耦入光栅(11)、第二耦入光栅(12)、第一扩展单元(13)、第二扩展单元(14)、第一耦出光栅(15)和第二耦出光栅(16)，其中：
所述第一耦入光栅(11)，为透射式光栅且靠近所述光学引擎(10)设置，用于将所述光学引擎(10)的第一部分出射光衍射为至少一种传导光，并耦入所述波导(5)进行全反射传输；
所述第二耦入光栅(12)，为反射式光栅且与所述第一耦入光栅(11)相对设置，用于将所述光学引擎(10)的第二部分出射光衍射为至少一种传导光，并耦入所述波导(5)进行全反射传输；
所述第一扩展单元(13)，包括与所述第一部分出射光衍射的传导光类别数量等同且一一对应进行扩展的扩展光栅，扩展后的传导光共同形成第一光线；
所述第二扩展单元(14)，位于所述第一扩展单元(13)的对侧，包括与所述第二部分出射光衍射的传导光类别数量等同且一一对应进行扩展的扩展光栅，扩展后的传导光共同形成第二光线；
所述第一耦出光栅(15)，用于将所述第一光线耦出至人眼(17)；
所述第二耦出光栅(16)，与所述第一耦出光栅(15)相对设置，用于将所述第二光线耦出至人眼(17)。
2.如权利要求1所述的多通道衍射光波导装置，其特征在于：所述第一耦入光栅(11)将所述第一部分出射光衍射为第一传导光，所述第二耦入光栅(12)将所述第二部分出射光衍射为第二传导光，所述第一扩展单元(13)包括第一扩展光栅(131)，用于对所述第一传导光扩展形成第一光线，所述第二扩展单元(14)包括第二扩展光栅(141)，用于对所述第二传导光扩展形成第二光线。
3.如权利要求1所述的多通道衍射光波导装置，其特征在于：所述第一耦入光栅(11)将所述第一部分出射光衍射为第一传导光和第三传导光，所述第二耦入光栅(12)将所述第二部分出射光衍射为第二传导光，所述第一扩展单元(13)包括第一扩展光栅(131)和第三扩展光栅(132)，所述第一扩展光栅(131)用于对所述第一传导光扩展形成第三光线，所述第三扩展光栅(132)用于对所述第三传导光扩展形成第四光线，所述第三光线和第四光线形成所述第一光线，所述第二扩展单元(14)包括第二扩展光栅(141)，用于对所述第二传导光扩展形成第二光线。
4.如权利要求1所述的多通道衍射光波导装置，其特征在于：所述第一耦入光栅(11)将所述第一部分出射光衍射为第一传导光和第三传导光，所述第二耦入光栅(12)将所述第二部分出射光衍射为第二传导光和第四传导光，所述第一扩展单元(13)包括第一扩展光栅(131)和第三扩展光栅(132)，所述第一扩展光栅(131)用于对所述第一传导光扩展形成第三光线，所述第三扩展光栅(132)用于对所述第三传导光扩展形成第四光线，所述第三光线和第四光线形成所述第一光线，所述第二扩展单元(14)包括第二扩展光栅(141)和第四扩展光栅(142)，所述第二扩展光栅(141)用于对所述第二传导光扩展形成第五光线，所述第四扩展光栅(142)用于对所述第四传导光扩展形成第六光线，所述第五光线和第六光线形成所述第二光线。
5.如权利要求1所述的多通道衍射光波导装置，其特征在于：所述波导(5)的厚度为0.5mm～1.5mm，折射率为1.7～2.0。
6.如权利要求1所述的多通道衍射光波导装置，其特征在于：各所述光栅为表面浮雕光栅或体布拉格光栅。
7.如权利要求6所述的多通道衍射光波导装置，其特征在于：所述表面浮雕光栅为倾斜光栅、闪耀光栅和柱状光栅其中之一。
8.如权利要求1所述的多通道衍射光波导装置，其特征在于：各所述扩展光栅为一维光栅。
9.如权利要求1所述的多通道衍射光波导装置，其特征在于：所述第一耦入光栅(11)、第二耦入光栅(12)、第一耦出光栅(15)和第二耦出光栅(16)具有相同的光栅周期250nm～500nm。
10.如权利要求1所述的多通道衍射光波导装置，其特征在于：对应的所述耦入光栅、扩展光栅和耦出光栅的光栅矢量为封闭三角形。
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|---|---|---|---|
| CN202210028316.6A CN114415283B (zh) | 2022-01-11 | 一种多通道衍射光波导装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CN202210028316.6A CN114415283B (zh) | 2022-01-11 | 一种多通道衍射光波导装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |