CN114911058A - 利用衍射光波导实现单片全彩的方法、衍射光波导及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用衍射光波导实现单片全彩的方法、衍射光波导及设备；其中，实现单片全彩的方法包括，构建包括多个光栅的衍射光波导的光通路；使用光栅的高级次衍射，通过k空间分析，使多个所述光栅为不同波长的入射光提供的总光栅矢量为0，满足全反射条件；确定出满足总光栅矢量为0的每种波长的入射光的衍射级次；根据每种波长的入射光的衍射级次确定出光栅周期；所述衍射光波导内不同波长的入射光具有相近的衍射角。本发明解决了由于色散作用造成的视场角较小、颜色均匀性较差等问题，并抑制部分鬼像问题。

Description

利用衍射光波导实现单片全彩的方法、衍射光波导及设备

技术领域

本发明属于光栅技术领域，具体涉及一种利用衍射光波导实现单片全彩的方法、衍射光波导及设备。

背景技术

衍射光波导是一种实现增强现实近眼显示(AR)的主流技术路线之一，它起到的作用是使用户能够看到真实世界的同时也能够看到设备给出的虚拟图像，即在真实世界中叠加虚拟信息，从而给用户提供“增强”的显示效果。

由于光栅衍射的色散作用，光线被耦入波导时会发生色散，即不同波长的同一衍射级次对应的衍射角不同，从而在波导中的传播步长不再一致，这就致使在波导片中全反射传播时不同颜色的光传播的角度不同。这种色散会导致如下问题：1、波导片能容纳的满足全反射的角度范围是有限的，而这种色散会使不同波长的衍射角度不一致，导致可容纳的不同波长的角度范围变小。即想要用单层波导实现全彩显示时仅能实现较小视场角。2、当衍射角度较大时，如图中红线所示，其衍射效率相对较低；相对的蓝线所示的衍射效率较高，因此不同的波长衍射效率不同，会导致颜色均匀性较差。3、当光线遇到耦出光栅时，步长大的被耦出的次数与步长小耦出的次数不同，这会导致不同颜色的光被人眼接收时亮度不同，引起彩色均匀性的问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在公开了利用衍射光波导实现单片全彩的方法、衍射光波导及设备，解决色散作用带来的以上问题，以及鬼像问题。

本发明一方面公开了一种利用衍射光波导实现单片全彩的方法，包括：

构建包括多个光栅的衍射光波导的光通路；

使用光栅的高级次衍射，通过k空间分析，使多个所述光栅为不同波长的入射光提供的总光栅矢量为0，满足全反射条件；

确定出满足总光栅矢量为0的每种波长的入射光的衍射级次；根据每种波长的入射光的衍射级次确定出光栅周期；

所述衍射光波导内不同波长的入射光具有相近的衍射角。

本发明的另一个方面公开了一种的衍射光波导；包括基板及设于该基板中或基板上的多个光栅；

该光栅在使用波长下具有高衍射级次，多个所述光栅为不同波长的入射光提供的总光栅矢量为0，满足入射光在所述基板内的全反射条件；所述光栅的周期满足总光栅矢量为0的不同波长的入射光的衍射级次；

所述基板内不同波长的入射光具有相近的衍射角。

本发明的另一个方面还公开了一种设备，包括如上所述的用于实现单片全彩的衍射光波导。

本发明至少可实现以下有益效果之一：

本发明在衍射光波导中选取合适的光栅周期和级次，使得对于不同波长的光利用不同的光栅衍射级次，解决色散作用造成的视场角较小、颜色均匀性较差等问题。

本发明选取适当的光栅构型，使得转折和耦出光栅中可消除色散的衍射级处于主极大衍射级附近，抑制多余级次的衍射效率从而抑制部分鬼像。

本发明在波导表面增加带通滤波片，使得所关心FOV范围角度内的光能被耦出，进一步消除多级衍射造成的鬼像。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的衍射光波导结构示意图；

图2为本发明实施例中的衍射光波导色散问题示意图；

图3为本发明实施例中的衍射光波导构建方法流程图；

图4为本发明实施例中的三片一维光栅结合情况的k-空间分析原理图；

图5为本发明实施例中的一维结合二维光栅结合情况的k-空间分析原理图；

图6为本发明实施例中的三片一维光栅结合情况的k-空间分析原理图；

图7为本发明实施例中的一维结合二维光栅结合情况的k-空间分析原理图；

图8为本发明实施例中的角型偶入光栅槽型示意图；

图9为本发明实施例中的槽型倾角α与各级次反射率对应示意图；

图10为本发明实施例中的增加带通滤波片的衍射光路示意图；

图11为本发明实施例中的增加带通滤波片的衍射光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

衍射光波导有多种不同的技术路径，本发明的一个实施例中，不失一般性的以基于一维光栅的衍射光波导为例介绍衍射光波导的原理。

衍射光波导结构示意图如图1所示，它由4个部分组成：平板玻璃100，以及位于平板玻璃表面的3块一维光栅101、102、103，相应的工作原理为：

1、被显示的虚拟图像从光机输出照射到耦入光栅101，图1中示意性的给出了一根光线201。入射光线被耦入光栅衍射后以特定角度进入平板玻璃100，该角度满足在平板玻璃内的全反射条件，因此201会被束缚在波导中全反射传播。

2、光线201经全反射传播遇到转折光栅102，其中一部分沿原方向继续传播，另一部分则被转折光栅102再次衍射以新的方向和角度(在图中是向下)传播。在整个转折光栅区域，光线201边传播边衍射，从而实现光线201沿着水平方向的扩展。

3、光线201被转折光栅102转折后传播至耦出光栅103，耦出光栅再次衍射，使光线从平板玻璃100中耦出，进入人眼成像。同样，在耦出光栅区域光线仍然会被继续边传播边衍射，因此可以实现光线沿着竖直方向的扩展。

4、整个波导实现的功能是将耦入光线201扩展为多个耦出光线202，并且使其从不同于入射位置的位置耦出。

需要说明的是，转折光栅102和耦出光栅103可以合并为一个二维光栅，同时起到转折与耦出的作用，在本实施例中仅以图1所示的构型为例，也可以用于二维光栅的构型中。

由于光栅衍射的色散作用，光线被耦入波导时会发生色散，即不同波长的同一衍射级次对应的衍射角不同，从而在波导中的传播步长不再一致，如图2所示。图中示意性的画出了红色的入射光201-1和蓝色的入射光201-2。根据光栅方程，201-1经耦入光栅衍射后的衍射角较大，如图中所示，但201-2经耦入光栅衍射后的衍射角较小，如图中所示。这就致使在波导片中全反射传播时不同颜色的光传播的角度不同。

为解决光栅衍射的色散作用，在本实施例的一个方案中公开的实现单片全彩的衍射光波导构建方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S1、构建包括多个光栅的衍射光波导的光通路；

具体的，所述光通路中多个光栅包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅；

其中，所述耦入光栅、转折光栅和耦出光栅可分别为一维光栅，构成三片一维光栅结合的结构；

其中，多个所述光栅还可以为包括一维的耦入光栅与二维耦出光栅，该二维耦出光栅合并有转折光栅和耦出光栅，能实现二维方向的扩瞳。

步骤S2、使用光栅的高级次衍射，通过k空间分析，使多个所述光栅为不同波长的入射光提供的总光栅矢量为0，满足全反射条件；

具体的，k空间分析的方法如图4、5所示，图4为三片一维光栅结合的情况；图5为一维结合二维光栅的情况。

图中的横纵坐标轴代表了光波波矢量的x分量，纵轴代表了y分量(已相对于真空波矢归一化)。位于原点处的长方框代表了需要被耦入和耦出波导的 FOV范围，即人眼可以看到的图像大小。满足全反射条件的光可以在波导内传播，即图中两个同心圆所形成的环形区域。衍射光波导对光的调制作用如下，以三片一维光栅的图4为例：

1、入射光首先被耦入光栅衍射，光栅的衍射作用在k空间内体现为给入射的FOV(即图中位于原点处的长方框)增加一个归一化光栅矢量

即将其向右平移一段距离；

其中λ为入射光波长，

为耦入光栅耦出光栅的光栅矢量(耦入光栅周期)，m为衍射级次。

衍射后落在两同心圆之间的FOV满足波导的全反射条件，即光栅的衍射使得光源被耦入波导且被波导束缚传播。注意到

与入射光波长相关，如果我们均使用1级衍射，图中红、绿、蓝红绿蓝三色被光栅衍射后的状态，不难看出红绿蓝三种波长的光会发生色散(即在波导中传播的角度不再相同)。

2、被耦入光栅耦入的光遇到转折光栅，被转折光栅再进行一次衍射，在k 空间内体现为再次增加一个归一化光栅矢量

同理，

3、当光束传到耦出光栅区域时，被转折光栅再进行一次衍射，在k空间内体现为再增加一个归一化光栅矢量

同理，

如果满足

即整个过程中三个光栅提供的总光栅矢量为0，则 FOV内的光经耦入、转折、耦出光栅后会回到最原始的方向，即光源FOV内的光被无失真的耦出波导，从而实现无像差成像。

根据上述分析，我们如果使用的是光栅的1级衍射，即m＝1，则不同颜色的光会产生色散，即图中红、绿、蓝的虚线框是分开的。由于只有在环形区域内的光满足全反射条件，因此能够被耦入的FOV大小收到了限制，图中给出了能够被耦入的最大FOV范围。

步骤S3、确定出满足总光栅矢量为0的每种波长的入射光的衍射级次；根据每种波长的入射光的衍射级次确定出光栅周期；

为例解决色散问题，本实施例中方案不再使用光栅的1级衍射，转而使用光栅的高级次衍射使耦入光栅、转折光栅和耦出光栅为不同波长的入射光(红、绿、蓝三色光)提供的总光栅矢量为0，

则，

其中，衍射级次m＝±1,±2,±3,…；

为耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的光栅矢量；λ为入射光波长。(示意性的，λ可以取λ₁＝620nm，即红光波长；也可以取λ₂＝460nm，即蓝光波长)。

在选择入射光中的色散问题最严重的红光和蓝光，根据波导全反射条件，确定出耦入光栅对于红光和蓝光的衍射级次，进而确定出耦入光栅的光栅周期。

通过扩大光栅周期，使耦入光栅的光栅周期满足：

其中n₁、n₂分别为环境及波导基底折射率；λ₁为红光波长，r₁为光栅的对应的红光衍射的级次；λ₂为蓝光波长，r₂为光栅的对应的蓝光衍射的级次。

在一个具体的实施例中，使得耦入光栅对应的红光2级衍射与蓝光的3级衍射满足波导全反射条件。

以图6中给出的三片一维光栅结合的情况为例，进行k空间分析。

其中：d1＝950nm，n₁＝1(空气)，n₂＝1.85(玻璃)，光机输出的显示图为视场角为30°的4：3图片。λ₁＝620nm时m＝2；当λ₂＝460nm时m＝3，当它们分别经过耦出光栅的2级和3级衍射作用后，所对应的光源k矢量框便落在原点处，实现了红光与蓝光在同一片波导中衍射成像的功能。

图7中给出的一维结合二维光栅的情况的k空间分析图。

根据图中所示，由于我们选择了更高级次的衍射，因此红光的2级衍射与蓝光3级衍射的角度差要小于上一示例中红蓝光间的1级衍射的角度差，这样从原理上降低了色度的不均匀性，更重要的是红蓝光k矢量框均可落在波导全反射区域较中间位置，这就保证了红光大角度信息的传递效率，并且具有可以进一步扩大FOV的空间，以上例为例，最大视场角可从30°扩展到48°。

所述衍射光波导内不同波长的入射光具有相近的衍射角；其中，红光与蓝光的衍射角相差5度以下。

在本实施例中，由于扩大了光栅周期，如果每种波长的光都具有多个级次的衍射，多个级次之间可能存在串扰，进而产生鬼像问题。

为解决鬼像问题，本实施例的方案中，还包括消除鬼像步骤。

具体消除鬼像步骤中，选择耦入光栅的光栅构型，通过调节光栅的各级次反射率，使红光衍射级次r₁＝2和蓝光衍射级次r₂＝3处于主极大衍射级附近，反射效率提高，同时抑制其他衍射级次的反射效率。

具体的，如图8所示，本实施例给出了一种三角型偶入光栅(即闪耀光栅)，具有多个构型相同的光栅单元；槽型如图所示(简单起见仅画出四个周期)，其中左倾角为α，其他参数如图1中所述。以蓝光λ＝460nm为例，当改变槽型倾角α时，各级次反射率可由1级较大调节到2级或3级较大。如9图所述的槽型倾角α与反射率的对应图所示，α＝7.5°时，反射1级效率较2、3级高；当α＝18.3°及21.9°时，1级的反射效率被抑制同时2、3级反射效率较大，进而达到抑制鬼像的效果。

更进一步地，消除鬼像步骤中还包括，在波导增加一层带通滤波片，用于使与入射光方向相同的光线通过，而阻止串扰的光线通过。

优选的方案中，所述带通滤波片位于耦出光栅103或位于耦出光栅103的对面。

并且，所述带通滤波片为吸收型或多层介质膜型。

如图10、11所示，给出了带通滤波片位于耦出光栅103或位于耦出光栅103 的对面两种去除鬼像的示意图。

图中101、103分别代表耦入和耦出光栅，201代表入射光线。当光线201 遇到耦入光栅101后产生了两个级次201-1和201-2，这两个级次在波导中全反射传播后遇到了耦出光栅103，由于不同级次之间的串扰，可能会有两束光201- 1-1和201-2-1都可以被耦出进入人眼。为了解决该问题，可以在波导增加一层带通滤波片104，该带通滤波片可以是吸收型的，也可以是多层介质膜型的；既可以位于耦出光栅103的同一面，也可位于耦出光栅103的对面。它的主要作用是仅让与入射光201方向相同的光线201-1-1通过，而阻止串扰的光线201-2- 1通过。通过这种设置可以有效地阻止由于使用高级次衍射所带来的鬼像。

综上所述，本发明实施例中衍射光波导中选取合适的光栅周期和级次，使得对于不同波长的光利用不同的光栅衍射级次，解决色散作用造成的视场角较小、颜色均匀性较差等问题；选取适当的光栅构型，使得转折和耦出光栅的衍射2、 3级处于主极大衍射级附近，抑制多余级次的衍射效率从而抑制部分鬼像；在波导表面增加带通滤波片，使得所关心FOV范围角度内的光能被耦出，进一步消除多级衍射造成的鬼像。

本发明的另一个实施例还公开了一种实现单片全彩的衍射光波导；所述衍射光波导包括基板及设于该基板中或基板上的多个光栅；

该光栅在使用波长下具有高衍射级次，多个所述光栅为不同波长的入射光提供的总光栅矢量为0，满足入射光在所述基板内的全反射条件；所述光栅的周期满足总光栅矢量为0的不同波长的入射光的衍射级次；

所述基板内不同波长的入射光具有相近的衍射角。

进一步地，多个所述光栅包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。

其中，所述耦入光栅、转折光栅和耦出光栅可分别为一维光栅，构成三片一维光栅结合的结构；

其中，多个所述光栅还可以为包括一维的耦入光栅与二维耦出光栅，该二维耦出光栅合并有转折光栅和耦出光栅，能实现二维方向的扩瞳。

具体的，所述耦入光栅为高级次衍射光栅，所述耦入光栅的周期满足总光栅矢量为0的不同波长的入射光的衍射级次。

优选的，所述耦入光栅具有多个构型相同的光栅单元，该光栅单元的剖面为三角形。

其中，剖面为三角形的光栅单元的槽型如8图所示(简单起见仅画出四个周期)，其中左倾角为α，其他参数如图1中所述。以蓝光λ＝460nm为例，当改变槽型倾角α时，各级次反射率可由1级较大调节到2级或3级较大。如9图所述的槽型倾角α与反射率的对应图所示，α＝7.5°时，反射1级效率较2、3级高；当α＝18.3°及21.9°时，1级的反射效率被抑制同时2、3级反射效率较大，进而达到抑制鬼像的效果。

优选的，所述基板上设有用于阻止串扰的光线通过的一层带通滤波片。

其中，所述带通滤波片位于耦出光栅103或位于耦出光栅103的对面。具体可参见图10、11。

并且，所述带通滤波片为吸收型或多层介质膜型。通过带通滤波片仅让与入射光方向相同的光线通过，而阻止串扰的光线通过。通过这种设置可以有效地阻止由于使用高级次衍射所带来的鬼像。

本实施例中的其他具体技术细节以及技术效果与上一实施例中的内容相同，请参照上一实施例，在此就不一一赘述了。

本发明的另一个实施例还公开了一种设备，包括如上所述的用于实现单片全彩的衍射光波导。

所述设备可以为AR眼镜或其他应用的波导显示器，通过使用本实施中的实现单片全彩的衍射光波导，实现单片全彩，并消除了设备显示中的色散和鬼像问题。

本实施例的具体细节同样可参照以上实施例中公开的具体细节。

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揭露的技术范围内，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。

Claims (14)

1.一种利用衍射光波导实现单片全彩的方法，其特征在于，包括：

构建包括多个光栅的衍射光波导的光通路；

使用光栅的高级次衍射，通过k空间分析，使多个所述光栅为不同波长的入射光提供的总光栅矢量为0，满足全反射条件；

确定出满足总光栅矢量为0的每种波长的入射光的衍射级次；根据每种波长的入射光的衍射级次确定出光栅周期；

所述衍射光波导内不同波长的入射光具有相近的衍射角。

2.根据权利要求1所述的实现单片全彩的方法，其特征在于，多个所述光栅包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，所述使用光栅的高级次衍射，通过k空间分析，使耦入光栅、转折光栅和耦出光栅为不同波长的入射光提供的总光栅矢量为0，

耦入光栅的归一化光栅矢量

转折光栅的归一化光栅矢量

耦出光栅的归一化光栅矢量

则，

其中，衍射级次m＝±1,±2,±3,…；

分别为耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的光栅矢量；λ为入射光波长。

3.根据权利要求2所述的实现单片全彩的方法，其特征在于，选择入射光中的红光和蓝光，根据波导全反射条件，确定出耦入光栅对于红光和蓝光的衍射级次，进而确定出耦入光栅的光栅周期。

4.根据权利要求3所述的实现单片全彩的方法，其特征在于，耦入光栅的光栅周期满足：

其中n₁、n₂分别为环境及波导基底折射率；λ₁为红光波长，r₁为光栅的对应的红光衍射的级次；λ₂为蓝光波长，r₂为光栅的对应的蓝光衍射的级次。

5.根据权利要求4所述的实现单片全彩的方法，其特征在于，选择耦入光栅的光栅构型，调节光栅的各级次衍射率，使红光衍射级次r₁和蓝光衍射级次r₂处于主极大衍射级附近，衍射效率提高，同时抑制其他衍射级次的衍射效率。

6.根据权利要求1-5任一项所述的实现单片全彩的方法，其特征在于，还包括，在波导增加一层带通滤波片，用于阻止串扰的光线通过。

7.根据权利要求6所述的实现单片全彩的方法，其特征在于，所述带通滤波片位于耦出光栅或位于耦出光栅的对面；所述带通滤波片为吸收型或多层介质膜型。

8.一种用于实现如权利要求1所述的单片全彩的方法的衍射光波导，其特征在于，所述衍射光波导包括基板及设于该基板中或基板上的多个光栅；

该光栅在使用波长下具有高衍射级次，多个所述光栅为不同波长的入射光提供的总光栅矢量为0，满足入射光在所述基板内的全反射条件；所述光栅的周期满足总光栅矢量为0的不同波长的入射光的衍射级次；

所述基板内不同波长的入射光具有相近的衍射角。

9.根据权利要求8所述的衍射光波导，其特征在于，多个所述光栅包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。

10.根据权利要求8所述的衍射光波导，其特征在于，多个所述光栅包括耦入光栅与二维耦出光栅，该二维耦出光栅能实现二维方向的扩瞳。

11.根据权利要求9或10所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅为高级次衍射光栅，所述耦入光栅的周期满足总光栅矢量为0的不同波长的入射光的衍射级次。

12.根据权利要求9或10所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅具有多个构型相同的光栅单元，该光栅单元的剖面为三角形。

13.根据权利要求8所述的衍射光波导，其特征在于，所述基板上设有用于阻止串扰的光线通过的一层带通滤波片。

14.一种设备，其特征在于，包括如权利要求8所述的用于实现单片全彩的衍射光波导。

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