CN115755255A - 耦入超构光栅、耦出超构光栅、图像组合器及ar光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耦入超构光栅、耦出超构光栅、图像组合器及AR光学系统，其中，该耦入超构光栅包括：周期排列的多个耦入光栅单元；所述耦入光栅单元被配置为将入射的多种目标光束以相应的目标衍射级次出射，且不同种所述目标光束的出射角相同；不同种所述目标光束具有不同的波长，所述目标衍射级次为相应的所述目标光束被所述耦入光栅单元所调控出射的衍射级次。本发明实施例提供的耦入超构光栅、耦出超构光栅、图像组合器及AR光学系统，耦入超构光栅能够以相同的角度耦入不同波长的目标光束，例如以相同的角度将不同波长的目标光束耦入至光波导内，使得所耦入的多种波长的目标光束能够被统一传播，可以有效抑制彩虹效应。

Description

耦入超构光栅、耦出超构光栅、图像组合器及AR光学系统

技术领域

本发明涉及超构光栅技术领域，具体而言，涉及一种耦入超构光栅、耦出超构光栅、图像组合器及AR光学系统。

背景技术

衍射光波导可以利用其包含的衍射光栅将光束耦入至光波导内，具有广阔的应用场景，例如衍射光波导可以应用于AR(Augmented Reality，增强现实)眼镜等成像场景；但是，当衍射光波导应用于成像时，衍射光波导中的衍射光栅(例如表面浮雕光栅SRG)对于不同波长的光束(例如红绿蓝RGB光束)具有不同的衍射角度，由于这个角度的不同，在光波导中经过全反射传输后，在进入耦出光栅时的角度也不一致，所以不同颜色的光在波导内部全内反射的次数不同，结果就导致视野范围内的不同位置处RGB三个颜色的比例不均匀，形成彩虹效应。

目前，主要通过设计多层光波导(例如三层光波导)分别对RGB各颜色的光进行处理，以能够缓解彩虹效应；三层光波导的结构示意图可参见图1所示。但是多层光波导存在体积大的缺陷，其重量较大，不适用于需要光波导轻薄的场景，例如不适用于AR眼镜。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种耦入超构光栅、耦出超构光栅、图像组合器及AR光学系统。

第一方面，本发明实施例提供了一种耦入超构光栅，包括：周期排列的多个耦入光栅单元；

所述耦入光栅单元被配置为将入射的多种目标光束以相应的目标衍射级次出射，且不同种所述目标光束的出射角相同；不同种所述目标光束具有不同的波长，所述目标衍射级次为相应的所述目标光束被所述耦入光栅单元所调控出射的衍射级次。

在一种可能的实现方式中，所述耦入光栅单元被配置为调控以相同入射角入射的多种所述目标光束；

不同种所述目标光束对应不同的目标衍射级次。

在一种可能的实现方式中，所述耦入光栅单元的周期长度使得所述目标光束的波长与相应的所述目标衍射级次之间为反比例关系。

在一种可能的实现方式中，所述耦入光栅单元被配置为调控以不同入射角入射的多种所述目标光束。

在一种可能的实现方式中，所述目标衍射级次包括第一目标衍射级次和第二目标衍射级次；

不同种所述目标光束的所述第一目标衍射级次所对应的第一出射角相同，不同种所述目标光束的所述第二目标衍射级次所对应的第二出射角相同；

所述第一出射角与所述第二出射角偏向所述耦入光栅单元不同的排列方向。

在一种可能的实现方式中，所述耦入光栅单元被配置为调控垂直入射的多种所述目标光束。

在一种可能的实现方式中，所述多种目标光束包括：红色波段光束、绿色波段光束和蓝色波段光束。

在一种可能的实现方式中，所述耦入光栅单元包括沿所述耦入光栅单元的形状一字排列的多个耦入纳米结构；至少部分所述耦入纳米结构的形状不同。

在一种可能的实现方式中，所述耦入纳米结构为通过最大化最小衍射效率所确定的纳米结构，所述最小衍射效率为所有所述目标光束的衍射效率中的最小值。

第二方面，本发明实施例还提供了一种耦出超构光栅，包括：沿预设方向依次排列的多个耦出区域，所述耦出区域包括沿所述预设方向排列的多个耦出光栅单元；

所述耦出光栅单元被配置为耦出以相同入射角入射的多种目标光束；不同种所述目标光束具有不同的波长；

所述多种目标光束整体沿所述预设方向传播，且沿所述预设方向依次排列的多个所述耦出区域的衍射效率逐渐增大。

在一种可能的实现方式中，所述耦出区域的衍射效率满足：

其中，eff(n)表示沿所述预设方向排列的第n个耦出区域的衍射效率，N表示所述耦出区域的总数量。

在一种可能的实现方式中，所述耦出光栅单元包括沿所述耦出光栅单元的形状一字排列的多个耦出纳米结构；至少部分所述耦出纳米结构的形状不同。

在一种可能的实现方式中，通过最大化目标函数确定每个所述耦出区域中的耦出纳米结构，所述目标函数满足：

其中，F_i(n)表示沿所述预设方向排列的第n个耦出区域对第i种目标光束的衍射效率，

表示所述第n个耦出区域对第i种目标光束的衍射光强，

表示所述第n个耦出区域对第i种目标光束的反射光强，Eff(n)表示所述第n个耦出区域所对应的理论衍射效率，N表示所述耦出区域的总数量。

第三方面，本发明实施例提供一种图像组合器，包括：耦入元件、光波导和耦出元件；所述耦入元件位于所述光波导的耦入端，所述耦出元件位于所述光波导的耦出端；

所述耦入元件为如上所述的耦入超构光栅，和/或，所述耦出元件为如上所述的耦出超构光栅；

所述耦入超构光栅中的多个耦入光栅单元沿光束的整体传播方向排列，所述耦出超构光栅中的多个耦出光栅单元沿所述整体传播方向排列，所述整体传播方向为从所述光波导的耦入端至耦出端的方向。

第四方面，本发明实施例提供一种AR光学系统，包括如上所述的图像组合器、图像源和中继镜组；

所述图像源位于所述图像组合器的耦入元件的入光侧，被配置为向所述耦入元件入射包含至少三种目标光束的成像光束；

所述中继镜组位于所述图像源和所述图像组合器的光路中，被配置为将所述目标光束1：1投影或者放大投影到所述图像组合器中。

本发明实施例上述第一方面提供的方案中，包括周期排列的多个耦入光栅单元，该耦入光栅单元对不同波长的目标光束进行相应的调控，调控不同目标光束所对应的目标衍射级次，从而使得不同目标光束入射至耦入光栅单元后，能够以相同的出射角出射。该耦入超构光栅能够以相同的角度耦入不同波长的目标光束，例如以相同的角度将不同波长的目标光束耦入至光波导内，使得所耦入的多种波长的目标光束能够被统一传播，可以有效抑制彩虹效应；并且，该耦入超构光栅整体为单层结构，不需要设置多层光波导，结构轻薄，能够应用于AR眼镜等对体积重量要求较高的场景。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1示出了现有三层光波导的结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的耦入超构光栅的一种俯视结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的耦入超构光栅的第一侧视结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的耦入超构光栅的第二侧视结构示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的耦入超构光栅的第三侧视结构示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的耦入超构光栅的第四侧视结构示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的耦入超构光栅的第五侧视结构示意图；

图8示出了本发明实施例所提供的耦入超构光栅的另一种俯视结构示意图；

图9示出了本发明实施例所提供的耦入超构光栅的再一种俯视结构示意图；

图10示出了本发明实施例所提供的耦出超构光栅的一种俯视结构示意图；

图11示出了本发明实施例所提供的耦入超构光栅的一种侧视结构示意图；

图12示出了本发明实施例所提供的耦出超构光栅的另一种俯视结构示意图；

图13示出了本发明实施例所提供的图像组合器的一种侧视结构示意图；

图14示出了本发明实施例所提供的AR眼镜的一种结构示意图；

图15示出了本发明实施例所提供的耦入光栅单元的一种结构示意图；

图16示出了本发明实施例所提供的耦入超构光栅的远场电磁响应图；

图17示出了本发明实施例所提供的耦出光栅单元的一种结构示意图；

图18示出了本发明实施例所提供的耦出超构光栅的远场电磁响应图。

图标：

10-耦入光栅单元、101-耦入纳米结构、102-耦入超构光栅的基底、20-耦出区域、21-耦出光栅单元、211-耦出纳米结构、212、耦出超构光栅的基底、1-耦入超构光栅、2-耦出超构光栅、3-光波导、4-图像源、5-中继镜组。

具体实施方式

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该特征。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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；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。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。

本发明实施例提供一种耦入超构光栅，其是能够实现耦入功能的超构光栅；参见图2所示，该耦入超构光栅包括：周期排列的多个耦入光栅单元10。耦入光栅单元10被配置为将入射的多种目标光束以相应的目标衍射级次出射，且不同种目标光束的出射角相同；不同种目标光束具有不同的波长，目标衍射级次为相应目标光束被耦入光栅单元10所调控出射的衍射级次。例如，超构光栅通过设计之后可以使其只出射特定衍射级次的光线，超构光栅所特定出射的衍射级次即为目标衍射级次。

本发明实施例中，该耦入超构光栅包括多个光栅单元，即耦入光栅单元10；并且，多个耦入光栅单元10周期排列，例如，多个耦入光栅单元10可以沿某个预设的方向周期排列。如图2所示，条状的耦入光栅单元10是沿与x方向垂直的方向设置的，且多个耦入光栅单元10沿x方向周期排列。其中，如图2所示，多个耦入光栅单元10可以排列在耦入超构光栅的基底102上，该基底102可以起到固定支撑的作用。

并且，该耦入超构光栅能够调控所射入的多种波长的光束，本实施例将入射至耦入超构光栅的光束称为目标光束，且每种目标光束对应一种波长。在耦入光栅单元10的作用下，耦入超构光栅能够调控对每种目标光束的衍射效果，使得每种目标光束可以按照被耦入光栅单元10所调控出射的衍射级次出射，本发明实施例将该衍射级次称为目标衍射级次。通过设计耦入光栅单元10对不同种目标光束的衍射效果，可以使得在每种目标光束按照相应的目标衍射级次出射时，不同目标光束的出射角是相同的；例如，不同种目标光束所对应的目标衍射级次是不同的，进而耦入光栅单元10能够实现以相同的出射角出射多种目标光束。

例如，该耦入超构光栅可以用于成像，即入射至该耦入超构光栅的入射光至少包括：红色波段光束、绿色波段光束和蓝色波段光束。如图3所示，图3以L_R、L_G、L_B分别表示红色波段光束、绿色波段光束、蓝色波段光束；红绿蓝三种波段光束L_R、L_G、L_B在被耦入超构光栅衍射后，能够以相同的角度出射，即三种波段的目标光束的出射角相同。其中，为方便示出该耦入超构光栅能够以同一角度出射不同波长的目标光束，图3以间隔的形式示出了红绿蓝三种波段的光束；本领域技术人员可以理解，这些光束可以是重叠的，后续的图4至图7等与此相似，后续不做赘述。

本发明实施例提供的一种耦入超构光栅，包括周期排列的多个耦入光栅单元10，该耦入光栅单元10对不同波长的目标光束进行相应的调控，调控不同目标光束所对应的目标衍射级次，从而使得不同目标光束入射至耦入光栅单元10后，能够以相同的出射角出射。该耦入超构光栅能够以相同的角度耦入不同波长的目标光束，例如以相同的角度将不同波长的目标光束耦入至光波导内，使得所耦入的多种波长的目标光束能够被统一传播，可以有效抑制彩虹效应；并且，该耦入超构光栅整体为单层结构，不需要设置多层光波导，结构轻薄，能够应用于AR眼镜等对体积重量要求较高的场景。

可选地，由于光栅单元的周期长度会影响光束入射角、出射角以及衍射级次之间的关系，故本发明实施例通过设计合适的周期长度，使得该耦入超构光栅能够调控以相应入射角入射的光束。例如，超构光栅的一般形式可表示为(n_outsinθ_out-n_incsinθ_inc)/λ_i＝m_i/p，λ_i为超构光栅对应的工作波长，例如第i种目标光束的波长；n_inc和n_out分别为外部和超构光栅的折射率，θ_inc和θ_out为入射到超构光栅的光束的入射角和超构光栅所耦入的光束的出射角，例如，θ_out表示超构光栅耦入到光波导内部的光束的出射角；一般情况下，θ_out需大于该光波导的全内反射临界角，m_i为衍射级次，例如第i种目标光束的波长对应的目标衍射级次，其是整数；p为光栅单元的周期长度，耦入光栅单元10的周期长度p可参见图2所示。

其中，该耦入超构光栅允许多种目标光束以不同的入射角入射，该耦入超构光栅的耦入光栅单元10被配置为调控以不同入射角入射的多种目标光束。目标光束的入射角发生变化，其被耦入超构光栅调制后所对应的出射角也会发生变化，通过设置不同波长的目标光束的入射角，可以方便地实现不同目标光束的出射角相同。

可选地，至少部分不同目标光束对应相同的目标衍射级次；例如，所有目标光束均对应同一个目标衍射级次，例如，所有目标光束的目标衍射级次均为+2级的衍射级次。本发明实施例中，通过设置合适的周期长度p，以及不同目标光束的入射角、出射角等，可以使得不同目标光束以同一出射角出射；并且，至少部分(例如，全部)不同目标光束对应相同的目标衍射级次，从而能够简单快速地确定耦入光栅单元10的周期长度等参数。

以入射至耦入超构光栅的入射光包括红色波段光束L_R、绿色波段光束L_G和蓝色波段光束L_B为例，参见图4所示，耦入超构光栅1位于光波导3的耦入端，用于将三种波段的光束耦入至该光波导3内，使得三种波段的光束能够沿光波导3传播。如图4所示，三种波段的光束以不同的入射角入射至耦入超构光栅1，在该耦入超构光栅1的调控作用下，三种波段的光束均以同一出射角θ_out被耦入至光波导3内。若红绿蓝三种波段光束的入射角分别为θ_R、θ_G、θ_B，则基于超构光栅的一般形式可得下式(1)：

其中，λ_R、λ_G、λ_B分别表示红绿蓝三种光束的波长，例如，λ_R≈720nm，λ_G≈540nm，λ_B≈432nm；m_R、m_G、m_B分别表示红绿蓝三种目标光束所对应的目标衍射级次，p表示耦入光栅单元10的周期长度。并且，三种目标衍射级次可以是相同的，即m_R＝m_G＝m_B；基于上式(1)可知，入射角与周期长度之间具有对应关系，在周期长度p确定的情况下，可以方便地计算出红绿蓝三种光束所需的入射角，从而能够以相应的入射角将红绿蓝三种光束入射至该耦入超构光栅1，使得该耦入超构光栅1能够以相同角度耦出这些光束。

或者，传统光栅一般主要使用同一衍射级次(一般是+1或-1衍射级次)，不同波长的光束以同一角度入射至传统的衍射光栅时，对于该衍射级次，不同波长的光束具有不同的衍射角度，即具有不同的出射角，从而导致彩虹效应；本发明实施例中，该耦入光栅单元10通过以不同的目标衍射级次衍射不同波长的目标光束，也可以实现以相同的出射角出射多种目标光束。具体地，该耦入光栅单元10被配置为调控以相同入射角入射的多种目标光束；并且，不同目标光束对应不同的目标衍射级次。

基于衍射光栅的一般形式可知，在多种不同波长的目标光束以同一入射角入射至该耦入超构光栅时，目标光束的波长与目标衍射级次之间具有一一对应关系，由于不同目标光束的波长不同，故不同目标光束对应的目标衍射级次也不同。具体地，本发明实施例通过为耦入光栅单元10设置合适大小的周期长度p，在衍射级次为整数的约束下，能够使得不同目标光束以相同的出射角出射；此时，目标光束的波长与相应的目标衍射级次之间为反比例关系。

以入射至耦入超构光栅的入射光包括红色波段光束L_R、绿色波段光束L_G和蓝色波段光束L_B为例，参见图5所示，耦入超构光栅1位于光波导3的耦入端，用于将三种波段的光束耦入至该光波导3内，使得三种波段的光束能够沿光波导3传播。如图5所示，三种波段的光束以相同的入射角入射至耦入超构光栅1，若红绿蓝三种波段光束的入射角分别为θ_R、θ_G、θ_B，则θ_R＝θ_G＝θ_B。并且，在该耦入超构光栅1的调控作用下，三种波段的光束均以同一出射角θ_out被耦入至光波导3内。基于上式(1)可知，目标光束的波长与相应的目标衍射级次之间为反比例关系，即目标光束的波长与目标衍射级次的乘积为定值；例如，以θ_inc表示入射角，即θ_R＝θ_G＝θ_B＝θ_inc，则：

(n_outsinθ_out-n_incsinθ_inc)p＝λ_i×m_i (2)

其中，λ_i表示第i种目标光束的波长，例如其可以为λ_R、λ_G、λ_B；m_i表示第i种目标光束对应的目标衍射级次。

此外可选地，该耦入超构光栅可以将一种目标光束按照两个不同的衍射级次进行衍射，从而可以将目标光束衍射至两个不同的位置，使得在不同位置处均能够接收到该耦入超构光栅所耦入的目标光束，例如，该耦入超构光栅能够在单个图像源的情况下可实现双目成像。本发明实施例中，对于任意一种目标光束，其目标衍射级次包括第一目标衍射级次和第二目标衍射级次。并且，不同种目标光束的第一目标衍射级次所对应的第一出射角相同，不同种目标光束的第二目标衍射级次所对应的第二出射角相同；第一出射角与第二出射角偏向耦入光栅单元10不同的排列方向。

本发明实施例中，该耦入超构光栅可以将目标光束的一部分按照第一目标衍射级次衍射，其出射角为第一出射角；耦入超构光栅还可以将目标光束的另一部分按照第二目标衍射级次衍射，其出射角为第二出射角。并且，所有目标光束的第一出射角相同，所有目标光束的第二出射角相同。

其中，该第一出射角与第二出射角不同，即所有目标光束能够以重叠的方式被射向两个不同的位置。并且，第一出射角与第二出射角偏向耦入光栅单元10不同的排列方向。本发明实施例中，耦入光栅单元10是周期排列的，这种排列方式本质上对应两个排列方向；相应地，该耦入光栅单元10将目标光束偏向不同的排列方向，即目标光束的两个出射角(第一出射角和第二出射角)偏向不同的排列方向。例如，如图2和图6所示，多个耦入光栅单元10是沿x方向(或者说，+x方向)排列的，并且，多个耦入光栅单元10也是沿与x方向相反的方向(或者说，-x方向)排列的；相应地，参见图6所示，耦入光栅单元10将目标光束的一部分以第一出射角θ₁出射，该第一出射角θ₁偏向+x方向；耦入光栅单元10将目标光束的另一部分以第二出射角θ₂出射，该第二出射角θ₂偏向-x方向，使得目标光束可以分别被传输至该耦入超构光栅的两侧，进而在单个图像源的情况下能够实现双目成像等。

可选地，参见图7所示，该耦入光栅单元10被配置为调控垂直入射的多种目标光束。此时，对于某种目标光束，该耦入光栅单元10对该目标光束的衍射级次为正负的关系；例如，第一目标衍射级次为+m，第二目标衍射级次为-m。

在上述任一实施例的基础上，参见图8所示，该耦入光栅单元10包括沿耦入光栅单元10的形状一字排列的多个耦入纳米结构101；并且，至少部分耦入纳米结构101的形状不同；其中，图8中的耦入纳米结构101均以圆形表示，并未示出耦入纳米结构101的不同形状。

其中，耦入光栅单元10整体为条状结构，该耦入光栅单元10包括多个耦入纳米结构101，且多个耦入纳米结构101沿该耦入光栅单元10的形状一字排列。如图8所示，耦入光栅单元10为沿垂直于x方向的条状结构，相应地，多个耦入纳米结构101沿垂直于x方向的方向一字排列。可选地，该耦入光栅单元10可以只包括多个耦入纳米结构101，即多个耦入纳米结构101组成该耦入光栅单元10，一字排列的多个耦入纳米结构101形成条状结构的耦入光栅单元10。

本发明实施例中，所有耦入光栅单元10是相同的，但在该耦入光栅单元10中，至少部分耦入纳米结构101的形状不同，例如，该耦入光栅单元10中的所有耦入纳米结构101的形状互不相同。可选地，耦入纳米结构101的形状为偏振不敏感的形状，例如，耦入纳米结构101具有两个正交的对称面，且耦入纳米结构101以这两个对称面所划分的每一部分是完全相同的；例如，耦入纳米结构101具有一对称轴，该耦入纳米结构101沿该对称轴旋转90°，其形状不变。例如，该耦入纳米结构101的形状包括：圆柱状、圆环柱状、方环柱状、十字形柱状中的至少一种。

其中，如图8所示，该耦入超构光栅可以只包括一排的耦入光栅单元10；或者，如图9所示，该耦入超构光栅也可以包括多排的耦入光栅单元10，每一排的耦入光栅单元10均是沿x方向排列。

为了实现耦入光栅单元10能够将不同波长的目标光束按照特定的衍射级次(即目标衍射级次)出射，只是设计耦入光栅单元10的参数(例如，耦入光栅单元10的周期长度p)，难以实现不同波长的光线均按照相应的目标衍射级次射出，容易导致耦入超构光栅不能实现所需的功能；例如，这可能导致耦入超构光栅对某种波长的衍射效率较低。可选地，在本发明实施例中，以不同形状的纳米结构(即耦入纳米结构101)设计耦入光栅单元10，可以引入纳米结构形状这一设计自由度，使得耦入光栅单元10具有更多的可能性，从而能够设计出满足所需要求的耦入光栅单元10，即该耦入光栅单元10能够较好地实现以同一出射角出射不同波长的目标光束。

可选地，在设计耦入光栅单元10时，可以以衍射效率为目标，使得最终得到的耦入光栅单元10能够以比较高的衍射效率出射任意一种目标光束。具体地，耦入纳米结构101为通过最大化最小衍射效率所确定的纳米结构，该最小衍射效率为所有目标光束的衍射效率中的最小值。

本发明实施例中，在设计耦入光栅单元10的过程中，可以将至少部分形状不同的多个纳米结构形成候选光栅单元，并确定该候选光栅单元对每种目标光束的衍射效率；例如，经过由该候选光栅单元组成的超构光栅的目标光束，其电场强度可以被分解为具有不同傅里叶级次的平面波，进而可以确定该目标光束的目标衍射级次的电场强度，并可以以该电场强度表示候选光栅单元对该目标光束的衍射效率。本发明实施例确定所有目标光束中衍射效率的最小值，即最小衍射效率，把该最小衍射效率作为优化目标，并通过最大化该最小衍射效率，最终可以得到最小衍射效率仍然比较大的候选光栅单元，该候选光栅单元即可作为所需的耦入光栅单元10。例如，耦入光栅单元10需要调控红绿蓝三种波段的目标光束，且每种目标光束的衍射效率分别为：F_R、F_G、F_B，则该优化目标F可表示为F＝min(F_R,F_G,F_B)，通过最大化该优化目标F，最终可以设计得到所需的耦入光栅单元10，其衍射效率较高。

本发明上述实施例提供的耦入超构光栅，能够以相同的出射角耦入多种波长的目标光束，即所耦入的多种波长的目标光束可以是重叠的；相应地，本发明实施例还提供一种耦出超构光栅，该耦出超构光栅可以耦出以相同角度入射的多种波长的目标光束，例如，该耦出超构光栅可以耦出被该耦入超构光栅所耦入的多种波长的目标光束。

具体地，参见图10所示，该耦出超构光栅包括：沿预设方向依次排列的多个耦出区域20，并且，耦出区域20包括沿该预设方向排列的多个耦出光栅单元21。该耦出光栅单元21被配置为耦出以相同入射角入射的多种目标光束；不同种目标光束具有不同的波长；多种目标光束整体沿该预设方向传播，且沿预设方向依次排列的多个耦出区域20的衍射效率逐渐增大。其中，如图10，多个耦出光栅单元21可以排列在耦出超构光栅的基底212上，该基底212以起到固定支撑的作用。

如图10所示，以x方向表示预设方向，多个耦出区域20沿该x方向依次排列；并且，对于每个耦出区域20，其包含多个光栅单元，即耦出光栅单元21，且多个耦出光栅单元21同样沿该x方向排列。图10中以该耦出超构光栅包括三个耦出区域20为例示出，并且，每个耦出区域20包括三个耦出光栅单元21。本领域技术人员可以理解，该耦出区域20是从耦出超构光栅中所划分出的一部分区域，但这并不意味着需要分割出多个耦出区域20，即该耦出超构光栅仍然是一体式结构。例如，如图10所示，该耦出超构光栅包含9个耦出光栅单元21，可以将沿x方向将9个耦出光栅单元21划分为三部分，每一部分对应一个耦出区域20。

该耦出超构光栅用于耦出整体沿该x方向传播的多种波长的目标光束，且每种目标光束以相同的入射角入射至该耦出超构光栅；其中，在x方向上，耦出区域20的衍射效率逐渐增大。目标光束整体上是沿图10中的x方向传播的，即整体从左向右传播；并且，耦出区域20的衍射效率逐渐增大，即图10中最左侧耦出区域20的衍射效率最小，中间耦出区域20的衍射效率较大，最右侧耦出区域20的衍射效率最大。

本发明实施例中，该耦出超构光栅用于耦出光束，其一般用于耦出沿光波导传播的光束。如图11所示，光波导3沿x方向设置，且多种波长的目标光束可以在该光波导3的反射(例如，全反射)作用下沿该光波导3传播，使得目标光束整体沿该x方向传播。并且，耦出超构光栅2设置在该光波导3的耦出端，该耦出超构光栅2中的耦出光栅单元21沿x方向排列设置；并且，图11中以虚线表示相邻两个耦出区域20的边界，并以不同的灰度表示不同耦出区域20中的耦出光栅单元21。沿光波导3传播的光束A(该光束A包含多种波长的光束)，可以先入射至耦出超构光栅中最左侧的耦出区域20，由于该耦出区域20的衍射效率最小，故光束A中的一小部分能够被耦出，即光束A1被耦出，其余部分可以继续沿光波导3传播，即光束B继续沿光波导3传播。该光束B可以入射至耦出超构光栅中位于中间的耦出区域20，虽然光束B的光强低于光束A的光强(因为光束A中的部分光束A1被耦出)，但位于中间位置的耦出区域20具有更高的衍射效率，故该耦出区域仍然可以耦出适量的光束B1，其余的光束C(即光束B的剩余部分)仍然可以继续沿光波导3传播，并入射至最右侧的耦出区域20，由于最右侧的耦出区域20具有最高的衍射效率，故其仍然可以耦出适量强度的光束C1；例如，最右侧耦出区域20的衍射效率为1，其可以耦出所有光束。本发明实施例利用衍射效率逐渐增大的多个耦出区域20，可以均匀地耦出多种波长的目标光束，该耦出超构光栅的出光侧的光强分布比较均匀。

可选地，该耦出区域20的衍射效率满足：

其中，eff(n)表示沿预设方向排列的第n个耦出区域20的衍射效率，N表示耦出区域20的总数量。

本发明实施例中，以n表示沿预设方向排列的耦出区域20的序号，基于上式(3)可确定每个耦出区域20的衍射效率。例如，如图11所示，该耦出超构光栅包括三个耦出区域20，即N＝3；相应地，图11中从左向右的三个耦出区域20的序号依次为1、2、3，其衍射效率可以依次为1/3、1/2、1。在这种情况下，每个耦出区域20所耦出的光束的光强基本相同，即光束A1、光束B1、光束C1的光强基本相同；在不考虑损耗的情况下，光束A1、光束B1、光束C1的光强均为所入射的光束A的光强的三分之一。

需要说明的是，衍射效率eff(n)指的是第n个耦出区域20实际的衍射效率，由于工艺以及难以确定完全符合要求的耦出光栅单元21等原因，第n个耦出区域20的实际衍射效率eff(n)难以完全满足上式(3)；本发明实施例中，在误差允许范围内，只要第n个耦出区域20的衍射效率eff(n)与

差别不大，例如，

此时即可认为第n个耦出区域20的衍射效率满足上式(3)。

在上述任一实施例的基础上，参见图12所示，该耦出光栅单元21包括沿耦出光栅单元21的形状一字排列的多个耦出纳米结构211；并且，至少部分耦出纳米结构211的形状不同；其中，图12并未示出耦出纳米结构211的不同形状。

与耦入光栅单元10相似，该耦出光栅单元21整体为条状结构，该耦出光栅单元21包括多个耦出纳米结构211，且多个耦出纳米结构211沿该耦出光栅单元21的形状一字排列。如图12所示，耦出光栅单元21为沿垂直于x方向的条状结构，相应地，多个耦出纳米结构211沿垂直于x方向的方向一字排列。可选地，该耦出光栅单元21可以只包括多个耦出纳米结构211，即多个耦出纳米结构211组成该耦出光栅单元21，一字排列的多个耦出纳米结构211形成条状结构的耦出光栅单元21。

本发明实施例中，一个耦出区域20内的所有耦出光栅单元21是相同的，但在该耦出光栅单元21中，至少部分耦出纳米结构211的形状不同，例如，该耦出光栅单元21中的所有耦出纳米结构211的形状互不相同。可选地，耦出纳米结构211的形状为偏振不敏感的形状，例如耦出纳米结构211具有两个正交的对称面，且耦出纳米结构211以这两个对称面所划分的每一部分是完全相同的；例如，耦出纳米结构211具有一对称轴，该耦出纳米结构211沿该对称轴旋转90°，其形状不变。例如，该耦出纳米结构211的形状包括：圆柱状、圆环柱状、方环柱状、十字形柱状中的至少一种。

可选地，如上所述，不同耦出区域20中的耦出光栅单元21对目标光束的衍射效率不同，但一个耦出区域20对不同波长的目标光束的衍射效率应当是相同的；此外，该耦出光栅单元21也可以被配置为将以相同入射角入射的多种目标光束按照相同的出射角出射；即，该耦出光栅单元21也控制对不同波长目标光束的衍射级次。为了实现耦出光栅单元21能够将不同波长的目标光束按照特定的衍射效率出射，只是设计耦出光栅单元21的参数(例如，耦出光栅单元21的周期长度)，容易导致耦出超构光栅不能实现所需的功能；例如，这可能导致部分耦出区域20对某种波长的衍射效率不符合要求。可选地，在本发明实施例中，以不同形状的纳米结构(即耦出纳米结构211)设计耦出光栅单元21，可以引入纳米结构形状这一设计自由度，使得耦出光栅单元21具有更多的可能性，从而能够设计出满足所需要求的耦出光栅单元21，即该耦出光栅单元21能够按照所需的衍射效率衍射多种波长的目标光束。

可选地，为保证每个耦出区域20的衍射效率满足所需的要求，例如满足上式(3)，本发明实施例设置目标函数，通过最大化该目标函数实现对耦出纳米结构211的优化，从而确定能够使得相应耦出区域20的衍射效率满足所需要求的耦出纳米结构211。其中，该目标函数满足：

其中，F_i(n)表示沿预设方向排列的第n个耦出区域20对第i种目标光束的衍射效率，

表示第n个耦出区域20对第i种目标光束的衍射光强，

表示第n个耦出区域20对第i种目标光束的反射光强，Eff(n)表示第n个耦出区域20对应的理论衍射效率，即第n个耦出区域20应当具有的衍射效率，N表示耦出区域20的总数量。

本发明实施例中，对于第n个耦出区域20，其理论衍射效率Eff(n)越高，相应的衍射光强

也越大。对于最后一个耦出区域20，即n＝N，直接将其衍射光强

作为优化目标，以使得最后一个耦出区域20真实的衍射效率eff(n)能够接近1。对于其他耦出区域20，如上式(4)所示，基于其理想情况下的理论衍射效率Eff(n)确定该理论衍射效率Eff(n)与当前真实的衍射效率eff(n)之间的差异，本实施例以

与

中的较小值表示二者之间的差异，该较小值越大，说明当前真实的衍射效率eff(n)与应当具有的理论衍射效率Eff(n)越接近，通过最大化该最小值(即最大化F_i(n))即可使得最终确定的第n个耦出区域20的真实衍射效率eff(n)与应当具有的理论衍射效率Eff(n)相一致。

其中，该理论衍射效率Eff(n)可以预先确定；例如，耦出超构光栅包含三个耦出区域20，即N＝3，三个耦出区域20应当具有的理论衍射效率Eff(n)依次为：1/3、1/2、1。本领域技术人员可以理解，Eff(n)表示理想情况下第n个耦出区域20的衍射效率，其与第n个耦出区域20真实的衍射效率eff(n)可能存在稍微的偏差。在理想情况下，eff(n)＝Eff(n)。

本发明实施例提供的一种耦出超构光栅，其包括多个沿预设方向排列的耦出区域20，且耦出区域20的衍射效率依次增大；当整体沿该预设方向传播的目标光束入射至该耦出超构光栅时，可以被多个耦出区域20均匀地耦出，实现光瞳复制，能够增大眼动(eyebox)范围。并且，以上述优化目标对纳米结构进行优化，可以确定每个耦出区域20所需的耦出纳米结构211，使得每个耦出区域20的衍射效率能够满足所需的要求。

可选地，本发明实施例还提供一种图像组合器，参见图13所示，该图像组合器包括：耦入元件、光波导3和耦出元件；耦入元件位于光波导的耦入端，耦出元件位于光波导的耦出端。其中，该耦入元件为上述任一实施例提供的耦入超构光栅1，和/或，耦出元件为上述任一实施例提供的耦出超构光栅2。如图13所示，该耦入超构光栅1位于光波导的耦入端，耦出超构光栅2位于光波导的耦出端。其中，耦入超构光栅1中的多个耦入光栅单元10沿光束的整体传播方向排列，耦出超构光栅2中的多个耦出光栅单元21也沿该整体传播方向排列，该整体传播方向为从光波导3的耦入端至耦出端的方向。

本发明实施例中，耦入超构光栅1中的多个耦入光栅单元10以及耦出超构光栅2中的多个耦出光栅单元21均沿光束在光波导3内的整体传播方向排列，即沿光波导3的设置方向排列。如图13所示，光波导3的耦入端位于其左端下表面，光波导3的耦出端位于其右端下表面，光束可以在该光波导3内整体从左向右传播，即沿图13中的x方向传播；相应地，耦入光栅单元10、耦出光栅单元21均沿x方向排列。在耦入超构光栅1的作用下，多种波长的目标光束能够以同一角度在光波导3内传播，可以有效抑制彩虹效应；且在耦出端，多种波长的目标光束能够被耦出超构光栅2均匀耦出，可以实现光瞳复制，增大眼动范围，能够提高人眼视觉舒适度。

可选地，本发明实施例还提供一种AR光学系统，该AR光学系统包括如上所述的图像组合器和图像源4，如图13所示的图像源4；图像源4位于耦入元件的入光侧，被配置为向耦入元件入射至少包含至少三种目标光束的成像光束。例如，该图像源4可以出射包含红绿蓝三种波长的成像光束，并将成像光束射向耦入超构光栅1；该耦入超构光栅1将成像光束耦入至光波导3，并沿光波导3传播，最终该成像光束被耦出超构光栅2耦出。位于该耦出超构光栅2处的观察者即可观看到图像源4所成的像。

并且，该AR光学系统还包括中继镜组5，中继镜组5位于图像源4和图像组合器的光路中，被配置为将目标光束1：1投影或者放大投影到图像组合器中。如图14所示，图像源4设置在AR眼镜的镜腿处，通过中继镜组5将图像源4出射的成像光线入射至耦入元件，图14未示出耦入元件。并且，AR眼镜的镜片(或镜片的一部分)可以作为光波导3，并传播该成像光线；最终在耦出元件的作用下将成像光线耦出，并射向人眼。

下面通过一个实施例详细介绍该图像组合器的结构及功能。

本发明实施例中，图像组合器的结构示意图可参见图13所示。图像源4出射的光是RGB三色光，即包含红绿蓝三种波长的光束。该RGB光束经耦入超构光栅1调制，以全反射角入射到光波导3内，并在光波导3内全反射，最终被耦出超构光栅2耦出至人眼。其中，该耦入超构光栅1的基本结构可参见图8或图9所示，耦出超构光栅2的基本结构可参见图12所示。

本发明实施例中，该耦入超构光栅1的尺寸为10mm×10mm，光波导3的厚度为4mm，宽度为10mm，其长度可根据实际情况而定，例如根据眼镜大小而定，通常其长度在20mm左右。耦入超构光栅1包括千万级别数量的耦入纳米结构101，其中每8个耦入纳米结构101组成一个耦入光栅单元10，即每个耦入光栅单元10对应8个耦入纳米结构101。其中，这8个耦入纳米结构101的形状互不相同，图15示出一个耦入光栅单元10的俯视图，8个耦入纳米结构101的形状具体可参见图15所示。如图15所示，每个耦入纳米结构101均对偏振不敏感；8个耦入纳米结构101的尺寸如下表1所示。

表1

其中，表1中的尺寸1表示耦入纳米结构101的外尺寸，例如耦入纳米结构101的外半径或外边长的一半；尺寸2表示耦入纳米结构101的内尺寸，例如耦入纳米结构101的内半径或内边长的一半。其中，尺寸1、尺寸2的单位均为nm，对于十字形柱状的耦入纳米结构101(如图15中第7个纳米结构)，其尺寸1表示十字形的长度的一半，尺寸2表示十字形每个突出部分的宽度的一半，该尺寸2也是十字中心那个方形边长的一半。该耦入超构光栅1的远场电磁响应可参见图16所示；其中，图16的横坐标表示远场折射角度的正弦值，纵坐标表示波长。

并且，该耦出超构光栅2的尺寸为10mm×10mm。耦出超构光栅2中的每个耦出光栅单元21包含5个耦出纳米结构211；其中，这5个耦出纳米结构211的形状互不相同，图17示出一个耦出光栅单元21的俯视图，5个耦出纳米结构211的形状具体可参见图17所示；并且，该耦出光栅单元21所包含的5个耦出纳米结构211的尺寸见下表2。

表2

其中，表2中的尺寸1表示耦出纳米结构211的外尺寸，例如耦出纳米结构211的外半径或外边长的一半；尺寸2表示耦出纳米结构211的内尺寸，例如耦出纳米结构211的内半径或内边长的一半。尺寸1、尺寸2的单位均为nm。该耦出超构光栅2的远场电磁响应可参见图18所示；其中，图18的横坐标表示远场折射角度的正弦值，纵坐标表示波长。该耦出超构光栅2对于正入射以及以25°入射的可见光都可以垂直出射，例如，其可以垂直出射正入射的环境光以及由光波导3传播的25°入射的目标光束，从而可以实现将虚拟图像和真实图像混合的功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种耦入超构光栅，其特征在于，包括：周期排列的多个耦入光栅单元(10)；

所述耦入光栅单元(10)被配置为将入射的多种目标光束以相应的目标衍射级次出射，且不同种所述目标光束的出射角相同；不同种所述目标光束具有不同的波长，所述目标衍射级次为相应的所述目标光束被所述耦入光栅单元(10)所调控出射的衍射级次。

2.根据权利要求1所述的耦入超构光栅，其特征在于，所述耦入光栅单元(10)被配置为调控以相同入射角入射的多种所述目标光束；

不同种所述目标光束对应不同的目标衍射级次。

3.根据权利要求2所述的耦入超构光栅，其特征在于，所述耦入光栅单元(10)的周期长度使得所述目标光束的波长与相应的所述目标衍射级次之间为反比例关系。

4.根据权利要求1所述的耦入超构光栅，其特征在于，所述耦入光栅单元(10)被配置为调控以不同入射角入射的多种所述目标光束。

5.根据权利要求1所述的耦入超构光栅，其特征在于，所述目标衍射级次包括第一目标衍射级次和第二目标衍射级次；

不同种所述目标光束的所述第一目标衍射级次所对应的第一出射角相同，不同种所述目标光束的所述第二目标衍射级次所对应的第二出射角相同；

所述第一出射角与所述第二出射角偏向所述耦入光栅单元(10)不同的排列方向。

6.根据权利要求5所述的耦入超构光栅，其特征在于，所述耦入光栅单元(10)被配置为调控垂直入射的多种所述目标光束。

7.根据权利要求1所述的耦入超构光栅，其特征在于，所述多种目标光束包括：红色波段光束、绿色波段光束和蓝色波段光束。

8.根据权利要求1所述的耦入超构光栅，其特征在于，所述耦入光栅单元(10)包括沿所述耦入光栅单元(10)的形状一字排列的多个耦入纳米结构(101)；至少部分所述耦入纳米结构(101)的形状不同。

9.根据权利要求8所述的耦入超构光栅，其特征在于，所述耦入纳米结构(101)为通过最大化最小衍射效率所确定的纳米结构，所述最小衍射效率为所有所述目标光束的衍射效率中的最小值。

10.一种耦出超构光栅，其特征在于，包括：沿预设方向依次排列的多个耦出区域(20)，所述耦出区域(20)包括沿所述预设方向排列的多个耦出光栅单元(21)；

所述耦出光栅单元(21)被配置为耦出以相同入射角入射的多种目标光束；不同种所述目标光束具有不同的波长；

所述多种目标光束整体沿所述预设方向传播，且沿所述预设方向依次排列的多个所述耦出区域(20)的衍射效率逐渐增大。

11.根据权利要求10所述的耦出超构光栅，其特征在于，所述耦出区域(20)的衍射效率满足：

其中，eff(n)表示沿所述预设方向排列的第n个耦出区域(20)的衍射效率，N表示所述耦出区域(20)的总数量。

12.根据权利要求10所述的耦出超构光栅，其特征在于，所述耦出光栅单元(21)包括沿所述耦出光栅单元(21)的形状一字排列的多个耦出纳米结构(211)；至少部分所述耦出纳米结构(211)的形状不同。

13.根据权利要求12所述的耦出超构光栅，其特征在于，通过最大化目标函数确定每个所述耦出区域(20)中的耦出纳米结构(211)，所述目标函数满足：

其中，F_i(n)表示沿所述预设方向排列的第n个耦出区域(20)对第i种目标光束的衍射效率，

表示所述第n个耦出区域(20)对第i种目标光束的衍射光强，

表示所述第n个耦出区域(20)对第i种目标光束的反射光强，Eff(n)表示所述第n个耦出区域(20)所对应的理论衍射效率，N表示所述耦出区域(20)的总数量。

14.一种图像组合器，其特征在于，包括：耦入元件、光波导(3)和耦出元件；所述耦入元件位于所述光波导(3)的耦入端，所述耦出元件位于所述光波导(3)的耦出端；

所述耦入元件为如权利要求1-9中任一所述的耦入超构光栅(1)，和/或，所述耦出元件为权利要求10-13中任一所述的耦出超构光栅(2)；

所述耦入超构光栅(1)中的多个耦入光栅单元(10)沿光束的整体传播方向排列，所述耦出超构光栅(2)中的多个耦出光栅单元(21)沿所述整体传播方向排列，所述整体传播方向为从所述光波导(3)的耦入端至耦出端的方向。

15.一种AR光学系统，其特征在于，包括权利要求14所述的图像组合器、图像源(4)和中继镜组(5)；

所述图像源(4)位于所述图像组合器的耦入元件的入光侧，被配置为向所述耦入元件入射包含至少三种目标光束的成像光束；

所述中继镜组(5)位于所述图像源(4)和所述图像组合器的光路中，被配置为将所述目标光束1：1投影或者放大投影到所述图像组合器中。

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