CN115903145A - 光波导系统和电子装置 - Google Patents

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CN115903145A CN202211426415.6A CN202211426415A CN115903145A CN 115903145 A CN115903145 A CN 115903145A CN 202211426415 A CN202211426415 A CN 202211426415A CN 115903145 A CN115903145 A CN 115903145A
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Abstract

本申请公开了一种光波导系统和一种电子装置。光波导系统包括：波导、将光耦合到波导中的输入耦合器、以及输出耦合器。输入耦合器包括右部和左部，其中右部包括叠放的第一偏振体光栅和第二偏振体光栅，左部包括叠放的第三偏振体光栅和第四偏振体光栅。第一偏振体光栅和第四偏振体光栅是针对光的右侧视场角而优化的偏振体光栅，第三偏振体光栅和第二偏振体光栅是针对光的左侧视场角而优化的偏振体光栅。

Description

光波导系统和电子装置
技术领域
本公开涉及光波导系统的技术领域，尤其是涉及一种光波导系统和一种电子装置。
背景技术
在光学显示系统诸如近眼显示(near-eye display；NED)系统中，从具有一定视场角(field of view；FOV)的显示器中发出的光线通过输入耦合器光栅(input couplergrating；ICG)内耦合(in-couple)到波导(waveguide；WG)中，经过全内反射(totalinternal reflection；TIR)和光瞳扩展(pupil expansion)，最后由输出耦合器光栅(output coupler grating；OCG)进行外耦合(out-couple)。
渲染图像重建依赖于视场角内的所有角度都要满足的TIR条件和光栅方程。由于特定波长的一阶光栅方程，传统的基于表面浮雕光栅(surface-relief-grating；SRG)的波导系统的角度响应有限。对于光的不同波长，光栅的有限角度响应可以允许视场角的大部分得到传输。但更多的时候，一些场可能位于一阶条件或TIR条件之外，从而损失这些场。与闪耀光栅(blazed grating)和二元光栅相比，表面浮雕光栅的倾斜光栅可以具有更宽的角度响应，但是斜面光栅仍然受限于有限的视场角。对于增强现实(augmented reality；AR)技术而言，具有小尺寸和大眼动范围(eyebox)的更广的视场角系统是更好的图像渲染的理想选择，从而可以改善用户体验。
Li L,Shi S,Escuti MJ在Opt Express上发表的文章“Improved saturation andwide-viewing angle color filters based on multi-twist retarders”(参见2021；29(3)：4124-4138)公开了基于多扭曲延迟器的饱和度和广视角彩色滤光片，其整体通过引用并入本文。
Li L,Escuti MJ在Opt Express上发表的文章“Super achromatic wide-anglequarter-wave plates using multi-twist retarders”(参见2021；29(5)：7464-7478)公开了使用多扭曲延迟器的超消色差广角四分之一波片，其整体通过引用并入本文。
Xiang X,Escuti MJ在JOSA B.上发表的文章“Numerical analysis of Braggpolarization gratings”(参见2019；36(5)：D1--D8)公开了布拉格偏振光栅，其整体通过引用并入本文。
Xiang X,Kim J,Komanduri R,Escuti MJ在Opt Express上发表的文章“Nanoscale liquid crystal polymer Bragg polarization gratings”(参见2017；25(16)：19298.doi:10.1364/OE.25.019298)公开了纳米级液晶聚合物布拉格偏振光栅，其整体通过引用并入本文。
Xiang X,Kim J,Escuti MJ在Sci Rep.上发表的文章“Bragg polarizationgratings for wide angular bandwidth and high efficiency at steep deflectionangles”(参见2018；8(1)：7202.doi:10.1038/s41598-018-25535-0)公开了布拉格偏振光栅，其整体通过引用并入本文。
Lee Y-H,Yin K,Wu S-T在Opt Express上发表的文章“Reflective polarizationvolume gratings for high efficiency waveguide-coupling augmented realitydisplays”(参见2017；25(22)：27008.doi:10.1364/OE.25.027008)公开了反射式偏振体光栅，其整体通过引用并入本文。
Chi W,Lee HY,Saarikko P在2021年在线发表的文章“Volume Bragg gratingsfor near-eye waveguide display”公开了体布拉格光栅，其整体通过引用并入本文。
Chi W,Meiser D,Yang Y,Lam WST,Saarikko P在2021年在线发表的文章“Dispersion compensation in volume bragg grating-based waveguide display”公开了一种基于体布拉格光栅的波导显示器，其整体通过引用并入本文。
Geng Y,Gollier,Jacques在Amirsolaimani B.上发表的文章“Opticalwaveguide beam splitter with polarization volume gratings for display”(参见2021；2)公开了偏振体光栅，其整体通过引用并入本文。
Amali A,Lu L,Maimone A,Moheghi A,Lam WST,McEldowney,S.Charles LanmanDR在2020年在线发表的文章“Polarization-sensitive components in optical systemsfor large pupil acceptance angles”公开了光学系统中用于大光瞳接受角的偏振敏感元件，其整体通过引用并入本文。
2021年在线公开搜索的David WJ,Popvich M,Grant AJ.发表的文章“Holographic waveguides incorporating birefringence control and methods fortheir fabrication”公开了全息波导，其整体通过引用并入本文。
Yin K,Zhan T,Xiong J,He Z,Wu S-T在Crystals.上发表的文章“Polarizationvolume gratings for near-eye displays and novel photonic devices”(参见2020；10(7)：561)公开了用于近眼显示器的偏振体光栅，其整体通过引用并入本文。
Li L,Shi S,Escuti MJ.的文章“Solc-style birefringent color filtersbased on multi-twist retarders”(参见Hahlweg CF,Mulley JR编辑的新型光学系统、方法和应用XXIII.Vol 11483.SPIE；2020：136-149.doi:10.1117/12.2569133)公开了基于多扭曲延迟器的Solc型双折射彩色滤光片，其整体通过引用并入本文。
发明内容
本公开的一个目的是针对光波导系统提供一种新的技术解决方案。
根据本公开的第一方面，提供的一种光波导系统包括：波导；输入耦合器，设置在波导的输入侧并将光耦合到波导中；以及输出耦合器，设置在波导的输出侧并将光耦合到波导外，其中输入耦合器包括右部和左部。从光的入射方向看，右部位于输入耦合器的右侧，左部位于输入耦合器的左侧。右部包括第一偏振体光栅和叠放在第一偏振体光栅下方的第二偏振体光栅，左部包括第三偏振体光栅和叠放在第三偏振体光栅下方的第四偏振体光栅。第一偏振体光栅和第四偏振体光栅是针对光的右侧视场角而优化的偏振体光栅，以及第三偏振体光栅和第二偏振体光栅是针对光的左侧视场角而优化的偏振体光栅。
根据本公开的第一方面，提供的一种电子装置包括：产生图像光的显示器；以及根据实施例的接收图像光的光波导系统。
根据本公开的实施例，能够改善光波导系统的性能。
根据以下本公开的示例性实施例的详细描述并参考附图，本公开的进一步特征及其优点将变得明显。
附图说明
并入并构成说明书一部分的附图连同其描述一起说明了本公开的实施例，用于解释本发明的原理。
图1表示根据一个实施例的光波导系统的示意图。
图2表示图1中输入耦合器的结构示意图。
图3表示根据另一实施例的光波导系统的示意图。
图4表示图3中的输入耦合器的结构示意图。
图5表示根据另一实施例的输入耦合器的结构示意图。
图6表示根据一个实施例的电子装置的示意性框图。
图7表示电子装置的例子。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本公开的各种示例性实施例。应该注意的是，除非另有具体说明，这些实施例中说明的部件和步骤的相对布置、数字表达和数值并不限制本公开的范围。
下面对至少一个示例性实施例的描述仅仅是说明性的，绝非是为了限制本发明、其应用或用途。
相关领域的普通技术人员已知的技术、方法和装置可能不会被详细讨论，但在适当的情况下会成为说明书的一部分。
在本文说明和讨论的所有例子中，任何具体数值都应被解释为仅仅是说明性的和非限制性的。因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的数值。
请注意，在以下附图中类似的参考标号和字母指的是类似项，因此一旦在一幅图中定义了一项，可能后续图式不需要进一步讨论该项。
由液晶(liquid crystal；LC)或液晶聚合物(liquid crystal polymer；LCP)制成的偏振布拉格光栅(polarization Bragg grating；PBG)或偏振体光栅(polarizationvolume grating；PVG)可以获得更宽的视场角(FOV)。偏振体光栅通常通过用正交的偏振相干光对目标波和参考波的波矢进行加减的全息方法制成。结合全息方法和偏振干涉方法，这两个具有正交圆形偏振的波之间的干涉图案产生了偏振体光栅的光栅矢量。使用上述方法可以获得液晶单元(LC cell)或LCP薄膜的光栅周期。为了进一步控制光栅的波长和角度响应，还可以对LCP薄膜的一层或两层施加扭曲。与基于表面浮雕光栅的系统不同，偏振体光栅是一种偏振主动机制(polarization active mechanism)。
在这方面，本公开研究了通过将若干个偏振体光栅和其他偏振元件结合为一个叠放体来复用光场的不同角度的可能性。在广角液晶聚合物薄膜的帮助下，将一个或所有可见波长的偏振控制为右旋圆偏振或左旋圆偏振，发现偏振体光栅的角度复用可以有利于一种具有扩展视场角的增强现实系统。
本公开发现，透射偏振体光栅通常比反射偏振体光栅具有更大的工作波长。因此，本文采用了在透射模式下工作的透射偏振体光栅。
本公开提出通过使用两个叠放在一起的偏振体光栅来实现视场角扩展角的复用，每个偏振体光栅主要负责视场角的一半。当这两个用于视场角的正的一半和负的一半的偏振体光栅叠放时，实际的视场角可以扩展为整个宽视场角。由于输入耦合器光栅ICG右侧的方位角响应与ICG左侧的方位角响应不同，图像每一侧处的两个偏振体光栅的叠放可以应用于图像的右侧或左侧。
本文中，使用角度复用的偏振体光栅来优化偏振体光栅的工作角度范围。使用叠放的角度优化的偏振体光栅可以有效地扩展内耦合视场角(in-coupling FOV)。
在一个实施例中，如图1所示，光波导系统包括波导100，输入耦合器300A和输出耦合器303。输入耦合器300A设置在波导100的输入侧，并将光耦合到波导100中。输出耦合器303设置在波导100的输出侧，并将光耦合到波导100外。
输出耦合器303可以是二维的表面浮雕光栅，可以将光线扩展并且外耦合。这样的二维表面浮雕光栅可以提高显示图像的均匀性。二维表面浮雕光栅可以具有菱形格(diamond lattice)。
输入耦合器300A包括右部301和左部302。本领域技术人员应理解的是，从光入射方向看，右部301位于输入耦合器300A的右侧，左部302位于输入耦合器300A的左侧。
如图2所示，右部301包括第一偏振体光栅301A和第二偏振体光栅301B。第二偏振体光栅301B叠放在第一偏振体光栅301A下方。左部302包括第三偏振体光栅302A和第四偏振体光栅302B。第四偏振体光栅302B叠放在第三偏振体光栅302A下方。
第一偏振体光栅301A和第四偏振体光栅302B是针对光的右侧视场角而优化的偏振体光栅。第三偏振体光栅302A和第二偏振体光栅301B是针对光的左侧视场角而优化的偏振体光栅。
针对右侧/左侧的优化是指右侧/左侧处的光栅的至少一个性能优于左侧/右侧的光栅的至少一个性能。本文中，此性能可以是视场角。例如，第一偏振体光栅301A和第四偏振体光栅302B具有不对称的视场角，其中右部的视场角大于左部的视场角。第三偏振体光栅302A和第二偏振体光栅301B具有不对称的视场角，其中左部的视场角大于右部的视场角。
在本实施例中，第一偏振体光栅301A和第二偏振体光栅301B叠放在一起，然而它们具有不同的优化。类似地，第三偏振体光栅302A和第四偏振体光栅301B叠放在一起，然而它们具有不同的优化。通过采用这些配置，可以改善视场角中图像的均匀性。此外，还可以改善衍射效率。
如图1所示，右侧的光/光线201和左侧的光/光线202进入输出耦合器303，并被耦合到波导100外。
因为光/光线201和光/光线202具有广角响应(wide-angle response)，进入二维表面浮雕光栅303中的这两束光的外耦合(out-coupling)由此可以具有宽视场角，并保持良好的RGB的色彩均匀性，从而使得二维表面浮雕光栅303上输出的色彩和亮度高度均匀。此外，由于光栅301的叠放保留了输入图像的右侧的大强度，因此光/光线201继承了高强度和RGB的全视场角，其继续传输到眼动范围(eyebox)的右侧，产生更好的亮度和色彩均匀性。类似的情况也适用于左侧。
例如，第一偏振体光栅301A和第四偏振体光栅302B的视场角(FOV)为(-30°，10°)，第三偏振体光栅302A和第二偏振体光栅301B的视场角为(-10°，30°)。
例如，第一偏振体光栅301A、第二偏振体光栅301B、第三偏振体光栅302A和第四偏振体光栅302B是透射偏振体光栅。
图3和图4表示根据另一实施例的光波导系统。如图3和图4所示，输入耦合器300B进一步包括中央偏振体光栅304。中央偏振体光栅304被设置在右部301和左部302之间。中央偏振体光栅304针对中心视场角优化。中央偏振体光栅304能够进一步提高中心视场角的亮度。
中央偏振体光栅304具有对称视场角。这个对称视场角可以与第一偏振体光栅301A、第二偏振体光栅301B、第三偏振体光栅302A和第四偏振体光栅302B的视场角的至少一部分重叠。
例如，中央偏振体光栅304的视场角为(-15°，15°)。
图5表示根据另一实施例的输入耦合器300C的结构示意图。输入耦合器300C可以用于图1或图3所示的光波导系统中。
在图5的输入耦合器300C中，第一偏振体光栅301A和第三偏振体光栅302A由第一液晶层301E中的液晶聚合物制成。第二偏振体光栅301B和第四偏振体光栅302B由第二液晶层301F中的液晶聚合物制成。
第一液晶层301E和第二液晶层301F沿光栅平面具有相同的周期变化，但是具有不同的光栅矢量和/或周期定位(period localization)。
在这个实施例中，由于两个液晶层中实现这四个光栅，并且这两个液晶层具有相同的周期变化，所以此结构是以连续的方式制成的，将减少在不连续位置处保留的能量。因此，将提高衍射效率。此外，将改善输入耦合器的性能。
光波导系统进一步包括偏振器，偏振器被设置在输入耦合器300A、300B或300C之前。偏振器可以将光转换为偏振光，此偏振光可以被输出耦合器300A、300B或300C所衍射。可以在光波导系统中有效地处理偏振光，并且可以减少系统中的杂散光。
各种实施例中的偏振体光栅可以是基于液晶的偏振体光栅。
不同的实施例中的偏振体光栅的视场角可能是有意地具有一些重叠，以保证图像在角度上没有传输间隙。表格1中列出了每个偏振体光栅PVG的视场角和波长响应。
表格1：光栅工作角度汇总
Figure BDA0003944734130000081
图6表示根据实施例的电子装置的示意性框图。
在图6中，电子装置60包括显示器61和光波导系统62。显示器61产生图像光。光波导系统62可以是上述的光波导系统并接收图像光。光波导系统62包括如上所述的输入耦合器63、波导65和输出耦合器64。光波导系统62可以进一步包括如上所述的偏振器66，以将图像光转换成偏振图像光，然后由输入耦合器63处理。
图7表示根据实施例的电子装置的一个示例。在图7中，电子装置71可以是近眼显示器，比如AR眼镜。电子装置71可以包括显示器73和如上所述的光波导系统72。
尽管本发明的一些具体实施例已经用示例进行了详细说明，但本领域的技术人员应该理解，上述示例只是用于例示，而并非是用于限制本公开的范围。

Claims (11)

1.一种光波导系统，包括：
波导；
输入耦合器，设置在所述波导的输入侧，并将光耦合到所述波导中；以及
输出耦合器，设置在所述波导的输出侧，并将光耦合到所述波导外；
其中，所述输入耦合器包括右部和左部，
其中，从光入射方向看，所述右部位于所述输入耦合器的右侧，所述左部位于所述输入耦合器的左侧，
其中所述右部包括第一偏振体光栅和叠放在所述第一偏振体光栅下方的第二偏振体光栅，
其中所述左部包括第三偏振体光栅和叠放在所述第三偏振体光栅下方的第四偏振体光栅，
其中，所述第一偏振体光栅和所述第四偏振体光栅是针对光的右侧视场角而优化的偏振体光栅，以及
其中，所述第三偏振体光栅和所述第二偏振体光栅是针对光的左侧视场角而优化的偏振体光栅。
2.根据权利要求1所述的光波导系统，其中所述第一偏振体光栅和所述第四偏振体光栅具有不对称的视场角，其中右部的视场角大于左部的视场角，
其中，所述第三偏振体光栅和所述第二偏振体光栅具有不对称的视场角，其中左部的视场角大于右部的视场角。
3.根据权利要求2所述的光波导系统，其中所述第一偏振体光栅和所述第四偏振体光栅的视场角为(-30°，10°)，以及
其中所述第三偏振体光栅和所述第二偏振体光栅的视场角为(-10°，30°)。
4.根据权利要求1所述的光波导系统，进一步包括：
中央偏振体光栅，所述中央偏振体光栅被设置在所述右部和所述左部之间，并针对中心视场角优化。
5.根据权利要求4所述的光波导系统，其中所述中央偏振体光栅具有对称视场角，所述对称视场角与第一偏振体光栅、第二偏振体光栅、第三偏振体光栅和第四偏振体光栅的视场角的至少一部分重叠。
6.根据权利要求5所述的光波导系统，其中所述中央偏振体光栅的视场角为(-15°，15°)。
7.根据权利要求1所述的光波导系统，其中所述输出耦合器包括二维表面浮雕光栅。
8.根据权利要求1所述的光波导系统，其中第一偏振体光栅、第二偏振体光栅、第三偏振体光栅和第四偏振体光栅是透射偏振体光栅。
9.根据权利要求1所述的光波导系统，进一步包括：
偏振器，设置在所述输入耦合器之前并将光转换为偏振光，所述偏振光能够被所述输出耦合器衍射。
10.根据权利要求1所述的光波导系统，其中所述第一偏振体光栅和所述第三偏振体光栅是由第一液晶层中的液晶聚合物制成，
其中，所述第二偏振体光栅和所述第四偏振体光栅是由第二液晶层中的液晶聚合物制成，以及
其中，所述第一液晶层和所述第二液晶层沿光栅平面具有相同的周期变化，但具有不同的光栅矢量和/或周期定位。
11.一种电子装置，包括：
显示器，产生图像光；以及
根据权利要求1所述的光波导系统，接收所述图像光。
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