CN116381937A - 一种衍射波导装置中光栅优化的方法及衍射波导装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种衍射波导装置中光栅优化的方法：根据图像源边缘视场的有效光线路径分布，对转折光栅和耦出光栅进行粗略分区得到若干个子光栅；获取初始化转折光栅和耦出光栅的布局参数和形貌结构参数；进行采样，并针对各视场进行光线追迹，记录途经各子光栅区域的光线角度范围；计算各子光栅区域的光线角度范围内的衍射效率，计算光栅的适应度函数；若适应度函数满足要求，可确定该光栅的布局参数和形貌结构参数；若适应度函数不满足要求，修改该光栅布局参数和形貌结构参数，多次迭代以满足要求。本发明还提供了一种通过上述方法进行光栅优化的衍射波导装置。该方法降低了现有光栅优化的难度，并提供了基于此方法的衍射波导装置，可提高显示均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实显示技术领域，特别涉及一种衍射波导装置中光栅优化的方法及衍射波导装置。
背景技术
随着“元宇宙”概念的提出，增强现实(Augmented reality，AR)显示技术引起了众多关注。在采用几何光学方案实现的AR显示中，整个系统的视场角与光学结构体积成正相关，视场角提升的同时将导致光学系统体积的变大。而波导式AR显示在重量，体积，视场角等方面都具有较大优势，逐渐成为主流技术，比如Hololens，Magic Leap等产品均采用波导式结构实现。
利用表面浮雕光栅实现的波导式AR显示具有轻薄、易量产、视场角大、透射效果好等优点。其中，转折光栅和耦出光栅通常采用高度渐变\占空比渐变\倾斜角度渐变的形式实现衍射效率的逐渐提升，但此时对光栅的优化时，需要考虑的角度带宽较大，从而加大了光栅优化的难度，同时，显示图像的均匀度也不高。如公开号为CN113625446A的中国专利公开了一种AR光波导的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体以及耦出光栅，所述设计方法包括：S101：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长对所述耦入光栅的光栅参数进行优化，所述光栅参数包括光栅周期、光栅深度以及光栅占空比；S102：根据所述耦入光栅的光栅周期以及光栅深度确定所述耦出光栅的光栅周期以及光栅深度；S103：对所述耦出光栅进行分区；S104：以所述耦出光栅的耦出总光功率以及非均匀性为优化目标，得到所述耦出光栅的各分区的光栅占空比。以及公开号为CN113625447A的中国专利公开了一种AR光波导的耦出光栅的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体及所述耦出光栅，所述设计方法包括：S101：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长和所述耦入光栅的光栅周期，计算所述光束通过所述耦入光栅衍射耦入至所述光波导主体的衍射耦入角度；S102：根据所述衍射耦入角度和所述光波导主体的厚度计算所述光束在所述耦出光栅上相邻两次耦出位置之间的距离；S103：根据所述耦出光栅的最大衍射效率计算经所述耦出光栅多次耦出后的所述光束的亮度差异率；S104：根据所述耦出光栅的长度、人眼对所述光束的敏感度、所述亮度差异率和所述相邻两次耦出位置之间的距离，计算所述耦出光栅的分区数量。
因此如何降低现有光栅优化的难度以及提高衍射波导结构的显示均匀性是本领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种衍射波导装置中光栅优化的方法，降低了现有光栅优化的难度，并提供了基于此方法的衍射波导装置，可提高显示均匀性。
本发明是通过以下技术方案解决的：
一种衍射波导装置中光栅优化的方法，所述衍射波导装置包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，所述方法包括：
(1)根据图像源边缘视场的有效光线路径分布，对转折光栅和耦出光栅进行粗略分区得到若干个子光栅；
(2)获取初始化转折光栅和耦出光栅的布局参数和形貌结构参数；
(3)对图像源上视场进行采样，并针对各视场进行光线追迹，记录途经各子光栅区域的光线角度范围；
(4)计算各子光栅区域的光线角度范围内的衍射效率，计算光栅的适应度函数；
(5)若适应度函数满足要求，可确定步骤(2)的初始化数值为该光栅的布局参数和形貌结构参数；若适应度函数不满足要求，通过修改步骤(2)的布局参数和形貌结构参数，多次迭代以满足要求。
在衍射波导结构中，目前，光栅优化大多对一定入射角范围内光栅的形貌进行优化，对于渐变形式的光栅，其入射角范围需涵盖整个光栅区域。某一视场的光线在经转折光栅和耦出光栅的二维扩瞳后，仅其中一部分路径对应的光线进入出瞳范围，此部分光线路径即为衍射波导结构的有效光线路径。本发明的技术构思在于：根据不同视场对应的有效光线路径来进行光栅的分区和优化，将转折光栅和耦出光栅根据各个子光栅区域进行优化设计，各子光栅区域对应了波导中光线传播的有效光线路径，即各子光栅区域仅对应了波导中传播光线的部分角度范围，因此在有效光线路径，对子光栅区域进行优化时，仅需要考虑此子光栅区域对应的角度范围即可，光栅的布局参数同样纳入优化范围，增加光栅可选择的效率范围，即增加光栅可选择的形貌参数范围，可有效减低光栅波导的优化难度。
其中：在步骤(2)中可以采用遗传算法；在步骤(4)中可以调用RCWA计算各子光栅区域的光线角度范围内的衍射效率；在步骤(5)中可经选择、交叉、变异修改该光栅布局参数和形貌结构参数。
进一步地，在步骤(1)中，所述转折光栅沿x轴分割为多个子光栅区域；或，所述转折光栅可沿y轴分割为多个子光栅区域；或，所述转折光栅沿x轴分割为多个子区域后，再沿y轴分割为多个子光栅区域；所述耦出光栅沿y轴分割为多个子光栅区域；
其中，x轴方向为中心视场光线经耦入光栅后的衍射+1级方向，y轴方向与x轴方向垂直，且指向耦出光栅方向。
进一步地，在步骤(2)中，所述布局参数包括光栅区域的形状和形状参数；所述形貌结构参数包括光栅的形貌和形貌参数。
进一步地，光栅区域形状可选的有矩形、梯形、多边形等，形状参数即对应包含矩形的长宽，梯形的上底、下底、高、倾角等，多边形的各边长度、相邻边的夹角等。
进一步地，光栅形貌可选的有矩形光栅、梯形光栅、倾斜光栅等，形貌参数即对应矩形光栅的厚度和占空比，梯形光栅的上下底宽度、厚度、倾角等，倾斜光栅的倾角，厚度，占空比等。
进一步地，在步骤(4)中，所述适应度函数表示为：
f＝∑(y-yi)2
当转折光栅和耦出光栅分开利用遗传算法进行优化时，y为该光栅的目标衍射效率，yi为各视场下光栅的衍射效率值；当转折光栅和耦出光栅同时优化时，y为光线经转折光栅和耦出光栅后的目标效率值，yi为各视场下光线经转折光栅和耦出光栅的效率值。
本发明还提供了一种衍射波导装置，包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，所述转折光栅和耦出光栅经上述的方法进行优化得到。
优选地，根据图像源边缘视场的有效光线路径分布，所述转折光栅先沿x轴分割为第一转折光栅、第二转折光栅和第三转折光栅，第三转折光栅再沿y轴分割为第三光栅L和第三光栅R。
本发明考虑到第一转折光栅和第二转折光栅的面积较小，不再分区；第三转折光栅由于光线的扩散，其面积相对较大，因此左右分为第三转折光栅L和第三转折光栅R。第三光栅L和第三光栅R的左右分区使用，保证了边缘视场的能量利用率，提高了衍射波导传输的均匀度。
进一步地，第一转折光栅和第二转折光栅的参数优化时，所述第一转折光栅和第二转折光栅的光线角度范围包含整个图像源的所有光线角度值，且第二转折光栅在整个角度带宽范围内的衍射效率值大于第一转折光栅的衍射效率值。
图像源左侧的光线经耦入光栅后，与x轴成+α的角度在波导中传播，即以与x轴成+α的角度在转折光栅对应区域内传播；图像源右侧的光线经耦入光栅后，与x轴成-α的角度在波导中传播，即以与x轴成-α的角度在转折光栅对应区域内传播。因此第三转折光栅沿y轴分割为第三光栅L和第三光栅R。
进一步地，第三转折光栅L的参数优化时，途经第三光栅L的光线的角度范围光线的角度范围局限于图像源右下侧对应光线入射在转折光栅上的角度，其衍射效率应提高，以保证边缘视场的能量值，从而提高整体的显示的均匀性。进一步地，第三转折光栅R的参数优化时，途经第三光栅R的光线的角度范围包含图像源下侧产生的光线角度值；且第三光栅R的效率值大于第二转折光栅。
进一步地，所述耦出光栅沿y轴分割为多个子光栅区域，靠近转折光栅的耦出子光栅区域的光线角度范围包含整个图像源光线传至此处的角度，远离转折光栅的耦出子光栅区域的光线角度范围包含图像源右侧传至此处的角度；其中光线角度范围为途经此光栅区域的光线角度范围。
当光栅的周期、方位角，入射光的波长确定后，在波导中的衍射角度及传播路径将是确定的。因此，与现有相比，本发明采用基于有效光线路径来进行的光栅分区和优化，可以降低光栅优化的难度，更易获得一个高均匀度的显示效果。
附图说明
图1为图像源左上出射光对应的光线路径图及其有效光线路径；
图2为图像源右上出射光对应的光线路径图及其有效光线路径；
图3为图像源左下出射光对应的光线路径图及其有效光线路径；
图4为图像源右下出射光对应的光线路径图及其有效光线路径；
图5为实施例提供的一种减低光栅优化难度的方法流程图；
图6为实施例提供的一种可提高均匀度的衍射波导结构示意图；
图7为实施例的一个仿真显示结果；
其中，1、耦入光栅；2、转折光栅；3、耦出光栅；4、第一转折光栅1；5、第二转折光栅；6、第三转折光栅L；7、第三转折光栅R；8、第一耦出光栅；9、第二耦出光栅；10、第三耦出光栅。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明进行详细介绍。
图1-图4为边缘视场的光线路径分布及其有效光线路径分布。以图1为例，光线从图像源左上角发出，经耦入光栅衍射后，以与x轴成+α的角度在转折光栅区域处传播，经转折光栅衍射后，以与y轴成-β的角度进行传播，其中，光栅的衍射角度由下式计算而得：
n1sinθ1sinφ1＝n0sinθ0sinφ0
n0及n1分别为入射区和衍射区的折射率，θ0、φ0为入射光线的入射角和方位角，θ1、φ1为衍射光线的入射角和方位角，m为衍射级次，λ为入射光波长，Λ为光栅周期。根据波导中的光栅周期和取向的设置，耦入光栅和耦出光栅周期相同，均为d，转折光栅的周期df和光栅取向ρ设置满足如下条件：
此时光线经衍射光波导后将平行出射。左上视场的光线，经光波导后将平行出射，因此，充满出瞳位置的该视场处的光线将位于耦出光栅的左上区域。该视场下耦出光栅的有效区域为图1中阴影部分，由于光线方向已知，根据有效区域的边缘位置可得转折光栅的有效位置。
图5为实施例提供的一种降低光栅优化难度的方法的流程图，此方法主要使用遗传算法和严格耦合波理论(Rigorous coupled-wave analysis,RCWA)对光栅布局参数及形貌参数进行优化。遗传算法是基于物种进化模型的一种数值模拟优化方法，其具有程序简单，收敛快等优点，本实施例中采用此方法将光栅布局参数和形貌结构参数作为设计变量，并采用RCWA计算光栅的衍射效率，多次迭代后，获取到最优的结果。具体为：
S1、根据图1-图4可知图像源边缘视场的有效光线分布，可据此对转折光栅和耦出光栅进行粗略分区得到若干个子光栅。
S2、获取转折光栅和耦出光栅的布局参数和形貌结构参数的初始值。
S3、对图像源上输入视场进行采样，并针对各视场进行光线追迹，记录途经各子光栅区域的光线角度范围。
S4、调用RCWA计算各子光栅区域的光线角度范围内的衍射效率，计算光栅的适应度函数，适应度函数表示为：
f＝∑(y-yi)2
当转折光栅和耦出光栅分开利用遗传算法进行优化时，y为该光栅的目标衍射效率，yi为各视场下光栅的衍射效率值；当转折光栅和耦出光栅同时优化时，y为光线经转折光栅和耦出光栅后的目标效率值，yi为各视场下光线经转折光栅和耦出光栅的效率值。
S5、若光栅的适应度函数满足要求，可确定光栅的布局参数和形貌结构参数，若光栅的适应度函数不满足要求，可经选择、交叉、变异修改光栅布局参数和形貌结构参数，多次迭代以满足设计要求。
此方法的使用，缩小了各子光栅区域需要优化的光栅角度范围，可有效降低表面浮雕光栅优化的难度，同时光栅布局参数的可调，可扩大光栅效率范围，为波导形貌结构参数提供更多选择。
图6为根据上述光栅优化的方法得到的一种可以提高均匀度的衍射波导结构示意图，其包括：耦入光栅1，转折光栅2和耦出光栅3。
考虑到上下视场在光栅区域中上下分布，左右视场在光栅中左右分布，因而以此确定初始分布。
转折光栅2先沿x轴分割为3个子区域，第一转折光栅4，第二转折光栅5，第三转折光栅，考虑到第一转折光栅4和第二转折光栅5的面积较小，不再分区。
第一转折光栅4、第二转折光栅5和第三转折光栅的衍射效率需要逐次递增。
第三转折光栅由于光线的扩散，其面积相对较大，因此第三转折光栅再沿y轴左右分为第三转折光栅L 6和第三转折光栅R 7。第三转折光栅L 6处对应的光线是图像源右下侧发出的光线，因此第三转折光栅L 6的角度范围可局限在图像源右下侧对应角度，且其衍射效率应提高，以保证边缘视场的能量值，从而提高整体的显示的均匀性。第三转折光栅R7对应的光线是图像源下侧发出的光线，因此角度范围需包含图像源下侧的光线角度值。
耦出光栅3沿y轴分割为3个区域：第一耦出光栅8、第二耦出光栅9和第三耦出光栅10，靠近转折光栅的耦出子区域的参数优化时，入射角度需考虑整个图像源光线传至此处的角度，而远离转折光栅的耦出子区域的参数优化时，入射角度仅需考虑图像源右侧传至此处的角度，从而减低了光栅的优化难度，助于提高整体的均匀性。
图7显示了本发明专利对应的实施例的一个仿真显示结果，其中光栅的形貌参数设计考虑了实际加工的限制。绿光图像入射后，其中心视场对应的显示图像如图7所示，经计算，其均匀度可达72％。
Claims (10)
1.一种衍射波导装置中光栅优化的方法，所述衍射波导装置包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，其特征在于，所述方法包括：
(1)根据图像源边缘视场的有效光线路径分布，对转折光栅和耦出光栅进行粗略分区得到若干个子光栅；
(2)获取初始化转折光栅和耦出光栅的布局参数和形貌结构参数；
(3)对图像源上视场进行采样，并针对各视场进行光线追迹，记录途经各子光栅区域的光线角度范围；
(4)计算各子光栅区域的光线角度范围内的衍射效率，计算光栅的适应度函数；
(5)若适应度函数满足要求，可确定步骤(2)的初始化数值为该光栅的布局参数和形貌结构参数；若适应度函数不满足要求，通过修改步骤(2)的布局参数和形貌结构参数，多次迭代以满足要求。
2.如权利要求1所述的衍射波导装置中光栅优化的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述转折光栅沿x轴分割为多个子光栅区域；或，所述转折光栅可沿y轴分割为多个子光栅区域；或，所述转折光栅沿x轴分割为多个子区域后，再沿y轴分割为多个子光栅区域；所述耦出光栅沿y轴分割为多个子光栅区域；其中，x轴方向为中心视场光线经耦入光栅后的衍射+1级方向，y轴方向与x轴方向垂直，且指向耦出光栅方向。
3.如权利要求1所述的衍射波导装置中光栅优化的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述布局参数包括光栅区域的形状和形状参数；所述形貌结构参数包括光栅的形貌和形貌参数。
4.如权利要求1所述的衍射波导装置中光栅优化的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述适应度函数表示为：
f＝∑(y-yi)2
当转折光栅和耦出光栅分开利用遗传算法进行优化时，y为该光栅的目标衍射效率，yi为各视场下光栅的衍射效率值；当转折光栅和耦出光栅同时优化时，y为光线经转折光栅和耦出光栅后的目标效率值，yi为各视场下光线经转折光栅和耦出光栅的效率值。
5.一种衍射波导装置，包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，其特征在于，所述转折光栅和耦出光栅经权利要求1-4任一所述的方法进行优化得到。
6.如权利要求5所述的衍射波导装置，其特征在于，根据图像源边缘视场的有效光线路径分布，所述转折光栅先沿x轴分割为第一转折光栅、第二转折光栅和第三转折光栅，第三转折光栅再沿y轴分割为第三光栅L和第三光栅R。
7.如权利要求6所述的衍射波导装置，其特征在于，所述第一转折光栅和第二转折光栅的光线角度范围包含整个图像源的所有光线角度值，且第二转折光栅在整个角度带宽范围内的衍射效率值大于第一转折光栅的衍射效率值。
8.如权利要求6所述的衍射波导装置，其特征在于，图像源左侧的光线经耦入光栅后，与x轴成+α的角度在波导中传播，即以与x轴成+α的角度在转折光栅对应区域内传播；图像源右侧的光线经耦入光栅后，与x轴成-α的角度在波导中传播，即以与x轴成-α的角度在转折光栅对应区域内传播。
9.如权利要求6所述的衍射波导装置，其特征在于，途经第三光栅L的光线的角度范围光线的角度范围局限于图像源右下侧对应光线入射在转折光栅上的角度；途经第三光栅R的光线的角度范围包含图像源下侧产生的光线角度值；且第三光栅R的效率值大于第二转折光栅。
10.如权利要求6所述的衍射波导装置，其特征在于，所述耦出光栅沿y轴分割为多个子光栅区域，靠近转折光栅的耦出子光栅区域的光线角度范围包含整个图像源光线传至此处的角度，远离转折光栅的耦出子光栅区域的光线角度范围包含图像源右侧传至此处的角度；其中光线角度范围为途经此光栅区域的光线角度范围。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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