CN116609036B

CN116609036B - 一种ar光波导均匀性的测量方法和测量装置

Info

Publication number: CN116609036B
Application number: CN202310546040.5A
Authority: CN
Inventors: 王书龙; 孙小卫; 菲利普·安东尼·苏尔曼
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2023-05-15
Filing date: 2023-05-15
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2043-05-15
Also published as: CN116609036A

Abstract

本申请实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种AR光波导均匀性的测量方法和测量装置。本申请在入射光束进入AR光波导之前，先使用多个分光镜将入射光束分光出多束子光束，同时设置多个分光镜的反射率，使得多个分光镜分光出的子光束的光束能量趋于统一，进一步采集子光束与AR光波导的阵列面耦合出的光束光斑，利用光束光斑的能量计算AR光波导的均匀性，本申请通过光束光斑的能量实现了AR光波导均匀性的测量，具有较高的测量准确度，为后续显示模组完善以及显示效果提升具有重要指导意义。

Description

一种AR光波导均匀性的测量方法和测量装置

技术领域

本申请实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种AR光波导均匀性的测量方法和测量装置。

背景技术

AR作为一种新型显示技术，如其它的显示技术一样，图像均匀性是AR光波导显示的核心参数之一。AR光波导基于多个阵列面(阵列反射面)反射，形成出瞳扩展后的显示画面，多个AR光波导全反射阵列面显示不同视场的图像信息。但是现有技术对AR光波导显示只进行了一些理论分析研究，而精确量化表征AR光波导均匀性的方向鲜有报道。AR光波导均匀性量化研究对其批次量产过程中工艺技术反馈、参数迭代有重要意义，是形成更优异AR光波导产品的重要技术环节。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本公开实施例的主要目的在于提出一种AR光波导均匀性的测量方法和测量装置，提供了一种全新精确量化表征AR光波导均匀性的方案，不仅具有较高的测量准确度，而且为后续显示模组完善以及显示效果提升具有重要指导意义。

为实现上述目的，本公开实施例的第一方面提出了一种AR光波导均匀性的测量方法，所述测量方法包括：

生成入射光束；

通过多个分光镜将所述入射光束分光出多束子光束，并将所述多束子光束从AR光波导耦入面导入AR光波导中进行全反射传播；其中，所述入射光束依次经过的所述多个分光镜的反射率分别为N表示分光镜数量；

采集由所述多束子光束与所述AR光波导的阵列面耦合出的多束出射光束形成的多个光斑能量，并根据所述多个光斑能量计算所述AR光波导的均匀性。

在一些实施例中，根据所述子光束在所述AR光波导内首个全反射点的位置，确定所述子光束的位置。

在一些实施例中，所述子光束在所述AR光波导中任意一个阵列面上发生有且仅有一次反射。

在一些实施例中，通过如下方式设定每束所述子光束在所述AR光波导中的首个全反射点的位置：

获取所述AR光波导的首个阵列面与第一表面的第一交点以及所述AR光波导的最后一个阵列面与第二表面的第二交点；其中，所述第二表面是所述第一表面相反的一个表面；

计算所述第一交点与所述第一交点相邻的第一全反射点之间的第一距离，以及计算所述第二交点与所述第二交点相邻的第二全反射点之间的第二距离；其中，所述第一距离和所述第二距离均大于零；所述第一全反射点位于所述第一交点朝向所述第二交点的一侧，所述第二全反射点位于所述第二交点朝向所述第一交点的一侧；

根据所述第一距离和所述第二距离，计算所述AR光波导中的首个全反射点与所述AR光波导的首个阵列面在同一表面的第三距离，以通过所述第三距离表征所述AR光波导中的首个全反射点的位置。

在一些实施例中，所述根据所述多个光斑能量计算所述AR光波导的均匀性之前，所述AR光波导均匀性的测量方法还包括：

对所述多个光斑能量进行归一化。

在一些实施例中，所述计算所述AR光波导的均匀性包括计算所述AR光波导整体的均匀性，计算所述AR光波导整体的均匀性包括：

选取所述多个光斑能量中的能量最大值和能量最小值；

将两倍所述能量最小值除以所述能量最大值和能量最小值之和，得到用于表征所述AR光波导整体的均匀性的计算结果。

在一些实施例中，所述计算所述AR光波导的均匀性包括计算所述AR光波导单个阵列面的均匀性，计算所述AR光波导单个阵列面的均匀性包括：

选取由所述单个阵列面耦合出的所述出射光束形成的光斑能量，并从中选择能量最大值和能量最小值；

将两倍所述能量最小值除以所述能量最大值和能量最小值之和，得到用于表征所述AR光波导单个阵列面的均匀性的计算结果。

在一些实施例中，在所述根据所述多个光束光斑的能量计算所述AR光波导的均匀性之后，所述测量方法还包括：

根据所述AR光波导的均匀性执行所述AR光波导的工艺参数设计。

本申请实施例第一方面提供了一种招募可信节点完成计算任务的方法，本方法在入射光束进入AR光波导之前，先使用多个分光镜将入射光束分光出多束子光束，同时设置多个分光镜的反射率，使得多个分光镜分光出的子光束的光束能量趋于统一，进一步采集子光束与AR光波导的阵列面耦合出的光束光斑，利用光束光斑的能量计算AR光波导的均匀性，本方法通过光束光斑的能量实现精确量化表征AR光波导均匀性，具有较高的测量准确度，为后续显示模组完善以及显示效果提升具有重要指导意义。

为实现上述目的，本公开实施例的第二方面提出了一种AR光波导均匀性的测量装置，所述测量装置包括：

激光器，用于生成入射光束；

多个分光镜，用于将所述入射光束分光出多束子光束，并将所述多束子光束从AR光波导耦入面导入AR光波导中进行全反射传播；其中，所述入射光束依次经过的所述多个分光镜的反射率分别为N表示分光镜数量；

CCD，用于采集由所述多束子光束与所述AR光波导的阵列面耦合出的多束出射光束形成的多个光斑能量；

计算单元，用于根据所述多个光斑能量计算所述AR光波导的均匀性。

在一些实施例中，所述测量装置还包括反光镜，所述反光镜用于调整所述入射光束的路径，以引导所述入射光束至所述多个分光镜。

可以理解的是，上述第二方面与相关技术相比存在的有益效果与上述第一方面与相关技术相比存在的有益效果相同，可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或相关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申请实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例提供的一种AR光波导均匀性的测量方法的流程示意图；

图2是本申请一个实施例提供的一种AR光波导均匀性的测量装置简图；

图3是本申请一个实施例提供的全反射光束在AR光波导内进行全反射传输以及耦合出出射光束的示意图；

图4是本申请一个实施例提供的一种AR光波导均匀性的测量装置的结构示意图；

图5是图4中出射光束在接收面形成光束光斑的示意图；

图6是本申请一个实施例提供的计算AR光波导整体均匀性的示意图；

图7是本申请一个实施例提供的计算AR光波导单个阵列面均匀性的示意图；

图8是本申请一个实施例提供的全反射光束在单个阵列面形成两束出射光束的示意图；

图9是本申请一个实施例提供的表征AR光波导中首个全反射点位置的流程示意图；

图10是本申请一个实施例提供的在耦入面的位置点作为激光入射位置的标定示意图；

图11是本申请一个实施例提供的全反射光束在AR光波导内进行全反射传输的示意图；

图12是图11的局部放大图。

标号说明：

100、AR光波导；101、耦入面；102、首个全反射点；103、光束与阵列面的耦合点；104、首个阵列面与上表面的交点；105、首个全反射点和首个阵列面与上表面的交点之间最大距离；106、首个全反射点和首个阵列面与上表面的交点之间最小距离；107、同一表面两个相邻全反射点之间的距离；108、AR光波导上表面；109、AR光波导下表面；110、首个阵列面与下表面的交点；111、全反射光束与下表面的第三个交点；112、全反射光束与上表面的第五个交点；113、最后一个阵列面与上表面的交点；114、阵列面；

200、激光器；201、入射光束；202、子光束；203、出射光束；204、光束光斑；

300、反射镜；

400、分光镜；

500、接收面；

600、耦入棱镜。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

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。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。

在介绍本申请实施例之前，先对本申请的基本概念进行说明：

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种利用显示芯片、摄像设备、传感器等设备，对现实影像的位置进行感知和计算，再将虚拟影像叠加到现实影像上从而实现虚拟和现实相拼合的计算机技术。AR技术通过多个级联光学阵列面形成几何光波导，使虚拟信息和真实环境同步进入人眼，实现增强现实显示。

几何光波导(也称AR光波导)，通过阵列反射镜堆叠来实现光线或图像的输出。通常将一束光耦合进几何光波导，通过反射面或棱镜的多轮全反射后会遇到一个“半透半反”镜面阵列，每一个镜面会将部分光线反射出光波导剩下的光线透射过去继续在几何光波导中前进，然后这部分前进的光又遇到另一个“半透半反”镜面，从而重复上面的“反射和透射”过程，直到镜面阵列里的最后一个镜面将剩下的全部光反射出几何光波导。

在本技术领域中，AR作为一种新型显示技术，如其它的显示技术一样，图像均匀性是AR光波导显示的核心参数之一。AR光波导基于多个阵列面反射，形成出瞳扩展后的显示画面，多个AR光波导全反射阵列面显示不同视场的图像信息。

但是现有技术对AR光波导显示只进行了一些理论分析研究，而精确量化表征AR光波导均匀性的方向鲜有报道。AR光波导均匀性量化研究对其批次量产过程中工艺技术反馈、参数迭代有重要意义，是形成更优异AR光波导产品的重要技术环节。

AR光波导均匀特性量化研究对是否能够均匀的呈现显示画面质量，以及对后期的显示模组完善及显示效果提升具有重要意义。

为此，本申请通过光束光斑能量实现了AR光波导均匀性的测量，具体通过如下实施例进行说明：

请参照图1至图12，图1是本申请一个实施例提供的一种AR光波导均匀性的测量方法，应理解，本申请实施例的方法包括但不限于步骤S101、S102、S103以及S104，以下结合图1对步骤S101至步骤S104进行详细介绍：

步骤S101、产生入射光束。入射光束可由激光器产生。

步骤S102、通过多个分光镜将入射光束分光出多束子光束，并将多束子光束从AR光波导耦入面导入AR光波导中进行全反射传播；其中，入射光束依次经过的多个分光镜的反射率分别为N表示分光镜数量。

如图2，沿入射光束201的路径平行设置多个分光镜400，分光镜400与入射光束201的路径成预设的角度。分光镜400将入射光束201分光出多束子光束202，如图3和图4，每束子光束202从AR光波导100的耦入面101导入，并在AR光波导100中进行全反射传播，每束子光束202与AR光波导100内的阵列面114耦合出对应的出射光束203，出射光束在接收面500形成光束光斑204，通过CCD(charge coupled device)相机采集耦合出的光束光斑204的光斑能量。

如图2、图5，本方法在入射光束进入AR光波导之前，先使用多个分光镜将入射光束分光出多束子光束，同时对入射光束依次经过的多个分光镜的反射率分别设置为这样设置的原因是用于使多个子光束的能量趋近于统一。基于多分光镜的反射率的设置，可以得到第一束子光束的能量为：

第二束子光束的能量为：

依次类推，第m束子光束的能量为：

基于此，能保证子光束的能量趋近于

步骤S103、采集由多束子光束与AR光波导的阵列面耦合出的多束出射光束形成的多个光斑能量，并根据多个光斑能量计算AR光波导的均匀性。。

本方法通过光束的光斑能量实现了AR光波导均匀性的测量，不仅具有较高的测量准确度，而且为后续显示模组完善以及显示效果提升具有重要指导意义。

由于上述设置的各分光镜反射率，使得光束光斑的光斑能量趋于统一，但是由于反射率与实际的值有所差别，在本申请的一些实施例中，步骤S103中的根据多个光斑能量计算AR光波导的均匀性之前，本方法包括步骤：

步骤S1021、对多个光斑能量进行归一化。

本方法使用实际的光束能量进行归一化处理，使得数据更加准确。因此，在分光后的子光束进入AR光波导前，先使用CCD测量各子光束的光斑能量，然后对各光束的光斑能量进行归一化。子光束进入AR光波导后反射耦合，阵列面耦合出的光束光斑能量被CCD测得：

其中，k_j表示第j束子光束的归一化因子，表示第j束子光束在AR光波导中与各个阵列面耦合出的光束光斑的能量数据集。

在本申请的一些实施例中，步骤S103中的计算AR光波导的均匀性包括计算AR光波导整体的均匀性和AR光波导单个阵列面的均匀性。

如图6，其中，计算AR光波导整体的均匀性包括如下步骤S3011和3012：

步骤S3011、选取多个光斑能量中的能量最大值和能量最小值。

步骤S3012、将两倍能量最小值除以能量最大值和能量最小值之和，得到用于表征AR光波导整体的均匀性的计算结果。

步骤S3012可以用如下公式表示：

其中，I_mn表示子光束与阵列面耦合出的光束光斑的光斑能量，Max(I_mn)表示能量最大值，Min(I_mn)表示能量最小值。

如图7，其中，计算AR光波导单个阵列面的均匀性包括如下步骤S3021和S3022：

步骤S3021、选取由单个阵列面耦合出的出射光束形成的光斑能量，并从中选择能量最大值和能量最小值。

步骤S3022、将两倍能量最小值除以能量最大值和能量最小值之和，得到用于表征AR光波导单个阵列面的均匀性的计算结果。

步骤S3022可以用如下公式表示：

其中，I_mi表示子光束与第i个阵列面耦合出的光束光斑的能量，Max(I_mi)表示第i个阵列面耦合出的光束光斑的能量最大值，Min(I_mi)表示第i个阵列面耦合出的光束光斑的能量最小值。

本申请的目的是利用光束光斑的能量来表征AR光波导100的均匀性。参照图8，在子光束202于AR光波导100内进行全反射传播过程中，子光束202与阵列面114耦合出出射光束203，由于耦入面101的形态不同，或者偶入棱镜600的存在，会有可能出现全反射光束在单个阵列面114上发生两次反射，进而在单个阵列面114上耦合出两束出射光束203(如图8的103处，虚线框示出一束光束)，这样无疑增加了利用光束光斑204的能量来表征AR光波导100的均匀性的复杂度。

为了避免这一种情况，本实施例限定：子光束在AR光波导中任意一个阵列面上发生有且仅有一次反射。

这样设置使得全反射光束在单个阵列面114上不会发生两次反射，进而使得单个阵列面114上仅耦合出单束出射光束203。

如图9和图10，在现阶段，通常将子光束(进入AR光波导内的激光光束)入射位置，在AR光波导耦入面的位置点作为确定激光入射位置标定。这样的缺陷在于：由于偶入面的形态不同，或者耦入器件(如偶入棱镜)的存在，导致此项定义标准会随着偶入棱镜的形态的变化而变化，造成定义标准不清晰。如果子光束相对于耦入面101位置的不同，而来衡量的子光束的位置，此时子光束的位置的定义具有很大的不确定性，因耦入棱镜600，或者没有耦入棱镜，存在着差别，在有耦入棱镜的情况下，耦入棱镜的长度，可以是位置一(Position1)、位置二(Position2)，或者位置N(PositionN)，这时候光束的位置定义也会有所差别，偶入棱镜的长度d_N，而耦入棱镜的长度匹配对应的显示模组的形态。

在本申请的一些实施例中，本方法将子光束(进入AR光波导内的激光光束)在光波导内首个全反射点的位置定义成子光束位置的确定的标准。相较于现有技术，这里处理的优点包括：将子光束在ar光波导内第一个全反射点的位置定义成光束的入射位置，解决了现有技术的缺陷，可以不考虑AR光波导耦入面或者耦入棱镜的形态变化而变化，具有普适性。

在本申请的一些实施例，通过如下方式设定每束子光束在AR光波导中的首个全反射点的位置：

步骤S1051、获取AR光波导的首个阵列面与第一表面的第一交点以及AR光波导的最后一个阵列面与第二表面的第二交点；其中，第一表面是AR光波导的上表面或下表面，第二表面与第一表面相反。

步骤S1052、计算第一交点与第一交点相邻的第一全反射点之间的第一距离，以及计算第二交点与第二交点相邻的第二全反射点之间的第二距离；其中，第一距离和第二距离均大于零；第一全反射点位于第一交点朝向第二交点的一侧，第二全反射点位于第二交点朝向第一交点的一侧。

步骤S1053、根据第一距离和第二距离，计算AR光波导中的首个全反射点与AR光波导的首个阵列面在同一表面的第三距离，以通过第三距离表征AR光波导中的首个全反射点的位置。

如图11和图12，全反射光束在单个阵列面114上发生两次反射容易造成AR光波导100均匀性研究过于复杂。本实施例基于定义首个全反射点102和首个阵列面与上表面的交点104之间的距离变动范围(图12中的105和106分别表示最大距离和最小距离)，来作为定义子光束202的位置确认的标准。

如图11和图12，本实施例限定每束子光束202在AR光波导100中的首个全反射点的位置满足如下条件：

获取AR光波导的首个阵列面与下表面的一个交点110，以及与交点110相邻一个交点111；

获取AR光波导的最后一个阵列面与上表面的一个交点113，以及与交点113相邻一个交点112；

本实施例限定：交点110至交点111的距离大于0，交点113至交点112的距离大于0，于是存在：

P₁₁₀P₁₁₁>0

P₁₁₂P₁₁₃>0

利用上述两公式进一步进行如下推导：

进一步，得到如下公式：

上述P₁₁₀P₁₁₁表示交点110与交点111之间的距离，P₁₁₂P₁₁₃表示交点112与交点113之间距离，P₁₀₂P₁₀₄表示交点102与交点104之间的距离。

T表示AR光波导同一表面两个相邻全反射点之间的距离(即图12的107)，d表示光波导厚度，本方法通过定义首个全反射点102和首个阵列面与上表面的交点104的距离变动范围(即图12中的105和106)，从而定义入射光束的位置，θ表示阵列面与光波导下沿面的夹角。

通过本方法保持在全反射光束在D点及A^′点的允许范围之间，解决了现方案的缺陷，可以不考虑光波导耦入面或者耦入棱镜的形态变化而变化，降低了计算的复杂程度，具有普适性。

在本申请的一个实施例中，步骤S102前，本测量方法还包括：通过反光镜调整入射光束的路径，以引导入射光束至多个分光镜。

在本申请的一些实施例中，步骤S104后，测量方法还包括如下步骤S104：

步骤S104、根据AR光波导的均匀性执行AR光波导的工艺参数设计。

参照图1至图12，为了便于本领域技术人员理解，在本申请的一些实施例中，还提供了一种AR光波导均匀性的测量装置，测量装置包括：

激光器200，用于发射入射光束201；

反光镜300，用于调整入射光束201的传输路径；

多个分光镜400，用于将入射光束201分光出朝向AR光波导100耦入面101的多束子光束202，其中，入射光束201依次经过的多个分光镜400的反射率分别为N表示分光镜数量；

AR光波导100，多束子光束202从AR光波导100的耦入面101进入AR光波导100后，使得每束子光束202在AR光波导100中的位置标定满足以下条件：

上述公式适用于图11所示情况。

不用考虑光波导耦入面或耦入棱镜的形态变化而变化，降低了计算的复杂程度，具有普适性。

CCD，通过用于采集多束子光束202与AR光波导100的阵列面114耦合出的多个光束光斑204的能量。由于反射率与实际的值有所差别，这里进行归一化处理，即：

计算单元(如计算机)，用于根据多个光束光斑204的能量计算AR光波导100的整体的均匀性及AR光波导100的任意一个阵列面114的均匀性，即：

需要注意的是，本装置实施例与上述的方法实施例是基于相同的发明构思，因此上述方法实施例的内容同样适用于本装置实施例，此处不再赘述。

本装置实施例至少具有如下有益效果：

(1)本方法在入射光束进入AR光波导之前，先使用多个分光镜将入射光束分光出多束子光束，同时设置多个分光镜的反射率，使得多个分光镜分光出的子光束的光束能量趋于统一，然后采集子光束与AR光波导的阵列面耦合出的光束光斑，利用光束光斑的能量计算AR光波导的均匀性，通过光束光斑的能量实现了AR光波导均匀性的测量，具有较高的测量准确度，为后续显示模组完善以及显示效果提升具有重要指导意义。

(2)在现阶段，通常把光波导耦入面的位置点作为确定激光入射位置标定。这样的设置方式容易造成定义不清晰。为解决上述缺陷，本方法通过对每束子光束在所述AR光波导中的位置标定进行限定，保持全反射光束在D点及A^′点的允许范围之间，解决上述缺陷，可以不考虑光波导耦入面或者耦入棱镜的形态变化而变化，降低了计算的复杂程度，具有普适性。

以上是对本申请实施例的较佳实施进行了具体说明，但本申请实施例并不局限于上述实施方式。

熟悉本领域的技术人员在不违背本申请实施例精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请实施例权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种AR光波导均匀性的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

生成入射光束；

2.根据权利要求1所述的AR光波导均匀性的测量方法，其特征在于，根据所述子光束在所述AR光波导内首个全反射点的位置，确定所述子光束的位置。

3.根据权利要求2所述的AR光波导均匀性的测量方法，其特征在于，所述子光束在所述AR光波导中任意一个阵列面上发生有且仅有一次反射。

4.根据权利要求2所述的AR光波导均匀性的测量方法，其特征在于，通过如下方式设定每束所述子光束在所述AR光波导中的首个全反射点的位置：

5.根据权利要求1至4任一项所述的AR光波导均匀性的测量方法，其特征在于，所述根据所述多个光斑能量计算所述AR光波导的均匀性之前，所述AR光波导均匀性的测量方法还包括：

对所述多个光斑能量进行归一化。

6.根据权利要求5所述的AR光波导均匀性的测量方法，其特征在于，所述计算所述AR光波导的均匀性包括计算所述AR光波导整体的均匀性，所述AR光波导整体的均匀性包括：

选取所述多个光斑能量中的能量最大值和能量最小值；

7.根据权利要求5所述的AR光波导均匀性的测量方法，其特征在于，所述计算所述AR光波导的均匀性包括计算所述AR光波导单个阵列面的均匀性，计算所述AR光波导单个阵列面的均匀性包括：

8.根据权利要求1所述的AR光波导均匀性的测量方法，其特征在于，在所述根据所述多个光束光斑的能量计算所述AR光波导的均匀性之后，所述测量方法还包括：

9.一种AR光波导均匀性的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：

激光器，用于生成入射光束；

10.根据权利要求9所述的AR光波导均匀性的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括反光镜，所述反光镜用于调整所述入射光束的路径，以引导所述入射光束至所述多个分光镜。