CN117109885A - 光波导性能量化激光束特性确定方法及光学组件、设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种光波导性能量化激光束特性确定方法。该方法包括：记录激光束耦入光波导内进行全反射传输的全反射点；标记距离光波导中阵列反射面与光波导的相交点位最近的两个全反射点的位置，以作为标记位；以激光束在标记位的最大发散距离为标记位至对应的相交点位的最小间距为条件，计算激光束的最大发散角。本申请技术方案在计算出激光束的最大发散角后，即可选取不大于该最大发散角的激光束作为光波导性能量化测试的实际激光束，使光波导性能量化测试变得简单。本申请还提供一种光学组件和一种光学设备。

Description

光波导性能量化激光束特性确定方法及光学组件、设备

技术领域

本申请涉及光波导性能量化测试技术领域，特别涉及一种光波导性能量化激光束特性确定方法及光学组件、设备。

背景技术

AR是增强现实（AugmentedReality）的英文缩写，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。如果将VR和AR二者相融合，实现“实时的”进行虚拟和真实世界的交互，则成为混合现实（MR:MixedReality）。VR/AR及MR技术集成了最前沿的微显示技术、计算机图形与仿真技术、感知技术、网络技术等最新发展成果，是一种高端的技术模拟系统。

现有技术中，将激光束作为AR光波导性能量化测量的手段，特别是单激光有单色、准直、能量密度高等各种优良的性能。在AR光波导性能量化研究方案过程中，也是基于此，选择单激光束作为AR光波导性能量化测量的手段。激光束发散度越小越好，但激光本身也是具有一定的发散度特性，随着传输距离的向后延伸，激光束的直径由于发散角的存在而逐渐扩大，进而可能会在光波导阵列面发生额外的反射，如图1所示在第一阵列面上发生两次反射，使得AR光波导性能量化研究变得复杂化。因此，对激光束发散角的确定是AR光波导性能量化研究的重要基础。

发明内容

本申请提供一种光波导性能量化激光束特性确定方法及光学组件、设备，旨在解决现有技术中由于激光束发散角过大而在光波导阵列反射面发生额外反射，使得AR光波导特性量化研究变得复杂化的问题。

为实现上述目的，本申请提出一种光波导性能量化激光束特性确定方法，该方法包括：

记录激光束耦入光波导内进行全反射传输的全反射点；

标记距离所述光波导中阵列反射面与所述光波导的相交点位最近的两个全反射点的位置，以作为标记位；

以所述激光束在所述标记位的最大发散距离为所述标记位至对应的所述相交点位的最小间距为条件，计算所述激光束的最大发散角。

在一些实施例中，所述以所述激光束在所述标记位的最大发散距离为所述标记位至对应的所述相交点位的最小间距为条件，计算所述激光束的最大发散角包括：

获取所述激光束在所述标记位的最大发散距离；

获取所述激光束在到达所述标记位的光程；所述光程为所述激光束从发射至所述标记位的传输距离；

根据所述最大发散距离以及所述光程计算得到所述激光束的最大发散角。

在一些实施例中，所述获取所述激光束在所述标记位的最大发散距离包括：

获取所述激光束进入所述光波导的第一全反射点与邻近所述相交点位之间的距离；

获取所述阵列反射面在所述光波导内的设计倾角及所述光波导的设计厚度；

获取所述激光束在所述光波导中进行全反射时同侧相邻全反射点之间的距离；

根据所述第一全反射点与邻近所述相交点位之间的距离、所述设计倾角、所述光波导的设计厚度及所述同侧相邻全反射点之间的距离计算获取所述激光束在所述标记位的最大发散距离。

在一些实施例中，所述获取所述激光束在到达所述标记位的光程包括：

获取所述激光束从发射至所述第一全反射点之间的传输距离；

获取所述激光束在所述光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角；

获取所述激光束在到达所述标记位时在所述光波导内进行的全反射次数；

根据所述光波导的设计厚度、所述夹角、所述全反射次数以及所述激光束从发射至所述第一全反射点之间的传输距离计算获取所述激光束在到达所述标记位的光程。

在一些实施例中，所述根据所述最大发散距离以及所述光程计算得到所述激光束的最大发散角包括：

基于所述激光束在所述标记位的最大发散距离以及所述激光束在到达所述标记位的光程，分别建立所述激光束在两个所述标记位的关系式；

根据两个所述关系式，得到所述激光束的最大发散角。

在一些实施例中，所述激光束在两个所述标记位的关系式表示为：

式中，为激光束的最大发散角，/>为激光束耦入光波导的第一全反射点，/>为第一标记位，/>为第二标记位，/>为与第一标记位/>相近的阵列反射面相交点位，/>为与第二标记位/>相近的阵列反射面相交点位，/>为激光束在第一标记位/>的最大发散距离，为激光束在第二标记位/>的最大发散距离，/>为激光束从第一全反射点/>到达第一标记位/>的光程，/>为激光束从第一全反射点/>到达第二标记位/>的光程，/>为激光束从发射至所述第一全反射点/>之间的传输距离。

在一些实施例中，所述根据两个所述关系式，得到所述激光束的最大发散角，所述最大发散角表示为：

式中，为阵列反射面在光波导内的设计倾角，/>为激光束在光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角，/>为光波导的设计厚度，/>为激光束在光波导中进行全反射时同侧相邻全反射点之间的距离，/>、/>和/>均为计算得出的常数值。

在一些实施例中，所述激光束在所述光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角是所述阵列反射面在所述光波导内的设计倾角的2倍；即：。

本申请还提供一种光学组件，包括：

光波导，其内设置有阵列反射面；

激光器，所述激光器出射激光束并耦入到所述光波导内进行全反射传输，并在经过所述阵列反射面时改变传输方向，从预设的出射区域射出；

其中，所述激光器提供的激光束的最大发散角不大于：

式中，为阵列反射面在光波导内的设计倾角，/>为激光束在光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角，/>为光波导的设计厚度，/>为激光束在光波导中进行全反射时同侧相邻全反射点之间的距离，/>、/>和/>均为计算得出的常数值，/>为激光束从发射至第一全反射点/>之间的传输距离。

本申请还提供一种光学设备，包括如上所述的光学组件。

本申请技术方案，提出一种光波导性能量化激光束确定方法。该方法包括：记录激光束耦入光波导内进行全反射传输的全反射点；标记距离光波导中阵列反射面与光波导的相交点位最近的两个全反射点的位置，以作为标记位；以激光束在标记位的最大发散距离为标记位至对应的相交点位的最小间距为条件，计算激光束的最大发散角。本申请技术方案在计算出激光束的最大发散角后，即可选取不大于该最大发散角的激光束作为光波导性能量化测试的实际激光束，使光波导性能量化测试变得简单。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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，其中：

图1为激光束在同一阵列面发生额外反射的示意图；

图2为本申请中激光束于光波导内的传输示意图；

图3为激光束的发散示意图；

图4为激光束在一维出瞳扩展的光波导中进行全反射的示意图；

图5为图1中在相交点位A’和相交点位S之间形成狭缝的简化结构示意图；

图6为本申请中光波导性能量化激光束特性确定方法的流程示意图；

图7为本申请中计算最大发散角的流程示意图；

图8为本申请中获取激光束在标记位的最大发散距离的流程示意图；

图9为本申请中获取激光束在到达标记位的光程的流程示意图；

图10为激光束在光波导内第一全反射点的位置范围示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

另外，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

参阅图2所示，为本申请激光束在光波导10内的传输示意图，在光波导10内设置有多个阵列反射面110，多个阵列反射面110依次均匀平行排列，在光波导10内进行全反射传输的激光束在经过阵列反射面110时会耦出一部分光线实现光线或图像的输出。其中，阵列反射面110可以是半透半反面。

本实施例中，光波导10内设置有四个阵列反射面，且本申请技术方案将以光波导内设置四个阵列反射面为例进行说明。

在对光波导性能量化的研究中，通常采用激光器20发射激光束，通过激光束在阵列反射面110的输出状态来分析得到光波导性能量化的研究结果。例如，现有技术中通过激光器发射激光束入射到光波导内，利用光波导内阵列反射面110对入射的激光束出射，并在承接屏上产生数量相对应的光斑，通过对光斑位置图像进行拍摄并分析处理，进一步判断光波导内阵列反射面110的平行度。

然而，在进行上述光波导性能量化的研究时，通常将激光器20出射的激光束看作是没有进行发散的理想光束，而在实际中，激光束具有一定的发散角，随距离的传输，激光束也会逐渐发散的，激光束光斑增大，如图3所示。因此测量光束由于发散度引起的激光束孔径扩大，是否会使得光波导性能量化过程而变得复杂化，也是要考虑的重要因素之一。

为此，本申请对激光束的最大发散角进行研究，使在进行光波导性能量化的研究时，采用符合发散角范围的激光束。

激光束从激光器20出射后，在激光束腰位置时以角度发散，对于激光束而言，通常横向发散度与纵向发散度通常会有所区别。

如图4所示，以一维出瞳扩展的光波导为例，只对测量激光束在一个维度上有发散度的要求，而在另一个维度上，激光束有足够大的自由空间，可以允许大的发散度而不影响光波导的性能量化测量过程。

按照如图4所描述的激光束需恪守的规则，把激光束发散度对量化过程的影响可以简化成发散的激光束通过左、右两侧不同位置处的狭缝，此时，狭缝并非通常意义的狭缝，狭缝的两侧并非同等距离处。其中，狭缝的一侧处于近处位置，狭缝的另一侧处于远处位置。

对于本申请光波导10中设置的阵列反射面110而言，沿激光束的传播方向，狭缝的近处位置为第一阵列反射面与光波导下沿面的相交点位，狭缝的远处位置为最后一个阵列反射面（本申请为第四阵列反射面）与光波导上沿面的相交点位/>。

具有发散角的激光束的两侧刚好通过相交点位和相交点位/>形成的狭缝内，此时，该发散角即为激光束最大的发散角。激光束通过相交点位/>和相交点位/>形成的狭缝的简化示意如图5所示。

参阅图6所示，本申请提供一种光波导性能量化激光束特性确定方法，该方法包括：

步骤S10、记录激光束耦入光波导内进行全反射传输的全反射点。

本实施例中，激光器发射的激光束在经过准直系统校准后进入光波导内进行全反射传输。

具体的，激光器的出射激光为沿光波导侧面中心区域垂直入射的激光束。在光波导侧面形成有一个固定的楔角，楔角使激光器发射的激光垂直耦合进入光波导内，并在光波导的上沿面和下沿面之间不断进行全反射，从耦合入射区域中部入射的激光束经光波导全反射传输后，在耦合出射区域中心区域形成FOV视场的正中心视场的出射光线。

步骤S20、标记距离光波导中阵列反射面与光波导的相交点位最近的两个全反射点的位置，以作为标记位。

本实施例中，标记距离光波导阵列反射面最近的两个全反射点的位置即为标记距离与第一阵列反射面与光波导下沿面相交点位相近的全反射点的位置，以及标记距离与第四阵列反射面与光波导上沿面相交点位相近的全反射点的位置。

具体的，激光束入射光波导后，在经过次全反射后于光波导的下沿面形成的全反射点为距离点位/>最近的全反射点，将该全反射点标记为第一标记位/>；并在经过/>次全反射后于光波导的上沿面形成的全反射点为距离点位/>最近的全反射点，将该全反射点记为第二标记位/>。

步骤S30、以激光束在标记位的最大发散距离为标记位至对应的相交点位的最小间距为条件，计算激光束的最大发散角。

本实施例中，即预设激光束以最大发散角在光波导内进行全反射，激光束刚好穿过两侧的交点，进而根据三角函数关系建立关系式，以求得激光束的最大发散角。进而，在选取激光器时，只需该激光器发出的激光束的发散角小于该最大发散角，即可排除激光束在阵列反射面110作出额外反射的情况。

参阅图7所示，以激光束在标记位的最大发散距离为标记位至对应的相交点位的最小间距为条件，计算激光束的最大发散角包括：

步骤S310、获取激光束在标记位的最大发散距离。

本实施例中，激光束在标记位的最大发散距离即为标记位至对应阵列反射面与光波导沿面相交点位的距离。更具体的，包括如图8所示的步骤：

步骤S311、获取激光束进入光波导的第一全反射点与邻近相交点位之间的距离；

步骤S312、获取阵列反射面在光波导内的设计倾角及光波导的设计厚度；

步骤S313、获取激光束在光波导中进行全反射时同侧相邻全反射点之间的距离；

步骤S314、根据第一全反射点与邻近相交点位之间的距离、设计倾角、光波导的设计厚度及同侧相邻全反射点之间的距离计算获取激光束在标记位的最大发散距离。

由于激光束具有第一标记位和第二标记位/>两个标记位，且两个标记位分别对应不同阵列反射面与光波导沿面的相交点位，进而分别建立有表达式：

式中，为阵列反射面在光波导内的设计倾角，/>为光波导的设计厚度，/>为激光束耦入光波导的第一全反射点，/>为阵列反射面与第一全反射点/>相邻的相交点位，/>为相交点位/>与第一全反射点/>之间的距离，/>为与第一标记位/>相近的阵列反射面相交点位，/>为与第二标记位/>相近的阵列反射面相交点位，/>为激光束在第一标记位/>的最大发散距离，/>为激光束在第二标记位/>的最大发散距离，/>为激光束在光波导中进行全反射时同侧相邻全反射点之间的距离，/>、/>和/>均为常数值。

其中，距离可根据阵列反射面在光波导内的设计倾角/>和光波导的设计厚度/>进行计算，具体的：/>。

而式中的相交点位与第一全反射点/>之间的距离/>、阵列反射面在光波导内的设计倾角/>、光波导的设计厚度/>、第一标记位/>中的/>、第二标记位/>中的/>，以及常数值/>、/>和/>均是可以按照试验需求由作业人员进行设置，为已知参数条件。因此，基于已知参数条件可计算得出激光束在第一标记位/>的最大发散距离/>，以及激光束在第二标记位/>的最大发散距离/>。

步骤S320、获取激光束在到达标记位的光程；光程为激光束从发射至标记位的传输距离。

在实际过程中，光程理应为激光束进入光波导的第一全反射点至对应相交点位的传输距离与激光束从发射至第一全反射点之间的传输距离之和；但因为激光束发散角非常小，进而可看似光程为激光束进入光波导的第一全反射点至对应标记位的传输距离与激光束从发射至第一全反射点之间的传输距离之和。因此，更具体的，获取激光束在到达标记位的光程的步骤如图9所示，包括：

步骤S321、获取激光束从发射至第一全反射点之间的传输距离；

步骤S322、获取激光束在光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角；

步骤S323、获取激光束在到达标记位时在光波导内进行的全反射次数；

步骤S324、根据光波导的设计厚度、夹角、全反射次数以及激光束从发射至第一全反射点之间的传输距离计算获取激光束在到达标记位的光程。

同样由于激光束具有第一标记位和第二标记位/>两个标记位，且两个标记位分别对应不同阵列反射面与光波导沿面的相交点位，进而分别建立有表达式：

式中，为激光束从第一全反射点/>到达第一标记位/>的光程，/>为激光束从第一全反射点/>到达第二标记位/>的光程，/>为激光束在光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角，/>为激光束从发射至第一全反射点/>之间的传输距离。

其中，激光束在光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角是阵列反射面在光波导内的设计倾角/>的2倍，即：/>。

在得到激光束在不同标记位所对应的最大发散距离和光程后，进而进行步骤S330。

步骤S330、根据最大发散距离以及光程计算得到激光束的最大发散角。

具体的，基于激光束在标记位的最大发散距离以及激光束在到达标记位的光程，分别建立激光束在两个标记位的关系式：

在带入上述光程和光程/>的换算关系式，以及带入上述最大发散距离/>和最大发散距离/>的换算关系式后，即可得到关系式：

根据两个关系式，合并计算得到激光束的最大发散角：

其中，建立，/>以及/>的常数计算关系式，即可得到：

式中，、/>和/>均基于常数值/>、/>和/>合并计算得到的，因此同样为常数值。

在一具体实施例中，光波导内设置有四个阵列反射面，激光束在光波导内经过5次全反射后到达第一标记位，记作，在经过8次全发射后到达第二标记位，记作/>。进而，在经过上述计算后，最大发散角/>表示为：

基于该具体实施例，进一步值得说明的是，为了保证测量激光束在每个阵列反射面上只有一次耦合出射光束，要求在第一标记位和第二标记位/>与阵列面端点距离最近不会重合，可建立表达式：

即：

解上式可得的取值范围如下：

即表示激光束的首个入射点在式中所示范围内可以保证激光束在单个阵列面上只有一次光线耦出，测量过程尽可能的简化，以便于后期分析光波导的量化性能。如图10所示为第一全反射点的范围位置示意图。

综上，为得到更好的光波导性能测试效果，本申请通过上述技术方案，可得到光波导性能测试中激光束所需满足的最大发散角的条件，进而，可选取不大于该最大发散角的激光束最为实际测试激光束。

本申请提供一种光学组件，光学组件包括光波导10和激光器20，其中，光波导10内设置有阵列反射面阵列；激光器20出射激光入射到光波导10内进行全反射传输，并在经过阵列反射面阵列时改变传输方向，从预设的出射区域发出；

其中，激光器提供的激光束的最大发散角不大于：

式中，为阵列反射面在光波导内的设计倾角，/>为激光束在光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角，/>为光波导的设计厚度，/>为激光束在光波导中进行全反射时同侧相邻全反射点之间的距离，/>、/>和/>均为常数值，/>为激光束从发射至第一全反射点/>之间的传输距离。该式可通过以上关系式推导得出。

其中，距离可根据阵列反射面在光波导内的设计倾角/>和光波导的设计厚度/>进行计算，其中，/>。

进而，该光学组件中激光器20所发射的激光束的发散角不大于所求得的最大发散角，进而可避免激光束发散角过大而在光波导阵列反射面发生额外反射的问题，使得光波导特性量化研究变得简单，满足研究需求。

本申请还提供一种光学设备，该光学设备采用了上述光学组件所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述的仅为本申请的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本申请保护的范围，凡是在与本申请一个整体的构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请保护的范围内。

Claims (10)

1.一种光波导性能量化激光束特性确定方法，其特征在于，包括：

记录激光束耦入光波导内进行全反射传输的全反射点；

标记距离所述光波导中阵列反射面与所述光波导的相交点位最近的两个全反射点的位置，以作为标记位；

以所述激光束在所述标记位的最大发散距离为所述标记位至对应的所述相交点位的最小间距为条件，计算所述激光束的最大发散角。

2.根据权利要求1所述的光波导性能量化激光束特性确定方法，其特征在于，所述以所述激光束在所述标记位的最大发散距离为所述标记位至对应的所述相交点位的最小间距为条件，计算所述激光束的最大发散角包括：

获取所述激光束在所述标记位的最大发散距离；

获取所述激光束在到达所述标记位的光程；所述光程为所述激光束从发射至所述标记位的传输距离；

根据所述最大发散距离以及所述光程计算得到所述激光束的最大发散角。

3.根据权利要求2所述的光波导性能量化激光束特性确定方法，其特征在于，所述获取所述激光束在所述标记位的最大发散距离包括：

获取所述激光束进入所述光波导的第一全反射点与邻近所述相交点位之间的距离；

获取所述阵列反射面在所述光波导内的设计倾角及所述光波导的设计厚度；

获取所述激光束在所述光波导中进行全反射时同侧相邻全反射点之间的距离；

根据所述第一全反射点与邻近所述相交点位之间的距离、所述设计倾角、所述光波导的设计厚度及所述同侧相邻全反射点之间的距离计算获取所述激光束在所述标记位的最大发散距离。

4.根据权利要求3所述的光波导性能量化激光束特性确定方法，其特征在于，所述获取所述激光束在到达所述标记位的光程包括：

获取所述激光束从发射至所述第一全反射点之间的传输距离；

获取所述激光束在所述光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角；

获取所述激光束在到达所述标记位时在所述光波导内进行的全反射次数；

根据所述光波导的设计厚度、所述夹角、所述全反射次数以及所述激光束从发射至所述第一全反射点之间的传输距离计算获取所述激光束在到达所述标记位的光程。

5.根据权利要求2所述的光波导性能量化激光束特性确定方法，其特征在于，所述根据所述最大发散距离以及所述光程计算得到所述激光束的最大发散角包括：

基于所述激光束在所述标记位的最大发散距离以及所述激光束在到达所述标记位的光程，分别建立所述激光束在两个所述标记位的关系式；

根据两个所述关系式，得到所述激光束的最大发散角。

6.根据权利要求5所述的光波导性能量化激光束特性确定方法，其特征在于，所述激光束在两个所述标记位的关系式表示为：

式中，为激光束的最大发散角，/>为激光束耦入光波导的第一全反射点，/>为第一标记位，/>为第二标记位，/>为与第一标记位/>相近的阵列反射面相交点位，/>为与第二标记位/>相近的阵列反射面相交点位，/>为激光束在第一标记位/>的最大发散距离，/>为激光束在第二标记位/>的最大发散距离，/>为激光束从第一全反射点/>到达第一标记位/>的光程，/>为激光束从第一全反射点/>到达第二标记位/>的光程，/>为激光束从发射至第一全反射点/>之间的传输距离。

7.根据权利要求6所述的光波导性能量化激光束特性确定方法，其特征在于，所述根据两个所述关系式，得到所述激光束的最大发散角，所述最大发散角表示为：

式中，为阵列反射面在光波导内的设计倾角，/>为激光束在光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角，/>为光波导的设计厚度，/>为激光束在光波导中进行全反射时同侧相邻全反射点之间的距离，/>、/>和/>均为计算得出的常数值。

8.根据权利要求7所述的光波导性能量化激光束特性确定方法，其特征在于，所述激光束在所述光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角是所述阵列反射面在所述光波导内的设计倾角的2倍；即：。

9.一种光学组件，其特征在于，包括：

光波导，其内设置有阵列反射面；

激光器，所述激光器出射激光束并耦入到所述光波导内进行全反射传输，并在经过所述阵列反射面时改变传输方向，从预设的出射区域射出；

其中，所述激光器提供的激光束的最大发散角不大于：

式中，为阵列反射面在光波导内的设计倾角，/>为激光束在光波导内进行全反射时与光波导端面的夹角，/>为光波导的设计厚度，/>为激光束在光波导中进行全反射时同侧相邻全反射点之间的距离，/>、/>和/>均为计算得出的常数值，/>为激光束从发射至第一全反射点/>之间的传输距离。

10.一种光学设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的光学组件。