CN117148488B - 一种衍射光波导以及增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种衍射光波导以及增强现实显示设备，衍射光波导包括波导基底，以及设置于所述波导基底的耦入光栅、转折光栅、耦出光栅和回收光栅；所述耦入光栅用于将完整视场光线耦入所述波导基底并偏转向所述转折光栅传输；所述转折光栅用于接收所述完整视场光线并偏转向所述耦出光栅传输；所述耦出光栅用于接收所述完整视场光线并耦出所述波导基底；所述回收光栅用于将经过所述转折光栅偏转但未经过所述耦出光栅的目标视场光线，偏转向所述目标视场光线对应的有效耦出区域再耦出，所述完整视场光线包括所述目标视场光线，本申请提供的方案能提高亮度均匀性。

Description

一种衍射光波导以及增强现实显示设备

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种衍射光波导以及增强现实显示设备。

背景技术

增强现实是一种将真实世界和虚拟信息相融合的技术，增强现实显示系统通常包括微型投影仪和光学显示屏，微型投影仪为增强现实显示系统提供虚拟显示内容通过光学显示屏投射到人眼中，光学显示屏通常是透明的光学部件，这样用户同时也可以透过光学显示屏看到真实世界。

衍射光波导是光学显示屏的一种实现方式，不同视场的光线经光栅作用后衍射角不同，这样不同视场的光线在波导基底里的光线密度不同经光栅作用的次数也不同，导致能量分布差别很大，从而导致亮度均匀性较差。

发明内容

本申请实施例提供了一种衍射光波导以及增强现实显示设备，能够针对性地对暗角进行亮度补偿，从而提升衍射光波导的亮度均匀性。

一种衍射光波导，包括波导基底，以及设置于所述波导基底的耦入光栅、转折光栅、耦出光栅和回收光栅；所述耦入光栅用于将完整视场光线耦入所述波导基底并偏转向所述转折光栅传输；所述转折光栅用于接收所述完整视场光线并偏转向所述耦出光栅传输；所述耦出光栅用于接收所述完整视场光线并耦出所述波导基底；所述回收光栅用于将经过所述转折光栅偏转但未经过所述耦出光栅的目标视场光线，偏转向所述目标视场光线对应的有效耦出区域再耦出，所述完整视场光线包括所述目标视场光线；

其中，所述耦出光栅包括相对设置的第一侧和第二侧以及相对设置的第三侧和第四侧，所述耦入光栅和所述转折光栅均位于所述第一侧，所述回收光栅位于所述第三侧，所述第三侧相对于所述第四侧更靠近所述耦入光栅；所述回收光栅越靠近所述耦入光栅，所述回收光栅的光栅沟槽方向与所述耦入光栅的光栅沟槽方向之间的夹角越大。

可实施地，所述转折光栅和所述回收光栅的光栅沟槽方向不同；所述耦出光栅在所述目标视场光线对应的有效耦出区域内包括至少两种周期性方向。

可实施地，所述耦出光栅至少在所述目标视场光线对应的有效耦出区域内为二维光栅。

可实施地，所述耦出光栅至少在所述目标视场光线对应的有效耦出区域内为包括若干子光栅的阵列结构光栅，所述子光栅包括光栅沟槽方向不同的第一类子光栅与第二类子光栅。

可实施地，所述耦出光栅包括第一耦出光栅和第二耦出光栅，所述第一耦出光栅与所述第二耦出光栅分别位于所述波导基底相对的两表面，所述第一耦出光栅与所述第二耦出光栅在所述波导基底上的投影重合区域包括所述目标视场光线对应的有效耦出区域。

可实施地，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述回收光栅均为一维光栅。

可实施地，所述回收光栅包括一个或者多个，当所述回收光栅为一个时，所述回收光栅沿第一方向的尺寸越大，所述回收光栅所补偿的显示暗角区域越大；所述第一方向为转折光栅对所述目标视场光线偏转后所述目标视场光线的传播方向。

可实施地，所述回收光栅包括一个或者多个，当所述回收光栅为多个时，不同的所述回收光栅对应相同视场的光线，不同的所述回收光栅的光栅沟槽方向不同。

可实施地，所述回收光栅与所述耦出光栅的边缘之间存在间隙。

可实施地，所述回收光栅贴合设置在所述耦出光栅的边缘。

可实施地，所述转折光栅对所述目标视场光线偏转后，所述目标视场光线的传播方向为第一方向，所述回收光栅沿与所述第一方向正交的第二方向上的尺寸大于或者等于光瞳尺寸。

一种增强现实显示设备，所述增强现实显示设备包括：投影光机及如前述任一项所述的衍射光波导，所述投影光机用于出射所述完整视场光线。

本申请所提供的衍射光波导，通过设置回收光栅，对于显示画面暗角所对应的目标视场光线，将其经过转折光栅偏转但未经过耦出光栅耦出的部分利用起来，使这部分光线偏转向目标视场光线对应的有效耦出区域再耦出，也就是在现实画面暗角所对应的耦出区域耦出，从而能够针对性地对暗角进行亮度补偿，提升衍射光波导的亮度均匀性；而且将原本浪费的光能重新利用，还能提高光能利用率。而且，将回收光栅设置在耦出光栅的四侧中与转折光栅不同且更靠近耦入光栅的第三侧，既不影响原本经过转折光栅偏转后直接进入耦出光栅耦出的那部分光线的传播，又能对经过转折光栅偏转但未经过耦出光栅耦出的部分光线在其能量较高的位置便将其回收，并随着回收光栅靠近耦入光栅，增加其光栅沟槽方向与耦入光栅的光栅沟槽方向之间的夹角，以将回收的光线更好地传输至其对应的有效耦区域，提升亮度均匀性。

本申请所提供的增强现实显示设备包括前述衍射光波导，也便具有前述衍射光波导所具有的优势。

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；

图1为现有技术提供的衍射光波导的示意图；

图2为本申请一种实施例提供的衍射光波导的示意图；

图3为本申请另一种实施例提供的衍射光波导的示意图；

图4为本申请一种实施例提供的衍射光波导的光栅矢量的分布示意图；

图5为本申请另一种实施例提供的衍射光波导的光栅矢量的分布示意图；

图6为本申请另一种实施例提供的衍射光波导的示意图；

图7为本申请另一种实施例提供的衍射光波导的示意图；

附图标识：

200，衍射光波导；

210，波导基底；

220，耦入光栅；221，耦入光栅的光栅矢量；

230，转折光栅；231，转折光栅的光栅矢量；

240，耦出光栅；241，耦出光栅的第一光栅矢量；242，耦出光栅的第二光栅矢量；

250，回收光栅；251，回收光栅的光栅矢量；

260，目标视场光线对应的有效耦出区域。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的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。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，现有的衍射光波导200通常包括波导基底210、耦入光栅220、转折光栅230和耦出光栅240。光线经过耦入光栅220衍射耦入波导基底210后，向转折光栅230所在方向全内反射传输；光线在入射到转折光栅230，由于转折光栅230的衍射作用，会分裂出新的光线转向耦出光栅240所在方向全内反射传输，该光线经过耦出光栅240衍射耦出入射到人眼中，使人眼看到显示画面。然而对于完整视场的光线，由于不同视场的光线的入射角度不同，其经过耦入光栅作用后的衍射角度不同，从而在波导基底内的全反射传输周期也不同，经光栅作用的次数也不同，光能损耗也不同，导致对应的成像画面能量分布差别很大，从而导致在显示成像时亮度均匀性较差。

例如，对于4个边界视场的光线来说，视场1和视场2的光线全反射传输周期小，视场3和视场4的光线全反射传输周期大，因此，视场1和视场2的光线在经过相同的光程后能量损失的更多。由图1所示的光线路径走势来看，视场3和视场4的光线经过的几何距离短，光能损失少，视场1和视场2的光线经过的几何距离长，光能损失大；视场1和视场2的光线对比又可知视场2的光线在转折光栅经历了更多的衍射作用，因此视场2的光线的光能损失更大。对应到成像显示来说，就导致视场3和视场4的光线对应的成像画面较亮，视场1和视场2的光线对应的成像画面较暗，视场2的光线对应的成像画面则相对更暗，从而导致在显示成像时亮度均匀性较差。

根据本申请的一方面，参考图2至图5，本申请实施例提供了一种衍射光波导200，包括波导基底210，以及设置于波导基底的耦入光栅220、转折光栅230、耦出光栅240和回收光栅250；耦入光栅220用于将完整视场光线耦入波导基底210并偏转向转折光栅230传输；转折光栅230用于接收完整视场光线并偏转向耦出光栅240传输；耦出光栅240用于接收完整视场光线并耦出波导基底210；回收光栅250用于将经过转折光栅230偏转但未经过耦出光栅240的目标视场光线，偏转向目标视场光线对应的有效耦出区域260再耦出，完整视场光线包括目标视场光线。其中，目标视场光线可以是单一视场的光线，也可以是一段视场范围内的光线。

本申请在衍射光波导的原有架构中增加了回收光栅，巧妙地设置该回收光栅的位置，使得其能够重新利用被转折光栅偏转但未被耦出光栅利用耦出、且与显示画面暗角区域对应的视场的光线，将该部分光线重新偏转至耦出光栅再耦出，针对性地对暗角进行亮度补偿，提升衍射光波导的亮度均匀性。本申请提供的方案，不仅能够重新利用原本被浪费的光线资源，而且被重新利用的光线直接被传输到相应的有效耦出区域进行耦出，不需要其他额外的光学器件配合，也不需要经过额外的路径，避免了经其他器件或者额外路径所带来的能量损失，极大地提高了光能重新利用以补偿暗角的有效性。

可实施地，耦出光栅包括相对设置的第一侧和第二侧以及相对设置的第三侧和第四侧，耦入光栅和转折光栅均位于第一侧，回收光栅位于第三侧，第三侧相对于第四侧更靠近耦入光栅。这样将回收光栅设置在耦出光栅的四侧中与转折光栅不同且更靠近耦入光栅的第三侧，既不影响原本经过转折光栅偏转后直接进入耦出光栅耦出的那部分光线的传播，又能对经过转折光栅偏转但未经过耦出光栅耦出的部分光线在其能量较高的位置便将其回收。其中，回收光栅与耦出光栅的边缘之间存在间隙，参考图2，回收光栅250与耦出光栅240的第三侧边缘之间存在间隙，或者，回收光栅贴合设置在耦出光栅的边缘，参考图3，回收光栅250贴合设置在耦出光栅240的第三侧的边缘。

具体地，本申请提供的衍射光波导中，耦入光栅、转折光栅和回收光栅均为一维光栅，耦入光栅和转折光栅位于耦出光栅的同一侧。回收光栅用于重新利用经转折光栅偏转但未经过耦出光栅的光线，则不应当与转折光栅位于耦出光栅的相对侧。示例性地，耦出光栅包括相对设置的第一侧和第二侧以及相对设置的第三侧和第四侧，耦入光栅和转折光栅均位于第一侧，回收光栅则可以设置于第三侧和/或第四侧。但由于光线随着远离耦入光栅能量逐渐衰减，为了更好地补偿暗角，将回收光栅设置于更靠近耦入光栅的第三侧，这样能够重新利用的光线能量更多，优化暗角的效果更好。

可实施地，本申请中定义转折光栅对目标视场光线偏转后，目标视场光线的传播方向为第一方向，与该第一方向正交的方向为第二方向。

具体地，对于回收光栅沿第一方向上的设置范围，在满足波导外形设计的尺寸范围内，回收光栅远离耦入光栅的一侧可以延伸至波导边界，回收光栅靠近耦入光栅的一侧可以延伸至转折光栅靠近耦出光栅的一侧。这样能够充分利用波导原有的表面空间，并且还能够充分回收目标视场光线。其中，在回收光栅的光栅沟槽方向约束下，回收光栅在第一方向上的边界与目标视场光线对应的有效耦出区域在第一方向上的边界匹配，这样能够使得回收的目标视场光线能够得到有效耦出。回收光栅在第一方向上的边界可以与目标视场光线被回收光栅偏转后的传播方向基本平行。

回收光栅沿第二方向上的尺寸大于或者等于光瞳尺寸，以更好地回收完整光瞳下的目标视场光线。进一步地，对于回收光栅沿第二方向上的设置范围，在满足波导外形设计的尺寸范围内，回收光栅远离耦出光栅的一侧可延伸至目标视场光线经转折光栅偏转后的理论传播范围边界，这样能够充分回收目标视场光线。在该理论传播范围边界位于波导边界之外时，回收光栅远离耦出光栅的一侧可延伸至波导边界，以充分利用波导原有的表面空间，不额外扩大波导尺寸来充分回收目标视场光线。回收光栅靠近耦出光栅的一侧可以与耦出光栅的边缘之间存在间隙，这样可以有效控制回收光栅在合适的范围，能够在一定程度上减少工艺流程，降低成本。回收光栅靠近耦出光栅的一侧也可以延伸至与耦出光栅的边缘贴合，这样可以充分回收目标视场光线，还能在一定程度上提升光能利用率。

可实施地，回收光栅的轮廓可以是直线和/或弧线围成的封闭形状。

示例性地，如图2和3，确定显示暗角对应的视场光线的有效耦出区域，以该有效耦出区域的边界为起点，以期望回收的光线传输至该有效耦出区域的传输方向进行反向延伸，与该视场光线经转折光栅偏转后的理论传播范围边界相交，即可确定回收光栅沿第一方向上的尺寸，回收光栅沿第二方向上的尺寸大于或者等于光瞳尺寸，形成直线围成的封闭形状。可实施地，转折光栅和回收光栅的光栅沟槽方向不同；耦出光栅在目标视场光线对应的有效耦出区域内包括至少两种周期性方向。

具体地，回收光栅是为了将经转折光栅偏转但未经过耦出光栅作用的光线回收，将回收的光线偏转至该光线对应的有效耦出区域，则根据回收光线的视场角以及该视场角对应的有效耦出区域确定回收光栅的位置以及回收光栅的光栅沟槽方向。

回收光栅设置在不同的位置时，回收光栅的光栅沟槽方向不同。回收光栅越靠近耦入光栅，回收光栅的光栅沟槽方向与耦入光栅的光栅沟槽方向之间的夹角越大。通常，显示暗角距离耦入区域较远，随着回收光栅靠近耦入光栅，增加其光栅沟槽方向与耦入光栅的光栅沟槽方向之间的夹角，能够将回收的光线更好地传输至其对应的有效耦区域。可选地，回收光栅设置在不同的位置时，回收光栅的尺寸不同。目标视场光线经转折光栅偏转后的理论传播范围边界在波导边界之内时，回收光栅越靠近耦入光栅，回收光栅在第二方向上的尺寸越小。这样能够更为合理且有效地回收目标视场光线。示例性地，如图2所示的衍射光波导架构对应的光栅矢量分布如图4所示，图3所示的衍射光波导架构对应的光栅矢量分布如图5所示。

基于回收光栅的回收方式，转折光栅和回收光栅的光栅沟槽方向不同，也就是回收光栅与转折光栅的光栅方向不同，这样耦出光栅需要同时耦出转折光栅和回收光栅偏转而来的光线时，则需要在目标视场光线对应的有效耦出区域内包括至少两种周期性方向，一种方向的周期性结构耦出转折光栅偏转而来的光线，另一种方向的周期性结构回收光栅偏转而来的光线。

参考图4和5，耦入光栅的光栅矢量为221，转折光栅的光栅矢量为231，回收光栅的光栅矢量为251，耦出光栅在目标视场光线对应的有效耦出区域内包括至少两种周期性方向，则至少包括两个光栅矢量：耦出光栅的第一光栅矢量241和耦出光栅的第二光栅矢量242。耦入波导基底的光线中，部分光线的光栅矢量作用回路为221、231、241，一部分光线的矢量回路光栅矢量作用回路为221、231、251、242。

示例性地，耦出光栅至少在目标视场光线对应的有效耦出区域内为二维光栅。或，耦出光栅至少在目标视场光线对应的有效耦出区域内为包括若干子光栅的阵列结构光栅，子光栅包括光栅沟槽方向不同的第一类子光栅与第二类子光栅。或，耦出光栅包括第一耦出光栅和第二耦出光栅，第一耦出光栅与第二耦出光栅分别位于波导基底相对的两表面，第一耦出光栅与第二耦出光栅在波导基底上的投影重合区域包括目标视场光线对应的有效耦出区域。

可实施地，回收光栅包括一个或者多个，当回收光栅为一个时，同一个回收光栅的光栅沟槽一致，随着回收光栅在第一方向上尺寸增大，回收光栅所补偿的显示暗角区域越大。当回收光栅为多个时，不同的回收光栅对应相同视场的光线，不同的回收光栅的光栅沟槽方向不同。

具体地，在补偿显示暗角时，可以采用一个或者多个回收光栅对该显示暗角对应的视场，选择合适的位置设置回收光栅来回收该视场的光线。在采用一个回收光栅进行显示暗角补偿时，可以通过调整回收光栅在第一方向上尺寸来优化补偿的区域，避免补偿区域选择不当而出现新的暗区，使得亮度的补偿在变化连续性上更好，更有利于亮度均匀性的优化。在采用多个回收光栅进行显示暗角补偿时，通过将更多区域的该视场的光线偏转至该视场的光线的有效耦出区域，能够进一步提高光能利用率。

进一步地，当同一个视场的光线通过多个不同光栅沟槽方向的回收光栅来回收时，该视场的光线所对应的有效耦出区域内包括多种周期性方向，对于每个回收光栅，该有效耦出区域内均有与之匹配的周期性方向的光栅来将该回收光栅所回收的光线在该有效耦出区域内耦出。

示例性地，参考2和图6，这两个具体实施例均通过1个回收光栅来进行显示暗角补偿，图2中针对耦出区域左下角的显示暗角进行补充，图6中通过扩大回收光栅的沿第一方向上的尺寸，能够对耦出区域下部区域进行补充。耦出区域下部区域相较于耦出区域左下角的显示暗角对应补偿。参考图7，图7中通过2个回收光栅对同一个显示暗角进行补偿，2个回收光栅的光栅沟槽方向不同。该显示暗角对应的有效耦出区域则应当具有至少3种周期性方向来耦出来自1个转折光栅和2个回收光栅的光线。

根据本申请的一方面，还提供了一种增强现实显示设备，包括：投影光机及如前述任一项的衍射光波导。投影光机用于出射完整视场光线。增强现实显示设备具体可实现为增强现实眼睛或者增强现实头盔等。本申请提供的增强现实显示设备包括前述衍射光波导，也便具有前述衍射光波导所具有的优势。

上述具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。

Claims (11)

1.一种衍射光波导，其特征在于，包括波导基底，以及设置于所述波导基底的耦入光栅、转折光栅、耦出光栅和回收光栅；所述耦入光栅用于将完整视场光线耦入所述波导基底并偏转向所述转折光栅传输；所述转折光栅用于接收所述完整视场光线并偏转向所述耦出光栅传输；所述耦出光栅用于接收所述完整视场光线并耦出所述波导基底；所述回收光栅用于将经过所述转折光栅偏转但未经过所述耦出光栅的目标视场光线，偏转向所述目标视场光线对应的有效耦出区域再耦出，所述完整视场光线包括所述目标视场光线；其中，所述耦出光栅包括相对设置的第一侧和第二侧以及相对设置的第三侧和第四侧，所述耦入光栅和所述转折光栅均位于所述第一侧，所述回收光栅位于所述第三侧，所述第三侧相对于所述第四侧更靠近所述耦入光栅；所述回收光栅越靠近所述耦入光栅，所述回收光栅的光栅沟槽方向与所述耦入光栅的光栅沟槽方向之间的夹角越大；所述转折光栅和所述回收光栅的光栅沟槽方向不同；所述耦出光栅在所述目标视场光线对应的有效耦出区域内包括至少两种周期性方向。

2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦出光栅至少在所述目标视场光线对应的有效耦出区域内为二维光栅；或，所述耦出光栅至少在所述目标视场光线对应的有效耦出区域内为包括若干子光栅的阵列结构光栅，所述子光栅包括光栅沟槽方向不同的第一类子光栅与第二类子光栅。

3.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦出光栅包括第一耦出光栅和第二耦出光栅，所述第一耦出光栅与所述第二耦出光栅分别位于所述波导基底相对的两表面，所述第一耦出光栅与所述第二耦出光栅在所述波导基底上的投影重合区域包括所述目标视场光线对应的有效耦出区域。

4.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述回收光栅均为一维光栅。

5.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述回收光栅包括一个或者多个，其中，

当所述回收光栅为一个时，所述回收光栅沿第一方向的尺寸越大，所述回收光栅所补偿的显示暗角区域越大；所述第一方向为转折光栅对所述目标视场光线偏转后所述目标视场光线的传播方向；

当所述回收光栅为多个时，不同的所述回收光栅对应相同视场的光线，不同的所述回收光栅的光栅沟槽方向不同。

6.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述回收光栅与所述耦出光栅的边缘之间存在间隙；或者，所述回收光栅贴合设置在所述耦出光栅的边缘。

7.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述转折光栅对所述目标视场光线偏转后，所述目标视场光线的传播方向为第一方向，所述回收光栅沿与所述第一方向正交的第二方向上的尺寸大于或者等于光瞳尺寸。

8.根据权利要求7所述的衍射光波导，其特征在于，所述回收光栅设置在不同的位置时，所述回收光栅的尺寸不同；所述目标视场光线经所述转折光栅偏转后的理论传播范围边界在所述波导基底的边界之内时，所述回收光栅越靠近所述耦入光栅，所述回收光栅在所述第二方向上的尺寸越小。

9.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述转折光栅对所述目标视场光线偏转后所述目标视场光线的传播方向为第一方向，其中，

所述回收光栅沿所述第一方向上的设置范围为所述波导基底的边界与所述转折光栅靠近所述耦出光栅一侧的边界所限定；所述回收光栅沿所述第一方向上的尺寸通过以下方式确定：确定显示暗角对应的视场光线的有效耦出区域，以所述有效耦出区域的边界为起点，以期望回收的光线传输至所述有效耦出区域的传输方向进行反向延伸，与所述视场光线经转折光栅偏转后的理论传播范围边界相交，确定所述回收光栅沿所述第一方向上的尺寸。

10.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述回收光栅的轮廓是直线和/或弧线围成的封闭形状。

11.一种增强现实显示设备，其特征在于，所述增强现实显示设备包括：投影光机及如权利要求1-10中任一项所述的衍射光波导，所述投影光机用于出射所述完整视场光线。