CN117452550B - 一种衍射光波导及增强现实显示设备 - Google Patents

一种衍射光波导及增强现实显示设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种衍射光波导及增强现实显示设备，涉及增强现实领域，该衍射光波导包括：波导基底和设置于波导基底上的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅；耦入光栅用于将光线耦入波导基底并朝向转折光栅传播；转折光栅用于将光线偏转向所述耦出光栅传播；耦出光栅用于将光线从所述波导基底耦出；其中，所述转折光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经所述耦入光栅作用后的第一传播方向渐变，和/或，所述耦出光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经所述转折光栅偏转后的第二传播方向渐变，以使沿所述第一传播方向的衍射效率逐渐增大，和/或，沿第二传播方向的衍射效率逐渐增大，能够提高衍射光波导的亮度以及亮度均匀性。

Description

一种衍射光波导及增强现实显示设备
技术领域
本申请涉及增强现实领域，尤其涉及一种衍射光波导及增强现实显示设备。
背景技术
增强现实（Augmented Reality，AR）是一种将真实世界和虚拟信息相融合的技术，光波导系统则是实现AR技术的关键部件之一。在进行增强现实的显示场景中，需要通过光机将需要叠加在真实场景的画面光束投射在光波导系统上，通过光波导系统对画面光束的传导方向进行偏转，使得画面光束进入人眼。现有的一维架构的光波导系统通常采用一维光栅进行扩瞳和耦出。
为了提升显示的亮度以及亮度均匀性，通常会将转折光栅与耦出光栅分为光栅参数不同的多个区域，但多分区的方式对均匀性的提升十分有限。
发明内容
本申请旨在提出一种能够更有效地改善衍射光波导均匀性的技术方案。
基于此，提供一种衍射光波导，包括：波导基底和设置于所述波导基底上的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅；所述耦入光栅用于将光线耦入所述波导基底并朝向所述转折光栅传播；所述转折光栅用于将光线偏转向所述耦出光栅传播；所述耦出光栅用于将光线从所述波导基底耦出；
其中，所述转折光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经所述耦入光栅作用后的第一传播方向渐变，以使沿所述第一传播方向的衍射效率逐渐增大，所述转折光栅的光栅深度和/或占空比的渐变满足目标优化函数的变化关系，所述目标优化函数包括空间距离的一次项和不定次项；在所述转折光栅所在平面以所述耦入光栅的中心为坐标原点建立坐标系，所述转折光栅的光栅深度沿着光线经所述耦入光栅作用后的第一传播方向渐变满足以下公式：
和/或，所述转折光栅的占空比沿着光线经所述耦入光栅作用后的第一传播方向渐变满足以下公式：
其中，，/>为转折光栅在坐标/>处的光栅深度，/>为转折光栅在坐标/>处的占空比，/>为转折光栅在坐标/>处的光栅深度且为光栅深度渐变的起始深度，/>为转折光栅在坐标处的占空比且为占空比渐变的起始占空比，A1、B1、C1、D1、E1、F1、A2、B2、C2、D2、E2及F2均为系数，θ1为坐标系中X轴顺时针旋转至所述第一传播方向的角度，d11和d12为坐标位置转换参数；
和/或，
所述耦出光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经所述转折光栅偏转后的第二传播方向渐变，沿所述第二传播方向的衍射效率逐渐增大；所述耦出光栅的光栅深度和/或占空比的渐变满足目标优化函数的变化关系，所述目标优化函数包括空间距离的一次项和不定次项；在所述耦出光栅所在平面以所述耦入光栅的中心为坐标原点建立坐标系，所述耦出光栅的光栅深度沿着光线经所述转折光栅偏转后的第二传播方向渐变满足以下公式：
和/或，所述耦出光栅的占空比沿着光线经所述转折光栅偏转后的第二传播方向渐变满足以下公式：
其中，，/>为耦出光栅在坐标/>处的光栅深度，/>为耦出光栅在坐标/>处的占空比，/>为耦出光栅在坐标/>处的光栅深度且为光栅深度渐变的起始深度，/>为耦出光栅在坐标处的占空比且为占空比渐变的起始占空比，A3、B3、C3、D3、E3、F3、A4、B4、C4、D4、E4及F4均为系数，θ2为坐标系中X轴顺时针旋转至所述第二传播方向的角度，d21和d22为坐标位置转换参数。
可实施地，和/>的取值范围均为0~70nm。
可实施地，和/>的取值范围为0~0.5。
可实施地，A1、C1、D1、F1、A2、C2、D2、F2、A3、C3、D3、F3、A4、C4、D4及F4的取值范围均为-5~5，B1、E1、B2、E2、B3、E3、B4以及E4的取值范围均为-3~3。
可实施地，所述第一传播方向以及所述第二传播方向均为中心视场光线的传播方向。
可实施地，所述波导基底的数量多于一片，各所述波导基底上均设置有耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。
本申请还提供了一种增强现实显示设备，所述增强现实显示设备包括光机以及如上述任一项所述的衍射光波导。
本申请提供的衍射光波导及增强现实显示设备，转折光栅的光栅深度、转折光栅的占空比、耦出光栅的光栅深度以及耦出光栅的占空比中的至少一个沿着光线传播方向渐变，这种参数的逐渐变化所带来的衍射效率的变化更符合均匀性优化的需求，能够达到更好的均匀性优化效果，还能提升衍射光波导的光学效率。而且还能避免分区间参数突变带来的不利性能影响以及外观上可能出现的明显的边界现象，提升美感以及用户的使用体验。
进一步地，前述参数的渐变满足目标优化函数的变化关系，该目标优化函数包括空间距离的一次项和不定次项，其函数本身便具有一定的灵活性，通过一次项和不定次项的结合，能够平衡并避免函数项数过多和自变量幂指数过大带来的不必要的运算量，又具有较好的灵活性，使得光栅参数的变化所带来的衍射效率的变化更符合预期而得到更佳的均匀性优化效果。而且相较于其他可能的复杂函数的变化关系，本申请中所采用的目标优化函数能够很好地灵活平衡衍射光波导性能优化的改善程度和优化运算量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为现有技术中的一种衍射光波导的架构示意图；
图2为本申请一种实施例中衍射光波导参数渐变的设计示意图；
图3为本申请一种实施例中衍射光波导光栅深度渐变的示意图；
图4为本申请一种实施例中光波导均匀性改善前后的耦出图像的亮度分布对比示意图。
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做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。
在本申请说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是多个，例如两个，三个，四个等，除非另有明确具体的限定。
下面以具体实施例对本申请的技术方案进行详细说明。以下具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
现有的一维架构的光波导系统通常采用一维光栅进行耦入、扩瞳以及耦出，如图1所示，衍射光波导包括耦入光栅101、转折光栅102和耦出光栅103。光线经过耦入光栅101衍射耦入波导基底后，向转折光栅102所在方向全内反射传输；光线在入射到转折光栅102，由于转折光栅102的衍射作用，会分裂出新的光线转向耦出光栅103所在方向全内反射传输，该光线经过耦出光栅103衍射耦出入射到人眼中，使人眼看到显示画面。然而在衍射效率保持不变时，光线在传输过程中不断衍射导致能量不断衰减，进而导致显示均匀性差。现有技术中为了提升衍射光波导显示的亮度以及均匀性，常常会将转折光栅和/或耦出光栅分为光栅参数不同的几个区域，并通过光栅参数设置，使得沿光线传输方向，不同区域的衍射效率逐渐变化。比如，转折区域102划分为分区1021、1022和1023，耦出区域103划分为分区1031、1032和1033。但本申请发明人发现在对分区的方式对均匀性的提升十分有限，而且不同分区之间由于参数突变可能会带来性能突变以及外观上出现明显的边界现象。
有鉴于此，本申请实施例提供一种衍射光波导，包括：波导基底和设置于波导基底上的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅；耦入光栅用于将光线耦入波导基底并朝向转折光栅传播；转折光栅用于将光线偏转向耦出光栅传播；耦出光栅用于将光线从波导基底耦出；其中，转折光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经耦入光栅作用后的第一传播方向渐变，和/或，耦出光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经转折光栅偏转后的第二传播方向渐变，以使沿第一传播方向的衍射效率逐渐增大，和/或，沿第二传播方向的衍射效率逐渐增大。
本申请中，选取调制光栅深度和/或占空比的分布来调制衍射效率的分布，以优化衍射光波导的均匀性。具体地，转折光栅的光栅深度、转折光栅的占空比、耦出光栅的光栅深度以及耦出光栅的占空比中的至少一个沿着光线传播方向渐变，这种参数的逐渐变化所带来的衍射效率的变化更符合均匀性优化的需求，能够达到更好的均匀性优化效果，而且在有效衍射效率的分布时还能极大程度地提高衍射光波导的光学效率。另外，参数的逐渐变化还能避免现有的分区方式中分区间参数突变可能带来的性能上的不利影响以及外观上会出现的明显的边界现象，优化外观并提升美感以及用户的使用体验。
需要说明的是，本申请中参数的逐渐变化是指参数连续平滑变化。连续平滑变化不限于数学意义上的绝对连续，也报包括参数的变化率在一定的不造成突变的允许范围内的情况。参数的变化率比如1%、2%、5%以及10%。
进一步可实施地，转折光栅的光栅深度的渐变、转折光栅的占空比的渐变、耦出光栅的光栅深度的渐变以及耦出光栅的占空比的渐变中的至少一种满足目标优化函数的变化关系，目标优化函数包括空间距离的一次项和不定次项。其中，目标优化函数的自变量为空间距离，自变量的幂指数为一次的项为一次项，自变量的幂指数不为一次的项为不定次项，不定次项的次数可以是正数、负数或者零，也可以是整数或者非整数。
本申请中前述参数的渐变满足目标优化函数的变化关系，该目标优化函数包括空间距离的一次项和不定次项，通过一次项和不定次项的结合，能够平衡并避免函数项数过多和自变量幂指数过大带来的不必要的运算量，又具有较好的灵活性，使得光栅参数的变化所带来的衍射效率的变化更符合预期而得到更佳的均匀性优化效果。而且相较于其他可能的复杂函数的变化关系，本申请中所采用的目标优化函数能够很好地灵活平衡衍射光波导性能优化的改善程度和优化运算量。
可实施地，转折光栅的参数和耦出光栅的参数可以同时变化，也可以择一变化。进一步地，转折光栅的光栅深度和占空比可以同时变化，也可以择一变化。同样地，耦出光栅的光栅深度和占空比可以同时变化，也可以择一变化。
示例性地，参考图2，在转折光栅102所在平面以耦入光栅101的中心为坐标原点建立坐标系，X轴和Y轴方向如图2中所示，此时转折光栅的光栅深度沿着光线经耦入光栅作用后的第一传播方向104渐变满足公式(1)，和/或，转折光栅的占空比沿着第一传播方向104渐变满足公式(2)。
（1）
（2）
其中，，/>为转折光栅在坐标/>处的光栅深度，/>为转折光栅在坐标/>处的占空比，/>为转折光栅在坐标/>处的光栅深度且为光栅深度渐变的起始深度，/>为转折光栅在坐标处的占空比且为占空比渐变的起始占空比，A1、B1、C1、D1、E1、F1、A2、B2、C2、D2、E2及F2均为系数，θ1为坐标系中X轴顺时针旋转至所述第一传播方向的角度，d11和d12为坐标位置转换参数。
示例性地，继续参考图2，耦出光栅的光栅深度沿着光线经转折光栅偏转后的第二传播方向105渐变满足以下公式(3)，和/或，耦出光栅的占空比沿着光线经转折光栅偏转后的第二传播方向105渐变满足公式(4)。
（3）
（4）
其中，，/>为耦出光栅在坐标/>处的光栅深度，/>为耦出光栅在坐标/>处的占空比，/>为耦出光栅在坐标/>处的光栅深度且为光栅深度渐变的起始深度，/>为耦出光栅在坐标处的占空比且为占空比渐变的起始占空比，A3、B3、C3、D3、E3、F3、A4、B4、C4、D4、E4及F4均为系数，θ2为坐标系中X轴顺时针旋转至所述第二传播方向的角度，d21和d22为坐标位置转换参数。
可实施地，转折光栅初始光栅深度的取值范围为0~70nm；耦出光栅初始光栅深度/>的取值范围均为0~70nm；转折光栅初始占空比/>的取值范围为0~0.5；耦出光栅初始占空比/>的取值范围为0~0.5。
可实施地，公式(1)~(4)中函数项系数：A1、C1、D1、F1、A2、C2、D2、F2、A3、C3、D3、F3、A4、C4、D4及F4的取值范围均为-5~5；自变量幂指数：B1、E1、B2、E2、B3、E3、B4以及E4的取值范围均为-3~3。
需要说明的是，上述公式(1)~(4)中对应相同物理意义的参数的取值可以相同或者不同，但相互独立，根据实际的优化情况而定。比如，和/>的取值可以相同也可以不同；再比如，A1和A2的取值可以相同也可以不同。而且，转折光栅的光栅参数的渐变与耦出光栅的光栅参数的渐变也相互独立。
参考图3，该图示例性地展示了衍射光波导的转折光栅和耦出光栅的光栅深度均按照目标优化函数渐变的示意图。图中数据单位为微米。
参考图4，图4中的(a)为现有的分区方式下耦出图像的亮度分布图，图4中的(b)为衍射光波导的转折光栅和耦出光栅的光栅深度均按照本申请提供函数渐变的方式下耦出图像的亮度分布图。对比图4中的(a)和图4中的(b)，可以明显看出衍射光波导中光栅的参数按照本申请提供的方案变化时亮度以及亮度均匀性更优。
需要说明的是，本申请实施例中光线传播方向定义为中心视场光线的传播方向，因此第一传播方向以及第二传播方向均为中心视场光线的传播方向。
进一步可实施地，波导基底的数量可以为一片，也可以多于一片，各波导基底上均设置有耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。本申请所提供的衍射光波导，可以是单色光波导，也可以是彩色光波导，单片全彩或者多片全彩均可。
本申请还提供了一种增强现实显示设备，增强现实显示设备包括光机以及如上述任一项的衍射光波导。其中，增强现实显示设备包括但不限于增强现实眼镜，车载抬头现实设备等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种衍射光波导，包括：波导基底和设置于所述波导基底上的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅；所述耦入光栅用于将光线耦入所述波导基底并朝向所述转折光栅传播；所述转折光栅用于将光线偏转向所述耦出光栅传播；所述耦出光栅用于将光线从所述波导基底耦出；
其中，所述转折光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经所述耦入光栅作用后的第一传播方向渐变，以使沿所述第一传播方向的衍射效率逐渐增大，所述转折光栅的光栅深度和/或占空比的渐变满足目标优化函数的变化关系，所述目标优化函数包括空间距离的一次项和不定次项；在所述转折光栅所在平面以所述耦入光栅的中心为坐标原点建立坐标系，所述转折光栅的光栅深度沿着光线经所述耦入光栅作用后的第一传播方向渐变满足以下公式：
和/或，所述转折光栅的占空比沿着光线经所述耦入光栅作用后的第一传播方向渐变满足以下公式：
其中，Gdepth1(x,y)为转折光栅在坐标(x,y)处的光栅深度，Gdutycycle1(x,y)为转折光栅在坐标(x,y)处的占空比，Gdepth1为转折光栅在坐标(x1,y1)处的光栅深度且为光栅深度渐变的起始深度，Gdutycycle1为转折光栅在坐标(x1,y1)处的占空比且为占空比渐变的起始占空比，A1、B1、C1、D1、E1、F1、A2、B2、C2、D2、E2及F2均为系数，θ1为坐标系中X轴顺时针旋转至所述第一传播方向的角度，d11和d12为坐标位置转换参数；
和/或，
所述耦出光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经所述转折光栅偏转后的第二传播方向渐变，沿所述第二传播方向的衍射效率逐渐增大；所述耦出光栅的光栅深度和/或占空比的渐变满足目标优化函数的变化关系，所述目标优化函数包括空间距离的一次项和不定次项；在所述耦出光栅所在平面以所述耦入光栅的中心为坐标原点建立坐标系，所述耦出光栅的光栅深度沿着光线经所述转折光栅偏转后的第二传播方向渐变满足以下公式：
和/或，所述耦出光栅的占空比沿着光线经所述转折光栅偏转后的第二传播方向渐变满足以下公式：
其中，Gdepth2(x,y)为耦出光栅在坐标(x,y)处的光栅深度，Gdutycycle2(x,y)为耦出光栅在坐标(x,y)处的占空比，Gdepth2为耦出光栅在坐标(x2,y2)处的光栅深度且为光栅深度渐变的起始深度，Gdutycycle2为耦出光栅在坐标(x2,y2)处的占空比且为占空比渐变的起始占空比，A3、B3、C3、D3、E3、F3、A4、B4、C4、D4、E4及F4均为系数，θ2为坐标系中X轴顺时针旋转至所述第二传播方向的角度，d21和d22为坐标位置转换参数；Gdepth1和Gdepth2的取值范围均为0～70nm，Gdutycycle1和Gdutycycle2的取值范围为0～0.5，A1、C1、D1、F1、A2、C2、D2、F2、A3、C3、D3、F3、A4、C4、D4及F4的取值范围均为-5～5，B1、E1、B2、E2、B3、E3、B4以及E4的取值范围均为-3～3。
2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一传播方向以及所述第二传播方向均为中心视场光线的传播方向。
3.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述波导基底的数量多于一片，各所述波导基底上均设置有耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。
4.一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光机以及如权利要求1-3中任一项所述的衍射光波导。
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基于ＲＣＷＡ 方法的表面浮雕光栅波导ＡＲ 系统设计与优化;曹润苍;浙江大学硕士专业学位论文;20200110;全文 *

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Assignee: Shanghai Seyue Industrial Co.,Ltd.

Assignor: Shanghai kunyou Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980004973

Denomination of invention: A Diffractive Waveguide and Augmented Reality Display Device

Granted publication date: 20240305

License type: Open License

Record date: 20240428