CN117452552B - 一种衍射光波导及增强现实显示设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例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：波导基底和设置于所述波导基底上的耦入光栅和耦出光栅；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；所述耦出光栅用于将光线从所述波导基底耦出；其中，所述耦出光栅的光栅参数沿着光线在所述耦出光栅所在区域传输时的第一传播方向逐渐变化，以使沿所述第一传播方向的衍射效率逐渐增大。本申请提供的方案能够提高衍射光波导的亮度以及亮度均匀性。
Description
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。
为了提升显示的亮度以及亮度均匀性，通常会将转折光栅和/或耦出光栅分为光栅参数不同的多个区域，例如图1中将耦出区域103划分为1031、1032和1033，每个分区内光栅参数一致，不同分区的光栅参数不同，以实现衍射效率的提升，但多分区的方式对亮度以及亮度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亮度以及亮度均匀性的技术方案。
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和耦出光栅；其中，所述耦出光栅的光栅参数沿着光线在所述耦出光栅所在区域传输时的第一传播方向逐渐变化，以使沿所述第一传播方向的衍射效率逐渐增大；
所述耦出光栅包括若干耦出子区域，任一耦出子区域内各空间位置处的光栅参数与该空间位置的关系满足该耦出子区域相应的耦出光栅参数优化函数，并且任一耦出子区域中存在至少一个参考位置，所述参考位置处的光栅参数预设且各所述参考位置处的光栅参数随所述参考位置沿所述第一传播方向的排布而变化，且任意相邻的所述耦出子区域相应的耦出光栅参数优化函数在所述耦出光栅所在区域内光滑且连续，以使所述耦出光栅沿所述第一传播方向的衍射效率逐渐增大；
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，第个耦出子区域内的耦出光栅的光栅参数满足以下公式：
其中，为所述耦出光栅的空间位置的坐标，/>为第/>个耦出子区域内空间位置/>处的光栅参数，/>为第/>个耦出子区域内的一个参考位置的坐标，/>为第/>个耦出子区域内参考位置/>处的光栅参数，/>、/>、/>、/>、/>、/>为多项式系数，/>，/>，/>均为正整数。
可实施地，所述若干耦出子区域以所述耦出光栅的外接矩形为分割对象、以所述参考位置为分割依据分割得到，所述耦出子区域的尺寸达数百微米到数千微米量级。
可实施地，所述参考位置之间等距排布，或者，所述参考位置之间不等距排布。
可实施地，所述光栅参数包括光栅深度、光栅的占空比以及光栅的形状参数中的至少一种。
可实施地，所述衍射光波导还包括转折光栅，所述转折光栅用于将耦入的光线偏转向所述耦出光栅传播，所述转折光栅的所述光栅参数沿着光线经所述耦入光栅作用后的第二传播方向逐渐变化，以使沿所述第二传播方向的衍射效率逐渐增大。
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，耦出光栅的光栅参数沿着光线传播方向渐变，这种平滑连续的变化方式所带来的衍射效率的变化更符合均匀性优化的需求，既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。而且连续地逐渐变化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，以耦出光栅的外接矩形为分割对象、在该外接矩形内选取参考位置后，以参考位置为分割依据将耦出光栅划分为多个耦出子区域，每个耦出子区域内存在至少一个参考位置，且每个耦出子区域的光栅参数均为该耦出子区域内空间位置的耦出光栅参数优化函数，任意相邻两个耦出子区域的耦出光栅参数优化函数在耦出光栅所在完整区域内光滑且连续，以通过插值拟合的方式实现耦出光栅的光栅参数的连续调制，具有较好的灵活性，进而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。
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子区域划分的设计示意图；
图3为图2中耦出子区域按参考位置设置光栅深度的初始分布示意图；
图4为图2中耦出光栅的光栅深度渐变的示意图；
图5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；
图6为本申请另一种实施例中衍射光波导子区域划分的设计示意图；
图7为本申请另一种实施例中衍射光波导子区域划分的设计示意图；
附图标记：
101：耦入光栅；
102：转折光栅；1021、1022、1023：转折子区域；
103：耦出光栅；1031、1032、1033：耦出子区域。
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或耦出光栅传播；耦出光栅用于将光线从波导基底耦出；其中，耦出光栅的光栅参数沿着光线在耦出光栅所在区域传输时的第一传播方向逐渐变化，以使沿第一传播方向的衍射效率逐渐增大。可实施地，本申请实施例调制的光栅参数包括光栅深度、光栅的占空比以及光栅的形状参数中的至少一种。
本申请实施例中，选取调制光栅深度、光栅的占空比以及光栅的形状参数中至少一种的分布来调制衍射效率的分布，以优化衍射光波导的亮度均匀性及颜色均匀性。具体地，设计使得这些光栅参数中的至少一个沿着光线传播方向连续平滑变化，这种参数的变化方式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，而且在有效改善耦出区域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，参数的连续平滑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，对于光栅参数的连续平滑变化，本申请提供了具体的实现方式。
可实施地，耦出光栅包括若干耦出子区域，任一耦出子区域内各空间位置处的光栅参数与该空间位置的关系满足该耦出子区域相应的耦出光栅参数优化函数，并且任一耦出子区域中存在至少一个参考位置，参考位置处的光栅参数预设且各参考位置处的光栅参数随参考位置沿第一传播方向的排布而变化，且任意相邻的耦出子区域相应的耦出光栅参数优化函数在耦出光栅所在区域内光滑且连续，以使耦出光栅沿第一传播方向的衍射效率逐渐增大。
具体地，耦出光栅包括若干耦出子区域，每个耦出子区域对应存在至少一个参考位置，且存在一个耦出光栅参数优化函数。其中，对于耦出光栅所在完整区域内的所有参考位置，各参考位置处的光栅参数预设，且各参考位置处的光栅参数随参考位置沿第一传播方向的排布而变化；对于各耦出子区域相应的耦出光栅参数优化函数，任意相邻的耦出子区域相应的耦出光栅参数优化函数在耦出光栅所在区域内光滑且连续，这样使得耦出光栅沿第一传播方向的衍射效率逐渐增大。需要说明的是，本申请中是预先选定参考位置并设计其相应的光栅参数，再以各参考位置的在耦出光栅中的空间位置和光栅参数为基础，划区后通过插值拟合的方式得到耦出光栅内任意空间位置的光栅参数与空间位置的平滑连续的变化关系，实现耦出光栅的光栅参数的连续平滑调制。
可实施地，本申请中可先确定耦出光栅的外接多边形，在该外接多边形内选择多个参考位置，再以该外接多边形为分割对象、以选定的参考位置为分割依据将耦出区域分割得到多个耦出子区域。其中，各耦出子区域为统一的规则形状，比如三角形、矩形等，但各耦出子区域的大小可相等或者不等。
示例性地，若干耦出子区域以耦出光栅的外接矩形为分割对象、以参考位置为分割依据分割得到，耦出子区域的尺寸达数百微米到数千微米量级。其中，本申请中耦出子区域的尺寸相较于现有技术中分区的尺寸有了极大地减少，有利于实现耦出光栅光栅参数的连续平滑调制，而且工艺上也较易实现。
示例性地，参考图2，确定耦出区域103的外接矩形，等间距地选取N*M个参考位置，以这些参考位置为分割依据对耦出区域103的外接矩形进行分割，得到(N-1)*(M-1)个子区域。需要说的是，在另外的实施例中，也可不等间距的选取N*M个参考位置。即，参考位置之间等距排布，或者，不等距排布。在图2所示的示例中，耦出区域103的外部轮廓基本与其外接矩形一致，则划分出的(N-1)*(M-1)个子区域均为耦出子区域。在另外的实施方式中，耦出区域103的外部轮廓可能小于其外接矩形，此时，包含了耦出光栅的子区域才为耦出子区域，耦出子区域的数量小于等于(N-1)*(M-1)。
进一步可实施地，在耦出光栅所在平面以耦入光栅的中心为坐标原点建立坐标系，第个耦出子区域内的耦出光栅的光栅参数满足以下公式：
（1）
其中，为所述耦出光栅的空间位置的坐标，/>为第/>个耦出子区域内空间位置/>处的光栅参数，/>为第/>个耦出子区域内的一个参考位置的坐标，/>为第/>个耦出子区域内参考位置/>处的光栅参数，/>、/>、/>、/>、/>、/>为多项式系数，/>，/>，/>均为正整数。
示例性地，继续参考图2，在耦出光栅103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，在耦出区域103的外接矩形中选取N*M个参考位置，划分出(N-1)*(M-1)个耦出子区域1031。第个耦出子区域包括参考位置/>，其中，/>为小于等于N的正整数，耦出子区域中/>的取值沿着X轴正方向增大，/>为小于等于M的正整数，耦出子区域中/>的取值沿着Y轴正方向增大。再参考图2，在耦出区域103的外接矩形中选取5*5个参考位置，划分出4*4个耦出子区域1031，第/>个耦出子区域包括参考位置，第/>个耦出子区域包括参考位置/>等等。
具体地，在以耦出光栅的外接多边形为分割对象、以选定的参考位置为分割依据将耦出区域分割得到多个耦出子区域后，可构造耦出子区域相应的耦出光栅参数优化函数，由于每个耦出子区域内的光栅参数均满足该耦出子区域相应的耦出光栅参数优化函数/>，且所有/>构成的曲面在整个耦出光栅所在区域内光滑且连续，那么就可以通过方程求解来确定各/>中的所有未知参数，从而得到整个耦出光栅内的光栅参数分布。
可实施地，参考位置的光栅结构可以是一维结构，也可以是二维结构。参考位置处的光栅参数，示例性地，光栅的占空比可为0.1-0.9，光栅深度可为10nm-500nm，光栅的形状可为椭圆或者多边形，形状的尺寸或者朝向变化。
参考图3，图3示出了衍射光波导的耦出光栅划分为若干耦出子区域，每个耦出子区域内光栅参数初始设置为参考位置的光栅参数时的示意图，图4示例性地展示了衍射光波导的耦出光栅的光栅深度按照本申请提供函数渐变的方式下的示意图。
本申请提供的实施例中，衍射光波导还包括转折光栅，转折光栅用于将耦入的光线偏转向耦出光栅传播，转折光栅的光栅参数沿着光线经耦入光栅作用后的第二传播方向逐渐变化，以使沿第二传播方向的衍射效率逐渐增大。
进一步可实施地，转折光栅包括若干转折子区域，任一转折子区域内各空间位置处的光栅参数与该空间位置的关系满足该转折子区域相应的转折光栅参数优化函数，并且任一转折子区域中存在至少一个参考位置，参考位置处的光栅参数预设且各参考位置处的光栅参数随参考位置沿第一传播方向的排布而变化，且任意相邻的转折子区域相应的转折光栅参数优化函数在转折光栅所在区域内光滑且连续，以使转折光栅沿第一传播方向的衍射效率逐渐增大。
需要说明的是，转折子区域的划分方式与耦出子区域的划分方式类似，转折子区域的尺寸范围与耦出子区域的尺寸范围相当。划分示例可参考图6、7。图6中在转折区域102的外接矩形中等间距地选取P*Q个参考位置，图7中在转折区域102的外接矩形中不等间距地选取P*Q个参考位置。另外，转折光栅的参考位置处的光栅参数的取值范围与耦出光栅一致，但转折光栅的参考位置处的光栅参数的取值与耦出光栅参考位置处的光栅参数的取值相互独立，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。
进一步可实施地，在耦出光栅所在平面以耦入光栅的中心为坐标原点建立坐标系，第个转折子区域内的转折光栅的光栅参数满足以下公式：
（2）
其中，为转折光栅的空间位置的坐标，/>为第/>个转折子区域内空间位置/>处的光栅参数，/>为第/>个耦出子区域内的一个参考位置的坐标，/>为第/>个耦出子区域内参考位置/>处的光栅参数，/>、/>、/>、/>、/>、/>为多项式系数，/>，/>，/>和/>均为正整数。
需要说明的是，上述公式(1)和(2)中对应相同物理意义的参数的取值可以相同或者不同，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，和/>的取值可以相同也可以不同。
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。
参考图5，在图5中，(a)为现有的分区方式下耦出图像的亮度分布图，(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(a)和(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。第一传播方向为光线在耦出光栅所在区域传输时的传播方向，在存在转折光栅时为中心视场的光线经转折光栅偏转后的传输方向，在不包括转折光栅时为中心视场的光线经耦入光栅耦入波导基底后的传输方向。第二传播方向为中心视场的光线在转折光栅所在区域传输时的传播方向，也是中心视场的光线经耦入光栅耦入波导基底后的传输方向。
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 (8)
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和耦出光栅；
其中，所述耦出光栅的光栅参数沿着光线在所述耦出光栅所在区域传输时的第一传播方向逐渐变化，以使沿所述第一传播方向的衍射效率逐渐增大；
所述耦出光栅包括若干耦出子区域，任一耦出子区域内各空间位置处的光栅参数与该空间位置的关系满足该耦出子区域相应的耦出光栅参数优化函数，并且任一耦出子区域中存在至少一个参考位置，所述参考位置处的光栅参数预设且各所述参考位置处的光栅参数随所述参考位置沿所述第一传播方向的排布而变化，且任意相邻的所述耦出子区域相应的耦出光栅参数优化函数在所述耦出光栅所在区域内光滑且连续，以使所述耦出光栅沿所述第一传播方向的衍射效率逐渐增大；所述若干耦出子区域以所述耦出光栅的外接多边形为分割对象、以所述参考位置为分割依据分割得到；
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，第(i,j)个耦出子区域内的耦出光栅的光栅参数满足以下公式：
zij(x,y)＝z0ij+ai(x-xi)+bi(x-xi)2+ci(x-xi)3+dj(y-yj)+ej(y-yj)2+fj(y-yj)3
其中，(x,y)为所述耦出光栅的空间位置的坐标，zij(x,y)为第(i,j)个耦出子区域内空间位置(x,y)处的光栅参数，(xi,yj)为第(i,j)个耦出子区域内的一个参考位置的坐标，z0ij为第(i,j)个耦出子区域内参考位置(xi,yj)处的光栅参数，ai、bi、ci、di、ei、fi为多项式系数，i≤N，j≤M，N、M均为正整数。
2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述若干耦出子区域以所述耦出光栅的外接矩形为分割对象、以所述参考位置为分割依据分割得到，所述耦出子区域的尺寸达数百微米到数千微米量级。
3.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述参考位置之间等距排布，或者，所述参考位置之间不等距排布。
4.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述光栅参数包括光栅深度、光栅的占空比以及光栅的形状参数中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述衍射光波导还包括转折光栅，所述转折光栅用于将耦入的光线偏转向所述耦出光栅传播，所述转折光栅的所述光栅参数沿着光线经所述耦入光栅作用后的第二传播方向逐渐变化，以使沿所述第二传播方向的衍射效率逐渐增大。
6.根据权利要求5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。
7.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和耦出光栅。
8.一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1-7中任一项所述的衍射光波导。
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