CN219370044U

CN219370044U - 耦入光栅结构及衍射光波导、增强现实设备

Info

Publication number: CN219370044U
Application number: CN202222888779.8U
Authority: CN
Inventors: 张雅琴; 楼歆晔
Original assignee: Shanghai Kunyou Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Kunyou Technology Co ltd
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2032-10-31

Abstract

本实用新型提供了一种耦入光栅结构及衍射光波导、增强现实设备，该耦入光栅结构被配置为能够将图像光束耦入波导基底内；耦入光栅结构的不同部位的光栅参数不同；不同部位沿波导基底的表面分布或沿光栅深度方向分布。本实用新型的技术方案，衍射效率好，FOV带宽宽，FOV均匀性好。

Description

耦入光栅结构及衍射光波导、增强现实设备

技术领域

本实用新型涉及AR技术领域，尤其涉及一种耦入光栅结构及衍射光波导、增强现实设备。

背景技术

增强现实(AR)是一种将真实世界和虚拟信息相融合的技术，AR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AR显示系统提供虚拟内容，该虚拟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，这样可以使得用户可以透过光学显示屏同时看到真实世界。

光波导是光学显示屏的一种实现路径。当传输介质折射率大于周围介质且在波导中的入射角大于全反射临界角时，光即可在波导内无泄漏地传输，发生全反射。来自投影仪的虚拟内容的光束被耦合进入波导后，光束就能在波导内继续无损地传播以传输虚拟内容，直到被后续光学结构耦出。目前市面上光波导通常被分为几何阵列波导和衍射光波导，其中衍射光波导又分为体全息波导和表面浮雕光栅波导，衍射光波导的本质都是通过光栅衍射将入射光束耦入到波导中，表面浮雕光栅波导以其极高的设计自由度和由纳米压印加工带来的可量产性，在众多方案中具有明显的优势。

一方面，AR显示系统是将来自投影仪的虚拟内容的光束被耦合进入波导后，耦入光波导的图像光束才能为后续所用，所以需要耦入尽量高效。以衍射光波导系统为例，耦入结构设置为耦入光栅，所以要求耦入光栅的耦入级次的衍射效率尽可能高。

另一方面，AR(增强现实)眼镜是将微投光机出射的图像光扩瞳并投射到人眼的过程，使佩戴者在看到真实世界的同时能观察到微投光机投出的虚像。以衍射光波导系统为例，AR眼镜光学系统通常包括微投光机和光波导镜片，二者的设计组合方式决定最终形成的产品形态。作为一款以显示为目的的产品，其最重要也是最基本的需求是较好的显示效果，包括理想的eyebox均匀性、FOV均匀性和较高的效率。

上述的倾斜光栅的衍射效率虽然比常规的矩形光束衍射效率高，但是其FOV带宽不够理想，FOV均匀性不佳。

综上所述，现有的耦入光栅无法兼顾衍射效率、带宽、均匀性的问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种耦入光栅结构及衍射光波导、增强现实设备，以解决现有技术中无法兼顾衍射效率、带宽、均匀性的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型是通过如下技术方案实现的：

根据本实用新型的第一方面，提供一种耦入光栅结构，其被配置为能够将图像光束耦入波导基底内；

所述耦入光栅结构的不同部位的光栅参数不同；

所述不同部位沿所述波导基底的表面分布或沿光栅深度方向分布。

较佳地，所述不同部位沿所述波导基底的表面分布时，所述耦入光栅结构的不同部位的多个光栅参数中至少有一个光栅参数不同；

所述多个光栅参数包括：光栅倾斜角、光栅深度、光栅占空比。

较佳地，所述耦入光栅结构的不同部位的一个光栅参数不同，其他光栅参数相同。

较佳地，所述耦入光栅结构的不同部位的一个光栅参数不同，其他光栅参数相同具体为：

所述耦入光栅结构的不同部位的光栅占空比不同，其他光栅参数相同；

或者，所述耦入光栅结构的不同部位的光栅倾斜角不同，其他光栅参数相同；

或者，所述耦入光栅结构的不同部位的光栅深度不同，其他光栅参数相同。

较佳地，所述不同部位沿着所述耦入光栅结构的光栅方向分布。

较佳地，沿着所述光栅方向越靠近耦出光栅结构，所述耦入光栅结构的光栅占空比越大；

其中，所述耦出光栅结构被配置为能够将图像光束耦出波导基底。

较佳地，所述不同部位沿光栅深度方向分布时，所述耦入光栅结构的不同部位的光栅占空比不同。

较佳地，所述光栅深度越深，所述耦入光栅结构的光栅占空比越大。

根据本实用新型的第二方面，提供一种增强现实设备，其包括：上述任一项所述的耦入光栅结构。

根据本实用新型的第三方面，提供一种增强现实设备，其包括：上述任一项所述的耦入光栅结构，或上述所述的衍射光波导。

本实用新型提供的耦入光栅结构及衍射光波导、增强现实设备，通过沿波导基底的表面分布或沿光栅深度方向对耦入光栅结构进行不同设置，不仅能够提高其衍射效率，而且还能有效增大其FOV带宽，有效提高FOV均匀性。

本实用新型的一可选方案中，多个区域沿光入射面分布时，不同区域的耦入光栅的多个光栅参数中至少有一个光栅参数不同，多个光栅参数包括：光栅倾斜角、光栅深度、光栅占空比；比常规的矩形结构的衍射效率高，且比两侧壁平行的斜齿结构的FOV带宽宽，FOV均匀性好，另外，该光栅结构简单，比两侧壁不平行光栅的制作工艺难度低。

本实用新型的一可选方案中，耦入光栅为倾斜光栅，且耦入光栅结构的多个区域沿光栅深度方向分布时，不同区域的耦入光栅的光栅占空比不同，即光栅的两侧壁不平行，比常规的矩形结构的衍射效率高，且比两侧壁平行的斜齿结构的FOV带宽宽，FOV均匀性好。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的一实施例的耦入光栅结构的示意图；

图2为本实用新型的一实施例的耦入光栅结构与现有理想倾斜光栅的衍射效率随FOV变化的比较示意图；

图3为本实用新型的另一实施例的耦入光栅结构的示意图；

图4本实用新型的另一实施例的耦入光栅结构的示意图；

图5为本实用新型的另一实施例的耦入光栅结构的示意图；

附图标记说明：

1-耦入光栅结构，

11-第一区域，

12-第二区域，

13-第三区域；

2-耦出光栅结构，

3-波导基底。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型说明书的描述中，需要理解的是，术语“上部”、“下部”、“上端”、“下端”、“下表面”、“上表面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型说明书的描述中，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。

在本实用新型的描述中，“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。

在本实用新型说明书的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个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。

可以理解，增强现实显示系统中来自投影仪的虚拟内容的图像光束被耦合进入光波导后才能为后续所用，所以用于将图像光束耦入光波导的耦入结构需要尽量高的耦入效率。以衍射光波导系统为例，耦入结构设置为耦入光栅，所以要求耦入光栅的耦入级次的衍射效率尽可能高。当前主流的能够实现高效耦入的光栅结构为斜齿结构，其较常规的矩形光栅结构具更高的耦入效率，但是其FOV带宽不够理想，而且FOV均匀性不佳。

有鉴于此，本实用新型实施例中提出一种新型的耦入光栅结构，该耦入光栅结构的不同部位的光栅参数不同，该不同部位沿光栅深度方向分布。

具体地，耦入光栅结构的光栅参数不同部位沿光栅深度方向分布时，耦入光栅结构的不同部位的光栅占空比不同。

可实施地，图1示出了一种光栅占空比随光栅深度的变化的光栅结构。该光栅结构的光栅周期d，光栅上表面宽度为f_top，下表面宽度为f_bottom，上表面的占空比为f_top/d，下表面的占空比为f_bottom/d，左侧倾斜角为θ_left，右侧倾斜角为θ_right。该图中，光栅深度越深，耦入光栅结构的光栅占空比越大，即光栅结构的两侧壁不平行，为上窄下宽的倾斜光栅。

图2中给出了本实施例的上窄下宽的倾斜光栅(实线)与现有的理想倾斜光栅(虚线)的衍射效率随FOV变化的对比图，从图2中可以看出，上窄下宽的倾斜光栅与理想倾斜光栅的平均衍射效率相当，但是，上窄下宽的倾斜光栅FOV均匀性更好，其可以将FOV均匀性(min./max.)从38％提高至69％。

其中，光栅占空比随光栅深度的变化也可以是光栅深度越深光栅占空比越小，或者先变大后变小，或者先变小后变大等。光栅占空比的变化也可以为非连续的，例如阶梯型变化等。只要能使得衍射效率满足光波导性能需求，且能够优化FOV带宽和均匀性的光栅结构都包含在本实用新型所限定的范围内。

本实用新型实施例中，耦入光栅结构不同的参数设置沿光栅深度方向分布时，不同部位的耦入光栅的光栅占空比或折射率不同。按照该可选方式设置的光栅相较于常规直齿光栅耦入衍射级次的衍射效率更高；相较于常规倾斜光栅，耦入衍射级次的衍射效率相当，但按照本方式设置的光栅具有更宽的FOV带宽，而且FOV均匀性更好。

可以理解，沿光栅深度方向变化光栅占空比的倾斜光栅在工艺制备上可实现，但有一定的难度。有鉴于此，本实用新型实施例中提出另一种新型的耦入光栅结构，该耦入光栅结构的不同部位的光栅参数不同，该不同部位沿波导基底的表面分布。

具体地，耦入光栅结构的光栅参数不同部位沿波导基底的表面分布时，即为波导表面上不同区域内的光栅结构的多个光栅参数中至少一个光栅参数不同；多个光栅参数包括：光栅倾斜角、光栅深度、光栅占空比、折射率等。

一实施例中，耦入光栅结构的不同部位的一个光栅参数不同，其他光栅参数相同。可选地，耦入光栅结构的不同部位的光栅占空比不同，其他光栅参数相同；或者，耦入光栅结构的不同部位的光栅倾斜角不同，其他光栅参数相同；或者，耦入光栅结构的不同部位的光栅深度不同，其他光栅参数相同；或者，耦入光栅结构的不同部位的折射率不同，其他光栅参数相同。

可实施地，耦入光栅结构1的不同部位的一个光栅参数不同，其他光栅参数相同具体为：不同部位的光栅结构的光栅倾斜角、光栅深度、折射率相同，光栅占空比不同。参考图3，耦入光栅结构1划分为三个部位：第一部位11、第二部位12、第三部位13，三个部位的光栅占空比不同。

优选地，光栅占空比的变化范围可以为图1实施例中的上窄下宽的倾斜光栅的上表面占空比(f_top/d)到下表面的占空比为(f_bottom/d)。此时，该光栅占空比沿波导基底表面分布的光栅结构的性能与该上窄下宽的倾斜光栅(上表面占空比：f_top/d，下表面的占空比：f_bottom/d)的性能相当。

可实施地，耦入光栅结构1的不同部位的一个光栅参数不同，其他光栅参数相同具体为：不同部位的光栅结构的光栅深度、光栅占空比和折射率相同，光栅倾斜角不同。参考图4，耦入光栅结构1划分为三个部位：第一部位21、第二部位22、第三部位23，三个部位的光栅倾斜角不同。

较佳地，光栅倾斜角的变化范围可以为图1实施例中的上窄下宽的光栅的右侧倾斜角(θ_right)到左侧倾斜角(θ_left)，该光栅倾斜角沿波导基底表面分布的光栅结构的性能与该上窄下宽的倾斜光栅(右侧倾斜角：θ_right，到左侧倾斜角：θ_left)的性能相当。

可实施地，耦入光栅结构1的不同部位的一个光栅参数不同，其他光栅参数相同具体为：不同部位的光栅结构的光栅倾斜角、光栅占空比和折射率相同，光栅深度不同；参考图5，耦入光栅结构1划分为三个部位：第一部位31、第二部位32、第三部位33，三个部位的光栅深度不同。

可实施地，耦入光栅结构1的不同部位的一个光栅参数不同，其他光栅参数相同具体为：不同部位的光栅结构的光栅倾斜角、光栅占空比和光栅深度相同，折射率不同。

需要说明的是，图3-5中以分为三个部位为例进行说明，但不以此为限，不同实施例中可以有更多或更少的部位；而且光栅参数的变化趋势仅为举例说明，但不以此为限，不同实施例中可以光栅参数可以有其他的变化趋势。

本实用新型提出的不同部位沿波导基底的表面分布的新型耦入光栅结构，可以为两侧壁平行的光栅结构，相对于光栅深度方向变化光栅占空比的倾斜光栅结构，降低了制作工艺难度。而且不同部位沿波导基底的表面分布的新型耦入光栅结构的能够通过参数调制达到与光栅深度方向变化光栅占空比的倾斜光栅结构的性能相当的水平，包括衍射效率、FOV带宽及FOV均匀性。

需要说明的是，不同部位的光栅结构的参数的变化趋势可以为一次变化(即逐渐变大或逐渐变小)，也可以为多次变化(比如，先变大再变小，先变小再变大，先变小再变大再变小等)，可以根据实际需要进行不同的设置。

一实施例中，耦入光栅结构的光栅参数不同的部位沿着耦入光栅结构的光栅方向分布。可选地，沿着光栅方向越靠近耦出光栅结构，耦入光栅结构的光栅占空比越大；或者，耦入光栅结构的光栅深度越深；或者，耦入光栅结构的光栅倾斜角越大；或者，耦入光栅结构的折射率越大。

其中，耦出光栅结构被配置为能够将图像光束耦出波导基底。耦入光栅结构的光栅方向为垂直于耦入光栅结构光栅线的方向。

如图3-4所示，耦入光栅结构1的光栅方向为耦入光栅结构1指向耦出光栅结构2的方向，为耦入光栅结构光栅参数不同部位的排布方向。此外，排布方向还可以其他方向或包括更多数量的方向，比如类棋盘格的排布形式。

另外，本实用新型实施例中提出的光栅参数不同的部位沿波导基底的表面分布时，各个部位沿分布方向上的尺寸可以相同或者不同。

本实用新型实施例中，耦入光栅结构不同的参数设置沿光入射面分布时，可设置的光栅参数自由度高包括：光栅倾斜角、光栅深度、光栅占空比、折射率等。按照该可选方式设置的光栅相较于常规直齿光栅耦入衍射级次的衍射效率更高；相较于常规倾斜光栅，耦入衍射级次的衍射效率相当，但按照本方式设置的光栅具有更宽的FOV带宽，而且FOV均匀性更好。

一实施例中，还提供一种衍射光波导，其包括：上述任一实施例所述的耦入光栅结构1，还包括：耦出光栅结构2、波导基底3，请参考图3-5。耦入光栅结构1、耦出光栅结构2分别设置在波导基底3的不同部位，耦入光栅结构1被配置为能够将图像光束耦入波导基底内，耦出光栅结构2被配置为能够将波导基底内传输的图像光束耦出。

一实施例中，还提供一种增强现实设备，其包括：上述任一实施例所述的耦入光栅结构，或包括上式任一实施例所述的耦入光栅结构的衍射光波导。

一实施例中，增强现实设备还可以包括：设备主体以及光机。其中，设备主体用于承载衍射光波导以及光机；光机用于投射图像光束。

一实施例中，设备主体可以被实施为眼镜架，其中眼镜架包括横梁部和镜腿部，并且镜腿部从横梁部的左右两侧中的至少一侧向后延伸，其中衍射光波导被对应地设置于横梁部。

一实施例中，设备主体也可以被实施为挡风玻璃，衍射光波导被对应地设置于挡风玻璃的内侧，使得经由光机投射的图像光束在经由衍射光波导的传输后，投射至挡风玻璃以形成虚像。

在本说明书的描述中，参考术语“一种实施方式”、“一种实施例”、“具体实施过程”、“一种举例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种耦入光栅结构，其特征在于，其被配置为能够将图像光束耦入波导基底内；

所述耦入光栅结构的不同部位的光栅参数不同；

2.根据权利要求1所述的耦入光栅结构，其特征在于，所述不同部位沿所述波导基底的表面分布时，所述耦入光栅结构的不同部位的多个光栅参数中至少有一个光栅参数不同；

所述多个光栅参数包括：光栅倾斜角、光栅深度、光栅占空比、折射率。

3.根据权利要求2所述的耦入光栅结构，其特征在于，所述耦入光栅结构的不同部位的一个光栅参数不同，其他光栅参数相同。

4.根据权利要求3所述的耦入光栅结构，其特征在于，所述耦入光栅结构的不同部位的一个光栅参数不同，其他光栅参数相同具体为：

或者，所述耦入光栅结构的不同部位的光栅深度不同，其他光栅参数相同；

或者，所述耦入光栅结构的不同部位的折射率不同，其他光栅参数相同。

5.根据权利要求1所述的耦入光栅结构，其特征在于，所述不同部位沿着所述耦入光栅结构的光栅方向分布。

6.根据权利要求5所述的耦入光栅结构，其特征在于，沿着所述光栅方向越靠近耦出光栅结构，所述耦入光栅结构的光栅占空比越大；

7.根据权利要求1所述的耦入光栅结构，其特征在于，所述不同部位沿光栅深度方向分布时，所述耦入光栅结构的不同部位的光栅占空比不同。

8.根据权利要求7所述的耦入光栅结构，其特征在于，所述光栅深度越深，所述耦入光栅结构的光栅占空比越大。

9.一种衍射光波导，其特征在于，包括：如权利要求1至8任一项所述的耦入光栅结构。

10.一种增强现实设备，其特征在于，包括：如权利要求1至8任一项所述的耦入光栅结构，或如权利要求9所述的衍射光波导。