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CN111240015B - 双侧对射出光均匀的衍射波导 - Google Patents

双侧对射出光均匀的衍射波导 Download PDF

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CN111240015B CN202010055477.5A CN202010055477A CN111240015B CN 111240015 B CN111240015 B CN 111240015B CN 202010055477 A CN202010055477 A CN 202010055477A CN 111240015 B CN111240015 B CN 111240015B
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Abstract

本发明公开了一种双侧对射出光均匀的衍射波导，包括：入射光栅，第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅、第四转折光栅和出射光栅均分布设置在波导基体上；入射光栅和出射光栅上下间隔设置在波导基体的中间部位；入射光栅的两侧分别间隔设置第一转折光栅和第二转折光栅；出射光栅的两侧分别间隔设置第三转折光栅和第四转折光栅。通过在入射光栅和出射光栅两侧分别设置四块转折光栅，能同时利用入射光栅+1级和‑1级的衍射光，提升光传输效率并利用两级衍射效率互补提升图像均匀性；并且，由于光束分别经两块转折光栅由两侧进入出射光栅，横穿出射光栅的光强度衰减被抵消，直接提升出光均匀性，最终提升了衍射波导的显示效果。

Description

双侧对射出光均匀的衍射波导
技术领域
本发明涉及近眼显示器件领域，尤其涉及一种双侧对射出光均匀的衍射波导。
背景技术
近眼显示器件作为增强现实技术最关键的硬件之一近年快速发展。市面上已出现多款基于不同光学原理的近眼显示器件。这其中，基于衍射波导的近眼显示器件具有质量轻，透明度高，可提升空间大等有点近些年受到广泛关注。
用于近眼显示的衍射光波导主要是利用透明波导上的光栅衍射原理实现对光的转向，从而将波导角落处由微投影仪器或者微显示屏幕产生的虚拟光传递至人眼正前方。虚拟光与直接透过波导片的现实世界的光相结合并同时入射进人眼，最终实现增强现实效果。
目前，常用的几种结构衍射波导中，无论是设有一个转折光栅，还是设有两个光栅，来自入射光栅或者转折光栅的光都是从一侧进入出射光栅。如：图3所示的是一种含有两个转折光栅的二维扩瞳衍射波导，这种方案虽能同时利用了入射光栅两侧±1级的衍射光，提升光栅的效率，使得衍射光在各个角度上的效率互补提升虚拟图像的均匀性，但来自入射光栅经转折光栅的光都是从一侧进入出射光栅。这样存在的问题是：由于光束在横向穿过出射光栅时不断将部分光耦合出衍射波导，穿过出射光栅的光束的强度不断降低，使得出射光栅的光强度也逐渐降低，最终导致衍射波导呈现效率一侧高一侧低，出光不均匀。
发明内容
基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种双侧对射出光均匀的衍射波导，能解决现有的衍射波导，因来自入射光栅或者转折光栅的光都是从一侧进入出射光栅，存在衍射波导的效率一侧高一侧低，出光不均匀的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供一种双侧对射出光均匀的衍射波导，包括：
波导基体、入射光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅、第四转折光栅和出射光栅；其中，
所述入射光栅，第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅、第四转折光栅和出射光栅均分布设置在所述波导基体上；
所述入射光栅和出射光栅上下间隔设置在所述波导基体的中间部位；
所述入射光栅的两侧分别间隔设置所述第一转折光栅和第二转折光栅；
所述出射光栅的两侧分别间隔设置所述第三转折光栅和第四转折光栅。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的双侧对射出光均匀的衍射波导，其有益效果为：
通过在波导基体的中间部位设置上下间隔的入射光栅和出射光栅，在入射光栅和出射光栅的两侧分别设置第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅、第四转折光栅四块转折光栅，具备了双转折衍射波导的优点，能同时利用入射光栅+1级和-1级的衍射光，提升光的传输效率并利用两级衍射效率互补提升图像均匀性；并且，由于光束分别经过两块转折光栅由两侧进入出射光栅，横穿出射光栅的光的强度衰减被抵消，直接提升了出光均匀性，最终提升了衍射波导的显示效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为现有技术提供的两个转折光栅的衍射波导的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的双侧对射出光均匀的衍射波导的示意图；
图3为本发明实施例一提供的双侧对射出光均匀的衍射波导的示意图；
图4为本发明实施例二提供的双侧对射出光均匀的衍射波导的示意图；
图5为本发明实施例三提供的双侧对射出光均匀的衍射波导的示意图；
图1中各标记对应的部件为：300-二维扩瞳双转折衍射光波导；301-波导；302-入射光栅；303-转折光栅一；304-转折光栅二；305-出射光栅；306-来自微投影或微显示屏的入射光；307-经过双转折衍射波导二维扩瞳后的出射光；
图2至图5中各标记对应的部件为：200-四转折双侧对射衍射光波导；201-波导基体；202-入射光栅；203-第一转折光栅；204-第二转折光栅；205-第三转折光栅；206-第四转折光栅；207-出射光栅；208-入射光。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图2、3所示，本发明实施例提供一种双侧对射出光均匀的衍射波导，是一种设有四块转折光栅的衍射波导，实现将来自虚拟图像的光由出射光栅的双侧入射，能提升衍射光栅传输效率以及出射均匀性，包括：
波导基体、入射光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅、第四转折光栅和出射光栅；
所述入射光栅，第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅、第四转折光栅和出射光栅均分布设置在所述波导基体上；
所述入射光栅和出射光栅上下间隔设置在所述波导基体的中间部位；
所述入射光栅的两侧分别间隔设置所述第一转折光栅和第二转折光栅；
所述出射光栅的两侧分别间隔设置所述第三转折光栅和第四转折光栅。
上述衍射波导中，入射光栅的沟槽方向(该沟槽方向是指光栅表面的光栅沟槽方向)与所述出射光栅的沟槽方向相互平行，均为竖直方向。
上述衍射波导中，入射光栅两侧的第一转折光栅的沟槽方向与第二转折光栅的沟槽方向均与该入射光栅的沟槽方向呈45°夹角，所述第一转折光栅的沟槽方向与所述第二转折光栅的沟槽方向相互垂直；
所述出射光栅两侧的第三转折光栅的沟槽方向和第四转折光栅的沟槽方向均与该出射光栅的沟槽方向呈45°夹角，所述第三转折光栅的沟槽方向与所述第四转折光栅的沟槽方向相互垂直；
所述第一转折光栅的沟槽方向与所述第四转折光栅的沟槽方向相互平行；
所述第二转折光栅的沟槽方向与所述第三转折光栅的沟槽方向相互平行。
上述衍射波导中，所述入射光栅的周期dI、第一转折光栅的周期dT1、第二转折光栅的周期dT2、第三转折光栅的周期dT3、第三转折光栅的周期dT4和出射光栅的周期dO满足以下关系：
Figure GDA0002772107050000031
上述衍射波导中，入射光栅两侧的第一转折光栅和第二转折光栅的光栅区域的高度均大于该入射光栅的高度；
所述出射光栅两侧的第三转折光栅和第四转折光栅的光栅区域的高度均大于等于该出射光栅的高度。
上述衍射波导中，第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅、第四转折光栅的光栅区域形状为正方形、矩形、梯形和四边形中的任一种。
上述衍射波导中，入射光栅和出射光栅为对称结构的光栅；
所述入射光栅采用矩形光栅、梯形光栅、全息光栅中的任一种；
所述出射光栅采用矩形光栅、梯形光栅、全息光栅中的任一种。
优选的，入射光栅采用镀膜光栅，能提高光栅效率。
上述衍射波导中，第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅和第四转折光栅均采用矩形光栅、梯形光栅、全息光栅、倾斜光栅、闪耀光栅中的任一种。
下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。
实施例一
本发明提供一种出光均匀且光利用效率高的衍射波导，利用四块转折光栅从出射光栅的两侧将光导入出射光栅，通过双侧对射消除出射光强度两侧不均匀导致出光不均匀的问题，不仅具有传统双转折光栅利用±1级的衍射光提供较高光传输效率的优点，也具有高出光均匀性的优点，极大提升衍射波导的成像效果。
具体的光栅布局和光束在衍射波导200中的传输如图2、3所示，该衍射光波导由波导基体201、一块入射光栅202，四块转折光栅(第一转折光栅203、第二转折光栅204、第三转折光栅205、第四转折光栅206)和一块出射光栅207构成；其中，入射光栅202设在波导基体201中间部位的上部，入射光栅202两侧分别间隔设置第一转折光栅203和第二转折光栅204，出射光栅207设在波导基体201中间部位的下部，处于入射光栅202下方，出射光栅207的两侧分别间隔设置第三转折光栅205和第四转折光栅206。
上述衍射波导应用时，当来自微显示屏或微投影的光束打在入射光栅202上时，由于光栅的衍射特性，光束发生衍射并且被分光。+1级和-1级的衍射光分别传向入射光栅202左右两侧的两块转折光栅(即第一转折光栅203和第二转折光栅204)；随后光束被两块转折光栅转向，朝着出射光栅207两侧的两块转折光栅(即第三转折光栅205和第四转折光栅206)传输；光束到达出射光栅207两侧的两块转折光栅后被再一次转向并传输至出射光栅207，最终扩展后的光束由出射光栅207耦出波导；人眼位于出射光栅207正前方，所以微投影或者微显示器产生的光会经过衍射波导进入人眼；由于衍射波导整个是透明的，来自真实世界的光直接穿过衍射波导进入人眼，最终实现了虚拟图像和真实图像的重合。
由于光的衍射方向是由光栅周期、光的波长以及波导折射率共同决定的。所以设计衍射波导时需要根据波长还有波导折射率决定光栅的周期。另外，为了保证由微投影或者微显示屏产生的图像经过衍射波导后能在人眼中成像，入射光栅的周期dI、第一转折光栅的周期dT1、第二转折光栅的周期dT2、第三转折光栅的周期dT3、第三转折光栅的周期dT4和出射光栅的周期dO满足以下关系：
Figure GDA0002772107050000051
光栅的方向也会影响到光束的传输方向，入射光栅202和出射光栅207的沟槽方向平行；入射光栅两侧的第一转折光栅203与第二转折光栅204的沟槽方向正交且都与入射光栅的沟槽方向呈45°夹角；第三转折光栅205的沟槽方向平行于第二转折光栅204的沟槽方向，第四转折光栅206的沟槽方向平行于第一转折光栅203的沟槽方向。
优选的，上述衍射波导中，光栅的形貌(高度、占空比等)，可根据具体生产工艺以及需求进行设计和优化优化，以保证光栅的衍射效率并最终影响到成像效果，本申请没有特别的限制。
本发明衍射波导至少具有以下有益效果：通过设置四块转折光栅，并分布设置于入射光栅和出射光栅两侧，使得该衍射波导具有双转折衍射波导可以同时利用入射光栅+1级和-1级的衍射光的优点，提升光的传输效率并利用两级衍射效率互补提升图像均匀性；而且，由于光束分别经过两块转折光栅由两侧进入出射光栅，横穿出射光栅的光的强度衰减被抵消，直接提升了出光均匀性，最终提升了衍射波导的显示效果。
实施例二
本实施例提供的衍射波导的构成和各光栅的布局与实施例一的基本相同，不同的是第三转折光栅和第四转折光栅虽采用矩形光栅，但其宽度均小于对应的第一转折光栅和第二转折光栅。
实施例三
本实施例提供的衍射波导的构成和各光栅的布局与实施例一的基本相同，不同的是第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅和第四转折光栅均采用梯形光栅，而且，第三转折光栅与第一转折光栅的相邻边的宽度大于第一转折光栅的宽度，第四转折光栅与第二转折光栅的相邻边的宽度大于第二转折光栅的宽度。
上述实施例的设有四块转折光栅布局的衍射波导，可以在利用±1级衍射的同时实现双侧导光进入出射光栅，极大提升了光传输效率和出光均匀性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种双侧对射出光均匀的衍射波导，其特征在于，包括：
波导基体、入射光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅、第四转折光栅和出射光栅；其中，
所述入射光栅，第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅、第四转折光栅和出射光栅均分布设置在所述波导基体上；
所述入射光栅和出射光栅上下间隔设置在所述波导基体的中间部位；
所述入射光栅的左侧间隔设置所述第一转折光栅，所述入射光栅的右侧间隔设置所述第二转折光栅；
所述出射光栅的左侧间隔设置所述第三转折光栅，所述出射光栅的右侧间隔设置所述第四转折光栅；
所述入射光栅两侧的第一转折光栅和第二转折光栅的光栅区域的高度均大于该入射光栅的高度；
所述出射光栅两侧的第三转折光栅和第四转折光栅的光栅区域的高度均大于等于该出射光栅的高度；
当来自微显示屏或微投影的光束打在所述入射光栅上时，由光栅的衍射特性，光束发生衍射并且被分光，+1级和-1级的衍射光分别传向所述入射光栅左右两侧的所述第一转折光栅和所述第二转折光栅；随后光束被所述第一转折光栅和所述第二转折光栅转向，朝着所述出射光栅两侧的所述第三转折光栅和所述第四转折光栅传输；光束到达所述出射光栅两侧的所述第三转折光栅和所述第四转折光栅传输后被再一次转向并传输至所述出射光栅，最终扩展后的光束由所述出射光栅耦出波导。
2.根据权利要求1所述的双侧对射出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述入射光栅的沟槽方向与所述出射光栅的沟槽方向相互平行，均为竖直方向。
3.根据权利要求1或2所述的双侧对射出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述入射光栅两侧的第一转折光栅的沟槽方向与第二转折光栅的沟槽方向均与该入射光栅的沟槽方向呈45°夹角，所述第一转折光栅的沟槽方向与所述第二转折光栅的沟槽方向相互垂直；
所述出射光栅两侧的第三转折光栅的沟槽方向和第四转折光栅的沟槽方向均与该出射光栅的沟槽方向呈45°夹角，所述第三转折光栅的沟槽方向与所述第四转折光栅的沟槽方向相互垂直；
所述第一转折光栅的沟槽方向与所述第四转折光栅的沟槽方向相互平行；
所述第二转折光栅的沟槽方向与所述第三转折光栅的沟槽方向相互平行。
4.根据权利要求1或2所述的双侧对射出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述入射光栅的周期dI、第一转折光栅的周期dT1、第二转折光栅的周期dT2、第三转折光栅的周期dT3、第三转折光栅的周期dT4和出射光栅的周期dO满足以下关系：
Figure FDA0002772107040000021
5.根据权利要求1或2所述的双侧对射出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅、第四转折光栅的光栅区域形状为四边形。
6.根据权利要求1所述的双侧对射出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述入射光栅和出射光栅为对称结构的光栅；
所述入射光栅采用矩形光栅、梯形光栅、全息光栅中的任一种；
所述出射光栅采用矩形光栅、梯形光栅、全息光栅中的任一种。
7.根据权利要求1或6所述的双侧对射出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述入射光栅采用镀膜光栅；
8.根据权利要求1或2所述的双侧对射出光均匀的衍射波导，其特征在于，所述第一转折光栅、第二转折光栅、第三转折光栅和第四转折光栅均采用矩形光栅、梯形光栅、全息光栅、倾斜光栅、闪耀光栅中的任一种。
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