CN112630883A - 光波导结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光波导结构。光波导结构包括：光波导片；多个耦入光栅，耦入光栅设置在光波导片上，且耦入光栅将外部图像源发出的光耦入到光波导片内；转折光栅，转折光栅用于接收耦入光栅的光，多个耦入光栅绕转折光栅的周向间隔设置；耦出光栅，耦出光栅用于接收转折光栅的光；探测器，探测器为多个，多个探测器分别位于多个耦入光栅远离转折光栅的一侧，以用于接收耦入光栅中未进入转折光栅内的光。本发明解决了现有技术中的光波导结构存在难以实现实时检测的问题。

Description

光波导结构

技术领域

本发明涉及衍射光学设备技术领域，具体而言，涉及一种光波导结构。

背景技术

随着对未来科技的不断创新，虚拟现实(VR)，增强现实(AR)，混合现实(MR)已经逐步进入工业、教育等行业，其中在AR增强现实方面，光波导技术是不可缺少的一部分，为了显示效果更加优异，出现了各种复杂设计的拼接方案，但目前对光机的图像进行实时检测是一大难题，一旦光机图像出了拼接偏差，会极大影响用户体验。

也就是说，现有技术中的光波导结构存在难以实现实时检测的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光波导结构，以解决现有技术中的光波导结构存在难以实现实时检测的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光波导结构，包括：光波导片；多个耦入光栅，耦入光栅设置在光波导片上，且耦入光栅将外部图像源发出的光耦入到光波导片内；转折光栅，转折光栅用于接收耦入光栅的光，多个耦入光栅绕转折光栅的周向间隔设置；耦出光栅，耦出光栅用于接收转折光栅的光；探测器，探测器为多个，多个探测器分别位于多个耦入光栅远离转折光栅的一侧，以用于接收耦入光栅中未进入转折光栅内的光。

进一步地，探测器与光波导片间隔设置，光波导结构还包括多个狭缝光栅，狭缝光栅设置在光波导片上，狭缝光栅与探测器一一对应设置，狭缝光栅位于探测器的入光方向上。

进一步地，探测器位于光波导片的入光侧。

进一步地，探测器设置在光波导片上且两个探测器分别位于光波导片相对的两个侧面上。

进一步地，耦入光栅、转折光栅和耦出光栅均位于光波导片的同一侧面上；或者耦入光栅和转折光栅位于光波导片的同一侧面上，耦出光栅与转折光栅位于光波导片相对的两个侧面上。

进一步地，耦出光栅与转折光栅位于光波导片相对的两个侧面上时，转折光栅是二维光栅，耦出光栅是一维光栅。

进一步地，耦入光栅是衍射光栅。

进一步地，衍射光栅的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。

进一步地，光波导片的材质为玻璃；和/或光波导片的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米；和/或耦出光栅为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅中的一种；和/或探测器是CMOS探测器。

进一步地，耦入光栅为两个，两个耦入光栅分别位于转折光栅相对的两侧，耦入光栅的中心和转折光栅的中心的连线与耦出光栅的中心和转折光栅的中心的连线垂直，耦出光栅将光耦出光波导片。

应用本发明的技术方案，光波导结构包括光波导片、多个耦入光栅、转折光栅、耦出光栅和探测器，耦入光栅设置在光波导片上，且耦入光栅将外部图像源发出的光耦入到光波导片内；转折光栅用于接收耦入光栅的光，多个耦入光栅绕转折光栅的周向间隔设置；耦出光栅用于接收转折光栅的光；探测器为多个，多个探测器分别位于多个耦入光栅远离转折光栅的一侧，以用于接收耦入光栅中未进入转折光栅内的光。

通过将耦入光栅设置在光波导片上，使得外部图像源发出的光能够大部分耦入光波导片内，保证了光波导片的耦入效率。多个耦入光栅的设置能够从两个方向将外部图像源发出的光耦入到光波导片内，有利于提高光波导结构的输出效率。转折光栅位于耦入光栅的一侧，这样设置使得耦入光栅的光能够大部分射入转折光栅用于转折光栅对光的放大，保证了转折光栅能够稳定工作。将多个探测器设置在多个耦入光栅远离转折光栅的一侧，使得探测器利用未被耦入到转折光栅中的光，通过分析探测器接收到的光强信号的位置、强弱与原设定的标准值对比来判断多个外部图像源的图像是否同步、是否产生偏移。一旦发现异常便可实时通过对外部图像源的位置调整来校准成像，本申请提供了一种方便的校准方法来保证两个图像源输出图像的精准性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例一的光波导结构的结构示意图；以及

图2示出了本发明的实施例二的光波导结构的结构示意图；

图3示出了本发明的实施例三的光波导结构的结构示意图；

图4示出了图3中光波导片的正面结构示意图；

图5示出了图3中光波导片的反面结构示意图；

图6示出了图3中光在光波导片中的传播路径示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、光波导片；20、耦入光栅；30、转折光栅；40、耦出光栅；50、探测器；60、狭缝光栅。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中的光波导结构存在难以实现实时检测的问题，本发明提供了一种光波导结构。

如图1至图6所示，光波导结构包括光波导片10、多个耦入光栅20、转折光栅30、耦出光栅40和探测器50，耦入光栅20设置在光波导片10上，且耦入光栅20将外部图像源发出的光耦入到光波导片10内；转折光栅30用于接收耦入光栅20的光，多个耦入光栅20绕转折光栅30的周向间隔设置；耦出光栅40用于接收转折光栅30的光；探测器50为多个，多个探测器50分别位于多个耦入光栅20远离转折光栅30的一侧，以用于接收耦入光栅20中未进入转折光栅30内的光。

通过将耦入光栅20设置在光波导片10上，使得外部图像源发出的光能够大部分耦入光波导片10内，保证了光波导片10的耦入效率。多个耦入光栅20的设置能够从两个方向将外部图像源发出的光耦入到光波导片10内，有利于提高光波导结构的输出效率。转折光栅30位于耦入光栅20的一侧，这样设置使得耦入光栅20的光能够大部分射入转折光栅30用于转折光栅30对光的放大，保证了转折光栅30能够稳定工作。将多个探测器50设置在多个耦入光栅20远离转折光栅30的一侧，使得探测器50利用未被耦入到转折光栅30中的光，通过分析探测器50接收到的光强信号的位置、强弱与原设定的标准值对比来判断多个外部图像源的图像是否同步、是否产生偏移。通过对外部图像源的位置调整来校准成像，本申请提供了一种方便的校准方法来保证两个图像源输出图像的精准性。

需要说明的是，转折光栅30、耦出光栅40都设置在光波导片10上，以便于转折光栅30接收耦入光栅20的光，同时以便于耦出光栅40接收转折光栅30的光。耦入光栅20将光耦入到光波导片中，耦出光栅40将光波导片中的光耦出到外部环境中，转折光栅30将耦入光栅20处的光耦入到耦出光栅40处。

由于耦入光栅20耦入的光并不是全部都被耦入到转折光栅30中，因此在耦入光栅20远离转折光栅30的位置处设置探测器50能够接收耦入光栅20未用于成像的光，进而根据耦入光栅20中未用于成像的光来对多个外部图像源的图像是否同步、是否产生偏移来进行检测，并且不会影响光波导结构的成像。

需要说明的是，上述转折光栅30与耦出光栅40可分别设计，也可设计为一体。随着光在光波导片10内传播，光波导片10将接收到的光至少扩展为一维，使得光至少朝向一个方向传播。上述探测器50用于检测光波导片10内部的光场强度，该强度影响最终进入人视野的图像质量。在此基础上可设定一个光场强度的标准参考量，若检测到光场强度低于参考量时可及时在光源处提高能量增强进入光波导片10内的光场强度；若检测值高于参考量，调整光源降低强度。这样能够对光波导片10内部光场进行实时检测并根据检测结果及时补偿调整，保证了光波导片10的成像质量。

通过多个探测器50对未用于成像的光的探测，分析多个探测器50上的光强信号的位置、强弱来判断哪个位置的光栅工作异常，以通过对图像源的调整来预补偿该缺陷产生的图像影响，以保证成像质量。

实施例一

如图1所示，探测器50与光波导片10间隔设置，光波导结构还包括多个狭缝光栅60，狭缝光栅60设置在光波导片10上，狭缝光栅60与探测器50一一对应设置，狭缝光栅60位于探测器50的入光方向上。狭缝光栅60设置在光波导片10上，狭缝光栅60与探测器50一一对应设置，狭缝光栅60位于探测器50的入光方向上，这样设置使得耦入光栅20中未进入转折光栅30内的光能够大部分射入狭缝光栅60并从狭缝光栅60耦出至一一对应的探测器50，方便探测器50对光波导片10内部光场进行实时检测并根据检测结果及时补偿调整，保证了光波导片10的成像质量。

具体的，探测器50位于光波导片10的入光侧。由于狭缝光栅60与耦入光栅20在光波导片10的同一侧表面上，进而狭缝光栅60耦出的光能够射向光波导片10的入光侧，以保证探测器50稳定接收狭缝光栅60耦出的光。

在图1所示的具体实施例中，耦入光栅20、转折光栅30和耦出光栅40均位于光波导片10的同一侧面上。这样设置使得光波导结构的入光侧和出光侧位于光波导片10的同一侧，以便于光波导结构在小空间中的应用。

具体的，耦入光栅20是衍射光栅。耦入光栅20是衍射光栅，这样设置保证了外部图像源发出的光在衍射光栅内能够发生全反射，使得外部图像源发出的光能够大部分耦入光波导片10内，保证了耦入光栅20的耦入效率。

具体的，衍射光栅的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。将衍射光栅的周期限制在300纳米到600纳米的范围内，保证了外部图像源发出的光在衍射光栅内能够发生全反射，使得外部图像源发出的光能够大部分耦入光波导片10内，保证了耦入光栅20能够稳定工作。

另外，光波导片10的材质为玻璃。光波导片10的材质为玻璃，这样设置有利于光在光波导片10内部的传输，同时降低了光波导片10的生产成本。需要说明的是，上述玻璃为高折射率玻璃，这样能够有效增大光波导片10的视场角，提高光波导片10的成像质量。同样，可根据实际需求选择不同材质的光波导片10。

可选地，光波导片10的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米。若光波导片10的厚度小于400微米，使得光波导片10不易制作，增强了光波导片10的加工难度，同时使得光波导片10在使用过程中易发生折断，降低了光波导片10的结构强度。若光波导片10的厚度大于1毫米，使得光波导片10的厚度过大，不利于光波导片10的小型化。将光波导片10的厚度限制在400微米到1毫米的范围内，保证了光波导片10的小型化的同时保证了光波导片10的结构强度。

可选地，耦出光栅40为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅中的一种。耦出光栅40为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅中的一种，这样设置可以根据不同应用要求采用不同的光栅，光栅可将光场信息耦出，可以调节具体参数，从而调整耦出光场的均匀性以满足不同应用要求，保证了耦出光栅40能够将成像光耦出至人眼的同时增强了光波导片10的通用性。

需要说明的是，上述闪耀光栅为一种刻槽面与光栅法线不平行，即在两者之间存在一个小夹角，具有闪耀特性的光栅。锯齿型光栅为最理想的闪耀光栅，锯齿型光栅的横截面上为锯齿形的结构来进行衍射。上述倾斜光栅是一种光栅的平面与光栅切向呈一定倾角的光栅。上述矩形光栅是一种横截面上为矩形的结构来进行衍射的光栅。

具体的，探测器50是CMOS探测器。探测器50是CMOS探测器，这样设置保证CMOS探测器能够对光波导片10内的光场变化进行实时检测，从而检测光栅内结构是否正常，这样就可以及时补偿调整，保证了光波导片10的成像质量。

在图1所示的具体实施例中，耦入光栅20为两个，两个耦入光栅20分别位于转折光栅30相对的两侧，耦入光栅20的中心和转折光栅30的中心的连线与耦出光栅40的中心和转折光栅30的中心的连线垂直，耦出光栅40将光耦出光波导片10。耦出光栅40位于转折光栅30的一侧，耦入光栅20的中心和转折光栅30的中心的连线与耦出光栅40的中心和转折光栅30的中心的连线垂直，这样设置使得转折光栅30内的有效光能够大部分射入耦出光栅40用于耦出光栅40对光进行耦出，保证了光波导片10的耦出效率，进而保证了光波导片10的成像品质。两个耦入光栅20将两个外部图像源发出的光耦入到转折光栅30上，以增加光波导结构的耦出效率。

实施例二

与实施例一的区别是，探测器50的位置不同。

在图2所示的具体实施例中，探测器50设置在光波导片10上且两个探测器50分别位于光波导片10相对的两个侧面上。光波导片10上没有设置狭缝光栅60，探测器50设置在光波导片10上，这样设置使得光波导片10与探测器50一体成型，方便探测器50对耦入光栅20中未射向转折光栅30的光进行实时检测，同时缩小了光波导结构的体积，保证了光波导结构的小型化。

另外，将探测器50设置在光波导片10相对的两个侧面上，是使得两个探测器50能够分别接收两个耦入光栅20中未被耦入到转折光栅30中的光，以判断两个外部图像源的图像是否同步、是否产生偏移。

实施例三

与实施例二的区别是，转折光栅的结构不同。

如图3至图6，耦入光栅20和转折光栅30位于光波导片10的同一侧面上，耦出光栅40与转折光栅30位于光波导片10相对的两个侧面上。本实施例中的光波导结构适用于外部图像源与耦出的方向的场景中，本实施例中的光波导片10能够在较大的场景中使用。

在图3所示的具体实施例中，耦出光栅40与转折光栅30位于光波导片10相对的两个侧面上时，转折光栅30是二维光栅，耦出光栅40是一维光栅。这样设置在相同大小的光波导片10的结构下，转折光栅30和耦出光栅40的面积更大，光波导结构的耦出效率更高，大大增加了光波导结构的耦出效率。转折光栅30采用二维光栅，能够将转折光栅30所在一侧表面的光耦出到耦出光栅40中，大大增加了光波导结构的耦出效率。

在图6所示的具体实施例中，从一个耦入光栅20耦入到转折光栅30中的光的传递方向有两个，二维光栅具有高效的耦出效率。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

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方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光波导结构，其特征在于，包括：

光波导片(10)；

多个耦入光栅(20)，所述耦入光栅(20)设置在所述光波导片(10)上，且所述耦入光栅(20)将外部图像源发出的光耦入到所述光波导片(10)内；

转折光栅(30)，所述转折光栅(30)用于接收所述耦入光栅(20)的光，多个所述耦入光栅(20)绕所述转折光栅(30)的周向间隔设置；

耦出光栅(40)，所述耦出光栅(40)用于接收所述转折光栅(30)的光；

探测器(50)，所述探测器(50)为多个，多个所述探测器(50)分别位于多个所述耦入光栅(20)远离所述转折光栅(30)的一侧，以用于接收所述耦入光栅(20)中未进入所述转折光栅(30)内的光。

2.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述探测器(50)与所述光波导片(10)间隔设置，所述光波导结构还包括多个狭缝光栅(60)，所述狭缝光栅(60)设置在所述光波导片(10)上，所述狭缝光栅(60)与所述探测器(50)一一对应设置，所述狭缝光栅(60)位于所述探测器(50)的入光方向上。

3.根据权利要求2所述的光波导结构，其特征在于，所述探测器(50)位于所述光波导片(10)的入光侧。

4.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述探测器(50)设置在所述光波导片(10)上且两个所述探测器(50)分别位于所述光波导片(10)相对的两个侧面上。

5.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，

所述耦入光栅(20)、所述转折光栅(30)和所述耦出光栅(40)均位于所述光波导片(10)的同一侧面上；或者

所述耦入光栅(20)和所述转折光栅(30)位于所述光波导片(10)的同一侧面上，所述耦出光栅(40)与所述转折光栅(30)位于所述光波导片(10)相对的两个侧面上。

6.根据权利要求5所述的光波导结构，其特征在于，所述耦出光栅(40)与所述转折光栅(30)位于所述光波导片(10)相对的两个侧面上时，所述转折光栅(30)是二维光栅，所述耦出光栅(40)是一维光栅。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光波导结构，其特征在于，所述耦入光栅(20)是衍射光栅。

8.根据权利要求7所述的光波导结构，其特征在于，所述衍射光栅的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的光波导结构，其特征在于，

所述光波导片(10)的材质为玻璃；和/或

所述光波导片(10)的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米；

所述耦出光栅(40)为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅中的一种；和/或

所述探测器(50)是CMOS探测器(50)。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的光波导结构，其特征在于，所述耦入光栅(20)为两个，两个所述耦入光栅(20)分别位于所述转折光栅(30)相对的两侧，所述耦入光栅(20)的中心和所述转折光栅(30)的中心的连线与所述耦出光栅(40)的中心和所述转折光栅(30)的中心的连线垂直，所述耦出光栅(40)将所述光耦出所述光波导片(10)。

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