CN114137650A - 一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，包括光学引擎、波导、耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构，耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构均位于波导上，其中：耦入光栅，用于将光学引擎出射的光耦入波导；零级回收机构，与耦入光栅相对布设，用于将耦入光栅传输到波导内的零级光转换为与T+1级光或T‑1级光相互平行，T+1级光或T‑1级光和转换后的零级光均在波导内进行全反射传输，并通过出瞳扩展光栅进行扩展后经耦出光栅耦出。该装置可将耦入光栅的零级光回收并利用，以大幅提高光能利用率，从而提高整个衍射光波导显示***的亮度和成像质量。
Description
技术领域
本发明属于显示技术领域，具体涉及一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置。
背景技术
增强现实(AR)或混合现实(MR)显示***集成了光学引擎，应用了透明或者半透明的光波导来传输以及复制光学引擎所生成的图像并呈现给用户。因此，用户可以看到虚实结合的场景以让其具有可穿戴性、前庭以及视觉沉浸感和社交属性，可用于头盔显示(HMD)、平视显示(HUD)以及其它可穿戴眼镜设备中等。
显示***主要包含两部分，一是光学引擎，主要使用LCOS、MicroLED、DLP或MEMs等作为像源，经成像光学***后获得准直的偏振或者非偏振入射光(即像源)；二是基于光波导的图像扩展***，以将光学引擎输入的像源进行扩展，从而获得大尺寸高分辨率的图像。通过应用衍射光学元件，如表面浮雕光栅(SRG)或体全息光栅(VHG)，将像源以一定的角度耦入到光波导中，并基于全反射原理在波导内传输，之后进行二维出瞳扩展。通过时衍射光束的衍射角度θ1满足如下条件：
θ1≥sin-1(1/n) (1)
其中，n为波导的折射率。
耦入光栅满足条件(1)时，其周期p一般为波长或亚波长量级(200nm～500nm)，此时主要衍射级次一般为0级及±1级，且一般应用其+1级次(或者-1级次)作为耦入级次，在光波导内进行全反射传输并最终从耦出光栅区域耦出，而-1级与+1级具有严格的级次对称性，衍射效率和衍射角度(如二元矩形光栅)相同，但传输方向相反，0级衍射角度与光学引擎出射光束的角度一致，一般会直接从光波导的下表面耦出，因此，对于波长或亚波长量级的耦入光栅，仅+1级次得到有效利用，而0级和-1级次则没有被利用起来，如图1所示。特别是对于二元光栅，为保证不同视场角度下效率的均匀性，会降低平均效率，如图2所示，通常T+1级次的平均耦合效率约为10％(T-1级次的平均效率与T+1级次相同，图中T-1级次和T+1级次曲线重合)，T0级次的平均耦合效率约为80％。因此，对于从光学引擎进入到二元耦入光栅的光场，其利用率仅约为10％，T-1及T0级次共约90％的光能被浪费掉了，若将其回收利用，将会有效的提高衍射光波导显示***的耦合效率，增强整个耦出光场的亮度并提高成像质量。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，可将耦入光栅的零级光回收并利用，以大幅提高光能利用率，从而提高整个衍射光波导显示***的亮度和成像质量。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，包括光学引擎、波导、耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构，耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构均位于波导上，其中：
耦入光栅，用于将光学引擎出射的光耦入波导；
零级回收机构，与耦入光栅相对布设，用于将耦入光栅传输到波导内的零级光转换为与T+1级光或T-1级光相互平行，T+1级光或T-1级光和转换后的零级光均在波导内进行全反射传输，并通过出瞳扩展光栅进行扩展后经耦出光栅耦出。
优选地，耦入光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。
优选地，表面浮雕光栅为二元矩形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅和三角光栅其中一种。
优选地，零级回收机构为与耦入光栅具有相同周期的衍射光栅。
优选地，耦入光栅的周期为波长或亚波长量级，衍射光栅上镀有反射膜。
优选地，衍射光栅为倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、柱状光栅和超表面光栅其中一种。
优选地，零级回收机构包括开设于波导上的直角棱体槽和高反膜，高反膜贴附于直角棱体槽的斜面设置。
优选地，直角棱体槽的斜面与波导的板面之间的夹角β＝θ/2，其中，θ为耦入光栅耦入的T+1级光的衍射角度。
优选地，零级回收机构还包括直角棱镜，直角棱镜的斜面与高反膜贴合。
优选地，高反膜包括交替堆叠的Ta2O5膜层和SiO2膜层。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过应用零级回收机构，将耦入光栅的零级光回收并利用，以大幅提高光学引擎光能利用率，从而提高整个衍射光波导显示***的亮度和成像质量。
附图说明
图1为现有技术中的衍射光波导装置光路示意图；
图2为现有技术中入射角度和不同衍射级次的衍射效率关系图；
图3为本发明的衍射光波导装置第一视角结构示意图；
图4为本发明的衍射光波导装置第二视角结构示意图；
图5为本发明的衍射光波导装置第三视角结构示意图；
图6为本发明实施例一的光路示意图；
图7为本发明实施例一入射角度和R+1级次光的衍射效率关系图；
图8为本发明实施例二的光路示意图；
图9为本发明实施例二不同偏振光下入射角度与反射率的关系图。
附图标记说明：10、光学引擎；20、波导；30、耦入光栅；40、零级回收机构；50、出瞳扩展光栅；60、耦出光栅。
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。
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
实施例1：
如图3-7所示，一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，包括光学引擎、波导、耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构，耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构均位于波导上，其中：
耦入光栅，用于将光学引擎出射的光耦入波导；
零级回收机构，与耦入光栅相对布设，用于将耦入光栅传输到波导内的零级光转换为与T+1级光或T-1级光相互平行，T+1级光或T-1级光和转换后的零级光均在波导内进行全反射传输，并通过出瞳扩展光栅进行扩展后经耦出光栅耦出。
其中，光学引擎10出射的光可为偏振光，如P光、S光或圆偏振光，也可为非偏振光。本实施例中，波导20具有相对的第一板面和第二板面，耦入光栅30、出瞳扩展光栅50和耦出光栅60均位于波导20的第一板面，零级回收机构40位于波导20的第二板面，零级回收机构40与耦入光栅30相对布设。如图6所示，应用耦入光栅30的T+1级次光在波导20内进行全反射传输，反射至第一板面的光线记为L1，并通过使用零级回收机构40将耦入光栅30的T0级次光(即零级光)转换为R+1级次光后以特定的角度反射至波导20的第一板面，反射至第一板面的光线记为L1，特定的角度即保证光线L1与L0平行，然后在波导20内进行全反射传输，T+1级次光和R+1级次光最终通过出瞳扩展光栅50进行扩展后经耦出光栅60耦出。出瞳扩展光栅50可用于增大像源的视场角并减小波导20的尺寸，可直接用二维光栅来进行二维出瞳扩展或者使用两个出瞳扩展光栅对称的放置在耦入光栅两侧，并结合耦出光栅来实现二维出瞳扩展。通过应用零级回收机构，将耦入光栅的T0级光回收并利用，以大幅提高光学引擎光能利用率，从而提高整个衍射光波导显示***的亮度和成像质量。
容易理解的是，光学引擎10将出射的光形成准直的偏振或者非偏振入射光(即像源)为本领域技术人员熟知技术，在此不再赘述。且当利用T-1级光时，仅需将T0级次光转换为与T-1级光的反射光线平行，然后T-1级次光和R+1级次光在波导20内全反射传输并最终通过出瞳扩展光栅50进行扩展后经耦出光栅60耦出。
在一实施例中，耦入光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。
在一实施例中，表面浮雕光栅为二元矩形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅和三角光栅其中一种。
在一实施例中，零级回收机构为与耦入光栅具有相同周期的衍射光栅。零级回收机构40为衍射光栅，其能够产生R+1级次光且不同视场角度下具有极高的衍射效率，衍射光栅的周期与耦入光栅30的周期一致，以保证耦入光栅30的T+1级次的衍射角度与零级回收机构40的R+1级次光的衍射角度一致，从而使光线L0与L1平行并同时在光波导内进行全反射传输后一起从耦出光栅中耦出。
在一实施例中，耦入光栅的周期为波长或亚波长量级，衍射光栅上镀有反射膜。耦入光栅30的周期为波长或亚波长量级可使不同视场角度下T+1衍射级次都具有较高的耦入效率。衍射光栅上镀反射膜(如AR膜)以提高不同视场角度下R+1级次光的衍射效率。
在一实施例中，衍射光栅为倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、柱状光栅和超表面光栅其中一种。衍射光栅如采用倾斜光栅，通过对其倾斜角度、占空比及调制深度进行优化，可提高不同视场角度下R+1级次的衍射效率。
如图7所示，为基于严格耦合波(RCWA)法对衍射光栅的R+1级次光进行严格的电磁场分析和优化所获得的衍射效率，衍射光栅为倾斜光栅，在不同的入射角度下，即对应不同的视场角度，其R+1级次光的平均衍射效率为56.5％，可有效提高T0级次光的耦入效率，从而能够将装置整体的耦入效率从现有技术中的10％提高到55％以上。需要说明的是，还可以通过对衍射光栅进行结构优化或者镀膜以进一步提高整体耦入效率。
实施例2：
如图8、9所示，基于实施例1，区别在于零级回收机构的结构不同。
本实施例中，零级回收机构包括开设于波导上的直角棱体槽和高反膜，高反膜贴附于直角棱体槽的斜面设置。直角棱体槽的斜面与波导的板面之间的夹角β＝θ/2，其中，θ为耦入光栅耦入的T+1级光的衍射角度。通过应用零级回收机构，将耦入光栅的T0级光回收并利用，以大幅提高光学引擎光能利用率，从而提高整个衍射光波导显示***的亮度和成像质量。
在一实施例中，零级回收机构还包括直角棱镜，直角棱镜的斜面与高反膜贴合。
在一实施例中，高反膜包括交替堆叠的Ta2O5膜层和SiO2膜层。能够满足不同偏振态，不同视场角度下都具有极高的反射率。
其中，本实施例零级回收机构40包括开设于波导20上的直角棱体槽、高反膜和直角棱镜，如图8所示。其中，高反膜包括交替堆叠的Ta2O5膜层和SiO2膜层，并贴附于直角棱体槽的斜面和直角棱镜的斜面之间，高反膜具体可采用现有技术中的膜层数或根据实际需求设计，在满足θ≥θ1时可实现T0级次光在波导20内的全反射传导。应用耦入光栅30的T+1级次光在波导20内进行全反射传输，反射至第一板面的光线记为L1，并通过使用零级回收机构40将耦入光栅30的T0级次光以特定的角度反射至波导20的第一板面，反射至第一板面的光线记为L1，特定的角度即保证光线L1与L0平行。如夹角β＝θ/2，通过高反膜的反射将T0级次光反射形成L0光路，其中T0级次光与L0光路夹角也为θ，从而使L0与L1平行，并在波导20中进行全反射传输后一起从耦出光栅中耦出。需要说明的是，零级回收机构40还可仅包括开设于波导20上的直角棱体槽和贴附于直角棱体槽的斜面设置的高反膜。
图9是基于光学薄膜软件构建相应的光学膜层结构。入射光包括P偏振光、S偏振光和非偏振光，P偏振光的反射率曲线对应为P-Reflectance、S偏振光的反射率曲线对应为S-Reflectance、非偏振光时的反射率曲线对应为Mean-Reflectance，不同的入射角度即对应不同的视场角度。在不同的入射角度下、不同的偏振光入射情况下，零级回收机构的反射率在99％以上，可有效提高T0级次光的耦入效率，从而将装置整体的耦入效率从现有技术中的10％提高到90％左右。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，其特征在于：所述具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置包括光学引擎、波导、耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构，所述耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构均位于所述波导上，其中：
所述耦入光栅，用于将所述光学引擎出射的光耦入所述波导；
所述零级回收机构，与所述耦入光栅相对布设，用于将所述耦入光栅传输到所述波导内的零级光转换为与T+1级光或T-1级光相互平行，所述T+1级光或T-1级光和转换后的所述零级光均在所述波导内进行全反射传输，并通过所述出瞳扩展光栅进行扩展后经所述耦出光栅耦出。
2.如权利要求1所述的具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，其特征在于：所述耦入光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。
3.如权利要求2所述的具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，其特征在于：所述表面浮雕光栅为二元矩形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅和三角光栅其中一种。
4.如权利要求1所述的具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，其特征在于：所述零级回收机构为与所述耦入光栅具有相同周期的衍射光栅。
5.如权利要求4所述的具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，其特征在于：所述耦入光栅的周期为波长或亚波长量级，所述衍射光栅上镀有反射膜。
6.如权利要求4所述的具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，其特征在于：所述衍射光栅为倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、柱状光栅和超表面光栅其中一种。
7.如权利要求1所述的具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，其特征在于：所述零级回收机构包括开设于所述波导上的直角棱体槽和高反膜，所述高反膜贴附于所述直角棱体槽的斜面设置。
8.如权利要求7所述的具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，其特征在于：所述直角棱体槽的斜面与所述波导的板面之间的夹角β＝θ/2，其中，θ为所述耦入光栅耦入的T+1级光的衍射角度。
9.如权利要求7所述的具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，其特征在于：所述零级回收机构还包括直角棱镜，所述直角棱镜的斜面与所述高反膜贴合。
10.如权利要求7所述的具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，其特征在于：所述高反膜包括交替堆叠的Ta2O5膜层和SiO2膜层。
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| CN202111354231.9A CN114137650A (zh) | 2021-11-12 | 2021-11-12 | 一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2021
- 2021-11-12 CN CN202111354231.9A patent/CN114137650A/zh active Pending
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