CN111812841A - 一种体全息光栅二维扩瞳波导片及其扩瞳方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体全息光栅二维扩瞳波导片及其扩瞳方法，所述体全息光栅二维扩瞳波导片包括至少一片体全息光栅二维扩瞳波导片单元，所述体全息光栅二维扩瞳波导片单元包括波导衬底以及设于所述波导衬底上的两个光栅区域，所述两个光栅区域分别为耦合入射光栅区域及耦合出射光栅区域，所述耦合入射光栅区域内设由K₁和K₂两束相干光干涉曝光出的全息光栅，所述耦合出射光栅区域内设由K₁、K₂和K₃三束激光曝光的全息光栅，其中K₃的传播方向与K₁、K₂传播方向相垂直或与K₁、K₂传播方向之间的角度略小于90度。

Description

一种体全息光栅二维扩瞳波导片及其扩瞳方法

技术领域

本发明涉及显示设备技术领域，特别是涉及一种体全息光栅二维扩瞳波导片及其扩瞳方法。

背景技术

增强现实(AR)技术，是借助计算机图形技术和可视化技术产生物理世界中不存在的虚拟对象，并将其准确“放置”在物理世界中，呈现给用户一个感知效果更丰富的新环境。在诸多领域，例如工业制造和维修领域、医疗领域、军事领域、娱乐游戏领域、教育领域等，有着巨大的潜在应用价值。在AR产业链中，同时具有透明效果和成像/导光效果的镜片是AR硬件得以实施的最关键部件。

现有技术中，大多利用体全息光栅来制备虚拟现实波导显示器件，其主要利用激光相互干涉的方法在光敏材料中记录拍摄信息，然后利用衍射复现的方法复原拍摄时的光线信息，目前主要有如下两种方式：

1、利用体全息光栅来制备一维扩瞳波导片

在该方式下，波导片有两块区域：耦入(couple in)和耦出(couple out)，如图1所示为现有技术中的一维扩瞳拍摄光路，IN和OUT两次拍摄角度一致，每次拍摄时两束激光K₁和K₂相干，如K₁和K₂为同一激光器扩束准直之后分束出的两路相干，拍摄过程通过计算并通过控制曝光时间和曝光功率来控制光敏材料(即全息干板)曝光能量的总和。(全息干板存在一个最佳曝光能量)，为控制输出端图像均匀性，可通过调节两束激光的曝光总能量来控制衍射效率，IN区域衍射效率从左往右递减，OUT区域衍射效率从右往左递增。

如图2所示为现有技术的一维扩瞳复现示意图。当光机以与K₁相同方向照射到IN区域时，光栅区域将会衍射产生另外与K₂方向相同的一束光，该光束满足基底的全反射条件在基板中传播。当光线传播到OUT区域时，该光束方向与K₂方向相同，将产生一束与K₁方向相同的光，即入射到人眼。

上述利用体全息光栅来制备一维扩瞳波导片的方法的优点是重影问题较小，同时可以控制光栅制备时候的曝光光强分布来控制出射光线的均匀性，但是一维扩瞳所需的Eyebox(眼动范围)与光机的宽度相关，导致光机尺寸较大，不适宜集成到眼镜上。

2、利用体全息光栅来制备二维扩瞳波导片

如图3所示为现有技术中二维扩瞳波导光线传播示意图，二维扩瞳波导拍摄方法与一维扩瞳类似，IN区域由K₁、K₂两束光相干涉获得；K₂方向传播到Folding区域，Folding区域由K₂方向和K₃方向两束激光相干涉制备(K₃与K₂的传播方向呈一定角度，)；OUT区域由K₃方向和K₁方向两束激光相干涉曝光得到。

光机以K₁方向入射到IN区域产生一束与K₂相同方向的光往Folding区域传播；光线到达Folding区域后发生衍射，产生一束K₃方向的光往OUT区域传播；到达OUT区域后产生K₁方向的光到达人眼，即成像。

上述利用体全息光栅来制备的二维扩瞳波导片可以使光机尺寸很小，实现眼镜轻量化。但是在制备二维扩瞳波导片时一般的需要三块区域：耦入(couple in)，折叠(folding)，耦出(couple out)，由于每块区域都会发生衍射，在利用激光干涉拍摄波导片的时候难免会有一些瑕疵(光栅形变)，公差累计后显示效果较差(重影、光线均匀性差)，此外这种二维扩瞳方式对光线有很大的浪费(光程长)，同等情况下图像不够明亮。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种体全息光栅二维扩瞳波导片及其扩瞳方法，以仅通过两块衍射区域，实现光线的二维传播扩瞳，并使得图像在传播后出射时重影小，可以拥有很大的Eyebox(眼动范围)，同时实现眼镜的轻量化。

为达上述及其它目的，本发明提出一种体全息光栅二维扩瞳波导片，所述体全息光栅二维扩瞳波导片包括至少一片体全息光栅二维扩瞳波导片单元，所述体全息光栅二维扩瞳波导片单元包括波导衬底以及设于所述波导衬底上的两个光栅区域，所述两个光栅区域分别为耦合入射光栅区域及耦合出射光栅区域，所述耦合入射光栅区域内设由K₁和K₂两束相干光干涉曝光出的全息光栅，所述耦合出射光栅区域内设由K₁、K₂和K₃三束激光曝光的全息光栅，其中K₃的传播方向与K₁、K₂传播方向相垂直或与K₁、K₂传播方向之间的角度略小于90度。

优选地，当光机以K₁方向入射时，所述耦合入射光栅区域衍射产生与K₂相同方向的光经全反射向所述耦合出射光栅区域传播。

优选地，所述耦合出射光栅区域于接收到由所述耦合入射光栅区域传播的与K₂相同方向的激光时产生两束K₁方向和K₃方向的激光，并且有一部分K₂方向的光继续以K₂传播方向全反射传播，K₃方向的光以与K₂传播方向垂直或略小于90°的传播方向在波导片内全反射传播。

优选地，于所述耦合出射光栅区域内增加一束激光K₄，所述激光K₄与K₃传播方向位于激光K₂传播方向的两侧，所述耦合出射光栅区域内设的全息光栅由K₁、K₂、K₃、K₄四束激光曝光形成。

优选地，所述激光K₄传播方向与K₂传播方向呈90°或略小于90°。

为达到上述目的，本发明还提供一种体全息光栅二维扩瞳波导片的扩瞳方法，包括如下步骤：

步骤S1，光机以K₁方向入射到耦合入射光栅区域衍射产生一束与K₂相同方向的光，向耦合出射光栅区域方向传播；

步骤S2，当所述与K₂相同方向的激光到达所述耦合出射光栅区域时，在耦合出射光栅区域的全息光栅作用下衍射产生两束K₁方向和K₃方向的激光，有一部分K₂激光继续以K₂传播方向全反射传播，K₃方向的光以与K₂传播方向垂直或略小于90°的传播方向在波导片内全反射传播。

优选地，所述耦合入射光栅区域内设由K₁和K₂两束相干光干涉曝光出的全息光栅。

优选地，所述耦合出射光栅区域内设由K₁、K₂和K₃三束激光曝光的全息光栅。

优选地，于步骤S2中，当所述与K₂相同方向的光到达所述耦合出射光栅区域时，在所述耦合出射光栅区域的全息光栅作用下衍射产生激光K₁、K₃和K₄方向的三束激光，并有一部分K₂激光继续传播，形成网栅传播结构，激光K₃，K₄在K₂传播方向的两侧继续传播。

优选地，所述耦合出射光栅区域内设的全息光栅由K₁、K₂、K₃、K₄四束激光曝光形成，K₄与K₃传播方向位于K₂传播方向的两侧，K₄传播方向与K₂传播方向呈90°或略小于90°。

与现有技术相比，本发明一种体全息光栅二维扩瞳波导片及其扩瞳方法通过结合一维扩瞳和二维扩瞳的优点，实现了仅通过两块衍射区域实现光线的二维传播扩瞳的目的，并使得图像在传播后出射时重影小，可以拥有很大的Eyebox(眼动范围)，同时实现了眼镜的轻量化。

附图说明

图1为现有技术中的一维扩瞳拍摄光路图；

图2所示为现有技术的一维扩瞳复现示意图；

图3为现有技术中二维扩瞳波导光线传播示意图；

图4为本发明一种体全息光栅二维扩瞳波导片第一实施例的结构示意图；

图5为本发明一种体全息光栅二维扩瞳波导片第二实施例的结构示意图；

图6为本发明一种体全息光栅二维扩瞳波导片的扩瞳方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图4为本发明一种体全息光栅二维扩瞳波导片第一实施例的结构示意图。如图4所示，本发明一种体全息光栅二维扩瞳波导片，所述体全息光栅二维扩瞳波导片包括至少一片体全息光栅二维扩瞳波导片单元，在本实施例中，该体全息光栅二维扩瞳波导片是只由一个体全息光栅二维扩瞳波导片单元构成的示例，所述体全息光栅二维扩瞳波导片单元1由波导衬底2以及设于波导衬底2上的两个功能性光栅区域构成，其中两个功能性光栅区域的光栅可以直接制作在波导衬底上，也可以预先制作在薄膜上，再将载有光栅结构的薄膜与波导衬底结合。

所述两个功能性光栅区域分别为：

耦合入射光栅区域3，其内设由K₁和K₂的两束相干光干涉曝光出的全息光栅，激光K₂全反射传播到耦合出射光栅区域4，用于当光机以K₁方向入射所述耦合入射光栅区域3衍射产生与K₂方向相同的光向耦合出射光栅区域4传播，且该光束满足基底的全反射条件在基板中传播。在本发明具体实施例中，激光K₁的传播方向与K₂的传播方向垂直或略小于90°，这里需说明的是，所述的传播方向与激光方向是不同概念，以激光K₂为例，当光机以K₁方向入射所述耦合入射光栅区域3衍射产生与K₂方向相同的光，该光束在在波导片全反射向耦合出射光栅区域4传播，因此其传播方向为指向耦合出射光栅区域4，因此，图4中示出的是激光的传播方向。

耦合入射光栅区域3与现有技术二维扩瞳方法的IN区域相同，均是由K₁和K₂的两束相干光干涉曝光出光栅，在此不予赘述。

耦合出射光栅区域4，其内设由K₁、K₂和K₃三束激光曝光的全息光栅，K₃的传播方向与K₁、K₂传播方向相垂直或与K₁、K₂传播方向之间角度略小于90°，用于当接收到由耦合入射光栅区域3传播的与K₂相同方向的激光时产生K₁和K₃方向的两束激光，并且有一部分K₂方向激光继续传播，在本发明中，K₂方向激光的作用为一维方向扩瞳，K₁方向激光的作用是出射到人眼，K₃方向激光的作用是转折(Folding)，即二维方向扩瞳。以图4为例，经耦合出射光栅区域4后，K₂的传播方向在波导片内全反射向右传播的，K₃的传播方先则是在波导片内全反射向下方传播(垂直或与K₂的传播方向略小于90°)。

具体地说，当光机以K₁方向入射到耦合入射光栅区域3，在其内的全息光栅作用下产生一束与K₂相同方向的光以全反射向耦合出射光栅区域4传播，当到达耦合出射光栅区域4时在耦合出射光栅区域4的全息光栅作用下将产生两束激光K₁和K₃，并且有一部分K₂激光将会继续全反射传播，形成网栅传播结构，K₂方向的激光的作用是一维方向扩瞳，K₁方向激光的作用是出射到人眼，即成像，K₃方向的激光以与K₂传播方向垂直或略小于90°的传播方向在波导片内传播，K₃方向的激光的作用是转折(Folding)，即二维方向扩瞳。

本实施例上述体全息光栅二维扩瞳波导片的优点是曝光简单，与一维扩瞳一样曝光两块区域即可，光栅形变少，图像不易产生重影；由两块衍射区域实现二维扩瞳，只需要小光机即可实现大视场(eyebox)，可大大减小光机尺寸，实现AR眼镜轻量化；无单独的折叠(Folding)区域，提高了波导镜片的利用率(因为Folding区域无法观察到图像)。

在本发明第二实施例中，耦合入射光栅区域3与第一实施例相同，区别之处在于，在本实施例中，如图5所示，于耦合出射光栅区域4内增加一束激光K₄，即所述耦合出射光栅区域4内设的全息光栅由K₁、K₂、K₃、K₄四束激光曝光出，激光K₄与K₃传播方向位于K₂传播方向的两侧，优选地，K₄传播方向最好与K₂传播方向呈90°或略小于90°，具体地说，光线从耦合入射光栅区域3以K₁方向耦入，在耦合入射光栅区域3发生衍射后产生一束与K₂相同方向的光以全反射向耦合出射光栅区域4传播，到达耦出区域后K₂光线又发生衍射生成K₁,K₃,K₄三束光，其中K₁出射，K₃,K₄在K₂传播方向的两侧继续传播，K₃,K₄的光经过一次全反射后又会再一次传播到耦出区域的其他位置，分别又衍射出激光K₁,K₂,K₄和K₁,K₂,K₃，以此类推……，本发明通过增加K₄方向激光，主光线向上下两侧传播，减少了传播距离，更易使图像亮度均匀，但需说明是，光敏材料有一个最大曝光量，超过该曝光量，材料将发生过曝光，影响衍射效率，因此四束激光一起曝光的话，每个方向的衍射效率均会比原先三束或者两束时候低。

与第一实施例类似，本实施例上述体全息光栅二维扩瞳波导片的优点是曝光简单，与上述二维扩瞳一样曝光两块区域即可，光栅形变少，图像不易产生重影；两块区域实现二维扩瞳，只需要小光机即可实现大视场(eyebox)，可大大减小光机尺寸，实现AR眼镜轻量化；耦合出射光栅区域4的每一个节点均会向上下右传播，使得图像更均匀；无单独的折叠(Folding)区域，提高了波导镜片的利用率(因为Folding区域无法观察到图像)。

需说明的是，在本发明中，激光K₂、K₃、K₄在波导片中一直全反射传播，类似于光纤传播，其原理在此不予赘述。

图6为本发明一种体全息光栅二维扩瞳波导片的扩瞳方法的步骤流程图。如图6所示，本发明一种体全息光栅二维扩瞳波导片的扩瞳方法，包括如下步骤：

步骤S1，光机以K₁方向入射到耦合入射光栅区域3衍射产生一束与K₂相同方向的光，经全反射向耦合出射光栅区域4方向传播。在本发明具体实施例中，所述耦合入射光栅区域3内设由K₁和K₂的两束相干光干涉曝光出的全息光栅，激光K₁的传播方向与K₂的传播方向垂直或之间角度略小于90°。

步骤S2，当所述与K₂相同方向的激光到达耦合出射光栅区域4时，在耦合出射光栅区域4的全息光栅作用下衍射产生K₁和K₃方向的两束激光，其中，K₃的传播方向与K₁、K₂传播方向相垂直或与K₁、K₂传播方向的角度略小于90度，此时，有一部分K₂方向的激光继续传播，形成网栅传播结构，K₃方向的激光以与K₂传播方向垂直或略小于90°的传播方向在波导片内传播。在本实施例中，以图4为例，经耦合出射光栅区域4后，K₂的传播方向在波导片内全反射向右传播的，K₂方向激光的作用是一维方向扩瞳，K₁方向激光的作用是出射到人眼，即成像，K₃的传播方向则是在波导片内全反射向下方传播(垂直或与K₂的传播方向略小于90°)，K₃方向激光的作用是转折(Folding)，即二维方向扩瞳。在本发明具体实施例中，所述耦合出射光栅区域4内设由K₁、K₂和K₃三束激光曝光的全息光栅，其中，K₃的传播方向与K₁、K₂传播方向相垂直或与K₁、K₂传播方向的角度略小于90度。

优选地，于步骤S2中，当所述与K₂相同方向的光到达耦合出射光栅区域4时，在耦合出射光栅区域4的全息光栅作用下产生K₁、K₃和K₄方向的三束激光，其中K₄与K₃传播方向位于K₂传播方向的两侧，K₄传播方向也最好与K₂传播方向呈90°或略小于90°，此时，有一部分K₂方向激光继续传播，形成网栅传播结构，激光K₁出射，激光K₃，K₄在K₂传播方向的两侧继续传播，K₃，K₄的光经过一次全反射后又会再一次传播到耦出区域的其他位置，分别又衍射出激光K₁,K₂,K₄和K₁,K₂,K₃，以此类推……在本发明中，K₄与K₃传播方向位于K₂传播方向的两侧，使得主光线往上下两侧传播，减少了传播距离，更易使图像亮度均匀，具体地，所述耦合出射光栅区域4内设的全息光栅由K₁、K₂、K₃、K₄四束激光曝光出，K₄与K₃传播方向位于K₂传播方向的两侧，K₄传播方向也最好与K₂传播方向呈90°或略小于90°。

综上所述，本发明一种体全息光栅二维扩瞳波导片及其扩瞳方法通过结合一维扩瞳和二维扩瞳的优点，实现了仅通过两块衍射区域实现光线的二维传播扩瞳的目的，并使得图像在传播后出射时重影小，可以拥有很大的Eyebox(眼动范围)，同时实现眼镜的轻量化。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种体全息光栅二维扩瞳波导片，所述体全息光栅二维扩瞳波导片包括至少一片体全息光栅二维扩瞳波导片单元，所述体全息光栅二维扩瞳波导片单元包括波导衬底以及设于所述波导衬底上的两个光栅区域，所述两个光栅区域分别为耦合入射光栅区域及耦合出射光栅区域，所述耦合入射光栅区域内设由K₁和K₂两束相干光干涉曝光出的全息光栅，所述耦合出射光栅区域内设由K₁、K₂和K₃三束激光曝光的全息光栅，其中K₃的传播方向与K₁、K₂传播方向相垂直或与K₁、K₂传播方向之间的角度略小于90度。

2.如权利要求1所述的一种体全息光栅二维扩瞳波导片，其特征在于：当光机以K₁方向入射时，所述耦合入射光栅区域衍射产生与K₂相同方向的光经全反射向所述耦合出射光栅区域传播。

3.如权利要求2所述的一种体全息光栅二维扩瞳波导片，其特征在于：所述耦合出射光栅区域于接收到由所述耦合入射光栅区域传播的与K₂相同方向的激光时产生两束K₁方向和K₃方向的激光，并且有一部分K₂方向的光继续以K₂传播方向全反射传播，K₃方向的光以与K₂传播方向垂直或略小于90°的传播方向在波导片内全反射传播。

4.如权利要求3所述的一种体全息光栅二维扩瞳波导片，其特征在于：于所述耦合出射光栅区域内增加一束激光K₄，所述激光K₄与K₃传播方向位于激光K₂传播方向的两侧，所述耦合出射光栅区域内设的全息光栅由K₁、K₂、K₃、K₄四束激光曝光形成。

5.如权利要求4所述的一种体全息光栅二维扩瞳波导片，其特征在于：所述激光K₄传播方向与K₂传播方向呈90°或略小于90°。

6.一种体全息光栅二维扩瞳波导片的扩瞳方法，包括如下步骤：

步骤S1，光机以K₁方向入射到耦合入射光栅区域衍射产生一束与K₂相同方向的光，向耦合出射光栅区域方向传播；

步骤S2，当所述与K₂相同方向的激光到达所述耦合出射光栅区域时，在耦合出射光栅区域的全息光栅作用下衍射产生两束K₁方向和K₃方向的激光，有一部分K₂激光继续以K₂传播方向全反射传播，K₃方向的光以与K₂传播方向垂直或略小于90°的传播方向在波导片内全反射传播。

7.如权利要求6所述的一种体全息光栅二维扩瞳波导片的扩瞳方法，其特征在于：所述耦合入射光栅区域内设由K₁和K₂两束相干光干涉曝光出的全息光栅。

8.如权利要求7所述的一种体全息光栅二维扩瞳波导片的扩瞳方法，其特征在于：所述耦合出射光栅区域内设由K₁、K₂和K₃三束激光曝光的全息光栅。

9.如权利要求8所述的一种体全息光栅二维扩瞳波导片的扩瞳方法，其特征在于：于步骤S2中，当所述与K₂相同方向的光到达所述耦合出射光栅区域时，在所述耦合出射光栅区域的全息光栅作用下衍射产生激光K₁、K₃和K₄方向的三束激光，并有一部分K₂激光继续传播，形成网栅传播结构，激光K₃，K₄在K₂传播方向的两侧继续传播。

10.如权利要求9所述的一种体全息光栅二维扩瞳波导片的扩瞳方法，其特征在于：所述耦合出射光栅区域内设的全息光栅由K₁、K₂、K₃、K₄四束激光曝光形成，K₄与K₃传播方向位于K₂传播方向的两侧，K₄传播方向与K₂传播方向呈90°或略小于90°。

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