一种具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器的制作方法

本发明涉及衍射光栅技术领域，尤其涉及一种用于光学透视增强现实显示系统的具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器。

背景技术：

人类获取到外界的信息90％以上来自于视觉，随着人们在军事、工业、医疗、建筑、教育、旅游、导航、文体娱乐、通讯传媒等领域中对信息需求的日益增大，作为一项增加人们对现实世界感知、改变人与世界交流方式的新兴技术，增强现实技术augmentedreality(ar)近年来迅速发展。

基于光栅-光波导的显示技术具有出瞳大、视场角大、轻便、紧凑、透过率高等优点，可以实现类似眼镜形式的设备从而实现真正的移动性和全天使用。然而，几何光学不可避免地导致波导显示器的图像照度随着视线由图像中心向外移动而下降，这是图像边缘和角落附近的图像变暗的常见原因。遵循余弦四次幂定律，具有大视场角范围的头戴式显示设备即使是理想的镜头并且微型投影仪的每个像素的的照度相同，出射光瞳平面上的照度下降趋势仍然接近余弦的四次幂，视场的边缘处的照度与视场中心相比也逐渐减弱，这即是角度均匀性问题，也称为自然渐晕影响。视场角和角度均匀性存在相互制约的关系，在大视场角下自然渐晕影响更为显著，边缘的视场将存在明显的不均匀照明从而显着影响显示质量。

角度均匀性的问题在光刻、照明、航测、遥感、成像等其他光学系统中普遍存在。但在先前关于波导显示系统的研究中大多忽略了此问题。为了解决角度均匀性的问题，研究人员提出了强度可变滤波片方法、出瞳中心遮挡法和引入负畸变法。由此，视场中心处的照明比边缘处的照明更明显地减少。但是，由于引入了明显的损失，这几种方法对于头戴式显示系统均是不适合的，一来由于引入的渐晕补偿不能随视场角的变化而连续变化，二来还使得设备体积变得庞大。

因此，对于头戴式波导显示系统，寻找一种可以补偿自然渐晕影响且具有较高的耦合效率，改善角度均匀性又不引入明显效率损失，不使设备变得冗余庞杂的方法，显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器，通过光栅的相幅调制作用，使得每个入射角度对应不同的衍射效率，衍射效率随入射角的增加而不断增大，补偿余弦四次方定律引入的自然渐晕问题，可实现同一出瞳位置下大视场角均匀显示。

本发明的一种具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器，所述光栅耦合器由像源101、准直透镜102、光栅耦合器103、光栅输出器104和波导105组成，其中：所述像源101发出的光波经过所述准直透镜102准直后形成入射光，进入光栅耦合器103的所述入射光经过振幅相位调制，在波导105内以全反射形式进行传播之后到达光栅输出器104，最终耦合出波导105。

所述光栅耦合器103的结构包括波导105和光栅区207，所述光栅区207包括与波导同材料或折射率相近的光栅基底206、与光栅基底层同材料或折射率相近的光栅层205；光栅层205上面具有高折射率材料膜层302以及高折射率材料上的金属膜层301；

入射光利用光栅层205产生0级衍射光202、正一级衍射光203和负一级衍射光204，集中在正一级衍射光203的能量通过光栅耦合器103，其能量分布形式为随入射角度增大而能量分布逐渐增加的趋势，有效地补偿由于余弦四次方定律引入的自然渐晕。

与现有技术相比，本发明的一种具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器，其衍射效率分布保持高效率、大视场角耦合的同时具有很好的自然渐晕补偿效果，可用于波导显示系统中。

附图说明

图1为本发明的一种具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器的整体系统示意图，图中光栅耦合器103的衍射效率随入射角渐变；

图2为光栅耦合器结构示意图，(2a)光栅耦合器结构，(2b)为光栅耦合器剖面结构示意图；图中展示光栅级次分布情况，

图3为本发明实施例中方形光栅基底光栅耦合器结构示意图。

图4为本发明实施例中三角形光栅基底光栅耦合器结构示意图。

图5为本发明实施例中闪耀光栅基底光栅耦合器结构示意图。

图6为本发明实施例中锯齿形光栅基底光栅耦合器结构示意图。

图7为本发明具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器衍射效率随角度分布图。

图8为本发明具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器1级衍射光谱。

图9为本发明实施例中出瞳扩展示意图，(9a)一维出瞳扩展示意图，(9b)二维出瞳扩展示意图。

附图标记：101、像源，102、准直透镜，103、光栅耦合器，104、光栅输出器，105、波导(即透明基底)，201、入射光，202、0级衍射光，203、正一级衍射光，204、负一级衍射光，205、光栅层，206、光栅基底，207、光栅区，208、基底301、金属膜层，302、高折射率材料膜层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。。

如图1所示，本发明实施例公开了一种具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器，本发明提出的具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器示意图如图1所示，由像源101、准直透镜102、光栅耦合器103、光栅输出器104和波导105组成。像源101发出光波，经过准直透镜102准直后形成入射光，经过光栅耦合器103的振幅相位调制，满足波导内全内反射传播条件，随后入射光在波导内以全反射形式进行传播，到达光栅输出器104后，满足相位匹配条件，无附加相位无色散无畸变的耦出波导105，进入观察者眼瞳范围。

如图2中所示，为光栅耦合器103结构示意图。包括波导105、与波导同材料或折射率相近的光栅基底206、与光栅基底层同材料或折射率相近的光栅层205，光栅层205上面具有高折射率材料膜层302以及高折射率材料上的金属膜层301，统称为光栅区207。入射光201利用光栅层205所产生的0级衍射光202、正一级衍射光203和负一级衍射光204，集中在正一级衍射光203的能量通过光栅耦合器103使其能量分布形式为随入射角度增大而能量分布逐渐增加的趋势，可以有效地补偿由于余弦四次方定律引入的自然渐晕问题。边缘视场角的光线因自然渐晕影响亮度降低而得以补偿。光栅层的形貌、周期λ、槽深h、槽顶角和材料、所述高折射率材料膜层302的厚度和折射率，以及所述金属膜层301的厚度和折射率的取值，使光栅的一级衍射效率随入射角度的增加而增大，其趋势补偿余弦四次方定律引入的自然渐晕效果。并且，本发明中的光栅输出器104与光栅耦合器103具有类似的结构，其工作过程为将入射至光栅输出器的光束经过衍射作用，使在波导内传输的光束破坏全内反射条件，输出至波导外。

较佳的，所述波导105为在可见光波段的整个波段或特定波段范围内具有较高光学透过率的光学材料，具体可选择铌酸锂、二氧化硅、二氧化钛、五氧化二钽、熔石英、pmma或树脂。

较佳的，所述光栅基底层206的材料具体可选择铌酸锂、二氧化硅、二氧化钛、五氧化二钽、熔石英、pmma或树脂。

较佳的，所述光栅层205的材料为可适用于纳米打印或压印的材料，具有热固性或热塑性、较好抗刻蚀性、较小收缩性、较低的黏塑性、高分辨率、快速固化的特点，具体可是pmma、聚苯乙烯ps(polystyrene)、hsq(hydrogensilsesquioxane)。

较佳的，所述高折射率膜层302的材料选择氧化镁、氧化铝、二氧化钛、氧化铪、氧化锌、氧化铌或五氧化二钽。

较佳的，所述金属膜层301材料选择钛、铝、铜、金或银。

如图3至图6所示，光栅耦合器103的光栅区207中的光栅层205剖面形状可以是矩形截面或不同类型的三角形截面，光栅可为线性一维光栅或二维光栅。高折射率膜层302其剖面形貌可与光栅层205剖面形貌不同或完全相同；金属层膜层301其剖面形貌可与光栅层及高折射率层剖面形貌不同或完全相同。

较佳的，所述光栅耦合器中的所述光栅区光栅周期小于或等于入射波长(参考波长532nm)，光栅剖面形貌为非对称倾斜浮雕光栅或对称锯齿形及对称矩形结构，光栅槽深大于30nm并小于200nm，槽顶角大于15度并小于60度。

较佳的，所述高折射率膜层厚度10nm至500nm，其剖面形貌具体可为矩形、三角形、椭圆形或梯形。

较佳的，所述金属膜层厚度20nm至1μm，其剖面形貌具体可为矩形、三角形、椭圆形或梯形。

如图7所示，为本发明的具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器衍射效率随空气中视场角的分布图，可以看出整体效率分布大于85％，衍射效率随视场角的增大而不断增大，这一分布趋势可以有效地补偿以余弦四次方规律下降的边缘视场角亮度衰减趋势，补偿自然渐晕带来的各视场角显示均匀性降低的影响。由图可得，波导显示光栅耦合器耦合角度范围[-22.5°，22°]，约45°水平视场角，考虑像源4:3或16:9比例，波导显示器对角线视场角可达约60°。本发明的具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器可实现大视场角、高效率耦合、自然渐晕补偿作用的波导显示。

如图8所示，为本发明具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器正一级衍射光谱范围，可以看出450nm-650nm范围内衍射效率约为60％以上，550±50nm范围内衍射效率保持高效率约为80％以上，在极大的可见光光谱范围内保持高效率。像源101可能发出具有一定带宽的光，本发明的波导显示光栅耦合器可以高效率地耦合一定可见光光谱范围的光束。

本发明具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器可以具有以下应用方式：

如图9所示的本发明实施例中出瞳扩展示意图中，本发明的具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器，在一维出瞳扩展波导显示装置中可以作为光束耦合入波导的输入耦合器。(9a)为一维出瞳扩展示意图，可以应用于具有增强现实功能的光学透射式波导显示器。也可作为波导显示装置中的光束耦出波导的输出光栅耦合器，可以应用于具有虚拟现实功能的高效率衍射式波导显示器。

本发明的具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器，在二维出瞳扩展波导显示装置中可以作为光束耦合入波导的输入耦合器，(9b)为二维出瞳扩展示意图，可以应用于水平方向竖直方向出瞳范围更大的增强现实功能光学透射波导显示器。也可作为波导显示装置中的光束耦出波导的输出光栅耦合器，用于虚拟现实功能的高效率衍射式波导显示器。

以上所述仅为本发明的优选实例，并未因此限制本发明的专利范围，凡在本发明的精神和原则之内做出的任何修改、等同替换、改进等，凡是利用本发明书中及附图内容所做的等效结构或变化达到等效效果，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。