光学传输系统及其制备方法、显示装置与流程

1.本公开涉及光学技术领域，特别是涉及一种光学传输系统及其制备方法、显示装置。


背景技术：

2.伴随计算机性能的提升和光电器件的发展，空间光调制器(spatial light modulator,slm)可以对光波的振幅、相位、频率等进行调制，被广泛应用于光学测量、模式识别、条纹投影、全息以及动态显示中，基于slm的计算全息显示优点日益突出。
3.在计算全息显示中，slm上加载数字透镜不仅简化了再现系统，而且能够控制再现位置。然而，数字透镜产生的零级光斑和再现像的叠加会严重影响再现像的质量。


技术实现要素：

4.本公开提供一种光学传输系统及其制备方法、显示装置，以消除零级光。
5.本公开提供了一种光学传输系统，用于传输入射光线，所述入射光线包括图像光线和零级光线，所述光学传输系统包括：光波导、设置在所述光波导表面的耦入光栅和耦出光栅；
6.其中，所述耦入光栅用于将所述入射光线耦入所述光波导中，并对所述入射光线进行会聚；
7.所述光波导用于使耦入其中的入射光线产生全反射；
8.所述耦出光栅，包括衍射区域和隔离区域，所述衍射区域用于将所述光波导内的图像光线耦出所述光波导，所述隔离区域用于使所述光波导内的零级光线继续发生全反射，以使所述零级光线以所述光学传输系统的视场角以外的角度射出所述光学传输系统。
9.在一种可选的实现方式中，所述零级光线垂直于所述光波导的表面入射至所述光学传输系统。
10.在一种可选的实现方式中，所述零级光线入射至所述耦出光栅所在的平面时形成零级光斑，所述隔离区域覆盖所述零级光斑。
11.在一种可选的实现方式中，所述图像光线为3d图像光线，所述耦入光栅和所述耦出光栅均为体全息光栅。
12.在一种可选的实现方式中，若所述耦入光栅为反射式光栅，则所述耦入光栅位于所述光波导背离所述入射光线入射的一侧；
13.若所述耦入光栅为透射式光栅，则所述耦入光栅位于所述光波导靠近所述入射光线入射的一侧。
14.在一种可选的实现方式中，若所述耦出光栅为反射式光栅，则所述耦出光栅位于所述光波导背离所述入射光线入射的一侧；
15.若所述耦出光栅为透射式光栅，则所述耦出光栅位于所述光波导靠近所述入射光线入射的一侧。
16.在一种可选的实现方式中，所述图像光线经过所述耦入光栅和所述耦出光栅发生衍射的衍射级次相同。
17.在一种可选的实现方式中，所述耦入光栅和所述耦出光栅的光栅周期相同。
18.在一种可选的实现方式中，所述入射光线入射至所述耦入光栅所在的平面时形成交叠区域，所述耦入光栅覆盖所述交叠区域。
19.本公开提供了一种显示装置，包括：空间光调节器以及如任一项所述的光学传输系统；
20.其中，所述空间光调节器用于向所述光学传输系统发射所述图像光线和所述零级光线。
21.在一种可选的实现方式中，所述空间光调节器与所述耦出光栅出射的光线位于所述光学传输系统的同一侧。
22.本公开提供了一种光学传输系统的制备方法，用于制备任一项所述的光学传输系统，所述制备方法包括：
23.在所述光波导的表面涂覆光敏涂层；
24.向所述光敏涂层上与所述耦入光栅对应的位置照射相互相干的第一相干光和第二相干光；向所述光敏涂层上与所述耦出光栅的衍射区域对应的位置照射相互相干的第三相干光和第四相干光，所述第三相干光入射至所述光敏涂层上形成第一区域，所述第四相干光入射至所述光敏涂层上形成第二区域，所述第一区域和/或第二区域与所述隔离区域无交叠；
25.对照射后的光敏涂层进行处理，在所述光波导的表面形成所述耦入光栅和所述耦出光栅。
26.在一种可选的实现方式中，所述第一相干光为聚焦光束，所述第二相干光为平面光束，所述第一相干光和所述第二相干光分别从所述光波导相对的两侧入射，所述第一相干光的入射角度为锐角，所述第二相干光与所述光波导的表面垂直。
27.在一种可选的实现方式中，所述第三相干光为聚焦光束，所述第四相干光为平面光束，所述第三相干光和所述第四相干光分别从所述光波导相对的两侧入射，所述第三相干光与所述光波导的表面垂直，所述第四相干光的入射角度为锐角。
28.在一种可选的实现方式中，所述第一相干光、所述第二相干光、所述第三相干光和所述第四相干光的波长与所述图像光线的波长相同。
29.与现有技术相比，本公开包括以下优点：
30.本公开提供的光学传输系统及其制备方法、显示装置，通过在耦出光栅上设置隔离区域和衍射区域，零级光线经过隔离区域继续全反射，以视场角范围之外的角度出射，而图像光线经衍射区域耦出光波导，以视场角范围内的角度出射，从而实现零级光线和图像光线的分离，实现消零级的图像再现，提高再现图像的质量。另外，耦入光栅对图像光线具有聚焦作用，可以提高视场角范围内图像光线的强度，耦入光栅对零级光线具有聚焦作用，可以缩小零级光线在耦出光栅上的照射范围，使零级光线尽可能多地进入隔离区域，有助于彻底消除零级光线。
31.本公开技术方案通过在光波导的表面设置耦入光栅和耦出光栅，可以实现分光棱镜以及零级滤波装置等多种传统光学元件的功能，无需设置传统光学元件就可以实现消零
级的图像再现，与相关技术相比，显示效果更好，大大降低了系统的体积和重量，更加轻便化，非常适合用于头戴式显示。
32.上述说明仅是本公开技术方案的概述，为了能够更清楚了解本公开的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本公开的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本公开的具体实施方式。
附图说明
33.为了更清楚地说明本公开实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。需要说明的是，附图中的比例仅作为示意并不代表实际比例。
34.图1示意性地示出了相关技术中一种消零级的增强现实显示系统的结构示意图；
35.图2示意性地示出了一种光学传输系统的结构示意图；
36.图3示意性地示出了一种光学传输系统的制备方法制备耦入光栅和耦出光栅的示意图；
37.图4示意性地示出了一种光学传输系统的制备方法制备耦入光栅的示意图；
38.图5示意性地示出了一种光学传输系统的制备方法制备耦出光栅的示意图；
39.图6示意性地示出了一种光学传输系统的制备方法的流程图；
40.图7示意性地示出了一种显示装置的结构示意图。
具体实施方式
41.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
42.为了消除零级光斑，提高再现图像的质量，在相关技术中，如图1所示，增强现实显示系统一般由分束镜(beam splitter，bs)、计算全息图(computer generated hologram，cgh)、空间光调节器(spatial light modulator，slm)、消零级装置、目镜和虚实融合器组成。其中，空间光调节器用于出射图像光和零级光，消零级装置可以将零级光聚焦在透镜的后焦面，然后通过高通滤波器对零级光进行完全遮挡，只让图像光通过，从而实现消零级的图像再现。该系统虽然能够实现零级光的消除，但是系统比较复杂、使用的光学元件较多，难以实现轻巧的头戴平板显示。
43.为了消除零级光，本公开提供了一种光学传输系统，如图2所示，用于传输入射光线，入射光线包括图像光线101和零级光线102。
44.参照图2，该光学传输系统包括：光波导11、设置在光波导11表面的耦入光栅12和耦出光栅13。
45.其中，耦入光栅12用于将入射光线耦入光波导11中，并对入射光线进行会聚。
46.光波导11用于使耦入其中的入射光线产生全反射。
47.耦出光栅13，包括衍射区域131和隔离区域132，衍射区域131用于将光波导11内的
图像光线101耦出光波导11，隔离区域132用于使光波导11内的零级光线102继续发生全反射，以使零级光线102以光学传输系统的视场角以外的角度射出光学传输系统。
48.本实施例中，耦入光栅12可以对零级光线进行耦合和聚焦，零级光线102在光波导11内进行全反射，并入射至耦出光栅13的隔离区域132内，隔离区域132没有光栅图案，零级光线102经过隔离区域132不发生衍射，在光波导11内继续进行全反射，进而可以从光波导11的侧面b出射，实现零级光线102以光学传输系统的视场角以外的角度射出光学传输系统，从而避免零级光线102进入人眼。其中，视场角可以为图像光线101出射光学传输系统的角度范围。
49.耦入光栅12可以对图像光线101进行耦合和聚焦，图像光线101在光波导11内进行全反射，并入射至耦出光栅13的衍射区域131，衍射区域131具有光栅图案，图像光线101经衍射区域131发生衍射并耦出光波导11，进而进入人眼。图像光线101出射光学传输系统的角度可以在视场角范围内。
50.这样，就可以实现零级光线102和图像光线101的分离，实现消零级的图像再现实现，提高再现图像的质量。
51.本实施例提供的光学传输系统，通过在耦出光栅13上设置隔离区域132和衍射区域131，零级光线102经过隔离区域132继续全反射，以视场角范围之外的角度出射，而图像光线101经衍射区域131耦出光波导11，以视场角范围内的角度出射，从而实现零级光线102和图像光线101的分离，实现消零级的图像再现，提高再现图像的质量。另外，耦入光栅12对图像光线101具有聚焦作用，可以提高视场角范围内图像光线101的强度，耦入光栅12对零级光线102具有聚焦作用，可以缩小零级光线102在耦出光栅13上的照射范围，使零级光线102尽可能多地进入隔离区域132，有助于彻底消除零级光线102。
52.本实施例中，通过在光波导11的表面设置耦入光栅12和耦出光栅13，可以实现分光棱镜以及零级滤波装置等多种传统光学元件的功能，无需设置传统光学元件就可以实现消零级的图像再现，与图1所示的光学系统相比，显示效果更好，大大降低了系统的体积和重量，更加轻便化，非常适合用于头戴式显示。
53.在具体实现中，隔离区域132的位置可根据成像效果确定，在设计隔离区域132时，可以在水平方向上移动隔离区域132，成像效果最清晰时可以确定隔离区域132的位置。隔离区域132的位置与光波导的厚度、入射光线的角度等因素有关，本公开对此不作具体限定。
54.本实施例中，耦入光栅12具有记录图像的功能，耦出光栅13具有再现图像的功能。
55.本实施例中，耦入光栅12可以采用表面浮雕光栅或体全息光栅，本实施例对此不作限定。
56.本实施例中，耦出光栅13可以采用表面浮雕光栅或体全息光栅，本实施例对此不作限定。
57.在实际应用中，可以根据光波导11的折射率确定入射光线在光波导11内传播的全反射临界角，根据该全反射临界角以及入射光线射向耦入光栅12的角度区间，可以设计耦入光栅12的光栅参数，以使该角度区间内的入射光线经过耦入光栅12后，能够在光波导11内进行全反射。其中，光栅参数可以包括以下至少之一：折射率、占空比、光栅高度、倾斜角度以及光栅周期等。
58.在具体实现中，耦入光栅12与耦出光栅13的光栅周期可以相同，本实施例对此不作限定。
59.在具体实现中，由于光栅具有角度选择性和波长选择性，在设计耦出光栅13时，可以使图像光线101满足布拉格匹配条件，图像光线101经耦出光栅13发生衍射；而环境光线不满足布拉格匹配条件，环境光线可以直接透过耦出光栅13进入人眼，实现环境光线与图像光线101的融合，从而形成增强现实的显示效果。
60.本实施例中，如图2所示，零级光线102可以垂直于光波导11的表面入射至光学传输系统，本公开对此不作限定。
61.为了彻底消除零级光，在一种可选的实现方式中，零级光线102入射至耦出光栅13所在的平面时形成零级光斑，隔离区域132覆盖零级光斑。
62.可选地，光波导11内聚焦的零级光线102入射至耦出光栅13所在的平面时，零级光线102聚焦的焦点可以位于耦出光栅13的隔离区域132内，有助于彻底消除零级光线102。
63.发明人发现，目前市面上的增强现实显示产品大多是2d显示，或者使用的是存在视觉疲劳的双目视差3d显示技术。
64.为了实现无视觉疲劳的3d显示，在一种可选的实现方式中，图像光线101可以为3d图像光线101，耦入光栅12和耦出光栅13均为体全息光栅。
65.其中，体全息光栅为全息光学元件。全息光学元件是根据全息术原理制成的光学元件，通常做在感光薄膜材料上。与传统光学元件基于反射或者折射的原理不同，全息光学元件是基于衍射原理，是一种衍射光学元件。由于全息光学元件只是一层薄膜，体积、重量相比传统光学元件大幅度减小。同时全息光学元件可以进行光学复用，记录多个全息图，实现多种功能的集成，从而可以进一步减小系统的体积。
66.本实现方式中，不但可以实现无视觉疲劳的3d显示，而且可以减小系统的体积和重量。
67.本实施例中，耦入光栅12可以设置在光波导11背离入射光线入射的一侧表面，或者设置在光波导11靠近入射光线入射的一侧表面。具体地，若耦入光栅12为反射式光栅，则耦入光栅12位于光波导11背离入射光线入射的一侧；若耦入光栅12为透射式光栅，则耦入光栅12位于光波导11靠近入射光线入射的一侧。
68.本实施例中，耦出光栅13可以设置在光波导11背离入射光线入射的一侧表面，或者设置在光波导11靠近入射光线入射的一侧表面。具体地，若耦出光栅13为反射式光栅，则耦出光栅13位于光波导11背离入射光线入射的一侧；若耦出光栅13为透射式光栅，则耦出光栅13位于光波导11靠近入射光线入射的一侧。
69.耦入光栅12和耦出光栅13可以均设置在光波导11靠近入射光线入射的一侧表面，或者均设置在光波导11背离入射光线入射的一侧表面，或者其中一个设置在光波导11靠近入射光线入射的一侧表面，另一个设置在光波导11背离入射光线入射的一侧表面。
70.如图2所示，耦入光栅12与耦出光栅13均为反射式光栅，均设置在光波导11背离入射光线入射的一侧表面。
71.如图2所示，耦入光栅12可以靠近光波导11的端面a设置，耦出光栅13可以近端面b设置，端面a和端面b相对设置。端面a连接光波导11靠近图像光线101入射的一侧表面和光波导11背离图像光线101入射的一侧表面，端面b连接光波导11靠近图像光线101入射的一
侧表面和光波导11背离图像光线101入射的一侧表面。
72.图像光线101经过耦入光栅12和耦出光栅13发生衍射的衍射级次相同。例如，衍射级次可以均为1级或
‑
1级等，具体的衍射级次可以根据衍射效率的大小确定。
73.入射光线入射至耦入光栅12所在的平面时形成交叠区域，耦入光栅12覆盖交叠区域。各个角度的入射光线入射至耦入光栅12所在的平面时形成交叠区域，当耦入光栅12覆盖该交叠区域时，可以接收到各个角度的图像光线101，从而确保人眼看到视场角范围内的完整图像。
74.本公开还提供了一种显示装置，参照图7，该显示装置包括：空间光调节器71以及如任一实施例提供的光学传输系统72。
75.其中，空间光调节器71用于向光学传输系统72发射图像光线101和零级光线102。
76.由于该显示装置采用了消零级的光学传输系统72更加轻便化，因此可以实现头戴式显示系统。本实施例中，显示装置可以为增强现实显示装置。
77.在一种可选的实现方式中，空间光调节器71与耦出光栅13出射的图像光线位于光学传输系统72的同一侧。将空间光调节器71与人眼视场(即耦出光栅13出射图像光线的一侧)设置在光学传输系统72的同一侧，使得显示装置更符合眼镜结构，其中空间光调节器71可以位于眼镜腿的位置，便于制备出更符合用户穿戴习惯的增强现实显示装置。当然，空间光调节器71与人眼视场也可以位于光学传输系统72的异侧，视具体情况而定，本实施例对此不作限定。
78.本公开还提供了一种光学传输系统的制备方法，该制备方法可以用于制备上述任一实施例提供的光学传输系统。参照图6和图3，该制备方法包括：
79.步骤61：在光波导11的表面涂覆光敏涂层31。
80.步骤62：向光敏涂层31上与耦入光栅对应的位置照射相互相干的第一相干光l01和第二相干光l02；向光敏涂层31上与耦出光栅的衍射区域对应的位置照射相互相干的第三相干光l03和第四相干光l04，第三相干光l03入射至光敏涂层31上形成第一区域，第四相干光l04入射至光敏涂层31上形成第二区域，第一区域和/或第二区域与隔离区域132无交叠。
81.可选地，可以在第三相干光l03入射的一侧，与隔离区域对应的位置放置一块遮挡块32，使得第一区域与隔离区域无交叠，即隔离区域内没有第三相干光l03的照射，从而避免第三相干光l03和第四相干光l04在隔离区域发生干涉，避免形成干涉条纹。
82.在具体实现中，还可以将遮挡块32放置在第四相干光l04入射的一侧，使得第二区域与隔离区域132无交叠，即隔离区域内没有第四相干光l04的照射，从而避免第三相干光l03和第四相干光l04在隔离区域发生干涉，避免形成干涉条纹。
83.还可以将遮挡块32分别放置在第三相干光l03和第四相干光l04入射的一侧，使得第一区域和第二区域均与隔离区域132无交叠，即隔离区域内没有第三相干光l03和第四相干光l04的照射，从而避免第三相干光l03和第四相干光l04在隔离区域发生干涉，避免形成干涉条纹。
84.其中，第一相干光l01和第二相干光l02互为相干光，二者在光敏涂层31上与耦入光栅对应的位置可以发生干涉。第三相干光l03和第四相干光l04为相干光，二者在光敏涂层31上与耦出光栅的衍射区域对应的位置可以发生干涉。
85.第一相干光l01、第二相干光l02、第三相干光l03和第四相干光l04的波长可以与图像光线101的波长相同。
86.步骤63：对照射后的光敏涂层31进行处理，在光波导11的表面形成耦入光栅12和耦出光栅13。
87.具体地，可以对照射后的光敏涂层31进行显影和定影处理，从而在光波导11的表面形成耦入光栅12和耦出光栅13，如图2所示。
88.如图3所示，第一相干光l01可以为聚焦光束，第二相干光l02为平面光束。第一相干光l01和第二相干光l02可以分别从光波导11相对的两侧入射。
89.第一相干光l01的入射角度可以为锐角，即第一相干光l01与光波导11表面之间的夹角大于0
°
，且小于90
°
。
90.第二相干光l02可以与光波导11的表面垂直。即第二相干光l02与光波导11表面之间的夹角为90
°
。
91.在具体实现中，倾斜入射的聚焦光束即第一相干光l01与垂直入射的平面波即第二相干光l02发生干涉，从而完成耦入光栅12的记录。
92.为了获得第一相干光l01，如图4所示，可以将包含多种波长的初始光线l05照射在一块三角棱镜上，通过三角棱镜实现波长的筛选和入射角度的调节。
93.如图3所示，第三相干光l03可以为聚焦光束，第四相干光l04为平面光束。第三相干光l03和第四相干光l04分别从光波导11相对的两侧入射。
94.第四相干光l04的入射角度为锐角，即第四相干光l04与光波导11表面之间的夹角大于0
°
，且小于90
°
。
95.第三相干光l03与光波导11的表面垂直，指的是第三相干光l03的中心光线与光波导11表面之间的夹角为90
°
。
96.在具体实现中，倾斜入射的平面波即第四相干光l04与垂直入射的聚焦光波即第三相干光l03在衍射区域131对应的位置发生干涉，在隔离区域对应的位置可以放置一个遮挡块32，避免在隔离区域132形成干涉条纹，从而完成耦出光栅13的记录。
97.为了获得第四相干光l04，如图5所示，可以将包含多种波长的初始光线l06照射在一块三角棱镜上，通过三角棱镜实现波长的筛选和入射角度的调节。
98.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
99.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
100.以上对本公开所提供的一种光学传输系统及其制备方法、显示装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本公
开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。
101.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
102.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
103.本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本公开的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在一个实施例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。
104.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本公开的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
105.在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
106.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围。