一种可消除彩虹效应的衍射光波导装置的制作方法

1.本发明属于波导显示技术领域，具体涉及一种可消除彩虹效应的衍射光波导装置。


背景技术：

2.增强现实(ar)以及混合现实(mr)系统包含了微投影引擎、透明的光波导以及衍射光学元件(doe)，以实现微投影引擎图像的耦入、出瞳扩展以及耦出，让用户在接收到微投影引擎投影出来的虚拟图像时，也能够有效的观察到现实世界的场景。
3.当前用于近眼显示系统(ned)或者抬头的衍射显示技术，通常包含了耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅以及光波导元件，其中光栅为二元光栅，耦入光栅产生正负两个方向相反的衍射级次，将光以合适的角度耦入到光波导内，并分别在光波导内进行全反射传输，之后通过两侧的出瞳扩展光栅分别对正负两个衍射级次进行一个方向(如y方向)上的扩展，并在正交方向上进行传输，至耦出光栅后，将光在另一个方向(如x方向)上进行扩展并将光从波导中耦出。在此过程中，除了由光引擎输入并经过耦出光栅耦出所期望的图像a外，还有外部真实世界输入的外部环境光b经光波导后，由耦出光栅衍射出来并到达人眼的非期望的图像c，即衍射光波导系统中的彩虹效应，如图1所示，其在所期望的图像上呈现一种色彩斑斓的图案，以导致衍射光波导成像质量下降甚至是在某些情况下无法使用。
4.针对上述问题，现有技术中提出以下技术方案：
5.1)专利公告号us09625717b2《optical device with diffractive grating》中提出了在透明光波导上使用双层透明光栅的方法，其中第二层光栅位于第一层光栅的上方，两者周期一致，但具有高低不同的折射率区块，其中第二层光栅的低折射率区块对准或部分对准于第一层光栅的高折射率区块，反之亦然，通过第二层光栅以减少外部环境经过耦出区域所产生的非零级衍射光，以减少系统中的部分彩虹效应。但此方法会降低所期望图像的耦出效率与均匀性，从而降低整个系统的成像质量。
6.2)专利公告号us10234686b2《rainbow removal in near-eye display using polarization-sensitive grating》中提出应用偏振滤波器，将外部环境中的自然光变成偏振或者部分偏振光，如tm光，由于所设计的耦出光栅对te偏振光敏感，因此外部环境中的光经过耦出光栅后不会发生衍射效应，从而避免了系统中的部分彩虹效应。通过使用偏振滤波器来改变外部环境自然光的偏振态，如生成tm线偏光，让对te偏振光敏感的耦出光栅对tm线偏光不发生衍射效应，以避免彩虹效应。但此方法，一方面，通过偏振滤波器将外部环境的自然光变成线偏光，会导致透过光波导的自然光亮度降低一半，让透明光波导丧失了部分透光性的优势；另一方面，尽管由微光引擎输出的图像为线偏光，但经过耦入光栅以及出瞳扩展光栅后，与耦出光栅相互作用的光，其偏振态即包含不同方向的线偏光，也包含圆偏光以及椭圆偏光等，因此，若将耦出光栅设计为仅对te线偏光敏感以此来消除彩虹效应的话，将会极大的降低所期望图像的耦出效率及均匀性，影响整个系统的成像质量。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对上述问题，提出一种可消除彩虹效应的衍射光波导装置，不仅保证了用户视场内环境光的亮度，同时，实现彩虹效应的消除，保证了耦出图像的均匀性和亮度，可为ar或者hmd用户提供更好的体验。
8.为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
9.本发明提出的一种可消除彩虹效应的衍射光波导装置，包括光引擎，还包括耦入光栅、波导组件、调节机构和耦出光栅，耦入光栅、调节机构和耦出光栅均贴合波导组件设置，其中：
10.耦入光栅，用于将光引擎发出的光耦入波导组件；
11.调节机构，为体布拉格光栅，且与耦出光栅相对布设，用于将外部环境光中预设角度范围内的光进行反射，使进入波导组件的外部环境光经耦出光栅后表现为零级衍射光，以消除彩虹效应；
12.耦出光栅，用于将经波导组件传导的光耦出至人眼。
13.优选地，体布拉格光栅满足如下条件：
[0014][0015]
其中，λ为体布拉格光栅的周期，λ为干涉光束的中心波长，θ为干涉光束的角度。
[0016]
优选地，预设角度范围为-30
°
～30
°
，体布拉格光栅的厚度范围为10um～100um，折射率调制范围为0.16～0.2。
[0017]
优选地，预设角度范围为-15
°
～15
°
，体布拉格光栅的厚度范围为70um～100um，折射率调制范围为0.01～0.03。
[0018]
优选地，体布拉格光栅和耦出光栅在波导组件上的覆盖面积相同。
[0019]
优选地，体布拉格光栅的光致聚合物材料为丙烯酸酯类共聚物。
[0020]
优选地，波导组件包括单层或多层波导片。
[0021]
优选地，体布拉格光栅采用全息曝光方法加工。
[0022]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过在波导组件上放置体布拉格光栅，体布拉格光栅与耦出光栅相对设置，通过体布拉格光栅的角度选择特性，以将外部环境光中预设角度范围内的光全部反射，而其它角度入射的光透过波导组件经耦出光栅后仅存在零级衍射光，不仅保证了用户视场内环境光的亮度，同时，实现彩虹效应的消除，不会影响耦出光栅的性能，保证了耦出图像的均匀性和亮度，可为ar或者hmd用户提供更好的体验。
附图说明
[0023]
图1为现有技术的衍射光波导装置结构示意图；
[0024]
图2为本发明的衍射光波导装置结构示意图；
[0025]
图3为本发明的实施例一r0衍射级次下入射角度与效率的关系图；
[0026]
图4为本发明的实施例一t0衍射级次下入射角度与效率的关系图；
[0027]
图5为本发明的实施例一t+1衍射级次下入射角度与效率的关系图；
[0028]
图6为本发明的实施例二r0衍射级次下入射角度与效率的关系图；
[0029]
图7为本发明的实施例二t0衍射级次下入射角度与效率的关系图；
[0030]
图8为本发明的实施例二t+1衍射级次下入射角度与效率的关系图。
[0031]
附图标记说明：1、光引擎；2、耦入光栅；3、波导组件；4耦出光栅；5、调节机构；6、人眼。
具体实施方式
[0032]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
[0033]
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技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术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，不是在于限制本技术。
[0034]
如图2所示，一种可消除彩虹效应的衍射光波导装置，包括光引擎1，还包括耦入光栅2、波导组件3、调节机构5和耦出光栅4，耦入光栅、调节机构和耦出光栅均贴合波导组件设置，其中：
[0035]
耦入光栅2，用于将光引擎1发出的光耦入波导组件3；
[0036]
调节机构5，为体布拉格光栅，且与耦出光栅4相对布设，用于将外部环境光中预设角度范围内的光进行反射，使进入波导组件3的外部环境光经耦出光栅后表现为零级衍射光，以消除彩虹效应；
[0037]
耦出光栅4，用于将经波导组件3传导的光耦出至人眼6。
[0038]
本技术的衍射光波导装置主要用于ar或者hmd衍射波导显示系统。耦出光栅4为透射式，并放置在波导组件3的一侧，并在波导组件3的另一侧对应放置调节机构5，即体布拉格光栅，如图2中耦出光栅4位于波导组件3的上表面，体布拉格光栅位于波导组件3的下表面，耦出光栅4和体布拉格光栅相对设置，具体方位不作限定。图2中，a为期望的图像，b1为外部环境光中预设角度范围内的光，b2为外部环境光中其他角度入射(预设角度范围外)的光，c1为零级衍射光。通过体布拉格光栅的角度选择性，将外部环境光中预设角度范围内的光进行反射，以避免其通过波导组件3后进入耦出光栅4，并与耦出光栅4相互作用产生高阶衍射级次(如一级衍射级次等)，从而生成非期望图像，使用户观察到彩虹效应；对外部环境光中其它角度入射的光，可以直接通过体布拉格光栅、波导组件3以及耦出光栅4，避免产生高阶衍射级次，仅存在零级衍射光，因此可以直接与微投影引擎投影出来的虚拟图像相融合，以实现ar或者hmd虚实结合的功能，保证了用户视场内环境光的亮度及耦出图像的均匀性和亮度，为用户提供良好的成像质量。
[0039]
在一实施例中，体布拉格光栅满足如下条件：
[0040][0041]
其中，λ为体布拉格光栅的周期，λ为干涉光束的中心波长，θ为干涉光束的角度。
[0042]
其中，为了使体布拉格光栅具有良好的角度选择性，需合理设置光栅周期λ。体布拉格光栅是通过使用至少两束光(即干涉光束)在光敏材料上，以一定角度干涉而形成的具
有特定的折射率分布的光栅结构，具有角度选择性。为本领域技术人员熟知技术，在此不再赘述。
[0043]
在一实施例中，体布拉格光栅和耦出光栅在波导组件上的覆盖面积相同。体布拉格光栅和耦出光栅在波导组件上的覆盖面积相同且对正布设，可以通过使用体布拉格光栅的角度选择性，以对外部环境光进行滤波，使特定入射角度(预设角度范围内)的光全部反射，其它入射角度的光全部透射，从而避免外部环境光与耦出光栅4相互作用产生非零衍射使用户观察到彩虹效应，可获得良好的成像质量。
[0044]
在一实施例中，体布拉格光栅的光致聚合物材料为丙烯酸酯类共聚物。还可为本领域技术人员熟知的其他材料，如重铬酸盐明胶(dcg)、光热敏折变(ptr)玻璃等。
[0045]
在一实施例中，波导组件3包括单层或多层波导片。
[0046]
在一实施例中，体布拉格光栅采用全息曝光方法加工。
[0047]
以下通过具体实施例进行详细阐述。
[0048]
实施例1：
[0049]
如图3-5所示，本实施例中，预设角度范围为-15
°
～15
°
，体布拉格光栅的厚度范围为70um～100um，折射率调制范围为0.01～0.03。
[0050]
通过合理设置体布拉格光栅的厚度和折射率调制，可使体布拉格光栅具有良好的角度选择性。外部环境光经体布拉格光栅对应产生r0衍射级次、t0衍射级次以及t+1衍射级次，如实现在-45
°
至45
°
外部环境光中预设角度范围为-15
°
～15
°
的入射光经体布拉格光栅全部反射，其它角度入射光经体布拉格光栅全部透射，且不产生高阶衍射级次，即一级衍射级次，体布拉格光栅的厚度范围为70um～100um，折射率调制范围为0.01～0.03，r0衍射级次的平均效率大于48.2％，t0衍射级次的平均效率大于51.8％。
[0051]
具体地，λ＝530nm，θ＝7.5
°
，则λ＝4.06um，体布拉格光栅的光致聚合物材料选择丙烯酸酯类共聚物。通过使用优化后的体布拉格光栅的厚度与折射率调制，-15
°
至15
°
角度内的外部环境光被全部反射，其它角度的外部环境光为t0衍射级次，其能够透过波导组件3并进入人眼6，同时，未产生t+1衍射级次的衍射光，通过此方法，以减少外部环境光经过耦出光栅4所产生的非零级衍射光，可以有效的消除外部环境光引入的彩虹效应。实际使用过程中，基于衍射光波导装置所承担的视场角来设定预设角度范围，具体满足如下公式：
[0052][0053]
其中，β为预设角度，λ1为入射波长(与干涉光束的中心波长λ相同)，i为入射的视场角，t为耦出光栅的周期，n为波导组件的折射率，一般取1.7～2.0。假设n＝2，i＝-10
°
～10
°
，λ＝500nm，t＝380nm，则预设角度范围为34.82
°
～48.137
°
，具体预设角度范围根据实际需求确定。
[0054]
根据上述数据，通过使用傅里叶模态法(fmm)对不同入射角度下r0衍射级次、t0衍射级次和t+1衍射级次进行分析验证。由图3可知，对-15
°
～15
°
外部环境入射光，r0衍射级次效率为100％，在-45
°
～45
°
外部环境光中r0衍射级次的平均效率为48.2％。由图4可知，对-15
°
～15
°
外部环境入射光，t0衍射级次效率为0，在-45
°
～45
°
外部环境光中t0衍射级次的平均效率为51.7％。由图5可知，t+1衍射级次效率为0，未产生t+1衍射级次的衍射光。
[0055]
实施例2：
[0056]
如图6-8所示，本实施例中，预设角度范围为-30
°
～30
°
，体布拉格光栅的厚度范围为10um～100um，折射率调制范围为0.16～0.2。
[0057]
通过合理设置体布拉格光栅的厚度和折射率调制，可使体布拉格光栅具有良好的角度选择性。外部环境光经体布拉格光栅对应产生r0衍射级次、t0衍射级次以及t+1衍射级次，如实现在-45
°
至45
°
外部环境光中预设角度范围为-30
°
～30
°
的入射光经体布拉格光栅全部反射，其它角度入射光经体布拉格光栅全部透射，且不产生高阶衍射级次，即一级衍射级次，体布拉格光栅的厚度范围为10um～100um，折射率调制范围为0.16～0.2，r0衍射级次的平均效率大于77.2％，t0衍射级次的平均效率大于22.8％。
[0058]
具体地，λ＝530nm，θ＝20
°
，则λ＝1.55um，体布拉格光栅的光致聚合物材料选择丙烯酸酯类共聚物。通过使用优化后的体布拉格光栅的厚度与折射率调制，-30
°
至30
°
角度内的外部环境光被全部反射，其它角度的外部环境光为t0衍射级次，其能够透过波导组件3并进入人眼6，同时，未产生t+1衍射级次的衍射光，通过此方法，以减少外部环境光经过耦出光栅4所产生的非零级衍射光，可以有效的消除外部环境光引入的彩虹效应。实际使用过程中，基于衍射光波导装置所承担的视场角来设定预设角度范围，具体满足如下公式：
[0059][0060]
其中，β为预设角度，λ1为入射波长(与干涉光束的中心波长λ相同)，i为入射的视场角，t为耦出光栅的周期，n为波导组件的折射率，一般取1.7～2.0。假设n＝2，i＝-10
°
～10
°
，λ＝500nm，t＝380nm，则预设角度范围为34.82
°
～48.137
°
，具体预设角度范围根据实际需求确定。
[0061]
根据上述数据，通过使用傅里叶模态法(fmm)对不同入射角度下r0衍射级次、t0衍射级次和t+1衍射级次进行分析验证。由图6可知，对-30
°
～30
°
外部环境入射光，r0衍射级次效率为100％，在-45
°
～45
°
外部环境光中r0衍射级次的平均效率为77.2％。由图7可知，对-30
°
～30
°
外部环境入射光，t0衍射级次效率为0，在-45
°
～45
°
外部环境光中t0衍射级次的平均效率为22.7％。由图8可知，t+1衍射级次效率为0，未产生t+1衍射级次的衍射光。
[0062]
本发明通过在波导组件上放置体布拉格光栅，通过体布拉格光栅的角度选择特性，以将外部环境光中预设角度范围内的光全部反射，而其它角度入射的光透过波导组件经耦出光栅后仅存在零级衍射光，不仅保证了用户视场内环境光的亮度，同时，实现彩虹效应的消除，不会影响耦出光栅的性能，保证了耦出图像的均匀性和亮度，可为ar或者hmd用户提供更好的体验。
[0063]
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。
[0064]
以上所述实施例仅表达了本技术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，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。