一种光波导基于视场角在K域的计算方法及衍射光波导与流程

一种光波导基于视场角在k域的计算方法及衍射光波导
技术领域
1.本发明实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种光波导基于视场角在k域的计算方法及衍射光波导。


背景技术：

2.增强现实(ar)(augmented reality，ar)技术近年来正在进行快速的发展和商业化。对于ar应用，光波导主要作为一种光学组合器，将来自虚拟图像的光与环境光结合起来，因此允许观看者在现实世界的意义上看到虚拟图像。衍射波导作为最有利的解决方案之一，最近引起了人们的关注，即通过使光线在波导内部全反射传播，可以将显示模块设计更轻薄。衍射波导光栅区一般由耦入光栅、中继光栅和耦出光栅组成。即用于ar的透明光波导光可以在tir(全反射)下传播，并在耦出光栅作用下耦合入人眼，目前使用的可视化工具中，k域的图解方法系统仿真光线各个参数对衍射光波导视场角(field of view，fov)的影响，即用于特定光波导分布的耦合条件成为科研界和工业界常用的分析方法。
3.而目前的k域图解对于波导未进入基底传播的视场角部分未进行修正，导致在下一个光栅的传播k域图显示存在较大偏差，最终导致分析结果误差较大。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供一种光波导基于视场角在k域的计算方法及衍射光波导，该方法通过对衍射光波导的k域图可视化分析，利用衍射光波导的基底边界，集合算法可准确得出衍射光波导的k域图，可以纠正现有的k域图误差，提高视场角在k域图中的计算精度。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种光波导基于视场角在k域的计算方法，应用在衍射光波导的光波分析中，所述计算方法包括：
6.获取入射光波在衍射光波导内传播的k域边界，确定所述衍射光波导的k域图；
7.获取所述入射光波投影在所述k域图中的初始视场；所述初始视场的参量包括所述入射光波在所述k域图的初始坐标和初始视场视野；
8.根据所述初始视场、所述k域边界和所述入射光波在入射光栅中的衍射参量，确定所述入射光波经耦入光栅耦入衍射光波导后的耦入视场角；
9.根据所述耦入视场角、所述k域边界和所述入射光波在中继光栅中的衍射参量，确定所述入射光波经中继光栅传播后的中继视场角；
10.根据所述中继视场角、所述k域边界和所述入射光波在耦出光栅中的衍射参量，确定所述入射光波经耦出光栅耦出所述衍射光波导基底后的耦出视场角；
11.其中，所述耦出视场角为所述入射光波经所述衍射光波导衍射后在k域图中的实际视场角。
12.可选的，获取入射光波在衍射光波导内传播的k域边界，确定所述衍射光波导的k域图，包括：
13.根据空气折射率，确定所述入射光波在所述衍射光波导内部的第一k域边界；
14.根据所述衍射光波导的基底折射率，确定所述入射光波在所述衍射光波导内部的第二k域边界；
15.根据所述第一k域边界和所述第二k域边界，确定衍射光波导的k域图。
16.可选的，获取所述入射光波投影在所述k域图中的初始视场，包括：
17.根据所述k域边界和所述入射光波在k域图中的波矢参数，确定所述入射光波投影在k域图中的初始坐标；
18.根据所述初始视场、所述k域边界和所述入射光波在入射光栅中的衍射参量，确定所述入射光波经耦入光栅耦入衍射光波导后的耦入视场角，包括：
19.根据所述初始坐标和所述入射光波在耦入光栅的衍射参量，确定所述入射光波经所述耦入光栅耦入后k域图中的耦入视场角视野平面坐标；
20.在所述耦入光栅的k域图中，将所述入射光波的初始视场视野和所述k域边界取交集，获得所述入射光波在所述耦入光栅内的耦入视场角视野；
21.根据所述耦入视场角、所述k域边界和所述入射光波在中继光栅中的衍射参量，确定所述入射光波经中继光栅传播后的中继视场角，包括：
22.根据所述耦入视场角视野平面坐标和所述入射光波在所述中继光栅的衍射参量，确定所述入射光波在所述中继光栅中k域图中的中继视场角视野平面坐标；
23.在所述中继光栅的k域图中，将所述入射光波的耦入视场角视野和所述k域边界取交集，确定所述入射光波在所述中继光栅内的中继视场角视野；
24.根据所述中继视场角、所述k域边界和所述入射光波在耦出光栅中的衍射参量，确定所述入射光波经耦出光栅耦出所述衍射光波导基底后的耦出视场角，包括：
25.根据所述中继视场角视野平面坐标和所述入射光波在所述耦出光栅的衍射参量，确定所述入射光波经所述耦出光栅耦出所述衍射光波导后k域图中的耦出视场角视野平面坐标。
26.可选的，根据所述初始坐标和所述入射光波在耦入光栅的衍射参量，确定所述入射光波经所述耦入光栅耦入后k域图中的耦入视场角视野平面坐标，包括：
27.根据所述耦入光栅的光栅周期和所述耦入光栅的线性方程，确定所述入射光波在所述耦入光栅传播的耦入位移量；
28.根据所述初始坐标和所述耦入位移量，获得所述入射光波的耦入视场角视野平面坐标。
29.可选的，根据所述耦入视场角视野平面坐标和所述入射光波在所述中继光栅的衍射参量，确定所述入射光波在所述中继光栅中k域图中的中继视场角视野平面坐标，包括：
30.根据所述中继光栅的光栅周期，获得所述中继光栅的波矢量；
31.根据所述光栅周期、所述光栅周期和所述中继光栅内光波矢量和为零的衍射条件，获得所述入射光波在所述中继光栅中的传播矢量角度；
32.根据所述耦入视场角视野平面坐标、所述中继光栅的波矢量和所述传播矢量角度，确定所述入射光波的中继视场角视野平面坐标。
33.可选的，根据所述中继视场角视野平面坐标和所述入射光波在所述耦出光栅的衍射参量，确定所述入射光波经所述耦出光栅耦出所述衍射光波导后k域图中的耦出视场角
视野平面坐标，包括：
34.根据所述耦出光栅的光栅周期，获得所述耦出光栅的波矢量；
35.根据所述耦入光栅的光栅周期、所述中继光栅的光栅周期和所述耦出光栅内光波矢量和为零，获得所述入射光波在所述耦出光栅中的传播矢量角度；
36.根据所述中继视场角视野平面坐标、所述耦出光栅的波矢量和所述耦出光栅中的传播矢量角度，确定所述入射光波的耦出视场角视野平面坐标。
37.可选的，在获取所述入射光波投影在所述k域图中的初始视场之前，还包括：
38.设置所述衍射光波导满足所述入射光波在衍射光波导内部传播的矢量和为零。
39.可选的，在在所述耦入光栅的k域图中，将所述入射光波的初始视场视野和所述k域边界取交集，获得所述入射光波在所述耦入光栅内的耦入视场角视野之前，还包括：
40.获取所述入射光波在波导基底内的初始视场视野；所述初始视场视野包括所述入射光波的初始视场和投影在k域图的高宽比。
41.第二方面，本发明实施例还一种衍射光波导，衍射光波导包括波导基底以及位于所述波导基底至少一侧表面的耦入光栅、中继光栅和耦出光栅，可用于实现第一方面提供的计算方法。
42.本发明实施例提供的一种光波导基于视场角在k域的计算方法，对衍射光波导的k域图可视化分析，利用衍射光波导的基底边界，集合算法可准确得出衍射光波导的k域图，可以纠正现有的k域图误差，具有操作简单，计算速度快等特点，有利于提高视场角在k域图中的计算精度，利用该方法可较准确计算出一定的视场角视野在波导基底的传播情况，便于波导设计者在设计光栅偏转与布局提供准确的视野参考依据。
附图说明
43.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
44.图1为本发明提供的一种衍射光波导的平面结构示意图；
45.图2为本发明提供的一种光波导基于视场角在k域的计算方法的流程示意图；
46.图3为本发明提供的入射光波在空气中视场角(fov)的k域图；
47.图4为本发明提供的入射光波在耦入光栅中视场角(fov)的k域图；
48.图5为本发明提供的耦入光栅中视场角(fov)与k域边界集合计算纠正的k域图；
49.图6为本发明提供的入射光波在中继光栅中视场角(fov)的k域图；
50.图7为本发明提供的中继光栅中视场角(fov)与k域边界集合计算纠正的k域图；
51.图8为本发明提供的入射光波在耦出光栅中视场角(fov)的k域图。
具体实施方式
52.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
53.实施例
54.图1为本发明提供的一种衍射光波导的平面结构示意图；图2为本发明提供的一种光波导基于视场角在k域的计算方法的流程示意图；图3为本发明提供的入射光波在空气中视场角(fov)的k域图；图4为本发明提供的入射光波在耦入光栅中视场角(fov)的k域图；图5为本发明提供的耦入光栅中视场角(fov)与k域边界集合计算纠正的k域图；图6为本发明提供的入射光波在中继光栅中视场角(fov)的k域图；图7为本发明提供的中继光栅中视场角(fov)与k域边界集合计算纠正的k域图；图8为本发明提供的入射光波在耦出光栅中视场角(fov)的k域图。结合图1-图8所示，本发明实施例提供了一种光波导基于视场角在k域的计算方法，应用在衍射光波导的光波分析中，通过对衍射光波导的k域可视化分析，利用基底边界，集合算法可较为准确的得出衍射光波导的k域图解，用于纠正k域图误差，该计算方法包括：
55.s101、获取入射光波在衍射光波导内传播的k域边界，确定衍射光波导的k域图。
56.示例性的，入射光波携带虚拟图像信息，在衍射光波导中进行光线传播，形成显示图像。结合图1和图2所示，以入射光波的中心波长λ为520nm为例，空气折射率n0为1，衍射光波导的基底折射率n1为1.90。入射光波垂直从空气入射到衍射光波导中，视场角在波导内部的传播边界受到空气折射率n0和衍射光波导的基底折射率n1的数值影响。
57.具体的，根据空气折射率，结合公式kmin＝2π/λ，确定入射光波在衍射光波导内部的第一k域边界，即计算得到视场角投影在k域图中xoy平面的最小传播边界半径kmin；根据衍射光波导的基底折射率，结合kmax＝2π*n/λ，确定入射光波在衍射光波导内部的第二k域边界，即计算得到视场角投影在k域图中xoy平面的最大传播边界半径kmax；根据第一k域边界和第二k域边界，获得衍射光波导的边界场，确定衍射光波导的k域图。
58.其中，k域图以第一k域边界和第二k域边界划分为三个区域，当入射光波对应的波矢区域位于第一k域边界内的区域时，表明入射光波在空气中传播；当入射光波对应的波矢区域位于第一k域边界与第二k域边界之间的环形区域时，表明入射光波在波导基底1内全反射传输；当入射光波对应的波矢区域位于第二k域边界外的区域时，表明该部分光线不在衍射波导内传输。本发明以衍射光波导基底为边界场可准确得到入射光波视场角(fov)在光栅区域中正确的传播情况，有利于最终得到人眼观测到的准确视场。
59.s102、获取入射光波投影在k域图中的初始视场。
60.具体的，以入射光波为矩形光束为例，其垂直从空气入射到衍射光波导中的视场角为60
°
，入射光波的宽高比为16：9。图3中k域图中的矩形框m0即表示为射光波投影在k域图中的初始视场，初始视场的参量包括入射光波在k域图的初始坐标(x0，y0)和初始视场视野，初始坐标(x0，y0)指的是入射光波在空气中传播k域图中的矩形框m0的中心坐标，初始视场视野指的是入射光波在空气中传播k域图中投影区域的形状、面积和高宽比等。
61.示例性的，根据k域边界和入射光波在k域图中的波矢参数，确定入射光波投影在k域图中的初始坐标(x0，y0)。
62.具体的，波矢是一种表示波的矢量的方法，波矢是一个矢量，其大小表示角波数。波矢参数指的是入射光波的波矢与z轴的夹角θ，入射光波的波矢在k域图中xoy平面中的方位角根据第一k域边界kmin与波矢参数，获得入射光波投影在k域图中的初始坐标
63.s103、根据初始视场、k域边界和入射光波在入射光栅中的衍射参量，确定入射光波经耦入光栅耦入衍射光波导后的耦入视场角。
64.具体的，入射光波垂直入射到衍射光波导中的耦入光栅后，经耦入光栅衍射后在衍射波导中全反射传输。全反射(total internal reflection，tir)是一种光学现象，当光束从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于或者等于临界角(光束远离法线)时，折射光束将会消失，所有的入射光束将被反射而不进入低折射率的介质。
65.一种可行的实施方式，以耦入光栅为一维光栅为例，其光栅周期为d1，如d1＝321nm。定义第一k域边界和第二k域之间的圆环区域为有效衍射区域b，以入射光波的初始视场为参考，结合有效衍射区域b以及入射光波在入射光栅中的衍射参量，确定入射光波经耦入光栅耦入衍射光波导后k域图中的耦入视场角，即图5中不规则的投影区域m3。其中，耦入视场角的参数包括入射光波在耦入光栅k域图中的耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)和耦入视场角视野。结合图5所示，耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)指的是入射光波投影在耦入光栅k域图中投影区域m3的中心坐标，耦入视场角视野指的是入射光波在耦入光栅k域图中位于有效衍射区域b内的投影区域c的形状、面积和高宽比等。
66.示例性的，根据初始坐标和入射光波在耦入光栅的衍射参量，确定入射光波经耦入光栅耦入后k域图中的耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)。
67.具体的，根据耦入光栅的光栅周期和耦入光栅的线性方程，确定入射光波在耦入光栅传播的耦入位移量。入射光波在经光栅周期为d1为321nm的耦入光栅衍射后，满足线性光程：其中，为衍射后光波波矢；为衍射前光波波矢；为耦入光栅的波矢量，m表示光栅的级次，m为0、
±
1、
±
2、
±3……
。
68.入射光波在传播过程中，每经过一次衍射，即经过一次光栅调制(改变光线传播方向)，入射光波在耦入衍射光波基底经耦入光栅向x方向衍射后，在初始坐标(x0，y0)基础上，结合图1所示，其视场角视野平面坐标在x轴方向上发生的位移，即得到耦入位移量(同时也是耦入光栅的波矢量)
69.进一步，根据初始坐标和耦入位移量，获得入射光波经耦入光栅耦入后k域图中的耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)＝(x0+2π/d1，y1)。
70.进一步，由于入射波长的中心波长λ和基底折射率n1的约束，偏离第二k域边界的耦入视场角视野在衍射传输过程中被不同程度的切割，即第二k域边界外入射光波的不能传输到下一个光栅区。结合图4所示，在耦入光栅的k域图中，将入射光波的初始视场视野和k域边界取交集，获得入射光波在耦入光栅内的耦入视场角视野。
71.具体的，基于上述分析，在耦入光栅的k域图中，获取入射光波在波导基底内的初始视场视野，以入射光波的初始视场视野对应的矩形框m1的形状、面积和高宽比为基础，采用微积分等方式，对图4中k域图中的矩形框m1和有效衍射区域b的重叠区取交集，获得入射光波在耦入光栅中k域图中准确的的耦入视场角视野，即图5中不规则的投影区域m3。通过将衍射光波内全反射传输的所有入射光波视场角(fov)以边界场的集合计算，可以准确可视化计算出入射光波视场角(fov)切割程度和入射光波在各个光栅区域的传播情况，最终得到准确观测视场，计算速度快且精确；利用该方法可较准确计算出一定的视场角视野在基底的传播情况，便于波导设计者在设计光栅偏转与布局提供准确的视野参考依据。
72.s104、根据耦入视场角、k域边界和入射光波在中继光栅中的衍射参量，确定入射光波经中继光栅传播后的中继视场角。
73.一种可行的实施方式，图6中不规则的投影区域m4为入射光波经中继光栅传播后k域图中的中继视场角。中继视场角的参数包括中继视场角视野平面坐标(x2，y2)和中继视场角视野。结合图7所示，中继视场角视野平面坐标(x2，y2)指的是入射光波投影经中继光栅传播后k域图中投影区域m5的中心坐标，中继视场角视野指的是入射光波在中继光栅k域图中位于有效衍射区域b内的投影区域d的形状、面积和高宽比等。
74.具体的，入射光波在中继光栅的衍射参量包括传播矢量角度β。以中继光栅为一维光栅为例，其光栅周期为d2，其中，d2＝d1＝321nm或d2≠d1。根据中继光栅的光栅周期d2，获得中继光栅的波矢量衍射光波导包括相对的两个表面，通常设置中继光栅位于衍射光波导的任一表面上，入射光波经耦入光栅衍射后在衍射波导的两个表面之间全反射传输至中继光栅时，中继光栅将耦入后的视场角视野平面在垂直或水平方向扩展，并将光线转折到耦出光栅区域，其矢量运算需满足矢量和为零。根据光线反射定律，入射光波在衍射光波内全反射传输满足等腰三角形原理，可得耦入后的视场角视野平面在中继光栅中的传播矢量角度β＝acos(d1/2d2)。
75.在耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)基础上，结合图1、图6和图7所示，其视场角视野平面坐标在x轴方向上发生的位移，在y轴方向上发生的位移，根据耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)和入射光波在中继光栅的衍射参量，获得入射光波经中继光栅传播后中k域图中的中继视场角视野平面坐标其中，为中继光栅波矢，
76.进一步，由于入射波长的中心波长λ和基底折射率n1的约束，偏离第二k域边界的耦入视场角视野在衍射传输过程中被不同程度的切割，即第二k域边界外入射光波的不能传输到下一个光栅区。结合图6所示，在中继光栅的k域图中，将入射光波的耦入视场角视野和k域边界取交集，确定入射光波经中继光栅传播后中继视场角视野。具体的，基于上述分析，在耦入光栅的k域图中，以入射光波的耦入视场角视野对应的矩形框m3的形状、面积和高宽比为基础，采用微积分等方式，对图6中k域图中的矩形框m4和有效衍射区域b的重叠区取交集，获得入射光波经中继光栅传播后中k域图中准确的耦入视场角视野，即图7中不规则的投影区域m5。
77.s105、根据中继视场角、k域边界和入射光波在耦出光栅中的衍射参量，确定入射光波经耦出光栅耦出衍射光波导基底后的耦出视场角。
78.一种可行的实施方式，图8中不规则投影区域m5为入射光波在中继光栅中k域图中的中继视场角，耦出视场角的参数包括耦出视场角视野平面坐标(x3，y3)和耦出视场角视野。结合图8所示，耦出视场角视野平面坐标(x3，y3)指的是入射光波投影经耦出光栅耦出衍射光波导后k域图中的投影区域m6的中心坐标，耦出视场角视野指的是入射光波经耦出光栅耦出衍射光波导后光栅k域图中位于第一k域边界内的投影区域m6的形状、面积和高宽比。
79.示例性的，根据中继视场角视野平面坐标和入射光波在耦出光栅的衍射参量，确
定入射光波经耦出光栅耦出衍射光波导后k域图中的耦出视场角视野平面坐标(x3，y3)。
80.具体的，入射光波在耦出光栅的衍射参量包括耦出光栅的波矢量和传播矢量角度β。以耦出光栅为一维光栅为例，其光栅周期为d3，其中，d3＝d2＝d1＝321nm或者d1、d2和d2不完全相等。根据耦出光栅的光栅周期d3，获得耦出光栅的波矢量耦出光栅对入射光波进行垂直或者水平方向的光瞳扩展，将入射光波耦出衍射光波导后，形成一定大小眼动范围的虚像观察区域(eyebox)，根据光线反射定律，入射光波在衍射光波内全反射传输满足等腰三角形原理，结合步骤104，根据耦入光栅的光栅周期d1、中继光栅的光栅周期d2和耦出光栅内光波矢量和为零，获得耦入后的视场角视野平面在耦出光栅中的传播矢量角度β＝acos(d1/2d2)。
81.在中继视场角视野平面坐标(x2，y2)基础上，结合图1和图8所示，其视场角视野平面坐标在x轴方向上发生的位移，在y轴方向上发生的位移，根据中继视场角视野平面坐标(x2，y2)、耦出光栅的波矢量和所述耦出光栅中的传播矢量角度获得入射光波经耦出光栅耦出衍射光波导后k域图中的耦出视场角视野平面坐标获得入射光波经耦出光栅耦出衍射光波导后k域图中的耦出视场角视野平面坐标其中，为耦出光栅波矢。
82.再结合图8所示，耦出视场角为入射光波经衍射光波导衍射后在k域图中的实际视场角，即为人眼观测到的准确的视场角视野平面。
83.在上述实施例的基础上，为保证入射光波视场角可以在衍射光波波导内部传播，在步骤s101之前，还包括：
84.设置衍射光波导满足入射光波在衍射光波导内部传播的矢量和为零。
85.具体的，设置衍射光波导满足矢量关系其中，为耦入光栅波矢，为中继光栅波矢，为耦出光栅波矢。
86.本发明提出的一种光波导基于视场角在k域的计算方法，对衍射光波导的k域图可视化分析，利用衍射光波导的基底边界，集合算法可准确得出衍射光波导的k域图，可以纠正现有的k域图误差，具有操作简单，计算速度快等特点，有利于提高视场角在k域图中的计算精度，利用该方法可较准确计算出一定的视场角视野在波导基底的传播情况，便于波导设计者在设计光栅偏转与布局提供准确的视野参考依据。
87.基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种衍射光波导，结合图1所示，衍射光波导包括波导基底，波导基底可以为光学玻璃基底，波导基底的长度可根据实际场景的需要设置。波导基底具有相互平行的两个表面，在波导基底的至少一个表面设置耦入光栅、中继光栅和耦出光栅，入射光波垂直从空气入射到衍射光波导中，经耦入光栅耦入波导基底内全反射传输，依次经中继光栅、耦出光栅衍射扩瞳后耦出波导基底，与环境光结合形成，满足了观看者在现实世界的意义上看到虚拟图像。耦入光栅、中继光栅和耦出光栅可以是直齿光栅、闪耀光栅、斜齿光栅、体全息光栅等中的一种或多种组合，这里不做具体限制。
88.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征可以部分地或者全部
地彼此组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。