【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于二维光栅的平面光波导
本专利技术涉及增强现实
，特别涉及基于二维光栅的平面光波导。
技术介绍
增强现实技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间和空间范围内很难体验到的实体信息，通过计算机模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。增强现实技术不仅在与虚拟现实技术相类似的应用领域，诸如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有比虚拟现实技术更加明显的优势。为了实现光学透视式的增强现实显示方案，有人设计了自由曲面棱镜元件，利用折反光路加补偿棱镜的方式实现了光学透视式的增强现实显示，但鉴于自由曲面棱镜达成曲率的需要，在达到良好视觉体验的情况下，这种方案的光学系统的厚度不能做到非常轻薄，限制了眼镜类增强现实显示的进一步轻薄化。而另外一些设计则使用平面光波导方案，利用光线在平面波导元件内的全内反射传输投影机输出光束，并使用多个反射面或光栅截获传输光束实现光学系统出瞳扩展，有效降低了光学元件的厚度，但是目前已有的平面光波导设计方案中，图像的耦入、扩瞳、耦出部分通常需要单独设计加工，制造难度大、成本高，并且光波导的显示区域受限，灵活性不高。<...
【技术保护点】
1.一基于二维光栅的光波导，其特征在于，包括：/n波导基底；和/n光栅结构，其中所述光栅结构被设置于所述波导基底的一表面，其中所述光栅结构包括周期排布的多个光栅单元，并形成第一周期线和第二周期线，其中所述第一周期线与所述第二周期线的夹角为60°。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181226 CN 20181159728031.一基于二维光栅的光波导，其特征在于，包括：
波导基底；和
光栅结构，其中所述光栅结构被设置于所述波导基底的一表面，其中所述光栅结构包括周期排布的多个光栅单元，并形成第一周期线和第二周期线，其中所述第一周期线与所述第二周期线的夹角为60°。
2.根据权利要求1所述的光波导，其中所述光栅结构为凸出于所述波导基底的表面的凸起结构。
3.根据权利要求1所述的光波导，其中所述波导基底的表面具有一凹槽，其中所述光栅结构凸出于所述凹槽的底面。
4.根据权利要求2所述的光波导，其中所述光栅单元垂直于所述波导基底的表面。
5.根据权利要求4所述的光波导，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比和所述光栅单元的高度中的一种或组合被预设。
6.根据权利要求2所述的光波导，其中所述光栅单元与所述波导基底的表面之间具有一定的倾斜角。
7.根据权利要求6所述的光波导，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度和所述倾斜角中的其中一种或组合被预设。
8.根据权利要求2所述的光波导，其中相邻的所述光栅单元之间具有一定的斜面夹角。
9.根据权利要求8所述的光波导，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度和所述斜面夹角中的一种或者组合被预设。
10.根据权利要求1所述的光波导，其中所述波导基底的折射率为1.4至2.2，厚度为0.3mm至2.5mm。
11.根据权利要求1所述的光波导，其中所述光栅结构的周期为200nm至700nm。
12.根据权利要求1所述的光波导，其中所述光栅单元的线宽为50nm至650nm，高度为80nm至650nm。
13.根据权利要求1所述的光波导，其中所述光栅单元为选自：类柱形结构、圆柱形结构、椭圆柱形结构、棱柱形结构、圆锥形结构、棱锥形结构、类棱台和圆台形结构中一种或组合。
14.根据权利要求1至13任一所述的光波导，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中各所述光栅单元的高度保持一致。
15.根据权利要求1至13任一所述的光波导，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中所述光栅结构包括沿光线传播方向依次划分的相邻的第一区域和第二区域，其中所述第一区域具有多个第一光栅单元，其中所述第二区域具有多个第二光栅单元，其中所述第一光栅单元的高度不等于所述第二光栅单元的高度。
16.根据权利要求15所述的光波导，其中所述光栅结构进一步包括沿光线传播方向划分的与所述第二区域相邻的第三区域，其中所述第三区域具有多个第三光栅单元，其中所述第三光栅单元的高度不等于所述第二光栅单元的高度。
17.根据权利要求15所述的光波导，其中所述第一区域内的所述第一光栅单元、所述第二区域内的所述第二光栅单元以及所述第三区域内的所述第三光栅单元呈阶梯状上升。
18.根据权利要求1至13任一所述的光波导，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面包括沿光线传播方向划分的不在同一平面的第一表面和第二表面。
19.根据权利要求18所述的光波导，其中所述光栅结构包括位于所述第一表面的多个第一光栅单元和位于所述第二表面的多个第二光栅单元，其中所述第二光栅单元与所述第一光栅单元之间的高度差等于所述第一表面与所述第二表面之间的高度差。
20.根据权利要求18所述的光波导，其中在所述波导基底的厚度方向上，所述第一表面高于所述第二表面。
21.根据权利要求19所述的光波导，其中所述表面进一步包括与所述第二表面相邻的不在同一平面的第三表面，其中所述光栅结构进一步包括位于所述第三表面的第三光栅单元，其中所述第三光栅单元与所述第二光栅单元之间的高度差等于所述第三表面与所述第二表面之间的高度差。
22.根据权利要求21所述的光波导，其中所述第一表面、所述第二表面以及所述第三表面呈阶梯状下降。
23.根据权利要求1至13任一所述的光波导，其中所述光栅结构包括输入衍射光学元件和输出衍射光学元件，其中所述输入衍射光学元件用于耦入光线于所述波导基底，其中所述输出衍射光学元件用于耦出光线于所述波导基底，其中所述输出衍射光学元件由一组所述光栅单元组成。
24.根据权利要求23所述的光波导，其中所述输入衍射光学元件的线宽为50nm至650nm，高度为80nm至650nm。
25.根据权利要求23所述的光波导，其中所述输入衍射光学元件的线宽大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件的线宽，所述输入衍射光学元件的高度大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件的高度。
26.根据权利要求23所述的光波导，其中远离所述输入衍射光学元件的所述输出衍射光学元件的线宽越大。
27.根据权利要求23所述的光波导，其中远离所述输入衍射光学元件的所述输出衍射光学元件的高度越大。
28.根据权利要求23所述的光波导，其中所述光栅结构进一步包括传输衍射光学元件，其中所述传输衍射光学元件用于将所述波导基底内传输的光线发生偏转。
29.根据权利要求28所述的光波导，其中所述传输衍射光学元件由一组所述光栅单元组成。
30.一增强现实显示设备，其特征在于，包括：
设备主体；和
至少一光波导，其中所述光波导被设置于所述设备主体，其中所述光波导包括：波导基底；
光栅结构，其中所述光栅结构被设置于所述波导基底的一表面，其中所述光栅结构包括周期排布的多个光栅单元，并形成第一周期线和第二周期线，其中所述第一周期线与所述第二周期线的夹角为60°。
31.根据权利要求30所述的显示设备，其中所述设备主体包括一壳体和至少一投影单元，其中所述投影单元和所述光波导被安装于所述壳体，其中所述投影单元用于投射图像光线至所述光波导，其中所述光线被耦入所述波导基底内全反射，其中在所述波导基底内全反射的光线经所述光栅结构耦出。
32.根据权利要求31所述的显示设备，其中所述设备主体进一步包括图像传感器、位置传感器以及处理器，其中所述图像传感器用于采集外界图像信息，其中所述位置传感器用于确定空间位置坐标和方向，其中所述处理器用于基于所述空间位置坐标和方向和所述图像信息，生成可渲染现实世界的虚拟图像的图像信号，其中所述投影单元基于所述图像信号投射相应的所述图像光线至所述光波导，以在用户的视场中呈现被所述虚拟图像渲染的现实世界。
33.根据权利要求32所述的显示设备，其中所述图像传感器为选自RGB相机、单色相机和深度相机中的一种或组合。
34.根据权利要求32所述的显示设备，所述设备主体进一步包括存储器，所述存储器用于存储所述显示设备的信息。
35.根据权利要求32所述的显示设备，其中所述投影单元包括一显示器和一透镜组，其中所述透镜组被设置于所述显示器的投射光线路径，其中所述显示器用于基于所述图像信号投射相应的图像光线，其中所述光线经所述透镜组准直并放大后投射至所述光波导。
36.根据权利要求30所述的显示设备，其中所述设备主体为选自：可佩戴于用户头部的眼镜设备主体和沉浸式设备主体中的一种。
37.根据权利要求32所述的显示设备，所述设备主体进一步包括一网络通信接口，其中网络通信接口用于接收外界传输的虚拟图像的信号。
38.根据权利要求32所述的显示设备，其中所述位置传感器包括确定沿空间三维坐标系的X、Y、Z轴方向的移动自由度和绕X、Y、Z轴方向的旋转自由度。
39.根据权利要求38所述的显示设备，所述设备主体进一步包括至少一手部装置，其中所述手部装置可被穿戴于用户的手部，其中所述位置传感器被设置于所述手部装置，以确定用户的手部的空间位置坐标和方向。
40.根据权利要求30所述的显示设备，其中所述设备主体进一步包括联机端口，其中所述联机端口用于联机至少二所述显示设备，以供各所述显示设备之间进行交互。
41.根据权利要求30所述的显示设备，其中所述光波导为二个。
42.根据权利要求30至41任一所述的显示设备，其中所述光栅结构为凸出于所述波导基底的表面的凸起结构。
43.根据权利要求42所述的显示设备，其中所述波导基底的表面具有一凹槽，其中所述光栅结构凸出于所述凹槽的底面。
44.根据权利要求42所述的显示设备，其中所述光栅单元垂直于所述波导基底的表面。
45.根据权利要求44所述的显示设备，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比和所述光栅单元的高度中的一种或组合被预设。
46.根据权利要求42所述的显示设备，其中所述光栅单元与所述波导基底的表面之间具有一定的倾斜角。
47.根据权利要求46所述的显示设备，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度和所述倾斜角中的一种或组合被预设。
48.根据权利要求42所述的显示设备，其中相邻的所述光栅单元之间具有一定的斜面夹角。
49.根据权利要求48所述的显示设备，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度和所述斜面夹角中的一种或组合被预设。
50.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述波导基底的折射率为1.4至2.2，厚度为0.3mm至2.5mm。
51.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅结构的周期为200nm至700nm。
52.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅单元的线宽为50nm至650nm，高度为80nm至650nm。
53.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅单元为选自：类柱形结构、圆柱形结构、椭圆柱形结构、棱柱形结构、圆锥形结构、棱锥形结构、类棱台以及圆台形结构中的一种或组合。
54.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中各所述光栅单元的高度保持一致。
55.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中所述光栅结构包括沿光线传播方向依次划分的相邻的第一区域和第二区域，其中所述第一区域具有多个第一光栅单元，其中所述第二区域具有多个第二光栅单元，其中所述第一光栅单元的高度不等于所述第二光栅单元的高度。
56.根据权利要求55所述的显示设备，其中所述光栅结构进一步包括沿光线传播方向划分的与所述第二区域相邻的第三区域，其中所述第三区域具有多个第三光栅...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄河，林涛，楼歆晔，
申请(专利权)人：上海鲲游光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31
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