单片式二维扩瞳几何波导的设计方法技术

本申请属于波导技术领域，涉及单片式二维扩瞳几何波导的设计方法

【技术实现步骤摘要】
单片式二维扩瞳几何波导的设计方法、装置、设备和介质


[0001]本申请涉及波导
，特别是涉及单片式二维扩瞳几何波导的设计方法
、
装置
、
设备和介质
。

技术介绍

[0002]增强现实
(AR)
技术能够实时将计算机产生的虚拟画面与现实场景叠加，能够直观地高效率地进行信息显示
。
因此，自从
1968
年首次被提出后，增强现实技术就吸引了广泛关注，被不少机构誉为继智能手机
、
电脑后的新一代智能现实技术
。
近年来，
AR
技术迅速发展，并已经广泛应用于医疗设备
、
教育和娱乐等各个领域
。
光学近眼显示器
(NED)
是
AR
技术实现虚拟
‑
现实融合的关键硬件
。NED
能够在不阻挡真实世界视线的情况下在人眼面前完成虚拟图像的放大
、
投影
、
显示，实现虚拟图像与真实世界的场景融合
。
为了实现更好的显示效果，
NED
技术正朝着更轻薄
、
更大的视场角
(Field of view,FOV)、
更宽眼动范围
(Eye
‑
box)
和更高显示质量的方向发展
。
近年来很多公司发布了他们的产品，比如微软的
HoloLens、Lumus、MagicLeap、Waveoptics、LingxiAR。
相关的研究提出了实现
NED
很多种方法，比如棱镜
、
自由曲面，
Birdbath
，视网膜投影，光波导，超构透镜显示等等
。
然而，目前并没有让人完全满意的方案能够同时实现大的出瞳范围
(Exit pupil diameter,EPD)、
薄厚度和大视场角
。
[0003]以自由曲面
、
棱镜为代表的传统的光学显示方案能够实现较大的
FOV
，但是通常具有超过
10mm
的厚度
。
程德文等人提出了两种紧凑
、
轻重量
、
杂散光抑制的自由曲面棱镜近眼显示方法，其
FOV
可以达到
38
°
和
50
°
且有优秀的显示画面质量，但是棱镜的厚度达到了约为
9.5
毫米和
12
毫米
。
视网膜投影显示可以实现大的
FOV
，并可以克服辐辏冲突的影响，但需要佩戴者将瞳孔精准地对准
Maxwell
观察法的汇聚点，因此其难以容忍佩戴时的人眼相对运动，具有非常小的眼动范围
。Zhaoyi Li
等人提出的超表面显示的方法能够使用轻薄的超表面实现大
FOV
显示，然而超表面显示的色差问题和超构透镜的制造被限制在毫米级别限制了其发展
。
[0004]波导是一种能够同时实现大
FOV
和紧凑轻薄的技术方案
。
光线在波导内部以全反射
(TIR)
的形式沿着波导传播，因此波导能够将进入其中的光引导向特定的方向传播
。
根据输入和输出耦合器的原理，光波导可以分为几何波导
[18
‑
19]和衍射波导
。
衍射波导主要分为表面浮雕光栅波导
Surface Relief Grating,SRG
和体全息光栅波导
Volume Holographic Grating,VHG。
衍射光波导是利用光的衍射效应实现对光束的调控，但由于衍射原理的限制，衍射波导存在较为明显的色彩失真，且有比较严重的漏光现象
。
几何波导是几何光学的原理：当光束在几何光波导内部传播遇到部分反射镜阵列
(PRMA)
时，一束光线被扩宽成多束光，并以相同的传播方向出射，实现了出瞳扩展，出射的光线因而能够覆盖更大的区域
。
几何波导由于其扩瞳原理和相对成熟的制造技术，其无色散问题并能够实现优秀的成像质量，是目前最有前景成为消费级
AR
眼镜的方案之一
。
[0005]现有的几何光波导研究多数集中于一维几何光波导
。
一维波导只能够在一个方向实现出瞳扩展，仅有此方向能实现扩大视场角和出瞳
。
另一个方向只能靠投影系统实现较
大的视场角和出瞳，因此，投影系统的体积需要很大，从而具有较差的成像质量，同时几何波导的结构需要设计得很宽
。
一维几何波导的设计和制造相对二维波导而言更简单，但是拥有更小的视场角
、
出瞳距离和眼动范围
。
[0006]2005
年，
Yaakov Amitai
首次提出了二维扩瞳几何光波导
。2018
年，顾罗等人提出了杂散光抑制的二维扩瞳几何波导抬头显示的设计方法
。
设计的抬头显示使用了两个垂直排布的一维波导完成了两个方向上的扩瞳，并对杂散光和照度均匀性进行了优化
。
但是，垂直和水平扩瞳分离的设计使得波导的投影光路需要设计很长的出瞳距离，这限制了视场角的范围，且分离扩瞳的二维几何波导具有复杂的结构和较大的厚度
。Lumus Ltd.
于
2020
年提出了单层二维扩瞳几何光波导的近眼显示系统，将水平扩瞳区域和垂直扩瞳区域集成在了同一个波导片中
。2022
年，程德文等人设计了一款大视场单层的二维扩瞳几何光波导，并完成了原型机的制造和测试，实现了
45.2
°
H
×
34.6
°
V
的视场角
、12.0mm
×
10.0mm
的眼动范围和
18.0mm
的出瞳距离
。
上述研究表明，单片式二维波导近眼显示设备具有大视场角
、
薄的形状
、
大出瞳范围的优点，能实现高画面质量显示
。
[0007]但是，现有的二维光波导设计方法难以完全发挥出波导的显示性能
。
已提出的传统设计采用逆向设计方法，即从指标所要求反推出波导应该具备的形状
。
此种方法可以快速设计出满足指标要求的波导，但通常情况下，通过耦入棱镜角度偏置等方法，使得同样结构的波导能够实现更优秀的性能
。
使用已提出的传统设计方法完成设计以后，还需要在根据佩戴舒适性上与尺寸性能之间进行妥协，难以避免设计出的波导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
单片式二维扩瞳几何波导的设计方法，其特征在于，包括：获取单片式二维扩瞳几何波导的性能指标，并构建光波导结构；根据所述光波导结构，对垂直视场进行分析，使眼动范围条件满足所述性能指标
、
全反射条件满足成像条件且杂散光抑制条件满足成像质量要求，得到最大垂直视场角；计算入射光线在单片式二维扩瞳几何波导内的传播路径并对耦入棱镜设计偏置角度，通过数值仿真进行出瞳匹配，使出瞳范围覆盖眼动范围，得到最大视场角；根据所述光波导结构
、
所述最大垂直视场角以及所述最大视场角，得到单片式二维扩瞳几何波导
。2.
根据权利要求1所述的单片式二维扩瞳几何波导的设计方法，其特征在于，眼动范围条件满足所述性能指标，包括：垂直扩瞳区域的部分反射镜之间的距离满足：式中，
H
为垂直扩瞳区域的部分反射镜之间的距离，
d
为波导片的厚度，
θ
v
为垂直扩瞳区域的半透半反膜阵列与波导片底边的倾角；垂直方向上眼动范围满足：
(EPD
y
)
max
＝
m
·
H
‑
2ERF
·
tan(
Ω
v max
)
式中，
EPD
y
为眼动范围在垂直方向上的尺寸，
m
为垂直扩瞳区域的部分反射镜数量，
ERF
为出瞳距离，
Ω
v max
为空气中垂直方向上显示视场角的一半；垂直视场角满足：
3.
根据权利要求2所述的单片式二维扩瞳几何波导的设计方法，其特征在于，全反射条件满足成像条件，包括：光线在波导片内部的折射角满足：
ω
v
＝
arcsin(sin(
Ω
v
)/n)
式中，
ω
v
为垂直扩瞳区域沿垂直方向的宽度，
Ω
v
为空气中垂直方向上的视场的角度，
n
为波导片的折射率；光线在波导片内部传播时满足全反射条件：2θ
v
+
ω
v
>
θ
TIR
＝
arcsin(1/n)
式中，
θ
TIR
为光线在波导内发生全反射的临界角；垂直视场角满足：
Ω
v max
<arcsin(n
·
sin(2
θ
v
‑
arcsin(1/n)))。4.
根据权利要求3所述的单片式二维扩瞳几何波导的设计方法，其特征在于，杂散光抑制条件满足成像质量要求，包括：杂散光出射角度满足：
ε

【专利技术属性】
技术研发人员：石峰，宋辞，阮宁烨，彭星，乔硕，翟德德，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：