一种耦入光栅制造技术

本发明专利技术涉及一种耦入光栅

【技术实现步骤摘要】
一种耦入光栅、衍射光波导及AR光学系统


[0001]本专利技术涉及衍射光学元件的
，尤其是涉及一种耦入光栅
、
衍射光波导及
AR
光学系统
。

技术介绍

[0002]AR
显示设备的光学系统包括图像源器件与显示光学器件，其中，图像源器件产生图像并将图像投射到显示光学器件中，显示光学器件将图像反射到眼睛中
。
参照图1，现有的消费级
AR
眼镜需要借助两颗微显示器作为图像源器件，并搭配两套完整的耦入区
‑
转折区
‑
耦出区衍射光波导作为显示光学器件，对左右眼分别进行成像，再通过大脑进行进行信息处理
、
并汇集左右两侧的图像信息，实现双目成像效果
。
上述衍射光波导通过选用单一的闪耀光栅或倾斜光栅作为耦入光栅，以使大部分光能进入到光波导中，进而提高成像亮度，但是由此引入的两颗微显示器会增加佩戴重量，且产品功耗和制造成本也相应增加
。
[0003]参照图2，申请人在此基础上发现，将衍射光波导的耦入光栅设置为一维矩形光栅后，利用矩形光栅产生堆成的衍射级次，能实现光束同时向两侧转折的效果，从而达到借助单个微显示器和单个耦入光栅进行双目成像的目的
。
但是这种设计下的矩形光栅衍射效率不足
10%
，进而导致最终呈现出来的图像亮度较差，对光的利用率极低，难以真正实现消费级应用
。
与此同时，大视场角（
FOV
，
field of view
）也一直是
AR
领域追求的目标性能之一，大
FOV
可以获得更大的视野范围，从而提升佩戴者的沉浸感
。
[0004]授权公告号为
CN109073883B
的中国专利公开了一种 具有扩展视场的波导，光波导的输入耦合器将与图像相对应并且具有对应
FOV
的光耦合到光波导中，并且输入耦合器通过在朝向第一中间组件的第一方向上衍射与图像相对应的光的一部分，并且在朝向第二中间组件的第二方向上衍射与图像相对应的光的一部分，来将耦合到光波导中的图像的
FOV
分成第一部分和第二部分；波导的输出耦合器组合与
FOV
的第一部分和第二部分相对应的光，并且将与
FOV
的组合的第一部分和第二部分相对应的光耦合出光波导，使得与图像和
FOV
的组合的第一部分和第二部分相对应的光从光波导输出；中间组件和输出耦合器也提供光瞳扩展
。
[0005]上述波导通过在耦入区和耦出区中间增加分离视场的两个扩瞳区，并在耦出区通过视场拼接的方式扩展
FOV
；该结构实现耦入区的光能够分别向左右两个扩瞳区传输的方法是，在镜片的正反两面各放置一个耦入区结构，使得经第一平面耦入的光向左侧扩瞳区传播，而经过第二平面耦入的光向右侧扩瞳区传播
。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：上述波导为满足光能够等效地在新增的分离视场系统中传播，需要采用双面压印的方案，在镜片的正反两面制备两个对称的耦入区光栅结构，工艺上要求较高的压印对位精度，增加制造的工艺步骤与成本，同时不利于实现稳定的大规模量产，并且由于两个耦入不在同一平面内，容易导致
FOV
存在左右不对称的现象，有待改进
。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种耦入光栅，其通过有效区分割
、
将入射光束向左右两侧对称传播，能在实现光路向两侧转折的同时，提高衍射效率和视场角，具有提高耦入效率
、
降低制造成本的优点
。
[0007]本专利技术的第二个目的在于提供一种衍射光波导，其实现了二维扩瞳和提高成像质量的效果
。
[0008]本专利技术的第三个目的在于提供一种
AR
光学系统，其具有衍射效率高
、
视场角大的优点
。
[0009]为实现上述第一个目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种耦入光栅，包括
a
个沿着第一方向彼此间隔地排列布置并相对第二方向依次对称地排列布置的光栅分区，所述光栅分区中的至少一个光栅的侧面设置为相对所述第一方向和第二方向倾斜的斜面和
/
或曲面；其中，
a
为
≥2
的偶数，所述第一方向和第二方向相互垂直
。
[0010]通过采用上述技术方案，相邻两个光栅分区之间相对第二方向
、
即与第一方向垂直的平面对称，在这样的排布方式下，入射光束在经过这些对称倾斜的光栅上的斜面和
/
或曲面后，可以以相同的衍射效率向第一方向的左右两侧传播，进而实现单个微显示器和单个耦入完成双目成像的效果，同时光栅分区中的光栅衍射效率可以达到
80%
以上，这样可以极大程度的利用入射光束能量，提高最终成像的亮度；另外，进行有效区分割后的耦入光栅本身具有将入射灌输向左右两侧对称传播的能力，从而可以免去制作两个耦入区带来的工艺成本，并可应用于扩展视场角
。
[0011]进一步地，所述光栅分区包括
b
个沿着第三方向彼此间隔地排列布置并相对第二方向依次对称地排列布置的光栅单元；其中，
b
为1或
≥2
的偶数，所述第一方向
、
第二方向和第三方向相互垂直
。
[0012]更进一步地，所述光栅单元包括
c
个沿着第一方向彼此间隔地排列布置的光栅组，且相邻两个光栅组的光栅之间至少有一个光栅参数不同；其中，
c
为
≥1
的整数
。
[0013]最进一步地，所述光栅组包括若干个沿着第一方向彼此间隔地布置排列布置且光栅参数相同的光栅
。
[0014]或者，所述光栅组包括至少两个沿着第一方向彼此相连地排列布置且至少一个光栅参数不同的光栅
。
[0015]在实际应用过程中，光栅分区可以是沿着第一方向并列的条状均匀分区方式，也可以是沿着第一方向和第三方向阵列的像素状分区方式
。
在每个光栅单元中，相邻两个光栅组的光栅可以是其中若干个光栅参数不同
、
而其他光栅参数相同的光栅，非限定地例如可为向左侧倾斜和右侧倾斜的倾斜光栅
、
呈直角梯形和其他梯形的梯形光栅
、
呈直角三角形和其他三角形的闪耀光栅
、
或者高度不同的矩形光栅之间的组合等；相邻两个光栅组的光栅也可以是不同类型的光栅组，非限定地例如可为倾斜光栅组
、
梯形光栅组
、
闪耀光栅组
、
矩形光栅组
、
或者至少两种类型光栅组合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种耦入光栅，其特征在于：包括
a
个沿着第一方向彼此间隔地排列布置并相对第二方向依次对称地排列布置的光栅分区，所述光栅分区中的至少一个光栅的侧面设置为相对所述第一方向和第二方向倾斜的斜面和
/
或曲面；其中，
a
为
≥2
的偶数，所述第一方向和第二方向相互垂直
。2.
根据权利要求1所述的一种耦入光栅，其特征在于：所述光栅分区包括
b
个沿着第三方向彼此间隔地排列布置并相对第二方向依次对称地排列布置的光栅单元；其中，
b
为1或
≥2
的偶数，所述第一方向
、
第二方向和第三方向相互垂直
。3.
根据权利要求2所述的一种耦入光栅，其特征在于：所述光栅单元包括
c
个沿着第一方向彼此间隔地排列布置的光栅组，且相邻两个光栅组的光栅之间至少有一个光栅参数不同；其中，
c
为
≥1
的整数
。4.
根据权利要求3所述的一种耦入光栅，其特征在于：所述光栅组包括若干个沿着第一方向彼此间隔地布置排列布置且光栅参数相同的光栅
。5.
根据权利要求3所述的一种耦入光栅，其特征在于：所述光栅组包括至少两个沿着第一方向彼此相连地排列布置且至少一个光栅参数不同的光栅
。6.
根据权利要求3所述的一种耦入光栅，其特征在于：所述光栅参数包括光栅周期
、
栅齿顶部宽度
、
栅齿底部宽度
、
光栅倾斜角度，光栅深度
、
光栅占空比
、
折射率
。7.
根据权利要求3所述的一种耦入光栅，其特征在于：所述光栅组中的光栅各自独立地选自倾斜光栅
、
梯形光栅
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡璐，杜凯凯，尹建军，
申请(专利权)人：慕德微纳杭州科技有限公司，
类型：发明
国别省市：