【技术实现步骤摘要】
本申请涉及光波导，具体涉及一种ar衍射波导片及设计方法及ar装置。
技术介绍
1、光栅波导（又称全息波导、衍射波导）是一种光学透视型近眼显示技术，主要应用于增强现实（ar）领域，该技术摒弃了自由曲面、离轴反射、棱镜、阵列波导等传统近眼显示光学系统厚重的光学结构，通过光栅衍射和光波导原理对光束进行偏折、传导和扩展，实现了超薄镜片和超大画面的图像近眼显示，光波导的本质是一片高折射率透明基底，从基底侧边通过特定结构耦合入图像源的光束，在基底内进行全反射传播，传递到靠近人眼处，再通过特定结构耦合出，进入人眼，形成图像。
2、但是，现有的波导片存在以下缺陷：目前ar波导片的外观布局多种多样，影响着耦入光栅和耦出光栅的位置点以及旋转角度，因此布局设计的难度较大，各项参数计算优化的时间和成本较高。
技术实现思路
1、本申请的一个目的在于提供一种效率高、成本低的ar衍射波导片及设计方法及ar装置。
2、为达到以上目的，本申请采用的技术方案为：一种ar衍射波导片，所述波导片具有耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅之间设置有旋转角，所述耦入光栅的位置和旋向满足所述波导片的设计规格，所述波导片满足在不同fov下适于依据衍射特性得出光栅面积权重，所述耦入光栅的衍射效率通过光线偏振态改变、所有fov以及对应的光栅面积权重确定。
3、在一些实施例中，所述耦入光栅的旋向满足中心视场角代入联合方程，联合方程为：
4、，
5、；
6、
7、在一些实施例中，所述耦入光栅的衍射效率通过目标函数得出，其中，为相交的面积，为空气耦入波导时的有效t1阶次，为波导反射至耦入光栅时的有效r0阶次。
8、在一些实施例中，所述耦入光栅的衍射效率的最优解通过目标函数结合加权参数进行加权获得。
9、在一些实施例中，所述耦出光栅的结构参数通过流明测量法评估所述波导片的效率和均匀性后确定，所述耦出光栅的结构参数满足由流明测量法中利用不同测量点对所述波导片的性能进行加权后反向优化获得。
10、在一些实施例中，所述流明测量法中至少包括多个设置于不同角落的测量点。
11、在一些实施例中，所述流明测量法中不同测量点的加权公式为：
12、，
13、，
14、；
15、其中，w1和w2为权重值，li是流明测量法的各个测量点在探测器上的功率值，ti是流明测量法的各个测量点在探测器上的效率。
16、在一些实施例中，所述耦出光栅上分布有多个微纳结构，所述耦出光栅的结构参数包括所述微纳结构的占空比和高度。
17、一种ar衍射波导片设计方法，包括步骤：
18、s100，根据波导片的设计规格确定耦入光栅的位置和旋向；
19、s200，提出权重均衡算法，对不同fov在波导片内的衍射特性进行权重匹配，得出不同fov对应的光栅面积权重；
20、s300，结合耦入光栅的光线偏振态改变、所有fov以及对应的光栅面积权重对耦入光栅的衍射效率进行求解，再将衍射效率优化至最大，输出最终的耦入光栅结果；
21、s400，利用流明测量法在各个测量点上对波导片的效率和均匀性进行评估，通过离散采样获得耦出光栅的结构参数；
22、s500，将各个测量点处测得的效率和均匀性进行加权组合，通过划分多个光栅区域的方式优化耦出光栅的结构参数，输出最终的耦出光栅结果。
23、在一些实施例中，所述耦入光栅的旋向满足中心视场角代入联合方程，联合方程为：
24、，
25、；
26、其中，和为透射光的角度表达，和为入射光的球坐标系表示方法，为耦入光栅的旋向。
27、在一些实施例中，代入权重均衡算法的参数包括耦入光栅反向衍射的面积之比。
28、在一些实施例中，所述耦入光栅的衍射效率通过目标函数得出，其中，为相交的面积，为空气耦入波导时的有效t1阶次，为波导反射至耦入光栅时的有效r0阶次。
29、在一些实施例中，目标函数结合加权参数进行加权，以获得耦入光栅的最优解。
30、在一些实施例中，衍射效率的求解基于严格耦合波算法。
31、在一些实施例中，衍射效率的优化基于matlab优化算法或群体优化算法。
32、在一些实施例中，流明测量法中至少包括多个设置于不同角落的测量点。
33、在一些实施例中，所述流明测量法中不同测量点的加权公式为：
34、，
35、，
36、；
37、其中，w1和w2为权重值，li是流明测量法的各个测量点在探测器上的功率值，ti是流明测量法的各个测量点在探测器上的效率。
38、在一些实施例中，每个光栅区域满足1°视场角的分辨率要求。
39、一种ar装置，包括光机模块和上述任一所述的波导片，所述光机模块适于投射图像，所述波导片适于接收和传递所述光机模块投射的图像，所述光机模块和所述波导片之间设置有不大于10°的旋转角。
40、与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
41、1、本申请的ar衍射波导片及设计方法及ar装置能够提升波导片在设计时的光栅位置和选择布局的效率，可通过一键式布局完成全流程设计，节约布局所需时间，利用分布式设计能够减少每一步的参数数量，通过单独考虑参数影响，节约计算时间和计算成本，提高优化效率。
42、2、本申请的ar衍射波导片设计方法能够对耦入光栅进行最佳化设计，可以针对匹配三个一维光栅式或者一个一维和一个二维光栅式等不同的设计方案，具有较高的适配性。
43、3、本申请的ar衍射波导片设计方法能够对耦出光栅进行分区域优化，弥补波导片因设计规格限制导致的性能下降，使耦出光栅能够实现足够的均匀性和效率。
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1.一种AR衍射波导片，其特征在于：所述波导片具有耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅之间设置有旋转角，所述耦入光栅的位置和旋向满足所述波导片的设计规格，所述波导片满足在不同FOV下适于依据衍射特性得出光栅面积权重，所述耦入光栅的衍射效率通过光线偏振态改变、所有FOV以及对应的光栅面积权重确定。
2.如权利要求1所述的一种AR衍射波导片，其特征在于：所述耦入光栅的旋向满足中心视场角代入联合方程，联合方程为：
3.如权利要求1所述的一种AR衍射波导片，其特征在于：所述耦入光栅的衍射效率通过目标函数得出，其中，为相交的面积，为空气耦入波导时的有效T1阶次，为波导反射至耦入光栅时的有效R0阶次。
4.如权利要求3所述的一种AR衍射波导片，其特征在于：所述耦入光栅的衍射效率的最优解通过目标函数结合加权参数进行加权获得。
5.如权利要求1所述的一种AR衍射波导片，其特征在于：所述耦出光栅的结构参数通过流明测量法评估所述波导片的效率和均匀性后确定，所述耦出光栅的结构参数满足由流明测量法中利用不同测量点对所述波导片的性能进行加权后反向优
6.如权利要求5所述的一种AR衍射波导片，其特征在于：所述流明测量法中至少包括多个设置于不同角落的测量点。
7.如权利要求5所述的一种AR衍射波导片，其特征在于：所述流明测量法中不同测量点的加权公式为：
8.如权利要求1所述的一种AR衍射波导片，其特征在于：所述耦出光栅上分布有多个微纳结构，所述耦出光栅的结构参数包括所述微纳结构的占空比和高度。
9.一种AR衍射波导片设计方法，其特征在于，包括步骤：
10.如权利要求9所述的一种AR衍射波导片设计方法，其特征在于，所述步骤S100中：所述耦入光栅的旋向满足中心视场角代入联合方程，联合方程为：
11.如权利要求9所述的一种AR衍射波导片设计方法，其特征在于，所述步骤S200中：代入权重均衡算法的参数包括耦入光栅反向衍射的面积之比。
12.如权利要求9所述的一种AR衍射波导片设计方法，其特征在于，所述步骤S300中：所述耦入光栅的衍射效率通过目标函数得出，其中，为相交的面积，为空气耦入波导时的有效T1阶次，为波导反射至耦入光栅时的有效R0阶次。
13.如权利要求12所述的一种AR衍射波导片设计方法，其特征在于：目标函数结合加权参数进行加权，以获得耦入光栅的最优解。
14.如权利要求9所述的一种AR衍射波导片设计方法，其特征在于，所述步骤S300中：衍射效率的求解基于严格耦合波算法。
15.如权利要求9所述的一种AR衍射波导片设计方法，其特征在于，所述步骤S300中：衍射效率的优化基于matlab优化算法或群体优化算法。
16.如权利要求9所述的一种AR衍射波导片设计方法，其特征在于，所述步骤S400中：流明测量法中至少包括多个设置于不同角落的测量点。
17.如权利要求9所述的一种AR衍射波导片设计方法，其特征在于，所述步骤S400中：所述流明测量法中不同测量点的加权公式为：
18.如权利要求9所述的一种AR衍射波导片设计方法，其特征在于，所述步骤S500中：每个光栅区域满足1°视场角的分辨率要求。
19.一种AR装置，其特征在于：包括光机模块和权利要求1至8任一权利要求所述的波导片，所述光机模块适于投射图像，所述波导片适于接收和传递所述光机模块投射的图像，所述光机模块和所述波导片之间设置有不大于10°的旋转角。
...【技术特征摘要】
1.一种ar衍射波导片，其特征在于：所述波导片具有耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅之间设置有旋转角，所述耦入光栅的位置和旋向满足所述波导片的设计规格，所述波导片满足在不同fov下适于依据衍射特性得出光栅面积权重，所述耦入光栅的衍射效率通过光线偏振态改变、所有fov以及对应的光栅面积权重确定。
2.如权利要求1所述的一种ar衍射波导片，其特征在于：所述耦入光栅的旋向满足中心视场角代入联合方程，联合方程为：
3.如权利要求1所述的一种ar衍射波导片，其特征在于：所述耦入光栅的衍射效率通过目标函数得出，其中，为相交的面积，为空气耦入波导时的有效t1阶次，为波导反射至耦入光栅时的有效r0阶次。
4.如权利要求3所述的一种ar衍射波导片，其特征在于：所述耦入光栅的衍射效率的最优解通过目标函数结合加权参数进行加权获得。
5.如权利要求1所述的一种ar衍射波导片，其特征在于：所述耦出光栅的结构参数通过流明测量法评估所述波导片的效率和均匀性后确定，所述耦出光栅的结构参数满足由流明测量法中利用不同测量点对所述波导片的性能进行加权后反向优化获得。
6.如权利要求5所述的一种ar衍射波导片，其特征在于：所述流明测量法中至少包括多个设置于不同角落的测量点。
7.如权利要求5所述的一种ar衍射波导片，其特征在于：所述流明测量法中不同测量点的加权公式为：
8.如权利要求1所述的一种ar衍射波导片，其特征在于：所述耦出光栅上分布有多个微纳结构，所述耦出光栅的结构参数包括所述微纳结构的占空比和高度。
9.一种ar衍射波导片设计方法，其特征在于，包括步骤：
10.如权利要求9所述的一种ar衍射波导片设计方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：董希谱，吴安安，葛丹丹，余杭，郭美杉，田中武彦，
申请(专利权)人：宁波舜宇光电信息有限公司，
类型：发明
国别省市：
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