阅读说明：本技术 一种光波导、近眼显示系统及光波导耦出区域的设计方法 (Optical waveguide, near-to-eye display system and design method of optical waveguide coupling-out area ) 是由 郭晓明 宋强 段辉高 胡跃强 马国斌 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明实施例涉及光学设计技术领域,公开了一种光波导、近眼显示系统及光波导耦出区域的设计方法,该光波导包括：耦入区域和耦出区域,所述耦入区域用于耦入带有图像信息的光束,所述耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束,其中,所述耦出区域包括：多个像素化排列的分区,所述分区包括设有光栅结构的分区和未设有光栅结构的分区,所述未设有光栅结构的分区用于全反射传播所述光束,所述设有光栅结构的分区用于耦出部分光束,以及扩展传播部分光束,所述未设有光栅结构的分区的数量沿远离所述耦入区域的方向逐渐减少,本发明实施例通过光波导耦出区域的设计方法设计出的如上述光波导能够输出均匀性较佳的光束,且加工容易。(The embodiment of the invention relates to the technical field of optical design, and discloses an optical waveguide, a near-eye display system and a design method of an optical waveguide coupling-out area, wherein the optical waveguide comprises the following components: an in-coupling region for in-coupling the light beam with image information and an out-coupling region for out-coupling the light beam with image information, wherein the out-coupling region comprises: the optical waveguide comprises a plurality of partitions which are arranged in a pixelization mode, wherein each partition comprises a partition with a grating structure and a partition without the grating structure, the partition without the grating structure is used for transmitting the light beams in a total reflection mode, the partition with the grating structure is used for coupling out part of the light beams and expanding and transmitting part of the light beams, and the number of the partitions without the grating structures is gradually reduced along the direction far away from the coupling-in area.)

一种光波导、近眼显示系统及光波导耦出区域的设计方法

技术领域

本发明实施例涉及光学设计技术领域，特别涉及一种光波导、近眼显示系统及光波导耦出区域的设计方法。

背景技术

增强现实技术即AR技术是将虚拟信息与现实世界相互融合，属于下一个信息技术的引爆点，据权威预测增强现实眼镜将会取代手机成为下一代的协作计算平台。以增强现实眼镜为代表的增强现实技术目前在各个行业开始兴起，尤其在安防和工业领域，增强现实技术体现了无与伦比的优势，大大改进了信息交互方式。目前比较成熟的增强现实技术主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案和波导方案，前三种方案体积较大，限制了其在智能穿戴方面，即增强现实眼镜方面的应用，而波导是目前最佳的增强现实眼镜方案。波导方案又分为几何波导方案、浮雕光栅波导方案和体全息波导方案。几何波导方案是使用阵列的镀膜半透半反射镜来达到虚拟信息的显示，但是该方案的视场和眼动范围受限，而且阵列镜片会给画面带来条纹效果，所以几何波导方案无法给人眼呈现最佳的显示效果。体全息波导方案目前在大规模量产上受到了限制。浮雕光栅波导方案由于纳米压印的便利性是目前研究最多的技术方案，具有大视场和大眼动范围的优势。浮雕光栅波导目前的方案路径主要有基于一维光栅的波导方案和基于二维光栅的波导方案。二维光栅波导分为耦入区域和耦出区域，耦出区域兼顾了扩展和耦出的功能，而视场均匀性和出瞳均匀性是二维光栅波导的一大挑战。

在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：目前，为了提高光波导耦出区域的出光均匀性，常规方法是对耦出区域进行分区，不同分区的光栅参数不同(比如高度，占空比，直径等等)，光栅周期相同，这样可以调节不同分区的耦出效率，从而达到整个耦出区域的均匀。然而，此常规方案的缺点就是不同的分区不同光栅参数，这样增加了加工的难度，提高了加工的成本。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的目的是提供一种均匀性好、加工容易的光波导、近眼显示系统及光波导耦出区域的设计方法。

本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：

为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例中提供了一种光波导，包括：耦入区域和耦出区域，所述耦入区域用于耦入带有图像信息的光束，所述耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束，其中，

所述耦出区域包括：多个像素化排列的分区，所述分区包括设有光栅结构的分区和未设有光栅结构的分区，所述未设有光栅结构的分区用于全反射传播所述光束，所述设有光栅结构的分区用于耦出部分光束，以及扩展传播部分光束，所述未设有光栅结构的分区的数量沿远离所述耦入区域的方向逐渐减少。

在一些实施例中，所述光波导还包括波导基底，所述耦入区域和所述耦出区域设置在所述波导基底上。

在一些实施例中，所述分区的形状为平行四边形，和/或，所述分区的形状与所述耦出区域的光栅的周期形状一致。

在一些实施例中，各个所述设有光栅结构的分区内的光栅结构的参数一致。

在一些实施例中，在所述耦出区域中，各个所述分区的尺寸一致，所述分区的尺寸小于眼瞳直径，所述眼瞳直径为4mm。

在一些实施例中，所述耦入区域的结构为反射镜、棱镜、自由曲面结构、光栅结构、超表面结构、体全息结构或者共振光栅结构中的一种。

在一些实施例中，所述耦出区域的结构为二维光栅结构、超表面结构、体全息结构或者共振光栅结构中的一种。

为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种近眼显示系统，包括：微投影光机，以及，如上述第一方面所述的光波导。

为解决上述技术问题，第三方面，本发明实施例中提供了一种光波导耦出区域的设计方法，应用于光波导的耦出区域，所述光波导还包括用于耦入带有图像信息的光束的耦入区域，所述耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束，所述设计方法包括：

将所述耦出区域划分为多个像素化的分区；

在部分所述分区上设置光栅结构，以使所述耦出区域的耦出效率相对均匀；其中，

未设有所述光栅结构的分区用于全反射传播所述光束，设有所述光栅结构的分区用于耦出部分光束，以及扩展传播部分光束，所述未设有光栅结构的分区的数量沿远离所述耦入区域的方向逐渐减少。

在一些实施例中，所述分区的形状为平行四边形，和/或，所述分区的形状与所述耦出区域的光栅的周期形状一致。

在一些实施例中，各个所述设有光栅结构的分区内的光栅结构的参数一致。

在一些实施例中，在所述耦出区域中，各个所述分区的尺寸一致，所述分区的尺寸小于眼瞳直径，所述眼瞳直径为4mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种光波导、近眼显示系统及光波导耦出区域的设计方法，所述光波导包括：耦入区域和耦出区域，所述耦入区域用于耦入带有图像信息的光束，所述耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束，其中，所述耦出区域包括：多个像素化排列的分区，所述分区包括设有光栅结构的分区和未设有光栅结构的分区，所述未设有光栅结构的分区用于全反射传播所述光束，所述设有光栅结构的分区用于耦出部分光束，以及扩展传播部分光束，所述未设有光栅结构的分区的数量沿远离所述耦入区域的方向逐渐减少，本发明实施例通过光波导耦出区域的设计方法设计出的如上述光波导能够输出均匀性较佳的光束，且加工容易。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例一提供的一种光波导的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的另一种光波导的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的一种近眼显示系统的结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的一种光波导耦出区域的设计方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被表述“固定于/设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在光波导中，通过耦入区域光栅将光线耦入到波导基底中，使得光线满足全反射条件并在基底中全反射传播，在耦出区域，部分光线进行扩展传播，部分光线耦出到人眼，从而达到近眼显示的目的。如果整个耦出区域光栅结构都是一致的，那么光线在耦出区域的传播只会越来越弱。因而，为了提高在整个耦出区域的均匀性，常规方法是对耦出区域进行分区，不同分区的光栅参数不同(比如高度，占空比，直径等等)，光栅周期相同，这样可以调节不同分区的耦出效率，从而达到整个耦出区域的均匀。此常规方案的缺点就是不同的分区不同光栅参数，这样增加了加工的难度，提高了加工的成本。

为了解决上述出光均匀性和加工难度大、成本高的问题，本发明实施例中提供了一种光波导、近眼显示系统及光波导耦出区域的设计方法，通过所述光波导耦出区域的设计方法，对所述光波导中耦出区域的光栅结构进行了设计，以使耦出区域的耦出效率均匀，根据该设计方法设计得到的光波导包括：耦入区域和耦出区域，所述耦入区域用于耦入带有图像信息的光束，所述耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束，其中，所述耦出区域包括：多个像素化排列的分区，所述分区包括设有光栅结构的分区和未设有光栅结构的分区，所述未设有光栅结构的分区用于全反射传播所述光束，所述设有光栅结构的分区用于耦出部分光束，以及扩展传播部分光束，所述未设有光栅结构的分区的数量沿远离所述耦入区域的方向逐渐减少，本发明实施例提供的光波导能够输出均匀性较佳的光束，且加工容易。

具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

实施例一

本发明实施例提供了一种光波导，请参见图1和图2，其示出了本发明实施例提供的两种光波导的结构，所述光波导包括：耦入区域、耦出区域和波导基底，所述耦入区域和所述耦出区域设置在所述波导基底上，所述耦入区域用于耦入带有图像信息的光束，所述耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束。

所述耦入区域的结构可以为反射镜、棱镜、自由曲面结构、光栅结构、超表面结构、体全息结构或者共振光栅结构中的一种，具体地，可根据实际需要进行选择。

所述耦出区域的结构可以为二维光栅结构、超表面结构、体全息结构或者共振光栅结构中的一种，具体地，可根据实际需要进行选择，不需要拘泥于本发明实施例及附图的限定。

所述耦出区域包括：多个像素化排列的分区，所述分区包括设有光栅结构的分区和未设有光栅结构的分区，所述未设有光栅结构的分区用于全反射传播所述光束，所述设有光栅结构的分区用于耦出部分光束，以及扩展传播部分光束，所述未设有光栅结构的分区的数量沿远离所述耦入区域的方向逐渐减少。

其中，所述分区的形状为平行四边形，和/或，所述分区的形状与所述耦出区域的光栅的周期形状一致，优选地，所述光栅的周期形状为矩形。例如，在图1中，所述分区的形状为矩形，在图2中，所述分区的形状为菱形。在所述耦出区域中，各个所述分区的尺寸一致。优选地，所述分区的尺寸小于眼瞳直径，所述眼瞳直径为4mm，以确保光线能进入人眼，不影响人眼观看的成像。进一步地，所述分区的尺寸也可以小于2mm。所述尺寸指的是所述分区的最大宽度。

需要说明的是，在图1和图2中，耦出区域内的黑色的分区表示该分区内不含有光栅结构，白色区域分区的形状表示该分区内含有光栅结构，分区和耦出区域的整体形状不受图1和图2的示例的限制，具体可根据实际需要进行设置。

在本发明实施例中，各个所述设有光栅结构的分区内的光栅结构的参数一致，整个耦出区域采用相同光栅参数的光栅结构能够极大程度降低加工难度，同时降低加工成本。具体地，在实际应用中，所述光栅结构的光栅周期和光栅参数可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例的限定，所述分区的数量、尺寸和形状等，如所述分区的行数和列数等，也不需要拘泥于本发明实施例的限定，可根据实际需要进行设置。

具体地，在加工本发明实施例所述的光波导的耦出区域时，首先，根据所需输出光束的波长、光波导的折射率和视场等参数确定需要的光栅结构周期，并选择合适的光栅结构。然后，从划分好的所述耦出区域的分区中选择需要刻制所述光栅结构的分区的数量和位置，其中，靠近扩展方向前部的耦合区域选择需要刻制光栅结构的分区的数量小于扩展方向后部，以调整出光的强度，保证输出激光的均匀性，具体可结合软件获取出光效果，例如，可以通过VirtualLab Fusion软件计算得耦出区域的光强，模拟多个视场下的光场追迹效果。最后，根据选择的分区的数量和位置，对所述光波导的耦出区域进行加工，其中，可通过采用电子束/离子束设备，极/深紫外光刻设备，或者干涉光刻设备等衍射光栅加工设备来加工晶圆，并使用纳米压印设备进行压印复制量产本发明实施例所述的光栅结构。

本发明实施例提供的光波导通过调节耦出区域中各个分区是否含有光栅结构来调整耦出效率，从而提高均匀性，如果分区内含有光栅结构，则光线可以在此分区耦出，如果分区内不含有光栅结构，则光线在分区内全反射传播，不会耦出到人眼。

实施例二

本发明实施例提供了一种近眼显示系统，请参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种近眼显示系统的结构，该近眼显示系统包括：微投影光机1和光波导，所述光波导包括耦入区域2、波导基底3和耦出区域4。

需要说明的是，本发明实施例所述的光波导为上述实施例一所述的光波导，具有相同的结构和特性，本发明实施例所述的光波导的具体结构、参数及效果等可参见上述实施例一，此处不再详述。

在本发明实施例中，所述微投影光机1中的图像源可以是LCOS、DMD、OLED和MEMS中的一种，所述微投影光机1所出射的光线，通过设置在所述耦入区域2上的光栅结构耦入到所述光波导3中，耦入到所述光波导3中的光线在所述光波导3中全反射传播，光线传播到所述耦出区域4时，部分光线通过设置在所述耦出区域4的光栅结构扩瞳并耦出所述光波导3，传播到人眼5中成像。进一步地，所述光栅结构也可以设置在所述光波导3内部，以使光线能够在所述光波导3中改变传播方向。

本发明实施例提供了一种近眼显示系统，该系统包括用于出射用于成像的光线的微投影光机，以及如上述实施例一所述的光波导，该系统中的光波导的结构简单，易于加工，出光均匀，能够实现较好的出光效果。

实施例三

本发明实施例提供了一种光波导耦出区域的设计方法，请参见图4，其示出了本发明实施例提供的一种光波导耦出区域的设计方法的流程，该设计方法应用于光波导的耦出区域，所述光波导还包括用于耦入带有图像信息的光束的耦入区域，所述耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束，该设计方法包括但不限于以下步骤：

步骤10：将所述耦出区域划分为多个像素化的分区。

所述分区的形状为平行四边形，和/或，所述分区的形状与所述耦出区域的光栅的周期形状一致。在所述耦出区域中，各个所述分区的尺寸一致，所述分区的尺寸小于眼瞳直径，所述眼瞳直径为4mm。或者，进一步地，所述分区的尺寸还可以小于2mm。

具体地，在本发明实施例中，可根据所需耦出光束的波长、光强等因素等设计所述分区的形状和尺寸，优选地，为确保耦出光束能够进入人眼，优选地，所述分区的尺寸小于眼瞳直径。

步骤20：在部分所述分区上设置光栅结构，以使所述耦出区域的耦出效率相对均匀。

其中，未设有所述光栅结构的分区用于全反射传播所述光束，设有所述光栅结构的分区用于耦出部分光束，以及扩展传播部分光束，所述未设有光栅结构的分区的数量沿远离所述耦入区域的方向逐渐减少。各个所述设有光栅结构的分区内的光栅结构的参数一致，以降低加工难度和加工成本。

具体地，在设计本发明实施例所述的光波导的耦出区域时，首先，根据所需输出光束的波长、光波导的折射率和视场等参数确定需要的光栅结构周期，并选择合适的光栅结构。然后，从划分好的所述耦出区域的区域中选择需要刻制所述光栅结构的区域的数量和位置，其中，靠近扩展方向前部的耦合区域选择需要刻制光栅结构的区域的数量小于扩展方向后部，以调整出光的强度，保证输出激光的均匀性，具体可结合软件获取出光效果，例如，可以通过VirtualLab Fusion软件计算得耦出区域的光强，模拟多个视场下的光场追迹效果。最后，根据选择的区域的数量和位置，得到最终对所述光波导耦出区域的设计结果。

进一步地，根据该设计结果，对所述光波导的耦出区域进行加工，其中，可通过采用电子束/离子束设备，极/深紫外光刻设备，或者干涉光刻设备等衍射光栅加工设备来加工晶圆，并使用纳米压印设备进行压印复制量产本发明实施例所述的光栅结构。

需要说明的是，在实际应用中，所述光栅结构的光栅周期和光栅参数可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例的限定，所述区域的数量、尺寸和形状等，如所述区域的行数和列数等，也不需要拘泥于本发明实施例的限定，可根据实际需要进行设置。

本发明实施例中提供了一种光波导、近眼显示系统及光波导耦出区域的设计方法，该光波导包括：耦入区域和耦出区域，所述耦入区域用于耦入带有图像信息的光束，所述耦出区域用于耦出所述带有图像信息的光束，其中，所述耦出区域包括：多个像素化排列的分区，所述分区包括设有光栅结构的分区和未设有光栅结构的分区，所述未设有光栅结构的分区用于全反射传播所述光束，所述设有光栅结构的分区用于耦出部分光束，以及扩展传播部分光束，所述未设有光栅结构的分区的数量沿远离所述耦入区域的方向逐渐减少，本发明实施例通过光波导耦出区域的设计方法设计出的如上述光波导能够输出均匀性较佳的光束，且加工容易。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。