[发明专利]一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置

说明书

本发明公开了一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，包括光学引擎、波导、耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构，耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构均位于波导上，其中：耦入光栅，用于将光学引擎出射的光耦入波导；零级回收机构，与耦入光栅相对布设，用于将耦入光栅传输到波导内的零级光转换为与T+1级光或T‑1级光相互平行，T+1级光或T‑1级光和转换后的零级光均在波导内进行全反射传输，并通过出瞳扩展光栅进行扩展后经耦出光栅耦出。该装置可将耦入光栅的零级光回收并利用，以大幅提高光能利用率，从而提高整个衍射光波导显示系统的亮度和成像质量。

技术领域

本发明属于显示技术领域，具体涉及一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置。

背景技术

增强现实(AR)或混合现实(MR)显示系统集成了光学引擎，应用了透明或者半透明的光波导来传输以及复制光学引擎所生成的图像并呈现给用户。因此，用户可以看到虚实结合的场景以让其具有可穿戴性、前庭以及视觉沉浸感和社交属性，可用于头盔显示(HMD)、平视显示(HUD)以及其它可穿戴眼镜设备中等。

显示系统主要包含两部分，一是光学引擎，主要使用LCOS、MicroLED、DLP或MEMs等作为像源，经成像光学系统后获得准直的偏振或者非偏振入射光(即像源)；二是基于光波导的图像扩展系统，以将光学引擎输入的像源进行扩展，从而获得大尺寸高分辨率的图像。通过应用衍射光学元件，如表面浮雕光栅(SRG)或体全息光栅(VHG)，将像源以一定的角度耦入到光波导中，并基于全反射原理在波导内传输，之后进行二维出瞳扩展。通过时衍射光束的衍射角度θ₁满足如下条件：

θ₁≥sin^-1(1/n) (1)

其中，n为波导的折射率。

耦入光栅满足条件(1)时，其周期p一般为波长或亚波长量级(200nm～500nm)，此时主要衍射级次一般为0级及±1级，且一般应用其+1级次(或者-1级次)作为耦入级次，在光波导内进行全反射传输并最终从耦出光栅区域耦出，而-1级与+1级具有严格的级次对称性，衍射效率和衍射角度(如二元矩形光栅)相同，但传输方向相反，0级衍射角度与光学引擎出射光束的角度一致，一般会直接从光波导的下表面耦出，因此，对于波长或亚波长量级的耦入光栅，仅+1级次得到有效利用，而0级和-1级次则没有被利用起来，如图1所示。特别是对于二元光栅，为保证不同视场角度下效率的均匀性，会降低平均效率，如图2所示，通常T+1级次的平均耦合效率约为10％(T-1级次的平均效率与T+1级次相同，图中T-1级次和T+1级次曲线重合)，T0级次的平均耦合效率约为80％。因此，对于从光学引擎进入到二元耦入光栅的光场，其利用率仅约为10％，T-1及T0级次共约90％的光能被浪费掉了，若将其回收利用，将会有效的提高衍射光波导显示系统的耦合效率，增强整个耦出光场的亮度并提高成像质量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，可将耦入光栅的零级光回收并利用，以大幅提高光能利用率，从而提高整个衍射光波导显示系统的亮度和成像质量。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

本发明提出的一种具有零级光回收利用功能的衍射光波导装置，包括光学引擎、波导、耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构，耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅和零级回收机构均位于波导上，其中：

耦入光栅，用于将光学引擎出射的光耦入波导；

零级回收机构，与耦入光栅相对布设，用于将耦入光栅传输到波导内的零级光转换为与T+1级光或T-1级光相互平行，T+1级光或T-1级光和转换后的零级光均在波导内进行全反射传输，并通过出瞳扩展光栅进行扩展后经耦出光栅耦出。

优选地，耦入光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。