[发明专利]一种具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器

说明书

本发明公开了一种具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器，所述光栅耦合器由像源(101)、准直透镜(102)、光栅耦合器(103)、光栅输出器(104)和波导(105)组成，其中：所述像源(101)发出的光波经过所述准直透镜(102)准直后形成入射光，进入光栅耦合器(103)的所述入射光经过振幅相位调制，在波导(105)内以全反射形式进行传播之后到达光栅输出器(104)，最终耦合出波导(105)。本发明的衍射效率分布保持高效率、大视场角耦合的同时具有很好的自然渐晕补偿效果，可用于波导显示系统中。

技术领域

本发明涉及衍射光栅技术领域，尤其涉及一种用于光学透视增强现实显示系统的具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器。

背景技术

人类获取到外界的信息90％以上来自于视觉，随着人们在军事、工业、医疗、建筑、教育、旅游、导航、文体娱乐、通讯传媒等领域中对信息需求的日益增大，作为一项增加人们对现实世界感知、改变人与世界交流方式的新兴技术，增强现实技术Augmented Reality(AR)近年来迅速发展。

基于光栅-光波导的显示技术具有出瞳大、视场角大、轻便、紧凑、透过率高等优点，可以实现类似眼镜形式的设备从而实现真正的移动性和全天使用。然而，几何光学不可避免地导致波导显示器的图像照度随着视线由图像中心向外移动而下降，这是图像边缘和角落附近的图像变暗的常见原因。遵循余弦四次幂定律，具有大视场角范围的头戴式显示设备即使是理想的镜头并且微型投影仪的每个像素的的照度相同，出射光瞳平面上的照度下降趋势仍然接近余弦的四次幂，视场的边缘处的照度与视场中心相比也逐渐减弱，这即是角度均匀性问题，也称为自然渐晕影响。视场角和角度均匀性存在相互制约的关系，在大视场角下自然渐晕影响更为显著，边缘的视场将存在明显的不均匀照明从而显着影响显示质量。

角度均匀性的问题在光刻、照明、航测、遥感、成像等其他光学系统中普遍存在。但在先前关于波导显示系统的研究中大多忽略了此问题。为了解决角度均匀性的问题，研究人员提出了强度可变滤波片方法、出瞳中心遮挡法和引入负畸变法。由此，视场中心处的照明比边缘处的照明更明显地减少。但是，由于引入了明显的损失，这几种方法对于头戴式显示系统均是不适合的，一来由于引入的渐晕补偿不能随视场角的变化而连续变化，二来还使得设备体积变得庞大。

因此，对于头戴式波导显示系统，寻找一种可以补偿自然渐晕影响且具有较高的耦合效率，改善角度均匀性又不引入明显效率损失，不使设备变得冗余庞杂的方法，显得尤为重要。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器，通过光栅的相幅调制作用，使得每个入射角度对应不同的衍射效率，衍射效率随入射角的增加而不断增大，补偿余弦四次方定律引入的自然渐晕问题，可实现同一出瞳位置下大视场角均匀显示。

本发明的一种具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器，所述光栅耦合器由像源101、准直透镜102、光栅耦合器103、光栅输出器104和波导105组成，其中：所述像源101发出的光波经过所述准直透镜102准直后形成入射光，进入光栅耦合器103 的所述入射光经过振幅相位调制，在波导105内以全反射形式进行传播之后到达光栅输出器104，最终耦合出波导105。

所述光栅耦合器103的结构包括波导105和光栅区207，所述光栅区207包括与波导同材料或折射率相近的光栅基底206、与光栅基底层同材料或折射率相近的光栅层 205；光栅层205上面具有高折射率材料膜层302以及高折射率材料上的金属膜层301；

入射光利用光栅层205产生0级衍射光202、正一级衍射光203和负一级衍射光204，集中在正一级衍射光203的能量通过光栅耦合器103，其能量分布形式为随入射角度增大而能量分布逐渐增加的趋势，有效地补偿由于余弦四次方定律引入的自然渐晕。