[发明专利]一种可消除彩虹效应的衍射光波导装置

说明书

本发明公开了一种可消除彩虹效应的衍射光波导装置，包括光引擎，还包括耦入光栅、波导组件、调节机构和耦出光栅，耦入光栅、调节机构和耦出光栅均贴合波导组件设置，其中：耦入光栅，用于将光引擎发出的光耦入波导组件；调节机构，为体布拉格光栅，且与耦出光栅相对布设，用于将外部环境光中预设角度范围内的光进行反射，使进入波导组件的外部环境光经耦出光栅后表现为零级衍射光，以消除彩虹效应；耦出光栅，用于将经波导组件传导的光耦出至人眼。该装置不仅可保证用户视场内环境光的亮度，同时，可实现彩虹效应的消除，保证了耦出图像的均匀性和亮度，为用户提供更好的体验。

技术领域

本发明属于波导显示技术领域，具体涉及一种可消除彩虹效应的衍射光波导装置。

背景技术

增强现实(AR)以及混合现实(MR)系统包含了微投影引擎、透明的光波导以及衍射光学元件(DOE)，以实现微投影引擎图像的耦入、出瞳扩展以及耦出，让用户在接收到微投影引擎投影出来的虚拟图像时，也能够有效的观察到现实世界的场景。

当前用于近眼显示系统(NED)或者抬头的衍射显示技术，通常包含了耦入光栅、出瞳扩展光栅、耦出光栅以及光波导元件，其中光栅为二元光栅，耦入光栅产生正负两个方向相反的衍射级次，将光以合适的角度耦入到光波导内，并分别在光波导内进行全反射传输，之后通过两侧的出瞳扩展光栅分别对正负两个衍射级次进行一个方向(如Y方向)上的扩展，并在正交方向上进行传输，至耦出光栅后，将光在另一个方向(如X方向)上进行扩展并将光从波导中耦出。在此过程中，除了由光引擎输入并经过耦出光栅耦出所期望的图像A外，还有外部真实世界输入的外部环境光B经光波导后，由耦出光栅衍射出来并到达人眼的非期望的图像C，即衍射光波导系统中的彩虹效应，如图1所示，其在所期望的图像上呈现一种色彩斑斓的图案，以导致衍射光波导成像质量下降甚至是在某些情况下无法使用。

针对上述问题，现有技术中提出以下技术方案：

1)专利公告号US09625717B2《Optical device with diffractive grating》中提出了在透明光波导上使用双层透明光栅的方法，其中第二层光栅位于第一层光栅的上方，两者周期一致，但具有高低不同的折射率区块，其中第二层光栅的低折射率区块对准或部分对准于第一层光栅的高折射率区块，反之亦然，通过第二层光栅以减少外部环境经过耦出区域所产生的非零级衍射光，以减少系统中的部分彩虹效应。但此方法会降低所期望图像的耦出效率与均匀性，从而降低整个系统的成像质量。

2)专利公告号US10234686B2《Rainbow removal in near-eye display usingpolarization-sensitive grating》中提出应用偏振滤波器，将外部环境中的自然光变成偏振或者部分偏振光，如TM光，由于所设计的耦出光栅对TE偏振光敏感，因此外部环境中的光经过耦出光栅后不会发生衍射效应，从而避免了系统中的部分彩虹效应。通过使用偏振滤波器来改变外部环境自然光的偏振态，如生成TM线偏光，让对TE偏振光敏感的耦出光栅对TM线偏光不发生衍射效应，以避免彩虹效应。但此方法，一方面，通过偏振滤波器将外部环境的自然光变成线偏光，会导致透过光波导的自然光亮度降低一半，让透明光波导丧失了部分透光性的优势；另一方面，尽管由微光引擎输出的图像为线偏光，但经过耦入光栅以及出瞳扩展光栅后，与耦出光栅相互作用的光，其偏振态即包含不同方向的线偏光，也包含圆偏光以及椭圆偏光等，因此，若将耦出光栅设计为仅对TE线偏光敏感以此来消除彩虹效应的话，将会极大的降低所期望图像的耦出效率及均匀性，影响整个系统的成像质量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种可消除彩虹效应的衍射光波导装置，不仅保证了用户视场内环境光的亮度，同时，实现彩虹效应的消除，保证了耦出图像的均匀性和亮度，可为AR或者HMD用户提供更好的体验。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：