AR光波导耦出光栅的设计方法及AR光波导的设计方法技术

本发明专利技术提供了一种AR光波导的耦出光栅的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体及所述耦出光栅，所述设计方法包括：S101：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长和所述耦入光栅的光栅周期，计算所述光束通过所述耦入光栅衍射耦入至所述光波导主体的衍射耦入角度；S102：根据所述衍射耦入角度和所述光波导主体的厚度计算所述光束在所述耦出光栅上相邻两次耦出位置之间的距离；S103：根据所述耦出光栅的最大衍射效率计算经所述耦出光栅多次耦出后的所述光束的亮度差异率；S104：根据所述耦出光栅的长度、人眼对所述光束的敏感度、所述亮度差异率和所述相邻两次耦出位置之间的距离，计算所述耦出光栅的分区数量。区数量。区数量。

【技术实现步骤摘要】
AR光波导耦出光栅的设计方法及AR光波导的设计方法


[0001]本专利技术大致涉及近眼显示
，尤其涉及一种AR光波导耦出光栅的设计方法以及AR光波导的设计方法。

技术介绍

[0002]随着计算机技术和显示技术的发展，通过计算机仿真系统来体验虚拟世界的虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术以及将显示内容融合到真实环境背景中的增强现实(Augmented Reality,AR)技术和混合现实(Mixed Reality,MR)技术已经迅猛发展。
[0003]近眼显示是上述VR、AR和MR技术发展的重要技术热点。近眼显示的VR技术主要追求浸没式大视场的虚拟显示，对应的是虚拟现实显示头盔。而近眼AR和MR技术的目的是实现透视式的虚实融合，对应的是增强现实智能眼镜。
[0004]目前，用于AR/MR的近眼显示装置多使用自由曲面的几何光学方案，但是其存在尺寸的限制，制约了AR/MR眼镜的推广；阵列光波导、衍射光波导逐渐出现在视野中，阵列光波导的设计原理相对简单，但是工艺难度较大，不适合大规模量产，并且由于阵列光波导需要搭配特定光机也制约了其大规模推广。
[0005]而衍射光波导作为增强现实光学引擎，实现了图像的耦入、耦出和扩瞳等功能。衍射光波导具有可量产性强，轻薄等优势，其渐渐在AR/MR领域得到认可，并做为未来AR/MR领域的主流技术发展方向。但使用衍射光波导的AR/MR眼镜，通常在佩戴者的视野中会出现图像明暗度不均匀的现象。
[0006]
技术介绍
部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

技术实现思路

[0007]有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本专利技术提供一种AR光波导的耦出光栅的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体及所述耦出光栅，所述设计方法的特征在于，包括：
[0008]S101：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长和所述耦入光栅的光栅周期，计算所述光束通过所述耦入光栅衍射耦入至所述光波导主体的衍射耦入角度；
[0009]S102：根据所述衍射耦入角度和所述光波导主体的厚度计算所述光束在所述耦出光栅上相邻两次耦出位置之间的距离；
[0010]S103：根据所述耦出光栅的最大衍射效率计算经所述耦出光栅多次耦出后的所述光束的亮度差异率；
[0011]S104：根据所述耦出光栅的长度、人眼对所述光束的敏感度、所述亮度差异率和所述相邻两次耦出位置之间的距离，计算所述耦出光栅的分区数量。
[0012]根据本专利技术的一个方面，其中所述光束以具有一定视场角的锥形光束入射，步骤S101进一步包括：
[0013]根据所述锥形光束的中心入射角度或所述锥形光束入射角度的正极值/负极值计算所述衍射耦入角度。
[0014]本专利技术还提供一种AR光波导的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体以及耦出光栅，所述设计方法的特征在于，包括：
[0015]S201：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长对所述耦入光栅的光栅参数进行优化，所述光栅参数包括光栅周期、光栅深度以及光栅占空比；
[0016]S202：根据所述耦入光栅的光栅周期以及光栅深度确定所述耦出光栅的光栅周期以及光栅深度；
[0017]S203：采用如上文所述的设计方法，对所述耦出光栅进行分区；
[0018]S204：以所述耦出光栅的耦出总光功率以及非均匀性为优化目标，得到所述耦出光栅的各分区的光栅占空比。
[0019]根据本专利技术的一个方面，其中步骤S201进一步包括：
[0020]S2011：根据初始光栅参数，所述光束的波长确定所述光栅参数的优化范围；
[0021]S2012：根据最大衍射耦入角度及设定耦入角度步长，计算不同耦入角度下的衍射效率；
[0022]S2013：根据所述不同耦入角度下的衍射效率，计算所述耦入光栅的平均衍射效率和非均匀性参数；
[0023]S2014：以所述平均衍射效率和非均匀性参数为优化目标，得到优化后的所述耦入光栅的光栅周期、调制深度和占空比。
[0024]根据本专利技术的一个方面，其中步骤S2014进一步包括：
[0025]采用最速下降法、遗传算法、粒子群算法或模拟退火算法进行优化。
[0026]根据本专利技术的一个方面，其中步骤S202进一步包括：
[0027]所述耦出光栅设计为与所述耦入光栅具有一致的光栅深度、光栅周期。
[0028]根据本专利技术的一个方面，其中步骤S204进一步包括：
[0029]S2041：将所述耦出光栅的眼动范围根据瞳孔尺寸划分为多个眼动子区域，计算各个眼动子区域的耦出光功率；
[0030]S2042：根据所述各个眼动子区域的耦出光功率，计算所述耦出光栅的眼动范围内耦出光功率的非均匀性参数；
[0031]S2044：以所述耦出光栅的耦出总光功率以及所述非均匀性参数、作为优化目标，得到优化后的所述分区的光栅占空比。
[0032]根据本专利技术的一个方面，其中步骤S2044进一步包括：
[0033]采用最速下降法、遗传算法、粒子群算法或模拟退火算法进行优化。
[0034]本专利技术还提供一种用于AR眼镜的光波导，采用如上文所述的设计方法设计制成。
[0035]本专利技术的优选实施例提供了一种AR光波导耦出光栅的设计方法，根据耦出光栅、光波导的参数和人眼对于光线明暗的敏感程度，对耦出光栅进行分区，使得在同一分区内人眼不易觉察明暗的变化，而对于不同分区，通过优化分区内的光栅占空比，使得各个分区的耦出衍射效率不同，改善了通过AR光波导传输的图像，在佩戴者的视野中呈现明暗变化的情况。本专利技术的优选实施例还提供了一种AR光波导的设计方法，通过优化耦入光栅的各项光栅参数，使得从不同角度耦入光波导的光束的衍射效率相近；在耦出光栅的眼动范围
内，对光栅占空比进行优化，使得各个眼动子区域的衍射效率均匀，进一步改善了上述显示图像的明暗不均匀的情况。
附图说明
[0036]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0037]图1示出了根据本专利技术的一个优选实施例的AR光波导；
[0038]图2示出了根据本专利技术的一个优选实施例的AR光波导的设计方法；
[0039]图3示出了耦入光栅的衍射效率关于耦入角度的函数；
[0040]图4示出了根据本专利技术的一个优选实施例对于耦入光栅的优化；
[0041]图5示出了根据本专利技术的一个优选实施例对于耦入光栅优化后，耦入光栅的衍射效率关于耦入角度的函数；
[0042]图6示出了根据本专利技术的一个优选实施例对于耦出光栅进行分区；
[0043]图7示出了根据本专利技术的一个优选实施例光波导主体的各项参数；
[0044]图8示出了根据本专利技术的一个优选实施例对于耦出光栅的优化；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种AR光波导的耦出光栅的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体及所述耦出光栅，所述设计方法的特征在于，包括：S101：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长和所述耦入光栅的光栅周期，计算所述光束通过所述耦入光栅衍射耦入至所述光波导主体的衍射耦入角度；S102：根据所述衍射耦入角度和所述光波导主体的厚度计算所述光束在所述耦出光栅上相邻两次耦出位置之间的距离；S103：根据所述耦出光栅的最大衍射效率计算经所述耦出光栅多次耦出后的所述光束的亮度差异率；S104：根据所述耦出光栅的长度、人眼对所述光束的敏感度、所述亮度差异率和所述相邻两次耦出位置之间的距离，计算所述耦出光栅的分区数量。2.如权利要求1所述的设计方法，其中所述光束以具有一定视场角的锥形光束入射，步骤S101进一步包括：根据所述锥形光束的中心入射角度或所述锥形光束入射角度的正极值/负极值计算所述衍射耦入角度。3.一种AR光波导的设计方法，所述AR光波导包括耦入光栅、光波导主体以及耦出光栅，所述设计方法的特征在于，包括：S201：根据光束入射至所述耦入光栅的角度、所述光束的波长对所述耦入光栅的光栅参数进行优化，所述光栅参数包括光栅周期、光栅深度以及光栅占空比；S202：根据所述耦入光栅的光栅周期以及光栅深度确定所述耦出光栅的光栅周期以及光栅深度；S203：采用如权利要求1或2所述的设计方法，对所述耦出光栅进行分区；S204：以所述耦出光栅的耦出总光功率以及非均匀性为优化目标，得到所述耦出光栅的各分区的光栅占空比。4.如权利要求3所述的设计方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵兴明，范真涛，朱庆峰，隋磊，田克汉，
申请(专利权)人：嘉兴驭光光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：