一种二维光栅、光波导和AR眼镜

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种二维光栅、光波导和AR眼镜。

背景技术

基于光波导的AR眼镜是目前最具大规模应用前景的AR眼镜之一。由于光波导结构小、质量轻、光学功能强大，是实现轻便型AR眼镜的核心器件。目前基于浮雕光栅的光波导是AR眼镜光波导的主流选择。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。基于一维光栅波导的方案，会有一个扩展区域，这个区域会占用很大一部分面积，而且当视场增大时，扩展区域也跟着急剧增大，所以一维光栅波导方案受限于视场。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，所以大大增加了眼动范围，同时也可以实现更大的视场。

目前的基于二维光栅的光波导方案中，光栅的衍射级次是固定的，导致光栅波导在耦出区域内的扩展和耦出的形式也是固定的，设计形式较单一。

发明内容

本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种二维光栅、光波导和AR眼镜，提供另一种衍射级次的光栅结构，增加设计的多样性。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种二维光栅，所述二维光栅包括至少一个周期，所述二维光栅在每一个所述周期内的长边尺寸与短边尺寸的比例为

为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施方式提供一种光波导，包括耦入区域、耦出区域和波导基底；所述耦出区域设有如第一方面所述的二维光栅；所述耦入区域和所述耦出区域均设置于所述波导基底上。

在一些实施例中，所述耦入区域设有一维光栅，所述一维光栅的栅线方向垂直于主光线，所述主光线为所述耦入区域的中心区域和所述耦出区域的中心区域的连线。

在一些实施例中，所述耦出区域的二维光栅的长边周期方向与所述主光线平行。

在一些实施例中，所述耦入区域设有如第一方面所述的二维光栅。

在一些实施例中，所述耦入区域的二维光栅的长边周期方向和所述耦出区域的二维光栅的长边周期方向相同，所述耦入区域的二维光栅的短边周期方向和所述耦入区域的二维光栅的短边周期方向相同。

在一些实施例中，所述耦入区域设有交叉一维光栅，所述交叉一维光栅包含沿两个方向周期排布的第一组一维光栅和第二组一维光栅，所述第一组一维光栅的第一栅线方向垂直于第一前传主光线，所述第一前传主光线为所述耦入区域为如第一方面所述的二维光栅时的第一衍射级次方向；所述第二组一维光栅的第二栅线方向垂直于第二前传主光线，所述第二前传主光线为所述耦入区域为如第一方面所述的二维光栅时的第二衍射级次方向。

在一些实施例中，所述第一组一维光栅的周期和所述第二组光栅的周期相等。

为解决上述技术问题，第三方面，本发明实施方式还提供一种AR眼镜，所述AR眼镜包括：镜架，所述镜架包括镜腿和镜框；至少一个光波导，所述光波导包括波导基底、耦入区域和耦出区域；所述波导基底嵌设于所述镜框；其中，所述光波导为第二方面任意一项所述的光波导。

在一些实施例中，所述AR眼镜还包括微投影装置，所述微投影装置设置于所述镜腿；所述耦入区域设置在所述波导基底靠近所述镜腿的左上区域内，和/或，所述耦入区域设置在所述波导基底靠近所述镜腿的右上区域内。

本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施方式提供一种二维光栅、光波导和AR眼镜，所述二维光栅包括至少一个周期，所述二维光栅在每一个所述周期内的长边尺寸与短边尺寸的比例为

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是本发明实施例提供的一种二维光栅在一个周期内的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的两种二维光栅的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种光波导的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种光波导的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种光波导的结构示意图；

图6是图4中的耦出区域的衍射级次示意图；

图7是本发明实施例提供的再一种光波导的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的第五种光波导的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的第六种光波导的结构示意图；

图10(1)是本发明实施例提供的一种耦入区域的二维光栅的结构示意图；

图10(2)是本发明实施例提供的一种耦入区域的交叉一维光栅的结构示意图；

图11是图8中耦出区域的衍射级次示意图；

图12是本发明实施例提供的一种AR眼镜的结构示意图；

图13是本发明实施例提供的另一种AR眼镜的结构示意图；

图14是本发明实施例提供的另三种AR眼镜的结构示意图；

图15(1)是耦出区域使用每一周期内长短边比例为

图15(2)是耦出区域使用本发明提供的二维光栅的光波导的有效区域示意图。

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。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

目前，在业内使用的光波导中，光栅的衍射级次都是固定的，当这种二维光栅应用在光波导中的耦入区域或者耦出区域时，由于衍射级次固定，无论怎样对每一周期内的光栅结构进行设计，光线在光波导内的传播、扩展和耦出的方向也都是固定的，这样不利于解决光波导中的出瞳均匀性和视场均匀性问题。

在此，发明人提出了一种全新的二维光栅的周期形式，将该周期形式下的二维光栅应用在光波导或者AR眼镜中，能够让光线沿着全新的衍射级次方向在光波导内进行传播、扩展或者耦出，这样能进一步地解决光波导中的出瞳均匀性和视场均匀性的问题。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种二维光栅的结构示意图，所述二维光栅包括至少一个周期，所述二维光栅在每一个周期内的长边尺寸D与短边尺寸d的比例为

本发明实施例中提供的二维光栅可应用于光波导或者是AR眼镜中，由于每一周期的长短边比例变成了

在其中一些实施例中，在本发明提供的二维光栅每一周期内可以采用柱状结构、中空柱状结构等，所述中空柱状结构为柱状内设有通孔的结构，可以理解的是，通孔可以为棱柱孔、锥孔或者是圆柱孔。具体地，可以采用圆柱状结构、棱柱状结构、中空棱柱结构或者中空棱柱与圆柱结合的结构，在实际应用中，每一周期内的光栅结构可以为其他一切合适的结构，在此不需拘泥于本实施例中的限定。由此可见，本发明提供的二维光栅结构可自由设置，增加了设计的自由度，后续有利于改善光波导和AR眼镜中的出瞳均匀性和视场均匀性的问题。

例如，请参阅图2，在每一周期内的长边尺寸与短边尺寸的比例为

第二方面，本发明实施方式提供一种光波导，请参阅图3，所述光波导包括耦入区域1、耦出区域2和波导基底3；所述耦出区域2设有如第一方面所述的二维光栅；耦入区域1和耦出区域2均设置于波导基底3上。

本发明实施例提供的光波导中，耦出区域2的二维光栅在每一周期内的长边尺寸D与短边尺寸d的比例为

请参阅图3至图5，当耦入区域1将带有图像信息的光束耦入至波导基底3内进行全反射传播，当光线到达耦出区域2的二维光栅时，将产生多个衍射级次，此时光线分别向波导基底3内的多个方向进行传输，其中一部分光线会被衍射耦出至人眼，另一部分光线在波导基底3内继续发生全反射传输，并继续被耦出区域2的二维光栅衍射成多个级次，如此循环，最终可在整个耦出光栅的工作区域都有光线耦出，使人眼能在相应位置能看到图像。

在其中一些实施例中，请参阅图3至图5，所述耦入区域1设有一维光栅，其中，一维光栅的栅线方向垂直于主光线L，主光线L为耦入区域1的中心区域和耦出区域2的中心区域的连线。一般，主光线L为耦入区域1的中心位置和耦出区域2的中心位置的连线，但在应用过程中，主光线L在耦入区域1选取的中心点可以与耦入区域1的中心位置有一定偏差、在耦出区域2选取的中心点可以与耦出区域2的中心位置有一定偏差，在此也应落入本发明实施例中保护的范围内。在实际应用中，主光线L与水平方向的夹角可根据实际需要进行调节，在此不做限定。

在其中一些实施例中，请继续参阅图3至图5，当耦入区域1采用一维光栅时，耦出区域2的二维光栅的长边周期方向应当与主光线L平行。请参阅图3至图5，此时，当入射光线垂直于耦入区域1的一维光栅的栅线方向入射时，即光线垂直入射至一维光栅后，光线被耦入至波导基底3内进行全反射传播，传播至耦出区域2的二维光栅时，将沿多个衍射级次方向进行扩展或者耦出。具体地，请参阅图6，其示出了图4中的耦出区域2的二维光栅的衍射级次方向，其中(0，0)级次表示前传级次，(-4，-1)级次、(-4，+1)级次、(-2，-1)级次以及(-2，+1)级次表示扩展级次，(-6，0)级次表示背传级次。其中，光线的能量主要集中在以(0，0)级次为中心的三个级次上，即分别为(0，0)级次、(-2，-1)级次以及(-2，+1)级次，并且前传级次与相邻的扩展级次之间的夹角Beta约为70.5288°。在耦出区域内使用每一周期的长短边比例为

然而，当耦入区域1采用一维光栅时，光波导会在入射光线所在方向出现明显的亮带现象，为了解决出现的亮带现象，在其中一些实施例中，耦入区域1设有如第一方面所述的二维光栅或者设有交叉一维光栅。并且请参阅图7至图9，当耦入区域1使用二维光栅或交叉一维光栅时，光线会沿着两个衍射级次方向在波导基底3内进行全反射传播至耦出区域2，在耦出区域2的扩展及耦出下，光线能在耦出区域2的整个工作范围内耦出至人眼，此时光线并没有沿入射光线所在方向传播至耦出区域2，这样能够解决亮带现象，从而使光场更加均匀。

具体地，当入射光线垂直入射时，请参阅图10，耦入区域1采用如第一方面所述的二维光栅或者是交叉二维光栅时，光线将沿两个衍射级次方向传输，分别为第一衍射级次方向M与第二衍射级次方向N，当光线分别沿两个衍射级次方向传至耦出区域2时，将产生多个衍射级次方向的光线，如图11所示，其示出了图8中的耦出区域2的二维光栅的衍射级次方向，其中(0，0)级次表示前传级次，(-1，-4)级次、(0，-1)级次、(-1，+2)级次以及(-2，+1)级次表示扩展级次，(-2，-1)级次表示背传级次，其中，前传级次与相邻的扩展级次之间的夹角Beta约为70.5288°，可见，在耦出区域2的二维光栅作用下，光线能被扩展或者耦出。应当注意的是，前传级次与相邻的扩展级次之间的夹角Beta与入射光线的角度有关，在此不做限定。

在其中一些实施例中，当耦入区域1采用如第一方面所述的二维光栅时，耦入区域1的二维光栅的周期大小、方向应与耦出区域2的二维光栅周期大小、方向一致，即耦入区域1的二维光栅在每一周期内的长边尺寸与短边尺寸比例为

在其中一些实施例中，当耦入区域1采用交叉一维光栅时，请参阅图10(2)，交叉一维光栅包含沿两个方向周期排布的第一组一维光栅11和第二组一维光栅12，第一组一维光栅11的第一栅线方向垂直于第一前传主光线，第一前传主光线为耦入区域1为如第一方面的二维光栅时的第一衍射级次所在方向M；第二组一维光栅12的第二栅线方向垂直于第二前传主光线，第二前传主光线为耦入区域1为如第一方面的二维光栅时的第二衍射级次所在方向N。

具体地，耦入区域1若采用如第一方面所述的二维光栅时，当入射光线垂直耦入区域1的二维光栅的长边周期方向入射时，第一衍射级次方向M与第二衍射级次方向N间的夹角θ约为38.9424°，即第一前传主光线与第二前传主光线之间的夹角约为38.9424°，那么此时耦入区域1若采用交叉一维光栅时，第一栅线方向和第二栅线方向所形成的锐角也应约为38.9424°，同时，入射光线应处于第一栅线方向和第二栅线方向所形成的钝角的角平分线上。在实际应用中，由于第一衍射级次方向M与第二衍射级次方向N间的夹角与入射光线的入射角度有关，因此，第一栅线方向与第二栅线方向所形成的锐角及交叉一维光栅的位置也会发生改变，在此不需拘泥于本实施例中的限定。

在其中一些实施例中，第一组一维光栅11的周期和第二组一维光栅12的周期相等，具体的，交叉一维光栅可以为交叉一维直光栅、交叉一维闪耀光栅、交叉一维斜光栅、交叉一维体全息光栅、交叉一维超表面结构或者是交叉一维共振光栅结构。在实际应用中，交叉一维光栅的结构可根据实际需要进行设置，在此不需拘泥于本发明实施例中的限定。

在其中一些实施例中，请参阅图3或图7，耦入区域1的形状为圆形，耦出区域2为缺角矩形，缺角矩形具有一个缺角，耦入区域1设置在耦出区域2的缺角处。又或者，在其中一些实施例中，请参阅图4和图5，耦入区域1为圆形、耦出区域2为矩形，耦入区域1设置在耦出区域2的上下左右的任意一侧。在实际应用中，耦入区域1、耦出区域2可以为其他多边形或者不规则形状，耦入区域1可以设置在耦出区域2的任意一个缺角处或者是任意一侧边缘处、二者在波导基底3内的设置可根据实际需要进行设置，在此均不需拘泥于本实施例中的限定。

第三方面，本发明实施例还提供一种AR眼镜，请参阅图12(1)和图12(2)，所述AR眼镜包括：镜架、至少一个光波导；所述镜架包括镜腿10和镜框13，所述光波导包括波导基底3、设置于波导基底3的耦入区域1和耦出区域2，其中，波导基底3嵌设于镜框13，所述光波导为如第二方面任意一项所述的光波导。

本发明实施例提供的AR眼镜中，耦出区域2的二维光栅在每一周期内的长边尺寸D与短边尺寸d的比例为

为了进一步减轻AR眼镜的体积，在其中一些实施例中，AR眼镜还包括微投影装置，微投影装置设置于所述镜腿10。

具体地，本发明提供的AR眼睛可以是单目眼镜、也可以是双目眼镜。

在其中一些实施例中，所述AR眼镜为单左目眼镜，请参阅图12(1)，耦入区域1可以设置在波导基底3靠近镜腿10的右上区域内。应当注意的是，本文以佩戴此AR眼镜时的用户为视角定义上下左右方向，下面便不再赘述。

在其中一些实施例中，所述AR眼镜为单右目眼镜，请参阅图12(2)，耦入区域1可以设置在波导基底3靠近镜腿10的左上区域内。

在其中一些实施例中，所述AR眼镜为双目眼镜，请参阅图13，所述AR眼镜包括：镜架，第一光波导和第二光波导；所述镜架包括镜腿10和镜框；所述第一光波导包括第一波导基底23、第一耦入区域21和第一耦出区域22；所述第二光波导包括第二波导基底33、第二耦入区域31和第二耦出区域32；第一波导基底23和第二波导基底33均嵌设于镜框；其中，第一光波导20和第二光波导30均为第二方面任意一项所述的光波导。镜腿10包括第一镜腿11和第二镜腿12，第一镜腿11连接在镜框13的左上点，第二镜腿12连接在镜框13的右上点，此时在第一镜腿11和第二镜腿12上均设置有微投影装置，第一耦入区域21设置在第一波导基底23靠近第一镜腿11的左上区域内，第二耦入区域31设置在第二波导基底33靠近第二镜腿12的右上区域内。

在其他一些实施例中，请参阅图14，如图14(1)所示，第一耦入区域可以设置在第一波导基底的正上方区域、同时也设于第一耦出区域的正上方，此时，微投影装置还可以放在AR镜片的正上方，或者，如图14(2)所示，第一耦入区域还可以设置在第一波导基底的正左方区域、同时也设于第一耦出区域的左侧，或者，如图14(3)，第一耦入区域还可以设置在第一波导基底的左下区域、同时也设于第一耦出区域的左下侧或者是第一耦出区域的缺角处，在实际应用中，第一耦入区域、第二耦入区域、第一耦出区域和第二耦出区域在波导基底内的位置可根据实际需要进行设置，在此不做限定。

本发明实施方式提供一种二维光栅、光波导和AR眼镜，所述二维光栅包括至少一个周期，所述二维光栅在每一个所述周期内的长边尺寸与短边尺寸的比例为

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。