体全息光栅和单入瞳双目光波导的制作方法

本方案属于光波导，具体涉及体全息光栅和单入瞳双目光波导。

背景技术：

1、衍射光波导显示技术是实现高透明度和轻量级增强现实眼镜的主流方案，在扩展视场范围、提升显示效果方面有很大潜力。光线在透明光波导中以全内反射方式传导，在波导中布置光栅等耦合元件以控制光线输入、输出、转向、出瞳扩展、能量分配等，从而引导图像光束进入人眼。常用的耦合元件主要包括表面浮雕光栅、体全息光栅。体全息光栅作为一种布拉格衍射元件，衍射能量集中于零级和一级，通过调控光栅参数可以调节二者比例，因此体全息光栅作为耦合元件的光波导在提升光效、减少漏光等方面具有特殊优势。

2、一片光波导通常搭配一个微投影光机构成一套增强现实显示模组，如果要实现一副双目显示的光波导眼镜通常需要两套模组，功耗和重量都比较大。使用一个微投影光机搭配双目一体的光波导可以降低功耗并减轻重量。对于表面浮雕光栅而言，其耦入光栅利用正负一级衍射级次将光机输出的图像光束衍射成均匀分配的左右传导光束，可以在一体波导片上包含左右对称的转折光栅和左右对称的耦出光栅，即实现双目显示，同时这种方案还可以方便地实现双目融合。但对于光栅面倾斜的体全息光栅，由于布拉格衍射的特性，能量集中于零级和正一级衍射，无法左右对称地传导图像光束。如果将体全息光栅设置为光栅面垂直，则光机输出光束的视场角度往往无法匹配布拉格衍射条件，正负一级的衍射能量都非常低。

技术实现思路

1、本方案旨在克服现有技术中的至少一种缺陷，提供一种体全息光栅，解决传统体全息光栅无法左右对称地传导图像光束的问题。

2、为了解决上述技术问题，采取下述技术方案：

3、第一方面，提出一种体全息光栅。该体全息光栅用于耦入光束，具有平行且相背的两个光栅表面，以及设置在两个光栅表面之间的第一光栅和第二光栅，第一光栅具有第一光栅矢量，第二光栅具有第二光栅矢量。第一光栅矢量与第二光栅矢量面对称，具有对称面m，该对称面m垂直于光栅表面，使得光束经第一光栅衍射后产生的第一衍射光向对称面m的一侧传播，经第二光栅衍射后产生的第二衍射光向对称面m的另一侧传播，第一衍射光和第二衍射光的衍射能量均衡。

4、本方案通过光栅矢量面对称的俩光栅(第一光栅和第二光栅)使光束被衍射后可以产生传播方向对称、衍射能量均衡的第一衍射光和第二衍射光，其中第一衍射光向对称面m的一侧传播，第二衍射光向对称面m的另一侧传播。若使对称面m垂直于左右方向，则第一衍射光和第二衍射光将左右对称地传播，应用作为光波导的耦入光栅时，可以实现双目显示，有利于实现双目融合。

5、第一光栅和第二光栅先后对光束进行衍射，若第一光栅先于第二光栅对光束进行衍射的比例为ρ，则使第一光栅的一级衍射效率η1和第二光栅的一级衍射效率η2满足：η1/η2＝(1-ρη1)/(1-(1-ρ)η2)，可以方便地控制第一衍射光和第二衍射光，使它们的衍射能量均衡。具体而言，第一光栅和第二光栅可以堆叠设置，堆叠方向垂直于光栅表面，此时，若第一光栅和第二光栅依次对光束进行衍射，则使第一光栅的一级衍射效率η1和第二光栅的一级衍射效率η2满足：η1/η2＝1-η1，就可以方便地控制第一衍射光和第二衍射光，使它们的衍射能量均衡。此外，第一光栅和第二光栅也可以完全重合。

6、第一光栅和第二光栅也可以同时对光束进行衍射，使第一光栅的一级衍射效率η1和第二光栅的一级衍射效率η2满足：η1＝η2，第一光栅的面积s1和第二光栅的面积s2满足：s1＝s2，第一光栅的厚度h1和第二光栅的厚度h2满足：h1＝h2，可以方便地控制第一衍射光和第二衍射光，使它们的衍射能量均衡。具体而言，第一光栅和第二光栅可以平铺设置，平铺方向垂直于对称面m。

7、此外，第一光栅和第二光栅还可以平铺设置且部分重合，平铺方向垂直于对称面m。

8、第一光栅可以有两个以上第一光栅矢量，第二光栅可以有两个以上第二光栅矢量，第一光栅矢量的数量与第二光栅矢量的数量相同，用于扩展每个光栅的角带宽，使视场角范围内的入射光束都可以较高且均衡的衍射效率分别耦入到光波导的左右两侧。

9、第二方面，提出一种单入瞳双目光波导。该光波导包括层叠设置的波导层和光栅层，光栅层包括耦入光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅，耦入光栅采用上述体全息光栅，第一耦出光栅位于对称面m的一侧，第二耦出光栅位于对称面m的另一侧。

10、本方案采用上述体全息光栅作为耦入光栅，可以将图像光束衍射产生传播方向对称、衍射能量均衡的第一衍射光和第二衍射光，第一衍射光向对称面m的一侧传播至第一耦出光栅，由第一耦出光栅耦出并实现一维扩瞳，第二衍射光向对称面m的另一侧传播至第二耦出光栅，由第二耦出光栅耦出并实现一维扩瞳，在提升光效、减少漏光的同时，实现双目显示，还有利于实现双目融合。

11、光栅层还包括第一转折光栅和第二转折光栅，第一转折光栅位于对称面m的一侧，第二转折光栅位于对称面m的另一侧。向对称面m的一侧传播的第一衍射光先传播至第一转折光栅再传播至第一耦出光栅，向对称面m的另一侧传播的第二衍射光先传播至第二转折光栅再传播至第二耦出光栅，可以实现二维扩瞳。

12、第三方面，提出一种单入瞳双目头显产品。该头显产品包括微投影光机和上述光波导，微投影光机与光波导中的耦入光栅相对。

13、本方案采用上述光波导，其采用上述体全息光栅作为耦入光栅，可以将图像光束衍射产生传播方向对称、衍射能量均衡的第一衍射光和第二衍射光，第一衍射光向对称面m的一侧传播至第一耦出光栅，由第一耦出光栅耦出并实现一维扩瞳，第二衍射光向对称面m的另一侧传播至第二耦出光栅，由第二耦出光栅耦出并实现一维扩瞳，在提升光效、减少漏光的同时，实现双目显示，还有利于实现双目融合。

14、本方案与现有技术相比较有如下有益效果：本方案中的体全息光栅通过光栅矢量面对称的俩光栅(第一光栅和第二光栅)使光束被衍射后可以产生传播方向对称、衍射能量均衡的第一衍射光和第二衍射光，可以实现双目显示，有利于实现双目融合。

技术特征：

1.一种体全息光栅，用于耦入光束，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的体全息光栅，其特征在于，

3.根据权利要求1或2所述的体全息光栅，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的体全息光栅，其特征在于，

5.根据权利要求1或2所述的体全息光栅，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的体全息光栅，其特征在于，

7.根据权利要求1或6所述的体全息光栅，其特征在于，

8.根据权利要求1、2或6任一项所述的体全息光栅，其特征在于，

9.一种单入瞳双目光波导，其特征在于，

10.根据权利要求9所述的单入瞳双目光波导，其特征在于，

技术总结本方案公开一种体全息光栅和单入瞳双目光波导，单入瞳双目光波导应用了前述体全息光栅。该体全息光栅用于耦入光束，具有平行且相背的两个光栅表面，以及设置在两个光栅表面之间的第一光栅和第二光栅，第一光栅具有第一光栅矢量，第二光栅具有第二光栅矢量。第一光栅矢量与第二光栅矢量面对称，具有对称面M，该对称面M垂直于光栅表面，使得光束经第一光栅衍射后产生的第一衍射光向对称面M的一侧传播，经第二光栅衍射后产生的第二衍射光向对称面M的另一侧传播，第一衍射光和第二衍射光的衍射能量均衡。通过光栅矢量面对称的俩光栅使光束被衍射后可以产生传播方向对称、衍射能量均衡的第一衍射光和第二衍射光，实现双目显示，利于实现双目融合。技术研发人员：杨穆,胡德骄,杜有成受保护的技术使用者：尼卡光学（天津）有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/10