[发明专利]一种基于二维光栅的平面光波导

说明书

本发明公开了一种基于二维光栅的平面光波导，属于增强现实技术领域。本发明包括光波导传输机构和光栅工作机构；所述光波导传输机构为透明的平行波导；所述光栅工作机构由周期固定的夹角为60°的二维光栅构成；所述二维光栅凸出或凹陷于所述平行波导的上表面。微投影仪的图像可在光栅工作机构的任意区域入射光波导，人眼在可在光栅工作机构的任意区域观看出射图像；本发明通过一片二维光栅即可实现对微投影仪图像的耦入、扩瞳和耦出，有效降低光波导与微投影仪的光学安装精度并扩大光波导的可视区域，有效实现增强现实显示装置的低成本制造。本发明结构简单，易于量产加工，且使用形式灵活，具有较高的应用价值。

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，特别涉及一种基于二维光栅的平面光波导。

背景技术

增强现实技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间和空间范围内很难体验到的实体信息,通过计算机模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

增强现实技术不仅在与虚拟现实技术相类似的应用领域，诸如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有比虚拟现实技术更加明显的优势。

为了实现光学透射式的增强现实显示方案，有人设计了自由曲面棱镜元件，利用折反光路加补偿棱镜的方式实现了光学透射式的增强现实显示，但鉴于自由曲面棱镜达成曲率的需要，在达到良好视觉体验的情况下，这种方案的光学系统的厚度不能做到非常轻薄，限制了眼镜类增强现实显示的进一步轻薄化。

而另外一些设计则使用平面光波导方案，利用光线在平面波导元件内的全内反射传输投影机输出光束，并使用多个反射面或光栅截获传输光束实现光学系统出瞳扩展，有效降低了光学元件的厚度，但是目前已有的平面光波导设计方案中，图像的耦入、扩瞳、耦出部分通常需要单独设计加工，制造难度大、成本高，并且光波导的显示区域受限，灵活性不高。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种耦入、扩瞳、耦出一体化的基于二维光栅的平面光波导。本发明的光学波导易于加工且使用灵活方便。

本发明的技术方案为：

一种基于二维光栅的平面光波导，包括光波导传输机构和光栅工作机构；所述光波导传输机构为透明的平行波导；所述光栅工作机构由周期固定的夹角为60°的二维光栅构成；所述二维光栅凸出或凹陷于所述平行波导的上表面。

所述平行波导为由可见光透明的光学材料构成的平板结构，所述平行波导的上下表面平行。

本发明在使用时，微投影仪发出的光线经过光栅工作机构任意区域后，会被二维光栅衍射产生多个级次的光线方向进入光波导，在光波导传输机构内通过全反射向外传输；每次光线进过光栅工作机构，都会再次发生衍射，一部分光线会被衍射耦出光波导进入人眼，另一部分光线会被衍射成多个级次方向在光波导内继续传输。最终在整个光栅工作机构区域都有光线耦出，人眼在整个光栅工作机构区域都可以观察到完整连续的图像。

作为优选方案，所述平行波导的折射率为1.4～2.2，厚度为0.3～2.5mm。目前市面上的光学材料折射率一般在该范围内，从理论上来说，本发明中平行波导的折射率越大越好。

作为优选方案，所述二维光栅的周期为200～700nm。

作为优选方案，所述二维光栅为圆柱形或底面为菱形的棱柱形。当然二维光栅还可以为其他可行的形状。

作为优选方案，所述二维光栅的直径或边长为50～650nm，高度或深度为80～650nm。