一种二维衍射波导显示系统及其显示均匀性优化方法

1.本发明涉及二维衍射波导显示技术领域，具体涉及一种二维衍射波导显示系统及其显示均匀性优化方法。


背景技术：

2.增强现实(ar)作为下一代显示技术发展迅速，在军事，教育，娱乐，导航等方面有着广泛的应用。现有的实现增强现实显示方法有很多，主要包括自由曲面棱镜、投影系统、反射系统、混合衍射-折光透镜、光波导。其中，光波导适用于眼镜形态，具有紧凑轻便的结构形式，提高了ar设备的可移植性和可佩戴性，是最具前景的技术方法。
3.通常，光波导主要由微显示器、准直光学系统、入耦合端和出耦合端结构组成。根据耦合端工作原理的不同，波导技术可分为几何波导和衍射波导。在几何波导中，通常使用折射或反射光学作为入耦合器和出耦合器，但存在出瞳小、透光率低、成像率低等问题。谷歌的最大视场(fov)小于20
°
，出瞳范围也较小。lumus还使用了反射镜阵列作为出耦器，并使用了需要精确粘合的多层胶水涂层，导致产量较低。
4.衍射光波导的耦入和耦出端采用具有周期性的光栅结构，根据周期结构的不同可分为表面浮雕光栅波导(srg)和体全息光栅波导(vhg)。微软、magic leap采用表面浮雕光栅的衍射光波导头盔显示器；bae公司生产基于体全息光栅的q-sight全息波导头盔显示器，sony公司提出了采用多层体全息光栅的高亮度透射式的头戴显示器。但体全息光栅具有衍射效率低、颜色串扰严重，角度选择性和波长选择性敏感等缺点。由于vhg的角带宽限制，很难保证不同视场的衍射效率恒定，导致波导显示的照度均匀性较差。出瞳大小和图像照度均匀性是影响波导显示的重要因素。在之前研究中已提出一些出瞳扩展方法，liu和pan等利用衍射光栅技术对一维出瞳展开。但是，他们只对耦合光栅进行了优化，而没有考虑波导整体照度均匀性作为优化的前提。同时也没有考虑不同入射方位角对衍射效率稳定性的影响。对于二维出瞳扩展衍射波导，影响波导显示系统的一个重要问题是照度均匀性，包括出瞳照度均匀性和角照度均匀性。关于逐步提高出耦合光栅衍射效率的通用方法之前被提出，但该方法是基于简单的按比例分配衍射效率去补偿出瞳位置处照度均匀性，未对角度照度均匀性进行优化设计，且随着视场增大，不同视场位置衍射效率差异较大，该方法更加难以实现整个图像的照度均匀性。nakamura提出利用离散变深度全息光栅来实现照度均匀性的方法。该方法同样未考虑如何保证出瞳照度均匀性以及不同视场下光栅衍射效率的恒定。
5.综上，近年来，二维衍射光波导技术发展迅速，二维衍射光波导能在水平和垂直两个出瞳方向扩瞳，有利于实现波导大出瞳显示。由于光在波导内多次衍射，同时部分光会出射进入人眼，导致沿着出瞳方向，出射光能量逐渐减弱。沿着出瞳的水平和垂直方向，图像亮度逐渐变暗。一方面原因是因为设计的衍射波导本身照度均匀性较差，另一方面是因为光栅衍射效率随着视场变化而变化，当入射视场逐渐变大时，光栅衍射效率均匀性随着视场改变而变差。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出了一种二维衍射波导显示系统及其显示均匀性优化方法，能够保证观察图像亮度高均匀性好又保证二维出瞳扩展，实现出瞳照度和角照度的均匀性。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
8.本发明的一种二维衍射波导显示系统，包括入耦合光栅、扩展光栅、出耦合光栅以及波导片；入耦合光栅将光衍射进波导片中以全反射方式向前传播，当光束传播至扩展光栅时，光束不断接触扩展光栅，由一维传播转化为二维光束带传播，一部分光在中沿着原方向继续传播，一部分被衍射向出耦合光栅方向传播；扩展光栅分为两个部分，每个部分又划分为四个子区域，出耦合光栅划分4个区域；扩展光栅两个部分分别容纳不同方向的视场光，正方向视场和负方向视场光分别被限制在两个部分向出耦合光栅区域传播，中间部分视场共用两个部分向出耦合传播；入耦合光栅衍射光传播到两个部分的第一个扩展光栅子区域后被衍射为r-1
级和r0级，r0级向出耦合传播，扩展光栅其他子区域存在r1级次和r0级次，其中r0级次继续沿原方向传播，r1级衍射光向出耦合传播；出耦合光栅接收来自扩展光栅的r0级和r1级光，r0级次在出耦合光栅中沿原行进方向继续传播，衍射r-1
级光从波导出射进入人眼；入耦合光栅和出耦合光栅的光栅周期相等。
9.其中，出瞳均匀度定义为不同出瞳位置在同一视场下的均匀度，角度均匀度定义为出瞳相同位置下不同视场的均匀度；利用基于波导中能量传播进程的照度均匀性评价模型，以及非序列光线追踪的方法优化划分的光栅区域的衍射效率，实现整个二维出瞳处的均匀光照分布。
10.其中，分别建立出瞳照度均匀性和角度照度均匀性评价标准及优化目标约束限制：
[0011][0012][0013]
优化过程中，将不同各区域的衍射效率作为变量，对出瞳均匀性值和角度均匀性值进行权衡，利用非序列光线追迹对同一视场的不同出瞳位置和不同视场的同一出瞳位置进行采样优化；其中(η1,η2)为不同区域下两个不同衍射级次的衍射效率，p
max
(η1,η2)和p
min
(η1,η2)分别为同一视场在不同衍射效率下不同出瞳位置处波导的最大和最小照度值，γ
p
为波导的出瞳均匀性值；a
max
(η1,η2)和a
min
(η1,η2)分别为同一出瞳位置处在不同衍射效率下不同视场处波导的最大和最小照度值，γa为波导的角度均匀性值,w为权重系数；其中η1、η2分别为γ
p
和γa的的变量，η1、η2的改变会影响传播光在不同区域的能量分配，改变η1、η2即对不同区域传播光能量进行改变，进而影响到出瞳位置出射光的能量，将不同能量分布
转化为照度分布，即出瞳照度p(η1,η2)和角度照度a(η1,η2)；分别将各照度值最大和最小值分别带入γ
p
和γa的公式即可以求出出瞳照度和角度照度均匀性值；在将γ
p
和γa的值带入到e
pupil_error
和e
angular_error
的公式中，用以约束各照度均匀性；当此约束达到最小值时，各区域不同级次的衍射效率即达到最佳衍射效率值，保证波导的出瞳照度和角度照度均匀。
[0014]
本发明还提供了一种二维衍射波导显示均匀性优化方法，包括如下步骤：构建本发明所述的系统，建立能量传播过程的照度均匀性评价模型，利用非连续光线追踪优化多区域光栅的衍射效率，实现照度均匀性分布。
[0015]
其中，考虑不同区域的衍射效率，依据能量沿光线传播进程建立数学模型，结合非序列光线追迹和能量均匀分布模型对衍射波导各光栅子区域的衍射效率进行算法优化，实现各个子区域的能量均匀分布，最终，通过各子区域衍射效率渐变调控，实现出瞳照度均匀和角度照度均匀。
[0016]
有益效果：
[0017]
1、本发明采用优化出瞳均匀性的分区域渐变衍射效率的直排型二维衍射波导结构，由入耦合光栅，扩展光栅和出耦合光栅组成。入耦合光栅负责将入射光耦合进入波导，扩展光栅负责对光路扩展使光路由一维传播转向二维传播，出耦合光栅负责将光耦出进入人眼。扩展光栅的引入实现了波导在水平x和垂直y两个方向上实现出瞳扩展。为优化照度均匀性，将衍射波导进行区域划分，将衍射波导划分为独立变化的子衍射区域，扩展光栅的每部分分别划分02～05和06～09共8个子区域，出耦合光栅划分10～13四个子区域。每个区域内光都会完成一个从0
°
视场到系统最大视场的完整的传播路径。各区域衍射效率分为两个衍射级次，主要是对各区域每个级次的衍射效率进行优化以实现出射光能量分布均匀。然后对这些划分区域的衍射效率进行优化，实现衍射效率的渐变调控，进而实现出瞳位置处的照度均匀性。
[0018]
2、本发明考虑不同区域的衍射效率，依据能量沿光线传播进程建立数学模型，结合非序列光线追迹和能量均匀分布模型对衍射波导各光栅子区域的衍射效率进行算法优化，实现各个子区域的能量均匀分布，最终，通过各子区域衍射效率渐变调控，实现了出瞳照度均匀和角度照度均匀。该方法通过对衍射波导各子区域的优化得到了不同区域的光栅衍射效率。
[0019]
3、本发明基于光栅区域划分的二维表面浮雕光栅(srg)波导，建立了能量传播过程的照度均匀性评价模型，利用非连续光线追踪优化多区域光栅的衍射效率，实现了照度均匀性分布。然后，结合数学模型对光栅结构参数进行优化，实现衍射效率在不同视场(fov)下的均匀分布，从而保证了出瞳照度和角度照度的均匀性，对ar-hmd来说是有前景的应用，可以有效地改善目前波导的显示均匀性。
附图说明
[0020]
图1为传统的一维衍射光波导显示系统示意图。
[0021]
图2为本发明直排型二维出瞳扩展衍射光波导显示系统示意图。
[0022]
图3为本发明光线在波导内衍射次数示意图。
[0023]
图4为本发明二维衍射光波导区域划分示意图。
[0024]
图5为本发明光在部分正视场方向的传播光路图。
[0025]
图6为本发明光在部分负视场方向的传播光路示意图。
[0026]
图7为本发明光在中间视场方向的传播光路图。
[0027]
图8为本发明光出瞳位置采样区域示意图。
[0028]
图9为本发明不同视场采样点示意图。
[0029]
图10为本发明照度均匀性优化流程图。
[0030]
图11为本发明利用公式(1)、(2)约束优化波导照度均匀性分布示意图，其中(a)出瞳照度均匀性分布，(b)角度照度均匀性分布图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0032]
本发明通过光栅区域划分的二维表面浮雕光栅波导，建立能量传播进程的照度均匀性评价模型，利用非序列光线追踪优化多区域光栅的衍射效率，实现了照度均匀性分布。
[0033]
传统的一维光波导显示系统如图1所示，包括图像源101、投影光机102、入耦合光栅100以及出耦合光栅110。一维波导方案只能在x方向上实现一维扩展，要想在y方向实现扩瞳，需要增大投影光机在y方向的尺寸，这样就会导致投影光机102的尺寸和体积很大。为实现大出瞳，在波导的入耦合光栅21和出耦合光栅23之间加入扩展光栅22，使光束由一维传播转化为二维光束带传播，实现在x和y方向同时出瞳扩展，以增大眼瞳箱实现二维扩瞳。但在扩展光栅22及出耦合光栅23中，光会有多次衍射，每次衍射都有能量损耗，导致最后进入眼的光效很低，沿着出瞳位置方向，出射光能量逐渐减弱，图像亮度逐渐变暗。这就存在既要保证实际观察图像亮度高均匀性好又要保证实现二维出瞳扩展难以兼得的矛盾。
[0034]
为实现大出瞳及图像照度均匀，本发明提出一种新的优化出瞳均匀性的分区域渐变衍射效率的直排型二维衍射波导近眼显示系统，本发明直排型二维衍射波导结构包括入耦合光栅、扩展光栅和出耦合光栅。其中，入耦合光栅负责将入射光耦合进入波导，扩展光栅负责对光路扩展使光路由一维传播转向二维传播，出耦合光栅负责将光耦出进入人眼。扩展光栅的引入实现了波导在水平x和垂直y两个方向上实现出瞳扩展。由于光能在沿着出瞳扩展x方向和y方向逐渐递减，整个出瞳位置处的照度均匀性将会变差，将会形成亮度不均匀的图像显示。为优化照度均匀性，将衍射波导划分为独立变化的子衍射区域，扩展光栅包含221和222两部分，每部分分别划分02～05和06～09共8个子区域，出耦合光栅划分10～13四个子区域。每个区域内光都会完成一个从0
°
视场到系统最大视场的完整的传播路径。各区域衍射效率分为两个衍射级次，主要是对各区域每个级次的衍射效率进行优化以实现出射光能量分布均匀。然后对这些划分区域的衍射效率进行优化，实现衍射效率的渐变调控，进而实现出瞳位置处的照度均匀性。
[0035]
进一步地，考虑不同区域的衍射效率，本发明依据能量沿光线传播进程建立数学模型，结合非序列光线追迹和能量均匀分布模型对衍射波导各光栅子区域的衍射效率进行算法优化，实现各个子区域的能量均匀分布，最终，通过各子区域衍射效率渐变调控，实现了出瞳照度均匀和角度照度均匀。该方法通过对衍射波导各子区域的优化得到了不同区域的光栅衍射效率。
[0036]
具体地，本发明直排型的二维出瞳扩展衍射光波导显示系统包括入耦合光栅2、扩展光栅22、出耦合光栅23以及波导片24。入耦合光栅21将光衍射进波导片24中以全反射方
式向前传播，当光束传播至扩展光栅22时，光束不断接触扩展光栅，由一维传播转化为二维光束带传播，一部分光在22中沿着原方向继续传播，一部分被衍射向出耦合光栅23方向传播。从图2中可以看出，光束在到达23之前在垂直方向进行扩展，在经过23的衍射之后，水平方向也得到扩展，并最终形成二维光束带。但由于光束能量沿着光束传播的方向逐渐降低，能量的不均匀将会影响最后的成像效果。为验证能量传播的不均匀，图3给出了光线在波导内衍射次数示意图，并计算衍射位置处的出射光能量。在扩展区域22中，25位置处的光能为i，分别在26～28处发生衍射，衍射光向出耦合区域23传播，在29～34位置处发生衍射并从波导出射进入人眼。假定扩展区域22衍射效率为e1，出耦合区域23的衍射效率为e2，26～28处衍射光能量分别如下：
[0037]i26
＝e1*i
[0038]i27
＝e1*e1*i
[0039]i28
＝e1*e1*e1*i
[0040]
29～34处衍射出射进入人眼光能量分别如下：
[0041]i29
＝e1*e1*e1*e2*i
[0042]i30
＝[e1*e1*e1*(1-e2)]*e2*i
[0043]i31
＝[[e1*e1*e1*(1-e2)]**(1-e2)]*e2*i
[0044]i32
＝[[[e1*e1*e1*(1-e2)]*(1-e2)]*(1-e2)]*e2*i
[0045]i33
＝[[[[e1*e1*e1*(1-e2)]*(1-e2)]*(1-e2)]*(1-e2)]*e2*i
[0046]i34
＝[[[[[e1*e1*e1*(1-e2)]*(1-e2)]*(1-e2)]*(1-e2)]*(1-e2)]*e2*i
[0047]
这里假设25处光能能量i＝1000000nit，e1和e2分别为40％，此时，在29～34处出射进入人眼能量分别为2.56
×
104，1.53
×
104，9.22
×
103，5.53
×
103，3.32
×
103，2
×
103，最大值与最小值比为13倍，这里只是示意图表示，实际上光在波导内会有多次衍射，倍数值远大于13。这里从数值上验证了出射光能量的不均匀，因此，为了满足成像均匀性的需求，需要对扩展光栅22和出耦合光栅23的光栅进行区域划分，优化不同衍射效率，使得出耦合区域的出射光能量相对均匀。理论上来说，衍射效率应沿着光束的传播方向递增，即沿着x轴正方向和y轴正方向逐渐增大。
[0048]
具体地，本发明二维衍射光波导区域划分示意图如图4所示，扩展光栅分为221、222两个部分，每个部分又划分为四个子区域02～05和06～09，出耦合光栅划分了4个区域10～13。光线在各区域传播如图5、图6、图7所示，扩展光栅221、222部分分别容纳不同方向的视场光。图5、图6中正方向视场和负方向视场光分别被限制在221和222向出耦合光栅区域传播，图7为中间部分视场共用221、222向出耦合传播。入耦合光栅衍射光传播到扩展光栅子区域02和06后被衍射为r-1
级和r0级，r0级向出耦合传播，子区域02的r-1
级衍射光向221的其他子区域传播，区域06的r-1
衍射光级向222的其他子区域传播。扩展光栅其他子区域存在r1级次和r0级次，其中r0级次继续沿原方向传播，r1级衍射光向出耦合传播。出耦合光栅接收来自扩展光栅的r0级和r1级光，r0级次在出耦合光栅中沿原行进方向继续传播，衍射r-1级光从波导出射进入人眼。
[0049]
入射光束被入耦合光栅01耦合至波导片中后以全反射方式向前传播，当光束传播至扩展光栅时，光束不断接触扩展光栅，由一维传播转化为二维光束带传播，一部分光在扩展光栅中沿着原方向继续传播，一部分被衍射向出耦合光栅方向传播。从图4中可以看出，
光束在到达出耦合光栅之前在垂直方向进行扩展，在经过出耦合光栅的衍射之后，水平方向也得到扩展，并最终形成二维光束带。入耦合光栅衍射光的能量应主要集中在r1反射级次。r1级次被限制在波导内全反射传播到扩展光栅，扩展光栅内存在r-1
级、r
1
级和r0级衍射光,出耦合光栅内主要存在r-1
级和r0级衍射光。由于入耦合光栅的衍射光在扩展光栅和出耦合光栅中不断被衍射，沿着光传播方向光能逐渐减弱，使整个眼瞳内光能分布不均匀，将导致人眼接收到的图像亮度分布不均匀。为获得均匀的光能分布，需要对扩展光栅和出耦合光栅进行区域划分以实现光栅衍射效率的渐变分布。
[0050]
其中，入耦合光栅r1级衍射效率保持80％以上，以使大部分能量能够传输到出耦合光栅，扩展光栅和出耦合光栅被划分成不同的区域，不同区域的衍射效率需要不同，实现渐变衍射效率调控，以使整个视野内图像亮度相对均匀。入耦合光栅和出耦合光栅的光栅周期相等，以保证光线可以正常入射和出射，使出射角度和入射角度相等。出瞳均匀度定义为不同出瞳位置在同一视场下的均匀度，角度均匀度定义为出瞳相同位置下不同视场的均匀度。
[0051]
眼瞳内图像亮度均匀性是评价近眼显示的重要指标，为保证人眼可以观察到均匀的虚拟图像信息，这就需要考虑波导输出图像的均匀性。扩展光栅和出耦合光栅被划分不同的区域，衍射效率需随着划分区域不同而变化，以保证整个二维出瞳的照度均匀，这就需要对不同区域的衍射效率进行优化。为求出不同区域光栅衍射效率值，本发明依据能量沿波导内光线传播进程建立数学评价模型，采用非序列光线追迹方法对划分的不同光栅区域进行能量分布优化，最终实现不同光栅区域衍射效率的渐变调控，使得整个出瞳位置处照度分布均匀。照度均匀性包括出瞳照度均匀性和角度照度均匀性，出瞳照度均匀性指的是同一视场下不同出瞳位置处的均匀度；角度照度均匀性定义为不同视场在同一出瞳位置的均匀性。为实现观察图像的照度均匀，为了实现对观察图像的亮度均匀，建立了基于波导中能量传播进程的照度均匀性评价模型。采用非序列光线追踪的方法优化划分的光栅区域的衍射效率，实现了整个二维出瞳处的均匀光照分布。分别建立如公式(1)、(2)所示的出瞳照度均匀性和角度照度均匀性评价标准及优化目标约束限制：
[0052][0053][0054]
优化过程中，将不同各区域的衍射效率作为变量，对出瞳均匀性值和角度均匀性值进行权衡，利用非序列光线追迹对同一视场的不同出瞳位置和不同视场的同一出瞳位置进行采样优化。其中(η1,η2)为不同区域下两个不同衍射级次的衍射效率，p
max
(η1,η2)和p
min
(η1,η2)分别为同一视场在不同衍射效率下不同出瞳位置处波导的最大和最小照度值，γ
p
为波导的出瞳均匀性值；a
max
(η1,η2)和a
min
(η1,η2)分别为同一出瞳位置处在不同衍射效率
下不同视场处波导的最大和最小照度值，γa为波导的角度均匀性值,w为权重系数。其中η1、η2分别为γ
p
和γa的的变量，η1、η2的改变会影响传播光在不同区域的能量分配，改变η1、η2即对不同区域传播光能量进行改变，进而影响到出瞳位置出射光的能量，将不同能量分布转化为照度分布，即出瞳照度p(η1,η2)和角度照度a(η1,η2)。分别将各照度值最大和最小值分别带入γ
p
和γa的公式即可以求出出瞳照度和角度照度均匀性值。在将γ
p
和γa的值带入到e
pupil_error
和e
angular_error
的公式中，用以约束各照度均匀性。当此约束达到最小值时，各区域不同级次的衍射效率即达到最佳衍射效率值，可以保证波导的出瞳照度和角度照度均匀。
[0055]
出瞳位置和角度位置采样分别如图8、图9所示。30表示不同的出瞳位置区域，31表示出瞳位置边界；32代表不同的视场采样点，33代表视场边界。将出瞳位置划分为m
p
×np
个区域，γ
p
(xi,yi)表示在出瞳区域(xi,yi)的出瞳均匀值；视场划被分为ma×
na个，γa(i,j)表示在视场(i,j)处的角度均匀值。采用最小二乘法，通过对各区域的衍射效率进行循环迭代优化，以找到满足约束误差式子e
pupil_error
和e
angular_error
的最小值，进而得到各区域光栅的各个级次的衍射效率值。此时波导内传播能量得到重新分配，出射能量均匀实现了出瞳照度均匀和角度照度均匀。本发明照度均匀性优化流程如图10所示，以视场角为24
°×
18
°
，眼瞳箱15*13mm为例，优化后可求得整个出瞳位置下出瞳照度均匀值为92％，全视场下视场照度均匀值为64％。优化后的出瞳照度分布和角度照度分布分别图11所示，其中(a)为出瞳照度均匀性分布，(b)为角度照度均匀性分布。
[0056]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。