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基于五通道波導(dǎo)及二維擴(kuò)瞳器

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基于五通道波導(dǎo)及二維擴(kuò)瞳器的近眼顯示
時間:2025-05-23 20:41來源:訊技光電作者: 陳超平點(diǎn)擊:次打印
上海交通大學(xué)的智能顯示實(shí)驗(yàn)室(sdl.sjtu.edu.cn),提出了一種基于五通道波導(dǎo)及二維擴(kuò)瞳器的近眼顯示。如圖1所示,其基本架構(gòu)由(1)五通道波導(dǎo)、(2)入耦合光柵(ICG)、(3)出耦合光柵(OCG)所組成。其核心設(shè)計(jì)思路為將通道1/2/3/4/5的入耦合光柵置于僅包含子視場1/2/3/4/5的獨(dú)立區(qū)域內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)五通道的視場分割。與傳統(tǒng)波導(dǎo)相比,一個顯著特征是,五個入耦合光柵在位置上是錯開的。
圖1. 五通道波導(dǎo)架構(gòu)圖
與基于雙通道視場分割的美國微軟的HoloLens 2波導(dǎo)方案相比,基于五通道視場分割的波導(dǎo)方案具有更大的視場角。如圖2所示,以折射率為1.8的波導(dǎo)為例,雙通道的對角FOV上限為48度,而五通道可達(dá)到124度,甚至超過了美國Meta公司的Orion碳化硅方案(其視場角為70度)。
圖2. 單/雙/三/四/五通道波導(dǎo)方案的視場角FOV上限與折射率的關(guān)系
為驗(yàn)證方案的技術(shù)可行性,在VirtualLab Fusion軟件的賦能下,課題組重點(diǎn)研究了四臺階及二維柱狀光柵的衍射效率、波導(dǎo)的視場角上限、以及出瞳均勻性問題。如圖3所示,對于486/546/633 nm的波長,鋸齒光柵和四臺階光柵的衍射效率分別為58/69/58%和52/61/54%。以50%為基準(zhǔn)的話,鋸齒光柵和四臺階光柵的波長帶寬分別為290 nm和218 nm。如圖4所示,對于二維柱狀光柵,其各個衍射級次(包括T(-1,0)、R(0,0)、R(-1,±1)和R(0,±1))的效率則可通過光柵高度進(jìn)行調(diào)控。至于二維出瞳擴(kuò)展,如圖5所示,于30 mm × 21 mm的出瞳區(qū)域,通過自定義參數(shù)關(guān)聯(lián)與下降單純形算法優(yōu)化,得出了70個出耦合子光柵的衍射效率,分析了各出瞳的電磁場或光強(qiáng)。最后,本方案的關(guān)鍵指標(biāo)總結(jié)如下:FOV=109°、出瞳距=10 mm、出瞳尺寸=6.2 × 6.2mm2、出瞳均勻性=54%。
圖3. 四臺階光柵的衍射效率與波長的關(guān)系
圖4. 二維柱狀光柵的各級衍射級次的效率與光柵高度的關(guān)系
圖5. 波導(dǎo)模塊的光線追跡及出瞳均勻性分析
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