一种衍射光波导及近眼显示装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种衍射光波导及近眼显示装置。

背景技术

在增强现实(Augmented reality，AR)、混合现实(Mixed reality，MR)领域，近眼显示器的三种模式中，衍射光栅波导镜片显示技术相比棱镜模式和自由曲面模式，其利用光栅的衍射作用实现光线的入射、扩瞳和出射，利用全反射原理实现光线传输，由于衍射光栅波导显示技术采用和光纤技术一样的全反射原理，衍射光栅波导显示元件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明，并且具有更大的显示区域和大的视场角，便于集成与小型化、轻量化，具有广阔的应用前景。

当前，一种光栅架构布局方式应用范围比较广的衍射光波导，包括透明的波导基底以及设置于波导基底上的功能区域，但该方案存在透过率低的缺点，环境的亮度、色彩、细节等信息会随着透过率的下降而丢失，相关技术中采用降低材料折射率或光栅深度的方式，提高透过率，但是这样又存在波导衍射效率低，图像显示亮度不够，整体显示性能不佳的缺点。

发明内容

本发明实施例提供了一种衍射光波导及近眼显示装置，该衍射光波导可以通过设置耦出光栅区域的其中一方向的光栅周期与其光栅矢量与另一方向的光栅满足一定对应关系，可使得该方向的光栅不会对光进行调制，提高光透过率，同时另一方向的光栅对光进行调制，提高波导衍射率。

根据本发明的一方面，提供了一种衍射光波导，包括：

波导基底以及设置于所述波导基底上的耦入光栅区域和耦出光栅区域，所述耦入光栅区域包括耦入光栅，所述耦出光栅区域包括至少两个方向上周期设置的耦出光栅；

所述耦出光栅的光栅周期与光栅矢量满足：

其中，D2为其中所述耦出光栅一个方向的光栅周期，D1为所述耦出光栅另一个方向的光栅周期，na为空气的折射率，nb为所述波导基底的折射率，λ为波长，α为视场角的一半，β为所述耦出光栅其中一个方向的光栅矢量与另一个方向的光栅矢量之间的夹角。

可选地，转折光栅区域，位于所述耦入光栅区域和所述耦出光栅区域之间，所述转折光栅区域包括转折光栅，所述转折光栅用于将所述耦入光栅接收的光线扩展并朝向所述耦出光栅区域衍射。

可选地，所述转折光栅包括二维光栅或两个不同方向的周期性排列光栅重叠形成的等效二维光栅。

可选地，所述转折光栅的光栅周期和光栅矢量之间满足：

其中，D4为所述转折光栅中一个方向的光栅周期，D3为所述转折光栅另一方向的光栅周期，β2为所述转折光栅其中一个方向的光栅矢量与另一个方向的光栅矢量之间的夹角。

可选地，所述耦出光栅包括二维光栅。

可选地，所述耦出光栅在所述波导基底上由两个一维光栅交叠形成。

可选地，两个所述一维光栅设置于所述波导基底的同一侧，或者设置于所述波导基底的两侧。

可选地，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅均为设置在所述波导基底上的光栅，或者所述波导基底上设置有介质层，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅设置在所述介质层上。

可选地，所述耦出光栅区域和/或所述转折光栅区域分区设置，至少两个区域内的光栅形貌不同。

根据本发明的另一方面，提供了一种近眼显示装置，包括图像源和第一方面所述的衍射光波导；

所述图像源用于输出图像光线；

所述图像光线从所述衍射光波导的耦入光栅区域入射至波导基底，在所述波导基底内全内反射传输至所述衍射光波导的耦出光栅区域；

所述耦出光栅区域将所述图像光线从所述波导基底输出至人眼。

本发明实施例提供的一种衍射光波导及近眼显示装置，耦出光栅区域上设有至少两个方向上周期性设置的光栅，且其中一方向的光栅周期与其光栅矢量与另一方向的光栅有预设对应关系，使得该方向的光栅不会对光进行调制，从而增加环境光的透过率，使得用户能够更加清晰的观看周围环境，避免环境信息丢失，同时，另一方向的光栅会对进入衍射光波导内图像光进行调制，并朝向人眼方向耦出，使得用户也能同时清晰的看见虚拟的图像光。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的第一种衍射光波导的平面结构示意图；

图2为图1耦出光栅区域的局部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种衍射光波导中的K域图；

图4为本发明实施例提供的衍射光波导对应的K域图；

图5为本发明实施例提供的第二种衍射光波导的平面结构示意图；

图6为图5耦出光栅区域的局部结构示意图；

图7为本发明实施例提供的第三种衍射光波导的平面结构示意图；

图8为图7转折光栅区域的局部结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种耦出光栅的侧视示意图；

图10为本发明实施例提供的另一种耦出光栅的侧视示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的第一种衍射光波导的结构示意图，图2为图1耦出光栅区域的局部结构示意图，参考图1和图2，衍射光波导100包括波导基底110以及设置于波导基底110上的耦入光栅区域120和耦出光栅区域130。其中，入射光线入射耦入光栅区域120，经耦入光栅区域120内的耦入光栅1201衍射耦入波导基底110内，之后在波导基底110内全反射传输至耦出光栅区域130，经耦出光栅区域130内的耦出光栅1301衍射后耦出波导基底110。

耦入光栅区域120包括耦入光栅1201，耦出光栅区域130包括至少两个方向上周期设置的耦出光栅1301；耦出光栅1301的光栅周期与光栅矢量满足：

其中，D2为其中耦出光栅1301一个方向的光栅周期，D1为耦出光栅1301另一个方向的光栅周期，na为空气的折射率，nb为波导基底110的折射率，λ为波长，α为视场角的一半，β为耦出光栅1301其中一个方向的光栅矢量与另一个方向的光栅矢量之间的夹角。

其中，图1中示意性示出耦出光栅1301为二维光栅，在其他实施例中，耦出光栅1301可以由两个不同方向的一维光栅叠加形成，具体实施时可以根据实际情况设计。

图3为本发明实施例提供的一种衍射光波导中的K域图，其为三维波矢空间在二维平面上的投影，参考图3，以水平向右为X方向，向上为Y方向，法线方向(垂直于XY平面)为Z方向。K域图以Kmin边界和Kmax边界划分为三个区域，小圈内部区域(Kmin内部)表示光线在空气中传输，环形区域(Kmin到Kmax之间)表示光线在波导基底内全反射传输，大圈以外区域(Kmax外部)光线为倏逝波，表示光线不在衍射光波导内传输。

其中，K域范围的传输边界半径满足：

其中，na为空气折射率，nb为波导基底折射率，λ为波长。

此外，微型投影仪(即光机)射出的图像光线经由衍射光波导上的耦入光栅进入波导，并经由各光栅扩展传输、耦出的整个过程可通过K域图进行分析。结合图3进行详细说明。

具体地，图3中的矩形框表示一定视场角内的光线在XY平面上的投影区域，可记作视场角视野，其中，中心区域的矩形框a可以理解为光机出射的光线角度在XY平面上的投影区域(记作初始视场角视野)，矩形框b为初始视场角视野内光线经由耦入光栅衍射后的视场角视野，记作耦入后视场角视野，矩形框c为耦入后视场角视野内的光线经由转折光栅(或由二维光栅形成的耦出光栅)衍射后的视场角视野，记作转折后的视场角视野，转折后的视场角视野内的光线再经由耦出光栅衍射耦出返回至中心区域矩形框a的视场角视野，即返回至空气中。其中，矩形框b中心与矩形框a中心之间的距离、矩形框b中心与矩形框c中心之间的距离以及矩形框c中心与矩形框a中心之间的距离均由

基于此，为了提高耦出光栅1301的光线透过率，设置一个方向的耦出光栅耦出图像光线的基础上，设置另一方向短周期的耦出光栅，使短周期的耦合光栅的±1级衍射光线不能在衍射光波导100内，即需要其是倏逝波的状态，其在K域则表现为在Kmax区域外。具体地，如图4所示，图4为本发明实施例提供的衍射光波导对应的K域图，其中左图(a)对应图像光线，右图(b)对应外界环境光线，其中以圆形表示视场。示例性地，参考图4(a)，视场角为2α，光栅周期为D2的耦出光栅的±1级衍射光线不能在衍射光波导100内(对应a1，视场在Kmax外)，该级次的视场角中心和K域原点的距离L2满足：L2＞Kmax+Kmin*sin(α)。由于光栅周期为D1的耦出光栅的±1级衍射光线在衍射光波导100内传输，视场角中心和K域原点的距离L1在Kmin和Kmax之间。

参考图4(b)，可选地，为了确保透过率有所提升，减少杂散光出现，外界环境光线耦入衍射光波导100后，光栅周期为D2的耦出光栅的±1级衍射光线也不能在衍射光波导100内(对应视场在Kmax外)，该级次的视场角中心和K域原点的距离L3满足：L3＞Kmax+Kmin*sin(α)。

因此光栅周期为D2的耦出光栅需要满足以上关系，将耦出图像光线的耦出光栅周期定为D1，另一方向耦出光栅周期定为D2，两个光栅矢量夹角为β，则耦出光栅1301的光栅周期与光栅矢量满足：

示例性地，入射光线耦入波导基底110后进入耦出光栅区域130，耦出光栅区域130包括至少两个方向上周期设置的耦出光栅1301，其中一个方向的耦出光栅1301的光栅周期与光栅矢量满足上述公式，入射光线的部分光线耦入该方向的耦出光栅1301时，一个方向的光栅衍射光线视场位于Kmax边界外的区域，表明该部分光线不在衍射光波导100内传输，该方向的耦出光栅1301不会对该部分光线进行调制，增加光线的透过率；其余部分光线耦入另一个方向的耦出光栅1301，其衍射光线视场位于Kmin边界与Kmax边界之间的环形区域，光线在波导基底110内全反射传输，耦出光栅1301对该部分光线进行衍射后，耦出衍射光波导100进入人眼，提高图像光的显示效果。

本发明实施例提供的衍射光波导100，耦出光栅区域130上设有至少两个方向上周期性设置的耦出光栅1301，且其中一方向的光栅周期与其光栅矢量与另一方向的光栅有预设对应关系，使得该方向的耦出光栅1301不会对光进行调制，增加环境光的透过率，使得用户能够更加清晰的观看周围环境，避免环境信息丢失，同时，另一方向的耦出光栅1301会对进入衍射光波导100内图像光进行调制，并朝向人眼方向耦出，使得用户也能同时清晰的看见虚拟的图像光。

示例性地，波导基底110的材料，长度可以根据需求自定义设置，波导基底110具有相互平行的两个表面，在波导基底110的至少一个表面设置耦入光栅区域120和耦出光栅区域130，本发明实施例对此不作限制。

图5为本发明实施例提供的第二种衍射光波导的平面结构示意图；图6为图5耦出光栅区域的局部结构示意图，参考图5和图6，衍射光波导100还包括位于耦入光栅区域120和耦出光栅区域130之间的转折光栅区域140，转折光栅区域140包括转折光栅1401，转折光栅1401用于将耦入光栅1201接收的光线扩展并朝向耦出光栅区域130衍射。

示例性地，入射光线经耦入光栅区域120耦入波导基底110后，在波导基底110内全反射传播至转折光栅区域140，转折光栅1401扩展接收到的光线，对光线进行扩瞳，将光线衍射至耦出光线区域130，经耦出光栅区域130衍射后耦出波导基底110。转折光栅1401增加了衍射入耦出光栅区域130的光线的视场角，扩大输出图像显示。

示例性地，耦入光栅区域120、转折光栅区域140和耦出光栅区域的光栅形状可以根据需求自定义设置，具体光栅形状可以为直齿光栅、闪耀光栅、斜齿光栅、体全息光栅、二维光栅等，本发明实施例对此不做限制。

图7为本发明实施例提供的第三种衍射光波导的平面结构示意图；图8为图7转折光栅区域的局部结构示意图，参考图7和图8，转折光栅1401包括二维光栅或两个不同方向的周期性排列光栅重叠形成的等效二维光栅。其中图7和图8中以二维光栅为例，并不是对本发明实施例的限定，二维光栅或等效二维光栅的结构增加转折光栅1401的光透过率，扩大输出图像显示。

示例性地，转折光栅1401的光栅周期和光栅矢量之间满足：

其中，D4为转折光栅1401中一个方向的光栅周期，D3为转折光栅1401另一方向的光栅周期，β2为转折光栅1401其中一个方向的光栅矢量与另一个方向的光栅矢量之间的夹角。

示例性地，入射光线耦入波导基底110后进入耦出光栅区域130，转折光栅区域140包括至少两个方向上周期设置的耦出光栅1301，其中一个方向的转折光栅1401的光栅周期与光栅矢量满足上述公式。基于前述类似的推导过程，入射光线的部分光线经过周期为D4转折光栅1401衍射时，衍射光线的视场位于Kmax边界外的区域，表明该部分光线不在衍射光波导100内传输，该方向的转折光栅1401不会对该部分光线进行调制，增加光线的透过率，增加转折光栅1401的透明度，使得外部人员从外部观看用户的设备时不能明显感觉到转折光栅区域所在的位置，从而增加了设备的整体外观效果；光线经过周期为D3转折光栅1401衍射时，衍射光线的视场位于Kmin边界与Kmax边界之间的环形区域，入射光线经耦入光栅1301衍射至转折光栅1401，转折光栅1401对该部分光线进行衍射后，增加了衍射入耦出光栅区域130的光线的视场角，扩大输出图像显示。

可选地，耦出光栅1301包括二维光栅。其中，二维光栅其中一个方向的光栅周期和光栅矢量可以满足耦出光栅1301光栅周期和光栅矢量的对应关系。入射光线耦入波导基底110后，全反射传输至耦出光栅1301，二维光栅在衍射入射光线的同时，对光线进行扩展，可以提供更大的视场角与眼动范围。

示例性地，耦出光栅1301在波导基底110上由两个一维光栅交叠形成。其中，一个方向的光栅周期和光栅矢量可以满足耦出光栅1301光栅周期和光栅矢量的对应关系。通过设置两个一维光栅交叠，可以获得多方向的衍射视场，对接收的入射光线进行扩展，降低成本的同时提高衍射光波导100的衍射效率。

图9为本发明实施例提供的一种耦出光栅的俯视示意图，图10为本发明实施例提供的一种耦出光栅的侧视示意图，参考图9，一维光栅13011、13012设置于波导基底110的同一侧，或者参考图10，一维光栅13011、13012设置于波导基底110的两侧。一维光栅13011、13012接收经波导基底110全反射传播的入射光线，入射光线的出射位置可以靠近波导基底110，也可以远离波导基底110，在波导基底110两侧设置一维光栅13011、13012可以扩大接收光线的范围，保证衍射效率，获得更大的视场角。

示例性地，在一实施例中，耦入光栅1201、转折光栅1401和耦出光栅1301均为设置在波导基底110上的光栅，或者在另一实施例中，波导基底110上设置有介质层，耦入光栅1201、转折光栅1401和耦出光栅1301设置在介质层上。其中，耦入光栅1201、转折光栅1401和耦出光栅1301可以与波导基底110为一体，直接设置在波导基底110上，也可以设置介质层减少杂光入射波导基底110影响衍射效率，保证衍射光波导100的性能稳定性。

示例性地，介质层的材料，种类可以根据需求自定义设置，本发明实施例对此不作限制。

可选地，在另一实施例中，耦出光栅区域130和/或转折光栅区域140分区设置，至少两个区域内的光栅形貌不同。其中，各子区域的光栅的其中一个方向的光栅周期和光栅矢量满足上述关系。通过设置不同形貌的光栅，在需要接收不同类型的入射光束进行衍射耦出的情况下可以保证衍射光波导的衍射效率，提高耦出至人眼的光线的均匀性。

可选地，在又一实施例中，耦出光栅区域内的另一方向上的光栅高度/占空比渐变设置，从而提高产品显示时的均匀性。同理，转折光栅区域内另一方向上的光栅高度/占空比也可渐变设置，以提高产品显示时的均匀性。

以下对本发明实施例设计的几种衍射光波导和现有技术中的衍射光波导进行对比：

实施例1

本发明实施例提供的衍射光波导如图1和图2所示，该衍射光波导100包括波导基底110以及设置于波导基底110上的耦入光栅区域120和耦出光栅区域130，耦入光栅区域120包括耦入光栅1201，耦出光栅区域130内的耦出光栅1301为二维光栅，第一方向的光栅周期D1为350nm，第二方向的光栅周期D2为200nm，空气折射率na为1，波导基底的折射率nb为2，波长λ为532nm，半视场角α为15°，第一方向光栅的光栅矢量与第二方向光栅的光栅矢量之间的夹角β为90°。

实施例2

本发明实施例提供的衍射光波导如图5和图6所示，该衍射光波导100包括波导基底110以及设置于波导基底110上的耦入光栅区域120、转折光栅区域140和耦出光栅区域130，耦入光栅区域120包括耦入光栅1201，耦出光栅区域130包括至少两个方向上周期设置的耦出光栅1301；第一方向的光栅周期D1为400nm，第二方向的光栅周期D2为100nm，空气折射率na为1，波导基底的折射率nb为2，波长λ为638nm，半视场角α为15°，第一方向光栅的光栅矢量与第二方向光栅的光栅矢量之间的夹角β为45°。

实施例3

本发明实施例提供的衍射光波导如图7和图8所示，该衍射光波导100包括波导基底110以及设置于波导基底110上的耦入光栅区域120、转折光栅区域140和耦出光栅区域130，耦入光栅区域120包括耦入光栅1201，转折光栅区域140内包括转折光栅1401，耦出光栅区域130内包括耦出光栅1301，转折光栅1401和耦出光栅1301均为二维光栅，转折光栅1401第三方向的光栅周期D3为400nm，第四方向的光栅周期D4为100nm，空气折射率na为1，波导基底的折射率nb为2，波长λ为532nm，半视场角α为15°，第三方向光栅的光栅矢量与第四方向光栅的光栅矢量之间的夹角β2为45°。

对比例1

本发明实施例提供的衍射光波导，除第二方向的光栅周期D2为350nm外，其余与实施例1相同，在此不再赘述。

对比例2

本发明实施例提供的衍射光波导，除第二方向的光栅周期D2为440nm外，其余与实施例2相同，在此不再赘述。

对比例3

本发明实施例提供的衍射光波导，除第三方向的光栅周期D1为440nm，第四方向的光栅周期D2为440nm，波长λ为638nm外，其余与实施例3相同，在此不再赘述。

通过对各个实施例与对比例提供的衍射光波导进行测试，可以得到如表1所示的测试结果，如下所示；其中，测试方法为现有技术中常用的测试方法。

表1

综合实施例1-3可以看出，本发明提供的衍射光波导及近眼显示装置通过设置其中一方向的光栅周期与其光栅矢量与另一方向的光栅有预设对应关系，增加环境光的透过率，另一方向的光栅会对进入衍射光波导内图像光进行调制，提高衍射效率。其中，实施例1与对比例1相比，实施例2与对比例2相比，通过减小第二方向的光栅周期，其衍射效率和透光率均得到提高，实施例3与对比例3相比，通过调整第二方向和第四方向的光栅周期，其衍射效率和透光率均得到提高。

基于同一技术构思，本发明实施例还提供了一种近眼显示装置。其中近眼显示装置可以为增强现实眼镜，该增强现实眼镜包括本发明实施例任一项提供的衍射光波导以及图像源，图像源用于输出图像光线；图像光线从衍射光波导100的耦入光栅区域120入射至波导基底110，在波导基底110内全内反射传输至衍射光波导100的耦出光栅区域130；耦出光栅区域130将图像光线从波导基底110输出至人眼。因此，本发明实施例提供的增强现实眼镜具备本发明实施例提供的增强现实模组相应的有益效果，这里不再赘述。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。