CN111373297A - 基于二维光栅的平面光波导 - Google Patents

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Abstract

基于二维光栅的光波导，包括波导基底(11)和光栅结构(20)，其中波导基底(11)为由可见光透明的光学材料构成的平板结构，其中光栅结构(20)被设置于波导基底(11)的表面，其中光栅结构(20)包括周期排布的多个光栅单元(201)，并形成第一周期线(2021)和第二周期线(2022)，其中第一周期线(2021)与第二周期线(2022)的夹角为60°。

Description

基于二维光栅的平面光波导
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，特别涉及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。
为了实现光学透视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视式的增强现实显示，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。
作为优选方案，在所述光栅工作机构上设置固定的耦入点。为了解决由于二维光栅耦出光线后光波导内光传输强度减弱，进而引起最终图像在光传输方向上亮度逐渐变弱的问题，通过分区域对二维光栅的深度进而控制，从而控制每个区域内光耦出强度均匀性。为了便于控制强度均匀性，在所述光栅工作机构上设置固定的耦入点。当然，如果对均匀性要求不高，可以不做深度调制，在任意位置耦入都行，即不需要专门设置耦入点。
进一步地，耦入点的直径或边长为200～650nm，高度或深度为200～650nm。
作为优选方案，耦入点的直径或边长大于位于其周边的各耦出点的直径或边长，高度或深度大于位于其周边的各耦出点的高度或深度。
进一步地，耦出点距耦入点越远，其直径或边长越大。
作为优选方案，耦出点距耦入点越远，其高度或深度越大。
对二维光栅进行深度和形状的调制，使每个区域内光耦出强度均匀性较好。
依本发明的另一方面，进一步提供了一种基于二维光栅的光波导，包括：
波导基底；和
光栅结构，其中所述光栅结构被设置于所述波导基底的一表面，其中所述光栅结构包括一组光栅单元和具有各所述光栅单元沿周期方向排布的周期线，其中所述周期线包括相互交叉且夹角为60°的第一周期线和第二周期线。
在其中一实施例中，其中所述光栅单元为凸出于所述波导基底的表面的凸起结构。
在其中一实施例中，其中所述波导基底的表面具有一凹槽，其中所述光栅结构凸出于所述凹槽的底面。
在其中一实施例中，其中所述光栅单元垂直于所述波导基底的表面。
在其中一实施例中，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整所述光栅结构的占空比或所述光栅单元的高度被预设。
在其中一实施例中，其中所述光栅单元与所述波导基底的表面之间具有一定的倾斜角。
在其中一实施例中，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度或所述倾斜角被预设。
在其中一实施例中，其中相邻的所述光栅单元之间具有一定的斜面夹角。
在其中一实施例中，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度或所述斜面夹角被预设。
在其中一实施例中，其中所述波导基底的折射率为1.4至2.2，厚度为0.3mm至2.5mm。
在其中一实施例中，其中所述光栅结构的周期为200nm至700nm。
在其中一实施例中，其中所述光栅单元的长度或线宽为50nm至650nm，高度或深度为80nm至650nm。
在其中一实施例中，其中所述光栅单元为类柱形结构、圆柱形结构、椭圆柱形结构、棱柱形结构、圆锥形结构、棱锥形结构、类棱台或圆台形结构。
在其中一实施例中，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中各所述光栅单元的高度保持一致。
在其中一实施例中，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中所述光栅结构包括沿光线传播方向依次划分的相邻的第一区域和第二区域，其中所述第一区域具有多个第一光栅单元，其中所述第二区域具有多个第二光栅单元，其中所述第一光栅单元的高度不等于所述第二光栅单元的高度。
在其中一实施例中，其中所述光栅结构进一步包括沿光线传播方向划分的与所述第二区域相邻的第三区域，其中所述第三区域具有多个第三光栅单元，其中所述第三光栅单元的高度不等于所述第二光栅单元的高度。
在其中一实施例中，其中所述第一区域内的所述第一光栅单元、所述第二区域内的所述第二光栅单元以及所述第三区域内的所述第三光栅单元呈阶梯状上升。
在其中一实施例中，其中所述表面包括沿光线传播方向划分的不在同一平面的第一表面和第二表面。
在其中一实施例中，其中所述光栅结构包括位于所述第一表面的多个第一光栅单元和位于所述第二表面的多个第二光栅单元，其中所述第二光栅单元与所述第一光栅单元之间的高度差等于所述第一表面与所述第二表面之间的高度差。
在其中一实施例中，其中在所述波导基底的厚度方向上，所述第一表面高于所述第二表面。
在其中一实施例中，其中所述表面进一步包括与所述第二表面相邻的不在同一平面的第三表面，其中所述光栅结构进一步包括位于所述第三表面的第三光栅单元，其中所述第三光栅单元与所述第二光栅单元之间的高度差等于所述第三表面与所述第二表面之间的高度差。
在其中一实施例中，其中所述第一表面、所述第二表面以及所述第三表面呈阶梯状下降。
在其中一实施例中，其中所述光栅结构包括输入衍射光学元件和输出衍射光学元件，其中所述输入衍射光学元件用于耦入光线于所述波导基底，其中所述输出衍射光学元件用于耦出光线于所述波导基底，其中所述输出衍射光学元件由一组所述光栅单元组成。
在其中一实施例中，其中所述输入衍射光学元件的长度或线宽为50nm至650nm，高度或深度为80nm至650nm。
在其中一实施例中，其中所述输入衍射光学元件的线宽或长度大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件的线宽或长度，所述输入衍射光学元件的深度或高度大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件的高度或深度。
在其中一实施例中，其中远离所述输入衍射光学元件的所述输出衍射光学元件的线宽或长度越大。
在其中一实施例中，其中远离所述输入衍射光学元件的所述输出衍射光学元件的高度或深度越大。
在其中一实施例中，其中所述光栅结构进一步包括传输衍射光学元件，其中所述传输衍射光学元件用于将所述波导基底内传输的光线发生偏转。
在其中一实施例中，其中所述传输衍射光学元件由一组所述光栅单元组成。
依本发明的另一方面，进一步提供了一种增强现实显示设备，包括：
设备主体；和
至少一光波导，其中所述光波导被设置于所述设备主体，其中所述光波导包括：
波导基底；
光栅结构，其中所述光栅结构被设置于所述波导基底的一表面，其中所述光栅结构包括一组光栅单元和具有各所述光栅单元沿周期方向排布地周期线，其中所述周期线包括相互交叉且夹角为60°的第一周期线和第二周期线。
在其中一实施例中，其中所述设备主体包括一壳体和至少一投影单元，其中所述投影单元和所述光波导被安装于所述壳体，其中所述投影单元用于投射图像光线至所述光波导，其中所述光线被耦入所述波导基底内全反射，其中在所述波导基底内全反射的光线经所述光栅结构耦出。
在其中一实施例中，其中所述设备主体进一步包括图像传感器、位置传感器以及处理器，其中所述图像传感器用于采集外界图像信息，其中所述位置传感器用于确定空间位置坐标和方向，其中所述处理器用于基于所述空间位置坐标和方向和所述图像信息，生成可渲染现实世界的虚拟图像的图像信号，其中所述投影单元基于所述图像信号投射相应的所述图像光线至所述光波导，以在用户的视场中呈现被所述虚拟图像渲染的现实世界。
在其中一实施例中，其中所述图像传感器为RGB相机、单色相机、深度相机或组合。
在其中一实施例中，所述设备主体进一步包括存储器，所述存储器用于存储所述显示设备的信息。
在其中一实施例中，其中所述投影单元包括一显示器和一透镜组，其中所述透镜组被设置于所述显示器的投射光线路径，其中所述显示器用于基于所述图像信号投射相应的图像光线，其中所述光线经所述透镜组准直并放大后投射至所述光波导。
在其中一实施例中，其中所述设备主体为可佩戴于用户头部的眼镜设备主体或沉浸式设备主体。
在其中一实施例中，所述设备主体进一步包括一网络通信接口，其中网络通信接口用于接收外界传输的虚拟图像的信号。
在其中一实施例中，其中所述位置传感器包括确定沿空间三维坐标系的X、Y、Z轴方向的移动自由度和绕X、Y、Z轴方向的旋转自由度。
在其中一实施例中，所述设备主体进一步包括至少一手部装置，其中所述手部装置可被穿戴于用户的手部，其中所述位置传感器被设置于所述手部装置，以确定用户的手部的空间位置坐标和方向。
在其中一实施例中，其中所述设备主体进一步包括联机端口，其中所述联机端口用于联机至少二所述显示设备，以供各所述显示设备之间进行交互。
依本发明的另一方面，进一步提供了一种基于二维光栅的光波导的制造方法，包括：
A、提供波导基底；和
B、形成光栅结构于所述波导基底的一表面，其中所述光栅结构包括一组光栅单元和具有各所述光栅单元沿周期方向排布地周期线，其中所述周期线包括相互交叉且夹角为60°的第一周期线和第二周期线。
在其中一实施例中，所述步骤B中，通过光刻、刻蚀、生长、法、模压法或注入模压法在所述波导基底的表面形成所述光栅结构。
在其中一实施例中，所述步骤B包括：
B1、提供一母版，其中所述母版具有与所述光栅结构相对应的待转印的光栅结构，其中所述待转印的光栅结构包括以夹角为60°的所述第一周期线和所述第二周期线排列的待转印的光栅单元，其中所述待转印的光栅单元与所述光栅单元的结构形状、排布方式、高度和线宽保持一致；
B2、通过所述母版聚合成型一子模，其中所述子模具有与所述母版上待转印的光栅结构相互补的互补结构，和所述互补结构形成与所述光栅单元的结构形状、排布方式、高度和线宽相匹配的腔室；
B3、将未固化的所述光栅结构的光栅基底材料涂布于所述波导基底的表面；
B4、通过所述子模压印未固化的所述光栅基底材料，使未固化的所述光栅基底材料填充所述子模的所述腔室，并固化所述光栅基底材料以成型所述光栅结构于所述波导基底的表面。
在其中一实施例中，进一步包括，移除所述子模，以得到所述光波导。
在其中一实施例中，所述光栅基底材料为树脂材料。
在其中一实施例中，其中所述步骤B4中，通过紫外光固化或热固化所述光栅基底材料。
在其中一实施例中，其中所述步骤B4中，通过压力将所述子模压在所述波导基底的表面，以通过压力、抽真空使未固化的所述光栅基底材料充满所述子模的所述腔室。
在其中一实施例中，其中所述步骤B1中，所述母版可通过刻蚀加工方法包括电子束刻蚀、反应离子束刻蚀、磁增强反应离子刻蚀、高密度等离子体刻蚀、感应耦合式等离子体刻蚀、变压耦合式等离子体刻蚀或电子回旋共振式刻蚀、真空离子蒸发、磁控溅射、MBE分子束外延、PLD激光溅射沉积等制备而成。
在其中一实施例中，其中通过控制电子束或离子束在所述母版基底的刻蚀时间和曝光强度来调制所述光栅结构的高度。
在其中一实施例中，其中所述步骤B1中，所述待转印的光栅结构为凸出于所述母版的表面的凸出结构。
在其中一实施例中，其中所述步骤B1中，所述待转印的光栅结构的不同区域内的所述待转印的光栅单元之间具有高度差。
在其中一实施例中，其中所述步骤B1中，所述待转印的所述光栅结构的各所述待转印的光栅单元沿周期方向呈阶梯状排布。
本发明的有益效果为：
1、光波导传输机构为透明的平行波导，光栅工作机构为周期固定的二维光栅，且夹角为60°。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。
2、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。
3、可通过光栅在平行波导表面按区域进行深度、形状的调制，提高每个区域内光耦出强度的均匀性。
4、本发明结构简单，易于量产加工，且使用形式灵活，具有较高的产业应用价值。
5、使用户看到的图像亮度均匀(各视场角呈现的亮度相当)，并且当人眼与显示设备如AR眼镜之间有相对位移时图像亮度依然保持稳定(即视窗内亮度均匀)。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A为本发明的一个优选实施例的基于二维光栅的光波导的一种结构示意图。
图1B为本发明的一个优选实施例的基于二维光栅的光波导的另一种结构示意图。
图2为本发明中上述优选实施例的所述光波导的光栅结构为圆柱形的示意图。
图3为使用本发明的上述优选实施例的光线在所述光波导内传输原理图。
图4为本发明中的上述优选实施例的所述光波导的光栅工作机构分区域示意图。
图5为本发明中上述优选实施例的所述光波导的光栅结构(形状：底面为菱形的棱柱形)的示意图。
图6为本发明中上述优选实施例的所述光波导的光栅结构为椭圆柱形的示意图。
图7为本发明中上述优选实施例的所述光波导的光栅结构(形状：底面为双菱形的棱柱形)的示意图。
图8为本发明中上述优选实施例的所述光波导的光栅结构为三棱柱形的示意图。
图9A为本发明中上述优选实施例的第一具体示例的所述光波导的光栅结构垂直于波导基底的表面的局部截面示意图。
图9B为本发明中上述优选实施例的第一具体示例的所述光波导的光栅结构与波导基底具有一定倾斜角的局部截面示意图。
图9C为本发明中上述优选实施例的第一具体示例的所述光波导的光栅结构的相邻的光栅单元之间具有一定的斜面夹角的局部截面示意图。
图10A为本发明中上述优选实施例的第二具体示例的所述光波导的光栅结构垂直于波导基底的表面的局部截面示意图。
图10B为本发明中上述优选实施例的第二具体示例的所述光波导的光栅结构与波导基底具有一定倾斜角的局部截面示意图。
图10C为本发明中上述优选实施例的第三具体示例的所述光波导的局部截面示意图。
图11A为本发明中上述优选实施例的第一具体示例的所述光波导的局部立体示意图。
图11B为本发明中上述优选实施例的第二具体示例的所述光波导的局部立体示意图。
图12为本发明中上述优选实施例的一个实施例的所述光波导的平面示意图。
图13为本发明的实施例1的所述光波导的图像强度测试结果的表格图。
图14为本发明的实施例2的所述光波导的图像强度测试结果的表格图。
图15为本发明的实施例3的所述光波导的光栅结构的分区域的光栅单元的深度或高度的表格图。
图16为本发明的实施例3的所述光波导的图像强度测试结果的表格图。
图17为本发明的实施例4的所述光波导的光栅结构的分区域的光栅单元的直径、长度或线宽的表格图。
图18为本发明的实施例4的所述光波导的图像强度测试结果的表格图。
图19为本发明的一个实施例的应用所述光波导的增强现实显示设备的结构框图。
图20为本发明的上述实施例的所述显示设备的设备主体的部分结构框图。
图21为本发明的上述实施例的所述显示设备的设备主体的部分结构框图。
图22为本发明的上述实施例的所述显示设备的投影单元的结构框图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于理解，下面结合具体图示和实例进一步阐述本发明。
如图1A、图1B所示，本发明基于二维光栅的平面光波导包括光波导传输机构1和光栅工作机构2。
光波导传输机构1为透明的平行波导，平行波导为由可见光透明的光学材料构成的平板结构，平行波导上下表面平行，平行波导的厚度为0.3～2.5mm，波导材料折射率为1.4～2.2。参照图2，光栅工作机构2由一块周期固定的夹角为60°的二维光栅构成，光栅周期T的范围为200～700nm，光栅在波导表面可按区域进行深度、形状的调制。图2中二维光栅的形状为圆柱形，二维光栅也可以为其他形状，如图5、图6、图7、图8所示。
参照图3，微投影仪3图像的光线照射到光栅工作区的任意区域a后，光线经过光栅衍射产生四个衍射级次b、c、d、e分别向光波导内的四个方向进行传输，这四束光线在光波导内与波导界面夹角大于全反射所需的布鲁斯特角度，保证光线在波导传输部内无损耗传输，当b、c、d、e光线再次照射到光栅工作区时，会分别有部分光线进过衍射耦出波导，剩下的光线会被二维光栅再次衍射成三个级次在光波导内继续全反射传输，如b光线会被衍射成f、g、h光线在光波导内继续传输，如此循环，最终可以在整个光栅工作区都有光线耦出，从而人眼4在任意位置均可看到完整连续的图像。图4为所述光波导的光栅工作机构分区域示意图。
图1A中二维光栅凸出于平行波导的上表面。参照图1B，本发明基于二维光栅的平面光波导也可以凹陷于平行波导的上表面。
换句话说，如图1A所示，所述光波导的波导基底的上表面为一平整表面即同一平面，其中所述光栅工作机构1的光栅结构位于所述波导基底的表面。如图1B所示，所述波导基底的上表面具有一凹槽101，其中所述光栅结构位于所述凹槽101的底面，所述凹槽101的底面低于所述波导基底的上表面，即不在同一平面。
实施例1
如图1A、图2所示，本发明基于二维光栅的平面光波导包括光波导传输机构1和光栅工作机构2。
在本实施例中，光波导传输机构1为厚度0.5mm、折射率为1.5的平行平板玻璃。
在平行平板玻璃(光波导)表面加工夹角为60°，周期T为360nm，直径R为100nm，深度150nm的圆柱形二维光栅，构成光栅工作机构2。
将光波导分为纵向A～E，横向1～6共30个区域，将微投影仪图像从C5区域投射进入光波导，在其余区域测量图像强度，并作归一化处理，测量结果如图13所示。
图13为本发明的实施例1的所述光波导的图像强度测试结果的表格图。
实施例2
如图1A、图1B所示，本发明基于二维光栅的平面光波导包括光波导传输机构1和光栅工作机构2。
在本实施例中，光波导传输机构1为厚度为1.9mm、折射率为1.8的平行平板玻璃。在平行平板玻璃(光波导)表面加工夹角为60°，周期T为450nm，边长200nm，深度250nm的底面为菱形的棱柱形二维光栅，构成光栅工作机构2。
将光波导分为纵向A～E，横向1～6共30个区域，将微投影仪图像从C4区域投射进入光波导，在其余区域测量图像强度，并作归一化处理，测量结果如图14所示。
图14为本发明的实施例2的所述光波导的图像强度测试结果的表格图。
实施例3
如图1A、图1B所示，本发明基于二维光栅的平面光波导包括光波导传输机构1和光栅工作机构2。
在本实施例中，光波导传输机构1为厚度为0.5mm、折射率为1.5的平行平板玻璃。在平行平板玻璃(光波导)表面加工夹角为60°，周期T为360nm，直径为100nm的圆柱形二维光栅，构成光栅工作机构2。
为了解决由于二维光栅耦出光线后光波导内光传输强度减弱，进而引起最终图像在光传输方向上亮度逐渐变弱的问题，通过分区域对二维光栅的深度进而控制，从而控制每个区域内光耦出强度均匀性，将光波导分为纵向A～E，横向1～6共30个区域，加工二维光栅圆柱深度分区域如图15所示。
图15为本发明的实施例3的所述光波导的光栅结构的分区域的光栅单元的深度或高度的表格图。
将微投影仪图像从C5区域投射进入光波导，在其余区域测量图像强度，并作归一化处理，测量结果如图16所示。
图16为本发明的实施例3的所述光波导的图像强度测试结果的表格图。
实施例4
如图1A、图1B所示，本发明基于二维光栅的平面光波导包括光波导传输机构1和光栅工作机构2。
在本实施例中，光波导传输机构1为厚度为0.5mm、折射率为1.5的平行平板玻璃。在平行平板玻璃(光波导)表面加工夹角为60°，周期T为360nm，深度为150nm的圆柱形二维光栅，构成光栅工作机构2。
为了解决由于二维光栅耦出光线后光波导内光传输强度减弱，进而引起最终图像在光传输方向上亮度逐渐变弱的问题，通过分区域对二维光栅的直径、长度或宽度进而控制，从而控制每个区域内光耦出强度均匀性，将光波导分为纵向A～E，横向1～6共30个区域，加工二维光栅圆柱直径R分区域如图17所示。
图17为本发明的实施例4的所述光波导的光栅结构的分区域的光栅单元的直径、长度或宽度的表格图，如圆柱形的所述光栅单元的直径。
将微投影仪图像从C5区域投射进入光波导，在其余区域测量图像强度，并作归一化处理，测量结果如图17所示。
图18为本发明的实施例4的所述光波导的图像强度测试结果的表格图。
本发明通过一块固定周期的二维光栅光波导实现图像的耦入、扩瞳、耦出，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，在光波导内通过全反射传输后耦出波导，最终在光栅工作部分任意区域均可看见图像。本发明结构简单，易于量产加工，且使用形式灵活，具有较高的产业应用价值。
如图9A至图12所示，在本实施例中，所述光波导传输机构1包括一波导基底11，其中所述光栅工作机构2被形成于所述波导基底11的表面12，其中所述表面12可以是所述波导基底11的一侧表面如上表面的部分或全部的区域面。优选地，在所述波导基底11的所述表面12上形成所述光栅工作机构2。
可选地，所述表面12可以为所述波导基底11的内凹或凹陷的表面，或者所述表面12可以为所述波导基底11的表面的一凹槽的底面，即所述光栅工作机构2的光栅结构可以位于所述波导基底11的内凹或凹陷的表面，即所述光栅结构凹陷于所述波导基底11的表面。如图1B所示，所述波导基底11的上表面具有一凹槽101，其中所述光栅结构20位于所述凹槽101的底面，其中所述凹槽101的底面低于所述波导基底11的上表面，即不在同一平面。
所述波导基底11可以采用对可见光透明的光学材料制成的平板结构，如平板玻璃或树脂等，其中所述光栅工作机构2可以一体成型于所述波导基底11的所述表面12，如经表面加工制成。或者，所述光栅工作机构2与所述波导基底11的所述表面12紧密贴合，或者，所述光栅工作机构2内嵌于所述波导基底11的内部。
更进一步地，所述光栅工作机构2包括由一组光栅单元201排布组成的光栅结构20，其中所述光栅结构20的所述光栅单元201呈周期排列，其中所述光栅结构20具有各所述光栅单元沿周期方向排布地周期线202，其中所述周期线202被定义为同一周期方向排布的各所述光栅单元201之间的连线，其中所述光栅结构20的周期T优选为360nm，其中相交叉的所述周期线202之间的夹角优选为60°。在实际应用中，所述波导基底11内全反射的光线经所述光栅工作机构2的所述光栅结构20的全部位置均能够耦出至人眼中，使用户看到的图像亮度均匀(各视场角呈现的亮度相当)，并且当人眼与显示设备如AR眼镜之间有相对位移时图像亮度依然保持稳定(即视窗内亮度均匀)。
如图9A和图11A所示，在本优选实施例的第一具体示例中，所述光栅结构20被设置于所述波导基底11的所述表面12，其中所述光栅结构20为类齿形的凸起结构，各所述光栅单元20为凸出于所述表面12的凸起结构如类柱形结构如圆柱形结构、椭圆柱形结构或棱柱形结构如三棱柱、四棱柱或八棱柱等、圆锥形结构、棱锥形结构如三棱锥或四棱锥形结构等、或类棱台或圆台形结构等，且各所述光栅单元20之间具有一定的间距，以呈类齿形排布。换句话说，在所述光栅结构20的所述周期线202的方向上，所述光栅结构20的各所述光栅单元201呈一定间距的周期性排布，从所述周期线202方向的横截面来看，所述光栅结构20的各所述光栅单元201为类齿形排布。换句话说，从所述光栅结构20的俯视图来看，所述光栅结构20的各所述光栅单元201为类网形排布。
进一步地，所述光栅单元201为垂直于所述表面12的类柱形结构，即所述光栅单元20与所述波导基底11的表面之间的夹角基本为90°。更进一步地，所述光栅单元201为类圆柱形结构，其中所述光栅单元201的线宽w(类圆柱形结构的直径)和高度h以及所述光栅结构20的周期T均能够被预设，以调整所述光栅结构20的衍射效率。具体地，可以通过预设调整所述光栅结构20的占空比ff＝w/T或所述光栅单元201的高度h来改变所述光栅结构20的衍射效率。
在本实施例中，所述周期线202包括一组平行的第一周期线2021和一组平行的第二周期线2022，其中所述第一周期线2021与所述第二周期线2022相互交叉，且具有预设的夹角θ，优选地，夹角θ为60°。换句话说，所述周期线202包括相互交叉的第一周期线2021和第二周期线2022，所述第一周期线2021与所述第二周期线2022之间的夹角θ优选为60°。在所述第一周期线2021上的各所述光栅单元201的周期与在所述第二周期线2022上的各所述光栅单元201的周期相等。也就是说，所述光栅结构20的各所述光栅单元201在第一方向上周期排布以形成所述第一周期线2021，在与所述第一方向偏离60°角的第二方向上各所述光栅单元201同样周期排布以形成所述第二周期线2022。
进一步地，所述光栅单元201优选地为规则地凸起结构，其中所述周期线202为在周期方向上的各所述光栅单元201的中心2011的连线。可以理解的是，所述周期线202还可以包括各所述光栅单元201沿第三方向上周期排布而形成的第三周期线。
如图9B所示，可选地，所述光栅单元201为类柱形的凸起结构，所述光栅单元201与所述表面12之间具有一定的倾斜角a，其中倾斜角a不等于90°，也就是说，所述光栅单元201为倾斜于所述波导基底11的表面的凸起结构。可以通过预设调整所述光栅结构20的占空比ff＝w/T或所述光栅单元201的高度h或所述倾斜角a来改变所述光栅结构20的衍射效率。
如图9C所示，可选地，所述光栅单元201为类棱锥形的凸起结构，如所述光栅单元201为竖直横截面为三角形的棱锥形结构，其中所述三角形优选为直角三角形，其中各所述光栅单元201的底面相邻。进一步地，相邻的两所述光栅单元201的两个面之间具有一定的斜面夹角b，其中所述斜面夹角b优选地不等于90°。可以通过预设调整所述光栅结构20的占空比ff＝w/T或所述光栅单元201的高度h或所述斜面夹角b来改变所述光栅结构20的衍射效率。
在所述第一具体示例中，所述光栅结构20的各所述光栅单元201的高度h均保持一致，即所述光栅结构20为等高排列的凸起结构。
如图10A和11B所示，在本优选实施例的第二具体示例中，所述光栅结构20进一步包括按光线传播方向依次划分的相邻的第一区域203和第二区域204，其中所述第一区域203具有多个第一光栅单元201A，其中所述第二区域204具有多个第二光栅单元201B。优选地，所述第一光栅单元201A的高度h1低于所述第二光栅单元201B的高度h2。可选地，所述第一光栅单元201A与所述第二光栅单元201B的宽度w均相等，第一区域203内各所述第一光栅单元201A的周期与第二区域204内的各所述第二光栅单元201B的周期T也相等。可选地，所述第一光栅单元201A和所述第二光栅单元201B均垂直于所述表面12。可选地，如图10B所示，所述第一光栅单元201A和所述第二光栅单元201B均倾斜于所述表面12，且具有一定的倾斜角a。可选地，所述第一光栅单元201A与所述第二光栅单元201B之间具有一定的斜面夹角b，且斜面夹角b不等于90°。可以理解的是，所述第一光栅单元201A与所述第二光栅单元201B的形状结构可以为类柱形、金字塔形、圆锥形、棱锥形、圆台形或棱台形等结构。
可以理解的是，所述第一光栅单元201A的高度h1与所述第二光栅单元201B的高度h2可以被调整预设，以改变所述光栅结构20的衍射效率，以使耦出的图像亮度均匀。
也就是说，由于所述光栅结构20的所述第一区域201内的各所述第一光栅单元201A的高度与所述第二区域202内的各所述第二光栅单元202B的高度不一致，使得所述光栅结构20在两个区域内的耦合输出衍射效率不同。因此，根据所述光栅结构20的能量分步输出实现出瞳扩展的特性，当所述光栅结构20的耦合输出衍射效率被优化为式(1)给出的结果时，其在有效区域内单位面积中输出的光通量保持恒定，因而给用户呈现的图像亮度均匀，并且所述显示设备的显示效率被最大化，即图像亮度在一定的系统功耗下最大化或者系统功耗在一定的图像亮度下最小化。
式(1)：
Figure BDA0002386699840000161
其中，N为区域调制的输出次序，NT为调制区域的总个数，ηN为第N个区域耦合输出衍射效率。
由于衍射光学元件结构或者加工精度的限制，当所述光栅结构20的耦合输出效率经优化后无法等于等式(1)给出的结果时，在其有效区域内耦合出的是所述波导基底11内全反射的一部分光能量。假设这部分光能量占全反射总光能量的比例为ηT，为了使出瞳范围内的图像亮度均匀，所述光栅结构20的耦合输出效率被优化为以下式(2)。
式(2)：
Figure BDA0002386699840000171
可选地，可以通过预设调整所述光栅结构20的占空比ff＝w/T或所述光栅单元201的高度h(所述第一光栅单元201A的高度h1与所述第二光栅单元201B的高度h2)或所述倾斜角a(若有)或斜面夹角b(若有)来改变所述光栅结构20的衍射效率。
在所述光栅结构20的制造工艺中，制备母版可用的刻蚀加工方法包括电子束刻蚀、反应离子束刻蚀、磁增强反应离子刻蚀、高密度等离子体刻蚀、感应耦合式等离子体刻蚀、变压耦合式等离子体刻蚀或电子回旋共振式刻蚀、真空离子蒸发、磁控溅射、MBE分子束外延、PLD激光溅射沉积等等。调制所述光栅单元20的高度h可通过控制电子束或离子束在母版基底的刻蚀时间和曝光强度实现。为适应大规模量产的需求，母版上的光栅结构可通过光刻、刻蚀、生长、纳米压印法、铸造法、模压法、注入模压法等复制到所述波导基底11的所述表面12，以形成所述光栅结构20。
进一步地，所述第一区域203内的各所述第一光栅单元201A和所述第二区域204内的各所述第二光栅单元201B均具有相互交叉的所述第一周期线2021和所述第二周期线2022，且夹角为60°。
在所述第二具体示例中，所述表面12为同一平面，其中所述第一区域203的各所述第一光栅单元201A与所述第二区域204内的各所述第二光栅单元201B的底面均保持在同一平面即所述表面12。相应地，所述第二光栅单元201B的顶面高于所述第一光栅单元201A的顶面，且高度差为h2-h1。换句话说，所述第二区域204内的各所述第二光栅单元201B的上表面相对于所述第一区域203内的各所述第一光栅单元201A的上表面呈阶梯状上升。
更进一步地，所述光栅结构20进一步包括按光线传播方向依次划分的与所述第二区域204相邻的第三区域205，其中所述第三区域205具有多个第三光栅单元201C，其中所述第三光栅单元201C的高度h3高于所述第二光栅单元201B的高度h1，即h3大于h2。可选地，所述第三区域205内的各所述第三光栅单元201C的宽度w和周期T与所述第一光栅单元201A和所述第二光栅单元201B的宽度和周期T保持一致。且所述第三区域205内的各所述第三光栅单元201C具有相互交叉的所述第一周期线2021和所述第二周期线2022，且夹角为60°。
相应地，所述第一区域203、所述第二区域204以及所述第三区域205内的各所述光栅单元201的底面均保持在同一平面上，即所述波导基底11的所述表面12为同一平面。所述第一区域203内的各所述第一光栅单元201A的上表面、所述第二区域204内的各所述第二光栅单元201B的上表面以及所述第三区域205内的各所述第三光栅单元201C的上表面呈阶梯状上升。
可以理解的是，所述光栅结构20还可以进一步包括第四、第五甚至更多区域内的多个光栅单元，在此不受限制。
如图10C所示，在本申请的第三具体示例中，所述光栅结构20的各区域(所述第一区域203、所述第二区域204以及所述第三区域205)内的各所述光栅单元201的顶面保持在同一平面，其中各所述光栅单元201的底面呈阶梯状下降。也就是说，所述表面12不在同一平面，或者所述表面12为呈阶梯状面。
具体地，所述表面12包括沿光线传播方向划分的不在同一平面的第一表面121和第二表面122，在所述波导基底11的厚度方向上，其中所述第一表面121高于所述第二表面122，其中所述第一区域203内的各所述第一光栅单元201A位于所述第一表面121，其中所述第二区域204内的各所述第二光栅单元201B位于所述第二表面122。也就是说，所述第一表面121与所述第二表面122之间的高度差基本等于所述第二光栅单元201B与所述第一光栅单元201A的高度差h2-h1。
进一步地，所述表面12进一步具有不在同一平面的第三表面123，在所述波导基底11的厚度方向上，所述第三表面123低于所述第二表面122，其中所述第三区域205内的各所述第三光栅单元201C位于所述第三表面123。也就是说，所述第二表面122与所述第三表面123之间的高度差基本等于所述第二光栅单元201B与所述第三光栅单元201C的高度差h3-h2。也就是说，所述第一光栅单元201A、所述第二光栅单元201B以及所述第三光栅单元201C的上表面处于同一平面。优选地，所述第一表面121、所述第二表面122以及所述第三表面123呈阶梯状逐渐下降。
进一步地，所述第一表面121与所述第二表面122之间通过一第一过渡面124连接，其中所述第一过渡面124为所述第一表面121与所述第二表面122之间的过渡面，如弧面。进一步地，所述第二表面122与所述第三表面123之间也可通过一第二过渡面125过渡连接，所述第二过渡面125也为弧面。
可选地，所述表面12具有呈阶梯下降的多个所述表面121、122和123，同时，所述第一光栅单元201A、所述第二光栅单元201B以及所述第三光栅单元201C的上表面也可以呈阶梯状上升。也就是说，所述第一光栅单元201A与所述第二光栅单元201B之间的高度差可以大于所述第一表面121与所述第二表面122之间的高度差，所述第二光栅单元201B与所述第三光栅单元201C之间的高度差可以大于所述第二表面122与所述第三表面123之间的高度差。
可选地，所述光栅结构20的各所述光栅单元201之间线性斜交叉，且交叉角度为所述第一周期线2021与所述第二周期线2022之间的夹角θ。可选地，所述光栅结构20的所述光栅单元201的折射率n可以为1.7。
值得一提的是，所述光栅结构20的各个所述区域内的所述光栅单元201的高度可以不完全一致，有些区域内的所述光栅单元201的高度一致，而有些区域内的所述光栅单元201的高度不一致，也就是说，沿光线传播方向，各区域内的所述光栅单元201的高度并非一定为呈逐渐降低或逐渐升高的，在一些可选地实施例中，中间部分区域的所述光栅单元201的高度可以低于或高于两侧部分的所述光栅单元201的高度，在此不受限制。
在实施例1中，所述波导基底11由厚度0.5mm、折射率为1.5的玻璃材料制成，其中所述光栅结构20的周期T为360nm，各所述区域内的各所述光栅单元201均为直径即宽度w为100nm，高度为150nm的圆柱形结构，其中所述第一周期线2021与所述第二周期线2022之间的夹角为60°。
在实施例2中，所述波导基底11由厚度1.9mm、折射率为1.8的玻璃材料制成，其中所述光栅结构20的周期T为450nm，各所述区域内的所述光栅单元201均为边长为200nm，高度为250nm的菱柱形结构，其中所述第一周期线2021与所述第二周期线2022之间的夹角为60°。
在实施例3中，所述波导基底11由厚度0.5mm、折射率为1.5的玻璃材料制成，其中所述光栅结构20的周期T为450nm，所述光栅单元201为直径为100nm的圆柱形结构，但在所述光栅结构20的各个区域内的所述光栅单元201的高度h不完全一致，即有些区域内的所述光栅单元201的高度一致，而有些区域内的所述光栅单元201的高度不一致，其中所述第一周期线2021与所述第二周期线2022之间的夹角为60°。换句话说，所述第二区域204内的所述第二光栅单元201B的高度可以分别高于或低于所述第一区域203内的所述第一光栅单元201A和所述第三区域205内的所述第三光栅单元201C的高度。
可以理解的是，所述光栅结构20的各所述光栅单元201的直径、宽度或长度可以为50nm至650nm，高度或深度可以为80nm至650nm。所述光栅结构20的周期可以为200nm至700nm。所述波导基底11的折射率可以为1.4至2.2，厚度可以为0.3mm至2.5mm。
更进一步地，本申请的一个实施例中，如图12所示，所述光栅结构20进一步地包括输入衍射光学元件21和输出衍射光学元件22，其中所述输入衍射光学元件21用于将微投影仪发出的光线衍射耦入所述光波导传输机构1，光线在所述光波导传输机构1内全反射，并传播至所述输出衍射光学元件22后逐次耦出至人眼，其中所述输入衍射光学元件21和所述输出衍射光学元件22位于所述波导基底11的所述表面12。
可选地，所述输入衍射光学元件21的直径、线宽或长度为50nm至650nm，高度或深度为80nm至650nm。可选地，所述输入衍射光学元件21的直径、线宽或长度大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件22的直径、线宽或长度，所述输入衍射光学元件21的深度或高度大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件22的高度或深度。可选地，远离所述输入衍射光学元件21的所述输出衍射光学元件22的直径、线宽或长度越大，和高度或深度越大。
可以理解的是，所述输入衍射光学元件21可以为耦入光线于所述光波导传输机构1的光栅结构，可选地，所述输入衍射光学元件21也可以具有周期固定的夹角为60°的光栅结构，其中所述输入衍射光学元件21可以凹陷地或凸出于所述波导基底11的所述表面12，也就是说，所述输入衍射光学元件21也可以有光线耦出，以作为光栅工作区域。也就是说，所述输入延伸光学元件21可以包括上述第一具体示例、第二具体示例或第三具体示例的所述光栅单元201。
进一步地，所述输出衍射光学元件22具有周期固定的夹角为60°的光栅结构，其中所述输出衍射光学元件22凹陷地或凸出于所述波导基底11的所述表面12。这里所指的所述光波导的上表面仅为相对位置关系，在另一实施例中，所述输出衍射光学元件22也可以位于所述光波导的下表面或侧表面等。也就是说，所述输出衍射光学元件22包括上述第一具体示例、第二具体示例或第三具体示例的所述光栅单元201。
需要指出的是，所述输出衍射光学元件22可以作为光栅工作区域，在整个所述输出衍射光学元件22的全部位置均有光线耦出。更具体地，所述输出衍射光学元件22可以覆盖所述光波导的上表面的较大区域或者预设区域(根据需求预设)的面积，从而使人眼在任意位置均能够看到完整连续的图像。也就是说，所述光栅工作区域可以覆盖所述光波导的上表面的较大区域或者预设区域的面积。
换句话说，在所述光栅工作区域中，光线经过所述输出衍射光学元件22衍射产生四个衍射级次b、c、d、e分别向光波导内的四个方向进行传输，这四束光线在光波导内与波导界面夹角大于全反射所需的布鲁斯特角度，保证光线在波导传输部内无损耗传输，当b、c、d、e光线再次照射到所述输出衍射光学元件22时，会分别有部分光线进过衍射耦出所述光波导，剩下的光线会被所述输出衍射光学元件22再次衍射成三个级次在所述光波导内继续全反射传输，如b光线会被衍射成f、g、h光线在所述光波导内继续传输，如此循环，最终可以在整个所述输出衍射光学元件22都有光线耦出，从而人眼4在任意位置均可看到完整连续的图像。
在本申请的一种可选地实施例中，所述光栅结构20进一步包括传输衍射光学元件23，其中所述传输衍射光学元件23用于将所述光波导传输机构1的所述波导基底11内传输的光线的传输方向发生偏转，以完成出瞳沿X方向的一维扩展。举例地，所述微投影仪发出的图像光线以与所述光波导传输机构1的所述波导基底11平面的正交方向为中心视野的传播方向，并输入所述输入衍射光学元件21。所述输入衍射光学元件21对输入光进行衍射，使得第一衍射级次满足波导基底的全反射条件，在所述光波导传输机构1的所述波导基底11中朝着所述传输衍射光学元件23前进传播。所述光波导传输机构1的所述波导基底11中的全反射光在每一次与所述传输衍射光学元件23接触时，可以被透射或衍射。由所述传输衍射光学元件23衍射产生的第一衍射级次的传输方向发生偏转，满足波导基底的全反射条件，在所述光波导传输机构1的所述波导基底11中朝向所述输出衍射光学元件22前进。在所述传输衍射光学元件23未被衍射的光继续全反射直至被衍射向所述输出衍射光学元件22传输，由此完成出瞳沿X方向的一维扩展。来自所述传输衍射光学元件23的光线在每一次接触所述输出衍射光学元件22时也被部分衍射，衍射光耦合出所述光波导传输机构1的所述波导基底11到达人眼4，未被衍射部分的光线在所述光波导传输机构1的所述波导基底11内继续全反射直至被衍射耦出，由此完成出瞳沿Y方向的一维扩展，即光线在X和Y两个维度上相继得到扩展，因此通过所述传输衍射光学元件23和所述输出衍射光学元件22可完成出瞳的二维扩展。
可以理解的是，所述传输衍射光学元件23也可以具有周期固定的夹角为60°的光栅结构，即所述传输衍射光学元件23也可以作为耦合光线的光栅工作区域，其中所述传输衍射光学元件23凹陷地或凸出于所述光波导传输机构1的所述波导基底11的所述表面12，即所述传输衍射光学元件23也可以包括上述第一具体示例、第二具体示例或第三具体示例的所述光栅单元201。
在本优选实施例的一可选实施例中，所述光栅结构20可以仅包括所述输入衍射光学元件21和所述输出衍射光学元件22，而无所述传输衍射光学元件23，即输入光经所述输入衍射光学元件21衍射后直接朝向所述输出衍射光学元件22全反射，在所述输出衍射光学元件22上逐步衍射输出。
进一步地，本申请还提供了所述基于二维光栅的光波导的制造方法，所述制造方法包括：
S10、提供所述波导基底11；和
S20、形成所述光栅结构20的各所述光栅单元201于所述波导基底11的表面(即所述表面12)，其中，所述光栅结构20具有各所述光栅单元201沿周期方向排布的所述周期线202，其中所述周期线202包括夹角为60°的所述第一周期线2021和所述第二周期线2022。
在所述步骤S20中，可以通过光刻、刻蚀、生长、纳米压印法、铸造法、模压法或注入模压法等在所述波导基底11的表面形成所述光栅结构20，以实现大批量制造。
举例地，在所述步骤S20中，通过纳米压印法在所述波导基底11的表面形成所述光栅结构20，包括：
S21、提供一母版，其中所述母版具有与所述光栅结构20相对应的待转印的光栅结构，其中所述待转印的光栅结构包括以夹角为60°的所述第一周期线2021和所述第二周期线2022排列的待转印的光栅单元，其中所述待转印的光栅单元与所述光栅单元201的结构形状、排布方式、高度和宽度保持一致；
S22、通过所述母版聚合成型一子模，其中所述子模具有与所述母版上待转印的光栅结构相互补的互补结构，和所述互补结构形成与所述光栅单元201的结构形状、排布方式、高度和宽度相匹配的腔室；
S23、将未固化的所述光栅结构20的光栅基底材料涂布于所述波导基底11的表面；
S24、通过所述子模压印未固化的所述光栅基底材料，使未固化的所述光栅基底材料填充所述子模的所述腔室，并固化所述光栅基底材料以成型所述光栅结构20于所述波导基底11的表面。
进一步地，所述方法中，移除所述子模后，即得到所述基于二维光栅的光波导。
所述光栅基底材料可以为树脂材料，如紫外光固化树脂材料或热固化树脂材料等。在所述步骤S24中，可以通过紫外光固化或者加热固化所述光栅基底材料以成型所述光栅结构20。
也就是说，在所述步骤S23中，所述光栅基底材料并未固化，其中所述光栅基底材料以非固态的状态涂布于所述波导基底11的所述表面12。在所述步骤S24中，通过压力将所述子模压在所述波导基底11的所述表面12，以通过压力、抽真空使未固化的所述光栅基底材料充满所述子模的所述腔室。
在所述步骤S21中，可采用刻蚀加工方法包括电子束刻蚀、反应离子束刻蚀、磁增强反应离子刻蚀、高密度等离子体刻蚀、感应耦合式等离子体刻蚀、变压耦合式等离子体刻蚀或电子回旋共振式刻蚀、真空离子蒸发、磁控溅射、MBE分子束外延、PLD激光溅射沉积等等制备所述母版，其中调制所述光栅单元20的高度h可通过控制电子束或离子束在所述母版基底的刻蚀时间和曝光强度实现。
进一步地，所述待转印的光栅结构为凸出于所述母版的表面的凸出结构。
进一步地，所述待转印的光栅结构的不同区域内的所述待转印的光栅单元之间具有高度差。与上述所述光栅结构20的结构类似地，在第一区域、第二区域以及第三区域内的各所述待转印的光栅单元之间的高度各不同。更进一步地，所述待转印的所述光栅结构的各所述待转印的光栅单元沿周期方向呈阶梯状排布。
另一方面，本实施例进一步提供了一增强现实显示设备，如图19至图22所示，所述显示设备包括设备主体900和至少一所述光波导，其中所述光波导被设置于所述设备主体900，其中所述光波导包括所述波导基底11和所述光栅结构20，其中所述光栅结构20被设置于所述波导基底11的表面(即所述表面12)，其中所述光栅结构20包括一组光栅单元201和具有各所述光栅单元201沿周期方向排布地周期线202，其中所述周期线202包括相互交叉且夹角为60°的第一周期线2021和第二周期线2022。可选地，所述光波导与上述各具体示例的所述光波导的结构一致或相似，在此不做详细赘述。
在本实施例中，所述设备主体900包括一壳体910和至少一投影单元920，其中所述投影单元920和所述光波导被安装于所述壳体910，其中所述投影单元920用于投射图像光线至所述光波导，其中所述光线被耦入所述波导基底11内全反射，其中在所述波导基底11内全反射的光线经所述光栅结构20耦出。换句话说，所述投影单元920朝向所述光波导投射图像光线，以使所述光线耦入所述波导基底11内全反射。也就是说，所述光波导被设置于接收所述投影单元920投射的图像光线的光路路径中，其中所述光线经所述光栅结构20的所述输入衍射光学元件耦入所述波导基底11内全反射。
优选地，如图22所示，所述投影单元920包括一显示器921和一透镜组922，其中所述透镜组922被设置于所述显示器921的投射光线路径，其中所述显示器921用于基于所述图像信号投射相应的图像光线，其中所述光线经所述透镜组922准直并放大后投射至所述光波导。换句话说，所述透镜组922包括但不限于准直透镜、放大透镜等一片或多片光学透镜，以用于对所述显示器921发出的图像光线进行准直或放大等光学处理。可选地，所述显示器921可以为微显示器，所述显示器可以包括透射式液晶显示器(LCD)依靠液晶分子对背光的投射调制形成图像，也可使用反射式的调制方式，其中常用的有数字光处理器(DLP)和硅基液晶(LCoS)。所述显示器921还可以包括自发光的有机发光二极管(OLED)和微发光二极管(Micro LED)。所述显示器还可以包括微机电扫描振镜(MEMS Scanning Mirror)。
进一步地，如图21所示，所述设备主体900进一步包括图像传感器930、位置传感器940以及处理器950，其中所述图像传感器930用于采集外界图像信息，其中所述位置传感器940用于确定空间位置坐标和方向，其中所述处理器950用于基于所述空间位置坐标和方向和所述图像信息，生成可渲染现实世界的虚拟图像的图像信号，其中所述投影单元920基于所述图像信号投射相应的所述图像光线至所述光波导，以在用户的视场中呈现被所述虚拟图像渲染的现实世界，以使得用户体验三维立体视觉效果。
换句话说，所述设备主体900可以包括多种不同类型的传感器如所述图像传感器930和所述位置传感器940，以采集用于增强现实的各类信息，其中各所述传感器与所述处理器950相通信地或电连接在一起，由所述处理器950基于这些传感器采集的信息，生成相应的用于增强现实的虚拟图像的图像信号。所述处理器950与所述投影单元920的所述显示器921相通信地或电连接在一起，以使所述投影单元920投射相应的图像光线。
所述图像传感器930包括但不限于RGB相机、单色相机、深度相机或组合等。RGB相机或单色相机用于获取外界环境的真实场景的彩色图像信息，深度相机用于获取外界场景的深度信息和深度点云等，当所述深度相机和所述RGB相机或单色相机的光轴平行并且在时序上同步时，所述图像传感器930可获得现实场景的彩色立体图像。
所述位置传感器940包括确定沿空间三维坐标系的X、Y、Z轴方向的移动自由度和绕X、Y、Z轴方向的旋转自由度。可选地，所述位置传感器940包括但不限于加速度计、陀螺仪、磁力计、全球定位系统接收器或组合等。通过所述位置传感器940的定位，所述处理器950生成的所述虚拟图像能够准确地渲染在现实世界中的目标位置。
如图20所示，所述设备主体900进一步包括至少一手部装置980，其中所述手部装置980可被穿戴于用户的手部，其中所述位置传感器940被设置于所述手部装置980，以确定用户的手部的空间位置坐标和方向。所述手部装置980可以为手套、手环或手持物等。所述位置传感器940用于采集所述手部装置980的空间位置坐标和方向，确定所述手部装置980沿空间三维坐标系的X、Y、Z轴方向的移动自由度和绕X、Y、Z轴方向的旋转自由度，从而识别用户的手部的动作和空间位置。
所述设备主体900为可佩戴于用户头部的眼镜设备主体或沉浸式设备主体。换句话说，所述设备主体900的所述壳体910可以为类眼镜框装置，或类头盔式装置，其中所述设备主体900可佩戴于用户的头部，其中所述光波导恰好位于用户的眼部前方，以使经所述光波导的所述光栅结构20耦出的光线射入用户的眼中。进一步地，所述光波导为二个，分别对应于用户的左眼和右眼。
所述设备主体900进一步包括存储器960，所述存储器用于存储所述显示设备的信息，如虚拟图像的信息或可调用的程序数据库等。可选地，所述存储器960可储存预设的虚拟图像信息，由所述处理器950读取所述存储器960内储存的所述虚拟图像信息，并生成相应的图像信号。或者，由所述显示器920直接读取所述储存器960内储存的所述虚拟图像信息，以投射相应的图像光线。
所述设备主体900进一步包括一网络通信接口970，其中网络通信接口970用于接收外界传输的虚拟图像的信号。所述网络通信接口970如互联网端口、WIFI端口、蓝牙端口、水晶头或USB接口等。所述显示器920基于外界传输的虚拟图像的信号，投射相应的图像光线。
所述设备主体900进一步包括联机端口990，其中所述联机端口990用于联机至少二所述显示设备，以供各所述显示设备之间进行交互。也就是说，多台所述显示设备之间可以交互连接，所述联机端口990如有线连接端口或无线连接端口如互联网、广域网或局域网连接端口等。
当然，为了简化，图中仅示出了该显示设备中与本发明有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，显示设备还可以包括任何其他适当的组件。
本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为示例性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (110)

1.一基于二维光栅的光波导，其特征在于，包括：
波导基底；和
光栅结构，其中所述光栅结构被设置于所述波导基底的一表面，其中所述光栅结构包括周期排布的多个光栅单元，并形成第一周期线和第二周期线，其中所述第一周期线与所述第二周期线的夹角为60°。
2.根据权利要求1所述的光波导，其中所述光栅结构为凸出于所述波导基底的表面的凸起结构。
3.根据权利要求1所述的光波导，其中所述波导基底的表面具有一凹槽，其中所述光栅结构凸出于所述凹槽的底面。
4.根据权利要求2所述的光波导，其中所述光栅单元垂直于所述波导基底的表面。
5.根据权利要求4所述的光波导，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比和所述光栅单元的高度中的一种或组合被预设。
6.根据权利要求2所述的光波导，其中所述光栅单元与所述波导基底的表面之间具有一定的倾斜角。
7.根据权利要求6所述的光波导，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度和所述倾斜角中的其中一种或组合被预设。
8.根据权利要求2所述的光波导，其中相邻的所述光栅单元之间具有一定的斜面夹角。
9.根据权利要求8所述的光波导，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度和所述斜面夹角中的一种或者组合被预设。
10.根据权利要求1所述的光波导，其中所述波导基底的折射率为1.4至2.2，厚度为0.3mm至2.5mm。
11.根据权利要求1所述的光波导，其中所述光栅结构的周期为200nm至700nm。
12.根据权利要求1所述的光波导，其中所述光栅单元的线宽为50nm至650nm，高度为80nm至650nm。
13.根据权利要求1所述的光波导，其中所述光栅单元为选自：类柱形结构、圆柱形结构、椭圆柱形结构、棱柱形结构、圆锥形结构、棱锥形结构、类棱台和圆台形结构中一种或组合。
14.根据权利要求1至13任一所述的光波导，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中各所述光栅单元的高度保持一致。
15.根据权利要求1至13任一所述的光波导，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中所述光栅结构包括沿光线传播方向依次划分的相邻的第一区域和第二区域，其中所述第一区域具有多个第一光栅单元，其中所述第二区域具有多个第二光栅单元，其中所述第一光栅单元的高度不等于所述第二光栅单元的高度。
16.根据权利要求15所述的光波导，其中所述光栅结构进一步包括沿光线传播方向划分的与所述第二区域相邻的第三区域，其中所述第三区域具有多个第三光栅单元，其中所述第三光栅单元的高度不等于所述第二光栅单元的高度。
17.根据权利要求15所述的光波导，其中所述第一区域内的所述第一光栅单元、所述第二区域内的所述第二光栅单元以及所述第三区域内的所述第三光栅单元呈阶梯状上升。
18.根据权利要求1至13任一所述的光波导，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面包括沿光线传播方向划分的不在同一平面的第一表面和第二表面。
19.根据权利要求18所述的光波导，其中所述光栅结构包括位于所述第一表面的多个第一光栅单元和位于所述第二表面的多个第二光栅单元，其中所述第二光栅单元与所述第一光栅单元之间的高度差等于所述第一表面与所述第二表面之间的高度差。
20.根据权利要求18所述的光波导，其中在所述波导基底的厚度方向上，所述第一表面高于所述第二表面。
21.根据权利要求19所述的光波导，其中所述表面进一步包括与所述第二表面相邻的不在同一平面的第三表面，其中所述光栅结构进一步包括位于所述第三表面的第三光栅单元，其中所述第三光栅单元与所述第二光栅单元之间的高度差等于所述第三表面与所述第二表面之间的高度差。
22.根据权利要求21所述的光波导，其中所述第一表面、所述第二表面以及所述第三表面呈阶梯状下降。
23.根据权利要求1至13任一所述的光波导，其中所述光栅结构包括输入衍射光学元件和输出衍射光学元件，其中所述输入衍射光学元件用于耦入光线于所述波导基底，其中所述输出衍射光学元件用于耦出光线于所述波导基底，其中所述输出衍射光学元件由一组所述光栅单元组成。
24.根据权利要求23所述的光波导，其中所述输入衍射光学元件的线宽为50nm至650nm，高度为80nm至650nm。
25.根据权利要求23所述的光波导，其中所述输入衍射光学元件的线宽大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件的线宽，所述输入衍射光学元件的高度大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件的高度。
26.根据权利要求23所述的光波导，其中远离所述输入衍射光学元件的所述输出衍射光学元件的线宽越大。
27.根据权利要求23所述的光波导，其中远离所述输入衍射光学元件的所述输出衍射光学元件的高度越大。
28.根据权利要求23所述的光波导，其中所述光栅结构进一步包括传输衍射光学元件，其中所述传输衍射光学元件用于将所述波导基底内传输的光线发生偏转。
29.根据权利要求28所述的光波导，其中所述传输衍射光学元件由一组所述光栅单元组成。
30.一增强现实显示设备，其特征在于，包括：
设备主体；和
至少一光波导，其中所述光波导被设置于所述设备主体，其中所述光波导包括：波导基底；
光栅结构，其中所述光栅结构被设置于所述波导基底的一表面，其中所述光栅结构包括周期排布的多个光栅单元，并形成第一周期线和第二周期线，其中所述第一周期线与所述第二周期线的夹角为60°。
31.根据权利要求30所述的显示设备，其中所述设备主体包括一壳体和至少一投影单元，其中所述投影单元和所述光波导被安装于所述壳体，其中所述投影单元用于投射图像光线至所述光波导，其中所述光线被耦入所述波导基底内全反射，其中在所述波导基底内全反射的光线经所述光栅结构耦出。
32.根据权利要求31所述的显示设备，其中所述设备主体进一步包括图像传感器、位置传感器以及处理器，其中所述图像传感器用于采集外界图像信息，其中所述位置传感器用于确定空间位置坐标和方向，其中所述处理器用于基于所述空间位置坐标和方向和所述图像信息，生成可渲染现实世界的虚拟图像的图像信号，其中所述投影单元基于所述图像信号投射相应的所述图像光线至所述光波导，以在用户的视场中呈现被所述虚拟图像渲染的现实世界。
33.根据权利要求32所述的显示设备，其中所述图像传感器为选自RGB相机、单色相机和深度相机中的一种或组合。
34.根据权利要求32所述的显示设备，所述设备主体进一步包括存储器，所述存储器用于存储所述显示设备的信息。
35.根据权利要求32所述的显示设备，其中所述投影单元包括一显示器和一透镜组，其中所述透镜组被设置于所述显示器的投射光线路径，其中所述显示器用于基于所述图像信号投射相应的图像光线，其中所述光线经所述透镜组准直并放大后投射至所述光波导。
36.根据权利要求30所述的显示设备，其中所述设备主体为选自：可佩戴于用户头部的眼镜设备主体和沉浸式设备主体中的一种。
37.根据权利要求32所述的显示设备，所述设备主体进一步包括一网络通信接口，其中网络通信接口用于接收外界传输的虚拟图像的信号。
38.根据权利要求32所述的显示设备，其中所述位置传感器包括确定沿空间三维坐标系的X、Y、Z轴方向的移动自由度和绕X、Y、Z轴方向的旋转自由度。
39.根据权利要求38所述的显示设备，所述设备主体进一步包括至少一手部装置，其中所述手部装置可被穿戴于用户的手部，其中所述位置传感器被设置于所述手部装置，以确定用户的手部的空间位置坐标和方向。
40.根据权利要求30所述的显示设备，其中所述设备主体进一步包括联机端口，其中所述联机端口用于联机至少二所述显示设备，以供各所述显示设备之间进行交互。
41.根据权利要求30所述的显示设备，其中所述光波导为二个。
42.根据权利要求30至41任一所述的显示设备，其中所述光栅结构为凸出于所述波导基底的表面的凸起结构。
43.根据权利要求42所述的显示设备，其中所述波导基底的表面具有一凹槽，其中所述光栅结构凸出于所述凹槽的底面。
44.根据权利要求42所述的显示设备，其中所述光栅单元垂直于所述波导基底的表面。
45.根据权利要求44所述的显示设备，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比和所述光栅单元的高度中的一种或组合被预设。
46.根据权利要求42所述的显示设备，其中所述光栅单元与所述波导基底的表面之间具有一定的倾斜角。
47.根据权利要求46所述的显示设备，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度和所述倾斜角中的一种或组合被预设。
48.根据权利要求42所述的显示设备，其中相邻的所述光栅单元之间具有一定的斜面夹角。
49.根据权利要求48所述的显示设备，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度和所述斜面夹角中的一种或组合被预设。
50.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述波导基底的折射率为1.4至2.2，厚度为0.3mm至2.5mm。
51.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅结构的周期为200nm至700nm。
52.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅单元的线宽为50nm至650nm，高度为80nm至650nm。
53.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅单元为选自：类柱形结构、圆柱形结构、椭圆柱形结构、棱柱形结构、圆锥形结构、棱锥形结构、类棱台以及圆台形结构中的一种或组合。
54.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中各所述光栅单元的高度保持一致。
55.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中所述光栅结构包括沿光线传播方向依次划分的相邻的第一区域和第二区域，其中所述第一区域具有多个第一光栅单元，其中所述第二区域具有多个第二光栅单元，其中所述第一光栅单元的高度不等于所述第二光栅单元的高度。
56.根据权利要求55所述的显示设备，其中所述光栅结构进一步包括沿光线传播方向划分的与所述第二区域相邻的第三区域，其中所述第三区域具有多个第三光栅单元，其中所述第三光栅单元的高度不等于所述第二光栅单元的高度。
57.根据权利要求55所述的显示设备，其中所述第一区域内的所述第一光栅单元、所述第二区域内的所述第二光栅单元以及所述第三区域内的所述第三光栅单元呈阶梯状上升。
58.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面包括沿光线传播方向划分的不在同一平面的第一表面和第二表面。
59.根据权利要求58所述的显示设备，其中所述光栅结构包括位于所述第一表面的多个第一光栅单元和位于所述第二表面的多个第二光栅单元，其中所述第二光栅单元与所述第一光栅单元之间的高度差等于所述第一表面与所述第二表面之间的高度差。
60.根据权利要求58所述的显示设备，其中在所述波导基底的厚度方向上，所述第一表面高于所述第二表面。
61.根据权利要求59所述的显示设备，其中所述表面进一步包括与所述第二表面相邻的不在同一平面的第三表面，其中所述光栅结构进一步包括位于所述第三表面的第三光栅单元，其中所述第三光栅单元与所述第二光栅单元之间的高度差等于所述第三表面与所述第二表面之间的高度差。
62.根据权利要求61所述的显示设备，其中所述第一表面、所述第二表面以及所述第三表面呈阶梯状下降。
63.根据权利要求41所述的显示设备，其中所述光栅结构包括输入衍射光学元件和输出衍射光学元件，其中所述输入衍射光学元件用于耦入光线于所述波导基底，其中所述输出衍射光学元件用于耦出光线于所述波导基底，其中所述输出衍射光学元件由一组所述光栅单元组成。
64.根据权利要求63所述的显示设备，其中所述输入衍射光学元件的线宽为50nm至650nm，高度为80nm至650nm。
65.根据权利要求63所述的显示设备，其中所述输入衍射光学元件的线宽大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件的线宽，所述输入衍射光学元件的高度大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件的高度。
66.根据权利要求63所述的显示设备，其中远离所述输入衍射光学元件的所述输出衍射光学元件的线宽越大。
67.根据权利要求63所述的显示设备，其中远离所述输入衍射光学元件的所述输出衍射光学元件的高度越大。
68.根据权利要求63所述的显示设备，其中所述光栅结构进一步包括传输衍射光学元件，其中所述传输衍射光学元件用于将所述波导基底内传输的光线发生偏转。
69.根据权利要求68所述的显示设备，其中所述传输衍射光学元件由一组所述光栅单元组成。
70.基于二维光栅的光波导的制造方法，其特征在于，包括：
A、提供波导基底；和
B、形成光栅结构于所述波导基底的一表面，其中所述光栅结构包括周期排布的多个光栅单元，并形成第一周期线和第二周期线，其中所述第一周期线与所述第二周期线的夹角为60°。
71.根据权利要求70所述的制造方法，所述步骤B中，通过选自纳米压印法、铸造法、模压法以及注入模压法中的一种在所述波导基底的表面形成所述光栅结构。
72.根据权利要求70所述的制造方法，所述步骤B包括：
B1、提供一母版，其中所述母版具有与所述光栅结构相对应的待转印的光栅结构，其中所述待转印的光栅结构包括以夹角为60°的所述第一周期线和所述第二周期线排列的待转印的光栅单元，其中所述待转印的光栅单元与所述光栅单元的结构形状、排布方式、高度和线宽保持一致；
B2、通过所述母版聚合成型一子模，其中所述子模具有与所述母版上待转印的光栅结构相互补的互补结构，和所述互补结构形成与所述光栅单元的结构形状、排布方式、高度和线宽相匹配的腔室；
B3、将未固化的所述光栅结构的光栅基底材料涂布于所述波导基底的表面；
B4、通过所述子模压印未固化的所述光栅基底材料，使未固化的所述光栅基底材料填充所述子模的所述腔室，并固化所述光栅基底材料以成型所述光栅结构于所述波导基底的表面。
73.根据权利要求72所述的制造方法，进一步包括，移除所述子模，以得到所述光波导。
74.根据权利要求72所述的制造方法，所述光栅基底材料为树脂材料。
75.根据权利要求74所述的制造方法，其中所述步骤B4中，通过选自：紫外光固化和热固化中的其中一种固化所述光栅基底材料。
76.根据权利要求72所述的制造方法，其中所述步骤B4中，通过压力将所述子模压在所述波导基底的表面，以通过压力使未固化的所述光栅基底材料充满所述子模的所述腔室。
77.根据权利要求72所述的制造方法，其中所述步骤B1中，所述母版可通过选自电子束刻蚀、反应离子束刻蚀、磁增强反应离子刻蚀、高密度等离子体刻蚀、感应耦合式等离子体刻蚀、变压耦合式等离子体刻蚀以及电子回旋共振式刻蚀、真空离子蒸发、磁控溅射、MBE分子束外延、PLD激光溅射沉积等中的一种或组合制备而成。
78.根据权利要求77所述的制造方法，其中通过控制选自：电子束和离子束中的一种在所述母版基底的刻蚀时间和曝光强度来调制所述光栅结构的高度。
79.根据权利要求72所述的制造方法，其中所述步骤B1中，所述待转印的光栅结构为凸出于所述母版的表面的凸出结构。
80.根据权利要求79所述的制造方法，其中所述步骤B1中，所述待转印的光栅结构的不同区域内的所述待转印的光栅单元之间具有高度差。
81.根据权利要求80所述的制造方法，其中所述步骤B1中，所述待转印的所述光栅结构的各所述待转印的光栅单元沿周期方向呈阶梯状排布。
82.根据权利要求70至81任一所述的制造方法，其中所述光栅结构为凸出于所述波导基底的表面的凸起结构。
83.根据权利要求82所述的制造方法，其中所述波导基底的表面具有一凹槽，其中所述光栅结构凸出于所述凹槽的底面。
84.根据权利要求82所述的制造方法，其中所述光栅单元垂直于所述波导基底的表面。
85.根据权利要求84所述的制造方法，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比和所述光栅单元的高度中的一种或组合被预设。
86.根据权利要求82所述的制造方法，其中所述光栅单元与所述波导基底的表面之间具有一定的倾斜角。
87.根据权利要求86所述的制造方法，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度和所述倾斜角中一种或组合被预设。
88.根据权利要求82所述的制造方法，其中相邻的所述光栅单元之间具有一定的斜面夹角。
89.根据权利要求88所述的制造方法，其中所述光栅结构的衍射效率根据调整选自：所述光栅结构的占空比、所述光栅单元的高度和所述斜面夹角中的一种或组合被预设。
90.根据权利要求81所述的制造方法，其中所述波导基底的折射率为1.4至2.2，厚度为0.3mm至2.5mm。
91.根据权利要求81所述的制造方法，其中所述光栅结构的周期为200nm至700nm。
92.根据权利要求81所述的制造方法，其中所述光栅单元的线宽为50nm至650nm，高度为80nm至650nm。
93.根据权利要求81所述的制造方法，其中所述光栅单元为选自类柱形结构、圆柱形结构、椭圆柱形结构、棱柱形结构、圆锥形结构、棱锥形结构、类棱台以及圆台形结构中的一种或组合。
94.根据权利要求81所述的制造方法，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中各所述光栅单元的高度保持一致。
95.根据权利要求81所述的制造方法，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面为同一平面，其中所述光栅结构包括沿光线传播方向依次划分的相邻的第一区域和第二区域，其中所述第一区域具有多个第一光栅单元，其中所述第二区域具有多个第二光栅单元，其中所述第一光栅单元的高度不等于所述第二光栅单元的高度。
96.根据权利要求95所述的制造方法，其中所述光栅结构进一步包括沿光线传播方向划分的与所述第二区域相邻的第三区域，其中所述第三区域具有多个第三光栅单元，其中所述第三光栅单元的高度不等于所述第二光栅单元的高度。
97.根据权利要求95所述的制造方法，其中所述第一区域内的所述第一光栅单元、所述第二区域内的所述第二光栅单元以及所述第三区域内的所述第三光栅单元呈阶梯状上升。
98.根据权利要求81所述的光波导，其中所述光栅结构位于所述波导基底的表面，其中所述表面包括沿光线传播方向划分的不在同一平面的第一表面和第二表面。
99.根据权利要求98所述的制造方法，其中所述光栅结构包括位于所述第一表面的多个第一光栅单元和位于所述第二表面的多个第二光栅单元，其中所述第二光栅单元与所述第一光栅单元之间的高度差等于所述第一表面与所述第二表面之间的高度差。
100.根据权利要求98所述的制造方法，其中在所述波导基底的厚度方向上，所述第一表面高于所述第二表面。
101.根据权利要求99所述的制造方法，其中所述表面进一步包括与所述第二表面相邻的不在同一平面的第三表面，其中所述光栅结构进一步包括位于所述第三表面的第三光栅单元，其中所述第三光栅单元与所述第二光栅单元之间的高度差等于所述第三表面与所述第二表面之间的高度差。
102.根据权利要求101所述的制造方法，其中所述第一表面、所述第二表面以及所述第三表面呈阶梯状下降。
103.根据权利要求81所述的制造方法，其中所述光栅结构包括输入衍射光学元件和输出衍射光学元件，其中所述输入衍射光学元件用于耦入光线于所述波导基底，其中所述输出衍射光学元件用于耦出光线于所述波导基底，其中所述输出衍射光学元件由一组所述光栅单元组成。
104.根据权利要求103所述的制造方法，其中所述输入衍射光学元件的线宽为50nm至650nm，高度为80nm至650nm。
105.根据权利要求103所述的制造方法，其中所述输入衍射光学元件的线宽大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件的线宽，所述输入衍射光学元件的高度大于位于其周边的各所述输出衍射光学元件的高度。
106.根据权利要求103所述的制造方法，其中远离所述输入衍射光学元件的所述输出衍射光学元件的线宽越大。
107.根据权利要求103所述的制造方法，其中远离所述输入衍射光学元件的所述输出衍射光学元件的高度越大。
108.根据权利要求103所述的制造方法，其中所述光栅结构进一步包括传输衍射光学元件，其中所述传输衍射光学元件用于将所述波导基底内传输的光线发生偏转。
109.根据权利要求108所述的制造方法，其中所述传输衍射光学元件由一组所述光栅单元组成。
110.根据权利要求70所述的制造方法，其中所述波导基底采用对可见光透明的光学材料制成的平板结构。
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