CN111722317A - 一种衍射光波导镜片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种衍射光波导镜片，包括：波导基片，分为多个区域；光栅，对应波导基片的不同区域进行设置；以及膜层，设置在波导基片和光栅之间，且至少设置在波导基片上的部分区域。本发明采用新的调制光栅区域衍射效率的方法，在波导基片和光栅之间增设膜层，该膜层可以至少设置在波导基片中多个区域的部分区域，通过增加调节变量，改善衍射光波导显示装置的Eyebox均匀性，实现更好的显示效果。
Description
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种衍射光波导镜片。
背景技术
目前，波导镜片已成为增强现实(Augmented Reality，简称AR)显示装置的主流技术发展方向。图1为现有技术中波导镜片的原理示意图，包括投影光机101和波导镜片110，光波导镜片110包括耦合输入光栅103、波导基片102和耦合输出光栅104；若耦合输出光栅的衍射效率不变，则耦合输出的光线107、108、109所携带的光通量会逐渐变少，因此到达Eyebox(眼盒)105对应区域的光通量也相应减少，即形成一个不均匀的Eyebox。当人眼位于Eyebox 105不同区域观察时，所看到的图像106的亮度会有不同，图像106本身也会沿光线在波导镜片中的传输方向逐渐变暗。
为了实现均匀的Eyebox(眼盒)，使人眼位于Eyebox不同位置时看到的画面亮度均匀且亮度不变，耦合输出光栅的耦合输出衍射效率需要沿着图像光线传播的方向逐步增大，以产生一个均匀的出瞳。目前存在的耦合输出衍射效率调制技术主要包括折射率差值调制(体全息光栅)、光栅槽深调制(面浮雕光栅)、光栅占空比调制(面浮雕光栅)、光栅倾角调制(面浮雕光栅)，均是通过对光栅微光结构的调制来实现均匀的Eyebox。
图2为本发明现有技术中采用光栅槽深调制制作的波导镜片的原理示意图，通过对光栅槽深进行调制来实现均匀出瞳。如图2所示，投影光机101输出的光线经过耦合输入光栅103耦合输入波导基片102，向耦合输出光栅104通过全反射进行传输。到达耦合输出光栅104后，每次到达耦合输出光栅104时都会有一部分光通量耦合输出，即光线204、205、206。耦合输出光栅104的槽深沿光线在波导镜片中传输的方向逐渐加深，耦合输出效率随之逐渐增大，因此虽然衍射输出前到达耦合输出光栅104的光通量会比前一次到达耦合输出光栅104的光通量少，但是射出的光线204、205、206所携带的光通量可基本保持一致，从而人眼在接受到光线204、205、206时看到的图像亮度一样。
但是，无论采用光栅槽深调制、光栅占空比调制还是光栅倾角调制，一方面，由于各个区域的光栅不同，会加大制作压印母版时的复杂度，且限制母版的制作工艺；另一方面，还会由于各个区域的光栅不同，在压印制作光栅的过程中，压印用胶水的参数、压印工艺参数(压力、固化功率、固化速度、脱模方式等)需要满足各个区域的要求，从而加大了大批量制作的难度。
基于上述，现有技术中采用调制光栅衍射效率的方法制作均匀Eyebox和画面亮度均匀的波导镜片，存在光栅或母版制作难度大、对制作工艺有限制。
上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种衍射光波导镜片，解决现有技术中光栅或母版制作难度大、对制作工艺有限制的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供一种衍射光波导镜片，包括：
波导基片，分为多个区域；
光栅，对应波导基片的不同区域进行设置；以及
膜层，设置在波导基片和光栅之间，且至少设置在波导基片上的部分区域。
在本发明的一种示例性实施例中，所述膜层为单层膜或多层具有不同折射率的膜层叠加而成的膜系。
在本发明的一种示例性实施例中，所述光栅包括耦入光栅、出瞳扩展光栅和耦出光栅。
在本发明的一种示例性实施例中，所述部分区域包括出瞳扩展光栅对应的第一区域和耦出光栅对应的第二区域。
在本发明的一种示例性实施例中，所述膜层为反光膜，在第一区域内和第二区域内，所述反光膜的面积沿着光束的传播方向逐渐变小。
在本发明的一种示例性实施例中，所述膜层为分光膜，所述第一区域和所述第二区域沿光束的传播方向分为多个子区域，在第一区域和第二区域内的多个子区域中，所述分光膜的透过率沿着光束的传播方向均逐渐增大。
在本发明的一种示例性实施例中，在第一区域内和第二区域内，所述反光膜或所述分光膜的透过率随光束的入射角变化，当入射角小于全反射临界角时，透过率为1；当入射角大于全反射临界角时，透过率减小。
在本发明的一种示例性实施例中，所述部分区域包括耦出光栅对应的第二区域，所述膜层设置在耦出光栅对应的第二区域，所述第二区域按照对应Eyebox的不同位置分为第一子区域、第二子区域和第三子区域，其中正对Eyebox位置的部分为第二子区域，第一子区域和第三子区域分别位于第二子区域的两侧；
当入射角小于全反射临界角时，膜层在第一子区域、第二子区域和第三子区域的透过率为1；当入射角大于全反射临界角时，膜层在第一子区域、第二子区域和第三子区域的透过率呈现不同的变化。
在本发明的一种示例性实施例中，在波导基片的另一面还设置有背面膜层和背面光栅。
在本发明的一种示例性实施例中，还包括：
材料层，设置在膜层和光栅之间；
其中所述材料层对应不同区域具有不同的滤光特性。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的衍射光波导镜片，一方面，采用新的调制光栅区域衍射效率的方法，在波导基片和光栅之间增设膜层，该膜层可以至少设置在波导基片中多个区域的部分区域，通过增加调节变量，改善衍射光波导显示装置的Eyebox均匀性，实现更好的显示效果。
附图说明
图1为现有技术中波导镜片的原理示意图；
图2为本发明现有技术中采用光栅槽深调制制作的波导镜片的原理示意图；
图3为本发明实施例提供的一种衍射光波导镜片的截面示意图；
图4为本发明实施例一提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图；
图5为本发明实施例二提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图；
图6为本发明实施例三提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图；
图7为本发明实施例三中膜层的透过率曲线图；
图8为目前所使用的衍射光波导镜片的结构示意图；
图9为本发明实施例四提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图；
图10为本发明实施例四中区域706膜层透过率曲线变化曲线图；
图11为本发明实施例四中区域708膜层透过率曲线变化曲线图；
图12为本发明实施例五提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图；
图13为本发明实施例六提供的一种衍射光波导镜片的截面示意图；
图14为本发明实施例六提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图；
图15为本发明实施例六提供的另一种衍射光波导镜片的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本发明相关实施例中，增强现实显示要求均匀的Eyebox、亮度和颜色(本质也是要求亮度均匀)，因此要求对进行出瞳扩展的耦合输出光栅的衍射效率进行调制，但是目前的调制方式加大了大批量制作波导镜片所必须的纳米压印的母版的制作难度，限制了制作母版可使用的工艺方法，同时也对制作的工艺有很多挑战。
因此，本发明提出一种衍射光波导镜片，在波导基片和光栅之间增设膜层，增加设计的自由度，采用新的调制光栅区域衍射效率的方法，从而单独或与现有手段结合，改善衍射光波导显示装置的Eyebox(眼盒)均匀性。
图3为本发明实施例提供的一种衍射光波导镜片的截面示意图，如图3所示，该衍射光波导镜片包括：波导基片101、膜层302和光栅301。其中波导基片101分为多个区域；光栅301对应波导基片101的不同区域进行设置；膜层302设置在波导基片101和光栅301之间，且至少设置在波导基片101上的部分区域。
该衍射光波导镜片的制作方法为：首先，在波导基片101的表面上制作膜层302，然后，在膜层302上制作光栅301。膜层302可以是一层纳米级金属反光膜、或是多层不同折射率材料堆叠所组成的具有特定反射/透过率、透过光谱等不同特性的膜系，可通过在波导基片101表面放置掩膜板(类似OLED制备使用的Mask板)，通过蒸镀、磁控溅射、化学气象沉积等方法制作；也可使用先制作膜层然后蚀刻制作得到分区的膜层。光栅301可为任意微观结构的光栅，如体全息光栅、面浮雕光栅等，可通过曝光、光刻或者纳米压印技术或其他技术来制作得到。
在本发明的一种示例性实施例中，所述膜层为单层膜或多层具有不同折射率的膜层叠加而成的膜系。
在本发明的一种示例性实施例中，所述光栅包括耦入光栅、出瞳扩展光栅和耦出光栅，当光栅中包括耦入光栅、出瞳扩展光栅和耦出光栅时，膜层分别对应波导基片的不同区域进行设置。
在本发明的一种示例性实施例中，所述部分区域包括出瞳扩展光栅对应的第一区域和耦出光栅对应的第二区域。
在本发明的一种示例性实施例中，所述膜层为反光膜，在第一区域内和第二区域内，所述反光膜的面积沿着光束的传播方向逐渐变小。
在本发明的一种示例性实施例中，所述膜层为分光膜，所述第一区域和所述第二区域沿光束的传播方向分为多个子区域，在第一区域和第二区域内的多个子区域中，所述分光膜的透过率沿着光束的传播方向均逐渐增大。
在本发明的一种示例性实施例中，在第一区域内和第二区域内，所述反光膜或所述分光膜的透过率随光束的入射角变化，当入射角小于全反射临界角时，透过率为1；当入射角大于全反射临界角时，透过率减小。
在本发明的一种示例性实施例中，所述部分区域包括耦出光栅对应的第二区域，所述膜层设置在耦出光栅对应的第二区域，所述第二区域按照对应Eyebox的不同位置分为第一子区域、第二子区域和第三子区域，其中正对Eyebox位置的部分为第二子区域，第一子区域和第三子区域分别位于第二子区域的两侧。
当入射角小于全反射临界角时，膜层在第一子区域、第二子区域和第三子区域的透过率为1；当入射角大于全反射临界角时，膜层在第一子区域、第二子区域和第三子区域的透过率呈现不同的变化。
在本发明的一种示例性实施例中，在波导基片的另一面还设置有背面膜层和背面光栅。
在本发明的一种示例性实施例中，还包括：
材料层，设置在膜层和光栅之间；
其中所述材料层对应不同区域具有不同的滤光特性。
基于上述，通过在波导基片的部分区域或全部区域进行镀膜(所镀薄膜可以为薄的单层膜，也可以是多种材料、多种膜层形成的膜系)；然后在膜层上面制作光栅(包括耦入光栅、出瞳扩展光栅和耦出光栅)，通过调整镀膜区域的面积占比和/或膜层的透过特性、吸收特性、相位转换等特性，从而实现对某一方向衍射级次/衍射光的能量调制，可用于平板形态波导镜片或曲面形态波导镜片出瞳扩展光栅或耦合输出光栅。
以下结合各个实施例对图3所示的衍射光波导镜片进行详细介绍：
实施例一
图4为本发明实施例一提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图，如图4所示，该衍射光波导镜片400由波导基片101、耦入光栅402、出瞳扩展光栅403、耦出光栅404及区域405组成，光束406表示一束携带虚拟图像信息的光束。耦入光栅402、出瞳扩展光栅403、耦合输出光栅404位于波导基片101的同一表面，其中出瞳扩展光栅403、耦出光栅404均包含区域405(即出瞳扩展光栅403对应的第一区域和耦出光栅404对应的第二区域)。区域405是在光栅和波导基片101之间有反光膜的区域，反光膜可以是银膜、铝膜等具有较高反射效率的单层金属薄膜，也可是多层的介质反光膜。以图4中所示为例，第一区域中反光膜的面积从左到右逐渐减小，第二区域中反光膜的面积从上到下逐渐减小。
图4所示结构的工作原理为：耦入光栅402将光束406衍射并使光束406入射到波导镜片表面的角度大于全反射临界角，从而将光束406耦入至波导基片101并以在波导镜片两个表面往返全反射方式向出瞳扩展光栅403方向传输；到达出瞳扩展光栅403后，光束406全反射传输时每经过一次出瞳扩展光栅403均会有一部分光通量被衍射向耦出光栅404方向全反射传输，即光束407-光束410，剩余光通量沿原来方向继续传输，完成第一维度(本实例中水平方向)的出瞳扩展。每经过一次扩展，沿原方向(本实例从左至右)传播的光束所携带的光通量就减小一次，同时为了使出瞳均匀，必须使每次被衍射向耦出光栅404传输的光束407、光栅408、光束409、光束410所携带光通量基本一致，通过沿光束406方向逐渐减少区域405的尺寸，从而减少对光束406的阻挡，逐步增加光束406与出瞳扩展光栅403的接触面积，从而使可衍射光束的光栅面积增大，逐渐增加衍射向耦出光栅404光束所携带光通量占本次衍射入射达出瞳扩展光栅403光束所携带光通量的比值，从而在到达出瞳扩展光栅403的光束所携带光通量逐步减小的情况下，保持衍射向耦出光栅404光束所携带光通量基本一致。
光束406经出瞳扩展光栅403衍射在水平方向出瞳扩展后向耦出光栅404传播的光束全反射传输到达耦出光栅404后，全反射传输时每经过一次出瞳扩展光栅均会有一部分光通量被衍射耦出波导镜片400，剩余光通量沿原来方向继续传输，完成第二维度(本实例中垂直方向)的出瞳扩展。每经过一次扩展，沿原方向(本实例从上至下)传播的光束所携带的光通量就减小一次为了使出瞳均匀，必须使每次被衍射耦出波导镜片400的传输的光通量基本一致。通过沿光束407-光束410方向逐渐减少区域405的尺寸，从而减少对光束407-光束410的阻挡，逐步增加光束407-光束410与耦出光栅404的接触面积，从而使可衍射光束的光栅面积增大，逐渐增加被衍射耦出波导镜片400光束所携带光通量占本次衍射入射至耦出光栅404光束所携带光通量的比值，从而在到达耦出光栅404的光束所携带光通量逐步减小的情况下，保持被衍射耦出波导镜片400光束所携带光通量基本一致。
本实施例通过设置面积变化的反光膜，出瞳扩展光栅403和耦出光栅404和波导基片101之间部分区域制作反光膜，有反光膜的区域波导基片内全反射传输的光束，如光束406无法与光栅接触，从而无法进行出瞳扩展或耦出光栅，可通过调节不同位置区域405的占比，来调节光栅衍射光通量的占比，也能够保持被衍射耦出波导镜片光束所携带光通量基本一致，并不需要对光栅进行复杂的加工设计，而膜层的制作更为简单，实现均匀的Eyebox。
实施例二
图5为本发明实施例二提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图，与图4所示不同，也可采用保持透过率不变，区域405的透过率改变的调节方式来实现均匀的Eyebox。如图5所示，波导镜片500由波导基片101、耦入光栅402、出瞳扩展光栅403、耦出光栅404及区域501-区域504和区域505-区域507组成，光束406表示一束携带虚拟图像信息的光束。耦入光栅402、出瞳扩展光栅403、耦合输出光栅404位于波导基片101的同一表面，区域501-区域507是在光栅和波导基片101之间有分光膜的区域，分光膜可以是银膜、铝膜等很薄而吸收很少的单层金属薄膜，也可是多层的介质分光膜，区域501-区域504的分光膜透过率逐渐增大，区域505-区域507的分光膜透过率也逐渐增大。以图5中所示为例，第一区域从左到右分为4个子区域，即区域501-区域504，第二区域从上到下分为3个子区域，即区域505-区域507。
图5所示结构的工作原理为：耦入光栅402将光束406衍射并使光束406入射到波导镜片表面的角度大于全反射临界角，从而将光束406耦入至波导基片101并以在波导镜片两个表面往返全反射方式向出瞳扩展光栅403方向传输，到达出瞳扩展光栅403后，光束406全反射传输时每经过一次出瞳扩展光栅403均会有一部分光通量被衍射向耦出光栅404方向全反射传输，即光束407-光束410，剩余光通量沿原来方向继续传输，完成第一维度(本实例中水平方向)的出瞳扩展。每经过一次扩展，沿原方向(本实例从左至右)传播的光束所携带的光通量就减小一次，同时为了使出瞳均匀，必须使每次被衍射向耦出光栅404传输的光束407、光束408、光束409、光束410所携带光通量基本一致，本发明通过沿光束406方向逐渐增加区域501-区域504分光膜的透过率，从而减少对光束406的反射，逐步增加光束406到达出瞳扩展光栅403的光通量，从而逐渐增加衍射向耦出光栅404光束所携带光通量占本次衍射入射到达出瞳扩展光栅403下方分光膜光束所携带光通量的比值，从而在入射到达出瞳扩展光栅403下方分光膜光束的光束所携带光通量逐步减小的情况下，保持衍射向耦出光栅404光束所携带光通量基本一致。
光束406经出瞳扩展光栅403衍射在水平方向出瞳扩展后向耦出光栅404传播的光束全反射传输到达耦出光栅404后，全反射传输时每经过一次出瞳扩展光栅均会有一部分光通量被衍射耦出波导镜片400，剩余光通量沿原来方向继续传输，完成第二维度(本实例中垂直方向)的出瞳扩展。每经过一次扩展，沿原方向(本实例从上至下)传播的光束所携带的光通量就减小一次为了使出瞳均匀，必须使每次被衍射耦出波导镜片400的传输的光通量基本一致。通过沿光束407-光束410方向逐渐增大区域505-区域507分光膜的透过率，从而减少对光束407-光束410的阻挡，逐步增加光束407-光束410到达耦出光栅404的光通量，逐渐增加被衍射耦出波导镜片400光束所携带光通量占本次衍射入射至耦出光栅404下方分光膜光束所携带光通量的比值，从而在到达耦出光栅404下方分光膜的光束所携带光通量逐步减小的情况下，保持被衍射耦出波导镜片400光束所携带光通量基本一致。
本实施例通过设置透过率变化的分光膜，出瞳扩展光栅403和耦出光栅404和波导基片101之间全部区域制作分光膜，即区域501——区域507，通过调节各区域分光膜的透过率，调节到达光栅的光通量，来调节光栅衍射光通量的占比，也能够保持被衍射耦出波导镜片光束所携带光通量基本一致，并不需要对光栅进行复杂的加工设计，而膜层的制作更为简单，实现均匀的Eyebox。
实施例三
图6为本发明实施例三提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图，由于波导镜片通常位于人的眼前，人还需要透过镜片看真实的世界，因此需要保持波导镜片的透过率。对于实施例一中的反光膜和实施例二中的分光膜，其透过率的大小还可以设置为随着光束的入射角大小的变化而变化。如图6所示，真实世界的光线603在波导基片101中入射到波导基片101和光栅602之间的膜层601时，入射角小于或等于波导基片101的全反射临界角，因此膜层601可以采用透过率随入射角而改变的膜层，图7为本发明实施例三中膜层的透过率曲线图，如图7所示，在入射角小于波导基片101全反射临界角的角度范围内透过率应比较高，透过率几乎为1，尽量接近基片和光栅间没有膜层的区域。而入射角大于全反射临界角的角度范围内的透过率可以根据需要进行选定，可以从小于1的某一数值开始减小。例如，对于实施例一中的反光膜，需要高的反射率，在大于全反射临界角范围内的透过率可以尽量接近0，而反射率尽量接近1；对于实施例二中的分光膜，入射角大于全反射临界角时，区域505-区域507分光膜的透过率可分别a、a/(1-a)、a/(1-2a),0＜a＜1。假设光束407所携带光通量为1，则经过区域505-区域507后到达耦出光栅404的能量都接近于a，在各个位置经过耦出光栅404衍射后输出的光通量大致相同。
本实施例通过选择膜层的透过率随角度的变化，防止膜层遮挡真实环境的光进入人眼，并不需要对光栅进行复杂的加工设计，而膜层的制作更为简单，实现均匀的Eyebox。
实施例四
图9为本发明实施例四提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图，可以使耦出波导镜片的光线集中在Eyebox范围内，提高图像显示的亮度。图8为目前所使用的衍射光波导镜片的结构示意图，衍射波导镜片传输的画面在波导基片101中传输时经耦出光栅705耦出，即显示虚拟画面上半部分的光线束701(虚线所示光线)和显示虚拟画面下半部分的光线束702(实线所示光线)，在二者的交叉的地方形成Eyebox 703，人眼704位于Eyebox 703范围之内时，可以看到完整的画面，但是在Eyebox之外也有显示虚拟画面上半部分的光线束701(虚线所示光线)和显示虚拟画面下半部分的光线束702，造成了光能的浪费，降低显示亮度，浪费的光通量照射到眼镜周围还影响美观。
本实施例中采用分区在光栅下镀透光角度不同的膜层可以解决上述问题，按照对应Eyebox的不同位置分为不同的区域，不同区域的膜层具有不同的透过率。如图9所示，假设波导镜片所显示画面中心光线在波导内的传输时入射到波导基片101表面的入射角为θ，则显示虚拟画面上半部分的光线束701(虚线所示光线)在波导内耦出传输时入射到波导基片101表面的入射角大于θ，显示虚拟画面下半部分的光线束702(实线所示光线)在波导内耦出传输时入射到波导基片101表面的入射角小于θ；在波导基片101和耦出光栅705之间分区制作有膜层，比如3个区域，分别为区域706、区域707、区域708三个字区域，在这三个子区域中透过率的变化曲线不同，具体为：
区域706位于Eyebox偏上方的位置，对应显示虚拟画面上半部分的光线束701(虚线所示光线)耦出的位置，并在波导基体101和耦出光栅705之间制作透过率变化的膜层。图10为本发明实施例四中区域706膜层透过率曲线变化曲线图，如图10所示，入射角在全反射临界角至θ角度范围内的光线完全反射，可以隔断在入射角在该范围内的光线和耦出光栅，从而光线束702不从该区域耦出，并继续向下传播，在入射角大于θ的光线全部或部分透过到达耦出光栅705，因此不影响光线束701的耦出。区域707位于正对Eyebox的位置，光线束701和光线束702均有部分光线从此位置耦出，并在波导基体101和耦出光栅705之间制作有如图7所示透过率曲线的膜层，因此光线束701和光线束702均可以从该区域耦出。区域708位于Eyebox偏下方的位置，对应显示虚拟画面下半部分的光线束702(实线所示光线)耦出的位置，并在波导基体101和耦出光栅705之间制作制作透过率变化的膜层。图11为本发明实施例四中区域708膜层透过率曲线变化曲线图，如图11所示，在入射角在全反射临界角至θ范围内的光线部分或全部透过到达耦出光栅，在入射角大于θ的光线全部反射后者吸收，因此光线束702可以从该区域耦出，光线束701不能从该区域耦出。
本发明实施例四中区域708膜层透过率曲线变化曲线图，也可采用如图7所示的曲线，可以减少膜层的复杂度。
本实施例通过在不同区域制作透过曲线不同的膜层，可以使耦出的光线束701和光线束702集中在Eyebox范围内，提高光能利用率。
实施例五
图12为本发明实施例五提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图，通过改进目前衍射光波导中存在的耦出光线过于稀疏，导致所传输虚拟图像出现暗线的问题。以图9所示为例，光线束701所含的光线之间距离过大，人眼704在Eyebox 703中心位置时可能无法接收到光线束701的光线，导致看不到部分图像。
如图12所示的衍射光波导镜片，在波导基片101的另一面(即与原来光栅所在表面相反的一表面)还设置背面膜层801和背面光栅802。通过在波导基片101的另一面制作图10所示反射曲线的背面膜层801，然后在其上制作背面光栅802，背面光栅802与光栅705周期相同。
显示虚拟画面上半部分的光线束701(虚线所示光线)在波导内耦出传输时入射到背面膜层801所对应区域时，可以透过背面膜层801并到达背面光栅802，部分被衍射耦出波导，因而基本上将光线束701相邻光线之间的距离缩小一半，从而增加光线密度，人眼704在Eyebox 703的中心也可接收到光线束701的光线。
本实施例通过在耦出光栅所在波导基片的背面制作背面膜层和背面光栅，可以增加大角度视场光线耦出光线的密度，解决光线稀疏的问题。
图12所示是以在第一子区域和第二子区域中正对Eyebox以上的位置设置背面膜层和背面光栅为例，相类似的，背面膜层和背面光栅还可以采用其他反射曲线的背面膜层801以及背面光栅802，可以增加调节镜片输出图像质量的自由度。
实施例六
图13为本发明实施例六提供的一种衍射光波导镜片的截面示意图，在图3所示基础上，于膜层和光栅之间增加设置材料层，该材料层对应不同区域具有不同的滤光特性。例如，可以将膜层可实现对不同波长的光具有不同的透过反射/吸收性能与衍射光波导结合起来，在波导基片表面不同位置制备不同光谱透过率的膜层，用于改善显示性能；还可结合彩色滤光片或具有其他光学性能的滤光片。如图13所示，光栅301和膜层302之间的材料层901可以彩色滤光片，也可以是一层透明材料，为了便于制作，可以将光栅制作在材料层901上，然后吸附或贴合到制作完膜层区域的波导基片101上。
本实施例中的材料层以彩色滤光层为例进行介绍，图14为本发明实施例六提供的一种衍射光波导镜片的结构示意图，如图14所示，镜片中包括三种衍射，即区域902、区域903和区域904，对应的材料层分别为红色滤光片、绿色滤光片和蓝色滤光片。三种滤光片可以起滤光和承载光栅的作用，比如需要膜层302是对红光部分透过同时完全反射绿光和蓝光的二向色膜，但是可能由于膜层设计、制作存在难度，导致膜层302无法实现完全反射绿光和蓝光，这时材料层901采用透红光同时吸收绿光和蓝光的滤光片，可以避免绿光和蓝光到达光栅301。
区域902中光栅针对红色波段的光设计周期、占空比、槽深等参数，各个位置的周期和朝向一致，占空比、槽深等参数可以不同，膜层透红光反射其他颜色光，为了进一步防止其他颜色光到达光栅层，引起杂光，在膜层和光栅之间进一步增加一层透红光吸收其他颜色光的彩色滤光片；区域903中光栅针对绿色波段的光设计周期、占空比、槽深等参数，各个位置的周期和朝向一致，占空比、槽深等参数可以不同，膜层透绿光反射其他颜色光，为了进一步防止其他颜色光到达光栅层，引起杂光，在膜层和光栅之间进一步增加一层透绿光吸收其他颜色光的彩色滤光片；区域904中光栅针对蓝色波段的光设计周期、占空比、槽深等参数，各个位置的周期和朝向一致，占空比、槽深等参数可以不同，膜层透蓝光反射其他颜色光，为了进一步防止其他颜色光到达光栅层，引起杂光，在膜层和光栅之间进一步增加一层透蓝光吸收其他颜色光的彩色滤光片；区域905是制作有图7所示透光曲线的反光膜。区域902、区域903、区域904、区域905的最小维度的尺寸应小于人眼的瞳孔，比如小于1mm，以免人眼在同一位置只接收同一类区域耦出的光，导致偏色。从耦入光栅402耦入的彩色光，在波导基片101中传输时，红色光之在区域902发生衍射，绿色光之在区域903发生衍射，蓝色光之在区域904发生衍射，从而避免了耦出镜片的光线方向与耦入光线方向不一致也不成镜像。
将前文所述的部分或全部将不同区域制作不同特性的膜层和光栅分区结合起来，可以实现大视场单片彩色显示。如果以一束经耦入光栅402中一片区域902耦入至波导镜片的红光为例，对大视场单片彩色显示做进一步说明，被耦入红光的光束尺寸以粗线框906表示(大小、形状等于位于耦入光栅402中的一片区域902尺寸和形状)；光束到达出瞳扩展光栅403后，全反射过程中光束与区域903、区域904和区域905重叠时无法到达光栅层，因而不发生衍射；部分或全部与区域902时重叠一部分被衍射向耦出光栅404传输，尺寸如粗线框907所示；到达耦出光栅404后，全反射过程中光束与区域903、区域904和区域905重叠时无法到达光栅层，因而不发生衍射。
图15为本发明实施例六提供的另一种衍射光波导镜片的结构示意图，如图15所示，部分或全部与区域902时重叠一部分被衍射耦出波导镜片，尺寸如图15中粗线框908-910所示，这里所描述的为一片区域902所衍射的光，因此耦出的光线比较稀疏，但不代表实际使用的情形。
其他颜色的光在镜片中传输及扩展过程与红色光相同，此处不再赘述。
本实施例通过分区域制作膜层、叠加二向色膜、分区光栅实现单片彩色的显示，在实现Eyebox均匀性的基础上进一步改善显示性能。
需要说明的是，上述各实施例中区域可以是矩形、圆形等规则形状，也可以是任意的不规则形状，各区域的面积可以相等，也可以不相等；可以是角度透过率、光谱透过率等不同性能薄膜的任意组合，也可以和光栅分区结合起来；本发明中的波导镜片也可以两层或多层叠加使用，每层波导镜片的透过率不同，或传输不同颜色或不同视场的光。
综上所述，采用本发明实施例提供的一种衍射光波导镜片，具有以下效果：
通过在光栅和波导基片之间制作膜层，增加调节变量，可以改善衍射光波导显示装置的Eyebox均匀性、提高效率、提高大角度视场光线密度、实现单片波导镜片大角度彩色显示。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种衍射光波导镜片，其特征在于，包括：
波导基片，分为多个区域；
光栅，对应波导基片的不同区域进行设置；以及
膜层，设置在波导基片和光栅之间，且至少设置在波导基片上的部分区域。
2.如权利要求1所述的衍射光波导镜片，其特征在于，所述膜层为单层膜或多层具有不同折射率的膜层叠加而成的膜系。
3.如权利要求2所述的衍射光波导镜片，其特征在于，所述光栅包括耦入光栅、出瞳扩展光栅和耦出光栅。
4.如权利要求3所述的衍射光波导镜片，其特征在于，所述部分区域包括出瞳扩展光栅对应的第一区域和耦出光栅对应的第二区域。
5.如权利要求4所述的衍射光波导镜片，其特征在于，所述膜层为反光膜，在第一区域内和第二区域内，所述反光膜的面积沿着光束的传播方向逐渐变小。
6.如权利要求4所述的衍射光波导镜片，其特征在于，所述膜层为分光膜，所述第一区域和所述第二区域沿光束的传播方向分为多个子区域，在第一区域和第二区域内的多个子区域中，所述分光膜的透过率沿着光束的传播方向均逐渐增大。
7.如权利要求5或6所述的衍射光波导镜片，其特征在于，在第一区域内和第二区域内，所述反光膜或所述分光膜的透过率随光束的入射角变化，当入射角小于全反射临界角时，透过率为1；当入射角大于全反射临界角时，透过率减小。
8.如权利要求3所述的衍射光波导镜片，其特征在于，所述部分区域包括耦出光栅对应的第二区域，所述膜层设置在耦出光栅对应的第二区域，所述第二区域按照对应Eyebox的不同位置分为第一子区域、第二子区域和第三子区域，其中正对Eyebox位置的部分为第二子区域，第一子区域和第三子区域分别位于第二子区域的两侧；
当入射角小于全反射临界角时，膜层在第一子区域、第二子区域和第三子区域的透过率为1；当入射角大于全反射临界角时，膜层在第一子区域、第二子区域和第三子区域的透过率呈现不同的变化。
9.如权利要求1所述的衍射光波导镜片，其特征在于，在波导基片的另一面还设置有背面膜层和背面光栅。
10.如权利要求2-6、8-9中任一项所述的衍射光波导镜片，其特征在于，还包括：
材料层，设置在膜层和光栅之间；
其中所述材料层对应不同区域具有不同的滤光特性。
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