CN113960796A - 衍射光波导、显示设备及衍射光波导设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于光学扩瞳的衍射光波导、包括该衍射光波导的显示设备以及衍射光波导设计方法，所述衍射光波导包括波导基板和设置在基板之上或之中的耦入光栅和耦出光栅，其中耦出光栅至少部分地形成在一随机分区区域上，该随机分区区域包括多个分区，耦出光栅包括形成在多个分区中的多个子光栅，并且至少部分分区中的子光栅具有不同的光学结构。根据本发明实施例的衍射光波导及其设计方法中，在一定区域内随机形成耦出光栅的分区，在不同的分区中采用不同的光栅光学结构，以最终波导效果作为评价进行优化设计，相比于其它衍射光波导及其设计方法中规则分区及/或固定光栅结构具有更高的设计自由度，其优化结果亦能够更趋近于最优解。

Description

衍射光波导、显示设备及衍射光波导设计方法

技术领域

本发明涉及基于衍射的显示技术，特别是可用于增强现实显示的衍射光波导、包括该衍射光波导的显示设备以及衍射光波导设计方法。

背景技术

随着半导体工艺的高度发展，人与计算机之间的交互方式正在飞速发展，其中增强现实(Augmented Reality，AR)显示可以提供给人类以更多维度的信息，得到人们的广泛关注。AR眼镜是增强现实显示领域的重要媒介之一。现有的基于几何光学的AR眼镜使用自由曲面方案，其存在尺寸限制；基于阵列光波导的AR眼镜的设计原理相对简单，但是工艺难度较大，不适合大规模量产，并且由于阵列光波导需要搭配特定光机也制约了其大规模推广。

衍射光波导具有可量产性强、轻薄等优势，在AR显示领域逐渐得到认可，并有望成为未来AR领域的主流技术发展方向。用于AR显示的衍射光波导，尤其是二维光栅波导，由于其光栅具有多级次衍射且光栅对偏振敏感，所以整个波导耦合系统具有很高的无规律性，若不对光栅区域进行分区优化，则最终视窗(eyebox)范围内，人眼在不同的位置接收到的光强不同，会使得使用衍射光波导作为AR眼镜的显示模组难以被人感官所接受。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于光学扩瞳的衍射光波导、包括该衍射光波导的显示设备以及衍射光波导设计方法，它们能够改善衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性，至少部分地克服了现有技术中的不足。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于光学扩瞳的衍射光波导，其包括波导基板和设置在所述波导基板之上或之中的耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅配置为将输入光束耦合到所述波导基板中以使之通过全反射被耦合到所述耦出光栅，其中，所述耦出光栅至少部分地形成在一随机分区区域上，所述随机分区区域包括具有随机形成的形状、大小及/或位置的多个分区，所述耦出光栅包括形成在所述多个分区中的多个子光栅，并且至少部分分区中的所述子光栅具有不同的光学结构。

根据本发明实施例，所述多个子光栅构造为使得所述衍射光波导的出射光场的光能量分布基本上均匀。

优选地，所述多个子光栅包括二维光栅，并且所述二维光栅具有第一光栅矢量、第二光栅矢量和第三光栅矢量。

优选地，所述多个子光栅中的二维光栅具有彼此相同的光栅矢量。

在一些实施例中，所述耦出光栅可以关于一中轴线对称。

优选地，所述多个分区为根据维诺图划分的维诺分区。

更优选地，所述多个分区为根据基于随机撒点形成的维诺图划分的维诺分区。

优选地，所述多个分区包括其中不形成所述子光栅的非衍射分区，所述非衍射分区的面积小于预定阈值，所述预定阈值小于或等于人眼平均瞳孔面积，优选小于或等于人眼平均瞳孔面积的二分之一。更优选地，所述多个分区包括至少一个分区，其面积小于或等于至少一个所述非衍射分区并且其中形成有所述子光栅。

优选地，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有与另一个分区中的所述子光栅的光学结构不同的横截面形状及/或尺寸。

优选地，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有不规则的横截面形状。

优选地，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有与另一个分区中的所述子光栅的光学结构不同的高度或深度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种显示设备，该显示设备包括如上所述的衍射光波导。

优选地，所述显示设备为近眼显示设备，并且包括镜片和用于将镜片保持为靠近眼睛的框架，所述镜片包括所述衍射光波导。

优选地，所述显示设备为增强现实显示设备。

根据本发明的又一个方面，提供了一种用于光学扩瞳的衍射光波导的设计方法，该设计方法包括以下处理：

(1)在待形成耦出光栅的一目标区域中进行随机分区，形成多个分区，所述多个分区具有随机形成的形状、大小及/或位置；

(2)对所述多个分区中的子光栅进行初始化，其中每个所述子光栅包括多个光学结构；以及

(3)以每个所述子光栅的光学结构的至少一个参数为优化变量，进行优化处理，得到一项优化结果，其中所述优化处理的优化目标包括所述衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性。

优选地，处理(3)中，所述优化变量包括所述光学结构的横截面形状及/或尺寸以及/或者所述光学结构的高度或深度，并且所述优化处理使得至少部分分区中的所述子光栅具有不同的光学结构。

优选地，处理(2)中，所述初始化使得每个所述子光栅的光学结构为柱状结构；并且处理(3)中，所述优化处理包括通过对所述柱状结构的横截面的膨胀和腐蚀处理。

优选地，处理(3)中，所述优化处理的优化目标还包括所述衍射光波导的光能量耦合效率。

优选地，处理(1)可以包括：在所述目标区域中随机撒点，基于该随机撒点生成维诺图，并根据该维诺图进行分区。

优选地，处理(2)可以包括：

(2a)选择性地将面积小于预定阈值的分区中的至少一部分分区设置为非衍射分区，在所述非衍射分区中不形成所述子光栅，所述预定阈值小于或等于人眼平均瞳孔面积，优选小于或等于人眼平均瞳孔面积的二分之一；以及

(2b)对所述非衍射分区以外的分区中的子光栅进行初始化。

优选地，所述设计方法还可以包括以下处理：

(4)改变对所述目标区域的随机分区，形成新的多个分区，并基于所述新的多个分区，重复执行处理(2)至处理(3)，得到多项优化结果；以及

(5)比较所述多项优化结果，根据最符合所述优化目标的一项优化结果，确定所述衍射光波导的分区和对应的子光栅的优化光学结构。

优选地，处理(1)可以包括：获取撒点数M，在所述目标区域中随机撒下M个点，基于该M个点生成维诺图，并根据该维诺图进行分区；并且处理(4)包括：改变撒点数M，基于该改变的撒点数M在所述目标区域中重新随机撒点，生成新的维诺图，并根据新的维诺图进行分区。

优选地，所述设计方法还可以包括以下处理：

(3a)改变对所述非衍射分区的设置，形成新的非衍射分区，并基于所述新的非衍射分区，重复执行处理(2b)和处理(3)，得到对应于同一随机分区的优化结果。

优选地，所述设计方法还可以包括以下处理：

(4’)改变对所述目标区域的随机分区，形成新的多个分区，并基于所述新的多个分区，重复执行处理(2)、处理(3)和处理(3a)，得到对应于多种随机分区的多项优化结果；以及

(5’)比较所述多项优化结果，根据最符合所述优化目标的一项优化结果，确定所述衍射光波导的分区和对应的子光栅的优化光学结构。

根据本发明实施例的衍射光波导及其设计方法中，在一定区域内随机形成耦出光栅的分区，在不同的分区中采用不同的光栅光学结构，以最终波导效果作为评价进行优化设计，相比于其它衍射光波导及其设计方法中规则分区及/或固定光栅结构具有更高的设计自由度，其优化结果亦能够更趋近于最优解。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的一示例的示意图，其中衍射光波导的整个耦出光栅形成在随机分区区域上；

图2示意性地示出了根据本发明实施例的衍射光波导对光的耦入、传播和耦出情况；

图3示意性地示出了根据本发明实施例的衍射光波导的耦入光栅和耦出光栅的光栅矢量的示例；

图4示意性地示出了耦出光栅的子光栅的光学结构的不同示例；

图5为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的另一示例的示意图，其中衍射光波导的耦出光栅的一部分形成在随机分区区域上；

图6为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的又一示例的示意图，其中衍射光波导的耦出光栅为非对称结构的；

图7为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的设计方法的流程图；

图8为可用于图7所示衍射光波导设计方法的随机分区方法的一示例的流程图；

图9示意性地示出了根据图8所示方法进行随机分区的一个示例；

图10示意性地示出了根据图8和图9所示方法和示例得到的衍射光波导的分区的一个示例；

图11为图7所示衍射光波导设计方法的一个扩展例的流程图；

图12示意性地示出了根据图11所示扩展例得到的衍射光波导的分区的另一示例；

图13为图7所示衍射光波导设计方法的另一扩展例的流程图；

图14示意性地示出了根据图13所示扩展例得到的衍射光波导分区的一示例，其中设置有非衍射分区；

图15为图14中虚线圆圈所标示部分的局部放大示意图；

图16示意性地示出了根据图13所示扩展例得到的衍射光波导分区的另一示例，其中设置有不同于图14所示的非衍射分区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

首先，参照附图介绍根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导。

图1为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的一示例即衍射光波导10的示意图。图2示意性地示出了根据本发明实施例的衍射光波导对光的耦入、传播和耦出情况。如图1所示，用于光学扩瞳的衍射光波导10包括波导基板10a和设置在波导基板10a之上或之中的耦入光栅11和耦出光栅12。如图2中更加清楚地显示的，耦入光栅11配置为将输入光束b1耦合到波导基板10a中以使之通过全反射被耦合到耦出光栅12。为了实现光学扩瞳，如图2所示，耦出光栅12在接收到来自耦入光栅11的较细的入射光束之后，通过在平面内的两个方向上不断衍射扩展光束并同时部分地将光从波导基板10a中耦出，实现在所述平面内扩展光瞳的作用，使得观察者能够在较大的视窗EB(见图2)内观察到入射光束所携带的显示信息。

返回参照图1，根据本发明实施例，耦出光栅12形成在随机分区区域12a上，该随机分区区域12a包括具有随机形成的形状、大小及/或位置的多个分区(例如图1所示分区d1、d2、d3)。根据本发明实施例，衍射光波导10的耦出光栅12包括形成在该多个分区中的多个子光栅(例如形成在分区d1、d2、d3中的子光栅g1、g2、g3)，并且至少部分分区中的子光栅具有不同的光学结构。

根据本发明实施例的衍射光波导在耦出光栅的一定区域内采用随机形成的分区，并在不同的分区中采用不同的光栅光学结构，使得能够以出射光场的光能量分布均匀性为目标而对不同分区中的子光栅进行优化，而且相比于具有规则的分区及/或固定的光栅结构的衍射光波导具有更高的设计自由度，其优化结果亦更趋近于最优解。

优选地，耦出光栅的多个子光栅构造为使得衍射光波导的出射光场的光能量分布基本上均匀。

根据本发明实施例，优选地，耦出光栅12的随机分区区域12a中的多个分区为根据维诺(Voronoi)图划分的维诺分区。更优选地，多个分区为根据基于随机撒点形成的维诺图划分的维诺分区。维诺图用于描述空间临近关系，其用不规则的小面块逼近自然界不规律的单元。在本发明中，利用维诺图，特别是基于随机撒点形成的维诺图，有效地实现了随机分区，避免和消除了分区过程中有关形状、位置和大小的固定规则，为衍射光波导的优化设计提供了尽可能高的自由度，从而使得能够通过优化设计尽可能地趋近于最优解。

在图1所示示例中，耦入光栅11相对于耦出光栅12在图中所示上下方向上对中布置，其中耦出光栅12的中轴线cc在垂直于波导基板10a的平面(图1的图纸平面内)经过耦入光栅11。这种情况下，为了在耦出光栅12的出射光场中获得均匀的光能量分布，优选地，耦出光栅12在上下方向上可以相对于中轴线cc呈对称结构，如图1所示。

尽管图2中将耦入光栅11和耦出光栅12示出为都形成在波导基板10a的同一表面上，但是在其它一些情况下耦入光栅11和耦出光栅12可以分别形成在波导基板10a的彼此相反的两个表面上，在另一些情况下耦入光栅11和耦出光栅12中的任一者还可以形成在波导基板10a的内部。应该理解，根据本发明的衍射光波导并不限于耦入光栅和耦出光栅在波导基板中的任何具体位置。

图3示意性地示出了衍射光波导10的耦入光栅11和耦出光栅12的光栅矢量。有利地，耦入光栅11可以采用一维光栅，其具有光栅矢量G0。耦出光栅12的多个子光栅优选包括二维光栅，并且优选地，如图3所示，这样的二维子光栅具有第一光栅矢量G1、第二光栅矢量G2和第三光栅矢量G3。在图3的图示中，为了清楚起见，将光栅矢量G1、G2、G3分开画出，但是应该理解，对于作为二维光栅的子光栅，在任一处都可以同时存在/形成上述三个光栅矢量。例如参见图4，二维光栅中可以包括在三个方向上呈周期性布置的多个光学结构s1/s2，从而在三个方向上分别形成光栅矢量。在本申请中，“光栅矢量”的方向为光栅的结构周期性变化/布置所沿的方向(例如垂直于光栅刻线/线槽的方向)，“光栅矢量”的大小为2π/t，其中t为光栅结构在“光栅矢量”的方向上的周期/间距。

为了提高衍射光波导的光耦合效率，优选地，耦出光栅12的多个分区中的二维子光栅具有彼此相同的光栅矢量。

应该理解的是，根据本发明实施例的衍射光波导中的耦出光栅也可以包括分别具有例如图3所示的第一光栅矢量G1和第二光栅矢量G2的两个一维光栅，尽管没有示出，但是这两个一维光栅例如可以分别形成于波导基板10a的彼此相对的两个表面上。这种情况下，如图1所示的耦出光栅12的随机分区区域12a中的随机分区可以例如同样地应用于这两个一维光栅，从而实现相同或类似的技术效果。为了讨论的清晰简洁起见，以下将以耦出光栅的子光栅为二维光栅为例进行讨论。

为了便于理解，图4示意性地示出了可用于耦出光栅子光栅的具有不同横截面的光学结构的示例。图4中的图形(a)中示出了作为二维光栅的耦出光栅子光栅中的光学结构s1，光学结构s1为横截面为正方形的柱状结构；图形(b)示出了作为二维光栅的耦出光栅子光栅中的光学结构s2，光学结构s2为横截面为不规则形状的柱状结构。应该理解，图4的图示仅为示例性的，而非限制性的，根据本发明的衍射光波导中的耦出光栅所采用的子光栅光学结构可以具有其它不同的横截面形状，例如圆形、三角形、平行四边形、椭圆形之类的基本几何形状或由这些基本几何形状简单组合(包括“相加”或“相减”)形成的、在此称为“规则形状”的形状。应该注意的是，本申请中出现的“不规则形状”指的是上述基本几何形状以及“规则形状”以外的形状。作为补充或替代，不同分区的子光栅的光学结构还可以具有不同的横截面尺寸。

此外，根据本发明实施例，衍射光波导的耦出光栅的子光栅的光学结构还可以具有不同的高度或深度(垂直于图4的图面方向上)。

此外，尽管没有示出，耦出光栅12的随机分区区域12a的多个分区可以包括其中不形成子光栅的非衍射分区，这样的非衍射分区的面积小于预定阈值，预定阈值优选小于或等于人眼平均瞳孔面积，优选小于或等于人眼平均瞳孔面积的二分之一。在非衍射分区中，由于没有形成光栅结构，光在该区域中通过全反射在波导基板中继续传播，而不被耦出，所以非衍射分区中的耦出光强理论上为零；但是由于非衍射分区的面积小于人眼平均瞳孔面积，所以上述耦出光强为零的情况并不直接被人眼感受到。通过设置这样的非衍射分区，一方面可以作为调节或抑制特定区域中的光耦出效率的手段，增大优化设计的自由度，另一方面可以省去在这样较小的区域中进行子光栅光学结构优化的工作负担，提高优化效率。

优选地，对于面积小于上述预定阈值的分区，可以选择仅将其中的一部分设置为非衍射分区，从而耦出光栅的随机分区区域的多个分区中包括至少一个分区，其面积小于或等于至少一个非衍射分区并且其中形成有子光栅。这样，可以避免当若干个面积小于上述预定阈值的分区彼此邻接而又都被设置为非衍射分区时，实际上连续的非衍射分区的面积超出人眼平均瞳孔面积，给基于该衍射光波导的显示造成人眼可见的“暗区”。此外，由于非衍射分区的设置是有选择地进行的，而非基于分区的面积而按照固定的规则设置的，所以可以为优化设计提供更大的自由度，从而允许达到更优的效果。关于非衍射分区的设置在下文中介绍根据本发明的衍射光波导设计方法时参照附图更加详细地说明，在此不再赘述。

图1所示示例中，衍射光波导10的整个耦出光栅12都形成在随机分区区域12a上，而且耦出光栅12关于中轴线cc呈对称结构。然而，根据本发明实施例的衍射光波导并不限于图1所示的上述构造。

例如，图5为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的另一示例的示意图，其中衍射光波导10’的耦出光栅12’的一部分形成在随机分区区域12a上，另一部分形成其它区域12b上，这里“其它区域”可以时规则分区区域也可以不进一步分区的区域。如图5所示，优选地，耦出光栅12’的随机分区区域12a布置为相对于其它区域12b更加靠近耦入光栅11，这是因为靠近耦入光栅11的区域中传播的光能量密度更高，耦出光栅12’的光瞳扩展能力(包括例如出射光场的光能量分布均匀性和光耦出效率)的影响更大，更加需要通过基于随机分区的优化设计来提高其光瞳扩展能力。

此外，图6为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的又一示例的示意图，其中衍射光波导10”的耦入光栅11”相对于耦出光栅12”在图6所示上下方向上被偏置，相应地耦出光栅12”及其随机分区区域12a”中的分区形成为非对称结构的，以在偏置的光耦入条件下实现良好的光学扩瞳。当然，应该理解，图6所示示例仅为举例说明的目的，而非限制性的，根据本发明实施例的衍射光波导还可能在其它不同情况下采取非对称结构。

尽管没有示出，本发明还提供一种显示设备，该显示设备包括根据本发明实施例的如上所述的衍射光波导。优选地，显示设备为近眼显示设备，并且包括镜片和用于将镜片保持为靠近眼睛的框架，其中镜片包括根据本发明实施例的衍射光波导。优选地，显示设备为增强现实显示设备。

接下来将参照附图介绍根据实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的设计方法。

图7为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的设计方法1的流程图。如图7所示，衍射光波导设计方法1包括以下处理：

S1：在待形成耦出光栅的一目标区域中进行随机分区，形成多个分区，该多个分区具有随机形成的形状、大小及/或位置；

S2：对多个分区中的子光栅进行初始化，其中每个子光栅包括多个光学结构；以及

S3：以每个子光栅的光学结构的至少一个参数为优化变量，进行优化处理，得到一项优化结果。

根据本发明实施例的衍射光波导设计方法1中的“目标区域”对应于根据本发明实施例的衍射光波导中的耦出光栅的随机分区区域，例如图1所示的随机分区区域12a以及图5所示的随机分区区域12a’，即耦出光栅的意图要基于随机分区来优化设计的区域；该目标区域可以形成为耦出光栅的整个区域，也可以时耦出光栅所占区域的一部分。

根据本发明实施例的衍射光波导设计方法1中的优化处理的优化目标包括衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性。在一些实现方式中，可以采用视窗EB(见图3)的范围(能够看到图像的人眼活动范围)内的光能量分布非均匀性来表征衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性。在另一些实现方式中，可以采用人眼E在任一位置能够接收/看到的视角范围e(见图3)内的光能量均匀性来表征衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性。作为替代，在其它实现方式中，也可以结合采用上述两者表征光能量分布均匀性的方式，例如通过加权计算。

优选地，优化处理的优化目标还可以包括光能量耦合效率。若进入衍射光波导的耦入光栅的入射光能量为I_in，从耦出光栅出射的视窗EB内的总光能量为I_E，则衍射光波导的光能量耦合效率为r＝I_E/I_in。作为示例，根据本发明实施例的衍射光波导设计方法1可以将光能量耦合效率r大于或等于一预定值作为优化目标之一。

“优化处理”在这里指的是这样一个处理过程：通过改变优化变量(例如子光栅光学结构的至少一个参数)的赋值获得对应于优化目标的多个结果(例如表示光能量分布均匀性及/或光能量耦合效率的量值)，并以是否符合优化目标为标准，选择其中一个结果并将该结果对应的优化变量的赋值以及其它参数(例如以下参照图11和图13所介绍的非衍射光栅分区的设置情况以及/或者随机分区的情况)作为优化结果。

图8为随机分区方法的一示例的流程图，该随机分区方法可用于衍射光波导设计方法1的处理S1。如图所示，该随机分区方法/处理S1可以包括以下步骤：

S1a：在目标区域中随机撒点；

S1b：基于该随机撒点生成维诺图；以及

S1c：根据该维诺图进行分区。

优选地，在步骤S1a中可以首先基于例如目标区域的面积确定随机撒点的点数M。

为了便于理解，图9示意性地示出了根据图8所示方法进行随机分区的一个示例。图9中从左到右依次示出了通过步骤S1a得到的随机撒点形图形A、通过步骤S1b基于随机撒点图形A得到的维诺图B以及通过步骤S1c基于维诺图B得到的随机分区图C。

图10进一步示出了根据图8和图9所示方法和示例得到的衍射光波导的分区的一个示例，其中衍射光波导100包括波导基板100a和形成在波导基板100a之上或之中的耦入光栅110和耦出光栅120，并且耦出光栅120在目标区域120a中形成有如图9中的随机分区图C所示的分区。

返回参照图7，衍射光波导设计方法1的处理S2中，对多个分区中的子光栅进行初始化。初始化得到包括多个光学结构的各个子光栅。优选，在处理S2中使得不同分区中的二维子光栅具有相同的光栅矢量。在一些实现方式中，该初始化可以使得每个子光栅的光学结构为柱状结构，例如为如图4中图形(a)所示的具有正方形横截面的柱状光学结构。在处理S3的优化处理中可以包括通过对这些柱状结构的横截面的膨胀和腐蚀处理，得到具有优化的横截面的柱状结构，例如如图4中图形(b)所示的具有不规则横截面的柱状结构。仅作为示例，可以采用例如遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)、模拟退火算法(SA)，以柱状结构作为起始点优化子光栅的光学结构的横截面的形状及/或尺寸。上述介绍的通过膨胀和腐蚀处理对子光栅光学结构的横截面进行优化，为子光栅光学结构的设计提供了更高的自由度，从而使得优化结果能够更加趋于最优解。

此外，衍射光波导设计方法1的处理S3中还可以将子光栅的光学结构的高度或深度作为优化变量进行优化处理。总之，经过优化处理，随机分区中的至少部分分区的子光栅具有不同的光学结构。

处理S3中得到的优化结果可以包括但不限于例如衍射光波导的分区、子光栅的优化光学结构以及对应的光能量分布均匀性。

根据本发明实施例的衍射光波导设计方法在耦出光栅的一定区域内采用随机形成的分区，并对不同的分区中的子光栅的光学结构进行优化，使得能够避免/消除固定的分区规则及/或固定的光栅结构对衍射光波导设计带来的局限，提高了设计自由度，从而使得优化结果亦更趋近于最优解。

图11为图7所示衍射光波导设计方法的一个扩展例(即衍射光波导设计方法2)的流程图。如图11所示，衍射光波导设计方法2包括以下处理：

S1：在待形成耦出光栅的一目标区域中进行随机分区，形成多个分区，该多个分区具有随机形成的形状、大小及/或位置；

S2：对多个分区中的子光栅进行初始化，其中每个子光栅包括多个光学结构；

S3：以子光栅的光学结构的至少一个参数为优化变量，进行优化处理，得到一项优化结果；

S4：改变对所述目标区域的随机分区，形成新的多个分区，并基于新的多个分区，返回执行处理S2，从而重复执行处理S2至处理S3，得到多项优化结果；以及

S5：比较多项优化结果，根据最符合优化目标的一项优化结果，确定所述衍射光波导的分区和对应的子光栅的优化光学结构。

衍射光波导设计方法2的上述处理S1、处理S2和处理S3与图7所示衍射光波导设计方法1中的处理S1、处理S2和处理S3相同，在此不再赘述。

衍射光波导设计方法2的处理S5中的优化目标可以与处理S3中的优化处理的目标一致，具体可以参见以上对图7所示设计方法1的优化处理的优化目标的讨论，在此不再赘述。

在优选实现方式中，衍射光波导设计方法2的处理S4可以包括：基于图9所示的随机分区方法，改变撒点数M，基于该改变的撒点数M在所述目标区域中重新随机撒点，生成新的维诺图，并根据新的维诺图进行分区。这种情况下，撒点数M亦作为衍射光波导设计方法2的一类优化变量。

在另一些实现方式中，在处理S4中也可以例如不改变撒点数而重新撒点，生成新的维诺图，并根据新的维诺图进行分区。

应该理解的是，根据本发明实施例的衍射光波导设计方法可以不限于特定的随机分区方法，而在不基于维诺图进行随机分区的情况下，在处理S4中，可以采用相应的重新随机分区的方法。

为了便于理解，图12示意性地示出了根据衍射光波导设计方法2得到的衍射光波导的新的随机分区的另一示例，其中衍射光波导200包括波导基板200a和形成在波导基板200a之上或之中的耦入光栅210和耦出光栅220，并且耦出光栅220在目标区域220a中形成有不同于图9中的随机分区图C所示的分区。

根据衍射光波导设计方法2，在处理S4之后，将基于新的随机分区，返回执行处理S2，从而重复执行处理S2至处理S3，得到多项优化结果。该重复执行的过程在此不再赘述。

总之，衍射光波导设计方法2中，在图7所示设计方法1的优化处理的基础上，进一步将随机分区本身作为优化变量，进一步提高了设计的自由度，有利于获得更加趋近于最优的优化结构。

图13为图7所示衍射光波导设计方法的另一扩展例(即衍射光波导设计方法3)的流程图。如图13所示，衍射光波导设计方法3包括以下处理：

S1：在待形成耦出光栅的一目标区域中进行随机分区，形成多个分区，该多个分区具有随机形成的形状、大小及/或位置；

S2a：选择性地将面积小于预定阈值的分区中的至少一部分分区设置为非衍射分区；

S2b：对所述非衍射分区以外的分区中的子光栅进行初始化

S3：在保持子光栅的光栅矢量不变的条件下，以子光栅的光学结构的至少一个参数为优化变量，进行优化处理，得到一项优化结果；

S3a：改变对非衍射分区的设置，形成新的非衍射分区，并基于新的非衍射分区，返回执行处理S2b，从而重复执行处理S2b至处理S3，得到对应于同一随机分区的多项优化结果；

S4’：改变对目标区域的随机分区，形成新的多个分区，并基于所述新的多个分区，返回执行处理S2a，从而重复执行处理S2a至处理S3，得到对应于多种随机分区的多项优化结果；以及

S5’：比较多项优化结果，根据最符合优化目标的一项优化结果，确定所述衍射光波导的分区和对应的子光栅的优化光学结构。

衍射光波导设计方法3的上述处理S1、处理S3和处理S5’与图11所示衍射光波导设计方法2中的处理S1、处理S3和处理S5相同，在此不再赘述。

衍射光波导设计方法3的处理S4’中改变对目标区域的随机分区可以通过与图11所示衍射光波导设计方法2中的处理S4中相同方式来实现，在此不再赘述。

衍射光波导设计方法3与衍射光波导设计方法2的主要不同之处在于，衍射光波导设计方法3中在随机分区的基础上进一步设置了非衍射分区，非衍射分区为其中不形成子光栅的分区。这样，在设计方法3中对随机分区中的子光栅进行初始化的处理分为了两个部分，即图13所示的处理S2a和处理S2b。在优选的实现方式中，在处理S2a中，选择面积小于预定阈值的分区作为非衍射分区，其中预定阈值小于或等于人眼平均瞳孔面积，优选小于或等于人眼平均瞳孔面积的二分之一。

如以上介绍根据本发明实施例的衍射光波导时所讨论的，在非衍射分区中，由于没有形成光栅结构，光在该区域中通过全反射在波导基板中继续传播，而不被耦出，所以非衍射分区中的耦出光强理论上为零；但是由于非衍射分区的面积小于人眼平均瞳孔面积，所以上述耦出光强为零的情况并不直接被人眼感受到。衍射光波导设计方法3通过设置这样的非衍射分区，一方面可以调节或抑制特定区域中的光耦出效率，增大优化设计的自由度，另一方面可以省去在这样较小的区域中进行子光栅光学结构优化的工作负担，提高优化效率。

优选地，在处理S2a中，对于面积小于上述预定阈值的分区，可以选择仅将其中的一部分设置为非衍射分区。这样，可以避免当若干个面积小于上述预定阈值的分区彼此邻接而又都被设置为非衍射分区时，实际上连续的非衍射区域的面积超出人眼平均瞳孔面积，给基于该衍射光波导的显示造成人眼可见的“暗区”。为了便于理解，图14示意性地示出了衍射光波导分区的一示例，其中设置有非衍射分区；图15示出了图14中虚线圆圈所标示部分的局部放大示意图。图14所示衍射光波导200A具有与图12所示衍射光波导200基本上相同的结构和分区，不同之处主要在于在衍射光波导200A的耦出光栅220的随机分区区域220a中进一步设置了非衍射分区221。如图15更加清楚地示出的，如果若干个面积小于预定阈值但是彼此邻接的分区都被设置为非衍射分区(见图5所示非衍射分区221a、221b和221c)，则这些非衍射分区可能形成面积大于所述预定阈值的连续的非衍射区域。所以，在处理S2a中，对于面积小于上述预定阈值的分区，有选择地仅将其中的一部分设置为非衍射分区是有利的。

此外，由于非衍射分区的设置是有选择地进行的，而非基于分区的面积而按照固定的规则设置的，所以可以为优化设计提供更大的自由度，从而允许达到更优的效果。

仅为示例的目的，图16示意性地示出了根据衍射光波导设计方法3得到的衍射光波导分区的另一示例，其中对于面积小于预定阈值的分区，仅将其中一部分分区设置为非衍射分区。具体而言，图16所示衍射光波导200B具有与图15所示衍射光波导200A基本上相同的结构和分区，不同之处仅在于：在衍射光波导200B中，随机分区区域220a的面积小于预定阈值的分区中，仅其中一部分分区设置为非衍射分区。

衍射光波导设计方法3可选并且优选包括处理S3a。通过在处理S3a中改变对非衍射分区的设置，并返回执行处理S2b和处理S3，设计方法3可以将非衍射分区的设置作为优化变量，这样使得能够找到同一随机分区下的优化的非衍射分区以及对应的子光栅的优化光学结构，提高了设计自由度，有利于获得更加优化的设计方案。

此外，应该理解的是，衍射光波导设计方法3中的处理S2a和处理S2b也可以被结合到例如图7所示的设计方法1中以替代处理S2。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (25)

1.一种用于光学扩瞳的衍射光波导，包括波导基板和设置在所述波导基板之上或之中的耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅配置为将输入光束耦合到所述波导基板中以使之通过全反射被耦合到所述耦出光栅，其中，

所述耦出光栅至少部分地形成在一随机分区区域上，所述随机分区区域包括具有随机形成的形状、大小及/或位置的多个分区，所述耦出光栅包括形成在所述多个分区中的多个子光栅，并且至少部分分区中的所述子光栅具有不同的光学结构。

2.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述多个子光栅构造为使得所述衍射光波导的出射光场的光能量分布基本上均匀。

3.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述多个子光栅包括二维光栅，并且所述二维光栅具有第一光栅矢量、第二光栅矢量和第三光栅矢量。

4.如权利要求3所述的衍射光波导，其中，所述多个子光栅中的二维光栅具有彼此相同的光栅矢量。

5.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述耦出光栅关于一中轴线对称。

6.如权利要求1-5中任一项所述的衍射光波导，其中，所述多个分区为根据维诺图划分的维诺分区。

7.如权利要求6所述的衍射光波导，其中，所述多个分区为根据基于随机撒点形成的维诺图划分的维诺分区。

8.如权利要求1-5中任一项所述的衍射光波导，其中，所述多个分区包括其中不形成所述子光栅的非衍射分区，所述非衍射分区的面积小于预定阈值，所述预定阈值小于或等于人眼平均瞳孔面积，优选小于或等于人眼平均瞳孔面积的二分之一。

9.如权利要求8所述的衍射光波导，其中，所述多个分区包括至少一个分区，其面积小于或等于至少一个所述非衍射分区并且其中形成有所述子光栅。

10.如权利要求1-5中任一项所述的衍射光波导，其中，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有与另一个分区中的所述子光栅的光学结构不同的横截面形状及/或尺寸。

11.如权利要求1-5中任一项所述的衍射光波导，其中，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有不规则的横截面形状。

12.如权利要求1-5中任一项所述的衍射光波导，其中，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有与另一个分区中的所述子光栅的光学结构不同的高度或深度。

13.一种显示设备，包括如权利要求1-12中任一项所述的衍射光波导。

14.如权利要求13所述的显示设备，其中，所述显示设备为近眼显示设备，并且包括镜片和用于将镜片保持为靠近眼睛的框架，所述镜片包括所述衍射光波导。

15.如权利要求13或14所述的显示设备，其中，所述显示设备为增强现实显示设备。

16.一种用于光学扩瞳的衍射光波导的设计方法，包括以下处理：

(1)在待形成耦出光栅的一目标区域中进行随机分区，形成多个分区，所述多个分区具有随机形成的形状、大小及/或位置；

(2)对所述多个分区中的子光栅进行初始化，其中每个所述子光栅包括多个光学结构；以及

(3)以每个所述子光栅的光学结构的至少一个参数为优化变量，进行优化处理，得到一项优化结果，其中所述优化处理的优化目标包括所述衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性。

17.如权利要求16所述的衍射光波导的设计方法，其中，处理(3)中，所述优化变量包括所述光学结构的横截面形状及/或尺寸以及/或者所述光学结构的高度或深度，并且所述优化处理使得至少部分分区中的所述子光栅具有不同的光学结构。

18.如权利要求17所述的衍射光波导的设计方法，其中，处理(2)中，所述初始化使得每个所述子光栅的光学结构为柱状结构；并且处理(3)中，所述优化处理包括通过对所述柱状结构的横截面的膨胀和腐蚀处理。

19.如权利要求16所述的衍射光波导的设计方法，其中，处理(3)中，所述优化处理的优化目标还包括所述衍射光波导的光能量耦合效率。

20.如权利要求16所述的衍射光波导的设计方法，其中，处理(1)包括：在所述目标区域中随机撒点，基于该随机撒点生成维诺图，并根据该维诺图进行分区。

21.如权利要求16所述的衍射光波导的设计方法，其中，处理(2)包括：

(2a)选择性地将面积小于预定阈值的分区中的至少一部分分区设置为非衍射分区，在所述非衍射分区中不形成所述子光栅，所述预定阈值小于或等于人眼平均瞳孔面积，优选小于或等于人眼平均瞳孔面积的二分之一；以及

(2b)对所述非衍射分区以外的分区中的子光栅进行初始化。

22.如权利要求16-21中任一项所述的衍射光波导的设计方法，还包括以下处理：

(4)改变对所述目标区域的随机分区，形成新的多个分区，并基于所述新的多个分区，重复执行处理(2)至处理(3)，得到多项优化结果；以及

(5)比较所述多项优化结果，根据最符合所述优化目标的一项优化结果，确定所述衍射光波导的分区和对应的子光栅的优化光学结构。

23.如权利要求22所述的衍射光波导的设计方法，其中，处理(1)包括：获取撒点数M，在所述目标区域中随机撒下M个点，基于该M个点生成维诺图，并根据该维诺图进行分区；并且

处理(4)包括：改变撒点数M，基于该改变的撒点数M在所述目标区域中重新随机撒点，生成新的维诺图，并根据新的维诺图进行分区。

24.如权利要求21所述的衍射光波导的设计方法，还包括以下处理：

(3a)改变对所述非衍射分区的设置，形成新的非衍射分区，并基于所述新的非衍射分区，重复执行处理(2b)和处理(3)，得到对应于同一随机分区的优化结果。

25.如权利要求24所述的衍射光波导的设计方法，还包括以下处理：

(4’)改变对所述目标区域的随机分区，形成新的多个分区，并基于所述新的多个分区，重复执行处理(2)、处理(3)和处理(3a)，得到对应于多种随机分区的多项优化结果；以及

(5’)比较所述多项优化结果，根据最符合所述优化目标的一项优化结果，确定所述衍射光波导的分区和对应的子光栅的优化光学结构。

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