CN114200570B - 一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明中提供了一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置，多层衍射光波导器件包括：多个波导片和多个衍射微结构层，多个波导片间隔设置。多个衍射微结构层包括：第一衍射微结构层和第二衍射微结构层。第一衍射微结构层设置在最外侧的波导片的入射侧；第二衍射微结构层设置在相邻波导片之间。第一衍射微结构层与第二衍射微结构层位于多个波导片厚度方向的相同区域内，且第一衍射微结构层与第二衍射微结构层的面积沿光束扩展方向递减或递增。解决现有技术中单层光波导在耦入区由于部分光信号透过波导层传输到外界导致能量利用率低，以及在耦出区由于能量的衰减，导致波导显示纯色图像时出现亮度不均匀和出瞳扩展较为稀疏的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及的是一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界融合的技术，增强现实设备在使用时，既要保证能够观察到虚拟信息，还要保证观察到真实的外部世界。
光波导是一种可将信号光束缚在其内部，并使信号光朝着特定方向传输的器件，同时光波导具有良好的透光性。基于这些特性，光波导可以作为增强现实近眼显示装置的显示器。光波导将投影光机投出的信号光定向传输到人眼中，因此人眼可以看到待显示的图像，又因光波导具有良好的透光性，人眼还可以清晰看到波导后的真实环境，因此人眼最终看到的是待显示图像和真实环境的融合。
光波导按照不同的实现原理可分为几何光波导，衍射光波导等种类。衍射光波导因其厚度薄、重量轻、透光性好等优点，逐渐成为增强现实近眼显示装置中显示器的优选方案。所述衍射光波导由一层波导层以及波导层表面的衍射微结构组成，衍射微结构包括：耦入区和耦出区，耦入区和耦出区之间可以存在转折区，耦入、转折和耦出区的衍射微结构可以在波导层的同一表面、也可分别位于波导层的两个表面。
现有技术中的光波导通常为单层光波导，受衍射特性的限制，光机出射的信号光被耦入区的衍射微结构衍射后，只有少部分光束的传播方向满足全反射条件，能够在波导层内传输并到达耦出区被利用，大部分光能量透过波导层传输到外界，导致波导显示效果差。
如图1所示，光机10将光束射入波导片内，图中部分光束a’经过一系列反射和衍射最终进入人眼20，另一部分光束c直接穿出波导层，无法在波导层内反射，能量利用率低，造成极大的能量浪费，不仅会导致波导装置的显示图像亮度低，还会导致光机功率的浪费、不利于降低近波导装置的功耗、限制了系统的续航时间。
如图2所示，图2(a)中L0为入射信号光，假设其能量为1，转折区衍射微结构对该光线的1级衍射效率为α(α<1)，则转折光线L1、L2和L3的能量分别为α、(1-α)α和(1-α)2α，可见其能量是递减的。同理，在耦出区，耦出区衍射微结构对应的出射光线级次衍射效率为β(β<1)，则耦出光线L11、L12和L13的能量为αβ、α(1-β)β和α(1-β)2β，其能量也是递减的，图(a)中光线长度表示了耦出光线相对能量的大小，呈现出从耦出区左上角向耦出区右下角依次衰减的趋势，使得待显示图像应如图2(b)所示，而由于能量的衰减，导致实际显示图像如图2(c)所示，也就是导致波导显示纯色图像时出现亮度不均匀的问题。
此外，由于单层波导内光线传输的路径有限，尤其对应大角度的入射光，在波导内被反射和衍射的次数更是有限，单层波导还会导致光线密度低，出瞳扩展较为稀疏的问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置，旨在解决现有技术中单层光波导在耦入区由于部分光信号透过波导层传输到外界导致能量利用率低，以及在耦出区由于能量的衰减，导致波导显示纯色图像时出现亮度不均匀和出瞳扩展较为稀疏的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种多层衍射光波导器件，包括：
包括：多个波导片，多个所述波导片间隔设置；
多个衍射微结构层，多个所述衍射微结构层包括：
第一衍射微结构层，所述第一衍射微结构层设置在最外侧的所述波导片的入射侧；
第二衍射微结构层，所述第二衍射微结构层设置在相邻所述波导片之间；
所述第一衍射微结构层与所述第二衍射微结构层位于多个所述波导片厚度方向的相同区域内，且所述第一衍射微结构层与所述第二衍射微结构层的面积沿光束扩展方向递减或递增。
进一步，多个所述衍射微结构层还包括：
第三衍射微结构层，所述第三衍射微结构层与所述第一衍射微结构层相对立设置，并位于另一最外侧的所述波导片上，用于全反射或部分反射；
所述第一衍射微结构层，所述第二衍射微结构层与所述第三衍射微结构层的面积沿光束扩展方向递减或递增。
进一步，多个所述波导片厚度不同。
进一步，多个所述波导片设置为两个，分别为第一波导片和第二波导片；
所述第一波导片一侧连接于所述第一衍射微结构层，另一侧连接于所述第二衍射微结构层，所述第二波导片一侧连接于所述第二衍射微结构层，另一侧连接于所述第三衍射微结构层。
进一步，所述第一衍射微结构层包括：
第一耦入衍射微结构和第一耦出衍射微结构，所述第一耦入衍射微结构和所述第一耦出衍射微结构均连接设置在所述第一波导片的同一侧，且所述第一耦入衍射微结构和所述第一耦出衍射微结构间隔设置；
或者，所述第一衍射微结构层包括：
第一耦入衍射微结构、第一耦出衍射微结构和第一转折衍射微结构，所述第一耦入衍射微结构、所述第一耦出衍射微结构和所述第一转折衍射微结构均连接设置在所述第一波导片的同一侧，且所述第一耦入衍射微结构、所述第一耦出衍射微结构和所述第一转折衍射微结构间隔设置。
进一步，所述第二衍射微结构层包括：第二耦入衍射微结构和第二耦出衍射微结构，
所述第二耦入衍射微结构与所述第一耦入衍射微结构设置在所述第一波导片同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦入衍射微结构一侧连接于所述第一波导片，另一侧连接于所述第二波导片；
所述第二耦出衍射微结构与所述第一耦出衍射微结构设置在所述第一波导片同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦出衍射微结构一侧连接于所述第一波导片，另一侧连接于所述第二波导片，所述第二耦出衍射微结构与所述第一耦出衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增；
或者所述第二衍射微结构层包括：第二耦入衍射微结构、第二耦出衍射微结构和第二转折衍射微结构；
所述第二耦入衍射微结构与所述第一耦入衍射微结构设置在所述第一波导片同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦入衍射微结构一侧连接于所述第一波导片，另一侧连接于所述第二波导片；
所述第二耦出衍射微结构与所述第一耦出衍射微结构设置在所述第一波导片同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦出衍射微结构一侧连接于所述第一波导片，另一侧连接于所述第二波导片，所述第二耦出衍射微结构与所述第一耦出衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增；
所述第二转折衍射微结构与所述第一转折衍射微结构设置在所述第一波导片同一厚度方向的相同区域内，所述第二转折衍射微结构一侧连接于所述第一波导片，另一侧连接于所述第二波导片，所述第二转折衍射微结构与所述第一转折衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增。
进一步，所述第三衍射微结构层包括：第三耦入衍射微结构和第三耦出衍射微结构；
所述第三耦入衍射微结构与所述第二耦入衍射微结构设置在所述第二波导片同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片；
所述第三耦出衍射微结构与所述第二耦出衍射微结构设置在所述第二波导片同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片，所述第三耦出衍射微结构与所述第二耦出衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增；
或者所述第三衍射微结构层包括：第三耦入衍射微结构、第三耦出衍射微结构和第三转折衍射微结构，
所述第三耦入衍射微结构与所述第二耦入衍射微结构设置在所述第二波导片同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片；
所述第三耦出衍射微结构与所述第二耦出衍射微结构设置在所述第二波导片同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片，所述第三耦出衍射微结构与所述第二耦出衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增；
所述第三转折衍射微结构与所述第二转折衍射微结构设置在所述第二波导片同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片，所述第三转折衍射微结构与所述第二转折衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增。
进一步，所述第一耦出衍射微结构、所述第二耦出衍射微结构和所述第三耦出衍射微结构上均设置有一个或多个孔洞；
或者所述第一耦出衍射微结构、所述第二耦出衍射微结构和所述第三耦出衍射微结构设置为多个非连续区域；
所述第一转折衍射微结构、所述第二转折衍射微结构和所述第三转折衍射微结构上均设置有一个或多个孔洞；
或者所述第一转折衍射微结构、所述第二转折衍射微结构和所述第三转折衍射微结构设置为多个非连续区域。
进一步，所述第三耦入衍射微结构上设置有反射器，所述反射器用于反射所述第二耦入衍射微结构透射的光。
一种近眼显示装置，包括：如上所述的多层衍射光波导器件。
本发明中提供了一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置，通过设置多个所述波导片间隔设置，设置多个衍射微结构层，多个所述衍射微结构层包括：第一衍射微结构层和第二衍射微结构层，所述第一衍射微结构层设置在最外侧的所述波导片的入射侧，所述第二衍射微结构层设置在相邻所述波导片之间，所述第一衍射微结构层与所述第二衍射微结构层位于多个所述波导片厚度方向的相同区域内，且所述第一衍射微结构层与所述第二衍射微结构层的面积沿光束扩展方向递减或递增。可保证光线传播距离越远，单位面积内光线密度越大，这种通过增加光线密度的方法很好的弥补了单根光线能量衰减的问题。使得波导显示纯色图像时亮度更均匀，并增加出瞳扩展密度。还能够大大减少穿出波导层光束的数量，使得大部分光束均能在在波导层内反射，增大能量利用率，减少能量浪费，解决了现有技术中单层光波导在耦入区由于部分光信号透过波导层传输到外界导致能量利用率低，以及在耦出区由于能量的衰减，导致波导显示纯色图像时出现亮度不均匀和出瞳扩展较为稀疏的问题。
附图说明
图1是现有技术中光线传输示意图；
图2是现有技术中光能量在单层波导内分布示意图；
图3是本发明一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置实施例多层衍射光波导器件的结构示意图；
图4是本发明一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置实施例多层衍射光波导器件的立体示意图；
图5是本发明一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置实施例每个衍射微结构层面积的结构示意图；
图6是本发明一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置实施例每个衍射微结构层孔洞的结构示意图；
图7-图8是本发明一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置实施例光线传播的示意图；
图9是本发明一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置实施例只有第一耦入衍射微结构和第二耦入衍射微结构的结构示意图；
图10是本发明一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置实施例有第一耦入衍射微结构、第二耦入衍射微结构和第三耦入衍射微结构的结构示意图；
图11是本发明一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置实施例设有反射器的结构示意图；
附图标记说明：10、光机；20、人眼；110、第一波导片；120、第二波导片；210、第一衍射微结构层；211、第一耦入衍射微结构；212、第一耦出衍射微结构；213、第一转折衍射微结构；220、第二衍射微结构层；221、第二耦入衍射微结构；222、第二耦出衍射微结构；223、第二转折衍射微结构；230、第三衍射微结构层；231、第三耦入衍射微结构；232、第三耦出衍射微结构；233、第三转折衍射微结构；300、反射器。
具体实施方式
本发明提供了一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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，除非另有明确的限定。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小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
实施例一：
如图3和图4所示，本发明提出一种多层衍射光波导器件，将所述多层衍射光波导器件的高度方向定义为厚度方向。所述多层衍射光波导器件包括：多个波导片和多个衍射微结构层，多个所述波导片间隔设置，多个所述衍射微结构层的耦入区面积均相同，多个所述衍射微结构层包括：第一衍射微结构层210和第二衍射微结构层220。所述第一衍射微结构层210设置在最外侧的所述波导片的入射侧，所述第二衍射微结构层220设置在相邻所述波导片之间。所述第一衍射微结构层210与所述第二衍射微结构层220位于多个所述波导片厚度方向的相同区域内，且所述第一衍射微结构层210与所述第二衍射微结构层220的面积沿光束扩展方向递减或递增。
可以理解，所述第一衍射微结构层210与所述第二衍射微结构层220用于衍射入射光线，并导出光束阵列，随着波导片数量的增加，处于所述第一衍射微结构层210和所述第二衍射微结构层220的面积沿光束扩展方向递减或递增，可保证光线传播距离越远，单位面积内光线密度越大，这种通过增加光线密度的方法很好的弥补了单根光线能量衰减的问题，使得波导显示纯色图像时亮度更均匀。由于采用多层波导传输光线，不同厚度波导片内光线传播周期不同，最终各层波导内光线在耦出区一起耦出，因此相较于单层波导片，耦出光线密度更高，出瞳扩展更密集。另外，随着波导片数量的增加，还能够大大减少穿出波导层光束的数量，使得大部分光束均能在在波导层内反射，增大能量利用率，减少能量浪费，提高波导装置的显示图像亮度，减少光机功率的浪费、有利于降低近波导装置的功耗、提高系统的续航时间。
上述方案中，通过设置多个所述波导片间隔设置，设置多个衍射微结构层，多个所述衍射微结构层包括：第一衍射微结构层210和第二衍射微结构层220，所述第一衍射微结构层210设置在最外侧的所述波导片的入射侧，所述第二衍射微结构层220设置在相邻所述波导片之间，所述第一衍射微结构层210与所述第二衍射微结构层220位于多个所述波导片厚度方向的相同区域内，且所述第一衍射微结构层210与所述第二衍射微结构层220的面积沿光束扩展方向递减或递增。可保证光线传播距离越远，单位面积内光线密度越大，这种通过增加光线密度的方法很好的弥补了单根光线能量衰减的问题，使得波导显示纯色图像时亮度更均匀，并增加出瞳扩展密度。还能够大大减少穿出波导层光束的数量，使得大部分光束均能在在波导层内反射，增大能量利用率，减少能量浪费，解决了现有技术中单层光波导在耦入区由于部分光信号透过波导层传输到外界导致能量利用率低，以及在耦出区由于能量的衰减，导致波导显示纯色图像时出现亮度不均匀和出瞳扩展较为稀疏的问题。
如图3和图4所示，在本发明进一步的实施例中，多个所述衍射微结构层还包括：第三衍射微结构层230，所述第三衍射微结构层230与所述第一衍射微结构层210相对立设置，并位于另一最外侧的所述波导片上，用于全反射或部分反射；所述第一衍射微结构层210，所述第二衍射微结构层220与所述第三衍射微结构层230的面积沿光束扩展方向递减或递增。
可以理解，所述第三衍射微结构层230用于反射入射光线并导出光束阵列，可以防止光线从最外侧的波导片上传出，大大减少穿出波导层光束的数量，使得大部分光束均能在在波导层内反射，增大能量利用率。
如图3和图4所示，在本发明进一步的实施例中，多个所述波导片厚度不同；多个所述波导片设置为两个，分别为第一波导片110和第二波导片120，所述第一波导片110一侧连接于所述第一衍射微结构层210，另一侧连接于所述第二衍射微结构层220，所述第二波导片120一侧连接于所述第二衍射微结构层220，另一侧连接于所述第三衍射微结构层230。
可以理解，多个所述波导片厚度不同，由于相同角度的光线在不同厚度的所述波导片内传输时光线密度不同，所述波导片越薄，光线在所述波导片内完成一次全反射的周期越小，光线越密。此外，使用不同厚度的所述波导片配合进行优化，增加了优化的自由度，有利于得到能量分布更均匀的耦出光线。
进一步，多个所述波导片可设置为两个，分别为：第一波导片110和第二波导片120，光线可通过所述第一衍射微结构层210进入所述第一波导片110，部分光线在所述第一波导片110内进行反射，并通过所述第一衍射微结构层210进入人眼20；部分光线穿过所述第一波导片110进入所述第二衍射微结构层220，在所述第二波导片120内进行反射，通过所述第二衍射微结构层220进入人眼20；部分光线进入穿过所述第二波导片120进入所述第三衍射微结构层230，所述第三衍射微结构层230将其反射至所述第二波导片120内，在所述第二波导片120内进行反射，通过所述第二衍射微结构层220进入人眼20。所述第一波导片110和所述第二波导片120提升了对光线的利用率，相较于单层所述波导片，能够减少能量的衰减。
具体的，所述第一波导片110与所述第二波导片120厚度不同，所述第一波导片110的厚度可以大于所述第二波导片120的厚度，也可以小于所述第二波导片120的厚度，均能对所述多层衍射光波导器件进行优化。易于想到，对于多个所述波导片的厚度，也可以根据需要自由设置，不必沿光束扩展方向将厚度递减或递增。
如图3所示，在本发明进一步的实施例中，所述第一衍射微结构层210包括：第一耦入衍射微结构211和第一耦出衍射微结构212，所述第一耦入衍射微结构211和所述第一耦出衍射微结构212均连接设置在所述第一波导片110的同一侧，且所述第一耦入衍射微结构211和所述第一耦出衍射微结构212间隔设置。或者所述第一衍射微结构层210包括：第一耦入衍射微结构211、第一耦出衍射微结构212和第一转折衍射微结构213，所述第一耦入衍射微结构211、所述第一耦出衍射微结构212和所述第一转折衍射微结构213均连接设置在所述第一波导片110的同一侧，且所述第一耦入衍射微结构211、所述第一耦出衍射微结构212和所述第一转折衍射微结构213间隔设置。
可以理解，在有所述第一转折衍射微结构213时，光线从所述第一耦入衍射微结构211进入所述第一波导片110，再次进入所述第一转折衍射微结构213，在所述第一转折衍射微结构213内衍射为多束光，通过所述第一波导片110进入所述第一耦出衍射微结构212，最后入射至人眼20，在视网膜上形成待显示的图像，保证人眼20能够观察到虚拟信息。没有所述第一转折衍射微结构213的情况，不再详细阐述。
如图3所示，在本发明进一步的实施例中，所述第二衍射微结构层220包括：第二耦入衍射微结构221和第二耦出衍射微结构222，所述第二耦入衍射微结构221与所述第一耦入衍射微结构211设置在所述第一波导片110同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦入衍射微结构221一侧连接于所述第一波导片110，另一侧连接于所述第二波导片120；所述第二耦出衍射微结构222与所述第一耦出衍射微结构212设置在所述第一波导片110同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦出衍射微结构222一侧连接于所述第一波导片110，另一侧连接于所述第二波导片120，所述第二耦出衍射微结构222与所述第一耦出衍射微结构212的面积沿光束扩展方向递减或递增。或者所述第二衍射微结构层220包括：第二耦入衍射微结构221、第二耦出衍射微结构222和第二转折衍射微结构223。所述第二耦入衍射微结构221与所述第一耦入衍射微结构211设置在所述第一波导片110同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦入衍射微结构221一侧连接于所述第一波导片110，另一侧连接于所述第二波导片120。所述第二耦出衍射微结构222与所述第一耦出衍射微结构212设置在所述第一波导片110同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦出衍射微结构222一侧连接于所述第一波导片110，另一侧连接于所述第二波导片120，所述第二耦出衍射微结构222与所述第一耦出衍射微结构212的面积沿光束扩展方向递减或递增。所述第二转折衍射微结构223与所述第一转折衍射微结构213设置在所述第一波导片110同一厚度方向的相同区域内，所述第二转折衍射微结构223一侧连接于所述第一波导片110，另一侧连接于所述第二波导片120，所述第二转折衍射微结构223与所述第一转折衍射微结构213的面积沿光束扩展方向递减或递增。
可以理解，在有所述第二转折衍射微结构223时(没有所述第二转折衍射微结构223的情况，此处不再详细阐述)，在所述第一波导片110内，光线从所述第一耦入衍射微结构211进入所述第一波导片110，一部分直接进入所述第一转折衍射微结构213，在所述第一转折衍射微结构213内衍射为多束光，通过所述第一波导片110进入所述第一耦出衍射微结构212，最后入射至人眼20；另一部分入射至所述第二耦入衍射微结构221的表面进行反射，在所述第二转折衍射微结构223内衍射为多束光，通过所述第一波导片110进入所述第二耦出衍射微结构222，最后入射至人眼20；最终在视网膜上形成待显示的图像，使得人眼20能够观察到虚拟信息。
具体的，所述第二耦出衍射微结构222与所述第一耦出衍射微结构212的面积沿光束扩展方向递减或递增，同时，所述第二转折衍射微结构223与所述第一转折衍射微结构213的面积沿光束扩展方向递减或递增，相对于所有转折区和所有耦出区面积相同的光栅，能够使得光线在转折和耦出区传播时，随着距离变远，使得单位面积内转折和耦出的光线密度变大。
而在所述第一波导片110和所述第二波导片120内，除了上述的在所述第一耦入衍射微结构211、所述第一耦出衍射微结构212、所述第一转折衍射微结构213、所述第二耦入衍射微结构221、所述第二耦出衍射微结构222、所述第二转折衍射微结构223和所述第一波导片110内反射和衍射的光线传输，还包括光线在所述第二波导片120内的传输，最后通过所述第二耦出衍射微结构222入射至人眼20，在视网膜上形成待显示的图像。
如图3所示，在本发明进一步的实施例中，所述第三衍射微结构层230包括：第三耦入衍射微结构231和第三耦出衍射微结构232，所述第三耦入衍射微结构231与所述第二耦入衍射微结构221设置在所述第二波导片120同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片120；所述第三耦出衍射微结构232与所述第二耦出衍射微结构222设置在所述第二波导片120同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片120，所述第三耦出衍射微结构232与所述第二耦出衍射微结构222的面积沿光束扩展方向递减或递增。或者所述第三衍射微结构层230包括：第三耦入衍射微结构231、第三耦出衍射微结构232和第三转折衍射微结构233。所述第三耦入衍射微结构231与所述第二耦入衍射微结构221设置在所述第二波导片120同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片120。所述第三耦出衍射微结构232与所述第二耦出衍射微结构222设置在所述第二波导片120同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片120，所述第三耦出衍射微结构232与所述第二耦出衍射微结构222的面积沿光束扩展方向递减或递增。所述第三转折衍射微结构233与所述第二转折衍射微结构223设置在所述第二波导片120同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片120，所述第三转折衍射微结构233与所述第二转折衍射微结构223的面积沿光束扩展方向递减或递增。
可以理解，在有所述第三转折衍射微结构233时(没有所述第三转折衍射微结构233的情况，此处不再详细阐述)，在所述第一波导片110内，光线从所述第一耦入衍射微结构211进入所述第一波导片110，一部分直接进入所述第一转折衍射微结构213，在所述第一转折衍射微结构213内衍射为多束光，通过所述第一波导片110进入所述第一耦出衍射微结构212，最后入射至人眼20；另一部分入射至所述第二耦入衍射微结构221的表面进行反射，在所述第二转折衍射微结构223内衍射为多束光，通过所述第一波导片110进入所述第二耦出衍射微结构222，最后入射至人眼20。在所述第二波导片120内，经过所述第二耦入衍射微结构221的光线，除了被反射回所述第一波导片110内的光线，还有一部分通过所述第二耦入衍射微结构221进入所述第二波导片120内，与所述第一波导片110内光线传输相同，光线在所述第二波导片120内会经过所述第二耦入衍射微结构221、所述第二转折衍射微结构223、所述第二耦出衍射微结构222、所述第三耦入衍射微结构231、所述第三耦出衍射微结构232、所述第三转折衍射微结构233以及所述第二波导片120自身的反射和衍射进入人眼20，在视网膜上形成待显示的图像，进而观察到虚拟信息。
具体的，所述第三耦出衍射微结构232与所述第二耦出衍射微结构222的面积沿光束扩展方向递减或递增，同时，所述第三转折衍射微结构233与所述第二转折衍射微结构223的面积沿光束扩展方向递减或递增，相对于所有转折区和所有耦出区面积相同的光栅，能够使得光线在转折和耦出区传播时，随着距离变远，使得单位面积内转折和耦出的光线密度变大。
如图5和图6所示，在本发明进一步的实施例中，所述第一耦出衍射微结构212、所述第二耦出衍射微结构222和所述第三耦出衍射微结构232上均设置有一个或多个孔洞；或者所述第一耦出衍射微结构212、所述第二耦出衍射微结构222和所述第三耦出衍射微结构232设置为多个非连续区域。
可以理解，当所述第一耦出衍射微结构212、所述第二耦出衍射微结构222和所述第三耦出衍射微结构232上设置有孔洞或者非连续区域时，相当于在所述第一耦出衍射微结构212、所述第二耦出衍射微结构222和所述第三耦出衍射微结构232连接的所述第一波导片110和所述第二波导片120的孔洞或者非连续区域上没有设置光栅衍射微结构，此时，光线会在所述第一波导片110和所述第二波导片120内继续反射，直至到达其中一个耦出光栅。而设置孔洞或者非连续区域，可以自由调控光线的能量分布，将更多的能量传递到光线传播路径的后段，保证光线耦出时的亮度均匀性。
进一步，所述第一耦出衍射微结构212、所述第二耦出衍射微结构222和所述第三耦出衍射微结构232可以为长方形、扇形等任意形状，根据需要设置即可。
如图5和图6所示，在本发明进一步的实施例中，所述第一转折衍射微结构213、所述第二转折衍射微结构223和所述第三转折衍射微结构233上均设置有一个或多个孔洞；或者所述第一转折衍射微结构213、所述第二转折衍射微结构223和所述第三转折衍射微结构233设置为多个非连续区域。
可以理解，当所述第一转折衍射微结构213、所述第二转折衍射微结构223和所述第三转折衍射微结构233上设置有孔洞或者非连续区域时，相当于在所述第一转折衍射微结构213、所述第二转折衍射微结构223和所述第三转折衍射微结构233连接的所述第一波导片110和所述第二波导片120的孔洞或者非连续区域上没有设置光栅衍射微结构，此时，光线会在所述第一波导片110和所述第二波导片120内继续反射，直至到达其中一个转折光栅。而设置孔洞或者非连续区域，可以自由调控光线的能量分布，将更多的能量传递到光线传播路径的后段，保证光线耦出时的亮度均匀性。
进一步，所述第一转折衍射微结构213、所述第二转折衍射微结构223和所述第三转折衍射微结构233可以为长方形、梯形、扇形等任意形状，根据需要设置即可。
进一步，如图7和图8所示，以耦出区为例，转折区原理与之相同。耦出区的光线在没有所述衍射微结构层的波导片的表面发生全反射，在附有所述衍射微结构层的波导片的表面发生衍射，衍射光一部分被耦出光波导，其余部分继续在波导内传播。当光线传播至波导片的两面均有所述衍射微结构层的区域时，光线在波导片的两面均会发生衍射，此时耦出光线密度增加，单位面积内耦出的光能也相应提升，确保耦出区内单根光线能量越弱的地方光线密度越大，因此能够减小波导显示区亮度差异，提升所述多层衍射光波导器件整体亮度的均匀性。
如图9所示，R0为入射光，对于仅有所述第一衍射微结构层210的单层波导，所述第一耦入衍射微结构211无法将所有入射光耦入进所述第一波导片110，因此会存在能量浪费R1。本发明中采用多层所述波导片和多层所述衍射微结构层，所述第二耦入衍射微结构221可将所述第一耦入衍射微结构211无法利用的0级衍射光R1再次耦入进所述第一波导片110和所述第二波导片120内，避免泄露到外界，产生一些能量浪费。
进一步，如图10所示，在设置所述第一耦入衍射微结构211、所述第二耦入衍射微结构221和所述第三耦入衍射微结构231的情况下，所述第二耦入衍射微结构221无法耦合进所述第二波导片120的0级衍射光R2被所述第三耦入衍射微结构231再次利用，并被耦合进所述第二波导片120内，最终仅有所述第三耦入衍射微结构231的0级衍射光R3透过所述第二波导片120泄露到外界，降低了能量浪费。由于R3<R1，因此所述多层衍射光波导器件能够实现对光机10出射光能的高效利用。
如图11所示，在本发明进一步的实施例中，所述第三耦入衍射微结构231上设置有反射器300，所述反射器300用于反射所述第二耦入衍射微结构221透射的光。
可以理解，在所述第三耦入衍射微结构231最外侧所述第二波导片120的表面设置反射器300，所述反射器300将R2反射，反射光R3再次入射所述第二耦入衍射微结构221并被耦入所述第二波导片120内，进而被反射或者衍射，能够最大限度的利用光机10的出射光能。进一步，所述反射器300可以是反射镜、反射镀层、具有反射功能的衍射微结构、具有反射功能超表面，还可以是具有反射功能的光学元件组合，能够实现本发明的反射功能即可。
实施例二：
在实施例一的基础上，本发明还提供一种近眼显示装置，其特征在于，包括：如实施例一所述的多层衍射光波导器件。可以理解，使用所述多层衍射光波导器件，使得大部分光束均能在在波导层内反射，增大所述近眼显示装置能量利用率，减少能量浪费，提高所述近眼显示装置的显示图像亮度，减少光机10功率的浪费、有利于降低近所述近眼显示装置的功耗、提高系统的续航时间。
综上所述，本发明提出的一种多层衍射光波导器件及近眼显示装置，通过设置多个所述波导片间隔设置，设置多个衍射微结构层，多个所述衍射微结构层包括：第一衍射微结构层210和第二衍射微结构层220，所述第一衍射微结构层210设置在最外侧的所述波导片的入射侧，所述第二衍射微结构层220设置在相邻所述波导片之间，所述第一衍射微结构层210与所述第二衍射微结构层220位于多个所述波导片厚度方向的相同区域内，且所述第一衍射微结构层210与所述第二衍射微结构层220的面积沿光束扩展方向递减或递增。可保证光线传播距离越远，单位面积内光线密度越大，这种通过增加光线密度的方法很好的弥补了单根光线能量衰减的问题。使得波导显示纯色图像时亮度更均匀，并增加出瞳扩展密度。还能够大大减少穿出波导层光束的数量，使得大部分光束均能在在波导层内反射，增大能量利用率，减少能量浪费，解决了现有技术中单层光波导在耦入区由于部分光信号透过波导层传输到外界导致能量利用率低，以及在耦出区由于能量的衰减，导致波导显示纯色图像时出现亮度不均匀和出瞳扩展较为稀疏的问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种多层衍射光波导器件，其特征在于，包括：多个波导片，多个所述波导片间隔设置；
多个衍射微结构层，多个所述衍射微结构层包括：
第一衍射微结构层，所述第一衍射微结构层设置在最外侧的所述波导片的入射侧；
第二衍射微结构层，所述第二衍射微结构层设置在相邻所述波导片之间；
所述第一衍射微结构层与所述第二衍射微结构层位于多个所述波导片厚度方向的相同区域内，且所述第一衍射微结构层与所述第二衍射微结构层的面积沿光束扩展方向递减或递增；
第三衍射微结构层，所述第三衍射微结构层与所述第一衍射微结构层相对立设置，并位于另一最外侧的所述波导片上，用于全反射或部分反射；
所述第一衍射微结构层，所述第二衍射微结构层与所述第三衍射微结构层的面积沿光束扩展方向递减或递增；
所述第一衍射微结构层、所述第二衍射微结构层和所述第三衍射微结构层分别包括第一转折衍射微结构、第二转折衍射微结构和第三转折衍射微结构。
2.根据权利要求1所述的多层衍射光波导器件，其特征在于，多个所述波导片厚度不同。
3.根据权利要求1所述的多层衍射光波导器件，其特征在于，多个所述波导片设置为两个，分别为第一波导片和第二波导片；
所述第一波导片一侧连接于所述第一衍射微结构层，另一侧连接于所述第二衍射微结构层，所述第二波导片一侧连接于所述第二衍射微结构层，另一侧连接于所述第三衍射微结构层。
4.根据权利要求3所述的多层衍射光波导器件，其特征在于，所述第一衍射微结构层包括：
第一耦入衍射微结构和第一耦出衍射微结构，所述第一耦入衍射微结构和所述第一耦出衍射微结构均连接设置在所述第一波导片的同一侧，且所述第一耦入衍射微结构和所述第一耦出衍射微结构间隔设置；
或者，所述第一衍射微结构层包括：
第一耦入衍射微结构、第一耦出衍射微结构和第一转折衍射微结构，所述第一耦入衍射微结构、所述第一耦出衍射微结构和所述第一转折衍射微结构均连接设置在所述第一波导片的同一侧，且所述第一耦入衍射微结构、所述第一耦出衍射微结构和所述第一转折衍射微结构间隔设置。
5.根据权利要求4所述的多层衍射光波导器件，其特征在于，所述第二衍射微结构层包括：第二耦入衍射微结构和第二耦出衍射微结构，
所述第二耦入衍射微结构与所述第一耦入衍射微结构设置在所述第一波导片同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦入衍射微结构一侧连接于所述第一波导片，另一侧连接于所述第二波导片；
所述第二耦出衍射微结构与所述第一耦出衍射微结构设置在所述第一波导片同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦出衍射微结构一侧连接于所述第一波导片，另一侧连接于所述第二波导片，所述第二耦出衍射微结构与所述第一耦出衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增；
或者所述第二衍射微结构层包括：第二耦入衍射微结构、第二耦出衍射微结构和第二转折衍射微结构；
所述第二耦入衍射微结构与所述第一耦入衍射微结构设置在所述第一波导片同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦入衍射微结构一侧连接于所述第一波导片，另一侧连接于所述第二波导片；
所述第二耦出衍射微结构与所述第一耦出衍射微结构设置在所述第一波导片同一厚度方向的相同区域内，所述第二耦出衍射微结构一侧连接于所述第一波导片，另一侧连接于所述第二波导片，所述第二耦出衍射微结构与所述第一耦出衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增；
所述第二转折衍射微结构与所述第一转折衍射微结构设置在所述第一波导片同一厚度方向的相同区域内，所述第二转折衍射微结构一侧连接于所述第一波导片，另一侧连接于所述第二波导片，所述第二转折衍射微结构与所述第一转折衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增。
6.根据权利要求5所述的多层衍射光波导器件，其特征在于，所述第三衍射微结构层包括：第三耦入衍射微结构和第三耦出衍射微结构，
所述第三耦入衍射微结构与所述第二耦入衍射微结构设置在所述第二波导片同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片；
所述第三耦出衍射微结构与所述第二耦出衍射微结构设置在所述第二波导片同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片，所述第三耦出衍射微结构与所述第二耦出衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增；
或者所述第三衍射微结构层包括：第三耦入衍射微结构、第三耦出衍射微结构和第三转折衍射微结构；
所述第三耦入衍射微结构与所述第二耦入衍射微结构设置在所述第二波导片同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片；
所述第三耦出衍射微结构与所述第二耦出衍射微结构设置在所述第二波导片同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片，所述第三耦出衍射微结构与所述第二耦出衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增；
所述第三转折衍射微结构与所述第二转折衍射微结构设置在所述第二波导片同一厚度方向的相同区域内，并连接于所述第二波导片，所述第三转折衍射微结构与所述第二转折衍射微结构的面积沿光束扩展方向递减或递增。
7.根据权利要求6所述的多层衍射光波导器件，其特征在于，所述第一耦出衍射微结构、所述第二耦出衍射微结构和所述第三耦出衍射微结构上均设置有一个或多个孔洞；
或者所述第一耦出衍射微结构、所述第二耦出衍射微结构和所述第三耦出衍射微结构设置为多个非连续区域；
所述第一转折衍射微结构、所述第二转折衍射微结构和所述第三转折衍射微结构上均设置有一个或多个孔洞；
或者所述第一转折衍射微结构、所述第二转折衍射微结构和所述第三转折衍射微结构设置为多个非连续区域。
8.根据权利要求7所述的多层衍射光波导器件，其特征在于，所述第三耦入衍射微结构上设置有反射器，所述反射器用于反射所述第二耦入衍射微结构透射的光。
9.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的多层衍射光波导器件。
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