CN114371528A - 衍射光波导和基于衍射光波导的显示方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种衍射光波导和基于衍射光波导的显示方法，其中，衍射光波导包括基底以及分布在基底表面或内部的衍射光栅，衍射光栅包括耦入光栅、中继光栅和耦出光栅，耦入光栅、中继光栅和耦出光栅的折射率在三维空间内呈周期性条纹分布；光源发出的光束照射到耦入光栅上，经耦入光栅分束和偏转，并射入中继光栅，光束经中继光栅扩展后射入耦出光栅，再经耦出光栅扩展后耦出，其中，光束在耦出光栅中交替衍射，每次衍射时均有预设比例的能量耦出耦出光栅。本申请实施例的衍射光波导和基于衍射光波导的显示方法，能够有效提高耦出能量效率，有效控制扩瞳的能量均匀性。

Description

衍射光波导和基于衍射光波导的显示方法

技术领域

本申请涉及显示技术领域，尤其涉及一种衍射光波导和基于衍射光波导的显示方法。

背景技术

衍射光波导增强现实显示，由于其将光路折叠到波导内部而具有结构紧凑的优势。作为近眼显示可以更加接近包括薄镜片在内的理想眼镜形态，作为抬头显示也可以大大缩小结构尺寸，节省空间。与此同时，由于衍射光学元件本身的特性，对外界环境光线透过性良好。因而，衍射光波导是未来理想的增强现实显示方案。

为了尽可能以更小的光机实现更大的视场角和出瞳范围，需要对衍射光波导采用扩瞳设计。目前主要的扩瞳方式有两种，即一维扩瞳和二维扩瞳。一维扩瞳利用多次全反射对出瞳的一个方向进行扩展，而另一个方向则依赖于大口径出瞳的光机结构，因而其体积仍然较大。二维扩瞳则是对出瞳进行两个维度的扩展，可以将一个小孔径的光束扩展成足够人眼在一定范围内移动观察的宽光束，可以将光机结构尺寸大大减小。

二维扩瞳方案存在不同的实现方式，主要包括折转式和交替式。折转式二维扩瞳采用三块一维光栅，第一块光栅作为耦入光栅，第二块光栅为折转光栅，第三块为耦出光栅。光源光线通过耦入光栅被耦入到波导内部进行全反射，传输到折转光栅处，在折转光栅覆盖区域发生多次全反射实现一个维度的光瞳扩展，同时每次全反射时都有部分能量被偏转方向传输到耦出光栅处，耦出光栅再一次对光线进行另一个维度的扩展并将光线耦出到人眼所在区域。该扩瞳方式由于使用了折转光栅，增大了波导镜片的面积，不利于整体结构的小型化。交替式二维扩瞳主要采用一个一维光栅作为耦入光栅，和一个二维光栅作为耦出光栅。光源光线在经过耦入光栅耦入到波导内部后到达耦出光栅，由于二维光栅具有三个不同方向的光栅矢量对光线进行交替作用，光线被其向两个不同的方向交替偏转传输，并被在整个耦出区域耦出。相比折转式二维扩瞳，交替式二维扩瞳由于不需要折转光栅，可以以更小的镜片面积实现大出瞳。

现有的二维扩瞳方案存在耦出能量效率过低及其扩瞳均匀性差的问题。由于将光机的小孔径出瞳(光机出瞳特征尺寸一般为4～5mm)扩展成满足人眼运动观察的大孔径出瞳范围(特征尺寸一般为15～20mm左右)，且多次全反射过程中难免由于界面实际的平整度不理想等造成更多的能量损耗，最终耦出的能量密度将大大降低。此外，由于扩瞳中的多次全反射，经历全反射次数越多的位置所分配得的光能量越低，最终导致出瞳能量呈渐变的不均匀分布。光栅本身的角带宽以及不同视场角对应着不同的全反射步长等因素也导致不同角度光线的耦出能量不均匀。

发明内容

本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种衍射光波导，能够有效提高耦出能量效率，有效控制扩瞳的能量均匀性。

本申请的第二个目的在于提出一种基于衍射光波导的显示方法。

为了实现上述目的，本申请第一方面实施例提出一种衍射光波导，包括基底以及分布在所述基底表面或内部的衍射光栅，

所述衍射光栅包括耦入光栅、中继光栅和耦出光栅，

所述耦入光栅、所述中继光栅和所述耦出光栅的折射率在三维空间内呈周期性条纹分布；

光源发出的光束照射到所述耦入光栅上，经所述耦入光栅分束和偏转，射入所述中继光栅，所述光束经所述中继光栅扩展后射入所述耦出光栅，再经所述耦出光栅扩展后耦出，其中，所述光束在所述耦出光栅中交替衍射，每次衍射时均有预设比例的能量耦出所述耦出光栅。

可选的，所述预设比例与所述条纹的结构及对比度具有对应关系。

可选的，所述折射率的分布具有余弦型分布，折射率调制度通过公式一确定，公式一：I(r)＝I₀+I1cos(K₁·r)+I₂cos(K₂·r)+I₃cos(K₃·r)+…，其中，I_i(i＝0,1,2,3…)为系数，K_i(i＝1,2,3,…)为光栅矢量，r＝[x，y，z]为空间坐标矢量，所述折射率调制度为材料折射率的变化大小。

可选的，所述衍射光栅采用全息干涉曝光、微纳结构生长、压印、刻蚀中的至少一种方式加工生成。

可选的，在所述中继光栅和/或所述耦出光栅对应的部分或整个区域设置多个子光栅，所述子光栅呈阵列式排布。

可选的，所述子光栅的排布方向为光栅矢量方向。

可选的，所述子光栅的形状为圆形、方形、菱形或多个不同形状的组合。

可选的，所述光束在所述耦入光栅中分束为第一方向传播的光束和第二方向传播的光束。

可选的，所述中继光栅区域的衍射效率沿远离所述耦入光栅的方向逐渐增大，所述衍射效率通过折射率调制度的分布情况确定。

可选的，所述光束在所述耦出光栅所在区域沿第一方向、第二方向和耦出方向传输，

所述耦出光栅区域的衍射效率对应于所述耦出光束为以接近所述耦入光栅的中点位置为原点，沿远离所述耦入光栅的方向向周围逐渐增大进行分布；

所述耦出光栅区域中第一方向光束转换成第二方向光束的衍射效率以所述第二方向向周围逐渐减小进行分布；

所述耦出光栅区域中第二方向光束转换成第一方向光束的衍射效率以所述第一方向向周围逐渐减小进行分布。

本申请实施例的衍射光波导，能够有效提高耦出能量效率，有效控制扩瞳的能量均匀性。

为了实现上述目的，本申请第二方面实施例提出一种基于衍射光波导的显示方法，包括：

光源发出的光束照射到耦入光栅上，经所述耦入光栅分束和偏转，并射入中继光栅；

所述光束经所述中继光栅交替衍射进行扩展，并射入耦出光栅；

经所述耦出光栅交替衍射进行扩展，并由所述耦出光栅耦出。

可选的，所述光束在所述耦出光栅中交替衍射时，每次衍射时均有预设比例的能量耦出所述耦出光栅。

可选的，每次衍射时耦出所述耦出光栅的能量的比例，通过调节所述耦出光栅的折射率调制度实现。

本申请实施例的基于衍射光波导的显示方法，能够有效提高耦出能量效率，有效控制扩瞳的能量均匀性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请一个实施例的衍射光波导的侧视结构示意图；

图2是本申请一个实施例的衍射光波导的正视结构示意图；

图3是本申请一个实施例的耦入光栅的衍射示意图；

图4是本申请一个实施例的中继光栅的衍射示意图；

图5是本申请一个实施例的耦出光栅的衍射示意图；

图6是光源为平行光时，耦入光栅的归一化折射率调制度在三维空间内的分布示意图；

图7是光源为发散光时，耦入光栅的归一化折射率调制度在三维空间内的分布示意图；

图8是不同条纹对比度对应光栅衍射效率的变化规律示意图；

图9A-图9E为具有不同的条纹对比度的中继光栅的结构示意图；

图10A-图10E为具有不同的结构的耦出光栅的结构示意图；

图11A-图11C是本申请一个实施例的衍射光波导的对比度分布示意图；

图12A-图12C是本申请另一个实施例的衍射光波导的对比度分布示意图；

图13是本申请又一个实施例的衍射光波导的正视结构示意图；

图14是本申请再一个实施例的衍射光波导的正视结构示意图；

图15是本申请一个实施例的基于衍射光波导的显示方法的流程图。

具体实施方式

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申请。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

下面参考附图描述本申请实施例的衍射光波导和基于衍射光波导的显示方法。

如图1-图2所示，衍射光波导包括基底101以及分布在所述基底101表面或内部的衍射光栅。

所述衍射光栅采用全息干涉曝光、微纳结构生长、压印、刻蚀中的至少一种方式加工生成。所述衍射光栅包括耦入光栅102、中继光栅103和耦出光栅104。

所述耦入光栅102、所述中继光栅103和所述耦出光栅104的折射率或透过率在三维空间内呈周期性条纹分布。具体地，所述条纹的分布呈余弦型分布。

光源发出的光束照射到所述耦入光栅102上，经所述分束和偏转(在所述耦入光栅102中分束为第一方向传播的光束和第二方向传播的光束)之后，所述光束射入所述中继光栅103，经所述中继光栅103扩展后射入所述耦出光栅104，再经所述耦出光栅104扩展后耦出。其中，所述光束在所述耦出光栅104中交替衍射，每次衍射时均有预设比例的能量耦出所述耦出光栅104。光源发出的光束为发散光时，可以先经过准直透镜组准直为平行光后再射入耦入光栅102。当然，耦入光栅102也可以对光源发出的发散光具有准直功能，在将其准直成平行光的同时进行分束和偏转。

举例来说，基底101为玻璃或树脂等材料制作的平行平板。图像源光线107通过耦入光栅102被耦入到基底101内部以全反射方式传输，经过中继光栅103、耦出光栅104的扩瞳作用，被耦出为一系列同角度的光束108，被人眼105观察到。

耦入光栅102具有将每一角度耦入光束分束并在波导内部形成两个不同方向(方向1和方向2)全反射光的功能。耦入光栅102可以是固定周期结构，仅对经过准直后的平行光束进行分束和偏转，也可以具有渐变的周期结构，将点光源发出的发散光准直成平行光的同时进行分束和偏转。中继光栅103具有将上述方向1的全反射光衍射成沿方向2传输的功能，同时保留部分能量继续沿方向1传输；反之，对方向2的全反射光也可衍射成沿方向1传输，同时保留部分能量继续沿方向2传输。所中继光栅103起到出瞳中继的作用，避免光束在未得到充分扩展时被耦出。耦出光栅104除具有和中继光栅103相同的功能之外，同时在每一次衍射时将部分能量耦出波导。

图3-图5具体描述所述的各部分光栅对光的衍射作用。如图3所示，光源发出的光线201A以某一角度入射到耦入光栅102，并被衍射形成两个不同方向的全反射光202A和203A，在波导基底内部传输。光源光线201A可以是经过准直光学系统(图中未示出)准直的平行光，耦入光栅102仅将该光束进行分束和偏转。光源光线201A也可以是由图像源发出的发散光，耦入光栅102对其同时具有准直和分束偏转的作用。如图4所示，在基底内部沿方向1传输的全反射光线201B击中中继光栅103后，光能量被分成两部分，其中一部分被衍射形成方向2的全反射光203B，另一部分被反射后继续沿原方向传输为光线202B。类似地，对于沿方向2的全反射光，经过中继光栅103后也被分成两束光，部分能量衍射形成沿方向1传输的全反射光，同时使另一部分能量经反射后继续沿203B的方向传输。从而经过多次对不同方向全反射光的交替衍射，中继光栅103可以将光束扩展。如图5所示，在基底内部沿方向1传输的全反射光线201C击中耦出光栅后被分为三部分，其中一部分能量继续向前传输为光线202C，另一部分能量被衍射为沿方向2全反射传输的光线203C，还有一部分能量被耦出为204C。类似地，对于沿方向2的全反射光，耦出光栅104也可以将其分成三部分，部分能量衍射形成沿方向1传输的全反射光，同时有部分能量被以与204C相同方向耦出，同时还有部分能量继续沿方向2传输。

其中，所述预设比例与所述条纹的结构及对比度具有对应关系。通过不同的空间周期设置，使衍射光栅将特定角度和波长的光束向某一角度或多个角度衍射，实现光束的偏转或分束。衍射光栅通过不同的折射率或透过率分布形成的周期性条纹对比度，控制在进行特定角度衍射时的衍射效率。对于能将特定角度和波长的光束向多个角度衍射以实现分束的光栅，可以通过改变不同方向上的条纹对比度控制分束之后的光能量比例，从而实现更灵活的设计。对光栅区域的衍射效率二维分布进行优化实现了光能量在出瞳范围内的均匀性。

波导实现二维扩瞳的方式如下：光源光线107照射到耦入光栅102上，被耦入光栅102衍射形成沿方向1和方向2的全反射平行光，在波导内部传输。光源光线107可以是经过准直光学系统(图中未示出)准直后的平行光，耦入光栅102仅将该光束进行分束和偏转。光源光线107也可以是由图像源发出的发散光，耦入光栅102对其同时具有准直和分束偏转的作用。方向1和方向2的全反射光传输到中继光栅103区域，受到中继光栅103的交替衍射，即每一次光线击中中继光栅103时均重复该衍射方式，从而在中继光栅103中对耦入光束进行了二维扩展实现光束扩展，形成分布在整个中继光栅103区域的光束孔径。经过中继光栅103调制的光线继续传输到耦出光栅104处，继续在耦出光栅104区域内交替衍射，同时在每次衍射时均有部分能量被耦出到人眼观察区域，形成了相比于耦入孔径更大的出瞳孔径。也就是说，在每一次击中耦出光栅104时，两个方向的全反射光线能量均被分为三部分，第一部分能量继续向前传输，第二部分能量被衍射向另一个方向全反射传输，第三部分能量(即光线108)被耦出到达人眼105所在区域。其中，中继光栅103的位置尺寸设置要求在于使光线经过该区域之后得到充分扩展，避免在距离耦入光栅102过近的位置耦出，导致出瞳尺寸过小。

为了实现上述光束传输和扩展的功能，通过不同的空间周期设置，使衍射光栅将特定角度和波长的光束向某一角度或多个角度衍射。所述折射率调制度的分布通过公式一确定，公式一：I(r)＝I₀+I₁cos(K₁·r)+I₂cos(K₂·r)+I₃cos(K₃·r)+…，其中，I_i(i＝0,1,2,3…)为系数，K_i(i＝1,2,3,…)为光栅矢量，r＝[x，y，z]为空间坐标矢量。所述折射率调制度为材料折射率的变化大小。

图6为上述衍射波导所使用的耦入光栅102的微观结构。耦入光栅102可以仅对经过准直的平行光束具有分束偏转功能时，在整个光栅区域内，其空间周期是固定不变的。该结构具有如下参数：I₀＝0.33，I₁＝0.33，I₂＝0.33，I_i＝0(i＞2)，K₁＝2π/Λ₁[-0.5896,0.4039,-0.6995]，K₂＝2π/Λ₂[-0.5896,-0.4039,-0.6995]，光栅周期Λ₁＝Λ₂＝451.2nm。图中的灰度表征归一化的折射率调制度或材料透过率。

耦入光栅102也可以对光源发出的发散光具有准直功能，在将其准直成平行光的同时进行分束和偏转。图7为该情况下耦入光栅的三维结构。在该情况下，整个光栅区域内具有渐变的K₁和K₂参数，形成渐变的三维空间条纹结构。

为了实现二维扩瞳的能量在出瞳范围内均匀分布，对光栅区域的衍射效率在平行于波导表面方向的二维分布进行优化，特别是中继光栅103和耦出光栅104的衍射效率分布。图8为不同条纹对比度对应光栅衍射效率的变化规律，据此可以在不同的位置设置不同的条纹对比度实现不同的衍射效率控制。

图9A-图9E为具有不同的条纹对比度的中继光栅结构。通过不同衍射效率的中继光栅103，可以控制光线经过中继光栅103之后被分成的两部分能量的比例。举例来说，图9A中的光栅结构参数为：I₀＝0.5，I₁＝0.5，I_i＝0(i＞1)，K₁＝2π/Λ₁[0,-1,0]，Λ₁＝558.6nm。该结构所具有的条纹对比度为1。为了控制光栅具有不同的衍射效率，通过改变I₀和I₁来调节条纹对比度。如图9A-图9E所示，I₀：I₁分别为0.5:0.5，0.88:0.12，0.9:0.1，0.93:0.07，0.97:0.03，条纹对比度分别为1，0.28，0.22，0.13，0.07，衍射效率分别为100％，90％，80％，50％，10％，则可以实现衍射光能量和沿原方向继续传输的光能量比例分别为1:0，9:1，8:2，5:5，1:9等。

图10A-图10E为具有不同结构的耦出光栅结构。通过改变条纹结构和对比度可以改变如上所述光线经过耦出光栅后被分成的三束光的能量比例。例如，图10A中的光栅结构参数为：I₀＝0.5，I₁＝0.2，I₂＝0.1，I₃＝0.2，I_i＝0(i＞3)，K₁＝2π/Λ₁[-0.5896,0.4039,-0.6995]，K₂＝2π/Λ₁[-0.5896,-0.4039,-0.6995]，K₃＝2π/Λ₃[0,-1,0]，光栅周期Λ₁＝Λ₂＝451.2nm，Λ₃＝558.6nm。以沿方向1传输的光线照射到耦出光栅为例，其能量被分为三部分，即如图5中所述的光线202C、203C、204C。经过图10A中的光栅结构后，这三部分能量比例为0:1:1，意味着能量完全被衍射至203C和204C方向，且二者能量相等。通过调节I_i(i＝0，1，2，3)可以改变条纹结构。如图10B-图10E所示，由此可以控制分束后三部分光能量比例，但仍保持原先设计的三束光的传输角度。图10B的结构具有如下系数：I₀＝0.42，I₁＝0.33，I₂＝0.10，I₃＝0.14，光束经过该结构分束之后的能量比例为0:3:7，意味着大部分能量被耦出至204C方向，少部分能量被衍射至203C方向。图10C的结构具有如下系数：I₀＝0.5，I₁＝0.5，I₂＝0，I₃＝0，光束经过该结构分束之后的能量比例为0:0:1，意味着全部能量被耦出。图10D的结构具有如下系数：I₀＝0.57，I₁＝0.13，I₂＝0.08，I₃＝0.20，光束经过该结构分束之后的能量比例为0:6:4，意味着有较大部分能量被衍射至203C方向，较少部分能量被耦出。图10E的结构具有如下系数：I₀＝0.72，I₁＝0.04，I₂＝0.03，I₃＝0.18，光束经过该结构分束之后的能量比例为0:8:2，意味着大部分能量被偏转之203C方向，少部分能量被耦出至204C方向。此外，类似于图9A-图9E所描述的中继光栅的设计，调节以上参数还可以改变耦出光栅整体的条纹对比度控制第一部分能量(即不被衍射而继续沿原方向传输)的比例。综上，通过调节光栅结构公式中的各项系数可以控制光束经耦出光栅衍射分束后的各部分能量比例，从而实现扩瞳过程中更加灵活的均匀性设计。

在本申请的另一个实施例中，为实现均匀性扩瞳的目的，还可将中继光栅103区域和/或耦出光栅104区域的折射率调制度设计为渐变。即衍射效率通过折射率调制度的分布情况确定。

具体地，对于中继光栅103来说，所述中继光栅103区域的衍射效率沿远离所述耦入光栅102的方向逐渐增大。

对于耦出光栅104来说，所述光束在所述耦出光栅104所在区域沿第一方向(方向1)、第二方向(方向2)和耦出方向传输。

所述耦出光栅104区域的衍射效率对应于所述耦出光束为以接近所述耦入光栅102的中点位置为原点，沿远离所述耦入光栅102的方向向周围逐渐增大进行分布；

所述耦出光栅104区域中第一方向光束转换成第二方向光束的衍射效率以所述第二方向向周围逐渐减小进行分布；

所述耦出光栅104区域中第二方向光束转换成第一方向光束的衍射效率以所述第一方向向周围逐渐减小进行分布。

下面以两个具体实施例进行描述。

如图11A-图11C所示，波导结构类似于图1-图2中的波导结构，包括基底701、耦入光栅702、中继光栅703、耦出光栅704。各光栅的功能以及扩瞳的原理如上所述。基于上述的光栅结构设计方法，可以对不同位置的光栅结构单独设计，实现对光在波导内每次衍射形成的多束光能量比例的局部控制，最终实现整体的扩瞳均匀性控制。中继光栅703分成多个子区域，每个区域基于上述的控制条纹对比度的方法具有不同的衍射效率。图中颜色越深的子区域代表衍射效率越高，颜色越浅代表衍射效率越低。通过设置离耦入光栅702较近的位置衍射效率较低，离耦入光栅702越远衍射效率越高，使光线能够在保持足够的能量向前传输的同时均匀地向其他方向扩展。耦出光栅704分成多个子区域，每个区域基于上述的控制条纹结构和对比度的方法控制光束经过该区域分束之后各部分的能量比例。具体的效率分布如图中704A、704B、704C所示。704A、704B、704C中相对应的每个子区域为同一光栅结构，分别表示全反射光被耦出的效率、方向1光束转换成方向2的效率、方向2光束转换成方向1的效率。如704A所示，耦出效率的分布由左侧中心位置向周围呈梯度增加，使足够的光能量向末端传递的同时被均匀地耦出。如704B所示，沿方向1传输的全反射光在经过耦出光栅时被转换成方向2的部分能量效率以左上角为中心向周围呈梯度递减，避免光能量在上边缘逸出耦出光栅区域，并均匀地向整个耦出光栅区域扩展。如704C所示，沿方向2传输的全反射光在经过耦出光栅时被转换成方向1的部分能量效率以左下角为中心向周围呈梯度递减，避免光能量在下边缘逸出耦出光栅区域，并均匀地向整个耦出光栅区域扩展。

如图12A-图12C所示，波导结构类似于图1-图2中的波导结构，包括基底801、耦入光栅802、中继光栅803、耦出光栅804。各光栅的功能以及扩瞳的原理如上所述。基于上述的光栅结构设计方法，可以对不同位置的光栅结构单独设计，实现对光在波导内每次衍射形成的多束光能量比例的局部控制，最终实现整体的扩瞳均匀性控制。中继光栅803基于上述的控制条纹对比度的方法具有渐变的衍射效率分布。图中颜色越深的区域代表衍射效率越高，颜色越浅代表衍射效率越低。通过设置离耦入光栅802较近的位置衍射效率较低，离耦入光栅802越远衍射效率越高，使光线能够在保持足够的能量向前传输的同时均匀地向其他方向扩展。耦出光栅804基于上述的控制条纹结构和对比度的方法控制光束经过该区域分束之后各部分的能量比例在整个光栅区域具有渐变分布。具体的效率分布如图中804A、804B、804C所示。804A、804B、804C中相对应的每个位置为同一光栅结构，分别表示全反射光被耦出的效率、方向1光束转换成方向2的效率、方向2光束转换成方向1的效率。如804A所示，耦出效率的分布由左侧中心位置向周围逐渐增加，使足够的光能量向末端传递的同时被均匀地耦出。如804B所示，沿方向1传输的全反射光在经过耦出光栅时被转换成方向2的部分能量效率以左上角为中心向周围逐渐递减，避免光能量在上边缘逸出耦出光栅区域，并均匀地向整个耦出光栅区域扩展。如804C所示，沿方向2传输的全反射光在经过耦出光栅时被转换成方向1的部分能量效率以左下角为中心向周围逐渐递减，避免光能量在下边缘逸出耦出光栅区域，并均匀地向整个耦出光栅区域扩展。

在又一个实施例中，为提高能量利用效率，还可在所述中继光栅103和/或所述耦出光栅104对应的部分或整个区域设置多个子光栅，所述子光栅呈阵列式排布。

其中，所述子光栅的排布方向为光栅矢量方向。所述子光栅的形状为圆形、方形、菱形或多个不同形状的组合。

具体可如图13-图14所示，在中继区域和耦出区域相应的位置设置中继光栅阵列903A/B和耦出光栅阵列904A/B。如图13所示，中继光栅阵列903A为二维离散分布的光栅阵列，由多个独立的子光栅组成，并沿着方向1和方向2二维排布。当基底901A内部某一方向的全反射光束打到中继光栅阵列903A所在表面时，部分光线接触到中继光栅阵列903A的子光栅，被中继光栅阵列903A向另一个方向衍射，另一部分光线接触到中继光栅阵列903A的子光栅之间的空白区域，因而不会被衍射，而是发生全反射而继续沿原来的方向传输。这样的结构使得在每一次全反射时都有更多的能量被保留并向后传输，从而进一步改善了扩瞳的均匀性，且同时具有满足人眼观察连续性的效果。各个子光栅的尺寸可以是固定的，相互之间的间隔是沿着排布方向渐变的；或者各个子光栅的尺寸可以是渐变的，相互之间的间隔是沿着排布方向固定的；或者各个子光栅的尺寸相互之间的间隔是渐变的。所述的子光栅形状可以是圆形、方形、菱形等或不同形状的组合，不做特定限制。耦出光栅阵列904A也具有和中继光栅阵列903A类似的分布，每个子光栅的形状、尺寸和子光栅之间的都可以单独优化控制。如图14所示，中继光栅阵列903B区域中间形成一个三角形的空缺。该分布不影响如上所述的扩瞳机制，同时减少了光线在中继光栅的衍射次数，以减少由于材料吸收等造成的能量损耗，提高能量利用效率。

本申请实施例的衍射光波导，采用具有对光束偏转或分束功能的光栅，且通过改变光栅的微观结构独立控制分束之后每一部分的能量比例，形成特定衍射效率二维分布，有效控制扩瞳的能量均匀性。

为实现上述目的，本申请提出一种基于衍射光波导的显示方法。

图15是本申请一个实施例的基于衍射光波导的显示方法的流程图。

如图15所示，基于衍射光波导的显示方法包括以下步骤：

S1，光源发出的光束照射到耦入光栅上，经所述耦入光栅分束和偏转，并射入中继光栅。

S2，所述光束经所述中继光栅交替衍射进行扩展，并射入耦出光栅。

S3，所述光束经所述耦出光栅交替衍射进行扩展，并由所述耦出光栅耦出。

其中，所述光束在所述耦出光栅中交替衍射时，每次衍射时均有预设比例的能量耦出所述耦出光栅。每次衍射时耦出所述耦出光栅的能量的比例，通过调节所述耦出光栅的折射率调制度实现。

应当理解的是，本申请的基于衍射光波导的显示方法的实现原理与上一方面实施例的衍射光波导的原理一致，在此不再赘述。

本申请实施例的基于衍射光波导的显示方法，采用具有对光束偏转或分束功能的光栅，且通过改变光栅的微观结构独立控制分束之后每一部分的能量比例，形成特定衍射效率二维分布，有效控制扩瞳的能量均匀性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

需要说明的是，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申请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。

Claims (13)

1.一种衍射光波导，其特征在于，包括基底101以及分布在所述基底101表面或内部的衍射光栅，

所述衍射光栅包括耦入光栅102、中继光栅103和耦出光栅104；

所述耦入光栅102、所述中继光栅103和所述耦出光栅104的折射率在三维空间内呈周期性条纹分布；

光源发出的光束照射到所述耦入光栅102上，经所述耦入光栅102分束和偏转，射入所述中继光栅103，所述光束经所述中继光栅103扩展后射入所述耦出光栅104，再经所述耦出光栅104扩展后耦出，其中，所述光束在所述耦出光栅104中交替衍射，每次衍射时均有预设比例的能量耦出所述耦出光栅104。

2.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述预设比例与所述条纹的结构及对比度具有对应关系。

3.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述折射率的分布具有余弦型分布，折射率调制度通过公式一确定，公式一：I(r)＝I₀+I₁cos(K₁·r)+I₂cos(K₂·r)+I₃cos(K₃·r)+…，其中，I_i(i＝0,1,2,3…)为系数，K_i(i＝1,2,3,…)为光栅矢量，r＝[x，y，z]为空间坐标矢量，所述折射率调制度为材料折射率的变化大小。

4.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述衍射光栅采用全息干涉曝光、微纳结构生长、压印、刻蚀中的至少一种方式加工生成。

5.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，在所述中继光栅103和/或所述耦出光栅104对应的部分或整个区域设置多个子光栅，所述子光栅呈阵列式排布。

6.如权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，所述子光栅的排布方向为光栅矢量方向。

7.如权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，所述子光栅的形状为圆形、方形、菱形或多个不同形状的组合。

8.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述光束在所述耦入光栅102中分束为第一方向传播的光束和第二方向传播的光束。

9.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述中继光栅103区域的衍射效率沿远离所述耦入光栅102的方向逐渐增大，所述衍射效率通过折射率调制度的分布情况确定。

10.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述光束在所述耦出光栅104所在区域沿第一方向、第二方向和耦出方向传输，

所述耦出光栅104区域的衍射效率对应于所述耦出光束为以接近所述耦入光栅102的中点位置为原点，沿远离所述耦入光栅102的方向向周围逐渐增大进行分布；

所述耦出光栅104区域中第一方向光束转换成第二方向光束的衍射效率以所述第二方向向周围逐渐减小进行分布；

所述耦出光栅104区域中第二方向光束转换成第一方向光束的衍射效率以所述第一方向向周围逐渐减小进行分布。

11.一种基于衍射光波导的显示方法，其特征在于，包括：

光源发出的光束照射到耦入光栅上，经所述耦入光栅分束和偏转，并射入中继光栅；

所述光束经所述中继光栅交替衍射进行扩展，并射入耦出光栅；

所述光束经所述耦出光栅交替衍射进行扩展，并由所述耦出光栅耦出。

12.如权利要求11所述的显示方法，其特征在于，包括：

所述光束在所述耦出光栅中交替衍射时，每次衍射时均有预设比例的能量耦出所述耦出光栅。

13.如权利要求12所述的显示方法，其特征在于，包括：

每次衍射时耦出所述耦出光栅的能量的比例，通过调节所述耦出光栅的折射率调制度实现。

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