CN114545549A - 用于衍射显示的光学波导装置及显示设备 - Google Patents

用于衍射显示的光学波导装置及显示设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种光学波导装置，其包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅配置为将来自所述波导基板外部的输入光束耦合到所述波导基板中以使之通过全反射被传播到所述耦出光栅，其中所述耦入光栅具有指向所述耦出光栅的光栅矢量方向，所述耦出光栅包括形成有一维光栅的一维区域和形成有二维光栅的二维区域。本申请还公开了一种包括上述光学波导装置的显示设备。根据本发明实施例的光学波导装置和显示设备中，基于混合的一维光栅和二维光栅的耦出光栅既能够实现光在平面内的二维扩展，又能够有效地提高光学波导装置的光利用/耦合效率。

Description

用于衍射显示的光学波导装置及显示设备
技术领域
本发明涉及基于衍射的显示技术，特别是基于一维光栅和二维光栅的用于衍射显示的光学波导装置和包括该光学波导装置的显示设备。
背景技术
基于衍射的显示技术近年来发展迅速，其可应用在近眼显示装置、头戴式显示装置和平视显示装置等显示装置中，用于实现增强现实(AR，Augmented Reality)显示，也可以用于实现例如虚拟现实(VR,Virtual Reality)显示、混合现实(MR,Mixed Reality)显示等等。
作为基于衍射的显示技术的重要部件，光学波导装置也在不断改进之中。光学波导装置具有可量产性强、轻薄等优势，但是在显示图像的亮度(对应于光学波导装置的光耦合效率/利用效率)和均匀性(对应于光学波导装置的出射光场的均匀性)方面尚待提高。传统的一种基于二维耦出光栅的衍射显示用光学波导装置如图12所示，其中，载有图像信息的输入光束从耦入光栅A被耦合到波导中；耦出光栅B为二维光栅，其接收耦入光栅A耦入并经波导传导过来的光，通过衍射对光进行波导内的二维扩展传播并同时向波导外(向人眼)耦出光。图12中以圆圈示意性地表示入射到耦入光栅上的光束以及光束在波导基板特别是在耦出光栅内的传播。如图12所示，当耦出光栅B为二维光栅时，衍射级次包括向波导外部耦出的级次(耦出级次)以及在波导内部全反射的级次(传导级次)a、b、c、d、e、f，其中传导级次c、d、e级次是向回传导，级次b也是偏向向回传导，向前及向外侧的有效传导的级次主要是全反射零级a(能量占比最大)，其次是衍射级次f。可以看到，传统的二维耦出光栅越往外侧二维扩展传播的效率越低，相应地耦出效率也越低。这样不仅造成整体的光耦合率低，而且也不利于改善出射光场的均匀性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于衍射显示的光学波导装置及包括该光学波导装置的显示设备，以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，提供了一种基于一维光栅和二维光栅的扩展输入光的光学波导装置，其包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅配置为将来自所述波导基板外部的输入光束耦合到所述波导基板中以使之通过全反射被传播到所述耦出光栅，其中所述耦入光栅具有指向所述耦出光栅的光栅矢量方向，所述耦出光栅包括形成有一维光栅的一维区域和形成有二维光栅的二维区域。
在一些实施例中，所述一维区域比所述二维区域更加远离一表征波导内主传播方向的假想线，所述假想线经过所述耦入光栅的大致中心位置并沿着所述光栅矢量方向延伸。
有利地，所述一维区域位于所述二维区域的垂直于所述光栅矢量方向的一侧或两侧。
有利地，所述耦出光栅具有靠近所述耦入光栅的第一端和与所述第一端相反的第二端，所述二维区域从所述第一端延伸至所述第二端。
有利地，所述二维区域具有沿着所述光栅矢量方向逐渐增大的宽度。
有利地，所述耦入光栅对预定视场角以内的输入光束进行衍射，形成朝向所述耦出光栅传播的耦入光，所述耦入光以全反射方式传播经过所述耦出光栅的区域为全反射路径区域，其中，所述二维区域形成为与所述全反射路径区域相对应。
有利地，所述二维区域形成为与所述全反射路径区域基本上重合，或以预定的边缘裕量覆盖整个所述全反射路径区域。
有利地，所述二维区域包括多个二维分区，各个二维分区中形成有二维子光栅，所述二维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个二维分区中的二维子光栅与其它二维分区中的二维子光栅具有不同的光学结构。
有利地，所述一维区域包括多个一维分区，各个一维分区中形成有一维子光栅；并且位于所述假想线的同一侧的多个一维分区中，所述一维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个一维分区中的一维子光栅与其它一维分区中的一维子光栅具有不同的光学结构。
有利地，所述不同的光学结构可以为具有不同的横截面形状、横截面尺寸、刻槽倾角、刻槽占空比以及/或者不同高度或深度的光学结构。
所述二维分区可以包括规则排布的分区，或者包括不规则排布的分区。
所述一维分区可以包括规则排布的分区，或者包括不规则排布的分区。
所述二维分区和或所述一维分区可以包括规则排布的分区，或者包括不规则排布的分区。
在一些实施例中，所述二维区域包括多个二维分区，各个二维分区中形成有二维子光栅；所述一维区域包括多个一维分区，各个所述一维分区中形成有一维子光栅；并且随着远离一表征波导内主传播方向的假想线，所述二维分区所占面积减小，所述一维分区所占面积增大，所述假想线经过所述耦入光栅的大致中心位置并沿着所述光栅矢量方向延伸。
有利地，所述二维分区的排布密度垂直于所述光栅矢量方向从中间向两侧逐渐减小，并且所述一维分区的排布密度垂直于所述光栅矢量方向从中间向两侧逐渐增大。
所述二维分区和所述一维分区可以为规则排布的分区，或者为不规则排布的分区。
有利地，所述二维分区和所述一维分区可以关于所述假想线呈对称分布。
有利地，所述耦入光栅对预定视场角以内的输入光束进行衍射，形成朝向所述耦出光栅传播的耦入光，所述耦入光以全反射方式传播经过所述耦出光栅的区域为全反射路径区域，其中，所述二维分区在所述全反射路径区域的内侧和外侧具有显著不同的排布密度。
有利地，至少一个二维分区中的二维子光栅与其它二维分区中的二维子光栅具有不同的光学结构。
有利地，至少一个一维分区中的一维子光栅与其它一维分区中的一维子光栅具有相同的光栅矢量和不同的光学结构。
有利地，所述多个一维分区分为位于所述假想线的一侧的多个第一一维分区和位于所述假想线的另一侧的多个第二一维分区，其中所述多个第一一维分区中的一维子光栅具有相同的第一光栅矢量，所述多个第二一维分区中的一维子光栅具有相同的第二光栅矢量，所述第一光栅矢量不同于所述第二光栅矢量；并且至少一个所述第一一维分区中的一维子光栅具有与另一个第一一维分区中的一维子光栅不同的光学结构，并且至少一个所述第二一维分区中的一维子光栅具有与另一个第二一维分区中的一维子光栅不同的光学结构。
根据本发明的另一方面，还提供了一种显示设备，其包括如上所述的光学波导装置。
有利地，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，所述镜片包括所述光学波导装置。
有利地，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
根据本发明实施例的光学波导装置和显示设备中，基于混合的一维光栅和二维光栅的耦出光栅既能够实现光在平面内的二维扩展，又能够有效地提高光学波导装置的光利用/耦合效率。
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一的光学波导装置的示例一的示意图；
图2示意性地示出图1所示光学波导装置的一种变型；
图3为根据本发明实施例二的光学波导装置的示例一的示意图；
图4为根据本发明实施例二的光学波导装置的示例二的示意图；
图5为根据本发明实施例二的光学波导装置的示例三的示意图；
图6为根据本发明实施例三的光学波导装置的示例一的示意图；
图7为根据本发明实施例三的光学波导装置的示例二的示意图；
图8为根据本发明实施例四的光学波导装置的示例一的示意图；
图9为根据本发明实施例四的光学波导装置的示例二的示意图；
图10示意性地示出图8所示光学波导装置的一种变型；
图11示意性地示出了仿真算例中的不同光学波导装置结构以及输入光束的角度范围；
图12示意性地图解了现有技术的用于显示的光学波导装置。
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。
图1至图10示出了根据本发明不同实施例及其变型例的光学波导装置，其中各光学波导装置包括波导基板和设置在波导基板上的耦入光栅和耦出光栅。图1至图10中，分别以附图标记10a、20a、30a、40a、50a、60a、70a、80a、90a和100a标示波导基板，以附图标记11、21、31、41、51、61、71、81、91和101标示耦入光栅，以附图标记12、22、32、42、52、62、72、82、92和102标示耦出光栅。如无必要，下文中将不再分别介绍上述附图标记与所标示的特征的对应关系。
根据本发明实施例的光学波导装置中，耦入光栅配置为将来自波导基板外部的输入光束耦合到波导基板中以使之通过全反射被传播到耦出光栅。耦出光栅在接收到来自耦入光栅的较细的输入光束之后，通过衍射在平面内的两个方向上不断扩展光束并同时部分地将光从波导基板中耦出，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(eyebox)内观察到输入光束所携带的显示信息。
图1示意性地示出根据本发明实施例一的光学波导装置的一个示例，即光学波导装置10。如图1所示，光学波导装置10包括波导基板10a和设置在波导基板10a上的耦入光栅11和耦出光栅12。耦入光栅11具有指向耦出光栅12的光栅矢量方向G。
在本申请中，采用“光栅矢量”描述光栅结构的周期性特点，其中，“光栅矢量”的方向平行于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/d，其中d为光栅结构在“光栅矢量”的方向上的周期，又称“光栅周期”。
如图1所示，耦出光栅12包括形成有二维光栅的二维区域12A和形成有一维光栅的一维区域12B、12C。图1中以圆圈示意性地表示入射到耦入光栅11上的光束以及光束在波导基板10a特别是在耦出光栅12内的传播。根据本发明实施例，如图1所示，在耦出光栅12的一维区域/光栅内，除耦出级次外，仅有a、d两个传导级次；对比图12所示，现有的二维耦出光栅B中向回传导的传导级次b、c、d、e的能量在根据本发明实施例的一维耦出光栅中被分配至耦出级次和传导级次a、d中，能够有效提升耦出能量以及向外传导的全反射零级a的能量。因此，根据本发明实施例，基于混合的一维光栅和二维光栅的耦出光栅既能够实现光在平面内的二维扩展，又能够有效地提高光学波导装置的光利用/耦合效率。
另外，从加工制造的角度来说，一维光栅相比于二维光栅更容易加工，对光栅设计的还原度更高。因此，根据本发明实施例的基于混合的一维和二维耦出光栅的光学波导装置更易于设计、制造，有利于降低成本，提高成品率。
根据本实施例，一维区域12B、12C比二维区域12A更加远离一表征波导内主传播方向的假想线c-c，该假想线c-c经过耦入光栅11的大致中心位置并沿着光栅矢量方向G延伸。在图1所示示例中，一维区域12B、12C位于二维区域12A的垂直于光栅矢量方向G的两侧。
如图1所示，耦出光栅12具有靠近耦入光栅11的第一端E1和与第一端E1相反的第二端E2，二维区域12A可以从第一端E1延伸至第二端E2。但是，本发明并不限于此。在根据本发明的其它实施例中，二维区域12A也可以仅延伸至靠近第二端E2，并且在靠近第二端E2的末端接续一段一维光栅/一维区域。总之，耦出光栅中各一维光栅/区域相对于二维光栅/区域处于光传播路径的下游，耦出光栅既通过上游的二维光栅实现了二维扩展，又通过一维光栅实现了光利用/耦合效率的提高。
图2示意性地示出图1所示光学波导装置的一种变型。图2所示的光学波导装置20与图1所示光学波导装置10具有基本上相同的结构，不同之处在于：光学波导装置20中，耦入光栅21相对于耦出光栅22呈偏置布置，相应地，耦出光栅22包括二维区域22A和位于二维区域22A一侧的一维区域22B。与光学波导装置10中相同，一维区域22B比二维区域22A更加远离一表征波导内主传播方向的假想线c-c，该假想线c-c经过耦入光栅21的大致中心位置并沿着耦入光栅21的光栅矢量方向G。同样地，这使得一维区域22B相对于二维区域22A处于光传播路径的下游，耦出光栅22既通过上游的二维光栅实现了二维扩展，又通过一维光栅实现了光利用/耦合效率的提高。
以下参照图3至图5介绍根据本发明实施例二的光学波导装置。
图3示意性地示出了根据本发明实施例二的光学波导装置的示例一。图3所示光学波导装置30与图1所示光学波导装置10具有基本上相同的结构，不同之处在于：光学波导装置30中，耦出光栅32的二维区域32A具有沿着光栅矢量方向G(见图1)逐渐增大的宽度。
输入光束入射到耦入光栅31上时相对于耦入光栅31的表面的法线(一般同波导基板30a的平面的法线)可以具有一定的倾角，该倾角的范围在此称为输入光束的“视场角(FOV,Field of View)”。耦入光栅31对预定视场角以内的输入光束进行衍射，形成朝向耦出光栅32传播的耦入光，耦入光以全反射方式传播经过耦出光栅32的区域为“全反射路径区域”。当输入光束的入射倾角在预定视场角范围内变化时，耦入光在耦出光栅32中传播的方向在图3中两个虚线箭头所示意性指示的范围之间变化。图3中以虚线圆圈示意性地表示输入光束及其沿着上述两个虚线箭头所指示方向通过全反射在波导基板30a特别是在耦出光栅32内的传播。图3所示虚线圆圈的外包络线L1、L2之间的区域即为上述“全反射路径区域”。
优选地，根据本发明实施例的光学波导装置的二维区域形成为与全反射路径区域相对应。在图3所示示例中，二维区域32A以一定的边缘裕量(margin)m覆盖全反射路径区域。适应性地，光学波导装置30的耦出光栅32的两个一维区域32B和32C具有与二维区域32A互补的形状和大小。
图4示出根据本发明实施例二的光学波导装置的示例二。在图4所示示例中，光学波导装置40的耦出光栅42的二维区域42A和一维区域42B、42C与图3所示光学波导装置30的耦出光栅32的二维区域32A和一维区域32B、32C基本相同的构造，不同之处仅在于：光学波导装置40中二维区域42A形成为与全反射路径区域基本上重合，见图4所示。
根据实施例的光学波导装置中，耦出光栅的二维区域与全反射路径区域的对应关系并不限于二维区域至少完全覆盖全反射路径区域。例如，在图5所示根据本发明实施例二的光学波导装置的示例三，即光学波导装置50中，耦出光栅52的二维区域52A在远离耦入光栅51的一端相对于图3中虚线L1、L2所示的全反射路径区域具有较小的宽度(图面中上下方向的尺寸)，呈被“截平”的形状。应该理解的是，图5所示仅为示例性的，在其它实现方式中，耦出光栅的二维区域还可以以其它方式与全反射路径区域呈对应关系。
根据本发明实施例二，将光学波导装置的耦出光栅的二维区域设置为与全反射路径区域对应，一方面确保预定视场角内的具有“极限”入射倾角的输入光束在被耦入并传播到耦出光栅时，能够充分通过二维区域中的二维光栅实现在波导平面中的二维扩展(光瞳扩展)，另一方面尽可能地利用一维光栅来提高光耦合效率。例如，参见图3至图5，根据本发明实施例二的光学波导装置在耦出光栅的靠近耦入光栅的第一端E1处具有较小的宽度，相应地一维区域可以具有较大的宽度，从而允许更多地利用一维区域的一维光栅来提高光耦合效率。
图6和图7示出根据本发明实施例三的光学波导装置的不同示例。根据实施例三，在耦出光栅的二维区域和一维区域中可以进行分区并形成具有不同光学结构的子光栅，这样允许在分区中实现不同的衍射和耦出效率，以便更加灵活、有效地调节耦出光栅的出射光场的光能量均匀性。
参见图6，根据实施例三的光学波导装置60包括波导基板60a和形成在波导基板60a上的耦入光栅61和耦出光栅62，耦出光栅62包括二维区域62A和一维区域62B、62C。与图5所示光学波导装置50类似，光学波导装置60中二维区域62A形成为与耦出光栅62的全反射路径区域对应，一维区域62B、62C在垂直于耦出光栅61的光栅矢量方向G的方向上位于二维区域62A的两侧。
根据本实施例，二维区域62A可以包括多个二维分区62a，各个二维分区62a中形成有二维子光栅，这些二维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个二维分区62a中的二维子光栅与其它二维分区62a中的二维子光栅具有不同的光学结构。
如图6所示，一维区域62B、62C可以各自包括多个一维分区，各个一维分区中形成有一维子光栅。位于假想线c-c的一侧的多个一维分区62b中，一维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个一维分区62b中的一维子光栅与其它一维分区62b中的一维子光栅具有不同的光学结构。位于假想线c-c的另一侧的多个一维分区62c中，一维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个一维分区62c中的一维子光栅与其它一维分区62c中的一维子光栅具有不同的光学结构。
应该理解的是，根据本实施例，可以仅二维区域62A或者仅一维区域62B、62C包括分区，并不限于二者均包括多个分区的实现方式。
子光栅的不同光学结构可以为具有不同的横截面形状、横截面尺寸、刻槽倾角、刻槽占空比以及/或者不同高度或深度(凸起形的光学结构的高度或凹陷形光学结构的深度)的光学结构。通过改变光栅的光学结构，可以改变光栅的衍射效率，从而改变光的耦出效率。
在图6所示示例中，二维区域62A和一维区域62B、62C分别包括规则的二维分区62a和一维分区62b、62c。然而，应该理解，本发明并不限于此。例如，参见图7所示光学波导装置70，耦出光栅72的二维区域72A和一维区域72B、72C可以分别包括不规则排布的二维分区72a和一维分区72b、72c。
尽管图6和图7所示示例中，二维区域和一维区域按照统一的分区方式(例如规则分区或不规则分区)被划分成多个分区，但是应该理解，它们也可以采用彼此不同的分区方式，例如二维区域包括不规则的多个分区和一维区域包括规则的多个分区。
此外，应该理解，尽管图6和图7所示示例中，二维区域62A和72A示出为与全反射路径区域基本上重合，但是应该理解，根据本发明实施例三的光学波导装置并不限于二维区域的这种特征，例如根据实施例三的分区也可以应用于例如参照图1和图2介绍的根据本发明实施例一的光学波导装置。
接下来参照图8至图10介绍根据本发明实施例四及其变型例的光学波导装置。
图8示出根据本发明实施例四的光学波导装置的示例一。如图8所示，光学波导装置80包括波导基板80a和设置在波导基板80a上的耦入光栅81和耦出光栅82，耦入光栅81具有指向耦出光栅82的光栅矢量方向G，耦出光栅82包括形成有一维光栅的一维区域和形成有二维光栅的二维区域，二维区域包括多个二维分区82a，二维分区82a中形成有二维子光栅，一维区域包括多个一维分区82b、82c，一维分区82b、82c中形成有一维子光栅。根据本实施例，随着远离经过耦入光栅81的大致中心位置并沿着光栅矢量方向G延伸的假想线c-c，二维分区82a所占面积减小，一维分区82b、82c所占面积增大。
在图8所示示例中，耦出光栅82的二维分区和一维分区为规则排布的分区，二维分区82a的排布密度垂直于光栅矢量方向G从中间向两侧逐渐减小，一维分区82b、82c的排布密度垂直于光栅矢量方向G从中间向两侧逐渐增大。
根据本实施例，在耦出光栅的二维区域和一维区域中可以进行分区并形成具有不同光学结构的子光栅，这样允许在耦出光栅的不同位置中实现不同的衍射和耦出效率，以便更加灵活、有效地调节耦出光栅的出射光场的光能量均匀性。而且，根据本实施例，二维分区和一维分区可以一定程度地混合，使得部分二维分区嵌入在一维分区中并且/或者部分一维分区嵌入在二维分区中。这样有利于更加灵活地优化耦出光栅各个区域的光学结构，从而调控耦出光栅的耦合效率和均匀性，实现更优的衍射显示效果。
根据本实施例，至少一个二维分区82a中的二维子光栅与其它二维分区82a中的二维子光栅具有不同的光学结构。
如图8所示，耦出光栅82的多个一维分区分为位于假想线c-c的一侧的第一一维分区82b和位于假想线c-c的另一侧的第二一维分区82c，其中第一一维分区82b中的一维子光栅具有相同的第一光栅矢量，第二一维分区82c中的一维子光栅具有相同的第二光栅矢量，并且第一光栅矢量不同于第二光栅矢量。至少一个一维分区82b中的一维子光栅与其它一维分区82b中的一维子光栅具有不同的光学结构；至少一个一维分区82c中的一维子光栅与其它一维分区82c中的一维子光栅具有不同的光学结构。
根据实施例四的光学波导装置并不限于耦出光栅规则分区的实现方式。例如，如图9所示，根据本发明实施例四的光学波导装置90中，耦出光栅92的二维分区92a和一维分区92b、92c可以为不规则排布的分区。
如图9所示，二维分区92a和一维分区92b、92c可以关于经过耦入光栅91的大致中心位置并沿着光栅矢量方向G延伸的假想线c-c呈对称分布。
此外，耦入光栅91对预定视场角以内的输入光束进行衍射，形成朝向耦出光栅92传播的耦入光，耦入光以全反射方式传播经过耦出光栅92的区域为全反射路径区域。图9中以虚线L1和L2示出“全反射路径区域”的范围。在图9所示示例中，二维分区92a在全反射路径区域的内侧和外侧具有显著不同的排布密度。这样排布的效果与根据本发明实施例二的光学波导装置中实现的效果类似，在此不再赘述。
图10所示光学波导装置100为图8所示光学波导装置80的变型。光学波导装置100与光学波导装置80具有基本上相同的结构，不同之处在于：光学波导装置100中，耦入光栅101相对于耦出光栅102呈偏置布置；耦出光栅102的二维区域102A相应地偏置布置，并且位于经过耦入光栅81的大致中心位置并沿着光栅矢量方向G延伸的假想线c-c一侧的第一一维分区102b的数量较少，而位于假想线c-c另一侧的第二一维分区102c的数量较多。与光学波导装置80中相同，随着远离假想线c-c，二维分区102a所占面积减小，一维分区102b、102c所占面积增大。同样地，这样允许通过各个分区中的不同光学结构实现不同的衍射和耦出效率，而且允许二维分区和一维分区一定程度地混合，从而更加灵活地优化耦出光栅，更好地调控耦出光栅的耦合效率和均匀性，实现更优的衍射显示效果。
根据本发明实施例的光学波导装置可以应用于显示设备中。这样的显示设备例如为近眼显示设备，其包括镜片和用于将镜片保持为靠近眼睛的框架，其中镜片可以包括如上介绍的根据本发明实施例的光学波导装置。优选地，显示设备可以为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
最后，为了说明根据本发明实施例的光学波导装置在光耦合效率方面的技术优势，下面将给出仿真计算的算例。图11示意性地示出了仿真算例中进行对比的不同光学波导装置的结构以及输入光束的入射倾角的范围。
如图11所示，光学波导装置1具有与图12所示相同的单纯二维光栅的耦出光栅；光学波导装置2具有与图1所示相同的有着矩形二维区域和矩形一维区域的耦出光栅；光学波导装置3具有图5所示相同的期中二维区域与全反射路径区域相对应的耦出光栅，光学波导装置3中耦出光栅的二维区域的最大宽度与光学波导装置2中耦出光栅的二维区域的宽度相同。
以输入光束绕图11中所示x轴的入射倾角为α角，以绕图11中所示y轴的入射倾角为β角，将输入光束的入射倾角记为(α,β)。算例中各光学波导装置1、2、3的耦出光栅的二维光栅和一维光栅具有相同的结构；输入光束的视场角为20°×20°，且视场中心对应的入射倾角为(5°,0)，视场分布如图11上方图形所示：α角范围为-5°～15°，β角范围为-10°～10°。
根据仿真计算，光学波导装置1、2、3对于不同入射倾角的输入光束的出瞳平均耦合效率见下表。
表1：
(α，β) (-5°，10°) (5°，10°) (15°，10°) (-5°，0°) (5°，0°) (15°，0°)
光学波导装置1 1.80E-03 2.70E-03 2.70E-03 2.30E-03 2.80E-03 2.50E-03
光学波导装置2 3.50E-03 4.10E-03 4.00E-03 4.50E-03 5.00E-03 4.30E-03
光学波导装置3 3.90E-03 5.00E-03 4.60E-03 5.50E-03 5.90E-03 4.50E-03
这里，若进入光学波导装置的耦入光栅的入射光能量为Iin，从耦出光栅的视窗(eyebox)内出射的各个出瞳间平均光能量为IE-ave，则光学波导装置的出瞳平均耦合效率为r＝IE-ave/Iin。从表1所示结果可以看到，根据本发明实施例的光学波导装置2、3显著提高了光能量的耦合效率，而且光学波导装置3相对于光学波导装置2具有更优的光耦合效率。
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 (23)

1.一种基于一维光栅和二维光栅的扩展输入光的光学波导装置，包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅配置为将来自所述波导基板外部的输入光束耦合到所述波导基板中以使之通过全反射被传播到所述耦出光栅，其中所述耦入光栅具有指向所述耦出光栅的光栅矢量方向，所述耦出光栅包括形成有一维光栅的一维区域和形成有二维光栅的二维区域。
2.如权利要求1所述的光学波导装置，其中，所述一维区域比所述二维区域更加远离一表征波导内主传播方向的假想线，所述假想线经过所述耦入光栅的大致中心位置并沿着所述光栅矢量方向延伸。
3.如权利要求2所述的光学波导装置，其中，所述一维区域位于所述二维区域的垂直于所述光栅矢量方向的一侧或两侧。
4.如权利要求3所述的光学波导装置，其中，所述耦出光栅具有靠近所述耦入光栅的第一端和与所述第一端相反的第二端，所述二维区域从所述第一端延伸至所述第二端。
5.如权利要求3所述的光学波导装置，其中，所述二维区域具有沿着所述光栅矢量方向逐渐增大的宽度。
6.如权利要求1-5中任一项所述的光学波导装置，其中，所述耦入光栅对预定视场角以内的输入光束进行衍射，形成朝向所述耦出光栅传播的耦入光，所述耦入光以全反射方式传播经过所述耦出光栅的区域为全反射路径区域，其中，所述二维区域形成为与所述全反射路径区域相对应。
7.如权利要求6所述的光学波导装置，其中，所述二维区域形成为与所述全反射路径区域基本上重合，或以预定的边缘裕量覆盖整个所述全反射路径区域。
8.如权利要求2所述的光学波导装置，其中，所述二维区域包括多个二维分区，各个二维分区中形成有二维子光栅，所述二维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个二维分区中的二维子光栅与其它二维分区中的二维子光栅具有不同的光学结构。
9.如权利要求2所述的光学波导装置，其中，所述一维区域包括多个一维分区，各个一维分区中形成有一维子光栅；并且
位于所述假想线的同一侧的多个一维分区中，所述一维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个一维分区中的一维子光栅与其它一维分区中的一维子光栅具有不同的光学结构。
10.如权利要求8所述的光学波导装置，其中，所述一维区域包括多个一维分区，各个一维分区中形成有一维子光栅；并且
位于所述假想线的同一侧的多个一维分区中，所述一维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个一维分区中的一维子光栅与其它一维分区中的一维子光栅具有不同的光学结构。
11.如权利要求8-10中任一项所述的光学波导装置，其中，所述不同的光学结构为具有不同的横截面形状、横截面尺寸、刻槽倾角、刻槽占空比以及/或者不同高度或深度的光学结构。
12.如权利要求1-5、7-10中任一项所述的光学波导装置，其中，所述二维分区和/或所述一维分区包括规则排布的分区，或者包括不规则排布的分区。
13.如权利要求1所述的光学波导装置，其中，所述二维区域包括多个二维分区，各个二维分区中形成有二维子光栅；
所述一维区域包括多个一维分区，各个所述一维分区中形成有一维子光栅；并且
随着远离一表征波导内主传播方向的假想线，所述二维分区所占面积减小，所述一维分区所占面积增大，所述假想线经过所述耦入光栅的大致中心位置并沿着所述光栅矢量方向延伸。
14.如权利要求13所述的光学波导装置，其中，所述二维分区的排布密度垂直于所述光栅矢量方向从中间向两侧逐渐减小，并且所述一维分区的排布密度垂直于所述光栅矢量方向从中间向两侧逐渐增大。
15.如权利要求13或14所述的光学波导装置，其中，所述二维分区和所述一维分区为规则排布的分区，或者为不规则排布的分区。
16.如权利要求14所述的光学波导装置，其中，所述二维分区和所述一维分区关于所述假想线呈对称分布。
17.如权利要求13或14所述的光学波导装置，其中，所述耦入光栅对预定视场角以内的输入光束进行衍射，形成朝向所述耦出光栅传播的耦入光，所述耦入光以全反射方式传播经过所述耦出光栅的区域为全反射路径区域，其中，所述二维分区在所述全反射路径区域的内侧和外侧具有显著不同的排布密度。
18.如权利要求13所述的光学波导装置，其中，至少一个二维分区中的二维子光栅与其它二维分区中的二维子光栅具有不同的光学结构。
19.如权利要求13或18所述的光学波导装置，其中，至少一个一维分区中的一维子光栅与其它一维分区中的一维子光栅具有相同的光栅矢量和不同的光学结构。
20.如权利要求14所述的光学波导装置，其中，所述多个一维分区分为位于所述假想线的一侧的多个第一一维分区和位于所述假想线的另一侧的多个第二一维分区，其中所述多个第一一维分区中的一维子光栅具有相同的第一光栅矢量，所述多个第二一维分区中的一维子光栅具有相同的第二光栅矢量，所述第一光栅矢量不同于所述第二光栅矢量；并且
至少一个所述第一一维分区中的一维子光栅具有与另一个第一一维分区中的一维子光栅不同的光学结构，并且至少一个所述第二一维分区中的一维子光栅具有与另一个第二一维分区中的一维子光栅不同的光学结构。
21.一种显示设备，包括如权利要求1-20中任一项所述的光学波导装置。
22.如权利要求21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，所述镜片包括所述光学波导装置。
23.如权利要求21或22所述的显示设备，其中，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
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