CN114910991B - 衍射光波导及显示设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种用于光学扩瞳的衍射光波导及显示设备。衍射光波导包括波导基板、耦入光栅和耦出光栅。耦出光栅包括沿第一方向依次排布的第一耦出光栅、第二耦出光栅和第三耦出光栅。第二耦出光栅位于第一耦出光栅和第三耦出光栅之间。第二耦出光栅包括二维光栅。第二耦出光栅所对应的区域包括在第二方向上间隔设置的第一边和第二边。第二方向正交于第一方向，第一边比第二边距耦入光栅更近。第一边沿第一方向的第一宽度大于第二边沿第一方向的第二宽度，由耦入光栅发射出的光线经波导基板入射到第二耦出光栅，并经第二耦出光栅衍射分出多个分光，多个分光包括在第二耦出光栅区域内传播的第一分光和朝向第一耦出光栅或第三耦出光栅传播的第二分光。
Description
技术领域
本申请总地涉及衍射光学技术领域，更具体地涉及一种衍射光波导及显示设备。
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。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，有望成为未来AR领域主流技术发展方向，而耦出光栅则是衍射光波导的必要组成部分之一。
然而，目前的耦出光栅存在以下问题：若意图获得较好的二维扩瞳效果的前提下，则难以达成耦出效率和不同区域之间的均匀性的平衡，即出光的不同区域之间的均匀性较好时则光栅的耦出效率较低，反之光栅的耦出效率较高时出光的不同区域之间的均匀性较差。由此，导致人眼在衍射光波导的视窗中活动时观察到的图像整体亮度较低和/或出现较明显的明暗变化，导致显示效果不佳，显著影响用户的使用体验。
因此，有必要对衍射光波导进行改进，以解决至少一个技术问题。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一个而提出了本申请。具体地，本申请第一方面提供一种用于光学扩瞳的衍射光波导，包括：
波导基板；
耦入光栅，设置在所述波导基板之上或之中，配置为将输入光耦合到所述波导基板中以使之通过全反射在所述波导基板内传播；
耦出光栅，设置在所述波导基板之上或之中，用于使传播到其中的光的至少一部分通过衍射耦合出所述波导基板，其中，
所述耦出光栅包括沿第一方向依次排布的第一耦出光栅、第二耦出光栅和第三耦出光栅，所述第二耦出光栅位于所述第一耦出光栅和所述第三耦出光栅之间，所述第二耦出光栅包括二维光栅，所述第二耦出光栅所对应的区域包括在第二方向上间隔设置的第一边和第二边，所述第二方向正交于所述第一方向，所述第一边相比所述第二边距离所述耦入光栅更近，其中，所述第一边沿所述第一方向的第一宽度大于所述第二边沿所述第一方向的第二宽度，由所述耦入光栅发射出来的光线经所述波导基板入射到所述第二耦出光栅，并经所述第二耦出光栅衍射分出多个分光，所述多个分光包括在所述第二耦出光栅区域内传播的第一分光和朝向所述第一耦出光栅或所述第三耦出光栅传播的第二分光。
示例性地，所述耦入光栅具有与所述第二方向平行的中心轴线，所述第二耦出光栅沿与所述第一边和所述第二边位于所述中心轴线的同一侧的端点之间的连线与所述第二边之间具有第一夹角，所述第一分光的传播方向和所述第二边之间具有第二夹角，其中，所述第一夹角大于或等于所述第二夹角。
示例性地，所述多个分光还包括第三分光，所述第三分光的传播方向和所述耦入光栅发射出来的光线的传播方向相同，所述第三分光能够传播至所述第一耦出光栅或所述第三耦出光栅。
示例性地，所述第三分光经所述第一耦出光栅衍射分出第一光线分量和第二光线分量，其中所述第一光线分量在所述第一耦出光栅传播并至少部分耦出所述波导基板，所述第二光线分量朝向所述第二耦出光栅传播，用于补光；或者
所述第三分光经所述第三耦出光栅衍射分出第一光线分量和第二光线分量，其中所述第一光线分量在所述第三耦出光栅传播并至少部分耦出所述波导基板，所述第二光线分量朝向所述第二耦出光栅传播，用于补光。
示例性地，所述第一边的第一宽度配置为使得所述耦入光栅出射的光线所形成视场中的边缘视场角光线经所述波导基板全反射后能够入射到所述第二耦出光栅。
示例性地，所述边缘视场角光线与所述耦入光栅的中心轴线之间的夹角为第一视场角，所述耦入光栅的中心轴线与所述第二方向平行，所述第一边的第一宽度是基于所述耦入光栅在所述第一方向上的宽度、所述第一边与所述耦入光栅的中心之间的距离以及所述第一视场角确定的。
示例性地，所述第一边的宽度基于以下公式计算获得：
其中，d为所述第一边的第一宽度，β为所述第一视场角，c为所述第一边与所述耦入光栅的中心之间的距离，a为所述耦入光栅在所述第一方向上的宽度，ε为常数，其中ε的取值范围为0-5mm。
示例性地，所述第二边的第二宽度小于所述第一边的第一宽度与2倍的第三宽度之间的差值，所述第三宽度等于所述耦出光栅在所述第二方向上的长度除以所述第一夹角的正切值。
示例性地，所述第一耦出光栅和所述第三耦出光栅均为一维光栅。
示例性地，所述耦入光栅的中心轴线与所述第二方向平行，所述第一耦出光栅和所述第三耦出光栅关于所述中心轴线对称，所述第二耦出光栅关于所述中心轴线对称。
示例性地，所述第二耦出光栅包括多个分区，不同分区中的耦出光栅具有不同的二维周期性结构，或者，
所述多个分区中的至少两个分区具有相同的二维周期性结构。
示例性地，所述第二边的所述第二宽度大于或等于0。
示例性地，所述第二耦出光栅所在的区域的形状为以下形状中的一种：倒梯形、三角形、倒梯形和矩形的组合图形。
示例性地，所述第二耦出光栅所在的区域邻近所述第一边的位置处设置有倒角；和/或
所述第二耦出光栅所在的区域邻近所述第二边的位置处设置有倒角。
示例性地，所述耦出光栅还包括第四耦出光栅和第五耦出光栅，所述第四耦出光栅位于所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅之间，所述第五耦出光栅位于所述第二耦出光栅和所述第三耦出光栅之间，其中，所述第四耦出光栅和所述第五耦出光栅关于所述第二耦出光栅的中心轴线对称。
示例性地，所述第四耦出光栅和所述第五耦出光栅均包括多条光栅线，每条所述光栅线包括连续连接排布的多个周期性结构，所述周期性结构的至少一个侧边为非直线侧边，所述非直线侧边的形状为以下形状中的一种：折线形、弧线形、或直线与弧线组合形。
本申请的另一方面还提供一种显示设备，包括前述的衍射光波导。
示例性地，所述显示设备为近眼显示设备，包括：
镜片和用于将所述镜片保持为靠近眼镜的框架，所述镜片包括所述衍射光波导。
本申请的用于光学扩瞳的衍射光波导，第二耦出光栅位于第一耦出光栅和第三耦出光栅之间，且第二耦出光栅的第一边的宽度大于第二边的宽度的设置，能够利用第二耦出光栅获得较好的二维扩瞳效果的同时，还能利用第一耦出光栅和第三耦出光栅提高耦出效率，以达成不同区域之间的较高的均匀性和较高整体耦出效率兼得的效果。进而，使得人眼在佩戴光波导显示设备后，对不同入射方向光的亮度变化的感受更加缓和，视场内的光线更加明亮，同时也避免人眼在衍射光波导的视窗中活动时观察到的图像出现较大的明暗变化，改善包括该衍射光波导的显示设备的显示效果，进而提升用户的使用体验。
本申请的显示设备由于包括前述的衍射光波导，因此，具有和衍射光波导基本相同的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请的一种优选实施方式的衍射光波导的示意图；
图2示出了本申请的一种优选实施方式衍射光波导侧视示意图；
图3示出了图1中衍射光波导的各尺寸的标识示意图；
图4示出了图1所示实施方式中分光方向的示意图；
图5示出了图1中衍射光波导的变形的示意图；
图6示出了本申请的另一个优选实施方式的衍射光波导的示意图；
图7示出了图6中衍射光波导的变形的示意图；
图8示出了本申请的又一个优选实施方式的衍射光波导的示意图；
图9示出了图8中衍射光波导的变形的示意图；
图10示出了本申请的再一个优选实施方式的衍射光波导的示意图；
图11示出了图10中衍射光波导的变形的示意图；
图12示出了图10和图11中所示的实施方式的第二耦出光栅可选的周期性结构的示意图；
图13示出了图10和图11中所示的实施方式的第一耦出光栅、第三耦出光栅、第四耦出光栅和第五耦出光栅可选的周期性结构的示意图；以及
图14示出了一种示例性的显示设备的示意图。
具体实施方式
为了使得本申请的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本申请的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。基于本申请中描述的本申请实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本申请的保护范围之内。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本申请能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本申请的范围完全地传递给本领域技术人员。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本申请提出的技术方案。本申请的可选实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本申请还可以具有其他实施方式。
为了解决前述的技术问题，本申请提供一种用于光学扩瞳的衍射光波导100，其中，图1示意性地示出根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导100的一示例，即衍射光波导100。如图1所示，衍射光波导100包括波导基板110。波导基板110可以是由玻璃、光学塑料或者或其它光学透射材料制成的。
可选地，波导基板110可以具有基本平坦的第一表面111和第二表面112，其中，第一表面111和第二表面112相背，其中第一表面111可以是指的具有该波导基板110的显示设备朝向观察者眼睛一侧的表面。波导基板110可以通过全内反射在与第一表面111和第二表面112大体平行的方向中传播光。
进一步，如图1所示，本申请的衍射光波导100还包括耦入光栅120和耦出光栅130，其中，耦入光栅120设置在所述波导基板110之上或之中，其配置为将所述输入光耦合到所述波导基板110中以使之通过全反射被耦合到耦出光栅130。
耦出光栅130设置在所述波导基板110之上或之中，用于使输入光衍射耦合出所述波导基板110，从而使得观看者的眼睛可以接收到耦合出的光，当进入耦入光栅120的光例如为投影仪投射的图像光时，则自耦出光栅130耦合出的光为至少一部分的图像光，经耦出光栅130将该部分图像光引导至观看者的眼睛，从而使得观看者的眼睛能够看到投影仪投射的图像。其中，耦出光栅130起到扩瞳作用，扩瞳可以是指将低可视角度(Field Of View，FOV)的输入变为高FOV的输出。
参考图2，耦入光栅120和耦出光栅130可以位于波导基板110的同一侧，例如均设置在波导基板110的第一表面111，也可以位于不同的侧，即分别位于第一表面111和第二表面112。
或者，在一些实施例中，衍射光波导100还可以包括转折光栅，光经耦入光栅120耦合进入波导基板110，并经波导基板110全反射进入转折光栅，经转折光栅沿第一预定方向传播后自耦出光栅130沿第二预定方向耦出，其中第一预定方向和第二预定方向不同。
在本申请的一个示例中，如图2所示，耦入光栅120和耦出光栅130位于波导基板110的同一侧表面。耦入光栅120可以是一维光栅，例如直线型光栅，或者也可以是斜齿光栅、闪耀光栅等其他适合类型的光栅，或耦入光栅120也可以为超表面耦入区(metasurface)结构。
在一些实施例中，耦入光栅120还可以通过一些其他能够起到耦合作用的光学器件来实现例如通过棱镜、反射偏振器或者可以是具有反射功能的镜子。
耦入光栅120可以是包括周期性结构的光学元件，其可以通过任意适合的微制造工艺制造获得，例如，可以通过光刻技术在波导基板110的表面或中制作光栅，或者还可以通过纳米压印的方式在波导基板110上制作获得光栅，从而形成表面浮雕衍射光栅。
耦出光栅130可以包括沿第一方向L1依次排布的第一耦出光栅131、第二耦出光栅132和第三耦出光栅133。其中，第二耦出光栅132可以位于第一耦出光栅131和第三耦出光栅133之间。
第一耦出光栅131和第三耦出光栅133中的至少一者可以为一维光栅结构。而第二耦出光栅132可以为二维光栅结构，二维光栅结构包括多个二维周期性结构，二维光栅的二维周期性结构的形状可以参考图12，如其可以是多边形，例如四边形、五边形、六边形以及其它多边形等，也可以是三角形或勒洛三角形等。
第二耦出光栅132可以用于将入射至该第二耦出光栅132的光的少部分耦出波导基板110，朝向观看者的眼睛，并将入射至该第二耦出光栅132的光的大部分朝向第一耦出光栅131、第二耦出光栅132和第三耦出光栅133所在的区域衍射传播。具体而言，如果靠近第一耦出光栅131/第三耦出光栅133和第二耦出光栅132边界处的耦入光，则大部分朝向第一耦出光栅131/
第三耦出光栅133所在的区域衍射传播；如果入射至第二耦出光栅132的中心区域，则大部分在第二耦出光栅132内部传播。而第一耦出光栅131和第三耦出光栅133则用于将一部分光耦合出波导基板110，朝向观看者的眼睛，另一部分光还可以朝向第二耦出光栅132传播，以至少对第二耦出光栅132和第一耦出光栅131之间的边界区域进行补光，以及至少对第二耦出光栅132和第三耦出光栅133之间的边界区域进行补光，从而可以避免在边界区域出现明显的亮暗分界。
耦出光栅130其可以通过任意适合的微制造工艺制造获得，例如，可以通过光刻技术在波导基板110的表面或中制作光栅，或者还可以通过纳米压印的方式在波导基板110上制作获得光栅，从而形成表面浮雕衍射光栅。
示例性地，耦入光栅120的中心轴线A1与第二方向L2平行，其中第二方向L2与第一方向L1正交。第一耦出光栅131和第三耦出光栅133优选关于中心轴线A1对称。优选地，第二耦出光栅132也关于中心轴线A1对称。容易理解，在其它实施方式中，第一耦出光栅131和第二耦出光栅132也非对称设置，第二耦出光栅132也可以为非对称图形。
在一种优选实施方式中，如图1和图3所示，第二耦出光栅132所对应的区域包括在第二方向L2上间隔设置的第一边136和第二边137。并且，第一边136相比第二边137距离耦入光栅120更近，换言之第二边137相对于第一边136更远离耦入光栅120。
其中，第一边136沿第一方向L1的第一宽度大于第二边137沿第一方向L1的第二宽度。优选地，第一边136的第一宽度配置为使得耦入光栅120出射的光线所形成视场中的边缘视场角光线经波导基板110全反射后能够入射到第二耦出光栅132。
根据上述设置，能够利用第二耦出光栅132获得较好的二维扩瞳效果的同时，还能利用第一耦出光栅131和第三耦出光栅133提高耦出效率，并且通过补光可以避免在边界区域出现明显的亮暗分界，从而达成不同区域之间的较高的均匀性和较高整体耦出效率兼得的效果。
可选地，第二边137的第二宽大于或等于0。在一种实施方式中，当第二边137的第二宽度等于0时，第二耦出光栅132所在的区域的形状大体构造为三角形(如图8所示)。在另一实施方式中，当第二边137的第二宽度大于0时，第二耦出光栅132所在的区域的形状优选构造为倒梯形(如图1所示)或者倒梯形和矩形的组合图形(如图6所示)。
可选地，第二耦出光栅132所在的区域邻近第一边136的位置处，以及第二耦出光栅132所在的区域邻近第二边137的位置处均可以设置有倒角138。例如，参考图5、图7和图9所示的结构分别对应图1、图6和图8中实施方式的变形。
下面将参考图4介绍本申请的衍射光波导100中的光线传播方向。当耦入光栅120将光线耦合进波导基板110后，入射到第二耦出光栅132中的光线能够经第二耦出光栅132衍射分出多个分光。例如，第一分光D1、第二分光D2和第三分光D3。其中，第一分光D1在第二耦出光栅132区域内传播。第二分光D2朝向第一耦出光栅131或第三耦出光栅133传播，如图中所示的朝向第一耦出光栅131传播。
第三分光D3继续沿原方向传播。即，第三分光D3的传播方向和耦入光栅120发射出来的光线的传播方向相同。由此第三分光D3可以按照原传播方向进入第一耦出光栅131或第三耦出光栅133。
示例性地，当第三分光D3沿原传播方向进入第一耦出光栅131后，第三分光D3能够经第一耦出光栅131衍射分出第一光线分量和第二光线分量，其中第一光线分量在第一耦出光栅131传播并至少部分耦出波导基板110，第二光线分量朝向第二耦出光栅132传播，以向第二耦出光栅132补光。
当第三分光D3沿原传播方向进入第三耦出光栅133后，第三分光D3经第三耦出光栅133衍射分出第一光线分量和第二光线分量，其中第一光线分量在第三耦出光栅133传播并至少部分耦出波导基板110，第二光线分量朝向第二耦出光栅132传播，用于向第二耦出光栅132补光。由此，使得第三分光D3的第二光线分量能够传播进入第二耦出光栅132中，以实现补光，提高不同区域之间的均匀性，避免在第二耦出光栅132邻近第一耦出光栅131的边界区域、以及在第二耦出光栅132邻近第三耦出光栅133的边界区域出现明显的亮暗分界线。
具体而言，参考图3，边缘视场角光线与耦入光栅120的中心轴线A1之间的夹角为第一视场角。为了使光线能够按照如上所述的方向传播，第一边136的第一宽度是基于耦入光栅120在第一方向L1上的宽度、第一边136与耦入光栅120的中心之间的距离以及第一视场角确定的。
示例性地，第一边136的第一宽度基于以下公式计算获得：
其中，d为第一边136的第一宽度，β为第一视场角，c为第一边136与耦入光栅120的中心之间的距离，a为耦入光栅120在第一方向L1上的宽度，ε为常数，其中ε的取值范围可以为0-5mm，或者，还可以为0-3mm之间的任意适合的值，更进一步，还可以是0-2mm之间的任意适合的值，通过调整ε的取值，也可以调整第一边136的第一宽度。由此，使得通过耦入光栅120射出的光线能够经波导基板110全部入射到第二耦出光栅132中。
为了能够进一步同时提高不同区域之间的均匀性和耦出效率，需要使至少大部分的第一分光D1能够始终在第二耦出光栅132中传播和耦出。为此，参考图4，设第二耦出光栅132沿与第一边136和第二边137位于中心轴线A1的同一侧的端点之间的连线与第二边137之间具有第一夹角θ，第一分光D1的传播方向和第二边137之间具有第二夹角γ。需满足，第一夹角θ大于或等于第二夹角γ，即θ≥γ。以第二耦出光栅132所在的区域的形状为倒梯形为例，第一夹角θ可以为倒梯形的腰和第二边137所在直线形成的锐角。
相对应的，当第二耦出光栅132所在的区域的形状不为三角形时，或者说第二边137的宽度不为0时，第二边137的宽度需要能够满足上述第一夹角θ和第二夹角γ的关系。示例性地，以第二耦出光栅132所在的区域的形状为倒梯形为例，参考图4，设定第三宽度等于耦出光栅在第二方向L2上的长度除以第一夹角θ的正切值，而第二边137的第二宽度需小于第一边136的第一宽度与2倍的第三宽度之间的差值。
其中，以f表示耦出光栅130在第二方向L2上的长度，e表示第二边137的第二宽度，由此e满足以下公式：
e≤d-2f/tan(θ)
为了获得更佳的可视效果，参考图10和图11，耦出光栅130还可以包括第四耦出光栅134和第五耦出光栅135。其中第四耦出光栅134位于第一耦出光栅131和第二耦出光栅132之间，第五耦出光栅135位于第二耦出光栅132和第三耦出光栅133之间。优选地，第四耦出光栅134和第五耦出光栅135关于第二耦出光栅132的中心轴线A1对称。
第四耦出光栅134和第五耦出光栅135均可以包括多条光栅线，例如第四耦出光栅134和第五耦出光栅135均可以是与第一耦出光栅131和第三耦出光栅133不同的一维光栅，即上述光栅线可以构造为如图13中所示直线型结构；或者第四耦出光栅134和第五耦出光栅135也可为偏向于一维光栅的二维光栅，从而避免一维区域和二维区域产生光学的突变效果。
优选地，每条光栅线包括连续连接排布的多个周期性结构，周期性结构的至少一个侧边构造为非直线侧边。在一些示例中，非直线侧边的形状为以下形状中的一种：折线形、弧线形、或直线与弧线组合形，或者其他任意适合的形状结构，其中，对于折线形，其可以弯折一次或者也可以弯折多次，弧线形则可以是由一条弧线形组成或者也可以是由多条弧线依次连续连接而成的，直线与弧线组合形，则可以也是由一条直线和一条弧线依次连接组成，或者也可以是由多条直线和一条弧线依次连接而成，或者也可以是多条直线与多条弧线依次连接而成。其中，折线形的非直线侧边的偏折角度和弧线形的非直线侧边的弯曲弧度可以根据实际需要自由调整，在此不做具体限定。示例性地，上述光栅线的周期性结构可以自图13中所示的结构中自由选择，在此不做限定。
为了进一步得到更好的衍射优化，第二耦出光栅132包括多个分区，如图10所示的第二耦出光栅132包括沿第二方向L2排布的第一分区1321和第二分区1322两个分区。以及如图11所示的第二耦出光栅132包括沿第二方向L2排布的第一分区1321、第三分区1323和第二分区1322两个分区。
并且，第二耦出光栅132的不同分区具有不同的二维周期性结构。示例性地，图10中的第一分区1321和第二分区1322各自所具有的二维周期性结构不同，图11所示的第一分区1321、第二分区1322和第三分区1323各自所具有的二维周期性结构均不同。
可选地，多个分区中的至少两个分区具有相同的形状。例如图10所示的第一分区1321和第二分区1322可以采用相同的二维周期性结构。图11所示的第一分区1321和第二分区1322可以采用相同的二维周期性结构，而第三分区1323则可以不同。
进一步，本申请还提供一种显示设备800，该显示设备可以包括前述的衍射光波导100，其中，有关该衍射光波导100的描述可以参考前文，在此不再重复。
该显示设备800可以是任意的包括前述的衍射光波导100的设备，例如，如图14所示，该显示设备800可以为近眼显示设备，其可以包括：镜片820和用于将所述镜片保持为靠近眼镜的框架810，所述镜片820包括所述衍射光波导100。
在一些示例中，如图14所示，显示设备800还可以包括光源830，可选地，该光源830可以将图像光向衍射光波导100投射，例如向衍射光波导100的耦入光栅120所在区域进行投射，其中光源830可以为激光束扫描仪(Laser Beam Scanning，LBS)、数字光处理(Digital Light Procession，DLP)、数字微镜器件(Digital Micro mirror Device，DMD)、硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon，LCOS)、微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem，MEMS)、有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)等微型显示器，该光源830出射的光线为可见光。
光源830投射向衍射光波导100的光(例如图像光)经耦入光栅120耦合至波导基板110内全反射至耦出光栅130，经耦出光栅130耦出后进入近眼设备的观看者的眼睛，从而使得观看者能够看到光源830所投射的图像。其中，用于光学扩瞳的衍射光波导100其第二耦出光栅132位于第一耦出光栅131和第三耦出光栅133之间，且第二耦出光栅132的第一边136的宽度大于第二边137的宽度的设置，能够利用第二耦出光栅132获得较好的二维扩瞳效果的同时，还能利用第一耦出光栅131和第三耦出光栅133提高耦出效率，以达成不同区域之间的较高的均匀性和较高整体耦出效率兼得的效果。进而，使得人眼在佩戴光波导显示设备后，对不同入射方向光的亮度变化的感受更加缓和，视场内的光线更加明亮，同时也避免人眼在衍射光波导100的视窗中活动时观察到的图像出现较大的明暗变化，改善包括该衍射光波导100的显示设备的显示效果，进而提升用户的使用体验。
在一些实施例中，显示设备800为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备，其中，增强现实显示设备包括但不限于增强现实((Augmented Reality，AR)眼镜、车载抬头显示(Head Up Display，HUD)等设备。
应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
Claims (17)
1.一种用于光学扩瞳的衍射光波导，其特征在于，包括：
波导基板；
耦入光栅，设置在所述波导基板之上或之中，配置为将输入光耦合到所述波导基板中以使之通过全反射在所述波导基板内传播；
耦出光栅，设置在所述波导基板之上或之中，用于使传播到其中的光的至少一部分通过衍射耦合出所述波导基板，其中，
所述耦出光栅包括沿第一方向依次排布的第一耦出光栅、第二耦出光栅和第三耦出光栅，所述第二耦出光栅位于所述第一耦出光栅和所述第三耦出光栅之间，所述第二耦出光栅包括二维光栅，所述第二耦出光栅所对应的区域包括在第二方向上间隔设置的第一边和第二边，所述第二方向正交于所述第一方向，所述第一边相比所述第二边距离所述耦入光栅更近，其中，所述第一边沿所述第一方向的第一宽度大于所述第二边沿所述第一方向的第二宽度，由所述耦入光栅发射出来的光线经所述波导基板入射到所述第二耦出光栅，并经所述第二耦出光栅衍射分出多个分光，所述多个分光包括在所述第二耦出光栅区域内传播的第一分光和朝向所述第一耦出光栅或所述第三耦出光栅传播的第二分光，所述多个分光还包括第三分光，所述第三分光的传播方向和所述耦入光栅发射出来的光线的传播方向相同，所述第三分光能够传播至所述第一耦出光栅或所述第三耦出光栅。
2.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅具有与所述第二方向平行的中心轴线，所述第二耦出光栅沿与所述第一边和所述第二边位于所述中心轴线的同一侧的端点之间的连线与所述第二边之间具有第一夹角，所述第一分光的传播方向和所述第二边之间具有第二夹角，其中，所述第一夹角大于或等于所述第二夹角。
3.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，
所述第三分光经所述第一耦出光栅衍射分出第一光线分量和第二光线分量，其中所述第一光线分量在所述第一耦出光栅传播并至少部分耦出所述波导基板，所述第二光线分量朝向所述第二耦出光栅传播，用于补光；或者
所述第三分光经所述第三耦出光栅衍射分出第一光线分量和第二光线分量，其中所述第一光线分量在所述第三耦出光栅传播并至少部分耦出所述波导基板，所述第二光线分量朝向所述第二耦出光栅传播，用于补光。
4.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一边的第一宽度配置为使得所述耦入光栅出射的光线所形成视场中的边缘视场角光线经所述波导基板全反射后能够入射到所述第二耦出光栅。
5.如权利要求4所述的衍射光波导，其特征在于，所述边缘视场角光线与所述耦入光栅的中心轴线之间的夹角为第一视场角，所述耦入光栅的中心轴线与所述第二方向平行，所述第一边的第一宽度是基于所述耦入光栅在所述第一方向上的宽度、所述第一边与所述耦入光栅的中心之间的距离以及所述第一视场角确定的。
6.如权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一边的宽度基于以下公式计算获得：
其中，d为所述第一边的第一宽度，β为所述第一视场角，c为所述第一边与所述耦入光栅的中心之间的距离，a为所述耦入光栅在所述第一方向上的宽度，ε为常数，其中ε的取值范围为0-5mm。
7.如权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二边的第二宽度小于所述第一边的第一宽度与2倍的第三宽度之间的差值，所述第三宽度等于所述耦出光栅在所述第二方向上的长度除以所述第一夹角的正切值。
8.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一耦出光栅和所述第三耦出光栅均为一维光栅。
9.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅的中心轴线与所述第二方向平行，所述第一耦出光栅和所述第三耦出光栅关于所述中心轴线对称，所述第二耦出光栅关于所述中心轴线对称。
10.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二耦出光栅包括多个分区，不同分区中的耦出光栅具有不同的二维周期性结构，或者，
所述多个分区中的至少两个分区具有相同的二维周期性结构。
11.如权利要求1至10中任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二边的所述第二宽度大于或等于0。
12.如权利要求1至10中任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二耦出光栅所在的区域的形状为以下形状中的一种：倒梯形、三角形、倒梯形和矩形的组合图形。
13.如权利要求1至10中任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二耦出光栅所在的区域邻近所述第一边的位置处设置有倒角；和/或
所述第二耦出光栅所在的区域邻近所述第二边的位置处设置有倒角。
14.如权利要求1至10中任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦出光栅还包括第四耦出光栅和第五耦出光栅，所述第四耦出光栅位于所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅之间，所述第五耦出光栅位于所述第二耦出光栅和所述第三耦出光栅之间，其中，所述第四耦出光栅和所述第五耦出光栅关于所述第二耦出光栅的中心轴线对称。
15.如权利要求14所述的衍射光波导，其特征在于，所述第四耦出光栅和所述第五耦出光栅均包括多条光栅线，每条所述光栅线包括连续连接排布的多个周期性结构，所述周期性结构的至少一个侧边为非直线侧边，所述非直线侧边的形状为以下形状中的一种：折线形、弧线形、或直线与弧线组合形。
16.一种显示设备，包括如权利要求1至15中任一项所述的衍射光波导。
17.如权利要求16所述的显示设备，其特征在于，所述显示设备为近眼显示设备，包括：
镜片和用于将所述镜片保持为靠近眼镜的框架，所述镜片包括所述衍射光波导。
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