CN114935790B - 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：有耦入和耦出区域的波导基板，耦出区域包括第一和第二耦出区域，和过渡区；耦入光栅；耦出光栅。耦出光栅包括第一和第二耦出光栅，和多个过渡耦出光栅，第一和第二耦出光栅沿第一方向排布，过渡区包括对应设在一过渡耦出光栅的多个分区，过渡耦出光栅包括第一、第二和第三矢量方向，第三矢量方向和第一耦出光栅的矢量方向平行，第一矢量方向和第三矢量方向具有第一夹角，第二矢量方向和第三矢量方向具有第二夹角，相邻两个过渡耦出光栅中与第二耦出光栅较近者对应的第一夹角大于较远者对应的第一夹角，和/或，与第二耦出光栅较近者对应的第二夹角大于较远者对应的第二夹角。
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。
目前的耦出光栅为了同时达到比较大的FOV（Field Of View，可视角度）、比较良好的非均匀性以及较高的效率，通常需要对耦出光栅设计一定的二维光栅区域进行扩瞳（提升非均匀性潜力），在二维光栅区域的两侧一定的一维光栅区域来提高效率。
然而，一维区域和二维区域的耦出效率相差较大，通常为3倍以上的数量关系，甚至可以达到6倍以上。这就造成了两侧一维区域和中间二维区域的耦出强度相差较大的问题，最终会产生一个明显的亮-暗-亮的分界，这对于非均匀性指标来说是不友好的，对于人眼的观察来说也是不友好的。
因此，有必要对衍射光波导及显示设备进行改进，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，所述波导基板包括耦入区域和耦出区域，其中，所述耦出区域包括第一耦出区域、第二耦出区域和过渡区，所述过渡区设置于所述第一耦出区域和所述第二耦出区域之间；
耦入光栅，设置在所述波导基板之上或之中并位于所述耦入区域，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并位于所述耦出区域，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，
所述耦出光栅包括设置于所述第一耦出区域的第一耦出光栅、设置于所述第二耦出区域的第二耦出光栅和设置于所述过渡区的多个过渡耦出光栅，所述第一耦出光栅包括一维光栅，所述第二耦出光栅包括二维光栅，所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅沿第一方向排布，所述过渡区包括多个分区，每个分区对应设置一所述过渡耦出光栅，其中，每个所述过渡耦出光栅包括第一矢量方向、第二矢量方向和第三矢量方向，每个所述过渡耦出光栅的第三矢量方向和所述第一耦出光栅的矢量方向平行，所述第一矢量方向和所述第三矢量方向具有第一夹角，所述第二矢量方向和所述第三矢量方向具有第二夹角，任意在与所述第一方向平行的方向上相邻的两个所述过渡耦出光栅中与所述第二耦出光栅距离较近者对应的所述第一夹角大于距离较远者对应的所述第一夹角，和/或，任意在与所述第一方向平行的方向上相邻的两个所述过渡耦出光栅中与所述第二耦出光栅距离较近者对应的所述第二夹角大于距离较远者对应的所述第二夹角。
可选地，所述第二耦出光栅邻近所述耦入光栅的区域在所述第一方向上具有第一长度，所述耦入光栅在所述第一方向上具有第二长度，其中，所述第一长度不小于所述第二长度。
可选地，所述第三矢量方向与第二方向成预定角度，每个所述过渡耦出光栅的第一矢量方向与所述第二方向成第一角度，每个所述过渡耦出光栅的第二矢量方向与所述第二方向成第二角度，其中，所述第二方向和所述第一方向垂直，所述第一角度不大于所述预定角度且大于10度，所述第二角度小于120度且不小于所述预定角度。
可选地，任意在与所述第一方向平行的方向上相邻的两个所述过渡耦出光栅中与所述第二耦出光栅距离较近者对应的所述第一角度小于距离较远者对应的所述第一角度，和/或，
任意在与所述第一方向平行的方向上相邻的两个所述过渡耦出光栅中与所述第二耦出光栅距离较近者对应的所述第二角度大于距离较远者对应的所述第二角度。
可选地，所述第一角度不大于所述预定角度且大于30度。
可选地，所述第一耦出光栅包括多个光栅线，每个所述过渡耦出光栅由周期性排列的多个周期性结构构成，每个所述周期性结构包括第一光栅特征和与所述第一光栅特征连接的第二光栅特征，其中，所述第一光栅特征在与所述第一矢量方向平行的方向上具有第一宽度，所述第二光栅特征在与所述第二矢量方向平行的方向上具有第二宽度。
可选地，所述第一宽度为所述光栅线的线宽的0.7倍到1.3倍；
所述第二宽度为所述光栅线的线宽的0.7倍到1.3倍。
可选地，所述第二耦出区域的形状为以下形状中的任意一种：矩形、梯形、等腰三角形或梯形和矩形的组合图形。
可选地，所述第二耦出区域邻近所述耦入光栅的第一边处设置有倒角；和/或
所述第二耦出区域还包括与所述第一边相对的第二边，所述第二耦出区域邻近所述第二边的位置处设置有倒角；和/或
所述第二耦出区域至少有一个边为曲边。
可选地，所述第一耦出区域的数量为两个，两个所述第一耦出区域分别设置于所述第二耦出区域的两侧，在每个所述第一耦出区域和所述第二耦出区域之间均设置有所述过渡区。
可选地，两个所述第一耦出区域关于所述第二耦出区域的中轴线对称，所述中轴线与所述第一方向垂直。
可选地，所述过渡耦出光栅包括多条光栅折线，每条所述光栅折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。
本申请的第二方面提供一种显示设备，包括：
上述第一方面所述的衍射光波导、光机和驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述光机将图像光向所述衍射光波导的所述耦入光栅投射。
可选地，所述光机投射的所述图像光的光轴垂直于所述衍射光波导的波导基板的表面。
可选地，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。
可选地，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
本申请的用于光学扩瞳的衍射光波导，利用过渡耦出光栅，可以形成从亮到暗的渐变耦出，使得位于最外侧的一维光栅和位于中间的二维光栅的过渡更为自然，不产生明显的亮暗交界线，同时达到高效率和良好非均匀性的技术效果。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的衍射光波导的另一视角的示意图；
图3示出了图2中衍射光波导的局部放大示意图；
图4示出了一维光栅向二维光栅过渡转变的示意图；
图5示出了一维光栅的矢量方向示意图；
图6示出了一种可选地二维光栅的矢量方向示意图；
图7示出了过渡耦出光栅的矢量方向示意图；以及
图8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，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，波导基板包括耦入区域和耦出区域，其中，耦出区域包括第一耦出区域、第二耦出区域和过渡区，过渡区设置于第一耦出区域和第二耦出区域之间；耦入光栅，设置在波导基板之上或之中并位于耦入区域，配置为将输入光耦合到波导基板中以使之通过全反射在波导基板内传播；耦出光栅，设置在波导基板之上或之中并位于耦出区域，用于使传播到其中的光的至少一部分通过衍射耦合出波导基板。其中，耦出光栅包括设置于第一耦出区域的第一耦出光栅、设置于第二耦出区域的第二耦出光栅和设置于过渡区的多个过渡耦出光栅，第一耦出光栅包括一维光栅，第二耦出光栅包括二维光栅，第一耦出光栅和第二耦出光栅沿第一方向排布，过渡区包括多个分区，每个分区对应设置一种过渡耦出光栅，其中，每个过渡耦出光栅包括第一矢量方向、第二矢量方向和第三矢量方向，每个过渡耦出光栅的第三矢量方向和第一耦出光栅的矢量方向平行，第一矢量方向和第三矢量方向具有第一夹角，第二矢量方向和第三矢量方向具有第二夹角，任意在与第一方向平行的方向上相邻的两个过渡耦出光栅中与第二耦出光栅距离较近者对应的第一夹角大于距离较远者对应的第一夹角，和/或，任意在与第一方向平行的方向上相邻的两个过渡耦出光栅中与第二耦出光栅距离较近者对应的第二夹角大于距离较远者对应的第二夹角。
本申请的用于光学扩瞳的衍射光波导，利用过渡耦出光栅，可以形成从亮到暗的渐变耦出，使得位于最外侧的一维光栅和位于中间的二维光栅的过渡更为自然，不产生明显的亮暗交界线，同时达到高效率和良好非均匀性的技术效果。
下面将参考附图1至图8对本申请的衍射光波导及显示设备进行描述，在不冲突的前提下，本申请的各个实施例的特征可以相互结合。
本申请提供一种用于光学扩瞳的衍射光波导100，其中，图1和图2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和图2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。
可选地，波导基板110的形状可以是任意适合的形状，例如其可以为矩形、哑铃型或蝶形等。波导基板110的厚度可以采用任意适合的厚度，例如波导基板110的厚度大于或等于0.4mm，且小于或等于2mm，该厚度范围的波导基板110既可以提供好的光学特性，又不会过于厚重，影响用户的使用体验。值得一提的是，波导基板110的厚度可以是指的波导基板110在与第一表面111和第二表面112大体垂直的方向上的尺寸。
可选地，波导基板110包括耦入区域和耦出区域。本申请的衍射光波导100还包括耦入光栅120和耦出光栅。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。
其中，耦入光栅120设置在波导基板110之上或之中并位于耦入区域，其配置为将输入光耦合到波导基板110中以使之通过全反射在波导基板110内传播，以将光向耦出光栅传播。
耦入光栅120可以是一维光栅，例如直线型光栅（也可以称为直齿光栅），或者也可以是斜齿光栅、非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(metasurface)结构，在一些示例中，耦入光栅120为一维光栅、二维光栅、或者，由光栅矢量不同的两个光栅拼接而成。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的表面或其内部制作光栅，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。可选地，耦入光栅120的周期可以为350nm-600nm，或者其他适合的周期长度。
耦出光栅设置在波导基板之上或之中，且耦出光栅位于上述耦出区域。耦出光栅用于使传播到其中的光的至少一部分通过衍射耦合出波导基板，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，耦出光栅在接收到来自耦入光栅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中耦出，实现在平面内扩展光瞳的作用，使得观察者能够在较大的视窗EB（eyebox）内观察到入射光束所携带的显示信息。
一些实施例中，耦出光栅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。值得一提的是，本申请所示意的各种光栅的形状为其在与光波导的表面（也即是指设置有耦出光栅或耦入光栅120的表面）平行的顶面的形状，其可以是以与光波导的表面大体平行的面所截的截面形状，或者可以是在与光波导的表面平行的面上的投影形状。
进一步，参考图2，本申请的衍射光波导100的耦出区域包括第一耦出区域131、第二耦出区域132和过渡区133。过渡区133位于第一耦出区域131和第二耦出区域132之间。在一种优选实施方式中，第一耦出区域131位于最外侧，或者说耦出区域沿第一方向D1的两侧。过渡区133与第一耦出区域131连接并位于第一耦出区域131的内侧。第二耦出区域132与过渡区133连接并位于过渡区133的内侧。
容易理解，上述实施方式中的第一耦出区域131的数量为两个。由此，两个第一耦出区域131分别设置于第二耦出区域132的两侧。在每个第一耦出区域131和第二耦出区域132之间均设置有过渡区133。
进一步优选地，两个第一耦出区域131关于第二耦出区域132的中轴线对称，中轴线与第一方向D1垂直，或者说中轴线与第二方向D2平行。换言之，波导基板110的中轴线大体还可以经过耦入区域的中心，第二耦出区域132关于该中轴线轴对称，两个第一耦出区域131关于该中轴线轴对称，且第二耦出区域132两侧的过渡区133也关于该中轴线轴对称。
本申请的耦出光栅可以包括第一耦出光栅134、第二耦出光栅135和多个过渡耦出光栅。第一耦出光栅134对应设置在第一耦出区域131，第二耦出光栅135对应设置在第二耦出区域132，多个过渡耦出光栅对应设置在过渡区133。且第一耦出光栅134和第二耦出光栅135沿第一方向D1排布。由此，沿第一方向D1，耦出光栅可以依次包括第一耦出光栅134、多个过渡耦出光栅、第二耦出光栅135、多个过渡耦出光栅和第一耦出光栅134。
示例性地，过渡区133包括多个分区，每个分区对应设置一过渡耦出光栅。例如，图3中所述的沿第一方向D1依次排布的第一过渡耦出光栅136、第二过渡耦出光栅137、第三过渡耦出光栅138、第四过渡耦出光栅139和第五过渡耦出光栅140。或者，在其他示例中，该多个分区的数量还可以是其他适合的数量。可选地，沿第二方向D2也可以对过渡区的区域进行划分。可选地，第一方向D1和第二方向D2为不同的方向，例如第一方向D1和第二方向D2可以相互垂直。
其中，第一耦出光栅134包括一维光栅，该一维光栅在波导基板110的表面上可以形成为凸起，该凸起的高度可以根据实际需要合理设定。一维光栅可以包括多个周期性结构，例如一维光栅可以由多条光栅线构成，每条光栅线可以由多个周期性结构连续连接而成。
第二耦出光栅135包括二维光栅，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。
过渡耦出光栅可以由周期性排列的多个周期性结构构成。例如，过渡耦出光栅可以包括多条光栅折线，每条光栅折线包括连续连接排布的多个周期性结构。可选地，周期性结构的至少一个侧边为非直线侧边，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。由此可以看出，过渡耦出光栅是一维光栅到二维光栅之间的过渡结构。其朝向一维光栅的方向转化到极限即形成一维光栅，朝向二维光栅的方向转化到极限即形成二维光栅。
在本申请中，第一耦出光栅134具有一个矢量方向。每一个过渡耦出光栅具有三个矢量方向，即第一矢量方向141、第二矢量方向142和第三矢量方向143。每个过渡耦出光栅的第三矢量方向143和第一耦出光栅134的矢量方向相同，例如，每个过渡耦出光栅的第三矢量方向143和其邻近的第一耦出光栅134的矢量方向相同。第一矢量方向141和第三矢量方向143具有第一夹角，第二矢量方向142和第三矢量方向143具有第二夹角。
值得一提的是，在本申请中矢量方向又称“光栅矢量”。其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）并且与光栅的正一级衍射光的传播方向一致，例如可参考图5。
图6中示意性地示出了一种可选地第二耦出光栅135的光栅矢量的示例。二维光栅由在平面内呈二维周期布置的光学结构构成。在图所示示例中，二维耦出光栅为光学结构呈六边形排布的光栅，其具有第一光栅矢量G1、第二光栅矢量G2和第三光栅矢量G3（见图中所示箭头），可以等效为如图所示的三个一维光栅的叠加。在图示中，为了清楚起见，将光栅矢量G1、G2、G3分开画出，但是应该理解，第二耦出光栅135的任一处都同时存在/形成上述三个光栅矢量。应该理解，可用于根据本发明实施例的衍射光波导的第二耦出区域132的第二耦出光栅135并不限于采用光学结构呈六边形排布的光栅，而且也不限于具有三个光栅矢量的光栅。
其中，任意在与第一方向D1平行的方向上相邻的两个过渡耦出光栅中与第二耦出光栅135距离较近者对应的第一夹角大于距离较远者对应的第一夹角。或者，任意在与第一方向D1平行的方向上相邻的两个过渡耦出光栅中与第二耦出光栅135距离较近者对应的第二夹角大于距离较远者对应的第二夹角。或者，上述两种情况同时存在。通过上述角度的变化，可以使得过渡耦出光栅沿着第一方向D1从邻近第一耦出光栅134的一侧到邻近第二耦出光栅135的一侧其形状越来越趋近于二维光栅。
示例性地，沿靠近第二耦出光栅135的方向，过渡耦出光栅的第一夹角和第二夹角可以渐增，由此使得越靠近第二耦出光栅135，过渡耦出光栅越接近二维，越靠近第一耦出光栅134，过渡耦出光栅越接近一维。例如可以参考图4，其中示出了多个过渡耦出光栅的一种可选变化。在图4中，最左侧的（a）为一维光栅，最右侧的（g）为一种可选地二维光栅，此二者之间的（b）、（c）、（d）、（e）和（f）则是渐变的多个过渡耦出光栅。可选地，（b）、（c）、（d）、（e）和（f）可以依次分别对应第一过渡耦出光栅136、第二过渡耦出光栅137、第三过渡耦出光栅138、第四过渡耦出光栅139和第五过渡耦出光栅140。由此一来，在一维的第一耦出光栅134和二维的第二耦出光栅135之间的过渡区域，可以形成渐变的分光效率和耦出效率，可以减弱甚至消除亮暗分界线的出现。
在另一可选实施方式中，第三矢量方向与第二方向D2成预定角度，每个过渡耦出光栅的第一矢量方向141与第二方向D2成第一角度，每个过渡耦出光栅的第二矢量方向142与第二方向D2成第二角度，其中，第一角度不大于预定角度且大于10度，第二角度小于120度且不小于预定角度。在一些实施例中，第一角度不大于预定角度且大于30度。或者还可以是其他适合的角度范围。
在一种可选实施方式中，任意在与第一方向D1平行的方向上相邻的两个过渡耦出光栅中与第二耦出光栅135距离较近者对应的第一角度小于距离较远者对应的第一角度。或者，任意在与第一方向D1平行的方向上相邻的两个过渡耦出光栅中与第二耦出光栅135距离较近者对应的第二角度大于距离较远者对应的第二角度。或者，上述两种情况同时存在。
在一种优选实施方式中，参考图7，过渡耦出光栅每个周期性结构均具有两个特征，即第一光栅特征和与第一光栅特征连接的第二光栅特征。其中，第一光栅特征在与第一矢量方向143平行的方向上具有第一宽度W1，第二光栅特征在与第二矢量方向142平行的方向上具有第二宽度W2。优选地，第一宽度W1为第一耦出光栅134的光栅线的线宽（图5中所示）的0.7倍到1.3倍，第二宽度W2为上述光栅线的线宽的0.7倍到1.3倍。可选地，每个周期性结构还可以包括第三光栅特征，其中第二光栅特征和第三光栅特征可以和第一光栅特征连接，且分别位于第一光栅特征的两侧。在一些实施例中，每个周期性结构还可为折线形，该折线可以具有一个弯折，或者多个弯折。
在一种优选实施方式中，第二耦出光栅135邻近耦入光栅的区域具有第一边，第二耦出光栅135远离耦入光栅的区域具有第二边。容易理解，第一边与第二边相对。其中，第一边第一方向D1上具有第一长度，耦入光栅在第一方向D1上具有第二长度，并且第一长度可以不小于第二长度。
在一种可选实施方式中，第一边处设置有倒角。优选地，第二边的位置处也可以设置有倒角。进一步优选地，第二耦出区域的各个边中至少有一个边为曲边。可选地，第二耦出区域的形状为以下形状中的任意一种：矩形（如图1所示）、梯形、等腰三角形或梯形和矩形的组合图形，或者还可以是其他任意适合的形状。
另一方面，如图8所示，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8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。
根据本申请的显示设备，使得在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。
在一些示例中，如图8所示，显示设备还可以包括光机830，可选地，该光机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，其中光机830可以为激光束扫描仪（Laser Beam Scanning，LBS）、数字光处理（DigitalLight Procession，DLP）、数字微镜器件（Digital Micromirror Device，DMD）、硅基液晶（Liquid Crystal On Silicon，LCOS）、微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）、有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）、MicroLED光机等微型显示器，该光机830出射的光线为可见光。
进一步，显示设备还可以包括驱动装置，驱动装置用于驱动光机830将图像光向衍射光波导100的耦入光栅120投射，其中驱动装置可以包括驱动电路，驱动电路可以包括MOS管、电容、电阻或者其他适合的元器件，显示设备还可以包括控制器，控制器可以电连接驱动电路，经由控制器控制驱动装置驱动光机830将图像光向衍射光波导的耦入光栅120投射。
可选地，耦入区域的面积可以大于或等于光机830投射到耦入区域的光的光斑面积。可选地，光机830投射的图像光的光轴垂直于衍射光波导的波导基板110的表面，以保证最终成像的质量。
光机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，经耦出光栅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机830所投射的图像。
在一些实施例中，显示设备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（HeadUp 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 (16)
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，所述波导基板包括耦入区域和耦出区域，其中，所述耦出区域包括第一耦出区域、第二耦出区域和过渡区，所述过渡区设置于所述第一耦出区域和所述第二耦出区域之间；
耦入光栅，设置在所述波导基板之上或之中并位于所述耦入区域，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并位于所述耦出区域，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，
所述耦出光栅包括设置于所述第一耦出区域的第一耦出光栅、设置于所述第二耦出区域的第二耦出光栅和设置于所述过渡区的多个过渡耦出光栅，所述第一耦出光栅包括一维光栅，所述第二耦出光栅包括二维光栅，所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅沿第一方向排布，所述过渡区包括多个分区，每个分区对应设置一所述过渡耦出光栅，其中，每个所述过渡耦出光栅包括第一矢量方向、第二矢量方向和第三矢量方向，每个所述过渡耦出光栅的第三矢量方向和所述第一耦出光栅的矢量方向平行，所述第一矢量方向和所述第三矢量方向具有第一夹角，所述第二矢量方向和所述第三矢量方向具有第二夹角，任意在与所述第一方向平行的方向上相邻的两个所述过渡耦出光栅中与所述第二耦出光栅距离较近者对应的所述第一夹角大于距离较远者对应的所述第一夹角，和/或，任意在与所述第一方向平行的方向上相邻的两个所述过渡耦出光栅中与所述第二耦出光栅距离较近者对应的所述第二夹角大于距离较远者对应的所述第二夹角。
2.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二耦出光栅邻近所述耦入光栅的区域在所述第一方向上具有第一长度，所述耦入光栅在所述第一方向上具有第二长度，其中，所述第一长度不小于所述第二长度。
3.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第三矢量方向与第二方向成预定角度，每个所述过渡耦出光栅的第一矢量方向与所述第二方向成第一角度，每个所述过渡耦出光栅的第二矢量方向与所述第二方向成第二角度，其中，所述第二方向和所述第一方向垂直，所述第一角度不大于所述预定角度且大于10度，所述第二角度小于120度且不小于所述预定角度。
4.如权利要求3所述的衍射光波导，其特征在于，
任意在与所述第一方向平行的方向上相邻的两个所述过渡耦出光栅中与所述第二耦出光栅距离较近者对应的所述第一角度小于距离较远者对应的所述第一角度，和/或，
任意在与所述第一方向平行的方向上相邻的两个所述过渡耦出光栅中与所述第二耦出光栅距离较近者对应的所述第二角度大于距离较远者对应的所述第二角度。
5.如权利要求3所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一角度不大于所述预定角度且大于30度。
6.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一耦出光栅包括多个光栅线，每个所述过渡耦出光栅由周期性排列的多个周期性结构构成，每个所述周期性结构包括第一光栅特征和与所述第一光栅特征连接的第二光栅特征，其中，所述第一光栅特征在与所述第一矢量方向平行的方向上具有第一宽度，所述第二光栅特征在与所述第二矢量方向平行的方向上具有第二宽度。
7.如权利要求6所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一宽度为所述光栅线的线宽的0.7倍到1.3倍；
所述第二宽度为所述光栅线的线宽的0.7倍到1.3倍。
8.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二耦出区域的形状为以下形状中的任意一种：矩形、梯形、等腰三角形或梯形和矩形的组合图形。
9.如权利要求1至8中任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二耦出区域邻近所述耦入光栅的第一边处设置有倒角；和/或
所述第二耦出区域还包括与所述第一边相对的第二边，所述第二耦出区域邻近所述第二边的位置处设置有倒角；和/或
所述第二耦出区域至少有一个边为曲边。
10.如权利要求1至8中任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一耦出区域的数量为两个，两个所述第一耦出区域分别设置于所述第二耦出区域的两侧，在每个所述第一耦出区域和所述第二耦出区域之间均设置有所述过渡区。
11.如权利要求10所述的衍射光波导，其特征在于，两个所述第一耦出区域关于所述第二耦出区域的中轴线对称，所述中轴线与所述第一方向垂直。
12.如权利要求1至8中任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述过渡耦出光栅包括多条光栅折线，每条所述光栅折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。
13.一种显示设备，其特征在于，包括：
如权利要求1至12中任一项所述的衍射光波导、光机和驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述光机将图像光向所述衍射光波导的所述耦入光栅投射。
14.如权利要求13所述的显示设备，其特征在于，
所述光机投射的所述图像光的光轴垂直于所述衍射光波导的波导基板的表面。
15.如权利要求13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。
16.如权利要求13至15中任一项所述的显示设备，其特征在于，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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