CN114967148B - 光波导器件和增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本公开实施例公开了一种光波导器件和增强现实显示设备，该光波导器件包括：波导基底和至少一个光栅组，光栅组包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，转折光栅和耦入光栅设于波导基底的相邻的两个表面；耦入光栅用于将输入的光线耦合进入波导基底，并经波导基底全反射后传输至转折光栅；转折光栅使经波导基底全反射后的光线沿第一方向扩瞳，并将扩瞳后的光线通过波导基底全反射后传输至耦出光栅，其中，第一方向为垂直于转折光栅的出射光线的方向；耦出光栅用于将传输至耦出光栅的光线沿第二方向扩瞳并耦合输出，其中，第二方向为转折光栅的出射光线的传播方向。

Description

光波导器件和增强现实显示设备

技术领域

本公开实施例涉及增强现实技术领域，更具体地，本公开实施例涉及一种光波导器件和增强现实显示设备。

背景技术

随着技术的发展，增强现实(Augmented Reality，AR)显示装置，例如AR眼镜，能够将虚拟图像与现实世界图像同时投射入用户的眼睛中，进而使得用户能够看到叠加在现实景物中的虚拟图像。

现有技术中，增强现实显示设备通常采用几何光波导、衍射光波导等多种波导实现图像的投射。然而，为了满足不同眼间距的用户的使用需求，需要设置多个光栅，以使光波导在满足光线传输的同时，还需要具有光束扩展的功能。但是，多个光栅会占据较大的空间，限制了光波导的设计空间。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种光波导器件的新的技术方案。

根据本公开的第一方面，提供了一种光波导器件，包括：波导基底和至少一个光栅组，所述光栅组包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，所述转折光栅和所述耦入光栅设于所述波导基底的相邻的两个表面；

所述耦入光栅用于将输入的光线耦合进入所述波导基底，并经所述波导基底全反射后传输至所述转折光栅；

所述转折光栅使经所述波导基底全反射后的光线沿第一方向扩瞳，并将扩瞳后的光线通过所述波导基底全反射后传输至所述耦出光栅，其中，所述第一方向为垂直于所述转折光栅的出射光线的方向；

所述耦出光栅用于将传输至所述耦出光栅的光线沿第二方向扩瞳并耦合输出，其中，所述第二方向为所述转折光栅的出射光线的传播方向。

可选地，包括两个光栅组，所述两个光栅组中每个光栅组均包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。

可选地，所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦入光栅与另一个光栅组具有的耦入光栅呈对称分布；所述两个光栅组中一个光栅组具有的转折光栅与另一个光栅组具有的转折光栅呈对称分布；所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦出光栅与另一个光栅组具有的耦出光栅呈对称分布。

可选地，所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦出光栅与另一个光栅组具有的耦出光栅拼接为一个整体。

可选地，包括两个光栅组，所述两个光栅组具有各自独立的耦入光栅和转折光栅，且所述两个光栅组共用一个耦出光栅；

其中，所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦入光栅与另一个光栅组具有的耦入光栅呈对称分布，所述两个光栅组中一个光栅组具有的转折光栅与另一个光栅组具有的转折光栅呈对称分布。

可选地，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅均为一维光栅。

可选地，包括两个光栅组，所述两个光栅组具有各自独立的转折光栅和耦出光栅，所述两个光栅组共用一个耦入光栅，且所述耦入光栅位于所述两个光栅组具有各自独立的耦出光栅之间；

其中，所述两个光栅组中一个光栅组具有的转折光栅与另一个光栅组具有的转折光栅呈对称分布，所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦出光栅与另一个光栅组具有的耦出光栅呈对称分布。

可选地，所述耦入光栅为二维光栅，所述转折光栅和所述耦出光栅均为一维光栅。

可选地，所述耦入光栅和所述耦出光栅均设于所述波导基底的同一表面，或者，所述耦入光栅和所述耦出光栅分别设于所述波导基底的相背设置的两个表面。

根据本公开的第二方面，提供了一种增强现实显示设备，包括如本公开的第一方面所述的光波导器件。

可选地，所述光波导器件，包括：

波导基底，所述波导基底具有第一区域和第二区域、以及位于所述第一区域和所述第二区域之间的第三区域；

两个光栅组，所述两个光栅组具有各自独立的转折光栅和耦出光栅，所述两个光栅组共用一个耦入光栅；其中，所述耦入光栅位于所述第三区域，所述两个光栅组对应的两个耦出光栅分别设于所述第一区域和所述第二区域，所述两个光栅组对应的两个转折光栅分别设于所述第一区域和所述第二区域。

根据本申请实施例，该光波导器件包括波导基底和至少一个光栅组，该光栅组包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，耦入光栅将输入的光线耦合进入波导基底，并经波导基底全反射后传输至转折光栅，转折光栅使经波导基底全反射后的光线沿第一方向扩瞳，并将扩瞳后的光线通过波导基底全反射后传输至耦出光栅，耦出光栅将接收到的光线沿第二方向扩瞳并耦合输出，这样，本实施例通过转折光栅可以实现二维扩瞳，以适用于不同瞳距的用户。并且，转折光栅和耦入光栅设于波导基底的相邻的两个表面，可以减少光栅区所占的面积，极大地节省光波导的设计空间，从而提高增强现实显示设备在使用时的环境光的透过率。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1本公开实施例的光波导器件的结构示意图之一；

图2本公开实施例的光波导器件的俯视图；

图3本公开实施例的转折光栅的扩瞳的原理示意图；

图4本公开实施例的衍射光波导的K空间的示意图；

图5本公开实施例的光波导器件的结构示意图之二；

图6本公开实施例的光波导器件的结构示意图之三；

图7本公开实施例的光波导器件的结构示意图之四；

图8本公开实施例的光波导器件的结构示意图之五；

图9本公开实施例的光波导器件的结构示意图之六；

图10本公开实施例的增强现实眼镜的主视图。

附图标记：

波导基底10，第一表面11，第三表面12，第四表面13；

光栅组20；第一光栅组20a；第二光栅组20b；

耦入光栅21，第一耦入光栅21a，第二耦入光栅21b；转折光栅22，第一转折光栅22a，第二转折光栅22b；耦出光栅23，第一耦出光栅23a，第二耦出光栅23b；

增强现实眼镜30；镜框31；第一区域32；第二区域33；第三区域34。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

下面，参照附图描述根据本公开的各个实施例和例子。

<光波导器件实施例>

请参见图1和图2，本公开实施例提供了一种光波导器件，该光波导器件包括波导基底10和至少一个光栅组20，该光栅组20包括耦入光栅21、转折光栅22和耦出光栅23，转折光栅22和耦入光栅21设于波导基底10的相邻的两个表面。该耦入光栅21用于将输入的光线耦合进入波导基底10，并经波导基底10全反射后传输至转折光栅22。该转折光栅22使经波导基底10全反射后的光线沿第一方向扩瞳，并将扩瞳后的光线通过波导基底10全反射后传输至耦出光栅23，其中，第一方向为垂直于转折光栅22的出射光线的方向。该耦出光栅23用于将传输至耦出光栅23的光线沿第二方向扩瞳并耦合输出，其中，第二方向为转折光栅22的出射光线的传播方向。

在本实施例中，波导基底10为衍射光波导的导光器件，能够对光学实施传导。波导基底10可为耦入光栅21、转折光栅22、耦出光栅23的载体。可选地，波导基底10的材质可以是玻璃、硅、塑料、聚合物中的一种或者多种，波导基底10的厚度可以为0.5nm～1nm。

在一个实施例中，所述耦入光栅和所述耦出光栅均设于所述波导基底的同一表面，或者，所述耦入光栅和所述耦出光栅分别设于所述波导基底的相背设置的两个表面。

请参见图2，在衍射光波导的工作过程中，光线投射至耦入光栅21，耦入光栅21将光线耦合进入波导基底10，并经波导基底10全反射后传输至转折光栅22，转折光栅22对光线进行调制，以使经波导基底10全反射后的光线沿第一方向扩瞳，并将扩瞳后的光线通过波导基底10全反射后传输至耦出光栅23，之后，通过耦出光栅23在第二方向上进行再次扩瞳，并耦合输出波导基底10。其中，第一方向为垂直于转折光栅22的出射光线，例如，图3示出的x方向。第二方向为转折光栅22的出射光线的传播方向，例如，图3示出的y方向。

下面结合图3和图4说明本实施例提供的工作原理。

请参见图3，其示出了转折光栅的扩瞳的原理示意图。具体来讲，以图中示出的平行光线的传播路径为例，从耦入光栅21传输至转折光栅22的光线的方位角为ψ₁，经转折光栅22调制后，从转折光栅22传输至耦出光栅23的光线的方位角为ψ₂。光束口径由d₁扩束为d₂，也就是说，经转折光栅调制前，从耦入光栅21传输至转折光栅22的光线的口径为d₁，经转折光栅调制后，从转折光栅22传输至耦出光栅23的光线的口径为d₂。由于转折光栅22的调制作用，从转折光栅22传输至耦出光栅23的光线的方位角ψ₂大于从耦入光栅21传输至转折光栅22的光线的方位角ψ₁，使得从转折光栅22传输至耦出光栅23的光线的口径d₂大于从耦入光栅21传输至转折光栅22的光线的口径d₁，从而实现在第一方向(即图中x方向)的扩瞳。

请参见图4，其是本实施例提供的衍射光波导的K空间的示意图。具体来讲，K空间(K-space)可以表示为入射角θ和方位角ψ的极坐标，其中，横坐标为sinθcosψ，纵坐标为sinθsinψ，该坐标系中某一点与坐标原点的连线与X轴的夹角表示光线传播的方位角ψ。在K-space中，从耦入光栅进入波导基底的光线发生全反射，并经波导基底全反射后传输至转折光栅，转折光栅对光线的调制作用是一个中心旋转变化，而非耦入光栅和耦出光栅对光线的平移变化，之后，转折光栅的出射光线经波导基底全反射后传输至耦出光栅，耦出光栅将光线输出波导基底。这样，经转折光栅调制前后的光线矢量的径向距离不变，而经转折光栅调制前后的光线矢量的方位角方向改变，即，转折光栅仅改变光线传播的方位角，而不改变全反射角，从而可以实现扩瞳的功能。

根据本申请实施例，该光波导器件包括波导基底和至少一个光栅组，该光栅组包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，耦入光栅将输入的光线耦合进入波导基底，并经波导基底全反射后传输至转折光栅，转折光栅使经波导基底全反射后的光线沿第一方向扩瞳，并将扩瞳后的光线通过波导基底全反射后传输至耦出光栅，耦出光栅将接收到的光线沿第二方向扩瞳并耦合输出，这样，本实施例通过转折光栅可以实现二维扩瞳，以适用于不同瞳距的用户。并且，转折光栅和耦入光栅设于波导基底的相邻的两个表面，可以减少光栅区所占的面积，极大地节省光波导的设计空间，从而提高增强现实显示设备在使用时的环境光的透过率。

在本实施例中，该光波导器件可以包括一个光栅组，也可以包括多个光栅组。

下面以具体的实施例对包括一个光栅组的光波导器件进行说明。

在一个实施例中，光波导器件包括波导基底和一个光栅组，该光栅组包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。

示例性地，如图1和图2所示，波导基底10可以为长方体，波导基底10也可以为其他形状，本公开实施例对此不作限定。波导基底10具有相背设置的第一表面11和第二表面、以及与第一表面11相邻的第三表面12，耦入光栅21和耦出光栅23设于波导基底10的第一表面11，转折光栅22设于波导基底10的第三表面12。这里可以理解的是，第三表面也可以是波导基底10上与第一表面相邻的其他表面，例如，与第三表面12相背设置的表面。耦入光栅21和耦出光栅23也可以分别设于波导基底10的第一表面和第二表面。

在该例子中，波导基底10的材质可以是玻璃、硅、塑料、聚合物中的一种或者多种，波导基底10的厚度可以为0.5nm～1nm。

耦入光栅、转折光栅和耦出光栅均为一维光栅，例如，矩形光栅、台阶光栅、倾斜光栅、闪耀光栅、正弦光栅、液晶体光栅、聚合物体光栅、或者聚合物分散式液晶体光栅。

耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的光栅周期范围均为200nm～600nm。

在本实施例中，转折光栅和耦入光栅设于波导基底的相邻的两个表面，可以减少光栅区所占的面积，极大地节省光波导的设计空间，从而提高增强现实显示设备在使用时的环境光的透过率。

示例性地，如图5或者图6所示，波导基底10具有缺口，波导基底10具有相背设置的第一表面11和第二表面、以及与第一表面11相邻的第三表面12，且第三表面12位于波导基底的缺口处。耦入光栅21和耦出光栅23设于波导基底10的第一表面11，转折光栅22设于波导基底10的第三表面12。这里可以理解的是，耦入光栅21和耦出光栅23也可以分别设于波导基底10的第一表面和第二表面。

在该例子中，波导基底10的材质可以是玻璃、硅、塑料、聚合物中的一种或者多种，波导基底10的厚度可以为0.5nm～1nm。

耦入光栅、转折光栅和耦出光栅均为一维光栅，例如，矩形光栅、台阶光栅、倾斜光栅、闪耀光栅、正弦光栅、液晶体光栅、聚合物体光栅、或者聚合物分散式液晶体光栅。

耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的光栅周期范围均为200nm～600nm。

在本实施例中，提供了多种转折光栅的设置方式，这样，在具体实施时，可以根据实际需要设计波导基底的形状，并基于计波导基底的形状设置转折光栅，转折光栅的布置方式更灵活，从而光波导器件的设计更灵活，结构更紧凑，可以进一步减少光栅区所占的面积。

这里需要说明的是，对于上述任意一个包括一个光栅组的实施例，耦入光栅的设置位置与增强现实显示设备的图像源输出装置对应。耦出光栅与用户的人眼对应，且耦出光栅的尺寸可以根据光波导器件的视场角、入射光线的波长、用户的瞳距、光波导器件到用户的人眼的距离来设定。耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的位置关系应使得从转折光栅传输至耦出光栅的光线的口径大于从耦入光栅传输至转折光栅的光线的口径。

下面以具体的实施例对包括两个光栅组的光波导器件进行说明。

在一个实施例中，光波导器件包括波导基底和两个光栅组，两个光栅组中每个光栅组均包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。即，第一光栅组20a和第二光栅组20b，第一光栅组20a包括第一耦入光栅21a、第一转折光栅22a和第一耦出光栅23a，第二光栅组20b包括第二耦入光栅21b、第二转折光栅22b和第二耦出光栅23b。

可选地，两个光栅组中一个光栅组具有的耦入光栅与另一个光栅组具有的耦入光栅呈对称分布；所述两个光栅组中一个光栅组具有的转折光栅与另一个光栅组具有的转折光栅呈对称分布；所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦出光栅与另一个光栅组具有的耦出光栅呈对称分布。

在本实施例中，通过两个光栅组可以形成两个光路通道，两路通道可以用于显示不同的图像，可以提高光波导器件的光学效率。

可选地，所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦出光栅与另一个光栅组具有的耦出光栅拼接为一个整体。

示例性地，如图7所示，波导基底可以为长方体，波导基底具有相背设置的第一表面11和第二表面、与第一表面11相邻的第三表面12、以及与第一表面11相邻的第四表面13。第一耦入光栅21a和第一耦出光栅23a设于第一表面11，第一转折光栅22a设于第三表面12，第二转折光栅22b设于第四表面13，第二耦入光栅21b和第二耦出光栅23b设于第一表面11。其中，第一光栅组20a与第二光栅组20b对称设置，且第一耦出光栅23a与第二耦出光栅23b拼接为一体，作为一个完整的耦出光栅用于输出光线。也就是说，第一耦入光栅21a与第二耦入光栅21b呈对称设置，第一转折光栅22a与第二转折光栅22b呈对称设置，第一耦出光栅23a与第二耦出光栅23b拼接为一体，作为一个完整的耦出光栅用于输出图像。

在该例子中，波导基底的材质可以是玻璃、硅、塑料、聚合物中的一种或者多种，波导基底的厚度可以为0.5nm～1nm。

第一耦入光栅、第一转折光栅、第一耦出光栅、第二耦入光栅、第二转折光栅和第二耦出光栅均为一维光栅，例如，矩形光栅、台阶光栅、倾斜光栅、闪耀光栅、正弦光栅、液晶体光栅、聚合物体光栅、或者聚合物分散式液晶体光栅。

第一耦入光栅、第一转折光栅、第一耦出光栅、第二耦入光栅、第二转折光栅和第二耦出光栅的光栅周期范围均为200nm～600nm。

示例性地，如图8所示，波导基底可以为长方体，波导基底具有第一缺口和第二缺口，第一缺口与第二缺口对称分布。例如，第一缺口位于波导基底的左上方，第二缺口位于波导基底的左下方。波导基底具有相背设置的第一表面11和第二表面、与第一表面11相邻的第三表面12、以及与第一表面11相邻的第四表面13，且第三表面12位于第一缺口处，第三表面12位于第二缺口处。第一耦入光栅21a和第一耦出光栅23a设于第一表面11，第一转折光栅22a设于第三表面12，第二转折光栅22b设于第四表面13，第二耦入光栅21b和第二耦出光栅23b设于第一表面11。其中，第一光栅组20a与第二光栅组20b对称设置，且第一耦出光栅23a与第二耦出光栅23b拼接为一体，作为一个完整的耦出光栅用于输出光线。也就是说，第一耦入光栅21a与第二耦入光栅21b呈对称设置，第一转折光栅22a与第二转折光栅22b呈对称设置，第一耦出光栅23a与第二耦出光栅23b拼接为一体，作为一个完整的耦出光栅用于输出光线。

在该例子中，波导基底的材质可以是玻璃、硅、塑料、聚合物中的一种或者多种，波导基底的厚度可以为0.5nm～1nm。

第一耦入光栅、第一转折光栅、第一耦出光栅、第二耦入光栅、第二转折光栅和第二耦出光栅均为一维光栅，例如，矩形光栅、台阶光栅、倾斜光栅、闪耀光栅、正弦光栅、液晶体光栅、聚合物体光栅、或者聚合物分散式液晶体光栅。

第一耦入光栅、第一转折光栅、第一耦出光栅、第二耦入光栅、第二转折光栅和第二耦出光栅的光栅周期范围均为200nm～600nm。

以图7和图8示出的光波导器件为例，该光波导器件的工作过程为，待显示图像可以分为上下两部分，其中，上半部分图像对应的光源可以从第一耦入光栅21a进入波导基底，经波导基底全反射后传输至位于第三表面12的第一转折光栅22a，第一转折光栅22a对接收到的光线进行调制，使得调制后的光线经波导基底全反射后传输至第一耦出光栅23a，之后，由第一耦出光栅23a输出波导基底；下半部分图像对应的光源可以从第二耦入光栅21b进入波导基底，经波导基底全反射后传输至位于第四表面13的第二转折光栅22b，第二转折光栅22b对接收到的光线进行调制，使得调制后的光线经波导基底全反射后传输至第二耦出光栅23b，之后，由第二耦出光栅23b输出波导基底。这样，第一耦出光栅23a和第二耦出光栅23b耦合输出的光线，组成完整的待显示图像。

这里需要说明的是，对于上述任意一个包括两个光栅组的实施例，第一耦入光栅和第二耦入光栅的设置位置与增强现实显示设备的图像源输出装置对应。第一耦出光栅和第二耦出光栅拼接得到的完整的耦出光栅与用户的人眼对应，且拼接得到的完整的耦出光栅的尺寸可以根据光波导器件的视场角、入射光线的波长、用户的瞳距、光波导器件到用户的人眼的距离来设定。并且，每个光栅组中的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的位置关系应使得从转折光栅传输至耦出光栅的光线的口径大于从耦入光栅传输至转折光栅的光线的口径。

在本实施例中，对于不同波长的光线，转折光栅的调制作用不同，在通过一个转折光栅调制多种波长的光线时，扩瞳效果有限。对此，本实施例提供的光波导器件可以包括两个光栅组，两个光栅组均包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，且两个光栅组对应的两个耦出光栅拼接为一个完整的耦出光栅，这样，图像源可以分别从两个耦入光栅进入波导基底，并分别采用对应的转折光栅进行调制，以通过对应的耦出光栅输出，使得光波导器件具有多个光路通道，可以降低单个光线传输通道的视场压力，从而提高光波导器件的出光的均匀性，以及提高光波导器件的光学效率。此外，可以将两个转折光栅设置波导基底的缺口处，这样，能够进一步节省波导的设计空间，使得光波导器件的设计方式更灵活。

在一个实施例中，光波导器件包括波导基底和两个光栅组，所述两个光栅组具有各自独立的耦入光栅和转折光栅，且所述两个光栅组共用一个耦出光栅；其中，所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦入光栅与另一个光栅组具有的耦入光栅呈对称分布，所述两个光栅组中一个光栅组具有的转折光栅与另一个光栅组具有的转折光栅呈对称分布。

以图7和图8示出的光波导器件为例，该耦出光栅可以是第一耦出光栅23a和第二耦出光栅23b拼接组成的完整的耦出光栅。

在该例子中，波导基底的材质可以是玻璃、硅、塑料、聚合物中的一种或者多种，波导基底的厚度可以为0.5nm～1nm。

耦入光栅、转折光栅、耦出光栅均为一维光栅，例如，矩形光栅、台阶光栅、倾斜光栅、闪耀光栅、正弦光栅、液晶体光栅、聚合物体光栅、或者聚合物分散式液晶体光栅。

耦入光栅、转折光栅、耦出光栅的光栅周期范围均为200nm～600nm。

这里需要说明的是，两个耦入光栅的设置位置与增强现实显示设备的图像源输出装置对应。耦出光栅与用户的人眼对应，且耦出光栅的尺寸可以根据光波导器件的视场角、入射光线的波长、用户的瞳距、光波导器件到用户的人眼的距离来设定。并且，每个光栅组中的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的位置关系应使得从转折光栅传输至耦出光栅的光线的口径大于从耦入光栅传输至转折光栅的光线的口径。

在本实施例中，光波导器件可以包括两个光栅组，具有各自独立的耦入光栅和转折光栅，且两个光栅组共用一个耦出光栅，这样，图像源可以分别从两个耦入光栅进入波导基底，并分别采用对应的转折光栅进行调制，以通过共用的耦出光栅输出，使得光波导器件具有多个光路通道，可以降低单个光线传输通道的视场压力，从而提高光波导器件的出光的均匀性，以及提高光波导器件的光学效率。

在一个实施例中，光波导器件包括波导基底和两个光栅组，所述两个光栅组具有各自独立的转折光栅和耦出光栅，所述两个光栅组共用一个耦入光栅，且所述耦入光栅位于所述两个光栅组具有各自独立的耦出光栅之间；其中，所述两个光栅组中一个光栅组具有的转折光栅与另一个光栅组具有的转折光栅呈对称分布，所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦出光栅与另一个光栅组具有的耦出光栅呈对称分布。

示例性地，如图9所示，该光波导器件包括波导基底10和两个光栅组，其中，两个光栅组具体为第一光栅组和第二光栅组，第一光栅组具有独立的第一转折光栅22a和第一耦出光栅23a，第二光栅组具有独立的第二转折光栅22b和第二耦出光栅23b。第一光栅组和第二光栅组共用一个耦入光栅21。波导基底具有第一表面、与第一表面相邻的第三表面和第四表面。其中，耦入光栅21、第一耦出光栅23a和第二耦出光栅23b均设于波导基底的第一表面，第一转折光栅22a设于波导基底的第三表面，第二转折光栅22b设于波导基底的第四表面，耦入光栅21位于第一耦出光栅23a和第二耦出光栅23b之间，且第一耦出光栅23a和第二耦出光栅23b沿耦入光栅21所在的z轴呈对称分布，第一转折光栅22a和第二转折光栅22b沿耦入光栅21所在的z轴呈对称分布。

在该例子中，该光波导器件可以用于增强现实眼镜。

波导基底的材质可以是玻璃、硅、塑料、聚合物中的一种或者多种，波导基底的厚度可以为0.5nm～1nm。

耦入光栅可以为二维光栅，例如，正方形光栅、长方形光栅、平行四边形光栅、或者菱形光栅。耦入光栅也可以为双面一维光栅，

第一转折光栅、第一耦出光栅、第二转折光栅和第二耦出光栅均为一维光栅，例如，矩形光栅、台阶光栅、倾斜光栅、闪耀光栅、正弦光栅、液晶体光栅、聚合物体光栅、或者聚合物分散式液晶体光栅。

耦入光栅、第一转折光栅、第一耦出光栅、第二转折光栅和第二耦出光栅的光栅周期范围均为200nm～600nm。

该光波导器件的工作过程为，图像源可以从耦入光栅21进入波导基底，进入波导基底的光线分为第一部分光线和第二部分光线。第一部分光线经波导基底全反射后传输至位于第三表面12的第一转折光栅22a，第一转折光栅22a对接收到的光线进行调制，使得调制后的光线经波导基底全反射后传输至第一耦出光栅23a，之后，由第一耦出光栅23a输出波导基底；第二部分光线经波导基底全反射后传输至位于第四表面13的第二转折光栅22b，第二转折光栅22b对接收到的光线进行调制，使得调制后的光线经波导基底全反射后传输至第二耦出光栅23b，之后，由第二耦出光栅23b输出波导基底。这样，通过第一耦出光栅23a和第二耦出光栅23b耦合输出的光线，可以生成相同的图像。

这里需要说明的是，耦入光栅的设置位置与增强现实显示设备的图像源输出装置对应。第一耦出光栅和第二耦出光栅分别与用户的双眼对应，且第一耦出光栅和第二耦出光栅的尺寸可以根据光波导器件的视场角、入射光线的波长、用户的瞳距、光波导器件到用户的人眼的距离来设定。并且，每个光栅组中的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的位置关系应使得从转折光栅传输至耦出光栅的光线的口径大于从耦入光栅传输至转折光栅的光线的口径。

在本实施例中，光波导器件可以包括两个光栅组，两个光栅组具有各自独立的转折光栅和耦出光栅，两个光栅组共用一个耦入光栅，该光波导器件可以用于双目波导镜片，双目波导镜片对应的两个耦出光栅可以共用一个耦入光栅，可以减少光栅所占用的空间，并且可以减轻光波导器件的重量，有助于增强现实显示设备的轻便化设计。

<设备实施例>

本实施例提供了一种增强现实显示设备，该增强现实显示设备包括如前面任意一个实施例提供的光波导器件。

在该实施例中，该光波导器件可以是如前面任意一个实施例提供的光波导器件。该光波导器件例如可以是衍射光波导。

该增强现实显示设备例如可以是增强现实眼镜。

在一个实施例中，该光波导器件包括波导基底和两个光栅组。波导基底具有第一区域和第二区域、以及位于第一区域和第二区域之间的第三区域。两个光栅组具有各自独立的转折光栅和耦出光栅，两个光栅组共用一个耦入光栅；其中，耦入光栅位于第三区域，两个光栅组对应的两个耦出光栅分别设于第一区域和第二区域，两个光栅组对应的两个转折光栅分别设于第一区域和第二区域。

示例性地，波导基底的第一区域和第二区域对称分布。

请参见图10，以增强现实眼镜为例，该增强现实眼镜30包括镜框31和光波导器件，该镜框具有间隔设置的两个视窗区。该光波导器件包括波导基底和两个光栅组，波导基底固定于镜框31上，波导基底具有分别与两个视窗区匹配的第一区域32和第二区域33、以及位于第一区域32和第二区域33之间的第三区域34；两个光栅组具有各自独立的转折光栅和耦出光栅，两个光栅组共用一个耦入光栅；其中，耦入光栅位于第三区域34，两个光栅组对应的两个耦出光栅分别设于第一区域32和第二区域33，两个光栅组对应的两个转折光栅分别设于第一区域32和第二区域33。

具体地，如图10所示，第一区域32具有朝向用户的第五表面，第二区域33具有朝向用户的第六表面，第三区域34具有朝向用户的第七表面、与第七表面相邻的两个侧面，且在增强现实眼镜处于佩戴状态时，这两个侧面分别朝向佩戴者的两侧鼻翼。

两个光栅组具体为第一光栅组和第二光栅组，第一光栅组具有独立的第一转折光栅22a和第一耦出光栅23a，第二光栅组具有独立的第二转折光栅22b和第二耦出光栅23b。第一光栅组和第二光栅组共用一个耦入光栅21。其中，耦入光栅21设于第三区域34朝向用户的第七表面，第一耦出光栅23a设于第一区域32朝向用户的第五表面，第一转折光栅22a设于第三区域34的朝向佩戴者的一侧鼻翼的侧面。第二耦出光栅23b设于第二区域33朝向用户的第六表面，第二转折光栅22b设于第三区域34的朝向佩戴者的另一侧鼻翼的侧面。并且，第一耦出光栅23a和第二耦出光栅23b呈对称分布，第一转折光栅22a和第二转折光栅22b呈对称分布。

继续以增强现实眼镜为例，该增强现实显示设备的工作过程为，图像源可以从耦入光栅21进入波导基底，进入波导基底的光线分为第一部分光线和第二部分光线。第一部分光线经波导基底全反射后传输至位于朝向佩戴者的一侧鼻翼的侧面的第一转折光栅22a，第一转折光栅22a对接收到的光线进行调制，使得调制后的光线经波导基底全反射后传输至位于其中一个视窗区的第一耦出光栅23a，之后，由第一耦出光栅23a输出波导基底；第二部分光线经波导基底全反射后传输至位于朝向佩戴者的另一侧鼻翼的侧面的第二转折光栅22b，第二转折光栅22b对接收到的光线进行调制，使得调制后的光线经波导基底全反射后传输至位于另一个视窗区的第二耦出光栅23b，之后，由第二耦出光栅23b输出波导基底。这样，通过第一耦出光栅23a和第二耦出光栅23b耦合输出的光线，可以生成相同的虚拟图像，即佩戴者的双眼可以看到相同的虚拟图像。

根据本申请实施例，该增强现实显示设备包括射光波导器件，该光波导器件包括波导基底和至少一个光栅组，该光栅组包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，耦入光栅将输入的光线耦合进入波导基底，并经波导基底全反射后传输至转折光栅，转折光栅使经波导基底全反射后的光线沿第一方向扩瞳，并将扩瞳后的光线通过波导基底全反射后传输至耦出光栅，耦出光栅将接收到的光线沿第二方向扩瞳并耦合输出，这样，本实施例通过转折光栅可以实现二维扩瞳，以适用于不同瞳距的用户。并且，转折光栅和耦入光栅设于波导基底的相邻的两个表面，可以减少光栅区所占的面积，极大地节省光波导的设计空间，从而提高增强现实显示设备在使用时的环境光的透过率。

此外，在光波导器件包括两个光栅组的情况下，两个光栅组具有各自独立的转折光栅和耦出光栅，两个光栅组共用一个耦入光栅，该光波导器件可以用于双目波导镜片，双目波导镜片对应的两个耦出光栅可以共用一个耦入光栅，可以减少光栅所占用的空间，并且可以减轻增强现实显示设备的重量，有助于增强现实显示设备的轻便化设计。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种光波导器件，其特征在于，包括：波导基底和至少一个光栅组，所述光栅组包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，所述转折光栅为一维光栅，所述转折光栅和所述耦入光栅设于所述波导基底的相邻的两个表面；

所述耦入光栅用于将输入的光线耦合进入所述波导基底，并经所述波导基底全反射后传输至所述转折光栅；

所述转折光栅使经所述波导基底全反射后的光线沿第一方向扩瞳，并将扩瞳后的光线通过所述波导基底全反射后传输至所述耦出光栅，其中，所述第一方向为垂直于所述转折光栅的出射光线的方向；

所述耦出光栅用于将传输至所述耦出光栅的光线沿第二方向扩瞳并耦合输出，其中，所述第二方向为所述转折光栅的出射光线的传播方向；

所述耦入光栅和所述耦出光栅均设于所述波导基底的同一表面，或者，所述耦入光栅和所述耦出光栅分别设于所述波导基底的相背设置的两个表面。

2.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，包括两个光栅组，所述两个光栅组中每个光栅组均包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。

3.根据权利要求2所述的光波导器件，其特征在于，所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦入光栅与另一个光栅组具有的耦入光栅呈对称分布；所述两个光栅组中一个光栅组具有的转折光栅与另一个光栅组具有的转折光栅呈对称分布；所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦出光栅与另一个光栅组具有的耦出光栅呈对称分布。

4.根据权利要求3所述的光波导器件，其特征在于，所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦出光栅与另一个光栅组具有的耦出光栅拼接为一个整体。

5.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，包括两个光栅组，所述两个光栅组具有各自独立的耦入光栅和转折光栅，且所述两个光栅组共用一个耦出光栅；

其中，所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦入光栅与另一个光栅组具有的耦入光栅呈对称分布，所述两个光栅组中一个光栅组具有的转折光栅与另一个光栅组具有的转折光栅呈对称分布。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的光波导器件，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅均为一维光栅。

7.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，包括两个光栅组，所述两个光栅组具有各自独立的转折光栅和耦出光栅，所述两个光栅组共用一个耦入光栅，且所述耦入光栅位于所述两个光栅组具有各自独立的耦出光栅之间；

其中，所述两个光栅组中一个光栅组具有的转折光栅与另一个光栅组具有的转折光栅呈对称分布，所述两个光栅组中一个光栅组具有的耦出光栅与另一个光栅组具有的耦出光栅呈对称分布。

8.根据权利要求7所述的光波导器件，其特征在于，所述耦入光栅为二维光栅，所述转折光栅和所述耦出光栅均为一维光栅。

9.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的光波导器件。

10.根据权利要求9所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述光波导器件，包括：

波导基底，所述波导基底具有第一区域和第二区域、以及位于所述第一区域和所述第二区域之间的第三区域；

两个光栅组，所述两个光栅组具有各自独立的转折光栅和耦出光栅，所述两个光栅组共用一个耦入光栅；其中，所述耦入光栅位于所述第三区域，所述两个光栅组对应的两个耦出光栅分别设于所述第一区域和所述第二区域，所述两个光栅组对应的两个转折光栅分别设于所述第一区域和所述第二区域。