CN114994825A - 衍射光波导及其设计方法和形成方法、以及显示设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种衍射光波导，其光栅结构包括布置成阵列的多个光学单元结构，光学单元结构的横截面具有两端小、中间大的形状，横截面的长度L和最大宽度W满足0.2L≤W≤0.8L，并且在其上顶点和左顶点、上顶点和右顶点、下顶点和左顶点、以及下顶点和右顶点之间分别形成第一轮廓曲线、第二轮廓曲线、第三轮廓曲线和第四轮廓曲线。本申请还公开了包括该衍射光波导的显示设备以及用于该衍射光波导的设计和形成方法。根据本发明实施例，通过基于曲线方程来设计光学单元结构的横截面，具有非常高的设计自由度，并且能够更好地调控衍射光波导耦出效率的分布，有利于获得性能更佳的衍射光波导的设计方案。基于该波导设计方法的波导形成方法具有相应的优点。

Description

衍射光波导及其设计方法和形成方法、以及显示设备
技术领域
本发明涉及基于衍射的显示技术，特别是衍射光波导及其设计方法和形成方法以及具有衍射光波导的显示设备。
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。衍射光波导是可以用于衍射显示技术的一种重要光学器件。一种可用于显示的衍射光波导在波导基底上设置有耦入光栅和耦出光栅；耦入光栅将载有图像信息的入射光耦入波导基底中；耦出光栅一边对载有图像信息的光进行传播和扩展，一边将光从波导基底中耦出，形成耦出光场。眼睛接收耦出光场的光，从而可以例如观察到入射光所载图像。
衍射光波导的耦出光栅可以采用二维光栅结构，二维光栅结构中光学单元结构通常采用横截面为圆形、矩形、菱形结构，光耦入这样的耦出光栅时会出现中间亮线，同时会导致两侧分光能量降低，不利于光能向两侧扩展，影响波导出光均匀性。
为了改善亮度和均匀性，人们提出了不同的光学单元结构横截面形状。然而，一方面，难以设计获得能够显著改善亮度和均匀性的单元结构横截面形状；另一方面，一些横截面形状的加工精度难以保证，加工之后的形状对设计的形状的还原性较差，不利于调控衍射光波导的衍射性能的分布。因此，亟待提出新的衍射光波导及其设计和形成方法，以克服上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种衍射光波导及其设计方法和形成方法、以及包括该衍射光波导的显示设备，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，提供了一种衍射光波导，其包括波导基板和形成在所述波导基板上的光栅结构，所述光栅结构用于将在所述波导基板内沿耦入方向传播进入其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出，所述光栅结构包括沿一平面布置成阵列的多个光学单元结构，所述光学单元结构为形成在所述波导基板上的柱状结构，并具有平行于所述平面的横截面，其中：
所述横截面沿第一方向整体上具有两端小、中间大的形状，并且在第一方向上具有彼此相反的上顶点和下顶点，在垂直于第一方向的第二方向上具有彼此相反的左顶点和右顶点，上顶点、下顶点、左顶点和右顶点分别为横截面的轮廓向外凸的极值点；
所述横截面的上顶点和下顶点在第一方向上的距离为所述横截面的长度L，左顶点和右顶点在第二方向上的最大距离为所述横截面的最大宽度W，0.2L≤W≤0.8L；并且
所述横截面在上顶点和左顶点、上顶点和右顶点、下顶点和左顶点、以及下顶点和右顶点之间分别形成第一轮廓曲线、第二轮廓曲线、第三轮廓曲线和第四轮廓曲线，第一轮廓曲线和第二轮廓曲线构造为使得随着靠近上顶点，所述横截面在第二方向上的宽度逐渐缩小，第三轮廓曲线和第四轮廓曲线构造为使得随着靠近下顶点，所述横截面在第二方向上的宽度逐渐缩小。
有利地，第一轮廓曲线与第二轮廓曲线在上顶点处是光滑连续的并且具有上曲率半径R1，第三轮廓曲线和第四轮廓曲线在下顶点处是光滑连续的并且具有下曲率半径R2，其中R1≤L/8，R2≤L/8。
在一些实施例中，上顶点和下顶点之间的连线平行于第一方向，并且所述横截面相对于所述连线是对称的。
在一些实施例中，所述横截面相对于平行于第二方向的一轴线是对称的。
在一些实施例中，左顶点包括左上顶点和左下顶点，左上顶点和左下顶点之间形成左侧凹陷部；右顶点包括右上顶点和右下顶点，右上顶点和右下顶点之间形成右侧凹陷部；并且第一轮廓曲线形成在上顶点和左上顶点之间，第二轮廓曲线形成在上顶点和右上顶点之间，第三轮廓曲线形成在下顶点和左下顶点之间，第四轮廓曲线形成在下顶点和右下顶点之间。
有利地，左上顶点和左下顶点在第一方向上的距离为第一间距d1，右上顶点和右下顶点在第一方向上的距离为第二间距d2，d1≤0.5L，且d2≤0.5L。优选地，d1≤0.3L，且d2≤0.3L。
有利地，所述左侧凹陷部和所述右侧凹陷部具有圆弧形的轮廓。
有利地，所述光学单元结构的所述横截面在上顶点、下顶点、左顶点和右顶点处均具有连续可导的曲线轮廓。
根据本发明的另一个方面，提供了一种显示设备，其包括如上所述的衍射光波导。
在一些实施例中，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，所述镜片包括所述衍射光波导。
在一些实施例中，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于如上所述衍射光波导的波导设计方法，该方法包括：
(1)获取所述衍射光波导的基本参数，所述基本参数包括所述波导基板的折射率、所述光栅结构的折射率以及所述波导基板的工作波长；
(2)初始化衍射光波导中的光栅结构，建立用于表示该光栅结构中表示所述光学单元结构的所述横截面的第一轮廓曲线、第二轮廓曲线、第三轮廓曲线和第四轮廓曲线的曲线方程，所述曲线方程包括方程参数；
(3)基于所述衍射光波导的基本参数，以至少包括所述方程参数的优化变量对所述光栅结构进行优化处理，并将满足优化目标的所述优化变量的值确定为优化参数，所述优化目标包括所述衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性和/或所述衍射光波导的光能量耦合效率；和
(4)输出所述衍射光波导的优化方案，所述优化方案包括所述优化参数。
在一些实施例中，所述优化变量还包括所述曲线方程的数量、所述光学单元结构在垂直于所述平面的方向上的高度、以及所述光学单元结构布置成的所述阵列的参数中的至少一者。
在一些实施例中，所述曲线方程的数量可以为2、3或4个。
在一些实施例中，所述阵列包括由所述多个光学单元结构排列形成的沿所述第二方向延伸的多个行，并且所述优化变量包括所述阵列的以下参数中的至少一项：所述多个行在所述第一方向上的预定间隔D、所述光学单元结构在所述行中的周期P以及所述多个行中相邻的两行中的所述光学单元结构在所述第二方向上的错位量。
根据本发明的再一个方面，提供了一种用于如权利要求1所述的衍射光波导的波导形成方法，该方法包括：采用如上所述的波导设计方法设计所述衍射光波导；以及基于所述输出的所述衍射光波导的优化方案，采用微纳米或半导体加工技术形成所述衍射光波导。
根据本发明实施例的衍射光波导中，光学单元结构的横截面具有特定曲线轮廓，其边缘圆滑具有非常好的可加工性，有利于实现高精度还原和量产。此外，单元结构的曲线轮廓横截面拥有非常高的设计自由度，能够用于更好地调控衍射光波导耦出效率的分布，有利于实现高耦出效率和高均匀性。具有这种衍射光波导的显示设备相应地具有高亮度和高均匀性的优点。
根据本发明实施例的波导设计方法，通过基于曲线方程来设计光学单元结构的横截面，具有非常高的设计自由度，并且能够更好地调控衍射光波导耦出效率的分布，有利于获得性能更佳的衍射光波导的设计方案。基于该波导设计方法的波导形成方法具有相应的优点。
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的衍射光波导的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的衍射光波导的光栅结构的光学单元结构的横截面的示例；
图3示出了具有菱形横截面和图2所示横截面的光学单元结构构成的光栅结构的局部示意图；
图3A为包括图3所示不同光栅结构的衍射光波导的光强分布仿真图；
图4示出了图2所示的光学单元结构横截面的变型例，其为在图2所示横截面基础上进行倒角而设计得到的横截面形状；
图5示出了倒角的曲率半径不同的四种横截面的光学单元结构构成的光栅结构的局部示意图；
图5A为包括图5所示不同光栅结构的衍射光波导的光强分布仿真图；
图6示出了根据本发明实施例的衍射光波导的光栅结构的光学单元结构的横截面的另一示例以及该示例经过倒角之后形成的变型例；
图6A为包括有着图6所示不同横截面的光学单元结构的衍射光波导的光强分布仿真图；
图7示出了根据本发明实施例的衍射光波导的光栅结构的光学单元结构的横截面的又一示例以及该示例经过倒角之后形成的变型例；
图8示出了具有菱形横截面和图7所示横截面的光学单元结构构成的光栅结构的局部示意图；
图8A为包括图8所示不同光栅结构的衍射光波导的光强分布仿真图；
图9为根据本发明实施例的衍射光波导的光栅结构的光学单元结构的横截面的其它不同示例；以及
图10为根据本发明实施例的波导设计方法的流程图。
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。
下面参照附图介绍根据本发明实施例的衍射光波导。
图1为根据本发明实施例的衍射光波导的示意图。如图1所示，根据本发明实施例的种衍射光波导100包括波导基板110a和形成在波导基板100a上的光栅结构1。在一些实施例中，光栅结构1形成为耦出光栅110，用于将在波导基板100a内沿耦入方向传播进入其中的光的至少一部分通过衍射从波导基板100a中耦出。可选地，衍射光波导100还可以包括形成在波导基板100a上的耦入光栅120，耦入光栅120用于将照射至其上的光束耦入到波导基板100a内并使之通过全反射方式在波导基板100a中向耦出光栅110传播。
光栅结构1包括沿一平面布置成阵列的多个光学单元结构10。图1的右侧在虚线框中示出了光栅结构1的该阵列。光学单元结构10为柱状结构，其可以形成为柱状的凹孔结构，也可以形成为柱状的凸起结构。
仅作为示例而非限制性的，如图1所示，光栅结构1中的上述阵列可以包括由多个光学单元结构10排列形成的沿y方向延伸的多个行，多个行在x方向上具有预定间隔D，每个行中光学单元结构10以周期P排列，并且相邻的两行中的光学单元结构10在y方向上具有预定的错位量s，s＝P/n，其中1<n≤10，优选地n＝2。以下数据例中为方便和清晰起见，均已n＝2为例进行介绍。
如图1所示，上述耦入方向平行于x方向，然而这并不是必须的。优选地，耦入方向可以是大致平行于x方向。
图2示出了光学单元结构10的横截面的示例。根据本发明实施例，如图2所示，光学单元结构10的横截面10A沿x方向整体上具有两端小、中间大的形状，并且在x方向上具有上顶点11和下顶点12，在垂直于x方向的y方向上具有左顶点13和右顶点14。上顶点11、下顶点12、左顶点13和右顶点14分别为横截面的轮廓向外凸的极值点。在图2所示示例中，上顶点11、下顶点12、左顶点13和右顶点14各自为单一点。
如图2所示，横截面10A的上顶点11和下顶点12在x方向上的距离为横截面的长度L，左顶点13和右顶点14在y方向上的最大距离为所述横截面的最大宽度W，为了获得适合的光耦出效率和均匀性，优选0.2L≤W≤0.8L。
根据本发明实施例，光学单元结构10的横截面10A在上顶点11和左顶点13、上顶点11和右顶点14、下顶点12和左顶点13、以及下顶点12和右顶点14之间分别形成第一轮廓曲线10a、第二轮廓曲线10b、第三轮廓曲线10c和第四轮廓曲线10d。第一轮廓曲线10a和第二轮廓曲线10b构造为使得随着靠近上顶点11，横截面在y方向上的宽度逐渐缩小，第三轮廓曲线10c和第四轮廓曲线10d构造为使得随着靠近下顶点12，横截面在y方向上的宽度逐渐缩小。
优选地，第一轮廓曲线10a、第二轮廓曲线10b、第三轮廓曲线10c和第四轮廓曲线10d各自为向横截面外侧拱起的曲线形状。
在本实施例中，四条轮廓曲线可以用四个多次曲线方程来表达，并且可以对轮廓曲线的多次曲线系数参数进行调节，用于实现光束在耦出区域扩展传播时，各种耦出效率分布的需求。
在图2所示示例中，上顶点11和下顶点12之间的连线平行于x方向，并且光学单元结构10的横截面10A相对于该连线是对称的。该对称形状在构造衍射性能呈轴对称的光栅结构的应用中是有利的。此外，在图2所示示例中，左顶点13和右顶点14之间的连线平行于y方向，该横截面10A相对于该连线也是对称的。在其它一些示例中，光学单元结构10的横截面并不限于上述情况，而是可以仅具有一个对称轴线，或者可以为非轴对称形状。
为了说明具有有着图2所示横截面10A的光学单元结构的衍射光波导100在光耦合效率和均匀性方面的技术效果，下面将给出仿真计算的数据例1。
下文中给出的各项数据例中，光的波长为532nm；波导基板以及光栅结构的材料的折射率均为1.82；光学单元结构形成为凹孔结构，其深度为57nm；光学单元结构的阵列中如上介绍的间隔D＝450nm，周期P＝420nm，错位s＝P/2。
(数据例1)
图3中图形(a)示出了具有菱形横截面的光学单元结构构成的光栅结构2，图形(b)示出了具有图2所示横截面10A的光学单元结构构成的光栅结构1A的局部示意图。具体地，光栅结构2中光学单元结构的横截面的菱形的边长为272nm，上下顶角为50°；光栅结构1A中光学单元结构横截面10A的第一至第四轮廓曲线的曲线方程如下：
第一轮廓曲线10a：x＝0.011y2-0.786y-265.85；
第二轮廓曲线10b：x＝0.011y2+0.786y-265.85；
第三轮廓曲线10c：x＝-0.011y2+0.786y+265.85；
第四轮廓曲线10d：x＝-0.011y2-0.786y+265.85，其中，上述方程中坐标(x,y)的原点如图2所示位于横截面的中心，x、y坐标值的单位为“nm”。如此构造的横截面的长度L＝530nm，最大宽度W＝248nm。
基于图3所示光栅结构以及基于相同的进入到光栅结构中的耦入光条件，仿真计算得到不同的光栅结构在其视窗(eyebox)中央位置的耦出效率和非均匀性指标如表1所示：
[表1]
两侧视场平均效率 中间视场平均效率 非均匀性
光栅结构2 2.34e-4 4.12e-4 27.6％
光栅结构1A 2.81e-4 2.73e-4 1.4％
本数据例以及下文的各数据例中，“两侧视场”是指相对于xy平面的法线在绕x轴线的方向上的视场角FOVX在-15°～-6°和6°～15°范围内的视场，“中间视场”是指FOVX在-5°～5°范围内的视场。上述平均效率为耦出光场在各个视场角度上的光强度的平均值与光栅结构的耦入光的光强度的比值，平均效率的值越大说明耦出效率越高。中间耦出效率过高会引起波导图像显示的中心亮线。
本数据例以及下文的各数据例中，“非均匀性”为两侧视场平均效率与中间视场平均效率的差值的绝对值除以两者的和，非均匀性的值越小说明均匀性越好。
仿真计算得到的视场角范围内的光强分布图在图3中示出，其中左侧仿真图(a)对应于光栅结构2，右侧仿真图(b)对应于光栅结构1A。本数据例以及下文中的数据例中给出的各光强分布图中，最大光强在图面中均显示为相同亮度/灰度，但是实际光强有差异；相同地，各光强分布图中最小光强在图面中均显示为相同的亮度/灰度，但是实际光强也有差异的。光强分布图中显示的光强分布情况应该结合文中给出的耦出效率和非均匀性指标来理解。
从表1和图3A可以看出，光栅结构2的耦出光场中中间视场的耦出效率显著高于两侧视场，非均匀性高，导致耦出光场中间亮线严重；而光栅结构1A的耦出光场中两侧视场的耦出效率略高于光栅结构2，且中间视场与两侧视场的耦出效率差别小，均匀性高，整体光场较为均匀。以上说明，根据本发明实施例具有图2所示横截面的曲线轮廓能够有效提升两侧视场的耦出效率，并显著抑制中心亮线。
作为图2所示光学单元结构横截面的变型例，为了消除横截面轮廓在轮廓曲线交接处的尖角以方便加工和提高对设计形状的还原性，可以在横截面的上顶点、下顶点、左顶点和右顶点中的至少一者处可进行倒角设计，以使得在该处具有连续可导的曲线轮廓。优选地，光学单元结构10的横截面在上顶点、下顶点、左顶点和右顶点处均具有连续可导的曲线轮廓。
图4示出了图2所示的光学单元结构横截面的一变型例，即横截面10A’。如图4所示，横截面10A’中，第一轮廓曲线10a与第二轮廓曲线10b在上顶点11处是光滑连续的并且具有上曲率半径R1，第三轮廓曲线10c和第四轮廓曲线10d在下顶点12处是光滑连续的并且具有下曲率半径R2。在图4所示示例中，横截面10A’在左顶点13和右顶点14处也经过倒角以使轮廓光滑连续。
仿真计算显示，优选曲率半径R1≤L/8，R2≤L/8。具体参见以下数据例2。
(数据例2)
图5为在数据例1中光栅结构1A的基础上对光学单元结构横截面的上、下顶点以不同曲率半径进行倒角而得到的四种不同光栅结构的局部示意图，其中各结构中R1＝R2＝R，并且图形(a)的光栅结构中R＝15nm≈L/33；图形(b)的光栅结构中R＝25nm≈L/19；图形(c)的光栅结构中R＝55nm≈L/8；图形(d)的光栅结构中R＝75nm≈L/5。
基于图5所示上述光栅结构以及基于与数据例1相同的进入到光栅结构中的耦入光条件，仿真计算得到的光栅结构在其视窗中央位置的耦出效率和非均匀性指标如表2所示：
[表2]
Figure BDA0003642340320000091
Figure BDA0003642340320000101
仿真计算得到的视场角范围内的光强分布图在图5A中示出，其中，图5A中图形(a)、(b)、(c)、(d)中的光强分布图分别对应图5中图形(a)、(b)、(c)、(d)中的光栅结构。
从表2和图5A可以看出，在横截面的上述曲线轮廓的上下顶点处以适当的曲率半径进行倒角，能够进一步抑制中央亮线；随着上曲率半径和下曲率半径增大，抑制中央亮线的效果将减弱，当曲率半径R1、R2达到L/8以上时，中间亮线开始凸显。因此，根据本发明实施例，光学单元结构横截面在上、下顶点处的曲率半径优选小于等于L/8。
接下来参照图6和图6A介绍根据本发明实施例的光学单元结构横截面的另一示例及其变型例。
图6中图形(a)和图形(b)分别示出了根据本发明实施例的光学单元结构横截面的另一示例(即横截面10B)以及该示例经过倒角之后形成的变型例(即横截面10B’)。图6所示横截面10B、10B’与图2所示横截面10A和图4所示横截面10A’之间的区别仅在于：横截面10B、10B’中，上顶点11和左顶点13之间的第一轮廓曲线与下顶点12和左顶点13之间的第三轮廓曲线形成能够由单个曲线方程表达的左侧轮廓曲线10e，上顶点11和右顶点14之间的第二轮廓曲线与下顶点12和右顶点14之间的第四轮廓曲线形成能够由单个曲线方程表达的右侧轮廓曲线10f。除上述区别以外，横截面10B、10B’可以具有与横截面10A、10A’具有基本上相同的构造和特点，在此不再赘述。
具有横截面10B、10B’的光学单元结构以及包括这样的光学单元结构的衍射光波导具有设计简单的优点，并且在加工过程中左顶点13和右顶点14的形状易于还原设计要求，有利于对衍射光波导的衍射效率分布的控制。
下面通过数据例3说明图6所示示例在光耦合效率和均匀性方面的效果。
(数据例3)
数据例3中构建了具有图6所示横截面10B、10B’的光学单元结构构成的两个光栅结构，其中：
横截面10B中左右两侧的轮廓曲线的曲线方程如下：
左侧轮廓曲线10e：y＝0.00148x2-107.659；
右侧轮廓曲线10f：y＝-0.00148x2+107.659，其中，上述方程中坐标(x,y)的原点位于各横截面的中心，x、y坐标值的单位为“nm”。如此构造的横截面的长度L＝540nm，最大宽度W＝215nm。
横截面10B’为在横截面10B的基础上对横截面的上顶点和下顶点处以曲率半径R＝15nm进行倒角而得到的形状。
基于图6所示上述光栅结构以及基于与上述数据例相同的进入到光栅结构中的耦入光条件，仿真计算得到的光栅结构在其视窗中央位置的耦出效率和非均匀性指标如表3所示：
[表3]
两侧视场平均效率 中间视场平均效率 非均匀性
光栅结构2 2.34e-4 4.12e-4 27.6％
横截面10B 2.88e-4 2.53e-4 6.5％
横截面10B’ 2.87e-4 2.59e-4 5.1％
为便于对比，表3中同时列入了数据例1中具有常规菱形横截面的光学单元结构构成光栅结构的相关数据。
仿真计算得到的视场角范围内的光强分布图在图6A中示出，图6A为包括图6所示不同光栅结构的衍射光波导的光强分布仿真图；其中左侧仿真图(a)对应于横截面10B，右侧仿真图(b)对应于横截面10B’。
从表1和图6A可以看出，根据本发明实施例具有图6所示横截面的曲线轮廓能够有效提升两侧视场的耦出效率，并显著抑制中心亮线，改善均匀性。此外，在横截面的上述曲线轮廓的上下顶点处以适当的曲率半径进行倒角，能够进一步抑制中央亮线，改善均匀性。
接下来参照图7、图8和图8A介绍根据本发明实施例的光学单元结构横截面的又一示例及其变型例。
在图7所示示例中，上顶点11和下顶点12各自为单一点，左顶点13和右顶点14各自包括两个极值点。图7中图形(a)示出了根据本发明实施例的光学单元结构横截面的另一示例，即横截面10C。如图7所示，横截面10C与图2所示横截面10A具有基本上相同的构造和特点，不同之处在于：在横截面10C中，左顶点13包括左上顶点13a和左下顶点13b，左上顶点13a和左下顶点13b之间形成左侧凹陷部；并且右顶点14包括右上顶点14a和右下顶点14b，右上顶点14a和右下顶点14b之间形成右侧凹陷部。这样，相应地，在横截面10C中，第一轮廓曲线10a形成在上顶点11和左上顶点13a之间，第二轮廓曲线10b形成在上顶点11和右上顶点14a之间，第三轮廓曲线10c形成在下顶点12和左下顶点13b之间，第四轮廓曲线10d形成在下顶点12和右下顶点14b之间。
如图7所示，左上顶点13a和左下顶点13b在x方向上具有第一间距d1，右上顶点14a和右下顶点14b在x方向上具有第二间距d2。有利地，d1≤0.5L，且d2≤0.5L；优选d1≤0.3L，且d2≤0.3L。
优选地，左侧凹陷部和右侧凹陷部具有圆弧形的轮廓，以便于加工和还原设计。
图7中图形(b)示出了横截面10C的一变型例，即横截面10C’。如图7所示，横截面10C’与横截面10C的区别在于，横截面10C具有两个对称轴，分别平行于x方向和y方向，即横截面10C是左右对称且上下对称的；而横截面10C’仅具有平行于x方向的对称轴，即，横截面10C’是左右对称，而上下不对称的。如上文中结合图2所示示例讨论的，根据本发明实施例，光学单元结构的横截面可以具有两个对称轴线，也可以仅具有一个对称轴，或者可以为非轴对称形状。在此，结合图7中横截面10C’做举例说明。
下面通过数据例4说明图7所示示例及其变型例在光耦合效率和均匀性方面的效果。
(数据例4)
图8中图形(a)示出了具有菱形横截面的光学单元结构构成的光栅结构2’；图形(b)示出了具有横截面10C的光学单元结构构成的光栅结构1C的局部示意图；图形(c)示出了具有横截面10C’的光学单元结构构成的光栅结构1C’的局部示意图。
光栅结构2’中光学单元结构的横截面的菱形的边长为295.8nm，上下顶角为50°。
光栅结构1C中光学单元结构横截面10C的第一至第四轮廓曲线的曲线方程如下：
y＝a11x8+a12x7+a13x6+a14x5+a15x4+a16x3+a17x2+a18x+a19，
y＝a21x8+a22x7+a23x6+a24x5+a25x4+a26x3+a27x2+a28x+a29，
y＝a31x8+a32x7+a33x6+a34x5+a35x4+a36x3+a37x2+a38x+a39，
y＝a41x8+a42x7+a43x6+a44x5+a45x4+a46x3+a47x2+a48x+a49，
其中，各个系数为：
a11＝-2.355e-16,a12＝-3.246e-13,a13＝-1.839e-10,
a14＝-5.5e-8,a15＝-9.23e-6,a16＝-8.365e-4,
a17＝-3.262e-2,a18＝1.443e-1,a19＝-1.037e2；
a21＝2.355e-16,a22＝3.246e-13,a23＝1.839e-10,
a24＝5.5e-8,a25＝9.23e-6,a26＝8.365e-4,
a27＝3.262e-2,a28＝1.443e-1,a29＝1.066e2；
a31＝-2.355e-16,a32＝3.246e-13,a33＝-1.839e-10,
a34＝5.5e-8,a35＝-9.23e-6,a36＝8.365e-4,
a37＝-3.262e-2,a38＝-1.443e-1,a39＝-1.037e2；
a41＝-2.355e-16,a42＝-3.246e-13,a43＝-1.839e-10,
a44＝-5.5e-8,a45＝-9.23e-6,a46＝-8.365e-4,
a47＝-3.262e-2,a48＝1.443e-1,a49＝-1.037e2，
其中，上述方程中坐标(x,y)的原点位于横截面的中心，x、y坐标值的单位为“nm”。如此构造的横截面的长度L＝520nm，最大宽度W＝234nm。
光栅结构1C’中光学单元结构横截面10C的第一至第四轮廓曲线的曲线方程如下
y＝a11x8+a12x7+a13x6+a14x5+a15x4+a16x3+a17x2+a18x+a19，
y＝a21x8+a22x7+a23x6+a24x5+a25x4+a26x3+a27x2+a28x+a29，
y＝a31x8+a32x7+a33x6+a34x5+a35x4+a36x3+a37x2+a38x+a39，
y＝a41x8+a42x7+a43x6+a44x5+a45x4+a46x3+a47x2+a48x+a49，
其中，各个系数为：
a11＝1.95e-15,a12＝2.06e-12,a13＝8.77e-10,
a14＝1.91e-07,a15＝2.19e-05,a16＝1.18e-03,
a17＝1.86e-02,a18＝-2.07e-01,a19＝-1.11e2；
a21＝-1.95e-15,a22＝-2.06e-12,a23＝-8.77e-10,
a24＝-1.91e-07,a25＝-2.19e-05,a26＝-1.18e-03,
a27＝-1.86e-02,a28＝2.07e-01,a29＝1.11e2；
a31＝0,a32＝0,a33＝-4.78e-12,
a34＝-3.84e-09,a35＝-1.23e-06,a36＝-2.02e-04,
a37＝-1.86e-02,a38＝-6.23e-01,a39＝1.09e2；
a41＝0,a42＝0,a43＝-4.78e-12,
a44＝3.84e-09,a45＝-1.23e-06,a46＝2.02e-04,
a47＝-1.86e-02,a48＝6.23e-01,a49＝1.09e2，
其中，上述方程中坐标(x,y)的原点位于横截面的中心，x、y坐标值的单位为“nm”。如此构造的横截面的长度L＝560nm，最大宽度W＝240nm。
基于图8所示光栅结构以及基于与上述数据例相同的进入到光栅结构中的耦入光条件，仿真计算得到的光栅结构在其视窗中央位置的耦出效率和非均匀性指标如表4所示：
[表4]
两侧视场平均效率 中间视场平均效率 非均匀性
光栅结构2’ 2.25e-4 5.79e-4 44.0％
光栅结构1C 2.89e-4 2.44e-4 8.4％
光栅结构1C’ 2.74e-4 2.89e-4 2.7％
仿真计算得到的视场角范围内的光强分布图在图8A中示出，其中，图8A中图形(a)、(b)、(c)中的光强分布图分别对应光栅结构2’、光栅结构1C和光栅结构1C’。
从表4和图8A可以看出，根据本发明实施例具有图8所示横截面10C和横截面10C’的曲线轮廓能够有效提升两侧视场的耦出效率，并显著抑制中心亮线，改善均匀性。此外，仿真计算显示在光学单元结构10的横截面具有例如在x方向上不对称的形状时，能够很好得获得上述技术效果，并有望通过这种不对称的形状进一步改善均匀性。
以上结合数据例具体介绍了可用于根据本发明实施例的衍射光波导的光学单元结构横截面的部分示例。为了便于理解，仅为示例而非限制的目的，图9示出了可用于根据本发明实施例的衍射光波导的光学单元结构横截面的其它示例及由这些光学单元结构的光栅结构的局部示意图。
图9中，图形(a)示出了光学单元结构横截面在x方向上不对称的示例；图形(b)示出了光学单元结构横截面的第一至第四轮廓曲线向内侧凹陷的示例；图形(c)示出了光学单元结构横截面在y方向上不对称的示例，其中该横截面还被示出为左侧轮廓曲线(第一轮廓曲线和第三轮廓曲线)形成连续可导的曲线，而右侧的第二轮廓曲线和第四轮廓曲线之间的接续则为非连续可导的；图形(d)示出了光学单元结构横截面的上顶点和下顶点各自包括两个轮廓外凸的极值点的示例；图形(e)示出了光学单元结构横截面的上顶点和下顶点连线不平行于x轴，左顶点和右顶点连线不平行于y轴，而光学单元结构沿着x和y轴方向布置成阵列的示例。
根据本发明实施例的衍射光波导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衍射光波导。优选地，该显示设备可以为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
下面将参照图10介绍根据本发明实施例的用于设计以上介绍的衍射光波导的波导设计方法。如图10所示，波导设计方法M100包括以下处理：
S110：获取衍射光波导的基本参数；
S120：初始化衍射光波导中的光栅结构，建立用于表示该光栅结构中光学单元结构的横截面的第一轮廓曲线、第二轮廓曲线、第三轮廓曲线和第四轮廓曲线的曲线方程；
S130：基于衍射光波导的基本参数，以至少包括曲线方程的方程参数的优化变量对光栅结构进行优化处理，并将满足优化目标的优化变量的值确定为优化参数；以及
S140：输出衍射光波导的优化方案。
处理S110中所获取的基本参数包括波导基板的折射率、光栅结构层的折射率以及波导基板的工作波长。可选地，在一些实施例中，在处理S110中可以进一步获取其它一些参数，例如波导基板的厚度、波导光栅希望工作的视场角范围。
处理S120中，初始化光栅结构可以包括设置光学单元结构构成的阵列的有关参数。例如，可以初始化光栅结构，使得阵列包括由多个光学单元结构排列形成的沿y方向延伸的多个行，多个行在x方向上以预定间隔D布置，每个行中光学单元结构10以周期P排列，并且相邻的两行中的光学单元结构在y方向上具有预定的错位量s。
处理S120中，根据情况，可以为光学单元结构横截面的轮廓曲线建立不同数量的曲线方程，该数量包括但不限于2、3或4。
处理S130中，优化目标包括衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性和/或衍射光波导的光能量耦合效率。
在一些实施例中，优化变量可以包括曲线方程的数量、光学单元结构在垂直于平面的方向上的深度/高度、以及光学单元结构布置成的阵列的参数中的至少一者。
在一些实施例中，优化变量可以包括前述阵列的以下参数中的至少一项：多个行在x方向上的预定间隔D、光学单元结构在行中的周期P以及相邻的两行中的光学单元结构在y方向上的错位量s。
处理S130的优化处理过程中，可以根据波导耦出效率和均匀性的需求，采用合适的优化方法，如遗传算法，粒子群算法等对变量进行优化。
处理S140中输出的优化方案包括通过处理S130中的优化处理获得的优化参数。
根据本发明的其它实施例，基于以上参照图10介绍的波导设计方法，可以提供一种波导形成方法，其包括：采用如上所述的波导设计方法设计衍射光波导；以及基于输出的衍射光波导的优化方案，采用微纳米或半导体加工技术形成所述衍射光波导。例如，在优化得到衍射光波导的优化参数后，根据参数利用半导体加工工艺直接在波导基底上形成对应于光学单元结构的柱状的凹孔结构或凸起结构；或者，在晶圆模版上形成对应于光学单元结构的互补结构，然后通过微纳米压印技术，将光栅结构转印到波导基底上。
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 (16)

1.一种衍射光波导，包括波导基板和形成在所述波导基板上的光栅结构，所述光栅结构用于将在所述波导基板内沿耦入方向传播进入其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出，所述光栅结构包括沿一平面布置成阵列的多个光学单元结构，所述光学单元结构为柱状结构，并具有平行于所述平面的横截面，其中，
所述横截面整体上具有两端小、中间大的形状，并且在第一方向上具有上顶点和下顶点，在垂直于第一方向的第二方向上具有左顶点和右顶点，上顶点、下顶点、左顶点和右顶点分别为横截面的轮廓向外凸的极值点；
所述横截面的上顶点和下顶点在第一方向上的距离为所述横截面的长度L，左顶点和右顶点在第二方向上的最大距离为所述横截面的最大宽度W，0.2L≤W≤0.8L；并且
所述横截面在上顶点和左顶点、上顶点和右顶点、下顶点和左顶点、以及下顶点和右顶点之间分别形成第一轮廓曲线、第二轮廓曲线、第三轮廓曲线和第四轮廓曲线，第一轮廓曲线和第二轮廓曲线构造为使得随着靠近上顶点，所述横截面在第二方向上的宽度逐渐缩小，第三轮廓曲线和第四轮廓曲线构造为使得随着靠近下顶点，所述横截面在第二方向上的宽度逐渐缩小。
2.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，第一轮廓曲线与第二轮廓曲线在上顶点处是光滑连续的并且具有上曲率半径R1，第三轮廓曲线和第四轮廓曲线在下顶点处是光滑连续的并且具有下曲率半径R2，其中R1≤L/8，R2≤L/8。
3.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，上顶点和下顶点之间的连线平行于第一方向，并且所述横截面相对于所述连线是对称的。
4.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述横截面相对于平行于第二方向的一轴线是对称的。
5.如权利要求1-4中任一项所述的衍射光波导，其中，左顶点包括左上顶点和左下顶点，左上顶点和左下顶点之间形成左侧凹陷部；并且
右顶点包括右上顶点和右下顶点，右上顶点和右下顶点之间形成右侧凹陷部；
第一轮廓曲线形成在上顶点和左上顶点之间，第二轮廓曲线形成在上顶点和右上顶点之间，第三轮廓曲线形成在下顶点和左下顶点之间，第四轮廓曲线形成在下顶点和右下顶点之间。
6.如权利要求5所述的衍射光波导，其中，左上顶点和左下顶点在第一方向上的距离为第一间距d1，右上顶点和右下顶点在第一方向上的距离为第二间距d2，d1≤0.5L，且d2≤0.5L，优选d1≤0.3L，且d2≤0.3L。
7.如权利要求5所述的衍射光波导，其中，所述左侧凹陷部和所述右侧凹陷部具有圆弧形的轮廓。
8.如权利要求1-7中任一项所述的衍射光波导，其中，所述光学单元结构的所述横截面在上顶点、下顶点、左顶点和右顶点处均具有连续可导的曲线轮廓。
9.一种显示设备，包括如权利要求1-8中任一项所述的衍射光波导。
10.如权利要求9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，所述镜片包括所述衍射光波导。
11.如权利要求9或10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。
12.一种用于如权利要求1所述的衍射光波导的波导设计方法，包括：
(1)获取所述衍射光波导的基本参数，所述基本参数包括所述波导基板的折射率、所述光栅结构的折射率以及所述波导基板的工作波长；
(2)初始化衍射光波导中的光栅结构，建立用于表示该光栅结构中表示所述光学单元结构的所述横截面的第一轮廓曲线、第二轮廓曲线、第三轮廓曲线和第四轮廓曲线的曲线方程，所述曲线方程包括方程参数；
(3)基于所述衍射光波导的基本参数，以至少包括所述方程参数的优化变量对所述光栅结构进行优化处理，并将满足优化目标的所述优化变量的值确定为优化参数，所述优化目标包括所述衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性和/或所述衍射光波导的光能量耦合效率；和
(4)输出所述衍射光波导的优化方案，所述优化方案包括所述优化参数。
13.如权利要求12所述的波导设计方法，其中，所述优化变量还包括所述曲线方程的数量、所述光学单元结构在垂直于所述平面的方向上的深度/高度、以及所述光学单元结构布置成的所述阵列的参数中的至少一者。
14.如权利要求13所述的波导设计方法，其中，所述曲线方程的数量为2、3或4个。
15.如权利要求13所述的波导设计方法，其中，所述阵列包括由所述多个光学单元结构排列形成的沿所述第二方向延伸的多个行，所述优化变量包括所述阵列的以下参数中的至少一项：所述多个行在所述第一方向上的预定间隔D、所述光学单元结构在所述行中的周期P以及所述多个行中相邻的两行中的所述光学单元结构在所述第二方向上的错位量。
16.一种用于如权利要求1所述的衍射光波导的波导形成方法，包括：
采用如权利要求12-15中任一项所述的波导设计方法设计所述衍射光波导；以及
基于所述输出的所述衍射光波导的优化方案，采用微纳米或半导体加工技术形成所述衍射光波导。
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