CN115113323B - 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，包括：具有耦入区域和耦出区域的波导基板；耦入光栅设置在波导基板之上或之中并位于耦入区域，输入光经耦入光栅衍射获得的第一衍射光在波导基板内全反射并导向第一耦出区域，输入光经耦入光栅衍射获得的第二衍射光在波导基板内全反射并导向第二耦出区域；第一耦出光栅设置于第一耦出区域，第二耦出光栅设置于第二耦出区域，第一耦出光栅和第二耦出光栅均配置为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，第一耦出区域和第二耦出区域分别位于耦入区域的两侧，耦入区域的中心偏离第一耦出区域的中心和第二耦出区域的中心的中心连线。

Description

衍射光波导及显示设备
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，目前常规衍射光波导的设计使得AR眼镜多使用两套AR显示模组，也即两套光机、两套衍射光波导，其能耗较高，与智能穿戴需要低能耗的理念相悖。
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，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和第二耦出区域，所述第一耦出区域和所述第二耦出区域分别用于对应人眼的左眼和右眼；
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，其中，输入光经所述耦入光栅衍射获得的第一衍射光在所述波导基板内全反射并导向所述第一耦出区域，输入光经所述耦入光栅衍射获得的第二衍射光在所述波导基板内全反射并导向所述第二耦出区域；
耦出光栅，所述耦出光栅包括第一耦出光栅和第二耦出光栅，所述第一耦出光栅设置在所述波导基板之上或之中并位于所述第一耦出区域，所述第二耦出光栅设置在所述波导基板之上或之中并位于所述第二耦出区域，所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅均配置为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，
所述第一耦出区域和所述第二耦出区域分别位于所述耦入区域的两侧，所述耦入区域的中心偏离所述第一耦出区域的中心和所述第二耦出区域的中心的中心连线。
示例性地，所述第一耦出区域和所述第二耦出区域关于所述波导基板的中轴线呈镜像对称，所述波导基板的中轴线经过所述耦入区域的中心，且与所述中心连线垂直；和/或
所述波导基板关于所述中轴线呈镜像对称；和/或
所述耦入区域的中心和所述第一耦出区域的中心之间的距离等于所述耦入区域的中心和所述第二耦出区域的中心之间的距离。
示例性地，所述耦入区域的中心位于所述波导基板中心的上方。
示例性地，所述耦入区域的中心相对所述中心连线的偏移量满足以下公式：
其中，H为所述耦入区域的中心相对所述中心连线的偏移量，D为所述第一耦出区域的中心和所述第二耦出区域的中心的之间的距离，L为所述第一耦出区域或所述第二耦出区域的横向最大宽度，所述第一耦出区域或所述第二耦出区域的纵向最大宽度为W。
示例性地，所述耦入区域的中心相对所述中心连线的偏移量满足以下公式：
其中，H为所述耦入区域的中心相对所述中心连线的偏移量，D为所述第一耦出区域的中心和所述第二耦出区域的中心的之间的距离，所述第一耦出区域或所述第二耦出区域的横向最大宽度为L，所述第一耦出区域或所述第二耦出区域的纵向最大宽度为W，d为耦入区域的横向最大尺寸。
示例性地，所述第一耦出区域或所述第二耦出区域的横向最大宽度大于20mm，且小于40mm；
所述第一耦出区域或所述第二耦出区域的纵向最大宽度大于20mm，且小于30mm；
所述第二耦出区域的中心和所述第一耦出区域的中心之间的间距为55mm-75mm ；
所述耦入区域的形状为圆形或者多边形，其中，所述耦入区域的横向最大尺寸为2mm-6mm。
示例性地，所述耦入光栅周期为350nm-600nm；和/或
所述耦入光栅为一维光栅、二维光栅、超表面耦入结构，或者由光栅矢量不同的第一耦入光栅和第二耦入光栅拼接而成，其中，所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅均为一维光栅。
示例性地，当所述耦入光栅为光栅矢量相同的一维光栅时，所述第一衍射光和所述第二衍射光中的一者为-1级衍射光，另一者为+1级衍射光。
示例性地，当所述耦入光栅由光栅矢量不同的第一耦入光栅和第二耦入光栅拼接而成时，所述第一耦入光栅靠近所述第一耦出区域，所述第二耦入光栅靠近所述第二耦出区域，其中，输入光经所述第一耦入光栅衍射获得的所述第一衍射光在所述波导基板内全反射并导向所述第一耦出区域，输入光经所述第二耦入光栅衍射获得的所述第二衍射光在所述波导基板内全反射并导向所述第二耦出区域。
示例性地，当所述耦入光栅为由光栅矢量不同的第一耦入光栅和第二耦入光栅拼接而成时，所述第一耦入光栅的光栅矢量和所述第二耦入光栅的光栅矢量的夹角大于90°且小于或等于180°。
示例性地，所述耦出光栅的光栅周期为350nm-600nm；和/或
所述耦出光栅为二维光栅，或者，一维光栅和二维光栅的组合光栅。
示例性地，当所述耦出光栅为一维光栅和二维光栅的组合光栅时，所述第一耦出区域和所述第二耦出区域均包括多个分区，多个分区中的第一组分区设置的耦出光栅为二维光栅，多个分区中的第二组分区设置的耦出光栅为一维光栅。
示例性地，所述第二组分区中的部分分区设置的一维光栅的光栅矢量和另一部分分区设置的一维光栅的光栅矢量不同。
示例性地，所述耦入光栅的光栅矢量和所述耦出光栅的光栅矢量和为零。
示例性地，所述第一耦出区域和所述第二耦出区域均为多边形，所述多边形的直线边的数量大于或等于3；和/或
所述波导基板的厚度大于或等于0.4mm，且小于或等于2mm。
本申请还提供一种显示设备，包括：
前述的衍射光波导、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。
示例性地，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。
示例性地，所述光机为以下光机中的任意一种：DLP光机、Mems光机或MicroLED光机。
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。
示例性地，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
本申请的衍射光波导通过使所述耦入区域的中心偏离所述第一耦出区域的中心和所述第二耦出区域的中心的中心连线，可以使得衍射光波导应用于显示设备例如近眼显示设备时的光机偏离中心连线，而置于佩戴者的鼻梁之上，更加符合人体工程学，并且通过本申请的衍射光波可以将输入光经过扩瞳耦出至用户的双眼，无需为用户配备两套衍射波导和两套光机，相比具有两套衍射光波导的显示设备，其结构更加简单，装配难度显著降低，功耗更低。
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1A示出了本申请一个实施例中的衍射光波导的正视图；
图1B示出了本申请一个实施例中的衍射光波导的俯视图；
图2示出了本申请一个实施例中的波导基板为蝶形的衍射光波导的示意图；
图3示出了本申请一个实施例中的波导基板为矩形的衍射光波导的示意图；
图4示出了本申请一个实施例中的耦入光栅为一维直齿光栅的衍射光波导的示意图；
图5示出了图4中耦入光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅的光栅矢量的示意图；
图6示出了本申请又一个实施例中的衍射光波导的示意图；
图7示出了图6中耦入光栅、第一耦出光栅和第二耦出光栅的光栅矢量的示意图；
图8示出了本申请一个实施例中的耦出光栅的分区方式的示意图；
图9示出了本申请一个实施例中的显示设备的正视图；
图10示出了本申请一个实施例中的显示设备的俯视图。
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。
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，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和第二耦出区域，第一耦出区域和第二耦出区域分别用于对应人眼的左眼和右眼；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，其中，输入光经耦入光栅衍射获得的第一衍射光在波导基板内全反射并导向第一耦出区域，输入光经耦入光栅衍射获得的第二衍射光在波导基板内全反射并导向第二耦出区域；第一耦出光栅和第二耦出光栅，第一耦出光栅设置在波导基板之上或之中并位于第一耦出区域，第二耦出光栅设置在波导基板之上或之中并位于第二耦出区域，第一耦出光栅和第二耦出光栅均配置为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，第一耦出区域和第二耦出区域分别位于耦入区域的两侧，耦入区域的中心偏离第一耦出区域的中心和第二耦出区域的中心的中心连线。
本申请的衍射光波导通过使耦入区域的中心偏离第一耦出区域的中心和第二耦出区域的中心的中心连线，可以使得衍射光波导应用于显示设备例如近眼显示设备时的光机偏离中心连线，而置于佩戴者的鼻梁之上，更加符合人体工程学，并且通过本申请的衍射光波可以将输入光经过扩瞳耦出至用户的双眼，无需为用户配备两套衍射波导和两套光机，相比具有两套衍射光波导的显示设备，其结构更加简单，装配难度显著降低，功耗更低。
下面将参考附图1A至图10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1A和图1B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1A和图1B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和第二耦出区域，第一耦出区域和第二耦出区域分别用于对应人眼的左眼和右眼。
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（如图3所示）、哑铃型或蝶形（如图2所示）。可选地，波导基板110的形状可以关于波导的中轴线镜像对称。该中轴线可以是指的波导基板110位于第一耦出区域和第二耦出区域之间的中轴线。
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。
进一步，如图1A和图1B所示，本申请的衍射光波导100还包括耦入光栅120，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，其中，输入光经耦入光栅120衍射获得的第一衍射光在波导基板110内全反射并导向第一耦出区域，输入光经耦入光栅120衍射获得的第二衍射光在波导基板110内全反射并导向第二耦出区域。
继续参考图1A和图1B所示，本申请的衍射光波导100还包括耦出光栅，耦出光栅可以包括第一耦出光栅131和第二耦出光栅132，第一耦出光栅131设置在波导基板110之上或之中并位于第一耦出区域，第二耦出光栅132设置在波导基板110之上或之中并位于第二耦出区域，第一耦出光栅131和第二耦出光栅132均配置为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110，从而使得观看者的眼睛可以接收到耦合出的光，由于本申请的耦出光栅和观看者的左右眼分别相对，因此，可以将光耦出到观看者的双眼，使用本申请的衍射光波导100的显示设备无需为用户配备两套衍射波导和两套光机，相比具有两套衍射光波导的显示设备，其结构更加简单，装配难度显著降低，功耗更低。
当进入耦入光栅120的光例如为投影仪投射的图像光时，则自第一耦出光栅131和第二耦出光栅132耦合出的光为至少一部分的图像光，经耦出光栅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，第一耦出光栅131和第二耦出光栅132起到扩瞳作用，耦出光栅在接收到来自耦入光栅120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110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。
继续参考图1A和图1B，耦入光栅120、第一耦出光栅131和第二耦出光栅132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。
在本申请的一个示例中，如图1A至图3所示，耦入光栅120和耦出光栅（例如第一耦出光栅131和第二耦出光栅132）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（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，由光栅矢量不同的第一耦入光栅121和第二耦入光栅122拼接而成，其中，第一耦入光栅121和第二耦入光栅122均为一维光栅。例如，如图4所示，耦入光栅120为一维光栅，一维光栅例如可以为一维直齿光栅，直齿光栅的特性为±1级衍射效率相等。在一些示例中，如图2、图3和图6所示，耦入光栅120还可以由光栅矢量不同的第一耦入光栅121和第二耦入光栅122拼接而成。可选地，如图3所示，第一耦入光栅121的光栅矢量和第二耦入光栅122的光栅矢量之间的夹角为θ1，其中，90°＜θ1≤180°，该夹角是指两者之间的最小夹角。
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。
在一些实施例中，波导基板110的中轴线大体还可以经过耦入区域的中心，且与第一耦出区域的中心和第二耦出区域的中心之间的中心连线101垂直，其中，第一耦出区域和第二耦出区域关于该中轴线镜像对称，耦入区域的中心和第一耦出区域的中心之间的距离等于耦入区域的中心和第二耦出区域的中心之间的距离，由于观看者的左右眼是对称的，因此，本申请通过将第一耦出区域和第二耦出区域关于该中轴线镜像对称，从而使得波导基板110上耦出区域的设置更加符合人体工程学。
为了使得波导基板110上耦入光栅120的设置更加符合人体工程学，如图2所示，第一耦出区域和第二耦出区域分别位于耦入区域的两侧，耦入区域的中心偏离第一耦出区域的中心和第二耦出区域的中心的中心连线101，例如，耦入区域的中心位于波导基板110中心的上方（该波导基板110中心可以位于中心连线101），波导基板110中心的上方可以基于衍射光波导100被佩戴时的波导基板110的上下方向而确定。通过将耦入区域的中心偏离中心连线101，从而可以使得和耦入区域对应显示设备的光机可以置于佩戴者的鼻梁之上，更加符合人体工程学，并且通过本申请的衍射光波可以将输入光经过扩瞳耦出至用户的双眼，无需为用户配备两套衍射波导和两套光机，相比具有两套衍射光波导的显示设备，其结构更加简单，装配难度显著降低，功耗更低。
值得一提的是，当衍射光波导100被佩戴时，第一耦出区域的中心和第二耦出区域的中心的中心连线101大体为水平线，可以避免出现一高一低，使两眼图像存在差异的问题。
如图2所示，耦入区域的中心相对中心连线101的偏移量满足以下公式：
其中，H为耦入区域的中心相对中心连线101的偏移量，D为第一耦出区域的中心和第二耦出区域的中心的之间的距离，L为第一耦出区域或第二耦出区域的横向最大宽度，第一耦出区域或第二耦出区域的纵向最大宽度为W。
更进一步，在一个示例中，耦入区域的中心相对中心连线101的偏移量满足以下公式：
其中，H为耦入区域的中心相对中心连线101的偏移量，D为第一耦出区域的中心和第二耦出区域的中心的之间的距离，第一耦出区域或第二耦出区域的横向最大宽度为L，第一耦出区域或第二耦出区域的纵向最大宽度为W，d为耦入区域的横向最大尺寸。
值得一提的是，在本申请实施例中，横向是指的与中心连线101平行的方向，而纵向则是指与中心连线101垂直的方向。
在一个实施例中，耦入区域的形状可以是任意适合的形状，例如多边形、圆形、椭圆形或者其他适合的不规则形状，可选地，耦入区域的横向最大尺寸可以为2mm-6mm，例如当耦入区域的形状为圆形时，耦入区域的横向最大尺寸为圆形的直径，圆形的直径可以为2mm-6mm，或者还可以是其他适合的尺寸。其中圆形的设计可以和光机镜头的尺寸相匹配。
可选地，第一耦出区域或第二耦出区域的横向最大宽度大于20mm，且小于40mm，或者，还可以是其他适合的尺寸。
在一个示例中，第一耦出区域或第二耦出区域的纵向最大宽度大于20mm，且小于30mm，或者，还可以是其他适合的尺寸。
在一个示例中，第二耦出区域的中心和第一耦出区域的中心之间的距离D为55mm-75mm，或者，还可以是其他适合的尺寸。可以根据实际需要合理选择第二耦出区域的中心和第一耦出区域的中心之间的距离D的值，两中心之间的距离大体符合佩戴者两眼之间的距离。
在一些示例中，如图4和图5所示，当耦入光栅120为光栅矢量相同的一维光栅（例 如一维直齿光栅）时，第一衍射光和第二衍射光中的一者为-1级衍射光，另一者为+1级衍射 光，直齿光栅的特性为±1级衍射效率相等。耦入光栅120的光栅矢量为140、150，矢量方向 为（-1,0,0），光经过耦入光栅120后-1级衍射光沿水平方向在波导内全反射并导向第一耦 出光栅131，第一耦出光栅131为二维光栅，具有光栅矢量141和光栅矢量142，光栅矢量141 的矢量方向为（1，，0），光栅矢量142的矢量方向（1，，0），光到达第一耦出光栅131后耦 出进入人眼。光经过耦入光栅120后+1级衍射光在波导内全反射并导向第二耦出光栅132， 第二耦出光栅132为二维光栅，具有光栅矢量151和光栅矢量152 ，光栅矢量151的矢量方向 为（-1，，0），光栅矢量152的矢量方向为（-1，，0），耦入光到达第二耦出光栅132后耦出 进入人眼，相比传统衍射光波导其通常是一个耦入光栅120对应一个耦出光栅，耦出光栅只 能获取到+1级衍射光或-1级衍射光，利用耦入光栅120单级衍射，因此利用率低，而本申请 的耦入端利用了耦入光栅120的±1级衍射，因此有效提高了光利用率。
在另一个实施例中，如图6和图7所示，当耦入光栅120由光栅矢量不同的第一耦入光栅121和第二耦入光栅122拼接而成时，第一耦入光栅121靠近第一耦出区域，第二耦入光栅122靠近第二耦出区域，其中，输入光经第一耦入光栅121衍射获得的第一衍射光在波导基板110内全反射并导向第一耦出区域，经第一耦出光栅131耦出进入人眼，输入光经第二耦入光栅122衍射获得的第二衍射光在波导基板110内全反射并导向第二耦出区域，经第二耦出光栅132耦出及进入人眼。
如图6和图7所示，耦入光栅120的区域可以为圆形，其靠近第一耦出光栅131一侧 的半圆为第一耦入光栅121（例如第一类一维直齿光栅），其光栅矢量为211，矢量方向为（ ，-1，0），光经过第一类一维直齿光栅后，﹢1级衍射沿与水平面成30°的方向在波导内全反射 并导向第一耦出光栅131，第一耦出光栅131为二维光栅，具有光栅矢量221，矢量方向为（ ，-1，0）；还具有光栅矢量222，矢量方向为（0，2，0）；以及光栅矢量241，矢量方向为（，1， 0）；光到达第一耦出光栅131后耦出进入人眼。耦入光栅120靠近第二耦出光栅132一侧的半 圆为第二耦入光栅122（第二类一维直齿光栅），其光栅矢量为212，矢量方向为（，-1，0）， 光经过第二类一维直齿光栅后，﹢1级衍射沿与水平面成30°的方向在波导内全反射并导向 第二耦出光栅132，第二耦出光栅132为二维光栅，具有光栅矢量231、矢量方向为（-，-1， 0）；具有光栅矢量232，矢量方向为（0，2，0）；具有光栅矢量251，矢量方向为（-，1，0）；光到 达第二耦出光栅132后耦出进入人眼。
耦入光栅120采用两种光栅矢量成夹角的一维光栅组合方式，光栅可以为闪耀光栅、斜齿光栅，从而能够兼具高耦入效率的同时，由于光栅的相对位置可以有更多选择，可以增加波导外形自由度。
本申请中，第一耦出区域的形状为多边形，第二耦出区域的形状为多边形，该形状可以是指的在波导基板110的第一表面111或第二表面112上的投影形状，或者通过例如电子显微镜进行成像时所呈现的表面形貌，其中，多边形的直线边的数量大于或等于3，例如多边形的形状可以为三角形、梯形、矩形、五边形等适合的形状。
在一些实施例中，耦出光栅（例如第一耦出光栅131和第二耦出光栅132）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。其中，一维光栅（例如光栅线）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。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。
可选地，耦出光栅为二维光栅，或者，一维光栅和二维光栅的组合光栅。其中，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。而一维光栅同样也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。
为了使得耦出光栅具有更好的耦出效率和耦出均匀性，可选地，耦出光栅的光栅周期可以为350nm-600nm，或者还可以为其他适合的周期长度。
值得一提的是，光栅周期可以是指的在光栅周期性排布方向上相邻的周期性结构的间距。
为了提高波导的效率以及耦出均匀性，在一些实施例中，如图8所示，第一耦出光栅131和第二耦出光栅132还可以为一维光栅和二维光栅的组合光栅， 第一耦出区域和第二耦出区域均包括多个分区，多个分区中的第一组分区设置的耦出光栅为二维光栅，多个分区中的第二组分区设置的耦出光栅为一维光栅，多个分区可以按照规则分区排布，例如每个分区可以是尺寸相同的矩形分区，或者尺寸相同的其他适合形状的分区，或者，多个分区还可以为非规则分区排布，其可以具有尺寸和/或形状不同的分区。在一些实施例中，分区中设置的一维光栅还可以包括由光栅矢量不同的至少两种一维光栅构成，例如，多个分区中的第二组分区中的部分分区设置的一维光栅的光栅矢量和另一部分分区设置的一维光栅的光栅矢量不同。
参考图6至图8，耦入光栅120靠近第二耦出光栅132一侧的半圆为第二类一维直齿 光栅，其光栅矢量为212，矢量方向为（，-1，0），光经过第二类一维直齿光栅后，﹢1级衍射 沿与水平面成30°的方向在波导内全反射并导向第二耦出光栅132，第二耦出光栅132包含 光栅矢量为251的第一种一维耦出光栅，其矢量方向为（-，1，0）；还包含光栅矢量为232的 第二种一维耦出光栅，其矢量方向为（0，2，0）和具有光栅矢量231，231的二维耦出光栅，光 到达第二耦出光栅132后耦出进入人眼。
由于本申请实施例的耦入端使用了分光对称的光栅，例如非闪耀光栅和斜齿光栅，因此其可能会使波导的效率较低，鉴于此，本申请实施例中，在耦出区域采用一维光栅和二维光栅的混合光栅，利用一维光栅的高效率和二维光栅的多光栅矢量可以有效的提升波导的效率，从而弥补耦入端效率低的缺陷。并且，第一耦出光栅131和第二耦出光栅132混合了一维光栅和二维光栅，其还可以有效的提高耦出端的能量均匀性。
值得一提的是，在本申请实施例中，耦入光栅120的光栅矢量和耦出光栅的光栅矢量和为零，从而保证耦出光栅耦出的光和耦入光栅120入射的光平行出射。当耦入光栅120确定后，耦出光栅的光栅矢量需做出对应的调整，以满足光栅矢量和为零。
另一方面，本申请还提供一种显示设备，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。
该显示设备可以是任意的包括前述的衍射光波导100的设备，例如，该显示设备可以为近眼显示设备，其可以包括：镜片和用于将镜片保持为靠近眼镜的框架，镜片包括前述的衍射光波导100。
在一些示例中，如图9和图10所示，显示设备还可以包括光机210，可选地，该光机210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210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 Micromirror 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）、MicroLED光机等微型显示器，该光机210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210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210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210投射到耦入区域的光的光斑面积。可选地，光机210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210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内全反射至第一耦出光栅131和第二耦出光栅132，经第一耦出光栅131和第二耦出光栅132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210所投射的图像。本申请的衍射光波导通过使耦入区域的中心偏离第一耦出区域的中心和第二耦出区域的中心的中心连线101，可以使得衍射光波导应用于显示设备例如近眼显示设备时的光机210偏离中心连线101，而置于佩戴者的鼻梁之上，更加符合人体工程学，并且通过本申请的衍射光波可以将输入光经过扩瞳耦出至用户的双眼，无需为用户配备两套衍射波导和两套光机，相比具有两套衍射光波导的显示设备，本申请只需配备一套光机和一套衍射光波导，因此其结构更加简单，装配难度显著降低，功耗更低。
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 (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，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和第二耦出区域，所述第一耦出区域和所述第二耦出区域分别用于对应人眼的左眼和右眼；
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，其中，输入光经所述耦入光栅衍射获得的第一衍射光在所述波导基板内全反射并导向所述第一耦出区域，输入光经所述耦入光栅衍射获得的第二衍射光在所述波导基板内全反射并导向所述第二耦出区域；
耦出光栅，所述耦出光栅包括第一耦出光栅和第二耦出光栅，所述第一耦出光栅设置在所述波导基板之上或之中并位于所述第一耦出区域，所述第二耦出光栅设置在所述波导基板之上或之中并位于所述第二耦出区域，所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅均配置为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，
所述第一耦出区域和所述第二耦出区域分别位于所述耦入区域的两侧，所述耦入区域的中心偏离所述第一耦出区域的中心和所述第二耦出区域的中心的中心连线，且所述耦入区域的中心位于所述波导基板中心的上方；
其中，所述耦入区域的中心相对所述中心连线的偏移量满足以下公式：
其中，H为所述耦入区域的中心相对所述中心连线的偏移量，D为所述第一耦出区域的中心和所述第二耦出区域的中心的之间的距离，所述第一耦出区域或所述第二耦出区域的横向最大宽度为L，所述第一耦出区域或所述第二耦出区域的纵向最大宽度为W，d为耦入区域的横向最大尺寸；并且其中
所述耦入光栅与所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅位于所述波导基板的同一侧或不同侧。
2.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一耦出区域和所述第二耦出区域关于所述波导基板的中轴线呈镜像对称，所述波导基板的中轴线经过所述耦入区域的中心，且与所述中心连线垂直；和/或
所述波导基板关于所述中轴线呈镜像对称；和/或
所述耦入区域的中心和所述第一耦出区域的中心之间的距离等于所述耦入区域的中心和所述第二耦出区域的中心之间的距离。
3.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，
所述第一耦出区域或所述第二耦出区域的横向最大宽度大于20mm，且小于40mm；
所述第一耦出区域或所述第二耦出区域的纵向最大宽度大于20mm，且小于30mm；
所述第二耦出区域的中心和所述第一耦出区域的中心之间的间距为55mm-75mm；
所述耦入区域的形状为圆形或者多边形，其中，所述耦入区域的横向最大尺寸为2mm-6mm。
4.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅周期为350nm-600nm；和/或
所述耦入光栅为一维光栅、二维光栅、超表面耦入结构，或者由光栅矢量不同的第一耦入光栅和第二耦入光栅拼接而成，其中，所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅均为一维光栅。
5.如权利要求4所述的衍射光波导，其特征在于，当所述耦入光栅为光栅矢量相同的一维光栅时，所述第一衍射光和所述第二衍射光中的一者为-1级衍射光，另一者为+1级衍射光。
6.如权利要求4所述的衍射光波导，其特征在于，当所述耦入光栅由光栅矢量不同的第一耦入光栅和第二耦入光栅拼接而成时，所述第一耦入光栅靠近所述第一耦出区域，所述第二耦入光栅靠近所述第二耦出区域，其中，输入光经所述第一耦入光栅衍射获得的所述第一衍射光在所述波导基板内全反射并导向所述第一耦出区域，输入光经所述第二耦入光栅衍射获得的所述第二衍射光在所述波导基板内全反射并导向所述第二耦出区域。
7.如权利要求6所述的衍射光波导，其特征在于，当所述耦入光栅为由光栅矢量不同的第一耦入光栅和第二耦入光栅拼接而成时，所述第一耦入光栅的光栅矢量和所述第二耦入光栅的光栅矢量的夹角大于90°且小于或等于180°。
8.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦出光栅的光栅周期为350nm-600nm；和/或
所述耦出光栅为二维光栅，或者，一维光栅和二维光栅的组合光栅。
9.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，当所述耦出光栅为一维光栅和二维光栅的组合光栅时，所述第一耦出区域和所述第二耦出区域均包括多个分区，多个分区中的第一组分区设置的耦出光栅为二维光栅，多个分区中的第二组分区设置的耦出光栅为一维光栅。
10.如权利要求9所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二组分区中的部分分区设置的一维光栅的光栅矢量和另一部分分区设置的一维光栅的光栅矢量不同。
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，所述耦入光栅的光栅矢量和所述耦出光栅的光栅矢量和为零。
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，所述第一耦出区域和所述第二耦出区域均为多边形，所述多边形的直线边的数量大于或等于3；和/或
所述波导基板的厚度大于或等于0.4mm，且小于或等于2mm。
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，所述光机为以下光机中的任意一种：DLP光机、Mems光机或MicroLED光机。
16.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。
17.如权利要求13至16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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Address after: 8 / F, building 3, 1156 Gaoqiao Avenue, Tongxiang City, Jiaxing City, Zhejiang Province, 314500

Applicant after: JIAXING UPHOTON OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: Room 1206-6, floor 12, building 7, yard a 13, Huayuan Road, Haidian District, Beijing 100088

Applicant before: BEIJING THETO OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO.,LTD.

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GR01 Patent grant
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CI03 Correction of invention patent

Correction item: Description

Correct: Paragraphs 0001-0109 of the instruction manual submitted on October 18, 2023

False: Paragraphs 0001-0077 of the instruction manual submitted on August 19, 2022

Number: 36-02

Page: ??

Volume: 39

CI03 Correction of invention patent