CN115166896A - 显示设备、显示用衍射光波导及其设计方法 - Google Patents

显示设备、显示用衍射光波导及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种显示用的衍射光波导，该衍射光波导包括波导基板和形成在波导基板上的耦入光栅、耦出光栅和耦出端回光光栅，其中所述耦出端回光光栅的至少一部分构造为包括多个耦出回光子光栅，至少一个耦出回光子光栅具有与另一个耦出回光子光栅相同的光栅矢量和不同的光学结构。本申请还公开包括上述衍射光波导的显示设备和用于该衍射光波导的设计方法。由于将耦出端回光光栅的至少一部分分为具有不同光学结构的多个子光栅，使得这些子光栅能够具有不同的衍射效率，从而调节耦出端回光光栅在不同位置的衍射/回光效率，以调节耦出光栅的不同部位的耦出光强，改善衍射光波导的出射光场均匀性。

Description

显示设备、显示用衍射光波导及其设计方法
技术领域
本发明涉及基于衍射的显示技术，特别是可用于增强现实显示的衍射光波导、包括衍射光波导的显示设备以及衍射光波导的设计方法。
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，并有望成为未来AR领域主流技术发展方向。目前用于AR显示的衍射光波导尚有不足之处。特别是，衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性的实现一直是一个技术难题。
人们提出了一种如图10所示的衍射光波导，其中在波导基底上设置有耦入光栅a、耦出光栅b和回光光栅c。耦入光栅a将载有图像信息的入射光耦入波导基底中。耦出光栅b一边将载有图像信息的光在波导基底所在的平面内扩展，一边将所述光从波导基底中耦出。回光光栅c设置在耦出光栅b的远离耦入光栅a的末端的周围，用于使离开耦出光栅b并继续在波导基底中传播的光返回耦出光栅b。图10所示设计对提高衍射光波导的出射光场的均匀性有帮助，然而仍然很难实现足够良好的均匀性。
发明内容
本发明的目的是提供一种显示用的衍射光波导、包括衍射光波导的显示设备以及显示用的衍射光波导的设计方法，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，提供了一种显示用的衍射光波导，其包括波导基板和形成在波导基板上的耦入光栅、耦出光栅和耦出端回光光栅，所述耦入光栅构造为将从所述波导基板外部入射的输入光束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；所述耦出光栅构造为将传播到其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板耦出；所述耦出端回光光栅接收来自所述耦出光栅的光并对之进行衍射，使光返回所述耦出光栅，其中，所述耦出端回光光栅的至少一部分构造为包括多个耦出回光子光栅，至少一个耦出回光子光栅具有与另一个耦出回光子光栅相同的光栅矢量和不同的光学结构。
在一些实施例中，所述多个耦出回光子光栅为二维光栅，并且至少一个耦出回光子光栅的光学结构与另一个耦出回光子光栅的光学结构具有不同的横截面形状及/或尺寸。
在一些实施例中，所述多个耦出回光子光栅为一维光栅，并且至少一个耦出回光子光栅的光学结构与另一个耦出回光子光栅的光学结构具有不同的刻槽倾角及/或占空比。
在一些实施例中，至少一个耦出回光子光栅的光学结构与另一个耦出回光子光栅的光学结构具有不同的高度或深度。
在一些实施例中，所述耦出光栅包括多个耦出子光栅，至少一个耦出子光栅具有与另一个耦出子光栅不同的光学结构。
在一些实施例中，所述耦出回光子光栅和所述耦出子光栅中的至少一者形成在规则的分区中。
在一些实施例中，所述耦出回光子光栅和所述耦出子光栅中的至少一者形成在不规则的分区中。
在一些实施例中，所述衍射光波导还包括形成在所述波导基板上的转折光栅和中间回光光栅，所述转折光栅构造为对来自所述耦入光栅的光进行一维扩展和偏折，使之朝向所述耦出光栅传播，所述中间回光光栅构造为对来自所述转折光栅的、未朝向所述耦出光栅传播的光进行衍射，使之返回所述转折光栅；并且所述中间回光光栅的至少一部分构造为包括多个中间回光子光栅，至少一个中间回光子光栅具有与另一个中间回光子光栅相同的光栅矢量和不同的光学结构。
有利地，所述衍射光波导还包括形成在所述波导基板上的耦入端回光光栅，所述耦入端回光光栅构造为对来自所述耦入光栅的、未朝向所述耦出光栅传播的光进行衍射，使之朝向所述耦出光栅传播。
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。
有利地，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。
有利地，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
根据本发明的又一个方面，提供了一种显示用的衍射光波导的设计方法，所述衍射光波导包括波导基板和形成在波导基板上的耦入光栅、耦出光栅和耦出端回光光栅，所述耦出端回光光栅对来自所述耦出光栅的光进行衍射，使光返回所述耦出光栅，其中，所述设计方法包括以下处理：(1)在目标区域中形成多个分区；(2)对所述多个分区中的子光栅进行初始化，其中每个所述子光栅包括多个光学结构；以及(3)以所述光学结构的至少一个参数为优化变量进行优化处理，获得一项优化结果，所述优化处理的优化目标包括所述耦出光栅的出射光场的光能量分布均匀性，其中，所述目标区域包括待形成所述耦出端回光光栅的耦出回光区域的至少一部分，并且在所述耦出回光区域的多个分区中形成的所述子光栅为耦出回光子光栅。
在一些实施例中，所述目标区域还包括待形成所述耦出光栅的耦出区域。
在一些实施例中，所述衍射光波导还包括形成在所述波导基板上的转折光栅和中间回光光栅，所述转折光栅构造为对来自所述耦入光栅的光进行一维扩展和偏折，使之朝向所述耦出光栅传播，所述中间回光光栅构造为将来自所述转折光栅的、未朝向所述耦出光栅传播的光进行衍射，使之返回所述转折光栅；并且所述目标区域还包括待形成所述中间回光光栅的中间回光区域的至少一部分。
有利地，所述衍射光波导还可以包括形成在所述波导基板上的耦入端回光光栅，所述耦入端回光光栅构造为对来自所述耦入光栅的、未朝向所述耦出光栅传播的光进行衍射，使之朝向所述耦出光栅传播。
在一些实施例中，处理(3)中，所述优化变量包括所述光学结构的横截面形状及/或尺寸、刻槽倾角及/或占空比、以及/或者所述光学结构的高度或深度，并且所述优化处理使得至少一个子光栅具有与另一个子光栅相同的光栅矢量和不同的光学结构。
在一些实施例中，处理(3)中，所述优化处理的优化目标还包括所述衍射光波导的光能量耦合效率。
在一些实施例中，处理(1)包括：对所述目标区域的至少一部分进行规则分区。
在一些实施例中，处理(1)包括：对所述目标区域的至少一部分进行不规则分区。
在一些实施例中，所述设计方法还包括以下处理：(4)改变对所述目标区域的分区，形成新的多个分区，并基于所述新的多个分区，重复执行处理(2)至处理(3)，得到多项优化结果；以及(5)根据最符合所述优化目标的一项优化结果，确定所述目标区域的分区和对应的子光栅的优化光学结构。
根据本发明实施例的衍射光波导中，由于将耦出端回光光栅的至少一部分分为具有不同光学结构的多个子光栅，使得这些子光栅在具有相同光栅矢量的情况下能够具有不同的衍射效率，从而调节耦出端回光光栅在不同位置的衍射/回光效率，以调节耦出光栅的不同部位的耦出光强，改善衍射光波导的出射光场均匀性。
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一的衍射光波导的示例一的示意图；
图2为根据本发明实施例一的衍射光波导的示例二的示意图；
图3为根据本发明实施例一的衍射光波导的示例三的示意图；
图4为根据本发明实施例二的衍射光波导的示例一的示意图；
图5为根据本发明实施例二的衍射光波导的示例二的示意图；
图6为根据本发明实施例三的衍射光波导的示例的示意图；
图7为根据本发明实施例的衍射光波导的设计方法的示例一的流程图；
图8为根据本发明实施例的衍射光波导的设计方法的示例二的流程图；
图9为根据本发明实施例的衍射光波导的设计方法的示例三的流程图；以及
图10为现有技术的用于显示的衍射光波导的示意图。
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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
首先，参照图1至图3介绍根据本发明实施例一的显示用的衍射光波导。
图1为根据本发明实施例一的衍射光波导的示例一的示意图。如图1所示，衍射光波导10包括波导基板10a和形成在波导基板10a上的耦入光栅11、耦出光栅12和耦出端回光光栅13。
耦入光栅11构造为将从波导基板10a外部入射的输入光束耦合到波导基板中，以使之通过全反射在波导基板10a内传播。在图1所示示例中，耦入光栅11为一维光栅，其具有指向耦出光栅12的光栅矢量方向(垂直于光栅的线槽的方向)。通常耦入光栅11设计为将衍射后的光能量集中在正一级衍射光，并且使该正一级衍射光相对于波导基板具有大于或等于全反射角的照射角度，从而能够通过全反射在波导基板内传播至耦出光栅12。
耦出光栅12构造为将传播到其中的光的至少一部分通过衍射从波导基板10a耦出。在图1所示示例中，耦出光栅12为二维光栅，其通过衍射使得光在其中一边二维扩展/传播，一边逐渐地被耦合出波导基板10a，形成与耦出光栅12的大小对应的出射光场。载有图像信息的较细的输入光束经耦入光栅11耦合到波导基板10a中，然后通过耦出光栅12实现光瞳扩展并耦出，从而形成适于人眼观看的显示光场。
耦出端回光光栅13接收来自耦出光栅12的光并对之进行衍射，使光返回耦出光栅12。耦出端回光光栅13可以包括一个或多个光栅。在图1所示示例中，耦出端回光光栅13包括一个二维光栅(即第一回光光栅13A)和两个一维光栅(即第二回光光栅13B和第三回光13C)，第一回光光栅13A、第二回光光栅13B和第三回光光栅13C具有彼此不同的光栅矢量。各耦出端回光光栅的光栅矢量的设计并非本发明的重点，并且本领域技术人员根据已经公开的技术能够实现这样的光栅矢量的设计，因此在此不做具体介绍。
如图1所示，第一回光光栅13A包括多个二维子光栅13a，多个子光栅13a具有相同的光栅矢量，并且至少一个子光栅13a的光学结构与另一个子光栅13a的光学结构不相同。例如，这些子光栅13a的光学结构可以具有不同的横截面形状、不同的横截面尺寸以及/或者不同的高度或深度。
类似地，第二回光光栅13B包括多个一维子光栅13b，多个子光栅13b具有相同的光栅矢量，至少一个子光栅13b的光学结构与另一个子光栅13b的光学结构不相同；第三回光光栅13C包括多个一维子光栅13c，多个子光栅13c具有相同的光栅矢量，并且至少一个子光栅13c的光学结构与另一个子光栅13c的光学结构不相同。例如，这些子光栅13b、13c的光学结构可以具有不同的刻槽倾角、不同的占空比以及/或者不同的高度或深度。
在图1所示示例中，对第一回光光栅13A、第二回光光栅13B和第三回光光栅13C分别作了规则分区，从而各子光栅13a、13b和13c分别形成在规则的分区之中。
根据本发明实施例，衍射光波导10中由于将耦出端回光光栅13的各光栅分为具有不同光学结构的多个子光栅，使得这些子光栅在具有相同光栅矢量的情况下能够具有不同的衍射效率，从而调节耦出端回光光栅在不同位置的衍射/回光效率，以调节耦出光栅的不同部位的耦出光强，改善衍射光波导的出射光场均匀性。
图2为根据本发明实施例一的衍射光波导的示例二的示意图。如图2所示，衍射光波导20包括波导基板20a和形成在波导基板20a上的耦入光栅21、耦出光栅22和耦出端回光光栅23。耦出端回光光栅23包括第一回光光栅23A、第二回光光栅23B和第三回光光栅23C。图2所示的衍射光波导20与图1所示衍射光波10具有基本上相同的构造，不同之处主要在于：耦出端回光光栅23中仅第二回光光栅23B和第三回光光栅23C包括形成在分区中的子光栅23b、23c。
根据本发明实施例，多个子光栅23b具有相同的光栅矢量，至少一个子光栅23b的光学结构与另一个子光栅23b的光学结构不相同。例如，这些子光栅23b的光学结构可以具有不同的刻槽倾角、不同的占空比以及/或者不同的高度或深度。
类似地，多个子光栅23c具有相同的光栅矢量，并且至少一个子光栅23c的光学结构与另一个子光栅23c的光学结构不相同。例如，这些子光栅23c的光学结构可以具有不同的刻槽倾角、不同的占空比以及/或者不同的高度或深度。
尽管图2的示例中将第二回光光栅23B和第三回光光栅23C设置为包括具有不同光学结构的多个子光栅，但是应该理解，本发明并不限于此。根据衍射光波导的其它结构，例如耦入光栅相对于耦出光栅的位置、耦出光栅本身的扩展和耦出效率分布情况等等，例如可以仅将第一回光光栅23A设置为包括多个子光栅，或者将第二回光光栅23B和第三回光光栅23C中的一者或其与第一回光光栅23A的组合设置为包括具有不同光学结构的子光栅。这样，通过有选择地对耦出端回光光栅的一部分进行分区和光学结构区别化设计，能够为调节衍射光波导/耦出光栅的出射光场的均匀性提供更大的自由度和灵活性。
图3为根据本发明实施例一的衍射光波导的示例三的示意图。如3所示衍射光波导30包括波导基板30a和形成在波导基板30a上的耦入光栅31、耦出光栅32和耦出端回光光栅33。耦出端回光光栅33包括第一回光光栅33A、第二回光光栅33B和第三回光光栅33C。
衍射光波导30的第一回光光栅33A、第二回光光栅33B和第三回光光栅33C的不同光栅的子光栅33a、33b、33c具有与图1所示衍射光波导10的第一回光光栅13A、第二回光光栅13B和第三回光光栅13C的不同光栅的子光栅13a、13b、13c基本上相同的构造，不同之处在：衍射光波导30中，第一回光光栅33A、第二回光光栅33B和第三回光光栅33C分别作了不规则分区，从而各子光栅33a、33b和33c分别形成在不规则的分区之中。
应该理解的是，图3所示衍射光波导30仅为示例性的，在根据本发明实施例的其它实现方式中，耦出端回光光栅的不同部分可以进行不同的分区。例如，第一回光光栅33A可以进行规则分区，从而子光栅33a可以形成在规则分区中，而第二回光光栅33B和第三回光光栅33C可以进行不规则分区，从而子光栅33b、33c可以分别形成在不规则分区中。此外，应该理解，本发明对于耦出端回光光栅的不同部分的具体分区方式及其组合方式没有特别的限制。
为示例的目的，在图2和图3中示出根据本发明实施例的衍射光波导20、30还可以包括耦入端回光光栅24、34。耦入端回光光栅构造为对来自耦入光栅的、未朝向耦出光栅传播的光进行衍射，使之朝向耦出光栅传播。由于衍射光波导不仅存在出射光场均匀性的难题，其耦合效率也亟待提高，耦合效率低下的问题同时还限制了对出射光场均匀性的调节余地，所以根据本发明实施例的衍射光波导中，将耦入端回光光栅与可调节回光效率的耦出端回光光栅结合，有利于协调地解决耦合效率和光场均匀性问题。
接下来，参照图4和图5介绍根据本发明实施例二的显示用的衍射光波导。根据本发明实施例二的衍射光波导与根据本发明实施例的衍射光波导可以具有基本上相同的结构，不同之处在于：根据本发明实施例二的衍射光波导的耦出光栅包括多个耦出子光栅，其中至少一个耦出子光栅具有与另一个耦出子光栅不同的光学结构。
图4示出根据本发明实施例二的衍射光波导的一示例。如图4所示，衍射光波导40包括波导基板40a和形成在波导基板40a上的耦入光栅41、耦出光栅42、耦出端回光光栅43和耦入端回光光栅44。
耦出端回光光栅43包括第一回光光栅43A、第二回光光栅43B和第三回光光栅43C。根据本发明实施例，第一回光光栅43A、第二回光光栅43B和第三回光光栅43C各自包括形成在规则分区的多个子光栅43a、43b和43c。子光栅43a、43b和43c的构造可以与图1所示衍射光波导10的子光栅13a、13b和13c的构造相同，在此不再赘述。
如图4所示，耦出光栅42包括形成在规则分区中的多个耦出子光栅42a。根据本发明实施例，多个子光栅42a具有相同的光栅矢量，并且至少一个耦出子光栅42a具有与另一个耦出子光栅42a不同的光学结构。这样，通过构造不同的光学结构，可以调节不同耦出子光栅42a的衍射/耦出效率，从而调节耦出光栅42的出射光场的均匀性。
图5示出根据本发明实施例二的衍射光波导的另一示例。如5所示衍射光波导50包括波导基板50a和形成在波导基板50a上的耦入光栅51、耦出光栅52、耦出端回光光栅53和耦入端回光光栅54。
图5所示衍射光波导50与图4所示衍射光波导40具有基本上相同的结构，不同之处在于：衍射光波导50中，耦出端回光光栅53的第一回光光栅53A、第二回光光栅53B和第三回光光栅53C各自的子光栅53a、53b、53c形成不规则分区中，并且耦出光栅52的各耦出子光栅52a也形成在不规则分区中。耦出光栅52与耦出端回光光栅53可以如图5所示地以不同的方式进行不规则分区，或者也可以以相同的方式进行不规则分区。本发明在此方面不受限制。
图4和图5所示均为示例性的，而非限制性的。在根据本发明其它实施例的衍射光波导中，耦出光栅和耦出端回光光栅中的一者可以包括形成在规则分区中的子光栅，另一者可以包括形成在不规则分区中的子光栅。
以上参照图1至图5介绍的各示例中耦出端回光光栅包括第一、第二、第三回光光栅，然而应该理解这仅为示例性的，而非限制性的。在根据不同实施例的衍射光波导中，耦出端回光光栅可以包括更多或者更少个回光光栅。
尽管以上介绍的根据本发明实施例一和实施例二的衍射光波导的耦出光栅均为二维光栅，但是本发明的发明构思也可以应用于耦出光栅为一维光栅的情形。下面参照图6介绍根据本发明实施例三的衍射光波导。
图6所示衍射光波导60包括波导基板60a和形成在波导基板60a上的耦入光栅61、耦出光栅62、耦出端回光光栅63和耦入端回光光栅64；根据本实施例，衍射光波导60还包括转折光栅65和中间回光光栅66。耦入光栅61、转折光栅65和耦出光栅62均为一维光栅。耦出端回光光栅63可以为例如一维光栅。
根据本发明实施例，耦出端回光光栅63包括具有相同光栅矢量的多个子光栅63a，并且至少一个子光栅63a具有与另一个子光栅63a不同的光学结构。例如，这些子光栅63a的光学结构可以具有不同的刻槽倾角、不同的占空比以及/或者不同的高度或深度。
转折光栅65构造为对来自耦入光栅61的光进行一维扩展和偏折，使之朝向耦出光栅传播。中间回光光栅66构造为对来自转折光栅65的、未朝向耦出光栅62传播的光进行衍射，使之返回转折光栅65并朝向耦出光栅传播。如图6所示，中间回光光栅66可以包括第一中间回光光栅66A和第二中间回光光栅66B。
在图6所示示例中，第一中间回光光栅66A包括多个子光栅66a，子光栅66a具有相同的光栅矢量，并且至少一个子光栅66a具有与另一个子光栅66a不同的光学结构。例如，这些子光栅66a的光学结构可以具有不同的刻槽倾角、不同的占空比以及/或者不同的高度或深度。
类似地，第一中间回光光栅66B包括多个子光栅66b，子光栅66b具有相同的光栅矢量，并且至少一个子光栅66b具有与另一个子光栅66b不同的光学结构。例如，这些子光栅66b的光学结构可以具有不同的刻槽倾角、不同的占空比以及/或者不同的高度或深度。
如图6所示，耦出光栅62可以包括形成在分区的多个子光栅62a；根据本发明实施例，多个子光栅62a具有相同的光栅矢量并且可以具有彼此不同的光学结构。此外，如图6所示，转折光栅65也可以包括形成在分区的多个子光栅65a；根据本发明实施例，多个子光栅65a具有相同的光栅矢量并且可以具有彼此不同的光学结构。耦出光栅和转折光栅的子光栅构造为具有不同的光学结构，从而可以具有不同的衍射效率，以帮助进一步调节衍射光波导的出射光场的均匀性。
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，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，参照图7至图9介绍根据本发明实施例的显示用衍射光波导的设计方法。
图7示出的衍射光波导设计方法M100可以用于例如根据本发明实施例一的衍射光波导的设计。如图7所示，衍射光波导设计方法M100包括以下处理：
S110：在待形成耦出端回光光栅的耦出回光区域中形成多个分区；
S120：对多个分区中的耦出回光子光栅进行初始化，其中每个子光栅包括多个光学结构；以及
S130：以耦出回光子光栅的光学结构的至少一个参数为优化变量进行优化处理，得到一项优化结果。
处理S110中，可以在整个耦出回光区域中形成分区，也可以仅在耦出回光区域的部分区域中形成分区。例如，结合参照图2，可以仅在待形成第二回光光栅23B和第三回光光栅23C的区域中形成分区。
此外，处理S110中，可以对耦出回光区域的至少一部分进行规则分区或者不规则分区。
处理S120中，根据待形成的耦出端回光光栅的光栅矢量，对耦出回光区域的多个分区中的耦出回光子光栅进行初始化。
处理S130中，优化处理的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。在一些实现方式中，可以采用人眼视窗的范围(能够看到图像的人眼活动范围)内的光能量分布非均匀性来表征衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性。在另一些实现方式中，可以采用人眼在任一位置能够接收/看到的视角范围内的光能量均匀性来表征衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性。作为替代，在其它实现方式中，也可以结合采用上述两者表征光能量分布均匀性的方式，例如通过加权计算。
优选地，优化处理的优化目标还可以包括光能量耦合效率。若进入衍射光波导的耦入光栅的入射光能量为Iin，从耦出光栅出射的总光能量为IE，则衍射光波导的光能量耦合效率为r＝IE/Iin。作为示例，根据本发明实施例的衍射光波导设计方法1可以将光能量耦合效率r大于或等于一预定值作为优化目标之一。
处理S130中，优化变量可以包括子光栅的光学结构的横截面形状及/或横截面尺寸、刻槽倾角及/或占空比、以及/或者光学结构的高度或深度，并且优化处理使得至少一个子光栅具有与另一个子光栅相同的光栅矢量和不同的光学结构。
“优化处理”在这里指的是这样一个处理过程：通过改变优化变量(例如子光栅光学结构的至少一个参数)的赋值获得对应于优化目标的多个评价结果(例如表示光能量分布均匀性及/或光能量耦合效率的量值)，并以是否符合优化目标为标准，选择其中一个评价结果并将该结果对应的优化变量的赋值以及其它参数(例如分区的情况)作为优化结果。
如图7所示，设计方法M100还可以包括以下处理：
S140：改变对耦出回光区域的分区形成新的多个分区，并基于新的多个分区，重复执行处理S120和S130，得到多项优化结果；以及S150：根据最符合优化目标的一项优化结果，确定耦出回光区域的分区和对应的子光栅的光学结构。
设计方法M100在处理S130之后可以执行一项判断S135，并根据判断的结果决定是执行处理S140，还是进入处理S150。在图7所示示例中，判断S135为“是否已经遍历预设的分区方式”，如果判断结果为“否”则进入处理S140，如果判断结果为“是”则进入处理S150。这样的条件还可以为例如“改变分区的次数是否超过预定次数”、“是否已经遍历预设的分区数量”等等。在另一些实施例中，在处理S130中，可以在得到一项优化结果的同时将该项优化结果与之前记录的最优结果比较，如果新得到的优化结果更优，则更新最优结果；并且在判断S135中，可以判断最近连续没有更新最优结果的次数是否超过预定值，如果判断结果为“否”则进入处理S140，如果判断结果为“是”则进入处理S150。
图8示出的衍射光波导设计方法M200可以用于例如根据本发明实施例二的衍射光波导的设计。如图8所示，衍射光波导设计方法M200包括以下处理：
S210：在待形成耦出光栅的耦出区域中形成多个耦出分区，在待形成耦出端回光光栅的耦出回光区域中形成多个回光分区；
S220：对耦出分区中的耦出子光栅和回光分区中的耦出回光子光栅进行初始化，其中每个子光栅包括多个光学结构；以及
S230：以耦出子光栅和耦出回光子光栅的光学结构的至少一个参数为优化变量进行优化处理，得到一项优化结果。
与设计方法M100中的处理S110类似，可以在耦出区域的整体或者其部分区域中形成分区，也可以在耦出回光区域的整体或者其部分区域中形成分区。此外，所述分区可以为规则分区，也可以为不规则分区，或者为规则分区和不规则分区的组合。
处理S220中，根据待形成的耦出光栅和耦出端回光光栅的光栅矢量，对耦出分区中的耦出子光栅和回光分区中的耦出回光子光栅进行初始化。
设计方法M200的处理S230中的优化目标和优化处理过程可以与设计方法M100的处理S130中的相同或类似，处理S230中的优化变量不仅包括耦出回光子光栅的光学结构的至少一个参数，还包括耦出子光栅的光学结构的至少一个参数。所述参数例如可以包括子光栅的光学结构的横截面形状及/或横截面尺寸、刻槽倾角及/或占空比、以及/或者光学结构的高度或深度。处理S230中的优化处理使得至少一个耦出子光栅具有与另一个耦出子光栅相同的光栅矢量和不同的光学结构，以及/或者使得至少一个耦出回光子光栅具有与另一个耦出回光子光栅相同的光栅矢量和不同的光学结构。
如图8所示，设计方法M200还可以包括以下处理：
S240：改变对耦出区域和耦出回光区域的分区，形成新的多个耦出分区和多个回光分区，并基于新的多个分区，重复执行处理S220和S230，得到多项优化结果；以及
S250：根据最符合优化目标的一项优化结果，确定耦出分区和回光区域的分区和对应的子光栅的光学结构。
设计方法M200在处理S230之后可以执行一项判断S235，并根据判断的结果决定是执行处理S240，还是进入处理S250。在图8所示示例中，判断S235为“改变分区的次数是否大于预定值L”，如果判断结果为“否”则进入处理S240，如果判断结果为“是”则进入处理S250。然而，应该理解，上述的判断S235中的判断条件仅为示例性的。
图9示出了另一种可用于设计根据本发明实施例二的衍射光波导的设计方法M300。如图9所示，衍射光波导设计方法M300包括以下处理：
S310：在待形成耦出端回光光栅的耦出回光区域中形成多个回光分区；
S320：对回光分区中的耦出回光子光栅进行初始化；
S310’：在待形成耦出光栅的耦出区域中形成多个耦出分区；
S320’：对耦出分区中的耦出子光栅进行初始化；以及
S330：以耦出子光栅和耦出回光子光栅的光学结构的至少一个参数为优化变量进行优化处理，得到一项优化结果。
上述处理S310、S310’可以与设计方法M100中的处理S110和设计方法M200中的处理S210相同或类似，处理S320、S320’可以与设计方法M100中的处理S120和设计方法M200中的处理S220相同或类似。
设计方法M300的处理S330中的优化目标和优化处理过程可以与设计方法M200的处理S230中的相同或类似，在此不再赘述。
如图9所示，设计方法M300还可以包括：
S340：改变对耦出区域的分区，形成新的多个耦出分区，并基于新的多个耦出分区，重复执行处理S320’和S330，得到多项优化结果；
S340’：改变对耦出回光区域的分区，形成新的多个回光分区，并基于新的多个回光分区，重复执行处理S320至处理S330，得到多项优化结果；以及
S350：根据最符合优化目标的一项优化结果，确定耦出分区和回光区域的分区和对应的子光栅的光学结构。
如图9所示，设计方法M300可以在处理S330之后包括先后设置的判断S335和判断S335’，并根据判断的结果决定是执行处理S340、处理S340’还是处理S350。图9中所示判断条件仅为示例性的，而非限制性的。本领域技术人员可以根据经验设定这样的判断条件。
应该理解的是，在设计方法M300的一种变型中，也可以首先对耦出区域进行分区和初始化，然后对耦出回光区域进行分区和初始化；并且相应地调整改变/遍历耦出分区和回光分区的循环顺序。
尽管没有图示，应该理解，对于根据本发明实施例三的衍射光波导，可以采用与图7和图8所示类似的设计方法，其中对待形成中间回光光栅的中间回光区域的至少一部分进行分区，对分区中的中间回光子光栅进行初始化，并以中间回光子光栅的光学结构的至少一个参数为优化变量，来进行优化处理，得到相关的优化结果。
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 (21)

1.一种显示用的衍射光波导，包括波导基板和形成在波导基板上的耦入光栅、耦出光栅和耦出端回光光栅，所述耦入光栅构造为将从所述波导基板外部入射的输入光束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；所述耦出光栅构造为将传播到其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板耦出；所述耦出端回光光栅接收来自所述耦出光栅的光并对之进行衍射，使光返回所述耦出光栅，
其中，所述耦出端回光光栅的至少一部分构造为包括多个耦出回光子光栅，至少一个耦出回光子光栅具有与另一个耦出回光子光栅相同的光栅矢量和不同的光学结构。
2.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述多个耦出回光子光栅为二维光栅，并且至少一个耦出回光子光栅的光学结构与另一个耦出回光子光栅的光学结构具有不同的横截面形状及/或尺寸。
3.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述多个耦出回光子光栅为一维光栅，并且至少一个耦出回光子光栅的光学结构与另一个耦出回光子光栅的光学结构具有不同的刻槽倾角及/或占空比。
4.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，至少一个耦出回光子光栅的光学结构与另一个耦出回光子光栅的光学结构具有不同的高度或深度。
5.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述耦出光栅包括多个耦出子光栅，至少一个耦出子光栅具有与另一个耦出子光栅不同的光学结构。
6.如权利要求5所述的衍射光波导，其中，所述耦出回光子光栅和所述耦出子光栅中的至少一者形成在规则的分区中。
7.如权利要求5所述的衍射光波导，其中，所述耦出回光子光栅和所述耦出子光栅中的至少一者形成在不规则的分区中。
8.如权利要求1或5所述的衍射光波导，还包括形成在所述波导基板上的转折光栅和中间回光光栅，所述转折光栅构造为对来自所述耦入光栅的光进行一维扩展和偏折，使之朝向所述耦出光栅传播，所述中间回光光栅构造为对来自所述转折光栅的、未朝向所述耦出光栅传播的光进行衍射，使之返回所述转折光栅；并且
所述中间回光光栅的至少一部分构造为包括多个中间回光子光栅，至少一个中间回光子光栅具有与另一个中间回光子光栅相同的光栅矢量和不同的光学结构。
9.如权利要求1或5所述的衍射光波导，其中，所述衍射光波导还包括形成在所述波导基板上的耦入端回光光栅，所述耦入端回光光栅构造为对来自所述耦入光栅的、未朝向所述耦出光栅传播的光进行衍射，使之朝向所述耦出光栅传播。
10.一种显示设备，包括如权利要求1-9中任一项所述的衍射光波导。
11.如权利要求10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。
12.如权利要求10或11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。
13.一种显示用的衍射光波导的设计方法，所述衍射光波导包括波导基板和形成在波导基板上的耦入光栅、耦出光栅和耦出端回光光栅，所述耦出端回光光栅对来自所述耦出光栅的光进行衍射，使光返回所述耦出光栅，其中，所述设计方法包括以下处理：
(1)在目标区域中形成多个分区；
(2)对所述多个分区中的子光栅进行初始化，其中每个所述子光栅包括多个光学结构；以及
(3)以所述光学结构的至少一个参数为优化变量进行优化处理，获得一项优化结果，所述优化处理的优化目标包括所述耦出光栅的出射光场的光能量分布均匀性，
其中，所述目标区域包括待形成所述耦出端回光光栅的耦出回光区域的至少一部分，并且在所述耦出回光区域的多个分区中形成的所述子光栅为耦出回光子光栅。
14.如权利要求13所述的衍射光波导的设计方法，其中，所述目标区域还包括待形成所述耦出光栅的耦出区域。
15.如权利要求13或14所述的衍射光波导的设计方法，其中，所述衍射光波导还包括形成在所述波导基板上的转折光栅和中间回光光栅，所述转折光栅构造为对来自所述耦入光栅的光进行一维扩展和偏折，使之朝向所述耦出光栅传播，所述中间回光光栅构造为将来自所述转折光栅的、未朝向所述耦出光栅传播的光进行衍射，使之返回所述转折光栅；并且
所述目标区域还包括待形成所述中间回光光栅的中间回光区域的至少一部分。
16.如权利要求13或14所述的衍射光波导的设计方法，其中，所述衍射光波导还包括形成在所述波导基板上的耦入端回光光栅，所述耦入端回光光栅构造为对来自所述耦入光栅的、未朝向所述耦出光栅传播的光进行衍射，使之朝向所述耦出光栅传播。
17.如权利要求13所述的衍射光波导的设计方法，其中，处理(3)中，所述优化变量包括所述光学结构的横截面形状及/或尺寸、刻槽倾角及/或占空比、以及/或者所述光学结构的高度或深度，并且所述优化处理使得至少一个子光栅具有与另一个子光栅相同的光栅矢量和不同的光学结构。
18.如权利要求13所述的衍射光波导的设计方法，其中，处理(3)中，所述优化处理的优化目标还包括所述衍射光波导的光能量耦合效率。
19.如权利要求13所述的衍射光波导的设计方法，其中，处理(1)包括：对所述目标区域的至少一部分进行规则分区。
20.如权利要求13所述的衍射光波导的设计方法，其中，处理(1)包括：对所述目标区域的至少一部分进行不规则分区。
21.如权利要求18-20中任一项所述的衍射光波导的设计方法，还包括以下处理：
(4)改变对所述目标区域的分区，形成新的多个分区，并基于所述新的多个分区，重复执行处理(2)至处理(3)，得到多项优化结果；以及
(5)根据最符合所述优化目标的一项优化结果，确定所述目标区域的分区和对应的子光栅的优化光学结构。
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