CN115356803A - 衍射光波导及其设计方法、近眼显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种衍射光波导及其设计方法及近眼显示设备，涉及衍射光学技术领域，其中衍射光波导包括：波导基板；耦入光栅，配置为将图像光通过衍射耦入到波导基板中；耦出光栅，配置为将传播到其中的衍射光的至少一部分通过衍射耦出波导基板；其中波导基板包括M层波导介质，相邻波导介质之间形成折反射界面，衍射光依次经过M层波导介质并被折反射界面分光，分光后的光束在M层波导介质中沿不同的传输路径向耦出区域传播，每层波导介质具有不同的折射率，第i层波导介质的折射率为
Figure 766179DEST_PATH_IMAGE001
，空气折射率为
Figure 686993DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 724219DEST_PATH_IMAGE003
，耦出波导基板的衍射光具有预设的能量分布。本发明将波导宏观结构与光栅微观结构结合，对于效率和均匀性具有更高的调控自由度。

Description

衍射光波导及其设计方法、近眼显示设备
技术领域
本公开涉及衍射光学技术领域，尤其涉及一种衍射光波导、一种近眼显示设备以及一种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，增强现实(Augmented Reality，简称AR)可以提供给人类以更多维度的信息，AR眼镜是增强现实领域的重要媒介之一。光波导是一种可以将光束缚在其内部并使得光信号向着一定方向传输的器件，其可以作为AR眼镜的前端。光波导将带虚拟信息的光传输到人眼在视网膜成像，并且由于光波导良好的透光性，人眼还可以捕捉到真实环境的影响，最终虚拟影像与真实环境影响融合达到增强现实的目的。
光在光波导内传播时，经过耦出光栅发生衍射出光、分束，其导致光能量快速衰减，虽然可以通过对不同位置光栅的衍射效率进行分区调制以调控波导耦出的均匀性，但是因为光栅本身的自由度，其对波导耦出均匀性的调制是受限的。
已有波导多采用分区光栅调制波导耦出均匀性，提高均匀性的同时降低了耦出端的光栅效率。
背景技术部分的内容仅仅是公开发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有的一个或多个缺陷，本发明提供一种衍射光波导，包括：
波导基板，所述波导基板包括耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和所述耦出区域间隔预设距离；
耦入光栅，设置在所述波导基板的耦入区域，配置为将图像光通过衍射耦入到所述波导基板中；和
耦出光栅，设置在所述波导基板的耦出区域，配置为将传播到其中的衍射光的至少一部分通过衍射耦出所述波导基板；
其中，所述波导基板包括M层波导介质，M≥2，相邻波导介质之间形成折反射界面，从所述耦入区域耦入的衍射光依次经过所述M层波导介质并被折反射界面分光，分光后的光束在所述M层波导介质中沿不同的传输路径向所述耦出区域传播，每层波导介质具有不同的折射率，其中第i层波导介质的折射率为
Figure 953198DEST_PATH_IMAGE001
，空气折射率为
Figure 948967DEST_PATH_IMAGE002
，且
Figure 259862DEST_PATH_IMAGE003
，以使得耦出所述波导基板的衍射光具有预设的能量分布。
根据本发明的一个方面，其中第i层波导介质的厚度为
Figure 389492DEST_PATH_IMAGE004
,且
Figure 735023DEST_PATH_IMAGE005
。
根据本发明的一个方面，其中
Figure 839376DEST_PATH_IMAGE006
。
根据本发明的一个方面，其中所述耦入区域和所述耦出区域位于所述波导基板的表面。
根据本发明的一个方面，其中所述图像光经过所述耦入光栅发生衍射，其衍射光在第1层波导介质中的传播方向满足以下公式；
Figure 637568DEST_PATH_IMAGE007
Figure 367627DEST_PATH_IMAGE008
其中λ为所述图像光的波长，d为所述耦入光栅的周期，
Figure 567664DEST_PATH_IMAGE009
为所述图像光入射至所述耦入光栅时的入射角,
Figure 108498DEST_PATH_IMAGE010
为图像光入射至所述耦入光栅时的方位角，
Figure 128406DEST_PATH_IMAGE011
为第1层波导介质中﹢1级衍射光的衍射角，
Figure 662156DEST_PATH_IMAGE012
为第1层波导介质中﹢1级衍射光的方位角。
根据本发明的一个方面，其中所述图像光经过所述耦入光栅发生衍射，所述衍射光经所述折反射层发生反射和/或折射,光传播方向满足：
Figure 716700DEST_PATH_IMAGE013
（i≥2）
所述衍射光在第i层波导介质中传播时，相邻反射位置的间距
Figure 425505DEST_PATH_IMAGE014
满足以下公式：
Figure 198289DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 4571DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 382463DEST_PATH_IMAGE017
为第i层波导介质中﹢1级衍射光的角度。
根据本发明的一个方面，其中所述耦入光栅为圆形光栅，耦入直径为m，且m≤5mm。
根据本发明的一个方面，其中所述耦出光栅包括多个分区光栅，调整分区光栅的数量、分区光栅的结构深度、分区光栅的结构类型、第i层波导介质的折射率和厚度中的一项或多项，以提高所述衍射光波导的耦出效率和/或均匀性。
根据本发明的一个方面，其中所述耦入光栅和所述耦出光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。
根据本发明的一个方面，其中所述M层波导介质通过键合的方式形成整体。
本发明还提供一种近眼显示设备，包括：
光机，配置为输出图像光；和
如上所述的衍射光波导，所述衍射光波导包括耦入光栅和耦出光栅，所述光机输出的图像光经所述耦入光栅进入所述衍射光波导，在所述衍射光波导中分为多束并沿不同的传输路径经所述耦出光栅耦出。
根据本发明的一个方面，其中所述近眼显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
本发明还提供一种如上所述的衍射光波导的设计方法，包括：
S11：设置所述衍射光波导中波导介质的层数M、第i层波导介质的折射率
Figure 248788DEST_PATH_IMAGE001
、第i层波导介质的厚度
Figure 259600DEST_PATH_IMAGE004
、耦出光栅中分区光栅的数量、分区光栅的结构深度、分区光栅的结构类型中的一项或多项；
S12：仿真得到所述衍射光波导的耦出效率和均匀性。
本发明将波导宏观结构即变折射率分层波导与光栅微观结构即分区耦出光栅相结合，相较现有的波导具有更好的效率，对于波导均匀性具有更高的调控自由度，并且制备工艺简单。
附图说明
构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1a和图1b示出了本发明一个实施例的衍射光波导结构示意图；
图2a和图2b示出了本发明多个实施例的耦出光栅分区示意图；
图3a和图3b示出了未采用本发明的衍射光波导结构和全视场仿真结果的示意图；
图4a和图4b示出了采用本发明的衍射光波导结构和全视场仿真结果的示意图；
图5a和图5b示出了采用本发明的另一种衍射光波导结构和全视场仿真结果的示意图；
图6a和图6b示出了采用本发明的另一种衍射光波导结构和全视场仿真结果的示意图；
图7示出了本发明一个实施例的设计方法流程图；
图8示出了本发明另一个实施例的设计方法流程图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
本发明将波导宏观结构即变折射率分层波导与光栅微观结构即分区耦出光栅相结合，相较现有的波导具有更好的效率，对于波导均匀性具有更高的调控自由度，并且制备工艺简单。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1a示出了本发明一个实施例的衍射光波导结构示意图，衍射光波导100包括波导基板101、耦入光栅102和耦出光栅103，具体如下：
波导基板101，所述波导基板101包括耦入区域Z1和耦出区域Z2，所述耦入区域Z1和所述耦出区域Z2间隔预设距离。波导基板101具有两个外表面和其之间的厚度，配置为在耦入区域Z1处接收由图像光源发出的图像光，并将图像光朝向耦出区域Z2引导。波导基板101可以是在可见光下透明的光学材料的薄板，例如玻璃、塑料或聚合物。在一些实施例中，波导基板101可以对外部光而言是透明的，可以用于AR应用中。其中，耦入区域Z1和耦出区域Z2间隔预设距离，在一个具体的实施例中，耦入区域Z1对应图像光源设置，耦出区域Z2对应佩戴者的左右眼设置，耦入区域Z1中心点与耦出区域Z2中心点之间的距离可以根据图像光源与左右眼的中间点间距进行设置。在另一个具体的实施例中，耦出区域Z1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佩戴者的左眼和右眼。波导基板101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。
耦入光栅102，设置在所述波导基板101的耦入区域Z1，配置为将图像光通过衍射耦入到所述波导基板101中。耦入光栅102可以是一维光栅，例如直线型光栅、斜齿光栅、非闪耀光栅等适合类型的光栅；耦入光栅102也可以为二维光栅或超表面耦入(metasurface)结构。耦入光栅102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101的耦入区域Z1制作光栅，还可以通过纳米压印的方式在耦入区域Z1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101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。
耦出光栅103，设置在所述波导基板101的耦出区域Z2，配置为将传播到其中的衍射光的至少一部分通过衍射耦出所述波导基板101。耦出光栅103可以是一维光栅，例如直线型光栅、斜齿光栅、非闪耀光栅等适合类型的光栅；耦出光栅103也可以为二维光栅或超表面耦入 (metasurface)结构。耦出光栅103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101的耦出区域Z2制作光栅，还可以通过纳米压印的方式在耦出区域Z2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101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。
以上对衍射光波导100包括的波导基板101、耦入光栅102和耦出光栅103分别进行了介绍，其中，所述波导基板101进一步包括M层波导介质101a，M≥2且为正整数，相邻波导介质101a之间形成折反射界面S，从所述耦入区域Z1耦入的衍射光依次经过所述M层波导介质101a并被折反射界面S分光，分光后的光束在所述M层波导介质101a中沿不同的传输路径向所述耦出区域Z2传播，每层波导介质101a具有不同的折射率，其中第i层波导介质101a的折射率为
Figure 869573DEST_PATH_IMAGE001
，空气折射率为
Figure 898709DEST_PATH_IMAGE002
，且
Figure 467093DEST_PATH_IMAGE003
，以使得耦出所述波导基板101的衍射光具有预设的能量分布。所述预设的能量分布为根据设计需求得到的预期的能量分布。结合图1a和图1b，波导基板101例如包括M=4层波导介质，波导介质101a-1、波导介质101a-2、波导介质101a-3和波导介质101a-4，每层波导介质具有不同的折射率。其中，波导介质101a-1与波导介质101a-2之间形成折反射层S1，波导介质101a-2与波导介质101a-3之间形成折反射层S2，波导介质101a-3与波导介质101a-4之间形成折反射层S3。图像光经耦入光栅102形成衍射光，衍射光从耦入区域Z1耦入波导介质101a-1，被折反射界面S1分光，分光后的光束一部分继续在波导介质101a-1中传播，另一部分进入波导介质101a-2；进入波导介质101a-2的光束被折反射界面S2分光，其中一部分继续在波导介质101a-2中传播，另一部分进入波导介质101a-3；进入波导介质101a-3的光束被折反射界面S3分光，其中一部分继续在波导介质101a-3中传播，另一部分进入波导介质101a-4，在遇到波导介质与空气的界面时发生全反射，继续在波导介质101a-4中传播。继续参考图1b，光束在所述4层波导介质中沿不同的传输路径向所述耦出区域Z2传播，此处不再赘述。其中，4层波导介质的折射率分别为
Figure 699623DEST_PATH_IMAGE018
，相邻波导介质的折射率的差值的绝对值大于等于
Figure 113286DEST_PATH_IMAGE019
，衍射光在4层波导介质中的传输路径相互独立，并使得耦出波导基板101的衍射光具有预设的能量分布。在一些实施例中波导介质的折射率可以例如在1.4至2.0的范围内，也可以具有更高的折射率，波导介质的材料例如为铌酸锂(LiNbog)、二氧化钛(Ti0)、氮化家(GaN)、氮化铝(AIN)、碳化硅(SiC)、CVD金刚石、硫化锌(ZnS)。
综上所述，本发明提供一种衍射光波导，其中的波导基板具有多层波导介质，每层波导介质具有不同的折射率，相邻波导介质之间存在折反射界面，图像光经过耦入光栅后的衍射光在向耦出光栅传播的过程中经过不同的波导介质并在折反射界面处发生反射和折射，不同的光束经过不同的传播路径并携带不同的能量到达耦出光栅的不同位置，从而可以调控衍射光到达耦出光栅时在光栅表面的能量分布。以下通过优选实施例进一步介绍。
根据本发明的一个优选实施例，其中第i层波导介质的厚度为
Figure 200191DEST_PATH_IMAGE004
,且
Figure 673898DEST_PATH_IMAGE005
。
本实施例提供一种高均匀性变折射率的衍射光波导，其中的波导基板为层叠结构，包括M层波导介质，第i层波导介质的折射率为
Figure 642991DEST_PATH_IMAGE001
，且
Figure 345499DEST_PATH_IMAGE003
，第i层波导介质的厚度为
Figure 349227DEST_PATH_IMAGE004
,且。由于不同层的折射率不同，层与层之间存在折反射界面，折反射界面会对衍射光进行分光，分光后的光束在不同的波导介质中进行传播形成不同的传输路径，通过对
Figure 259414DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 715803DEST_PATH_IMAGE004
的调控，可以调控衍射光波导耦出的能量分布。
根据本发明的一个优选实施例，其中
Figure 224932DEST_PATH_IMAGE006
。
本实施例提供一种高均匀性变折射率的衍射光波导，其中的波导基板为层叠结构，包括M层波导介质，第i层波导介质的折射率为
Figure 817587DEST_PATH_IMAGE001
，且
Figure 633096DEST_PATH_IMAGE003
，第i层波导介质的厚度为
Figure 780044DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 339201DEST_PATH_IMAGE005
，且
Figure 802675DEST_PATH_IMAGE006
。由于不同层的折射率不同，层与层之间存在折反射界面，折反射界面会对衍射光进行分光，分光后的光束在不同的波导介质中进行传播形成不同的传输路径，通过对
Figure 789085DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 220067DEST_PATH_IMAGE004
的调控，可以调控衍射光波导耦出的能量分布。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述图像光经过所述耦入光栅发生衍射，其衍射光在第1层波导介质中的传播方向满足以下公式；
Figure 317336DEST_PATH_IMAGE007
Figure 900895DEST_PATH_IMAGE008
其中，λ为所述图像光的波长，d为所述耦入光栅的周期，
Figure 792627DEST_PATH_IMAGE009
为所述图像光入射至所述耦入光栅时的入射角,
Figure 914167DEST_PATH_IMAGE010
为图像光入射至所述耦入光栅时的方位角，
Figure 815127DEST_PATH_IMAGE011
为第1层波导介质中﹢1级衍射光的衍射角，
Figure 236881DEST_PATH_IMAGE012
为第1层波导介质中﹢1级衍射光的方位角。
本实施例中图像光经过耦入光栅后发生衍射，衍射光在第1层 的传播方向通过上述衍射公式计算，衍射光继续在其它层波导介质中沿不同的传输路径进行传播，部分到达耦出光栅，再经过耦出光栅衍射导出衍射光波导经过佩戴者的眼睛聚焦形成图像。
根据本发明的一个方面，其中所述图像光经过所述耦入光栅发生衍射，所述衍射光经所述折反射层发生反射和/或折射,光传播方向满足：
Figure 581406DEST_PATH_IMAGE020
（i≥2）
所述衍射光在第i层波导介质中传播时，相邻反射位置的间距
Figure 721400DEST_PATH_IMAGE014
满足以下公式：
Figure 426051DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 967891DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 214808DEST_PATH_IMAGE017
为第i层波导介质中﹢1级衍射光的角度。
本实施例中衍射光波导为叠层结构，亦即，波导基板包括多层波导介质，不同层的波导介质折射率不同、厚度不同，相邻波导介质之间存在折反射界面，图像光经过耦入光栅后的衍射光在传播向耦出光栅的过程中经过不同的波导介质并在折反射界面处发生反射和折射，亦即，衍射光经过第1层波导介质后在其它波导介质中的传播方向满足上述公式。参考图1b，衍射光在第2层波导介质中传输时，光传播方向满足
Figure 45361DEST_PATH_IMAGE021
，在同一界面相邻反射位置间距满足
Figure 288123DEST_PATH_IMAGE022
，其中，
Figure 684470DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 620065DEST_PATH_IMAGE024
为第2层波导介质中﹢1级衍射光的角度。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述耦入区域和所述耦出区域位于所述波导基板的表面。
继续参考图1a，波导基板101可以具有基本平坦的第一表面和第二表面。其中，第一表面和第二表面相背，在一个具体实施例中，第一表面可以是指具有该波导基板101的近眼显示设备朝向佩戴者眼睛一侧的表面，第二表面为远离佩戴者眼睛一侧的表面。图像光经耦入光栅进入波导基板101的衍射光可以在与第一表面和第二表面大体平行的方向中传播。波导基板101中各层波导介质101a的厚度可以是指在与第一表面和第二表面大体垂直的方向上的尺寸。耦入区域Z1设置于波导基板101的第一表面或者第二表面，耦出区域Z2设置于波导基板101的第一表面或第二表面，耦入区域可以位于波导基板101的同侧或者异侧。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述耦入光栅为圆形光栅，耦入直径为m，且m≤5mm。
继续参考图1a，耦入光栅102为圆形光栅，耦入区域Z1的形状可以为尺寸接近或略大的圆形，在一个实施例中，耦入光栅102的直径可以为2mm-5mm。在另一个实施例中，圆形的设计可以和光机镜头的尺寸相匹配。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述耦出光栅包括多个分区光栅，调整分区光栅的数量、分区光栅的结构深度、分区光栅的结构类型、第i层波导介质的折射率和厚度中的一项或多项，以提高所述衍射光波导的耦出效率和/或均匀性。
为了提高衍射光波导的效率以及耦出均匀性，在一些实施例中，如图2a所示，耦出光栅203包括多个分区光栅，每个分区光栅可以为一维光栅或二维光栅，亦即，耦出光栅203可以为一维光栅和二维光栅的组合光栅，多个分区光栅按照规则排布，例如每个分区光栅可以是尺寸相同的矩形，或者尺寸相同的其他适合的形状。分区光栅的结构类型为一维光栅时，不同的分区光栅可以分别由光栅矢量不同的一维光栅构成，例如，分区光栅203-1为光栅矢量如箭头所示方向的第一种一维光栅，分区光栅203-2为光栅矢量如箭头所述方向的第二种一维光栅。分区光栅203-3示出了二维光栅的情况。
在另一些实施例中，如图2b所示，耦出光栅包括20个分区光栅，每个分区光栅可以为一维光栅或二维光栅。20个分区光栅为非规则排布，具有不同尺寸和不同形状。分区光栅的结构类型为一维光栅时，不同的分区光栅可以分别由光栅矢量不同的一维光栅构成。
分区光栅的结构种类例如为一维光栅或二维光栅。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。二维光栅可以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。
本发明的一些实施例中，将变折射率波导的宏观结构与分区光栅的微观结构相结合，共同调制波导的耦出效率和均匀性。具体地，耦出光栅由多个分区光栅组成，分区数量为j（j≥1且为正整数），每个分区光栅的结构深度为M𝑗、结构种类为𝑃𝑗，通过调整j、M𝑗, 𝑃𝑗以及分层的波导介质的结构参数
Figure 485384DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 266258DEST_PATH_IMAGE004
，就可共同优化衍射光波导的耦出效率和均匀性。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述耦入光栅和所述耦出光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述M层波导介质通过键合的方式形成整体。
在一些实施例中，波导基板由多层波导介质通过高温键合的方式形成一个整体。
以上通过多个优选实施例对本发明设计的衍射光波导进行了介绍，本发明提供的高均匀性高亮度变折射率波导改变了入射到耦出光栅的光能量分布，结合耦出光栅，可提高衍射光波导耦出的效率及均匀性，相对已有波导，本发明通过波导宏观结构即变折射率分层波导基板与微观结构即耦出光栅相结合，对于波导的效率、均匀性调制具有更高的自由度。以下通过实施例对技术效果进一步描述。
实施例一
图3a和图3b示出了未采用本发明的衍射光波导结构和全视场仿真结果的示意图，其中，图3a为衍射光波导的结构示意图，其中波导厚度
Figure 782690DEST_PATH_IMAGE025
=1mm，波导折射率
Figure 623607DEST_PATH_IMAGE002
=1.8。图3b为衍射光波导耦出端中心全视场的仿真结果，其亮度均匀性U1 = min（L1、L2……L9）/max（L1、L2……L9 ）= 61%，其中L表示对应视场100个像素区域的亮度均值。如果采用9点亮度作为考量标准，其亮度
Figure 976222DEST_PATH_IMAGE026
/9=160 nit/lm。
图4a和图4b示出了采用本发明的衍射光波导结构和全视场仿真结果的示意图，其中，图4a为具有4层波导介质的衍射光波导的结构示意图，其中每层波导介质的厚度依次为
Figure 764049DEST_PATH_IMAGE027
=
Figure 134988DEST_PATH_IMAGE028
=
Figure 146806DEST_PATH_IMAGE029
=
Figure 970406DEST_PATH_IMAGE030
=1mm，每层波导介质的折射率依次为
Figure 374973DEST_PATH_IMAGE031
=1.9，
Figure 600418DEST_PATH_IMAGE032
=1.8，
Figure 783138DEST_PATH_IMAGE033
=1.7，
Figure 359613DEST_PATH_IMAGE034
=1.5，
Figure 51361DEST_PATH_IMAGE031
＞
Figure 131313DEST_PATH_IMAGE032
＞
Figure 750513DEST_PATH_IMAGE033
＞
Figure 548705DEST_PATH_IMAGE034
，且相邻波导介质的折射率差值＞0.05。
图4b为衍射光波导耦出端中心全视场的仿真结果，其亮度均匀性U2= min（L1、L2……L9）/max（ L1、L2……L9 ）= 75%，其中L表示对应视场100个像素区域的亮度均值。如果采用9点亮度作为考量标准，其亮度
Figure 482026DEST_PATH_IMAGE035
=185 nit/lm。
由此可见，采用本发明的设计后，亮度均匀性从61%提高到75%，亮度从160 nit/lm提高到185 nit/lm。
实施例二
图5a和图5b示出了采用本发明的另一种衍射光波导结构和全视场仿真结果的示意图，与图4a和图4b不同之处在于：4层波导介质的厚度不完全相同。具体如下：
图5a为具有4层波导介质的衍射光波导的结构示意图，其中每层波导介质的厚度依次为
Figure 167216DEST_PATH_IMAGE027
=0.3mm，
Figure 957317DEST_PATH_IMAGE028
=0.2mm，
Figure 242805DEST_PATH_IMAGE029
=0.2mm，
Figure 510976DEST_PATH_IMAGE030
=0.3mm，每层波导介质的折射率依次为
Figure 316252DEST_PATH_IMAGE031
=1.9，
Figure 542834DEST_PATH_IMAGE032
=1.8，
Figure 50038DEST_PATH_IMAGE033
=1.7，
Figure 121900DEST_PATH_IMAGE034
=1.5，
Figure 47261DEST_PATH_IMAGE031
＞
Figure 116849DEST_PATH_IMAGE032
＞
Figure 376929DEST_PATH_IMAGE033
＞
Figure 986902DEST_PATH_IMAGE034
，且相邻波导介质的折射率差值＞0.05。
图5b为衍射光波导耦出端中心全视场的仿真结果，其亮度均匀性U2= min（L1、L2……L9）/max（ L1、L2……L9 ）= 80%，其中L表示对应视场100个像素区域的亮度均值。如果采用9点亮度作为考量标准，其亮度
Figure 16037DEST_PATH_IMAGE035
=212 nit/lm。
由此可见，与图3a和图3b未采用本发明的设计相比，衍射光波导耦出光的亮度均匀性从61%提高到80%，亮度从160 nit/lm提高到212 nit/lm。与图4a和图4b采用相同厚度的波导介质的衍射光波导相比，衍射光波导耦出光的亮度均匀性从75%进一步提高到80%，亮度从185 nit/lm进一步提高到212 nit/lm。
实施例三
实施例三与实施例二的不同之处在于：其中三层波导介质的折射率略微调整。具体如下：
衍射光波导包括4层波导介质，其中每层波导介质的厚度依次为
Figure 801066DEST_PATH_IMAGE027
=0.3mm，
Figure 814022DEST_PATH_IMAGE028
=0.2mm，
Figure 227685DEST_PATH_IMAGE029
=0.2mm，
Figure 111328DEST_PATH_IMAGE030
=0.3mm，每层波导介质的折射率依次为
Figure 788297DEST_PATH_IMAGE031
=1.9，
Figure 508122DEST_PATH_IMAGE032
=1.7，
Figure 459898DEST_PATH_IMAGE033
=1.82，
Figure 463626DEST_PATH_IMAGE034
=1.65，且相邻波导介质的折射率差值＞0.05。
对衍射光波导耦出端中心全视场仿真得到的结果中，亮度均匀性U2= min（L1、L2……L9）/max（ L1、L2……L9 ）= 84%。采用9点亮度作为考量标准，其亮度
Figure 842655DEST_PATH_IMAGE035
=260 nit/lm。
由此可见，与图3a和图3b未采用本发明的设计相比，衍射光波导耦出光的亮度均匀性从61%提高到84%，亮度从160 nit/lm提高到260 nit/lm。与实施例二的衍射光波导相比，衍射光波导耦出光的亮度均匀性从80%进一步提高到84%，亮度从212 nit/lm进一步提高到260 nit/lm。
实施例四
图6a和图6b示出了采用本发明的另一种衍射光波导结构和全视场仿真结果的示意图，实施例四与实施例二的不同之处在于：耦出光栅由20个分区光栅组合而成。具体如下：
图6a为具有4层波导介质的衍射光波导的结构示意图，其中每层波导介质的厚度依次为
Figure 315355DEST_PATH_IMAGE027
=0.3mm，
Figure 70822DEST_PATH_IMAGE028
=0.2mm，
Figure 929056DEST_PATH_IMAGE029
=0.2mm，
Figure 744566DEST_PATH_IMAGE030
=0.3mm，每层波导介质的折射率依次为
Figure 438983DEST_PATH_IMAGE031
=1.9，
Figure 935824DEST_PATH_IMAGE032
=1.8，
Figure 648565DEST_PATH_IMAGE033
=1.7，
Figure 634975DEST_PATH_IMAGE034
=1.5，
Figure 331536DEST_PATH_IMAGE031
＞
Figure 182467DEST_PATH_IMAGE032
＞
Figure 749715DEST_PATH_IMAGE033
＞
Figure 907026DEST_PATH_IMAGE034
，且相邻波导介质的折射率差值＞0.05。
图6b为衍射光波导耦出端中心全视场的仿真结果，其亮度均匀性U2= min（L1、L2……L9）/max（ L1、L2……L9 ）= 92%。采用9点亮度作为考量标准，其亮度
Figure 825304DEST_PATH_IMAGE035
=325 nit/lm。
由此可见，与图3a和图3b未采用本发明的设计相比，衍射光波导耦出光的亮度均匀性从61%提高到92%，亮度从160 nit/lm提高到325 nit/lm。与实施例二相比，衍射光波导耦出光的亮度均匀性从80%进一步提高到92%，亮度从212 nit/lm进一步提高到325nit/lm。
由实施例一至四可见，本发明将波导宏观结构即变折射率分层波导与光栅微观结构即分区耦出光栅相结合，相较现有的波导具有更好的效率，对于波导均匀性具有更高的调控自由度，并且制备工艺简单。
本发明还提供一种近眼显示设备，包括：
光机，配置为输出图像光；和
如上所述的衍射光波导，所述衍射光波导包括耦入光栅和耦出光栅，所述光机输出的图像光经所述耦入光栅进入所述衍射光波导，在所述衍射光波导中分为多束并沿不同的传输路径经所述耦出光栅耦出。
在一些实施例中，近眼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（Head Up Display，HUD）等设备。
所述光机可以将图像光向衍射光波导投射，例如向衍射光波导的耦入光栅所在区域进行投射，其中光机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 Micro mirror 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，该光机出射的光线为可见光。
本发明还提供一种如上所述的衍射光波导的设计方法，如图7所示，包括：
在步骤S11：设置所述衍射光波导中波导介质的层数M、第i层波导介质的折射率
Figure 663947DEST_PATH_IMAGE001
、第i层波导介质的厚度
Figure 102013DEST_PATH_IMAGE004
、耦出光栅中分区光栅的数量、分区光栅的结构深度、分区光栅的结构类型中的一项或多项；
在步骤S12：仿真得到所述衍射光波导的耦出效率和均匀性。
图8示出了本发明一个实施例的设计方法流程图，在仿真设计时，首先设置波导基板总厚度H，然后设置波导基板中波导介质的层数M，接着依次设置每层波导介质的厚度和折射率，如果仅采用变折射率波导，则直接仿真得到波导耦出效率和均匀性。如果采用变折射率波导和分区的耦出光栅的方案，则继续设置耦出光栅的分区数j以及每个分区光栅的结构深度和结构种类，最后仿真得到波导耦出效率和均匀性。如果没有达到优化目标，还可以调整过程中的参数设置。
综上所述，本发明将波导宏观结构即变折射率分层波导与光栅微观结构即分区耦出光栅相结合，相较现有的波导具有更好的效率，对于波导均匀性具有更高的调控自由度，并且制备工艺简单。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种衍射光波导，包括：
波导基板，所述波导基板包括耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和所述耦出区域间隔预设距离；
耦入光栅，设置在所述波导基板的耦入区域，配置为将图像光通过衍射耦入到所述波导基板中；和
耦出光栅，设置在所述波导基板的耦出区域，配置为将传播到其中的衍射光的至少一部分通过衍射耦出所述波导基板；
其中，所述波导基板包括M层波导介质，M≥2，相邻波导介质之间形成折反射界面，从所述耦入区域耦入的衍射光依次经过所述M层波导介质并被折反射界面分光，分光后的光束在所述M层波导介质中沿不同的传输路径向所述耦出区域传播，每层波导介质具有不同的折射率，其中第i层波导介质的折射率为
Figure 871510DEST_PATH_IMAGE001
，空气折射率为
Figure 808242DEST_PATH_IMAGE002
，且
Figure 716155DEST_PATH_IMAGE003
，以使得耦出所述波导基板的衍射光具有预设的能量分布。
2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其中第i层波导介质的厚度为
Figure 8727DEST_PATH_IMAGE004
,且
Figure 507842DEST_PATH_IMAGE005
。
3.根据权利要求2所述的衍射光波导，其中
Figure 135132DEST_PATH_IMAGE006
。
4.根据权利要求1所述的衍射光波导，其中所述耦入区域和所述耦出区域位于所述波导基板的表面。
5.根据权利要求4所述的衍射光波导，其中所述图像光经过所述耦入光栅发生衍射，其衍射光在第1层波导介质中的传播方向满足以下公式；
Figure 377895DEST_PATH_IMAGE007
Figure 793482DEST_PATH_IMAGE008
其中，λ为所述图像光的波长，d为所述耦入光栅的周期，
Figure 463498DEST_PATH_IMAGE009
为所述图像光入射至所述耦入光栅时的入射角,
Figure 578085DEST_PATH_IMAGE010
为图像光入射至所述耦入光栅时的方位角，
Figure 562221DEST_PATH_IMAGE011
为第1层波导介质中﹢1级衍射光的衍射角，
Figure 78653DEST_PATH_IMAGE012
为第1层波导介质中﹢1级衍射光的方位角。
6.根据权利要求4所述的衍射光波导，其中所述图像光经过所述耦入光栅发生衍射，所述衍射光经所述折反射层发生反射和/或折射,光传播方向满足：
Figure 670303DEST_PATH_IMAGE013
（i≥2）
所述衍射光在第i层波导介质中传播时，相邻反射位置的间距
Figure 537764DEST_PATH_IMAGE014
满足以下公式：
Figure 122329DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 493268DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 255819DEST_PATH_IMAGE017
为第i层波导介质中﹢1级衍射光的角度。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的衍射光波导，其中所述耦入光栅为圆形光栅，耦入直径为m，且m≤5mm。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的衍射光波导，其中所述耦出光栅包括多个分区光栅，调整分区光栅的数量、分区光栅的结构深度、分区光栅的结构类型、第i层波导介质的折射率和厚度中的一项或多项，以提高所述衍射光波导的耦出效率和/或均匀性。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的衍射光波导，其中所述耦入光栅和所述耦出光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的衍射光波导，其中所述M层波导介质通过键合的方式形成整体。
11.一种近眼显示设备，包括：
光机，配置为输出图像光；和
如权利要求1-10中任一项所述的衍射光波导，所述衍射光波导包括耦入光栅和耦出光栅，所述光机输出的图像光经所述耦入光栅进入所述衍射光波导，在所述衍射光波导中分为多束并沿不同的传输路径经所述耦出光栅耦出。
12.根据权利要求11所述的近眼显示设备，其中所述近眼显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
13.一种如权利要求1-10中任一项所述的衍射光波导的设计方法，包括：
S11：设置所述衍射光波导中波导介质的层数M、第i层波导介质的折射率
Figure 282681DEST_PATH_IMAGE001
、第i层波导介质的厚度
Figure 670937DEST_PATH_IMAGE004
、耦出光栅中分区光栅的数量、分区光栅的结构深度、分区光栅的结构类型中的一项或多项；
S12：仿真得到所述衍射光波导的耦出效率和均匀性。
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