CN115421234B - 衍射光波导及其光栅结构以及显示设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种衍射光波导、光栅结构和显示设备。光栅结构的栅线的排布周期为T并具有顶端窄、底端宽的截面轮廓，该截面轮廓包括5个特征点，其在截面中具有坐标(0,0)、(L2,H2)、(L3,H3)、(L4,H4)、(L5,0)，并满足：0.2T≤L2<L3<L4≤L5≤T；L3≤0.8T；L3‑L2≥0.1T；L4≥0.8T；0≤H2≤λ；0.2λ≤H3≤λ；0.6λ≤H4≤1.8λ；max(H2,H3)≤H4；‑0.6λ≤H3‑H2≤0.6λ；0.6λ≤H3+H2≤1.8λ；0.5λ/T≤H3/L3≤2λ/T，λ为波长。根据本发明实施例，通过控制特征点参数实现截面轮廓调节，显著提升光学效果并增加设计和调控自由度。

Description

衍射光波导及其光栅结构以及显示设备
技术领域
本发明涉及基于衍射的显示技术，特别是用于显示的衍射光波导、光栅结构及具有衍射光波导的显示设备。
背景技术
随着科学技术的发展，AR(Augmented Reality)增强现实技术作为一种十分智能、便携的显示技术正慢慢的走向大众。衍射光波导是目前实现AR显示的一个主流方案，其中在波导基底上设置有波导光栅，波导光栅包括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。
然而，基于衍射光波导的图像显示存在亮度不足、均匀性偏差的问题。用于衍射光波导的耦入光栅结构的对此有显著影响。现有的衍射光波导中耦入光栅通常采用两种光栅结构，即矩形光栅和闪耀光栅。矩形光栅的光耦合效率总体偏低，获得的光场在视场范围内均匀性差；闪耀光栅的光耦合效率和均匀性相对于矩形光栅都能够实现较大提升，但是仍然不足以解决基于衍射光波导的图像显示的问题。特别是闪耀光栅在光耦合效率上存在的极限。此外，目前已有的波导光栅特别是耦入光栅的设计方案具有自由度不高、光耦合效率较低、均匀性难以控制、设计产品加工难度大等诸多缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于显示的衍射光波导、光栅结构及具有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，提供了一种用于显示的衍射光波导，包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅，所述耦入光栅用于将光束耦合到所述波导基板中以使之通过全内反射在所述波导基板中传播，其包括光栅结构，所述光栅结构其包括布置在一平面中的多条栅线，所述多条栅线在所述平面中沿第一方向以周期T排列并沿垂直于第一方向的第二方向延伸，其中，
所述多条栅线中的至少部分栅线各自在垂直于第二方向的横截面中具有顶端窄、底端宽的截面轮廓，所述截面轮廓包括沿所述第一方向依次出现的5个特征点，即第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点，所述特征点为所述截面轮廓的曲率极大值所在点；
在以第一特征点为原点，以第一方向为第一坐标轴L，并且以垂直于所述平面的方向为第二坐标轴H的坐标系中，第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点分别具有坐标(0, 0)、(L2, H2)、(L3, H3)、(L4, H4) 和(L5, 0)，并且满足以下关系：
0.2T≤L2<L3<L4≤L5≤T；
L3≤0.8T；L3-L2≥0.1T；L4≥0.8T；
0≤H2≤λ；0.2λ≤H3≤λ；0.6λ≤H4≤1.8λ；
max(H2, H3)≤H4；
-0.6λ≤H3-H2≤0.6λ；0.6λ≤H3+H2≤1.8λ；以及
0.5λ/T≤H3/L3≤2λ/T，其中λ为光栅结构的工作波长。
优选地，所述光栅结构还满足以下关系：
L4≥0.9T；
0.2λ≤H2≤0.8λ；H3≤0.8λ；λ≤H4≤1.6λ；
-0.4λ≤H3-H2≤0.4λ；0.8λ≤H3+H2≤1.6λ；以及
H3/L3≤1.5λ/T。
有利地，所述光栅结构还满足以下关系：
H3≤0.8λ；
H3-H2≤0.4λ；H3+H2≤1.4λ；以及
H3/L3≤λ/T。
在一些实施例中，所述截面轮廓包括连接在第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点中前后相邻的两个特征点之间的至少一条曲线。
在一些实施例中，所述截面轮廓包括连接在第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点中前后相邻的两个特征点之间的至少一条直线。
在一些实施例中，所述衍射光波导还包括设置在所述波导基板上的耦出光栅，所述耦出光栅用于将在所述波导基板内通过全内反射基本上沿耦入方向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，其中第一方向与所述耦入方向基本上一致。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于如上所述的衍射光波导的光栅结构，其包括布置在一平面中的多条栅线，所述多条栅线在所述平面中沿第一方向以周期T排列并沿垂直于第一方向的第二方向延伸，其中，所述多条栅线中的至少部分栅线各自在垂直于第二方向的横截面中具有顶端窄、底端宽的截面轮廓，所述截面轮廓包括沿所述第一方向依次出现的5个特征点，即第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点，所述特征点为所述截面轮廓的曲率极大值所在点；
在以第一特征点为原点，以第一方向为第一坐标轴L，并且以垂直于所述平面的方向为第二坐标轴H的坐标系中，第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点分别具有坐标(0, 0)、(L2, H2)、(L3, H3)、(L4, H4) 和(L5, 0)，并且满足以下关系：
0.2T≤L2<L3<L4≤L5≤T；
L3≤0.8T；L3-L2≥0.1T；L4≥0.8T；
0≤H2≤λ；0.2λ≤H3≤λ；0.6λ≤H4≤1.8λ；
max(H2, H3)≤H4；
-0.6λ≤H3-H2≤0.6λ；0.6λ≤H3+H2≤1.8λ；以及
0.5λ/T≤H3/L3≤2λ/T，其中λ为光栅结构的工作波长。
根据本发明的又一个方面，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。
根据本发明实施例，光栅结构的栅线截面轮廓中包括五个特征点，利用对这些特征点的参数的控制，实现对截面轮廓的调节，从而对光栅结构所能实现的光学效果（包括耦入综合效率和均匀性）起到显著的提升作用，同时增加了光栅设计和光效调控的自由度。
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用于显示的衍射光波导的示意图；
图2为根据本发明实施例的光栅结构的横截面示意图；
图3为基于图2所示光栅结构仿真得到的光学效果指标随参数L4变化的图表；
图4为光栅结构的第一组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数L4；
图5为基于图2所示光栅结构仿真得到的光学效果指标随参数H4变化的图表；
图6为光栅结构的第二组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H4；
图7为基于图2所示光栅结构仿真得到的光学效果指标随参数H3变化的图表；
图8为光栅结构的第三组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H3；
图9为基于图2所示光栅结构仿真得到的光学效果指标随参数H2变化的图表；
图10为光栅结构的第四组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H2；
图11为基于图2所示光栅结构仿真得到的光学效果指标随参数H3-H2变化的图表；
图12为光栅结构的第五组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H3-H2；
图13为基于图2所示光栅结构仿真得到的光学效果指标随参数H3+H2变化的图表；
图14为光栅结构的第六组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H3+H2；
图15为基于图2所示光栅结构仿真得到的光学效果指标随参数H3/L3变化的图表；
图16为光栅结构的第七组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H3/L3；
图17为基于图2所示光栅结构仿真得到的非均匀性指标随参数H3变化的图表；
图18为基于图2所示光栅结构仿真得到的非均匀性指标随参数H3-H2变化的图表；
图19为基于图2所示光栅结构仿真得到的非均匀性指标随参数H3+H2变化的图表；
图20为基于图2所示光栅结构仿真得到的非均匀性指标随参数H3/L3变化的图表；
图21为根据本发明实施例的光栅结构的一组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数L5；以及
图22为根据本发明实施例的光栅结构的一组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的直线或曲线轮廓线。
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。
衍射光波导在用于图像显示时其光利用效率不高、亮度不足的问题一直受到关注。然而，人们在探索过程中更多地关注如何提高对已经经过耦入光栅的衍射用作被耦入到波导内的光能量的利用效率，而对耦入光栅本身的新型结构的探索和研究尚有不足。
根据本发明实施例提出了一种新型光栅结构以及采用这种光栅结构作为耦入光栅的衍射光波导。
图1为根据本发明实施例的用于显示的衍射光波导的示意图。如图2所示，衍射光波导10包括波导基板10a和设置在波导基板10a上的耦入光栅11，耦入光栅11包括根据本发明实施例的新型光栅结构100，用于将光束耦合到波导基板10a中以使之通过全内反射在波导基板中传播。
图1的虚线框中示出了沿截线a-a截取的耦入光栅11的横截面图。如图1所示，光栅结构100包括布置在x-y平面中的多条栅线101，多条栅线101在x-y平面中沿x方向以周期T排列并沿垂直于x方向的y方向延伸；多条栅线各自在垂直于y方向的横截面中具有顶端窄、底端宽的截面轮廓。
衍射光波导10还包括设置在波导基板10a上的耦出光栅12，耦出光栅12用于将在波导基板10a内通过全内反射基本上沿耦入方向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，耦入方向与x方向基本一致。
图2以放大的示意图示出了根据本发明实施例的光栅结构100的横截面。如图2中更清楚地示出的，栅线101的截面轮廓包括沿x方向依次出现的5个特征点，即第一特征点P1、第二特征点P2、第三特征点P3、第四特征点P4和第五特征点P5。
本申请中，“特征点”指的是截面轮廓中曲率极大值所在的点，这包括直线与直线或者彼此不相切的直线与曲线之间的交点，这样的交点在本申请中被认为是曲率无穷大的极大值所在的点。
此外，第一特征点P1和第五特征点P5为栅线101与光栅结构100的基准平面B相交的点。通常，基准平面B可以为例如波导基板10a的表面；在另一些情况下，基准平面B也可以为在波导基板10a的表面上构造或加工出来的另一平面，其可以突出于波导基板10a的表面之上或陷入其中。
如图2所示，在以第一特征点P1为原点，以x方向为横向坐标轴L，并且以垂直于x-y平面的z方向为高度坐标轴H的坐标系中，第一特征点P1、第二特征点P2、第三特征点P3、第四特征点P4和第五特征点P5分别具有坐标(L1, H1)、(L2, H2)、(L3, H3)、(L4, H4)和(L5,H5)，并且L1=0，H1=0，H5=0。应该理解的是，由于加工误差的存在，第一特征点P1和第五特征点P5的高度H1和H5可能有一个很小的值，例如几纳米到二十纳米左右，这对于栅线的整体横截面轮廓而言影响很小。此外，可以理解，一条栅线的第五特征点P5可能与相邻的栅线的第一特征点P1重合在同一点上；这种情况下，将它们标记为同一栅线横截面轮廓中的不同特征点仍旧是合理。
根据本发明实施例，为了获得较优的光学效果，光栅结构100的栅线截面轮廓还满足以下参数条件（1）：
0.2T≤L2<L3<L4≤L5≤T；
L3≤0.8T；L3-L2≥0.1T；L4≥0.8T；
0≤H2≤λ；0.2λ≤H3≤λ；0.6λ≤H4≤1.8λ；
max(H2, H3)≤H4；
-0.6λ≤H3-H2≤0.6λ；0.6λ≤H3+H2≤1.8λ；以及
0.5λ/T≤H3/L3≤2λ/T，其中λ为光栅结构的工作波长。
本发明中通过考察光栅结构作为耦入光栅时的包括耦入效率和均匀性的整体光学效果来进行光栅结构的优化，从而选择得到满足上述参数条件（1）的光栅结构。这里，耦入效率可以采用本领域常用的方法计算光从耦入光栅进入波导的有效效率，包括但不限于采用耦入综合效率进行计算；“耦入综合效率”指的是计入耦入光栅和波导基板各个模式之间的耦合作用，而得到的由耦入光栅向耦出光栅传出的光能量与入射到耦入光栅的光能量的比率。“均匀性”指的是在视场角FOVX的范围内不同视场角间的衍射效率的分布均匀性。视场角FOVX指的是入射到耦入光栅11上的光线相对于x-y平面的法线在绕y轴线的方向上所成的夹角。
为了能够综合评价光栅结构100的光学效果的优劣，在此构建一个综合光学效果指标fitness=eff综平-0.35×uni，其中eff综平为耦入综合效率平均值指标（下文中也简称为“平均效率”），即耦入综合效率在耦入光栅的视场角FOVX范围上的平均值，其理想的最大值为1，数值越大表示衍射效率越高；uni为非均匀性指标，uni=(max-min)/(max+min), 其中max为视场角FOVX范围内的衍射效率最大值，min为视场角FOVX范围内的衍射效率最小值，uni的理想的最优值为0，数值越小表示均匀性越好。需要说明的是，本申请中构建指标fitness仅是为了更加直观地体现光栅结构100在衍射效率和均匀性方面实现的技术效果，评估指标作为工具本身并不构成对本申请的光栅结构在光学效果方面具有突出优势的限制。
以上满足参数条件（1）的根据本发明实施例的光栅结构100在用作衍射光波导的耦入光栅时有利于将光学效果指标fitness的值提高到0.2（一级光效目标）以上；并且如下文中结合将介绍的，在进一步优化选择的参数条件下，可以将该指标fitness的值提高到0.225（二级光效目标）以上。作为对比，以矩形光栅作为耦入光栅，光学效率指标fitness在0.15以下。根据本发明实施例的光栅结构在作为耦入光栅时，不仅可以获得上述良好的综合光学效果，还为获得超出闪耀光栅的耦入综合效率平均值极限值的优异耦入综合效率平均值提供可能。
为了说明根据本发明实施例的光栅结构100在衍射效率和均匀性方面取得的技术效果，下面将介绍基于图2所示光栅结构100进行的扫描算例。
下文中给出的各项算例中，光的波长为532nm；耦入光栅的半径为2mm，光栅周期为400nm；照射到耦入光栅的耦入光束的半径为1.6mm，视场角FOVY为-5o~5 o，FOVY变化对效率影响很小，视场角FOVX在-16 o ~8 o；波导基板以及光栅结构的材料的折射率均为1.92。
（扫描算例）
扫描算例中，假设光栅结构100的栅线截面轮廓中第一至第五特征点顺次以直线轮廓线相连，预设参数L5=T，并通过：
在0.2T~0.7T范围内对参数L2以0.1T为步长进行扫描；
在0.3T~0.8T范围内对参数L3以0.1T为步长进行扫描；
在0.5T~T范围内对参数L4以0.1T为步长进行扫描；
在0~1.6λ范围内对参数H2和H3以0.2λ为步长分别进行扫描；
在0.4λ~1.8λ范围内对参数H4以0.2λ为步长进行扫描；
获得截面轮廓不同的各种光栅结构，并通过基于光传播的矢量理论或标量理论的仿真计算，得到耦入综合效率平均值指标eff综平和非均匀性指标uni，从而计算得到光学效果指标fitness的值。
上述扫描算例中，考虑到L2<0.2T、L3>0.8T、L3-L2<0.1T、H4>1.8λ以及H2或H3超过H4时加工难度较大等实际问题，对这些范围内的参数没有进行扫描。
扫描算例中计算得到的各项结果被统计并绘制为不同的图表，分别示出在图3、图5、图7、图9、图11、图13和图15中。在这些图表中，每一个黑点代表具有该点在图表中所对应的横坐标值和纵坐标值的、具有在扫描算例中被扫描过且与其它黑点不同的参数组合的一种截面轮廓/光栅结构。这些图表中，对应于某一横坐标值的黑点所达到的纵坐标fitness值的最大值表示的是在该横坐标参数值的条件下，经过优化可能实现的最优光学效果。
图3为扫描算例中的不同光栅结构的光学效果指标随参数L4变化的图表。如图3所示，根据本发明实施例的光栅结构100中，为了达到一级光效目标fitness=0.2，有利地L4≥0.8T；为了达到二级光效目标fitness=0.225，有利地L4≥0.9T。为了便于直观地了解参数L4对光效的影响，图4中示出了光栅结构的第一组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数L4。
图4以及下文中介绍的图6、图8、图10、图12、图14和图16中，左侧图形示出的是不满足本申请中提出的一级光效目标和二级光效目标的光效较差的示例（对应下文的表1.1~表1.14中的示例“左”），中间图形示出的是满足以及光效目标的示例（对应下文的表1.1~表1.14中的示例“中”），右侧图形示出的是满足二级光效目标的示例（对应下文的表1.1~表1.14中的示例“右”）。上述示例“中”和示例“右”为根据本发明实施例的光栅结构示例。
图5为扫描算例中的不同光栅结构的光学效果指标随参数H4变化的图表。如图5所示，根据本发明实施例的光栅结构100中，为了达到一级光效目标fitness=0.2，有利地0.6λ≤H4≤1.8λ；为了达到二级光效目标fitness=0.225，有利地λ≤H4≤1.6λ。为了便于直观地了解参数H4对光效的影响，图6中示出了光栅结构的第二组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H4。
图7为扫描算例中的不同光栅结构的光学效果指标随参数H3变化的图表。如图7所示，根据本发明实施例的光栅结构100中，为了达到一级光效目标fitness=0.2，有利地0.2λ≤H3≤λ；为了达到二级光效目标fitness=0.225，有利地0.2λ≤H3≤0.8λ。为了便于直观地了解参数H3对光效的影响，图8中示出了光栅结构的第三组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H3。
图9为扫描算例中的不同光栅结构的光学效果指标随参数H2变化的图表。如图9所示，根据本发明实施例的光栅结构100中，为了达到一级光效目标fitness=0.2，有利地0≤H2≤λ；为了达到二级光效目标fitness=0.225，有利地0.2λ≤H2≤0.8λ。为了便于直观地了解参数H2对光效的影响，图10中示出了光栅结构的第四组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H2。
图11为扫描算例中的不同光栅结构的光学效果指标随参数H3-H2变化的图表。如图11所示，根据本发明实施例的光栅结构100中，为了达到一级光效目标fitness=0.2，有利地-0.6λ≤H3-H2≤0.6λ；为了达到二级光效目标fitness=0.225，有利地-0.4λ≤H3-H2≤0.4λ。为了便于直观地了解参数H3-H2对光效的影响，图12中示出了光栅结构的第五组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H3-H2。
图13为扫描算例中的不同光栅结构的光学效果指标随参数H3+H2变化的图表。如图13所示，根据本发明实施例的光栅结构100中，为了达到一级光效目标fitness=0.2，有利地0.6λ≤H3+H2≤1.8λ；为了达到二级光效目标fitness=0.225，有利地0.8λ≤H3+H2≤1.6λ。为了便于直观地了解参数H3+H2对光效的影响，图14中示出了光栅结构的第六组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H3+H2。
图15为扫描算例中的不同光栅结构的光光学效果指标随参数H3/L3变化的图表。如图15所示，根据本发明实施例的光栅结构100中，为了达到一级光效目标fitness=0.2，有利地0.5λ/T≤H3/L3≤2λ/T；为了达到二级光效目标fitness=0.225，有利地0.5λ/T≤H3/L3≤1.5λ/T。为了便于直观地了解参数H3/L3对光效的影响，图16中示出了光栅结构的第七组示例以及它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线，其中光栅结构具有不同的参数H3/L3。
光栅结构的第一至第七组示例的参数如表1.1~表1.7所示，计算得到的对应指标如表1.8~表1.14所示。表1.1~表1.7中的参数L2、L3、L4的单位为栅线周期“T”，参数H2、H3和H4的参数单位为“λ”，参数H3/L3的单位为“λ/T”，λ为光栅结构的工作波长。
[表1.1] 第一组示例
示例 L2 L3 L4 H2 H3 H4 H3-H2 H3+H2 H3/L3
左 0.29 0.51 0.7 0.56 0.5 1.18 -0.06 1.06 0.98
中 0.29 0.51 0.85 0.56 0.5 1.18 -0.06 1.06 0.98
右 0.29 0.51 0.995 0.56 0.5 1.18 -0.06 1.06 0.98 
[表1.2] 第二组示例
示例 L2 L3 L4 H2 H3 H4 H3-H2 H3+H2 H3/L3
左 0.2 0.5 0.9 0.5 0.5 0.55 0 1 1
中 0.2 0.5 0.9 0.5 0.5 0.95 0 1 1
右 0.2 0.5 0.9 0.5 0.5 1.2 0 1 1 
[表1.3] 第三组示例
示例 L2 L3 L4 H2 H3 H4 H3-H2 H3+H2 H3/L3
左 0.2 0.6 0.9 0.6 1.2 1.4 0.6 1.8 2
中 0.2 0.6 0.9 0.6 0.85 1.4 0.25 1.45 1.42
右 0.2 0.6 0.9 0.6 0.78 1.4 0.18 1.38 1.3
[表1.4] 第四组示例
示例 L2 L3 L4 H2 H3 H4 H3-H2 H3+H2 H3/L3
左 0.2 0.4 1 1.1 0.6 1.3 -0.5 1.7 1.5
中 0.2 0.4 1 0.9 0.6 1.3 -0.3 1.5 1.5
右 0.2 0.4 1 0.7 0.6 1.3 -0.1 1.3 1.5 
[表1.5] 第五组示例
示例 L2 L3 L4 H2 H3 H4 H3-H2 H3+H2 H3/L3
左 0.2 0.3 1 1 0.35 1.3 -0.65 1.35 1.17
中 0.2 0.3 1 0.89 0.35 1.3 -0.54 1.24 1.17
右 0.2 0.3 1 0.7 0.35 1.3 -0.35 1.05 1.17 
[表1.6] 第六组示例
示例 L2 L3 L4 H2 H3 H4 H3-H2 H3+H2 H3/L3
左 0.3 0.6 1 0.1 0.4 1 0.3 0.5 0.67
中 0.3 0.6 1 0.3 0.4 1 0.1 0.7 0.67
右 0.3 0.6 1 0.5 0.4 1 -0.1 0.9 0.67 
[表1.7] 第七组示例
示例 L2 L3 L4 H2 H3 H4 H3-H2 H3+H2 H3/L3
左 0.2 0.4 1 0.5 0.84 1.2 0.34 1.34 2.1
中 0.2 0.4 1 0.5 0.64 1.2 0.14 1.14 1.6
右 0.2 0.4 1 0.5 0.4 1.2 -0.1 0.9 1
[表1.8] 第一组示例
示例 <![CDATA[eff<sub>综平</sub>]]> uni fitness
左 0.1906 0.124 0.1472
中 0.2301 0.0425 0.2152
右 0.2814 0.0842 0.2519 
[表1.9] 第二组示例
示例 <![CDATA[eff<sub>综平</sub>]]> uni fitness
左 0.1069 0.2723 0.0116
中 0.2517 0.1099 0.2133
右 0.2459 0.0263 0.2367 
[表1.10] 第三组示例
示例 <![CDATA[eff<sub>综平</sub>]]> uni fitness
左 0.169 0.5843 -0.0355
中 0.2441 0.0866 0.2138
右 0.2513 0.0693 0.2271 
[表1.11] 第四组示例
示例 <![CDATA[eff<sub>综平</sub>]]> uni fitness
左 0.2132 0.0683 0.1893
中 0.2648 0.1333 0.2181
右 0.2848 0.1134 0.2452 
[表1.12] 第五组示例
示例 <![CDATA[eff<sub>综平</sub>]]> uni fitness
左 0.239 0.064 0.2166
中 0.2515 0.0929 0.219
右 0.2749 0.0898 0.2435 
[表1.13] 第六组示例
示例 <![CDATA[eff<sub>综平</sub>]]> uni fitness
左 0.2208 0.2095 0.1475
中 0.247 0.0834 0.2178
右 0.2736 0.1264 0.2294 
[表1.14] 第七组示例
示例 <![CDATA[eff<sub>综平</sub>]]> uni fitness
左 0.2392 0.383 0.1051
中 0.2634 0.1302 0.2178
右 0.2546 0.055 0.2354 
表1.1~表1.14中所示各组参数和光学效果指标的对比体现了上述参照图4至图16介绍的不同参数对光学效果的影响以及各项参数的有利及优选范围。同时，从表1.1~表1.14也可以看到，符合一级光效指标和二级光效指标的根据本发明实施例的光栅结构示例显示出突出的耦入综合效率，其中多个示例中的耦合综合效率平均值eff综平超出闪耀光栅的耦入综合效率平均值极限值（约0.25），甚至可以高达0.28。
根据本发明实施例的光栅结构还可以通过对栅线横截面轮廓参数的选择进一步在均匀性方面优化。图17至图20分别示出了扫描算例中不同光栅结构的非均匀性指标随参数H3、H3-H2、H3+H2和H3/L3变化的情况。非均匀性指标uni的值越小越好。以非均匀性指标uni=0.05为均匀性优化目标，从图17可以看到，优选H3≤0.8λ；从图18中可以看到，优选H3-H2≤0.4λ；从图19中可以看到，优选H3+H2≤1.4λ；从图20中可以看到，优选H3/L3≤λ/T。上述均匀性优化目标uni=0.05显著优于矩形光栅作为耦入光栅能够提供的均匀性（矩形光栅的指标uni大约在0.3以上），而且即使对于闪耀光栅也是通常难以达到的优秀的均匀性标准。
算例中预设光栅结构的栅线截面轮廓中第五特征点的参数L5=T，然而根据本发明实施例的光栅结构100并不限于此，L5可以小于T。为简洁起见，在此仅以图21所示根据本发明实施例的光栅结构的第八组示例来介绍。图21示出了光栅结构的第八组示例以及计算得到的对应的耦入综合效率随入射角变化的曲线。第八组示例的栅线横截面轮廓参数如表2.1所示，计算得到的对应指标如表2.2所示。表2.1中的参数L2、L3、L4、L5的单位为栅线周期“T”，参数H2、H3和H4的参数单位为“λ”，参数H3/L3的单位为“λ/T”，λ为光栅结构的工作波长。
[表2.1]
编号 L2 L3 L4 L5 H2 H3 H4 H3-H2 H3+H2 H3/L3
a 0.29 0.51 0.85 0.85 0.56 0.5 1.18 -0.06 1.06 0.98
b 0.29 0.51 0.85 0.9 0.56 0.5 1.18 -0.06 1.06 0.98
c 0.29 0.51 0.85 0.95 0.56 0.5 1.18 -0.06 1.06 0.98
d 0.29 0.51 0.85 1 0.56 0.5 1.18 -0.06 1.06 0.98 
[表2.2]
编号 <![CDATA[eff<sub>综平</sub>]]> uni fitness
a 0.2506 0.0906 0.2189
b 0.2385 0.0558 0.219
c 0.2392 0.0546 0.2201
d 0.2301 0.0425 0.2152
从表2.1、表2.2及图21所示第八组示例可以看到，L5在L4与T之间变化时对光学效果的影响较小。考虑到加工的影响，L5小于T的光栅结构更加易于还原所设计的光栅结构，从而有利于获得接近于光栅设计时的目标光效。
此外，以上结合图3至图16介绍的扫描算例中假设光栅结构100的栅线截面轮廓中第一至第五特征点顺次以直线轮廓线相连，即截面轮廓包括连接在第一特征点P1、第二特征点P2、第三特征点P3、第四特征点P4和第五特征点P5中前后相邻的两个特征点之间的四条直线。然而，根据本发明实施例的光栅结构100并不限于截面轮廓仅包括直线的情形。例如，栅线截面轮廓可以包括连接在第一特征点P1、第二特征点P2、第三特征点P3、第四特征点P4和第五特征点P5中前后相邻的两个特征点之间的至少一条曲线。在一些示例中，四条轮廓线可以均为曲线。
为了便于理解上述具有不同轮廓线线型的情形以及了解它们对于光栅结构100的光学效果的影响，以下参照图22介绍根据本发明实施例的光栅结构100的第九组示例。图22的左侧从上到下依次示出了光栅结构100的第九组示例中的示例a、b、c、d、e，并在这些光栅结构的右侧示出了它们用作衍射光波导中的耦入光栅时的耦入综合效率随入射角变化的曲线。第九组示例的栅线横截面轮廓的各特征点的参数相同，如表3所示。表3中的参数L2、L3、L4、L5的单位为栅线周期“T”，参数H2、H3和H4的参数单位为“λ”，参数H3/L3的单位为“λ/T”，λ为光栅结构的工作波长。
[表3]
L2 L3 L4 L5 H2 H3 H4 H3-H2 H3+H2 H3/L3
0.25 0.5 1 1 0.55 0.65 1.18 0.1 1.2 1.3 
如图22所示，第九组示例中示例a中轮廓线全部为直线；示例b中第一特征点P1和第二特征点P2之间的轮廓线为直线，其它为曲线；示例c中第二特征点P2和第三特征点P3之间的轮廓线为直线，其它为曲线；示例d中第三特征点P3和第四特征点P4之间的轮廓线为直线，其它为曲线；示例e中轮廓线全部为曲线。这些示例中的曲线轮廓线是通过分段三次利用埃尔米特插值公式（Hermite interpolation formina ）而得到的（保形插值方式）。
计算得到的第九组示例的光学效果指标如表4所示。
[表4]
编号 <![CDATA[eff<sub>综平</sub>]]> uni fitness
a 0.2792 0.0798 0.2519
b 0.2807 0.0888 0.2497
c 0.2847 0.1057 0.2477
d 0.2845 0.1039 0.2482
e 0.2849 0.1061 0.2478
结合参照图22和表4，对比光栅结构100的示例二及其变型例可以发现，它们所实现的光学效果指标fitness值差别不大，这说明特征点位置固定情况下，通过直线或者曲线连接，均可以实现优化目标。此外，随着曲线轮廓的应用，为光栅结构的设计以及光学效果的调控提供了更多的自由度。
根据本发明实施例的光栅结构和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光栅结构及/或衍射光波导。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。
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 (10)

1.一种用于显示的衍射光波导，包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅，所述耦入光栅用于将光束耦合到所述波导基板中以使之通过全内反射在所述波导基板中传播，其包括一种光栅结构，所述光栅结构包括布置在一平面中的多条栅线，所述多条栅线在所述平面中沿第一方向以周期T排列并沿垂直于第一方向的第二方向延伸，其中，所述多条栅线中的至少部分栅线各自在垂直于第二方向的横截面中具有顶端窄、底端宽的截面轮廓，所述截面轮廓包括沿所述第一方向依次出现的5个特征点，即第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点，所述特征点为所述截面轮廓的曲率极大值所在点；
在以第一特征点为原点，以第一方向为第一坐标轴L，并且以垂直于所述平面的方向为第二坐标轴H的坐标系中，第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点分别具有坐标(0, 0)、(L2, H2)、(L3, H3)、(L4, H4) 和(L5, 0)，并且满足以下关系：
0.2T≤L2<L3<L4≤L5≤T；
L3≤0.8T；L3-L2≥0.1T；L4≥0.8T；
0≤H2≤λ；0.2λ≤H3≤λ；0.6λ≤H4≤1.8λ；
max(H2, H3)≤H4；
-0.6λ≤H3-H2≤0.6λ；0.6λ≤H3+H2≤1.8λ；以及
0.5λ/T≤H3/L3≤2λ/T，其中λ为光栅结构的工作波长。
2.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，
L4≥0.9T；
0.2λ≤H2≤0.8λ；H3≤0.8λ；λ≤H4≤1.6λ；
-0.4λ≤H3-H2≤0.4λ；0.8λ≤H3+H2≤1.6λ；以及
H3/L3≤1.5λ/T。
3.如权利要求1或2所述的衍射光波导，其中，
H3≤0.8λ；
H3-H2≤0.4λ；H3+H2≤1.4λ；以及
H3/L3≤λ/T。
4.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述截面轮廓包括连接在第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点中前后相邻的两个特征点之间的至少一条曲线。
5.如权利要求4所述的衍射光波导，其中，所述截面轮廓包括连接在第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点中前后相邻的两个特征点之间的至少一条直线。
6.如权利要求1所述的衍射光波导，还包括设置在所述波导基板上的耦出光栅，所述耦出光栅用于将在所述波导基板内通过全内反射基本上沿耦入方向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，其中第一方向与所述耦入方向基本上一致。
7.一种用于如权利要求1所述的衍射光波导的光栅结构，其包括布置在一平面中的多条栅线，所述多条栅线在所述平面中沿第一方向以周期T排列并沿垂直于第一方向的第二方向延伸，其中，所述多条栅线中的至少部分栅线各自在垂直于第二方向的横截面中具有顶端窄、底端宽的截面轮廓，所述截面轮廓包括沿所述第一方向依次出现的5个特征点，即第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点，所述特征点为所述截面轮廓的曲率极大值所在点；
在以第一特征点为原点，以第一方向为第一坐标轴L，并且以垂直于所述平面的方向为第二坐标轴H的坐标系中，第一特征点、第二特征点、第三特征点、第四特征点和第五特征点分别具有坐标(0, 0)、(L2, H2)、(L3, H3)、(L4, H4) 和(L5, 0)，并且满足以下关系：
0.2T≤L2<L3<L4≤L5≤T；
L3≤0.8T；L3-L2≥0.1T；L4≥0.8T；
0≤H2≤λ；0.2λ≤H3≤λ；0.6λ≤H4≤1.8λ；
max(H2, H3)≤H4；
-0.6λ≤H3-H2≤0.6λ；0.6λ≤H3+H2≤1.8λ；以及
0.5λ/T≤H3/L3≤2λ/T，其中λ为光栅结构的工作波长。
8.一种显示设备，包括如权利要求1-6中任一项所述的衍射光波导。
9.如权利要求8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。
10.如权利要求8或9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。
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