CN115681888A - 衍射波导光学元件和近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供衍射波导光学元件和近眼显示装置，涉及增强现实应用技术领域，包括波导和设置在波导上的输入衍射光栅、输出衍射光栅和转向组合元件；输入衍射光栅接收来自微显示器的图像光线并将图像光线耦合到波导中；输出衍射光栅将波导内的图像光线耦出；转向组合元件调整传导出输出衍射光栅区域的图像光线，调整后的图像光线重新入射输出衍射光栅。本发明的衍射波导光学元件通过转向组合元件，可以利用传导出输出衍射光栅区域的光，并且经过光线转向后，重新入射输出衍射光栅，提高输出衍射光栅朝向观看者耦出的增强现实图像的对比度，提高衍射波导出瞳均匀性和能量利用率。

Description

衍射波导光学元件和近眼显示装置

技术领域

本发明涉及增强现实应用技术领域，尤其涉及衍射波导光学元件和近眼显示装置。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将计算机生成的虚拟信息与现实世界相互融合的技术。以AR眼镜为代表的AR近眼显示装置，通过一系列光学成像元件将微显示器的画面传递到人眼，且其透视特性使得现实景物同时映入人眼，现实体验感被极大增强。随着AR技术的快速发展，AR产品已被广泛应用于游戏、军事、教育、医疗和零售等领域。

光学成像元件用于光传输和成像，是AR眼镜的关键。目前比较成熟的光学成像方案主要包括棱镜、自由曲面、离轴全息透镜、阵列波导、体全息光栅波导和衍射光栅波导等。棱镜和自由曲面光学方案体积偏大，可穿戴性差；全息透镜光学方案体积小，视场角大，但眼动范围小；阵列波导光学方案通过半透半反膜的堆叠实现图像的输出和出瞳的扩大，其加工工艺复杂，生产良率低，成本高；体全息光栅波导通过双光束干涉曝光在全息材料上形成周期性的折射率变化来实现对光的耦入和耦出，视场角小，稳定性差；衍射光栅波导主要利用光刻技术在波导表面制作表面浮雕光栅来实现图像的耦入和耦出，视场角大，波导重量轻，且其工艺过程与半导体行业成熟的制造技术兼容，批量生产良率高。因此，衍射光栅波导是一种备受青睐的AR显示光学成像方案，但其仍存在很多挑战，如提高出瞳均匀性和能量利用率就是急需解决的问题。

发明内容

本发明提供衍射波导光学元件和近眼显示装置，用以解决现有技术中出瞳不均匀、能量利用率低的缺陷。

本发明提供一种衍射波导光学元件，包括：波导和设置在波导上的输入衍射光栅、输出衍射光栅和转向组合元件；输入衍射光栅接收来自微显示器的图像光线并将图像光线耦合到波导中；图像光线以全反射方式在波导内传播；输出衍射光栅将波导内的图像光线耦出；转向组合元件调整传导出输出衍射光栅区域的图像光线，调整后的图像光线重新入射输出衍射光栅。

根据本发明提供的一种衍射波导光学元件，转向组合元件包括第一转向元件、第二转向元件、第三转向元件、第四转向元件、第五转向元件和第六转向元件；其中，第一转向元件、第三转向元件、第四转向元件和第六转向元件接收图像光线，并将转向后的图像光线重新入射输出衍射光栅；其中，第一转向元件中的图像光线和第四转向元件中的图像光线沿第一方向或第二方向传播，第三转向元件中的图像光线和第六转向元件中的图像光线沿第三方向或第四方向传播，第二转向元件和第五转向元件将第一方向的图像光线转向为第三方向的图像光线，将第四方向的图像光线转换为第二方向的图像光线；其中，第一方向和第二方向相反，第三方向和第四方向相反。

根据本发明提供的一种衍射波导光学元件，第一转向元件接收经过输出衍射光栅的图像光线并将图像光线沿第一方向传播至第二转向元件，第二转向元件调整图像光线沿第三方向入射第三转向元件；第三转向元件调整图像光线重新入射至衍射光栅；第三转向元件接收经过输出衍射光栅的图像光线并将图像光线沿第四方向传播至第二转向元件，第二转向元件调整图像光线沿第二方向入射第一转向元件；第一转向元件调整图像光线重新入射至输出衍射光栅；第四转向元件接收经过输出衍射光栅的图像光线并将图像光线沿第一方向传播至第五转向元件，第五转向元件调整图像光线沿第四方向入射第六转向元件；第六转向元件调整图像光线重新入射至输出衍射光栅；第六转向元件接收经过输出衍射光栅的图像光线并将图像光线沿第三方向传播至第五转向元件，第五转向元件调整图像光线沿第二方向入射第四转向元件；第四转向元件调整图像光线重新入射至输出衍射光栅。

根据本发明提供的一种衍射波导光学元件，第一转向元件为第一转向光栅，第二转向元件为第二转向光栅，第三转向元件为第三转向光栅，第四转向元件为第四转向光栅，第五转向元件为第五转向光栅，第六转向元件为第六转向光栅。

根据本发明提供的一种衍射波导光学元件，第一转向光栅包括与垂直轴成第一预设角度的被定向的凹槽，第二转向光栅包括与垂直轴成第二预设角度的被定向的凹槽，第三转向光栅包括与垂直轴成第三预设角度的被定向的凹槽，第四转向光栅包括与垂直轴成第四预设角度的被定向的凹槽，第五转向光栅包括与垂直轴成第五预设角度的被定向的凹槽，第六转向光栅包括与垂直轴成第六预设角度的被定向的凹槽。

根据本发明提供的一种衍射波导光学元件，输出衍射光栅包括彼此交叠的第一衍射光栅和第二衍射光栅，第一衍射光栅包括多个衍射光学结构，第一衍射光栅的衍射光学结构与垂直轴成第七预设角度的定向布设；第二衍射光栅包括多个衍射光学结构，第二衍射光栅的衍射光学结构与垂直轴成第八预设角度的定向布设。

根据本发明提供的一种衍射波导光学元件，第一预设角度和第四预设角度的相加之和为零，第二预设角度和第五预设角度的相加之和为零，第三预设角度和第六预设角度的相加之和为零，第七预设角度和第八预设角度的相加之和为零。

根据本发明提供的一种衍射波导光学元件，第一预设角度为-30°，第二预设角度为+45°，第三预设角度为-45°，第四预设角度为+30°，第五预设角度为-45°，第六预设角度为+45°，第七预设角度为-30°，第八预设角度为+30°。

根据本发明提供的一种衍射波导光学元件，第一预设角度为-45°，第二预设角度为+45°，第三预设角度为-45°，第四预设角度为+45°，第五预设角度为-45°，第六预设角度为+45°，第七预设角度为0°，第八预设角度为90°。

根据本发明提供的一种衍射波导光学元件，部分耦出到人眼成像的图像光线经历输入衍射光栅、输出衍射光栅和转向组合元件，输入衍射光栅、输出衍射光栅和转向组合元件的光栅矢量组合产生具有为零的大小的合成矢量。

本发明还提供一种近眼显示装置，包括微显示器和上述的衍射波导光学元件；微显示器输出图像光线。

本发明提供的衍射波导光学元件和近眼显示装置，包括波导和设置在波导上的输入衍射光栅、输出衍射光栅和转向组合元件；输入衍射光栅接收来自微显示器的图像光线并将图像光线耦合到波导中；图像光线以全反射方式在波导内传播；输出衍射光栅将波导内以全反射方式传播的图像光线耦出；转向组合元件调整传导出输出衍射光栅区域的图像光线，调整后的图像光线重新入射输出衍射光栅；通过上述方式，本发明的衍射波导光学元件通过转向组合元件，可以改变传导出输出衍射光栅区域的光的方向，并且经过光线转向后，重新入射输出衍射光栅，提高输出衍射光栅朝向观看者耦出的增强现实图像的对比度，提高衍射波导出瞳均匀性和能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是相关技术中衍射波导光学元件一实施例的结构示意图；

图2是图1所示的衍射波导光学元件的一组光栅矢量组合示意图；

图3是本发明衍射波导光学元件一实施例的结构示意图；

图4是图3所示的衍射波导光学元件的一组光栅矢量组合示意图；

图5是图3所示的衍射波导光学元件的另一组光栅矢量组合示意图；

图6是本发明衍射波导光学元件另一实施例的结构示意图；

图7是图6所示的衍射波导光学元件的一组光栅矢量组合示意图；

图8是图6所示的衍射波导光学元件的另一组光栅矢量组合示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1是相关技术中衍射波导光学元件一实施例的结构示意图；在波导10的表面上设置有输入衍射光栅11和输出衍射光栅12。输入衍射光栅11的凹槽在与图1的笛卡尔坐标系中的x轴平行的方向上延伸。输出衍射光栅12是一对交叉光栅，包括在波导10中或在波导10上彼此交叠的第一衍射光栅和第二衍射光栅。

其中，第一衍射光栅布置有与y轴成-30°地被定向的成排的衍射光学结构，第二衍射光栅布置有与y轴成+30°地被定向的成排的衍射光学结构。

第一衍射光栅接收来自输入衍射光栅11的光并将其衍射为在与y轴成+120°角的方向上延伸的级，这些级能够被第二衍射光栅衍射，第二衍射光栅正交于与y轴成+120°角延伸的衍射级，使得第二衍射光栅能够朝向观看者提供耦出级。

类似地，第二衍射光栅接收来自输入衍射光栅11的光并将其衍射为在与y轴成-120°角的方向上延伸的级，这些级能够被第一衍射光栅衍射，第一衍射光栅正交于与y轴成-120°角延伸的衍射级，使得第一衍射光栅能够朝向观看者提供耦出级。选择输出衍射光栅12内的第一衍射光栅和第二衍射光栅的衍射效率以允许光同时在二维中扩展，同时朝向观看者提供耦出级作为增强现实图像。

在波导10内通过全内反射被捕获的光与输出衍射光栅12发生多次相互作用。在与输出衍射光栅12的每次相互作用中，光被衍射并且朝向观看者耦合出波导10，或者光未衍射而继续沿原方向传播并远离输入衍射光栅11。衍射光相对于非衍射光的比例由输出衍射光栅12的衍射效率确定。

若输出衍射光栅12的效率恒定，则光的亮度在负y方向、正x方向和负x方向依次减弱。这是因为随着光在波导内传播，越来越少的光通过全内反射被捕获，进而观看者在x方向和负y方向不同位置看到的增强现实图像亮度不同，产生出瞳不均匀性。一定比例的光在全内反射下继续沿负y方向、正x方向和负x方向传播，这些光通常被波导边缘散射。散射的光可能不合期望地朝向输出衍射光栅12返回，产生背景光，降低由输出衍射光栅12朝向观看者耦出的增强现实图像的对比度。

具体地，在输出衍射光栅12内有非常多的可能的光学路径，但是这可以通过在光被输入衍射光栅11衍射之后，在光与输出衍射光栅12首次相互作用时考虑光的四个光学路径来简化。

第一光学路径：光不被衍射，继续在负y方向上传播，通过全内反射被捕获在波导10内。

第二光学路径：光被具有与y轴成-30°角的凹槽的第一衍射光栅衍射，使得光在与y轴成+120°的方向上延伸。

第三光学路径：光被具有与y轴成+30°角的凹槽的第二衍射光栅衍射，使得光在与y轴成-120°的方向上延伸。

第四光学路径：光被具有与x轴平行的有效凹槽的第一衍射光栅和第二衍射光栅的叠加衍射(相当于被第三衍射光栅衍射)，使得光朝向观看者直接耦合出波导10。

每个衍射光栅包括其凹槽的平面中的光栅矢量，光栅矢量具有与凹槽垂直的方向和与凹槽的间距成反比的大小，且光栅矢量的方向由光的衍射级的极性确定。第一衍射光栅的光栅矢量和第二衍射光栅的光栅矢量的叠加可以被认为是第三衍射光栅的光栅矢量，第三衍射光栅的光栅矢量与第一衍射光栅的光栅矢量和第二衍射光栅的光栅矢量分别成60°角，与输入衍射光栅的光栅矢量平行。

结合图2，图2是图1所示的衍射波导光学元件的一组光栅矢量组合示意图；图2示出了沿第二光学路径和第三光学路径的衍射相互作用的光栅矢量。

第二光学路径和第三光学路径互为镜像。

对于第二光学路径，光依序被输入衍射光栅11衍射产生光栅矢量110，光被具有与y轴成-30°角的凹槽的第一衍射光栅衍射产生光栅矢量121，光被第二衍射光栅衍射产生光栅矢量122，各个光栅矢量110、121和122加在一起以产生具有为零的大小的合成矢量，表示该衍射相互作用的序列可以以最小角像差和色像差朝向观看者提供耦出级。

对于第三光学路径，光依序被输入衍射光栅11衍射产生光栅矢量110，光被具有与y轴成+30°角的凹槽的第二衍射光栅衍射产生光栅矢量122，光被第一衍射光栅衍射产生光栅矢量121，各个光栅矢量110、122和121加在一起以产生具有为零的大小的合成矢量，表示该衍射相互作用的序列同样可以以最小角像差和色像差朝向观看者提供耦出级。

然而通过上述分析可知，相关技术的衍射波导光学元件中，光在与y轴成+120°和-120°的方向上全反射延伸出输出衍射光栅区域，以及光在负y方向上全反射延伸出输出衍射光栅区域时会造成光能量浪费。

基于此，本发明提供一种衍射波导光学元件，请参阅图3，图3是本发明衍射波导光学元件一实施例的结构示意图，在本实施例中，衍射波导光学元件包括：波导20、输入衍射光栅21、输出衍射光栅22和转向组合元件。

输入衍射光栅21，设置在波导20上，接收来自微显示器的图像光线并将图像光线耦合到波导20中，以使图像光线以全反射方式在波导20内传播；其中，图像光线可以理解为携带有图像信息的入射光线。

输出衍射光栅22，设置在波导20上，将波导内以全反射方式传播的图像光线耦出。

转向组合元件，设置在波导20上，调整传导出输出衍射光栅区域的图像光线，调整后的图像光线重新入射输出衍射光栅。

本实施例通过转向组合元件，可以利用传导出输出衍射光栅区域的图像光线，并且经过光线转向后，将光重新入射输出衍射光栅，提高能量利用率，从而提高输出衍射光栅朝向观看者耦出的增强现实图像的对比度，增强衍射波导光学元件的出瞳均匀性。

输入衍射光栅21、输出衍射光栅22和转向组合元件可以设置在波导20的表面上，来自微显示器的图像光线被输入衍射光栅衍射并且耦合到波导20中，耦合到波导20中的图像光线可以通过全内反射朝向输出衍射光栅行进。

可选地，输入衍射光栅21可以是一维闪耀光栅或倾斜光栅，输入衍射光栅21优先地将图像光线在输出衍射光栅22的方向上衍射，输入衍射光栅21的凹槽在与笛卡尔坐标系中的x轴平行的方向上延伸，如图3所示。

需要说明的是，本实施例中的笛卡尔坐标系为两条数轴互相垂直的笛卡尔直角坐标系，可以理解为是以水平方向为x轴、垂直方向为y轴建立的坐标系，其中z轴分别垂直于x轴和y轴。

输出衍射光栅22是一对交叉光栅，包括设置在波导20的表面上彼此交叠的第一衍射光栅和第二衍射光栅，第一衍射光栅和第二衍射光栅都布置有被定向的成排的衍射光学结构。

在一些实施例中，转向组合元件包括第一转向元件、第二转向元件、第三转向元件、第四转向元件、第五转向元件和第六转向元件。

其中，第一转向元件、第三转向元件、第四转向元件和第六转向元件接收图像光线，并将转向后的图像光线重新入射输出衍射光栅。

其中，第一转向元件中的图像光线和第四转向元件中的图像光线沿第一方向或第二方向传播，第三转向元件中的图像光线和第六转向元件中的图像光线沿第三方向或第四方向传播，第二转向元件和第五转向元件将第一方向的图像光线转向为第三方向的图像光线，将第四方向的图像光线转向为第二方向的图像光线。其中，第一方向和第二方向相反，第三方向和第四方向相反。

可选地，第一方向可以是负y轴方向，第二方向可以是正y轴方向，第三方向为负x轴方向，第四方向为正x轴方向。

当衍射波导光学元件工作时，转向组合元件可以配合输出衍射光栅使用，接收无法耦出到人眼成像的图像光线，经过转向后重新入射输出衍射光栅，提高能量的利用率。具体地，转向组合元件中的六个转向元件配合工作如下：

第一转向元件接收经过输出衍射光栅的图像光线并将图像光线沿第一方向传播至第二转向元件，第二转向元件将图像光线的方向转为第三方向，以使图像光线沿第三方向入射第三转向元件；第三转向元件将图像光线朝向输出衍射光栅重新入射；

第三转向元件接收经过输出衍射光栅的图像光线并将图像光线沿第四方向传播至第二转向元件，第二转向元件将图像光线的方向转为第二方向，以使图像光线沿第二方向入射第一转向元件；第一转向元件将图像光线朝向输出衍射光栅重新入射；

第四转向元件接收经过输出衍射光栅的图像光线并将图像光线沿第一方向传播至第五转向元件，第五转向元件将图像光线的方向转为第四方向，以使图像光线沿第四方向入射第六转向元件；第六转向元件将图像光线朝向输出衍射光栅重新入射；

第六转向元件接收经过输出衍射光栅的图像光线并将图像光线沿第三方向传播至第五转向元件，第五转向元件将图像光线的方向转为第二方向，以使图像光线沿第二方向入射第四转向元件；第四转向元件将图像光线朝向输出衍射光栅重新入射。

可选地，第一转向元件为第一转向光栅，第二转向元件为第二转向光栅，第三转向元件为第三转向光栅，第四转向元件为第四转向光栅，第五转向元件为第五转向光栅，第六转向元件为第六转向光栅。下面以转向元件为转向光栅进行详细举例说明。

需要说明的是，以转向光栅作为转向元件只是本发明的其中一个实施例，在其他的一些实施例中，转向元件还可以是其他的结构，例如第二转向元件和第五转向元件还可以为反射镜。本领域的技术人员可以根据实际情况挑选转向元件，在此不多赘述。

可选地，第一转向光栅至第六转向光栅可以是一体化的相连接设置，也可以是每个独立设置，还可以是部分连接设置，部分独立设置。

如图3所示，第一转向光栅、第二转向光栅、第四转向光栅和第五转向光栅是独立设置的，互不相连接；第三转向光栅和第六转向光栅是连接设置的。

在一些实施例中，第一转向光栅包括与垂直轴成第一预设角度的被定向的凹槽，第二转向光栅包括与垂直轴成第二预设角度的被定向的凹槽，第三转向光栅包括与垂直轴成第三预设角度的被定向的凹槽，第四转向光栅包括与垂直轴成第四预设角度的被定向的凹槽，第五转向光栅包括与垂直轴成第五预设角度的被定向的凹槽，第六转向光栅包括与垂直轴成第六预设角度的被定向的凹槽。

其中，输出衍射光栅22包括彼此交叠的第一衍射光栅和第二衍射光栅，第一衍射光栅布置有与垂直轴成第七预设角度的定向成排的衍射光学结构，第二衍射光栅布置有与垂直轴成第八预设角度的定向成排的光学结构。

在本实施例中，部分经过输出衍射光栅的图像光线可以直接耦出到人眼成像，部分经过输出衍射光栅的图像光线需要经过转向组合元件，重新入射输出衍射光栅后才能耦出到人眼成像，从而实现能量的有效利用。

因此，部分耦出到人眼成像的图像光线需经历输入衍射光栅、输出衍射光栅和转向组合元件，输入衍射光栅、输出衍射光栅和转向组合元件的光栅矢量组合产生具有为零的大小的合成矢量。

为此，第一预设角度至第八预设角度的大小需要经过设置，第一预设角度和第四预设角度的相加之和为零，第二预设角度和第五预设角度的相加之和为零，第三预设角度和第六预设角度的相加之和为零，第七预设角度和第八预设角度的相加之和为零。

在一些实施例中，衍射波导光学元件的预设角度可以如下设置：第一预设角度为-30°，第二预设角度为+45°，第三预设角度为-45°，第四预设角度为+30°，第五预设角度为-45°，第六预设角度为+45°，第七预设角度为-30°，第八预设角度为+30°，如图3所示。

需要说明的是，本实施例中的正角度是指从垂直轴到水平轴的顺时针获得的角度，负角度是指从垂直轴到水平轴的逆时针获得的角度。

第一转向光栅23具有与y轴成-30°角的被定向的凹槽，第二转向光栅24具有与y轴成+45°角的被定向的凹槽，第三转向光栅25具有与y轴成-45°角的被定向的凹槽，第四转向光栅26具有与y轴成+30°角的被定向的凹槽，第五转向光栅27具有与y轴成-45°角的被定向的凹槽，第六转向光栅28具有与y轴成+45°角的被定向的凹槽。

通过将转向光栅中的凹槽设置成特定的角度，可以引导图像光线在转向光栅中以特定的光学路径传播。

在输出衍射光栅22内同样有非常多的可能的光学路径，但是这可以通过在图像光线被输入衍射光栅衍射之后，在光与输出衍射光栅22相互作用时考虑光的六个光学路径来简化。

第一光学路径：图像光线不被衍射，继续在负y方向上传播，通过全内反射被捕获在波导20内。

第二光学路径：图像光线被具有与y轴成-30°角的凹槽的第一衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成+120°的方向上延伸并朝向第一转向光栅23传播，图像光线遇到第一转向光栅23后被衍射并朝向第二转向光栅24传播，图像光线遇到第二转向光栅24后被衍射并朝向第三转向光栅25传播，图像光线遇到第三转向光栅25后被衍射并朝向输出衍射光栅22传播，图像光线遇到输出衍射光栅22后被具有与x轴平行的有效凹槽的第一衍射光栅和第二衍射光栅的叠加衍射(相当于被第三衍射光栅衍射)，使得图像光线朝向观看者耦合出波导20。

第三光学路径：图像光线被具有与y轴成-30°角的凹槽的第一衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成+120°的方向上延伸，接着图像光线再一次被第一衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成+180°的方向上延伸并朝向第三转向光栅25传播，图像光线遇到第三转向光栅25后被衍射并朝向第二转向光栅24传播，图像光线遇到第二转向光栅24后被衍射并朝向第一转向光栅23传播，图像光线遇到第一转向光栅23后被衍射并朝向输出衍射光栅22传播，图像光线遇到输出衍射光栅22后被具有与y轴成+30°角的凹槽的第二衍射光栅衍射，使得图像光线朝向观看者耦合出波导20。

第四光学路径：图像光线被具有与y轴成+30°角的凹槽的第二衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成-120°的方向上延伸并朝向第四转向光栅26传播，图像光线遇到第四转向光栅26后被衍射并朝向第五转向光栅27传播，图像光线遇到第五转向光栅27后被衍射并朝向第六转向光栅28传播，图像光线遇到第六转向光栅28后被衍射并朝向输出衍射光栅22传播，图像光线遇到输出衍射光栅22后被具有与x轴平行的有效凹槽的第一衍射光栅和第二衍射光栅的叠加衍射(相当于被第三衍射光栅衍射)，使得图像光线朝向观看者耦合出波导20。

第五光学路径：图像光线被具有与y轴成+30°角的凹槽的第二衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成-120°的方向上延伸，接着图像光线再一次被第二衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成-180°的方向上延伸并朝向第六转向光栅28传播，图像光线遇到第六转向光栅28后被衍射并朝向第五转向光栅27传播，图像光线遇到第五转向光栅27后被衍射并朝向第四转向光栅26传播，图像光线遇到第四转向光栅26后被衍射并朝向输出衍射光栅22传播，图像光线遇到输出衍射光栅22后被具有与y轴成-30°角的凹槽的第一衍射光栅衍射，使得图像光线朝向观看者耦合出波导20。

第六光学路径：图像光线被具有与x轴平行的有效凹槽的第一衍射光栅和第二衍射光栅的叠加衍射(相当于被第三衍射光栅衍射)，使得图像光线朝向观看者直接耦合出波导20。

请参阅图4，图4是图3所示的衍射波导光学元件的一组光栅矢量组合示意图；图4示出了沿第二光学路径和第三光学路径的衍射相互作用的光栅矢量。

对于第二光学路径(即图示路径2)，图像光线依序被输入衍射光栅21衍射产生光栅矢量210，图像光线被具有与y轴成-30°角的凹槽的第一衍射光栅衍射产生光栅矢量221，图像光线被第一转向光栅23衍射产生光栅矢量230，图像光线被第二转向光栅24衍射产生光栅矢量240，图像光线被第三转向光栅25衍射产生光栅矢量250，图像光线被第三衍射光栅衍射产生光栅矢量223。

各个光栅矢量210、221、230、240、250和223加在一起以产生具有为零的大小的合成矢量，表示该衍射相互作用的序列可以以最小角像差和色像差朝向观看者提供耦出级。

对于第三光学路径(即图示路径3)，图像光线依序被输入衍射光栅21衍射产生光栅矢量210，图像光线被具有与y轴成-30°角的凹槽的第一衍射光栅衍射产生光栅矢量221，图像光线被第三转向光栅25衍射产生光栅矢量250，图像光线被第二转向光栅24衍射产生光栅矢量240，图像光线被第一转向光栅23衍射产生光栅矢量230，图像光线被具有与y轴成+30°角的凹槽的第二衍射光栅衍射产生光栅矢量222。

各个光栅矢量210、221、250、240、230和222加在一起以产生具有为零的大小的合成矢量，表示该衍射相互作用的序列可以以最小角像差和色像差朝向观看者提供耦出级。

请参阅图5，图5示出了沿第四光学路径和第五光学路径的衍射相互作用的光栅矢量，各个光栅矢量加在一起以产生具有为零的大小的合成矢量，表示衍射相互作用的序列可以以最小角像差和色像差朝向观看者提供耦出级。

其中，第四光学路径(即图示路径4)是第二光学路径的镜像，第五光学路径(即图示路径5)是第三光学路径的镜像，在此不再赘述。

与相关技术的衍射波导光学元件相比，本实施例的转向组合元件可以将传导出输出衍射光栅区域的图像光线进行利用，使得图像光线转向后，重新入射输出衍射光栅，减少能量的损耗；此外，经过转向组合元件转向后的图像光线并非原路返回，即图像光线从输出衍射光栅入射转向组合元件的光学路径和从转向组合元件到输出衍射光栅的光学路径不重叠。

在一些实施例中，衍射波导光学元件的预设角度还可以如下设置：第一预设角度为-45°，第二预设角度为+45°，第三预设角度为-45°，第四预设角度为+45°，第五预设角度为-45°，第六预设角度为+45°，第七预设角度为0°，第八预设角度为90°，如图6所示，图6是本发明衍射波导光学元件另一实施例的结构示意图。

具体地，在波导30的表面上设置有输入衍射光栅31和输出衍射光栅32，输出衍射光栅32是一对垂直交叉光栅，即第一衍射光栅和第二衍射光栅的夹角为90°。衍射波导光学元件同样包括第一转向光栅33，第二转向光栅34，第三转向光栅35，第四转向光栅36，第五转向光栅37和第六转向光栅38。

第一转向光栅33具有与y轴成-45°角的被定向的凹槽，第二转向光栅34具有与y轴成+45°角的被定向的凹槽，第三转向光栅35具有与y轴成-45°角的被定向的凹槽，第四转向光栅36具有与y轴成+45°角的被定向的凹槽，第五转向光栅37具有与y轴成-45°角的被定向的凹槽，第六转向光栅38具有与y轴成+45°角的被定向的凹槽。

在输出衍射光栅32内同样有非常多的可能的光学路径，但是这同样可以通过在光被输入衍射光栅31衍射之后，在光与输出衍射光栅32相互作用时考虑光的六个光学路径来简化。

第一光学路径：图像光线不被衍射，继续在负y方向上传播，通过全内反射被捕获在波导30内。

第二光学路径：图像光线被具有与y轴平行的凹槽的第一衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成+90°的方向上延伸并朝向第一转向光栅33传播，图像光线遇到第一转向光栅33后被衍射并朝向第二转向光栅34传播，图像光线遇到第二转向光栅34后被衍射并朝向第三转向光栅35传播，图像光线遇到第三转向光栅35后被衍射并朝向输出衍射光栅32传播，图像光线遇到输出衍射光栅32后被具有与x轴平行的凹槽的第二衍射光栅衍射，使得图像光线朝向观看者耦合出波导30。

第三光学路径：图像光线被具有与y轴平行的凹槽的第一衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成+90°的方向上延伸，接着图像光线被具有与x轴平行的凹槽的第二衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成+180°的方向上延伸并朝向第三转向光栅35传播，图像光线遇到第三转向光栅35后被衍射并朝向第二转向光栅34传播，图像光线遇到第二转向光栅34后被衍射并朝向第一转向光栅33传播，图像光线遇到第一转向光栅33后被衍射并朝向输出衍射光栅32传播，图像光线遇到输出衍射光栅32后被具有与y轴平行的凹槽的第一衍射光栅衍射，使得图像光线朝向观看者耦合出波导30。

第四光学路径：图像光线被具有与y轴平行的凹槽的第一衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成-90°的方向上延伸并朝向第四转向光栅36传播，图像光线遇到第四转向光栅36后被衍射并朝向第五转向光栅37传播，图像光线遇到第五转向光栅37后被衍射并朝向第六转向光栅38传播，图像光线遇到第六转向光栅38后被衍射并朝向输出衍射光栅32传播，图像光线遇到输出衍射光栅32后被具有与x轴平行的凹槽的第二衍射光栅衍射，使得图像光线朝向观看者耦合出波导30。

第五光学路径：图像光线被具有与y轴平行的凹槽的第一衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成-90°的方向上延伸，接着图像光线被具有与x轴平行的凹槽的第二衍射光栅衍射，使得图像光线在与y轴成-180°的方向上延伸并朝向第六转向光栅38传播，图像光线遇到第六转向光栅38后被衍射并朝向第五转向光栅37传播，图像光线遇到第五转向光栅37后被衍射并朝向第四转向光栅36传播，图像光线遇到第四转向光栅36后被衍射并朝向输出衍射光栅32传播，图像光线遇到输出衍射光栅32后被具有与y轴平行的凹槽的第一衍射光栅衍射，使得图像光线朝向观看者耦合出波导30。

第六光学路径：图像光线被具有与x轴平行的凹槽的第二衍射光栅衍射，使得图像光线朝向观看者直接耦合出波导30。

请参阅图7和图8，图7和图8是图6所示的衍射波导光学元件的两组光栅矢量组合示意图。

图7示出了沿第二光学路径和第三光学路径的衍射相互作用的光栅矢量。图8示出了沿第四光学路径和第五光学路径的衍射相互作用的光栅矢量。

其中，第四光学路径(即图示路径4)是第二光学路径(即图示路径2)的镜像，第五光学路径(即图示路径5)是第三光学路径(即图示路径3)的镜像。

各个光栅矢量加在一起以产生具有为零的大小的合成矢量，表示衍射相互作用的序列可以以最小角像差和色像差朝向观看者提供耦出级。

此外，本发明还提供一种近眼显示装置，包括微显示器和上述的衍射波导光学元件；微显示器输出图像光线。在此不多赘述，具体可参阅上述实施例。

本发明提供的衍射波导光学元件和近眼显示装置，包括波导和设置在波导上的输入衍射光栅、输出衍射光栅和转向组合元件；输入衍射光栅接收来自微显示器的图像光线并将图像光线耦合到波导中，以使图像光线以全反射方式在波导内传播；输出衍射光栅将波导内以全反射方式传播的图像光线耦出；转向组合元件调整传导出输出衍射光栅区域的图像光线，调整后的图像光线重新入射输出衍射光栅。通过上述方式，本发明的衍射波导光学元件通过转向组合元件，可以利用传导出输出衍射光栅区域的光，并且经过光线转向后，重新入射输出衍射光栅，提高输出衍射光栅朝向观看者耦出的增强现实图像的对比度，提高衍射波导出瞳均匀性。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种衍射波导光学元件，其特征在于，包括：

波导和设置在所述波导上的输入衍射光栅、输出衍射光栅和转向组合元件；

所述输入衍射光栅接收来自微显示器的图像光线并将所述图像光线耦合到所述波导中；所述图像光线以全反射方式在所述波导内传播；

所述输出衍射光栅将所述波导内的图像光线耦出；

所述转向组合元件调整传导出所述输出衍射光栅区域的图像光线，调整后的图像光线重新入射所述输出衍射光栅。

2.根据权利要求1所述的衍射波导光学元件，其特征在于，所述转向组合元件包括第一转向元件、第二转向元件、第三转向元件、第四转向元件、第五转向元件和第六转向元件；

其中，所述第一转向元件、所述第三转向元件、所述第四转向元件和所述第六转向元件接收图像光线，并将转向后的图像光线重新入射所述输出衍射光栅；

其中，所述第一转向元件中的图像光线和所述第四转向元件中的图像光线沿第一方向或第二方向传播，所述第三转向元件中的图像光线和第六转向元件中的图像光线沿第三方向或第四方向传播，所述第二转向元件和所述第五转向元件将第一方向的图像光线转向为第三方向的图像光线，将第四方向的图像光线转换为第二方向的图像光线；

其中，所述第一方向和所述第二方向相反，所述第三方向和所述第四方向相反。

3.根据权利要求2所述的衍射波导光学元件，其特征在于，

所述第一转向元件接收经过所述输出衍射光栅的图像光线并将所述图像光线沿所述第一方向传播至所述第二转向元件，所述第二转向元件调整所述图像光线沿第三方向入射所述第三转向元件；所述第三转向元件调整所述图像光线重新入射至所述输出衍射光栅；

所述第三转向元件接收经过所述输出衍射光栅的图像光线并将所述图像光线沿所述第四方向传播至所述第二转向元件，所述第二转向元件调整所述图像光线沿第二方向入射所述第一转向元件；所述第一转向元件调整所述图像光线重新入射至所述输出衍射光栅；

所述第四转向元件接收经过所述输出衍射光栅的图像光线并将所述图像光线沿所述第一方向传播至所述第五转向元件，所述第五转向元件调整所述图像光线沿第四方向入射所述第六转向元件；所述第六转向元件调整所述图像光线重新入射至所述输出衍射光栅；

所述第六转向元件接收经过所述输出衍射光栅的图像光线并将所述图像光线沿所述第三方向传播至所述第五转向元件，所述第五转向元件调整所述图像光线沿第二方向入射所述第四转向元件；所述第四转向元件调整所述图像光线重新入射至所述输出衍射光栅。

4.根据权利要求2所述的衍射波导光学元件，其特征在于，

所述第一转向元件为第一转向光栅，所述第二转向元件为第二转向光栅，所述第三转向元件为第三转向光栅，所述第四转向元件为第四转向光栅，所述第五转向元件为第五转向光栅，所述第六转向元件为第六转向光栅。

5.根据权利要求4所述的衍射波导光学元件，其特征在于，

所述第一转向光栅包括与垂直轴成第一预设角度的被定向的凹槽，所述第二转向光栅包括与垂直轴成第二预设角度的被定向的凹槽，所述第三转向光栅包括与垂直轴成第三预设角度的被定向的凹槽，所述第四转向光栅包括与垂直轴成第四预设角度的被定向的凹槽，所述第五转向光栅包括与垂直轴成第五预设角度的被定向的凹槽，所述第六转向光栅包括与垂直轴成第六预设角度的被定向的凹槽。

6.根据权利要求5所述的衍射波导光学元件，其特征在于，

所述输出衍射光栅包括彼此交叠的第一衍射光栅和第二衍射光栅，所述第一衍射光栅包括多个衍射光学结构，所述第一衍射光栅的衍射光学结构与垂直轴成第七预设角度的定向布设；所述第二衍射光栅包括多个衍射光学结构，所述第二衍射光栅的衍射光学结构与垂直轴成第八预设角度的定向布设。

7.根据权利要求6所述的衍射波导光学元件，其特征在于，

所述第一预设角度和所述第四预设角度的相加之和为零，所述第二预设角度和所述第五预设角度的相加之和为零，所述第三预设角度和所述第六预设角度的相加之和为零，所述第七预设角度和所述第八预设角度的相加之和为零。

8.根据权利要求7所述的衍射波导光学元件，其特征在于，

所述第一预设角度为-30°，所述第二预设角度为+45°，所述第三预设角度为-45°，所述第四预设角度为+30°，所述第五预设角度为-45°，所述第六预设角度为+45°，所述第七预设角度为-30°，所述第八预设角度为+30°。

9.根据权利要求7所述的衍射波导光学元件，其特征在于，

所述第一预设角度为-45°，所述第二预设角度为+45°，所述第三预设角度为-45°，所述第四预设角度为+45°，所述第五预设角度为-45°，所述第六预设角度为+45°，所述第七预设角度为0°，所述第八预设角度为90°。

10.根据权利要求1所述的衍射波导光学元件，其特征在于，

部分耦出到人眼成像的图像光线经历所述输入衍射光栅、所述输出衍射光栅和所述转向组合元件，所述输入衍射光栅、所述输出衍射光栅和所述转向组合元件的光栅矢量组合产生具有为零的大小的合成矢量。

11.一种近眼显示装置，其特征在于，包括微显示器和如权利要求1-10任一项所述的衍射波导光学元件；所述微显示器输出图像光线。

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