CN115793119B - 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，涉及衍射光学技术领域，包括：波导基板；光栅结构，设置在波导基板表面上或波导基板之中，光栅结构包括多个周期性结构，多个周期性结构沿第一方向间隔排列以及沿第二方向间隔排列，其中，第二方向和第一方向不同，在第一方向上相邻的周期性结构的中心之间的第一距离小于在第二方向上相邻的周期性结构的中心之间的第二距离，光栅结构等效于光栅矢量沿第一方向的垂直方向的一维光栅，垂直方向与光栅结构所在平面平行。本申请的光栅结构其第二方向上的第二距离更大，加工更容易，且可调节参数自由度更多，有更强的效率调节能力，更有利于提升波导的光效。
Description
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，而光栅结构则是衍射光波导的必要组成部分之一。
为提高波导衍射效率和均匀性，一般会对波导耦出区域进行区域划分，在部分区域会设置一维光栅，例如在二维耦出光栅两侧区域采用一维光栅来提升单侧分光效率和耦出效率。常用的一维光栅通常是最常见的矩形光栅，而矩形光栅的线宽也受工艺能力限制，通常工艺无法加工的很细，且矩形光栅仅有深度和宽度两个参数自由度，因此矩形光栅调节效率的能力有限。
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；
光栅结构，设置在所述波导基板表面上或波导基板之中，所述光栅结构包括多个周期性结构，所述多个周期性结构沿第一方向间隔排列以及沿第二方向间隔排列，
其中，所述第二方向和所述第一方向不同，在所述第一方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第一距离小于在所述第二方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第二距离，所述光栅结构等效于光栅矢量沿所述第一方向的垂直方向的一维光栅，所述垂直方向与所述光栅结构所在平面平行。
在一个实施例中，所述第一距离小于所述第二距离在与所述第一方向垂直的第三方向上的投影距离，且所述第三方向平行于所述光栅结构所在平面。
在一个实施例中，所述第一距离为P，P还满足以下关系式：
其中，为所述第三方向和所述第二方向的夹角，为入射光的波长，(,)为光束在所述波导基板内全反射传播入射到所述光栅结构的入射角和方位角，为波导折射率，D为所述投影距离。
在一个实施例中，所述第一距离小于0.5倍的所述投影距离。
在一个实施例中，所述第一距离小于0.4倍的所述投影距离。
在一个实施例中，所述投影距离的数值范围在200-700nm之间。
在一个实施例中，所述周期性结构在所述第一方向上的尺寸大于或等于70nm。
在一个实施例中，所述周期性结构为孔状结构或者柱状结构。
在一个实施例中，所述周期性结构的截面形状为以下形状中的一种：圆形、椭圆形、多边形。
在一个实施例中，所述多边形包括具有倒角的多边形或者不具有倒角的多边形。
在一个实施例中，所述波导基板包括耦入区域和耦出区域，所述耦出区域包括第一耦出区域、第二耦出区域和第三耦出区域，所述第二耦出区域位于所述第一耦出区域和所述第三耦出区域之间，所述衍射光波导还包括：
耦入光栅，设置在所述波导基板表面上或波导基板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，
耦出光栅，设置在所述波导基板表面上或波导基板之中并位于所述耦出区域，用于使传播至其内的输入光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出，其中，所述耦出光栅包括所述光栅结构和第一耦出光栅，在所述第一耦出区域和所述第三耦出区域的至少一者内的至少部分区域设置有所述光栅结构，且所述光栅结构靠近所述耦入光栅，所述第一耦出光栅位于所述第二耦出区域，其中所述第一耦出光栅为二维光栅。
在一个实施例中，所述第一耦出区域包括第一子耦出区域和第二子耦出区域，其中，所述第一子耦出区域靠近所述耦入光栅，所述第二子耦出区域远离所述耦入光栅，所述光栅结构位于所述第一子耦出区域，所述第二子耦出区域设置有一维光栅。
在一个实施例中，所述第三耦出区域包括第三子耦出区域和第四子耦出区域，其中，所述第三子耦出区域靠近所述耦入光栅，所述第四子耦出区域远离所述耦入光栅，所述光栅结构位于所述第三子耦出区域，所述第四子耦出区域设置有一维光栅。
在一个实施例中，所述第一耦出区域和所述第三耦出区域关于所述第二耦出区域的中心线对称。
在一个实施例中，所述波导基板包括耦入区域、中继区域和耦出区域，
耦入光栅，设置在所述波导基板表面上或波导基板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，
中继光栅，设置在所述波导基板表面上或波导基板之中并位于所述中继区域，用于使传播至其内的输入光的至少一部分通过衍射向耦出光栅分光，其中，所述中继光栅包括所述光栅结构；
耦出光栅，设置在所述波导基板表面上或波导基板之中并位于所述耦出区域，用于使传播至其内的输入光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出。
在一个实施例中，所述中继区域包括第一子中继区域和第二子中继区域，其中，所述光栅结构设置于所述第一子中继区域，所述第一子中继区域靠近所述耦入光栅，所述第二子中继区域设置有一维光栅。
在一个实施例中，所述光栅结构在与所述第一方向垂直的第三方向上存在衍射级次，在所述第一方向上的衍射级次为倏逝波，其中所述第三方向还平行于所述光栅结构所在平面。
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耦入光栅投射。
在一个实施例中，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。
在一个实施例中，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。
在一个实施例中，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
本申请的衍射光波导的光栅结构包括多个周期性结构，所述多个周期性结构沿第一方向间隔排列以及沿第二方向间隔排列，在所述第一方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第一距离小于在所述第二方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第二距离，所述光栅结构等效于光栅矢量沿所述第一方向的垂直方向的一维光栅，本申请的光栅结构其第二方向上的第二距离更大，加工更容易，且可调节参数自由度更多，有更强的效率调节能力，更有利于提升波导的光效。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请一个实施例中的衍射光波导的正视图；
图2示出了本申请一个实施例中的衍射光波导的光栅结构的俯视图；
图3A示出了本申请一个实施例中的周期性结构的形状为矩形的光栅结构的俯视图；
图3B示出了本申请一个实施例中的周期性结构的形状为圆形的光栅结构的俯视图；
图3C示出了本申请一个实施例中的周期性结构的形状为平行四边形的光栅结构的俯视图；
图3D示出了本申请一个实施例中的周期性结构的形状为椭圆形的光栅结构的俯视图；
图3E示出了本申请一个实施例中的周期性结构的形状为倒角矩形的光栅结构的俯视图；
图4示出了本申请一个实施例中的耦入光栅和耦出光栅的俯视图；
图5示出了本申请一个实施例中的耦出光栅中的光栅结构的俯视图；
图6A示出了本申请一个实施例中的光栅结构对应的光栅反射零级效率和常规线栅对应的光栅反射零级效率的曲线对比图；
图6B示出了本申请一个实施例中的光栅结构对应的光栅分光效率和常规线栅对应的光栅分光效率的曲线对比图；
图6C示出了本申请一个实施例中的当第一距离P不满足公示要求时光栅分光效率、光栅反射零级效率和能量利用效率分别对应的曲线图；
图6D示出了本申请另一个实施例中的光栅结构对应的光栅反射零级效率和常规线栅对应的光栅反射零级效率的曲线对比图；
图6E示出了本申请另一个实施例中的光栅结构对应的光栅分光效率和常规线栅对应的光栅分光效率的曲线对比图；
图7示出了本申请一个实施例中的耦入光栅、中继光栅和耦出光栅的俯视图；
图8示出了本申请一个实施例中的显示设备的示意图。
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；
光栅结构，设置在所述波导基板表面上或波导基板之中，所述光栅结构包括多个周期性结构，所述多个周期性结构沿第一方向间隔排列以及沿第二方向间隔排列，
其中，所述第二方向和所述第一方向不同，在所述第一方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第一距离小于在所述第二方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第二距离，所述光栅结构等效于光栅矢量沿所述第一方向的垂直方向的一维光栅，所述垂直方向与所述光栅结构所在平面平行。
本申请的衍射光波导的光栅结构包括多个周期性结构，所述多个周期性结构沿第一方向间隔排列以及沿第二方向间隔排列，在所述第一方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第一距离小于在所述第二方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第二距离，所述光栅结构等效于光栅矢量沿所述第一方向的垂直方向的一维光栅，本申请的光栅结构其第二方向上的第二距离更大，加工更容易，且可调节参数自由度更多，有更强的效率调节能力，更有利于提升波导的光效。
下面将参考附图1至图8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1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1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、哑铃型或蝶形等。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。
可选地，波导基板110包括耦入区域和耦出区域。本申请的衍射光波导100还包括耦入光栅120和耦出光栅130。耦入光栅120和耦出光栅130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。
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。
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，由光栅矢量不同的两个光栅拼接而成。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。
耦出光栅设置在波导基板之上或之中，且耦出光栅位于上述耦出区域。耦出光栅用于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，从而使得观看者的眼睛可以接收到耦合出的光。当进入耦入光栅120的光例如为投影仪投射的图像光时，则自耦出光栅130耦合出的光为至少一部分的图像光，经耦出光栅130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，耦出光栅130起到扩瞳作用，耦出光栅在接收到来自耦入光栅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。
一些实施例中，耦出光栅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（也即内部）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。值得一提的是，本申请所示意的各种光栅的形状为其与光波导的表面（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。
一些实施例中，波导基板110还可以包括中继区域，中继光栅设置在所述波导基板表面上或波导基板之中并位于所述中继区域，中继光栅用于使传播至其内的输入光（也即来自所述耦入光栅的光）的至少一部分通过衍射向耦出光栅分光。
在一些实施例中，如图2所示，在所述波导基板表面上或波导基板之中设置光栅结构200，所述光栅结构200包括多个周期性结构210，所述多个周期性结构210沿第一方向d1间隔排列以及沿第二方向d2间隔排列，也即光栅结构200的多个周期性结构210呈阵列型排布。
如图2所示，所述第二方向d2和所述第一方向d1不同，在所述第一方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第一距离P小于在所述第二方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第二距离D0，通过使第一距离P小于第二距离D0，可以使得所述光栅结构等效于光栅矢量沿所述第一方向的垂直方向的一维光栅，该第一方向的垂直方向与所述光栅结构所在平面平行，由于光栅结构其第二方向上的第二距离更大，因此其加工更容易，且可调节参数自由度更多，有更强的效率调节能力，更有利于提升波导的光效。在一些实施例中，第一距离P小于第二距离D0在与所述第一方向d1垂直的第三方向d3上的投影距离D，且第三方向d3平行于光栅结构200所在平面。通过这样的设置，可以使得所述光栅结构等效于光栅矢量沿所述第一方向的垂直方向的一维光栅，且由于投影距离D更大，可以使得光栅结构的加工更容易，且可调节参数自由度更多，有更强的效率调节能力，更有利于提升波导的光效。
由于本申请的光栅结构一个维度方向的周期（例如第一方向上的周期）大幅小于另一维度（例如在光栅结构所在的平面内沿第一方向的垂直方向，也即第三方向d3）的周期，光在周期大的维度方向（也即光栅结构的光栅矢量方向，也即第三方向d3）存在衍射级次，在另一方向（例如第一方向上）衍射级次为倏逝波，因此只存在一个维度方向的衍射级次，等效是一维光栅。
继续参考图2，x轴方向与第一方向d1平行或重合，y轴方向与x轴方向垂直，第三方向d3与y轴方向平行或重合，第三方向d3与第二方向d2的夹角为，为入射光的波长，(,)为光束在波导内全反射传播入射到光栅结构200的入射角和方位角，然后经过光栅结构200衍射分光，衍射分光的级次(, )满足如下光栅方程，其中为波导折射率，m，n为对应级次。
当P和D0接近或相等时，m和n都存在非0级次，即下述光栅方程在m非0时，(,)有解。那么光在这两个方向都存在衍射级次，从而实现这两个方向的分光，此时的光栅结构实际为二维光栅结构。
为了使光栅结构等效为一维光栅，本申请中，第一距离P小于第二距离D0或，第一距离P小于投影距离D，投影距离D=D0cos，m只有0级次，即下述光栅方程在m非零时， (,)无解。
光栅方程：
对(, )求解：
光栅方程在m非零时， (, )无解，则m非零时，arcsin里面的值大于1，由此可得：
其中，为所述第三方向和所述第二方向的夹角，为入射光的波长，(,)为光束在所述波导基板内全反射传播入射到所述光栅结构的入射角和方位角，为波导折射率，D为所述投影距离。
也即，当第一距离满足上述条件时，光栅结构仅存在一个维度方向的衍射级次，等效是一维光栅。
第一距离P的取值可以在满足上述公式条件的前提下合理设定，从而避免视场能量利用率小于1，出现能量浪费。由于P的取值还受到波导折射率、入射光的波长等条件的影响，因此，在这些条件不同时，P的取值还可能会相应的有所调整和变化。例如取最常见的波导折射率和波长时，所述第一距离小于0.5倍的所述投影距离，也即P小于0.5倍的D，光栅结构仅存在一个维度方向的衍射级次，不会引入其余级次，不存在能量浪费，可以等效为一维光栅。
更进一步，扩大可能取值的波导折射率和波长范围时，第一距离小于0.4倍的所述投影距离，也即P小于0.4倍的D，可以满足上述公式条件，从而不会引入其余级次，其体现出的特性和线栅一致。
在一些实施例中，所述投影距离的数值范围在200-700nm之间，或者，进一步在200-300nm之间，或者在300nm-500nm之间，或者还可以是其他适合的数值范围。
在一些实施例中，所述周期性结构在所述第一方向上的尺寸大于或等于70nm，或者还可以是其他适合的尺寸范围。
周期性结构可以是任意适合的结构，例如周期性结构为孔状结构或者柱状结构。周期性结构的形状可以是任意适合的形状，例如周期性结构的截面形状为以下形状中的一种：圆形、椭圆形、多边形，该截面可以是与光栅结构所在表面平行的截面，该截面形状还可以是指的周期性结构在波导基板表面上的投影形状。
多边形可以是矩形、五边形、六边形或者其他不规则或者规则的多边形，其中，在一个实施例中，所述多边形包括具有倒角的多边形或者不具有倒角的多边形。
例如，如图3A所示，周期性结构的截面形状为矩形，P为150nm，D0为385nm，D为380nm,一组对边平行于第一方向，长度为75nm，另一组对边长度为125nm。
再例如，如图3B所示，周期性结构的截面形状为圆形，P为150nm，D0为380nm，D为380nm，圆形直径为100nm。
再例如，如图3C所示，周期性结构的截面形状为平行四边形，P为140nm，D0为380nm，D为380nm,一组对边平行于第一方向，长度为70nm，另一组对边为140nm，平行四边形的一个角的角度为110°。
再例如，如图3D所示，周期性结构的截面形状为平行椭圆形，P为150nm，D0为407nm，D为400nm，短轴方向平行于第一方向，短轴长度为100nm ，长轴长度为200nm。
再例如，如图3E所示，周期性结构的截面形状为具有倒角的矩形例如具有倒角的正方形，P为150nm，D0为400nm，D为400nm，一组对边平行于第一方向，长度85nm，倒角半径为7nm。
上述光栅结构200可以应用于耦出区域的部分区域，作为耦出光栅，或者，也可以应用于中继区域的部分区域，作为中继光栅。
下文将参考图4对本申请的等效一维光栅结构应用于耦出区域时的一种实现方式进行举例说明。
作为示例，参考图4和图5，耦出区域包括第一耦出区域131、第二耦出区域132和第三耦出区域133，所述第二耦出区域132位于所述第一耦出区域131和所述第三耦出区域133之间，可选地，所述第一耦出区域131和所述第三耦出区域133关于所述第二耦出区域132的中心线对称。在一些实施例中，第二耦出区域132和耦入光栅120相对。
耦出光栅130设置于耦出区域，耦出光栅130包括前述的光栅结构200和第一耦出光栅，在所述第一耦出区域131和所述第三耦出区域133的至少一者内的至少部分区域设置有前述的光栅结构200，且所述光栅结构200靠近所述耦入光栅120，所述第一耦出光栅位于所述第二耦出区域132，其中所述第一耦出光栅为二维光栅。
在一些实施例中，在第一耦出区域131或第三耦出区域133的部分区域内设置有光栅结构200时，则第一耦出区域131中除光栅结构200以外的区域可以设置一维光栅，则第三耦出区域133中除光栅结构200以外的区域可以设置一维光栅。该一维光栅在波导基板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。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。
继续参考图4，示例性地，所述第一耦出区域131包括第一子耦出区域1311和第二子耦出区域1312，其中，所述第一子耦出区域1311靠近所述耦入光栅120，所述第二子耦出区域1312远离所述耦入光栅120，所述光栅结构200位于所述第一子耦出区域1311，所述第二子耦出区域1312设置有一维光栅。
继续参考图4，示例性地，所述第三耦出区域133包括第三子耦出区域1331和第四子耦出区域1332，其中，所述第三子耦出区域1331靠近所述耦入光栅120，所述第四子耦出区域1332远离所述耦入光栅120，所述光栅结构200位于所述第三子耦出区域1331，所述第四子耦出区域1332设置有一维光栅。
值得一提的是，光栅矢量方向平行于光栅的结构周期性变化/布置所沿的方向（例如垂直于一维光栅刻线/线槽的方向，而对于本申请的光栅结构200则在光栅结构所在的平面内垂直于第一方向）并且与光栅的正一级衍射光的传播方向一致。
在一个具体实施例中，如图4所示，第一方向d1与x轴的夹角可以为25°，其中，x轴为耦入光栅的光栅矢量方向，且朝向耦出光栅为正，y轴为垂直于x轴的方向。第一子耦出区域1311内光栅结构的周期性结构为平行四边形凹孔结构，如图5所示，一组对边平行于y轴，长度可以为190nm，另一组对边平行于第一方向d1，长度为72nm，P约为144nm，D和D0相等均为370nm。该波导可用于单色绿光的图像耦入耦出，实施例中采用的波长可以为532nm，图像输入角度为沿x轴方向-16°~8°，沿y轴方向-9~9°。沿y轴方向的3~9°角度视场的光经过耦入光栅120耦入进入波导，并进行全反射向耦出光栅130传播，会传播进入至第一子耦出区域1311，光束经过第一子耦出区域1311内的光栅结构衍射分光，一部分光束向第二耦出区域132和第三耦出区域133分光传播，并在第二耦出区域132和第三耦出区域133向波导外耦出进入人眼，另一部分光束继续沿原方向反射传播进入第二子耦出区域1312。对于沿y轴方向的3~9°图像视场，沿x轴方向靠近8°的图像视场主要是通过第一子耦出区域1311的光栅结构进行分光进入第二耦出区域132和第三耦出区域133，再耦出进入人眼；对于沿y轴方向的3~9°图像视场，沿x轴方向靠近-16°的图像视场主要是通过第一子耦出区域1311的光栅结构将光传导至第二子耦出区域1312再分光进入第二耦出区域132和第三耦出区域133，再耦出进入人眼。沿x轴方向靠近8°的图像视场主要通过耦出光栅前端耦出进入人眼，一般而言耦出效率相对较高，而沿x轴方向靠近-16°的图像视场主要通过耦出光栅前端耦出进入人眼，耦出效率相对较低。为提高8°和-16°的之间的耦出效率均匀性，可以在第一子耦出区域1311设置一维光栅例如窄凹槽线栅，使得-16°视场的光线在第一子耦出区域1311有尽可能高的反射零级效率，使其能量尽可能往第二子耦出区域1312传导，该窄凹槽线栅，其槽宽为43nm，周期为370nm，深度为85nm，材料折射率为1.92，如图6A中对应曲线所示，光栅反射零级随x方向角度的从-16到8度的变化曲线(固定y方向角度为9°)，可以看到x方向靠近-16°的光栅反射零级效率明显高于8°的效率， -16°视场大部分能量都往第二子耦出区域1312传导，然而该线栅的最小线宽只有43nm，对于模板加工，纳米压印具有一定的挑战。而将本申请前述的光栅结构200应用于第一子耦出区域1311，最小线宽72nm，增大了67%，更容易加工，并在x方向角度的从-16到8度的光栅反射零级效率和上述线栅非常接近，且在靠近-16°时光栅反射零级效率比线栅更高，因此从设计光效和加工难易程度上比线栅更有优势。图6B为分光效率，可以看到本申请的结构分光效率和光栅反射零级效率的和为1，即该结构不会引入其余级次，不存在能量浪费，这个特性和线栅一致。而当第一距离P变大，不满足前文的公式时，则会引入其余级次，导致能量浪费。如图6C所示，对应的光栅结构为第一方向与x轴夹角25°，一组对边平行于y轴，长度190nm，另一对边平行于第一方向，长度72nm(对于沿着x方向的宽度是43nm为最小宽度)，P为159nm，D为370nm，即P为0.43D，部分视场能量利用率小于1，出现能量浪费。
此外，在相同最小线宽的条件，本申请的光栅结构的反射零级效率上限比线栅更高，其具有更大的效率调节能力，其周期性结构为平行四边形凹孔结构，第一方向与x轴夹角为25°，一组对边平行于y轴，长度150nm，另一组对边平行于第一方向，长度47nm(对于沿着x方向的宽度是43nm为最小宽度)，P为96nm，D为370nm，其反射零级分布如图6D所示，由此可见，本申请的光栅结构的反射零级效率上限更高，调节能力更强，如图6E所示，其光栅分光效率也更高。
在本申请的另一些实施例中，如图7所示，本申请的衍射光波导100包括耦出区域、耦入区域和中继区域140，中继光栅设置在所述波导基板110表面上或波导基板之中并位于所述中继区域140，用于使传播至其内的输入光的至少一部分通过衍射向耦出光栅分光，其中，所述中继光栅包括前述的光栅结构200。
示例性地，耦入区域中的耦入光栅120为一维光栅，中继区域中的中继光栅为一维光栅，耦出区域中的耦出光栅130可以为一维光栅。可选地，中继区域140包括第一子中继区域141和第二子中继区域142，其中，前述的光栅结构200可以设置于第一子中继区域141，所述第一子中继区域141靠近所述耦入光栅120，所述第二子中继区域142设置有一维光栅。由于第一子中继区域141中具有前述的光栅结构200，因此，相比常规的一维线栅，其在设计光效和加工难易程度上更有优势。
本申请的光栅结构其第二方向上的第二距离更大，加工更容易，且可调节参数自由度更多，有更强的效率调节能力，更有利于提升波导的光效。
另一方面，如图8所示，本申请还提供一种显示设备800，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800可以是任意的包括前述的衍射光波导100的设备，例如，如图8所示，该显示设备800可以为近眼显示设备，其可以包括：镜片820和用于将所述镜片保持为靠近眼镜的框架810，所述镜片820包括所述衍射光波导100。
根据本申请的显示设备，使得人眼在佩戴光波导显示设备后，对不同入射方向光的亮度变化的感受更加缓和，视场内的光线更加明亮，同时也避免人眼在衍射光波导的视窗中活动时观察到的图像出现较大的明暗变化，改善包括该衍射光波导的显示设备的显示效果，进而提升用户的使用体验。
在一些示例中，如图8所示，显示设备还可以包括光机830，可选地，该光机830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830可以为激光束扫描仪（Laser Beam Scanning，LBS）、数字光处理（DigitalLight 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 Mechanical System，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830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830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830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830投射到耦入区域的光的光斑面积。可选地，光机830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830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内全反射至耦出，经耦出光栅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830所投射的图像。
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 (19)
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；
光栅结构，设置在所述波导基板表面上或波导基板之中，所述光栅结构包括多个周期性结构，所述多个周期性结构沿第一方向间隔排列以及沿第二方向间隔排列，
其中，所述第二方向和所述第一方向不同，在所述第一方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第一距离小于在所述第二方向上相邻的所述周期性结构的中心之间的第二距离，所述第一距离小于所述第二距离在与所述第一方向垂直的第三方向上的投影距离，且所述第三方向平行于所述光栅结构所在平面，所述第一距离为P，P还满足以下关系式：
其中，为所述第三方向和所述第二方向的夹角，为入射光的波长，(,)为光束在所述波导基板内全反射传播入射到所述光栅结构的入射角和方位角，为波导折射率，D为所述投影距离，所述光栅结构等效于光栅矢量沿所述第一方向的垂直方向的一维光栅，所述垂直方向与所述光栅结构所在平面平行。
2.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一距离小于0.5倍的所述投影距离。
3.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一距离小于0.4倍的所述投影距离。
4.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述投影距离的数值范围在200-700nm之间。
5.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述周期性结构在所述第一方向上的尺寸大于或等于70nm。
6.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述周期性结构为孔状结构或者柱状结构。
7.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述周期性结构的截面形状为以下形状中的一种：圆形、椭圆形、多边形。
8.如权利要求7所述的衍射光波导，其特征在于，所述多边形包括具有倒角的多边形或者不具有倒角的多边形。
9.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述波导基板包括耦入区域和耦出区域，所述耦出区域包括第一耦出区域、第二耦出区域和第三耦出区域，所述第二耦出区域位于所述第一耦出区域和所述第三耦出区域之间，所述衍射光波导还包括：
耦入光栅，设置在所述波导基板表面上或波导基板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，
耦出光栅，设置在所述波导基板表面上或波导基板之中并位于所述耦出区域，用于使传播至其内的输入光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出，其中，所述耦出光栅包括所述光栅结构和第一耦出光栅，在所述第一耦出区域和所述第三耦出区域的至少一者内的至少部分区域设置有所述光栅结构，且所述光栅结构靠近所述耦入光栅，所述第一耦出光栅位于所述第二耦出区域，其中所述第一耦出光栅为二维光栅。
10.如权利要求9所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一耦出区域包括第一子耦出区域和第二子耦出区域，其中，所述第一子耦出区域靠近所述耦入光栅，所述第二子耦出区域远离所述耦入光栅，所述光栅结构位于所述第一子耦出区域，所述第二子耦出区域设置有一维光栅。
11.如权利要求9所述的衍射光波导，其特征在于，所述第三耦出区域包括第三子耦出区域和第四子耦出区域，其中，所述第三子耦出区域靠近所述耦入光栅，所述第四子耦出区域远离所述耦入光栅，所述光栅结构位于所述第三子耦出区域，所述第四子耦出区域设置有一维光栅。
12.如权利要求9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三耦出区域关于所述第二耦出区域的中心线对称。
13.如权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述波导基板包括耦入区域、中继区域和耦出区域，
耦入光栅，设置在所述波导基板表面上或波导基板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，
中继光栅，设置在所述波导基板表面上或波导基板之中并位于所述中继区域，用于使传播至其内的输入光的至少一部分通过衍射向耦出光栅分光，其中，所述中继光栅包括所述光栅结构；
耦出光栅，设置在所述波导基板表面上或波导基板之中并位于所述耦出区域，用于使传播至其内的输入光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出。
14.如权利要求13所述的衍射光波导，其特征在于，所述中继区域包括第一子中继区域和第二子中继区域，其中，所述光栅结构设置于所述第一子中继区域，所述第一子中继区域靠近所述耦入光栅，所述第二子中继区域设置有一维光栅。
15.如权利要求1至14中任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述光栅结构在与所述第一方向垂直的第三方向上存在衍射级次，在所述第一方向上的衍射级次为倏逝波，其中所述第三方向还平行于所述光栅结构所在平面。
16.一种显示设备，其特征在于，包括：
如权利要求1至15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耦入光栅投射。
17.如权利要求16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。
18.如权利要求16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。
19.如权利要求16至18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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230626 Address after: 8 / F, building 3, 1156 Gaoqiao Avenue, Tongxiang City, Jiaxing City, Zhejiang Province, 314500 Patentee 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 Patentee before: BEIJING THETO OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO.,LTD. |
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| TR01 | Transfer of patent right |