CN115793130B - 用于图像显示的光学波导装置及具有其的显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于图像显示的光学波导装置以及显示设备。该光学波导装置包括设置在波导基板上的耦入光栅和耦出光栅，耦出光栅用于将沿输入方向传播到其中的光的至少一部分从波导基板耦出，其具有沿输入方向位于上游的接收端和位于下游的耦出端，接收端分为第一光栅区、第二光栅区和在垂直于输入方向的宽度方向上位于第一和第二接收区之间的空白区。该空白区的设置可以避免该中央部分的光过早地被耦出光栅衍射分光而造成相当一部分光能量不能进入有效耦出区域ec，从而在确保向视窗范围内的有效耦出的情况下减小光能量损失，最大化地提高耦出效率，提升光学波导装置的光效。

Description

用于图像显示的光学波导装置及具有其的显示设备

技术领域

本发明涉及基于衍射的显示技术，特别是用于图像显示的光学波导装置及具有该光学波导装置的显示设备。

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，其主要特点是将虚拟画面叠加在现实场景之上，可以实现让人们在观看虚拟画面的同时还可以观看现实场景。

光学波导装置是目前实现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，有的情况下还进一步包括转折光栅。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。

用于图像显示的光学波导装置中对耦出光栅进行分区可以帮助提升光耦出效率和出射光场的均匀性。现有分区技术中有规则形状分区的，也有随机分区的，这些分区方式能够一定程度上提升波导的光效。然而，这些分区方式并没有考虑视窗(eyebox)位置的影响。事实上，希望光学波导装置传输和耦出的能量尽可能地往视窗里集中，这样才能最大化进入眼睛的能量。因此，用于图像显示的光学波导装置尚有待于进一步改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于图像显示的光学波导装置以及具有该光学波导装置的显示设备，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，提供了一种用于图像显示的光学波导装置，其包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅，其中，所述耦入光栅配置为将载有图像信息的光耦合到所述波导基板中以使之通过全内反射传播；所述耦出光栅用于将直接或经转折光栅从所述耦入光栅沿输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，其具有沿所述输入方向位于上游的接收端和位于下游的耦出端，所述接收端用于接收来自所述耦入光栅的光并引导光向所述耦出端的传播，所述耦出端用于在引导光的传播的同时将光朝向视窗耦出，其中，所述接收端分为三个区域，所述三个区域包括第一光栅区、第二光栅区和在垂直于所述输入方向的宽度方向上位于所述第一光栅区和所述第二光栅区之间的空白区。

在一些实施例中，所述视窗在所述耦出光栅上投影得到视窗投影区，来自所述耦入光栅的光经过转折光栅或直接传播到所述耦出光栅，其中：当所述耦入光栅的光经转折光栅传播到所述耦出光栅时，所述转折光栅与所述耦出端或所述视窗投影区的中心连线穿过所述空白区；当所述耦入光栅的光直接传播到所述耦出光栅时，耦入光栅与所述耦出端或所述视窗投影区的中心连线穿过所述空白区。

有利地，所述空白区具有所述宽度方向上的第一平均宽度，所述接收端具有所述宽度方向上的第二平均宽度，所述第一平均宽度小于所述第二平均宽度的50％。

有利地，所述第一平均宽度在所述第二平均宽度的15％～40％的范围内。

有利地，所述空白区具有沿所述输入方向变小的宽度。

有利地，所述空白区可以具有矩形、梯形、三角形或有着台阶状侧边的形状。

有利地，所述第一光栅区与所述第二光栅区是彼此分离的，使得来自所述空白区朝向来自所述耦入光栅的光是敞开的。

在一些实施例中，所述耦入光栅相对于所述耦出光栅的所述耦出端大致对中布置，并且所述第一光栅区与所述第二光栅区关于所述中心连线对称。

在一些实施例中，所述耦出光栅的耦出端具有大致四边形的形状，所述四边形具有沿所述输入方向位于上游和下游的两个顶边和连接在所述两个顶边之间的两个侧边以及沿输入方向位于上游的第一角部和第二角部，所述耦出光栅构造为所述四边形的所述侧边相对于所述输入方向倾斜，使得所述四边形的靠近所述第一光栅区的第一角部比所述四边形的靠近所述第二光栅区的第二角部更加远离所述中心连线。

有利地，以所述中心连线为分割线，所述空白区分为靠近所述第一光栅区的第一空白区和靠近所述第二光栅区的第二空白区，所述第一空白区的平均宽度大于所述第二空白区的平均宽度。

有利地，在所述输入方向上，所述第一光栅区的长度小于所述第二光栅区的长度。

在一些实施例中，所述输入光在所述波导基板的平面内以相对于一中心线逐渐发散的全反射传播路径传播到所述耦出光栅，所述中心线平行于所述输入方向并穿过所述空白区。

在一些实施例中，所述耦入光栅相对于所述耦出光栅的所述耦出端大致对中布置，并且所述第一光栅区与所述第二光栅区关于所述中心线对称。

在一些实施例中，以所述中心连线为分割线，所述空白区分为靠近所述第一光栅区的第一空白区和靠近所述第二光栅区的第二空白区，所述第一空白区的平均宽度大于所述第二空白区的平均宽度，并且在所述输入方向上，所述第一光栅区的位置相对于所述第二光栅区向后偏移。

有利地，所述接收端具有沿着所述输入方向逐渐增大的宽度。

有利地，所述接收端具有沿所述输入方向位于上游的顶端和位于下游的底端，所述底端的宽度小于所述耦出端的宽度。

有利地，所述第一光栅区中形成有第一一维光栅，所述第二光栅区中形成有第二一维光栅，所述第一一维光栅的光栅矢量和所述第二一维光栅的光栅矢量相对于所述输入方向朝向彼此相反的方向偏转。

在一些实施例中，所述耦入光栅为一维光栅。

根据本发明的另一个方面，提供了一种显示设备，其包括如上所述的光学波导装置。

在一些实施例中，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，所述镜片包括所述光学波导装置。

在一些实施例中，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。

根据本发明实施例，耦出光栅的接收端的空白区用于接收来自耦入光栅的光中的大致中间位置上的光，以在确保向视窗范围内的有效耦出的情况下减小光能量损失，从而最大化地提高耦出效率，提升光学波导装置的光效。

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为用于图像显示的光学波导装置的光输入和输出的立体示意图；

图2示意性地示出了在来自耦入光栅的光的全反射传播路径中位于边缘的光线进入耦出光栅后的光传播情况；

图3示意性地示出了在来自耦入光栅的光的全反射传播路径中位于中央的光线进入耦出光栅后的光传播情况；

图4为根据本发明实施例一的用于图像显示的光学波导装置的一示例的示意图；

图5示出了仿真计算所基于的光学波导装置的五种光栅配置；

图6、图7、图8和图9分别示出了在不同光栅配置情况下在视窗的中央位置和前角位置得到的视场角范围内的光强分布仿真图；

图10为可用于根据本发明实施例的光学波导装置的耦出光栅的不同示例的示意图，其中空白区具有不同的形状；

图11为可用于根据本发明实施例的光学波导装置的耦出光栅的不同示例的示意图，其中空白区具有不同的长度；

图12为可用于根据本发明实施例的光学波导装置的耦出光栅的不同示例的示意图，其中，耦出光栅具有不同的光栅组合；

图13为根据本发明实施例二的用于图像显示的光学波导装置的一示例的示意图；

图14为根据本发明实施例二的用于图像显示的光学波导装置的另一示例的示意图；

图15为根据本发明实施例二的用于图像显示的光学波导装置的又一示例的示意图；

图16为根据本发明实施例二的用于图像显示的光学波导装置的再一示例的示意图；和

图17为根据本发明实施例三的用于图像显示的光学波导装置的一示例的示意图。

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。

本发明是基于对光学波导装置中光的传播路径及其与视窗之间的关系的深入研究和认识而做出的。为了便于理解，首先参照图1至图3对此进行介绍。

图1以立体图示意性地示出了光学波导装置的光输入和输出。图1所示光学波导装置中形成有耦入光栅1和耦出光栅2，载有图像信息的入射光in照射到耦入光栅1上，经耦入光栅1的衍射作用形成通过全内反射在波导基板3中朝向耦出光栅2传播的输入光。输入光在波导基板3的平面内以相对于一中心线c-c逐渐发散的全反射传播路径T传播到耦出光栅2。该中心线c-c对应的是入射光的视场中心的光线在波导基板3中的传播路径。图1中所示虚线框EB表示的是视窗，该视窗EB与波导基板3的表面相距一定距离(即出瞳距离)；从耦出光栅2耦出的、还原图像信息的光相对于波导基板3的表面以预定角度投射到视窗EB中；图1中所示虚线框ec表示的是能够以预定角度将光投射到视窗EB中的有效耦出区域。耦出光栅中有效耦出区域以外的区域也可以向波导基板外耦出光线，但是这些光线不能进入视窗EB，因此不能被用于所希望的图像显示，会造成光能量的浪费。应该理解的是，对应于图像中的不同像点，上述预定角度和有效耦出区域均是变化的。

为了便于图示，在其它附图中仅以视窗在耦出光栅上的平面投影位置示出视窗EB。

图2示意性地示出了在来自耦入光栅的光的全反射传播路径中位于边缘的光线L1进入耦出光栅后的光传播情况。以耦出光栅2为二维光栅为例，如图2所示，光线L1进入耦出光栅2后在不同光栅矢量的衍射作用下，形成第一分光g1和第二分光g2以及保持原方向传播的全反射光t。从图2可以看到，光线L1在耦出光栅2中至少要沿中心线方向传播距离d1才能覆盖与光线L1对应的有效耦出区ec1。

图3示意性地示出了在来自耦入光栅的光的全反射传播路径中位于中央的光线L2进入耦出光栅后的光传播情况。光线L2进入耦出光栅后在不同光栅矢量的衍射作用下，形成第一分光g1’和第二分光g2’(见图3)以及保持原方向传播的全反射光t(未示出)。从图3可以看到，光线L2在耦出光栅2中沿中心线方向仅传播距离d2即能覆盖与光线L2对应的有效耦出区ec2。

通过以上研究和分析进一步发现：如果来自耦入光栅的光的全反射传播路径中位于中央的光线在图3中虚线圆圈所示位置首次进入耦出光栅，则光在耦出光栅的衍射作用下可以传播并覆盖有效耦出区ec2，并且可以减少光在到达虚线圆圈所示位置之前由于所产生的第一分光g1’和第二分光g2’而被浪费的光能量。

基于上述研究和发现，根据本发明实施例提供了一种用于图像显示的光学波导装置，其中耦出光栅具有沿来自耦入光栅的光的输入方向位于上游的接收端和位于下游的耦出端，接收端用于接收来自耦入光栅的光并引导光向耦出端的传播，耦出端用于在引导光的传播的同时将光朝向视窗耦出，其中接收端分为三个区域，这三个区域包括第一光栅区、第二光栅区和在垂直于输入方向的宽度方向上位于第一光栅区和第二光栅区之间的空白区。根据本发明实施例，该空白区用于接收来自耦入光栅的光中的大致中间位置上的光(例如沿着中心线c-c传播的光)，以在确保向视窗范围内的有效耦出的情况下减小光能量损失，从而最大化地提高耦出效率，提升光学波导装置的光效。

下面参照附图详细介绍根据本发明实施例的光学波导装置。

图4为根据本发明实施例一的用于图像显示的光学波导装置的一示例的示意图。如图4所示，根据本发明实施例一的光学波导装置10包括波导基板10a和设置在波导基板10a上的耦入光栅11和耦出光栅100。

耦入光栅11配置为将载有图像信息的光耦合到波导基板10a中以使之通过全内反射传播。光在波导基板10a的平面内以相对于一中心线c-c逐渐发散的全反射传播路径T传播到耦出光栅100。

耦出光栅100用于将从耦入光栅11沿输入方向(图中所示x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。这里，“输入方向”可以根据光向耦出光栅传播时所沿的全反射传播路径的中心线c-c来确定。尽管来自耦入光栅的光在朝向耦出光栅传播时的传播方向具有一定的发散度，但是上述中心线所确定的“输入方向”可以在整体上表示光向耦出光栅输入的方向。

根据本发明实施例，耦出光栅100具有沿输入方向(x方向)位于上游的接收端110和位于下游的耦出端120，接收端110用于接收来自耦入光栅11的光并引导光向耦出端120的传播，耦出端用于在引导光的传播的同时将光朝向视窗EB耦出。如图4所示，根据本发明实施例，接收端110分为三个区域，这三个区域包括第一光栅区111、第二光栅区112和在垂直于输入方向的宽度方向(y方向)上位于第一光栅区111和第二光栅区112之间的空白区113。

根据本发明实施例，由于耦出光栅100的接收端110分为第一光栅区111、第二光栅区112和空白区113三个区域，并且空白区113设置在第一光栅区111和第二光栅区112之间，所以来自耦入光栅11的光在被耦出光栅100接收时，其位于全反射传播路径中央部分的光会经由空白区113进入耦出光栅100。如图4所示，全反射传播路径的中心线c-c穿过空白区113。

根据上文中介绍的研究和分析可以知道，该空白区的设置可以避免该中央部分的光过早地被耦出光栅衍射分光而造成相当一部分光能量不能进入有效耦出区域ec，从而在确保向视窗范围内的有效耦出的情况下减小光能量损失，最大化地提高耦出效率，提升光学波导装置的光效。

在图4所示示例中，视窗EB在耦出光栅100上投影得到视窗投影区P(图示中视窗EB与其视窗投影区P是重合的)，并且耦入光栅11的中心C1与耦出端120或视窗投影区P的中心C2的中心连线穿过空白区113。根据所显示图像的视场角范围，该中心连线与中心线c-c可以重合或基本上重合。

根据本实施例，优选地，耦入光栅11相对于耦出光栅100的耦出端120大致对中布置，并且第一光栅区111与第二光栅区112关于上述中心连线对称。

优选地，接收端110具有沿着输入方向(x方向)逐渐增大的宽度。特别是，接收端110的外侧边缘(即图4所示第一光栅区111的外侧边缘111a和第二光栅区112的外侧边缘112a)与全反射传播路径T的边缘基本上重合或相对于后者略微向外偏移，以有效接收来自耦入光栅的光，并同时减小光栅面积，降低制造成本。

此外，接收端110具有沿输入方向(x方向)位于上游的顶端(朝向耦入光栅11的一端)和位于下游的底端(与耦出端毗邻的一端)；优选地，如图4所示，接收端110的底端的宽度小于耦出端120的宽度。这样可以尽可能减小耦出光栅100中不能为所希望的图像显示提供帮助的光栅面积，从而降低光学波导装置的制造成本。

应该理解的是，本发明并不限于上述接收端的宽度沿着输入方向逐渐增大以及/或者接收端的底端宽度小于耦出端的宽度的情形；换句话说，根据本发明实施例，在能够有效地接收来自耦入光栅的光的情况下，耦出光栅的接收端的宽度可以沿着输入方向保持均匀甚至是缩小的，而接收端的底端的宽度也可以大于或者等于耦出端的宽度。例如，耦出光栅可以整体上具有均一的宽度，从而具有大致矩形的外轮廓。

进一步地，通过控制空白区在接收端中所占的宽度比例，可以调节视窗中不同位置上的光耦出效率和所观察到的图像的光强度分布均匀性。有利地，空白区具有宽度方向(图中所示y方向)上的第一平均宽度，接收端具有宽度方向上的第二平均宽度，第一平均宽度小于第二平均宽度的50％。优选地，第一平均宽度在第二平均宽度的15％～40％的范围内，从而既能显著提升视场平均效率，也能兼顾良好的均匀性。

优选地，空白区具有沿输入方向变小的宽度。

为了说明根据本发明实施例的光学波导装置在光耦出效率和均匀性方面的技术效果以及空白区的形状和尺寸的影响，下面将给出仿真计算的数据例。

(数据例)

数据例中，照射到耦入光栅11上的入射光束的波长为530nm，光束直径为4mm，光束中心正对耦入光栅中心，视场角范围为：相对于XY平面的法线在绕X轴线(平行于输入方向/x方向)的方向上的视场角FOVX在-12°～12°，相对于XY平面的法线在绕Y轴线(平行于宽度方向/y方向)的方向上的视场角FOVY在-9°～9°。

数据例中，波导基板的折射率为1.915，厚度为1mm；耦入光栅为一维光栅，光栅周期为420nm；耦出光栅为二维光栅，具有菱形孔状光学单元结构(如图5中虚线引出框中的示意性放大图所示)，晶格周期为840nm×392nm，菱形的边长308nm，锐角顶角为50°，深度为57nm。经计算，入射光束经耦入光栅耦合后朝向耦出光栅传播的全反射传播路径T在耦出光栅的接收端的顶端(沿输入方向位于上游的一端)处的宽度为6.5mm，在接收端的底端(沿输入方向位于下游的一端)处的宽度为7.6mm，平均宽度(第三平均宽度)为7.05mm。

图5示出了五种不同的光栅配置(a)、(b)、(c)、(d)、(e)，彼此之间仅耦出光栅的接收端的空白区不同。具体地，光栅配置(a)中，耦出光栅的接收端不具有中间空白区；光栅配置(b)、(c)、(d)、(e)中，空白区分别具有上大下小的三角形形状、上大下小的梯形形状、上小下大的梯形形状和矩形形状。上述形状的描述中以朝向耦入光栅的方向为“上”，以朝向耦出光栅的耦出端的方向为“下”。光栅配置(b)、(c)、(d)、(e)具有与光栅配置(a)中所示相同的尺寸，在此不再赘述。

数据例中，假设视窗EB的大小为15mm×10mm，出瞳距离(视窗距离波导基板的距离)为18mm，眼睛瞳孔的直径为4mm，针对具有图5所示不同光栅配置的光学波导装置，采用不同的w1和w2参数值，分别计算眼睛在视窗中心位置(见图5中标号“①”所标示的位置)和靠近接收端的视窗前角位置(见图5中标号“②”所标示的位置)获得的光效情况，包括平均耦出效率和非均匀性。仿真计算得到的不同的光栅配置下在视窗中心位置和视窗前角位置的平均耦出效率和非均匀性指标如表1所示：

[表1]

表1中，配置(b1)和(b2)均对应于图5所示光栅配置(b)，不同的是其中的空白区三角形形状的宽度w1分别为4mm和6mm；配置(e1)～(e5)均对应于图5所示光栅配置(e)，不同的是其中的空白区矩形形状的宽度w2分别为3mm、4mm、5mm、5.5mm和7.05mm。

表中，“宽度占比1”指的是空白区的第一平均宽度与全反射传播路径T在耦出光栅的接收端的顶端与底端之间的第三平均宽度的比值；“宽度占比2”指的是空白区的第一平均宽度与接收端的第二平均宽度的比值。

表1中，“平均效率”为相应的视窗位置上各个视场角度上的光强度的平均值与光栅结构的耦入光的光强度的比值，平均效率的值(eff)越大说明该视窗位置上的耦出效率越高；“边角视场效率”指的是视场角FOVX在11～12°，视场角FOVY在8～9°的视场边角位置上的平均耦出效率；“非均匀性”为相应的视窗位置上视场中的最高光强值与最低光强值的比值。非均匀性的值(uni)越小说明该视窗位置上的视场内均匀性越好。

图6、图7、图8和图9分别示出了在不同光栅配置情况下的视场角范围内的光强分布仿真图，其中各图中的左侧图形示出的是视窗中心位置上得到的光强分布图，右侧图形示出的是视窗前角位置得到的光强分布图。各图中，右侧图形中右下角的圆圈大致标示了视场角FOVX在11～12°，视场角FOVY在8～9°的视场边角位置。

对光学波导装置而言，视窗的大小范围是为了能适用不同瞳距的人群，并且能提供一定的眼动范围容差。对于光效好的光学波导装置，希望人眼处于视窗内的各个位置时，都有比较高的光耦合效率和比较低的非均匀性。一般而言，希望视窗中心位置(见图5中标号“①”所标示的位置)的视场平均效率越高越好，非均匀性越小越好；同时希望视窗边缘位置(包括视窗前角位置，见图5中标号“②”所标示的位置)的视场不要过暗。

从表1以及图6至图9所示仿真结果来看，相对于没有空白区的光栅配置(a)，光栅配置(b1)中空白区的第一平均宽度为2mm(宽度占比1为28.5％，宽度占比2为18％)，视窗中心位置的平均效率提升26％，视窗前角位置的平均效率提升22％，提升幅度明显，已经具有显著的光效改善。

同时，可以看到，空白区的第一平均宽度越大，视窗中心位置的平均效率和均匀性整体上越来越好，视窗前角位置的平均效率也会越高；但是空白区的第一平均宽度过大，会导致视窗前角位置的边角视场效率((11°，8°)～(12°，9°)视场效率)严重降低，也会使非均匀性变大，这会影响实际使用。当在光栅配置(e4)中空白区的第一平均宽度达到5.5mm(宽度占比1为79％，宽度占比2为49％)时，视窗前角位置观测到的视场的非均匀性开始明显变差，边角视场开始出现明显的暗区。一般要求视窗边角视场(包括视窗前角视场)的非均匀性小于8，以满足良好使用的需求。所以，根据本发明实施例，空白区的第一平均宽度选择为使得宽度占比1小于75％范围，宽度占比2小于50％；优选地，宽度占比1在20％～70％，宽度占比2在15％～40％。在能够预先确定光学波导装置所要适用的入射光束的参数的情况下，优选根据宽度占比1确定空白区的第一平均宽度。在不确定光学波导装置所要使用的入射光束的参数的情况下，根据上述选择/优化的宽度占比2确定空白区的第一平均宽度，有利于在确定的接收端的第二平均宽度的情况下优化空白区，从而提升光学波导装置的光效；应该理解，接收端的宽度影响接收端的光栅区的大小，从而影响制造成本，所以在确定的接收端宽度下优化空白区意味着在控制制造成本的情况下对光学波导装置的性能进行优化，这对于光学波导装置的生产制造是非常有利的。

此外，结合参照表1和图7，可以看到，对于空白区的第一平均宽度相同的光栅配置(c)和光栅配置(d)，视窗中心位置和视窗前角位置的视场平均效率接近，非均匀性也接近，但视窗前角位置上得到的视场边角位置的平均效率(即“(11°，8°)～(12°，9°)视场效率”)会有所差异，空白区具有上大下小的梯形形状的光栅配置(c)的上述视场边角位置的平均效率更高，所以可以认为配置(c)相对而言更优。换句话说，根据本发明实施例，优选空白区的第一平均宽度沿输入方向变小，这样有利于提高视场边角位置的耦出效率。

除了图5示出的可用于根据本发明实施例的光学波导装置的空白区形状以外，如图10所示，根据本发明实施例的光学波导装置中，空白区还可以具有有着台阶状侧边的形状(见图10中的耦出光栅图形(f))、矩形与三角形组合的形状(见图10中的耦出光栅图形(g))、弧形凹口形状(见图10中的耦出光栅图形(h))。上述空白区朝向来自耦入光栅的光敞开，从而在耦出光栅的接收端的顶端将第一光栅区与第二光栅区分开。然而，在一些情况下，也可以将空白区形成为在接收端的顶端近似封闭，例如如图10中图形(i)所示的上小下大的三角形形状和图形(j)所示的与顶端基本上相切的圆形形状。

根据本发明实施例的光学波导装置中，耦出光栅接收端的空白区还可以在输入方向上具有不同的长度，例如图11中左侧图形所示，空白区的长度可以比整个接收端的长度小，或者如图11中右侧图形所示空白区的长度可以比整个接收端的长度大。

此外，根据本发明实施例的光学波导装置中，耦出光栅可以具有不同的光栅组合。图12示意性地示出了有利于提高光耦出效率和均匀性的耦出光栅中光栅组合的优选示例。

图12所示耦出光栅100A中，第一光栅区111中形成有第一一维光栅，第二光栅区112中形成有第二一维光栅，并且第一一维光栅的光栅矢量和第二一维光栅的光栅矢量相对于输入方向朝向彼此相反的方向偏转。第一光栅区111和第二光栅区112采用上述一维光栅，可以加强在这两个区域中的单侧分光作用并抑制向波导基板外的光耦出，减小光能量损失，从而提高光学波导装置的耦出效率。

图12所示耦出光栅100B中，耦出端分为在宽度方向上位于中间的第一耦出区121和位于其两侧的第二耦出区122和第三耦出区123，其中第一耦出区121形成有二维光栅，第二耦出区122和第三耦出区123分别与接收端的第一光栅区111和第二光栅区112形成有相同的光栅。例如，第二耦出区122和第一光栅区111中以及第三耦出区123和第二光栅区112中可以分别形成有以上参照耦出光栅100A介绍的第一一维光栅和第二一维光栅。或者，在另一种实现方式中，第二耦出区122和第一光栅区111中形成有第一调制二维光栅，第三耦出区123和第二光栅区112中形成有第二调制二维光栅，第一调制二维光栅和第二调制二维光栅具有与第一耦出区121中的二维光栅相同的光栅矢量，但是第一调制二维光栅朝向第三耦出区123分光的能力比朝向相反一侧分光的能力更强，同样地，第二调制二维光栅朝向第二耦出区122分光的能力比朝向相反一侧分光的能力更强。

图12所示耦出光栅100C中，耦出端分为在宽度方向上位于中间的第一耦出区121和位于最外侧的第二耦出区122、第三耦出区123以及位于第一耦出区121与第二耦出区122之间的第四耦出区124和位于第一耦出区121与第三耦出区123之间的第五耦出区125。优选地，第二耦出区122和第一光栅区111中以及第三耦出区123和第二光栅区112中分别形成有以上参照耦出光栅100A介绍的第一一维光栅和第二一维光栅，第四耦出区124和第一光栅区111中形成有第一调制二维光栅，第五耦出区125和第二光栅区112中形成有第二调制二维光栅，第一调制二维光栅和第二调制二维光栅具有与第一耦出区121中的二维光栅相同的光栅矢量，但是第一调制二维光栅朝向第三耦出区123分光的能力比朝向相反一侧分光的能力更强，同样地，第二调制二维光栅朝向第二耦出区122分光的能力比朝向相反一侧分光的能力更强。

根据本发明实施例一的光学波导装置中，矩形视窗EB的侧边大致与输入方向平行。但是，本发明并不限于这种平行的情况。接下来，参照图13至图16介绍根据本发明实施例二的光学波导装置，其中矩形视窗E的侧边与输入方向不平行。

图13为根据本发明实施例二的用于图像显示的光学波导装置的一示例的示意图。如图13所示，根据实施例二的光学波导装置20包括波导基板20a和设置在波导基板20a上的耦入光栅21和耦出光栅200。

耦入光栅21配置为将载有图像信息的光耦合到波导基板20a中以使之通过全内反射传播。光在波导基板20a的平面内以相对于一中心线c-c逐渐发散的全反射传播路径T传播到耦出光栅200。

耦出光栅200用于将从耦入光栅21沿输入方向(图中所示x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。这里，“输入方向”可以根据光向耦出光栅传播时所沿的全反射传播路径的中心线c-c来确定。

根据本发明实施例，耦出光栅200具有沿输入方向(x方向)位于上游的接收端210和位于下游的耦出端220，接收端210用于接收来自耦入光栅11的光并引导光向耦出端220的传播，耦出端用于在引导光的传播的同时将光朝向视窗EB耦出。如图13所示，根据本发明实施例，接收端210分为三个区域，这三个区域包括第一光栅区211、第二光栅区212和在垂直于输入方向的宽度方向(y方向)上位于第一光栅区211和第二光栅区212之间的空白区213。

根据本发明实施例，由于耦出光栅200的接收端210分为第一光栅区211、第二光栅区212和空白区213三个区域，并且空白区213设置在第一光栅区211和第二光栅区212之间，所以来自耦入光栅21的光在被耦出光栅200接收时，其位于全反射传播路径中央部分的光会经由空白区213进入耦出光栅200。如图13所示，全反射传播路径T的中心线c-c穿过空白区213。

与根据本发明实施例一的光学波导装置10中相同，在光学波导装置20中，空白区的设置可以避免中央部分的光过早地被耦出光栅衍射分光而造成相当一部分光能量被损失掉，从而最大化地提高耦出效率，提升光学波导装置的光效。

在图13所示示例中，视窗EB在耦出光栅200上投影得到视窗投影区P(图示中视窗EB与其视窗投影区P是重合的)，并且耦入光栅21的中心C1与耦出端120或视窗投影区P的中心C2的中心连线C1-C2穿过空白区213。根据所显示图像的视场角范围，该中心连线C1-C2与中心线c-c可以重合或基本上重合。

在图13所示示例中，以上述中心连线C1-C2为分割线，空白区213分为靠近第一光栅区211的第一空白区213a和靠近第二光栅区212的第二空白区213b。优选地，第一空白区213a的平均宽度大于第二空白区213b的平均宽度，并且在输入方向(x方向)上，第一光栅区211的位置相对于第二光栅区212向后(向下游)偏移。

在如图13所示示例中，耦出光栅200的耦出端220具有大致矩形的形状，矩形具有沿输入方向位于上游和下游的两个顶边和连接在两个顶边之间的两个侧边以及沿输入方向位于上游的第一角部220a和第二角部220b，耦出光栅200构造为矩形的侧边相对于输入方向倾斜，使得矩形的靠近第一光栅区211的第一角部220a比矩形的靠近第二光栅区212的第二角部220b更加远离中心连线C1-C2。优选地，靠近第一光栅区211的第一空白区213a的平均宽度大于靠近第二光栅区212的第二空白区213b的平均宽度。

优选地，接收端210具有沿着输入方向(x方向)逐渐增大的宽度。特别是，接收端210的外侧边缘与全反射传播路径T的边缘基本上重合或相对于后者略微向外偏移(具有较宽的宽度)，以有效接收来自耦入光栅的光，并同时减小光栅面积，降低制造成本。

此外，接收端210具有沿输入方向(x方向)位于上游的顶端(朝向耦入光栅21的一端)和位于下游的底端(与耦出端毗邻的一端)；优选地，如图13所示，接收端210的底端的宽度小于耦出端220的宽度。这样可以尽可能减小耦出光栅200中不能为所希望的图像显示提供帮助的光栅面积，从而降低光学波导装置的制造成本。

与实施例一中类似，在根据实施例二的光学波导装置中，可以进一步通过控制空白区在接收端中所占的宽度比例，可以调节视窗中不同位置上的光耦出效率和所观察到的图像的光强度分布均匀性。有利地，空白区具有宽度方向(图中所示y方向)上的第一平均宽度，接收端具有宽度方向上的第二平均宽度，第一平均宽度小于第二平均宽度的50％。优选地，第一平均宽度在第二平均宽度的15％～40％的范围内。优选地，空白区具有沿输入方向变小的宽度。

图14为根据本发明实施例二的用于图像显示的光学波导装置的另一示例的示意图。图14所示光学波导装置20A与图13所示光学波导装置20具有基本上相同的结构，不同之处在于：光学波导装置20A中，接收端210进一步根据光在耦出光栅中的传播路径进行了优化，使得在输入方向上，第一光栅区211的长度小于第二光栅区212的长度。

与根据本发明实施例一的光学波导装置相同，根据实施例二的光学波导装置中耦出光栅的接收端的空白区可以具有不同的形状、长度，并且耦出光栅可以具有不同的光栅组合。仅为示例目的，图15和图16示出了根据本发明实施例二的光学波导装置的另外两个示例，即光学波导装置20B、20C。

图15所示示例中，空白区213具有有着台阶状侧边的形状。不仅如此，可以看到，接收端210的外侧边缘也可以是台阶状的。

图16所示示例中，可以看到，耦出光栅的耦出端的形状并不限于之前各图所示的局限性，而是可以为非对称的，可以不为矩形以外的四边形形状。特别是在视窗EB的侧边与输入方向不平行的情况下，这种非对称的耦出端形状是有利的。在光学波导装置用于视场范围较大或视窗较大的图像显示时，耦出端220的非矩形形状可以根据两侧最大视场角度FOVX对应的光传播路径的位置来确定。

仅作为示例，图15所示耦出光栅200B与图16所示耦出光栅200C中采用了与图12所示耦出光栅100C中相同的光栅组合；它们也可以采用其它光栅组合，在此不再赘述。

此外，如图16所示，可以在根据本发明实施例的光学波导装置中，在耦出光栅的不同区域设置不具有光栅结构的微型空白区v，以帮助调节不同区域中的光传播和耦出效率，以实现所期望的耦出效率和均匀性。这种微型空白区v也可以应用在根据本发明其它实施例的光学波导装置的耦出光栅中。然而，应该理解的是，这种微型空白区与根据本发明实施例中设置在耦出光栅接收端的中间位置的空白区113、213在尺寸大小、设置位置和所起的作用上是存在实质的区别的。具体而言，根据本发明实施例的光学波导装置中，空白区设置在非用于向视窗进行耦出的接收端的大致中间位置，尺寸可以根据光学波导装置的入射光束而确定，通常可以具有显著大于人眼瞳孔面积的大小，用于消除来自耦入光栅的、在全反射传播路径中处于中央位置的光的分光和耦出造成的光能量损失。微型空白区的尺寸一般控制在人眼瞳孔面积以下，通常大约小于2mm×2mm，太大会导致该区域耦出缺失面积太大而影响人眼体验，且微型空白区的位置分布较为随机，数量一般为多个，分布密度通常沿着输入方向减小，其并不针对全反射传播路径中位于中央的光而设置，也并非针对性地用于减小这部分光的分光损失。

最后，参照图17介绍根据本发明实施例三的光学波导装置。如图图17所示，根据本发明实施例三的光学波导装置30与根据本发明实施例一的光学波导装置10具有基本上相同的结构，其中光学波导装置30包括波导基板30a和设置在波导基板30a上的耦入光栅31和耦出光栅300；耦出光栅300具有接收端310和耦出端320，接收端310分为第一光栅区311、第二光栅区312和位于两者之间的空白区313。光学波导装置30与光学波导装置10的不同之处在于：光学波导装置30还包括转折光栅32，来自耦入光栅31的光经转折光栅32传播到耦出光栅300。

如图17所示，输入光在波导基板30a的平面内以相对于中心线c-c逐渐发散的全反射传播路径T传播到耦出光栅300，中心线c-c穿过空白区313。

根据本发明实施例的光学波导装置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学波导装置。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 (21)

1.一种用于图像显示的光学波导装置，包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅，其中，

所述耦入光栅配置为将载有图像信息的光耦合到所述波导基板中以使之通过全内反射传播；

所述耦出光栅用于将直接或经转折光栅从所述耦入光栅沿输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，其具有沿所述输入方向位于上游的接收端和位于下游的耦出端，所述接收端用于接收来自所述耦入光栅的光并引导光向所述耦出端的传播，所述耦出端用于在引导光的传播的同时将光朝向视窗耦出，其中，所述接收端分为三个区域，所述三个区域包括第一光栅区、第二光栅区和在垂直于所述输入方向的宽度方向上位于所述第一光栅区和所述第二光栅区之间的空白区，所述空白区用于接收来自所述耦入光栅的光中的中间位置上的光，并且所述第一光栅区和所述第二光栅区用于接收来自所述耦入光栅的光中的两侧位置上的光。

2.如权利要求1所述的光学波导装置，其中，所述视窗在所述耦出光栅上投影得到视窗投影区，来自所述耦入光栅的光经过转折光栅或直接传播到所述耦出光栅，其中：当所述耦入光栅的光经转折光栅传播到所述耦出光栅时，所述转折光栅与所述耦出端或所述视窗投影区的中心连线穿过所述空白区；当所述耦入光栅的光直接传播到所述耦出光栅时，耦入光栅与所述耦出端或所述视窗投影区的中心连线穿过所述空白区。

3.如权利要求1所述的光学波导装置，其中，所述空白区具有所述宽度方向上的第一平均宽度，所述接收端具有所述宽度方向上的第二平均宽度，所述第一平均宽度小于所述第二平均宽度的50％。

4.如权利要求3所述的光学波导装置，其中，所述第一平均宽度在所述第二平均宽度的15％～40％的范围内。

5.如权利要求1所述的光学波导装置，其中，所述空白区具有沿所述输入方向变小的宽度。

6.如权利要求1所述的光学波导装置，其中，所述空白区具有矩形、梯形、三角形或有着台阶状侧边的形状。

7.如权利要求1所述的光学波导装置，其中，所述第一光栅区与所述第二光栅区是彼此分离的，使得来自所述空白区朝向来自所述耦入光栅的光是敞开的。

8.如权利要求2所述的光学波导装置，其中，所述耦入光栅相对于所述耦出光栅的所述耦出端对中布置，并且所述第一光栅区与所述第二光栅区关于所述中心连线对称。

9.如权利要求2所述的光学波导装置，其中，所述耦出光栅的耦出端具有四边形的形状，所述四边形具有沿所述输入方向位于上游和下游的两个顶边和连接在所述两个顶边之间的两个侧边以及沿输入方向位于上游的第一角部和第二角部，所述耦出光栅构造为所述四边形的所述侧边相对于所述输入方向倾斜，使得所述四边形的靠近所述第一光栅区的第一角部比所述四边形的靠近所述第二光栅区的第二角部更加远离所述中心连线。

10.如权利要求9所述的光学波导装置，其中，以所述中心连线为分割线，所述空白区分为靠近所述第一光栅区的第一空白区和靠近所述第二光栅区的第二空白区，所述第一空白区的平均宽度大于所述第二空白区的平均宽度。

11.如权利要求9所述的光学波导装置，其中，在所述输入方向上，所述第一光栅区的长度小于所述第二光栅区的长度。

12.如权利要求1所述的光学波导装置，其中，光在所述波导基板的平面内以相对于一中心线逐渐发散的全反射传播路径传播到所述耦出光栅，所述中心线平行于所述输入方向并穿过所述空白区。

13.如权利要求12所述的光学波导装置，其中，所述耦入光栅相对于所述耦出光栅的所述耦出端对中布置，并且所述第一光栅区与所述第二光栅区关于所述中心线对称。

14.如权利要求2所述的光学波导装置，其中，以所述中心连线为分割线，所述空白区分为靠近所述第一光栅区的第一空白区和靠近所述第二光栅区的第二空白区，所述第一空白区的平均宽度大于所述第二空白区的平均宽度，并且在所述输入方向上，所述第一光栅区的位置相对于所述第二光栅区向后偏移。

15.如权利要求1-14中任一项所述的光学波导装置，其中，所述接收端具有沿着所述输入方向逐渐增大的宽度。

16.如权利要求15所述的光学波导装置，其中，所述接收端具有沿所述输入方向位于上游的顶端和位于下游的底端，所述底端的宽度小于所述耦出端的宽度。

17.如权利要求1-14中任一项所述的光学波导装置，其中，所述第一光栅区中形成有第一一维光栅，所述第二光栅区中形成有第二一维光栅，所述第一一维光栅的光栅矢量和所述第二一维光栅的光栅矢量相对于所述输入方向朝向彼此相反的方向偏转。

18.如权利要求1-14中任一项所述的光学波导装置，其中，所述耦入光栅为一维光栅。

19.一种显示设备，包括如权利要求1-18中任一项所述的光学波导装置。

20.如权利要求19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，所述镜片包括所述光学波导装置。

21.如权利要求19或20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。