CN116027475A - 光波导装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种光波导装置及其制造方法，该光波导装置包括：一波导基板，其中该波导基板具有相互平行的一第一表面和一第二表面；一光耦入机构，其中该光耦入机构被设置于该波导基板，并且该光耦入机构具有相对于该波导基板的该第一表面倾斜的一功能面，用于通过反射或折射的方式将光线耦入该波导基板，以使该光线在该波导基板的该第一表面和该第二表面之间全反射地传输；以及一光栅工作机构，其中该光栅工作机构被形成于该波导基板，用于通过衍射的方式将该光线扩散地耦出该波导基板，以便在保证量产化的同时，提高光能利用效率。

Description

光波导装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，特别是涉及光波导装置及其制造方法。

背景技术

增强现实作为一种将虚拟世界信息与真实世界信息“无缝”集成的技术，是将微型投影仪上的像素通过光学组合器投射到人眼中，并同时透过光学组合器看到真实世界，即将通过微型投影仪提供的虚拟内容与真实环境实时地叠加到了同一个画面或空间以同时存在，使用户获得虚拟与现实融合的体验。因此，该光学组合器的设计要求之一就是不能遮挡前方视线，具有较高的透过率。

目前市场上比较成熟的增强现实技术主要分为棱镜方案、自由曲面方案、BirdBath方案以及光波导方案等。但从光学效果、外观形态和量产前景来说，光波导是目前最佳的增强现实方案，具有极好的发展潜力。众所周知，光波导的基础是轻薄透明的玻璃基底(其厚度一般在几毫米或亚毫米级别)，使得光通过在该玻璃基底的上下表面之间来回全反射以前进，即当传输介质的折射率大于周围介质的折射率且在波导中的入射角大于全反射临界角时，光可以在该光波导内发生全反射以进行无泄漏地传输。这样，来自投影仪的图像光被耦入该光波导后，图像光就在该光波导内继续无损地传播，直至被后续结构耦出。

目前，市面上的波导通常被分为几何阵列波导和衍射光波导。该几何光波导通常指的是阵列光波导，其通过阵列反射镜堆叠来实现图像的输出和动眼眶的扩大，虽然其图像质量和效率可以达到较高的水准，但却需要对多个半反半透镜面镀膜并进行叠合、切割、研磨以及抛光，导致其制造工艺流程繁冗，且总体良率较低，不适合工业上的批量化生产。该衍射光波导则主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导，虽然该衍射光波导会因光栅衍射而导致图像有彩虹现象和光晕，且存在效率偏低等问题，但在生产工艺方面，该衍射光波导因具有极高的设计自由度和由纳米压印加工带来的可量产性，而具有明显的优势。

然而，现有的衍射光波导虽然能够采用诸如矩形光栅、锯齿光栅或倾斜光栅等耦入光栅将可见光耦入波导，但却会因光栅衍射损失而导致波导耦入效率偏低。例如，当该耦入光栅的光栅周期范围为200nm至1um，并以一定角度范围入射的光被该耦入光栅衍射时，该矩形光栅的耦入效率不高于20％，该锯齿光栅和该倾斜光栅的耦入效率均不会高于40％。此外，由于考虑到实际工艺制作过程中的可量产性，还需要对该耦入光栅的结构形貌做一定的限制，因此该耦入光栅的最终耦入效率可能会更低。

发明内容

本发明的一优势在于提供了光波导装置及其制造方法，其能够在保证量产化的同时，提高光能利用效率。

本发明的另一优势在于提供了光波导装置及其制造方法，其中，在本发明的一实施例中，所述光波导装置能够实现光能利用效率和可量产性之间的平衡，便于拓展其商业化利用价值。

本发明的另一优势在于提供了光波导装置及其制造方法，其中，在本发明的一实施例中，所述光波导装置能够通过反射或折射的方式将光耦入至波导基板内，以大幅地提高耦入效率，进而大幅地提高光能利用效率。

本发明的另一优势在于提供了光波导装置及其制造方法，其中，在本发明的一实施例中，所述光波导装置无需配置高功率的投影光引擎，就能够实现高亮度的图像显示，以避免增大所述投影光引擎的散热负担。

本发明的另一优势在于提供了光波导装置及其制造方法，其中，在本发明的一实施例中，所述光波导装置能够仅利用倾斜侧面就能够实现光线的耦入，不仅能够提高光的耦入效率，而且还能够进一步减小光波导的体积和重量，以便符合当下小型化、轻薄化的发展潮流。

本发明的另一优势在于提供了光波导装置及其制造方法，其中为了达到上述目的，在本发明中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本发明成功和有效地提供一解决方案，不只提供光波导装置及其制造方法，同时还增加了所述光波导装置及其制造方法的实用性和可靠性。

为了实现上述至少一优势或其他优势和目的，本发明提供了光波导装置，包括：

一波导基板，其中所述波导基板具有相互平行的一第一表面和一第二表面；

一光耦入机构，其中所述光耦入机构被设置于所述波导基板，并且所述光耦入机构具有相对于所述波导基板的所述第一表面倾斜的一功能面，用于通过反射或折射的方式将光线耦入所述波导基板，以使该光线在所述波导基板的所述第一表面和所述第二表面之间全反射地传输；以及

一光栅工作机构，其中所述光栅工作机构被形成于所述波导基板，用于通过衍射的方式将该光线扩散地耦出所述波导基板。

根据本申请的一实施例，所述波导基板进一步具有一倾斜侧面，并且所述倾斜侧面与所述第一表面之间具有一预设夹角，其中所述波导基板的所述倾斜侧面被实施为所述光耦入机构的所述功能面。

根据本申请的一实施例，所述波导基板的所述倾斜侧面用于面向投影光引擎，使得经由该投影光引擎投射的图像光线在所述波导基板的所述倾斜侧面处发生折射以耦入所述波导基板。

根据本申请的一实施例，所述光耦入机构包括一增透膜，其中所述增透膜被设于所述波导基板的所述倾斜侧面。

根据本申请的一实施例，所述预设夹角满足以下条件：

其中，n为所述波导基板的折射率；θ₀为所述预设夹角；θ为图像光线与所述第一表面的法线之间的夹角。

根据本申请的一实施例，所述光耦入机构被实施为一反射元件，其中所述反射元件被对应地设置于所述波导基板的所述倾斜侧面，并且所述波导基板的所述第一表面用于面向投影光引擎，使得经由该投影光引擎投射的图像光线在所述波导基板的所述倾斜侧面处发生反射以耦入所述波导基板。

根据本申请的一实施例，所述反射元件包括一反射膜，其中所述反射膜被设于所述波导基板的所述倾斜侧面。

根据本申请的一实施例，所述反射元件进一步包括一棱镜，其中所述反射膜被镀于所述棱镜的斜面，并且所述棱镜的所述斜面被对应地贴合于所述波导基板的所述倾斜侧面。

根据本申请的一实施例，所述棱镜的第一侧面平行地相交于所述波导基板的所述第二表面，并且所述棱镜的第二侧面垂直地相交于所述波导基板的所述第一表面。

根据本申请的一实施例，所述光耦入机构被实施为一折射棱镜，其中所述折射棱镜具有一耦入侧面和相对于所述耦入侧面倾斜地延伸的一斜面，其中所述折射棱镜的所述斜面被对应地贴合于所述波导基板的所述第二表面，并且所述折射棱镜的所述耦入侧面作为所述光耦入机构的所述功能面。

根据本申请的一实施例，所述光栅工作机构被实施为二维光栅，其中所述二维光栅被形成于所述波导基板的所述第一表面或所述第二表面，用于对在所述波导基板内传输的该光线进行衍射，以使该光线二维扩散地耦出所述波导基板。

根据本申请的一实施例，所述光栅工作机构包括一维转折光栅和一维耦出光栅，其中所述一维转折光栅被形成于所述波导基板的所述第一表面或所述第二表面，用于通过衍射的方式改变该光线在所述波导基板内传播的方向，并将该光线先沿着一个方向进行扩散，其中所述一维耦出光栅被对应地形成于所述波导基板的所述第一表面或所述第二表面，用于将经由所述一维转折光栅转向后的该光线沿另一个方向扩散并耦出所述波导基板。

根据本申请的一实施例，所述光栅工作机构被实施为一维耦出光栅，其中所述一维耦出光栅具有一维扩散路径，并且所述光耦入机构的所述功能面沿着垂直于所述一维扩散路径的方向延伸，用于使经由所述光耦入机构耦入的该光线沿着所述一维扩散路径扩散并耦出所述波导基板。

根据本申请的另一方面，本申请的一实施例进一步提供了光波导装置的制造方法，包括步骤：

制作母板，其中该母板具有与光栅工作机构相对应的待转印的光栅结构；和

通过纳米压印方式，利用该母板在波导基板的表面加工形成该光栅工作机构；以及

设置一光耦入机构于该波导基板，其中该光耦入机构具有相对于该波导基板的表面倾斜的一功能面，用于通过折射或反射的方式将光线耦入该波导基板，并且该光栅工作机构用于通过衍射的方式将该光线扩散地耦出该波导基板。

根据本申请的一实施例，该波导基板的侧边被切出一倾斜面，以作为该光耦入机构的该功能面。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的光波导装置的立体示意图。

图2示出了根据本发明的上述实施例的所述光波导装置的光路示意图。

图3示出了根据本发明的上述实施例的所述光波导装置的耦入原理示意图。

图4示出了根据本发明的上述实施例的所述光波导装置的第一变形实施方式。

图5示出了根据本发明的上述实施例的所述光波导装置的第二变形实施方式。

图6示出了根据本发明的上述实施例的所述光波导装置的第三变形实施方式。

图7示出了根据本发明的上述实施例的所述光波导装置的第四变形实施方式。

图8是根据本申请的一实施例的一增强现实设备的结构示意图，其被实施为配置有光波导装置的AR眼镜。

图9是根据本申请的一实施例的另一增强现实设备的结构示意图，其被实施为配置有光波导装置的AR-HUD。

图10是根据本申请的一实施例的集成化光波导装置的制造方法的流程示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，权利要求和说明书中术语“一”应理解为“一个或多个”，即在一个实施例，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。除非在本发明的揭露中明确示意该元件的数量只有一个，否则术语“一”并不能理解为唯一或单一，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，属于“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。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，属于“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者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过媒介间接连结。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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

近年来，随着增强现实技术的飞速发展，能够实现增强现实的设备或装置也越来越受到人们的欢迎和使用。然而，现有的几何光波导虽然能够使图像质量和光能利用效率达到较高的水准，但因其制造工艺流程繁冗且总体良率较低而不能实现量产化，而现有的衍射光波导虽然能够实现量产化，但因采用光栅耦入而导致光能耦入效率较低，难以满足AR产品对图像对比度、亮度等的高质量要求。因此，为了解决上述问题，本发明提供了一种光波导装置，其能够在保证量产化的同时，提高光能利用效率，以较好地实现产品性能和可量产性之间的平衡。

参考附图1至图3所示，根据本申请的一实施例的光波导装置被阐明，其中所述光波导装置1用于将经由投影光引擎2投射的图像光线传输至用户眼中，并且外部环境光线能够透过所述光波导装置1以入射至该用户眼中，使得用户获得增强现实体验。

具体地，如图1和图2所示，所述光波导装置1可以包括一波导基板10、一光耦入机构20以及一光栅工作机构30。所述波导基板10具有相互平行的一第一表面11和一第二表面12。所述光耦入机构20被设置于所述波导基板10，并且所述光耦入机构20具有相对于所述波导基板10的所述第一表面11倾斜的一功能面200，用于通过反射或折射的方式将光线耦入所述波导基板10，以使该光线在所述波导基板10的所述第一表面11和所述第二表面12之间全反射地传输。所述光栅工作机构30被形成于所述波导基板10，用于通过衍射的方式将该光线扩散地耦出所述波导基板10。

值得注意的是，由于所述光波导装置1的所述光耦入机构20通过反射或折射的方式将光线耦入所述波导基板10，以大幅地提高光能耦入效率，提升产品性能，并且所述光波导装置1的所述光栅耦出机构30又能保留衍射光波导可量产性的优势，因此本申请的所述光波导装置1能够在保证量产化的同时，提高光能利用效率，从而较好地实现产品性能和可量产性之间的平衡。

更具体地，如图1和图2所示，根据本申请的上述实施例，所述波导基板10进一步具有一倾斜侧面13，并且所述倾斜侧面13与所述第一表面11之间具有一预设夹角θ₀，其中所述波导基板10的所述倾斜侧面13用于面向所述投影光引擎2，使得经由所述投影光引擎2投射的图像光线先在所述波导基板10的所述倾斜侧面13处发生折射后，再在所述波导基板10的所述第一表面11处发生全反射，从而在所述波导基板10的所述第一表面11和所述第二表面12之间全反射地传输该图像光线。

换言之，在本申请的上述实施例中，如图2所示，所述波导基板10的所述倾斜侧面13被实施为所述光耦入机构20的所述功能面200，使得所述光耦入机构20的所述功能面200被实施为一折射面。这样，经由所述投影光引擎2投射的该图像光线通过所述光耦入机构20的所述功能面200的折射以被耦入所述波导基板10；之后，被耦入所述波导基板10的该图像光线在所述波导基板10的所述第一表面11和所述第二表面12之间来回全反射以传输至所述光栅耦出机构30；最后，该图像光线通过所述光栅耦出机构30的衍射以被耦出所述波导基板10而入射至用户眼中，使得用户能够观看到与该图像光线对应的虚像。可以理解的是，所述波导基板10也可以但不限于被实施为由透光树脂材料或透光高分子材料等制成。

值得注意的是，如图3所示，当视场角为θ的图像光线从空气中入射至所述波导基板10的所述倾斜侧面13时，该图像光线的入射角θ₁＝θ-θ₀；并且在所述倾斜侧面13处经折射率为n的所述波导基板10折射后，该图像光线的折射角θ₂满足折射定律n*sinθ₂＝sinθ₁；而后以角度θ’在所述波导基板10内全反射，其中θ’＝θ₀+θ₂，则角度θ’需要满足全反射条件，即n*sinθ'＞1。因此，为了确保在所述波导基板10的所述倾斜侧面13处折射后的图像光线能够在所述波导基板10的所述第一表面11处发生全反射，则满足以下条件：

其中：n为所述波导基板10的折射率；θ₀所述倾斜侧面13与所述第一表面11之间的夹角；θ为图像光线与所述第一表面11的法线之间的夹角。

示例性地，所述波导基板10的所述倾斜侧面13可以通过切割所述波导基板10的侧边而获得，也就是说，所述波导基板10的侧边被切出一倾斜面以作为所述光耦入机构20的所述功能面200，这样经由所述投影光引擎2投射的该图像光线在所述光耦入机构20的所述功能面200处发生折射以被耦入所述波导基板10，使得本申请的所述光波导装置1的所述光耦入机构20的耦入效率可高达95％以上。

优选地，如图2所示，所述光耦入机构20可以包括一增透膜21，其中所述增透膜21被设于所述波导基板10的所述倾斜侧面13，用于减小该图像光线在所述波导基板10的所述倾斜侧面13的反射，以增加所述光耦入机构20的所述功能面200的透射性，有助于进一步提高所述光波导装置1的所述光耦入机构20的耦入效率。可以理解的是，所述增透膜21可以但不限于通过诸如镀膜或粘接的方式被设于所述波导基板10的所述倾斜侧面13。

根据本申请的上述实施例，如图1和图2所示，所述光波导装置1的所述光栅工作机构30可以但不限于被实施为二维光栅31，其中所述二维光栅31被形成于所述波导基板10的所述第二表面12，用于对在所述波导基板10内传输的该图像光线进行衍射，使得在所述波导基板10内传输的该图像光线二维扩散地耦出所述波导基板10。可以理解的是，当在所述波导基板10内传输的该图像光线在所述波导基板10的所述第二表面12处遇到所述二维光栅31时，所述二维光栅31将该图像光线衍射成不同衍射级次的衍射光，这样某一/某些衍射级次的衍射光耦出以入射至用户眼中，而其他衍射级次的衍射光则会在所述波导基板10内沿着不同的传播方向继续全反射地传输，以再次遇到所述二维光栅31时被继续衍射，从而实现将所述图像光线二维扩散地耦出所述波导基板10。当然，在本申请的其他示例中，所述二维光栅31也可以被形成于所述波导基板10的所述第一表面11，本申请对此不再赘述。

此外，所述二维光栅31可以但不限于被实施为浮雕光栅或全息体光栅。

优选地，如图2所示，所述倾斜侧面13与所述第一表面11之间具有的所述预设夹角θ₀为锐角，使得所述投影光引擎2位于邻近所述波导基板10的所述第二表面12的一侧。而所述图像光线又从所述波导基板10的所述第二表面12被耦出以入射至用户眼中，因此所述投影光引擎2和用户眼睛位于所述光波导装置1的同一侧，便于将所述投影光引擎2和所述光波导装置1以眼镜的方式配置成AR眼镜，使得所述投影光引擎2置于AR眼镜的镜腿处。可以理解的是，在本申请的其他示例中，所述二维光栅31也可以被形成于所述波导基板10的所述第一表面11，使得所述图像光线又从所述波导基板10的所述第一表面11被耦出以入射至用户眼中，进而所述投影光引擎2和用户眼睛位于所述光波导装置1的相对侧。

值得注意的是，本申请的所述光波导装置1中的所述光耦入机构20和所述光栅工作机构30均可以具有其他不同的结构形态，或者以其他方式与所述波导基板10相结合。换言之，本申请的上述实施例的所述光波导装置1可以具有各种变形实施方式，均能够较好地实现产品性能和可量产性之间的平衡。

示例性地，附图4示出了根据本申请的上述实施例的所述光波导装置1的第一变形实施方式。具体地，相比于根据本申请的上述实施例，根据本申请的所述第一变形实施方式的所述光波导装置1的不同之处在于：所述光耦入机构20可以被实施为一反射元件22，其中所述反射元件22被对应地设置于所述波导基板10的所述倾斜侧面13，并且所述波导基板10的所述第一表面11用于面向所述投影光引擎2，使得经由所述投影光引擎2投射的图像光线先透过所述波导基板10的所述第一表面11以入射至所述波导基板10的所述倾斜侧面13，再在被所述反射元件22反射回所述波导基板10的所述第一表面11后，而在所述波导基板10的所述第一表面11处发生全反射，从而在所述波导基板10的所述第一表面11和所述第二表面12之间全反射地传输该图像光线。

优选地，如图4所示，所述反射元件22可以包括一反射膜221，其中所述反射膜221被设于所述波导基板10的所述倾斜侧面13，用于反射该图像光线，使得从所述第一表面11入射的该图像光线被反射回所述波导基板10的所述第一表面11，仍能够提高所述光波导装置1的所述光耦入机构20的耦入效率。可以理解的是，本申请的所述第一变形实施方式的所述光波导装置1是以所述反射膜221替代上述实施例中的所述增透膜21，以便通过反射的方式将图像光线耦入所述波导基板10。此外，所述反射元件22还可以被实施为镀有反射涂层的反射镜。

更优选地，如图4所示，所述反射元件22可以进一步包括具有一斜面2221的一棱镜222，其中所述反射膜221被镀设于所述棱镜222的所述斜面2221，并且所述棱镜222的所述斜面2221被对应地贴合于所述波导基板10的所述倾斜侧面13，使得所述反射膜221位于所述棱镜222的所述斜面2221和所述波导基板10的所述倾斜侧面13之间，以便保护所述反射膜221。此时，所述棱镜222的所述斜面2221被实施为所述光耦入机构20的所述功能面200。当然，在本申请的其他示例中，所述反射元件22也可以不包括所述棱镜222，而所述反射膜221也可以但不限于通过诸如镀膜或粘接的方式直接被设于所述波导基板10的所述倾斜侧面13。

最优选地，如图4所示，所述反射元件22的所述棱镜222还进一步具有一第一侧面2222和一第二侧面2223，其中当所述棱镜222的所述斜面2221被对应地贴合于所述波导基板10的所述倾斜侧面13时，所述棱镜222的所述第一侧面2222平行地相交于所述波导基板10的所述第二表面12，并且所述棱镜222的所述第二侧面2223垂直地相交于所述波导基板10的所述第一表面11，以形成具有矩形结构的所述光波导装置1，有助于在AR眼镜中作为显示镜片使用。

附图5示出了根据本申请的上述实施例的所述光波导装置1的第二变形实施方式。具体地，相比于根据本申请的上述实施例，根据本申请的所述第二变形实施方式的所述光波导装置1的不同之处在于：所述光耦入机构20还可以只被实施为一折射棱镜23，其中所述折射棱镜23具有一耦入侧面231和相对于所述耦入侧面231倾斜地延伸的一斜面232，其中所述折射棱镜23的所述斜面232被对应地贴合于所述波导基板10的所述第二表面12，并且所述折射棱镜23的所述耦入侧面231作为所述光耦入机构20的所述功能面200，用于对应于所述投影光引擎2，使得经由所述投影光引擎2投射的图像光线先在所述折射棱镜23的所述耦入侧面231处发生折射后，再透过所述折射棱镜23的所述斜面232和所述波导基板10的所述第二表面12以传播至所述波导基板10的所述第一表面11，进而在所述波导基板10的所述第一表面11出发生全反射，从而在所述波导基板10的所述第一表面11和所述第二表面12之间全反射地传输该图像光线。可以理解的是，在本申请的这个变形实施方式中，所述波导基板10可以具有矩形结构，即所述波导基板10具备垂直侧面，而无需设置所述倾斜侧面13。

优选地，所述折射棱镜23的所述斜面232被对应地胶合于所述波导基板10的所述第二表面12。可以理解的是，所述折射棱镜23的折射率可以与所述波导基板10的折射率相同，也可以不同，具体应以实现全反射条件为准。

更优选地，所述折射棱镜23的所述耦入侧面231用于垂直于所述投影光引擎2的投射路径，使得经由所述投影光引擎2投射的该图像光线垂直地入射至所述折射棱镜23的所述耦入侧面231，以最大限度地减少所述折射棱镜23的所述耦入侧面231对该图像光线的反射，有助于提高所述光耦入机构20的耦入效率。

值得注意的是，所述光耦入机构20无论是通过折射的方式，还是通过反射的方式，将该图像光线耦入所述波导基板10之后，被耦入的该图像光线的传播方向都是朝向远离所述光耦入机构20的所述功能面200的方向。例如，在本申请的上述第一变形实施方式中，被耦入的该图像光线的传播方向是由所述棱镜222的所述第二侧面2223指向所述棱镜222的所述第一侧面2222的方向。

附图6示出了根据本申请的上述实施例的所述光波导装置1的第三变形实施方式。具体地，相比于根据本申请的上述第二变形实施方式，根据本申请的所述第三变形实施方式的所述光波导装置1的不同之处在于：所述光栅工作机构30可以由一维转折光栅32和一维耦出光栅33组成，其中所述一维转折光栅32被形成于所述波导基板10的所述第一表面11或所述第二表面12，用于通过衍射改变经由所述折射棱镜23耦入的该图像光线在所述波导基板10内传播的方向，并将该图像光线沿一个方向进行扩散，其中所述一维耦出光栅33被对应地形成于所述波导基板10的所述第二表面12，用于将转向后的该图像光线沿另一个方向扩散并耦出所述波导基板10。当然，在本申请的其他示例中，所述一维耦出光栅33也可以被形成于所述波导基板10的所述第一表面11，本申请对此不再赘述。需要说明的是，在另外的实施方式中光栅工作机构30还可以包括除一维转折光栅32和一维耦出光栅33外的其他器件或者结构，以进一步提高光能利用效率。

示例性地，如图6所示，所述折射棱镜23位于所述波导基板10的左上角，其中所述一维转折光栅32位于所述棱镜222的右侧，并且所述一维转折光栅32对应于所述折射棱镜23的另一侧面，其中所述一维耦出光栅33位于所述一维转折光栅32的下方。这样，经由所述为投影光引擎2投射的图像光线在经由所述折射棱镜23折射以耦入所述波导基板10之后，被耦入的该图像光线将在所述波导基板10内由左向右全反射地传输至所述一维转折光栅32而被衍射，使得该图像光线中的一部分继续由左向右全反射地传输以再次遇到所述一维转折光栅32而被衍射，并且该图像光线中的另一部分则被转折以由上向下全反射地传输至所述一维耦出光栅33而被衍射，以耦出所述波导基板10。

换言之，在本申请的这个变形实施方式中，首先，被耦入的该图像光线在所述波导基板10内横向地传输至所述一维转折光栅32；接着，所述一维转折光栅32通过衍射横向传输的所述图像光线，使得所述图像光线中的一部分仍横向地传输以再次被所述一维转折光栅32衍射，并且所述图像光线中的另一部分纵向地传输至所述一维耦出光栅33；最后，所述一维耦出光栅33通过衍射纵向传输的图像光线，使得该图像光线中的一部分继续纵向地传输以再次被所述一维耦出光栅33衍射，并且该图像光线中的另一部分被耦出所述波导基板10，从而实现将所述图像光线二维扩散地耦出所述波导基板10。

值得注意的是，在本申请的上述实施例和各种变形实施方式中，所述投影光引擎2的出瞳通常较小，使得所述光波导装置1均是通过所述光栅工作机构30将所投射的图像光线不断在两个维度进行出瞳复制并耦出，以便在二维方向上获得足够大的眼盒(eyebox)，便于用户观看。然而，在本申请的其他示例中，所述光栅工作机构30也可以只具备在一维方向上复制出瞳并耦出的功能，并且所述投影光引擎2在另一维方向上具有较大的出瞳，以确保在二维方向上仍能够获得足够大的眼盒。此时，所述光波导装置1的所述光耦入机构20的所述功能面200就需要与所述投影光引擎2的出瞳大小相匹配，以便将经由所述投影光引擎2所投射的图像光线对应地耦入所述波导基板10。

示例性地，附图7示出了根据本申请的上述实施例的所述光波导装置1的第四变形实施方式。具体地，相比于根据本申请的上述第三变形实施方式，根据本申请的所述第四变形实施方式的所述光波导装置1的不同之处在于：所述光栅工作机构30仅包括所述一维耦出光栅33，并且所述一维耦出光栅33具有一维扩散路径330，用于沿着所述一维扩散路径330扩散并耦出图像光线；其中所述光耦入机构20中所述功能面200沿着垂直于所述一维耦出光栅33的所述一维扩散路径330的方向延伸，并且所述投影光引擎2的出瞳覆盖所述光耦入机构20的整个所述功能面200，使得所述光波导装置1仍能够将经由所述光耦入机构20耦入的图像光线扩散地耦出所述波导基板10，以便在二维方向上获得足够大的眼盒(eyebox)，便于用户观看。

例如，如图7所示，所述折射棱镜23横向地延伸，其中所述一维耦出光栅33位于所述折射棱镜23的下方，并且所述一维耦出光栅33的所述一维扩散路径330呈纵向布置。此时，所述投影光引擎2被对应地设置，使得所述投影光引擎2的横向出瞳与所述折射棱镜23的所述耦入侧面231相匹配，也就是说，所述投影光引擎2的横向出瞳可以大于其纵向出瞳，使得所投射的图像光线能够横向地覆盖所述折射棱镜23的所述耦入侧面231，如此便可获得在二维方向均有一定大小的眼盒。

值得注意的是，所述一维转折光栅32和所述一维耦出光栅33的类型可以根据具体情况需求进行调整，例如可以但不限于被实施为表面浮雕光栅，以通过纳米压印等技术被加工形成于所述波导基板10的表面。当然，在本申请的其他示例中，所述一维转折光栅32和所述一维耦出光栅33也可以被实施为全息光栅，以通过全息曝光在材料内形成周期性的明暗相间的条纹等。

根据本申请的另一方面，如图8和图9所示，本申请进一步提供了一种增强现实设备4，其中所述增强现实设备4可以包括一投影光引擎2、一设备主体40以及一光波导装置1，其中所述投影光引擎2和所述光波导装置1被对应地设置于所述设备主体40，使得经由所述投影光引擎2提供的图像光线被所述光波导装置1的所述光耦入机构20耦入进所述波导基板10，并在所述波导基板10内全反射地传播至所述光栅工作机构30后，被所述光栅工作机构30扩散地耦出所述波导基板10而被用户眼睛接收以看到对应的图像。

在本申请的一示例中，如图8所示，所述增强现实设备4的所述设备主体40可以被实施为一眼镜架41，其包括一横梁部411和一对镜腿部412，其中所述镜腿部412分别从所述横梁部411的左右两侧向后延伸，以形成具有眼镜架结构的所述设备主体40。所述光波导装置1被设置于所述横梁部411，以作为用于近眼显示的眼镜镜片。

示例性地，如图8所示，所述光波导装置1中的所述光耦入机构20的所述功能面200对应于所述眼镜架41的所述横梁部411；此时，所述投影光引擎2被安装于所述眼镜架41的所述横梁部411，使得当用户佩戴所述增强现实设备4时，所述投影光引擎2对应地位于用户的额头附近，有助于为所述投影光引擎2预留更大的安装空间。

值得注意的是，所述增强现实设备4除了被实施为AR眼镜之外，所述增强现实设备4还可以被实施为平视显示器(HUD)。众所周知，HUD是光波导的另外一个极具前景的应用，特别是车载HUD能够使车主在驾驶行车时，无需低头就能够查看汽车相关信息，眼睛视线不需要在路况和显示器之间来回切换，以保证驾驶的安全性和舒适性。而AR-HUD是通过内部特殊设计的光学系统将图像信息精确地结合于实际交通路况中，将胎压、速度、转速等信息投射到前挡风玻璃后反射形成远处的虚像以进入人眼，使得用户通过前挡风玻璃的显示区域就可以观察到与实际路况融合的提示信息。此外，与目前市场上通用的W-HUD相比，由于AR-HUD的结构紧凑轻薄，能够大幅地节省车内安装空间，因此AR-HUD对于用户而言，具有更大的直观性，并通过结合现实路况信息，实时地出现一些虚拟箭头等信息来直观地引导驾驶员前进，从而避免在驾驶中出现开过路口和分散驾驶员注意力的情况。

具体地，附图9示出了根据本申请的上述实施例的所述增强现实设备4的一个变形实施方式，其中所述增强现实设备4的所述设备主体40被实施为一挡风玻璃42，并且所述光波导装置1被对应地设置于所述挡风玻璃42的内侧，使得经由所述投影光引擎2投射的图像光线在经由所述光波导装置1的传输后，投射至所述挡风玻璃42，并经由所述挡风玻璃42向内反射以进入入眼，使得用户能够看到较远距离外的虚像。可以理解的是，在本申请的这个变形实施方式中，所述增强现实设备4中的所述挡风玻璃42可以但不限于被实施为诸如飞机、汽车等运输工具的前挡风玻璃，以使所述增强现实设备4被实施为AR-HUD。

值得注意的是，与上述AR眼镜一样，本申请的所述AR-HUD中的所述光波导装置1通过所述光耦入机构20的反射或折射将经由所述投影光引擎2投射的图像光线耦入所述波导基板10，并通过所述光栅工作机构30的衍射将被耦入的图像光线扩散地耦出所述波导基板10，以便在确保可量产性的基础上，提高光能利用效率。而不至于像配置有普通衍射光波导的车载HUD那样，为了弥补光能利用率较低以在足够大的眼盒内提供强度较大的图像光线，不得不大幅地增大投影光引擎的投射功率，导致所述投影光引擎因功率较大而难以散热。换言之，本申请的所述增强现实设备4只需要使用功率较小的所述投影光引擎2，就能够在所述挡风玻璃42前形成高对比度和高质量的虚像，供用户观看。

根据本申请的另一方面，如图10所示，本申请的一实施例进一步提供了一种光波导装置的制造方法，可以包括步骤：

S110：制作母板，其中所述母板具有与光栅工作机构30相对应的待转印的光栅结构；

S120：通过纳米压印方法，利用所述母板在波导基板10的表面加工形成所述光栅工作机构30；以及

S130：设置一光耦入机构20于所述波导基板10，其中所述光耦入机构20用于通过折射或反射的方式将光线耦入所述波导基板10，并且所述光栅工作机构30用于通过衍射的方式将该光线扩散地耦出所述波导基板10。

值得注意的是，根据本申请的上述实施例，在本申请的所述光波导装置的制造方法的所述步骤S110中，所述母板可以采用光刻加工的方法被制作而成。例如，所述光刻加工方法可以但不限于包括激光直写法、电子束直写法、掩膜光刻法以及双光束干涉曝光法等等。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (15)

1.光波导装置，其特征在于，包括：

一波导基板，其中所述波导基板具有相互平行的一第一表面和一第二表面；

一光耦入机构，其中所述光耦入机构被设置于所述波导基板，并且所述光耦入机构具有相对于所述波导基板的所述第一表面倾斜的一功能面，用于通过反射或折射的方式将光线耦入所述波导基板，以使该光线在所述波导基板的所述第一表面和所述第二表面之间全反射地传输；以及

一光栅工作机构，其中所述光栅工作机构被形成于所述波导基板，用于通过衍射的方式将该光线扩散地耦出所述波导基板。

2.如权利要求1所述的光波导装置，其中，所述波导基板进一步具有一倾斜侧面，并且所述倾斜侧面与所述第一表面之间具有一预设夹角，其中所述波导基板的所述倾斜侧面被实施为所述光耦入机构的所述功能面。

3.如权利要求2所述的光波导装置，其中，所述波导基板的所述倾斜侧面用于面向投影光引擎，使得经由该投影光引擎投射的图像光线在所述波导基板的所述倾斜侧面处发生折射以耦入所述波导基板。

4.如权利要求3所述的光波导装置，其中，所述光耦入机构包括一增透膜，其中所述增透膜被设于所述波导基板的所述倾斜侧面。

5.如权利要求3所述的光波导装置，其中，所述预设夹角满足以下条件：

其中，n为所述波导基板的折射率；θ₀为所述预设夹角；θ为图像光线与所述第一表面的法线之间的夹角。

6.如权利要求2所述的光波导装置，其中，所述光耦入机构被实施为一反射元件，其中所述反射元件被对应地设置于所述波导基板的所述倾斜侧面，并且所述波导基板的所述第一表面用于面向投影光引擎，使得经由该投影光引擎投射的图像光线在所述波导基板的所述倾斜侧面处发生反射以耦入所述波导基板。

7.如权利要求6所述的光波导装置，其中，所述反射元件包括一反射膜，其中所述反射膜被设于所述波导基板的所述倾斜侧面。

8.如权利要求7所述的光波导装置，其中，所述反射元件进一步包括一棱镜，其中所述反射膜被镀于所述棱镜的斜面，并且所述棱镜的所述斜面被对应地贴合于所述波导基板的所述倾斜侧面。

9.如权利要求8所述的光波导装置，其中，所述棱镜的第一侧面平行地相交于所述波导基板的所述第二表面，并且所述棱镜的第二侧面垂直地相交于所述波导基板的所述第一表面。

10.如权利要求1所述的光波导装置，其中，所述光耦入机构被实施为一折射棱镜，其中所述折射棱镜具有一耦入侧面和相对于所述耦入侧面倾斜地延伸的一斜面，其中所述折射棱镜的所述斜面被对应地贴合于所述波导基板的所述第二表面，并且所述折射棱镜的所述耦入侧面作为所述光耦入机构的所述功能面。

11.如权利要求1至10中任一所述的光波导装置，其中，所述光栅工作机构被实施为二维光栅，其中所述二维光栅被形成于所述波导基板的所述第一表面或所述第二表面，用于对在所述波导基板内传输的该光线进行衍射，以使该光线二维扩散地耦出所述波导基板。

12.如权利要求1至10中任一所述的光波导装置，其中，所述光栅工作机构包括一维转折光栅和一维耦出光栅，其中所述一维转折光栅被形成于所述波导基板的所述第一表面或所述第二表面，用于通过衍射的方式改变该光线在所述波导基板内传播的方向，并将该光线先沿着一个方向进行扩散，其中所述一维耦出光栅被对应地形成于所述波导基板的所述第一表面或所述第二表面，用于将经由所述一维转折光栅转向后的该光线沿另一个方向扩散并耦出所述波导基板。

13.如权利要求1至10中任一所述的光波导装置，其中，所述光栅工作机构被实施为一维耦出光栅，其中所述一维耦出光栅具有一维扩散路径，并且所述光耦入机构的所述功能面沿着垂直于所述一维扩散路径的方向延伸，用于使经由所述光耦入机构耦入的该光线沿着所述一维扩散路径扩散并耦出所述波导基板。

14.光波导装置的制造方法，其特征在于，包括步骤：

制作母板，其中该母板具有与光栅工作机构相对应的待转印的光栅结构；和

通过纳米压印方式，利用该母板在波导基板的表面加工形成该光栅工作机构；以及

设置一光耦入机构于该波导基板，其中该光耦入机构具有相对于该波导基板的表面倾斜的一功能面，用于通过折射或反射的方式将光线耦入该波导基板，并且该光栅工作机构用于通过衍射的方式将该光线扩散地耦出该波导基板。

15.如权利要求14所述的光波导装置的制造方法，其中，该波导基板的侧边被切出一倾斜面，以作为该光耦入机构的该功能面。

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