CN116027553A - 衍射增强光波导装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种衍射增强光波导装置及其方法。该衍射增强光波导装置包括：衍射光波导，其中该衍射光波导设有耦入光栅区域和耦出光栅区域，其中该耦入光栅区域用于衍射图像入射光以形成耦入该衍射光波导的第一级衍射光和透过该衍射光波导的零级衍射光，并且该耦出光栅区域用于将耦入的该第一级衍射光耦出该衍射光波导以形成图像出射光；和光能补偿组件，其中该光能补偿组件被叠置于该衍射光波导，用于将透过该衍射光波导的该零级衍射光耦合地传输以形成与该图像出射光相叠加的补偿出射光，以补偿出射的光能。

Description

衍射增强光波导装置及其方法

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，特别是涉及衍射增强光波导装置及其方法。

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显示屏投射的人眼中，并同时透过光学显示屏看到真实世界，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。

为了实现增强现实显示方案，目前通常使用光波导技术，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合进入波导后，图像光就在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，其中衍射光波导又被分为体全息波导和表面浮雕光栅波导。虽然衍射光波导的本质都是通过光栅将入射光耦入或耦出波导，但表面浮雕光栅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，而在众多方案中具有明显的优势。

具体到增强现实中的衍射光波导(以下简称AR波导)，其技术参数主要包括视场角FOV、视距eye relief、动眼框尺寸eyebox等。视场角通常用对角线角度表示，如40°，对应16:9比例画幅的视场角约为35°(H)*20°(V)；视距通常在20-25mm左右，基本能满足大部分用户的佩戴需求，包括佩戴近视或远视眼镜的用户；动眼眶尺寸决定了用户眼睛可自由移动的范围，尺寸越大丢失图像的可能性就越小，因而适应性更广。动眼眶的水平尺寸需要能够适应人眼的出瞳距范围并给用户不同的水平佩戴基准留足余量，动眼眶的垂直尺寸需要适配用户的垂直佩戴基准，一般认为动眼眶尺寸15mm(H)*10mm(V)可满足用户体验的基本需求。AR波导以高效率和良好的均匀性为优化目标，高效率的目的是在相同微投影仪的输入下能实现较高的亮度输出，使人眼看到的画面足够明亮；均匀性包括FOV均匀性，即人眼看到的全视场画面具有较好的亮度、颜色均匀性，和eyebox(眼盒)均匀性，即人眼在眼盒的不同位置(或不同瞳距、鼻梁高度的用户佩戴时)接收到的亮度差异尽量小，并且期望不同位置均具有较好的FOV 均匀性。

然而，由于AR近眼显示设备能够实现人眼观察到图像的同时而不影响对真实环境的观察，即AR近眼显示是虚拟图像于背景光的叠加，使得图像的亮度实际上是一个相对值，进而造成同样亮度(即耦出能量相同)的图像在夜间观察到的效果要远远好于白天观察到的效果，因此如果图像能量(即亮度)太低，就会严重影响用户在白天或者户外的体验。虽然增加光源能量能够在一定程度上增加图像亮度，但却没有从实质上解决AR光波导整体能量利用率(效率)低的问题。与此同时，增加光源能量不但会增加被浪费的光能，而且还会缩短设备的续航时间。

而波导的效率作为AR近眼显示性能的重要评价指标，它直接影响了图像的亮度大小，但现有的衍射光波导的能量利用效率偏低，究其根本是现有的衍射光波导的衍射效率太低，无用级次的能量被浪费掉了。例如，如图1所示，现有的衍射光波导1P通常设有一维耦入光栅11P和二维耦出光栅12P，该一维耦入光栅11P将图像光衍射成±1级衍射光和0级衍射光(即零级衍射光)，并将该± 1级衍射光耦入该现有的衍射光波导1P后，该二维耦出光栅12P通常只将该+1 级衍射光(即第一级衍射光)衍射地耦出该现有的衍射光波导1P以被人眼接收而观察到对应的图像。换言之，该现有的衍射光波导1P只利用了该第一级衍射光的能量，而该-1级衍射光和该零级衍射光的能量均被浪费掉了。此外，如图2 所示，在各种视场角下该±1级衍射光的衍射效率均小于20％，而大部分能量都集中在该零级衍射光，这就导致该现有的衍射光波导1P的衍射效率不可避免地低于20％，难以满足用户对图像亮度的高需求。

发明内容

本发明的一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，其能够有效地提高光波导装置的光能利用效率，有助于提高近眼显示的图像亮度。

本发明的另一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，其中，在本发明的一实施例中，所述衍射增强光波导装置能够利用光能补偿组件使得光波导装置的衍射效率得到补偿，以减少零级衍射光的浪费，提高光波导装置的光能利用效率。

本发明的另一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，其中，在本发明的一实施例中，所述衍射增强光波导装置能够通过增加所述光能补偿组件中补偿波导的数量来增大光波导装置的整体衍射效率，从而使得近眼显示的图像亮度得以提高。

本发明的另一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，其中，在本发明的一实施例中，所述衍射增强光波导装置能够优化光波导装置的均匀性，使得用户能够看到具有较好均匀性的全视场画面。

本发明的另一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，其中，在本发明的一实施例中，所述衍射增强光波导装置能够通过不同厚度和/或折射率的补偿波导来优化光波导装置的均匀性，以便提高近眼显示质量。

本发明的另一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，其中，在本发明的一实施例中，所述衍射增强光波导装置能够不同的光栅常数、光栅深度和/ 或占空比来优化光波导装置的均匀性，有助于提高近眼显示质量，改善用户的视觉体验。

本发明的另一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，其中，在本发明的一实施例中，所述衍射增强光波导装置能够通过自上至下逐步减小所述光能补偿组件中的光栅常数，使得光线的耦出点位置会逐步后移以补偿后方耦出能量低的问题，从而提升图像的均匀性。

本发明的另一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，其中，在本发明的一实施例中，所述衍射增强光波导装置能够通过自上至下逐步增大所述光能补偿组件中的补偿波导厚度，使得光线的耦出点位置会逐步后移以补偿后方耦出能量低的问题，从而提升图像的均匀性。

本发明的另一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，其中，在本发明的一实施例中，所述衍射增强光波导装置能够通过设置不同厚度的波导层以调制每层波导的全反射周期，从而实现能量密度的均匀性优化。

本发明的另一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，其中，在本发明的一实施例中，所述衍射增强光波导装置能够对所述光能补偿组件中的光栅常数进行合理地分配，使得所述补偿波导能够对不同(或部分)视场角的图像进行传输，以便得到完整的图像。

本发明的另一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，其中，在本发明的一实施例中，所述衍射增强光波导装置能够通过对波导上的扩瞳区域和耦出区域进行区域划分成子区域，其中每个子区域可以设置为有光栅或无光栅，或者所设置的光栅具有不同的深度或占空比，以便提高波导的色彩均匀性，改善用户的视觉体验。

本发明的另一优势在于提供了衍射增强光波导装置及其方法，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，不只提供衍射增强光波导装置及其方法，同时还增加了所述衍射增强光波导装置及其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，本发明提供了衍射增强光波导装置，包括：

衍射光波导，其中所述衍射光波导设有耦入光栅区域和耦出光栅区域，其中所述耦入光栅区域用于衍射图像入射光以形成耦入所述衍射光波导的第一级衍射光和透过所述衍射光波导的零级衍射光，并且所述耦出光栅区域用于将耦入的该第一级衍射光耦出所述衍射光波导以形成图像出射光；和

光能补偿组件，其中所述光能补偿组件被叠置于所述衍射光波导，用于将透过所述衍射光波导的该零级衍射光耦合地传输以形成与该图像出射光相叠加的补偿出射光，以补偿出射的光能。

根据本申请的一实施例，所述光能补偿组件包括相互堆叠的N个补偿光波导，其中N大于等于1，其中每个所述补偿光波导包括波导基片、耦入元件以及耦出元件，其中所述耦入元件被设置于所述波导基片以对应于所述耦入光栅区域，用于将该零级衍射光耦入所述波导基片，其中所述耦出元件被设置于所述波导基片以对应于所述耦出光栅区域，用于将耦入的该零级衍射光耦出所述波导基片以形成该补偿出射光。

根据本申请的一实施例，所述耦入元件为被形成于所述波导基片的耦入光栅结构，并且所述耦出元件为被形成于所述波导基片的耦出光栅结构。

根据本申请的一实施例，所述光能补偿组件中N个所述补偿光波导分别被间隔地堆叠于所述衍射光波导，以在所述衍射光波导和所述光能补偿组件之间和所述光能补偿组件中相邻的两个所述补偿光波导之间分别形成间隙。

根据本申请的一实施例，所述的衍射增强光波导装置还包括垫件，所述垫件设于所述衍射光波导和所述光能补偿组件之间和所述光能补偿组件中相邻两所述补偿光波导之间，以使所述间隙为空气间隙。

根据本申请的一实施例，所述衍射光波导的厚度和折射率等于所述补偿光波导的厚度和折射率，并且所述衍射光波导所对应的光栅常数、光栅深度以及占空比等于所述补偿光波导所对应的光栅常数、光栅深度以及占空比。

根据本申请的一实施例，N个所述补偿光波导的厚度互不相同，且不同于所述衍射光波导的厚度。

根据本申请的一实施例，N个所述补偿光波导的厚度朝着远离所述衍射光波导的方向逐渐变大。

根据本申请的一实施例，N个所述补偿光波导所对应的光栅常数互不相同，且均不同于所述衍射光波导所对应的光栅常数。

根据本申请的一实施例，所述衍射光波导和N个所述补偿光波导所对应的光栅常数在300nm至500nm之间均匀地分布。

根据本申请的一实施例，所述衍射光波导和N个所述补偿光波导所对应的光栅常数依次被选定，以使所述衍射光波导和N个所述补偿光波导依次对与不同的局部视场角所对应的图像光进行传输，其中，各所述局部视场角的并集为全视场角。

根据本申请的一实施例，所述衍射光波导的上表面和下表面中至少一表面上设有所述耦入光栅区域，所述衍射光波导的上表面和下表面中至少一表面上设有所述耦出光栅区域，各所述补偿光波导的耦入元件设置于该补偿光波导的波导基片的上表面和/或下表面，各所述补偿光波导的耦出元件设置于该补偿光波导的波导基片的上表面和/或下表面。

根据本申请的一实施例，所述衍射光波导的下表面设有所述耦入光栅区域和所述耦出光栅区域；所述光能补偿组件被叠置于所述衍射光波导的所述下表面；对于所述光能补偿组件中的除最后一层补偿光波导外的各补充光波导，该补偿光波导的波导基片的上表面和下表面均设置有耦入元件和耦出元件；对于所述光能补偿组件中的最后一层补偿光波导，该补偿光波导的耦入元件和耦出元件均设置于该补偿光波导的波导基片的上表面。

根据本申请的一实施例，所述的衍射增强光波导装置，当所述衍射光波导的上表面设有耦入光栅区域和/或所述耦出光栅区域，所述衍射增强光波导装置还包括保护基片，其中所述保护基片被贴附于所述衍射光波导的所述上表面，并位于所述耦入光栅区域和/或所述耦出光栅区域的外侧。

根据本申请的一实施例，所述的衍射增强光波导装置，进一步包括TiO₂膜层，其中所述TiO₂膜层被镀于所述衍射光波导的所述耦入光栅区域和所述耦出光栅区域以及所述补偿光波导的所述耦入光栅结构和所述耦出光栅结构。

根据本申请的一实施例，所述衍射光波导进一步设有扩瞳光栅区域，其中所述扩瞳光栅区域位于所述耦入光栅区域和所述耦出光栅区域之间，用于衍射地扩散经由所述耦入光栅区域耦入的该第一级衍射光，使得扩散后的该第一级衍射光被传输至所述耦出光栅区域的不同位置。

根据本申请的一实施例，所述扩瞳光栅区域被区域细分以形成至少二扩瞳光栅子区域，其中不同的所述扩瞳光栅子区域具有不同的光栅深度和/或占空比。

根据本申请的一实施例，所述扩瞳光栅区域被区域细分以形成至少二扩瞳光栅子区域，其中所述扩瞳光栅区域中的部分所述扩瞳光栅子区域设有光栅，以形成非连续光栅。

根据本申请的一实施例，所述补偿光波导进一步包括扩瞳元件，其中所述扩瞳元件为被形成于所述波导基片的扩瞳光栅结构。

根据本申请的一实施例，所述衍射光波导和N个所述补偿光波导对相同视场角的光线的全反射周期不同。

根据本申请的另一方面，本申请进一步提供了光能衍射增强方法，包括步骤：

衍射图像入射光以形成耦入衍射光波导的第一级衍射光和透过该衍射光波导的零级衍射光；

衍射透过该衍射光波导的该零级衍射光以形成耦入补偿光波导的第一级衍射光和透过该补偿光波导的零级衍射光，其中该补偿光波导被叠置于该衍射光波导；

分别在该衍射光波导和该补偿光波导内全反射地传输该第一级衍射光；以及

分别衍射在该衍射光波导和该补偿光波导内传输的该第一级衍射光，以对应地形成相叠加的图像出射光和补偿出射光，以补偿出射的光能。

根据本申请的一实施例，合理地选择该衍射光波导和该补偿光波导所对应的厚度、折射率、光栅常数、光栅深度以及占空比，以优化图像的均匀性。

根据本申请的另一方面，本申请进一步提供了衍射增强光波导装置的制造方法，包括步骤：

获取一衍射光波导，在所述衍射光波导的耦入光栅区域和耦出光栅区域形成光栅结构；其中该耦入光栅区域内的光栅结构用于衍射图像入射光以形成耦入该衍射光波导的第一级衍射光和透过该衍射光波导的零级衍射光，并且该耦出光栅区域内的光栅结构用于将耦入的该第一级衍射光耦出该衍射光波导以形成图像出射光；和

叠置光能补偿组件于该衍射光波导，其中该光能补偿组件用于将透过该衍射光波导的该零级衍射光耦合地传输以形成与该图像出射光相叠加的补偿出射光，以补偿出射的光能。

根据本申请的一实施例，所述获取一衍射光波导，在所述衍射光波导的耦入光栅区域和耦出光栅区域形成光栅结构；的步骤，包括步骤：

制作母板，其中该母板具有与该耦入光栅区域和该耦出光栅区域内的光栅结构分别对应的待转印光栅结构；和

通过纳米压印方法，利用该母板在该衍射光波导的表面加工形成该耦入光栅区域和该耦出光栅区域内的光栅结构。

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示出了现有的一种光波导装置的光路示意图。

图2示出了一维光栅的各级次衍射效率随视场角的变化曲线示意图。

图3是根据本发明的一实施例的衍射增强光波导装置的结构示意图。

图4示出了根据本发明的上述实施例的所述衍射增强光波导装置的光路示意图。

图5示出了根据本发明的上述实施例的所述衍射增强光波导装置的衍射效率的变化示意图。

图6示出了根据本发明的上述实施例的所述衍射增强光波导装置的k域示意图。

图7示出了衍射角随光栅常数变化的曲线示意图。

图8示出了根据本发明的上述实施例的所述衍射增强光波导装置的第一变形实施方式。

图9示出了根据本发明的上述第一变形实施方式的所述衍射增强光波导装置的分解示意图。

图10示出了根据本发明的上述第一变形实施方式的所述衍射增强光波导装置的k域示意图。

图11示出了根据本发明的上述实施例的所述衍射增强光波导装置的第二变形实施方式。

图12示出了根据本发明的上述实施例的所述衍射增强光波导装置的第三变形实施方式。

图13示出了根据本发明的上述第三变形实施方式的所述衍射增强光波导装置的k域示意图。

图14示出了根据本发明的上述实施例的所述衍射增强光波导装置的第四变形实施方式。

图15示出了根据本发明的上述实施例的所述衍射增强光波导装置的第五变形实施方式。

图16示出了根据本发明的上述实施例的所述衍射增强光波导装置的第六变形实施方式。

图17示出了根据本发明的上述实施例的所述衍射增强光波导装置的第七变形实施方式。

图18示出了根据本发明的上述第七变形实施方式的所述衍射增强光波导装置的分解示意图。

图19示出了根据本申请的一实施例的一近眼显示设备的结构示意图，其配置有根据本申请的上述第七变形实施方式的所述衍射增强光波导装置。

图20示出了根据本发明的上述实施例的所述衍射增强光波导装置的第八变形实施方式。

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。

为了提高衍射光波导的整体衍射效率，本申请提供了一种衍射增强光波导装置和方法及其设备，其能够利用零级衍射光的能量来补偿光波导装置的衍射效率，以减少零级衍射光的能量浪费。具体地，如图3和图4所示，根据本申请的一实施例的衍射增强光波导装置1被阐明，其中衍射增强光波导装置1可以包括一衍射光波导10和一光能补偿组件20。衍射光波导10设有耦入光栅区域11和耦出光栅区域12，其中耦入光栅区域11用于衍射图像入射光1000以形成耦入衍射光波导10的第一级衍射光1001和透过衍射光波导10的零级衍射光1002，并且耦出光栅区域12用于将耦入的该第一级衍射光101耦出衍射光波导10以形成图像出射光1003。光能补偿组件20被叠置于衍射光波导10，用于将透过衍射光波导10的该零级衍射光1001耦合地传输以形成与该图像出射光1003相叠加的补偿出射光1004，以补偿出射的光能。

更具体地，如图3和图4所示，光能补偿组件20包括相互堆叠的N个补偿光波导200，其中N大于等于1。每个补偿光波导200包括一波导基片21、一耦入元件22以及一耦出元件23，其中耦入元件22被设置于波导基片21以对应于衍射光波导10的耦入光栅区域11，并且耦出元件23被设置于波导基片21以对应于衍射光波导10的耦出光栅区域12，其中耦入元件22用于继续衍射该零级衍射光1002以形成耦入波导基片21的衍射光，并且耦出元件23用于将耦入的该零级衍射光1002耦出波导基片21以形成补偿出射光1004，使得耦出的该补偿出射光1004与该图像出射光1003相叠加，以补偿出射的光能。

值得注意的是，由于本申请的光能补偿组件20能够将未被衍射光波导10 利用的零级衍射光1002转换成补偿出射光1004以与图像出射光1003相叠加而被人眼接收，使得零级衍射光1002中的一部分或全部也被衍射增强光波导装置 1利用了，因此本申请的衍射增强光波导装置1不仅像现有的衍射光波导1P那样利用了第一级衍射光，而且还利用了零级衍射光，以减小零级衍射光的能量浪费，使得衍射增强光波导装置1的衍射效率得以补偿，从而有效地提高光能利用效率，有助于提高近眼显示的图像亮度。

根据本申请的上述实施例，衍射光波导10的耦入光栅区域11可以但不限于被实施为设有一维光栅或二维光栅的区域。可以理解的是，一维光栅可以但不限于被实施为矩形光栅、斜齿光栅或锯齿光栅等等；而二维光栅也可以由多个一维光栅叠加在一起来代替。

相应地，衍射光波导10的耦出光栅区域12也可以但不限于被实施为一维光栅或二维光栅。特别地，当耦出光栅区域12设有二维光栅时，耦出光栅区域12 既具有耦出功能，又具有扩瞳功能。

根据本申请的上述实施例，如图3所示，补偿光波导200的耦入元件22优选地被实施为耦入光栅结构220，并且补偿光波导200的耦出元件23优选地被实施为耦出光栅结构230，使得耦入元件22和耦出元件23均通过衍射的方式耦入和耦出图像光。可以理解的是，耦入光栅结构220和耦出光栅结构230也可以被实施为一维光栅或二维光栅，而一维光栅和二维光栅可以被实施为浮雕光栅或体全息光栅。当然，在本申请的其他示例中，耦入元件22和耦出元件23还可以被实施为耦入棱镜和半反半透膜等其他形式的耦合结构，本申请对此不再赘述。

值得一提的是，针对一维光栅，一维光栅在衍射光线时会产生至少三个级次的衍射光，分别是0级衍射光(即零级衍射光)、+1级衍射光(即第一级衍射光)以及-1级衍射光，其衍射效率随着视场角的变化如图2所示。这样，如图3 和图4所示，以耦入光栅区域11的光栅结构和耦入光栅结构220均是一维光栅为例，首先，图像入射光1000被衍射光波导10的耦入光栅区域11的光栅结构衍射成耦入到衍射光波导10的第一级衍射光1001和透过衍射光波导10以沿着原方向传播的零级衍射光1002，此时耦入光栅区域11的光栅结构的耦入衍射效率为η_0，+1；接着，零级衍射光1002被第一个补偿光波导201的第一个耦入光栅结构221衍射成耦入到第一个补偿光波导201的第一个波导基片211的第一级衍射光1001和透过第一个波导基片211以沿着原方向传播的零级衍射光1002，此时第一个补偿光波导201(即第一个耦入光栅结构221)的耦入衍射效率为η_0，0×η_1，+1；之后，依次类推，光能补偿组件20中第N个补偿光波导20N(即第N 个耦入光栅结构22N)的耦入衍射效率为η_0，0×η_1，0…×η_N，+1。

综上，在不考虑吸收和反射的能量损失的情况下，本申请的衍射增强光波导装置1的耦入衍射效率是N+1次耦入衍射效率的叠加，也就是说，衍射增强光波导装置1的耦入衍射效率η_sum＝η_0，+1+η_0，0×η_1，+1+…+η_0，0×η_1，0…×η_N，+1，其中η_0，+1和η_0，0分别为耦入光栅区域11的+1级衍射效率和零级衍射效率；η_N，+1和η_N，0分别为第N个耦入光栅结构22N的+1级衍射效率和零级衍射效率，其中N≥1。

值得注意的是，当耦入光栅区域11的光栅结构和耦入光栅结构220的光栅结构相同，即所有的+1级衍射效率均相同，且所有的零级衍射效率也相同时，衍射增强光波导装置1的耦入衍射效率被简化为：

其中，η_sum为衍射增强光波导装置1的耦入衍射效率；η₊₁为+1级衍射效率；η₀为零级衍射效率。

由于一维光栅的+1级衍射效率η₊₁通常小于20％，因此以+1级衍射效率η₊₁＝10％为例，得到本申请的衍射增强光波导装置1的耦入衍射效率函数如图5 所示，可以看出：衍射增强光波导装置1的理论衍射效率随着光能补偿组件20 的层数(即波导基片21的数量N)的增加而增加，通常选择一至三个波导基片 21(即N＝1,2或3)就能够得到比较客观的衍射效率增幅，又不至于令衍射增强光波导装置1的结构过于复杂。

同理地，对衍射增强光波导装置1的耦出区域进行分析可知，衍射增强光波导装置1的耦出衍射效率也会随着光能补偿组件20的层数的增加而增加。而由于耦出的补偿出射光1004与图像出射光1003相互叠加以直接被人眼观察到，因此衍射增强光波导装置1的耦入衍射效率和耦出衍射效率的增加均会提升图像亮度。换言之，本申请的衍射增强光波导装置1能够在不增加光源功耗的情况下，就能够实现耦出图像亮度的提高。

根据本申请的上述实施例，如图3所示，光能补偿组件20中的N个补偿光波导200优选地被间隔地堆叠于衍射光波导10，以在衍射光波导10和光能补偿组件20之间和光能补偿组件20中相邻的两个补偿光波导200之间均形成间隙 300，以确保被耦入衍射光波导10或补偿光波导200的衍射光均能够在衍射光波导10或补偿光波导200内进行全反射地传输。

优选地，如图3所示，衍射增强光波导装置1可以进一步包括N组垫件30，其中N组垫件30分别被设置于衍射光波导10和光能补偿组件20之间和光能补偿组件20中相邻的补偿光波导200之间，以使间隙300被实施为空气间隙，从而确保衍射光波导10和补偿光波导200的全反射条件容易被满足。

更优选地，如图3和图4所示，垫件30被实施为垫片31，并且每组垫片31 分别被对应地设置于衍射光波导10和光能补偿组件20之间的端部位置或光能补偿组件20中相邻的波导基片21之间的端部位置，使得间隙300对应于耦入光栅区域11和耦出光栅区域12之间的区域，避免垫件30影响衍射光波导10和补偿光波导200的全反射条件。当然，在本申请的其他示例中，垫件30也可以被透光胶层替代，设置于光波导的边缘，保障间隙300被实施为空气间隙。

当然，在另外的实施例中还可使得间隙300被实施为胶层间隙，只需要保证透光胶层的折射率小于衍射光波导10和波导基板21的折射率，满足衍射光波导10和补偿光波导200的全反射条件即可，本申请对此不再赘述。

最优选地，垫片31的厚度在5um至100um之间，使得间隙300的高度在5um 至100um之间。

值得注意的是，在本申请的一示例中，如图4所示，光能补偿组件20中N 个补偿光波导200的厚度和折射率可以相同，且等于衍射光波导10的厚度和折射率。优选地，衍射光波导10的厚度在300um至1.5mm之间，且折射率在1.5 至1.9之间。

此外，如图4所示，光能补偿组件20中的耦入光栅结构220和耦出光栅结构230的光栅常数、光栅深度以及占空比可以相同，且等于衍射光波导10的耦入光栅区域11和耦出光栅区域12的光栅常数、光栅深度以及占空比，使得衍射增强光波导装置1所耦出的图像出射光1003和补偿出射光1004相对准地叠加，以提高衍射增强光波导装置1的衍射效率。

当然，在本申请的其他示例中，光能补偿组件20中N个补偿光波导200的厚度和折射率也可以不同，且不等于衍射光波导10的厚度和折射率；同时光能补偿组件20中的耦入光栅结构220和耦出光栅结构230的光栅常数、光栅深度以及占空比也可以不同，且不等于衍射光波导10的耦入光栅区域11和耦出光栅区域12的光栅常数、光栅深度以及占空比，但需要使N个补偿光波导200和衍射光波导10对应的光栅周期全部满足全反射条件和耦出条件。

值得注意的是，本申请的衍射增强光波导装置1中的光栅常数范围可以在 200nm至700nm之间。此外，衍射增强光波导装置1中的光栅深度范围可以在30nm 至500nm之间。

优选地，衍射增强光波导装置1中各层光波导所对应的光栅常数互不相同，且在300nm至500nm之间均匀地分布。

示例性地，对于波长为515nm的图像光源，折射率为1.72的波导片，其k 域图如图6所示，其中图中的k₁₁、k₁₂、k₁₃、k₂₁、k₂₂以及k₂₃表示不同的光栅矢量，并且图中画出了两组光栅矢量的极限位置，使对应的视场角光线恰好位于能够有效耦出的k域圆环之内，可以得到此时的光栅常数取值范围优选地被实施为 340nm至430nm。

值得注意的是，由于光栅常数与波导内部光线的传输情况相关，因此本申请可以通过选择合适的光栅常数来控制光线在波导中的衍射角或全反射角。例如，图7示出了衍射角随光栅常数变化的关系，由图7可以看出：随着光栅常数(即光栅周期)的增加，衍射角度逐渐减小，使得全反射周期逐渐减小，而能量密度却会逐渐变大。因此，本申请的衍射增强光波导装置1中的衍射光波导10和N 个补偿光波导200所对应的光栅常数可以互不相同，使得衍射增强光波导装置1 所耦出的图像出射光1003和补偿出射光1004能够不对准地叠加，以便在提高衍射增强光波导装置1的衍射效率的同时，还能够使衍射增强光波导装置1所耦出的能量密度能够达到一个平衡。

附图8至图10示出了根据本申请的上述实施例的衍射增强光波导装置1的第一变形实施方式，其中衍射增强光波导装置1中N个补偿光波导200所对应的光栅常数可以均大于衍射光波导10所对应的光栅常数，并且N个补偿光波导200 所对应的光栅常数自上至下逐渐变大，使得其衍射角自上至下逐渐变小，以实现每层波导中的全反射周期自上至下逐渐变小，从而实现能量密度均匀性的优化。

示例性地，如图8和图9所示，衍射增强光波导装置1的衍射光波导10的耦入光栅区域11和耦出光栅区域12设有光栅矢量相匹配的光栅结构，并且衍射增强光波导装置1的光能补偿组件20包括第一补偿光波导201和第二补偿光波导202，即N＝2，其中第一补偿光波导201在第一波导基片211上与耦入光栅区域11和耦出光栅区域12对应的位置处分别设置光栅矢量相匹配的第一耦入光栅结构221和第一耦出光栅结构231，并且第二补偿光波导202在第二波导基片212 上与耦入光栅区域11和耦出光栅区域12对应的位置处分别设置第二耦入光栅结构222和第二耦出光栅结构232。耦入光栅区域11的光栅结构、第一耦入光栅结构221以及第二耦入光栅结构222均被实施为一维浮雕光栅；耦出光栅区域 12的光栅结构、第一耦出光栅结构231以及第二耦出光栅结构232均被实施为二维浮雕光栅。特别地，耦入光栅区域11和耦出光栅区域12的光栅结构的光栅常数为360nm，第一耦入光栅结构221和第一耦出光栅结构231的光栅常数为 390nm，第二耦入光栅结构222和第二耦出光栅结构232的光栅常数为420nm。与此同时，对于波长为515nm的单色光，衍射增强光波导装置1中的衍射光波导 10、第一补偿光波导201以及第二补偿光波导202的参数均能够满足图像的全视角显示。

这样，如图8所示，当图像入射光1000到达衍射光波导10的耦入光栅区域 11时，该图像入射光1000将会被耦入光栅区域11内的光栅结构衍射成在衍射光波导10内全反射地传播的第一级衍射光1001a和继续向下传播以到达第一补偿光波导201的零级衍射光1002；之后，该零级衍射光1002将会被第一耦入光栅结构221衍射成在第一补偿光波导201内全反射地传播的第一级衍射光1001b 和继续向下传播以到达第二补偿光波导202的零级衍射光1002；最后，该零级衍射光1002将会被第二耦入光栅结构222衍射成在第二补偿光波导202内全反射地传播的第一级衍射光1001c和继续向下传播以到达第二补偿光波导202的零级衍射光1002。与此同时，在衍射光波导10内全反射地传播的该第一级衍射光 1001a被耦出光栅区域12耦出以形成图像出射光1003；在第一和第二补偿光波导201、202内全反射地传播的该第一级衍射光1001b、1001c分别被第一和第二耦出光栅结构231、232耦出以形成补偿出射光1004，使得补偿出射光1004和图像出射光1003相叠加以同时到达人眼，以实现图像的高效率显示。

值得注意的是，如图10所示，根据本申请的这个变形实施方式的衍射增强光波导装置1中衍射光波导10、第一补偿光波导201以及第二补偿光波导203 所对应的k域图被阐明，其中光栅矢量ka、kb、kc依次对应于衍射光波导10、第一补偿光波导201以及第二补偿光波导203。由于衍射光波导10、第一补偿光波导201以及第二补偿光波导203所对应的光栅常数不同，因此每层光波导中光线的全反射角度存在差别，其中第一级衍射光1001a的衍射角最大，第一级衍射光1001b的衍射角次之，第一级衍射光1001c的衍射角最小。这样，由于衍射增强光波导装置1的耦出能量是每层光波导对应的耦出能量的合成，因此衍射增强光波导装置1中从每层光波导出射的光线能量密度的差异在合成后会被匀化，从而实现图像均匀性的优化。

值得一提的是，在本申请的第二变形实施方式中，如图11所示，衍射增强光波导装置1中N个补偿光波导200所对应的光栅常数也可以均小于衍射光波导 10所对应的光栅常数，并且N个补偿光波导200所对应的光栅常数自上至下逐渐减小，使得其衍射角自上至下逐渐变大。换言之，衍射增强光波导装置1中的耦入光栅区域11内的光栅结构、第一个耦入光栅结构221、……第N个耦入光栅结构22N所对应的光栅常数逐渐减小，使得其对应的衍射角θ₀，θ₁，……θ_N随之逐渐变大，这样衍射增强光波导装置1中各层光波导内的全反射周期会随着衍射角自上至下逐渐变大，因此光线的耦出点位置自上至下会在耦出区域逐渐后移，以在提高衍射效率的同时，还能够补偿耦出区域后方的耦出能量，从而提升了图像的均匀性。可以理解的是，光线在耦出区域每耦出一次后，剩余的在波导内传输的光线的能量就会变少，导致在耦出区域每次耦出的能量依次下降，而本申请的衍射增强光波导装置1却能够补偿耦出区域后方的耦出能量，使得图像均匀性得以提升。

可以理解的是，在本申请的又一示例，衍射增强光波导装置1中衍射光波导 10和N个补偿光波导200所对应的光栅常数还可以在一定范围内随机选取，本申请对此不再赘述。当然，在本申请的其他示例中，衍射增强光波导装置1还可以调整其他参数，只要能够使相同视场角的光线在衍射增强光波导装置1中各层光波导中的全反射角度不同即可，仍能够实现提升图像均匀性的目的。

此外，本申请的衍射增强光波导装置1还可以通过将衍射光波导10和N个补偿光波导200所对应的光栅深度和/或占空比设置为不同，以实现FOV均匀性的优化。当然，本申请的衍射增强光波导装置1也可以通过将衍射光波导10和 N个补偿光波导200所对应的厚度和/或折射率设置为不同，以实现每层波导中的全反射周期的调制，从而实现能量密度均匀性的优化。

示例性地，在本申请的第三变形实施方式中，如图12所示，衍射增强光波导装置1中N个补偿光波导200所对应的厚度均大于衍射光波导10所对应的厚度，并且N个补偿光波导200所对应的厚度自上至下逐渐增大，使得其全反射周期自上至下逐渐变大。换言之，衍射增强光波导装置1中的衍射光波导10、第一个补偿光波导201、……第N个补偿光波导20N所对应的厚度d₀，d₁，……d_N逐渐增大，使得衍射增强光波导装置1中各层光波导内的全反射周期随之逐渐变大，因此光线的耦出点位置自上至下会在耦出区域逐渐后移，仍能够在提高衍射效率的同时，还能够补偿耦出区域后方的耦出能量，从而提升了图像的均匀性。可以理解的是，N个补偿光波导201、……20N的厚度朝着远离衍射光波导10的方向逐渐增大。当然，在本申请的其他示例中，衍射增强光波导装置1中衍射光波导10和N个补偿光波导200所对应的厚度也可以在一定范围内随机选取，本申请对此不再赘述。

上述实施例中，衍射光波导和N个补偿光波导对相同视场角的光线的全反射周期不同，通过对每层波导中的全反射周期的调制，从而实现能量密度均匀性的优化。其中，全反射周期的调制可通过调制全反射角(衍射角)和/或波导厚度实现，具体地，全反射周期的调制至少可对波导耦入光栅结构的光栅常数、波导的厚度以及波导的折射率这些参数中的至少一个进行调制而实现。

值得一提的是，当衍射增强光波导装置1中衍射光波导10和N个补偿光波导200所对应的光栅常数只能部分地满足全反射条件和耦出条件时，其k域图如图13所示，由于全视场角无法满足全反射条件，因此得到的图像会发生视角缺失。而为了获得完整的图像，本申请的衍射增强光波导装置1能够对每层光波导所对应的光栅常数进行合理地分配，即通过适当地选取每层光波导所对应的光栅常数，使得每层光波导能够对不同(或部分)视场角的图像光进行传输，这样每层光波导所传输的图像集合在一起就能够得到完整的图像，有助于在大视场角的光波导装置中提升FOV的均匀性。

可以理解，假设全视场角为FOV，衍射光波导对视场角FOV₀的图像光进行传输，第一层补偿光波导201对视场角FOV₁的图像光进行传输，第二层补偿光波导202对视场角FOV₂的图像光进行传输，…，第N层补偿光波导20N对视场角 FOV_N的图像光进行传输,则FOV₀、FOV₁、FOV₂、…、FOV_N的并集为FOV。示例性地，在本申请的第四变形实施方式中，如图14所示，衍射增强光波导装置1中的衍射光波导10、第一个补偿光波导201、……第N个补偿光波导20N所对应的光栅常数依次被优选地选定，使得衍射增强光波导装置1中各层光波导依次对与逐渐变小的视场角所对应的图像光F₀，F₁，……F_N进行传输，因此衍射增强光波导装置1能够使人眼观察到完整的图像。可以理解的是，视场角较大的图像光所对应的零级衍射光仍会被补偿光波导200传输，使得其对应的耦出点位置相错位，仍能够在提高衍射效率的同时，还能够耦出能量分布均匀，从而提升了图像的均匀性。

值得注意的是，在本申请的上述实施例和各种示例中，光能补偿组件20的耦入光栅结构220和耦出光栅结构230优选地均被形成于波导基片21的上表面，使得耦入光栅结构220和耦出光栅结构230处于对应的间隙300内，以避免耦入光栅结构220和耦出光栅结构230与外界直接接触，以便保护光栅的光学面。而本申请的耦入光栅区域11和耦出光栅区域12则被形成于衍射光波导10的上表面，使得衍射光波导10上的光栅与外界直接接触了，导致光栅的光学面容易被损坏。

为了解决这一问题，如图15所示，根据本申请的上述实施例的衍射增强光波导装置1的第五变形实施方式被阐明，其中衍射增强光波导装置1还可以进一步包括保护基片40，其中保护基片40由透光材质制成，并且保护基片40被贴附于衍射光波导10的上表面，并位于耦入光栅区域11和耦出光栅区域12的外侧，以避免耦入光栅区域11和耦出光栅区域12与外界直接接触，以保护光栅的光学面不受损坏。可以理解的是，在本申请的其他示例中，耦入光栅结构220 和/或耦出光栅结构230也可以被形成于波导基片21的下表面，此时也可以在补偿光波导200的下表面贴附保护基片40，以保护耦入光栅结构220和/或耦出光栅结构230的光学面不受损坏。

特别地，附图16示出了根据本申请的上述实施例的衍射增强光波导装置1 的第六变形实施方式，其中衍射增强光波导装置1可以进一步包括TiO₂膜层50，其中TiO₂膜层50被镀设于衍射光波导10的耦入光栅区域11和耦出光栅区域12 以及光能补偿组件20中的耦入光栅结构220和耦出光栅结构230，以在保护光栅结构不受损坏的情况下进一步增强衍射增强光波导装置1的衍射效率。

值得注意的是，尽管根据本申请的上述实施例及其变形实施方式的衍射增强光波导装置1以衍射光波导10只设有耦入光栅区域11和耦出光栅区域12，对应地补偿光波导20也只设有耦入光栅结构220和耦出光栅结构230为例来阐述本申请的特征和优势，但在本申请的其他示例中，衍射光波导10还可以进一步设有扩瞳光栅区域，对应地补偿光波导20也可以进一步包括扩瞳元件。

具体地，附图17和图18示出了根据本申请的上述实施例的衍射增强光波导装置1的第七变形实施方式，其中衍射光波导10可以进一步设有扩瞳光栅区域 13，其中扩瞳光栅区域13位于耦入光栅区域11和耦出光栅区域12之间，用于衍射地扩散经由耦入光栅区域11耦入的第一级衍射光1001，使得扩散后的第一级衍射光1001被传输至耦出光栅区域12的不同位置，以被耦出光栅区域12耦出衍射光波导10，有助于在提高耦出能量密度均匀性的同时，消除图像暗角。相应地，补偿光波导20也可以进一步包括扩瞳元件24，并且扩瞳元件24位于耦入元件22和耦出元件23之间，以起到扩瞳的作用。

优选地，扩瞳元件24被实施为被形成于波导基片21的扩瞳光栅结构240。更优选地，扩瞳光栅区域13内的光栅结构和扩瞳光栅结构240均被实施为一维光栅。当然，在本申请的其他示例中，扩瞳光栅区域13内的光栅结构和扩瞳光栅结构240也可以但不限于被实施为二维光栅。

示例性地，如图18所示，衍射增强光波导装置1包括一个衍射光波导10 和一个补偿光波导200，其中耦入、耦出以及扩瞳光栅区域11、12、13和耦入、耦出以及扩瞳光栅结构220、230、240均被实施为一维浮雕光栅，并且耦入、耦出以及扩瞳光栅区域11、12、13(或耦入、耦出以及扩瞳光栅结构220、230、 240)的光栅矢量方向分别为0°、120°以及-120°。衍射光波导10上的光栅常数为380nm，补偿光波导200上的光栅常数为440nm。可以理解的是，在本申请的其他示例中，耦入、耦出以及扩瞳光栅区域11、12、13(或耦入、耦出以及扩瞳光栅结构220、230、240)的光栅矢量方向也可以按照其他角度进行设定，例如分别为0°、135°以及-90°等等。

优选地，如图17和图18所示，扩瞳光栅区域13可以进行区域细分，以形成至少二扩瞳光栅子区域130，其中不同的扩瞳光栅子区域130可以具有不同的光栅深度和/或占空比，以便提升光波导的色彩均匀性。当然，在本申请的其他示例中，不同的扩瞳光栅子区域130也可以分别设置有光栅或无光栅，以形成连续光栅或非连续光栅。可以理解的是，连续光栅是指在一个区域(如扩瞳区域) 内每个位置(如扩瞳子区域)都排布有光栅，而非连续光栅则是在一个区域内的一部分位置排布有光栅，旦另一部分位置未排布光栅。

同理地，扩瞳光栅结构240也可以根据扩瞳光栅区域13进行区域细分。另外，耦出光栅区域12和耦出光栅结构23也可以进行区域细分，本申请对此不再赘述。

示例性地，如图17和图18所示，扩瞳光栅区域13被区域细分为三部分，依次为第一扩瞳光栅子区域131、第二扩瞳光栅子区域132以及第三扩瞳光栅子区域133，并且第一扩瞳光栅子区域131、第二扩瞳光栅子区域132以及第三扩瞳光栅子区域133具有不同的光栅深度和占空比。耦出光栅区域12也被区域细分为三部分，依次为第一耦出光栅子区域121、第二耦出光栅子区域122以及第三耦出光栅子区域123，并且第一耦出光栅子区域121、第二耦出光栅子区域122 以及第三耦出光栅子区域123具有不同的光栅深度和占空比。

同样地，扩瞳光栅结构240和耦出光栅结构230也被对应地细分为三部分。值得注意的是，这里的区域细分方法只是示意性地，为了进一步增加均匀性，还可以将各光栅区域细分成更多的子区域，并从所有的子区域中选择某些子区域进行光栅设置，从而得到非连续的光栅分布。

优选地，如图17所示，衍射光波导10中的耦入光栅区域11和耦出光栅区域12被形成于衍射光波导10的下表面，并且光能补偿组件20中的补偿光波导 200也被叠置于衍射光波导10的下表面，以使耦入光栅区域11和耦出光栅区域 12位于衍射光波导10和补偿光波导200之间的间隙300内。与此同时，补偿光波导200中的耦入光栅结构220和耦出光栅结构230则均被对应地形成于波导基片21的上表面。这样，衍射增强光波导装置1中光栅的光学面不会与外界直接接触，故可以舍去贴附保护基片40的工艺步骤，减少了装置的整体厚度，也节省了制备成本。

更优选地，补偿光波导200的厚度大于衍射光波导10的厚度，使得光能量在补偿光波导200中衰减的更慢，从而实现在耦出区域后端能量的补偿，最终达到进一步优化均匀性的目的。

值得注意的是，本申请的衍射增强光波导装置1中的衍射光波导10和N个补偿光波导均可以传输红绿蓝三色的图像光，这会使衍射增强光波导装置1能够实现图像亮度的提升和色彩均匀性的优化。

需要说明的是，本申请所提供的衍射增强光波导装置的衍射光波导，其上表面和下表面中至少一表面上形成有耦入光栅区域，且上表面和下表面中至少一表面上形成有耦出光栅区域。也就是说，衍射光波导的上表面和下表面都可以形成有耦入光栅区域和/或耦出光栅区域。

可以理解，光栅衍射存在透射衍射和反射衍射两种情形，衍射光波导上表面的耦入光栅区域内的光栅结构将图像光衍射耦入衍射光波导时，主要是利用了衍射产生的1级透射衍射光。当衍射光波导的下表面也设有耦入光栅区域时，0级透射衍射光1002到达该耦入光栅区域时被再次衍射，至少产生的某级次的反射衍射光可被耦入衍射光波导并在衍射光波导中全反射传输至耦出光栅区域后被耦出，这样可以进一步利用该级次的反射衍射光，提高衍射增强光波导装置的光能利用率。

同理，衍射光波导上表面的耦出光栅区域内的光栅结构将衍射光波导内的衍射光耦出至目标区域(如动眼眶区域)时主要是透射衍射耦出。当衍射光波导的下表面也设有耦出光栅区域时，可以使得衍射光波导内的衍射光被反射耦出至目标区域(如动眼眶区域)，提高衍射增强光波导装置的光能利用率。

示例性地，在本申请的第八变形实施方式中，如图20所示，衍射光波导10 的上表面和下表面均设有耦入光栅区域11和耦出光栅区域12，并且光能补偿组件20中的补偿光波导200也被叠置于衍射光波导10的下表面，以使耦入光栅区域11和耦出光栅区域12位于衍射光波导10和补偿光波导200之间的间隙300 内。与此同时，补偿光波导200中的耦入光栅结构220和耦出光栅结构230则均被对应地形成于波导基片21的上表面。这样，在衍射光波导10内全反射地传播的衍射光被能够被上下两层光栅结构耦出以形成图像出射光1003；在第一至第N 补偿光波导201、20N内全反射地传播的级衍射光分别被第一至第N耦出光栅结构耦出以形成补偿出射光1004，使得补偿出射光1004和图像出射光1003相叠加以同时到达人眼，以实现图像的高效率显示。

当然，类比于本申请所提供的衍射增强光波导装置的衍射光波导，本申请所提供的衍射增强光波导装置的补偿光波导，其上表面和下表面中至少一表面上对应于耦入光栅区域的位置设有耦入元件，且上表面和下表面中至少一表面上对应于耦入光栅区域的位置设有耦出元件。这样能够进一步提高衍射增强光波导装置的光能利用率。

另外，在衍射光波导形成有扩瞳光栅区域时，该扩瞳光栅区域可设置于衍射光波导的上表面和/或下表面。补偿光波导的上表面和下表面中至少一表面上对应于扩瞳光栅区域的位置设置有扩瞳元件。

示例性地，在本申请的另外的变形实施方式中，衍射光波导10的下表面设有耦入光栅区域11和耦出光栅区域12，并且光能补偿组件20中的补偿光波导 200也被叠置于衍射光波导10的下表面，以使耦入光栅区域11和耦出光栅区域 12位于衍射光波导10和补偿光波导200之间的间隙内。与此同时，补偿光波导 200中除补偿光波导20N之外的其他补偿光波导的耦入光栅结构和耦出光栅结构 230均被对应地形成于波导基片的上表面和下表面，最后层补偿光波导20N的耦入光栅结构和耦出光栅结构形成于波导基片的上表面。这样一方面能够提高衍射增强光波导装置的光能利用率，而且衍射增强光波导装置的光栅结构均未暴露在外表面，不需要额外的设计来保护暴露在外表面的光栅结构。根据本申请的另一方面，如图19所示，本申请进一步提供了一种近眼显示设备，其中近眼显示设备可以包括用于投射图像入射光的光机71、一设备主体70以及上述衍射增强光波导装置1，其中光机71和衍射增强光波导装置1被对应地设置于设备主体70，使得经由光机71提供的图像入射光被衍射增强光波导装置1补偿地耦出而被用户眼睛接收以看到对应的图像。

更具体地，如图19所示，近眼显示设备的设备主体70可以包括一横梁部 72和一对镜腿部73，其中镜腿部73分别从横梁部72的左右两侧向后延伸，以形成具有眼镜架结构的设备主体70。衍射增强光波导装置1被设置于横梁部72 的下方，以作为用于近眼显示的眼镜镜片。

值得注意的是，在本申请的一示例中，如图19所示，衍射增强光波导装置 1中衍射光波导10的耦入光栅区域11位于第一波导层11的上部，以对应于设备主体70的横梁部72；此时，光机71适于被安装于设备主体70的横梁部72，使得当用户佩戴近眼显示设备时，光机71对应地位于用户的额头附近，有助于为光机71预留更大的安装空间。

根据本申请的另一方面，本申请的一实施例进一步提供了一种光能衍射增强方法，可以包括步骤：

S110：衍射图像入射光以形成耦入衍射光波导的第一级衍射光和透过该衍射光波导的零级衍射光；

S120：衍射透过该衍射光波导的该零级衍射光以形成耦入补偿光波导的第一级衍射光和透过该补偿光波导的零级衍射光，其中该补偿光波导被叠置于该衍射光波导；

S130：分别在该衍射光波导和该补偿光波导内全反射地传输该第一级衍射光；以及

S140：分别衍射在该衍射光波导和该补偿光波导内传输的该第一级衍射光，以对应地形成相叠加的图像出射光和补偿出射光，以补偿出射的光能。

值得注意的是，优选地，在本申请的光能衍射增强方法中，合理地选择该衍射光波导和该补偿光波导所对应的厚度、折射率、光栅常数、光栅深度以及占空比，以优化图像的均匀性。

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

S210：获取一衍射光波导，在衍射光波导的耦入光栅区域和耦出光栅区域形成光栅结构；其中该耦入光栅区域内的光栅结构用于衍射图像入射光以形成耦入该衍射光波导的第一级衍射光和透过该衍射光波导的零级衍射光，并且该耦出光栅区域内的光栅结构用于将耦入的该第一级衍射光耦出该衍射光波导以形成图像出射光；和

S220：叠置光能补偿组件于该衍射光波导，其中该光能补偿组件用于将透过该衍射光波导的该零级衍射光耦合地传输以形成与该图像出射光相叠加的补偿出射光，以补偿出射的光能。

示例性地，在本申请的一示例中，衍射增强光波导装置的制造方法的步骤 S210，可以包括步骤：

S211：制作母板，其中母板具有与耦入光栅区域和耦出光栅区域相对应的待转印光栅结构；和

S212：通过纳米压印方法，利用母板在衍射光波导的表面加工形成耦入光栅区域和耦出光栅区域。

值得注意的是，根据本申请的上述实施例，在所述衍射增强光波导装置的制造方法的所述步骤S211中，所述母板可以采用刻蚀加工的方法被制作而成。例如，所述刻蚀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 (24)

1.一种衍射增强光波导装置，其特征在于，包括：

衍射光波导，其中所述衍射光波导设有耦入光栅区域和耦出光栅区域，其中所述耦入光栅区域用于衍射图像入射光以形成耦入所述衍射光波导的第一级衍射光和透过所述衍射光波导的零级衍射光，并且所述耦出光栅区域用于将耦入的该第一级衍射光耦出所述衍射光波导以形成图像出射光；和

光能补偿组件，其中所述光能补偿组件被叠置于所述衍射光波导，用于将透过所述衍射光波导的该零级衍射光耦合地传输以形成与该图像出射光相叠加的补偿出射光，以补偿出射的光能。

2.如权利要求1所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述光能补偿组件包括相互堆叠的N个补偿光波导，其中N大于等于1，其中每个所述补偿光波导包括波导基片、耦入元件以及耦出元件，其中所述耦入元件被设置于所述波导基片以对应于所述耦入光栅区域，用于将该零级衍射光耦入所述波导基片，其中所述耦出元件被设置于所述波导基片以对应于所述耦出光栅区域，用于将耦入的该零级衍射光耦出所述波导基片以形成该补偿出射光。

3.如权利要求2所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述耦入元件为被形成于所述波导基片的耦入光栅结构，并且所述耦出元件为被形成于所述波导基片的耦出光栅结构。

4.如权利要求2所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述光能补偿组件中N个所述补偿光波导分别被间隔地堆叠于所述衍射光波导，以在所述衍射光波导和所述光能补偿组件之间和所述光能补偿组件中相邻的两个所述补偿光波导之间分别形成间隙。

5.如权利要求4所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述衍射增强光波导装置还包括垫件，所述垫件设于所述衍射光波导和所述光能补偿组件之间和所述光能补偿组件中相邻两所述补偿光波导之间，以使所述间隙为空气间隙。

6.如权利要求3所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述衍射光波导的厚度和折射率等于所述补偿光波导的厚度和折射率，并且所述衍射光波导所对应的光栅常数、光栅深度以及占空比等于所述补偿光波导所对应的光栅常数、光栅深度以及占空比。

7.如权利要求2至5中任一所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，N个所述补偿光波导的厚度互不相同，且均不同于所述衍射光波导的厚度。

8.如权利要求7所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，N个所述补偿光波导的厚度朝着远离所述衍射光波导的方向逐渐变大。

9.如权利要求3所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，N个所述补偿光波导所对应的光栅常数互不相同，且均不同于所述衍射光波导所对应的光栅常数。

10.如权利要求9所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述衍射光波导和N个所述补偿光波导所对应的光栅常数在300nm至500nm之间均匀地分布。

11.如权利要求3所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述衍射光波导和N个所述补偿光波导所对应的光栅常数依次被选定，以使所述衍射光波导和N个所述补偿光波导依次对与不同的局部视场角所对应的图像光进行传输，其中，各所述局部视场角的并集为全视场角。

12.如权利要求2所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述衍射光波导的上表面和下表面中至少一表面上设有所述耦入光栅区域，所述衍射光波导的上表面和下表面中至少一表面上设有所述耦出光栅区域，各所述补偿光波导的耦入元件设置于该补偿光波导的波导基片的上表面和/或下表面，各所述补偿光波导的耦出元件设置于该补偿光波导的波导基片的上表面和/或下表面。

13.如权利要求12所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述衍射光波导的下表面设有所述耦入光栅区域和所述耦出光栅区域；所述光能补偿组件被叠置于所述衍射光波导的所述下表面；

对于所述光能补偿组件中的除最后一层补偿光波导外的各补充光波导，该补偿光波导的波导基片的上表面和下表面均设置有耦入元件和耦出元件；

对于所述光能补偿组件中的最后一层补偿光波导，该补偿光波导的耦入元件和耦出元件均设置于该补偿光波导的波导基片的上表面。

14.如权利要求12所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，当所述衍射光波导的上表面设有耦入光栅区域和/或所述耦出光栅区域，所述衍射增强光波导装置还包括保护基片，其中所述保护基片被贴附于所述衍射光波导的所述上表面，并位于所述耦入光栅区域和/或所述耦出光栅区域的外侧。

15.如权利要求3所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，进一步包括TiO₂膜层，其中所述TiO₂膜层被镀于所述衍射光波导的所述耦入光栅区域和所述耦出光栅区域以及所述补偿光波导的所述耦入光栅结构和所述耦出光栅结构。

16.如权利要求1所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述衍射光波导进一步设有扩瞳光栅区域，其中所述扩瞳光栅区域位于所述耦入光栅区域和所述耦出光栅区域之间，用于衍射地扩散经由所述耦入光栅区域耦入的该第一级衍射光，使得扩散后的该第一级衍射光被传输至所述耦出光栅区域的不同位置。

17.如权利要求16所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述扩瞳光栅区域被区域细分以形成至少二扩瞳光栅子区域，其中不同的所述扩瞳光栅子区域具有不同的光栅深度和/或占空比。

18.如权利要求16所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述扩瞳光栅区域被区域细分以形成至少二扩瞳光栅子区域，其中所述扩瞳光栅区域中的部分所述扩瞳光栅子区域设有光栅，以形成非连续光栅。

19.如权利要求15所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述补偿光波导进一步包括扩瞳元件，其中所述扩瞳元件为被形成于所述波导基片的扩瞳光栅结构。

20.如权利要求2至5中任一所述的衍射增强光波导装置，其特征在于，所述衍射光波导和N个所述补偿光波导对相同视场角的光线的全反射周期不同。

21.一种光能衍射增强方法，其特征在于，包括步骤：

衍射图像入射光以形成耦入衍射光波导的第一级衍射光和透过该衍射光波导的零级衍射光；

衍射透过该衍射光波导的该零级衍射光以形成耦入补偿光波导的第一级衍射光和透过该补偿光波导的零级衍射光，其中该补偿光波导被叠置于该衍射光波导；

分别在该衍射光波导和该补偿光波导内全反射地传输该第一级衍射光；以及

分别衍射在该衍射光波导和该补偿光波导内传输的该第一级衍射光，以对应地形成相叠加的图像出射光和补偿出射光，以补偿出射的光能。

22.如权利要求21所述的光能衍射增强方法，其特征在于，合理地选择该衍射光波导和该补偿光波导所对应的厚度、折射率、光栅常数、光栅深度以及占空比，以优化图像的均匀性。

23.一种衍射增强光波导装置的制造方法，其特征在于，包括步骤：

获取一衍射光波导，在所述衍射光波导的耦入光栅区域和耦出光栅区域形成光栅结构；其中所述耦入光栅区域内的光栅结构用于衍射图像入射光以形成耦入该衍射光波导的第一级衍射光和透过该衍射光波导的零级衍射光，并且该耦出光栅区域内的光栅结构用于将耦入的该第一级衍射光耦出该衍射光波导以形成图像出射光；和

叠置光能补偿组件于该衍射光波导，其中该光能补偿组件用于将透过该衍射光波导的该零级衍射光耦合地传输以形成与该图像出射光相叠加的补偿出射光，以补偿出射的光能。

24.如权利要求23所述的衍射增强光波导装置的制造方法，其特征在于，所述获取一衍射光波导，在所述衍射光波导的耦入光栅区域和耦出光栅区域形成光栅结构的步骤，包括步骤：

制作母板，其中该母板具有与该耦入光栅区域和该耦出光栅区域内的光栅结构分别对应的待转印光栅结构；和

通过纳米压印方法，利用该母板在该衍射光波导的表面加工形成该耦入光栅区域和该耦出光栅区域内的光栅结构。

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