CN116107087A - 一种衍射光波导及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种衍射光波导及其设计方法，该衍射光波导包括波导基底和设置在波导基底至少一侧的耦入区域和耦出区域，图像源投射的光束经耦入区域耦入到波导基底内全反射地传输至耦出区域，耦出区域的第二耦出区域包括多个耦出子区域，设置至少两个耦出子区域中填充的一维光栅的光栅方向不同，满足光束经第二耦出区域扩瞳和耦出；设置耦出区域的第一耦出区域中填充的一维光栅与耦出子区域中的一种一维光栅的光栅矢量相同，以增加边缘光线耦出和补偿边缘处的耦出能量，进一步设置耦入区域内的一维光栅的光栅矢量和耦出区域内的一维光栅的光栅矢量和为零，实现光束有效耦入波导基底后无色散地耦出，有效提高了衍射光波导的视觉成像效果。

Description

一种衍射光波导及其设计方法

本申请要求在2022年04月29日提交中国专利局、申请号为202210475942X的 中国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种衍射光波导及其设计方法。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)是一种将真实世界和虚拟信息相融合 的技术，光波导系统则是实现AR技术的关键部件之一。在进行增强现实的显示 场景中，需要通过图像源将需要叠加在真实场景的画面光束投射在光波导系统 上，通过光波导系统对画面光束的传导方向进行偏转，使得画面光束进入人眼。

现有的光波导系统通常采用一维光栅进行扩瞳和耦出，然而，其光栅布局 分为了明显的一块扩瞳光栅和一块耦出光栅，其带来的缺点是，扩瞳结构的存 在影响了眼镜外观的设计，如图1所示，通常需要将镜片设计得很大，影响美 观。相比而言，二维衍射波导就只存在一块耦入结构和一块耦出结构，如图2 所示，耦出结构的二维光栅可以同时实现扩瞳和耦出的作用，因此，采用二维 衍射波导的眼镜外形设计相对更加灵活。但是，一方面二维光栅的制备工艺相 对来说更加复杂，精度要求较高；另一方面由于其衍射级次多，其效率远不及 一维光栅，导致大量的能量被浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种衍射光波导及其设计方法，通过将耦出 区域划分成多个耦出子区域，并将光栅方向不同的一维光栅填充到耦出子区域 中，采用一维光栅替代二维光栅，实现光束的扩瞳与耦出，在相对更便捷的制 备工艺基础上有效提高了衍射光波导的视觉成像效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种衍射光波导，所述衍射光波导包括波 导基底和设置在所述波导基底至少一侧的耦入区域和耦出区域；

所述波导基底具有相互平行的第一表面和第二表面，所述耦入区域用于将 图像源投射的光束耦入所述波导基底，以使光束在所述波导基底的所述第一表 面和所述第二表面之间全反射的传输至所述耦出区域；

所述耦出区域包括第一耦出区域和第二耦出区域；所述第二耦出区域包括 多个耦出子区域，所述第二耦出区域中设置有至少两种不同光栅方向的一维光 栅，每个所述耦出子区域中设置所述至少两种不同光栅方向的一维光栅中的其 中一种，所述第二耦出区域用于通过衍射的方式对光束扩瞳和耦出所述波导基 底；所述第一耦出区域中设置的一维光栅与所述耦出子区域中的其中一种一维 光栅的光栅矢量相同；所述第一耦出区域用于通过衍射的方式将光束耦出所述 波导基底；

其中，所述耦入区域和所述耦出区域内的一维光栅的光栅矢量之和为零。

第二方面，本发明实施例还提供了一种衍射光波导的设计方法，所述方法 包括：

在波导基底的至少一个表面确定耦入区域以及耦出区域；所述至少一个表 面选自所述波导基底相互平行的第一表面和第二表面，所述耦入区域用于将图 像源投射的光束耦入所述波导基底，以使光束在所述波导基底的所述第一表面 和所述第二表面之间全反射地传输至所述耦出区域后耦出所述波导基底；

将所述耦出区域划分为第一耦出区域和第二耦出区域，并继续将所述第二 耦出区域划分为多个耦出子区域；

在所述耦入区域、所述第一耦出区域和多个所述耦出子区域中分别填充一 维光栅；其中，至少两个所述耦出子区域中的一维光栅的光栅方向不同，所述 第一耦出区域中的一维光栅与所述耦出子区域中的一种一维光栅的光栅矢量相 同，所述耦入区域和所述耦出区域内的一维光栅的光栅矢量之和为零。

本发明实施例提供的衍射光波导，包括波导基底和设置在波导基底至少一 侧的耦入区域和耦出区域，图像源投射的光束经耦入区域耦入到波导基底内在 波导基底相对设置的两个表面之间全反射地传输至耦出区域，划分耦出区域包 括第一耦出区域和第二耦出区域，继续划分第二耦出区域包括多个耦出子区域， 每个耦出子区域中填充一种光栅方向的一维光栅，设置至少两个耦出子区域中 的一维光栅的光栅方向不同，满足光束经第二耦出区域扩瞳和耦出；同时设置 第一耦出区域中填充的一维光栅与耦出子区域中的一种一维光栅的光栅矢量相 同，起到增加边缘光线耦出，补偿边缘处耦出能量的作用，进一步设置耦入区 域内的一维光栅的光栅矢量和耦出区域内的一维光栅的光栅矢量和为零，实现 光束有效耦入波导基底后无色散地耦出，有效提高了衍射光波导的视觉成像效 果。

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所作的详细描述，本发明 的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中的一种衍射光波导的结构示意图；

图2为现有技术中的一种衍射光波导的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种衍射光波导的平面结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；

图5为图4所示的一种衍射光波导的立体结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一维光栅的纵剖面图；

图7为图5中光束的(K空间)波矢空间图；

图8为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；

图9为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；

图10为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种耦出子区域的示意图；

图12为本发明实施例提供的另一种耦出子区域的示意图；

图13为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；

图14为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；

图15为本发明实施例提供的另一种耦出子区域的示意图；

图16为本发明实施例提供的另一种耦出子区域的示意图。

图17为本发明实施例提供的另一种耦出子区域的示意图；

图18为本发明实施例提供的另一种耦出子区域的示意图；

图19为本发明实施例提供的另一种耦出子区域的示意图；

图20为本发明实施例提供的一种耦出区域的示意图；

图21为本发明实施例提供的另一种耦出区域的示意图；

图22为本发明实施例提供的另一种耦出区域的示意图；

图23为本发明实施例提供的另一种耦出区域的示意图；

图24为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；

图25为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；

图26为本发明实施例提供的一种衍射光波导的设计方法的流程示意图。

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，以下将结合本发明实施例 中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述 的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施 例，均落入本发明的保护范围之内。

实施例

本发明实施例提供一种衍射光波导，该衍射光波导包括波导基底，该波导 基底具有相互平行的第一表面和第二表面，第一表面和/或第二表面上设置有耦 入区域和耦出区域。耦入区域用于将图像源投射的光束耦入波导基底，以使光 束在波导基底的第一表面和第二表面之间全反射地传输至耦出区域；耦出区域 包括第一耦出区域和第二耦出区域；第二耦出区域包括多个耦出子区域，第二 耦出区域中设置有至少两种不同光栅方向的一维光栅，每个耦出子区域中设置 的一维光栅是这至少两种不同光栅方向的一维光栅的其中一种，第二耦出区域 用于通过衍射的方式对光束扩瞳和耦出波导基底；第一耦出区域中设置的一维 光栅与耦出子区域中的其中一种一维光栅的光栅矢量相同；第一耦出区域用于通过衍射的方式将光束耦出波导基底；其中，耦入区域和耦出区域内的一维光 栅的光栅矢量之和为零。

其中，光栅方向是光栅单元周期性排布的方向。光栅经光栅衍射后的传播 方向与光栅方向有关，第二耦出区域中设置有至少两种不同光栅方向的一维光 栅可以使得光束在第二耦出区域能够通过衍射偏转向至少两种方向传播，能够 有效实现光束扩瞳，更进一步还能提高扩瞳均匀性。第一耦出区域中设置的一 维光栅与耦出子区域中的其中一种一维光栅的光栅矢量相同，是为了使得从第 二耦出区域传播来的光束能够有效耦出。由于非单色光经光栅衍射会产生色散， 而色散会影响成像效果。图像源出射的光束经耦入区域的光栅衍射以及耦出区 域的光栅衍射后进入人眼，在耦入区域和耦出区域内的一维光栅的光栅矢量之 和为零时，光束在进入人眼之前的多次衍射产生的色散能够被抵消。

示例性地，图3为本发明实施例提供的一种衍射光波导的平面结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；图5为图4 所示的一种衍射光波导的立体结构示意图；图6为本发明实施例提供的一维直 齿光栅纵剖面图；图7为图5中光束的(K空间)波矢空间图。结合图3-图7 所示，衍射光波导包括波导基底1，波导基底1具有相互平行的第一表面M1和 第二表面M2，设置在波导基底1第一表面M1的耦入区域2和耦出区域3；耦 入区域2用于将图像源投射的光束耦入波导基底1，以使光束在第一表面M1和 第二表面M2之间全反射的传输至耦出区域3；耦出区域3包括第一耦出区域31 和第二耦出区域32；第二耦出区域32包括多个耦出子区域321，每个耦出子区 域321中设置一种一维光栅，至少两个耦出子区域321中的一维光栅的光栅方 向不同，第二耦出区域32用于通过衍射的方式对光束扩瞳和耦出波导基底1； 第一耦出区域31中设置的一维光栅与耦出子区域321中的一种一维光栅的光栅 矢量相同；第一耦出区域31用于通过衍射的方式将光束耦出波导基底1。

示例性的，波导基底1可以是光学玻璃，波导基底1的厚度在0.5mm—3mm 之间，波导基底1的长度可根据实际场景的需要设置。耦入区域2与耦出区域3 内均设置一维光栅，可以是直齿光栅、闪耀光栅、斜齿光栅、体全息光栅等。

需要说明的是，为了避免采用二维光栅带来的复杂工艺，本申请的耦入区 域和耦出区域均采用一维光栅结构。为了实现较大的视场角以及较好的观看体 验，需要在耦出区域充分扩瞳，本申请根据耦入区域与耦出区域的相对位置关 系对耦出区域进行分区，划分出第一耦出区域和第二耦出区域，并根据不同分 区的扩瞳需求排布一维光栅。具体地，对于耦出区域中与耦入区域对应的区域 (第二耦出区域)，由于从耦入区域耦入并传播来的光束大部分直接进入第二耦 出区域，这部分光束集中了大部分能量，本申请通过对该区域进一步分区，划 分出多个耦出子区域，在这些耦出子区域中设置至少两种不同方向的一维光栅， 每个耦出子区域中设置一种一维光栅，使得从耦入区域传播过来的光束能够朝 向一侧或两侧扩展以及耦出。而对于第一耦出区域，其光来源主要是边界视场 光束以及来自第二耦出区域的扩展光束，这部分光的能量较少，此时需要减少 扩瞳增加耦出，补偿边缘处的耦出能量，因此不再进行子区域分区，仅填充一 种一维光栅即可。

结合图4所示，入射到第一耦出区域31的光束主要是来自第二耦出区域32 的扩瞳光束，由于光在每一次衍射耦出之后，剩下在波导基底1中继续传播的 能量就会减少，因此在第一耦出区域31和第二耦出区域32的边界区域获得的 能量已经很少了，此时需要减少扩瞳增加耦出，补偿边缘处的耦出能量，第一 耦出区域31不再进行子区域划分，仅填充一种一维光栅即可。同时通过参数优 化设置，使得耦入区域2内的一维光栅的光栅矢量和耦出区域3内的一维光栅 的光栅矢量和为零，确保有光线能够无色散地耦出波导基底1进入用户眼睛， 通过采用一维光栅代替二维光栅，可以获得更高的衍射效率。其中，图中S为 入射光束，S’为经波导基底1扩瞳耦出光束。

结合图3-图7所示，以光传输过程在k空间的原理示意图来说明，设置至 少两个耦出子区域321中的一维光栅的光栅矢量不同，才能实现在耦出区域3 内同时实现扩瞳与耦出，其中，图7中波矢空间图为三维k空间的二维投影， 省略了Z方向分量。以入射光束为矩形光束为例说明，图7所示的k空间中矩 形框即表示为视场，矩形框内任一点均对应一个视场角

入射的光线。 结合图4与图7所示，入射光束S经过耦入光栅衍射Kin1、Kin2耦入进波导基 底1，Kin2分量沿Y轴正方向传播成为有用光束。Kin2分量在入射到第二耦出 区域32内的耦出光栅41(或耦出光栅42)时，经过耦出光栅41(或耦出光栅 42)衍射Kout11分量在环内继续在波导中向X轴正方向传播(实际不存在)； 或经耦出光栅42衍射Kout21分量在环内继续在波导基底1中向X轴正方向传 播(实际不存在)，Kout11分量在入射到耦出光栅41(或耦出光栅42)时，经 过耦出光栅41(或耦出光栅42)衍射Kout21分量在环内故继续在波导中向Y 轴正方向传播(实际不存在)；或经耦出光栅42衍射Kout21分量在内圈内耦出 波导(实际不存在)。上述示例为耦出区域3填充2种耦出光栅，但不限于此。

综上，本发明提供的衍射光波导包括波导基底和设置在波导基底一侧的耦 入区域和耦出区域，图像源投射的光束经耦入区域耦入到波导基底内在波导基 底相对设置的两个表面之间全反射的传输至耦出区域，划分耦出区域包括第一 耦出区域和第二耦出区域，继续划分第二耦出区域包括多个耦出子区域，每个 耦出子区域中填充一种光栅矢量的一维光栅，设置至少两个耦出子区域中的一 维光栅的光栅矢量不同，满足光束经第二耦出区域扩瞳和耦出波导基底；同时 设置第一耦出区域中填充的一维光栅与耦出子区域中的一种一维光栅的光栅矢 量相同，起到增加边缘光线耦出，补偿边缘处的耦出能量的作用，进一步设置 耦入区域内的一维光栅的光栅矢量和耦出区域内的一维光栅的光栅矢量和为零，实现光束无色散的耦出，有效提高了衍射光波导的视觉成像效果。

在上述实施例的基础上，第二耦出区域划分为多个耦出子区域可以是规则 分区，也可以是不规则分区，即随机分区。

在一些实施例中，第二耦出区域内为规则分区，除位于第二耦出区域边界 上的耦出子区域外，剩余各耦出子区域形状均相同。或者，第二耦出区域内为 规则分区时，第二耦出区域沿一个方向上划分为多个耦出子区域，或者，第二 耦出区域沿两个不同方向上划分为多个耦出子区域。

可实施地，本申请中可沿一个方向将第二耦出区域划分为多个耦出子区域， 相邻两个耦出子区域中的一维光栅的光栅方向不同。这多个耦出子区域在该方 向上的尺寸随机，但各耦出子区域在该方向上的最大尺寸应当小于入射到耦出 区域的光束的光斑尺寸，且相邻两个耦出子区域的中心距离应当大于等于 λ/nsinθ；其中，n为波导基底的折射率，θ为人眼所能分辨的角度最小值，λ为图 像源投射的光束的波长。这样耦出子区域的划分及光栅分布能有效实现扩瞳， 又使得相邻衍射级次之间之间的距离可以在人眼辨别能力之外，不直接被人眼 感受到，有效避免和减小多衍射级次的问题，提高衍射光波导的显示图像清晰 度。

示例性地，图8为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意 图；图9为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；图10为 本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图。可以看到，图8为 在Y方向上将第二耦出区域划分为多个耦出子区域，沿图中Y方向，在各个耦 出子区域321中分别填充一维光栅B和一维光栅C，形成B、C、B、C……的 排列方式，以使相邻两个耦出子区域中的一维光栅的光栅方向不同。图9为在X 方向上将第二耦出区域划分为多个耦出子区域，沿图中X方向，在各个耦出子区域321中分别填充一维光栅A、一维光栅B和一维光栅C，形成A、B、C…… 的排列方式，以使相邻两个耦出子区域中的一维光栅的光栅方向不同。图10为 在X方向上朝Y方向偏离一定角度的方向将第二耦出区域划分为多个耦出子区 域，沿该方向相邻两个耦出子区域中的一维光栅的光栅方向不同。

可实施地，本申请中可沿两个方向将第二耦出区域划分为多个耦出子区域， 相邻两个耦出子区域中的一维光栅的光栅方向不同。耦出子区域的尺寸约束与 按一个方向划分出的耦出子区域的尺寸约束相同。可选地，在此划分方式下除 位于第二耦出区域边界上的耦出子区域外，剩余各耦出子区域形状均相同。

示例性地，图11为本发明实施例提供的一种耦出子区域的示意图；图12 为本发明实施例提供的一种耦出子区域的示意图；图13为本发明实施例提供的 另一种衍射光波导的平面结构示意图；图14为本发明实施例提供的另一种衍射 光波导的平面结构示意图。参考图3和图4，图中在X和Y方向上将第二耦出 区域划分为多个耦出子区域321，除位于第二耦出区域边界上的耦出子区域外， 剩余各耦出子区域形状均为矩形。耦出子区域321的形状还可以为其他规则形 状，比如为六边形(如图12所示)或者三角形(如图13所示)等。参考图13 和14，图中也是在两个方向上将第二耦出区域划分为多个耦出子区域321。如 图13中，第二耦出区域32中心的耦出子区域321为菱形，以菱形的两侧边为 划分方向依次嵌套划分耦出子区域321，耦出子区域321的宽度d0可以相同或 不同，在耦出子区域321中填充一种一维光栅，相邻两个耦出子区域321内的 一维光栅不同，如分别填充一维光栅B和一维光栅C。当光线一维光栅B作用 时，光线发生衍射，+1级次光线朝向第二子耦出区域312方偏转进行传播，0 级次继续保持原方向传播，直到与一维光栅C作用时，产生-1级次光线，光线朝向第一子耦出区域311偏转进行传播，0级次继续保持原方向传播，如此反复。 偏转的+1和-1级次光线在传播的过程中会与一维光栅B和一维光栅C作用，从 而产生耦出光线。特别地，第二耦出区域的中间区域还可以存在一维光栅A，0 级光栅与一维光栅A作用会直接耦出，从而提升该视场下的效率。

需要说明的是，附图中仅示意性地示出了几个耦出子区域321内一维光栅 的填充示意，其他耦出子区域321的填充方式未示出。

需要说明的是，上述示例中所指的规则地划分是指子区域的形状一致，比 如均为三角形、四边形、回字形等，但不要求尺寸一致。比如规则地划分为四 边形的耦出子区域，这里并不要求每个子区域的尺寸完全相同，除第二区域边 界处可能会存在另外形状的耦出子区域外，其余各耦出子区域的形状都为四边 形。

此外，对第二耦出区域内进行规则分区的方式也不限于本申请中提到的方 式，只要是能实现对第二耦出区域进行规则分区的方式均包含在内。

需要说明的是，当第二耦出区域内为规则分区设计，以耦出子区域为单元 形成了周期排列的结构，该结构可能会存在多衍射级次的问题，通过合理设置 耦出子区域的尺寸，满足相邻两个耦出子区域的中心距离大于等于d≥λ/nsinθ， 使得相邻衍射级次之间之间的距离可以在人眼辨别能力之外，不直接被人眼感 受到，可有效避免和减小多衍射级次的问题，提高衍射光波导的显示图像清晰 度。

在一些实施例中，在第二耦出区域内为规则分区时，每个耦出子区域还可 包括至少两个耦出二级子区域，各耦出二级子区域的光栅方向各不相同。

示例性地，图15为本发明实施例提供的另一种耦出子区域的示意图；图16 为本发明实施例提供的另一种耦出子区域的示意图。每个耦出子区域321包括 多个耦出二级子区域3211，各耦出二级子区域3211的光栅矢量方向各不相同。 具体的，结合图15和图16所示，对于一次分区后的第二耦出区域32，还可以 在各耦出子区域321内继续分区获得多个耦出二级子区域3211。例如，在图15 中将矩形规格的耦出子区域321的中心区域划分出耦出二级子区域3211，图16 中将六边形规格的耦出子区域321的均分成耦出二级子区域3211此时，在多个 耦出二级子区域3211中填充一维光栅时，只需在每个耦出子区域321中的多个耦出二级子区域3211中填充不同光栅矢量的一维光栅即可，使得相邻两个耦出 二级子区域3211中的一维光栅的光栅矢量不同，从而实现光束的扩瞳和耦出。

在一些实施例中，第二耦出区域内为不规则分区，即随机分区。第二耦出 区域内为不规则分区，除位于第二耦出区域边界上的耦出子区域外，剩余各耦 出子区域中存在至少两个耦出子区域形状不相同。在非规则划分时，各耦出子 区域不再周期性排布，能够避免或减少多级次的衍射问题，无需额外的尺寸下 限限制。

在上述实施例的基础上，可选的，在第二耦出区域内为不规则分区时，耦 出子区域为泰森多边形分区；其中，划分所述泰森多边形分区的离散点为耦入 光波导基底的光束与第二耦出区域的交点；和/或，基于规则分区的初始耦出子 区域的基准点偏移得到的偏移点。

图19为本发明实施例提供的另一种耦出子区域的示意图。参照图19所示， 可以在规则图形的基础上，根据冯洛诺伊图(Voronoi diagram)划分的泰森多边 形分区以优化分区设计，打破规则分区情形下耦出子区域的周期排列，以避免 多级次的衍射问题。在另外的实施例中，在第二耦出区域内为不规则分区时， 可以通过光路追踪的方式选取划分泰森多边形分区的目标点。基于这些目标点 确定一组由连接任意两相邻目标点的线段的垂直平分线，在第二耦出区域中划 分出多个耦出子区域321，将不同光栅矢量的一维光栅按照与规则矩形分区相同 的方式填充进去，形成不规则分区的第二耦出区域32，可以有效避免或者减少 扩瞳和耦出光线多衍射级次的衍射问题。

需要说明的是，对第二耦出区域内进行非规则分区的方式不限于本申请中 提到的方式，只要是能实现对第二耦出区域进行非规则分区的方式均包含在内。

在一些实施例中，第二耦出区域包括各耦出子区域在至少一个方向上的尺 寸小于光束的光斑尺寸。可选地至少小于到达第二耦出区域的光束的光斑尺寸。

示例性地，结合图8-图10、图13-图14所示，各耦出子区域321在至少一 个方向上的尺寸d0小于到达第二耦出区域32的光束A’的光斑尺寸，以保证不 同矢量方向的光栅上均有光线被衍射从而扩瞳或者耦出。

在一些实施例中，第二耦出区域中设置有至少三种不同光栅方向的一维光 栅，这些一维光栅中的第一一维光栅与耦入区域中设置的一维光栅相同；第二 耦出区域的耦出子区域中，填充第一一维光栅的耦出子区域的至少一个方向上 的尺寸小于填充这些一维光栅中剩余一维光栅的耦出子区域在该方向上的尺 寸。

可以理解，第一一维光栅与耦入区域的一维光栅相同，光束入射到设置有 该第一一维光栅的耦出区域时，可偏转而直接耦出，耦出效率高，这样可通过 在耦出区域中局部设置第一一维光栅以提高该出的耦出效率，但是正因其耦出 效率高，若设置第一一维光栅的耦出子区域的区域尺寸过大，会造成该耦出子 区域的效率集中，形成亮点或亮条，不利于耦出均匀性。故在本申请中，设置 填充第一一维光栅的耦出子区域的至少一个方向上的尺寸小于填充这些一维光 栅中剩余一维光栅的耦出子区域在该方向上的尺寸，以均衡耦出效率与均匀性。

示例性地，图17示出了本申请一个实施例中第二耦出区域分区与填充一维 光栅的示意图，图18示出了本申请一个实施例中第二耦出区域分区与填充一维 光栅的示意图。参考图17，耦出子区域321(03)内填充第一一维光栅，其与 耦入光栅相同的一维光栅，耦出子区域321(01)和耦出子区域321(02)设置 与耦入光栅不同的一维光栅，耦出子区域321’在X方向上的尺寸小于耦出子区 域321(01)和耦出子区域321(02)在X方向的尺寸。参考图18，耦出子区 域321(06)和耦出子区域321(07)内填充第一一维光栅，其与耦入光栅相同的一维光栅，耦出子区域321(04)和耦出子区域321(05)设置与耦入光栅不 同的一维光栅，耦出子区域321(06)在Y方向和X方向上的尺寸分别小于耦 出子区域321(04)和耦出子区域321(05)在Y方向和X方向的尺寸，耦出 子区域321(07)在Y方向上的尺寸分别小于耦出子区域321(04)和耦出子区 域321(05)在Y方向的尺寸。

在上述实施例的基础上，第二耦出区域包括相对设置的第一侧边和第二侧 边；第一侧边靠近耦入区域；第一侧边的长度大于第二侧边的长度，第二耦出 区域的宽度沿第一方向逐渐减小；第一方向为第一侧边指向第二侧边的方向， 第二耦出区域的宽度为垂直于第一方向的第二方向上的长度。

需要说明的是，第二耦出区域包括相对设置的第一侧边和第二侧边；第一 侧边靠近耦入区域；定义第一方向为第一侧边指向第二侧边的方向，第二耦出 区域的宽度为垂直于第一方向的第二方向上的长度。由于第二耦出区域的光栅 结构用于一面将光束向一侧或两侧扩展，一面将光束耦出波导基底，而且在将 光束向一侧或两侧扩展光能不断衰减，故设置第二耦出区域的第一侧边的长度 大于第二侧边的长度，第二耦出区域的宽度沿第一方向逐渐减小，以提高耦出 均匀性。

示例性地，图20为本发明实施例提供的一种耦出区域的示意图；图21为 本发明实施例提供的另一种耦出区域的示意图；图22为本发明实施例提供的另 一种耦出区域的示意图；图23为本发明实施例提供的另一种耦出区域的示意图 图24为本发明实施例提供的另一种耦出区域的示意图。参考图20-图24所示， 可选的，第二耦出区域32包括相对设置的第一侧边L1和第二侧边L2；第一侧 边L1靠近耦入区域2；第一侧边L1的长度大于第二侧边L2的长度，第二耦出 区域32的宽度H1沿第一方向逐渐减小。

可以理解的是，光束所携带的能量随着光束的传播和衍射不断衰减，距离 耦入区域越远，能量越低，此时需要减少扩瞳作用次数、增加耦出作用次数， 补偿边缘处的耦出能量。因此，优选地，可以设置第一子耦出区域311和第二 子耦出区域312的尺寸随着远离耦入区域而逐渐增大，例如，设置第一侧边L1 的长度大于第二侧边L2的长度，使得第二耦出区域32的宽度H1沿第一侧边 L1指向第二侧边L2的方向逐渐减小。在上述实施例的基础上，第一侧边的长 度满足图像源出射的边界视场角光线到达第二耦出区域内的边界条件。这样可 以避免耦入光线未经过第二耦出区域的衍射扩瞳直接进入第一耦出区域而导致 的可能无法有效耦出的情形。

图25为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图。参考图 21图25所示，可选的，第一侧边L1的长度满足图像源出射的边界视场角光线 (101)到达第二耦出区域32内的边界条件。

可选地，结合图21-图25所示，沿第一侧边L1指向第二侧边L2的方向， 一维光栅的光栅深度逐渐变深。除了光栅分区以外，还可以进一步对一维光栅 的高度进行分区，遵循沿着远离耦入的方向光栅深度逐渐变深的原则，有利于 提高光栅的衍射效率。其中，光栅深度在10nm-200nm，数值可以是连续的，也 可以是离散的。

在上述实施例的基础上，第二耦出区域还包括第三侧边；第三侧边为第一 耦出区域和第二耦出区域的区域分界边；第三侧边为直边、曲边、曲折边中的 一种或多种组合。

具体地，第二耦出区域为耦出区域中与耦入区域对应的区域。第一耦出区 域的分布与耦入区域与耦出区域的位置关系相关。在耦入区域偏离至耦出区域 的一侧时，第一耦出区域可仅分布在第二耦出区域的一侧。在耦入区域未偏离 至耦出区域的一侧时，第一耦出区域分布在第二耦出区域的两侧，即第一子耦 出区域和第二子耦出区域。此外，第一子耦出区域和第二子耦出区域宽度也与 耦入区域与耦出区域的位置关系相关。在耦入区域与耦出区域在第一方向的中 轴线一致时，第一子耦出区域和第二子耦出区域关于该中轴线对称设置；在耦 入区域偏离耦出区域在第一方向的中轴线时，第一子耦出区域和第二子耦出区 域宽度不等，距离耦入区域较近的第一子耦出区域的宽度大于第二子耦出区域 的宽度。

示例性地，参考图20-图24所示，可选的，第二耦出区域32还包括相对设 置的第三侧边L3，第三侧边L3为第一耦出区域31和第二耦出区域32的区域 分界边；第三侧边L3为直边、曲边、曲折边中的一种或多种组合。第一耦出区 域31沿第一侧边L1指向第二侧边L2的方向逐渐增大即可，以减少扩瞳作用次 数、增加耦出作用次数，补偿边缘处的耦出能量，提高衍射光波导耦出区域的 出射光场的光能量分布均匀性。图24中，耦入区域偏离至耦出区域的一侧时， 第一耦出区域可分布在第二耦出区域的一侧。图20-23中，耦入区域未偏离至耦 出区域的一侧时，第一耦出区域分布在第二耦出区域的两侧，包括第一子耦出 区域和第二子耦出区域。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种衍射光波导的设计方法，用于 设计上述实施例提供的衍射光波导。图26为本发明实施例提供的一种衍射光波 导的设计方法的流程示意图。结合图3-图7和图26所示，该设计方法包括：

S101、在波导基底的至少一个表面确定耦入区域以及耦出区域。

具体的，提供波导基底1，在波导基底1的至少一个表面确定耦入区域2以 及耦出区域3。

其中，至少一个表面选自波导基底相互平行的第一表面M1和第二表面M2， 耦入区域1用于将图像源投射的光束耦入波导基底1，以使光束在波导基底1的 第一表面M1和第二表面M2间全反射地传输至耦出区域3后耦出波导基底1。

S102、将耦出区域划分为第一耦出区域和第二耦出区域，并继续将第二耦 出区域划分为多个耦出子区域。

S103、在耦入区域、第一耦出区域和多个耦出子区域中分别填充一维光栅。 其中，至少两个耦出子区域中的一维光栅的光栅方向不同，第一耦出区域中的 一维光栅与耦出子区域中的一种一维光栅的光栅矢量相同，耦入区域和耦出区 域内的一维光栅的光栅矢量之和为零。

综上，本发明实施例提供的衍射光波导的设计方法，制备得到的衍射光波 导包括波导基底和设置在波导基底至少一侧的耦入区域和耦出区域，图像源投 射的光束经耦入区域耦入到波导基底内在波导基底相对设置的两个表面之间全 反射的传输至耦出区域，划分耦出区域包括第一耦出区域和第二耦出区域，继 续划分第二耦出区域包括多个耦出子区域，每个耦出子区域中填充一种光栅方 向的一维光栅，设置至少两个耦出子区域中的一维光栅不同，满足光束经第二 耦出区域扩瞳和耦出波导基底；同时设置第一耦出区域中填充的一维光栅与耦 出子区域中的一种一维光栅相同，起到增加边缘光线耦出，补偿边缘处的耦出 能量的作用，进一步设置耦入区域内的一维光栅的光栅矢量和耦出区域内的一维光栅的光栅矢量和为零，实现光束无色散耦出，有效提高衍射光波导的视觉 成像效果。

在上述实施例的基础上，步骤102包括：

S1、将耦出区域划分为第一耦出区域和第二耦出区域。

其中，第二耦出区域包括相对设置的第一侧边和第二侧边，第一侧边靠近 耦入区域，第一侧边的长度大于第二侧边的长度，第二耦出区域的宽度沿第一 方向逐渐减小，第一方向为第一侧边指向第二侧边的方向，第二耦出区域的宽 度为垂直于第一方向的第二方向上的长度。

S2、将第二耦出区域规则划分为多个耦出子区域，除位于第二耦出区域边 界上的耦出子区域外，剩余各耦出子区域形状均相同；或者，将第二耦出区域 非规则划分为多个耦出子区域，除位于第二耦出区域边界上的耦出子区域外， 剩余各耦出子区域中存在至少两个耦出子区域形状不相同。

在上述实施例的基础上，结合图20所示，步骤S2中将第二耦出区域非规 则划分为多个耦出子区域，包括：

S21、对第二耦出区域规则化分区，得到多个形状相同的耦出子区域。

S22、选取各耦出子区域的中心点，以中心点为初始点。

S23、对初始点在至少一个方向上进行随机偏移，得到目标点。

S24、基于目标点，确定一组由连接任意两相邻目标点的线段的垂直平分线， 以在第二耦出区域中划分出多个耦出子区域。

具体的，结合图19所示，将第二耦出区域32预先设置多个规则分区的初 级耦出子区域(图中未示出)，获取规则分区下各个初级耦出子区域的中心点坐 标(xi，yi)，中心点为初始点，对该中心点坐标(xi,yi)在至少一个方向上进行 随机偏移，得到目标点坐标(xi’＝xi+Δxi，yi’＝yi+Δyi)，基于目标点，确定一组 由连接任意两相邻目标点的线段的垂直平分线，以在第二耦出区域32中划分出 多个耦出子区域321，之后将不同光栅矢量的一维光栅按照与规则矩形分区相同 的方式填充进去，形成不规则分区的第二耦出区域32。例如，设置规则分区为 矩形分区，矩形的短边为a，Δx和Δy服从(-a/2，a/2)的均匀分布，当然，变 量Δx和Δy也可以分别服从不同的分布，也可以不是均匀分布，这里不做具体限制。通过随机偏移的分区方式打破耦出子区域的周期排列，可以有效避免或 者减少扩瞳和耦出光线多衍射级次的衍射问题，从而提高衍射光波导的显示图 像清晰度。

在上述实施例的基础上，结合图19所示，步骤S2中将第二耦出区域非规 则划分为多个耦出子区域，包括：

S25、确定耦入光波导基底的光束与第二耦出区域的交点，得到目标点。

S26、基于目标点，确定一组由连接任意两相邻目标点的线段的垂直平分线， 以在第二耦出区域中划分出多个耦出子区域。

具体地，可以对耦入光波导基底的光束进行光路追踪，确定光束行进路径 与第二耦出区域32的交点，即光束在第二耦出区域32内的全反射点，将这些 全反射点作为构建冯洛诺伊图以划分泰森多边形分区的目标点，基于这些目标 点确定一组由连接任意两相邻目标点的线段的垂直平分线，以在第二耦出区域 32中划分出多个耦出子区域321，之后将不同光栅矢量的一维光栅按照与规则 矩形分区相同的方式填充进去，形成不规则分区的第二耦出区域32，可以有效 避免或者减少扩瞳和耦出光线多衍射级次的衍射问题。

需要说明的是，通常光束所携带的能量随着光束的传播不断衰减，全反射 点的分布能在一定程度上表征能量的分布，冯洛诺伊图则用于描述空间临近关 系，这样以光束在耦出区域的全反射点为目标点基于冯洛诺伊图进行分区设计 时，将光能量分布与空间临近关系结合起来，更有利于提高衍射光波导耦出区 域的出射光场的光能量分布均匀性。

在上述实施例的基础上，结合图21-图24中所示，步骤S102还包括：

将耦出区域沿第三侧边划分为第一耦出区域和第二耦出区域。

其中，第三侧边为第一耦出区域和第二耦出区域的区域分界边；第三侧边 为直边、曲边、曲折边中的一种或多种组合。

具体的，将耦出区域3沿第三侧边L3来划分为第一耦出区域31和第二耦 出区域32，第三侧边L3所在的平面可以是平面、弧面、曲折面中的一种或者多 种组合，其面型设计也不限于，满足图21-图24中第一耦出区域31沿第一侧边 L1指向第二侧边L2的方向逐渐增大即可，以减少扩瞳作用次数、增加耦出作 用次数，补偿边缘处的耦出能量，提高衍射光波导耦出区域的出射光场的光能 量分布均匀性。

在上述实施例的基础上，结合图4、图11和图12所示，步骤S102中将第 二耦出区域划分为多个耦出子区域，包括：

将第二耦出区域划分为多个耦出子区域，设置耦出子区域的面积D1小于到 达第二耦出区域的光束的光斑面积D2。

继续参照图4、图11和图12所示，由于图像源投射的光束在波导基底1中 全反射一次的横向传播距离为几百微米到几毫米，而光束的光斑直径通常在四 到五毫米，为了保证不同矢量方向的一维光栅上均有光线被衍射从而扩瞳或者 耦出，将第二耦出区域32划分为多个耦出子区域321，设置耦出子区域321的 面积D1位于到达第二耦出区域32的光束的光斑面积D2内，即到达第二耦出 区域32的光束的光斑面积D2内至少覆盖耦出子区域321内的一种一维光栅， 保证光栅上存在光线被衍射从而扩瞳或者耦出。

优选的，设置耦出子区域321的面积D1需要满足使得光斑的覆盖区域内(即 到达第二耦出区域32的光束的光斑面积D2内)包括第二耦出区域32内所有种 类的一维光栅，这样才能够保证不同矢量方向的光栅上均有光线被衍射从而扩 瞳或者耦出。需要说明的是，如上述实施例所述，这里以光栅矢量方向划分一 维光栅种类。

在上述实施例的基础上，可选的，沿着远离耦入区域的方向，第一耦出区 域和第二耦出区域内的一维光栅的光栅深度分别逐渐增加。

具体的，光栅具有光栅参数：n为波导基底的材料折射率、γ为光栅倾斜 角、Λ为光栅周期、W为光栅宽度、H为光栅深度。沿着远离耦入区域的方 向，设置第一耦出区域31和第二耦出区域32内的一维光栅的光栅深度H分 别逐渐增加，提高光线在第一耦出区域31和第二耦出区域32内的衍射效率， 使得衍射光波导基底的出射光场的光能量分布均匀，提供图像显示亮度均匀性。

在上述实施例的基础上，耦出区域中的光栅的占空比以及光栅倾斜角沿着 远离耦入区域的方向变化。还可以通过合理调整第一耦出区域31和第二耦出 区域32内的一维光栅的光栅倾斜角γ、占空比ff等参数沿着远离耦入区域 的方向变化，是匹配光线在衍射光波导内的全反射条件，提高第一耦出区域31 和第二耦出区域32内的衍射效率，达到衍射光波导基底的出射光场的光能量 分布均匀的目的。其中，占空比ff＝W/Λ。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员 会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征 可以部分地或者全部地彼此组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被 驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合 和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进 行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构 思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利 要求范围决定。

Claims (17)

1.一种衍射光波导，其特征在于，包括波导基底和设置在所述波导基底至少一侧的耦入区域和耦出区域；

所述波导基底具有相互平行的第一表面和第二表面，所述耦入区域用于将图像源投射的光束耦入所述波导基底，以使光束在所述波导基底的所述第一表面和所述第二表面之间全反射的传输至所述耦出区域；

所述耦出区域包括第一耦出区域和第二耦出区域；所述第二耦出区域包括多个耦出子区域，所述第二耦出区域中设置有至少两种不同光栅方向的一维光栅，每个所述耦出子区域中设置所述至少两种不同光栅方向的一维光栅中的其中一种，所述第二耦出区域用于通过衍射的方式对光束扩瞳和耦出所述波导基底；所述第一耦出区域中设置的一维光栅与所述耦出子区域中的其中一种一维光栅的光栅矢量相同；所述第一耦出区域用于通过衍射的方式将光束耦出所述波导基底；

其中，所述耦入区域和所述耦出区域内的一维光栅的光栅矢量之和为零。

2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二耦出区域包括相对设置的第一侧边和第二侧边；所述第一侧边靠近所述耦入区域；

所述第一侧边的长度大于所述第二侧边的长度，所述第二耦出区域的宽度沿第一方向逐渐减小；所述第一方向为所述第一侧边指向所述第二侧边的方向，所述第二耦出区域的宽度为垂直于所述第一方向的第二方向上的长度。

3.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一侧边的长度满足图像源出射的边界视场角光线到达第二耦出区域内的边界条件。

4.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二耦出区域还包括第三侧边；所述第三侧边为所述第一耦出区域和所述第二耦出区域的区域分界边；所述第三侧边为直边、曲边、曲折边中的一种或多种组合。

5.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二耦出区域内为规则分区，除位于所述第二耦出区域边界上的耦出子区域外，剩余各所述耦出子区域形状均相同；或者，所述第二耦出区域内为不规则分区，除位于所述第二耦出区域边界上的耦出子区域外，剩余各所述耦出子区域中存在至少两个所述耦出子区域形状不相同。

6.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，在所述第二耦出区域内为规则分区时，所述第二耦出区域沿一个方向上划分为多个耦出子区域，或者，所述第二耦出区域沿两个不同方向上划分为多个耦出子区域。

7.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，在所述第二耦出区域内为规则分区时，相邻两个所述耦出子区域的中心距离为：

其中，d为相邻两个所述耦出子区域的中心距离，n为所述波导基底的折射率，θ为人眼所能分辨的角度最小值，λ为所述图像源投射的光束的波长。

8.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，在所述第二耦出区域内为规则分区时，每个所述耦出子区域包括至少两个耦出二级子区域，各所述耦出二级子区域的光栅方向各不相同。

9.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，在所述第二耦出区域内为不规则分区时，所述耦出子区域为泰森多边形分区；其中，划分所述泰森多边形分区的离散点为耦入所述光波导基底的光束与所述第二耦出区域的交点；和/或，基于规则分区的初始耦出子区域的基准点偏移得到的偏移点。

10.根据权利要求1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，所述第一子耦出区域中设置的一维光栅的光栅矢量与所述耦出子区域中的第一种一维光栅的光栅矢量相同，所述第二子耦出区域光栅矢量与所述耦出子区域中的第二种一维光栅的光栅矢量相同。

11.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二耦出区域包括的各耦出子区域在至少一个方向上的尺寸小于到达所述光束的光斑尺寸。

12.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二耦出区域中设置有至少三种不同光栅方向的一维光栅，所述至少三种不同光栅方向的一维光栅的第一一维光栅与所述耦入区域中设置的一维光栅的光栅矢量相同；所述第二耦出区域的耦出子区域中，填充所述第一一维光栅的耦出子区域的至少一个方向上的尺寸小于填充剩余一维光栅的耦出子区域在所述方向上的尺寸。

13.一种衍射光波导的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

在波导基底的至少一个表面确定耦入区域以及耦出区域；所述至少一个表面选自所述波导基底相互平行的第一表面和第二表面，所述耦入区域用于将图像源投射的光束耦入所述波导基底，以使光束在所述波导基底的所述第一表面和所述第二表面之间全反射地传输至所述耦出区域后耦出所述波导基底；

将所述耦出区域划分为第一耦出区域和第二耦出区域，并继续将所述第二耦出区域划分为多个耦出子区域；

在所述耦入区域、所述第一耦出区域和多个所述耦出子区域中分别填充一维光栅；其中，至少两个所述耦出子区域中的一维光栅的光栅方向不同，所述第一耦出区域中的一维光栅与所述耦出子区域中的一种一维光栅的光栅矢量相同，所述耦入区域和所述耦出区域内的一维光栅的光栅矢量之和为零。

14.根据权利要求13所述的设计方法，其特征在于，所述将所述耦出区域划分为第一耦出区域和第二耦出区域，并继续将所述第二耦出区域划分为多个耦出子区域，包括：

将所述耦出区域划分为第一耦出区域和第二耦出区域；所述第二耦出区域包括相对设置的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边靠近所述耦入区域，所述第一侧边的长度大于所述第二侧边的长度，所述第二耦出区域的宽度沿第一方向逐渐减小，所述第一方向为所述第一侧边指向所述第二侧边的方向，所述第二耦出区域的宽度为垂直于所述第一方向的第二方向上的长度；

将所述第二耦出区域规则划分为多个耦出子区域，除位于所述第二耦出区域边界上的耦出子区域外，剩余各所述耦出子区域形状均相同；或者，

将所述第二耦出区域非规则划分为多个耦出子区域，除位于所述第二耦出区域边界上的耦出子区域外，剩余各所述耦出子区域中存在至少两个所述耦出子区域形状不相同。

15.根据权利要求13所述的设计方法，其特征在于，所述将所述第二耦出区域非规则划分为多个耦出子区域，包括：

对所述第二耦出区域规则化分区，得到多个耦出子区域；其中，除位于所述第二耦出区域边界上的耦出子区域外，剩余各所述耦出子区域形状均相同；

选取各所述耦出子区域的中心点，以所述中心点为初始点；

对所述初始点在至少一个方向上进行随机偏移，得到目标点；

基于所述目标点，确定一组由连接任意两相邻目标点的线段的垂直平分线，以在所述第二耦出区域中划分出多个所述耦出子区域。

16.根据权利要求13所述的设计方法，其特征在于，所述将所述第二耦出区域非规则划分为多个耦出子区域，包括：

确定耦入所述光波导基底的光束与所述第二耦出区域的交点，得到目标点；

基于所述目标点，确定一组由连接任意两相邻目标点的线段的垂直平分线，以在所述第二耦出区域中划分出多个所述耦出子区域。

17.根据权利要求13所述的设计方法，其特征在于，所述将所述耦出区域划分为第一耦出区域和第二耦出区域，并继续将所述第二耦出区域划分为多个耦出子区域，还包括：

将所述耦出区域沿第三侧边划分为第一耦出区域和第二耦出区域；所述第三侧边为所述第一耦出区域和所述第二耦出区域的区域分界边；所述第三侧边为直边、曲边、曲折边中的一种或多种组合。

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