CN116338856A

CN116338856A - 显示用光波导装置及具有其的显示设备

Info

Publication number: CN116338856A
Application number: CN202310423175.2A
Authority: CN
Inventors: 范真涛; 隋磊; 田克汉
Original assignee: Jiaxing Uphoton Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Jiaxing Uphoton Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2023-04-19
Filing date: 2023-04-19
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2043-04-19
Also published as: CN116338856B

Abstract

公开了一种显示用光波导装置和显示设备。该光波导装置的输入部包括第一波导基板和形成在其表面上的第一浮雕光栅，第一浮雕光栅和第一波导基板的折射率n1、n2满足n2＜n1，使得预定视场角范围内任一入射角的光束经预定级次的衍射后在离开第一浮雕光栅所在区域前在所述表面上经过的最大平均反射次数为N，N≤2，且当N≤1时，N≤M‑0.25；当1＜N≤1.5时，N≤M‑0.5；当1.5＜N≤2时，N≤M‑0.75，M为假设第一波导基板与第一浮雕光栅折射率相同情况下的最大平均反射次数。根据本发明，减少了光在光栅所在区域的反射次数，降低反射损失，提高耦入综合效率。

Description

显示用光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波导装置及具有该光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。

衍射光栅结合光波导的技术方案已广泛应用于增强现实显示中，其中，衍射光栅用作于输入和输出元件，有的情况下还进一步包括转折光栅。输入光栅将载有图像信息的入射光耦入波导基板中。输出光栅一边对载有图像信息的光进行传播和扩展，一边将光从波导基板中耦出，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。

结合有衍射光栅的光波导装置在用于图像显示时在亮度和均匀性方面尚存在不足。随者显示装置以及相应地随者光波导装置的轻薄化，上述问题更加突出，并亟待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种显示用光波导装置以及具有该光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，提供了一种显示用光波导装置，其包括输入部和输出部，所述输入部包括第一波导基板和形成在所述第一波导基板的一表面上的第一浮雕光栅，所述第一浮雕光栅具有第一光栅矢量，用于通过预定级次的衍射将以预定视场角范围的入射角照射到所述第一浮雕光栅上的光耦入所述第一波导基板中，使之通过全反射在所述第一波导基板中大致沿着所述第一光栅矢量的方向传播，以便通过所述输出部从所述显示用波导装置耦出，其中，

所述第一浮雕光栅具有第一折射率n1，所述第一波导基板具有第二折射率n2，n2＜n1，使得所述预定视场角范围内的任一入射角的光束经过所述预定级次的衍射之后在离开所述第一浮雕光栅所在的区域之前在所述第一波导基板的所述表面上经过的最大平均反射次数为N，N≤2，并且当N≤1时，N≤M-0.25；当1＜N≤1.5时，N≤M-0.5；当1.5＜N≤2时，N≤M-0.75，其中，M为假设所述第一波导基板的折射率等于所述第一折射率n1的情况下所述光束经过所述预定级次的衍射之后在离开所述第一浮雕光栅所在的区域之前在所述表面上经过的最大平均反射次数。

有利地，所述最大平均反射次数N和M分别通过以下公式计算得到：

其中，L为所述第一浮雕光栅在所述第一光栅矢量的方向上的长度，h为所述第一波导基板的厚度，θ₀为光相对于第一浮雕光栅的入射角， k为所述预定级次，λ为光的波长，d为对应于所述第一光栅矢量的光栅周期。

有利地，所述最大平均反射次数N≤1.5。

有利地，所述预定级次为正一级。

有利地，所述第一波导基板的厚度h≤0.75mm；优选地，h≤0.65mm；更优选地，h≤0.5mm。

在一些有利的实施例中，所述显示用光波导装置还包括设置有转折光栅的转折部，所述转折光栅用于通过衍射将来自所述输入部的光中继到所述输出部。

有利地，所述输入部还包括位于所述第一浮雕光栅与所述第一波导基板之间的复合增效层，所述复合增效层包括至少两个分区，所述至少两个分区包括沿所述第一光栅矢量的方向位于上游的第一分区和位于下游的第二分区，所述第一分区和所述第二分区具有相同的厚度并且分别具有第五折射率n5和第六折射率n6，使得所述第一分区中所述预定级次的衍射光经过所述复合增效层时经历相长的薄膜干涉，而所述第二分区中所述预定级次的衍射光在所述第一波导基板的所述表面上被反射时，零级反射光经历相长的薄膜干涉。

有利地，所述复合增效层还包括至少一个过渡区，所述至少一个过渡区具有与所述第一分区和第二分区相同的厚度和不同的折射率。

有利地，至少一个所述过渡区沿所述第一光栅矢量的方向位于所述第一区域和第二区域之间。

有利地，所述复合增效层的所述至少两个分区之间的边界在所述第一光栅矢量的方向上的间距大致等于一定入射角的光被耦入所述第一波导基板之后在所述第一波导基板的所述表面上的相邻两次反射的反射位置在所述第一光栅矢量的方向上的间距。

有利地，至少两个所述分区之间的边界为直线的、弧线形的或者折线形的。

在一些有利的实施例中，所述输出部包括第二波导基板和形成在所述第二波导基板上的第二浮雕光栅，所述第二波导基板具有第三折射率n3，所述第二浮雕光栅具有第四折射率n4，其中，n2＜n3，且n2＜n4。

有利地，n3-n2＞0.1。

有利地，所述第一波导基板与所述第二波导基板之间的交界处形成有增透膜，用于增加光从所述第一波导基板向所述第二波导基板的透射率。

在一些有利的实施例中，所述输出部包括第二波导基板和形成在所述第二波导基板上的第二浮雕光栅，所述第一波导基板与所述第二波导基板是一体的，从而所述第二波导基板具有所述第二折射率n2。

根据本发明的另一个方面，提供了一种显示设备，其包括如上所述的显示用光波导装置。

有利地，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，所述镜片包括所述显示用光波导装置。

有利地，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。

根据本发明实施例的显示用光波导装置中，通过对作为输入元件的第一浮雕光栅和对应的第一波导基板的折射率进行配置来减少耦入到波导基板中的光在第一浮雕光栅所在的区域的反射次数，从而降低反射损失，提高光波导装置的耦入综合效率。根据本发明实施例的显示设备具有相应的技术优势。

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为根据本发明实施例的显示用光波导装置的平面示意图；

图2为根据本发明实施例一的显示用光波导装置的剖面示意图；

图3示意性地示出了根据本发明实施例一的显示用光波导装置中的光传播；

图4示意性地示出了光在显示用光波导装置的输入部中的多个反射足迹相对于第一浮雕光栅的位置关系以及反射光斑的能量分布状态；

图5示意性地示出了数据例1中基于根据本发明实施例的显示用光波导装置以及基于对比例的光波导装置得到的对应于不同视场角的反射光斑的示例；

图6为数据例1中第一浮雕光栅的正一级衍射效率随着视场角/入射角）变化的曲线图；

图7为数据例1中第一浮雕光栅的反射损耗占比随着视场角/入射角变化的曲线图；

图8为数据例1中第一浮雕光栅的耦入综合效率随着视场角/入射角变化的曲线图；

图9示意性地示出了数据例2中基于不同光波导装置得到的反射光斑的示例；

图10为数据例2中第一浮雕光栅的耦入综合效率随着视场角/入射角变化的曲线图；

图11为根据本发明实施例二的显示用光波导装置的剖面示意图；

图12示意性地示出了根据本发明实施例二的显示用光波导装置中的光传播；以及

图13、图14、图15和图16示出了根据本发明实施例二的显示用光波导装置中复合增效层的分区方式的不同示例。

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。

为了提高显示用光波导装置中的光能量利用问题，人们提出了不同的方法来提高用作输入元件的光栅（以下也称为“输入光栅”）的所期望使用的预定衍射级次的衍射效率，以增加最初耦入到波导基板中的总体光能量。显然这一光能量的提高，非常有利于改善整个显示用光波导装置的亮度和均匀性表现。然而，这一技术路线并不能够完美地解决问题。

本发明的做出基于以下进一步的发现：经预定衍射级次耦入到光波导装置的波导基板中的光能量的一项能量损失在于光在光栅与波导基板之间的界面处的反射损失，即所需的是反射零级，但由于光栅衍射，存在许多除反射零级之外的级次，造成能量损失；而这种能量损失除了该界面两侧的光学特性（特别是折射率）有关，还受在该界面上的反射次数的显著影响。比如，人们通过对用作输入元件的闪耀光栅、斜齿光栅等的设计，可以获得较高的预定级次（通常为正一级衍射级次）的衍射效率；然而，经正一级衍射耦入到波导内的光在全反射传播后又会重新打到输入光栅上，部分光沿全反射方向发生反射，部分光被输出而发生损失（参见图3和图12中虚线箭头所示光线）；最终导致尽管这些光栅的正一级衍射效率高，但是反射造成的损失也往往很高，真正能够通过全反射传播到输出光栅的能量并不高。

不仅如此，本发明的做出还基于以下考虑：随着当前应用光波导装置的显示设备不断趋于轻薄化，显示用光波导装置也必然向着轻薄化方向发展，例如光波导装置中的波导基板的厚度将希望大大减薄。减薄的波导基板将显著增加耦入到波导基板中的光在作为输入元件的光栅的区域的反射次数，从而大大增加相应的光能量损失。

基于上述发现和考虑，本发明提出了一条新的技术思路，即通过对作为输入元件的光栅和对应的波导基板的折射率进行配置来减少耦入到波导基板中的光在该光栅所在的区域的反射次数，从而降低反射损失，提高光波导装置的耦入综合效率。

以下将结合附图，对根据本发明实施例的显示用光波导装置进行更加详细的介绍。

图1为根据本发明实施例的显示用光波导装置的平面示意图。如图1所示，显示用光波导装置1包括输入部10和输出部20，输入部10包括第一波导基板11和形成在第一波导基板11的一表面11a（见图2）上的第一浮雕光栅12，第一浮雕光栅12具有第一光栅矢量G，如图1中加粗的箭头所示。第一浮雕光栅12用于通过预定级次（通常是正一级）的衍射将以预定视场角范围的入射角照射到第一浮雕光栅12上的光耦入第一波导基板11中，使之通过全反射在第一波导基板11中大致沿着第一光栅矢量G的方向传播，以便通过输出部20从显示用波导装置1耦出，从而实现显示。

如图1所示，输出部20可以包括第二波导基板21和形成在第二波导基板21上的第二浮雕光栅22。输出部20用于接收来自输入部10的光并经由第二浮雕光栅22将光从光波导装置1中耦出。

尽管在图1以及其它一些附图所示示例中，显示用光波导装置1仅包括输入部10和输出部20，但是本发明并不限于此。在其它示例中，显示用光波导装置1还可以包括其它功能部分，例如设置有转折光栅的转折部。这里“转折光栅”指的是用于通过衍射将来自输入部10的光中继到输出部的光栅。

图1中以虚线圆圈表示耦入到第一波导基板11中的预定级次的衍射光在表面11a上的反射光斑轮廓，其中用标记“R-1”标示了第一次反射的反射光斑轮廓，用标记“R-P”离开第一浮雕光栅12所在区域之前最后一次（最大反射次数P）反射的反射光斑轮廓。

图2为根据本发明实施例一的显示用光波导装置1A的剖面示意图。参照图2可以看到，第一浮雕光栅12具有第一折射率n1，第一波导基板具有第二折射率n2。根据本发明实施例，第一浮雕光栅12的第一折射率n1和第一波导基板第二折射率n2选择为n2＜n1，使得预定视场角范围内的任一入射角的光束经过预定级次的衍射之后在离开第一浮雕光栅12所在的区域之前在第一波导基板11的表面11a上经过的最大平均反射次数为N，N≤2，并且当N≤1时，N≤M-0.25；当1＜N≤1.5时，N≤M-0.5；当1.5＜N≤2时，N≤M-0.75，其中，M为假设第一波导基板11的折射率等于第一折射率n1的情况下所述光束经过预定级次的衍射之后在离开第一浮雕光栅12所在的区域之前在表面11a上经过的最大平均反射次数。根据本发明实施例，优选地，N≤1.5。

应该理解的是，本申请中“平均反射次数”可以是整数，也可以是非整数。这是因为同一入射角、照射到第一浮雕光栅12的不同位置的光经过第一浮雕光栅12的预定级次的衍射之后在离开第一浮雕光栅12所在的区域之前在表面11a上经过的反射次数也是有差异的。例如参见图1所示反射光斑轮廓，同一虚线圆圈与第一浮雕光栅12重叠的部分表示光在第一浮雕光栅12所在区域之内发生反射，位于第一浮雕光栅12之外的部分表示光在第一浮雕光栅12所在区域之外发生反射，可见不同部分的光在离开第一浮雕光栅12所在区域之前在表面11a上的反射次数是不同的。由于同一入射角的光的上述反射次数差异对于反射损失是有影响的，所以本发明中的“平均反射次数”可以是非整数，以更加准确地表示发生同一入射角的全部入射光被耦入基板之后在光栅所在区域的反射情况。从另一个角度来看，可以理解为每一次反射时，光束照射在表面11a上的光斑具有一定面积，部分面积（第一面积）中的光在第一浮雕光栅12所在的区域内被反射，而其余部分面积中的光在该区域之外被反射，那么对于这束光的整体而言，在第一浮雕光栅12所在区域内发生的、带来反射损耗的平均反射次数可以表达为小数，且第一面积在光斑整体面积中的占比越大则值越大。

另外，应该理解，本申请中的“最大平均反射次数N”和“最大平均反射次数M”均是分别考虑了预定视场角范围内的所有入射角而确定的最大的平均反射次数。为了便于理解，图3示意性地示出了根据本发明实施例一的显示用光波导装置1A中的光传播。参照图3，可以理解，由于视场角/入射角θ₀的不同，经过第一浮雕光栅12的衍射之后预定级次的衍射光的衍射角θ也是不同的，相应地，这些衍射光在第一波导基板11的上下表面之间折返一次所传播的距离（以下也称为“反射步长”）也是不同的。这导致不同入射角的光在离开第一浮雕光栅12所在区域之前所经过的平均反射次数也可能是不同的。本申请中的“最大平均反射次数N”和“最大平均反射次数M”均是预定视场角范围内的所有入射角所对应的平均反射次数中的最大值。

根据本发明实施例，采用预定级次的衍射光在离开第一浮雕光栅12所在区域之前在表面11a上经过的最大平均反射次数N作为目标参数。一方面，这为结构设计提供了明确的、操作性强的目标参数；另一方面，由于平均反射次数越多，光能量损失越大，相应的入射角/视场角所对应的图像区域的亮度越差，是光波导装置1中需要改善亮度的重点方面，而上述目标参数的设置有利于针对该重点方面进行优化改善。

输入到第一浮雕光栅12的光的入射角的角度范围亦即用于显示的光的视场角范围。在本申请中视场角以（FOVX, FOVY）表示，其中视场角FOVX为输入到第一浮雕光栅12的光相对于表面11a的法线在绕图1所示X轴的方向上所成的夹角，视场角FOVY为所述光相对于法线在绕Y轴的方向上所成的夹角，其中X-Y平面为表面11a所在的平面，Y轴平行于第一浮雕光栅12的光栅矢量G的方向。

在图1至图3所示示例中，具有图3所示最小FOVX角度且FOVY为零的入射光对应的衍射角θ是最小的，从而其所对应的平均反射次数也是最大的，可以作为最大平均反射次数N。该情况对于最大平均反射次数M也是类似的。然而，应该理解，上述对应关系仅为示例性的，而非限制性的。

在一些有利的实施方式中，最大平均反射次数N和M分别通过以下公式计算得到：

其中，L为第一浮雕光栅12在第一光栅矢量G的方向上的长度，h为第一波导基板11的厚度，θ₀为光相对于第一浮雕光栅12的入射角， k为用于将光耦入第一波导基板11中的预定衍射级次，λ为光的波长，d为对应于第一光栅矢量G的光栅周期。

根据上述公式确定的最大平均反射次数N和M综合地反映了照射到第一浮雕光栅12的不同位置的光在离开第一浮雕光栅12所在区域之前在表面11a上的反射情况。基于如此确定的最大平均反射次数N和M来选择和确定第一浮雕光栅12和第一波导基底11的折射率，有利于更加准确地调控和优化显示用光波导装置1的耦入综合效率。

图4为示意图，其中图形（a）示意性地示出了光在显示用光波导装置1的输入部中的多个反射光斑轮廓相对于第一浮雕光栅12的位置关系，其中反射光斑轮廓R-1、R-2、R-3分别为耦入波导基板11的光在表面11a上的第一次反射、第二次反射和第三次反射的反射光斑轮廓；图形（b）示意性地示出了离开第一浮雕光栅12之后的反射光斑的能量分布状态，其中从右往左不同的阴影区域中的光在第一浮雕光栅12所在区域分别发生了0次反射、1次反射、2次反射和3次反射。随着最大平均反射次数N本身大小的减小，反射次数相对于反射次数M的单位减小量（例如为1）所带来的反射损失的减小量是递增的。因此，为了更好地改善显示用光波导装置1的耦入综合效率，优选地，进一步配置输入部10的折射率，使得反射次数N≤1.5。这在下文中将结合数据例更加详细地介绍。

根据本发明实施例的显示用光波导装置尤其适于轻薄化，其中第一波导基板11的厚度可以满足h≤0.75mm，优选地，h≤0.65mm，更优选地，h≤0.5mm。换句话说，根据本发明实施例的显示用光波导装置在采用具有上述厚度的第一波导基板11的情况下，能够有效地抑制光在第一浮雕光栅12所在区域的反射带来的光能量损失，实现较高的耦入综合效率，有利于提供良好的显示亮度和均匀性。

返回参照图2，在一些有利的实施方式中，显示用光波导装置1A的输出部20的第二波导基板21可以具有第三折射率n3，第二浮雕光栅22可以具有第四折射率n4，并且显示用光波导装置1A可以配置为使得n2＜n3，且n2＜n4。这种配置下，通过提高第二波导基板21和第二浮雕光栅22的折射率，可以有利地提升耦出效率。

在一些有利的实施方式中，n3-n2＞0.1。这样有利于减小光在第一波导基板11和第二波导基板21之间的界面上的反射损失。

作为补充或替代，如图2所示，第一波导基板11与第二波导基板21之间的交界处可以形成有增透膜ARF（见图3所示），这有利于用于提高光从第一波导基板11向第二波导基板21的透射率。

此外，如图3所示，在一些有利的实施方式中，输入部10的第一波导基板11与输出部20的第二波导基板21可以是一体的。这种情况下，第二波导基板21也具有第二折射率n2。

应该理解的是，尽管附图所示根据本发明实施例一的显示用光波导装置1A中第一浮雕光栅与第一波导基板之间没有中间层，但是本发明在此方面不受限制，只要第一浮雕光栅与第一波导基板的折射率配置符合本发明提出的要求并能够实现相应的技术效果即可。

下面将通过数据例说明根据本发明实施例的显示用光波导装置的技术效果。

（数据例1）

数据例1中，第一浮雕光栅具有直径5mm的圆形形状，为透射式斜齿光栅，光栅周期d=420nm，占空比50%，深度300nm；第二浮雕光栅采用二维光栅；第一浮雕光栅和第二浮雕光栅的折射率n1=n4=1.9；第一波导基板厚度h=0.75mm；视场角的预定视场角范围为FOVX在-12^o~12^o，FOVY在-9^o~9^o；光束具有直径为4mm的圆形横截面；波长为530nm；预定衍射级次为正一级。

数据例1中分别对其中第一波导基板的折射率n2=1.7的根据本发明实施例的显示用光波导装置的示例和其中第一波导基板的折射率n2’=1.9的显示用光波导装置对比例的情况进行仿真，计算两种光波导装置的第一浮雕光栅的正一级衍射效率、反射损耗占比和耦入综合效率。其中，正一级衍射效率、反射损耗占比和耦入综合效率均以入射到第一浮雕光栅的总光能量为基数，并且耦入综合效率为正一级衍射效率减去反射损耗占比得到的值。

图5为示意图，其中图形（a）、（b）、（c）示出了数据例1中基于如上配置的根据本发明实施例的显示用光波导装置得到的反射光斑光能量分布状态，图形（d）、（e）、（f）示出了基于如上配置的对比例的光波导装置得到的对应于不同视场角的反射光斑的光能量分布状态，其中从右往左的不同阴影区域表示光在第一浮雕光栅12所在区域发生的反射次数增加（最右侧的区域为0次反射的区域）。从图5中可以直观地看到，相比于对比例，根据本发明实施例的显示用光波导装置中不同视场角的光的反射次数有所减小，显然是有利于减小反射损失的。

图6、图7和图8分别示出了为数据例1中第一浮雕光栅的正一级衍射效率、反射损耗占比和耦入综合效果随着视场角/入射角变化的曲线图。图6显示n1=1.9，n2=1.7情况下能够获得较高的正一级衍射效率，甚至可以略高于n1=1.9，n2’=1.9情况下的正一级衍射效率；图7显示n1=1.9，n2=1.7情况下的反射损耗占比明显低于n1=1.9，n2’=1.9的情况下的；图8显示n1=1.9，n2=1.7情况下最终获得的耦入综合效果显著高于n1=1.9，n2’=1.9情况下获得的耦入综合效率。

为了更加清楚地显示相关的改善效果，以下表1中给出了数据例1中得到正一级衍射效率、反射损耗占比和耦入综合效率的平均值。

[表1]

	n1=1.9，n2=1.7	n1=1.9，n2’=1.9
			正一级衍射效率	58.2%	56.7%
反射损耗占比	33.1%	37.9%
			耦入综合效率	25.1%	18.8%

从表1中可以看到，根据本发明实施例的显示用光波导装置的耦入综合效率相比于对比例提高了33.5%。

（数据例2）

数据例2中采用轻薄化波导基板，第一波导基底厚度h=0.5mm；第一浮雕光栅具有直径4mm的圆形形状，为透射式斜齿光栅，光栅周期d=410nm，占空比45%，深度280nm；第二浮雕光栅采用二维光栅；第一浮雕光栅和第二浮雕光栅的折射率n1=n4=1.9；视场角的预定视场角范围为FOVX在-12^o~12^o，FOVY在-9^o~9^o；光束具有直径为3.6mm的圆形横截面；波长为530nm；预定衍射级次为正一级。

数据例2中分别对其中第一波导基板的折射率n2=1.55和n2=1.75的根据本发明实施例的显示用光波导装置的示例和其中第一波导基板的折射率n2’=1.9的显示用光波导装置对比例的情况进行仿真。图9示意性地示出了数据例2中基于不同光波导装置得到的视场角为（-12^o, 0^o）反射光斑的示例；图10为数据例2中第一浮雕光栅的耦入综合效率随着视场角/入射角变化的曲线图。

结合图9和图10可以看到：n1=1.9，n2’=1.9的对比例中，对应于最小的正一级衍射角的视场角(-12^o, 0^o)的光在第一浮雕光栅所在区域在表面11a上最大反射次数较多为5次（对应于最大平均反射次数N约为2），其耦入综合效率仅为19.2%；当n2降至1.75时，最大反射次数降为4次（对应于最大平均反射次数N约为1.5），耦入综合效率达22.8%，提升18.8%；当n2降至1.55时，最大反射次数降为3次（对应于最大平均反射次数N约为1），综合耦入效率达31.0%，进一步提升36%；其中，进一步地可以看到，最大反射次数从4次降到3次带来的耦入综合效率的提升幅度为最大反射次数从5次降到4次带来的耦入综合效率的提升幅度的2倍。

从上述改进的幅度的意义上来看，根据本发明实施例的显示用光波导装置中，优选最大平均反射次数N≤1.5；更优选地，N≤1。

此外，数据例2也显示了，根据本发明实施例的显示用光波导装置尤其适于轻薄化的应用。更具体地，根据本发明实施例的显示用光波导装置中第一波导基板11的厚度可以满足h≤0.75mm，优选地，h≤0.65mm，更优选地，h≤0.5mm。

返回参照图9，图9中以s0、s1、s2、s3、s4、s5分别标示光斑中分别对应于预定级次的衍射光在第一浮雕光栅所在区域在表面11a上发生0次反射、1次反射、2次反射、3次反射、4次反射、5次反射的区域的面积。假设e1为第一浮雕光栅的正一级（预定级次）衍射效率，e0为正一级衍射光在第一浮雕光栅所在区域在表面11a上的零级反射效率，则耦入综合效率eff可以表示为：

eff=e1s0+e1e0s1+e1e0²s2+e1e0³s3+e1e0⁴s4+ e1e0⁵s5+…+ e1e0^PsP

其中P为最大反射次数，sP为光斑中分别对应于预定级次的衍射光在第一浮雕光栅所在区域在表面11a上发生P次反射的区域的面积，并且符合s=s0+s1+s2+s3+…+sP。

随着最大反射次数增大，每个区域的面积s0、s1、s2…减小，最大平均反射次数N增大，耦入综合效率eff的值减小。通过减小最大反射次数，减小增大平均反射次数N，可以有效提升耦入综合效率。不仅如此，随着最大反射次数以及相应的最大平均反射次数增大，为实现预定幅度的耦入综合效率的提升，需要减小的最大平均反射次数的幅度是增大的。

举例来说，最大反射次数P=5时，光斑面积s=s0+s1+s2+s3+s4+s5；最大反射次数P降至4时，光斑面积s=s0’+s1’+s2’+s3’+s4’；最大反射次数P降至3时，光斑面积s=s0’’+s1’’+s2’’+s3’’。对照图9可以看到，区域面积s0’、s1’、s2’、s3’、s4’相比于初始的区域面积s0、s1、s2、s3、s4具有更大的面积，五个区域的平均面积从s/6增大至s/5，说明各区域平均面积增量约为20%。同时，从图9还可以看出，随着最大反射次数P的减小，最大反射次数对应的区域面积总是减小的，而0次反射次数对应的区域面积总是增大的。综合以上情况，粗略而言，最大反射次数从5降至4（近似对应于最大平均反射次数N从2降至1.5）时，通过减小反射损耗使得耦入综合效率提升大约20%。类似地，最大反射次数从4降至3（近似对应于最大平均反射次数N从1.5降至1）时，各区域平均面积增量约为25%，从而通过减小反射损耗使得耦入综合效率提升大约25%；最大反射次数从3降至2（近似对应于最大平均反射次数N从1降至0.5）时，各区域平均面积增量约为33%，从而通过减小反射损耗使得耦入综合效率提升大约33%。

基于以上分析和上述介绍的数据例，根据本发明实施例，通过第一浮雕光栅和第一波导基板的折射率的配置，控制N≤2，并且当N≤1时，N≤M-0.25；当1＜N≤1.5时，N≤M-0.5；当1.5＜N≤2时，N≤M-0.75。更优选地，控制N≤1.5。

接下来将参照图11至图16介绍根据本发明实施例二的显示用光波导装置。根据本发明实施例二的显示用光波导装置1B可以具有与以上已经介绍的根据本发明实施例一的显示用光波导装置1A相同的结构和参数配置，不同之处主要在于：根据实施例二的显示用光波导装置1B中进一步包括位于第一浮雕光栅与第一波导基板之间的复合增效层。

图11为根据本发明实施例二的显示用光波导装置1B的剖面示意图；图12示意性地示出了根据本发明实施例二的显示用光波导装置中的光传播。如图11和图12所示，光波导装置1B的输入部10’包括第一波导基板11和形成在第一波导基板11的表面11a上的第一浮雕光栅12，并且输入部10’还包括位于第一浮雕光栅12与第一波导基板11之间的复合增效层13。根据本发明实施例，复合增效层13包括至少两个分区，该至少两个分区包括沿第一光栅矢量G的方向（见图1）位于上游的第一分区13a和位于下游的第二分区13b，第一分区13a和第二分区13b具有相同的厚度并且分别具有第五折射率n5和第六折射率n6，使得第一分区13a中预定级次的衍射光经过复合增效层时经历相长的薄膜干涉，而第二分区13b中所述预定级次的衍射光在表面11a上被反射时，零级反射光经历相长的薄膜干涉。

根据本发明实施例二，增加了如上配置的复合增效层，一方面通过第一分区利用预定级次的衍射光的相长薄膜干涉提升第一浮雕光栅12的所述预定衍射级次的衍射效率，从而提升最初耦入到第一波导基板11中的光能量；另一方面通过第二分区利用相长干涉抑制已经耦入第一波导基板11中的光由于在表面11a上的反射而造成的反射损失，应当注意的是，此处是使所需的反射零级相长干涉，而减弱除反射零级外的其余衍射级次的能量损失。这样，通过综合考虑光在第一浮雕光栅所在区域的不同传播形态，实现对耦入效率的进一步的优化。

有利地，复合增效层可以包括至少一个过渡区，该至少一个过渡区沿第一光栅矢量的方向位于第一区域和第二区域之间。

有利地，复合增效层的至少两个分区之间的边界在第一光栅矢量的方向上的间距大致等于预定视场角范围的光被耦入波导基板之后在波导基板的表面11a上的相邻两次反射的反射位置间距的最小值。

有利地，至少两个分区之间的边界可以为直线的、弧线形的或者折线形的。

图13、图14、图15和图16示出了根据本发明实施例二的显示用光波导装置中复合增效层的分区方式的不同示例。图13、图14、图15和图16中的图形（a）以实线示出了复合增效膜13（其与第一浮雕光栅12所在的区域的范围一致），以虚线示出了对应于最小的正一级衍射角的视场角（-12^o, 0^o）的光在第一浮雕光栅所在区域在表面11a上反射次数分别为1、2、3次的反射光斑的轮廓，并根据反射光斑轮廓的边界将复合增效膜13所在区域分为不同的区域，图中以①、②、③、④标示。上述各图中图形（b）单独示出了复合增效膜13及其分区。

在图13所示示例中，复合增效膜13根据第2次反射的反射光斑轮廓的边界沿着垂直于第一光栅矢量G的方向做直线划分，分为第一分区13a和第二分区13b。即将图13图形（a）中的区域①、②的大部分区域划分为第一分区13a，将区域③、④以及区域①、②的小部分划分为第二分区13b。

在图14所示示例为图13所示示例的变型例，其中以折线的组合来替代图13所示复合增效膜13中的直线分界线，以使更多的0次反射和1次反射的区域被划入第一分区13a中。

在图15所示示例中，复合增效膜13根据第1、2、3次反射的反射光斑轮廓的边界沿着垂直于第一光栅矢量G的方向做直线划分，得到位于最上游的第一分区13a和最下游的第二分区13b以及位于它们之间的过渡区13c和过渡区13d。这样，复合增效层的相邻分区之间的边界在第一光栅矢量的方向上的间距大致等于一定入射角的光被耦入波导基板之后在波导基板的表面11a上的相邻两次反射的反射位置在第一光栅矢量的方向上的间距。有利地，在过渡区13c和过渡区13d具有与第一分区13a和第二分区13b相同的厚度和不同的折射率，以平衡在相应区域中对提高第一浮雕光栅11的预定衍射级次的衍射效率和降低反射损耗的需求。

应该理解，过渡区的数量在此仅为示例性的，而非限制性的；根据不同应用中的需求，可以设置更多或更少的过渡区。此外，过渡区的位置和形状也可以与图15所示不同。

在图16所示示例中，复合增效膜13以第1、2、3次反射的反射光斑轮廓的边界做弧线划分，将图形（a）中的区域①、④分别划分为第一分区13a和第二分区13b，并将区域②、③分别划分为过渡区13c和过渡区13d。有利地，在过渡区13c和过渡区13d具有与第一分区13a和第二分区13b相同的厚度和不同的折射率。

下面将通过数据例说明根据本发明实施例二的显示用光波导装置的技术效果。

（数据例3）

数据例3中，第一浮雕光栅具有直径5mm的圆形形状，为透射式斜齿光栅，光栅周期d=420nm，占空比50%，深度300nm；第二浮雕光栅采用二维光栅；第一浮雕光栅和第二浮雕光栅的折射率n1=n4=1.9；第一波导基板厚度h=0.75mm；第一波导基板的折射率n2=1.7；视场角的预定视场角范围为FOVX在-12^o~12^o，FOVY在-9^o~9^o；预定衍射级次为正一级。

数据例3中对四种结构作了仿真：

（1）第一浮雕光栅与第一波导基板之间无中间层；

（2）第一浮雕光栅与第一波导基板之间有复合增效层，复合增效层的厚度t=160nm，复合增效层具有如图13所示划分的第一分区和第二分区，并且第一分区的折射率n5=1.65，第二分区的折射率n6=2.6；

（3）第一浮雕光栅与第一波导基板之间有均匀的中间层，中间层的厚度t’=t=160nm，中间层的折射率n=n5=1.65；

（4）第一浮雕光栅与第一波导基板之间有均匀的中间层，中间层的厚度t’=t=160nm，中间层的折射率n’=n6=2.6。

上述四种结构下仿真计算得到的耦入综合效率如以下表2所示：

[表2]

	结构（1）	结构（2）	结构（3）	结构（4）
					层厚	无	t=160nm	t’=160nm	t’=160nm
折射率	无	n5=1.65, n6=2.6	n=1.65	n’=2.6
					耦入综合效率	25.1%	27.5%	25.3%	25.3%

从表2可以看到，根据本发明实施例二的增加了复合增效层的结构（2）相比于无中间层的结构（1）能够将耦入综合效率提升10%；而基于结构（3）和结构（4）所获得的耦入综合效率相对于无中间层的结构（1）而言仅有微小的提升。这说明根据本发明实施例二在光波导装置中增加的复合增效层并非结构（3）和结构（4）中所设置的中间层的简单组合，复合增效层通过分区、组合实现了不同获得了额外的、突出的技术效果。

根据本发明实施例的光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

1.一种显示用光波导装置，包括输入部和输出部，所述输入部包括第一波导基板和形成在所述第一波导基板的一表面上的第一浮雕光栅，所述第一浮雕光栅具有第一光栅矢量，用于通过预定级次的衍射将以预定视场角范围的入射角照射到所述第一浮雕光栅上的光耦入所述第一波导基板中，使之通过全反射在所述第一波导基板中大致沿着所述第一光栅矢量的方向传播，以便通过所述输出部从所述显示用波导装置耦出，其中，

2.如权利要求1所述的显示用光波导装置，其中，所述最大平均反射次数N和M分别通过以下公式计算得到：

3.如权利要求1所述的显示用光波导装置，其中，所述最大平均反射次数N≤1.5。

4.如权利要求1所述的显示用光波导装置，其中，所述预定级次为正一级。

5.如权利要求1所述的显示用光波导装置，其中，所述第一波导基板的厚度h≤0.75mm。

6.如权利要求5所述的显示用光波导装置，其中，所述第一波导基板的厚度h≤0.65mm。

7.如权利要求6所述的显示用光波导装置，其中，所述第一波导基板的厚度h≤0.5mm。

8.如权利要求1所述的显示用光波导装置，还包括设置有转折光栅的转折部，所述转折光栅用于通过衍射将来自所述输入部的光中继到所述输出部。

9.如权利要求1-8中任一项所述的显示用光波导装置，其中，所述输入部还包括位于所述第一浮雕光栅与所述第一波导基板之间的复合增效层，所述复合增效层包括至少两个分区，所述至少两个分区包括沿所述第一光栅矢量的方向位于上游的第一分区和位于下游的第二分区，所述第一分区和所述第二分区具有相同的厚度并且分别具有第五折射率n5和第六折射率n6，使得所述第一分区中所述预定级次的衍射光经过所述复合增效层时经历相长的薄膜干涉，而所述第二分区中所述预定级次的衍射光在所述第一波导基板的所述表面上被反射时零级反射光经历相长的薄膜干涉。

10.如权利要求9所述的显示用光波导装置，其中，所述复合增效层还包括至少一个过渡区，所述至少一个过渡区具有与所述第一分区和第二分区相同的厚度和不同的折射率。

11.如权利要求10所述的显示用光波导装置，其中，至少一个所述过渡区沿所述第一光栅矢量的方向位于所述第一区域和第二区域之间。

12.如权利要求9所述的显示用光波导装置，其中，所述复合增效层的所述至少两个分区之间的边界在所述第一光栅矢量的方向上的间距大致等于一定入射角的光被耦入所述第一波导基板之后在所述第一波导基板的所述表面上的相邻两次反射的反射位置在所述第一光栅矢量的方向上的间距。

13.如权利要求9所述的显示用光波导装置，其中，至少两个所述分区之间的边界为直线的、弧线形的或者折线形的。

14.如权利要求1所述的显示用光波导装置，其中，所述输出部包括第二波导基板和形成在所述第二波导基板上的第二浮雕光栅，所述第二波导基板具有第三折射率n3，所述第二浮雕光栅具有第四折射率n4，其中，n2＜n3，且n2＜n4。

15.如权利要求14所述的显示用光波导装置，其中，n3-n2＞0.1。

16.如权利要求14所述的显示用光波导装置，其中，所述第一波导基板与所述第二波导基板之间的交界处形成有增透膜，用于增加光从所述第一波导基板向所述第二波导基板的透射率。

17.如权利要求1所述的显示用光波导装置，其中，所述输出部包括第二波导基板和形成在所述第二波导基板上的第二浮雕光栅，所述第一波导基板与所述第二波导基板是一体的，从而所述第二波导基板具有所述第二折射率n2。

18.一种显示设备，包括如权利要求1-17中任一项所述的显示用光波导装置。

19.如权利要求18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，所述镜片包括所述显示用光波导装置。

20.如权利要求18或19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。