CN116381948B - 光波导及显示设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种光波导和显示设备。光波导包括波导基板和至少一个光栅。其中波导基板使光通过全内反射在波导基板内传播。光栅设置在波导基板的第一表面和第二表面之间，相对于第一表面和第二表面倾斜，用于透射和反射入射光，或者用于透射和衍射偏转入射光。其中透射的光被耦合到波导基板中以使之通过全内反射在波导基板内传播，反射或者衍射偏转的光被耦合出波导基板。光栅构造为使得当入射角小于第一角度并大于第四角度时的反射效率大于入射角大于第一角度时的反射效率；或者入射角小于第一角度并大于第四角度时的衍射偏转效率大于入射角大于第一角度时的衍射偏转效率，其中第一角度大于第四角度。
Description
技术领域
本申请总地涉及光学技术领域，更具体地涉及一种光波导及具有其的显示设备。
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。也正是由于AR显示具有如上特点，目前该项技术在安防、教育、医疗、军工、工业、娱乐等行业得到了越来越的广泛应用。
AR眼镜是增强现实显示领域的重要媒介之一。光波导具有可量产性强、轻薄等优势，在AR显示领域逐渐得到认可，有望成为未来AR领域主流技术发展方向。
现有的光波导方案大致分为两类，一类是几何光波导，另一类是衍射光波导。
几何光波导的主要实现方案为几何阵列光波导，主要由一系列半透半反镜面组成，其中镜面是嵌入到玻璃基底里面并且与传输光线形成一个特定角度的表面，每一个镜面会将部分光线反射出波导进入人眼。目前，镜面的主要实现方式为多层膜，每一个镜面的多层膜系都要需要进行精细设计，膜层数通常达数十片。
在衍射光波导中，目前的耦出光栅为了同时达到比较大的FOV（Field Of View，可视角度）、比较良好的非均匀性以及较高的效率，通常需要对耦出光栅设计一定的二维光栅区域，在二维光栅区域的两侧设计一定的一维光栅区域来提高效率。然而，一维区域和二维区域的耦出效率相差较大，通常为3倍以上的数量关系，甚至可以达到6倍以上。这就造成了两侧一维区域和中间二维区域的耦出强度相差较大的问题，最终会产生一个明显的亮-暗-亮的分界，这对于非均匀性指标来说是不友好的，对于人眼的观察来说也是不友好的。
因此，有必要对光波导及显示设备进行改进，以解决至少一个技术问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本申请的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为至少部分地解决上述问题，根据本申请的第一方面，提供了一种光波导，包括：
波导基板，所述波导基板具有相反设置第一表面和第二表面，用于全反射进入所述波导基板内部的光，并使所述光通过全内反射在所述波导基板内传播；和
至少一个光栅，设置在所述波导基板中，所述光栅位于所述第一表面和所述第二表面之间，并且相对于所述第一表面和所述第二表面倾斜，用于透射和反射入射光，或者用于透射和衍射偏转入射光，其中透射的光被耦合到所述波导基板中以使之通过全内反射在所述波导基板内传播，反射或者衍射偏转的光被耦合出所述波导基板，
其中，所述光栅构造为使得：
当所述入射光在所述光栅的入射角不同时，所述光栅的反射效率或者衍射偏转效率不同，
所述入射角小于第一角度并大于第四角度时的所述反射效率大于所述入射角大于所述第一角度时的所述反射效率；或者所述入射角小于第一角度并大于第四角度时的所述衍射偏转效率大于所述入射角大于所述第一角度时的所述衍射偏转效率，
其中所述第一角度大于所述第四角度。
根据本申请的光波导，具有设置在波导基板中的至少一个光栅，可以透射和反射入射光，或者透射和衍射偏转入射光，进而实现半反光半透光的光学功能，设计简单灵活，易于加工。其中，反射光（衍射偏转光）用于人眼观察，可通过设置较小的入射角使反射光（衍射偏转光）具有较高的亮度，从而提升用户体验。
可选地，所述光栅构造为使得：所述入射角小于或等于第二角度并且大于或等于第三角度时的所述反射效率为所述入射角大于所述第一角度时的所述反射效率的3倍以上；或者，所述入射角小于或等于第二角度并且大于或等于第三角度时的所述衍射偏转效率为所述入射角大于所述第一角度时的所述衍射偏转效率的3倍以上，
其中，所述第二角度小于或等于所述第一角度并且大于所述第四角度，所述第三角度小于所述第二角度并且大于或等于所述第四角度。
根据本申请，入射角在一定范围内的反射效率显著高于入射角在该范围外时的反射效率，或者，入射角在一定范围内的衍射偏转效率显著高于入射角在该范围外时的衍射偏转效率。
可选地，所述光栅构造为使得，当所述入射角小于或等于所述第二角度并且大于或等于所述第三角度时，所述反射效率或者衍射偏转效率的波动系数s1小于或等于0.33，
其中，所述波动系数s1根据以下公式计算：
s1 =（Rmax-Rmin）/（Rmax+Rmin）
其中，Rmax为所述入射角小于或等于第二角度并且大于或等于所述第三角度时所述反射效率的最大值，Rmin为所述入射角小于或等于所述第二角度并且大于或等于所述第三角度时所述反射效率的最小值；或者Rmax为所述入射角小于或等于第二角度并且大于或等于所述第三角度时所述衍射偏转效率的最大值，Rmin为所述入射角小于或等于所述第二角度并且大于或等于所述第三角度时所述衍射偏转效率的最小值。
根据本申请，入射角一定范围内（小于或等于第二角度并且大于或等于第三角度）时，光栅的反射效率或衍射偏转效率高且均匀。
可选地，所述第三角度与所述第二角度的差值大于10度。
根据本申请，光栅的反射效率或衍射偏转效率高且均匀的效果所对应的入射角变化范围大于10度，在波导基板的折射率一定时，可视角度FOV的范围较大。
可选地，所述第一角度为30至35度。
根据本申请，当入射角在30至35度以下时，反射光具有较高的亮度。
可选地，所述光波导包括多个所述光栅。
根据本申请，多个光栅可依次反射入射光，从而增加出射光的照亮面积，提升用户体验。
可选地，所述光栅的数量为N，N为大于1的整数，将所述N个光栅按照光路的走向顺序编号，序号在后的所述光栅的反射效率大于序号在前的所述光栅的反射效率，或者序号在后的所述光栅的所述衍射偏转效率大于序号在前的所述光栅的所述衍射偏转效率。
进一步，第k个所述光栅具有反射效率Rk和透射效率Tk，或者第k个所述光栅具有衍射偏转效率Rk和透射效率Tk，k为大于或等于1并且小于或等于N的整数，
每一个所述光栅具有各自的效率系数s2，其中光束到达第i个所述光栅的效率系数s2i根据以下公式计算：
其中，i为大于1并且小于或等于N的整数，j为整数，第一个所述光栅的效率系数s21为其反射效率或衍射偏转效率R1，
所述光波导配置为使得N个所述效率系数s2的最大值与N个所述效率系数s2的最小值的差除以N个所述效率系数s2的最大值与N个所述效率系数s2的最小值的和的商小于或等于0.33。
根据本申请，各光栅的反射效率或衍射偏转效率的设置可以使得视场内的出射光强均匀性较好。
可选地，所述多个光栅大体相互平行，并且/或者大体等间隔分布。
根据本申请，多个光栅大体相互平行并且/或者大体等间隔分布，有利于形成亮度均匀的出射光场。
可选地，所述光栅构造为体全息光栅，所述体全息光栅具有等折射率条纹面，其中反射镜面为所述等折射率条纹面。
根据本申请，通过调制体全息光栅内部的折射率，实现半反光半透光功能，设计简单灵活，易于加工。
可选地，所述体全息光栅的厚度为1至20微米，并且/或者
所述体全息光栅的折射率调制度为0.01至0.2。
根据本申请，体全息光栅的厚度较小，具有较宽的角谱宽度，并可通过折射率调制度调节光栅的反射效率或衍射偏转效率。
可选地，所述体全息光栅与所述第一表面或所述第二表面的夹角为20至30度，并且/或者
所述体全息光栅的光栅周期为2000至7000lp/mm。
根据本申请，可灵活设计体全息光栅。
可选地，所述体全息光栅的厚度方向平行于或垂直于所述等折射率条纹面，并且/或者
所述体全息光栅包括光敏材料，所述光敏材料的平均折射率为1.5至2.0。
根据本申请，体全息光栅的厚度方向平行于或垂直于等折射率条纹面，可以简化设计和加工。在相同的光机FOV情况下，选用较大折射率的波导材料，有利于提高视场内的效率均匀性。
可选地，每一个所述体全息光栅构造为具有非均匀分布的折射率调制度。
进一步，每一个所述体全息光栅构造为使得两端部位的折射率调制度小于中间部位的折射率调制度。
进一步，所述体全息光栅构造为切趾体全息光栅。
具体的，每一个所述体全息光栅构造为具有以下的折射率调制分布n(x,z)：
n(x, z)=n0+n1(x, z)·cos[|K|(xsinφ+zcosφ)]，
其中
n1(x, z)=nm·sinc[2(z-d/2)/d]，或者
n1(x, z)=nm·exp[-(z-d/2)2]，
其中，x为沿所述体全息光栅的表面的方向的坐标，z为沿所述体全息光栅的厚度方向的坐标，n0为所述体全息光栅的材料的平均折射率，nm为预设常数，φ为所述体全息光栅的倾斜角，K为所述体全息光栅的光栅矢量，所述光栅矢量K根据布拉格条件确定，所述等折射率条纹面垂直于所述光栅矢量K。
根据本申请，非均匀分布的折射率调制度或切趾体全息光栅的设置可以有效减弱体全息光栅的角谱曲线的边瓣，提高波导效率和信噪比，并减少能量浪费。
可选地，每一个所述体全息光栅构造为具有均匀分布的折射率调制度。
进一步，每一个所述体全息光栅构造为具有以下的折射率调制分布n(x,z)：
n(x, z)=n0+n1·cos[|K|(xsinφ+zcosφ)]，
其中，x为沿所述体全息光栅的表面的方向的坐标，z为沿所述体全息光栅的厚度方向的坐标，n0为所述体全息光栅的材料的平均折射率，n1为所述体全息光栅的折射率调制度，φ为所述体全息光栅的倾斜角，K为所述体全息光栅的光栅矢量，所述光栅矢量K根据布拉格条件确定，所述等折射率条纹面垂直于所述光栅矢量K。
根据本申请，通过均匀分布的折射率调制度和光栅内部的周期性折射率调制设置光栅的反射效率或衍射偏转效率，实现对光场的控制，使得体全息光栅可以实现半反光半透光功能，设计简单灵活，易于加工。
可选地，所述的光波导包括多个所述体全息光栅，所述多个体全息光栅的光栅矢量K相同，其中
所述多个体全息光栅的厚度不同，并且/或者所述多个体全息光栅的折射率调制度不同。
根据本申请，通过折射率调制度和厚度的设置可以调整体全息光栅的反射效率或衍射偏转效率以及衍射带宽或反射带宽，设计简便。
可选地，所述光栅构造为亚波长光栅。
根据本申请，可以采用亚波长光栅结构实现半反光半透光的光学效果，设计简单灵活，易于加工。
本申请第二方面，提供一种显示设备，包括：
光机，用于发射光束；和
根据前述的技术方案所述的光波导，其中所述光机发射的光束用作所述光波导的入射光。
根据本申请，显示设备的光波导具有设置在波导基板中的至少一个光栅，可以透射和反射入射光，或者透射和衍射偏转入射光，进而实现半反光半透光的光学功能，设计简单灵活，易于加工。其中，反射光或衍射光用于人眼观察，可通过设置较小的入射角使反射光或衍射光具有较高的亮度，从而提升用户体验。
可选地，所述显示设备还包括反射镜，用于反射所述光机发射的光束，并使被所述反射镜反射后的光束通过全内反射在所述波导基板内传播。
根据本申请，反射镜可以增加光机设置的灵活性。
可选地，所述显示设备为近眼显示设备，还包括：
镜片，所述镜片包括所述光波导；和
框架，用于将所述镜片保持在靠近眼睛的位置。可选地，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
根据本申请的光波导可以用于例如AR眼镜。
可选地，所述显示设备为光学扩瞳设备。
根据本申请的光波导可以用于例如扩瞳设备。
附图说明
本申请的下列附图在此作为本申请的一部分用于理解本申请。附图中示出了本申请的实施方式及其描述，用来解释本申请的原理。附图中：
图1为根据本申请第一实施方式的光波导的示意图；
图2为根据本申请第二实施方式的光波导的示意图；
图3为图1所示的光波导的光栅的反射效率与入射角的关系示意图，其中，曲线a为光栅20a的反射效率与入射角的关系曲线，曲线b为光栅20b的反射效率与入射角的关系曲线，曲线c为光栅20c的反射效率与入射角的关系曲线，曲线d为光栅20d的反射效率与入射角的关系曲线；
图4为图2所示的光波导的光栅的衍射偏转效率与入射角的关系示意图，其中，曲线a为光栅120a的反射效率与入射角的关系曲线，曲线b为光栅120b的反射效率与入射角的关系曲线，曲线c为光栅120c的反射效率与入射角的关系曲线，曲线d为光栅120d的反射效率与入射角的关系曲线；
图5为图1所示的光波导的光栅的等折射率条纹面与光栅厚度方向的关系示意图；
图6为图2所示的光波导的光栅的等折射率条纹面与光栅厚度方向的关系示意图；
图7为入射光经过图1所示的光波导的光栅的光路示意图，其中图（a）为入射光以小角度入射光栅时的光路，图（b）为入射光以大角度入射光栅时的光路；
图8为入射光经过图2所示的光波导的光栅的光路示意图，其中图（a）为入射光以小角度入射光栅时的光路，图（b）为入射光以大角度入射光栅时的光路；
图9为一种亚波长光栅结构示意图，其中，图（a）为亚波长光栅结构的纵截面示意图，图（b）为亚波长光栅结构的横截面示意图；
图10为根据本申请第一实施方式的显示设备的示意图；
图11为根据本申请第二实施方式的显示设备的示意图；和
图12为根据本申请的显示设备的一个具体示例的立体示意图。
附图标记说明：
100/200：光波导
210/220：显示设备
300：近眼显示设备
10/110：波导基板
11/111：第一表面
12/112：第二表面
20/120：光栅
21/121：等折射率条纹面
310：镜片
320：框架
30/330：光机
40：反射镜
50：亚波长光栅
51：二维孔形结构
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的描述。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。显然，本申请实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本申请的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本申请还可以具有其他实施方式。
本申请中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。“第一”“第二”以及“第三”等词语的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为名称。
需要说明的是，本申请中所使用的术语“上”“下”“前”“后”“左”“右”“内”“外”以及类似的表述只是为了说明目的，并非限制。
本申请的第一方面提供一种光波导，通过光栅实现多层膜镜面的半反光半透光功能，设计简单灵活，易于加工。
现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。
如图1所示，根据本申请第一实施方式的光波导100包括波导基板10和至少一个光栅20。其中，波导基板10具有相反设置的第一表面11和第二表面12，用于全反射进入波导基板10内部的光D1，并使光D1通过全内反射在波导基板10内传播，例如光D2为光D1经全反射形成。光栅20设置在波导基板10中，光栅20位于第一表面11和第二表面12之间，并且相对于第一表面11和第二表面12倾斜，用于透射和反射光D2（也即D2或D1为光栅20的入射光），其中透射的光D3被耦合到波导基板10中以使之通过全内反射在波导基板10内传播，反射的光D4被耦合出波导基板10，从而被人眼接收。
因此，当光波导100包括多个光栅20时（例如光波导100包括光栅20a、20b、20c和20d，光栅20a、20b、20c和20d按照光路的走向依次设置），按照光路的走向顺序排序，在前的光栅20的透射光（或者再经全反射后的光）成为下一个光栅20的入射光，每一个光栅20的反射光D4耦合出波导基板10。
第一实施方式的光栅20的反射效率ηR与入射角θ的关系如图3所示，其中，光栅20a、20b、20c、20d的反射效率ηR与入射角θ的关系图像分别为曲线a、b、c、d。光栅20构造为使得当入射光D2在光栅20的入射角θ不同时，光栅20的反射效率ηR不同。入射角θ小于第一角度θ1并大于第四角度θ4时的反射效率ηR大于入射角θ大于第一角度θ1时的反射效率ηR。其中第一角度θ1大于第四角度θ4。
如图2所示，根据本申请第二实施方式的光波导200包括波导基板110和至少一个光栅120。其中，波导基板110具有相反设置的第一表面111和第二表面112，用于全反射进入波导基板110内部的光S1（例如光S2为光S1经全反射形成），并使光S1通过全内反射在波导基板110内传播。光栅120设置在波导基板110中，光栅120位于第一表面111和第二表面112之间，并且相对于第一表面111和第二表面112倾斜，用于透射和衍射入射光S2（也即S2或S1为光栅120的入射光），其中透射的光S3被耦合到波导基板110中以使之通过全内反射在波导基板110内传播，衍射偏转的光S4被耦合出波导基板110，从而被人眼接收。
因此，当光波导200包括多个光栅120时（例如光波导200包括光栅120a、120b、120c和120d，光栅120a、120b、120c和120d按照光路的走向依次设置），按照光路的走向顺序排序，在前的光栅120的透射光（或者再经全反射后的光）成为下一个光栅120的入射光，每一个光栅120的衍射偏转光D4耦合出波导基板110。
第二实施方式的光栅120的衍射偏转效率ηT与入射角θ的关系如图4所示，其中，光栅120a、120b、120c、120d的衍射偏转效率ηT与入射角θ的关系图像分别为曲线a、b、c、d。光栅120构造为使得当入射光S2在光栅120的入射角θ不同时，光栅120的衍射偏转效率ηT不同。入射角θ小于第一角度θ1并大于第四角度θ4时的衍射偏转效率ηT大于入射角θ大于第一角度θ1时的衍射偏转效率ηT。其中第一角度θ1大于第四角度θ4。
优选地，如图3所示，光栅20构造为使得入射角θ小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3时的反射效率ηR为入射角θ大于第一角度θ1时的反射效率ηR的3倍以上。其中，第二角度θ2小于或等于第一角度θ1并且大于第四角度θ4，第三角度θ3小于第二角度θ2并且大于或等于第四角度θ4。
因此，入射光D2在光栅20的入射角θ小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3时，反射效率ηR显著高于入射角θ在其他范围内时的反射效率ηR。
优选地，如图4所示，光栅120构造为使得入射角θ小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3时的衍射偏转效率ηT为入射角θ大于第一角度θ1时的衍射偏转效率ηT的3倍以上。其中，第二角度θ2小于或等于第一角度θ1并且大于第四角度θ4，第三角度θ3小于第二角度θ2并且大于或等于第四角度θ4。
因此，入射光S2在光栅120的入射角θ小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3时的衍射偏转效率ηT显著高于入射角θ在其他范围内时的衍射偏转效率ηT。
优选地，光栅20/120构造为使得当入射角θ小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3时，光栅20的反射效率ηR或者光栅120的衍射偏转效率ηT的波动系数s1小于或等于0.33。其中，波动系数s1根据以下公式（1）计算：
s1 =（Rmax-Rmin）/（Rmax+Rmin） （1）
其中，Rmax为入射角θ小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3时光栅20的反射效率ηR的最大值，Rmin为入射角θ小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3时光栅20的反射效率ηR的最小值。或者，Rmax为入射角θ小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3时光栅120的衍射偏转效率ηT的最大值，Rmin为入射角小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3时光栅120的衍射偏转效率ηT的最小值。
因此，入射光在光栅的入射角θ在小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3时，反射效率ηR或者衍射偏转效率ηT的值较为均匀。
在本申请中，第三角度θ3与第二角度θ2的差值大于10°，例如可以为13°至15°。
优选地，如图3、图4所示，第一角度θ1为30°至35°。
优选地，光波导100包括多个光栅20。光波导200包括多个光栅120。
进一步优选地，多个光栅20/120大体相互平行，并且/或者大体等间隔分布。
优选地，光栅20/120的数量为N（N为大于1的整数），将N个光栅20/120按照光路的走向顺序编号，序号在后的光栅20的反射效率ηR大于序号在前的光栅20的反射效率ηR，或者序号在后的光栅120的衍射偏转效率ηT大于序号在前的光栅120的衍射偏转效率ηT。
如图1所示，光栅20的数量设置为4，包括光栅20a、20b、20c、20d。如图3所示，光栅20a、20b、20c、20d的反射效率ηR依次增大。
如图2所示，光栅120的数量设置为4，包括光栅120a、120b、120c、120d。如图4所示，光栅120a、120b、120c、120d的衍射偏转效率ηT依次增大。
进一步，第k个光栅20具有反射效率Rk和透射效率Tk，或者第k个光栅120具有衍射偏转效率Rk和透射效率Tk（k为大于或等于1并且小于或等于N的整数）。每一个光栅20/120具有各自的效率系数s2，其中光束到达第i个光栅20/120的效率系数s2i根据以下公式（2）计算：
（2）
其中，i为大于1并且小于或等于N的整数，j为整数，第一个光栅20a/120a的效率系数s21为其反射效率或衍射偏转效率R1。
为使多个光栅20/120的出射光强均匀，优选地，光波导100/200配置为使得N个效率系数s2的最大值与N个效率系数s2的最小值的差除以N个效率系数s2的最大值与N个效率系数s2的最小值的和的商小于或等于0.33。
例如，若光栅20a、20b、20c、20d在光以小角度（例如，小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3）入射时，透射效率和反射效率分别为T1、T2、T3、T4和R1、R2、R3、R4, 则单根光线经过光栅20a、20b、20c、20d反射的光线能量比例（效率系数）s2i分别为R1、T1·R2、T1·T2·R3、T1·T2·T3·R4，这4个数值越接近，则在人眼处接收光线的能量越均匀。通过计算可以得到R1、R2、R3、R4的优选数值。
同样地，若光栅120a、120b、120c、120d在光以小角度（例如，小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3）入射时，透射效率和衍射偏转效率分别为T1、T2、T3、T4和R1、R2、R3、R4, 则单根光线经过光栅120a、120b、120c、120d衍射的光线能量比例（效率系数）s2i分别为R1、T1·R2、T1·T2·R3、T1·T2·T3·R4，这4个数值越接近，则在人眼处接收光线的能量越均匀。通过计算可以得到R1、R2、R3、R4的优选数值。
优选地，光栅20/120构造为体全息光栅。如图5和图6所示体全息光栅具有等折射率条纹面21/121，其中反射镜面为等折射率条纹面21/121。由此，可以通过体全息光栅内部的周期性折射率调制实现对光场的调控。
在本申请中，如图1所示，光栅20的反射光耦合出波导基板10的实施例中，光栅20称为反射式体全息光栅20。如图2所示，光栅120的衍射光耦合出波导基板110的实施例中，光栅120称为透射式体全息光栅120。
体全息光栅20/120的关键参数包括周期Λ、倾斜角φ、厚度d、折射率调制度n1，需满足布拉格再现条件2Λcos(φ-θ)=mλ，其中倾斜角φ为光栅厚度方向z（参见图5和图6）与光栅矢量K的夹角，周期Λ和倾斜角φ主要决定光束的衍射方向，而厚度d和折射率调制度n1则主要影响衍射偏转效率ηT（或反射效率ηR）和衍射带宽（或反射带宽）。
对于反射式体全息光栅20，根据Kogelnik耦合波理论，在Bragg条件下，其反射效率ηR可以根据公式（3）计算：
ηR=tanh2ν （3）
其中ν为耦合强度。
在第一实施方式中，折射率调制度n1和厚度d的乘积决定Bragg条件下的反射效率ηR，反射效率ηR随乘积呈现周期性变化。厚度d越小，角谱宽度越宽，相同厚度d情况下，可以通过调节n1来调节反射效率ηR。
对于透射式体全息光栅120，根据Kogelnik耦合波理论，在Bragg条件下，其衍射偏转效率ηT可以根据公式（4）计算：
ηT=sin2ν （4）
其中ν为耦合强度。
在第二实施方式中，折射率调制度n1和厚度d的乘积决定Bragg条件下的衍射偏转效率ηT，衍射偏转效率ηT随乘积呈现周期性变化。厚度d越小，角谱宽度越宽，相同厚度d情况下，可以通过调节n1来调节衍射偏转效率ηT。
优选地，体全息光栅20/120的厚度d为1至20微米，并且/或者体全息光栅20/120的折射率调制度n1为0.01至0.2。
优选地，体全息光栅20与第一表面11或第二表面12的夹角为20°至30°，并且/或者体全息光栅20的光栅周期Λ为2000至7000lp/mm。
可选地，体全息光栅120与第一表面111或第二表面112的夹角为20°至30°，并且/或者体全息光栅120的光栅周期Λ为2000至7000lp/mm。
优选地，体全息光栅20的厚度方向平行于等折射率条纹面21。如图5所示，倾斜角φ为0°。
优选地，体全息光栅120的厚度方向垂直于等折射率条纹面121。如图6所示，倾斜角φ为90°。
在一些实施例中，体全息光栅20的厚度方向可以不平行于等折射率条纹面20。在一些实施例中，体全息光栅120的厚度方向可以不垂直于等折射率条纹面121。
可选地，体全息光栅20/120包括光敏材料，光敏材料的平均折射率n0为1.5至2.0。光敏材料可以选用例如光致聚合物、聚合物分散液晶（PDLC）等。在相同的光机FOV情况下，选用较大折射率的波导材料，有利于提高视场内的效率均匀性。由于折射效应的存在，在光D1或S1的相同的角度变化范围（FOVout）内，波导折射率越大，对应在波导里的光栅20/120的入射角角度范围（ FOVin ）就越小，也即有利于实现光栅20/120的入射角θ小于第一角度θ1并大于第四角度θ4的条件。
可选地，每一个体全息光栅20/120可以构造为具有非均匀分布的折射率调制度n1。
进一步，每一个体全息光栅20/120构造为使得两端部位的折射率调制度n1小于中间部位的折射率调制度n1。
进一步，体全息光栅20/120构造为切趾体全息光栅。
可选地，每一个体全息光栅20/120构造为具有根据以下公式（5）计算的折射率的调制分布n(x,z)：
n(x, z)=n0+n1(x, z)·cos[|K|(xsinφ+zcosφ)] （5）
其中，n1的值为sinc形切趾，其计算方式如公式（6）：
n1(x, z)=nm·sinc[2(z-d/2)/d] （6）
或者，n1的值为高斯形切趾，其计算方式如公式（7）：
n1(x, z)=nm·exp[-(z-d/2)2] （7）
其中，x为沿体全息光栅20/120的表面的方向的坐标，z为沿体全息光栅20/120的厚度方向的坐标，n0为体全息光栅20/120的材料的平均折射率，nm为预设常数，φ为体全息光栅20/120的倾斜角，K为体全息光栅20/120的光栅矢量，光栅矢量K根据布拉格条件确定，等折射率条纹面垂直于光栅矢量K。
因此，入射光D2经过构造为切趾体全息光栅的反射式体全息光栅20的光路如图7所示。如图7（a），在小角度（例如，小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3）入射时，部分光D4被光栅20反射后耦合出波导基板10，部分光D3经光栅20透射后入射下一光栅20。如图7（b），在大角度（例如，大于第二角度θ2）入射时，光栅20对入射光D2的透过率高，减少反射的杂光，可以提高波导效率和信噪比。
入射光S2经过构造为切趾体全息光栅的透射式体全息光栅120的光路如图8所示。在小角度（例如，小于或等于第二角度θ2并且大于或等于第三角度θ3）入射时，部分光S4被光栅120衍射偏转后耦合出波导基板110，部分光S3经光栅120透射后入射下一光栅120或在波导基板110内全反射后入射下一光栅120（如图8（a））。在大角度（例如，大于第二角度θ2）入射时，光栅120对入射光S2的透过率高（如图8（b）），减少衍射的杂光，可以提高波导效率和信噪比。
可选地，每一个体全息光栅20/120也可以构造为具有均匀分布的折射率调制度n1。
进一步，每一个体全息光栅20/120构造为具有如下公式（8）的折射率的调制分布n(x,z)：
n(x, z)=n0+n1·cos[|K|(xsinφ+zcosφ)] （8）
其中，x为沿体全息光栅20/120的表面的方向的坐标，z为沿体全息光栅20/120的厚度方向的坐标，n0为体全息光栅20/120的材料的平均折射率，n1为体全息光栅20/120的折射率调制度，φ为体全息光栅20/120的倾斜角，K为体全息光栅20/120的光栅矢量。光栅矢量K根据布拉格条件确定，等折射率条纹面垂直于光栅矢量K。
优选地，光波导100包括多个体全息光栅20/120，多个体全息光栅20/120的光栅矢量K相同，其中多个体全息光栅20/120的厚度d不同，并且/或者多个体全息光栅20/120的折射率调制度n1不同，以提高目标角度范围内的反射效率（或衍射偏转效率）一致性。
在工作波长（入射光波长）λ和入射光角度确定的情况下，可以根据K矢量圆方法来确定体全息光栅20/120的周期Λ和倾斜角φ。
例如，表1给出了一个根据上述包括反射式体全息光栅20的光波导100的相关参数的具体示例，其中，进入波导基板10的光D1在波导基板10的第一表面11上的入射角为45°，光栅20与波导基板10的第二表面12的夹角α设置为22.5°，光栅20的数量设置为4。
表1 反射式体全息光栅20参数示例表
在表1所示的实施方式中，入射光波长为530nm，反射式体全息光栅20设置为厚度方向垂直于等折射率条纹面，厚度d为2µm，周期为2455 lp/mm，光栅20a、20b、20c、20d 的折射率调制度n1分别为0.04、0.048、0.06、0.1。光栅20a、20b、20c、20d均在入射光角度为22.5°时具有最大反射效率，该最大反射效率依次增大。
又例如，表2给出了一个包括透射式体全息光栅120的光波导200的具体示例的参数，其中，进入波导基板110的光S1在波导基板110的第一表面111上的入射角为45°，光栅120与波导基板的第二表面的夹角α为22.5°，光栅120的数量设置为4。
表2 透射式体全息光栅120参数示例表
在表2所示的实施方式中，入射光波长为530nm，透射式体全息光栅120设置为厚度方向平行于等折射率条纹面，厚度d为2µm，周期为5927 lp/mm，光栅120a、120b、120c、120d的折射率调制度n1分别为0.04、0.05、0.068、0.15。光栅120a、120b、120c、120d均在入射光角度为22.5°时具有最大衍射偏转效率，该最大衍射偏转效率依次增大。
在另一种实施方式中，光栅20/120可以构造为亚波长光栅50。通过调控亚波长光栅的周期、占空比、厚度、材料折射率等参数可以对光栅的反射效率进行调控。如图9所示，亚波长光栅50例如构造为具有一维或者二维孔形结构51（或者柱形结构），光栅材料可以为电介质材料或者金属材料。
本申请的光波导可通过设置在波导基板内的光栅实现多层膜镜面的半反光半透光功能，设计简单灵活，易于加工。通过设置光栅的周期、倾斜角、折射率调制度、厚度参数调整光栅的反射效率和反射带宽，或者衍射效率和衍射带宽，可以实现杂散光少、能量分布均匀、FOV较大的效果。
另一方面，本申请还提供一种显示设备。
如图10所示，在第一实施方式中，显示设备110包括光机30和第一方面所述的第一实施方式的光波导100。其中光机30用于发射光束，发射的光束用作光波导100的入射光。可选地，该光机30可以将图像光向光波导100投射，该光机30出射的光线为可见光。光机30投射向光波导100的光（例如图像光）经波导基板10全内反射及光栅20的反射后，耦合出波导基板10进入观看者的眼睛，从而使得观看者能够看到光机30所投射的图像。
如图11所示，在第二实施方式中，显示设备210包括光机30和第一方面所述的第二实施方式的光波导200。其中光机30用于发射光束，发射的光束用作光波导200的入射光。可选地，该光机30可以将图像光向光波导200投射，该光机30出射的光线为可见光。光机30投射向光波导200的光（例如图像光）经波导基板10全内反射及光栅120的反射后，耦合出波导基板10进入观看者的眼睛，从而使得观看者能够看到光机30所投射的图像。
可选地，如图10所示，显示设备110还包括反射镜40，用于反射光机30发射的光束，并使被反射镜40反射后的光束通过全内反射在波导基板10内传播。本申请提供的其他显示设备也可以包括反射镜40。
本申请提供的显示设备可以是任意的包括前述的光波导100/200的设备。例如，该显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备，其中，增强现实显示设备包括但不限于增强现实眼镜、车载抬头显示（Head Up Display，HUD）等设备。例如，该显示设备为光学扩瞳设备。
例如，如图12所示，该显示设备可以为近眼显示设备300，其可以包括镜片310和框架320。其中，镜片包括第一方面所述的光波导100/200，框架320用于将镜片310保持在靠近眼睛的位置。近眼显示设备300的光机330可以将图像向光波导100/200投射。
可以理解的，根据本申请的显示设备包括根据本申请的光波导的全部特征和效果。
上述的所有优选实施方式中所述的流程、步骤仅是示例。除非发生不利的效果，否则可以按与上述流程的顺序不同的顺序进行各种处理操作。上述流程的步骤顺序也可以根据实际需要进行增加、合并或删减。
在理解本申请的范围时，如本文所使用的术语“包含”及其派生词旨在是开放式术语，其指定所记载的特征、元件、部件、群组、整体和/或步骤的存在，但不排除其他未记载的特征、元件、部件、群组、整体和/或步骤的存在。这种概念也适用于具有类似含义的词语，例如术语“包括”“具有”及其衍生词。
这里使用的术语“被附接”或“附接”包括：通过将元件直接固定到另一元件而将元件直接固定到另一元件的构造；通过将元件固定到中间构件上，中间构件转而固定到另一元件而将元件间接固定到另一元件上的构造；以及一个元件与另一个元件是一体，即一个元件基本上是另一个元件的一部分的构造。该定义也适用于具有相似含义的词，例如“连接”“联接”“耦合”“安装”“粘合”“固定”及其衍生词。最后，这里使用的诸如“基本上”“大约”和“近似”的程度术语表示修改术语使得最终结果不会显着改变的偏差量。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本申请。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本申请已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本申请限制于所描述的实施方式范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本申请并不局限于上述实施方式，根据本申请的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本申请所要求保护的范围以内。
Claims (26)
1.一种光波导，其特征在于，包括：
波导基板，所述波导基板具有相反设置第一表面和第二表面，用于全反射进入所述波导基板内部的光，并使所述光通过全内反射在所述波导基板内传播；和
至少一个光栅，设置在所述波导基板中，所述光栅位于所述第一表面和所述第二表面之间，并且相对于所述第一表面和所述第二表面倾斜，用于透射和反射入射光，或者用于透射和衍射偏转入射光，其中透射的光被耦合到所述波导基板中以使之通过全内反射在所述波导基板内传播，反射或者衍射偏转的光被耦合出所述波导基板，
其中，所述光栅构造为使得：
当所述入射光在所述光栅的入射角不同时，所述光栅的反射效率或者衍射偏转效率不同，
所述入射角小于第一角度并大于第四角度时的所述反射效率大于所述入射角大于所述第一角度时的所述反射效率；或者所述入射角小于第一角度并大于第四角度时的所述衍射偏转效率大于所述入射角大于所述第一角度时的所述衍射偏转效率，
其中所述第一角度大于所述第四角度。
2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光栅构造为使得：所述入射角小于等于第二角度并且大于等于第三角度时的所述反射效率为所述入射角大于所述第一角度时的所述反射效率的3倍以上；或者，所述入射角小于等于第二角度并且大于等于第三角度时的所述衍射偏转效率为所述入射角大于所述第一角度时的所述衍射偏转效率的3倍以上，
其中，所述第二角度小于或等于所述第一角度并且大于所述第四角度，所述第三角度小于所述第二角度并且大于或等于所述第四角度。
3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述光栅构造为使得，当所述入射角小于等于所述第二角度并且大于等于所述第三角度时，所述反射效率或者衍射偏转效率的波动系数s1小于或等于0.33，
其中，所述波动系数s1根据以下公式计算：
s1 =（Rmax-Rmin）/（Rmax+Rmin）
其中，Rmax为所述入射角小于等于第二角度并且大于等于所述第三角度时所述反射效率的最大值，Rmin为所述入射角小于等于所述第二角度并且大于等于所述第三角度时所述反射效率的最小值；或者，Rmax为所述入射角小于等于第二角度并且大于等于所述第三角度时所述衍射偏转效率的最大值，Rmin为所述入射角小于等于所述第二角度并且大于等于所述第三角度时所述衍射偏转效率的最小值。
4.根据权利要求3所述的光波导，其特征在于，所述第三角度与所述第二角度的差值大于10度。
5.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述第一角度为30至35度。
6.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，包括多个所述光栅。
7.根据权利要求6所述的光波导，其特征在于，
所述光栅的数量为N，N为大于1的整数，
将所述N个光栅按照光路的走向顺序编号，
序号在后的所述光栅的反射效率大于序号在前的所述光栅的反射效率，或者序号在后的所述光栅的所述衍射偏转效率大于序号在前的所述光栅的所述衍射偏转效率。
8.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，
第k个所述光栅具有反射效率Rk和透射效率Tk，或者第k个所述光栅具有衍射偏转效率Rk和透射效率Tk，k为大于等于1并且小于等于N的整数，
每一个所述光栅具有各自的效率系数s2，其中光束到达第i个所述光栅的效率系数s2i根据以下公式计算：
，
其中，i为大于1并且小于或等于N的整数，j为整数，第一个所述光栅的效率系数s21为其反射效率或衍射偏转效率R1，
所述光波导配置为使得N个所述效率系数s2的最大值与N个所述效率系数s2的最小值的差除以N个所述效率系数s2的最大值与N个所述效率系数s2的最小值的和的商小于或等于0.33。
9.根据权利要求6所述的光波导，其特征在于，所述多个光栅大体相互平行，并且/或者大体等间隔分布。
10.根据权利要求1至9中任一项所述光波导，其特征在于，所述光栅构造为体全息光栅，所述体全息光栅具有等折射率条纹面，其中反射镜面为所述等折射率条纹面。
11.根据权利要求10所述的光波导，其特征在于，
所述体全息光栅的厚度为1至20微米，并且/或者
所述体全息光栅的折射率调制度为0.01至0.2。
12.根据权利要求10所述的光波导，其特征在于，
所述体全息光栅与所述第一表面或所述第二表面的夹角为20至30度，并且/或者
所述体全息光栅的光栅周期为2000至7000lp/mm。
13.根据权利要求10所述的光波导，其特征在于，
所述体全息光栅的厚度方向平行于或垂直于所述等折射率条纹面，并且/或者
所述体全息光栅包括光敏材料，所述光敏材料的平均折射率为1.5至2.0。
14.根据权利要求10所述的光波导，其特征在于，每一个所述体全息光栅构造为具有非均匀分布的折射率调制度。
15.根据权利要求14所述的光波导，其特征在于，每一个所述体全息光栅构造为使得两端部位的折射率调制度小于中间部位的折射率调制度。
16.根据权利要求15所述的光波导，其特征在于，所述体全息光栅构造为切趾体全息光栅。
17.根据权利要求16所述的光波导，其特征在于，每一个所述体全息光栅构造为具有以下的折射率调制分布n(x,z)：
n(x, z)=n0+n1(x, z)·cos[|K|(xsinφ+zcosφ)]，
其中
n1(x, z)=nm·sinc[2(z-d/2)/d]，或者
n1(x, z)=nm·exp[-(z-d/2)2]，
其中，x为沿所述体全息光栅的表面的方向的坐标，z为沿所述体全息光栅的厚度方向的坐标，n0为所述体全息光栅的材料的平均折射率，nm为预设常数，φ为所述体全息光栅的倾斜角，K为所述体全息光栅的光栅矢量，所述光栅矢量K根据布拉格条件确定，所述等折射率条纹面垂直于所述光栅矢量K。
18.根据权利要求10所述的光波导，其特征在于，每一个所述体全息光栅构造为具有均匀分布的折射率调制度。
19.根据权利要求18所述的光波导，其特征在于，每一个所述体全息光栅构造为具有以下的折射率调制分布n(x,z)：
n(x, z)=n0+n1·cos[|K|(xsinφ+zcosφ)]，
其中，x为沿所述体全息光栅的表面的方向的坐标，z为沿所述体全息光栅的厚度方向的坐标，n0为所述体全息光栅的材料的平均折射率，n1为所述体全息光栅的折射率调制度，φ为所述体全息光栅的倾斜角，K为所述体全息光栅的光栅矢量，所述光栅矢量K根据布拉格条件确定，所述等折射率条纹面垂直于所述光栅矢量K 。
20.根据权利要求10所述的光波导，其特征在于，包括多个所述体全息光栅，所述多个体全息光栅的光栅矢量K 相同，其中
所述多个体全息光栅的厚度不同，并且/或者所述多个体全息光栅的折射率调制度不同。
21.根据权利要求1至9中任一项所述光波导，其特征在于，所述光栅构造为亚波长光栅。
22.一种显示设备，其特征在于，包括：
光机，用于发射光束；和
根据权利要求1至21中任一项所述的光波导，其中所述光机发射的光束用作所述光波导的入射光。
23.根据权利要求22所述的显示设备，其特征在于，还包括反射镜，用于反射所述光机发射的光束，并使被所述反射镜反射后的光束通过全内反射在所述波导基板内传播。
24.根据权利要求22所述的显示设备，其特征在于，所述显示设备为近眼显示设备，还包括：
镜片，所述镜片包括所述光波导；和
框架，用于将所述镜片保持在靠近眼睛的位置。
25.根据权利要求22所述的显示设备，其特征在于，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的显示设备，其特征在于，所述显示设备为光学扩瞳设备。
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