CN116520582B - 一种衍射光波导及其设计方法 - Google Patents

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CN116520582B CN202310633156.2A CN202310633156A CN116520582B CN 116520582 B CN116520582 B CN 116520582B CN 202310633156 A CN202310633156 A CN 202310633156A CN 116520582 B CN116520582 B CN 116520582B
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Abstract

本发明公开了一种衍射光波导及其设计方法，该设计方法包括根据用户视图参数，计算第二光栅区域的有效尺寸；在K域图中，获取入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后的耦入视野平面坐标；在第一光栅区域所在的平面内，以第一光栅区域的中心为原点，根据耦入视野平面坐标以及第一光栅区域的有效直径，建立入射光线在波导基底内衍射传输的第一有效衍射区域；根据第一有效衍射区域和第二光栅区域的有效尺寸，确定第二光栅区域的有效位置。对衍射光波导的K域图可视化分析，利用K域图中光线传输的计算可较准确计算出波导光栅的布局方式与设计角度，便于波导设计者在设计光栅布局提供准确参考依据，具有操作简单，计算速度快等特点。

Description

一种衍射光波导及其设计方法
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)是将虚拟世界信息与现实世界融合在一起的技术，AR近眼显示设备是能实现增强现实功能的可穿戴硬件。特别是近年来衍射波导片等硬件性能不断发展，为增强现实技术提供了更好的硬件技术支持。衍射波导将光机的图像传输入人眼前，并同时可以起到复制出瞳的作用。它由平行度非常好的平板玻璃和玻璃上制作的衍射光栅构成。当光机发出的平行光到达耦入光栅会被光栅衍射，衍射级次满足玻璃中的全反射条件，即在玻璃中全反射传输，直到耦出光栅耦出进入人眼。
而目前波导光栅的布局并没有比较科学的设计计算方式，图像在传输时往往也由于波导光栅的尺寸和位置设计的不合理，影响显示效果。
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，该方法对衍射光波导的K域图可视化分析，可准确计算出波导光栅的布局方式与设计角度，具有操作简单，计算速度快等特点，便于波导设计者在设计光栅布局提供准确参考依据。
第一方面，本发明实施例提供了一种衍射光波导的设计方法，应用在衍射光波导的光波分析中，所述衍射光波导包括波导基底以及位于所述波导基底至少一侧表面的至少两个光栅区域，入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后经第二光栅区域衍射后耦出波导基底，其特征在于，所述设计方法包括：
根据用户视图参数，计算第二光栅区域的有效尺寸；
在K域图中，获取入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后的耦入视野平面坐标；
在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，根据所述耦入视野平面坐标以及所述第一光栅区域的有效直径，建立入射光线在所述波导基底内衍射传输的第一有效衍射区域；
根据所述第一有效衍射区域和所述第二光栅区域的有效尺寸，确定第二光栅区域的有效位置。
可选的，在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，根据所述耦入视野平面坐标以及所述第一光栅区域的有效直径，建立入射光线在所述波导基底内衍射传输的第一有效衍射区域，包括：
计算所有所述耦入视野平面坐标与所述K域图中原点的比值，获得耦入最大比值和耦入最小比值；
在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，设置所述耦入最大比值为所述入射光线衍射传输的耦入最大斜率，结合所述第一光栅区域的有效直径，建立第一视场边界；设置所述耦入最小比值为所述入射光线衍射传输的耦入最小斜率，结合所述第一光栅区域的有效直径，建立第二视场边界；
沿入射光线的传播方向，设置所述第一光栅区域、所述第一视场边界和所述第二视场边界围形成的区域为第一目标区域；以所述第一目标区域为入射光线在所述第二光栅区域衍射传输的第一有效衍射区域。
可选的，根据所述第一有效衍射区域和所述第二光栅区域的有效尺寸，确定第二光栅区域的有效位置，包括：
设置所述第二光栅区域的有效尺寸位于所述第一目标区域内；
根据所述衍射光波导的规格尺寸，调整所述第二光栅区域相对所述第一光栅区域的位置，获得所述第二光栅区域的有效位置坐标。
可选的，沿所述入射光线的传播方向，所述第二光栅区域的中心轴线与入射光线在所述第一目标区域内的0级别衍射方向重合。
可选的，所述光栅区域还包括第三光栅区域，入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后依次经第三光栅区域和第二光栅区域衍射后耦出波导基底；
在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，根据所述耦入视野平面坐标以及所述第一光栅区域的有效直径，建立入射光线在所述波导基底内衍射传输的第一有效衍射区域，包括：
计算所有所述耦入视野平面坐标与所述K域图中原点的比值，获得耦入最大比值和耦入最小比值；
在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，以所述耦入最大比值为所述入射光线衍射传输的耦入最大斜率，结合所述第一光栅区域的有效直径，建立第一视场边界；以所述耦入最小比值为所述入射光线衍射传输的耦入最小斜率，结合所述第一光栅区域的有效直径，建立第二视场边界；
沿所述入射光线的传播方向，所述第一光栅区域、所述第一视场边界和所述第二视场边界围形成的区域为第一目标区域；
以所述第一目标区域为入射光线在所述第三光栅区域衍射传输的第一有效衍射区域，设置所述第三光栅区域的有效尺寸位于所述第一目标区域内；
根据所述第一有效衍射区域和所述第二光栅区域的有效尺寸，确定第二光栅区域的有效位置，包括：
在所述第一光栅区域所在的平面内，沿垂直所述入射光线传播方向的方向，所述第一视场边界远离所述第二视场边界的区域为第二目标区域，所述第二视场边界远离所述第一视场边界的区域为第三目标区域；
设置第二光栅区域的有效尺寸位于所述第二目标区域和/或所述第三目标区域内；
根据所述衍射光波导的规格尺寸，调整所述第二光栅区域相对所述第一光栅区域相对位置，获得所述第二光栅区域的有效位置坐标。
可选的，所述用户视图参数包括图像观察区域的长度；在K域图中，获取入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后的耦入视野平面坐标之后，还包括：
在K域图中，获取入射光线经第三光栅区域耦衍射后的衍射视野平面坐标；
计算所有所述衍射视野平面坐标与所述K域图中原点的比值，获得衍射最大比值和衍射最小比值；
在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，所述衍射最大比值为所述入射光线衍射传输的衍射最大斜率，结合所述图像观察区域的长度和所述第二光栅区域的有效位置坐标，建立第三视场边界；所述衍射最小比值为所述入射光线衍射传输的衍射最小斜率，结合所述第二光栅区域的有效位置坐标，建立第四视场边界；
以所述第一视场边界、所述第二视场边界围、所述第三视场边界和所述第四视场边界围成的区域为第四目标区域，所述第四目标区域为所述第三光栅区域的有效尺寸。
可选的，在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，获得所述第二光栅区域第一顶点的顶点坐标，以所述顶点坐标为所述第二光栅区域相对所述第一光栅区域的有效位置坐标；
其中，所述第一顶点为所述耦出光栅在所述K域图内远离所述第一有效衍射区域的一侧且靠近所述第一光栅区域一侧的顶点。
可选的，所述用户视图参数包括图像观察区域的长度和出瞳距；根据用户视图参数，计算第二光栅区域的有效尺寸，包括：
根据公式1.1确定第二光栅区域的有效尺寸；
S＝b+2r*tan(V/2)，(1.1)；
其中，S为第二光栅区域的有效尺寸，V为用户视场角，r为出瞳距，b为图像观察区域的长度。
可选的，在获取K域图中，入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后的耦入视野平面坐标之前，还包括：
获取入射光线在衍射光波导内传输的K域边界，确定所述衍射光波导的K域图。
第二方面，本发明实施例还提供了一种衍射光波导，采用第一方面提供的设计方法制备得到。所述衍射光波导包括波导基底以及位于所述波导基底至少一侧表面的至少一个光栅区域；第一光栅区域为耦入光栅；第二光栅区域为耦出光栅，所述耦出光栅为一维光栅或者二维光栅。
本发明实施例提供的一种衍射光波导的设计方法，根据K域图，获取入射光线经耦入光栅耦入衍射光波导后的耦入视野平面坐标，根据耦入视野平面坐标在K域图中的视场边界、耦入光栅的尺寸以及视图参数，确定耦出光栅的尺寸和位置。基于上述实施例提供的衍射光波导的设计方法，利用该方法可较准确计算出波导光栅的布局方式与设计角度，便于波导设计者在设计光栅布局提供准确参考依据。相比于现有研究设计，本申请提出了更精确的数学计算设计理念，为设计者提供更科学布局理念。另外，本发明还具有操作简单，计算速度快等特点。
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为本发明提供的一种衍射光波导的平面结构示意图；
图2为本发明提供的一种衍射光波导的设计方法的流程示意图；
图3为本发明提供的耦出光栅与图像观察区域的结构示意图；
图4为本发明提供的耦出光栅与图像观察区域的几何关系示意图；
图5为本发明提供的入射光线在衍射波导中的K域图；
图6是本发明实施例提供的一种衍射波导的结构设计示意图；
图7为本发明提供的另一种衍射光波导的设计方法的流程示意图；
图8为本发明提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；
图9为本发明提供的另一种衍射光波导的设计方法的流程示意图；
图10是本发明实施例提供的另一种衍射波导的结构设计示意图。
图11是本发明实施例提供的另一种衍射波导的结构设计示意图。
图12是本发明实施例提供的另一种衍射波导的结构设计示意图。
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
图1为本发明提供的一种衍射光波导的平面结构示意图；图2为本发明提供的一种衍射光波导的设计方法的流程示意图；图3为本发明提供的第二光栅区域与图像观察区域的结构示意图；图4为本发明提供的第二光栅区域与图像观察区域的几何关系示意图；图5为本发明提供的入射光线在衍射波导中的K域图；图6是本发明实施例提供的一种衍射波导的结构设计示意图。
本发明实施例提供了一种衍射光波导的设计方法，应用在衍射光波导的光波分析中，以指导波导光栅的布局和角度设计。结合图1所示，衍射光波导10包括波导基底11以及位于波导基底11至少一侧表面的至少两个光栅区域，入射光线经第一光栅区域12耦入波导基底11后经第二光栅区域13衍射后耦出波导基底11，作为一个示例，第一光栅区域12为入射光线的耦入区域，第二光栅区域13为入射光线的耦出区域。一种可行实施方式，第一光栅区域12的耦入光栅为一维光栅，第二光栅区域13的耦出光栅为二维光栅。二维光栅其既可以对入射光线衍射扩瞳，又可以将入射光线耦出波导基底11，在图像观察区域形成显示画面。结合图1-图6所示，本发明实施例提供的衍射光波导的设计方法包括：
S101、根据用户视图参数，计算第二光栅区域的有效尺寸。
具体的，结合图3和图4所示，用户视图参数包括图像观察区域的尺寸b和出瞳距r；图像观察区域(eyebox)具有一定大小眼动范围H，结合图3所示，第二光栅区域13的尺寸S与图像观察区域(eyebox)的尺寸b、出瞳距r的大小、用户视场角V存在几何关系，满足公式(1.1)；
S＝b+2r*tan(V/2)；
其中，V为用户视场角，r为出瞳距，b为图像观察区域(eyebox)的尺寸。b、r、H单位均为毫米：mm，S单位为毫米平方：mm2，V单位为度：°。
根据应用场景的不同，当出瞳距r、用户视场角V、图像观察区域(eyebox)的尺寸b的数值确定，根据公式1.1计算获得第二光栅区域13的有效尺寸S，需要说明的是，第二光栅区域13的有效尺寸指的是第二光栅13中入射光线进行衍射的区域，第二光栅区域13的实际尺寸至少为有效尺寸。
S102、在K域图中，获取入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后的耦入视野平面坐标。
步骤102之前，还需要根据入射光线在衍射光波导内传输的K域边界，确定衍射光波导的K域图。具体的，入射光线携带虚拟图像信息，在衍射光波导10中进行光线传输，形成显示图像。结合图5所示，以入射光线的中心波长λ为520nm为例，空气折射率N0＝1，采用衍射光波导的基底折射率N1＝1.90。入射光线垂直从空气入射到衍射光波导中，视场角内的光线在波导内部的传输边界受到空气折射率N0和衍射光波导的基底折射率N1的数值影响。根据空气折射率N0，结合公式Kmin＝2π/λ，确定入射光线视场角投影在K域图中XOY平面的最小传输边界半径Kmin；根据衍射光波导的基底折射率N1，结合Kmax＝2π*N/λ，确定入射光线视场角投影在K域图中XOY平面的最大传输边界半径Kmax；根据Kmin边界和Kmax边界，获得衍射光波导的边界场，确定衍射光波导的K域图。
其中，结合图5所示，K域图以Kmin边界和Kmax边界划分为三个区域，当入射光线对应的波矢区域位于Kmin边界内的区域时，表明入射光线在空气中传输；当入射光线对应的波矢区域位于Kmin边界与Kmax边界之间的环形区域时，表明入射光线在波导基底1内全反射传输；当入射光线对应的波矢区域位于Kmax边界外的区域时，表明该部分光线不在衍射波导内传输。
在获取耦入视场野平面坐标之前，需要根据K域边界和入射光线在K域图中的波矢参数，确定入射光线投影在K域图中的初始坐标(x0，y0)。其中，图5中K域图中的矩形框M0即表示为入射光波投影在K域图中的初始视场，初始视场的参量包括入射光线在K域图的初始坐标(x0，y0)和初始视场视野，初始坐标(x0，y0)指的是入射光线在空气中传输K域图中的矩形框M0的坐标，本申请选取了入射光线在空气中传输K域图中的矩形框M0的中心坐标为例进行说明；初始视场视野指的是入射光线在空气中传输K域图中投影区域的形状、面积和高宽比等。以入射光线为矩形光束为例，其垂直从空气入射到衍射光波导中的视场角为60°，入射光线的宽高比为16：9。
波矢是一种表示波的矢量的方法，波矢是一个矢量，其大小表示角波数。波矢参数指的是入射光线的波矢与Z轴的夹角θ，入射光线的波矢在K域图中XOY平面中的方位角根据Kmin边界与波矢参数，获得入射光线投影在K域图中的初始坐标
入射光线垂直入射到衍射光波导中的第一光栅区域12，经耦入光栅衍射后在波导基底11中全反射传输。其中，全反射(total internal reflection，TIR)是一种光学现象，当光束从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于或者等于临界角(光束远离法线)时，折射光束将会消失，所有的入射光束将被反射而不进入低折射率的介质。
以第一光栅区域12中的耦入光栅为一维光栅为例，作为一个示例，设置光栅周期d1＝321nm。定义Kmin边界和Kmax边界之间的圆环区域为第一有效衍射区域B，以入射光线的初始视场为参考，结合第一有效衍射区域B以及入射光线在入射光栅中的衍射参量，确定入射光线经耦入光栅耦入衍射光波导后K域图中的耦入视场角，即图5中不规则的投影区域M3。其中，耦入视场角的参数包括入射光线在耦入光栅K域图中的耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)和耦入视场角视野。结合图5所示，耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)指的是入射光线投影在耦入光栅K域图中投影区域M3的坐标，本申请选取了入射光线投影在耦入光栅K域图中投影区域M3的中心坐标为例进行说明，耦入视场角视野指的是入射光线在耦入光栅K域图中位于第一有效衍射区域B内的投影区域M3的形状、面积和高宽比等。
进一步，再根据初始坐标和入射光线在耦入光栅的衍射参量，确定入射光线经耦入光栅耦入后K域图中的耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)的计算方法图下：
入射光线在经光栅周期为d1为321nm的耦入光栅衍射后，满足线性光程：其中，/>为衍射后光波波矢；/>为衍射前光波波矢；/>为耦入光栅的波矢量，/>m表示光栅的级次，m为0、±1、±2、±3……。
入射光线在传输过程中，每经过一次衍射，即经过一次光栅调制(改变光线传输方向)，入射光线在耦入衍射光波基底经耦入光栅向X方向衍射后，在初始坐标(x0，y0)基础上，结合图1所示，其视场角视野平面坐标在X轴方向上发生的位移，即得到耦入位移量/>(同时也是耦入光栅的波矢量)。
进一步，再根据初始坐标和耦入位移量，获得入射光线经耦入光栅耦入后K域图中的耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)＝(x0+2π/d1，y1)。
其中，由于入射波长的中心波长λ和基底折射率N1的约束，偏离Kmax边界的耦入视场角视野在衍射传输过程中被不同程度的切割，即Kmax边界外入射光线的不能传输到下一个光栅区。
S103、在第一光栅区域所在的平面内，以第一光栅区域的中心为原点，根据耦入视野平面坐标以及第一光栅区域的有效直径，建立入射光线在波导基底内衍射传输的第一有效衍射区域。
继续结合图1所示，入射光线由第一光栅区域12进入波导基底11内全反射传输后，利用第一光栅区域12的一级衍射级次或者利用耦入光栅的负一级衍射级次、二级衍射级次等，将入射光线全反射到第二光栅区域13内。
结合图1和图5所示，利用K域理论，以入射光线的初始坐标(x0，y0)为原点，遍历入射光线耦入波导基底11后的全反射传输经历的所有位置坐标，设置该坐标为耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)＝(x0+2π/d1，y1)，建立直角坐标系，获得平面坐标系XYZ坐标平面，如图6所示。入射光线经过第一光栅区域12一次衍射后，对所有耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)进行计算，获取入射光线的视场边界，同时第一光栅区域12的有效直径D，获取入射光线在XYZ坐标平面衍射传输的第一有效衍射区域，如图6中灰色阴影C1所示，该区域与图5中的灰色环形区域B相对应。
S104、根据第一有效衍射区域和第二光栅区域的有效尺寸，确定第二光栅区域的有效位置。
具体的，结合图6所示，将第二光栅区域13的有效区域S设置在入射光线经第一光栅区域12耦入后，XYZ坐标平面衍射传输的第一有效衍射区域内，即图6中阴影C1区域，进一步结合第二光栅区域13的有效尺寸S，将第二光栅区域13的有效尺寸S放置在XYZ平面图中的C1区域内。
作为一个实施例，本申请实施例中入射光线的传播方向为图中Y方向，第二光栅区域13的实际尺寸是S’，有效尺寸是S，S’＞S，第二光栅区域13相对第一光栅区域12的位置可以沿着入射光线的传播方向Y移动，以保证第二光栅区域13的有效尺寸S位于第一光栅区域12的第一有效衍射区域内，对入射光线进行衍射和耦出至图像观察区域，在用户眼睛中显示成像。
综上，本发明实施例提供的衍射光波导的设计方法，利用该方法可较准确计算衍射光波导中波导光栅的布局方式与设计角度，便于波导设计者在设计光栅布局提供准确参考依据，具有操作简单，计算速度快等特点。相较于现有研究设计，提出了更精确的数学计算设计理念，为设计者提供更科学布局理念。
图7为本发明提供的另一种衍射光波导的设计方法的流程示意图。
结合图1-图7所示。本发明实施例提供的另一种衍射波导的设计方法包括：
S201、根据用户视图参数，计算第二光栅区域的有效尺寸。
具体的，继续结合上述实施例中的图3和图4所示，这里不再赘述。
S202、在K域图中，获取入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后的耦入视野平面坐标。
具体的，继续结合上述实施例中的图5-图6所示，这里不再赘述。
S203、计算所有耦入视野平面坐标与K域图中原点的比值，获得耦入最大比值和耦入最小比值。
S204、在第一光栅区域所在的平面内，以第一光栅区域的中心为原点，以耦入最大比值为入射光线衍射传输的耦入最大斜率，结合第一光栅区域的有效直径，建立第一视场边界；以耦入最小比值为入射光线衍射传输的耦入最小斜率，结合第一光栅区域的有效直径，建立第二视场边界。
S205、沿入射光线的传播方向，设置第一光栅区域、第一视场边界和第二视场边界围形成的区域为第一目标区域；以第一目标区域为入射光线在第二光栅区域衍射传输的第一有效衍射区域。
具体的，结合图1所示，第一光栅区域12为耦入光栅，第二光栅区域13为耦出光栅，根据步骤202获取的耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)＝(x0+2π/d1，y1)，遍历所有耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)与K域图中原点的比值即K1＝Y1/X1，取得K1的最大比值Kmax1和最小比值Kmin1，即为光线传输的最大范围，也可称为光线通过耦入光栅衍射后向耦出光栅传输时，光线传输的最大范围，耦出光栅应在这个范围内才能接收到经耦入光栅衍射后的光线。其中，Kmax1为K域图中入射光线传输的耦入最大斜率，Kmin1为K域图中入射光线传输的耦入最小斜率。
进一步，结合图6所示，以耦入光栅为圆形光栅为例，作为一个示例，设置耦入光栅的直径D＝5mm，根据耦入最大比值Kmax1、耦入最小比值Kmin1和耦入光栅的直径D，根据公式y1＝Kmax1*x+D/2，建立第一视场边界，根据公式y2＝Kmin1*x-D/2，建立第二视场边界。沿着图6中入射光线的传播方向Y，第一视场边界y1、第二视场边界y2以及耦入光栅的直径D限制的灰色区域C1为第一目标区域，为入射光线经耦入光栅衍射传输的最大范围区域，同时也是放置第二光栅区域13的有效尺寸S的第一有效衍射区域，其中，第一有效衍射区域位于入射光线在波导基底中的传输方向Y上。
S206、设置第二光栅区域的有效尺寸位于第一目标区域内。
具体的，继续结合图6所示，设置第二光栅区域13的有效尺寸位于第一目标区域C1内。进一步，由于第一视场边界y1、第二视场边界y2的第一目标区域C1为入射光线传输最大的范围区域，在满足尺寸S基础上，根据第一视场边界y1、第二视场边界y2限定的第一有效衍射区域，还可以合理增大第二光栅区域13的实际尺寸S’。
S207、根据衍射光波导的规格尺寸，调整第二光栅区域相对第一光栅区域的位置，获得第二光栅区域的有效位置坐标。
具体的，结合图1所示，衍射光波导的规格尺寸包括衍射光波导在XYZ平面内的尺寸大小，第一光栅区域12和第二光栅区域的13的尺寸大小和相对距离以及第二光栅区域13的有效尺寸S。
可选的，沿入射光线的传播方向，第二光栅区域的中心轴线与入射光线在第一目标区域内的0级别衍射方向重合。
在一些实施例中，结合图6所示，将第二光栅区域13中心轴线L1与入射光线在第一目标区域C1内的0级别衍射方向重合，沿图中Y方向平移第二光栅区域13，使其有效尺寸S位于第一目标区域C1内，即第一有效衍射区域内，以获得衍射效率和耦出效率最高的位置，此位置为第二光栅区域13相对第一光栅区域12的最佳位置，在图6中确定第二光栅区域13的有效尺寸S的中心坐标为有效位置坐标。
图8为本发明提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图。结合图8所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了另一种衍射光波导10，包括波导基底10以及位于波导基底11至少一侧表面的第一光栅区域12、第二光栅区域13和第三光栅区域14，入射光线经第一光栅区域12耦入波导基底11后依次经第三光栅区域14和第二光栅区域13衍射后耦出波导基底11。
作为一个示例，第一光栅区域12为耦入光栅，第三光栅区域14为转折光栅，第二光栅区域13为耦出光栅，以第一光栅区域12、第三光栅区域14和第二光栅区域13均为一维光栅。
作为一个示例，第一光栅区域12为耦入光栅，第三光栅区域14为转折光栅，第二光栅区域13为耦出光栅，以第一光栅区域12和第二光栅区域13均为一维光栅，第三光栅区域14为二维光栅例。
本发明实施例还提供了另一种衍射光波导的设计方法。图9为本发明提供的另一种衍射光波导的设计方法的流程示意图；图10是本发明实施例提供的另一种衍射波导的结构设计示意图；图11是本发明实施例提供的另一种衍射波导的结构设计示意图。结合图8-图11所示。本发明实施例提供的另一种衍射波导的设计方法包括：
S301、根据用户视图参数，计算第二光栅区域的有效尺寸。
具体的，继续结合上述实施例中的图3和图4所示，这里不再赘述。
S302、在K域图中，获取入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后的耦入视野平面坐标。
具体的，继续结合上述实施例中的图5-图6所示，这里不再赘述。
S303、计算所有耦入视野平面坐标与K域图中原点的比值，获得耦入最大比值和耦入最小比值。
具体的，继续结合上述实施例中的图5-图6所示，这里不再赘述。
S304、在第一光栅区域所在的平面内，以第一光栅区域的中心为原点，设置耦入最大比值为入射光线衍射传输的耦入最大斜率，结合第一光栅区域的有效直径，建立第一视场边界；设置耦入最小比值为入射光线衍射传输的耦入最小斜率，结合第一光栅区域的有效直径，建立第二视场边界。
具体的，继续结合上述实施例中的图5-图6所示，这里不再赘述。
S305、沿入射光线的传播方向，第一光栅区域、第一视场边界和第二视场边界围形成的区域为第一目标区域。
具体的，继续结合上述实施例中的图5-图6所示，这里不再赘述。
S306、以第一目标区域为入射光线在第三光栅区域衍射传输的第一有效衍射区域，设置第三光栅区域位于第一目标区域内。
具体的，结合图10所示，第一目标区域C1为第一光栅区域11沿图中Y方向衍射传输的第一有效衍射区域，将第三光栅区域14设置在该区域内，可以保证第一光栅区域11耦入的入射光线在第三光栅区域14内衍射扩瞳传输。
S307、在第一光栅区域所在的平面内，沿垂直入射光线的衍射方向的方向，以第一视场边界远离第二视场边界的区域为第二目标区域，以第二视场边界远离第一视场边界的区域为第三目标区域。
S308、设置第二光栅区域的有效尺寸位于第二目标区域和/或第三目标区域内。
具体的，结合图10所示，入射光线经第一光栅区域11耦入后沿Y方向衍射传播，Y方向为入射光线在第一目标区域C1内的0级别衍射方向。在XYZ平面，以0级别衍射方向为中心线，在入射光线的衍射区域内，设定第一目标区域C1的第一视场边界y1以外的区域为第二目标区域C2，设定第一目标区域C1的第二视场边界y2以外的区域为第三目标区域C3。
在一些实施例中，衍射光波导10包括一个第二光栅区域13，将第二光栅区域13的有效尺寸S设置在第三目标区域C3，如图10所示，或者设置在第二目标区域C2；
在一些实施例中，衍射光波导10包括多个第二光栅区域13，可以将第二光栅区域13的有效尺寸S均设置在第二目标区域C2；或者均设置在第三目标区域C3；或者分散设置在第二目标区域C2和第三目标区域C3，本申请实施例不再一一示出。
S309、根据衍射光波导的规格尺寸，调整第二光栅区域相对第一光栅区域相对位置，获得第二光栅区域的有效位置坐标。
结合图8所示，衍射光波导的规格尺寸包括衍射光波导在XYZ平面内的尺寸大小，第一光栅区域12和第二光栅区域的13的尺寸大小和相对距离以及第二光栅区域的13、第三光栅区域14的有效尺寸。在第一有效衍射区域内，设置第三光栅区域14，以获得衍射效率和耦出效率最高的位置，此位置为第三光栅区域14相对第一光栅区域12的最佳位置，在图10中确定第三光栅区域14的中心坐标为有效位置坐标。
在上述设计方法的基础上，本发明实施例还可以根据第三光栅区域14的衍射视野平面坐标精准设置第三光栅区域14的有效尺寸，在保证第三光栅区域14衍射效率的同时，压缩衍射波导10的体积，使其小型化、轻便化设计。结合图9所示，设计方法还包括：
S310、在K域图中，获取入射光线经第三光栅区域耦衍射后的衍射视野平面坐标。
具体的，继续结合图5所示，第三光栅区域14为转折光栅，图5中不规则的投影区域M4为入射光线经转折光栅传输后K域图中的衍射视场角。衍射视场角的参数包括衍射视场角视野平面坐标(x2，y2)和衍射视场角视野。结合图5所示，衍射视场角视野平面坐标(x2，y2)指的是入射光线投影经转折光栅传输后K域图中投影区域M4的中心坐标，衍射视场角视野指的是入射光线在转折光栅K域图中位于第一有效衍射区域B内的投影区域M4的形状、面积和高宽比等。
其中，入射光线在转折光栅的衍射参量包括传输矢量角度β。以转折光栅为一维光栅为例，其光栅周期为d2，其中，d2＝d1＝321nm或d2≠d1。根据转折光栅的光栅周期d2，获得转折光栅的波矢量衍射光波导包括相对的两个表面，通常设置转折光栅位于衍射光波导的任一表面上，入射光线经耦入光栅衍射后在衍射波导的两个表面之间全反射传输至转折光栅时，转折光栅将耦入后的视场角视野平面在垂直或水平方向扩展，并将光线转折到第二光栅区域，其矢量运算需满足矢量和为零。根据光线反射定律，入射光线在衍射光波内全反射传输满足等腰三角形原理，可得耦入后的视场角视野平面在转折光栅中的传输矢量角度β＝acos(d1/2d2)。
在耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)基础上，结合图5所示，其视场角视野平面坐标在X轴方向上发生的位移，在Y轴方向上发生/>的位移，根据耦入视场角视野平面坐标(x1，y1)和入射光线在转折光栅的衍射参量，由此，获得入射光线经转折光栅传输后中K域图中的衍射视场角视野平面坐标其中，/>为转折光栅波矢。
S311、计算所有衍射视野平面坐标与K域图中原点的比值，获得衍射最大比值和衍射最小比值。
具体的，根据获取的衍射视场角视野平面坐标 遍历所有衍射视场角视野平面坐标(x2，y2)与K域图中原点的比值即K2＝Y2/X2，取得K的最大比值Kmax2和最小比值Kmin2，即为光线传输的最大范围，也可称为光线通过转折光栅衍射后向耦出光栅传输时，光线传输的最大范围，耦出光栅应在这个范围内才能接收到经转折光栅衍射后的光线。其中，Kmax2为K域图中入射光线传输的衍射最大斜率，Kmin2为K域图中入射光线传输的衍射最小斜率。
S312、在第一光栅区域所在的平面内，以第一光栅区域的中心为原点，以衍射最大比值为入射光线衍射传输的衍射最大斜率，结合图像观察区域的长度和第二光栅区域的有效位置坐标，建立第三视场边界；以衍射最小比值为入射光线衍射传输的衍射最小斜率，结合第二光栅区域的有效位置坐标，建立第四视场边界。
其中，第二光栅区域的有效位置坐标可以选取第二光栅区域第一顶点的顶点坐标，一种可行的实施方式，在第一光栅区域所在的平面内，以第一光栅区域的中心为原点，获得第二光栅区域第一顶点的顶点坐标，以顶点坐标为第二光栅区域相对第一光栅区域的有效位置坐标；其中，第一顶点为所述耦出光栅在K域图内远离第一有效衍射区域的一侧且靠近第一光栅区域一侧的顶点。
具体的，结合图11所示，以第一光栅区域12的中心为原点，获得第二光栅区域13第一顶点P的顶点坐标(U，V)，以顶点坐标(U，V)为第二光栅区域13相对第一光栅区域12的参考坐标，即为第二光栅区域13的有效位置坐标。示例性的，以第二光栅区域13的第一顶点P的顶点坐标(U，V)为(20，-30)为例进行说明。在其他实施例中，以第二光栅区域13的中心为参考坐标。
结合图11所示，以第一光栅区域12为圆形光栅、第二光栅区域13为矩形光栅为例，耦入光栅的直径D＝5mm。继续结合图4所示，图像观察区域(eyebox)尺寸(眼动范围)为宽b＝5mm，高H＝8mm，出瞳距r＝4mm，根据衍射最大斜率Kmax2、参考坐标(U，V)和图像观察区域的宽b，建立第三视场边界y3＝Kmax2*x+v-Kmax2*(u+W)。根据衍射最小斜率Kmin2和参考坐标(U，V)和图像观察区域的宽b，第四视场边界y4＝Kmin2*x-v-Kmin2*u。
S313、设置第一视场边界、第二视场边界围、第三视场边界和第四视场边界围成的区域为第四目标区域，第四目标区域为第三光栅区域的有效尺寸。
具体的，结合图11所示，以第一视场边界y1、第二视场边界y2、第三视场边界y3、第四视场边界y4围城的灰色区域，为入射光线经转折光栅衍射后传输最大的范围区域，则第四目标区域C4为第三光栅区域14的有效尺寸。
图12是本发明实施例提供的另一种衍射波导的结构设计示意图。
在其他实施例中，继续结合图12所示，将第二光栅区域13的有效尺寸S设置第三视场边界y3和第四视场边界y4限定的区域内，可以合理增大第二光栅区域13的实际尺寸S”，以提高第二光栅区域13的衍射效率以及耦出效率。
需要说明的是，图6、图10-图12中横坐标和纵坐标的单位均为毫米/mm。
在上述实施例的基础上，为保证入射光线视场角可以在衍射光波波导内部传输，在步骤S101、S201、S301之前，还包括：
设置衍射光波导满足入射光线在衍射光波导内部传输的矢量和为零。
具体的，设置衍射光波导满足矢量关系其中，/>为耦入光栅波矢，/>为转折光栅波矢，/>为耦出光栅波矢。
基于上述实施例提供的衍射光波导的设计方法，利用该方法可较准确计算出波导光栅的布局方式与设计角度，便于波导设计者在设计光栅布局提供准确参考依据。相比于现有研究设计，本申请提出了更精确的数学计算设计理念，为设计者提供更科学布局理念。另外，本发明还具有操作简单，计算速度快等特点。
本发明提出的一种衍射光波导的设计方法，对衍射光波导的K域图可视化分析，利用K域图中光线传输的计算可较准确计算出波导光栅的布局方式与设计角度，便于波导设计者在设计光栅布局提供准确参考依据，具有操作简单，计算速度快等特点。
基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种衍射光波导，一种可行的实施方式，结合图1所示，衍射光波导10包括波导基底11，波导基底11可以为光学玻璃基底，波导基底11的长度可根据实际场景的需要设置。波导基底具有相互平行的两个表面，在波导基底11的至少一个表面设置第一光栅区域12和第二光栅区域13，第二光栅区域13为二维光栅，二维光栅其既可以对入射光线进行扩瞳又可将入射光线耦出形成显示画面。入射光线垂直从空气入射到衍射光波导10中，经第一光栅区域12耦入波导基底11内全反射传输，依次经第二光栅区域13衍射扩瞳后耦出波导基底11，与环境光结合形成，满足了观看者在现实世界的意义上看到虚拟图像。
一种可行的实施方式，结合图8所示，衍射光波导10包括波导基底11，波导基底11可以为光学玻璃基底，波导基底11的长度可根据实际场景的需要设置。波导基底具有相互平行的两个表面，在波导基底11的至少一个表面设置第一光栅区域12、第三光栅区域14和第二光栅区域13，入射光线垂直从空气入射到衍射光波导中，经第一光栅区域12耦入波导基底11内全反射传输，依次经第三光栅区域14、第二光栅区域13衍射扩瞳后耦出波导基底11，与环境光结合形成，满足了观看者在现实世界的意义上看到虚拟图像。
其中，第一光栅区域12、第三光栅区域14和第二光栅区域13可以是直齿光栅、闪耀光栅、斜齿光栅、体全息光栅等中的一种或多种组合，这里不做具体限制。
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 (8)

1.一种衍射光波导的设计方法，所述衍射光波导包括波导基底以及位于所述波导基底至少一侧表面的至少两个光栅区域，入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后经第二光栅区域衍射后耦出波导基底，其特征在于，所述设计方法包括：
根据用户视图参数，计算第二光栅区域的有效尺寸；
在K域图中，获取入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后的耦入视野平面坐标；
在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，根据所述耦入视野平面坐标以及所述第一光栅区域的有效直径，建立入射光线在所述波导基底内衍射传输的第一有效衍射区域；
根据所述第一有效衍射区域和所述第二光栅区域的有效尺寸，确定第二光栅区域的有效位置；
在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，根据所述耦入视野平面坐标以及所述第一光栅区域的有效直径，建立入射光线在所述波导基底内衍射传输的第一有效衍射区域，包括：
计算所有所述耦入视野平面坐标与所述K域图中原点的比值，获得耦入最大比值和耦入最小比值；
在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，设置所述耦入最大比值为所述入射光线衍射传输的耦入最大斜率，结合所述第一光栅区域的有效直径，建立第一视场边界；设置所述耦入最小比值为所述入射光线衍射传输的耦入最小斜率，结合所述第一光栅区域的有效直径，建立第二视场边界；
沿入射光线的传播方向，设置所述第一光栅区域、所述第一视场边界和所述第二视场边界围形成的区域为第一目标区域；以所述第一目标区域为入射光线在所述第二光栅区域衍射传输的第一有效衍射区域；
根据所述第一有效衍射区域和所述第二光栅区域的有效尺寸，确定第二光栅区域的有效位置，包括：
设置所述第二光栅区域的有效尺寸位于所述第一目标区域内；
根据所述衍射光波导的规格尺寸，调整所述第二光栅区域相对所述第一光栅区域的位置，获得所述第二光栅区域的有效位置坐标。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，沿所述入射光线的传播方向，所述第二光栅区域的中心轴线与入射光线在所述第一目标区域内的0级别衍射方向重合。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述光栅区域还包括第三光栅区域，入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后依次经第三光栅区域和第二光栅区域衍射后耦出波导基底；
在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，根据所述耦入视野平面坐标以及所述第一光栅区域的有效直径，建立入射光线在所述波导基底内衍射传输的第一有效衍射区域，包括：
计算所有所述耦入视野平面坐标与所述K域图中原点的比值，获得耦入最大比值和耦入最小比值；
在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，以所述耦入最大比值为所述入射光线衍射传输的耦入最大斜率，结合所述第一光栅区域的有效直径，建立第一视场边界；以所述耦入最小比值为所述入射光线衍射传输的耦入最小斜率，结合所述第一光栅区域的有效直径，建立第二视场边界；
沿所述入射光线的传播方向，所述第一光栅区域、所述第一视场边界和所述第二视场边界围形成的区域为第一目标区域；
以所述第一目标区域为入射光线在所述第三光栅区域衍射传输的第一有效衍射区域，设置所述第三光栅区域的有效尺寸位于所述第一目标区域内；
根据所述第一有效衍射区域和所述第二光栅区域的有效尺寸，确定第二光栅区域的有效位置，包括：
在所述第一光栅区域所在的平面内，沿垂直所述入射光线传播方向的方向，所述第一视场边界远离所述第二视场边界的区域为第二目标区域，所述第二视场边界远离所述第一视场边界的区域为第三目标区域；
设置第二光栅区域的有效尺寸位于所述第二目标区域和/或所述第三目标区域内；
根据所述衍射光波导的规格尺寸，调整所述第二光栅区域相对所述第一光栅区域相对位置，获得所述第二光栅区域的有效位置坐标。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述用户视图参数包括图像观察区域的长度；在K域图中，获取入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后的耦入视野平面坐标之后，还包括：
在K域图中，获取入射光线经第三光栅区域耦衍射后的衍射视野平面坐标；
计算所有所述衍射视野平面坐标与所述K域图中原点的比值，获得衍射最大比值和衍射最小比值；
在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，所述衍射最大比值为所述入射光线衍射传输的衍射最大斜率，结合所述图像观察区域的长度和所述第二光栅区域的有效位置坐标，建立第三视场边界；所述衍射最小比值为所述入射光线衍射传输的衍射最小斜率，结合所述第二光栅区域的有效位置坐标，建立第四视场边界；
以所述第一视场边界、所述第二视场边界围、所述第三视场边界和所述第四视场边界围成的区域为第四目标区域，所述第四目标区域为所述第三光栅区域的有效尺寸。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，在所述第一光栅区域所在的平面内，以所述第一光栅区域的中心为原点，获得所述第二光栅区域第一顶点的顶点坐标，以所述顶点坐标为所述第二光栅区域相对所述第一光栅区域的有效位置坐标；
其中，所述第一顶点为所述耦出光栅在所述K域图内远离所述第一有效衍射区域的一侧且靠近所述第一光栅区域一侧的顶点。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述用户视图参数包括图像观察区域的长度和出瞳距；根据用户视图参数，计算第二光栅区域的有效尺寸，包括：
根据公式1.1确定第二光栅区域的有效尺寸；
，（1.1）；
其中，S为第二光栅区域的有效尺寸，V为用户视场角，r为出瞳距，b为图像观察区域的长度。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在获取K域图中，入射光线经第一光栅区域耦入波导基底后的耦入视野平面坐标之前，还包括：
获取入射光线在衍射光波导内传输的K域边界，确定所述衍射光波导的K域图。
8.一种衍射光波导，其特征在于，采用权利要求1-7所述的设计方法制备，所述衍射光波导包括波导基底以及位于所述波导基底至少一侧表面的至少一个光栅区域；第一光栅区域为耦入光栅；第二光栅区域为耦出光栅，所述耦出光栅为一维光栅或者二维光栅。
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