CN116643342B - 一种衍射光波导、增强现实眼镜以及增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种衍射光波导、增强现实眼镜以及增强现实显示设备。其中，衍射光波导包括：波导基底和位于波导基底表面上的多个功能区域，功能区域包括耦入光栅区域、转折区域和耦出光栅区域，转折区域沿第一方向与耦入光栅区域并列设置，耦出光栅区域沿第二方向与转折区域并列设置。第一方向和第二方向相互垂直。转折区域中设有多个椭圆形通孔，椭圆形通孔间隔阵列分布在转折区域中，且沿波导基底的顶部表面贯穿至波导基底的底部表面。椭圆形通孔的长轴与第一方向呈第一预设角度，以使入射到波导基底的光线按照预设路径沿波导基底传播。解决了在存在多个衍射光栅的情况下，使得出光利用率降低，进而限制了入射至人眼的显示亮度的问题。

Description

一种衍射光波导、增强现实眼镜以及增强现实显示设备

技术领域

本申请涉及显示设备技术领域，尤其涉及一种衍射光波导、增强现实眼镜以及增强现实显示设备。

背景技术

增强现实（Augmented Reality，AR）显示技术是一种将虚拟信息叠加到真实世界供人眼观察，并具有交互性的新型显示技术。目前，实现增强现实技术的光学传输系统中较为先进为衍射光波导传输方案。其中，衍射光波导传输方案最为关键的部件即为衍射光波导片，衍射光波导片主要是将平板玻璃作为波导的传输主体，采用耦入-转折-耦出的光栅波导结构。在基于衍射光波导片实现光学显示的情况下，由于波导片表面中的耦入区域、转折区域和耦出区域内均采用衍射光栅，微投影光机需要将光学图像投射到耦入区域进行光学耦入，经转折区域扩展及弯折，最终经由耦出区域输出，以便人眼可以看到该光学图像。

由于每个衍射光栅的衍射效率固定，光线每次经过衍射光栅后都会发生衍射，光线的能量在光波导内全反射的过程中越来越弱，导致越往后衍射出来的光线的能量大大地降低。因此，在存在多个衍射光栅的情况下，最终使得出光利用率降低，进而限制了入射至人眼的显示亮度，降低用户的使用体验。

发明内容

本申请提供了一种衍射光波导、增强现实眼镜以及增强现实显示设备，通过在转折区域中设置多个椭圆形通孔，减少衍射光波导中的光栅数量，避免在全反射过程中光线能量的消散，提高了入眼亮度。

第一方面，本申请提供了一种衍射光波导，包括：波导基底和位于波导基底表面上的多个功能区域，功能区域包括耦入光栅区域、转折区域和耦出光栅区域，转折区域沿第一方向与耦入光栅区域并列设置，耦出光栅区域沿第二方向与转折区域并列设置。第一方向和第二方向相互垂直。转折区域中设有多个椭圆形通孔，椭圆形通孔间隔阵列分布在转折区域中，且沿波导基底的顶部表面贯穿至波导基底的底部表面。椭圆形通孔的长轴与第一方向呈第一预设角度，以使入射到波导基底的光线按照预设路径沿波导基底传播。

本申请提供的衍射光波导结构可以适应于用户在户外佩戴增强现实眼镜的场景下。通过减少衍射光波导中的光栅数量，保证了在光波导内全反射的过程中光线的能量，提升光利用率的同时提高入射至人眼的显示亮度。

在一种可选择的实现方式中，多个椭圆形通孔在第一方向上的长度小于耦出光栅区域的长度；多个椭圆形通孔在第二方向上的长度大于等于耦入光栅区域的宽度。

在一种可选择的实现方式中，耦入光栅区域内设有反射斜面，反射斜面沿波导基底表面向波导基底内部延伸，反射斜面与第一方向呈第二预设角度，以使光线经反射斜面后从耦出光栅区域耦出。

在一种可选择的实现方式中，耦入光栅区域内设有耦入光栅，耦入光栅的光栅衍射条纹方向垂直于第一方向；耦入光栅用于将光线耦入衍射光波导内，以使光线经转折区域后从耦出光栅区域耦出。

在一种可选择的实现方式中，第二预设角度为0°-60°。

在一种可选择的实现方式中，耦入光栅区域和耦出光栅区域的形状为正方形、矩形、梯形和四边形中的任一种。

在一种可选择的实现方式中，耦出光栅区域中设有耦出光栅，耦出光栅的光栅衍射条纹方向平行于第一方向。

在一种可选择的实现方式中，耦入光栅和耦出光栅采用全息光栅或表面浮雕光栅。

在一种可选择的实现方式中，耦入光栅和耦出光栅的刻蚀深度相同且刻蚀深度小于800nm。

在一种可选择的实现方式中，耦入光栅区域和耦出光栅区域位于波导基底表面的同一侧或不同侧。

在一种可选择的实现方式中，第一预设角度为90°-180°。

在一种可选择的实现方式中，椭圆形通孔长轴的长度为0.1mm-3mm；椭圆形通孔短轴的长度为0.01mm-3mm。

在一种可选择的实现方式中，各个椭圆形通孔在第一方向上的间距为0-10mm；各个椭圆形通孔在第二方向上的间距为0-2mm。

第二方面，本申请提供了一种增强现实眼镜，增强现实眼镜还包括框架和支撑腿，支撑腿的一端连接在框架上，框架上设置有包括上述第一方面的衍射光波导。

第三方面，本申请提供了一种增强现实显示设备，包括显示器以及包括上述第一方面的衍射光波导，显示器与衍射光波导的耦入光栅区域的位置对应。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种衍射光波导、增强现实眼镜以及增强现实显示设备。其中，衍射光波导包括：波导基底和位于波导基底表面上的多个功能区域，功能区域包括耦入光栅区域、转折区域和耦出光栅区域，转折区域沿第一方向与耦入光栅区域并列设置，耦出光栅区域沿第二方向与转折区域并列设置。第一方向和第二方向相互垂直。转折区域中设有多个椭圆形通孔，椭圆形通孔间隔阵列分布在转折区域中，且沿波导基底的顶部表面贯穿至波导基底的底部表面。椭圆形通孔的长轴与第一方向呈第一预设角度，以使入射到波导基底的光线按照预设路径沿波导基底传播。解决了在存在多个衍射光栅的情况下，使得出光利用率降低，进而限制了入射至人眼的显示亮度的问题。

附图说明

图1示例性示出了一种增强现实眼镜的场景示意图；

图2示例性示出了一种典型衍射光波导的平面示意图；

图3示例性示出了本申请提供的一种衍射光波导的立体示意图；

图4示例性示出了本申请提供的一种衍射光波导的俯视示意图；

图5示例性示出了本申请提供的一种衍射光波导的剖面示意图；

图6示例性示出了本申请提供的椭圆形通孔的剖面示意图；

图7示例性示出了本申请提供的一种椭圆形通孔阵列分布的示意图；

图8示例性示出了本申请提供的另一种椭圆形通孔阵列分布的示意图；

图9示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的立体示意图；

图10示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的剖面示意图；

图11示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的立体示意图；

图12示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的平面示意图；

图13示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的剖面示意图；

图14示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的立体示意图；

图15示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本申请的保护范围。

以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本申请以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个、两个或两个以上。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A、B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请实施例中所示的衍射光波导可以应用于显示设备，所述显示设备包括但不限于为增强现实（Augmented Reality，AR）眼镜、车载抬头显示（Head Up Display，HUD）、虚拟现实设备等具有衍射光波导的移动或固定终端。本申请实施例对此不做任何限制。为便于后续描述，本申请以增强现实（Augmented Reality，AR）眼镜为例进行后续说明。

图1示例性示出了一种增强现实眼镜的场景示意图。参见图1，增强现实眼镜包括眼镜支架100和设置在眼镜支架上的两个衍射光波导片110，两个衍射光波导片110固定在眼镜支架100上。两个衍射光波导片与用户（增强现实眼镜佩戴者）双眼一一对应。在这种应用衍射光波导原理的增强现实眼镜图像中，衍射光波导片可以被认为是增强现实眼镜的镜片。用户在佩戴增强现实眼镜时，由微投影光机发出的光线（虚拟图像）垂直照射至衍射光波导片并投影到人眼的入瞳，并与现实空间叠加在一起，形成亦真亦幻的显示效果，以其人机可交互性和丰富的想象空间为用户提供了逼真的显示体验。

图2示例性示出了一种典型衍射光波导的平面示意图。参见图2，典型衍射光波导200包括波导基底201、耦入区域202、转折区域203以及耦出区域204。耦入区域202、转折区域203以及耦出区域204均设置在波导基底201表面的同一侧。耦入区域202、转折区域203以及耦出区域204中依次设有耦入光栅、转折光栅以及耦出光栅。典型衍射光波导的工作原理为：微投影光机投射出的光线垂直投射至耦入光栅，耦入光栅光线耦入至衍射光波导内部，并以全内反射的形式传播至转折光栅，转折光栅将光线进行水平或垂直的方向进行转折和扩展传播，并将光线转折至耦出光栅。耦出光栅进一步对光线进行垂直或水平方向出射至人眼，最终进入到人眼中，以供人眼观测。

其中，光线的来源包括并不局限于上述由微投影光机投射，还可以为微机电系统（MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)、数字微镜器件（DigitalMicro-mirrorDevice，DMD）、数字光处理（DigitalLightProcession，DLP）、硅基液晶（LiquidCrystalOnSilicon，LCOS）、激光束扫描仪（LaserBeamScanning，LBS）、有机发光二极管（OrganicLight-EmittingDiode，OLED）等微型显示器，光源出射的光线可以为380nm到760nm之间的可见光。

用户在户外佩戴增强现实眼镜的场景下，对于增强现实眼镜的需求较高，需要具有更高的入眼亮度，以提升用户户外佩戴的使用体验。然而，由于每个衍射光栅的衍射效率固定，光线每次经过衍射光栅后都会发生衍射，光线的能量在光波导内全反射的过程中越来越弱，导致越往后衍射出来的光线的能量大大地降低。因此，由于上述典型衍射光波导中在存在多个衍射光栅，最终使得出光利用率降低，进而限制了入射至人眼的显示亮度，降低用户的使用体验。

因此，为了优化上述实施例中提供的典型衍射光波导结构，本申请提供了一种衍射光波导。本申请提供的衍射光波导可以应用于增强现实眼镜，能够提高增强现实眼镜的入眼显示亮度。

实施例

图3示例性示出了本申请提供的一种衍射光波导的立体示意图。参见图3，本申请提供的衍射光波导包括波导基底300以及位于波导基底300中的多个功能区域。其中，功能区域包括耦入光栅区域301、转折区域302和耦出光栅区域303，转折区域302沿第一方向与耦入光栅区域301并列设置，耦出光栅区域303沿第二方向与转折区域302并列设置，第一方向和第二方向相互垂直。转折区域302设置在耦入光栅区域301和耦出光栅区域303之间。耦入光栅区域301和耦出光栅区域303设置在波导基底表面的同一侧，且均设置在波导基底300的顶部表面上。

在一些实施例中，耦入光栅区域301和耦出光栅区域303的形状为正方形、矩形、梯形和四边形中的任一种。

为便于进一步对衍射光波导的结构进行描述，图3还以第一方向为X轴、以第二方向为Y轴建立了二维平面坐标系。在平面坐标系中，转折区域302沿X轴正方向与耦入光栅区域301并列设置，耦出光栅区域303沿Y轴负方向与转折区域302并行设置。

微投影光机投射出的光线垂直投射至衍射光波导，以垂直于衍射光波导的方向为Z轴。转折区域302内设有多个椭圆形通孔3021，多个椭圆形通孔3021沿Z轴设置。多个椭圆形通孔3021间隔阵列分布在转折区域302中。其中，椭圆形通孔3021贯穿整个波导基底300。具体地，椭圆形通孔3021沿波导基底300的顶部表面贯穿至波导基底300的底部表面。

椭圆形通孔3021的长轴与X轴正反向呈第一预设角度，以使入射到波导基底的光线按照预设路径沿波导基底300传播。具体的，椭圆形通孔3021的长轴与X轴正反向之间存在夹角θ，夹角θ的范围为90°-180°。

在一些实施例中，椭圆形通孔长轴的长度优选为0.1mm-3mm，椭圆形通孔短轴的长度优选为0.01mm-3mm。各个椭圆形通孔3021在第一方向上（X轴）的间距优选为0-10mm，各个椭圆形通孔3021在第二方向上（Y轴）的间距优选为0-2mm。多个椭圆形通孔3021在第一方向上（X轴）的长度小于耦出光栅区域303的长度，多个椭圆形通孔3021在第二方向上（Y轴）的长度大于等于耦入光栅区域301的宽度。需要说明的是，上述椭圆形通孔长轴和短轴的宽度以及全部椭圆形通孔在第一方向和第二方向上的长度设置可根据实际情况自行设置，本申请不对其进行具体限定。

图4示例性示出了本申请提供的一种衍射光波导的俯视示意图。参见图4，耦入光栅区域301中设有耦入光栅，耦入光栅的光栅衍射条纹方向垂直于X轴。耦入光栅用于将光线耦入衍射光波导内，以使光线经转折区域302后从耦出光栅耦出。耦出光栅区域303中设有耦出光栅，耦出光栅的光栅衍射条纹方向平行于X轴。

在一些实施例中，耦入光栅和耦出光栅采用全息光栅或表面浮雕光栅。同时，耦入光栅和耦出光栅的刻蚀深度相同且刻蚀深度优选为小于800nm。

示例性的，本申请中的耦入光栅区域301和耦出光栅区域303采用的光学元件可全部采用全息光栅或表面浮雕光栅，还可以为全息光栅和表面浮雕光栅的结合，如耦入光栅区域301中使用全息光栅，耦出光栅区域303使用表面浮雕光栅。再如耦入光栅区域301中使用表面浮雕光栅，耦出光栅区域303使用全息光栅。其中，表面浮雕光栅和全息光栅的光栅周期在亚微米量级。

本申请通过使用亚波长尺度的表面浮雕光栅代替传统的折射元件作为光波导中耦入光栅区域301和耦出光栅区域303的光学元件，表面浮雕光栅的微结构可以相对于波导表面产生上凸或下凹，从而实现对光束的调制。表面浮雕光栅为在表面产生的周期性变化结构，即在表面形成的各种具有周期性的凹槽。根据凹槽的轮廓、形状和倾角等结构参数的不同，表面浮雕光栅包括矩形光栅、梯形光栅和倾斜光栅等。

在一些实施例中，耦出光栅区域303的光学元件将波导片中传播的光束耦出到人眼，其中，根据光束耦入光栅区域301和耦出光栅区域303光学元件的不同，耦入光栅区域301可以是反射镜、棱镜、表面浮雕光栅和全息光栅等。耦出光栅区域303可以是半透射半反射镜、表面浮雕光栅和全息光栅等。需要说明的是，本申请不对耦入光栅区域301和耦出光栅区域303采用的光学元件进行具体限定，可根据实际情况自行设计。

进一步参见图4，根据本申请提供的衍射光波导结构，微投影光机发出的光线（虚拟图像）垂直照射至耦入光栅区域301内部，耦入光栅区域301中的衍射耦入光栅对入射光线产生X正方向的衍射，衍射光线在光波导内沿X正方向进行全反射传输。反射传输至转折区域302的多个椭圆形通孔3021孔壁上，椭圆形通孔3021对反射光线再次进行反射，使其向Y轴负方向传播至耦出光栅区域303中的耦出光栅。耦出光栅将光线进行衍射进而垂直出射照射至人眼。由于耦出光栅的光栅条纹平行于X轴，并填充至耦出光栅区域303，因此本申请的衍射光波导结构能够实现大面积的动眼范围。

图5示例性示出了本申请提供的一种衍射光波导的剖面示意图。衍射光波导也可以是反射式衍射光波导，反射式衍射光波导的耦入光栅区域301和耦出光栅区域303位于衍射光波导的同一侧。耦入光栅区域301和耦出光栅区域303位于波导基底300表面的同一侧。图5还示出了反射式衍射光波导的光路特性。其中，微投影光机发出的光线垂直照射至耦入光栅区域301中的耦入光栅内部，耦入光栅对光线进行全反射传输。最终衍射光线反射至耦出光栅区域303中的耦出光栅，耦出光栅将光线进行衍射并垂直输出，以便人眼可以看到光线对应的光学图像。

图6示例性示出了本申请提供的椭圆形通孔的剖面示意图。椭圆形通孔3021靠近耦入光栅区域301一侧为椭圆形或圆形。远离耦入光栅区域301一侧为椭圆形、圆形或平面等。参见图6的视图a和图6的视图b，微投影光机发出的光线由耦入光栅区域301全反射至椭圆形通孔3021的圆弧孔壁，光线再在椭圆形通孔3021的圆弧孔壁表面反射。由于椭圆形通孔3021的圆弧孔壁对应的反射面为外凸的圆弧形，因此，椭圆形通孔3021可以将反射光线进行扩散，进而对入射光线实现扩展传输至耦出光栅区域303。

在一些实施例中，多个椭圆形通孔3021间隔阵列分布在转折区域302中。其中，椭圆形通孔3021间隔阵列分布方式并不局限于上述从转折区域302的左下角至右上角沿对角线方向倾斜延伸。图7示例性示出了本申请提供的一种椭圆形通孔阵列分布的示意图。参见图7，椭圆形通孔3021的阵列分布形式可以采用从转折区域302的左上角至右下角沿对角线方向倾斜延伸。图8示例性示出了本申请提供的另一种椭圆形通孔阵列分布的示意图。参见图8，椭圆形通孔3021的阵列分布形式还可以采用两组阵列分布实现，如采用两组椭圆形通孔3021从转折区域302的左上角至右下角沿对角线方向倾斜延伸的实施方式。需要说明的是，本申请不对椭圆形通孔3021阵列分布的具体形式做具体限定，可以根据实际需求自行设计。

由上述实施例可知，本实施例提供的衍射光波导在转折区域302中设置多个椭圆形通孔3021，避免在衍射光波导中存在多个光栅而降低光利用率。通过多个椭圆形通孔3021对反射光线进行扩散，进而对入射光线实现扩展传输，提高了入眼亮度。

实施例

图9示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的立体示意图。参见图9，本申请提供的衍射光波导包括波导基底300以及位于波导基底300中的多个功能区域。其中，功能区域包括耦入光栅区域301、转折区域302和耦出光栅区域303，转折区域302沿第一方向与耦入光栅区域301并列设置，耦出光栅区域303沿第二方向与转折区域302并列设置，第一方向和第二方向相互垂直。转折区域302设置在耦入光栅区域301和耦出光栅区域303之间。耦入光栅区域301和耦出光栅区域303设置在波导基底表面的不同侧，具体地，耦入光栅区域301设置在波导基底的顶部表面上，耦出光栅区域303设置在波导基底的底部表面上。进而，耦入光栅设置在波导基底的顶部表面上，耦出光栅设置在波导基底的底部表面上。

转折区域302内设有多个椭圆形通孔3021，多个椭圆形通孔3021间隔阵列分布在转折区域302中。其中，椭圆形通孔3021贯穿整个波导基底300。具体地，椭圆形通孔3021沿波导基底300的顶部表面贯穿至波导基底300的底部表面。其他有关椭圆形通孔3021、耦入光栅和耦出光栅的结构设置与上述实施例一相同，在此不再赘述。

图10示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的剖面示意图。本申请提供的衍射光波导可以是透射式衍射光波导，透射式衍射光波导的耦入光栅区域301和耦出光栅区域303位于衍射光波导相对的两侧，图10还示出了透射式衍射光波导的光路特性。由于耦入光栅区域301和耦出光栅区域303设置在波导基底表面的不同侧，因此光线的输入和输出方向与上述实施例中不同。耦入光栅区域301和耦出光栅区域303位于波导基底表面的不同侧。微投影光机发出的光线垂直照射至耦入光栅区域301中的耦入光栅内部，耦入光栅对光线进行全反射传输。最终衍射光线反射至耦出光栅区域303中的耦出光栅，耦出光栅将光线进行衍射并垂直输出。

由上述实施例可知，本实施例提供的衍射光波导中耦入光栅区域301和耦出光栅区域303位于波导基底表面的不同侧，且在转折区域302中设置多个椭圆形通孔3021。提高了入眼亮度的同时保证了光线在全反射过程中的光线能量。

实施例

图11示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的立体示意图。参见图11，本申请提供的衍射光波导包括波导基底300以及位于波导基底300中的多个功能区域。其中，功能区域包括耦入光栅区域301、转折区域302和耦出光栅区域303，转折区域302沿第一方向与耦入光栅区域301并列设置，耦出光栅区域303沿第二方向与转折区域302并列设置，第一方向和第二方向相互垂直。转折区域302设置在耦入光栅区域301和耦出光栅区域303之间。耦入光栅区域301和耦出光栅区域303设置在波导基底表面的同一侧，具体地，耦入光栅区域301和耦出光栅区域303均设置在波导基底的顶部表面上。

耦入光栅区域301内设有反射斜面3011，反射斜面3011沿波导基底表面向波导基底内部延伸，反射斜面3011与波导基底的表面呈预设角度，以使入射到波导基底300的光线按照预设路径沿波导基底300传播。

转折区域302内设有多个椭圆形通孔3021，多个椭圆形通孔3021间隔阵列分布在转折区域302中。其中，椭圆形通孔3021贯穿整个波导基底300。具体地，椭圆形通孔3021沿波导基底300的顶部表面贯穿至波导基底300的底部表面。

耦出光栅区域303中设有耦出光栅，其他有关椭圆形通孔3021和耦出光栅的结构设置与上述实施例一相同，在此不再赘述。

图12示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的平面示意图。参见图12，微投影光机发出的光线（虚拟图像）垂直照射至至耦入光栅区域301内部，耦入光栅区域301中的反射斜面3011对入射光线产生X正方向的衍射，衍射光线在光波导内沿X正方向进行全反射传输。反射传输至转折区域302的多个椭圆形通孔3021孔壁上，椭圆形通孔3021对反射光线再次进行反射，使其向Y轴负方向传播至耦出光栅区域303中的耦出光栅。耦出光栅将光线进行衍射进而垂直出射照射至人眼。

图13示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的剖面示意图。具体为耦入光栅区域301中的反射斜面3011和耦出光栅区域303中的耦出光栅位于衍射光波导的同一侧。图13还示出了衍射光波导的光路特性，耦入光栅区域301和耦出光栅区域303位于波导基表面的同一侧。微投影光机发出的光线垂直照射至耦入光栅区域301中的耦入光栅内部，反射斜面3011对光线进行全反射传输。最终衍射光线反射至耦出光栅区域303中的耦出光栅，耦出光栅将光线进行衍射并垂直输出，以便人眼可以看到光线对应的光学图像。

在一些实施例中，反射斜面3011沿第一方向从波导基底300的表面向波导基底300的内部倾斜延伸。反射斜面3011与第一方向呈第二预设角度。具体地，参见图13，反射斜面3011与X轴正方向之间存在夹角γ，夹角γ的范围为0°-60°。

由上述实施例可知，本实施例提供的衍射光波导中耦入光栅区域301和耦出光栅区域303位于波导基底表面的同一侧，其中，耦入光栅区域301中设有反射斜面3011，在转折区域302中设有多个椭圆形通孔3021。光线垂直照射至反射斜面3011上，反射斜面3011对光线进行全反射传输。最终衍射光线反射至耦出光栅，耦出光栅将光线进行衍射并垂直输出。通过减少衍射光波导中的光栅数量，避免在全反射过程中光线能量的消散，提高了入眼亮度。

实施例

图14示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的立体示意图。参见图14，本申请提供的衍射光波导包括波导基底300以及位于波导基底300中的多个功能区域。其中，功能区域包括耦入光栅区域301、转折区域302和耦出光栅区域303，转折区域302沿第一方向与耦入光栅区域301并列设置，耦出光栅区域303沿第二方向与转折区域302并列设置，第一方向和第二方向相互垂直。转折区域302设置在耦入光栅区域301和耦出光栅区域303之间。耦入光栅区域301和耦出光栅区域303设置在波导基底表面的不同侧，具体地，耦入光栅区域301设置在波导基底的顶部表面上，耦出光栅区域303设置在波导基底的底部表面上。

耦入光栅区域301内设有反射斜面3011，反射斜面3011沿波导基底表面向波导基底内部延伸，反射斜面3011与波导基底的表面呈预设角度，以使入射到波导基底300的光线按照预设路径沿波导基底300传播。

转折区域302内设有多个椭圆形通孔3021，多个椭圆形通孔3021间隔阵列分布在转折区域302中。其中，椭圆形通孔3021贯穿整个波导基底300。具体地，椭圆形通孔3021沿波导基底300的顶部表面贯穿至波导基底300的底部表面。

耦出光栅区域303中设有耦出光栅，其他有关椭圆形通孔3021、耦出光栅的结构和反射斜面3011的设置与上述实施例四相同，在此不再赘述。

图15示例性示出了本申请提供的另一种衍射光波导的剖面示意图。具体为耦入光栅区域301中的反射斜面3011和耦出光栅区域303中的耦出光栅位于衍射光波导的不同侧。图15还示出了衍射光波导的光路特性。耦入光栅区域301和耦出光栅区域303位于波导基底表面的不同侧。微投影光机发出的光线垂直照射至耦入光栅区域301中的耦入光栅内部，反射斜面3011对光线进行全反射传输。最终衍射光线反射至耦出光栅区域303中的耦出光栅，耦出光栅将光线进行衍射并垂直输出。

由上述实施例可知，本实施例提供的衍射光波导中耦入光栅区域301和耦出光栅区域303位于波导基底表面的不同侧。其中，耦入光栅区域301中设有反射斜面3011，在转折区域302中设有多个椭圆形通孔3021。由于在衍射光波导内仅存在一个耦出光栅，保证了在光波导内全反射的过程中光线的能量，提高了入眼亮度，提升用户的使用体验感。

在一些实施例中，本申请提供的波导基底300为高折射率的玻璃或有机材料，波导基底300的折射率范围优选为1.7-2.5。

在一些实施例中，表面浮雕光栅光波导通过在高折射率玻璃基底的表面加工出微纳米尺度的光栅结构实现；全息衍射光波导也是在高折射率基底表面加工出折射率渐变的图层，因此这两种衍射光波导在完成波导片的组合时，都需要考虑增加单独的玻璃盖板或者结构层面对面组合，以实现对衍射光波导表面结构层的保护。同时在组合过程中，需要在光波导之间增加空气间隔层，防止结构层与其他结构面或玻璃表面的接触。

因此，本申请提供的衍射光波导在波导基底300的顶部端面和底部端面还设有保护层，波导基底300与保护层通过低折射率光学胶整面粘接或框贴连接。波导基底300通过高强度玻璃或有机物进行保护。

由以上方案可知，本申请提出了四种衍射光波导的结构，在耦入光栅区域301中的设有耦入光栅或反射斜面3011、在转折区域302中设有多个椭圆形通孔3021以及在耦出光栅区域303中的设有耦出光栅。本申请提供的衍射光波导结构可以适应于用户在户外佩戴增强现实眼镜的场景下。通过减少衍射光波导中的光栅数量，保证了在光波导内全反射的过程中光线的能量，提升光利用率的同时提高入射至人眼的显示亮度。

在一些实施例中，本申请还提供了一种增强现实眼镜，增强现实眼镜包括框架和支撑腿，支撑腿的一端连接在框架上，框架上设置有上述实施一至实施四提供的衍射光波导。

在一些实施例中，本申请还提供了一种增强现实显示设备，增强现实显示设备可以为VR和/AR眼镜等穿戴式设备。增强现实显示设备包括显示器以及上述实施一至实施四提供的衍射光波导，显示器与衍射光波导的耦入光栅区域301的位置对应，衍射光波导用于接收光源出射的光线。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (14)

1.一种衍射光波导，其特征在于，包括：

波导基底；

位于所述波导基底表面上的多个功能区域，所述功能区域包括耦入光栅区域、转折区域和耦出光栅区域，所述转折区域沿第一方向与所述耦入光栅区域并列设置，所述耦出光栅区域沿第二方向与所述转折区域并列设置；所述第一方向和所述第二方向相互垂直；

所述转折区域中设有多个椭圆形通孔，多个所述椭圆形通孔沿所述转折区域的对角线方向间隔分布，且沿所述波导基底的顶部表面贯穿至所述波导基底的底部表面；所述椭圆形通孔的长轴与所述第一方向呈第一预设角度，以使入射到所述波导基底的光线按照预设路径沿所述波导基底传播；

多个所述椭圆形通孔在所述第一方向上的长度小于所述耦出光栅区域的长度；多个所述椭圆形通孔在所述第二方向上的长度大于等于所述耦入光栅区域的宽度。

2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区域内设有反射斜面，所述反射斜面沿所述波导基底表面向所述波导基底内部延伸，所述反射斜面与所述第一方向呈第二预设角度，以使光线经所述反射斜面后从所述耦出光栅区域耦出。

3.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区域内设有耦入光栅，所述耦入光栅的光栅衍射条纹方向垂直于所述第一方向；所述耦入光栅用于将光线耦入所述衍射光波导内，以使光线经所述转折区域后从所述耦出光栅区域耦出。

4.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二预设角度为0°-60°。

5.根据权利要求2或3所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区域和所述耦出光栅区域的形状为正方形、矩形、梯形和四边形中的任一种。

6.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦出光栅区域中设有耦出光栅，所述耦出光栅的光栅衍射条纹方向平行于所述第一方向。

7.根据权利要求6所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅采用全息光栅或表面浮雕光栅。

8.根据权利要求7所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅的刻蚀深度相同且所述刻蚀深度小于800nm。

9.根据权利要求8所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区域和所述耦出光栅区域位于所述波导基底表面的同一侧或不同侧。

10.根据权利要求9所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一预设角度为90°-180°。

11.根据权利要求10所述的衍射光波导，其特征在于，所述椭圆形通孔长轴的长度为0.1mm-3mm；所述椭圆形通孔短轴的长度为0.01mm-3mm。

12.根据权利要求11所述的衍射光波导，其特征在于，各个所述椭圆形通孔在所述第一方向上的间距为0-10mm；各个所述椭圆形通孔在所述第二方向上的间距为0-2mm。

13.一种增强现实眼镜，其特征在于，所述增强现实眼镜还包括框架和支撑腿，所述支撑腿的一端连接在所述框架上，所述框架上设置有包括权利要求1-12任意一项所述的衍射光波导。

14.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括显示器以及包括权利要求1-12任意一项所述的衍射光波导，所述显示器与所述衍射光波导的耦入光栅区域的位置对应。