CN116679368A - 耦出光栅及其制作方法、衍射效率的确定方法、光波导 - Google Patents

耦出光栅及其制作方法、衍射效率的确定方法、光波导 Download PDF

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CN116679368A CN202310547914.9A CN202310547914A CN116679368A CN 116679368 A CN116679368 A CN 116679368A CN 202310547914 A CN202310547914 A CN 202310547914A CN 116679368 A CN116679368 A CN 116679368A
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宋强
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Abstract

本发明提供一种耦出光栅及其制作方法、衍射效率确定方法、光波导和显示设备，耦出光栅应用于具有转折光栅的光波导，转折光栅各处的衍射效率相等，耦出光栅包括多个呈阵列排布的子光栅，沿第一方向设有M个子光栅，沿第二方向设有N个子光栅；沿第一方向，第m+1个子光栅的衍射效率大于第m个子光栅的衍射效率；沿第二方向，第n+1个子光栅的衍射效率大于第n个子光栅的衍射效率；其中，M等于目标光束经转折光栅转折的转折次数，N等于每次转折后的目标光束经耦出光栅耦出的耦出次数，1≤m≤M，1≤n≤N，且m、n均为正整数。该耦出光栅可保证在耦出光束时的亮度均匀性，提高成像效果。

Description

耦出光栅及其制作方法、衍射效率的确定方法、光波导
技术领域
本发明实施例涉光学技术领域，特别涉及一种耦出光栅及其制作方法、衍射效率的确定方法、光波导。
背景技术
二维扩瞳体全息光波导模组具有光机体积小，成本低以及具有实现车载HUD显示和AR智能眼镜的重要潜力，受到越来越多的关注。
传统的二维扩瞳体全息光波导包含：耦入光栅，转折光栅和耦出光栅及波导基底。由于反射式体全息具有更大的视场角和更好的波长选择性，且相关参数关于感光材料的膜厚变化不敏感，在实际使用中，环境光通过耦出光栅产生的衍射光反向向外传播不会进入人眼而减少彩虹效应，是体全息光波导制作的首选。
然而，目前现有制作得到的二维扩瞳体全息光波导，其输出的显示画面存在亮度不均匀的问题，导致成像效果不佳。
发明内容
本发明实施例提供一种耦出光栅及其制作方法、衍射效率确定方法、光波导和显示设备，该耦出光栅的衍射效率呈现一定规律，可保证耦出光栅在耦出光束时的亮度均匀性，提高成像效果。
第一方面，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种耦出光栅，所述耦出光栅应用于具有转折光栅的光波导，所述转折光栅各处的衍射效率相等，所述耦出光栅包括多个呈阵列排布的子光栅，沿第一方向设有M个所述子光栅，沿第二方向设有N个所述子光栅；沿所述第一方向，第m+1个所述子光栅的衍射效率大于第m个所述子光栅的衍射效率；沿所述第二方向，第n+1个所述子光栅的衍射效率大于第n个所述子光栅的衍射效率；其中，M等于目标光束经所述转折光栅转折的转折次数，N等于每次转折后的所述目标光束经所述耦出光栅耦出的耦出次数，1≤m≤M，1≤n≤N，且m、n均为正整数。
在一些实施例中，沿所述第一方向第m个且沿所述第二方向第n个的所述子光栅的衍射效率fmn由以下公式确定：
其中，ft为所述转折光栅的衍射效率，Om为所述目标光束第m次转折后到达所述耦出光栅的光能比，Oi为所述目标光束第i次转折后到达所述耦出光栅的光能比，E为所述目标光束经所述耦出光栅耦出的光能比。
在一些实施例中，各所述目标光束经所述耦出光栅耦出的光能比E为：
其中，OM为所述目标光束第M次转折后到达所述耦出光栅的光能比。
第二方面，本发明实施例还提供一种如第一方面任意一项所述的耦出光栅的衍射效率的确定方法，所述确定方法包括：获取所述转折光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数；根据所述转折光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数，确定各所述子光栅的衍射效率。
在一些实施例中，所述根据所述转折光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数，确定各所述子光栅的衍射效率，包括：根据所述转折光栅的衍射效率和所述转折次数，确定每次转折后的所述目标光束到达所述耦出光栅的第一光能比；根据各所述第一光能比和所述耦出次数，确定所述目标光束经所述耦出光栅耦出的第二光能比；根据各所述第一光能比、所述第二光能比和所述耦出次数，确定各所述子光栅的衍射效率。
在一些实施例中，所述根据各所述第一光能比和所述耦出次数，确定所述目标光束经所述耦出光栅耦出的第二光能比，包括：采用各所述第一光能比中的最小光能比除以所述耦出次数，得到所述第二光能比。
第三方面，本发明实施例还提供一种如第一方面任意一项所述的耦出光栅的制作方法，所述耦出光栅为体全息光栅，所述制作方法包括：通过如第二方面任意一项所述的确定方法确定所述耦出光栅的衍射效率；获取非全反射曝光参数，并根据所述衍射效率和所述非全反射曝光参数，对感光材料进行双光束干涉曝光，得到所述耦出光栅。
在一些实施例中，所述根据所述衍射效率和所述非全反射曝光参数，对感光材料进行双光束干涉曝光，包括：获取衍射效率与曝光时间的映射关系；根据所述衍射效率和所述映射关系，得到各所述子光栅所需的曝光时间；根据所述曝光时间和所述非全反射曝光参数，对感光材料中各所述子光栅对应的曝光区域进行双光束干涉曝光。
在一些实施例中，所述映射关系的建立方法，包括：提供光栅阵列，所述光栅阵列包括多个待测体全息光栅，其中，各所述待测体全息光栅在制作时曝光时间不同、曝光光束强度相等；测量各所述待测体全息光栅的衍射效率；基于各所述待测体全息光栅的曝光时间和衍射效率，得到所述映射关系。
在一些实施例中，所述测量各所述待测体全息光栅的衍射效率，包括：提供一透明基底，所述透明基底具有相互平行的第一表面和第二表面，将各所述待测体全息光栅贴设于所述第一表面，得到所述光栅阵列；对于所述光栅阵列中的每个所述待测体全息光栅，使测量光束以初始光功率经所述待测体全息光栅衍射进入所述透明基底，并经所述第二表面全反射、经所述待测体全息光栅衍射后从所述第二表面出射，并测量出射后的所述测量光束的出射光功率；根据所述初始光功率、各所述出射光功率和各所述出射光功率对应的衍射次数，得到各所述待测体全息光栅的衍射效率。
在一些实施例中，通过以下公式计算得到所述待测体全息光栅的衍射效率f：
f＝(Eout/Ei n)1/x；
其中，Ei n为所述初始光功率，Eout为所述出射光功率，x为所述出射光功率对应的衍射次数。
第四方面，本发明实施例还提供一种光波导，包括波导基底、以及如第一方面任意一项所述的耦出光栅；所述耦出光栅设于所述波导基底的耦出区域。
在一些实施例中，所述光波导还包括耦入光栅和转折光栅；所述耦入光栅和所述转折光栅贴设于所述波导基底，所述耦入光栅用于将目标光束耦入至所述波导基底，所述转折光栅用于接收耦入的所述目标光束、使所述目标光束扩瞳和转折，所述耦出光栅用于接收转折后的所述目标光束、使所述目标光束由所述波导基底耦出。
第五方面，本发明实施例还提供一种显示设备，所述显示设备包括如第一方面所述的光波导。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种耦出光栅及其制作方法、衍射效率确定方法、光波导和显示设备，耦出光栅应用于具有转折光栅的光波导，转折光栅各处的衍射效率相等，耦出光栅包括多个呈阵列排布的子光栅，沿第一方向设有M个子光栅，沿第二方向设有N个子光栅；沿第一方向，第m+1个子光栅的衍射效率大于第m个子光栅的衍射效率；沿第二方向，第n+1个子光栅的衍射效率大于第n个子光栅的衍射效率；其中，M等于目标光束经转折光栅转折的转折次数，N等于每次转折后的目标光束经耦出光栅耦出的耦出次数，1≤m≤M，1≤n≤N，且m、n均为正整数。该耦出光栅的衍射效率呈现一定规律，可保证耦出光栅的耦出光束的亮度均匀性，提高成像效果。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种光波导的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种图1中的耦出光栅的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种耦出光栅的衍射效率的确定方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种图3中步骤S20的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的一种图4中步骤S22的流程示意图；
图6是本发明实施例提供的一种耦出光栅的制作方法的流程示意图；
图7是本发明实施例提供的一种感光材料的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种耦出光栅的制作方法的部分流程示意图；
图9是本发明实施例提供的一种衍射关系的建立方法的流程示意图；
图10是本发明实施例提供的一种光栅阵列的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的一种图9中步骤S2的流程示意图；
图12是本发明实施例提供的一种测量待测体全息光栅的衍射效率的测量光路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
第一方面，本发明实施例提供一种耦出光栅12，请参阅图1和图2，耦出光栅12应用于具有转折光栅13的光波导，转折光栅13各处的衍射效率相等，耦出光栅12包括多个呈阵列排布的子光栅121，沿第一方向x(x轴方向)设有M个子光栅121，沿第二方向y(y轴方向)设有N个子光栅121。沿第一方向x，第m+1个子光栅121的衍射效率大于第m个子光栅121的衍射效率；沿第二方向y，第n+1个子光栅121的衍射效率大于第n个子光栅121的衍射效率。其中，M等于目标光束经转折光栅13转折的转折次数，N等于每次转折后的目标光束经耦出光栅12耦出的耦出次数，1≤m≤M，1≤n≤N，且m、n均为正整数。
在本实施例中，耦出光栅12的衍射效率沿第一方向x和第二方向y均逐渐增大，第一方向x为耦入的目标光束的全反射传播方向，第二方向y为转折后的目标光束的全反射传播方向，即令转折光栅13的衍射效率处处相等，而按照转折次数和耦出次数对耦出光栅12进行分区域设置，这样，可以采用衍射效率较低的转折光栅13，并通过对每次转折和耦出所对应的子光栅的衍射效率的衍射效率进行控制，以使每个子光栅对应的耦出光能量趋于相同或相近，实现耦出能量的一致性，后续应用该耦出光栅12时，可提高耦出亮度均匀性，提高成像效果。在一些实施例中，子光栅121的长度和宽度可以为目标光束在波导基底10内全反射的一个步长l＝2dtanθt，d为波导基底10的厚度，θt为目标光束在波导基底10内发生全反射传播时的反射角度。应注意的是，在图1和图2中的虚线实际并不可见。
在其中一些实施例中，沿第一方向第m个且沿第二方向第n个的子光栅121的衍射效率fmn由以下公式确定：
其中，ft为转折光栅13的衍射效率，Om为目标光束第m次转折后到达耦出光栅12的光能比，即目标光束经第m次转折后到达耦出光栅12的光能量与耦入光能量的比值。Oi为目标光束第i次转折后到达耦出光栅12的光能比，即目标光束经第i次转折后到达耦出光栅12的光能量与耦入光能量的比值。E为目标光束经各子光栅121耦出的光能比，即目标光束经子光栅121实际耦出的光能量与耦入光能量的比值。耦入光能量指的是光束经耦入体全息光栅耦入波导基底的光能量。
在本实施例中，通过上述公式确定各子光栅121的衍射效率，可准确且快速计算出各个子光栅需要达到的衍射效率，提高耦出光栅12耦出的光能量的一致性，从而提高光波导耦出的图像光束的亮度均匀性，提高成像质量。
在其中一些实施例中，所述目标光束经耦出光栅121耦出的光能比E为：
在本实施例中，OM是目标光束第M次转折后到达耦出光栅的光能比，由于转折光栅各处的衍射效率是一致的，那么最后一次转折衍射得到的光能量是最小的，对应的第一光能比也是所有第一光能比中最小的光能比，各子光栅121耦出的第二光能比E为各子光栅121可以耦出的光能量中的最小光能量与耦入光能量的比值，可保证各子光栅121耦出能量都能达到该第二光能比E，从而在保证最大耦出能量的同时保证各子光栅的耦出能量的一致性。可以理解的是，实际应用中，各子光栅121耦出的第二光能比也可以小于
第二方面，本发明实施例提供一种如第一方面任意一项实施例所述的耦出光栅12的衍射效率的确定方法，耦出光栅12的具体结构与功能可参照第一方面，在此不再赘述。请参阅图3，该确定方法包括：
步骤S10：获取转折光栅13的衍射效率、转折次数和耦出次数；
步骤S20：根据转折光栅13的衍射效率、转折次数和耦出次数，确定各子光栅121的衍射效率。
具体的，转折面光栅13接收的目标光束的光能量为耦入光能量，即光束经耦入体全息光栅11耦入波导基底的光能量，那么，根据转折面光栅13的衍射效率和转折次数，可确定目标光束经转折面光栅13每次转折后到达耦出体全息光栅12的第一光能量；再根据各第一光能量和耦出次数，计算得到各子光栅121所需的的衍射效率。
后续可根据该衍射效率制作耦出光栅12，且耦出光栅12应用于上述光波导中，可保证光波导耦出区域的亮度均匀性。其中，耦出光栅12可以是体全息光栅也可以是浮雕光栅等结构，如是体全息光栅，则可按照衍射效率对感光材料2上对应于子光栅121的曝光区域进行曝光制作，如是浮雕光栅，则可按照衍射效率设计浮雕光栅的光栅参数。
在本实施例中，令转折光栅13的衍射效率处处相等，而对耦出光栅12进行分区域设置，这样，可以采用衍射效率较低的转折光栅13，并通过对每次转折和耦出所对应的子光栅的衍射效率进行控制，以使每个子光栅对应的耦出光能量趋于相同或相近，实现耦出能量的一致性，后续应用该耦出光栅12时，可提高耦出亮度均匀性，提高成像效果。
在其中一些实施例中，请参阅图4，步骤S20包括：
步骤S21：根据转折光栅13的衍射效率和转折次数，确定每次转折后的目标光束到达耦出光栅12的第一光能比。
其中，第一光能比为每次转折后的目标光束到达耦出体全息光栅12的光能量与耦入光能量的比值，耦入光能量指的是光束经耦入体全息光栅耦入波导基底的光能量。
具体的，若耦入光能量为1、转折面光栅13的衍射效率为ft、忽略光传输过程中的由于波导基底10的材料本身引起的吸收和散射损耗，则目标光束经转折面光栅13第1次转折后到达耦出体全息光栅12的第一光能比为：
O1＝ft；
经转折面光栅13第2次转折后到达耦出体全息光栅12的第一光能比为：
O2＝(1-O1)ft；
经转折面光栅13第3次转折后到达耦出体全息光栅12的第一光能比为：
O3＝(1-O1-O2)ft；
以此类推，经转折面光栅13第M次转折后到达耦出体全息光栅12的第一光能比为：
也即，第一光能比由以下公式确定：
其中，Om为目标光束第m次转折后到达耦出光栅的第一光能比，Oi为目标光束第i次转折后到达耦出光栅的第一光能比。
步骤S22：根据各第一光能比和耦出次数，确定目标光束经耦出光栅12耦出的第二光能比。
第二光能比为耦出体全息光栅12整体实际耦出的光能量与耦入光能量的比值。通常各子光栅121耦出的光能量需相同或趋近相同，也即各子光栅121的第二光能比相同或趋近相同，因此，本实施例是要使得耦出体全息光栅12的各子光栅的耦出的光能比均为第二光能比，以实现耦出体全息光栅12的耦出能量均匀。
具体的，在得到各第一光能比和耦出次数后，可确定各子光栅121的耦出最大光能比，根据所有子光栅121的耦出最大光能比中的最小值可确定第二光能比。也可以直接从各第一光能比中选择最小第一光能比，通常是第M列对应的第一光能比OM，计算第M列子光栅的最大耦出光能比，根据第M列子光栅的最大耦出光能比可确定第二光能比。可以理解的是，为了保证各子光栅121耦出能量的一致性，第二光能比应小于或等于所有子光栅121的耦出最大光能比中的最小值或者第M列子光栅的最大耦出光能比。举例来说，N＝3且M＝3时，可以根据第一光能比O1计算出第1列的子光栅能耦出的最大光能比O1/3，根据第一光能比O2计算出第2列的子光栅能耦出的最大光能比O2/3，根据第一光能比O3计算出第2列的子光栅能耦出的最大光能比O3/3，从这些光能比中找出最小值，如O3/3，第二光能比小于或等于O3/3；也可以直接从O1、O2、O3中选出最小值，如O3，计算第3列子光栅的最大耦出光能比O3/3，第二光能比小于或等于O3/3。
步骤S23：根据各第一光能比、第二光能比和耦出次数，确定各子光栅121的衍射效率。
具体的，沿第一方向x的第1个且沿第二方向y的第1个子光栅121的衍射效率f11为：
沿第一方向x的第1个且沿第二方向y的第2个子光栅121的衍射效率f12为：
沿第一方向x的第1个且沿第二方向y的第3个子光栅121的衍射效率f13为：
以此类推，沿第一方向x的第1个且沿第二方向y的第N个子光栅121的衍射效率f1N为：
同样的，沿第一方向x的第m个且沿第二方向y的第1个子光栅121的衍射效率fm1为：
沿第一方向x的第m个且沿第二方向y的第2个子光栅121的衍射效率fm2为：
沿第一方向x的第m个且沿第二方向y的第3个子光栅121的衍射效率fm3为：
以此类推，沿第一方向x的第m个且沿第二方向y的第N个子光栅121的衍射效率fmN为：
也即，沿第一方向的第m个且沿第二方向的第n个子光栅121的衍射效率fmn由以下公式确定：
其中，E为第二光能比。
在本实施例中，通过上述方式可确定各子光栅121的衍射效率。
在其中一些实施例中，请参阅图5，步骤S22包括：
步骤S221：采用各第一光能比中的最小光能比除以耦出次数，得到第二光能比。
具体的，在保证耦出体全息光栅12整体的耦出光能量均匀的前提下，整体的耦出光能量是由各子光栅121中耦出光能量最小的子光栅决定的，而耦出光能量最小(也即耦出光能比最小)的子光栅对应的第一光能比中最小的光能比，可以理解的是，第一光能比中最小的光能比是OM，则最小耦出光能比为该最小耦出光能比也即对应于图9中第M列的子光栅能够耦出的最大光能比。那么，第二光能比应小于或等于最小光能比Omin，例如，第二光能比可以为该最小光能比Omin，以保证后续耦出亮度的均匀性的同时实现耦出光能最大。
需要说明的是，上述所提到的光能比均指的是对应的光能量与耦入光能量的比值。
第三方面，本发明实施例提供一种如第一方面任意一项的耦出光栅12的制作方法，耦出光栅12为体全息光栅，请参阅图6和图7，该制作方法包括：
步骤S100：通过如第二方面任意一项的确定方法确定耦出光栅12的衍射效率；
步骤S200：获取非全反射曝光参数，并根据衍射效率和非全反射曝光参数，对感光材料2进行双光束干涉曝光，得到耦出光栅12。
在此，申请人将发明名称为“体全息光栅及其曝光参数确定方法、制作方法、系统”，申请号为202211660955.0的中国专利申请的全部内容通过引用方式并入本发明中。
非全反射曝光参数包括第一旋转角、第一折射角和第二折射角，其可以参照上述引用文件公开的曝光参数的确定方法确定得到。本发明中的第一旋转角、第一折射角和第二折射角与引用文件中的第一旋转角、第一折射角和第二折射角相同。本发明所述的获取非全反射曝光参数的流程具体可参照上述引用文件中的曝光参数的确定方法。关于上述具体曝光过程，可参照上述引用文件中的体全息光栅的制作方法。
请参阅图2和图7，感光材料2可以是银盐材料、光致聚合物、重铬酸盐明胶等材料，感光材料2包括多个呈阵列排布的曝光区域21，沿第一方向x上设有M个曝光区域21，沿第二方向y上设有N个曝光区域21。每一曝光区域21一一对应耦出光栅12上的一个子光栅121，即沿第一方向第m个且沿第二方向第n个曝光区域21对应于沿第一方向第m个且沿第二方向第n个子光栅121。曝光区域21的长度和宽度分别等于子光栅121的长度和宽度。应注意的是，在图7中的虚线实际并不可见。
在本实施例中，衍射效率的确定方法具有与如第一方面所述的衍射效率的确定方法相同的步骤与功能，在此不再赘述。且在本实施例中，通过利用非全反射曝光参数制作得到耦出光栅12，在制作过程中无需使用耦合棱镜曝光制作上述光栅，降低光路复杂程度和制作难度。
在其中一些实施例中，请参阅图8，根据衍射效率和非全反射曝光参数，对感光材料2进行双光束干涉曝光，包括：
步骤S210：获取衍射效率与曝光时间的映射关系。
该映射关系为衍射效率与曝光时间的一一对应关系，该映射关系可预先进行建立存储，本实施例通过改变曝光时间来控制各子光栅121的衍射效率，映射关系可以是衍射效率与曝光时间的对应表格，也可以是一条对应曲线。
步骤S220：根据衍射效率和映射关系，得到各子光栅121所需的曝光时间。
在得到各子光栅121的衍射效率后，可依据映射关系，得到子光栅121所需的曝光时间，即各曝光区域21所需的曝光时间。
步骤S230：根据曝光时间和非全反射曝光参数，对感光材料2中各子光栅121对应的曝光区域进行双光束干涉曝光。
最后，在得到各曝光区域21所需的曝光时间后，可按照非全反射曝光参数，对各曝光区域21进行双光束分区干涉曝光，制得耦出光栅12。
在本实施例中，通过控制曝光时间来控制各子光栅121所需的衍射效率，可保证制得的耦出光栅12耦出的能量一致性。
在其中一些实施例中，请参阅图9和图10，映射关系的建立方法，包括：
步骤S1：提供光栅阵列，光栅阵列包括多个待测体全息光栅210，其中，各待测体全息光栅210在制作时曝光时间不同、曝光光束强度相等；
步骤S2：测量各待测体全息光栅210的衍射效率；
步骤S3：基于各待测体全息光栅210的曝光时间和衍射效率，得到映射关系。
为了降低误差，在制作待测体全息光栅210时，可以采用前述的耦出体全息光栅对应的非全反射曝光参数制作得到，当然也可以采用常规的体全息光栅曝光方式制作得到。在对各待测体全息光栅210进行测量衍射效率时，可利用与记录波长相同的细激光束照射待测体全息光栅210，并获取该光束经待测体全息光栅210衍射前后的光功率，并依据衍射前后的光功率计算待测体全息光栅210的衍射效率。
在本实施例中，提供一种对映射关系进行建立的方式，从而可在未存储映射关系时获取映射关系。
在其中一些实施例中，请参阅图11，步骤S2包括：
步骤S201：提供一透明基底20，透明基底20具有相互平行的第一表面和第二表面，将各待测体全息光栅210贴设于第一表面，得到光栅阵列；
步骤S202：对于光栅阵列中的每个待测体全息光栅210，使测量光束Li n以初始光功率经待测体全息光栅210衍射进入透明基底20，并经第二表面全反射、经待测体全息光栅210衍射后从第二表面出射，并测量出射后的测量光束Lout的出射光功率；
步骤S203：根据初始光功率、各出射光功率和各出射光功率对应的衍射次数，得到各待测体全息光栅210的衍射效率。
透明基底20可以是树脂、玻璃等透明材料，透明基底20的材质和厚度需与波导基底10相同。
在进行测量时，可将光栅阵列固定于一二维移动平台，该二维移动平台可平移并带动光栅阵列平移，从而可对光栅阵列上的待测体全息光栅210一一进行测量。其中，测量光束Li n的初始光功率和出射光束Lout的出射光功率可以通过功率获取装置获取，如光功率计等功率测量装置。
传统方法中，计算待测体全息光栅210的衍射效率有以下两种方式，第一种是通过利用一级衍射光除以一级衍射光与零级直透光之和；第二种是利用一级衍射光除以总的入射光。第一种方法为相对衍射效率，不包含材料对光的吸收和散射。第二种方法中尽管包含了对材料的散射和吸收的考虑，但在对耦出光栅进行测量时，由于入射光为全反射条件下传输的光，其需要通过棱镜进行耦入为全反射光，而使用棱镜将导致光的吸收和散射均不可避免，导致测量难度较大且准确度较差。而在本实施例中，如图12所示，经待测体全息光栅210产生的衍射光经透明基底20全反射后、再次经待测体全息光栅210衍射耦出，出射光束Lout和测量光束Li n的零级直透光空间上分离，且出射光束Lout包含了对波导基底20的散射和吸收的考虑，并且该测量过程不需要使用耦合棱镜进行测量，降低了测试难度、提高测试准确度。
在其中一些实施例中，通过以下公式计算得到待测体全息光栅的衍射效率f：
f＝(Eout/Ei n)1/x；
其中，Ei n为初始光功率，Eout为出射光功率，x为出射光功率对应的衍射次数。如在图12中，由于考虑到在耦出体全息光栅处，通常光束经耦出体全息光栅一次衍射后出射，因此出射光束Lout经待测体全息光栅210的衍射次数设置为2，那么该待测体全息光栅210的衍射效率f为：
f＝(Eout/Ei n)1/2；
而实际应用中，衍射次数也可根据实际需要进行设置，在此不做限定。
第四方面，本发明实施例提供一种光波导，请参阅图1，该光波导包括波导基底10、以及如第三方面或第四方面任意一项的耦出光栅12。耦出光栅12设于波导基底10的耦出区域。在本实施例中，耦出光栅12具有与如第一方面任意一项所述的耦出光栅12相同的结构与功能，在此不再赘述。
在其中一些实施例中，请参阅图1，光波导还包括耦入光栅11和转折光栅13。耦入光栅11和转折光栅13贴设于波导基底10，耦入光栅11用于将目标光束耦入至波导基底10，转折光栅13用于接收耦入的目标光束、使目标光束扩瞳和转折，耦出光栅12用于接收转折后的目标光束、使目标光束由波导基底10耦出。
在该光波导中，目标光束经耦入光栅11耦入后，并经波导基底10沿第一方向x全反射传播至转折光栅13，接着经转折光栅13扩瞳并转折后，沿第二方向y全反射传播至耦出光栅12，最后经耦出光栅12由波导基底10耦出。其中，第一方向x为经耦入体全息光栅11耦入的目标光束的全反射传播方向，第二方向y为经转折光栅13转折后的目标光束的全反射传播方向，在图1所示的实施例中，第一方向x为水平向右方向，第二方向y为竖直向下方向。在该光波导中，耦出光栅12耦出光束时的亮度均匀性较好，可提高光波导的成像效果。
第五方面，本发明实施例提供一种显示设备，该显示设备包括如第四方面任意一项的光波导。在本实施例中，该显示设备具有与如第四方面任意一项实施例所述的光波导相同的结构与功能，在此不再赘述。该显示设备可以是AR设备、VR设备等设备，如AR设备包括近眼显示设备、抬头显示设备。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种耦出光栅，其特征在于，所述耦出光栅应用于具有转折光栅的光波导，所述转折光栅各处的衍射效率相等，所述耦出光栅包括多个呈阵列排布的子光栅，沿第一方向设有M个所述子光栅，沿第二方向设有N个所述子光栅；
沿所述第一方向，第m+1个所述子光栅的衍射效率大于第m个所述子光栅的衍射效率；沿所述第二方向，第n+1个所述子光栅的衍射效率大于第n个所述子光栅的衍射效率；
其中，M等于目标光束经所述转折光栅转折的转折次数，N等于每次转折后的所述目标光束经所述耦出光栅耦出的耦出次数，1≤m≤M，1≤n≤N，且m、n均为正整数。
2.根据权利要求1所述的耦出光栅，其特征在于，沿所述第一方向第m个且沿所述第二方向第n个的所述子光栅的衍射效率fmn由以下公式确定：
其中，ft为所述转折光栅的衍射效率，Om为所述目标光束第m次转折后到达所述耦出光栅的光能比，Oi为所述目标光束第i次转折后到达所述耦出光栅的光能比，E为所述目标光束经所述耦出光栅耦出的光能比。
3.根据权利要求2所述的耦出光栅，其特征在于，所述目标光束经所述耦出光栅耦出的光能比E为：
其中，OM为所述目标光束第M次转折后到达所述耦出光栅的光能比。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述的耦出光栅的衍射效率的确定方法，其特征在于，所述确定方法包括：
获取所述转折光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数；
根据所述转折光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数，确定各所述子光栅的衍射效率。
5.根据权利要求4所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述转折光栅的衍射效率、所述转折次数和所述耦出次数，确定各所述子光栅的衍射效率，包括：
根据所述转折光栅的衍射效率和所述转折次数，确定每次转折后的所述目标光束到达所述耦出光栅的第一光能比；
根据各所述第一光能比和所述耦出次数，确定所述目标光束经所述耦出光栅耦出的第二光能比；
根据各所述第一光能比、所述第二光能比和所述耦出次数，确定各所述子光栅的衍射效率。
6.根据权利要求5所述的确定方法，其特征在于，所述根据各所述第一光能比和所述耦出次数，确定所述目标光束经所述耦出光栅耦出的第二光能比，包括：
采用各所述第一光能比中的最小光能比除以所述耦出次数，得到所述第二光能比。
7.一种如权利要求1-3任意一项所述的耦出光栅的制作方法，其特征在于，所述耦出光栅为体全息光栅，所述制作方法包括：
通过如权利要求4-6任意一项所述的确定方法确定所述耦出光栅的衍射效率；
获取非全反射曝光参数，并根据所述衍射效率和所述非全反射曝光参数，对感光材料进行双光束干涉曝光，得到所述耦出光栅。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述根据所述衍射效率和所述非全反射曝光参数，对感光材料进行双光束干涉曝光，包括：
获取衍射效率与曝光时间的映射关系；
根据所述衍射效率和所述映射关系，得到各所述子光栅所需的曝光时间；
根据所述曝光时间和所述非全反射曝光参数，对感光材料中各所述子光栅对应的曝光区域进行双光束干涉曝光。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述映射关系的建立方法，包括：
提供光栅阵列，所述光栅阵列包括多个待测体全息光栅，其中，各所述待测体全息光栅在制作时曝光时间不同、曝光光束强度相等；
测量各所述待测体全息光栅的衍射效率；
基于各所述待测体全息光栅的曝光时间和衍射效率，得到所述映射关系。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述测量各所述待测体全息光栅的衍射效率，包括：
提供一透明基底，所述透明基底具有相互平行的第一表面和第二表面，将各所述待测体全息光栅贴设于所述第一表面，得到所述光栅阵列；
对于所述光栅阵列中的每个所述待测体全息光栅，使测量光束以初始光功率经所述待测体全息光栅衍射进入所述透明基底，并经所述第二表面全反射、经所述待测体全息光栅衍射后从所述第二表面出射，并测量出射后的所述测量光束的出射光功率；
根据所述初始光功率、各所述出射光功率和各所述出射光功率对应的衍射次数，得到各所述待测体全息光栅的衍射效率。
11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述待测体全息光栅的衍射效率f：
f＝(Eout/Ein)1/x；
其中，Ein为所述初始光功率，Eout为所述出射光功率，x为所述出射光功率对应的衍射次数。
12.一种光波导，其特征在于，包括波导基底、以及如权利要求1-3任意一项所述的耦出光栅；
所述耦出光栅设于所述波导基底的耦出区域。
13.根据权利要求12所述的光波导，其特征在于，所述光波导还包括耦入光栅和转折光栅；
所述耦入光栅和所述转折光栅贴设于所述波导基底，所述耦入光栅用于将目标光束耦入至所述波导基底，所述转折光栅用于接收耦入的所述目标光束、使所述目标光束扩瞳和转折，所述耦出光栅用于接收转折后的所述目标光束、使所述目标光束由所述波导基底耦出。
14.一种显示设备，其特征在于，包括如权利要求12或13所述的光波导。
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