CN117406458A - 光波导装置和显示设备 - Google Patents

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Abstract

一种光波导装置和显示设备。光波导装置包括波导基板、耦入光栅、耦出光栅和反射光栅。波导基板具有耦出区域以及相反的第一表面和第二表面，二者分别设有耦入区域和反射区域。耦入光栅设于耦入区域，以将具有预定视场角范围内的输入光衍射形成正一级衍射光和零级衍射光并耦合入波导基板中，零级衍射光首次投于第二表面的光斑具有第一轮廓。耦出光栅设于耦出区域，将传播到耦出光栅中的光耦合出。反射光栅设于反射区域，使部分零级衍射光通过衍射形成正一级反射光并在波导基板内通过全反射传播至耦出光栅，第一轮廓至少部分位于反射区域，反射区域在第一表面的投影与耦入区域部分重合，并且重合部分的面积占据耦入区域面积的比率小于或等于40%。

Description

光波导装置和显示设备
技术领域
本申请总的涉及光学技术领域，更具体地涉及一种光波导装置和显示设备。
背景技术
光波导装置具有轻薄、易复制，加工良率高等优点，相对于阵列光波导的加工良率低和全息波导的量产困难，表面浮雕的光波导装置是比较理想的消费电子波导眼镜解决方案。光波导装置中，不管是一维转折式扩瞳光波导装置、蝴蝶式扩瞳光波导装置、二维扩瞳光波导装置，耦入光栅作为将整个发光装置引入波导的源，其耦入效率对于整个波导的整体效率起到至关重要的作用。
但是由于需要适配发光装置口径等原因，耦入区域的尺寸一般也较大，又由于目前普遍又有轻薄的需求，镜片厚度较薄，耦入+1级会多次打到耦入光栅上和耦入光栅另一面的基底上，由于密集视场的反射次数多，其耦入效率通常会低于稀疏视场。并且，在透射式耦入光栅的另一面，耦入零级和耦入+1级之间会呈现出分开的区域，这部分耦入零级光线也属于密集视场的一部分，但零级光线会沿远离耦出光栅的方向传播，能量出现了大量浪费。综合起来，出现密集视场偏暗的可能性很高。
因此，有必要对光波导装置和显示设备进行改进，以解决至少一个技术问题。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一个而提出了本申请。具体地，本申请的第一方面提供一种光波导装置，所述光波导装置包括：
波导基板，所述波导基板具有相反的第一表面和第二表面，所述第一表面具有耦入区域，所述第二表面具有反射区域，所述波导基板还具有耦出区域；
耦入光栅，所述耦入光栅设置于所述波导基板的所述第一表面的所述耦入区域，所述耦入光栅用于接收具有预定视场角范围内的输入光并将所述输入光的至少一部分衍射形成正一级衍射光和零级衍射光并将光线耦合入所述波导基板中，以使得光线能够通过全反射在所述波导基板内传播，其中所述零级衍射光首次投射于所述第二表面的光斑具有第一轮廓，所述第一轮廓至少部分位于所述反射区域；
耦出光栅，所述耦出光栅设置于所述波导基板的所述耦出区域，所述耦出光栅用于将传播到所述耦出光栅中的光的至少一部分通过衍射耦合出所述波导基板；
反射光栅，所述反射光栅设置于所述第二表面的所述反射区域，所述反射光栅用于使得部分所述零级衍射光通过衍射形成正一级反射光，并使得所述正一级反射光在所述波导基板内通过全反射传播至所述耦出光栅；
其中，所述反射区域在所述第一表面的投影与所述耦入区域至少部分重合，并且重合部分的面积占据所述耦入区域面积的比率小于或等于40%。
根据本申请的光波导装置，利用反射光栅将零级衍射光的能量进行了利用，提高了密集视场的耦入效率，进而提高了密集视场的耦出亮度，改善了整体视场的均匀性。
可选地，可选地，所述重合部分占据所述耦入区域面积的比率小于或等于20%。
所述正一级反射光在所述第一表面和/或所述第二表面的入射角与所述正一级衍射光在所述第一表面和/或所述第二表面的入射角相等。
可选地，所述反射光栅在所述第一表面的投影位于所述耦入区域的范围内。
可选地，所述反射光栅包括第一部分和第二部分，所述第一部分在所述第一表面的投影位于所述耦入区域的范围内，所述第二部分在所述第一表面的投影位于所述耦入区域的范围之外，并且所述第二部分沿第一方向的长度小于或等于所述第一部分沿所述第一方向的长度的2倍。
可选地，所述正一级衍射光首次投射于所述第二表面的光斑具有第二轮廓，所述第二轮廓位于所述反射区域内的面积小于或等于所述第二轮廓面积的20%。
可选地，所述第二轮廓位于所述反射区域之外。
可选地，所述第一轮廓与所述第二轮廓部分交叠以使得所述第一轮廓包括非交叠区域和交叠区域，其中所述非交叠区域位于所述反射区域内。
可选地，所述第一轮廓和所述第二轮廓是直径为D的圆形或者是短轴为D的椭圆形，所述波导基板的厚度为L；
其中，当0.5mm<L≤0.75mm时，所述交叠区域的面积相对于所述第一轮廓和/或所述第二轮廓的面积的占比小于或等于80%。
可选地，所述第二轮廓的几何中心到所述反射光栅与所述几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.8。
可选地，当0.75mm<L≤1.0mm时，所述交叠区域的面积相对于所述第一轮廓和/或所述第二轮廓面积的占比小于75%。
可选地，所述第二轮廓的几何中心到所述反射光栅与所述几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.72。
可选地，当1.0mm<L≤1.5mm时，所述交叠区域的面积相对于所述第一轮廓和/或所述第二轮廓面积的占比小于70%。
可选地，所述第二轮廓的几何中心到所述反射光栅与所述几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.65。
可选地，当1.5mm<L≤2.0mm时，所述交叠区域的面积相对于所述第一轮廓和/或所述第二轮廓面积的占比小于65%。
可选地，所述第二轮廓的几何中心到所述反射光栅与所述几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.5。
可选地，所述波导基板具有第一折射率n1，所述耦入光栅具有第二折射率n2，其中0≤n2-n1≤0.4。
可选地，0≤n2-n1≤0.2。
可选地，所述耦入区域的面积小于或等于144mm2；并且/或者
所述耦入区域的形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形。
可选地，所述耦入区域的面积小于或等于64mm2。
可选地，所述耦入光栅与所述反射光栅的周期相同；并且/或者
所述耦入光栅与所述反射光栅的占空比不同。
可选地，所述反射光栅对所述正一级衍射光的耦合效率大于所述耦入光栅对所述输入光的耦合效率。
本申请的第二方面提供一种显示设备，所述显示设备包括：
上述第一方面所述的光波导装置；以及
发光装置，所述发光装置用于向所述光波导装置的耦入光栅发出具有预定视场角范围内的输入光。
可选地，所述预定视场角范围内沿第一方向的值为V，所述预定视场角范围内沿第二方向的值为H，所述第二方向与所述第一方向正交，所述第一方向与所述第二方向相交形成的平面与所述第一表面大致平行；
所述发光装置的光轴与所述第一方向的夹角为α，所述发光装置的光轴与所述第二方向水平方向夹角为β；
沿所述第一方向的采样间隔为h，沿所述第二方向的采样间隔为v，采样点数为c，H=c×h，V=c×v；
其中，所述输入光投射在所述第一表面的光斑的沿所述第一方向的边缘顶点处的光线与所述第一表面的夹角为k1×h+α，其中0＜k1＜c；
所述输入光投射在所述第一表面的光斑的沿所述第二方向的边缘顶点处的光线与所述第一表面的夹角为k2×v+β，其中0＜k2＜c；
并且通过调节k1与k2的值能够调整光斑的形状。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请的一种优选实施方式的光波导装置的侧视示意图；
图2示出了第一轮廓与第二轮廓交叠的示意图；
图3A和图3B分别示出了反射光栅在第一表面的投影与耦入光栅重合比例为100%时的正一级衍射光和零级衍射光的路径示意图；
图4A和图4B分别示出了反射光栅在第一表面的投影与耦入光栅重合比例为60%时的正一级衍射光和零级衍射光的路径示意图；
图5A和图5B分别示出了反射光栅在第一表面的投影与耦入光栅重合比例为40%时的正一级衍射光和零级衍射光的路径示意图；
图6A和图6B分别示出了反射光栅在第一表面的投影与耦入光栅重合比例为20%时的正一级衍射光和零级衍射光的路径示意图；
图7A和图7B分别示出了反射光栅超出耦入光栅覆盖范围的示意图；
图8A、图8B和图8C示出了反射区域不同形状的示意图；
图9示出了根据本申请的一种优选实施方式的显示设备的示意图；
图10A示出了发光装置的光轴与第一方向的夹角；
图10B示出了发光装置的光轴与第二方向的夹角；以及
图11A、图11B、图11C和图11D示出了发光装置不同偏转角度时输入光到达耦入光栅的示意图。
附图标记说明：
10：显示设备 20：发光装置 AX：光轴
30：镜片 40：框架 100：光波导装置
110：波导基板 111：第一表面 112：第二表面
120：耦入光栅 130：耦出光栅 140：反射光栅
141：主体部分 142：延伸部分 P1：第一轮廓
P2：第二轮廓 S1：交叠区域 S2：非交叠区域
L：输入光 L0：零级衍射光 L1：正一级衍射光
D1：第一方向 D2：第二方向 L3：正一级反射光
141：第一部分 142：第二部分
具体实施方式
为了使得本申请的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本申请的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。基于本申请中描述的本申请实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本申请的保护范围之内。
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。
应当理解的是，本申请能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本申请的范围完全地传递给本领域技术人员。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述／该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和／或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和／或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和／或组的存在或添加。在此使用时，术语“和／或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本申请提出的技术方案。本申请的可选实施例详细描述如下，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。
为了解决前述的技术问题，本申请的第一方面提供了一种光波导装置100，其波导基板110、耦入光栅120、耦出光栅130和反射光栅140。
波导基板110具有相反的第一表面111和第二表面112，第一表面111具有耦入区域，第二表面112具有反射区域，波导基板110还具有耦出区域。耦入光栅120设置于波导基板110的第一表面111的耦入区域，耦入光栅120用于接收具有预定视场角范围内的输入光L并将输入光L的至少一部分衍射形成正一级衍射光L1和零级衍射光L0并将光线耦合入波导基板110中，以使得光线能够通过全反射在波导基板110内传播，其中零级衍射光L0首次投射于第二表面112的光斑具有第一轮廓P1，第一轮廓P1至少部分位于反射区域。耦出光栅130设置于波导基板110的耦出区域，耦出光栅130用于将传播到耦出光栅130中的光的至少一部分通过衍射耦合出波导基板110。反射光栅140设置于第二表面112的反射区域，反射光栅140用于使得部分零级衍射光L0通过衍射形成正一级反射光L3并使得正一级反射光L3在波导基板110内通过全反射传播至耦出光栅130。
其中，反射区域在第一表面111的投影与耦入区域至少部分重合，并且重合部分的面积占据耦入区域面积的比率小于或等于40%。
根据本申请的光波导装置，利用反射光栅将零级衍射光的能量进行了利用，提高了密集视场的耦入效率，进而提高了密集视场的耦出亮度，改善了整体视场的均匀性。
下面将参考附图1至图8C对本申请的光波导装置100进行描述，在不冲突的前提下，本申请的各个实施例的特征可以相互结合。
本申请提供一种光波导装置100。该光波导装置100包括波导基板110，波导基板110的形状可以是任意适合的形状，例如其可以为矩形、哑铃型或蝶形等。该波导基板110可以是由玻璃、光学塑料或者或其它光学透射材料制成的。波导基板110可以具有基本平坦的第一表面111和第二表面112，其中第一表面111和第二表面112相背。第一表面111可以是指的具有该波导基板110的显示设备10朝向观察者眼睛一侧的表面。波导基板110可以通过全内反射在与第一表面111和第二表面112大体平行的方向中传播光。
本申请的光波导装置100还包括耦入光栅120和耦出光栅130。波导基板110具有耦入区域和耦出区域。耦入光栅120设置在波导基板110之上或之中并位于耦入区域，其配置为将输入光L的至少一部分衍射形成正一级衍射光L1和零级衍射光L0并将光线耦合入波导基板110中以使之在波导基板110内传播。
耦出光栅130设置在波导基板110之上或之中，且耦出光栅130位于耦出区域。耦出光栅130用于使传播到其中的光的至少一部分通过衍射耦合出波导基板110，从而使得观看者的眼睛可以接收到耦合出的光。
耦入光栅120可以是一维光栅，例如直线型光栅（也可以称为直齿光栅），或者也可以是斜齿光栅、非闪耀光栅等其他适合类型的光栅，或耦入光栅120也可以为超表面耦入结构，在一些示例中，耦入光栅120为一维光栅、二维光栅、或者，由光栅矢量不同的两个光栅拼接而成。耦入光栅120可以是包括周期性结构的光学元件，其可以通过任意适合的微制造工艺制造获得，例如，可以通过光刻技术在波导基板110的表面或其内部制作光栅，或者还可以通过纳米压印的方式在波导基板110上制作获得光栅，从而形成表面浮雕衍射光栅。
耦出光栅130可以通过任意适合的微制造工艺制造获得，例如，可以通过光刻技术在波导基板110的表面或中制作光栅，或者还可以通过纳米压印的方式在波导基板110上制作获得光栅，从而形成表面浮雕衍射光栅。值得一提的是，本申请所示意的各种光栅的形状为其在与光波导的表面（也即是指设置有耦出光栅130或耦入光栅120的表面）平行的顶面的形状，其可以是以与光波导的表面大体平行的面所截的截面形状，或者可以是在与光波导的表面平行的面上的投影形状。
当进入耦入光栅120的光例如为投影仪投射的图像光时，则自耦出光栅130耦合出的光为至少一部分的图像光，经耦出光栅130将该部分图像光引导至观看者的眼睛，从而使得观看者的眼睛能够看到投影仪投射的图像。其中，耦出光栅130起到扩瞳作用，耦出光栅130在接收到来自耦入光栅120的较细的入射光束之后，通过在平面内的两个方向上不断衍射扩展光束并同时部分地将光从波导基板110中耦出，实现在平面内扩展光瞳的作用，使得观察者能够在较大的视窗内观察到入射光束所携带的显示信息。
耦入光栅120和耦出光栅130可以位于波导基板110的同一侧，例如均设置在波导基板110的第一表面111，也可以位于不同的侧，即分别位于第一表面111和第二表面112。作为一优选实施方式，耦入区域位于第一表面111，耦出区域也位于第一表面111。由此，位于眼睛一侧的发光装置20向耦入区域投射输入光L，经衍射后从耦出区域射向眼睛。
在本申请中，参考图2，第二表面112还具有反射区域，其中，零级衍射光L0首次投射于第二表面112的光斑具有第一轮廓P1，第一轮廓P1至少部分位于反射区域。正一级衍射光L1首次投射于第二表面112的光斑具有第二轮廓P2。
并且，该反射区域设置有反射光栅140，反射光栅140用于使得零级衍射光L0通过衍射形成正一级反射光L3并使得正一级反射光L3在波导基板110内通过全反射传播至耦出光栅130。优选地，该正一级反射光L3与正一级衍射光L1的角度相同。换言之，该正一级反射光L3在第一表面111和/或第二表面112的入射角与正一级衍射光L1在第一表面111和/或第二表面112的入射角相等。更具体地说，零级衍射光L0打到反射光栅140后，反射光栅140将该零级衍射光L0衍射形成背向反射光栅140传播的若干分光（反射形式），其中包括负一级反射光和正一级反射光L3，其中正一级反射光L3沿从耦入光栅120到耦出光栅130的方向传播，且其满足在第一表面111和第二表面112之间的全反射条件，从而其能够传播至耦出光珊130被利用。而负一级反射光沿从耦出光栅130到耦入光栅120的方向传播，其无法传播到耦出光珊130，即便其也满足全反射条件，也无法利用。其中，从耦出光栅130到耦入光栅120的方向以及从耦入光栅120到耦出光栅130的方向互为相反的方向，二者可合并称为第一方向D1。
反射光栅140可以是一维光栅，例如直线型光栅（也可以称为直齿光栅），或者也可以是斜齿光栅、非闪耀光栅等。其可以通过任意适合的微制造工艺制造获得，例如，可以通过光刻技术在波导基板110的表面或中制作光栅，或者还可以通过纳米压印的方式在波导基板110上制作获得光栅，从而形成表面浮雕衍射光栅。或者，反射光栅140也可以单独制作后贴附至波导基板110的表面。
其中，反射区域在第一表面111的投影与耦入区域至少部分重合，并且重合部分的面积占据耦入区域面积的比率小于或等于40%。作为一种实现形式，第二轮廓P2位于反射区域内的面积小于或等于第二轮廓P2面积的20%。
换言之，第二轮廓P2位于反射区域内的面积小于或等于第二轮廓P2面积的20%时，需要重合部分的面积占据耦入区域面积的比率小于或等于40%。
当输入光L投射到耦入光栅120后，衍射形成的正一级衍射光L1在第二表面112全反射后投射至第一表面111，之后在第一表面111和第二表面112之间向耦出光栅130全反射传播，进而从耦出光栅130耦出。而耦入光栅120将输入光L衍射形成的零级衍射光L0投射到反射光栅140，利用反射光栅140进行衍射形成正一级反射光L3，之后正一级反射光L3以反射的形式投射到第一表面111，之后在第一表面111和第二表面112之间向耦出光栅130全反射传播，再从耦出光栅130耦出。由此，将原本会从第二表面112出射的零级衍射光L0再次利用，提高了密集视场的耦出效率，提高了整体的均匀性。
作为一种优选实施方式，第二轮廓P2位于反射区域之外。由此，使得原本的正一级衍射光L1的能量不会被反射光栅140影响，具有最高的耦出效率。作为一种实现形式，重合部分的面积占据耦入区域面积的比率小于或等于20%。
换言之，当第二轮廓P2位于反射区域之外时，需要重合部分的面积占据耦入区域面积的比率小于或等于20%。
表1
反射光栅在第一表面的投影与耦入光栅重合比例 耦入效率 密集视场效率
实施例1 40% 34.1% 21.7%
实施例2 30% 34.9% 22.6%
实施例3 20% 35.4% 23.9%
对比例1 50% 31.3% 19.2%
对比例2 无反射光栅 34.5% 20.3%
表1中示出了反射光栅140在第一表面111的投影与耦入光栅120重合比例对耦出效率的改变。其中，相对于不设置反射光栅140的对比例2，设置有反射光栅140的对比例1因反射光栅140在第一表面的投影与耦入光栅120的重合比例过大，导致耦入效率和密集视场耦出效率反而均有下降。而实施例1的反射光栅140在第一表面的投影与耦入光栅120的重合比例40%，其耦入效率相对于对比例2虽略有下降，但密集视场耦出效率则相对于对比例2有较大的提升，已具有实施价值。随着反射光栅140在第一表面的投影与耦入光栅120的重合比例逐渐降低至20%，耦入效率和密集视场耦出效率则均出现了明显上升。
表2
第二轮廓与反射光栅的重叠面积比例 耦入效率 密集视场效率
实施例1 20% 34.1% 21.9%
实施例2 10% 35.4% 23.1%
实施例3 0（第二轮廓位于反射区域之外） 35.8% 24.3%
对比例1 30% 32.4% 17.8%
对比例2 无反射光栅 34.5% 20.3%
表2中示出了第二轮廓P2与反射光栅140不同重叠面积对耦出效率的改变。其中，相对于不设置反射光栅140的对比例2，设置有反射光栅140的对比例1因第二轮廓P2与反射光栅140的重叠面积比例过大，导致耦入效率和密集视场耦出效率反而均有下降。而实施例1的第二轮廓P2与反射光栅140的重叠面积比例为20%，其耦入效率相对于对比例2虽略有下降，但密集视场耦出效率则相对于对比例2有较大的提升，已具有实施价值。随着第二轮廓P2与反射光栅140的重叠面积比例逐渐降低至0，耦入效率和密集视场耦出效率则均出现了明显上升。
显而易见地是，第二轮廓P2与反射光栅140不重叠为优选方案。反射光栅140在第一表面的投影与耦入光栅120的重合比例不超过20%为优选方案。同时满足第二轮廓P2与反射光栅140不重叠以及反射光栅140在第一表面的投影与耦入光栅120的重合比例不超过20%则为最佳方案，可以同时有效提升耦入效率密集视场的耦出效率，在不损失效率的前提下达到全局良好非均匀性的目的。
为了进一步解释反射光栅140在第一表面111的投影与耦入光栅重合比例对密集视场的耦出效率的影响，参考图3A到图6B。
其中，图3A和图3B分别示出了反射光栅140在第一表面111的投影与耦入光栅重合比例为100%时的正一级衍射光L1和零级衍射光L0的路径示意图。从图中可以看出，反射光栅140与耦入光栅120完全对应的情形下，正一级衍射光L1会大量投射到反射光栅140，导致正一级衍射光L1的能量有极大的损失，而反射光栅140对零级衍射光L0的回收利用增益无法弥补正一级衍射光L1的能量损失，属于不可选的方案。
图4A和图4B分别示出了反射光栅140在第一表面111的投影与耦入光栅重合比例为60%时的正一级衍射光L1和零级衍射光L0的路径示意图。与上述类似的，同样有很大部分的正一级衍射光L1会投射到反射光栅140，反射光栅140对零级衍射光L0的回收利用增益依然无法弥补正一级衍射光L1的能量损失。因此该方案也属于不可选方案。
图5A和图5B分别示出了反射光栅140在第一表面111的投影与耦入光栅重合比例为40%时的正一级衍射光L1和零级衍射光L0的路径示意图。在重合比例为40%的情形下，正一级衍射光L1会投射到反射光栅140的比例较少，而反射光栅140对零级衍射光L0的回收利用增益能够弥补正一级衍射光L1的能量损失。因此虽然损失了一部分正一级衍射光L1的能量，这种方案依然会对密集视场的耦出效率存在提升。
图6A和图6B分别示出了反射光栅140在第一表面111的投影与耦入光栅重合比例为20%时的正一级衍射光L1和零级衍射光L0的路径示意图。这种情形下，正一级衍射光L1的第二轮廓完全位于反射区域之外，换言之正一级衍射光L1完全不会投射到反射光栅140，反射光栅140对零级衍射光L0的回收利用可以全部叠加到对密集视场的耦出效率的提升，属于最优选方案。
下面请参考图2，第一轮廓P1与第二轮廓P2部分交叠以使得第一轮廓P1包括非交叠区域S2和交叠区域S1，其中非交叠区域S2位于反射区域内。为了尽量多的利用零级衍射光L0的能量，交叠区域S1的面积相对于第一轮廓P1面积的占比需要满足合适的范围。
作为一种可选实施方式，交叠区域S1的面积相对于第一轮廓P1面积的占比小于或等于80%，交叠区域S1的面积相对于第二轮廓P2面积的占比小于或等于80%。在上述范围内，交叠区域S1的面积相对于第一轮廓P1和/或第二轮廓P2面积的占比越小则更有利于利用零级衍射光L0的能量。
然而实际上，上述的占比的最大可用范围与波导基板110的厚度L具有相关性。其中波导基板110的厚度L可以是指的波导基板110在与第一表面111和第二表面112大体垂直的方向上的尺寸。
更具体地，正一级衍射光L1的光斑以及零级衍射光L0的光斑一般为圆形或者近似圆形的椭圆。换言之，第一轮廓P1和第二轮廓P2是直径为D的圆形或者是短轴为D的椭圆形。
其中，当0.5mm<L≤0.75mm时，交叠区域S2的面积相对于第一轮廓P1和/或第二轮廓P2的面积的占比优选小于或等于80%。并且，第二轮廓P2的几何中心到反射光栅140与几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.8。
当0.75mm<L≤1.0mm时，交叠区域S2的面积相对于第一轮廓P1和/或第二轮廓P2面积的占比小于75%。并且，第二轮廓P2的几何中心到反射光栅140与几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.72。
当1.0mm<L≤1.5mm时，交叠区域S2的面积相对于第一轮廓P1和/或第二轮廓P2面积的占比优选小于70%。并且，第二轮廓P2的几何中心到反射光栅140与几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.65。
当1.5mm<L≤2.0mm时，交叠区域S2的面积相对于第一轮廓P1和/或第二轮廓P2面积的占比优选小于65%。并且，第二轮廓P2的几何中心到反射光栅140与几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.5。
此外，波导基板110具有第一折射率n1，耦入光栅120具有第二折射率n2，其中0≤n2-n1≤0.4。优选地，0≤n2-n1≤0.2。耦入光栅120的折射率高且波导基板110的折射率低的配合方案，可以使得第一轮廓P1与第二轮廓P2能够分的更开，换言之使得交叠区域S1的面积占比减小，进而使得第一轮廓P1位于反射区域内的面积占比更大，有利于更好的利用零级衍射光L0的能量。
耦入区域的形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形。耦入区域的面积小于或等于144mm2。示例性地，当耦入区域的形状为正方形时，耦入区域的边长小于或等于12mm，其面积小于或等于144mm2。当耦入区域的形状为圆形时，其半径小于或等于6mm，其面积小于或等于115mm2。
优选地，耦入区域的面积小于或等于64mm2。示例性地，当耦入区域的形状为正方形时，耦入区域的边长小于或等于8mm，其面积小于或等于64mm2。当耦入区域的形状为圆形时，其半径小于或等于4mm，其面积小于或等于51mm2。减小耦入光栅120的面积，可以减少密集视场光线反射到耦入光栅120的次数，减小能量损失。
作为一种可选实施方式，耦入光栅120与反射光栅140的周期相同。耦入光栅120与反射光栅140的占空比不同。
在本申请中，耦入光栅120需要兼顾正一级衍射光L1的能量和反射效率，而反射光栅140只需在意零级衍射光L0的能量。因而，反射光栅140对正一级衍射光L1的耦合效率大于耦入光栅120对输入光L的耦合效率。
反射光栅140或反射区域的形状可以是圆形、矩形（图8A所示）等。为了进一步扩大反射光栅140能够接触到零级衍射光L0的面积，反射光栅140或反射区域的形状还可以是图8B所示的蝴蝶形或图8C所示的月牙形等。其中图8B所示的蝴蝶形反射光栅140和图8C所示的月牙形反射光栅140除了具有位于中部与第一轮廓P1的大部分重叠的主体部分141外，还具有位于主体部分141沿第一方向D1两侧的延伸部分142。
值得一提的是，反射区域在第一表面111的投影可以全部位于耦入区域的范围内，即反射光栅140在波导基板110的厚度方向上被耦入光栅120完全覆盖。然而反射区域在第一表面111的投影也可以部分位于耦入区域的范围外，换言之反射光栅140在波导基板110的厚度方向上并没有被耦入光栅120完全覆盖，如图7A和图7B所示的反射光栅140在第一方向D1上延伸超出了耦入光栅120的覆盖范围。具体而言，反射光栅140包括第一部分141和第二部分142，其中第一部分141在第一表面111的投影位于耦入区域的范围内，第二部分142在第一表面111的投影位于耦入区域的范围之外。
可选地，反射光栅140在第二方向D2上也可以延伸超出耦入光栅120的覆盖范围。其中，第一方向D1与第二方向D2相交形成的平面与第一表面111大致平行，第二方向D2与第一方向D1正交。如上所述的，第一方向D1是从耦入光栅120到耦出光栅130的方向以及从耦出光栅130到耦入光栅120的方向的统称。为了便于叙述，可以将从耦入光栅120到耦出光栅130的方向称为正方向，将从耦出光栅130到耦入光栅120的方向称为反方向。
更具体地，反射光栅140在第一方向D1上延伸超出耦入光栅120的覆盖范围指的是，反射光栅140沿从耦出光栅130到耦入光栅120的方向（即反方向）延伸超出耦入光栅120的覆盖范围。
优选地，反射光栅140在反方向上延伸超出耦入光栅120的覆盖范围部分的尺寸不超过反射光栅140本身尺寸的2倍，或者说第二部分142沿第一方向D1的尺寸小于或等于反射光栅140沿第一方向D1尺寸的2倍。
进一步优选地，反射光栅140在反方向上延伸超出耦入光栅120的覆盖范围部分的尺寸不超过反射光栅140本身尺寸的1倍，或者说第二部分142沿第一方向D1的尺寸小于或等于反射光栅140沿第一方向D1尺寸。
这种反射光栅140在从耦出光栅130到耦入光栅120的方向上延伸超出耦入光栅120的覆盖范围对生产加工存在帮助，因此对提高成品率、提高生产效率具有有益效果。并且，反射光栅140在从耦出光栅130到耦入光栅120的方向上延伸超出耦入光栅120的覆盖范围还有助于收集各种视场角的入射光经耦入光栅120衍射形成的零级衍射光L0并通过衍射形成正一级反射光L3，实现零级衍射光L0的最大化利用。
本申请的第二方面请提供了一种显示设备10，该显示设备10包括前述的光波导装置100和发光装置20。该发光装置20可以将输入光L向光波导装置100投射，例如向光波导装置100的耦入光栅120所在区域进行投射预定视场角范围内的输入光L。
显示设备10可以为增强现实显示设备10或虚拟现实显示设备10。其中，增强现实显示设备10包括但不限于增强现实（Augmented Reality，AR）眼镜、车载抬头显示（Head UpDisplay，HUD）等设备。
作为一示例，参考图9，显示设备10可以为近眼显示设备10，其可以包括镜片30和用于将镜片30保持为靠近眼睛的框架40。其中框架40可以设置上述的发光装置20，镜片30可以包括光波导装置100。
发光装置20可以为激光束扫描仪（Laser Beam Scanning，LBS）、数字光处理（Digital Light Procession，DLP）、数字微镜器件（Digital Micromirror Device，DMD）、硅基液晶（Liquid Crystal On Silicon，LCOS）、微机电系统（Micro Electro MechanicalSystem，MEMS）、有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）、MicroLED发光装置等微型显示器，该发光装置20出射的光线为可见光。
作为一种可选实施方式，显示设备10还可以包括驱动装置，驱动装置用于驱动发光装置20将输入光L向光波导装置100的耦入光栅120投射，其中驱动装置可以包括驱动电路，驱动电路可以包括MOS管、电容、电阻或者其他适合的元器件，显示设备10还可以包括控制器，控制器可以电连接驱动电路，经由控制器控制驱动装置驱动发光装置20将输入光L向光波导装置100的耦入光栅120投射。
作为一种实现形式，发光装置20投射的输入光L的预定视场角范围内沿第一方向D1的值为V，预定视场角范围内沿第二方向D2的值为H。可选地，当显示设备10佩戴在眼部时，第一方向D1可以是水平方向，第二方向D2可以是竖直方向。
发光装置20的光轴AX与第一方向D1的夹角为α，可以参考图10A。发光装置20的光轴AX与第二方向D2水平方向夹角为β，可以参考图10B。例如图11A、图11B、图11C和图11D示出了发光装置20光轴AX的偏转角度对输入光L的光斑的位置影响。其中，外圈代表耦入光栅120，内圈代表输入光L的光束。图中耦入光栅120与输入光L的光斑以圆形为示例，在实际应用中可以是略微倾向于椭圆的形状。
图11A中发光装置20的光轴AX垂直于耦入光栅120，即α和β均为0，此时输入光L的光斑位于耦入光栅120的中央，换言之发光装置20正入射耦入光栅120。
图11B中发光装置20的光轴AX与耦入光栅120具有夹角，具体而言α为0且β不为0，此时输入光L的光斑相对于耦入光栅120的中央沿竖向略微偏移，换言之发光装置20向上或向下入射耦入光栅120。
图11C中发光装置20的光轴AX与耦入光栅120具有夹角，具体而言α不为0且β为0，此时输入光L的光斑相对于耦入光栅120的中央沿水平方向略微偏移，换言之发光装置20向左或向右入射耦入光栅120。
图11D中发光装置20的光轴AX与耦入光栅120具有夹角，具体而言α和β均不为0，此时输入光L的光斑相对于耦入光栅120的中央略微倾斜，换言之发光装置20倾斜入射耦入光栅120。
沿第一方向D1的采样间隔为h，沿第二方向D2的采样间隔为v，采样点数为c，H=c×h，V=c×v。
输入光L投射在第一表面111的光斑的沿第一方向D1的边缘顶点处的光线与第一表面111的夹角为k1×h+α，其中0＜k1＜c。输入光L投射在第一表面111的光斑的沿第二方向D2的边缘顶点处的光线与第一表面111的夹角为k2×v+β，其中0＜k2＜c。
通过调节k1与k2的值能够调整光斑的形状，例如可以将光斑调节成矩形、圆形、椭圆形等。
输入光L的波长为λ，耦入光栅120的周期为d。
其中，正一级衍射光L1的衍射角在球面坐标系中表示为：
零级衍射光L0的衍射角在球面坐标系中表示为：
利用上述公式，能够将反射光栅140的区域，或者说反射区域限定到合适的范围。
应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (25)

1.一种光波导装置，其特征在于，所述光波导装置包括：
波导基板，所述波导基板具有相反的第一表面和第二表面，所述第一表面具有耦入区域，所述第二表面具有反射区域，所述波导基板还具有耦出区域；
耦入光栅，所述耦入光栅设置于所述波导基板的所述第一表面的所述耦入区域，所述耦入光栅用于接收具有预定视场角范围内的输入光并将所述输入光的至少一部分衍射形成正一级衍射光和零级衍射光并将光线耦合入所述波导基板中，以使得光线能够通过全反射在所述波导基板内传播，其中所述零级衍射光首次投射于所述第二表面的光斑具有第一轮廓，所述第一轮廓至少部分位于所述反射区域；
耦出光栅，所述耦出光栅设置于所述波导基板的所述耦出区域，所述耦出光栅用于将传播到所述耦出光栅中的光的至少一部分通过衍射耦合出所述波导基板；
反射光栅，所述反射光栅设置于所述第二表面的所述反射区域，所述反射光栅用于使得部分所述零级衍射光通过衍射形成正一级反射光，并使得所述正一级反射光在所述波导基板内通过全反射传播至所述耦出光栅；
其中，所述反射区域在所述第一表面的投影与所述耦入区域至少部分重合，并且重合部分的面积占据所述耦入区域面积的比率小于或等于40%。
2.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述重合部分占据所述耦入区域面积的比率小于或等于20%。
3.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述正一级反射光在所述第一表面和/或所述第二表面的入射角与所述正一级衍射光在所述第一表面和/或所述第二表面的入射角相等。
4.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述反射光栅在所述第一表面的投影位于所述耦入区域的范围内。
5.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述反射光栅包括第一部分和第二部分，所述第一部分在所述第一表面的投影位于所述耦入区域的范围内，所述第二部分在所述第一表面的投影位于所述耦入区域的范围之外，并且所述第二部分沿第一方向的长度小于或等于所述第一部分沿所述第一方向的长度的2倍。
6.根据权利要求5所述的光波导装置，其特征在于，所述第二部分沿第一方向的长度小于或等于所述第一部分沿所述第一方向的长度。
7.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述正一级衍射光首次投射于所述第二表面的光斑具有第二轮廓，所述第二轮廓位于所述反射区域内的面积小于或等于所述第二轮廓面积的20%。
8.根据权利要求7所述的光波导装置，其特征在于，所述第二轮廓位于所述反射区域之外。
9.根据权利要求7所述的光波导装置，其特征在于，所述第一轮廓与所述第二轮廓部分交叠以使得所述第一轮廓包括非交叠区域和交叠区域，其中所述非交叠区域位于所述反射区域内。
10.根据权利要求9所述的光波导装置，其特征在于，
所述第一轮廓和所述第二轮廓是直径为D的圆形或者是短轴为D的椭圆形，所述波导基板的厚度为L；
其中，当0.5mm<L≤0.75mm时，所述交叠区域的面积相对于所述第一轮廓和/或所述第二轮廓的面积的占比小于或等于80%。
11.根据权利要求10所述的光波导装置，其特征在于，所述第二轮廓的几何中心到所述反射光栅与所述几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.8。
12.根据权利要求10所述的光波导装置，其特征在于，当0.75mm<L≤1.0mm时，所述交叠区域的面积相对于所述第一轮廓和/或所述第二轮廓面积的占比小于75%。
13.根据权利要求12所述的光波导装置，其特征在于，所述第二轮廓的几何中心到所述反射光栅与所述几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.72。
14.根据权利要求10所述的光波导装置，其特征在于，当1.0mm<L≤1.5mm时，所述交叠区域的面积相对于所述第一轮廓和/或所述第二轮廓面积的占比小于70%。
15.根据权利要求14所述的光波导装置，其特征在于，所述第二轮廓的几何中心到所述反射光栅与所述几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.65。
16.根据权利要求10所述的光波导装置，其特征在于，当1.5mm<L≤2.0mm时，所述交叠区域的面积相对于所述第一轮廓和/或所述第二轮廓面积的占比小于65%。
17.根据权利要求16所述的光波导装置，其特征在于，所述第二轮廓的几何中心到所述反射光栅与所述几何中心最近的边的距离大于（D/2）×0.5。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的光波导装置，其特征在于，所述波导基板具有第一折射率n1，所述耦入光栅具有第二折射率n2，其中0≤n2-n1≤0.4。
19.根据权利要求18所述的光波导装置，其特征在于，0≤n2-n1≤0.2。
20.根据权利要求1-17中任一项所述的光波导装置，其特征在于，
所述耦入区域的面积小于或等于144mm2；并且/或者
所述耦入区域的形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形。
21.根据权利要求20所述的光波导装置，其特征在于，所述耦入区域的面积小于或等于64mm2。
22.根据权利要求1-17中任一项所述的光波导装置，其特征在于，
所述耦入光栅与所述反射光栅的周期相同；并且/或者
所述耦入光栅与所述反射光栅的占空比不同。
23.根据权利要求1-17中任一项所述的光波导装置，其特征在于，所述反射光栅对所述正一级衍射光的耦合效率大于所述耦入光栅对所述输入光的耦合效率。
24.一种显示设备，其特征在于，所述显示设备包括：
根据权利要求1-23中任一项所述的光波导装置；以及
发光装置，所述发光装置用于向所述光波导装置的耦入光栅发出具有预定视场角范围内的输入光。
25.根据权利要求24所述的显示设备，其特征在于，
所述预定视场角范围内沿第一方向的值为V，所述预定视场角范围内沿第二方向的值为H，所述第二方向与所述第一方向正交，所述第一方向与所述第二方向相交形成的平面与所述第一表面大致平行；
所述发光装置的光轴与所述第一方向的夹角为α，所述发光装置的光轴与所述第二方向水平方向夹角为β；
沿所述第一方向的采样间隔为h，沿所述第二方向的采样间隔为v，采样点数为c，H=c×h，V=c×v；
其中，所述输入光投射在所述第一表面的光斑的沿所述第一方向的边缘顶点处的光线与所述第一表面的夹角为k1×h+α，其中0＜k1＜c；
所述输入光投射在所述第一表面的光斑的沿所述第二方向的边缘顶点处的光线与所述第一表面的夹角为k2×v+β，其中0＜k2＜c；
并且通过调节k1与k2的值能够调整光斑的形状。
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