CN118011644A - 光波导系统、增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及光学成像技术领域，公开了一种光波导系统、增强现实显示设备，本申请的光波导系统包括：主波导片、与主波导片相对设置的补偿波导片；主波导片上设置有第一耦入光栅、第一耦出光栅；第一耦入光栅被配置为将部分的入射光耦入至主波导片内进行全反射形成第一衍射光束，第一衍射光束通过第一耦出光栅耦出；补偿波导片上设置有第二耦入光栅、第二耦出光栅；第二耦入光栅被配置为将透过主波导片的另一部分的入射光耦入至补偿波导片内进行全反射形成第二衍射光束，第二衍射光束通过第二耦出光栅耦出。本申通过补偿波导片对主波导片透过的入射光进行再次利用，从而提高光波导系统出瞳位置输出的衍射光束的光效率。

Description

光波导系统、增强现实显示设备

技术领域

本申请实施例涉及光学成像技术领域，特别涉及一种光波导系统、增强现实显示设备。

背景技术

目前，增强现实(Augmented Reality，AR)显示技术能够将虚拟信息叠加到现实世界中，实现在现实世界对虚拟图像进行显示、扩展和放大，以扩展对现实信息的认识，给人们带来沉浸式的体验。光波导技术由于可以极大的缩小光学元件尺寸，使得光波导技术成为目前实现AR技术的主要方式。光波导技术的发展经历了从单色到彩色、从厚重到轻薄的过程。目前，单片全彩衍射光波导已成为各大厂商争夺的高点。

然而，相关技术中的光波导技术通常采用波导片加玻璃盖片的方式设置，出瞳位置的光效率较差，且AR显示设备的视场角和动眼框较小，导致AR显示设备佩戴舒适度降低。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种光波导系统、增强现实显示设备，从而提高光波导系统出瞳位置输出的衍射光束的光效率。

为解决上述技术问题，本申请的实施例提供了一种光波导系统，包括：主波导片、与所述主波导片相对设置的补偿波导片；所述主波导片上设置有第一耦入光栅、第一耦出光栅；所述第一耦入光栅被配置为将部分的入射光耦入至所述主波导片内进行全反射形成第一衍射光束，所述第一衍射光束通过所述第一耦出光栅耦出；所述补偿波导片上设置有第二耦入光栅、第二耦出光栅；所述第二耦入光栅被配置为将透过所述主波导片的另一部分的所述入射光耦入至所述补偿波导片内进行全反射形成第二衍射光束，所述第二衍射光束通过所述第二耦出光栅耦出。

本申请的实施例还提供了一种增强现实显示设备，包括：光机系统、动眼框、上述的光波导系统；所述光机系统被配置为生成所述入射光；所述动眼框被配置为接收所述第一衍射光束、所述第二衍射光束。

本实施例通过设置主波导片与补偿波导片的双层光波导结构，入射光在进入主波导片之后，部分入射光耦入至主波导片进行全反射并输出第一衍射光束，另一部分的入射光透过主波导片到达补偿波导片，并耦入至补偿波导片内进行全反射并输出第二衍射光束，即，本实施例通过补偿波导片对主波导片透过的入射光进行再次利用，利用补偿波导片对透过主波导片的另一部分的入射光进行全反射，使得光波导系统输出光效较强的衍射光束，提高光波导系统输出的衍射光束的强度，提高光波导系统出瞳位置输出的衍射光束的光效率。

另外，所述补偿波导片设置所述第二耦入光栅、所述第二耦出光栅的表面与所述主波导片设置所述第一耦入光栅、所述第一耦出光栅的表面相对设置。

另外，在垂直于所述主波导片、所述补偿波导片的方向上，所述第一耦出光栅在所述主波导片的分布与所述第二耦出光栅在所述补偿波导片的分布互补。

另外，所述主波导片被配置为传输至少一种颜色；所述补偿波导片被配置为传输所述主波导片传输的其中至少一种颜色。

另外，所述主波导片被配置为传输红、绿、蓝三种颜色；所述补偿波导片被配置为传输红、绿、蓝三种颜色；或者，所述主波导片被配置为传输红、绿、蓝三种颜色，所述补偿波导片被配置为传输红色。

另外，所述第二耦出光栅设置在所述补偿波导片的第一区域上；在垂直于所述主波导片、所述补偿波导片的方向上，所述主波导片存在与所述第一区域重叠的第二区域，所述第二区域的光效率低于预设阈值。

另外，所述第一耦入光栅、所述第二耦入光栅为一维表面浮雕光栅；所述第一耦出光栅、所述第二耦出光栅为六角密排型二维表面浮雕光栅。

另外，所述光波导系统还包括框胶；所述主波导片的边缘与所述补偿波导片的边缘通过所述框胶贴合。

附图说明

一个或多个实施例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表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是相关技术的光波导系统结构示意图；

图2是根据本申请一实施例的光波导系统的结构示意图；

图3是根据本申请一实施例的光波导系统的结构示意图；

图4是为单绿色光在波失域中的传输示意图；

图5A是根据本申请一实施例可选的耦入光栅周期范围与光波导片折射率之间的关系；

图5B是根据本申请一实施例可选的耦出光栅周期范围X与光波导片折射率之间的关系；

图5C是根据本申请一实施例可选的耦出光栅周期范围Y与光波导片折射率之间的关系；

图6A是相关技术的单波导结构的光效率数据；

图6B是根据本申请一实施例的双波导结构的光效率数据；

图7A是相关技术的单波导结构的光线追迹线路图；

图7B是单波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图；

图7C是根据本申请一实施例的双波导结构的光线追迹线路图；

图7D是双波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图；

图8是红光、绿光和蓝光在波失域中的传输示意图；

图9A是根据本申请一实施例可选的耦入光栅周期范围与光波导片折射率之间的关系；

图9B是根据本申请一实施例可选的耦出光栅周期范围X和光波导片折射率之间的关系；

图9C是根据本申请一实施例可选的耦出光栅周期范围Y和光波导片折射率之间的关系；

图10A是相关技术的单波导结构中红光的光效率数据；

图10B是根据本申请一实施例的双波导结构中红光的光效率数据；

图10C是相关技术的单波导结构中绿光的光效率数据；

图10D是根据本申请一实施例的双波导结构中绿光的光效率数据；

图10E是相关技术的单波导结构中蓝光的光效率数据；

图10F是根据本申请一实施例的双波导结构中蓝光的光效率数据；

图11A是相关技术的单波导结构的光线追迹线路图；

图11B是单波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图；

图11C是根据本申请一实施例的双波导结构的光线追迹线路图；

图11D是双波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图；

图12是红、绿、蓝三种颜色在波导中的传播路径图；

图13是红光在波失域中的传输示意图；

图14A是根据本申请一实施例可选的耦入光栅周期范围与光波导片折射率之间的关系；

图14B是根据本申请一实施例可选的耦出光栅周期范围X与光波导片折射率之间的关系；

图14C是根据本申请一实施例可选的耦出光栅周期范围X与光波导片折射率之间的关系；

图15A是相关技术的单波导结构中红光的光效率数据；

图15B是根据本申请一实施例的双波导结构中红光的光效率数据；

图16A是单波导结构的光线追迹线路图；

图16B是为单波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图，；

图16C是根据本申请一实施例的双波导结构的光线追迹线路图；

图16D是双波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图；

图17是根据本申请一实施例的光波导系统的结构示意图；

图18是根据本申请一实施例的光波导系统的结构示意图；

图19是根据本申请一实施例的增强现实显示设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

相关技术中的光波导技术通常采用波导片加玻璃盖片的方式设置，如图1所示，为相关技术中光波导系统的结构示意图，光波导系统包括主波导片1以及玻璃盖片2，主波导片1与玻璃盖片2相对设置，主波导片1上设置有耦入光栅3、耦出光栅4。

然而，在光能量传输过程中，由于光栅的衍射效应决定了光栅对入射光波长和角度均具有很强的选择性，导致部分入射光通过主波导片1上的耦入光栅3耦入主波导片1内进行全反射，另一部分入射光例如0级衍射光不能在主波导片1中产生全反射传输，从而透过主波导片1进入到玻璃盖片2从而进入到外界环境中，导致大部分光能量会透过主波导片进入外界环境，造成对光的利用率较低，出瞳位置的光效率较差；同时，单个波导片的设计也会限制了视场角和动眼框的进一步增大，AR显示设备视场角和动眼框较小，从而导致AR显示设备佩戴舒适度降低。

本申请一实施例涉及一种光波导系统，具体结构示意图如图2所示，光波导系统包括：主波导片10、与主波导片10相对设置的补偿波导片20。

具体地说，主波导片10上设置有第一耦入光栅11、第一耦出光栅12；第一耦入光栅11被配置为将部分的入射光耦入至主波导片10内进行全反射形成第一衍射光束，第一衍射光束通过第一耦出光栅12耦出；补偿波导片20上设置有第二耦入光栅21、第二耦出光栅22；第二耦入光栅21被配置为将透过主波导片10的另一部分的入射光耦入至补偿波导片20内进行全反射形成第二衍射光束，第二衍射光束通过第二耦出光栅22耦出。

具体地说，本实施例的入射光包括能够在主波导片10中进行全反射的部分入射光、以及不能在主波导片10中进行全反射即透过主波导片10的另一部分入射光。本实施例的入射光经过主波导片10的第一耦入光栅11之后，部分入射光耦入至主波导片10进行全反射并输出第一衍射光束，另一部分入射光经过主波导片10的折射后到达补偿波导片20，通过补偿波导片20的第二耦入光栅21耦入至补偿波导片20进行全反射并输出第二衍射光束；最后，第一衍射光束、第二衍射光束通过光波导系统的出瞳位置输出，最终达到VA设备的动眼框。

需要说明的是，在入射光为包含多种颜色光的情况下，由于每个颜色的折射率不同，每种颜色光均会进行上述的衍射过程，从而输出不同颜色的第一衍射光束、第二衍射光束。

具体地说，由于透过主波导片10的部分入射光需要折射后到达补偿波导片20，因此，在垂直于主波导片10、补偿波导片20的方向上，本实施例的第二耦入光栅21与第一耦入光栅11的位置会存在一点偏移，并且这一偏移距离与入射光的折射率相关。

本实施例通过设置主波导片10与补偿波导片20的双层光波导结构，入射光在进入主波导片10之后，部分入射光耦入至主波导片10进行全反射并输出第一衍射光束，另一部分的入射光透过主波导片10到达补偿波导片20，并耦入至补偿波导片20内进行全反射并输出第二衍射光束，即，本实施例通过补偿波导片20对主波导片10透过的入射光进行再次利用，利用补偿波导片20对透过主波导片10的另一部分的入射光进行全反射，使得光波导系统输出光效较强的衍射光束，提高光波导系统输出的衍射光束的强度，提高光波导系统出瞳位置输出的衍射光束的光效率。

同时，由于本实施例采用主波导片10与补偿波导片20的双层光波导结构，双层光波导结构的视场角是主波导片10的视场角与补偿波导片20的视场角之和，从而使得光波导系统的视场角和动眼框的进一步增大，提高AR设备佩戴舒适度。

在一个实施例中，继续参考图2，补偿波导片20设置第二耦入光栅21、第二耦出光栅22的表面与主波导片10设置第一耦入光栅11、第一耦出光栅12的表面相对设置。

本实施例通过将补偿波导片20设置第二耦入光栅21、第二耦出光栅22的表面与主波导片10设置第一耦入光栅11、第一耦出光栅12的表面相对设置，即将第一耦入光栅11、第一耦出光栅12、第二耦入光栅21、第二耦出光栅22设置在主波导片10与补偿波导片20之间的空腔结构中，使得第一耦入光栅11、第一耦出光栅12、第二耦入光栅21、第二耦出光栅22受到主波导片10、补偿波导片20的保护，提高光波导结构的性能。

值得一提的是，本实施例的光波导结构虽然多增加了一层补偿波导片20，但可以节省相关技术中的盖片，整体光波导结构的厚度变化不大，从而在无需增加盖板结构的情况下即可保护光栅，节省盖板的成本。其次，主波导片10在动眼框中的光输出受入射角度的影响，在通过补偿波导片20的优化主波导片10的光效时，可以优先考虑光输出较弱的入射角度，从而提高整体的光输出效率和均匀性。

在一个实施例中，在垂直于主波导片10、补偿波导片20的方向上，第一耦出光栅12在主波导片10的分布与第二耦出光栅22在补偿波导片20的分布互补。

具体地说，主波导片10与补偿波导片20相对设置，第一耦出光栅12、第二耦出光栅22也是相对设置的，第一耦出光栅12在主波导片10上的分布可以是均匀的，也可以是不均匀的，第二耦出光栅22在补偿波导片20上的分布可以是均匀的，也可以是不均匀的。在第一耦出光栅12在主波导片10上的分布是均匀的情况下，第一耦出光栅12在主波导片10的分布与第二耦出光栅22在补偿波导片20的分布互补，即第一耦出光栅12在主波导片10的分布越密集，第二耦出光栅22在补偿波导片20的分布越稀疏，第一耦出光栅12在主波导片10的分布越稀疏，第二耦出光栅22在补偿波导片20的分布越密集。在第一耦出光栅12在主波导片10上的分布是不均匀的情况下，补偿波导片20上的第二耦出光栅22的分布也会与对应的主波导片10的分布互补，即第一耦出光栅12在主波导片10的分布越密集，在垂直于主波导片10、补偿波导片20的方向上，与第一耦出光栅12对应的第二耦出光栅22的分布越稀疏，第一耦出光栅12在主波导片10的分布越稀疏，在垂直于主波导片10、补偿波导片20的方向上，与第一耦出光栅12对应的第二耦出光栅22的分布越密集。

本实施例中，通过将第一耦出光栅12在主波导片10的分布与第二耦出光栅22在补偿波导片20的分布互补，对于主波导片10输出的第一衍射光束的能量密度较强的区域，垂直方向上对应的补偿波导片20输出的第二衍射光束的能量密度较弱，对于主波导片10输出的第一衍射光束的能量密度较弱的区域，垂直方向上对应的补偿波导片20输出的第二衍射光束的能量密度较强，从而通过补偿波导片20对光波导系统整体输出的衍射光束的能量密度进行均匀化调控，使得光波导系统整体输出的衍射光束较为均匀，不仅提高了衍射光束的亮度，也提高了亮度的均匀性。

在一个实施例中，光波导系统还包括框胶；主波导片10的边缘与补偿波导片20的边缘通过框胶贴合。如图3所示，为本实施例的光波导系统的结构示意图，主波导片10的边缘与补偿波导片20的边缘通过框胶30贴合，形成密闭的空腔结构，第一耦入光栅11、第一耦出光栅12、第二耦入光栅21、第二耦出光栅22设置在密闭的空腔结构中，更好地将第一耦入光栅11、第一耦出光栅12、第二耦入光栅21、第二耦出光栅22与外界隔离，提高光栅工作的稳定性，提高光波导系统的整体性能。

在一个实施例中，主波导片10被配置为传输至少一种颜色；补偿波导片20被配置为传输主波导片10传输的其中至少一种颜色。

具体地说，本实施例的补偿波导片20可传输颜色是主板导片可传输颜色的子集，在补偿波导片20可传输颜色与主板导片可传输颜色完全相同的情况下，实现补偿波导片20对主波导片10未能完全进行全反射的所有颜色的入射光再次进行利用，可以使得整个光波导系统的所有颜色的亮度提高；在补偿波导片20可传输颜色少于主板导片可传输颜色的情况下，补偿波导片20仅对主波导片10未能完全进行全反射的部分颜色的入射光再次进行利用，使得整个光波导系统的部分颜色的亮度提高，可仅增强光效率较低的颜色的光效率，例如在蓝、绿、红三个颜色中，红色的光效率最低，可以将补偿波导片20设置为仅传输红色，仅提高红色的光效率。当然，也可以将补偿波导片20设置为进传输绿色、红色，从而提高绿色、红色的光效率。

具体地说，单色的光波导技术适用于少量信息提示的场景，例如物流仓库管理、工业维修、汽车导航、实时翻译等，其中，单绿色衍射光波导较为常见。本实施例也可以适用于主波导片10、补偿波导片20均为单色光的场景，下面以单绿色衍射光波导为例进行说明。

为了更加清楚本申请的技术效果，对单绿色衍射光波导进行仿真，单绿色衍射光波导的部分参数设定如下所示：视场角为40°，图像比例为16：9，出瞳距离为25mm，动眼框为12×8mm，第一耦入光栅11、第二耦入光栅21采用一维表面浮雕光栅，第一耦出光栅12、第二耦出光栅22采用六角密排型二维表面浮雕光栅，主波导片10的厚度在0.5-1.0mm之间，可选0.8mm，补偿波导片20的厚度在0.5-1.0mm之间，可选0.8mm，入射光波长为532nm，主波导片10、补偿波导片20的尺寸均为55×30mm。

基于上述的衍射光波导参数，绘制出光在波失域中的传输规律，如图4所示，为单绿色光在波失域中的传输示意图，圆环300的内环表示空气中所有绿光的波矢量在XY平面上的投影，圆环300的外环表示玻璃中所有绿光的波矢量在XY平面上的投影，区域301和302表示图像的波矢量在XY平面上的投影，一般要求区域301和302需全部包含在圆环300内，即内环与外环之间。如图5A所示，为本实施例可选的耦入光栅周期范围与光波导片折射率之间的关系，横坐标为光波导片折射率，纵坐标为耦入光栅周期范围，如图5B所示，为本实施例可选的耦出光栅周期范围X和光波导片折射率之间的关系，横坐标为光波导片折射率，纵坐标为耦出光栅周期X范围，如图5C所示，为本实施例可选的耦出光栅周期范围Y和光波导片折射率之间的关系，横坐标为光波导片折射率，纵坐标为耦出光栅周期Y范围，基于此计算出可选的耦入光栅周期范围、耦出光栅周期范围和光波导片折射率之间的关系。作为示例，选择主波导片10的折射率为1.75，第一耦入光栅11的周期为400nm，第一耦出光栅12的周期为800×461.88nm；补偿光波导片的折射率为1.80，第二耦入光栅21的周期为390nm，其第二耦出光栅22的周期为780×450.33nm。

具体地说，两种波导片基底的折射率可选范围均为1.5～2.5，并且两种波导片基底的折射率可以相同，也可以不同。

基于上述衍射光波导的光栅周期以及基底折射率等参数的描述，再结合本实施例的光波导系统的结构，可以在仿真软件中呈现为本实施例的如图2所示的双层波导片的示意图。在模拟仿真中，将视场角(40°，35°×20°)分成8×5个角度，并分别计算相关技术中的单波导结构以及本实施例的双层波导结构每个角度下光波导系统耦出到动眼框中的光效率。如图6A和6B所示，图6A为单波导结构的光效率数据，图6B为双波导结构的光效率数据，其中，横坐标为横向视场角、纵坐标为纵向视场角，每个区域颜色的深度表示光的强度，即颜色越深，光效率越强，颜色越浅，光效率越弱；并分别计算每个角度下光波导系统耦出到动眼框中的光效率。

从图6A和6B可以看出，由于光栅衍射的色散特性，会使得单波导结构、双波导结构的光强度均随入射角度而变化；更值得一提的是，图6B中各视场角度下的光效率均优于图6A中对应视场角度下的光效率，并且图6A中单波导结构的平均效率为0.958％，图6B双波导结构的平均效率为1.885％，远大于图6A中单波导结构的平均效率，相对提升了96.76％。

进一步地，如图7A所示，为单波导结构的光线追迹线路图，如图7B所示，为单波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图，如图7C所示，为双波导结构的光线追迹线路图，如图7D所示，为双波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图。可以看出，本实施例的部分入射光在主波导进行全反射并耦出到动眼框40，另一部分入射光透过主波导片10进入补偿波导片20，并在补偿波导片20中进行全反射并耦出到动眼框40，从而极大提高光波导系统的输出光效率。

在一个实施例中，主波导片10被配置为传输红、绿、蓝三种颜色；补偿波导片20被配置为传输红、绿、蓝三种颜色。

具体地说，相比单色衍射光波导，全彩衍射光波导可以显示丰富的色彩，在娱乐、观影、远程会议等领域具有潜在的应用。但是，相关技术中，伴随着衍射光波导的轻量化，需要一片波导中传输多波长的光线，这就导致光波导系统的亮度、亮度均匀性、色彩均匀性较差。而本实施例的主波导片10加补偿波导片20的双波导结构，可以对每种颜色的光均进行补偿，从而提高红、绿、蓝三种颜色输出的光效率，并且在补偿波导片20中的第二耦出光栅22与主波导片10的第一耦出光栅12的分布是互补的情况下，红、绿、蓝三种颜色的亮度均匀性也得到了提高。

为了更加清楚本申请的技术效果，对全彩衍射光波导进行仿真，全彩衍射光波导的部分参数设定如下：视场角28°，图像比例为4:3，出瞳距离25mm，动眼框12×8mm，第一耦入光栅11、第二耦入光栅21采用一维表面浮雕光栅，第一耦出光栅12、第二耦出光栅22采用六角密排型二维表面浮雕光栅，主波导片10厚度为0.8mm，补偿波导片20厚度为0.8mm，入射光波长625nm(红光)、532nm(绿光)和457nm(蓝光)，波导尺寸55×30mm。

基于以上全彩光波导参数，以及光栅的波矢调制作用不受波长的影响，绘制出红光、绿光和蓝光在波矢域中的传输规律，如图8所示，为红光、绿光和蓝光在波失域中的传输示意图，其中，区域800、801、802分别为图像中的红色、绿色、蓝色的波矢量在XY平面上的投影，区域800、801、802需分别包含在圆环a、b和c内，a所指示的内环为空气中所有红光的波矢量在XY平面上的投影，a所指示的外环表示玻璃中所有红光的波矢量在XY平面上的投影，b所指示的内环为空气中所有绿光的波矢量在XY平面上的投影，b所指示的外环表示玻璃中所有绿光的波矢量在XY平面上的投影，c所指示的内环为空气中所有蓝光的波矢量在XY平面上的投影，c所指示的外环表示玻璃中所有蓝光的波矢量在XY平面上的投影，基于此，计算出可选耦入光栅周期范围、耦出光栅周期范围和波导片折射率的关系，如图9A所示，为本实施例可选的耦入光栅周期范围与光波导片折射率之间的关系，如图9B所示，为本实施例可选的耦出光栅周期范围X和光波导片折射率之间的关系，如图9C所示，为本实施例可选的耦出光栅周期范围Y和光波导片折射率之间的关系。作为示例，可选择主波导片10的折射率为2.0，耦入光栅的周期为363nm，耦出光栅的周期为726×419.16nm；可选择补偿波导片20的折射率为1.98，耦入光栅的周期为366nm，耦出光栅的周期为732×422.62nm。

基于上述全彩光波导的光栅周期以及基底折射率等参数的描述，再结合本实施例的光波导系统的结构，可以在仿真软件中呈现为本实施例的如图2所示的双层波导片的示意图。在模拟仿真中，将视场角(28°,22.56°×17°)分成5×5个角度，分别计算相关技术中的单波导结构以及本实施例的双层波导结构每个角度下光波导系统耦出到动眼框中的光效率，并对红光、绿光和蓝光的光效率分别进行绘图。

如图10A-10F所示，图10A为单波导结构中红光的光效率数据，图10B为双波导结构中红光的光效率数据，图10C为单波导结构中绿光的光效率数据，图10D为双波导结构中绿光的光效率数据，图10E为单波导结构中蓝光的光效率数据，图10F为双波导结构中蓝光的光效率数据，其中，横坐标为横向视场角、纵坐标为纵向视场角，每个区域颜色的深度表示光的强度，即颜色越深，光效率越强，颜色越浅，光效率越弱；并分别计算每个角度下红、绿、蓝三种颜色光在光波导系统耦出到动眼框中的光效率。

经过计算，图10A中单波导结构中红光的平均效率为0.339％，图10B双波导结构中红光的平均效率为0.465％，相对提升了37.168％；图10C中单波导结构中绿光的平均效率为1.200％，图10D双波导结构中绿光的平均效率为1.686％，相对提升了40.5％；图10E中单波导结构中蓝光的平均效率为1.503％，图10F双波导结构中蓝光的平均效率为2.208％，相对提升了46.906％。

为了直观体现效率的提高，利用光线追迹图来展示红光、绿光、蓝光整体的光线传输情况，如图11A所示，为单波导结构的光线追迹线路图，如图11B所示，为单波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图，如图11C所示，为双波导结构的光线追迹线路图，如图11D所示，为双波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图。可以看出，本实施例的红、绿、蓝三种颜色的入射光均有部分在主波导进行全反射并耦出到动眼框40，另一部分入射光透过主波导片10进入补偿波导片20，并在补偿波导片20中进行全反射并耦出到动眼框40，从而极大提高光波导系统的红、绿、蓝三种颜色的输出光效率。

在一个实施例中，主波导片10被配置为传输红、绿、蓝三种颜色，补偿波导片20被配置为传输红色。

具体地说，本实施例着重从色彩均匀性方向介绍补偿波导片20片在全彩衍射光波导中的增益效果。从图10A至10F的结果中可以直观看到，单波导结构中红光的平均效率为0.339％，双波导结构中红光的平均效率为0.465％，红光的平均效率是最低的，且参考图10A、图10C、图10E，红光补偿前的光效率与绿光补偿前的光效率相差0.861％，红光补偿前的光效率与蓝光补偿前的光效率相差1.164％，无法保证光波导系统的色彩均匀性。通过分析研究发现，产生这一现象的原因是由于红光在波导中的传播角度最大，造成红光在有限且有效范围内的耦出次数最少，如图12所示，为红、绿、蓝三种颜色在波导中的传播路径图，R为红光，G为绿光、B为蓝光，可以看出，蓝光的传播角度小于绿光的传播角度，绿光的传播角度小于红光的传播角度。因此，本实施例将补偿波导片20设置为传输单红光的波导片，从而提高整体的色彩均匀性。

在模拟仿真中，主波导片10的光栅参数上一实施例中的全彩衍射光波导中的数据，即选择主波导片10的折射率为2.0，耦入光栅的周期为363nm，耦出光栅的周期为726×419.16nm，补偿波导片20的光栅参数重新在红光的波矢域中选择。并绘制出红光在波矢域中的传输规律，如图13所示，为红光在波失域中的传输示意图，其中，圆环1300的内环表示空气中所有红光的波矢量在XY平面上的投影，圆环300的外环表示玻璃中所有红光的波矢量在XY平面上的投影，区域1301和1302为图像中的红光的波矢量在XY平面上的投影，区域1301和1302需全部包含在圆环1300内。基于此，计算出可选耦入位置光栅周期范围、耦出位置光栅周期范围和波导片折射率的关系，如图14A所示，为本实施例可选的耦入光栅周期范围与光波导片折射率之间的关系，如图14B所示，为本实施例可选的耦出光栅周期范围X与光波导片折射率之间的关系，如图14C所示，为本实施例可选的耦出光栅周期范围Y与光波导片折射率之间的关系。作为实施示例，选择补偿波导片20的折射率为1.70，耦入光栅的周期为470nm，耦出光栅的周期为940×542.71nm。

基于上述全彩光波导的光栅周期以及基底折射率等参数的描述，再结合本实施例的光波导系统的结构，可以在仿真软件中呈现为本实施例的如图2所示的双层波导片的示意图。在模拟仿真中，将视场角(28°,22.56°×17°)分成5×5个角度，分别计算相关技术中的单波导结构以及本实施例的双层波导结构每个角度下光波导系统耦出到动眼框中的红光的光效率。

如图15A-15B所示，图15A为单波导结构中红光的光效率数据，图15B为双波导结构中红光的光效率数据，单波导结构中绿光的光效率数据参考图10C，单波导结构中蓝光的光效率数据参考图10E，分别计算每个角度下光波导系统耦出到动眼框中的光效率。

经过计算，图15A中单波导结构中红光的平均效率为0.339％，图15B双波导结构中红光的平均效率为1.222％，而图10C中单波导结构中绿光的平均效率为1.200％，图10E中单波导结构中蓝光的平均效率为1.503％，补偿后的红光的光效率与绿光补偿前的光效率仅相差0.022％、补偿后的红光的光效率与蓝光补偿前的光效率仅相差0.281％，使得全彩光波导的色彩均匀性显著提高。

为了直观体现效率的提高，利用光线追迹图来展示红光、绿光、蓝光整体的光线传输情况，如图16A所示，为单波导结构的光线追迹线路图，如图16B所示，为单波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图，如图16C所示，为双波导结构的光线追迹线路图，如图16D所示，为双波导结构的光线追迹线路图的局部放大示意图。可以看出，本实施例的绿光、蓝光进在主波导片10中进行全反射并耦出到动眼框40，红色的入射光有部分在主波导进行全反射并耦出到动眼框40，另一部分入射光透过主波导片10进入补偿波导片20，并在补偿波导片20中进行全反射并耦出到动眼框40，从而极大提高光波导系统的红色光的输出光效率，提高全彩光波导的色彩均匀性。

在一个实施例中，第二耦出光栅22设置在补偿波导片20的第一区域上；在垂直于主波导片10、补偿波导片20的方向上，主波导片10存在与第一区域重叠的第二区域，第二区域的光效率低于预设阈值。

本实施例通过将主波导片10的光效率低于预设阈值的第二区域对应的补偿波导片20的第一区域处设置第二耦出光栅22，即仅补偿主波导片10中的光效率低于预设阈值的部分区域的输出光束的光效率，从而提高光波导系统整体输出光效率的均匀性。

具体地说，光效率随入射角度变化明显，特别是在较大的视场角下即视场角的四个角位置的光效率较低。因此，本实施例提供了一种光波导系统，如图17所示，在光波导系统中确定与动眼框相对的出瞳位置，图中设置第一耦出光栅12的区域与出瞳位置对应，出瞳位置的四个夹角的光效率较低，低于预设阈值，可以作为本实施例的第二区域，在垂直于主波导片10、补偿波导片20的方向上，在补偿波导片20上设置与第二区域相对的四个第一区域，在四个第一区域处设置第二耦出光栅22，补偿波导片20的其余区域不设置耦出光栅，使得大视场角的光效率可获得大幅提高，整体的平均光效率和光效率均匀性也会得到相应的改善。

具体地说，由于主波导片10内的光强在传输过程中会逐渐衰减，导致主波导片10的出瞳位置的不同区域的光输出效率也存在不均匀的现象。因此，本实施例提供了一种光波导系统，如图18所示，在光波导系统中确定与动眼框相对的出瞳位置，出瞳位置为矩形，图中设置第一耦出光栅12的区域与出瞳位置对应，存在四个边缘，而最靠近第一耦入光栅11的边缘的光强较大，可以不进行补偿，而其他三个边缘的光效较低，低于预设阈值，可以作为本实施例的第二区域，在垂直于主波导片10、补偿波导片20的方向上，在补偿波导片20上设置与第二区域相对的三个第一区域，在三个第一区域处设置第二耦出光栅22，补偿波导片20的其余区域不设置耦出光栅，在一定程度上改善出瞳位置输出的光效率的均匀性。

在一个实施例中，第一耦入光栅11、第二耦入光栅21为一维表面浮雕光栅；第一耦出光栅12、第二耦出光栅22为六角密排型二维表面浮雕光栅。

具体地说，根据光栅的表面形貌及特性，光栅可以分为表面浮雕光栅和全息光栅；根据光栅的周期，光栅可以分为一维光栅和二维光栅；二维光栅的排列方式包含六角密排、直角密排以及任意角度密排；二维光栅的结构形状包含矩形、菱形、圆形、三角形以及任意多边形状；二维光栅的三维结构形状包含矩形棱锥、三角锥、圆锥以及任意Z轴有变化的光栅。本实施例通过将第一耦入光栅11、第二耦入光栅21设置为一维表面浮雕光栅；第一耦出光栅12、第二耦出光栅22设置为六角密排型二维表面浮雕光栅，可以提高对入射光的利用率，进一步提高输出光效。

本申请实施例另一方面还提供了一种增强现实显示设备，如图19所示，为本实施例的增强现实显示设备的结构示意图，增强现实显示设备包括：光机系统50、动眼框40、上述的光波导系统；光机系统50被配置为生成入射光；动眼框40被配置为接收第一衍射光束、第二衍射光束。

本实施例通过在增强现实显示设备中使用上述的双层光波导结构，入射光在进入主波导片之后，部分入射光耦入至主波导片进行全反射并输出第一衍射光束，另一部分的入射光透过主波导片到达补偿波导片，并耦入至补偿波导片内进行全反射并输出第二衍射光束，即，本实施例通过补偿波导片对主波导片透过的入射光进行再次利用，利用补偿波导片对透过主波导片的另一部分的入射光进行全反射，使得光波导系统输出光效较强的衍射光束，提高光波导系统输出的衍射光束的强度，提高光波导系统出瞳位置输出的衍射光束的光效率，提高增强现实显示设备的光效。同时，双层光波导结构的视场角是主波导片的视场角与补偿波导片的视场角之和，从而使得光波导系统的视场角和动眼框的进一步增大，提高AR设备佩戴舒适度。

在一个实施例中，设备还包括：反射镜；反射镜设置在光机系统与光波导系统之间；反射光经过反射镜折射后传输至光波导系统。

具体地说，反射镜为特殊反射或半透半反透镜。本实施例通过设置反射镜，从而通过反射镜调整光机系统与光波导系统的角度，在确保增强现实显示设备的光效以及佩戴舒适度的同时，提高增强现实显示设备使用的灵活性。

不难发现，本实施例为与上一实施例相对应的增强现实显示设备实施例，本实施例可与上一实施例互相配合实施。上一实施例中提到的相关技术细节在本实施例中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施例中提到的相关技术细节也可应用在上一实施例中。

此外，为了突出本申请的创新部分，本实施例中并没有将与解决本申请所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施例中不存在其它的单元。

上面各种部件的划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个部件或者对某些部件进行拆分，分解为多个部件，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光波导系统，其特征在于，包括：主波导片、与所述主波导片相对设置的补偿波导片；

所述主波导片上设置有第一耦入光栅、第一耦出光栅；所述第一耦入光栅被配置为将部分的入射光耦入至所述主波导片内进行全反射形成第一衍射光束，所述第一衍射光束通过所述第一耦出光栅耦出；

所述补偿波导片上设置有第二耦入光栅、第二耦出光栅；所述第二耦入光栅被配置为将透过所述主波导片的另一部分的所述入射光耦入至所述补偿波导片内进行全反射形成第二衍射光束，所述第二衍射光束通过所述第二耦出光栅耦出。

2.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述补偿波导片设置所述第二耦入光栅、所述第二耦出光栅的表面与所述主波导片设置所述第一耦入光栅、所述第一耦出光栅的表面相对设置。

3.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，在垂直于所述主波导片、所述补偿波导片的方向上，所述第一耦出光栅在所述主波导片的分布与所述第二耦出光栅在所述补偿波导片的分布互补。

4.根据权利要求1至3任一项所述的光波导系统，其特征在于，所述主波导片被配置为传输至少一种颜色；所述补偿波导片被配置为传输所述主波导片传输的其中至少一种颜色。

5.根据权利要求4所述的光波导系统，其特征在于，所述主波导片被配置为传输红、绿、蓝三种颜色；所述补偿波导片被配置为传输红、绿、蓝三种颜色；或者，所述主波导片被配置为传输红、绿、蓝三种颜色，所述补偿波导片被配置为传输红色。

6.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述第二耦出光栅设置在所述补偿波导片的第一区域上；在垂直于所述主波导片、所述补偿波导片的方向上，所述主波导片存在与所述第一区域重叠的第二区域，所述第二区域的光效率低于预设阈值。

7.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述第一耦入光栅、所述第二耦入光栅为一维表面浮雕光栅；所述第一耦出光栅、所述第二耦出光栅为六角密排型二维表面浮雕光栅。

8.根据权利要求1至3任一项所述的光波导系统，其特征在于，所述光波导系统还包括框胶；

所述主波导片的边缘与所述补偿波导片的边缘通过所述框胶贴合。

9.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：光机系统、动眼框、权利要求1-8任一项所述的光波导系统；

所述光机系统被配置为生成所述入射光；

所述动眼框被配置为接收所述第一衍射光束、所述第二衍射光束。

10.根据权利要求9所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述设备还包括：反射镜；

所述反射镜设置在所述光机系统与所述光波导系统之间；所述反射光经过所述反射镜折射后传输至所述光波导系统。