CN220232015U - 体全息光栅波导和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种体全息光栅波导和近眼显示设备，其能够实现大视场角传输，有助于改善用户体验。该体全息光栅波导包括：波导基底，具有耦入区域、耦出区域以及分布于该耦入区域和该耦出区域之间连线两侧的一对转折区域；一对体全息耦入光栅，被间隔地叠置于该耦入区域，且两个体全息耦入光栅的光栅矢量在该波导基底的投影分量分别指向两个转折区域，用于将图像光从耦入区域耦入该波导基底以分别传输至两个转折区域；一对转折元件，分别被设置于两个转折区域，用于将来自耦入区域的图像光在两个转折区域分别转向以传输至耦出区域；以及耦出元件，被设置于该耦出区域，用于将来自两个转折区域的图像光从耦出区域拼接耦出波导基底。

Description

体全息光栅波导和近眼显示设备

技术领域

本实用新型涉及增强现实技术领域，特别是涉及一种体全息光栅波导和近眼显示设备。

背景技术

近年来，虽然增强现实(英文Augmented Reality，简称AR)中衍射光波导的技术日趋成熟，但衍射光波导的效率和均匀性仍然是波导设计关注的热点。目前，体全息光栅作为优秀的光学耦合器件，不仅有着较高的单级效率，较宽的波长和角度带宽，较大的衍射角度，可复用以及对环境光的高透射率等特点，而且工艺简单，成本低，生产效率高，在增强现实技术领域具有较大的市场潜力。

然而，在光波导的应用中，虽然采用体全息光栅能够提升光波导效率，但由于光波导所能传输的视场角FOV大小主要取决于波导材料的折射率，因此现有采用单一体全息光栅的波导仍不能解决近眼显示设备对于大视场角的需求。

实用新型内容

本实用新型的一个优势在于提供一种体全息光栅波导和近眼显示设备，其能够实现大视场角传输，有助于改善用户体验。

本实用新型的另一个优势在于提供一种体全息光栅波导和近眼显示设备，其中，在本实用新型的一个实施例中，所述体全息光栅波导能够先通过具有不同光栅矢量方向的体全息耦入光栅将不同角度成分的光耦入波导基底以沿着不同方向进行传输，再通过转折及拼接输出，从而实现大视场角的传输显示。

本实用新型的另一个优势在于提供一种体全息光栅波导和近眼显示设备，其中，在本实用新型的一个实施例中，所述体全息光栅波导能够通过掺杂不同的手性材料，使得两个体全息耦入光栅分别对左旋圆偏光和右旋圆偏光敏感，有助于保证较高的光能利用效率。

本实用新型的另一个优势在于提供一种体全息光栅波导和近眼显示设备，其中，在本实用新型的一个实施例中，所述体全息光栅波导能够针对无偏光源仍具有高效率、宽波带的衍射特性。

本实用新型的另一个优势在于提供一种体全息光栅波导和近眼显示设备，其中，在本实用新型的一个实施例中，所述体全息光栅波导能够采用多层液晶结构进行偏振复用或波长复用，有助于提升光能利用效率或实现彩色传输显示。

本实用新型的另一个优势在于提供一种体全息光栅波导和近眼显示设备，其中，在本实用新型的一个实施例中，所述体全息光栅波导能够在光栅深度方向通过多层堆叠复用，对其波长和角度进行拓展，进而实现显示效率和均匀性的整体提升。

本实用新型的另一个优势在于提供一种体全息光栅波导和近眼显示设备，其中为了达到上述目的，在本实用新型中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本实用新型成功和有效地提供一种解决方案，不只提供一种简单的体全息光栅波导和近眼显示设备，同时还增加了所述体全息光栅波导和近眼显示设备的实用性和可靠性。

为了实现本实用新型的上述至少一个优势或其他优点和目的，本实用新型提供了一种体全息光栅波导，包括：

波导基底，所述波导基底具有耦入区域、耦出区域以及分布于所述耦入区域和所述耦出区域之间连线两侧的一对转折区域；

一对体全息耦入光栅，两个所述体全息耦入光栅被间隔地叠置于所述耦入区域，并且两个所述体全息耦入光栅的光栅矢量在所述波导基底的投影分量分别指向两个所述转折区域，用于将图像光从所述耦入区域耦入所述波导基底以分别传输至两个所述转折区域；

一对转折元件，两个所述转折元件分别被设置于两个所述转折区域，用于将来自所述耦入区域的图像光在两个所述转折区域分别转向以传输至所述耦出区域；以及

耦出元件，所述耦出元件被设置于所述耦出区域，用于将来自两个所述转折区域的图像光从所述耦出区域拼接耦出所述波导基底。

根据本申请的一个实施例，两个所述体全息耦入光栅的光栅矢量在波导平面的投影分量具有夹角，且大小相同。

根据本申请的一个实施例，两个所述体全息耦入光栅分别位于所述波导基底的上下两侧。

根据本申请的一个实施例，每个所述体全息耦入光栅包括取向层和堆叠于所述取向层的液晶层，所述取向层位于所述液晶层和所述波导基底之间，所述液晶层由掺杂手性材料的液晶分子组成，以呈现三维旋转结构。

根据本申请的一个实施例，两个所述体全息耦入光栅位于所述波导基底的下侧，并且所述体全息光栅波导进一步包括被叠置在两个所述体全息耦入光栅之间的透光隔离层。

根据本申请的一个实施例，每个所述体全息耦入光栅包括取向层和堆叠于所述取向层的液晶层，一个所述体全息耦入光栅中的所述取向层位于对应的所述液晶层和所述波导基底之间，另一个所述体全息耦入光栅中的所述取向层位于对应的所述液晶层和所述透光隔离层之间；每个所述液晶层由掺杂手性材料的液晶分子组成，以呈现三维旋转结构。

根据本申请的一个实施例，每个所述体全息耦入光栅中的所述液晶层包括相互堆叠的一层左旋液晶和一层右旋液晶，并且所述左旋液晶的+1级次衍射角度等于所述右旋液晶的+1级次衍射角度。

根据本申请的一个实施例，每个所述体全息耦入光栅包括取向层和依次堆叠于所述取向层的多个液晶层，并且多个所述液晶层的波长响应带宽互不相同。

根据本申请的一个实施例，每个所述体全息耦入光栅中的多个所述液晶层分别为红光液晶层、绿光液晶层以及蓝光液晶层。

根据本申请的一个实施例，每个所述体全息耦入光栅为偏振体全息光栅。

根据本申请的一个实施例，所述转折元件为体全息转折光栅；所述耦出元件为体全息耦出光栅。

根据本申请的一个实施例，所述体全息转折光栅的厚度沿着所述转折区域处的图像光传输方向增加；所述体全息耦出光栅的厚度沿着所述耦出区域处的图像光传输方向增加。

根据本申请的另一方面，本申请进一步提供了一种近眼显示设备，包括：

显示光机；和

上述任一所述的体全息光栅波导，所述体全息光栅波导位于所述显示光机的投射侧。

附图说明

图1是根据本申请的一个实施例的近眼显示设备的结构示意图；

图2示出了根据本申请的上述实施例的近眼显示设备中体全息光栅波导的结构示意图；

图3示出了根据本申请的上述实施例的体全息光栅波导中体全息耦入光栅的三维周期性旋转结构示意图；

图4示出了根据本申请的上述实施例的体全息光栅波导中体全息光栅的K域分析示意图；

图5示出了根据本申请的上述实施例的体全息光栅波导中体全息耦入光栅的第一示例；

图6示出了根据本申请的上述实施例的体全息光栅波导中体全息耦入光栅的第二示例；

图7示出了根据本申请的上述实施例的体全息光栅波导中体全息耦入光栅的第三示例；

图8示出了根据本申请的上述实施例的体全息光栅波导中体全息耦入光栅的第四示例。

主要元件符号说明：1、体全息光栅波导；10、波导基底；11、耦入区域；12、耦出区域；13、转折区域；20、体全息耦入光栅；21、取向层；22、液晶层；22a、红光液晶层；22b、绿光液晶层；22c、蓝光液晶层；221、左旋液晶；222、右旋液晶；30、转折元件；31、体全息转折光栅；40、耦出元件；41、体全息耦出光栅；50、透光隔离层；2、显示光机。

以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，权利要求和说明书中术语“一”应理解为“一个或多个”，即在一个实施例，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。除非在本实用新型的揭露中明确示意该元件的数量只有一个，否则术语“一”并不能理解为唯一或单一，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，属于“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

考虑到光波导所能传输的视场角FOV大小主要取决于波导材料的折射率，导致现有采用单一体全息光栅的波导仍不能解决近眼显示设备对于大视场角的需求。因此，本申请创造性地提出了一种体全息光栅波导和近眼显示设备，其能够实现大视场角传输，有助于改善用户体验。

具体地，参考本申请的说明书附图之图1，根据本申请的一个实施例提供了一种近眼显示设备，其可以包括体全息光栅波导1和显示光机2，该体全息光栅波导1位于该显示光机2的投射侧，用于将经由该显示光机2投射的图像光传输至人眼以进行近眼显示。可以理解的是，本申请所提及的近眼显示设备可以但不限于被实施为AR眼镜或AR头盔。

更具体地，如图2至图8所示，该体全息光栅波导1可以包括波导基底10、一对体全息耦入光栅20、一对转折元件30以及耦出元件40。该波导基底10具有耦入区域11、耦出区域12以及分布于该耦入区域11和该耦出区域12之间连线两侧的一对转折区域13。两个该体全息耦入光栅20被间隔叠置于该耦入区域11，并且两个该体全息耦入光栅20的光栅矢量在该波导基底10的投影分量分别指向两个该转折区域13，用于将图像光从该耦入区域11耦入该波导基底10以分别传输至两个该转折区域13。两个该转折元件30分别被设置于两个该转折区域13，用于将来自该耦入区域11的图像光在两个该转折区域13分别转向以传输至该耦出区域12。该耦出元件40被设置于该耦出区域12，用于将来自两个该转折区域13的图像光从该耦出区域12拼接耦出该波导基底10，以入射至人眼而进行近眼显示。可以理解的是，本申请所提及的投影分量指的是该体全息耦入光栅20的光栅矢量在该波导基底10的上下表面(即波导平面)上的投影分量。

值得注意的是，由于被间隔叠置于耦入区域11的两个体全息耦入光栅20的光栅矢量在该波导基底10的投影分量分别指向两个该转折区域13，即两个体全息耦入光栅20具有不同方向的光栅矢量，因此本申请的两个体全息耦入光栅20能够将来自该显示光机2的图像光中不同角度成分的光线向两个不同方向进行衍射，以分别传输至两个转折区域13，进而被两个转折元件30调制以转向而传输至同一个耦出区域12，最后通过耦出元件40从该耦出区域12同时耦出，以拼接输出完整的图像光(即包含了不同角度成分的光线)，从而实现大视场角的传输显示。

示例性地，如图3所示，本申请的体全息耦入光栅20具有三维周期性旋转光栅结构，其中Λx为x方向的周期，Λy为y方向周期，Λ_B为三维光栅周期；ψ为光栅倾角。可以理解的是，在满足布拉格衍射条件时，本申请所提及的三维光栅周期Λ_B也被称为布拉格周期。

此外，一方面，由于体全息光栅特殊的衍射特性，即当入射光的角度和波长偏离所设计的布拉格衍射条件时，其衍射效率会快速衰减，因此本申请可以通过多层复用的方式进行堆叠设计；另一方面，由于布拉格衍射条件的限制，因此对于不满足布拉格条件的环境光，具有较高的透过率，即体全息光栅并不会阻挡环境光的透过，有利于实现增强现实。可以理解的是，由于每个体全息光栅的厚度只在几百纳米到几十微米的范围内，因此即便多层堆叠，对波导的整体几何尺寸影响也不大。

可选地，本申请的体全息耦入光栅20的布拉格条件可以简单描述为：2n_effΛ_Bcosψ＝λ_B；

其中n_eff为该体全息耦入光栅20的有效折射率，其表达式为n_eff＝sqr((n_e ²+2n_o ²)/3)；Λ_B为该体全息耦入光栅20的布拉格周期；ψ为折射率平面的倾斜角；λ_B为布拉格波长。

由于本申请的两个体全息耦入光栅20具有两个不同方向的光栅矢量，因此在K域中表现为：如图4所示，图像光经过两个体全息耦入光栅20后会向两个方向发生衍射以分别沿着路径1和路径2传输；换言之，由于光波导折射率是固定的，因此经光栅衍射后，会有一部分光不在K域内而无法在光波导中传输，而如图2所示，本申请的体全息光栅波导1先通过具有不同光栅矢量方向的两个体全息耦入光栅20分别进行衍射以耦入该波导基底10，再通过两个转折元件30将沿不同方向传输的图像光转向以传播至该耦出区域12，最后通过耦出元件40拼接耦出该波导基底10，从而实现大视场角的图像光经由波导传输至人眼以进行近眼显示。

可选地，本申请所提及的两个体全息耦入光栅20的光栅矢量在波导平面的投影分量具有夹角，并且大小相同；换言之，两个体全息耦入光栅20的光栅矢量在波导平面的投影分量Kxy，大小相同，但方向不同。

示例性地，在本申请的第一示例中，如图5所示，两个该体全息耦入光栅20分别位于该波导基底10的上下两侧，使得两个体全息耦入光栅20被间隔地叠置于该波导基底10的耦入区域11；换言之，一个体全息耦入光栅20被叠置于该波导基底10的上表面，另一个体全息耦入光栅20被叠置于该波导基底10的下表面，使得该波导基底10位于两个该体全息耦入光栅20之间。这样，来自显示光机2的图像光将依次经过一个体全息耦入光栅20、波导基底10以及另一个体全息耦入光栅20，并且两个体全息耦入光栅20会分别衍射图像光中不同角度成分的光线以耦入该波导基底10而沿着不同方向传输至两个转折区域13。

可选地，如图5所示，每个该体全息耦入光栅20可以包括取向层21和堆叠于该取向层21的液晶层22，该取向层21位于该液晶层22和该波导基底10之间，该液晶层22由掺杂手性材料的液晶分子组成，以在三维空间上呈现三维旋转结构。

可选地，在本申请的第一示例中，两个体全息耦入光栅20的制造过程如下：1)清洗波导基底10；2)配制BY(Bright Yellow)溶液并进行旋涂于波导基底10在耦入区域11处的上表面和下表面，以获得两个取向层21，再进行烘烤固定两个取向层21和波导基底10，烘烤后自然冷却；3)偏振全息曝光：搭建曝光光路，将准备好的带两个取向层21的波导基底10放置在光路中夹持器具上，保证波导基底10的法线方向平行于曝光夹角的角平分线方向；根据所测基板处的光强密度确定曝光时间，曝光能量需大于3J/cm3；4)配制液晶混合物溶液，其中溶剂为甲苯、液晶材料为RM257、手性材料为R5011、光引发剂为IRGACURE 651；5)将液晶混合物溶液通过0.2um的过滤器，滴在准备好的一个取向层21上，先慢速旋涂使材料均匀分布(500rpm，2s)，再高速旋涂使液晶层达到所需厚度(2000rpm，30s)；6)进行紫外固化得到一个液晶层22，紫外固化时，需在氮气保护中进行，不然RM257氧阻聚效应明显，空气中很难固化，照射能量不小于1.5J/cm2；7)重复上述步骤5)和步骤6)，制造另一个液晶层22。

值得注意的是，虽然在本申请的上述第一示例中，两个体全息耦入光栅20分别位于该波导基底10的相对两侧(如上下两侧)，但在本申请的其他示例中，两个体全息耦入光栅20也可以位于该波导基底10的同一侧(如下侧)，仍能够实现所需的大视场角传输显示。

示例性地，在本申请的第二示例中，如图6所示，两个该体全息耦入光栅20位于该波导基底10的下侧，并且该体全息光栅波导1可以进一步包括被叠置在两个该体全息耦入光栅20之间的透光隔离层50，使得两个体全息耦入光栅20被间隔地叠置于波导基底10的耦入区域11；换言之，一个体全息耦入光栅20被叠置于该波导基底10的下表面，该透光隔离层50被叠置于该体全息耦入光栅20的下表面，另一个体全息耦入光栅20被叠置于该透光隔离层50的下表面。这样，来自显示光机2的图像光将依次经过一个体全息耦入光栅20、透光隔离层50、另一个体全息耦入光栅20以及波导基底10，并且两个体全息耦入光栅20会分别衍射图像光中不同角度成分的光线以耦入该波导基底10而沿着不同方向传输至两个转折区域13。与此同时，该透光隔离层50能够阻止两个体全息耦入光栅20中的液晶层22具有相同的横向周期，以确保两个体全息耦入光栅20能够具有两个不同方向的光栅矢量。

可以理解的是，由于体全息光栅的横向周期主要有取向层决定，因此在本申请的第二示例中，为了隔绝两个体全息耦入光栅20中液晶层的液晶分子排列相互影响，本申请在两个体全息耦入光栅20之间设置该透光隔离层50，使得两个体全息耦入光栅20的光栅矢量可以单独被设计制作，且互不影响。

可选地，如图6所示，每个该体全息耦入光栅20可以包括取向层21和堆叠于该取向层21的液晶层22，一个该体全息耦入光栅20中的该取向层21位于对应的该液晶层22和该波导基底10之间，另一个该体全息耦入光栅20中的该取向层21位于对应的该液晶层22和该透光隔离层50之间；每个该液晶层22由掺杂手性材料的液晶分子组成，以呈现三维旋转结构。

可选地，两个体全息耦入光栅20均为反射式光栅，其衍射效率会随着厚度的增长而呈现出饱和状，即衍射效率保持峰值。而相比于透射式体全息光栅的震荡较难控制，反射式体全息光栅的衍射效率与厚度曲线初段呈现良好的线性关系，便于扩瞳和耦出；此外，反射式体全息光栅还无彩虹纹，外界环境光经反射式衍射，其能量会主要集中在波导基底10的外侧(即下侧)，确保人眼观察不到彩虹纹。

可选地，该透光隔离层50可以由诸如PET材料、玻璃、树脂或塑料等透明材料制备而成，只要具备轻薄和良好的光学特性即可。

可选地，在本申请的第二示例中，两个体全息耦入光栅20的制造过程如下：1)清洗波导基底10；2)配制BY溶液并进行旋涂于波导基底10在耦入区域11处的下表面，以获得一个取向层21，再进行烘烤固定取向层21和波导基底10，烘烤后自然冷却；3)偏振全息曝光：搭建曝光光路，将准备好的带一个取向层21的波导基底10放置在光路中夹持器具上，保证波导基底10的法线方向平行于曝光夹角的角平分线方向；根据所测基板处的光强密度确定曝光时间，曝光能量需大于3J/cm3；4)配制液晶混合物溶液，其中溶剂为甲苯、液晶材料为RM257、手性材料为R5011、光引发剂为IRGACURE 651；5)将液晶混合物溶液通过0.2um的过滤器，滴在准备好的一个取向层21上，先慢速旋涂使材料均匀分布(500rpm，2s)，再高速旋涂使液晶层达到所需厚度(2000rpm，30s)；6)在氮气保护中进行紫外固化得到一个液晶层22，照射能量不小于1.5J/cm2；7)将固化好的液晶层用透光隔离层50覆盖并固定；8)重复上述步骤2)至步骤6)，制造另一个体全息耦入光栅20。

值得注意的是，在本申请的上述第一示例和第二示例中，该体全息耦入光栅20均被实施为偏振体全息光栅。由于偏振体全息光栅具有良好的偏振选择性，只有具有与该偏振体全息光栅结构的旋转方向具有相同偏振分量的光线，才能够发生高效率的衍射，而对应不同于体全息材料的偏振分量的光线则无衍射发生；因此上述第一示例和第二示例的液晶层22中所掺杂的手性材料为R5011以形成右旋液晶层，使得该体全息耦入光栅20均呈现出右旋结构特性，即该体全息耦入光栅20只会对右旋圆偏振光进行衍射，而对于左旋圆偏振光则不发生衍射。故在本申请的上述第一示例和第二示例中，该显示光机2需要配备右旋圆偏振光源，用于发射具有右旋圆偏振态的图像光至该体全息光栅波导1，以便提高光栅耦入效率。可以理解的是，在本申请的其他示例中，该体全息耦入光栅20中的液晶层22也可以掺杂S5011的手性材料以形成左旋液晶层，使得体全息耦入光栅20呈现出左旋结构特性。

然而，针对无偏光源，上述第一示例和第二示例中的体全息耦入光栅20则只有一半的光效可以被衍射，导致近眼显示设备的整体光能利用效率较低。为了解决这一问题，图7示出了根据本申请的上述实施例的体全息光栅波导1的第三示例。相比于根据本申请的上述第一示例，根据本申请的第三示例的体全息光栅波导1的不同之处在于：每个该体全息光栅波导1中的液晶层22可以包括相互堆叠的一层左旋液晶221和一层右旋液晶222，并且该左旋液晶221的+1级次衍射角度等于该右旋液晶222的+1级次衍射角度，使得经由该左旋液晶221衍射的左旋圆偏光LCP的+1级次光的衍射角度与经由该右旋液晶222衍射的右旋圆偏光RCP的+1级次光的衍射角度保持一致，从而确保每个体全息光栅波导1能够分别对图像光中的左旋圆偏光和右旋圆偏光进行耦入衍射，实现无偏光的高效率衍射，有助于提高光波导的整体光效。

可选地，在本申请的第三示例中，该液晶层22中的左旋液晶221和右旋液晶222可以采用分别掺杂手性材料S5011和手性材料R5011的方式制备而成，以制作出同时对左旋和右旋敏感的体全息光栅，并使得左旋圆偏光LCP的+1级次光和右旋圆偏光RCP的+1级次光的衍射角度保持一致，最终左旋圆偏光LCP和右旋圆偏光RCP一起被耦入波导基底10，进而一起耦出至人眼。可以理解的是，本申请所提及的左旋圆偏光LCP的+1级次光的传播路径如图7所示的长虚线；本申请所提及的右旋圆偏光LCP的+1级次光的传播路径如图7所示的点划线。

值得注意的是，由于体全息光栅中不同层液晶所满足的布拉格衍射条件可以不同，因此不同层液晶之间互不影响，且可以互相补充；而又因为同一个体全息光栅中不同层液晶之间具有相同的光栅矢量分量(即投影到波导基底10上的光栅矢量分量)，故不同层液晶之间发生衍射时，衍射角度均遵循光栅方向，并且带宽相互补充拓展，无杂散光。可以理解的是，在不满足布拉格衍射条件时，衍射角度θ_diff＝arcsin(λ/(Λx*n_eff)-sinθ_i)；即衍射角度只与Λx有关，而因为不同层液晶之间具有相同的Λx，所以不会出现杂散光情况。

此外，由于体全息光栅具有一定波长响应带宽，因此在上述第一示例、第二示例以及第三示例中的体全息耦入光栅20无法实现红绿蓝全彩的光线耦合，导致上述体全息光栅波导无法实现全彩显示。为了实现波导的全彩显示，图8示出了根据本申请的上述实施例的体全息光栅波导1的第四示例。相比于根据本申请的上述第一示例，根据本申请的第四示例的体全息光栅波导1的不同之处在于：每个该体全息耦入光栅20包括取向层21和依次堆叠于该取向层21的多个液晶层22，并且多个该液晶层22的波长响应带宽互不相同，以将不同颜色的图像光分别耦入波导基底10，便于实现波导的彩色显示。可以理解的是，同一个体全息耦入光栅20中不同的液晶层22虽然是针对不同波长设计的，但却都具有横向周期相同的特征，故不同的液晶层22之间发生衍射时，衍射角度均遵循光栅方向，使得图像光沿着同一衍射方向耦入该波导基底10，无杂散光。

可选地，在本申请的第四示例中，如图8所示，每个该体全息耦入光栅20中的多个液晶层22可以但不限于分别被实施为红光液晶层22a、绿光液晶层22b以及蓝光液晶层22c，以便分别将红色图像光、绿色图像光以及蓝色图像光耦入该波导基底10进行传输，进行红绿蓝全彩的光线耦合，实现单片波导的全彩显示。可以理解的是，由于体全息光栅中液晶层厚度一般在几百纳米到几微米的量级，因此即便堆叠多个液晶层，本申请的体全息耦入光栅20仍具有轻薄特点，便于满足体全息光栅波导1的轻薄化需求。

可选地，在本申请的第四示例中，如图8所示，该体全息耦入光栅20中的每个液晶层22均可以包括相互堆叠的一层左旋液晶221和一层右旋液晶222，以便实现无偏光的高效率衍射，提高光波导的整体光效。可以理解的是，在本申请的其他示例中，每个液晶层22也可以被实施为左旋液晶层或右旋液晶层，以便匹配具有偏振光源的显示光机。

值得一提的是，根据本申请的上述实施例，如图2和图4所示，本申请所提及的转折元件30可以但不限于被实施为体全息转折光栅31，用于衍射来自耦入区域11的图像光以转向而从转折区域13传输至该耦出区域12。可以理解的是，在本申请的其他示例中，该转折元件30还可以被实施为诸如浮雕光栅或半反半透膜等其他转折器件，只要能够实现所需的转折效果即可，本申请对此不再赘述。

类似地，如图2和图4所示，本申请所提及的耦出元件40可以但不限于被实施为体全息耦出光栅41，用于衍射来自转折区域13的图像光以从该耦出区域12耦出该波导基底10而入射至人眼进行近眼显示。可以理解的是，在本申请的其他示例中，该耦出元件40也可以被实施为诸如浮雕光栅或半反半透膜等其他耦出器件，只要能够实现所需的耦出效果即可，本申请对此不再赘述。

值得注意的是，由体全息光栅的衍射效率与纵向周期个数之间的关系曲线，易知：在纵向周期个数n小于10的区间内，体全息光栅的衍射效率与纵向周期个数呈现较强的线性关系；而在纵向周期个数n大于10的区间内，该体全息光栅的衍射效率趋近于1，此时增大纵向周期个数(即增加体全息光栅的厚度)并不能增大体全息光栅的衍射效率。因此，本申请的体全息耦出光栅41的纵向周期个数需要小于10，即该体全息耦出光栅41中厚度最大部位的纵向周期个数n_max需要小于10，即n_max＜10，以便通过厚度的变化来调节衍射效率的大小，改善波导显示亮度的均匀性。

可选地，如图2所示，该体全息耦出光栅41的厚度可以沿着该耦出区域12处的图像光传输方向增加，如逐渐增加或阶梯式增加，使得该体全息耦出光栅41的厚度从该耦入区域11到该耦出区域12的方向增加，并且该体全息耦出光栅41的耦出衍射效率随着光栅厚度的增加而增大，能够在一定程度上弥补图像光在该耦出区域12传输时的光强衰减，使得经由该体全息耦出光栅41中厚度较小部位耦出的图像光强度能够与经由该体全息耦出光栅41中厚度较大部位耦出的图像光强度基本保持一致。

同理地，如图2所示，本申请的体全息转折光栅31的厚度可以沿着该转折区域13处的图像光传输方向增加，如逐渐增加或阶梯式增加，使得该体全息转折光栅31的厚度从该耦入区域11至该转折区域13的方向增加，并且该体全息转折光栅31的转折衍射效率随着光栅厚度的增加而增大，能够在一定程度上弥补图像光在该转折区域13传输时的光强衰减，使得经由该体全息转折光栅31中厚度较小部位转向的图像光强度能够与经由该体全息转折光栅31中厚度较大部位耦出的图像光强度基本保持一致。

可以理解的是，本申请所提及的体全息转折光栅31和体全息耦出光栅41可以与该体全息耦入光栅20具有相同的结构，即同样由取向层和液晶层组成。此外，本申请所提及的体全息转折光栅31和体全息耦出光栅41可以采用与体全息耦入光栅20的制备方式相同的方式制备而成，以便降低制备成本，本申请对此不再赘述。

值得注意的是，在本申请的其他实施例中，该体全息光栅波导1也可以包括三个或三个以上的体全息耦入光栅20，只要能够将来自显示光机2的图像光耦入波导基底10以沿着不同的方向传输至对应的转折区域13即可，本申请对此不再赘述。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.体全息光栅波导，其特征在于，包括：

波导基底，所述波导基底具有耦入区域、耦出区域以及分布于所述耦入区域和所述耦出区域之间连线两侧的一对转折区域；

一对体全息耦入光栅，两个所述体全息耦入光栅被间隔地叠置于所述耦入区域，并且两个所述体全息耦入光栅的光栅矢量在所述波导基底的投影分量分别指向两个所述转折区域，用于将图像光从所述耦入区域耦入所述波导基底以分别传输至两个所述转折区域；

一对转折元件，两个所述转折元件分别被设置于两个所述转折区域，用于将来自所述耦入区域的图像光在两个所述转折区域分别转向以传输至所述耦出区域；以及

耦出元件，所述耦出元件被设置于所述耦出区域，用于将来自两个所述转折区域的图像光从所述耦出区域拼接耦出所述波导基底。

2.根据权利要求1所述的体全息光栅波导，其特征在于，两个所述体全息耦入光栅的光栅矢量在波导平面的投影分量具有夹角，且大小相同。

3.根据权利要求1所述的体全息光栅波导，其特征在于，两个所述体全息耦入光栅分别位于所述波导基底的上下两侧。

4.根据权利要求3所述的体全息光栅波导，其特征在于，每个所述体全息耦入光栅包括取向层和堆叠于所述取向层的液晶层，所述取向层位于所述液晶层和所述波导基底之间，所述液晶层由掺杂手性材料的液晶分子组成，以呈现三维旋转结构。

5.根据权利要求1所述的体全息光栅波导，其特征在于，两个所述体全息耦入光栅位于所述波导基底的下侧，并且所述体全息光栅波导进一步包括被叠置在两个所述体全息耦入光栅之间的透光隔离层。

6.根据权利要求5所述的体全息光栅波导，其特征在于，每个所述体全息耦入光栅包括取向层和堆叠于所述取向层的液晶层，一个所述体全息耦入光栅中的所述取向层位于对应的所述液晶层和所述波导基底之间，另一个所述体全息耦入光栅中的所述取向层位于对应的所述液晶层和所述透光隔离层之间；每个所述液晶层由掺杂手性材料的液晶分子组成，以呈现三维旋转结构。

7.根据权利要求4或6所述的体全息光栅波导，其特征在于，每个所述体全息耦入光栅中的所述液晶层包括相互堆叠的一层左旋液晶和一层右旋液晶，并且所述左旋液晶的+1级次衍射角度等于所述右旋液晶的+1级次衍射角度。

8.根据权利要求3或5所述的体全息光栅波导，其特征在于，每个所述体全息耦入光栅包括取向层和依次堆叠于所述取向层的多个液晶层，并且多个所述液晶层的波长响应带宽互不相同。

9.根据权利要求8所述的体全息光栅波导，其特征在于，每个所述体全息耦入光栅中的多个所述液晶层分别为红光液晶层、绿光液晶层以及蓝光液晶层。

10.根据权利要求1至6中任一所述的体全息光栅波导，其特征在于，每个所述体全息耦入光栅为偏振体全息光栅。

11.根据权利要求1至6中任一所述的体全息光栅波导，其特征在于，所述转折元件为体全息转折光栅；所述耦出元件为体全息耦出光栅。

12.根据权利要求11所述的体全息光栅波导，其特征在于，所述体全息转折光栅的厚度沿着所述转折区域处的图像光传输方向增加；所述体全息耦出光栅的厚度沿着所述耦出区域处的图像光传输方向增加。

13.近眼显示设备，其特征在于，包括：

显示光机；和

如权利要求1至12中任一所述的体全息光栅波导，所述体全息光栅波导位于所述显示光机的投射侧。