本发明涉及光栅波导显示技术领域，特别涉及一种周期渐变光栅显示波导及其制作方法与应用。
背景技术：
光栅波导由于具有角度和波长选择性，传统不渐变的光栅波导，整个光栅面只对一种波长的一个入射角发生高衍射，一般在获得高衍射率的同时，难以获得较大的角度带宽。
为了解决上述问题，有人提出了渐变体全息光栅，其是在全息记录材料上记录光栅条纹，光栅条纹的周期与倾斜角单调连续变化。渐变可以改善传统不渐变光栅波导的视场限制，但是其也存在一定的缺点：(1)其是利用干涉条纹来显影定型的，边缘不清晰，会有毛刺，精度和效率会低很多；(2)其光栅条纹的周期和倾斜角单调连续变化，实际制作中很难做到连续变化，这样会导致衍射效率低下，视场角受限。
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种周期渐变光栅显示波导及其制作方法与应用，光栅的周期和倾斜角在像素级上离散变化，每个像素对应的长度上周期和倾斜角是单一固定的，精度和衍射效率高，轮廓清晰，可实现大的视场角。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种周期渐变光栅显示波导，其包括：前表面和后表面，所述前表面上设置有光栅结构，在水平方向上，所述光栅结构的光栅数量与像源像素数量相匹配，所述光栅的周期和倾斜角沿水平方向在像素级上离散变化。
较佳地，所述光栅为全息波导光栅或倾斜浮雕厚光栅。
较佳地，所述后表面为玻璃平面。
较佳地，所述光栅显示波导呈长方体形。
本发明还提供一种周期渐变光栅显示波导的制作方法，其包括以下步骤：
s11：根据要求的出瞳距离eye-relief，结合基底材料的参数n、dh计算人眼视场角中每个αout的光线在光栅波导上的出射位置p；
s12：根据各个视场的入射光线角度αin、出射光线角度αout、出射位置p及光栅波导材料折射率n计算各位置处光栅结构的光栅倾斜角θ；
s13：根据各个视场的入射光线角度αin、出射光线角度αout、出射位置p、入射光线波长λ、光栅波导材料折射率n及光栅的倾斜角θ计算各位置处浮雕光栅的光栅周期d0；
s14：根据上述各参数制作周期渐变光栅显示波导。
较佳地，所述步骤14中的制作周期渐变光栅显示波导的方法为纳米打印或压印。
较佳地，所述步骤s13和步骤s14之间还包括：
s15：优化各个像素对应光栅显示波导的厚度。
较佳地，所述步骤s15中的优化方法为利用经典耦合波理论优化。
本发明还提供一种周期渐变光栅显示波导的应用，用于彩色显示，其包括：包括多层依次叠加的周期渐变光栅显示波导，每层所述周期渐变光栅显示波导对应一种入射波长；所述周期渐变光栅显示波导为上述所述的周期渐变光栅显示波导。
较佳地，所述光栅显示波导的层数为三层；三层所述光栅显示波导的入射波长分别对应红、绿、蓝三基色波长。
本发明还提供另一种周期渐变光栅显示波导的应用，用于扩展出瞳，其包括：多层依次叠加的周期渐变光栅显示波导，相邻两层所述周期渐变光栅显示波导在扩瞳维度上错开一个出瞳大小；所述周期渐变光栅显示波导为上述所述的周期渐变光栅显示波导。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的周期渐变光栅显示波导，为渐变型光栅，可以在不同的位置对不同的入射角度的光线进行衍射，且在像素上与像源一一对应，可以在获得高衍射效率的同时匹配特定的入眼光线，从而得到较大的视场角；
(2)本发明的周期渐变光栅显示波导，可以采用浮雕光栅，能够有效矫正传统几何光学元件无法解决的离轴大视场像差，且应用此光栅显示波导的显示组件通常可以做到轻薄、隐秘；
(3)本发明的周期渐变光栅显示波导，不局限于传统的全息材料，可选择安全环保的材料，且能够保证精度；
(4)本发明的周期渐变光栅显示波导的制作方法为计算型，相比于传统的手工方式精度和衍射效率高，且边缘清晰；传统的手工方式是利用干涉条纹来显影定型的，边缘不清晰，会有毛刺；
(5)本发明的周期渐变光栅显示波导也可以为全息波导光栅，采用全息曝光的方式得到，与传统的手工方式不同，本发明采用计算型全息，通过计算出光栅结构，然后计算出全息干涉图样，利用液晶空间光调制器可以实现一次曝光得到全息光栅波导，精度和衍射效率高，制作简单；
(6)本发明的周期渐变光栅显示波导的制作方法可以采用纳米打印或压印，这种方式相比折射率渐变的体光栅，不需要特殊的全息材料，也无需把握诸如曝光时间、光路精度等条件，可以制作出较高精度的光栅波导，并且有着良好的复刻性，有利于进一步产品化；
(7)本发明的周期渐变光栅显示波导可以实现彩色显示，在需要彩色显示的时候，只需叠加多层周期渐变浮雕光栅显示波导，使每一层对应不同的波长，最终实现彩色显示，另外多层显示波导还可以用于扩展出瞳。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的实施例的周期渐变光栅显示波导的正视图
图2为本发明的实施例的周期渐变光栅显示波导的用法示意图；
图3为本发明的实施例的周期渐变光栅显示波导的衍射示意图；
图4为本发明的实施例的像源某一像素点经由周期渐变光栅显示波导进入人眼示意图；
图5为本发明的实施例的周期渐变光栅显示波导用于扩展出瞳的用法示意图。
标号说明：1-人眼，2-微显示器，3-基底材料，4-周期渐变光栅显示波导；
101-光线，102-光线，103-光线，104-倾斜浮雕光栅结构，105-倾斜浮雕光栅结构，106-倾斜浮雕光栅结构；
401-周期渐变光栅显示波导的放大；
41-一层周期渐变光栅显示波导，42-另一层周期渐变光栅显示波导。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
结合图1-图4，本实施例对本发明的周期渐变光栅显示波导进行详细描述，如图1所示，其包括：前表面和后表面，前表面上设置有光栅结构，光栅结构的周期和倾斜角沿水平方向在像素级上离散变化。本实施例的光栅结构具有倾斜浮雕光栅，倾斜浮雕光栅数量与像源像素数量相匹配，每个像素点对应一种特定的倾斜浮雕光栅，不同像素点对应的倾斜浮雕光栅的倾角和边长(也就是对应的光栅周期)都不一样。如图1所示，本实施例的光栅显示波导呈长方体形，浮雕光栅面在水平方向上排列，光栅周期和倾斜角θ渐变。如图2所示，光栅显示波导4在使用时，由微显示器2发出具有一定角度的光线101、102、103透过基底材料3后分别入射到光栅面p1、p2、p3位置，光栅显示波导4在p1、p2、p3位置上对应分布的倾斜浮雕光栅结构104、105、106具有角度选择性，分别将其产生主极大衍射的光线101、102、103反射。如图3所示，不同入射角度的光线入射到光栅面后，仅有满足特定条件的光线能够发生衍射极大，最终透过基底材料3以平行光进入到人眼1中，渐变浮雕光栅波导结构与微显示器2的像源在像素级上一一对应，从而人眼1刚好可以通过整个光栅波导观察到微显示器2上的内容。
本实施例中，是采用微显示器将光线投进入波导的。不同实施例中，光线也可以以其他方式耦合进入波导，如：可以直接耦合进入波导，在波导层内全反射到达像素对应的光栅处。
不同实施例中，光栅结构还可以为全息波导光栅。
实施例2：
本实施例详细描述本发明的周期渐变光栅显示波导的制作方法，其包括以下步骤：
s11：根据要求的出瞳距离eye-relief，结合基底材料的参数n、dh等计算人眼视场角中每个αout的光线在光栅波导上的出射位置p；
pi＝f(eye-lelief，n，dh，αouti)i＝1，2，3...；
s12：微显示器上像源与显示波导在像素上一一对应，如图4所示，微显示器上某一像素点a的入射光线角度αin、对应波导上p点的出射光线角度αout，由几何关系可以计算出位置p处光栅的倾斜角θ；
s13：根据各个视场的入射光线角度αin、出射光线角度αout、出射位置p、入射光线波长λ、光栅波导材料折射率n及光栅的倾斜角θ计算各位置处浮雕光栅的光栅周期d0；
s14：利用耦合波理论优化各个像素对应波导光栅的厚度，进而实现较高的衍射效率。
通过上述计算方法得到的是单波长光栅结构的三维数据，通过微纳3d打印或压印的方式可以精确地制作出该周期渐变光栅波导。
本实施例的周期渐变光栅显示波导的制作方法为计算型，相比于传统的手工方式精度和衍射效率高，且边缘清晰。
本发明的周期渐变光栅显示波导可以用于彩色显示，在需要彩色显示的时候，可以用叠加多层周期渐变光栅显示波导的方法，使每一层对应不同波长，最终实现彩色显示。另外，多层周期渐变光栅显示波导也可以用于扩展出瞳。如：可以利用三层分别对应红绿蓝三基色波长的周期渐变光栅显示波导结构来实现彩色显示。
本发明的周期渐变光栅显示波导还可以用于扩展出瞳，在需要扩展出瞳的时候，可以用叠加多层周期渐变光栅显示波导的方法，相邻两层周期渐变光栅显示波导之间在水平方向上正好错开一个出瞳的大小。如图5所示，以两层为例，41为其中一层周期渐变光栅显示波导，42为另一层周期渐变光栅显示波导，41和42刚好错开一个出瞳大小，从而实现扩展出瞳的目的，出瞳大小就是图中进入人眼1的宽光束表示的宽度。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。