一种衍射光波导及其制备方法、增强现实设备与流程

本发明实施例涉及显示，尤其涉及一种衍射光波导及其制备方法、增强现实设备。

背景技术：

1、增强现实作为一种将虚拟世界信息与真实世界信息“无缝”集成的技术，是将通过微型投影系统提供的虚拟内容与真实环境叠加到同一个画面或空间以同时存在，使用户获得虚拟与现实融合的体验。

2、图1是现有的一种常见衍射光波导的光栅布局方式，图像源出射的图像光束s经过耦入光栅11耦入光波导基底12后，经扩瞳扩展光栅13在一个维度上扩展并转向耦出光栅14，由耦出光栅14在另一个维度再次扩展并耦出进入人眼。

3、但是，这种光栅布局方式形成单一的光传输通道，使得耦出光束的角度受限于一个传播方向的波导玻璃片的全内反射要求，无法获得较大的视场角度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供一种衍射光波导及其制备方法、增强现实设备，通过对第一光栅区域内的光栅结构进行设计，使得图像光束在耦入后便能得到多个方向的光束，在波导基底内形成多条传播路径；或者，在图像光束在耦入光波导后，通过衍射形成沿多条路径传播的传播光束，不同路径可分别携带不同视场角的图像信息，最终均汇聚到第二光栅区域进行输出，可增大衍射光波导的视场角，而且还能提高各路径的传输光束的均匀性分布，有效提高衍射光波导的视觉成像效果。同时，各传播路径的光束能量可以充分使用输入图像光能量，进一步提高波导眼镜片的总体光效率。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种衍射光波导，包括波导基底以及位于所述波导基底表面的第一光栅区域和第二光栅区域；

3、所述第一光栅区域内的光栅结构，用于将图像源出射的图像光束耦入所述波导基底形成沿不同方向传播的传播光束；和/或，用于衍射耦入所述波导基底的图像光束形成沿不同方向传播的传播光束；

4、所述第二光栅区域用于衍射所述传播光束形成输出光束；

5、其中，所述图像光束自从所述第一光栅区域耦入所述波导基底至从所述第二光栅区域耦出所述波导基底所经过衍射光栅的光栅矢量之和为零。

6、第二方面，本发明实施例还提供了一种衍射光波导的制备方法，包括：

7、提供波导基底；

8、在所述波导基底的第一光栅区域形成第一光栅结构，以及在第二光栅区域形成第二光栅结构；

9、其中，所述第一光栅结构，用于将图像源出射的图像光束耦入所述波导基底形成沿不同方向传播的传播光束；和/或，用于衍射耦入所述波导基底的图像光束形成沿不同方向传播的传播光束；所述第二光栅结构用于衍射所述传播光束形成输出光束；所述图像光束自从所述第一光栅区域耦入所述波导基底至从所述第二光栅区域耦出所述波导基底所经过衍射光栅的光栅矢量之和为零。

10、进一步地，可选地，第一光栅区域还用于将图像源出射的多波段的图像光束耦入波导基底形成传输光束。

11、可选地，第一光栅区域和/或第二光栅区域内的光栅结构包括填充光栅结构，填充光栅结构包括至少一层填充光栅层；填充光栅层包括光栅基底和填充层，填充层用于填充光栅基底之间的间隙并在填充光栅结构远离波导基底的一侧形成平整光滑的表面；光栅基底和填充层的折射率不同。

12、首先，相较于常规的表面浮雕光栅和体光栅，本发明所提供的填充光栅结构是通过在光栅基底上覆盖填充层形成的，光栅基底是与填充层为界面，而填充层的折射率是可调节的参数，可以通过降低光栅基底与填充层之间的折射率差值，增大光栅基底的深度，以增加光线与填充光栅结构之间的相互作用次数，从而大幅提高填充光栅结构的衍射效率。此时本发明所提供的填充光栅结构产生高衍射效率的方式与体光栅相近，衍射效率远超常规的表面浮雕型光栅。而且，本发明所提供的填充光栅结构又能类似常规的表面浮雕型光栅通过对倾角、深度、形状、占空比等光栅相关参数进行优化，以较大的折射率差值来产生不同于体光栅的窄带fov，规避了体光栅调制不灵活，衍射角度范围较小的问题。另外，本发明所提供的填充光栅结构不直接与空气接触，相较于常规的表面浮雕型光栅无需额外增加保护片保护光栅结构不被污染与破坏，进一步缩小体积。可见，本发明提供的填充光栅结构兼具高衍射效率和较宽的角度响应带宽的优势。

13、其次，特别突出地，由于填充层形成平整光滑的表面，可在其上继续叠加填充光栅层，形成多层结构，极大提高了设计自由度，而其中不同的倾斜角度或形状，可以提升某个颜色光束的特定视场角的效率，以满足衍射光波导的各光栅功能区域(比如，耦入区域、扩展区域、耦出区域等)的设计功能，而这是目前常规的单层(空气隙类型)表面浮雕光栅所不能实现的功能。

14、再次，对于单层光栅层(表面浮雕光栅或填充光栅结构)，在衍射时，0级衍射是透射光束，没有被衍射的光束能量直接通过透射而被浪费。目前的表面浮雕光栅类型，大都采用倾斜光栅来提高一侧的衍射效率，但是该光束是单个方向传播的。而为了输出图像全幅面各个角度光束的均匀性，更好的效果是光束能够从多个角度传播至耦出光栅，以获得更高的效率以及更均匀的图像输出。这样，多层填充光栅的叠合就可以充分发挥优势：位置在下的填充光栅层能再次利用上层透过的0级衍射光束(即原来被浪费的能量)，而且不同层的填充光栅层还可以采用不同的光栅方向，灵活设计为将光束沿不同方向传输至后续光栅区域。此外，多层填充光栅层叠加还可用于色彩的均衡，通过多层填充光栅层协同将三色波长均耦入波导基底，不仅提高能量使用效率，而且能够提高图像满幅面的亮度均匀性(引导光束去照亮暗角区域)，大幅度提高设计灵活性和图像质量。

15、需要说明的是，本发明所提及的均匀性包括在动眼眶内的各个可观看角度下观看输出图像均能看到全幅图像且亮度均匀；以及在彩色光束投射的场景下，在动眼眶内的各个可观看角度下观看输出图像时，对于每个颜色图像能看到全幅图像且亮度均匀。

16、可选地，第一光栅区域包括耦入光栅区域和扩展光栅区域，耦入光栅区域的光栅结构为填充光栅结构，填充光栅结构包括至少两层堆叠的耦入填充光栅层；各耦入填充光栅层用于将图像源发出的图像光束耦入波导基底并形成沿不同方向传播的传输光束；扩展光栅区域的光栅结构用于衍射传输光束，使得传输光束部分偏转向第二光栅区域传播。

17、可选地，耦入光栅区域的光栅结构的填充光栅结构包括三层堆叠的耦入填充光栅层；三层耦入填充光栅层用于将图像源发出的图像光束耦入波导基底并形成分别沿第一方向、第二方向和第三方向传播的传输光束；第三方向为从第一光栅区域指向第二光栅区域的方向，沿第三方向的传播光束直接传输至第二光栅区域，第一方向和第二方向分别与第三方向的夹角均为锐角，第一方向、第二方向和第三方向位于同一平面内；扩展光栅区域包括第一扩展光栅区域和第二扩展光栅区域，第一扩展光栅区域用于衍射沿第一方向传播的传输光束，使得沿第一方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域传播；第二扩展光栅区域用于衍射沿第二方向传播的传输光束，使得沿第二方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域传播。

18、可选地，第一扩展光栅区域包括第一甲扩展光栅区域和第一乙扩展光栅区域；第二扩展光栅区域包括第二甲扩展光栅区域和第二乙扩展光栅区域；第一甲扩展光栅区域用于衍射沿第一方向传播的传输光束，使得沿第一方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域传播；第一乙扩展光栅区域用于衍射继续沿第一方向传播的传输光束，使得继续沿第一方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域传播；第二甲扩展光栅区域用于衍射沿第二方向传播的传输光束，使得沿第二方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域传播；第二乙扩展光栅区域用于衍射继续沿第二方向传播的传输光束，使得继续沿第二方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域二光栅区域传播。

19、可选地，第二光栅区域的光栅结构的填充光栅结构包括三层堆叠的耦出填充光栅层；三层耦出填充光栅层用于将从不同方向传输至第二光栅区域的传输光束耦出波导基底；各耦入填充光栅层均为一维光栅结构，且光栅矢量方向分别为第一方向、第二方向和第三方向，第一方向与第三方向的夹角为-60°，第二方向与第三方向的夹角为60°；第一甲扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向与第三方向的夹角为60°，第一乙扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向垂直于第三方向，第二甲扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向与第三方向的夹角为-60°，第二乙扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向垂直于第三方向；各耦出填充光栅层均为一维光栅结构，且光栅矢量方向分别为第一方向的反方向、第二方向的反方向和第三方向的反方向。

20、可选地，耦入光栅区域的光栅结构的填充光栅结构包括三层堆叠的耦入填充光栅层；三层耦入填充光栅层用于将图像源发出的第一波段、第二波段以及第三波段的图像光束分别耦入波导基底并形成传输光束；第一波段的中心波长为λ1，第二波段的中心波长为λ2，第三波段的中心波长为λ3，λ1>λ2>λ3；或者，三层耦入填充光栅层中的其中两层用于将图像源发出的第一，二波段和第二，三波段的图像光束分别耦入波导基底并形成传输光束，另外一层用于对上述两层中耦入不足或缺失的波段进行补偿。上述三层耦入填充光栅层分别对于λ1，λ2和λ3，在不同的角度下有不同的衍射效率，叠加各角度效率曲线后，获得较均匀的各角度观察的显示亮度。

21、前述可实施的方式中，将填充光栅结合应用到具体的衍射光波导的光栅布局中，在耦入阶段采用多层不同光栅方向的填充光栅层，将图像源出射的图像光束耦入波导基底后沿不同的方向传播，既提高了光能利用率，又通过将光束从多个方向传播至后续光栅提高图像全幅面亮度均匀性，而且能够加宽耦入波导基底的图像光束的波段，还能通过设计不同方向的传播光束携带不同的图像信息，通过视场角的拼接获取更大的视场角范围。

22、可选地，第一光栅区域包括耦入光栅区域和扩展光栅区域，扩展光栅区域包括至少两个子区域，各子区域内均包括至少一层扩展填充光栅层，不同子区域的扩展填充光栅层用于将耦入波导基底的不同视场角范围的图像光束部分偏转向第二光栅区域传播。

23、可选地，扩展光栅区域包括第一子区域和第二子区域，第一子区域与第二子区域分别位于波导基底的上表面和下表面且存在重叠区域，各子区域内均包括至少一层扩展填充光栅层，不同子区域的扩展填充光栅层用于将耦入波导基底的、不同视场角范围的图像光束，部分偏转向第二光栅区域传播。

24、可选地，扩展光栅区域包括第一子区域、第二子区域和第三子区域，第三子区域位于第一子区域和第二子区域之间；第一子区域和第二子区域内包括一层扩展填充光栅层，第三子区域内包括三层层叠的扩展填充光栅层；第一子区域和第二子区域的扩展填充光栅层，用于将耦入波导基底的、不同视场角范围的图像光束，沿不同方向部分偏转向第二光栅区域传播；第三子区域的扩展填充光栅层，用于将耦入波导基底的、不同视场角范围的图像光束向两侧扩展后再偏转向第二光栅区域传播。

25、可选地，耦入光栅区域包括一层耦入填充光栅层，耦入填充光栅层用于将图像源出射的图像光束耦入波导基底；第二光栅区域包括三层堆叠的耦出填充光栅层，三层耦出填充光栅层用于将从不同方向传输至第二光栅区域的传输光束耦出波导基底；耦入填充光栅层为一维光栅结构，且光栅矢量方向沿第三方向，第三方向为从第一光栅区域指向第二光栅区域的方向；第一子区域内的扩展填充光栅层为一维光栅结构，其光栅矢量方向与第三方向的夹角为120°，第二子区域内的扩展填充光栅层为一维光栅结构，其光栅矢量方向与第三方向的夹角为-120°，第三子区域内的各扩展填充光栅层均为一维光栅结构，其光栅矢量方向分别为第三方向的反方向、与第三方向的夹角为120°的方向以及与第三方向的夹角为-120°的方向；各耦出填充光栅层均为一维光栅结构，耦出填充光栅层的光栅矢量与第三子区域内的扩展填充光栅层的光栅矢量相同。

26、可选地，耦入光栅区域包括至少两层耦入填充光栅层，各耦入填充光栅层的光栅矢量方向相同，用于将图像源出射的多波段的图像光束耦入波导基底形成传播光束。

27、前述可实施的方式中，将填充光栅结合应用到具体的衍射光波导的光栅布局中，在扩展阶段采用多区域、单层或多层不同光栅方向的填充光栅层，将耦入波导基底的图像光束沿不同的方向扩展传输，既通过将光束从多个方向传播至后续光栅提高图像全幅面亮度均匀性，又能通过设计不同方向的传播光束携带不同的图像信息，通过视场角的拼接获取更大的视场角范围。而且，耦入区域采用填充光栅结构也能一定程度上加宽耦入波导基底的图像光束的波段。

28、可选地，第一光栅区域包括耦入光栅区域和扩展光栅区域，第二光栅区域包括耦出光栅区域，耦入光栅区域的填充光栅结构的参数为第一调制变量，用于增大图像源出射的图像光束耦入波导基底的耦入效率；扩展光栅区域和耦出光栅区域的填充光栅结构的参数为第二调制变量，用于调制光栅衍射效率，以提高观测者在动眼眶内各可观测角度下观测到的图像画面的均匀性。

29、可选地，第一调制变量包括耦入光栅区域的填充光栅结构的光栅基底的折射率、齿形、倾角、周期、占空比和深度，以及耦入光栅区域的填充光栅结构的填充层的折射率中的至少一种。

30、可选地，第二调制参数包括扩展光栅区域和耦出光栅区域的填充光栅结构的光栅基底的折射率、齿形、倾角、周期、占空比和深度，以及扩展光栅区域和耦出光栅区域的填充光栅结构的填充层的折射率中的至少一种；第二调制参数被调制使得同一功能区域内沿光束传播方向的衍射效率逐渐增大；其中，对填充层的折射率的调制包括对同一功能区域内的同一层填充层的分区调制。

31、前述可实施方式中，填充光栅结构在应用于不同的功能区域时在优化性能时调制灵活度更高。不仅能调制光栅基底还能调制填充层。在应用于耦入光栅区域时，能够通过调制增大图像光束耦入波导基底的耦入效率，以及加宽图像光束耦入波导基底的波段。在应用于扩展光栅区域和/或耦出光栅区域时，能够通过调制补偿光束传播衰减，提高扩瞳、耦出图像的均匀性。

32、可选地，光栅基底的齿形结构包括直齿结构、斜齿结构、梯形结构、三角结构、台阶结构中的至少一种。

33、可选地，光栅基底的结构包括一维凸起条状光栅结构、二维交叉凸起条状光栅结构、二维交叉条状的凹陷阴模光栅结构。

34、可选地，光栅基底与填充层的材料包括有机材料和透明无机材料。

35、可选地，光栅基底与填充层的折射率差值范围为δn，0.01≤δn≤1.4。

36、可选地，填充光栅结构的工作方式包括透射光栅模式和反射光栅模式。

37、第三方面，本发明实施例还提供了一种增强现实设备，包括：

38、设备主体；

39、光机，其中所述光机被设置于所述设备主体，所述光机中的图像源用于投射图像光束；以及第一方方面提供的衍射光波导。

40、可选地，所述增强现实设备实现为近眼显示设备，其中，所述设备主体被实施为眼镜架，其中所述眼镜架包括横梁部和镜腿部，并且所述镜腿部从所述横梁部的左右两侧中的至少一侧向后延伸，其中所述衍射光波导被对应地设置于所述横梁部。

41、可选地，所述增强现实设备实现为抬头显示设备，所述设备主体被实施为挡风玻璃，所述衍射光波导被对应地设置于所述挡风玻璃的内部或者内侧，使得经由所述光机投射的该图像光束在经由所述衍射光波导的传输后，投射至所述挡风玻璃以形成虚像。