光学装置和近眼显示设备的制作方法

1.本技术涉及光学领域，特别涉及一种光学装置和近眼显示设备。


背景技术：

2.随着显示技术的发展，增强现实((augmented reality，ar))技术的近眼显示设备得到了广泛的应用。ar技术主要以光机为图像源，通过光学元件将图像投射入人眼成像。其中，光学元件一般采用光波导结构。
3.在光波导结构中，入射光经光耦入器件耦入光波导，并在光波导内部以全反射的方式传播，传播到光耦出器件处的光线被耦出光波导。为了保证人眼在一定范围内都能观察到图像，且人眼在一定范围内连续移动时图像不会闪烁或跳变，需要进行出瞳扩展，并保证出瞳的连续性。同时还要确保光线在光耦入器件处不发生二次衍射，以避免能量的浪费，而这两个条件是互相矛盾的。
4.因此需要提供一种光波导结构，以同时满足避免能量浪费和保证连续出瞳的要求。


技术实现要素：

5.本技术的一些实施方式提供了一种光学装置和近眼显示设备，以下从多个方面介绍本技术，以下多个方面的实施方式和有益效果可互相参考。
6.第一方面，本技术提供了一种光学装置，包括：光波导，光耦入器件，光耦出器件和衍射器件。其中，光波导包括沿第一方向依次相连的第一部分、第二部分和第三部分，光耦入器件和光耦出器件分别设于第一部分和第三部分上；第一部分、第二部分和第三部分的顶面依次连接以形成光波导的第一表面，第一表面为平面；第一部分、第二部分和第三部分的底面依次连接以形成光波导的第二表面；第一部分的底面和第三部分的底面平行于第一表面，第二部分的底面相对第一表面倾斜，以使得第一部分的厚度大于第三部分的厚度，衍射器件设置在第二部分的底面上。
7.本技术实施方式提供的光学装置能够避免光线发生二次衍射，确保出瞳的连续性。另外，本技术还能够有效减轻重量，进一步提升用户体验。
8.在其中一些实施方式中，光耦入器件可以设于光波导第一部分的顶面上，且光耦出器件设于光波导第三部分的顶面上。
9.在其中一些实施方式中，光耦入器件设于光波导第一部分的底面上，和/或，光耦出器件设于光波导第三部分的底面上。
10.上述光学装置中，光线通过光耦入器件耦入光波导的第一部分，第一部分的厚度较大，从而避免光线在光耦入器件处发生二次衍射。位于第一部分的光线经过第二部分传播至第三部分。传播至第三部分的光线通过设于第三部分的光耦出器件耦出光波导的第三部分，而第三部分的厚度较小，能够确保扩展出瞳的连续性。另外，上述光学装置的结构更为紧凑，光波导的厚度更小，有效减轻重量。
11.在一些实施方式中，衍射器件使得从第一部分入射至第二部分底面的第一光线以第一角度衍射至第三部分，其中，第一角度与第二角度的差值小于第一阈值，第二角度为第一光线射向第一部分底面时的反射光线的角度。
12.根据本技术实施方式，第一光线在入射至第二部分的底面后，衍射器件对其进行衍射，以产生衍射光线。该衍射光线与第一光线射向第一部分的底面时产生的反射光线具有大致相同的角度(两者的差值小于第一阈值)，从而使光学装置形成清晰的图像。
13.在一些实施方式中，衍射器件包括多个全息光栅，多个全息光栅具有不同的条纹倾角，以将多条不同角度的第一光线衍射至所述第三部分中。
14.其中，多个全息光栅是通过对多个全息材料分别曝光形成的，多个全息光栅以依次层叠的方式叠加，从而形成衍射器件。
15.在一些实施方式中，衍射器件为体全息光栅。其中，体全息光栅是通过对同一全息材料进行多次曝光形成的。
16.在一些实施方式中，第一光线与第一部分底面法线的夹角为30
°
～75
°
。例如，第一光线与第一部分底面法线的夹角为30
°
。再例如，第一光线与第一部分底面法线的夹角为40
°
。可以理解，第一光线与第一部分底面法线的夹角，可以为，第一光线与后文实施例中提及的z轴方向的夹角。
17.在一些实施方式中，其特征在于，第一阈值为0
°
～1
°
。例如，第一阈值可以为0.1
°
。再例如，第一阈值还可以为0.3
°
。
18.在一些实施方式中，其特征在于，第二部分的底面相对第一表面的倾斜角度为5.5
°
～20
°
。例如，第二部分的底面相对所述第一表面的倾斜角度为6
°
。再例如，第二部分的底面相对所述第一表面的倾斜角度为7
°
。可以理解，第二部分的底面相对所述第一表面的倾斜角度，可以为，第二部分的底面与后文实施例中提及的x轴方向的夹角。
19.在一些实施方式中，其特征在于，光耦出器件的长度与第三部分的厚度之比为2～10，光耦出器件的长度为光耦出器件沿第一方向的尺寸。例如，2，4等。
20.在一些实施方式中，其特征在于，第二部分的底面为平面。
21.在一些实施方式中，光耦入器件和光耦出器件为衍射光栅；或者，光耦入器件和光耦出器件为超表面器件。
22.第二方面，本技术提供了一种近眼显示设备，包括光机和本技术第一方面中任一实施方式中的光学装置，光机的光线能够通过光学装置的光耦入器件耦入至光波导中。
附图说明
23.图1示出了一种光波导110的结构示意图；
24.图2(a)示出了一种衍射光波导100的立体图；
25.图2(b)示出了一种衍射光波导100的光路图；
26.图3示出了本技术一些实施例中ar眼镜200的结构示意图；
27.图4示出了光线通过ar眼镜200的左镜片221或右镜片222耦入人眼的原理图；
28.图5(a)示出了一种出瞳不连续的示意图；
29.图5(b)示出了一种出瞳连续的示意图；
30.图6(a)示出了发生二次衍射的示意图；
31.图6(b)示出了不发生二次衍射的示意图；
32.图7示出了一些实施例中一种衍射光波导100a的结构示意图；
33.图8示出了一些实施例中另一种衍射光波导100b的结构示意图；
34.图9示出了本技术实施例提供的衍射光波导100的结构示意图；
35.图10示出了衍射光波导100中光波导110的结构示意图；
36.图11以光线l1为例，示出了光线在衍射光波导100中的传播过程；
37.图12根据图11示出了第一光线la在第一部分111处的全反射示意图；
38.图13示出了全息光栅的结构示意图；
39.图14示出了与图11对应第一光线la在全息光栅150处的衍射示意图；
40.图15(a)至图15(c)示出了不同周期和条纹倾角的全息光栅的衍射示意图；
41.图16示例性地示出了全息光栅的曝光方法；
42.图17(a)至图17(c)示出了不同角度的第一光线la在衍射光波导100内的光路图；
43.图18(a)示出了对第一光线la1进行衍射的全息光栅150a的曝光示意图；
44.图18(b)示出了对第一光线la2进行衍射的全息光栅150b的曝光示意图；
45.图18(c)示出了对第一光线la3进行衍射的全息光栅150c的曝光示意图；
46.图19示出了具有多个不同光栅周期的体全息光栅160；
47.图20示出了一些实施例中光线l1在衍射光波导100中沿x轴负方向传播的示意图；
48.图21示出了根据图10得到的第二部分112的底面117的尺寸示意图；
49.图22(a)示出了本技术一些实施例中第一光线la与衍射光波导100的尺寸参数示意图，其中，第三角度θ3为5.5
°
；
50.图22(b)示出了本技术一些实施例中第一光线la与衍射光波导100的尺寸参数示意图，其中，第三角度θ3为20
°
；
51.图23(a)至图23(d)示出了本技术一些实施例中不同形状的表面浮雕光栅的结构示意图；
52.图24示出了本技术一些实施例中超表面器件的结构示意图；
53.图25以光线l2为例，示出了光线在衍射光波导100中的传播过程。
54.附图标记说明：100-衍射光波导；100a-衍射光波导；100b-衍射光波导；110-光波导；111-第一部分；112-第二部分；113-第三部分；114-光波导的顶面；115-光波导的底面；116-第一部分底面；117-第二部分底面；118-第三部分底面；120-光耦入器件；130-光耦出器件；130a-光耦出器件；130b-光耦出器件；140-衍射器件；150-体全息光栅；151-全息材料；152-条纹；152a-明条纹；152b-暗条纹；160-体全息光栅；170-分光膜；s
1-光线耦入区域；s
2-光线耦出区域；200-ar眼镜；210-镜架；211-左镜腿；212-右镜腿；213-镜片框架；220-镜片；221-左镜片；222-右镜片；230-光机；300-出瞳。
具体实施方式
55.虽然本技术的描述将结合一些实施例一起介绍，但这并不代表此申请的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作为申请介绍的目的是为了覆盖基于本技术的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本技术的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本技术也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本申
请的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
56.在本技术实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
57.在本技术实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是可拆卸地连接，也可以是不可拆卸地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。本技术实施例中所提到的方位用语，例如，“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方位用语是为了更好、更清楚地说明及理解本技术实施例，而不是指示或暗指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，因此不能理解为对本技术实施例的限制。“多个”是指至少两个。
58.在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
59.为便于理解本技术的技术方案，首先介绍本技术实施例涉及的一些技术术语、光学元件以及相关原理。
60.(1)光波导：
61.光波导是指利用全反射原理引导光波在其本身中进行全反射传播的光学元件。常见的光波导可以为由光透明介质(例如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导具体的可分为平面结构和条形结构。
62.图1示出了一种光波导110的结构示意图。参阅图1，该光波导110的一侧为介质m1，另一侧为介质m2。光波导110的折射率为n0，介质m1的折射率为n
m1
，介质m2的折射率为n
m2
，其中，n0＞n
m1
，且n0＞n
m2
。介质m1和介质m2可以为折射率较小的材料。例如，如图1所示，介质m1和介质m2均为空气。再例如，介质m1和介质m2的其中任意一个为空气，另一个为覆盖在光波导110表面的薄膜。再例如，介质m1和介质m2均可以为覆盖在光波导110表面的薄膜。
63.光线i从介质m2中折射射入光波导110内之后，传播至光波导110的底面，为了使射到光波导110底面的光线i能够发生全反射，而不是折射入介质m1中，光线i在底面的入射角θr大于临界角c1。其中，临界角c1＝arcsin(n
m1
/n0)。
64.光线i在光波导110的底面发生全反射，以入射角θ2入射至光波导110的顶面。同理，为了使射到光波导110的顶面的光线i能够发生全反射，而不是折射入介质m2中，光线i在顶面的入射角θm大于临界角c2。其中，临界角c2＝arcsin(n
m2
/n0)。
65.如此，光线i会在光波导110内反复地进行全反射传播。
66.(2)衍射光波导：
67.衍射光波导为在光波导上设置有光栅的光学装置。光栅又可称作衍射光栅，其具有平行狭缝结构，衍射光栅可以改变光线的传播方向。通过在光波导上设置衍射光栅，可以
使得外界光线在光波导的指定位置耦入光波导，并在指定位置耦出。
68.图2(a)示出了一种衍射光波导100的立体图。图2(b)示出了一种衍射光波导100的光路图。为了便于后续描述，本技术先结合图2(a)和图2(b)定义出x轴方向(作为第一方向)、y轴方向以及z轴方向。其中，x轴方向为光线在衍射光波导100内的行进方向，z轴方向为衍射光波导100的厚度方向(也可称之为衍射光波导100的高度方向)，y方向垂直于x方向、z方向。本技术中，各部件的厚度尺寸为该部件沿着z轴方向的尺寸。
69.如图2(a)所示，衍射光波导100包括光波导110，以及设置在光波导110表面的光耦入器件120和光耦出器件130。其中，光耦入器件120用于将光线耦入光波导110，光耦出器件130用于将光线耦出光波导110，光耦入器件120和光耦出器件130可以为表面浮雕光栅，也可以为全息光栅，还可以为超表面器件。
70.如图2(b)所示，光线i射入光耦入器件120后，通过光耦入器件120射向光波导110的底面，在光波导110的顶面114(或称“第一表面”)和底面115(或称“第二表面”)之间以x轴正方向为引导方向反复地进行全反射传播。其中，光波导的顶面114和底面115分别为沿光波导的厚度方向(即z轴方向)方向相背设置的两个表面。
71.当光线i到达p1位置时，光线i分成光线i
11
和光线i
12
，光线i
11
通过光耦出器件130被耦出光波导110，光线i
12
继续在光波导110内进行全反射传播，光线i
12
经过全反射传播入射到p2位置时，再次重复上述现象，也即，光线i
12
分成光线i
13
和光线i
14
，光线i
13
通过光耦出器件130被耦出光波导110，光线i
14
继续在光波导110内进行全反射传播，上述现象周而复始，直至在光波导110中传播的光线全部被耦出光波导110。入射光线i对应有多条出射光线(例如，出射光线i
11
、i
13
、i
15
)，多条出射光线从光耦出器件130的不同位置射出，因此通过光耦出器件130耦出的光线会在x轴方向上被放大，该现象被称为“出瞳扩展”。
72.可以理解，在传统光学成像系统中，图像通常只有一个“出口”，称为“出瞳”。例如，直径为2毫米的光线射入光波导内，由于光波导只负责传输，并不会将图像放大缩小，因此出瞳的也是直径为2毫米的光线，在这种情况下，人眼的瞳孔中心能看到图像的移动范围也只有2毫米。如图2(b)所示，通过在光波导110上设置衍射光栅能够将出瞳沿x轴方向复制多份，每一个出瞳都能够输出相同的图像，从而增大了人眼的瞳孔中心能看到图像的移动范围，使得人眼在大范围移动时也能看到图像，称为“出瞳扩展”。
73.为便于理解，在此先介绍全反射步长，如图2(b)所示，光线i每次遇到光波导110的顶面114时都会在光波导110的顶面114上的某个位置处发生全反射，上述任意相邻的两个位置之间的距离称为全反射步长。例如，p1位置和p2位置之间的距离为光线i在衍射光波导100中的全反射步长f。全反射步长f的长短与光波导110的厚度d的大小呈正相关，也即，光波导110的厚度d越大，全反射步长f越长；反之，光波导110的厚度d越小，全反射步长f越短。
74.下面将继续介绍本技术提供的光学装置和近眼显示设备。
75.近眼显示设备可以是增强现实(augmented reality，简称ar)眼镜、虚拟现实(virtual reality，vr)眼镜，混合现实(mixed reality，mr)眼镜，ar/vr/mr面罩、头盔、车载平视显示器(head up display，hud)等等，本技术对此不作具体限定。为便于描述，后文将以ar眼镜作为近眼显示设备的示例。
76.图3示出了本技术一些实施例中ar眼镜200的结构示意图。如图3所示，ar眼镜200包括镜架210，以及固定于镜架210上的镜片220和光机230。其中，镜架210包括左镜腿211、
右镜腿212和镜片框架213。镜片220包括左镜片221和右镜片222，左镜片221和右镜片222均固定在镜片框架213中。光机230用于将虚拟图像投射入镜片210中，进而通过镜片210将虚拟图像导入人眼。光机230可以为微型显示器用于向镜片投射图像光线。本技术中，光机230可以是硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)显示器，微发光二极管(micro light emitting diode display，microled)显示器，数字光处理(digital light processing，dlp)显示器，激光线扫描(laser beam scanning，lbs)显示器等任意一种，只要能够发射图像光线即可。
77.光机230的数量可以为一个或多个。在一些实施例中，如图3所示，光机230的数量为一个，设于镜片框架213的中部，可同时向左镜片221和右镜片222投射图像光线。在其他一些实施例中，光机230的数量为两个，分别设于镜架210的左镜腿211和右镜腿212上，或分别设于左镜腿211或右镜腿212上朝向人眼前方的延伸区域，上述两个光机230用于分别向左镜片221和右镜片222投射图像光线。
78.左镜片221和右镜片222中的至少一个具有光波导结构(例如，上文所述的衍射光波导100)。光波导结构用于接收光机230投射的图像光线，并将该图像光线在镜片220的指定位置射出，进而将图像光线导入人眼。
79.图4示出了光线通过ar眼镜200的左镜片221或右镜片222耦入人眼的原理图。如图4所示，光机230发出的点光线经准直透镜(未标示)后转换为平行的光线投射入光耦入器件120，光耦入器件120将光线耦入光波导110后，光线在光波导110内进行全反射传播，在光线进行全反射传播的过程中，光线每次遇到光耦出器件130，都会有一部分光通过光耦出器件130耦出进入人眼，剩下的另一部分光继续在光波导110中进行全反射传播，重复上述现象，直至在光波导110中全反射传播的光线全部被耦出光波导110，从而实现x轴方向的出瞳扩展。因此用户在佩戴ar眼镜时，可以在瞳孔大范围移动时也能看到图像。
80.在实现出瞳扩展的情况下，会出现出瞳不连续的问题，也即人眼在一定范围内连续移动时图像会缺失或闪烁。图5(a)示出了一种出瞳不连续的示意图。如图5(a)所示，全反射步长f过长，此时各个出瞳300之间存在间隙d，当人眼在观测的过程中移动到间隙d处，则会出现图像缺失或闪烁，用户体验感差。因此，为保证出瞳连续，需要尽量减小全反射步长f。图5(b)示出了一种出瞳连续的示意图，如图5(b)所示，此时全反射步长f较短，扩展后的各个出瞳400之间相互重叠，不管人眼在哪里观测都不会出现图像缺失的问题，有效避免了出瞳不连续的问题。
81.然而，全反射步长f较短会导致光线在光耦入器件120处发生二次衍射，从而造成能量的损失浪费。图6(a)示出了发生二次衍射的示意图。如图6(a)所示，光线经过光耦入器件120射入光波导110中，在光波导110的底面经过一次全反射后，再次入射到光耦入器件120处，入射到光耦入器件120处的光线会产生二次衍射，也即，入射到光耦入器件120处的光线会在光耦入器件120处分成两部分光线，一部分光线通过光耦入器件120衍射出光波导110，另一部分光线继续在光波导110中进行全反射传播，从而造成能量的损失浪费。
82.为了保证能量能够被有效利用，需保证在光耦入器件120处不发生二次衍射，也即，经光耦入器件120后所有光线都能在光波导110内进行全反射向前传播，全反射步长f需要足够长。图6(b)示出了不发生二次衍射的示意图。如图6(b)所示，经由光耦入器件120耦合进光波导110的光线经过一次全反射后不会再次入射到光耦入器件120上。
83.结合图5(a)至图6(b)可知，如果全反射步长f太短，光线会在光耦入器件120处发生二次衍射，从而造成了能量的浪费，而要保证出瞳的连续性，全反射步长f不能太长，这两个条件是在光路上是互相矛盾的，因此需要提供一种光波导结构，同时满足避免能量浪费和保证连续出瞳的要求。
84.为便于后续描述，在此先将衍射光波导中用于耦入光线的区域定义为光线耦入区域s1，将衍射光波导中用于耦出光线的区域定义光线耦出区域s2。在光线耦出区域s2内，光线会从光波导的一表面射出，将该表面定义为出光面。
85.在一些技术方案中，通过在光波导的出光面设置透射式耦出光栅，并在与出光面相对的表面设置反射式耦出光栅，以同时满足不发生二次衍射和扩展出瞳连续这两个互相矛盾的条件。
86.图7示出了一些实施例中一种衍射光波导100a的结构示意图。如图7所示，衍射光波导100a包括光波导110以及设于光波导110上的光耦入器件120、光耦出器件130a和光耦出器件130b。
87.光耦入器件120位于光线耦入区域s1内，并设置在光波导100的表面上。透射式光耦出器件130a和反射式光耦出器件130b均位于光线耦出区域s2内，具体地，光耦出器件130a设置在光波导110的出光面。光耦出器件130b设置在光波导110的另一表面，其中，光波导110的另一表面是指与光波导110的出光面相背的表面。
88.基于此，光线通过光耦入器件120耦入光波导110中，并在光波导110中进行全反射传播，传播至光耦出器件130b处的光线分成两部分，一部分为衍射光，另一部分为反射光，并反射至光耦出器件130a处，并再次分为两部分，一部分为衍射光，另一部分为透射光，并反射至光耦出器件130b处，重复上述现象，直至在光波导110中全反射传播的光线全部被耦出光波导110。
89.由前文可知，全反射步长的长短与光波导110的厚度的大小呈正相关，上述衍射光波导100a，通过采用厚的光波导110，以确保光线在光线耦入区域s1内的全反射步长(未标示)足够长，从而避免光线在光线光耦入器件120处发生二次衍射。
90.除此之外，在上述衍射光波导100a中，光耦出器件130a和光耦出器件130b的周期相同，且周期方向一致，从而避免耦出的光线形成的图像产生混叠的问题。同时，由于透射式光耦出器件130a与反射式光耦出器件130b的周期相同，光线从光耦入器件120耦入后到达透射式光耦出器件130a的入射角和到达反射式光耦出器件130a的入射角也是相同的，因此透射式光耦出器件130a与反射式光耦出器件130b的衍射角相同，从而达到连续的扩展出瞳的目的。
91.根据上述衍射光波导100a的结构不难发现，由于存在误差，工艺上难以确保透射式光耦出器件130a和反射式光耦出器件130b的周期方向完全一致，最终导致成像质量差的问题。另外，由于光波导110的厚度较厚，进而使得衍射光波导100a的重量较重，衍射光波导100a应用到ar眼镜中后，会影响用户体验。
92.在另一些技术方案中，通过在衍射光波导中加入分光膜，以同时满足光线在光耦入器件处不发生二次衍射和扩展出瞳的连续性这两个条件。
93.图8示出了一些实施例中另一种衍射光波导100b的结构示意图。如图8所示，衍射光波导100b包括光波导110、光耦入器件120、光耦出器件130b以及分光膜140。其中，光耦出
器件130b为反射式光耦出光栅。光耦入器件120位于光线耦入区域s1内，并设于光波导110的表面上。光耦出器件130b和分光膜150均位于光线耦出区域s2内，具体地，光耦出器件130b设于光波导110的表面上，分光膜150设于光波导110的内部，并沿着x轴方向延伸设置。
94.光耦入器件120将光线耦入光波导110中，光线在光波导110中反复进行全反射传播，当光线每次传播至分光膜150处时，均会被分成两束光线：反射光线和透射光线。反射光线被反射到光波导110的出光面，一部分从出光面上射出，剩下的一部分从出光面上反射到分光膜150处，继续被分光膜150分成两束光线，循环往复；透射光线透过分光膜150射到光耦出器件130b处，一部分从光波导110的出光面耦出，剩下的一部分再从光耦出器件130处反射到分光膜150处，继续被分光膜170分成两束光线，继续重复上述现象，直至在光波导110中的光线被全部耦出光波导110。
95.上述衍射光波导100b，通过采用厚的光波导110，以确保光线在光线耦入区域s1内的全反射步长(未标示)足够长，从而避免光线在光线光耦入器件120处发生二次衍射。同时，在光波导110的光线耦出区域s2内利用分光膜胶合两层薄的光波导110，缩小了光线在光线耦出区域s2内的全反射步长(未标示)，从而避免了扩展出瞳不连续的问题。但是由于在两层薄光波导110之间增加了分光膜，降低了衍射光波导100b的透过率，从而导致成像质量差。另外，与衍射光波导100a相同，由于光波导110的厚度较厚，也会使得衍射光波导100b的重量难以降低，导致用户体验感差。
96.为了解决上述问题，本技术提供一种衍射光波导(或称“光学装置”)，以避免光线发生二次衍射，确保出瞳的连续性，此外，还能够有效减轻重量，进一步提升用户体验。下面将结合附图详细描述。图9示出了本技术实施例提供的衍射光波导100的结构示意图。如图9所示，衍射光波导100包括光波导110以及设于光波导110上的光耦入器件120、光耦出器件130和衍射器件140。
97.图10示出了衍射光波导100中光波导110的结构示意图。如图9和图10所示，光波导110包括第一部分111、第二部分112以及第三部分113，且第一部分111、第二部分112以及第三部分113沿x方向(作为第一方向)依次相连。其中，第一部分111的顶面116a、第二部分112的顶面117a和第三部分113的顶面118a依次连接，形成光波导110的顶面114，且顶面114为平面。第一部分111的底面116b、第二部分112的底面117b和第三部分113的底面118b依次连接形成光波导110的底面115。其中，第一部分111的底面116b与第三部分113的底面118b均平行于光波导110的顶面114，第二部分112的底面117b相对光波导110的顶面114倾斜，从而使得第一部分111的厚度d1大于第三部分113的厚度d2。
98.结合图9和图10可知，光耦入器件120设于光波导110的第一部分111上，光耦出器件130设于光波导110的第三部分130上，这样，外部光线可以通过光耦入器件120耦入到光波导110中，并通过光耦出器件130耦出光波导110。
99.具体地，光耦入器件120设于光波导110第一部分111的顶面116a上，且光耦出器件130设于光波导110第三部分113的顶面118a上。在其他实施例中，也可以将光耦入器件120设于光波导110第一部分111的底面116b上，和/或，将光耦出器件140设于光波导110第三部分113的底面118b上。
100.光衍射器件140设于光波导110的第二部分112的底面117b上，当光线从第一部分111入射至第二部分112的底面115后，光衍射器件140可以将该光线衍射至第三部分113中。
本实施例中，第二部分112的底面117b为平面，以减小衍射器件140的制作难度。在其他实施例中，第二部分112的底面117b也可以为曲面。
101.在上述衍射光波导100中，光线通过光耦入器件120耦入光波导110的第一部分111，第一部分111的厚度d1较大，因此，耦入光波导110内的光线在第一部分111内的全反射步长(如图11中的全反射步长f1)足够长，从而避免光线在光耦入器件120处发生二次衍射。位于第一部分111的光线经过第二部分112传播至第三部分113。传播至第三部分113的光线通过设于第三部分113的光耦出器件130耦出光波导110的第三部分113，而第三部分113的厚度d2较小，从而使得光线在第三部分113内的全反射步长(如图11中的全反射步长f2)足够短，进而确保扩展出瞳的连续性。同时，与现有技术相比，上述衍射光波导100的结构更为紧凑，光波导110的厚度更小，因此，本技术中的衍射光波导还能够在确保出瞳连续和不发生二次衍射的的情况下，有效减轻重量，进一步提升用户体验。
102.图11以光线l1为例，示出了光线在衍射光波导100中的传播过程。如图11所示，光线l1通过光耦入器件120耦入第一部分111内，并在第一部分111内进行全反射传播。之后，光线l1从第一部分111传播至第二部分112中，并入射至第二部分112的底面。本实施例中，将从第一部分111入射至第二部分112底面的光线定义为第一光线la。第一光线la在入射至第二部分112的底面117b后，衍射器件140对其进行衍射，以产生衍射光线lb。本实施例中，将衍射光线lb与设定参考轴线s(例如，z轴)的夹角记作第一角度θ1。也就是说，衍射器件140可以使得第一光线la以第一角度θ1衍射至第三部分113中。
103.以第一角度θ1衍射至第三部分113的光线l1在第三部分113内进行全反射传播，当光线l1到达光耦出器件130时，一部分光线l
11
通过光耦出器件130耦出第三部分113，剩下的另一部分光线l
12
继续在光波导110的第三部分113内传播，并重复上述现象，也即，当光线l
12
入射到光耦出器件130时被分成两部分，一部分光线l
13
通过光耦出器件130耦出光波导110，剩下的另一部分光线l
14
继续在光波导110的第三部分113内进行全反射传播，如此循环，直至上述光线全部被耦出第三部分113，从而实现x轴方向上的出瞳扩展。
104.图12根据图11示出了第一光线la在第一部分111处的全反射示意图。为便于描述，在此先结合图12定义出第二角度θ2，如图12所示，第一光线la射向第一部分111的底面116b时会产生反射光线lc，将反射光线lc与设定参考轴线s(例如，z轴)的夹角定义为二角度θ2。其中，第一光线la对应的第一角度θ1与第二角度θ2之间的差值小于第一阈值。也就是说，第一光线la对应的衍射光线lb可以沿反射光线lc的传播方向传播至第三部分113，进而使得衍射光波导100避免图像混叠的问题。
105.在本技术一些实施例中，第一阈值的取值范围为0
°
～1
°
，例如第一阈值可以为0.2
°
，再例如，第一阈值还可以为0.3
°
。本技术实施例中，数值范围包括端值。例如，数值范围0
°
～1
°
包括0
°
和1
°
。
106.以下介绍衍射器件140的示例性设置方式。
107.在本技术实施例中，衍射器件140包括一个或多个全息光栅，其中，全息光栅为通过双光线全息曝光的方式，直接在全息材料(例如，微米级厚度的全息材料)内部干涉形成明暗分布的干涉条纹形成。图13示出了全息光栅的结构示意图。如图13所示，全息光栅150包括全息材料151和若干个均匀排布在全息材料151内的条纹152，条纹152包括相间分布的明条纹152a和暗条纹152b。其中，任意一组相邻的明条纹152a和暗条纹152b的宽度之和为
全息光栅的光栅周期d，任意一条条纹152与光栅法线la之间的夹角为条纹倾角θn，例如图13中的暗条纹152b与光栅法线la之间的夹角为条纹倾角θn。
108.图14示出了与图11对应第一光线la在全息光栅150处的衍射示意图。参阅图14，第一光线la与全息光栅150的各项参数满足如下关系式：
[0109][0110]
其中，θd为第一光线la在全息光栅150处的衍射角；θ
in
为第一光线la在全息光栅150处的入射角；n1为入射介质(即光波导110)的折射率；n2为出射介质(同样为光波导110)的折射率；λ为第一光线la的波长；d为全息光栅150的光栅周期。
[0111]
结合图11、图14以及上式(1)可知，当第一光线la的波长λ、第一光线la在全息光栅150处的入射角θ
in
一定时，全息光栅150的光栅周期d与第一光线la在全息光栅150处的衍射角θd为负相关关系，全息光栅150的光栅周期d越小，则第一光线la在全息光栅150处的衍射角θd越大，反之，全息光栅150的光栅周期d越大，则第一光线la在全息光栅150处的衍射角θd越小。
[0112]
结合图11、图14以及上式(1)可知，可以通过调整全息光栅150的光栅周期d，实现对第一光线la在衍射器件140处的衍射角θd的调整，以使得第一角度θ1和第二角度θ2的差值小于设定阈值。另外，条纹法线lb为第一光线la与衍射光线lb夹角的角平分线。
[0113]
可以理解，通过调整全息光栅150的光栅周期d和条纹倾角θn，可以使得全息光栅150对不同角度的第一光线la进行衍射。图15(a)至图15(c)示出了不同周期和条纹倾角的全息光栅的衍射示意图。图15(a)至图15(c)中所示的全息光栅150，光栅周期d和条纹倾角θn逐渐变大，全息光栅150的条纹152也随之由密到疏，且条纹152相对于光栅法线la的倾斜程度逐渐变大，在第一光线la的波长λ、第一光线la在全息光栅150处的入射角θ
in
不变的情况下，第一光线la在全息光栅处的衍射角θd会随之减小。
[0114]
以下介绍光栅周期d和条纹倾角θn的示例性调整方法。
[0115]
通过不同的光线以一定的曝光角度对全息材料151进行曝光，从而得到具有特定光栅周期d和条纹倾角θn的全息光栅150。图16示例性地示出了全息光栅的曝光方法。如图16所示，采用光线i1和光线i2以一定的曝光角度对全息材料151进行曝光。曝光角度为光线i1入射至全息材料151的入射角度θ
i1
和光线i2入射至全息材料141的入射角度θ
i2
。其中，光线i1入射至全息材料151的入射角度θ
i1
与第一光线la在全息光栅150处的入射角度θ
in
相等，光线i2入射至全息材料151的入射角度θ
i2
与第一光线la在全息光栅150处的衍射角θd相等。
[0116]
通常而言，衍射光波导100可以接收多个角度的光线l1，从而可以具有一定的视场角范围。当光线l1以不同角度射入衍射光波导100中时，会产生多条不同角度的第一光线la。例如，图17(a)至图17(c)示出了不同角度的第一光线la在衍射光波导100内的光路图。结合图17(a)至图17(c)可知，光线l1以三个不同的角度射入衍射光波导100，会对应产生三条不同角度的第一光线la1、第一光线la2和第一光线la3。
[0117]
为使得多条第一光线la可以在衍射光波导100中正确传播，本实施例中，衍射器件140包括多个全息光栅150，不同的全息光栅150可以针对不同角度的第一光线la进行衍射。示例性地，第一光线la在全息光栅150处的入射角度θ
in
的范围是35
°
～55
°
。例如，第一光线la1在全息光栅150处的入射角度θ
in
为36
°
，第一光线la2在全息光栅150处的入射角度θ
in
为
38
°
，第一光线la2在全息光栅150处的入射角度θ
in
为40
°
。
[0118]
图18(a)示出了对第一光线la1进行衍射的全息光栅150a的曝光示意图。结合图17(a)和图18(a)可知，采用光线i1和光线i2对全息材料151进行曝光，其中，光线i1的方向平行于第一光线la1的方向，也即，光线i1入射至全息材料151的入射角度θ
i1
与第一光线la1在全息光栅150处的入射角度θ
in
相等；光线i2的方向平行于第一光线la1对应的衍射光线lb1的方向，也即，光线i1入射至全息材料151的入射角度θ
i1
与第一光线la1在全息光栅150处的衍射角度θd相等。通过上述曝光方法得到的全息光栅150a能够使得入射至全息光栅150a的第一光线la1沿着正确的方向传播。
[0119]
图18(b)示出了对第一光线la2进行衍射的全息光栅150b的曝光示意图。图18(c)示出了对第一光线la3进行衍射的全息光栅150c的曝光示意图。全息光栅150b和全息光栅150c的曝光方法与全息光栅150a的曝光方法相同，在此不作赘述。
[0120]
本实施例中，多个全息光栅150以依次层叠的方式叠加，以形成衍射器件140。例如，图18(a)至图18(c)曝光得到的全息光栅150a、全息光栅150b和全息光栅150c以依次层叠的方式叠加，从而形成衍射器件140，该衍射器件140能够使得图17(a)至图17(c)中的第一光线la1、第一光线la2和第一光线la3在光波导110中正确传播，进而避免衍射光波导100出现图像混叠的问题，有效扩大图像的显示范围。
[0121]
在另一些实施例中，衍射器件140为体全息光栅160。其中，体全息光栅160是经过多次曝光后形成的。也就是说，体全息光栅160可以理解为多个全息光栅150集成在同一全息材料中。例如图19示出了具有多个不同光栅周期和条纹倾角的体全息光栅160。如图19所示，对全息材料151进行多次曝光，从而得到具有多个不同光栅周期和条纹倾角的体全息光栅160。具体的曝光方法与前述全息光栅150a、150b、150c的曝光方法相同，在此不作赘述。上述体全息光栅160能够同时将如图17(a)至图17(c)所示的第一光线la1、第一光线la2和第一光线la3沿所需方向衍射，具有该体全息光栅160的衍射光波导100应用于ar眼镜200中，可以显著提升视场角。
[0122]
在其他一些实施例中，衍射器件140还可以是超表面器件。
[0123]
以下结合图10、图20至图22(b)说明本实施例提供的第三角度θ3的示例性设置方式，其中，第三角度θ3为第二部分112的底面117b与x轴方向的夹角。
[0124]
第三角度θ3如果过小，则需要延长衍射器件110的长度以使得光波导110达到同样的厚度，会导致成本增加，衍射器件140的制作难度也会变大；第三角度θ3如果过大，则会使得第二部分112的底面117b过陡，因此打到底面117b的光线会沿x轴负方向传播，进而导致衍射光波导100工作异常。
[0125]
图20示出了一些实施例中光线l1在衍射光波导100中沿x轴负方向传播的示意图。如图20所示，在衍射光波导100中，从第一部分111入射至第二部分112的底面117b的光线l1不会继续传播至第三部分113，而是返回第一部分111，光线l1无法通过光耦出器件130从第三部分113耦出，进而导致衍射光波导100无法正常工作。
[0126]
因此，本实施例中，将第三角度θ3设置为5.5
°
～20
°
，在确保衍射光波导100能够正常工作的同时，也进一步降低了衍射器件140的制作难度。例如，第三角度θ3为6
°
，再例如，第三角度θ3为7
°
。
[0127]
在以下示例中，参考图10，假设光耦入器件120沿x轴方向的尺寸为4mm，第三部分
113的厚度d2为0.5mm，光波导110的折射率n0为2，第一光线la与z轴方向的夹角θ4为30
°
～75
°
。
[0128]
图21示出了根据图10得到的第二部分112的底面117b的尺寸示意图。为便于后续描述，在此结合图10和图18将第二部分112的底面117b沿z轴方向的尺寸定义为第一尺寸l1，将第二部分112的底面117b沿与x轴方向夹角为第三角度θ3的方向的尺寸定义为第二尺寸l2。
[0129]
图22(a)示出了本技术一些实施例中第一光线la与衍射光波导100的尺寸参数示意图，其中，第三角度θ3为5.5
°
。结合图18与图22(a)可知，在第三角度θ3为5.5
°
时，对应的第一尺寸l1设置为2.9mm，第二尺寸l2为3cm，第一光线la与z轴方向的夹角θ4可以为30
°
，能够避免光线l1在第一部分111处发生二次衍射，并减小了衍射器件140的实际制作难度。
[0130]
图22(b)示出了本技术一些实施例中第一光线la与衍射光波导100的尺寸参数示意图，其中，第三角度θ3为20
°
。结合图18与图22(b)可知，在第三角度θ3为20
°
时，对应的第一尺寸l1设置为3.4mm，第二尺寸l2为1cm，第一光线la与z轴方向的夹角θ4可以为70
°
，从而使得光线l1在第一部分111处不会发生二次衍射，并通过衍射器件140继续传播至第三部分113。
[0131]
可以理解，图10、图22(a)和图22(b)中的尺寸参数仅是示例性说明。在其他实施例中，可以根据需要设置为其他尺寸参数。
[0132]
继续参阅图9，为便于描述，将光耦出器件130沿x轴方向的尺寸定义为光耦出器件130的长度尺寸l3。射入光波导110内的光线均通过光耦出器件130耦出光波导110，若光线在光耦出器件130处的耦出次数过多，则会导致耦出的光线分布不均匀，进而使得光线形成的图像亮暗不均，成像质量差；若光线在光耦出器件130处的耦出次数过少，则会导致扩展后的出瞳数量少，进而使得成像范围小。
[0133]
在本技术实施例中，光耦出器件130的长度尺寸l3与第三部分的厚度d2的比值为2～10，例如，2，4等，以使得耦出光波导110的光线均匀分布，确保扩展出瞳的有效性，进一步提升衍射光波导100的成像效果。
[0134]
在本技术实施例中，光耦入器件120和光耦出器件130为衍射光栅。在其中一些实现方式中，光耦入器件120和光耦出器件130可以为表面浮雕光栅。例如，图23(a)至图23(d)示出了本技术一些实施例中不同形状的表面浮雕光栅的结构示意图，其中，如图23(a)所示，光耦入器件120和光耦出器件130可以为均匀垂直表面浮雕光栅。光耦入器件120和光耦出器件130也可以为倾斜表面浮雕光栅，其中，倾斜表面浮雕光栅可以根据实际需求设计不同的结构，例如图23(b)中的梯形倾斜表面浮雕光栅，再例如图23(c)中的平行四边形倾斜表面浮雕光栅，再例如图23(d)中的三角形倾斜表面浮雕光栅。在其中另一些实现方式中，光耦入器件120和光耦出器件130还可以为全息光栅。
[0135]
在本技术另一些实施例中，光耦入器件120和光耦出器件130还可以为其他器件，例如，超表面器件。图22示出了本技术一些实施例中超表面器件的结构示意图，光耦入器件120和光耦出器件130可以为图24中示出的超表面器件。
[0136]
在其他实施例中，入射至衍射光波导100的第一部分111的光线也可以在第二部分112的顶面进行全反射，并传播至第三部分113，无需通过衍射器件140衍射至第三部分113。例如图25以光线l2为例，示出了光线在衍射光波导100中的传播过程。如图25所示，在衍射
光波导100中，光线l2通过设于第一部分111的光耦入器件120耦入第一部分111，并在第一部分111、第二部分112和第三部分113内依次进行全反射传播，直至从设于第三部分113的光耦出器件130出耦出第三部分113，并实现x轴方向上的出瞳扩展。
[0137]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。