一种衍射光波导及增强现实显示设备的制作方法

本申请涉及增强现实领域，尤其涉及一种衍射光波导及增强现实显示设备。

背景技术：

1、增强现实（augmented reality，ar）是一种将真实世界和虚拟信息相融合的技术，光波导系统则是实现ar技术的关键部件之一。在进行增强现实的显示场景中，需要通过光机将需要叠加在真实场景的画面光束投射在光波导系统上，通过光波导系统对画面光束的传导方向进行偏转，使得画面光束进入人眼。现有的一维架构的光波导系统通常采用一维光栅进行扩瞳和耦出。

2、为了提升显示的亮度以及亮度均匀性，通常会将转折光栅与耦出光栅分为光栅参数不同的多个区域，但多分区的方式对均匀性的提升十分有限。

技术实现思路

1、本申请旨在提出一种能够更有效地改善衍射光波导均匀性的技术方案。

2、基于此，提供一种衍射光波导，包括：波导基底和设置于所述波导基底上的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅；所述耦入光栅用于将光线耦入所述波导基底并朝向所述转折光栅传播；所述转折光栅用于将光线偏转向所述耦出光栅传播；所述耦出光栅用于将光线从所述波导基底耦出；

3、其中，所述转折光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经所述耦入光栅作用后的第一传播方向渐变，以使沿所述第一传播方向的衍射效率逐渐增大，所述转折光栅的光栅深度和/或占空比的渐变满足目标优化函数的变化关系，所述目标优化函数包括空间距离的一次项和不定次项；在所述转折光栅所在平面以所述耦入光栅的中心为坐标原点建立坐标系，所述转折光栅的光栅深度沿着光线经所述耦入光栅作用后的第一传播方向渐变满足以下公式：

4、

5、和/或，所述转折光栅的占空比沿着光线经所述耦入光栅作用后的第一传播方向渐变满足以下公式：

6、

7、其中，，为转折光栅在坐标处的光栅深度，为转折光栅在坐标处的占空比，为转折光栅在坐标处的光栅深度且为光栅深度渐变的起始深度，为转折光栅在坐标处的占空比且为占空比渐变的起始占空比，a1、b1、c1、d1、e1、f1、a2、b2、c2、d2、e2及f2均为系数，θ1为坐标系中x轴顺时针旋转至所述第一传播方向的角度，d11和d12为坐标位置转换参数；

8、和/或，

9、所述耦出光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经所述转折光栅偏转后的第二传播方向渐变，沿所述第二传播方向的衍射效率逐渐增大；所述耦出光栅的光栅深度和/或占空比的渐变满足目标优化函数的变化关系，所述目标优化函数包括空间距离的一次项和不定次项；在所述耦出光栅所在平面以所述耦入光栅的中心为坐标原点建立坐标系，所述耦出光栅的光栅深度沿着光线经所述转折光栅偏转后的第二传播方向渐变满足以下公式：

10、

11、和/或，所述耦出光栅的占空比沿着光线经所述转折光栅偏转后的第二传播方向渐变满足以下公式：

12、

13、其中，，为耦出光栅在坐标处的光栅深度，为耦出光栅在坐标处的占空比，为耦出光栅在坐标处的光栅深度且为光栅深度渐变的起始深度，为耦出光栅在坐标处的占空比且为占空比渐变的起始占空比，a3、b3、c3、d3、e3、f3、a4、b4、c4、d4、e4及f4均为系数，θ2为坐标系中x轴顺时针旋转至所述第二传播方向的角度，d21和d22为坐标位置转换参数。

14、可实施地，和的取值范围均为0~70nm。

15、可实施地，和的取值范围为0~0.5。

16、可实施地，a1、c1、d1、f1、a2、c2、d2、f2、a3、c3、d3、f3、a4、c4、d4及f4的取值范围均为-5~5，b1、e1、b2、e2、b3、e3、b4以及e4的取值范围均为-3~3。

17、可实施地，所述第一传播方向以及所述第二传播方向均为中心视场光线的传播方向。

18、可实施地，所述波导基底的数量多于一片，各所述波导基底上均设置有耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。

19、本申请还提供了一种增强现实显示设备，所述增强现实显示设备包括光机以及如上述任一项所述的衍射光波导。

20、本申请提供的衍射光波导及增强现实显示设备，转折光栅的光栅深度、转折光栅的占空比、耦出光栅的光栅深度以及耦出光栅的占空比中的至少一个沿着光线传播方向渐变，这种参数的逐渐变化所带来的衍射效率的变化更符合均匀性优化的需求，能够达到更好的均匀性优化效果，还能提升衍射光波导的光学效率。而且还能避免分区间参数突变带来的不利性能影响以及外观上可能出现的明显的边界现象，提升美感以及用户的使用体验。

21、进一步地，前述参数的渐变满足目标优化函数的变化关系，该目标优化函数包括空间距离的一次项和不定次项，其函数本身便具有一定的灵活性，通过一次项和不定次项的结合，能够平衡并避免函数项数过多和自变量幂指数过大带来的不必要的运算量，又具有较好的灵活性，使得光栅参数的变化所带来的衍射效率的变化更符合预期而得到更佳的均匀性优化效果。而且相较于其他可能的复杂函数的变化关系，本申请中所采用的目标优化函数能够很好地灵活平衡衍射光波导性能优化的改善程度和优化运算量。

技术特征：

1.一种衍射光波导，包括：波导基底和设置于所述波导基底上的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅；所述耦入光栅用于将光线耦入所述波导基底并朝向所述转折光栅传播；所述转折光栅用于将光线偏转向所述耦出光栅传播；所述耦出光栅用于将光线从所述波导基底耦出；

2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，和的取值范围均为0~70nm。

3.根据权利要求1或2所述的衍射光波导，其特征在于，和的取值范围为0~0.5。

4.根据权利要求1或2所述的衍射光波导，其特征在于，a1、c1、d1、f1、a2、c2、d2、f2、a3、c3、d3、f3、a4、c4、d4及f4的取值范围均为-5~5，b1、e1、b2、e2、b3、e3、b4以及e4的取值范围均为-3~3。

5.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一传播方向以及所述第二传播方向均为中心视场光线的传播方向。

6.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述波导基底的数量多于一片，各所述波导基底上均设置有耦入光栅、转折光栅和耦出光栅。

7.一种增强现实显示设备，其特征在于，所述增强现实显示设备包括光机以及如权利要求1-6中任一项所述的衍射光波导。

技术总结
本申请公开了一种衍射光波导及增强现实显示设备，涉及增强现实领域，该衍射光波导包括：波导基底和设置于波导基底上的耦入光栅、转折光栅和耦出光栅；耦入光栅用于将光线耦入波导基底并朝向转折光栅传播；转折光栅用于将光线偏转向所述耦出光栅传播；耦出光栅用于将光线从所述波导基底耦出；其中，所述转折光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经所述耦入光栅作用后的第一传播方向渐变，和/或，所述耦出光栅的光栅深度和/或占空比沿着光线经所述转折光栅偏转后的第二传播方向渐变，以使沿所述第一传播方向的衍射效率逐渐增大，和/或，沿第二传播方向的衍射效率逐渐增大，能够提高衍射光波导的亮度以及亮度均匀性。

技术研发人员：蒋楚豪,胡雪蕾,张雅琴,黄鹏,楼歆晔
受保护的技术使用者：上海鲲游科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1