一种光波导装置和增强现实显示设备的制作方法

一种光波导装置和增强现实显示设备
1.本技术要求在2022年01月05日提交中国专利局、申请号为2022100064489的中国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
2.本发明实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种光波导装置和增强现实显示设备。


背景技术：

3.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。在进行增强显示的显示场景中，需要通过图像源将需要叠加在真实场景的画面光线投射在光波导系统上，通过光波导系统对画面光线的传导方向进行偏转，使得画面光线进入人眼。
4.目前市面上光波导系统通常被分为几何光波导系统和衍射光波导系统两类。比如，衍射光波导系统中常见的一维衍射光栅光波导系统，包括波导基底、耦入光栅、偏转光栅和耦出光栅。图像源发出的光线通过耦入光栅进入波导基底，各视场光线依据全反射定理在光波导中朝向偏转光栅的方向传播，光线入射到偏转光栅处时，经过偏转光栅的衍射作用改变光线的传播方向，在光波导中朝向耦出光栅的方向传播，光线入射到耦出光栅处时，经过耦出光栅的衍射作用耦出光波导进入人眼。但是，这类光波导系统由于耦入光栅自身衍射效率的限制，使得光线耦入光波导的效率较低，从而导致大量的光能量被浪费。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供一种光波导装置和增强现实显示设备，采用非衍射方式将入射光线耦入光波导基底中，衍射扩瞳结构通过衍射的方式将光线扩散的传输至非衍射耦出结构，且光线在衍射扩瞳结构的衍射满足色散抵消条件，增大了光线的视场范围，同时避免了光线存在角色散和色度色散，非衍射耦出结构通过反射或者折射的方式将光线耦出波导基底，该光波导装置既能正常实现光线的耦入、扩瞳以及耦出，又能基于衍射光学元件的制备工艺简单，避免有多个膜层的波导基底的复杂制备过程，大大提高了光波导装置的制备效率和成功。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种光波导装置，包括波导基底、非衍射耦入结构、衍射扩瞳结构和非衍射耦出结构，所述波导基底具有相互平行的第一表面和第二表面，所述非衍射耦入结构、所述衍射扩瞳结构和所述非衍射耦出结构设置于所述波导基底上；
7.所述非衍射耦入结构，用于通过反射或者折射的方式将光线耦入所述波导基底，以使光线在所述波导基底的所述第一表面和所述第二表面之间全反射的传输至所述衍射扩瞳结构；
8.所述衍射扩瞳结构，用于通过衍射的方式将光线扩散的传输至所述非衍射耦出结构，且光线在所述衍射扩瞳结构的衍射满足色散抵消条件；
9.所述非衍射耦出结构，用于通过反射或者折射的方式将光线耦出所述波导基底。
10.可选的，所述非衍射耦入结构为折射棱镜，所述折射棱镜的耦入侧面朝向投影光引擎，以使所述投影光引擎投射的光线在所述耦入侧面处发生折射以耦入所述波导基底；或者，
11.所述波导基底具有第一倾斜侧面，所述第一倾斜侧面与所述第二表面之间具有夹角，所述非衍射耦入结构为所述第一倾斜侧面，所述第一倾斜侧面朝向投影光引擎，以使所述投影光引擎投射的光线在所述第一倾斜侧面处发生折射以耦入所述波导基底。
12.可选的，所述非衍射耦入结构为设置于所述第一倾斜侧面上的反射元件，所述第二表面朝向投影光引擎，以使所述投影光引擎投射的光线在所述第一倾斜侧面处发生反射以耦入所述波导基底。
13.可选的，所述衍射扩瞳结构实现为衍射光栅，所述色散抵消条件为光线在所述衍射扩瞳结构经过至少两次衍射且各次衍射的光栅矢量之和为零。
14.可选的，所述衍射扩瞳结构包括第一衍射光栅结构，所述第一衍射光栅结构的光栅方向与第一方向成预设夹角α1，其中-45
°
≤α1《45
°
，所述第一方向为光线耦入波导基底后的传播方向。
15.可选的，所述衍射扩瞳结构还包括第二衍射光栅结构；所述第二衍射光栅结构的光栅方向与所述第一方向成预设夹角α2，其中-45
°
≤α1《0
°
且0
°
《α2≤45
°
。
16.可选的，所述第一衍射光栅结构和所述第二衍射光栅结构不重叠。
17.可选的，部分所述第一衍射光栅结构和部分所述第二衍射光栅结构交叉间隔排列；或者，所述第一衍射光栅结构和所述第二衍射光栅结构沿所述第一方向、或者垂直于所述第一方向的第二方向并排设置。
18.可选的，所述第一衍射光栅结构和所述第二衍射光栅结构部分重叠。
19.可选的，所述耦出结构包括至少一个耦出反射膜层；所述耦出反射膜层位于所述第一表面与所述第二表面之间，光线在所述耦出反射膜层处发生反射以耦出所述波导基底。
20.可选的，所述波导基底还包括第二倾斜侧面，所述非衍射耦出结构包括所述第二倾斜侧面，所述第二倾斜侧面与所述第一表面存在夹角；其中，光线经所述第二倾斜侧面反射或者透射后耦出所述波导基底。
21.可选的，所述非衍射耦出结构还包括附加光学元件；所述附加光学元件包括底面和至少一个反射斜面；所述底面位于所述第一表面靠近所述第二倾斜侧面的一侧，或者位于所述第一表面靠近所述至少一个耦出反射膜层的一侧，且与所述第一表面平行设置；其中，被所述第二倾斜斜面或者所述耦出反射膜层反射的光线，在所述底面透射进入所述附加光学元件后被至少一个所述反射斜面反射进入人眼。
22.可选的，所述波导基底具有第一倾斜侧面，所述第一倾斜侧面与所述第二表面之间具有夹角，所述非衍射耦入结构为所述第一倾斜侧面；所述第一倾斜侧面与所述第二倾斜斜面平行，或者，所述第一倾斜侧面与所述耦出反射膜层平行。
23.可选的，所述非衍射耦出结构包括附加光学元件，所述附加光学元件包括底面和至少一个反射斜面，所述附加光学元件与所述波导基底之间存在间隙，所述间隙为空气间隙或采用光学粘合剂填充以粘合所述附加光学元件与所述波导基底，所述光学粘合剂的折
射率小于所述波导基底的折射率。
24.本发明实施例还提供一种增强现实显示设备，其包括上述任一所述的光波导装置。
25.本发明实施例提供的光波导装置，包括非衍射耦入结构、波导基底、衍射扩瞳结构和非衍射耦出结构，非衍射耦入结构通过反射或者折射的方式将入射光线耦入光波导基底中，能够提高耦入效率，衍射扩瞳结构采用衍射光学元件，衍射扩瞳结构通过衍射的方式将光线扩散的传输至非衍射耦出结构，且光线在衍射扩瞳结构的衍射满足色散抵消条件，既增大了光线的视场范围，同时避免了光线存在角色散和色度色散，非衍射耦出结构通过反射或者折射的方式将光线耦出波导基底。采用该结构设计对耦入波导基底的光线进行扩散，通过衍射的方式改变光线的传播方向，在特定方向上扩散耦合到光波导中的光线，以及采用非衍射的方式将扩瞳光线从波导基底中耦出，这样既能正常实现光线的耦入、扩瞳以及耦出，又能基于衍射光学元件的制备工艺简单，避免有多个膜层的波导基底的复杂制备过程，大大提高了光波导装置的制备效率和成功。
附图说明
26.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
27.图1为本发明实施例提供的一种光波导装置的结构示意图；
28.图2为本发明实施例提供的非衍射耦入结构的示意图；
29.图3为图1中沿cc’方向光线在波导基底内的全反射示意图；
30.图4为本发明实施例提供的一种衍射光栅的示意图；
31.图5为本发明实施例提供的一种衍射扩瞳结构的俯视示意图；
32.图6为图5中光线的波矢空间图；
33.图7为本发明实施例提供的另一种衍射扩瞳结构的俯视示意图；
34.图8为图7中光线的波矢空间图；
35.图9为本发明实施例提供的另一种衍射扩瞳结构的俯视示意图；
36.图10为本发明实施例提供的另一种衍射扩瞳结构的俯视示意图；
37.图11为图10中光线的波矢空间图；
38.图12为本发明实施例提供的另一种衍射扩瞳结构的俯视示意图；
39.图13为本发明实施例提供的重叠区域的俯视示意图；
40.图14为图12中光线的一种波矢空间图；
41.图15为图12中光线的另一种波矢空间图；
42.图16为本发明实施例提供的非衍射耦出结构的示意图。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
44.实施例
45.本发明实施例提供一种光波导装置。图1为本发明实施例提供的一种光波导装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的光波导装置包括非衍射耦入结构1、波导基底2、衍射扩瞳结构3和非衍射耦出结构4，波导基底2具有相互平行的第一表面s1和第二表面s2，非衍射耦入结构1、衍射扩瞳结构3和非衍射耦出结构4设置于波导基底2上；非衍射耦入结构1，用于通过反射或者折射的方式将光线耦入波导基底2，以使光线在波导基底2的第一表面s1和第二表面s2之间全反射的传输至衍射扩瞳结构3；衍射扩瞳结构3，用于通过衍射的方式将光线扩散的传输至非衍射耦出结构4，且光线在衍射扩瞳结构3的衍射满足色散抵消条件；非衍射耦出结构4，用于通过反射或者折射的方式将光线耦出波导基底2。
46.示例性的，如图1所示，非衍射耦入结构1为几何光学元件，如折射棱镜等，通过反射或者折射的方式将图像源发出的入射光线l1耦入到波导基底2中。波导基底2为可见光透明的光学材料，比如折射率大于1.5的光学玻璃，波导基底2的长度和厚度均可根据实际场景的需要设置。如应用在ar眼镜时，长度应当与佩戴者适配，厚度适中，具有较好的佩戴体验。衍射扩瞳结构3采用衍射光学元件，如表面浮雕光栅或者体光栅等，通过衍射的方式将传输光线l2扩散的传输至非衍射耦出结构4，采用衍射扩瞳结构3可以使传输光线l2沿图1中y方向进行扩瞳形成扩瞳光线l3，且扩瞳光线l3在衍射扩瞳结构3的衍射满足色散抵消条件，增大了传输光线l2的视场范围，同时避免了光线存在角色散和色度色散。进一步，设置非衍射耦出结构4位于扩瞳光线l3的传播路径上，通过设计耦出结构4的结构，起到破坏全反射条件，通过反射或者折射的方式将扩瞳光线l2耦出波导基底2，以达到调整扩瞳光线l3耦出光波导装置的目的。
47.本发明实施例提供的光波导装置还包括设备主体和图像源，非衍射耦入结构1、波导基底2、衍射扩瞳结构3和非衍射耦出结构4被设置于设备主体内，图像源用于发射图像光线，可适用ar眼镜虚拟成像。
48.综上，本发明提供的光波导装置包括非衍射耦入结构、波导基底、衍射扩瞳结构和非衍射耦出结构，非衍射耦入结构通过反射或者折射的方式将入射光线耦入光波导基底中，能提高光线耦入效率，衍射扩瞳结构采用衍射光学元件，衍射扩瞳结构通过衍射的方式将光线扩散的传输至非衍射耦出结构，且光线在衍射扩瞳结构的衍射满足色散抵消条件，既增大了光线的视场范围，同时避免了光线存在角色散和色度色散，非衍射耦出结构通过反射或者折射的方式将光线耦出波导基底。采用该结构设计对耦入波导基底的光线进行扩散，通过衍射的方式改变光线的传播方向，在特定方向上扩散耦合到光波导中的光线，以及采用非衍射的方式将扩瞳光线从波导基底中耦出，这样既能正常实现光线的耦入、扩瞳以及耦出，又能基于衍射光学元件的制备工艺简单，避免有多个膜层的波导基底的复杂制备过程，大大提高了光波导装置的制备效率和成功。
49.图2为本发明实施例提供的非衍射耦入结构的示意图。在上述实施例的基础上，如图2所示，可选的，非衍射耦入结构1为折射棱镜(如图2中的(1)图所示)，折射棱镜的耦入侧面朝向投影光引擎，以使投影光引擎投射的光线在耦入侧面处发生折射以耦入波导基底2。比如，投影光引擎为图像源，其投射的入射光线l1在折射棱镜与波导基底2第一表面s1相对的耦入侧面处发生折射后在耦入波导基底2内进行全反射传输。
50.可选地，波导基底2具有第一倾斜侧面，第一倾斜侧面s3与第二表面s2之间具有夹
角，非衍射耦入结构1为第一倾斜侧面s3，倾斜侧面朝向投影光引擎，以使投影光引擎投射的光线在第一倾斜侧面s3处发生折射(如图2中的(2)-(3)图所示)以耦入波导基底2。例如，设置第一倾斜侧面s3位于投影光引擎投射的入射光线l1的传播路径上，通过调整夹角大小，可以使第一倾斜侧面s3入射的光线在波导基底2内全反射传输。具体的，第一倾斜侧面s3可以蒸镀增透膜，投影光引擎投射的入射光线l1在第一倾斜侧面s3处发生折射后以耦入波导基底2。
51.在上述实施例的基础上，继续参考图2所示，可选的，非衍射耦入结构1为设置于第一倾斜侧面s3上的反射元件，第二表面s2朝向投影光引擎，以使投影光引擎投射的光线在第一倾斜侧面s3处发生反射以耦入波导基底2。
52.示例性的，参考图2中的(4)-(5)图所示，非衍射耦入结构1为设置于第一倾斜侧面s3上的反射膜层，当第一倾斜侧面s3采用反射膜，投影光引擎投射的入射光线l1在第一倾斜侧面s3处发生反射后以耦入波导基底2。
53.可选地，非衍射耦入结构1为设置波导基底2内部倾斜设置的至少一层膜层，第二表面s2朝向投影光引擎，以使投影光引擎投射的光线在该膜层处发生反射以耦入波导基底2。示例性的，参考图2中的(6)图所示的膜层40。
54.综上，采用上述实施例提供的非衍射耦入结构，均可以将投影光引擎投射的光线耦入波导基底2进行全反射传输。
55.图3为图1中沿cc’方向光线在波导基底内的全反射示意图。结合图1-图3所示，可选的，衍射扩瞳结构3实现为衍射光栅31，色散抵消条件为光线在衍射扩瞳结构3经过至少两次衍射且各次衍射的光栅矢量之和为零。
56.具体的，结合图1和图3所示，可以设置衍射扩瞳结构3包括衍射光栅31，衍射光栅31位于第一表面s1之上，且位于全反射传输光线l2的传播路径上。光线入射到衍射光栅31处时，衍射光栅31可以在第一方向(图1中y方向所示)上扩散耦合到波导基底2中的光线，并使得光线继续在波导基底2中朝向耦出结构4的方向全反射传播，直至非衍射耦出结构4将光线耦出波导基底2。
57.衍射光栅31可以采用一维光栅结构和/或二维光栅结构。
58.衍射光栅31的光栅矢量满足如下关系：
59.光线入射到光栅上，经由该光栅衍射出射：则
60.为出射光波矢量，为入射光波矢量，为光栅矢量。
61.衍射光栅31的光栅矢量方向为垂直于光栅狭缝的方向；衍射光栅31的光栅矢量大小与光栅周期成反比。
62.在ar显示技术中，光线的耦入、扩瞳和耦出都可以通过衍射或者非衍射的方式实现。其中，衍射的分光作用会引起色散，而且衍射产生多个衍射级次，一般情况下仅有有限个甚至一个衍射级次能被有效利用，这样衍射耦入的耦入效率通常要低于非衍射耦入的耦入效率。而在扩瞳和耦出这部分，在实现二维扩瞳时，非衍射的方式相较于衍射方式，光学器件结构笨重，且工艺难度大。
63.在本技术中，采用非衍射的方式实现光线耦入、衍射的方式实现光线扩瞳以及非
衍射的方式实现光学耦出，考虑到衍射光栅31对光线的衍射作用会引入色散，为了避免最终耦出波导基底2的光线存在色散，可通过设计衍射光栅31的参数，使得传输光线l2在光栅区域中经过的衍射满足色散抵消条件，即光线在衍射扩瞳结构1经过至少两次衍射且各次衍射的光栅矢量之和为零，这样可抵消衍射带来的色散，以保证到达非衍射耦出结构4的光线不存在色散。图4为本发明实施例提供的一种衍射光栅的示意图。
64.在本技术中，衍射扩瞳结构可仅包括一组一维衍射光栅结构。
65.示例性地，图5为本发明实施例提供的一种衍射扩瞳结构的俯视示意图；图6为图5中光线的波矢空间图。结合图1-图6所示，可选的，衍射扩瞳结构3包括第一衍射光栅结构32，第一衍射光栅结构32的光栅方向与第一方向成预设夹角α1，其中-45
°
≤α1《45
°
，第一方向为光线耦入波导基底2后的传播方向。
66.具体地，通过合理设置第一衍射光栅结构32的光栅方向与图5中x方向成预设夹角α1，其中，定义x方向为第一方向，同时为光线耦入波导基底2后的传播方向；以及合理设置第一衍射光栅结构32的光栅周期t1、高度h1和倾斜角α等光栅参数。通过对这些参量设置，使得全反射传输的传输光线l2经第一衍射光栅结构32至少两次衍射转折且各次衍射的光栅矢量之和为零后到达非衍射耦出结构4，以消除衍射引起的色散和提高衍射效率；或者，传输光线l2没有经过衍射转折即到达耦出结构，则光线可以没有角色散和色度色散地耦合出波导进入人眼，不会影响成像效果。而且通过对这些参量设置，还可有效提高衍射效率和扩瞳光线的均匀性，即沿光线扩散方向光能量分布的均匀性。具体地，这些参量的取值具体可为：-45
°
≤α1《45
°
，200nm≤t1≤700nm，80nm≤h1≤650nm。
67.具体的，如图5所示，例如光栅方向与x轴成-45度角，当然也可以是其他角度，能实现光线沿y轴方向扩散后非衍射耦出结构4。结合图5和图6所示，图像源发出的入射光线l1经非衍射耦入结构1耦入到波导基底2内以传输光线l2全反射传输，全反射传输的传输光线l2沿着x轴方向入射到第一衍射光栅结构32的100位置处时，一部分光l2’
沿原方向继续传播在波导基底2内(对应图6的应波矢空间中的位置不变)，另一部分光l
2”被一维第一衍射光栅结构32以沿-y轴进行衍射传输(对应图6的波矢空间中经过光栅矢量平移，引入色散)。其中，继续传播的光线l2’
在入射到第一衍射光栅结构32的200位置处时，一部分光l
21’沿原方向继续传播在波导基底2内(对应图6的波矢空间中的位置不变)，另一部分光l
22’被一维第一衍射光栅结构32衍射以沿-y轴进行衍射传输(对应图6的波矢空间中经过光栅矢量平移，引入色散)。光l
2”被衍射以沿-y轴进行衍射传输在入射到第一衍射光栅结构32的300位置处时，一部分光l
21”沿原方向继续传播在波导基底2内(对应图6的波矢空间中的位置不变)，另一部分光l
22”被一维第一衍射光栅结构32衍射以沿x轴进行衍射传输到达400位置处(对应图6的波矢空间中经过光栅矢量平移，色散抵消)。
68.由此可见，到达非衍射耦出结构4的光线a没有经过衍射转折，在波矢空间的位置不变；到达非衍射耦出结构4的光线b要么经过100和300两处衍射转折，或者200和400两处衍射转折；在100或200处转折，即经过所经过的衍射矢量为在300或400处衍射即经过所经过的衍射矢量为与大小相同，方向相反，矢量和为0，由于与的共轭效应，衍射的角色散和色度色散效应被抵消。
69.需要说明的是，本技术附图中光线在衍射扩瞳结构内的衍射偏转传播的方向与次数仅为示意，不对光线在本技术所提供的衍射光波导中的实际传播过程造成任何限定。
70.由上述实施例可见，采用一组一维第一衍射光栅结构时，一方面，经过偶数次衍射转折后到达非衍射耦出结构，或者，没有经过衍射转折即到达非衍射耦出结构，则光可以没有角色散和色度色散地耦合出波导基底，不会影响成像效果。另一方面一维衍射光栅结构，加工简单方式多样便于量产，可以通过改变光栅的周期、高度或者倾斜角度实现衍射效率逐渐增大，提高扩瞳光线的光均匀性，即沿光线扩散方向光能量分布的均匀性。
71.在本技术中，衍射扩瞳结构可仅包括至少两组不同的一维衍射光栅结构。
72.在一些实施例中，至少两组不同的一维衍射光栅结构不重叠，且各一维衍射光栅结构所在区域连续。即每种一维衍射光栅设置于一个连续的区域内。示例性地，图7为本发明实施例提供的一种衍射扩瞳结构的俯视示意图；图8为图7中光线的波矢空间图；图9为本发明实施例提供的一种衍射扩瞳结构的俯视示意图。结合图7和图9所示，可以包括两组一维衍射光栅结构，即第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅结构33。可以看到，图7和图9中，第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅结构33不重叠，第一衍射光栅结构32所在区域连续，第二衍射光栅结构33所在区域连续。图7中第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅结构33沿垂直于第一方向的第二方向并排设置，图9中第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅结构33沿第一方向并排设置，第一方向为x轴方向。
73.示例性的，结合图7-图9所示，设置第一衍射光栅结构32的光栅方向与第一方向成预设夹角α1满足-45
°
≤α1《45
°
，且第二衍射光栅结构33的光栅方向与第一方向成预设夹角α2满足0
°
《α2≤45
°
。其中，第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅结构33的光栅周期、高度和倾斜角可以相同。例如，以图7对应的图8的波矢空间图为例，两组光栅方向的夹角为90
°
时，对应图14的波矢空间图，当然也可以是其他角度，例如两组光栅方向的夹角为120
°
，能实现沿y轴方向扩散光线且光线可传播至非衍射耦出结构4即可。图像源发出的入射光线l1经非衍射耦入结构1耦入到波导基底2内全反射传输形成传输光线l2，分别到达第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅结构33，一部分光线经第一衍射光栅结构32沿-y方向扩瞳传输，一部分光线经第二衍射光栅结构33沿y方向传输(对应图8的波矢空间中经过光栅矢量平移，以及光栅矢量平移，与大小相同，方向相反，矢量和为0，与的共轭效应，衍射的角色散和色度色散效应被抵消)，入射光线l1在第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅结构33的衍射传输和色散抵消原理请参照上述实施例提供的第一衍射光栅结构32，这里不再做详细展开描述。到达非衍射耦出结构4的光线a和光线a’参数相同、光线b和光线b’参数相同、光线c和光线c’参数相同、光线d和光线d’参数相同，通过在扩瞳方向上设置并排的第一衍射光栅结构32的和第二衍射光栅结构33，进一步扩展了光线在y方向的扩散方向，采用两组一维光栅结构，加工简单方式多样便于量产，相对于一组一维光栅结构，可有效提高衍射效率。
74.上述实施例中，如图7所示，可以设置第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅33结构沿图中y方向边缘接触不重叠排列且成对称结构，采用该结构，可使得波导基底2内全反射的传输光线l2分别经过第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅结构33沿图中y方向扩散；或者，如图9所示，设置第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅33结构沿图中y方向错开不重叠
排列，采用该结构，可使得波导基底2内全反射的传输光线l2先经过第一衍射光栅结构32沿图中y方向扩散，再经过第二衍射光栅结构33沿图中y方向扩散，进一步扩大了扩散范围。其中，y方向为垂直光线耦入波导基底2后的传播方向，也可称之为扩瞳方向。如上两种结构，采用两组一维衍射光栅结构增大了光栅扩散范围，可以提高衍射扩瞳结构3的扩瞳效果，有利于提高光波导装置视觉成像。
75.在一些实施例中，至少两组不同的一维衍射光栅结构不重叠，且不同的一维衍射光栅结构交叉间隔排列。具体地，交叉间隔排列区域内，每种一维衍射光栅设置于多个离散的子区域内，以使不同的一维衍射光栅结构在区域内交叉间隔排列。其中，每个离散的区域在x方向和/或y方向上的尺寸小于光斑尺寸或与光斑尺寸相当。该光斑尺寸为投影光引擎出射的图像光束的光斑尺寸。示例性地，图10为本发明实施例提供的另一种衍射扩瞳结构的俯视示意图；图11为图10中光线的波矢空间图。由图10可以看到，部分第一衍射光栅结构32和部分第二衍射光栅结构33沿第一方向(图中x方向所示)交叉间隔排列。
76.示例性的，如图10所示，交叉间隔排列区域可以设置部分第一衍射光栅结构32和部分第二衍射光栅结构33交叉间隔排列。比如沿x方向交叉间隔排列，或者沿y方向交叉间隔排列，或者沿x方向和y方向交叉间隔排列。交叉间隔排列区域内第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅结构33的区域的尺寸可以小于或者等于投影光引擎出射的图像光束的光斑尺寸，或者和光斑尺寸在一个数量级，例如，微米量级。结合图11的光线传播的波矢空间图，当光线入射到光栅区域时，一部分光线会发生衍射，一部分光线会继续在光波导内全反射传输。其中，衍射的这部分光线产生的衍射次级至少会在两个方向上进行传输且引入色散，如图11右上图所示；这部分光线再次入射到交叉间隔排列区域/第一衍射光栅结构/第二衍射光栅结构时，可再次发生衍射，直至远离衍射扩瞳结构3。如图11的左下图所示，若光线在光栅结构经过多次衍射且所经过光栅的矢量和为零，则可无色散地传播至耦出结构。由于传播至耦出结构的光线无色散，则耦出结构可采用非衍射光学元件，通过反射或折射的方式将图像源发出的光线耦出波导基底，如图11右下图所示，不会存在色散的问题。采用该交叉间隔设置的结构，不仅可以提高衍射效率，还可以减小衍射扩瞳结构3的体积，而且有利于视场角调控，提高视场均匀性。
77.在一些实施例中，至少两组不同的一维衍射光栅结构存在重叠区域。图12为本发明实施例提供的另一种衍射扩瞳结构的俯视示意图；图13为本发明实施例提供的重叠区域的俯视示意图；图14为图12中光线的一种波矢空间图；图15为图12中光线的另一种波矢空间图。在上述实施例的基础上，结合图12-图15所示，可选的，第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅结构33部分重叠。
78.示例性的，结合图12-图15所示，采用第一衍射光栅结构32和第二衍射光栅结构33部分交叉重叠的排布，重叠区域的宽度可等于或者大于非衍射耦入结构1的宽度，重叠区域的宽度可沿x轴正方向逐渐增大。结合图13所示，中间的重叠区域可看作二维光栅结构，二维光栅结构又可以被等效为分别平行于第一周期线、第二周期线以及第三周期线的三个一维光栅结构h1、h2、h3，这样当光入射到二维光栅结构时，光会被三个等效的一维光栅结构h1、h2、h3衍射以产生许多级次的衍射光。
79.具体的，例如，第一衍射光栅结构32与第二衍射光栅结构33的夹角为120
°
，本实施例中，波导基底2也可称为光波导。结合图13和图14所示，当光线10沿着x轴方向入射到重叠
区域的100位置处时，一部分光104沿原方向继续传播在光波导内，另一部分光被等效的一维光栅结构h1衍射为101以与x轴成+60
°
进行衍射传输，被等效的一维光栅结构h2衍射为102以与x轴成+60
°
进行衍射，以及被等效的一维光栅结构h3衍射耦出。光线101、102、104继续在光波导内全反射传播直至下一次入射到重叠区域再次衍射。那么，在经过第一次衍射过后，光线10衍射为101所经过的衍射矢量为光线10衍射为102所经过的衍射矢量为
80.进一步地，光线101再次入射到重叠区域的300位置处，一部分光304沿原方向继续传播在光波导内，另一部分光被等效的一维光栅结构h1衍射为301，被等效的一维光栅结构h2衍射耦出，以及被等效的一维光栅结构h3衍射为303。光线301、303、304继续在光波导内全反射传播直至下一次入射到重叠区域再次衍射。在经过第二次衍射过后，光线101衍射为301所经过的衍射矢量为光线101衍射为303所经过的衍射矢量为
81.进一步地，光线102再次入射到重叠区域的400位置处，一部分光404沿原方向继续传播在光波导内，另一部分光被等效的一维光栅结构h1衍射耦出，被等效的一维光栅结构h2衍射为402，以及被等效的一维光栅结构h3衍射为403。光线402、403、404继续在光波导内全反射传播直至下一次入射到重叠区域再次衍射。在经过第二次衍射过后，光线102衍射为402所经过的衍射矢量为光线102衍射为403所经过的衍射矢量为
82.进一步地，光线104再次入射到重叠区域的200位置处，一部分光204沿原方向继续传播在光波导内，另一部分光被等效的一维光栅结构h1衍射为201，被等效的一维光栅结构h2衍射为202，以及被等效的一维光栅结构h3衍射耦出。光线201、202、204继续在光波导内全反射传播直至下一次入射到重叠区域再次衍射。在经过第二次衍射过后，光线104衍射为201所经过的衍射矢量为光线104衍射为202所经过的衍射矢量为
83.沿y轴方向扩散的光线入射到第一衍射光栅结构32区域或者第二衍射光栅结构33区域时的光线，可参考上述实施例提供的远离描述。
84.这样，通过设计第一衍射光栅结构32区域、第二衍射光栅结构33区域以及重叠区域的尺寸和轮廓，使得衍射扩瞳结构3被配置为在光线到达非衍射耦出结构4时，所经过的各次衍射的衍射矢量的和为零。
85.在另外的实施方式中，例如，第一衍射光栅结构32与第二衍射光栅结构33的夹角为90度，结合波矢图15所示，光线经过衍射、衍射以及衍射一共三次衍射后离开扩瞳区域，且沿x轴正向传输，在与矢量和为零时，也能满足无色散入射至耦出区域。
86.大小相同，夹角为90度，的大小为
87.综上所述，在衍射扩瞳结构仅存在一维衍射光栅结构时，光栅经过至少两次衍射转折后到达耦出结构，且所经过的各次衍射转折时的衍射矢量的和为零的情形下衍射次数为偶数次，且经过至少一组共轭的衍射矢量，该共轭的衍射矢量的衍射次数也为偶数次。在衍射扩瞳结构存在二维衍射光栅结构时，光栅经过至少两次衍射转折后到达耦出结构，且所经过的各次衍射转折时的衍射矢量的和为零的情形下衍射次数可以为奇数次也可为偶
数次，则光均可以没有角色散和色度色散地耦合出波导进入人眼，不会影响成像效果。同时，采用该交叉重叠设置的结构，加工方式多样便于量产，衍射效率较高，不仅可以提高衍射效率，还可以减小衍射扩瞳结构的体积，而且有利于视场角调控，提高视场均匀性。
88.图16为本发明实施例提供的非衍射耦出结构的示意图。
89.可实施地，非衍射耦出结构可以实现为波导基底2的第一表面s1与第二表面s2之间内嵌的反射膜层。示例性的，结合图16中的(1)图所示，可以在波导基底2的第一表面s1与第二表面s2之间设置耦出反射膜层41，通过改变扩瞳光线l3在波导基底2内的全反射条件，使得扩瞳光线l3经耦出反射膜层41反射后形成耦出光线l4，从波导基底2内耦出。
90.可实施地，非衍射耦出结构可以实现为波导基底2的第一表面s1与第二表面s2之间的倾斜侧面。示例性的，结合图16中的(2)图所示，波导基底2还包括第二倾斜侧面s4，第二倾斜侧面s4为非衍射耦出结构4，第二倾斜侧面s4分别与第一表面s1和第二表面s2存在夹角，通过调整夹角大小，可以破坏扩瞳光线l3在波导基底2内的全反射，使得扩瞳光线l3经第二倾斜侧面s4出射。一种可行的实施方式，还可以在第二倾斜侧面s4的表面增镀反射膜或者增透膜，利用反射膜或者增透膜改变扩瞳光线l3在第二倾斜侧面s4的透反分光比例，进一步提高光能利用率。具体的，在第二倾斜侧面s4蒸镀反射膜层增大反射比例，将扩瞳光线l3经耦出反射膜层反射后的反射光线l4用作有效的耦出光线；也可以在第二倾斜侧面s4蒸镀增透膜层增大投射比例，将扩瞳光线l3经耦出蒸镀增透膜层投射后的投射光线l4’用作有效的耦出光线。
91.可实施地，非衍射耦出结构还包括附加光学元件；附加光学元件包括底面和至少一个反射斜面；底面位于第一表面靠近第二倾斜侧面的一侧，或者位于第一表面靠近耦出反射膜层的一侧，且与第一表面平行设置。其中，被第二倾斜斜面或者耦出反射膜层反射的光线，在底面透射进入附加光学元件后被至少一个反射斜面反射进入人眼。
92.示例性的，参考图1所示，非衍射耦出结构包括波导基底内的耦出反射膜层和波导基底表面的附加光学元件，在波导基底内全反射传播的光线入射至波导基底内的耦出反射膜层上时发生透反分光，反射光进入附加光学元件内入射至附加光学元件的反射斜面，被反射进入人眼；在耦出反射膜层上透反分光的透射光继续在波导基底内全反射传播至再次入射至耦出反射膜层再次透反分光，这样便可以在x方向上实现扩展耦出。
93.在一些实施例中，在非衍射耦入结构采用倾斜反射结构实现时，相应的，非衍射耦出结构需与非衍射耦入结构配合，也采用倾斜反射结构实现。其中，耦入的倾斜反射结构的倾斜角与耦出的倾斜反射结构的倾斜角相同。例如，耦入和耦出均采用倾斜侧面实现时，两倾斜侧面相互平行，光线在耦入倾斜侧面上反射次数与其传播到耦出的倾斜侧面后在被耦出前反射次数相同，此时反射角的变化被抵消，平行入射的光线能平行耦出，如图16中的(3)、(4)中耦出光线l4所示，从而进一步提升光波导系统的成像效果。
94.在上述实施例的基础上，结合图16中的(3)、(4)图所示，可选的，耦入结构1为第一倾斜斜面s3，耦出结构4包括耦出反射膜层41和附加光学元件42；附加光学元件42包括底面411和至少一个反射斜面412；底面411位于第一表面s1靠近耦出反射膜层41的一侧，且与第一表面s1平行设置。其中，第一倾斜斜面s3和耦出反射膜层41平行，光线在第一倾斜斜面s3上的反射次数与在第二倾斜斜面s4上被耦出前反射次数相同，此时反射角的变化被抵消，平行入射的光线能平行耦出。
95.具体地，在波导基底内全反射传播的光线入射至耦出反射膜层41时发生反射，在反射角度仍满足全反射条件时，继续在波导基底2内全反射传播，在反射角度不满足全反射条件时，进入附加光学元件42，被反射斜面412反射光线依次穿过底面411、第一表面s1、耦出反射膜层41和第二表面s2后出射，最终入射至人眼成像。第一斜面412可以是反射膜，耦出反射膜层41可以是部分透射部分反射膜如图16中的(4)图所示，设置多个反射斜面412，可以起到减少附加光学元件42的厚度的作用，从而减少光波导装置的厚度，使得光波导装置轻便易佩戴。其中，反射面的数量可根据实际光学场景需求设置。附加光学元件42与波导基底2之间存在间隙，间隙为空气间隙或采用光学粘合剂填充以粘合光学元件与波导基底，以使从波导基底内的耦出反射膜层41反射的光线在耦出反射膜层41反射次数未达到其入射时在第一倾斜侧面s3上反射次数时仍能在波导基底内全反射传输。
96.当然，在另外的实施例中，图16中的(4)图，可选的，耦入结构1为第一倾斜斜面s3，耦出结构4包括第二倾斜斜面s4和附加光学元件42。第一倾斜斜面s3和第二倾斜斜面s4平行，在波导基底内全反射传播的光线入射至第二倾斜斜面s4时发生反射，在反射角度仍满足全反射条件时，继续在波导基底2内全反射传播，在反射角度不满足全反射条件时，进入附加光学元件42，被反射斜面412反射光线依次穿过底面411、第一表面s1和第二倾斜斜面s4后出射，最终入射至人眼。
97.可实施地，结合图16中的(5)图所示，耦出结构4可仅包括附加光学元件42，附加光学元件42包括底面411和至少一个反射斜面412，附加光学元件42与波导基底2之间存在间隙，间隙为空气间隙或采用光学粘合剂填充以粘合附加光学元件42与波导基底2，光学粘合剂的折射率小于波导基底2的折射率。
98.示例性的，附加光学元件42与波导基底2之间存在间隙，可以保证光线入射到波导基底2第一表面s1与附加光学元件42对应的区域时，全反射条件被打破，部分光线透射出波导基底2进入附加光学元件42并入射至附加光学元件42内的反射斜面412，被反射斜面412反射而从附加光学元件42透射出并透过波导基底2进入人眼，从而提高耦出效率，提高光波导系统成像亮度。
99.本技术还提供一种增强现实显示设备，其包括：上述任一实施例所述的光波导装置。可实施地，增强现实显示设备设备还可以包括：设备主体以及投影光引擎。其中，设备主体用于承载光波导装置以及投影光引擎；投影光引擎用于投射图像光束。
100.可实施地，设备主体可以被实施为眼镜架，其中眼镜架包括横梁部和镜腿部，并且镜腿部从横梁部的左右两侧中的至少一侧向后延伸，其中光波导装置被对应地设置于横梁部。或者，可实施地，设备主体也可以为实施为挡风玻璃，光波导装置被对应地设置于挡风玻璃的内侧，使得经由投影光引擎投射的图像光束在经由光波导装置的传输后，投射至挡风玻璃以形成虚像。
101.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所
附的权利要求范围决定。

技术特征：
1.一种光波导装置，其特征在于，包括波导基底、非衍射耦入结构、衍射扩瞳结构和非衍射耦出结构，所述波导基底具有相互平行的第一表面和第二表面，所述非衍射耦入结构、所述衍射扩瞳结构和所述非衍射耦出结构设置于所述波导基底上；所述非衍射耦入结构，用于通过反射或者折射的方式将光线耦入所述波导基底，以使光线在所述波导基底的所述第一表面和所述第二表面之间全反射的传输至所述衍射扩瞳结构；所述衍射扩瞳结构，用于通过衍射的方式将光线扩散的传输至所述非衍射耦出结构，且光线在所述衍射扩瞳结构的衍射满足色散抵消条件；所述非衍射耦出结构，用于通过反射或者折射的方式将光线耦出所述波导基底。2.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述非衍射耦入结构为折射棱镜，所述折射棱镜的耦入侧面朝向投影光引擎，以使所述投影光引擎投射的光线在所述耦入侧面处发生折射以耦入所述波导基底；或者，所述波导基底具有第一倾斜侧面，所述第一倾斜侧面与所述第二表面之间具有夹角，所述非衍射耦入结构为所述第一倾斜侧面，所述第一倾斜侧面朝向投影光引擎，以使所述投影光引擎投射的光线在所述第一倾斜侧面处发生折射以耦入所述波导基底。3.根据权利要求2所述的光波导装置，其特征在于，所述非衍射耦入结构为设置于所述第一倾斜侧面上的反射元件，所述第二表面朝向投影光引擎，以使所述投影光引擎投射的光线在所述第一倾斜侧面处发生反射以耦入所述波导基底。4.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述衍射扩瞳结构实现为衍射光栅，所述色散抵消条件为光线在所述衍射扩瞳结构经过至少两次衍射且各次衍射的光栅矢量之和为零。5.根据权利要求4所述的光波导装置，其特征在于，所述衍射扩瞳结构包括第一衍射光栅结构，所述第一衍射光栅结构的光栅方向与第一方向成预设夹角α1，其中-45
°
≤α1<45
°
，所述第一方向为光线耦入波导基底后的传播方向。6.根据权利要求5所述的光波导装置，其特征在于，所述衍射扩瞳结构还包括第二衍射光栅结构；所述第二衍射光栅结构的光栅方向与所述第一方向成预设夹角α2，其中-45
°
≤α1<0
°
且0
°
<α2≤45
°
。7.根据权利要求6所述的光波导装置，其特征在于，所述第一衍射光栅结构和所述第二衍射光栅结构不重叠。8.根据权利要求7所述的光波导装置，其特征在于，部分所述第一衍射光栅结构和部分所述第二衍射光栅结构交叉间隔排列；或者，所述第一衍射光栅结构和所述第二衍射光栅结构沿所述第一方向、或者垂直于所述第一方向的第二方向并排设置。9.根据权利要求6所述的光波导装置，其特征在于，所述第一衍射光栅结构和所述第二衍射光栅结构部分重叠。10.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述非衍射耦出结构包括至少一个耦出反射膜层；所述耦出反射膜层位于所述第一表面与所述第二表面之间，光线在所述耦出反射膜层处发生反射以耦出所述波导基底。11.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述波导基底还包括第二倾斜侧
面，所述非衍射耦出结构包括所述第二倾斜侧面，所述第二倾斜侧面与所述第一表面存在夹角；其中，光线经所述第二倾斜侧面反射或者透射后耦出所述波导基底。12.根据权利要求10或11所述的光波导装置，其特征在于，所述非衍射耦出结构还包括附加光学元件；所述附加光学元件包括底面和至少一个反射斜面；所述波导基底还包括第二倾斜侧面，所述底面位于所述第一表面靠近所述第二倾斜侧面的一侧；或者，所述非衍射耦出结构包括至少一个耦出反射膜层，所述底面位于所述第一表面靠近所述至少一个所述耦出反射膜层的一侧，且与所述第一表面平行设置；其中，被所述第二倾斜斜面或者所述耦出反射膜层反射的光线，在所述第一底面透射进入所述附加光学元件后被至少一个所述反射斜面反射进入人眼。13.根据权利要求12所述的光波导装置，其特征在于，所述波导基底具有第一倾斜侧面，所述第一倾斜侧面与所述第二表面之间具有夹角，所述非衍射耦入结构为所述第一倾斜侧面；所述第一倾斜侧面与所述第二倾斜斜面平行，或者，所述第一倾斜侧面与所述耦出反射膜层平行。14.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述非衍射耦出结构包括附加光学元件，所述附加光学元件包括底面和至少一个反射斜面，所述附加光学元件与所述波导基底之间存在间隙，所述间隙为空气间隙或采用光学粘合剂填充以粘合所述附加光学元件与所述波导基底，所述光学粘合剂的折射率小于所述波导基底的折射率。15.一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如权利要求1-14中任一项所述的光波导装置。

技术总结
本发明公开了一种光波导装置和增强现实显示设备，光波导装置包括非衍射耦入结构、波导基底、衍射扩瞳结构和非衍射耦出结构，非衍射耦入结构通过反射或者折射的方式将光线耦入波导基底，以使光线在波导基底的第一表面和第二表面之间全反射的传输至衍射扩瞳结构；衍射扩瞳结构通过衍射的方式将光线扩散的传输至非衍射耦出结构，且光线在衍射扩瞳结构的衍射满足色散抵消条件，增大了光线的视场范围，避免光线存在角色散和色度色散；非衍射耦出结构通过反射或者折射的方式将光线耦出波导基底。该结构实现光线耦入、扩瞳以及耦出，制备工艺简单，可以避免有多个膜层的波导基底的复杂制备过程，大大提高了光波导装置的制备效率和成功。成功。成功。


技术研发人员：黄河 楼歆晔 张雅琴 黄鹏 林涛
受保护的技术使用者：上海鲲游科技有限公司
技术研发日：2022.08.16
技术公布日：2023/7/21