近眼显示设备的制作方法

1.本实用新型涉及增强现实技术领域，特别是涉及近眼显示设备。


背景技术：

2.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，是将微型投影仪上的像素通过光学显示屏投射的人眼中，并同时透过光学显示屏看到真实世界，即将通过微型投影仪提供的虚拟内容与真实环境实时地叠加到了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。
3.为了实现增强现实显示方案，目前通常使用光波导技术，即当传输介质的折射率大于周围介质的折射率且在波导中的入射角大于全反射临界角时，光可以在波导内发生全反射以进行无泄漏地传输。这样，来自投影仪的图像光被耦合进入波导后，图像光就在波导内继续无损地传播，直至被后续结构耦出。目前，市面上的波导通常被分为几何阵列波导和衍射光波导，其中衍射光波导又被分为体全息波导和表面浮雕光栅波导。虽然衍射光波导的本质都是通过光栅将入射光耦入或耦出波导，但表面浮雕光栅波导因具有极高的设计自由度和由纳米压印加工带来的可量产性，而在众多方案中具有明显的优势。
4.具体到增强现实中的衍射光波导(以下简称ar波导)，其技术参数主要包括视场角fov、视距eye relief、动眼框尺寸eyebox等。视场角通常用对角线角度表示，如40
°
，对应16:9比例画幅的视场角约为35
°
(h)*20
°
(v)；视距通常在20
‑
25mm左右，基本能满足大部分用户的佩戴需求，包括佩戴近视或远视眼镜的用户；动眼眶尺寸决定了用户眼睛可自由移动的范围，尺寸越大丢失图像的可能性就越小，因而适应性更广。动眼眶的水平尺寸需要能够适应人眼的出瞳距范围并给用户不同的水平佩戴基准留足余量，动眼眶的垂直尺寸需要适配用户的垂直佩戴基准，一般认为动眼眶尺寸15mm(h)*10mm(v)可满足用户体验的基本需求。ar波导以高效率和良好的均匀性为优化目标，高效率的目的是在相同微投影仪的输入下能实现较高的亮度输出，使人眼看到的画面足够明亮；均匀性包括fov均匀性，即人眼看到的全视场画面具有较好的亮度、颜色均匀性，和eyebox(眼盒)均匀性，即人眼在眼盒的不同位置(或不同瞳距、鼻梁高度的用户佩戴时)接收到的亮度差异尽量小，并且期望不同位置均具有较好的fov均匀性。
5.然而，由于光栅是针对某一波长工作的衍射光学器件，因此现有的ar波导中的耦入光栅对不同波长的光必然有着不同的衍射性质，例如，对不同波长的光会产生不同的衍射角，即波长越大，衍射角就越大。如图1所示，现有的ar波导1p的耦入光栅12p对同一束图像光100p进行衍射会产生波长较大的一束第一耦入光101p和波长较小的一束第二耦入光102p，使得该第一耦入光101p的衍射角大于该第二耦入光102p的衍射角，则在波导基底11p内进行全反射地传输的过程中，该第一耦入光101p所对应的全反射周期长度p1将大于该第二耦入光102p所对应的全反射周期长度p2。而当该第一耦入光101p和该第二耦入光102p分别到达耦出光栅13p时，该第一耦入光101p和该第二耦入光102p每次遇到该耦出光栅13p时都会对应地产生一束第一耦出光103p和一束第二耦出光104p，因此相邻的两束该第一耦出
光103p之间的距离等于该第一耦入光101p所对应的全反射周期长度p1，并且相邻的两束该第二耦出光104p之间的距离等于该第二耦入光102p所对应的全反射周期长度p2。
6.换言之，该第一耦出光103p的间距大于该第二耦出光104p的间距，即该第二耦出光104p的分布更密集，该第一耦出光103p的分布更稀疏，使得该现有的ar波导1p因该第一耦出光103p的间距太大而导致较少的该第一耦出光103p，甚至没有该第一耦出光103p进入人眼，而该现有的ar波导1p却因该第二耦出光104p的光线间距太小而导致较多的该第二耦出光104p进入人眼。这样，不同大小的衍射角就会导致不同大小的全反射周期长度，而不同大小的全反射周期长度所导致的结果就是不同波长(颜色)的耦出光线的疏密程度存在差异，即波长越小越密集，波长越大越稀疏，这在经由该现有的ar波导1p所显示的由各色光合成后的彩色图像上就体现为色彩不均匀，导致配置有该现有的ar波导1p的增强现实设备的彩色均匀性较差，无法为用户提供高质量的视觉体验。


技术实现要素：

7.本实用新型的一优势在于提供了近眼显示设备，其能够有效地提高光波导的色彩均匀性。
8.本实用新型的另一优势在于提供了近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示设备的衍射光波导装置能够使不同波长(颜色)的耦出光线的密度达到均衡，以提高所显示的彩色图像的色彩均匀性。
9.本实用新型的另一优势在于提供了近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述衍射光波导装置能够采用增加波导层数的方式来增加短波长光线的全反射周期长度，使得不同波长光线的全反射周期长度基本上保持一致，有助于优化光波导的色彩均匀性。
10.本实用新型的另一优势在于提供了近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述衍射光波导装置能够通过减小波导层的有效厚度来增加长波长光线的耦出密度，并能够通过增加波导层的有效厚度来减小短波长光线的耦出密度，使得长波长的光线与短波长的光线的耦出密度保持一致，便于用户观看到色彩均匀性较高的彩色图像。
11.本实用新型的另一优势在于提供了近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述衍射光波导装置能够通过选择性反射层来调节与不同波长的光线所对应的波导层的有效厚度，使得不同波长的光线的耦出密度基本上保持相同，以优化彩色图像的色彩均匀性，提高图像质量。
12.本实用新型的另一优势在于提供了近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述衍射光波导装置能够调制不同波长的光线在光波导中的等效全反射周期长度，使得不同波长的耦出光线具有近似相等的光线耦出间距，以便提高色彩均匀性，改善用户的视觉体验。
13.本实用新型的另一优势在于提供了近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述衍射光波导装置能够通过增加波导层和选择性反射层来对不同颜色光的耦出密度进行调制，以得到相互接近的耦出光线密度，从而改善光波导的色彩均匀性。
14.本实用新型的另一优势在于提供了近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述衍射光波导装置能够在人眼入瞳处实现良好的能量分布均匀性，有助于减轻因
视场角不均匀引起的图像暗角问题。
15.本实用新型的另一优势在于提供了近眼显示设备，其中为了达到上述目的，在本实用新型中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本实用新型成功和有效地提供一解决方案，不只提供近眼显示设备，同时还增加了所述近眼显示设备的实用性和可靠性。
16.为了实现上述至少一优势或其他优势和目的，本实用新型提供了近眼显示设备，包括：
17.一设备主体；
18.一光机，其中所述光机被设置于所述设备主体，用于投射光束；以及
19.一衍射光波导装置，其中所述衍射光波导装置被对应地设置于所述设备主体，并且所述衍射光波导装置包括：
20.一光波导组件，其中所述光波导组件包括被相互叠置的一第一波导层和一第二波导层；
21.一光栅结构组件，其中所述光栅结构组件包括被设置于所述第一波导层的一耦入光栅结构和一耦出光栅结构，其中所述耦入光栅结构用于衍射该光束以耦入所述第一波导层，并且所述耦出光栅结构用于衍射该光束以耦出所述第一波导层；以及
22.一选择性反射组件，其中所述选择性反射组件包括被叠合于所述第一波导层和所述第二波导层之间的一第一选择性反射层，并且所述第一选择性反射层用于选择性地反射该光束中具有第一衍射角的光线，并选择性地透射该光束中具有第二衍射角的光线，其中该第一衍射角大于该第二衍射角。
23.根据本技术的一实施例，所述耦入光栅结构用于将图像光衍射成衍射角较大的第一耦入光和衍射角较小的第二耦入光，并且所述第一选择性反射层用于反射该第一耦入光，且透射该第二耦入光，使得该第一耦入光在所述第一波导层内等效全反射地传播，并且该第二耦入光在所述第一波导层和所述第二波导层内全反射地传播。
24.根据本技术的一实施例，所述第一波导层的厚度d1和所述第二波导层的厚度d2之间的比值被实施为：
[0025][0026]
其中，t为所述耦入光栅结构的周期；n为所述光波导组件的折射率；λ1为该第一耦入光的波长；λ2为该第二耦入光的波长。
[0027]
根据本技术的一实施例，所述第一选择性反射层用于反射红光和绿光，并透射蓝光。
[0028]
根据本技术的一实施例，所述光波导组件进一步包括被叠置于所述第二波导层的一第三波导层，并且所述第二波导层位于所述第一波导层和所述第三波导层之间，其中所述选择性反射组件进一步包括被叠合于所述第二波导层和所述第三波导层之间的一第二选择性反射层，并且所述第二选择性反射层用于选择性地反射该光束中具有该第二衍射角的光线，且选择性地透射该光束中具有第三衍射角的光线，其中该第二衍射角大于该第三衍射角。
[0029]
根据本技术的一实施例，所述耦入光栅结构用于将图像光衍射成衍射角依次变小
的第一波段光、第二波段光以及第三波段光，其中所述第一选择性反射层用于反射该第一波段光，且透射该第二波段光和该第三波段光，使得该第一波段光在所述第一波导层内等效全反射地传播，其中所述第二选择性反射层用于反射该第二波段光，且透射该第三波段光，使得该第二波段光在所述第一波导层和所述第二波导层内等效全反射地传播，并且该第三波段光在所述第一波导层、所述第二波导层以及所述第三波导层内全反射地传播。
[0030]
根据本技术的一实施例，所述第一波导层的厚度d1和所述第三波导层的厚度d3之间的比值被实施为：
[0031][0032]
其中，t为所述耦入光栅结构的周期；n为所述光波导组件的折射率；λ1为该第一波段光的波长；λ2为该所述第二波段光的波长；λ3为该第三波段光的波长。
[0033]
根据本技术的一实施例，所述第一选择性反射层用于反射红光，并透射绿光和蓝光，其中所述第二选择性反射层用于反射该绿光，并透射该蓝光。
[0034]
根据本技术的一实施例，所述耦入光栅结构和所述耦出光栅结构分别被实施为形成于所述第一波导层的表面的一维光栅或二维光栅。
[0035]
根据本技术的一实施例，所述光栅结构组件进一步包括被设置于所述第一波导层的一扩瞳光栅结构，并且所述扩瞳光栅结构位于所述耦入光栅结构和所述耦出光栅结构之间的光路中，用于将经由所述耦入光栅结构耦入的光线分束成不同级次的衍射光，以沿着不同的传播方向被传输至所述耦出光栅结构的不同位置。
[0036]
根据本技术的一实施例，所述设备主体被实施为一眼镜架，其中所述眼镜架包括一横梁部和一对镜腿部，并且所述镜腿部分别从所述横梁部的左右两侧向后延伸，其中所述衍射光波导装置被对应地设置于所述横梁部。
[0037]
通过对随后的描述和附图的理解，本实用新型进一步的目的和优势将得以充分体现。
[0038]
本实用新型的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
[0039]
图1示出了现有的一种光波导装置的光路示意图。
[0040]
图2是根据本实用新型的一实施例的衍射光波导装置的立体示意图。
[0041]
图3示出了根据本实用新型的上述实施例的所述衍射光波导装置的光路示意图。
[0042]
图4示出了根据本实用新型的上述实施例的所述衍射光波导装置调制全反射周期长度的原理示意图。
[0043]
图5示出了根据本技术的上述实施例的所述衍射光波导装置中选择性反射组件的反射光谱的示意图。
[0044]
图6和图7示出了根据本实用新型的上述实施例的所述衍射光波导装置的第一变形实施方式。
[0045]
图8示出了根据本实用新型的上述第一变形实施方式的所述衍射光波导装置中选
择性反射组件的反射光谱的示意图。
[0046]
图9示出了根据本实用新型的上述实施例的所述衍射光波导装置的第二变形实施方式。
[0047]
图10示出了根据本技术的一实施例的一近眼显示设备的结构示意图，其配置有根据本技术的上述变形实施方式的所述衍射光波导装置。
[0048]
图11是根据本技术的一实施例的优化色彩均匀性的方法的流程示意图。
[0049]
图12示出了根据本技术的上述实施例的所述优化色彩均匀性的方法的一变形实施方式。
[0050]
图13和图14是根据本技术的一实施例的衍射光波导装置的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
[0051]
以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。
[0052]
本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示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，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。
[0053]
在本实用新型中，权利要求和说明书中术语“一”应理解为“一个或多个”，即在一个实施例，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。除非在本实用新型的揭露中明确示意该元件的数量只有一个，否则术语“一”并不能理解为唯一或单一，术语“一”不能理解为对数量的限制。
[0054]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，属于“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过媒介间接连结。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0055]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0056]
近年来，随着增强现实技术的飞速发展，能够实现增强现实的设备或装置也越来
越受到人们的欢迎和使用。但如图1所示，不同大小的衍射角就会导致不同大小的全反射周期长度，而不同大小的全反射周期长度所导致的结果就是不同波长(颜色)的耦出光线的疏密程度存在差异，即波长越小越密集，波长越大越稀疏，这在经由该现有的ar波导1p所显示的由各色光合成后的彩色图像上就体现为色彩不均匀，导致配置有该现有的ar波导1p的增强现实设备的彩色均匀性较差，无法为用户提供高质量的视觉体验。
[0057]
而为了解决上述问题，本技术提供了一种衍射光波导装置和方法及其设备，其能够采用增加波导层数的方式来增加短波长光线的全反射周期长度，使得不同波长的光线的耦出密度达到平衡，从而有效地提高光波导的色彩均匀性。具体地，如图2至5所示，根据本技术的一实施例的衍射光波导装置1被阐明，其中所述衍射光波导装置1可以包括一光波导组件10、一光栅结构组件20以及一选择性反射组件30，其中所述光波导组件10包括被相互叠置的一第一波导层11和一第二波导层12；其中所述光栅结构组件20包括被设置于所述第一波导层11的一耦入光栅结构21和一耦出光栅结构22，其中所述耦入光栅结构21用于衍射光束以耦入所述第一波导层11，并且所述耦出光栅结构22用于衍射该光束以耦出所述第一波导层11；其中所述选择性反射组件30包括被叠合于所述第一波导层11和所述第二波导层12之间的一第一选择性反射层31，并且所述第一选择性反射层31用于选择性地反射该光束中具有第一衍射角的光线，并选择性地透射该光束中具有第二衍射角的光线，其中该第一衍射角大于该第二衍射角。
[0058]
这样，如图3所示，当一束图像光100被投射至所述光栅结构组件20的所述耦入光栅结构21时，所述耦入光栅结构21将该图像光100衍射成波长较大的第一耦入光101和波长较小的第二耦入光102，以耦入所述第一波导层11，使得所述第一耦入光101的衍射角θ1大于所述第二耦入光102的衍射角θ2；之后，所述第一耦入光101被所述第一选择性反射层31反射，以在所述第一波导层11内来回反射地传输至所述耦出光栅结构22，而所述第二耦入光102则透过所述第一选择性反射层31，以在所述光波导组件10内来回全反射地传输至所述耦出光栅结构22；最后，所述第一耦入光101被所述耦出光栅结构22衍射成第一耦出光103，以耦出所述第一波导层11，并且所述第二耦出光102被所述耦出光栅结构22衍射成第二耦出光104，以耦出所述第一波导层11。
[0059]
值得注意的是，由于所述第一耦入光101的波长大于所述第二耦入光102的波长，使得所述第一耦入光101的衍射角θ1大于所述第二耦入光102的衍射角θ2，因此如果所述第一耦入光101和所述第二耦入光102均在所述第一波导层11内进行全反射地传播，则所述第一耦入光101对应的全反射周期长度将大于所述第二耦入光102对应的全反射周期长度，导致波长越大的耦出光线越稀疏，波长越小的耦出光线越稠密。
[0060]
然而，如图3和图4所示，本技术的所述衍射光波导装置1则是通过增加所述第二波导层12，并利用所述第一选择性反射层31来选择性地反射所述第一耦入光101，选择性地透射所述第二耦入光102，使得所述第一耦入光101仍在所述第一波导层11内来回反射地传播，以使所述第一耦入光101对应的等效全反射周期长度p1’
等于所述第一耦入光101对应的所述全反射周期长度；而所述第二耦入光102则在所述第一波导层11和所述第二波导层12内全反射地传播，以使所述第二耦入光102对应的等效全反射周期长度p2’
得以增大，以大于所述第二耦入光102对应的全反射周期长度p2，使得所述第二耦入光102对应的等效全反射周期长度p2’
能够接近，甚至等于所述第一耦入光101对应的等效全反射周期长度p1’
，
从而实现所述第一耦出光103和所述第二耦出光104所对应的耦出密度达到平衡，以获得色彩均匀性较好的所述衍射光波导装置1。
[0061]
此外，所述等效全反射周期长度指的是耦入光在所述第一波导层11上两次相邻的全反射位置之间的距离，则同一波长(衍射角)的耦入光所对应的等效全反射周期长度与波导层的有效厚度呈正相关，即等效全反射周期长度p＝2h
×
tanθ，其中h为波导层的有效厚度，θ为衍射角。也就是说，本技术中的所述第一耦入光101对应的所述等效全反射周期长度p1’
与所述第一波导层11的厚度呈正相关，并且所述第二耦入光102对应的所述等效全反射周期长度p2’
与所述第一波导层11和所述第二波导层12的厚度之和呈正相关。
[0062]
优选地，所述第一波导层11的折射率等于所述第二波导层12的折射率，例如所述光波导组件10的折射率n在1.4至2.3之间。可以理解的是，所述光波导组件10可以但不限于被实施为由玻璃材料制成，以在使耦入光在所述光波导组件10内进行来回反射地传输以被耦出的同时，还允许环境光透过所述光波导组件10而被人眼看到，便于用户获得增强现实体验。当然，在本技术的其他示例中，所述光波导组件10也可以但不限于被实施为由透光树脂材料或透光高分子材料等制成。此外，所述第一波导层11的折射率也可以不同于所述第二波导层12的折射率。
[0063]
在本技术的一示例中，如图3所示，以双波长的光线(如所述第一耦入光101的波长为625nm，所述第二耦入光102的波长为465nm)传输为例：首先，选择具有合适厚度的波导基板作为所述第一波导层11，使得所述第一耦入光101对应的所述等效全反射周期长度p1’
足够小，以保证有足够多的所述第一耦出光103被耦出所述第一波导层11而进入人眼；接着，选择具有合适厚度的波导基板作为所述第二波导层12以叠置于所述第一波导层11的下方，并选择能够反射所述第一耦入光101且透射所述第二耦入光102的反射膜作为所述第一选择性反射层31以叠合于所述第一波导层11和所述第二波导层12之间，使得所述第一耦入光101仅在所述第一波导层11内进行等效全反射地传输，而所述第二耦入光102则在所述第一波导层11和所述第二波导层12内全反射地传输。由此可知：所述第一耦入光101对应的等效全反射周期长度p1’
被实施为：
[0064][0065]
所述第二耦入光102对应的等效全反射周期长度p2’
被实施为：
[0066][0067]
其中：h为所述光波导组件10的有效厚度；d2为所述第二波导层12的厚度；t为所述耦入光栅结构21的周期；n为所述光波导组件10的折射率；λ1和λ2分别为所述第一耦入光101的波长和所述第二耦入光102的波长。
[0068]
更优选地，所述第一耦入光101对应的等效全反射周期长度p1’
等于所述第二耦入光102对应的等效全反射周期长度p2’
。
[0069]
此时，由于所述第一选择性反射层31的厚度通常远小于所述第一波导层11的厚度d1，如所述第一波导层11的厚度d1在0.4mm至0.15mm之间，而所述第一选择性反射层31的厚度通常在50nm至400nm之间，因此所述第一选择性反射层31的厚度可以忽略，即d1＝h
‑
d2；则
所述第一波导层11的厚度与所述第二波导层12的厚度之间的比值优选地被实施为：
[0070][0071]
其中：d1为所述第一波导层11的厚度；d2为所述第二波导层12的厚度；t为所述耦入光栅结构21的周期；n为所述光波导组件10的折射率；λ1为所述第一耦入光101的波长；λ2为所述第二耦入光102的波长。
[0072]
根据本技术的上述实施例，所述光栅结构组件20中的所述耦入光栅结构21和所述耦出光栅结构22的类型可以根据具体需求进行调整，例如所述耦入光栅结构21和所述耦出光栅结构22可以但不限于被实施为表面浮雕光栅，以通过纳米压印等技术被加工形成于所述第一波导层11的表面。当然，在本技术的其他示例中，所述耦入光栅结构21和所述耦出光栅结构22也可以被实施为全息光栅，以通过全息曝光在所述第一波导层11内形成周期性的明暗相间的条纹等。
[0073]
优选地，如图3所示，所述第一波导层11被实施为具有一定厚度的平行波导，其具有相互平行的一上表面111和一下表面112，其中所述耦入光栅结构21和所述耦出光栅结构22被并排地形成于所述第一波导层11的所述上表面111，并且所述第一选择性反射层31被贴附于所述第一波导层11的所述下表面112。
[0074]
这样，该图像光100先被所述耦入光栅结构21衍射成所述第一耦入光101和所述第二耦入光102，以从所述第一波导层11的所述上表面111耦入所述第一波导层11，再从所述第一波导层11的所述下表面112出射至所述第一选择性反射层31；接着，所述第一耦入光101先被所述第一选择性反射层31反射回所述第一波导层11，再在所述第一波导层11的所述上表面111发生全反射后，再次被所述第一选择性反射层31反射回所述第一波导层11，如此反复，使得所述第一耦入光101在所述第一波导层11内等效地全反射传输至所述耦出光栅结构22，以被衍射成所述第一耦出光103而耦出所述第一波导层11；与此同时，所述第二耦入光102先透过所述第一选择性反射层31以进入所述第二波导层12，再在所述第二波导层12的下表面发生全反射后，再次透过所述第一选择性反射层31以进入所述第一波导层11而在所述第一波导层11的所述上表面111发生全反射，如此反复，使得所述第二耦入光102在所述第一波导层11和所述第二波导层12内全反射地传输至所述耦出光栅结构22，以被衍射成所述第二耦出光104而耦出所述第一波导层11。
[0075]
可以理解的是，在本技术的其他示例中，所述耦入光栅结构21和所述耦出光栅结构22也可以被并排地形成于所述第一波导层11的所述下表面112，或者所述耦入光栅结构21和所述耦出光栅结构22分别被错位地形成于所述第一波导层11的所述上表面11和所述下表面112，只要能够对应地将光线耦入所述第一波导层11和从所述第一波导层11耦出即可，本技术对此不再赘述。
[0076]
更优选地，所述第一选择性反射层31被实施为胶合于所述第一波导层11的所述下表面112的反射膜层，并且所述第二波导层12被胶合于所述第一选择性反射层31的下侧面，以便将所述第一选择性反射层31严密地叠合于所述第一波导层11和所述第二波导层12之间，防止在所述第一波导层11和所述第二波导层12之间形成空气间隙，避免所述第二耦入光102在所述第一波导层11的所述下表面112和所述第二波导层12的上表面发生全反射而
影响所述第二耦入光102对应的所述等效全反射周期长度p2’
。
[0077]
根据本技术的上述实施例，所述第一选择性反射层31可以反射选定波段的光线，而透射非选定波段的光线。特别地，所述的第一选择性反射层31能够按一定比例对所选波段的光进行反射和透射。例如，所述第一选择性反射层31对选定波段的光线的反射率可在70％以上，并且所述第一选择性反射层31对非选定波段的光线的透射率可在80％以上。
[0078]
优选地，虽然上述示例中所述第一选择性反射层31对光线的反射作用具有波长选择性，但所述第一选择性反射层31还可以对光线的反射作用具有方向选择性。例如，所述第一选择性反射层31可以高效率地反射来自所述第一波导层11中的特定波长的光线，而不能高效率地反射来自所述第二波导层12中的光线，以提高装置的整体光能利用率。
[0079]
值得注意的是，虽然上述实施例只列举了两种波长的光线在所述衍射光波导装置1中的传播，即所述第一选择性反射层31用于对单波长的光线进行选择性反射；但实际上，所述衍射光波导装置1也能够用于rgb三色光的传输，即所述第一选择性反射层31用于对多波长或特定波段范围内的光线进行选择性反射。
[0080]
在本技术的另一示例中，所述图像光100可以被实施为rgb三色光，其中所述第一耦入光101可以包括红光和绿光，并且所述第二耦入光102可以包括蓝光，也就是说，所述第一选择性反射层31能够反射红光和绿光，并透射蓝光。这样，经由所述耦入光栅结构21耦入的红光和绿光将被所述第一选择性反射层31反射以在所述第一波导层11内来回等效全反射地传输至所述耦出光栅结构22，而被耦出所述第一波导层11；而经由所述耦入光栅结构21耦入的蓝光将透过所述第一选择性反射层31以在所述第一波导层11和所述第二波导层12内来回全反射地传输至所述耦出光栅结构22，而被耦出所述第一波导层11。
[0081]
优选地，所述第一选择性反射层31可以被实施为由多层波长选择反射膜叠加而成。例如，在本技术的一示例中，所述第一选择性反射层31的反射光谱分布如图5所示，用于反射波长大于520nm的光线，而透射波长小于500nm的光线。
[0082]
可以理解的是，红光的波长通常在610nm至680nm之间，绿光的波长通常在520nm至570nm之间，蓝光的波长通常在440nm至465nm之间。虽然红光的衍射角较大，蓝光的衍射角较小，但绿光的衍射角略小于该红光的衍射角，这样，由于绿光的衍射角与红光的衍射角相差不大，因此本技术的所述衍射光波导装置1中的所述第一选择性反射层31能够同时反射红光和绿光，使得所述第一波导层11能够同时支持红光和绿光的传输，并且所述第二波导层12与所述第一波导层11相互配合而只支持蓝光的传输。换言之，本技术的所述衍射光波导装置1虽然只对蓝光的耦出密度进行了调制，但由于红光和绿光对应的衍射角相差不大，使得红光和绿光的耦出密度相差不大，因此本技术的所述衍射光波导装置1仍能够在一定程度上实现色彩均匀性的优化。
[0083]
为了更进一步地优化色彩均匀性，附图6至图8示出了根据本技术的上述实施例的所述衍射光波导装置1的第一变形实施方式，其中所述衍射光波导装置1的所述光波导组件10可以进一步包括一第三波导层13，并且所述选择性反射组件30可以进一步包括一第二选择性反射层32，其中所述第三波导层13被叠置于所述第二波导层12上远离所述第一波导层11的一侧，并且所述第二选择性反射层32被叠合于所述第二波导层12和所述第三波导层13之间，用于选择性地反射该光束中具有该第二衍射角的光线，并选择性地透射具有第三衍射角的光线，其中所述第二衍射角大于所述第三衍射角。换言之，所述第二波导层12被叠置
于所述第一波导层11和所述第三波导层13之间，其中所述第一选择性反射层31被叠合于所述第一波导层11和所述第二波导层12之间，并且所述第二选择性反射层32被叠合于所述第二波导层12和所述第三波导层13之间。
[0084]
示例性地，如图7所示，所述第一选择性反射层31用于选择性地反射光束中的第一波段光101’，并选择性地透射该光束中的其他波段光；所述第二选择性反射层32用于选择性地反射该光束中的第二波段光102’，并选择性地透射该光束中的第三波段光103’，其中所述第一波段光101’的波长大于所述第二波段光102’的波长，并且所述第二波段光102’的波长大于所述第三波段光103’的波长。例如，所述第一波段光101’、所述第二波段光102’以及所述第三波段光103’可以依次被实施为红光、绿光以及蓝光。
[0085]
优选地，所述第一选择性反射层31用于反射红光，并透射绿光和蓝光；所述第二选择性反射层32用于反射绿光，并透射蓝光。例如，在本技术的一示例中，所述第一选择性反射层31和所述第二选择性反射层32的反射光谱分布如图8所示，其中所述第一选择性反射层31用于反射波长大于610nm的光线，且透射波长小于570nm的光线；并且所述第二选择性反射层32用于反射波长在520nm至570nm之间的光线，且透射波长小于460nm或波长大于620nm的光线。
[0086]
这样，当一束rgb三色图像光被投射至所述光栅结构组件20的所述耦入光栅结构21时，所述耦入光栅结构21将该rgb三色图像光衍射成衍射角依次变小的红光r、绿光g以及蓝光b，以耦入所述第一波导层11；之后，所述红光r被所述第一选择性反射层31反射，以在所述第一波导层11内等效全反射地传输至所述耦出光栅结构22，所述绿光g则先透过所述第一选择性反射层31以进入所述第二波导层12，再被所述第二选择性反射层32反射，以在所述第一波导层11和所述第二波导层12内等效全反射地传输至所述耦出光栅结构22，以及所述蓝光b则透过所述第一选择性反射层31、所述第二波导层12以及所述第二选择性反射层32，以在所述光波导组件10内来回全反射地传输至所述耦出光栅结构22；最后，所述红光r、所述绿光g以及所述蓝光b均被所述耦出光栅结构22耦出所述第一波导层11。
[0087]
值得注意的是，如图7所示，本技术的所述衍射光波导装置1则是通过增加所述第二波导层12和所述第三波导层13，并利用所述第一选择性反射层31来反射红光且透射绿光和蓝光，以及利用所述第二选择性反射层32来反射绿光且透射蓝光，使得所述红光在所述第一波导层11内等效全反射地传播，以使所述红光对应的等效全反射周期长度t1保持不变；而所述绿光则在所述第一波导层11、所述第一选择性反射层31以及所述第二波导层12内等效全反射地传播，使得所述绿光对应的等效全反射周期长度t2得以增大，以接近，甚至等于所述红光对应的等效全反射周期长度t1；所述蓝光则在所述第一波导层11、所述第一选择性反射层31、所述第二波导层12、所述第二选择性反射层32以及所述第三波导层13内全反射地传播，使得所述蓝光对应的等效全反射周期长度t3得以进一步增大，以接近，甚至等于所述红光对应的等效全反射周期长度t1，从而实现所述红光、所述绿光以及所述蓝光所对应的耦出密度达到平衡，以获得色彩均匀性较好的所述衍射光波导装置1。
[0088]
优选地，所述第三波导层13的折射率等于所述第二波导层12的折射率，例如所述光波导组件10的折射率n在1.4至2.3之间。可以理解的是，在本技术的其他示例中，所述第三波导层13的折射率也可以不同于所述第二波导层12的折射率。
[0089]
此外，由于所述第一波导层11的厚度通常为0.4mm至1.5mm之间，而所述第一选择
性反射层31和所述第二选择性反射层32的厚度均在50nm至400nm之间，远小于所述第一波导层11的厚度，因此在计算所述等效全反射周期长度时，所述第一选择性反射层31和所述第二选择性反射层32的厚度可以被忽略。
[0090]
这样，类比于根据本技术的上述实施例，根据本技术的所述第一变形实施方式中：所述第一波段光101’对应的等效全反射周期长度t1被实施为：
[0091][0092]
所述第二波段光102’对应的等效全反射周期长度t2被实施为：
[0093][0094]
所述第三波段光103’对应的等效全反射周期长度t3被实施为：
[0095][0096]
其中：d1、d2以及d3分别为所述第一波导层11、所述第二波导层12以及所述第三波导层13的厚度；t为所述耦入光栅结构21的周期；n为所述光波导组件10的折射率；λ1、λ2以及λ3分别为所述第一波段光101’、所述第二波段光102’以及所述第三波段光103’的波长。
[0097]
优选地，所述第一波段光101’对应的等效全反射周期长度t1等于所述第二波段光102’对应的等效全反射周期长度t2等于所述第三波段光103’对应的等效全反射周期长度t3。
[0098]
换言之，所述第一波导层11的厚度与所述第二波导层12的厚度之间的比值优选地被实施为：
[0099][0100]
其中：d1为所述第一波导层11的厚度；d2为所述第二波导层12的厚度；t为所述耦入光栅结构21的周期；n为所述光波导组件10的折射率；λ1为所述第一波段光101’的波长；λ2为所述第二波段光102’的波长。
[0101]
所述第一波导层11的厚度与所述第三波导层13的厚度之间的比值优选地被实施为：
[0102][0103]
其中，d1为所述第一波导层11的厚度；d3为所述第三波导层13的厚度；t为所述耦入光栅结构21的周期；n为所述光波导组件10的折射率；λ1为所述第一波段光101’的波长；λ2为所述第二波段光102’的波长；λ3为所述第三波段光103’的波长。
[0104]
值得注意的是，根据本技术的上述实施例，所述耦入光栅结构21可以但不限于被实施为一维光栅或二维光栅。例如，当所述耦入光栅结构21被实施为一维光栅时，所述耦入光栅结构21可以但不限于被实施为矩形光栅、斜齿光栅或锯齿光栅等等；而当所述耦入光
栅结构21被实施为二维光栅时，所述耦入光栅结构21也可以由多个一维光栅叠加在一起来代替。
[0105]
同样地，所述耦出光栅结构22也可以但不限于被实施为一维光栅或二维光栅。特别地，当所述耦出光栅结构22被实施为所述二维光栅时，所述耦出光栅结构22即具有耦出功能，又具有扩瞳功能。
[0106]
值得注意的是，当所述耦入光栅结构21采用一维光栅，且所述耦出光栅结构22采用二维光栅时，经由所述耦入光栅结构21耦入的光线在进入所述耦出光栅结构22后，被所述耦出光栅结构22衍射成沿着原由方向传播的0级次衍射光和分别向两边扩束地传播的
±
1级次衍射光，这将导致所述耦出光栅结构22所处区域中部分的顶角位置没有光线耦出，即形成所谓的视场暗角，这将严重影响光波导显示图像的均匀性和完整性。
[0107]
因此，为了解决上述问题，附图9示出了根据本技术的上述实施例的所述衍射光波导装置1的第二变形实施方式，其中所述衍射光波导装置1的所述光栅结构组件20可以进一步包括一扩瞳光栅结构23，其中所述扩瞳光栅结构23被设置于所述第一波导层11，并且所述扩瞳光栅结构23位于所述耦入光栅结构21和所述耦出光栅结构22之间的光路中，使得经由所述耦入光栅结构21耦入的光线先被所述扩瞳光栅结构23分束成不同级次的衍射光，以沿着不同的传播方向传输至所述耦出光栅结构22的不同位置，再被所述耦出光栅结构22耦出所述第一波导层11，便于使所述耦出光栅结构22的整个区域均耦出光线，有助于改善视场暗角。
[0108]
示例性地，所述扩瞳光栅结构23可以被实施为一或多个浮雕光栅，用于衍射耦入光，以起到分束光线的作用。值得注意的是，所述扩瞳光栅结构23可以被实施为一或多个二维浮雕光栅，或者一或多个叠加在一起的多个一维浮雕光栅；也可以被实施为一或多个一维浮雕光栅；还可以被实施为一维浮雕光栅与二维浮雕光栅的组合。
[0109]
值得注意的是，如图9所示，经由所述扩瞳光栅结构23分束而成的多束衍射光可以但不限于包括0级衍射光和至少一
±
1级衍射光，其中所述至少一
±
1级衍射光可以是 1级衍射光或
‑
1级衍射光中的一束光线，也可以是 1级衍射光和
‑
1级衍射光这两束光线。由于本技术的所述衍射光波导装置1先经由所述扩瞳光栅结构23将耦入的图像光分束成传播方向不同的所述0级衍射光和所述至少一
±
1级衍射光，再使不同方向的衍射光均能传输至所述耦出光栅结构22，以便覆盖整个所述耦出光栅结构22，进而被所述耦出光栅结构22耦出所述第一波导层11而被使用者观看到，因此本技术的所述衍射光波导装置1不仅能够提高图像光的光能利用率，而且还能够解决因光线缺失而引起的视场暗角问题。与此同时，本技术的所述衍射光波导装置1的所述耦出光栅结构22在耦出衍射光的同时，还能够进一步分束波导中的光，使得不同耦出光能量互相补偿，以提高耦出光线的均匀性，即增加耦出光线在人眼入瞳处能量分布的均匀性，以改善因视场角能量不均匀而引起的图像暗角问题。
[0110]
根据本技术的另一方面，如图10所示，本技术进一步提供了一种近眼显示设备7，其中所述近眼显示设备7可以包括用于投射光束的光机71、一设备主体70以及上述衍射光波导装置1，其中所述光机71和所述衍射光波导装置1被对应地设置于所述设备主体70，使得经由所述光机71提供的光束被所述耦入光栅结构21衍射成不同波长的耦入光以耦入所述光波导组件10，之后，不同波长的耦入光在所述光波导组件10内沿着不同的传播光路传播至所述耦出光栅结构22，以被所述耦出光栅结构22均匀地耦出而被用户眼睛接收以看到
对应的图像。
[0111]
更具体地，如图10所示，所述近眼显示设备7的所述设备主体70可以包括一横梁部72和一对镜腿部73，其中所述镜腿部73分别从所述横梁部72的左右两侧向后延伸，以形成具有眼镜架结构的所述设备主体70。所述衍射光波导装置1被设置于所述横梁部72的下方，以作为用于近眼显示的眼镜镜片。
[0112]
值得注意的是，在本技术的一示例中，如图10所示，所述衍射光波导装置1中的所述耦入光栅结构21位于所述第一波导层11的中上部，以对应于所述设备主体70的所述横梁部72；此时，所述光机71适于被安装于所述设备主体70的所述横梁部72，使得当用户佩戴所述近眼显示设备7时，所述光机71对应地位于用户的额头附近，有助于为所述光机71预留更大的安装空间。
[0113]
根据本技术的另一方面，如图11所示，本技术的一实施例进一步提供了一种优化色彩均匀性的方法，可以包括步骤：
[0114]
s110：衍射图像光100以形成耦入第一波导层11的第一耦入光101和第二耦入光102，其中所述第一耦入光101的衍射角大于所述第二耦入光102的衍射角；
[0115]
s120：反射来自所述第一波导层11的所述第一耦入光101以进入所述第一波导层11发生全反射，使得所述第一耦入光101在所述第一波导层11中来回等效全反射地传输；
[0116]
s130：透射来自所述第一波导层11的该第二耦入光102以在进入被叠置于所述第一波导层11的第二波导层12发生全反射后，再进入所述第一波导层11发生全反射，使得所述第二耦入光102在所述第一波导层11和所述第二波导层12中来回全反射地传输；以及
[0117]
s140：衍射被传输的所述第一耦入光101和所述第二耦入光102以形成耦出所述第一波导层11的第一耦出光103和第二耦出光104。
[0118]
值得注意的是，本技术的所述优化色彩均匀性的方法中所述步骤s120和所述步骤s130之间不分先后次序，可以同时进行，也可以依次进行。
[0119]
优选地，所述第二耦出光104的耦出密度接近所述第一耦出光103的耦出密度，也就是说，所述第一耦出光103和所述第二耦出光104具有相同或相近的耦出密度。换言之，相邻的两个所述第一耦出光103之间的间距与相邻的两个所述第二耦出光104之间的间距相等或近似相等。例如，本技术所提及的“接近”可以指的是相邻的两个所述第一耦出光103之间的间距与相邻的两个所述第二耦出光104之间的间距之差在某一阈值范围内，如
±
50nm等等。
[0120]
更优选地，在本技术的所述优化色彩均匀性的方法中：通过被叠合于所述第一波导层11和所述第二波导层12之间的第一选择性反射层31，反射所述第一耦入光101，并透射所述第二耦入光102。
[0121]
最优选地，合理地选择所述第一波导层11的厚度和所述第二波导层12的厚度，以使与所述第一耦入光101对应的等效全反射周期长度等于与所述第二耦入光102对应的等效全反射周期长度。
[0122]
值得一提的是，附图12示出了根据本技术的上述实施例的所述优化色彩均匀性的方法的一个变形实施方式，其中所述优化色彩均匀性的方法，可以包括步骤：
[0123]
s210：衍射图像光100以形成耦入第一波导层11的第一波段光101’、第二波段光102’以及第三波段光103’，其中所述第一波段光101’、所述第二波段光102’以及所述第三
波段光103’的衍射角依次变小；
[0124]
s220：反射来自所述第一波导层11的所述第一波段光101’以进入所述第一波导层11发生全反射，使得所述第一波段光101’在所述第一波导层11中来回等效全反射地传输；
[0125]
s230：透射来自所述第一波导层11的所述第二波段光102’和所述第三波段光103’以进入被叠置于所述第一波导层11的第二波导层12；
[0126]
s240：反射来自所述第二波导层12的所述第二波段光102’以进入所述第一波导层11发生全反射，使得所述第二波段光102’在所述第一波导层11和所述第二波导层12中来回等效全反射地传输；
[0127]
s250：透射来自所述第二波导层12的所述第三波段光103’以进入被叠置于所述第二波导层12的第三波导层13被全反射回所述第一波导层11而再次被全反射，使得所述第三波段光103’在所述第一波导层11和所述第三波导层13中来回全反射地传输；以及
[0128]
s260：衍射被传输的所述第一波段光101’、所述第二波段光102’以及所述第三波段光103’以耦出所述第一波导层11。
[0129]
值得注意的是，在本技术的上述变形实施方式的所述优化视场暗角的方法中：通过被叠合于所述第一波导层11和所述第二波导层12之间的第一选择性反射层31，反射所述第一波段光101’，并透射所述第二波段光102’和所述第三波段光103’；并且通过被叠合于所述第二波导层12和所述第三波导层13之间的第二选择性反射层32，反射所述第二波段光102’，并透射所述第三波段光103’。
[0130]
根据本技术的另一方面，如图13所示，本技术的一实施例进一步提供了一种衍射光波导装置的制造方法，可以包括步骤：
[0131]
s310：设置光栅结构组件20于第一波导层11，其中所述光栅结构组件20中的耦入光栅结构21用于将图像光100衍射成具有第一衍射角的光线和具有第二衍射角的光线；和
[0132]
s320：叠合第一选择性反射层31于所述第一波导层11和第二波导层12之间，其中所述第一选择性反射层31用于反射所述具有第一衍射角的光线，并透射所述具有第二衍射角的光线，其中所述第一衍射角大于所述第二衍射角。
[0133]
值得注意的是，本技术的所述衍射光波导装置的制造方法中的所述步骤s310和所述步骤s320的先后次序可以互换，也就是说，所述步骤s320也可以在所述步骤s310之前被执行。
[0134]
示例性地，在本技术的一示例中，如图14所示，所述衍射光波导装置的制造方法的所述步骤s310，可以包括步骤：
[0135]
s311：制作母板，其中所述母板具有与所述光栅结构组件20相对应的待转印光栅结构；和
[0136]
s312：通过纳米压印方法，利用所述母板在所述第一波导层11的表面加工形成所述光栅结构组件20。
[0137]
值得注意的是，根据本技术的上述实施例，在所述衍射光波导装置的制造方法的所述步骤s311中，所述母板可以采用刻蚀加工的方法被制作而成。例如，所述刻蚀加工方法可以但不限于包括激光直写法、电子束直写法、掩膜光刻法以及双光束干涉曝光法等等。
[0138]
值得一提的是，如图13所示，根据本技术的上述实施例的所述衍射光波导装置的制造方法可以进一步包括步骤：
[0139]
s330：叠合第二选择性反射层32于所述第二波导层12和第三波导层13之间，其中所述耦入光栅结构21进一步用于将所述图像光衍射成具有第三衍射角的光线，并且所述第二选择性反射层32用于反射所述具有第二衍射角的光线，并透射具有第三衍射角的光线，其中所述第二衍射角大于所述第三衍射角。
[0140]
可以理解的是，在本技术的这个示例中，所述耦入光栅结构21用于将该图像光100衍射成衍射角依次变小的三束光线，如红光、绿光以及蓝光。此外，本技术的所述衍射光波导装置的制造方法中的所述步骤s310、所述步骤s320以及所述步骤s330之间的先后次序也可以互换，本技术对此不再赘述。
[0141]
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整并有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。