衍射光波导及AR眼镜的制作方法

衍射光波导及ar眼镜
技术领域
1.本发明涉及发光器件技术领域，尤其涉及一种衍射光波导及ar眼镜。


背景技术：

2.在增强现实(augmented reality，ar)、混合现实(mixed reality，mr)领域，相比bird bath(bb，半反半透式)、虫眼(离轴反射式)、自由曲面棱镜等显示方案，光波导方案更轻薄、眼盒更大，因此有更广阔的应用前景。眼盒指人眼在给定视距下能完整看到所给视场光线(完整的虚拟图像)的二维区域。在光波导方案中，相比使用部分透反膜的阵列光波导，衍射光波导生产制备工艺难度更低，在实现二维扩瞳(两个维度的出瞳拓展)时不存在栅格状暗条纹，因此更受关注。
3.衍射光波导的研究难点在于如何提供更均匀的显示效果以及如何进一步增大眼盒。相比全一维光栅的光波导设计方案，由专利us10359635b2提出的含有二维光栅的光波导设计方案可以无需转折区即达到二维扩瞳，因此耦出面积更大，能够提供更大眼盒，然而，其耦出时通常存在中心亮条，并且边角区域可能存在部分视场的缺失，即观看时各视场均匀性较差。专利gb2578328a利用微结构的设计自由度在一定程度上改善均匀性，不过难以改善由传播路径受限导致的边缘暗角。目前的含二维光栅的光波导设计方案通常存在光栅加工面积大(存在无效区域)、衍射能量损失多的问题。
4.因此，现有技术还有待改善和提高。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种衍射光波导及ar眼镜，旨在解决现有技术中衍射光波导存在部分视场缺失、光耦出均匀性较差的技术问题。
6.第一方面，本发明提供了一种衍射光波导，其特征在于，包括：
7.光波导基底，以及设置在所述光波导基底上的至少一个耦入区、至少一个中继区和至少一个耦出区；每个所述中继区均设于所述耦入区和所述耦出区之间；
8.耦入光栅，设于所述耦入区，用于将光耦入所述光波导基底内并传输至所述中继区和所述耦出区；
9.中继光栅，设于所述中继区，用于改变光的传输路径，使光能够遍布所述耦出区；
10.耦出光栅，设于所述耦出区，用于将光从所述耦出区耦出。
11.可选的，所述耦入光栅为一维光栅或二维光栅，所述中继光栅和所述耦出光栅均为二维光栅；所述耦入区、所述中继区和所述耦出区均可为对称或非对称形状。
12.可选的，所述耦入区为圆形或类型形状、所述耦出区为矩形或类似形状，所述中继区为对称梯形、非对称梯形或衍生图形。
13.可选的，所述耦入区和所述耦出区具有等效中心，所述等效中心即将几何图形视为密度均匀物体时的质心位置；所述耦入区的等效中心和所述耦出区的等效中心的连线为主线；
14.所述主线方向与水平方向的夹角为0度或90度，所述中继区为对称梯形或衍生图形，所述耦入区和所述耦出区均以主线为对称轴。
15.可选的，所述对称梯形的上底靠近所述耦入区一侧且与所述主线垂直，所述对称梯形或由衍生图形的下底远离所述耦入区且与所述主线垂直，所述对称梯形或衍生图形的高度大于或等于所述耦入区沿所述主线的最大距离。
16.可选的，所述耦入区和所述耦出区具有等效中心，所述等效中心即将几何图形视为密度均匀物体时的质心位置；所述耦入区的等效中心和所述耦出区的等效中心的连线为主线；
17.所述主线方向与水平方向的夹角为0-90度之间，所述中继区为对称梯形、非对称梯形或衍生图形，所述对称梯形、非对称梯形的上底靠近所述耦入区一侧且与所述主线垂直，所述对称梯形、非对称梯形或衍生图形的下底远离所述耦入区且与所述主线垂直，所述对称梯形、非对称梯形或衍生图形的高度大于或等于所述耦入区沿所述主线的最大距离。
18.可选的，所述耦入光栅、所述中继光栅和所述耦出光栅均选自表面浮雕光栅或全息光栅中的一种；
19.其中，所述表面浮雕光栅为直槽浮雕光栅、斜齿浮雕光栅、闪耀浮雕光栅、台阶浮雕光栅以及曲面浮雕光栅中的任意一种。
20.可选的，
21.所述中继区与所述耦入区和/或所述耦出区相连接。
22.可选的，
23.所述耦入区包括至少一个第一子分区，所述耦入光栅设于所述至少一个第一子分区；
24.所述中继区包括至少一个第二子分区，所述中继光栅设于所述至少一个第二子分区；
25.所述耦出区包括至少一个第三子分区，所述耦出光栅设于所述至少一个第三子分区；
26.所述子分区的几何边界可以为任意方向的直边或曲边。
27.可选的，所述耦入光栅、中继光栅、耦出光栅位于所述光波导基底的一侧或两侧，或位于所述光波导基底的内部；
28.所述衍射光波导可设置有一层或多层光波导基底；当所述衍射光波导有多层光波导基底时，每层均具有光栅。
29.第二方面、本发明提供了一种ar眼镜，所述ar眼镜包括：
30.光机，以及如上述任一技术方案所述的衍射光波导；
31.其中，所述光机向所述衍射光波导发射信号光，所述衍射光波导耦入所述信号光，并将所述信号光耦出至人眼。
32.有益效果：本发明提供了一种衍射光波导及ar眼镜，包括：光波导基底，以及设置在所述光波导基底上的耦入区、中继区和耦出区；所述中继区设于所述耦入区和所述耦出区之间；耦入光栅，设于所述耦入区，用于将光耦入所述光波导基底并传输至所述中继区和所述耦出区；中继光栅，设于所述中继区，用于改变光的传输路径，使光能够遍布所述耦出区；耦出光栅，设于所述耦出区，用于将光从所述耦出区耦出。在本发明中，中继光栅可以改
变部分光线的传输路径，使得从耦入光栅耦入的光通过中继光栅传输至耦出区时，覆盖更完整的耦出区区域，避免了光线从耦出区耦出时存在的部分视场缺失问题；同时光栅加工面积小，可提高光的能量利用效率。
附图说明
33.图1为现有技术一种衍射光波导的第一类几何形状示意图；
34.图2为现有技术一种衍射光波导的第二类几何形状示意图；
35.图3为本发明实施例一种衍射光波导的第一类几何形状示意图；
36.图4为本发明实施例一种衍射光波导的第二类几何形状示意图；
37.图5为本发明实施例一种衍射光波导的第三类几何形状示意图；
38.图6为本发明实施例一种衍射光波导的第四类几何形状示意图；
39.图7为本发明实施例表面浮雕光栅和全息光栅的示意图；
40.图8为本发明实施例一种中继区和耦出区分区的衍射光波导的几何形状示意图。
41.现有技术附图标注：
42.1、耦入光栅；2、耦出光栅；3、转折光栅。
43.本发明实施例附图标注：
44.10、耦入区；20、耦出区；30、中继区；
45.(a)、直槽包络；(b)、斜齿包络；(c)、闪耀包络；(d)、台阶包络；(e)、曲面包络；(f)、体全息光栅。
具体实施方式
46.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
47.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
48.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。
49.还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
50.目前，现有的衍射光波导为了增大眼盒(通常采用增大耦出区域面积的方式实现)，大多数方案使用一维光栅作为耦入光栅1，二维光栅作为耦出光栅2，其衍射光波导的
几何形状如图1所示。在图1中，从耦入光栅1耦入的光线传输进入耦出光栅2之后，一般分成三个方向传输。然而，光线难以到达耦出光栅2的左上角和左下角区域(图1中标号a和b所示)，即a和b区域光线耦出能量不足，将导致眼盒内部分位置存在视场缺失的问题。视场缺失问题一方面影响了图像显示的均匀性，另一方面也浪费了耦出光栅2的设计尺寸(二维耦出光栅存在无效区域)。
51.而为了解决部分视场缺失的问题，现有的一种解决方案是在耦入光栅1和耦出光栅2之间设计一维光栅转折光栅3(本发明中，转折光栅特指用于转变传输方向的一维光栅)，以改变部分光线的传输路径，如图2所示，通过耦入光栅1耦入的光线以第一扩展方向传输至转折光栅3，转折光栅3将第一扩展方向传输的光线分束成多束沿第二扩展方向传输的光线，使得多束沿第二扩展方向传输的光线能够到达耦出光栅2的左上角和左下角。然而，此类转折光栅通常需要预留较大区域，导致耦出面积受限，从而眼盒较小。第二种解决方案是蝴蝶翼式双一维光栅转折区方案，但此类方案转折区较短，对转折区的衍射效率要求较高，并且由于传播路径限制，耦出区耦出的光线存在中心暗条。
52.基于此，本发明提供了一些能够解决上述技术问题的方案，可以在消除部分视场缺失问题的同时提高光的能量利用率，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。
53.下面结合附图3-图8，通过具体的实施例及其应用场景对本发明实施例提供的衍射光波导及ar眼镜进行详细地说明。
54.本发明实施例提供了一种衍射光波导，包括：光波导基底，以及设置在所述光波导基底上的耦入区10、中继区30和耦出区20；所述中继区30设于所述耦入区10和所述耦出区20之间；耦入光栅，设于所述耦入区10，用于将光耦入所述光波导基底内并传输至所述中继区30和所述耦出区20；中继光栅，设于所述中继区30，用于改变光的传输路径，使光从所述中继区30传输到所述耦出区20，并覆盖所述耦出区20的整个区域，本专利中“中继区”虽也起到转变传输路径的功能，但不称之以“转折区”，是因为“中继区”使用二维光栅，而本专利中“转折区”使用一维光栅；耦出光栅，设于所述耦出区20，用于将光从所述耦出区20耦出。
55.如图3所示，光波导基底上依次设置了耦入区10、中继区30和耦出区20三个区域，中继区30位于耦入区10和耦出区20之间，耦入区10设置了耦入光栅，耦入光栅可以为一维或二维光栅，中继区30设置了中继光栅，中继光栅为二维光栅，耦出区20域设置了耦出光栅，耦出光栅为二维光栅。
56.具体的，所述衍射光波导可以有一层光波导基底，或有多层光波导基底，当衍射光波导设置有多层光波导基底时，每一层均具有光栅，每一层中，耦入光栅、中继光栅、耦出光栅可以设置在光波导基底的同一侧，也可设置在异侧。耦入光栅、中继光栅和耦出光栅还可以位于光波导基底的内部，本领域技术人员可以根据目标观看效果来设计耦入光栅、中继光栅以及耦出光栅的数量、几何形状、相对位置(也包括位于光波导基底同侧或异侧的差别)、分区数量、以及光栅参数。
57.在本发明实施例中，光机(光源)一般靠近耦入区10设置，以图3为例，首先，从光机(光源)发出的光在耦入区10通过耦入光栅耦入到光波导基底内，并在光波导基底内以全反射的形式传输到中继区30和耦出区20。然后，中继光栅接收到从耦入区10传输过来的光线后，改变部分光束的传输路径，使得这部分光束从中继区30传输到耦出区20的目标位置(对应于图1中左上角和左下角位置a和b)，从而克服了耦出区20左上角和左下角存在耦出光线
能量较弱(导致部分视场缺失)的缺陷。最后，耦出光栅将耦出区20的光束从光波导基底中耦出，人眼接收后看到对应的图像。
58.需要注意的是，在本发明实施例中，中继区虽是二维光栅，理论上也能耦出光线至人眼，但是可通过微结构的设计减小耦出能量、增加分束的均匀性，同时可设计耦出区微结构增加耦出能量，因此本方案增加了设计自由度，提高了光能利用效率，提升耦出能量的均匀性。
59.在上述实施方式的基础上，所述耦入区10、所述中继区30和所述耦出区20可为对称或非对称形状。
60.具体的，耦入区10可以为圆形或类似形状，例如耦入区10还可以是椭圆形、矩形、方形、多边形、圆角矩形、带倒角矩形等规则或不规则形状，耦出区20为矩形或类似形状，例如耦出区20还可以是圆形、椭圆形、方形、多边形、圆角矩形、带倒角矩形等规则或不规则形状，中继区30可以是称梯形或非对称梯形，也可为由梯形衍生而来的其他形状，例如，将梯形斜边向上底方向延长变为三角形，梯形也可带有圆角、倒角或切边等。
61.在一种较佳的实施方式中，所述耦入区10为圆形、所述耦出区20为矩形，所述中继区30为对称梯形或非对称梯形。
62.如图3-图6所示，图3-图6展示了本发明衍射光波导的四种较佳实施例，需要注意的是，以下实施例设定耦入区10等效中心与耦出区20等效中心的连线为主线，与之垂直的方向命名为法线。
63.图3和图4中主线水平设置(即主线方向与水平方向夹角θ为0度)，此时，中继区30为对称梯形，圆形状的耦入区10、对称梯形状的中继区30以及矩形状的耦出区20均以主线为对称轴，梯形的高度l1大于或等于所述耦入区10沿所述主线的最大距离l，使得从耦入区10耦入的光斑能够完整落入中继区30中，对称梯形的上底靠近耦入区10且与法线平行(与主线垂直)，对称梯形的下底靠近耦出区20且与法线平行(与主线垂直)，特别的，可以增大此对称梯形的面积，使得对称梯形的上底与耦入区10相连接，和/或，使得对称梯形的下底与耦出区20相连接(如图4所示)，对称梯形的下底也可与耦出区20靠近中继区的边等长(如图8所示)。
64.如图5所示，图5中主线方向与水平方向的夹角θ在0-90度之间，此时，中继区30可能为对称/非对称梯形(在某些特殊位置，中继区仍为对称梯形，如图5所示)，对称/非对称梯形的高度l1大于或等于所述耦入区10沿所述主线的最大距离l，以使得耦入区10耦入的光斑能够完整落入中继区30中，对称/非对称梯形的上底靠近耦入区10且与法线平行(与主线垂直)，对称/非对称梯形的下底靠近耦出区20且与法线平行(与主线垂直)，特别的，对称/非对称梯形的上底也可以与耦入区10相连接，对称/非对称梯形的下底也可以与耦出区20相连接。
65.值得注意的是，在本发明实施例中，当左眼设计方案和右眼设计方案取同一坐标系时，左眼主线方向与水平方向的夹角设计为0-90度时，右眼对应的设计角度可能为90-180度之间，本领域技术人员应当知晓，左眼设计和右眼设计为同样的设计构思，因此，右眼主线与水平方向的夹角为90-180度之间等效于左眼设计方案的0-90度，此时的右眼设计方案亦同样落入本发明实施例的保护范围。
66.如图6所示，图6中主线方向与水平方向的夹角θ为0-90度之间，此时，耦出区同时
旋转θ，中继区30通常为对称梯形，圆形状的耦入区10、对称梯形状的中继区30以及矩形状的耦出区20均以主线为对称轴，对称梯形的高度l1大于或等于所述耦入区10沿所述主线的最大距离l，以使得耦入区10耦入的光斑能够完整落入中继区30中，对称梯形的上底靠近耦入区10且与法线平行(与主线垂直)，对称梯形的下底靠近耦出区20，特别的，对称梯形的上底也可以与耦入区10相连接，对称梯形的下底也可以与耦出区20相连接。
67.在上述实施方式的基础上，所述耦入光栅、所述中继光栅和所述耦出光栅均选自表面浮雕光栅或全息光栅中的一种；其中，所述表面浮雕光栅为直槽浮雕光栅、斜齿浮雕光栅、闪耀浮雕光栅、台阶浮雕光栅以及曲面浮雕光栅中的任意一种。
68.如图7所示，耦入光栅、中继光栅以及耦出光栅均可选自表面浮雕光栅，可具有直槽/斜齿/台阶/闪耀/曲面型轮廓；也可为体全息光栅，图7中示意(a)为直槽包络、(b)为斜齿包络、(c)为闪耀包络、(d)为台阶包络、(e)为曲面包络、(f)为体全息光栅的折射率分布。体全息光栅可使用卤化银、液晶、聚合物分散液晶、液晶聚合物等材料制成。耦入光栅和耦出光栅可在光波导基底的外侧(可均在一侧或位于两侧)，也可设置为内部夹层。
69.在上述实施方式的基础上所述耦入区10包括至少一个第一子分区，所述耦入光栅设于所述至少一个第一子分区；所述中继区30包括至少一个第二子分区，所述中继光栅设于所述至少一个第二子分区；所述耦出区20包括至少一个第三子分区，所述耦出光栅设于所述至少一个第三子分区；所述子分区的几何边界可以为任意方向的直边或曲边。
70.具体的，为了提高耦出区20耦出光线的能量的均匀性，可以在耦入区10、中继区30以及耦出区20中划分出子分区，利用微结构的设计自由度(形状、占空比、槽深等)可使得最终耦出光线的能量分布更均匀，即人眼观看效果的明暗更均匀。
71.图8表示多个子分区的情况，耦入区10存在一个第一子分区，中继区30存在三个第二子分区，耦出区20存在八个第三子分区，较佳的，子分区沿光栅外轮廓边界的方向划分但不限于此。
72.当子分区数大于等于二时，也可存在子分区不设置光栅(该部分设置为全反射区域)，例如图8中的中继区30的三个第二子分区中，分别对应于c1、c2、c3三个区域，c1和c3区域可以设置二维光栅，而c2区域可以设置为全反射区域，从而从耦入光栅传输过来的部分光线也可以以全反射的形式直接穿过c2区域到达耦出区20，不影响这部分光线的传输。这样可以减少中继区30二维光栅的面积，节约加工成本，亦不会影响光线的传输。
73.基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种显示装置，所述显示装置包括：光机，以及如上述任一技术方案所述的衍射光波导；其中，所述光机向所述衍射光波导发射信号光，所述衍射光栅光波导中的耦入光栅将信号光耦入至光波导基底中，最终信号光在耦出光栅处由光波导基底耦出至人眼。
74.具体的，光机负责提供光信号，耦入光栅负责接收光信号，并将光线传递到耦出光栅，耦入光栅和耦出光栅间存在中继光栅，用以改善传递效果。耦入光栅、中继光栅、耦出光栅可以对光线进行一维扩瞳或二维扩瞳，耦出光栅最终将扩瞳后的光线输出，并投射到人眼中。
75.较佳的，该显示装置为ar眼镜，由于ar眼镜包括如上述技术方案所述的衍射光波导，因此，该ar眼镜可以在不引入额外光引擎、不增大镜片面积、不增加工艺复杂性的情况下，增加耦出光线的能量，提升人眼观看亮度，或者在同样的人眼观看亮度下减小光引擎的
输出能量要求；并且能够提升各视场角耦出能量的均匀性，提升人眼观看舒适度；还能在保证观看效果的情况下减小了光栅的无效加工面积、降低制造成本。
76.综上所述，本发明提供了一种衍射光波导及ar眼镜，包括：光波导基底，以及设置在所述光波导基底上的耦入区、中继区和耦出区；所述中继区设于所述耦入区和所述耦出区之间；耦入光栅，设于所述耦入区，用于将光耦入所述波导基底并传输至所述中继区和所述耦出区；中继光栅，设于所述中继区，用于改变光的传输路径，使光能够遍布耦出光栅；耦出光栅，设于所述耦出区，用于将光从所述耦出区耦出。在本发明中，中继光栅可以改变部分光线的传输路径，使得从耦入光栅耦入的光通过中继光栅传输至耦出区、覆盖完整耦出区，避免了耦出区存在部分区域耦出能量弱从而人眼观看时存在部分视场缺失的问题；同时增设中继区提高了设计自由度，能提高能量利用效率。
77.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。