[发明专利]用于AR设备的光波导装置及其制造方法和AR设备

说明书

本发明涉及用于AR设备的光波导装置及其制造方法和AR设备。所述光波导装置包括光波导基底、耦入区和耦出区，所述耦入区设有第一光栅用以将入射光线耦入光波导基底内，所述耦出区设有第二光栅用以将来自光波导基底的光线二维扩展后耦出，第一光栅具有耦入光栅矢量，第二光栅具有彼此交叉的第一和第二耦出光栅矢量，第一光栅和第二光栅各自的光栅单元阵列在一个维度方向上基本上平行且周期相同，第一和第二耦出光栅矢量相对于耦入光栅矢量形成对称，从而由它们与耦入光栅矢量一起组成等腰三角形，其中所述第二光栅是二维表面浮雕光栅、具有三阶柱体阵列结构。本发明具有结构简单且紧凑、视场角范围大、光能损失小、设备续航能力强等众多优点。

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及用于AR设备的光波导装置及其制造方法和AR设备。

背景技术

光波导片是新一代增强现实技术(Augmented Reality，AR)中的关键核心部件，它将全反射波导原理和衍射元件相结合，用来在成像系统中复制扩展出射光瞳，由于具有大光瞳、小体积、重量轻等优点，因此已经成为AR 技术发展的必然趋势。

典型的光波导技术是将微型显示器出射的图像光源通过投影镜头投射进入光波导片的入射光栅区域，其被光波导片捕获并全反射传输至第二个光栅区域后再被衍射转折90°，同时透射的光继续沿原方向全反射前进，每次被转折光栅衍射进而实现在第一方向上的一维扩展。已转折90°的光将朝向第三光栅全反射，第三光栅的栅线与入射光正交，光可以在与第三光栅交互的每个点处被衍射耦出或者透射，透射光将通过全反射继续沿着该方向传输，第三光栅可提供在第二方向上的一维扩展，因此衍射耦出至观看者的图像光源可实现二维扩展。此类光波导片所使用的三个光栅皆为一维表面浮雕光栅。

当两个耦出光栅被重叠设置时，两个一维表面浮雕光栅可使用一个二维表面浮雕光栅来替代，用来直接实现光线的二维扩展和耦出。现有技术方案中二维表面浮雕光栅的柱状结构局限于等边三角形阵列的排布方式，这样的设置限制了光栅设计的自由度，并且水平视场角较小。

另外，当每次图像光线被二维光栅耦出时，会同时产生向外的透射衍射级和向内的反射衍射级。一般来说，需要更多的图像光指向用户侧而不是世界侧，因为指向世界侧的图像光不仅本质上是浪费的，而且还会导致周围人群观看到使用者的内容。

本节所描述内容是为方便理解本申请之用，因此不应假定仅由于将其包含在本节中而认为已经属于现有技术。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于AR设备的光波导装置及其制造方法和AR设备，从而能够解决或者至少缓解了以上问题以及其他方面的问题中的一个或多个。

首先，根据本发明的第一方面，它提供了一种用于AR设备的光波导装置，其包括光波导基底、耦入区和耦出区，所述耦入区设有第一光栅用以将入射光线耦入所述光波导基底内，所述耦出区设有第二光栅用以将来自所述光波导基底的光线二维扩展后耦出，所述第一光栅具有耦入光栅矢量，所述第二光栅具有彼此交叉的第一耦出光栅矢量和第二耦出光栅矢量，所述第一光栅和所述第二光栅各自的光栅单元阵列在一个维度方向上基本上平行且周期相同，所述第一耦出光栅矢量和所述第二耦出光栅矢量相对于所述耦入光栅矢量形成对称而与所述耦入光栅矢量一起组成等腰三角形，其中，所述第二光栅是二维表面浮雕光栅，该二维表面浮雕光栅具有三阶柱体阵列结构，其包括：多个第一柱体，其被排列形成所述第二光栅单元阵列，其中每一个从所述耦出区的外表面向外凸出，并且在垂直于所述外表面的方向上具有第一高度；以及多个第二柱体，其中每一个布置在相对应的第一柱体的顶部，并且在垂直于所述外表面的方向上具有第二高度，所述第二柱体的底面被包含在所述第一柱体的顶面内，所述第二柱体的底面面积小于所述第一柱体的底面面积。

在根据本发明的用于AR设备的光波导装置中，可选地，所述第一光栅具有在与其光栅槽线方向相垂直的第一维度方向上周期性排布的第一光栅单元阵列，所述第二光栅具有在所述第一维度方向和与其相垂直的第二维度方向上周期性排布的第二光栅单元阵列，所述第一光栅单元阵列和所述第二光栅单元阵列的周期符合以下关系式：