[发明专利]显示设备、显示用衍射光波导及其设计方法

说明书

本申请公开了一种显示用衍射光波导，其包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入区域和耦出区域，耦出区域形成有混合光栅并且包括多个分区，所述混合光栅包括分别形成在不同分区中的多个耦出光栅和至少一个回光光栅，其中所述至少一个回光光栅位于所述耦出光栅之间。根据本发明实施例，在耦出区域中将耦出光栅与回光光栅混合，一方面，回光光栅能够防止光能量离开耦出区域，从而有利于充分地将光能量通过耦出光栅耦出；另一方面，允许更加灵活地对耦出区域中传播的光进行重新定向/分配，从而有利于进一步提高衍射光波导的出射光场的均匀性。

技术领域

本发明涉及基于衍射的显示技术，特别是显示用的衍射光波导、显示设备以及衍射光波导设计方法。

背景技术

随着半导体工艺的高度发展，人与计算机之间的交互方式正在飞速发展，其中增强现实(Augmented Reality，AR)显示可以提供给人类以更多维度的信息，得到人们的广泛关注。AR眼镜是增强现实显示领域的重要媒介之一。衍射光波导具有可量产性强、轻薄等优势，在AR显示领域逐渐得到认可，有望成为未来AR领域主流技术发展方向。

目前用于AR显示的衍射光波导尚有不足之处。衍射光波导的整体光耦合效率不够高，导致AR显示的视场不够明亮。此外，现有的衍射光波导的耦出光栅的耦出效率在整个耦出光栅范围内基本上一致，这造成随着光传播过程中不断耦合出射，耦出的光通量会逐渐降低，从而导致人眼在衍射光波导的视窗中活动时观察到的图像出现明暗变化。为了提高衍射光波导的耦合效率以及改善出射光能量分布均匀性，人们提出了一种如图16所示的衍射光波导，其中在波导基底上设置有耦入光栅a、耦出光栅b和回光光栅c。耦入光栅a将载有图像信息的入射光耦入波导基底中。耦出光栅b一边将载有图像信息的光在波导基底所在的平面内扩展，一边将所述光从波导基底中耦出。回光光栅c设置在耦出光栅b的远离耦入光栅a的末端的周围，用于使离开耦出光栅b并继续在波导基底中传播的光返回耦出光栅b。然而，图16所示设计对衍射光波导的整体光耦合效率的提高仍然很有限。此外，耦出光栅b的出射光场容易呈现中央区域(如图15中虚线框所示)暗而周围区域亮的不均匀状态，导致显示效果不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种显示用衍射光波导、包括该衍射光波导的显示设备以及衍射光波导的设计方法，以至少部分地克服了现有技术中的不足。

根据本发明的一个方面，提供了一种显示用衍射光波导，其包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入区域和耦出区域，外部光束通过所述耦入区域被耦合到所述波导基板中并通过全反射进行传播，其中，所述耦入区域形成有耦入光栅，所述耦入光栅配置为将外部光束耦合到所述波导基板中，以使之通过全反射在所述波导基板内传播；所述耦出区域形成有混合光栅并且包括多个分区，所述混合光栅包括分别形成在不同分区中的多个耦出光栅和至少一个回光光栅；所述耦出光栅配置为将传播到其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板耦出；所述回光光栅配置为对来自所述耦出光栅的以一传播方向进入其中的光进行衍射，使之主要以与所述传播方向相反的方向返回；其中所述至少一个回光光栅位于所述耦出光栅之间。

有利地，所述多个分区的数量大于等于20。

有利地，所述多个分区为规则的分区。

有利地，所述多个分区包括不规则的分区。

有利地，形成有所述回光光栅的分区各自具有小于人眼平均瞳孔面积的面积。

有利地，所述回光光栅的光栅周期为所述耦出光栅在相同方向上的光栅周期的一半。

有利地，所述至少一个回光光栅包括分别形成在不同分区中的多个二维回光光栅。

有利地，至少一个二维回光光栅具有与另一个二维回光光栅不同的光学结构。

有利地，所述至少一个回光光栅包括形成在不同分区中的多个一维回光光栅。