[发明专利]一种衍射光波导及其设计方法

说明书

本发明公开了一种衍射光波导及其设计方法，该衍射光波导包括波导基底和设置在波导基底至少一侧的耦入区域和耦出区域，图像源投射的光束经耦入区域耦入到波导基底内全反射地传输至耦出区域，耦出区域的第二耦出区域包括多个耦出子区域，设置至少两个耦出子区域中填充的一维光栅的光栅方向不同，满足光束经第二耦出区域扩瞳和耦出；设置耦出区域的第一耦出区域中填充的一维光栅与耦出子区域中的一种一维光栅的光栅矢量相同，以增加边缘光线耦出和补偿边缘处的耦出能量，进一步设置耦入区域内的一维光栅的光栅矢量和耦出区域内的一维光栅的光栅矢量和为零，实现光束有效耦入波导基底后无色散地耦出，有效提高了衍射光波导的视觉成像效果。

本申请要求在2022年04月29日提交中国专利局、申请号为202210475942X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申请中。

技术领域

本发明实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种衍射光波导及其设计方法。

背景技术

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。在进行增强现实的显示 场景中，需要通过图像源将需要叠加在真实场景的画面光束投射在光波导系统 上，通过光波导系统对画面光束的传导方向进行偏转，使得画面光束进入人眼。

现有的光波导系统通常采用一维光栅进行扩瞳和耦出，然而，其光栅布局 分为了明显的一块扩瞳光栅和一块耦出光栅，其带来的缺点是，扩瞳结构的存 在影响了眼镜外观的设计，如图1所示，通常需要将镜片设计得很大，影响美 观。相比而言，二维衍射波导就只存在一块耦入结构和一块耦出结构，如图2 所示，耦出结构的二维光栅可以同时实现扩瞳和耦出的作用，因此，采用二维 衍射波导的眼镜外形设计相对更加灵活。但是，一方面二维光栅的制备工艺相 对来说更加复杂，精度要求较高；另一方面由于其衍射级次多，其效率远不及 一维光栅，导致大量的能量被浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种衍射光波导及其设计方法，通过将耦出 区域划分成多个耦出子区域，并将光栅方向不同的一维光栅填充到耦出子区域 中，采用一维光栅替代二维光栅，实现光束的扩瞳与耦出，在相对更便捷的制 备工艺基础上有效提高了衍射光波导的视觉成像效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种衍射光波导，所述衍射光波导包括波 导基底和设置在所述波导基底至少一侧的耦入区域和耦出区域；

所述波导基底具有相互平行的第一表面和第二表面，所述耦入区域用于将 图像源投射的光束耦入所述波导基底，以使光束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耦出区域；

所述耦出区域包括第一耦出区域和第二耦出区域；所述第二耦出区域包括 多个耦出子区域，所述第二耦出区域中设置有至少两种不同光栅方向的一维光 栅，每个所述耦出子区域中设置所述至少两种不同光栅方向的一维光栅中的其 中一种，所述第二耦出区域用于通过衍射的方式对光束扩瞳和耦出所述波导基 底；所述第一耦出区域中设置的一维光栅与所述耦出子区域中的其中一种一维 光栅的光栅矢量相同；所述第一耦出区域用于通过衍射的方式将光束耦出所述 波导基底；

其中，所述耦入区域和所述耦出区域内的一维光栅的光栅矢量之和为零。

第二方面，本发明实施例还提供了一种衍射光波导的设计方法，所述方法 包括：

在波导基底的至少一个表面确定耦入区域以及耦出区域；所述至少一个表 面选自所述波导基底相互平行的第一表面和第二表面，所述耦入区域用于将图 像源投射的光束耦入所述波导基底，以使光束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地传输至所述耦出区域后耦出所述波导基底；

将所述耦出区域划分为第一耦出区域和第二耦出区域，并继续将所述第二 耦出区域划分为多个耦出子区域；