CN114527536A - 一种光波导及其制作方法、抬头显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种光波导及其制作方法、抬头显示器，该光波导包括至少一层设有光栅的波导基底，其中，所述光栅包括浮雕光栅和体全息光栅，所述浮雕光栅和所述体全息光栅拼接组合。在汽车抬头显示的大尺寸要求下，该光栅组合光波导能够较好地满足显示画面亮度一致性的；在需要大尺寸的光波导实现画面显示时，该光栅组合光波能够搭载较小体积的光机，减小整体光学***的体积，且耦出的光线亮度均匀、视场角较大。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种光波导及其制作方法、抬头显示器。
背景技术
增强现实抬头显示器(Augmented Reality-Head up Display，AR-HUD)是一种设计在汽车内部的光学***，通过车内的光源与成像***，将地图导航、建筑地标、仪表盘等图像信息投射到前挡风玻璃，经挡风玻璃反射进入人眼，人眼可看到位于远处的与环境融合的增强现实图像。AR-HUD能让司机在驾驶时，人眼无需在仪表盘和前方道路之间来回切换，可提升驾驶安全。
在传统的AR-HUD方案中，通常使用曲面反射镜组合作为光学成像***，而这种光学呈现***体积较大，在汽车前装中需要进行较大的空间改造，增加了安装复杂度。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种光波导及其制作方法、抬头显示器，在大尺寸下，该光波导的光栅的衍射效率满足一定的曲线分布，耦出的光线能量均匀；该光波导能够搭载小体积光机，应用于AR-HUD时，能有效减小光学***的整体体积，驾驶员能观察到画面尺寸大且亮度均匀的投影信息。
本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种光波导，其特征在于，包括至少一层设有光栅的波导基底；其中，所述光栅包括浮雕光栅和体全息光栅，所述浮雕光栅和所述体全息光栅拼接。
在一些实施例中，各所述波导基底上均包括第一耦入区域和第一耦出区域；在各所述波导基底上，所述第一耦入区域用于将光线耦入至所述波导基底内、并使光线全反射传播至所述第一耦出区域，所述第一耦出区域用于接收所述光线、并使所述光线从所述波导基底内耦出；在各所述波导基底上，所述光栅设于所述第一耦出区域上、且所述光栅上的浮雕光栅靠近所述第一耦入区域设置。
在一些实施例中，所述光波导包括至少两层平行设置的所述波导基底；沿各所述波导基底表面的法线方向对各所述波导基底进行投影，在其中一个所述波导基底的投影面上，各所述波导基底的第一耦入区域互相重叠，各所述波导基底的第一耦出区域互不重叠。
在一些实施例中，各所述波导基底上均包括第二耦入区域、转折区域和第二耦出区域；在各所述波导基底上，所述第二耦入区域用于将光线耦入至所述波导基底内、并使光线全反射传播至所述转折区域，所述转折区域用于将光线沿第一方向进行传播、并使所述光线沿第二方向全反射传播至所述第二耦出区域，所述第二耦出区域用于将光线沿所述第二方向传播、并使所述光线从所述波导基底内耦出；在各所述波导基底上，所述光栅设于所述转折区域和/或所述第二耦出区域；其中，当所述转折区域设有所述光栅时，所述转折区域上的浮雕光栅靠近所述第二耦入区域设置，当所述第二耦出区域设有所述光栅时，所述第二耦出区域上的浮雕光栅靠近所述转折区域设置。
在一些实施例中，所述光波导包括至少两层平行设置的所述波导基底；沿各所述波导基底表面的法线方向对各所述波导基底进行投影，在其中一个所述波导基底的投影面上，各所述波导基底的第二耦入区域互相重叠；当所述转折区域设有所述光栅时，在所述投影面上，各所述转折区域互不重叠；当所述第二耦出区域设有所述光栅时，在所述投影面上，各所述第二耦出区域互不重叠。
在一些实施例中，所述浮雕光栅和所述体全息光栅的周期相同。
第二方面，本发明实施例还提供一种抬头显示器，该抬头显示器包括如第一方面任意一项所述的光波导。
第三方面，本发明实施例还提供一种如第一方面任意一项所述的光波导的制作方法，所述方法包括：
获取在预设参数下的光波导的理想衍射效率曲线；
在制作时获取所述光波导的量化衍射效率曲线；
根据所述理想衍射效率曲线和所述量化衍射效率曲线，调整所述光波导的制作参数，制得所述光波导。
在一些实施例中，所述方法还包括：
获取所述光波导在各预设位置处的耦出光线的能量；
根据所述耦出光线的能量确定所述光波导的亮度一致性。
在一些实施例中，所述方法还包括：
获取所述光波导在眼盒内不同预设视场角方向下的光线的能量；
根据各所述预设视场角方向下的光线的能量和评价函数，确定所述光波导的耦出光线的亮度一致性；
若所述亮度一致性不满足预设条件，则对所述预设参数进行参数优化。
在一些实施例中，所述根据各所述预设视场角方向下的光线的能量和评价函数，确定所述光波导的耦出光线的亮度一致性，包括：
通过以下函数计算所述眼盒内n个不同视场角方向下的耦出光线的第一标准差σeyebox：
其中，n为正整数，Φi为第i个预设视场角方向下的光线能量，所述第一标准差用于表征所述亮度一致性。
在一些实施例中，所述根据各所述预设视场角方向下的光线的能量和评价函数，确定所述光波导的耦出光线的亮度一致性，包括：
通过以下函数计算所述亮度一致性J(σ)：
J(σ)＝α1∫∫s|σeyebox1|2dxdy+α2∫∫s|σeyebox2|2dxdy；
其中，σeyebox1为所述眼盒内中心光线的第二标准差，α1为σeyebox1所占的权重因子，σeyebox2为所述眼盒内除中心光线外其他视场角方向下的光线的第三标准差，α2为σeyebox2所占的权重因子。
在一些实施例中，所述预设参数包括浮雕光栅所在区域的长度、浮雕光栅的结构、浮雕光栅的尺寸、体全息光栅所在区域的长度、体全息光栅所在区域上的全息膜层的厚度、体全息光栅的尺寸和波导基底的厚度中的至少一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种光波导及其制作方法、抬头显示器，该光波导包括至少一层设有光栅的波导基底，其中，所述光栅包括浮雕光栅和体全息光栅，所述浮雕光栅和所述体全息光栅拼接。该光波导在大尺寸下，能够较好地满足光波导的衍射效率分布要求，当应用于AR-HUD时，大尺寸的该光波导可搭载小体积的光机，能减小整体光学***的体积，且耦出的光线亮度均匀、视场角较大。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种光波导的布拉格偏移角与衍射效率的关系图；
图2是本发明实施例提供的耦出区域的长度不同的光波导的衍射效率随耦出光栅长度变化的曲线对比图；
图3是本发明实施例提供的一种光波导的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种光波导的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种光波导的侧面示意图；
图6是本发明实施例提供的一种光波导的立体示意图；
图7是本发明实施例提供的又一种光波导的结构示意图；
图8是图6的一种投影示意图；
图9是图6的另一种投影示意图；
图10是本发明实施例提供的一种光波导的制作方法的流程示意图；
图11是本发明实施例提供的一种光波导的理想衍射效率和量化衍射效率随耦出光栅长度变化的曲线对比图；
图12是本发明实施例提供的一种波导基底的厚度为12mm、光线在波导基底的全反射角度为55°的光波导的衍射效率随耦出光栅长度变化的曲线；
图13是本发明实施例提供的一种光波导的制作方法的部分流程示意图；
图14是本发明实施例提供的一种光波导的耦出能量、传播的能量与衍射效率分别随耦出光栅长度变化的曲线；
图15是本发明实施例提供的另一种光波导的制作方法的部分流程示意图。
附图标记说明：100、光波导，1、浮雕光栅，2、体全息光栅，10、第一耦入区域，20、第一耦出区域，101、第一波导基底，102、第二波导基底，103、第三波导基底，L、光机发出的光线，L1、第一光线，L2、第二光线，L3、第三光线，30、第二耦入区域，40、转折区域，50、第二耦出区域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
在现有的AR-HUD中，常使用体全息光栅光波导。其中，体全息光栅分为透射式体全息光栅和反射式体全息光栅，反射式体光栅相比透射式体光栅，具有更大的角度带宽。而在AR-HUD显示中，大的角度带宽意味着能获得大的视场角(Field of view，FOV)，因而通常选用反射式体全息光栅制作体全息光波导。根据Koglnik的耦合波理论，反射式体全息的光栅衍射效率η为：
其中，v为耦合强度，ξ为布拉格矢配量。根据上述公式，当使用银盐感光乳胶作为制作反射式体全息光栅的全息膜层的材料时，假设银盐感光乳胶厚度为8μm，材料折射率调制度为0.07，材料折射率为1.54，在光源的波长为532nm下，可得到衍射角为40°时，布拉格偏移角与衍射效率的关系，如图1所示。由图1可知，在上述条件下，反射式体全息光栅可以获得一个20°以上的角度带宽，且在15°以内可以获得比较高的衍射效率，在这种条件下制作体全息光波导是很理想的。
为了减小AR-HUD的光学***体积，可以采用搭配大尺寸光波导的AR-HUD，因此，将大尺寸光波导应用于AR-HUD中是一项重要的发展方向，但对于大尺寸光波导的研究和产业化目前还处于初级阶段。
对于大尺寸光波导，为了保证人眼能看到足够大的画面信息，耦出区域需能达到大尺寸要求。而为了在使用具有大尺寸耦出区域的光波导时，需保证人眼观察到的画面连续且亮度均匀，即需要保证光波导在大尺寸耦出区域耦出的光线在能量上保持均匀，因此，在制作大尺寸光波导时需要控制大尺寸光波导耦出光线在耦出区域的衍射效率分布。
具体的，请参阅图2，图2提供了在画面亮度均匀的前提下，耦出区域的长度分别为100mm，200mm和300mm的三个光波导的耦出区域的衍射效率分布，其中，三个光波导的波导基底的厚度(d)均为2mm、光线在波导基底中的全反射角度(Ang，θ)均为55°。可以通过假设耦出光栅耦出光线的能量e＝E/N，其中E为光机耦入波导基底中的总能量，N为光线的耦出次数，那么，根据光线在波导基底中的全反射过程，可以计算得到耦出区域的长度与衍射效率分布的关系图，由图2可知，长度分别为100mm、200mm、300mm的耦出光栅，为保证耦出光线的能量均匀一致，其最低衍射效率分别为5.88％、2.86％和1.92％。
然而对于体全息光栅，虽然可实现较高的衍射效率，但在实现低衍射效率时制作工艺难度较大。现有能实现全息波导的光栅还有浮雕光栅，然而，浮雕光栅虽可实现较低的衍射效率(如小于10％的衍射效率)，但在实现高衍射效率(大于30％的衍射效率)时同样制作工艺难度大。可见，在制作大尺寸光波导时，单独使用浮雕光栅或体全息光栅无法满足其所需的衍射效率分布。
针对上述问题，本发明实施例提供一种光波导及其制作方法，该光波导可应用于抬头显示器，在大尺寸下，其能够较好地满足所需的衍射效率分布要求，且适用于小体积的光机，当需要搭载AR-HUD时，使用大尺寸的该光波导能减小整体光学***的体积，且耦出的光线亮度均匀、视场角较大。
第一方面，本发明实施例提供一种光波导，请参阅图3，该光波导包括至少一层设有光栅的波导基底100。其中，光栅包括浮雕光栅1和体全息光栅2，浮雕光栅1和体全息光栅2拼接。
其中，波导基底100的材料可以是透明的玻璃或树脂。浮雕光栅1为一种表面型的衍射光栅，可以通过设计浮雕光栅的微纳结构，实现较低的衍射效率。另外，可以通过对银盐材料，光致聚合物材料或重铬酸盐明胶进行曝光制得体全息光栅2，实现较高的衍射效率。示例性的，光波导可通过设置的浮雕光栅1实现小于10％的衍射效率分布，通过设置的体全息光栅2实现大于等于10％的衍射效率分布。
在该光波导中，通过浮雕光栅和体全息光栅进行拼接，使用浮雕光栅实现较低衍射效率分布，使用体全息光栅实现较高衍射效率分布；如此在制作大尺寸光波导时通过控好制作参数，可以让大尺寸光波导满足所需的衍射效率曲线分布，并且可以降低大尺寸光波导的制作工艺难度，且制得的大尺寸光波导能适配于小体积的光机。这样，当大尺寸的该光波导应用于AR-HUD时，能减小光学***的整体体积，并且能保证大视场角和较好的亮度均匀性。即在汽车抬头显示的大尺寸要求下，该光栅组合光波导能够较好地满足显示画面亮度一致性的；在需要大尺寸的光波导实现画面显示时，该光栅组合光波能够搭载较小体积的光机，减小整体光学***的体积，且耦出的光线亮度均匀、视场角较大。
在其中一些实施例中，请参阅图4，各所述波导基底100上均包括第一耦入区域10和第一耦出区域20。在各所述波导基底100上，第一耦入区域10用于将光线耦入至对应的波导基底100内、并使光线在波导基底100内全反射传播至第一耦出区域20，第一耦出区域20用于接收所述光线、并使所述光线从对应的波导基底100内耦出。在各所述波导基底100上，所述光栅设于所述第一耦出区域20上，且各所述第一耦出区域20的所述光栅上的浮雕光栅1靠近第一耦入区域10设置。
通过在各个波导基底100上的第一耦出区域20设置本发明实施例提供的光栅结构，在靠近第一耦入区域10的位置设置浮雕光栅1，在远离第一耦入区域10的位置设置体全息光栅2，可以让光线在第一耦出区域20刚开始传播时保持较低的衍射效率，在后续传播时能保持较高的衍射效率，从而能让获得的光波导为大尺寸时仍符合所需的衍射效率分布，保证耦出区域亮度均匀。
具体的，在其中一些实施例中，光波导包括至少两层平行设置的所述波导基底。沿各所述波导基底表面的法线方向对各所述波导基底进行投影，在投影面上，各所述波导基底的第一耦入区域互相重叠，各所述波导基底的第一耦出区域互不重叠。在一些实施例中，在投影面上，各所述波导基底的第一耦出区域沿一个方向依次拼接排列。
具体的，请参阅图5和图6，该光波导包括第一波导基底101、第二波导基底102和第三波导基底103，其中第一波导基底101、第二波导基底102和第三波导基底103平行设置。沿各所述波导基底表面的法线方向(即在图5中为竖直往上的方向)对各所述波导基底进行投影，在投影面上，第一波导基底101的第一耦入区域、第二波导基底102的第一耦入区域和第三波导基底103的第三耦入区域互相重叠，第一波导基底101的第一耦出区域、第二波导基底102的第一耦出区域和第三波导基底103的第三耦出区域互不重叠。且有，第一波导基底101的第一耦入区域、第二波导基底102的第一耦入区域或第三波导基底103的第三耦入区域构成光波导的耦入区域；第一波导基底101的第一耦出区域、第二波导基底102的第二耦出区域和第三波导基底103的第三耦出区域构成光波导的耦出区域。进一步的，在投影面上，第一波导基底101的第一耦出区域、第二波导基底102的第二耦出区域和第三波导基底103的第三耦出区域沿第一方向依次拼接排列。
在该光波导中，请继续参阅图5，当使用光机点亮该光波导时，光机的光线L通过三层波导基底的第一耦入区域后，光机的光线L将分别以第一光线L1、第二光线L2和第三光线L3耦入至第一波导基底101、第二波导基底102和第三波导基底103内。这样，第一光线L1在第一波导基底101中进行全反射传播至第一波导基底101的第一耦出区域后、被第一波导基底101的第一耦出区域耦出，第二光线L2在第二波导基底102中进行全反射传播至第二波导基底102的第一耦出区域后、被第二波导基底102的第一耦出区域耦出，第三光线L3在第三波导基底103中进行全反射传播至第三波导基底103的第一耦出区域后、被第三波导基底103的第一耦出区域耦出，后续人眼可通过第一光线L1、第二光线L2和第三光线L3观察到位于远处的虚像。
其中，平行设置的第一波导基底101、第二波导基底102和第三波导基底103之间留有空隙，可避免第一光线L1、第二光线L2和第三光线L3分别在第一波导基底101、第二波导基底102和第三波导基底103内发生全反射传播时发生串扰。也就是说，当光波导包括至少两层平行设置的波导基底时，可通过微球隔离子使相邻两层波导基底之间留有空隙；示例性的，微球隔离子的直径可为5μm，即相邻两层波导基底之间留有的空隙(或间距)可为5μm。
从图2可看出，耦出区域的长度越长，其所需控制的最低衍射效率越低，那么，在该光波导中，通过将光波导的耦出区域分成第一波导基底101的第一耦出区域、第二波导基底102的第二耦出区域和第三波导基底103的第三耦出区域构成光波导的耦出区域，可以减小每层波导基底的耦出区域的长度，从而提高每层波导基底所需控制的最低衍射效率值，可以降低制作光波导时的工艺难度。例如，在制作耦出区域的长度为300mm的光波导时，可以设置三层波导基底，且每层波导基底的耦出区域的长度均为100mm，从而可降低制作工艺难度。实际应用中，每层波导基底的耦出区域的长度可以相等，也可以不相等。应当注意的是，在图5所示的实施例中，每层波导基底的耦出区域的长度为每层波导基底沿波导基底平行方向上的耦出区域的长度。
在其中一些实施例中，请参阅图7，各所述波导基底上均包括第二耦入区域30、转折区域40和第二耦出区域50；在各所述波导基底上，所述第二耦入区域30用于将光线耦入至所述波导基底内、并使光线全反射传播至所述转折区域40，所述转折区域40用于将光线沿第一方向进行传播、并使所述光线沿第二方向全反射传播至所述第二耦出区域50，所述第二耦出区域50用于将光线沿所述第二方向传播、并使所述光线从所述波导基底内耦出；在各所述波导基底上，所述光栅设于所述转折区域40和/或所述第二耦出区域50；其中，当所述转折区域40设有所述光栅时，所述转折区域40上的浮雕光栅1靠近所述第二耦入区域30设置，当所述第二耦出区域50设有所述光栅时，所述第二耦出区域50上的浮雕光栅1靠近所述转折区域40设置。
具体的，第一方向为第二耦入区域30至转折区域40的方向，第二方向为转折区域40至第二耦出区域50的方向，一般第一方向与第二方向垂直。通过在各个波导基底100上的转折区域40和/或第二耦出区域50设置本发明实施例提供的光栅结构，例如，在转折区域40靠近第二耦入区域30的位置设置浮雕光栅1，在转折区域40远离第二耦入区域30的位置设置体全息光栅2，可以让光线在转折区域40刚开始传播时保持较低的衍射效率，在后续传播时能保持较高的衍射效率，从而能让大尺寸的该光波导的转折区域符合所需的衍射效率分布。另外，在第二耦出区域50靠近转折区域40的位置设置浮雕光栅1、在第二耦出区域50远离转折区域40的位置设置体全息光栅，可以让光线在第二耦出区域50刚开始传播时保持较低的衍射效率，在后续传播时能保持较高的衍射效率，从而能让大尺寸的该光波导的第二耦出区域符合所需的衍射效率分布，保证耦出区域亮度均匀。
在其中一些实施例中，所述光波导包括至少两层平行设置的所述波导基底；沿各所述波导基底表面的法线方向对各所述波导基底进行投影，在投影面上，各所述波导基底的第二耦入区域互相重叠；当所述转折区域设有所述光栅时，在所述投影面上，各所述转折区域互不重叠；当所述第二耦出区域设有所述光栅时，在所述投影面上，各所述第二耦出区域互不重叠。
具体的，当各波导基底只有第二耦出区域设有所述光栅时，请结合参阅图6和图8，该光波导包括平行设置的第一波导基底101、第二波导基底102和第三波导基底103，其中，沿各所述波导基底表面的法线方向对各所述波导基底进行投影，在投影面上，请参阅图8，第一波导基底101的第二耦入区域、第二波导基底102的第二耦入区域和第三波导基底103的第二耦入区域互相重叠，第一波导基底101的转折区域、第二波导基底102的转折区域和第三波导基底103的转折区域互相重叠，第一波导基底101的第二耦出区域、第二波导基底102的第二耦出区域和第三波导基底103的第二耦出区域互不重叠。且有，第一波导基底101的第一耦入区域、第二波导基底102的第一耦入区域或第三波导基底103的第三耦入区域构成光波导的耦入区域；第一波导基底101的转折区域、第二波导基底102的转折区域或第三波导基底103的转折区域构成光波导的转折区域；第一波导基底101的第一耦出区域、第二波导基底102的第二耦出区域和第三波导基底103的第三耦出区域构成整个光波导的耦出区域。
或者，当各波导基底转折区域和第二耦出区域均设有所述光栅时，请结合参阅图6和图9，该光波导包括平行设置的第一波导基底101、第二波导基底102和第三波导基底103，其中，沿各所述波导基底表面的法线方向对各所述波导基底进行投影，在投影面上，第一波导基底101的第二耦入区域、第二波导基底102的第二耦入区域和第三波导基底103的第二耦入区域互相重叠，第一波导基底101的转折区域、第二波导基底102的转折区域和第三波导基底103的转折区域互不重叠，第一波导基底101的第二耦出区域、第二波导基底102的第二耦出区域和第三波导基底103的第二耦出区域互不重叠。此时，第一波导基底101的第一耦入区域、第二波导基底102的第一耦入区域或第三波导基底103的第三耦入区域构成光波导的耦入区域；第一波导基底101的转折区域、第二波导基底102的转折区域和第三波导基底103的转折区域构成整个光波导的转折区域；第一波导基底101的第一耦出区域、第二波导基底102的第二耦出区域和第三波导基底103的第三耦出区域构成整个光波导的耦出区域。
通过上述设置方式，可以将大尺寸光波导的转折区域分割成至少两部分，或将大尺寸光波导的耦出区域分割成至少两部分，可以更好的实现投影画面的亮度均匀性。
在其中一些实施例中，所述浮雕光栅和所述体全息光栅的周期相同。这样，可以保证光线在浮雕光栅和体全息光栅内保持相同的传播路径和角度等特性，保证光线在浮雕光栅和体全息光栅中传播时稳定且无差异。
在其中一些实施例中，耦入区域可以采用耦入光栅或者耦入棱镜，当转折区域未采用本发明实施例提供的光栅结构时，可以采用浮雕光栅或体全息光栅，在实际应用中不做限定。
第二方面，本发明实施例还提供一种抬头显示器，该抬头显示器包括如上第一方面任意一项所述的光波导。该抬头显示器采用第一方面所述的光波导，不仅可减小光学***的整体体积，且能保证大视场角和较好的亮度均匀性。
第三方面，本发明实施例还提供一种如第一方面任意一项所述的光波导的制作方法，请参阅图10，所述方法包括：
步骤S10：获取在预设参数下的光波导的理想衍射效率曲线；
步骤S20：在制作时获取所述光波导的量化衍射效率曲线；
步骤S30：根据所述理想衍射效率曲线和所述量化衍射效率曲线，调整所述光波导的制作参数，制得所述光波导。
其中，预设参数包括浮雕光栅所在区域的长度、浮雕光栅的结构、浮雕光栅的尺寸、体全息光栅所在区域的长度、体全息光栅所在区域上的全息膜层的厚度、体全息光栅的尺寸和波导基底的厚度中的至少一种。
先预先设置光波导的参数，可通过计算得到该参数下光波导的理想衍射效率曲线分布。具体的，由于光在光波导中传播的能量随着光线每次耦出或者转折时的能量是逐次递减的，那么，可以假设光线每次耦出或者转折时的能量为一个定值，然后将光波导在每个位置耦出或者转折的能量除以光线初始传播时的总能量，即可得到光波导在每个位置的衍射效率值，将这些值用拟合曲线连接起来，即为所在光栅位置处的衍射效率曲线。例如，现假设制作耦出区域的长度为100mm的光波导，那么，在该光波导中，假设光线在光波导中的全反射角度(Ang，θ)为55°，光波导的波导基底的厚度(d)为2mm，通过计算，可以得到如图11所示的理想衍射效率曲线。
接着，以理想衍射效率随耦出光栅长度的变化曲线为指导，对光波导进行制作。例如，在衍射效率小于10％的分布区域内使用浮雕光栅，在衍射效率大于等于10％的分布区域内使用体全息光栅。那么，请参阅图11，在耦出区域的长度为0-40mm的位置使用浮雕光栅，在耦出区域的长度为40-100mm的位置使用体全息光栅。
在制作的过程中，可以通过将光波导的量化衍射效率随耦出光栅长度的变化曲线与理想衍射效率随耦出光栅长度的变化曲线进行对比，确定制作出的光栅结构是否满足需求，如果与理想衍射效率曲线随耦出光栅长度的变化之间的误差超过预设误差，则调整光波导的制作参数。如在体全息光栅制作过程中，可通过调整渐变衰减片的衰减强弱或挡板的长度来调整曝光强度，从而调整体全息光栅的衍射效率曲线，直至量化衍射效率曲线与理想衍射效率曲线之间的误差小于预设误差。实际应用中制作浮雕光栅和体全息光栅的衍射效率分界线可以根据实际需要进行设置，在此不做限定。
通过上述方式制得的光波导，可以得到符合大尺寸光波导的衍射效率曲线分布的光波导，并且能保证成像画面具有较好的亮度均匀性。另外，该大尺寸光波导中，波导基底的厚度(d)很薄，如可以为2mm，从而保证耦出连续的情况下，耦入尺寸小，全反射角度(Ang，θ)可以为55°，可见，该大尺寸光波导可适用于小体积光机，后续可减小抬头显示器的整体光学***体积。
另外，由于实际中光波导最后一次耦出光线的衍射效率在工艺上是无法达到100％，因此，在计算体全息光栅的理想衍射效率时，可将体全息光栅所在区域的长度参数设置为大于实际所需制作体全息光栅所在区域的长度。那么，在实际制作时，只选取实际所需制作的体全息光栅所在区域长度的衍射效率作为参考，忽略超出所需制作的体全息光栅所在区域长度的衍射效率，这样可保证曝光体全息光栅的制作是可行的，而且，因此损失的能量部分可通过提高光机输入光波导的能量来补偿。应注意的是，在制作二维扩瞳光波导时，需要沿光线的全反射传播方向设计转折区域中的体全息光栅所在区域的长度、耦出区域中的体全息光栅所在区域的长度，来使光波导满足所需衍射效率分布。
在其他一些实施例中，还可以通过增加波导基底的厚度来实现大尺寸AR-HUD的制作。例如，假设光线在光波导中的全反射角度(Ang，θ)为55°，光波导的波导基底的厚度(d)为2mm，可以实现衍射效率在10％-50％之间体全息光栅的控制如图12所示；从而若控制耦出能量均匀以保证亮度的均匀性，则需保证耦出区域的长度为308.5mm，但需要的耦入尺寸较大，为2dtan(θ)＝2×12×tan(55)＝34.28mm，从而需要更大的光机体积支持。可知，不通过多层拼接、仅通过增加波导基底的厚度的方式，虽然可以实现大尺寸AR-HUD的制作，且控制耦出能量均匀以保证亮度的均匀性，但制作得到的光波导可能需要搭载较大体积的光机。
在其中一些实施例中，请参阅图13，所述方法还包括：
步骤S40：获取所述光波导在各预设位置处的耦出光线的能量；
步骤S50：根据所述耦出光线的能量确定所述光波导的亮度一致性。
通常人眼在观察一副连续的画面时，需要保证光波导耦出的画面亮度均匀性在20％以内。那么，在通过前述制作方法制得光波导后，可以通过光功率计测量光波导耦出区域各位置处的耦出光线的能量，接着，通过各位置处的耦出光线的能量计算得到连续位置的耦出光线之间的能量差，根据各连续位置的耦出光线之间的能量差，确定光波导的亮度均匀性。若亮度均匀性在20％以内，则制得的光波导的质量较好，可以应用于抬头显示器中，若亮度均匀性超过20％，则制得的光波导质量较差，画面亮度均匀性差。
具体的，光波导的耦出区域的长度为0-40mm的位置使用浮雕光栅、在耦出区域的长度为40-100mm的位置使用体全息光栅，光线在光波导中的全反射角度(Ang，θ)为55°，光波导的波导基底的厚度(d)为2mm时，光波导的耦出能量、传播的能量与衍射效率分别随耦出光栅长度变化的曲线如图14所示，由图14所示可知，该光波导的耦出能量在连续位置的耦出光线之间的能量差较小，且亮度均匀性在20％以内，可见该光波导质量较好，可用于抬头显示器中。
在其中一些实施例中，请参阅图15，所述方法还包括：
步骤S60：获取所述光波导在眼盒内不同预设视场角方向下的光线能量；
步骤S70：根据各所述预设视场角方向下的光线的能量和评价函数，确定所述光波导的耦出光线的亮度一致性；
步骤S80：若所述亮度一致性不满足预设条件，则对所述预设参数进行参数优化。
具体的，当光波导被不同视场角光机点亮后，由于光机的视场角一定，以及光线经过耦出区域光栅进入人眼的入瞳距离一定，那么，可以通过几何关系式计算得到人眼所能观察到的眼盒大小。接着，通过光功率计或其他功率或能量测量仪器，测量出眼盒的各位置处、各预设视场角方向下的光线的能量大小。最后，通过各光线的能量和评价函数，确定光波导的亮度一致性，若亮度一致性不符合预设条件，则对光波导的预设参数进行参数优化，直至亮度一致性符合预设条件后结束参数优化过程。
在其中一些实施例中，所述根据各所述预设视场角方向下的光线的能量和评价函数，确定所述光波导的耦出光线的亮度一致性，包括：
通过以下函数计算所述眼盒内n个不同视场角方向下的耦出光线的第一标准差σeyebox：
其中，n为正整数，Φi为第i个预设视场角方向下的光线能量，所述第一标准差用于表征所述亮度一致性。
具体的，通过计算得到第一标准差，当第一标准差σeyebox小于或等于第一预设值时，则光波导的耦出光线的亮度一致性较好；若第一标准差σeyebox大于第一预设值时，则光波导的耦出光线的亮度一致性较差，可调整光波导的预设参数，直至第一标准差σeyebox小于或等于第一预设值。实际应用中，第一预设值可根据实际需要进行设置，在此不做限定。
在其中一些实施例中，所述根据各所述预设视场角方向下的光线的能量和评价函数，确定所述光波导的耦出光线的亮度一致性，包括：
通过以下函数计算所述亮度一致性J(σ)：
J(σ)＝α1∫∫s|σeyebox1|2dxdy+α2∫∫s|σeyebox2|2dxdy；
其中，σeyebox1为所述眼盒内中心光线的第二标准差，α1为σeyebox1所占的权重因子，σeyebox2为所述眼盒内除中心光线外其他视场角方向下的光线的第三标准差，α2为σeyebox2所占的权重因子，s为眼盒区域。其中，α1和α2均为大于等于0、且小于等于1的数值，且α1与α2的和等于1。
具体的，可通过第一标准差公式分别计算得到第二标准差和第三标准差。当计算得到的J(σ)小于或等于第二预设值时，则光波导的耦出光线的亮度一致性较好；若J(σ)大于第二预设值时，则光波导的耦出光线的亮度一致性较差，可调整光波导的预设参数，直至J(σ)小于或等于第二预设值。实际应用中，第二预设值可根据实际需要进行设置，在此不做限定。
本发明实施例提供一种光波导及其制作方法、抬头显示器，该光波导包括至少一层设有光栅的波导基底，其中，所述光栅包括浮雕光栅和体全息光栅，所述浮雕光栅和所述体全息光栅拼接。该光波导在大尺寸下，能够较好地满足大尺寸光波导的衍射效率要求，且适用于小体积的光机，当该光波导应用于搭载大尺寸光波导的AR-HUD时，能减小整体光学***的体积，且耦出的光线亮度均匀、视场角较大。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (13)
1.一种光波导，其特征在于，包括至少一层设有光栅的波导基底；
其中，所述光栅包括浮雕光栅和体全息光栅，所述浮雕光栅和所述体全息光栅拼接。
2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，各所述波导基底上均包括第一耦入区域和第一耦出区域；
在各所述波导基底上，所述第一耦入区域用于将光线耦入至所述波导基底内、并使光线全反射传播至所述第一耦出区域，所述第一耦出区域用于接收所述光线、并使所述光线从所述波导基底内耦出；
在各所述波导基底上，所述光栅设于所述第一耦出区域上、且所述光栅上的浮雕光栅靠近所述第一耦入区域设置。
3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括至少两层平行设置的所述波导基底；
沿所述波导基底表面的法线方向对各所述波导基底进行投影，在投影面上，各所述波导基底的第一耦入区域互相重叠，各所述波导基底的第一耦出区域互不重叠。
4.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，各所述波导基底上均包括第二耦入区域、转折区域和第二耦出区域；
在各所述波导基底上，所述第二耦入区域用于将光线耦入至所述波导基底内、并使光线全反射传播至所述转折区域，所述转折区域用于将光线沿第一方向进行传播、并使所述光线沿第二方向全反射传播至所述第二耦出区域，所述第二耦出区域用于将光线沿所述第二方向传播、并使所述光线从所述波导基底内耦出；
在各所述波导基底上，所述光栅设于所述转折区域和/或所述第二耦出区域；
其中，当所述转折区域设有所述光栅时，所述转折区域上的浮雕光栅靠近所述第二耦入区域设置，当所述第二耦出区域设有所述光栅时，所述第二耦出区域上的浮雕光栅靠近所述转折区域设置。
5.根据权利要求4所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括至少两层平行设置的所述波导基底；
沿各所述波导基底表面的法线方向对各所述波导基底进行投影，在投影面上，各所述波导基底的第二耦入区域互相重叠；
当所述转折区域设有所述光栅时，在所述投影面上，各所述波导基底的转折区域互不重叠；
当所述第二耦出区域设有所述光栅时，在所述投影面上，各所述波导基底的第二耦出区域互不重叠。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的光波导，其特征在于，所述浮雕光栅和所述体全息光栅的周期相同。
7.一种抬头显示器，其特征在于，包括如权利要求1-6任意一项所述的光波导。
8.一种如权利要求1-6任意一项所述的光波导的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
获取在预设参数下的光波导的理想衍射效率曲线；
在制作时获取所述光波导的量化衍射效率曲线；
根据所述理想衍射效率曲线和所述量化衍射效率曲线，调整所述光波导的制作参数，制得所述光波导。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取所述光波导在各预设位置处的耦出光线的能量；
根据所述耦出光线的能量确定所述光波导的亮度一致性。
10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取所述光波导在眼盒内不同预设视场角方向下的光线的能量；
根据各所述预设视场角方向下的光线的能量和评价函数，确定所述光波导的耦出光线的亮度一致性；
若所述亮度一致性不满足预设条件，则对所述预设参数进行参数优化。
11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述根据各所述预设视场角方向下的光线的能量和评价函数，确定所述光波导的耦出光线的亮度一致性，包括：
通过以下函数计算所述眼盒内n个不同视场角方向下的耦出光线的第一标准差σeyebox：
其中，n为正整数，Φi为第i个预设视场角方向下的光线的能量，所述第一标准差用于表征所述亮度一致性。
12.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述根据各所述预设视场角方向下的光线的能量和评价函数，确定所述光波导的耦出光线的亮度一致性，包括：
通过以下函数计算所述亮度一致性J(σ)：
J(σ)＝α1∫∫s|σeyebox1|2dxdy+α2∫∫s|σeyebox2|2dxdy；
其中，σeyebox1为所述眼盒内中心光线的第二标准差，α1为σeyebox1所占的权重因子，σeyebox2为所述眼盒内除中心光线外其他视场角方向下的光线的第三标准差，α2为σeyebox2所占的权重因子。
13.根据权利要求8-12任意一项所述的制作方法，其特征在于，所述预设参数包括浮雕光栅所在区域的长度、浮雕光栅的结构、浮雕光栅的尺寸、体全息光栅所在区域的长度、体全息光栅所在区域上的全息膜层的厚度、体全息光栅的尺寸和波导基底的厚度中的至少一种。
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