CN114911001A - 用于提高出光均匀性的衍射光波导及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明主要提供一种耦入部件、耦入组件、用于提高出光均匀性的衍射光波导及其投射方法，其中用于提高出光均匀性的衍射光波导，用于对至少一光线进行投射出光，其特征在于，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导包括一耦入组件和一耦出部件，其中所述耦入组件适于将不同视场角的该光线衍射至所述耦出区域并均匀覆盖所述耦出部件。本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导中，所述耦入组件能够与所述耦出部件进行配合使用，以使不同视场角的该光线能够通过所述耦入组件的衍射后到达该耦出部件并且均匀覆盖该耦出部件，从而提高对该光线的利用率。

Description

用于提高出光均匀性的衍射光波导及其应用

技术领域

本发明属于光学元件领域，具体而言，本发明涉及一种能够提高出光均匀性的衍射光波导及其投射方法。

背景技术

增强现实(AR)是一种将真实世界和虚拟信息相融合的技术，AR显示***通常包括微型投影仪和光学显示屏，将微型显示器上的像素通过光学显示屏投射到人眼中，同时，用户可以透过光学显示屏看到真实世界。微型投影仪为设备提供虚拟内容，光学显示屏通常是透明的光学部件。

光波导是光学显示屏的一种实现路径。当传输介质折射率大于周围介质且在波导中的入射角大于全反射临界角时，光即可在波导内无泄漏地传输，发生全反射。来自投影仪的光被耦合进入波导后，光就在波导内继续无损地传播图像，直到被后续结构耦出。目前市面上光波导通常被分为几何阵列波导和衍射光波导，其中衍射光波导又分为体全息波导和表面浮雕光栅波导，本质都是通过光栅衍射将入射光耦入到波导中传输。

关于AR波导的技术参数及技术指标，AR波导的技术参数主要包括视场角FOV、视距eye relief、动眼眶尺寸eyebox等。视场角通常用用斜线角度表示如40°，对应16:9比例画幅的视场角约为35°(H)*20°(V)；视距通常在20-25mm左右，基本能满足大部分用户的佩戴需求，包括佩戴近视眼镜的用户；动眼眶尺寸决定了用户眼睛可自由移动的范围，尺寸越大丢失图像的可能性越小，因而适应性更广。动眼眶的水平尺寸需要能够适应人眼的出瞳距范围并给用户不同的水平佩戴基准给足余量，动眼眶的垂直尺寸需要适配用户的垂直佩戴基准。一般认为动眼眶尺寸15mm(H)x 10mm(V)可满足用户体验的基本需求。

AR波导以高效率和良好的均匀性为优化目标，高效率的目的是在相同微投输入下能实现较高的亮度输出，使人眼看到画面足够明亮；均匀性包括FOV均匀性，即人眼看到的全视场画面具有较好的亮度、颜色均匀性，还包括eyebox均匀性，即人眼在eyebox不同位置(或不同瞳距、鼻梁高度的用户佩戴时)接收到的亮度差异尽量小，且期望不同位置都具有较好的FOV均匀性。

更具体地，为保证佩戴舒适性，波导眼镜的光机位置通常需要与人眼保持一定距离，并且为获得相同尺寸的动眼眶范围，可有两种方式：方式1如图1A、1B所示，其分别示出耦入光栅1和耦出光栅2之间的间距较小时，(0°，0°)和(17°，10°)的光路，图1C示出有效耦出部件3。当耦出光栅区域3较大，且耦入光栅1和耦出光栅2之间的间距较小时，这种设置可保证全视场光线均能到达并覆盖整个动眼眶范围，达到较好的视场角均匀性和动眼眶范围的均匀性，然而，这种架构下光线在到达能被偏转至动眼眶范围内之前已经被衍射多次，此时的每一次光线被二维光栅衍射都意味着一定程度的能量损失，部分光束到达对整体效率不做贡献的无效区域，从而导致整体效率较低。因此，为提高效率，通常需要将耦入光栅1设计成锯齿光栅、倾斜光栅，或者须额外镀膜，这些都会大大增加工艺难度和成本。

方式2如图2A、2B所示，其分别示出耦入光栅1和耦出光栅2之间的间距较大时(0°，0°)和(17°，10°)的光路。耦出光栅区域3较小，且耦入光栅1和耦出光栅2之间的间距较大，这种设置可减少效率损失，如图2C所示，整个二维光栅区域均为“有效耦出部件3”，但在大视场时，光线无法覆盖整个动眼眶范围，导致在动眼眶范围的某些区域视场角均匀性极差。如图3A所示为耦入光栅1和耦出光栅2之间的距离较远时，瞳孔位置探测图，图3B所示为在动眼眶范围的右上方探测，全视场画面亮度分布图。

发明内容

本发明的一个优势在于提供一种耦入部件，所述耦入部件适于对一光线进行耦入且能够将耦入后的该光线沿着多个预期的方向进行衍射，从而改变该光线的投射方向。

本发明的另一个优势在于提供一种耦入组件，所述耦入组件适于对一光线进行耦入且能够将耦入后的光线的衍射宽度得到扩大并朝向同一方向衍射，因此能够提高对该光线的衍射效率和衍射效果。

本发明的另一个优势在于提供一种耦入组件，所述耦入组件适于与一耦出部件进行配合使用，以使不同视场角的该光线能够通过所述耦入组件的衍射后到达该耦出部件并且均匀覆盖该耦出部件，从而提高对该光线的利用率。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导能够减少每一次光线被二维光栅衍射过程中导致的能量损失，从而避免部分光束到达对整体效率不做贡献的无效区域，进而提高对光线的整体作用效率。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导能够在不增加工艺步骤或工艺难度的前提下提高对光线的衍射均匀性，进而提高光线的衍射效率。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导能够尽量覆盖整个动眼眶范围，从而提高在大视场下，动眼眶范围的所有区域内的视场角均匀性。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导在耦入光栅和耦出光栅之间设置与耦入光栅和耦出光栅相间隔的独立的偏转光栅，以减少光线的衍射次数，减少光线的输出效率损失，从而提高光线的输出效率。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导能够使不同视场角的光线均能够较好地覆盖有效耦出部件，从而提高出光均匀性。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导通过设置三个不同周期方向的一维光栅或可等效为三个方向的一维光栅的二维光栅，以及两块转折光栅，以实现对不同角度的入射光线进行衍射，并且不同角度的光线被衍射导向不同区域，从而使不同视场角的光线能够较好地覆盖有效耦出部件。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导适用于不同型号的光栅，从而提高本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导的适用范围和使用便利性。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导能够通过优化耦入光栅的位置及区域占比以及两块转折光栅的大小和形状能够使出光的整体均匀性达到较好的平衡和提高。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导还能够通过对各光栅的深度、占空比、倾斜角度等微观参数进行优化，从而进一步提高光线利用效率和出光均匀性。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导能够通过优化耦入光栅微结构，以使衍射效率集中在不同的三个方向，并通过进一步优化分配三个方向的效率比例，从而进一步提高出光的整体均匀性和光线利用效率之间的平衡。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导能够根据实际情况将耦入光栅和耦出光栅设计为不同的微结构参数，从而使本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导进一步符合具体的应用需求。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法能够使从耦入部件投射的光均匀覆盖到耦出部件，从而提高出光效率。

本发明的另一个优势在于提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法能够适应耦入部件为一维光栅或二维光栅的衍射光波导结构，从而提高所述用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法的适用范围。

为达上述至少一发明优势，本发明主要提供一种耦入部件，用于对一光线进行耦入，所述耦入部件包括三块一维光栅，且三块所述一维光栅的光栅方向分别沿所述第一轴方向以及与所述第一轴成预设夹角方向。

在其中一些实施例中，所述耦入部件包括一第一光栅、一第二光栅和一第三光栅，其中所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅均为浮雕光栅或全息光栅。

在其中一些实施例中，所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅分别包括多个凸起和多个凹槽，其中所述凸起和所述凹槽交替均匀排布。

在其中一些实施例中，所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅是通过全息曝光在材料内形成周期性的明暗相间的条纹。

在其中一些实施例中，所述第一光栅的光栅方向为沿所述第一轴方向，所述第二光栅的光栅方向为与所述第一轴成60°的方向，所述第三光栅的光栅方向为与所述第一轴成-60°的方向。

本发明进一步提供一种耦入部件，所述耦入部件被设置为一二维光栅。

在其中一些实施例中，所述二维光栅为一第二二维光栅，所述第二二维光栅能够被等效为一第九光栅、一第十光栅和一第十一光栅，其中所述第九光栅为沿一第二轴的光栅方向设置，所述第十光栅为沿与所述第二轴成60°的光栅方向设置，所述第十一光栅为沿与所述第二轴成-60°的光栅方向设置。

本发明进一步提供一种耦入组件，用于对一光线进行耦入，所述耦入组件包括一耦入部件和一转折部件，其中所述转折部件被设置于所述耦入部件的出光区域以适于对从所述耦入部件发出的该光线进行衍射。

在其中一些实施例中，所述耦入部件包括一第一光栅、一第二光栅和一第三光栅，其中所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅分别沿一第一轴以及与所述第一轴成60°和-60°的光栅方向设置。

在其中一些实施例中，所述转折部件包括一第四光栅和一第五光栅，其中所述第四光栅被设置于所述第二光栅的左侧，所述第五光栅被设置于所述第三光栅的右侧，以使从所述第二光栅和所述第三光栅扩散的该光线能够分别被所述第四光栅和所述第五光栅偏折。

在其中一些实施例中，所述第四光栅与所述第三光栅的光栅方向和周期均相同，所述第五光栅和所述第二光栅的光栅方向和周期均相同。

在其中一些实施例中，所述第四光栅和所述第三光栅的方向和周期均相同，所述第五光栅和所述第二光栅的方向及周期均相同，从而使光线通过所述第二光栅并被所述第四光栅转折后的光线方向与通过所述第三光栅元件并被所述第五光栅转折后的光线方向平行，并与通过所述第一光栅后的光线平行。

在其中一些实施例中，所述耦入部件被实施为一二维光栅，且所述二维光栅能够被等效为一第九光栅、一第十光栅和一第十一光栅，其中所述第九光栅、所述第十光栅和所述第十一光栅分别为一维光栅且所述第九光栅、所述第十光栅和所述第十一光栅的光栅方向分别为沿所述第二轴设置以及与所述第二轴成60°或-60°设置。

在其中一些实施例中，所述第九光栅、所述第十光栅以及所述第十一光栅的周期分别与所述第四光栅及所述第五光栅的周期相同。

在其中一些实施例中，所述转折部件包括一第四光栅和一第五光栅，其中所述第四光栅和所述第十一光栅的方向和周期均相同，所述第五光栅和所述第十光栅的方向及周期均相同，从而使光线通过所述第十光栅并被所述第四光栅转折后的光线方向与通过所述第十一光栅并被所述第五光栅转折后的光线方向平行，并与通过所述第九光栅后的光线平行。

本发明进一步提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，用于对至少一光线进行投射出光，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导包括一耦入组件和一耦出部件，其中所述耦入组件适于将不同视场角的该光线衍射至所述耦出区域并均匀覆盖所述耦出部件。

在其中一些实施例中，所述耦入组件包括至少一耦入部件和一转折部件，所述转折部件被设置于所述耦入部件的两侧并能够对所述耦入部件衍射后的该光线进行进一步衍射，并使衍射后的该光线到达所述耦出部件。

在其中一些实施例中，所述耦入部件包括一第一光栅、一第二光栅和一第三光栅，所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅分别为一维光栅且所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅分别沿所述第一轴以及与所述第一轴成60°和-60°的光栅方向设置。

在其中一些实施例中，所述转折部件包括一第四光栅和一第五光栅，其中所述第四光栅被设置于所述第二光栅的左侧，所述第五光栅被设置于所述第三光栅的右侧，以使从所述第二光栅和所述第三光栅扩散的该光线能够分别被所述第四光栅和所述第五光栅偏折。

在其中一些实施例中，所述耦出部件被设置为多个一维光栅或一第一二维光栅。

在其中一些实施例中，所述第一二维光栅能够被等效为一第六光栅、一第七光栅和一第八光栅，所述第六光栅、所述第七光栅和所述第八光栅均为一维光栅且所述第六光栅为沿所述第二轴的光栅方向设置，所述第七光栅为沿与所述第二轴成60°的光栅方向设置，所述第八光栅为沿与所述第二轴成-60°的光栅方向设置。

在其中一些实施例中，所述耦入部件被设置为一第二二维光栅。

在其中一些实施例中，所述第二二维光栅能够被等效为一第九光栅、一第十光栅和一第十一光栅，其中所述第九光栅为沿所述第二轴方向设置，所述第十光栅为沿与所述第二轴成60°的光栅方向设置，所述第十一光栅为沿与所述第二轴成-60°光栅方向设置。

在其中一些实施例中，所述第九光栅、所述第十光栅、所述第十一光栅与所述第四光栅、所述第五光栅以及所述第六光栅、所述第七光栅和所述第八光栅的周期相同。

在其中一些实施例中，进一步包括至少透明平行的一波导基底，所述耦入部件、所述转折部件和所述耦出部件分别被设置于所述波导基底。

在其中一些实施例中，所述波导基底具有一前表面和一后表面，所述耦入部件、所述转折部件和所述耦出部件分别被设置于所述波导基底的前表面或后表面。

在其中一些实施例中，其中所述耦入组件和所述耦出部件分别被设置于所述波导基底的不同表面。

本发明进一步提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法，用于对一光线进行投射，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法包括步骤：

1001：将该光线投射至一耦入组件进行衍射；以及

1002：经过所述耦入组件衍射后的该光线能够进入一耦出部件进行耦出，且进入所述耦入部件的该光线能够均匀覆盖所述耦出部件。

在其中一些实施例中，所述步骤1001进一步包括步骤：

10011：所述耦入组件包括一耦入部件和一转折部件，其中该光线投射至所述耦入部件进行衍射，且衍射后的该光线能够分别沿所述第一轴以及分别与所述第一轴成60°和-60°方向的方向衍射；以及

10012：与所述第一轴成60°和-60°方向的该光线能够分别进入所述转折部件进行进一步衍射后到达所述耦出部件。

在其中一些实施例中，在步骤1001中，所述耦入部件被设置为包括一第一光栅、一第二光栅和一第三光栅，其中所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅分别为一维光栅且所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅分别沿所述第一轴以及与所述第一轴成60°和-60°的光栅方向设置。

在其中一些实施例中，在步骤1001中，所述耦入部件被设置为一第二二维光栅，所述第二二维光栅能够被等效为一第九光栅、一第十光栅和一第十一光栅，其中所述第九光栅为沿所述第二轴方向设置，所述第十光栅为沿与所述第二轴成60°的光栅方向设置，所述第十一光栅为沿与所述第二轴成-60°的光栅方向设置。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，以及说明书附图得以充分体现。

附图说明

图1A和图1B为现有衍射光波导中耦入耦出距离较近时的光路示意图。

图1C为现有衍射光波导中光线耦入耦出距离较近时的有效耦出部件的示意图。

图2A和图2B为现有衍射光波导中耦入耦出距离较远时的光路示意图。

图2C为现有衍射光波导中光线耦入耦出距离较远时的有效耦出部件的示意图。

图3A为现有衍射光波导中光线耦入耦出距离较远时，瞳孔位置探测示意图。

图3B为现有衍射光波导中光线耦入耦出距离较远时，全视场角亮度分布图。

图4A为本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导的第一实施例的结构示意图。

图4B为图4A中的用于提高出光均匀性的衍射光波导的第一实施例在D处的侧视和俯视放大结构示意图。

图4C为图4A中的用于提高出光均匀性的衍射光波导的第一实施例在E处的侧视和俯视放大结构示意图。

图5A至图5C为图4A中的用于提高出光均匀性的衍射光波导的第一实施例在不同角度的光路示意图。

图6A至图6C为图4A中的用于提高出光均匀性的衍射光波导的第一实施例的立体结构示意图，示出了耦入部件、转折部件和耦出部件分别被设置于衍射基底前后表面的情形。

图7A至图7D为图4A中的用于提高出光均匀性的衍射光波导的第一实施例在不同角度的光路立体结构示意图。

图8为图4A中的用于提高出光均匀性的衍射光波导的第一实施例在到达二维光栅前的K域分析图。

图9为图4A中的用于提高出光均匀性的衍射光波导的第一实施例在到达二维光栅后的K域分析图。

图10为本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导的第二实施例的结构示意图。

图11为本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法的步骤示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

本发明主要提供一种耦入部件、耦入组件以及用于提高出光均匀性的衍射光波导及其投射方法，用于对一光线20进行耦出投射。如图4A至图9所示，为根据本发明的第一个实施例的所述耦入部件11、耦入组件100以及用于提高出光均匀性的衍射光波导10的结构示意图、局部立体放大示意图以及该光线20在到达第一二维光栅130前后的K域分析图。所述衍射光波导10能够使该光线20在到达有效耦出部件13之前已经经过扩散，从而不同视场角的该光线均能覆盖动眼眶范围，以获得较好的均匀性。

更具体地，在本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导10的第一实施例中，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导10包括一耦入部件11、一转折部件12、一耦出部件13和一波导基底15，其中所述耦入部件11、所述转折部件12和所述耦出部件13均被设置于所述波导基底15，其中所述转折部件12被设置于所述耦入部件11的出光区域并能够将所述耦入部件11发出的该光线20进行衍射而进入所述耦出部件13，所述耦入部件11和所述转折部件12形成一耦入组件100，以使该光线20通过所述耦入组件100的衍射而到达所述耦出部件13。

如图4A所示，所述耦入部件11包括一第一光栅111、一第二光栅112和一第三光栅113，其中所述第一光栅111、所述第二光栅112以及所述第三光栅113均为一维光栅，且所述第一光栅111的光栅方向沿一第一轴即图中y轴方向设置，所述第二光栅112以及所述第三光栅113相对于y轴分别呈60°和-60°，即所述第一光栅111、所述第二光栅112以及所述第三光栅113之间分别呈60°夹角设置。

所述转折部件12包括一第四光栅121和一第五光栅122，其中所述第四光栅121被设置于所述第二光栅112的左侧，所述第五光栅122被设置于所述第三光栅113的右侧，以使从所述第二光栅112和所述第三光栅113扩散的该光线20分别被向下偏折而到达所述耦出部件13，并对所述耦出部件13均匀覆盖。

详细而言，在本发明的第一实施例中，所述第一光栅111、所述第二光栅112以及所述第三光栅113的周期方向各不相同，其中所述第一光栅111的光栅方向为沿y轴方向，所述第二光栅112的光栅方向为与y轴成60°的方向，所述第三光栅113的光栅方向为与y轴成-60°的方向。所述第四光栅121和所述第五光栅122也为一维光栅，且所述第四光栅121和所述第三光栅113的方向和周期均相同，所述第五光栅122和所述第二光栅112的方向及周期均相同，从而使该光线20通过所述第二光栅112并被所述第四光栅121转折后的该光线20方向与通过所述第三光栅113并被所述第五光栅122转折后的该光线20方向平行，并与通过所述第一光栅111后的该光线20平行。

如图4B所示，所述第一光栅111、所述第二光栅112和所述第三光栅113为表面浮雕光栅，其分别具有至少一凸起1111和一凹槽1112，其中所述凸起1111和所述凹槽1112均匀排布，并且所述第一光栅111的所述凸起1111和凹槽1112与所述第二光栅112的所述凸起1111’和凹槽1112’以及所述第三光栅113的凸起和凹槽的方向不同，从而使所述第一光栅111、所述第二光栅112和所述第三光栅113具有不同的周期排布。其中，所述第一光栅111中的所述凸起1111和所述凹槽1112沿y轴方向均匀排布，所述第二光栅112中的所述凸起1111’和所述凹槽1112’沿与y轴成60°的方向均匀排布，所述第三光栅113中的凸起和凹槽沿与y轴成-60°的方向均匀排布，从而使所述第一光栅111、所述第二光栅112和所述第三光栅113的方向相互之间形成60°的夹角。

如图4C所示，在本发明的第一实施例中，所述耦出部件13被设置为至少一第一二维光栅130，所述第一二维光栅130能够被等效为三个方向的一第六光栅131、一第七光栅132以及一第八光栅133，其中所述第六光栅131、所述第七光栅132以及所述第八光栅133的方向交错设置，彼此之间形成60°夹角，从而能使该光线20向所述第六光栅131、所述第七光栅132以及所述第八光栅133对应的方向衍射。

如图所示，在本发明的第一实施例中，所述第一二维光栅130被实施为表面浮雕光栅，其包括多个圆柱形凸起1311，各圆柱形凸起1311之间呈周期性排列，从而使该光线20能够实现向所述第六光栅131、所述第七光栅132以及所述第八光栅133对应的方向衍射。

除此以外，所述第一光栅111、所述第二光栅112以及所述第三光栅113的方向可以根据实际情况进行设置，而所述第六光栅131、所述第七光栅132以及所述第八光栅133之间也可以采用其他方向设置，比如根据所述第一光栅111、所述第二光栅112以及所述第三光栅113的方向进行确定。

并且，本领域技术人员可以通过优化所述第一光栅111、所述第二光栅112和所述第三光栅113的位置、区域占比以及所述第四光栅121和所述第五光栅122的大小和形状，从而使所述耦入组件100的整体均匀性和效率达到较好的平衡。

进一步地，还可以对所述第一光栅111、所述第二光栅112、所述第三光栅113、所述第四光栅121、所述第五光栅122、所述第六光栅131、所述第七光栅132和/或所述第八光栅133的深度、占空比和/或倾斜角度等微观参数进行优化。

此外，所述耦入部件11、所述转折部件12以及所述耦出部件13中的各光栅的类型也可以根据具体情况进行调整，比如采用全息光栅，即将所述第一光栅111、所述第二光栅112和所述第三光栅113设置为通过全息曝光在材料内形成周期性的明暗相间的条纹等。换句话说，只要在本发明上述揭露的基础上，采用了与本发明相同或近似的技术方案，解决了与本发明相同或近似的技术问题，并且达到了与本发明相同或近似的技术效果，都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。

如图5A至7D所示，在本发明的第一实施例中，所述波导基底15为一具有一定厚度的透明平行波导，具有一前表面151和一后表面152，所述耦入部件11、所述转折部件12和所述耦出部件13可以被分别设置于所述波导基底15的前表面151和/或后表面152。如图6A所示，所述耦入部件11、所述转折部件12以及所述耦出部件13分别被设置于所述波导基底15的前表面151。如图6B所示，所述耦入部件11被设置于所述波导基底15的后表面152，所述转折部件12和所述耦出部件13被设置于所述波导基底15的前表面151。如图6C所示，所述耦出部件13被设置于所述波导基底15的后表面152，所述耦入部件11和所述转折部件12分别被设置于所述波导基底15的前表面151。

但本发明的具体实施方式并不以此为限，本领域技术人员还可以根据具体情况对本发明所述的衍射光波导中的所述耦入部件11、所述转折部件12和所述耦出部件13的设置方式进行调整。只要在本发明上述揭露的基础上，采用了与本发明相同或近似的技术方案，解决了与本发明相同或近似的技术问题，并且达到了与本发明相同或近似的技术效果，都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。

此外，作为本发明的第一实施例的一种变形，所述耦出部件13可以包括两组一维光栅组成，两组所述一维光栅分别位于所述波导基底15的前表面151和后表面152，且两组所述一维光栅的方向分别与所述耦入部件11中的所述第一光栅111的方向成60°和-60°。

当该光线20进入所述耦入部件11时，通过所述耦入部件11中的所述第一光栅111的该光线20，经过所述第一光栅111的衍射而到达所述耦出部件13并被所述耦出部件13耦出而到达动眼眶范围。

同样的，通过所述耦入部件11中的所述第二光栅112的该光线20，经过所述第二光栅112的衍射而到达所述转折部件12中的所述第四光栅121并被所述第四光栅121转折而到达所述耦出部件13，并被所述耦出部件13耦出而到达动眼眶范围。与上述该光线20通过所述第一光栅111衍射后直接到达所述耦出部件13不同的是，通过所述第二光栅112和所述第四光栅121转折后的该光线20可以覆盖所述耦出部件13中的所述第一二维光栅130的左边区域。

同理，通过所述耦入部件11中的所述第三光栅113的该光线20，经过所述第三光栅113的衍射而到达所述转折部件12中的所述第五光栅122并被所述第五光栅122转折而到达所述耦出部件13，并被所述耦出部件13耦出而到达动眼眶范围。与上述该光线20通过所述第一光栅111衍射后直接到达所述耦出部件13不同的是，通过所述第三光栅113和所述第五光栅122转折后的该光线20可以覆盖所述耦出部件13中的所述第一二维光栅130的右边区域。

因此，如图7D所示，通过所述耦入部件11的该光线20经过所述耦入部件11、所述转折部件12以及所述耦出部件13的共同作用，从而使耦出该光线20的范围能够达到期望的该光线20范围，因此本发明所述的衍射光波导能够提高出光均匀性和出光效率，以使人眼在期望区域内看到完整的视场并且使从所述耦入部件11进入的该光线20能够对所述耦出部件13进行均匀覆盖。

如图8和图9所示，为不同视场角的该光线20到达所述耦出部件13的所述第一二维光栅130之前的K域分析图，和到达所述耦出部件13的所述第一二维光栅130之后的K域分析图。

如图8所示，在所述耦入部件11中，经过所述第一光栅111、所述第二光栅112和所述第三光栅113的衍射，衍射1级次在所述波导基底15内全反射，对应K域中区域A分别经过光栅矢量

后被平移至内外圆之间的区域B、区域D和区域C；而后遇到所述转折部件12中的所述第四光栅121和所述第五光栅122，在其中全反射时对应反射0级次，波矢不变，同时还有一部分光经过所述转折部件12中的所述第四光栅121和所述第五光栅122的衍射，衍射1级次在所述波导基底15内偏折后沿y方向传播，对应K域中区域D和区域C分别经光栅矢量

后被平移至区域B，依然在内外圆之间表示仍在所述波导基底15内全反射；其后遇到耦出光栅130，衍射1级次被耦出进入人眼，对应K域中区域B经光栅矢量

或

或

后被平移回到内圆中的区域A，即光束回到空气中传播，且方向和入射光一致。须注意的是，使光束耦出方向和耦入方向相同的必要条件是光栅矢量须满足光栅矢量的矢量和为零，如

矢量图最终能自我闭合。

而在该光线20到达所述耦出部件13的所述第一二维光栅130后，如图9所示，该光线20经过所述耦入部件11和所述转折部件12衍射后在波导内全反射并向+y方向传播，对应K域中区域A经光栅矢量

后被平移至内外圆之间的区域B，直到遇到所述第一二维光栅130，光束被分为四部分：一部分经所述第六光栅131衍射直接耦出，对应K域中区域B经光栅矢量

后被平移回到内圆中的区域A，即光束回到空气中传播；一部分经所述第七光栅132和所述第八光栅133作用分别朝左下、右下两侧衍射传输，并在分别再次遇到所述第一二维光栅130时部分沿原方向继续全反射，波矢不变，部分经所述第八光栅133和所述第七光栅132衍射后耦出，对应K域中区域B分别部分经光栅矢量

后被平移至内外圆之间的区域C、D，而后再被光栅矢量

平移至内圆中的区域A，光束回到空气中传播；还有一部分继续朝+y方向全反射，K域中波矢不变，再次遇到所述第一二维光栅130时又一次被分为四部分。

如图10所示，为本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导10’的第二优选实施例，与第一实施例不同的是，在该第二实施例中，所述耦入部件14被实施为一第二二维光栅140，所述第二二维光栅140能够被等效三个方向的一维光栅，即所述耦入部件14能够被等效为一第九光栅141、一第十光栅142和一第十一光栅143，所述第九光栅141、所述第十光栅142以及所述第十一光栅143分别为一维光栅，且所述第九光栅141、所述第十光栅142以及所述第十一光栅143的光栅方向为相互之间形成60°夹角。

此外，在本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导10’的第二实施例中，所述耦入部件14中的所述第九光栅141、所述第十光栅142以及所述第十一光栅143的周期与所述转折部件12’中的所述第四光栅121’、所述第五光栅122’，以及所述耦出部件13’中的所述第六光栅131’、所述第七光栅132’和所述第八光栅133’的周期均相同，通过优化所述耦入部件14中的所述第九光栅141、所述第十光栅142以及所述第十一光栅143的微结构，从而使衍射效率集中在沿y轴方向以及与一第二轴即图中y轴分别成60°和-60°的三个方向。

此外，本领域技术人员可以通过进一步优化分配上述三个方向的效率比例，从而使所述耦出部件13’的出光整体均匀性和效率达到一定的平衡输出。

需要强调的是，在本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导10’的第二实施例中，虽然所述耦入部件14和所述耦出部件13’都被实施为二维光栅，但所述耦入部件14的所述第二二维光栅140与所述耦出部件13’的所述第一二维光栅130的光栅结构参数是独立的。即所述耦入部件14的所述第二二维光栅140的光栅微结构与所述耦出部件13’的所述第一二维光栅130的光栅微结构不一定相同，本领域技术人员可以根据实际情况进行设计。

除此以外，本领域技术人员也可以根据实际情况确定耦入部件14的微结构形状，以及两块转折光栅的位置、大小和形状，从而使所述耦入组件100’的整体均匀性和效率达到较好的平衡。

进一步地，本发明提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导10的投射方法，用于对一光线20进行投射，如图11所示，为本发明提供一种用于提高出光均匀性的衍射光波导10的投射方法的第一实施例的步骤示意图，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导10的投射方法包括以下步骤：

1001：将该光线20投射至一耦入组件100进行衍射；以及

1002：经过所述耦入组件100衍射后的该光线20能够进入一耦出部件13进行耦出，其中进入所述耦入部件11的该光线20能够均匀覆盖所述耦出部件13。

进一步地，在所述步骤1001中，进一步包括步骤：

10011：所述耦入组件100包括至少一耦入部件11和一转折部件12，其中该光线20投射至所述耦入部件11进行衍射，且衍射后的该光线20分别沿y轴以及分别与y轴成60°和-60°的方向照射；以及

10012：与y轴分别成60°和-60°的该光线20能够进入所述转折部件12进行进一步衍射后到达所述耦出部件13。

优选地，在本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导10的投射方法的第一实施例中，所述步骤10011中的所述耦入部件11包括一第一光栅111、一第二光栅112以及一第三光栅113，其中所述第一光栅111的光栅方向沿y轴方向，所述第二光栅112的光栅方向为与y轴成60°的方向，所述第三光栅113的光栅方向为与y轴成-60°的方向。

优选地，在所述步骤10012中，所述转折部件12包括一第四光栅121和一第五光栅122，其中所述第四光栅121的方向与所述第三光栅113的方向相同，所述第五光栅122与所述第二光栅112的方向相同。

优选地，在所述步骤1002中，所述耦出光栅被实施为一第一二维光栅130，所述第一二维光栅130能够被等效为三个一维光栅，三个一维光栅包括一第六光栅131、一第七光栅132以及一第八光栅133，其中所述第六光栅131、所述第七光栅132和所述第八光栅133的光栅方向分别为沿y轴方向以及与y轴分别成60°和-60°的方向。

作为本发明所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导10的投射方法的第一实施例的一种变形，其中在所述步骤10011中，所述耦入部件11被实施为一第二二维光栅140，且所述第二二维光栅140能够被等效为一第九光栅141、一第十光栅142以及一第十一光栅143，其中所述第九光栅141的光栅方向为沿y轴方向，第十光栅142的光栅方向为与y轴成60°的方向，第十一光栅143的光栅方向为与y轴成-60°的方向。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (24)

1.一种耦入组件，用于对一光线进行耦入，其特征在于，所述耦入组件包括一耦入部件和一转折部件，其中所述转折部件被设置于所述耦入部件的出光区域以适于对从所述耦入部件发出的该光线进行衍射。

2.根据权利要求1所述的耦入组件，其中所述耦入部件包括一第一光栅、一第二光栅和一第三光栅，其中所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅分别沿所述第一轴以及与所述第一轴成60°和-60°的光栅方向设置。

3.根据权利要求2所述的耦入组件，其中所述转折部件包括一第四光栅和一第五光栅，其中所述第四光栅被设置于所述第二光栅的左侧，所述第五光栅被设置于所述第三光栅的右侧，以使从所述第二光栅和所述第三光栅扩散的该光线能够分别被所述第四光栅和所述第五光栅偏折。

4.根据权利要求3所述的耦入组件，其中所述第四光栅与所述第三光栅的方向和周期均相同，所述第五光栅和所述第二光栅的光栅方向和周期均相同。

5.根据权利要求3所述的耦入组件，其中所述第四光栅和所述第三光栅的方向和周期均相同，所述第五光栅和所述第二光栅的方向及周期均相同，从而使光线通过所述第二光栅并被所述第四光栅转折后的光线方向与通过所述第三光栅元件并被所述第五光栅转折后的光线方向平行，并与通过所述第一光栅后的光线平行。

6.根据权利要求1所述的耦入组件，其中所述耦入部件被实施为一二维光栅，且所述二维光栅能够被等效为一第九光栅、一第十光栅和一第十一光栅，其中所述第九光栅、所述第十光栅和所述第十一光栅分别为一维光栅且所述第九光栅、所述第十光栅和所述第十一光栅的光栅方向分别为沿所述第二轴设置以及与所述第二轴成60°或-60°设置。

7.根据权利要求6所述的耦入组件，其中所述转折部件包括一第四光栅和一第五光栅，其中所述第九光栅、所述第十光栅以及所述第十一光栅的周期分别与所述第四光栅及所述第五光栅的周期相同。

8.根据权利要求6所述的耦入组件，其中所述转折部件包括一第四光栅和一第五光栅，其中所述第四光栅和所述第十一光栅的方向和周期均相同，所述第五光栅和所述第十光栅的方向及周期均相同，从而使光线通过所述第十光栅并被所述第四光栅转折后的光线方向与通过所述第十一光栅并被所述第五光栅转折后的光线方向平行，并与通过所述第九光栅后的光线平行。

9.一种用于提高出光均匀性的衍射光波导，用于对至少一光线进行投射出光，其特征在于，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导包括一耦入组件和一耦出部件，其中所述耦入组件适于将不同视场角的该光线衍射至所述耦出区域并均匀覆盖所述耦出部件。

10.根据权利要求9所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导，其中所述耦入组件包括至少一耦入部件和一转折部件，所述转折部件被设置于所述耦入部件的两侧并能够对所述耦入部件衍射后的该光线进行进一步衍射，并使衍射后的该光线到达所述耦出部件。

11.根据权利要求10所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导，其中所述耦入部件包括一第一光栅、一第二光栅和一第三光栅，所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅分别为一维光栅且所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅分别沿一第一轴以及与所述第一轴成60°和-60°的光栅方向设置。

12.根据权利要求11所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导，其中所述转折部件包括一第四光栅和一第五光栅，其中所述第四光栅被设置于所述第二光栅的左侧，所述第五光栅被设置于所述第三光栅的右侧，以使从所述第二光栅和所述第三光栅扩散的该光线能够分别被所述第四光栅和所述第五光栅偏折。

13.根据权利要求12所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导，其中所述耦出部件被设置为多个一维光栅或一第一二维光栅。

14.根据权利要求13所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导，其中所述第一二维光栅能够被等效为一第六光栅、一第七光栅和一第八光栅，所述第六光栅、所述第七光栅和所述第八光栅均为一维光栅且所述第六光栅为沿一第二轴的光栅方向设置，所述第七光栅为沿与所述第二轴成60°的光栅方向设置，所述第八光栅为沿与所述第二轴成-60°的光栅方向设置。

15.根据权利要求10所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导，其中所述耦入部件被设置为一第二二维光栅。

16.根据权利要求15所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导，其中所述第二二维光栅能够被等效为一第九光栅、一第十光栅和一第十一光栅，其中所述第九光栅为沿一第二轴的光栅方向设置，所述第十光栅为沿与所述第二轴成60°的光栅方向设置，所述第十一光栅为沿与所述第二轴成-60°的光栅方向设置。

17.根据权利要求16所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导，其中所述第九光栅、所述第十光栅、所述第十一光栅与所述第四光栅、所述第五光栅以及所述第六光栅、所述第七光栅和所述第八光栅的周期相同。

18.根据权利要求10至16中任一项所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导，进一步包括至少透明平行的一波导基底，所述耦入部件、所述转折部件和所述耦出部件分别被设置于所述波导基底。

19.根据权利要求18所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导，其中所述波导基底具有一前表面和一后表面，所述耦入部件、所述转折部件和所述耦出部件分别被设置于所述波导基底的前表面或后表面。

20.根据权利要求18所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导，其中所述耦入组件和所述耦出部件分别被设置于所述波导基底的不同表面。

21.一种用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法，用于对一光线进行投射，其特征在于，所述用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法包括步骤：

1001：将该光线投射至一耦入组件进行衍射；以及

1002：经过所述耦入组件衍射后的该光线能够进入一耦出部件进行耦出，且进入所述耦入部件的该光线能够均匀覆盖所述耦出部件。

22.根据权利要求21所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法，其中所述步骤1001进一步包括步骤：

10011：所述耦入组件包括一耦入部件和一转折部件，其中该光线投射至所述耦入部件进行衍射，且衍射后的该光线能够分别沿一第一轴以及分别与所述第一轴成60°和-60°方向的方向衍射；以及

10012：与所述第一轴成60°和-60°方向的该光线能够分别进入所述转折部件进行进一步衍射后到达所述耦出部件。

23.根据权利要求21或22所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法，其中在步骤1001中，所述耦入部件被设置为包括一第一光栅、一第二光栅和一第三光栅，其中所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅分别为一维光栅且所述第一光栅、所述第二光栅和所述第三光栅分别沿一第一轴以及与所述第一轴成60°和-60°的光栅方向设置。

24.根据权利要求21或22所述的用于提高出光均匀性的衍射光波导的投射方法，其中在步骤1001中，所述耦入部件被设置为一第二二维光栅，所述第二二维光栅能够被等效为一第九光栅、一第十光栅和一第十一光栅，其中所述第九光栅为沿一第二轴的光栅方向设置，所述第十光栅为沿与所述第二轴成60°的方向设置，所述第十一光栅为沿与所述第二轴成-60°的光栅方向设置。

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