CN115509006A - 光学设备及电子设备 - Google Patents

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CN115509006A CN202110699966.9A CN202110699966A CN115509006A CN 115509006 A CN115509006 A CN 115509006A CN 202110699966 A CN202110699966 A CN 202110699966A CN 115509006 A CN115509006 A CN 115509006A
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relay unit
light
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Abstract

本申请涉及增强现实技术领域，公开了一种光学设备及电子设备。其中，光学设备包括至少一个波导衬底，以及设置于波导衬底上的耦入单元、第一中继单元、第二中继单元和耦出单元；第一中继单元和第二中继单元限定有中继区域，能够使得被耦入单元耦入的光线在进入波导衬底之后一部分光线的行径方向被限制在第一中继单元和第二中继单元之间进行全反射式传播，另一部分光线可以在第二中继单元处被改变方向，朝着耦出单元全反射行径；朝着耦出单元全反射行径的光线在遇到耦出单元时，一部分光线会沿着原方向继续全反射行径，另一部分被耦出人眼。如此，能够使得在增大图像边缘视场夹角时，不用增大中继光栅的面积也能够实现光线在二维方向的出瞳扩展。

Description

光学设备及电子设备
技术领域
本申请涉及增强现实技术领域，特别涉及一种光学设备及电子设备。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)技术作为一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，已经广泛应用于军事、商业、工业、消防和娱乐应用等各个领域。AR技术主要以微型显示器为图像源，通过光学元件将图像投射入人眼成像。其中，光学元件一般采用光波导结构。
例如，AR技术可以应用于头戴式AR眼镜中，头戴式AR眼镜包括微型显示器及镜片，其中，镜片一般采用光波导结构；微型显示器发出的虚拟图像能够通过光波导结构制成的镜片投射入人眼成像，且光波导结构为透明结构，能够使观察者能够同时观察周围的真实镜像及微型显示器传递的虚拟图像。
目前AR眼镜中采用的光波导结构一般为在一个方向上进行扩瞳，即在一个方向上看到更大的图像范围，难以适用于不同瞳距、不同脸型及不同鼻梁高度的人群。
发明内容
本申请实施例提供了一种光学设备及电子设备。本申请实施例提供的光学设备能够实现在二维方向的出瞳扩展，使得能够用户在二维方向上看到更大的图像范围，且可以适用于不同瞳距、不同脸型及不同鼻梁高度的人群。
另外，本申请实施例提供的光学设备能够使得在增大图像边缘视场之间的夹角的时候，不用增大传统的中继光栅的面积也可实现x方向的出瞳扩展，能够在较大视场角的情况下有效减小波导衬底的面积，进而减小整个光学设备的面积；且能够满足现有电子设备对大视场角的需求。
第一方面，本申请实施例提供了一种光学设备，包括至少一个波导衬底，以及设置于所述波导衬底上的耦入单元、第一中继单元、第二中继单元、以及耦出单元；
所述耦入单元被配置为将光线耦入所述波导衬底中；
所述第一中继单元和第二中继单元限定出中继区域，所述中继区域在第一方向延伸，所述第一中继单元和第二中继单元在第二方向排列，所述中继区域在所述第二方向上具有相对的第一边和第二边，所述第一边的延伸方向与所述第二边的延伸方向之间夹角小于第一角度；
所述耦出单元被配置为将所述波导衬底中的光线耦出所述波导衬底，所述耦出单元与所述中继区域在所述第二方向排列。
例如，上述第一方向可以为后文实施例中提及的x轴方向，第二方向可以为后文实施例中提及的y轴方向。
可以理解，本申请实施例提供的光学设备包括第一中继单元和第二中继单元，且第一中继单元和第二中继单元限定有中继区域，能够使得被耦入单元耦入的光线在进入波导衬底之后光线一部分的行径方向被限制在第一中继单元和第二中继单元之间进行全反射式传播，另一部分光线可以在靠近耦出单元的第二中继单元处被改变方向，朝着耦出单元全反射行径，实现x轴的出瞳扩展。
例如，光学设备可以是后文中的衍射光波导，耦入单元可以是后文中的耦入光栅，耦出单元可以是后文中的耦出光栅，第一中继单元可以是后文中的第一中继光栅，第二中继单元可以是后文中的第二中继光栅，中继区域可以由后文中第一中继光栅和第二中继光栅靠近的栅线界定，是第一中继光栅和第二中继光栅之间的区域，不包括第一中继光栅和第二中继光栅。中继区域也可以由第一中继光栅和第二中继光栅相距最远的栅线界定，不仅包括第一中继光栅和第二中继光栅之间的区域，还包括第一中继光栅和第二中继光栅。
此外，本申请实施例中，采用光线在第一中继单元和第二中继单元间全反射传播的方式实现x方向的出瞳扩展；而不是在中继单元以直线传播的方式实现x方向的出瞳扩展，能够使得在增大图像边缘视场之间的夹角的时候，不用增大传统的中继光栅的面积也可实现x方向的出瞳扩展，能够在较大视场角的情况下有效减小波导衬底的面积，进而减小整个光学设备的面积；且能够满足现有电子设备对大视场角的需求。
此外，朝着耦出单元全反射行径的光线在遇到耦出单元时，一部分光线会沿着原方向继续全反射行径，另一部分被耦出人眼，如此反复实现y方向的出瞳扩展。因此，本申请实施例提供的光学设备也能够实现二维方向的出瞳扩展。采用此光学设备使得能够用户在二维方向上看到更大的图像范围，且可以适用于不同瞳距、不同脸型及不同鼻梁高度的人群。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一角度在0°～5°。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一边和所述第二边在延伸方向平行。本申请实施例中，所述第一边的延伸方向与所述第二边的延伸方向可以平行设置，也可以有较小误差，例如，所述第一边的延伸方向与所述第二边的延伸方向的夹角可以在0°～5°之间。例如，第一边可以是后文中第一中继光栅的与第二中继光栅最为邻近的栅线，第二边可以是后文中第二中继光栅的与第一中继光栅最为邻近的栅线。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第二中继单元被配置为使得所述波导衬底中进行全反射传播的光线在入射到所述第二中继单元后至少部分出射光线朝着所述第一中继单元进行全反射传播，至少部分出射光线朝着所述耦出单元进行全反射传播；
所述第一中继单元被配置为使得所述波导衬底中全反射传播的光线在入射到所述第一中继单元后出射光线朝着所述第二中继单元进行全反射传播。
例如，以第一中继单元为第一中继光栅，第二中继单元为第二中继光栅为例，所述第二中继单元可以被配置为使得所述波导衬底中全反射传播的光线在入射到所述第二中继单元后至少部分出射光线如图18(a)中B2箭头方向所示，朝着所述第一中继单元进行全反射传播，至少部分出射光线如图18(a)中B3箭头方向所示，朝着所述耦出单元进行全反射传播；
所述第一中继单元被配置为使得所述波导衬底中全反射传播的光线在入射到所述第一中继单元后出射光线如图18中B4箭头方向所示，朝着所述第二中继单元进行全反射传播。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一中继单元和第二中继单元为光栅；并且所述中继区域的第一边为所述第一中继单元最靠近所述第二中继单元的栅线，第二边为所述第二中继单元最靠近所述第一中继单元的栅线。即中继区域由第一中继单元和第二中继单元靠近的栅线界定，是第一中继单元和第二中继单元之间的区域，不包括第一中继单元和第二中继单元。例如，可以为后文中图17中所示的第一中继光栅和第二中继光栅的空白区域。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一中继单元和第二中继单元为光栅，并且所述中继区域的第一边为所述第一中继单元最远离所述第二中继单元的栅线，第二边为所述第二中继单元最远离所述第一中继单元的栅线。即中继区域由第一中继单元和第二中继单元相距最远的栅线界定，不仅包括第一中继单元和第二中继单元之间的区域，还包括第一中继单元和第二中继单元。例如，后文中图17所示的第一中继光栅的最远离所述第二中继光栅的栅线与第二中继光栅的最远离所述第一中继光栅的栅线所限定的区域。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一中继单元和第二中继单元均包括多条光栅栅线，并且所述第一中继单元和第二中继单元的光栅栅线相互呈所述第一角度。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一中继单元和第二中继单元均包括多条光栅栅线，并且所述第一中继单元和第二中继单元的光栅栅线相互平行。
即第一中继单元和第二中继单元可以均为光栅，所述第一中继单元可以包括多条平行的光栅栅线，第二中继单元可以包括多条平行的光栅栅线。第一中继单元的光栅栅线可以和第二中继单元的光栅栅线具有0°～5°的夹角。在一些实施例中，可以将第一中继单元的光栅栅线和第二中继单元的光栅栅线设置为相互平行。可以理解，如前所述，此处的平行可以是有一定误差的，即并非完全平行，而是呈一定的小角度，例如，两者的夹角在0°～5°之间。
具体地，例如，若第一中继单元和第二中继单元为表面浮雕光栅，则栅线可以指表面浮雕光栅的刻痕，栅线平行可以指表面浮雕光栅的刻痕方向平行；若第一中继单元和第二中继单元为体全息光栅，则栅线可以指体全息光栅的条纹，栅线平行可以指体全息光栅的条纹延伸方向平行。
此外，可实施的，光栅的栅线方向为与光栅的光栅矢量方向垂直的方向，因此，第一中继单元和第二中继单元的栅线平行与也可以指表面浮雕的光栅矢量方向一致或平行。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一中继单元和第二中继单元为相互平行的条形光栅。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一中继单元与所述第二中继单元的光栅周期相同。
可以理解，设置第一中继单元的周期及光栅矢量方向与第二中继单元的周期及光栅矢量方向相一致，可以使得耦出单元耦出的光线的k空间区域与微型显示装置发射出的入射光的k空间区域完全重合，从而有效防止图像畸变的产生。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一中继单元的衍射效率均匀分布，所述第二中继单元的衍射效率由远离所述耦出单元的一侧至靠近所述耦出单元的一侧逐渐降低。
可以理解，将所述第二中继单元的衍射效率设置为由远离所述耦出单元的一侧至靠近所述耦出单元的一侧逐渐降低，可以使得所述波导衬底中进行全反射传播的光线在入射到所述第二中继单元后至少部分出射光线朝着所述第一中继单元进行全反射传播，至少部分出射光线朝着所述耦出单元进行全反射传播。
同时，将所述第一中继单元的衍射效率设置为均等分布，可以使得所述波导衬底中全反射传播的光线在入射到所述第一中继单元后改变全反射传播的方向，朝着所述第二中继单元进行全反射传播。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一中继单元为表面浮雕光栅，并且所述第一中继单元的光栅高度均等分布。
可以理解，设置所述第一中继单元的光栅高度均等分布可以使得所述第一中继单元的衍射效率均等分布。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第二中继单元为表面浮雕光栅，并且所述第二中继单元的光栅高度由远离所述耦出单元的一侧至靠近所述耦出单元的一侧逐渐降低。
可以理解，设置第二中继单元的光栅高度由远离所述耦出单元的一侧至靠近所述耦出单元的一侧逐渐降低可以使得所述第二中继单元的衍射效率由远离所述耦出单元的一侧至靠近所述耦出单元的一侧逐渐降低。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一中继单元为体全息光栅，并且所述第一中继单元的折射率调制度均等分布。
可以理解，设置所述第一中继单元的折射率调制度均等分布可以使得所述第一中继单元的衍射效率均等分布。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第二中继单元为体全息光栅，并且所述第二中继单元的光栅折射率调制度由远离所述耦出单元的一侧至靠近所述耦出单元的一侧逐渐降低。
可以理解，设置所述第二中继单元的光栅折射率调制度由远离所述耦出单元的一侧至靠近所述耦出单元的一侧逐渐降低可以使得所述第二中继单元的衍射效率由远离所述耦出单元的一侧至靠近所述耦出单元的一侧逐渐降低。
在上述第一方面的一种可能的实现中，还包括设置于所述波导衬底上的至少一个第三中继单元，所述第三中继单元设位于所述第一中继单元与所述第二中继单元之间，并且所述第三中继单元将所述中继区域划分为多个中继子区域，并且所述中继子区域的两条长边在延伸方向的夹角小于所述第一角度。
即在本申请实施例中，中继单元可以有多个，第三中继单元可以将第一中继单元和第二中继单元限定的中继区域划分为多个中继子区域。例如，第一中继单元和第二中继单元之间加入一个第三中继单元后，将中继区域划分为两个中继子区域。例如，在后文中，第一中继单元可以是后文中的第一中继光栅，第二中继单元可以是后文中的第二中继光栅，第三中继单元可以为后文中提及的第三中继光栅，加入一个第三中继光栅将中继区域划分为两个中继子区域。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第三中继单元被配置为：使得所述波导衬底中进行全反射传播的光线入射到所述第三中继单元后，至少部分出射光线朝着所述第一中继单元进行全反射传播，至少部分出射光线朝着所述第二中继单元进行全反射传播。
例如，在后文中，以第一中继单元可以是第一中继光栅，第二中继单元可以是第二中继光栅，第三中继单元可以是第三中继光栅为例，则所述第三中继单元可以被配置为使得所述波导衬底中全反射传播的光线在入射到所述第三中继单元后至少部分出射光线如图26中B4箭头方向所示，朝着所述第一中继单元进行全反射传播，至少部分出射光线如图26中B5箭头方向所示，朝着所述第二中继单元进行全反射传播。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一中继单元、第二中继单元、以及所述第三中继单元为光栅。
例如，第一中继单元可以是后文中的第一中继光栅，第二中继单元可以是后文中的第二中继光栅，第三中继单元可以为后文中提及的第三中继光栅。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第一中继单元、第二中继单元、以及所述第三中继单元均包括多条相互平行的栅线。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第三中继单元为条形光栅。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第三中继单元的衍射效率由靠近所述第一中继单元的一侧至靠近所述第二中继单元的一侧逐渐降低。
可以理解，设置第三中继单元的衍射效率由靠近所述第一中继单元的一侧至靠近所述第二中继单元的一侧逐渐降低可以使得所述波导衬底中进行全反射传播的光线入射到所述第三中继单元后，至少部分出射光线朝着所述第一中继单元进行全反射传播，至少部分出射光线朝着所述第二中继单元进行全反射传播。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第三中继单元为表面浮雕光栅，并且所述第三中继单元的光栅高度由靠近所述第一中继单元的一侧至靠近所述第二中继单元的一侧逐渐降低。
可以理解，设置第三中继单元的光栅高度由靠近所述第一中继单元的一侧至靠近所述第二中继单元的一侧逐渐降低可以使得第三中继单元的衍射效率由靠近所述第一中继单元的一侧至靠近所述第二中继单元的一侧逐渐降低。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述第三中继单元为体全息光栅，并且所述第三中继单元的光栅折射率调制度由靠近所述第一中继单元的一侧至靠近所述第二中继单元的一侧逐渐降低。
可以理解，设置第三中继单元的光栅折射率调制度由靠近所述第一中继单元的一侧至靠近所述第二中继单元的一侧逐渐降低可以使得第三中继单元的衍射效率由靠近所述第一中继单元的一侧至靠近所述第二中继单元的一侧逐渐降低。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述耦入单元位于所述中继区域中。
可以理解，耦入单元可以位于第一中继单元和第二中继单元之间，也可以位于其他能够使得光线射至耦入单元后能够被耦入单元引导至朝向第二中继单元的方向进行传播的位置。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述耦入单元和耦出单元为光栅，并且所述耦入单元与所述耦出单元的周期和光栅矢量方向均相同。
可以理解，耦入单元可以为后文中的耦入光栅，耦出单元可以为后文中的耦出光栅。本申请实施例中，设置耦入单元与所述耦出单元的周期和光栅矢量方向均相同，可以使得耦出单元耦出的光线的k空间区域与微型显示装置发射出的入射光的k空间区域完全重合，从而有效防止图像畸变的产生。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述耦入单元为表面浮雕光栅或者体全息光栅；并且
所述耦出单元为表面浮雕光栅或者体全息光栅。
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述耦入单元、第一中继单元、第二中继单元、以及耦出单元位于所述波导衬底的至少一个底面上。
可以理解，耦入单元、第一中继单元、第二中继单元、以及耦出单元可以位于波导衬底的同一底面上，与可以位于相对两个底面上，例如，耦入单元、第一中继单元、第二中继单元位于上底面，耦出单元可以位于下底面上。
在上述第一方面的一种可能的实现中，还包括全息材料层，并且所述波导衬底的数量为两个，所述全息材料层夹于两个所述波导衬底之间；
所述耦入单元、第一中继单元、第二中继单元、以及耦出单元位于所述全息材料层的至少一个底面上。
可以理解，所述耦入单元、第一中继单元、第二中继单元、以及耦出单元可以为对全息材料层进行曝光形成的耦入光栅、第一中继光栅、第二中继光栅、以及耦出光栅。
第二方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括微型显示装置和上述光学设备，并且所述微型显示装置用于向所述光学设备的耦入单元投射光线。
可以理解，光学设备可以为后文实施例中提及的衍射光波导。
在上述第二方面的一种可能的实现中，所述电子设备为增强现实眼镜。
可以理解，增强现实眼镜的镜片的部分或或全部可以采用上述光学设备，微型现实装置可以设于增强现实眼镜的镜片框架上。
在上述第二方面的一种可能的实现中，所述电子设备为车载平视显示器。
附图说明
图1根据本申请的一些实施例，示出了一种透射式衍射光栅的结构示意图；
图2根据本申请的一些实施例，示出了一种衍射光栅的分光示意图；
图3(a)-(c)根据本申请的一些实施例，示出了不同形状的衍射光栅的示意图；
图4根据本申请的一些实施例，示出了全反射原理示意图；
图5根据本申请的一些实施例，示出了一种平面光波导的结构示意图；
图6根据本申请的一些实施例，示出了图5中平面光波导的光路图；
图7根据本申请的一些实施例，示出了一种用于AR眼镜的衍射光波导的结构示意图；
图8(a)根据本申请的一些实施例，示出了一种光线在衍射光波导100中传播的导向示意图；
图8(b)和(c)根据本申请的一些实施例，示出了光线在波导衬底中传播的具体光路图；
图9根据本申请的一些实施例，示出了一种采用衍射光波导作为镜片的AR眼镜的结构示意图；
图10根据本申请的一些实施例，示出了一种虚拟图像通过AR眼镜的左镜片或右镜片耦入人眼的原理示意图；
图11根据本申请的一些实施例，示出了一种衍射光波导的结构示意图。
图12(a)和(b)根据本申请的一些实施例，分别示出了在不同视场角下光线在衍射光波导中的导向示意图；
图13(a)和(b)根据本申请的一些实施例，分别示出了光线在中继光栅和耦出光栅处的衍射光路图；
图14根据本申请的一些实施例，示出了一种采用衍射光波导作为镜片的AR眼镜的结构示意图；
图15根据本申请的一些实施例，示出了一种视场角的示意图；
图16(a)和(b)根据本申请的一些实施例，分别示出了较小边缘视场夹角A1和较大边缘视场夹角A2的图像在图11中所示的衍射光波导结构中传播的导向对比示意图；
图17根据本申请的一些实施例，示出了一种包括两个中继光栅的衍射光波导的示意图。
图18(a)和(b)根据本申请的一些实施例，分别示出了本申请实施例光线在波导衬底中传播的不同角度的导向的示意图；
图19(a)根据本申请的一些实施例，示出了光线在第一中继光栅和第二中继光栅处的衍射光路图；
图19(b)根据本申请的一些实施例，示出了光线在耦出光栅处的衍射光路图；
图20(a)和(b)根据本申请的一些实施例，分别示出了较小边缘视场夹角A1和较大边缘视场夹角A2的图像在图17所示的衍射光波导中传播的导向对比示意图。
图21根据本申请的一些实施例，示出了一种第二中继光栅的示意图；
图22根据本申请的一些实施例，示出了一种耦入光栅的位置示意图；
图23根据本申请的一些实施例，示出了一种耦入光栅的位置示意图；
图24根据本申请的一些实施例，示出了一种采用图17所示的衍射光波导作为镜片的AR眼镜的结构示意图；
图25根据本申请的一些实施例，示出了一种衍射光波导的结构结构示意图；
图26根据本申请的一些实施例，示出了光线在三个中继光栅的衍射光波导中的导向示意图；
图27根据本申请的一些实施例，示出了一种衍射光波导的的示意图；
图28根据本申请的一些实施例，示出了一种衍射光波导的的示意图；
图29根据本申请的一些实施例，示出了图17所示的衍射光波导的k空间路径示意图。
附图标记说明：
100-衍射光波导；101-耦入光栅；102-中继光栅；1021-第一中继光栅；1022-第二中继光栅；1023-第三中继光栅；103-耦出光栅；104-波导衬底；105-微型显示装置；106-光源；107-波导顶层；108-全息材料层；
200-AR眼镜；201-左镜腿；202-右镜腿；203-镜片框架203，204-左镜片；205-右镜片；
300-衍射光栅；301-狭缝；302-刻痕；303-玻璃基片；304-介质膜。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。
为了便于理解本申请的技术方案，现将本申请中涉及到的一些技术术语、光学原件以及相关原理进行介绍。
(一)光的衍射：光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物或者小孔(窄缝)，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。
(二)光栅：是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器，也可称为衍射光栅，能够将照射到衍射光栅上的光线通过衍射光栅的衍射改变传播方向。其中，衍射光栅可以包括利用透射光衍射的光栅，称为透射式衍射光栅；还有利用两刻痕间的反射光进行衍射的光栅，称为反射式衍射光栅。
例如，图1示出了一种透射式衍射光栅300的结构示意图。如图1中所示，衍射光栅300可以由玻璃上刻蚀出的多个狭缝301和刻痕302形成，其中，狭缝301为透光部分，刻痕302为不透光部分。衍射光栅300的光学特性与衍射光栅的周期相关，衍射光栅的周期为单个狭缝301和单个刻痕302的宽度的和，例如，若狭缝301的宽度为a,刻痕302的宽度为b.则衍射光栅300的周期d为狭缝301的宽度a与刻痕302的宽度b的和，即d＝a+b；其中，光栅周期越小，则在单位长度内狭缝301的数量越多，单个狭缝301的宽度越窄。
可实施的，衍射光栅300也可以由全息技术在材料内部曝光形成全息光栅，即通过全息照相，将激光产生的干涉条纹在干板上曝光，经显影定影形成全息光栅。
衍射光栅300具有分光特性，例如，用于本申请的AR眼镜的衍射光波导就是利用这种分光特性来实现对光线传播方向的引导，下文将进行详细描述。
具体的，如图2所示，当入射光线i入射到光栅高度为h,周期为d的衍射光栅300时，它会被衍射光栅300分成若干个衍射级(diffraction order)，每一个衍射级沿着不同的方向继续传播下去，包括反射式衍射,例如,0级反射衍射R0,一级反射衍射R1,负一级反射衍射R-1等,以及透射式衍射,例如,0级透射衍射T0,一级透射衍射T1,负一级透射衍射T-1等。
为了使入射光线i通过衍射光栅300的光线能够发生m级次的衍射，则衍射光栅的参数需要满足下述公式(1)：
Figure BDA0003129832790000091
其中，d为衍射光栅的周期，m为衍射级次，m为整数，例如可以为0，1，-1，2，-2等；n为玻璃3的折射率；θm及
Figure BDA0003129832790000092
分别为m级次所对应的衍射光的极角及方位角；λ为入射光线i的波长，θ及
Figure BDA0003129832790000093
分别为入射光线i的极角及方位角；θGin为衍射光栅的刻痕302的角度。:
上式(1)表明，当入射光线i的波长λ、入射光线i的极角θ及方位角
Figure BDA0003129832790000094
一定时，通过调控衍射光栅的刻痕302的角度θGin、衍射光栅的周期d可以对衍射光的衍射极次，极角θm及方位角
Figure BDA0003129832790000095
进行调整。
例如，在AR眼镜采用的衍射光波导中，可以通过调控波导衬底表面的各衍射光栅的刻痕302的角度θGin、衍射光栅的周期d，对衍射光的衍射极次m、极角θm及方位角
Figure BDA0003129832790000096
进行调整，使得在衍射光波导的波导衬底中全反射传播的光线可以在入射到波导衬底表面上的衍射光栅之后，沿着需要的方向传播。
衍射光栅的形状可以根据实际需求设计为多种，例如，图3(a)-(c)示出了不同形状的衍射光栅的示意图，其中，如图3(a)中所示，衍射光栅可以为,均匀垂直光栅，如图3(b)中所示，衍射光栅也可以倾斜光栅，如图3(c)所示,衍射光栅还可以为高度不均匀的光栅。
(三)光的全反射
光的全反射又称光的全内反射，是指当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于某一临界角C(光线远离法线)，则折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质。
例如，如图4所示，当入射光线i从折射率为n1的介质P1射向折射率为n2的介质P2时，若n1大于n2，且光线的入射角C1大于临界角C，则入射光线i将被反射而不进入低折射率n2的介质P2。
其中，临界角C需满足的条件即光的全反射公式为：
sinC＝n2/n1 (2)
如图4中所示，当折射率为n2的介质P2为空气时，因n2＝1，则临界角C需满足的条件为：sinC＝1/n1。
(四)光波导：
光波导是指利用全反射原理引导光波在其本身中传播的光学元件。常见的光波导可以为由光透明介质(如折射率较大的石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导具体的可分为平面结构和条形结构。
例如，图5示出了一种平面光波导10的结构图，而图6示出了该平面光波导10的光路图。
如图5所示，该平面结构光波导10可以包括玻璃基片303和位于玻璃基片303上方的介质膜304。其中，假设介质膜304的折射率为n1，玻璃基片303的折射率为n2，介质膜304与玻璃基底303的界面上光产生全反射的临界角为θ1，介质膜304与空气的界面上光产生全反射的临界角为θ2。
入射光线i从空气中通过折射射入介质膜304与玻璃基底303的界面上，为了使射到介质膜304与玻璃基底303的界面的光线能够发生全反射，并能够在折射率为n1的介质膜的上下表面之间进行全反射传播，需要使得介质膜304的折射率n1，玻璃基片303的折射率n2及空气的折射率n3满足的关系为：n1＞n2＞n3。
需要使得入射光线i的入射角θ、介质膜304与玻璃基底303的界面上光产生全反射的临界角θ1及介质膜304与空气的界面上光产生全反射的临界角θ2满足的关系为：θ＞θ1＞θ2。
其中，θ1与θ2的计算方式如下：
θ1＝arcsin(n2/n1)；
θ2＝arcsin(n3/n1)。
具体的，光线在光波导传播的光路图如图6所示，入射光线i从空气中通过折射射入介质膜304与玻璃基底303的界面上，在介质膜304与玻璃基底303的界面上发生全反射，光线被全反射到介质膜304与空气的界面上时，会继续被全反射至介质膜304与玻璃基底303的界面上。如此，光线会在介质膜304的上下表面之间进行全反射传播。
可以看出，光波导实质上可以为折射率较大的一个介质层，能够使得光线在其内部进行全反射传播。目前，常用的AR眼镜200的镜片为衍射光波导100，即为了将AR眼镜200中的微型显示器发出的光线能够在AR眼镜200的镜片的指定位置导入，并在镜片的指定位置导出进入人眼，通常在光波导的表面设置有前述的衍射光栅。例如，图7示出了一种用于AR眼镜200的衍射光波导100的结构示意图。
如图7所示，衍射光波导100包括波导衬底104、用于将光线耦入波导衬底的耦入光栅101及用于将光线耦出波导衬底的耦出光栅103。其中波导衬底104可以由上述图6所示的平面结构光波导构成，并且可以采用高折射率玻璃材质制成，例如，折射率范围为1.5-2.2。
图8(a)示出了光线在衍射光波导100中传播的导向示意图。
可以理解，在本申请各实施例中，光线的导向示意图与光路图不同，并不是光线的实际传播路径，而是对光线全反射过程中光线的整个行径方向的示意。例如，对于图6所示的全反射光路图，光线在介质膜304中的实际光路径由带有箭头的光线表示，而发生全反射光线的整个行径方向可以认为是沿x轴负半轴行径。
下面继续参考图8(a)介绍衍射光波导100的光线行径方向。如图8(a)所示，光源106发出的光线i1入射到耦入光栅101后，通过耦入光栅101的衍射耦入波导衬底104，并在波导衬底104的上下表面之间进行全反射传播。图8(a)中箭头B1示出了在波导衬底104中发生全反射的光线的整个前进路径，即沿x轴负半轴的方向前进。而在波导衬底104中沿x轴负半轴的方向前进的全反射光线在遇到耦出光栅103后，光线中的一部分光线会被耦出波导衬底104，耦出的光线的行进方向如图8中的箭头B2所示，即z轴正半轴方向。
光线在波导衬底104中传播的具体光路图如图8(b)所示，光源106发出的光线i1在入射到耦入光栅101后，通过耦入光栅101的衍射改变原传播方向而射向波导衬底104的底部。基于前述全反射原理可知，由于射向波导衬底104的底部的光线的入射角度大于波导衬底104与空气界面的全反射临界角，且波导衬底104的折射率大于空气的折射率，因此，经耦入光栅101耦入波导衬底104的光线i1能够在波导衬底104的上下表面之间全反射传播。
而光线i1在波导衬底104中全反射传播的过程中，如图8(c)所示，当光线i1在全反射过程中，遇到波导衬底104表面的耦出光栅103的D1位置时，会有一部分光线i2通过光栅衍射释放出去，即被耦出波导衬底104，而剩下的一部分光线i3继续在波导衬底104中进行全反射传播。全反射传播的光线i3在后续传播的过程中，当入射到波导衬底104表面的耦出光栅103上的位置D2时，重复上述现象，即一部分光线i4续通过光栅衍射被耦出波导衬底104，剩下的一部分光线i5继续在波导衬底104中进行全反射传播，直至在波导衬底104全反射传播的光线全部被耦出波导衬底104。
基于上面的描述可知，对于图6至图8中所示的衍射光波导100，在光线在波导衬底104内全反射传播的过程中，同一束光每次遇到波导衬底104表面的耦出光栅103的某一位置时，有一部分光线通过衍射释放出波导衬底104的同时，另一部分光线继续在波导中全反射传播，并在耦出光栅103的不同位置重复上述现象，从而将光源106入射的光线沿x轴正半轴方向复制多份，这样通过耦出光栅103耦出的光线也会在x轴负半轴方向上被放大。该现象可以被称为出瞳扩展，对于图6至图8中所示的衍射光波导100，当将其用作AR眼镜的镜片时，可以将AR眼镜的微型显示器发出的虚拟图像在x轴负半轴方向上进行出瞳扩展，即实现虚拟的一维扩瞳，下文将进行详细描述。
可以理解，在传统光学成像***中，图像通常只有一个“出口”，叫做出瞳。例如，假设进入波导“入瞳”的是直径4毫米的光束，由于光波导只负责传输而并不把图像放大缩小等，那么“出瞳”的也是4毫米的光束，在这种情况下人眼的瞳孔中心能看到图像的移动范围只有4毫米。通过在表面设置衍射光栅能够将出瞳沿水平方向复制了多份，每一个出瞳都输出相同的图像，使得人眼的瞳孔中心能看到图像的移动范围增大，即使眼睛在大范围移动时都能看到图像，称为出瞳扩展。
(五)采用衍射光波导的AR眼镜
图9示出了一种采用衍射光波导100作为镜片的AR眼镜200的结构示意图。
如图9所示，AR眼镜200可以包括镜架部分和镜片部分，其中镜架部分可以包括左镜腿201、右镜腿202和镜片框架203，镜片部分可以包括左镜片204和右镜片205，其中左镜片204和右镜片205可以采用衍射光波导结构，具体的，左镜片204和右镜片205均可以整个或部分采用衍射光波导100的波导衬底，例如，图9中示出了采用图8所示的衍射光波导100作为镜片的示意图。另外，AR眼镜200上还包括用于投射虚拟图像的微型显示装置105，通过微型显示装置105将虚拟图像投射入衍射光波导100制成的左镜片204和右镜片205，进而通过左镜片204和右镜片205将虚拟图像导入人眼。
在一些实施例中，微型显示装置105可以设于镜片框架的中部，用于向左镜片204和右镜片205中的耦入光栅101投射光线。此外，在其他实施例中，微型显示装置也可以设置两个，例如，分别设于左镜腿201或右镜腿202上，或者可以设于左镜腿201或右镜腿202上朝向人眼前方的延伸区域。
在一些实施例中，微型显示装置105可以包括微型显示器1051(如图10所示)和准直透镜1052(如图10所示)。其中，微型显示器1051用来提供虚拟图像，可以是自发光的有源器件，比如发光二极管面板，也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏，还可以为基于微机电***技术的数字微镜阵列和激光束扫描仪等。准直透镜1052可以用于将各虚拟图像点的光线转换为平行的光束投射入耦入光栅101。
图10示出了虚拟图像通过AR眼镜200的左镜片204或右镜片205耦入人眼的原理示意图。
如图10所示，微型显示器1051发出的点光线经准直透镜1052后转换为一束平行的光束投射入耦入光栅101，耦入光栅101将光束耦入波导衬底104后，光线在波导衬底104内全反射传播，在全反射传播的过程中，每次遇到波导衬底104表面的耦出光栅103，会有一部分光继续通过衍射释放出来进入眼睛，剩下的一部分光继续在波导中传播，直到下一次打到波导表面的耦出光栅103上，实现x方向的出瞳扩展。
然而，如前所述，对于图9所示的AR眼镜200中的镜片所采用的衍射光波导100，存在只能在一个方向上进行图像的出瞳扩展，例如由微型显示器1051提供的虚拟图像，在经过耦出光栅103导出时，只在横向(如图9中的x轴方向)或者竖向(如图9中的y轴方向)上被放大，故存在导出的图像难以适用于不同瞳距、不同脸型及不同鼻梁高度的人群的问题。
为了解决上述出瞳扩展方向单一的问题，图11示出了一种衍射光波导100的结构示意图。在图11中示出的衍射光波导100中，通过在耦入光栅和耦出光栅的光路之间增加中继光栅，来实现在横竖两个方向上的出瞳扩展，使得用户能够观察到更大的图像视野范围，能够更好的适用于不同瞳距、不同脸型及不同鼻梁高度的人群。
具体地，图11所示的衍射光波导100可以包括波导衬底104、耦入光栅101、中继光栅102和耦出光栅103。其中，图11所示的耦入光栅101、中继光栅102和耦出光栅103均位于波导衬底104的上表面上，且均为衍射光栅结构。
可以理解，在本申请的其他实施例中，耦入光栅101、中继光栅102和耦出光栅103也可以均位于波导衬底104的下表面或者三者分别分布于波导衬底104的上下两个表面上，不限于图11所示的位置设置。此外，虽然图11所示的耦入光栅101为圆形、中继光栅102为梯形、耦出光栅103为长方形，但是，图11中所示的形状仅仅是示例性的，可以根据实际光学设计需求或者AR镜片的形状需求，将三者设置为任意形状。
为了能够实现横竖两个方向上的出瞳扩展，如图11所示，中继光栅102的光栅刻痕方向可以与耦入光栅101的光栅刻痕方向呈设定角度，便于从耦入光栅101耦入的光线在传播过程中遇到中继光栅102的时候一部分光被改变方向朝向耦出光栅103的方向传播，即一部分继续在波导衬底104中以y轴负半轴为引导方向全反射传播，其余部分继续沿原来的方向传播，即以x轴正半轴为引导方向全反射传播。例如，图11所示的衍射光波导100中，中继光栅102的刻痕方向与耦入光栅101的光栅刻痕方向设置为呈45度角，以实现上述功能。具体地，图12(a)和(b)分别示出了在不同视角下光线在衍射光波导100中的导向示意图。
如图12(a)所示，微型显示装置105发出的光线i1在入射到耦入光栅101后，通过耦入光栅101的衍射被耦入波导衬底104，并在波导衬底104中沿x轴正半轴全反射传播。经耦入光栅101耦入的光线i1在遇到中继光栅102后，由于中继光栅的分光特性，光线被分为两个部分，分别朝向不同的衍射角度全反射传播。具体地，其中一部分在波导衬底104中继续沿x轴正半轴方向全反射前进，如图中的箭头B1所示；另一部分在波导衬底104中沿y轴负半轴的方向全反射前进，如图中的箭头B2所示。其中，遇到中继光栅102后沿y轴负半轴的方向全反射前进的光线被导入耦出光栅103，由耦出光栅103耦出波导衬底104，耦出的光线的行进方向如图中的箭头B3所示，即z轴正半轴方向。
具体地，图13(a)和(b)分别示出了光线在中继光栅102和耦出光栅103处的衍射光路图。
可以理解，在本申请各实施例中，对于二维的光路图，从平面入射的光线用圆圈中加入“x”符号来表示。
如图13(a)所示，被耦入光栅101耦入后在波导衬底104中沿x轴正半轴全反射传播的光线i1入射到中继光栅102的H1位置时，光线被分为两个部分，分别朝向不同的衍射角度传播。具体地，一部分光线i3继续入射到波导衬底104的另一表面沿x轴正半轴进行全反射传播，而另一部分光线i2沿垂直于图像向内的方向进入波导衬底104，并沿y轴负半轴向着耦出光栅103进行全反射传播。可以理解，光线i3入射到中继光栅102的其他位置,例如H2位置时，也会重复上述过程，分出分别沿x轴正半轴和y轴负半轴全反射传播的光线i4和i5。如此，中继光栅102使得光线i1沿x轴正半轴的全反射传播在x轴正半轴扩展了光线，即对于微型显示装置105发出的虚拟图像，在x轴正半轴方向上被出瞳扩展。
类似图8(c)，如图13(b)所示，上述沿y轴负半轴向着耦出光栅103进行全反射传播的光线i2到达耦出光栅103的位置D1时，会有一部分光线i21通过光栅衍射释放出去，即被耦出波导衬底104，而剩下的一部分光线i22继续在波导衬底104中进行全反射传播。光线i22在后续传播的过程中，当入射到波导衬底104表面的耦出光栅103上的位置D2时，重复上述现象。如此，光线i1在y轴负半轴方向被扩展，即对于微型显示装置105发出的虚拟图像，在y轴负半轴方向上被出瞳扩展。
从上述描述可以看出，图11至图13所示的衍射光波导100可以实现x轴正半轴和y轴负半轴两个方向的出瞳扩展，应用于AR眼镜时，使得用户能够观察到更大的图像视野范围，能够更好的适用于不同瞳距、不同脸型及不同鼻梁高度的人群。
图14示出了一种采用上述衍射光波导100作为镜片的AR眼镜200的结构示意图。如图14所示，AR眼镜200的左镜片201和右镜片201可以均采用图14所示的衍射光波导100。其中，图15中AR眼镜200的其他部分结构与图10中类似，在此不再赘述。
然而，图11至图13所示的衍射光波导100虽然可以实现x轴正半轴和y轴负半轴两个方向的出瞳扩展，但是，若想要满足AR眼镜进一步增大竖直视场角的市场需求，即若需要进一步增大人眼看到竖直视场范围，则需要增大衍射光波导100的中继光栅102的面积才能实现，而由于衍射光波导100在作为AR眼镜的镜片时面积有限，故中继光栅102的面积受限，图11至图13所示的衍射光波导100难以满足AR眼镜进一步增大竖直视场角的需求。
为了更详细的描述该问题，首先介绍视场的概念。具体地，一般采用视场角衡量人眼能够看到的视场范围的大小。例如，如图15所示，以观察者眼睛能看到的图像为例，视场角就是图像边缘与眼睛连线的夹角,可以包括水平视场角和竖直视场角；例如在图15中，AOB角就是水平视场角，BOC就是竖直视场角，在y方向进行光瞳复制,可以增大竖直视场角；在x方向进行光瞳复制,可以增大水平视场角。
具体地，结合上述视场角概念到本申请的AR眼镜200，AR眼镜200的微型显示装置105发射出的虚拟图像(如图16(a)和(b)中的微型显示装置105中的虚线框所示)一般包括上边缘视场S1和下边缘视场S2(如图16(a)和(b)所示)，其中，上边缘视场S1可以定义为微型显示装置105发出的虚拟图像的上边缘的其中一个光点的光线，下边缘视场S2可以定义为虚拟图像的下边缘的与上述上边缘的光点对应的光点的光线；例如，上边缘视场S1可以定义为虚拟图像的上边缘的中点P1的光线，下边缘视场S2可以定义为虚拟图像的下边缘的中点P2的光线；上边缘视场S2和下边缘视场S1的夹角称为边缘视场夹角。虚拟图像的边缘视场夹角能够影响人眼所能看到的竖直视场范围，即竖直视场角的大小与图像的边缘视场夹角一致，其具体关系为：竖直视场角随边缘视场夹角的增大而增大。因此，若要增大人眼能够看到的竖直视场范围，即竖直视场角，则需增大图像的边缘视场夹角。若采用图11中所示的衍射光波导，在增大图像的边缘视场夹角的情况下，则需增大中继光栅102的面积才能实现同样的尺寸的出瞳，因此，会导致整个衍射光波导100的面积的增大，其具体原因如下：
如图16(a)和(b)所示，图16(a)和(b)分别示出了较小边缘视场夹角A1和较大边缘视场夹角A2的图像在11中所示的衍射光波导结构中传播的导向对比示意图。如图16(a)和(b)所示，虚拟图像包括上边缘视场S1和下边缘视场S2。虚拟图像的上边缘视场S1和下边缘视场S2在波导中逐渐分散开，而上边缘视场S1和下边缘视场S2也必须要在中继光栅102中传播才能实现X方向的出瞳扩展；因此，如图16(a)和(b)所示，随着边缘视场夹角从A1增大到A2，上边缘视场S1和下边缘视场S2分散程度增大，若光线想要继续延x方向实现同样尺寸的出瞳，则中继光栅102的面积需要沿上边缘视场S1和下边缘视场S2的延伸方向扩大，即图16(b)所示梯形的中继光栅102的较长的底边则需要加长，两个腰也需要向外扩大。因而，增大图像边缘视场夹角会导致中继光栅102面积的增大，进而导致整个波导结构的增大。反言之，若不增大中继光栅102的面积，则光线打到中继光栅102上的次数会减少，导致在x方向的出瞳尺寸会减小。
为解决该问题，本申请实施例提供另一种衍射光波导100，将图11所示的衍射光波导100中的中继光栅102从一个光栅变为多个折射率不同的光栅，被耦入光栅101耦入的光线在进入波导衬底104之后依然在波导衬底104中全反射传播，但是全反射传播的光线一部分的行径方向被限制在多个中继光栅之间，一部分光线可以在靠近耦出光栅103的中继光栅处被改变方向，朝着耦出光栅103全反射行径，最终被耦出光栅103耦出至人眼。如此，使得光线在多个中继光栅之间通过往复全反射传播实现出瞳扩展，且无需随着竖直视场角的增大而增大中继光栅的面积。下面将结合具体的实施例进行说明。
图17为本申请实施例一种包括两个中继光栅的衍射光波导100的示意图。
如图17所示，衍射光波导100可以包括波导衬底104、耦入光栅101、第一中继光栅1021、第二中继光栅1022、以及耦出光栅103。其中，第一中继光栅1021和第二中继光栅1022平行设置且间隔第一距离，该第一距离的设置可以实现将从耦入光栅衍射的光线引导至在第一中继光栅1021和第二中继光栅1022之间往复全反射传播，下文将进行详细的描述。此外，耦出光栅103设于第一中继光栅1021和第二中继光栅1022之间。
本申请实施例中，第一中继光栅1021和第二中继光栅1022可以限定出中继区域，中继区域在第一方向延伸，第一中继光栅1021和第二中继光栅1022在第二方向排列，中继区域在第二方向上具有相对的第一边和第二边，第一边的延伸方向与第二边的延伸方向之间夹角小于第一角度；
例如，上述第一方向可以x轴方向，第二方向可以为y轴方向。
可以理解，中继区域可以由第一中继光栅1021和第二中继光栅1022靠近的栅线界定，是第一中继光栅1021和第二中继光栅1022之间的区域，不包括第一中继光栅1021和第二中继光栅1022。其中，第一边可以为第一中继光栅1021的与第二中继光栅1022最为邻近的栅线，第二边可以是第二中继光栅1022的与第一中继光栅1021最为邻近的栅线。
中继区域也可以由第一中继光栅1021和第二中继光栅1022相距最远的栅线界定，不仅包括第一中继光栅1021和第二中继光栅1022之间的区域，还包括第一中继光栅1021和第二中继光栅1022。其中，第一边可以为第一中继光栅1021的与第二中继光栅1022最为远离的栅线，第二边可以是第二中继光栅1022的与第一中继光栅1021最为远离的栅线。
可以理解，本申请实施例中，第一中继光栅1021和第二中继光栅1022平行设置平行设置允许有一定的误差，例如，第一中继光栅1021和第二中继光栅1022的栅线或刻痕延伸方向可以具有一定的夹角，例如0-5度。
可以理解，虽然图17中所示的耦入光栅101、第一中继光栅1021、第二中继光栅1022、以及耦出光栅103均位于波导衬底104的同一表面上，但是，在其他实施例中，四者可以均位于波导衬底104的另一表面或者分布在不同表面上，例如，耦入光栅101和耦出光栅103位于光波导衬底104的同一表面，而第一中继光栅1021、第二中继光栅1022位于光波导衬底104的另一表面，在此不做限制。
此外，可以理解，虽然图17中所示的中继光栅只有两个，即第一中继光栅1021和第二中继光栅1022，但是，在其他实施例中，中继光栅102也可以包括三个或三个以上的衍射率不同的光栅区域。
图18(a)和(b)分别为本申请实施例光线在波导衬底中传播的不同角度的导向的示意图。
可以理解，由于光线是在波导衬底104中全反射传播，第一中继光栅1021、第二中继光栅1022、或者耦出光栅103位于波导衬底104的两个不同底面全反射传播方向的引导作用均是相同的，故耦入光栅101、第一中继光栅1021、第二中继光栅1022、以及耦出光栅103不论是位于波导衬底104的哪个底面，光线在波导衬底104中传播的导向示意图均可以由图18(a)和(b)表示。
如图18(a)和(b)所示，微型显示装置105发出的光线i1在入射到耦入光栅101后，被耦入光栅101的耦入波导衬底104，并在波导衬底104中朝向第二中继光栅1022的方向进行全反射传播，如图中箭头B1所示。经耦入光栅101耦入的光线i1在遇到第二中继光栅1022的后，如前所述，通过衍射光栅的分光特性，光线被分为两个部分，分别朝向不同的衍射角度全反射传播。具体地，其中一部分在波导衬底104中朝向第一中继光栅1021的方向进行全反射传播,如图中的箭头B2所示；另一部分朝向如图中的箭头B3所示方向被引导至耦出光栅103，并由耦出光栅103耦出波导衬底104，耦出的光线的行进方向如图中的箭头B5(z轴正半轴方向)所示，传递至第一中继光栅1021的光线被全反射，并沿箭头B4所示引导方向被重新引导至第二中继光栅1022,在后续过程中，重复上述过程。
具体地，图19(a)示出了光线在第一中继光栅1021和第二中继光栅1022处的衍射光路图。
如图19(a)所示，经耦入光栅101耦入后在波导衬底104中沿箭头B1所示方向全反射传播的光线i1入射到第二中继光栅1022的F1位置时，光线被分为两个部分，分别朝向不同的衍射角度传播，例如，一部分光线i2入射到波导衬底104的另一表面并沿箭头B2所示方向在波导衬底104的上下表面之间进行全反射传播，直到传播至第一中继光栅1021的G1位置；另一部分光线i3入射到波导衬底104的另一表面并沿箭头B3(如图18(a)-(b)所示)所示方向进行全反射传播直到被引导至耦出光栅；传播至第一中继光栅1021的G1位置的光线i2被全反射至波导衬底的另一表面，并沿箭头B4所示方向在波导衬底104的上下表面之间进行全反射传播，直到光线i2打到第二中继光栅1021的F2位置时，重复上述过程，例如，将光线i2分为两部分，其中一部分光线i4被引导至朝向第一中继光栅1021的G2位置进行全反射传播，另一部分光线i5被引导至朝向耦出光栅103的位置进行全反射传播。如此，光线i1以在第一中继光栅1021和第二中继光栅1022间进行往复传播的方式实现了在x轴正半轴方向上的出瞳扩展。
类似图8(c)，如图19(b)所示，上述沿B3方向向着耦出光栅103进行全反射传播的光线i3到达耦出光栅103的位置D1时，会有一部分光线i6通过光栅衍射释放出去，即朝向z轴正半轴方向被耦出波导衬底104，而剩下的一部分光线i7继续在波导衬底104中进行全反射传播。光线i7在后续传播的过程中，当入射到波导衬底104表面的耦出光栅103上的位置D2时，重复上述现象。如此，光线i1在y轴负半轴方向被扩展，即对于微型显示装置105发出的虚拟图像，在y轴负半轴方向上被出瞳扩展。
本申请实施例中，采用光线第一中继光栅1021和第二中继光栅1022间全反射传播的方式实现x方向的出瞳扩展；而不是在中继光栅102区域以直线传播的方式实现x方向的出瞳扩展，能够使得在增大图像边缘视场之间的夹角的时候，不用增大中继光栅102区域的面积也可实现x方向的出瞳扩展。
具体的，图20(a)和(b)分别示出了较小边缘视场夹角A1和较大边缘视场夹角A2的图像在衍射光波导100中传播的导向对比示意图。如图20(a)和(b)所示，在边缘视场夹角由小变大时，引起的变化如下：
边缘视场的光线被耦入光栅101耦入后，被引导至第二中继光栅1022的引导方向改变，即引导方向与x轴正半轴的夹角增大，因为光线在中继光栅102为全反射式往复传播，光线经第二中继光栅1022衍射至第一中继光栅1021的引导方向会相应改变。因此，在边缘视场夹角由小变大时，引起的变化只是光线经第二中继光栅1022衍射至第一中继光栅1021的引导方向会相应改变，光线打到第一中继光栅1021上的次数并不会显著减少，因此，出瞳次数不会显著减小，即并不会显著影响光线的出瞳尺寸的变化。
综上，本申请实施例提供的衍射光波导100在边缘视场夹角由小变大时，只会引起两个中继光栅对光线的引导方向的改变，而无需增大中继光栅的面积也能同样能实现x方向的同样尺寸的出瞳扩展。
可以理解，在本申请实施例中，为了使得耦入光栅101的耦入效率达到95％以上，即使得耦入光栅101以特定角度将尽可能多的光线耦入到第二中继光栅1022，可以通过设计耦入光栅101的参数，例如，折射率n、光栅形状、厚度及占空比等，将所需的耦入光栅101的衍射效率优化到最高，从而使大部分光在衍射后主要沿这一方向传播。此外，为了降低单次耦出效率，使得光线在耦出光栅103中即实现某一特定方向的扩展又耦出到人眼，耦出光栅103的耦出效率可以为1％-10％，以便降低单次耦出效率，实现出瞳扩展。
此外，在本申请实施例中，为了使得耦出光栅103耦出的光线的k空间区域与微型显示装置105发射出的入射光的k空间区域完全重合，从而有效防止图像畸变的产生，需要对各光栅的参数进行设置。例如，设置耦出光栅103的周期及光栅矢量方向与耦入光栅101的周期及光栅矢量方向相一致；且设置第一中继光栅1021的周期及光栅矢量方向与第二中继光栅1022的周期及光栅矢量方向相一致。其中，本申请实施例中提及的光栅矢量方向为与光栅的刻痕方向垂直的方向。
例如，如图17所示，耦入光栅101的刻痕方向与x轴正半轴正方向所成角度与耦出光栅103的刻痕方向与X轴正半轴正方向所成角度可以均为45°。第一中继光栅1021的刻痕方向和第二中继光栅1022的刻痕方向可以均为与x轴平行。
在一些实施例中，耦入光栅101刻痕方向与x轴正半轴正方向所成角度需要满足的条件为能够使得光线射至耦入光栅101能够被耦入光栅101引导至朝向第二中继光栅1022的方向进行传播，例如，可以为-70°至10°之间。
本申请实施例中，为了保证光线可以被控制在由中继光栅所限定的中继区域内全反射式传播，第一中继光栅1021和第二中继光栅1022可以被设置有不同的衍射效率分布。
具体地，第一中继光栅1021的衍射效率要求如下：第一中继光栅1021的衍射效率分布可以为均匀分布，以使得入射到第一中继光栅1021上的光能够被全反射至第二中继光栅1022。例如，在一些实施例中，可以控制入射到第一中继光栅1021上的光在发生衍射时，出射出第一中继光栅1021衍射光线的衍射效率较小，例如，衍射效率设置为小于0.1％；而反射回第二中继光栅1022的衍射光线具有较高的衍射效率，例如，可以设置为大于99.5％，从而有效保证没有能量溢出中继光栅。
具体地，第二中继光栅1022的衍射效率要求如下：第二中继光栅1022可以具有不均匀的衍射效率，以使得有部分光线由第二中继光栅1022耦出进而进入耦出光栅103。例如，第二中继光栅1022中靠近耦出光栅103的一侧的部分衍射效率较低，靠近第一中继光栅1021的一侧的部分的衍射效率较高，从而能够有效保证有部分光线由第一中继光栅1021耦出进入耦出光栅103。例如，在一些实施例中，可以控制入射到第二中继光栅1022上的光发生衍射时，出射到耦出光栅103的衍射光线的衍射效率可以为0.5-20％，反射回第一中继光栅1021的衍射光的衍射效率大于80％，从而能够有效保证较少部分光线由第二中继光栅1021耦出进入耦出光栅103，而较多的光线继续反射回第一中继光栅1021，实现在x方向上的出瞳扩展。
在一些实施例中，第一中继光栅1021和第二中继光栅1022可以均采用表面浮雕光栅，且其衍射效率可以通过表面浮雕光栅的光栅高度进行调制。例如，通过将第一中继光栅1021的光栅高度设置为均等分布，使得第一中继光栅1021的衍射效率均匀分布，如图3(a)所示。
再例如，通过将第二中继光栅1022的光栅高度设置为不均等分布，使得第二中继光栅1022具有不均匀的衍射效率。例如，如图21所示，靠近耦出光栅103的一侧设置光栅高度较低，从而使得靠近耦出光栅103的一侧衍射效率较低；而设置靠近第一中继光栅1021的一侧光栅高度较高，从而保证靠近第一中继光栅1021的一侧衍射效率较高。可实施的，衍射效率也可以通过其他光栅参数进行调制，例如。可以调整光栅的占空比分布来调整光栅的衍射效率分布。
可以理解，本申请实施例中，表面浮雕光栅可以为采用表面浮雕工艺在光波导表面形成光栅。通过设计表面浮雕光栅的相关参数，例如高度，可以对表面浮雕光栅的衍射效率进行调整。
在另外一些实施例中，第一中继光栅1021和第二中继光栅1022可以均采用体全息光栅，其中，体全息光栅为通过双光束全息曝光的方式，直接在微米级厚度的体全息材料内部干涉形成明暗分布的干涉条纹形成；体全息光栅衍射效率可以通过体全息光栅的折射率调制度进行调控，光栅区域的折射率调制度越低，对应的光栅区域的衍射效率越低即光栅区域的折射率调制度与对应的光栅区域的衍射效率成正比。
因此，若要使得第一中继光栅1021的衍射效率分布均匀分布，则可以设置第一中继光栅1021的折射率调制度均等分布。若要使得第二中继光栅1022具有不均匀的衍射效率，则可以设置第二中继光栅1022的折射率调制度不均等分布，具体的，可以为由远离耦出光栅103的区域向靠近耦出光栅103的区域折射率调制度逐渐降低。
其中，体全息光栅的折射率调制度可以通过紫外曝光的时间进行调整，例如，紫外曝光的时间越长，折射率调制度越高。
此外，在其他实施例中，第一中继光栅1021和第二中继光栅1022中的其中一个光栅区域可以采用表面浮雕光栅，另一个光栅区域可以采用体全息光栅，例如，第一中继光栅1021可以采用表面浮雕光栅，第二中继光栅1022可以采用体全息光栅。而具体衍射效率的调节可以参考前文所述的方法。
此外，可以理解，本申请实施例中，耦入光栅101的设置位置比较灵活。例如，可以如图17所示，将耦入光栅101设置在第一中继光栅1021和第二中继光栅1022之间的中继区域中，也可以如图22所示，设于第一中继光栅1021和第二中继光栅1022的延长区域之间，再或者，也可以如图23所示，将耦入光栅101设于第一中继光栅1021或第二中继光栅1022的任一侧。需要说明的是，本申请实施例中耦入光栅103的位置需要满足能够使得入射到耦入光栅103的光线能够被引导至第二中继光栅1023。
图24示出了一种采用图17所示的衍射光波导100作为镜片的AR眼镜200的结构示意图。如图24所示，AR眼镜200的左镜片201和右镜片201可以均采用图17所示的衍射光波导100。其中，图17中AR眼镜200的其他部分结构与图9中类似，在此不再赘述。
本申请实施例二中，衍射光波导100可以不仅限于包括上述两个中继光栅的实施方案，还可以包括三个及以上的中继光栅的实施方案。
可实施的，若衍射光波导100可以包括三个或三个以上的中继光栅，则每个中继光栅的周期和光栅矢量均相同；光线经耦入光栅的衍射可以传播至除第二中继光栅1022上。
在一些实施例中，包括多个中继光栅的实施方案中，距离耦出光栅距离最远的中继光栅的衍射效率要求与与上述包括两个光栅区域的实施方案中第一中继光栅1021的衍射效率要求相同，以使入射到该中继光栅上的光线能够全部被全反射至其他中继光栅。其余中继光栅的衍射效率要求与上述包括两个中继光栅的实施方案中第二中继光栅1022的衍射效率分布要求相同，以使入射到其余中继光栅上的光线能够部分被引导至第一中继光栅1021，另一部分被引导至耦出光栅103。
例如，如图25所示，衍射光波导100的结构与图17中所示大致相同，其区别主要在于：第一中继光栅1021和第二中继光栅1022之间可以设有第三中继光栅1023。其中，第一中继光栅1021、第二中继光栅1022和第三中继光栅1023的周期和光栅矢量均相同；耦入光栅可以设于所述第三中继光栅1023上部、
可以理解，耦入光栅101与也可以设于其他能够使得光线被耦入光栅101引导至朝向第二中继光栅1022的方向进行传播的位置，例如，耦入光栅101也可以设于第二中继光栅1022和第三中继光栅1023之间。
其中，第一中继光栅1021的衍射效率均匀分布，能够有效保证没有能量溢出中继区域。
第二中继光栅1022可以具有不均匀的光栅效率，例如，靠近耦出光栅103的一侧衍射效率较低，靠近第三中继光栅1023的一侧衍射效率较高，从而有效保证有部分光线由第二中继光栅1022耦入第三光栅区域1023，并保证有部分光线能够从第二光栅区域1022耦出进入耦出光栅103。
第三中继光栅1023可以具有不均匀的光栅效率，例如，靠近第二中继光栅1022的一侧衍射效率较低，靠近第一中继光栅1021的一侧衍射效率较高，从而有效保证有部分光线由第三中继光栅1023耦入第二光栅区域1022，并保证有部分光线能够从第三光栅区域1023耦入第一中继光栅1021。
本申请实施例中，第一中继光栅1021和第二中继光栅1022之间均可以为表面浮雕光栅、体全息光栅等。
图26示出了光线在三个中继光栅的衍射光波导100中的导向示意图。
如图26所示，耦入光栅101将微型显示装置105投射的光线i1耦入波导衬底104中，并将光线i1引导至朝向第二中继光栅1022，如图中箭头B1所示；当光线沿箭头B2所示方向入射到第二中继光栅1022时，光线被分为两个部分，分别朝向不同的衍射角度传播。具体地，一部分光线在波导衬底104内部进行全反射传播，全反射传播的方向沿箭头B2所示方向入射到第三中继光栅1023，另一部分也在波导衬底104内部进行全反射传播，但全反射传播的方向沿箭头B3所示方向入射到耦出光栅103。
沿箭头B2所示方向入射到第三中继光栅1023的光线被分为两部分，分别朝向不同的衍射角度传播。具体地，一部分光线在波导衬底104内部进行全反射传播，全反射传播的方向沿箭头B4所示方向入射到第一中继光栅1021，另一部分也在波导衬底104内部进行全反射传播，全反射传播的方向沿箭头B5所示方向入射到第二中继光栅1022。
沿箭头B4所示方向入射到第一中继光栅1021的光线沿箭头B6所示方向入射到第三中继光栅1023，入射到第三中继光栅1023的光线重复上述过程。
其光线在衍射光波导100中的具体光路示意图如图19中类似，均为按照引导方向在波导衬底104的上下表面间全反射传播，在此不再赘述。
本申请实施例中，中继光栅102也可以由在中继区域产生的间断分布的折射率调制区域形成。例如，通过紫外光照射波导衬底104在中继区域产生间断分布的不同折射率调制度的区域。具体的，可以通过调整紫外光曝光的时间调整各个区域的折射率调制度，以使得中继光栅102的各区域的折射率调制度不同。
在一些实施例中，以中继区域包括三个光栅区域为例，图27示出了衍射光波导在y负半轴方向上设置的三个折射率调制度不同的中继光栅，第一中继光栅1021和第二中继光栅1022和第三中继光栅1023。其中，第一中继光栅1021、第二中继光栅1022和第三中继光栅1023的周期和光栅矢量均相同；耦入光栅设于中继区域的表面，例如可以位于所述第三中继光栅1023位置的表面。
其中，图27中第一中继光栅1021、第二光中继光栅1022、第三中继光栅1023的衍射效率分布及光线的引导方向等均与图26中相同。
本申请实施例三中，与前面所描述的结构不同，衍射光波导100也可以如图28所示，包括两层波导层。例如，可以把下层的波导层定义为波导衬底104，上层的波导层定义为波导顶层106，即衍射光波导100可以包括波导衬底104和波导顶层107。其中，波导衬底104和波导顶层107之间可以夹设有光栅层，光栅层可以形成有包括上述实施方案中提及的任何耦入光栅101、多个中继光栅(如第一中继光栅1021和第二中继光栅1022)及耦出光栅103的排布方式，其中，光栅层可以为通过在波导衬底104和波导顶层107之间设置全息材料层108，通过全息曝光技术在全息材料层108产生上述实施方案中提及的任何耦入光栅101、多个中继光栅(如第一中继光栅1021和第二中继光栅1022)及耦出光栅103的排布方式。
可以理解，光栅层的上述实施方案中提及的任何耦入光栅101、多个中继光栅(如第一中继光栅1021和第二中继光栅1022)及耦出光栅103也可以为表面浮雕光栅等其他方式形成的光栅。对应的光线传播的方式与上述实施方案中相同，此处不再赘述。
本申请实施例中，两层波导层夹着全息材料层可以保证全息材料层的厚度均匀，增加光线传播的稳定性。在一些实施例中，也可以直接将全息材料涂在波导层的其中一表面，例如，可以波导衬底104的上表面或波导顶层107的下表面上，通过全息曝光技术在全息材料上产生上述实施方案中提及的任何耦入光栅101、多个中继光栅(如第一中继光栅1021和第二中继光栅1022)及耦出光栅103的排布方式。
在另一些实施例中，衍射光波导也可以包括多个波导衬底104和位于每个波导衬底104上的光栅层，多个波导衬底104在z轴方向层叠连接。该方案可以采用每个波导衬底104只传播一种或多种波长不同的单色光，该方案能够减少***颜色的串扰，从而可以改善最终在出瞳位置的颜色均匀性。例如，微型显示装置105投射出的是红光、蓝光和绿光三种单色光，可以在上述波导衬底104和波导顶层107之间设置光栅层方案的基础上，在波导顶层107的上表面或波导底层104的下表面也增加光栅层，通过波导顶层107传播绿光，通过波导衬底104传播红光和蓝光。再例如，可以将三个上述实施方案中提及的衍射光波导100在z轴方向层叠连接，每一个衍射光波导100传播其中一种单色光，最终共同耦入人眼。
可以理解，在本申请的各实施例中，通过在光波导衬底的表面上设置各类光栅来实现光线的引导作用，而在其他实施例中，也可以采用具有光栅衍射功能的其他光学元件来实现上述技术方案。此外，这些光学元件，也可以不设置在光波导衬底的表面上，而是设置在光波导衬底内部来实现光线的引导作用，例如，通过使得光波导衬底中某一区域内的微观结构发生变化，使得该区域的微观分子结构能够实现耦入光栅101、第一中继光栅1021、第二中继光栅1022、或者耦出光栅103的功能。
本申请上述实施例上述提供的中继光栅102可以包括多个折射率不同的中继光栅的技术方案，能够使得光线在多个中继光栅内通过往复传播实现光线的出瞳扩展，而无需随着视场角的增大而增大中继光栅的面积，使得衍射光波导100能够应用于大视场角的各种设备中。
下面根据本申请一些实施例，介绍上述衍射光波导100上各光栅的尺寸的设定方法。
(1)耦入光栅101的尺寸确定
本申请实施例中，耦入光栅101的尺寸可以是如27中所示为方形，可实施的，也可以根据实际需求设置为其他形状,例如为圆形等。
耦入光栅101的尺寸要大于等于所用微型显示装置105的出瞳尺寸。例如若出瞳尺寸为直径4mm，耦入光栅101的形状为圆形，则耦入光栅101的的尺寸至少为直径4mm；若耦入光栅101的形状为方形，则耦入光栅101的尺寸至少为4*4mm。可实施的，耦入光栅101的尺寸可以根据AR眼镜的尺寸等进行调整，例如，根据一般AR眼镜的尺寸，耦入光栅101的尺寸可以设置为0.5*0.5mm至10*10mm之间。
(2)第一中继光栅和第二中继光栅的尺寸确定
第一中继光栅1021及第二中继光栅1022之间的间隔大于等于耦入光栅101在y方向上的尺寸值。可实施的，第一中继光栅1021及第二中继光栅1022在y方向上的宽度尺寸也可以根据AR眼镜的尺寸等进行调整，例如，根据一般AR眼镜的尺寸，第一中继光栅1021及第二中继光栅1022在y方向上的宽度尺寸可以为0.1-10mm之间。
(3)耦出光栅的尺寸确定
耦出光栅101的尺寸要大于等于光线在波导衬底104中的最终出瞳尺寸。例如，最终出瞳尺寸为4*4mm，则耦出光栅101的尺寸可以为5*5mm等，以满足光线的出瞳需求。
本申请实施例中，耦入光栅101的周期也需要满足设定条件，如下所述：
假设增强现实显示器的FOV对应的水平视场和竖直视场分别为FOVhor及FOVver，在该视场范围内，某一视场的光线可以用(θhor,θver)来表示，并且有θhor∈FOVhor及θver∈FOVver；
对于耦入光栅101，m级次所对应的衍射光的极角θm需要满足设定条件才能使耦入进波导衬底104的光线能够在波导衬底104中进行全反射传播，其设定条件为：
Figure BDA0003129832790000231
为了使得通过耦入光栅101的光线能够满足设定角度的衍射，例如m级次的衍射，如前文表达式(1)所示，耦入光栅101的周期d需要满足的设定条件为：
Figure BDA0003129832790000241
其中，m为衍射级次，n为波导衬底104的折射率，θm及
Figure BDA0003129832790000242
为m级次所对应的衍射光的极角及方位角，λ为入射光波长，θ及
Figure BDA0003129832790000243
分别为入射光的极角及方位角，θGin为衍射光栅的刻痕的角度。
其中，θ及
Figure BDA0003129832790000244
的计算过程如下：
Figure BDA0003129832790000245
Figure BDA0003129832790000246
例如，若某一视场的光线为(45°，45°)，即入射光的极角θ及及方位角
Figure BDA0003129832790000248
均为45°，且入射光的波长为650nm,衍射级次m为1，衍射光栅的刻痕的角度为45度°，且选择的波导衬底结构104的折射率为2，m级次所对应的衍射光的极角和方位角均为45度，则计算得出耦入光栅101的周期d为248nm。
在一些实施例中，根据对通过耦入光栅101的光线所需的衍射角度需求，可以调整耦入光栅的周期，例如，耦入光栅的周期范围可以为200nm-500nm。
下面以k空间中光线在图17所示的衍射光波导100的传播为例说明保证耦出光栅103的光栅矢量与耦入光栅101相同，并且第一中继光栅1021与第二中继光栅1022的光栅矢量相同，能够使得耦出光线的k空间区域与入射光完全重合，有效防止图像畸变的产生的具体原因。如下所述：
假设入射光对应的k空间矢量为：
Figure BDA0003129832790000247
则耦入光栅101对入射光的衍射可以表示为
Figure BDA0003129832790000251
即
Figure BDA0003129832790000252
其中，
Figure BDA0003129832790000253
为衍射光k矢量，
Figure BDA0003129832790000254
为入射光k矢量，
Figure BDA0003129832790000255
为光栅k矢量，并且
Figure BDA0003129832790000256
Figure BDA0003129832790000257
Figure BDA0003129832790000258
对于图17所示的衍射光波导100，其k空间路径如图29所示，中心区域方块表示入射光的视场所对应的k空间区域。例如，经过耦入光栅101之后，在第一中继光栅1021及第二中继光栅1022的多次反射作用下，在衍射光100内往复传播的k空间区域为图14中左下角方块表示的区域和左上角方块表示的区域，在第一中继光栅1021及第二中继光栅1022的多次反射作用后，k空间区域重新回到图29中左下角方块表示的区域，然后入射到耦出光栅103时，耦出光栅103可以将光线耦出波导，其中，耦出光线的k空间区域与入射光的k空间区域完全重合，能够有效防止图像畸变的产生。
例如，设耦入光栅101的K矢量为
Figure BDA0003129832790000261
设耦出光栅103的K矢量为
Figure BDA0003129832790000262
设第一中继光栅1021和第二中继光栅1022的K矢量分别为
Figure BDA0003129832790000263
Figure BDA0003129832790000264
因为耦入光栅101与耦出光栅103的K矢量相同，且第一中继光栅1021和第二中继光栅1022的K矢量相同，所以
Figure BDA0003129832790000265
通过上式可以表明进入波导的光线，经过波导结构中耦入光栅101、第一中继光栅1021、第二中继光栅1022及耦出光栅103的多次作用，再次射出波导结构时，光线的方向不会发生变化，从而保证了图像不会存在畸变。
并且因为耦入光栅101与耦出光栅103的K矢量相同，且第一中继光栅1021和第二中继光栅1022的K矢量相同，即
Figure BDA0003129832790000266
Figure BDA0003129832790000271
因此：
Figure BDA0003129832790000272
其中N表示光线在第一中继光栅1021和第二中继光栅1022之间进行多次往复传播的次数，从上式可以看出，因为
Figure BDA0003129832790000273
所以不论N的值为多少，
Figure BDA0003129832790000274
均等于0，所以光线在第一中继光栅1021和第二光栅那区域间多次往复传播也不会引入额外的相位差，能保证光线在进入第一中继光栅1021时的方向和从第一光栅衍射出的传播方向一致。
综上，本申请实施例提供的耦出光栅103与耦入光栅101的周期和光栅矢量方向一致，中继光栅102的第一中继光栅1021和第二中继光栅1022的周期和光栅矢量方向也一致的技术方案，能够使得进入波导结构的光线，经过波导结构中耦入光栅101、第一中继光栅1021、第二中继光栅1022及耦出光栅103的多次作用，再次射出波导结构时，光线的方向不会发生变化，从而保证了图像不会存在畸变。
需要说明的是，本申请实施例提供的衍射光波导100除了应用于上述AR眼镜200中，也可以应用于其他领域，例如可以应用于车载平视显示器(Head Up Display，HUD)中，通过本申请实施例提供的衍射光波导100将重要的行车数据或图像投射到前挡玻璃上，方便驾驶员查看，提升驾驶安全。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (30)

1.一种光学设备，其特征在于，包括至少一个波导衬底，以及设置于所述波导衬底上的耦入单元、第一中继单元、第二中继单元、以及耦出单元；
所述耦入单元被配置为将光线耦入所述波导衬底中；
所述第一中继单元和第二中继单元限定出中继区域，所述中继区域在第一方向延伸，所述第一中继单元和第二中继单元在第二方向排列，所述中继区域在所述第二方向上具有相对的第一边和第二边，所述第一边的延伸方向与所述第二边的延伸方向之间夹角小于第一角度；
所述耦出单元被配置为将所述波导衬底中的光线耦出所述波导衬底，所述耦出单元与所述中继区域在所述第二方向排列。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述第一角度在0°～5°。
3.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述第一边和所述第二边在延伸方向平行。
4.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述第二中继单元被配置为使得所述波导衬底中进行全反射传播的光线在入射到所述第二中继单元后至少部分出射光线朝着所述第一中继单元进行全反射传播，至少部分出射光线朝着所述耦出单元进行全反射传播；
所述第一中继单元被配置为使得所述波导衬底中全反射传播的光线在入射到所述第一中继单元后出射光线朝着所述第二中继单元进行全反射传播。
5.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述第一中继单元和第二中继单元为光栅；并且
所述中继区域的第一边为所述第一中继单元最靠近所述第二中继单元的栅线，第二边为所述第二中继单元最靠近所述第一中继单元的栅线；
或者，
所述中继区域的第一边为所述第一中继单元最远离所述第二中继单元的栅线，第二边为所述第二中继单元最远离所述第一中继单元的栅线。
6.根据权利要求5所述的光学设备，其特征在于，所述第一中继单元和第二中继单元均包括多条光栅栅线，并且所述第一中继单元和第二中继单元的光栅栅线相互呈所述第一角度。
7.根据权利要求6所述的光学设备，其特征在于，所述第一中继单元和第二中继单元均包括多条光栅栅线，并且所述第一中继单元和第二中继单元的光栅栅线相互平行。
8.根据权利要求5所述的光学设备，其特征在于，所述第一中继单元和第二中继单元为相互平行的条形光栅。
9.根据权利要求5所述的光学设备，其特征在于，所述第一中继单元与所述第二中继单元的光栅周期相同。
10.根据权利要求5所述的光学设备，其特征在于，所述第一中继单元的衍射效率均等分布，所述第二中继单元的衍射效率由远离所述耦出单元的一侧至靠近所述耦出单元的一侧逐渐降低。
11.根据权利要求10所述的光学设备，其特征在于，所述第一中继单元为表面浮雕光栅，并且所述第一中继单元的光栅高度均等分布。
12.根据权利要求10所述的光学设备，其特征在于，所述第二中继单元为表面浮雕光栅，并且所述第二中继单元的光栅高度由远离所述耦出单元的一侧至靠近所述耦出单元的一侧逐渐降低。
13.根据权利要求10所述的光学设备，其特征在于，所述第一中继单元为体全息光栅，并且所述第一中继单元的折射率调制度均等分布。
14.根据权利要求10所述的光学设备，其特征在于，所述第二中继单元为体全息光栅，并且所述第二中继单元的光栅折射率调制度由远离所述耦出单元的一侧至靠近所述耦出单元的一侧逐渐降低。
15.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，还包括设置于所述波导衬底上的至少一个第三中继单元，所述第三中继单元设位于所述第一中继单元与所述第二中继单元之间，并且
所述第三中继单元将所述中继区域划分为多个中继子区域，并且所述中继子区域的两条长边在延伸方向的夹角小于所述第一角度。
16.根据权利要求15所述的光学设备，其特征在于，
所述第三中继单元被配置为：使得所述波导衬底中进行全反射传播的光线入射到所述第三中继单元后，至少部分出射光线朝着所述第一中继单元进行全反射传播，至少部分出射光线朝着所述第二中继单元进行全反射传播。
17.根据权利要求15所述的光学设备，其特征在于，所述第一中继单元、第二中继单元、以及所述第三中继单元为光栅。
18.根据权利要求17所述的光学设备，其特征在于，所述第一中继单元、第二中继单元、以及所述第三中继单元均包括多条相互平行的栅线。
19.根据权利要求15所述的光学设备，其特征在于，所述第三中继单元为条形光栅。
20.根据权利要求17所述的光学设备，其特征在于，所述第三中继单元的衍射效率由靠近所述第一中继单元的一侧至靠近所述第二中继单元的一侧逐渐降低。
21.根据权利要求20所述的光学设备，其特征在于，所述第三中继单元为表面浮雕光栅，并且所述第三中继单元的光栅高度由靠近所述第一中继单元的一侧至靠近所述第二中继单元的一侧逐渐降低。
22.根据权利要求20所述的光学设备，其特征在于，所述第三中继单元为体全息光栅，并且所述第三中继单元的光栅折射率调制度由靠近所述第一中继单元的一侧至靠近所述第二中继单元的一侧逐渐降低。
23.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述耦入单元位于所述中继区域中。
24.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述耦入单元和耦出单元为光栅，并且所述耦入单元与所述耦出单元的周期和光栅矢量方向均相同。
25.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述耦入单元为表面浮雕光栅或者体全息光栅；并且
所述耦出单元为表面浮雕光栅或者体全息光栅。
26.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述耦入单元、第一中继单元、第二中继单元、以及耦出单元位于所述波导衬底的至少一个底面上。
27.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，还包括全息材料层，并且所述波导衬底的数量为两个，所述全息材料层夹于两个所述波导衬底之间；
所述耦入单元、第一中继单元、第二中继单元、以及耦出单元位于所述全息材料层的至少一个底面上。
28.一种电子设备，其特征在于，包括微型显示装置和权利要求1至27中任一项所述的光学设备，并且所述微型显示装置用于向所述光学设备的耦入单元投射光线。
29.根据权利要求28所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为增强现实眼镜。
30.根据权利要求28所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为车载平视显示器。
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