CN117310984A

CN117310984A - 一种衍射光波导及其制备方法、增强现实设备

Info

Publication number: CN117310984A
Application number: CN202210729567.7A
Authority: CN
Inventors: 黄河; 张雅琴
Original assignee: Shanghai Kunyou Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Kunyou Technology Co ltd
Priority date: 2022-06-24
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2023-12-29
Also published as: WO2023246581A1

Abstract

本发明公开了一种衍射光波导及其制备方法、增强现实设备，衍射光波导包括波导基底以及位于波导基底表面的第一光栅区域和第二光栅区域，通过对第一光栅区域内的光栅结构进行设计，使得图像光束在耦入后便能得到多个方向的光束，形成沿多条路径传播的传播光束；和/或，在图像光束在耦入光波导后，通过衍射形成沿多条路径传播的传播光束；这样不同路径可分别携带不同视场角的图像信息，且均汇聚到第二光栅区域进行输出，可以增大衍射光波导的视场角，而且还能提高各路径的传输光束的均匀性分布，有效提高衍射光波导的视觉成像效果。

Description

一种衍射光波导及其制备方法、增强现实设备

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制备方法、增强现实设备。

背景技术

增强现实作为一种将虚拟世界信息与真实世界信息“无缝”集成的技术，是将通过微型投影***提供的虚拟内容与真实环境叠加到同一个画面或空间以同时存在，使用户获得虚拟与现实融合的体验。

图1是现有的一种常见衍射光波导的光栅布局方式，图像源出射的图像光束S经过耦入光栅11耦入光波导基底12后，经扩瞳扩展光栅13在一个维度上扩展并转向耦出光栅14，由耦出光栅14在另一个维度再次扩展并耦出进入人眼。

但是，这种光栅布局方式形成单一的光传输通道，使得耦出光束的角度受限于一个传播方向的波导玻璃片的全内反射要求，无法获得较大的视场角度。

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制备方法、增强现实设备，通过对第一光栅区域内的光栅结构进行设计，使得图像光束在耦入后便能得到多个方向的光束，在波导基底内形成多条传播路径；或者，在图像光束在耦入光波导后，通过衍射形成沿多条路径传播的传播光束，不同路径可分别携带不同视场角的图像信息，最终均汇聚到第二光栅区域进行输出，可增大衍射光波导的视场角，而且还能提高各路径的传输光束的均匀性分布，有效提高衍射光波导的视觉成像效果。同时，各传播路径的光束能量可以充分使用输入图像光能量，进一步提高波导眼镜片的总体光效率。

第一方面，本发明实施例提供了一种衍射光波导，包括波导基底以及位于所述波导基底表面的第一光栅区域和第二光栅区域；

所述第一光栅区域内的光栅结构，用于将图像源出射的图像光束耦入所述波导基底形成沿不同方向传播的传播光束；和/或，用于衍射耦入所述波导基底的图像光束形成沿不同方向传播的传播光束；

所述第二光栅区域用于衍射所述传播光束形成输出光束；

其中，所述图像光束自从所述第一光栅区域耦入所述波导基底至从所述第二光栅区域耦出所述波导基底所经过衍射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制备方法，包括：

提供波导基底；

在所述波导基底的第一光栅区域形成第一光栅结构，以及在第二光栅区域形成第二光栅结构；

其中，所述第一光栅结构，用于将图像源出射的图像光束耦入所述波导基底形成沿不同方向传播的传播光束；和/或，用于衍射耦入所述波导基底的图像光束形成沿不同方向传播的传播光束；所述第二光栅结构用于衍射所述传播光束形成输出光束；所述图像光束自从所述第一光栅区域耦入所述波导基底至从所述第二光栅区域耦出所述波导基底所经过衍射光栅的光栅矢量之和为零。

进一步地，可选地，第一光栅区域还用于将图像源出射的多波段的图像光束耦入波导基底形成传输光束。

可选地，第一光栅区域和/或第二光栅区域内的光栅结构包括填充光栅结构，填充光栅结构包括至少一层填充光栅层；填充光栅层包括光栅基底和填充层，填充层用于填充光栅基底之间的间隙并在填充光栅结构远离波导基底的一侧形成平整光滑的表面；光栅基底和填充层的折射率不同。

首先，相较于常规的表面浮雕光栅和体光栅，本发明所提供的填充光栅结构是通过在光栅基底上覆盖填充层形成的，光栅基底是与填充层为界面，而填充层的折射率是可调节的参数，可以通过降低光栅基底与填充层之间的折射率差值，增大光栅基底的深度，以增加光线与填充光栅结构之间的相互作用次数，从而大幅提高填充光栅结构的衍射效率。此时本发明所提供的填充光栅结构产生高衍射效率的方式与体光栅相近，衍射效率远超常规的表面浮雕型光栅。而且，本发明所提供的填充光栅结构又能类似常规的表面浮雕型光栅通过对倾角、深度、形状、占空比等光栅相关参数进行优化，以较大的折射率差值来产生不同于体光栅的窄带FOV，规避了体光栅调制不灵活，衍射角度范围较小的问题。另外，本发明所提供的填充光栅结构不直接与空气接触，相较于常规的表面浮雕型光栅无需额外增加保护片保护光栅结构不被污染与破坏，进一步缩小体积。可见，本发明提供的填充光栅结构兼具高衍射效率和较宽的角度响应带宽的优势。

其次，特别突出地，由于填充层形成平整光滑的表面，可在其上继续叠加填充光栅层，形成多层结构，极大提高了设计自由度，而其中不同的倾斜角度或形状，可以提升某个颜色光束的特定视场角的效率，以满足衍射光波导的各光栅功能区域(比如，耦入区域、扩展区域、耦出区域等)的设计功能，而这是目前常规的单层(空气隙类型)表面浮雕光栅所不能实现的功能。

再次，对于单层光栅层(表面浮雕光栅或填充光栅结构)，在衍射时，0级衍射是透射光束，没有被衍射的光束能量直接通过透射而被浪费。目前的表面浮雕光栅类型，大都采用倾斜光栅来提高一侧的衍射效率，但是该光束是单个方向传播的。而为了输出图像全幅面各个角度光束的均匀性，更好的效果是光束能够从多个角度传播至耦出光栅，以获得更高的效率以及更均匀的图像输出。这样，多层填充光栅的叠合就可以充分发挥优势：位置在下的填充光栅层能再次利用上层透过的0级衍射光束(即原来被浪费的能量)，而且不同层的填充光栅层还可以采用不同的光栅方向，灵活设计为将光束沿不同方向传输至后续光栅区域。此外，多层填充光栅层叠加还可用于色彩的均衡，通过多层填充光栅层协同将三色波长均耦入波导基底，不仅提高能量使用效率，而且能够提高图像满幅面的亮度均匀性(引导光束去照亮暗角区域)，大幅度提高设计灵活性和图像质量。

需要说明的是，本发明所提及的均匀性包括在动眼眶内的各个可观看角度下观看输出图像均能看到全幅图像且亮度均匀；以及在彩色光束投射的场景下，在动眼眶内的各个可观看角度下观看输出图像时，对于每个颜色图像能看到全幅图像且亮度均匀。

可选地，第一光栅区域包括耦入光栅区域和扩展光栅区域，耦入光栅区域的光栅结构为填充光栅结构，填充光栅结构包括至少两层堆叠的耦入填充光栅层；各耦入填充光栅层用于将图像源发出的图像光束耦入波导基底并形成沿不同方向传播的传输光束；扩展光栅区域的光栅结构用于衍射传输光束，使得传输光束部分偏转向第二光栅区域传播。

可选地，耦入光栅区域的光栅结构的填充光栅结构包括三层堆叠的耦入填充光栅层；三层耦入填充光栅层用于将图像源发出的图像光束耦入波导基底并形成分别沿第一方向、第二方向和第三方向传播的传输光束；第三方向为从第一光栅区域指向第二光栅区域的方向，沿第三方向的传播光束直接传输至第二光栅区域，第一方向和第二方向分别与第三方向的夹角均为锐角，第一方向、第二方向和第三方向位于同一平面内；扩展光栅区域包括第一扩展光栅区域和第二扩展光栅区域，第一扩展光栅区域用于衍射沿第一方向传播的传输光束，使得沿第一方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域传播；第二扩展光栅区域用于衍射沿第二方向传播的传输光束，使得沿第二方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域传播。

可选地，第一扩展光栅区域包括第一甲扩展光栅区域和第一乙扩展光栅区域；第二扩展光栅区域包括第二甲扩展光栅区域和第二乙扩展光栅区域；第一甲扩展光栅区域用于衍射沿第一方向传播的传输光束，使得沿第一方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域传播；第一乙扩展光栅区域用于衍射继续沿第一方向传播的传输光束，使得继续沿第一方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域传播；第二甲扩展光栅区域用于衍射沿第二方向传播的传输光束，使得沿第二方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域传播；第二乙扩展光栅区域用于衍射继续沿第二方向传播的传输光束，使得继续沿第二方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域二光栅区域传播。

可选地，第二光栅区域的光栅结构的填充光栅结构包括三层堆叠的耦出填充光栅层；三层耦出填充光栅层用于将从不同方向传输至第二光栅区域的传输光束耦出波导基底；各耦入填充光栅层均为一维光栅结构，且光栅矢量方向分别为第一方向、第二方向和第三方向，第一方向与第三方向的夹角为-60°，第二方向与第三方向的夹角为60°；第一甲扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向与第三方向的夹角为60°，第一乙扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向垂直于第三方向，第二甲扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向与第三方向的夹角为-60°，第二乙扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向垂直于第三方向；各耦出填充光栅层均为一维光栅结构，且光栅矢量方向分别为第一方向的反方向、第二方向的反方向和第三方向的反方向。

可选地，耦入光栅区域的光栅结构的填充光栅结构包括三层堆叠的耦入填充光栅层；三层耦入填充光栅层用于将图像源发出的第一波段、第二波段以及第三波段的图像光束分别耦入波导基底并形成传输光束；第一波段的中心波长为λ1，第二波段的中心波长为λ2，第三波段的中心波长为λ3，λ1>λ2>λ3；或者，三层耦入填充光栅层中的其中两层用于将图像源发出的第一，二波段和第二，三波段的图像光束分别耦入波导基底并形成传输光束，另外一层用于对上述两层中耦入不足或缺失的波段进行补偿。上述三层耦入填充光栅层分别对于λ1，λ2和λ3，在不同的角度下有不同的衍射效率，叠加各角度效率曲线后，获得较均匀的各角度观察的显示亮度。

前述可实施的方式中，将填充光栅结合应用到具体的衍射光波导的光栅布局中，在耦入阶段采用多层不同光栅方向的填充光栅层，将图像源出射的图像光束耦入波导基底后沿不同的方向传播，既提高了光能利用率，又通过将光束从多个方向传播至后续光栅提高图像全幅面亮度均匀性，而且能够加宽耦入波导基底的图像光束的波段，还能通过设计不同方向的传播光束携带不同的图像信息，通过视场角的拼接获取更大的视场角范围。

可选地，第一光栅区域包括耦入光栅区域和扩展光栅区域，扩展光栅区域包括至少两个子区域，各子区域内均包括至少一层扩展填充光栅层，不同子区域的扩展填充光栅层用于将耦入波导基底的不同视场角范围的图像光束部分偏转向第二光栅区域传播。

可选地，扩展光栅区域包括第一子区域和第二子区域，第一子区域与第二子区域分别位于波导基底的上表面和下表面且存在重叠区域，各子区域内均包括至少一层扩展填充光栅层，不同子区域的扩展填充光栅层用于将耦入波导基底的、不同视场角范围的图像光束，部分偏转向第二光栅区域传播。

可选地，扩展光栅区域包括第一子区域、第二子区域和第三子区域，第三子区域位于第一子区域和第二子区域之间；第一子区域和第二子区域内包括一层扩展填充光栅层，第三子区域内包括三层层叠的扩展填充光栅层；第一子区域和第二子区域的扩展填充光栅层，用于将耦入波导基底的、不同视场角范围的图像光束，沿不同方向部分偏转向第二光栅区域传播；第三子区域的扩展填充光栅层，用于将耦入波导基底的、不同视场角范围的图像光束向两侧扩展后再偏转向第二光栅区域传播。

可选地，耦入光栅区域包括一层耦入填充光栅层，耦入填充光栅层用于将图像源出射的图像光束耦入波导基底；第二光栅区域包括三层堆叠的耦出填充光栅层，三层耦出填充光栅层用于将从不同方向传输至第二光栅区域的传输光束耦出波导基底；耦入填充光栅层为一维光栅结构，且光栅矢量方向沿第三方向，第三方向为从第一光栅区域指向第二光栅区域的方向；第一子区域内的扩展填充光栅层为一维光栅结构，其光栅矢量方向与第三方向的夹角为120°，第二子区域内的扩展填充光栅层为一维光栅结构，其光栅矢量方向与第三方向的夹角为-120°，第三子区域内的各扩展填充光栅层均为一维光栅结构，其光栅矢量方向分别为第三方向的反方向、与第三方向的夹角为120°的方向以及与第三方向的夹角为-120°的方向；各耦出填充光栅层均为一维光栅结构，耦出填充光栅层的光栅矢量与第三子区域内的扩展填充光栅层的光栅矢量相同。

可选地，耦入光栅区域包括至少两层耦入填充光栅层，各耦入填充光栅层的光栅矢量方向相同，用于将图像源出射的多波段的图像光束耦入波导基底形成传播光束。

前述可实施的方式中，将填充光栅结合应用到具体的衍射光波导的光栅布局中，在扩展阶段采用多区域、单层或多层不同光栅方向的填充光栅层，将耦入波导基底的图像光束沿不同的方向扩展传输，既通过将光束从多个方向传播至后续光栅提高图像全幅面亮度均匀性，又能通过设计不同方向的传播光束携带不同的图像信息，通过视场角的拼接获取更大的视场角范围。而且，耦入区域采用填充光栅结构也能一定程度上加宽耦入波导基底的图像光束的波段。

可选地，第一光栅区域包括耦入光栅区域和扩展光栅区域，第二光栅区域包括耦出光栅区域，耦入光栅区域的填充光栅结构的参数为第一调制变量，用于增大图像源出射的图像光束耦入波导基底的耦入效率；扩展光栅区域和耦出光栅区域的填充光栅结构的参数为第二调制变量，用于调制光栅衍射效率，以提高观测者在动眼眶内各可观测角度下观测到的图像画面的均匀性。

可选地，第一调制变量包括耦入光栅区域的填充光栅结构的光栅基底的折射率、齿形、倾角、周期、占空比和深度，以及耦入光栅区域的填充光栅结构的填充层的折射率中的至少一种。

可选地，第二调制参数包括扩展光栅区域和耦出光栅区域的填充光栅结构的光栅基底的折射率、齿形、倾角、周期、占空比和深度，以及扩展光栅区域和耦出光栅区域的填充光栅结构的填充层的折射率中的至少一种；第二调制参数被调制使得同一功能区域内沿光束传播方向的衍射效率逐渐增大；其中，对填充层的折射率的调制包括对同一功能区域内的同一层填充层的分区调制。

前述可实施方式中，填充光栅结构在应用于不同的功能区域时在优化性能时调制灵活度更高。不仅能调制光栅基底还能调制填充层。在应用于耦入光栅区域时，能够通过调制增大图像光束耦入波导基底的耦入效率，以及加宽图像光束耦入波导基底的波段。在应用于扩展光栅区域和/或耦出光栅区域时，能够通过调制补偿光束传播衰减，提高扩瞳、耦出图像的均匀性。

可选地，光栅基底的齿形结构包括直齿结构、斜齿结构、梯形结构、三角结构、台阶结构中的至少一种。

可选地，光栅基底的结构包括一维凸起条状光栅结构、二维交叉凸起条状光栅结构、二维交叉条状的凹陷阴模光栅结构。

可选地，光栅基底与填充层的材料包括有机材料和透明无机材料。

可选地，光栅基底与填充层的折射率差值范围为Δn，0.01≤Δn≤1.4。

可选地，填充光栅结构的工作方式包括透射光栅模式和反射光栅模式。

第三方面，本发明实施例还提供了一种增强现实设备，包括：

设备主体；

光机，其中所述光机被设置于所述设备主体，所述光机中的图像源用于投射图像光束；以及第一方方面提供的衍射光波导。

可选地，所述增强现实设备实现为近眼显示设备，其中，所述设备主体被实施为眼镜架，其中所述眼镜架包括横梁部和镜腿部，并且所述镜腿部从所述横梁部的左右两侧中的至少一侧向后延伸，其中所述衍射光波导被对应地设置于所述横梁部。

可选地，所述增强现实设备实现为抬头显示设备，所述设备主体被实施为挡风玻璃，所述衍射光波导被对应地设置于所述挡风玻璃的内部或者内侧，使得经由所述光机投射的该图像光束在经由所述衍射光波导的传输后，投射至所述挡风玻璃以形成虚像。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中的一种衍射光波导的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种衍射光波导的平面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种填充光栅结构的纵剖面图；

图6为本发明实施例提供的另一种填充光栅结构的纵剖面图；

图7为本发明实施例提供的填充光栅结构在不同波长光入射下衍射效率与视场角的关系示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种填充光栅结构的纵剖面图；

图9为本发明实施例提供的另一种填充光栅结构的纵剖面图；

图10为本发明为本发明实施例提供的填充光栅结构衍射效率与视场角的关系示意图；

图11是图2实施例提供的一种衍射光波导的左视图；

图12是图2实施例提供的另一种衍射光波导的左视图；

图13是图2实施例提供的另一种衍射光波导的左视图；

图14为图2中图像光束的(K空间)波矢空间图；

图15是图3实施例提供的一种衍射光波导的左视图；

图16是图3实施例提供的另一种衍射光波导的左视图；

图17是图3实施例提供的衍射光波导的变形；

图18是图3实施例提供的另一种衍射光波导的左视图；

图19为图3中图像光束的(K空间)波矢空间图；

图20为本发明实施例提供的一种填充层折射率分区调制的示意图；

图21为本发明实施例提供的一种光栅基底的齿形结构的示意图；

图22为本发明实施例提供的填充光栅结构的光栅基底的制备流程示意图；

图23为本发明实施例提供的填充光栅结构的填充层的制备流程示意图；

图24为本发明实施例提供的多层填充光栅层的制备流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供一种衍射光波导，包括波导基底以及位于波导基底表面的第一光栅区域和第二光栅区域；第一光栅区域内的光栅结构，用于将图像源出射的图像光束耦入波导基底形成沿不同方向传播的传播光束；和/或，用于衍射耦入波导基底的图像光束形成沿不同方向传播的传播光束；第二光栅区域用于衍射传播光束形成输出光束；其中，图像光束自从第一光栅区域耦入波导基底至从第二光栅区域耦出波导基底所经过衍射光栅的光栅矢量之和为零。

具体地，本发明提供的波导基底包括第一光栅区域和第二光栅区域，其中第一光栅区域包括耦入光栅区域，第二光栅区域包括耦出光栅区域。在一些实施例中，第一光栅区域还包括扩展光栅区域。图像源朝向耦入光栅区域投射，耦入光栅区域的光栅结构将图像源投射的图像光束耦入波导基底形成传输光束，传输光束在波导基底内全反射地传输至耦出光栅区域。在一些实施例中，传输光束在波导基底内全反射地传输至扩展光栅区域再传输至耦出光栅区域。

其中，第一光栅区域和/或第二光栅区域设置于传输光束全反射传播所在表面中的至少一个表面，并通过对第一光栅区域的光栅结构进行设计，使得第一光栅区域内耦入光栅区域的光栅结构能够将图像源出射的图像光束耦入波导基底形成沿不同方向传播的传播光束；和/或，使得第一光栅区域内扩展光栅区域的光栅结构能够衍射耦入波导基底的图像光束形成沿不同方向传播的传播光束，通过不同方向传播的传播光束携带不同视场角范围的图像信息，再结合合理的光栅参数设计，使得视场角FOV在K域上得以拼接扩展，以实现增大视场角的功能。以RI1.9为例，通过视场角拼接可实现70度甚至更大的FOV。

示例性地，图2为本发明实施例提供的一种衍射光波导的平面结构示意图；参考图2，衍射光波导包括波导基底400以及位于波导基底400表面的第一光栅区域1和第二光栅区域2；第一光栅区域1内的光栅结构100，用于将图像源出射的图像光束耦入波导基底400形成沿三个不同方向传播的传播光束S1。

示例性地，图3为本发明实施例提供的另一种衍射光波导的平面结构示意图；图4为图3所示的衍射光波导的三种变形。结合图3和图4所示，本发明实施例提供的衍射光波导包括波导基底400以及位于波导基底400表面的第一光栅区域1和第二光栅区域2；第一光栅区域1内的光栅结构(21、22、23)用于衍射耦入波导基底400的图像光束形成沿不同方向传播的传播光束。

示例性地，结合图2-图4所示，衍射光波导包括波导基底400，波导基底 400可以是光学玻璃基底，厚度在0.5mm—3mm之间，波导基底400的长度可根据实际场景的需要设置。沿图中Z方向，波导基底400具有相互平行的第一表面M1和第二表面M2(图中未示出)，可以在波导基底400的第一表面M1 和/或第二表面M2设置第一光栅区域1和第二光栅区域2，图2-图4仅示出了在波导基底400的第一表面M1设置第一光栅区域1和第二光栅区域2，第一光栅区域1与第二光栅区域2内的光栅结构可以是一维光栅和/或二维光栅。

进一步，设置图像光束自从第一光栅区域1耦入波导基底400至从第二光栅区域2耦出波导基底400所经过衍射光栅的光栅矢量之和为零，确保耦入波导基底的图像光束能够基本无色散地耦出波导基底400进入用户眼睛。

本发明实施例还提供了一种填充光栅结构，填充光栅结构包括至少一层填充光栅层；填充光栅层包括光栅基底和填充层，填充层用于填充光栅基底之间的间隙并在填充光栅结构远离波导基底的一侧形成平整光滑的表面；光栅基底和填充层的折射率不同。由于填充层在填充光栅基底后形成平整光滑的表面，其上可以继续叠加填充光栅层，形成多层堆叠的填充光栅层的光栅结构。其中，填充层的层高大于或者等于光栅基底的光栅深度。

示例性地，图5为本发明实施例提供的一种填充光栅结构的纵剖面图。参考图5，该填充光栅结构50包括一层填充光栅层51，填充光栅层51包括光栅基底511和填充层512，光栅基底511为常规的表面浮雕光栅，填充层512用于填充光栅基底511之间的间隙并在填充光栅结构50远离波导基底400的一侧形成平整光滑的表面，填充层512的折射率n2可以高于或者低于光栅基底的折射率n1。

在填充光栅结构下，对基底光栅的参数以及填充层的折射率进行调制优化，能够对多个波长均有较高的衍射效率。图7示出了一个实施例中一种填充光栅结构在不同入射波长下的衍射效率和入射角的关系图。该实施例中，入射光波长分别为465nm，525nm，625nm，光栅基底的结构为梯形，梯形左倾角为66°，梯形右倾角为113°，光栅周期为420nm，光栅深度597nm，光栅基底的材料为 TiO₂(折射率2.30)，填充层的材料为环氧树脂(折射率1.48)，参考图7可以看到在-23°～7°的入射角范围内，三种颜色的入射波长的衍射效率都高于50％。对于这样的大视场角、高效率的填充光栅结构，通过结合其他参数的调制后，可以应用于单片全彩型AR光波导。

示例性的，图8为本发明实施例提供的另一种填充光栅结构的纵剖面图；该填充光栅结构包括两层填充光栅层；图9为本发明实施例提供的另一种填充光栅结构的纵剖面图，该填充光栅结构包括三层填充光栅层。作为一种可行的实施方式，可选的，填充光栅结构50还可以包括更多层填充光栅层。不同层填充光栅层的光栅基底的参数可以不同，如图8所示，两层填充光栅层的光栅基底的光栅齿形不同。如图9所示，三层填充光栅层的光栅基底的光栅齿形相同，但倾斜角度不同。此外，不同层填充光栅层的填充层的折射率也可以不同。

而且，需要说明的是，光束入射到本发明提供的填充光栅结构产生衍射时，由于光束通常具有一定的视场角范围，填充光栅结构的衍射效率是以视场角为变量的曲线，各个视场角均有对应的衍射效率。对于多层叠加的填充光栅结构，上层对光束利用后，未被利用的部分透射到下层，此时下层便能继续利用，可以进一步提高衍射效率。图10为本发明实施例提供的一种填充光栅结构的衍射效率和入射角的关系图。下面列举一个具体的实施例，结合图8所示，图像源出射的图像光束的入射光波长为532nm，填充光栅结构为两层填充光栅层，光栅周期均为360nm，第一层填充光栅层101的光栅基底的基底结构为三角齿，光栅基底的材料为折射率1.9的丙烯酸树脂，填充层的材料为折射率1.5的环氧树脂，三角形斜边角50.6°，光栅深度4.4μm；第二层耦入填充光栅层102的光栅基底的基底结构为梯形，光栅基底的材料为TiO₂，填充层的填充材料为SiO₂，梯形左倾角62°，右边倾角125°，光栅深度364nm的参数条件下，通过两层耦入填充光栅层叠加，如图10所示，可以得到在-23°～10°的大视场角范围内均获得63～87％的衍射效率。

另二方面，本发明提供的填充光栅结构，可调参数种类多、灵活性大、自由度高，通过对这些参数的调制，可调控不同颜色光束的不同视场角在不同位置的效率，以满足衍射光波导的各光栅功能区域(比如，耦入区域、扩展区域、耦出区域等)设计功能，而这是单层表面浮雕光栅(空气隙类型)所不能实现的功能。

再一方面，填充光栅结构50的光栅基底不直接与空气接触，填充层起到保护光栅基底的作用，不需要额外保护片用以保护光栅基底，这样在包括填充光栅结构的衍射光波导用于可穿戴设备时，减低了重量，使得包括填充光栅结构的波导片可单片直接使用。采用本发明提供的填充光栅结构的可穿戴设备兼具高衍射效率和较宽角度响应带宽的优势，满足可穿戴型产品轻便易佩戴的市场要求。

需要说明的是，本发明提供的一种衍射光波导，其第一光栅区域和/或第二光栅区域的光栅结构可以采用常规的表面浮雕光栅，也可以采用本发明提供的填充光栅结构，且光栅结构可以是一维结构也可以是二维结构。以下针对将填充光栅结构应用于图2所示的衍射光波导的光栅布局方式做进一步阐述。

图11是图2实施例提供的一种衍射光波导的左视图。结合图2、图5和图 11所示，可选的，第一光栅区域包括耦入光栅区域100和扩展光栅区域200，耦入光栅区域的光栅结构为填充光栅结构50，填充光栅结构50包括至少两层堆叠的耦入填充光栅层；各耦入填充光栅层用于将图像源发出的图像光束耦入波导基底400并形成沿不同方向传播的传输光束；扩展光栅区域的光栅结构用于衍射传输光束，使得传输光束部分偏转向第二光栅区域2传播。耦入填充光栅层可以是一维光结构。可选的，耦入光栅区域的光栅结构为填充光栅结构50，填充光栅结构50包括一层耦入填充光栅层，该耦入填充光栅层为二维光栅结构。

具体地，沿不同方向传播的各传输光束可以分别携带不同视场角范围的图像信息，这些不同视场角范围的并集为全视场角范围，而且各传播光束最终汇聚至第二光栅区域耦出时，全视场角范围的图像光束均能有效耦出。这样，衍射光波导既能通过视场拼接扩大视场角，也能保证全视场有效耦出不存在视场缺失。

具体地，图11示出了耦入光栅区域100的光栅结构由耦入填充光栅层101 和耦入填充光栅层102堆叠形成(在其他可实施方式中，耦入光栅区域100的光栅结构可以包括更多层的耦入填充光栅层)。当各层耦入填充光栅层的光栅矢量方向不一样时，耦入填充光栅层101将部分图像光束耦入光波导沿第一个方向传播，耦入填充光栅层101衍射产生的0级衍射光透射进入下一层耦入填充光栅层(耦入填充光栅层102)能被再次被衍射耦入光波导沿第二个方向传播，这样不仅能提高光能利用效率，还能产生分别沿两个方向传播的光束传播至后续的光栅区域，有利于耦出图像全幅面亮度均匀性的调制。

需要说明的是，在耦入光栅区域100的光栅结构包括更多层的耦入填充光栅层时，光能利用效率能给进一步提高，亮度均匀性的调制的灵活性也更高。

图12是图2实施例提供的另一种衍射光波导的左视图；图13是图2实施例提供的另一种衍射光波导的左视图。作为一种可行的实施方式，结合图2、图 5、图12和图13所示，可选的，耦入光栅区域的光栅结构的填充光栅结构50 包括三层堆叠的耦入填充光栅层(101、102、103)；三层耦入填充光栅层用于将图像源发出的图像光束耦入波导基底400并形成分别沿第一方向(D1)、第二方向(D2)和第三方向(D3)传播的传输光束；第三方向为从第一光栅区域1 指向第二光栅区域2的方向(在图2中第三方向为Y轴负方向)，沿第三方向的传播光束S1直接传输至第二光栅区域2，第一方向和第二方向分别与第三方向的夹角均为锐角，第一方向、第二方向和第三方向位于同一平面内。

扩展光栅区域200包括第一扩展光栅区域210和第二扩展光栅区域220，第一扩展光栅区域210用于衍射沿第一方向传播的传输光束，使得沿第一方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域2传播；第二扩展光栅区域220用于衍射沿第二方向传播的传输光束，使得沿第二方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域2传播。在本实施例中，传输方向可以通过光栅方向调制来灵活布置，用于输出图像的各区域分布，从而获得输出图像的广角和能量充分利用的高效率。第一扩展光栅区域210和第二扩展光栅区域220的光栅结构可以采用一层填充光栅层，其中，一层填充光栅层可以是一维光栅或者二维光栅。通过设置第一扩展光栅区域210和第二扩展光栅区域220，可分别对沿不同方向传播的传播光束进行扩展并使其部分转向第二光栅区域传播以耦出波导基底进入人眼。

在上述实施例的基础上，继续结合图2、图5、图12和图13所示，可选的，可以继续划分第一扩展光栅区域210和第二扩展光栅区域220，在对光栅进行扩展时能使得更多的光束最终朝向第二光栅区域传播，避免能量浪费。设置第一甲扩展光栅区域211和第一乙扩展光栅区域212依次位于沿第一方向传播的传输光束路径上，设置第二甲扩展光栅区域221和第二乙扩展光栅区域222依次位于沿第二方向传播的传输光束路径上，第一甲扩展光栅区域211衍射沿第一方向传播的传输光束S1，使得沿第一方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域2传播，形成第一传输光束S21，此时还有部分传播光束继续沿第一方向传播；第一乙扩展光栅区域212则衍射继续沿第一方向传播的传输光束，使得继续沿第一方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域2传播，形成第二传输光束S22。第二甲扩展光栅区域221衍射沿第二方向传播的传输光束，使得沿第二方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域2传播，形成第三传输光束 S23，此时还有部分传播光束继续沿第二方向传播；第二乙扩展光栅区域222衍射继续沿第二方向传播的传输光束，使得继续沿第二方向传播的传输光束部分偏转向第二光栅区域2传播，形成第四传输光束S24。图像源出射的图像光束经耦入光栅区域耦入波导基底400后，沿第三方向的传播光束S1直接传输至第二光栅区域2。这样，第二光栅区域2获得来自五个方向的传输光束，使得传播光束可以更均匀地覆盖整个第二光栅区域，以获得更均匀的输出图像亮度。

可选的，第一甲扩展光栅区域211与第二甲扩展光栅区域221相对于耦入光栅区域100对称设置，第一乙扩展光栅区域212与第二乙扩展光栅区域222 相对于耦入光栅区域100对称设置。通过设置对称结构，使得第一传输光束S21 和第三传输光束S23相对于耦入光栅区域100对称传播至第二光栅区域2，第二传输光束S22和第四传输光束S24相对于耦入光栅区域100对称传播至第二光栅区域2，进一步提高各路径的传输光束均匀性分布，获得均匀的输出图像亮度。

可选的，第二光栅区域2的光栅结构的填充光栅结构50包括三层堆叠的耦出填充光栅层(301、302、303)；三层耦出填充光栅层均为一维光栅结构，三层耦出填充光栅层(301、302、303)用于将从不同方向传输至第二光栅区域的传输光束耦出波导基底400。可选的，第二光栅区域2的光栅结构的填充光栅结构50包括一层耦出填充光栅层，该耦出填充光栅层为二维光栅结构。

图14为图2所示的衍射光波导图像光束的(K空间)波矢空间图，假设耦入光栅区域100的光栅矢量为K101、K102、K103，第一甲扩展光栅区域211 的光栅矢量为K211，第一乙扩展光栅区域212的光栅矢量为K212，第二甲扩展光栅区域221的光栅矢量为K221，第二乙扩展光栅区域222的光栅矢量为K222，第二光栅区域2300的光栅矢量为K301、K302、K303。其中，图14中(a)为沿第一方向传播的图像光束的(K空间)波矢空间图，图14中(b)为沿第二方向传播的图像光束的(K空间)波矢空间图；图14中(c)为沿第三方向传播的图像光束的(K空间)波矢空间图，通合理设置设计耦入光栅区域100的各个耦入填充光栅层以及第二光栅区域2/300内的各个耦出填充光栅层的光栅周期和光栅矢量方向，使得图像光束从耦入到耦出所经过衍射的光栅矢量的矢量之和为零确保耦入波导基底的图像光束能够基本无色散地耦出波导基底400进入用户眼睛。例如，结合图2和图13，K101、K102、K103的方向分别为第一方向、第二方向和第三方向，其中第一方向与第三方向的夹角为-60°，第二方向与第三方向的夹角为60°；K211的方向与第三方向的夹角为60°，K212方向垂直于第三方向，K221的方向与第三方向的夹角为-60°，K222的方向垂直于第三方向；K301、K302、K303的方向分别为第一方向的反方向、第二方向的反方向和第三方向的反方向。需要说明的是，这里的光栅矢量方向是对光束传播和耦出做出主要贡献的方向，各光栅结构的光栅矢量方向还包括前文列出的该光栅结构的光栅矢量方向的反方向，比如，K301的方向还包括第一方向。

可以理解，图像源出射的图像光束可以是单色图像光束，也可以是彩色图像光束(如RGB三色图像光束)。对于彩色图像光束，可选的，耦入光栅区域的填充光栅结构50包括三层堆叠的耦入填充光栅层；三层耦入填充光栅层用于将图像源发出的第一波段、第二波段以及第三波段的图像光束分别耦入波导基底400并形成传输光束；第一波段的中心波长为λ1，第二波段的中心波长为λ 2，第三波段的中心波长为λ3，λ1>λ2>λ3；如，第一波段为红光波段，第二波段为绿光波段，第三波段为蓝光波段。或者，三层耦入填充光栅层中的其中两层用于将图像源发出的图像光束耦入波导基底400并形成传输光束，另外一层用于对前两层耦入不足或缺失的波段进行补偿。当然，耦入光栅区域的填充光栅结构50可以包括更多或者更少的填充光栅层，通过对各层耦入填充光栅层的参数调制，一层或多层协同将多个波长甚至全波段的图像光束耦入波导基底。

以下针对将填充光栅结构应用于图3所示的衍射光波导的光栅布局方式做进一步阐述。

图15是图3实施例提供的一种衍射光波导的左视图；图16是图3实施例提供的另一种衍射光波导的左视图；图17是图3实施例提供的另一种衍射光波导的一种变形，图18是图3实施例提供的另一种衍射光波导的左视图。

作为一种可行的实施方式，结合图3-图4、图15-图17所示，可选的，第一光栅区域1包括耦入光栅区域10和扩展光栅区域20，扩展光栅区域20包括至少两个子区域，各子区域内均包括至少一层扩展填充光栅层。不同子区域的扩展填充光栅层可将耦入波导基底400的不同视场角范围的图像光束部分偏转向第二光栅区域2传播。最终各部分视场均可更均匀地覆盖整个耦出光栅区域30。

具体的，结合图3-图4、图15-图18所示，第二光栅区域2包括耦出光栅区域30，其中，扩展光栅区域20与耦入光栅区域10和耦出区域30可以相接或者不相接；根据图像源投射方式不同，耦入光栅区域10可位于耦出区域30的中轴线上或者中轴线的一侧，更多的设置方式这不再一一列举。

结合图3和图17所示，可选的，扩展光栅区域20包括第一子区域21和第二子区域22，第一子区域21与第二子区域22分别位于波导基底400的上表面 M1和下表面M2且存在重叠区域，各子区域内均包括至少一层扩展填充光栅层，不同子区域的扩展填充光栅层用于将耦入波导基底400的、不同视场角范围的图像光束，部分偏转向第二光栅区域2传播。其中，重叠区域等效为图3中的区域23。可选地，扩展耦出区域20包括2个子区域时，这两个子区域也可不存在重叠区域，且位于波导基底400的上表面M1和下表面M2中的至少一面。这 2个子区域内可根据性能需要设置一层填充扩展光栅或者多层填充扩展光栅。

在上述实施例的基础上，继续结合图3-图4、图15-图18所示，可选的，扩展光栅区域20还包括第三子区域23，第三子区域23位于第一子区域21和第二子区域22之间；第一子区域21和第二子区域22内包括一层扩展填充光栅层，第三子区域23内包括三层层叠的扩展填充光栅层(231、232、233)；第一子区域21和第二子区域22的扩展填充光栅层，用于将不同视场角范围的图像光束，沿不同方向部分偏转向第二光栅区域2传播；第三子区域23的扩展填充光栅层，用于将不同视场角范围的图像光束向两侧扩展后再偏转向第二光栅区域2传播，最终使得各部分视场均可更均匀地覆盖整个第二光栅区域2。

具体地，扩展光栅区域20在进行光束扩展时，可分三部分视场进行扩展传播，一部分视场经耦入光栅区域10耦入进波导基底400后，沿第一路径P1方向传输，后经第一子区域21部分偏转向耦出区域30的一侧；一部分视场，经耦入光栅区域10耦入进波导基底400后，沿第一路径P2方向传输，后经第二子区域22部分偏转向耦出区域30的一侧；一部分视场，经第三子区域23同时向两侧扩展并行进至耦出区域30，最终各部分视场均可更均匀地覆盖整个耦出区域30区域，采用如图3-图4所示的光栅布置，具有较大图像视场角(FOV)。其中，三部分视场中两两的交集可以不为空，且三部分视场的并集为全视场，以保证在全视场范围内的光束都能有效耦出。

作为一种可行的实施方式，耦入光栅区域10包括一层耦入填充光栅层11，耦入填充光栅层11用于将图像源出射的图像光束耦入波导基底400；第二光栅区域2包括三层堆叠的耦出填充光栅层(31、32、33)，三层耦出填充光栅层用于将从不同方向传输至第二光栅区域的传输光束耦出波导基底400。

图19为图3中图像光束的(K空间)波矢空间图。耦入光栅区域10的光栅矢量为K10，第一子区域21的光栅矢量为K21，第二子区域22的光栅矢量为K22，第三子区域23的光栅矢量为K231、K232、K233，耦出区域30的光栅矢量为K31、K32、K33。其中，图19中(a)为图3中图像光束耦入波导基底的(K空间)波矢空间图，图19中(b)为图3中图像光束在波导基底中传播并耦出的(K空间)波矢空间图，通过合理设置设计耦入光栅区域10、扩展光栅区域20和耦出区域30内的各个填充光栅层的光栅周期和光栅矢量方向，使得图像光束从耦入到耦出所经过衍射的光栅矢量的矢量之和为零，确保图像源出射的图像光束能够耦出波导基底400进入用户眼睛，且基本无色散。例如，结合图3和图19，K10的方向沿第三方向，第三方向为从第一光栅区域1指向第二光栅区域2的方向；K21的方向与第三方向的反方向夹角为60°，K22方向与第三方向的反方向夹角为-60°，K231、K232、K233的矢量方向分别为第三方向的反方向夹角为-60°、0和60°的方向；耦出填充光栅层的光栅矢量与第三子区域内的扩展填充光栅层的光栅矢量相同。从该图中可看出经光栅矢量K21作用后一部分视场FOV₁偏转向耦出区域30的一侧继续在波导内全反射传播，经光栅矢量K22作用后另一部分视场FOV₂偏转向耦出区域30的一侧继续在波导内全反射传播，其中，FOV₁∪FOV₂＝FOV_all，可以确保最终的输出不会存在视场角缺失。例如，视场角DIR1的光束经K10作用耦入波导基底后以角度DIR2在波导基底内全反射传播，行进至第一子区域21经K21作用后向右偏折为角度 DIR3在波导基底内全反射传播，行进至耦出区域30后经K231作用有效耦出。另一部分以角度DIR2在波导基底内全反射传播，行进耦出区域30后为经K231 作用衍射为角度DIR4，根据K域图可知该部分光束已无法在波导基底内全反射。但由于其行进路径偏离该视场角对应的有效耦出区域，也不影响最终性能。因此，波导表面的光栅架构可以通过合理的光栅周期和光栅方向设计使得FOV在 K域上得以拼接扩展，以实现增大视场角的功能。图2所示的结构也能实现视场角拼接扩展。

在上述实施例的基础上，作为一种可行的实施方式，通过调制耦入填充光栅层的参数，可以使得耦入填充光栅层能将多个波长甚至全波段的图像光束耦入波导基底。作为一种可行的实施方式，也可以增加耦入填充光栅层的层数，多层耦入填充光栅层协同，将多个波长甚至全波段的图像光束耦入波导基底。参考图18，耦入光栅区域10内包括至少两层耦入填充光栅层(11、12)，两层耦入填充光栅层协同用于将多个波长甚至全波段的图像光束耦入波导基底。

需要说明的是，在增加一层(或多层)光栅矢量方向相同的耦入填充光栅层时，不改变原来的光束传播方向，但耦入波导基底的图像光束的波段增宽，从而提供全彩单片AR波导。当然，增加的耦入填充光栅层可以是另外的光栅矢量方向，这样还能获得多个耦入传输方向，类似图2所示的耦入光栅结构。

以下，在上述实施例的基础上，对填充光栅结构的参数调制进行阐述。对填充光栅结构的参数调制包括对光栅基底的参数调制和填充层的参数调制。

可以理解，在对衍射光波导的光栅区域进行参数调制提高衍射光波导的性能时，通常是将光栅区域按功能区域划分，再根据不同功能区域的性能要求进行参数调制。衍射光波导的光栅区域通常划分为耦入光栅区域、扩展光栅区域和耦出光栅区域。耦入光栅区域的性能要求是将图像光束尽可能高效地耦入波导基底，扩展光栅区域和耦出光栅区域的性能要求是衍射效率的区域内均匀分布，以使观测者在动眼眶内各可观测角度下都能观测到的亮度均匀的图像画面。当然，在一些实施方式中，衍射光波导的光栅区域也可不包括扩展光栅区域。

可选地，结合图2-图19所示，耦入光栅区域10/100的填充光栅结构50的参数为第一调制变量，该第一调制变量被调制用于增大图像源出射的图像光束耦入波导基底400的耦入效率。扩展光栅区域20/200和耦出光栅区域30/300的填充光栅结构的参数为第二调制变量，该第二调制变量被调制用于调制光栅衍射效率，以提高观测者在动眼眶内各可观测角度下观测到的图像画面的亮度均匀性。

可选地，结合图2-图19所示，第一调制变量包括但不限于耦入光栅区域 10/100的填充光栅结构的光栅基底的折射率、齿形、倾角、周期、占空比和深度以及填充层的折射率。

需要说明的是，对第一调制变量进行调制可以是对前述参数中的至少一种进行调制。在耦入光栅区域内的填充光栅结构为多层结构时，对第一调制变量进行调制可以是对至少一层填充光栅层的前述参数中的至少一种进行调制。

进一步地，该第一调制变量还被调制用于增宽图像源出射的图像光束耦入波导基底400的耦入波段，实现全彩耦入。

可选地，结合图2-图19所示，第二调制参数包括但不限于扩展光栅区域 20/200和耦出光栅区域30/300的填充光栅结构的光栅基底的折射率、齿形、倾角、周期、占空比和深度以及填充层的折射率；第二调制参数被调制使得同一功能区域内沿光束传播方向的衍射效率逐渐增大；其中，对第二调制参数的调制包括对同一功能区域内的同一层填充光栅层的分区调制。在扩展光栅区域和耦出光栅区域内的参数调制，不仅包括类似耦入光栅区域的参数调制，还包括对同一功能区域内的同一层填充光栅层的分区调制。分区调制包括光栅基底的分区调制和填充层的分区调制，也就是在扩展光栅区域和耦出光栅区域内进一步分区，在不同的区域采用不同参数的光栅基底，采用不同折射率的材料用作填充层而产生调制。

可以理解的是，图像光束耦入后，随着传播能量逐渐衰减，为了均匀地扩展或者耦出光束，保障图像均匀性和避免能量浪费，可以通过对填充层进行分区调制实现。图20示出了一个实施例中扩展光栅区域内填充光栅结构的填充层分区调制的示意图。从该图中可以看出，在靠近耦入光栅区域10的区域选用的相对折射率差较小的材料用作填充层，获得相对较低的衍射效率，而在远离光栅区域10的区域选用折射率差较大的材料用作填充层，获得相对较高的衍射效率，随着光束的传播逐渐提高衍射效率，以调制波导中传播光束强度的均匀性。

可选地，还可以通过对扩展光栅区域20/200和耦出光栅区域30/300的基底光栅的占空比或者深度渐变调制，随着光束的传播逐渐提高衍射效率。通常，当光栅基底的折射率n1与填充层的折射率n2的折射率差值绝对值逐渐减小，优化后所得的光栅基底的深度h会越大，所得到的衍射效率会越高，其对应入射角度范围会减小；而当光栅基底的折射率n1与填充层的折射率n2的折射率差值绝对值逐渐增大，优化后所得的光栅基底的深度h会越小，所得到的衍射效率会降低，其对应入射角度范围会增大；而光栅基底的占空比F在偏离优化最佳值后，光栅的衍射效率会逐渐降低，并且最佳入射角范围会发生漂移，光栅基底的斜角α则根据具体应用波长、角度进行优化。基于此，在确定光栅基底与填充层的材料后，通过优化平衡衍射效率与角度相应带宽选定光栅深度、周期以及光栅倾斜角后，再对光栅的占空比进行调制，可以达到有效调制波导中传播光束强度的均匀性。

示例性地，在一个具体的实施例中，入射光波长为532nm，光栅周期400nm，光栅基底的结构为斜齿，光栅斜角62°，光栅周期400nm，光栅深度1.25μm，材料为TiO2，填充层的材料为SiO2。通过调节斜齿光栅的占空比，可以调制出不同衍射效率，具体地，光栅基底占空比在55％～65％之间进行渐变调制，光栅衍射效率可在15～80％的范围调节。基于此，将该调制方式应用到衍射光波导的扩瞳光栅区域，可以提高衍射光波导的扩瞳效率及均匀性。

示例性地，在一个具体的实施例中，入射光波长为625nm，光栅基底的结构为斜齿，光栅斜角58.8°，光栅周期450nm，深度3.12μm，光栅基底的材料为折射率1.8的丙烯酸树脂，填充层的材料为折射率1.45的环氧树脂，通过调节斜齿光栅的占空比，可以调制出不同衍射效率，具体地，光栅基底占空比 53％～75％之间进行渐变调制，光栅衍射效率可在10～90％的范围调节。基于此，将该调制方式应用到衍射光波导的扩瞳光栅区域，可以提高衍射光波导的扩瞳效率及均匀性。

以下，在上述实施例的基础上，对填充光栅结构进行进一步地阐述。

图21为本发明实施例提供的一种光栅基底的齿形结构的示意图。在上述实施例的基础上，可选的，光栅基底的齿形结构包括但不限于直齿结构、斜齿结构、梯形结构、三角结构、台阶结构中的至少一种。

需要说明的是，衍射光波导的光栅设计中，根据需求选用直齿结构、斜齿结构、梯形结构、三角结构、台阶结构中的至少一种均可，这里不做具体限制。例如，在耦入光栅区域中采用斜齿结构，可以提高耦入效率；在扩展光栅区域中采用直齿结构或者小角度斜齿结构，可以均衡整个区域衍射效率均匀性。

在上述实施例的基础上，可选的，光栅基底的结构包括一维凸起条状光栅结构、二维交叉凸起条状光栅结构、二维交叉条状的凹陷阴模光栅结构。光栅基底的结构可以采用多种刻蚀工艺制备，在一维凸起条状光栅结构、二维交叉凸起条状光栅结构、二维交叉条状的凹陷阴模光栅结构上覆盖填充层形成填充光栅结构，制备工艺简单，易实现。

在上述实施例的基础上，可选的，光栅基底与填充层的材料包括有机材料和透明无机材料。例如，光栅基底和填充层的材料可以为环氧树脂、丙烯酸类等有机材料，或者a-Si，TiO₂、Nb₂O₅，SiN，SiO₂、MgF₂等透明无机材料。

在上述实施例的基础上，可选的，光栅基底与填充层的折射率差值范围为Δn，0.01≤Δn≤1.4。合理设置光栅基底与填充层的折射率差值范围，可以提高填充光栅结构的衍射效率。

在上述实施例的基础上，可选的，填充光栅结构的工作方式包括透射光栅模式和反射光栅模式。填充光栅结构可以为透射式光栅或者反射式光栅

综上，采用相互堆叠的多层填充光栅层的光栅结构，每层填充光栅层内的光栅结构可以自由灵活设置，这样可以构建多层不同光栅方向或者不同光栅齿的倾斜方向等的立体状叠合结构，一方面可以使各层分别将图像光束引导向所需特定角度的一侧，多层叠加便可提供沿着光波导多个方向传播的图像光束，提高图像全幅面亮度均匀性，提高各个允许观看角度下的画面亮度均匀性；另一方面也可以使各层分别耦入不同波段的光束，多层叠加便可用于RGB三色的均衡，提供全彩单片AR波导的设计灵活性，并且在实现全彩显示时，也能够提高各个允许观看角度下的各个颜色画面的亮度均匀性；再一方面，多层填充光栅层的叠加使得0级衍射光可以被再次衍射利用，增大光能利用率，此外，每层填充光栅层可以分别进行光栅效率调制，这样可以进一步提高光栅效率调制的灵活性，获得更大高的衍射效率以及更大的视场角范围。

基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种衍射光波导的设计方法，用于设计上述实施例提供的衍射光波导。该设计方法包括：

S11、提供波导基底。

具体的，波导基底400可以为透明光学玻璃基底，厚度在0.3mm—3mm之间。

S12、在波导基底的第一光栅区域形成第一光栅结构，以及在第二光栅区域形成第二光栅结构。

具体的，采用压印或者刻蚀的方式，在波导基底的第一光栅区域制备第一光栅结构，以及在第二光栅区域制备第二光栅结构。

其中，第一光栅结构，用于将图像源出射的图像光束耦入波导基底形成沿不同方向传播的传播光束；或者，用于衍射耦入波导基底的图像光束形成沿不同方向传播的传播光束；第二光栅结构用于衍射所述传播光束形成输出光束；其中，图像光束自从第一光栅区域耦入所述波导基底至从第二光栅区域耦出波导基底所经过衍射光栅的光栅矢量之和为零。

需要说明的是，本发明实施例提供的一种衍射光波导的设计方法制备得到的衍射光波具备上述实施例提供的结构和有益效果。

在上述实施例的基础上，可选的，第一光栅结构和第二光栅结构包括填充光栅结构，填充光栅结构包括一层填充光栅层；填充光栅层包括光栅基底和填充层，填充层用于填充光栅基底之间的间隙并形成平整光滑的表面；光栅基底和填充层的折射率不同。

其中，步骤S11包括：

S111、采用压印或者刻蚀的方式，在波导基底的第一光栅区域形成第一光栅基底，以及在第二光栅区域形成第二光栅基底。

具体的，结合图22所示，针对光栅基底的加工，对于不同的光栅基底材料可以形成不同的加工路径。针对树脂类材料，本发明采用压印路径进行加工，通过对事先加工好的母板进行翻模，对涂有固化胶的基底进行压印、固化、脱模，得到与母板结构一致的光栅基底结构。针对TiO₂、SiO₂、MgF₂等材料，可以将所需光栅材料镀膜在基底片上，然后对基底片旋涂光刻胶、显影、掩膜光刻、刻蚀，最终得到光栅基底结构。

S112、采用固化或者镀膜的方式，在第一光栅基底上形成第一填充层得到填充光栅结构，以及在第二光栅基底上形成第二填充层得到填充光栅结构。

结合图23所示，针对填充层的加工，也有两条工艺路径，一条是常规的镀膜路径，主要针对设计的常规光学镀膜材料进行填充，如Au、Ag、Al、MgO、 SiO₂、MgF₂、CaF₂等，所使用的工艺为蒸发、溅射。另一条路径是使用固化材料进行填充，我们需要先对树脂进行稀释，降低树脂的粘稠度，使其能够更充分的渗透进入填充光栅的结构内部，然后对稀释后的树脂进行旋涂，令其布满整个波导片，接着对波导片进行烘烤，使稀释剂挥发，并抽真空，彻底排出光栅基底内气泡，使树脂填充更加充分，最后对树脂进行曝光固化，完成材料填充，得到填充光栅结构。本发明中涉及的固化包括热固化和UV固化。

在上述实施例的基础上，可选的，第一光栅结构和/或第二光栅结构包括填充光栅结构，填充光栅结构包括多层堆叠的填充光栅层；多层堆叠的填充光栅层通过多层单层填充光栅层对准叠加得到。结合图24所示，在每制备一层填充光栅层后，进行对准再在其上制备下一层填充光栅层。

具体的，在优化光栅参数的过程中，可以通过加深光栅的深度来达到较高的衍射效率。比如：在入射光波长为532nm，光栅周期400nm，光栅基底光栅结构为斜齿，材料为折射率1.7的丙烯酸树脂，填充光栅材料结构为折射率1.5 的环氧树脂，光栅斜角26.8°，占空比为80％的参数条件下，光栅深度为2μm 时，光栅效率约为23％，光栅深度增大至6μm时，光栅效率提升至97％。但是在实际的生产工艺中，在光栅超过微米级深度后，加工难度会随设计深度的增加而增大，而且还会带来视场角范围的限制。本发明，通过多层光栅叠加来达到相应的光栅深度，能实现较佳的衍射效果。而且，填充光栅结构可以由多层不同形状基底光栅、填充材料构成，通过多层填充光栅的叠加，可以进一步提高光栅效率调制的灵活性，获得更大高的衍射效率以及更大的视场角范围。结合图8所示，通过两层填充光栅叠加可得到在-23°～10°的大视场角范围内均获得63～87％的衍射效率。

另外，通过多层填充光栅的组合，还降低了单次母版加工的难度，可以实现类似曲面的结构侧壁，以及常规半导体工艺难以加工的结构形状，得以实现更为复杂的光栅功能，可进一步扩大视场角。

多层填充光栅结构的加工可以依赖上面介绍的基底光栅制作路径以及填充材料路径的组合，在完成一层的填充结构后，通过高精度对准，将上层光栅结构覆盖在其表面，从而给设计和生产工艺提供巨大灵活性。

基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种增强现实设备，增强现实设备包括设备主体、光机及本发明所提供的衍射光波导，光机和衍射光波导被对应地设置于设备主体，使得经由光机提供的图像光束被衍射光波导的耦入光栅结构耦入进波导基底，并在波导基底内全反射地传播至扩展光栅区域和/或耦出光栅区域，被耦出光栅结构耦出波导基底而被用户眼睛接收以看到对应的图像。

在一种实施方式中，增强现实设备被实现为近眼现实设备，设备主体被实施为眼镜架，眼镜架包括横梁部和镜腿部，并且镜腿部从横梁部的左右两侧中的至少一侧向后延伸，衍射光波导被对应地设置于横梁部。具体地，对于侧投显示结构，近眼显示设备中提供图像光束的光机被对应地设置于波导基底的侧上位置，以将光机直接安装至近眼显示设备的镜腿部内，使得光机被隐藏在镜腿部内，有助于使整个设备显得更加轻巧，更加贴合人的审美。对于中上投显示结构，光机适于被安装于设备主体的横梁部，使得当用户佩戴近眼显示设备时，光机对应地位于用户的额头附近，有助于为光机预留更大的安装空间。

在一种实施方式中，增强现实设备被实现为平视显示器(HUD)，设备主体被实施为挡风玻璃，并且衍射光波导被对应地设置于挡风玻璃的内侧，使得经由光机投射的图像光束在经由衍射光波导的传输后，投射至挡风玻璃，并经由挡风玻璃向内反射以进入入眼，使得用户能够看到较远距离外的虚像。或者，衍射光波导被对应地设置于挡风玻璃的内部，使得经由光机投射的图像光束在经由衍射光波导的传输耦出后，直接被用户眼睛接收以看到对应的图像。可以理解的是，增强现实设备中的挡风玻璃可以但不限于被实施为诸如飞机、汽车等运输工具的前挡风玻璃，以使增强现实设备被实施为AR-HUD。

本申请提供的衍射光波导提高了光能利用效率以及耦出均匀性。不在需要像配置有普通衍射光波导的车载HUD那样，为了弥补光能利用率较低以在足够大的眼盒内提供强度较大的图像光线，不得不大幅地增大光机的投射功率，导致光机因功率较大而难以散热。换言之，本申请的增强现实设备只需要使用功率较小的光机，就能够在挡风玻璃前形成高对比度和高质量的虚像，供用户观看。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种衍射光波导，其特征在于，包括波导基底以及位于所述波导基底表面的第一光栅区域和第二光栅区域；

所述第二光栅区域用于衍射所述传播光束形成输出光束；

2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一光栅区域和/或所述第二光栅区域内的光栅结构包括填充光栅结构，所述填充光栅结构包括至少一层填充光栅层；所述填充光栅层包括光栅基底和填充层，所述填充层用于填充所述光栅基底之间的间隙并在所述填充光栅结构远离所述波导基底的一侧形成平整光滑的表面；所述光栅基底和所述填充层的折射率不同。

3.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一光栅区域包括耦入光栅区域和扩展光栅区域，所述耦入光栅区域的光栅结构为填充光栅结构，所述填充光栅结构包括至少两层堆叠的耦入填充光栅层；

各所述耦入填充光栅层，用于将图像源发出的图像光束耦入所述波导基底并形成沿不同方向传播的传输光束；

所述扩展光栅区域的光栅结构用于衍射所述传输光束，使得所述传输光束部分偏转向所述第二光栅区域传播。

4.根据权利要求3所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区域的光栅结构的填充光栅结构包括三层堆叠的耦入填充光栅层；三层所述耦入填充光栅层用于将图像源发出的图像光束耦入所述波导基底并形成分别沿第一方向、第二方向和第三方向传播的传输光束；所述第三方向为从第一光栅区域指向第二光栅区域的方向，沿所述第三方向的传播光束直接传输至所述第二光栅区域，所述第一方向和所述第二方向分别与所述第三方向的夹角均为锐角，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向位于同一平面内；

所述扩展光栅区域包括第一扩展光栅区域和第二扩展光栅区域，所述第一扩展光栅区域用于衍射沿所述第一方向传播的传输光束，使得沿所述第一方向传播的传输光束部分偏转向所述第二光栅区域传播；所述第二扩展光栅区域用于衍射沿所述第二方向传播的传输光束，使得沿所述第二方向传播的传输光束部分偏转向所述第二光栅区域传播。

5.根据权利要求4所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一扩展光栅区域包括第一甲扩展光栅区域和第一乙扩展光栅区域；所述第二扩展光栅区域包括第二甲扩展光栅区域和第二乙扩展光栅区域；

所述第一甲扩展光栅区域用于衍射沿所述第一方向传播的传输光束，使得沿所述第一方向传播的传输光束部分偏转向所述第二光栅区域传播；所述第一乙扩展光栅区域用于衍射继续沿所述第一方向传播的传输光束，使得继续沿所述第一方向传播的传输光束部分偏转向所述第二光栅区域传播；

所述第二甲扩展光栅区域用于衍射沿所述第二方向传播的传输光束，使得沿所述第二方向传播的传输光束部分偏转向所述第二光栅区域传播；所述第二乙扩展光栅区域用于衍射继续沿所述第二方向传播的传输光束，使得继续沿所述第二方向传播的传输光束部分偏转向所述第二光栅区域二光栅区域传播。

6.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二光栅区域的光栅结构的填充光栅结构包括三层堆叠的耦出填充光栅层；三层所述耦出填充光栅层用于将从不同方向传输至第二光栅区域的传输光束耦出所述波导基底；

各所述耦入填充光栅层均为一维光栅结构，且光栅矢量方向分别为所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向，所述第一方向与所述第三方向的夹角为-60°，所述第二方向与所述第三方向的夹角为60°；

所述第一甲扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向与所述第三方向的夹角为60°，所述第一乙扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向垂直于所述第三方向，所述第二甲扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向与所述第三方向的夹角为-60°，所述第二乙扩展光栅区域内为一维光栅结构，其光栅矢量方向垂直于所述第三方向；

各所述耦出填充光栅层均为一维光栅结构，且光栅矢量方向分别为所述第一方向的反方向、所述第二方向的反方向和所述第三方向的反方向。

7.根据权利要求3所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区域的光栅结构的填充光栅结构包括三层堆叠的耦入填充光栅层；

三层所述耦入填充光栅层用于将图像源发出的第一波段、第二波段以及第三波段的图像光束分别耦入所述波导基底并形成传输光束；所述第一波段的中心波长为λ1，所述第二波段的中心波长为λ2，所述第三波段的中心波长为λ3，λ1>λ2>λ3；或者，

三层所述耦入填充光栅层中的其中两层用于将图像源发出的第一、二波段和第二、三波段的图像光束分别耦入所述波导基底并形成传输光束，另外一层用于对前述两层中耦入不足或缺失的波段进行补偿。

8.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一光栅区域包括耦入光栅区域和扩展光栅区域，所述扩展光栅区域包括至少两个子区域，各所述子区域内均包括至少一层扩展填充光栅层，不同子区域的扩展填充光栅层，用于将耦入所述波导基底的、不同视场角范围的图像光束，部分偏转向所述第二光栅区域传播。

9.根据权利要求8所述的衍射光波导，其特征在于，所述扩展光栅区域包括第一子区域和第二子区域，所述第一子区域与所述第二子区域分别位于所述波导基底的上表面和下表面且存在重叠区域，各所述子区域内均包括至少一层扩展填充光栅层，不同子区域的扩展填充光栅层，用于将耦入所述波导基底的、不同视场角范围的图像光束，部分偏转向所述第二光栅区域传播。

10.根据权利要求8所述的衍射光波导，其特征在于，所述扩展光栅区域包括第一子区域、第二子区域和第三子区域，所述第三子区域位于所述第一子区域和所述第二子区域之间；所述第一子区域和所述第二子区域内包括一层扩展填充光栅层，所述第三子区域内包括三层层叠的扩展填充光栅层；

所述第一子区域和所述第二子区域的扩展填充光栅层，用于将耦入所述波导基底的、不同视场角范围的图像光束，沿不同方向部分偏转向所述第二光栅区域传播；所述第三子区域的扩展填充光栅层，用于将耦入所述波导基底的、不同视场角范围的图像光束向两侧扩展后再偏转向所述第二光栅区域传播。

11.根据权利要求10所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区域包括一层耦入填充光栅层，所述耦入填充光栅层用于将图像源出射的图像光束耦入所述波导基底；所述第二光栅区域包括三层堆叠的耦出填充光栅层，三层所述耦出填充光栅层用于将从不同方向传输至所述第二光栅区域的传输光束耦出所述波导基底；

所述耦入填充光栅层为一维光栅结构，且光栅矢量方向沿第三方向，所述第三方向为从所述第一光栅区域指向所述第二光栅区域的方向；

所述第一子区域内的扩展填充光栅层为一维光栅结构，其光栅矢量方向与所述第三方向的夹角为120°，所述第二子区域内的扩展填充光栅层为一维光栅结构，其光栅矢量方向与所述第三方向的夹角为-120°，所述第三子区域内的各扩展填充光栅层均为一维光栅结构，其光栅矢量方向分别为所述第三方向的反方向、与所述第三方向的夹角为120°的方向以及与所述第三方向的夹角为-120°的方向；

各所述耦出填充光栅层均为一维光栅结构，耦出填充光栅层的光栅矢量与第三子区域内的扩展填充光栅层的光栅矢量相同。

12.根据权利要求8所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区域包括至少两层耦入填充光栅层，各所述耦入填充光栅层的光栅矢量方向相同，用于将图像源出射的多波段的图像光束耦入所述波导基底形成传播光束。

13.根据权利要求2-12中任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一光栅区域包括耦入光栅区域和扩展光栅区域，所述第二光栅区域包括耦出光栅区域，所述耦入光栅区域的填充光栅结构的参数为第一调制变量，用于增大图像源出射的图像光束耦入所述波导基底的耦入效率；所述扩展光栅区域和所述耦出光栅区域的填充光栅结构的参数为第二调制变量，用于调制光栅衍射效率，以提高观测者在动眼眶内各可观测角度下观测到的图像画面的均匀性。

14.根据权利要求13所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一调制变量包括所述耦入光栅区域的填充光栅结构的光栅基底的折射率、齿形、倾角、周期、占空比和深度，以及所述耦入光栅区域的填充光栅结构的填充层的折射率中的至少一种。

15.根据权利要求13所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二调制参数包括所述扩展光栅区域和所述耦出光栅区域的填充光栅结构的光栅基底的折射率、齿形、倾角、周期、占空比和深度，以及所述扩展光栅区域和所述耦出光栅区域的填充光栅结构的填充层的折射率中的至少一种；所述第二调制参数被调制使得同一功能区域内沿光束传播方向的衍射效率逐渐增大；其中，对所述填充层的折射率的调制包括对同一功能区域内的同一层填充层的分区调制。

16.根据权利要求13所述的衍射光波导，其特征在于，所述光栅基底的齿形结构包括直齿结构、斜齿结构、梯形结构、三角结构、台阶结构中的至少一种。

17.根据权利要求13所述的衍射光波导，其特征在于，所述光栅基底的结构包括一维凸起条状光栅结构、二维交叉凸起条状光栅结构、二维交叉条状的凹陷阴模光栅结构。

18.根据权利要求13所述的衍射光波导，其特征在于，所述光栅基底与所述填充层的材料包括有机材料和透明无机材料。

19.根据权利要求13所述的衍射光波导，其特征在于，所述光栅基底与所述填充层的折射率差值范围为Δn，0.01≤Δn≤1.4。

20.根据权利要求13所述的衍射光波导，其特征在于，所述填充光栅结构的工作方式包括透射光栅模式和反射光栅模式。

21.一种衍射光波导的制备方法，其特征在于，包括：

提供波导基底；

22.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于，所述第一光栅结构和所述第二光栅结构包括填充光栅结构，所述填充光栅结构包括一层填充光栅层；所述填充光栅层包括光栅基底和填充层，所述填充层用于填充所述光栅基底之间的间隙并形成平整光滑的表面；所述光栅基底和所述填充层的折射率不同；

所述在所述波导基底的第一光栅区域形成第一光栅结构，以及在第二光栅区域形成第二光栅结构，包括：

采用压印或者刻蚀的方式，在所述波导基底的所述第一光栅区域形成第一光栅基底，以及在所述第二光栅区域形成第二光栅基底；

采用固化或者镀膜的方式，在所述第一光栅基底上形成第一填充层得到填充光栅结构，以及在第二光栅基底上形成第二填充层得到填充光栅结构。

23.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于，所述第一光栅结构和/或所述第二光栅结构包括填充光栅结构，所述填充光栅结构包括多层堆叠的填充光栅层；所述多层堆叠的填充光栅层通过多层单层填充光栅层对准叠加得到。

24.一种增强现实设备，其特征在于，包括：

设备主体；

光机，其中所述光机被设置于所述设备主体，所述光机中的图像源用于投射图像光束；以及权利要求1-20项中任一项所述的衍射光波导。

25.根据权利要求24所述的增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备实现为近眼显示设备，其中，所述设备主体被实施为眼镜架，其中所述眼镜架包括横梁部和镜腿部，并且所述镜腿部从所述横梁部的左右两侧中的至少一侧向后延伸，其中所述衍射光波导被对应地设置于所述横梁部。

26.根据权利要求24所述的增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备实现为抬头显示设备，所述设备主体被实施为挡风玻璃，所述衍射光波导被对应地设置于所述挡风玻璃的内部或者内侧，使得经由所述光机投射的该图像光束在经由所述衍射光波导的传输后，投射至所述挡风玻璃以形成虚像。