CN117761825A - 一种光波导器件及ar显示装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种光波导器件及AR显示装置，所述光波导器件包括：光波导板，及设于所述光波导板上的耦入光栅、反射元件和耦出光栅；其中，所述耦入光栅被配置为将入射光耦入至所述光波导板中，并在所述光波导板中形成衍射光线；所述反射元件被配置为接收来自所述光波导板中的所述衍射光线，并将所述衍射光线反射至所述耦出光栅；所述耦出光栅被配置为接收来自所述反射元件反射的衍射光线，并将所述衍射光线射出。本公开实施例提供的光波导器件及AR显示装置，其是提供了一种AR增强现实显示***的新架构，能够提高光效。

Description

一种光波导器件及AR显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种光波导器件及AR显示装置。

背景技术

自“元宇宙”概念提出以来，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)随之获得了更多的关注。其中，在AR增强现实方面，光波导技术是不可缺少的一步。在相关技术的R增强现实所采用的光波导器件，是利用带有衍射光栅的平板光波导片，将光源组件出射的图像传输并扩瞳到人眼，使得用户在看到真实世界的同时观察到光源组件投出叠加在世界的虚像。

发明内容

本公开实施例提供了一种光波导器件及AR显示装置，其是提供了一种AR增强现实显示***的新架构，能够提高光效。

本公开实施例所提供的技术方案如下：

第一方面，本公开实施例中提供一种光波导器件，用于AR显示装置；所述光波导器件包括：

光波导板；及

设于所述光波导板上的耦入光栅、反射元件及耦出光栅；其中，所述耦入光栅被配置为将入射光耦入至所述光波导板中，并在所述光波导板中形成衍射光线；所述反射元件被配置为接收来自所述光波导板中的所述衍射光线，并将所述衍射光线反射至所述耦出光栅；所述耦出光栅被配置为接收来自所述反射元件反射的衍射光线，并将所述衍射光线射出。

示例性的，所述耦入光栅被配置为将所述入射光衍射后分为+1级衍射光线和-1级衍射光线；所述反射元件包括第一反射单元和第二反射单元；其中，所述第一反射单元设于所述+1级衍射光线的传播路径上，且被配置为将所述+1级衍射光线反射后朝向所述耦出光栅传播；

所述第二反射单元设于所述-1级衍射光线的传播路径上，且被配置为将所述-1级衍射光线反射后朝向所述耦出光栅传播。

示例性的，所述+1级衍射光线与所述-1级衍射光线的衍射效率相同。示例性的，所述耦出光栅位于所述耦入光栅沿第一方向的一侧，所述耦入光栅将所述入射光衍射后所形成的所述+1级衍射光线被配置为沿第二方向传播，所述耦入光栅将所述入射光衍射后所形成的所述-1级衍射光线被配置为沿第三方向传播，所述第二方向与所述第三方向反向，且所述第二方向与所述第三方向均与所述第一方向交叉；

其中，所述第一反射单元位于所述耦入光栅沿所述第二方向的一侧；所述第二反射单元位于所述耦入光栅沿所述第三方向的一侧。

示例性的，所述第一反射单元包括第一反射面和第二反射面，所述第一反射面被配置为接收所述+1级衍射光线，并将所述+1级衍射光线反射至所述第二反射面，所述第二反射面被配置为将来自所述第一反射面的所述+1级衍射光线反射至所述耦出光栅；

所述第二反射单元包括第三反射面和第四反射面，所述第三反射面被配置为接收所述-1级衍射光线，并将所述-1级衍射光线反射至所述第四反射面，所述第四反射面被配置为将来自所述第一反射面的所述-1级衍射光线反射至所述耦出光栅；

其中，所述第一反射单元和所述第二反射单元被配置为使所述+1级衍射光线经由所述耦出光栅耦出后的光波矢量与所述-1级衍射光线经由所述耦出光栅耦出后的光波矢量相同。

示例性的，所述第一反射面位于所述耦入光栅沿所述第二方向的一侧，且所述第一反射面被配置为将所述+1级衍射光线沿所述第一方向朝向所述第二反射面反射；所述第二反射面位于所述第一反射面沿所述第一方向的一侧，且位于所述耦入光栅沿所述第二方向的一侧，所述第二反射面被配置为将来自所述第一反射面的衍射光线沿所述第三方向反射至所述耦出光栅；

所述第三反射面位于所述耦入光栅沿所述第三方向的一侧，且所述第三反射面被配置为将所述-1级衍射光线沿所述第一方向朝向所述第四反射面反射；所述第四反射面位于所述第三反射面沿所述第一方向的一侧，且位于所述耦入光栅沿所述第三方向的一侧，所述第二反射面被配置为将来自所述第三反射面的衍射光线沿所述第二方向反射至所述耦出光栅。

示例性的，所述光波导板的周侧面部分区域形成为反射区，所述反射元件包括所述反射区。

示例性的，所述反射元件的反射面呈光滑斜面状或者光滑弧面状。示例性的，所述耦入光栅为一维光栅，所述耦出光栅为一维光栅或二维光栅。

示例性的，所述耦入光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和多层光栅中的一种或多种；所述耦出光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和多层光栅中的一种或多种。

示例性的，所述耦入光栅包括多个呈周期性排列的第一光栅结构，且所述耦出光栅包括多个呈周期性排列的第二光栅结构，所述第一光栅结构与所述第二光栅结构均为条状，且所述第一光栅结构与所述第二光栅结构的延伸方向平行。

第二方面，本公开实施例中提供一种AR显示装置，包括如上所述的光波导器件。

本公开实施例所带来的有益效果如下：

上述方案中，该光波导器件包括光波导板、耦入光栅、反射元件和耦出光栅，其中，耦入光栅可将入射光耦合入光波导板中，并在光波导板中形成衍射光线，反射元件可将衍射光线反射至耦出光栅，耦出光栅可接收来自所述反射元件反射的衍射光线，并将所述衍射光线射出。如此，本公开实施例设计了一种采用反射元件进行折转的光波导器件，即提供了一种AR增强现实显示***的新架构，相较于相关技术中的光波导器件来说，采用反射元件取代折转光栅，通过反射元件来将衍射光线的光路转向，由于反射元件的反射面对光线能量的损耗可以忽略不计，因此，能够减少由于折转光栅的存在而造成的能量损耗，从而提高光效。

附图说明

图1表示相关技术中的一种光波导器件的结构示意图；

图2表示相关技术中的一种光波导器件中耦入光栅形成的衍射光线传播光路示意图；

图3表示相关技术中的另一种光波导器件的结构示意图；

图4表示本公开一些实施例中提供的光波导器件的结构示意图；

图5表示本公开另一些实施例中提供的光波导器件的结构示意图；

图6表示光波导器件在上折转光路和下折转光路中仅反射折转一次的情况下的示意图；

图7表示相关技术中采用双折转光栅的光波导架构中光波矢K空间分析示意图；

图8表示图6所示的光波导器件中光波矢K空间分析示意图；

图9表示图4所示的光波导器件中光波矢K空间分析示意图；

图10表示本公开另一些实施例中提供的光波导器件的结构示意图；图11表示本公开另一些实施例中提供的光波导器件的结构示意图；图12表示本公开实施例提供的AR显示装置应用于HUD中的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本说明书中，“平行”是指两条直线形成的角度为-10°以上且10°以下的状态，因此，也包括该角度为-5°以上且5°以下的状态。另外，“垂直”是指两条直线形成的角度为80°以上且100°以下的状态，因此，也包括85°以上且95°以下的角度的状态。

在对本公开实施例提供的光波导器件及AR显示装置进行详细说明之前，对相关技术进行以下说明：

自“元宇宙”概念提出以来，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)随之获得了更多的关注。其中。在AR增强现实方面，光波导技术是不可缺少的一步。光波导技术实现方法一般分为几何光波导和衍射光波导方案。以上两种波导方案目前都存在着诸多技术问题，例如，几何光波导光效较高，但工艺复杂，制作难度大；而衍射光波导工艺相对简单，但光效不足1％。

光效是影响用户对AR设备使用体验的重要影响因素之一，而实现高光效一般可以通过高亮度光机和高光效光学元件实现。随着micro LED(Micro Light Emitting DiodeDisplay，微发光二极管显示器)的发展，小型化高亮度的光机已初步进入市场，但因其体积小且亮度高，导致发热情况严重而无法支持复杂的显示，这也是目前、AR设备仅仅支持显示简单的文字提示的原因。另一方面，自由曲面光学元件虽具备较高光效，但其厚重的外形通常不被用户喜爱。因此，对轻薄的光波导器件如何进行光效提升，对AR显示装置发展尤为重要。基于光波导技术的AR显示装置一般由微显示器、准直目镜组、光波导板、耦入光栅、折转光栅、耦出光栅组成，其中耦入光栅、折转光栅和耦出光栅置于同一透光的光波导板上。AR显示装置的基本原理是，微显示器输出所需的虚拟图像信息，准直目镜组对这些虚拟图像信息起到准直的作用，将各视场角的光线转变为平行光，通过光波导板上的耦入光栅，改变光线传播方向进入光波导板中，各视场角的平行光在光波导板中进行全反射，沿光波导板传播到达折转光栅，再由折转光栅到达耦出光栅，耦出光栅改变光线的传播方向，使光线不在光波导板中进行全反射，从光波导板中出射，光束沿传播方向进行扩展，并从光波导板耦出后进入观察者的眼中，达到出瞳扩展的目的。

目前，AR显示装置存在光效低等问题，一般基于衍射原理的光学模组，比如体全息光栅或表面浮雕光栅，它的光效一般都低于5％。

图1为一种相关技术的光波导器件的结构示意图。如图1所示，该相关技术的光波导器件可以用于AR显示装置。该相关技术的光波导器件包括：光波导板11，以及设置在所述光波导板11上的一个耦入光栅12、一个折转光栅13和一个耦出光栅14；耦入光栅12、折转光栅13和耦出光栅14均采用一维光栅，耦出光栅14位于耦出光栅14在第一方向D1的一侧，耦入光栅12位于折转光栅13在第二方向D2反方向的一侧。耦入光栅12和耦出光栅14在光波导板11上的正投影均为矩形，折转光栅13在光波导板11上的正投影为梯形。耦入光栅12在光波导板11上的正投影的面积远远小于折转光栅13在光波导板11上的正投影的面积。其中，折转光栅13配置为对光波导板11中的全反射光线进行一维扩瞳，将视场角进行分割，一般是将左视场角和右视场角向两个方向进行传播，增大视场角。

上述相关技术的光波导器件只能采用某一级数的光耦入，浪费较多的光能。一维折转光栅实现一个方向的扩瞳，需在光波导板中占用较大的面积，从而使得耦出光栅面积设计的自由度降低，尤其是对于未来更大视场(FOV)、更大Eyebox的设计。

如图2所示，矩形光栅的+1级衍射光线和-1级衍射光线传播方向相对称，图中+1T表示+1级衍射光线，-1T表示-1级衍射光线。图1所示的光波导器件中只利用了一个衍射级次的光能量，是该光波导架构光效低的原因之一。图3是相关技术中另一种光波导器件的结构示意图。如图3所示，该光波导器件采用双折转光栅二维扩瞳光波导架构，其中，折转光栅有两个，分别标记为13a和13b。该双折转光栅二维扩瞳光波导架构相比一维扩瞳架构减小了光机的尺寸，可利用双向衍射级次光线，双衍射级次的耦入光能量得到提升。然而，本公开发明人经研究发现，虽然图3所示的光波导架构可以提升耦入光能量，但是，与此同时，由于双折转光栅的引入，也会进一步降低光效，使得该光波导架构对光效的提升并不明显。

有基于此，为了解决上述问题，本公开实施例中提供了一种光波导器件及AR显示装置，其是提供了一种AR增强现实显示***的新架构，相较于相关技术中的光波导器件，能够提高光效。

如图4和图5所示，本公开实施例所提供的光波导器件，用于AR显示装置；所述光波导器件包括：光波导板100，以及设于所述光波导板100上的耦入光栅200、反射元件300及耦出光栅400；其中，所述耦入光栅200被配置为将入射光耦入至所述光波导板100中，并在所述光波导板100中形成衍射光线；所述反射元件300被配置为接收来自所述光波导板100中的所述衍射光线，并将所述衍射光线反射至所述耦出光栅400；所述耦出光栅400被配置为接收来自所述反射元件300反射的衍射光线，并将所述衍射光线射出。

上述方案中，设计了一种采用反射元件300进行折转的光波导器件，即提供了一种AR增强现实显示***的新架构，相较于相关技术中的光波导器件来说，采用反射元件300取代折转光栅，通过反射元件300来将衍射光线的光路转向，由于反射元件300的反射面对光线能量的损耗可以忽略不计，因此，能够减少由于折转光栅的存在而造成的能量损耗，提高光效。以下对本公开实施例提供的光波导器件的实施方式进行举例说明。在一些实施例中，如图4所示，所述耦入光栅200被配置为将所述入射光衍射后分为+1级衍射光线和-1级衍射光线；所述反射元件300包括第一反射单元310和第二反射单元320；其中，所述第一反射单元310设于所述+1级衍射光线的传播路径上，且被配置为将所述+1级衍射光线反射后朝向所述耦出光栅400传播；所述第二反射单元320设于所述-1级衍射光线的传播路径上，且被配置为将所述-1级衍射光线反射后朝向所述耦出光栅400传播。采用上述方案，所述第一反射单元310和所述第二反射单元320用于分别改变+1级衍射光线和-1级衍射光线的传播方向，所述第一反射单元310和所述第二反射单元320起到反射作用的是反射面，反射面可以选用光滑反射面，以尽可能地减少对光线能量的损耗。

如此，通过所述第一反射单元310和所述第二反射单元320可以分别将光波导板100中的+1级衍射光线和-1级衍射光线朝向所述耦出光栅400传播，实现光能的充分利用。

并且，耦入光栅200在光波导板100上的正投影的面积可远远小于耦出光栅400在光波导板100上的正投影的面积，并且反射面在所述光波导板100上的正投影结构相较于折转光栅可以更小，因此，可以进一步增大耦出光栅400在光波导板100上正投影的面积，实现耦出光栅400的面积最大化，提升光学设计的自由度。

可以理解的是，在其他实施例中，根据实际需求，在一些应用场景下，如图所示，所述反射元件300也可以仅设置在所述+1级衍射光线或所述-1级衍射光线的传播路径上，如此，相较于图1所示的光波导器件，也能够提高光效。在一些实施例中，所述+1级衍射光线与所述-1级衍射光线的衍射效率相同，从而提升光波导器件的亮度均一性，降低后续反射元件300和耦出光栅400的制备难度。

示例性的，如图4所示，所述耦出光栅400位于所述耦入光栅200沿第一方向X1的一侧，所述耦入光栅200将所述入射光衍射后所形成的所述+1级衍射光线被配置为沿第二方向X2传播，所述耦入光栅200将所述入射光衍射后所形成的所述-1级衍射光线被配置为沿第三方向X3传播，所述第二方向X2与所述第三方向X3反向，且所述第一方向X1、所述第二方向X2与所述第三方向X3均与所述光波导板100的平面平行，且所述第二方向X2与所述第三方向X3均与所述第一方向X1交叉，示例性的，所述第二方向X2、所述第三方向X3均与所述第一方向X1垂直。其中，所述第一反射单元310位于所述耦入光栅200沿所述第二方向X2的一侧；所述第二反射单元320位于所述耦入光栅200沿所述第三方向X3的一侧。

采用上述方案，所述第一反射单元310可将沿第二方向X2传播的+1级衍射光线反射转向后，使反射后的衍射光线朝向所述耦出光栅400传播；所述第二反射单元320可将沿第二方向X2传播的-1级衍射光线反射转向后，使反射后的衍射光线朝向所述耦出光栅400传播。

经本公开发明人研究发现，如图6所示，若所述第一反射单元310和所述第二反射单元320中均仅包括一个反射面，会导致+1级衍射光线和-1级衍射光线经耦出光栅400射出成像时，图6中耦出光栅400出射光线成像用R表示，两个光路成像呈对称图像，从而导致显示画面失常。

分析图6所示的光波导器件出现显示画面失常的原因原理如下：首先，针对相关技术中图3所示的采用双折转光栅的双折转光波导架构，其图像显示光路的K空间波矢分析如图7所示。以下将+1级衍射光线对应的光路称之为上折转光路，将-1级衍射光线对应的光路称之为下折转光路。图7中(A)所示为上折转光路的波矢分析图；图7中(B)所示为上折转光路的波矢分析图。如图7所示，在相关技术中的上折转光路和下折转光路中各光栅(耦入光栅、折转光栅和耦出光栅)所带来的矢量影响可以相互抵消，因此，最终上折转光路与下折转光路成像方向一致，可输出正常的显示图像。图6所示的光波导器件中将上折转光路和下折转光路中衍射光线均仅反射折转一次的情况下的波矢示意图如图8所示。如图8所示，上折转光路和下折转光路中衍射光线经过一次反射后，光矢量方向发生改变，最终上折转光路、下折转光路形成的图像方向关于原点对称，无法输出正常图像。具体的矢量分析如下：

针对任意入射光矢量来说，/>在上折转光路中，经过所述耦入光栅200的光矢量/>经过耦入光栅200后的光矢量为/> 经过一次反射折转时，例如反射面相对入射光倾斜角度为45°，(x′₁,y′₁)＝(y₁,x₁)，则经过一次反射折转后的光矢量为/> 经过耦出光栅400的光矢量为最终经耦出光栅400出射的光矢量为/>由于K_a＝K_c，因此，/>

在对下折转光路中，经过所述耦入光栅200的光矢量为经过耦入光栅200后的光矢量为/>经过一次反射折转，假设反射面相对入射光倾斜角度为45°，(x′₂,y′₂)＝(-y₂,-x₂)，经过一次反射折转后入射耦出光栅400的光矢量为/>最终经耦出光栅400出射的光矢量为/> 由于K_a＝K_c，因此， 基于以上可知，/>即，上、下折转光路光耦出后的图像关于原点对称，不能正常显示图像。

为了解决上述问题，如图5所示，在一些实施例中，所述第一反射单元310包括第一反射面311和第二反射面312，所述第一反射面311被配置为接收所述+1级衍射光线，并将所述+1级衍射光线反射至所述第二反射面312，所述第二反射面312被配置为将来自所述第一反射面311的所述+1级衍射光线反射至所述耦出光栅400；

所述第二反射单元320包括第三反射面321和第四反射面322，所述第三反射面321被配置为接收所述-1级衍射光线，并将所述-1级衍射光线反射至所述第四反射面322，所述第四反射面322被配置为将来自所述第一反射面311的所述-1级衍射光线反射至所述耦出光栅400；

其中，所述第一反射单元310和所述第二反射单元320被配置为使所述+1级衍射光线经由所述耦出光栅400耦出后的光波矢量与所述-1级衍射光线经由所述耦出光栅400耦出后的光波矢量相同。

采用上述方案，通过在上折转光路和下折转光路中分别对衍射光线进行两次反射折转，而构建形成一四反射折转的光波导架构，保证图像显示正常，同时几乎无损耗地利用+1级衍射光提升光效。

在一些实施例中，如图所示，所述第一反射面311位于所述耦入光栅200沿所述第二方向X2的一侧，且所述第一反射面311被配置为将所述+1级衍射光线沿所述第一方向X1朝向所述第二反射面312反射；

所述第二反射面312位于所述第一反射面311沿所述第一方向X1的一侧，且位于所述耦入光栅200沿所述第二方向X2的一侧，所述第二反射面312被配置为将来自所述第一反射面311的衍射光线沿所述第三方向X3反射至所述耦出光栅400；

所述第三反射面321位于所述耦入光栅200沿所述第三方向X3的一侧，且所述第三反射面321被配置为将所述-1级衍射光线沿所述第一方向X1朝向所述第四反射面322反射；

所述第四反射面322位于所述第三反射面321沿所述第一方向X1的一侧，且位于所述耦入光栅200沿所述第三方向X3的一侧，所述第二反射面312被配置为将来自所述第三反射面321的衍射光线沿所述第二方向X2反射至所述耦出光栅400。

采用上述方案，通过上述耦入光栅200、反射元件300及耦出光栅400的空间布置，将上折转光路中+1级衍射光线经过两次折转，朝向所述耦出光栅400传播，下折转光路中-1级衍射光线经过两次折转，朝向所述耦出光线传播。应当理解的是，在其他实施例中，耦入光栅200、反射元件300及耦出光栅400的空间布置关系不限于此，只要可以对上、下折转光路中衍射光线经过至少两次反射后，保证图像显示正常即可。

针对图5所示的实施例中的光波导器件，其矢量分析如图8所示，针对任意入射矢量在上折转光路中，入射所述耦入光栅200的光矢量为/>经过耦入光栅200后的光矢量/> 经过第一反射面311折转，假设(x′₁,y′₁)＝(y₁,x₁)，第一次折转后的光矢量/>经过第二反射面312折转，则(x′₂,y′₂)＝(-y₂,-x₂)，第二次折转后的光矢量/> 入射耦出光栅400的光矢量为/>最终经耦出光栅400出射的光矢量为由该光波导器件的结构及光路原理可知，K_a＝K_c，因此，/>对下折转光路来说，经过所述耦入光栅200的光矢量为/> 经第三反射面321折转时，(x′₃,y′₃)＝(-y₃,-x₃)，因此，/> 经第四反射面322折转时，(x′₄,y′₄)＝(y₄,x₄)，因此，/> 经过耦出光栅400的光矢量为最终经耦出光栅400出射的光矢量为/>由该光波导器件的结构及光路原理可知，K_a＝K_c，因此/>基于上述分析可知，/>即，上、下折转光路耦出后的光波矢一致，上折转光路、下折转光路输出图像方向一致，可输出正常图像显示。

示例性的，在一些实施例中，所述第一反射面311、所述第二反射面312、所述第三反射面321和所述第四反射面322的入射角度均被配置为45°，但是并不限于此，只要各反射面在设计时保证上折转光路、下折转光路最终成像方向一致，即可输出最终图像。这样，各反射面的形状设计具有较高自由度。

在一些实施例中，如图4和图5所示，所述反射元件300的一个或多个反射面均可以被构造为光滑斜面状。在另一些实施例中，如图10所示，所述反射元件300的一个或多个反射面均可以被构造为光滑弧面状。

其中，当反射面被构造为光滑弧面状的情况下，调整反射面与耦入光栅200、耦出光栅400的位置关系，可以改变衍射光线入射至反射面时的入射角度及空间位置等，可适用更广泛场景，例如对于未来更大视场(FOV)、更大Eyebox的设计。

当然可以理解的是，所述反射元件300的各反射面不限于上述光滑斜面状或光滑弧面状，也可以是其他规则或不规则形状，例如图11所示的异型弧面状。

此外，在一些实施例中，所述光波导板100的周侧面部分区域形成为反射区，所述反射元件300包括所述反射区。也就是说，可通过将所述光波导板100的周侧面进行设计，以形成所述反射区，并将所述周侧面中形成所述反射区的部分，作为所述反射元件300的反射面。这样，直接利用所述光波导板100自身形成反射元件300，结构简单，无需单独再设置其他反射元件300。可以理解的是，在其他实施例中，也可以是在所述光波导板100中单独设置反射镜等任意合适的反射元件300。

例如，在一些实施例中，可以直接将所述光波导板100切四个斜角或四个弧形角，这四个斜角或弧形角即为所述反射区，来分别作为所述第一反射面311、所述第二反射面312、所述第三反射面321和所述第四反射面322。在一些实施例中，还可以在所述光波导板100的周侧面上的反射区处涂反射涂层，以进一步保证无损耗地反射衍射光。

还需要说明的是，所述第一反射单元310不限于仅包括第一反射面311和第二反射面312，所述第二反射单元320不限于仅包括第三反射面321和第四反射面322，换言之，上折转光路和下折转光路中可以不限于经两次反射折转后经所述耦出光栅400耦出，也可以经两次以上反射折转后经所述耦出光栅400耦出，只需保证所述+1级衍射光线、所述-1级衍射光线分别经多次反射折转后经所述耦出光栅400耦出后显示图像方向一致即可。

在示例性实施方式中，所述耦入光栅200为一维光栅，所述耦出光栅400为二维光栅，所述耦出光栅400还配置为将来自所述第一反射单元310的+1级衍射光线和来自所述第二反射单元320的-1级衍射光线进行二维扩瞳，增大视场角。

示例性的，所述耦入光栅200包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和多层光栅中的一种或多种；所述耦出光栅400包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和多层光栅中的一种或多种。

在一个实施例中，如图4所示，所述耦入光栅200和所述耦出光栅400均为矩形光栅，当然，所述耦入光栅200和所述耦出光栅400也可以是矩形、菱形、圆形或其他多边形中的任一种，本领域技术人员可以根据实际情况任意设置。

示例性的，如图5所示，所述耦入光栅200包括多个呈周期性排列的第一光栅结构210，相邻第一光栅结构210之间形成第一狭缝220；所述耦出光栅400包括多个呈周期性排列的第二光栅结构410，相邻第二光栅结构410之间形成第二狭缝420；在平行于所述光波导板100的平面上，所述第一光栅结构210与所述第二光栅结构410均为条状，且所述第一光栅结构210与所述第二光栅结构410的延伸方向平行。

采用上述方案，经所述耦入光栅200形成的+1级衍射光线、-1级衍射光线在经反射折转后入射所述耦出光栅400的衍射光线平行且反向，因此，所述耦入光栅200与所述耦出光栅400的光栅结构延伸方向可一致，以保证最终耦出光线形成的图像方向一致。

此外，通过控制所述耦入光栅200、所述耦出光栅400的占空比、高度和周期在合理的范围内，有利于保证提高耦出光栅400的耦出效率，可根据实际情况调节具体参数，以使耦出的光强均匀性达到特定要求。

例如，示例性的，所述耦入光栅200包括多个呈周期性排列的第一光栅结构210，在垂直所述光波导板100的平面上，所述第一光栅结构210的截面可以呈三角形，且所述第一光栅结构210的内角可以为30～90°。

本公开实施例光波导器件中耦入光栅200为闪耀光栅或倾斜光栅，相比于矩形光栅，具有更高的1级衍射效率。矩形光栅属于振幅型光栅，单缝衍射的0级与多缝干涉0级的相位重合，导致±1级衍射光效始终小于0级衍射光效。对于闪耀光栅，由于闪耀角的存在，可实现单缝衍射的0级与多缝干涉0级在相位上分开，并使得单缝衍射0级落在多缝干涉±1级上，使得±1级衍射效率高于0级衍射效率。同时，在经过光栅参数优化后可实现±1级衍射效率近似保持一致。经大量仿真，闪耀光栅更容易满足+1级衍射级数和-1级衍射级数衍射效率接近的条件，因此本公开实施例光波导器件中耦入光栅200优选闪耀光栅。

在示例性实施方式中，所述第一光栅结构210材料的折射率为1.5至2.2。所述第一光栅结构210的材料包括聚合物或无机材料，例如，玻璃。示例性的，所述耦入光栅200的周期为250纳米至450纳米；和/或，所述耦入光栅200的占空比为0.2至0.8；和/或，所述耦入光栅200的第一光栅结构210的高度为50纳米至500纳米。其中，一个第一光栅结构210和与之相邻的一个第一狭缝220连成一个耦入光栅200的周期。一个耦入光栅200的周期的宽度为d，第一光栅结构210的宽度为a，第一狭缝220的宽度为b，耦入光栅200的占空比是指a/d。

在一些实施例中，所述耦出光栅400为二维光栅。示例性的，所述耦出光栅400包括多个呈周期性排列的第二光栅结构410，如图4所示，所述耦出光栅400为闪耀光栅。在平行于光波导板100的平面上，所述第二光栅结构410在光波导板100上的正投影为菱形、圆形、三角形、平行四边形和矩形中的至少一种。在垂直于光波导板10021的平面上，所述第二光栅结构410的截面为矩形。所述第二光栅结构410材料的折射率为1.5至2.2。所述第一光栅结构210的材料包括聚合物或无机材料，例如，玻璃。

示例性的，所述耦出光栅400的周期为250纳米至450纳米；和/或，所述耦出光栅400的占空比为0.1至0.9；和/或，所述耦出光栅400的第二光栅结构410的高度为50纳米至500纳米。

在示例性实施方式中，所述光波导板100的材料包括聚合物或无机材料，例如玻璃。所述光波导板100材料的折射率为1.5至2.2。

此外，本公开实施例提供的光波导器件的制备方法可以采用纳米压印工艺形成耦入光栅200和耦出光栅400的光栅结构。示例性的，所述反射元件300可以通过具体而言，所述光波导器件的制备方法可以包括如下步骤：

步骤S01、提供光波导板100；

步骤S02、在所述光波导板100上形成耦入光栅200、反射元件300和耦出光栅400；

其中，所述耦入光栅200被配置为将入射光耦入至所述光波导板100中，并在所述光波导板100中形成衍射光线；所述反射元件300被配置为接收来自所述光波导板100中的所述衍射光线，并将所述衍射光线反射至所述耦出光栅400；所述耦出光栅400被配置为接收来自所述反射元件300反射的衍射光线，并将所述衍射光线射出。

示例性的，上述步骤S02中，在所述光波导板100上形成所述反射元件300时，可以通过切割等方式，将所述光波导板100的周侧面部分区域形成所述反射区，以将所述反射区构造作为所述反射元件300。

示例性的，上述步骤S02中，在所述光波导板100上形成所述耦入光栅200和所述耦出光栅400时，采用纳米压印工艺形成耦入光栅200和耦出光栅400。

在示例性实施方式中，采用纳米压印工艺形成耦入光栅200和耦出光栅400，具体包括：

在光波导板100上形成压印胶层；

采用纳米压印工艺，将具有耦入光栅200图案和耦出光栅400图案的母模板，对压印胶层进行压印，使压印胶层形成第一光栅结构210、第二光栅结构410；

使第一光栅结构210形成耦入光栅200，使第二光栅结构410形成耦出光栅400。

对于如何通过第一光栅结构210形成耦入光栅200，通过第二光栅结构410形成耦出光栅400，可选用常规的光栅工艺，在此不再赘述。

此外，本公开实施例中还提供了一种AR显示装置，包括本公开实施例提供的光波导器件。显然，本公开实施例提供的AR显示装置也具有本公开实施例提供的光波导器件所带来的技术效果，在此不再赘述。

在一个应用场景下，所述AR显示装置可以应用于HUD显示装置中。抬头显示简称HUD，又叫做平视显示器，是一种将重要的行车信息投影到驾驶员前面的风挡玻璃上的设备。

由于HUD一般需再经过前挡风玻璃一次反射，导致其光效进一步降低，因此，在相关技术中多采用高光效的自由曲面光学模组。然而，自由曲面光学模组具备体积过大的缺点。

为了解决上述问题，如图12所示，将本公开实施例提供的AR显示装置中，光波导器件10可置于前挡风玻璃20的下方，从耦出光栅400耦出光线可射向前挡风玻璃20上，且位于人眼30可平视观看到的区域。这样，将本公开实施例提供的AR显示装置应用于HUD中，可实现高光效、小体积的HUD光波导显示***。

有以下几点需要说明：

(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。

(2)为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。

(3)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种光波导器件，用于AR显示装置；其特征在于，所述光波导器件包括：

光波导板；及

设于所述光波导板上的耦入光栅、反射元件及耦出光栅；其中，

所述耦入光栅被配置为将入射光耦入至所述光波导板中，并在所述光波导板中形成衍射光线；所述反射元件被配置为接收来自所述光波导板中的所述衍射光线，并将所述衍射光线反射至所述耦出光栅；所述耦出光栅被配置为接收来自所述反射元件反射的衍射光线，并将所述衍射光线射出。

2.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述耦入光栅被配置为将所述入射光衍射后分为+1级衍射光线和-1级衍射光线；所述反射元件包括第一反射单元和第二反射单元；其中，

所述第一反射单元设于所述+1级衍射光线的传播路径上，且被配置为将所述+1级衍射光线反射后朝向所述耦出光栅传播；

所述第二反射单元设于所述-1级衍射光线的传播路径上，且被配置为将所述-1级衍射光线反射后朝向所述耦出光栅传播。

3.根据权利要求2所述的光波导器件，其特征在于，所述+1级衍射光线与所述-1级衍射光线的衍射效率相同。

4.根据权利要求2所述的光波导器件，其特征在于，所述耦出光栅位于所述耦入光栅沿第一方向的一侧，所述耦入光栅将所述入射光衍射后所形成的所述+1级衍射光线被配置为沿第二方向传播，所述耦入光栅将所述入射光衍射后所形成的所述-1级衍射光线被配置为沿第三方向传播，所述第二方向与所述第三方向反向，且所述第二方向与所述第三方向均与所述第一方向交叉；

其中，所述第一反射单元位于所述耦入光栅沿所述第二方向的一侧；所述第二反射单元位于所述耦入光栅沿所述第三方向的一侧。

5.根据权利要求4所述的光波导器件，其特征在于，所述第一反射单元包括第一反射面和第二反射面，所述第一反射面被配置为接收所述+1级衍射光线，并将所述+1级衍射光线反射至所述第二反射面，所述第二反射面被配置为将来自所述第一反射面的所述+1级衍射光线反射至所述耦出光栅；

所述第二反射单元包括第三反射面和第四反射面，所述第三反射面被配置为接收所述-1级衍射光线，并将所述-1级衍射光线反射至所述第四反射面，所述第四反射面被配置为将来自所述第一反射面的所述-1级衍射光线反射至所述耦出光栅；

其中，所述第一反射单元和所述第二反射单元被配置为使所述+1级衍射光线经由所述耦出光栅耦出后的光波矢量与所述-1级衍射光线经由所述耦出光栅耦出后的光波矢量相同。

6.根据权利要求5所述的光波导器件，其特征在于，所述第一反射面位于所述耦入光栅沿所述第二方向的一侧，且所述第一反射面被配置为将所述+1级衍射光线沿所述第一方向朝向所述第二反射面反射；所述第二反射面位于所述第一反射面沿所述第一方向的一侧，且位于所述耦入光栅沿所述第二方向的一侧，所述第二反射面被配置为将来自所述第一反射面的衍射光线沿所述第三方向反射至所述耦出光栅；

所述第三反射面位于所述耦入光栅沿所述第三方向的一侧，且所述第三反射面被配置为将所述-1级衍射光线沿所述第一方向朝向所述第四反射面反射；所述第四反射面位于所述第三反射面沿所述第一方向的一侧，且位于所述耦入光栅沿所述第三方向的一侧，所述第二反射面被配置为将来自所述第三反射面的衍射光线沿所述第二方向反射至所述耦出光栅。

7.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述光波导板的周侧面部分区域形成为反射区，所述反射元件包括所述反射区。

8.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述反射元件的反射面呈光滑斜面状或者光滑弧面状。

9.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述耦入光栅为一维光栅，所述耦出光栅为一维光栅或二维光栅。

10.根据权利要求7所述的光波导器件，其特征在于，所述耦入光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和多层光栅中的一种或多种；所述耦出光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和多层光栅中的一种或多种。

11.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述耦入光栅包括多个呈周期性排列的第一光栅结构，且所述耦出光栅包括多个呈周期性排列的第二光栅结构，所述第一光栅结构与所述第二光栅结构均为条状，且所述第一光栅结构与所述第二光栅结构的延伸方向平行。

12.一种AR显示装置，其特征在于，包括如权利要求1至11任一项所述的光波导器件。