本申请公开了一种光学波导装置，其包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅配置为将来自所述波导基板外部的输入光束耦合到所述波导基板中以使之通过全反射被传播到所述耦出光栅，其中所述耦入光栅具有指向所述耦出光栅的光栅矢量方向，所述耦出光栅包括形成有一维光栅的一维区域和形成有二维光栅的二维区域。本申请还公开了一种包括上述光学波导装置的显示设备。根据本发明专利技术实施例的光学波导装置和显示设备中，基于混合的一维光栅和二维光栅的耦出光栅既能够实现光在平面内的二维扩展，又能够有效地提高光学波导装置的光利用/耦合效率。提高光学波导装置的光利用/耦合效率。提高光学波导装置的光利用/耦合效率。
【技术实现步骤摘要】
用于衍射显示的光学波导装置及显示设备
[0001]本专利技术涉及基于衍射的显示技术，特别是基于一维光栅和二维光栅的用于衍射显示的光学波导装置和包括该光学波导装置的显示设备。
技术介绍
[0002]基于衍射的显示技术近年来发展迅速，其可应用在近眼显示装置、头戴式显示装置和平视显示装置等显示装置中，用于实现增强现实(AR，Augmented Reality)显示，也可以用于实现例如虚拟现实(VR,Virtual Reality)显示、混合现实(MR,Mixed Reality)显示等等。
[0003]作为基于衍射的显示技术的重要部件，光学波导装置也在不断改进之中。光学波导装置具有可量产性强、轻薄等优势，但是在显示图像的亮度(对应于光学波导装置的光耦合效率/利用效率)和均匀性(对应于光学波导装置的出射光场的均匀性)方面尚待提高。传统的一种基于二维耦出光栅的衍射显示用光学波导装置如图12所示，其中，载有图像信息的输入光束从耦入光栅A被耦合到波导中；耦出光栅B为二维光栅，其接收耦入光栅A耦入并经波导传导过来的光，通过衍射对光进行波导内的二维扩展传播并同时向波导外(向人眼)耦出光。图12中以圆圈示意性地表示入射到耦入光栅上的光束以及光束在波导基板特别是在耦出光栅内的传播。如图12所示，当耦出光栅B为二维光栅时，衍射级次包括向波导外部耦出的级次(耦出级次)以及在波导内部全反射的级次(传导级次)a、b、c、d、e、f，其中传导级次c、d、e级次是向回传导，级次b也是偏向向回传导，向前及向外侧的有效传导的级次主要是全反射零级a(能量占比最大)，其次是衍射级次f。可以看到，传统的二维耦出光栅越往外侧二维扩展传播的效率越低，相应地耦出效率也越低。这样不仅造成整体的光耦合率低，而且也不利于改善出射光场的均匀性。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是提供一种用于衍射显示的光学波导装置及包括该光学波导装置的显示设备，以至少部分地克服了现有技术中的不足。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于一维光栅和二维光栅的扩展输入光的光学波导装置，其包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅配置为将来自所述波导基板外部的输入光束耦合到所述波导基板中以使之通过全反射被传播到所述耦出光栅，其中所述耦入光栅具有指向所述耦出光栅的光栅矢量方向，所述耦出光栅包括形成有一维光栅的一维区域和形成有二维光栅的二维区域。
[0006]在一些实施例中，所述一维区域比所述二维区域更加远离一表征波导内主传播方向的假想线，所述假想线经过所述耦入光栅的大致中心位置并沿着所述光栅矢量方向延伸。
[0007]有利地，所述一维区域位于所述二维区域的垂直于所述光栅矢量方向的一侧或两侧。
[0008]有利地，所述耦出光栅具有靠近所述耦入光栅的第一端和与所述第一端相反的第二端，所述二维区域从所述第一端延伸至所述第二端。
[0009]有利地，所述二维区域具有沿着所述光栅矢量方向逐渐增大的宽度。
[0010]有利地，所述耦入光栅对预定视场角以内的输入光束进行衍射，形成朝向所述耦出光栅传播的耦入光，所述耦入光以全反射方式传播经过所述耦出光栅的区域为全反射路径区域，其中，所述二维区域形成为与所述全反射路径区域相对应。
[0011]有利地，所述二维区域形成为与所述全反射路径区域基本上重合，或以预定的边缘裕量覆盖整个所述全反射路径区域。
[0012]有利地，所述二维区域包括多个二维分区，各个二维分区中形成有二维子光栅，所述二维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个二维分区中的二维子光栅与其它二维分区中的二维子光栅具有不同的光学结构。
[0013]有利地，所述一维区域包括多个一维分区，各个一维分区中形成有一维子光栅；并且位于所述假想线的同一侧的多个一维分区中，所述一维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个一维分区中的一维子光栅与其它一维分区中的一维子光栅具有不同的光学结构。
[0014]有利地，所述不同的光学结构可以为具有不同的横截面形状、横截面尺寸、刻槽倾角、刻槽占空比以及/或者不同高度或深度的光学结构。
[0015]所述二维分区可以包括规则排布的分区，或者包括不规则排布的分区。
[0016]所述一维分区可以包括规则排布的分区，或者包括不规则排布的分区。
[0017]所述二维分区和或所述一维分区可以包括规则排布的分区，或者包括不规则排布的分区。
[0018]在一些实施例中，所述二维区域包括多个二维分区，各个二维分区中形成有二维子光栅；所述一维区域包括多个一维分区，各个所述一维分区中形成有一维子光栅；并且随着远离一表征波导内主传播方向的假想线，所述二维分区所占面积减小，所述一维分区所占面积增大，所述假想线经过所述耦入光栅的大致中心位置并沿着所述光栅矢量方向延伸。
[0019]有利地，所述二维分区的排布密度垂直于所述光栅矢量方向从中间向两侧逐渐减小，并且所述一维分区的排布密度垂直于所述光栅矢量方向从中间向两侧逐渐增大。
[0020]所述二维分区和所述一维分区可以为规则排布的分区，或者为不规则排布的分区。
[0021]有利地，所述二维分区和所述一维分区可以关于所述假想线呈对称分布。
[0022]有利地，所述耦入光栅对预定视场角以内的输入光束进行衍射，形成朝向所述耦出光栅传播的耦入光，所述耦入光以全反射方式传播经过所述耦出光栅的区域为全反射路径区域，其中，所述二维分区在所述全反射路径区域的内侧和外侧具有显著不同的排布密度。
[0023]有利地，至少一个二维分区中的二维子光栅与其它二维分区中的二维子光栅具有不同的光学结构。
[0024]有利地，至少一个一维分区中的一维子光栅与其它一维分区中的一维子光栅具有相同的光栅矢量和不同的光学结构。
[0025]有利地，所述多个一维分区分为位于所述假想线的一侧的多个第一一维分区和位于所述假想线的另一侧的多个第二一维分区，其中所述多个第一一维分区中的一维子光栅具有相同的第一光栅矢量，所述多个第二一维分区中的一维子光栅具有相同的第二光栅矢量，所述第一光栅矢量不同于所述第二光栅矢量；并且至少一个所述第一一维分区中的一维子光栅具有与另一个第一一维分区中的一维子光栅不同的光学结构，并且至少一个所述第二一维分区中的一维子光栅具有与另一个第二一维分区中的一维子光栅不同的光学结构。
[0026]根据本专利技术的另一方面，还提供了一种显示设备，其包括如上所述的光学波导装置。
[0027]有利地，所述显示设备为近眼显示设备，并且包括镜片和用于将镜片保持为靠近眼睛的框架，所述镜片包括所述光学波导装置。
[0028]有利地，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
[0029]根据本专利技术实施例的光学波导装置和显示设备中，基于混合的一维光栅和二维光栅的耦出光栅既能够实现光在平面内的二维扩展，又能够有效地提高光学波导装置的光利用/耦合效率。
附图说明
[0030本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于一维光栅和二维光栅的扩展输入光的光学波导装置，包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅配置为将来自所述波导基板外部的输入光束耦合到所述波导基板中以使之通过全反射被传播到所述耦出光栅，其中所述耦入光栅具有指向所述耦出光栅的光栅矢量方向，所述耦出光栅包括形成有一维光栅的一维区域和形成有二维光栅的二维区域。2.如权利要求1所述的光学波导装置，其中，所述一维区域比所述二维区域更加远离一表征波导内主传播方向的假想线，所述假想线经过所述耦入光栅的大致中心位置并沿着所述光栅矢量方向延伸。3.如权利要求2所述的光学波导装置，其中，所述一维区域位于所述二维区域的垂直于所述光栅矢量方向的一侧或两侧。4.如权利要求3所述的光学波导装置，其中，所述耦出光栅具有靠近所述耦入光栅的第一端和与所述第一端相反的第二端，所述二维区域从所述第一端延伸至所述第二端。5.如权利要求3所述的光学波导装置，其中，所述二维区域具有沿着所述光栅矢量方向逐渐增大的宽度。6.如权利要求1
‑
5中任一项所述的光学波导装置，其中，所述耦入光栅对预定视场角以内的输入光束进行衍射，形成朝向所述耦出光栅传播的耦入光，所述耦入光以全反射方式传播经过所述耦出光栅的区域为全反射路径区域，其中，所述二维区域形成为与所述全反射路径区域相对应。7.如权利要求6所述的光学波导装置，其中，所述二维区域形成为与所述全反射路径区域基本上重合，或以预定的边缘裕量覆盖整个所述全反射路径区域。8.如权利要求2所述的光学波导装置，其中，所述二维区域包括多个二维分区，各个二维分区中形成有二维子光栅，所述二维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个二维分区中的二维子光栅与其它二维分区中的二维子光栅具有不同的光学结构。9.如权利要求2所述的光学波导装置，其中，所述一维区域包括多个一维分区，各个一维分区中形成有一维子光栅；并且位于所述假想线的同一侧的多个一维分区中，所述一维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个一维分区中的一维子光栅与其它一维分区中的一维子光栅具有不同的光学结构。10.如权利要求8所述的光学波导装置，其中，所述一维区域包括多个一维分区，各个一维分区中形成有一维子光栅；并且位于所述假想线的同一侧的多个一维分区中，所述一维子光栅具有相同的光栅矢量，并且至少一个一维分区中的一维子光栅与其它一维分区中的一维子光栅具有不同的光学结构。11.如权利要求8
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10中任一项所述的光学波导装置，其中，所述不同的光学结构为具有不同的横截面形状、横截面尺寸、刻槽倾角、刻槽占空比以及/或者不同高度或深度的光学结构。12.如权利要求1
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5、7...
【专利技术属性】
技术研发人员：范真涛，赵兴明，田克汉，
申请(专利权)人：嘉兴驭光光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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