【技术实现步骤摘要】
本专利技术实施例涉及显示，尤其涉及一种衍射光波导及其制备方法、增强现实设备。
技术介绍
1、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，是将通过微型投影系统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。
2、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。
3、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。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术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。
2、第一方面，本专利技术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
3、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；
4、所述第二光栅区域用于衍射所述传播光束形成输出光束；
5、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。
6、第二方面，本专利技术实施例还提供了一种衍射光波导的制备方法，包括：
7、提供波导基底；
8、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；
9、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。
10、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。
11、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。
12、首先，相较于常规的表面浮雕光栅和体光栅，本专利技术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。此时本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。
13、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。
14、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。
15、需要说明的是，本专利技术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。
16、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。
17、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。
18、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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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；
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；
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
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；
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；
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；
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；
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；
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...
【技术特征摘要】
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄河，张雅琴，
申请(专利权)人：上海鲲游科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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