光波导系统以及近眼显示设备的制作方法

1.本技术涉及光学成像设备技术领域，特别是涉及光波导系统以及近眼显示设备。

背景技术：

2.随着信息时代不断发展，人们在生产生活中对近眼显示设备的性能要求越来越高，各种新型显示技术层出不穷，其中利用全息波导技术的显示系统是目前增强现实(ar)领域的研究热点。全息波导是利用耦入光栅、波导材料以及耦出光栅实现大出瞳、大视场的一种光学技术，这种技术结合了全息记录材料中光栅的衍射特性以及波导介质边界处光束的全反射特性，相比传统的光学系统具有更小的体积和更轻的质量，在便携/头戴式显示终端方面得到广泛应用，并在近年来增强现实和虚拟现实显示头盔方面取得一定成果。
3.在全息波导显示结构中，光束在通过耦出光栅衍射出波导的同时，还会在波导材料内表面发生全反射，衍射出光的次数视耦出光栅尺寸和入射角的大小而定，由于发生全反射，随着衍射次数的增加，入射到耦出光栅上的光强依次减弱，若耦出光栅的衍射效率一定，则会出现衍射出光不均匀的现象，整体视场的亮度均匀性不佳。

技术实现要素：

4.本技术主要解决的技术问题是提供一种光波导系统以及近眼显示设备，能够改善视场的亮度不均匀的问题。
5.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种光波导系统，包括：
6.波导基底；
7.二维耦入光栅，设置于所述波导基底，用于将入射光耦入至所述波导基底内，所述入射光经由所述二维耦入光栅衍射后分为沿第一方向传播的第一衍射光束以及沿其它方向传播的第二衍射光束，其中，所述第一衍射光束具有第一空间矢量k1，所述第二衍射光束具有第二空间矢量kn；
8.耦出光栅，设置于所述波导基底，且位于所述第一衍射光束在所述波导基底的传播路径上，所述第一衍射光束经过所述波导基底的传输后直接进入所述耦出光栅；
9.折转光栅，设置于所述波导基底，且位于所述第二衍射光束在所述波导基底的传播路径上，用于将所述第二衍射光束进行折转射向所述耦出光栅，所述折转光栅具有空间矢量km；
10.所述第一衍射光束、所述第二衍射光束以及所述折转光栅三者的空间矢量k1、kn以及km三者形成闭合矢量三角形。
11.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种近眼显示设备，包括图像源以及本技术提供的光波导系统，所述图像源向所述光波导系统发射光，所述光波导系统将所述光耦出。
12.本技术的有益效果是：本技术的光波导系统包括波导基底、二维耦入光栅、折转光
栅以及耦出光栅。其中二维耦入光栅设置于波导基底，用于将入射光耦入至光波导内，入射光经由所述二维耦入光栅衍射后分为沿第一方向传播具有第一空间矢量k1的第一衍射光束以及沿其它方向传播具有第二空间矢量kn的第二衍射光束。耦出光栅设置于波导基底，且位于第一衍射光束在波导基底的传播路径上，第一衍射光束经过波导基底的传输后直接进入耦出光栅。折转光栅设置于波导基底上，且位于第二衍射光束在波导基底的传播路径上，用于将第二衍射光束进行折转射向所述耦出光栅。折转光栅具有空间矢量km。第一衍射光束、第二衍射光束以及折转光栅三者的空间矢量k1、kn以及km三者形成闭合矢量三角形。区别于现有技术的情况，本技术的光波导系统通过在波导基底上设置折转光栅，提高二维耦入光栅耦入波导基底内的光的利用效率，提高了整体的能量利用效率，使得耦入光分多条路径进入耦出区域，改善了视场的亮度不均匀的问题。
附图说明
13.图1是本技术近眼显示设备一实施例的结构示意图；
14.图2是本技术光波导系统一实施例的结构示意图；
15.图3是本技术光波导系统一实施例中光线在波导基底的一种传播路径示意图；
16.图4是本技术光波导系统一实施例中光线在波导基底的另一种传播路径示意图；
17.图5是本技术光波导系统一实施例中光线在波导基底的又一种传播路径示意图；
18.图6是本技术光波导系统一实施例的光栅矢量示意图；
19.图7是本技术光波导系统另一实施例的结构示意图；
20.图8是本技术光波导系统又一实施例的结构示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
22.请参阅图1，图1是本技术近眼显示设备一实施例的结构示意图。
23.近眼显示设备10包括佩戴框11、佩戴架12、图像源13及光学透镜组件14。所述佩戴架12与所述佩戴框11相连。所述图像源13也可以称为投影光机。
24.所述佩戴框11具有间隔设置的两个视窗区，所述两个视窗区的至少一个视窗区设置有光波导系统100，光波导系统100为本技术提供的光波导系统。
25.所述图像源13设置于光波导系统100的一侧，用于根据所要显示的图像产生光线。所述光学透镜组件14设置于所述图像源13与所述光波导系统100之间，用于将所述光线按照预设规律投入光波导系统100，所述图像源13及所述光学透镜组件14中的至少一个设置于所述佩戴框 11连接所述佩戴架12的连接处。
26.需要说明的是，本技术中的近眼显示设备可以包括智能眼镜、虚拟现实智能眼镜等。需要说明的是，本技术实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于
这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或组件。
27.请参阅图2，图2是本技术光波导系统一实施例的结构示意图。
28.在本技术中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
29.在本实施例中，光波导系统100包括波导基底110、二维耦入光栅 120、折转光栅(图未编号)以及耦出光栅150。
30.波导基底110是引导光在其内部传播的介质，光在波导基底110内部发射全反射，用于将光源的光传播至人眼，波导基底110可以是平面光波导。可选地，波导基底110为高折射率玻璃，波导基底110的折射率大于等于1.7且小于等于2.3，这样设置有利于保证波导基底110的高折射率特性，高折射率可提高视场角的大小，以实现超大视场角的光波导片。当然，也可根据实际需求选择不同的材料。
31.二维耦入光栅120设置于波导基底110上，用于将光源的入射光耦入进波导基底110内。
32.在本实施例中，由于二维耦入光栅120是二维光栅，相对于一维光栅而言，二维耦入光栅120具有多个衍射场。本实施例中二维耦入光栅 120耦入进波导基底110内的光经二维耦入光栅120衍射后分为沿第一方向传播的第一衍射光束l1以及沿其它方向传播的第二衍射光束ln。其中，第一衍射光束l1具有第一空间矢量k1，第二衍射光束ln具有第二空间矢量kn。
33.耦出光栅150设于波导基底110上，并位于第一衍射光束l1所在波导基底110的传播路径上。如图3所示，图3是本技术光波导系统一实施例中光线在波导基底的一种传播路径示意图，图3相对于图2而言为图2视角的侧视图，图中所示箭头代表光线的大致的传播路径，并不代表光线的实际光路。
34.其中入射光经二维耦入光栅120耦入进波导基底110后形成的第一衍射光束l1在波导基底110内传输，并在波导基底110内全反射传播后入射直接进入耦出光栅150，最后由耦出光栅150耦出至人眼。
35.在本实施例中，耦出光栅150也是二维光栅，同时也具备多个衍射场，因此耦出光栅150不仅起到将波导基底110内的光耦出的作用，而且还起到扩瞳的作用。
36.在现有技术中，常常采用一维耦入光栅和二维耦出光栅的设置方法，而一维耦入光栅耦入的光线衍射方向相对较集中，当相对较集中的光线进入耦出光栅后，耦出光栅出射的光线会呈现中间亮条纹的问题。加上耦出光栅的扩瞳功能有限，光波在波导基底入射到耦出光栅上的光线随着衍射次数的增加而减弱，最终耦出光栅出射的光线会存在分布不均匀的现象，位于耦出图像中心区域的亮度会高于位于图像边缘区域的亮度。
37.本实施例中设置了二维耦入光栅120，光线通过二维耦入光栅120 耦入进波导基底110后，产生了多个衍射方向的光线。为了使这些光线都能够从耦出光栅150耦出，在本实施例中还设置折转光栅，折转光栅位于经二维耦入光栅120衍射沿其它方向传播的第二衍射光束ln在波导基底110的传播路径上，折转光栅能够将第二衍射光束ln进行折转射向耦出光栅150，以将不同的方向的光线能够都从耦出光栅150耦出，提升耦出图像边缘区域的
亮度，提高耦出图像的均匀性。
38.为了满足折转光栅能够将第二衍射光束ln进行折转射向耦出光栅 150，折转光栅的空间矢量km应该与第一衍射光束l1具有的第一空间矢量k1以及第二衍射光束ln具有的第二空间矢量kn三者形成闭合矢量三角形。
39.折转光栅包括第一折转光栅组件130和第二折转光栅组件140，第一折转光栅组件130和第二折转光栅组件140设置于波导基底110上。
40.第一折转光栅组件130位于耦出光栅位于所述二维耦入光栅120的同侧，第一折转光栅组件130用于将射向耦出光栅150范围之外的第二衍射光束ln中折转射向耦出光栅150。
41.请参阅图4，图4是本技术光波导系统一实施例中光线在波导基底的另一种传播路径示意图，图中所示箭头代表光线的大致的传播路径，并不代表光线的实际光路。
42.经二维耦入光栅120衍射沿其它方向传播的一部分第二衍射光束 ln1在波导基底110内部传播至第一折转光栅组件130内，第二衍射光束ln1进入第一折转光栅组件130内后，在第一折转光栅组件130内部发生衍射，然后再次入射进入波导基底110，并继续在波导基底110内部进行传播。
43.第一折转光栅组件130相对于第二衍射光束ln1起到折转作用。经过第一折转光栅组件130作用的折转光线在波导基底110内部进行传播，最后被耦出光栅150接收并耦出至人眼。
44.因此，在本实施例中第一折转光栅组件130能够对经二维耦入光栅 120衍射沿其它方向传播的一部分第二衍射光束ln1起到折转作用，并将这些光线折转射向耦出光栅150，提高了耦出光栅150所耦出的光波的能量，增大了光波导系统100的能量传递效率。
45.请参阅图5，图5是本技术光波导系统一实施例中光线在波导基底的又一种传播路径示意图，图中所示箭头代表光线的大致的传播路径，并不代表光线的实际光路。
46.具体而言，经二维耦入光栅120衍射沿其它方向传播的一部分第二衍射光束ln2在波导基底110内部传播至第二折转光栅组件140内。光进入第二折转光栅组件140内后，在第二折转光栅组件140内部发射衍射，然后再次入射进入波导基底110，并继续在波导基底110内部进行传播。第二折转光栅组件140相对于第二衍射光束ln2起到折转作用。
47.因此，在本实施例中第一折转光栅组件130与第二折转光栅组件140 能够对二维耦入光栅120更多的一些其他衍射级的光起到折转作用，并将这些光线折转至耦出光栅150，进一步提高了二维耦入光栅120耦入光的利用效率，提高了耦出光栅150所耦出的光波的能量，增大了光波导系统100的能量传递效率，改善现有光波导的耦出光分布不均匀问题。
48.请参阅图2和图6，图6是本技术光波导系统一实施例的光栅矢量示意图。
49.进一步地，在本实施例中，第二衍射光束ln具有的第二空间矢量 kn至少包括kn1、kn2、kn3、kn4、kn5。其中k1、kn1、kn2、kn3、 kn4、kn5相邻的两个矢量方向的夹角为60
°
。
50.第一折转光栅组件130包括具有空间矢量km1的第一折转光栅131 和具有空间矢量km2的第二折转光栅132，第一折转光栅131和第二折转光栅132是衍射光栅。
51.第一折转光栅131和第二折转光栅132间隔设置在二维耦入光栅 120靠近所述耦出光栅150一侧，第一折转光栅131和第二折转光栅132 设置在部分第二衍射光束ln在波导
基底110的传播路径上，并对这些光线起到折转作用。
52.例如，第一折转光栅131的空间矢量km1与第二衍射光束ln的第二空间矢量kn1以及第一衍射光束l1的第一空间矢量k1三者形成闭合矢量三角形，使得第一折转光栅131对第一空间矢量k1上的部分第二衍射光束ln进行折转，使得这些光线能够折转射向所述耦出光栅 150。
53.第二折转光栅132的空间矢量km2与第二衍射光束ln的第二空间矢量kn2以及第一衍射光束l1的第一空间矢量k1三者形成闭合矢量三角形，使得第二折转光栅132对第一空间矢量k1上的部分第二衍射光束ln进行折转，使得这些光线能够折转射向所述耦出光栅150。
54.第二折转光栅组件140包括第三折转光栅141和第四折转光栅142，第三折转光栅141和第四折转光栅142是衍射光栅。
55.第三折转光栅141和第四折转光栅142相邻设置在二维耦入光栅 120背离耦出光栅150一侧，第三折转光栅141和第四折转光栅142设置在部分第二衍射光束ln在波导基底110的传播路径上，并对这些光线起到折转作用。
56.例如，第三折转光栅141的空间矢量km3与第二衍射光束ln的第二空间矢量kn3以及第一衍射光束l1的第一空间矢量k1三者形成闭合矢量三角形，使得第三折转光栅141对第一空间矢量k1上的部分第二衍射光束ln进行折转，使得这些光线能够折转射向所述耦出光栅 150。
57.第四折转光栅142的空间矢量km4与第二衍射光束ln的第二空间矢量kn4以及第一衍射光束l1的第一空间矢量k1三者形成闭合矢量三角形，使得第四折转光栅142对第一空间矢量k1上的部分第二衍射光束ln进行折转，使得这些光线能够折转射向所述耦出光栅150。
58.可选地，与第一空间矢量k相反方向的第二衍射光束ln的第二空间矢量kn5可以与第三折转光栅141的空间矢量km3及第一折转光栅 131的空间矢量km1三者形成闭合矢量三角形，或者与第四折转光栅 142的空间矢量km4及第二折转光栅132的空间矢量km2三者形成闭合矢量三角形，使得第二空间矢量kn5方向的光能够经过第三折转光栅 141和第一折转光栅131，或者经过第四折转光栅142和第二折转光栅 132折转后射入耦出光栅150。
59.进一步地，第一折转光栅131、第二折转光栅132、第三折转光栅 141以及第四折转光栅142是一维光栅，一维光栅可选为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和多层光栅中的一种或多种。
60.第一折转光栅131、第二折转光栅132、第三折转光栅141以及第四折转光栅142将对应的耦入光进行一维方向上的传输，将耦入光沿特定方向进行扩瞳传输。
61.基于上述光栅的矢量分布，对二维耦入光栅120、耦出光栅150、第一折转光栅131、第二折转光栅132、第三折转光栅141以及第四折转光栅142的光栅尺寸参数进行设计。
62.可选地，二维耦入光栅120的高度大于50nm且小于等于500nm，占空比大于等于30％且小于等于80％，周期大于等于300nm小于等于 600nm。
63.可选地，耦出光栅150的高度大于30nm且小于等于300nm，占空比大于等于30％且小于等于80％，周期大于等于300nm小于等于600nm。
64.可选地，第一折转光栅131、第二折转光栅132、第三折转光栅141 以及第四折转光
栅142中每个光栅的高度大于30nm且小于等于 300nm，占空比大于等于30％且小于等于80％，周期大于等于250nm小于等于600nm。
65.通过控制每个光栅的占空比、高度和周期在合理的范围内，有利于保证提高耦出光栅150的耦出效率，当然也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。
66.本实施例中的第一折转光栅131、第二折转光栅132、第三折转光栅141以及第四折转光栅142能够在二维耦入光栅120不在耦出光栅150 方向上的5个光栅矢量方向上的光进行折转，使得这些方向上的光也能够从耦出光栅150中耦出，增大了耦出光栅150的光波能量，提高了耦出光栅150耦出光的亮度，补偿耦出光不均匀的问题。
67.请参阅图7，图7是本技术光波导系统另一实施例的结构示意图。
68.在该实施例中，二维耦入光栅120为圆形光栅，第一折转光栅131、第三折转光栅141以及第四折转光栅142为平行四边形光栅，第二折转光栅132为梯形光栅。
69.在其他的实施例中，二维耦入光栅120、耦出光栅150、第一折转光栅131、第二折转光栅132、第三折转光栅141以及第四折转光栅142 的可以是矩形、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。
70.请参阅图8，图8是本技术光波导系统又一实施例的结构示意图。
71.在该实施例中，耦出光栅150是矩形光栅，二维耦入光栅120与矩形光栅的某个角部相对，即耦出光栅150和二维耦入光栅120相对倾斜设置。
72.第一折转光栅131、第二折转光栅132、第三折转光栅141以及第四折转光栅142的设置方式和功能与上述实施例类似，也能够对二维耦入光栅120的部分衍射场的光进行折转，使得光线能够从耦出光栅150 中耦出。
73.综上，本技术提供了光波导系统以及近眼显示设备实施例，光波导系统通过利用了多个转折光栅来将二维耦入光栅耦入进波导基底的光都能够从耦出光栅耦出，提高了耦入光的利用效率，对耦出图案较暗的区域进行了补偿，使得耦出的图像更加清晰，提高了成像质量。
74.在更多的实施例中，还可以增设第五、第六等更多的折转光栅，对一些不能传播至耦出光栅的光线进行折转，使得该光线能够从耦出光栅中耦出，在此不作限定折转光栅的数量。
75.在本技术的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、机构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、机构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
76.以上所述仅为本技术的实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种光波导系统，其特征在于，包括：波导基底；二维耦入光栅，设置于所述波导基底，用于将入射光耦入至所述波导基底内，所述入射光经由所述二维耦入光栅衍射后分为沿第一方向传播的第一衍射光束以及沿其它方向传播的第二衍射光束，其中，所述第一衍射光束具有第一空间矢量k1，所述第二衍射光束具有第二空间矢量kn；耦出光栅，设置于所述波导基底，且位于所述第一衍射光束在所述波导基底的传播路径上，所述第一衍射光束经过所述波导基底的传输后直接进入所述耦出光栅；折转光栅，设置于所述波导基底，且位于所述第二衍射光束在所述波导基底的传播路径上，用于将所述第二衍射光束进行折转射向所述耦出光栅，所述折转光栅具有空间矢量km；所述第一衍射光束、所述第二衍射光束以及所述折转光栅三者的空间矢量k1、kn以及km三者形成闭合矢量三角形。2.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述折转光栅包括第一折转光栅组件和第二折转光栅组件，所述第一折转光栅组件与所述耦出光栅位于所述二维耦入光栅的同侧，所述第一折转光栅组件用于将射向所述耦出光栅范围之外的所述第二衍射光束中折转射向所述耦出光栅，所述第二折转光栅组件与所述耦出光栅位于所述二维耦入光栅的相对侧，所述第二折转光栅组件用于将背离所述耦出光栅方向射出的第二衍射光束中折转射向所述耦出光栅。3.根据权利要求2所述的光波导系统，其特征在于，所述第一折转光栅组件包括具有空间矢量km1的第一折转光栅和具有空间矢量km2的第二折转光栅，所述第一折转光栅与所述第二折转光栅间隔设置在所述二维耦入光栅靠近所述耦出光栅一侧，所述第一折转光栅用于将射向所述耦出光栅范围之外对应具有空间矢量kn1的所述第二衍射光束中折转射向所述耦出光栅，所述第二折转光栅用于将射向所述耦出光栅范围之外对应具有空间矢量kn2的所述第二衍射光束中折转射向所述耦出光栅；其中，空间矢量k1、kn1以及km1三者形成闭合矢量三角形，空间矢量k1、kn2以及km2三者形成闭合矢量三角形。4.根据权利要求3所述的光波导系统，其特征在于，所述第二折转光栅组件包括具有空间矢量km3的第三折转光栅和具有空间矢量km4的第四折转光栅，所述第三折转光栅与所述第四折转光栅相邻设置在所述二维耦入光栅背离所述耦出光栅一侧，所述第一折转光栅用于将射向所述耦出光栅范围之外对应具有空间矢量kn3的所述第二衍射光束中折转射向所述耦出光栅，所述第二折转光栅用于将射向所述耦出光栅范围之外对应具有空间矢量kn4的所述第二衍射光束中折转射向所述耦出光栅；其中，空间矢量k1、kn3以及km3三者形成闭合矢量三角形，空间矢量k1、kn4以及km4三者形成闭合矢量三角形。5.根据权利要求4所述的光波导系统，其特征在于，所述第一折转光栅、所述第二折转光栅、第三折转光栅以及第四折转光栅的高度大于30nm且小于等于300nm，占空比大于等于30％且小于等于80％，周期大于等于250nm小于等于600nm。
6.根据权利要求4所述的光波导系统，其特征在于，所述第一折转光栅、所述第二折转光栅、第三折转光栅以及第四折转光栅是一维光栅，所述一维光栅为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和多层光栅中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述二维耦入光栅的高度大于50nm且小于等于500nm，占空比大于等于30％且小于等于80％，周期大于等于300nm小于等于600nm。8.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述耦出光栅的高度大于30nm且小于等于300nm，占空比大于等于30％且小于等于80％，周期大于等于300nm小于等于600nm。9.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述耦出光栅是矩形光栅，所述二维耦入光栅与所述矩形光栅的角部相对。10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括图像源以及如权利要求1～9任意一项所述的光波导系统，所述图像源向所述光波导系统发射光，所述光波导系统将所述光耦出。

技术总结

本申请公开了光波导系统以及近眼显示设备。光波导系统包括波导基底、二维耦入光栅、折转光栅以及耦出光栅。二维耦入光栅折转光栅、耦出光栅设置于波导基底，用于将入射光耦入至光波导内。入射光经由二维耦入光栅衍射后分为沿第一方向传播具有第一空间矢量K1的第一衍射光束以及沿其它方向传播具有第二空间矢量Kn的第二衍射光束。耦出光栅位于第一衍射光束传播路径上，第一衍射光束经过波导基底的传输后直接进入耦出光栅。折转光栅位于第二衍射光束的传播路径上，用于将第二衍射光束进行折转射向耦出光栅。折转光栅具有空间矢量Km。空间矢量K1、Kn以及Km三者形成闭合矢量三角形。通过上述方式，本申请利用折转光栅提高了耦出光的传递效率。的传递效率。的传递效率。