CN113960796B 衍射光波导、显示设备及衍射光波导设计方法 （嘉兴驭光光电科技有限公司）

U,2022.05.17A,2020.04.24A,2021.07.23A,2020.09.18法本申请公开了一种用于光学扩瞳的衍射光其中耦出光栅至少部分地形成在一随机分区区导及其设计方法中规则分区及/或固定光栅结构2处理使得至少部分分区中的所述子光栅具有不同的光学3其光栅具有多级次衍射且光栅对偏振敏感，所以整个波导耦合系统具有很高的无规律性，设备以及衍射光波导设计方法，它们能够改善衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀少部分分区中的所述子光栅具有不同的光学结4[0019]根据本发明的又一个方面，提供了一种用于光学扩瞳的[0021](2)对所述多个分区中的子光栅进行初始化，其中每个所述子光栅包括多个光学及/或者所述光学结构的高度或深度，并且所述优化处理使得至少部分分区中的所述子光[0028](2a)选择性地将面积小于预定阈值的分区中的至少一部分分区设置为非衍射分5衍射光波导的分区和对应的子光栅的优化光学述衍射光波导的分区和对应的子光栅的优化光学设计，相比于其它衍射光波导及其设计方法中规则分区及/或固定光栅结构具有更高的设[0040]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特[0041]图1为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的一示例的示意图，其中[0042]图2示意性地示出了根据本发明实施例的衍射光波导对光的耦入、传播和耦出情[0043]图3示意性地示出了根据本发明实施例的衍射光波导的耦入光栅和耦出光栅的光[0045]图5为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的另一示例的示意图，其[0046]图6为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的又一示例的示意图，其[0050]图10示意性地示出了根据图8和图9所示方法和示例得到的衍射光波导的分区的6[0060]图1为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的一示例即衍射光波导10两个方向上不断衍射扩展光束并同时部分地将光从波导基板10a中耦出，实现在所述平面内扩展光瞳的作用，使得观察者能够在较大的视窗EB(见图2)内观察到入射光束所携带的分区区域12a包括具有随机形成的形状、大小及/或位置的多个分区(例如图1所示分区d1、[0062]根据本发明实施例的衍射光波导在耦出光栅的一定区域目标而对不同分区中的子光栅进行优化，而且相比于具有规则的分区及/或固定的光栅结7[0065]在图1所示示例中，耦入光栅11相对于耦出光栅12在图中所示上下方向上对中布[0066]尽管图2中将耦入光栅11和耦出光栅12示出为都形成在波导基板10a的同一表面上，但是在其它一些情况下耦入光栅11和耦出光栅12可以分别形成在波导基板10a的彼此[0067]图3示意性地示出了衍射光波导10的耦入光栅11和耦出光栅12的光栅矢量。有利应该理解，对于作为二维光栅的子光栅，在任一处都可以同时存在/形成上述三个光栅矢如图1所示的耦出光栅12的随机分区区域12a中的随机分区可以例如同样地应用于这两个[0070]为了便于理解，图4示意性地示出了可用于耦出光栅子光栅的具有不同横截面的光学结构的示例。图4中的图形(a)中示出了作为二维光栅的耦出光栅子光栅中的光学结构示仅为示例性的，而非限制性的，根据本发明的衍射光波导中的耦出光栅所采用的子光栅有不同的横截面尺寸。8[0074]图1所示示例中，衍射光波导10的整个耦出光栅12都形成在[0075]例如，图5为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的另一示例的示意[0076]此外，图6为根据本发明实施例的用于光学扩瞳的衍射光波导的又一示例的示意9[0084]根据本发明实施例的衍射光波导设计方法1中的优化处理的优化目标包括衍射光(能够看到图像的人眼活动范围)内的光能量分布非均匀性来表征衍射光波导的出射光场视角范围e(见图3)内的光能量均匀性来表征衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性。将光能量耦合效率r大于或等于一预定值作为优化学结构的至少一个参数)的赋值获得对应于优化目标的多个结果(例如表示光能量分布均将该结果对应的优化变量的赋值以及其它参数(例如以下参照图11和图13所介绍的非衍射光栅分区的设置情况以及/或者随机分区的情况)作为[0087]图8为随机分区方法的一示例的流程图，该随机分区方法可用于衍射光波导设计[0092]为了便于理解，图9示意性地示出了根据图8所示方法进行随机分区的一个示点图形A得到的维诺图B以及通过步骤S1c基于维诺[0093]图10进一步示出了根据图8和图9所示方法和示例得到的衍射光波导的分区的一个示例，其中衍射光波导100包括波导基板100a和形成在波导基板100a之上或之中的耦入为起始点优化子光栅的光学结构的横截面的形状及/或尺寸。上述介绍的通过膨胀和腐蚀处理对子光栅光学结构的横截面进行优化，为子光栅光学结构的设计提供了更高的自由[0095]此外，衍射光波导设计方法1的处理S3中还可以将子光栅的光学结构的高度或深[0097]根据本发明实施例的衍射光波导设计方法在耦出光栅的一定区域内采用随机形[0098]图11为图7所示衍射光波导设计方法的一个扩展例(即衍射光波导设计方法2)的[0105]衍射光波导设计方法2的处理S5中的优化目标可以与处理S3中的优化处理的目标[0109]为了便于理解，图12示意性地示出了根据衍射光波导设计方法2得到的衍射光波导的新的随机分区的另一示例，其中衍射光波导200包括波导基板200a和形成在波导基板200a之上或之中的耦入光栅210和耦出光栅220，并且耦出光栅220在目标区域220a中形成[0112]图13为图7所示衍射光波导设计方法的另一扩展例(即衍射光波导设计方法3)的[0114]S2a：选择性地将面积小于预定阈值的分区中的至少一部分分区设置为非衍射分[0121]衍射光波导设计方法3的处理S4,中改变对目标区域的随机分区可以通过与图11设计方法3中在随机分区的基础上进一步设置了非衍射分区，非衍射分区为其中不形成子衍射分区中的耦出光强理论上为零；但是由于非衍射分区的面积小于人眼平均瞳孔面积，所以上述耦出光强为零的情况并不直接被人眼感受到。衍射光波导设计方法3通过设置这接而又都被设置为非衍射分区时，实际上连续的非衍射区域的面积超出人眼平均瞳孔面部分的局部放大示意图。图14所示衍射光波导200A具有与图12所示衍射光波导200基本上相同的结构和分区，不同之处主要在于在衍射光波导200A的耦出光栅220的随机分区区域阈值但是彼此邻接的分区都被设置为非衍射分区(见图5所示非衍射分区221a、221b和[0126]仅为示例的目的，图16示意性地示出了根据衍射光波导设计方法3得到的衍射光[0127]衍射光波导设计方法3可选并且优选包括处理S3a。通过在处理S3a中改变对非衍