CN113970851B - 衍射光波导和增强现实显示设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种衍射光波导和增强现实显示设备。衍射光波导包括耦入光栅区域、第一转折光栅区域、第二转折光栅区域以及耦出光栅区域，耦入光栅区域包括相接的第一子耦入光栅区域和第二子耦入光栅区域，第一子耦入光栅区域位于第一转折光栅区域与第二子耦入光栅区域之间，第二子耦入光栅区域位于第二转折光栅区域与第一子耦入光栅区域之间。第一子耦入光栅区域用于将光线耦入衍射光波导内，以使光线经第一转折光栅区域后从耦出光栅区域耦出；第二子耦入光栅区域用于将光线耦入衍射光波导内，以使光线经第二转折光栅区域后从耦出光栅区域耦出；第一子耦入光栅区域与第二子耦入光栅区域关于耦入光栅区域的中心呈对称分布，有助于提高对光源的利用率。
Description
技术领域
本申请涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种衍射光波导和增强现实显示设备。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)是通过穿透式光学显示系统将计算机等终端设备生成的数字图像呈现在用户眼前的一种技术，与虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术不同的地方在于，虚拟现实是给用户一种沉浸式体验，将用户完全封闭在虚拟世界里面，但增强现实技术通过将虚拟世界和现实世界相结合，给用户全新的交互体验。基于光学成像的显示系统是增强现实领域的核心技术，目前使用增强现实显示技术的可穿戴设备已广泛应用在游戏、零售、教育、工业、医疗等领域。
实现增强现实技术的光学系统有很多种，主流地分为几何光学与衍射光学，传统的几何光学普遍存在以下问题：整机的体积大、眼动范围小、视场角小、重量大等等。而衍射光波导方案则可以提供一种大视场角、大眼动范围、轻质量的增强现实设备。
然而，相关技术的衍射光波导增强现实设备存在一定的缺陷，例如视场角不够高，大部分设计为了提升设备的视场角采用双光源双耦入区域的设计，这增大了产品的成本。
发明内容
本申请实施方式提出了一种衍射光波导和增强现实显示设备，以解决上述技术问题。
本申请实施方式通过以下技术方案来实现上述目的。
第一方面，本申请实施方式提供一种衍射光波导，衍射光波导包括耦入光栅区域、第一转折光栅区域、第二转折光栅区域以及耦出光栅区域，耦入光栅区域包括相接的第一子耦入光栅区域和第二子耦入光栅区域，第一子耦入光栅区域位于第一转折光栅区域与第二子耦入光栅区域之间，第二子耦入光栅区域位于第二转折光栅区域与第一子耦入光栅区域之间。第一子耦入光栅区域用于将光线耦入衍射光波导内，以使光线经第一转折光栅区域后从耦出光栅区域耦出；第二子耦入光栅区域用于将光线耦入衍射光波导内，以使光线经第二转折光栅区域后从耦出光栅区域耦出；其中，第一子耦入光栅区域与第二子耦入光栅区域关于耦入光栅区域的中心呈对称分布。
在一些实施方式中，耦入光栅区域的光栅结构、第一转折光栅区域的光栅结构、第二转折光栅区域的光栅结构以及耦出光栅区域的光栅结构均为直角梯形光栅。
在一些实施方式中，耦入光栅区域包括第一弧线区域边界、第二弧线区域边界、第三弧线区域边界以及第四弧线区域边界，第一弧线区域边界、第二弧线区域边界、第三弧线区域边界以及第四弧线区域边界依次首尾相连，第一弧线区域边界与第二弧线区域边界位于第一子耦入光栅区域，第三弧线区域边界与第四弧线区域边界位于第二子耦入光栅区域。第一弧线区域边界与第四弧线区域边界围设的区域呈半椭圆形，第二弧线区域边界与第三弧线区域边界围设的区域呈半椭圆形，第二弧线区域边界与第三弧线区域边界围设的区域面积不同于第一弧线区域边界与第四弧线区域边界围设的区域面积。
在一些实施方式中，耦入光栅区域具有第一区域边界极限点和第二区域边界极限点，第一区域边界极限点位于第一弧线区域边界与第二弧线区域边界的相接处，第二区域边界极限点位于第三弧线区域边界与第四弧线区域边界的相接处。第一区域边界极限点与第二区域边界极限点的间距为D1，D1=2L1 |tan(FOV1/2)|+L2+δ1，其中，L1为光源与衍射光波导的间距值，FOV1为预设的横向视场角，L2为光线宽度值，δ1为第一公差值，-1mm ≤δ1≤ 1mm。
在一些实施方式中，耦入光栅区域还具有第三区域边界极限点，第三区域边界极限点位于第二弧线区域边界与第三弧线区域边界的相接处。第三区域边界极限点与中心点的间距为D2，D2=L1 |tan(FOV2)|+L2+δ2，其中，FOV2为预设的第一纵向视场角，δ2为第二公差值，-1mm ≤δ2 ≤ 1mm，中心点位于第一区域边界极限点与第二区域边界极限点之间的中心处。
在一些实施方式中，耦入光栅区域还具有第四区域边界极限点，第四区域边界极限点位于第四弧线区域边界与第一弧线区域边界的相接处。第四区域边界极限点与中心点的间距为D3，D3=L1 |tan(FOV3)|+L2+δ3，其中，FOV3为预设的第二纵向视场角，δ3为第三公差值，-1mm ≤δ3 ≤ 1mm，中心点位于第一区域边界极限点与第二区域边界极限点之间的中心处。
在一些实施方式中，第一转折光栅区域为四边形区域，第一转折光栅区域包括第一直线区域边界、第二直线区域边界、第三直线区域边界以及第四直线区域边界，第一直线区域边界、第二直线区域边界、第三直线区域边界以及第四直线区域边界依次首尾相连，第一直线区域边界与第三直线区域边界平行设置，第一直线区域边界短于第三直线区域边界，第一直线区域边界位于第三直线区域边界与第一子耦入光栅区域之间，第四直线区域边界位于第二直线区域边界与耦出光栅区域之间。第一直线区域边界与第三直线区域边界的间距为D4，D4=q×2×tan(θmax)+δ4，其中，q为光线在第一转折光栅区域的扩瞳次数，θmax为第一转折光栅区域的正1级的最大衍射角或者第一转折光栅区域的负1级的最大衍射角，δ4为第四公差值，-2mm ≤δ4 ≤ 2 mm。
在一些实施方式中，第四直线区域边界与第一转折光栅区域的光栅矢量方向的夹角为rho1，rho1=
+α1+δ5，其中，
为第一转折光栅区域的正1级的最大衍射方位角或第一转折光栅区域的负1级的最大衍射方位角，α1为第一转折光栅区域的光栅矢量方向与第一子耦入光栅区域的光栅矢量方向的夹角，δ5为第五公差值，-1度≤δ5 ≤ 1度。
在一些实施方式中，第二直线区域边界与第一转折光栅区域的光栅矢量方向的夹角为rho2，rho2=
+α1+δ6，其中，
为第一转折光栅区域的正1级的最小衍射方位角或者第一转折光栅区域的负1级的最小衍射方位角，δ6为第六公差值，-1度≤δ6 ≤ 1度。
第二方面，本申请实施方式还提供一种增强现实显示设备，增强现实显示设备包括光源以及上述任一实施方式的衍射光波导，衍射光波导用于接收光源出射的光线。
本申请实施方式提供的衍射光波导和增强现实显示设备中，第一子耦入光栅区域位于第一转折光栅区域与第二子耦入光栅区域之间，第二子耦入光栅区域位于第二转折光栅区域与第一子耦入光栅区域之间，第一子耦入光栅区域用于将光线耦入衍射光波导内，以使光线经第一转折光栅区域后从耦出光栅区域耦出，第二子耦入光栅区域用于将光线耦入衍射光波导内，以使光线经第二转折光栅区域后从耦出光栅区域耦出，由于第一耦子入光栅区域与第二子耦入光栅区域关于耦入光栅区域的中心呈对称分布，通过对耦入光栅区域进行对称分区设置，采用一个光源即可实现大视场显示，有助于提高对光源的利用率，减少使用光源的数量，从而有助于降低生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示例出本申请实施方式提供的衍射光波导的结构示意图。
图2示例出图1的衍射光波导的光栅结构的示意图。
图3示例出光线进入图1的衍射光波导的示意图。
图4示例出图1的衍射光波导的耦入光栅区域的部分结构示意图。
图5示例出图1的衍射光波导的耦入光栅区域的简化示意图。
图6示例出图1的衍射光波导的第一转折光栅区域的简化示意图。
图7示例出本申请实施方式提供的增强现实显示设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域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方式，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，本申请实施方式提供一种衍射光波导100，衍射光波导100可以应用于增强现实(Augmented Reality，AR)眼镜、车载抬头显示(Head Up Display，HUD)等增强现实显示设备。
衍射光波导100包括耦入光栅区域10、第一转折光栅区域30、第二转折光栅区域50以及耦出光栅区域70，耦入光栅区域10、第一转折光栅区域30、第二转折光栅区域50以及耦出光栅区域70均可以间隔地位于衍射光波导100的同一侧。耦入光栅区域10可以位于第一转折光栅区域30和第二转折光栅区域50之间，耦入光栅区域10、第一转折光栅区域30以及第二转折光栅区域50均可以位于耦出光栅区域70的同一侧。耦入光栅区域10、第一转折光栅区域30、第二转折光栅区域50以及耦出光栅区域70均设有多个光栅结构。
衍射光波导100可以将光源出射的光线201经耦入光栅区域10耦合进入衍射光波导100内，耦入到衍射光波导100内的光线201在光波导的内部全反射传播，并在经过第一转折光栅区域30、第二转折光栅区域50以及耦出光栅区域70后耦出至衍射光波导100外，最终进入到人眼中。其中，光源可以为微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)、数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)、数字光处理(Digital LightProcession，DLP)、硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon，LCOS)、激光束扫描仪(LaserBeam Scanning，LBS)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)等微型显示器，该光源出射的光线可以为380nm到760nm之间的可见光。
耦入光栅区域10包括第一子耦入光栅区域11和第二子耦入光栅区域13，第一子耦入光栅区域11和第二子耦入光栅区域13相接。第一子耦入光栅区域11位于第一转折光栅区域30与第二子耦入光栅区域13之间。第一子耦入光栅区域11用于将光线耦入衍射光波导100内，以使光线经第一转折光栅区域30后从耦出光栅区域70耦出。第二子耦入光栅区域13位于第二转折光栅区域50与第一子耦入光栅区域11之间。第二子耦入光栅区域13用于将光线耦入衍射光波导100内，以使光线经第二转折光栅区域50后从耦出光栅区域70耦出。其中，第一转折光栅区域30和第二转折光栅区域50能够将光线进行横向扩瞳，耦出光栅区域70能够将光线进行纵向扩瞳。
第一子耦入光栅区域11与第二子耦入光栅区域13关于耦入光栅区域10的中心呈对称分布，相应地，第一子耦入光栅区域11的光栅结构与第二子耦入光栅区域13的光栅结构关于耦入光栅区域10的中心呈对称分布，如此在光源出射的光线照射至耦入光栅区域10时，耦入光栅区域10能够将光线分为左右两部分的衍射光，通过对耦入光栅区域10进行对称分区设置，采用一个光源即可实现大视场显示，有助于提高对光源的利用率，减少使用光源的数量，从而有助于降低生产成本。
耦入光栅区域10的光栅结构可以为直角梯形光栅，即第一子耦入光栅区域11的光栅结构与第二子耦入光栅区域13的光栅结构均为直角梯形光栅。如此，有助于提高耦入光栅区域10的耦入效率，从而无需采用高性能的光源也能够使得衍射光波导100耦出的光线的亮度较高，有助于降低光源的成本。
耦入光栅区域10的光栅结构的光栅周期可以在300nm至800nm之间，具体的尺寸数值可以根据实际情况和所应用的设备进行设计。例如图2所示为直角梯形光栅15，光栅周期为0.52μm，光栅结构的底部宽度为0.52μm，光栅结构的顶部宽度为0.104μm，光栅结构的深度为0.884μm。
参阅图3，y轴垂直于衍射光波导100的表面，z轴为光栅矢量方向，x轴垂直于yz平面。其中，光栅矢量方向为光栅周期性排列的方向。光线201与y轴的夹角为入射角θ，入射角θ值一般在-45度到45度之间；光线在xz平面的投影与z轴夹角为方位角
，
值的大小范围在-90度到90度之间。光线的入射角、入射方位角、衍射角、衍射方位角可根据计算式一和计算式二计算得到。
计算式一：
；
计算式二：
；
其中，t表示衍射，例如
表示衍射角，
表示衍射方位角；i表示入射，例如
表示入射角，
表示入射方位角；m为衍射级次，
为入射波长，d为光栅周期，n1为空气的折射率，n2为衍射光波导100的折射率。选取n1=1.0。衍射光波导100为玻璃材质或塑料材质或其他材质，衍射光波导100的折射率为n2=1.71，衍射光波导100的厚度为1mm。光线波长
为532nm，光线宽度为1mm。
由于衍射光波导100的折射率低于2.0的情况下，经过衍射后，一般会产生三个衍射级次，分别为负1级、0级、正1级。
想要实现光线在衍射光波导100内全内反射高效传输，则必须要求光线射入光栅结构后，大部分能量分布在正1级或负1衍射级次，这样才能改变光线的传播方向。基于光栅参数的确定，可以利用严格耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis，RCWA)算法计算出光线入射在光栅结构上的耦入效率。其中，表一是部分角度光线入射到直角梯形光栅的正1级的耦入效率。
表一
根据上述表一可知，通过设置直角梯形光栅的参数，可以使得入射光的90%能量分布在正1级或者负1级衍射级次上，这大大地提高了耦入光栅区域10的耦入效率。其中，当第一子耦入光栅区域11利用正1级衍射光时，第一转折光栅区域30可以利用负1级衍射光；当第一子耦入光栅区域11利用负1级衍射光时，第一转折光栅区域30可以利用正1级衍射光。同理，当第二子耦入光栅区域13利用正1级衍射光时，第二转折光栅区域50利用负1级衍射光；当第二子耦入光栅区域13利用负1级衍射光时，第二转折光栅区域50利用正1级衍射光。
由于第一子耦入光栅区域11与第二子耦入光栅区域13关于耦入光栅区域10的中心呈对称分布，则第一子耦入光栅区域11的直角梯形光栅与第二子耦入光栅区域13的直角梯形光栅如图4所示关于耦入光栅区域10的中心呈对称分布。
除此之外，第一转折光栅区域30的光栅结构、第二转折光栅区域50的光栅结构以及耦出光栅区域70的光栅结构均可为直角梯形光栅，具体的参数设计可以参考上述耦入光栅区域10的直角梯形光栅。其他实施方式中，耦入光栅区域10的光栅结构、第一转折光栅区域30的光栅结构、第二转折光栅区域50的光栅结构以及耦出光栅区域70的光栅结构也可以为其他类型。
衍射光波导100可以通过优化耦入光栅区域10的大小来减少无用区域，从而可以降低耦入光栅区域10的制造成本和提高生产效率。
耦入光栅区域10的大小可以根据视场角θ、方位角
及光源发出平行光初始点距离衍射光波导100的距离确定。如图3所示，定义光线入射到耦入光栅区域10时，分成四个区域：定义90度> 
>0度，θ>0度时，为区域I；定义0度> 
>-90度，θ>0度时，为区域II；定义0度> 
>-90度，θ<0度时，为区域III；定义90度> 
>0度，θ<0度时，为区域IV。
由于进入耦入光栅区域10发生衍射的光线，需要满足衍射光波导100内的全内反射条件及衍射光栅的响应角度，其衍射角不仅会受到入射角大小的影响，还会受到入射方位角大小的影响，所以在入射方位角不同时，其横向视场角及纵向视场角的大小会不同，故区域I、区域II、区域III和区域IV会各自形成四分之一的椭圆形区域。
例如请参阅图5，耦入光栅区域10可以包括第一弧线区域边界12、第二弧线区域边界14、第三弧线区域边界16以及第四弧线区域边界18，第一弧线区域边界12、第二弧线区域边界14、第三弧线区域边界16以及第四弧线区域边界18依次首尾相连，即第一弧线区域边界12连接于第二弧线区域边界14，第二弧线区域边界14连接于第三弧线区域边界16，第三弧线区域边界16连接于第四弧线区域边界18，第四弧线区域边界18连接于第一弧线区域边界12。第一弧线区域边界12与第二弧线区域边界14可以位于第一子耦入光栅区域11，第三弧线区域边界16与第四弧线区域边界18可以位于第二子耦入光栅区域13。
第一弧线区域边界12与第四弧线区域边界18围设的区域呈半椭圆形，第二弧线区域边界14与第三弧线区域边界16围设的区域呈半椭圆形，第二弧线区域边界14与第三弧线区域边界16围设的区域面积不同于第一弧线区域边界12与第四弧线区域边界18围设的区域面积。如此，耦入光栅区域10根据光线的入射角度所对应的视场角来确定出区域边界，继而有助于减小无用区域。
设
=0度时，视场角为θ1；
=-90度时，视场角为θ2；
=90度时，视场角为θ3。由于光线
=0度时的视场角与
=±90度时的视场角是不同的，则耦入光栅区域10的大小可以根据θ1、θ2、θ3、光源出射平行光线到衍射光波导100的距离确定。
例如耦入光栅区域10具有第一区域边界极限点101和第二区域边界极限点102，第一区域边界极限点101位于第一弧线区域边界12与第二弧线区域边界14的相接处，第二区域边界极限点102位于第三弧线区域边界16与第四弧线区域边界18的相接处。
第一区域边界极限点101与第二区域边界极限点102的间距为D1，D1=2L1 |tan(FOV1/2)|+L2+δ1。其中，L1为光源与衍射光波导100的间距值，FOV1为预设的横向视场角，L2为光线宽度值，δ1为第一公差值，-1mm ≤δ1 ≤ 1mm。
设定FOV1为40度，光源出射平行光线距离光衍射波导的距离L1为5mm，D1=10|(tan(40度/2)|+1mm+δ1=4.64mm+δ1，δ1可以作为装配的公差进行选定，例如δ1可以为0.36mm，则D1为5mm。
耦入光栅区域10还具有第三区域边界极限点103，第三区域边界极限点103位于第二弧线区域边界14与第三弧线区域边界16的相接处。
第三区域边界极限点103与中心点105的间距为D2，D2=L1 |tan(FOV2)|+L2+δ2，其中，FOV2为预设的第一纵向视场角，δ2为第二公差值，-1mm ≤δ2 ≤ 1mm，中心点105位于第一区域边界极限点101与第二区域边界极限点102之间的中心处。
设定FOV2为25度，则纵向上半区域的长度为D2=5 |tan(25度)|+1mm+δ2=3.33mm+δ2，δ2可以作为装配的公差进行选定，例如δ2可以为0.17mm，则D2为3.5mm。
耦入光栅区域10还具有第四区域边界极限点104，第四区域边界极限点104位于第四弧线区域边界18与第一弧线区域边界12的相接处。
第四区域边界极限点104与中心点105的间距为D3，D3=L1 |tan(FOV3)|+L2+δ3，其中，FOV3为预设的第二纵向视场角，δ3为第三公差值，-1mm ≤δ3 ≤ 1mm，中心点105位于第一区域边界极限点101与第二区域边界极限点102之间的中心处。
设定FOV3为-1度，则纵向下半区域的长度为D3=5 |tan(-1度)|+1mm+δ3=1.09mm+δ3，δ3可以作为装配的公差进行选定，例如δ3可以为0.41mm，则D3为1.5mm。
则耦入光栅区域10的上半区域为横轴长度为5mm，纵轴长度为7mm的半椭圆；下半区域为横轴长度为5mm，纵轴长度为3mm的半椭圆，上述设计思路可以减少耦入光栅区域10的无用区域，降低成本。
衍射光波导100还可以通过优化第一转折光栅区域30的大小来减少无用区域，从而可以降低第一转折光栅区域30的制造成本和提高生产效率。
第一转折光栅区域30可以实现横向扩瞳，以及将耦入进来的光线尽可能地转向耦出光栅区域70的中心。
第一转折光栅区域30的光栅矢量方向与耦入光栅区域10的光栅矢量方向存在夹角ρ，以保证光线能够转向耦出光栅区域70的中心，ρ的一般控制在30度到45度之间，另外ρ值决定了第一转折光栅区域30的光栅周期，第一转折光栅区域30的光栅周期
和耦入光栅区域10的光栅周期
存在以下关系
。
第一转折光栅区域30的大小可以根据扩瞳的次数q、最大衍射方位角
、最小衍射方位角
确定。第一转折光栅区域30的横向长度可以根据扩瞳次数q确定，第一转折光栅区域30的顶部边界和底部边界可以根据最大衍射方位角
和最小衍射方位角
确定。
例如请参阅图6，第一转折光栅区域30可以为四边形区域。第一转折光栅区域30包括第一直线区域边界31、第二直线区域边界33、第三直线区域边界35以及第四直线区域边界37，第一直线区域边界31、第二直线区域边界33、第三直线区域边界35以及第四直线区域边界37依次首尾相连，即第一直线区域边界31连接于第二直线区域边界33，第二直线区域边界33连接于第三直线区域边界35，第三直线区域边界35连接于第四直线区域边界37，第四直线区域边界37连接于第一直线区域边界31。第一直线区域边界31与第三直线区域边界35平行设置，第一直线区域边界31短于第三直线区域边界35，第一直线区域边界31位于第三直线区域边界35与第一子耦入光栅区域11之间，第四直线区域边界37位于第二直线区域边界33与耦出光栅区域70之间。
第一直线区域边界31与第三直线区域边界35的间距为D4，D4=q×2×tan(θmax)+δ4。其中，q为光线在第一转折光栅区域30的扩瞳次数，θmax为第一转折光栅区域30的正1级的最大衍射角或者第一转折光栅区域30的负1级的最大衍射角，δ4为第四公差值，-2mm ≤δ4 ≤ 2 mm。
由于第一转折光栅区域30的长度可以根据正1级衍射级次的最大衍射角θmax确定，根据上述计算式一和计算式二，令m=1，可以算出正1级衍射级次的衍射角及方位角。若计算得到θmax为57度，选取扩瞳次数q为6，则D4=6×2×tan(57度)+δ4=18.5mm+δ4，δ4可以作为装配的公差进行选定，例如δ4可以为1.5mm，则D4为20mm。
第四直线区域边界37与第一转折光栅区域30的光栅矢量方向的夹角为rho1，rho1=
+α1+δ5，其中，
为第一转折光栅区域30的正1级的最大衍射方位角或者第一转折光栅区域30的负1级的最大衍射方位角，α1为第一转折光栅区域30的光栅矢量方向与第一子耦入光栅区域11的光栅矢量方向的夹角，δ5为第五公差值，-1度≤δ5 ≤ 1度。
第一子耦入光栅区域11的光栅矢量方向为Z轴方向(0度)，光栅周期为0.52μm，第一转折光栅区域30的光栅矢量方向与Z轴方向夹角为39度，则α1为39度，第一转折光栅区域30的光栅周期为0.52μm/(2 cos39度)=0.3346μm，耦出光栅区域70的光栅矢量方向与Z轴方向夹角为78度，耦出光栅区域70的光栅周期为0.52μm。
设定的光线的入射角为横向-20度到20度，纵向为-1度到25度。根据计算式一和计算式二计算后，绝对值最大的方位角为-61.44度，其对应的入射光线位置信息为入射角25度，方位角为-90度；该光线经过第一子耦入光栅区域11后，发生衍射，其正1级衍射级次的衍射角为40.34度，最大衍射方位角为61.44度，该光线与Z轴的夹角为-61.44度+39度=-22.44度，则第四直线区域边界37与第一转折光栅区域30的光栅矢量方向的夹角rho1=
+α1+δ5=-61.44度+39度+δ5=-22.44度+δ5，δ5可以作为装配的公差进行选定，例如δ5可以为-0.56度，则rho1为-23度。
第二直线区域边界33与第一转折光栅区域30的光栅矢量方向的夹角为rho2，rho2=
+α1+δ6，其中，
为第一转折光栅区域30的正1级的最小衍射方位角或者第一转折光栅区域30的负1级的最小衍射方位角，δ6为第六公差值，-1度≤δ6 ≤ 1度。
由于第一转折光栅区域30的顶部边缘与Z轴的夹角由入射角为-1度，方位角为90度的光线确定，则光线进入第一子耦入光栅区域11后的最大衍射方位角为-38.227度，则该光线与Z轴的夹角为-38.227度+39度=0.773度，则第二直线区域边界33与第一转折光栅区域30的光栅矢量方向的夹角rho2=
+α1+δ6=-38.227度+39度+δ6=0.773度+δ6，δ6可以作为装配的公差进行选定，例如δ6可以为0.227度，则rho2为1度。
则第一转折光栅区域30的第一直线区域边界31与第三直线区域边界35的间距为D4为20mm，第四直线区域边界37与第一转折光栅区域30的光栅矢量方向的夹角rho1为-23度，第二直线区域边界33与第一转折光栅区域30的光栅矢量方向的夹角rho2为1度，上述设计思路可以减少第一转折光栅区域30的无用区域，降低成本。
第二转折光栅区域50与第一转折光栅区域30对称分布，则第二转折光栅区域50也能够减少无用区域，有助于降低成本。
本申请实施方式提供的衍射光波导100中，第一子耦入光栅区域11位于第一转折光栅区域30与第二子耦入光栅区域13之间，第二子耦入光栅区域13位于第二转折光栅区域50与第一子耦入光栅区域11之间，第一子耦入光栅区域11用于将光线耦入衍射光波导100内，以使光线经第一转折光栅区域30后从耦出光栅区域70耦出，第二子耦入光栅区域13用于将光线耦入衍射光波导100内，以使光线经第二转折光栅区域50后从耦出光栅区域70耦出，由于第一子耦入光栅区域11与第二子耦入光栅区域13关于耦入光栅区域10的中心呈对称分布，通过对耦入光栅区域10进行对称分区设置，采用一个光源即可实现大视场显示，有助于提高对光源的利用率，减少使用光源的数量，从而有助于降低生产成本。
请参阅图7，本申请实施方式还提供一种增强现实显示设备1000，增强现实显示设备1000可以为VR眼镜等穿戴式设备。增强现实显示设备1000包括光源200以及上述任一实施方式的衍射光波导100，光源200可以为DLP、LBS、LCOS、DMD、OLED、MEMS等微型显示器，衍射光波导100用于接收光源200出射的光线。
本申请实施方式提供的增强现实显示设备1000中，第一子耦入光栅区域11位于第一转折光栅区域30与第二子耦入光栅区域13之间，第二子耦入光栅区域13位于第二转折光栅区域50与第一子耦入光栅区域11之间，第一子耦入光栅区域11用于将光线耦入衍射光波导100内，以使光线经第一转折光栅区域30后从耦出光栅区域70耦出，第二子耦入光栅区域13用于将光线耦入衍射光波导100内，以使光线经第二转折光栅区域50后从耦出光栅区域70耦出，由于第一子耦入光栅区域11与第二子耦入光栅区域13关于耦入光栅区域10的中心呈对称分布，通过对耦入光栅区域10进行对称分区设置，采用一个光源即可实现大视场显示，有助于提高对光源的利用率，减少使用光源的数量，从而有助于降低生产成本。
在本申请中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为特指或特殊结构。术语“一些实施方式”、“其他实施方式”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本申请中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式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申请中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施方式技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种衍射光波导，其特征在于，所述衍射光波导包括耦入光栅区域、第一转折光栅区域、第二转折光栅区域以及耦出光栅区域，所述耦入光栅区域包括相接的第一子耦入光栅区域和第二子耦入光栅区域，所述第一子耦入光栅区域位于所述第一转折光栅区域与所述第二子耦入光栅区域之间，所述第二子耦入光栅区域位于所述第二转折光栅区域与所述第一子耦入光栅区域之间；
所述第一子耦入光栅区域用于将光线耦入所述衍射光波导内，以使光线经所述第一转折光栅区域后从所述耦出光栅区域耦出；所述第二子耦入光栅区域用于将光线耦入所述衍射光波导内，以使光线经所述第二转折光栅区域后从所述耦出光栅区域耦出；其中，所述第一子耦入光栅区域与所述第二子耦入光栅区域关于所述耦入光栅区域的中心呈对称分布；
所述耦入光栅区域包括第一弧线区域边界、第二弧线区域边界、第三弧线区域边界以及第四弧线区域边界，所述第一弧线区域边界、所述第二弧线区域边界、所述第三弧线区域边界以及所述第四弧线区域边界依次首尾相连，所述第一弧线区域边界与所述第二弧线区域边界位于所述第一子耦入光栅区域，所述第三弧线区域边界与所述第四弧线区域边界位于所述第二子耦入光栅区域；
所述第一弧线区域边界与所述第四弧线区域边界围设的区域呈半椭圆形，所述第二弧线区域边界与所述第三弧线区域边界围设的区域呈半椭圆形，所述第二弧线区域边界与所述第三弧线区域边界围设的区域面积不同于所述第一弧线区域边界与所述第四弧线区域边界围设的区域面积；
所述耦入光栅区域具有第一区域边界极限点和第二区域边界极限点，所述第一区域边界极限点位于所述第一弧线区域边界与所述第二弧线区域边界的相接处，所述第二区域边界极限点位于所述第三弧线区域边界与所述第四弧线区域边界的相接处；
所述第一区域边界极限点与所述第二区域边界极限点的间距为D1，D1=2L1 |tan(FOV1/2)|+L2+δ1，其中，L1为光源与所述衍射光波导的间距值，FOV1为预设的横向视场角，L2为光线宽度值，δ1为第一公差值，-1mm ≤ δ1 ≤ 1mm。
2.根据权利要求1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、所述第一转折光栅区域的光栅结构、所述第二转折光栅区域的光栅结构以及所述耦出光栅区域的光栅结构均为直角梯形光栅。
3.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区域还具有第三区域边界极限点，所述第三区域边界极限点位于所述第二弧线区域边界与所述第三弧线区域边界的相接处；
所述第三区域边界极限点与中心点的间距为D2，D2=L1 |tan(FOV2)|+L2+δ2，其中，FOV2为预设的第一纵向视场角，δ2为第二公差值，-1mm ≤ δ2 ≤ 1mm，所述中心点位于所述第一区域边界极限点与所述第二区域边界极限点之间的中心处。
4.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅区域还具有第四区域边界极限点，所述第四区域边界极限点位于所述第四弧线区域边界与所述第一弧线区域边界的相接处；
所述第四区域边界极限点与中心点的间距为D3，D3=L1 |tan(FOV3)|+L2+δ3，其中，FOV3为预设的第二纵向视场角，δ3为第三公差值，-1mm ≤ δ3 ≤ 1mm，所述中心点位于所述第一区域边界极限点与所述第二区域边界极限点之间的中心处。
5.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一转折光栅区域为四边形区域，所述第一转折光栅区域包括第一直线区域边界、第二直线区域边界、第三直线区域边界以及第四直线区域边界，所述第一直线区域边界、所述第二直线区域边界、所述第三直线区域边界以及所述第四直线区域边界依次首尾相连，所述第一直线区域边界与所述第三直线区域边界平行设置，所述第一直线区域边界短于所述第三直线区域边界，所述第一直线区域边界位于所述第三直线区域边界与所述第一子耦入光栅区域之间，所述第四直线区域边界位于所述第二直线区域边界与所述耦出光栅区域之间；
所述第一直线区域边界与所述第三直线区域边界的间距为D4，D4=q×2×tan(θmax)+δ4，其中，q为光线在所述第一转折光栅区域的扩瞳次数，θmax为所述第一转折光栅区域的正1级的最大衍射角或者所述第一转折光栅区域的负1级的最大衍射角，δ4为第四公差值，-2mm≤ δ4 ≤ 2 mm。
6.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，所述第四直线区域边界与所述第一转折光栅区域的光栅矢量方向的夹角为rho1，
，其中，
为所述第一转折光栅区域的正1级的最大衍射方位角或者所述第一转折光栅区域的负1级的最大衍射方位角，α1为所述第一转折光栅区域的光栅矢量方向与所述第一子耦入光栅区域的光栅矢量方向的夹角，δ5为第五公差值，-1度 ≤ δ5 ≤ 1度。
7.根据权利要求6所述的衍射光波导，其特征在于，所述第二直线区域边界与所述第一转折光栅区域的光栅矢量方向的夹角为rho2，
，其中，
为所述第一转折光栅区域的正1级的最小衍射方位角或者所述第一转折光栅区域的负1级的最小衍射方位角，δ6为第六公差值，-1度 ≤ δ6 ≤ 1度。
8.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：
光源；
权利要求1至7任一项所述的衍射光波导，所述衍射光波导用于接收所述光源出射的光线。
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