CN116125583B - 一种调制光波导及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要提供一种调制光波导及其调制方法，其中所述调制光波导用于对光线进行调制，包括至少一光波导基材、一耦入区域、多个扩瞳区域和多个耦出区域，其中所述耦入区域、所述扩瞳区域和所述耦出区域被设置于所述调制光波导基材的上表面或下表面，其中所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域，光线到达所述耦出区域后会被多个不连续的所述耦出子区域进行衍射，从而实现对所述调制光波导中光线衍射点密度的调制，本发明所述的调制光波导通过设置不连续区域，实现对光波导中光线衍射点密度的调制，最终实现不同视场角的光线都能均匀出射，从而形成更加均匀的图像。

Description

一种调制光波导及其调制方法

技术领域

本发明属于光学元件领域，具体而言，一种调制光波导及其调制方法。

背景技术

增强现实(AR)是一种将真实世界和虚拟信息相融合的技术，AR显示系统通常包括微型投影仪和光学显示屏，将微型投影仪上的像素通过光学显示屏投射到人眼中，同时，用户可以透过光学显示屏看到真实世界。微型投影仪为设备提供虚拟内容，光学显示屏通常是透明的光学部件。

光波导是光学显示屏的一种实现路径。当传输介质的折射率大于周围介质且在波导中的入射角大于全反射临界角时，光即可在波导内无泄漏地传输，发生全反射。来自投影仪的光被耦合进光波导后，光就在波导内继续无损地传播图像，直到被后续结构耦出。

目前市面上光波导通常被分为几何阵列波导和衍射光波导，其中衍射光波导又分为体全息波导和表面浮雕光栅波导，衍射光波导的本质都是通过光栅衍射将入射光耦入到波导中，表面浮雕光栅波导以其极高的设计自由度和由纳米压印加工带来的可量产性，在众多方案中具有明显的优势。

AR波导的技术参数主要包括视场角FOV、视距eye relief、动眼眶尺寸eyebox等。视场角通常用对角线角度表示如40°，对应16:9比例画幅的视场角约为35°(H)*20°(V)；视距通常在20-25mm左右，基本能满足大部分用户的佩戴需求，包括佩戴近视眼镜的用户；动眼眶尺寸决定了用户眼镜可自由移动的范围，尺寸越大丢失图像的可能性越小，因而适应性更广。动眼眶的水平尺寸需要能够适应人眼的出瞳距范围，并给用户不同的水平佩戴基准给足余量，动眼眶的垂直尺寸需要适配用户的垂直佩戴基准。一般认为动眼眶尺寸15mm(H)*10mm(V)可满足用户体验的基本需求。AR波导以高效率和良好的均匀性为优化目标，高效率的目的是在相同微投输入下能实现较高的亮度输出，使人眼看到画面足够明亮；均匀性包括FOV均匀性，即人眼看到的全视场画面具有较好的亮度、颜色均匀性，还包括eyebox均匀性，即人眼在eyebox不同位置(或不同瞳距、鼻梁高度的用户佩戴时)接收到的亮度差异尽量小，且期望不同位置都具有较好的FOV均匀性。

AR波导技术追求较大视场角、较高效率及较好均匀性的显示效果，其中的视场角直接决定了观察者能看到的图像大小，是影响用户体验的关键参数，视场角越大，往往观察效果越生动具体。对于小视场角情况，光波导中的不同光线传输的状态差别不大，而当视场角变大时，最大视场角和最小视场角对应在光波导中的光线传输情况(这里主要指反射角大小)差别较大，从而会导致不同视场角的均匀性变差。

发明内容

本发明的一个优势在于提供一种调制光波导及其调制方法，所述调制光波导能够增加光波导视场角的均匀性。

本发明的一个优势在于提供一种调制光波导及其调制方法，所述调制光波导通过设置不连续区域，实现对光波导中光线衍射点密度的调制，最终实现不同视场角的光线能均匀出射，从而形成更加均匀的图像。

本发明的一个优势在于提供一种调制光波导及其调制方法，所述调制光波导能够适用不同范围的视场角情况，均具有显著的显示性能的提升，从而实现对视场角的均匀性的有效调制。

本发明的一个优势在于提供一种调制光波导及其调制方法，所述调制光波导能够同时对扩瞳区域和耦出区域进行子区域设置，从而达到匀化视场角的目的。

本发明的一个优势在于提供一种调制光波导及其调制方法，所述调制光波导能够根据实际情况仅对耦出区域设置多个不连续子区域，从而使出射光线的视场角的均匀性得到提高。

本发明的一个优势在于提供一种调制光波导及其调制方法，所述调制光波导能够更加精细地对扩瞳区域和耦出区域的位置进行设计，从而实现不同视场角光线密度的控制，使最后从光波导耦出进入人眼的光线的视场角均匀性更好。

本发明的一个优势在于提供一种调制光波导及其调制方法，其中在耦出区域采用了非连续光栅，一方面能够减少光栅的总体面积，节省了母版制备时间；另一方面，非连续光栅能够减少对环境光的作用，使挡光部分减少，进而使真实的环境看起来更加明亮。

本发明的一个优势在于提供一种调制光波导及其调制方法，其中所述调制光波导的调制方法通过调制在扩瞳区域的全反射点之间的距离和/或在耦出区域的全反射点之间的距离，以对光线密度进行调制，从而使从调制光波导进入人眼的光线的视场角的均匀性得到提高。

为达上述至少一发明优势，本发明提供一种调制光波导，用于对光线进行调制，所述调制光波导包括：

光波导基材、耦入区域、扩瞳区域以及耦出区域，其中所述耦入区域、所述扩瞳区域以及所述耦出区域被设置于所述调制光波导基材的表面；

所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域，当光线到达所述扩瞳区域后会被多个不连续的所述扩瞳子区域进行衍射，从而实现对所述调制光波导中光线衍射点密度的调制；和/或，

所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域，当光线到达所述耦出区域后会被多个不连续的所述耦出子区域进行衍射，从而实现对所述调制光波导中光线衍射点密度的调制。。

在其中一些实施例中，所述耦入区域设置有锯齿光栅、斜齿光栅或者矩形光栅。

在其中一些实施例中，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，任一所述扩瞳子区域设置有衍射光栅，和/或，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，任一所述耦出子区域设置有衍射光栅。

在其中一些实施例中，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，多个所述扩瞳子区域中的光栅周期相同，和/或，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，多个所述耦出子区域中的光栅周期相同。

在其中一些实施例中，所述扩瞳区域的位置由4个边界视场的光线决定；或由4个边界视场和多个中间视场的光线决定。

在其中一些实施例中，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，所述扩瞳子区域的数量为12个及以上，和/或，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，所述耦出子区域的数量为12个及以上。

在其中一些实施例中，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，多个所述扩瞳子区域的形状为方形、矩形、圆形、椭圆形以及多边形中的一种形状，或由方形、矩形、圆形、椭圆形以及多边形中的至少一种形状经过布尔运算得到的图形，和/或，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，多个所述耦出子区域的形状为方形、矩形、圆形、椭圆形以及多边形中的一种形状，或由方形、矩形、圆形、椭圆形以及多边形中的至少一种形状经过布尔运算得到的图形。

在其中一些实施例中，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，多个所述扩瞳子区域互不重叠，和/或，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，多个所述耦出子区域互不重叠。

在其中一些实施例中，所述扩瞳区域的同一视场光线对应的离散区域的间距小于8mm，和/或，所述耦出区域的同一视场光线对应的离散区域的间距小于8mm。

在其中一些实施例中，多个所述扩瞳子区域在横纵方向的尺寸均小于4.5mm，和/或，多个所述耦出子区域在横纵方向的尺寸均小于4.5mm。

在其中一些实施例中，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，多个所述扩瞳子区域的光栅深度沿着光线传播方向逐渐增加，范围为20nm-150nm。

在其中一些实施例中，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，多个所述耦出子区域的光栅深度沿着光线传播方向逐渐增加，范围为50nm-300nm。

在其中一些实施例中，所述扩瞳区域与所述耦出区域为同一区域，所述区域中设置的光学结构同时对光线进行扩瞳和耦出。

本发明进一步提供一种调制光波导的调制方法，对一光波导进行调制，包括步骤：

当光线到达所述扩瞳区域时，通过所述扩瞳区域中不连续的扩瞳子区域调制光线在所述扩瞳区域中的全反射点之间的间距；和/或，

当光线到达所述耦出区域时，通过所述耦出区域中不连续的耦出子区域调制光线在所述耦出瞳区域中的全反射点之间的间距。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，以及说明书附图得以充分体现。

附图说明

图1为光波导中不同视场角光线的传播过程及耦出密度示意图。

图2为衍射角度的示意图。

图3为不同视场角光线在传统扩瞳区域和耦出区域衍射的情况。

图4为不同视场角光线在调制的扩瞳区域衍射的情况。

图5为多个非连续扩瞳区域的光栅排布示意图。

图6为扩瞳区域按光栅深度调制分区的示意图。

图7为不同视场角光线在调制的耦出区域衍射的情况。

图8为本发明所述的调制光波导的第一实施例中的光波导结构和光线分布示意图。

图9为图8中的光波导在未调制波导时得到的耦出功率。

图10为图8中的光波导在调制波导后得到的耦出功率。

图11为图8中的光波导在耦出区域同一直线处调制前后耦出功率的数值对比。

图12为本发明所述的调制光波导的调制方法的第一实施例的流程示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

如图1所示，光机1出来的光线首先经过耦入区域2的光栅，发生衍射之后进入光波导3中，光线在波导中以全反射的方式进行传播。当光线到达下一个光栅区域4时，会再次发生衍射，其全反射次数越多，衍射的次数也越多，扩瞳范围就越大。由图1可以看到，不同视场角的光线5和光线6对应了不同的入射角和衍射角，其衍射角大小和方向由下列方程式决定：

其中θ、的定义如图2所示，θ、/>表示入射光线的角度，θ₁、/>表示在耦入区域衍射一次后的光线角度，它们共同决定了光线全反射传播的方向。n₁为波导材料折射率，m₁为衍射级次，λ为光波长，d_x、d_y分别为光栅周期在x和y方向的分量，满足d_x＝d/sinθ,d_y＝d/cosθ，d为光栅周期。

由于光线5和光线6的衍射角不同，导致它们在波导中全反射一次所走过的横向距离不同，该距离可以表示为z＝2h×tanθ₁，其中h为波导厚度。z不同导致的直接结果是扩瞳后的光线密度不同，例如出射光线7的密度就大于出射光线8的密度，当z大于瞳孔直径时，人眼在某些位置很有可能就会接受不到该视场角的光线，从而缺失了一部分图像信息，造成视场角的不均匀。由以上分析可知，影响视场角均匀性的因素是波导中的光线密度。并且视场角越大，不同视场角对应的光线密度差距就越大。如图3所示，为耦入光波导中的光经过扩瞳区域33后的光线偏转情况，其中的矩形点和圆点均表示一次光线的衍射(R-1级)，点与点之间的距离为z，耦入区域光栅作用后的点距离表示为z₁，扩瞳区域光栅作用后的点距离表示为z₂，点的密度即可以看作能量的密度。图中显示了4个边界视场角对应的光线34，光线35，光线36和光线37，它们均先经过扩瞳区域33，并发生衍射偏转从而向耦出区域32传播。为了使图中线条清楚，图3中只画出了每条光线横向衍射4次(部分次数衍射时的衍射光线未示出)后再沿纵向传播衍射2次的情况，实际上光线会继续向横纵方向进行多次衍射。可以看出，在耦出区域32中4个视场角对应的耦出光线密度差别较大。对比光线34和光线37，假设每次衍射后衍射光线能量为原来的10％，在衍射四次后两光线损失了相同能量，但光线37比光线34传播了更远的距离。在耦出区域32中光线37的密度远小于光线34的密度，所以光线37对应的耦出能量会低于光线34对应的耦出能量，从而导致视场角的能量分布不均匀。

进一步分析，这种视场角光线密度不均匀还有可能导致扩瞳区域前端光线衍射次数过多，能量大量集中在光线传播路径的前端，而扩瞳区域后端能量太低，此情况会引起更加严重的视场角缺失。因此，调制不同视场角的光线密度达到近似相等，可以有效地优化视场角均匀性。

本发明提出的光波导结构为耦入区域+扩瞳区域+耦出区域。其中，耦入区域内设置的光学结构用于实现光耦入功能，扩瞳区域内设置的光学结构用于实现光扩展功能，耦出区域中设置的光学结构用于实现光耦出功能。可以理解，光扩展功能和光耦出功能可以通过两个相互独立的光学结构实现，即扩瞳区域和耦出区域为不同的两个区域，光扩展功能和光耦出功能也可以通过同一个光学结构同时实现，即扩瞳区域和耦出区域为同一区域。当然，在部分实施例中，光耦入功能、光扩展功能和光耦出功能也可以通过同一个光学结构同时实现。

以下以扩瞳区域和耦出区域为不同的两个区域来举例说明，该结构对衍射角(θ)存在两次调制作用，第一次是耦入光栅的作用，由公式(1)和(2)确定，其决定了全反射点间距z₁的大小；第二次是扩瞳光栅的作用，其决定了全反射点间距z₂的大小，第二次衍射过程由下式确定：

调制光线密度，实际上就是调制z₁和/或z₂的大小。本发明采用在扩瞳区域的合适位置设置多个不连续扩瞳光栅的方法来调制z₁的大小，采用在耦出区域的合适位置设置多个不连续耦出光栅的方法来调制z₂的大小。具体方法如下。

如图4所示，首先选择合适的波导结构使间距z₁最长的光线47的光线密度足够小以保证该视场角有足够的光线能够从耦出区域43耦出。此时其余视场角对应的光线44、光线45、光线46的衍射点密度必然很大。可以通过合理选择扩瞳光栅所处的位置来控制不同衍射点的位置。图4中在光线衍射点设置了一定大小的具有矩形边界的衍射光栅，当然该边界不限于矩形，也可以是圆形、多边形等任意形状。最终得到的扩瞳区域42如图5所示。

进一步地，为了提高视场角均匀性，需要对扩瞳区域的不同位置进行光栅高度调制，如图6所示将扩瞳区域分为3个大区，沿着光线传播方向每个区的光栅深度由20nm到150nm依次增加，该区可以根据扩瞳区域面积的增加而划分为更多的区。至此，实现了对z₁的大小调制。

在已对z₁调制的基础上，以同样的方式，对四个或更多的视场角的光线路径进行计算，得到光线在耦出区域的分布，进而实现对z₂的大小调制。如图7所示。四个边界视场角对应在光波导耦出区域中的光线分别为光线71，光线72，光线73和光线74。合理选择多个耦出区域的形状和间隔，使不同视场角的光线能够取得近似相等的耦出光线密度，从而提高视场角的均匀性。

进一步的，耦出区域分布的光栅还可以根据光线的传播方向进行深度调制，沿着光线传播方向光栅深度依次增加，深度的选择范围为50nm-300nm。

如图8所示，为本发明的调制光波导的第一实施例的结构示意图和光线分布示意图。

在本发明的调制光波导的第一实施例中，调制光波导的视场角被选择为40°，选择的4个视场角为4个边界视场角，4个边界视场角分布为(-17.5°，-10°)，(-17.5°，10°)，(17.5°，-10°)，(17.5°，10°)。

如图8所示，调制光波导10包括至少一光波导基材11、一耦入区域110、多个扩瞳区域120和多个耦出区域130，其中耦入区域110、扩瞳区域120和耦出区域130被设置于调制光波导10基材11的上表面或下表面，光线20从光机耦入调制光波导10后首先经过耦入区域110，经过光栅作用后进入光波导基材11中以全反射形式进行传播，到达多个扩瞳区域120进行多次扩瞳和光线20偏转，最后到达多个耦出区域130，在每个耦出区域130光线20被光栅作用实现耦出。

根据上述公式(1)和(2)可以得到四个视场角的光线20耦入调制光波导10中的方向，对应第一光线21、第二光线22、第三光线23和第四光线24，其中的实心及空心圆点、方点均表示光线20与波导表面的交点。计算出每条光线20发生全反射的位置(即光线20与调制光波导10表面的交点)，得到不同光线20衍射点的密集程度。在本实施例中，视场角(17.5°，-10°)对应的第三光线23衍射点密度最稀疏，可以通过调节周期、波导厚度，材料折射率等方式增加该视场的光线20密度。与此同时，其余三个视场的光线20衍射点密度会进一步增加，该三个视场角的实际衍射点之间的距离z₁是需要控制的对象。第三光线23的衍射点已经确定，如图所示有三个衍射点，在该点所在的位置设置三个不连续的扩瞳子区域1201，三个扩瞳子区域1201分别为三个大小形状不同的椭圆。

为了让其余的三条光线20，即第一光线21、第二光线22和第四光线24同样进行三次衍射得到三个密度近似相等的衍射点，需要对其在扩瞳区域120内的相应位置进行调制。因此在第一光线21上选取了三个衍射点的位置进行扩瞳子区域1201的设置。在第二光线22和第四光线24的合适位置同样选取了三个衍射点的位置进行扩瞳子区域1201的设置。多个扩瞳子区域1201之间可能互相连通。如图8所示，在扩瞳区域120中的除多个扩瞳子区域1201之外的无扩瞳区域的位置虽然存在全反射，但不存在衍射作用，光线20到达无扩瞳区域中的点为全反射点而不是衍射点，因此光线20会沿着原方向继续传播而不会发生衍射偏转，因此光线20在无扩瞳区域中的传播可以看做能量无损失。

如图8所示，经过调制后的多个扩瞳子区域1201的边界形成一个四边形区域，将四边形区域沿着横向分为4个区域，其中的光栅深度从左至右依次取60nm、80nm、100nm以及120nm，这4个区域的面积可以相同也可不同。

如图8所示，光线20在四边形区域发生衍射后向耦出区域130传播。可以看到，4个视场角的光线20均有三条衍射光线20朝着耦出区域130传播，它们的横向密度近似相等。通过设置多个不连续耦出子区域1301的位置可以调节耦出光线20纵向的密度，即调节光线20在耦出区域130衍射点的间距z₂。耦出区域130中设置了多个矩形的耦出子区域1301，它们覆盖了各自对应的耦出衍射点，多个耦出子区域1301之间可能发生连通，得到最终不连续的耦出区域130。

本实施例中，对边界视场角(17.5°，10°)光线20传输的情况进行仿真模拟，计算出耦出区域130不同位置的(17.5°，10°)光线20的耦出功率。如图9所示，为光波导未进行调制时得到的该视场角的耦出功率，图中横纵坐标表示不同的位置，图10为采用调制波导得到的该视场角的耦出功率，对其值进行了归一化，取其虚线处所在的值进行分析，得到图11。从图11可以看到光波导被调制后该视场角的耦出功率增加。

结果表明，本发明的调制光波导10通过对各视场角的耦出能量进行调制，即对耦出效率低的视场角的能量进行增大，从而使被调制视场角的能量(即本例中的(17.5°，10°))达到与其它视场角同等或近似的程度。

在本发明的调制光波导10的第一实施例中，仅展示了4个视场角的光线20，是为了简化示意图。实际上分析的视场角可以是5个、6个甚至更多。往往分析的视场角越多，子区域定位就越精确，子区域的面积也越小。

另外，在本发明的调制光波导10的其他实施例中，调制光波导10中的扩瞳区域120和耦出区域130同时进行了扩瞳子区域1201的设置，又在耦出区域130设置了多个耦出子区域1301。实际上，对于较小视场角的情况，仅设置多个扩瞳子区域1201或者仅设置多个耦出子区域1301也能达到匀化视场角的目的。

此外，在本发明的调制光波导10的其他实施例中，调制光波导10包括耦入区域110、扩瞳区域120和耦出区域130共3个功能区的光波导。除此以外，本发明的调制光波导10也适用具有更多功能区的波导结构，比如4个、5个甚至更多数量的功能区等。

值得强调的是，在本发明的调制光波导10中，调制光波导10既可以被用于单色图像的传输，也可以被用于彩色图像的传输。

此外，在本发明的调制光波导10的其他实施例中，耦入区域110设置有锯齿光栅、斜齿光栅或者矩形光栅，从而起到耦入光线20的效果；扩瞳区域120设置有衍射光栅，从而起到扩瞳作用；耦出区域130设置有衍射光栅，从而同时起到扩瞳和耦出的作用。其中，扩瞳区域的数量可以为一个或者多于一个，耦出区域也可以为一个或者多于一个。

其中，多个扩瞳区域120中的多个扩瞳子区域1201中的光栅周期相同，且多个扩瞳区域120的位置由4个视场的光线20确定。优选地，的视场为全视场的4个边界视场。

作为选择，多个扩瞳区域120的位置也可以由多个视场的光线20确定，其中多个视场优选为4个边界视场与多个中间视场。

进一步地，在本发明的调制光波导10的其他实施例中，多个扩瞳子区域1201的形状包括但不限于方形、矩形、圆形、椭圆形或多边形，以及它们经过布尔运算得到的图形。

优选地，多个扩瞳子区域1201互不重叠。其中，多个扩瞳区域120的同一视场光线20对应的离散区域的间距小于第一预设尺寸。由于同一视场光线对应的离散区域的间距越小能量越密集，则第一预设尺寸的具体数值可根据具体应用场景的需求能量数值确定，比如具体可以是8mm等。

优选地，多个扩瞳区域120包括至少12个及以上的不连续区域。可以理解，在扩瞳区域面积一定时，划分的区域越多出射光线越密集。

其中，多个扩瞳子区域1201的大小和形状可以被设置为相同或者不同。

其中，多个扩瞳子区域1201在横纵方向的尺寸均小于第二预设尺寸。对扩瞳子区域1201在横纵方向的尺寸限制用于保证扩瞳子区域只对期望的视场衍射点进行作用，故第二预设尺寸可根据具体应用场景期望的视场衍射点的位置和期望的视场衍射点与不期望的视场衍射点之间的距离进行设定。

其中，多个扩瞳区域120的光栅深度沿着光线20传播方向逐渐增加，范围为20nm-150nm。可以理解，这样设置可增强EYEBOX的均匀性。

进一步地，在本发明的调制光波导10的其他实施例中，多个耦出子区域1301的光栅周期相同。多个耦出子区域1301的位置由多个扩瞳区域120的位置及对应的光线20方向确定。

其中，多个耦出子区域1301的区域形状包括但不限于方形、矩形、圆形、椭圆、多边形，以及它们经过布尔运算得到的图形。其中，多个耦出子区域1301互不重叠。

优选地，在本发明的调制光波导10的其他实施例中，多个耦出区域130的同一视场光线20对应的离散区域的间距小于8mm。其中，多个耦出子区域1301在横纵方向的尺寸均小于4.5mm。

进一步地，多个耦出区域130包括至少12个及以上的不连续的耦出子区域1301。

多个耦出子区域1301的光栅深度沿着光线20传播方向逐渐增加，范围为50nm-300nm。

其中，多个耦出子区域1301的大小和形状被设置为相同或者不同。

如图12所示，本发明进一步提供一种光波导的调制方法，在本发明的第一实施例中，光波导的调制方法包括步骤：

通过扩瞳区域120中的不连续的扩瞳子区域1201调制光线20在扩瞳区域120中的全反射点之间的间距。

优选地，光波导的调制方法进一步包括步骤：

通过耦出区域130中的耦出子区域1301调制光线20在耦出区域130中的全反射点之间的间距。

除此以外，本领域技术人员可以根据实际情况对所述调制光波导中的所述耦入区域、所述扩瞳区域以及所述耦出区域的具体形状和结构进行变形或调整，比如将设置为不规则形状等，只要在本发明上述揭露的基础上，采用了与本发明相同或近似的技术方案，解决了与本发明相同或近似的技术问题，并且达到了与本发明相同或近似的技术效果，都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。

在本说明书的描述中，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、结构、材料或者特点包含于本发明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、结构、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。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (23)

1.一种调制光波导，用于对光线进行调制，其特征在于，所述调制光波导包括光波导基材、耦入区域、扩瞳区域以及耦出区域，其中所述耦入区域、所述扩瞳区域以及所述耦出区域被设置于所述光波导基材的表面；

所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域，所述多个不连续的耦出子区域的位置、形状和间隔被设置，从而实现当光线到达所述耦出区域后会被多个不连续的所述耦出子区域进行衍射，对所述调制光波导中不同视场角的光线的衍射点密度的调制，以使不同视场角的光线的耦出密度趋于一致。

2.根据权利要求1所述的调制光波导，其特征在于，所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域，当光线到达所述扩瞳区域后会被多个不连续的所述扩瞳子区域进行衍射，从而实现对所述调制光波导中不同视场角的光线衍射点密度的调制；其中，所述多个不连续的耦出子区域的位置，由所述多个不连续的扩瞳子区域的位置以及对应的光线方向确定。

3.根据权利要求1所述的调制光波导，其特征在于，所述耦入区域设置有锯齿光栅、斜齿光栅或者矩形光栅。

4.根据权利要求2所述的调制光波导，其特征在于，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，任一所述扩瞳子区域设置有衍射光栅。

5.根据权利要求1所述的调制光波导，其特征在于，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，任一所述耦出子区域设置有衍射光栅。

6.根据权利要求4所述的调制光波导，其特征在于，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，多个所述扩瞳子区域中的光栅周期相同。

7.根据权利要求5所述的调制光波导，其特征在于，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，多个所述耦出子区域中的光栅周期相同。

8.根据权利要求2所述的调制光波导，其特征在于，所述扩瞳区域的位置由4个边界视场的光线决定；或由4个边界视场和多个中间视场的光线决定。

9.根据权利要求8所述的调制光波导，其特征在于，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，所述扩瞳子区域的数量为12个及以上。

10.根据权利要求1所述的调制光波导，其特征在于，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，所述耦出子区域的数量为12个及以上。

11.根据权利要求2所述的调制光波导，其特征在于，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，多个所述扩瞳子区域的形状为圆形、椭圆形以及多边形中的一种形状，或由圆形、椭圆形以及多边形中的至少一种形状经过布尔运算得到的图形。

12.根据权利要求1所述的调制光波导，其特征在于，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，多个所述耦出子区域的形状为圆形、椭圆形以及多边形中的一种形状，或由圆形、椭圆形以及多边形中的至少一种形状经过布尔运算得到的图形。

13.根据权利要求2所述的调制光波导，其特征在于，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，多个所述扩瞳子区域互不重叠。

14.根据权利要求1所述的调制光波导，其特征在于，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，多个所述耦出子区域互不重叠。

15.根据权利要求2所述的调制光波导，其特征在于，所述扩瞳区域的同一视场光线对应的离散区域的间距小于8mm。

16.根据权利要求1所述的调制光波导，其特征在于，所述耦出区域的同一视场光线对应的离散区域的间距小于8mm。

17.根据权利要求2所述的调制光波导，其特征在于，多个所述扩瞳子区域在横纵方向的尺寸均小于4.5mm。

18.根据权利要求1所述的调制光波导，其特征在于，多个所述耦出子区域在横纵方向的尺寸均小于4.5mm。

19.根据权利要求4所述的调制光波导，其特征在于，在所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域时，多个所述扩瞳子区域的光栅深度沿着光线传播方向逐渐增加，范围为20nm-150nm。

20.根据权利要求5所述的调制光波导，其特征在于，在所述耦出区域包括多个不连续的耦出子区域时，多个所述耦出子区域的光栅深度沿着光线传播方向逐渐增加，范围为50nm-300nm。

21.根据权利要求1所述的调制光波导，其特征在于，所述扩瞳区域与所述耦出区域为同一区域，所述区域中设置的光学结构同时对光线进行扩瞳和耦出。

22.一种调制光波导的调制方法，其特征在于，所述调制光波导包括光波导基材、耦入区域、扩瞳区域以及耦出区域，所述光波导的耦出区域设置有多个不连续的耦出子区域，所述调制方法包括步骤：

所述多个不连续的耦出子区域的位置、形状和间隔被设置，以当光线到达所述耦出区域时，通过所述耦出区域中不连续的耦出子区域调制不同视场角的光线在所述耦出区域中的衍射点之间的间距，以使不同视场角度的光线的耦出密度趋于一致。

23.根据权利要求22所述的调制光波导的调制方法，其特征在于，所述扩瞳区域包括多个不连续的扩瞳子区域，所述多个不连续的耦出子区域的位置，由所述多个不连续的扩瞳子区域的位置以及对应的光线方向确定；

所述调制方法还包括步骤：

当光线到达所述扩瞳区域时，通过所述扩瞳区域中不连续的扩瞳子区域调制不同视场角的光线在所述扩瞳区域中的衍射点之间的距离。