本申请公开了一种用于光学扩瞳的衍射光波导、包括该衍射光波导的显示设备以及衍射光波导设计方法，所述衍射光波导包括波导基板和设置在基板之上或之中的耦入光栅和耦出光栅，其中耦出光栅至少部分地形成在一随机分区区域上，该随机分区区域包括多个分区，耦出光栅包括形成在多个分区中的多个子光栅，并且至少部分分区中的子光栅具有不同的光学结构。根据本发明专利技术实施例的衍射光波导及其设计方法中，在一定区域内随机形成耦出光栅的分区，在不同的分区中采用不同的光栅光学结构，以最终波导效果作为评价进行优化设计，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计自由度，其优化结果亦能够更趋近于最优解。近于最优解。近于最优解。
【技术实现步骤摘要】
衍射光波导、显示设备及衍射光波导设计方法
[0001]本专利技术涉及基于衍射的显示技术，特别是可用于增强现实显示的衍射光波导、包括该衍射光波导的显示设备以及衍射光波导设计方法。
技术介绍
[0002]随着半导体工艺的高度发展，人与计算机之间的交互方式正在飞速发展，其中增强现实(Augmented Reality，AR)显示可以提供给人类以更多维度的信息，得到人们的广泛关注。AR眼镜是增强现实显示领域的重要媒介之一。现有的基于几何光学的AR眼镜使用自由曲面方案，其存在尺寸限制；基于阵列光波导的AR眼镜的设计原理相对简单，但是工艺难度较大，不适合大规模量产，并且由于阵列光波导需要搭配特定光机也制约了其大规模推广。
[0003]衍射光波导具有可量产性强、轻薄等优势，在AR显示领域逐渐得到认可，并有望成为未来AR领域的主流技术发展方向。用于AR显示的衍射光波导，尤其是二维光栅波导，由于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，若不对光栅区域进行分区优化，则最终视窗(eyebox)范围内，人眼在不同的位置接收到的光强不同，会使得使用衍射光波导作为AR眼镜的显示模组难以被人感官所接受。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是提供一种用于光学扩瞳的衍射光波导、包括该衍射光波导的显示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性，至少部分地克服了现有技术中的不足。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于光学扩瞳的衍射光波导，其包括波导基板和设置在所述波导基板之上或之中的耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅配置为将输入光束耦合到所述波导基板中以使之通过全反射被耦合到所述耦出光栅，其中，所述耦出光栅至少部分地形成在一随机分区区域上，所述随机分区区域包括具有随机形成的形状、大小及/或位置的多个分区，所述耦出光栅包括形成在所述多个分区中的多个子光栅，并且至少部分分区中的所述子光栅具有不同的光学结构。
[0006]根据本专利技术实施例，所述多个子光栅构造为使得所述衍射光波导的出射光场的光能量分布基本上均匀。
[0007]优选地，所述多个子光栅包括二维光栅，并且所述二维光栅具有第一光栅矢量、第二光栅矢量和第三光栅矢量。
[0008]优选地，所述多个子光栅中的二维光栅具有彼此相同的光栅矢量。
[0009]在一些实施例中，所述耦出光栅可以关于一中轴线对称。
[0010]优选地，所述多个分区为根据维诺图划分的维诺分区。
[0011]更优选地，所述多个分区为根据基于随机撒点形成的维诺图划分的维诺分区。
[0012]优选地，所述多个分区包括其中不形成所述子光栅的非衍射分区，所述非衍射分
区的面积小于预定阈值，所述预定阈值小于或等于人眼平均瞳孔面积，优选小于或等于人眼平均瞳孔面积的二分之一。更优选地，所述多个分区包括至少一个分区，其面积小于或等于至少一个所述非衍射分区并且其中形成有所述子光栅。
[0013]优选地，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有与另一个分区中的所述子光栅的光学结构不同的横截面形状及/或尺寸。
[0014]优选地，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有不规则的横截面形状。
[0015]优选地，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有与另一个分区中的所述子光栅的光学结构不同的高度或深度。
[0016]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种显示设备，该显示设备包括如上所述的衍射光波导。
[0017]优选地，所述显示设备为近眼显示设备，并且包括镜片和用于将镜片保持为靠近眼睛的框架，所述镜片包括所述衍射光波导。
[0018]优选地，所述显示设备为增强现实显示设备。
[0019]根据本专利技术的又一个方面，提供了一种用于光学扩瞳的衍射光波导的设计方法，该设计方法包括以下处理：
[0020](1)在待形成耦出光栅的一目标区域中进行随机分区，形成多个分区，所述多个分区具有随机形成的形状、大小及/或位置；
[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结构；以及
[0022](3)以每个所述子光栅的光学结构的至少一个参数为优化变量，进行优化处理，得到一项优化结果，其中所述优化处理的优化目标包括所述衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性。
[0023]优选地，处理(3)中，所述优化变量包括所述光学结构的横截面形状及/或尺寸以及/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栅具有不同的光学结构。
[0024]优选地，处理(2)中，所述初始化使得每个所述子光栅的光学结构为柱状结构；并且处理(3)中，所述优化处理包括通过对所述柱状结构的横截面的膨胀和腐蚀处理。
[0025]优选地，处理(3)中，所述优化处理的优化目标还包括所述衍射光波导的光能量耦合效率。
[0026]优选地，处理(1)可以包括：在所述目标区域中随机撒点，基于该随机撒点生成维诺图，并根据该维诺图进行分区。
[0027]优选地，处理(2)可以包括：
[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区，在所述非衍射分区中不形成所述子光栅，所述预定阈值小于或等于人眼平均瞳孔面积，优选小于或等于人眼平均瞳孔面积的二分之一；以及
[0029](2b)对所述非衍射分区以外的分区中的子光栅进行初始化。
[0030]优选地，所述设计方法还可以包括以下处理：
[0031](4)改变对所述目标区域的随机分区，形成新的多个分区，并基于所述新的多个分区，重复执行处理(2)至处理(3)，得到多项优化结果；以及
[0032](5)比较所述多项优化结果，根据最符合所述优化目标的一项优化结果，确定所述衍射光波导的分区和对应的子光栅的优化光学结构。
[0033]优选地，处理(1)可以包括：获取撒点数M，在所述目标区域中随机撒下M个点，基于该M个点生成维诺图，并根据该维诺图进行分区；并且处理(4)包括：改变撒点数M，基于该改变的撒点数M在所述目标区域中重新随机撒点，生成新的维诺图，并根据新的维诺图进行分区。
[0034]优选地，所述设计方法还可以包括以下处理：
[0035](3a)改变对所述非衍射分区的设置，形成新的非衍射分区，并基于所述新的非衍射分区，重复执行处理(2b)和处理(3)，得到对应于同一随机分区的优化结果。
[0036]优选地，所述设计方法还可以包括以下处理：
[0037](4
’
)改变对所述目标区域的随机分区，形成新的多个分区，并基于所述新的多个分区，重复执行处理(2)、处理(3)和处理(3a)，得到对应于多种随机分区的多项优化结果；以及
[0038](5
’
)比较所述多项优化结果，根据最符合所述优化目标的一项优化结果，确定所述衍射光波导的分区和本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于光学扩瞳的衍射光波导，包括波导基板和设置在所述波导基板之上或之中的耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅配置为将输入光束耦合到所述波导基板中以使之通过全反射被耦合到所述耦出光栅，其中，所述耦出光栅至少部分地形成在一随机分区区域上，所述随机分区区域包括具有随机形成的形状、大小及/或位置的多个分区，所述耦出光栅包括形成在所述多个分区中的多个子光栅，并且至少部分分区中的所述子光栅具有不同的光学结构。2.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述多个子光栅构造为使得所述衍射光波导的出射光场的光能量分布基本上均匀。3.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述多个子光栅包括二维光栅，并且所述二维光栅具有第一光栅矢量、第二光栅矢量和第三光栅矢量。4.如权利要求3所述的衍射光波导，其中，所述多个子光栅中的二维光栅具有彼此相同的光栅矢量。5.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述耦出光栅关于一中轴线对称。6.如权利要求1
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5中任一项所述的衍射光波导，其中，所述多个分区为根据维诺图划分的维诺分区。7.如权利要求6所述的衍射光波导，其中，所述多个分区为根据基于随机撒点形成的维诺图划分的维诺分区。8.如权利要求1
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5中任一项所述的衍射光波导，其中，所述多个分区包括其中不形成所述子光栅的非衍射分区，所述非衍射分区的面积小于预定阈值，所述预定阈值小于或等于人眼平均瞳孔面积，优选小于或等于人眼平均瞳孔面积的二分之一。9.如权利要求8所述的衍射光波导，其中，所述多个分区包括至少一个分区，其面积小于或等于至少一个所述非衍射分区并且其中形成有所述子光栅。10.如权利要求1
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5中任一项所述的衍射光波导，其中，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有与另一个分区中的所述子光栅的光学结构不同的横截面形状及/或尺寸。11.如权利要求1
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5中任一项所述的衍射光波导，其中，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有不规则的横截面形状。12.如权利要求1
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5中任一项所述的衍射光波导，其中，至少一个分区中的所述子光栅的光学结构具有与另一个分区中的所述子光栅的光学结构不同的高度或深度。13.一种显示设备，包括如权利要求1
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12中任一项所述的衍射光波导。14.如权利要求13所述的显示设备，其中，所述显示设备为近眼显示设备，并且包括镜片和用于将镜片保持为靠近眼睛的框架，所述镜片包括所述衍射光波导。15.如权利要求13或14所述的显示设备，其中，所述显示设备为增强现实显示设备。16.一种用于光学扩瞳的衍射光波导的设计方法，包括以下处理：(1)在待形成耦出光栅的一目标区域中进行随机分区，形成多个分区，所述多个分区具有随机形成的形状、大小及/或位置；(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结构；以...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵兴明，范真涛，朱庆峰，隋磊，田克汉，
申请(专利权)人：嘉兴驭光光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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