1.本技术涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种光波导显示器件和增强现实显示设备。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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，例如光栅的衍射效率固定，光线每次经过光栅后都会发生衍射，光线的能量在光波导内全反射的过程中越来越弱，导致越往后衍射出来的光线的能量大大地降低了，最终使得出光的均匀性较差，用户佩戴使用时会出现不适，这会影响用户的使用体验。


技术实现要素：

5.本技术实施方式提出了一种光波导显示器件和增强现实显示设备，以解决上述技术问题。
6.本技术实施方式通过以下技术方案来实现上述目的。
7.第一方面，本技术实施方式提供一种光波导显示器件，光波导显示器件包括波导基底、耦入光栅、转折光栅以及耦出光栅，耦入光栅、转折光栅以及耦出光栅均设置于波导基底，转折光栅用于将光线沿第一方向扩瞳，耦出光栅用于将光线沿第二方向扩瞳，光线经耦入光栅耦合进入波导基底，并经转折光栅沿第一方向传播后自耦出光栅沿第二方向耦出，第一方向与第二方向相区别。其中，转折光栅具有多个转折衍射区域，多个转折衍射区域沿第一方向依次设置，至少两个转折衍射区域对同一衍射级次的衍射效率沿第一方向渐变。耦出光栅具有多个耦出衍射区域，多个耦出衍射区域沿第二方向依次设置，至少两个耦出衍射区域对同一衍射级次的衍射效率沿第二方向渐变。
8.在一些实施方式中，全部转折衍射区域对同一衍射级次的衍射效率沿第一方向渐变，全部耦出衍射区域对同一衍射级次的衍射效率沿第二方向渐变。
9.在一些实施方式中，至少两个转折衍射区域对0级反射式衍射的衍射效率沿第一方向渐变的趋向为第一趋向，至少两个耦出衍射区域对0级反射式衍射的衍射效率沿第二方向渐变的趋向为第二趋向，第二趋向与第一趋向一致。
10.在一些实施方式中，至少两个转折衍射区域对0级反射式衍射的衍射效率沿第一方向逐渐减小，至少两个耦出衍射区域对0级反射式衍射的衍射效率沿第二方向逐渐减小。
11.在一些实施方式中，至少两个转折衍射区域对正1级反射式衍射的衍射效率沿第一方向渐变的趋向为第三趋向，至少两个耦出衍射区域对负1级透射式衍射的衍射效率沿第二方向渐变的趋向为第四趋向，第四趋向与第三趋向一致；或者，至少两个转折衍射区域对负1级反射式衍射的衍射效率沿第一方向渐变的趋向为第五趋向，至少两个耦出衍射区域对正1级透射式衍射的衍射效率沿第二方向渐变的趋向为第六趋向，第六趋向与第五趋向一致。
12.在一些实施方式中，至少两个转折衍射区域对正1级反射式衍射的衍射效率沿第一方向逐渐增大，至少两个耦出衍射区域对负1级透射式衍射的衍射效率沿第二方向逐渐增大；或者，至少两个转折衍射区域对负1级反射式衍射的衍射效率沿第一方向逐渐增大，至少两个耦出衍射区域对正1级透射式衍射的衍射效率沿第二方向逐渐增大。
13.在一些实施方式中，耦入光栅的光栅矢量为k1，转折光栅的光栅矢量为k2，耦出光栅的光栅矢量为k3，k1、k2以及k3构成闭合的矢量三角形，其中，k1与k2的夹角为rho1，20度 ≤ rho1 ≤ 70度，k1与k3的夹角为rho2，rho2=2 rho1。
14.在一些实施方式中，任意相邻两个转折衍射区域的光栅深度、占空比、倾斜角或闪耀角相区别；或者，任意相邻两个耦出衍射区域的光栅深度、占空比、倾斜角或闪耀角相区别。
15.在一些实施方式中，任意相邻两个转折衍射区域的光栅深度相区别，全部转折衍射区域的占空比相同，全部转折衍射区域的光栅周期相同；或者，任意相邻两个耦出衍射区域的光栅深度相区别，全部耦出衍射区域的占空比相同，全部耦出衍射区域的光栅周期相同。
16.第二方面，本技术实施方式还提供一种增强现实显示设备，增强现实显示设备投影机包括光源以及上述任一实施方式的光波导显示器件，光波导显示器件用于接收光源出射的光线。
17.本技术实施方式提供的光波导显示器件和增强现实显示设备中，光线经耦入光栅耦合进入波导基底，并经转折光栅沿第一方向传播后自耦出光栅沿第二方向耦出，由于转折光栅用于将光线沿第一方向扩瞳，耦出光栅用于将光线沿与第一方向相区别的第二方向扩瞳，从而有助于光波导显示器件实现大视场角和大眼动范围。此外，由于转折光栅的多个转折衍射区域沿第一方向依次设置，至少两个转折衍射区域对同一衍射级次的衍射效率沿第一方向渐变；耦出光栅的多个耦出衍射区域沿第二方向依次设置，至少两个耦出衍射区域对同一衍射级次的衍射效率沿第二方向渐变。如此，便于光波导显示器件根据所需的亮度均匀性的程度来调整转折衍射区域对衍射级次的衍射效率以及调整耦出衍射区域对衍射级次的衍射效率，有助于光线在沿第一方向扩瞳的过程中能够经过衍射效率不同的转折衍射区域的衍射，以及在沿第二方向扩瞳的过程中能够经过衍射效率不同的耦出衍射区域的衍射，继而有助于光波导显示器件实现出光均匀的效果。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施方式，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。
19.图1示例出本技术实施方式提供的光波导显示器件的结构示意图。
20.图2示例出图1的光波导显示器件的光栅的结构示意图。
21.图3示例出光线进入图1的光波导显示器件的示意图。
22.图4示例出本技术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
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术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技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本技术中的实施方式，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，都属于本技术保护的范围。
24.请参阅图1，本技术实施方式提供一种光波导显示器件100，光波导显示器件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。
25.光波导显示器件100包括波导基底10、耦入光栅30、转折光栅50以及耦出光栅70，耦入光栅30、转折光栅50以及耦出光栅70均设置于波导基底10，例如耦入光栅30、转折光栅50以及耦出光栅70均可以设置于波导基底10的同一侧。光波导显示器件100可以将光源出射的光线经耦入光栅30耦合进入波导基底10，耦入到波导基底10的光线在波导基底10中全反射传播，并在经过转折光栅50和耦出光栅70后耦出至光波导显示器件100外，最终进入到人眼中。其中，光源可以为数字光处理（digital light procession，dlp）、激光束扫描仪（laser beam scanning，lbs）、硅基液晶（liquid crystal on silicon，lcos）、数字微镜器件（digital micro-mirror device，dmd）、有机发光二极管（organic light-emitting diode，oled）、微机电系统（micro electro mechanical system，mems）等微型显示器，该光源出射的光线为可见光。
26.耦入光栅30的光栅矢量为k1，转折光栅50的光栅矢量为k2，耦出光栅70的光栅矢量为k3，k1、k2以及k3构成闭合的矢量三角形，有助于光波导显示器件100的耦出光线与耦入光线保持平行。
27.转折光栅50用于将光线沿第一方向d1扩瞳，耦出光栅70用于将光线沿第二方向d2扩瞳。光线经耦入光栅30耦合进入波导基底10，并经转折光栅50沿第一方向d1传播后经耦出光栅70沿第二方向d2扩瞳，由于第一方向d1与第二方向d2相区别，使得光线经过两个方向的扩瞳，从而有助于光波导显示器件100实现大眼动范围。其中，第一方向d1与第二方向d2可以相互垂直。
28.光线在经过光栅后会发生衍射，衍射级次一般为0级、正1级以及负1级。其中，0级衍射光为继续沿原来方向传播的光线，正1级衍射光、负1级衍射光可以作为目标耦出光线。转折光栅50与耦出光栅70均可以对0级衍射光、正1级衍射光和负1级衍射光进行利用。此外，当转折光栅50利用正1级衍射光时，耦出光栅70可以利用负1级衍射光；当转折光栅50利
用负1级衍射光时，耦出光栅70可以利用正1级衍射光。
29.转折光栅50具有多个转折衍射区域51，多个转折衍射区域51沿第一方向d1依次设置，至少两个转折衍射区域51对同一衍射级次的衍射效率沿第一方向d1渐变。便于光波导显示器件100根据所需的亮度均匀性的程度来调整转折衍射区域51对衍射级次的衍射效率，有助于光线在沿第一方向d1扩瞳的过程中能够经过衍射效率不同的转折衍射区域51的衍射。
30.例如多个转折衍射区域51中包括第一转折衍射区域和第二转折衍射区域，第一转折衍射区域和第二转折衍射区域沿第一方向d1依次设置，则转折光栅50将光线沿第一方向d1扩瞳的过程中，传播至第一转折衍射区域的衍射光的强度大于传播至第二转折衍射区域的衍射光的强度。
31.第一转折衍射区域和第二转折衍射区域对同一衍射级次的衍射效率可以沿第一方向d1渐变。如此，由于第一转折衍射区域和第二转折衍射区域对同一衍射级次的衍射效率不同，有助于第二转折衍射区域的衍射效率可以根据第一转折衍射区域出射衍射光的强度进行调整，以适应性补充第二转折衍射区域出射衍射光的强度，使光线在第一转折衍射区域和第二转折衍射区域耦出的光线的光强趋向一致，继而有助于光波导显示器件100实现出光均匀的效果。
32.转折光栅50中的全部转折衍射区域51可以对同一衍射级次的衍射效率沿第一方向d1渐变。如此，全部转折衍射区域51的衍射效率各不相同，有助于各个转折衍射区域51均可以通过调控自身的衍射效率来实现对光线的光强的调控，使得转折光栅50将光线沿第一方向d1扩瞳的过程中，经过每一转折衍射区域51耦出的光线的光强趋向一致，从而有助于光波导显示器件100进一步实现出光均匀的效果。
33.转折光栅50可以通过对0级反射式衍射的调控来实现光波导显示器件100出光均匀的效果。
34.例如至少两个转折衍射区域51可以对0级反射式衍射的衍射效率沿第一方向d1逐渐减小。由于0级反射式衍射的衍射光为前一个转折衍射区域51传播至下一个转折衍射区域51的光线，以便于该下一个转折衍射区域51对该前一个转折衍射区域51传播过来的0级反射式衍射的衍射光进行再次衍射来实现转折光栅50沿第一方向d1扩瞳。如此，在光线经转折光栅50沿第一方向d1扩瞳的过程中，有助于光线在越往后的转折衍射区域51中因衍射作用而损耗得越少，使得在后的转折衍射区域51与在前的转折衍射区域51耦出至耦出光栅70的光线的光强趋向一致，有助于保持扩瞳后亮度的均匀性。
35.此外，全部转折衍射区域51可以对0级反射式衍射的衍射效率沿第一方向d1逐渐减小，从而有助于光波导显示器件100进一步实现出光均匀的效果。
36.转折光栅50还可以通过对正1级反射式衍射的调控来实现光波导显示器件100出光均匀的效果。
37.例如至少两个转折衍射区域51可以对正1级反射式衍射的衍射效率沿第一方向d1逐渐增大。由于正1级反射式衍射为转折光栅50的目标耦出光线，即转折光栅50用于将正1级反射式衍射传播至耦出光栅70，以便于耦出光栅70对转折光栅50传播过来的正1级反射式衍射进行二次扩瞳。如此，有助于光线经转折光栅50沿第一方向d1扩瞳后不仅能够实现光波导显示器件100沿第一方向d1扩大出瞳区域，而且还有助于保持扩瞳后亮度的均匀性。
38.此外，全部转折衍射区域51可以对正1级反射式衍射的衍射效率沿第一方向d1逐渐增大，从而有助于光波导显示器件100进一步实现出光均匀的效果。
39.转折光栅50可以调整自身的光栅常数来调整不同的转折衍射区域51的衍射效率。转折光栅50可以为表面浮雕光栅，也可以为其他类型的光栅。本技术以转折光栅50为表面浮雕光栅作为例子进行说明。图2所示为倾斜光栅，光栅常数一般包括光栅周期d、光栅深度h、倾斜角α、脊宽c、占空比f（f=(d-c)/d）等；光栅深度、倾斜角及占空比都会对衍射级次的衍射效率产生影响，通过改变光栅常数来影响衍射级次的衍射效率，控制光束的传播方向。转折光栅50也可以为闪耀光栅，则可以通过改变闪耀角来调整衍射级次的衍射效率。在其他实施方式中，转折光栅50也可以为其他类型。
40.例如任意相邻两个转折衍射区域51的光栅深度相区别，又例如任意相邻两个转折衍射区域51的占空比相区别，又例如任意相邻两个转折衍射区域51的倾斜角相区别，又例如任意相邻两个转折衍射区域51的闪耀角相区别。
41.在一些实施方式中，任意相邻两个转折衍射区域51的光栅深度相区别，例如全部转折衍射区域51的光栅深度可以沿第一方向d1逐渐变大。全部转折衍射区域51的占空比相同，全部转折衍射区域51的光栅周期相同。如此，有助于简化转折光栅50的结构，降低对转折光栅50的加工难度。其中，基于光栅参数和衍射效率的确定，可以利用严格耦合波分析（rigorous coupled wave analysis，rcwa）算法计算转折衍射区域51的光栅深度。
42.耦出光栅70具有多个耦出衍射区域71，多个耦出衍射区域71沿第二方向d2依次设置，至少两个耦出衍射区域71对同一衍射级次的衍射效率沿第二方向d2渐变。便于光波导显示器件100根据所需的亮度均匀性的程度来调整耦出衍射区域71对衍射级次的衍射效率，有助于光线在沿第二方向d2扩瞳的过程中能够经过衍射效率不同的耦出衍射区域71的衍射。
43.例如多个耦出衍射区域71中包括第一耦出衍射区域和第二耦出衍射区域，第一耦出衍射区域和第二耦出衍射区域沿第二方向d2依次设置，则耦出光栅70将光线沿第二方向d2扩瞳的过程中，传播至第一耦出衍射区域的衍射光的强度大于传播至第二耦出衍射区域的衍射光的强度。
44.第一耦出衍射区域和第二耦出衍射区域对同一衍射级次的衍射效率可以沿第二方向d2渐变。如此，由于第一耦出衍射区域和第二耦出衍射区域对同一衍射级次的衍射效率不同，有助于第二耦出衍射区域的衍射效率可以根据第一耦出衍射区域出射衍射光的强度进行调整，以适应性补充第二耦出衍射区域出射衍射光的强度，使光线在第一耦出衍射区域和第二耦出衍射区域耦出的光线的光强趋向一致，继而有助于光波导显示器件100实现出光均匀的效果。
45.耦出光栅70中的全部耦出衍射区域71可以对同一衍射级次的衍射效率沿第二方向d2渐变。如此，全部耦出衍射区域71的衍射效率各不相同，有助于各个耦出衍射区域71均可以通过调控自身的衍射效率来实现对光线的光强的调控，使得耦出光栅70将光线沿第二方向d2扩瞳的过程中，经过每一耦出衍射区域71耦出的光线的光强趋向一致，从而有助于光波导显示器件100进一步实现出光均匀的效果。
46.至少两个耦出衍射区域71对0级反射式衍射的衍射效率渐变的趋向可以与至少两个转折衍射区域51对0级反射式衍射的衍射效率渐变的趋向呈对应关系。例如至少两个转
折衍射区域51对0级反射式衍射的衍射效率沿第一方向d1渐变的趋向为第一趋向，至少两个耦出衍射区域71对0级反射式衍射的衍射效率沿第二方向d2渐变的趋向为第二趋向。
47.第二趋向与第一趋向一致。例如第一趋向为逐渐减小，第二趋向也为逐渐减小，则至少两个耦出衍射区域71对0级反射式衍射的衍射效率沿第二方向d2逐渐减小。由于0级反射式衍射为前一个耦出衍射区域71传播至下一个耦出衍射区域71的光线，以便于该下一个耦出衍射区域71对该前一个耦出衍射区域71传播过来的0级反射式衍射的衍射光进行再次衍射来实现耦出光栅70沿第二方向d2扩瞳。
48.如此，在光线经耦出光栅70沿第二方向d2扩瞳的过程中，有助于光线在越往后的耦出衍射区域71中因衍射作用而损耗得越少，使得在后的耦出衍射区域71与在前的耦出衍射区域71耦出光波导显示器件100外的光线的光强趋向一致，有助于保持扩瞳后亮度的均匀性，从而实现了耦出光栅70通过对0级反射式衍射的调控来使光波导显示器件100达到出光均匀的效果。
49.此外，全部耦出衍射区域71可以对0级反射式衍射的衍射效率沿第二方向d2逐渐减小，从而有助于光波导显示器件100进一步实现出光均匀的效果。
50.至少两个耦出衍射区域71对负1级透射式衍射的衍射效率渐变的趋向可以与至少两个转折衍射区域51对正1级反射式衍射的衍射效率渐变的趋向呈对应关系。例如至少两个转折衍射区域51对正1级反射式衍射的衍射效率沿第一方向d1渐变的趋向为第三趋向，至少两个耦出衍射区域71对负1级透射式衍射的衍射效率沿第二方向d2渐变的趋向为第四趋向。
51.第四趋向与第三趋向一致。例如第三趋向为逐渐增大，则第四趋向也为逐渐增大，则至少两个耦出衍射区域71可以对负1级透射式衍射的衍射效率沿第二方向d2逐渐增大。由于负1级透射式衍射为耦出光栅70的目标耦出光线，即耦出光栅70用于将负1级透射式衍射传播至光波导显示器件100外，以便于进入人眼中。如此，有助于光线经耦出光栅70沿第二方向d2扩瞳后不仅能够实现光波导显示器件100沿第二方向d2扩大视场角，而且还有助于保持扩瞳后亮度的均匀性，从而实现了耦出光栅70通过对负1级透射式衍射的调控来使光波导显示器件100达到出光均匀的效果。
52.此外，全部耦出衍射区域71可以对负1级透射式衍射的衍射效率沿第二方向d2逐渐增大，从而有助于光波导显示器件100进一步实现出光均匀的效果。
53.至少两个耦出衍射区域71对正1级透射式衍射的衍射效率渐变的趋向可以与至少两个转折衍射区域51对负1级反射式衍射的衍射效率渐变的趋向呈对应关系。例如至少两个转折衍射区域51对负1级反射式衍射的衍射效率沿第一方向d1渐变的趋向为第五趋向，至少两个耦出衍射区域71对正1级透射式衍射的衍射效率沿第二方向d2渐变的趋向为第六趋向。
54.第六趋向与第五趋向一致。例如第五趋向为逐渐增大，则第六趋向也为逐渐增大，则至少两个耦出衍射区域71可以对正1级透射式衍射的衍射效率沿第二方向d2逐渐增大。由于正1级透射式衍射为耦出光栅70的目标耦出光线，即耦出光栅70用于将正1级透射式衍射传播至光波导显示器件100外，以便于进入人眼中。如此，有助于光线经耦出光栅70沿第二方向d2扩瞳后不仅能够实现光波导显示器件100沿第二方向d2扩大视场角，而且还有助于保持扩瞳后亮度的均匀性，从而实现了耦出光栅70通过对正1级透射式衍射的调控来使
光波导显示器件100达到出光均匀的效果。
55.此外，全部耦出衍射区域71可以对正1级透射式衍射的衍射效率沿第二方向d2逐渐增大，从而有助于光波导显示器件100进一步实现出光均匀的效果。
56.耦出光栅70可以调整自身的光栅常数来调整不同的耦出衍射区域71的衍射效率。耦出光栅70可以为表面浮雕光栅，也可以为其他类型的光栅。本技术以耦出光栅70为表面浮雕光栅作为例子进行说明。
57.例如任意相邻两个耦出衍射区域71的光栅深度相区别，又例如任意相邻两个耦出衍射区域71的占空比相区别，又例如任意相邻两个耦出衍射区域71的倾斜角相区别，又例如任意相邻两个耦出衍射区域71的闪耀角相区别。
58.在一些实施方式中，任意相邻两个耦出衍射区域71的光栅深度相区别，例如全部耦出衍射区域71的光栅深度可以沿第一方向d1逐渐变大。全部耦出衍射区域71的占空比相同，全部耦出衍射区域71的光栅周期相同。如此，有助于简化耦出光栅70的结构，降低对耦出光栅70的加工难度。其中，基于光栅参数衍射效率的确认可以利用rcwa算法计算耦出衍射区域71的光栅深度。
59.在一些实施方式中，本技术的光波导显示器件100可以采用以下列举的方式进行设计。
60.请参阅图3，y轴垂直于波导基底10的表面，z轴为光栅方向，x轴垂直于yz平面。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201进入光栅202后可根据计算式一和计算式二计算得到耦出后的衍射角及方位角：计算式一：；计算式二：；其中，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为波导基底10的折射率；t表示透射式衍射，例如表示透射式的衍射角，表示透射式的衍射方位角；i表示入射，例如表示入射角，表示入射方位角。
61.选取n1=1.0。波导基底10为玻璃，波导基底10的折射率为n2=1.71，波导基底10的厚度为1mm。光栅为方形锯齿光栅，倾斜角为90度。光线波长为532nm，光线宽度为1mm，入射角θ
i1
=18度，方位角=
ꢀ‑
45度。
62.若m=1，则正1级光线的透射角为47.5度，方位角为为-9.98度。
63.耦入光栅30的整体呈椭圆形，短轴平行于第一方向d1，椭圆长轴平行于第二方向d2，椭圆短轴为4mm，椭圆长轴为6mm。
64.转折光栅50的整体呈梯形，沿第一方向d1分成6个转折衍射区域51，整体尺寸沿第
一方向d1长为24mm，沿第二方向d2的短边为6mm，沿第二方向d2的长边为15.58mm。其中，每个转折衍射区域51沿第一方向d1的尺寸均为4mm。
65.耦出光栅70的整体呈方形，沿第二方向d2分为8个耦出衍射区域71，整体尺寸沿第一方向d1为24mm，沿第二方向d2为35mm。其中，每个耦出衍射区域71沿第二方向d2的尺寸均为3mm。
66.光栅设置不同衍射区域的数量可以依据进入光栅后的衍射角及光波导的厚度，尽量保证大部分光线在每个衍射区域只衍射出来一次。
67.耦入光栅30中我们需要光线经过耦入光栅30后，其正1级的衍射效率最大，故设定耦入光栅30的光栅周期d=0.52μm。
68.转折光栅50的6个转折衍射区域51沿第一方向d1依次称为转折1区、转折2区、转折2区、转折4区、转折5区、转折6区。
69.转折光栅50的光栅矢量k2相对耦入光栅30的光栅矢量k1顺时针转动rho1，也就是，k1与k2的夹角为rho1，其中，20度 ≤ rho1 ≤ 70度。例如rho1=35度，因此转折光栅50区的光栅周期为d/（2cos（rho1））=0.3174μm。
70.由于k1与k2的夹角越小，转动光线传播方向的能力越强，从而有助于保证光线能够转向视场中心。另外，k1与k2的夹角越小，转折光栅50的光栅周期会越小，加工难度大，k1与k2的夹角为35度，夹角较为合适。
71.光线经过转折光栅50后，会产生反射衍射级次，分为反射端0级和反射端负1级，此处的衍射级次m=-1，也需要满足以下计算式三至计算式六：计算式三：；计算式四：；计算式五：；计算式六：；其中，r表示反射式衍射，例如表示反射式的衍射角，表示反射式的衍射方位角；i表示入射，例如表示入射角，和均表示入射方位角；t表示透射式衍射，例如表示透射式的衍射角。
72.根据上述计算式即可算出反射端负1级的衍射角，方位角。由于要提高耦出光效的均匀性，则光线经过转折光栅50后，每个转折衍射区域51耦出的光能量要相等，转折光栅50中考虑反射端0级和1级，要求每次出来的光效一致。由于转折光栅50具有6个转折衍射区域51，保证大部分光线在每个转折衍射区域51中只衍射出来一次，每次衍射出来1级衍射级次的光强为进入转折光栅50的16%。其中，每次衍
射出来1级衍射级次的光强为进入转折光栅50的16%（光强度）可以根据需求进行设置。
73.针对每个转折衍射区域51，可以根据计算式七依次得出每个转折衍射区域51的正1级衍射效率。
74.计算式七：正1级的衍射效率x当前分区的射入光强度=16%；转折1区的正1级的衍射效率=0.16/1=0.16；转折2区的正1级的衍射效率=0.16/（1-0.16）=0.19；转折3区的正1级的衍射效率=0.16/（1-0.16-0.16）=0.235；转折4区的正1级的衍射效率=0.16/（1-0.16-0.16-0.16）=0.308；转折5区的正1级的衍射效率=0.16/（1-0.16-0.16-0.16-0.16）=0.44；转折6区的正1级的衍射效率=0.16/（1-0.16-0.16-0.16-0.16-0.16）=0.8；转折光栅50的6个转折衍射区域51的光栅常数如表一所示。
75.表一根据上述表一可知，针对沿第一方向d1越往后的转折衍射区域51，由于入射光强度的减少，通过增大正1级反射式衍射的衍射效率和减小0级反射式衍射的衍射效率，有助于保障后续传播至耦出光栅70的光线强度的均匀性。
76.此外，通过以下计算式可得到衍射1级的衍射角大小范围为36.75度到62.96度之间，均满足全反射条件（θ》35.8度），在波导基底10内一次全反射传播的波导长度在到。因此，转折衍射区域51沿第一方向d1的尺寸为4mm。
77.耦出光栅70的8个耦出衍射区域71沿第二方向d2依次称为耦出1区、耦出2区、耦出2区、耦出4区、耦出5区、耦出6区、耦出7区和耦出8区。
78.耦出光栅70的光栅矢量k3相对耦入光栅30的光栅矢量k1顺时针转动rho2，也就是，k1与k3的夹角为rho2，其中，rho2=2 rho1。本实施方式中，rho1为35度，则rho2为70度，耦出光栅70的光栅矢量转动角度是耦入光栅30的两倍，耦出光栅70区的光栅周期要与耦入光栅30一致，均为0.52μm。
79.耦出光栅70需要利用透射端的负1级和反射端的0级。
80.对于透射端的负1级，此处的衍射级次m=1，需要满足以下计算式八至计算式十一：
计算式八：；计算式九：；计算式十：；计算式十一：；其中，t表示透射式衍射，例如表示透射式的衍射角，表示透射式的衍射方位角；i表示入射，例如表示入射角，和均表示入射方位角；r表示反射式衍射，例如表示反射式的衍射角。
81.对于反射端的0级，此处的衍射级次m=0，需要满足以下计算式十二至计算式十五：计算式十二：；计算式十三：；计算式十四：；计算式十五：；其中，r表示反射式衍射，例如和均表示反射式的衍射角，表示反射式的衍射方位角；i表示入射，例如表示入射角，和均表示入射方位角。
82.耦出光栅70的8个耦出衍射区域71的光栅常数如表二所示：表二
根据上述表二可知，针对沿第二方向d2越往后的耦出衍射区域71，由于入射光强度的减少，通过增大负1级透射式衍射的衍射效率和减小0级反射式衍射的衍射效率，有助于保障耦出光栅70耦出光线的强度的均匀性。
83.本技术实施方式提供的光波导显示器件100中，光线经耦入光栅30耦合进入波导基底10，并经转折光栅50沿第一方向d1传播后自耦出光栅70沿第二方向d2耦出，由于转折光栅50用于将光线沿第一方向d1扩瞳，耦出光栅70用于将光线沿与第一方向d1相区别的第二方向d2扩瞳，从而有助于光波导显示器件100实现大视场角和大眼动范围。此外，由于转折光栅50的多个转折衍射区域51沿第一方向d1依次设置，至少两个转折衍射区域51对同一衍射级次的衍射效率沿第一方向d1渐变；耦出光栅70的多个耦出衍射区域71沿第二方向d2依次设置，至少两个耦出衍射区域71对同一衍射级次的衍射效率沿第二方向d2渐变。如此，便于光波导显示器件100根据所需的亮度均匀性的程度来调整转折衍射区域51对衍射级次的衍射效率以及调整耦出衍射区域71对衍射级次的衍射效率，有助于光线在沿第一方向d1扩瞳的过程中能够经过衍射效率不同的转折衍射区域51的衍射，以及在沿第二方向d2扩瞳的过程中能够经过衍射效率不同的耦出衍射区域71的衍射，继而有助于光波导显示器件100实现出光均匀的效果。
84.请参阅图4，本技术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光波导显示器件100，光源200可以为dlp、lbs、lcos、dmd、oled、mems等微型显示器，光波导显示器件100用于接收光源200出射的光线。
85.本技术实施方式提供的增强现实显示设备1000中，光线经耦入光栅30耦合进入波导基底10，并经转折光栅50沿第一方向d1传播后自耦出光栅70沿第二方向d2耦出，由于转折光栅50用于将光线沿第一方向d1扩瞳，耦出光栅70用于将光线沿与第一方向d1相区别的第二方向d2扩瞳，从而有助于光波导显示器件100实现大视场角和大眼动范围。此外，由于转折光栅50的多个转折衍射区域51沿第一方向d1依次设置，至少两个转折衍射区域51对同一衍射级次的衍射效率沿第一方向d1渐变；耦出光栅70的多个耦出衍射区域71沿第二方向d2依次设置，至少两个耦出衍射区域71对同一衍射级次的衍射效率沿第二方向d2渐变。如此，便于光波导显示器件100根据所需的亮度均匀性的程度来调整转折衍射区域51对衍射级次的衍射效率以及调整耦出衍射区域71对衍射级次的衍射效率，有助于光线在沿第一方
向d1扩瞳的过程中能够经过衍射效率不同的转折衍射区域51的衍射，以及在沿第二方向d2扩瞳的过程中能够经过衍射效率不同的耦出衍射区域71的衍射，继而有助于光波导显示器件100实现出光均匀的效果。
86.在本技术中，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实用新型的至少一个实施方式或示例中。在本技术中，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技术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。
87.以上实施方式仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本技术进行了详细的说明，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技术各实施方式技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。