1.本实用新型涉及光栅波导元件领域，尤其涉及一种能提高出光均匀性的光栅波导元件。


背景技术：

2.随着虚拟现实和增强现实技术逐渐被人们认识和接受，近眼显示设备得到了快速发展。在近眼显示设备中，光栅波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像。光栅波导技术具有透视效果好，轻薄，量产成本低等诸多优势，被认为是ar近眼显示技术的发展方向。
3.目前的光栅波导器件结构如图1所示，整个器件由光学基板和位于光学基板表面的光栅组成。光学基板通常为平面结构，其材质可以是光学玻璃、光学塑料等光学材料，光学基板的主要光学面为两个互相平行的表面，光栅位于光学基板的其中一个表面上，通常有三个光栅区域：入射光栅112，转折光栅114和出射光栅116。光栅波导器件100的工作原理如图2所示，投影系统210发出的带有图像信息的光线214投射到入射光栅112上，入射光栅112会发生衍射，产生+1级衍射光和-1级衍射光两束衍射光。当衍射光满足光学基板的全反射条件，即入射到光学表面的角度大于光学基板的全反射临界角时，光束会产生全反射而在光学基板中近乎无损传导。-1级衍射光束朝向-y，即向转折光栅114方向传导，当入射至转折光栅114区域中时，由于受到转折光栅114的衍射作用，会在继续沿-y方向传导的同时，产生朝向出射光栅116传导的一系列衍射光216，这部分衍射光传导至出射光栅116，被出射光栅116衍射后，出射的衍射光220进入人眼212被感知，而向下的衍射光218不再满足光学基板的全反射条件而被导出光学基板，泄露到周围环境中。衍射光216沿-x方向被传导出出射光栅116后，会继续向前传导，此时无法再被利用，造成能量浪费。此外，衍射光216在出射光栅116区域沿-x方向传导时，由于衍射作用，能量逐渐减弱，使得出射的衍射光220强度沿-x方向也逐渐减弱，导致光线能量分布不均匀。
4.有鉴于此，特提出本实用新型。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种能提高出光均匀性的光栅波导元件，能有效利用衍射光，提高光能利用效率和光线分布均匀性，进而解决现有技术中存在的光栅波导器件能量利用率低和能量分布不均匀的问题。
6.本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
7.本实用新型实施方式提供一种能提高出光均匀性的光栅波导元件，该光栅波导元件是在光学基板的一侧表面分别设置入射光栅、至少一个转折光栅、出射光栅和回转光栅；其中，
8.所述入射光栅与所述转折光栅并列间隔设置；
9.所述出射光栅间隔设置在所述转折光栅的侧面；
10.所述入射光栅经所述转折光栅至所述出射光栅形成入射光衍射光路；
11.所述回转光栅间隔设置在所述出射光栅的另一侧，使所述出射光栅处于所述转折光栅和所述回转光栅之间，所述回转光栅与所述出射光栅形成外溢衍射光回射光路。
12.与现有技术相比，本实用新型所提供的能提高出光均匀性的光栅波导元件，至少包括以下有益效果：
13.通过在出射光栅一侧设置回转光栅，可使传导出出射光栅的衍射光再次被衍射回并传导至出射光栅，产生朝向人眼方向的衍射光，提高能量利用率；另外，考虑到衍射光束在出射光栅区域衍射和传导时，光线能量逐渐减弱，这种结构利用回转光栅的衍射作用，相当于在出射光栅一侧重新输入衍射光，提高光线能量分布均匀性；并且，相比于现有利用周期渐变和刻蚀深度渐变的出射光栅结构来提高出瞳均匀性的方案，其结构和制作工艺更简单。
附图说明
14.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
15.图1为现有技术提供的光栅波导器件的结构示意图；
16.图2为现有技术提供的光栅波导器件的工作原理示意图；
17.图3为本实用新型实施例提供的能提高出光均匀性的光栅波导元件的结构示意图；
18.图4为本实用新型实施例提供的能提高出光均匀性的光栅波导元件工作原理示意图；
19.图5为本实用新型实施例提供的能提高出光均匀性的光栅波导元件工作原理平面示意图；
20.图6为本实用新型实施例提供的能提高出光均匀性的光栅波导元件的一种结构示意图；
21.图7为本实用新型实施例提供的能提高出光均匀性的光栅波导元件的另一种结构示意图。
具体实施方式
22.下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本实用新型的限制。基于本实用新型的实施例，本领域普通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例，都属于本实用新型的保护范围。
23.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
24.术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，x和/或y表示既包括“x”或“y”的情况也包括“x和y”的三种情况。
25.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
26.术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
27.除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
28.术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明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，因此不能理解为对本文的限制。
29.下面对本实用新型所提供的能提高出光均匀性的光栅波导元件进行详细描述。本实用新型实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本实用新型实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本实用新型实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
30.如图3所示，本实用新型实施例提供一种能提高出光均匀性的光栅波导元件，该光栅波导元件是在光学基板的表面分别设置入射光栅312、至少一个转折光栅314、出射光栅316和回转光栅318；其中，
31.所述入射光栅312与所述转折光栅314并列间隔设置；
32.所述出射光栅316间隔设置在所述转折光栅314的侧面；
33.所述入射光栅312经所述转折光栅314至所述出射光栅316形成入射光衍射光路；
34.所述回转光栅318间隔设置在所述出射光栅316的另一侧，使所述出射光栅316处于所述转折光栅314和所述回转光栅318之间，所述回转光栅318与所述出射光栅316形成外溢衍射光回射光路。
35.上述光栅波导元件中，所述回转光栅318的光栅周期为所述出射光栅316的光栅周期的一半，该回转光栅318的光栅线槽方向与出射光栅的光栅线槽方向平行。
36.上述光栅波导元件中，所述回转光栅318的长度不小于所述出射光栅316宽度的80％。回转光栅318的位置，处于出射光栅316的宽度延伸范围内。
37.上述光栅波导元件中，所述回转光栅采用矩形光栅、梯形光栅、倾斜光栅、闪耀光
栅中的任一种。
38.上述光栅波导元件中，所述入射光栅、转折光栅和出射光栅均采用矩形光栅、梯形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅中的任一种。
39.综上可见，本实用新型实施例的光栅波导元件结构，通过在出射光栅一侧设置回转光栅，可使传导出出射光栅的衍射光再次被衍射回并传导至出射光栅，产生朝向人眼方向的衍射光，提高能量利用率；另外，考虑到衍射光束在出射光栅区域衍射和传导时，光线能量逐渐减弱，这种结构利用回转光栅的衍射作用，相当于在出射光栅一侧重新输入衍射光，提高光线能量分布均匀性。并且，相比于现有利用周期渐变和刻蚀深度渐变的出射光栅结构来提高出瞳均匀性的方案，其结构和制作工艺更简单。
40.为了更加清晰地展现出本实用新型所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本实用新型实施例所提供的能提高出光均匀性的光栅波导元件方法进行详细描述。
41.实施例1
42.如图3、4和5所示，本发明实施例提供一种光栅波导元件，该光栅波导器件由光学基板和位于光学基板表面的光栅组成，光栅分成四个区域：入射光栅312、转折光栅314、出射光栅316和回转光栅318；其中，入射光栅312用于将投影系统410发出的虚拟图像光束414导入光栅波导元件300中，如图4和图5所示；入射光栅312将入射光414朝向两个近似相对的方向衍射，一部分入射光朝向转折光栅314区域传导，这部分入射光通常为-1级衍射光，被转折光栅314衍射，产生朝向出射光栅316传导的衍射光束416；衍射光束416传导至出射光栅316，被出射光栅316衍射后，产生第一出射衍射光420和第一反向衍射光418，第一出射衍射光420进入人眼412被感知，而第一反向衍射光418不再满足光学基板的全反射条件而被导出光学基板，泄露到周围环境中；衍射光束416沿-x方向传导出出射光栅316后，会继续向前传导至回转光栅318，被回转光栅318衍射，产生朝向+x方向传导的回射衍射光422；回射衍射光422沿+x方向传导，传导至出射光栅316后，被出射光栅316衍射，产生第二出射衍射光426和第二反向衍射光424，第二出射衍射光426进入人眼412被感知，而第二反向衍射光424不再满足光学基板的全反射条件而被导出光学基板，泄露到周围环境中。
43.第一出射衍射光420由衍射光束416被出射光栅316衍射后产生，第一出射衍射光420的极角θ
420
和方位角φ
420
分别通过以下光栅方程得出：
[0044][0045][0046]nw
是光学基板的折射率，ns是周围环境的折射率，λ是入射光波长，do是出射光栅316的光栅周期，θ
416
和φ
416
分别是衍射光束416的极角和方位角。
[0047]
第二出射衍射光426由衍射光束416被回转光栅318和出射光栅316衍射后产生；衍射光束416被回转光栅318衍射后产生回射衍射光422，回射衍射光422的极角θ
422
和方位角φ
422
分别通过以下光栅方程得出：
[0048]
[0049][0050]dr
是回转光栅318的光栅周期。
[0051]
回射衍射光422被出射光栅316衍射后，第二出射衍射光426的极角θ
426
和方位角φ
426
分别通过以下光栅方程得出：
[0052][0053][0054]
由上述式(1)、式(3)和式(5)可得：
[0055][0056]
由式(2)、式(4)和式(6)可得：
[0057]
当do＝2dr时，式(7)变为：
[0058]
此时，式(8)和式(9)联立可得，θ
426
＝θ
420
，
[0059]
因此，本实用新型的光栅波导元件中，回转光栅318的光栅周期是出射光栅316的光栅周期的一半时，第一出射衍射光420和第二出射衍射光426的方向将会相同，而第一出射衍射光420和第二出射衍射光426的方向相同时，可避免产生杂光和图像重影等效应，保证了本实用新型光栅波导元件的光学性能。
[0060]
本实用新型的光栅波导元件结构中，通过在出射光栅一侧设置回转光栅，可使传导出出射光栅的衍射光再次被衍射回并传导至出射光栅，产生朝向人眼方向的衍射光，提高能量利用率。另外，考虑到衍射光束在出射光栅区域衍射和传导时，光线能量逐渐减弱，这种结构利用回转光栅的衍射作用，相当于在出射光栅一侧重新输入衍射光，提高光线能量分布均匀性；这种结构仅利用布置在出射光栅一侧的回转光栅来提高能量分布均匀性，相比现有利用周期渐变和刻蚀深度渐变的出射光栅结构来提高出瞳均匀性的方案，其结构和制作工艺更简单。
[0061]
上述光栅波导元件中，各光栅的种类不限，入射光栅、转折光栅、出射光栅和回转光栅均可采用矩形光栅，梯形光栅，倾斜光栅和闪耀光栅等光栅结构。入射光栅、转折光栅、出射光栅的光栅周期和光栅区域形状、尺寸、大小可根据需要设置和优化。
[0062]
进一步的，入射光栅、转折光栅和出射光栅的具体个数和分布可任意设置，只要能形成入射衍射光路即可，如图6示意的光栅波导元件600中，入射光栅612与转折光栅614水平间隔设置(图6中，616为出射光栅、618为回转光栅)；图7示意的光栅波导元件700，是一种双转折光栅波导元件，设有两个转折光栅，即714为第一转折光栅和716为第二转折光栅，中间夹设入射光栅712(图7中，718为出射光栅、720为回转光栅)；只要光线传导出的出射光栅的一侧无其它光栅结构，均可设置回转光栅来提高整个光栅波导元件的能量利用率和出瞳均匀性。
[0063]
进一步的，上述光栅波导元件中，回转光栅的光栅区域形状、尺寸、大小可根据需要设置和优化，只要使回转光栅的光栅周期是出射光栅的光栅周期的一半，光栅线槽方向与出射光栅的光栅线槽方向平行即可。
[0064]
进一步的，回转光栅和出射光栅可位于光学基板的同一表面或不同表面上，回转
光栅与出射光栅同时工作在透射模式或反射模式，或分别工作在透射模式和反射模式。
[0065]
综上可见，本实用新型实施例的光栅波导元件，通过简单在出射光栅一侧设置回转光栅的方式，提升了光栅波导元件的光效和能量分布均匀性。
[0066]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本实用新型的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。