[发明专利]一种衍射光波导结构、光学装置以及近眼显示设备

说明书

本申请涉及光学技术领域，提供一种衍射光波导结构、光学装置以及近眼显示设备，其中，衍射光波导结构包括导光层和设于导光层上且沿光路方向依次设置的耦入区、转折区以及耦出区，耦入区、转折区以及耦出区均设有第一衍射微结构层，衍射光波导结构还包括匀光区，匀光区设于转折区和耦出区之间，匀光区设有第二衍射微结构层，第二衍射微结构层用于对光线进行空间上的能量重新分配，以提升耦出区出射光的均匀性和亮度。在转折区和耦出区之间设置匀光区，并利用匀光区设置的第二衍射微结构层对光线进行空间上的能量重新分配，使得从耦出区传播出来的出射光的能量得到提升，从而提升波导显示的均匀性，并提高了整体亮度。

技术领域

本申请涉及光学技术领域，更具体地说，是涉及一种衍射光波导结构、光学装置以及近眼显示设备。

背景技术

光波导是一种可将信号光束缚在其内部，并使信号光朝着特定方向传输的器件，同时光波导具有良好的透光性。基于这些特性，光波导可以作为增强现实(AR)近眼显示设备的显示器。光波导将投影光机投出的信号光定向传输到人眼中，因此人眼可以看到待显示图像20，又因光波导具有良好的透光性，人眼还可以清晰看到波导后的真实环境，因此人眼最终看到的是待显示图像20和真实环境的融合。

光波导按照不同的实现原理可分为几何光波导，衍射光波导等种类。衍射光波导因其厚度薄、重量轻、透光性好等优点，逐渐成为增强现实(AR)近眼显示装置中显示器的优选方案。请参阅图1，衍射光波导10包括一层波导层11以及设于波导层11表面的衍射微结构层12，在波导层11表面，靠近投影光机处的区域为耦入区111，靠近人眼的区域为耦出区112，耦入区111和耦出区112之间可以存在转折区113，耦入区111、转折区113和耦出区112的衍射微结构可以在波导层11的同一表面、也可分别位于波导层11的两个表面，图1所示的衍射光波导10的耦入区111、转折区113、耦出区112的衍射微结构位于波导层11的同一表面。

耦入区111的衍射微结构利用光的衍射、将光机出射的部分信号光耦合入波导层11内，转折区113和耦出区112衍射微结构利用光的衍射可以将在其中传输的一束光线在两个维度上进行分束和扩展，这样从耦入区111入射的一束光在经过波导传输和耦出后将被扩展成多个光束，即出瞳扩展。请参阅图2，光线传播过程，对于存在转折区113的波导，这些光束在波导层11内经过转折区113和全反射传输至耦出区112，耦出区112的衍射微结构层，利用光的衍射将波导层11内传输的光耦合出波导层11，耦合出波导层11的光入射至人眼，在视网膜上形成待显示图像20。

对于特定传播角度的光线和固定周期的衍射微结构，转折区113衍射微结构和耦出区112衍射微结构的衍射效率是固定的，这就导致光线在分束传播过程中能量的衰减。请参阅图3，R0为入射信号光，假设其能量为1，转折区113衍射微结构对该光线的1级衍射效率为α(α1)，则转折光线R1，R2和R3的能量为α，(1-α)α和(1-α)2α，可见其能量是递减的。在耦出区112同理，耦出区112衍射微结构对应的出射光线级次衍射效率为β(β1)，则耦出光线R11，R12和R13的能量为αβ，α(1-β)β和α(1-β)2β，其能量也是递减的，图3中，所有耦出光线的相对能量大小用光线长度表示，呈现出从耦出区112左上角向耦出区112右下角依次衰减的趋势，这将导致波导显示图像30时出现亮度不均匀的问题(请参阅图4)。

发明内容

本申请的目的在于提供一种衍射光波导结构、光学装置以及近眼显示设备，以解决现有技术中波导显示图像时出现亮度不均匀的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

第一方面，本申请提供一种衍射光波导结构，包括导光层和设于所述导光层上且沿光路方向依次设置的耦入区、转折区以及耦出区，所述耦入区、所述转折区以及所述耦出区均设有第一衍射微结构层；