本發(fā)明涉及衍射光波導(dǎo)的，尤其是涉及一種邊緣顯示的衍射光波導(dǎo)及其設(shè)計方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、增強(qiáng)現(xiàn)實（augmented?reality，ar）技術(shù)是一種將虛擬信息與真實世界巧妙融合的技術(shù)，廣泛運用了多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將計算機(jī)生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應(yīng)用到真實世界中，兩種信息互為補(bǔ)充，從而實現(xiàn)對真實世界的“增強(qiáng)”。ar眼鏡就使用到了ar技術(shù)，ar眼鏡是由谷歌率先打造的一款帶有科幻色彩的產(chǎn)品，也是一項擁有前衛(wèi)技術(shù)的產(chǎn)品，戴上它可以體驗到在科幻電影里帥氣的男、女主角所使用的未來功能。同時，ar眼鏡可以實現(xiàn)諸多功能，可以看作是一臺微型的手機(jī)，通過跟蹤眼球視線軌跡判斷用戶處于的狀態(tài)，并且可以開啟相應(yīng)功能，例如需要打電話或者發(fā)短信時，只需要開啟語音輸入信息即可。

2、由于陣列光波導(dǎo)難以解決的生產(chǎn)良率問題、以及多個半透半反鏡面外觀上影響美觀的條紋問題，衍射光波導(dǎo)成為了消費級ar眼鏡實際應(yīng)用的主流，而衍射光波導(dǎo)同樣也存在著不同波長可見光衍射角度不一致、有彩虹紋、難以減重減薄、光傳輸效率低、眼鏡前向漏光等一系列問題。2024年09月，西湖大學(xué)國強(qiáng)講席教授、副校長以及本技術(shù)人的首席科學(xué)家仇旻在浙江省科協(xié)大樓展示了一副超輕薄的碳化硅ar眼鏡，實現(xiàn)了單片全彩顯示、無彩虹紋、鏡片極輕（2.7g）、極薄（0.55mm），雙目重量僅5.4g。這不僅是該眼鏡的首次亮相，更是“極致輕薄無彩虹紋碳化硅ar衍射光波導(dǎo)”這項科技成果的全球首發(fā)，其可以把光學(xué)影像“投射”在透明鏡片上，在看到電子影像的同時，也不會屏蔽真實世界。

3、現(xiàn)有的消費級ar眼鏡，分為單綠顯示和全彩顯示兩種。單綠色波導(dǎo)可以實現(xiàn)較大fov的需求；而彩色波導(dǎo)受限于圖像源器件和鏡片材料折射率的制約，通常fov較小。兩者具有各自的成像特點，但難以融合。除了光引擎和光傳輸組件的種種技術(shù)困難，難有完美的解決方案，更大的fov（虛擬圖像顯示視野），更大的eyebox（適應(yīng)絕大多數(shù)人的雙眼瞳距），更高的入眼亮度，對于ar眼鏡的實際體驗也至關(guān)重要。例如，授權(quán)公告號為cn113777785b的中國專利公開了一種衍射光波導(dǎo)ar系統(tǒng)，包括：顯示單元、準(zhǔn)直透鏡組、反射鏡、耦入光柵、光波導(dǎo)板、耦出光柵；所述耦出光柵在人眼平視視場下的寬度wout和高度hout滿足以下公式：wout＝eyeboxw+2erf×tan(fovw/2)；?hout＝eyeboxh+2erf×tan(fovh/2)；其中，eyeboxw為眼動范圍寬度，eyeboxh為眼動范圍高度，erf為瞳距，fovw為視場區(qū)域?qū)挾?，fovh為視場區(qū)域高度。上述衍射光波導(dǎo)將準(zhǔn)直透鏡組出射的平行光光路折轉(zhuǎn)，最終使光線垂直入射到光波導(dǎo)的耦入光柵區(qū)域，可以減小耦入光柵與耦出光柵之間的距離，以增大fov及eyebox的大小，增強(qiáng)視覺效果。

4、而目前ar眼鏡的虛擬畫面通常呈現(xiàn)在人眼正前方，隨著衍射光波導(dǎo)亮度的提升、以及用戶視場角（fov）需求的提升，虛擬畫面會在一定程度上阻擋觀察現(xiàn)實環(huán)境的視線，特別是在室外環(huán)境使用時，會帶來不便、甚至出現(xiàn)危險。因此，行業(yè)內(nèi)一直圍繞著不同微顯示屏光引擎設(shè)計、光波導(dǎo)基底材料、衍射光波導(dǎo)在持續(xù)改進(jìn)和努力突破。同時，申請人結(jié)合用戶的實際佩戴體驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在室外場景使用ar眼鏡時，用戶更需要的是信息提示功能，比如短信、天氣、心率等簡要信息，而這些信息本身不需要占據(jù)人眼前完整的視野，只需要在視線的邊緣位置處成像，而人眼前的中心視場區(qū)域可以空出來，方便眼鏡佩戴者進(jìn)行現(xiàn)實環(huán)境的觀察以及與人進(jìn)行交互。在此基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)大fov、全彩色、邊緣信息提示的需求，其中，大fov的目的是在保證人眼可以輕松接收信息的前提下，盡可能將有用的信息邊緣化顯示，從而能夠?qū)⒏嗟闹行囊晥鲇糜诂F(xiàn)實場景的觀察，而全彩色則是為了確保信息提示的豐富性，更加符合當(dāng)下的消費需求，基于此研發(fā)一款用于邊緣信息提示的衍射光波導(dǎo)，并搭配特定角度輸出的圖像源器件，可以實現(xiàn)大fov范圍內(nèi)的全彩色信息提示的顯示功能，是目前亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的第一個目的在于提供一種邊緣顯示的衍射光波導(dǎo)，這種大fov的全彩衍射光波導(dǎo)通過將虛擬圖像呈現(xiàn)在邊緣視場區(qū)域、而不遮擋中心視場區(qū)域，不僅能實現(xiàn)良好的虛實場景結(jié)合，而且還能夠很好地規(guī)避彩虹紋、漏光等問題。

2、本發(fā)明的第二個目的在于提供一種邊緣顯示的衍射光波導(dǎo)的設(shè)計方法，其具有設(shè)計靈活、便于得到邊緣顯示的衍射光波導(dǎo)的優(yōu)點。

3、本發(fā)明的第二個目的在于提供一種邊緣顯示的衍射光波導(dǎo)的應(yīng)用，其實現(xiàn)了大fov、全彩色、邊緣信息提示的目的。

4、為實現(xiàn)上述第一個目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

5、一種邊緣顯示的衍射光波導(dǎo)，包括沿著光束傳輸路徑依次布置的耦入?yún)^(qū)（ic）、轉(zhuǎn)折區(qū)（epe）和耦出區(qū)（oc）；其中，

6、所述光束傳輸路徑要滿足光柵矢量閉合關(guān)系，以使耦入?yún)^(qū)入射的光束在衍射光波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行全反射后、通過耦出區(qū)出射并在衍射光波導(dǎo)的邊緣視場區(qū)域成像；

7、所述耦出區(qū)在人眼平視視場下的寬度和高度根據(jù)眼動范圍（eyebox）、出瞳距離（erf）和視場區(qū)域（fov）確定；

8、所述耦入?yún)^(qū)的范圍根據(jù)所述耦入?yún)^(qū)和耦出區(qū)之間的預(yù)定距離確定；

9、所述轉(zhuǎn)折區(qū)的范圍根據(jù)由所述耦入?yún)^(qū)到耦出區(qū)的k矢量范圍、以及由所述耦入?yún)^(qū)到轉(zhuǎn)折區(qū)的k矢量范圍確定；

10、所述k矢量范圍根據(jù)所述光束傳輸路徑、以及在k域邊界內(nèi)的耦出視場區(qū)域確定。

11、具體地，在本發(fā)明的“衍射光波導(dǎo)”中，

12、所述“光束傳輸路徑”的具體含義是指光束由光源出發(fā)，依次經(jīng)過下述光波導(dǎo)片、耦入?yún)^(qū)、轉(zhuǎn)折區(qū)和耦出區(qū)衍射和全反射后，在人眼前形成虛擬畫面圖像（即邊緣視場區(qū)域成像，形成信息提示內(nèi)容）的路徑；其中，光源位于耦入?yún)^(qū)的正上方，耦入?yún)^(qū)、轉(zhuǎn)折區(qū)和耦出區(qū)在基底面上，可以位于同一側(cè)，也可以分布于基底片的兩側(cè)；

13、所述“耦入?yún)^(qū)”通常設(shè)置為圓形或矩形區(qū)域，大小由圖像源器件（光機(jī)）的出光口徑?jīng)Q定（用于把所有來自光機(jī)的光線收集起來），因此在確定耦入?yún)^(qū)中心位置后，即耦入?yún)^(qū)和耦出區(qū)的相對位置，即可確定耦入?yún)^(qū)在下述光波導(dǎo)片上的范圍；

14、所述“轉(zhuǎn)折區(qū)”同理，在確定好耦入?yún)^(qū)和耦出區(qū)的范圍后，基于兩個k矢量范圍的最大值和最小值，參照圖2，確定轉(zhuǎn)折區(qū)的四周邊界，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)折區(qū)在下述光波導(dǎo)片上的范圍。

15、進(jìn)一步地，所述邊緣視場區(qū)域為豎直視場角范圍在±5°以外、和/或水平視場角范圍在±5°以外的視場區(qū)域中的一種或幾種的組合區(qū)域。

16、非限定地例如可為，所述邊緣視場區(qū)域為豎直視場角范圍在-35~35°、以及水平視場角范圍在-35~-5°的視場區(qū)域；

17、和/或，所述邊緣視場區(qū)域為豎直視場角范圍在5~35°、以及水平視場角范圍在5~35°的視場區(qū)域；

18、和/或，所述邊緣視場區(qū)域為豎直視場角范圍在5~35°、以及水平視場角范圍在-35~35°的視場區(qū)域；

19、和/或，所述邊緣視場區(qū)域為豎直視場角范圍在-35~-5°、以及水平視場角范圍在-35~-5°的視場區(qū)域。

20、進(jìn)一步地，所述衍射光波導(dǎo)還包括光波導(dǎo)片，所述耦入?yún)^(qū)、轉(zhuǎn)折區(qū)和耦出區(qū)布置于所述光波導(dǎo)片上，所述光波導(dǎo)片設(shè)置為高折玻璃（n≥2.0@632nm）、鈮酸鋰（n=2.2@632nm）、碳化硅（n=2.6@632nm）、或者低折光學(xué)基片（n=1.7~1.9@632nm）中的至少兩種的組合基片。

21、從鏡片的角度，可以選擇折射率較高的透明材料作為鏡片基底，也可以相應(yīng)降低鏡片基底的折射率，通過兩片或者三片鏡片疊合的方式，也可以實現(xiàn)大fov的全彩需求。

22、進(jìn)一步地，所述衍射光波導(dǎo)還包括耦入光柵、轉(zhuǎn)折光柵和耦出光柵，所述耦入光柵、轉(zhuǎn)折光柵和耦出光柵分別設(shè)置于所述耦入?yún)^(qū)、轉(zhuǎn)折區(qū)和耦出區(qū)上，且所述耦入光柵、轉(zhuǎn)折光柵和耦出光柵分別設(shè)置為高折玻璃（n≥2.0@632nm）、鈮酸鋰（n=2.2@632nm）、碳化硅（n=2.6@632nm）、光學(xué)樹脂（n=1.7~3.0@632nm）、陶瓷鍍膜材料（tio2、si3n4等）、或者液晶材料。

23、從光柵的角度，光柵類型可以為表面浮雕光柵、體全息光柵等，可選的材質(zhì)折射率可以從n=1.7~3.0范圍內(nèi)進(jìn)行任意設(shè)置，以滿足加高的耦出效率，材料可以為壓印膠等有機(jī)材料，也可以為樹脂材料、或者為光波導(dǎo)片的材料本身、或者為陶瓷鍍膜材料如tio2、si3n4等、或者為液晶材料等。

24、更進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)折區(qū)設(shè)置有1~2個，所述耦出區(qū)對應(yīng)設(shè)置有1~2個，且所述耦入光柵、轉(zhuǎn)折光柵和耦出光柵分別與所述耦入?yún)^(qū)、轉(zhuǎn)折區(qū)和耦出區(qū)一一對應(yīng)布置。

25、從光波導(dǎo)設(shè)計的角度，衍射光波導(dǎo)不再需要保證全fov范圍的光線耦出，只需要保證部分邊緣區(qū)域光線的耦出即可，這樣可以對k-space和layout進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計，僅保證成像區(qū)內(nèi)的視場滿足波導(dǎo)內(nèi)的全反射條件，并耦出至人眼，相應(yīng)layout可以進(jìn)一步壓縮，特別為轉(zhuǎn)折光柵，這樣鏡片面積可以進(jìn)一步壓縮，提升美觀度。

26、為實現(xiàn)上述第二個目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

27、一種邊緣顯示的衍射光波導(dǎo)的設(shè)計方法，包括以下步驟，

28、s1根據(jù)目標(biāo)參數(shù)，確定所述耦出區(qū)在人眼平視視場下的寬度和高度，并結(jié)合光源位置，依次確定所述耦入?yún)^(qū)和耦出區(qū)之間的預(yù)定距離、以及所述轉(zhuǎn)折區(qū)相對所述耦入?yún)^(qū)和耦出區(qū)的位置，進(jìn)而確定光束傳輸路徑；

29、s2根據(jù)所述光束傳輸路徑，建立在邊緣視場區(qū)域成像的光束在衍射光波導(dǎo)內(nèi)傳播的k域圖，并使耦出視場區(qū)域在k域邊界內(nèi)，且所述耦入?yún)^(qū)、轉(zhuǎn)折區(qū)和耦出區(qū)滿足光柵矢量閉合關(guān)系，進(jìn)而確定由所述耦入?yún)^(qū)到耦出區(qū)的k矢量范圍、以及由所述耦入?yún)^(qū)到轉(zhuǎn)折區(qū)的k矢量范圍，最終確定耦入?yún)^(qū)和轉(zhuǎn)折區(qū)的范圍；

30、s3基于所述s1和s2確定的耦入?yún)^(qū)、轉(zhuǎn)折區(qū)和耦出區(qū)，并根據(jù)衍射光波導(dǎo)的預(yù)設(shè)材料參數(shù)，確定耦入光柵、轉(zhuǎn)折光柵和耦出光柵的光柵參數(shù)，得到衍射光波導(dǎo)。

31、進(jìn)一步地，在所述s1中，目標(biāo)參數(shù)為眼動范圍（eyebox）、出瞳距離（erf）和視場區(qū)域（fov），具體計算方法為，

32、ocx=ebx+2*er*tan（fovh/2），ocy=eby+2*er*tan（fovv/2）；

33、其中，ocx、ocy分別為耦出區(qū)的寬度和高度，ebx、eby分別為眼動范圍的寬度和高度，er為出瞳間距，fovh、fovv分別為視場區(qū)域的豎直視場角范圍和水平視場角范圍。

34、更進(jìn)一步地，在所述s1中，ebx、eby分別為12~15mm、10mm，er為16~18mm，視場區(qū)域為70~75°，fovh、fovv分別為58.4~63.0°、45.6~49.4°.

35、進(jìn)一步地，在所述s1中，所述耦入?yún)^(qū)和耦出區(qū)之間的預(yù)定距離為水平方向上-40~50mm、豎直方向上-10~30mm。

36、進(jìn)一步地，在所述s2中，由所述耦入?yún)^(qū)到耦出區(qū)的k矢量范圍k1為-2.00~2.00，由所述耦入?yún)^(qū)到轉(zhuǎn)折區(qū)的k矢量范圍k2為-4.00~4.00。

37、進(jìn)一步地，在所述s3中，所述耦入光柵的周期p1為270~320nm、光柵矢量方向x1為-40~60°，所述轉(zhuǎn)折光柵p2為175~220nm、光柵矢量方向x2為-45~85°，所述耦出光柵p2為79~257nm、光柵矢量方向x2為-24~90°。

38、為實現(xiàn)上述第三個目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

39、一種邊緣顯示的衍射光波導(dǎo)在顯示設(shè)備中的應(yīng)用。

40、進(jìn)一步地，所述顯示設(shè)備包括手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、臺式電腦顯、智能手表、裸眼3d顯示屏、vr眼鏡、ar眼鏡、智能手環(huán)、智能指環(huán)、攝像機(jī)、智能眼鏡、智能結(jié)算臺顯示器、貨架電子標(biāo)簽、智能購物車顯示器、門禁顯示器、車載中控臺、試妝鏡、投影儀、冰箱顯示器、抬頭顯示器、車載顯示器、投影屏、或者電視顯示器。

41、更進(jìn)一步地，所述ar眼鏡包括圖像源器件和上述衍射光波導(dǎo)，所述圖像源器件沿著所述光束傳輸路徑布置于所述耦入?yún)^(qū)的入光側(cè)、并向所述耦入?yún)^(qū)入射光束。

42、從搭配圖像源器件（光機(jī)）的角度，可以考慮左、右眼分別呈現(xiàn)部分信息提示的畫面，然后通過合像使畫面完整；也可以左右眼呈現(xiàn)相同的信息；甚至為了滿足邊緣成像的需求，也可以搭配多組光機(jī)，在不同的視場邊緣位置呈現(xiàn)不同的畫面，光機(jī)的位置可以位于眼鏡腿附近，即遠(yuǎn)離鼻翼位置，也可以位于鼻翼附近。

43、綜上所述，本發(fā)明的有益技術(shù)效果為：ar眼鏡中的衍射光波導(dǎo)可以將來自圖像源器件的虛擬畫面投射到人眼前，實現(xiàn)虛擬畫面和現(xiàn)實場景的疊加，戶外佩戴的ar眼鏡，信息提示為最重要的功能之一，與常規(guī)ar眼鏡的全fov展示虛擬畫面的需求不同，信息提示往往不需要占據(jù)太多顯示空間，僅在人眼視野的邊緣位置提供信息內(nèi)容即可，這樣，中心的視野范圍，可以更好的進(jìn)行顯示場景的觀察，以實現(xiàn)更好的虛實融合；但為當(dāng)前ar眼鏡中的衍射光波導(dǎo)都為全畫幅顯示，這導(dǎo)致在人眼的正前方，總會疊加一個虛擬畫面，從而對用戶觀察外部環(huán)境產(chǎn)生阻擋；基于這樣的實際需求和現(xiàn)存問題，本發(fā)明提出一種可以實現(xiàn)邊緣顯示的大fov的全彩光波導(dǎo)，虛擬彩色畫面僅呈現(xiàn)在視場的邊緣位置，不會阻擋中心視野，這樣的衍射光波導(dǎo)不僅可以實現(xiàn)良好的虛實場景結(jié)合，而且還能夠很好地規(guī)避彩虹紋、漏光等波導(dǎo)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，具有實際的使用價值。