一种光栅分区设置的衍射光波导及近眼显示设备

技术领域

本发明实施例涉及衍射光波导技术，尤其涉及一种光栅分区设置的衍射光波导及近眼显示设备。

背景技术

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)因其可提供给人类更多维度的显示信息而得到人们广泛的关注。当前，衍射光波导因其具有轻便、高透明度、设计灵活性高、可低成本大批量制造等特点，成为了业内实现AR显示的一个主流方案。

具体地，衍射光波导包括波导基底以及设置在波导基底上的光栅区域，光栅区域包括耦入光栅区域和耦出光栅区域，且耦入光栅区域与耦出光栅区域间隔设置，耦入光栅区域内的光栅将载有图像信息的入射光耦入波导基底中，耦出光栅区域内的光栅一边对载有图像信息的光进行传播和扩展，一边将光从波导基底中耦出，形成耦出光场。眼睛接收耦出光场的光，从而可以例如观察到入射光所载图像。

然而，上述方案在显示时存在角度均匀性差和位置均匀性差的问题。

发明内容

本发明提供一种光栅分区设置的衍射光波导及近眼显示设备，解决了衍射光波导显示角度均匀性差和位置均匀性差的问题，通过将耦出光栅区域分区，并改变不同光栅分区的出射效率，一定程度上能使显示角度和位置相对更均匀，改善了显示设备的视觉效果，提升了用户体验。

第一方面，本发明实施例提供了一种光栅分区设置的衍射光波导，包括：

波导基底，包括耦入光栅区域和耦出光栅区域；所述耦出光栅区域包括至少一个第一耦出分区和一个第二耦出分区，所述第二耦出分区位于所述第一耦出分区远离所述耦入光栅区域的一侧；

第一光栅阵列和第二光栅阵列，所述第一光栅阵列和所述第二光栅阵列至少位于所述波导基底的一侧表面；所述第一光栅阵列位于所述第一耦出分区，所述第二光栅阵列位于所述第二耦出分区；所述第二耦出分区中的所述第二光栅阵列的出射效率高于所述第一耦出分区中的所述第一光栅阵列的出射效率。

第二方面，本发明实施例还提供了一种近眼显示设备，包括如第一方面所述的衍射光波导。

本发明实施例提供了一种光栅分区设置的衍射光波导及近眼显示设备，该光栅分区设置的衍射光波导包括：波导基底、第一光栅阵列和第二光栅阵列，波导基底包括耦入光栅区域和耦出光栅区域。耦出光栅区域包括至少一个第一耦出分区和一个第二耦出分区，第二耦出分区位于第一耦出分区远离耦入光栅区域的一侧。，第一光栅阵列和第二光栅阵列至少位于波导基底的一侧表面。第一光栅阵列位于第一耦出分区，第二光栅阵列位于第二耦出分区。第二耦出分区中的第二光栅阵列的出射效率高于第一耦出分区中的第一光栅阵列的出射效率。本发明解决了衍射光波导显示角度均匀性差和位置均匀性差的问题，通过将耦出光栅区域分区，并改变不同光栅分区的出射效率，一定程度上能使显示角度和位置相对更均匀，改善了显示设备的视觉效果，提升了用户体验。

附图说明

图1为相关技术中的一种衍射光波导的俯视图；

图2为相关技术中的一种衍射光波导的截面图；

图3为相关技术中的另一种衍射光波导的俯视图；

图4为相关技术中的另一种衍射光波导的截面图；

图5为本发明实施例提供的一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图；

图6为本发明实施例提供的一种光栅分区示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图；

图9为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图；

图10为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图；

图11为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图；

图12为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图；

图13为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图；

图14为本发明实施例提供的一种截面图形的示例图；

图15为本发明实施例提供的一种第二光栅结构的立体图；

图16为本发明实施例提供的一种衍射光波导不同观看角度的示意图；

图17为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图；

图18为本发明实施例提供的一种中轴能量对比图；

图19为本发明实施例提供的一种水平方向1均匀性对比图；

图20为本发明实施例提供的一种水平方向2均匀性对比图；

图21为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图；

图22为本发明实施例提供的另一种中轴能量对比图；

图23为本发明实施例提供的另一种水平方向1均匀性对比图；

图24为本发明实施例提供的另一种水平方向2均匀性对比图；

图25为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图；

图26为本发明实施例提供的另一种中轴能量对比图；

图27为本发明实施例提供的另一种水平方向1均匀性对比图；

图28为本发明实施例提供的另一种水平方向2均匀性对比图；

图29为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图；

图30为本发明实施例提供的另一种中轴能量对比图；

图31为本发明实施例提供的另一种水平方向1均匀性对比图；

图32为本发明实施例提供的另一种水平方向2均匀性对比图；

图33为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图；

图34为本发明实施例提供的另一种中轴能量对比图；

图35为本发明实施例提供的另一种水平方向1均匀性对比图；

图36为本发明实施例提供的另一种水平方向2均匀性对比图；

图37为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图；

图38为本发明实施例提供的另一种中轴能量对比图；

图39为本发明实施例提供的另一种水平方向1均匀性对比图；

图40为本发明实施例提供的另一种水平方向2均匀性对比图；

图41为本发明实施例提供的一种显示装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”。

需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对相应内容进行区分，并非用于限定顺序或者相互依存关系。

需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

图1为相关技术中的一种衍射光波导的俯视图，图2为相关技术中的衍射光波导的截面图，具体为本发明图1中衍射光波导A-B的截面图。

参考图1-2，该衍射光波导包括波导基底100，波导基底100包括耦入光栅区域110和耦出光栅区域120。第一入射光L00入射到该衍射光波导中，第一出射光L01，第二出射光L02，第三出射光L03，第四出射光L04从该衍射光波导中出射。

继续参考图1，首先可以理解的是，如图1中耦出光栅区域120中圆圈所示，表示耦出光栅区域120中衍射光线的出射位置，耦入光栅区域110的衍射光进入耦出光栅区域120后，经耦出光栅区域120中的光栅结构的衍射，会在固定的出射位置出射衍射光，在A-B的截面上，即存在第一出射光L01，第二出射光L02，第三出射光L03，第四出射光L04四个出射光。出射位置之间存在固定步长，其步长取决于入射到该衍射光波导中的第一入射光L00的波长。具体地，沿A-B剖面的方向，耦出光栅区域120包括依次排列的四组出射位置，即第一组11、第二组12、第三组13、第四组14，每组出射位置的排列形状如图1所示可以理解为呈箭头形状。

由于耦出光栅区域120未分区时，出射效率η值始终不变，所以光从第一组11的出射位置出射需要经过较少的传递就到达眼睛，而从第三组13的出射位置出射需要经过较多次的传递达到眼睛，从而导致第一组11的出射位置出射的出射光到达人眼的能量高于第二组12的出射位置出射的出射光到达人眼的能量再高于第三组13的出射位置出射的出射光到达人眼的能量。所以光线在衍射光波导内往深处传播，其能量将以指数趋势下降，位置均匀性非常差。

示例性的，在未进行分区时，即整个耦出光栅区域120的耦出光栅都是双菱型时，η01＝η02＝η03＝η04＝8.31％，其中，η01为第一出射光L01处耦出光栅的出射效率，η02为第二出射光L02处耦出光栅的出射效率，η03为第三出射光L03处耦出光栅的出射效率，η04为第四出射光L04处耦出光栅的出射效率。

拟定进入耦出光栅区域120前的第一入射光的光强度I00＝1，通过计算第一出射光的光强度I01＝I00*η01＝8.31％，第二出射光的光强度I02＝I00*(1-η01)*η02＝7.62％，第三出射光的光强度I03＝I00*(1-η01)*(1-η02)*η03＝6.98％，第四出射光的光强度I04＝I00*(1-η01)*(1-η02)*(1-η03)*η04＝6.41％，其均匀性计算公式是(max-min)/(max+min)，其中，max为出射光光强度的最大值，min为出射光光强度的最小值，计算得未分区的均匀性(8.31％-6.41％)/(8.31％+6.41％)＝0.1291。

图3为相关技术中的另一种衍射光波导的俯视图，图4为相关技术中的另一种衍射光波导的截面图，具体为本发明图3中衍射光波导C-D的截面图。

参考图4，由于光栅的调制作用，不同角度的光线经过光栅后光线出射角度不同。

以图4眼睛所在位置为例，光线L1进入人眼的是I11光线，光线L2进入人眼的是I26光线。对于非分区光栅，有η11>η26，所以进入人眼的两个角度的光线能量是I11远大于I26。

综上分析，如背景技术部分所述，现有光波导会存在角度均匀性差和位置均匀性差的问题。

基于上述技术问题，本发明实施例提供了一种光栅分区设置的衍射光波导。

图5为本发明实施例提供的一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图，参考图5，该衍射光波导包括：波导基底100和光栅阵列(未在图5中示出)。波导基底100包括耦入光栅区域110和耦出光栅区域120。

示例性的，继续参考图5，耦入光栅区域110与耦出光栅区域120可以存在间距距离。

其中，耦入光栅区域110用于将载有图像信息的入射光耦入进入波导基底100中，耦出光栅区域120用于接收经耦入光栅区域110耦入进入波导基底100内的图像光，并对图像光进行扩展传播和耦出。

本发明实施例中，耦出光栅区域120包括至少一个第一耦出分区121和一个第二耦出分区122，第二耦出分区122位于第一耦出分区121远离耦入光栅区域110的一侧。

本发明实施例中，该衍射光波导还包括第一光栅阵列和第二光栅阵列，第一光栅阵列和第二光栅阵列至少位于波导基底100的一侧表面，具体可以位于同一侧表面，也可以位于相互背离的两侧表面，此处不做限制。第一光栅阵列位于第一耦出分区121，第二光栅阵列位于第二耦出分区122。第二耦出分区122中的第二光栅阵列的出射效率高于第一耦出分区121中的第一光栅阵列的出射效率。

其中，光栅结构的截面图形、尺寸、占空比、倾斜角度以及外壁是否包裹有球壳都是影响出射效率的因素。

本发明将耦出光栅区域120分区，并改变不同光栅分区中光栅阵列的出射效率，能使衍射光波导更深处的出射效率高于浅处的出射效率，对非分区的指数趋势衰弱进行补偿从而达到深处的效率更接近浅处的区域，从而提高位置均匀性。而由于不同结构对光线角度的效率敏感程度不同，通过此方案分区，并改变不同光栅分区的出射效率，解决了衍射光波导显示角度均匀性差和位置均匀性差的问题，一定程度上能使显示角度和位置相对更均匀，改善了显示设备的视觉效果，提升了用户体验。

可选的，在上述实施例的基础上，该衍射光波导还包括第三光栅阵列，第三光栅阵列位于耦入光栅区域，且第三光栅阵列位于波导基底100的一侧表面，具体可以与第一光栅阵列和第二光栅阵列的任意一者位于同一侧表面或相互背离的两侧表面，此处不做限制。继续参考图5，沿第一方向D1，第二耦出分区122的至少部分区域位于第一耦出分区121远离耦入光栅区域110的一侧。

示例性的，继续参考图5，在第一方向D1上，可以理解为在纵向方向的维度，当第一耦出分区121形状为矩形时，第二耦出分区122形状为“凹”字形，此时位于第一耦出分区121远离耦入光栅区域110的一侧的第二耦出分区122的至少部分区域，实质是指纵向上位于第一耦出分区121下方的第二耦出分区122的区域。

其中，第一方向D1为第三光栅阵列的周期排布的方向。

具体的，第一方向D1与垂直波导基底100入射至耦入光栅区域110的中心，经耦入光栅区域110的光栅结构调制后，出射的衍射光束中的一级衍射光的方向平行。第二耦出分区122的至少部分区域位于第一耦出分区121远离耦入光栅区域110的一侧能使衍射光波导更深处的出射效率高于浅处的出射效率，可以提高衍射光波导的角度均匀性和位置均匀性。

可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图5，第一耦出分区121由耦出光栅区域120与对称图形交叠形成。

其中，对称图形的对称轴与第一方向D1平行且经过耦入光栅区域110的中心。

可以理解的是，图5中的多个第一耦出分区121是由耦出光栅区域120与多个长方形交叠形成，仅为一种示例，对称图形也可以为其他图形。

为了方便理解第一耦出分区121和第二耦出分区122，作为一种示例，在其它实施例中，衍射光波导的分区设计方法包括：

确定主光线，具体以入射角为零度的光线为主光线，主光线与耦出光栅区域120靠近耦入光栅区域110的一边相交形成相交点。

自相交点处延长主光线，形成第一对称轴。

以相交点为中心、第一对称轴为对称轴绘制至少一对称图形，该对称图形与耦出光栅区域120重合的区域为第一耦出分区121，该对称图形与耦出光栅区域120未重合的区域为第二耦出分区122。

可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图5，在第二方向D2上，第二耦出分区122的至少部分区域位于第一耦出分区121远离耦入光栅区域110的一侧。其中，第二方向D2与第一方向D1垂直且与波导基底100所在平面平行。

示例性的，继续参考图5，在第二方向D2上，即表示在在水平方向的维度上，以藕入光栅区域110所在区域为中间区域，第二耦出分区122中存在部分区域位于第一耦出分区121左侧和右侧，也即，在第二方向D2上，第二耦出分区122的至少部分区域可设置在第一耦出分区121远离耦入光栅区域110的一侧。由此，如图5所示，第二耦出分区122呈包围第一耦出分区121的形态，相较于第一耦出分区121，第二耦出分区122更远离偶入光栅区域110。

可以理解的是，在第二方向D2上，第二耦出分区122的至少部分区域位于第一耦出分区121远离耦入光栅区域110的一侧可以进一步提高衍射光波导的角度均匀性和位置均匀性。

可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图5，耦出光栅区域120包括多个第一耦出分区121，多个第一耦出分区121沿第一方向D1依次排列，且多个第一耦出分区121分别由耦出光栅区域120与多个对称图形交叠形成，多个对称图形依次环套。

示例性的，继续参考图5，图5中的多个第一耦出分区121分别由耦出光栅区域120与多个长方形交叠形成，多个长方形依次环套。

在第一方向D1上相邻的两个第一耦出分区121中，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121的出射效率，大于靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121的出射效率。

其中，在第一方向D1上相邻的两个第一耦出分区121中，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121的出射效率，大于靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121的出射效率可以进一步提高衍射光波导的角度均匀性和位置均匀性。

可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图5，多个对称图形的中心重合。

可选的，本发明实施例中，对称图形由矩形、三角形、多边形、圆形、椭圆形和扇形中的至少一种组成。

示例性的，图6为本发明提供的一种光栅分区示意图，参考图6，多个第一耦出分区121是由耦出光栅区域120与多个长方形交叠形成。图7为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图，参考图7，多个第一耦出分区121是由耦出光栅区域120与多个长方形交叠形成，图7中的耦入光栅区域110和图6中的耦入光栅区域110的位置不同。

图8为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图，参考图8，多个第一耦出分区121是由耦出光栅区域120与多个三角形交叠形成。图9为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图，参考图9，多个第一耦出分区121是由耦出光栅区域120与多个三角形交叠形成，图9中的耦入光栅区域110和图8中的耦入光栅区域110的位置不同。

图10为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图，参考图10，多个第一耦出分区121是由耦出光栅区域120与多个多边形交叠形成。图11为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图，参考图11，多个第一耦出分区121是由耦出光栅区域120与多个多边形交叠形成，图11中的耦入光栅区域110和图10中的耦入光栅区域110的位置不同。

图12为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图，参考图12，多个第一耦出分区121是由耦出光栅区域120与多个椭圆交叠形成。图13为本发明实施例提供的另一种光栅分区示意图，参考图13，多个第一耦出分区121是由耦出光栅区域120与多个椭圆交叠形成，图13中的耦入光栅区域110和图12中的耦入光栅区域110的位置不同。

可选的，本发明实施例中，第一光栅阵列包括第一光栅结构，第二光栅阵列包括第二光栅结构。第一光栅结构与第二光栅结构的尺寸相同、占空比相同。

沿平行波导基底100所在平面，第一光栅结构的截面图形与第二光栅结构的截面图形不同。

图14为本发明实施例提供的一种截面图形的示例图，参考图14，截面图形包括：第一图形A1、第二图形A2、第三图形A3、第四图形A4、第五图形A5、第六图形A6、第七图形A7、第八图形A8、第九图形A9、第十图形A10、第十一图形A11和第十二图形A12。

可选的，在上述实施例的基础上，沿平行波导基底100所在平面，第二光栅结构和第一光栅结构的截面图形为第一图形A1、第二图形A2、第三图形A3、第四图形A4、第五图形A5、第六图形A6、第七图形A7、第八图形A8、第九图形A9、第十图形A10、第十一图形A11和第十二图形A12中的任意两个图形，且在第一图形A1至第十二图形A12的图形排序中，第二光栅结构的截面图形位于第一光栅结构的截面图形之前。

继续参考图14，第一图形A1为三角形，且三角形的顶角位于底边远离耦入光栅区域110的一侧。

第二图形A2为圆形。

第三图形A3为椭圆形。

第四图形A4为三角形，且三角形的顶角位于底边靠近耦入光栅区域110的一侧。

第五图形A5为组合图形，第五图形A5由两个相同的三角形组合形成，且两个三角形的底边平行，顶角相互背离。

第六图形A6为菱形。

第七图形A7为组合图形，第七图形A7由两个相同的三角形和一个矩形拼接形成，两个三角形和一个矩形以如下方式拼接：两个三角形的底边平行，顶角相互背离，矩形连接两个三角形的底边。

第八图形A8为组合图形，第八图形A8由两个相同的菱形拼接形成，两个菱形以如下方式拼接：两个菱形的长对角线位于同一直线上。

第九图形A9为组合图形，第九图形A9由两个相同的菱形和四个相同的平行四边形拼接形成，其中，平行四边形中相邻的两条边分别与菱形相邻的两条边平行，两个菱形和四个平行四边形以如下方式拼接：两个菱形的长对角线位于同一直线上，四个平行四边形分别连接于两个菱形中完整的四条边上。

第十图形A10、第十一图形A11和第十二图形A12均为组合图形，且均由第一分部、第二分部和第三分部组合形成。第一分部和第二分部呈三角形，且第一分部和第二分部的底边平行，顶角相互背离。第三分部位于第一分部和第二分部之间，在第一分部和第二分部的底边的延伸方向上，第三分部的长度小于第一分部和第二分部的底边的长度。

第十图形A10中，第一分部和第二分部由多个相同的三角形呈三角排列，第三分部由至少两个矩形一字排列，且排列方向与第一分部和第二分部的底边平行。

第十一图形A11中，第一分部和第二分部由多个相同的圆形呈三角排列，第三分部由至少两个圆形一字排列，且排列方向与第一分部和第二分部的底边平行。

第十二图形A12中，第一分部和第二分部均由一个箭头图形和一个第一长条形矩形组成，且第一分部和第二分部中，一个分部中的箭头图形位于第一长条形矩形远离另一分部的一侧。第三分部为一个第二长条形矩形，且第二长条形矩形的延伸方向与第一分部和第二分部的底边平行。

其中，截面图形为第一图形A1、第二图形A2、第三图形A3、第四图形A4、第五图形A5、第六图形A6、第七图形A7、第八图形A8、第九图形A9、第十图形A10、第十一图形A11和第十二图形A12的光栅结构的出射效率逐渐降低，截面图形为第一图形A1、第二图形A2、第三图形A3、第四图形A4，出射效率依次相差百分之五左右，截面图形为第五图形A5、第六图形A6、第七图形A7、第八图形A8、第九图形A9，出射效率依次相差百分之十几左右，截面图形为第十图形A10、第十一图形A11和第十二图形A12，出射效率依次相差百分之二十左右。

可选的，在上述实施例的基础上，继续参考图14，截面图形可分为第一类图形1，第二类图形2和第三类图形3。本发明实施例中，沿平行波导基底100所在平面，第二光栅结构的截面图形为第一类图形1，第一光栅结构的截面图形为第二类图形2。

或者，沿平行波导基底100所在平面，第二光栅结构的截面图形为第二类图形2，第一光栅结构的截面图形为第三类图形3。

或者，沿平行波导基底100所在平面，第二光栅结构的截面图形为第一类图形1，第一光栅结构的截面图形为第三类图形3。

继续参考图14，第一类图形1包括圆形、椭圆形和三角形。

第二类图形2包括菱形、第一组合图形B1、第二组合图形B2、第三组合图形B3和第四组合图形B4。

第三类图形3包括第五组合图形B5、第六组合图形B6和第七组合图形B7。

其中，截面图形为第一类图形1、第二类图形2和第三类图形3的光栅结构的出射效率依次降低。

可选的，在上述实施例的基础上，第一光栅阵列包括第一光栅结构，第二光栅阵列包括第二光栅结构，第一光栅结构与第二光栅结构的尺寸相同、占空比相同。沿平行波导基底100所在平面，第一光栅结构与第二光栅结构的截面图形相同。

本发明实施例中，沿第三方向z，第一光栅结构呈竖立姿态，图15为本发明实施例提供的一种第二光栅结构的立体图，参考图15，第二光栅结构呈倾斜姿态且沿第四方向x倾斜。其中，第三方向z为垂直波导基底100所在平面且由波导基底100朝向第一光栅结构和第二光栅结构的方向，第四方向x为平行波导基底100所在平面的方向。

其中，第二光栅结构呈倾斜姿态且沿第四方向x倾斜可以有效减少波导的漏光现象并增加整体光效亮度。

可选的，沿第三方向z，第二光栅结构沿第四方向x倾斜的角度范围为5～80°。

可选的，在上述实施例的基础上，第一光栅阵列包括第一光栅结构，第二光栅阵列包括第二光栅结构。第一光栅结构与第二光栅结构的尺寸相同、占空比相同。沿平行波导基底100所在平面，第一光栅结构与第二光栅结构的截面图形相同。第二光栅结构的外壁包裹有球壳。

其中，在第二光栅结构的外壁包裹有球壳可以有效减少波导的漏光现象并增加整体光效亮度，对加工要求低。球壳可以通过光刻、刻蚀、压印制备形成，形成的球壳和光栅材质相同。也可以先制备形成光栅，再对光栅进行镀膜形成，光栅形成的球壳和光栅材质不同，但是此种情况光栅和球壳的折射率相差不超过±1％。

本发明实施例中，耦入光栅区域110和耦出光栅区域120内的光栅结构直接形成在波导基底100的上表面，与波导基底100为一体式结构，或，波导基底100的表面具有一胶层，光栅结构形成于胶层。

可选的，第一光栅阵列包括第一光栅结构，第二光栅阵列包括第二光栅结构。

沿平行波导基底100所在平面，第一光栅结构与第二光栅结构的截面图形相同。

第二光栅结构在第三方向z上的高度大于第一光栅结构在第三方向z上的高度，和/或，第二光栅结构的占空比大于第一光栅结构的占空比。

其中，光栅结构占空比的范围是0.3-0.8，高度在200纳米以内，在此范围内，第二光栅结构在第三方向z上的高度大于第一光栅结构在第三方向z上的高度，则第二光栅结构的出射效率高于第一光栅结构的出射效率，第二光栅结构的占空比大于第一光栅结构的占空比，则第二光栅结构的出射效率高于第一光栅结构的出射效率。

其它实施例中，在第一方向D1上相邻的多个第一耦出分区121中，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121的出射效率，大于靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121的出射效率。具体的，沿平行波导基底100所在平面，第一光栅结构的截面图形为第一图形A1或第二图形A2或第三图形A3或第四图形A4或第五图形A5或第六图形A6或第七图形A7或第八图形A8或第九图形A9或第十图形A10或第十一图形A11或第十二图形A12，且在第一图形A1至第十二图形A12的图形排序中，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构位于靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的截面图形之前。

和/或，多个第一耦出分区121中，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构和靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的尺寸相同、占空比相同，沿平行所述波导基底所在平面，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区12中的第一光栅结构和靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的截面图形相同，靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构呈竖立姿态，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构呈倾斜姿态且沿第四方向倾斜，且远离耦入光栅区域110的多个第一耦出分区121中的第一光栅结构呈倾斜姿态且沿第四方向倾斜的角度在范围5～80°内依次增大。

和/或，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构和靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的尺寸相同、占空比相同，沿平行波导基底100所在平面，多个第一光栅结构的截面图形相同，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的外壁包裹有球壳。

和/或，沿平行所述波导基底所在平面，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构和靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的截面图形相同，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构在第三方向上的高度大于靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构在所述第三方向上的高度，和/或，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构大于靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区12中的第一光栅结构的占空比。

示例性的，在对耦出光栅区域120分区后，当每个第一耦出分区121的结构不相同，且与第二耦出分区122的结构也不同时，不同耦出分区的出射效率可以为η01＝8.31％<η02＝9.26％<η03＝10.04％<η04＝11.57％，拟定进入耦出光栅区域120前I00＝1，通过计算出射的光强度分别是I01＝I00*η01＝8.31％，I02＝I00*(1-η01)*η02＝8.49％，I03＝I00*(1-η01)*(1-η02)*η03＝8.35％，I04＝I00*(1-η01)*(1-η02)*(1-η03)*η04＝8.66％。计算得分区后的均匀性是(8.66％-8.31％)/(8.66％+8.31％)＝0.0206。

当均匀性计算的值越低，代表均匀性越好，可见本发明上述实施例的方案对耦出光栅区域120分区后，其位置均匀性有很好的提升。

图16为本发明实施例提供的一种衍射光波导不同观看角度的示意图，参考图16，圆形区域为耦入区域，较大的实线矩形为耦出区域，较小的实线矩形为eyebox，eyebox是眼动范围，即佩戴波导镜片时，眼睛能观测到设定的完整视场角的位置的集合。虚线代表眼睛从eyebox观测耦出区域不同位置，此时的观测角度就是计算角度均匀性时使用的角度。

表1为本发明实施例提供的一种耦出光栅区域未分区的角度均匀性表，表2为本发明实施例提供的一种耦出光栅区域分区角度均匀性表，表1和表2以图16中9个角度进入人眼的平均亮度数据探究角度均匀性，其中1、2、3表示由上至下的行数，A、B、C表示由左至右的列数，比如1A表示左上角的示意图，其代表的观测角度是从eyebox往耦出左上观测的角度。

表1

由表1中各位置的均匀性可计算得出，该未分区的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0227。

表2

由表2中各位置的均匀性可计算得出，分区的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0129。

图17为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图，参考图17，第一耦出分区121形状为矩形，第二耦出分区122的形状为“凹”字形。一实施例中，第一光栅结构的截面图形为第八图形A8，第二光栅结构的截面图形为第二图形A2。

图18为本发明实施例提供的一种中轴能量对比图，图19为本发明实施例提供的一种水平方向1均匀性对比图，图20为本发明实施例提供的一种水平方向2均匀性对比图。参考图18，上方的线条为耦出光栅区域120如图17所示分区后沿中轴方向的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿中轴方向的入眼亮度百分比。参考图19，上方的线条为耦出光栅区域120如图17所示分区后沿水平方向1的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向1的入眼亮度百分比。参考图20，上方的线条为耦出光栅区域120如图17所示分区后沿水平方向2的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向2的入眼亮度百分比。

表3为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域未分区的角度均匀性表，表4为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域分区角度均匀性表，表4中的矩形分区为图17中的分区方式。

表3

由表3中各位置的均匀性可计算得出，该未分区的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0227。

表4

表4中各位置的均匀性可计算得出，图17中矩形分区后的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0120。

图21为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图，参考图21，一个第一耦出分区121形状为矩形，另一个第一耦出分区121形状为的形状为“凹”字形。一实施例中，靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的截面图形为第八图形A8，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的截面图形为第七图形A7，第二耦出分区122的第二光栅结构的截面图形为第二图形A2。

图22为本发明实施例提供的另一种中轴能量对比图，图23为本发明实施例提供的另一种水平方向1均匀性对比图，图24为本发明实施例提供的另一种水平方向2均匀性对比图。参考图22，上方的线条为耦出光栅区域120如图21所示分区后沿中轴方向的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿中轴方向的入眼亮度百分比。参考图23，上方的线条为耦出光栅区域120如图21所示分区后沿水平方向1的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向1的入眼亮度百分比。参考图24，上方的线条为耦出光栅区域120如图21所示分区后沿水平方向2的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向2的入眼亮度百分比。

表5为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域未分区的角度均匀性表，表6为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域分区角度均匀性表，表6中的矩形分区为图21中的分区方式。

表5

由表5中各位置的均匀性可计算得出，该未分区的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0187。

表6

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表6中各位置的均匀性可计算得出，图21中矩形分区后的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0071。

图25为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图，参考图25，第一耦出分区121形状为三角形。一实施例中，第一耦出分区121中的第一光栅结构的截面图形为第八图形A8，第二耦出分区122的第二光栅结构的截面图形为第二图形A2。

图26为本发明实施例提供的另一种中轴能量对比图，图27为本发明实施例提供的另一种水平方向1均匀性对比图，图28为本发明实施例提供的另一种水平方向2均匀性对比图。参考图26，上方的线条为耦出光栅区域120如图25所示分区后沿中轴方向的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿中轴方向的入眼亮度百分比。参考图27，上方的线条为耦出光栅区域120如图25所示分区后沿水平方向1的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向1的入眼亮度百分比。参考图28，上方的线条为耦出光栅区域120如图25所示分区后沿水平方向2的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向2的入眼亮度百分比。

表7为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域未分区的角度均匀性表，表8为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域分区角度均匀性表，表8中的三角形分区为图25中的分区方式。

表7

由表7中各位置的均匀性可计算得出，该未分区的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0187。

表8

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表8中各位置的均匀性可计算得出，图25中三角形分区后的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0134。

图29为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图，参考图29，一个第一耦出分区121形状为三角形，另一个第一耦出分区121形状为的形状为类似于“箭头”头部的形状。一实施例中，靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的截面图形为第八图形A8，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的截面图形为第七图形A7，第二耦出分区122的第二光栅结构的截面图形为第二图形A2。

图30为本发明实施例提供的另一种中轴能量对比图，图31为本发明实施例提供的另一种水平方向1均匀性对比图，图32为本发明实施例提供的另一种水平方向2均匀性对比图。参考图30，上方的线条为耦出光栅区域120如图29所示分区后沿中轴方向的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿中轴方向的入眼亮度百分比。参考图31，上方的线条为耦出光栅区域120如图29所示分区后沿水平方向1的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向1的入眼亮度百分比。参考图32，上方的线条为耦出光栅区域120如图29所示分区后沿水平方向2的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向2的入眼亮度百分比。

表9为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域未分区的角度均匀性表，表10为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域分区角度均匀性表，表10中的三角形分区为图29中的分区方式。

表9

由表9中各位置的均匀性可计算得出，该未分区的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0187。

表10

表10中各位置的均匀性可计算得出，图29中三角形分区后的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0079。

图33为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图，参考图33，第一耦出分区121形状为半个椭圆。一实施例中，第一耦出分区121中的第一光栅结构的截面图形为第八图形A8，第二耦出分区122的第二光栅结构的截面图形为第二图形A2。所达到的技术效果参考图34-36。

图34为本发明实施例提供的另一种中轴能量对比图，图35为本发明实施例提供的另一种水平方向1均匀性对比图，图36为本发明实施例提供的另一种水平方向2均匀性对比图。参考图34，上方的线条为耦出光栅区域120如图33所示分区后沿中轴方向的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿中轴方向的入眼亮度百分比。参考图35，上方的线条为耦出光栅区域120如图33所示分区后沿水平方向1的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向1的入眼亮度百分比。参考图36，上方的线条为耦出光栅区域120如图33所示分区后沿水平方向2的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向2的入眼亮度百分比。

表11为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域未分区的角度均匀性表，表12为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域分区角度均匀性表，表12中的椭圆形分区为图33中的分区方式。

表11

由表11中各位置的均匀性可计算得出，该未分区的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0187。

表12

表12中各位置的均匀性可计算得出，图33中椭圆形分区后的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0132。

图37为本发明实施例提供的另一种光栅分区设置的衍射光波导的俯视图，参考图37，一个第一耦出分区121形状为半个椭圆，另一个第一耦出分区121形状为的形状为部分环形。一实施例中，靠近耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的截面图形为第八图形A8，远离耦入光栅区域110的第一耦出分区121中的第一光栅结构的截面图形为第七图形A7，第二耦出分区122的第二光栅结构的截面图形为第二图形A2。所达到的技术效果参考图38-40。

图38为本发明实施例提供的另一种中轴能量对比图，图39为本发明实施例提供的另一种水平方向1均匀性对比图，图40为本发明实施例提供的另一种水平方向2均匀性对比图。参考图38，上方的线条为耦出光栅区域120如图37所示分区后沿中轴方向的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿中轴方向的入眼亮度百分比。参考图39，上方的线条为耦出光栅区域120如图37所示分区后沿水平方向1的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向1的入眼亮度百分比。参考图40，上方的线条为耦出光栅区域120如图37所示分区后沿水平方向2的入眼亮度百分比。下方的线条为耦出光栅区域120未分区沿水平方向2的入眼亮度百分比。

表13为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域未分区的角度均匀性表，表14为本发明实施例提供的另一种耦出光栅区域分区角度均匀性表，表13中的椭圆形分区为图37中的分区方式。

表13

由表13中各位置的均匀性可计算得出，该未分区的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0187。

表14

表14中各位置的均匀性可计算得出，图37中椭圆形分区后的耦出光栅区域120的角度均匀性std＝0.0082。

综上，本发明实施例中提供了多种光栅结构的耦出光栅区域不分区和分区时，位置均匀性和角度均匀性的计算结果对比情况，根据图18、图22、图26、图30、图34、图38所示的中轴能量对比曲线可以得出，相较于未分区的情况，耦出光栅区域经不同方式的分区后，其中轴能量曲线即入眼亮度百分比曲线会更加平缓，整体的差异较小，也即可以获知，相较于未分区的情况，耦出光栅区域经不同方式的分区后在中轴上能量更为均衡，均匀性得到改善。同理，根据图19、图23、图27、图31、图35和图39所示的水平方向1的能量对比曲线可以得出，相较于未分区的情况，耦出光栅区域经不同方式的分区后，其水平方向1上的能量曲线即入眼亮度百分比曲线也会更加平缓，整体的差异较小，也即可以获知，相较于未分区的情况，耦出光栅区域经不同方式的分区后在水平方向1上能量更为均衡，均匀性得到改善。同样地，根据图20、图24、图28、图32、图36和图40所示的水平方向2的能量对比曲线可以得出，相较于未分区的情况，耦出光栅区域经不同方式的分区后，其水平方向2上的能量曲线即入眼亮度百分比曲线也会更加平缓，整体的差异较小，也即可以获知，相较于未分区的情况，耦出光栅区域经不同方式的分区后在水平方向2上能量更为均衡，均匀性得到改善。综上所述可知，经分区后，无论是水平方向上还是中轴线方向上，位置均匀性都有提高，从而使得产品整体的位置均匀性更加均匀。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种近眼显示设备。图41是本发明实施例提供的一种显示装置的结构示意图，参考图41，该近眼显示设备包括如上实施例提供的任意一种衍射光波导1000。并且，由于该显示装置包括本发明实施例提供的衍射光波导1000，故而具备本发明实施例提供的衍射光波导1000相同或相似的有益效果，此处不再赘述。该显示装置具体可以是VR或AR等设备。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。