具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中的光波导结构存在成像效果差的问题，本发明提供了一种光波导结构和近眼显示器。

实施例一

如图4至图5所示，光波导结构包括光波导片、耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅，耦入光栅10设置在光波导片上，耦入光栅10为二维光栅，耦入光栅10用于将外部光源组件所发出的光耦入到光波导片内；转折光栅20为多个，多个转折光栅20至少包括两个转折光栅20，两个转折光栅20分别设置在光波导片的相同或不同的表面上，且两个转折光栅20在光波导片上的投影呈角度设置，转折光栅20用于接收耦入光栅10的光；耦出光栅用于接收耦入光栅10和转折光栅20的光并将光耦出光波导片，耦出光栅为多个，多个耦出光栅至少包括第一耦出光栅31和第二耦出光栅32，第一耦出光栅31为一维光栅，第二耦出光栅32为二维光栅，第一耦出光栅31和第二耦出光栅32位于光波导片的不同表面上，且第一耦出光栅31和第二耦出光栅32在光波导片上的投影重合。

通过设置光波导片，使得光波导片为耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅提供了安装位置，提高了耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅的使用可靠性，同时保证了光在光波导片中传输的均匀性，保证光波导结构能够均匀成像。通过将耦入光栅10设置在光波导片上，使得耦入光栅10能够将外部光源组件所发出的光大部分耦入到光波导片内，以保证光波导片的耦入效率。耦入光栅10为二维光栅，这样设置使得经耦入光栅10耦入至光波导片内的光能够沿两个方向进行传输，有效规划了光在光波导片中的传输路径。转折光栅20为多个，多个转折光栅20至少包括两个转折光栅20，两个转折光栅20分别设置在光波导片的相同或不同的表面上，且两个转折光栅20在光波导片上的投影呈角度设置，这样设置规划了转折光栅20的设置位置，以保证耦入光栅10耦入至光波导片内的两个方向的光能够分别被两个转折光栅20接收，使得耦入光栅10的光能够大部分射入转折光栅20，使得转折光栅20将两个方向的光沿特定方向进行光路转向、扩展和复制，即进行扩瞳传输。

另外，耦出光栅用于接收耦入光栅10和转折光栅20的光并将光耦出光波导片，耦出光栅为多个，多个耦出光栅至少包括第一耦出光栅31和第二耦出光栅32，第一耦出光栅31为一维光栅，第二耦出光栅32为二维光栅，第一耦出光栅31和第二耦出光栅32位于光波导片的不同表面上，且第一耦出光栅31和第二耦出光栅32在光波导片上的投影重合。这样设置使得转折光栅20的光能大部分射入耦出光栅，进而耦出光栅将光耦出光波导片，进而射入人眼进行成像。通过将第二耦出光栅32设置成二维光栅，使得第二耦出光栅32起到了扩瞳匀光的作用，被第二耦出光栅32扩瞳匀光的光线随后被第一耦出光栅31耦出至人眼，使得耦出至人眼的光更加均匀，保证了耦出光的均匀性，使得用户观察到的图像更加清晰，提高了成像质量。通过合理布置耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅，有利于获得大视场角的同时，增加了耦出光强均匀性，保证最终的成像效果。

需要说明的是，在本申请中两个转折光栅20分别设置在光波导片的不同的表面上，当然，两个转折光栅20也可设置在光波导片的同一侧表面上，可根据具体情况进行设置。

具体的，耦入光栅10为长方形光栅、平行四边形光栅和菱形光栅中的一种。这样能够保证耦入光栅10的二维特性，使得耦入光栅10耦入至光波导片中的光能够在两个方向均有衍射，使得耦入光在光波导片中沿两个方向进行传输，以规划光在光波导片内的传输方向，保证耦入光栅10工作的稳定性。

需要说明的是，耦入光栅10可根据实际情况进行选择。

具体的，转折光栅20为一维光栅，一维光栅为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和多层光栅中的一种。这样设置使得两个转折光栅20均为一维光栅，使得两个转折光栅20分别接收上述的两个方向的耦入光，使得两个转折光栅20将对应的耦入光进行一维方向上的传输，将耦入光沿特定方向进行扩瞳传输，以将外部光源组件的信息进行扩瞳传输。转折光栅20可根据实际情况进行选择，两个转折光栅20的尺寸是相同的。

具体的，第一耦出光栅31为闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和多层光栅中的一种，这样设置保证了第一耦出光栅31的一维特性，保证了第一耦出光栅31的耦出波导内光线的作用，有利于提高耦出光的光强。第二耦出光栅32为长方形光栅、平行四边形光栅和菱形光栅中的一种，这样设置保证了第二耦出光栅32的匀光作用，使得第二耦出光栅32将转折光栅20的光进行二维扩瞳从而将光效率匀分再耦出，达到匀光的目的。

需要说明的是，第一耦出光栅31和第二耦出光栅32在光波导片上的投影是完全重合的且面积相等。当然，第一耦出光栅31和第二耦出光栅32在光波导片上的投影也可不是完全重合的，可根据实际情况进行选择。

需要说明的是，上述闪耀光栅为一种刻槽面与光栅法线不平行，即在两者之间存在一个小夹角，具有闪耀特性的光栅。锯齿型光栅为最理想的闪耀光栅，锯齿型光栅的横截面上为锯齿形的结构来进行衍射。上述倾斜光栅是一种光栅的平面与光栅切向呈一定倾角的光栅。上述矩形光栅是一种横截面上为矩形的结构来进行衍射的光栅。

如图4所示，耦入光栅10包括第一光栅栅线方向11和第二光栅栅线方向12，第一光栅栅线方向11与第二光栅栅线方向12之间具有夹角，夹角为锐角或钝角。如图中所示，第一光栅栅线方向11与第二光栅栅线方向12朝向耦出光栅一侧之间的夹角为锐角。这样设置规划了耦入光栅10中第一光栅栅线方向11和第二光栅栅线方向12排布方式，提高了耦入光栅10的使用可靠性，同时便于两个转折光栅20的设置。当然，第一光栅栅线方向11与第二光栅栅线方向12朝向耦出光栅一侧之间的夹角也可为钝角，此时需要调整两侧转折光栅20的位置，以保证两个转折光栅20能够顺利接受到耦入光栅10的光。

具体的，耦入光栅10位于两个转折光栅20在光波导片上的投影之间，且耦入光栅10和两个转折光栅20之间呈八字形排布，两个转折光栅20在光波导片上的投影是对称设置在耦入光栅10的两侧的。这样设置使得一个转折光栅20能够大部分接收耦入光栅10的第一光栅栅线方向11传输的光，另一个转折光栅20能够大部分接收耦入光栅10的第二光栅栅线方向12传输的光，通过合理布置两个转折光栅20的位置，保证了转折光栅20的使用效率和使用可靠性。

具体的，耦入光栅10的占空比大于等于30％且小于等于80％；耦入光栅10的高度大于等于100纳米且小于等于500纳米；耦入光栅10的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。通过控制耦入光栅10的占空比、高度和周期在合理的范围内，以保证耦入光栅10的耦入效率，当然也可根据实际情况调节具体参数，以使耦出的光强均匀性达到特定要求。

具体的，转折光栅20的占空比大于等于30％且小于等于80％；转折光栅20的高度大于等于30纳米且小于等于300纳米；当转折光栅20为多层光栅时，多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层，对于多层光栅，上述高度指的是单层光栅的高度，也就是说每层光栅的高度均大于等于30纳米且小于等于300纳米。

转折光栅20的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。通过控制转折光栅20的占空比、高度和周期在合理的范围内，有利于保证转折光栅20能够稳定工作，当然也可根据实际情况调节具体参数，以使耦出的光强均匀性达到特定要求。

具体的，耦出光栅的占空比大于等于30％且小于等于80％；耦出光栅的高度大于等于30纳米且小于等于300纳米；当第一耦出光栅31为多层光栅时，多层光栅的层数大于等于1层且小于等于10层，对于多层光栅，上述高度指的是单层光栅的高度，也就是说每层光栅的高度均大于等于30纳米且小于等于300纳米。耦出光栅的周期大于等于300纳米且小于等于600纳米。通过控制耦出光栅的占空比、高度和周期在合理的范围内，有利于保证耦出光栅的耦出效率，当然也可根据实际情况调节具体参数，以使耦出的光强均匀性达到特定要求。

具体的，光波导片的厚度大于等于400微米且小于等于1毫米。若光波导片的厚度小于400微米，使得光波导片不易制作，增强了光波导片的加工难度，同时使得光波导片在使用过程中易发生折断，降低了光波导片的结构强度。若光波导片的厚度大于1毫米，使得光波导片的厚度过大，不利于光波导片的小型化。将光波导片的厚度限制在400微米到1毫米的范围内，保证了光波导片的轻薄化的同时保证了光波导片的结构强度。

需要说明的是，上述光波导片的材质为高折射率玻璃，折射率大于等于1.7且小于等于2.3，这样设置有利于保证光波导片的高折射率特性，高折射率可提高视场角的大小，以实现超大视场角的光波导片。当然，也可根据实际需求选择不同的材料。

具体的，耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅均为衍射光栅。由于衍射光栅的特性，耦出的光强会存在不均匀性，这种不均匀性表现为空间的不均匀性和角度的不均匀性，空间的不均匀性导致眼睛处于眼盒内不同位置时，观察到的图像亮暗具有差异，角度的不均匀性导致不同视场角的明暗强度具有差异。本发明的光波导结构，通过特定的排列方式，在提供视场角的同时，补偿耦出光栅出光不均匀的问题，解决了现有技术中光波导结构射出的光强存在不均匀的现象。

如图1所示，为现有技术中的光波导结构的光栅排列组合，光波导片为单面设置光栅的结构，该结构可对外部光源组件发射的光进行扩瞳传输，但显示效果不佳，其原因是大视场角下衍射效率低，观察图像不清楚导致有效视场角偏小，需要提高整体的衍射效率以增大有效视场角。

如图2和图3所示，为了解决视场角小的问题，现有技术中又提出了一种光波导结构，光波导结构的两个转折光栅20分别对应耦入光栅10的两个光栅栅线方向，在不同视场角入射的时候，转折光栅20分别负责对应视场角范围内的光线进行扩瞳传输，例如当垂直方向的光入射角度为-15°至15°，第一个转折光栅20负责传输-15°到0°，第二个转折光栅20负责传输0°到15°。通过使用两个转折光栅20针对性的设计，能大幅度提高该视场角下的衍射效率，有效提高了显示视场角的大小。但是该结构的显示面会出现中心光强大于边缘光强的情况，眼盒内显示效果不佳。图2中的光波导结构下的视场角显示均匀性相对对于图1来说有大幅提升，但某些眼盒内的均匀性还存在一定问题，如图2和图3所示，展示正入射情况下，光线在波导内的传输情况以及眼盒内的显示情况，能够发现某些角度下眼盒内观察有明显的显示差异，效率最强点显示效果与最低处效果差异过大。

因此提出本发明的光波导结构，耦入光栅10和转折光栅20不动，在耦出光栅处进行调整，额外增加一个耦出光栅，双面均设计耦出，第一耦出光栅31设计成一维光栅作为耦出能量补偿，将传输至耦出光栅的光尽可能地耦出到人眼；第二耦出光栅32设计成二维光栅作为扩瞳匀光，以使第二耦出光栅32能进行二维扩瞳从而将光效率匀分再耦出。

如图4和图5所示，光线在光波导片内传输，在耦出光栅相对于图2的结构再一次进行了均光再耦出，此设计可增加出光的均匀性，通过以下归一化方差公式，计算对应数据，图2中眼盒内归一化方差为187.1％，图4中眼盒内归一化方差为39.9％。

近眼显示器包括光源组件和上述的光波导结构，光源组件向光波导结构发射光，光波导结构将光耦出到人眼中。随着光在光波导片内传播，光波导片将接收到的光至少扩展为一维，使得光至少朝向一个方向进行传播。耦入光栅10被设计为将外部光源组件所发出的光耦入到光波导片中，转折光栅20被设计成接收耦入光栅10的光并进行扩瞳，进而由耦出光栅将扩瞳后的光耦出光波导片并输出到人眼用于成像。具有上述光波导结构的近眼显示器具有大视角和出光均匀的优点，大大提高了近眼显示器的成像质量。

需要说明的是，上述近眼显示器可以是AR头戴式设备。

实施例二

与实施例一的区别是，耦入光栅10不同、转折光栅20的排布方式不同。

如图6和图7所示，两个转折光栅20在光波导片上沿一直线排布，且耦入光栅10位于两个转折光栅20在光波导片上的投影之间。此时，耦入光栅10的第一光栅栅线方向11与第二光栅栅线方向12之间的夹角为直角。图6中眼盒内归一化方差为62.7％。

本实施例相比于实施例一缩小了光波导片上耦入光栅10、转折光栅20和耦出光栅的占据面积，保证了小型化，同时，实施例二的光波导结构在一些方向上的光强效果优于实施例一，实施例二的光波导结构在一些方向上的光强效果低于实施例一。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。