CN113970805A - 波导组件和包括波导组件的近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

一种波导组件，包括：波导片；耦入区域，设于波导片的一表面上，耦入区域用于将光线耦入；耦出光栅，设于波导片的一表面上，耦出光栅用于将从耦入区域耦入的光线耦出波导片；和第一次反射光栅，与耦出光栅设于波导片的同一表面上并位于耦出光栅沿光线传输方向上的末端，第一次反射光栅与耦出光栅的槽线平行，第一次反射光栅与耦出光栅的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或第一次反射光栅为耦出光栅周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，第一次反射光栅用于将经过耦出光栅而未耦出的光线反射回耦出光栅再耦出，提高了光能利用率、出瞳密度、亮度均匀性，制作工艺简单。

Description

波导组件和包括波导组件的近眼显示设备

技术领域

本申请涉及光学传输技术领域，具体地涉及一种波导组件和包括波导组件的近眼显示设备。

背景技术

近眼显示设备主要是用于将图片或视频显示到人眼中，近眼显示设备可广泛应用于虚拟现实、增强现实、混合现实或军事等领域。

近眼显示设备包括光源组件和波导等部件，波导上设有耦入区域和耦出区域，光源组件发出的光由耦入区域耦入到波导内，光线再由耦出区域耦出波导传输至人眼。

但是由于在耦出区域，光的衍射效率很低，大部分光能被波导的侧边吸收或在波导的侧边处逃逸，造成波导整体光能利用率很低，进而导致近眼显示设备的出瞳密度很低。而且，由于光线在波导中传输时，能量是逐渐减弱的，导致了耦出的光线亮度不均匀。

发明内容

本申请的主要目的是提供一种光能利用率高、出瞳密度高、亮度均匀的波导组件和包括波导组件的近眼显示设备。

本申请一实施例提供一种波导组件，包括：

波导片；

耦入区域，设于所述波导片的一表面上，所述耦入区域用于将光线耦入到所述波导片内并使所述光线在所述波导片内扩散传输；

耦出光栅，设于所述波导片的一表面上，所述耦出光栅用于将从所述耦入区域耦入的光线耦出所述波导片；和

第一次反射光栅，与所述耦出光栅设于所述波导片的同一表面上并位于所述耦出光栅沿光线传输方向上的末端，所述第一次反射光栅与所述耦出光栅的槽线平行，所述第一次反射光栅与所述耦出光栅的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或所述第一次反射光栅为所述耦出光栅周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，所述第一次反射光栅用于将经过所述耦出光栅而未耦出的光线反射回所述耦出光栅再耦出。

在一个实施例中，所述第一次反射光栅包括相分离设置的第一反射光栅和第二反射光栅。

在一个实施例中，所述第一次反射光栅为正弦光栅、矩形光栅、闪耀光栅或向所述耦出光栅的方向倾斜的倾斜光栅。

在一个实施例中，波导组件还包括第二次反射光栅，所述第二次反射光栅与所述第一次反射光栅设于所述波导片的同一表面上；

所述第二次反射光栅与所述第一次反射光栅相对设置并分别位于所述耦出光栅的两侧；

所述第二次反射光栅的槽线与所述耦出光栅的槽线平行，所述第二次反射光栅的周期与所述耦出光栅的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或所述第二次反射光栅的周期为所述耦出光栅周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大；

经所述第一次反射光栅反射后未耦出的光线传输至所述第二次反射光栅处，由所述第二次反射光栅反射回所述耦出光栅。

在一个实施例中，所述第一次反射光栅包括相分离设置的第一反射光栅和第二反射光栅，所述第二次反射光栅包括相分离设置的第三反射光栅和第四反射光栅，所述第一反射光栅和所述第三反射光栅相对设置，所述第二反射光栅和所述第四反射光栅相对设置。

在一个实施例中，所述第二次反射光栅为正弦光栅、矩形光栅、闪耀光栅或向所述耦出光栅的方向倾斜的倾斜光栅。

在一个实施例中，所述耦出光栅为一维光栅。

在一个实施例中，所述耦出光栅由两个分别设于所述波导片两个表面上的一维光栅构成或由设在所述波导片同一表面的两个一维光栅叠加构成。

在一个实施例中，所述耦出光栅的两个一维光栅之间的夹角为50-70度。

在一个实施例中，所述耦出光栅为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅，并槽深为50～200nm。

在一个实施例中，所述第一次反射光栅与所述耦出光栅相接壤。

在一个实施例中，所述第一次反射光栅的宽度大于3mm。

在一个实施例中，所述耦出光栅为矩形光栅，所述第一次反射光栅和/或所述第二次反射光栅为倾斜光栅或闪耀光栅。

在一个实施例中，所述耦入区域包括耦入光栅，所述耦入光栅用于将光线耦入到所述波导片内。

在一个实施例中，所述耦入光栅为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅中，并周期为300～600nm、槽深为40～500nm。

在一个实施例中，所述耦入区域还包括转折光栅，所述转折光栅用于使从所述耦入光栅耦入的光线在所述波导片内扩散传输。

在一个实施例中，所述转折光栅为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅中，并周期为300～600nm、槽深为40～500nm。

在一个实施例中，所述耦入区域与所述耦出光栅位于所述波导片的同一表面上或分别位于所述波导片相背的两个表面上。

在一个实施例中，所述波导片的厚度为0.3～2.5mm，所述波导片的材料为对可见光透明的光学材料，所述波导片的折射率为1.4～2.2。

本申请一实施例还提供一种近眼显示设备，包括投影光机和波导组件，所述波导组件为上述任一实施例所述的波导组件。

有益效果：

本申请提供的波导组件，在波导片的一侧表面上设置了第一次反射光栅，并使第一次反射光栅与耦出光栅的槽线平行，第一次反射光栅与耦出光栅的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或第一次反射光栅为耦出光栅周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，从而使得经过耦出光栅而未耦出的光线被第一次反射光栅返回耦出光栅，从而进行耦出，从而提高了波导组件整体的光能利用率、增加了波导组件整体的出瞳密度。且由于经第一次反射光栅返回再耦出的光线对原已耦出的光线进行了补充，从而提高了波导片整体可视区域内耦出的光线的亮度均匀性。而且，根据本发明的光学设计，只需要在波导片的一侧表面上设置第一次反射光栅，制作工艺简单，便于生产制造。而且本实施例提供的波导组件，第一次未被耦出光栅耦出的光线只用经过一个第一次反射光栅就可以返回耦出光栅处，光能利用率更高。

附图说明

本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请一实施例提供的波导组件的结构示意图；

图2为图1所示的波导组件的侧视图；

图3为图1所示的波导组件的光栅矢量图；

图4为本申请一实施例提供的波导组件的光衍射的仿真结果图；

图5为图1所示的波导组件带光栅矢量的示意图；

图6为本申请一实施例提供的波导组件的结构示意图；

图7为本申请一实施例提供的波导组件的结构示意图；

图8为本申请一实施例提供的波导组件的结构示意图；

图9为图8所示的波导组件一部分的侧视图；

图10为图8所示的波导组件的一光栅矢量图；

图11为图8所示的波导组件的一光栅矢量图；

图12为图8所示的波导组件的一光栅矢量图；

图13为图8所示的波导组件的一光栅矢量图；

图14为本申请一实施例提供的近眼显示设备的结构示意图；

图15为本申请一实施例提供的近眼显示设备的结构示意图。

其中，图1至图15中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1、波导片；2、耦入区域；21、耦入光栅；22、转折光栅；3、耦出光栅；4、第一次反射光栅；41、第一反射光栅；42、第二反射光栅；5、第二次反射光栅；51、第三反射光栅；52、第四反射光栅；6投影光机。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

图1为本申请一实施例提供的波导组件的结构示意图。

如图1所示，本实施例提供的波导组件，包括：

波导片1；

耦入区域2，设于波导片1的一表面上，耦入区域2用于将光线耦入到波导片1内并使光线在波导片1内扩散传输；

耦出光栅3，设于波导片1的一表面上，耦出光栅3用于将从耦入区域2耦入的光线耦出波导片1；和

第一次反射光栅4，与耦出光栅3设于波导片1的同一表面上并位于耦出光栅3沿光线传输方向上的末端，第一次反射光栅4与耦出光栅3的槽线平行，第一次反射光栅4与耦出光栅3的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或第一次反射光栅4为耦出光栅3周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，第一次反射光栅4用于将经过耦出光栅3而未耦出的光线反射回耦出光栅3再耦出。

图2为图1所示的波导组件的侧视图。

如图2所示，本实施例提供的波导组件的工作原理过程如下：

光线由耦入区域2耦入到波导片1内，并在波导片1内扩散传输至耦出光栅3。耦出光栅3将光线A耦出到波导片1外，从而被人眼观察到，即形成可视区域。而未被耦出的光线B会继续传播至第一次反射光栅4处，第一次反射光栅4将光线B反射回耦出光栅3，再由耦出光栅3耦出，即为光线C，光线C与光线A保持平行。

图3为图1所示的波导组件的光栅矢量图。

如图3所示，耦入区域2具有光栅矢量G0，耦出光栅3具有光栅矢量G1，第一次反射光栅4具有光栅矢量G2。由于第一次反射光栅4与耦出光栅3的槽线平行，从而使得第一次反射光栅4与耦出光栅3的光栅矢量相互平行，才使得未被耦出光线B被第一次反射光栅4反射回耦出光栅3处。而第一次反射光栅4的周期决定了其矢量大小。进而当第一次反射光栅4的周期与耦出光栅3的周期相同时，其衍射级次中，二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，从而使得光线B在第一次反射光栅4处衍射时二阶衍射光所对应的光栅矢量大小是耦出光栅3矢量的两倍，进而使得光栅矢量G0+G1+G2＝0，最终使得光线C被耦出，进而提高了光能利用率，并且光线C的存在提高了出瞳密度。并且由于光线在波导片中传输时能量是逐渐减弱的，未耦出光线反射回耦出光栅3并部分被衍射耦出，这部分光线在传输时能量也是逐渐减弱的，其传播方向正好和光线A在波导片1内的传播方向相反，正好补偿了光线A在波导片1内传输时的能量减弱，提高了波导片整个可视区域内的耦出光线的亮度均匀性。

当第一次反射光栅4的周期为耦出光栅3的周期的一半时，其衍射级次中，一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，故其矢量大小为耦出光栅3矢量大小的两倍，也使得光栅矢量G0+G1+G2＝0，也能将光线C耦出，提高光能利用率，并且光线C的存在提高了出瞳密度。并且由于未耦出光线反射回耦出光栅3并部分被衍射耦出，这部分光线正好补偿了光线A在波导片1内传输时的能量减弱，提高了波导片整个可视区域内的耦出光线的亮度均匀性。

在本实施例中，由于未被耦出光线在波导片1内全反射传输，故第一次反射光栅4需要设置在耦出光栅3沿光线传输方向的末端。

本实施例提供的波导组件，在波导片1的一侧表面上设置了第一次反射光栅4，并使第一次反射光栅4与耦出光栅3的槽线平行，第一次反射光栅4与耦出光栅3的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或第一次反射光栅4为耦出光栅3周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，从而使得经过耦出光栅3而未耦出的光线被第一次反射光栅4返回耦出光栅3，从而进行耦出，从而提高了波导组件整体的光能利用率、增加了波导组件整体的出瞳密度。且由于经第一次反射光栅4返回再耦出的光线对原已耦出的光线进行了补充，从而提高了波导片1整体可视区域内耦出的光线的亮度均匀性。而且，根据本发明的光学设计，只需要在波导片1的一侧表面上设置第一次反射光栅4，制作工艺简单，便于生产制造。而且本实施例提供的波导组件，第一次未被耦出光栅3耦出的光线只用经过一个第一次反射光栅4就可以返回耦出光栅3处，光能利用率更高。

进一步地，第一次反射光栅4与耦出光栅3相接壤，再加上由于第一次反射光栅4与耦出光栅3设于波导片1的同一侧，从而使得波导组件制作简单方便。在其他实施例中，第一次反射光栅4与耦出光栅3之间具有间隙，在此不做具体限定。

在本实施例中，第一次反射光栅4的宽度大于3mm，反射效率高。

在本实施例中，第一次反射光栅4为正弦光栅、矩形光栅、闪耀光栅或向耦出光栅3的方向倾斜的倾斜光栅，且槽深为400～600nm。在一些优选的实施例中，第一反射光栅4可以是倾斜光栅或者闪耀光栅，相对于常规的矩形光栅，设置为倾斜光栅或者闪耀光栅可以将衍射能量集中在某一级次上，提升第一次反射光栅4的反射效率，从而提高了波导片1的光能利用率。

图4为本申请一实施例提供的波导组件的光衍射的仿真结果图。

如图4所示，以第一次反射光栅4以周期为340nm，高度为500nm，占空比为0.74，第一次反射光栅4与水平方向的倾角为66.7°，第一次反射光栅4与波导片的折射率均设为1.7，光的波长为460nm为例，其最高衍射效率可以达到95％以上，平均达到75％左右，能够显著提高波导片1的能量利用率。

进一步优选地，第一次反射光栅4为向耦出光栅3的方向倾斜的倾斜光栅，此时二阶衍射光线具有较高的衍射效率，在一些实施例中，其二阶衍射效率大于80％。

在本实施例中，耦出光栅3为衍射光栅或全息光栅。其中，当耦出光栅3为衍射光栅时，可以为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅，并槽深为50～200nm。

在一个优选的实施例中，耦出光栅3设置为普通矩形光栅，第一次反射光栅4设置为倾斜光栅或者闪耀光栅，由于第一次反射光栅4的存在大大提升了波导片1的光能利用率，所以耦出光栅3不需要设置为衍射效率较高的倾斜光栅(常规方案中由于普通矩形光栅衍射效率低下，故会选择倾斜光栅作为耦出光栅，但倾斜光栅衍射效率较高导致距离耦入区域2近的视场具有较高能量耦出，而距离耦入区域2远的视场具有较低能量耦出，到时在整个可视区域内能量分布不均)，本方案通过第一次反射光栅4的设置提升了光能利用率，同时避免了不同视场内耦出能量不均。

在本实施例中，波导片1的厚度为0.3～2.5mm，波导片1的材料为对可见光透明的光学材料，波导片1的折射率为1.4～2.2。

在本实施例中，耦出光栅3为一维光栅。根据本领域技术人员容易得知，在其他实施例中，耦出光栅3为二维光栅，应当也在本申请的保护范围内，在此不做具体限定。当耦出光栅3为二维光栅时，可以为由分别设置于波导片1两侧的两个一维光栅构成或者由设于波导片1一侧的两个一维光栅叠加构成。

实施例2

在本实施例中，如图1所示，耦入区域2包括耦入光栅21，耦入光栅21用于将光线耦入到波导片1内。耦入光栅21为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅中，并周期为300～600nm、槽深为40～500nm。

进一步地，耦入区域2还包括转折光栅22，转折光栅22用于使从耦入光栅21耦入的光线在波导片1内扩散传输，增设转折光栅22可以进一步增加光能利用率。更进一步地，转折光栅22为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅中，并周期为300～600nm、槽深为40～500nm。

图5为图1所示的波导组件带光栅矢量的示意图。

在本实施例中，如图5所示，耦入光栅21具有光栅矢量G0a，转折光栅22具有光栅矢量G0b，且耦入光栅21和转折光栅22的矢量和等于耦入区域2的光栅矢量G0，即G0a+G0b＝G0。而又保持第一次反射光栅4与耦出光栅3的槽线平行，使得未被耦出光线B被第一次反射光栅4反射回耦出光栅3处。而又使第一次反射光栅4的周期与耦出光栅3的周期相同时，其衍射级次中，二阶衍射光的衍射效率被设置为最大；或使第一次反射光栅4的周期为耦出光栅3的周期的一半时，其衍射级次中，一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，从而使得光线B在第一次反射光栅4处衍射时二阶衍射光所对应的光栅矢量大小是耦出光栅3矢量的两倍，进而使得光栅矢量G0+G1+G2＝0，最终使得光线C被耦出，进而提高了光能利用率，并且光线C的存在提高了出瞳密度。并且由于光线在波导片中传输时能量是逐渐减弱的，未耦出光线反射回耦出光栅3并部分被衍射耦出，这部分光线在传输时能量也是逐渐减弱的，其传播方向正好和光线A在波导片1内的传播方向相反，正好补偿了光线A在波导片1内传输时的能量减弱，提高了波导片整个可视区域内的耦出光线的亮度均匀性。

在本实施例中，耦入区域2与耦出光栅3位于波导片1的同一表面上。在其他实施例中，耦入区域2与耦出光栅3分别位于波导片1相背的两个表面上，在此不做具体限定。

在本实施例中，耦出光栅3为一维光栅。根据本领域技术人员容易得知，在其他实施例中，耦出光栅3为二维光栅，应当也在本申请的保护范围内，在此不做具体限定。当耦出光栅3为二维光栅时，可以为由分别设置于波导片1两侧的两个一维光栅构成或者由设于波导片1一侧的两个一维光栅叠加构成。

在本实施例中，耦出光栅3为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅，并槽深为50～200nm。

实施例3

图6为本申请一实施例提供的波导组件的结构示意图。

如图6所示，在本实施例中，第一次反射光栅4包括相分离设置的第一反射光栅41和第二反射光栅42，第一反射光栅41和第二反射光栅42的光栅矢量和为G2。

在本实施例中，耦入区域2包括耦入光栅21和转折光栅22。

耦入光栅21具有光栅矢量G0a，转折光栅22具有光栅矢量G0b，而且使得G0a+G0b＝G0。

耦出光栅3的光栅矢量为G1。

而由于第一反射光栅41和第二反射光栅42的槽线均与耦出光栅3的槽线平行，且第一反射光栅41和第二反射光栅42的周期与耦出光栅3的周期相同，其衍射级次中，二阶衍射光的衍射效率被设置为最大；或第一反射光栅41和第二反射光栅42的周期为耦出光栅3的周期的一半，其衍射级次中，一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，从而使得G0+G1+G2＝0，最终使得光线C被耦出，进而提高了光能利用率、出瞳密度以及亮度均匀性。

本实施例提供的波导组件将第一次反射光栅4设置为两个分离结构的反射光栅，可以从多方位反射光线，避免遗漏，进一步提高光能利用率、增加出瞳密度以及增加亮度均匀性。

在本实施例中，耦出光栅3为一维光栅。根据本领域技术人员容易得知，在其他实施例中，耦出光栅3为二维光栅，应当也在本申请的保护范围内，在此不做具体限定。当耦出光栅3为二维光栅时，可以为由分别设置于波导片1两侧的两个一维光栅构成或者由设于波导片1一侧的两个一维光栅叠加构成。

在本实施例中，耦出光栅3为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅，并槽深为50～200nm。

在本实施例中，波导片1的厚度为0.3～2.5mm，波导片1的材料为对可见光透明的光学材料，波导片1的折射率为1.4～2.2。

在其他实施例中，耦入区域2可以仅只有耦入光栅21，没有转折光栅22。

实施例4

图7为本申请一实施例提供的波导组件的结构示意图。

如图7所示，本实施例提供的波导组件还包括第二次反射光栅5，第二次反射光栅5与第一次反射光栅4设于波导片1的同一表面上。

第二次反射光栅5与第一次反射光栅4相对设置并分别位于耦出光栅3的两侧。

第二次反射光栅5的槽线与耦出光栅3的槽线平行，第二次反射光栅5的周期与耦出光栅3的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或第二次反射光栅5的周期为耦出光栅3周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大。

经第一次反射光栅4反射后未耦出的光线传输至第二次反射光栅5处，由第二次反射光栅5反射回耦出光栅3再耦出。

在本实施例中，耦入区域2包括耦入光栅21和转折光栅22。

耦入光栅21和转折光栅22的光栅矢量和等于前述实施例所述的G0，第一次反射光栅4具有光栅矢量G1，耦出光栅3和第二次反射光栅5的光栅矢量和为G2。由于第一次反射光栅4和第二次反射光栅5的槽线设置、周期设置及衍射级次设置，从而使得G0+G1+G2＝0，最终使得光线经由第一次反射光栅4反射后被耦出或经由第二次反射光栅5反射后被耦出，进而提高了光能利用率、出瞳密度以及亮度均匀性。

本实施例提供的波导组件在波导片1上设置了第二次反射光栅5，且第二次反射光栅5与第一次反射光栅4位于波导片1的同一侧，且第二次反射光栅5的槽线与耦出光栅3的槽线平行，第二次反射光栅5的周期与耦出光栅3的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或第二次反射光栅5的周期为耦出光栅3周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，从而使得经耦出光栅3未耦出的光线被第一反射光栅41反射回耦出光栅3后，仍未耦出的光线再经由第二次反射光栅5反射回耦出光栅3耦出，从而进一步提高了光能利用率、增加了出瞳密度、提高了亮度均匀性。

在本实施例中，第二次反射光栅5为正弦光栅、矩形光栅、闪耀光栅或向耦出光栅3的方向倾斜的倾斜光栅。优选地，第二次反射光栅5为倾斜光栅，此时衍射效率高(可超过80％)。更进一步地，第二次反射光栅5朝向耦出光栅3倾斜，进一步提高第二次反射光栅5的反射效率。

在本实施例中，耦出光栅3为一维光栅。根据本领域技术人员容易得知，在其他实施例中，耦出光栅3为二维光栅，应当也在本申请的保护范围内，在此不做具体限定。当耦出光栅3为二维光栅时，可以为由分别设置于波导片1两侧的两个一维光栅构成或者由设于波导片1一侧的两个一维光栅叠加构成。

在本实施例中，耦出光栅3为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅，并槽深为50～200nm。

在本实施例中，波导片1的厚度为0.3～2.5mm，波导片1的材料为对可见光透明的光学材料，波导片1的折射率为1.4～2.2。

在其他实施例中，耦入区域2可以仅只有耦入光栅21，没有转折光栅22。

实施例5

图8为本申请一实施例提供的波导组件的结构示意图。

在本实施例中，如图8所示，第一次反射光栅4包括相分离设置的第一反射光栅41和第二反射光栅42，第二次反射光栅5包括相分离设置的第三反射光栅51和第四反射光栅52，第一反射光栅41和第三反射光栅51相对设置，第二反射光栅42和第四反射光栅52相对设置，即第一反射光栅41、第二反射光栅42、第三反射光栅51和第四反射光栅52依次围绕耦入区域2和耦出光栅3设置。

第一反射光栅41和第二反射光栅42的周期等于耦出光栅3垂直方向的周期，其二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，经过优化可以达到80％以上。第三反射光栅51和第四反射光栅52的周期等于耦出光栅3水平方向的周期，其二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，经过优化可以达到80％以上，使得未被耦出光线能在相对的反射光栅(41、51或42、52)中来回传输，提高了波导片1的光能利用率、出瞳密度以及亮度均匀性。可以理解的是，第一反射光栅41、第二反射光栅42的周期、第三反射光栅51和第四反射光栅52的周期也可以设置为是耦出光栅3的周期的一半，对应的其衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大。

本实施例提供的波导组件通过将第一次反射光栅4设置为两个分离的反射光栅(41、42)，将第二次反射光栅5设置为两个分离的反射光栅(51、52)，从而使得能够从多方位反射回光线，并能够在多个反射光栅之间来回传输(41和51之间或42和52之间)，从而提高了光能利用率、出瞳密度和亮度均匀性。

在本实施例中，耦出光栅3为二维光栅。具体地，当耦出光栅3可以为由分别设置于波导片1两侧的两个一维光栅构成或者由设于波导片1一侧的两个一维光栅叠加构成。在其他实施例中，耦出光栅3也可以为一维光栅，在此不做具体限定。

在本实施例中，耦入区域2仅包括耦入光栅21。在其他实施例中，耦入区域还可以包括耦入光栅21和转折光栅22。

在本实施例中，耦出光栅3为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅，并槽深为50～200nm。

实施例6

图9为图8所示的波导组件一部分的侧视图。

在本实施例中，如图9所示，耦出光栅3为二维光栅，且为由两个分别设于波导片1两个表面上的一维光栅(31、32)构成。

光线经耦入区域2耦入波导片1内，未被二维耦出光栅3(31、32)耦出的光线，被第一次反射光栅4(或41)反射后，再经二维耦出光栅3(31、32)耦出。

图10为图8所示的波导组件的一光栅矢量图。

耦入区域2具有光栅矢量G0，一维耦出光栅31具有光栅矢量G1，一维耦出光栅32具有光栅矢量G2，第一次反射光栅4(42)具有光栅矢量G3，由于槽线平行及周期和衍射级次设置，从而使得G0+G1+G2+G3＝0，从而使得未被耦出光线经过第一次反射光栅4(42)反射后，由二维耦出光栅3(31、32)耦出，提高了光能利用率、增加了出瞳密度以及增加了亮度均匀性。

图11为图8所示的波导组件的一光栅矢量图。

如图11所示，耦入区域2具有光栅矢量G0，一维耦出光栅31具有光栅矢量G1，一维耦出光栅32具有光栅矢量G2，第一次反射光栅4(42)具有光栅矢量G3，第二次反射光栅5(52)具有光栅矢量G4，由于槽线平行及周期和衍射级次设置，从而使得G0+G1+G2+G3+G4＝0，从而使得经过第一次反射光栅4(42)反射后仍未耦出的光线传输至二次反射光栅5(52)处，由第二次反射光栅5(52)反射回耦出光栅3(31、32)耦出，提高了光能利用率、增加了出瞳密度以及增加了亮度均匀性。

图12为图8所示的波导组件的一光栅矢量图。

如图12所示，耦入区域2具有光栅矢量G0，一维耦出光栅31具有光栅矢量G1，第一次反射光栅4(41)具有光栅矢量G2，一维耦出光栅32具有光栅矢量G3，由于槽线平行及周期和衍射级次设置，从而使得G0+G1+G2+G3＝0，从而使得经过一维耦出光栅31衍射而未被一维耦出光栅32耦出的光，被第一次反射光栅4(41)反射后再被耦出光栅31耦出，提高了光能利用率、增加了出瞳密度以及增加了亮度均匀性。

图13为图8所示的波导组件的一光栅矢量图。

如图13所示，耦入区域2具有光栅矢量G0，一维耦出光栅32具有光栅矢量G1，第二次反射光栅5(51)具有光栅矢量G2，一维耦出光栅32具有光栅矢量G3，由于槽线平行及周期和衍射级次设置，从而使得G0+G1+G2+G3＝0，从而使得经过一维耦出光栅32衍射而未被一维耦出光栅31耦出的光，被第二次反射光栅5(51)反射后再被耦出光栅32耦出，提高了光能利用率、增加了出瞳密度以及增加了亮度均匀性。

进一步地，耦出光栅3的两个一维光栅之间的夹角为50-70度。

在本实施例中，耦出光栅3为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅，并槽深为50～200nm。

在其他实施例中，耦出光栅3为由设在波导片1同一表面的两个一维光栅叠加构成。

在本实施例中，波导片1的厚度为0.3～2.5mm，波导片1的材料为对可见光透明的光学材料，波导片1的折射率为1.4～2.2。

实施例7

图14为本申请一实施例提供的近眼显示设备的结构示意图。

如图14所示，本申请一实施例还提供一种近眼显示设备，包括投影光机6和波导组件，波导组件为上述任一实施例所描述的波导组件。在本实施例中，波导组件，包括：

波导片1；

耦入区域2，设于波导片1的一表面上，耦入区域2用于将光线耦入到波导片1内并使光线在波导片1内扩散传输；

耦出光栅3，设于波导片1的一表面上，耦出光栅3用于将从耦入区域2耦入的光线耦出波导片1；和

第一次反射光栅4，与耦出光栅3设于波导片1的同一表面上并位于耦出光栅3沿光线传输方向上的末端，第一次反射光栅4与耦出光栅3的槽线平行，第一次反射光栅4与耦出光栅3的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或第一次反射光栅4为耦出光栅3周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，第一次反射光栅4用于将经过耦出光栅3而未耦出的光线反射回耦出光栅3再耦出。

本实施例提供的波导组件的工作原理过程如下：

投影光机6发出的光线由耦入区域2耦入到波导片1内，并在波导片1内扩散传输至耦出光栅3。耦出光栅3将光线A耦出到波导片1外，被人眼观察到，从而形成可视区域。而未被耦出的光线B会继续传播至第一次反射光栅4处，第一次反射光栅4将光线B反射回耦出光栅3，再由耦出光栅3耦出，即为光线C，光线C与光线A保持平行。

本申请提供的近眼显示设备包括投影光机6和波导组件，而波导组件在波导片1的一侧表面上设置了第一次反射光栅4，并使第一次反射光栅4与耦出光栅3的槽线平行，第一次反射光栅4与耦出光栅3的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或第一次反射光栅4为耦出光栅3周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，从而使得经过耦出光栅3而未耦出的光线被第一次反射光栅4返回耦出光栅3，从而进行耦出，从而提高了波导组件整体的光能利用率、增加了波导组件整体的出瞳密度。且由于经第一次反射光栅4返回再耦出的光线对原已耦出的光线进行了补充，从而提高了波导片1整体可视区域内耦出的光线的亮度均匀性。而且，根据本发明的光学设计，只需要在波导片1的一侧表面上设置第一次反射光栅4，制作工艺简单，便于生产制造。而且本实施例提供的波导组件，第一次未被耦出光栅3耦出的光线只用经过一个第一次反射光栅4就可以返回耦出光栅3处，光能利用率更高。

实施例8

图15为本申请一实施例提供的近眼显示设备的结构示意图。

在本实施例中，波导组件还包括第二次反射光栅5，第二次反射光栅5与第一次反射光栅4设于波导片1的同一表面上。

第二次反射光栅5与第一次反射光栅4相对设置并分别位于耦出光栅3的两侧。

第二次反射光栅5的槽线与耦出光栅3的槽线平行，第二次反射光栅5的周期与耦出光栅3的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或第二次反射光栅5的周期为耦出光栅3周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大。

经第一次反射光栅4反射后未耦出的光线传输至第二次反射光栅5处，由第二次反射光栅5反射回耦出光栅3再耦出。

本实施例提供的波导组件的工作原理过程如下：

投影光机6发出的光线由耦入区域2耦入到波导片1内，并在波导片1内扩散传输至耦出光栅3。耦出光栅3将光线A耦出到波导片1外，从而形成可视区域。而未被耦出的光线B会继续传播至第一次反射光栅4处，第一次反射光栅4将光线B反射回耦出光栅3，再由耦出光栅3耦出，即为光线C，光线C与光线A保持平行。仍有部分光线D未被耦出继续传输至第二次反射光栅5，由第二次反射光栅5反射回耦出光栅3，耦出光栅3再将光线E耦出。

本实施例提供的近眼显示设备通过在波导组件中的波导片1上设置了第二次反射光栅5，且第二次反射光栅5与第一次反射光栅4位于波导片1的同一侧，且第二次反射光栅5的槽线与耦出光栅3的槽线平行，第二次反射光栅5的周期与耦出光栅3的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或第二次反射光栅5的周期为耦出光栅3周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，从而使得经耦出光栅3未耦出的光线被第一反射光栅41反射回耦出光栅3后，仍未耦出的光线再经由第二次反射光栅5反射回耦出光栅3耦出，从而进一步提高了光能利用率、增加了出瞳密度、提高了亮度均匀性。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”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；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (20)

1.一种波导组件，其特征在于，包括：

波导片(1)；

耦入区域(2)，设于所述波导片(1)的一表面上，所述耦入区域(2)用于将光线耦入到所述波导片(1)内并使所述光线在所述波导片(1)内扩散传输；

耦出光栅(3)，设于所述波导片(1)的一表面上，所述耦出光栅(3)用于将从所述耦入区域(2)耦入的光线耦出所述波导片(1)；和

第一次反射光栅(4)，与所述耦出光栅(3)设于所述波导片(1)的同一表面上并位于所述耦出光栅(3)沿光线传输方向上的末端，所述第一次反射光栅(4)与所述耦出光栅(3)的槽线平行，所述第一次反射光栅(4)与所述耦出光栅(3)的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或所述第一次反射光栅(4)为所述耦出光栅(3)周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大，所述第一次反射光栅(4)用于将经过所述耦出光栅(3)而未耦出的光线反射回所述耦出光栅(3)再耦出。

2.根据权利要求1所述的波导组件，其特征在于，所述第一次反射光栅(4)包括相分离设置的第一反射光栅(41)和第二反射光栅(42)。

3.根据权利要求1或2所述的波导组件，其特征在于，所述第一次反射光栅(4)为正弦光栅、矩形光栅、闪耀光栅或向所述耦出光栅(3)的方向倾斜的倾斜光栅。

4.根据权利要求1所述的波导组件，其特征在于，还包括第二次反射光栅(5)，所述第二次反射光栅(5)与所述第一次反射光栅(4)设于所述波导片(1)的同一表面上；

所述第二次反射光栅(5)与所述第一次反射光栅(4)相对设置并分别位于所述耦出光栅(3)的两侧；

所述第二次反射光栅(5)的槽线与所述耦出光栅(3)的槽线平行，所述第二次反射光栅(5)的周期与所述耦出光栅(3)的周期相同且衍射级次中二阶衍射光的衍射效率被设置为最大，或所述第二次反射光栅(5)的周期为所述耦出光栅(3)周期的一半且衍射级次中一阶衍射光的衍射效率被设置为最大；

经所述第一次反射光栅(4)反射后未耦出的光线传输至所述第二次反射光栅(5)处，由所述第二次反射光栅(5)反射回所述耦出光栅(3)。

5.根据权利要求4所述的波导组件，其特征在于，所述第一次反射光栅(4)包括相分离设置的第一反射光栅(41)和第二反射光栅(42)，所述第二次反射光栅(5)包括相分离设置的第三反射光栅(51)和第四反射光栅(52)，所述第一反射光栅(41)和所述第三反射光栅(51)相对设置，所述第二反射光栅(42)和所述第四反射光栅(52)相对设置。

6.根据权利要求4或5所述的波导组件，其特征在于，所述第二次反射光栅(5)为正弦光栅、矩形光栅、闪耀光栅或向所述耦出光栅(3)的方向倾斜的倾斜光栅。

7.根据权利要求1-5中任一所述的波导组件，其特征在于，所述耦出光栅(3)为一维光栅。

8.根据权利要求1-5中任一所述的波导组件，其特征在于，所述耦出光栅(3)由两个分别设于所述波导片(1)两个表面上的一维光栅构成或由设在所述波导片(1)同一表面的两个一维光栅叠加构成。

9.根据权利要求8所述的波导组件，其特征在于，所述耦出光栅(3)的两个一维光栅之间的夹角为50-70度。

10.根据权利要求1-5中任一所述的波导组件，其特征在于，所述耦出光栅(3)为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅，并槽深为50～200nm。

11.根据权利要求1或2所述的波导组件，其特征在于，所述第一次反射光栅(4)与所述耦出光栅(3)相接壤。

12.根据权利要求1所述的波导组件，其特征在于，所述第一次反射光栅(4)的宽度大于3mm。

13.根据权利要求4或5所述的波导组件，其特征在于，所述耦出光栅(3)为矩形光栅，所述第一次反射光栅(4)和/或所述第二次反射光栅(5)为倾斜光栅或闪耀光栅。

14.根据权利要求1-5中任一所述的波导组件，其特征在于，所述耦入区域(2)包括耦入光栅(21)，所述耦入光栅(21)用于将光线耦入到所述波导片(1)内。

15.根据权利要求14所述的波导组件，其特征在于，所述耦入光栅(21)为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅中，并周期为300～600nm、槽深为40～500nm。

16.根据权利要求14所述的波导组件，其特征在于，所述耦入区域(2)还包括转折光栅(22)，所述转折光栅(22)用于使从所述耦入光栅(21)耦入的光线在所述波导片(1)内扩散传输。

17.根据权利要求16所述的波导组件，其特征在于，所述转折光栅(22)为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、正弦光栅或全息光栅中，并周期为300～600nm、槽深为40～500nm。

18.根据权利要求14或16所述的波导组件，其特征在于，所述耦入区域(2)与所述耦出光栅(3)位于所述波导片(1)的同一表面上或分别位于所述波导片(1)相背的两个表面上。

19.根据权利要求1-5中任一所述的波导组件，其特征在于，所述波导片(1)的厚度为0.3～2.5mm，所述波导片(1)的材料为对可见光透明的光学材料，所述波导片(1)的折射率为1.4～2.2。

20.一种近眼显示设备，其特征在于，包括投影光机(6)和波导组件，所述波导组件为权利要求1-19中任一项所述的波导组件。

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