CN114859555B - 光栅、用于近眼显示的光波导及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光栅、用于近眼显示的光波导及近眼显示设备。该光栅包括衬底及形成于所述衬底的多个光栅单元，所述多个光栅单元凸出于所述衬底，至少一个光栅单元在所述衬底上正投影形成的图形包括一个或多个封闭图形，所述一个或多个封闭图形中的至少一个在两垂直方向上至多有一个对称轴。用于近眼显示的光波导包括光栅，近眼显示设备包括光波导。该封闭图形为二维图形，则该封闭图形至少在一个方向非对称，通过非对称设计，打破了传统直光栅对于分光效果的对称性，从而实现将均分的两个对称级次的能量更多的集中到某一级次上，由此提高衍射效率和能量利用率。

Description

光栅、用于近眼显示的光波导及近眼显示设备

技术领域

本申请涉及光学显示技术领域，具体而言，涉及一种光栅、用于近眼显示的光波导及近眼显示设备。

背景技术

随着微纳加工技术和移动便携需求的不断发展，近眼显示设备作为有望取代手机的下一代移动终端产品，正在迅速的发展。近眼显示设备目前主要应用于虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)领域产品上，可以为用户提供纯虚拟(VR)或者虚拟与现实相结合(AR)的显示信息，改变了人们信息交互的方式，带来一场多维度信息融合的技术革新。因其独特的信息交互方式，近眼显示设备在安防、教育、维修、医疗、娱乐、武器装备等方面展现出了巨大的发展潜力。为了获得更好的用户体验，要求近眼显示设备需要具备良好的画面显示效果，均匀性的视场分布，一定的显示亮度、大的视场角和眼动范围。为了适应更长时间的佩戴需要设备具备低的功耗、轻薄的质量，并且价格低廉也是消费者一项重要的考虑。

在目前众多的近眼显示实现方案中，表面浮雕光栅(Surface Relief Grating,SRG)方案具备设计结构轻薄、设计自由度高、与纳米压印相结合成本较低等优势，成为普通眼镜形态走向消费级视场AR器件的不二之选。在SRG方案中，耦入光栅负责耦入光机部分传递过来的图像信息，其涉及到衍射效率的问题，高的衍射效率不仅能够给耦出光栅提供足够的显示亮度，并且可以在保证耦出显示亮度的基础上，降低光机的能耗；耦出光栅负责将波导传递来的图形信息耦出到人眼中，其更多的是如何实现扩瞳和显示效果均匀。目前的SRG方案，一般以一个一维耦入光栅和一个二维耦出光栅或者一个一维耦入光栅、一个一维转折光栅和一个一维耦出光栅组成。以耦入光栅为例，目前所用耦入光栅主要有传统的矩形直光栅、闪耀光栅、倾斜光栅，和近几年随着超表面发展应用而生的微结构四种，但均存在一定的问题。

发明内容

本申请提供一种光栅、用于近眼显示的光波导及近眼显示设备，可以提高光的衍射效率。

本申请提供一种光栅，包括：

衬底；及

形成于所述衬底的多个光栅单元，所述多个光栅单元凸出于所述衬底，至少一个光栅单元在所述衬底上正投影形成的图形包括一个或多个封闭图形，所述一个或多个封闭图形中的至少一个在两垂直方向上至多有一个对称轴。

可选的，所述至少一个光栅单元沿垂直于所述衬底的方向凸出于所述衬底。

可选的，所述多个光栅单元组成一个或多个光栅单元组，所述光栅单元组包含一个或多个所述光栅单元。

可选的，所述多个光栅单元组成至少一个光栅单元组，所述光栅单元组中的多个光栅单元沿第一方向排列。

可选的，所述第一方向为第一直线方向，所述光栅单元组中的多个光栅单元沿第一直线方向排列，所述封闭图形的至少两个部位在所述第一直线方向上的宽度不相等。

可选的，所述封闭图形在第二直线方向上的至少一端的宽度小于所述封闭图形在所述第二直线方向上的中部的宽度；和/或

所述封闭图形在第二直线方向上的一端的宽度小于另一端的宽度；

其中，所述第二直线方向与所述第一直线方向相交。

可选的，所述多个光栅单元组成至少一个光栅单元组，所述第一方向为曲线方向，所述光栅单元组中的多个光栅单元沿所述曲线方向排列。

可选的，所述封闭图形的一侧内凹。

可选的，所述图形包括多个封闭图形；和/或

所述封闭图形包括直线段和曲线段中至少其中之一。

可选的，所述多个光栅单元组成至少一个光栅单元组，所述多个光栅单元组成至少一个光栅单元组，所述光栅单元组中的多个光栅单元沿第一直线方向排列，所述封闭图形具有与第二直线方向平行的对称轴；和/或

所述图形具有与第二直线方向平行的对称轴；

其中，所述两垂直方向为所述第一直线方向和第二直线方向。

可选的，所述封闭图形为三角形、长方形、正方形、平行四边形、半圆形、扇形、椭圆形、不规则形中的一者或多者的拼接图形。

可选的，沿垂直于所述衬底的方向，至少两个所述光栅单元的高度不相等。

可选的，至少一个所述光栅单元的顶面为平面或曲面。

可选的，所述衬底形成有所述光栅单元的表面为同一高度的表面。

可选的，所述多个光栅单元的顶面平齐。

可选的，所述衬底包括厚度不等的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域均形成有所述光栅单元。

可选的，所述衬底形成有多个所述光栅单元的表面为曲面或平面。

可选的，至少一个所述光栅单元包括多个子光栅单元，所述多个子光栅单元彼此分离，所述多个子光栅单元在所述衬底上正投影形成多个所述封闭图形。

可选的，各所述封闭图形均不相同；或

至少两个所述封闭图形相同，且呈对称或镜像关系排列。

可选的，所述多个光栅单元分组设置，同一组中的各所述光栅单元相同或不同；或

所述多个光栅单元分组设置，同一组中的多个光栅单元部分相同且部分不同，相同的两个所述光栅单元通过一个或多个不同的光栅单元隔开；或

所述多个光栅单元组成多个光栅单元组，各所述光栅单元组中的所述光栅单元相同或不同；或

所述多个光栅单元组成多个光栅单元组，一部分光栅单元组中的所述光栅单元相同，一部分光栅单元组中的所述光栅单元不同，相同的两个光栅单元组通过一个或多个不同的光栅单元组隔开。

本申请还提供一种用于近眼显示的光波导，包括：

波导基底；及

至少一个耦入光栅和至少一个耦出光栅，所述耦入光栅与所述耦出光栅均设于所述波导基底，所述耦入光栅用于将光束耦入所述波导基底，所述耦出光栅用于将光束耦出所述波导基底，所述耦入光栅与所述耦出光栅中的至少一者采用上述任一项所述的光栅。

可选的，所述耦入光栅与所述耦出光栅设于所述波导基底的同一表面或不同表面。

可选的，所述波导基底的外表面包括平面和曲面至少其中之一。

可选的，所述光波导还包括转折光栅，所述转折光栅设于所述波导基底，用于将所述耦入光栅射入的光束折射给所述耦出光栅。

本申请还提供一种近眼显示设备，包括上述任一项所述的光波导。

本申请提供的技术方案至少可以达到以下有益效果：

本申请提供了一种光栅、用于近眼显示的光波导及近眼显示设备。其中，该封闭图形为二维图形，则该封闭图形至少在一个方向非对称，通过非对称设计，打破了传统直光栅对于分光效果的对称性，从而实现将均分的两个对称级次的能量更多的集中到某一级次上，由此提高衍射效率和能量利用率。

附图说明

图1是一种矩形直光栅三维结构示意图；

图2是一种闪耀光栅三维结构示意图；

图3是一种倾斜光栅三维结构示意图；

图4是一种二元闪耀光栅三维结构示意图；

图5是用于显示近眼显示的光波导的一个设计形态；

图6是光栅局部放大图的三维视图；

图7是光栅局部放大图的俯视图；

图8是光栅单元的俯视图；

图9是光栅单元的侧视图；

图10是光栅单元的一些实施例的俯视图；

图11是用于近眼显示的光波导的又一设计形态；

图12是光栅局部放大图的俯视图；

图13是光栅单元俯视图；

图14和图15是实施例1中对称位置的两个级次能量分配的衍射效率分布；

图16是近眼显示光波导的又一种设计形态；

图17是光栅局部放大图的俯视图；

图18是光栅单元的俯视图；

图19是图1所示矩形直光栅对称级次中某个级次的衍射效率分布；

图20是实施例2中平面超构光栅与矩形直光栅同一级次的衍射效率分布；

图21是近眼显示的光波导的又一种设计形态；

图22是光栅局部放大图的俯视图；

图23是近眼显示的光波导的一种设计形态；

图24是光栅局部放大图的俯视图；

图25是本申请一示例性实施例示出的近眼显示设备的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个，若仅指代“一个”时会再单独说明。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”、“顶部”、“底部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

请参考图1，图1为一种矩形直光栅三维结构示意图。

矩形直光栅101为侧面为矩形且上下截面一致的光栅结构，其制备工艺简单成熟。但因为其光栅结构在高度方向对称，其左右两边级次的衍射效果是对称的，除了正透射的能量外，基于对称的分光效果，其他级次的效率不会高于50％，即使采用镀膜的方案将其能量提升，也很难达到较高的衍射效率。

请参考图2，图2为一种闪耀光栅三维结构示意图。

闪耀光栅102为侧面为三角形且上窄下宽的光栅结构，该光栅结构可以将能量集中到某一个级次上，衍射效果优良，在一定膜层的配合下，其衍射效果可以达到70％以上甚至更高。但在亚波长尺寸下，其高度方向的斜面加工难度较大，目前可实现的技术方案都很难达到理想的闪耀光栅效果，且工艺稳定性较差，成品率低，大大降低此类光栅的可使用性。

请参考图3，图3为一种倾斜光栅三维结构示意图。

倾斜光栅103为侧面平行四边形的光栅结构，其对于能量的集中效果较闪耀光栅略低，在不镀膜的情况下，依然可以实现远高于矩形直光栅的衍射效果。但其也存在加工斜面，必须采用倾斜刻蚀的方案实现，光栅底部的平整度等都是一些加工难点。此外，过大的倾斜角度会给纳米压印造成较大的困难，且容易出现光栅结构的坍塌，因此限制了此类光栅的使用。

请参考图4，图4为一种二元闪耀光栅三维结构示意图。

二元闪耀光栅104是通过在周期内不同尺寸圆柱或者矩形的排布对光栅衍射效果进行调制，实现某一个级次能量较高，此类光栅需要在同一个周期内，布置不同尺寸大小的结构，在可见光范围内的亚波长尺度下，周期范围限制了结构的数量和大小，过小的尺寸结构因深宽比过大或者光刻和刻蚀精度的影响存在母版难以加工的问题，此外，深宽比过大的窄小结构对于纳米压印也十分不友好。

除以上描述的光栅外，超表面是采用亚波长光学结构设计的另一类衍射光学器件，基于其对入射光波前和相位的调制能力，可以实现大视场角、高衍射效率的光场调制。但是由于超表面的设计原理复杂且设计自由度多，因此其设计难度较高且所需计算资源极大。此外，由于绝大多数超表面的微纳结构仅可采用金属、高折射率介质等材料实现，因此难以采用纳米压印技术制备，这导致了超表面器件的量产化可行性在现阶段极低。综上，较高的设计资源需求和难以批量生产的特点严重限制超表面器件的产业化应用。

本申请提供一种光栅，能够在制备工艺简单、成品率高的基础上，实现光栅的高效率衍射性能，进而提供了一种性能优良、制备简易的用于近眼显示的光波导及近眼显示设备。

请参考图5，图5是本申请提供的用于近眼显示的光波导的一种设计形态。

该设计形态包括投影光机201、光波导22、人眼205。光波导22包括波导基底203和设于波导基底203的耦入光栅202和耦出光栅204，耦入光栅202和耦出光栅204设于波导基底203的表面上，所述耦入光栅202用于将光束耦入所述波导基底203，所述耦出光栅204用于将光束耦出所述波导基底203。具体的，投影光机201发出带有图形信息的光经过耦入光栅202耦入到波导基底203内，并在波导基底203内沿图中箭头方向传递到耦出光栅204，并有耦出光栅204耦出至人眼205。其中，投影光机201和人眼205可以位于波导基底203的同侧或异侧。耦入光栅202和耦出光栅204可以位于波导基底203的同一表面或不同表面，投影光机201和耦出光栅204可以位于波导基底203的同侧或异侧，耦出光栅204和人眼205可以位于波导基底203的同侧或异侧。

在一个实施例中，波导基底203的表面可以是平面、曲面或者由平面和曲面组合而成，材料不限于玻璃、树脂或者玻璃和树脂组合材料。耦入光栅202和耦出光栅204的材质不限于有机物、无机物和金属。作为一种可选择的实施例，耦入光栅202和耦出光栅204的材质可以均采用树脂。

特别的，在AR显示应用场景，波导基底203的材料设置为能够被可见光穿透。特别的，用于AR显示时，投影光机201发出的虚拟图形和现实图形叠加，能够实现增强现实功能。

在一个实施例中，所述光波导22还包括转折光栅(未示出)，所述转折光栅用于将所述耦入光栅202射入的光束折射给所述耦出光栅204，以改变光的传递方向。转折光栅的数量不限，可以是一个或多个。

本申请还提供一种光栅2，该光栅2可以用作光波导22中的耦入光栅202和/或者耦出光栅204，能够在制备工艺简单、成品率高的基础上，实现高效率衍射性能。该光栅2外形可以设置为鱼鳍状，该光栅2可以被称为鳍形光栅。

以下对该光栅的结构进行详细说明。

请参考图6和图7，图6为一示例性实施例示出的光栅2的局部放大图的三维视图。图7为一示例性实施例示出的光栅2的局部放大图的俯视图。

该光栅2包括衬底20和形成于所述衬底20的多个光栅单元206，所述多个光栅单元206从衬底20的同一侧凸出于所述衬底20，每个光栅单元206形成于一个周期内，例如沿x方向的P周期和沿y方向的q周期。其中，至少一个光栅单元206’在所述衬底20上正投影形成的图形包括一个或多个封闭图形A，且所述一个或多个封闭图形A在两垂直方向至多有一个对称轴。这里所说的“正投影”指的是沿垂直于衬底方向的投影。该封闭图形A为投影于衬底20的图像，其中，封闭图形A为二维图形，且该封闭图形A至少在两相互垂直方向的其中一个方向非对称。如此，通过非对称设计，打破了传统直光栅对于分光效果的对称性，从而实现将均分的两个对称级次的能量更多的集中到某一级次上，由此提高能量利用率和衍射效率。

在一个实施例中，所述至少一个光栅单元206’沿垂直于所述衬底20的方向凸出于所述衬底20。也就是说，所述至少一个光栅单元206’是沿垂直于衬底20的方向延伸的，这避免了光栅单元206’相对于衬底20形成倾角，进而避免了采用倾斜刻蚀的方式，降低了光栅单元206’的制备工艺难度，且可以防止光栅单元206’出现坍塌。

在图6和图7所示的实施例中，所述多个光栅单元206均沿垂直于衬底20的方向延伸且凸出于衬底20，且多个光栅单元206在所述衬底20上正投影形成的图形与光栅单元206’在所述衬底20上正投影形成的图形相同。

在一个实施例中，所述多个光栅单元206可以组成一个或多个光栅单元组207，其中，光栅单元组207中可以包含一个或多个光栅单元206。需指出，当仅设置有一个光栅单元组207时，该光栅单元组207包含多个光栅单元206。

在一个实施例中，在包含多个光栅单元206的光栅单元组207中，多个光栅单元206可以沿第一方向排列，第一方向可以是直线方向或曲线方向。

在一个实施例中，第一方向为第一直线方向，所述多个光栅单元206组成至少一个光栅单元组207，所述光栅单元组207中的多个光栅单元206沿第一直线方向排列，所述封闭图形A具有一个对称轴208，该对称轴208的延伸方向与第二直线方向平行，所述第二直线方向与所述第一直线方向相交。也就是说，光栅单元组207内的多个光栅单元206的排列方向为第一直线方向，对称轴208的延伸方向为第二直线方向，如此可以在对称轴208方向的这个级次上集中更多的能量。

在另一实施例中，第一方向为曲线方向，所述多个光栅单元206组成至少一个光栅单元组207，所述光栅单元组207中的多个光栅单元206沿所述曲线方向排列。

在一个实施例中，至少一个光栅单元组207中的多个光栅单元206沿第一直线方向(平行于图6中的y轴)排列，且所述封闭图形A的至少两个部位在所述第一直线方向上的宽度不相等。如此，封闭图形A没有沿第一直线方向的对称轴，如此可以使得该封闭图形A沿第一直线方向非对称，分光效果的对称性被打破，使能量可以更多的集中到某一级次上，提高能量利用率和衍射效率。

在图6和图7所示的实施例中，每个光栅单元组207包含多个光栅单元206，每个光栅单元组207中的多个光栅单元206沿第一直线方向排列，相互平行，如此多个光栅单元206按矩形阵列规则排列，每个所述封闭图形A的至少两个部位在所述第一直线方向上的宽度不相等。

本申请对光栅单元组207中的各光栅单元206的具体结构和数量不做限定。

在一个实施例中，光栅单元组207中的各光栅单元206可以相同或不同。图6和图7为光栅单元组207中的各光栅单元206相同的示意图，在其他一些是实施例中，光栅单元组207中的各光栅单元206可以不同，如图24所示。

在一个实施例中，所述多个光栅单元206分组设置，同一组中的多个光栅单元206部分相同且部分不同，且相同的两个所述光栅单元206通过一个或多个不同的光栅单元206隔开。如图24所示，同一个光栅单元组207中，排在奇数位的各光栅单元206相同，且与排在偶数位的光栅单元206不同，相同的光栅单元206之间设有一个不同的光栅单元206。

在一个实施例中，所述多个光栅单元206组成多个光栅单元组207，各所述光栅单元组207中的光栅单元206相同或不同。如图7所示，各所述光栅单元组207中的光栅单元206相同。如图22所示，各所述光栅单元组207中的光栅单元206不同。

在一个实施例中，如图22所示，所述多个光栅单元206组成多个光栅单元组207，一部分光栅单元组207中的光栅单元206相同，一部分光栅单元组207中的光栅单元206不同，相同的两个光栅单元组207通过一个或多个不同的光栅单元组207隔开。

上述各实施例可以满足不同场景下光栅单元206和光栅单元组207的设计要求，满足多场景应用。需指出的是，这里所述的光栅单元组207和光栅单元206相同或不同，结合光栅单元206的形状和凸出于衬底20的高度两方面因素考虑。

继续参考图7，在一个实施例中，所述封闭图形A在第二直线方向(平行于图6中x方向)上的至少一端的宽度小于所述封闭图形A在所述第二直线方向上的中部的宽度。也就是说，非对称可以通过在x方向上的端部和中部的宽度尺寸设为不等来体现，这样，则能量可以更有效的集中在宽度较小的端部。在图6和图7所示的实施例中，所述第二直线方向与所述第一直线方向垂直，所述两垂直方向包括第一直线方向和第二直线方向，但不仅限于此，在其他一些实施例中，所述第二直线方向与所述第一直线方向以相对倾斜的方式相交。需指出，第一直线方向与第二直线方向位于xy平面内。

在一个实施例中，所述封闭图形A在第二直线方向上的一端的宽度小于另一端的宽度。如此，封闭图形A在x方向上一端宽度大，另一端宽度小，则在宽度较小的一端，能量得以集中。

请参考图8和图9，图8为一个光栅单元206的俯视图。图9为光栅的侧视图。

在一个实施例中，所述封闭图形A包括直线段和曲线段中至少其中之一。也就是说，封闭图形A的轮廓线包括单一的直线段或者单一的曲线段，又或者包括既包括直线段，又包括曲线段。如此，可以使得封闭图形A以及光栅单元206的外形更加多样化，满足光栅单元206的多场景应用。

在图8所示的实施例中，光栅单元206在衬底20上正投影形成的封闭图形A可以描述为由5个函数组成的闭合图形，图8中示出了4个二元函数，图9中示出了1个三元函数，在xy平面内的4个函数分别为f(x₁，y₁)～f(x₄，y₄)，上述4个二元函数可以为连续函数也可以为分段函数。

在图8所示的实施例中，封闭图形A具有一个对称轴208，对称轴208与x轴平行，其中，f(x₁，y₁)和f(x₃，y₃)关于对称轴208对称，f(x₂，y₂)关于对称轴208对称，f(x₄，y₄)关于对称轴208对称。

如图9所示，光栅单元206在z方向的高度由三元函数f(x₅，y₅，z₅)描述，该函数可以为连续函数也可以为分段函数。f(x₅，y₅，z₅)中的z₅在(x₅,y₅)组成的平面内部分相同，部分不同。也就是说，各光栅单元206在z方向可以平齐，也可以不平齐。

在一个实施例中，所述衬底20形成有所述光栅单元206的表面为同一高度的表面，如此可以方便刻蚀。

在图9所示的实施例中，所述衬底20包括厚度不等的第一区域B和第二区域C，所述第一区域B和所述第二区域C均形成有所述光栅单元206。也就是说，衬底20形成有光栅单元206的表面不再同一高度，第一区域B内的表面与所述第二区域C内的表面具有高度差。

在一个实施例中，所述多个光栅单元206的顶面可以平齐，如此方便刻蚀。在图9所示的实施例中，沿垂直于所述衬底20的方向，至少两个所述光栅单元206的高度不相等，即，至少两个所述光栅单元206的顶面不平齐。

在一个实施例中，所述衬底20形成有多个所述光栅单元206的表面为曲面或平面。在一个实施例中，至少一个所述光栅单元206的顶面为平面或曲面。

光栅单元206的不同部位可以被不同的材料填充，材料不限于有机物、无机物、金属。作为一种可选实施例，光栅单元206的凸起部分填充可以为光学树脂，凹陷部分填充为空气。

在一个实施例中，光栅单元206的表面和/或底部可以设置膜层，膜层层数不限，膜层材料不限于金属、化合物或者有机材料。可选的，膜层材料可以采用SiO₂、Ta₂O₅、Ag。光栅单元206的衍射效果可以为透射也可以为反射。

请参考图10，图10为光栅单元206的不同实施例的俯视图。

其中，图10示出了20个不同的光栅单元206的实施例的俯视图，此处为了方便描述，以标号211～230区分。

在一个实施例中，光栅单元206包括多个子光栅单元，所述多个子光栅单元彼此分离，所述多个子光栅单元在所述衬底20上正投影形成多个所述封闭图形。多个子光栅单元可以对光栅衍射效果进行调制，实现某一个级次能量较高，提高某一个级次的衍射效果。其中图形218、224、229包括多个封闭图形，多个封闭图形彼此分离。

在一个实施例中，如图形221、229、219、224、230所示，所述封闭图形的一侧内凹，如此使得内凹的部位在凹入方向能量得以集中。内凹的具体形状不限，可以是图形221所示的三角形，也可以是图形230所示的弧形。

在一个实施例中，所述封闭图形可为三角形、长方形、正方形、平行四边形、半圆形、扇形、椭圆形、不规则形中的一者或多者的拼接图形。图形211所示为长方形与三角形拼接而成，图形215所示为长方形与梯形拼接而成。图形222所示为两个三角形拼接而成，图形228所示为不规则形。

在一个实施例中，所述封闭图形为多个，如图形217、218所示。多个封闭图形代表一个周期内的光栅单元206包括多个子光栅单元，多个子光栅单元可以对光栅衍射效果进行调制，实现某一个级次能量较高，提高某一个级次的衍射效果。在一个可选择的实施例中，且各封闭图形不同。如图形229包括多个封闭图形。在另一个可选择的实施例中，至少两个所述封闭图形相同，且呈对称或镜像关系排列，如图形217，两封闭图形以平行于x轴的对称轴呈镜像或对称关系。

在一个实施例中，请参考图7，所述多个光栅单元206组成至少一个光栅单元组207，所述光栅单元组207中的多个光栅单元206沿第一直线方向排列，所述封闭图形A具有与第二直线方向平行的对称轴208，该对称轴208平行于x轴，第一直线方向与第二直线方向垂直，第一直线方向与第二直线方向为两垂直方向。如此设置，沿x轴方向为高衍射效率方向，且可以在x轴两侧满足等视场角的要求。

在一个实施例中，光栅单元206在衬底20上正投影形成的所述图形具有与第二直线方向平行的对称轴。在图10所示的实施例中，图形229、218具有与第二直线方向平行的对称轴。

以下通过四个不同的实施例进一步说明。

实施例1

请参考图11至图13，图11为近眼显示的光波导22的又一设计形态。图12是光栅局部放大图的俯视图。图13是光栅单元俯视图。

光波导22包括波导基底203和设置在波导基底203表面的类梯形结构光栅组成的耦入光栅202和由其他类型的亚波长衍射光栅结构组成耦出光栅204，所述耦入光栅202为由类梯形结构的光栅单元206组成，光栅单元206在x方向具备周期p，y方向具备周期q，z方向具备同一高度。其中，周期p和周期q范围在200nm～1000nm范围内，z方向高度在10nm～500nm范围内，耦入光栅202和耦出光栅204的材料为折射率在1.4～2.3之间的光学树脂，波导基底203折射率为1.4～2.3之间的光学玻璃、树脂或者其组合材料。

多个光栅单元组207在x周期方向按照周期p阵列而成，多个光栅单元组207由相同的光栅单元206组成。光栅单元206由5个函数组成，其中函数f(x₁，y₁)为分段函数，其包括：

其中，f(x₁，y₁)₁表示y₁值不变，y₁恒等于c₁，f(x₁，y₁)₁的函数曲线与x轴平行。f(x₁，y₁)₂表示x₁值不变，x₁恒等于c₂，f(x₁，y₁)₂的函数曲线与y轴平行。f(x₁，y₁)₃的函数曲线既不与x轴平行，也不与y轴平行。f(x₁，y₁)₄为0。

函数f(x₂，y₂)为关于对称轴208对称的分段函数，其包括：

函数f(x₃，y₃)为与f(x₁，y₁)关于对称轴208对称的分段函数，其包括：

函数f(x₄，y₄)为关于对称轴208对称的分段函数，其包括：

函数f(x₅，y₅，z₅)为关于对称轴208对称的分段函数，其包括：

上述曲线中，c₁～c₇均为常数。其中f(x₂，y₂)、f(x₃，y₃)、f(x₄，y₄)、f(x₅，y₅，z₅)参考f(x₁，y₁)₁的说明，此处不再赘述。其中，函数f(x₅，y₅，z₅)未在图11中示出。

所述耦入光栅202的整体外形为矩形，所述耦出光栅204的微结构可以为圆柱型也可以为由类梯形结构的基本单元206和其他类型的亚波长衍射光栅结构组成，微结构尺寸在亚波长水平，外形尺寸大致为矩形。耦入光栅202和耦出光栅204位于波导基底203的同侧，光线从z方向入射到耦入光栅202上，耦入光栅202将光线衍射朝向x方向传递，经过波导基底203传递到耦出光栅204，并经过耦出光栅204耦入到人眼205中。本申请提出的光栅具备良好的非对称分光效果，能够打破直光栅的左右对称的分光规律，将原本平均分配在两个级次上的能量大部分集中到某一个级次上。

请参考图14和图15，图14和图15是实施例1中对称位置的两个级次能量分配的衍射效率分布。对比图14和图15可知，能量大部分集中到了图15所示的级次上，图15级次上的衍射效率均值约为图14所示级次衍射效率均值的四倍。

实施例2

请参考图16至图18，图16是近眼显示光波导的又一种设计形态。图17是光栅局部放大图的俯视图。图18光栅单元的俯视图。

该实施例中，光波导22包括波导基底203和设置在波导基底203表面的平面超构光栅组成的耦入光栅202和由其他类型的亚波长衍射光栅结构组成耦出光栅204，所述耦入光栅202为由类梯形结构的基本单元206组成，基本单元206在x方向具备周期p，y方向具备周期q，z方向具备同一高度。其中周期p和周期q范围在200nm～1000nm范围内，z方向高度在10nm～500nm范围内，耦入光栅202和耦出光栅204的材料为折射率在1.4～2.3之间的光学树脂，波导基底203折射率为1.4～2.3之间的光学玻璃、树脂或者其组合材料。光栅结构区域由相同的单元组207在x周方向按照周期p阵列而成，光栅单元组207由相同的光栅单元206组成。光栅单元206由5个函数组成，其中函数f(x₁，y₁)为：

函数f(x₂，y₂)关于对称轴208对称：

f(x₂，y₂)，x₂＝c₉

函数f(x₃，y₃)为与f(x₁，y₁)关于对称轴208对称的函数：

函数f(x₄，y₄)为关于对称轴208对称的样条曲线函数：

f(x₄，y₄)

函数f(x₅，y₅，z₅)为关于对称轴208对称的分段函数，其包括：

上述曲线中，c₈～c₁₁均为常数。

所述耦入光栅202的整体外形为矩形。所述耦出光栅204的微结构可以为圆柱型也可以为由类梯形结构的基本单元206和其他类型的亚波长衍射光栅结构组成，微结构尺寸在亚波长水平，外形尺寸大致为矩形。耦入光栅202和耦出光栅204位于波导基底203的同侧，光线从z方向入射到耦入光栅202上，耦入光栅202将光学衍射朝向x方向传递，经过波导基底203传递到耦出光栅204，并经过耦出光栅204耦入到人眼205中。该光栅的亚波长光栅具备良好的非对称分光效果，能够打破直光栅的左右对称，将原本平均分配在两个级次上的能量大部分集中到某一个级次上。

请参考图19和图20，图19是图1所示矩形直光栅对称级次中某个级次的衍射效率分布。图20是实施例2中平面超构光栅与矩形直光栅同一级次的衍射效率分布。

对比图19和图20可知，图19为一种直光栅镀膜条件下的xy视场内的衍射效率分布，可以明显看到能量低于40％。图20为本申请光栅镀膜条件下的xy视场内的衍射效率分布，相比于图19，衍射效率得到了明显的大幅度提升。

实施例3

请参考图21和图22，图21是近眼显示光波导的又一种设计形态。图22是光栅局部放大图的俯视图。

该实施例中，光波导22包括波导基底203和设置在波导基底203表面的平面超构光栅组成的耦入光栅202和由其他类型的亚波长衍射光栅结构组成耦出光栅204，所述耦入光栅202为超构光栅结构的基本单元206组成，基本单元206在x方向具备周期p，y方向具备周期q，z方向具备同一高度。光栅结构区域由两组不同的光栅单元组207在x周方向按照周期p阵列而成，光栅单元组207每间隔一个周期p相同。每个光栅单元组207由相同的光栅单元206组成。

实施例4

请参考图23和图24，图23是近眼显示的光波导的又一种设计形态。图24是光栅局部放大图的俯视图。

该实施例中，光波导22包括波导基底203和设置在波导基底203表面的平面超构光栅组成的耦入光栅202和由其他类型的亚波长衍射光栅结构组成耦出光栅204，所述耦入光栅202为由类平面超构光栅结构的基本单元206组成，基本单元206在x方向具备周期p，y方向具备周期q，z方向具备同一高度。光栅结构区域由相同的光栅单元组207在x周方向按照周期p阵列而成。每个光栅单元组207由不同的光栅单元206在y方向间隔一个周期q组成。

请参考图25，图25为本申请一示例性实施例示出的近眼显示设备300的示意图。

本申请还提供一种近眼显示设备300，包括如上所述的光波导22。近眼显示设备300包括但不限于AR眼镜、VR眼镜。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (20)

1.一种光栅，其特征在于，包括：

衬底；及

形成于所述衬底的多个光栅单元，所述多个光栅单元凸出于所述衬底，至少一个光栅单元在所述衬底上正投影形成的图形包括一个或多个封闭图形，所述一个或多个封闭图形中的至少一个在两垂直方向上至多有一个对称轴；

沿垂直于所述对称轴的方向，至少两个所述光栅单元连续排列；

所述多个光栅单元组成至少一个光栅单元组，所述光栅单元组中的多个光栅单元沿第一方向排列；

所述第一方向为第一直线方向，所述光栅单元组中的多个光栅单元沿第一直线方向排列，所述封闭图形的至少两个部位在所述第一直线方向上的宽度不相等；

所述对称轴的延伸方向与第二直线方向平行，所述第二直线方向与所述第一直线方向相交；

所述封闭图形在第二直线方向上的一端的宽度小于另一端的宽度。

2.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述至少一个光栅单元沿垂直于所述衬底的方向凸出于所述衬底。

3.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述封闭图形在第二直线方向上的至少一端的宽度小于所述封闭图形在所述第二直线方向上的中部的宽度。

4.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述第一方向为曲线方向，所述光栅单元组中的多个光栅单元沿所述曲线方向排列。

5.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述图形包括多个封闭图形；和/或

所述封闭图形包括直线段和曲线段中至少其中之一；和/或

所述封闭图形的一侧内凹。

6.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述衬底上正投影形成的图形具有与第二直线方向平行的对称轴；

其中，所述两垂直方向为所述第一直线方向和第二直线方向。

7.根据权利要求1至6任一项所述的光栅，其特征在于，所述封闭图形为三角形、平行四边形、扇形、椭圆形、不规则形中的一者或多者的拼接图形。

8.根据权利要求7所述的光栅，其特征在于，所述平行四边形是长方形。

9.根据权利要求8所述的光栅，其特征在于，所述长方形是正方形。

10.根据权利要求7所述的光栅，其特征在于，所述扇形是半圆形。

11.根据权利要求1至6任一项所述的光栅，其特征在于，沿垂直于所述衬底的方向，至少两个所述光栅单元的高度不相等；

和/或

至少一个所述光栅单元的顶面为平面或曲面。

12.根据权利要求1至6任一项所述的光栅，其特征在于，所述衬底形成有所述光栅单元的表面为同一高度的表面；和/或

所述多个光栅单元的顶面平齐。

13.根据权利要求1至6任一项所述的光栅，其特征在于，所述衬底包括厚度不等的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域均形成有所述光栅单元；和/或

所述衬底形成有多个所述光栅单元的表面为曲面或平面。

14.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，至少一个所述光栅单元包括多个子光栅单元，所述多个子光栅单元彼此分离，所述多个子光栅单元在所述衬底上正投影形成多个所述封闭图形。

15.根据权利要求14所述的光栅，其特征在于，各所述封闭图形均不相同；或

至少两个所述封闭图形相同，且呈对称排列。

16.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述多个光栅单元分组设置，同一组中的各所述光栅单元相同或不同；或

所述多个光栅单元分组设置，同一组中的多个光栅单元部分相同且部分不同，相同的两个所述光栅单元通过一个或多个不同的光栅单元隔开；或

所述多个光栅单元组成多个光栅单元组，各所述光栅单元组中的所述光栅单元相同或不同；或

所述多个光栅单元组成多个光栅单元组，一部分光栅单元组中的所述光栅单元相同，一部分光栅单元组中的所述光栅单元不同，相同的两个光栅单元组通过一个或多个不同的光栅单元组隔开。

17.一种用于近眼显示的光波导，其特征在于，包括：

波导基底；及

至少一个耦入光栅和至少一个耦出光栅，所述耦入光栅与所述耦出光栅均设于所述波导基底，所述耦入光栅用于将光束耦入所述波导基底，所述耦出光栅用于将光束耦出所述波导基底，所述耦入光栅与所述耦出光栅中的至少一者采用如权利要求1至16任一项所述的光栅。

18.根据权利要求17所述的近眼显示的光波导，其特征在于，所述耦入光栅与所述耦出光栅设于所述波导基底的同一表面或不同表面；和/或

所述波导基底的外表面包括平面和曲面至少其中之一。

19.根据权利要求18所述的近眼显示的光波导，其特征在于，所述光波导还包括转折光栅，所述转折光栅设于所述波导基底，用于将所述耦入光栅射入的光束折射给所述耦出光栅。

20.一种近眼显示设备，其特征在于，包括如权利要求17至19任一项所述的光波导。