CN116381854A - 一种光波导、设计方法及近眼显示模组 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种光波导、设计方法及近眼显示模组，通过在波导的耦出区域中设置特定闭合曲线结构的光学结构，使得在光栅中传输并输出至人眼的光线能量分布更加均匀，有效改善亮度均匀性，从而提升光波导成像的效果。

Description

一种光波导、设计方法及近眼显示模组
技术领域
本申请涉及扫描显示技术领域，具体涉及一种光波导、设计方法及近眼显示模组。
背景技术
在一些增强现实(Augment Reality，AR)设备中，衍射式波导利用光栅的衍射实现光线的偏转及扩展。在一些采用了光栅(特别是二维光栅)的衍射式波导中，受到光栅结构的影响，在光栅中传输并输出至人眼的光线能量分布不均匀，表现为亮度均匀性不佳，从而严重影响用户的观看体验。
发明内容
基于上述内容，本申请提供一种光波导、设计方法及近眼显示模组，用以解决现有的光波导所存在亮度均匀性的问题。
基于本申请的一方面，本申请实施例提供一种光波导，所述光波导包括波导基体、至少一耦入区域以及至少一耦出区域；其中，所述耦出区域内设置有二维光栅；所述二维光栅包括在所述光波导平面上多个周期性排列的光学结构，所述光学结构为闭合曲线图形，所述光学结构在第一方向上包含两个分布于两端的顶点，在第二方向上具有顶点，且所述闭合曲线图形的斜率连续；
所述光学结构用作衍射光学元件，每一所述光学结构从设定的输入方向接收光线，且朝向所述光学结构排列的平面上设定的输出方向传输光线；部分或全部的所述光学结构朝向所述光学结构排列的平面以外的方向传输光线。
可选地，所述光学结构在第二方向上包含至少两个分布于两端的顶点。
可选地，至少两个在所述第二方向上分布于两端的顶点位于同一垂直于第一方向的连线上。
可选地，所述光学结构在第一方向的两个顶点处的切线与所述第一方向呈90度。
可选地，所述光学结构在第一方向上的最大距离，大于所述光学结构在第二方向上的最大距离。
基于本申请的另一方面，本申请实施例提供一种光波导设计方法，所述方法包括：
确定所述光波导中的二维光栅内光栅单元的周期尺寸；
根据所述光栅单元的周期尺寸，于一设定方向上在所述光栅单元内划分得到指定数量的控制点位；
基于各所述控制点位，采用预设的曲线拟合约束条件配合设定拟合方法进行曲线拟合，构建连续闭合曲线图形，将该连续闭合曲线图形作为所述二维光栅的光学结构。
可选地，所述设定拟合方法包括B样条、贝塞尔、多项式中的一种拟合方法。
可选地，所述曲线拟合约束条件包括：若基于第一方向划分得到的控制点位拟合曲线，则曲线的首尾控制点位处的切线角度均与第一方向呈90度；
若基于第二方向划分得到的控制点位拟合曲线，则曲线的首尾控制点位处的切线角度均与第二方向呈90度。
可选地，在划分得到指定数量的控制点位之后，所述方法还包括：确定与各控制点位对应的变量参数。
可选地，所述方法还包括：根据目标单次耦出效率，以包括所述变量参数的优化变量对所述曲线图形进行优化，得到并返回优化后的目标值；其中，采用模拟退火算法、遗传算法或最小二乘算法等优化算法中一种，对所述变量参数进行优化。
可选地，基于各所述控制点位，采用预设的曲线拟合约束条件配合设定拟合方法进行曲线拟合，得到连续闭合曲线图形，具体包括：
在方向轴一侧，基于各所述控制点位，根据设定拟合方法拟合生成曲线，且所述曲线首尾的切线角度与所述方向轴垂直，以使得首尾连接点切线角度连续；
以所述方向轴为旋转轴，翻转所述曲线，构建在方向轴另一侧的曲线，构成闭合曲线图形。
可选地，基于各所述控制点位，采用预设的曲线拟合约束条件配合设定拟合方法进行曲线拟合，得到连续闭合曲线图形，具体包括：
在方向轴两侧，分别基于各所述控制点位，根据设定拟合方法拟合生成曲线，且所述曲线首尾的切线角度与所述方向轴垂直。
本申请实施例提供一种近眼显示模组，包括图像投射装置及前述的光波导，所述图像投射装置用于产生图像光线并投射至所述光波导上对应的耦入区域，并经由所述光波导传输后通过耦出区域衍射输出。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请的技术方案而了解。本申请的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1a是本申请实施例提供的一种波导结构示意图；
图1b是图1a中耦出区域内的二维光栅的局部结构示意图；
图1c是图1b中二维光栅所包含的光学结构示意图；
图2a是本申请实施例提供的一种波导内光线衍射扩展传输的光路示意图；
图2b是光线基于图2a所示扩瞳位置耦出至人眼的示意图；
图3是本申请实施例提供的人眼在某一视场下接收到的光线所形成的光斑分布示意图；
图4是本申请实施例提供的另一种光学结构示意图；
图5a是本申请实施例提供的一种光栅单元结构示意图；
图5b是光栅矢量关系示意图；
图5c是光栅矢量对应的光栅局部结构示意图；
图5d是将图5c所示光栅局部结构叠加后得到的周期性排列的二维光栅结构示意图；
图5e是本申请实施例提供的光栅单元400中两个控制点位的示意图；
图5f是本申请实施例提供的基于控制点位构建光学结构的示意图；
图6是本申请实施例提供的采用模拟退火算法的优化过程流程图；
图7a是本申请实施例提供的数据例构建得到的光栅单元700的示意图；
图7b是基于图7a的光栅单元进行仿真模拟的光强分布示意图；
图8a及8b是本申请实施例提供的两种光栅单元结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请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相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
参考图1a，为本申请实施例提供的一种波导100，包括：波导基体101、耦入区域102及耦出区域103，在耦入区域102和耦出区域103内设置有光栅结构，所述的光栅结构可以采用压印、镀膜、刻蚀等工艺实现，这里不做限定。通常，耦入区域102中设置的光栅结构可称为：耦入光栅，具体光栅类型可为一维光栅或二维衍射光栅；耦出区域103中设置的光栅结构可称为：耦出光栅，具体光栅类型可为二维衍射光栅。在后续描述中，二维衍射光栅可以简称为二维光栅。
当然，图1a中所示出的耦入区域102、耦出区域103的轮廓形貌、相对位置是示例性的，在实际应用中，耦入区域102的可以不是图1a中所示的圆形轮廓，可以是圆角矩形、梯形等；相类似地，耦出区域103的轮廓形貌也可以是梯形、圆角矩形的。耦入区域102和耦出区域103的相对位置可以彼此上下分布，而不是当前图1a视角下的左右分布。图1a所示的耦入区域102和耦出区域103并不应理解为对本申请的限定。
在实际应用时，波导100通常用于向观察者的眼睛(左眼或右眼)输出图像光线，若要用作双目式AR眼镜，则需要至少两个波导100的结构，以分别对应于观察者的双眼；在另一些情况下，耦出区域103的横向(x轴方向)尺寸足够覆盖观察者的双眼，用作双目式AR眼镜时，则可仅需要一个波导100的结构即可。
图1a示出的是波导100以耦出光线的一侧朝向观察者眼睛的视角，该视角也是用户正常佩戴AR眼镜时用户眼睛所观看的视角，图中示出了xy坐标系(其中，平行于x轴的方向在本申请中也称为：第一方向；平行于y轴的方向在本申请中也称为：第二方向)，在本申请实施例中，垂直于xy平面的方向可认为是z轴正方向(z轴并未在图1中示出，平行于z轴的方向在本申请中也称为：第三方向)。后续的实施例中，除有特别说明之外，都将沿用此坐标体系以及视角，相应方向名称的描述也通篇适用。本领域技术人员应可以理解，实际使用过程中，人眼与波导之间的视角关系会存在一定的偏差，如佩戴导致的角度偏差等，因此，本申请方案中所描述的坐标体系及相应视角是理想情况下的，并允许实际应用中存在少量偏差。
参考图1b，为本申请实施例中设置于耦出区域103内的二维光栅，其中包括周期性排列的多个光学结构20(图1b中仅示出了一部分周期排列的光学结构20)，每个光学结构20的形状相同。通常，各个光学结构20位于同一平面中，在本申请的一些实施例中，部分光学结构20可能位于不同的平面上，比如：光栅中从左至右光学结构20向Z轴正方向的凸起程度逐渐增加，使得光学结构20位于不同的平面上。当然，这里并不应理解为对本申请的限制。
继续参考图1c，本示例中，以光学结构20的中心o为原点建立xoy坐标系，x、y坐标值的单位为nm。光学结构20为对称闭合的曲线结构(在本申请实施例的描述中，也使用曲线图形、曲线轮廓等描述，这几种描述具有类同的含义，并不应理解为对本申请的限定)，且包含多个顶点：在x轴(即，第一方向)上包含左顶点20a及右顶点20b；并且，光学结构20中还包含位于y轴正方向一侧的上顶点20c及上顶点20d，以及包含位于y轴负方向一侧的下顶点20e及下顶点20f。上顶点20c和上顶点20d之间具有一段向内(向光学结构20的中心)弯曲的曲线230；类似地，下顶点20e和下顶点20f之间也具有一段向内弯曲的曲线240。
在本示例中，上顶点20c和上顶点20d相对于y轴对称，下顶点20e和下顶点20f相对于y轴对称；上顶点20c和下顶点20e相较于x轴对称，上顶点20d和下顶点20f相较于x轴对称。
光学结构20的上述顶点位置，均是平滑的，并无尖点。
申请人发现，通常，进入波导耦入区域102的光线在耦入区域102和耦出区域103之间传播的光路如图2a所示，光线300从耦入区域102传输到耦出区域103并在耦出区域103中的耦出光栅的作用下发生衍射，从而扩展传输，产生朝不同方向传输的光线，包括：继续按照光线300的方向传输的光线301，向斜上方传输的一系列光线302，向斜下方传输的一系列光线303，以及，向人眼方向耦出的光线(并未在图2a中示出)。
光线从耦出光栅向外出射的位置也可称为扩瞳位置(如图2a所示的三个圆形阴影位置a、b及c)，在耦出光栅内传输的光线将从一系列扩瞳位置向人眼方向耦出，形成不同视场角度的光线。参考图2b，对于人眼而言，将在同一时间接收到从波导耦出区域出射的多个耦出光线所形成的光斑。由于存在一定的出瞳距离，耦出光线入射至人眼后所形成的光斑之间存在一定程度的叠加。耦出区域103的横向中间区域分布有一系列扩瞳位置(包含扩瞳位置a在内的一系列横向分布但未在图中示出的扩瞳位置)，该横向中间区域主要由横向扩展的光线(如：光线301)向外耦出，形成相应的耦出光线(如：光线301a)，这里将其耦出效率记为η1。耦出区域103除中间区域以外的上下区域(包含扩瞳位置b、c在内的一系列扩瞳位置)主要由基于横向扩展的光线衍射所产生的侧向光线(如：光线302、303)向外耦出，形成相应的耦出光线(如光线302b、303c)，此种光线实际的耦出效率还与衍射效率有关：这里将侧向光线的衍射效率记为η2，将耦出效率记为η3，那么，相对于横向扩展光线，侧向光线所形成的耦出光线实际的耦出效率可表征为η2*η3。
参考图3，示出了人眼的同一视场下光斑叠加的一种情况，一部分视场会接收到由中心区域的耦出光线所形成的光斑3n，一部分视场会接收到旁侧区域的耦出光线所形成的光斑3m。在此基础上，若两个区域的耦出光线的耦出效率比值差距过大，即η1/(η2*η3)远大于1或远小于1，则会使得光斑3n或3m看起来过亮或过暗，形成亮条纹或暗条纹，导致成像亮度不均匀，严重影响使用者的观看感受。
而在本实施例中，光学结构20的轮廓曲线中包含了多个控制点位，可以对这些控制点位进行调节，用于实现光线在耦出区域扩展传输过程中，各种耦出效率分布的需求。从而能够较好地控制波导100耦出区域103整体的耦出效率分布，使得从耦出区域103耦出的光线的均匀性较好。
当然，光学结构的轮廓曲线形态还有其它多种形式。
参考图4，是本申请实施例中的一种光学结构40。光学结构40的曲线轮廓同样是平滑的，并无尖点。其中，光学结构40包含多个顶点：在x轴上包含左顶点40a及右顶点40b；在y轴正方向一侧包含上顶点40c及上顶点40d，在y轴负方向一侧包含下顶点40e及下顶点40f。上顶点40c和上顶点40d之间具有一段向内弯曲的曲线430；类似地，下顶点40e和下顶点40f之间也具有一段向内弯曲的曲线440。
在形貌特征上，光学结构40的整体形貌在x轴方向上不对称。具体地，光学结构40的上顶点40c和上顶点40d相对于y轴不对称，下顶点40e和下顶点40f相对于y轴不对称。光学结构40的上顶点40c至下顶点40e之间的距离hce，上顶点40d至下顶点40f之间的距离hdf，hce>hdf。
对于上述两种光学结构而言，其对应的轮廓曲线中均包含了多个可调节的控制点位。这里以光学结构40为例进行具体说明。
参考图5a，示出了一种包含光学结构40的光栅单元400，其中在光学结构40外侧具有呈菱形的边界区域(为便于描述，在后续的内容中可将“菱形的边界区域”简称为“菱形”)。这里需要说明的是，若想保证光线无压缩地传输至人眼，则耦入光栅的光栅矢量G1与耦出光栅的光栅矢量G2、G3应满足图5b所示的关系。也就是说，光线在传播过程中需要经过具有光栅矢量G2及G3的光栅结构，在本申请实施例中，此种光栅结构具体表现可如图5c所示。在此基础上，若将图5c所示的光栅结构叠加，便可得到本申请实施例中周期性排布的、边界形貌呈菱形的光栅单元，参考图5d，耦出光栅4中包含多个周期性排列的光栅单元400。当然，在本申请的各个实施例中，所描述的耦出光栅也具有此种光栅单元或具有基于此种光栅单元的周期分布。在实际应用时，根据本申请方案所制备的光栅，其中光栅单元的菱形轮廓可能不显著或者不可见。一些实施例中，光栅单元所呈菱形的边长，可与传输的光线的波长有一定关系，如：边长的尺寸在200nm至650nm的范围，当然，菱形的尺寸并不限于此，通常，其尺寸量级为纳米级。
回到图5a的示例，可通过配置控制点位的方式得到光学结构40的曲线轮廓。光栅单元400的横向半周期尺寸为l，纵向半周期尺寸为h。基于此，在本申请一种实施例中，参考图5e，可先确定光学结构40的左右两个顶点位置的横坐标值，可以表示为：
l0＝kl
ln＝k'l
其中，k和k’为调节系数，l0为左顶点位置的横坐标值，ln为右顶点位置的横坐标值。相应地，左顶点位置的横坐标为-l0，右顶点位置的横坐标为ln。
进一步参考图5f，这里将[-l0，ln]分割为n份(图5f中分割为8份)，则可确定出各点的横坐标lm，表示为：
Figure BDA0004205637970000091
在确定了各点位的横坐标后，可进一步确定各点位对应的单元轮廓的高度hm，表示为：
Figure BDA0004205637970000092
基于lm和hm，便可以确定所需的多个控制点位，每一个控制点位的坐标可表示为[lm，kmhm]，一般性的，k0和km设置为0，这样便可得到n+1个控制点位。进一步地，采用设定的拟合方法将上述控制点位拟合为一条曲线，从而形成光学结构的一侧曲线轮廓，其中，设定的拟合方法包括：B样条、贝塞尔、多项式等。
需要说明的是，在本申请实施例中，拟合过程中需要对曲线首尾的斜率进行约束，即，曲线首尾处的切线角度与x轴呈90度。图5f中，示出了位于[-l0，ln]之间包含7个控制点位(算上左右两端首尾2个控制点位，共计9个控制点位)的情况，拟合完成一侧曲线后进行纵向翻转，生成一个连续的闭合图形(即为光学结构40的曲线轮廓)，该闭合图形的斜率处处连续。
在另一种实施例中，可针对x轴两侧的曲线分别单独拟合，再将两条曲线拟合为一闭合曲线图形。例如：针对图5f的下半区域配置n-1个控制点(当然，并未在图5f中实际示出)，同时联合前述首尾控制点，在相同的斜率约束条件条件下完成新的曲线拟合，最终将两条曲线连接生成一个闭合图形。该拟合方式下，首尾切线角度可不为90度，但两条曲线拟合时需采用相同的约束条件。
当然，在实际应用中，基于光栅单元400的纵向半周期选定控制点位构建闭合曲线图像的方式也是可行的，过程与上述内容类似。这里便不再过多赘述。
通过上述方法得到闭合图形后，可以针对闭合图形的曲线轮廓进行优化，使其进一步满足耦出效率分布的需求。
具体而言，将k值和光学结构深度作为优化变量，完成对曲线的优化，目标函数可定义为如下：
Figure BDA0004205637970000101
其中，V为目标函数的目标值；
ω1及ω2为权重系数；
η1、η2及η3可参考前述定义；
η为目标单次耦出效率，根据实际扩瞳次数确定。
上述表达式包含对中心亮条纹和单次扩瞳效率的控制。针对上述目标函数，可采用预设的优化算法将目标值V优化到最小即可。其中，预设的优化算法包括：模拟退火算法、遗传算法或最小二乘算法等。经过以上述优化变量对曲线的优化，能够进一步实现光线在耦出区域扩展传输过程中各种耦出效率分布的优化，从而能够较好地控制波导耦出区域整体的耦出效率分布，使得从耦出区域耦出的光线的均匀性较好。
在此以模拟退火算法为例，详细阐述生成及优化光学结构的曲线轮廓的过程。参考图6，为该过程的具体执行方法，该方法包括：
步骤S601，设置各变量参数：k、k’、k0……kn、l、h，并设定各变量参数的取值范围。
在本实施例中，变量参数可以称为迭代变量，也可简称为变量，在本申请中这种描述表征相同的含义，这里不应理解为对本申请的限定。
步骤S602，在各变量参数取值范围内随机生成初始解，完成单元结构构建，计算目标函数目标值V。
步骤S603，在各变量参数取值范围内随机生成新解，完成单元结构构建，计算目标函数的新目标值Vnew。
步骤S604，判断新目标值和目标值的差值是否大于0，若是，则执行步骤S605，否则执行步骤S606；
步骤S605，接受新解，执行步骤S607。
步骤S606，计算概率
Figure BDA0004205637970000111
并判断是否大于或等于Random(0,1)，若是，则执行步骤S605；否则，则执行步骤S607。
步骤S607，判断是否达到迭代次数，若是，则执行步骤S608；否则，则执行步骤S603。
步骤S608，判断是否满足终止条件，若是，则执行步骤S610；否则，则执行步骤S609。
步骤S609，降低温度T＝βT，并重新执行步骤S603。
步骤S610，返回最优解。
基于图6所示的方法步骤，提供本申请中的一数据例。该示例中，拟定参数配置如下：
工作波长为：520(nm)；
视场角为：31.63度*18.11度*36度；
分割区域数量n＝8；
变量参数包括：k、k’、k1……k7、h；变量参数的取值范围为：
k、k’：[0,1]；
k1……k7：[0,1.2]；
h：[30,100]nm；
目标单次耦出效率η为0.01％；
预设约束条件为：首尾控制点位处的斜率无穷大，其切线角度为90度。
通过上述拟定的参数配合，结合图6所示的拟合方法，可以得到，优化后的参数，如下表1所示。基于表1中参数所形成的包含光学结构70的光栅单元700如图7a所示。
k k’ k1 k2 k3 k4 k5 k6 k7 h(nm)
0.6075 0.6075 0.4252 0.5569 0.6252 0.4860 0.6250 0.5569 0.4252 30
表1
对采用光栅单元700的耦出光栅进行仿真，模拟人眼对各个视场不同位置接收光纤的光强，结果如图7b所示，可以看出，人眼接收扩瞳各个视场的光线都是连续过渡，且无明显中心亮区，可以满足亮度均匀性的需求。
除了前述的光学结构的曲线轮廓形貌外，本申请实施例中还提供一些变形例，作为前述光学结构的扩展。参考图8a及8b，分别示出了两种光栅单元800、900，光栅单元800及其光学结构80、光栅单元900及其光学结构90的生成方式同样采用前述的方式，这里便不过多赘述。
其中，光学结构80为对称的闭合曲线图形，具有两个对称轴：x轴和y轴。光学结构80包含4个顶点：在x轴上包含左顶点80a及右顶点80b；在y轴上包含上顶点80c及下顶点80d。4个顶点之间的曲线线型稍向外凸的平滑曲线。
光学结构90为对称的闭合曲线图形，具有两个对称轴：x轴和y轴。光学结构90包含4个顶点：在x轴上包含左顶点90a及右顶点90b；在y轴上包含上顶点90c及下顶点90d。4个顶点之间的曲线线型为内凹曲线。
在一些实施例中，菱形区域为凸起结构(向z轴正方向凸起)，而深色的光学结构为凹陷结构(向z轴负方向凹陷)。而在另一些实施例中，菱形区域和光学结构可以为相反的设置，即，菱形区域为凹陷结构，而深色的光学结构为凸起结构。
对于前述的实施例中的光波导而言，二维光栅设置于波导的耦出区域表面；而在另一种实施方式中，耦出区域位于光波导内，而不是在表面，相应地，前述的光栅也设置于光波导内。
当然，具体采用何种结构将根据实际应用的需要而定，这里并不构成对本申请的限制。
基于上述内容所记载的光波导，本申请实施例中还提供一种近眼显示模组，该近眼显示模组可以应用于AR眼镜，近眼显示模组包括：图像投射装置及前述的光波导，图像投射装置用于产生图像光线并投射至光波导上对应的耦入区域，从而图像光线可在波导中传输，通过耦出区域耦出。
基于上述内容，本申请实施例的光波导中，二维衍射光栅的光栅单元内具有特定曲线图形的光学结构，光学结构的曲线图形处处连续并无尖点，具有较好的可加工性。除此之外，在本申请的实施例中，通过调节参数，便可以改变光栅单元的周期尺寸、光栅单元中光学结构的曲线线型、光学结构的尺寸、整体几何形貌等，使得光学结构的曲线图形具有极高的设计自由度，从而能够用于更好地调控光波导耦出区域的耦出效率分布，有利于实现提高光线在耦出区域衍射耦出过程中的均匀性。
在本公开的各种实施方式中所使用的表述“第一”、“第二”、“所述第一”或“所述第二”可修饰各种部件而与顺序和/或重要性无关，但是这些表述不限制相应部件。以上表述仅配置为将元件与其它元件区分开的目的。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (12)

1.一种光波导，其特征在于，所述光波导包括波导基体、至少一耦入区域以及至少一耦出区域；其中，所述耦出区域内设置有二维光栅；所述二维光栅包括在所述光波导平面上多个周期性排列的光学结构，所述光学结构为闭合曲线图形，所述光学结构在第一方向上包含两个顶点，在第二方向上具有顶点，且所述闭合曲线图形的斜率连续。
2.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光学结构在第二方向上包含至少两个分布于两端的顶点。
3.如权利要求2所述的光波导，其特征在于，至少两个在所述第二方向上分布于两端的顶点位于同一垂直于第一方向的连线上。
4.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光学结构在第一方向的两个顶点处的切线与所述第一方向呈90度。
5.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光学结构在第一方向上的最大距离，大于所述光学结构在第二方向上的最大距离。
6.一种光波导设计方法，其特征在于，所述方法包括：
确定所述光波导中的二维光栅内光栅单元的周期尺寸；
根据所述光栅单元的周期尺寸，于一设定方向上在所述光栅单元内划分得到指定数量的控制点位；
基于各所述控制点位，采用预设的曲线拟合约束条件配合设定拟合方法进行曲线拟合，构建连续闭合曲线图形，将该连续闭合曲线图形作为所述二维光栅的光学结构。
7.如权利要求6所述的光波导设计方法，其特征在于，所述曲线拟合约束条件包括：若基于第一方向划分得到的控制点位拟合曲线，则曲线的首尾控制点位处的切线角度均与第一方向呈90度；
若基于第二方向划分得到的控制点位拟合曲线，则曲线的首尾控制点位处的切线角度均与第二方向呈90度。
8.如权利要求6所述的光波导设计方法，其特征在于，在划分得到指定数量的控制点位之后，所述方法还包括：确定与各控制点位对应的变量参数。
9.如权利要求8所述的光波导设计方法，其特征在于，所述方法还包括：根据目标单次耦出效率，以包括所述变量参数的优化变量对所述曲线图形进行优化，得到并返回优化后的目标值。
10.如权利要求6所述的光波导设计方法，其特征在于，基于各所述控制点位，采用预设的曲线拟合约束条件配合设定拟合方法进行曲线拟合，得到连续闭合曲线图形，具体包括：
在方向轴一侧，基于各所述控制点位，根据设定拟合方法拟合生成曲线，且所述曲线首尾的切线角度与所述方向轴垂直；
以所述方向轴为旋转轴，翻转所述曲线，构建在方向轴另一侧的曲线，构成闭合曲线图形。
11.如权利要求6所述的光波导设计方法，其特征在于，基于各所述控制点位，采用预设的曲线拟合约束条件配合设定拟合方法进行曲线拟合，得到连续闭合曲线图形，具体包括：
在方向轴两侧，分别基于各所述控制点位，根据设定拟合方法拟合生成曲线，且所述曲线首尾的切线角度与所述方向轴垂直。
12.一种近眼显示模组，其特征在于，包括图像投射装置及前述权利要求1-5所述的光波导，所述图像投射装置用于产生图像光线并投射至所述光波导上对应的耦入区域，并经由所述光波导传输后通过耦出区域衍射输出。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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