CN214623106U - 衍射波导装置及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种衍射波导装置，其包括波导基底及光栅结构，所述光栅结构设置于所述波导基底的表面，所述光栅结构包括若干光栅单元，所述若干光栅单元具有在第一方向上的第一周期和在与所述第一方向不同的第二方向上的第二周期，通过调节所述第一周期及所述第二周期，以使所述光栅结构的二维扩瞳角度为180°。本申请的光栅结构的有效耦出光栅区域概呈矩形，因此，所述光栅结构无需部分光栅单元仅用于进行扩瞳，使所述光栅结构的光栅单元用于有效耦出的面积增大，增加了所述光栅结构的有效显示面积，提高了光栅利用率。本申请的还提供设有所述衍射波导装置的近眼显示设备。

Description

衍射波导装置及近眼显示设备

技术领域

本申请涉及衍射光学器件技术领域，具体涉及一种衍射光波导装置及设有所述衍射光波导装置的近眼显示设备。

背景技术

随着技术的发展，增强现实(Augmented Reality，AR)显示装置，比如AR眼镜，既能看到外部真实的世界也需要看到虚拟的图像。近眼显示设备通常包括衍射波导系统，现有基于光栅的衍射波导系统分别两类，第一类为三片及以上一维光栅区域的衍射波导系统；第二类为两片光栅区域的二维衍射波导系统。所述第一类衍射波导系统包括波导基底、耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，图像源产生的显示图像的光线通过所述耦入光栅进入所述波导基底，经所述转折光栅进行扩瞳后，再经过所述耦出光栅耦出而出射至人眼。所述二维衍射波导系统包括波导基底、耦入光栅和二维耦出光栅，图像源产生的显示图像的光线通过所述耦入光栅进入所述波导基底，再经过所述耦出光栅耦出而出射至人眼。

然，上述第一类衍射波导系统由于转折光栅需占用波导基底的面积，因此导致耦出光栅的设置面积较小，使得波导基底的利用率较低，从而限制眼动范围(Eye Box)；如图1所示，现有的上述第二类衍射波导系统中的二维光栅主要利用六角格子的周期性结构，所述周期性结构的扩瞳角度为120°，因此，需要一部分光栅区域进行扩瞳，即图1中的虚线框a0表示有效耦出光栅区域，而虚线框a0左侧的光栅为进行扩瞳的无效耦出光栅，从而导致有效耦出光栅面积减小。

实用新型内容

本申请第一方面提供了一种衍射波导装置，所述衍射波导装置包括：

波导基底；以及

光栅结构，所述光栅结构设置于所述波导基底的表面，所述光栅结构包括若干光栅单元，所述若干光栅单元具有在第一方向上的第一周期和在与所述第一方向不同的第二方向上的第二周期，通过调节所述第一周期及所述第二周期，以使所述光栅结构的二维扩瞳角度为180°。

本申请的光栅结构的有效耦出光栅区域概呈矩形，因此，所述光栅结构无需部分光栅单元仅用于进行扩瞳，使所述光栅结构的光栅单元用于有效耦出的面积增大，增加了所述光栅结构的有效显示面积，提高了光栅利用率。

本申请第二方面还提供了一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括如第一方面所述的衍射波导装置。

本申请的近眼显示设备通过设置的衍射波导装置，使光栅结构的二维扩瞳角度为180°，以使衍射波导装置的有效耦出光栅区域概呈矩形，所述光栅结构无需部分光栅单元仅用于进行扩瞳，使所述光栅结构的光栅单元用于有效耦出的面积增大，增加了所述光栅结构的有效显示面积，提高了光栅利用率。

附图说明

图1是现有技术的二维耦出光栅的光线扩瞳的示意图；

图2是本申请第一实施例提供的衍射波导装置的使用状态示意图；

图3是图2中的衍射波导装置的部分光栅结构与波导基底的结构示意图；

图4是图3中的光栅结构的光线扩瞳的示意图；

图5是图3中的光栅结构的正面示意图；

图6是衍射光栅的光线传播示意图；

图7及图8是衍射光栅对应不同的太阳光线入射角度的彩虹纹示意图；

图9是其中一实施方式提供的光栅结构的K空间分析衍射示意图；

图10是本申请优选方式提供的光栅结构的K空间分析衍射示意图；

图11是图3中的光栅结构的光线扩瞳的示意图；

图12是本申请第二实施例提供光栅结构的示意图；

图13是图12中的光栅结构的K空间分析衍射示意图；

图14是本申请第三实施例提供光栅结构的示意图；

图15是图14中的光栅结构的K空间分析衍射示意图；

图16是图14中的光栅结构的光线扩瞳的示意图；

图17-图23是本申请第四实施例至第十实施例提供的光栅结构的示意图；

图24是本申请第十一实施例提供的光栅结构的示意图；

图25是本申请第十二实施例提供的光栅结构的示意图；

图26是本申请第十三实施例提供的光栅结构的示意图；

图27是本申请第十四实施例提供的光栅结构的示意图；

图28是本申请第十五实施例提供的衍射波导装置的耦入光栅及耦出光栅的示意图；

图29是图1中的二维耦出光栅的光线传播示意图；

图30是图28中的耦出光栅的光线传播示意图；

图31是图29中的二维耦出光栅的(1，1)级衍射的彩虹纹模拟示意图；

图32是图30中的耦出光栅的(1，0)级衍射的彩虹纹模拟示意图；

图33是图29中的二维耦出光栅的(1，0)级衍射和(0，1)级衍射的彩虹纹模拟示意图；

图34是图30中的耦出光栅的(1，-1)级衍射和(1，1)级衍射的彩虹纹模拟示意图；

图35是本申请第十六实施例提供的衍射波导装置的耦入光栅及耦出光栅的示意图；

图36是本申请第十七实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；

图37是本申请第十八实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；

图38是本申请第十九实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；

图39是本申请第二十实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；

图40是本申请第二十一实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；

图41是本申请第二十二实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；

图42是本申请一实施方式提供的近眼显示设备的示意图；

图43是本申请又一实施方式提供的近眼显示设备的示意图；

图44是本申请又一实施方式提供的近眼显示设备的示意图；

图45是本申请又一实施方式提供的近眼显示设备的示意图；

图46是本申请另一实施方式提供的近眼显示设备的示意图；

图47是本申请一实施方式提供的衍射波导装置的制造方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在本文中提及“实施例”或“实施方式”意味着，结合实施例或实施方式描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请中出现的术语“第一”、“第二”仅仅用于描述的目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是指两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图2至图5，图2是本申请第一实施例提供的衍射波导装置20的使用状态示意图；图3是图2中的衍射波导装置20的部分光栅结构22与波导基底21的结构示意图；图4是图3中的光栅结构22的光线扩瞳的示意图；图5是图3中的光栅结构22的正面示意图。本申请提供了一种衍射波导装置20可以用于AR眼镜，也可以应用在汽车等具有挡风玻璃的设备上。下面对所述衍射波导装置20进行详细介绍。所述衍射波导装置20包括波导基底21及光栅结构22，所述光栅结构22设置于所述波导基底21的表面，所述光栅结构22包括若干光栅单元221，所述若干光栅单元221具有在第一方向上的第一周期和在与所述第一方向不同的第二方向上的第二周期，通过调节所述第一周期及所述第二周期，以使所述光栅结构22的二维扩瞳角度为180°。本申请中，所述第一周期包括第一方向及沿第一方向延伸的第一模长，所述第二周期包括第二方向及沿所述第二方向延伸的第二模长；通过调节光栅结构22的第一方向的指向及第一模长的大小，和第二方向的指向及第二模长的大小，以使所述光栅结构22的二维扩瞳角度为180°。

若干所述光栅单元221可以排列组成耦出光栅222和/或者耦入光栅225，所述耦入光栅225用于将光线耦入所述波导基底21，所述耦出光栅2222用于接收经由所述波导基底21全反射后的光线，并将光线经二维扩瞳后耦出所述波导基底21。

在图4中以虚线表示光线。当所述衍射波导装置20被使用时，可认为所述波导基底21在XY平面内，每一光栅单元221沿Z轴延伸。

使用所述衍射波导装置20时，图像源30产生的显示图像的光线通过耦入光栅225进入所述波导基底21，经所述波导基底21全反射后射至所述耦出光栅222，再经过所述耦出光栅222的耦出而出射至人眼50。由于所述光栅结构22的二维扩瞳角度为180°，相较于现有技术中的二维光栅的扩瞳角度为120°，本申请的光栅结构22的有效耦出光栅区域概呈矩形，因此，所述光栅结构22无需部分光栅单元221仅用于进行扩瞳，即所述若干光栅单元221没有无效耦出光栅，使所述光栅结构22的光栅单元221用于有效耦出的面积增大，增加了所述光栅结构22的有效显示面积，提高了光栅利用率。

所述图像源30是产生原始图像的设备，所述图像源30可以包括是但不限于Micro-LED显示屏、投影光机等。

所谓波导基底21，也称为光波导基底、介质光波导基底、或波导基底片，是引导光线在其中传播的介质。光波导基底通常包括两大类：一类是集成光波导基底，包括平面(薄膜)介质光波导基底和条形介质光波导基底，它们通常都是光电集成器件(或系统)中的一部分，所以叫作集成光波导基底；另一类是圆柱形光波导基底，通常称为光纤(光学纤维)。通常情况下，所述波导基底21由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光线(光频电磁波)的导行结构。光线在波导基底21内传输时，会在光波导基底21内发生全反射，使得光线被限制在波导基底21内传播。

所谓全反射指光在传输的过程中无损失无泄漏，需要进行“全反射”，使光在波导基底中通过波形状来回反射前进而并不会透射出来。全反射需要满足两个条件：(1)传输介质即波导基底需要具备比周围介质高的折射率；(2)光进入波导基底的入射角需要大于临界角。

如图2及图3所示，所述波导基底21包括相背设置的第一表面211及第二表面213。所谓第一表面211是指在所述衍射波导装置20被使用时背离用户的人眼50的表面；所谓第二表面213是指在所述衍射波导装置20被使用时靠近用户的人眼50的表面。本实施例中，光栅单元221是凸设于所述波导基底21的表面的凸起结构，即光栅单元221凸设于所述波导基底21的第一表面211。具体地，光栅单元221为圆柱形结构，所述光栅单元221的轴向垂直于xy平面，即所述光栅单元221沿Z轴延伸，所述光栅单元221在平行于xy平面上的横戴面为圆形。所述第一表面211为平行于xy平面的平面，这些光栅单元221在第一表面211上沿第一方向(即沿x轴方向)按所述第一模长和沿第二方向(即沿y轴方向)按所述第二模长间隔排列成矩形，且若干所述光栅单元221的高度一致，即每一光栅单元221沿Z轴延伸的长度相同；因此，各所述光栅单元221背离所述第一表面211的端面共面。

所述耦入光栅225承载于所述波导基底21，具体包括如下情况：所述耦入光栅225设置于所述波导基底21的第一表面211，或者所述耦入光栅225设置于所述波导基底21的第二表面213。本实施例中，所述耦入光栅225设置于所述波导基底21的第一表面211。所述耦入光栅225将光线耦入所述波导基底21内的过程也称为光耦合入。所述耦出光栅222和耦入光栅225均为衍射光栅，所谓衍射光栅是指具有周期结构的光学元件，所述周期可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷；或者是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”，本申请中的衍射光栅是凸设于波导基底21的表面的凸起结构。归根结底衍射光栅是在材料中引起了一个折射率的周期性变化，这个周期一般是微纳米级别的，这个周期与可见光波长(～450nm-700nm)一个量级，才能对光线产生有效的操控。

请参阅图6，图6是衍射光栅的光线传播示意图，所谓衍射光栅的“分光”体现在两个维度，假设入射光是单一波长的绿光，它会被衍射光栅分成若干个衍射级，每一个衍射级沿着不同的方向继续传播下去，包括反射式衍射的光线和透射式衍射的光线，所述反射式衍射包括如0级、±1级、±2……级等衍射级，所述透射式衍射包括如0级、±1级、±2级……等衍射级，每一个衍射级对应的衍射角度由光线的入射角和光栅的周期决定。因此，通过设计光栅的其他参数如材料折射率、光栅形状、厚度、占空比等可以将某一衍射级(即某一方向)的衍射效率优化到最高，从而使大部分光在衍射后主要沿这一方向传播。

所谓扩瞳是指光线在波导基底21里进行传输至经过所述光栅结构22时，会分别有部分光线进过衍射耦出所述波导基底21，剩下的光线会被所述光栅结构22再次衍射在所述波导基底21内继续全反射传输，如此循环，最终可以在整个所述光栅结构22都有光线耦出，从而人眼50在任意位置均可看到完整连续的图像。

所谓增强现实(AR)是指，近眼显示设备中的图像源30产生的要显示图像的光线过耦入光栅进入波导基底，再经过耦出光栅耦出而出射至人眼；外部环境光线(比如，户外太阳光、室内照明灯产生的光线)也可以透过所述耦入光栅射入人眼，因此，用户可观看到图像源中的图像及外部环境中的图像，由此实现虚实结合的增强现实功能。

具体地，如图2所示，图像源30为朗伯光源，所述图像源30发射的光线射至理想透镜(图中末示)。所述理想透镜将入射光线准直后射入耦入光栅225，光线经过所述耦入光栅225的衍射后在波导基底21中以全反射的形式传播至所述耦出光栅222时，所述耦出光栅222将全反射光线经衍射耦出至空气中，从而射入用户的人眼50，使人眼50看到虚拟影像；而所述耦入光栅225的区域本身又可以透过环境光线，从而实现增强现实的效果。当光线射入所述耦入光栅225时的角度存在差异，这体现为衍射波导装置的视场，即衍射波导装置设计的视场越大，射入至所述耦入光栅225的光线角度越大。对于所述耦入光栅225为如下的关系：衍射波导装置的视场越大，耦出光栅222的入射角度越大，其耦出光线的角度也越大。因此，在对衍射波导装置20的实际设计过程中，一般会控制耦出光栅222的周期以及形貌与耦入光栅225一致，只是在光栅单元221的高度(即光栅单元沿Z轴延伸的长度)上会有所区别，我们可以认为耦入光栅225和耦出光栅222是一对共轭的系统，只是在衍射效率上会有所区别。

一般的衍射波导装置均包括耦入光栅和耦出光栅来实现二维扩瞳，图像源经过耦入光栅进入波导基底，再经过耦出光栅出射至人眼，外部环境光线也可以透过耦入光栅射入人眼，因此实现虚实结合的增强现实功能。由于耦入光栅和耦出光栅均具有很强的色散功能，当较强的外部环境光线(如太阳光或照明光源等)入射时，外部环境光线的入射光线会被衍射光栅色散成彩虹纹，并且主要通过-1级反射式衍射和-1级透射式衍射产生。如图7及图8所示，-1级反射式衍射的光线无法进入人眼，因此对佩戴者的使用体验没有影响，而-1级透射式衍射的光线可能射入人眼，使人看到彩虹条纹，轻者会影响使用体验，重者会伤害人眼。需要说明的是，经-1级透射式衍射所形成的彩虹纹能否射入佩戴所述衍射波导装置20的用户眼睛中与外部环境光线的入射角度有关。如当外部环境光线以50°入射耦出光栅时，-1级透射式衍射所形成的彩虹纹出射角度a°偏大，衍射光线更容易偏离用户的眼睛的观测位置，即使射入用户的眼睛中,由于其衍射角度a°偏大，彩虹纹也会出现在视野偏外围的区域；当外部环境光线以80°入射耦入光栅时，-1级透射式衍射所形成的彩虹纹出射角a°偏小，衍射光线更容易射入人眼，且更接近于视场中心位置，对用户的影响较大。

如图4所示，本申请的衍射波导装置20利用光栅结构22进行两个维度扩瞳，且二维扩瞳角度为180°，不同于图1中的衍射波导系统中的二维光栅的扩瞳角度为120°，使得所述光栅结构22的有效耦出的面积增大，增加了光栅结构22的有效显示面积，提高了光栅利用率。本实施例中，所述光栅结构22的基矢夹角θ为90°，即所述光栅结构22具有第一基矢a_x及第二基矢a_y，所述第一基矢a_x与所述第二基矢a_y的夹角θ为90°，所述第一基矢a_x及第二基矢a_y分别为所述若干光栅单元221具有的第一方向及第二方向。在图4中，所述第一方向为平行于x轴方向，所述第二方向为平行于y轴方向。所述光栅结构22利用基矢夹角θ为90°正方格子或长方格子来实现扩瞳。在一般的正方格子或长方格子衍射过程中，1级衍射和-1级衍射占主要作用，导致垂直扩瞳方向效率降低，导致光栅有效耦出区域减小。因此，在本申请中，可以通过设计正方格子或者长方格子的参数来屏蔽1级衍射和-1级衍射，从而提高垂直扩瞳的效率，增加光栅结构有效面积。

如图5所示，下面用光栅结构22的光栅单元221排列成长方格子为例进行分析的技术原理，光栅单元221排列成正方格子只是长格子的第一方向的周期(即第一模长)和第二方向的周期(即第二模长)相等的特例。具体地，光栅单元221排列长方格子具有第一基矢a_x及第二基矢a_y，其中a_x⊥a_y，当周期相等(即第一模长与第二模长相等)，即a_x＝a_y时，光栅单元221排列成正方格子。光栅单元221排列成的长方格子的倒格矢k_x＝2πe_x/|a_x|，k_y＝2πe_y/|a_y|，其衍射级是以这两个矢量为基的线性叠加；其中，a_x为光栅结构22在x方向上的周期(即第一模长)，a_y为光栅结构22在y方向的周期(即第二模长)，在倒空间中k_x是x方向光栅矢量，k_y是y方向上的光栅矢量。

在衍射波导装置20中，一般会使用的衍射级次是沿x方向的-1级衍射、0级衍射、+1级衍射和y方向的-1级衍射、0级衍射、+1级衍射的组合，其中(0，0)级次是0级衍射。如图9所示，图9是其中一实施方式提供的光栅结构的K空间分析衍射示意图，其中横轴是λk_x/2π，纵轴是λk_y/2π，图中的同心的内圆R1及外圆R2的半径分别是环境折射率和波导基底折射率，矩形表示视场；其中，λ为波长，k_x为倒空间中x方向光栅矢量，k_y为倒空间中y方向光栅矢量，k矢量乘上λ/2π是为了归一化单位。图中示出了D0-D8的9个视场，其中D0为(0，0)级衍射(即0级衍射)，D1为(-1，0)级衍射(即中心视场)，D2为(-1，1)级衍射，D3为(-1，-1)级衍射，D4为(0，1)级衍射，D5为(0，-1)级衍射，D6为(1，1)级衍射，D7为(1，0)级衍射，D8为(1，-1)级衍射。如果视场位于内圆R1内，则可以耦出波导；如果视场位于所述内圆R1与所述外圆R2围成的圆环中，则表示光线会在波导基底21内传播；如果视场位于所述外圆R2外时意味着这些光实际上并不存在，这里将外圆R2外的视场展示出来，只是为了说明衍射级次。

在中心视场D1(即(-1，0)级衍射)经过耦入光栅耦入进波导基底21，即图中填充的矩形(也就是D0)，耦入进波导的视场会经过耦出光栅222衍射到各个级衍射视场D1-D8上。在不考虑光线是否存在的情况下，我们分析图9中的9个矩形区域(即9个视场)，其中填充的矩形区域表自身表示(0，0)级衍射(也就是视场D0)，坐标原点区域(也就是视场D1)表示耦出波导；在其他的衍射视场(即视场D2-视场D8)中，我们可以看到最右侧三个视场区域(就是视场D6-视场D8)完全不能存在，因此不需进行描述。剩下的四个视场区域(就是视场D2-视场D5)的衍射级次分别是(0，±1)级衍射和(-1，±1)级衍射，在图中(0，±1)级衍射的视场(就是视场D4及视场D5)有部分可以在波导基底21内传输，而另外一部分则不可能存在。然，如果将图中(0，±1)的这两个衍射级次的视场(就是视场D4及视场D5)再次经过光栅衍射进行耦出，则会导致视场亮度极度不均匀，同时也因为所述(0，±1)两个衍射级的存在会导致(-1，±1)级衍射的衍射效率大大降低，使得有效光栅区域减小。

基于上述分析，通过设计光栅结构22周期大小和长方格子的长宽比来避免(0，±1)衍射级的衍射，具体地，通过设计所述光栅结构22的若干光栅单元221的第一方向的第一周期(即第一模长)和第二方向的第二周期(即第二模长)的大小，以及调整所述光栅结构22的若干光栅单元221围成的长方格子的长宽比，使得(0，±1)衍射级的衍射视场压缩至外圆R2(如图10所示)外。本申请中，所述第一周期的第一模长为260nm至500nm，所述第二周期的第二模长为260nm至500nm，所述长方格子的长宽比值为0.5-2之间。

如图10所示，图10是本申请优选方式提供的光栅结构22的K空间分析衍射示意图，通过设计光栅结构22周期的方向及大小，使得中心视场D1位于所述内圆R1内,(0，0)级衍射视场D0、(-1，+1)级衍射视场D2及(-1，-1)级衍射视场D3均位于所述内圆R1与所述外圆R2围成的圆环中，(0，+1)级衍射视场D4及(0，-1)级衍射视场D5均位于所述外圆R2外，以避免(0，±1)级衍射。此时，所述光栅结构22既能保证有效光栅区域，也能保证扩瞳效率。从图10中可以看出，耦入波导的视场有三条路径可以耦出波导：第一路径是经过(-1，0)级衍射耦出波导，第二路径及第三路径是分别经过(-1，±1)级衍射往两侧进行正交扩瞳然后分别经过(0，±1)级衍射耦出波导。由于所述光栅结构22的(0，±1)级衍射被抑制，除了(0，0)级衍射外，光线只有(-1，±1)级衍射，因此，对于中心视场D1的光线，两个衍射在水平面(即XY平面)的投影都垂直于耦入的传播光线，这样就可以实现±90°的正交扩瞳，形成180°的扩瞳区域。

如图11所示，图11是图3中的光栅结构的光线扩瞳的示意图。当光线射至所述光栅结构22时，光栅单元221实现±90°的正交扩瞳，形成180°的扩瞳区域，使得所述光栅结构22的耦出光栅区域a1呈矩形。因此，所述光栅结构22的有效耦出光栅区域增大，增加了光栅结构22的有效显示面积，提高了光栅利用率。

在其他实施例中，光栅结构的第一周期的第一方向与第二周期的第二方向夹角为90°，第一周期的第一模长大小与第二周期的第一模长大小不等，使得光栅结构的长宽比在0.5-2之间，即光栅结构呈长方格子。具体地，所述第一周期的模长大于等于N倍所述第二周期的模长，所述N的范围为:0.5≤N≤2。所述光栅结构与第一实施例中的光栅结构22一样，即所述光栅结构的耦出光栅区域呈矩形，从而能使所述光栅结构形成180°的扩瞳区域，增大了有效耦出光栅区域，增加了光栅结构的有效显示面积，提高了光栅利用率。

请一并参阅图12及图13，图12是本申请第二实施例提供光栅结构22a的示意图；图13是图12中的光栅结构22a的K空间分析衍射示意图。本申请第二实施例提供的光栅结构22a与第一实施例的光栅结构22结构相似，不同之处在于：第二实施例的光栅结构22a的第一基矢P_x及第二基矢P_y的周期大小相等，即所述光栅结构22a的光栅单元221呈正方格子。具体地，光栅结构22a的第一基矢P_x方向与第二基矢P_y方向相互垂直，且第一基矢P_x的周期(即第一模长)等于第二基矢P_y的周期(即第二模长)，即P_x＝P_y。对应的倒格矢则有：

倒格矢之间的关系为k_x0⊥k_y0，|k_x0|＝k_y0|。其中，P_x是二维光栅在x方向上的周期(即模长)，P_y是二维光栅在y方向上的周期(即模长)，k_x0为在倒空间中x方向光栅矢量，k_y0为在倒空间中y方向光栅矢量。正方格子的(0，±1)级衍射被抑制，除了(0，0)0级衍射(即视场D0)，光线只有(-1，±1)级衍射(即视场D2、D3)。对于中心视场D1的光线，这两个衍射在水平面的投影都垂直与耦入的传播光线，因此，光栅结构22a能实现±90°的正交扩瞳，以形成180°的扩瞳区域，使得所述光栅结构22a的有效耦出光栅区域增大，增加了光栅结构22a的有效显示面积，提高了光栅利用率；同时也能减少不必要的耦出，可以提高衍射波导装置的整体效率。

请一并参阅图14至图16，图14是本申请第三实施例提供光栅结构22b的示意图；图15是图14中的光栅结构22b的K空间分析衍射示意图；图16是图14中的光栅结构22b的光线扩瞳的示意图。本申请第三实施例提供的光栅结构22b与第一实施例的光栅结构22结构相似，不同之处在于：光栅结构22b的第一基矢P_x与第二基矢P_y之间的夹角θ范围为：80°≤θ≤100°，第一基矢P_x的周期(即模长)大小与第二基矢P_y的周期(即模长)大小不等，长宽比在0.5-2之间；即光栅结构22b的第一方向与第二方向之间的夹角θ范围为：80°≤θ≤100°，第一基矢P_x的周期(即模长)大小等于N倍第二基矢P_y的周期(即模长)大小，所述N的范围为:0.5≤N≤2。在本实施例中，夹角θ为80°，N等于1。光栅结构22b的光栅单元221排列成斜方格子，所述斜方格子是通过第一实施例中的光栅结构22形成的长方格子进行形变得到的，因此，所述光栅结构22b实现二维扩瞳的效果与第一实施例的光栅结构22的二维扩瞳效果相似，也可以近似实现相同的扩瞳目标。

如图15及图16所示，虽然所述光栅结构22b的两个方向扩瞳角度会根据第一方向与第二方向之间的夹角θ的大小变化，但中心视场D1的扩瞳夹角保持在180°，使得所述光栅结构22b的耦出光栅区域呈平行四边形(也就是斜方格子)，即所述光栅结构22b的耦出光栅区域类似矩形，因此，光栅结构22b的扩瞳效果与第一实施例中的光栅结构22的扩瞳效果相似。相较于现有技术中的二维光栅，所述光栅结构22b的有效耦出光栅区域增大，增加了光栅结构22b的有效显示面积，提高了光栅利用率，提高了衍射波导装置的整体效率。

请一并参阅图17至图23，图17-图23是本申请第四实施例至第十实施例提供的光栅结构的示意图。本申请第四实施例至第十实施例提供的光栅结构与第一实施例的光栅结构22结构相似，不同之处在于：第四实施例至第十实施例提供的光栅结构的光栅单元221c的外形与第一实施例中的光栅单元221不同。具体地，第四实施例的光栅结构22c的光栅单元221c为椭圆柱形结构，所述光栅单元221c的轴向垂直于xy平面，所述光栅单元221c在平行于xy平面上的横戴面为椭圆形；第五实施例的光栅结构22d的光栅单元221d为正方柱形结构，所述正方柱形结构垂直于xy平面，所述光栅单元221d在平行于xy平面上的横戴面为正方形；第六实施例的光栅结构22e的光栅单元221e为长方柱形结构，所述长方柱形结构垂直于xy平面，所述光栅单元221e在平行于xy平面上的横戴面为长方形；第七实施例的光栅结构22f的光栅单元221f为棱柱形结构，所述棱柱形结构垂直于xy平面，所述光栅单元221f在平行于xy平面上的横戴面为棱形；第八实施例的光栅结构22g的光栅单元221g为三角柱形结构，所述三角柱形结构垂直于xy平面，所述光栅单元221g在平行于xy平面上的横戴面为三角形；第九实施例的光栅结构22h的光栅单元221h为两个梯形柱组合结构，所述光栅单元221h垂直于xy平面，所述光栅单元221h在平行于xy平面上的横戴面为两个相连接的梯形；第十实施例的光栅结构22i的光栅单元221i为两个分离的三角柱组合结构，所述光栅单元221i垂直于xy平面，所述光栅单元221i在平行于xy平面上的横戴面为两个间隔的三角形。本申请第四实施例至第十实施例提供的光栅结构均能实现±90°的正交扩瞳，以形成180°的扩瞳区域，使得所述光栅结构的有效耦出光栅区域增大，增加了光栅结构的有效显示面积，提高了光栅利用率；同时也能减少不必要的耦出，可以提高衍射波导装置的整体效率。

在其他实施例中，光栅单元也可以为圆锥形结构、棱锥形结构、类棱台结构和圆台形结构中一种或组合。

在其他实施例中，光栅单元还可以为不规则形状或向个不规则形状的组合；因此，光栅单元的形状可以根据所需的衍射能量分布进行设计。

请参阅图24，图24是本申请第十一实施例提供的光栅结构22j的示意图；本申请第十一实施例提供的光栅结构22j与第一实施例的光栅结构22结构相似，不同之处在于：第十一实施例中若干光栅单元221j排列成矩形区域，以所述矩形区域的平行于所述第一方向(沿x轴方向)的中心线o为对称轴向相对的两侧调整各所述光栅单元221j的占空比，以调制所述光栅单元221j的衍射效率。本实施例中，若干所述光栅单元221j的占空比在第二方向(沿y轴方向)上进行调制；具体地，若干所述光栅单元221j的径向尺寸自所述中心线o沿第二方向逐渐增大，即若干所述光栅单元221j在平行于xy平面上的横戴面的径向尺寸自所述中心线o沿第二方向逐渐增大；举例说明，若所述光栅单元221j为圆柱形结构，则若干所述光栅单元221j的直径自所述中心线o向远离所述中心线o的一侧逐渐增大；若所述光栅单元221j为正方柱形结构或长方柱形结构，则若干所述光栅单元221j在平行于xy平面上的横戴面的大小自所述中心线o向远离所述中心线o的一侧逐渐增大。本实施例中的光栅结构22j以平行于所述第一方向的中心线o为对称轴向两侧进行占空比调制，使得光栅结构22j边缘的衍射效率提高，来保证上下出射强度均匀性。

在其他实施例中，若干光栅单元221j排列成矩形区域，以所述矩形区域的平行于所述第一方向(沿x轴方向)的中心线o为对称轴，若干所述光栅单元的径向尺寸也可以自所述中心线o沿第二方向(沿y轴方向)逐渐减小，即若干所述光栅单元在平行于xy平面上的横戴面的径向尺寸自所述中心线o沿第二方向逐渐减小；举例说明，若所述光栅单元为圆柱形结构，则若干所述光栅单元的直径自所述中心线o向远离所述中心线o的一侧逐渐减小；若所述光栅单元为正方柱形结构或长方柱形结构，则若干所述光栅单元在平行于xy平面上的横戴面的大小自所述中心线o向远离所述中心线o的一侧逐渐减小。

在其他实施例中，若干光栅单元排列成矩形区域，以所述矩形区域的平行于所述第二方向(沿y轴方向)的中心线为对称轴向相对的两侧调整各所述光栅单元的占空比；即若干所述光栅单元的占空比在第一方向(沿x轴方向)上进行调制，以提高所述光栅单元的衍射效率，来保证上下出射强度均匀性。具体地，若干所述光栅单元的径向尺寸自所述中心线沿第一方向逐渐增大，即若干所述光栅单元在平行于xy平面上的横戴面的径向尺寸自所述中心线沿第一方向逐渐增大；举例说明，若所述光栅单元为圆柱形结构，则若干所述光栅单元的直径自所述中心线向远离所述中心线的一侧逐渐增大；若所述光栅单元为正方柱形结构或长方柱形结构，则若干所述光栅单元在平行于xy平面上的横戴面的大小自所述中心线向远离所述中心线的一侧逐渐增大。

在其他实施例中，若干光栅单元排列成矩形区域，以所述矩形区域的平行于所述第二方向(沿y轴方向)的中心线为对称轴向相对的两侧调整各所述光栅单元的占空比，以提高所述光栅单元的衍射效率，来保证上下出射强度均匀性；若干所述光栅单元的径向尺寸自所述中心线沿第一方向(沿x轴方向)逐渐减小，即若干所述光栅单元在平行于xy平面上的横戴面的径向尺寸自所述中心线沿第一方向逐渐减小；举例说明，若所述光栅单元为圆柱形结构，则若干所述光栅单元的直径自所述中心线向远离所述中心线的一侧逐渐减小；若所述光栅单元为正方柱形结构或长方柱形结构，则若干所述光栅单元在平行于xy平面上的横戴面的大小自所述中心线向远离所述中心线的一侧逐渐减小。

请参阅图25，图25是本申请第十二实施例提供的光栅结构22k的示意图；本申请第十二实施例提供的光栅结构22k与第十一实施例的光栅结构22j结构相似，不同之处在于：若干光栅单元221k的径向尺寸沿所述第一方向(沿x轴方向)逐渐增大，且自中心线o沿所述第二方向(沿y轴方向)逐渐增大，即若干所述光栅单元221k的径向尺寸沿所述第一方向逐渐增大，且若干所述光栅单元221k的径向尺寸自所述中心线o沿第二方向逐渐增大，使得若干所述光栅单元221k在平行于xy平面上的横戴面的径向尺寸沿第一方向逐渐增大，且自所述中心线o向远离所述中心线o的一侧逐渐增大。本实施例中的光栅结构22k在第一方向及第二方向同时进行调制，以改善两个方向上的均匀性，使得光栅结构22k边缘的衍射效率提高，来保证上下出射强度均匀性。

在其他实施例中，若干光栅单元排列成矩形区域，以所述矩形区域的平行于所述第一方向(沿x轴方向)的中心线为对称轴向相对的两侧调整各所述光栅单元的占空比，以提高所述光栅单元的衍射效率，来保证上下出射强度均匀性。具体地，若干所述光栅单元的径向尺寸沿所述第一方向逐渐增小，且自所述中心线沿所述第二方向(沿y轴方向)逐渐增小，即若干所述光栅单元的径向尺寸沿所述第一方向逐渐增小，且若干所述光栅单元的径向尺寸自所述中心线沿第二方向逐渐增小，使得若干所述光栅单元在平行于xy平面上的横戴面的径向尺寸沿第一方向逐渐增小，且自所述中心线向远离所述中心线的一侧逐渐增小。本实施例中的光栅结构在第一方向及第二方向同时进行调制，以改善两个方向上的均匀性，使得光栅结构的衍射效率提高，来保证上下出射强度均匀性。

请参阅图26，图26是本申请第十三实施例提供的光栅结构22n的示意图；本申请第十三实施例提供的光栅结构22n与第一实施例的光栅结构22结构相似，不同之处在于：光栅结构22n的光栅单元221n的高度尺寸可以进行调制。具体地，若干光栅单元排列成矩形区域，以所述矩形区域的平行于所述第一方向(沿x轴方向)的中心线o为对称轴向相对的两侧调整各光栅单元221n的高度尺寸，即调整各光栅单元221n沿Z方向的延伸长度。本实施例中，若干所述光栅单元221n的高度尺寸自所述中心线o沿所述第二方向(沿y轴方向)朝相对的两侧逐渐减小。本实施例中的光栅单元221n以光栅结构的中心线为对称轴沿第二方向朝相对的两侧调整深度，也能调制光栅结构22n的衍射效率，提高均匀性。

在基他实施例中，若干光栅单元排列成矩形区域，以所述矩形区域的平行于所述第一方向(沿x轴方向)的中心线o为对称轴，若干所述光栅单元的高度尺寸自所述中心线o沿所述第二方向(沿y轴方向)朝相对的两侧逐渐增大，即也能调制光栅结构的衍射效率，提高均匀性。

请参阅图27，图27是本申请第十四实施例提供的光栅结构22m的示意图；本申请第十四实施例提供的光栅结构22m与第一实施例的光栅结构22结构相似，不同之处在于：第十四实施例中的波导基底21a的表面为阶梯面，即所述波导基底21a的第一表面211a为阶梯面，所述阶梯面包括位于中部的第一台阶面2112及位于所述第一台阶面2112相对两侧的两个第二台阶面2114，所述第一台阶面2112平行所述第二台阶面2114。若干所述光栅单元设置于所述第一台阶面2112及两个所述第二台阶面2114，其中各所述光栅单元背离所述表面的端面共面。具体地，所述第一台阶面2112沿Z轴方向凸出第二台阶面2114，所述第一台阶面2112上设有若干第一光栅单元2212，每一第二台阶面2114上设有若干第二光栅单元2214，所述第一光栅单元2212的高度小于所述第二光栅单元2214的高度，即所述第一光栅单元2212沿z轴延伸的长度小于所述第二光栅单元2214沿z轴延伸的长度。优选地，各个所述光栅单元背离所述第一表面211a的端面共面，即第一光栅单元2212远离第一台阶面2112的端面与第二光栅单元2214远离第二台阶面2114的端面共面。本实施例中的光栅结构22m在第一方向及第二方向同时进行调制，以改善两个方向上的均匀性，使得光栅结构的衍射效率提高，来保证上下出射强度均匀性。

进一步地，所述阶梯面还包括平行于所述第一台阶面2112的两个第三台阶面2116，两个所述第三台阶面2116分别位于两个所述第二台阶面2114远离第一台阶面2112的一侧，每一第二台阶面2114沿Z轴方向凸出第三台阶面2116。每一第三台阶面2116上设有若干第三光栅单元2216，所述第三光栅单元2216的高度大于所述第二光栅单元2214的高度，即所述第三光栅单元2216沿z轴延伸的长度大于所述第二光栅单元2214沿z轴延伸的长度。优选地，第一光栅单元2212远离第一台阶面2112的端面、第二光栅单元2214远离第二台阶面2114的端面，以及第三光栅单元2216远离第三台阶面2116的端面共面。

请参阅图28，图28是本申请第十五实施例提供的衍射波导装置的耦入光栅225及耦出光栅222的示意图；本申请第十五实施例提供的衍射波导装置与第一实施例的衍射波导装置结构相似，不同之处在于：第十五实施例中的光栅结构也包括设于波导基底的耦出光栅222及耦入光栅225，耦入光栅225位于耦出光栅222的正上方(也就是顶投模式)，即耦入光栅225沿第一方向的投影位于所述耦出光栅222的区域内；本实施例中的所述第一方向指沿y轴方向。具体地，第十五实施例中的衍射波导装置上的耦入光栅225与耦出光栅222的结构及位置关系是将第一实施例中的耦入光栅225及耦出光栅222全部按顺时针旋转90°，使得耦入光栅在耦出光栅222的正上方。本实施例中的耦出光栅222的基矢夹角θ为90或者80°≤θ≤100°；第一基矢的周期(即模长)大小等于第二基矢的周期(即模长)大小或者第一基矢的周期(即模长)大小等于N倍第二基矢的周期(即模长)大小，所述N的范围为:0.5≤N≤2。

请一并参阅图29及图30，图29是图1中的二维耦出光栅顶投模式的光线传播示意图；图30是图28中的耦出光栅222顶投模式的光线传播示意图。对于现有技术中的顶投模式的六角格子来说，能形成对人眼视觉影响的衍射级次有三个，如图29所示，分别是(1，1)级衍射、(1，0)级衍射及(0，1)级衍射。对于图28中的顶投模式的矩形格子来说，可能形成对人眼视觉影响的衍射级次有五个，如图30所示，分别是(1，0)级衍射、(1，-1)级衍射、(1，1)级衍射、(0，1)级衍射及(0，1)级衍射。图29及图30中的实线代表可以在视野中形成衍射条纹的波矢，虚线表示不能在视野中形成彩虹纹。

请一并参阅图31及图32，图31是图29中的二维耦出光栅的(1，1)级衍射的彩虹纹模拟示意图；

图32是图30中的耦出光栅的(1，0)级衍射的彩虹纹模拟示意图；从图31及图32可知，为了匹配耦入光栅波矢，现有技术中的耦出光栅(即六角格子)的顶投模式的(1，1)级衍射的彩虹纹模拟示意图与本申请的耦出光栅(即矩形格子)的顶投模式的(1，0)级衍射的彩虹纹模拟示意图方向一致，且大小相同的，即两者形成的彩虹纹完全一致。因此，本申请的耦出光栅无法减弱头顶部分区域的彩虹纹效应。

请一并参阅图33及图34，图33是图29中的二维耦出光栅的(1，0)级衍射和(0，1)级衍射的彩虹纹模拟示意图；图34是图30中的耦出光栅的(1，-1)级衍射和(1，1)级衍射的彩虹纹模拟示意图。从图29及图33可以看出，现有技术中的耦出光栅(即六角格子)的顶投模式还有(1，0)级衍射和(0，1)级衍射两个；从图30及图34可以看出，本申请的耦出光栅(即矩形格子)的顶投模式的有(1，-1)级衍射和(1，1)级衍射两个，它们在角度上近似。具体地，本申请的耦出光栅的顶投模式在左右的45°方向上，正方格子、长方格子或者斜方格子的波矢的方向有周期和角度确定，但是一般在45°附近，衍射波矢矢量大小都是kx和ky方向的矢量叠加，因为kx和ky夹角在90°附近，所以衍射波矢矢量要长于现有技术中的耦出光栅(即六角格子)的衍射波矢，使最终形成的衍射条纹远离视野(如图34所示)。基于这种机制，本申请的耦出光栅的顶投模式可以有效减弱右上方或者左上方光源造成的彩虹纹。

不同于现有技术中的耦出光栅(即六角格子)的顶投模式，本申请的耦出光栅(即矩形格子)的顶投模式会多出(0，1)级衍射和(0，-1)级衍射，这两个级衍射会水平左或者右前方的光源会形成衍射条纹。

综上所述，相较于现有技术中的耦出光栅(即六角格子)的顶投模式，本申请的耦出光栅(即矩形格子)的顶投模式对正上方的部分区域光源形成的彩虹纹无改善，对左上方和右上方光源的彩虹纹有明显的改善效果，但是可能会带来左前方或者右前方光源的彩虹纹，但日常光源往往出现在正上方或者左右上方区域，所以相较于技术中的耦出光栅(即六角格子)本申请的耦出光栅(即矩形格子)的顶投模式的彩虹纹有较大的改善。

请参阅图35，图35是本申请第十六实施例提供的衍射波导装置的耦入光栅及耦出光栅的示意图；本申请第十六实施例提供的衍射波导装置与第十五实施例的衍射波导装置结构相似，不同之处在于：耦入光栅225位于耦出光栅222的一侧(也就是侧投模式)，即耦入光栅225沿所述第二方向的投影位于所述耦出光栅222的区域内；本实施例中的所述第二方向指沿x轴方向。具体地，第十六实施例中的衍射波导装置上的耦入光栅225与耦出光栅222的结构及位置关系是将第十五实施例中的耦入光栅225及耦出光栅全部按逆时针旋转90°，使得耦入光栅在耦出光栅的侧方。本实施例中的耦出光栅222的基矢夹角θ为90或者80°≤θ≤100°；第一基矢的周期(即模长)大小等于第二基矢的周期(即模长)大小或者第一基矢的周期(即模长)大小等于N倍第二基矢的周期(即模长)大小，所述N的范围为:0.5≤N≤2。

对于本实施例中的耦入光栅225位于耦出光栅222的侧部对彩虹纹的影响与第十五实施例中的耦入光栅225位于耦出光栅222的正上方对彩虹纹的影响相同。对于本申请的耦出光栅(即矩形格子)的彩虹纹的分析与周期比有关，若竖直方向(y轴方向)周期小于水平方向(x轴方向)周期，则会使竖直方向的彩虹纹远离视野，反之，彩虹纹会向视野中心移动。对于斜方格子，效应也是类似的，除此之外，彩虹纹还会稍微向左或者向右偏，但无论哪种格子对左上方和右上方光源带来的彩虹纹都有缓解的效果，原理请参阅第十五实施例。

请参阅图36，图36是本申请第十七实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；本申请第十七实施例提供的衍射波导装置与第一实施例的衍射波导装置结构相似，不同之处在于：在第十七实施例中，波导基底21的第一表面211上设有第一收容槽及第二收容槽，所述第一收容槽与所述第二收容槽间隔，耦入光栅225设于所述第一收容槽中，耦出光栅222设于所述第二收容槽中。耦出光栅222的基矢夹角θ为90或者80°≤θ≤100°；第一基矢的周期(即模长)大小等于第二基矢的周期(即模长)大小或者第一基矢的周期(即模长)大小等于N倍第二基矢的周期(即模长)大小，所述N的范围为:0.5≤N≤2；本实施例中，所述耦出光栅222的基矢夹角θ为90°，所述第一周期(即第一模长)的绝对值等于N倍所述第二周期(即第一模长)的绝对值，即所述N的范围为:0.5≤|N|≤2，所述耦出光栅222的耦出光栅区域呈矩形，使得所述耦出光栅222的二维扩瞳角度为180°。

请参阅图37，图37是本申请第十八实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；本申请第十八实施例提供的衍射波导装置与第一实施例的衍射波导装置结构相似，不同之处在于：第十八实施例中的耦入光栅225及耦出光栅222均设于第二表面213。耦出光栅222的基矢夹角θ为90或者80°≤θ≤100°；第一基矢的周期(即第一模长)大小等于第二基矢的周期(即第一模长)大小或者第一基矢的周期(即第一模长)大小等于N倍第二基矢的周期(即第二模长)大小，所述N的范围为:0.5≤N≤2；本实施例中，所述耦出光栅222的光栅单元的所述第一方向与所述第二方向之间的夹角为90°，且所述第一周期(即第一模长)的绝对值等于所述第二周期(即第二模长)的绝对值，即所述N的范围为:0.5≤|N|≤2，所述耦出光栅222的耦出光栅区域呈矩形，使得所述耦出光栅222的二维扩瞳角度为180°。

请参阅图38，图38是本申请第十九实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；本申请第十九实施例提供的衍射波导装置与第一实施例的衍射波导装置结构相似，不同之处在于：所述耦入光栅225及耦出光栅222分别设于所述第一表面211及所述第二表面213，本实施例中，耦入光栅225设于所述第一表面211，耦出光栅222设于所述第二表面213。耦出光栅222的基矢夹角θ为90或者80°≤θ≤100°；第一基矢的周期(即第一模长)大小等于第二基矢的周期(即第二模长)大小或者第一基矢的周期(即第一模长)大小等于N倍第二基矢的周期(即第二模长)大小，所述N的范围为:0.5≤N≤2；本实施例中，所述耦出光栅222的光栅单元的所述第一方向与所述第二方向之间的夹角θ为80°≤θ≤100°，且所述第一周期(即第一模长)的绝对值等于N倍所述第二周期(即第二模长)的绝对值，即所述N的范围为:0.5≤|N|≤2，所述耦出光栅222的耦出光栅区域呈矩形，使得所述耦出光栅222的二维扩瞳角度为180°。

请参阅图39，图39是本申请第二十实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；本申请第二十实施例提供的衍射波导装置与第十九实施例的衍射波导装置结构相似，不同之处在于：耦入光栅225设于所述第二表面213，耦出光栅222设于所述第一表面211。

请参阅图40，图40是本申请第二十一实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；本申请第二十一实施例提供的衍射波导装置与第一实施例的衍射波导装置结构相似，不同之处在于：在第二十一实施例中的衍射波导装置还包括保护片226，所述保护片226覆盖于所述耦出光栅222背离所述波导基底21的表面，用于保护所述耦出光栅222不受损伤。所述保护片226的材质可以为但不仅限于为玻璃、塑料等。

请参阅图41，图41是本申请第二十二实施例提供的衍射波导装置的结构示意图；本申请第二十二实施例提供的衍射波导装置与第十九实施例的衍射波导装置结构相似，不同之处在于：在第二十二实施例中的衍射波导装置还包括保护片226，所述保护片226覆盖于耦出光栅222背离所述波导基底21的表面，用于保护所述光栅结构22不受损伤。所述保护片226的材质可以为但不仅限于为玻璃、塑料等。

各实施例中的耦出光栅222与所述波导基底21为一体结构。

请参阅图42，图42是本申请一实施方式提供的近眼显示设备100的示意图。所述近眼显示设备100包括如前面任意实施例提供的衍射波导装置。

在其中一实施方式中，所述近眼显示设备100还包括佩戴框130。所述佩戴框130具有间隔设置的两个视窗区131，所述两个视窗区131的至少一个视窗区131设置有如前面任意衍射波导装置。当所述两个视窗区131中的一个视窗区131设置有所述衍射波导装置时，所述一个视窗区131可使人眼看到虚拟影像，而耦入光栅225区域本身又可以透过环境光线，从而使得一个视窗区131可实现增强现实的效果。当两个视窗区131均设置有所述衍射波导装置时，所述两个视窗区131可实现增强现实的效果。在本实施方式的示意图中，以所述两个视窗区131均设置有光栅结构22为例进行示意，每一耦入光栅225位于对应的耦出光栅222的一侧；优选地，耦入光栅225位于对应的耦出光栅222一侧的中部。

请参阅图43，图43为本申请又一实施方式提供的近眼显示设备100a的示意图。所述近眼显示设备100a包括佩戴框130、佩戴架160、图像源30及光学透镜组件170。所述佩戴架160与所述佩戴框130相连。所述图像源30也称为投影光机。所述图像源30设置于所述波导基底21的一侧，用于根据所要显示的图像产生光线。所述光学透镜组件170设置于所述图像源30与所述耦入光栅225之间，用于将所述光线按照预设规律投入所述耦入光栅225，所述图像源30及所述光学透镜组件170中的至少一个设置于所述佩戴框130连接所述佩戴架160的连接处；每一耦入光栅225位于对应的耦出光栅222的一侧，即侧投模式；优选地，耦入光栅225位于对应的耦出光栅222一侧的中部。

具体而言，所述近眼显示设备为AR眼镜，所述佩戴架160也称为眼镜腿。

当所述近眼显示设备为AR眼镜时，为了将所述波导基底21、所述耦入光栅225及所述耦出光栅222构成的波导基底结构尽量贴合眼镜的形态，可将耦入光栅225设置于靠近所述佩戴框130连接所述佩戴架160的连接处。采用侧投的布局形式，以及将图像源30及光学透镜组件170放置在所述佩戴框130连接所述佩戴架160的连接处，将耦入光栅225布局在视窗区131的一侧，当所述近眼显示设备具有两个视窗区131时，所述两个耦入光栅225分别位于所述两个视窗区131相对的两侧。当所述AR眼镜被佩戴时，所述两个耦入光栅225分配位于人眼相对的两侧。

请参阅图44，图44是本申请又一实施方式提供的近眼显示设备100b的示意图。本实施方式的近眼显示设备100b的结构与上述近眼显示设备100的结构相似，不同之处在于：每一个视窗区131内的耦入光栅225位于耦出光栅222的顶侧，即耦入光栅225采用顶投模式进行布局；优选地，所述耦入光栅225位于所述耦出光栅222顶侧的中部。

请参阅图45，图45是本申请又一实施方式提供的近眼显示设备100c的示意图。本实施方式的近眼显示设备100c的结构与上述近眼显示设备100a的结构相似，不同之处在于：每一个视窗区131内的耦入光栅225位于耦出光栅222的顶侧，即耦入光栅225采用顶投模式进行布局；优选地，所述耦入光栅225位于所述耦出光栅222顶侧的中部。

请参阅图46，图46为本申请另一实施方式提供的近眼显示设备100d的示意图。所述近眼显示设备100d还包括摄像头40、环境传感器60、处理器70、及电池80。所述图像源30、所述摄像头40、环境传感器60均与所述处理器70电连接，用于在所述处理器70的控制下工作。所述摄像头40用于采集视频数据，所述环境传感器60用于检测周围环境。所述电池80用于为所述图像源30、所述摄像头40、所述环境传感器60及所述处理器70供电。

请一并参阅图3及图47，图47是本申请一实施方式提供的衍射波导装置的制造方法流程图,所述制造方法包括：

S1、提供所述波导基底21；

S2、形成光栅结构22于所述波导基底21的一表面，其中所述光栅结构22包括若干光栅单元221，所述若干光栅单元221具有在第一方向上的第一周期和在与所述第一方向不同的第二方向上的第二周期，通过调节所述第一周期及所述第二周期，以使所述光栅结构22的二维扩瞳角度为180°

在所述步骤S2中，所述光栅结构22可以形成于所述波导基底21的第一表面211和/或第二表面213。通过选用纳米压印法、光刻、刻蚀、生长、纳米压印法、铸造法、模压法或注入模压法等在所述波导基底21的表面形成所述光栅结构22，以实现大批量制造。

在所述步骤S2中，通过纳米压印法在所述波导基底21的表面形成所述光栅结构20，包括：提供一母版，其中所述母版具有与所述光栅结构22相对应的待转印的光栅结构，其中所述待转印的光栅结构包括基矢夹角为90°的沿第一周期和第二周期排列的光栅单元，其中所述待转印的光栅单元与所述光栅单元的结构形状、排布方式、高度和宽度保持一致；通过所述母版聚合成型一子模，其中子模具有与所述母版上待转印的光栅结构相互补的互补结构，和所述互补结构形成与所述光栅单元的结构形状、排布方式、高度和宽度相匹配的腔室；将未固化的所述光栅结构22的光栅基底材料涂布于所述波导基底21的表面；通过所述子模压印未固化的所述光栅基底材料，使未固化的所述光栅基底材料填充所述子模的所述腔室，并固化所述光栅基底材料以成型所述光栅结构22于所述波导基底21的表面。

所述光栅基底材料可以为树脂材料，如紫外光固化树脂材料或热固化树脂材料等，可以通过紫外光固化或者加热固化所述光栅基底材料以成型所述光栅结构22。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (20)

1.一种衍射波导装置，其特征在于，所述衍射波导装置包括：

波导基底；以及

光栅结构，所述光栅结构设置于所述波导基底的表面，所述光栅结构包括若干光栅单元，所述若干光栅单元具有在第一方向上的第一周期和在与所述第一方向不同的第二方向上的第二周期，通过调节所述第一周期及所述第二周期，以使所述光栅结构的二维扩瞳角度为180°。

2.如权利要求1所述的衍射波导装置，其特征在于，所述衍射波导装置满足以下条件式：在所述光栅结构的归一化k空间的视场分布中，横轴是λk_x/2π，纵轴是λk_y/2π，同心的内圆及外圆的半径分别是环境折射率和波导基底的折射率，中心视场位于所述内圆内，(0，0)级衍射视场及(-1，±1)级衍射视场位于所述内圆与所述外圆围成的圆环中，(0，±1)级衍射视场位于所述外圆外，以避免(0，±1)级衍射，所述中心视场的扩瞳夹角为180°；其中，入为波长，k_x为倒空间中x方向光栅矢量，k_y为倒空间中y方向光栅矢量。

3.如权利要求2所述的衍射波导装置，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角θ的范围为：80°≤θ≤100°。

4.如权利要求2所述的衍射波导装置，其特征在于，所述第一周期的模长等于N倍所述第二周期的模长，所述N的范围为：0.5≤N≤2。

5.如权利要求2所述的衍射波导装置，其特征在于，若干所述光栅单元排列成矩形区域，以所述矩形区域的平行于所述第一方向的中心线为对称轴，对所述中心线相对的两侧调整各所述光栅单元的占空比，以调制若干所述光栅单元的衍射效率。

6.如权利要求5所述的衍射波导装置，其特征在于，若干所述光栅单元的径向尺寸自所述中心线沿所述第二方向逐渐增大。

7.如权利要求5所述的衍射波导装置，其特征在于，若干所述光栅单元的径向尺寸沿所述第一方向逐渐增大，且自所述中心线沿所述第二方向逐渐增大。

8.如权利要求5所述的衍射波导装置，其特征在于，若干所述光栅单元的高度尺寸自所述中心线沿所述第二方向朝相对的两侧逐渐增大或减小。

9.如权利要求2所述的衍射波导装置，其特征在于，所述波导基底的表面为阶梯面，所述阶梯面包括位于中部的第一台阶面及位于所述第一台阶面相对两侧的两个第二台阶面，若干所述光栅单元设置于所述第一台阶面及两个所述第二台阶面，其中各所述光栅单元背离所述表面的端面共面。

10.如权利要求9所述的衍射波导装置，其特征在于，所述第一台阶面上的光栅单元的高度小于每一第二台阶面上的光栅单元的高度。

11.如权利要求1所述的衍射波导装置，其特征在于，所述第一周期的第一模长为260nm至500nm；所述第二周期的第二模长为260nm至500nm。

12.如权利要求1-11任意一项所述的衍射波导装置，其特征在于，所述光栅结构包括设于所述波导基底的耦入光栅及耦出光栅，所述耦入光栅用于将光线耦入所述波导基底；所述耦出光栅通过若干所述光栅单元组成，所述耦出光栅用于接收经由所述波导基底全反射后的光线，并将光线经二维扩瞳后耦出所述波导基底。

13.如权利要求12所述的衍射波导装置，其特征在于，所述波导基底包括相背设置第一表面及第二表面，所述耦入光栅及所述耦出光栅均设于所述第一表面或所述第二表面；或者所述耦入光栅及所述耦出光栅分别设于所述第一表面及所述第二表面。

14.如权利要求12所述的衍射波导装置，其特征在于，所述耦出光栅的光栅单元的第一方向与第二方向之间的夹角为90°，所述第一周期的模长的绝对值等于N倍所述第二周期的模长的绝对值，所述N的范围为：0.5≤N≤2，所述耦出光栅的耦出光栅区域呈矩形，使得所述耦出光栅的二维扩瞳角度为180°。

15.如权利要求12所述的衍射波导装置，其特征在于，所述耦出光栅的光栅单元的第一方向与第二方向之间的夹角为90°，且第一周期的模长的绝对值等于第二周期的模长的绝对值，所述耦出光栅的耦出光栅区域呈矩形，使得所述耦出光栅的二维扩瞳角度为180°。

16.如权利要求12所述的衍射波导装置，其特征在于，所述耦出光栅与所述波导基底为一体结构。

17.如权利要求12所述的衍射波导装置，其特征在于，所述耦入光栅沿第一方向的投影位于所述耦出光栅的区域内；或者所述耦入光栅沿第二方向的投影位于所述耦出光栅的区域内。

18.一种近眼显示设备，包括如权利要求1-17任意一项所述的衍射波导装置。

19.如权利要求18所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备包括：

佩戴框，所述佩戴框具有间隔设置的两个视窗区，所述两个视窗区的至少一个视窗区设置有所述衍射波导装置。

20.如权利要求19所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备还包括：

佩戴架，所述佩戴架与所述佩戴框相连；

图像源，所述图像源设置于所述波导基底的一侧，用于根据所要显示的图像产生光线；以及

光学透镜组件，所述光学透镜组件设置于所述图像源与所述衍射波导装置的耦入光栅之间，用于将所述光线按照预设规律投入所述耦入光栅，所述图像源及所述光学透镜组件中的至少一个设置于所述佩戴框连接所述佩戴架的连接处。

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