[0001] 本发明涉及衍射光学技术领域，具体而言，涉及一种波导结构。

[0002] 随着衍射光学领域的发展，车载抬头显示设备和AR头戴式设备发展的日渐成熟。波导结构作为车载抬头显示设备和AR头戴式设备中的关键结构受到了大众的广泛关注。

[0003] 基于现有技术中的波导结构(如浮雕光栅光波导或全息光波导等)存在以下几个问题：

[0004] 1.波导结构厚度受入射波长、光栅周期以及衍射效率等多种因素影响，波导结构过厚会导致光瞳分离(经耦入光栅耦入进波导的光瞳内的光经光波导后在眼盒内离散分布，不能充满整个眼盒，导致显示效果降低)，波导结构厚度过小，又会出现光线在波导结构中反射次数增加，能量损耗严重导致最终显示效率大大降低的现象。

[0005] 2.由于光线在波导结构中传输的路径以及衍射光栅的特性，由波导结构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不同位置时观察到的图像亮暗具有差异，角度的不均匀性则导致不同视场角的明暗强度具有差异，为了兼顾最低视场角的效率往往需要对效率分布情况进行优化，是一个均衡的过程，导致最终波导结构的整体效率偏低，这也是目前AR设备最棘手的问题。

[0006] 也就是说，现有技术中的波导结构存在衍射效率低和显示均匀性差的问题。

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] 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。

[0038] 如图1所示，为现有技术中的波导结构的示意图。耦入光栅11、转折光栅12和耦出光栅13如图中所示排布。其中转折光栅12和耦出光栅13为表面浮雕光栅，且光栅的高度和占空比在整个转折光栅12和耦出光栅13内相同。采用此方案虽然可以实现波导结构的基本功能，但是存在一定的局限，例如存在空间的不均匀性和角度的不均匀性，同时转折光栅12和耦出光栅13显示效率低下，这些问题的存在限制了波导结构的整体显示效果。

[0039] 为了解决现有技术中的波导结构存在衍射效率低和显示均匀性差的问题，本发明提供了一种波导结构。

[0040] 如图2至图8所示，波导结构包括波导基底20、第一衍射元件30和第二衍射元件40，波导基底20具有相对设置的第一表面21和第二表面22；第一衍射元件30设置在第一表面21上，第一衍射元件30用于将外部图像源发射的光耦入波导基底20中；第二衍射元件40为一维衍射元件或二维衍射元件，第二衍射元件40沿一直线方向被分为多个子区域，多个子区域中的部分子区域位于波导基底20的不同表面，位于不同表面的子区域的折射率不同；其中，多个子区域在第一表面21上的投影中的相邻两个子区域彼此朝向的边界具有互补的凹凸结构。

[0041] 第一衍射元件30用于将外部图像源发射的光耦入波导基底20中并朝向第二衍射元件40的方向传输，第二衍射元件40沿一直线方向被分为多个子区域，多个子区域中的部分子区域位于波导基底20的不同表面，也就是说多个子区域中至少一个子区域位于第一表面21上，至少另一个子区域位于第二表面22上，位于不同表面的子区域的折射率不同，通过将第二衍射元件40进行分区域设置，使得多个子区域能够对不同视场角的光进行调制，以平衡不同视场角和相同视场角的光效率，进而能够实现光在波导基底20内传输过程中，不同视场角以及相同视场角的光到达眼盒内不同位置时，光效率尽可能相等，以使得用户的眼睛处于眼盒内的不同位置时观察到的图像明暗差异较小，有利于提高视场角均匀性和眼盒均匀性；同时通过设置多个子区域，可分别对应波导基底20内不同视场角范围的光进行调制并传输，以增加波导基底20中光的利用率，进而有效提高波导结构的整体衍射效率和整体衍射均匀性。

[0042] 另外，采用将第二衍射元件40分成多个子区域的方式，有利于提升设计自由度，实际应用时可根据具体需求设置不同子区域的结构参数，多个子区域在第一表面21上的投影中的相邻两个子区域彼此朝向的边界具有互补的凹凸结构，这样设置有利于投影上的相邻两个子区域之间的合并，在保证加工成本可控情况下，实现显示效果最优。

[0043] 此处需要说明的是，上述的多个子区域在第一表面21上的投影中的相邻两个子区域彼此朝向的边界具有互补的凹凸结构中的相邻两个子区域为多个子区域在第一表面21上的多个投影中的相邻两个，而不是一个表面上的相邻两个。

[0044] 在本申请的一个可选实施例中，当第二衍射元件40为一维衍射元件时，波导结构还包括第三衍射元件50，此时第一衍射元件30、第二衍射元件40和第三衍射元件50均为一维衍射元件，第一衍射元件30和第二衍射元件40之间的连线与第二衍射元件40和第三衍射元件50之间的连线垂直；第二衍射元件40用于接收第一衍射元件30的光并将光在空间一个方向上进行扩瞳传输，第三衍射元件50设置在第一表面21上，第二衍射元件40用于接收第一衍射元件30的光并进行扩瞳传输，第三衍射元件50用于接收第二衍射元件40扩瞳后的光，并将耦出至人眼。

[0045] 在本申请的另一个可选实施例中，当第二衍射元件40为二维衍射元件时，第三衍射元件50可有可无，也就是说波导基底20上可仅设置第一衍射元件30和第二衍射元件40；或者波导基底20上设置第一衍射元件30、第二衍射元件40和第三衍射元件50。

[0046] 当波导基底20上仅设置第一衍射元件30和第二衍射元件40时，第二衍射元件40用于接收第一衍射元件30的光并进行扩瞳和耦出，以将光扩瞳后直接耦出波导基底20，进而到达人眼进行显示。这样设置取消了第三衍射元件50，仅通过二维的第二衍射元件40即可实现光的扩瞳和耦出，减少了衍射元件在波导基底20上的排布面积，有利于波导结构的小型化。

[0047] 当第二衍射元件40为二维衍射元件且波导基底20上设置第一衍射元件30、第二衍射元件40和第三衍射元件50时，第二衍射元件40用于接收第一衍射元件30的光并进行扩瞳传输，第三衍射元件50用于接收第二衍射元件40的光并耦出至人眼。此时，第二衍射元件40和第三衍射元件50在波导基底20的投影上可以间隔设置，也可以部分重合或完全重合，重合区域可以位于波导基底20的不同表面上，也可以在同一表面上，也就是说第二衍射元件40和第三衍射元件50可分别设置在第一表面21和第二表面22上，也可设置在同一表面上。
通过第二衍射元件40的选型和与第三衍射元件50的合理搭配，有利于保证第一衍射元件
30、第二衍射元件40和第三衍射元件50的排布紧凑性，可根据实际波导基底20的尺寸进行调整，有利于保证波导结构的小型化。

[0048] 具体的，二维衍射元件的结构形状为菱柱形、缺角菱柱形、圆柱形、椭圆柱形、空心菱柱形、空心缺角菱柱形、空心圆柱形、空心椭圆柱形等，可根据实际情况进行选择。不同的光栅形貌具有不同的衍射分布特性，通过对形貌的特殊设计，可以实现尽可能多的将光效集中在期望的角度和衍射级次上，进而使得最终显示效果尽可能高效且均匀。当第二衍射元件40为二维衍射元件时，第二衍射元件40中的多个子区域的结构形状可包括上述中的一种或多种，通过合理设计，使得在光路中不同位置放置不同的结构形状的光栅，使得不同视场角的光经多个子区域传输进入眼盒时，其效率尽可能相等，以提高波导结构的显示效果。

[0049] 具体的，一个子区域的凹凸结构由多个顺次连接的面段组成，多个面段中的相邻两个面段呈角度设置。在本申请的一个可选实施例中多个面段均为直面段，相邻两个直面段之间呈直角、钝角或锐角设置；或者多个面段均为曲面段；或者多个面段包括直面段和曲面段的组合，凹凸结构可由直面段与曲面段顺次交替设置而成。

[0050] 具体的，位于不同表面的子区域之间存在折射率差，也就是说位于第一表面21上的子区域与位于第二表面22上的子区域之间存在折射率差，折射率差大于等于0.05且小于等于1.5。由于衍射元件的衍射特性与本身的折射率有很大关系，通过调制不同表面的子区域的折射率参数实现对不同视场角的光效进行有效调制。而不同折射率的子区域主要分布在波导基底20的不同表面上，可通过纳米双面压印技术或其他技术进行实现，工艺难度不大，成本可控，对于透过率来讲，没有双重光栅重叠部分，其在波导基底20的衍射功能区域内透过率无大的异变，符合实际需求，有利于实现批量制造和使用。

[0051] 可选地，位于波导基底20的同一表面的子区域为相邻的或不相邻的。也可解释为位于波导基底20的同一表面的子区域为连接的或间隔的。例如图4中所示：第二衍射元件40设置在第一衍射元件30的右侧，第二衍射元件40沿远离第一衍射元件30的方向依次被分为第一子区域41、第二子区域42和第三子区域43；当第一子区域41和第二子区域42位于第一表面21，第三子区域43位于第二表面22；或者第二子区域42和第三子区域43位于第一表面21，第一子区域41位于第二表面22的时候，即为上述的位于波导基底20的同一表面的子区域为相邻的情况，当然第一子区域41和第二子区域42位于第二表面22，或者第二子区域42和第三子区域43位于第二表面22的情况也一样。当第一子区域41和第三子区域43位于第一表面21，第二子区域42位于第二表面22时，或者第一子区域41和第三子区域43位于第二表面22，第二子区域42位于第一表面21时，即为上述的位于波导基底20的同一表面的子区域为不相邻的情况。综上，是否为相邻的是根据多个子区域在波导基底20上的投影而观察判断的，而不是仅一个表面上的子区域而观察判断的。

[0052] 在本申请的一个可选实施例中，多个子区域在第一表面21和第二表面22中的一个上的投影中的相邻两个子区域顺次拼接，以使得投影中拼接设置的相邻两个子区域之间没有间隙；或者，在本申请的另一个可选实施例中，多个子区域在第一表面21和第二表面22中的一个上的投影中的一个子区域与其相邻的子区域非对齐设置，以使该一个子区域与其一侧的子区域之间形成重叠区域44，该一个子区域与其另一侧的子区域之间形成空白区域45。重叠区域44和空白区域45的衍射效率不同，通过这样的设计，可以提升设计自由度，具体可根据不同视场角的位置合理规划重叠区域44和空白区域45的位置和范围。

[0053] 具体的，不同子区域的周期相同，也就是说，第二衍射元件40中的所有子区域的周期是相同的，周期相同，其衍射光线的角度就不会改变，避免波导结构显示图像时出现重影、鬼像等问题，保证较佳的显示效果。

[0054] 在本申请中，不同子区域的结构参数不同，第一衍射元件30、第二衍射元件40和第三衍射元件50均为衍射光栅，衍射光栅的结构参数包括光栅高度、占空比、光栅形状、光栅倾角、光栅镀膜的厚度、镀膜结构等，但不限于此，也就是说不同子区域的光栅高度、占空比、光栅形状、光栅倾角、光栅镀膜的厚度、镀膜结构中的至少一项不同；通过不同子区域之间的结构参数不同，进而调制子区域的衍射效率，使得不同视场角的光，或者相同视场角下到达眼盒不同位置的光的能量尽可能的均匀或高效，以提高最终的显示均匀性。同时使得光线进入眼盒时空间的均匀性和角度的均匀性更好，为提高波导显示性能提供可能。另外，通过调整每个子区域的结构参数，实现光线在波导结构内传输过程中，不同视场角，以及相同视场角光到达眼盒内不同位置时，效率尽可能相等，提高视场角均匀性和眼盒均匀性。

[0055] 在本申请的另一个实施例中，一个子区域可进一步被分为多个细小的网格结构，不同网格结构的光栅结构不同。或者一个子区域也可以通过进一步分区，这里不做限制。子区域被分为多个网格结构，通过更精细的划分，再通过优化后，将相同参数区域合并的方式实现，也可以采用网格化直接细分实现。最终再以不同折射率参数将光栅安置在不同表面上实现。大大增加了光波导设计自由度，为高性能光波导结构提供可能。也就是说子区域可通过划分更加细小分区的方式设计，待设计完成后通过相同参数之间的区域合并，最终实现大块区域划分，该划分出来的大块区域的边界为上述的凹凸结构的形式。特点是相邻区域的结构参数至少有一项不同，在尽可能的满足光学效果的前提下，对第二衍射元件40进行合理分区，确保加工成本可控情况下，实现显示效果最优。

[0056] 下面结合附图和具体实施例来描述本申请的波导结构。

[0057] 实施例一

[0058] 如图2、图3和图7所示，描述了实施例一的波导结构。

[0059] 如图2所示，本实施例的波导结构包括波导基底20，波导基底20上仅设置第一衍射元件30和第二衍射元件40，第一衍射元件30和第二衍射元件40在波导基底20上的投影间隔设置，第一衍射元件30为一维衍射元件，第二衍射元件40为二维衍射元件，第一衍射元件30用于将外部图像源的光耦入波导基底20中并朝向第二衍射元件40的方向进行传输，第二衍射元件40用于接收第一衍射元件30的光，然后进行扩瞳并耦出。

[0060] 如图2和图3所示，在本实施例中，第二衍射元件40沿远离第一衍射元件30的方向(水平方向)被分为第一子区域41、第二子区域42和第三子区域43。第一子区域41、第二子区域42和第三子区域43在波导基底20上的投影顺次无缝拼接以形成整个第二衍射元件40。如图3所示，第一子区域41和第三子区域43位于第一表面21，第二子区域42位于第二表面22；第一子区域41和第二子区域42彼此朝向的一侧具有互补的凹凸结构，第二子区域42和第三子区域43彼此朝向的一侧具有互补的凹凸结构，第二子区域42两侧的凹凸结构相同或不同。其中，第一子区域41朝向第二子区域42一侧的凹凸结构、第二子区域42两侧的凹凸结构和第三子区域43朝向第二子区域42一侧的凹凸结构均由多个直面段顺次呈角度连接组成。

[0061] 其中，第一子区域41、第二子区域42和第三子区域43可以包括不同的光栅结构，如菱柱形、空心菱柱形、圆柱形、空心圆柱形、椭圆柱型、空心椭圆柱型等，但不限于这些形状。不同子区域的光栅高度和占空比不同。

[0062] 如图7所示，第一子区域41可以是图7中三种光栅结构中的一种，第二子区域42可以是图7中三种光栅结构中的另一种，第三子区域43可以是图7中三种光栅结构中的一种。以第一子区域41进行举例，当第一子区域41为图7中最上面所展示的光栅结构时，第一子区域41的光栅高度相等，H51’＝h51，第一子区域41的占空比在f51‑f51’范围内无规则的变化，其中f51＝Imin/p，f51’＝Imax/p。当第一子区域41为图7的中间展示的光栅结构时，第一子区域41的光栅的占空比无变化，即f51＝f51’＝I/p，相邻光栅之间的距离相等，第一子区域41的部分光栅的高度可由h51‑h51’逐渐增大。当第一子区域41为图7中最下面所展示的光栅结构时，第一子区域41的光栅高度由h51‑h51’无规则变化，第一子区域41的占空比在f51‑f51’范围内无规则的变化，其中f51＝Imin/p，f51’＝Imax/p。同样的，第二子区域42和第三子区域43也可存在以上几种情况。

[0063] 实施例二

[0064] 如图4、图5、图6和图8所示，描述了实施例二的波导结构。

[0065] 如图4所示，本实施例的波导结构包括波导基底20，波导基底20上设置第一衍射元件30、第二衍射元件40和第三衍射元件50，第一衍射元件30和第二衍射元件40之间的连线与第二衍射元件40和第三衍射元件50之间的连线垂直，第一衍射元件30和第二衍射元件40在波导基底20上的投影间隔设置，第二衍射元件40和第三衍射元件50在波导基底20上的投影间隔设置，第一衍射元件30为一维衍射元件，第二衍射元件40为一维衍射元件，第三衍射元件50为一维衍射元件。第一衍射元件30用于将外部图像源的光耦入波导基底20中并朝向第二衍射元件40的方向进行传输，第二衍射元件40用于接收第一衍射元件30的光，然后向第三衍射元件50的方向进行扩瞳传输，第三衍射元件50用于接收第二衍射元件40的光并进行耦出。

[0066] 如图4和图5所示，在本实施例中，第一衍射元件30和第三衍射元件50位于第一表面21上，第二衍射元件40沿远离第一衍射元件30的方向被分为第一子区域41、第二子区域42和第三子区域43，第一子区域41和第三子区域43位于第一表面21上，第二子区域42位于第二表面22上，第一子区域41和第二子区域42彼此朝向的一侧具有互补的凹凸结构，第二子区域42和第三子区域43彼此朝向的一侧具有互补的凹凸结构，第二子区域42两侧的凹凸结构相同或不同。其中，第一子区域41朝向第二子区域42一侧的凹凸结构、第二子区域42两侧的凹凸结构和第三子区域43朝向第二子区域42一侧的凹凸结构均由多个直面段顺次呈角度连接组成。

[0067] 如图4所示，在一种情况中，第二子区域42在第一表面21上的投影分别与第一子区域41和第三子区域43无缝拼接。如图5所示，在另一种情况中，第二子区域42在第一表面21上的投影与第一子区域41和第三子区域43非对齐设置，以使第二子区域42与第一子区域41之间形成重叠区域44，第二子区域42与第三子区域43之间形成空白区域45。或者，在另一种未示出的情况中，第二子区域42在第一表面21上的投影与第一子区域41和第三子区域43非对齐设置，以使第二子区域42与第一子区域41之间形成空白区域45，第二子区域42与第三子区域43之间形成重叠区域44。这样的设置使得重叠区域44的衍射效率较低，空白区域45的衍射效率较高，可以较为灵活地调节波导结构不同区域的衍射效率，提高设计自由度。

[0068] 在本实施例中，采取对第二衍射元件40分成多个子区域的方式，由于不同子区域可调制的结构参数较多，其中包括光栅形貌、光栅高度、倾角、占空比、镀膜厚度、膜系结构等，这里只以光栅高度和占空比作为举例说明，但不限于此。

[0069] 如图8所示，第一子区域41可以是图8中三种光栅结构中的一种，第二子区域42可以是图8中三种光栅结构中的另一种，第三子区域43可以是图8中三种光栅结构中的一种。以第一子区域41进行举例，当第一子区域41为图8中最上面所展示的光栅结构时，第一子区域41的光栅高度相等，h21＝h21’，第一子区域41的占空比在f21‑f21’范围内无规则的变化，其中f21＝Imin/p，f21’＝Imax/p。当第一子区域41为图8的中间展示的光栅结构时，第一子区域41的光栅的占空比无变化，即f21＝f21’＝I/p，相邻光栅之间的距离相等，第一子区域41的部分光栅的高度可由h21‑h21’逐渐增大。当第一子区域41为图8中最下面所展示的光栅结构时，第一子区域41的光栅高度由h21‑h21’无规则变化，第一子区域41的占空比在f21‑f21’范围内无规则的变化，其中f21＝Imin/p，f21’＝Imax/p。同样的，第二子区域42和第三子区域43也可存在以上几种情况。

[0070] 实施例三

[0071] 与实施例二的区别是，第三衍射元件沿远离第二衍射元件的方向被分为多个子区域，多个子区域中相邻两个子区域彼此朝向的一侧具有互补的凹凸结构，多个子区域中的部分子区域位于波导基底的不同表面。

[0072] 在本实施例中，第二衍射元件和第三衍射元件均采用了分区域的形式，且第三衍射元件中多个子区域的结构参数的形式可参考实施二中的形式。

[0073] 综上，本申请的波导结构可应用在车载抬头显示设备中，也可应用在AR头戴式设备中。

[0074] 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。

[0075] 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。

[0076] 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。

[0077] 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。