光学结构和光学装置的制作方法

1.本技术涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学结构和光学装置。


背景技术：

2.光学装置诸如增强现实(augmented reality，缩写为ar)装置、虚拟现实 (virtual reality，缩写为vr)装置可以通过各自的显示器件显示图像。ar装置和/或vr装置相关技术越来越多地应用于各个领域，诸如广泛应用到军事、医疗、建筑、教育、工程、影视、娱乐等领域。
3.其中，ar眼镜是ar装置的主要实现方式之一，它的近眼显示系统是将显示器件上的像素，通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。 ar眼镜产品需要满足透视(see
‑
through)需求，既要看到真实的外部世界，也要看到虚拟信息，所以成像系统不能挡在视线前方。比如增加一个或一组光学组合器，通过“层叠”的形式，将虚拟信息和真实场景融为一体。
4.相关技术中，ar眼镜有着折反射、反射光波导、一维衍射光波导、二维衍射光波导、全息光波导等众多光学实现方案，其中二维衍射光波导 (two
‑
dimensional diffractive waveguide，缩写为tddw)轻薄和外界光线的高穿透特性，色彩还原性好，fov大等特点被认为是最有前景的消费级ar眼镜光学方案。
5.相关技术中，一般tddw架构的耦入光栅将来自投影光机的光线耦入波导，被耦入波导的光线经全内反射朝耦出光栅前进，在到达耦出光栅后会经衍射被分为向左传播的扩瞳光线与向右传播的扩瞳光线。光线在每次与耦出光栅作用时会将一部分能量耦出到人眼中，使用户看到投影光机的画面。当边缘视场光线入射时，其中一侧传播的扩瞳光线会进入人眼中，边缘视场的出瞳均匀性差。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供一种光学结构和光学装置，其可以提高边缘视场的出瞳均匀性。
7.本技术实施例提供一种光学结构，其包括：
8.波导体；
9.第一耦出光栅，设置于所述波导体；
10.第二耦出光栅，设置于所述波导体；以及
11.第三耦出光栅，设置于所述波导体，所述第三耦出光栅位于所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅之间；
12.所述第一耦出光栅为具有多个第一栅格的二维光栅，所述第一栅格为非对称形状，使得所述第一耦出光栅在第一方向传播的光线效率高于所述第一耦出光栅在第二方向传播的光线效率；
13.其中，所述第一方向为所述第一耦出光栅朝向所述第一耦出光栅的方向，所述第
一方向和所述第二方向相反。
14.本技术实施例还提供一种光学结构，其包括：
15.波导体；
16.第一耦出光栅，设置于所述波导体；
17.第二耦出光栅，设置于所述波导体；
18.第三耦出光栅，设置于所述波导体，所述第三耦出光栅位于所述第一耦出光栅和所述第二耦出光栅之间；以及
19.耦入光栅，设置于所述第一耦出光栅、第二耦出光栅及第三耦出光栅的同一侧，且所述耦入光栅和所述第三耦出光栅并排排列；
20.其中，所述第三耦出光栅包括至少两个子耦出光栅，相邻两个子耦出光栅的交界处位于所述光学结构的眼盒内，远离所述耦入光栅的子耦出光栅的衍射效率大于靠近所述耦入光栅的子耦出光栅的衍射效率。
21.本技术实施例还提供一种光学装置，其包括：
22.投影光器，所述投影光器被配置为提供增强现实或虚拟现实图像；和
23.如上任一项所述的光学结构。
24.本技术实施例第一耦出光栅具有多个第一栅格，且每个栅格为非对称形状，从而使得第一耦出光栅在第一方向传播的光线效率高于第一耦出光栅在第二方向传播的光线效率。使得第一耦出光栅所耦出光线中被浪费掉的部分的能量相对于其他光线的能量小，进而就可以提高各视场的出瞳亮度与出瞳均匀性，缩小各视场能量之间的差异。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.为了更完整地理解本技术及其有益效果，下面将结合附图来进行以下说明，其中在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。
27.图1为本技术实施例提供的光学结构的结构示意图。
28.图2为本技术实施例提供的光学结构的立体图。
29.图3为本技术实施例提供的中心视场光线在光学结构中传输的示意图。
30.图4为本技术实施例提供的边缘视场光线在光学结构中传输的示意图。
31.图5为本技术实施例提供的光学结构光线传输过程在k空间的原理示意图。
32.图6为本技术实施例提供的中心视场光线在光学结构沿一平面传输的示意图。
33.图7为本技术实施例提供的边缘视场光线在光学结构沿一平面传输的示意图。
34.图8为本技术实施例光学结构的应用场景示意图。
35.图9为本技术实施例第一耦出光栅的光栅矢量示意图。
36.图10为本技术实施例提供的光学结构以及光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图。
37.图11为本技术实施例提供的光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图。
38.图12为本技术实施例提供的光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图。
39.图13为本技术实施例提供的光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图。
40.图14为本技术实施例提供的光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图。
41.图15为本技术实施例提供的光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图。
42.图16为本技术实施例提供的光学结构的示意图。
43.图17为本技术实施例提供的光学结构的示意图。
44.图18为本技术实施例提供的光学结构的示意图。
45.图19为本技术实施例提供的光学结构的示意图。
46.图20为本技术实施例提供的光学结构的示意图。
具体实施方式
47.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术的保护范围。
48.请参阅图1，图1为本技术实施例提供的光学结构的结构示意图，并示出了参考系(x，y，z)。光学结构200包括波导体250、设置于该波导体上的耦入光栅240以及多个耦出光栅(耦出光栅210、耦出光栅220以及耦出光栅230)。其中，光学结构200的波导体260、耦入光栅240以及多个耦出光栅(耦出光栅210、耦出光栅220以及耦出光栅230)均是在x
‑
y平面排布。
49.其中，波导体250作为光学结构200的载体。波导体250能够传导光信号，诸如通过内部全反射的方式传导光信号。波导体250可以具有两个相反设置的表面，诸如包括相反设置的第一表面252和第二表面。其中，第二表面与第一表面 252相反设置，在图1的视图中被遮挡住而未展示出。
50.其中，耦入光栅240设置于波导体250的其中一个表面，诸如第一表面252。耦入光栅240可以接收来自投影光机(图中未示出)发出的光信号(也可以称为光线)，并将该光信号耦入波导体250。波导体250在接收到来自耦入光栅240耦入的光信号后可以传导该光信号。
51.耦入光栅240可以为闪耀光栅、矩形光栅以及倾斜光栅中的任一种。耦入光栅240可以采用一维光栅。
52.多个耦出光栅可以包括第一耦出光栅210、第二耦出光栅220以及第三耦出光栅230。第一耦出光栅210、第二耦出光栅220以及第三耦出光栅230均设置于波导体250，第三耦出光栅230位于第一耦出光栅210和第二耦出光栅220之间。在一些实施方式中，第一耦出光栅210、第二耦出光栅220以及第三耦出光栅230 设置于波导体250的同一面，诸如第一表面252。需要说明的是，第一耦出光栅 210、第二耦出光栅220以及第三耦出光栅230也可以均设置于波导体250的另一面，即与第一表面相反的第二表面。
53.在其他一些实施方式中，第一耦出光栅210、第二耦出光栅220以及第三耦出光栅230中的其中一个可以设置于波导体250的其中一面诸如第一表面252，而第一耦出光栅210、第二耦出光栅220以及第三耦出光栅230中的另外两个可以设置于波导体250的另一面
及第二表面。可以理解的是，耦入光栅240、第一耦出光栅210、第二耦出光栅220以及第三耦出光栅230四者任一组合设置于波导体 250的任何一面均在本技术实施例的保护范围内。
54.本技术实施例耦入光栅240可以设置于第一耦出光栅210、第二耦出光栅220 以及第三耦出光栅230的同一侧，且耦入光栅240和第三耦出光栅230并排排列。本技术实施例第一耦出光栅210和第二耦出光栅220的形状相同，且第一耦出光栅210和第二耦出光栅220相对于第三耦出光栅230对称设置，也可以理解为第一耦出光栅210、第二耦出光栅220相对于第三耦出光栅230镜像设置。需要说明的是，第一耦出光栅210和第二耦出光栅220的形状也可以不相同，或者不相对于第三耦出光栅230对称设置。
55.其中波导体250可以将耦入光栅240所耦入的光信号经过全内反射朝第一耦出光栅210、第二耦出光栅220以及第三耦出光栅230前进，在到达第一耦出光栅 210、第二耦出光栅220以及第三耦出光栅230后会经衍射被分为几部分朝向多个方向传导。其中一部分光信号耦出到达人眼中，使用户看到投影光机的画面。
56.请参阅图2，图2为本技术实施例提供的光学结构的立体图，且图2示出了中心视场光线入射经过衍射后光信号传输情况，并示出了参考系(x，y，z)。中心视场光线入射到耦入光栅240后，耦入光栅240经过波导体250朝向第三耦出光栅230传输光线201。光线201在与第三耦出光栅230作用后经衍射被分裂为4束光线，分别为光线2011、光线2012、光线2013和光线2014。
57.光线2011沿光线201的原路前进。可以理解的是，光线201在与第三耦出光栅230作用经衍射后被分裂为4束光线，光线2011沿光线201原路前进过程中会多次与第三耦出光栅230作用，每次作用均经衍射后被分裂为4束光线。即光线2011 沿光线201原路前进过程中多次与第三耦出光栅230作用经衍射后分裂出多条光线2013、多条光线2014、多条光线2014和多条2011，由于多条2011均沿光线201 的原路前进而展示出为一条光线。光线2011每与第三耦出光栅230作用一次，再沿原路前进的光线能量会下降。
58.光线2012直接从第三耦出光栅230耦出，可理解为光线2012基于x
‑
y平面朝向z的正方向耦出。本技术实施例将直接从第三耦出光栅230耦出的光线全部定义为光线2012。可以理解的是，从第三耦出光栅230不同位置所直接耦出的不同光线的能量是不同的。
59.光线2013在与第一耦出光栅210作用后经衍射被分裂为2束光线，分别为光线2013a和光线2013b。光线2013a直接从第一耦出光栅210耦出，可理解为光线2013a基于x
‑
y平面朝向z的正方向耦出。光线2013b沿光线2013的原路前进。本技术实施例将从第三耦出光栅230朝向第一耦出光栅210传播的光线定义为光线2013，光线2013具有多条，每一条光线2013均与第一耦出光栅210作用后经衍射被分裂出多条光线2013a和多条光线2013b。可以理解的是，不同的光线2013 的能量不同，不同的光线2013a的能量不同，不同的光线2013b的能量不同。
60.光线2014在与第二耦出光栅220作用后经衍射被分裂为2束光线，分别为光线2014a和光线2014b，光线2014a直接从第二耦出光栅210耦出，可理解为光线2014a基于x
‑
y平面朝向z的正方向耦出。光线2014b沿光线2014的原路前进。本技术实施例将从第三耦出光栅230朝向第二耦出光栅220传播的光线定义为光线2014，光线2014具有多条，每一条光线2014均与第二耦出光栅220作用后经衍射被分裂出多条光线2014a和多条光线2014b。可以理解的是，不同的光线2014 的能量不同，不同的光线2014a的能量不同，不同的光线
2014b的能量不同。
61.基于x
‑
y平面朝向z的正方向耦出的光线会入射到人眼中，使用户看到投影光机的画面。请继续参阅图2，如图2所示的示例中从第三耦出光栅230朝向z的正方向耦出的光线2012会射入到人眼中，从第一耦出光栅210朝向z的正方向耦出的光线2013a会射入到人眼中，从第二耦出光栅220朝向z的正方向耦出的光线2014a会射入到人眼中。
62.需要说明的是，图2所示出的光线2011、光线2012、光线2013、光线2014 是示例性的，并没有对光学结构200耦出光线的条数进行限制。或者可以理解为图2示出了本技术实施例光学结构200在耦出光线时的一部分光线，其余光线未示出。
63.请参阅图3和图4，图3为本技术实施例提供的中心视场光线在光学结构中传输的示意图，图4为本技术实施例提供的边缘视场光线在光学结构中传输的示意图。耦入光栅240将其耦出的光线201通过波导体250传输到第三耦出光栅230，与第三耦出光栅230发生作用分裂出多条光线诸如光线2011、光线2012、光线 2013和光线2014，其中光线2011、光线2012、光线2013和光线2014的传输方向可以参阅图2及相关内容，在此不再赘述。需要说明的是，在x
‑
y平面内光线2012 用圆点替代。光线2013与第一耦出光栅210发生作用分裂出多条光线诸如光线 2013a和光线2013b，光线2013a和光线2013b可以参阅图2及相关内容，在此不再赘述。需要说明的是，在x
‑
y平面内光线2013a用圆点替代。光线2014与第二耦出光栅220发生作用分裂出多条光线诸如光线2014a和光线2014b，光线 2014a和光线2014b可以参阅图2及相关内容，在此不再赘述。需要说明的是，在x
‑
y平面内光线2014a用圆点替代。从图3和图4示意可知，每个圆点表示一光线与一耦出光栅发生作用的光线，且圆点所表示的光线可以入射到人眼中。
64.图3和图4示出了每个耦出光栅均可以耦出多条沿z轴正方向的光线。
65.需要说明的是，图3和图4中圆点所表示的光线仅有一部分会被射入到人眼。
66.请参阅图5，图5为本技术实施例提供的光学结构光线传输过程在k空间的原理示意图，并示出了参考系(kx，ky，kz)。图5所示两个圆半径分别是环境折射率和波导片折射率，其中小圆半径即位于内圈圆形半径为环境折射率，大圆半径即外圈半径为波导折射率。矩形表示视场(fov)，每一个矩形均表示一个视场，不同位置的矩形表示视场光线的不同状态，比如圆环中心矩形代表视场从投影光器向波导体250入射或者耦出光线(光线2012、光线2013a、光线 2014a)，圆环内(即两个圆形之间)矩形代表视场光线经光栅(第一耦出光栅 210、第二耦出光栅220和耦入光栅240)耦合后在波导体240内传播。如果视场位于小圆内则表示光线可以耦出波导体250，如果视场位于圆环中则表示光线在波导体250内传播，而视场位于大圆外则意味着光线实际上并不存在。在坐标原点视场经过耦入光栅240衍射k1耦入进波导体250，随后光线201经第三耦出光栅 230的6个衍射分量k22变化到它k空间周围的6个不同位置，其中光线2013、光线 2014还在圆环之中，代表它们会沿着kx轴分别向左与向右全内反射传播，成为扩瞳光线。还有一部分光线会经衍射向上平移，与原入射图像重合，代表它们 (诸如光线2012)会直接耦出。剩下3个位置均在圆环之外，代表这3个衍射分量并不存在。光线201并不是所有的能量都被衍射了，相反，它还会保留大部分的能量不变，这代表还有大部分能量继续沿着光线201的传播方向进行全内反射传播。
67.本技术实施例将光学结构200耦出并射入到人眼所在的区域定义为眼盒 (eyebox)260。即位于眼盒260内的且沿z轴正方向耦出的光线会射入到人眼。
68.下面对眼盒进行说明。
69.请参阅图6至图8，图6为本技术实施例提供的中心视场光线在光学结构沿一平面传输的示意图，图7为本技术实施例提供的边缘视场光线在光学结构沿一平面传输的示意图，图8为本技术实施例光学结构的应用场景示意图。假设入射视场在y
‑
z平面内与z轴夹角范围为
‑
a
°
到a
°
，即入射最大视场f2在y
‑
z平面内与 z轴夹角范围为a
°
，入射最小视场f1在y
‑
z平面内与z轴夹角范围为
‑
a
°
。人眼到波导体250的距离(eyerelief)为b，即eyebox平面或者说人眼观察平面到波导体 250的距离为b。那么眼盒260在y轴方向上的长度为b，其中b＝a
‑
2b*tan(a)。
70.其中a为第一耦出光栅210在y轴方向上的最小长度，a也可以为第二耦出光栅210在y轴方向上的最小长度。需要说明的是，本技术实施例第一耦出光栅210 在y轴方向上的最小长度和第二耦出光栅220在y轴方向上的最小长度相同。
71.本技术一种可选实施例中，眼盒260的中心可以与第三耦出光栅230的中心重合。
72.请继续参阅图2、图3和图6，当中心视场光线入射到光学结构200时，第一耦出光栅210、第二耦出光栅220和第三耦出光栅230所耦出的光线诸如光线 2012、光线2013a和光线2014a均有一部分会在眼盒260内，即会射入到人眼中。
73.请继续参阅图4和图7，当边缘视场光线入射到光学结构200时，只有第二耦出光栅220和第三耦出光栅230所耦出的光线2012和光线2014a的一部分会在眼盒260内，而第一耦出光栅210所耦出的光线诸如光线2013a基本全部不在眼盒 260内。换言之，第二耦出光栅220和第三耦出光栅230所耦出的光线的能量被利用到，第一耦出光栅210所耦出的光线的能量被浪费掉，往往会造成边缘视场的出瞳均匀性较差。
74.而且在相关技术中的波导架构下，边缘视场的出瞳均匀性是明显差于中心视场的，这代表在某些eyebox位置观看投影光机画面时，中心视场与边缘视场亮度的差距会比较大，造成用户观看不适。
75.基于此本技术实施例所界定的第一耦出光栅210采用二维光栅结构，并具有多个第一栅格，且每个栅格为非对称形状，从而使得第一耦出光栅210在第一方向传播的光线效率高于第一耦出光栅210在第二方向传播的光线效率。使得第一耦出光栅210所耦出光线中被浪费掉的部分的能量相对于其他光线的能量小，进而就可以提高各视场的出瞳亮度与出瞳均匀性，缩小各视场能量之间的差异。诸如可以提高边缘视场的出瞳亮度与出瞳均匀性，缩小边缘视场能量和中心视场能量之间的差异。尤其是当该光学结构200应用到头戴显示产品诸如ar中时可以提升抑制太阳光的彩虹纹效应，提升该产品的画质。
76.其中第一方向为第一耦出光栅210朝向第二耦出光栅220的方向，诸如图1 所示x轴的负方向。第二方向为第二耦出光栅220朝向第一耦出光栅210的方向，诸如图1所示x轴的正方向。本技术实施例第一方向和第二方向相反。
77.请参阅图9，图9为本技术实施例第一耦出光栅的光栅矢量示意图。第一耦出光栅210具有多级衍射矢量，包括(1,1)，(1,0)，(0,1)，(0,
‑
1)，(
‑
1,0)，(
‑
1,
‑
1)。第一耦出光栅210衍射各级次中的(1，0)级与(
‑
1，0)级衍射效率会明显高于(0，1)级与(0，
‑
1)级，当光线201入射到第一耦出光栅210时，光线2014b 是由第一耦出光栅210的(
‑
1，0)级衍射所产生，光线2013b是由第一耦出光栅 210的(0，1)级衍射所产生，因此，其向图示中的左(第一方向)传播的光线 2014b效率大大高于向图示中的右(第二方向)传播的光线2013b。
78.为了详细说明本技术实施例第一栅格212采用的非对称形状能够使得第一耦出光栅210在第一方向传播的光线效率高于第一耦出光栅210在第二方向传播的光线效率。下面结合第一耦出光栅210的示意图进行描述。
79.请参阅图10至图13，图10为本技术实施例提供的光学结构以及光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图，图11为本技术实施例提供的光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图，图12为本技术实施例提供的光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图，图13为本技术实施例提供的光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图。其中图10示出的第一耦出光栅210的局部结构m定义为第一部分m。即第一部分m中的多个第一栅格212为第一耦出光栅210的一部分第一栅格212。
80.第一耦出光栅210的多个第一栅格212中的所有第一栅格212的形状可以大致相同。比如每一第一栅格212均具有四个顶点诸如顶点c、顶点d、顶点e、顶点f，该四个顶点可以形成第一对角线ce和第二对角线df。第一对角线ce的长度大于第二对角线df的长度，且第一对角线ac与第三耦出光栅230在第三方向的夹角θacx为锐角，第二对角线bd与第三耦出光栅在第三方向的夹角θacy为钝角。
81.其中第三方向为第三耦出光栅230朝向耦入光栅240的方向。
82.本技术一种可选实施例中，相同形状的第一栅格212在x
‑
y平面上成六方晶格周期性排布，其具有两个周期方向，分别为周期方向a与周期方向b，周期方向a与周期方向b之间成30
°
夹角。其中周期方向a与y轴平行，沿周期方向a的两个第一栅格212之间的距离为pa，周期方向b与y轴成30
°
夹角，沿周期方向b的两个第一栅格212之间的距离为pb。pa可以为0.4μm至3μm，pb可以为0.2μm 至2μm。pa与pb需满足关系式：pa＝pb/2cos(30
°
)。
83.本技术实施例第一栅格212采用的非对称形状还可以理解为第一栅格212为各个第一栅格212关于x轴与y轴均不对称的形状，第一栅格212的第一对角线ce 总是比第二对角线df要长，且第一对角线ce与y轴正方向夹角θacy为钝角，与x 轴正方向夹角θacx为锐角。
84.第一耦出光栅210具有多组栅格组211，每一组栅格组211包括多个第一栅格 212，且每一组栅格组211中的各个第一栅格212与其相邻的第一栅格212相交，各组栅格组211相互间隔。本技术一种可选实施例中，各组栅格组211相互平行。每一组栅格组211中的各个第一栅格沿第六方向排布。还可以理解为每个第一栅格212右上与左下均与斜方向上临近的下一个第一栅格212相交。
85.其中第六方向为第七方向沿顺时针方向旋转30度的方向，其中第七方向为第三耦出光栅230朝向耦入光栅240的方向。需要说明的是，第七方向也可以理解为pa的正方向，即第六方向为pb1的方向。
86.需要说明的是，第一栅格211的顶点个数并不限于四个，诸如第一栅格包括至少五个顶点，即第一栅格211可以具有5个及以上的顶点个数。本技术实施例以5个顶点为例进行说明。
87.请参阅图14，图14为本技术实施例提供的光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图。第一栅格212的顶点包括靠近第三耦出光栅230的两个顶点(顶点c 和顶点d)以及远离第三耦出光栅230的两个顶点(顶点e和顶点f)，靠近第三耦出光栅230的两个顶点(顶点c和顶点d)以及远离第三耦出光栅230的两个顶点 (顶点e和顶点f)能够形成第三对角线ce
和第四对角线df，第三对角线ce的长度大于第四对角线df的长度，且第三对角线ce与第三耦出光栅230在第四方向的夹角为锐角，第四对角线df与第三耦出光栅230在第四方向的夹角为钝角。
88.其中第四方向为第三耦出光栅230朝向耦入光栅240的方向。即第四方向可以理解为第三方向。其中第三对角线ce和第四对角线df可以参阅图11至图13所示的第三对角线ce和第四对角线df，在此不再赘述。其中第一栅格212以及栅格组211均可参阅图11至图13所示的第一栅格212以及栅格组211，在此不再赘述。
89.需要说明的是，第一栅格211的顶点个数并不限于四个、五个以及多于五个，诸如第一栅格包括三个顶点，即第一栅格211可以具有三个顶点个数。
90.请参阅图15，图15为本技术实施例提供的光学结构中第一耦出光栅的局部结构示意图。第一栅格212的顶点包括靠近顶点c、顶点d和顶点e，顶点c、顶点 d和顶点e相互连接形成第一顶点连接边cd、第二顶点连接边de和第三顶点连接边ce，第一顶点连接边cd靠近所述第三耦出光栅230，第二顶点连接边de远离第三耦出光栅230，第一顶点连接边cd的长度大于第二顶点连接边de的长度，且第一顶点连接边cd与第三耦出光栅230在第五方向的夹角为锐角，第二顶点连接边 de与第三耦出光栅230在第五方向的夹角为钝角
91.其中第五方向为第三耦出光栅230朝向耦入光栅240的方向。即第五方向可以理解为第三方向。其中第一顶点连接边cd和第二顶点连接边de可以参阅图11 至图13所示的第三对角线ce和第四对角线df，在此不再赘述。其中第一栅格212 以及栅格组211均可参阅图11至图13所示的第一栅格212以及栅格组211，在此不再赘述。
92.本技术实施例第一耦出光栅210和第二耦出光栅220的形状相同，且第一耦出光栅210和第二耦出光栅220相对于第三耦出光栅230对称设置，也可以理解为第一耦出光栅210、第二耦出光栅220相对于第三耦出光栅230镜像设置。即第二耦出光栅220中的多个栅格均是二维光栅，每一个二维光栅的栅格结构的形状及排布均与第一栅格212相同。诸如第二耦出光栅220为具有多个第二栅格的二维光栅，第二耦出光栅220中的所有第二栅格与第一耦出光栅210中的所有第一栅格的形状相同、以及排布相同。具体形状及排布方式可以参阅图11至图15，在此不再赘述。
93.其中第三耦出光栅230为具有多个第三栅格的二维光栅，第三栅格为对称形状，诸如为左右对称形状的二维光栅，以至于其向左传播的光线与其向右传播的光线的效率相对，有利于加大边缘视场角的眼盒260的大小。第三栅格可以成六方晶格排布，光栅矢量可以参阅图9，其(1，1)级衍射矢量与y轴平行。第三栅格可以为沿y轴对称的任意形状，诸如圆形、正方向、菱形、六边形、八边形等。第三耦出光栅230的区域可以为矩形，比如在x轴方向的横向宽度可以为 1mm至15mm，在y轴方向上的纵向宽度可以为20mm
‑
35mm。
94.本技术一种可选实施方式中，第一耦出光栅210、第二耦出光栅220及第三耦出光栅230三者的光栅周期相等，第一耦出光栅210、第二耦出光栅220及第三耦出光栅230任一者与波导体250的折射率为1.5
‑
3。耦入光栅240的光栅周期是第一耦出光栅210、第二耦出光栅220及第三耦出光栅230三者中任一者在与第一方向相互垂直方向光栅周期的二分之一。或者说耦入光栅240的光栅周期是第一耦出光栅210、第二耦出光栅220及第三耦出光栅230三者中任一者在y轴方向光栅周期的二分之一。
95.其中耦入光栅240、第一耦出光栅210、第二耦出光栅220及第三耦出光栅230 的材
料均可以是硅、塑料、玻璃、聚合物或上述材料的某种组合。
96.请继续参阅图2，eyebox260内各位置处的显示亮度由该位置的耦出光线强度决定，所以光线2012、光线2013a、光线2014a的强度直接决定了eyebox260 的显示质量。而在实际应用中光线2012的强度大幅弱于光线2013a和光线 2014a，进而导致eyebox260中对应光线2012的位置呈现了明显的暗区，这会极大的影响消费者的使用体验。光线2012的强度弱于光线2013a和光线2014a的原因在于，第三耦出光栅230的耦出效率不可设置过大，否则主光线201在传播过程中会衰减过快，过快衰减的光线201会导致光线2012之间的光线强度差异，最终会造成更严重的eyebox260的亮度不均匀。
97.基于此，本技术实施例提出一种光学结构以在提高第三耦出光栅230耦出光线效率的同时不带来光线2012之间的强度差异，诸如本技术实施例光学结构200 将第三耦出光栅230沿y轴分为多块区域，不同的区域之间沿y轴效率逐渐提高，这样虽然主光线201在传播过程中会衰减，但可使2012甚至更加后续的耦出光线相应的耦出光栅的效率逐步提高，这样虽然主光线201因第三耦出光栅230效率的提高从而加速衰减，但光线2012甚至更加后续的耦出光线之间能量差异可得到减小，从而使得光线2012的能量更加接近光线2013a和光线2014a的同时光线 2012之间的强度差异减小，最终使得eyebox260的亮度与亮度均匀性同时得到提高，eyebox260能量与亮度均匀性均得到了大幅改进。综上所述，本技术实施例引入将第三耦出光栅230分区为多块光栅的技术，解决了上述问题，使得 eyebox260能量与亮度均匀性均得到了大幅改进，这样本技术实施例就具有了较大的实施意义，是一种性能优良的衍射波导架构。
98.本技术实施例第三耦出光栅230包括至少两个子耦出光栅，相邻两个子耦出光栅的交界处位于光学结构200的眼盒260内，远离耦入光栅240的子耦出光栅的衍射效率大于靠近耦入光栅240的子耦出光栅的衍射效率。从而可以使得第三耦出光栅230所耦出光线的整体能量大致相同，或者理解为第三耦出光栅230的各个子耦出光栅所耦出光线的能量大致相同。且不会影响第三耦出光栅230所耦出光线的强度。下面结合图示进行详细说明。
99.本技术实施例一种可选实施方式中，远离耦入光栅240的子耦出光栅的光栅深度大于靠近耦入光栅240的子耦出光栅的光栅深度，从而可以实现远离耦入光栅240的子耦出光栅的衍射效率大于靠近耦入光栅240的子耦出光栅的衍射效率。即本技术一种可选实施方式界定出的光学结构200的光栅越深，其衍射效率越高。
100.请参阅16和图17，图16为本技术实施例提供的光学结构的示意图，图17为本技术实施例提供的光学结构的示意图。光学结构200的第三耦出光栅230可以包括三个子耦出光栅，每一个子耦出光栅的至少一部分位于眼盒260内。诸如第三耦出光栅230包括一部分位于眼盒260一侧的第一子耦出光栅231、一部分位于眼盒260另一侧的第二子耦出光栅232以及完全位于眼盒260内的第三子耦出光栅2323。
101.第一子耦出光栅231沿所有子耦出光栅排布方向的长度大于位于眼盒260 内第三子耦出光栅233沿所有子耦出光栅排布方向的长度。或者理解为第一子耦出光栅231沿y轴方向的长度大于位于眼盒260内第三子耦出光栅233沿y 轴方向的长度。
102.第二子耦出光栅232沿所有子耦出光栅排布方向的长度大于位于眼盒260 内第三子耦出光栅233沿所有子耦出光栅排布方向的长度。或者理解为第二子耦出光栅232沿y轴方向的长度大于位于眼盒260内第三子耦出光栅233沿y 轴方向的长度。
103.本技术一种可选实施方式中，第二子耦出光栅232沿所有子耦出光栅排布方向的长度可以与第一子耦出光栅231沿所有子耦出光栅排布方向的长度。第一子耦出光栅231和第二子耦出光栅232可以相对于第三子耦出光栅233对称设置。需要说明的是，第一子耦出光栅231和第二子耦出光栅232沿所有子耦出光栅排布方向的长度也可以不相等。
104.本技术实施例第一子耦出光栅231沿所有子耦出光栅排布方向的长度以及第二子耦出光栅232沿所有子耦出光栅排布方向的长度均大于第三子耦出光栅 233沿所有子耦出光栅排布方向的长度。本技术一种可选实施方式中，第一子耦出光栅231沿所有子耦出光栅排布方向的长度与所有子耦出光栅排布的长度比例为p1，即第一子耦出光栅231沿y轴方向的长度与第三耦出光栅230沿y 轴方向的长度比例为p1。第三子耦出光栅233沿所有子耦出光栅排布方向的长度与所有子耦出光栅排布方向的长度比例为p2，即第三子耦出光栅233沿y轴方向的长度与第三耦出光栅230沿y轴方向的长度比例为p2。p1大于或等于 30％、且p1小于或等于45％，p2大于或等于10％、且p2小于30％。
105.本技术一种可选实施方式中，第一子耦出光栅231位于眼盒260内的部分与第二子耦出光栅232位于眼盒260内的部分尺寸相同。结合图5和图6，第三耦出光栅230的子耦出光栅的交界位于第三耦出光栅230中心上下b/2的范围之内。
106.本技术一种可选实施方式中，从最靠近耦入光栅240的一个子耦出光栅诸如第一子耦出光栅231至最远离耦入光栅240的一个子耦出光栅诸如第二子耦出光栅232的方向所有子耦出光栅的衍射效率等比例增加。也可以理解为沿y轴正方向所有子耦出光栅的衍射效率等比例增加。比如第三子耦出光栅233的衍射效率是第一子耦出光栅231的n倍，n大于1。第二子耦出光栅232的衍射效率是第三子耦出光栅233的n倍。从而可以保证各个子衍射光栅所耦出光线的能量相差不大。
107.需要说明的是，图16和图17所示出的第三耦出光栅230分为三个区域结构仅为示例性的，并不构成对第三耦出光栅230分区域个数的限制。比如第三耦出光栅230可以包括两个子耦出光栅、四个子耦出光栅、五个子耦出光栅等等。更多个数的子耦出光栅在此不再一一说明。
108.还需要说明的是，当第三耦出光栅230的子耦出光栅的个数大于三个诸如四个、五个时，仍然满足第三耦出光栅230的所有子耦出光栅中相邻两个子耦出光栅的交界处位于光学结构200的眼盒260内，远离耦入光栅240的子耦出光栅的衍射效率大于靠近耦入光栅240的子耦出光栅的衍射效率。同样可以使得第三耦出光栅230所耦出光线的整体能量大致相同，或者理解为第三耦出光栅230的各个子耦出光栅所耦出光线的能量大致相同。且不会影响第三耦出光栅230所耦出光线的强度。
109.当第三耦出光栅230的子耦出光栅的个数大于三个诸如四个、五个时。第三耦出光栅230的所有子光栅至少一部分可以位于眼盒260内。即第三耦出光栅230 包括一部分位于眼盒260一侧的一个耦出光栅、一部分位于眼盒260另一侧的一个子耦出光栅以及完全位于眼盒260内的两个或两个以上的子耦出光栅。完全位于眼盒260内的所有子耦出光栅沿第三耦出光栅230的所有子耦出光栅排布方向的长度之和小于任一个一部分位于眼盒260外的子耦出光栅沿第三耦出光栅230 的所有子耦出光栅排布方向的长度。也可以理解为完全位于眼盒260内的所有子耦出光栅沿y轴方向的长度之和小于任一个一部分位于眼盒260外的子耦出光栅沿y轴方向的长度。
110.与图16和图17相比，第三耦出光栅230完全位于眼盒260内的至少两个子耦出光栅沿y轴方向的长度之和与第三耦出光栅230沿y轴方向的长度比例为p2。其余特征可以参阅图16和图17，在此不再赘述。
111.请参阅图18，图18为本技术实施例提供的光学结构的示意图。图18示意出第三耦出光栅230包括四个子耦出光栅分别为第一子耦出光栅231、第二子耦出光栅232、第三子耦出光栅233和第四子耦出光栅234，其中第一子耦出光栅231 和第二子耦出光栅232可以参阅以上内容在此不再赘述。第三子耦出光栅233和第四子耦出光栅均位于眼盒260内。
112.请参阅图19，图19为本技术实施例提供的光学结构的示意图。图19示意出第三耦出光栅230包括五个子耦出光栅分别为第一子耦出光栅231、第二子耦出光栅232、第三子耦出光栅233、第四子耦出光栅234和第五子耦出光栅235，其中第一子耦出光栅231和第二子耦出光栅232可以参阅以上内容在此不再赘述。第三子耦出光栅233、第四子耦出光栅和第五子耦出光栅均位于眼盒260内。
113.考虑到光线2012、光线2013a、光线2014a的强度直接决定了eyebox260 的显示质量，而在实际应用中光线2012的强度大幅弱于光线2013a和光线 2014a。本技术一些实施例中将能够耦出光线2012的第三耦出光栅230分区域设置，能够使得光线2012的能量更加接近光线2013a和光线2014a的同时光线2012 之间的强度差异减小，最终使得eyebox260的亮度与亮度均匀性同时得到提高， eyebox260能量与亮度均匀性均得到了大幅改进。实际应用中光线2013a和光线 2014a随光线的传播其能量也会有所损失。为了能够使得eyebox260的亮度与亮度均匀性均可以得到进一步提高。本技术一些可选实施方式中，将第一耦出光栅210以及第二耦出光栅220也分区域设置。下面结合图示进行详细说明。
114.请参阅图20，图20为本技术实施例提供的光学结构的示意图。图20所示光学结构200中的第一耦出光栅210、第二耦出光栅220及第三耦出光栅230均分区域设置。其中第三耦出光栅230的分区域设置可参阅图16至图19，在此不再赘述。
115.其中第一耦出光栅210包括至少两个子耦出光栅，第一耦出光栅210的子耦出光栅的个数与第三耦出光栅230的子耦出光栅的个数相同诸如都三个。且第一耦出光栅210中相邻两个子耦出光栅的交界处位于光学结构200的眼盒260内。第一耦出光栅210中远离耦入光栅240的子耦出光栅的衍射效率大于靠近耦入光栅 240的子耦出光栅的衍射效率。从而可以使得第一耦出光栅210所耦出光线的整体能量大致相同，或者理解为第一耦出光栅210的各个子耦出光栅所耦出光线的能量大致相同。且不会影响第一耦出光栅210所耦出光线的强度。
116.图20所示第一耦出光栅210的子耦出光栅以三个为例进行说明。第一耦出光栅210包括第一子耦出光栅211、第二子耦出光栅212和第三子耦出光栅213。需要说明的是，第一子耦出光栅211可以参阅第一子耦出光栅231，第二子耦出光栅212可以参阅第三子耦出光栅233，第三子耦出光栅213可以参阅第二子耦出光栅232，在此不再赘述。需要说明的是，当第一耦出光栅210的分区域个数和第三耦出光栅230的分区域个数均大于三个时，可以参阅图18和图19，在第一子耦出光栅211和第三子耦出光栅213之间排布2个子耦出光栅、3个子耦出光栅或更多个子耦出光栅，且其排布方式与第三耦出光栅230的子耦出光栅的排布方式相同，在此不再赘述。
117.其中第二耦出光栅220包括至少两个子耦出光栅，第二耦出光栅220的子耦出光栅
的个数与第三耦出光栅230的子耦出光栅的个数相同诸如都三个。且第二耦出光栅220中相邻两个子耦出光栅的交界处位于光学结构200的眼盒260内。第二耦出光栅220中远离耦入光栅240的子耦出光栅的衍射效率大于靠近耦入光栅 240的子耦出光栅的衍射效率。从而可以使得第二耦出光栅220所耦出光线的整体能量大致相同，或者理解为第二耦出光栅220的各个子耦出光栅所耦出光线的能量大致相同。且不会影响第二耦出光栅220所耦出光线的强度。
118.图20所示第二耦出光栅220的子耦出光栅以三个为例进行说明。第二耦出光栅210包括第一子耦出光栅221、第二子耦出光栅222和第三子耦出光栅223。需要说明的是，第一子耦出光栅221可以参阅第一子耦出光栅231，第二子耦出光栅222可以参阅第三子耦出光栅233，第三子耦出光栅223可以参阅第二子耦出光栅232，在此不再赘述。需要说明的是，当第二耦出光栅220的分区域个数和第三耦出光栅230的分区域个数均大于三个时，可以参阅图18和图19，在第一子耦出光栅221和第三子耦出光栅223之间排布2个子耦出光栅、3个子耦出光栅或更多个子耦出光栅，且其排布方式与第三耦出光栅230的子耦出光栅的排布方式相同，在此不再赘述。
119.可以理解的是，本技术其他一些实施方式中，仅将第一耦出光栅210、第二耦出光栅220和第三耦出光栅230的任一者采用分区域的方式设置也在本技术实施例所界定的范围内。以及仅将第一耦出光栅210、第二耦出光栅220和第三耦出光栅230中的其中两者采用分区域的方式设置也在本技术实施例所界定的范围内。
120.当第三耦出光栅230包括多个子耦出光栅时，第一耦出光栅210、第二耦出光栅220以及第三耦出光栅230均可以为二维光栅，诸如图1至图15所示内容，在此不再赘述。需要说明的是，当第三耦出光栅230包括多个子耦出光栅时，第一耦出光栅210和第二耦出光栅220也可以采用其它光栅结构诸如一维光栅。当第一耦出光栅210和第二耦出光栅220采用一维光栅时，第三耦出光栅230采用二维光栅，耦入光栅240采用一维光栅，第一耦出光栅210、第二耦出光栅220和耦入光栅240的光栅周期相等，且第三耦出光栅230在沿第三耦出光栅230所有子耦出光栅排布方向的光栅周期是第一耦出光栅210、第二耦出光栅220和耦入光栅240 三者中任一者光栅周期的两倍。
121.本技术以上各实施例界定的光学结构200均可以应用于光学装置中，该光学装置可以包括投影光器和以上任一种光学结构200。该光学装置可以为增强现实装置，也可以为虚拟现实装置。
122.以上对本技术实施例所提供的光学结构和光学装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术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技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本技术的思想，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技术的限制。