CN112684536B - 一种光波导器件及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光波导器件，第一光学元件使波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分传播形式改变。其中，第一光学元件包括周期性排布的单元结构，单元结构的预设参量随单元结构所处位置变化，能够使得传播步长较大光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致，能够改善现有光波导方案由于光波导内传播步长不同的各光束耦出能量不均匀导致存在图像信息失真的情况。本发明还公开一种近眼显示设备。

Description

一种光波导器件及近眼显示设备

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，特别是涉及一种光波导器件。本发明还涉及一种近眼显示设备。

背景技术

近眼显示设备是一种用来实现增强现实显示的设备，通常的佩戴方式与普通眼镜无异，它的特点是可以透过现实世界物体发出的光线，还可以将虚拟图像的光线进入人眼。

近眼显示设备的成像系统包括光机系统和光波导两部分，其中光机系统是一个微型投影仪或者一个荧幕，它负责将电信号转化为光信号而输出虚拟图像；光波导则负责将输出的虚拟图像光线传输到人眼前方的位置，并使光线进入人眼实现虚拟图像成像。

光在光波导内通过在光波导界面发生全反射从而沿光波导传播，其中，光束的传播步长表示光束在光波导同一界面上相邻两次全反射的入射位置之间的距离。在实际场景中，由于光入射角度不同或者光波长不同，在光波导内传输的不同光束会产生不同的传播步长。请参考图1所示，在光波导100内传输的光线102的传播步长为d₁，光线103的传播步长为d₂，传播步长d₁小于传播步长d₂。当光传播到耦出区域101时光线发生衍射，向前传播的同时一部分光线耦合出光波导100外，光耦出位置的间距与光束在光波导100内的传播步长相同。如图1所示，由于光线102的传播步长较短，因此其耦出光线较为密集，同理由于光线103的传播步长较长，其耦出光线较为稀疏。若人眼104和耦出区域101的相对位置固定，比如如图1所示情形下，由于人眼104的入瞳范围大小固定，因此间隔较小、较密集的光线102有更多光线进入人眼104（图中为2束），而间隔更大、更稀疏的光线103的耦出光线被人眼104接收的则更少（图中为1束）。经人眼成像后的光线亮度是人眼接收到的多束光线的亮度叠加，因此在人眼所成的虚拟图像中，光线102所成图像较亮，光线103所成图像较暗。

也即人眼相对于光波导的位置固定，传播步长不同的光束所成图像的亮度不同，这会导致人眼获取的虚拟图像信息失真，比如以“暗带”、“图像亮度失真”等形式直接体现在人眼接收到的虚拟图像成像效果中，这极大地制约了光波导方案的实际使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种光波导器件，能够改善现有光波导方案存在图像信息失真的情况。本发明还提供一种近眼显示设备。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光波导器件，包括波导基体和第一光学元件，所述第一光学元件用于使所述波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分传播形式改变；

所述第一光学元件包括周期性排布的单元结构，所述单元结构的预设参量随单元结构所处位置变化，使得传播步长较大光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致。

优选的，所述单元结构的预设参量包括单元结构的槽深度、单元结构侧面相对于波导基体表面法向的倾斜角度、单元结构的横向尺寸或者单元结构的折射率。

优选的，所述单元结构的预设参量随单元结构沿一维方向的位置变化，使得传播步长较大光束在沿该一维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在沿该一维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致。

优选的，所述第一光学元件包括依次排布的单元结构组，所述单元结构组包括周期性排布的所述单元结构，所述单元结构组沿所述波导基体内光束传输方向的长度，与所述波导基体内传播光束的最大传播步长匹配。

优选的，一组单元结构组的所述单元结构的预设参量沿一维方向的变化形式为线性变化，或者一组单元结构组的所述单元结构的预设参量沿一维方向的变化形式为阶跃性变化，或者一组单元结构组的所述单元结构的预设参量与所述单元结构沿一维方向的位置满足弧线函数关系。

优选的，随所述波导基体内光束传输距离延长，后一单元结构组的每一单元结构对光束造成的衍射效率，大于前一单元结构组中相应位置的单元结构对相同波长光束造成的衍射效率。

优选的，所述单元结构的预设参量随单元结构沿第一维方向的位置变化，使得传播步长较大光束在沿该第一维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在沿该第一维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致；

所述单元结构的预设参量随单元结构沿第二维方向的位置变化，使得传播步长较大光束在沿该第二维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在沿该第二维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致。

优选的，还包括第二光学元件，传输到所述第一光学元件的光束来自于所述第二光学元件，所述第一维方向与所述第二光学元件指向所述第一光学元件的方向平行，所述第二维方向与所述第一维方向的夹角大于零度。

优选的，还包括第二光学元件，传输到所述第一光学元件的光束来自于所述第二光学元件，所述第一光学元件的单元结构以所述第一光学元件上预设界线对称，所述预设界线为所述第一光学元件的、与所述第二光学元件指向所述第一光学元件的方向平行的中轴线。

优选的，所述单元结构的预设参量包括单元结构的槽深度，所述第一光学元件的各个单元结构顶端相平，或者所述第一光学元件的各个单元结构槽底部相平。

优选的，所述第一光学元件具体用于使所述波导基体内传播光束发生衍射而使光束至少一部分耦合出所述波导基体外，或者所述第一光学元件具体用于使所述波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分在所述波导基体内的传输方向相对于原传输方向偏转。

一种近眼显示设备，包括以上所述的光波导器件。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种光波导器件包括波导基体和第一光学元件，第一光学元件使波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分传播形式改变。其中，第一光学元件包括周期性排布的单元结构，单元结构的预设参量随单元结构所处位置变化，能够使得传播步长较大光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致，能够改善现有光波导方案由于光波导内传播步长不同的各光束耦出能量不均匀导致存在图像信息失真的情况。

本发明提供的一种近眼显示设备，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1为现有的光波导方案的光传播示意图；

图2为本发明一实施例提供的光波导器件的示意图；

图3为本发明又一实施例提供的光波导器件的示意图；

图4为本发明又一实施例提供的光波导器件的示意图；

图5为本发明又一实施例提供的光波导器件的示意图；

图6为本发明又一实施例提供的光波导器件的示意图；

图7（a）为本发明又一实施例提供的光波导器件沿方向1的剖视图；

图7（b）为图7（a）所示光波导器件沿方向2的剖视图；

图8（a）和图8（b）分别为不同波长的光束通过图7（a）、图7（b）所示光波导器件的传播示意图；

图9（a）和图9（b）分别为不同入射角度的光束通过图7（a）、图7（b）所示光波导器件的传播示意图；

图10为本发明又一实施例提供的光波导器件的示意图；

图11为本发明又一实施例提供的光波导器件的示意图；

图12为本发明又一实施例提供的光波导器件的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，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。

本发明实施例提供一种光波导器件，包括波导基体和第一光学元件，所述第一光学元件用于使所述波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分传播形式改变；

所述第一光学元件包括周期性排布的单元结构，所述单元结构的预设参量随单元结构所处位置变化，使得传播步长较大光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致，即，使得传播步长较大光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，两者差量减小。

第一光学元件包括周期性排布的单元结构，使光束入射到第一光学元件时发生衍射，在波导基体内以全反射形式传输的光束通过第一光学元件时发生衍射，使光束至少一部分的传播形式改变。

光束的传播步长是指光束在波导基体同一界面上相邻两次全反射的入射位置之间的距离。单元结构的预设参量能够影响光束入射到单元结构发生衍射的衍射效率。衍射效率即指光束经历一次衍射后传播形式改变部分的能量与衍射前光束能量的比值。

第一光学元件排布的单元结构的预设参量随单元结构所处位置变化，使得光束入射到不同位置的单元结构发生衍射的衍射效率不同。并且具体本第一光学元件排布的单元结构，使传播步长较大光束在相同范围内各个发生衍射的位置处传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在相同范围内各个发生衍射的位置处传播形式改变部分的能量总和趋于一致。

因此，本实施例的光波导器件与现有光波导方案相比，能够改善现有光波导方案由于光波导内传播步长不同的各光束耦出能量不均匀导致存在图像信息失真的情况。

可选的，单元结构的预设参量可以是单元结构的几何参量，包括但不限于单元结构的槽深度、单元结构侧面相对于波导基体表面法向的倾斜角度或者单元结构的横向尺寸。或者，单元结构的预设参量也可以是单元结构的光学参量，包括但不限于单元结构的折射率。

示例性的，单元结构的槽深度越大，使光束的衍射效率越高，单元结构的槽深度越小，使光束的衍射效率越低。单元结构的倾斜角度越大，对光束的衍射效率越高，单元结构的倾斜角度越小使光束的衍射效率越低。

可选的，第一光学元件上排布的单元结构可以是沿一维方向周期性排布的单元结构，或者第一光学元件上排布的单元结构也可以是同时沿着两个维度方向周期性排布的单元结构。

示例性的请参考图2，图2为一实施例提供的光波导器件的示意图，其中，沿波导基体200传输的光束到达第一光学元件201，在第一光学元件201发生衍射会使光束一部分能量耦合出波导基体200外。光束203的传播步长小于光束204的传播步长，光束203的衍射位置较密集，光束204的衍射位置较稀疏。如图所示，第一光学元件201上光束204入射位置的单元结构202槽深度大于光束203入射位置的单元结构202槽深度，使得光束204的衍射效率大于光束203的衍射效率，光束204经历一次衍射耦合出的能量相对较多，从而可以使在相同范围内从波导基体200耦合出的光束204能量和光束203能量趋于均匀。

在图2所示的光波导器件中，是以在波导基体内的两种不同传播步长的光束为例说明的，在实际应用中，沿波导基体传输光束会形成更多数量种不同传播步长的光束沿波导基体传播，相应第一光学元件上周期性单元结构的槽深度变化形式，要根据在波导基体内各种不同传播步长光束的传播情况进行相应设计。

在一种实施方式中，单元结构的预设参量随单元结构沿一维方向的位置变化，使得传播步长较大光束在沿该一维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在沿该一维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致。

请参考图3，图3为又一实施例提供的光波导器件的示意图，其中，沿波导基体200传输的光束到达第一光学元件201，在第一光学元件201发生衍射使光束一部分能量耦合出波导基体200外。传播步长不同的光束203和光束204在波导基体200内沿方向1传输。其中，第一光学元件201上单元结构205槽深度随单元结构205沿方向1的位置变化，如图3所示，在图3所示排布的单元结构205范围内，光束204衍射位置的槽深度较大，使光束204发生一次衍射的衍射效率高；而传播步长较小的光束203衍射位置的槽深度较小，发生一次衍射的衍射效率较低，但光束203的衍射位置比较密集，这样使得在沿方向1的相同范围内光束204和光束203耦合到波导基体200外的能量趋于均匀。

可选的，单元结构槽深度沿一维方向的变化形式可以是线性变化，各单元结构槽深度与单元结构沿一维方向的位置满足线性关系，随单元结构沿一维方向的位置不同，各单元结构槽深度不同。

可选的，单元结构槽深度沿一维方向的变化形式也可以是阶跃性变化，各单元结构槽深度随单元结构沿一维方向的位置变化表现为阶梯状。比如如图3所示的光波导器件中，第一光学元件201沿方向1以两个单元结构205为一组，同一组的各单元结构205槽深度相同，各组单元结构205槽深度沿方向1逐渐增大。

可选的，单元结构槽深度沿一维方向的变化形式还可以是单元结构槽深度与单元结构沿一维方向的位置满足弧线函数关系，比如参考图4或者图5所示。另外在实际应用中，第一光学元件上周期性单元结构槽深度沿一维方向的变化形式不限于以上所述的几种形式，还可以是其它变化形式，也都在本发明保护范围内。

另外，可以设计第一光学元件的各个单元结构顶端相平，比如参考图5所示，制作在波导基体200上的第一光学元件201，其各个单元结构顶端相平。或者可以设计第一光学元件的各个单元结构槽底部相平。比如参考图4所示，制作在波导基体200上的第一光学元件201的各个单元结构槽底部相平。

优选的在一种实施方式中，第一光学元件包括依次排布的单元结构组，所述单元结构组包括周期性排布的所述单元结构，所述单元结构组沿所述波导基体内光束传输方向的长度，与所述波导基体内传播光束的最大传播步长匹配。单元结构组的长度与波导基体内传播光束的最大传播步长匹配是指单元结构组的长度根据波导基体内传播光束的最大传播步长设定。

比如，设定单元结构组沿波导基体内光束传输方向的长度，与波导基体内传播光束的最大传播步长一致，或者略大于波导基体内传播光束的最大传播步长，这种结构设计下，将第一光学元件的周期性单元结构以传输光束中的最大传播步长为周期，沿波导基体内光束传输方向将单元结构划分组，以单元结构组为调制周期，对传输的各不同传播步长的光束的衍射效率进行调制。

其中，各组单元结构组的单元结构预设参量沿波导基体内光束传输方向的变化规律优选是相同的。但使设计更为灵活的，各组单元结构组的单元结构的预设参量沿波导基体内光束传输方向的变化规律也可以不相同。

可选的，一组单元结构组的单元结构的预设参量沿一维方向的变化形式可以是线性变化。请参考图6，图6为又一实施例提供的光波导器件的示意图，第一光学元件301使波导基体300内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分传播形式改变。光束304的传播步长是沿波导基体300传输的各光束中最大传播步长。如图所示，第一光学元件301包括依次排布的单元结构组302，单元结构组302沿方向1的长度与光束304的传播步长一致。其中，单元结构组302的单元结构槽深度与单元结构沿方向1的位置满足线性关系，随单元结构沿方向1的位置不同各单元结构槽深度不同。

在图6所示的单元结构槽深度分布下，由于单元结构槽深度的变化周期与传播步长较大的光束匹配，因此能够使传播步长较大光束304总是在槽深度较大位置发生衍射，而传播步长较小光束303则由于传播步长与单元结构组的周期不匹配，大多数情况下在槽深度较小位置衍射，经历一次衍射的衍射效率较低。这样，分布较为稀疏的光束304的耦出能量较强，分布较为密集的光束303的耦出能量较弱，通过根据材料参数设计具体槽深变化参数后，可以使得在相同范围内疏密造成的亮度不均匀和一次衍射处光强度差别造成的亮度不均匀互补而相互抵消，达到亮度均匀的效果。

如图6所示的第一光学元件中，各个单元结构组302的单元结构沿方向1的变化形式是相同的，在其它实施例中各个单元结构组的单元结构沿方向1的变化形式可以不同。

可选的，一组单元结构组的单元结构的预设参量沿一维方向的变化形式也可以是阶跃性变化。各单元结构的预设参量随单元结构沿一维方向的位置变化表现为阶梯状。另外，一组单元结构组的单元结构的预设参量沿一维方向的变化形式还可以是单元结构的预设参量与单元结构沿一维方向的位置满足弧线函数关系，也都在本发明保护范围内。

其中，各个单元结构组的单元结构可以是沿一维方向周期性排布的单元结构，或者各个单元结构组的单元结构可以是同时沿着两个维度方向周期性排布的单元结构。

优选的在一种实施方式中，第一光学元件上周期性单元结构的预设参量在两个维度方向上变化，其中，单元结构的预设参量随单元结构沿第一维方向的位置变化，使得传播步长较大光束在沿该第一维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在沿该第一维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致；单元结构的预设参量随单元结构沿第二维方向的位置变化，使得传播步长较大光束在沿该第二维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在沿该第二维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致。

本实施方式中，第一光学元件上周期性单元结构的预设参量在两个维度方向上变化，第一光学元件能够在两个维度方向上调制波导基体内传播步长不同的各光束的衍射效率，从而在二维平面内，在相同范围内传播步长不同的各光束传播形式改变部分的能量趋于均匀。

本实施方式中，单元结构的预设参量沿第一维方向的变化规律与单元结构的预设参量沿第二维方向的变化规律可以一致。或者单元结构的预设参量沿第一维方向的变化规律与单元结构的预设参量沿第二维方向的变化规律可以不同，可以根据实际应用中对光波导器件的应用需求进行设置。

示例性的，请参考图7（a）和图7（b），图7（a）为又一实施例提供的光波导器件沿方向1的剖视图，图7（b）为图7（a）所示光波导器件沿方向2的剖视图，方向1和方向2相互垂直。

由图7（a）可以看出，第一光学元件401包括沿方向1排布的多个单元结构组402，单元结构组402包括周期性排布的单元结构，一个单元结构组402内的单元结构槽深度随单元结构沿方向1的位置变化。由图7（b）可以看出，沿方向2第一光学元件401包括排布的多个单元结构组403，单元结构组403包括周期性排布的单元结构，每一组单元结构组403的单元结构槽深度随单元结构沿方向2的位置变化。根据图7（a）和图7（b）可以看出，第一光学元件401上周期性单元结构槽深度沿方向1的变化形式，与单元结构槽深度沿方向2的变化形式不同。

示例性的，请参考图8（a）和图8（b），图8（a）和图8（b）分别为不同波长的光束通过图7（a）、图7（b）所示光波导器件的传播示意图。在波导基体400上设置有第二光学元件404和第一光学元件401。光束410和光束411分别为不同波长，两光束以相同的入射角度入射到第二光学元件404。第二光学元件404使光束发生衍射而使光束至少一部分耦合入波导基体400内。由于光束410和光束411波长不同，两光束在波导基体400内的传播步长不同。

如图8（a）所示，进入波导基体400的光束410和光束411通过全反射传播到第一光学元件401，光束410和光束411分别入射到第一光学元件401不同位置发生衍射，分别向波导基体400外耦合出光线。如图8（b）所示，进入波导基体400的光束410和光束411传播到第一光学元件401，光束410和光束411分别从第一光学元件401中部向两侧传播。本光波导器件可以改善现有光波导方案不同波长光束耦出能量不均匀，导致图像颜色失真的情况。

示例性的，请参考图9（a）和图9（b），图9（a）和图9（b）分别为不同入射角度的光束通过图7（a）、图7（b）所示光波导器件的传播示意图。在波导基体400上设置有第二光学元件404和第一光学元件401。光束412和光束413具有相同波长，但两光束以不同的入射角度入射到第二光学元件404。第二光学元件404使光束发生衍射而使光束至少一部分耦合入波导基体400内。由于光束412和光束413的入射角度不同，使得两光束进入波导基体400的衍射角度不同，使得在波导基体400内进行全反射的传播步长不同。

如图9（a）所示，进入波导基体400的光束412和光束413通过全反射传播到第一光学元件401，光束412和光束413分别入射到第一光学元件401不同位置发生衍射，分别向波导基体400外耦合出光线，由于各个位置单元结构槽深度不同，使得光束412和光束413的衍射效率不同。如图9（b）所示，进入波导基体400的光束412和光束413传播到第一光学元件401，光束412和光束413分别从第一光学元件401中部向两侧传播。因此本光波导器件可以应用于改善现有光波导方案不同入射角度光束的耦出能量不均匀而导致图像信息失真的情况。

优选的在实际应用中，光波导器件还包括第二光学元件，传输到第一光学元件的光束来自于第二光学元件，所述第一维方向与所述第二光学元件指向所述第一光学元件的方向平行，所述第二维方向与所述第一维方向的夹角大于零度。

请参考图10，图10为又一实施例提供的光波导器件的俯视图，如图所示光波导器件包括波导基体400、第二光学元件404和第一光学元件401，其中第二光学元件404用于将光束耦合入波导基体400内，第一光学元件401使光束发生衍射而使光束一部分能量耦合出波导基体400外。其中第一维方向1与第二光学元件404指向第一光学元件401的方向平行，第二维方向2与第一维方向1的夹角大于零度，比如第二维方向2与第一维方向1的夹角可以是90度。

可选的，在其它实施方式中，第一光学元件可以是使波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分耦合到波导基体外，而第二光学元件可以是用于使波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分在波导基体内的传输方向相对于原传输方向偏转的衍射光学元件。

优选的在一种实施方式中，所述光波导器件还包括第二光学元件，传输到所述第一光学元件的光束来自于所述第二光学元件，所述第一光学元件的单元结构以所述第一光学元件上预设界线对称，所述预设界线为所述第一光学元件的、与所述第二光学元件指向所述第一光学元件的方向平行的中轴线。

因此，由第二光学元件通过波导基体传输到达第一光学元件的光束，通过第一光学元件传输过程中，由于第一光学元件排布的单元结构以其中轴线对称分布，使光束对称地传输，使光束在第一光学元件上的衍射位置对称分布。有助于使得第一光学元件各区域传播形式改变部分的能量均匀。

请参考图10，第一光学元件401的单元结构可以以第一光学元件401的中轴线405对称，中轴线405与第二光学元件404指向第一光学元件401的方向平行。

另外需要说明的是，在以上各实施方式中，第一光学元件可以是使光束的至少一部分耦合出波导基体外的衍射光学元件，这种情况下，第二光学元件可以是用于将光束耦合入波导基体内的衍射光学元件，或者第二光学元件也可以是使波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分在波导基体内的传输方向相对于原传输方向偏转的衍射光学元件。

可选的，第一光学元件可以是使波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分在波导基体内的传输方向相对于原传输方向偏转的衍射光学元件。这种情况下，第二光学元件可以是用于将光束耦合入波导基体内的衍射光学元件。

沿波导基体传输的光束由于波长不同，会产生传播步长不同的各光束，或者耦合入波导基体的入射角度不同也会产生传播步长不同的各光束，因此，本光波导器件可以改善现有光波导方案不同波长光束耦出能量不均匀，导致图像颜色失真的情况，也可以应用于改善现有光波导方案不同入射角度光束的耦出能量不均匀而导致图像信息失真的情况。

优选的在一种实施方式中，第一光学元件包括依次排布的单元结构组，所述单元结构组包括周期性排布的所述单元结构，所述单元结构组沿所述波导基体内光束传输方向的长度，与所述波导基体内传播光束的最大传播步长匹配，并且随所述波导基体内光束传输距离延长，后一单元结构组的每一单元结构对光束造成的衍射效率，大于前一单元结构组中相应位置的单元结构对相同波长光束造成的衍射效率。

请参考图11，图11为又一实施例提供的光波导器件的示意图，其中第一光学元件501包括单元结构组502、单元结构组503和单元结构组504，各组单元结构组沿方向1的长度与波导基体500内传输光束的最大传播波长一致。单元结构组504、单元结构组503和单元结构组502的单元结构槽深度依次增大一个固定值，单元结构组504的每一单元结构槽深度大于单元结构组503中相应位置的单元结构槽深度，单元结构组503的每一单元结构槽深度大于单元结构组502中相应位置的单元结构槽深度。这样，随波导基体500内光束传输距离延长，虽然各光束能量减弱，但单元结构槽深度增大，使得各光束的衍射效率增大，这弥补了该方向上由于光传播中衍射损耗导致的亮度降低，使得该方向上不同位置的衍射亮度更加均匀。并且，每一组单元结构组内，单元结构槽深度随单元结构所处位置变化，使得传播步长较大光束在沿方向1的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在沿方向1的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致。从而本光波导器件能够同时改善不同位置成像亮度的均匀性以及不同波长光束的成像亮度均匀性问题，或者能够同时改善不同位置成像亮度的均匀性以及不同入射角度的成像亮度均匀性问题。

另外，在以上各实施方式中，是以改变和设计单元结构的槽深度为例说明的，在其它实施例中，也可以通过改变和设计单元结构的其它参量来实现通过第一光学元件调制光束在不同位置的衍射效率，达到在相同范围内各不同传播步长的光束传播形式改变部分的能量趋于均匀的效果，也都在本发明保护范围内。

示例性的请参考图12，图12为又一实施例提供的光波导器件的示意图，其中，沿波导基体600传输的光束到达第一光学元件601，在第一光学元件601发生衍射使光束一部分能量耦合出波导基体600外。光束603的传播步长小于光束604的传播步长。如图所示，第一光学元件601上光束604入射位置的单元结构602倾斜角度大于光束603入射位置的单元结构602的倾斜角度，使得光束604一次衍射的衍射效率大于光束603的衍射效率，虽然光束603的衍射位置较密集，光束604的衍射位置较稀疏，但光束604经历一次衍射耦合出的能量相对较多，可以使在相同范围内从波导基体600耦合出的光束604能量和光束603能量趋于均匀。

本发明实施例还提供一种近眼显示设备，包括以上所述的光波导器件。

本实施例的近眼显示设备，所采用的光波导器件中第一光学元件使波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分传播形式改变。其中，第一光学元件包括周期性排布的单元结构，单元结构的预设参量随单元结构所处位置变化，能够使得传播步长较大光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致，能够改善现有光波导方案由于光波导内传播步长不同的各光束耦出能量不均匀导致存在图像信息失真的情况。

以上对本发明所提供的一种光波导器件及近眼显示设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种光波导器件，其特征在于，包括波导基体和第一光学元件，所述第一光学元件用于使所述波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分传播形式改变；

所述第一光学元件包括周期性排布的单元结构，所述单元结构的预设参量随单元结构所处位置变化，使得传播步长较大光束在相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在所述相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致。

2.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述单元结构的预设参量包括单元结构的槽深度、单元结构侧面相对于波导基体表面法向的倾斜角度、单元结构的横向尺寸或者单元结构的折射率。

3.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述单元结构的预设参量随单元结构沿一维方向的位置变化，使得传播步长较大光束在沿该一维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在沿该一维方向的所述相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致。

4.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述第一光学元件包括依次排布的单元结构组，所述单元结构组包括周期性排布的所述单元结构，所述单元结构组沿所述波导基体内光束传输方向的长度，与所述波导基体内传播光束的最大传播步长匹配。

5.根据权利要求4所述的光波导器件，其特征在于，一组单元结构组的所述单元结构的预设参量沿一维方向的变化形式为线性变化，或者一组单元结构组的所述单元结构的预设参量沿一维方向的变化形式为阶跃性变化，或者一组单元结构组的所述单元结构的预设参量与所述单元结构沿一维方向的位置满足弧线函数关系。

6.根据权利要求4所述的光波导器件，其特征在于，随所述波导基体内光束传输距离延长，后一单元结构组的每一单元结构对光束造成的衍射效率，大于前一单元结构组中相应位置的单元结构对相同波长光束造成的衍射效率。

7.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述单元结构的预设参量随单元结构沿第一维方向的位置变化，使得传播步长较大光束在沿该第一维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在沿该第一维方向的所述相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致；

所述单元结构的预设参量随单元结构沿第二维方向的位置变化，使得传播步长较大光束在沿该第二维方向的相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和，与传播步长较小光束在沿该第二维方向的所述相同范围内各个位置传播形式改变部分的能量总和趋于一致。

8.根据权利要求7所述的光波导器件，其特征在于，还包括第二光学元件，传输到所述第一光学元件的光束来自于所述第二光学元件，所述第一维方向与所述第二光学元件指向所述第一光学元件的方向平行，所述第二维方向与所述第一维方向的夹角大于零度。

9.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，还包括第二光学元件，传输到所述第一光学元件的光束来自于所述第二光学元件，所述第一光学元件的单元结构以所述第一光学元件上预设界线对称，所述预设界线为所述第一光学元件的、与所述第二光学元件指向所述第一光学元件的方向平行的中轴线。

10.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述单元结构的预设参量包括单元结构的槽深度，所述第一光学元件的各个单元结构顶端相平，或者所述第一光学元件的各个单元结构槽底部相平。

11.根据权利要求1-10任一项所述的光波导器件，其特征在于，所述第一光学元件具体用于使所述波导基体内传播光束发生衍射而使光束至少一部分耦合出所述波导基体外，或者所述第一光学元件具体用于使所述波导基体内传播光束发生衍射而使光束的至少一部分在所述波导基体内的传输方向相对于原传输方向偏转。

12.一种近眼显示设备，其特征在于，包括权利要求1-11任一项所述的光波导器件。

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