CN114296244B - 用于近眼显示的光波导以及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于近眼显示的光波导以及近眼显示设备，包括波导基底、至少一个耦入光栅以及至少一个耦出光栅，耦入光栅和耦出光栅设于波导基底。其中，耦出光栅包括在第一方向和/或第二方向上周期排布的多聚体光学超构结构基本单位元，多聚体光学超构结构基本单位元包括至少两个亚波长光学结构和至少一个多聚体间隙，相邻的亚波长光学结构之间具有至少一个多聚体间隙，第二方向与第一方向相交设置，且第二方向与第一方向位于平行于所述波导基底、面向所述耦出光栅的表面的平面内。利用周期排布的多个多聚体光学超构结构基本单位元中的至少两个亚波长光学结构和多聚体间隙处形成的电磁相互作用，提高视场均匀度和能量利用率以及降低制造成本。

Description

用于近眼显示的光波导以及近眼显示设备

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于近眼显示的光波导以及近眼显示设备。

背景技术

伴随着便携式计算设备、高速网络通信技术和大数据技术的快速发展，传统的平板显示器件难以满足人们日益增长的便携化、可穿戴和沉浸式观看需求。近些年来，近眼显示技术被广泛关注并快速发展，在虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmentedreality，AR)领域展现出重要的应用价值。虚拟现实技术为用户提供了完全虚拟化的沉浸式观看体验。而增强显示技术则可以在用户、虚拟图像和现实世界之间建立起信息的桥梁，其通过将虚拟的图像和真实的环境进行实时叠加，可以为人们提供超越现实的感官体验。

因此，增强现实技术在教育、安防、健康管理、虚拟训练、医疗研究以及电子游戏等领域具有广阔地应用前景。为了满足这样的需求，服务于增强现实技术的近眼显示设备需要能够在实现较好虚拟图像显示效果的基础上保证真实世界的光线能够直接穿过设备被人眼捕获。这就要求近眼显示设备应同时满足各项显示性能指标，包括较大的视场角、良好的视场均匀度、较大的眼动范围以及更高的显示分辨率等。

此外，考虑到用户可穿戴的使用需求，近眼显示设备还必须满足轻量化、微型化和类眼镜/头盔形态的特点。然而，上述要求点在实际设计中往往相互牵制、相互竞争甚至相互矛盾，因此具有优秀性能的增强显示眼镜/头盔的设计和制造仍具有较大的挑战性。

发明内容

本申请提供一种改进的用于近眼显示的光波导以及近眼显示设备。

本申请实施例提供一种用于近眼显示的光波导，包括波导基底、至少一个耦入光栅以及至少一个耦出光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅设于所述波导基底；所述耦入光栅用于将光束耦入所述波导基底；所述耦出光栅用于将所述光束耦出所述波导基底；其中，所述耦出光栅包括在第一方向和/或第二方向上周期排布的多个多聚体光学超构结构基本单位元，所述多聚体光学超构结构基本单位元包括至少两个亚波长光学结构和至少一个多聚体间隙，相邻的所述亚波长光学结构之间具有所述至少一个多聚体间隙，所述第二方向与所述第一方向相交设置，且所述第二方向与所述第一方向位于平行于所述波导基底、面向所述耦出光栅的表面的平面内。

可选的，在所述多聚体光学超构结构基本单位元中，相邻的两个所述亚波长光学结构相对于任一个所述多聚体间隙轴对称设置或反轴对称设置或所述多聚体间隙非对称设置。

可选的，所述多个多聚体光学超构结构基本单位元在所述第一方向和/或所述第二方向对称分布。

可选的，所述多个多聚体光学超构结构基本单位元在所述第一方向和/或所述第二方向非对称分布。

可选的，所述多聚体光学超构结构基本单位元包括设于所述多聚体间隙内的至少一个间隙填充结构。

可选的，所述间隙填充结构的最大尺寸小于或等于所述多聚体间隙的最大尺寸。

可选的，所述间隙填充结构的高度与其所在所述多聚体光学超构结构基本单位元中的所述亚波长光学结构的高度相同或不同。

可选的，所述间隙填充结构的材料与其所在所述多聚体光学超构结构基本单位元中的所述亚波长光学结构的材料相同或不同。

可选的，所述间隙填充结构的折射率范围是1.35～2.60。

可选的，所述多聚体光学超构结构基本单位元包括分布于所述多聚体间隙的不同位置的多个所述间隙填充结构，分布于不同位置的多个所述间隙填充结构的折射率相同或不同。

可选的，所述多聚体间隙内填充有介质，所述介质的折射率与所述亚波长光学结构的折射率不同。

可选的，所述多聚体间隙的最大宽度为其所在所述多聚体光学超构结构基本单位元中的所有所述亚波长光学结构的最大宽度的0.05～0.50。

可选的，所述亚波长光学结构包括柱状结构或锥状结构或台状结构。

可选的，所述亚波长光学结构的横截面为由直边围成、弧边围成或直边和弧边共同围成的规则形状或不规则形状。

可选的，所述亚波长光学结构的高度范围为10nm～500nm。

可选的，相邻的两个所述亚波长光学结构的形状相同或不同。

可选的，相邻的两个所述亚波长光学结构的折射率相同或不同。

可选的，所述亚波长光学结构的折射率范围是1.40～2.30。

可选的，相邻的所述多聚体光学超构结构基本单位元的所述亚波长光学结构的结构相同或不同。

可选的，相邻的所述多聚体光学超构结构基本单位元的所述亚波长光学结构的折射率相同或不同。

可选的，所述耦入光栅与所述耦出光栅位于所述波导基底的同一侧或不同侧。

可选的，所述多聚体光学超构结构基本单位元的亚波长光学结构的表面设有光学镀膜或涂层。

可选的，所述光学镀膜或所述涂层的材料为二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、五氧化二钽、氧化铪、氧化锆中的一种或至少两种的组合。

可选的，所述耦出光栅还包括表面浮雕光栅，所述表面浮雕光栅包括多个表面浮雕基本单位元，所述表面浮雕基本单位元具有一个亚波长光学结构；其中所述多个表面浮雕基本单位元与所述多个多聚体光学超构结构基本单位元在所述波导基底的表面排布。

本申请实施例提供一种近眼显示设备，包括：投影装置；及上述中任一项所述的用于近眼显示的光波导，所述投影装置设于所述光波导的一侧；所述光波导的耦入光栅用于将所述投影装置发出的包含有图像信息的光束耦入至所述光波导的波导基底；所述光波导的耦出光栅用于将所述光束从所述光波导的波导基底耦出。

本申请实施例的用于近眼显示的光波导，利用周期排布的多个多聚体光学超构结构基本单位元中的至少两个亚波长光学结构和多聚体间隙处形成的电磁相互作用，提高视场均匀度和能量利用率以及降低制造成本。

附图说明

图1所示为本申请的近眼显示设备的一个实施例的结构示意图。

图2所示为本申请的近眼显示设备的另一个实施例的结构示意图。

图3所示为本申请的近眼显示设备的又一个实施例的结构示意图。

图4所示为本申请的近眼显示设备的再一个实施例的结构示意图。

图5所示为图1所示的用于近眼显示的光波导的俯视结构示意图。

图6所示为图5所示的用于近眼显示的光波导的多聚体光学超构结构的一个实施例的俯视结构示意图。

图7所示为图5所示的用于近眼显示的光波导的多聚体光学超构结构的另一个实施例的俯视结构示意图。

图8所示为图5所示的用于近眼显示的光波导的多聚体光学超构结构的又一个实施例的俯视结构示意图。

图9所示为相关技术的用于近眼显示的光波导在平面内展开的视场范围内的能量分布图。

图10所示为图8所示的用于近眼显示的光波导在平面内展开的视场范围内的能量分布图。

图11所示为图5所示的用于近眼显示的光波导的其他一个实施例的俯视结构示意图。

图12所示为图5所示的用于近眼显示的光波导的再一个实施例的俯视结构示意图。

图13所示为图12所示的用于近眼显示的光波导在p-偏振斜入射电磁波照射下透射或反射进入人眼的能量随多聚体间隙在X轴方向偏移量的能量强度分布图。

图14所示为图12所示的用于近眼显示的光波导在s-偏振斜入射电磁波照射下透射或反射进入人眼的能量随多聚体间隙在X轴方向偏移量的能量强度分布图。

图15所示为本申请的用于近眼显示的光波导的一个实施例的俯视结构示意图。

图16所示为本申请的用于近眼显示的光波导的另一个实施例的俯视结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示至少两个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本申请实施例的用于近眼显示的光波导，包括波导基底、至少一个耦入光栅以及至少一个耦出光栅，耦入光栅和耦出光栅设于波导基底；耦入光栅用于将光束耦入波导基底；耦出光栅用于将光束耦出波导基底；其中，耦出光栅包括在第一方向和/或第二方向上周期排布的多个多聚体光学超构结构基本单位元，多聚体光学超构结构基本单位元包括至少两个亚波长光学结构和至少一个多聚体间隙，相邻的亚波长光学结构之间具有至少一个多聚体间隙，第二方向与第一方向相交设置，且第二方向与第一方向位于平行于波导基底、面向耦出光栅的表面的平面内。本申请实施例的用于近眼显示的光波导，利用周期排布的多个多聚体光学超构结构基本单位元中的至少两个亚波长光学结构和多聚体间隙处形成的电磁相互作用，提高视场均匀度和能量利用率以及降低制造成本。

本申请提供一种用于近眼显示的光波导以及近眼显示设备。下面结合附图，对本申请的用于近眼显示的光波导以及近眼显示设备进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

在一些实施例中，近眼显示设备10包括增强现实眼镜、增强现实头盔、头戴式显示器以及投影显示设备中的一种。上述任意一种近眼显示设备10中不仅满足用户穿戴的使用需求，还满足轻量化、微型化等需求。

参见图1所示，近眼显示设备10包括投影装置100和用于近眼显示的光波导200，投影装置100设于光波导200的一侧。近眼显示指通过光源装置、导光装置、显示面板等装置在人眼近处视场范围显示图像源。投影装置100用于向光波导200发出包含有图像信息的光束。光波导200用于将投影装置100发出的包含有图像信息的光束耦入并传输、耦出至人眼300中。在一些实施例中，投影装置100可以是投影光机或投影仪。

在一些实施例中，光波导200包括波导基底201、至少一个耦入光栅202以及至少一个耦出光栅203，耦入光栅202和耦出光栅203设于波导基底201。耦入光栅202用于将光束耦入波导基底201。耦出光栅203用于将光束耦出波导基底201，进入人眼300。

在一些实施例中，投影装置100与人眼300位于光波导200的同一侧或不同侧。在一些实施例中，投影装置100与耦入光栅202位于波导基底201的同一侧或不同侧。在一些实施例中，耦入光栅202与耦出光栅203位于波导基底201的同一侧或不同侧。

在图1所示的实施例中，投影装置100与人眼300位于光波导200的同一侧。耦入光栅202与耦出光栅203位于波导基底201的同一侧。投影装置100与耦入光栅202位于波导基底201的同一侧。投影装置100发出包含有图像信息的光束在耦入光栅202的作用下透射耦入至波导基底201，并在波导基底201中无损耗地沿X轴正方向全反射传输，当光束传输到耦出光栅203时，在耦出光栅203的作用下进行二维出瞳扩展同时耦出光线透射进入人眼300。在此过程中二维出瞳扩展表示图像源发出的光线在光波导200中传输后其显示光瞳范围在二维方向上被扩大。

在图2所示的实施例中，与图1所示的实施例相似，主要区别在于，投影装置110与耦入光栅212位于波导基底211的不同侧。投影装置110发出的包含有图像信息的光束在耦入光栅212的作用下反射耦入至波导基底211并在波导基底211中无损耗地沿X轴正方向全反射传输，当光束传输到耦出光栅213时，在耦出光栅213的作用下进行二维出瞳扩展同时耦出光线反射进入人眼310。

在图3所示的实施例中，与图1所示的实施例相似，主要区别在于，耦入光栅222与耦出光栅223位于波导基底221的不同侧。投影装置120与耦入光栅222位于波导基底221的同一侧。投影装置120发出的包含有图像信息的光束在耦入光栅222的作用下透射耦入波导基底221并在波导基底221中无损耗地沿X轴正方向全反射传输，当光束传输到耦出光栅223时，在耦出光栅223的作用下进行二维出瞳扩展同时耦出光线反射进入人眼320。

在图4所示的实施例中，与图1所示的实施例相似，主要区别在于，耦入光栅232与耦出光栅233位于波导基底231的不同侧。投影装置130与耦入光栅232位于波导基底231的不同侧。投影装置130发出的包含有图像信息的光束在耦入光栅232的作用下反射耦入波导基底231并在波导基底231中无损耗地沿X轴正方向全反射传输，当光束传输到耦出光栅233时，在耦出光栅233的作用下进行二维出瞳扩展同时耦出光线透射进入人眼330。

需要说明的是，图1至图4中仅示出本申请提供的近眼显示设备10的四种设置方式，可根据实际的产品需求，将投影装置100、耦入光栅202、耦出光栅203以及人眼300可被设置在波导基底201的任意一侧，但不仅限于此。

在图5所示的实施例中，光波导200沿水平面内的第一方向和第二方向延伸。其中，第一方向和第二方向相交设置，且第二方向与第一方向位于平行于波导基底201、面向耦出光栅203的表面的平面内。在本实施例中，第一方向可以是X轴方向，第二方向可以是Y轴方向，第一方向与第二方向垂直。在其他一些实施例中，第一方向与第二方向具有特定夹角。耦入光栅202和耦出光栅203在第一方向上错开设置。耦入光栅202和耦出光栅203在第二方向上对齐或错开设置。在本申请中不作限定。耦入光栅202可以设置一个或多个。耦出光栅203可以设置一个或多个。在一些特殊的实施例中，耦入光栅202和耦出光栅203的周围区域可以设置一组以上的其他光栅结构，在本申请中不作限定。

在一些实施例中，耦入光栅202可以是具有表面浮雕特性的一维直齿形光栅、闪耀光栅或倾斜光栅中的任意一种。在另一些实施例中，耦入光栅202也可以是光子晶体、超构材料或超构表面中的任意一种。在其他一些实施例中，耦入光栅202可以是具有其他光学结构的光栅。在本申请中不作限定。

在一些实施例中，耦出光栅203包括在第一方向和/或第二方向上周期排布的多个多聚体光学超构结构基本单位元207。多个多聚体光学超构结构基本单位元207周期性排布形成的阵列可以称为多聚体光学超构结构204(如图5所示)。

在一些实施例中，每个多聚体光学超构结构基本单位元207包括至少两个亚波长光学结构205和至少一个多聚体间隙206。相邻的亚波长光学结构205之间具有至少一个多聚体间隙206(如图6所示)。其中，第一方向可以是X轴方向，第二方向可以是Y轴方向。该多聚体光学超构结构204可以对特定入射电磁波进行精确调制。利用周期排布的多个多聚体光学超构结构基本单位元207中的至少两个亚波长光学结构205和多聚体间隙206处形成的电磁相互作用，提高视场均匀度和能量利用率以及降低制造成本。

上述多聚体光学超构结构基本单位元207可以简称为多聚体单位元207。二聚体光学超构结构基本单位元可以简称为二聚体单位元。在此基础上，可派生出“对称式二聚体单位元”之类的用法。后文多聚体光学超构结构基本单位元用简称多聚体单位元描述。

多个多聚体单位元207在二维周期性阵列上具有多种展开方式。在一些实施例中，多个多聚体单位元207沿第一方向周期排布。在其他一些实施例中，多个多聚体单位元207沿第二方向周期排布。在图6所示的实施例中，多个多聚体单位元207沿第一方向和第二方向周期排布。

在一些实施例中，在耦出光栅203中，多聚体单位元207的数量不少于两个。不少于两个的多聚体单位元207周期性排布形成的阵列可以称为多聚体光学超构结构204(如图5所示)。在图6所示的实施例中，多聚体单位元207无缝隙、无重叠地规则排布形成多聚体光学超构结构204，从而形成耦出光栅203。多聚体单位元207是指对于同一种二维周期图案中，其面积最小的单位元。在外界电磁波入射时，在多聚体单位元207中相邻的亚波长光学结构205之间具有电磁相互作用，从而形成一个多聚体光学超构结构204。如此设置，利用周期排布的多个多聚体单位元207中的至少两个亚波长光学结构205和多聚体间隙206处形成的电磁相互作用，提高视场均匀度。

在一些实施例中，多聚体单位元207中的亚波长光学结构205的数量可以被设置为2-6个，多聚体间隙的数量可以被设置为1-5个。在一些实施例中，多聚体单位元207中的亚波长光学结构205的数量为两个时，该多聚体单位元称为二聚体单位元。该二聚体单位元周期排布形成的阵列称为二聚体光学超构结构。以此类推，在一些实施例中，多聚体单位元207中的亚波长光学结构205的数量为三个时，该多聚体单位元称为三聚体单位元。该三聚体单位元周期排布形成的阵列称为三聚体光学超构结构。在一些实施例中，多聚体单位元207中的亚波长光学结构205的数量为四个时，该多聚体单位元称为四聚体单位元。该四聚体单位元周期排布形成的阵列称为四聚体光学超构结构。可拓展地，多聚体单位元207中的亚波长光学结构205的数量为多个时，该多聚体单位元称为多聚体单位元。该多聚体单位元周期排布形成的阵列称为多聚体光学超构结构204。

在图6所示的实施例中，多聚体单位元207用点划线框定的菱形区域表示。每个多聚体单位元207中的亚波长光学结构205的数量为四个，该多聚体单位元称为四聚体单位元。该四聚体单位元周期排布形成的阵列称为四聚体光学超构结构。在二维周期性阵列的多聚体单位元207中，多聚体单位元207内的亚波长光学结构205的整体尺寸不超过多聚体单位元207的面积范围。

在图6所示的实施例中，多聚体单位元207中的四个亚波长光学结构205的二维阵列在X轴方向上具有周期p，在Y轴方向具有周期q，在与X轴正方向夹角分别为±α角度方向具有周期r。上述几个参数通过公式(1)相互关联。

在上述方案中，参数r的取值范围为170-410纳米(nm)，角度α的取值范围在30度(°)附近。

在图6所示的实施例中，多聚体单位元207包括四个亚波长光学结构205和两个多聚体间隙206。与相关技术相比，通过设置合适的亚波长光学结构205和多聚体间隙206，亚波长光学结构205和多聚体间隙206处之间产生电磁相互作用，能对入射光的相位、振幅、偏振态进行任意控制，具有高度灵活的光响应能力，从而提高视场均匀度和能量利用率，并且降低制造成本。

在一些实施例中，亚波长光学结构205包括柱状结构或锥状结构或台状结构。在一些实施例中，亚波长光学结构205的横截面为由直边围成、弧边围成或直边和弧边共同围成的规则形状或不规则形状。该亚波长光学结构205为封闭式光学结构。在图6所示的实施例中，亚波长光学结构205为矩形的亚波长光学结构。亚波长光学结构205可以具有相同的几何形状和尺寸，也可以具有不同的几何形状和尺寸。如此设置，可以灵活调节光线的响应能力，提高视场均匀度。在本申请中不作限定。

在一些实施例中，在多聚体单位元207中，相邻的两个亚波长光学结构205之间设有一个或一个以上的多聚体间隙206。在一些实施例中，在多聚体单位元207中，相邻的两个亚波长光学结构205相对于任一个多聚体间隙206轴对称设置或反轴对称设置或非对称设置。在一些实施例中，相邻的两个亚波长光学结构205以多聚体间隙206为轴形成对称式多聚体光学超构结构基本单位元，简称对称式多聚体单位元。多个对称式多聚体单位元在第一方向和/或第二方向对称分布或非对称分布。在一些实施例中，相邻的两个亚波长光学结构205以多聚体间隙206为轴形成反对称式多聚体光学超构结构基本单位元，仍可简称对称式多聚体单位元。其中，当多聚体间隙206的数量为一个时，相邻的两个亚波长光学结构205的对称轴有且仅有一条，以及反对称轴有且仅有一条。当多聚体间隙206的数量超过一个时，相邻的两个亚波长光学结构205的对称轴可以是其中一个多聚体间隙206，以及反对称轴可以是任意一个多聚体间隙206。

在一些实施例中，多个多聚体单位元207在第一方向和/或第二方向对称分布。在一些实施例中，多聚体单位元207的亚波长光学结构205在第一方向和/或第二方向对称分布。在一些实施例中，多个多聚体单位元207在第一方向和/或第二方向非对称分布。在一些实施例中，多聚体单位元207的亚波长光学结构205在第一方向和/或第二方向非对称分布。

在一些实施例中，亚波长光学结构205的高度范围为10nm～500nm。在一些实施例中，亚波长光学结构205的高度范围为10nm或50nm或100nm或150nm或200nm或250nm或300nm或350nm或400nm或450nm或500nm。当亚波长光学结构205的高度在10nm至500nm范围内时，相邻的亚波长光学结构205的间隙位置处均可形成显著的电磁相互作用，从而影响耦出光栅203的电磁响应。同时，在该亚波长光学结构205的高度范围内，由多聚体单位元207周期排布而成的耦出光栅203均可实现二维出瞳扩展的功能。

在一些实施例中，多聚体单位元207内的至少两个亚波长光学结构205的整体面积不超过多聚体单位元207的面积。在一些实施例中，多聚体单位元207内的至少两个亚波长光学结构205的总体面积(不包含多聚体间隙206)为多聚体单位元207的面积的0.4～1.0。在一些实施例中，多聚体间隙206的最大宽度为其所在多聚体单位元207中的所有亚波长光学结构205的最大宽度的0.05～0.50。该多聚体间隙206的方向可以与X轴平行，也可以与Y轴平行，也可以与X轴和Y轴具有夹角。当该多聚体单位元207中具有超过一条多聚体间隙206时，该多聚体间隙206可以相交也可以不相交。当该多聚体间隙206相交时，其相交角度可以在0～90°之间选择。当该多聚体间隙206不相交时，其可以平行排布也可以不平行排布。在本申请中不作限定。

在一些实施例中，相邻的多聚体单位元207的亚波长光学结构205的结构相同或不同。在一些实施例中，相邻的多聚体单位元207的亚波长光学结构205的尺寸相同或不同。在一些实施例中，相邻的两个亚波长光学结构205的形状相同或不同。在一些实施例中，相邻的两个亚波长光学结构205的尺寸相同或不同。上述所述的耦出光栅203中，可以仅由同一种多聚体单位元207周期排布形成，也可以根据需要在耦出光栅203的不同坐标位置设置形状和几何参数不同的多种多聚体单位元207。当耦出光栅203的不同坐标位置被设置为不同的多聚体单位元207时，多聚体单位元207的几何参数随耦出光栅203坐标位置的变化可以是连续的或周期性的，也可以是随机分布的。如此设置，可灵活调整耦出光栅203的视场均匀度。

在一些实施例中，相邻的多聚体单位元207的亚波长光学结构的折射率相同或不同。在一些实施例中，多聚体单位元207的亚波长光学结构的折射率范围是1.40～2.30。在一些实施例中，相邻的两个亚波长光学结构205的折射率相同或不同。上述所述的多聚体单位元207的亚波长光学结构可以具有折射率取值分布。多聚体单位元207的亚波长光学结构的光学材料的折射率可以在1.40-2.30之间。多聚体单位元207的亚波长光学结构的折射率取值可以与波导及耦入光栅202的折射率取值相同，也可以不同。耦出光栅203中处于不同坐标位置的多聚体单位元207的亚波长光学结构的折射率取值可以相同也可以不相同，也可以与耦出光栅203的坐标位置具有特定函数关系。且同一个多聚体单位元207中的不少于两个亚波长光学结构205的折射率取值可以相同也可以不同。作为一种优选方案，由多聚体单位元207的亚波长光学结构形成的耦出光栅203中，多聚体光学超构结构204具有均匀的折射率分布。如此设置，可灵活调整耦出光栅203的视场均匀度。

在一些实施例中，多聚体间隙206内填充有介质。该介质填满该多聚体间隙206。该介质的折射率与亚波长光学结构205的折射率不同。在一些实施例中，该介质可以为空气或惰性气体，其折射率在1.00附近。在另一些实施例中，该介质可以为折射率大于1.00的液体。在一些实施例中，多聚体单位元207的亚波长光学结构的表面设有光学镀膜或涂层。在一些实施例中，光学镀膜或涂层的材料为二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、五氧化二钽、氧化铪、氧化锆中的一种或至少两种的组合。如此设置，可通过镀膜或设置涂层控制耦出光栅203的衍射效率并提高能量利用率，还可以有效地改变透射和反射进入人眼300的光能量比例。

在图7所示的实施例中，多聚体单位元207中具有两个亚波长光学结构205，该多聚体单位元称为二聚体单位元207a，其多聚体间隙206的数量均为一个。多聚体单位元207中具有三个亚波长光学结构205，该多聚体单位元称为三聚体单位元207b，其多聚体间隙206的数量均为两个。多聚体单位元207中具有四个亚波长光学结构205，该多聚体单位元称为四聚体单位元207c，其多聚体间隙206的数量为两个或三个。依次类推，多聚体单位元207中具有五个亚波长光学结构205，该多聚体单位元称为五聚体单位元207d，其多聚体间隙206的数量为四个。多聚体单位元207中具有六个亚波长光学结构205，该多聚体单位元称为六聚体单位元207e，其多聚体间隙206的数量为五个。在此不再赘述。

当电磁波入射到耦出光栅203上时，多聚体单位元207中的不少于两个亚波长光学结构205之间具有电磁相互作用，从而在多聚体间隙206的位置处存在电磁相互作用。多聚体间隙206处电磁相互作用的出现，可以打破衍射光栅各衍射级次的能量变化规律的关联性，从而为独立设计衍射光栅各衍射级次的衍射性质提供了可能性。

在图8所示的实施例中，在耦出光栅203中，每个多聚体单位元207包含两个形状、大小相同且在X轴和Y轴方向均具有镜面对称轴的亚波长光学结构205。该多聚体单位元207被称为对称式二聚体光学超构结构基本单位元208，简称对称式二聚体单位元208。图8所示的实施例中包括若干种对称式二聚体单位元208，在一个多聚体单位元207中的几何形状(俯视图)，它们均具有沿特定方向的对称轴或反对称轴。对称式二聚体单位元208的多聚体间隙206可以平行于X轴方向，也可以平行于Y轴方向，也可以与X轴方向和Y轴方向具有夹角。

在图8所示的实施例中，对称式二聚体单位元208a、208b和208c的多聚体间隙206平行于X轴方向。对称式二聚体单位元208h-208l的多聚体间隙206平行于Y轴方向。对称式二聚体单位元208m和208n的多聚体间隙的方向与X轴和Y轴具有夹角。其中，对称式二聚体单位元208a、208b、208d、208e、208f、208i、208j和208m中的亚波长光学结构205是仅由直线围成的封闭图形。对称式二聚体单位元208h和208l中的亚波长光学结构205是仅由弧线围成的封闭图形。对称式二聚体单位元208c、208g、208k和208n中的亚波长光学结构205是由直线和弧线共同围成的封闭图形。对称式二聚体单位元208a-208l中的亚波长光学结构205具有至少一条沿特定方向的镜面对称轴，对称式二聚体单位元208m和208n中的亚波长光学结构205分别具有一条沿特定方向的反对称轴。

在实践中得出，具有对称式二聚体单位元208a-208n周期排布形成多聚体结构204，从而形成耦出光栅203的光波导200，能够显著提升显示器件的视场均匀性。作为对比，图9所示为传统矩形表面浮雕光栅构成的光波导200在X-Y平面展开的视场范围内的能量分布，可以看到存在非常明显的中心视场亮条901效应。图10所示为具有由对称式二聚体单位元208周期排布形成多聚体结构204，形成的耦出光栅203的光波导200在X-Y平面展开的视场范围内的能量分布，相较于图9可知，其能量分布平坦且均匀，中心视场亮条效应几乎被完全抑制。如此设置，可改善视场均匀度。

在图11所示的实施例中，在耦出光栅203中，多聚体单位元207包括设于多聚体间隙206内的至少一个间隙填充结构2061。该间隙填充结构2061的设置可以有效地调控多聚体单位元207的多聚体间隙206位置处的电磁相互作用，从而实现对耦出光栅203的电磁响应的进一步调制。

在一些实施例中，间隙填充结构2061可以是设置一个或一个以上。根据实际设计需要，每个多聚体间隙206处均可以独立地设有0个、1个或多个间隙填充结构2061。该间隙填充结构2061可以设于多聚体间隙206内的任意位置。当两条以上多聚体间隙206具有至少一个交点时，该间隙填充结构2061也可以设于交点位置。间隙填充结构2061的形状可以根据设计和加工需求调整，在本申请中不作限定。

在一些实施例中，间隙填充结构2061的最大尺寸小于或等于多聚体间隙的最大尺寸。在一些实施例中，间隙填充结构2061的高度与多聚体单位元207的亚波长光学结构205的高度相同或不同。在一些实施例中，间隙填充结构2061的材料与多聚体单位元207的亚波长光学结构205的材料相同或不同。在一些实施例中，间隙填充结构2061的材料也可以与光学镀膜或涂层的材料相同，也可以不同。在一些实施例中，间隙填充结构2061的折射率范围是1.35～2.60。如此设置，可以有效地调控多聚体光学超构结构204的多聚体间隙206位置处的电磁相互作用，从而提升耦出光栅203的视场均匀度。

在一些实施例中，多聚体单位元207包括分布于多聚体间隙206的不同位置的多个间隙填充结构2061。分布于不同位置的间隙填充结构2061的折射率相同或不同，也可以与耦出光栅203的坐标位置具有特定函数关系。在一些实施例中，分布于不同位置的间隙填充结构2061的结构相同或不同。在一些实施例中，分布于不同位置的间隙填充结构2061的尺寸相同或不同。在本申请中不作限定。

在本实施例中，多聚体单位元207具有1个几何尺寸与多聚体间隙206的间隙宽度相当的间隙填充结构2061，其高度与多聚体单位元207的亚波长光学结构205的高度相同，且间隙填充结构2061与多聚体单位元207的亚波长光学结构205由同一种光学材料构成并具有相同的折射率。在实践中得出，该实施方案可以有效地调控多聚体单位元207的亚波长光学结构205和多聚体间隙206位置处的电磁相互作用，从而实现对耦出光栅203的电磁响应的进一步调制。

在图12所示的实施例中，在耦出光栅203中，每个多聚体单位元207包含两个形状不同且仅在X轴方向具有镜面对称轴的亚波长光学结构205。该多聚体单位元207被称为非对称式二聚体单位元209。非对称式二聚体单位元209也可以看做是对称式二聚体单位元208的多聚体间隙206的区域在X轴方向上被赋予一个额外的偏移量而形成的。

在图12所示的实施例中，包括若干种非对称式二聚体单位元209。非对称式二聚体单位元209a和209b是由多聚体间隙206向X轴负方向偏移二聚体单位元在X轴方向整体尺寸的0.1和0.2形成的。非对称式二聚体单位元209d和209e是由多聚体间隙206向X轴正方向偏移二聚体单位元在X轴方向整体尺寸的0.1和0.2形成的。而当偏移率为0时，非对称式二聚体单位元将退化为对称式二聚体单位元209c。

在实践中得出，当光波导200中的电磁波照射到耦出光栅203时，部分能量将继续在光波导200的内部传播，另一部分能量则直接在耦出光栅203的位置透射或反射进入人眼300。而光波导200的视场均匀度和直接进入人眼的这部分能量的强弱直接相关。通过调节非对称式二聚体单位元209的多聚体间隙206沿X轴方向的偏移量，可以便捷且有效地改变耦出光栅203的位置直接进入人眼的能量。

图13和图14分别示出了耦出光栅203直接透射和反射进入人眼300的能量随二聚体单位元209的多聚体间隙206沿X轴偏移量的变化规律，可以看到当偏移量仅发生约±0.15的变化时，即可引起直接进入人眼300的能量约1个数量级的显著变化。如此设置，使得由基于该结构设计耦出光栅203的光波导200拥有更加丰富的优化设计自由度，可以有效降低优化设计的计算资源成本和时间成本。

在一些相关技术中，对传统表面浮雕光栅的浮雕结构进行几何裁切操作实现对耦出光栅直接进入人眼的能量强度进行调节，但是这种调节方式会直接导致耦出区域波导内部原有的能量分布被破坏，进而可能导致光波导近眼显示性能不升反降。与相关技术相比，对于本实施例的基于非对称式二聚体光学超构结构的光波导200，通过调节非对称式单位元209的亚波长光学结构沿X轴的偏移量，可以在几乎不改变光波导200内部能量分布的前提下独立调节耦出光栅203直接进入人眼300的能量强度，因此在近眼显示性能的优化设计中具有更大的优势。

在图15所示的实施例中，光波导200的耦出光栅203由三种具有不同几何形状的对称式二聚体单位元208周期排布形成。该三种具有不同几何形状的对称式二聚体单位元208分别设置于耦出光栅203的不同子阵列区域(I)～(III)。各个阵列区域中的多聚体单位元207具有不同几何参数的对称式二聚体单位元208，而在同一阵列区域中则由同一种二聚体光学超构结构204周期性排布形成。

在图15所示的实施例中，在子阵列区域(I)位置处的多聚体单位元207中的对称式二聚体单位元208的俯视图中，该对称式二聚体单位元208o具有沿X轴和Y轴方向的对称轴且多聚体间隙206与X轴方向平行。在子阵列区域(II)位置处的多聚体单位元207中的对称式二聚体单位元208p的俯视图中，对称式二聚体单位元208p的多聚体间隙206的方向处于X-Y平面坐标系的第一、四象限内，可以看作对称式二聚体单位元208o的多聚体间隙206相对于多聚体单位元207的中心点顺时针旋转特定锐角形成。在子阵列区域(III)位置处的多聚体单位元207中的对称式二聚体单位元208q的俯视图中，对称式二聚体单位元208q的多聚体间隙206的方向处于X-Y平面坐标系的第二、三象限内，可以看作对称式二聚体单位元208o的多聚体间隙206相对于多聚体单位元207中心点逆时针旋转特定锐角形成。

在本实施例中，当光波导200中的光照射到子阵列区域(I)位置时，该区域向Y轴方向的正负方向分光的能量完全相同。而当光波导200中的光照射到子阵列区域(II)位置时，由于多聚体间隙206与Y轴存在夹角，因此该区域向Y轴正方向分光的能量大于向Y轴负方向分光的能量。同理，当光波导200中的光照射到子阵列区域(III)位置时，该区域向Y轴负方向分光的能量大于向Y轴正方向分光的能量。因此，本实施例中提供的基于非均匀二聚体单位元209的光波导200同样可以使更多的能量被限制在了耦出光栅203的位置，从而能够提升近眼显示设备的能量利用率。

需要说明的是，图15所示的实施例中，提供的将耦出光栅203分为三个或四个子阵列区域的设计形式仅为基于非均匀二聚体单位元的近眼显示光波导耦出光栅203设计的一种方案。在具体实践中，技术人员可以根据设计需求选择将耦出光栅203划分为数个形状、大小相同或不同的子阵列区域并在这些区域中分别设置具有不同几何形状或尺寸的二聚体光学超构结构阵列。图15所示的实施例的目的在于更加清晰地说明基于非均匀二聚体光学超构结构的近眼显示光波导的设计和应用方式，而并不用于限制本申请。

在一些相关技术中，通过在光波导200的耦出光栅203附近增加若干个回光区域来降低泄露到没有耦出光栅203的区域位置的能量。这样的设计需要在光波导200中引入额外的光栅区域，从而导致光栅母版加工的时间成本和经济成本显著增加，且这些回光区域会占用光波导上的额外面积空间，不利于镜片的轻量化和小型化。与相关技术相比，对于本实施例的光波导200，不需要引入额外的光栅区域，会降低加工成本和光波导体积，从而使得近眼显示设备10更加轻量化和小型化。

在其他一些实施例中，耦出光栅203还包括表面浮雕光栅210，二维光栅210包括多个表面浮雕基本单位元2101。该表面浮雕基本单位元2101具有一个亚波长光学结构2102。其中所述多个表面浮雕基本单位元2101与多个多聚体单位元207在波导基底201的表面排布。在一些实施例中，多聚体单位元207的面积大于表面浮雕光栅210的面积。

在图16所示的实施例中，多聚体单位元207周期排布形成的阵列区域中，每个多聚体单位元207包含两个形状相同或不同且仅在Y轴方向具有镜面对称轴的亚波长光学结构205。同时，在耦出光栅203的不同位置处，这些对称或非对称的二聚体单位元207被设置为不同的几何尺寸。考虑到在耦出光栅203中二聚体单位元207的亚波长光学结构205是非均一分布的，因此该实施例被称为基于非均匀二聚体单位元的光波导200。

在图16所示的实施例中，耦出光栅203包含四个子阵列区域(I)～(IV)。耦出光栅203的轮廓形状为六边形。其中耦出光栅203的子阵列区域(II～IV)则由非均匀二聚体单位元207构成。在本实施例中，对于耦出光栅203的子阵列区域(II)～(IV)，各个阵列区域中的多聚体单位元207具有不同几何参数的亚波长光学结构205，而在同一阵列区域中则由同一种二聚体单位元207周期性排布形成。

在图16所示的实施例中，在子阵列区域(II)位置处的多聚体单位元207中的对称式二聚体单位元208r的俯视图中，对称式二聚体单位元208r具有沿X轴和Y轴方向的对称轴且多聚体间隙206与X轴方向平行。在子阵列区域(III)位置处的多聚体单位元207中的非对称式二聚体单位元209f的俯视图中，非对称式二聚体单位元209f仅具有沿Y轴方向的对称轴且多聚体间隙206与X轴方向平行。此外，该非对称式二聚体单位元209f由二聚体间隙向Y轴负方向偏移形成。在子阵列区域(IV)位置处的多聚体单位元207中的非对称式二聚体单位元209g的俯视图中，非对称式二聚体单位元209g仅具有沿Y轴方向的对称轴且多聚体间隙206与X轴方向平行。此外，该非对称式二聚体单位元209g由多聚体间隙206向Y轴正方向偏移形成。

对于用于近眼显示的光波导200的耦出光栅203除了具有直接耦出光线进入人眼的作用，还同时承担了二维出瞳扩展的功能。因此，当光波导200中的光线照射到耦出光栅203上时，除了继续向X轴正方向传输的光线和直接耦出波导进入人眼的光线外，还有相当可观的能量在耦出光栅203的作用下向Y轴的正负方向偏转(与Y轴呈约±30°的夹角)。

在一些相关技术中，对于传统的浮雕光栅结构的耦出光栅，其向Y轴的正负方向分光的能量完全相同。对于耦出光栅Y＝0附近的区域，上述性质是光波导设计所需要的。然而在光波导200的边缘区域，耦出光栅203这样的光学响应会导致相当一部分能量泄露到没有耦出光栅203的光波导200中而不再被耦出进入人眼，这导致了能量的浪费。

与相关技术相比，本实施例提供的用于近眼显示的光波导200的耦出光栅203的设计方案，耦出光栅203包含三个具有不同几何参数二聚体光学超构结构的子阵列区域。当光波导200中的光照射到子阵列区域(II)位置时，该区域向Y轴的正负方向分光的能量完全相同。而当光波导200中的光照射到子阵列区域(III)位置时，由于该区域内的二聚体光学超构结构相对于X轴不具有镜面对称性且其间隙位置向Y轴负方向偏移，该区域向Y轴正方向分光的能量大于向Y轴负方向分光的能量。相反地，当光波导200中的光照射到子阵列区域(IV)位置时，由于该区域内的二聚体光学超构结构相对于X轴同样不具有镜面对称性且其间隙位置向Y轴正方向偏移，该区域向Y轴负方向分光的能量大于向Y轴正方向分光的能量。这样的性质使更多的能量被限制在了耦出光栅203位置，从而能够提升近眼显示器件的能量利用率。

需要说明的是，图16中示出的耦出光栅203的四个子阵列区域(I)～(IV)，仅作为一种示例，根据不同的产品形态和性能需求，设计人员可以采用完全不同的分区数量和分区形状；本申请仅希望保护将多聚体光学超构结构204和表面浮雕光栅210结合形成耦出光栅203的方案，而不对分区的设计做限定。经评估，这种将多聚体光学超构结构204和表面浮雕光栅210结合形成耦出光栅203的方案具有重要性，在某些场景下甚至比完全采用多聚体光学超构结构204的方案效果更好，在此不再赘述。

在实际使用过程中，通过使用多聚体光学超构结构204代替利用传统表面浮雕光栅技术设计的光波导200的耦出光栅203，多聚体光学超构结构204能够提供丰富的光学设计自由度，能够降低用于近眼显示的光波导200的参数优化设计的难度和资源成本。并且解决了传统二维表面浮雕光栅各衍射级次效率随光栅几何参数变化规律相互耦合的问题，能够提升近眼显示光波导性能的优化上限。

通过使用的由多聚体光学超构结构204形成的耦出光栅203能够显著降低光波导200中的光线照射到耦出光栅203时直接耦出波导进入人眼300的能量，有利于抑制用于近眼显示的光波导200的中心视场亮条现象的出现。

在本申请实施例提供的基于非对称式二聚体单位元209的用于近眼显示的光波导200的设计方案中，通过改变耦出光栅203的二聚体光学超构结构205的不对称度，可以在几乎不改变光波导200的内部能量分布的前提下独立且有效地调控在耦出光栅203直接进入人眼300的能量，有利于在各种眼动范围近眼显示光波导器件中的应用。

在本申请实施例提供的基于非均匀二聚体单位元209的用于近眼显示的光波导200的设计方案，突破了传统表面浮雕光栅浮雕结构的镜面对称性限制，通过在耦出光栅203的不同位置设计具有不同几何参数的二聚体光学超构结构204，可以有效降低耦出光栅203的边缘处泄露到耦出光栅203范围以外的光，从而能够将更多能够限制在耦出光栅203内部，最终使近眼显示器件的能量利用率得到提升。

在本申请提供的基于多聚体光学超构结构204的用于近眼显示的光波导200及相关实施例中，并未在光波导200中引入额外的回光区域或补偿区域，也未采用倾斜或渐变式的光栅设计，因此在加工难度和量产成本上具有较大优势。并且，本申请及相关实施例提供的设计方案，可以直接兼容传统表面浮雕光栅光波导的加工工艺，无需进行工艺改造即可交付量产，具有良好的经济效益。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种用于近眼显示的光波导，其特征在于，包括：波导基底、至少一个耦入光栅以及至少一个耦出光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅设于所述波导基底；所述耦入光栅用于将光束耦入所述波导基底；所述耦出光栅用于将所述光束耦出所述波导基底；其中，所述耦出光栅包括在第一方向和/或第二方向上周期排布的多个多聚体光学超构结构基本单位元；所述多聚体光学超构结构基本单位元包括至少两个亚波长光学结构和至少一个多聚体间隙，相邻的所述亚波长光学结构之间具有所述至少一个多聚体间隙，所述第二方向与所述第一方向相交设置，且所述第二方向与所述第一方向位于平行于所述波导基底、面向所述耦出光栅的表面的平面内；其中周期排布的所述多个多聚体光学超构结构基本单位元中的所述至少两个亚波长光学结构和所述多聚体间隙处形成电磁相互作用。

2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，在所述多聚体光学超构结构基本单位元中，相邻的两个所述亚波长光学结构相对于任一个所述多聚体间隙轴对称设置或反轴对称设置或非对称设置。

3.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述多个多聚体光学超构结构基本单位元在所述第一方向和/或所述第二方向对称分布。

4.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述多个多聚体光学超构结构基本单位元在所述第一方向和/或所述第二方向非对称分布。

5.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述多聚体光学超构结构基本单位元包括设于所述多聚体间隙内的至少一个间隙填充结构；

所述间隙填充结构的最大尺寸小于或等于所述多聚体间隙的最大尺寸；和/或

所述间隙填充结构的高度与其所在所述多聚体光学超构结构基本单位元中的所述亚波长光学结构的高度相同或不同；和/或

所述间隙填充结构的材料与其所在所述多聚体光学超构结构基本单位元中的所述亚波长光学结构的材料相同或不同；和/或

所述间隙填充结构的折射率范围是1.35～2.60；和/或

所述多聚体光学超构结构基本单位元包括分布于所述多聚体间隙的不同位置的多个所述间隙填充结构，分布于不同位置的多个所述间隙填充结构的折射率相同或不同。

6.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述多聚体间隙内填充有介质，所述介质的折射率与所述亚波长光学结构的折射率不同；和/或

所述多聚体间隙的最大宽度为其所在所述多聚体光学超构结构基本单位元中的所有所述亚波长光学结构的最大宽度的0.05～0.50。

7.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述亚波长光学结构包括柱状结构或锥状结构或台状结构；和/或

所述亚波长光学结构的横截面为由直边围成、弧边围成或直边和弧边共同围成的规则形状或不规则形状；和/或

所述亚波长光学结构的高度范围为10nm～500nm；和/或

相邻的两个所述亚波长光学结构的形状相同或不同；和/或

相邻的两个所述亚波长光学结构的折射率相同或不同；和/或

所述亚波长光学结构的折射率范围是1.40～2.30。

8.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，相邻的所述多聚体光学超构结构基本单位元的所述亚波长光学结构的结构相同或不同；和/或

相邻的所述多聚体光学超构结构基本单位元的所述亚波长光学结构的折射率相同或不同；和/或

所述耦入光栅与所述耦出光栅位于所述波导基底的同一侧或不同侧。

9.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述多聚体光学超构结构基本单位元的亚波长光学结构的表面设有光学镀膜或涂层；所述光学镀膜或所述涂层的材料为二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、五氧化二钽、氧化铪、氧化锆中的一种或至少两种的组合。

10.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述耦出光栅还包括表面浮雕光栅，所述表面浮雕光栅包括多个表面浮雕基本单位元，所述表面浮雕基本单位元具有一个亚波长光学结构；其中所述多个表面浮雕基本单位元与所述多个多聚体光学超构结构基本单位元在所述波导基底的表面排布。

11.一种近眼显示设备，其特征在于，包括：

投影装置；及

上述权利要求1至10中任一项所述的用于近眼显示的光波导，所述投影装置设于所述光波导的一侧；所述光波导的耦入光栅用于将所述投影装置发出的包含有图像信息的光束耦入至所述光波导的波导基底；所述光波导的耦出光栅用于将所述光束从所述光波导的波导基底耦出。