CN116974006A - 光波导及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光波导及近眼显示装置，该光波导包括基板、设置于基板表面的耦入单元、设置于基板表面的耦出单元和中继单元。其中，耦入单元用于将光束耦入基板，并使光束形成沿第一方向传输的第一光束和沿第二方向传输的第二光束，第一光束和第二光束对应不同的波段，中继单元至少包括设置于基板表面的第一中继单元和第二中继单元，第一中继单元用于第一光束衍射至耦出单元并由耦出单元耦出基板，第二中继单元用于将第二光束衍射至耦出单元并由耦出单元耦出基板。该光波导结构能够提高彩色显示时的颜色均匀性，还能够扩大视场角和提升光效。

Description

光波导及近眼显示装置

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种光波导及近眼显示装置。

背景技术

近眼显示装置(Near-Eye Display，NED)也称为头戴式显示器(Head MountedDisplay，HMD)或可穿戴显示器，在一只眼睛或两只眼睛的视野范围内创建一个虚拟图像。近眼显示装置包括虚拟现实(Virtual Reality，VR)近眼显示器和增强现实(AugmentedReality，AR)近眼显示器等。光波导方案是业界公认的AR光学显示最重要的技术路径，可以使得AR近眼显示器更轻薄、外观更接近普通眼镜。为了实现RGB全彩显示，通常采用三层光波导叠合，使R/G/B三种颜色的光信号分别在其中一层光波导中传输的方式；或者采用两层光波导叠合，使RG和GB光信号分别在两层光波导中传输的方式，但这两种方式都存在重量大，制作工艺复杂的问题。

为了解决上述技术问题，可以采用单层光波导结构，使R/G/B三种颜色的光信号均在同一层光波导中传输的方式。但是目前的单层光波导结构存在颜色均匀性不好的问题。

发明内容

本申请提供了一种光波导及近眼显示装置，能够提高使用单片波导结构实现彩色显示时的颜色均匀性。

本申请第一方面提供一种光波导，光波导包括：

基板；

设置于基板表面的耦入单元，用于将光束耦入基板，并使光束形成沿第一方向传输的第一光束和沿第二方向传输的第二光束，第一光束和第二光束对应不同的波段；

设置于基板表面的耦出单元；

中继单元，至少包括设置于基板表面的第一中继单元和第二中继单元，第一中继单元用于将第一光束衍射至耦出单元并由耦出单元耦出基板，第二中继单元用于将第二光束衍射至耦出单元并由耦出单元耦出基板。

本申请所提供的光波导，通过耦入单元，使入射光束形成沿不同方向传输的对应不同波段的光束，以实现彩色显示，通过设置第一中继单元和第二中继单元，能够分别对第一光束和第二光束的衍射角度和衍射级次光能量进行调整，改善传输至耦出单元中的第一光束与第二光束之间的比例，使得通过耦出单元耦出基板的第一光束与第二光束的密度和耦出光能量分布能够相互平衡，从而提高光波导在进行彩色显示时的颜色均匀性，同时还能够提升光效。第一中继单元和第二中继单元分别与耦出单元共同作用，通过在不同方向下实现二维扩瞳，从而增大了光波导的视场角。

在一种可能的设计中，第一光束包含红光和部分波段的绿光，第二光束包含蓝光和部分波段的绿光，第一光束和第二光束能够同时分别沿第一方向和第二方向发生衍射，实现光在两个方向上的扩展。

在一种可能的设计中，耦入单元、耦出单元和中继单元均为光栅，通过设置各单元的光栅周期，能够使得第一光束和第二光束具有相同或相近的衍射角度和衍射级次光能量，提高第一光束和第二光束的耦出均匀性和光效。

在一种可能的设计中，中继单元为一维光栅，耦入单元和耦出单元均为二维光栅或双层光栅。选用二维光栅或双层光栅制作的耦入单元和耦出单元的结构更加简单，单一结构的耦入单元就能够使波段不同的光束在两个不同方向上发生衍射，同样地，单一结构的耦出单元就能够将沿两个不同方向衍射的光束共同衍射出基板。

在一种可能的设计中，耦入单元、第一中继单元、第二中继单元和耦出单元设置于基板的同一表面，光波导仅需进行单面加工，结构简单，工艺制作流程也并不复杂。

在一种可能的设计中，耦入单元包括第一耦入单元和第二耦入单元，第一耦入单元和第二耦入单元中的一者设置于第一表面，另一者设置于第二表面，第一表面和第二表面分别为基板的相对两个表面，第一耦入单元用于使第一光束耦入基板并在基板内沿第一方向传输，第二耦入单元用于使第二光束耦入基板并在基板内沿第二方向传输，通过调整第一耦入单元和第二耦入单元的结构参数，实现对第一光束和第二光束的衍射优化，提高光波导的颜色均匀性和光效。

在一种可能的设计中，耦出单元包括第一耦出单元和第二耦出单元，第一耦出单元和第二耦出单元中的一者设置于第一表面，另一者设置于第二表面，第一耦出单元用于将第一光束耦出基板，第二耦出单元用于将第二光束耦出基板，通过调整第一耦出单元和第二耦出单元的结构参数，实现对第一光束和第二光束的衍射优化，提高光波导的颜色均匀性和光效。

在一种可能的设计中，第一耦入单元、第二耦入单元、第一耦出单元和第二耦出单元均为一维光栅，降低了光波导中光栅的制作难度，提高了光波导的良品率。

在一种可能的设计中，第一中继单元和第二中继单元均为单一结构，能够降低第一中继单元和第二中继单元的工艺制作难度。

在一种可能的设计中，第一中继单元包括第一子中继单元和第二子中继单元，第一子中继单元用于将红光衍射至耦出单元并由耦出单元耦出基板，第二子中继单元用于将部分波段的绿光衍射至耦出单元并由耦出单元耦出基板，第二中继单元包括第三子中继单元和第四子中继单元，第三子中继单元用于将部分波段的绿光衍射至耦出单元并由耦出单元耦出基板，第四子中继单元用于将蓝光衍射至耦出单元并由耦出单元耦出基板。通过设置第一子中继单元、第二子中继单元、第三子中继单元和第四子中继单元分别对第一光束中的红光、第一光束中的绿光、第二光束中的绿光和第二光束中的蓝光的衍射角度和衍射级次光能量进行优化，能够确保从第一耦出单元和第二耦出单元中出射的不同波段的光的耦出密度和耦出光能量分布达到平衡，进而使得不同波段的光线叠加后的颜色均匀性和光效更好。

在一种可能的设计中，第一子中继单元和第二子中继单元中的一者设置于第一表面，另一者设置于第二表面，第三子中继单元和第四子中继单元中的一者设置于第一表面，另一者设置于第二表面。保证第一子中继光栅和第二子中继单元沿第一方向设置于第一耦入单元和/或第二耦入单元的一侧，第三子中继单元和第四子中继单元沿第二方向设置于第一耦入单元和/或第二耦入单元的一侧，以使沿第一方向传输的第一光束能够传输至第一子中继单元和第二子中继单元中，沿第二方向传输的第二光束能够传输至第三子中继单元和第四子中继单元中。

在一种可能的设计中，第一方向和第二方向之间具有夹角α，夹角α满足：60°≤α≤90°，此时，耦出单元4的面积较大，能够接收到更多的来自第一方向X和第二方向Y上的衍射光，减少光栅衍射过程中的能量损失，从而提高光波导的耦出效率。

本申请第二方面提供一种近眼显示装置，近眼显示装置至少包括：

图像源，用于发射包含图像信息的光信号；

光波导，光波导为以上的光波导；

光学系统，用于将图像源发射的光信号准直形成光束传输至光波导的耦入单元。

本申请中的光波导能够沿多个方向实现扩瞳，具有较大的视场角、较高的颜色均匀性以及较高的光效，可以使得图像源的体积减小，有利于装置的小型化，使得近眼显示装置能够更贴近普通眼镜的体积和重量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为相关技术中一种近眼显示器的剖面结构示意图；

图2为本申请实施例中一种光波导的俯视图；

图3为图2中光波导的光束传输示意图；

图4为图2中光波导在AA’向的剖面结构示意图；

图5为图2中光波导在BB’向的剖面结构示意图；

图6(a)至图6(b)为不同波长的光束在耦入单元中的衍射方向示意图；

图7(a)至图7(e)为一维光栅的侧视图；

图8(a)至图8(b)为二维光栅的结构示意图；

图9为本申请实施例中第二种光波导的俯视图；

图10(a)至图10(b)为图9中光波导的光束传输示意图；

图11为图9中光波导在AA’向的剖面结构示意图；

图12为图9中光波导在BB’向的剖面结构示意图；

图13(a)至图13(b)为图9中光波导的另一种结构示意图；

图14为本申请实施例中第三种光波导的俯视图；

图15(a)至图15(b)为图14中光波导的光束传输示意图；

图16(a)至图16(b)为图14中光波导在AA’向的剖面结构示意图；

图17(a)至图17(b)为图14中光波导在BB’向的剖面结构示意图；

图18(a)至图18(b)为图14中光波导的另一种结构示意图；

图19为本申请实施例所提供的近眼显示装置的结构示意图。

附图标记：

1-基板；

11-第一表面；

12-第二表面；

2-耦入单元；

21-第一耦入单元；

22-第二耦入单元；

3-光束；

31-第一光束；

32-第二光束；

4-耦出单元；

41-第一耦出单元；

42-第二耦出单元；

5-第一中继单元；

51-第一子中继单元；

52-第二子中继单元；

6-第二中继单元；

61-第三子中继单元；

62-第四子中继单元；

7-图像源；

8-光学系统；

100-显示屏；

200-光波导基板；

300-耦入光栅；

400-耦出光栅；

X-第一方向；

Y-第二方向；

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

首先对相关技术进行说明：如图1所示，相关技术中，近眼显示器包括显示屏100、光波导基板200和耦入光栅300和耦出光栅400。由显示屏100发射出的光束被耦入光栅300耦入到光波导基板200内，使得光束满足在光波导基板200中全反射传播的条件，而耦出光栅400则用于将全反射传播的光束耦出光波导基板200并出射到人眼观察位置。

为了提高用户的视觉体验及使用感受，近眼显示器需要实现彩色显示，当使用单层光波导基板同时传输R/G/B(红/绿/蓝)三种颜色的光时，由于光栅对于不同波长的光的衍射角度不同，使得不同波长的光在光波导中的全反射周期长度不同，导致不同波长的光束从耦出光栅400耦出时的疏密程度不同，进而导致经由该单层光波导合成的彩色图像的颜色均匀性较差。

为了解决上述问题，本申请实施例提供一种光波导，能够用于近眼显示装置中，该近眼显示装置例如可以是AR近眼显示器或VR近眼显示器。如图2至图5所示，图2为本申请实施例中一种光波导的俯视图，图3为图2中光波导的光束传输示意图，图4为图2中光波导在AA’向的剖面结构示意图，图5为图2中光波导在BB’向的剖面结构示意图。该光波导包括基板1、设置于基板1表面的耦入单元2、设置于基板1的耦出单元4和中继单元。耦入单元2用于将光束3耦入基板1，并使光束3形成沿第一方向X传输的第一光束31和沿第二方向Y传输的第二光束32，第一光束31和第二光束32对应不同的波段。中继单元至少包括设置于基板1表面的第一中继单元5和第二中继单元6，第一中继单元5用于将第一光束31衍射至耦出单元4并由耦出单元4耦出基板1，第二中继单元6用于将第二光束32衍射至耦出单元4并由耦出单元4耦出基板1。其中，第一光束31包含红光和部分波段的绿光，第二光束32包含蓝光和部分波段的绿光。

如图3所示，以光束3为包含有红光、绿光和蓝光的三色光束为例，当光束3入射至耦入单元2后，耦入单元2能够将光束3耦入至基板1内，使光束3在基板1内以全反射的方式传输，同时，光束3能够形成分别沿第一方向X发生衍射的第一光束31和沿第二方向Y发生衍射的第二光束32，实现光在两个方向上的扩展。第一光束31在第一方向X上继续传输至第一中继单元5，经由第一中继单元5的衍射作用传输至耦出单元4中，第二光束32在第二方向Y上继续传输至第二中继单元6，经由第二中继单元6的衍射作用传输至耦出单元4中，由于第一光束31和第二光束32分别在基板1的两个方向上传播，因此，第一中继单元5和第二中继单元6用于分别针对第一光束31和第二光束32具有不同的衍射作用，以使两者均可以被衍射至耦出单元4，另外，由于第一中继单元5和第二中继单元6相对于耦入单元2和耦出单元4的位置不同，因此，可以根据两个光束的波段差异来针对性设置每个中继单元与耦入单元2以及耦出单元4之间的相对位置配合关系，或者根据两个光束的波段差异针对性设置每个中继单元的结构，从而调整在该中继单元上发生衍射的光束的衍射角度和衍射级次光能量，使波段范围不同的第一光束31和第二光束32能够具有相同或相近的衍射角度和衍射级次光能量，进而使得第一光束31和第二光束32在经耦出单元4耦出基板1时，两者的耦出密度和耦出光能量分布趋于平衡，从而提高了光波导在进行彩色显示时的颜色均匀性，同时还能够提升光效。

具体地，每个中继单元可以由多个子区域组成，每个子区域的光栅结构可以根据入射光束的波段进行针对性的设计，例如，可以通过调整该子区域的光栅的周期、高度、倾斜角度、占空比等结构特征，达到调整入射光束的衍射角度和衍射级次光能量的效果。

以图3的光波导结构为例，第一光束31在基板1内沿第一方向X以全反射方式传输的过程中，会与第一中继单元5相遇多次，每一次相遇时，会将其中一部分光沿第三方向Z衍射至耦出单元4中，另一部分光能够继续前进，实现了在第一方向X上的扩瞳效果；在基板1内沿第三方向Z以全反射方式传输的光束，会与耦出单元4相遇多次，每一次相遇时，会将其中一部分光耦出基板1，另一部分光能够继续前进，实现了在第三方向Z上的扩瞳效果。同样地，第二光束32在基板1内沿第二方向Y传输的过程中，会与第二中继单元6相遇多次，每一次相遇时，会将其中一部分光沿第一方向X衍射至耦出单元4中，另一部分光能够继续前进，实现了在第二方向Y上的扩瞳效果；在基板1内沿第一方向X以全反射方式传输的光束，会与耦出单元4相遇多次，每一次相遇时，会将其中一部分光耦出基板1，另一部分光能够继续前进，实现了在第一方向X上的扩瞳效果。第一中继单元5和第二中继单元6分别与耦出单元4共同作用，实现二维扩瞳，从而增大了光波导的视场角。

本实施中的第一光束31和第二光束32的波段范围不同，第一光束31包含光束3中的全部红光波段且不包含蓝光波段，第二光束32中包含光束3中的全部蓝光波段且不包含红光波段，由于绿光的波长介于红光与蓝光之间，第一光束31的绿光波段和第二光束32中的绿光波段可能存在重叠的部分。

此外，耦入单元2、耦出单元4、第一中继单元5和第二中继单元6的总相位和应近似于零以满足相位匹配，保障光在光波导中的顺利传输。

本实施例中，耦入单元2、耦出单元4和中继单元均为光栅。光栅具有光栅周期，通过调整光栅周期，能够改变入射到该光栅上的光束的衍射角度和衍射级次光能量。因此，可以根据第一光束31的波段范围对应性地设置第一中继单元5的光栅周期，根据第二光束32的波段范围对应性地设置第二中继单元6的光栅周期，使得不同波段范围的第一光束31和第二光束32能够具有相同或相近的衍射角度和衍射级次光能量，从而提高第一光束31和第二光束32在耦出单元4上耦出时的均匀性和光效。

如图6(a)和图6(b)所示，其中K表示光栅矢量，n表示折射率，n₀表示空气折射率，n_t表示光栅介质折射率，可见，通过耦入单元2的光栅结构，绿光被分为两个方向的分量，分别沿第一方向和第二方向传输，红光仅沿第一方向传输，蓝光仅沿第二方向传输。

本实施例中，构成耦入单元2、耦出单元4和中继单元的每个光栅区域可以为整体的光栅结构，也可以为由多个子区域组合而成的光栅结构，并且多个子区域的光栅结构之间的形状、高度、占空比可以不相同。

本实施例中，光栅的种类为表面浮雕光栅，通过光刻技术或纳米压印技术进行生产，光栅结构在设计和生产上都具有较强的灵活性，可以通过在光栅区域表面镀膜的方式，提高光栅的衍射效率。

常见的光栅从维度上可分为一维光栅和二维光栅。一维光栅具有单向性，仅在一个方向上具有光栅周期，因此，经过一维光栅的光束能够沿单一方向发生衍射。二维光栅和双层光栅均具有二维周期性，即在两个方向上具有不同的光栅周期，因此，经过二维光栅或双层光栅的光束能够沿两个方向分别发生衍射。

本实施例中，中继单元为一维光栅，耦入单元2和耦出单元4均为二维光栅或双层光栅。如图3所示，光束3入射至耦入单元2后，通过二维光栅沿两个方向上的衍射作用，能够同时形成沿第一方向X发生衍射的第一光束31和沿第二方向Y发生衍射的第二光束32，同样地，传输至耦出单元4中的第一光束31和第二光束32能够通过耦出单元4的衍射作用，同时传输出基板1。选用二维光栅或双层光栅制作的耦入单元2和耦出单元4的结构更加简单，单一结构的耦入单元2就能够使波段不同的光束在两个不同的方向上发生衍射，同样地，单一结构的耦出单元4就能够将沿两个不同方向衍射的光束共同衍射出基板1。

参照图7(a)至图7(e)，图7(a)为一维矩形光栅的侧视图、图7(b)为一维闪耀光栅的侧视图、图7(c)为一维倾斜光栅的侧视图、图7(d)为一维梯形光栅的侧视图、图7(e)为一维台阶光栅的侧视图，本实施例中的一维光栅可以为一维矩形光栅、一维闪耀光栅、一维倾斜光栅、一维梯形光栅、一维台阶光栅中的一种或几种。双层光栅由两层一维光栅叠加制成，所使用的一维光栅可以为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、梯形光栅或台阶光栅中的一种。参照图8(a)和图8(b)，二维光栅具有阵列排布的多个子单元，例如，图8(a)为子单元是椭圆柱的二维光栅图、8(b)为子单元是长方体的二维光栅，本实施例中的二维光栅可以为椭圆柱阵列光栅或多边形阵列光栅。

如图4和图5所示，基板1包括相对设置的第一表面11和第二表面12，耦入单元2、第一中继单元5、第二中继单元6和耦出单元4可以设置于基板1的同一表面。这种情况下的光波导仅需进行单面加工，结构简单，工艺制作流程也并不复杂，但是二维光栅的制作难度较大，因为用于制作二维光栅的掩膜版或纳米压印模板的设计和制作难度较大，导致光波导的良品率较低，不利于批量生产。

为了解决以上问题，本申请提供了另一种实施例，如图9至图12所示，本实施例中，耦入单元2包括第一耦入单元21和第二耦入单元22，第一耦入单元21和第二耦入单元22中的一者设置于第一表面11，另一者设置于第二表面12，第一耦入单元21用于使第一光束31耦入基板1并在基板1内沿第一方向X传输，第二耦入单元22用于使第二光束32耦入基板1并在基板1内沿第二方向Y传输；耦出单元4包括第一耦出单元41和第二耦出单元42，第一耦出单元41和第二耦出单元42中的一者设置于第一表面11，另一者设置于第二表面12，第一耦出单元41用于将第一光束31耦出基板1，第二耦出单元42用于将第二光束32耦出基板1。并且，第一耦入单元21、第二耦入单元22、第一耦出单元41和第二耦出单元42均为一维光栅。

如图10(a)和图10(b)所示，第一耦入单元21设置于第一表面11、第二耦入单元22设置于第二表面12、第一耦出单元41设置于第一表面11、第二耦出单元42设置于第二表面12，本实施例在前述光波导结构的基础上，对光波导的耦入结构和耦出结构进行改进，设置分立的第一耦入单元21和第二耦入单元22替代单一结构的耦入单元2、设置分立的第一耦出单元41和第二耦出单元42替代单一结构的耦出单元4，降低了光栅的制作难度，提高了光波导的良品率。

如图11和图12所示，本实施例中，光束3入射至第一耦入单元21时，红光和部分波段的绿光能够通过第一耦入单元21形成沿第一方向X发生衍射的第一光束31，进而在基板1内沿第一方向X以全反射的形式传输至第一中继单元5，经第一中继单元5的衍射作用后，能够继续在基板1内以全反射的形式传输至第一耦出单元41，最终通过第一耦出单元41耦出基板1；光束3入射至第二耦入单元22时，蓝光和部分波段的绿光能够通过第二耦入单元22形成沿第二方向Y发生衍射的第二光束32，进而在基板1内沿第二方向Y以全反射的形式传输至第二中继单元6，经第二中继单元6的衍射作用后，能够继续在基板1内以全反射的形式传输至第二耦出单元42，最终通过第二耦出单元42耦出基板1。

本实施例中，可以通过调整第一耦入单元21和第一耦出单元41的结构参数，实现对第一光束31的衍射优化，通过调整第二耦入单元22和第二耦出单元42的结构参数，实现对第二光束32的衍射优化，进一步调整第一光束31和第二光束32从光波导耦出时的耦出密度和耦出光能量分布，从而提高光波导的颜色均匀性和光效。

此外，本实施例中，第一中继单元5和第二中继单元6均为单一结构，且对第一中继单元5和第二中继单元6的具体位置不做限制。参照图10(a)和图10(b)以及图13(a)和图13(b)，第一中继单元5和第二中继单元6可以共同设置于第一表面11上或第二表面12上，也可以一者设置于第一表面11上、另一者设置于第二表面12上，只需保证沿第一方向X传输的第一光束31能够经第一中继单元5衍射至第一耦出单元41、沿第二方向Y传输的第二光束32能够沿第二中继单元6衍射至第二耦出单元42即可。

为了进一步提高光波导进行彩色显示时的颜色均匀性，本申请还提供了第三种实施例，如图14至图17(b)所示，本实施例中，第一中继单元5包括第一子中继单元51和第二子中继单元52，第二中继单元6包括第三子中继单元61和第四子中继单元62。其中，第一子中继单元51用于将第一光束31中的红光衍射至第一耦出单元41并由第一耦出单元41耦出基板1；第二子中继单元52用于将第一光束31中的绿光衍射至第一耦出单元41并由第一耦出单元41耦出基板1；第三子中继单元61用于将第二光束32中的绿光衍射至第二耦出单元42并由第二耦出单元42耦出基板1；第四子中继单元62用于将第二光束32中的蓝光衍射至第二耦出单元42并由第二耦出单元42耦出基板1。

如图15(a)和图15(b)所示，第一子中继单元51设置于第一表面11、第二子中继单元52设置于第二表面12、第三子中继单元61设置于第二表面12、第四子中继单元62设置于第一表面11，在前述光波导结构的基础上，对光波导的中继结构进行改进，设置分立的第一子中继单元51和第二子中继单元52替代单一结构的第一中继单元5、设置分立的第三子中继单元61和第四子中继单元62替代单一结构的第二中继单元6，通过调整每个一维子中继单元的形状、高度、宽度、周期等结构参数中的一个或多个，实现波长选择，即使得每个子中继单元针对某个波段范围内的光的衍射角度和衍射级次光能量进行优化。

具体地，如图15至图17所示，包含红光和部分波段的绿光的第一光束31在基板1内沿第一方向X以全反射的形式传输，到达第一子中继单元51时，第一光束31中所包含的红光能够通过第一子中继单元51的衍射作用，在基板1内以全反射的形式传输至第一耦出单元41，第一光束31到达第二子中继单元52时，第一光束31中所包含的部分波段的绿光能够通过第二子中继单元52的衍射作用，在基板1内以全反射的形式传输至第一耦出单元41，使得红光和部分波段的绿光最终能够经第一耦出单元41共同衍射出基板1。包含蓝光和其余部分波段绿光的第二光束32在基板1内沿第二方向Y以全反射的形式传输，到达第三子中继单元61时，第二光束32中所包含的部分波段的绿光能够通过第三子中继单元61的衍射作用，在基板1内以全反射的形式传输至第二耦出单元42，第二光束32到达第四子中继单元62时，第二光束32中所包含蓝光能够通过第四子中继单元62的衍射作用，在基板1内以全反射的形式传输至第二耦出单元42，使得蓝光和部分波段的绿光最终能够经第二耦出单元42共同衍射出基板1。

通过设置第一子中继单元51、第二子中继单元52、第三子中继单元61和第四子中继单元62分别对第一光束31中的红光、第一光束31中的绿光、第二光束32中的绿光和第二光束32中的蓝光的衍射角度和衍射级次光能量进行优化，能够确保从第一耦出单元41和第二耦出单元42中出射的不同波段的光的耦出密度和耦出光能量分布达到平衡，进而使得不同波段的光线叠加后的颜色均匀性和光效更好。

本实施例中，参照图15(a)和图15(b)以及图18(a)和图18(b)，第一子中继单元51和第二子中继单元52中的一者设置于第一表面11，另一者设置于第二表面12，第三子中继单元61和第四子中继单元62中的一者设置于第一表面11，另一者设置于第二表面12。即第一子中继单元51与第四子中继单元62可以共同设置于第一表面11或第二表面12，或者，第一子中继单元51与第四子中继单元62中的一者设置于第一表面11，另一者设置于第二表面12。

本实施例并不限制第一子中继单元51、第二子中继单元52、第三子中继单元61和第四子中继单元62的具体位置，但需保证第一子中继光栅51和第二子中继单元52沿第一方向X设置于第一耦入单元21和/或第二耦入单元22的一侧，第三子中继单元61和第四子中继单元62沿第二方向Y设置于第一耦入单元21和/或第二耦入单元22的一侧，以使沿第一方向X传输的第一光束31能够传输至第一子中继单元51和第二子中继单元52中，沿第二方向Y传输的第二光束32能够传输至第三子中继单元61和第四子中继单元62中即可。

如图2所示，本申请所涉及的第一方向X和第二方向Y之间具有夹角α，夹角α满足：60°≤α≤90°。具体地，夹角α可以为60°、70°、80°、90°等等。

以图2中的实施例为例，耦入单元2设置于基板1的一角，第一中继单元5沿第一方向X设置于耦入单元2的一侧，第二中继单元6沿第二方向Y设置于耦入单元2的一侧，耦出单元4设置于被第一中继单元5和第二中继单元6所包围的区域内，当第一方向X和第二方向Y之间的夹角α满足60°≤α≤90°，耦出单元4的面积较大，能够接收到更多的来自第一方向X和第二方向Y上的衍射光，减少光栅衍射过程中的能量损失，从而提高光波导的耦出效率。

进一步地，第一中继单元5沿第一方向X的延伸长度与耦出单元4沿第一方向X的长度相同，第二中继单元6沿第二方向Y的延伸长度与耦出单元4沿第二方向Y长度相同，能够提高衍射光的扩展效率，扩大光波导彩色显示时的视场角。

参照图19，本申请实施例还提供一种近眼显示装置，该近眼显示装置至少包括图像源7、光学系统8和以上各实施例中所述的光波导。其中，图像源7用于发射包含图像信息的光信号，光学系统8用于将该图像源发射的光信号准直形成光束传输至光波导的耦入单元2中。

本实施例中，图像源7的不同像素点所发出的光线经过光学系统8后被准直为平行光束3，使得光束3能够垂直入射光波导中，由于本实施例中的光波导能够沿多个方向实现扩瞳，具有较大的视场角较高的颜色均匀性以及较高的光效，可以使得图像源7的体积减小，有利于装置的小型化，使得近眼显示装置能够更贴近普通眼镜的体积和重量。

需要指出的是，本专利申请文件的一部分包含受著作权保护的内容。除了对专利局的专利文件或记录的专利文档内容制作副本以外，著作权人保留著作权。

Claims (13)

1.一种光波导，其特征在于，所述光波导包括：

基板；

设置于所述基板表面的耦入单元，用于将光束耦入所述基板，并使所述光束形成沿第一方向传输的第一光束和沿第二方向传输的第二光束，所述第一光束和所述第二光束对应不同的波段；

设置于所述基板表面的耦出单元；

中继单元，至少包括设置于所述基板表面的第一中继单元和第二中继单元，所述第一中继单元用于将所述第一光束衍射至所述耦出单元并由所述耦出单元耦出所述基板，所述第二中继单元用于将所述第二光束衍射至所述耦出单元并由所述耦出单元耦出所述基板。

2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，

所述第一光束包含红光和部分波段的绿光；

所述第二光束包含蓝光和部分波段的绿光。

3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述耦入单元、所述耦出单元和所述中继单元均为光栅。

4.根据权利要求3所述的光波导，其特征在于，所述中继单元为一维光栅，所述耦入单元和所述耦出单元均为二维光栅或双层光栅。

5.根据权利要求4所述的光波导，其特征在于，所述耦入单元、所述第一中继单元、所述第二中继单元和所述耦出单元设置于所述基板的同一表面。

6.根据权利要求1或2所述的光波导，其特征在于，所述耦入单元包括第一耦入单元和第二耦入单元；

所述第一耦入单元和所述第二耦入单元中的一者设置于第一表面，另一者设置于第二表面，所述第一表面和所述第二表面分别为所述基板的相对两个表面；

所述第一耦入单元用于使所述第一光束耦入所述基板并在所述基板内沿所述第一方向传输；

所述第二耦入单元用于使所述第二光束耦入所述基板并在所述基板内沿所述第二方向传输。

7.根据权利要求6所述的光波导，其特征在于，所述耦出单元包括第一耦出单元和第二耦出单元；

所述第一耦出单元和所述第二耦出单元中的一者设置于所述第一表面，另一者设置于所述第二表面；

所述第一耦出单元用于将所述第一光束耦出所述基板，所述第二耦出单元用于将所述第二光束耦出所述基板。

8.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，所述第一耦入单元、所述第二耦入单元、所述第一耦出单元和所述第二耦出单元均为一维光栅。

9.根据权利要求8所述的光波导，其特征在于，所述第一中继单元和所述第二中继单元均为单一结构。

10.根据权利要求7或8所述的光波导，其特征在于，所述第一中继单元包括：

第一子中继单元，用于将红光衍射至所述耦出单元并由所述耦出单元耦出所述基板；

第二子中继单元，用于将部分波段的绿光衍射至所述耦出单元并由所述耦出单元耦出所述基板；

所述第二中继单元包括：

第三子中继单元，用于将部分波段的绿光衍射至所述耦出单元并由所述耦出单元耦出所述基板；

第四子中继单元，用于将蓝光衍射至所述耦出单元并由所述耦出单元耦出所述基板。

11.根据权利要求10所述的光波导，其特征在于，所述第一子中继单元和所述第二子中继单元中的一者设置于所述第一表面，另一者设置于所述第二表面；

所述第三子中继单元和所述第四子中继单元中的一者设置于所述第一表面，另一者设置于所述第二表面。

12.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向之间具有夹角α，所述夹角α满足：60°≤α≤90°。

13.一种近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置至少包括：

图像源，用于发射包含图像信息的光信号；

光波导，所述光波导为权利要求1-12中任意一项所述的光波导；

光学系统，用于将所述图像源发射的所述光信号准直形成光束传输至所述光波导的耦入单元。