CN117471610A - 一种光波导、光波导组和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光波导、光波导组和近眼显示设备，包括波导基底、以及设于波导基底的第一光学结构、第二光学结构、第三光学结构和第四光学结构。第一光学结构用于使光束耦入至波导基底，并使光束沿第一方向传播至第二光学结构。第二光学结构用于使经第一光学结构耦入的光束沿第二方向传播至第三光学结构。第三光学结构用于使经第二光学结构传播的光束扩瞳传播至第四光学结构。第四光学结构用于使经第三光学结构传播的光束由波导基底耦出。其中，第一方向不平行于第二方向，在该光波导中，经第二光学结构传播后、沿第二方向传播的光束的能量高于沿第一方向传播的光束的能量，从而能减弱亮带杂光现象，提高成像质量。

Description

一种光波导、光波导组和近眼显示设备

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种光波导、光波导组和近眼显示设备。

背景技术

增强现实是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中近眼显示设备是增强现实技术中的关键环节，近眼显示设备可以让用户看到真实世界的同时看到计算机构建的虚拟图像。近眼显示设备要想实现轻薄可长时间佩戴，核心光学结构的最佳选择是光波导器件，光波导从光学原理上目前主要分为阵列光波导、衍射光波导，这两种不同类型的光波导在市面上目前处于共存状态，各有优劣。从扩瞳方式上分为一维扩瞳光波导和二维扩瞳光波导，为了减小近眼显示设备的体积和重量，同时保证更大的眼动范围，二维扩瞳是目前的主流方案。

在二维扩瞳光波导中，其包括耦入结构、转折结构和耦出结构，通常，光线经耦入结构耦入后，光线经转折结构后再传播至耦出结构耦出，然而，部分光线经耦入结构传播后，会直接到达耦出结构导致产生亮带杂光。

发明内容

本发明实施例提供一种光波导、光波导组和近眼显示设备，能够降低亮带杂光的现象。

第一方面，本发明实施例提供一种光波导，该光波导包括：波导基底、以及设于所述波导基底的第一光学结构、第二光学结构、第三光学结构和第四光学结构。所述第一光学结构用于使光束耦入至所述波导基底，并使所述光束沿第一方向传播至所述第二光学结构。所述第二光学结构用于使经所述第一光学结构耦入的所述光束沿第二方向传播至所述第三光学结构。所述第三光学结构用于使经所述第二光学结构传播的所述光束扩瞳传播至所述第四光学结构。所述第四光学结构用于使经所述第三光学结构传播的所述光束由所述波导基底耦出。其中，所述第一方向不平行于所述第二方向，经所述第二光学结构传播后、沿所述第二方向传播的光束的能量高于沿所述第一方向传播的光束的能量。

在一些实施例中，所述第一光学结构为阵列光学结构或棱镜结构，所述第四光学结构为阵列光学结构，所述第二光学结构和所述第三光学结构均为衍射光学结构。

在一些实施例中，所述第二光学结构和所述第三光学结构均为一维光栅。

在一些实施例中，所述第二光学结构的周期与所述第三光学结构的周期相同，所述第二光学结构的光栅槽线方向与所述第三光学结构的光栅槽线相同。

在一些实施例中，所述光波导还包括第五光学结构。所述第五光学结构位于经所述第二光学结构传播后沿所述第一方向传播的光束的光路上，且设于所述第二光学结构与所述第四光学结构之间。其中，所述第五光学结构用于吸收、反射或衍射经所述第二光学结构传播后沿所述第一方向传播的光束。

在一些实施例中，所述第四光学结构不位于经所述第二光学结构传播后沿所述第一方向传播的光束的光路上，或者，所述波导基底具有一凹槽，所述凹槽用于阻挡经所述第二光学结构传播后沿所述第一方向传播的光束传播至所述第四光学结构。

在一些实施例中，所述波导基底在设有所述第一光学结构的区域的厚度不等于所述波导基底在不设有所述第一光学结构的区域的厚度。

第二方面，本发明实施例提供一种光波导组，该光波导组包括至少两层如第一方面任意一项所述的光波导。各所述波导基底沿层叠方向平行设置，其中，所述层叠方向为各所述波导基底的法线方向。

在一些实施例中，各所述波导基底上的第一光学结构在所述层叠方向上的投影相接，各所述波导基底上的第四光学结构在所述层叠方向上的投影错开或重叠。

第三方面，本发明实施例还提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括：光机、以及如第一方面任意一项实施例所述的光波导，所述光机设于所述光波导的入光侧。或者，该近眼显示设备包括：光机、以及如第二方面任意一项实施例所述的光波导组，所述光机设于所述光波导组的入光侧。

在一些实施例中，若所述近眼显示设备包括两个所述光波导，则两个所述光波导中的一个所述光波导的入光侧设于所述光机的第一出光区域，两个所述光波导中的另一个所述光波导的入光侧设于所述光机的第二出光区域。若所述近眼显示设备包括两个所述光波导组，则两个所述光波导组中的一个所述光波导组的入光侧设于所述光机的第一出光区域，两个所述光波导组中的另一个所述光波导组的入光侧设于所述光机的第二出光区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种光波导、光波导组和近眼显示设备，包括波导基底、以及设于波导基底的第一光学结构、第二光学结构、第三光学结构和第四光学结构。第一光学结构用于使光束耦入至波导基底，并使光束沿第一方向传播至第二光学结构。第二光学结构用于使经第一光学结构耦入的光束沿第二方向传播至第三光学结构。第三光学结构用于使经第二光学结构传播的光束扩瞳传播至第四光学结构。第四光学结构用于使经第三光学结构传播的光束由波导基底耦出。其中，第一方向不平行于第二方向，在该光波导中，通过调整第二光学结构的光学参数，如衍射效率或透过反射率，使从第一光学结构传播至第二光学结构的光束经第二光学结构传播后、沿第二方向传播的光束的能量高于沿第一方向传播的光束的能量，可以使得大部分光束甚至是全部光束沿第二方向传播至第三光学结构后再传播至第四光学结构，降低耦入光束直接经第二光学结构传播至第四光学结构的光束能量，从而能减弱亮带杂光现象，提高成像质量。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例提供的一种光波导的正面结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种光波导的侧面结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种光波导的局部侧面结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种光波导的局部侧面结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种光波导的局部侧面结构示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种光波导的正面结构示意图；

图7是本发明实施例提供的又一种光波导的正面结构示意图；

图8是本发明实施例提供的再一种光波导的正面结构示意图；

图9是本发明实施例提供的第五种光波导的正面结构示意图；

图10是本发明实施例提供的第六种光波导的正面结构示意图；

图11是本发明实施例提供的一种光波导组的侧面结构示意图；

图12是本发明实施例提供的一种近眼显示设备的侧面结构示意图；

图13是本发明实施例提供的一种近眼显示设备的正面结构示意图；

图14是本发明实施例提供的又一种近眼显示设备的侧面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

第一方面，本发明实施例提供一种光波导100，请结合参阅图1和图2，该光波导100包括：第一光学结构10、第二光学结构20、第三光学结构30、第四光学结构40和波导基底50。第一光学结构10、第二光学结构20、第三光学结构30、第四光学结构40设于波导基底50上。

第一光学结构10用于使光束耦入至波导基底50，并使光束沿第一方向传播至第二光学结构20。第二光学结构20用于使经第一光学结构10耦入的光束沿第二方向传播至第三光学结构30。第三光学结构30用于使经第二光学结构20传播的光束扩瞳传播至第四光学结构40。第四光学结构40用于使经第三光学结构30传播的光束由波导基底50耦出。其中，第一方向不平行于第二方向，经第二光学结构20传播后、沿第二方向传播的光束的能量高于沿第一方向传播的光束的能量。

波导基底50可以是透明玻璃或透明树脂等透明材料。请参阅图2，波导基底50的第一表面51和第二表面52互相平行，波导基底50的第一表面51和第二表面52均为光滑表面，另外，波导基底50的侧面53分别与第一表面51和第二表面52相接，通常可对侧面53涂布有吸光油墨等吸光材料，以避免光线外泄。

第一光学结构10、第二光学结构20、第三光学结构30和第四光学结构40可以是阵列光学结构，也可以是衍射光学结构，另外，第一光学结构10还可以是棱镜结构。

阵列光学结构包括多个互相平行且具有分光特性的分光面，各分光面内嵌于波导基底50内部、并分别与第一表面51和第二表面52相接。另外，各分光面分别与第一表面51和第二表面52具有特定夹角，通过在各分光面的表面镀膜，并调整膜的反射率和透过率，从而可使各分光面用于对在波导基底50内部发生全反射传播的光线进行反射、透射和折射。分光面的透过率和反射率可根据实际需要进行设置，在此不做限定。应注意的是，若第二光学结构20选用阵列光学结构，则需保证第二光学结构20的分光面的透过率和反射率能满足从第一光学结构10传播至第二光学结构20的光束经第二光学结构20传播后、沿第二方向传播的光束的能量高于沿第一方向传播的光束的能量的条件。

衍射光学结构可以是衍射光栅，衍射光栅可以是浮雕光栅或全息光栅，可以是一维光栅也可以是二维光栅，可以是矩形光栅、倾斜光栅、梯形光栅、阶梯光栅、倾斜光栅、闪耀光栅或其他衍射光栅。关于衍射光栅的各级次衍射效率可根据实际需要进行设置，在此不做限定，应注意的是，若第二光学结构20选用衍射光学结构，则需保证在第二光学结构20中，光束衍射后，第二方向衍射光路对应的衍射级次的衍射效率高于第一方向衍射光路对应的衍射级次的衍射效率，以满足从第一光学结构10传播至第二光学结构20的光束经第二光学结构20传播后、沿第二方向传播的光束的能量高于沿第一方向传播的光束的能量的条件。

若第一光学结构10为棱镜结构，则棱镜结构包括至少一个棱镜，该棱镜可用于接收外界光束，并将光束耦入至波导基底50内部传输。关于该棱镜的具体结构可参照现有技术，在此不做阐述。

在该光波导100中，第一光学结构10接收外界光束后，如接收到光机输出的光束后，可将光束耦入至波导基底50内部发生全反射传播，且光束在波导基底50内部沿第一方向传播至第二光学结构20；然后，第二光学结构20将改变大部分光束甚至是全部光束的传播方向，使大部分光束甚至是全部光束沿第二方向传播至第三光学结构30；接着，第三光学结构30可令光束发生一维扩瞳且令光束朝着第四光学结构40传播；最后，大部分光束将在第四光学结构40发生二维扩瞳且由波导基底50耦出。

在本实施例中，通过设置第二光学结构20，并调整第二光学结构20的衍射效率或透过反射率，使沿第二方向传播的光束的能量高于沿第一方向传播的光束的能量，可以使得大部分光束甚至是全部光束沿第二方向传播至第三光学结构30后再传播至第四光学结构40，降低耦入光束直接经第二光学结构20传播至第四光学结构40的光束能量，从而能减弱亮带杂光，提高光波导100的成像质量。

具体的，若第一光学结构10、第二光学结构20、第三光学结构30和第四光学结构40均采用阵列光学结构，也即光波导100为二维阵列光波导。那么，在二维阵列光波导中，光束将通过折射和反射的原理实现耦入和耦出，虽然能提高光束能量利用效率，且可实现单层全彩、色偏弱，无前向漏光问题，无无外界光线反射杂光问题，但其制作过程需要经历复杂的玻璃冷加工工序，导致良率低，另外，若阵列光学结构中的各个分光面的平行度和垂直度精度不够，将影响光波导100的显示清晰度。而若第一光学结构10、第二光学结构20、第三光学结构30和第四光学结构40均采用衍射光学结构，也即光波导100为二维衍射光波导。虽然二维衍射光波导可采用纳米压印技术批量加工，良率高，且显示清晰度好，但衍射光学结构对光束的利用效率较低，且若要实现全彩显示，则至少需要两片光波导100进行叠加显示，工艺复杂，另外存在色偏明显、且有严重前向漏光问题、外界光线反射杂光等问题。

可见，二维阵列光波导和二维衍射光波导各有优劣，且都具有原理性难以解决的缺点，为了解决上述问题，在其中一些实施例中，第一光学结构10为阵列光学结构或棱镜结构，第四光学结构40为阵列光学结构，第二光学结构20和第三光学结构30均为衍射光学结构。

首先，在本实施例中，请参阅图3，第一光学结构10采用阵列光学结构，若入射光束为单波长光束、其波长为λ、波导基底50内部折射率为n、第一光学结构10中的分光面与第二表面52之间的夹角为25.7°、入射光束中边缘视场与中心视场之间的夹角为θ，则图3中左边的边缘视场对应的入射光线在波导基底50内的全反射角θ1、右边的边缘视场对应的入射光线在波导基底50内的全反射角θ2分别为：

θ1＝51.4-arcsin(sinθ/n)；

θ2＝51.4+arcsin(sinθ/n)；

可以理解的是，在不同波长的入射光束下，波导基底50对应的折射率n不同，以波导基底50为TAFD55材料为例，当λ为460nm、525nm、617nm时，且θ为15°时，三个波长对应的两个边缘视场对应的入射光线在波导基底50内的全反射角范围θ1-θ2分别为44.09°-58.71°，44.02°-58.78°，43.95°-58.85°，可以看出三个范围几乎相同，即在第一光学结构10采用阵列光学结构时，色散很弱，不同波长的同一视场光线全反射步长几乎相同，同时，不同视场的全反射光束均可首尾相连，因此采用单层光波导100可实现低色偏全彩显示；另外，第一光学结构10中的分光面对不同视场光线的反射率都可以保证大于95％以上，从而可以实现高光效低色偏。

然而，若第一光学结构10采用衍射光学结构，请参阅图4，令第一光学结构10中的衍射光栅的周期为d，图4中左边的边缘视场对应的入射光线在波导基底50内的全反射角β1、右边的边缘视场对应的入射光线在波导基底50内的全反射角β2分别为：

β1＝arc(((λ/d)-sinθ)/n)；

β2＝arc(((λ/d)+sinθ)/n)；

同样的，以波导基底50为TAFD55材料为例，为保证能实现最大视场角的单片全彩显示，周期d定为360nm，入射光束中边缘视场与中心视场之间的夹角θ为15°，单波长入射光束波长λ为460nm、525nm、617nm时，三个波长对应的两个边缘视场对应的入射光线在波导基底50内的全反射角范围β1-β2分别为30.05-49.03，36.55-58.49和46.79-81.18，可以看出三个范围差异很大，即在第一光学结构10采用衍射光学结构时，色散严重，不同波长的同一视场光线全反射步长差异很大，且有红光步长大于蓝光步长，同时，不同视场的全反射光束不能保证都首尾相连，导致衍射光波导100的色彩均匀性较差，采用单层光波导100进行全彩纯白显示时耦出区域将一边发红一边发蓝，故需要通过双层或三层叠加才能改善成像质量，导致工艺复杂；另外，采用衍射光学结构的第一光学结构10，通常是将正一级衍射光线耦入至波导基底50内部，那么零级衍射光线和负一级衍射光线将被损失，即使采用斜光栅或闪耀光栅，也无法做到采用阵列光学结构的第一光学结构10可实现全视场耦入效率95％以上，可见，二维衍射光波导的光效较低。

可见，在采用阵列光学结构对光线耦入的方式，相比于采用衍射光学结构对光线耦入的方式，能够提高光效和色彩均匀性。

然后，在本实施例中，第四光学结构40采用阵列光学结构，第四光学结构40可包含两个以上互相平行且具有分光特性的分光面，可对各个分光面的表面镀膜反射率进行优化控制，其中，膜系在可见光波段光线入射角10°-40°范围内，S光反射率在3％-30％之间且随入射角增大而递增，P光反射率在0-15％之间且随入射角增大而递减，可见光波段光线入射角65-85°范围内，S光和P光反射率越低越好。第四光学结构40中的分光面的表面至少包含一种膜系，实际应用中可通过设置多种膜系以提高色彩和亮度均匀性。

相比于第四光学结构40采用衍射光学结构的实施例中，由于光栅衍射原理特性，光栅的一级衍射具有两个方向，在对光线进行耦出时，耦出光线一个朝向人眼一个远离人眼，即存在原理性的背向漏光，且漏光强度几乎和正向光线强度相当，这个原理性缺陷暂时无解。而在本实施例中，第四光学结构40采用阵列光学结构，其在耦出光线时采用反射和折射原理，不存在原理性的背向漏光，只有耦出光线在靠人眼一侧的波导基底的表面反射时才会产生较弱的背向漏光，然而可以通过在波导基底的表面镀设增透膜以减弱背向漏光的问题。另外，第四光学结构40采用衍射光学结构时，在第四光学结构40遇到外界光线会发生衍射产生彩虹杂光，严重影响用户体验，而在本实施例中，第四光学结构40采用阵列光学结构，可通过提高光波导的折射率，以降低外界反射杂光问题。

可见，在本实施例中，令第一光学结构10采用阵列光学结构或棱镜结构，以及第四光学结构40采用阵列光学结构，可提高光效、降低色偏，无前向漏光问题和外接光线反射杂光问题，且单层光波导可实现全彩显示。另外，由于折射和衍射两种原理产生的色散状态差异很大，而在本实施例中，第一光学结构10和第四光学结构40均采用相同的原理对光线进行处理，从而可保证正常显示。进一步的，为了提高成像质量，第一光学结构10中的分光面与光波导100的表面(第一表面51或第二表面52)的交线和第四光学结构40中的分光面与光波导100的表面(第一表面51或第二表面52)的交线互相平行。

另外，在第二光学结构20和第三光学结构30采用阵列光学结构的实施例中，需要设置多个分光面以保证扩瞳连续性，存在加工难度高、良率低、显示清晰度不高等问题，而在本实施例中，第二光学结构20和第三光学结构30均采用衍射光学结构，可降低加工难度、提高良率和显示清晰度。其中，第二光学结构20和第三光学结构30可设置在光波导100的第一表面51或第二表面52上，可以设置波导基底50的同侧或异侧，其制作工艺可以是刻蚀、纳米压印、全息曝光制作等，在此不做限定。

综上，在本实施例中，采用上述光学结构，相比于二维阵列光波导100和二维衍射光波导100，本实施例提供的光波导具有更多的优势。

为保证正常显示，第一光学结构10和第二光学结构20的分光面的角度需要相同才能避免重影，然而分光面内嵌于波导基底50的第一表面51和第二表面52之间，导致工艺难度较高，为了降低工艺难度，在其中一些实施例中，请参阅图5，波导基底50在设有第一光学结构10的区域的厚度H1不等于波导基底50在不设有第一光学结构10的区域的厚度H2。

即第二表面51在第一光学结构10沿波导基底50的法线方向的投影所在的区域具有一相对于第二表面52的凸起面521，和/或，第一表面51在第一光学结构10沿波导基底50的法线方向的投影所在的区域具有一相对于第一表面51的凸起面，也就是说，在第二表面52和/或第一表面51上具有一凸起结构，该凸起结构内设有第一光学结构10。在图5所示的实施例中，波导基底50在设有第一光学结构10的区域的厚度H1大于波导基底50在不设有第一光学结构10的区域的厚度H2，第二表面52具有一凸起面521，这样，第一光学结构10(如分光面)可不与第一表面51和/或第二表面52相接，可降低因用于耦入光线的分光面和用于耦出光线的分光面之间的加工角度偏差产生的重影，也方便调整用于耦入光线的分光面和用于耦出光线的分光面的角度差以实现光束的特定偏转，降低工艺难度。另外，后续当该光波导应用于单光机实现双目显示的近眼显示设备中，可方便调整耦入分光面和耦出分光面的角度差来实现不同合像距离的定制化需求。

在其中一些实施例中，第二光学结构20和第三光学结构30均为一维光栅。在该光波导100中，请参阅图1，经第一光学结构10耦入至波导基底50内的光束中，大部分光束甚至是全部光束在第一光学结构10发生奇数次一级衍射后沿第二方向传播至第三光学结构30，然后，在第三光学结构30中，其中一部分光束会继续沿第二方向传播，其中另一部分光束会发生奇数次一级衍射后朝向第四光学结构40传播，实现光束扩瞳以扩大眼动范围。

在本实施例中，通过设置一维光栅，可降低加工难度、利于量产，且可通过改变光栅的周期、高度或者倾斜角度调整衍射效率，以保证从第一光学结构10传播至第二光学结构20的光束经第二光学结构20传播后、沿第二方向传播的光束的能量高于沿第一方向传播的光束的能量。

在其中一种具体的实施例中，第二光学结构20的周期与第三光学结构30的周期相同，第二光学结构20的光栅槽线方向与第三光学结构30的光栅槽线相同，相比于第二光学结构20的周期与第三光学结构30的周期不相同、和/或第二光学结构20的光栅槽线方向与第三光学结构30的光栅槽线不相同的实施例，本实施例可保证光束进入衍射光学结构(第二光学结构和第三光学结构20)前和离开衍射光学结构后在波导基底50内的全反射角度和方向不变，减少色散，提高成像质量。其中，光栅槽线方向为一维光栅的栅线方向。

在其中一些实施例中，请参阅图6至图7，光波导100还包括第五光学结构60。第五光学结构60位于经第二光学结构20传播后沿第一方向传播的光束的光路上，且设于第二光学结构20与第四光学结构40之间。其中，第五光学结构60用于吸收、反射或衍射经第二光学结构20传播后沿第一方向传播的光束。

具体的，第五光学结构60包括反射结构、吸光结构和光栅结构中的至少一种结构。反射结构可以是反射面，如图6所示，该第五光学结构60可内嵌于波导基底50内部，通过在经第二光学结构20传播后的杂光路径上设置反射面，并调整反射面的角度，可反射经第二光学结构20传播后的杂光，使大部分杂光甚至是全部杂光直接传播至波导基底50的侧面53，因侧面53涂布有吸光材料吸收杂光，从而可减少甚至消除进入第四光学结构40的光束。

吸光结构可以包括吸光材料，该吸光材料可以是蒸镀、溅射的多层介质或金属，也可以是涂布的吸光油墨，该吸光材料可内嵌于波导基底50内部，或设置在波导基底50的第一表面51、第二表面52上，这样，当在经第二光学结构20传播后的杂光传播至该吸光结构所在的区域时，光束将被吸收，从而减少甚至消除进入第四光学结构40的光束。

光栅结构可以是浮雕光栅或衍射光栅，可以是一维光栅也可以是二维光栅，可以是矩形光栅、倾斜光栅、梯形光栅、阶梯光栅、倾斜光栅、闪耀光栅或其他衍射光栅。光栅结构可以设置在波导基底50的第一表面51上、也可以设置在波导基底50的第二表面52上、又可以在第一表面51和第二表面52上同时设置，这样，如图7所示，在经第二光学结构20传播后的杂光传播至该第五光学结构60(光栅结构)所在的区域时，可衍射经第二光学结构20传播后的杂光，使大部分杂光甚至是全部杂光直接传播至波导基底50的侧面53，因侧面53涂布有吸光材料吸收杂光，从而减少甚至消除进入第四光学结构40的光束。

可见，在本实施例中，通过设置第五光学结构60，可改变经第二光学结构20传播后的杂光的传播方向，减少甚至消除进入第四光学结构40的杂光，从而减弱亮带杂光现象。

在其中一些实施例中，请参阅图8或图9，第四光学结构40不位于经第二光学结构20传播后沿第一方向传播的光束的光路上，或者，请参阅图10，波导基底50的侧面53具有一凹槽531，凹槽531用于阻挡经第二光学结构20传播后沿第一方向传播的光束传播至第四光学结构40。

具体的，在图8所示的实施例中，经第二光学结构20传播后的杂光路径上不设置第四光学结构40，这样，杂光经第二光学结构20传播后，最终将传播至侧面53，被侧面53涂布的吸光材料吸收，即杂光无法通过第四光学结构40耦出产生亮带。然而，在这种布局中，如图8所示，第四光学结构40不相接于波导基底53处于最顶的侧面53，导致工艺复杂度增加。

为了降低工艺复杂度，请参阅图9，可将第一光学结构10、第二光学结构20、第三光学结构30和第四光学结构40同时旋转，使第一光学结构10中的分光面与光波导100的表面(第一表面51或第二表面52)的交线和竖直方向之间的夹角α>0°，竖直方向为用户佩戴此光波导100时的地球重力方向。在本实施例中，通过旋转，可使经第二光学结构20传播后的杂光能直接传播至波导基底50的侧面53，利用侧面53涂布的吸光材料吸收杂光，同时还可通过调整旋转位置以调整耦出区域的中心位置，可以实现更好的眼镜形态设计，且不会影响外观。

或者，请参阅图10，侧面53具有一凹槽531，该凹槽531可以是V形凹槽、三角形凹槽、四边形凹槽、多边形凹槽等合适的凹槽结构，只需要保证经第二光学结构20传播后的杂光在到达第四光学结构40之前能接收杂光，并利用侧面53涂布的吸光材料阻挡杂光传播至第四光学结构40。

可见，在本实施例中，通过上述方式，也可以减少甚至消除进入第四光学结构40的杂光，从而减弱亮带杂光现象。

第二方面，本发明实施例提供一种光波导组，请参阅图11，该光波导组包括至少两层如第一方面任意一项所述的光波导(可包括100A、100B)。各波导基底50沿层叠方向平行设置，其中，层叠方向为各波导基底50的法线方向。在本实施例中，光波导(可包括100A、100B)具有与如第一方面任意一项所述的光波导相同的结构与功能，在此不再赘述。

可以理解的是，在第一光学结构10采用阵列光学结构或棱镜结构、第四光学结构40采用阵列光学结构、第二光学结构20和第三光学结构30采用衍射光学结构的光波导中，由于衍射光学结构会因不同视场下红绿蓝全反射光束衍射转向后步长存在差异而导致图像不连续，且红绿蓝光束转向角度也存在差异，导致全彩显示的视场角受限，且光波导的厚度需要较薄以保证转向光束连续。然而，光波导厚度减小的同时要保证较大的眼动范围，则需要第四光学结构40中的分光面的数目较多，不利于均匀性优化。而在本实施例中，光波导组中包括至少两层的光波导，可通过设计不同层的光波导中的结构参数，来优化成像质量和均匀性，以实现大视场全彩显示。

在其中一些实施例中，各波导基底50上的第一光学结构10在层叠方向上的投影相接，各波导基底50上的第四光学结构40在层叠方向上的投影错开或重叠。

各波导基底50上的第一光学结构10在层叠方向上的投影相接，可以是恰好相接、也可以是存在重叠区域。各波导基底50上的第四光学结构40在层叠方向上的投影错开，可以是恰好错开，以保证最终耦出的画面的连续性。各波导基底50上的第四光学结构40在层叠方向上的投影重叠，可以是部分重叠或完全重叠。

具体的，在图11所示的实施例中，光波导100A第一光学结构和光波导100B的第一光学结构在层叠方向上的投影恰好相接，这样，外界光束中的一部分光束进入光波导100B中传播，另一部分光束进入光波导100A中传播，通过调整各层波导基底的第二光学结构和第三光学结构的光学参数(如衍射光栅的周期和光栅槽线方向)，以实现更大的视场角全彩显示。实际应用中，同一层波导基底的第二光学结构和第三光学结构的光学参数(如衍射光栅的周期和光栅槽线方向)相同，不同层波导基底的第二光学结构光学参数(如衍射光栅的周期和光栅槽线方向)可以相同也可以不相同，不同层波导基底的第三光学结构光学参数(如衍射光栅的周期和光栅槽线方向)可以相同也可以不相同。

第三方面，本发明实施例还提供一种近眼显示设备，请参阅图12,该近眼显示设备包括：光机200、以及如第一方面任意一项实施例所述的光波导100，光机200设于光波导100的入光侧。或者，该近眼显示设备包括：光机200、以及如第二方面任意一项实施例所述的光波导组，光机200设于光波导组的入光侧。

光机200可以包括硅基液晶(liquid crystal onsilicon，LCOS)、数字微镜器件(Digtial Micromirror Devices,DMD)、有机发光二极管(OrganicLi ght-EmittingDiode，OLED)和微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)中的其中一种，可用于出射带有图像信息的光束。

在本实施例中，光波导100具有与如第一方面任意一项实施例所述的光波导相同的结构与功能，光波导组具有与如第二方面任意一项实施例所述的光波导组相同的结构与功能，在此不再赘述。该近眼显示设备可以是单目设备，也可以是双目设备。

在其中一些实施例中，请参阅图13和图14，若近眼显示设备包括两个光波导(100C、100D)，则两个光波导(100C、100D)中的一个光波导100C的入光侧设于光机200的第一出光区域，两个光波导(100C、100D)中的另一个光波导100D的入光侧设于光机200的第二出光区域。若近眼显示设备包括两个光波导组，则两个光波导组中的一个光波导组的入光侧设于光机200的第一出光区域，两个光波导组中的另一个光波导组的入光侧设于光机200的第二出光区域。

其中，光机200的第一出光区域和第二出光区域构成光机200的整个出光区域，光机200出射的带有图像信息的光束中的一部分光束通过第一出光区域传播，另一部分光束通过第二出光区域传播。

例如，在图14所示的实施例中，光机200出射的带有图像信息的光束中的一部分光束通过第一出光区域传播至光波导100C的入光侧、并通过光波导100C进行耦入耦出，另一部分光束通过第二出光区域传播至光波导100D的入光侧、并通过光波导100D进行耦入耦出，实现单光机进行双目显示，可以避免双光机左右眼双目合像调节困难的问题，且相比于双光机进行双目显示，本实施例不仅可使结构更加简单紧凑、降低占用空间，有利于轻量化和小型化方向发展，而且后续在调整光波导100C与光机200的角度和/或调整光波导100D与光机200的角度，均不影响双目合像，可降低调节左右眼双目合像的难度。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种光波导，其特征在于，包括：波导基底、以及设于所述波导基底的第一光学结构、第二光学结构、第三光学结构和第四光学结构；

所述第一光学结构用于使光束耦入至所述波导基底，并使所述光束沿第一方向传播至所述第二光学结构；

所述第二光学结构用于使经所述第一光学结构耦入的所述光束沿第二方向传播至所述第三光学结构；

所述第三光学结构用于使经所述第二光学结构传播的所述光束扩瞳传播至所述第四光学结构；

所述第四光学结构用于使经所述第三光学结构传播的所述光束由所述波导基底耦出；

其中，所述第一方向不平行于所述第二方向，经所述第二光学结构传播后、沿所述第二方向传播的光束的能量高于沿所述第一方向传播的光束的能量。

2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述第一光学结构为阵列光学结构或棱镜结构，所述第四光学结构为阵列光学结构，所述第二光学结构和所述第三光学结构均为衍射光学结构。

3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述第二光学结构和所述第三光学结构均为一维光栅。

4.根据权利要求3所述的光波导，其特征在于，所述第二光学结构的周期与所述第三光学结构的周期相同，所述第二光学结构的光栅槽线方向与所述第三光学结构的光栅槽线相同。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导还包括第五光学结构；

所述第五光学结构位于经所述第二光学结构传播后沿所述第一方向传播的光束的光路上，且设于所述第二光学结构与所述第四光学结构之间；

其中，所述第五光学结构用于吸收、反射或衍射经所述第二光学结构传播后沿所述第一方向传播的光束。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的光波导，其特征在于，所述第四光学结构不位于经所述第二光学结构传播后沿所述第一方向传播的光束的光路上，或者，所述波导基底具有一凹槽，所述凹槽用于阻挡经所述第二光学结构传播后沿所述第一方向传播的光束传播至所述第四光学结构。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的光波导，其特征在于，所述波导基底在设有所述第一光学结构的区域的厚度不等于所述波导基底在不设有所述第一光学结构的区域的厚度。

8.一种光波导组，其特征在于，包括至少两层如权利要求1-7任意一项所述的光波导；

各所述波导基底沿层叠方向平行设置，其中，所述层叠方向为各所述波导基底的法线方向。

9.根据权利要求8所述的光波导组，其特征在于，各所述波导基底上的第一光学结构在所述层叠方向上的投影相接，各所述波导基底上的第四光学结构在所述层叠方向上的投影错开或重叠。

10.一种近眼显示设备，其特征在于，

包括：光机、以及如权利要求1-7任意一项所述的光波导，所述光机设于所述光波导的入光侧；

或者，包括：光机、以及如权利要求8-9任意一项所述的光波导组，所述光机设于所述光波导组的入光侧。

11.根据权利要求10所述的近眼显示设备，其特征在于，

若所述近眼显示设备包括两个所述光波导，则两个所述光波导中的一个所述光波导的入光侧设于所述光机的第一出光区域，两个所述光波导中的另一个所述光波导的入光侧设于所述光机的第二出光区域；

若所述近眼显示设备包括两个所述光波导组，则两个所述光波导组中的一个所述光波导组的入光侧设于所述光机的第一出光区域，两个所述光波导组中的另一个所述光波导组的入光侧设于所述光机的第二出光区域。