CN118112714A - 超构光波导和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超构光波导和近眼显示设备，其能够解决现有光波导无法实现对光的传输形态进行调控的问题。该超构光波导包括波导基体和超构表面组。该波导基体具有耦入区域、耦出区域以及位于该耦入区域和该耦出区域之间光路中的多个全反射区域。该超构表面组包括被设置于该波导基体中至少一个该全反射区域的反射用超构表面，该反射用超构表面用于对在该波导基体内传播的光束进行传输形态调控。

Description

超构光波导和近眼显示设备

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，特别是涉及一种超构光波导和近眼显示设备。

背景技术

平板光波导作为一种具有平面薄板结构特征的光路折叠器件，近年来被广泛应用在诸如增强现实(Augmented reality,AR)等近眼显示设备。由于平板光波导能够在较薄的体积限制下实现微显示屏信息的光路折叠，同时完整地呈现真实场景信息，因此该平板光波导已经成为近眼显示设备实现双场景呈现的核心元件。

现有的平板光波导通常为光栅波导，如表面浮雕光栅波导或全息体光栅波导等，其通过光栅对光的衍射调制效应，实现光栅波导对光的耦入、扩瞳以及耦出。但光栅波导仅能够够实现光路的偏折功能，即平行光经过衍射偏转后会变成沿着另一方向传播的平行光，而对光在波导内的传输形态(如光焦度、像差或偏振态等)无法调控。例如，图1A和图1B示出了现有表面浮雕光栅波导的光路传输原理示意图；具体地，表面浮雕光栅波导的耦入区光栅位于光线入射的同侧表面，且扩瞳和耦出区光栅则位于另一侧表面；这样光在耦入端进入波导之后，会在波导内利用两侧界面的全反射以沿着Z形光路定向传播，最终在耦出端传出波导。一方面由于光在波导内的反射次数非常多，因此表面浮雕光栅波导虽然较薄，但光的实际光程却较长；另一方面由于耦入端和耦出端分别位于波导的不同位置，因此表面浮雕光栅表面能够实现光路的错位传输；也就是说，表面浮雕光栅波导能够实现光路折叠和错位传输的功能。

然而，针对光栅波导，受限于衍射物理过程和光栅恒定的线周期结构，使得光栅区域对光的偏折作用仅限于恒定角度的偏折，即对于平行入射到光栅表面的光束，均以相同的角度偏折，因此光栅波导仅能起到定向改变光束传输方向的作用，对传输光的形态(如光焦度、像差或偏振态等)的调控无能为力。此外，受限于线光栅的各向异性结构特征，经光栅衍射的光束往往会不受控地产生正交偏振态分量，一般会形成复杂的椭圆偏振光，可能会对光学系统中光能传输的过程造成不可控的影响。

发明内容

本发明的一个优势在于提供一种超构光波导和近眼显示设备，其能够解决现有的光栅波导无法实现对光的传输形态进行调控的问题。

本发明的另一个优势在于提供一种超构光波导和近眼显示设备，其中，在本发明的一个实施例中，所述超构光波导能够利用超构表面对光的灵活调控能力，改变光在波导内的传输形态，以便仅采用单个超构光波导就能够实现对图像源的再成像。

本发明的另一个优势在于提供一种超构光波导和近眼显示设备，其中，在本发明的一个实施例中，所述超构光波导能够使近眼显示设备省去复杂的光学成像系统，仅保留图像源和光波导就能够实现近眼成像，有效地地压缩近眼显示光学系统的元件数量(如透镜或偏振片等)和外形尺寸，这在AR领域有着重要的应用价值。

本发明的另一个优势在于提供一种超构光波导和近眼显示设备，其中为了达到上述目的，在本发明中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本发明成功和有效地提供一解决方案，不只提供一种简单的超构光波导和近眼显示设备，同时还增加了所述超构光波导和近眼显示设备的实用性和可靠性。

为了实现本发明的上述至少一优势或其他优点和目的，本发明提供了一种超构光波导，包括：

波导基体，所述波导基体具有耦入区域、耦出区域以及位于所述耦入区域和所述耦出区域之间光路中的多个全反射区域；和

超构表面组，所述超构表面组包括被设置于所述波导基体中至少一个所述全反射区域的反射用超构表面，所述反射用超构表面用于对在所述波导基体内传播的光束进行传输形态调控。

根据本申请的一个实施例，所述超构表面组包括被设置于所述耦出区域的耦出用超构表面，所述耦出用超构表面具有分偏振调控结构，用于调控在所述波导基体内传播的第一偏振光以从所述耦出区域耦出该第一偏振光的同时，使具有与该第一偏振光的偏振态互为正交偏振态的第二偏振光以原始形态透过所述波导基体。

根据本申请的一个实施例，该第一偏振光的偏振态P₁满足以下公式：P₁＝R(θ)[10]^T+AR(η)[1 iσ]^T；并且，该第二偏振光的偏振态P₂满足以下公式：P₂＝R(θ-π/2)[1 0]^T+AR(η-π/2)[1 -iσ]^T；式中：R为旋转矩阵；θ和η分别为任意旋转角；σ为圆偏振光的旋向，σ＝±1；A为圆偏振光相对于线偏振光的振幅强度系数。

根据本申请的一个实施例，所述超构表面组中的超构表面是由位置周期性排布的多个纳米柱构成。

根据本申请的一个实施例，所述纳米柱的底面上具有两个相互垂直的对称轴。

根据本申请的一个实施例，所述纳米柱为矩形柱、椭圆形柱、菱形柱、椭球柱、十字柱以及六边形柱中的一种或多种。

根据本申请的一个实施例，所述超构光波导进一步包括被设置于所述耦出区域的耦出光栅，用于将在所述波导基体内传播的光束从所述耦出区域耦出。

根据本申请的一个实施例，所述超构光波导进一步包括被设置于所述耦入区域的耦入光栅，用于将光束耦入所述波导基体以在所述波导基体内传播。

根据本申请的一个实施例，所述超构表面组进一步包括被设置于所述耦入区域的耦入用超构表面，所述耦入用超构表面用于将光束耦入所述波导基体以在所述波导基体内传播。

根据本申请的一个实施例，所述反射用超构表面具有相位调控结构，用于调控光束在所述波导基体内传播时的相位，以调制光束的光焦度和/或像差。

根据本申请的一个实施例，所述反射用超构表面进一步具有偏振调控结构，用于调控光束在所述波导基体内传播时的偏振态，以形成传播至所述耦出区域的第一偏振光。

根据本申请的一个实施例，所述反射用超构表面具有分偏振调控结构，用于调控在所述波导基体内传播的第一偏振光的传输形态，并使具有与该第一偏振光的偏振态互为正交偏振态的第二偏振光以原始形态透过所述波导基体。

根据本申请的另一方面，本申请进一步提供了一种近眼显示设备，包括：

图像源；和

上述任一所述的超构光波导，所述超构光波导被设置于所述图像源的发光光路中，用于对所述图像源发射的图像光进行再成像。

附图说明

图1A和图1B为现有的表面浮雕光栅波导的光路传输原理示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的超构光波导的结构示意图；

图3示出了根据本发明的上述实施例的超构光波导的光路示意图；

图4示出了根据本发明的上述实施例的超构光波导中反射用超构表面的整体形态示意图；

图5A示出了根据本发明的上述实施例的反射用超构表面中纳米柱为矩形柱的立体示意图；

图5B示出了如图5A所示的矩形柱的底面示意图；

图6示出了根据本发明的上述实施例的反射用超构表面中纳米柱为椭圆形柱的底面示意图；

图7示出了根据本发明的上述实施例的反射用超构表面中纳米柱为菱形柱的底面示意图；

图8示出了根据本发明的上述实施例的超构光波导的第一变形示例；

图9示出了根据本发明的上述实施例的超构光波导的第二变形示例；

图10示出了根据本发明的上述实施例的超构光波导的第三变形示例；

图11为根据本发明的一个实施例的近眼显示设备的结构示意图。

主要元件符号说明：1、超构光波导；10、波导基体；101、耦入区域；102、耦出区域；103、全反射区域；11、第一全反射表面；12、第二全反射表面；20、超构表面组；21、反射用超构表面；210、纳米柱；211、矩形柱；212、椭圆形柱；213、菱形柱；22、耦出用超构表面；23、耦入用超构表面；30、耦出光栅；2、图像源。

以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明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，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

考虑到现有的光栅波导因受限于衍射物理过程和光栅恒定的线周期结构而使光栅区域对光的偏折作用仅限于恒定角度的偏折，导致光栅波导仅能起到定向改变光束传输方向的作用，对传输光的形态(如光焦度、像差或偏振态等)的调控无能为力。为了解决这一问题，本申请提供了一种超构光波导和近眼显示设备，其能够解决现有的光栅波导无法实现对光的传输形态进行调控的问题。

具体地，参考附图2至图7所示，本发明的一个实施例提供了一种超构光波导1，其可以包括波导基体10和超构表面组20。该波导基体10具有耦入区域101、耦出区域102以及位于该耦入区域101和该耦出区域102之间光路中的多个全反射区域103。该超构表面组20可以包括被设置于该波导基体10中至少一个全反射区域103的反射用超构表面21，该反射用超构表面21用于对在该波导基体10内传播的光束进行传输形态调控。可以理解的是，本申请所提及的传输形态可以指的是光束的光焦度、像差以及偏振态等。

更具体地，该反射用超构表面21可以具有相位调控结构，用于调控光束在该波导基体10内传播时的相位，以调制该光束的光焦度和/或像差，有助于直接利用该超构光波导1实现对图像光的再成像，便于减少或省去成像透镜组中的透镜，以有效地压缩光学系统的重量和外形尺寸。

值得注意的是，如图2和图3所示，该波导基体10可以具有相互平行的第一全反射表面11和第二全反射表面12，以使该超构光波导1具有平板结构。由于该超构光波导1在传输光束时，光束会在该波导基体10的该第一全反射表面11和该第二全反射表面12发生多次全反射，因此理论上，每一次全反射发生时光束与该波导基体10的表面接触的区域(即全反射区域103)均可以设置一个反射用超构表面21，从而破坏理想的全反射传输过程，进而实现复杂精细的光束调控。可以理解的是，本申请所提及的全反射区域103指的是经由耦入区域101耦入的光束在每次发生全反射时与该第一全反射表面11或该第二全反射表面12接触的区域。

换言之，该超构光波导1可以包括多个反射用超构表面21，并且该反射用超构表面21被一一对应地设置于该波导基体10中所有的全反射区域103，使得在该波导基体10内传播的光束在每一次射过程中均会受到该反射用超构表面21的调制，从而实现复杂精细的光束调控。

可选地，如图2和图3所示，该超构光波导1的该超构表面组20可以进一步包括被设置于该耦出区域102的耦出用超构表面22，该耦出用超构表面22具有分偏振调控结构，用于调控在该波导基体10内传播的第一偏振光以从该耦出区域102耦出该波导基体10，并使具有与该第一偏振光的偏振态互为正交偏振态的第二偏振光以原始形态透过该波导基体10。也就是说，该超构光波导1的该耦出用超构表面22能够在调控图像光中第一偏振光的传输形态以按照设计需求改变其光束形态的同时，使环境光中第二偏振光以原始形态透过该波导基体10，使得用户能够通过该超构光波导1的耦出区域102看到高质量的虚拟图像的同时，透过该超构光波导1的耦出区域102也能够看到不发生畸变的真实环境。

值得注意的是，本申请所提及的该第一偏振光可以是任意形态的偏振光，如该第一偏振光可以表示为任意取向的线偏振光与任意取向的圆偏振光的叠加，只需要确保该第二偏振光的偏振态正交于该第一偏振光的偏振态即可。

更具体地，该第一偏振光的偏振态P₁满足以下公式(1)：

P₁＝R(e)[1 0]^T+AR(η)[1 iσ]^T (1)

并且，该第二偏振光的偏振态P₂满足以下公式(2)：

P₂＝R(θ-π/2)[1 0]^T+AR(η-π/2)[1 -iσ]^T (2)

式中：R为旋转矩阵；θ和η分别为任意旋转角；σ为圆偏振光的旋向，σ＝±1；A为圆偏振光相对于线偏振光的振幅强度系数。可以理解的是，该第一偏振光的偏振态P₁与该第二偏振光的偏振态P₂之间的内积为零，即该第一偏振光的偏振态P₁和该第二偏振光的偏振态P₂互为正交偏振态。

值得注意的是，由于经由图像源直接发射的图像光通常会存在光焦度和像差，而现有的光栅波导又不具备传输形态调控能力，因此现有的近眼显示设备不得不在图像源和光栅波导之间设置体积较大且重量较重的成像透镜组来调控图像光的光焦度和像差。而如图3所示，本申请的该超构光波导1中该反射用超构表面21能够只对在该波导基体10内传播的第一偏振光进行传输形态调控，使得经由图像源直接发射的图像光能够直接被耦入该超构光波导1内进行传输，并利用该反射用超构表面21调控该图像光的光焦度和像差以通过该超构光波导1显示高质量的虚拟图像，而省去体积较大且重量较重的成像透镜组，有助于大幅降低近眼显示设备的体积和重量，满足当下电子设备的轻重量、小体积的发展潮流。

可选地，该反射用超构表面21进一步具有偏振调控结构，用于调控光束在该波导基体10内传播时的偏振态，以形成传播至该耦出区域102的第一偏振光，便于被该耦出用超构表面22耦出该波导基体10。优选地，该波导基体10上最靠近该耦出区域102的该反射用超构表面21具有偏振调控结构，而该波导基体10上其他的该反射用超构表面21具有相位调控结构，以便在实现所需偏振成像功能的同时，降低该反射用超构表面21的结构设计难度。

当然，在本申请的其他示例中，该反射用超构表面21也可以具有分偏振调控结构，用于反射并调控在该波导基体10内传播的第一偏振光的传输形态，并使具有与该第一偏振光的偏振态互为正交偏振态的第二偏振光以原始形态透过该波导基体10。

这样，在将该超构光波导1应用在诸如AR设备等近眼显示设备中以进行近眼显示时，图像光中的第一偏振光在该波导基体10内传播的过程中将会被该反射用超构表面21调制而使该第一偏振光在改变传输形态之后从该波导基体10输出以成像；与此同时，环境光中的第二偏振光不会被该反射用超构表面21调制以直接透过该波导基体10而使第二偏振光在保留原始形态的情况下从该波导基体10输出以成像。也就是说，该超构光波导1能够在调控图像光中第一偏振光的传输形态以按照设计需求改变其光束形态的同时，使环境光中第二偏振光以原始形态透过该波导基体10，使得用户能够通过该超构光波导1看到高质量的虚拟图像的同时，透过该超构光波导1的任意部位均能够看到不发生畸变的真实环境。

示例性地，输入该耦出用超构表面22的光(即输入光)的偏振态，即输入光的输入状态可以表示为P_in＝P₁+P₂＝[E_x E_y]^T，其中E_x和E_y分别表示输入光在x方向和y方向的复振幅信息；输出该反射用超构表面21的光(即输出光)的偏振态，即输出光的输出状态可以表示为P_out＝e^iδP₁+P₂＝[E′_x E′_y]^T；其中，e^iδ为待调偏振态P1相对于偏振态P2产生的额外相移，E’_x和E’_y分别表示输出光在x方向和y方向的复振幅信息。则该超构光波导1中该反射用超构表面21对输入光的偏振态调控能力可以用以下公式(3)表示：

式中：T_x、T_xy以及T_y分别为该反射用超构表面21进行复振幅调控的变换系数，其是由超构表面的结构形态决定的。可以理解的是，上述公式(3)中的七个量均为超构表面入射位置的函数；本申请所提及的复振幅信息可以包括表示强度的振幅信息和表示光焦度和/或像差的相位信息。

此外，该耦出用超构表面22对光束的偏折能力可以由以下公式(4)决定：

式中：n₁和n₂分别为该反射用超构表面21的入射侧和出射侧的折射率；θ₁和θ₂分别为光束的入射角和出射角；λ为光束的波长；为梯度方向的相位变化率。可以理解的是，根据上式(4)可知：当利用超构表面在不同位置设计不同的相位梯度时，该耦出用超构表面22就能够实现对光束形态的调整。

可选地，如图4所示，本申请的该超构表面组20中的超构表面(可以包括反射用超构表面21和耦出用超构表面22)是由位置周期性排布的多个纳米柱210构成。例如，图4至图7示出了该反射用超构表面21中的纳米柱210形态，该纳米柱210的底面上具有两个相互垂直的对称轴，以实现分偏振态调控功能。这样，本申请的该反射用超构表面21可以通过调节该纳米柱210在两个对称轴方向的长L和宽W，分别对两个偏振态实现差异性相位调控；此外，本申请的该反射用超构表面21可以通过调节该纳米柱210的取向角θ，实现互为正交偏振态的两个偏振光之间的耦合转换。可以理解的是，本申请所提及的该纳米柱210的取向角θ指的是该纳米柱210的长轴方向与该纳米柱210的阵列方向之间的夹角；与此同时，该纳米柱210的长L、宽W以及取向角θ对各偏振态相位和耦合关系的影响一般通过数值仿真确定，而从纳米柱特征参数中可以看出，本申请可以调整的参数包括了纳米柱的长L、宽W、取向角θ以及形状。

可选地，该纳米柱210可以被实施为如图5A和图5B所示的矩形柱211、如图6所示的椭圆形柱212或如图7所示的菱形柱213。当然，在本申请的其他示例中，该纳米柱210还可以但不限于被实施为诸如椭球柱、十字柱或六边形柱等具有两个正交对称轴的纳米柱。

可选地，该纳米柱210通常选用高折射率的透光介质。例如，该纳米柱210的折射率大于2。

根据本申请的上述实施例，如图2和图3所示，该超构光波导1的该超构表面组20还可以进一步包括被设置于该耦入区域101的耦入用超构表面23，用于将光束耦入该波导基体10以在该波导基体10内反射传输。可选地，该耦入用超构表面23也可以具有分偏振调控结构，用于调制该第一偏振光以耦入该波导基体10，并使具有与该第一偏振光的偏振态互为正交偏振态的第二偏振光以原始形态透过该波导基体10。可以理解的是，本申请的所提及的该耦出用超构表面22和该耦入用超构表面23可以与该反射用超构表面21一样，均具有分偏振调控结构，只要能够实现所需的耦出和耦入功能即可，本申请对此不再赘述。

可选地，如图2和图3所示，该耦出用超构表面22和该耦入用超构表面23位于该波导基体10的同一侧。例如，该耦出用超构表面22和该耦入用超构表面23均位于该波导基体10的该第一全反射表面11，使得光束从该第一全反射表面11耦入和耦出，适配于近眼显示设备的整体结构布局。可理解的是，该耦出用超构表面22和该耦入用超构表面23也可以分别位于该波导基体10的不同侧。可以理解的是，本申请的该超构表面可以但不限于通过刻蚀或压印等方式形成于该波导基体10的表面，本申请对此不再赘述。

值得注意的是，虽然在本申请的上述实施例中，该超构光波导1中反射用超构表面21的数量等于该波导基体10中全反射区域103的数量，使得该反射用超构表面21被一一对应地设置于该波导基体10中所有的全反射区域103；但是在本申请的其他示例中，该反射用超构表面21的数量可以少于该全反射区域103的数量，使得光束并非在每次一次反射过程中均收到超构表面的调制，而是可以灵活搭配超构表面、光栅以及介质全反射等多种形式。

示例性地，附图8示出了根据本申请的上述实施例的该超构光波导1的第一变形示例。相比于根据本申请的上述实施例，根据本申请的第一变形示例的该超构光波导1的不同之处在于：该反射用超构表面21的数量可以少于该波导基体10上该全反射区域103的数量，即该反射用超构表面21被一一对应地设置于该波导基体10中部分的该全反射区域103，使得在该波导基体10传播的该第一偏振光不仅在一些反射过程中受到超构表面的调制，而且在另一些反射过程中受到该第一全反射表面11或该第二全反射表面12的全反射，以灵活使用超构表面和介质全反射两种形式。

可选地，如图8所示，分别与该耦入区域101和该耦出区域102相邻的全反射区域103未设置该反射用超构表面21，使得从该耦入区域101耦入的该第一偏振光先经过一次全反射后再经由该反射用超构表面21进行调制，并且经由该反射用超构表面21调制的该第一偏振光先经过一次全反射后再从耦出区域102耦出，有助于设计该波导基体10上的耦入结构和耦出结构。可以理解的是，在本申请的其他示例中，该反射用超构表面21的数量(使用次数)和位置可以均不做限定，只要能够按照某种设计需求改变其光束形态即可，本申请对此不再赘述。

值得注意的是，虽然在本申请的上述第一变形示例中该超构光波导1是利用超构表面进行光束的耦入和耦出的，但在本申请的其他示例中，该超构光波导1也可以利用光栅进行光束的耦入和耦出。例如，附图9示出了根据本申请的上述实施例的该超构光波导1的第二变形示例。相比于根据本申请的上述第一变形示例，根据本申请的第二变形示例的该超构光波导1的不同之处在于：该波导基体10的该耦出区域102设置有耦出光栅30，以替代该耦出用超构表面22，使得在该波导基体10传输的光束经由该耦出光栅30耦出该波导基体10以入射至人眼。此外，在本申请的其他示例中，该耦入用超构表面23也可以被耦入光栅替代，也就是说，该波导基体10的该耦入区域101可以设置有耦入光栅(图中未示出)，用于将光束耦入该波导基体10以在该波导基体10内传播，本申请对此不再赘述。

可选地，该耦出光栅30和该耦入用超构表面23位于该波导基体10的同一侧。例如，如图9所示，该耦出光栅30和该耦入用超构表面23均位于该波导基体10的该第一全反射表面11，使得光束从该第一全反射表面11耦入和耦出，适配于近眼显示设备的整体结构布局。

值得注意的是，虽然本申请的上述第二变形示例中该耦入用超构表面23位于该波导基体10的该第一全反射表面11，使得光束在传播至该波导基体10时先经由该耦入用超构表面23耦入，但在本申请的第三变形示例中，如图10所示，该耦入用超构表面23也可以位于该波导基体10的该第二全反射表面12，使得图像光先穿过该第一全反射表面11传播至该第二全反射表面12后，再被该耦入用超构表面23耦入进该波导基体10内进行传输。

值得一提的是，根据本申请的另一方面，如图11所示，本申请的一个实施例可以进一步提供了一种近眼显示设备，其可以包括上述超构光波导1和图像源2，该超构光波导1被设置于该图像源2的发光光路中，用于对该图像源2反射的图像进行再成像，以便在省去成像光学系统的情况下实现近眼成像。换言之，本申请所提及的图像源2可以是微显示屏，而无需额外设置诸如成像透镜组等成像光学系统，直接为该超构光波导1提供图像光就能够实现近眼成像，有助于减少该近眼显示设备的整体重量和体积。

可选地，如图3所示，该图像源2用于提供具有第一偏振态P₁的图像光(即第一偏振光)。当然，在本申请的其他示例中，该图像源2也可以提供具有非偏振态的图像光，以利用超构表面仅调制耦入该图像光中的第一偏振光。

可以理解的是，由于环境光通常为自然光，即非偏振光，因此本申请的超构表面虽然不会对该环境光中的第二偏振光进行调控，但却会对该环境光中的第一偏振光进行调控，故为了消除该环境光中的第一偏振光可能对真实图像的观看产生影响，该超构光波导1可以与偏振滤波片配合使用，以滤除环境光中的第一偏振光，使得用户看到无畸变且清晰的现实环境。此外，本申请的该超构光波导1不局限于应用在近眼显示设备中执行近眼显示功能，还能够被应用于其他电子设备中以执行所需显示功能，本申请对此不再赘述。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.超构光波导，其特征在于，包括：

波导基体，所述波导基体具有耦入区域、耦出区域以及位于所述耦入区域和所述耦出区域之间光路中的多个全反射区域；和

超构表面组，所述超构表面组包括被设置于所述波导基体中至少一个所述全反射区域的反射用超构表面，所述反射用超构表面用于对在所述波导基体内传播的光束进行传输形态调控。

2.根据权利要求1所述的超构光波导，其特征在于，所述超构表面组包括被设置于所述耦出区域的耦出用超构表面，所述耦出用超构表面具有分偏振调控结构，用于调控在所述波导基体内传播的第一偏振光以从所述耦出区域耦出该第一偏振光的同时，使具有与该第一偏振光的偏振态互为正交偏振态的第二偏振光以原始形态透过所述波导基体。

3.根据权利要求2所述的超构光波导，其特征在于，该第一偏振光的偏振态P₁满足以下公式：P₁＝R(θ)[1 0 ]^T+AR(η)[1 iσ]^T；并且，该第二偏振光的偏振态P₂满足以下公式：P₂＝R(θ-π/2)[1 0 ]^T+AR(η-π/2)[1 -iσ]^T；式中：R为旋转矩阵；θ和η分别为任意旋转角；σ为圆偏振光的旋向，σ＝±1；A为圆偏振光相对于线偏振光的振幅强度系数。

4.根据权利要求3所述的超构光波导，其特征在于，所述超构表面组中的超构表面是由位置周期性排布的多个纳米柱构成。

5.根据权利要求4所述的超构光波导，其特征在于，所述纳米柱的底面上具有两个相互垂直的对称轴。

6.根据权利要求5所述的超构光波导，其特征在于，所述纳米柱为矩形柱、椭圆形柱、菱形柱、椭球柱、十字柱以及六边形柱中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的超构光波导，其特征在于，所述超构光波导进一步包括被设置于所述耦出区域的耦出光栅，用于将在所述波导基体内传播的光束从所述耦出区域耦出。

8.根据权利要求1至7中任一所述的超构光波导，其特征在于，所述超构光波导进一步包括被设置于所述耦入区域的耦入光栅，用于将光束耦入所述波导基体以在所述波导基体内传播。

9.根据权利要求1至7中任一所述的超构光波导，其特征在于，所述超构表面组进一步包括被设置于所述耦入区域的耦入用超构表面，所述耦入用超构表面用于将光束耦入所述波导基体以在所述波导基体内传播。

10.根据权利要求1至7中任一所述的超构光波导，其特征在于，所述反射用超构表面具有相位调控结构，用于调控光束在所述波导基体内传播时的相位，以调制光束的光焦度和/或像差。

11.根据权利要求1至7中任一所述的超构光波导，其特征在于，所述反射用超构表面进一步具有偏振调控结构，用于调控光束在所述波导基体内传播时的偏振态，以形成传播至所述耦出区域的第一偏振光。

12.根据权利要求1至7中任一所述的超构光波导，其特征在于，所述反射用超构表面具有分偏振调控结构，用于反射并调控在所述波导基体内传播的第一偏振光的传输形态，并使具有与该第一偏振光的偏振态互为正交偏振态的第二偏振光以原始形态透过所述波导基体。

13.近眼显示设备，其特征在于，包括：

图像源；和

如权利要求1至12中任一所述的超构光波导，所述超构光波导被设置于所述图像源的发光光路中，用于对所述图像源发射的图像光进行再成像。