CN218547138U

CN218547138U - 近眼显示设备

Info

Publication number: CN218547138U
Application number: CN202223170706.1U
Authority: CN
Inventors: 马壮; 郝希应; 李弼华
Original assignee: Sunny Optical Zhejiang Research Institute Co Ltd
Current assignee: Sunny Optical Zhejiang Research Institute Co Ltd
Priority date: 2022-11-29
Filing date: 2022-11-29
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2032-11-29

Abstract

本实用新型涉及一种近眼显示设备，其能够解决现有AR光机系统因光栅波导不可调控偏振态所造成的成像质量差等问题，有助于提高近眼显示质量。该近眼显示设备包括照明光源、光调制器、超构表面波导以及偏振分束器。该超构表面波导包括波导基体和被设置于波导基体的耦入区域的耦入超构表面，用于将第二线偏振图像光调制成第一线偏振图像光，以将该第一线偏振图像光的一部分耦入波导基体，并反射该第一线偏振图像光的另一部分。该偏振分束器被设置于照明光源、光调制器以及超构表面波导之间的光路中，并且偏振分束器具有面向照明光源的入光面、面向光调制器的显示面、面向耦入超构表面的出光面以及与显示面相交的逸光面，该入光面相交于该出光面。

Description

近眼显示设备

技术领域

本实用新型涉及近眼显示技术领域，特别是涉及一种近眼显示设备。

背景技术

诸如增强现实(Augmented reality,AR)等近眼显示设备作为一种近眼显示的可穿戴设备，具有可同时观察到微显示屏信息和真实场景信息的优势，有望获得广泛的市场应用。平板光波导作为实现近眼显示双场景呈现的核心元件，可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。

现有的AR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。由于光栅波导因自身的光栅结构决定了其无法对光的偏振态进行任意调控，因此在某些特定情况下可能会造成漏光或背景杂散光等问题。

例如，如图1A所示，现有的AR光机系统1P主要包括LCoS显示器10P、四分之一波片20P、偏振分束器件30P、透镜组40P以及光栅波导50P，其设计原理是：入射光经偏振分束器件30P反射后打到LCoS显示器上被调制后反射，从而形成承载有待成像信息的成像光；该成像光经透镜组40P成像、光栅波导50P偏折后进入人眼，以呈现最终的观察信息；其中，第一次进入该偏振分束器件30P的光被选择为S线偏振后形成转向LCoS显示屏10P的S光，LCoS显示屏10P反射该S光后将其偏振态改为P线偏振以形成P光，从而在第二次进入该偏振分束器件30P时可以顺利通过；之后，该P光经四分之一波片20P后变换为左旋圆偏光LCP(或右旋圆偏光RCP)，进而被光栅波导50P反射后变换成右旋圆偏光RCP(或左旋圆偏光LCP)，该右旋圆偏光RCP(或左旋圆偏光LCP)再次被该四分之一波片20P变换后形成S光，该S光会被该偏振分束器件30P反射，从而被导出光学系统。

然而，现有的AR光机系统1P在实际使用时的光传播过程与设计原理会产生一定的偏差，具体如图1B所示，两者之间的关键区别在于：分别从LCoS显示器10P和光栅波导50P反射的光的偏振态与理想的偏振态有一定差别。一方面，光栅波导50无法实现理想的圆偏振光变换，即光栅波导50P会将入射的左旋圆偏光LCP(或右旋圆偏光RCP)变换为椭圆偏振光REP，导致经由该光栅波导50P反射的椭圆偏振光REP可以通过该偏振分束器件30P出射为P光；另一方面，LCoS显示器10P也无法实现理想的线偏振光的正交变换，即经由该偏振分束器件30P出射的P光在经由该LCoS显示器10P反射后形成S光和圆偏振光(左旋圆偏光LCP或右旋圆偏光RCP)的叠加，其中的圆偏振光会部分地通过该偏振分束器件30P以出射为P光而通过该四分之一波片20P和该透镜组40P后被再次耦入该光栅波导50P。换言之，以上两个方面的共同作用会使得被光栅波导50P反射的光有一部分光能可以二次耦合进入该光栅波导50P，参与最终的成像，而二次耦入该光栅波导50P的光能会使最终的像质呈现杂散光或背景光等成像缺陷，降低成像质量。

实用新型内容

本实用新型的一个优势在于提供一种近眼显示设备，其能够解决现有AR光机系统因光栅波导不可调控偏振态所造成的成像质量差等问题，具有普适性强、相位调控灵活、结构简单等优点，有助于提高近眼显示质量。

本实用新型的另一个优势在于提供一种近眼显示设备，其中，在本实用新型的一个实施例中，所述近眼显示设备能够利用超构表面波导实现对入射光偏振态的有效调控，以定向选择反射光和透射光的偏振态，从而避免反射光二次耦合进入光波导传播，有效地避免像质退化。

本实用新型的另一个优势在于提供一种近眼显示设备，其中，在本实用新型的一个实施例中，所述近眼显示设备能够利用超构表面波导实现对入射光相位的有效调控，以在光波导表面实现对光学系统整体的光焦度和像差调控，有助于减少透镜组的透镜数量，进而减少设备的光学系统总长。

本实用新型的另一个优势在于提供一种近眼显示设备，其中，在本实用新型的一个实施例中，所述近眼显示设备能够在波导基体上设置多个超构表面，使得光相位得到多次调制，从而极大地提升光焦度和像差调控能力，以便进一步压缩透镜组长度和透镜数量。

本实用新型的另一个优势在于提供一种近眼显示设备，其中为了达到上述目的，在本实用新型中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本实用新型成功和有效地提供一解决方案，不只提供一种简单的近眼显示设备，同时还增加了所述近眼显示设备的实用性和可靠性。

为了实现本实用新型的上述至少一优势或其他优点和目的，本实用新型提供了一种近眼显示设备，包括：

照明光源，用于发射照明光；

光调制器，用于将第一线偏振照明光调制成叠加偏振图像光；

超构表面波导，所述超构表面波导包括波导基体和耦入超构表面，所述耦入超构表面被设置于所述波导基体的耦入区域，用于将第二线偏振图像光调制成第一线偏振图像光，以将该第一线偏振图像光的一部分耦入所述波导基体，并反射该第一线偏振图像光的另一部分，其中该第一线偏振图像光的偏振态正交于该第二线偏振图像光的偏振态；以及

偏振分束器，所述偏振分束器被设置于所述照明光源、所述光调制器以及所述超构表面波导之间的光路中，并且所述偏振分束器具有面向所述照明光源的入光面、面向所述光调制器的显示面、面向所述耦入超构表面的出光面以及与所述显示面相交的逸光面，所述入光面相交于所述出光面；

其中所述偏振分束器用于将从所述入光面射入的照明光分束成从所述显示面射出的第一线偏振照明光；将从所述显示面射入的叠加偏振图像光分束成从所述出光面射出的第二线偏振图像光，其中该第二线偏振图像光的偏振态正交于该第一线偏振图像光的偏振态；将从所述出光面射入的第一线偏振图像光传输至所述逸光面以射出。

根据本申请的一个实施例，所述耦入超构表面由位置周期性排布的多个纳米柱构成，并且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，所述耦入超构表面中的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，所述超构表面波导进一步包括耦出超构表面，所述耦出超构表面被设置于所述波导基体的耦出区域，用于将在所述波导基体内传播的第一线偏振图像光耦出所述波导基体。

根据本申请的一个实施例，所述耦出超构表面具有分偏振调控结构，用于在将该第一线偏振图像光耦出所述波导基体的同时，允许与该第一线偏振图像光正交的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，所述超构表面波导进一步包括一个或多个反射超构表面，所述反射超构表面被一一对应地设置于所述波导基体的至少一个全反射区域，用于调控在所述波导基体内传播的第一线偏振图像光的相位。

根据本申请的一个实施例，所述近眼显示设备进一步包括线偏振片，所述线偏振片被设置于所述偏振分束器的所述出光面和所述超构表面波导的所述耦入超构表面之间的光路中，用于允许该第二线偏振图像光透过，并阻挡该第一线偏振图像光。

根据本申请的一个实施例，所述近眼显示设备进一步包括成像透镜组，所述成像透镜组被设置于所述偏振分束器的所述出光面和所述超构表面波导的所述耦入超构表面之间的光路中，用于调制从所述出光面射出的该第二线偏振图像光。

根据本申请的一个实施例，所述偏振分束器包括第一直角棱镜、第二直角棱镜以及位于所述第一直角棱镜和所述第二直角棱镜之间的偏振分光膜；所述偏振分光膜被胶合于所述第一直角棱镜的斜面和所述第二直角棱镜的斜面之间；所述第一直角棱镜的两个直角面分别作为所述入光面和所述显示面；所述第二直角棱镜的两个直角面分别作为所述出光面和所述逸光面。

根据本申请的一个实施例，所述偏振分束器包括第一直角棱镜、第二直角棱镜以及位于所述第一直角棱镜和所述第二直角棱镜之间的偏振分光膜；所述偏振分光膜被胶合于所述第一直角棱镜的斜面和所述第二直角棱镜的斜面之间；所述第一直角棱镜的两个直角面分别作为所述入光面和所述逸光面；所述第二直角棱镜的两个直角面分别作为所述出光面和所述显示面。

附图说明

图1A为现有的AR光机系统的设计原理示意图；

图1B为现有的AR光机系统的实际光路示意图；

图2为根据本实用新型的一个实施例的近眼显示设备的光路示意图；

图3示出了根据本实用新型的上述实施例的近眼显示设备中耦入超构表面的整体形态示意图；

图4A示出了根据本实用新型的上述实施例的耦入超构表面中纳米柱为矩形柱的立体示意图；

图4B示出了如图4A所示的矩形柱的底面示意图；

图5示出了根据本实用新型的上述实施例的耦入超构表面中纳米柱为椭圆形柱的底面示意图；

图6示出了根据本实用新型的上述实施例的耦入超构表面中纳米柱为菱形柱的底面示意图；

图7示出了根据本实用新型的上述实施例的近眼显示设备的第一变形示例；

图8示出了根据本实用新型的上述实施例的近眼显示设备的第二变形示例；

图9示出了根据本实用新型的上述实施例的近眼显示设备的第三变形示例。

主要元件符号说明：1、近眼显示设备；10、照明光源；20、光调制器；30、超构表面波导；31、波导基体；32、耦入超构表面；320、纳米柱；321、矩形柱；322、椭圆形柱；323、菱形柱；33、耦出超构表面；34、反射超构表面；40、偏振分束器；401、入光面；402、显示面；403、出光面；404、逸光面；41、第一直角棱镜；42、第二直角棱镜；43、偏振分光膜；50、成像透镜组；60、线偏振片；1P、AR光机系统；10P、LCoS显示器；20P、四分之一波片；30P、偏振分束器件；40P、透镜组；50P、光栅波导。

以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型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，不是旨在于限制本实用新型。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AR光机系统在实际使用时的光传播过程与设计原理会产生一定的偏差，使得被光栅波导反射的光有一部分光能可以二次耦合进入该光栅波导，参与最终的成像，而二次耦入该光栅波导的光能会使最终的像质呈现杂散光或背景光等成像缺陷，降低成像质量。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AR光机系统因光栅波导不可调控偏振态所造成的成像质量差等问题，具有普适性强、相位调控灵活、结构简单等优点，有助于提高近眼显示质量。

具体地，参考附图2至图6所示，本实用新型的一个实施例提供了一种近眼显示设备1，其可以包括照明光源10、光调制器20、超构表面波导30以及被设置于该照明光源10、该光调制器20以及该超构表面波导30之间光路中的偏振分束器40。该超构表面波导30包括波导基体31和被设置于该波导基体31的耦入区域的耦入超构表面32。该偏振分束器40具有面向该照明光源10的入光面401、面向该光调制器20的显示面402、面向该耦入超构表面32的出光面403以及与该显示面402相交的逸光面404，该入光面401相交于该出光面403。

更具体地，如图2所示，该照明光源10用于发射照明光以从该入光面401射入该偏振分束器40；该偏振分束器40用于将从该入光面401射入的照明光分束成从该显示面402射出的第一线偏振照明光；该光调制器20用于将从该显示面402射出的第一线偏振照明光调制成叠加偏振图像光，并反射该叠加偏振图像光以从该显示面402射入该偏振分束器40；该偏振分束器40进一步用于将从该显示面402射入的叠加偏振图像光分束成从该出光面403射出的第二线偏振图像光，其中该第二线偏振图像光的偏振态正交于该第一线偏振照明光的偏振态；该耦入超构表面32用于将从该出光面403射出的第二线偏振图像光调控成第一线偏振图像光，以将该第一线偏振图像光的一部分耦入该波导基体31，并反射该第一线偏振图像光的另一部分以传播回该出光面403，其中该第一线偏振图像光的偏振态正交于该第二线偏振图像光；该偏振分束器40进一步用于将从该出光面403射入的第一线偏振图像光传输至该逸光面404以射出。可以理解的是，本申请所提及的第一线偏振照明光指的是具有第一线偏振态且不携带图像信息的光；本申请所提及的第一线偏振图像光指的是具有第一线偏振态且携带有图像信息的光；本申请所提及的第二线偏振图像光指的是具有第二线偏振态且携带有图像信息的光，其中该第一线偏振态的偏振方向垂直于该第二线偏振态的偏振方向；本申请所提及的叠加偏振图像光指的是第二线偏振图像光与圆偏振图像光的叠加。

值得注意的是，本申请的该光调制器20可以但不限于被实施为LCoS调制器。虽然该光调制器20在调制照明光时仍存在与理想偏振态有一定差异的问题，即该光调制器20只能将第一线偏振照明光调制成由第二线偏振图像光和圆偏振图像光叠加而成的叠加偏振图像光，但本申请的该耦入超构表面32却能够实现对偏振态的定向调制，即该耦入超构表面32能够将第二线偏振图像光完全调控成第一线偏振图像光。这样，经由该耦入超构表面32反射的那部分第一线偏振图像光在被反射回该出光面403之后，会在该偏振分束器40的作用下传输至该逸光面404以射出整个光学系统之外，而不会像现有的光栅波导那样存在被光栅波导反射的光因二次耦入该光栅波导而导致最终的像质呈现杂散光或背景光等成像缺陷，使得本申请的该近眼显示设备1的近眼显示质量得以提升。

示例性地，如图2所示，该偏振分束器40被实施为偏振分光棱镜，其可以包括第一直角棱镜41、第二直角棱镜42以及位于该第一直角棱镜41和该第二直角棱镜42之间的偏振分光膜43。可以理解的是，该偏振分光膜43指的是PBS膜，用于反射S光，并透射P光。

可选地，如图2所示，该偏振分光膜43被胶合于该第一直角棱镜41的斜面和该第二直角棱镜42的斜面之间。该第一直角棱镜41的两个直角面分别作为该入光面401和该显示面402；该第二直角棱镜42的两个直角面分别作为该出光面403和该逸光面404。此时，该第一线偏振照明光和第一线偏振图像光分别为S照明光和S图像光，即具有S偏振态的照明光和图像光；该第二线偏振图像光为P图像光，即具有P偏振态的图像光；该叠加偏振图像光指的是P图像光与圆偏振图像光(左旋圆偏光LCP或右旋圆偏光RCP)的叠加。

可选地，该照明光源10所发射的照明光可以是非偏振照明光。这样，当经由该照明光源10发射的非偏振照明光在从该入光面401传播至该偏振分光膜43时，该偏振分光膜43会反射该非偏振照明光中的S照明光以从该显示面402射出而传播至该光调制器20，并透射该非偏振照明光中的P照明光以从该逸光面404射出而从该光学系统内逃逸，不会影响近眼显示质量。

值得注意的是，该耦入超构表面32对入射光(即从该出光面403射出的该第二线偏振图像光)偏振态的调控能力可以用以下公式(1)表示：

式中：E_x和E_y分别表示入射光中电场分量的复振幅；E’_x和E’_y分别表示出射光中电场分量的复振幅；A、B、C、D为该耦入超构表面32进行复振幅正交调控的变换系数。可以理解的是，上述公式(1)中的八个量均为入射位置的函数，并且出射光指的是经由该耦入超构表面32调制成的第一线偏振图像光；此外，本申请所提及的复振幅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，由于入射光的电场强度和出射光的电场强度满足能量守恒定律，即E′_x ²+E′_y ²＝E_x ²+E_y ²，因此受到能量守恒定律的约束，四个变换系数A、B、C、D只有三个自由度。

特别地，在本申请的这一示例中，由于该耦入超构表面32是将P图像光调制成S图像光，因此上述公式(1)中的变换过程可以简化为E’_y＝E_x＝0的情况，具体可用以下公式(2)表示：

进一步可得以下公式(3)：

综上，通过公式(3)可以确定变换系数B和D的取值，其中变换系数B的取值决定出射光的相位变换，变换系数D的取值应为零。一般情况下，变换系数B等于变换系数C；变换系数A的取值不会影响最终输出的S图像光，但为了避免入射的P图像光中存在混入的环境光对最终成像造成影响，可以根据能量守恒限制，将变换系数A的取值做最小化处理。

此外，该耦入超构表面32对光束的偏折能力可以由以下公式(4)决定：

式中：n₁和n₂分别为该耦入超构表面32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，该耦入超构表面32就能够实现对光束形态的调整。

可选地，如图3所示，本申请的该耦入超构表面32是由位置周期性排布的多个纳米柱320构成，并且该纳米柱320的底面上具有两个相互垂直的对称轴，以实现偏振态的调控。例如，图3至图6示出了该耦入超构表面32中的纳米柱320形态。这样，本申请的该耦入超构表面32可以通过调节该纳米柱320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，本申请的该耦入超构表面32可以通过调节该纳米柱320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320的取向角θ指的是该纳米柱320的长轴方向与该纳米柱320的阵列方向之间的夹角；与此同时，该纳米柱320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，足以确定具有三个自由度的变换系数A、B、C、D。

可选地，该纳米柱320可以被实施为如图4A和图4B所示的矩形柱321、如图5所示的椭圆形柱322或如图6所示的菱形柱323。当然，在本申请的其他示例中，该纳米柱320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320通常选用高折射率的透光介质。例如，该纳米柱320的折射率大于2。可以理解的是，该纳米柱320的材料可根据需要选择金属或电解质等多种材质。

根据本申请的上述实施例，如图2所示，该超构表面波导30可以进一步包括被设置于该波导基体31的耦出区域的耦出超构表面33，该耦出超构表面33用于将在该波导基体31内传播的第一线偏振图像光耦出该波导基体31，以被人眼接收而成像，使得用户通过该超构表面波导30观看到虚拟图像。可以理解的是，在本申请的其他示例中，该耦出超构表面33也可以被耦出光栅替代，本申请对此不再赘述。

可选地，该耦出超构表面33可以具有分偏振调控结构，用于在将该第一线偏振图像光耦出该波导基体31的同时，允许与该第一线偏振图像光正交的偏振光以原始形态透过该波导基体31。这样，环境光中的第二线偏振光就能够以原始形态透过该波导基体31以入射至人眼，使得用户透过该超构表面波导30观看到无畸变的真实环境，便于与虚拟图像融合显示，获得较好的增强现实体验。

可选地，如图2所示，该近眼显示设备1可以进一步包括被设置于该偏振分束器40的该出光面403和该超构表面波导30的该耦入超构表面32之间光路中的成像透镜组50，用于调制从该出光面403射出的第二线偏振图像光以成像。

值得一提的是，附图7示出了根据本申请的上述实施例的该近眼显示设备1的第一变形示例。相比于根据本申请的上述实施例，根据本申请的该第一变形示例的该近眼显示设备1的不同之处在于：该第一直角棱镜41的两个直角面分别作为该入光面401和该逸光面404；该第二直角棱镜42的两个直角面分别作为该出光面403和该显示面402。此时，该第一线偏振照明光和第一线偏振图像光分别为P照明光和P图像光，即具有P偏振态的照明光和图像光；该第二线偏振图像光为S图像光，即具有S偏振态的图像光；该叠加偏振图像光指的是S图像光与圆偏振图像光(左旋圆偏光LCP或右旋圆偏光RCP)的叠加。

这样，如图7所示，当经由该照明光源10发射的非偏振照明光在从该入光面401传播至该偏振分光膜43时，该偏振分光膜43会透射该非偏振照明光中的P照明光以从该显示面402射出而传播至该光调制器20，并反射该非偏振照明光中的S照明光以从该逸光面404射出而从该光学系统内逃逸，不会影响近眼显示质量。

值得注意的是，由于该近眼显示设备1可能会因该偏振分光膜43的偏振选择性不够理想而造成少量的漏光，因此为了解决这一问题，附图8示出了根据本申请的上述实施例的该近眼显示设备1的第二变形示例。相比于根据本申请的上述实施例，根据本申请的该第二变形示例的该近眼显示设备1的不同之处在于：该近眼显示设备1进一步包括被设置于该偏振分束器40的该出光面403和该超构表面波导30的该耦入超构表面32之间光路中的线偏振片60，用于允许第二线偏振图像光透过，并阻挡第一线偏振图像光。这样，该线偏振片60不仅能够使射入该耦入超构表面32的图像光均为第二线偏振图像光以解决该偏振分光膜43的漏光问题，而且还能够阻挡经由该耦入超构表面32反射的第一线偏振图像光，以防被反射的第一线偏振图像光进入该偏振分束器40，避免对该偏振分束器40的分光产生干扰。

可选地，如图8所示，该线偏振片60位于该成像透镜组50和该耦入超构表面32之间，以阻挡经由该耦入超构表面32反射的第一线偏振图像光进入该成像透镜组50，避免该成像透镜组50的成像产生干扰。

值得注意的是，由于超构表面除了能够调控偏振态之外，还可以调控相位以改变光束的发散角，因此本申请的该近眼显示设备1能够利用该耦入超构表面32和该耦出超构表面33的相位调控能力，替代该成像透镜组50中的透镜组以进行图像光的成像调制，使得该成像透镜组50中的透镜数量得以减少，有助于减少设备的整体体积，降低设备的整体重量。

特别地，在本申请的其他示例中，该近眼显示设备1的该超构表面波导30能够完全替代该成像透镜组50的成像功能，从而实现省去该成像透镜组50的目的。具体地，附图9示出了根据本申请的上述实施例的该近眼显示设备1的第三变形示例。相比于根据本申请的上述实施例，根据本申请的该第三变形示例的该近眼显示设备1的不同之处在于：该超构表面波导30进一步包括一个或多个反射超构表面34，该反射超构表面34被一一对应地设置于该波导基体31的至少一个全反射区域，用于调控在该波导基体31内传播的第一线偏振图像光的相位，以进行成像调制。与此同时，在本申请的该第三变形示例中，该近眼显示设备1可以不包括成像透镜组50，而是由该超构表面波导30来替代该成像透镜组50实现所需的成像调制工作，有助于进一步减小设备体积和重量。可以理解的是，在本申请的这一变形示例中，该近眼显示设备1也可以包括极少数量的成像透镜，以配合该超构表面波导30实现所需的成像效果。

换言之，本申请的该反射超构表面34具有灵活的相位调控能力，使得在该波导基体31内传播的图像光在多次反射的同时时进行相位调控，实现精细调节图像光的像差，有效地压缩成像透镜组的透镜数量和厚度。

可选地，该反射超构表面34的材料中含有金属材质，以起到较好的反射效果。

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实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.近眼显示设备，其特征在于，包括：

照明光源，用于发射照明光；

2.根据权利要求1所述的近眼显示设备，其特征在于，所述耦入超构表面由位置周期性排布的多个纳米柱构成，并且所述纳米柱的底面上具有两个相互垂直的对称轴。

3.根据权利要求2所述的近眼显示设备，其特征在于，所述耦入超构表面中的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。

4.根据权利要求1至3中任一所述的近眼显示设备，其特征在于，所述超构表面波导进一步包括耦出超构表面，所述耦出超构表面被设置于所述波导基体的耦出区域，用于将在所述波导基体内传播的第一线偏振图像光耦出所述波导基体。

5.根据权利要求4所述的近眼显示设备，其特征在于，所述耦出超构表面具有分偏振调控结构，用于在将该第一线偏振图像光耦出所述波导基体的同时，允许与该第一线偏振图像光正交的偏振光以原始形态透过所述波导基体。

6.根据权利要求1至3中任一所述的近眼显示设备，其特征在于，所述超构表面波导进一步包括一个或多个反射超构表面，所述反射超构表面被一一对应地设置于所述波导基体的至少一个全反射区域，用于调控在所述波导基体内传播的第一线偏振图像光的相位。

7.根据权利要求1至3中任一所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备进一步包括线偏振片，所述线偏振片被设置于所述偏振分束器的所述出光面和所述超构表面波导的所述耦入超构表面之间的光路中，用于允许该第二线偏振图像光透过，并阻挡该第一线偏振图像光。

8.根据权利要求1至3中任一所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备进一步包括成像透镜组，所述成像透镜组被设置于所述偏振分束器的所述出光面和所述超构表面波导的所述耦入超构表面之间的光路中，用于调制从所述出光面射出的该第二线偏振图像光。

9.根据权利要求1至3中任一所述的近眼显示设备，其特征在于，所述偏振分束器包括第一直角棱镜、第二直角棱镜以及位于所述第一直角棱镜和所述第二直角棱镜之间的偏振分光膜；所述偏振分光膜被胶合于所述第一直角棱镜的斜面和所述第二直角棱镜的斜面之间；所述第一直角棱镜的两个直角面分别作为所述入光面和所述显示面；所述第二直角棱镜的两个直角面分别作为所述出光面和所述逸光面。

10.根据权利要求1至3中任一所述的近眼显示设备，其特征在于，所述偏振分束器包括第一直角棱镜、第二直角棱镜以及位于所述第一直角棱镜和所述第二直角棱镜之间的偏振分光膜；所述偏振分光膜被胶合于所述第一直角棱镜的斜面和所述第二直角棱镜的斜面之间；所述第一直角棱镜的两个直角面分别作为所述入光面和所述逸光面；所述第二直角棱镜的两个直角面分别作为所述出光面和所述显示面。