超构光波导和近眼显示设备的制作方法

本发明涉及光波导，特别是涉及一种超构光波导和近眼显示设备。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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：

6、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

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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：

20、图像源；和

21、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。

技术特征：

1.超构光波导，其特征在于，包括：

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：

技术总结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。技术研发人员：马壮,郝希应,李弼华受保护的技术使用者：舜宇光学（浙江）研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/2