本发明涉及基于衍射光波导的显示技术；具体地，涉及一种光栅耦合器以及具有其的光波导器件和显示设备。
背景技术：
1、随着科学技术的发展，增强现实显示和虚拟现实显示等技术作为十分智能、便携的显示技术已经走向大众。结合有光栅耦合器的光波导器件在用于这些显示技术时也被称为衍射光波导，并且衍射光波导技术已成为增强现实显示技术的主流方案。衍射光波导中，光栅耦合器用作于输入元件，用于将载有图像信息的入射光耦入波导基板中并使之在波导中通过全反射传播。衍射光波导还包括用作输出元件的耦出光栅，有的情况下还进一步包括转折光栅。转折光栅和耦出光栅一般都具有扩瞳功能，因此构成为扩瞳光栅元件，其中转折光栅用于至少在一个维度上进行扩瞳并使光发生偏折以向耦出光栅传播，耦出光栅则一方面用于扩瞳，另一方面将光从波导基板中耦出，形成耦出光场。眼睛接收耦出光场的光，从而可以观察到入射光所载图像。
2、衍射光波导具有轻薄、扩瞳能力强、易量产等优点，已成为ar显示设备的核心器件。然而，衍射光波导并非没有缺点，其在图像显示中存在亮度不足、均匀性偏差的问题。因此，亟待提高光栅耦合器的耦入效率和耦入均匀性，以帮助克服衍射光波导中的上述不足。
3、此外，结合有光栅耦合器的光波导器件还用于其它广泛的应用中，例如光机中的匀光波导装置和眼动追踪设备中的光波导照明装置，光栅耦合器及包含光栅耦合器的光波导器件的耦合效率的提升在这些应用也有待提高。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种光栅耦合器以及具有其的光波导器件和显示设备，其至少部分地克服了现有技术中的问题。
2、根据本发明的一个方面，提供了一种光波导器件，其包括波导基板和设置在所述波导基板上的光栅耦合器，所述光栅耦合器配置为将入射到其上的输入光耦合到所述波导基板中，并使之通过全反射在所述波导基板中沿耦入方向传播，
3、其中所述光栅耦合器包括：
4、光栅本体，其包括按照预定的光栅周期排布的多个单元结构；和
5、光学镀膜，其覆盖在所述光栅本体上并且包括一个或多个膜层，
6、其中，沿所述耦入方向，所述光学镀膜中的至少一个膜层的、单个光栅周期内的平均厚度逐渐减小。
7、在一些实施例中，所述平均厚度沿所述耦入方向线性变化。
8、在另一些实施例中，所述平均厚度沿所述耦入方向非线性变化，并且变化梯度沿所述耦入方向逐渐增大。
9、有利地，所述至少一个膜层的折射率大于所述光栅本体的折射率。
10、有利地，所述至少一个膜层包括所述光学镀膜中的最外侧膜层。
11、有利地，所述光学镀膜包括与所述最外侧膜层相邻的下层膜层，所述最外侧膜层的折射率大于所述下层膜层的折射率。
12、在一些实施例中，所述光栅本体形成闪耀光栅；所述光学镀膜包括覆盖在所述光栅本体上的第一膜层和覆盖在所述第一膜层上的第二膜层，所述第一膜层的折射率小于所述光栅本体的折射率，所述第二膜层的折射率大于所述光栅本体的折射率；并且所述至少一个膜层包括所述第二膜层。在这样的实施例中，所述第一膜层在单个光栅周期内的平均厚度可以是恒定的。
13、有利地，所述光栅本体形成直齿光栅、斜齿光栅、闪耀光栅或多台阶光栅。
14、在一些实施例中，在单个光栅周期内，所述至少一个膜层的位于所述光栅本体的各个表面上的部分的厚度是相同的。
15、在另一些实施例中，在单个光栅周期内，所述至少一个膜层的位于所述光栅本体的至少两个表面上的部分的厚度是不同的。
16、在一些实施例中，所述平均厚度沿所述耦入方向可以连续变化，其中所述耦入方向上的任意两个相邻的光栅周期内的所述平均厚度是不同的。
17、在另一些实施例中，所述平均厚度沿所述耦入方向可以阶梯式变化，其中所述光栅耦合器沿所述耦入方向分为多个等厚区域，每一个等厚区域中所述光学镀膜的所述至少一个膜层具有相同的所述平均厚度。
18、有利地，所述至少一个膜层具有等厚线，并且所述等厚线呈弧形。
19、有利地，所述等厚线相对于经过所述光栅本体的中心并平行于所述耦入方向的中心轴是不对称的。
20、在一些实施例中，所述光栅耦合器具有至少两个光栅矢量，所述耦入方向包括各自平行于相应的一个光栅矢量的至少两个子方向，并且所述至少一个膜层的所述平均厚度沿各个所述子方向逐渐减小。
21、在一些实施例中，所述光波导器件为用于图像显示的衍射光波导，并且还包括扩瞳光栅元件，所述扩瞳光栅元件接收来自所述光栅耦合器的光并对其进行至少一个维度上的扩瞳，其中所述耦入方向为从所述光栅耦合器朝向所述扩瞳元件的方向。
22、根据本发明的另一个方面，提供了一种光栅耦合器，所述光栅耦合器配置为将入射到其上的输入光耦合到一波导基板中并使之通过全反射在所述波导基板中传播，所述光栅耦合器包括：
23、光栅本体，其包括按照预定的光栅周期排布的多个单元结构；和
24、光学镀膜，其覆盖在所述光栅本体上并且包括一个或多个膜层，
25、其中，所述光栅耦合器具有一个或多个光栅矢量，并且所述光学镀膜中的至少一个膜层的、单个光栅周期内的平均厚度沿其中至少一个光栅矢量的方向逐渐减小，所述至少一个光栅矢量的方向上的预定级次的衍射用于将照射到光栅耦合器的光耦合到波导基板中并使之在波导基板中通过全反射传播。
26、有利地，所述平均厚度沿所述耦入方向非线性变化，并且变化梯度沿所述至少一个光栅矢量的方向逐渐增大。
27、有利地，所述至少一个膜层的折射率大于所述光栅本体的折射率。
28、有利地，所述至少一个膜层包括所述光学镀膜中的最外侧膜层。
29、根据本发明的又一个方面，提供了一种显示设备，包括如上所述的光波导器件或如上所述的光栅耦合器。
30、在一些实施例中，所述显示设备可以为近眼显示设备，并且还包括镜片和用于将所述镜片保持为靠近眼睛的框架，所述光波导器件或所述光栅耦合器设置在所述镜片上。
31、根据本发明实施例的光栅耦合器中，通过采用厚度沿耦入方向/光栅矢量方向逐渐减小的光学膜层，使得光栅耦合器的沿耦入方向/光栅矢量方向的上游区域具有较高的正一级衍射效率，而下游区域具有较低的耦出损耗，从而使得光栅耦合器的综合耦入效率最大化。根据本发明实施例的光波导器件和显示设备相应地具有上述技术优势。
1.一种光波导器件，包括波导基板和设置在所述波导基板上的光栅耦合器，所述光栅耦合器配置为将入射到其上的输入光耦合到所述波导基板中，并使之通过全反射在所述波导基板中沿耦入方向传播，
2.如权利要求1所述的光波导器件，其中，所述平均厚度沿所述耦入方向线性变化。
3.如权利要求1所述的光波导器件，其中，所述平均厚度沿所述耦入方向非线性变化，并且变化梯度沿所述耦入方向逐渐增大。
4.如权利要求1所述的光波导器件，其中，所述至少一个膜层的折射率大于所述光栅本体的折射率。
5.如权利要求1-4中任一项所述的光波导器件，其中，所述至少一个膜层包括所述光学镀膜中的最外侧膜层。
6.如权利要求5所述的光波导器件，其中，所述光学镀膜包括与所述最外侧膜层相邻的下层膜层，所述最外侧膜层的折射率大于所述下层膜层的折射率。
7.如权利要求5所述的光波导器件，其中，所述光栅本体形成闪耀光栅；
8.如权利要求7所述的光波导器件，其中，所述第一膜层在单个光栅周期内的平均厚度是恒定的。
9.如权利要求5所述的光波导器件，其中，所述光栅本体形成直齿光栅、斜齿光栅、闪耀光栅或多台阶光栅。
10.如权利要求1或9所述的光波导器件，其中，
11.如权利要求1所述的光波导器件，其中，所述平均厚度沿所述耦入方向连续变化，其中所述耦入方向上的任意两个相邻的光栅周期内的所述平均厚度是不同的。
12.如权利要求1所述的光波导器件，其中，所述平均厚度沿所述耦入方向阶梯式变化，其中所述光栅耦合器沿所述耦入方向分为多个等厚区域，每一个等厚区域中所述光学镀膜的所述至少一个膜层具有相同的所述平均厚度。
13.如权利要求11或12所述的光波导器件，其中，所述至少一个膜层具有等厚线，并且所述等厚线呈弧形。
14.如权利要求13所述的光波导器件，其中，所述等厚线相对于经过所述光栅本体的中心并平行于所述耦入方向的中心轴是不对称的。
15.如权利要求1或5所述的光波导器件，其中，所述光栅耦合器具有至少两个光栅矢量，所述耦入方向包括各自平行于相应的一个光栅矢量的至少两个子方向，并且所述至少一个膜层的所述平均厚度沿各个所述子方向逐渐减小。
16.如权利要求1所述的光波导器件，其中，所述光波导器件为用于图像显示的衍射光波导，并且还包括扩瞳光栅元件，所述扩瞳光栅元件接收来自所述光栅耦合器的光并对其进行至少一个维度上的扩瞳，其中所述耦入方向为从所述光栅耦合器朝向所述扩瞳元件的方向。
17.一种光栅耦合器，所述光栅耦合器配置为将入射到其上的输入光耦合到一波导基板中并使之通过全反射在所述波导基板中传播，所述光栅耦合器包括：
18.如权利要求17所述的光栅耦合器，其中，所述平均厚度沿所述耦入方向非线性变化，并且变化梯度沿所述至少一个光栅矢量的方向逐渐增大。
19.如权利要求17所述的光栅耦合器，其中，所述至少一个膜层的折射率大于所述光栅本体的折射率。
20.如权利要求17-19中任一项所述的光栅耦合器，其中，所述至少一个膜层包括所述光学镀膜中的最外侧膜层。
21.一种显示设备，包括如权利要求1-16中任一项所述的光波导器件或如权利要求17-20中任一项所述的光栅耦合器。
22.如权利要求21所述的显示设备，其中，所述显示设备为近眼显示设备，并且还包括镜片和用于将所述镜片保持为靠近眼睛的框架，所述光波导器件或所述光栅耦合器设置在所述镜片上。