二维耦出光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备的制作方法

1.本发明涉及光波导显示技术领域，尤其涉及二维耦出光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备。


背景技术：

2.近眼显示设备作为虚拟现实和增强现实技术的主要显示设备，可以将虚拟图像叠加到现实景物中，同时兼具透视特性，不影响对现实景物的正常观察。近眼显示设备可采用多种显示技术，如棱镜、半透半反镜片、自由曲面波导、镜面阵列波导、衍射波导等。
3.其中，衍射波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像。并且，由于采用和光纤技术一样的全反射原理，衍射波导元件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明，同时由于对光线的转折是通过波导表面的衍射光栅来实现的，与波导的形状基本没有关系，因此易于批量制造，生产成本低。
4.但是，衍射波导是新兴的技术，虽然目前已经达到了较高的技术水平，但仍存在很多挑战，如提高出瞳均匀性就是急需解决的问题。波导出瞳均匀性低会导致图像容易出现条带化效应，即图像中间区域较亮，两边区域较暗。


技术实现要素：

5.本发明提供二维耦出光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，用以解决现有技术中波导出瞳均匀性低，图像容易出现条带化效应的缺陷。
6.本发明提供一种二维耦出光栅，二维耦出光栅包括若干相同的光学结构；光学结构由曲线连接构成，光学结构为交叉形或组合交叉形，光学结构等间隔阵列设置，每个光学结构的图形中心点与其他相邻的光学结构的图形中心点的距离相等。
7.根据本发明提供的一种二维耦出光栅，光学结构包括两个形状相同的子单元，子单元由曲线连接构成，两个子单元交叉设置，两个子单元有且仅有一个交叉点。
8.根据本发明提供的一种二维耦出光栅，子单元包括两条凸曲线，两条凸曲线对称设置。
9.根据本发明提供的一种二维耦出光栅，在子单元包括两条凸曲线的情况下，子单元的两端设置有膨胀部，膨胀部由曲线连接构成。
10.根据本发明提供的一种二维耦出光栅，在子单元包括两条凸曲线的情况下，膨胀部包括两条凸曲线，膨胀部的两条凸曲线对称设置。
11.根据本发明提供的一种二维耦出光栅，子单元包括两条凹曲线，两条凹曲线对称设置。
12.根据本发明提供的一种二维耦出光栅，在子单元包括两条凹曲线的情况下，子单元的两端设置有膨胀部，膨胀部由曲线连接构成。
13.根据本发明提供的一种二维耦出光栅，在子单元包括两条凹曲线的情况下，膨胀
部包括两条凹曲线，膨胀部的两条凹曲线对称设置。
14.根据本发明提供的一种二维耦出光栅，两个子单元的交叉夹角为0
°
~120
°
。
15.本发明还提供一种二维衍射光波导，包括：波导基底以及设置于波导基底表面的一维耦入光栅和上述的二维耦出光栅；其中，一维耦入光栅用于将携带有图像信息的入射光线耦入到波导中；二维耦出光栅用于将来自一维耦入光栅并在波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展的同时，耦出到人眼成像。
16.本发明还提供一种近眼显示设备，包括上述的二维衍射光波导。
17.本发明提供的二维耦出光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，二维耦出光栅包括若干相同的光学结构；光学结构由曲线连接构成；光学结构为交叉形或组合交叉形，光学结构等间隔阵列设置。二维耦出光栅用于将来自一维耦入光栅并在波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展的同时，耦出到人眼成像。本发明采用交叉形或组合交叉形的光学结构进行二维扩瞳，可以使得波导出瞳均匀性高，图像条带化现象减弱，以获得很好均匀性的图像；并且曲线边缘与直线边缘相比，具有更好的实验容差，且可以通过调整曲线的曲率进一步改进出瞳的均匀性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明交叉形二维耦出光栅一实施例的结构示意图；图2是圆柱形光栅和交叉形光栅直接进入人眼的衍射光效率随入射角的变化示意图；图3是圆柱形光栅和交叉形光栅转动级的衍射光效率随入射角的变化示意图；图4是圆柱形光栅和交叉形光栅衍射光效率比随入射角的变化示意图；图5是本发明交叉形二维耦出光栅另一实施例的结构示意图；图6是本发明交叉形二维耦出光栅子单元长轴和短轴之比取不同值时衍射光效率比随入射角的变化示意图；图7是本发明组合交叉形二维耦出光栅一实施例的结构示意图；图8是本发明组合交叉形二维耦出光栅另一实施例的结构示意图；图9是本发明组合交叉形二维耦出光栅的膨胀部长轴和交叉子单元短轴之比取不同值时衍射光效率比随入射角的变化示意图；图10是本发明二维衍射光波导一实施例的原理示意图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
21.本发明提供一种二维耦出光栅，二维耦出光栅可应用于二维衍射光波导。请参阅图1，图1是本发明交叉形二维耦出光栅一实施例的结构示意图。
22.衍射光波导主要分为采用一维光栅进行出瞳扩展的一维衍射光波导和采用二维光栅进行出瞳扩展的二维衍射光波导。本发明的二维衍射光波导采用二维光栅进行双向扩瞳的同时耦出光线到人眼成像，在保证光波导体积和重量的同时，实现了较大的眼动范围。
23.二维耦出光栅包括若干相同的光学结构；每个光学结构由曲线连接构成，光学结构为交叉形或组合交叉形。
24.光学结构等间隔阵列设置，每个光学结构的图形中心点与其他相邻的光学结构的图形中心点的距离相等。
25.可选地，二维耦出光栅可选用表面浮雕光栅、体全息光栅和超表面光栅等。
26.表面浮雕光栅（surface relief grating），是“浮雕”出来的光栅结构，其制造工艺与制造芯片的工艺类似，叫做纳米压印（nano-imprint） 。表面浮雕光栅可以在平面上生成纳米尺度的光栅微结构。
27.体全息光栅（volume holographic grating）则是一种通过全息曝光技术生成的光栅。体全息光栅在生产工艺时使用了全息曝光技术。体全息可以理解为一个可以被曝光“显影”的涂层，这个涂层被激光曝光后可以形成折射率不同的条纹，也就是另外一种形态的光栅。体全息光栅采用有机材料，是一种光致折射率变化的材料。根据曝光的程度不同，材料的折射率性质会发生变化。也就是说，体全息光栅不是直接形成平面上的形貌，但是它内部的材料性质发生变化。
28.超表面光栅（metasurface grating）来自于超材料，可以直接在一个平面上去构建对于光相位的调控，超表面光栅的制备需要依赖半导体光刻工艺。
29.二维耦出光栅用于将来自一维耦入光栅并在波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展的同时，耦出到人眼成像。
30.其中，全反射是指光从高折射率介质射向低折射率介质，并且入射角大于等于临界角时发生的一种特殊现象。即当满足全反射条件时，光会在平板波导中通过反射不断向前传播，并且不会透射出来，从而能够改变光的传播方向。
31.基于全反射原理，衍射光波导可将光机投射出来的图像进行等比转移，进而可将光机放置到眼镜的顶部或侧部。
32.请参阅图2~图4，图2是圆柱形光栅和交叉形光栅直接进入人眼的衍射光效率随入射角的变化示意图；图3是圆柱形光栅和交叉形光栅转动级的衍射光效率随入射角的变化示意图；图4是圆柱形光栅和交叉形光栅衍射光效率比随入射角的变化示意图。
33.其中，衍射光效率比即直接进入人眼的衍射光和转动后进入人眼的衍射光的效率之比。
34.二维耦出光栅结构为圆柱形时，直接进入人眼的衍射光效率较高，转动级的衍射光效率较低，使得转动后进入人眼的衍射光效率较低，直接进入人眼的衍射光效率和转动后进入人眼的衍射光效率的比值较高，导致波导出瞳均匀性低，图像出现条带化现象。
35.因此，本发明提出一种交叉形或组合交叉形的二维耦出光栅，交叉形或组合交叉形的二维耦出光栅直接进入人眼的衍射光效率显著降低，而转动级的衍射光效率显著增加，使得转动后进入人眼的衍射光效率显著增加，直接进入人眼的衍射光效率和转动后进
入人眼的衍射光效率的比值降低，当该比值接近于1时，波导出瞳均匀性高，图像条带化现象减弱，图像具有很好的均匀性。
36.在一些实施例中，光学结构包括两个形状相同的子单元，子单元由曲线连接构成，两个子单元交叉设置，两个子单元有且仅有一个交叉点。
37.两个子单元的交叉夹角为0
°
~120
°
，优选地，两个子单元的交叉夹角为60
°
。此时二维耦出光栅的出瞳均匀性最佳。
38.请参阅图5、图7和图8，图5是本发明交叉形二维耦出光栅另一实施例的结构示意图；图7是本发明组合交叉形二维耦出光栅一实施例的结构示意图；图8是本发明组合交叉形二维耦出光栅另一实施例的结构示意图。
39.可选地，子单元包括两条凸曲线或者两条凹曲线。当子单元包括两条凸曲线时，二维耦出光栅结构如图1所示，两条凸曲线对称设置；当子单元包括两条凹曲线时，二维耦出光栅结构如图5所示，两条凹曲线对称设置。
40.二维耦出光栅的曲线边缘结构会比直线边缘具有更好的实验容差，并且可以通过调整弧边的曲率来改进均匀性，如图6所示，图6是本发明交叉形二维耦出光栅子单元长轴和短轴之比取不同值时衍射光效率比随入射角的变化示意图。可以看出，当交叉子单元长轴和短轴之比取不同值时，衍射光效率比发生很大变化。
41.在其他的一些实施例中，子单元的两端还可以设置有膨胀部，膨胀部由曲线连接构成。
42.可选地，膨胀部包括两条凸曲线或者两条凹曲线。当膨胀部包括两条凸曲线时，二维耦出光栅结构如图7所示，膨胀部的两条凸曲线对称设置；当膨胀部包括两条凹曲线时，二维耦出光栅结构如图8所示，膨胀部的两条凹曲线对称设置。
43.需要说明的是，膨胀部的曲线和子单元的曲线无需对应设置，子单元包括两条凸曲线时，膨胀部可以包括两条凹曲线；子单元包括两条凹曲线时，膨胀部可以包括两条凸曲线。
44.子单元的两末端设置有膨胀部，膨胀部为二维耦出光栅引入了更多的结构参数，可以通过调整这些结构参数来改进均匀性，如图9所示，图9是本发明组合交叉形二维耦出光栅的膨胀部长轴和交叉子单元短轴之比取不同值时衍射光效率比随入射角的变化示意图。由图可以看出，当膨胀部长轴和交叉子单元短轴之比取不同值时，衍射光效率比发生很大变化。
45.需要说明的是，子单元的两末端设置有膨胀部的光学结构可以理解为是在交叉形光学结构的基础上进行的改进，即组合交叉形光学结构，组合交叉形光学结构与交叉形光学结构相比，制作工艺提高了，但是也引入了更多的结构参数。
46.基于相同的发明构思，本发明还提供一种二维衍射光波导，包括波导基底以及设置于波导基底表面的一维耦入光栅和上述的二维耦出光栅。
47.请参阅图10，图10是本发明二维衍射光波导一实施例的原理示意图。
48.一维耦入光栅用于将携带有图像信息的入射光线耦入到波导中；二维耦出光栅用于将来自一维耦入光栅并在波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展的同时，耦出到人眼成像。
49.可选地，一维耦入光栅和二维耦出光栅都可以采用浮雕光栅、体全息光栅或者超
表面光栅。
50.在一些实施例中，一维耦入光栅可以为矩形光栅、倾斜光栅或者闪耀光栅。
51.矩形光栅的结构简单，但是0级衍射占据了80%以上的能量，而有用的
±
1级衍射不到20%的能量利用。
52.当光栅刻划成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即某一光谱级上。从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀（blaze），这种光栅称为闪耀光栅。闪耀光栅用于可见光波段时，生产工艺精度要求非常高，导致大规模生产良率低；倾斜光栅的+1级或-1级的衍射光能量可以高达97%，更适合于波导衍射传输和成像。倾斜光栅的设计及制备工艺相对于矩形光栅具有更高的难度，但是倾斜光栅的设计过程具有更大的自由度，通过设计倾斜角度可以实现入射光波长带宽与角度带宽的调制。
53.一维耦入光栅将携带有图像信息的入射光线耦入到衍射波导中，波导使耦入光线以全反射方式传导。二维耦出光栅将来自一维耦入光栅并在波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展的同时耦出到人眼成像。
54.二维耦出光栅可以看作是单元结构沿两个方向阵列排布而成，两个阵列方向的夹角一般为60
°
，两个阵列分别形成两个一维光栅（光栅g2和光栅g2’）。
55.当来自一维耦入光栅g1的衍射光传导至二维耦出光栅区域并入射到二维耦出光栅上时，衍射光将再次经历多个同时衍射。衍射光可以被衍射到零级，这不改变衍射光的传播方向；衍射光还可以被耦合到波导外（即直接进入人眼的衍射光），进入人眼成像；衍射光还可以被光栅g2衍射到第一衍射级（转动级1）中，该第一衍射级沿光栅g2矢量方向在波导内全反射传导，会继续与二维耦出光栅进行进一步交互，且后续每次交互都可将光耦合出波导外，进入人眼成像。
56.衍射光还可以被光栅g2’衍射到第一衍射级（转动级2）中，该第一衍射级沿光栅g2’矢量方向在波导内全反射传导，会继续与二维耦出光栅进行进一步交互，且后续每次交互也都可将光耦合出波导外，进入人眼成像。
57.当光栅g2和光栅g2’的夹角为60
°ꢀ
，且二维耦出光栅单元结构沿光栅g2和光栅g2’夹角的平分线对称时，转动级1和转动级2对称相等，表示光在二维耦出光栅区域在向下扩展传导的同时向左右两侧扩展传导，实现了光在两个维度上同时且快速地扩展，使得波导大小可以被保持成最小，衍射波导可以适配更紧凑的显示器。
58.由上面技术方案可知，本发明提供的二维衍射光波导，采用交叉形或组合交叉形的二维耦出光栅进行二维扩瞳，可以使得波导出瞳均匀性高，图像条带化现象减弱，以获得很好均匀性的图像；并且曲线边缘与直线边缘相比，具有更好的实验容差，且可以通过调整曲线的曲率进一步改进出瞳的均匀性。
59.在一些实施例中，二维耦出光栅包括若干相同的光学结构；光学结构由曲线连接构成；光学结构为交叉形或组合交叉形，光学结构等间隔阵列设置，每个光学结构的图形中心点与其他相邻的光学结构的图形中心点的距离相等。
60.在一些实施例中，光学结构包括两个形状相同的子单元，子单元由曲线连接构成，两个子单元交叉设置，两个子单元有且仅有一个交叉点。
61.在一些实施例中，子单元包括两条凸曲线或者两条凹曲线。其中，子单元的两条凸
曲线对称设置；或者，子单元的两条凹曲线对称设置。
62.在一些实施例中，子单元的两端设置有膨胀部，膨胀部由曲线连接构成。
63.在一些实施例中，膨胀部包括两条凸曲线或者两条凹曲线。其中，膨胀部的两条凸曲线对称设置；或者，膨胀部的两条凹曲线对称设置。
64.基于相同的发明构思，本发明还提供一种近眼显示设备，包括上述的二维衍射光波导。由于本发明的近眼显示设备包含了上述所述的二维衍射光波导，因此，本发明的近眼显示设备具有和上述实施例类似的技术效果，在此不再赘述。此外，具体原理描述也可参见上述实施例的介绍，此处不再赘述。
65.由上面技术方案可知，本发明提供的近眼显示设备，采用交叉形或组合交叉形的光学结构进行二维扩瞳，可以使得波导出瞳均匀性高，图像条带化现象减弱，以获得很好均匀性的图像；并且，光学结构由曲线连接构成，曲线边缘与直线边缘相比，具有更好的实验容差，且可以通过调整曲线的曲率进一步改进出瞳的均匀性。
66.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。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
67.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；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精神和范围。