一种无色散偏振复用光栅及显示装置的制作方法
本发明涉及显示技术领域，更具体地，涉及一种无色散偏振复用光栅及显示装置。
背景技术：
亚波长微结构由于其周期常数小于入射光波长，能够实现普通光学元件不能实现的光学性质。例如，一方面，亚波长微结构刻蚀成的光栅可实现偏振敏感，通过表面结构完成偏振分束器的功能；另一方面，针对特定偏振光，亚波长微结构可以实现波长不敏感，同时完成对多种波长信号光的调制。
光学元件的微结构，目前已有亚波长微结构偏振分束器和亚波长微结构消色差聚焦透镜。其中，亚波长微结构偏振分束器是基于严格耦合波理论，得到高深宽比的亚波长介质光栅，入射光以布拉格角度入射，其衍射光级次中只存在0级的tm模的衍射光和+1级的te模的衍射光，衍射角度不同，能够偏振复用，但是无法多波长使用；亚波长微结构消色差聚焦透镜，通过非周期的耦合介质谐振器阵列，使得近红外三波长信号光聚焦到同一点，但是其一般只针对某一偏振光设计，无法偏振复用。
并且，以上两种功能的微结构，目前只能在近红外波段使用。
这些显示系统中的光栅处理的信号光波长均处于近红外区域，成像颜色失真，并且衍射的图像不能多视角观看。
技术实现要素：
本发明提供一种克服上述显示系统中的光栅处理的信号光波长均处于近红外区域，成像有些色差，导致颜色失真，并且衍射的图像不能多视角观看的问题的一种无色散偏振复用光栅及显示装置。
根据本发明的一个方面，提供一种光栅，包括多个周期性布置的光栅子单元，多个光栅子单元中的每个光栅子单元包括：一个或多个第一浮雕子光栅单元、一个或多个第二浮雕子光栅单元和一个或多个第三浮雕子光栅单元；所述第一浮雕子光栅单元用于进行红光的衍射，所述第二浮雕子光栅单元用于进行绿光的衍射，所述第三浮雕子光栅单元用于进行蓝光的衍射；所述第一浮雕子光栅单元、所述第二浮雕子光栅单元和所述第三浮雕子光栅单元刻蚀于同一介质表面；任一所述第一浮雕子光栅单元具有第一高度，任一所述第二浮雕子光栅单元具有第二高度，任一所述第三浮雕子光栅单元具有第三高度，所述第一高度大于所述第二高度，所述第二高度大于所述第三高度。
优选地，多个光栅子单元中的每个光栅子单元进一步包括：任一所述第一浮雕子光栅单元单独成为一个凸起，或者，与任一所述第二浮雕子光栅单元和/或任一所述第三浮雕子光栅单元叠刻成一个凸起；任一所述第二浮雕子光栅单元单独成为一个凸起，或者，与任一所述第一浮雕子光栅单元和/或任一所述第三浮雕子光栅单元叠刻成一个凸起；任一所述第三浮雕子光栅单元单独成为一个凸起，或者，与任一所述第一浮雕子光栅单元和/或任一所述第二浮雕子光栅单元叠刻成一个凸起。
优选地，所述介质为光波导，或者为光波导表面的基材。
优选地，所述光栅外部与空气接触。
优选地，所述光栅包括：所述第一浮雕子光栅单元的周期与红光波长的比值小于1；所述第二浮雕子光栅单元的周期与绿光波长的比值小于1；所述第三浮雕子光栅单元的周期与蓝光波长的比值小于1。
优选地，所述光栅包括：所述第一浮雕子光栅单元的占空比小于0.8；所述第二浮雕子光栅单元的占空比小于0.8；所述第三浮雕子光栅单元的占空比小于0.8。
优选地，所述光栅包括：所述第一浮雕子光栅单元的深宽比小于1；所述第二浮雕子光栅单元的深宽比小于1；所述第三浮雕子光栅单元的深宽比小于1。
优选地，所述光栅包括：所述光栅对不同偏振态的入射信号光衍射角不同；所述光栅衍射出射信号光的偏振态，与所述出射信号光对应的入射信号光的偏振态相同；所述光栅对于同一偏振态的红光、绿光和蓝光入射信号光，衍射角相同。
根据本发明的另一个方面，提供一种显示装置，包括：微显示器，用于发射信号光；起偏器，用于形成偏振信号光；偏振混合器，用于将所述起偏信号光混合；上述任一项所述的光栅，用于将所述偏振混合器混合的处于不同偏振态的偏振信号光调制衍射到不同角度，形成多视角图像；所述起偏器包括：te起偏器，用于形成te模的偏振信号光，tm起偏器，用于形成tm模的偏振信号光；来自所述微显示器的信号光依次穿过所述起偏器、所述偏振混合器和所述光栅。
优选地，还包括准直器，用于将所述微显示器发射的信号光准直成平行信号光，以使得所述起偏器将所述平行信号光起偏形成偏振信号光。
本发明提供的一种无色散偏振复用光栅及显示装置，通过在每个光栅子单元中设置刻蚀于同一介质表面的具有不同高度的一个或多个第一浮雕子光栅单元、一个或多个第二浮雕子光栅单元和一个或多个第三浮雕子光栅单元；并且所述第一浮雕子光栅单元用于进行红光的衍射，所述第二浮雕子光栅单元用于进行绿光的衍射，所述第三浮雕子光栅单元用于进行蓝光的衍射，使得所述无色散偏振复用光栅能够以相同衍射角衍射红光、绿光和蓝光，实现了消色差的功能，使图像保真；所述无色散偏振复用光栅能够将不同偏振态的信号光进行调制，实现了偏振复用，并且衍射到不同角度，形成多视角图像；所述无色散偏振复用光栅将偏振复用功能和多波长消色差功能整合，能够在可见光波段使用。并且本发明提供的一种显示装置，可供多人多视角观看图像，也可用于车载显示领域等。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种光栅的一个光栅子单元的结构示意图；
图2为本发明实施例中的一种光栅的一个光栅子单元的局部结构示意图；
图3为本发明实施例中的te模的红色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图；
图4为本发明实施例中的te模的绿色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图；
图5为本发明实施例中的te模的蓝色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图；
图6为本发明实施例中的tm模的红色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图；
图7为本发明实施例中的tm模的绿色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图；
图8为本发明实施例中的tm模的蓝色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图；
图9为本发明实施例中的一种透射式光栅显示示意图；
图10为本发明实施例中的一种反射式光栅显示示意图；
图11为本发明实施例中的一种显示装置的信号源产生示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明实施例中的一种光栅的一个光栅子单元的结构示意图，如图1所示，包括多个周期性布置的光栅子单元，多个光栅子单元中的每个光栅子单元包括：一个或多个第一浮雕子光栅单元、一个或多个第二浮雕子光栅单元和一个或多个第三浮雕子光栅单元；所述第一浮雕子光栅单元用于进行红光的衍射，所述第二浮雕子光栅单元用于进行绿光的衍射，所述第三浮雕子光栅单元用于进行蓝光的衍射；所述第一浮雕子光栅单元、所述第二浮雕子光栅单元和所述第三浮雕子光栅单元刻蚀于同一介质表面；任一所述第一浮雕子光栅单元具有第一高度，任一所述第二浮雕子光栅单元具有第二高度，任一所述第三浮雕子光栅单元具有第三高度，所述第一高度大于所述第二高度，所述第二高度大于所述第三高度。
具体地，所述光栅包括透射式和反射式，具有纳米结构。所述光栅的结构表现为长程有序和短程无序，所述长程有序是指所述光栅包括多个周期性布置的光栅子单元；所述短程无序是指多个光栅子单元中的每个光栅子单元中，第一浮雕子光栅单元、第二浮雕子光栅单元和第三浮雕子光栅单元叠刻后的光栅形貌无周期。
进一步地，所述光栅中的第一浮雕子光栅单元的高度为第一高度，所述光栅中的第二浮雕子光栅单元的高度为第二高度，所述光栅中的第三浮雕子光栅单元的高度为第三高度，所述第一高度大于所述第二高度，所述第二高度大于所述第三高度。
所述第一浮雕子光栅单元、所述第二浮雕子光栅单元和所述第三浮雕子光栅单元刻蚀于同一介质表面是指，所述第一浮雕子光栅单元、所述第二浮雕子光栅单元、所述第三浮雕子光栅单元均与所述介质的材料相同。
进一步地，具有上述结构的所述光栅有对于不同偏振态的入射信号光，衍射角不同；但对于同一偏振态的入射信号光，衍射角相同的性质。
本发明提供的一种无色散偏振复用光栅，通过在每个光栅子单元中，设置刻蚀于同一介质表面的具有不同高度的一个或多个第一浮雕子光栅单元、一个或多个第二浮雕子光栅单元和一个或多个第三浮雕子光栅单元；并且所述第一浮雕子光栅单元用于进行红光的衍射，所述第二浮雕子光栅单元用于进行绿光的衍射，所述第三浮雕子光栅单元用于进行蓝光的衍射，使得所述无色散偏振复用光栅有对于不同偏振态的入射信号光，衍射角不同，但对于同一偏振态的入射信号光，衍射角相同的性质，并通过这种性质能够将不同偏振态的信号光进行调制，实现了偏振复用，衍射到不同角度，形成多视角图像。
基于上述实施例，多个光栅子单元中的每个光栅子单元进一步包括：任一所述第一浮雕子光栅单元单独成为一个凸起，或者，与任一所述第二浮雕子光栅单元和/或任一所述第三浮雕子光栅单元叠刻成一个凸起；任一所述第二浮雕子光栅单元单独成为一个凸起，或者，与任一所述第一浮雕子光栅单元和/或任一所述第三浮雕子光栅单元叠刻成一个凸起；任一所述第三浮雕子光栅单元单独成为一个凸起，或者，与任一所述第一浮雕子光栅单元和/或任一所述第二浮雕子光栅单元叠刻成一个凸起。
基于上述实施例，所述光栅包括：所述介质为光波导，或者为光波导表面的基材。
具体地，所述光波导是引导光波在其中传播的介质装置，包括高透明度的光学玻璃和光学塑料。所述光波导表面的基材是指，在光波导表面上涂覆一层或多层基材，所述基材为金属材料或者介质材料。
进一步地，所述第一浮雕子光栅单元、所述第二浮雕子光栅单元和所述第三浮雕子光栅单元叠刻于同一介质表面，是指所述第一浮雕子光栅单元、所述第二浮雕子光栅单元和所述第三浮雕子光栅单元叠刻于同一光波导表面或光波导上的基材表面。
基于上述实施例，所述光栅外部与空气接触。
基于上述实施例，所述光栅包括：所述第一浮雕子光栅单元的周期与红光波长的比值小于1；所述第二浮雕子光栅单元的周期与绿光波长的比值小于1；所述第三浮雕子光栅单元的周期与蓝光波长的比值小于1。
基于上述实施例，所述光栅包括：所述第一浮雕子光栅单元的占空比小于0.8；所述第二浮雕子光栅单元的占空比小于0.8；所述第三浮雕子光栅单元的占空比小于0.8。
基于上述实施例，所述光栅包括：所述第一浮雕子光栅单元的深宽比小于1；所述第二浮雕子光栅单元的深宽比小于1；所述第三浮雕子光栅单元的深宽比小于1。具体地，所述深宽比的计算公式为：
其中，bd为深宽比，d为占空比，h为脊高，t为周期。
图2为本发明实施例中的一种光栅的一个光栅子单元的局部结构示意图，所述光栅包括多个周期性布置的光栅子单元，多个光栅子单元中的每个光栅子单元包括：一个或多个第一浮雕子光栅单元、一个或多个第二浮雕子光栅单元和一个或多个第三浮雕子光栅单元；所述第一浮雕子光栅单元用于进行红光的衍射，所述第二浮雕子光栅单元用于进行绿光的衍射，所述第三浮雕子光栅单元用于进行蓝光的衍射；所述第一浮雕子光栅单元、所述第二浮雕子光栅单元和所述第三浮雕子光栅单元刻蚀于同一介质表面；任一所述第一浮雕子光栅单元具有第一高度，任一所述第二浮雕子光栅单元具有第二高度，任一所述第三浮雕子光栅单元具有第三高度，所述第一高度大于所述第二高度，所述第二高度大于所述第三高度。
进一步地，如图2所示，在光波导5表面上依次刻蚀第一浮雕子光栅单元1、第二浮雕子光栅单元2和第三浮雕子光栅单元3，所述第一浮雕子光栅单元1、所述第二浮雕子光栅单元2和所述第三浮雕子光栅单元3叠刻成一个凸起，所述光栅外部与气体介质4接触，所述气体介质4为空气。
表1te模的信号光入射到所述光栅上的最大衍射效率的理论值表
表2tm模的信号光入射到所述光栅上的最大衍射效率的理论值表
如表1所示，r为红色信号光、g为绿色信号光、b为蓝色信号光，所述第一浮雕子光栅单元1的周期与所述红色信号光的波长的比值为0.948，所述第二浮雕子光栅单元2的周期与所述绿色信号光的波长的比值为0.951，所述第三浮雕子光栅单元3的周期与所述蓝色信号光的波长的比值为0.948。所述第一浮雕子光栅单元1的周期与红色信号光波长的比值小于1；所述第二浮雕子光栅单元2的周期与绿色信号光波长的比值小于1；所述第三浮雕子光栅单元3的周期与蓝色信号光波长的比值小于1。再如表2所示，r为红色信号光、g为绿色信号光、b为蓝色信号光，所述第一浮雕子光栅单元1的周期与所述红色信号光的波长的比值为0.948，所述第二浮雕子光栅单元2的周期与所述绿色信号光的波长的比值为0.951，所述第三浮雕子光栅单元3的周期与所述蓝色信号光的波长的比值为0.948。所述第一浮雕子光栅单元1的周期与红色信号光波长的比值小于1；所述第二浮雕子光栅单元2的周期与绿色信号光波长的比值小于1；所述第三浮雕子光栅单元3的周期与蓝色信号光波长的比值小于1。
进一步地，如表1和表2所示，当te模的信号光入射或tm模的信号光入射时，所述第一浮雕子光栅单元1的占空比为0.312203，所述第二浮雕子光栅单元2的占空比为0.313658，所述第三浮雕子光栅单元3的占空比为0.266726。所述第一浮雕子光栅单元1的占空比小于0.8；所述第二浮雕子光栅单元2的占空比小于0.8；所述第三浮雕子光栅单元3的占空比小于0.8。
进一步地，如表1所示，当te模的信号光入射时，所述第一浮雕子光栅单元1的深宽比为0.7423，所述第二浮雕子光栅单元2的深宽比为0.7005，所述第三浮雕子光栅单元3的深宽比为0.6569。所述第一浮雕子光栅单元1的深宽比小于1；所述第二浮雕子光栅单元2的深宽比小于1；所述第三浮雕子光栅单元3的深宽比小于1。
进一步地，如表1所示，所述红色信号光、所述绿色信号光和所述蓝色信号光的±1级的衍射效率都高于47％，0级衍射效率近似于0。如表2所示，所述红色信号光、所述绿色信号光和所述蓝色信号光的±1级的衍射效率都低于1％，0级的衍射效率相对较高。由此可进一步得知，本实施例中所述光栅的周期为18.9微米。
基于上述实施例，所述光栅包括：当te模的信号光入射到所述光栅上时，产生+1级衍射光和-1级衍射光；当tm模的信号光入射到所述光栅上时，产生0级衍射光。
基于上述实施例，所述光栅对不同偏振态的入射信号光衍射角不同；所述光栅衍射出射信号光的偏振态，与所述出射信号光对应的入射信号光的偏振态相同；所述光栅对于同一偏振态的红光、绿光和蓝光入射信号光，衍射角相同。
图3为本发明实施例中的te模的红色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图，如图3所示，te模的红色信号光101以角度θi入射到所述光栅100上，产生了+1级衍射光103，所述+1级衍射光的衍射角为
图4为本发明实施例中的te模的绿色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图，如图4所示，te模的绿色信号光201以角度θi入射到所述光栅100上，产生了+1级衍射光203，所述+1级衍射光的衍射角为
图5为本发明实施例中的te模的蓝色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图，如图5所示，te模的蓝色信号光301以角度θi入射到所述光栅100上，产生了+1级衍射光303，所述+1级衍射光的衍射角为
进一步地，处于同一偏振态的入射信号光对应的衍射光的衍射角相同，因此，红色信号光-1级衍射光的衍射角
图6为本发明实施例中的tm模的红色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图，如图6所示，tm模的红色信号光401以角度θi入射到所述光栅100上，产生了0级衍射光402，所述0级衍射光的衍射角为
图7为本发明实施例中的tm模的绿色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图，如图7所示，tm模的绿色信号光501以角度θi入射到所述光栅100上，产生了0级衍射光502，所述0级衍射光的衍射角为
图8为本发明实施例中的tm模的蓝色信号光入射到所述光栅上的衍射示意图，如图8所示，tm模的蓝色信号光601以角度θi入射到所述光栅100上，产生了0级衍射光602，所述0级衍射光的衍射角为
进一步地，处于同一偏振态的入射信号光对应的衍射光的衍射角相同，因此，红色信号光0级衍射光的衍射角
图9为本发明实施例中的一种透射式光栅显示示意图，如图9所示，彩色偏振混合信号光700以衍射角θi入射到所述光栅100上，产生了+1级衍射光703，所述+1级衍射光703携带了信号光700的tm偏振信息，所述+1级衍射光的衍射角为
图10为本发明实施例中的一种反射式光栅显示示意图，如图10所示，彩色偏振混合信号光800以衍射角θi入射到所述光栅100上，产生了+1级衍射光803，所述+1级衍射光803携带了信号光800的tm偏振信息，所述+1级衍射光的衍射角为
基于上述实施例，本发明提供了一种显示装置，包括：微显示器，用于发射信号光；起偏器，用于形成偏振信号光；偏振混合器，用于将所述偏振信号光混合；上述实施例任一项所述的光栅，用于将所述偏振混合器混合的处于不同偏振态的偏振信号光调制衍射到不同角度，形成多视角图像。所述起偏器包括：te起偏器，用于形成te模的偏振信号光，tm起偏器，用于形成tm模的偏振信号光；来自所述微显示器的信号光依次穿过所述起偏器、所述偏振混合器和所述光栅。
基于上述实施例，所述显示装置还包括准直器，用于将所述微显示器发射的信号光准直成平行信号光，以使得所述起偏器将所述平行信号光起偏形成偏振信号光。
图11为本发明实施例中的一种显示装置的信号源产生示意图，如图11所示，第一彩色微显示器911发出图像信号光，经过第一准直器921的准直，形成平行光，入射到te起偏器931上，形成携带图像信号光中te成分的光波8010；另一端，第二彩色微显示器912发出不同于第一彩色微显示器911的图像信号光，经过第二准直器922的准直，形成平行光，入射到tm起偏器932上，形成携带图像信号光中tm成分的光波8011。光波8010和光波8011入射到偏振混合器940合束形成偏振混合彩色图像800。
进一步地，所述偏振混合器940合束形成偏振混合彩色图像800通过上述实施例中所述的一种透射式光栅或一种反射式光栅，形成多视角图像。在本实施例中，一种显示装置包括第一彩色微显示器911、第一准直器921、te起偏器931、第二彩色微显示器912、第二准直器922、tm起偏器932、偏振混合器940，以及一种透射式光栅或一种反射式光栅。
本发明提供的一种无色散偏振复用光栅及显示装置，通过在每个光栅子单元中设置刻蚀于同一介质表面的具有不同高度的一个或多个第一浮雕子光栅单元、一个或多个第二浮雕子光栅单元和一个或多个第三浮雕子光栅单元；并且所述第一浮雕子光栅单元用于进行红光的衍射，所述第二浮雕子光栅单元用于进行绿光的衍射，所述第三浮雕子光栅单元用于进行蓝光的衍射，使得所述无色散偏振复用光栅能够以相同衍射角衍射红光、绿光和蓝光，实现了消色差的功能，使图像保真；所述无色散偏振复用光栅能够将不同偏振态的信号光进行调制，实现了偏振复用，并且衍射到不同角度，形成多视角图像；所述无色散偏振复用光栅将偏振复用功能和多波长消色差功能整合，能够在可见光波段使用；并且本发明提供的一种显示装置，可供多人多视角观看图像，也可用于车载显示领域等。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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