本发明属于增强现实技术领域，尤其涉及一种多层结构的全波长段可用于增强现实眼镜的光栅。
背景技术：
增强现实(augmentedreality，ar)技术作为热门科技，无论是在科研机构还是产品公司如今都备受关注。与虚拟现实(virtualreality，vr)相比，ar眼镜显示的画面可以与真实世界相互融合，实现难度比vr大得多。而其中，ar镜片便是最重要的关键技术点。
ar镜片现有4种常见的光学方案：
1、直接投影或离轴反射：直接投影类似于投影仪，比如在一侧镜腿安装微型投影仪，将镜片作为反射镜，通过反射形成平行光进入人眼成像；离轴反射与其相似，只是运用了离轴抛物反射镜，其可在特定角度下直射并聚焦入射平行光，且支持无限远焦点。可将小型投影仪设置在两侧镜框内，由led光源将半透式lcd上的影像投射至分光镜片上成像，从而提供了立体视觉。此法简单但成像效果一般，亮度低，像差大。
2、棱镜反射：运用普通角棱镜将显示器发出的光从镜片反射进人眼，同时也让现实世界的光透射进来。此法简单便捷，但由于技术限制视场角仅能做到20°左右，想提高视场角只能通过增厚镜片实现。光线先后两次经过半透半反膜层导致光能利用率低(约为20％)，画面较暗；自由曲面棱镜可改善上述问题，光线经过非旋转对称的xy多项式自由曲面棱镜的变换，形成虚拟放大的图像，其全反射的出射面和反射面能消除色差、畸变等像差，因此成像质量更加清晰，视角可以达54°，采用双自由曲面棱镜视场角可以进一步提高。缺点就是体积较大，厚度约在7至10mm，并且表面形状不能被连续加工，设计难度较大。
3、多层反射镜与光波导结合：以色列公司lumus提出了一种多反射层结构loe(light-guideopticalelement)器件，由一系列倾斜的反射片组成。loe器件原理和潜望镜类似，不同的是使用了多个反射片扩展出瞳，每个反射片反射的都是平行光，形成同一个像。lumus公司使用这种器件的代表性产品pd-18分辨率800×600，视场角26°×20°，出瞳10mm，出瞳距23mm，器件厚度2.3mm，重量小于70g，显示区透过率70％。此方法技术壁垒低，但工艺上采用多片胶合，其量产成本较高。
4、衍射光栅与光波导结合：此光学方案主要由微显示器、光栅和平板波导组成。微显示器的图像经过微型准直透镜后变成平行光进入光波导到达第一个光栅，由于光栅的衍射效应使平行光改变传输方向，因满足全反射条件将沿着光波导无损传输。当平行光传输到第二个光栅时，全反射条件被破坏从而使平行光从光栅出射并进入人眼成像。由于光栅和波导的存在，光学图像可以垂直偏转传播。这不但减小了传播距离，还可保持光学系统的重心在头部以内。同时，光波导能够在3mm以内的玻璃上实现30°至40°的视场角，可以附加在普通眼镜上，从而有利于ar光学系统的简洁化和轻小型设计。
其中，第4种ar镜片方案比较受到推崇，hololens公司设计的ar眼镜便是采用这种方案。各科研机构如nokia研究中心一直在开发适用于此方案的光栅，目前研究出效果最好的光栅为倾斜光栅(slantedgrating)，包括倾斜体全息光栅(slantedvolumeholographicgrating)和倾斜表面浮雕光栅(slantedsurfacereliefgrating)。由于体光栅制作难度大且不适于批量复制生产，各种形貌的浮雕光栅应运而生。倾斜的平行四边形光栅、梯形光栅、正弦光栅、圆弧光栅等等均可满足部分设计需求，并且倾斜角度大的光栅(slantedoverhanginggrating)效果更好。但在实际生产中，倾斜光栅使用传统的光刻、刻蚀技术难以加工制作，因为现有的刻蚀机都是只适用于垂直刻蚀的，且在使用纳米压印技术进行大规模量产时存在难以脱模的问题，导致光栅的制作难度大，良率低。由此看来，设计一种便于批量生产的适用于ar眼镜的光栅具有重大应用价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可用于增强现实眼镜的多层结构光栅，旨在利用多层简单光栅的错位叠加模拟倾斜光栅的效果。本发明多层结构光栅衍射效率高、衍射角度大、视场角大、制作脱模方便、易于批量化生产，适合应用于新一代ar眼镜。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可用于增强现实眼镜的多层结构光栅，该多层结构光栅由不同折射率材料的光栅直接叠加而成，每层光栅折射率由靠近基底层至靠近空气层依次降低。
进一步地，每层光栅折射率取值范围均在1.4～1.9之间；该多层结构光栅印在基底层上，即平面光波导上，用于光的耦合，耦合进平面光波导的光需在平面光波导内传输，需要满足全反射条件，为保证入射光在平面光波导的衍射角度大于反射临界角，每层光栅周期均在500nm以内。
进一步地，每层光栅的形状类型选自矩形光栅、三角形光栅、梯形光栅、正弦光栅等易生产加工的光栅。
进一步地，所有光栅的形状类型相同且周期相同，以便于生产加工。
进一步地，该多层结构光栅包括双层矩形光栅，均采用光学高聚物材料；上下两层光栅的周期均为450nm；上层矩形光栅折射率记为n1，齿高230nm，占空比39.66％；中间层折射率记为n2，厚度2.50μm；下层矩形光栅折射率记为n3，齿高1.00μm，占空比70.40％，其左侧壁相对于上层矩形光栅左侧壁向左偏移10nm；基底层折射率记为n4；其中n4＝n3，n1＝n2，且n3＞n2。当入射光波长λ＝532nm时，n1＝1.55，n2＝1.55，n3＝1.72，n4＝1.72。
进一步地，所述多层结构光栅包括双层三角形光栅，均采用光学高聚物材料；上下两层光栅的周期均为450nm；上层三角形光栅折射率记为n1，齿高1μm，底边200nm，左底角36.90°；中间层折射率记为n2，厚度1.77μm；下层三角形光栅折射率记为n3＝1.72，齿高1.00μm，底边200nm，左底角53.40°，其左底角顶点相对于上层三角形光栅左底角顶点向左偏移了20nm；基底层折射率记为n4；其中n4＝n3，n1＝n2，且n3＞n2。当入射光波长λ＝532nm时，n1＝1.55，n2＝1.55，n3＝1.72，n4＝1.72。
进一步地，所述多层结构光栅包括三层矩形光栅，均采用光学高聚物材料；上中下三层光栅的周期均为450nm；上层矩形光栅折射率记为n1，齿高230nm，占空比40.25％；第一中间层折射率记为n2，厚度2.54μm；中层矩形光栅折射率记为n3，齿高1.00μm，占空比23.85％，其左侧壁相对于上层矩形光栅左侧壁向左偏移20nm；第二中间层折射率记为n4，厚度2.02μm；下层矩形光栅折射率记为n5，齿高1.00μm，占空比23.64％，其左侧壁相对于中层矩形光栅左侧壁向左偏移20nm；基底层折射率记为n6；其中n6＝n5，n4＝n3，n1＝n2，且n5＞n3＞n2。当入射光波长λ＝532nm时，n1＝1.55，n2＝1.55，n3＝1.64，n4＝1.64，n5＝1.72，n6＝1.72。
本发明的有益效果是：
1、本发明的多层结构光栅结构简单，制作方便，易于与现有的光刻、刻蚀技术相结合，在使用纳米压印技术进行翻刻时不会存在难以脱模的问题，批量生产的可行性高。
2、本发明提供了三种多层结构光栅，正入射时单波长衍射效率高，均可达70％以上。视场角在7°到27°之间，各波长覆盖性好。
附图说明
图1为本发明可用于增强现实眼镜的双层矩形光栅的几何结构示意图；
图2为本发明可用于增强现实眼镜的双层三角形光栅的几何结构示意图；
图3为本发明可用于增强现实眼镜的三层矩形光栅的几何结构示意图；
图4为本发明可用于增强现实眼镜的双层矩形光栅在入射波长为460nm至645nm范围时，正一级次衍射效率与波长的关系；
图5为本发明可用于增强现实眼镜的双层三角形光栅在入射波长为460nm至645nm范围时，正一级次衍射效率与波长的关系；
图6为本发明可用于增强现实眼镜的三层矩形光栅在入射波长为460nm至645nm范围时，正一级次衍射效率与波长的关系；
图7为本发明可用于增强现实眼镜的双层矩形光栅在入射波长分别为475nm、525nm、630nm时，正一级次衍射效率与光入射角度的关系；
图8为本发明可用于增强现实眼镜的双层三角形光栅在入射波长分别为475nm、525nm、630nm时，正一级次衍射效率与光入射角度的关系；
图9为本发明可用于增强现实眼镜的三层矩形光栅在入射波长分别为475nm、525nm、630nm时，正一级次衍射效率与光入射角度的关系。
具体实施方式
本发明可用于增强现实眼镜的多层光栅的设计步骤如下：
1、首先确定入射光为te偏振光源，入射角为0°正入射，波长扫描范围设置从460nm至645nm。再确定光栅的三种光栅材料的折射率：低折射率光学高聚物材料，折射率n＝1.55(入射光波长λ＝532nm时)；中折射率光学高聚物材料，折射率n＝1.64(入射光波长λ＝532nm时)；高折射率光学高聚物材料，折射率n＝1.72(入射光波长λ＝532nm时)，同时也作为基底材料。
2、设计多层结构光栅模型，光栅主要参数包括：周期、齿高、相对位置(每层偏移量)、形貌参数；
3、优化多层结构光栅的各个结构参数，并计算各个波长下正一级次衍射效率以及衍射角。
从双层矩形光栅在入射波长为460nm至645nm范围时，正一级次衍射效率与波长的关系(附图4)，可以看出当入射光波长为475nm时，正一级次衍射效率为75.7％；当入射光波长为525nm时，正一级次衍射效率为40.6％；当入射光波长为630nm时，正一级次衍射效率为20.4％。且正一级次衍射角度在上述三个入射波长下依次分别为37.76°、42.81°、54.95°，均大于基底光学高聚物材料与空气界面全反射的临界角35.46°、35.60°、35.78°，满足衍射光在基底全反射的条件。
从双层三角形光栅在入射波长为460nm至645nm范围时，正一级次衍射效率与波长的关系(附图5)，可以看出当入射光波长为475nm时，正一级次衍射效率为82.6％；当入射光波长为525nm时，正一级次衍射效率为95.7％；当入射光波长为630nm时，正一级次衍射效率为48.4％。且正一级次衍射角度在上述三个入射波长下依次分别为37.76°、42.81°、54.95°，均大于基底光学高聚物材料与空气界面全反射的临界角35.46°、35.60°、35.78°，满足衍射光在基底全反射的条件。
从三层矩形光栅在入射波长为460nm至645nm范围时，正一级次衍射效率与波长的关系(附图6)，可以看出当入射光波长为475nm时，正一级次衍射效率为74.4％；当入射光波长为525nm时，正一级次衍射效率为38.8％；当入射光波长为630nm时，正一级次衍射效率为19.4％。且正一级次衍射角度在上述三个入射波长下依次分别为37.76°、42.81°、54.95°，均大于基底光学高聚物材料与空气界面全反射的临界角35.46°、35.60°、35.78°，满足衍射光在基底全反射的条件。
在分析上述三种多层结构光栅的衍射频谱后不难发现，双层三角形光栅的衍射效率在各个波长段是最高的，其频谱均匀性比目前最常用的倾斜平行四边形光栅效果更好。
4、当衍射效率优化到最佳值时，固定入射光波长，扫描入射角度变化60°，计算正一级次衍射效率与光入射角度的关系。
从双层矩形光栅在入射波长分别为475nm、525nm、630nm时，正一级次衍射效率与光入射角度的关系(附图7)，可以看出在以20％的衍射效率减损计算视场角时，上述三个入射波长下的视场角依次分别为27°、20°、7°。
从双层三角形光栅在入射波长分别为475nm、525nm、630nm时，正一级次衍射效率与光入射角度的关系(附图8)，可以看出在以20％的衍射效率减损计算视场角时，上述三个入射波长下的视场角依次分别为15°、13°、15°。
从三层矩形光栅在入射波长分别为475nm、525nm、630nm时，正一级次衍射效率与光入射角度的关系(附图7)，可以看出在以20％的衍射效率减损计算视场角时，上述三个入射波长下的视场角依次分别为16°、18°、20°。
在分析上述三种多层结构光栅的衍射角度谱后不难发现，双层矩形光栅的视场角在短波长段最大，可达27°；双层三角形光栅的视场角波长均匀性好，都在15°左右；三层矩形光栅可以提高双层矩形光栅在长波长段的视场角，使其平均在18°左右。目前最常用的倾斜平行四边形光栅在以20％的衍射效率减损计算视场角时，平均视场角在15°左右，可见多层结构光栅的视场角已达到目前增强现实眼镜光栅的需求。
下面结合附图及实例对发明进一步详细说明，但是本发明的保护范围并不限于下列实例，应包含权利要求书中的全部内容，而且本领域的技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
一种可用于增强现实眼镜的多层结构光栅——双层矩形光栅的结构示意图如图1所示，具体的设计结构如下：上下两层光栅的周期均为450nm；上层矩形光栅采用光学高聚物材料，折射率n＝1.55(入射光波长λ＝532nm时)，齿高230nm，占空比39.66％；中间层采用光学高聚物材料，折射率n＝1.55(入射光波长λ＝532nm时)，厚度2.50μm；下层矩形光栅采用光学高聚物材料，折射率n＝1.72(入射光波长λ＝532nm时)，齿高1.00μm，占空比70.40％，其左侧壁相对于上层矩形光栅左侧壁向左偏移了10nm；基底层采用光学高聚物材料，折射率n＝1.72(入射光波长λ＝532nm时)。
一种可用于增强现实眼镜的多层结构光栅——双层三角形光栅的结构示意图如图2所示，具体的设计结构如下：上下两层光栅的周期均为450nm；上层三角形光栅采用光学高聚物材料，折射率n＝1.55(入射光波长λ＝532nm时)，齿高1μm，底边200nm，左底角36.90°；中间层采用光学高聚物材料，折射率n＝1.55(入射光波长λ＝532nm时)，厚度1.77μm；下层三角形光栅采用光学高聚物材料，折射率n＝1.72(入射光波长λ＝532nm时)，齿高1.00μm，底边200nm，左底角53.40°，其左底角顶点相对于上层三角形光栅左底角顶点向左偏移了20nm；基底层采用光学高聚物材料，折射率n＝1.72(入射光波长λ＝532nm时)。
一种可用于增强现实眼镜的多层结构光栅——三层矩形光栅的结构示意图如图3所示，具体的设计结构如下：上中下三层光栅的周期均为450nm；上层矩形光栅采用光学高聚物材料，折射率n＝1.55(入射光波长λ＝532nm时)，齿高230nm，占空比40.25％；第一中间层采用光学高聚物材料，折射率n＝1.55(入射光波长λ＝532nm时)，厚度2.54μm；中层矩形光栅采用光学高聚物材料，折射率n＝1.64(入射光波长λ＝532nm时)，齿高1.00μm，占空比23.85％，其左侧壁相对于上层矩形光栅左侧壁向左偏移了20nm；第二中间层采用光学高聚物材料，折射率n＝1.64(入射光波长λ＝532nm时)，厚度2.02μm；下层矩形光栅采用光学高聚物材料，折射率n＝1.72(入射光波长λ＝532nm时)，齿高1.00μm，占空比23.64％，其左侧壁相对于中层矩形光栅左侧壁向左偏移了20nm；基底层采用光学高聚物材料，折射率n＝1.72(入射光波长λ＝532nm时)。
上述不同层光栅相对位置错位引起的变化有如下影响：短波长如475nm，平均错位移动1nm衍射效率变化1％；中波长如525nm，平均错位移动2nm衍射效率变化1％；长波长如630nm，平均错位移动5nm衍射效率变化1％。错位一定的距离，各个波长下的衍射效率在10％以上时，衍射效率曲线大致会保持原来的趋势不变，只是各个衍射效率发生变化；若错位距离较大，比如短波长475nm处衍射效率只有15％，那错位移动5nm衍射效率就会降到10％以下，变成不是原来衍射效率曲线规律的杂乱分布曲线，其衍射效率在0到10％之间浮动。
现有的半导体刻蚀工艺以12寸和8寸的晶元为主，其中12寸晶元的加工精度可达一二十纳米，所以数十纳米的偏移量在套印光栅掩膜版时是完全可以实现的。