波导装置、波导装置中光栅部制作方法及显示装置与流程

本发明涉及增强现实显示技术领域，特别是涉及一种波导装置。本发明还涉及一种波导装置中光栅部制作方法。本发明还涉及一种显示装置。

背景技术：

增强现实(augmentedreality，ar)技术是指通过某种技术手段为使用者在现实世界中提供额外的信息(即所谓的“增强”)，这种技术把虚拟世界的图像和现实世界的场景有机的融合在一起，通过将计算得到的信息与真实世界进行深度整合，从而给使用者提供更丰富的信息和浸入式体验。在信息时代，增强现实作为一种最直接的信息获取途径，具有极为广阔的应用场景，例如军事训练、医疗辅助、教育学习、游戏产业、娱乐艺术等等，它被广泛认为是继计算机之后的下一代计算平台。

增强现实技术可以通过很多硬件平台实现，其中最具有沉浸感的是可穿戴增强现实设备，即ar眼镜，这种方式的硬件形式是一个简单的眼镜，通过镜片表面的微结构将光线导入人眼，这种硬件实现方式最为便捷方便，是ar的主流技术。ar镜片的目的是把图像从微显示器上通过镜片引导入人眼，光栅波导方案是一种主流的技术方案，其基本原理如图1所示，波导3的表面具有光栅1和光栅2，微投影机4输出的光线被光栅1耦合入波导3，光线在波导3中以全反射进行传播，每当遇到另一光栅2时一部分光线被耦合出，耦合出光线进入人眼5，从而能够看到与微投影机4输出相同的图像，与此同时人眼5可以看到真实世界场景，两部分重叠就可以实现增强现实的功能。

然而现有技术中使用的波导，其光栅加工方式周期长、成本高并且严重依赖设备，因此很难批量化生产。

技术实现要素：

鉴于以上所述，本发明提供一种波导装置，与现有技术相比能够降低波导装置中光栅的加工难度，能够提高加工效率、降低加工成本，更易于批量化生产。本发明还提供一种波导装置中光栅部制作方法。本发明还提供一种显示装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种波导装置，包括波导本体以及设置在所述波导本体上的第一光栅部和第二光栅部，所述第二光栅部用于将光线耦合入所述波导本体内，所述第一光栅部用于将在所述波导本体内传播的光线耦合出所述波导本体外；

所述第一光栅部包括沿二维方向周期性排布的光栅单元，所述光栅单元在所述第一光栅部俯视视角下边界为由至少两条曲边连接围成的形状。

优选的，所述光栅单元在所述第一光栅部俯视视角下边界为由至少两条曲边围成的形状，在所述光栅单元所处的[-cos(30°)d/2,cos(30°)d/2]×[-d/4，d/4]二维区域范围内，所述光栅单元边界满足以下方程：

其中，d是二维光栅沿两个方向的周期，△的取值范围为(0，2)。

优选的，所述光栅单元在所述第一光栅部俯视视角下边界为由三条曲边围成的形状，或者所述光栅单元在所述第一光栅部俯视视角下边界为由六条曲边围成的形状。

优选的，所述第二光栅部包括周期性排布的凸起，所述凸起相对于所述第二光栅部表面的法向倾斜。

优选的，所述凸起包括第一侧面和第二侧面。

优选的，所述第一侧面顶部和所述第二侧面顶部连接，或者所述凸起还包括将所述第一侧面顶部和所述第二侧面顶部连接的顶面。

优选的，通过所述第一光栅部耦合出的能够被人眼接收的光线能量随耦出光线与所述第一光栅部法向的夹角增大而减小，通过所述第二光栅部耦合入所述波导本体内的能够被人眼接收的光线能量随耦入光线与所述第二光栅部法向的夹角增大而增大。

优选的，还包括设置在所述波导本体远离用户观看一侧的、用于将所述波导本体内的将要向远离用户观看一侧出射到所述波导本体外的光线反射回所述波导本体内的反射装置。

一种波导装置中光栅部制作方法，所述光栅部应用于如上所述波导装置的第一光栅部，包括：

准备基板，在所述基板上制作形成感光层；

使用两束具有相干性的光束相交入射到所述基板的感光层，对所述感光层进行曝光；

对所述基板进行刻蚀，基于所述感光层形成的周期性结构在所述基板上刻蚀形成光栅单元；

去除所述基板上剩余的感光层，得到所述光栅部。

一种显示装置，包括投像装置和以上所述的波导装置，所述投像装置用于产生图像光线。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种波导装置包括波导本体和设置在波导本体上的第一光栅部和第二光栅部，第二光栅部用于将光线耦合入波导本体内，第一光栅部用于将在波导本体内传播的光线耦合出波导本体外。其中第一光栅部包括沿二维方向周期性排布的光栅单元，光栅单元在第一光栅部俯视视角下边界为由至少两条曲边连接围成的形状。本发明的波导装置中第一光栅部的光栅单元采用这种光栅单元结构，与现有技术中使用的波导相比能够降低波导装置中光栅的加工难度，能够提高加工效率、降低加工成本，更易于波导装置的批量化生产。

本发明提供的一种波导装置中光栅部制作方法，能够达到上述有益效果。

本发明还提供一种显示装置，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。

图1为波导方案的显示装置原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种波导装置的主视图；

图3为图2所示波导装置的俯视图；

图4为本发明一种实施例的第一光栅部的俯视图；

图5为本发明又一种实施例的第一光栅部的俯视图；

图6为本发明又一种实施例的第一光栅部的俯视图；

图7为本发明又一种实施例的第一光栅部的俯视图；

图8为本发明一种实施例的第二光栅部的示意图；

图9为本发明一种实施例的第二光栅部衍射效率随入射角度α变化的曲线图；

图10为本发明又一种实施例的第二光栅部的示意图；

图11为本发明又一种实施例的第二光栅部的示意图；

图12(a)为本发明实施例的波导装置光线大角度入射的示意图；

图12(b)为本发明实施例的波导装置光线小角度入射的示意图；

图13(a)为本发明实施例中通过第一光栅部耦合出的能够被人眼接收的光线能量随耦出光线与第一光栅部法向的夹角变化的示意图；

图13(b)为本发明实施例中通过第二光栅部耦合入波导本体内的光线能量随耦入光线与第二光栅部法向的夹角变化的示意图；

图14为本发明又一种实施例提供的一种波导装置的主视图；

图15为本发明实施例提供的一种波导装置中光栅部制作方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种波导装置，包括波导本体以及设置在所述波导本体上的第一光栅部和第二光栅部，所述第二光栅部用于将光线耦合入所述波导本体内，所述第一光栅部用于将在所述波导本体内传播的光线向两个方向扩展并耦合出所述波导本体外；

所述第一光栅部包括沿二维方向周期性排布的光栅单元，所述光栅单元在所述第一光栅部俯视视角下边界为由至少两条曲边连接围成的形状。

所述的波导本体是能够引导光线传播的波导结构。光线通过第二光栅部耦合入波导本体内，在波导本体内通过全反射传播的光线到达第一光栅部时，由第一光栅部将光线向两个方向扩展并将波导本体内的光线耦合出波导本体外。其中，光栅单元在第一光栅部俯视视角下边界是指在第一光栅部俯视视角下获得的限定了光栅单元范围的边界。所述的曲边是指为曲线形状的边。光栅单元的边界由至少两条曲边连接围成是指光栅单元的边界至少包括两条曲边。

本实施例的波导装置中第一光栅部的光栅单元，其边界为由至少两条曲边连接围成的形状，本波导装置中第一光栅部的光栅单元采用这种光栅单元结构，与现有技术中使用的波导相比能够降低波导装置中光栅的加工难度，能够提高加工效率、降低加工成本，更易于波导装置的批量化生产。

下面结合具体实施方式和附图对本波导装置进行详细说明。请参考图2和图3，图2为本实施例提供的一种波导装置的主视图，图3为图2所示波导装置的俯视图，由图可看出，所述波导装置包括波导本体10以及设置在波导本体10上的第一光栅部11和第二光栅部12，第二光栅部12用于将光线耦合入波导本体10内，第一光栅部11用于将在波导本体10内传播的光线向两个方向扩展并耦合出波导本体10外。

其中，第一光栅部11包括沿二维方向周期性排布的光栅单元，光栅单元在第一光栅部11俯视视角下的边界为由至少两条曲边连接围成的形状，边界由至少两条边连接围成是指边界包括的至少两条边是相互之间区别的不同边。光栅单元的边界由至少两条曲边连接围成是指光栅单元的边界至少包括两条曲边，可以是光栅单元的边界由预设数量条曲边连接围成，比如可以是边界是由两条曲边连接围成的，或者边界是由三条曲边连接围成或者四条曲边连接围成；也可以是光栅单元的边界除包括至少两条曲边之外，还包括其它形状的边，即光栅单元的边界是由至少两条曲边和一定数量的其它形状的边连接围成。

在一种实施方式中，请参考图4，图4为本实施方式的第一光栅部的俯视图，由图可以看出第一光栅部11包括沿方向1和方向2周期性排布的光栅单元110，两方向夹角为60°，对于第一光栅部11包括的光栅单元110，在第一光栅部11俯视视角下获取的光栅单元110边界是由四条曲边围成的形状。排布的光栅单元110分别沿方向1周期性排布和沿方向2周期性排布，包括两个周期，在具体实施时方向1和方向2之间的夹角θ的度数可以根据设计要求相应设置，在图4中方向1和方向2的夹角为60度，在其它实施例中可以根据设计要求将夹角取其它度数。

具体的本实施方式中，在第一光栅部11俯视视角下获取的光栅单元110边界是由四条曲边连接围成的形状，在光栅单元所处的[-cos(30°)d/2,cos(30°)d/2]×[-d/4，d/4]二维区域范围内，所述光栅单元边界满足以下方程：

其中，d是二维光栅沿两个方向的周期，△的取值范围为(0，2)。

另外，第一光栅部11的光栅单元在第一光栅部11俯视视角下的边界形状确定时，光栅单元在第一光栅部11上的排布方式也可以改变，示例性的请参考图5，图5为又一种实施方式的第一光栅部的俯视图，其中第一光栅部11具有的光栅单元111在第一光栅部11俯视视角下的边界形状，与图4所示的光栅单元110在第一光栅部11俯视视角下的边界形状相同，但是两种实施方式中光栅单元的排布方式不相同。在具体实施时当设计确定了光栅单元在第一光栅部11俯视视角下的边界形状后，可以根据应用要求相应设置光栅单元在第一光栅部上的排布方式。

可选的，在其它实施方式中，第一光栅部11包括的沿二维方向周期性排布的光栅单元，光栅单元在第一光栅部11俯视视角下的边界可以是由两条曲边或者三条曲边连接围成，或者光栅单元在第一光栅部11俯视视角下的边界也可以是由其它数量条曲边连接围成，在实际应用中可以根据应用需求相应设置，都在本发明保护范围内。各条曲边的具体形状本实施例中不做具体限定，光栅单元在第一光栅部11俯视视角下的边界由各条曲边连接围成的形状本实施例中不做具体限定。并且，第一光栅部11的光栅单元在第一光栅部11俯视视角下的边界形状确定时，光栅单元在第一光栅部11上的排布方式也可以改变。请参考图6，图6为又一种实施方式的第一光栅部的俯视图，可以看出第一光栅部11包括沿方向1和方向2周期性排布的光栅单元112，对于第一光栅部11包括的光栅单元112，在第一光栅部11俯视视角下获取的光栅单元112边界是由三条曲边连接围成的形状。在其它实施方式中，可以是光栅单元在第一光栅部11俯视视角下的边界形状与图6所示的光栅单元112在第一光栅部11俯视视角下的边界形状相同，但光栅单元在第一光栅部11上排布方式不同。请参考图7，图7为又一种实施方式的第一光栅部的俯视图，本实施方式中，对于第一光栅部11包括的光栅单元113，在第一光栅部11俯视视角下获取的光栅单元边界是由六条曲边连接围成的形状。

可选的，在其它实施方式中，对于第一光栅部11包括的光栅单元，可以是光栅单元在第一光栅部11俯视视角下的边界除包括至少两条曲边之外，还包括其它形状的边，即光栅单元的边界是由至少两条曲边和一定数量的其它形状的边连接围成。

进一步的本实施例的波导装置中，第二光栅部12包括周期性排布的凸起，凸起相对于第二光栅部12表面的法向倾斜。请参考图8，图8为一种实施方式的第二光栅部的示意图，可以看出，第二光栅部12的凸起沿一维方向周期性排布，凸起相对于第二光栅部12表面的法向倾斜，第二光栅部12具体包括第一侧面120、第二侧面121和顶面122，顶面122将第一侧面120顶部和第二侧面121顶部连接。本实施方式中顶面122为平面，在其它实施方式中顶面也可以是其它形状，都在本发明保护范围内。这种结构的第二光栅部12需要至少确定以下四个参数第一侧面120的倾角θ1、第二侧面121的倾角θ2、凸起高度h、凸起底部的宽度δ和周期d1，其中第一侧面120的倾角θ1是指第一侧面120与第二光栅部表面的夹角，第二侧面121的倾角θ2是指第二侧面121与第二光栅部表面的夹角，凸起高度h是指凸起顶部到凸起底部的最大距离，凸起底部的宽度δ是指凸起底部与第一侧面相交的边和凸起底部与第二侧面相交的边之间的距离。可选的各个参数范围可以是：θ1＝10°～50°，△θ＝θ2-θ1＝±10°，△＝0.1d1～0.8d1。请参考图9，图9为本实施方式的第二光栅部衍射效率随入射角度α变化的曲线图，其中第二光栅部第一侧面120倾角为35°，第二侧面121倾角为35°，凸起底部的宽度为0.5d1，通过优化第二光栅部的各个参数，可以使得衍射效率较高且对应的入射角度范围较大。

请参考图10，图10为又一种实施方式的第二光栅部的示意图，可以看出本实施方式中，第二光栅部12的凸起沿一维方向周期性排布，凸起相对于第二光栅部12表面的法向倾斜，第二光栅部12具体包括第一侧面123和第二侧面124，第一侧面123顶部和第二侧面124顶部连接，第一侧面123和第二侧面124都为平面。请参考图11，图11为又一种实施方式的第二光栅部的示意图，可以看出本实施方式中，第二光栅部12包括沿一维方向周期性排布的凸起，凸起具体包括第一侧面125和第二侧面126，第一侧面125顶部和第二侧面126顶部连接，第一侧面125和第二侧面126都为曲面。

本实施例波导装置采用一维光栅+二维光栅，一方面能够最大限度地减少光栅数量，这样可以仅用两片光栅即完成成像效果，相较于三片光栅的方案更加紧凑，大幅度降低了量产难度。另一方面，本波导装置中第二光栅部采用非对称光栅结构，这样第二光栅部的衍射效率也是不对称的，这种不对称性恰好能够和第一光栅部的衰减进行补偿。优选的，本实施例波导装置中，通过第一光栅部耦合出的能够被人眼接收的光线能量随耦出光线与所述第一光栅部法向的夹角增大而减小，通过第二光栅部耦合入所述波导本体内的能够被人眼接收的光线能量随耦入光线与所述第二光栅部法向的夹角增大而增大，请参考图12(a)和图12(b)，图中箭头的粗细代表了能量的相对大小。图12(a)为本实施例的波导装置光线大角度入射的示意图，光线在波导中以较大角度传播，因此传播次数较少，能够进入人眼的光线100仅遇到过第一光栅部2次，因此衰减较少。图12(b)为本实施例的波导装置光线小角度入射的示意图，光线在波导中以较小角度传播，因此传播次数较多，能够进入人眼的光线200遇到过第一光栅部4次，因此衰减较多。当光线在第一光栅部进行传播时，每一次衍射都会有一部分光耦合出，这会造成能量衰减，比如第一光栅部每次耦出1％的能量，那么10次传播之后剩余能量为0.99¹⁰＝0.34，这会造成用户观察到的像面有衰减的趋势。请参考图13(a)和图13(b)，图13(a)为本实施例中通过第一光栅部耦合出的能够被人眼接收的光线能量随耦出光线与第一光栅部法向的夹角变化的示意图，图13(b)为本实施例中通过第二光栅部耦合入波导本体内的光线能量随耦入光线与第二光栅部法向的夹角变化的示意图。而本实施例波导装置由于第二光栅部的衍射效率具有高度的不对称性，可以通过设计使得第二光栅部的能量与第一光栅部导致的衰减互相补偿，通过这种方式可以很大程度提高波导装置的显示均匀性。

进一步优选的，本实施例波导装置还包括设置在波导本体远离用户观看一侧的、用于将波导本体内的将要向远离用户观看一侧出射到所述波导本体外的光线反射回所述波导本体内的反射装置。请结合参考图14，图14为又一种实施例的波导装置的主视图，在波导本体10远离用户观看一侧设置有反射装置13，当波导本体10内传播的光线到达第一光栅部11时，一部分光线会耦合出波导本体10外用户观看一侧，还有一部分光线会向波导本体10外远离用户观看一侧出射，本实施例波导装置通过设置反射装置13，能够将波导本体内的将要向远离用户观看一侧出射到波导本体外的光线反射回波导本体内，更有效地提高波导装置的能量利用率，减少漏光以保证信息安全。可选的，反射装置13可以是半透半反膜，可以镀制在波导本体远离用户观看一侧。或者反射装置13可以是半透半反镜，贴合在波导本体远离用户观看一侧，或者反射装置13也可以是线栅偏振膜，或者也可以是其它光学元件，都在本发明保护范围内。

示例性的，在一具体实例中波导装置的波导本体10为平板形状，采用折射率n为1.1-3之间的平行度很高的光学玻璃，其厚度为0.1mm-3mm。第二光栅部12为一维周期性结构，光栅周期为d1＝200nm-1000nm，第一光栅部11为二维周期性结构，两个周期相同为d2，两个周期之间形成60°夹角，二维光栅周期d2与一维光栅周期d1的关系为d2＝d1/cos30°，且一维光栅周期方向恰好落在二位光栅两个周期方向的角平分线上。第一光栅部11的光栅槽深范围是50nm～500nm。

本发明实施例还提供一种波导装置中光栅部制作方法，所制作的光栅部应用于以上所述的波导装置的第一光栅部，请参考图15，制作方法包括以下步骤：

s20：准备基板，在所述基板上制作形成感光层。

感光层是对光敏感的物质，当光照射到感光层并且照射光强度达到一定范围时能够将感光层刻蚀掉。可选的感光层可使用光刻胶。

s21：使用两束具有相干性的光束相交入射到所述基板的感光层，对所述感光层进行曝光。

使用两束具有相干性的光束相交入射到基板的感光层，两束光束汇合发生干涉，会形成一组光强度周期性变化的干涉条纹，汇合干涉光照射到感光层对感光层和基板进行曝光，从而在感光层上产生周期性结构。在具体制作第一光栅部上的光栅单元时，两束光束相交的夹角θ决定了光栅单元周期性排布的周期d，二者关系为：d＝2λ/sin(θ/2)，其中λ为曝光所用激光器波长。因此可以根据所设计的第一光栅部上光栅单元的周期来确定两束光束相交的夹角。在具体制作第二光栅部上的光栅单元时，需要对基板进行两次曝光，第一次曝光结束后将基板转动某一角度α进行第二次曝光。转动角度α决定了第二光栅部光栅单元二维方向之间的夹角。优选的，两束光束可以使用两束相干性极高的激光。

s22：对所述基板进行刻蚀，基于所述感光层形成的周期性结构在所述基板上刻蚀形成光栅单元。

在上步骤中通过使用两束相干性的光束对感光层曝光，在感光层上形成周期性结构，本步骤中对基板进行刻蚀，基于感光层上形成的周期性结构，在基板上刻蚀形成周期性结构，从而在基板上制作形成光栅单元。

s23：去除所述基板上剩余的感光层，得到所述光栅部。

示例性的，对于上述一种实施方式中第一光栅部的光栅单元边界满足以下方程的光栅单元，可以使用两束为正弦波振动的相干光进行干涉制作形成，两束光以夹角60度相交：

其中，△的取值范围为(0，2)。

本实施例方法使用全息曝光方法制作第一光栅部，制作效率高，与现有技术中制作光栅的方法相比，能够降低加工难度，利于批量化生产以及提高生产效率。

相应的，本发明实施例还提供一种显示装置，包括投像装置和以上所述的波导装置，所述投像装置用于产生图像光线。图像光线为携带图像信息的光线。

本实施例的显示装置，其波导装置的第一光栅部包括沿二维方向周期性排布的光栅单元，光栅单元在第一光栅部俯视视角下边界为由至少两条曲边连接围成的形状，波导装置中第一光栅部的光栅单元采用这种光栅单元结构，与现有技术中使用的波导相比能够降低波导装置中光栅的加工难度，能够提高加工效率、降低加工成本，更易于波导装置的批量化生产。

本实施例的显示装置可以是增强现实显示装置，也可以应用于混合现实显示装置。

以上对本发明所提供的一种波导装置、波导装置中光栅部制作方法及显示装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。