光波导器件和AR显示设备的制作方法

光波导器件和ar显示设备
技术领域
[0001]
本实用新型涉及光波导技术领域，特别是涉及一种光波导器件和 ar显示设备。


背景技术：

[0002]
增强现实(augment reality，ar)，是通过计算机生成的提示信息、虚拟物体或虚拟场景通过光学系统叠加到真实世界中，被人类器官所感知，从而达到超越现实的感官体验。目前ar技术已广泛应用在游戏、零售、教育、工业以及医疗等领域。
[0003]
光波导是目前常规的ar显示设备中的关键部件之一。光波导是利用光栅耦入和耦出光波导来实现光传播的，耦入光栅衍射效率决定了光波导耦合效率，进而决定了光波导中能够耦出的光波的能量。因此耦入光栅衍射效率限制了光波导对投影光线的光能量使用效率。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型的目的是提供一种光波导器件和ar显示设备，提升了光波导器件对投影光机输出的投影光线的利用率，进而提升投影画面的显示亮度。
[0005]
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种光波导器件，包括波导单元、设置在所述波导单元的端部的耦入光栅、设置在所述波导单元上的耦出光栅；
[0006]
所述耦入光栅用于将投影光线进行衍射耦入所述波导单元内，并使得所述投影光线在所述波导单元内全反射传导，其中，所述耦入光栅接收所述投影光线照射的表面设置间隔分布的多个第一惰性金属纳米层，且第一惰性金属纳米层包括尖端结构。
[0007]
在本申请的一种可选地实施例中，各个所述第一惰性金属纳米层按照预定间距周期间隔分布。
[0008]
在本申请的一种可选地实施例中，所述第一惰性金属纳米层设置在所述耦入光栅表面凸起部位和/或凹陷部位。
[0009]
在本申请的一种可选地实施例中，所述第一惰性金属纳米层的分布周期等于所述耦入光栅的光栅周期。
[0010]
在本申请的一种可选地实施例中，所述第一惰性金属纳米层的厚度为5nm～1000nm；第一惰性金属纳米层在平行于所述耦入光栅所在的平面上，由所述耦入光栅指向所述耦出光栅的方向上的尺寸不大于所述投影光线的中心波长。
[0011]
在本申请的一种可选地实施例中，所述第一惰性金属纳米层为金纳米层、银纳米层或铂纳米层中的一种或多种纳米层。
[0012]
在本申请的一种可选地实施例中，所述耦出光栅为反射衍射光栅，所述耦出光栅贴合所述波导单元的表面设置有多个间隔分布的第二惰性金属纳米层。
[0013]
本申请还提供了一种ar显示设备，包括如上任一项所述的光波导器件和投影光机。
[0014]
本实用新型所提供的光波导器件，包括波导单元、设置在波导单元的端部的耦入
光栅、设置在波导单元上的耦出光栅；耦入光栅用于将投影光线进行衍射耦入波导单元内，并使得投影光线在波导单元内全反射传导，其中，耦入光栅接收投影光线照射的表面设置间隔分布的多个第一惰性金属纳米层，且第一惰性金属纳米层包括尖端结构。
[0015]
本申请的光波导器件中，在耦入光栅的光栅表面设置有间隔分布的多个第一惰性金属纳米层，且第一惰性金属纳米层包括尖端结构，该第一惰性金属纳米层的尖端结构对入射的光波的电场产生局部放大作用，进而提高了耦入光栅衍射耦入的光波的能量，提升耦入光栅的衍射效率，从而在一定程度上提高光波导器件对投影光线的光能量使用效率。
[0016]
本申请中还提供了一种ar显示设备，具有上述有益效果。
附图说明
[0017]
为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。
[0018]
图1为本申请实施例提供的光波导器件的结构示意图；
[0019]
图2a为本申请实施例提供的耦入光栅上第一惰性金属纳米层的局部结构示意图；
[0020]
图2b为本申请实施例提供的耦入光栅上第一惰性金属纳米层的另一局部结构示意图；
[0021]
图2c为本申请实施例提供的耦入光栅上第一惰性金属纳米层的另一局部结构示意图。
具体实施方式
[0022]
目前，光波导中常用浮雕光栅、体全息光栅等光栅作为耦入光栅，但浮雕光栅衍射效率较低，体全息光栅虽然具有较高的局部衍射效率，但是由于波长选择性较强，只针对特定波长表现出较高的衍射效率，在宽光谱上则表现出较低的平均衍射效率。
[0023]
而在ar显示设备中，显然投影光线的光谱范围是较宽的，也即是说耦入光栅难以实现对投影光机投射的所有波段的投影光线保持较高的衍射效率。
[0024]
为此，本申请提供了一种能够提升光波导对投影光机输出的投影光线的光能量利用率的技术方案。
[0025]
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0026]
如图1至图2c所示，图1为本申请实施例提供的光波导器件的结构示意图，图2a至图2c为本申请实施例提供的耦入光栅上第一惰性金属纳米层的三种不同的局部结构示意图，该光波导器件可以包括：
[0027]
波导单元1、设置在波导单元1的端部的耦入光栅2、设置在波导单元1上的耦出光栅3；
[0028]
耦入光栅2用于将投影光线进行衍射耦入波导单元1内，并使得投影光线在波导单
元1内全反射传导；
[0029]
其中，耦入光栅2接收投影光线照射的表面设置间隔分布的多个第一惰性金属纳米层21，且第一惰性金属纳米层21包括尖端结构。
[0030]
需要说明的是，本实施例中所指的第一惰性金属纳米层21的尖端结构是相对于光波电场而言的，并不仅限于锯齿状结构的尖端，也可以是每个第一惰性金属纳米层21本身尺寸较小，相对于光波电场而沿即为尖端结构。
[0031]
例如，第一惰性金属纳米层21本身为半径为200nm的圆片层，尽管可能不存在明确的尖端点，但相对于投影光线的光波电场也相当于尖端结构，可以实现电场的局部放大。
[0032]
可选地，该第一惰性金属纳米层21厚度为5nm～1000nm；第一惰性金属纳米层21在平行于耦入光栅所在的平面上，由耦入光栅指向耦出光栅的方向上的尺寸不大于投影光线的中心波长。
[0033]
例如，设定在平行于耦入光栅所在的平面上，耦入光栅指向耦出光栅的方向为第一方向，那么该第一惰性金属纳米层可以是垂直于第一方向的长条状金属纳米层，且在第一方向上的宽度尺寸小于投影光线的中心波长；第一惰性金属纳米层21也可以是边长尺寸小于投影光线的中心波长立方体结构。
[0034]
一般而言只要保证该第一惰性金属纳米层21可以形成一个尖端结构，能够对局部电场起到放大作用即可，这种尖端形状可以通过设定第一惰性金属纳米层21的形状和尺寸而形成，对于第一惰性金属纳米层21的具体形状和结构，本申请中不做具体限制。
[0035]
如图1所示，投影光机4内携带有虚拟图像信息的投影光线入射至波导单元1内，并在波导单元1和耦入光栅2的交界面发生衍射，使得衍射的投影光线在波导单元1的内部全反射传导；当波导单元1 内的投影光线入射至耦出光栅3和波导单元1的交界面时，投影光线可以一部分反射另一部分衍射，使得反射部分的光线继续在波导单元 1内部全反射传导，而衍射部分的投影光线可耦出波导单元1，被人眼捕获形成投影显示图像。
[0036]
光波属于电磁波，投影光线的传导也即可以视为电场能量和磁场能量的传导。本实施例中耦入光栅2上间隔设置有多个第一惰性金属纳米层21，当投影光线照射到耦入光栅2表面时，第一惰性金属纳米层21表面的金属纳米颗粒能够产生表面等离子共振基元。当第一惰性金属纳米层21的尺寸处于亚波长量级(该波长为投影光线的中心波长)时，表面等离子体共振基元内部的自由电子与投影光线的光波共振，会导致自由电子振荡而生成新的电场，这种新的电场也会在空间中形成光波，生成光波在很大程度上能增强第一惰性金属纳米层21 表面附近的局部光强。可以等效地认为该第一惰性金属纳米层同时放大了耦出光栅的局部电场，把原来自由空间中较为均匀分布的光波电场聚焦在耦入光栅2中，增加了耦入光栅2中的投影光线的光波电场能量总量。耦入光栅2本身具有放大特殊方向电场的功能。由于耦入光栅2周期性结构的影响，耦入光栅2可以通过光波电场相干相长的方式放大衍射方向上光波电场能量，耦入光栅2可以通过光波电场相干相消的方式消减非衍射方向上光波电场能量。第一惰性金属纳米层 21表面等离子基元在耦入光栅2中形成的局部放大的电场没有特殊的方向性，却增加了耦入光栅2中总的光波电场能量总量。耦入光栅2 将局部放大的光波电场在光栅衍射方向上释放到空间中形成能量更大的衍射光线。
[0037]
另外，因为第一惰性金属纳米层21对局部光波电场的放大作用与第一惰性金属纳米层21的尺度有着密切的关系。在一定的空间体积范围内，在越尖端的位置、越小的第一惰
性金属纳米层21上这种局部光放大越明显；在大面积、大尺度的第一惰性金属纳米层21上则不存在这种局部光放大或者这种放大效应很微弱。因此在耦入光栅2表面设置第一惰性金属纳米层21时，第一惰性金属纳米层21在耦入光栅2 表面是小面积间断设置。该第一惰性金属纳米层21在长宽维度上都具有亚波长量级的尺寸，且各个第一惰性金属纳米层21存在一定的间隔。因而亚波长量级的第一惰性金属纳米层21具有较强的局部光放大效应，一定的间隔为局部光强提供了一定的自由空间，避免受到相邻近的第一惰性金属纳米层21的再次影响。可以等效地认为该第一惰性金属纳米层21可以整体放大耦入光栅2中的局部电场，把原来自由空间中较为均匀分布的电场聚焦在耦入光栅2中，增加了耦入光栅2中的电场能量总量。由此，相较于传统的耦入光栅，镀第一惰性金属纳米层21的耦入光栅2增强了衍射方向的光束能量，而衍射方向的光束能量和入射的总电场能量的比即为耦入光栅2的衍射效率，所以镀第一惰性金属纳米层21的耦入光栅2具有更高的衍射效率。
[0038]
综上所述，本申请中光波导器件中，镀第一惰性金属纳米层21 能有效提高耦入光栅2的整体衍射效率，即提高耦入波导单元1内的投影光线的能量，从而提高了进入人眼的图象亮度和光能量。
[0039]
如前所述，本申请中的第一惰性金属纳米层21是间隔设置的，由于耦入光栅2相干相长过程中保持不同光栅周期段落内的光场能量分布相同、光场相位分布相同可以获得良好的干涉结果，保证不同光栅周期段落之间衍射效率的稳定性，因而可以将该第一惰性金属纳米层 21在耦入光栅2表面按照预定间距周期性间隔设置，如此，第一惰性金属纳米层21所产生的局部光强也具有周期性，每一个光栅周期段落内也同时具有相同的光场能量分布和光场相位分布。这种相同的光场分布在耦入光栅2的相干相长作用下将具有稳定，均匀的衍射效率。
[0040]
可以理解的是，本实施例中相邻的第一惰性金属纳米层21之间的间隔是指相邻的第一惰性金属纳米层21在平行于耦入光栅2所在平面上的间距，而各个第一惰性金属纳米层21在垂直于耦入光栅2的方向上的间距是和耦入光栅2表面的光栅结构相关。
[0041]
本实施例中的耦入光栅可以是浮雕光栅可以是体全息光栅。以浮雕光栅为例。因为耦入光栅2的光栅周期也是亚波长级别的，因此可以设置耦入光栅2的光栅周期和第一惰性金属纳米层21的分布周期相同。最简单的方式是如图2a至图2c所示在将耦入光栅2表面凸起部位或者时凹陷部分设置第一惰性金属纳米层21，或者还可以在耦入光栅2表面凸起部位和凹陷部位的部分表面设置第一惰性金属纳米层 21，只要第一惰性金属纳米层21的尺寸在亚纳米量级即可，对于第一惰性金属纳米层21的具体分布方式本申请中不做具体限制。
[0042]
另外，该第一惰性金属纳米层21可以采用金纳米层、银纳米层或铂纳米层中的一种或多种纳米层，对此本申请中不做具体限制。
[0043]
如前所述，经过耦入光栅2耦入至波导单元1内部的投影光线，需要经过多次全反射入射至波导单元1和耦出光栅3的交界面，经过耦出光栅3的衍射作用，将部分投影光线衍射耦出至人眼。如果该耦出光栅3为反射衍射光栅，而非透射衍射光栅，如图1所示，经过耦出光栅3衍射的投影光线需要再次经过波导元件1透射出射至人眼中，而投影光线在经过耦出光栅3发生衍射时，同样存在部分光线从耦出光栅3透射耦出至波导单元1之外，造成能量损失，因此可以在耦出光栅3的表面间隔设置第二惰性金属纳米层，该第二惰性金属纳米层
和第一惰性金属纳米层21的尺寸大小以及工作原理近似，在此本实施例中不再详细赘述。
[0044]
但因为耦入光栅2和耦出光栅3对衍射效率的要求不同，因此各个第二惰性金属纳米层之间的分布间隔和第一惰性金属纳米层21之间的分布间隔并不相同。对于耦出光栅3而言，可以通过改变第二惰性金属纳米层的面积大小、形状、间隔、种类等参数并设计不同衍射效率的光栅来优化耦出光栅3整体的耦出效果，在此不再详细论述。
[0045]
本申请中还提供了一种ar显示设备，该ar显示设备中包括如上任意一种光波导器件和投影光机。
[0046]
本实施例中的光波导器件中耦入光栅2上设置了惰性金属纳米层，使得投影光机4入射至光波导器件的投影光线因为耦入光栅2上的惰性金属纳米层对局部光波的放大作用，提升耦入光栅2对投影光线的衍射效率，进而提升光波导器件对投影光机4的投影光线的利用率，使得ar显示设备输出的虚拟图像更为明亮清晰，保证ar显示设备良好的显示效果。
[0047]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
[0048]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本实用新型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实用新型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，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。