实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置的制作方法

1.本发明涉及近眼显示领域，尤其涉及一种实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置。


背景技术：

2.增强现实(ar)与虚拟现实(vr)是近年来倍受关注的热点科技领域，伴随着5g技术的发展，其未来市场化前景已日趋明朗，使得近眼显示技术得到了快速发展。其中增强现实(ar)是一种将数字化信息(包括文字、图像、视频等)叠加到现实物理世界之上的技术，其显著特征是要兼具强透视性及强移动性，不影响对现实环境的正常观察，给用户带来移动场景的切实感受。目前市场上的ar眼镜采用的显示系统是各种微显示屏与棱镜、bird bath、自由曲面、光波导等光学元件的组合，能将虚拟图像耦合进入人眼。其中光波导显示技术因其轻薄、对外界光线的高穿透特性而被认为是ar眼镜走向消费级的必选光学方案，无论从光学效果、外观美化、量产前景来说，都具备很大的发展潜力。
3.现有的光波导总体上可分为几何光波导和衍射光波导两种。由于光栅在设计和生产上的灵活性，使得衍射光波导技术在可量产性和产品良率方面都比几何光波导具有更大的优势。得益于微加工技术和“平面光学”技术的发展，目前表面浮雕光栅波导被国际上多家大公司采用并已验证其可量产性。光栅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。由于采用和光纤技术一样的全反射原理，光栅波导显示器件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明。
4.然而由于衍射元件本身对于角度和波长的选择性，导致了光栅波导色散问题的存在，主要表现为fov和动眼框内的颜色不均匀即“彩虹效应”。目前采用的解决方案是将红绿蓝三色光分别耦合到三层波导里面(如图1所示)，每一层波导只传导单一颜色的光，对应的耦入、耦出光栅只针对某一个颜色而优化，即调整光栅参数使衍射角度达到最大fov，从而可以改善最终在动眼框范围的颜色均匀性，减小“彩虹效应”。但是由于针对某一颜色光而优化的光栅在一定角度范围内仍会衍射其他颜色的光，并且每一种颜色并不是对应一个波长而是覆盖一定波长范围，因此，这种叠层结构分层优化的光栅波导衍射元件方案，只能在一定程度上得以改善色散问题，并不能完全消除“彩虹效应”，并且对所覆盖颜色波段和入射角范围(即fov)很难兼顾。中国专利申请202111120326.4公开的一种共振波导光栅结构及近眼显示装置，利用共振波导光栅作为波导层的耦入、耦出光栅，实现了入射光耦入和耦出的共振衍射，虽解决了现有光栅波导等衍射元件的色散效应问题，从根本上消除了彩虹效应。但是这种共振波导光栅结构为实现彩色显示，至少需要三层光栅叠层设置形成层叠结构，增加了波导显示器件的体积和重量，不利于器件的小型化和轻便化。
5.有鉴于此，特提出本发明。
共振波导rgb三色入射光栅；201-红色子单元共振波导光栅；202-绿色子单元共振波导光栅；203-蓝色子单元共振波导光栅；300-多元复合共振波导rgb三色出射光栅；301-一组红绿蓝三单元共振波导光栅结构；302-二组红绿蓝三单元共振波导光栅结构；303-三组红绿蓝三单元共振波导光栅结构；30n-n组红绿蓝三单元共振波导光栅结构；30n1-红色子单元共振波导光栅；30n2-绿色子单元共振波导光栅；30n3-蓝色子单元共振波导光栅；110-人眼。
具体实施方式
23.下面结合本发明的具体内容，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，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
24.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
25.术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，x和/或y表示既包括“x”或“y”的情况也包括“x和y”的三种情况。
26.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
27.术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
28.除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
29.当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
30.术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为
对本文的限制。
31.下面对本发明所提供的实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
32.如图2所示，本发明实施例提供一种实现彩色显示的单层光栅波导显示器件，是一种能实现高质量彩色显示的单层多元共振光栅波导结构，包括：
33.透明波导片100、一个共振波导rgb三色入射光栅200和一个多元复合共振波导rgb三色出射光栅300；其中，
34.所述共振波导rgb三色入射光栅200和多元复合共振波导rgb三色出射光栅300分别设置在所述透明波导片100表面，所述共振波导rgb三色入射光栅200和多元复合共振波导rgb三色出射光栅300共用所述透明波导片100作为各自的透明波导基底，所述共振波导rgb三色入射光栅200经所述透明波导片100与所述多元复合共振波导rgb三色出射光栅300构成传导彩色图像的衍射光路。
35.如图3a所示，上述单层光栅波导显示器件中，所述多元复合共振波导rgb三色出射光栅300是由多个共振波导光栅rgb三色复合单元按一层紧密排列组成的单层结构的复合共振光栅波导结构；其中，每个共振波导光栅rgb三色复合单元分别对应单一入射角度的红光、绿光、蓝光的波长，相邻的共振波导光栅rgb三色复合单元对应不同入射角度的红光、绿光、蓝光的波长，组合后的全部共振波导光栅rgb三色复合单元覆盖视场角fov范围内全部入射角度的红光、绿光、蓝色的波长，即图3a中，fov＝θ1+θ2+θ3+θ4+...θn，即全部的共振波导光栅rgb三色复合单元对应的入射角度组成了视场角fov；
36.所述共振波导rgb三色入射光栅200包括：至少一组共振波导光栅rgb三色单元，全部的共振波导光栅rgb三色单元能覆盖视场角fov范围内全部入射角度的红光、绿光、蓝光的波长。
37.上述多元复合共振波导rgb三色出射光栅300中，每个共振波导光栅rgb三色复合单元由依次紧密排列的一个共振波导光栅红色子单元、一个共振波导光栅绿色子单元和一个共振波导光栅蓝色子单元组成，所述共振波导光栅红色子单元、共振波导光栅绿色子单元和共振波导光栅蓝色子单元分别对应单一入射角度的红光、绿光、蓝光的波长，且满足λr/ar＝λg/ag＝λb/ab，其中，λr、λg、λb分别为红光、绿光、蓝光的波长；ar、ag、ab分别为对应红光、绿光、蓝光的光栅周期，所述共振波导光栅红色子单元、共振波导光栅绿色子单元和共振波导光栅蓝色子单元能在单一入射角度与波长下产生衍射共振。
38.上述多元复合共振波导rgb三色出射光栅300的每个共振波导光栅rgb三色复合单元中，所述共振波导光栅红色子单元、共振波导光栅绿色子单元和共振波导光栅蓝色子单元的衍射效率相同。三个红、绿、蓝色子单元的尺寸大致相同。
39.上述多元复合共振波导rgb三色出射光栅300中，每个共振波导光栅rgb三色复合单元中单一子单元(即共振波导光栅红色子单元、共振波导光栅绿色子单元和共振波导光栅蓝色子单元)的宽度均为20～50微米；即每个共振波导光栅rgb三色复合单元的尺寸为像素级，能保证三色光的信息同时进入人眼，从而实现高质量彩色显示；
40.每个共振波导光栅rgb三色复合单元中每一红、绿、蓝色子单元均包含至少50个光栅周期，即r＝50，g＝50，b＝50。
41.相邻共振波导光栅单元之间相互连接或者相互之间间隔距离少于50微米。
42.参见图3b，上述单层光栅波导显示器件中，所述共振波导光栅红色子单元、共振波导光栅绿色子单元和共振波导光栅蓝色子单元的构成相同，均是由从上至下依次叠放设置的光栅层26、低折射率层24、高折射率层22和所述透明波导基底20构成：
43.所述光栅层26的光栅周期、高度、占空比和所述高、低折射率层的厚度的取值满足使该共振波导光栅结构对预定入射角度和波长的光产生共振模式。
44.上述的透明波导基底20与透明波导片100是共用的部件，即透明波导基底20即是透明波导片100。优选的，共振波导光栅红色子单元、共振波导光栅绿色子单元和共振波导光栅蓝色子单元的参数可由rcwa计算给出。
45.上述单层光栅波导显示器件中，所述多元复合共振波导rgb三色出射光栅300中，各共振波导光栅rgb三色复合单元中红、绿、蓝子单元的衍射效率相同。可以知道，由于出射光栅的尺寸较大，为能保证较好的图像显示效果，可以设置多个区域(每个区域都是由多个共振波导光栅rgb三色复合单元组成，如a、b、c
…
各区域)，多个区域拼接成单层的多元复合共振波导rgb三色出射光栅300，每个区域的全部共振波导光栅rgb三色复合单元均能覆盖视场角fov范围内全部入射角度的红光、绿光、蓝色的波长，且同一区域的全部共振波导光栅rgb三色复合单元衍射效率相同，而不同区域的共振波导光栅rgb三色复合单元的衍射效率不同，每个区域的共振波导光栅rgb三色复合单元的衍射效率是沿透明波导片100中光线传播方向依次增大的，这种结构能使得整个动眼框范围内出射光强度均匀。
46.上述单层光栅波导显示器件中，所述共振波导rgb三色入射光栅200可采用以下几种结构形式：
47.一种结构的共振波导rgb三色入射光栅200是由能覆盖视场角fov范围内全部入射角度的红光、绿光、蓝光波长的一组共振波导光栅rgb三色单元组成，该共振波导光栅rgb三色单元由依次紧密排列的红色子单元共振波导光栅、绿色子单元共振波导光栅和蓝色子单元共振波导光栅组成；
48.所述共振波导光栅rgb三色单元中，红色子单元共振波导光栅、绿色子单元共振波导光栅和蓝色子单元共振波导光栅对应全部入射角度的红光、绿光、蓝光的波长，能将fov范围内所有波长光共振耦入透明波导片；
49.优选的，一组共振波导光栅rgb三色单元中，红色子单元共振波导光栅、绿色子单元共振波导光栅和蓝色子单元共振波导光栅的尺寸相等，长x均为：5～10mm(毫米)；宽y均为：5～10mm，这种尺寸为宏观尺寸的共振波导光栅rgb三色单元；
50.这种共振波导rgb三色入射光栅200的结构较简单，其中，红色子单元共振波导光栅由对应红色波长的多个不同对应角度(这些角度之和等于视场角fov范围内红光的全部入射角度)的红色子单元共振波导光栅横向拼接而成，同理，绿色子单元共振波导光栅是由多个不同对应角度(这些角度之和等于视场角fov范围内绿光的全部入射角度)的绿色子单元共振波导光栅横向拼接而成，蓝色子单元是由多个不同对应角度(这些角度之和等于视场角fov范围内蓝光的全部入射角度)的蓝色子单元共振波导光栅横向拼接而成。
51.另一种结构的共振波导rgb三色入射光栅200可以是与出射光栅300类似的多元复
合共振波导光栅，由能覆盖视场角fov范围内全部入射角度的红光、绿光、蓝光波长的多组共振波导光栅rgb三色复合单元组成，每组共振波导光栅rgb三色复合单元均由依次紧密排列的红色子单元共振波导光栅、绿色子单元共振波导光栅和蓝色子单元共振波导光栅组成，每一结构单元的宽度为像素级大小。每个共振波导光栅rgb三色复合单元分别对应单一入射角度的红光、绿光、蓝光的波长，组合后的全部共振波导光栅rgb三色复合单元覆盖视场角fov范围内全部入射角度的红光、绿光、蓝色的波长。
52.每组共振波导光栅rgb三色复合单元中，红色子单元共振波导光栅、绿色子单元共振波导光栅和蓝色子单元共振波导光栅对应单一入射角度的红光、绿光、蓝光波长，能在单一入射角度与波长下产生衍射共振；相邻共振波导光栅rgb三色复合单元对应不同入射角度的红光、绿光、蓝光的波长。
53.这种结构的共振波导rgb三色入射光栅200与多元复合共振波导rgb三色出射光栅300的结构类似，但由于入射光栅的尺寸小于出射光栅的尺寸，因此，无需像出射光栅300那样设置不同区域，入射光栅200面积大致为：长x为：5～10mm(毫米)；宽y为：5～10mm；此区域内所有共振波导光栅rgb三色复合单元覆盖视场角fov范围内所有红，绿，蓝光波长，所有子单元的共振衍射效率相同。
54.上述共振波导rgb三色入射光栅200中，每组共振波导光栅rgb三色复合单元中，红色子单元共振波导光栅、绿色子单元共振波导光栅和蓝色子单元共振波导光栅的构成相同，均是由从上至下依次叠放设置的光栅层、低折射率层、高折射率层和透明波导基底构成，结构可参见图3b：
55.所述光栅层的光栅周期、高度、占空比和所述高、低折射率层的厚度的取值满足使该共振波导光栅结构对预定波长和入射角度的光产生共振模式。
56.上述的透明波导基底与透明波导片100是共用的部件，即透明波导基底即是透明波导片100。优选的，红色子单元共振波导光栅、绿色子单元共振波导光栅和蓝色子单元共振波导光栅的参数可由rcwa计算给出。
57.本发明实施例还提供一种近眼显示装置，采用上述的实现彩色显示的单层光栅波导显示器件。
58.综上可见，本发明实施例的光栅波导衍射元件通过在透明波导片表面分别设置一个共振波导rgb三色入射光栅和一个多元复合共振波导rgb三色出射光栅，形成一种单层结构的能实现均匀彩色显示的光栅波导器件，其体积小、重量轻，不仅实现了器件的小型化，也很好的解决了彩虹效应，实现均匀的高质量彩色显示。
59.为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置进行详细描述。
60.实施例1
61.如图2所示，本发明实施例提供一种能实现高质量彩色显示的单层光栅波导显示器件,应用于ar、vr等近眼显示装置，实现单层光栅波导无色散rgb全彩显示。该单层光栅波导显示器件的结构如图2所示，包括：透明波导片100、一个共振波导rgb三色入射光栅200和一个多元复合共振波导rgb三色出射光栅300；所述共振波导rgb三色入射光栅200和多元复合共振波导rgb三色出射光栅300分别设置在所述透明波导片100表面，所述共振波导rgb三
色入射光栅200和多元复合共振波导rgb三色出射光栅300共用所述透明波导片100作为各自的透明波导基底，所述共振波导rgb三色入射光栅200经所述透明波导片100与所述多元复合共振波导rgb三色出射光栅300构成传导彩色图像的衍射光路。
62.其中，共振波导rgb三色入射光栅200与多元复合共振波导rgb三色出射光栅300均是共振波导光栅结构，这种结构的共振波导光栅，在一定入射角度和波长下能产生衍射共振，对其它波长和入射角度的光衍射效率接近于零，可通过对光栅结构参数的调节实现对衍射共振的控制，使红、绿、蓝光在相同角度下发生衍射共振，进而从根本上消除“彩虹效应”，实现高色纯度全彩显示，并且由于是单层结构保证了器件的小型化。其中，多元复合共振波导出射光栅300由多个共振波导光栅rgb三色复合单元紧密排列组成单层结构，每个共振波导光栅rgb三色复合单元包含依次排列的一个共振波导光栅红色子单元、一个共振波导光栅绿色子单元和一个共振波导光栅蓝色子单元，即rgb三单元复合结构，优选的，每个共振波导光栅rgb三色复合单元中单一子单元的宽度为20～50微米，即每个共振波导光栅rgb三色复合单元的宽度为像素级大小，且每个共振波导光栅rgb三色复合单元对应于一定入射角度范围的红光、绿光和蓝光的波长，参见图2。具体的，多元复合共振波导rgb三色出射光栅300结构如图3a所示，由多个共振波导光栅rgb三色复合单元依次紧密排列组成，每个共振波导光栅rgb三色复合单元中单一红，绿，蓝光子单元包含至少50个光栅周期，相邻共振波导光栅rgb三色复合单元之间相互连接或者相互之间距离少于50微米。每个共振波导光栅子单元的光栅结构具体如图3b所示，是一种共振波导光栅，能在对应入射角度和入射波长下产生衍射共振，对其它波长和入射角度的光衍射效率接近于零。
63.图4所示为当波长为520nm、te偏振的光入射到共振波导光栅rgb三色复合单元中的绿色子单元上时，在入射角度为11
°
时得到-1级衍射共振，衍射效率为60％；如图3a所示，多元复合共振波导rgb三色出射光栅300对应于每一入射角度由包含红、绿、蓝三种颜色入射光的一个共振波导光栅rgb三色复合单元组成。可通过调节对应于每一颜色波长的共振波导光栅的结构参数，使红、绿、蓝光在相同入射角度下发生衍射共振，并且每个颜色的共振波导光栅子单元的光栅周期满足λr/ar＝λg/ag＝λb/ab，λr、λg、λb分别为红光、绿光、蓝光的波长，ar、ag、ab分别为对应红光、绿光、蓝光的光栅周期，即保持入射光波长λ与光栅周期a的比值相同，由光栅公式可知此时衍射角度亦相同。同时通过结构参数的调节使红、绿、蓝光共振衍射效率接近相同，从根本上消除“彩虹效应”，实现高色纯度全彩显示。图5所示为红、绿、蓝光在相同入射角度下(11
°
)发生衍射共振的rcwa仿真结果。如图3a所示，多元复合共振波导光栅rgb三色出射光栅300覆盖视场角fov范围内红、绿、蓝波长光的共振衍射，由于每个共振波导光栅rgb三色子单元的宽度为20～50微米，远小于人眼瞳孔直径，所以能够保证红、绿、蓝(rgb)三色光的信息同时进入人眼，从而实现高质量彩色显示。
64.共振波导rgb三色入射光栅200同样采用共振波导光栅结构，如图2所示，共振波导rgb三色入射光栅200可由宏观尺寸的红，绿，蓝共振波导光栅(即一组rgb三色子单元共振波导光栅，包括红色子单元共振波导光栅、绿色子单元共振波导光栅和蓝色子单元共振波导光栅)组成，入射的红光101、绿光102、蓝光103分别入射到对应的红色子单元共振波导光栅201、绿色子单元共振波导光栅202、蓝色子单元共振波导光栅203上；对应单一颜色光的子单元共振波导光栅均由对应不同入射角度的共振波导光栅横向拼接而成，这样不同颜色的子单元共振波导光栅均能覆盖视场角fov范围内对应颜色光波长的全部入射角度。同样，
共振波导rgb三色入射光栅200的结构也可以是类似于多元复合共振波导rgb三色出射光栅300那样结构的多元复合共振波导光栅，由多个共振波导光栅单元结构紧密排列组成，每一结构单元的宽度为像素级大小。
65.为实现扩瞳，多元复合共振波导rgb三色出射光栅300面积可以较大，如图6所示。出射光栅可以分为a，b，c，d
…
若干区域，每一区域覆盖视场角fov范围内所有入射角度的红光、绿光、蓝光波长的共振波导光栅单元结构。因为在光线耦出的过程中透明波导片中的光能逐渐衰减，使得耦出透明波导片的光沿着传导方向逐渐减弱。为使出射光强度均匀，可以将a，b，c，d
…
每个区域的光栅设计为不同的衍射效率，即沿透明波导片中光线传播方向每个区域光栅衍射效率逐渐提高。在不同区域中，对应每一入射角度和入射波长，通过调节光栅结构参数，例如调节光栅高度与低折射率层厚度的相对比值，在不改变共振衍射角度的前提下得到不同的光栅衍射效率，即实现相同衍射角度下不同的衍射效率，沿着光在透明波导片中的传播方向，a，b，c，d
…
若干区域中光栅衍射效率逐渐提高，使得整个动眼框范围内出射光强度均匀。
66.综上可见，本发明实施例的单层光栅波导显示器件，由于是单层结构，体积和重量较小，保证了器件小型化，能有效降低近眼显示装置的体积和重量，并且能很好的解决由传统衍射元件引起的光栅波导颜色不均匀的问题，实现无色散彩色显示。
67.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。