超表面光栅波导和近眼显示装置的制作方法

1.本发明涉及光学技术领域，尤其涉及超表面光栅波导和近眼显示装置。


背景技术：

2.虚拟现实技术（virtual reality，vr）指利用计算机生成一种可对参与者直接施加视觉、听觉和触觉感受，并允许其交互地观察和操作的虚拟世界的技术。增强现实技术（augmented reality，ar）是一种将虚拟环境信息叠加在真实世界中并加以有效利用的一种新型显示技术。近眼显示设备是增强现实技术和虚拟现实技术的重要组成部分，而光波导是实现增强现实和虚拟现实的近眼显示设备高性能与微型化等特性的核心光学元件。
3.光波导主要分为几何光波导和衍射光波导，几何光波导原理简单，其制备技术较为完善并且可以实现量产，但视场角与出瞳范围较小、制备工艺复杂；衍射光波导则具有极高的设计自由度及优良的性能，但成像时存在的彩虹纹与色散等问题仍待解决。


技术实现要素：

4.本发明提供超表面光栅波导和近眼显示装置，用以解决现有技术中衍射光波导存在色差和彩虹纹，影响显示效果的问题。
5.本发明提供一种超表面光栅波导，包括：波导基底、超表面耦入光栅和耦出光栅，超表面耦入光栅和耦出光栅设置于波导基底表面；其中，超表面耦入光栅包括第一初等光栅、第二初等光栅和第三初等光栅；任一初等光栅内包括多条等间隔分布的纳米条，任一初等光栅内的纳米条的高度相同；纳米条在不同初等光栅内的分布周期不相同；纳米条在不同初等光栅内的高度不相同；其中，第一初等光栅的共振波长与红光对应；第二初等光栅的共振波长与绿光对应，第三初等光栅的共振波长与蓝光对应。
6.根据本发明提供的一种超表面光栅波导，纳米条在第一预设方向上连续分布，或者，纳米条在第一预设方向上间隔分布。
7.根据本发明提供的一种超表面光栅波导，部分纳米条在第一预设方向上连续分布，且部分纳米条在第一预设方向上间隔分布。
8.根据本发明提供的一种超表面光栅波导，所述纳米条的长度为0.05μm~1μm、所述纳米条的宽度为0.01μm~0.5μm，所述纳米条的高度为0.02μm~0.8μm。
9.根据本发明提供的一种超表面光栅波导，第一初等光栅包括多条第一纳米条，第一纳米条沿第二预设方向以第一周期等间隔分布；第二初等光栅包括多条第二纳米条，第二纳米条沿第二预设方向以第二周期等间隔分布；第三初等光栅包括多条第三纳米条，第三纳米条沿第二预设方向以第三周期等间隔分布；其中，第二周期大于第三周期且小于第一周期；第一纳米条的高度为第一高度，第二纳米条的高度为第二高度，第三纳米条的高度为第三高度；其中，第二高度大于第三高度且小于第一高度。
10.根据本发明提供的一种超表面光栅波导，红光波长和第一周期的比值、绿光波长
和第二周期的比值以及蓝光波长和第三周期的比值均大于0.8且小于1.3。
11.根据本发明提供的一种超表面光栅波导，红光波长和第一周期的比值、绿光波长和第二周期的比值以及蓝光波长和第三周期的比值均相等。
12.根据本发明提供的一种超表面光栅波导，第一纳米条在第一预设方向上间隔分布有若干第一子纳米条；第二纳米条在第一预设方向上间隔分布有若干第二子纳米条；第三纳米条在第一预设方向上间隔分布有若干第三子纳米条；其中，第一子纳米条、第二子纳米条和第三子纳米条的分布方向各不相同。
13.根据本发明提供的一种超表面光栅波导，超表面耦入光栅用于将携带有图像信息的图像光线耦入到波导基底中；耦出光栅用于将在波导基底内传导的图像光线耦出。
14.本发明还提供一种近眼显示装置，包括：包括微显示器和上述的超表面光栅波导；微显示器用于输出图像光线。
15.本发明提供的超表面光栅波导和近眼显示装置，超表面光栅波导包括：波导基底、超表面耦入光栅和耦出光栅，超表面耦入光栅和耦出光栅设置于波导基底表面；超表面耦入光栅包括第一初等光栅、第二初等光栅和第三初等光栅；任一初等光栅内包括多条等间隔分布的纳米条，任一初等光栅内的纳米条的高度相同；纳米条在不同初等光栅内的分布周期不相同；纳米条在不同初等光栅内的高度不相同；第一初等光栅的共振波长与红光对应；第二初等光栅的共振波长与绿光对应，第三初等光栅的共振波长与蓝光对应。本发明的超表面光栅波导把超表面光栅作为耦入光栅，可以消除色差；还可以有扩大视场角，解决彩虹纹的问题。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
17.图1是本发明超表面光栅波导一实施例的俯视结构示意图；图2是本发明超表面耦入光栅一实施例的俯视结构示意图；图3是本发明超表面耦入光栅一实施例的俯视结构示意图；图4是本发明超表面耦入光栅另一实施例的俯视结构示意图；图5是本发明超表面耦入光栅又一实施例的俯视结构示意图；图6是本发明超表面耦入光栅再一实施例的俯视结构示意图。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。
19.本发明提供一种超表面光栅波导，请参阅图1，图1是本发明超表面光栅波导一实施例的俯视结构示意图。在本实施例中，超表面光栅波导可以包括：波导基底10、超表面耦
入光栅20和耦出光栅30。超表面耦入光栅20和耦出光栅30设置于波导基底表面10。
20.超表面耦入光栅20用于将携带有图像信息的图像光线耦入到波导基底10中；耦出光栅30用于将在波导基底10内传导的图像光线耦出。
21.可选地，耦出光栅30可以将来自超表面耦入光栅20并在波导基底10内以全反射方式传导的图像光线沿两个方向衍射扩展的同时，耦出到人眼成像。
22.衍射光波导主要可分为表面浮雕光栅波导与体全息光栅波导，表面浮雕光栅波导的技术较为成熟，市场中基于衍射光波导的ar近眼显示设备大多都采用了表面浮雕光栅波导。
23.本实施例的超表面耦入光栅使用的是纳米条，结构安全不易损坏。并且还使用了超表面的pb相位原理，对圆偏振光进行识别，可以进行图像加密处理和3d图像处理等等，进一步增强消色差的效果。
24.其中，超表面耦入光栅20包括第一初等光栅、第二初等光栅和第三初等光栅；任一初等光栅内包括多条等间隔分布的纳米条，任一初等光栅内的纳米条的高度相同；纳米条在不同初等光栅内的分布周期不相同；纳米条在不同初等光栅内的高度不相同；其中，第一初等光栅的共振波长与红光对应；第二初等光栅的共振波长与绿光对应，第三初等光栅的共振波长与蓝光对应。
25.其中，纳米条可以是纳米凹槽条或者纳米突脊条。具体可以根据实际产品情况选择设置为纳米凹槽条或者纳米突脊条。
26.请参阅图2，图2是本发明超表面耦入光栅一实施例的俯视结构示意图。第一初等光栅包括多条第一纳米条21，第一纳米条21沿第二预设方向以第一周期p1等间隔分布；第二初等光栅包括多条第二纳米条22，第二纳米条22沿第二预设方向以第二周期p2等间隔分布；第三初等光栅包括多条第三纳米条23，第三纳米条23沿第二预设方向以第三周期p3等间隔分布。
27.其中，第二周期大于第三周期且小于第一周期，即p3＜p2＜p1。第一纳米条的高度为第一高度h1，第二纳米条的高度为第二高度h2，第三纳米条的高度为第三高度h3；其中，第二高度大于第三高度且小于第一高度，即h3＜h2＜h1。
28.可选地，第一周期为0.62μm，第二周期为0.54μm，第三周期为0.45μm；第一高度为0.32μm，第二高度为0.25μm，第三高度为0.22μm。
29.初等光栅中的纳米条的高度决定了增强衍射所对应的共振波长，并固定共振波长与光栅周期的比值，实现消色差运算。这样的超表面耦入光栅被用来演示可见光的消色差衍射和聚焦。
30.请参阅图3，图3是本发明超表面耦入光栅一实施例的俯视结构示意图。在（a）图中，波导基底10上设置有等间隔分布的三条第一纳米条21，可以看作是第一初等光栅；在（b）图中，波导基底10上设置有等间隔分布的五条第二纳米条22，可以看作是第二初等光栅；在（c）图中，波导基底10上设置有等间隔分布的七条第三纳米条23，可以看作是第三初等光栅。
31.在（d）图中，是将第一初等光栅、第二初等光栅和第三初等光栅融合到同一个波导基底10，从而得到的超表面耦入光栅。需要说明的是，图3中的纳米条都是纳米凹槽条。
32.可选地，纳米条在第一预设方向上连续分布，或者，纳米条在第一预设方向上间隔
分布。请参阅图2和图4，图4是本发明超表面耦入光栅另一实施例的俯视结构示意图。
33.在图2所示的超表面光栅波导中，每条纳米条在第一预设方向上连续分布，其中，第一预设方向可以是水平x轴方向；每条纳米条平行。
34.多条第一纳米条21沿第二预设方向以第一周期p1等间隔分布；多条第二纳米条22沿第二预设方向以第二周期p2等间隔分布；多条第三纳米条23沿第二预设方向以第三周期p3等间隔分布；其中，第二预设方向为垂直y轴方向。
35.第一纳米条21、第二纳米条22和第三纳米条23之间可以重叠。
36.在图4所示的超表面光栅波导中，每条纳米条在第一预设方向上间隔分布，其中，第一预设方向可以是水平x轴方向；每条纳米条平行。
37.多条第一纳米条21沿第二预设方向以第一周期p1等间隔分布；多条第二纳米条22沿第二预设方向以第二周期p2等间隔分布；多条第三纳米条23沿第二预设方向以第三周期p3等间隔分布；其中，第二预设方向为垂直y轴方向。
38.其中，被分隔的第一纳米条21的长度不相等。第一纳米条21、第二纳米条22和第三纳米条23被分隔的位置相同。第一纳米条21、第二纳米条22和第三纳米条23在相同水平位置的长度相同。
39.在一些实施例中，部分纳米条在第一预设方向上连续分布，且部分纳米条在第一预设方向上间隔分布。请参阅图5，图5是本发明超表面耦入光栅又一实施例的俯视结构示意图。
40.在图5所示的超表面光栅波导中，部分纳米条在第一预设方向上连续分布，且部分纳米条在第一预设方向上间隔分布。其中，第一预设方向可以是水平x轴方向；每条纳米条平行。
41.多条第一纳米条21沿第二预设方向以第一周期p1等间隔分布；多条第二纳米条22沿第二预设方向以第二周期p2等间隔分布；多条第三纳米条23沿第二预设方向以第三周期p3等间隔分布；其中，第二预设方向为垂直y轴方向。
42.其中，每条被分隔的纳米条的长度可以不相等或不相等。第一纳米条21、第二纳米条22和第三纳米条23被分隔的位置不相同。一条被分隔的纳米条中可以有多个分隔点。
43.以上，纳米条的分布方式可以结合实际使用情况进行更改，本领域的技术人员可以理解，在此不多赘述。
44.根据本发明提供的一种超表面光栅波导，所述纳米条的长度为0.05μm~1μm、所述纳米条的宽度为0.01μm~0.5μm，所述纳米条的高度为0.02μm~0.8μm。
45.可选地，红光波长λ1和第一周期p1的比值、绿光波长λ2和第二周期p2的比值以及蓝光波长λ3和第三周期p3的比值均大于0.8且小于1.3。优选地，波长和周期的比值λ/p为1.1。虽然在理论研究中，λ/p = 1时可以实现适用角度范围的最大，然而本实施例中选择最优值略大于1，这是的共振峰不仅延伸了较大的适用角度范围，而且表现出最平坦的剖面。
46.进一步地，红光波长λ1和第一周期p1的比值、绿光波长λ2和第二周期p2的比值以及蓝光波长λ3和第三周期p3的比值均相等。根据以下一阶衍射公式：其中是反射角，是入射角，λ和p分别为入射光的波长和光栅的周期。由公式可
知，反射角依赖于光的波长，这就是众所周知的存在于普通光栅中的色散。然而，如果λ/p是固定的，那么对于给定的入射角，反射角将是固定的。因此，为了获得多个波长的相同衍射角，本实施例可以选择适用多个初等光栅，并且波长/周期的比值固定，即λ1 /p1=λ2/p2-=λ3 /p3。通过将这些基本光栅组合在一起，可以得到实现消色差的超表面光栅。
47.在圆偏振基下，通过旋转半波片的方向，可以实现相位的调制，这个就是pb相位调制的原理。pb器件通过调整空间变化的半波片方向，从而引入空间变化的相位分布。本发明基于pb相位的超表面耦入光栅波导，通过第一纳米条、第二纳米条和第三纳米条之间不同的分布方向，利用在平面内0-180
°
指向变化，来控制光学波前0-2π相位变化，从而实现复杂光学相位器件。
48.在图2，图4-图5中，第一纳米条、第二纳米条和第三纳米条之间的分布方向相同，即三条纳米条平行。
49.请参阅图6，图6是本发明超表面耦入光栅再一实施例的俯视结构示意图。在图6中，第一纳米条在第一预设方向上间隔分布有若干第一子纳米条；第二纳米条在第一预设方向上间隔分布有若干第二子纳米条；第三纳米条在第一预设方向上间隔分布有若干第三子纳米条。其中第一预设方向为水平x轴方向。
50.其中，第一子纳米条、第二子纳米条和第三子纳米条的分布方向各不相同。通过调节第一子纳米条、第二子纳米条和第三子纳米条的分布方向可实现pb相位调节，从而进一步实现消色差的效果。
51.需要说明的是第一子纳米条、第二子纳米条和第三子纳米条的分布方向需要满足入射光0-2π相位变化。
52.对超表面耦入光栅进行仿真试验，研究不同高度的纳米条对相邻纳米条之间不同间距的耦合效应，其中λ/p固定。得出以下结论：当槽间距大于临界间距时，共振峰保持在相同的波长位置，而只要间距小于临界间距，峰值就会急剧地向较长的波长移动。而且波长越长，临界间距越大，这可以归因于有效耦合长度与工作波长之间的正相关关系。
53.综上，本实施例提供一种超表面光栅波导，包括：波导基底、超表面耦入光栅和耦出光栅，超表面耦入光栅和耦出光栅设置于波导基底表面；超表面耦入光栅包括第一初等光栅、第二初等光栅和第三初等光栅；任一初等光栅内包括多条等间隔分布的纳米条，任一初等光栅内的纳米条的高度相同；纳米条在不同初等光栅内的分布周期不相同；纳米条在不同初等光栅内的高度不相同；第一初等光栅的共振波长与红光对应；第二初等光栅的共振波长与绿光对应，第三初等光栅的共振波长与蓝光对应。本发明的超表面光栅波导把超表面光栅作为耦入光栅，可以消除色差；还可以有扩大视场角，解决彩虹纹的问题。
54.此外，本发明还提供一种近眼显示装置，包括微显示器和上述的衍射波导光学元件；微显示器用于输出图像光线。在此不多赘述，具体可参阅上述实施例。
55.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
56.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。