二维衍射光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备的制作方法

1.本发明涉及光波导技术领域，尤其涉及一种二维衍射光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备。


背景技术：

2.增强现实（augmented reality，ar）技术是一种将计算机生成的虚拟信息与现实世界相互融合的技术。以ar眼镜为代表的ar近眼显示装置，通过一系列光学成像元件将微显示器的画面传递到人眼，且其透视特性使得现实景物同时映入人眼，现实体验感被极大增强。目前比较成熟的光学成像方案主要包括棱镜、自由曲面、离轴全息透镜、阵列波导、体全息光栅波导和衍射光栅波导等。其中，衍射光栅波导主要利用光刻技术在波导表面制作表面浮雕光栅来实现图像的耦入和耦出，视场角大，波导重量轻，且其工艺过程与半导体行业成熟的制造技术兼容，批量生产良率高。因此，衍射光栅波导是一种备受青睐的ar显示光学成像方案。
3.二维衍射光栅波导采用一维耦入光栅和二维耦出光栅两个区域，耦出光栅区域同时具有扩展和耦出的功能，但其出瞳均匀性和视场均匀性是一大挑战。光束在耦出光栅区域传播的过程中不断将部分光扩展和耦合出，使得在远离耦入光栅的方向上，穿过耦出光栅的光束的强度不断降低，导致耦出光栅的出光效率在临近耦入光栅的一侧较高，在远离耦入光栅的另一侧较低，最终导致出瞳不均匀性。
4.相关技术中，会对耦出光栅区域进行分区，不同区域的光栅周期相同，光栅参数不同（如高度或结构大小等），从而调节不同区域的耦出效率，达到整个耦出光栅区域的出光均匀。然而，这种方法使得不同区域采用不同的光栅参数，增加了加工的难度，提高了加工的成本。


技术实现要素：

5.本发明提供一种二维衍射光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，用以解决现有技术中衍射光波导出瞳不均匀或者二维衍射光栅加工难度高的问题。
6.本发明提供一种二维衍射光栅，包括：多个光学结构，所述光学结构为开口圆环形，所述多个光学结构的内径相同，所述多个光学结构的外径相同；所述多个光学结构分别在第一方向和第二方向上等间隔排列，所述第一方向与所述第二方向的夹角大于20
°
且小于160
°
。
7.在一些实施例中，所述光学结构的不同旋转角度对应不同的衍射效率，所述旋转角度为所述光学结构的对称线与水平方向的夹角。
8.在一些实施例中，至少两个所述光学结构分别对应不同的旋转角度。
9.在一些实施例中，所述光学结构的不同张角对应不同的衍射效率；其中，所述张角为所述光学结构的几何中心分别与所述光学结构的开口处两端的连线之间的夹角。
10.在一些实施例中，至少两个所述光学结构分别对应不同的张角。
11.在一些实施例中，所述张角的调节范围为大于等于20
°
且小于等于100
°
。
12.在一些实施例中，至少两个所述光学结构分别对应不同的张角和不同的旋转角度。
13.在一些实施例中，所述第一方向上相邻的光学结构的几何中心之间的间隔为200nm~2μm，所述第二方向上相邻的光学结构的几何中心之间的间隔为200nm~2μm。
14.本发明还提供一种二维衍射光波导，包括：波导基底以及设置于所述波导基底表面的一维耦入光栅和如上所述的二维衍射光栅，所述二维衍射光栅包括多个像素化排列的分区，每个分区设置有所述光学结构；其中，所述一维耦入光栅用于将携带有图像信息的入射光线耦入到波导中；所述二维衍射光栅用于将来自所述一维耦入光栅并在波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展的同时，耦出到人眼成像。
15.本发明还提供一种近眼显示设备，包括如上所述的二维衍射光波导。
16.本发明提供的二维衍射光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，通过采用多个开口圆环形的光学结构，并调节光学结构的旋转角度和张角，不仅可以降低二维衍射光栅的加工难度，还使得衍射光可以沿水平方向和垂直方向有效扩展，提高了二维衍射光波导的出瞳均匀性。
17.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.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。
19.图1是本发明提供的二维衍射光栅的结构示意图；图2是本发明提供的二维衍射光栅的不同衍射级次的衍射效率变化示意图之一；图3是本发明提供的二维衍射光栅的不同衍射级次的衍射效率变化示意图之二；图4是本发明提供的二维衍射光栅的不同衍射级次的衍射效率变化示意图之三；图5是本发明提供的二维衍射光波导的结构示意图之一；图6是本发明提供的二维衍射光栅的光学结构张角示意图；图7是本发明提供的二维衍射光栅的不同衍射级次的衍射效率变化示意图之四；图8是本发明提供的二维衍射光波导的结构示意图之二。
具体实施方式
20.下面将详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本发明实施例提供的二维衍射光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备进行描述。
23.图1是本发明提供的二维衍射光栅的结构示意图。
24.参照图1，本发明提供的二维衍射光栅包括：多个光学结构10，光学结构10为开口圆环形，多个光学结构10的内径相同，多个光学结构10的外径相同；多个光学结构10分别在第一方向和第二方向上等间隔排列，第一方向与第二方向的夹角大于20
°
且小于160
°
。
25.在实际执行中，光学结构10为开口圆环形，例如可以是c字形环、半圆环或其他不同圆心角的弧形环。
26.每个光学结构10的内径相同，且每个光学结构10的外径相同。内径指的是开口圆环的内直径，外径指的是开口圆环的外直径。
27.开口圆环的结构参数除了内径和外径之外，还包括旋转角度和张角。旋转角度用于指示开口朝向，即圆环开口的最终指向。张角用于指示开口圆环的开口大小，例如：如果张角为180
°
，则为半圆环。
28.在实际执行中，多个光学结构分别在第一方向和第二方向上等间隔排列，形成二维阵列排布，从而可以获得第一方向上的光栅和第二方向上的光栅。其中，第一方向和第二方向为二维的不同方向，且第一方向与第二方向的夹角大于20
°
且小于160
°
，在此不做具体限定。
29.二维衍射光栅由两个方向的光栅相交排布而成，第一方向和第二方向的夹角一般可以取60
°
。
30.在一些实施例中，第一方向上相邻的光学结构的几何中心之间的间隔为200nm~2μm，第二方向上相邻的光学结构的几何中心之间的间隔为200nm~2μm。
31.可以理解的是，二维衍射光栅在水平方向和垂直方向的周期取值范围分别为200nm~2μm。
32.在实际执行中，如图1所示，光学结构10可以为c字形光栅单元结构，多个c字形光栅单元结构沿两个方向阵列排布组成二维衍射光栅。每个c字形光栅单元结构的内径相同，每个c字形光栅单元结构的外径相同。
33.图2是本发明提供的二维衍射光栅的不同衍射级次的衍射效率变化示意图之一。本发明提供的二维衍射光栅可以将入射光主要沿三个方向扩展。
34.如图2所示，包括（0，0）、（-1，1）和（1，1）三个衍射级次。入射角为52
°
时，三个衍射级次的效率分别为88%、2.01%和1.69%，表明衍射光可以有效地沿水平方向和垂直方向扩展。另外，还有（0，2）衍射级次的光，垂直于光栅所在平面出射进入人眼成像，（0，2）衍射级次的效率为0.06%，表明（0，2）衍射级次可以以非常低的衍射效率耦出衍射波导进入人眼成
像，从而更多的光能量可以在衍射波导内出瞳扩展，使得衍射波导的出瞳均匀性更好。
35.图3是本发明提供的二维衍射光栅的不同衍射级次的衍射效率变化示意图之二。
36.如图3所示，图3给出了（0，0）、（-1，1）、（1，1）和（0，2）级次的衍射效率随入射角的变化，入射角为40
°
~80
°
时，（0，2）级次的衍射效率变化范围为0.01%~0.08%，同时（-1，1）和（1，1）级次的衍射效率变化范围分别为0.25%~3.4%和0.33%~1.85%，（0，0）级次的衍射效率变化范围为87.7%~97%，表明入射角变化时，（0，2）衍射级次都可以以非常低的衍射效率耦出衍射波导进入人眼成像，同时（-1，1）和（1，1）衍射级次都可以以较高的衍射效率沿水平方向在波导内扩展传导，且（0，0）衍射级次也可以以较高的衍射效率沿垂直方向在波导内扩展传导，因此更多的光能量可以在衍射波导内出瞳扩展，使得衍射波导的出瞳均匀性更好。
37.本发明提供的二维衍射光栅，通过采用多个开口圆环形的光学结构，光栅结构简单，使得衍射光可以沿水平方向和垂直方向有效扩展，提高了二维衍射光波导的出瞳均匀性。
38.在一些实施例中，光学结构10的不同旋转角度对应不同的衍射效率，旋转角度为光学结构10的对称线与水平方向的夹角。
39.在实际执行中，光学结构10为开口圆环形，多个光学结构10可以设置相同或不同的开口朝向，不同的开口朝向说明该光学结构10具有不同的旋转角度。
40.可以在光学结构10的对称线与水平方向重合时，将光学结构10的旋转角度视为0
°
。对称线顺时针转动则旋转角度为正，对称线逆时针转动则旋转角度为负。
41.在本发明实施例中，每个光学结构10的旋转角度可以根据用户实际需求预先设置，在此不作具体限定。
42.在实际执行中，经过大量计算发现，在光学结构10的其他结构参数不变的情况下，仅通过改变光学结构10的旋转角度，就可以改变（0，0）、（-1，1）、（1，1）和（0，2）级次的衍射效率，从而改变衍射波导的出瞳均匀性。
43.图4是本发明提供的二维衍射光栅的不同衍射级次的衍射效率变化示意图之三。
44.如图4所示，图4给出了光学结构10（光栅单元结构）的旋转角度分别为-90
°
、-45
°
、0
°
、45
°
和90
°
时，各级次的衍射效率变化情况。c字形光栅单元结构10向顺时针方向和逆时针方向旋转时，（0，2）衍射级次效率增大，（-1，1）和（1，1）衍射级次效率之和减小，（0，0）衍射级次效率增大，表明更多的光能量从衍射波导直接耦出，更少的光能量在衍射波导内沿水平方向和垂直方向扩展，衍射波导的出瞳均匀性降低。
45.在一些实施例中，至少两个光学结构10分别对应不同的旋转角度。
46.可以理解的是，多个光学结构10可以具有相同的旋转角度，即全部光学结构10的开口朝向均相同；也可以分别具有不同的旋转角度，即全部光学结构10的开口朝向都不相同；还可以是部分光学结构10的旋转角度相同，部分光学结构10的旋转角度不同。
47.在实际执行中，如图5所示，二维衍射光栅120可以包括多个像素化排列的分区。每个分区包含具有不同旋转角度的光学结构，例如可以是多个c字形光栅单元结构。将二维衍射光栅120分为多个区域，进而可以调节每个区域的衍射效率。
48.本发明提供的二维衍射光栅，通过改变光学结构的旋转角度来调节衍射效率，可以极大地提高衍射波导的出瞳均匀性，同时不增加衍射光栅的加工难度。
49.在一些实施例中，光学结构10的不同张角对应不同的衍射效率；其中，张角为光学结构10的几何中心分别与光学结构10的开口处两端的连线之间的夹角。
50.在实际执行中，光学结构10具有可调节的张角。每个光学结构10的张角可以根据用户实际需求预先设置，在此不作具体限定。
51.可以理解的是，张角的大小与光学结构10对应的开口大小有关。张角越大，开口越大；张角越小，开口越小。不同的张角可以对应不同的衍射效率。
52.如图6所示，张角为光学结构10的几何中心分别与光学结构10的开口处两端的连线之间的夹角θ。
53.在一些实施例中，张角的调节范围为大于等于20
°
且小于等于100
°
。
54.本发明实施例可以通过改变光学结构10的张角θ来调节各衍射级次的衍射效率和提高衍射波导的出瞳均匀性。其中，张角θ的调节范围在20
°
~100
°
之间。
55.如图7所示，图7给出了张角θ分别为20
°
、40
°
、60
°
、80
°
和100
°
时，各级次的衍射效率变化情况。张角θ从20
°
增加到100
°
时，（0，2）级次的衍射效率变化范围为0.06%~0.1%，同时（-1，1）和（1，1）级次的衍射效率变化范围分别为1.36%~4.26%和1.35%~2.63%，（0，0）级次的衍射效率变化范围为87.53%~89.83%，表明张角θ变化时，（0，2）衍射级次都可以以非常低的衍射效率耦出衍射波导进入人眼成像，同时（-1，1）和（1，1）衍射级次都可以以较高的衍射效率沿水平方向在波导内扩展传导，且（0，0）衍射级次也可以以较高的衍射效率沿垂直方向在波导内扩展传导，因此更多的光能量可以在衍射波导内出瞳扩展，使得衍射波导的出瞳均匀性更好。
56.在一些实施例中，至少两个光学结构10分别对应不同的张角。
57.在实际执行中，本发明提供的二维衍射光栅可以包括多个光学结构10，每个光学结构10可以设置相同的张角，也可以分别设置不同的张角，还可以是部分光学结构10设置相同的张角，部分光学结构10设置不同的张角。
58.本发明提供的二维衍射光栅，通过改变光学结构的张角来调节衍射效率，可以极大地提高衍射波导的出瞳均匀性，同时不增加衍射光栅的加工难度。
59.在一些实施例中，至少两个光学结构10分别对应不同的张角和不同的旋转角度。
60.在实际执行中，可以根据实际需求，同时改变一个或多个光学结构10的张角或旋转角度，在此不作具体限定，则可以存在至少两个光学结构10分别对应不同的张角和不同的旋转角度。
61.如图8所示，二维衍射光栅220包括多个像素化排列的分区，多个分区分别包含具有不同旋转角度和不同张角的光学结构10，例如可以是多个c字形光栅单元结构。通过将二维衍射光栅220分为多个区域，同时调节每个区域的衍射效率。
62.本发明提供的二维衍射光栅，通过改变光学结构的旋转角度或调节光学结构的张角，使得二维衍射光栅的衍射效率可以被调节，有助于提高二维衍射光波导的出瞳均匀性，同时多个光学结构形成的二维衍射光栅结构简单，从而降低了二维衍射光栅的加工难度。
63.基于相同的发明构思，本发明还提供一种二维衍射光波导，包括波导基底以及设置于波导基底表面的一维耦入光栅和上述实施例中的二维衍射光栅，二维衍射光栅包括多个像素化排列的分区，每个分区设置有光学结构；
其中，一维耦入光栅用于将携带有图像信息的入射光线耦入到波导中；二维衍射光栅用于将来自一维耦入光栅并在波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展的同时，耦出到人眼成像。
64.需要说明的是，二维衍射光波导通常由波导基底以及位于波导基底表面上的一维耦入光栅和上述实施例中的二维衍射光栅组成。二维衍射光栅即为二维耦出光栅。
65.其中，一维耦入光栅和二维耦出光栅可以选用表面浮雕光栅、体全息光栅或超表面光栅等。
66.一维耦入光栅将携带有图像信息的入射光线耦入到衍射波导中，通常为矩形光栅、倾斜光栅或闪耀光栅等结构。波导使耦入光线以全反射方式传导。二维耦出光栅将来自一维耦入光栅并在波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展的同时耦出到人眼成像，本发明中二维耦出光栅由开口圆环形的光学单元结构沿两个方向以阵列形式排布，两个方向的夹角可以为20
°
~160
°
，一般取60
°
。当来自一维耦入光栅的衍射光传导至二维耦出光栅区域并入射到二维耦出光栅上时，衍射光将再次经历多个同时衍射。衍射光可以被衍射到零级，这不改变衍射光的传播方向；衍射光还可以被耦合到波导外（即直接进入人眼的衍射光），进入人眼成像。
67.如图5所示，二维衍射光波导100包括一维耦入光栅110和上述实施例中的二维衍射光栅120，二维衍射光栅即为二维耦出光栅。二维衍射光栅120可以包括多个像素化排列的分区。每个分区包含上述实施例中的光学结构，例如可以是多个c字形光栅单元结构。在实际执行中，多个分区可以分别包含不同旋转角度的光学结构。通过将二维耦出光栅120分为多个区域，同时调节每个区域的衍射效率，本发明可以极大地提高衍射波导的出瞳均匀性，同时不增加衍射波导的加工难度。
68.如图8所示，二维衍射光波导200包括一维耦入光栅210和上述实施例中的二维衍射光栅220，二维衍射光栅即为二维耦出光栅。二维衍射光栅220可以包括多个像素化排列的分区，每个分区包含上述实施例中的光学结构，例如可以是多个c字形光栅单元结构。多个分区分别包含具有不同旋转角度和不同张角的光学结构。通过将二维耦出光栅220分为多个区域，同时调节每个区域的衍射效率，本发明可以极大地提高衍射波导的出瞳均匀性，同时不增加衍射波导的加工难度。
69.本发明提供的二维衍射光波导，通过采用多个开口圆环形的光学结构，并且通过改变光学结构的旋转角度或调节光学结构的张角，使得二维衍射光栅的衍射效率可以被调节，从而提高二维衍射光波导的出瞳均匀性，同时多个光学结构形成的二维衍射光栅结构简单，进而降低了二维衍射光栅的加工难度。
70.基于相同的发明构思，本发明还提供一种近眼显示设备，包括上述的二维衍射光波导。由于本发明的近眼显示设备包含了上述所述的二维衍射光波导，因此，本发明的近眼显示设备具有和上述实施例类似的技术效果，在此不再赘述。此外，具体原理描述也可参见上述实施例的介绍，此处不再赘述。
71.由上面技术方案可知，本发明提供的近眼显示设备，通过采用多个开口圆环形的光学结构，并且通过改变光学结构的旋转角度或调节光学结构的张角，使得二维衍射光栅的衍射效率可以被调节，有助于提高近眼显示设备的出瞳均匀性，同时多个光学结构形成的二维衍射光栅结构简单，从而降低了近眼显示设备的制作难度。
72.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
73.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。