抑制高级光的二维菱形光栅、光波导及近眼显示设备的制作方法

本发明涉及衍射光学，尤其涉及一种抑制高级光的二维菱形光栅、光波导及近眼显示设备。

背景技术：

1、近年来，随着计算机科学的迅猛发展，基于近眼显示设备的虚拟现实（virtualreality，vr）与增强现实（augmented reality，ar）等人机交互技术逐渐成为应用热点。根据交互方式的不同，vr近眼显示设备通过计算机生成一个虚拟环境，观察者可以观察、触摸虚拟环境中的事物并与之进行交互；而ar近眼显示设备生成的虚拟环境则叠加到现实世界中，观察者可以在看到虚拟环境的同时与现实世界进行交互，实现增强现实的目的，因此ar相对于vr具有更强的交互能力，在教育、医疗与军事等方面均表现出更具潜力的发展趋势。

2、目前市场上的ar眼镜采用的显示系统就是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、birdbath、光波导等光学元件的组合，其中光学元件组合的不同，是区分ar显示系统的关键部分。综合来看，光波导方案从光学效果、外观形态，和量产前景来说，都具备最好的发展潜力，可能会是让ar眼镜走向消费级的不二之选。

3、光波导中的主流——衍射光波导本质是一种利用衍射光栅镜片实现图像近眼显示的技术，它的产生和流行得益于光学元件从毫米级别到微纳米级别，从“立体”转向“平面”的技术进步趋势。但是常用的表面浮雕光栅存在衍射效率低下、视场角狭小和体积偏大等问题。

4、此外，衍射光波导技术又分为一维扩展和二维扩展。二维衍射光波导可以通过合理的设计光栅结构实现出瞳的二维扩展，在二维衍射光波导中采用二维光栅进行双向扩瞳，可以充分利用光波导的有效面积，但是目前普遍二维衍射光波导相关技术的开发需要在材料方面突破瓶颈，以提升光学参数，因为市面上普通的二维光栅正反面耦出效率基本一致，存在漏光问题，且容易产生高阶衍射分量，进而降低成像质量。

技术实现思路

1、本发明提供一种抑制高级光的二维菱形光栅、光波导及近眼显示设备，用以提高光栅的耦出效率，降低外侧漏光，并抑制高级光的高阶衍射分量，进而提高成像质量。

2、本发明提供一种抑制高级光的二维菱形光栅，包括：至少一个第一光栅结构和至少一个第二光栅结构；第一光栅结构的尺寸大于第二光栅结构的尺寸；第一光栅结构和第二光栅结构为菱形结构，第一光栅结构的边缘和第二光栅结构的边缘为锯齿状；任一光栅结构的边缘中，相邻两个锯齿之间的距离相同，每个锯齿沿一维光栅的矢量方向随机正态分布。

3、根据本发明提供的一种抑制高级光的二维菱形光栅，在第一光栅结构中，两个锯齿之间的距离取值范围为5nm到50nm，锯齿的齿高取值范围为30nm到700nm；在第二光栅结构中，两个锯齿之间的距离取值范围为5nm到100nm，锯齿的齿高取值范围为30nm到1000nm。

4、根据本发明提供的一种抑制高级光的二维菱形光栅，锯齿的边缘为矩形、弧形或三角形。

5、根据本发明提供的一种抑制高级光的二维菱形光栅，相邻的第一光栅结构和第二光栅结构之间的第一距离相等，相邻的两个第一光栅结构之间的第二距离相等，相邻的两个第二光栅结构之间的第三距离相等，第二距离和第三距离相等。

6、根据本发明提供的一种抑制高级光的二维菱形光栅，第一距离的取值范围为50nm到500nm；第二距离的取值范围为100nm到1000nm。

7、根据本发明提供的一种抑制高级光的二维菱形光栅，第一光栅结构的边长的取值范围为20nm到500nm；第二光栅结构的边长取值范围为40nm到1000nm；第一光栅结构中最小内角和第二光栅结构中的最小内角相等，第一光栅结构中最小内角的取值范围为10°到80°。

8、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的抑制高级光的二维菱形光栅；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二维衍射光波导中；抑制高级光的二维菱形光栅用于将来自一维耦入光栅并在波导基底内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展，以耦出到人眼成像。

9、根据本发明提供的一种二维衍射光波导，一维耦入光栅包括间隔设置的第一光栅列和第二光栅列，第一光栅列的长度大于第二光栅列的长度；第一光栅列的边缘和第二光栅列的边缘为锯齿状，在任一光栅列中，相邻两个锯齿之间的距离相同，每个锯齿沿一维光栅的矢量方向随机正态分布。

10、本发明还提供一种近眼显示设备，包括微显示器和上述的二维衍射光波导，微显示器输出携带有图像信息的入射光线。

11、根据本发明提供的一种近眼显示设备，入射光线的波长取值范围为450nm到650nm。

12、本发明提供的抑制高级光的二维菱形光栅、光波导及近眼显示设备，包括至少一个第一光栅结构和至少一个第二光栅结构；第一光栅结构的尺寸大于第二光栅结构的尺寸；第一光栅结构和第二光栅结构为菱形结构，第一光栅结构的边缘和第二光栅结构的边缘为锯齿状；任一光栅结构的边缘中，相邻两个锯齿之间的距离相同，每个锯齿沿一维光栅的矢量方向随机正态分布。通过对光栅结构的边缘进行了锯齿化的设置，有利于抑制光的高阶衍射分量，进而提高成像质量。

技术特征：

1.一种抑制高级光的二维菱形光栅，其特征在于，包括：至少一个第一光栅结构和至少一个第二光栅结构；所述第一光栅结构的尺寸大于所述第二光栅结构的尺寸；

2.根据权利要求1所述的抑制高级光的二维菱形光栅，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的抑制高级光的二维菱形光栅，其特征在于，所述锯齿的边缘为矩形、弧形或三角形。

4.根据权利要求2所述的抑制高级光的二维菱形光栅，其特征在于，相邻的第一光栅结构和第二光栅结构之间的第一距离相等，相邻的两个第一光栅结构之间的第二距离相等，相邻的两个第二光栅结构之间的第三距离相等，所述第二距离和所述第三距离相等。

5.根据权利要求4所述的抑制高级光的二维菱形光栅，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的抑制高级光的二维菱形光栅，其特征在于，

7.一种二维衍射光波导，其特征在于，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权利要求1-6任一项所述的抑制高级光的二维菱形光栅；

8.根据权利要求7所述的二维衍射光波导，其特征在于，

9.一种近眼显示设备，其特征在于，包括微显示器和如权利要求7-8任一项所述的二维衍射光波导，所述微显示器输出携带有图像信息的入射光线。

10.根据权利要求9所述的近眼显示设备，其特征在于，所述入射光线的波长取值范围为450nm到650nm。

技术总结
本发明提供抑制高级光的二维菱形光栅、光波导及近眼显示设备，涉及衍射光学技术领域，二维菱形光栅包括：至少一个第一光栅结构和至少一个第二光栅结构；第一光栅结构的尺寸大于第二光栅结构的尺寸；第一光栅结构和第二光栅结构为菱形结构，第一光栅结构的边缘和第二光栅结构的边缘为锯齿状；任一光栅结构的边缘中，相邻两个锯齿之间的距离相同，每个锯齿沿一维光栅的矢量方向随机正态分布。通过上述方式，本发明对光栅结构的边缘进行了锯齿化的设置，有利于抑制光的高阶衍射分量，进而提高成像质量。

技术研发人员：王萌光,李勇,吴斐,娄身强,陆希炜
受保护的技术使用者：北京亮亮视野科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13