二维光栅的周期测量装置的制作方法

1.本技术涉及光栅测量技术领域，具体而言，涉及一种二维光栅的周期测量装置。


背景技术：

2.二维光栅在结构上表现为在两个方向呈现周期性排列，可以实现增强现实(augmented reality，ar)眼镜衍射光波导光的耦入、扩瞳与耦出，其中二维光栅的光栅周期是其重要的结构参数之一，可决定入射光耦入、耦出波导的偏转方向，同时对耦出光的效率也有影响。由于实际光栅加工过程中存在误差，导致耦入或耦出区的光栅可能有些缺陷，即实际光栅周期数值不一定与理论值相符，从而会导致波导耦出光效率较低、均匀性较差等问题，因而需要实际测量二维光栅的光栅周期进行验证，分析光栅加工误差，为优化波导耦出光效率及均匀性提供指导。
3.目前测量二维光栅的光栅周期可通过扫描电镜直接观察其光栅结构，量出其光栅周期数值，但扫描电镜价格昂贵，增加了二维光栅的生产成本。


技术实现要素：

4.本技术实施方式提出了一种二维光栅的周期测量装置，以至少解决上述技术问题之一。
5.本技术实施方式通过以下技术方案来实现上述目的。
6.一种二维光栅的周期测量装置，包括：底座，包括承载面，二维光栅设置在所述底座上；光源，设置在所述底座上，所述光源的出光方向平行于所述底座的承载面；二维导轨滑台，设置在所述底座上，位于所述旋转台远离所述光源的一侧；以及光电探测器，设置在所述二维导轨滑台上，与所述二维导轨滑台连接；其中，所述二维导轨滑台用于带动所述光电探测器在一平面内沿两个相互垂直的方向分别移动。
7.在一种实施方式中，还包括：旋转台，设置在所述底座上，与所述底座旋转连接，所述二维光栅设置在所述旋转台上；以及光阑，设置在所述底座上，位于所述旋转台与所述光源之间；所述旋转台与所述光阑配合使用，用于调整所述二维光栅的垂直度。
8.在一种实施方式中，还包括：夹具，所述夹具设置在所述旋转台上，所述夹具用于夹持并固定所述二维光栅。
9.在一种实施方式中，所述二维导轨滑台包括：竖向连接杆以及横向连接杆，所述竖向连接杆固定设置在所述底座的承载面上，所述横向连接杆沿所述竖向连接杆的延伸方向滑动设置在所述竖向连接杆上，所述光电探测器沿所述横向连接杆的延伸方向滑动设置在所述横向连接杆上。
10.在一种实施方式中，所述竖向连接杆设有两个，所述横向连接杆的两端分别设有连接环，其中一个所述连接环滑动套设在其中一个所述竖向连接杆上，另一个所述连接环滑动套设在另一个所述竖向连接杆上。
11.在一种实施方式中，所述横向连接杆设置有滑槽，所述滑槽的延伸方向与所述横
向连接杆的延伸方向一致，所述光电探测器滑动连接于所述滑槽，并能够沿所述滑槽的延伸方向滑动。
12.在一种实施方式中，所述竖向连接杆与所述底座可拆卸连接，所述竖向连接杆的底端设置有外螺纹，所述底座的承载面开设有螺纹孔，所述竖向连接杆的外螺纹与所述底座的螺纹孔相互螺纹配合。
13.在一种实施方式中，所述竖向连接杆上设有第一刻度结构，所述第一刻度结构沿所述竖向连接杆的延伸方向排布，所述横向连接杆上设有第二刻度结构，所述第二刻度结构沿所述横向连接杆的延伸方向排布。
14.在一种实施方式中，所述光源为激光器。
15.在一种实施方式中，所述光电探测器为ccd传感器或者cmos传感器。
16.本技术实施例提供的方案通过二维导轨滑台控制光电探测器的位置，根据光电探测器所在位置计算其衍射角度，基于光栅衍射方程，从而快速测量出二维光栅在两个方向上的光栅周期，本装置的测量方式简便且生产成本低。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，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。
18.图1为本技术实施方式提供的二维光栅的周期测量装置的结构示意图。
19.图2为光透过二维光栅的衍射特性的示意图。
20.图3为二维光栅的周期性排列结构的示意图。
21.图4为二维光栅的光栅周期的测量装置原理示意图。
22.图5为透射衍射光的衍射角度计算示意图。
23.附图标记：二维光栅的周期测量装置10、底座100、承载面110、旋转台200、光源300、二维导轨滑台400、竖向连接杆410、横向连接杆420、连接环421、光电探测器500、夹具600、二维光栅700、入射光710、反射光720、透射光730。
具体实施方式
24.下面详细描述本技术的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域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，都属于本技术保护的范围。
26.二维光栅在结构上表现为在两个方向呈现周期性排列，可以实现ar眼镜衍射光波导光的耦入、扩瞳与耦出，其中二维光栅的光栅周期是其重要的结构参数之一，可决定入射光耦入、耦出波导的偏转方向，同时对耦出光的效率也有影响。由于实际光栅加工过程中存
在误差，导致耦入或耦出区的光栅可能有些缺陷，即实际光栅周期数值不一定与理论值相符，从而会导致波导耦出光效率较低、均匀性较差等问题，因而需要实际测量二维光栅的光栅周期进行验证，分析光栅加工误差，为优化波导耦出光效率及均匀性提供指导。
27.ar眼镜的衍射光波导可采用二维光栅实现光的耦入、扩瞳与耦出。请参阅图2，二维光栅在结构上表现为在两个方向呈现周期性排列，入射光700光透过二维光栅700后衍射光会呈半球面形状发射，产生如图2所示的反射光720以及透射光730。请参阅图3，d
x
、dy分别为二维光栅x、y方向上的光栅周期，对透过二维光栅的不同衍射级次的方向及其衍射效率有重要影响，从而影响波导整体耦出光效率及均匀性。在理论设计波导光栅结构参数时，一般设计耦入或耦出区域光栅的光栅周期使波导显示性能最佳，但在衍射光栅的实际加工过程中，由于各种因素的影响，光栅的刻槽存在各种形式的误差，如光栅刻槽的不平行、光栅刻槽的间距误差以及刻槽形状的不一致等，这些造成实际光栅周期数值与理论设计值存在偏差，导致光栅的光谱质量受到影响，如存在杂散光、
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1级次衍射效率降低等，这些会对波导的显示性能造成不利影响。目前测量这种二维光栅的光栅周期可通过扫描电镜直接观察其光栅结构，量出其光栅周期数值，但扫描电镜价格昂贵，且对样品会造成破坏。
28.本技术提出了一种二维光栅周期的测量装置方案，旨在为测量验证波导设计二维光栅的光栅周期提供一种简便快速的测量工具，有助于优化波导耦出光效率及均匀性，从而提升ar眼镜的显示效果。测量二维光栅的光栅周期的装置采用一路波长为λ的光源垂直入射到二维光栅平面上，光透过二维光栅后衍射光会呈半球面形状发射，通过测量光栅的tmn透射级次衍射方向θmn、φmn，其中θmn为tmn透射级次光线与z轴方向的夹角，φmn为tmn透射级次光线在xoy平面上的投影矢量与x轴之间的夹角。根据衍射光栅方程可以推导得到待测二维光栅的光栅周期d
x
、dy，根据公式就可以快速计算得到二维光栅的光栅周期d
x
、dy。
29.请参阅图1，本技术提供一种二维光栅的周期测量装置10，包括：底座 100、旋转台200、光源300、二维导轨滑台400以及光电探测器500。
30.底座100可以为长方体，底座100的厚度可以相较于底座100平面的长和宽的长度短一些，以提高底座100的整体稳定性，底座100可以包括承载面110，承载面110用于承载其他元件。可以理解的是，图1所示底座100 仅作为示意，本技术不以底座100的具体形状为限。
31.旋转台200设置在所述底座100的承载面110上。旋转台200与所述底座100旋转连接，即旋转台200能够在承载面110上转动。例如旋转台200 可以通过在旋转台200的底面设置转轴孔，将转轴孔连接于设置在底座100 上的转轴上以实现旋转台200与底座100之间的转动连接。所述旋转台200 用于承载二维光栅700并改变光入射到二维光栅700的入射角，使得光垂直入射到光栅平面上。可以理解的是，该二维光栅的周期测量装置10还可包括光阑(图未示)，旋转台200可以与所述光阑配合使用，用于调整所述二维光栅700的垂直度。需要说明的是，此处的二维光栅700为待测样品。可以理解的是，图1所示旋转台200仅作为示意，本技术不以旋转台200的具体形状为限。
32.可以理解的是，上述的光阑可以是视场光阑也可使孔径光阑，以孔径光阑为例，将所有的光孔成像到第一个光孔的物空间，对轴上物点张角最小的那个光孔“像”所共轭的光孔就是孔径光阑，这个光孔“像”叫入射光瞳，这个张角叫物方孔径角。也可以把所有的光孔成像到最后一个光孔的像空间，对轴上像点张角最小的那个光孔“像”所共轭的光孔就是孔
径光阑，这个光孔“像”叫出射光瞳，这个张角叫像方孔径角。因此，入射光瞳和孔径光阑关于孔阑前的光学系统共轭，孔径光阑和出射光瞳关于孔阑后的光学系统共轭，入瞳和出瞳关于整个光学系统共轭。在本实施方式中，光源300、旋转台200以及光阑可使用上述方法进行判断入射光线是否垂直。
33.光源300设置在所述底座100的承载面110上。光源300位于所述旋转台200的一侧。所述光源300的出光方向指向所述旋转台200，以使得光能够穿过二维光栅700。所述光源300的出光方向平行于所述底座100的承载面110。考虑到除衍射0级的衍射光效率可能会较低，出射光功率应至少在 mw量级，使得光透过光栅后产生除衍射0级外较强的衍射级次，便于探测器探测到光信号。光源300可以通过螺丝固定在底座100的承载面110上，也可与底座100一体成型设置。可以理解的是，图1所示光源300仅作为示意，本技术不以光源300的具体形状为限。
34.二维导轨滑台400设置在所述底座100上。二维导轨滑台400位于所述旋转台200远离所述光源300的一侧。二维导轨滑台400能够使得设置在二维导轨滑台400上的物件实现横向和竖向上的位置变化。
35.光电探测器500设置在所述二维导轨滑台400上。光电探测器500与所述二维导轨滑台400活动连接，即光电探测器500能够在二维导轨滑台400 上实现横向和纵向的位置变化。光电探测器500用于实时采集光信号图像，并进行数据处理。
36.本技术实施例的工作原理为：开启光源300，使得光源300的入射光穿过设置在旋转台200上的二维光栅700，调节光电探测器500在二维导轨滑台400上的的位置，光电探测器500收集并记录光信号图像。
37.本技术实施例提供的方案通过二维导轨滑台400控制光电探测器500的位置，根据光电探测器500所在位置计算透射衍射光的衍射角度，基于光栅衍射方程，从而快速测量出二维光栅700在两个方向上的光栅周期，本装置的测量方式简便且生产成本低。且装置参数可以根据实际情况进行调整，光栅周期测量范围较广泛。
38.在一种实施方式中，二维光栅的周期测量装置10还可以包括：夹具600。所述夹具600设置在所述旋转台200上。夹具600与所述旋转台200固定连接。所述夹具600用于夹持并固定所述二维光栅700。需要说明的是，在本实施方式中，夹具600虽然用于夹持二维光栅700，固定时应能夹紧二维光栅700，但不至于损伤二维光栅700，例如夹具600采用柔性材料如橡胶、树脂等制成，或在夹具600的夹持面上设置如橡胶、树脂等的柔性垫层。同时夹具600自身固定在旋转台200上，能随旋转台200自由转动。例如夹具600 可以通过在夹具600的底面设置转轴孔，将转轴孔连接于设置在旋转台200 上的转轴上以实现夹具600与旋转台200之间的转动连接。夹具600固定好二维光栅700时，需保证二维光栅700测量位置在旋转台200的旋转轴上，保证测量位置不因旋转台200的旋转而发生变化。夹具600的设置能够确保二维光栅700位置的准确性，进而提高测试的精度。
39.在一种实施方式中，二维导轨滑台400可以包括：竖向连接杆410以及横向连接杆420，所述竖向连接杆410固定设置在所述底座100的承载面110 上，所述横向连接杆420沿所述竖向连接杆410的延伸方向滑动设置在所述竖向连接杆410上，所述光电探测器500沿所述横向连接杆420的延伸方向滑动设置在所述横向连接杆420上。竖向连接杆410与横向连接杆420相互垂直设置。为便于对理解，在此以横向连接杆420的延伸方向设置为x方向，
竖向连接杆410的延伸方向设置为y方向。需要说明的是，本装置需测量二维光栅700在x、y方向上的光栅周期d
x
、dy。装置设置入射光垂直入射到二维光栅700平面上，由于要产生除衍射0级外较强的衍射级次，二维光栅700x、 y方向上的光栅周期d
x
、dy一般要比入射光波长λ要大。
40.在一种实施方式中，所述横向连接杆420上还可以设有连接环421，所述连接环421设置在所述横向连接杆420的端部，所述连接环421套设在所述竖向连接杆410上，连接环421与所述竖向连接杆410滑动连接。
41.在一种实施方式中，所述横向连接杆420可以设置有滑槽，所述滑槽的延伸方向与所述横向连接杆420的延伸方向一致，所述光电探测器500设置于所述滑槽，并能够沿所述滑槽的延伸方向滑动。需要说明的是，光电探测器500在横向连接杆420上的滑动方式的设置不局限于上述结构，也可在光电探测器500与横向连接杆420的接触面上设置滑槽，横向连接杆420嵌入在光电探测器500的滑槽内，以实现光电探测器500与横向连接杆420的滑动连接。
42.在一种实施方式中，所述竖向连接杆410可以设有两个，两个所述竖向连接杆410以所述旋转台200和所述光源300的连接线对称设置。在本实施方式中，横向连接杆420的两端均设置有连接环421。位于横向连接杆420 两端的连接环421分别与两个竖向连接杆410连接。上述结构的设置能够提高二维导轨滑台400的稳定性。
43.在一种实施方式中，所述竖向连接杆410与所述底座100可拆卸连接。例如：所述竖向连接杆410的底端设置有外螺纹，所述底座100的承载面开设有螺纹孔，所述竖向连接杆410的外螺纹与所述底座100的螺纹孔相互螺纹配合。可拆卸连接的设置能够更加灵活的改变光源300与光电探测器500 之间的距离，针对不同厚度的二维光栅700，可调节不同的距离，实现对二维光栅700的光栅周期的准确测量。上述结构的设置能够提高二维光栅的周期测量装置10的适用性。
44.在一种实施方式中，所述竖向连接杆410上可以设有第一刻度结构，所述第一刻度结构沿所述竖向连接杆的延伸方向排布，所述横向连接杆420上可以设有第二刻度结构，所述第二刻度结构沿所述横向连接杆的延伸方向排布，所述第一刻度结构和第二刻度结构的0刻度线在所述光源300的光透过所述二维光栅700的衍射0级位置处。
45.在一种实施方式中，所述光源300为激光器，光源300出射的光斑的直径为1mm～2mm。这里出射光束的中心波长为λ，考虑到除衍射0级的衍射光效率可能会较低，出射光功率应至少在mw量级，使得光透过光栅后产生除衍射0级外较强的衍射级次，便于探测器探测到光信号。同时出射光斑应尽量可能小，光斑直径在1mm～2mm内，避免因光束发散角太大，导致入射到二维光栅700的光斑太大，造成测量误差。光源300一般可采用单波长的激光器。
46.在一种实施方式中，所述光电探测器500为ccd传感器或者cmos传感器。探测入射光透过二维光栅700除衍射0级外较强的衍射级次光信号，一般探测信号较强的衍射1级，同时能将探测的光信号转换为电信号，对波长为λ的衍射光具有较好的光灵敏度。一般采用ccd或cmos图像传感器，这里采用ccd相机，可与计算机主机连接，实时采集光信号图像，用于数据处理。
47.请同时参阅图1以及图4，图1为本技术实施方式提供的二维光栅的周期测量装置10的结构示意图，图4为二维光栅700的光栅周期的测量装置原理示意图。在本技术实施例
中，假设二维导轨滑台400距离二维光栅700平面距离固定为l，使用时可控制光电探测器500在x方向与y方向的二维运动。其中x方向的结构类似于一维导轨设有凹槽，光电探测器500固定在滑台上，在凹槽内可自由移动，从而改变光电探测器500在x方向上的位置。y 方向采用两个连接环421套在两根竖向连接杆410上，同样的，连接环421 可以在竖向连接杆410上下自由滑动，从而改变光电探测器500在y方向上的位置。这里x方向与y方向上的滑台均标有刻度线，且x方向与y方向上的0刻度线在光透过光栅的衍射0级(t00)位置处，除衍射0级外的其它衍射级次通过读出其所处x方向与y方向上的刻度线位置得到衍射角度θ。同时结合图5，光电探测器500在x方向与y方向上移动的距离范围分别都为δx、δy，即相对0刻度线可分别向左右、上下移动距离δx/2、δy/2，由此对于衍射1级，在x方向与y方向上最大的衍射角θx、θy分别为 arctan(δx/2l)、arctan(δy/2l)，根据光栅方程dsinθ＝mλ，δx、δy越大，可测量到的最小光栅周期就越小，再根据公式：
48.以及
49.式中：
50.θmn为tmn透射级次光线与z轴方向的夹角；
51.φmn为tmn透射级次光线在xoy平面上的投影矢量与x轴之间的夹角；
52.m为水平方向的衍射级次；
53.n为竖直方向的衍射级次；
54.λ为入射光波的波长；
55.n
l
为二维光栅透射层折射率；
56.θ
01
、θ
10
均为透射衍射光的衍射角度；
57.以t
01
级次为例，式中m取0，n取1，便可计算出tanθ
01
＝(y
1-y0)/l, tanθ
10
＝＝(x
1-x0)/l，可以理解的是，x0、y0为t
00
级次下相机中心对应二维导轨的水平与竖直方向刻度线位置的数值，x1、y1为t
01
级次下相机中心对应二维导轨的水平与竖直方向刻度线位置的数值，δx、δy即为|x
0-x1|与|y
0-y1|。再将θ
01
、θ
10
、λ、m、n、n
l
分别代入公式即可计算得到二维光栅的光栅周期dx、dy。
58.例如当δx、δy都为l时，对于衍射1级在x方向与y方向上最大的衍射角都为45
°
，可测量到的最小光栅周期为1.41λ。
59.本装置的工作流程为：
60.1.在旋转台200上的夹具600安装好二维光栅700，打开光源300，旋转旋转台200，旋转台200上设有刻度，通过读取刻度上的示数便能够快捷得出旋转台200旋转的角度，保证光源300出射光垂直入射到光栅平面上；
61.2.移动固定在二维导轨的滑块的ccd相机，使其中心对准光透过衍射光栅的t
00
级次光(亮度较高)，记录此时ccd相机中心对应二维导轨的水平与竖直方向刻度线位置x0，y0；
62.3.请参阅图5，图5为透射衍射光的衍射角度计算示意图。保持竖直方向上不变，在水平方向上移动ccd相机，使其中心对准光透过衍射光栅的t
10 (或t-10
)级次光，记录此时ccd相机中心对应二维导轨的水平方向刻度线位置x1；
63.4.将ccd相机移动至水平与竖直方向刻度线为x0，y0的位置，然后保持水平方向上
不变，在竖直方向上移动ccd相机，使其中心对准光透过衍射光栅的t
01
(或t
0-1
)级次光，记录此时ccd相机中心对应二维导轨的竖直方向刻度线位置y1。
64.通过以上方案，本技术提出了一种二维光栅周期的测量装置，旨在为测量验证波导设计二维光栅的光栅周期提供一种简便快速的测量工具，有助于优化波导耦出光效率及均匀性，从而提升ar眼镜的显示效果。二维导轨滑台控制光电探测器的位置，根据光电探测器所在位置计算透射衍射光的衍射角度，基于光栅衍射方程，从而快速测量出二维光栅在两个方向上的光栅周期，本装置的测量方式简便且生产成本低。
65.术语“一些实施方式”、“其他实施方式”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施方式或示例中。在本技术中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本技术中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
66.以上实施方式仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本技术进行了详细的说明，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方式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技术各实施方式技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。