CN110133780A - 一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器 - Google Patents

一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器 Download PDF

Info

Publication number
CN110133780A
CN110133780A CN201910436570.8A CN201910436570A CN110133780A CN 110133780 A CN110133780 A CN 110133780A CN 201910436570 A CN201910436570 A CN 201910436570A CN 110133780 A CN110133780 A CN 110133780A
Authority
CN
China
Prior art keywords
grating
layer
high efficiency
polarization insensitive
waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910436570.8A
Other languages
English (en)
Inventor
潘成
黄战华
郑贤鑫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201910436570.8A priority Critical patent/CN110133780A/zh
Publication of CN110133780A publication Critical patent/CN110133780A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G02B5/1819—Plural gratings positioned on the same surface, e.g. array of gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1847—Manufacturing methods

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，采用层式结构，所述层式结构依序包括光栅基底(105)、与光栅基底(105)材料相同或折射率相近的光栅层(106)、光栅层(106)每个光栅上依次覆盖高折射率材料膜层(107)以及金属膜层(108)；利用入射光(101)照射到光栅基底(105)，在光栅层(106)产生零级衍射光(102)、正一级衍射光(103)和负一级衍射光(104)，能量集中在正一级衍射光(103)。相较于现有技术，本发明的偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器可使波导显示系统实现非偏振光大视场角、高效率耦合作用，同时具有良好的复制性，利于产品化。

Description

一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器
技术领域
本发明涉及衍射光栅领域，尤其涉及一种用于光学透视增强现实显示系统的偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器。
背景技术
基于光栅-光波导的显示技术具有出瞳大、视场角大、轻便、紧凑、透过率高等优点，可以实现类似眼镜形式的设备从而实现真正的移动性和全天使用。
作为光栅-光波导显示技术的核心器件，光栅耦合器需要实现高效率、大视场角耦合。然而亚波长光栅具有的波长选择性、偏振敏感性，往往仅对中心波长的某一偏振态，比如TE偏振态实现高效率衍射，在TM偏振态下则衍射效率低至1％，几乎无衍射效率。可见，一般的光栅耦合器，对于有机自发光二极管显示OLED、微型发光二极管显示Micro-LED、DLP等发出非偏振光的微型显示器，难以实现非偏振光的高效率耦合，造成波导显示系统能量利用率低、能源浪费、显示亮度不够和有效视场角小等问题。
因此，对于头戴式波导显示系统，寻找一种可以提供非偏振光高耦合效率，使TE、TM光耦合效率均较高，且保持大视场角波导显示，而不引入额外器件使设备变得冗余庞杂的方法，是本发明亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，所实现的层式结构的光栅耦合器在TE偏振光和TM偏振光入射时均保持较高衍射效率，且衍射效率随入射角度大范围变化保持恒定。
本发明的一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，采用层式结构，所述层式结构依序包括光栅基底105、与光栅基底105材料相同或折射率相近的光栅层106、光栅层106每个光栅上依次覆盖有高折射率材料膜层107以及金属膜层108；利用入射光101照射到光栅基底105，在光栅层106产生零级衍射光102、正一级衍射光103和负一级衍射光104，能量集中在正一级衍射光103。
相较于现有技术，本发明的特点及有益效果如下：
(1)可以同时保持大视场角显示的同时提供高效率的光束耦合；
(2)相较于棱镜-光栅耦合方式，不引入额外的相位差，不会引起视场畸变，且对于彩色显示任意波长的光同时适用，不会产生色散；
(3)不局限于传统的全息材料，可选择安全环保的材料，易于保存且能够保证精度；
(5)可以采用纳米打印或压印方法制作，这种方法相比折射率渐变的体光栅，不需要特殊的高折射率调制的全息材料，无需精确控制温度、湿度、曝光时间、干涉光路精度等条件，可以制作出较高精度的光栅波导，且具有良好的复制性，利于产品化；
(6)作为波导显示系统中光束耦入波导的核心器件，可用于一维出瞳扩展、二维出瞳扩展。
(7)相较一般偏振光栅耦合器，TE、TM衍射效率均较高，对于非偏振光，耦合效率提高，可以使波导显示系统能量利用率有效提高。
附图说明
图1为本发明的一种偏振不敏感的高衍射效率波导显示光栅耦合器结构示意图；
图2为本发明的一种偏振不敏感的高效波导显示光栅耦合器剖面结构示意图；
图3为本发明的一种偏振不敏感的高效波导显示光栅耦合器TE模式下衍射效率随角度分布图；
图4为本发明的一种偏振不敏感的高效波导显示光栅耦合器TM模式下衍射效率随角度分布图；
图5为本发明的一种偏振不敏感的高效波导显示光栅耦合器非偏振模式下衍射效率随角度分布图；
图6为一维出瞳扩展实施例示意图：(6A)为本发明实施例中一维出瞳扩展示意图，(6B)为本发明实施例中二维出瞳扩展示意图；
附图标记：
101、入射光、102、零级衍射光、103、正一级衍射光，104、负一级衍射光，105、光栅基底(即波导)，106、光栅层，107、高折射率膜层，501、耦入光束，502、一维拓展光束，503、二维拓展光束。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。为了更好地说明本实施方式，附图中某些部件可能会省略、放大或者缩小，并不代表产品实际的尺寸。
如图1、2所示，为本发明提出的一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器结构示意图，波导显示光栅耦合器为层式结构，依序包括光栅基底105(即波导)、与光栅基底105材料相同或折射率相近的光栅层106、光栅层106每个光栅上依次覆盖有高折射率材料膜层107以及金属膜层108；利用入射光101照射到光栅基底105，在光栅层106产生零级衍射光102、正一级衍射光103和负一级衍射光104，能量集中在正一级衍射光103，光栅层106参数(包括形貌、周期Λ、槽深h、槽顶角和材料)、高折射率层107参数(包括厚度和折射率)以及金属膜层108参数(包括厚度和折射率的取值)使光栅耦合器在TE偏振光和TM偏振光入射时均保持较高衍射效率(TE偏振光入射时各视场在反射衍射级次1级方向具有衍射效率超过90％，TM偏振光入射时在各视场反射衍射级次1级方向具有衍射效率超过43％)，且非偏振光衍射效率随入射角度大范围变化保持恒定，提高光栅-光波导式显示系统的非偏振光耦合效率，实现大视场角高效率耦合，在大于40°水平视场范围，非偏振光衍射效率达到67％，达到扩展出瞳、高亮度、高清晰、高均匀、大视场角显示效果。
可选的，所述光栅基底105为在可见光波段的整个波段或特定波段范围内具有较高光学透过率的光学材料，具体可是铌酸锂、二氧化硅、二氧化钛、五氧化二钽、熔石英、PMMA、树脂。
可选的，所述光栅层106材料为可适用于纳米打印或压印的材料，具有热固性或热塑性、较好抗刻蚀性、较小收缩性、较低的黏塑性、高分辨率、快速固化的特点，具体可是PMMA、聚苯乙烯PS(polystyrene)、HSQ(hydrogen silsesquioxane)。
可选的，所述高折射率膜层107材料为氧化镁、氧化铝、二氧化钛、氧化铪、氧化锌、氧化铌或五氧化二钽。
可选的，所述的金属膜层108材料为钛、铝、铜、金、银。
可选的，所述光栅层106的光栅可为线性一维光栅或二维浮雕光栅，能够有效矫正传统几何光学元件无法解决的离轴大视场像差，且应用此波导显示光栅耦合器的显示组件通常可以做到轻薄，紧凑。
可选的，所述高折射率膜层107的剖面形貌可与光栅层剖面形貌不同或完全相同，所述金属层膜层108的剖面形貌可与光栅层106及高折射率层107剖面形貌不同或完全相同。
进一步可选的，所述光栅层106的光栅中光栅区的光栅周期小于或等于入射波长(参考波长532nm)，光栅剖面形貌为非对称倾斜浮雕光栅或对称锯齿形及对称矩形结构，光栅槽深大于30nm并小于200nm，槽顶角大于15度并小于60度。
进一步可选的，所述高折射率膜层107厚度10nm至500nm，其剖面形貌具体可为矩形、三角形、椭圆形、梯形。
进一步可选的，所述金属膜层108厚度为20nm至1μm，其剖面形貌具体可为矩形、三角形、椭圆形、梯形。
上述仅为用于示例性说明的实施例，并非为了限制，本领域技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以在不付出创造性努力的情况下，组合出更多可选的实施方式，，这些变形的实施方式均属于本发明的保护之内。
如图3所示，为本发明的一种偏振不敏感的高效波导显示光栅耦合器TE模式下衍射效率随角度分布图，显示了本发明的偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器在TE模式光入射条件下衍射效率随空气中视场角的分布图，可以看出整体分布的平均衍射效率大于90％。
图4为本发明的一种偏振不敏感的高效波导显示光栅耦合器TM模式下衍射效率随角度分布图，显示了本发明的偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器在TM模式光入射条件下衍射效率随空气中视场角的分布图，可以看出整体分布的平均衍射效率大于43％。
如图5所示，为本发明的一种偏振不敏感的高效波导显示光栅耦合器非偏振模式下衍射效率随角度分布图，显示了本发明的偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器在非偏振光入射条件下衍射效率随空气中视场角的分布图，可以看出整体分布的平均衍射效率大于67％。由图5可得，偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器耦合角度范围是[-22.5°，22°]，约45°水平视场角，考虑像源4:3或16:9比例，波导显示器对角线视场角可达约60°。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，采用层式结构，其特征在于，所述层式结构依序包括光栅基底(105)、与光栅基底(105)材料相同或折射率相近的光栅层(106)、光栅层(106)每个光栅上依次覆盖有高折射率材料膜层(107)以及金属膜层(108)；利用入射光(101)照射到光栅基底(105)，在光栅层(106)产生零级衍射光(102)、正一级衍射光(103)和负一级衍射光(104)，能量集中在正一级衍射光(103)。
2.如权利要求1所述的一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，其特征在于，可选的，所述光栅层(106)的光栅采用线性一维光栅或者二维光栅。
3.如权利要求1所述的一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，其特征在于，可选的，所述高折射率膜层(107)的剖面形貌可与光栅层剖面形貌不同或完全相同，所述金属层膜层(108)的剖面形貌可与光栅层(106)及高折射率层(107)剖面形貌不同或完全相同。
4.如权利要求1所述的一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，其特征在于，可选的，所述光栅层(106)的光栅中光栅区的光栅周期小于或等于入射波长，光栅剖面形貌为非对称倾斜浮雕光栅或对称锯齿形及对称矩形结构，光栅槽深大于30nm并小于200nm，槽顶角大于15度并小于60度。
5.如权利要求1所述的一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，其特征在于，可选的，所述高折射率膜层(107)厚度10nm至500nm，其剖面形貌具体为矩形、三角形、椭圆形或梯形。
6.如权利要求1所述的一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，其特征在于，可选的，所述金属膜层(108)厚度20nm至1μm，其剖面形貌具体为矩形、三角形、椭圆形或梯形。
7.如权利要求1所述的一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，其特征在于，可选的，所述光栅层(106)的材料为PMMA、聚苯乙烯PS或者HSQ。
8.如权利要求1所述的一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，其特征在于，可选的，所述高折射率膜层(107)材料为氧化镁、氧化铝、二氧化钛、氧化铪、氧化锌、氧化铌或者五氧化二钽。
9.如权利要求1所述的一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器，其特征在于，可选的，所述的金属膜层(108)材料为钛、铝、铜、金或者银。
CN201910436570.8A 2019-05-23 2019-05-23 一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器 Pending CN110133780A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910436570.8A CN110133780A (zh) 2019-05-23 2019-05-23 一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910436570.8A CN110133780A (zh) 2019-05-23 2019-05-23 一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110133780A true CN110133780A (zh) 2019-08-16

Family

ID=67573104

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910436570.8A Pending CN110133780A (zh) 2019-05-23 2019-05-23 一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110133780A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021050924A1 (en) 2019-09-11 2021-03-18 Magic Leap, Inc. Display device with diffraction grating having reduced polarization sensitivity
CN114253005A (zh) * 2020-09-23 2022-03-29 中国科学院上海光学精密机械研究所 三维多视点显示装置及制造方法
CN114740572A (zh) * 2022-04-07 2022-07-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021050924A1 (en) 2019-09-11 2021-03-18 Magic Leap, Inc. Display device with diffraction grating having reduced polarization sensitivity
EP4028354A4 (en) * 2019-09-11 2023-11-22 Magic Leap, Inc. DISPLAY DEVICE PROVIDED WITH A DIFFRACTION GRATING WITH REDUCED POLARIZATION SENSITIVITY
JP7420926B2 (ja) 2019-09-11 2024-01-23 マジック リープ， インコーポレイテッド 低減された偏光感度を有する回折格子を伴うディスプレイデバイス
CN114253005A (zh) * 2020-09-23 2022-03-29 中国科学院上海光学精密机械研究所 三维多视点显示装置及制造方法
CN114740572A (zh) * 2022-04-07 2022-07-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器
CN114740572B (zh) * 2022-04-07 2024-04-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种用于平板集成光学系统的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109154717B (zh) 用于结构光投射的全息波导设备
CN105549150B (zh) 一种全息波导显示装置
JP4475501B2 (ja) 分光素子、回折格子、複合回折格子、カラー表示装置、および分波器
EP1743197B1 (en) High efficiency optical diffraction device
CN110133780A (zh) 一种偏振不敏感的高效率波导显示光栅耦合器
US20190212597A1 (en) Low Haze Liquid Crystal Materials
JP2002014209A (ja) グリズム
KR20190015507A (ko) 도파관 구조체
KR101823680B1 (ko) 와이어 그리드 편광자 및 그 제조방법, 와이어 그리드 편광자를 포함한 액정표시장치
Guo et al. Mid-infrared polarization devices based on the double-phase modulating dielectric metasurface
JP2017522595A (ja) サブ波長格子を有するセキュリティ素子
CN111290063A (zh) 一种复振幅调制的介质-金属双层超表面
CN113777787B (zh) 一种具有高效率高均匀性的波导装置
CN110244463A (zh) 一种具有自然渐晕补偿效果的波导显示光栅耦合器
KR20120032776A (ko) 와이어 그리드 편광자 및 이를 포함하는 백라이트유닛
Xie et al. Ultra-broadband polarization-independent high-efficiency transmission grating based on three-layer dielectric rectangle groove
CN110426784A (zh) 一种基于微纳光栅阵列及微纳f-p腔结构的双波长滤波器件
Han et al. Chiral metamaterials by shadowing vapor deposition
CN110426850A (zh) 单层全彩耦合的波导显示光栅耦合器
CN113056698B (zh) 用于近场聚焦、光束形成和高效远场器件实现的非均质微透镜器件
Li et al. Broadband achromatic phase retarder based on metal-multilayer dielectric grating
Hirano et al. Combined blazed grating and microlens array for color image sensing
KR20120040871A (ko) 와이어 그리드 편광자
Xu et al. Highly efficient bifunctional dielectric metasurfaces at visible wavelength: Beam focusing and anomalous refraction in high-order modes
Wang et al. Influence of structure parameters on FWHM and wavelength separation based on intensity‐tunable guided mode resonance filter

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190816