CN112630966A - 超表面微纳结构单片全色彩波导镜片及ar显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片及AR显示装置。该超表面微纳结构全色彩波导镜片包括波导衬底、耦入光栅和耦出光栅；其中，耦入和耦出光栅均为一维多条矩形微纳结构超表面光栅，位于波导衬底表面，且分布在所述波导衬底的两端；在每个周期内，耦入和耦出光栅均有多条亚波长宽度矩形微纳超表面结构。相比传统光栅，超表面光栅存在不同波长的共振效应，可在大入射角的下对红绿蓝三色光具有高且均衡的1级透射衍射效率。镜片视场角大，视觉体验感强，仅单片波导镜片即可实现全彩色显示，采用该波导镜片的AR显示装置重量轻，可穿戴性佳。相比普通光栅，多条矩形微纳结构超表面光栅的设计变量多，设计灵活，更易加工。
Description
技术领域
本发明涉及透射光栅技术领域和显示技术领域，具体涉及一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片及AR显示装置。
背景技术
增强现实（Augmented Reality；AR）技术是一种将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显示器上的画面传递到人眼，其透视性使得真实场景同时映入人眼。AR眼镜佩戴者可观看到一个叠加了虚拟画面的现实世界，现实体验感被极大加强。基于上述特点，AR技术在工业设计、机械制造、建筑、教育、军事和娱乐等领域有着广泛的应用前景。
光学成像元件用于光传输和成像，是AR眼镜的关键。目前比较成熟的光学成像方案主要包括小棱镜、大小曲面、离轴全息透镜和波导四种。前两种光学方案体积偏大，可穿戴性差；全息透镜体积小，可获得大视场角，但眼动范围小。波导轻薄，对外界光线的穿透性高，量产成本可控，且设计灵活，被认为是消费级AR眼镜的首选。根据光耦入和耦出波导的结构的不同，波导方案又分几何波导、衍射光栅波导和体全息光栅波导三种。几何波导又称为阵列波导，通过阵列半透半反镜的堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，其加工工艺复杂，生产良率低，成本高；体全息光栅波导通过双光束干涉曝光在全息材料上形成周期性的折射率变化，从而实现对光的耦入和耦出。因为体全息光栅深度大，视场角偏小。此外，全息材料有待突破，以延长体全息光栅波导眼镜的使用寿命。相比较而言，衍射光栅波导主要利用光刻技术在镜片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，整机重量轻。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，成本远低于几何波导方案。因此，衍射光栅波导方案是一种备受青睐的AR显示光学成像方案。然而，已报道的衍射光栅多采用单条矩形、三角或斜齿设计，所含变量少，设计自由度小，得到的视场角小，响应光谱窄，效率低，且不同入射角或不同波长的入射光会导致效率的较大波动。为实现全彩显示，往往需要多波导镜片叠加技术，导致整个成像系统厚重，可穿戴性差。
超表面由起谐振光学天线作用的表面亚波长结构单元密集排列组成。光在超表面结构单元中发生共振，为人们提供了操纵入射光波前的能力。超表面结构不受传统几何光学理论的限制，可在更小尺度上，利用简单工艺制造出超薄、平坦、无像差的光学器件，代替笨重或难以制造的传统几何光学器件。通过合理的表面亚波长结构设计，超表面可以实现布拉格光栅所具有的光学响应，而相比布拉格光栅的斜齿结构，超表面结构往往由具有垂直侧壁的亚波长结构构成，更易加工。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超表面微纳结构单片全色彩光栅波导镜片及AR显示装置。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片，包括波导衬底、耦入光栅和耦出光栅；在一个光栅周期内，所述耦入光栅和耦出光栅结构相同，均为一维多条矩形微纳结构超表面光栅，均位于所述波导衬底表面，且分布在所述波导衬底的两端；
所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅的折射率大于等于所述波导衬底折射率；
所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在每个光栅周期内，所述矩形微纳结构的个数大于等于2；
RGB三色光信号进入耦入光栅，其1级透射光以大于波导衬底全反射角的角度进入波导衬底中，以全反射的形式向前传输，遇过耦出光栅时输出，进入人眼。
所述波导衬底的折射率为1.4~2.2。
所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在每个光栅周期内均有多条矩形微纳结构，且每条所述矩形微纳结构的高度相同，但线宽和相邻所述矩形微纳结构的间距可不同。
所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在每个光栅周期内的多条矩形微纳结构的线宽和相邻所述矩形微纳结构的间距均小于入射光波长。
所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅的入射角为-25°~25°。
所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅对红绿蓝三色光均具有高的1级透射衍射效率且效率均衡，随入射角的变化平稳。
所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅的周期、每个周期内所述矩形微纳结构的条数、线宽、高度和相邻所述矩形微纳结构的间距均根据产品实际要求决定。
进一步设有中间传递光栅，中间传递光栅为一维多条矩形微纳结构超表面光栅，和耦出光栅位于波导衬底的同一端，且在垂直方向上，中间传递光栅位于耦出光栅之上。
一种采用所述的超表面微纳结构单片全色彩波导镜片的AR显示装置。
所述超表面微纳结构单片全色彩波导镜片数量为1，用以红绿蓝三色光的耦入、传输与耦出。
本发明具有以下技术效果：
本发明设计的耦入和耦出光栅均为一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在每个周期内均有多条矩形微纳结构。当入射光照射到超表面光栅上时，入射光将在高折射率亚波长结构中发生共振，对入射光的波前进行调制，使得透射光的光学性质发生改变。通过调节光栅周期、每个周期内矩形微纳结构的条数、线宽、高度和相邻矩形微纳结构的间距，我们可以使超表面光栅对红绿蓝三色光的波前产生不同的调制作用，从而在大入射角范围内对红绿蓝三色光均具有高的1级透射衍射效率且效率均衡，随入射角的变化平稳；此外，由于每个光栅周期内，矩形微纳结构的线宽和间距不对称，在所需方向上的1级透射衍射光可以得以增强，而相反方向上的1级透射衍射光被抑制。因此，采用一维多条矩形微纳结构超表面光栅的AR波导镜片的视场角大，视觉体验感强；耦入和耦出光栅结构相同，仅单片波导镜片即可实现全彩色显示，故采用该波导镜片的AR显示装置重量轻，可穿戴性佳。相比普通光栅，多条矩形微纳结构超表面光栅的设计变量多，设计灵活；矩形微纳结构具有垂直侧壁，更易加工。
附图说明
图1为本发明实施例的超表面微纳结构单片全色彩波导镜片的截面结构示意图。
图2为本发明实施例的一维多条矩形微纳结构超表面光栅其中两个周期的截面结构示意图。
图3为本发明实施例的一维多条矩形微纳结构超表面光栅其中两个周期的俯视结构示意图。
图4为本发明实施例的一维多条矩形微纳结构超表面光栅在正入射条件下的1级透射效率与波长的关系图。
图5为本发明实施例的一维多条矩形微纳结构超表面光栅在入射光波长分别为465 nm、530 nm和615 nm时的1级透射效率与入射角的关系图。
图6为本发明实施例的一维多条矩形微纳结构超表面光栅在波长为465 nm的光正入射时的归一化场分布图。
图7为本发明实施例的一维多条矩形微纳结构超表面光栅在波长为530 nm的光正入射时的归一化场分布图。
图8为本发明实施例的一维多条矩形微纳结构超表面光栅在波长为615 nm的光正入射时的归一化场分布图。
图9为本发明实施例的超表面微纳结构单片全色彩波导镜片的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细清楚地描述。以下所描述的实施例仅用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。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。
实施例1
如图1所示，一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片包括波导衬底1、耦入光栅3和耦出光栅4；耦入光栅3和耦出光栅4均为一维多条矩形微纳结构超表面光栅，均位于所述波导衬底表面，且分布在所述波导衬底的两端。耦入光栅3通常比较小，位于镜片一角，而耦出光栅4比较大，可能占据绝大部分镜片。
优选的，该波导衬底的折射率为1.4-2.2。
如图2所示，一维多条矩形微纳结构超表面光栅在每个光栅周期内均有多条矩形微纳结构，每个矩形微纳结构的高度相同，但线宽和相邻矩形微纳结构的间距不一定相同。
优选的，该一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在每个光栅周期内的多条矩形微纳结构的线宽和相邻所述矩形微纳结构的间距均小于入射光波长。
优选的，该一维多条矩形微纳结构超表面光栅的折射率大于等于波导衬底折射率。
优选的，该一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在每个光栅周期内，矩形微纳结构的个数大于等于2。
如图2所示，在本实施例中，一个周期内包含3个矩形微纳结构，分别为矩形微纳结构21，矩形微纳结构22，矩形微纳结构23。旁边还有三个矩形微纳结构，为第二个周期。
优选的，该一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在一个周期2内，矩形微纳结构21的线宽NW1的范围为10 nm至100 nm，矩形微纳结构22的线宽NW2的范围为30 nm至150 nm，矩形微纳结构23的线宽NW3的范围为30 nm至150 nm。
优选的，该一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在一个周期内，三条矩形微纳结构间的距离GAP1、GAP2和GAP3的范围均为50 nm至500 nm。
优选的，该一维多条矩形微纳结构超表面光栅的入射角为-25°~25°。
优选的，该一维多条矩形微纳结构超表面光栅的周期、每个周期内矩形微纳结构的条数、线宽、高度和相邻矩形微纳结构的间距均根据产品实际要求决定。
如图1所示，在采用超表面微纳结构单片全色彩波导镜片的AR显示装置中，图像生成装置发出的红（R）、绿（G）、蓝（B）三色光信号经准直后进入耦入光栅3，其1级透射光以大于波导衬底全反射角的角度进入波导衬底1中，以全反射的形式向前传输，遇过耦出光栅4时输出，进入人眼。因耦入光栅3和耦出光栅4的结构相同，可起到消色差的作用，故该AR显示装置仅用单片波导镜片即可实现全彩色AR显示。
针对本实施例中的一维多条矩形微纳结构超表面光栅建立时域有限差分数值仿真模型，以透射效率的高低和均匀性、入射视场角的大小为评价目标对图2所示的一维3矩形微纳结构超表面光栅的周期、矩形微纳结构21-23的线宽、高度和相邻矩形微纳结构的间距进行优化，使其满足设计要求。图4所示为仿真得到的本实施例的一维多条矩形微纳结构光栅在正入射条件下的1级透射衍射效率与波长的关系图。在整个波长范围465-615 nm内，透射效率均大于0.3，且变化较为平缓，最高值和最低值的差小于10%。该结果说明，以一维多条矩形微纳结构超表面光栅为耦入和耦出光栅的超表面微纳结构单片全色彩波导镜片在具有良好的消色差效果的同时，还能保持较高的效率，平稳且均衡的响应；对比其他的多片波导型结构，基于此超表面微纳结构单片全色彩波导镜片的AR显示装置可以实现极好的单片全色彩显示效果，大幅度减低器件重量，提高其可穿戴性。
图5所示为仿真得到的本发明实施例的一维多条矩形微纳结构光栅在入射光波长分别为465 nm、530 nm和615 nm时的1级透射衍射效率与入射角的关系图。从图4可以看出，对于波长为465 nm、530 nm、615 nm的入射光，一维多条矩形微纳结构光栅的1级透射衍射效率对入射角-25°~20°的变化不敏感，透射效率均保持在30%以上。只有波长为465 nm和530 nm的入射光以20°-25°的角度照射光栅时，透射效率才缓慢下降至25%左右。在任一入射角下，三色光的最高透射效率和最低透射效率差均保持在10%以内。该结果说明以一维多条矩形微纳结构光栅为耦入和耦出光栅的超表面微纳结构单片全色彩波导镜片在较宽的入射角范围内，对RGB三色光保持高透射效率和极好的响应均匀性以及平稳性；基于此超表面微纳结构单片全色彩波导镜片的AR显示装置可以实现极好的大视场全彩显示成像，视觉体验感强。
图6、图7和图8分别为本发明实施例的一维多条矩形微纳结构超表面光栅在波长为465 nm、530 nm和615 nm的光正入射时的归一化场分布图。如图6、图7和图8所示，波长分别为465 nm、530 nm和615 nm的入射光波进入高折射率矩形亚波长结构后，均产生了共振效应，亚波长结构中的电场得以增强，从而改变了入射光的波前。而传统光栅不存在光波的共振效应。因此，相比较而言，本发明实施例的一维多条矩形微纳结构超表面光栅能够极大地提高1级透射衍射效率，且效率均衡，随入射角的变化平稳。这是传统光栅所不能实现的。此外，由于每个光栅周期内，矩形微纳结构的线宽和间距不对称，在所需方向上的1级透射衍射光可以得以增强，而相反方向上的1级透射衍射光被抑制。
总之，本实施例提供的一维多条矩形微纳结构超表面光栅不仅具有高且色彩均衡的1级透射衍射效率，对入射角不敏感的光学响应，与现有AR波导镜片所采用的普通光栅相比，还具有更大设计自由度；相比斜齿光栅，其垂直侧壁还使得其具有更易被加工的优势。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上的进一步限定，除了实施例1全部元件外，该超表面微纳结构单片全色彩波导镜片还包括二维扩瞳所需的中间传递光栅5；如图9所示，中间传递光栅5和耦出光栅4位于同一波导片的同一端，且在垂直方向上，中间传递光栅5位于耦出光栅4之上；其中，中间传递光栅5也为一维多条矩形微纳结构超表面光栅。
在该波导镜片中，耦入光栅3将红（R）、绿（G）、蓝（B）三色光信号耦合进入波导衬底1中，使得三色光以全反射的形式向前传输；中间传递光栅5将波导中传输的三色光进行一维方向出瞳扩展处理，；耦出光栅4将传输过来的三色光再次在另外一个方向获得扩瞳，并耦合输出部分光束。
在该波导镜片中，随着三色光在耦出光栅的输出，剩余光能量降低，耦出光栅4的各个区域的超表面亚波长微钠光栅高度将根据输出图像的亮度均匀性需要而调整，以获得均匀亮度的画面。通常，光栅高度减低将导致耦出光强度降低。根据实际测量对各区域的高度调节达到调节画面各区域亮度的最终效果。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，即除了包含所列的那些结构，还可能包含没有明确列出的其它结构。
本说明书中所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述清晰简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为属于本说明书记载的范围内。
以上所述，本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了详细地描述，以上实施例的说明只用于帮助理解本发明的方法以及核心思想，不应理解为对本发明的限制。因此，任何本领域普通技术人员，依据本发明的方法和思想，进行的非创造性劳动都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片，其特征在于，包括波导衬底、耦入光栅和耦出光栅；在一个光栅周期内，所述耦入光栅和耦出光栅结构相同，均为一维多条矩形微纳结构超表面光栅，均位于所述波导衬底表面，且分布在所述波导衬底的两端；
所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅的折射率大于等于所述波导衬底折射率；
所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在每个光栅周期内，所述矩形微纳结构的个数大于等于2；
RGB三色光信号进入耦入光栅，其1级透射光以大于波导衬底全反射角的角度进入波导衬底中，以全反射的形式向前传输，遇过耦出光栅时输出，进入人眼。
2.根据权利要求1所述的一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片，其特征在于，所述波导衬底的折射率为1.4~2.2。
3.根据权利要求1所述的一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片，其特征在于，所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在每个光栅周期内均有多条矩形微纳结构，且每条所述矩形微纳结构的高度相同，但线宽和相邻所述矩形微纳结构的间距可不同。
4.根据权利要求1所述的一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片，其特征在于，所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在每个光栅周期内的多条矩形微纳结构的线宽和相邻所述矩形微纳结构的间距均小于入射光波长。
5.根据权利要求1所述的一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片，其特征在于，所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅的入射角为-25°~25°。
6.根据权利要求1所述的一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片，其特征在于，所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅对红绿蓝三色光均具有高的1级透射衍射效率且效率均衡，随入射角的变化平稳。
7.根据权利要求1所述的一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片，其特征在于，所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅的周期、每个周期内所述矩形微纳结构的条数、线宽、高度和相邻所述矩形微纳结构的间距均根据产品实际要求决定。
8.根据权利要求1所述的一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片，其特征在于，进一步设有中间传递光栅，中间传递光栅为一维多条矩形微纳结构超表面光栅，和耦出光栅位于波导衬底的同一端，且在垂直方向上，中间传递光栅位于耦出光栅之上。
9.一种采用权利要求1所述的超表面微纳结构单片全色彩波导镜片的AR显示装置。
10.根据权利要求9所述的AR显示装置，其特征在于，所述超表面微纳结构单片全色彩波导镜片数量为1，用以红绿蓝三色光的耦入、传输与耦出。
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