CN113703094B - 波导结构和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种波导结构和电子设备，波导结构包括多个栅格结构，多个所述栅格结构按第一排布方向排布形成多排栅格结构，多个所述栅格结构还按第二排布方向排布形成多排栅格结构，所述第一排布方向与所述第二排布方向之间呈锐角；每个所述栅格结构呈扁状多边形。该栅格结构能够实现更好的二维光栅性能，增加二维衍射波导的亮度与亮度均匀性。

Description

波导结构和电子设备
技术领域
本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种波导结构和电子设备。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)是近年来广受关注的科技领域，而AR眼镜产品是AR的主要实现方式之一，它的近眼显示系统是将显示器上的像素，通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。AR眼镜需要透视(See-through)，既要看到真实的外部世界，也要看到虚拟信息，所以成像系统不能挡在视线前方。这就需要多加一个或一组光学组合器，通过“层叠”的形式，将虚拟信息和真实场景融为一体。
目前AR眼镜有着折反射、反射光波导、一维衍射光波导、二维衍射光波导、全息光波导等众多光学实现方案，其中二维衍射光波导(Two-dimensional DiffractiveWaveguide，TDDW)因其轻薄和外界光线的高穿透特性，色彩还原性好，FOV大等特点被认为是最有前景的消费级AR眼镜光学方案。但是现有的二维衍射光波导的性能仍然不足。
发明内容
本申请实施例提供一种波导结构和电子设备，能够提高波导结构的性能。
本申请实施例提供一种波导结构，其包括：
多个栅格结构，多个所述栅格结构按第一排布方向排布形成多排栅格结构，多个所述栅格结构还按第二排布方向排布形成多排栅格结构，所述第一排布方向与所述第二排布方向之间呈锐角；
每个栅格结构呈扁状多边形。
本申请实施例还提供一种电子设备，其包括：
波导结构，所述波导结构为上述所述的波导结构。
本申请实施例中，波导结构包括多个栅格结构，多个栅格结构既按第一排布方向排布形成多排栅格结构，多个栅格结构还按第二排布方向排布形成多排栅格结构，第一排布方向与第二排布方向之间呈锐角；并且每个栅格结构呈扁状多边形。该栅格结构能够实现更好的二维光栅性能，增加二维衍射波导的亮度与亮度均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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。
为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行以下说明，其中在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。
图1为本申请实施例提供的光学组件的示意图。
图2为图1所示光学组件的波导结构中多个栅格结构的第一种结构示意图。
图3为图2所示多个栅格结构中一个栅格结构的结构示意图。
图4为本申请实施例提供的栅格结构和相关技术提供的栅格结构显示图像的对比图。
图5为本申请实施例提供的栅格结构的第二种结构示意图。
图6为本申请实施例提供的栅格结构的第三种结构示意图。
图7为图1所示光学组件的波导结构中多个栅格结构的第二种结构示意图。
图8为图1所示光学组件的波导结构中多个栅格结构的第三种结构示意图。
图9为图1所示光学组件的波导结构中多个栅格结构的第四种结构示意图。
图10为图9所示的多个栅格结构中一个栅格结构的示意图。
图11为本申请实施例提供的栅格结构的第四种结构示意图。
图12为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。
本申请实施例提供一种波导结构，波导结构包括多个栅格结构，多个栅格结构按第一排布方向排布形成多排栅格结构，多个栅格结构还按第二排布方向排布形成多排栅格结构，第一排布方向与第二排布方向之间呈锐角；每个栅格结构呈扁状多边形。该栅格结构能够实现更好的二维光栅性能，增加二维衍射波导的亮度与亮度均匀性。栅格结构呈扁状多边形可以理解为栅格结构整体为扁状，如栅格结构沿一个方向的长度大于另一方向的长度。
为了更好的理解本申请，下面举例说明。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的光学组件的示意图。本实施例的光学组件采用的是二维衍射光波导(Two-dimensional Diffractive Waveguide，TDDW)，其主要包括耦入光栅12、耦出光栅14、波导结构16。其中，耦入光栅12将来自投影光机(图中未示出)的光线耦入波导结构16，被耦入波导结构16的光线经全内反射朝耦出光栅14前进，再经耦出光栅耦出后入射到人眼(图中未示出)中，使用户看到投影光机的画面，光线18为耦入光栅12的输入光线。其中耦出光栅14由多个形状相同的栅格结构20呈阵列排布组成。需要重点说明的是，栅格结构20的形状决定了光栅各衍射级次的效率，这对显示画面的亮度和亮度均匀性起着重大影响作用，因此选用性能优良的栅格结构20形状将对提升用户体验起到重大意义。在此定义一个系数R＝E1/E2，其中E1为经光栅转折后耦出的光的效率，E2为经光栅(-2，0)级衍射直接耦出的光的效率。在保证光栅(0，0)级衍射效率不低于80％的情况下，R越高，说明该栅格结构20形状的性能越好。
可以理解的是，栅格结构可以有多种结构。示例性地，请结合图2和图3，图2为图1所示光学组件的波导结构中多个栅格结构的结构示意图，图3为图2所示多个栅格结构中一个栅格结构的结构示意图。第一排布方向为图中Y方向或a方向，第二排布方向为图中b方向，第一排布方向与第二排布方向之间呈锐角。该锐角的范围可以在15度至75度之间，例如，该锐角可以为25度、30度、35度、45度、55度、60度或65度等。
波导结构中的栅格结构20也可以划分为多个单元19，每一个单元19包括若干个栅格结构20。每一个单元19可以根据需要设置不同数量的栅格结构20，每一个单元19也可以根据需要选择不同排布方式的若干个栅格结构20。示例性地，一个单元19可以包括7个栅格结构20，7个栅格结构20可以按照正六边形的形式排布。例如，第一排1个，第二排2个，第三排1个，第四排2个，第五排1个。第一排的1个栅格结构20、第二排的2个栅格结构20、第四排的2个栅格结构20、第五排的2个栅格结构20分别位于正六边形或近似正六边形的六个顶点位置。每一个单元19按照正六边形或类正六边形设置，从而使波导结构获取更好的光学性能。
其中，栅格结构20可以包括两条第一边21、两条第二边22和两条第三边23，其中，两条第一边21沿第一排布方向a设置，两条第二边22相对第一排布方向a和两条第三边23对称设置。该栅格结构能够实现更好的二维光栅性能，增加二维衍射波导的亮度与亮度均匀性。
示例性地，栅格结构20可以为六边形，其中，一条第一边21两端分别连接两个第二边22，另一条第一边21两端分别连接两个第三边23，第二边22远离第一边21的一端与第三边23远离另一第一边21的一端连接。
栅格结构20可以为扁状六边形，如第一边21的长度大于第二边22或第三边23的长度。
其中，第一边21与第二边22形成的栅格结构20内角可以为120度，第二边22与第三边23形成的栅格结构20内角可以为120度，第三边23与另一第一边21形成的栅格结构20内角可以为120度。栅格结构20六内角均为120度，六内角和为720度。
栅格结构20沿第一轴对称设置且沿第二轴对称设置，第一轴与第二轴垂直，第一轴与第一排布方向a平行。栅格结构20可以为对称的结构，不仅左右对称设置，而且上下也对称设置。第二轴可以与第一边21的中轴线重合。
沿第一排布方向a，相邻两个栅格20具有第一距离Pa，沿第二排布方向b，相邻两个栅格20具有第二距离Pb，第一距离Pa在0.4μm至3μm之间，第二距离Pb在0.2μm至2μm之间。
在一些实施例中，第一距离Pa和第二距离Pb可以满足Pa＝Pb/2cos(30°)。
栅格结构20具有多个顶点，沿第一排布方向间隔最远的两个顶点之间具有第三距离Ly，沿垂直于第一排布方向的方向间隔最远的两个顶点之间具有第四距离Lx，第三距离Ly在0.1μm至2μm之间，第四距离Lx在0.1μm至3μm之间。
在一些实施例中，第三距离Ly和第四距离Lx还可以满足Ly＝Lx/2cos(30°)。
相关技术中的二维衍射光栅，在45度角入射的532nm TE平面波照射下，(0，0)级效率大约为83％，R值约为2.1742；在45度角入射的532nm TM平面波照射下，(0，0)级效率大约为72％，R值约为0.7802。
本申请实施例的光栅结构，在45度角入射的532nm TE平面波照射下，(0，0)级效率大约为84％，R值约为2.1775；在45度角入射的532nm TM平面波照射下，(0，0)级效率大约为77％，R值约为0.569，需要在保证(0，0)级效率的基础上尽量提高R值，当(0，0)级效率不高于80％的情况下以(0，0)级效率为主要性能指标。
请结合图4，图4中(a)为图2所示栅格结构在0视场的TE偏振光入射下的显示画面；(b)为图2所示栅格结构在0视场的TM偏振光入射下的显示画面；(c)相关技术中栅格结构在0视场的TE偏振光入射下的显示画面；(d)相关技术中栅格结构在0视场的TM偏振光入射下的显示画面。基于本实施的栅格结构对于532nm中心视场的显示画面，其中x与y轴分别为出瞳的x与y坐标。主要的参考指标分别为辐通量与相对照度，前一指标反应了整个画面的亮度，该值越高越好，后一指标反应了整个画面的亮度均匀性，该值越低越好。图中(a)与(c)为TE偏振光入射，可以看到图(a)的辐通量与图(c)几乎没有差距，但是图(a)的相对照度比图(c)的低了7％，这表明基于本实施例的衍射波导可以在保持亮度不变的情况下提高TE光的亮度均匀性。图(b)与(d)为TM偏振光入射，可以看到图(b)的辐通量相较图(d)降低了5％，相对照度提高了15％，这表明基于本实施例的波导结构可以在略微牺牲亮度的情况下较大提高亮度均匀性。单看画面也可以看出，本实施例的显示效果更加均匀。本申请实施例的光栅结构能够获取较好的亮度的情况下，极大提高亮度均匀性，可对提升AR头戴显示产品的显示画质起到积极作用。
第二边22与第三边23形成的栅格结构20内角还可以为其他角度，如在90度至150度之间，如图5和图6所示。当然，第一边21和第二边22形成的栅格结构20内角，第一边21和第三边23形成的栅格结构20内角也可以根据需要设置为其他角度。
其中，波导结构的折射率可以在1.5至3之间，光栅的材料可以为硅、塑料、玻璃、聚合物中的一种或多种。
可以理解的，在其他一些实施例中，栅格结构20还可以为其他结构，如栅格结构20的边可以超过6条。示例性地，请结合图7，图7为图1所示光学组件的波导结构中多个栅格结构的第二种结构示意图。
栅格结构20包括10条边。其中，栅格结构20的第一边21一端连接第二边22一端，另一第一边21一端连接第三边23一端，第二边22另一端和第三边23另一端通过第四边24和第五边25连接，第四边24和第五边25形成的栅格结构20内角大于180度。
其中，第四边24和第五边25相对第一排布方向对称设置。
第四边24和第五边25形成的栅格结构20内角为240度。即第四边24和第五边25形成的栅格结构20外角为120度。两外角的角平分线与栅格结构20的水平中轴重合，十内角和为1440度。
第四边24和第五边25的长度可以相等，当然在其他一些实施例中，第四边24和第五边25的长度也可以不相等。
为方便理解，栅格结构20可以为上述实施例的六边形栅格结构的基础上进行改进。如在上述实施例的六边形栅格结构左右两顶点处向内凹陷，左右两向内凹陷的顶点均在栅格结构20的水平中轴上，在X方向上内凹的长度为Ny，Ny可以在0.01μm至0.2μm之间，当然Ny也可以根据需要设置为其他值。
本实施例栅格结构20的排布方式可以参阅上述实施例的排布方式，在此不再赘述。
栅格结构20还可以为其他结构，请结合图8，图8为图1所示光学组件的波导结构中多个栅格结构的第三种结构示意图。如栅格结构20包括14边。示例性地，第一边21一端通过第六边26和第七边27连接第二边22一端，另一第一边21一端通过第八边28和第九边29连接第三边23一端，第二边22另一端和第三边23另一端连接，第六边26和第七边27形成的栅格结构内角大于180度，第八边28和第九边29形成的栅格结构内角大于180度。
第六边26和第七边27相对第一排布方向与第八边28和第九边29对称设置。
第六边26和第七边27形成的栅格结构20内角为240度，第八边28和第九边29形成的栅格结构20内角为240度。栅格结构20左上、右上、左下和右下四外角均为120度，栅格结构20的其他内角均为120度，栅格结构20所有内角和为2160度。
第六边26连接第一边21，第七边27连接于第二边22，第九边29连接另一第一边21，第八边28连接于第三边23，第七边27平行于第八边28且平行于第一边21。
为方便理解，本实施例的栅格结构20可以为上述实施例的六边形栅格结构的基础上进行改进。如在上述实施例的六边形栅格结构左上、右上、左下和右下四角处向内凹陷，以栅格结构20右上角为例作说明，其余三角均与右上角相同，点514处于点511与点512的连线上，点513与点514的连线和点511与点515的连线平行，点514与点515的连线和点513与点511的连线平行，点511与点514之间的距离为Nx，Nx可以为0.01μm至0.2μm，当然Nx也可以根据需要设置为其他值。
本实施例栅格结构20的排布方式可以参阅上述实施例的排布方式，在此不再赘述。
本申请实施例还提供一种栅格结构，请结合图9和图10，图9为图1所示光学组件的波导结构中多个栅格结构的第四种结构示意图，图10为图9所示的多个栅格结构中一个栅格结构的示意图。栅格结构20包括相对设置的两条第一边21、相对设置的两条第二边22、相对设置的两条第三边23、相对设置的两条第十边，其中，第二边22相对第一排布方向和第三边23对称设置，两条第一边21相对第一排布方向a对称设置，两条第十边30相对第一排布方向a对称设置。
其中，栅格结构20包括第一边21和第十边30相交的顶点，顶点与经过第一边21另一顶点的第一排布方向的最短距离在小于或等于0.2μm。
为方便理解，本实施例的栅格结构20可以为上述实施例的六边形栅格结构的基础上进行改进。如在上述实施例的六边形栅格结构上下两边线处向外突出，上下两突出顶点均在栅格结构的垂直中轴上，突出在X方向上的长度为Nx，Nx可以为0至0.2μm。
当然，如图11所示，本实施例的栅格结构20还可以为在上述实施例的六边形栅格结构上下两边线处向内凹陷，上下两突出顶点均在栅格结构的垂直中轴上，凹陷在X方向上的长度为Nx，Nx可以为0至0.2μm。
本申请实施例还提供一种电子设备，其包括波导结构，波导结构可以为如上述任意一个实施例中的波导结构。波导结构的具体结构在此不再赘述。示例性地，如图12所示，电子设备100可以为智能眼镜，电子设备100包括波导结构16。智能眼镜可以为AR眼镜或VR眼镜或其他智能眼镜。当然，电子设备还可以为智能头盔等穿戴设备，也可以为其他具有波导结构的设备。
以上对本申请实施例所提供的波导结构及电子设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (17)

1.一种波导结构，其特征在于，包括耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅将光线耦入所述波导结构并经所述耦出光栅耦出；所述耦出光栅包括：
多个栅格结构，多个所述栅格结构等间距地按第一排布方向排布形成多排栅格结构，多个所述栅格结构还等间距地按第二排布方向排布形成多排栅格结构，所述第一排布方向与所述第二排布方向之间呈锐角、且所述耦入光栅在所述第一排布方向上位于所述耦出光栅的一侧；
每个所述栅格结构包括两条第一边、两条第二边和两条第三边，其中，两条所述第一边沿所述第一排布方向设置，两条所述第二边相对所述第一排布方向和两条所述第三边对称设置，所述第二边与所述第三边形成的栅格结构内角在90度至150度之间，每一所述第一边的长度大于所述第二边的长度、也大于所述第三边的长度，以使每个所述栅格结构呈扁状多边形；其中，
每个所述栅格结构具有多个顶点，沿所述第一排布方向间隔最远的两个所述顶点之间具有第三距离，沿垂直于所述第一排布方向的方向间隔最远的两个所述顶点之间具有第四距离，所述第三距离和所述第四距离满足Ly＝Lx/2cos(30)其中，Ly为第三距离，Lx为第四距离。
2.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述栅格结构为六边形，一所述第一边两端分别连接两个所述第二边，另一所述第一边两端分别连接两个所述第三边，所述第二边远离所述第一边的一端与所述第三边远离另一所述第一边的一端连接。
3.根据权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述第一边与所述第二边形成的栅格结构内角为120度，所述第二边与所述第三边形成的栅格结构内角为120度，所述第三边与另一所述第一边形成的栅格结构内角为120度。
4.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述第一边一端连接所述第二边一端，另一所述第一边一端连接所述第三边一端，所述第二边另一端和所述第三边另一端通过第四边和第五边连接，所述第四边和所述第五边形成的栅格结构内角大于180度。
5.根据权利要求4所述的波导结构，其特征在于，所述第四边和所述第五边相对所述第一排布方向对称设置。
6.根据权利要求4所述的波导结构，其特征在于，所述第四边和所述第五边形成的栅格结构内角为240度。
7.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述第一边一端通过第六边和第七边连接所述第二边一端，另一所述第一边一端通过第八边和第九边连接所述第三边一端，所述第二边另一端和所述第三边另一端连接，所述第六边和所述第七边形成的栅格结构内角大于180度，所述第八边和所述第九边形成的栅格结构内角大于180度。
8.根据权利要求7所述的波导结构，其特征在于，所述第六边和所述第七边相对所述第一排布方向与所述第八边和第九边对称设置。
9.根据权利要求7所述的波导结构，其特征在于，所述第六边和所述第七边形成的栅格结构内角为240度，所述第八边和第九边形成的栅格结构内角为240度。
10.根据权利要求7所述的波导结构，其特征在于，所述第六边连接所述第一边，所述第七边连接于所述第二边，所述第九边连接另一所述第一边，所述第八边连接于所述第三边，所述第七边平行于所述第八边且平行于所述第一边。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的波导结构，其特征在于，所述栅格结构沿第一轴对称设置且沿第二轴对称设置，所述第一轴与所述第二轴垂直，所述第一轴与所述第一排布方向平行。
12.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，沿所述第一排布方向，相邻两个所述栅格结构具有第一距离，沿所述第二排布方向，相邻两个所述栅格结构具有第二距离，所述第一距离在0.4μm至3μm之间，所述第二距离在0.2μm至2μm之间。
13.根据权利要求12所述的波导结构，其特征在于，所述第一距离和所述第二距离满足Pa＝Pb/2cos(30°)，其中，Pa为第一距离，Pb为第二距离。
14.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述第三距离在0.1μm至2μm之间，所述第四距离在0.1μm至3μm之间。
15.根据权利要求1-10中任一项所述的波导结构，其特征在于，所述波导结构的折射率在1.5至3之间，所述栅格结构的材料为硅、塑料、玻璃、聚合物中的一种或多种。
16.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述栅格结构还包括相对设置的两条第十边，其中，两条所述第一边相对所述第一排布方向对称设置，两条所述第十边相对所述第一排布方向对称设置。
17.一种电子设备，其特征在于，包括：
波导结构，所述波导结构为如权利要求1-16中任一项所述的波导结构。
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