CN113791470A - 共振光栅波导结构及近眼显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共振光栅波导结构，包括：至少一层波导结构层，每层波导结构层设有至少一对耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅；其中，耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅均为多层结构，均是由从上至下依次叠放设置的光栅层、低折射率层、高折射率层和透明波导基底构成：光栅层的光栅周期处于亚波长范围；所述耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅的透明波导基底为共用的同一个透明波导基底。能避免由色散效应带来的颜色不均匀问题，实现高色纯度、颜色均匀的全彩显示并实现最大视场角。
Description
技术领域
本发明涉及近眼显示领域，尤其涉及一种应用于AR、VR等近眼显示器件能实现高质量全彩显示的共振光栅波导结构及近眼显示装置。
背景技术
增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来倍受关注的热点科技领域，伴随着5G技术的发展，其未来市场化前景已日趋明朗，使得近眼显示技术得到了快速发展。其中增强现实(AR)是一种将数字化信息(包括文字、图像、视频等)叠加到现实物理世界之上的技术。AR带来数字世界与物理世界的融合，其显著特征是要兼具强透视性及强移动性，AR眼镜成像系统不会遮挡视线前方，能不影响对现实环境的正常观察，给用户带来移动场景的切实感受。目前市场上的AR眼镜采用的显示系统是各种微显示屏与棱镜、Bird Bath、自由曲面、光波导等光学元件的组合，能将虚拟图像耦合进入人眼。其中光波导技术因其轻薄、对外界光线的高穿透特性而被认为是AR眼镜走向消费级的必选光学方案，无论从光学效果、外观美化、量产前景来说，都具备很大的发展潜力。
光波导总体上可以分为几何光波导和衍射光波导两种。由于光栅在设计和生产上的灵活性，使得衍射光波导技术在可量产性和产品良率方面都比几何光波导具有更大的优势。得益于微加工技术和“平面光学”技术的发展，目前表面浮雕光栅波导被国际上多家大公司采用并已验证其可量产性。光栅波导的优势主要体现在光栅区域的面积、形态、排布方式可以根据AR眼镜的光学参数要求和外形设计来灵活调节。由于采用和光纤技术一样的全反射原理，光栅波导显示器件可以做到和普通眼镜镜片一样轻薄透明。
由于衍射元件本身对于角度和波长的选择性，导致了目前的光栅波导存在色散的问题，主要表现为视场角(FOV)和动眼框内的颜色不均匀，即“彩虹效应”。图1所示为单层结构光栅波导的示意图，由于同一个衍射光栅对应于不同波长的光会有不同的衍射角度，处于不同波段的红绿蓝(RGB)三色光通过入射光栅发生衍射后，对应的衍射角θ就会不同，存在θR＞θG＞θB，使得每种颜色的光每完成一次全反射在波导中所经过的光程不同，进而在整个传播过程中发生全反射的次数不同，这便导致了光在经过出射光栅时，眼睛移动到动眼框的不同位置看到的RGB色彩比例是不均匀的；另外，即使同一颜色的光衍射效率也会随着入射角度的不同而变化，这就导致在整个视场角(FOV)范围内红绿蓝三色光的分布比例也会不同，因此出现了“彩虹效应”。为了改善单层结构光栅波导的色散问题并实现最大的FOV，目前采用的解决方案是如图2所示的多层结构光栅波导，将红绿蓝三色光分别耦合到三层波导里面，每一层波导只传导单一颜色的光，对应的耦入、耦出光栅只针对某一个颜色而优化，调整光栅参数使衍射角度达到最大FOV，从而可以改善最终在动眼框范围的颜色均匀性，进而减小“彩虹效应”。但是由于针对某一颜色光而优化的光栅在一定角度范围内仍会衍射其他颜色的光，并且每一种颜色的光并不是对应一个波长而是覆盖一定波长范围，所以只能在一定程度上改善色散问题，“彩虹效应”也仅是在一定程度上改善但并不能消除，同时这种多层结构光栅波导方案还存在对所覆盖颜色光的波段和入射角范围(即最大视场角，FOV)很难兼顾的问题。
因此，如何克服衍射元件带来的色散问题，实现高色纯度、颜色均匀的全彩显示并实现最大的FOV是目前光栅波导急需解决的问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种能实现全彩显示的共振光栅波导组件及近眼显示装置，能避免由色散效应带来的颜色不均匀问题，实现高色纯度、颜色均匀的全彩显示并实现最大视场角，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供一种共振光栅波导结构，包括：
至少一层波导结构层，每层波导结构层设有至少一对耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅；其中，
所述耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅均为多层结构，均是由从上至下依次叠放设置的光栅层、低折射率层、高折射率层和透明波导基底构成：所述光栅层的光栅周期处于低于入射光在真空中波长的亚波长范围；
所述耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅的透明波导基底110为共用的同一个透明波导基底。
本发明实施方式还提供一种近眼显示装置，采用本发明所述的共振光栅波导结构作为光栅波导器件。
与现有技术相比，本发明所提供的共振光栅波导结构及近眼显示装置，其有益效果包括：
通过在每层波导结构层设置至少一对耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅，两者的透明波导基底为共用的同一个透明波导基底，形成了在同一个透明波导基底表面间隔分开设置耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅，实现了入射光耦入和耦出的共振衍射，能对对应波长和入射角度的光产生共振衍射，对其它波长和入射角度的光的衍射效率接近于零；并且由于耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅的光栅周期处于亚波长范围(即低于入射光在真空中的波长)，使得透明波导基底中能够传导的衍射级次有限，有利于减少杂散光，使波导结构对周围环境光具有更高的穿透性；通过调节耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅的光栅参数，能使红、绿、蓝三色光在相同衍射角度下发生共振衍射，实现无色散共振衍射，进而解决现有光栅波导等衍射元件的色散效应问题，从根本上消除“彩虹效应”，实现高色纯度全彩显示。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为现有技术提供单层结构光波导的示意图；
图2为现有技术提供多层结构光波导的示意图；
图3(a)为本发明实施例提供的单层共振光栅波导结构的示意图；
图3(b)为本发明实施例提供的三层共振光栅波导结构的示意图；
图4为本发明实施例提供的共振光栅波导结构的耦入、耦出共振波导光栅的结构示意图；
图5为本发明实施例提供共振光栅波导结构的耦入共振波导光栅各级衍射效率随入射角度变化的RCWA仿真模拟结果(入射光波长520纳米，TE偏振)；
图6为本发明实施例提供共振光栅波导结构的耦入共振波导光栅各级衍射效率随入射角度变化的RCWA仿真模拟结果(入射光波长520纳米，TM偏振)；
图7为本发明实施例提供共振光栅波导结构的耦入共振波导光栅在红、绿、蓝光入射下发生共振衍射的RCWA仿真计算结果：在特定光栅参数下红、绿、蓝光在相同入射角度下发生共振衍射且衍射角度相同，即无色散共振衍射。(红光波长630纳米，绿光520纳米，蓝光450纳米，TE偏振)；
图8为本发明实施例提供共振光栅波导结构针对红、绿、蓝光设计的耦入共振波导光栅的-1级共振衍射效率随波长变化的RCWA仿真模拟结果；
图9为本发明实施例提供共振光栅波导结构的-1级共振衍射的RCWA模拟仿真结果：调节光栅参数使其共振衍射角度在一定范围内连续变化(入射光波长520纳米，TE偏振)；
图10为本发明实施例提供共振光栅波导结构对波长的色散特性RCWA仿真模拟结果(光栅设计针对波长520纳米的绿光入射)；
图11为本发明实施例提供共振光栅波导结构的共振衍射角度随低折射率层LiF厚度及光栅周期变化的RCWA模拟仿真结果：调节低折射率层厚度及光栅周期可以使共振衍射角度在一定范围内连续变化(入射光波长520纳米，TE偏振)；
图12为本发明实施例提供共振光栅波导结构的共振衍射角度随高折射率层TiO2厚度的变化(入射光波长520nm，TE偏振)；
图2至图4中：100-第一层波导结构层；120-耦入共振波导光栅；110-波导基底；22-高折射率层；24-低折射率层；26-光栅层；130-耦出共振波导光栅；200-第二层波导结构层；300-第三层波导结构层。
具体实施方式
下面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清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
下面对本发明所提供的共振光栅波导结构进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图3、4所示，本发明实施例提供一种共振光栅波导结构，能解决光栅波导显示装置由色散效应带来的颜色不均匀问题，实现高色纯度、颜色均匀的光栅波导全彩显示并实现最大视场角，该共振光栅波导结构包括：
至少一层波导结构层，每层波导结构层设有至少一对耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130；其中，
所述耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130均为多层结构，均是由从上至下依次叠放设置的光栅层、低折射率层、高折射率层和透明波导基底110构成：所述光栅层的光栅周期处于低于入射光在真空中波长的亚波长范围；
所述耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130的透明波导基底110为共用的同一个透明波导基底。
若设置一层波导结构层，则为单色显示的光栅波导结构(参见图3(a)中的第一层波导结构层)。
参见图3(b)，进一步的，所述波导结构层为三层，三层波导结构层(即图3(b)中的第一层波导结构层100、第二层波导结构层200、第三层波导结构层300)从上至下叠加设置，每层波导结构层对应衍射传播一种不同颜色的光。如三层波导结构层分别对应衍射传播红、绿、蓝各颜色的光，该波导结构是一种全彩显示的光栅波导结构。可以知道，为扩大视场角FOV，每层波导结构层也可以设置更多对耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130，以使光栅的共振衍射角度在一定范围内连续变化。
可以知道，为对应不同颜色的光，可设置更多层的波导结构层。
上述波导结构中，所述耦入共振波导光栅120与耦出共振波导光栅130中，
所述光栅层的折射率小于所述高折射率层的折射率且大于所述低折射率层的折射率；
所述透明波导基底110的折射率小于所述高折射率层的折射率且大于所述低折射率层的折射率。
上述波导结构中，所述光栅层的折射率与所述透明波导基底110的折射率相同或不同。
上述波导结构中，所述高折射率层的折射率为2.0～4.0；
所述低折射率层的折射率为1.0～1.5；
所述光栅层的折射率为1.5～2.0；
所述透明波导基底110的折射率为1.5～2.0。
可以知道，上述各层的折射率只是较优的折射率，其他能满足各层之间折射率关系的材料，也可以实现耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130的各层。
上述波导结构中，所述光栅层的高度为40～200纳米；
所述低折射率层的厚度为30～200纳米；
所述高折射率层的厚度为30～300纳米。
上述波导结构中，所述耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130中，所述光栅层的光栅周期、高度、占空比和所述高、低折射率层的厚度的参数值均满足使共振波导光栅对对应波长和入射角度的光产生共振模式；
所述高、低折射率层的厚度满足相位匹配，能使共振模式的能量耦合进高衍射级次并达到最高衍射效率。
上述波导结构中，对不同颜色光设置的各波导结构层的耦入共振波导光栅120与耦出共振波导光栅130的入射光波长λ与光栅层的光栅周期a的比值满足λR÷aR＝λG÷aG＝λB÷aB，即在相同入射角度下衍射角度相同；其中，λR为入射的红光的入射光波长，aR为针对红光设置的光栅周期；λG为入射的绿光的入射光波长，aG为针对绿光设置的光栅周期；λB为入射的蓝光的入射光波长，aB为针对蓝光设置的的光栅周期。在此基础上调节共振波导光栅的结构参数，使红、绿、蓝光在相同入射角度下发生衍射共振，由光栅公式可知此时透明波导中的衍射角度亦相同，从而从根本上消除由色散带来的“彩虹效应”，实现高色纯度、颜色均匀的光栅波导全彩显示。
上述波导结构中，所述光栅层可以暴露在空气(真空)中或者包覆一层低折射率透光外层。
综上可见，本发明实施例的共振光栅波导结构，通过设置共用同一个透明波导基底的多层结构的耦入共振波导光栅与耦出共振波导光栅，对对应波长和入射角度下的入射光实现共振衍射，解决了色散效应引起的光栅波导颜色不均匀的问题，使其实现无色散彩色显示；提高光效，减少背景杂光，提高光栅波导显示器件的光透性。
本发明实施例还提供一种近眼显示装置，采用上述的共振光栅波导结构作为光栅波导器件。由于采用了无色散彩色显示的共振光栅波导结构，提高了近眼显示装置的显示效果。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明所提供的共振光栅波导结构进行详细描述。
实施例
本发明实施例提供一种共振光栅波导结构，适用于AR、VR等近眼显示装置，实现光栅波导无色散RGB全彩显示。如图3(b)所示，该共振光栅波导结构将亚波长光栅结构与透明光波导结合在一起，具体包括：从上至下叠加设置在一起的三层波导结构层100、200、300，分别对应衍射传播红、绿、蓝各颜色的光，每层波导结构层的构成具备相同，每层波导结构层设有至少一对耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130，以及它们共用的一个透明波导基底110，即共振波导光栅与透明波导基底集成为一体结构，透明波导基底110同时是耦入、耦出共振波导光栅的共用基底；每层波导结构层中，耦入共振波导光栅120与耦出共振波导光栅130对应的光栅参数相同，光栅面积可以不同，分别用于光线的耦入和耦出。
上述共振光栅波导结构中，每层波导结构层中，耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130均为多层结构，两者构成结构相同，以耦入共振波导光栅120的构成为例进行说明，它是由从上至下叠放设置的光栅层26、低折射率层24、高折射率层22和共用的波导基底110构成；其中，光栅层26的光栅周期处于亚波长范围，低于入射光在真空中的波长，亚波长周期的光栅层使得透明波导基底中能够传导的衍射级次有限，有利于减少杂散光；光栅层的光栅周期、高度、占空比和所述高、低折射率层的厚度的取值满足使共振波导光栅对对应波长和入射角度的光产生共振模式；高、低折射率层的厚度满足相位匹配，能使共振模式能量耦合进高衍射级次及达到最高衍射效率。
上述的耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130中，光栅层的折射率与透明波导基底可以相同，也可以不同，光栅层可以暴露在空气(或真空)中或包覆一层低折射率透光外层。
优选的，上述的耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130中，透明波导基底110的折射率为1.5～2.0；高折射率层的折射率为2.0～4.0；低折射率层的折射率为1.0～1.5，光栅层的折射率为1.5～2.0。这是各层较优的折射率，但各层的折射率并不限于这些折射率范围，只要能满足使共振波导光栅对对应波长和入射角度的光产生共振模式即可。
上述耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130中，光栅层的高度为40～200纳米，高折射率层、低折射率层的厚度均为30～300纳米。
本发明共振光栅波导结构的工作模式为透射模式，其核心是共振光栅波导结构作为一种共振型光学元件，只对对应波长和入射角度下的光产生共振衍射，对其它波长和入射角度的光的衍射效率接近于零。在耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130中，光栅层的光栅周期、高度、占空比以及高、低折射率层的厚度的参数值满足使共振光栅波导能产生共振模式，具体光栅层的光栅周期、高度、占空比以及高、低折射率层的厚度这些参数的取值可经过RCWA计算给出，高、低折射率层厚度要满足相位匹配，使共振模式能量耦合进高衍射级次，比如+1或-1级，实现高阶次共振衍射。(例如图5，当入射光波长为520纳米，TE偏振，光栅层的光栅周期为400nm，高度为100nm，占空比为50％，低折射率层的厚度为70nm，高折射率层的厚度为50nm时，在入射角度为11°时得到-1级共振衍射，衍射效率为60％，共振谱线的半高宽约为8.5°。对应不同入射波长、共振衍射角度的结构参数不同，可以根据实际需要来调整参数)，并且该共振光栅波导结构可以通过调节共振波导光栅结构的各项参数，如光栅层的光栅周期等，使红、绿、蓝光在相同衍射角度下发生共振衍射，从而消除色散效应带来的色彩不均匀性，实现光栅波导无色散RGB全彩显示。
当波长λ及入射角度θ0的入射光入射到匹配结构参数的耦入共振波导光栅120上时，对该入射光产生1级(或-1级)共振衍射，衍射效率可以高于60％，而对其它波长及入射角度的入射光的衍射效率低于10％，该耦入共振波导光栅120的光栅层的光栅周期、高度、占空比及高、低折射率层的厚度根据入射光的波长和入射角度θ0由RCWA计算给出；共振衍射对波长及入射角度的高度选择性，使得耦入共振波导光栅120这种共振光栅波导结构对可见光具有高穿透性，应用于AR显示中不影响对现实环境的观察。如图5所示，以波长为520nm、TE偏振的绿光为例，当这种波长的绿光入射到耦入共振波导光栅120上时，在入射角度为11°时得到-1级共振衍射(-11°时+1级共振衍射)，衍射效率为60％，共振谱线的半高宽约为8.5°；图6所示为波长520nm、TM偏振的光入射到相同结构的耦入共振波导光栅上得到的0级、-1级衍射效率示意图。从图中可以看出对于相同的光栅结构，入射光为TM偏振时并没有得到如图5所示的共振衍射，其中0级衍射效率随角度变化很小，而-1级衍射效率低于10％。这说明如图4所示的耦入共振波导光栅对入射光的偏振状态同样具有高选择性，同时可作为极化分束器应用。
从上述对比可以看出，本发明的共振波导光栅(即耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130)仅当入射光波矢与光栅的本征模式相匹配时发生共振，即在对应入射波长和入射角度下产生共振衍射，而对其他波长和入射角度的光衍射效率可以忽略。而共振波导光栅固有的本征模式由光栅的结构参数及组成材料决定，当入射光经光栅衍射后的波矢与光栅固有本征模式相匹配时在光栅中产生波导模式，该模式一般被束缚在光栅结构中，产生沿着光栅表面传播的表面波，而在光栅周围环境介质中为倏逝波。由于光栅的周期性，表面倏逝波通过与光栅波矢的相互作用将光栅中产生的波导模式的能量耦合进光栅的传导模式中，从而产生共振衍射。本发明中的共振波导光栅结构能够将共振能量耦合进高阶次衍射模式中，实现高阶次共振衍射，如+1(或-1)级共振衍射，能够满足AR显示对全反射的要求，这也是本发明中的共振波导光栅结构与以往的零级光栅的不同之处，也是本发明的关键所在。如前所述，入射光经光栅衍射后在共振波导光栅中激发共振波导模式。通常情况下激发波导模式的衍射级次以及产生的波导模式在光栅两侧周围环境中为倏逝波，所以当波导模式耦合进光栅的传导衍射级次时要经过光栅的再次衍射。由于激发共振波导模式的衍射级次一般为1级，所以通常共振波导模式耦合进零级衍射的效率最高，而耦合进高衍射级次如-1级的效率要低很多，所以一般情况下共振波导光栅工作在零级。本发明中的共振波导光栅结构中激发波导模式的衍射级次同样为-1或+1级，它在光栅入射(反射)一侧为倏逝波而在透射一侧为传导波。这就使得共振波导模式耦合进光栅透射一侧环境中时不需要再次衍射而与直接透射的-1级(或+1级)发生干涉将共振模式的能量耦合进高衍射级次，-1级(或+1级)，并得到高衍射效率；而耦合进零级衍射要经过光栅再次衍射，所以相对耦合效率会低些。并且本发明的共振光栅波导结构中，高折射率层相当于一个多光束反射透射腔，调节高折射率层的厚度，能使0级与-1级(或+1级)衍射通过高折射率层时分别发生相消及相长干涉，使-1级(或+1级)共振衍射效率更高，而0级、+1级(或-1级)衍射效率更低。本发明的共振光栅波导结构通过上述两个过程将共振波导能量耦合进高衍射阶次，得到高衍射效率的高阶次共振衍射。如图5所示，-1级(或+1级)衍射效率超过60％，实现了高阶次共振衍射，提高了波导显示器件的光效；耦入共振波导光栅120中，低折射率层24的作用是减小共振波导模式能量的“泄漏”，从而减小共振谱线的半高宽，同时降低背景杂光。
为实现彩色显示，本发明能通过调节耦入共振波导光栅120的各项参数，使红、绿、蓝光在相同衍射角度下发生共振衍射，进而消除色散效应带来的色彩不均匀性。例如针对波长520nm的绿光设计的耦入共振波导光栅120，使其在入射角度为11°时得到-1级共振衍射，共振谱线的半高宽约为8.5°，如图5所示。在此基础上改变光栅层的光栅周期及光栅层的高度并保持入射光波长λ与光栅周期a的比值相同，即λR/aR＝λG/aG＝λB/aB,使红光(波长为630nm)、蓝光(波长为450nm)也在相同入射角度下发生共振衍射，由光栅公式可知，此时衍射角度亦相同。同时调节低折射率层及高折射率层的厚度，使得红、绿、蓝光的共振衍射效率接近相同，从根本上消除“彩虹效应”，实现高色纯度全彩显示，如图7所示。所有结构参数由RCWA仿真计算给出最优化的结果。图8为在相同入射角度下(11°)针对红、绿、蓝光设计的耦入共振波导光栅的-1级衍射效率随波长的变化。
为了在AR显示应用中实现大的视场角FOV，本发明通过调节光栅层的光栅周期、光栅层的高度、高、低折射率层的厚度等参数，使共振波导光栅的共振衍射角度在一定范围内连续变化。仍以对应520nm绿光的耦入共振波导光栅为例，通过调节光栅层的光栅周期及低折射率层厚度改变共振衍射角度，如图9所示，使共振衍射角度从-17°到+17°连续变化，同时调节高折射率层的厚度使不同共振衍射角度的衍射效率接近相同。这样通过几个结构相似光栅的拼接实现大视场角FOV。
通常情况下，共振衍射对角度的色散会对应波长的色散。以上述针对波长为520nm绿光的耦入共振波导光栅为例，图5中，-1级共振衍射的半高宽约为8.5°，为了得出耦入共振波导光栅对波长的色散，对于相同结构的耦入共振波导光栅在固定入射角度下研究光栅衍射效率随波长的变化。图10给出在不同入射角度下400～700nm范围内-1级共振衍射随波长变化的RCWA仿真结果。从图10中可以看到对应一定入射角度的共振衍射谱的半高宽在40～50nm之间，当入射角度从7°变化至15°时(对应图5中随角度变化的衍射效率半高宽的角度范围)，共振衍射的中心波长的变化范围为500～533nm.说明本发明的共振光栅波导结构能够满足AR显示对色纯度的要求，可以实现高色纯度全彩显示。
特别指出的是本发明共振光栅波导结构中，透明波导基底的折射率ns可以在1.5～2.0之间，但不限于此范围，所选材料为低损耗透光材料，但不限于某种材料；同样，对于光栅层的折射率nG可以在1.5～2.0之间，但不限于此范围，所选材料为低损耗透光材料，但不限于某种材料；低折射率层的折射率nL可以在1.0～1.5之间，但不限于此范围；高折射率层的折射率nH可以在2.0～4.0之间，但不限于此范围；透明波导基底的折射率ns、光栅层的折射率nG以及高、低折射率层的折射率nH、nL之间的关系为：nL<ns(nG)<nH，其中ns、nG可以取值相同也可以不同。共振光栅波导结构在应用中可以根据实际情况选择不同的高、低折射率层材料及光栅层、透明波导基底材料，如高折射率层可以采用但不限于TiO2、Ta2O5、Si、ZnS、ZrO2、Al2O3等材料。图5～图12中所给出的RCWA仿真计算中，透明波导基底的折射率取值为1.9，光栅层的折射率1.9，低折射率层采用LiF(折射率1.39)，高折射率层采用TiO2，具有色散性，对应红、绿、蓝光的折射率为2.5～2.8。针对红、绿、蓝光，光栅层的光栅周期为300～600nm，光栅层的高度为40～200nm，高折射率层的厚度均为30～300nm，低折射率层的厚度为30～200nm。利用上述参数得出的-1级(或+1级)共振衍射的效率约为60％。需要说明的是，可以根据需要通过改变光栅参数及光栅材料、高、低折射率层的材料来控制共振波导模式的“能量泄漏”来获得更高的共振衍射效率。例如可以通过对低折射率层的折射率、厚度以及光栅层高度的调节使共振衍射的效率达到近100％，并且可以根据需要调节共振谱线的宽度。
可以知道，上述说明中多以耦入共振波导光栅120为例进行说明，而耦出共振波导光栅130的结构和各项参数是与耦入共振波导光栅120相同的，根据确定好的耦入共振波导光栅120的结构、参数，设置耦出共振波导光栅130即可。
综上可见，本发明实施例的共振光栅波导结构至少具有以下优点：
(1)通过将亚波长光栅结构与透明光波导结合在一起，应用于AR、VR等近眼显示器件。整体结构包括传导光的透明波导基底，耦入光栅和耦出光栅。多层共振波导光栅与透明波导基底为一体，透明波导基底同时是耦入、耦出光栅的基底。
(2)光栅周期为亚波长，即光栅周期小于真空中波长。由于光栅周期小于入射光波长，使“共振光栅波导结构”中允许存在的传导衍射级次有限，这一点不同于其他光学衍射元件。区别于其他衍射型光栅或光学衍射元件，共振波导光栅是一种共振型光学元件，光栅参数及其他结构参数经过严格计算使其满足共振条件，即只在一定波长和入射角度下产生共振衍射，对其它波长和入射角度的光衍射效率接近于零。当入射光经光栅衍射后波矢与光栅结构本身的本征模式相匹配时发生共振，在光栅结构中激发共振波导模式。由于光栅的周期性，共振波导模式在传播过程中能量逐渐“泄漏”，并通过光栅的衍射耦合进光栅的传导衍射模式中产生共振衍射。由于对其它波长和入射角度的光几乎没有衍射，使“共振光栅波导结构”对周围环境光具有很高的穿透性。这一特点对于AR显示应用尤其重要，高穿透性使得AR眼镜带给用户高质量数字图像的同时又不影响对现实景物的观察。
(3)通过对光栅层的光栅材料折射率、光栅周期、光栅高度、占空比以及低折射率层的折射率及厚度的设计，经过严格RCWA计算，使得耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130均能够产生共振波导模式，然后加入高折射率层，通过对高折射率层的折射率及厚度的设计，经过进一步RCWA优化计算，使得0级与高衍射级次，如-1级(或+1级)，通过一定厚度的高折射率层时分别发生相消及相长干涉，使共振衍射进一步优化，将共振波导模式的能量绝大部分耦合进-1级(或+1级)等高衍射级次，产生高阶次共振衍射，使其满足AR显示对全反射角度的要求。
(4)本发明的共振光栅波导结构能够通过调节耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130的各项结构参数，使红、绿、蓝光在相同衍射角度下发生共振衍射：调节光栅层的光栅周期并保持入射光波长λ与光栅周期a的比值相同，即λR/aR＝λG/aG＝λB/aB,使红(如630nm)、绿(如530nm)、蓝(如450nm)入射光在相同入射角度下发生共振衍射，由光栅公式可知，此时衍射角度亦相同，同时调节低折射率层及高折射率层的厚度，使得红、绿、蓝光的共振衍射效率接近相同，从根本上消除“彩虹效应”，实现高色纯度全彩显示。
(5)本发明的共振光栅波导结构中，经过计算具有设定厚度的高折射率层能够使透过的-1级(或+1级)衍射具有更高的衍射效率，而使0级、+1级(或-1级)衍射具有更低的衍射效率，将共振波导模式的能量耦合进-1级(或+1级)衍射。
(6)本发明的共振光栅波导能够通过调节结构参数改变耦入共振波导光栅120和耦出共振波导光栅130的共振衍射角度，满足AR显示应用中大视场角FOV的要求：通过调节光栅层的光栅周期及低折射率层的厚度改变共振衍射角度(如图11所示)，使共振衍射角度在一定入射角范围内连续变化，同时调节高折射率层的厚度使不同共振衍射角度的衍射效率接近相同。这样可以通过几个结构相似光栅的拼接实现大视场角FOV。如图9所示，共振光栅波导的共振衍射角度从-17°到+17°连续变化，FOV大于34。实际应用时，可以根据需要在更大角度范围内调节共振衍射角度，从而获得更大的FOV。图12给出520纳米入射波长，LiF厚度为70纳米，光栅周期400纳米，占空比50％，光栅高度为100纳米时共振衍射角度随高折射率层(TiO2)厚度的变化。例如，入射波长520纳米，如果选择要在11°处产生共振衍射：如图11选择光栅周期400nm，LiF厚度70nm，如图12，选择与之相位匹配的高折射率层(TiO2)的厚度可以为50nm，160nm或者270nm，使之得到最高共振衍射效率。
(7)本发明中的共振波导光栅结构能根据实际需要，通过改变结构参数及光栅材料、高、低折射率层材料来调节共振衍射的衍射效率及共振谱的谱线宽度，1级(-1级)衍射效率最高可达100％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种共振光栅波导结构，其特征在于，包括：
至少一层波导结构层，每层波导结构层设有至少一对耦入共振波导光栅(120)和耦出共振波导光栅(130)；其中，
所述耦入共振波导光栅(120)和耦出共振波导光栅(130)均为多层结构，均是由从上至下依次叠放设置的光栅层、低折射率层、高折射率层和透明波导基底(110)构成：所述光栅层的光栅周期处于低于入射光在真空中波长的亚波长范围；
所述耦入共振波导光栅(120)和耦出共振波导光栅(130)的透明波导基底(110)为共用的同一个透明波导基底。
2.根据权利要求1所述的共振光栅波导结构，其特征在于，所述波导结构层为三层，三层波导结构层从上至下叠加设置，每层波导结构层对应衍射传播一种不同颜色的光。
3.根据权利要求1所述的共振光栅波导结构，其特征在于，所述耦入共振波导光栅(120)与耦出共振波导光栅(130)中，
所述光栅层的折射率小于所述高折射率层的折射率且大于所述低折射率层的折射率；
所述透明波导基底(110)的折射率小于所述高折射率层的折射率且大于所述低折射率层的折射率。
4.根据权利要求3所述的共振光栅波导结构，其特征在于，所述光栅层的折射率与所述透明波导基底(110)的折射率相同或不同。
5.根据权利要求3或4所述的共振光栅波导结构，其特征在于，
所述高折射率层的折射率为2.0～4.0；
所述低折射率层的折射率为1.0～1.5；
所述光栅层的折射率为1.5～2.0
所述透明波导基底(110)的折射率为1.5～2.0。
6.根据权利要求1至4任一项所述的共振光栅波导结构，其特征在于，
所述光栅层的高度为40～200纳米；
所述低折射率层的厚度为30～200纳米；
所述高折射率层的厚度为30～300纳米。
7.根据权利要求1至4任一项1所述的共振光栅波导结构，其特征在于，所述耦入共振波导光栅(120)和耦出共振波导光栅(130)中，所述光栅层的光栅周期、高度、占空比和所述高、低折射率层的厚度的取值满足使共振波导光栅对对应波长和入射角度的光产生共振模式；
所述高、低折射率层的厚度满足相位匹配条件，能使共振模式的能量耦合进高衍射级次并达到最高衍射效率。
8.根据权利要求2至4任一项1所述的共振光栅波导结构，其特征在于，对不同颜色光设置的各波导结构层的所述耦入共振波导光栅(120)与耦出共振波导光栅(130)的入射光波长λ与光栅层的光栅周期a的比值满足λR÷aR＝λG÷aG＝λB÷aB，使得在相同入射角度下衍射角度相同；其中，λR为入射的红光的入射光波长，aR为针对红光设置的光栅周期；λG为入射的绿光的入射光波长，aG为针对绿光设置的光栅周期；λB为入射的蓝光的入射光波长，aB为针对蓝光设置的光栅周期。
9.根据权利要求1至4任一项1所述的共振光栅波导结构，其特征在于，所述光栅层包覆一层低折射率透光外层，或者，直接暴露在空气或真空中。
10.一种近眼显示装置，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的共振光栅波导结构作为光栅波导器件。
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