CN114185123A - 超表面光栅、光波导和头戴式设备 - Google Patents

超表面光栅、光波导和头戴式设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超表面光栅、光波导和头戴式设备。其中，超表面光栅设置于光波导片靠近光机的一侧，超表面光栅包括高度相同宽度不同的第一条状单元和第二条状单元，第一与第二条状单元相距第一距离平行设置组成超表面光栅的基本单元，基本单元以第二距离周期性地设置于光波导片的表面；在条状单元的高度大于或等于光机发出光束最小波长三分之一的情况下，光束入射到超表面光栅，经过基本单元发生第一次偏转并产生与条状单元高度成正比的相位差，进入光波导片发生第二次偏转并在光波导片中发生全反射，其中光束在宽度不同的两个条状单元之间的耦合可以忽略。本发明可以通过单片光波导实现彩色显示，有效抑制多级衍射，获得更好的成像效果。

Description

超表面光栅、光波导和头戴式设备
技术领域
本发明涉及超表面技术领域，尤其涉及一种超表面光栅、光波导和头戴式设备。
背景技术
增强现实（Augmented Reality，简称AR）和虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）设备被定义为继电脑、手机之后的下一代人和数据的交互平台，让人与人、人与机器、人与数据的沟通变得更加自然高效，在智能制造、航空航天、医疗健康、教育教学、金融服务、公共安全、文化娱乐等领域具有重要的应用前景。第五代移动通信技术（5th GenerationMobile Communication Technology，简称5G）、第六代移动通信技术（6th GenerationMobile Communication Technology，简称6G）、人工智能、大数据等技术的发展，进一步促进了AR和VR设备的发展。AR技术是将真实世界信息与虚拟世界信息“无缝”叠加的技术形式。
光波导是一种利用光栅实现图像近眼显示的技术，随着光学元件从毫米级别到微纳米级别，从“立体”转向“平面”，促进了光波导在AR设备中的应用。光波导可以通过全反射压缩将图像传导到人眼，具有轻薄、透过率高的特点，外观接近近视镜片，比较符合消费级AR设备的需求。目前AR行业中最为领先的微软的HoloLens，是通过将2到3片光波导片叠加实现三色混色，形成彩色画面，其中每片光波导片都采用表面浮雕光栅用于光的耦和耦出。多片光波导片叠加使用容易产生色散、鬼影等问题，并且其投影部分光机体积较大、存在多级衍射导致图像外泄、双目视差引起的眩晕问题。
发明内容
本发明提供一种超表面光栅、光波导和头戴式设备，用以解决现有技术中光波导中耦入光栅容易产生色散、鬼影等问题，以及多级衍射导致图像外泄、双目视差引起的眩晕问题，可以通过单片光波导实现彩色显示，提高衍射效率，有效抑制多级衍射，获得更好的成像效果，可以满足AR设备的需求。
第一方面，本发明提供了一种超表面光栅，所述超表面光栅设置于光波导片靠近光机一侧的表面上，所述超表面光栅包括：第一条状单元和第二条状单元；
所述第一条状单元与所述第二条状单元具有相同的高度，所述第一条状单元的宽度小于所述第二条状单元的宽度，并且小于条状单元的高度；所述第一条状单元与所述第二条状单元相距第一距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述超表面光栅的基本单元，所述基本单元以第二距离周期性地设置于所述光波导片的表面上；
在所述条状单元的高度大于或者等于所述光机发出的光束最小波长的三分之一的情况下，所述光机发出的光束入射到所述超表面光栅，经过所述基本单元发生第一次偏转，并累计产生与所述条状单元的高度成正比的相位差，进入所述光波导片发生第二次偏转，并在所述光波导片中发生全反射，其中光束在宽度不同的两个条状单元之间的耦合可以忽略。
根据本发明提供的超表面光栅，所述相位差根据常数
Figure 584941DEST_PATH_IMAGE001
、所述光束的波长、所述条 状单元的高度以及所述第一条状单元与所述第二条状单元之间的有效折射率确定；
两次偏转累计产生的偏转角度的正弦值根据所述光束的波长、所述光波导片的折射率以及所述超表面光栅的第二距离确定；
所述超表面光栅的第一距离根据常数
Figure 880793DEST_PATH_IMAGE002
、所述相位差、所述光束的波长以及所 述偏转角度的正弦值确定。
根据本发明提供的超表面光栅，所述第一条状单元与所述第二条状单元采用相同的材料，所述材料包括氧化硅、氮化硅、氮化镓和二氧化钛中的一种。
根据本发明提供的超表面光栅，所述光波导片的材料为熔融石英。
根据本发明提供的超表面光栅，所述超表面光栅是以所述光波导片为基底，采用半导体制造工艺制作。
根据本发明提供的超表面光栅，所述第一条状单元和所述第二条状单元的材料为二氧化钛，所述第一条状单元与所述第二条状单元的高度为150~450nm，所述第一条状单元的宽度为20~100nm，所述第二条状单元的宽度为60~200nm，所述第一距离为100~300nm，所述第二距离为400~1000nm。
第二方面，本发明提供了一种光波导，包括：光波导片、耦入光栅和耦出光栅；
所述耦入光栅采用根据第一方面所述的超表面光栅；
所述耦出光栅为表面浮雕光栅，设置于所述光波导片靠近人眼一侧的表面上；
从所述耦入光栅入射的光束在所述光波导片中发生全反射，并从所述耦出光栅出射在人眼成像。
根据本发明提供的光波导，所述耦入光栅与所述耦出光栅设置于所述光波导片同一侧的表面上；或者，
所述耦入光栅与所述耦出光栅设置于所述光波导片相对两侧的表面上。
第三方面，本发明提供了一种头戴式设备，包括第二方面所述的光波导制作的镜片。
根据本发明提供的头戴式设备，包括增强现实眼镜和增强现实头盔中的一种。
本发明实施例提供的超表面光栅、光波导和头戴式设备，通过将超表面光栅作为光波导中的耦入光栅使用，可以将现有单片光栅的有效光谱范围从465nm扩展到615nm，通过单片光波导实现彩色显示，解决色散、鬼影等问题；并且可以将耦入光栅的衍射效率从10%左右提高到80%以上，有效抑制多级衍射，解决图像外泄、双目视差引起的眩晕问题，可以获得更好的成像效果；同时，薄膜型的超表面光栅轻薄体积小、可以提升耦入光栅的光耦合效率，降低元器件的功耗，从而提升光波导的光学效率；并且使可以通过调整光波导片的折射率，扩大视场角，视场角可以达到50°；可以满足AR设备对于轻小型、隐私性、高效性、长时间佩戴的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是本发明提供的一种超表面光栅的主视图；
图2是图1中超表面光栅的俯视图；
图3是具有图1中超表面光栅的光波导的示意图；
图4是光束通过图3中的光波导进入人眼成像的示意图；
图5是本发明提供的超表面光栅一实施例的相移示意图；
图6是本发明提供的超表面光栅一实施例的相位示意图；
图7是本发明提供的超表面光栅一实施例的衍射效率的示意图；
图8是本发明提供的超表面光栅一实施例的视场角的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
超表面是由亚波长尺度的单元构成的功能膜层，可以实现对电磁波振幅、相位、偏振等特性的灵活调控，具有调控精度高、结构平面化、集成度高、多重功能等诸多优点，超表面元件被认为是继第一代折反射光学元件和第二代衍射光学元件之后的第三代新型光学元件。将超表面光栅作为光波导中的耦入光栅使用，已成为近眼显示光学领域的主要发展方向之一。
本发明提供了一种应用于光波导中的超表面光栅，请参阅图1、图2、图3和图4，图1是本发明提供的一种超表面光栅的主视图，图2是图1中超表面光栅的俯视图，图3是具有图1中超表面光栅的光波导的示意图，图4是光束通过图3中的光波导进入人眼成像的示意图。
如图3所示，超表面光栅100设置于光波导片200靠近光机一侧的表面上。如图1和 图2所示，超表面光栅100包括：第一条状单元110和第二条状单元120。第一条状单元110和 第二条状单元120可以为横截面为矩形的微纳米结构，第一条状单元110与第二条状单元 120可以具有相同的高度L，第一条状单元110的宽度W L可以小于第二条状单元120的宽度W R， 并且小于条状单元110和120的高度L，第一条状单元110与第二条状单元120可以相距第一 距离D，平行地设置于光波导片200的表面上，组成超表面光栅100的基本单元，该基本单元 可以以第二距离
Figure 537777DEST_PATH_IMAGE003
周期性地设置于光波导片200的表面上。其中，高度L、宽度W L、宽度W R、第 一距离D和第二距离
Figure 514961DEST_PATH_IMAGE003
的度量单位均为纳米。
如图4所示，在条状单元110和120的高度L足够高的情况下，例如大于或者等于光机发出的光束最小波长的三分之一，光机发出的光束入射到超表面光栅100，经过基本单元发生第一次偏转，并累计产生与条状单元110和120的高度L成正比的相位差，进入光波导片200发生第二次偏转，并在光波导片200中发生全反射，其中光束在宽度不同的两个条状单元110与120之间的耦合可以忽略。在光波导片200靠近人眼一侧的表面上设有另一光栅300，另一光栅300可以为采用衍射原理的表面浮雕光栅，例如闪耀光栅等，本发明实施例对另一光栅300的结构不作限定。在光波导片200中发生全反射的光束会从另一光栅300出射，进入人眼，在人眼成像。
在本发明实施例中，超表面光栅100采用广义斯涅尔定律，其实现光束耦入的原 理：当第一条状单元110和第二条状单元120的高度L足够高时，光机发出的光束从空气进入 超表面光栅100，近似基模光在波导中传输，光束出射的相位和透射率由波导基模光的传输 特性决定，波导基模光的传输特性由第一条状单元110与第二条状单元120的折射率和光波 导片200的宽度决定。通过在超表面光栅100中并排设置第一条状单元110和第二条状单元 120，不同宽度的条状单元之间的光耦合可以忽略，沿着不同条状单元移动的光束积累的相 移
Figure 708044DEST_PATH_IMAGE004
，即相位差，与高度L成正比，其中，相位差
Figure 112481DEST_PATH_IMAGE004
与高度L之间的关系可以用公式1表示， 公式1的形式如下：
Figure 758226DEST_PATH_IMAGE005
（公式1）
其中，
Figure 571723DEST_PATH_IMAGE006
为光束的波长 ，
Figure 884893DEST_PATH_IMAGE007
为第一条状单元110与第二条状单元120之间的有效 折射率，可以通过调节第一条状单元110的宽度W L与第二条状单元120的宽度W R，使基膜光的 有效折射率
Figure 460231DEST_PATH_IMAGE007
从光在空气中的折射率到光在条状单元材料中的折射率之间发生变化， 在实际应用中可以使用测量软件直接测量获得有效折射率
Figure 593272DEST_PATH_IMAGE007
。如图5所示，图5是本发明 提供的超表面光栅一实施例的相移示意图，其中，光束在经过两个条状单元110和120后产 生0.5
Figure 225109DEST_PATH_IMAGE008
的相位差，虚线表示光束经过两个条状单元110和120后发生第一次偏转的方向，可 以表示第一次偏转的角度
Figure 392785DEST_PATH_IMAGE009
。
光束经过超表面光栅100的第一条状单元110和第二条状单元120发生偏转的角度
Figure 139024DEST_PATH_IMAGE009
可以用公式2表示，公式2的形式如下：
Figure 493782DEST_PATH_IMAGE010
（公式2）
公式2也可以改写为公式3，公式3的形式如下：
Figure 678776DEST_PATH_IMAGE011
（公式3）
考虑到光束进入光波导片200发生偏转，光束进入光波导片200发生第二次偏转的 角度
Figure 140106DEST_PATH_IMAGE012
可以用公式4表示，公式4的形式如下：
Figure 853984DEST_PATH_IMAGE013
（公式4）
其中，
Figure 227197DEST_PATH_IMAGE014
为光波导片200的折射率，
Figure 684723DEST_PATH_IMAGE003
为超表面光栅100中基本单元的周期，即第二 距离。因此，光束经过超表面光栅100和光波导片200发生两次偏转累计产生的偏转角度
Figure 499095DEST_PATH_IMAGE012
可以用公式5表示，公式5的形式如下：
Figure 413568DEST_PATH_IMAGE015
（公式5）
在已经确定偏转角度
Figure 946181DEST_PATH_IMAGE012
和相位差
Figure 207398DEST_PATH_IMAGE004
之后，可以根据公式6得到超表面光栅100中的 第一距离D，公式6的形式如下：
Figure 938594DEST_PATH_IMAGE016
（公式6）
如图6所示，图6是本发明提供的超表面光栅一实施例的相位示意图。其中，上面水平条纹代表垂直入射的光束的相位，下方倾斜条纹代表经过超表面光栅100光束改变方向发生第一次偏转的相位。
经由上述公式可知：光束经过超表面光栅100产生相位差
Figure 761318DEST_PATH_IMAGE004
，可以根据常数
Figure 781227DEST_PATH_IMAGE001
、 光束的波长
Figure 580556DEST_PATH_IMAGE006
、 第一条状单元110与第二条状单元120的高度L以及第一条状单元110与第二 条状单元120之间的有效折射率
Figure 431837DEST_PATH_IMAGE017
确定；或者，两次偏转累计产生的偏转角度
Figure 127261DEST_PATH_IMAGE012
的正弦 值可以根据光束的波长
Figure 670018DEST_PATH_IMAGE018
、光波导片200的折射率
Figure 538617DEST_PATH_IMAGE019
以及超表面光栅100的第二距离
Figure 447667DEST_PATH_IMAGE020
确 定。超表面光栅100的第一距离D可以根据常数
Figure 845151DEST_PATH_IMAGE021
、相位差
Figure 901968DEST_PATH_IMAGE004
、光束的波长
Figure 544564DEST_PATH_IMAGE006
以及偏转角 度
Figure 308121DEST_PATH_IMAGE012
的正弦值确定。因此，可以通过合理设置高度L和第二距离
Figure 142085DEST_PATH_IMAGE003
的数值，或者合理设置第 一距离D和第二距离
Figure 623882DEST_PATH_IMAGE003
的数值，获得满足相位差
Figure 568704DEST_PATH_IMAGE004
和偏转的角度
Figure 747619DEST_PATH_IMAGE012
要求的超表面光栅100。
在本发明实施例中，超表面光栅100中的第一条状单元110与第二条状单元120可以采用相同的材料，第一条状单元110与第二条状单元120可以采用在可见光波段具有高透过率的材料，例如，可以采用氧化硅、氮化硅、氮化镓和二氧化钛等中的一种，本发明实施例对此不作限定。光波导片的材料可以采用熔融石英。超表面光栅100可以光波导片200为基底，采用半导体制造工艺制作，以满足高量产、高精度的要求，例如半导体制造工艺可以包括涂胶、曝光、原子层沉积、刻蚀、除胶等工序，本发明实施例对在光波导片200上制作超表面光栅100的半导体制造工艺的实现方法不作限定。
在一些可选的例子中，超表面光栅100中的第一条状单元110和第二条状单元120 可以采用二氧化钛，第一条状单元110与第二条状单元120的高度L可以为150~450nm，第一 条状单元110的宽度W L 可以为20~100nm，第二条状单元120的宽度W R 可以为60~200nm，第一距 离D可以为100~300nm，第二距离
Figure 752484DEST_PATH_IMAGE003
可以为400~1000nm。
可选地，当具有超表面光栅100的光波导应用于头戴式设备时，光机发出的光束可 以为携带有图像信息的光束，携带有图像信息的光束入射到超表面光栅100，经超表面光栅 100产生相位差
Figure 455998DEST_PATH_IMAGE004
，产生相位差
Figure 938932DEST_PATH_IMAGE004
的光束进入光波导片200发生角度为
Figure 240863DEST_PATH_IMAGE012
的偏转，发生角 度为
Figure 354312DEST_PATH_IMAGE012
的偏转的光束在光波导片200中发生全反射，发生全反射的光束从光波导片200靠近 人眼一侧的表面上设置的超表面光栅300出射，进入人眼，在人眼形成虚拟图像。
请参阅图7，图7是本发明提供的超表面光栅一实施例的衍射效率的示意图。如图7所示，本发明提供的超表面光栅100的结构，可以抑制零级衍射和高级衍射，只保留一级衍射，在465nm到615nm光谱范围内的一级衍射效率大于80%，可以实现宽波带，高效率。
请参阅图8，图8是本发明提供的超表面光栅一实施例的视场角的示意图。如图8所示，当光波导片200采用折射率为1.5的熔融石英时，超表面光栅100的视场角为30°，在该视场角范围内超表面光栅100的衍射效率大于60%。
本发明实施例提供的超表面光栅的结构，作为光波导中的耦入光栅使用，可以将现有单片光栅的有效光谱范围从465nm扩展到615nm，实现通过单片光波导的彩色显示，解决色散、鬼影等问题；并且可以将耦入光栅的衍射效率从10%左右提高到80%以上，有效抑制多级衍射，解决图像外泄、双目视差引起的眩晕问题，可以获得更好的成像效果；同时，薄膜型的超表面光栅轻薄体积小、可以提升耦入光栅的光耦合效率，降低元器件的功耗，从而提升光波导的光学效率；并且使可以通过调整光波导片的折射率，扩大视场角，视场角可以达到50°；可以满足AR产品对于轻小型、隐私性、高效性和长时间佩戴的需求。
请再参阅图3和图4，本发明还提供了一种光波导，该光波导包括光波导片200、上述任一实施例的超表面光栅100和设置于光波导片200靠近人眼一侧的表面上的另一光栅300；其中，超表面光栅100作为耦入光栅，另一光栅300作为耦出光栅。光机发出的光束入射到耦入光栅，经过耦入光栅产生相位差，产生相位差的光束进入光波导片200发生偏转，发生偏转的光束在光波导片200中发生全反射，在光波导片200中发生全反射的光束从耦出光栅出射，进入人眼，在人眼成像。
在一些可选的例子中，耦入光栅与耦出光栅设置于光波导片200同一侧的表面上。在另一些可选的例子中，耦入光栅与耦出光栅设置于光波导片200相对两侧的表面上。其中，将耦入光栅与耦出光栅设置于光波导片200同一侧的表面上以及将耦入光栅与耦出光栅设置于光波导片200相对两侧的表面上，光束传播的过程和原理相同，故在此不作赘述。
本发明还提供了一种头戴式设备，包括上述任一实施例的光波导制作的镜片。将图3和图4所示的光波导应用于头戴式设备的镜片。以图3和图4所示的光波导应用于右眼镜片为例，耦入光栅可以位于人体右侧太阳穴的位置，用于接收光机发出的携带有图像信息的光束；耦出光栅可以位于右眼处，用于接收光波导片200出射的携带有图像信息的光束。其中，携带有图像信息的光束入射到耦入光栅，经耦入光栅产生相位差，产生相位差的光束进入光波导片200发生偏转，发生偏转的光束在光波导片200中发生全反射，发生全反射的光束从耦出光栅出射，进入人眼，在人眼形成虚拟图像。
将图3和图4所示的光波导应用于左眼镜片，耦入光栅可以位于人体左侧太阳穴的位置，耦出光栅可以位于左眼处，将图3和图4所示的光波导应用于左眼镜片的原理与应用于右眼镜片的原理相同，故在此不作赘述。
可选地，在应用于头戴式设备的镜片的光波导中，耦入光栅与耦出光栅可以设置于光波导片200同一侧的表面上；或者，也可以设置于光波导片200相对两侧的表面上。其中，将耦入光栅与耦出光栅设置于光波导片200同一侧的表面上以及将耦入光栅与耦出光栅设置于光波导片200相对两侧的表面上，光束传播的过程和原理相同，故在此不作赘述。
可选地，头戴式设备可以包括增强现实眼镜和增强现实头盔中的一种。增强现实眼镜和增强现实头盔常被用于医学领域、商业活动和影视领域等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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例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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种超表面光栅，其特征在于，所述超表面光栅设置于光波导片靠近光机一侧的表面上，所述超表面光栅包括：第一条状单元和第二条状单元；
所述第一条状单元与所述第二条状单元具有相同的高度，所述第一条状单元的宽度小于所述第二条状单元的宽度，并且小于条状单元的高度；所述第一条状单元与所述第二条状单元相距第一距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述超表面光栅的基本单元，所述基本单元以第二距离周期性地设置于所述光波导片的表面上；
在所述条状单元的高度大于或者等于所述光机发出的光束最小波长的三分之一的情况下，所述光机发出的光束入射到所述超表面光栅，经过所述基本单元发生第一次偏转，并累计产生与所述条状单元的高度成正比的相位差，进入所述光波导片发生第二次偏转，并在所述光波导片中发生全反射，其中光束在宽度不同的两个条状单元之间的耦合可以忽略。
2.根据权利要求1所述的超表面光栅，其特征在于，所述相位差根据常数
Figure 643313DEST_PATH_IMAGE001
、所述光束的 波长、所述条状单元的高度以及所述第一条状单元与所述第二条状单元之间的有效折射率 确定；
两次偏转累计产生的偏转角度的正弦值根据所述光束的波长、所述光波导片的折射率以及所述超表面光栅的第二距离确定；
所述超表面光栅的第一距离根据常数
Figure 929937DEST_PATH_IMAGE002
、所述相位差、所述光束的波长以及所述偏 转角度的正弦值确定。
3.根据权利要求2所述的超表面光栅，其特征在于，所述第一条状单元与所述第二条状单元采用相同的材料，所述材料包括氧化硅、氮化硅、氮化镓和二氧化钛中的一种。
4.根据权利要求3所述的超表面光栅，其特征在于，所述光波导片的材料为熔融石英。
5.根据权利要求4所述的超表面光栅，其特征在于，所述超表面光栅是以所述光波导片为基底，采用半导体制造工艺制作。
6.根据权利要求5所述的超表面光栅，其特征在于，所述第一条状单元和所述第二条状单元的材料为二氧化钛，所述第一条状单元与所述第二条状单元的高度为150~450nm，所述第一条状单元的宽度为20~100nm，所述第二条状单元的宽度为60~200nm，所述第一距离为100~300nm，所述第二距离为400~1000nm。
7.一种光波导，其特征在于，包括：光波导片、耦入光栅和耦出光栅；
所述耦入光栅采用根据权利要求1至6任一项所述的超表面光栅；
所述耦出光栅为表面浮雕光栅，设置于所述光波导片靠近人眼一侧的表面上；
从所述耦入光栅入射的光束在所述光波导片中发生全反射，并从所述耦出光栅出射在人眼成像。
8.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，所述耦入光栅与所述耦出光栅设置于所述光波导片同一侧的表面上；或者，
所述耦入光栅与所述耦出光栅设置于所述光波导片相对两侧的表面上。
9.一种头戴式设备，其特征在于，包括根据权利要求7或8所述的光波导制作的镜片。
10.根据权利要求9所述的头戴式设备，其特征在于，包括增强现实眼镜和增强现实头盔中的一种。
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