CN114200571A - 具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备 - Google Patents

具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备 Download PDF

Info

Publication number
CN114200571A
CN114200571A CN202210135369.8A CN202210135369A CN114200571A CN 114200571 A CN114200571 A CN 114200571A CN 202210135369 A CN202210135369 A CN 202210135369A CN 114200571 A CN114200571 A CN 114200571A
Authority
CN
China
Prior art keywords
strip
super
optical waveguide
unit
shaped
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.)
Granted
Application number
CN202210135369.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114200571B (zh
Inventor
王萌光
李勇
吴斐
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.)
Beijing LLvision Technology Co ltd
Original Assignee
Beijing LLvision Technology Co ltd
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 Beijing LLvision Technology Co ltd filed Critical Beijing LLvision Technology Co ltd
Priority to CN202210135369.8A priority Critical patent/CN114200571B/zh
Publication of CN114200571A publication Critical patent/CN114200571A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114200571B publication Critical patent/CN114200571B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0016—Grooves, prisms, gratings, scattering particles or rough surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/005—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed on the light output side of the light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明提供了一种具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备。其中，光波导包括光波导片、结构不同的第一和第二超表面光栅；第一超表面光栅包括高度和宽度相同的三个条状单元；三个条状单元之间相距第一距离平行设置组成基本单元，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，光束入射到第一超表面光栅发生第一次偏转并产生与条状单元高度成正比的相位差，进入光波导片向两侧发生第二次偏转并发生全反射，分别从二个第二超表面光栅出射在人眼成像，第二超表面光栅只对光束进行单向偏转。本发明通过第一超表面光栅可以向两侧实现双向扩瞳，提高光波导的利用率。

Description

具有两种超表面光栅的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，尤其涉及一种具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备。
背景技术
增强现实（Augmented Reality，简称AR）通过将虚拟图像投影到人眼与现实空间叠加在一起，形成亦真亦幻的显示效果。增强现实以其人机可交互性﹑逼真的沉浸感以及丰富的想象空间，为使用者提供了前所未有的体验，在工业、消费类电子等领域有着非常广阔的应用前景。增强现实显示设备的实现方案通常为基于传统几何光学透镜的方案或者基于光波导的方案。
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
本发明提供一种具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备，用以解决现有技术中光波导容易产生色散、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，本发明提供了一种具有两种超表面光栅的光波导，包括：光波导片、第一超表面光栅和二个第二超表面光栅；所述第一超表面光栅设置于所述光波导片靠近光机一侧的表面上的中间区域，二个所述第二超表面光栅分别设置于所述光波导片靠近人眼一侧的表面上的左右两侧区域；
所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅具有不同的结构，所述第一超表面光栅包括：第一条状单元、第二条状单元和第三条状单元，所述第一条状单元、所述第二条状单元和所述第三条状单元具有相同的高度和宽度，并且条状单元的宽度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、所述第二条状单元与所述第三条状单元分别相距第一距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述第一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第一超表面光栅，经过所述基本单元发生第一次偏转，并累计产生所述条状单元的高度成正比的相位差，进入所述光波导片向两侧发生第二次偏转，向两侧发生偏转的光束分别在所述光波导片中发生全反射，并分别从二个所述第二超表面光栅出射在人眼成像，其中，所述第二超表面光栅只对光束进行单向偏转，光束在所述基本单元中三个条状单元之间的耦合可以忽略。
根据本发明提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅设置于所述光波导片同一侧的表面上；或者，
所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅设置于所述光波导片相对两侧的表面上。
根据本发明提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述第二超表面光栅包括：第四条状单元和第五条状单元，所述第四条状单元与所述第五条状单元具有相同的高度，所述第四条状单元的宽度小于所述第五条状单元的宽度，并且小于条状单元的高度；
所述第四条状单元与所述第五条状单元相距第三距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述第二超表面光栅的基本单元，所述基本单元以第四距离周期性地设置于所述光波导片的表面上。
根据本发明提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述相位差根据常数
Figure 447168DEST_PATH_IMAGE001
、所述 光束的波长、所述条状单元的高度以及所述基本单元中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第一超表面光栅的第二距离确定；
所属第一超表面光栅的第一距离根据常数
Figure 983322DEST_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。
根据本发明提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述第一条状单元、所述第二条状单元和所述第三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；和/或，
所述第四条状单元和所述第五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。
根据本发明提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述光波导片的材料为熔融石英。
根据本发明提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述第一超表面光栅与所述第二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。
根据本发明提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述第一条状单元、所述第二条状单元、所述第三条状单元、所述第四条状单元和所述第五条状单元的材料为二氧化钛；
所述第一条状单元、所述第二条状单元、所述第三条状单元、所述第四条状单元和所述第五条状单元的高度为150~450nm，所述第一条状单元、所述第二条状单元和所述第三条状单元的宽度为20~150nm，所述第四条状单元的宽度为20~100nm，所述第五条状单元的宽度为60~200nm；
所述第一距离和所述第三距离为100~300nm，所述第二距离和所述第四距离为400~1000nm，所述光波导片的折射率为1.4~2.2。
第二方面，本发明提供了一种头戴式设备，包括第一方面所述具有两种超表面光栅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。
本发明提供了一种具有两种超表面光栅的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和耦出光栅使用，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；并且耦入光栅只保留正负一级衍射光向两侧扩瞳，可以提高光波导的利用率；其中单侧衍射效率可以达到40%以上，总的一级衍射效率可以达到80%以上，可以有效抑制多级衍射，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、作为耦入光栅可以降低元器件的功耗，从而提升光波导的光学效率；并且可以通过调整光波导片的折射率，扩大视场角，使视场角可以达到50°；作为耦出光栅可以保持较高的反射效率，方便扩瞳；通过耦入光栅与耦出光栅的组合可以实现二维扩瞳；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是本发明提供的具有两种超表面光栅的光波导的组成结构示意图；
图2是图1中光波导中的第一超表面光栅的主视图；
图3是图2中第一超表面光栅的俯视图；
图4是本发明提供的第一超表面光栅的远场示意图；
图5是光束通过图1中的光波导进入人眼成像的示意图；
图6是图1中光波导中的第二超表面光栅的主视图；
图7是图6中第二超表面光栅的俯视图；
图8是本发明提供的第二超表面光栅的远场示意图；
图9是本发明提供的超表面光栅一实施例的相移示意图；
图10是本发明提供的第一超表面光栅一实施例的衍射效率的示意图；
图11是本发明提供的第二超表面光栅一实施例的衍射效率的示意图；
图12是本发明提供的第一超表面光栅的视场角随光波导片的折射率变化的示意图。
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。
超表面是由亚波长人工结构单元构成，具有天然材料所不具有的优良物理性质，其特性取决于基本构成单元的排列组合方式，而不取决于基本单元材料本身的性质。通过合理设计超表面的内部结构，即基本单元的排列方式，可以实现自然界中天然材料所不具有的优良的材料特性，可以实现对可见光、微波、声波等的任意操控和变换。与传统的折射率材料和三维超常材料相比，超表面具有超薄和平面的几何特性，使其相对于三维超常材料更易于制造，并具有较低的制作成本，也易于与其它元器件进一步集成。这些独特的优良性质使得超表面成为优秀的操控光的平面元件。超表面元件可以进一步与其它元器件集成，实现多功能高密度的大规模器件。将超表面光栅作为光波导中的耦合光栅使用，已成为近眼显示光学领域的主要发展方向之一。
本发明提供了一种采用两种超表面光栅分别作为光波导中的耦入光栅和耦出光栅的光波导，请参阅图1、图2、图3、图4和图5，图1是本发明提供的具有两种超表面光栅的光波导的组成结构示意图；图2是图1中光波导中的第一超表面光栅的主视图；图3是图2中第一超表面光栅的俯视图；图4是本发明提供的第一超表面光栅的远场示意图；图5是光束通过图1中的光波导进入人眼成像的示意图。
如图1所示，具有两种超表面光栅的光波导包括：光波导片110、第一超表面光栅 120和二个第二超表面光栅130和140；第一超表面光栅120设置于光波导片110靠近光机一 侧的表面上的中间区域，作为光波导的耦入光栅。二个第二超表面光栅130和140分别设置 于光波导片110靠近人眼一侧的表面上的左右两侧区域，作为光波导的耦出光栅。如图2和 图3所示，第一超表面光栅120包括：第一条状单元121、第二条状单元122和第三条状单元 123，第一条状单元121、第二条状单元122和第三条状单元123可以为横截面为矩形的微纳 米结构，具有相同的高度L 1和宽度W 1，并且条状单元121、122和123的宽度W 1小于条状单元 121、122和123的高度L 1。第一条状单元121与第二条状单元122、第二条状单元122与第三条 状单元123分别相距第一距离D 1，平行地设置于光波导片110的表面上，组成第一超表面光 栅120的基本单元，该基本单元以第二距离
Figure 735378DEST_PATH_IMAGE003
周期性地设置于光波导片110的表面上。其中， 高度L 1 、宽度W 1 、第一距离D 1 和第二距离
Figure 761103DEST_PATH_IMAGE003
的度量单位均为纳米。第二超表面光栅130和140 与第一超表面光栅120可以具有不同的结构，本发明实施例对第二超表面光栅130和140的 结构不作限定。
在一些可选的例子中，第二超表面光栅130和140与第一超表面光栅120可以采用 相同的原理。例如，如图6、图7和图8所示，第二超表面光栅130和140可以包括：第四条状单 元131和第五条状单元141，第四条状单元131与第五条状单元141具有相同的高度L 2，第四 条状单元131的宽度W L可以小于第五条状单元141的W R，并且小于条状单元131和141的高度L 2，第四条状单元131与第五条状单元141相距第三距离D 2，平行地设置于光波导片110的表 面上，组成第二超表面光栅130和140的基本单元，该基本单元以第四距离
Figure 965819DEST_PATH_IMAGE004
周期性地设置 于光波导片110的表面上。
如图4和图5所示，在条状单元121、122和123的高度L 1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第一超表面光栅120，经过基本单元发生第一次偏转，并累计产生与条状单元121、122和123的高度L 1成正比的相位差，入光波导片110向两侧发生第二次偏转，向两侧发生偏转的光束分别在光波导片110中发生全反射，并分别从二个第二超表面光栅130和140出射，进入人眼，在人眼成像，其中，第二超表面光栅130和140只对光束进行单向偏转，光束在基本单元中三个条状单元121、122和123之间的耦合可以忽略。
在本发明实施例中，第一超表面光栅120采用广义斯涅尔定律，与采用衍射原理的 表面浮雕光栅不同，其实现光束耦合的原理：当第一条状单元121、第二条状单元122和第三 条状单元123的高度L 1 足够高时，光机发出的光束从空气进入第一超表面光栅120，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121、第二条状单元122和第三条状单元123的折射率和光波导 片110宽度决定。通过在第一超表面光栅120中并排设置第一条状单元121、第二条状单元 122和第三条状单元123，条状单元之间的光耦合可以忽略，沿着条状单元移动的光束积累 的相移
Figure 305665DEST_PATH_IMAGE005
，即相位差，与高度L 1 成正比，其中，相位差
Figure 643717DEST_PATH_IMAGE005
与高度L 1 之间的关系可以用公式1 表示，公式1的形式如下：
Figure 105923DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 797935DEST_PATH_IMAGE007
光束的波长
Figure 675893DEST_PATH_IMAGE008
为第一条状单元121、第二条状单元122与第三条状单 元123之间的有效折射率，可以通过调节第一条状单元121、第二条状单元122和第三条状单 元123的宽度W 1，使基膜光的有效折射率
Figure 136961DEST_PATH_IMAGE009
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 770068DEST_PATH_IMAGE009
。
光束经过第一超表面光栅120的第一条状单元121、第二条状单元122和第三条状 单元123发生偏转的角度
Figure 887059DEST_PATH_IMAGE010
可以用公式2表示，公式2的形式如下：
Figure 633954DEST_PATH_IMAGE011
)
公式2也可以改写为公式3，公式3的形式如下：
Figure 215108DEST_PATH_IMAGE012
考虑到光束进入光波导片110发生偏转，光束进入光波导片110发生第二次偏转的 角度
Figure 691220DEST_PATH_IMAGE013
可以用公式4表示，公式4的形式如下：
Figure 357825DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 639901DEST_PATH_IMAGE015
为光波导片110的折射率，
Figure 75562DEST_PATH_IMAGE016
第一超表面光栅120中基本单元的周期，即 第二距离。因此，光束经过第一超表面光栅120和光波导片110发生两次偏转累计产生的偏 转角度
Figure 722575DEST_PATH_IMAGE013
可以用公式5表示，公式5的形式如下：
Figure 873546DEST_PATH_IMAGE017
在已经确定偏转角度
Figure 959314DEST_PATH_IMAGE013
和相位差
Figure 452743DEST_PATH_IMAGE005
之后，可以根据公式6得到第一超表面光栅120 中的第一距离D 1，公式6的形式如下：
Figure 332975DEST_PATH_IMAGE018
经由上述公式可知：光束经过第一超表面光栅120产生的相位差
Figure 974171DEST_PATH_IMAGE005
，可以根据常 数
Figure 332472DEST_PATH_IMAGE001
、光束的波长
Figure 742724DEST_PATH_IMAGE019
第一条状单元121、第二条状单元122和第三条状单元123的高度L 1以及 第一条状单元121、第二条状单元122与第三条状单元123之间的有效折射率
Figure 746189DEST_PATH_IMAGE020
；或 者，。两次偏转累计产生的偏转角度
Figure 609102DEST_PATH_IMAGE013
的正弦值可以根据光束的波长
Figure 771093DEST_PATH_IMAGE021
、光波导片110的折射 率
Figure 301432DEST_PATH_IMAGE015
以及第一超表面光栅120的第二距离
Figure 523466DEST_PATH_IMAGE003
确定。第一超表面光栅120的第一距离D 1可以根 据常数
Figure 76938DEST_PATH_IMAGE022
、相位差
Figure 777041DEST_PATH_IMAGE023
光束的波长
Figure 158956DEST_PATH_IMAGE024
以及偏转角度
Figure 551891DEST_PATH_IMAGE025
的正弦值确定。因此，可以通过合理设 置高度L 1和第二距离
Figure 592660DEST_PATH_IMAGE003
的数值，或者合理设置第一距离D 1和第二距离
Figure 96453DEST_PATH_IMAGE003
的数值，获得满足 相位差
Figure 335805DEST_PATH_IMAGE026
偏转的角度
Figure 102903DEST_PATH_IMAGE013
要求的第一超表面光栅120。
在第二超表面光栅130和140与第一超表面光栅120采用相同的原理时，光束经过 第二超表面光栅130和140产生的相位差
Figure 427706DEST_PATH_IMAGE005
，可以根据常数
Figure 738120DEST_PATH_IMAGE001
、光束的波长
Figure 831978DEST_PATH_IMAGE019
第四条状单元 131和第五条状单元141的高度L 2以及第四条状单元131与第五条状单元141之间的有效折
射率
Figure 769978DEST_PATH_IMAGE020
；或者，。两次偏转累计产生的偏转角度
Figure 582076DEST_PATH_IMAGE013
的正弦值可以根据光束的 波长
Figure 693252DEST_PATH_IMAGE021
、光波导片110的折射率
Figure 844878DEST_PATH_IMAGE015
以及第二超表面光栅130和140的第四距离
Figure 750517DEST_PATH_IMAGE004
确定。第二超 表面光栅130和140的第三距离D 2可以根据常数
Figure 46982DEST_PATH_IMAGE022
、相位差
Figure 430690DEST_PATH_IMAGE027
光束的波长
Figure 499140DEST_PATH_IMAGE024
以及偏转角度
Figure 778943DEST_PATH_IMAGE025
的正弦值确定。如图9所示，图9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131和141后产生0.5
Figure 565633DEST_PATH_IMAGE028
相位差，虚线表示光束经过两个条状单 元131和141后发生第一次偏转的方向，可以表示第一次偏转的角
Figure 956295DEST_PATH_IMAGE029
。因此，可以通过合理 设置高度L 2和第四距离
Figure 879251DEST_PATH_IMAGE004
的数值，或者合理设置第三距离D 2和第四距离
Figure 383483DEST_PATH_IMAGE004
的数值，获得满 足相位差
Figure 391890DEST_PATH_IMAGE026
偏转的角度
Figure 586242DEST_PATH_IMAGE013
要求的第二超表面光栅130和140。
在本发明实施例中，第一超表面光栅120中的第一条状单元121、第二条状单元122和第三条状单元123可以采用相同的材料，第一条状单元121、第二条状单元122和第三条状单元123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110的材料可以采用熔融石英。可选地，第二超表面光栅130和140中的第四条状单元131和第五条状单元141可以采用相同的材料，第四条状单元131和第五条状单元141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。第一超表面光栅120和第二超表面光栅130和140可以光波导片110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110上制作第一超表面光栅120和第二超表面光栅130和140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，第一超表面光栅120中的第一条状单元121、第二条状单元 122、第三条状单元123和第二超表面光栅130和140中的第四条状单元131、第五条状单元 141可以采用二氧化钛。其中，第一条状单元121、第二条状单元122、第三条状单元123的高 度L 1可以为150~450nm，宽度W 1可以为20~150nm，第一距离D 1可以为100~300nm，第二距离
Figure 363706DEST_PATH_IMAGE003
可以为400~1000nm。第四条状单元131和第五条状单元141的高度L 2可以为150~450nm，第四 条状单元131的宽度W L可以为20~100nm，第五条状单元141的宽度W R可以为60~200nm，第三距 离D 2可以为100~300nm，第四距离
Figure 47628DEST_PATH_IMAGE004
可以为400~1000nm。光波导片110的折射率可以为1.4~ 2.2。
可选地，当将本发明实施例提供的具有两种超表面光栅的光波导应用于头戴式设 备时，光机200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第 一超表面光栅120，经第一超表面光栅120产生相位差
Figure 481014DEST_PATH_IMAGE005
，产生相位差
Figure 275795DEST_PATH_IMAGE005
的光束进入光波导 片110向两侧发生角度为
Figure 170414DEST_PATH_IMAGE013
的偏转，向两侧发生角度为
Figure 759658DEST_PATH_IMAGE013
的偏转的光束分别在光波导片110 中发生全反射，并分别从第二超表面光栅130和140出射，进入人眼，在人眼形成虚拟图像。
在一些可选的例子中，第一超表面光栅120与二个第二超表面光栅130和140设置于光波导片110同一侧的表面上。在另一些可选的例子中，第一超表面光栅120与二个第二超表面光栅130和140设置于光波导片110相对两侧的表面上。其中，将第一超表面光栅120与二个第二超表面光栅130和140设置于光波导片110同一侧的表面上以及将第一超表面光栅120与二个第二超表面光栅130和140设置于光波导片110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。
请参阅图10，图10是本发明提供的第一超表面光栅一实施例的衍射效率的示意图。如图10所示，T1为正一级衍射，T-1为负一级衍射，T为总衍射，R为反射率。可见本发明提供的第一超表面光栅120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光谱范围内的正负一级衍射效率各自为40%，总的一级衍射效率可以达到80%，可以实现宽波带，高效率。
请参阅图11，图11是本发明提供的第二超表面光栅一实施例的衍射效率的示意图。如图11所示，对于光波导，其耦入光栅的衍射效率越高越好，而耦出光栅为了在扩瞳的过程中有足够的反射光继续参加扩瞳，可以通过调节第二超表面光栅130和140的结构参数，使耦出光栅具有合适的衍射效率。
请参阅图12，图12是本发明提供的第一超表面光栅的视场角随光波导片的折射率变化的示意图。如图12所示，改变光波导中光波导片110的折射率可以影响视场角，当光波导片110采用折射率为1.5的熔融石英时，第一超表面光栅122的视场角为30°，随着光波导片110折射率的增大，光波导中第一超表面光栅120的视场角可以扩大到50°左右。
本发明实施例提供的两种超表面光栅的光波导，通过将超表面光栅作为光波导中的耦入光栅和耦出光栅使用，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；并且耦入光栅只保留正负一级衍射光向两侧扩瞳，可以提高光波导的利用率；其中单侧衍射效率可以达到40%以上，总的一级衍射效率可以达到80%以上，可以有效抑制多级衍射，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、作为耦入光栅可以降低元器件的功耗，从而提升光波导的光学效率；并且可以通过调整光波导片的折射率，扩大视场角，使视场角可以达到50°；作为耦出光栅可以保持较高的反射效率，方便扩瞳；通过耦入光栅与耦出光栅的组合可以实现二维扩瞳；可以满足AR设备对于轻小型、隐私性、高效性和长时间佩戴的需求。
本发明还提供了一种头戴式设备，包括上述任一实施例的具有两种超表面光栅的光波导制作的镜片。其中，第一超表面光栅120可以位于人体额头中心的位置，用于接收光机200发出的携带有图像信息的光束；第二超表面光栅130可以位于左眼处，第二超表面光栅140可以位于右眼处，用于接收光波导片110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第一超表面光栅120，经第一超表面光栅120产生相位差，产生相位差的光束进入光波导片110向两侧发生偏转，向两侧发生偏转的光束分别在光波导片110中发生全反射，发生全反射的光束分别从第二超表面光栅130和140出射出射，进入人眼，在人眼形成虚拟图像。
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)

1.一种具有两种超表面光栅的光波导，其特征在于，包括：光波导片、第一超表面光栅和二个第二超表面光栅；所述第一超表面光栅设置于所述光波导片靠近光机一侧的表面上的中间区域，二个所述第二超表面光栅分别设置于所述光波导片靠近人眼一侧的表面上的左右两侧区域；
所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅具有不同的结构，所述第一超表面光栅包括：第一条状单元、第二条状单元和第三条状单元，所述第一条状单元、所述第二条状单元和所述第三条状单元具有相同的高度和宽度，并且条状单元的宽度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、所述第二条状单元与所述第三条状单元分别相距第一距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述第一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第一超表面光栅，经过所述基本单元发生第一次偏转，并累计产生所述条状单元的高度成正比的相位差，进入所述光波导片向两侧发生第二次偏转，向两侧发生偏转的光束分别在所述光波导片中发生全反射，并分别从二个所述第二超表面光栅出射在人眼成像，其中，所述第二超表面光栅只对光束进行单向偏转，光束在所述基本单元中三个条状单元之间的耦合可以忽略。
2.根据权利要求1所述的具有两种超表面光栅的光波导，其特征在于，所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅设置于所述光波导片同一侧的表面上；或者，
所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅设置于所述光波导片相对两侧的表面上。
3.根据权利要求1或2所述的具有两种超表面光栅的光波导，其特征在于，所述第二超表面光栅包括：第四条状单元和第五条状单元，所述第四条状单元与所述第五条状单元具有相同的高度，所述第四条状单元的宽度小于所述第五条状单元的宽度，并且小于条状单元的高度；所述第四条状单元与所述第五条状单元相距第三距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述第二超表面光栅的基本单元，所述基本单元以第四距离周期性地设置于所述光波导片的表面上。
4.根据权利要求3所述的具有两种超表面光栅的光波导，其特征在于，所述相位差根据 常数
Figure 456495DEST_PATH_IMAGE001
、所述光束的波长、所述条状单元的高度以及所述基本单元中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第一超表面光栅的第二距离确定；
所属第一超表面光栅的第一距离根据常数
Figure 258229DEST_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。
5.根据权利要求4所述的具有两种超表面光栅的光波导，其特征在于，所述第一条状单元、所述第二条状单元和所述第三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；和/或，
所述第四条状单元和所述第五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。
6.根据权利要求5所述的具有两种超表面光栅的光波导，其特征在于，所述光波导片的材料为熔融石英。
7.根据权利要求6所述的具有两种超表面光栅的光波导，其特征在于，所述第一超表面光栅与所述第二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。
8.根据权利要求7所述的具有两种超表面光栅的光波导，其特征在于，所述第一条状单元、所述第二条状单元、所述第三条状单元、所述第四条状单元和所述第五条状单元的材料为二氧化钛；
所述第一条状单元、所述第二条状单元、所述第三条状单元、所述第四条状单元和所述第五条状单元的高度为150~450nm，所述第一条状单元、所述第二条状单元和所述第三条状单元的宽度为20~150nm，所述第四条状单元的宽度为20~100nm，所述第五条状单元的宽度为60~200nm；
所述第一距离和所述第三距离为100~300nm，所述第二距离和所述第四距离为400~1000nm，所述光波导片的折射率为1.4~2.2。
9.一种头戴式设备，其特征在于，包括根据权利要求1至8中任一项所述的具有两种超表面光栅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。
CN202210135369.8A 2022-02-15 2022-02-15 具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备 Active CN114200571B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210135369.8A CN114200571B (zh) 2022-02-15 2022-02-15 具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210135369.8A CN114200571B (zh) 2022-02-15 2022-02-15 具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114200571A true CN114200571A (zh) 2022-03-18
CN114200571B CN114200571B (zh) 2022-07-26

Family

ID=80658952

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210135369.8A Active CN114200571B (zh) 2022-02-15 2022-02-15 具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114200571B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114779473A (zh) * 2022-04-02 2022-07-22 武汉大学 基于液晶-叠层超表面的动态ar显示系统及其显示方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108828717A (zh) * 2018-06-08 2018-11-16 武汉大学 基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构及其应用
CN112444968A (zh) * 2019-08-29 2021-03-05 华为技术有限公司 一种增强现实的光学叠加器和相关设备
CN112630966A (zh) * 2020-12-16 2021-04-09 浙江大学 超表面微纳结构单片全色彩波导镜片及ar显示装置
CN113391392A (zh) * 2021-06-18 2021-09-14 北京亮亮视野科技有限公司 一种光波导组合器及头戴式设备
CN214706567U (zh) * 2021-01-04 2021-11-12 桂林电子科技大学 基于Smith-Purcell效应的压控方向可调太赫兹辐射源
US20210364803A1 (en) * 2020-05-22 2021-11-25 Magic Leap, Inc. Method and system for dual projector waveguide displays with wide field of view

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108828717A (zh) * 2018-06-08 2018-11-16 武汉大学 基于超表面闪耀光栅的光路单向导通元件结构及其应用
CN112444968A (zh) * 2019-08-29 2021-03-05 华为技术有限公司 一种增强现实的光学叠加器和相关设备
US20210364803A1 (en) * 2020-05-22 2021-11-25 Magic Leap, Inc. Method and system for dual projector waveguide displays with wide field of view
CN112630966A (zh) * 2020-12-16 2021-04-09 浙江大学 超表面微纳结构单片全色彩波导镜片及ar显示装置
CN214706567U (zh) * 2021-01-04 2021-11-12 桂林电子科技大学 基于Smith-Purcell效应的压控方向可调太赫兹辐射源
CN113391392A (zh) * 2021-06-18 2021-09-14 北京亮亮视野科技有限公司 一种光波导组合器及头戴式设备

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114779473A (zh) * 2022-04-02 2022-07-22 武汉大学 基于液晶-叠层超表面的动态ar显示系统及其显示方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114200571B (zh) 2022-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7416551B2 (ja) 異なって向けられたナノビームを有するメタ表面によって形成された回折格子
CN112088141B (zh) 用于光束重定向的衍射光栅
CN104614858A (zh) 增强现实的锯齿结构平面波导目视光学显示器件
CN114185174B (zh) 增强现实显示装置和头戴式设备
CN113359300B (zh) 一种薄膜型近眼显示系统及内置该显示系统的眼镜
CN217639770U (zh) 一种图像组合器和ar近眼显示光学系统
CN113544551A (zh) 光学设备
CN115166884B (zh) 二维超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备
WO2021098744A1 (zh) 波导镜片及增强现实眼镜
CN109521506A (zh) 纳米镜片、近眼显示方法及近眼显示装置
CN115201955B (zh) 二维耦出超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备
CN114200571B (zh) 具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备
CN215833697U (zh) 彩色波导及增强现实显示装置
CN117310984A (zh) 一种衍射光波导及其制备方法、增强现实设备
CN114994819A (zh) 基于多基元的二维超表面光栅、光波导和头戴式设备
CN115542446A (zh) 超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备
CN114185123B (zh) 超表面光栅、光波导和头戴式设备
CN115469389B (zh) 二维耦出光栅、超表面光波导和近眼显示设备
CN216083281U (zh) 全息波导片及增强现实抬头显示装置
CN115453676A (zh) 叉形二维光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备
CN115128720B (zh) 二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备
CN116299816B (zh) 抑制高级光的叉形超表面光栅、光波导及近眼显示设备
CN215575763U (zh) 衍射光波导、镜片和增强现实眼镜
WO2023005418A1 (zh) 光学结构和光学装置
WO2024051788A1 (zh) 光波导结构及其制作方法、光学组件和近眼显示设备

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant