CN114371529B - 一种堆叠光栅及ar显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种堆叠光栅及AR显示装置，堆叠光栅包括：自下而上依次堆叠设置的若干至少两个光栅层；其中，所述光栅层上设置有若干个光栅槽；相邻两个光栅层的光栅槽之间存在错位间距，所有所述错位间距自下而上形成周期性分布。由于至少两个光栅层自下而上依次堆叠，且所有所述错位间距自下而上形成周期性分布，则堆叠光栅等效为体光栅，可提升光栅衍射对透射/反射的选择性，从而可以降低隐私泄露，提高能量的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及光栅技术领域，尤其涉及的是一种堆叠光栅及AR显示装置。
背景技术
在增强现实(Augmented reality，AR)、混合现实(Mixed reality，MR)领域，相比BirdBath(BB，半反半透式)、虫眼(离轴反射式)、自由曲面棱镜等显示方案，光波导方案更轻薄、眼盒更大，因此有更广阔的应用前景。在光波导方案中，相比使用部分透反膜的阵列光波导，衍射光波导生产制备工艺难度更低，在实现二维扩瞳(两个维度的出瞳拓展)时不存在栅格状暗条纹，因此更受关注。
衍射光波导方案中，耦入和耦出为最基本的光栅功能设置，对应耦入区和耦出区。可选的，也可以有一或多个中间件或称转折区。耦入区将自由空间光束(由光引擎投影至光波导)转换成在光波导基底中以全反射形式传输的光束(称为“耦入”)，耦出区执行逆过程(称为“耦出”)，将以全反射形式传输的光束部分转换为自由空间光束为人眼所接收。转折区(若存在)将全反射形式传输的光束部分改变传输方向，以新的方向继续全反射形式的传输。
现有技术中，如图1所示，表面浮雕光栅属于面光栅，其衍射性质决定光线在经过耦出光栅时同时存在透射耦出和反射耦出，但是人眼仅在一侧观察，另一侧的(泄漏)光线耦出造成了隐私泄露，也表明衍射效率较低，导致整个衍射光波导的能量利用率低。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种堆叠光栅及AR显示装置，旨在解决现有技术中光栅的能量利用率低的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种堆叠光栅，其中，包括：
自下而上依次堆叠设置的至少两个光栅层；
其中，所述光栅层上设置有若干个光栅槽；
相邻两个光栅层的光栅槽之间存在错位间距，所有所述错位间距自下而上形成周期性分布。
所述的堆叠光栅，其中，相邻两个所述光栅槽的间距为两个所述光栅槽在排列方向上的光栅周期，所述光栅周期为200nm-1000nm。
所述的堆叠光栅，其中，所述光栅层为一维光栅层，所述错位间距为0.01-0.99个光栅周期；或
所述光栅层为二维光栅层，所述错位间距包括：第一排列方向上的错位间距和/或第二排列方向上的错位间距；
所述第一排列方向上的错位间距为0.01-0.99个光栅周期；
所述第二排列方向上的错位间距为0.01-0.99个光栅周期。
所述的堆叠光栅，其中，相邻两个光栅层的光栅槽内填充有连接层；其中，所述光栅层的折射率大于所述连接层的折射率。
所述的堆叠光栅，其中，所述光栅层的折射率为1.5-2.4；所述连接层的折射率为1-1.49。
所述的堆叠光栅，其中，各所述光栅层的折射率不完全相同；和/或，
各所述光栅层的占空比不完全相同；和/或，
各所述光栅层的光栅槽的槽深不完全相同；和/或，
各所述连接层的折射率不完全相同。
所述的堆叠光栅，其中，最下方的光栅层连接有波导基底；和/或
最上方或最下方的光栅层连接有膜层；和/或
所述光栅层包括：直槽光栅层、斜齿光栅层、闪耀光栅层、台阶光栅层、曲面光栅层中的至少一种；和/或
所述光栅层的厚度为20nm-1000nm。
所述的堆叠光栅，其中，
所述波导基底包括玻璃波导基底、树脂波导基底、塑料波导基底、透明陶瓷波导基底中的至少一种。
所述的堆叠光栅，其中，
所述膜层包括介质膜和/或金属膜，所述介质膜为单层介质膜或多层介质膜，所述金属膜为单层金属膜或多层金属膜。
一种AR显示装置，其中，包括：
光引擎；
至少一层光波导，位于所述光引擎的出光方向上；
如上述任一项所述的堆叠光栅，设置于所述光波导。
有益效果：由于至少两个光栅层自下而上依次堆叠，且所有所述错位间距自下而上形成周期性分布，则堆叠光栅等效为体光栅，可提升光栅衍射对透射/反射的选择性，从而可以降低隐私泄露，提高能量的利用率。
附图说明
图1是现有技术中光栅的结构示意图。
图2是本发明中堆叠光栅的结构示意图。
图3是本发明中直槽光栅层的结构示意图。
图4是本发明中斜齿光栅层的结构示意图。
图5是本发明中闪耀光栅层的结构示意图。
图6是本发明中台阶光栅层的结构示意图。
图7是本发明中曲面光栅层的结构示意图。
图8是本发明中二维光栅的结构示意图。
附图标记说明：
10、光栅层；11、光栅槽；20、连接层；30、波导基底。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。
还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指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，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。请同时参阅图1-图7，本发明提供了一种堆叠光栅的一些实施例。
如图2所示，本发明的堆叠光栅包括：
自下而上依次堆叠设置的至少两个光栅层10；
其中，所述光栅层10上设置有若干个光栅槽11；
相邻两个光栅层10的光栅槽11之间存在错位间距，所有所述错位间距自下而上形成周期性分布。
值得说明的是，光栅层10上的所有光栅槽11设置在光栅层10的单侧，所有光栅层10的光栅槽11的开口朝向同一方向。错位间距是指相邻两个光栅层10的光栅槽11的内壁在水平方向上的间距，周期性分布是指在自下而上的方向上错位间距按照一定重复规则排列，例如，第一个光栅层的光栅槽11与第二个光栅层的光栅槽11之间的错位间距为d，第三个光栅层的光栅槽11与第一个光栅层的光栅槽11的在水平方向上的位置相同，第三个光栅层的光栅槽11与第四个光栅层的光栅槽11之间的错位间距为d，也就是说，第一个光栅层的光栅槽11与第二个光栅层的光栅槽11形成一个重复单元，第三个光栅层的光栅槽11与第四个光栅层的光栅槽11形成另一个重复单元，两个重复单元内光栅槽11的错位间距的分布是相同的。
具体地，由于至少两个光栅层10自下而上依次堆叠，且所有所述错位间距自下而上形成周期性分布，则堆叠光栅等效为体光栅，可提升光栅衍射对透射/反射的选择性，从而可以降低隐私泄露，提高能量的利用率。另一方面，耦出光线能量的提高将导致观看的亮度提升，或在同等亮度条件下降低光引擎的能耗。
此外，本发明的堆叠光栅可作为全息体光栅，但不通过全息曝光等方法实现(如使用光敏材料或液晶相关材料)。对于全息曝光法制备的光栅，可用克林参量来区分体光栅和面光栅，其中，λ为记录光束波长，H为总厚度，n为记录介质折射率，Λ为光栅周期。当Q＞＞10时即为体光栅。目前，体光栅主要通过卤化银等材料制备，环境稳定性不高。与这些全息曝光等方法实现的全息体光栅相比，本发明的堆叠光栅在不同环境下的稳定性较高，更易实现量产，且堆叠光栅的可靠性较高，扩大了衍射光波导的适用范围。
需要强调的是，由于各光栅层10的光栅参数均可调节，堆叠光栅的设计自由度增加，可以通过调节各光栅层10的光栅参数以提高光波导耦出光线能量的均匀性。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2所示，相邻两个所述光栅槽11的间距为两个所述光栅槽在排列方向上的光栅周期，所述光栅周期为200nm-1000nm。
具体地，如图2所示，光栅层10上的光栅槽11具有光栅周期D，光栅周期D为相邻两个光栅槽11的间距，相邻两个光栅槽11的间距可以采用光栅槽11的内壁与相邻的光栅槽11的对应位置的内壁之间的距离表示，光栅周期的大小可以根据需要进行调整。光栅层10的厚度为20nm-1000nm，光栅层10的厚度可以根据需要进行调整。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述光栅层10为一维光栅层或二维光栅层。一维光栅层是指光栅槽11在一个排列方向上具有光栅周期的光栅层10，也就是说，一维光栅层10上的光栅槽11排成一列。二维光栅层是指光栅槽11在两个排列方向上具有光栅周期的光栅层10，例如，二维光栅层上的光栅槽11排成阵列，在每一排光栅槽11具有光栅周期，每一列光栅槽11也具有光栅周期。如图8所示，周期排列的微结构单元(光栅槽11)在两个排列方向上分别具有最小平移量(即光栅周期)为p1和p2。光栅周期p1与光栅周期p2，可以相同，也可以不相同。
具体地，光栅层10采用一维光栅层时，错位间距为0.01-0.99个光栅周期。光栅层10采用二维光栅层时，错位间距包括：第一排列方向上的错位间距和/或第二排列方向上的错位间距，所述第一排列方向上的错位间距为0.01-0.99个光栅周期；所述第二排列方向上的错位间距为0.01-0.99个光栅周期。第一排列方向和第二排列方向可以形成一夹角，该夹角可以是90°，也可以小于或大于90°(如图8所示)。
需要说明的是，采用二维光栅层时，可以仅在第一排列方向上存在错位间距(则在第二排列方向上重叠没有错位，或者说错位间距为0或1个光栅周期)，也可以仅在第二排列方向上存在错位间距(则在第一排列方向上重叠没有错位)，也可以在第一排列方向上和第二排列方向上都存在错位间距。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2所示，相邻两个光栅层10的光栅槽11内填充有连接层20；其中，所述光栅层10的折射率大于所述连接层20的折射率。
具体地，光栅层10的折射率较高，连接层20的折射率较低，采用折射率较低的连接层20连接光栅层10，可保证结构稳定性较高，且提高衍射效率。连接层20可以采用胶水。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述光栅层10的折射率为1.5-2.4；所述连接层20的折射率为1-1.49。具体地，光栅层10的折射率和连接层20的折射率可以根据需要进行调整。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，各所述光栅层10的折射率不完全相同。具体地，各所述光栅层10的折射率可以采用相同的折射率，也可以采用不相同的折射率。通常光栅层10的折射率的差异在0-0.3之间，优选地，光栅层10的折射率的差异在0-0.1之间，例如，光栅层10的折射率的差异为0.05。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，各所述光栅层10的占空比不完全相同。具体地，各光栅层10的占空比可以采用相同的占空比，也可以采用不相同的占空比。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，各所述光栅层10的光栅槽11的槽深不完全相同。具体地，各所述光栅层10的光栅槽11可以采用相同的槽深，也可以采用不相同的槽深。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3-图7所示，所述光栅层10包括：直槽光栅层、斜齿光栅层、闪耀光栅层、台阶光栅层、曲面光栅层中的至少一种。
具体地，直槽光栅层中光栅槽11的截面呈矩形，矩形的角可以具有倒角，例如圆倒角等，斜齿光栅层中光栅槽11的截面呈平行四边形或梯形，闪耀光栅层中的光栅槽11的截面呈三角形，台阶光栅层中的光栅槽11的截面呈阶梯状，曲面光栅层中光栅槽11的截面呈弧形，这里的弧形包括至少一个曲线，有多个曲线时多个曲线依次连接；除了曲线，弧形还可以包括直线，直线与曲线相连接。可以根据需要确定光栅槽11的形状，从而采用不同的光栅层10。
如图8所示，光栅槽11的形状可以是圆形、椭圆、方形、矩形、菱形等等，或者光栅凸起部分可以为上述任意一形状，光栅凸起部分是指光栅上设置的若干个凸起。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，各所述连接层20的折射率不完全相同。具体地，各所述连接层20的折射率可以采用相同的折射率，也可以采用不相同的折射率。通常连接层20的折射率的差异在0-0.3之间，优选地，连接层20的折射率的差异在0-0.1之间。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2所示，最下方的光栅层10连接有波导基底30。
具体地，若干个光栅层10可以位于波导基底30的上方或下方，也可以位于波导基底30的内部。若干个光栅层10可以设置在波导基底30的一侧或两侧。
本发明的堆叠光栅可以作为耦入光栅，也可以作为耦出光栅，当然，也可以作为转折光栅，或者其他类型光栅，不限于光栅的命名方式。在波导基底30上形成有多个光栅时，各光栅可以采用相同的堆叠光栅，也可以采用不同的堆叠光栅。本发明的堆叠光栅不限制目标耦出光线的方向，即耦出光线相对耦入光线可以位于光波导同侧或异侧，但是总体效果为降低耦出光线在非目标方向的能量。
所述波导基底30包括玻璃波导基底、树脂波导基底、塑料波导基底、透明陶瓷波导基底中的至少一种。塑料波导基底，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)波导基底，聚碳酸酯(PC)波导基底等。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，最上方或最下方的光栅层10连接有膜层。
具体地，为了提高堆叠光栅的光学性能，如透反特性、偏振特性、衍射效率分布特性、机械强度特性等特性，在最上方或最下方的光栅层10上设置膜层。
所述膜层包括介质膜和/或金属膜，所述介质膜为单层介质膜或多层介质膜，所述金属膜为单层金属膜或多层金属膜。例如，膜层采用介质膜，介质膜位于所述波导基底30与所述最下方的光栅层10之间；膜层还可以采用金属膜，金属膜和所述波导基底30分别位于光栅层10的上下两侧。当然，可以既采用介质膜，又采用金属膜。介质膜可以采用单层或多层，多层介质膜形成介质膜系，金属膜可以采用单层或多层，多层金属膜形成金属膜系。
基于上述任意一实施例的堆叠光栅，本发明还提供了一种AR显示装置的较佳实施例：
本发明实施例的AR显示装置，包括：
光引擎；
至少一层光波导，位于所述光引擎的出光方向上；
如上述任意一实施例的堆叠光栅，设置于所述光波导，具体如上所述。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种堆叠光栅，其特征在于，包括：
自下而上依次堆叠设置的至少四个光栅层；
其中，所述光栅层上设置有若干个光栅槽；
相邻两个光栅层的光栅槽之间存在错位间距，所有所述错位间距自下而上形成周期性分布；
其中，所述周期性分布是指在自下而上的方向上所述错位间距按照一定重复规则排列；所述重复规则为，相邻两个光栅层的光栅槽之间设置为在水平方向上的位置存在错位间距，间隔一个光栅层的两个光栅层的光栅槽设置为在水平方向上的位置相同。
2.根据权利要求1所述的堆叠光栅，其特征在于，相邻两个所述光栅槽的间距为两个所述光栅槽在排列方向上的光栅周期，所述光栅周期为200nm-1000nm。
3.根据权利要求2所述的堆叠光栅，其特征在于，所述光栅层为一维光栅层，所述错位间距为0.01-0.99个光栅周期；或
所述光栅层为二维光栅层，所述错位间距包括：第一排列方向上的错位间距和/或第二排列方向上的错位间距；
所述第一排列方向上的错位间距为0.01-0.99个光栅周期；
所述第二排列方向上的错位间距为0.01-0.99个光栅周期。
4.根据权利要求1所述的堆叠光栅，其特征在于，相邻两个光栅层的光栅槽内填充有连接层；其中，所述光栅层的折射率大于所述连接层的折射率。
5.根据权利要求4所述的堆叠光栅，其特征在于，所述光栅层的折射率为1.5-2.4；所述连接层的折射率为1-1.49。
6.根据权利要求4所述的堆叠光栅，其特征在于，各所述光栅层的折射率不完全相同；和/或，
各所述光栅层的占空比不完全相同；和/或，
各所述光栅层的光栅槽的槽深不完全相同；和/或，
各所述连接层的折射率不完全相同。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的堆叠光栅，其特征在于，最下方的光栅层连接有波导基底；和/或
最上方或最下方的光栅层连接有膜层；和/或
所述光栅层包括：直槽光栅层、斜齿光栅层、闪耀光栅层、台阶光栅层、曲面光栅层中的至少一种；和/或
所述光栅层的厚度为20nm-1000nm。
8.根据权利要求7所述的堆叠光栅，其特征在于，所述波导基底包括玻璃波导基底、树脂波导基底、塑料波导基底、透明陶瓷波导基底中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的堆叠光栅，其特征在于，所述膜层包括介质膜和/或金属膜，所述介质膜为单层介质膜或多层介质膜，所述金属膜为单层金属膜或多层金属膜。
10.一种AR显示装置，其特征在于，包括：
光引擎；
至少一层光波导，位于所述光引擎的出光方向上；
如权利要求1至9中任一项所述的堆叠光栅，设置于所述光波导。
Priority Applications (2)
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