CN114527530A - 一种一维光栅、光波导和近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种一维光栅、光波导和近眼显示系统，该一维光栅包括沿第一方向周期性排布的光栅单元；所述光栅单元包括自下而上依次交替层叠设置的M个第一子光栅和N个第二子光栅，所述第一子光栅的横向特征尺寸大于所述第二子光栅的横向特征尺寸，M、N均为正整数且|M‑N|为0或1；当M＝N＝1时，所述第一子光栅位于所述第二子光栅的上方。该一维光栅的光栅单元具有伞形结构，使得该一维光栅有利于对多波长光线的干涉调制，应用于单层光波导中有利于彩色显示，降低了加工复杂程度、成本和重量。

Description

一种一维光栅、光波导和近眼显示系统

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种一维光栅、光波导和近眼显示系统。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种能将虚拟信息与现实世界相互融合的新技术；据预测，AR眼镜将可能取代手机成为下一代的协作计算平台。以AR眼镜为代表的AR技术目前在各个行业开始兴起，尤其在安防和工业领域，AR技术体现了无与伦比的优势，大大改进了信息交互方式。

目前比较成熟的AR技术主要分为棱镜方案、birdbath(鸟浴)方案、自由曲面方案和光波导方案，前三种方案体积较大，限制了其在智能穿戴方面，如AR眼镜方面的应用，而光波导方案在清晰度、可视角度、体积等方面均具优势，是AR眼镜中目前最佳的光学显示方案。其中，光波导方案又分为几何波导方案、浮雕光栅波导方案和体全息波导方案。几何波导方案是使用阵列的镀膜半透半反射镜来达到虚拟信息的显示，但是该方案的视场和眼动范围受限，而且阵列镜片会给画面带来条纹效果，所以几何波导方案无法给人眼呈现最佳的显示效果。体全息波导方案目前在大规模量产上受到了限制。浮雕光栅波导方案由于纳米压印的便利性是目前研究最多的技术方案，具有大视场和大眼动范围的优势。

对于浮雕光栅方案，由于现有的单层光栅波导的彩色显示较差，为了提高彩色显示的质量，常常采用多层光栅波导的方案，如使用双层光栅波导或三层光栅波导方案，然而，在这种方式下，多层贴合光栅会加大工艺复杂，成本较高且重量较大。

发明内容

本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种一维光栅、光波导和近眼显示系统，该一维光栅有利于对多波长光线的干涉调制，应用于单层光波导中有利于彩色显示，降低了加工复杂程度、成本和重量。

第一方面，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种一维光栅，包括沿第一方向周期性排布的光栅单元；所述光栅单元包括自下而上依次交替层叠设置的M个第一子光栅和N个第二子光栅，所述第一子光栅的横向特征尺寸大于所述第二子光栅的横向特征尺寸，M、N均为正整数且|M-N|为0或1；当M＝N＝1时，所述第一子光栅位于所述第二子光栅的上方。

在一些实施例中，所述第一子光栅的纵截面为半圆形、弓形、三角形、四边形和台阶状的一种，所述第二子光栅的纵截面为半圆形、弓形、三角形、四边形和台阶状的一种。

在一些实施例中，所述光栅单元的横向特征尺寸小于1μm。

在一些实施例中，所述第一子光栅的纵向特征尺寸小于所述第二子光栅的纵向特征尺寸。

在一些实施例中，层叠方向上的任意相邻的两个子光栅呈错位排布。

在一些实施例中，所述光栅单元表面还设有镀膜层。

第二方面，本发明实施例提供一种光波导，该光波导包括波导基底、以及如第一方面任意一项所述的一维光栅；所述一维光栅设置在所述波导基底上。

在一些实施例中，所述波导基底包括第一耦入区域、转折区域和第一耦出区域；其中，所述一维光栅设于所述第一耦入区域、所述转折区域和所述第一耦出区域中的至少一个区域。

在一些实施例中，所述波导基底包括第二耦入区域和第二耦出区域；其中，所述一维光栅设于所述第二耦入区域。

第三方面，本发明实施例还提供一种近眼显示系统，该近眼显示系统包括如第二方面任意一项所述的光波导。

在一些实施例中，所述近眼显示系统还包括微投影光机。

本发明实施例提供一种一维光栅、光波导和近眼显示系统，该一维光栅包括沿第一方向周期性排布的光栅单元；所述光栅单元包括自下而上依次交替层叠设置的M个第一子光栅和N个第二子光栅，所述第一子光栅的横向特征尺寸大于所述第二子光栅的横向特征尺寸，M、N均为正整数且|M-N|为0或1；当M＝N＝1时，所述第一子光栅位于所述第二子光栅的上方。该一维光栅的光栅单元具有伞形结构，使得该一维光栅有利于对多波长光线的干涉调制，应用于单层光波导中有利于彩色显示，降低了加工复杂程度、成本和重量。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是现有技术中的一种多层浮雕光栅光波导的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种一维光栅的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种光栅单元的纵截面结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种光栅单元的纵截面结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种光栅单元的立体图；

图6是本发明实施例提供的五种子光栅的纵截面结构示意图；

图7是本发明实施例提供的再一种光栅单元的纵截面图；

图8是以图7所示的光栅单元沿第一方向周期性排布形成的一维光栅为耦入光栅，经仿真得到其对不同波长光线的衍射效率图；

图9是一种光波导的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的另一种光波导的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的再一种光波导的结构示意图。

附图标记说明：1、第一子光栅，2、第二子光栅，100、光栅单元，200、波导基底，201、第一浮雕光栅光波导，202、第二浮雕光栅光波导，210、第一耦入区域，220、转折区域，230、第一耦出区域，240、第二耦入区域，250、第二耦出区域，300、微投影光机，w1、第一子光栅的横向特征尺寸，h1、第一子光栅的纵向特征尺寸，w2、第二子光栅的横向特征尺寸，h2、第二子光栅的纵向特征尺寸。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

目前，在增强现实显示技术方案中，浮雕光栅光波导由于纳米压印的便利性、且其具有大视场和大眼动范围的优势，使其成为目前研究最多的技术方案。

然而，浮雕光栅光波导的彩色显示效果较差，为了提高浮雕光栅光波导的彩色显示效果，通常采用多层浮雕光栅光波导方案。例如，如图1所示，现有技术中的一种多层浮雕光栅光波导通过将第一浮雕光栅光波导201和第二浮雕光栅光波导202进行贴合，对微投影光机300出射的光线进行衍射。又例如，为了显示红绿蓝(RGB)三色，可以将三层浮雕光栅光波导叠加贴合设置，每一层浮雕光栅波导对应衍射一种颜色，从而实现全彩显示。

在这种多层浮雕光栅光波导方案中，由于需要将多层浮雕光栅光波导进行贴合，导致加工工艺复杂且成本较高，另外，将多层浮雕光栅光波导贴合后，会导致整体的重量急剧增加。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种一维光栅、光波导及近眼显示系统，该一维光栅有利于对多波长光线进行干涉调制，后续应用于单层光波导中有利于彩色显示，从而可以降低加工复杂程度、成本和重量。

第一方面，本发明实施例提供一种一维光栅，请参阅图2，该一维光栅包括沿第一方向周期性排布的光栅单元100。

其中，请参阅图3，光栅单元100包括自下而上依次交替层叠设置的M个第一子光栅1和N个第二子光栅2，第一子光栅1的横向特征尺寸大于第二子光栅2的横向特征尺寸，M、N均为正整数且|M-N|为0或1；当M＝N＝1时，第一子光栅1位于第二子光栅2的上方。

具体的，当M＝N＝1时，即子光栅的层数为两层时，请参阅图3，该光栅单元100包括第一子光栅1和第二子光栅2，第一子光栅1叠置在第二子光栅2上，即第一子光栅1设于顶层、第二子光栅2设于底层。其中，第一子光栅1的横向特征尺寸w1大于第二子光栅2的横向特征尺寸w2，第一子光栅1与位于下方的第二子光栅2构成伞形结构，从而使光栅单元100呈现伞形结构。

当M+N≥3时，即子光栅的层数为至少三层时，光栅单元100包括至少一层第一子光栅1和至少两层第二子光栅2，或者，光栅单元100包括至少两层第一子光栅1和至少一层第二子光栅2，第一子光栅1和第二子光栅2依次交替叠置；其中，第一子光栅1的横向特征尺寸大于第二子光栅2的横向特征尺寸，第一子光栅1与位于下方的第二子光栅2构成伞形结构。较佳的，M+N≥3。

示例性的，请参阅图4，该光栅单元100包括至少两层第一子光栅1和至少两层第二子光栅2，第一子光栅1和第二子光栅2依次交替叠置，且最底层的子光栅为第二子光栅2，同时，第一子光栅1的横向特征尺寸w1大于第二子光栅2的横向特征尺寸w2，第一子光栅1与位于下方相邻的第二子光栅2构成伞形结构，从而使光栅单元100具有伞形结构。实际应用中，最底层的子光栅可以为第一子光栅1，在这种叠置方式中，光栅单元100同样具有伞形结构。

应注意的是，第一子光栅1的横向特征尺寸w1为第一子光栅1在横向上的最大的尺寸，第二子光栅2的横向特征尺寸w2为第二子光栅2在横向上的最大的尺寸。

当光栅单元100中的子光栅按照上述方式进行叠置时，由于第一子光栅1的横向特征尺寸w1大于第二子光栅的横向特征尺寸w2，使得光栅单元100具有伞形结构，那么第一子光栅1和第二子光栅2之间将存有空气间隙，从而使得上下两层的折射率差异将会增大，有利于一维光栅对多波长光线进行干涉调制，从而能提高对多波长光线调制的均匀性。可以理解的是，当堆叠的子光栅的层数越多，一维光栅对多波长光线的干涉调制作用将会变得更加明显。后续当该一维光栅应用于单层浮雕光栅光波导中，能有利于单层浮雕光栅光波导对多波长光线进行调制，从而有利于单层浮雕光栅光波导进行彩色显示，相比于采用多层浮雕光栅光波导实现彩色显示的方案，本发明实施例提供的一维光栅能降低加工复杂性、成本和重量。

实际应用中，第一子光栅1和第二子光栅2可以使用折射率相同的材料进行制作，也可以使用折射率不同的材料进行制作，在此不做限定。

在第一子光栅1和第二子光栅2的叠置过程中，层叠方向上的任意相邻的两个子光栅可以呈正对排布，也可以呈错位排布。示例性的，如图3所示，第一子光栅1的中心与第二子光栅2的中心呈正对排布，如图4所示，位于中间的第一子光栅1的中心与第二子光栅2的中心呈错位排布。较佳的，层叠方向上的任意相邻的两个子光栅呈错位排布；如此形成的一维光栅能够增强对入射光线正负级次中的某一级次的衍射效率，同时在多波长光线的干涉调制作用下，应用于单层光波导中更利于彩色显示。且有，在第一子光栅1和第二子光栅2的叠置过程中，每一个第一子光栅1的横向特征尺寸w1可以相等、也可以不相等；每一个第二子光栅2的横向特征尺寸w2可以相等、也可以不相等；每一个第一子光栅1的纵向特征尺寸h1可以相等、也可以不相等；每一个第二子光栅2的纵向特征尺寸h2可以相等、也可以不相等。实际应用中，光栅单元中的子光栅的叠置过程、子光栅的横向特征尺寸和纵向特征尺寸均可以根据实际需要进行设置，在此不做限定，仅需要满足每一个第一子光栅的横向特征尺寸需大于每一个第二子光栅的横向特征尺寸。

在其中一些实施例中，第一子光栅1的纵截面为半圆形、弓形、三角形、四边形和台阶状的一种，第二子光栅2的纵截面也为半圆形、弓形、三角形、四边形和台阶状中的一种，所述四边形可为矩形、梯形、平行四边形、正方形等。例如，请参阅图5，第一子光栅1和第二子光栅2可均为矩形光栅。再例如，请参阅图6中的(a)-(d),子光栅的纵截面可以为平行四边形、正梯形、倒梯形、台阶状，或者，请参阅图6中的(e)，子光栅还可以使用闪耀光栅。在排布时仅需要保证第一子光栅1的横向特征尺寸大于第二子光栅2的横向特征尺寸，使光栅单元具有伞形结构即可。

下面结合具体的实施例详细阐述本发明实施例提供的光栅单元的衍射效率。具体的，请参阅图7，图7所示的光栅单元中包括九层矩形子光栅，具体包括五层第一子光栅1和四层第二子光栅2，最底层的子光栅为第一子光栅1，接着，第二子光栅2和第一子光栅1自下而上依次交替层叠设置在最底层的子光栅上，该光栅单元的衍射效率请参见图8，图8是以图7所示的光栅单元沿第一方向周期性排布形成的一维光栅为耦入光栅，仿真得到其对不同波长光线的衍射效率图，从图8可以看出本实施例中的光栅单元周期排布形成的一维光栅在可见光全波段范围内普遍具有较高的衍射效率，如此便于光栅波导的彩色显示，由此可见该光栅单元周期排布形成的一维光栅可以满足在光波导中的应用，并提高光波导的彩色显示效果。

在其中一些实施例中，光栅单元的横向特征尺寸小于1μm。可以理解的是，该光栅单元的横向特征尺寸为光栅单元在横向上的最大尺寸。

在其中一些实施例中，第一子光栅1的纵向特征尺寸小于第二子光栅2的纵向特征尺寸。应注意的是，第一子光栅1的纵向特征尺寸为第一子光栅1在纵向上的最大的尺寸，第二子光栅2的纵向特征尺寸为第二子光栅2在纵向上的最大的尺寸。实际应用中，第一子光栅1和第二子光栅2的纵向特征尺寸不受限制，可以根据实际需要进行设置，在此不需拘泥于本实施例中的限定。可见，在本发明实施例提供的一维光栅中，不仅可以调节各层子光栅的横向特征尺寸，还可以调节各层子光栅的纵向特征尺寸，增加了一维光栅的调节参数，提高了设计一维光栅时的灵活性。

为了进一步提高一维光栅的衍射效率，在其中一些实施例中，光栅单元表面还设有镀膜层。具体的，可以采用沉积镀膜方式、共性镀膜方式或者是现有技术中一切合适的镀膜方式对光栅单元表面进行镀膜。其中，镀膜层的材料可以采用现有技术中一切合适的材料，在此不做限定。可见，本发明实施例提供的一维光栅还可以通过对镀膜情况进行调整，从而能有效调节衍射效率，后续能使一维光栅更优化地应用于光波导中。

第二方面，本发明实施例提供一种光波导，请参阅图9，该光波导包括波导基底200、以及如第一方面任意一项的一维光栅；一维光栅设置在波导基底200上。

其中，波导基底200可以是采用玻璃、树脂等透明材料制成，波导基底200的制作工艺及工艺材料等可根据实际需要进行设置，在此不做限定。应注意的是，该光波导中的波导基底200的层数为一层。另外，一维光栅的具体技术细节请参照上述实施例，在此不再赘述。一维光栅具体的周期设置、第一方向均可按照实际应用中可根据实际需要进行设置，在此不做限定。

通过将光栅单元沿第一方向周期设置在波导基底200上，不仅能让光线能在一个方向进行传播和扩展，实现一维扩展。并且，由于一维光栅中每个光栅单元的第一子光栅1和第二子光栅2依次交替层叠设置，这样，当光线为多波长光线时，能提高该光波导对多波光光线的干涉调制效果，即提高该光波导对多波长光线调制的均匀性，从而能提高单层浮雕光栅光波导的彩色显示效果，相比于采用多层浮雕光栅光波导实现彩色显示的方案，本发明实施例提供的光波导能降低加工复杂性、成本和重量。

在其中一些实施例中，请参阅图10，波导基底200包括第一耦入区域210、转折区域220和第一耦出区域230；其中，一维光栅设于第一耦入区域210、转折区域220和第一耦出区域230中的至少一个区域。

具体的，第一耦入区域210用于将光线耦入至波导基底200内部，并使光线在波导基底200内从第一耦入区域210朝向转折区域220的第二方向发生全反射传播至转折区域220；转折区域220用于接收光线，一方面让光线从转折区域220朝耦出区域的第三方向进行传播，另一方面让光线继续沿第二方向传播；第一耦出区域230用于让光线继续沿第三方向继续传播，以及让光线从波导基底200内耦出。通常，第二方向与第三方向互相垂直。

通过将本发明实施例提供的一维光栅设于波导基底200的第一耦入区域210、转折区域220和第一耦出区域230中的至少一个区域中，从而让光线能在第一耦入区域210、转折区域220和第一耦出区域230中的至少一个区域实现一维扩展传播。

在其中一些实施例中，请参阅图11，波导基底200包括第二耦入区域240和第二耦出区域250；其中，一维光栅设于第二耦入区域240。

具体的，第二耦入区域240用于将光线耦入至波导基底200内部，以使光线在波导基底200内发生全反射传播至第二耦出区域250，第二耦出区域250用于接收光线并使光线在波导基底200内以全反射传播的方式进行扩展，最后，还将光线从波导基底200内部耦出。

通过将本发明实施例提供的一维光栅设于波导基底200的第二耦入区域240中，从而让光线能在第二耦入区域240实现一维扩展传播。

在实际应用中，波导基底200的形状并不限定于图中所示的矩形，可以为其他多边形或者不规则形状；第一耦入区域210和第二耦入区域240的形状并不限定于图中所示的圆形，可以为多边形或者不规则形状；同时，第一耦出区域230和第二耦出区域250的形状也不限定于图中所示的形状，可以为其他多边形或者不规则形状，波导基底200、耦入区域以及耦出区域的形状都可以根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。

第三方面，本发明实施例还提供一种近眼显示系统，该近眼显示系统包括如第二方面任意一项的光波导。该近眼显示系统采用单层浮雕光栅光波导即可实现彩色显示，相比于采用多层浮雕光栅光波导实现彩色显示的方案，本发明实施例提供的近眼显示系统能降低加工工艺难度，以及降低近眼显示系统的成本和重量。

在其中一些实施例中，近眼显示系统还包括微投影光机。光波导设于微投影光机的出射方向，具体的，光波导的耦入区域设于微投影光机的光线出射方向。其中，微投影光机中的图像源可以是硅基液晶(liquid crystal onsilicon，LCOS)、数字微镜器件(Digtial Micromirror Devices,DMD)、有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)和微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)中的一种，用于出射带有图像信息的光线。

本发明实施例提供一种一维光栅、光波导和近眼显示系统，该一维光栅沿第一方向周期性排布的光栅单元；所述光栅单元包括自下而上依次交替层叠设置的M个第一子光栅和N个第二子光栅，所述第一子光栅的横向特征尺寸大于所述第二子光栅的横向特征尺寸，M、N均为正整数且|M-N|为0或1；当M＝N＝1时，所述第一子光栅位于所述第二子光栅的上方。该一维光栅的光栅单元具有伞形结构，使得该一维光栅有利于对多波长的干涉调制，应用于单层光波导中有利于彩色显示，降低了加工复杂程度、成本和重量。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

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；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；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范围。

Claims (11)

1.一种一维光栅，其特征在于，包括沿第一方向周期性排布的光栅单元；

所述光栅单元包括自下而上依次交替层叠设置的M个第一子光栅和N个第二子光栅，所述第一子光栅的横向特征尺寸大于所述第二子光栅的横向特征尺寸，M、N均为正整数且|M-N|为0或1；

当M＝N＝1时，所述第一子光栅位于所述第二子光栅的上方。

2.根据权利要求1所述的一维光栅，其特征在于，所述第一子光栅的纵截面为半圆形、弓形、三角形、四边形和台阶状的一种，所述第二子光栅的纵截面为半圆形、弓形、三角形、四边形和台阶状的一种。

3.根据权利要求2所述的一维光栅，其特征在于，所述光栅单元的横向特征尺寸小于1μm。

4.根据权利要求3所述的一维光栅，其特征在于，所述第一子光栅的纵向特征尺寸小于所述第二子光栅的纵向特征尺寸。

5.根据权利要求1所述的一维光栅，其特征在于，层叠方向上的任意相邻的两个子光栅呈错位排布。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一维光栅，其特征在于，所述光栅单元表面还设有镀膜层。

7.一种光波导，其特征在于，包括波导基底、以及如权利要求1-6任意一项所述的一维光栅；

所述一维光栅设置在所述波导基底上。

8.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，所述波导基底包括第一耦入区域、转折区域和第一耦出区域；

其中，所述一维光栅设于所述第一耦入区域、所述转折区域和所述第一耦出区域中的至少一个区域。

9.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，所述波导基底包括第二耦入区域和第二耦出区域；

其中，所述一维光栅设于所述第二耦入区域。

10.一种近眼显示系统，其特征在于，包括如权利要求7-9任意一项所述的光波导。

11.根据权利要求10所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括微投影光机。

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