CN114994819A - 基于多基元的二维超表面光栅、光波导和头戴式设备 - Google Patents

基于多基元的二维超表面光栅、光波导和头戴式设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多基元的二维超表面光栅、光波导和头戴式设备。其中，基于多基元的二维超表面光栅包括：多个超表面基元，排列成超表面基元阵列，至少二个所述超表面基元是由二维表面浮雕光栅的一个表面浮雕基元拆分得到，每个所述超表面基元的形状包括至少一条曲边；所述超表面基元阵列从输入方向接收到的光，在所述超表面基元阵列中产生共振或者耦合并分别沿着与所述输入方向不同的二个方向在所述超表面基元阵列中传播，分别从所述超表面基元阵列的同一侧耦出。本发明将基于多基元的二维超表面光栅作为光波导中的耦出光栅使用，可以有效解决漏光的问题，降低漏光比，加强隐私保护。

Description

基于多基元的二维超表面光栅、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，尤其涉及一种基于多基元的二维超表面光栅、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。
光波导中主流的衍射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。目前在衍射光波导中比较常用的光栅为表面浮雕光栅。衍射光波导根据光栅的扩展维度又可分为一维衍射光波导和二维衍射光波导。例如，微软的HoloLens第一代和第二代、MagicLeap One等的多款设备，均采用的是一维衍射光波导。二维衍射光波导可以通过合理的设计光栅结构实现出瞳的二维扩展，在二维衍射光波导中采用二维光栅进行双向扩瞳，可以充分利用光波导的有效面积，但是目前普遍采用的二维光栅正反面光线的耦出效率基本一致，存在着明显的漏光问题。
发明内容
本发明提供一种基于多基元的二维超表面光栅、光波导和头戴式设备，用以解决现有技术中二维光栅正反面光线的耦出效率基本一致，存在的明显漏光问题，可以降低漏光比，加强隐私保护。
第一方面，本发明提供了一种基于多基元的二维超表面光栅，包括：多个超表面基元，排列成超表面基元阵列，至少二个所述超表面基元是由二维表面浮雕光栅的一个表面浮雕基元拆分得到，每个所述超表面基元的形状包括至少一条曲边；
所述超表面基元阵列从输入方向接收到的光，在所述超表面基元阵列中产生共振或者耦合并分别沿着与所述输入方向不同的二个方向在所述超表面基元阵列中传播，分别从所述超表面基元阵列的同一侧耦出。
根据本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅，每个所述超表面基元的形状是由一条曲边围成。
根据本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅，每个所述超表面基元的形状还包括至少一条直边。
根据本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅，每个所述超表面基元的形状为对称形状，所述对称形状的对称轴与所述输入方向平行或者垂直或者成大于0°且小于90°的夹角。
根据本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅，每个所述超表面基元的形状为椭圆形，所述椭圆形的长轴与所述输入方向平行。
根据本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅，光从所述超表面基元阵列耦出处的连线与所述输入方向垂直。
第二方面，本发明提供了一种光波导，包括：波导片、耦入光栅和耦出光栅；
所述耦出光栅设置于所述波导片的表面，采用第一方面所述的基于多基元的二维超表面光栅；
所述耦入光栅设置于所述波导片的表面，并位于所述基于多基元的二维超表面光栅的输入方向上；
所述耦入光栅接收到的光耦入所述波导片，在所述波导片中发生全反射传播，所述耦出光栅的输入方向接收到的光，在所述超表面基元阵列中产生共振或者耦合并分别沿着与所述输入方向不同的二个方向在所述超表面基元阵列中传播，分别从所述耦出光栅的同一侧耦出。
根据本发明提供的光波导，所述耦出光栅与所述耦入光栅设置于所述波导片同一侧的表面；或者，
所述耦出光栅与所述耦入光栅设置于所述波导片相对两侧的表面。
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基于多基元的二维超表面光栅、光波导和头戴式设备，作为光波导中的耦出光栅使用，相对于普通的二维表面浮雕光栅，可以有效解决漏光的问题，降低漏光比，加强隐私保护，并且相对于一维耦出光栅，可以调控的参数更多，通过改变超表面基元的大小可以更加容易的调控耦出效率，提高成像的一致性；同时基于多基元的二维超表面光栅作为耦出光栅便于实现双向扩瞳，可以充分利用镜片的空白面积，提高镜片的利用率，还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，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。
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基于多基元的二维超表面光栅应用于光波导中的示意图；
图2是基于多基元的二维超表面光栅的超表面基元由二维表面浮雕光栅的表面浮雕基元拆分得到的示意图；
图3是本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅的一种超表面基元结构的示意图；
图4是本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅的另一种超表面基元结构的示意图；
图5是本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅的又一种超表面基元结构的示意图；
图6是本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅的再一种超表面基元结构的示意图；
图7是本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅作为光波导的耦出光栅的一实施例的光路图；
图8是图7中耦出光栅的相位分布的示意图；
图9是图7中耦出光栅的衍射效率的示意图；
图10是图7中耦出光栅与输入光的示意图。
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出光栅使用，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基于多基元的二维超表面光栅，请参阅图1和图2，图1是本发明提供的一种基于多基元的二维超表面光栅应用于光波导中的示意图，图2是基于多基元的二维超表面光栅的超表面基元由二维表面浮雕光栅的表面浮雕基元拆分得到的示意图，如图1和图2所示，基于多基元的二维超表面光栅100包括多个超表面基元110，排列成超表面基元阵列120，至少二个超表面基元110是由二维表面浮雕光栅的一个表面浮雕基元410拆分得到，每个基元110的形状包括至少一条曲边111。在图2中，二维表面浮雕光栅的一个表面浮雕基元410拆分得到四个超表面基元110，本发明实施例对表面浮雕基元410拆分得到的超表面基元110的数量不作限定。基元阵列120从输入方向接收到的光，即图中的X方向，在基元阵列120中产生共振或者耦合并分别沿着与输入方向不同的二个方向在基元阵列120中传播，即图中的+Y方向，分别从基元阵列120的同一侧耦出，即图中朝向纸面的方向。
在本发明实施例中，基于多基元的二维超表面光栅中的超表面基元110的高度可以为10nm~200nm，超表面基元110在两个排布方向上的周期可以为100nm~700nm，二维表面浮雕光栅中的表面浮雕基元410的高度可以为200nm~2000nm，表面浮雕基元410在两个排布方向上的周期可以为50nm~1000nm。
可选地，每个超表面基元110的形状可以为对称形状，或者也可以为非对称形状，本发明实施例对此不作限定。当每个超表面基元110的形状为对称形状时，对称形状的对称轴可以与输入方向平行，或者对称形状的对称轴可以与输入方向垂直，又或者对称形状的对称轴可以与输入方向成大于0°且小于90°的夹角，例如45°的夹角，再或者对称形状的一个对称轴可以与输入方向方向平行，另一个对称轴可以与输入方向垂直，本发明实施例对此不作限定。
在一些可选的例子中，基于多基元的二维超表面光栅100中的每个超表面基元110的形状可以是由一条曲边111围成。例如，每个超表面基元110的形状可以为圆形，或者每个超表面基元110的形状可以为椭圆形，如图3所示，其中椭圆形的长轴可以与输入方向平行，本发明实施例对由一条曲边111围成的超表面基元110的形状不作限定。
在另一些可选的例子中，基于多基元的二维超表面光栅100中的每个超表面基元110的形状也可以是由二条曲边111围成。在又一些可选的例子中，基于多基元的二维超表面光栅100中的每个超表面基元110的形状也可以是由三条曲边111围成。在再一些可选的例子中，基于多基元的二维超表面光栅100中的每个超表面基元110的形状也可以是由四条曲边111围成。本发明实施例对基于多基元的二维超表面光栅100中每个超表面基元110包括的曲边111的数量不作限定。
在本发明实施例中，如图1和图2所示，基于多基元的二维超表面光栅100中的每个超表面基元110的形状除了包括至少一条曲边111外，还可以包括至少一条直边112。本发明实施例对基于多基元的二维超表面光栅100中每个超表面基元110包括的曲边111的数量和直边112的数量不作限定。
在一些可选的例子中，基于多基元的二维超表面光栅100中的每个超表面基元110的形状可以是由一条曲边211和一条直边212围成。例如，每个超表面基元110的形状可以为半圆形，如图2所示，其中半圆形的直径可以与输入方向垂直，或者每个超表面基元110的形状可以为弓形，其中弓形的弦可以与输入方向垂直，本发明实施例对由一条曲边111和一条直边112围成的超表面基元110的形状不作限定。
在另一些可选的例子中，基于多基元的二维超表面光栅100中的每个超表面基元110的形状可以是由一条曲边111和二条直边112a、112b围成。例如，每个超表面基元210的形状可以为扇形，如图4所示，其中扇形的二条半径可以分别与输入方向成30°的夹角，本发明实施例对由一条曲边111和二条直边112a、112b围成的超表面基元110的形状不作限定。
在又一些可选的例子中，基于多基元的二维超表面光栅100中的每个超表面基元110的形状可以是由一条曲边111和三条直边112a、112b、112c围成。例如，如图5所示，曲边111与一条直边112b相对，二条直边112a与112c平行，连接曲边111与直边112b，并与直边112b垂直，直边112a、112c可以与输入方向平行，本发明实施例对由一条曲边111和三条直边112a、112b、112c围成的超表面基元210的形状不作限定。
在再一些可选的例子中，基于多基元的二维超表面光栅100中的每个超表面基元110的形状可以是由二条曲边111a、111b和二条直边112a、112b围成。例如，每个超表面基元110的形状可以为扇环，如图6所示，其中扇环的二条二条直边112a、112b可以分别与输入方向成30°的夹角，本发明实施例对由二条曲边111a、111b和二条直边112a、112b围成的超表面基元110的形状不作限定。
可选地，超表面基元阵列120中的超表面基元110可以采用在可见光波段具有高透射率的材料，例如，折射率大于1.5的氧化硅，氮化硅，氮化镓，二氧化钛等，本发明实施例对此不作限定。超表面基元110在超表面基元阵列120中沿着两个方向排布，本发明实施例对两个方向之间形成的夹角的角度不作限定，如图2所示，超表面基元110在超表面基元阵列120中沿着B1和B2两个方向排布，其中方向B1与B2之间的夹角可以为60°，方向B1与B2之间的夹角也可以为90°。超表面基元阵列120可以设置于厚度为0.1mm~1.5mm，折射率为1.1~3的光学玻璃上。可以采用半导体制造工艺制作，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学玻璃上制作基于多基元的二维超表面光栅100的超表面基元阵列120的半导体制造工艺的实现方法不作限定。
在上述任一实施例中，光从基元阵列耦出处的连线可以与输入方向垂直。
请参阅图7、图8和图9，图7是本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅作为光波导的耦出光栅的一实施例的光路图，图8是图7中耦出光栅的相位分布的示意图，图9是图7中耦出光栅的衍射效率的示意图，如图8所示，在光线经过本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅100时相位会发生偏转，如图7和图9所示，对本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅100作为耦出光栅进行仿真，T1是耦出进人眼的光，R1向外侧泄露的光，R是在波导片中继续进行全反射的光。在可见光450nm到650nm光谱范围内，T1远大于R1，在红光和蓝光波段甚至R1比T1小一个数量级，R相对均匀，采用本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅100作为耦出光栅可以有效抑制漏光的问题，降低漏光比，提高耦出图像的一致性。
请参阅图10，图10是图7中耦出光栅与输入光的示意图。如图10所示，在本发明提供的基于多基元的二维超表面光栅100作为耦出光栅时，当耦出光栅输入光的角度在40°到70°的范围内，可以看出向外侧泄露的光R1很明显的减小，泄露的光降低。
本发明实施例提供的基于多基元的二维超表面光栅，作为光波导中的耦出光栅使用，相对于普通的二维表面浮雕光栅，可以有效解决漏光的问题，降低漏光比，加强隐私保护，并且相对于一维耦出光栅，可以调控的参数更多，通过改变超表面基元的大小可以更加容易的调控耦出效率，提高成像的一致性；同时基于多基元的二维超表面光栅作为耦出光栅便于实现双向扩瞳，可以充分利用镜片的空白面积，提高镜片的利用率，还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，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。
本发明还提供了一种光波导，如图1所示，光波导300包括波导片310、耦入光栅320和耦出光栅330，耦出光栅330设置于波导片310的表面，采用上述任一实施例的基于多基元的二维超表面光栅100，耦入光栅320设置于波导片310的表面，并位于基于多基元的二维超表面光栅100的输入方向上，即图中的X方向。耦入光栅320接收到的光耦入波导片310，在波导片310中发生全反射传播，耦出光栅330的输入方向接收到光，在超表面基元阵列120中产生共振或者耦合并分别沿着与输入方向不同的二个方向在超表面基元阵列120中传播，分别从耦出光栅330的同一侧耦出。
本发明实施例对耦入光栅320的结构不作限定。可选地，耦入光栅320可以采用表面浮雕光栅，例如闪耀光栅等。
在一些可选的例子中，耦入光栅320与耦出光栅330可以设置于波导片310同一侧的表面。在另一些可选的例子中，耦入光栅320与耦出光栅330可以设置于波导片310相对两侧的表面。其中，将耦入光栅320与耦出光栅330设置于波导片310同一侧的表面以及将耦入光栅320与耦出光栅330设置于波导片310相对两侧的表面，光传播的过程和原理相同，故在此不作赘述。
可选地，波导片310可以采用厚度为0.1mm~3mm，折射率为1.1~3的光学玻璃。耦入光栅320和耦出光栅330可以采用在可见光波段具有高透射率的材料，例如，折射率大于1.5的氧化硅，氮化硅，氮化镓，二氧化钛等，本发明实施例对此不作限定。在一些可选的例子中，耦入光栅320的周期d 1 可以为200nm~1000nm，耦出光栅330在两个排布方向上的周期相同为d 2 ，d 1 与d 2 满足公式1，公式1的形式如下：
Figure 51046DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 603512DEST_PATH_IMAGE002
为耦出光栅330在两个排布方向之间的夹角。光波导300可以采用半导体 制造工艺制作，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， 本发明实施例对在波导片310上制作耦入光栅320和耦出光栅330的半导体制造工艺的实现 方法不作限定。
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300，光波导300用于制作头戴式设备的镜片。其中，耦入光栅320可以位于人体额头中心的位置，用于接收光机发出的携带有图像信息的光；耦出光栅330可以位于人体的左眼处和右眼处，用于将携带有图像信息的光耦出，使携带有图像信息的光进入人眼，在人眼成像。携带有图像信息的光入射到耦入光栅320，经耦入光栅320耦入波导片310，在波导片310中发生全反射传播，耦出光栅330的输入方向接收到携带有图像信息的光，在超表面基元阵列120中产生共振或者耦合并分别沿着与输入方向不同的二个方向在超表面基元阵列120中传播，分别从耦出光栅330的同一侧耦出，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)

1.一种基于多基元的二维超表面光栅，其特征在于，包括：多个超表面基元，排列成超表面基元阵列，至少二个所述超表面基元是由二维表面浮雕光栅的一个表面浮雕基元拆分得到，每个所述超表面基元的形状包括至少一条曲边；
所述超表面基元阵列从输入方向接收到的光，在所述超表面基元阵列中产生共振或者耦合并分别沿着与所述输入方向不同的二个方向在所述超表面基元阵列中传播，分别从所述超表面基元阵列的同一侧耦出。
2.根据权利要求1所述的基于多基元的二维超表面光栅，其特征在于，每个所述超表面基元的形状是由一条曲边围成。
3.根据权利要求1所述的基于多基元的二维超表面光栅，其特征在于，每个所述超表面基元的形状还包括至少一条直边。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于多基元的二维超表面光栅，其特征在于，每个所述超表面基元的形状为对称形状，所述对称形状的对称轴与所述输入方向平行或者垂直或者成大于0°且小于90°的夹角。
5.根据权利要求4所述的基于多基元的二维超表面光栅，其特征在于，每个所述超表面基元的形状为椭圆形，所述椭圆形的长轴与所述输入方向平行。
6.根据权利要求5所述的基于多基元的二维超表面光栅，其特征在于，光从所述超表面基元阵列耦出处的连线与所述输入方向垂直。
7.一种光波导，其特征在于，包括：波导片、耦入光栅和耦出光栅；
所述耦出光栅设置于所述波导片的表面，采用根据权利要求1至6中任一项所述的基于多基元的二维超表面光栅；
所述耦入光栅设置于所述波导片的表面，并位于所述基于多基元的二维超表面光栅的输入方向上；
所述耦入光栅接收到的光耦入所述波导片，在所述波导片中发生全反射传播，所述耦出光栅的输入方向接收到的光，在所述超表面基元阵列中产生共振或者耦合并分别沿着与所述输入方向不同的二个方向在所述超表面基元阵列中传播，分别从所述耦出光栅的同一侧耦出。
8.根据权利要求7所述的光波导，其特征在于，所述耦出光栅与所述耦入光栅设置于所述波导片同一侧的表面；或者，
所述耦出光栅与所述耦入光栅设置于所述波导片相对两侧的表面。
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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