CN115128720B - 二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备 - Google Patents
二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115128720B CN115128720B CN202211050500.7A CN202211050500A CN115128720B CN 115128720 B CN115128720 B CN 115128720B CN 202211050500 A CN202211050500 A CN 202211050500A CN 115128720 B CN115128720 B CN 115128720B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- grating
- coupling
- dimensional super
- light
- dimensional
- 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.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 72
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 36
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 36
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 24
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 claims description 12
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 claims description 10
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 4
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 3
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 2
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 2
- QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N (r)-(6-ethoxyquinolin-4-yl)-[(2s,4s,5r)-5-ethyl-1-azabicyclo[2.2.2]octan-2-yl]methanol;hydrochloride Chemical compound Cl.C([C@H]([C@H](C1)CC)C2)CN1[C@@H]2[C@H](O)C1=CC=NC2=CC=C(OCC)C=C21 QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 210000001061 forehead Anatomy 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
-
- 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明提供了一种二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备。其中，二维超表面光栅包括：二个一维超表面光栅；二个一维超表面光栅分别沿着二个方向设置并相互交叠，形成由多种不同形状的基元构成的光栅单元阵列；光栅单元阵列从输入方向接收到的光，在光栅单元阵列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光栅单元阵列中传播，分别从光栅单元阵列的同一侧耦出。本发明将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
技术领域
本发明涉及超表面技术领域，尤其涉及一种二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备。
背景技术
近年来，随着计算机科学的迅猛发展，基于近眼显示设备的虚拟现实（VirtualReality，简称VR）与增强现实（Augmented Reality，简称AR）等人机交互技术逐渐成为应用的热点。根据交互方式的不同，VR 近眼显示设备通过计算机生成一个虚拟环境，观察者可以观察、触摸虚拟环境中的事物并与之进行交互；而 AR 近眼显示设备生成的虚拟环境则叠加到现实世界中，观察者可以在看到虚拟环境的同时与现实世界进行交互，实现增强现实的目的，因此 AR近眼显示设备相对于 VR近眼显示设备具有更强的交互能力，在教育、医疗与军事等方面均表现出更具潜力的发展趋势。目前市场上的AR近眼显示设备主要是由各种微型显示屏、棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件组合而成其中微型显示屏与除光波导以外的光学元件可以称为光机。
光波导的应用，使得AR近眼显示设备无论是从光学效果、外观形态，还是从量产前景来说，都具备非常好的发展潜力，将会促进AR近眼显示设备走向消费级。其中，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”，促进了衍射光波导在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。目前，例如微软的HoloLens第一代和第二代、Magic Leap 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
本发明提供一种二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备，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，本发明提供了一种二维超表面光栅，包括：二个一维超表面光栅；
二个所述一维超表面光栅分别沿着二个方向设置并相互交叠，形成由多种不同形状的基元构成的光栅单元阵列；
所述光栅单元阵列从输入方向接收到的光，在所述光栅单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光栅单元阵列中传播，分别从所述光栅单元阵列的同一侧耦出。
根据本发明提供的二维超表面光栅，二个所述一维超表面光栅具有相同的结构。
根据本发明提供的二维超表面光栅，每个所述一维超表面光栅包括：具有相同高度和不同宽度的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相距第一距离平行地设置，形成所述一维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。
根据本发明提供的二维超表面光栅，所述一维超表面光栅的设置方向与所述光栅单元阵列的输入方向之间的夹角为30°～60°。
根据本发明提供的二维超表面光栅，所述光栅单元阵列包括多个菱形、三角形和长方形基元。
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光，在所述光栅单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光栅单元阵列中传播，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，本发明提供了一种显示装置，包括：光机和光波导；
所述光波导采用第二方面所述的光波导，所述耦入光栅设置于所述波导片靠近所述光机一侧的表面，所述耦出光栅设置于所述波导片靠近人眼一侧的表面；
所述耦入光栅接收到所述光机发出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光，在所述光栅单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光栅单元阵列中传播，分别从所述耦出光栅的同一侧耦出，进入所述人眼，在所述人眼成像。
第四方面，本发明提供了一种头戴式设备，包括第三方面所述的显示装置，所述显示装置中的光波导用于制作所述头戴式设备的镜片。
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二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备，将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；同时二维超表面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二维超表面光栅应用于光波导中的示意图；
图2是图1中二维超表面光栅的一个光栅单元的组成结构示意图；
图3是本发明提供的一种一维超表面光栅的主视图；
图4是图3中一维超表面光栅的俯视图；
图5是本发明提供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6是图5中耦出光栅的衍射效率的示意图；
图7是图5中耦出光栅与输入光的示意图；
图8是采用图3和图4的一维超表面光栅作为光波导的耦入光栅的一实施例的衍射效率的示意图；
图9是采用图3和图4的一维超表面光栅作为光波导的耦入光栅的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。
超表面是一类缩减维度的超常材料，可以引入突变的界面使相位不连续，可以实现对电磁波振幅、相位、偏振等特性的灵活调控。应用于光学领域的超表面具有超薄和平面几何特性，使基于超表面的器件易于与其他光学器件集成发展成紧凑的多功能光学器件。尤其是以高量产、高精度为显著特征的微电子制造技术为超表面器件的量产提供了重要的途径。超表面光栅已经成为近眼显示光学领域的主要发展方向之一，可以作为衍射光波导中的耦入光栅和耦出光栅使用。
本发明提供了一种应用于光波导中的二维超表面光栅，请参阅图1和图2，图1是本发明提供的一种二维超表面光栅应用于光波导中的示意图，图2是图1中二维超表面光栅的一个光栅单元的组成结构示意图，如图1和图2所示，二维超表面光栅100包括二个一维超表面光栅110和120。二个一维超表面光栅110和120分别沿着二个方向设置并相互交叠，也可形成由多种不同形状的基元构成的光栅单元阵列130。光栅单元阵列130从输入方向接收到的光，即图中的X方向，在光栅单元阵列130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光栅单元阵列130中传播，即图中的+Y方向，分别从光栅单元阵列130的同一侧耦出，即图中的朝向纸面的方向。
本发明实施例对二个一维超表面光栅110和120的结构不作限定。可选地，二个一维超表面光栅110和120可以具有相同的结构，或者二个一维超表面光栅110和120也可以具有不同的结构。当二个一维超表面光栅110和120具有相同的结构时，二个一维超表面光栅110和120相互交叠形成的光栅单元阵列130中的每一个光栅单元具有对称的结构，如图2所示。当二个一维超表面光栅110和120具有不同的结构时，二个一维超表面光栅110和120相互交叠形成的光栅单元阵列130中的每一个光栅单元具有非对称的结构。
请参阅图3和图4，图3是本发明提供的一种一维超表面光栅的主视图，图4是图3中一维超表面光栅的俯视图，如图3和图4所示，在一些可选的例子中，二个一维超表面光栅110和120可以具有相同的结构，每个一维超表面光栅可以包括第一条状单元112和第二条状单元121，第一条状单元112和第二条状单元121为横截面为矩形的微纳米结构，具有相同高度L和不同宽度W L 、W R ，第一条状单元112与第二条状单元121相距第一距离D平行地设置，形成一维超表面光栅的基本单元，基本单元以第二距离A周期性地设置。其中，高度L、宽度W L 、W R 、第一距离D和第二距离A的度量单位均为纳米。
可选地，如图2所示，二个一维超表面光栅110和120的设置方向，即图中的B、B’方向，与光栅单元阵列130的输入方向之间的夹角为30°～60°。也就是说，光栅单元阵列130的输入方向X位于二个一维超表面光栅110和120形成的夹角的角平分线上。如图2所示，光栅单元阵列130可以包括多个菱形、三角形和长方形基元。
可选地，二个一维超表面光栅110和120中第一条状单元112和第二条状单元121可以采用在可见光波段具有高透射率的相同材料，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。第一条状单元112和第二条状单元121的高度L可以为10nm~200nm，在一些可选的例子中，第一条状单元112和第二条状单元121的宽度W L 、W R 可以为20nm~150nm，第一距离D可以为10nm~300nm，第二距离A可以为100nm~700nm。光栅单元阵列130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，本发明实施例对在波导片上制作二维超表面光栅的光栅单元阵列130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，每一个一维超表面光栅110和120可以采用广义斯涅尔定
律，其实现光束耦入的原理：当第一条状单元112和第二条状单元121的高度L足够高时，光
从空气进入一维超表面光栅，近似基模光在波导中传输，光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112与第二条状单元121的折
射率和波导片的宽度决定。通过并排设置第一条状单元112和第二条状单元121，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
，即相位
差，与高度L成正比，其中，相位差
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：
其中，
束的波长
为第一条状单元112与第二条状单元121之间的有效
折射率，可以通过调节第一条状单元112的宽度W L 与第二条状单元121的宽度W R ，使基膜光的
有效折射率
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
。
光经过一维超表面光栅的第一条状单元112和第二条状单元121发生偏转的角度
可以用公式2表示，公式2的形式如下：
公式2也可以改写为公式3，公式3的形式如下：
考虑到光进入波导片发生偏转，光进入波导片发生第二次偏转的角度
可以用公
式4表示，公式4的形式如下：
其中，
为波导片的折射率，A为一维超表面光栅中基本单元的周期，即第二距离。
因此，光经过一维超表面光栅和波导片发生两次偏转累计产生的偏转角度
可以用公式5表
示，公式5的形式如下：
在已经确定偏转角度
和相位差
之后，可以根据公式6得到一维超表面光栅中
的第一距离D，公式6的形式如下：
根据上述公式可知：光经过一维超表面光栅产生相位差
，可以根据常数
、光
的波长
第一条状单元112与第二条状单元121的高度L以及第一条状单元112与第二条状
单元121之间的有效折射率
。两次偏转累计产生的偏转角度
的正弦值可以根据光
的波长
、波导片的折射率
以及一维超表面光栅的第二距离A确定。一维超表面光栅的第
一距离D可以根据常数
、相位差
光的波长
以及偏转角度
的正弦值确定。因此，可
以通过合理设置高度L和第二距离A的数值，或者合理设置第一距离D和第二距离A的数值，
获得满足相位差
偏转的角度
要求的一维超表面光栅。
请参阅图5和图6，图5是本发明提供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6是图5中耦出光栅的衍射效率的示意图，如图5和图6所示，对本发明提供的二维超表面光栅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7，图7是图5中耦出光栅与输入光的示意图。如图7所示，在本发明提供的二维超表面光栅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；同时二维超表面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，请再参阅图1，如图1所示，光波导200包括波导片210、耦入光栅220和耦出光栅230，耦出光栅230设置于波导片210的表面，采用上述任一实施例的二维超表面光栅100，耦入光栅220设置于波导片210的表面，并位于二维超表面光栅100的输入方向上，即图中的X方向。耦入光栅220接收到的光耦入波导片210，在波导片210中发生全反射传播，耦出光栅230（包括多个光栅单元阵列130）的输入方向接收到光，在光栅单元阵列130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光栅单元阵列130中传播，分别从耦出光栅230的同一侧耦出。
本发明实施例对耦入光栅220的结构不作限定。可选地，耦入光栅220可以采用表面浮雕光栅，例如闪耀光栅等，或者耦入光栅220也可以采用图3和图4中的一维超表面光栅。当耦入光栅220采用图3和图4中的一维超表面光栅时，一维超表面光栅的原理可以参见公式1至公式6。
在一些可选的例子中，耦入光栅220与耦出光栅230可以设置于波导片210同一侧的表面。在另一些可选的例子中，耦入光栅220与耦出光栅230可以设置于波导片210相对两侧的表面。其中，将耦入光栅220与耦出光栅230设置于波导片210同一侧的表面以及将耦入光栅220与耦出光栅230设置于波导片210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210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220和耦出光栅230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220和耦出光栅230中，第一条状单元112和第二条状单元121的高度L可以为50nm~500nm，第一条状单元112和第二条状单元121的宽度W L 、W R 可以为20nm~400nm，第一距离D可以为10nm~700nm，耦入光栅220的第二距离A 1 可以为200nm~1000nm，耦出光栅230中二个一维超表面光栅110和120的第二距离A 2 相同，二个一维超表面光栅110和120的第二距离A 2 可以与耦入光栅220的第二距离A 1 满足公式7，公式7的形式如下：
其中，
为二个一维超表面光栅110和120之间的夹角。光波导200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210上制作耦入光栅220和耦出光栅230的半导体制造工艺的实现
方法不作限定。
请参阅图8，图8是采用图3和图4的一维超表面光栅作为光波导的耦入光栅的一实施例的衍射效率的示意图。如图8所示，采用图3和图4的一维超表面光栅作为耦入光栅，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9，图9是采用图3和图4的一维超表面光栅作为光波导的耦入光栅的一实施例的视场角的示意图。如图9所示，当光波导片210采用折射率为1.5的玻璃时，耦入光栅220的视场角为30°，在该视场角范围内耦入光栅220的衍射效率大于60%。
本发明还提供了一种显示装置，包括光机和光波导，光波导采用上述任一实施例的光波导200，耦入光栅220设置于波导片210靠近光机一侧的表面，耦出光栅230设置于波导片210靠近人眼一侧的表面。耦入光栅220接收到光机发出的光，耦入波导片210，在波导片210中发生全反射传播，耦出光栅230的输入方向接收到光，在光栅单元阵列130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光栅单元阵列130中传播，分别从耦出光栅230的同一侧耦出，进入人眼，在人眼成像。
本发明还提供了一种头戴式设备，包括上述任一实施例的显示装置，显示装置中的光波导用于制作头戴式设备的镜片。其中，耦入光栅220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230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220，经耦入光栅220耦入波导片210，在波导片210中发生全反射传播，耦出光栅230的输入方向接收到携带有图像信息的光，在光栅单元阵列130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光栅单元阵列130中传播，分别从耦出光栅230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 (9)
1.一种二维超表面光栅，其特征在于，包括：二个一维超表面光栅；
二个所述一维超表面光栅分别沿着二个方向设置并相互交叠，形成由多种不同形状的基元构成的光栅单元阵列，当二个一维超表面光栅具有相同的结构时，二个一维超表面光栅相互交叠形成的光栅单元阵列中的每一个光栅单元具有对称的结构，当二个一维超表面光栅具有不同的结构时，二个一维超表面光栅相互交叠形成的光栅单元阵列中的每一个光栅单元具有非对称的结构；
所述光栅单元阵列从输入方向接收到的光，在所述光栅单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光栅单元阵列中传播，分别从所述光栅单元阵列的同一侧耦出。
2.根据权利要求1所述的二维超表面光栅，其特征在于，每个所述一维超表面光栅包括：具有相同高度和不同宽度的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相距第一距离平行地设置，形成所述一维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。
3.根据权利要求1或2所述的二维超表面光栅，其特征在于，所述一维超表面光栅的设置方向与所述光栅单元阵列的输入方向之间的夹角为30°～60°。
4.根据权利要求3所述的二维超表面光栅，其特征在于，所述光栅单元阵列包括多个菱形、三角形和长方形基元。
5.一种光波导，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4中任一项所述的二维超表面光栅；
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光，在所述光栅单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光栅单元阵列中传播，分别从所述耦出光栅的同一侧耦出。
6.根据权利要求5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。
7.一种显示装置，其特征在于，包括：光机和光波导；
所述光波导采用根据权利要求5或6所述的光波导，所述耦入光栅设置于所述波导片靠近所述光机一侧的表面，所述耦出光栅设置于所述波导片靠近人眼一侧的表面；
所述耦入光栅接收到所述光机发出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光，在所述光栅单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光栅单元阵列中传播，分别从所述耦出光栅的同一侧耦出，进入所述人眼，在所述人眼成像。
8.一种头戴式设备，其特征在于，包括根据权利要求7所述的显示装置，所述显示装置中的光波导用于制作所述头戴式设备的镜片。
9.根据权利要求8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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211050500.7A CN115128720B (zh) | 2022-08-30 | 2022-08-30 | 二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211050500.7A CN115128720B (zh) | 2022-08-30 | 2022-08-30 | 二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115128720A CN115128720A (zh) | 2022-09-30 |
| CN115128720B true CN115128720B (zh) | 2022-11-29 |
Family
ID=83387376
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211050500.7A Active CN115128720B (zh) | 2022-08-30 | 2022-08-30 | 二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115128720B (zh) |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10175423B2 (en) * | 2017-05-31 | 2019-01-08 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Optical waveguide using overlapping optical elements |
| GB2578328A (en) * | 2018-10-24 | 2020-05-06 | Wave Optics Ltd | Device for augmented reality or virtual reality display |
| CN112965157A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-06-15 | 深圳珑璟光电技术有限公司 | 一种二维光栅、光波导和ar眼镜 |
| CN113093384A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-07-09 | 深圳珑璟光电技术有限公司 | 一种ar眼镜 |
| CN113777703B (zh) * | 2021-08-25 | 2024-06-04 | 宁波舜宇奥来技术有限公司 | 光波导结构和近眼显示器 |
| CN114185123B (zh) * | 2022-02-16 | 2022-07-26 | 北京亮亮视野科技有限公司 | 超表面光栅、光波导和头戴式设备 |
| CN114296244B (zh) * | 2022-02-18 | 2024-04-19 | 杭州海康威视数字技术股份有限公司 | 用于近眼显示的光波导以及近眼显示设备 |
| CN114859555B (zh) * | 2022-04-15 | 2024-04-23 | 杭州海康威视数字技术股份有限公司 | 光栅、用于近眼显示的光波导及近眼显示设备 |
| CN114910991B (zh) * | 2022-04-15 | 2023-03-24 | 北京驭光科技发展有限公司 | 衍射光波导及显示设备 |
-
2022
- 2022-08-30 CN CN202211050500.7A patent/CN115128720B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115128720A (zh) | 2022-09-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI766000B (zh) | 用於擴增實境或虛擬實境顯示裝置之波導 | |
| JP7247437B2 (ja) | 二重周期格子を有する回折素子 | |
| CN112088141B (zh) | 用于光束重定向的衍射光栅 | |
| WO2019010857A1 (zh) | 一种全息波导镜片及增强现实显示装置 | |
| CN115166884B (zh) | 二维超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备 | |
| WO2021218453A1 (zh) | 镜片单元和包括镜片单元的ar设备 | |
| 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 | |
| CN113544551A (zh) | 光学设备 | |
| GB2578328A (en) | Device for augmented reality or virtual reality display | |
| 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 | |
| WO2021218454A1 (zh) | 镜片单元和包括镜片单元的ar设备 | |
| CN114200571B (zh) | 具有两种超表面光栅的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 | |
| CN115128720B (zh) | 二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备 | |
| CN115453676B (zh) | 叉形二维光栅、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 | |
| CN215641928U (zh) | 波导组件、ar镜片及ar眼镜 | |
| CN116520582B (zh) | 一种衍射光波导及其设计方法 | |
| CN220730537U (zh) | 一种增强现实显示装置 | |
| US20230161162A1 (en) | Waveguide for an augmented reality or virtual reality display | |
| WO2023284627A1 (zh) | 光学显示元件及光学设备 | |
| CN116299815A (zh) | 抑制高级光的二维菱形光栅、光波导及近眼显示设备 | |
| CN117055159A (zh) | 一种衍射光波导及近眼显示装置 | |
| CN116243490A (zh) | 一种显示装置 |
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 |