CN115542446A - 超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备 - Google Patents

超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，涉及光源传播技术领域，超表面光栅包括若干相同的光学结构，若干光学结构阵列排布；任一光学结构包括间隔设置的第一基元和第二基元，第一基元包括相交的两个第一子单元，第二基元包括相交的两个第二子单元；第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线。通过形状不同的基元构建光学结构，第一基元的第一子单元包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线，改变基元的尺寸可以调整耦合效率，并且由于它的特殊结构，可以降低光源传播中的外侧的漏光，提高了隐私性；基元形状可灵活设置，防漏光效果更佳。

Description

超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备
技术领域
本发明涉及光源传播技术领域，尤其涉及超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备。
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，VR)与增强现实(Augmented Reality，AR)等人机交互技术逐渐成为应用热点。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相对于VR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眼镜采用的显示系统就是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合，其中光学组合器的不同，是区分AR显示系统的关键部分。综合来看，光波导方案从光学效果、外观形态，和量产前景来说，都具备最好的发展潜力，可能会是让AR眼镜走向消费级的不二之选。
光波导中的主流——衍射光波导本质是一种利用衍射光栅镜片实现图像近眼显示的技术，它的产生和流行得益于光学元件从毫米级别到微纳米级别，从“立体”转向“平面”的技术进步趋势。但是常用的表面浮雕光栅存在衍射效率低下、视场角狭小和体积偏大等问题。
衍射光波导技术又分为一维扩展和二维扩展。二维衍射光波导相关技术的开发需要在材料方面突破瓶颈，以提升光学参数，同时需要一系列高精度的可量产型微纳加工设备。但是普通的二维光栅正反面耦出效率基本一致，存在漏光问题。
发明内容
本发明提供超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，用以提高光栅的耦出效率，降低外侧的漏光。
本发明提供一种超表面光栅，包括若干相同的光学结构，其中，若干光学结构阵列排布；任一光学结构包括间隔设置的第一基元和第二基元，第一基元包括相交的两个第一子单元，第二基元包括相交的两个第二子单元；第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线。
根据本发明提供的一种超表面光栅，第二子单元的边缘至少包括两组平行的直线。
根据本发明提供的一种超表面光栅，第二子单元为长方形结构；第一子单元为椭圆结构。
根据本发明提供的一种超表面光栅，第二子单元的边缘至少包括两条对称的曲线。
根据本发明提供的一种超表面光栅，第二子单元为对一椭圆沿平行与短轴或沿平行于长轴进行剖分后获取的结构；第一子单元为椭圆结构。
根据本发明提供的一种超表面光栅，第一基元中的两个第一子单元的交叉角度是预先设置的；第二基元中的两个第二子单元的交叉角度与两个第一子单元的交叉角度相同。
根据本发明提供的一种超表面光栅，若干光学结构所构成的阵列包括多列，在每一列上分布的光学结构的数量相等；任意相邻的两个偶数列上的光学结构对称分布，任意相邻的两个奇数列上的光学结构对称分布；任意相邻的两列上的光学结构非对称分布。
本发明还提供一种二维衍射光波导，包括：波导基底以及设置于波导基底表面的一维耦入光栅和上述的超表面光栅；其中，一维耦入光栅用于将携带有图像信息的入射光线耦入到二维衍射光波导中；超表面光栅用于将来自一维耦入光栅并在二维衍射光波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展，以耦出到人眼成像。
根据本发明提供的一种二维衍射光波导，耦入到所述二维衍射光波导的入射光线的波长范围为450nm～650nm；耦入所述二维衍射光波导的入射光线的入射角度为40°～70°。
本发明还提供一种近眼显示设备，包括上述的二维衍射光波导。
本发明提供的超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，若干相同的光学结构阵列排布，每个光学结构包括间隔设置的第一基元和第二基元，第一基元包括相交的两个第一子单元，第二基元包括相交的两个第二子单元；第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线。通过改变第一基元和第二基元的形状大小可以调整耦出效率，基元的形状可灵活设置；由于它的特殊结构，可以降低外侧的漏光，提高了隐私性。
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一简单地介绍，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是本发明超表面光栅一实施例的结构示意图；
图2是本发明第一子单元边缘形状一实施例的结构示意图；
图3是本发明第二子单元边缘形状一实施例的结构示意图；
图4是本发明光学结构一实施例的结构示意图
图5是本发明一维超表面光栅一实施例的结构示意图；
图6是本发明超表面光栅一实施例的原理示意图；
图7是本发明二维衍射光波导一实施例的结构示意图；
图8是本发明二维衍射光波导一实施例的光线轨迹图；
图9是本发明二维衍射光波导仿真一实施例的耦出效率与可见光波长的关系示意图；
图10是本发明二维衍射光波导仿真一实施例的耦出效率与入射角度的关系示意图；
图11是本发明二维衍射光波导仿真一实施例的视场角与折射率的关系示意图。
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。
本发明提供一种超表面光栅，请参阅图1，图1是本发明超表面光栅一实施例的结构示意图。在本实施例中，超表面光栅包括若干相同的光学结构，若干光学结构阵列排布。
任一光学结构包括间隔设置的第一基元10和第二基元20，第一基元10包括相交的两个第一子单元，第二基元20包括相交的两个第二子单元。
第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线。
请参阅图2，图2是本发明第一子单元边缘形状一实施例的结构示意图。第一子单元的边缘曲线可以是凹曲线或者凸曲线，当第一子单元的边缘曲线为凸曲线时，第一子单元可以理解为椭圆形，如图2的(a)所示，形状与凸透镜相似；当第一子单元的边缘曲线为凹曲线时，如图2的(b)所示，形状与凹透镜相似。
请参阅图3，图3是本发明第二子单元边缘形状一实施例的结构示意图。第二子单元的边缘至少包括两组平行的直线。在这些实施例中，第二子单元只包括直线边缘，不包括曲线边缘。可选地，第二子单元为长方形结构，如图3的(a)所示。
其中，第二子单元的边缘包括依次连接的四条直线边缘，其中第一直线边缘和第三直线边缘平行，第二直线边缘和第四直线边缘平行，第一直线边缘分别与第二直线边缘和第四直线边缘垂直，第三直线边缘分别与第二直线边缘和第四直线边缘垂直。
在一些实施例中，第二子单元的边缘包括至少一条直线和两条对称的曲线。在这些实施例中，第二子单元同时包括直线边缘和曲线边缘。
第二子单元中的曲线边缘可以为凹曲线或者凸曲线，当第二子单元中的曲线边缘为凹曲线时，如图3的(b)所示，形状与凹透镜相似；当第二子单元中的曲线边缘为凸曲线时，如图3的(c)所示，形状与半椭圆相似。在一些实施例中，第一基元中的两个第一子单元的交叉角度是预先设置的；第二基元中的两个第二子单元的交叉角度与两个第一子单元的交叉角度相同优选的，预设先设置的角度为60°或120°。
请参阅图4，图4是本发明光学结构一实施例的结构示意图。光学结构中第一基元和第二基元的形状可根据实际情况进行调整。例如，第一子单元可以为椭圆结构，第二子单元可以为长方形结构。其中，第一子单元的椭圆结构的长轴与第二子单元的长方形结构的长度不相等。
如图4的(a)所示，第一子单元的椭圆结构的长轴小于第二子单元的长方形的长度；或者图4的(b)所示，第一子单元的椭圆结构的长轴大于第二子单元的长方形的长度。
在一些实施例中，例如图4的(c)所示，第一子单元为椭圆结构，第二子单元为半椭圆结构。
其中，半椭圆结构可以看作是对一椭圆沿平行与短轴或沿平行于长轴进行剖分后获取的结构。
需要说明的是，第一基元和第二基元的结构还可以有其他的形状，在此不一一列举。只需要保证第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线，第一子单元的长度与第二子单元的长度不相等即可。
当光学结构满足第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线，第一子单元的长度与第二子单元的长度不相等时，本实施例的超表面光栅是由形状不同的复合基元构成的，可以自由的改变基元大小，从而调整耦出效率，并且由于它的特殊结构，可以降低外侧的漏光，提高了隐私性。
需要说明的是，由于第一子单元和第二子单元的形状都可以是类似于凹透镜，例如图2的(b)结构和图3的(b)结构，但是由于第一子单元的长度和第二子单元的长度不相等，因此可以看作第二子单元是由第一子单元整体进行缩放后获得的。在这种情况下，由于第一子单元的长度和第二子单元的长度不相等，因此同样可以实现调整耦出效率，降低外侧的漏光的有益效果。
需要说明的是，此处子单元的长度是指子单元距离最远的两端在水平投影的距离，例如椭圆的长轴、长方形的长等。
在一些实施例中，若干光学结构所构成的阵列包括多列，在每一列上分布的光学结构的数量相等；任意相邻的两个偶数列上的光学结构对称分布，任意相邻的两个奇数列上的光学结构对称分布；任意相邻的两列上的光学结构非对称分布。
传统的光学器件，如棱镜、透镜和螺旋相位板，依赖光在传输过程中的相位积累去产生期望的波前。一般这类光学器件具有不规则的几何外形和较大的体积，不利于器件的微型化和集成化。
本发明采用的超表面是一类缩减维度的超常材料，可以引入突变的界面相位不连续，实现对电磁波的相位、幅度和偏振的完全控制。
光学超表面具有的超薄和平面几何特性，使基于超表面的器件易于和其他光学器件集成发展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量产提供了重要途径。
超表面光栅作为耦出光栅是近眼显示光学领域的主要发展方向之一。超表面光栅不仅能提升耦合效率，降低器件功耗，还可以通过调整玻璃的折射率扩大视场角，达到超越传统光栅的成像效果，大大减小VR/AR眼镜或头盔的体积与重量。还可以通过结构降低漏光比，改善了衍射光波导的漏光问题。
可选地，超表面光栅的可见光折射率大于或等于1.5。超表面光栅的材料为氧化硅，氮化硅或者氮化镓中的任意一种。
超表面光栅设置有大小不同的第一基元和第二基元，可以自由的改变基元大小，从而调整耦出效率，并且由于它的特殊结构，可以降低外侧的漏光，提高了隐私性；曲边相比直边可以为光栅带来更多的结构参数，并且生产制备时容错率更高。
超表面主要有波导型，共振型和PB相位型。一维超表面光栅属于波导型超表面，请参阅图5，图5是本发明一维超表面光栅一实施例的结构示意图。在本实施例中，一维超表面光栅的周期基元由三个高度为L，宽度分别为WL和WR的矩形微纳结构组成，两个微纳结构之间的距离为D，基元的周期为Λ。
波导型超表面光栅的原理：当波导高度L足够长时，入射平面波经过空气后耦合进波导光栅中，近似以基模在波导光栅中传输，出射端的相位和透射率将由波导基模的传输特性决定，基模的传输特性由介质折射率和波导宽度决定。该设计的两个基元并排，不同宽度基元之间的光耦合可以忽略，那么沿着不同基元移动的光会积累与长度L成正比的相移
Figure BDA0003837635910000081
Figure BDA0003837635910000082
其中，Δneff是两个基元之间的有效折射率，
Figure BDA0003837635910000083
的亚波长传播长度上的相位差为：
Figure BDA0003837635910000084
通过将两个相位差为
Figure BDA0003837635910000085
的基元放置在亚波长距离D处，可以将光束引导到一个角度θ：
Figure BDA0003837635910000086
超表面光栅的正常入射的偏转角与波长，玻璃的折射率k和周期有关：
Figure BDA0003837635910000087
即，根据光学结构的材料折射率、光学结构的间隔周期和入射光学结构的入射光线波长，可以确定入射光线的入射偏转角。
上述的超表面光栅是二维超表面光栅，二维超表面光栅可以看作是两个偏置预设角度的一维超表面光栅拼装截取出来的。请参阅图6，图6是本发明超表面光栅一实施例的原理示意图。它由多个菱形，三角形，长方形的基元组成，可以自由的改变基元大小，从而调整耦出效率，并且由于它的特殊结构，可以降低外侧的漏光，提高了隐私性。
本发明还提供一种二维衍射光波导，请参阅图7，图7是本发明二维衍射光波导一实施例的结构示意图。在本实施例中，二维衍射光波导包括：波导基底以及设置于波导基底表面的一维耦入光栅30和上述的超表面光栅。
其中，一维耦入光栅30用于将携带有图像信息的入射光线耦入到二维衍射光波导中；超表面光栅用于将来自一维耦入光栅并在二维衍射光波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展的同时，耦出到人眼成像。一维耦入光栅可以是任意的高效率光栅，波导基底材料是玻璃。
在一些实施例中，耦入到二维衍射光波导的入射光线的波长范围为450nm～650nm。
在一些实施例中，耦入二维衍射光波导的入射光线的入射角度为40°～70°。
对本实施例的二维衍射光波导进行仿真，请参阅图8～图11，图8是本发明二维衍射光波导一实施例的光线轨迹图，图9是本发明二维衍射光波导仿真一实施例的耦出效率与可见光波长的关系示意图，图10是本发明二维衍射光波导仿真一实施例的耦出效率与入射角度的关系示意图，图11是本发明二维衍射光波导仿真一实施例的视场角与折射率的关系示意图。
如图8和图9所示，T1是耦出进人眼的像源光，R1是外侧的泄露光，R是继续进行全反射的光，并且相对均匀。在可见光450nm到650nm之间，T1远大于R1，在红光和蓝光波段甚至泄露光比像源光小一个数量级。
如图10所示，在耦入光的角度为40°到70°的范围内，可以很明显的看出R1更小，泄露光降低。
如图11所示，本实施例的二维衍射光波导随着折射率的增大视场角逐渐增大。
本发明还提供一种近眼显示设备，包括上述的二维衍射光波导。
综上，本发明提供超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，超表面光栅包括若干相同的光学结构，光学结构阵列排布，任一光学结构包括间隔设置的第一基元和第二基元，第一基元包括相交的两个第一子单元，第二基元包括相交的两个第二子单元；第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线。通过上述方式，超表面光栅设置有不同形状的第一基元和第二基元，可以自由的改变基元大小，从而调整耦出效率，并且由于它的特殊结构，可以降低外侧的漏光，解决图像泄露的问题，保护隐私安全；实现了双向扩瞳，充分利用镜片的空白面积；超表面光栅相较传统衍射光波导参数更多，更加容易调控，提高一致性；并且，本发明的超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备还兼容半导体制造工艺，可实现批量生产。
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。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
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)

1.一种超表面光栅，其特征在于，包括若干相同的光学结构，其中，若干光学结构阵列排布；
任一所述光学结构包括间隔设置的第一基元和第二基元，第一基元包括相交的两个第一子单元，第二基元包括相交的两个第二子单元；
所述第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，所述第二子单元的边缘包括至少一条直线。
2.根据权利要求1所述的超表面光栅，其特征在于，
所述第二子单元的边缘至少包括两组平行的直线。
3.根据权利要求2所述的超表面光栅，其特征在于，
所述第二子单元为长方形结构，所述第一子单元为椭圆结构。
4.根据权利要求1所述的超表面光栅，其特征在于，
所述第二子单元的边缘至少包括两条对称的曲线。
5.根据权利要求4所述的超表面光栅，其特征在于，
所述第一子单元为椭圆结构，所述第二子单元为对一椭圆沿平行与短轴或沿平行于长轴进行剖分后获取的结构。
6.根据权利要求1～5任一项所述的超表面光栅，其特征在于，
所述第一基元中的两个所述第一子单元的交叉角度是预先设置的；
所述第二基元中的两个所述第二子单元的交叉角度与所述两个所述第一子单元的交叉角度相同。
7.根据权利要求1～5任一项所述的超表面光栅，其特征在于，
所述若干光学结构所构成的阵列包括多列，在每一列上分布的所述光学结构的数量相等；
任意相邻的两个偶数列上的光学结构对称分布，任意相邻的两个奇数列上的光学结构对称分布；
任意相邻的两列上的光学结构非对称分布。
8.一种二维衍射光波导，其特征在于，包括：波导基底以及设置于所述波导基底表面的一维耦入光栅和如权利要求1-7任一项所述的超表面光栅；
其中，所述一维耦入光栅用于将携带有图像信息的入射光线耦入到二维衍射光波导中；所述超表面光栅用于将来自所述一维耦入光栅并在所述二维衍射光波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展，以耦出到人眼成像。
9.根据权利要求8所述的二维衍射光波导，其特征在于，
耦入到所述二维衍射光波导的入射光线的波长范围为450nm～650nm；耦入所述二维衍射光波导的入射光线的入射角度为40°～70°。
10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括如权利要求8～9任一项所述的二维衍射光波导。
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