CN116736433A - 光波导片及其制作方法、设备、显示系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光波导片及其制作方法、设备、显示系统。光波导片包括基底以及设于基底上的超表面光栅，超表面光栅包括多个分区，每个分区包括多个呈多行多列排布的光栅单元，方法包括：获取光机发出的入射光投射至各分区的实际入射方向和入射光经各分区调制后的目标方向；根据实际入射方向和目标方向，获得各分区中光栅单元的相位信息；根据相位信息和预设关系图确定超表面光栅中各分区的光栅单元的尺寸，其中，预设关系图包括光栅单元的相位信息和光栅单元的尺寸的关系；基于各分区的光栅单元的尺寸在基底上制作超表面光栅，以得到光波导片。本申请光波导片的制作方法能够提高显示系统对光能利用率。

Description

光波导片及其制作方法、设备、显示系统

技术领域

本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种光波导片及其制作方法、设备、显示系统。

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。

同时为应对多种使用场景要求，尤其是户外场景，对AR显示亮度有很高要求，因此在衍射光波导设计过程中，微显示器的光能利用率至关重要。

目前以常用的微显示器，如DLP、LCOS、OLED等，作为光机的近眼显示系统对光能的利用率不高。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高光能利用率的光波导片及其制作方法、设备、显示系统。

第一方面，本申请提供了一种光波导片的制作方法，所述光波导片包括基底以及设于所述基底上的超表面光栅，所述超表面光栅包括多个分区，每个所述分区包括多个呈多行多列排布的光栅单元，所述方法包括：

获取光机发出的入射光投射至各所述分区的实际入射方向和所述入射光经各所述分区调制后的目标方向；

根据所述实际入射方向和所述目标方向，获得各分区中光栅单元的相位信息；

根据所述相位信息和预设关系图确定所述超表面光栅中各分区的光栅单元的尺寸，其中，所述预设关系图包括光栅单元的相位信息和光栅单元的尺寸的关系；

基于所述各分区的光栅单元的尺寸在所述基底上制作所述超表面光栅，以得到所述光波导片。

在一个实施例中，每行中，相邻的光栅单元之间的中心距为第一单位距离的整数倍，每列中，相邻的光栅单元之间的中心距为第二单位距离的整数倍，第一单位距离为相邻两列的列间距，第二单位距离为相邻两行的行间距；所述相位信息为相位差；所述根据所述实际入射方向和所述目标方向，获得各分区中光栅单元的相位信息，包括：

对于每个所述分区，在该分区内确定基准位置，其中，所述基准位置与各所述光栅单元的中心距在行方向上为第一单位距离的整数倍，在列方向上为第二单位距离的整数倍；

根据所述基准位置、该分区的所述实际入射方向和所述目标方向，获得各光栅单元对应的相位差，各光栅单元对应的相位差为所述入射光经该分区中各光栅单元的位置和所述基准位置耦入所述基底的相位差。

在一个实施例中，所述根据所述基准位置、该分区的所述实际入射方向和所述目标方向，获得各光栅单元对应的相位差，包括：

对于该分区中的每个所述光栅单元，确定该分区中该光栅单元和所述基准位置之间的距离；

根据所述距离、该分区的所述实际入射方向和所述目标方向，获得所述入射光经该光栅单元的位置和所述基准位置耦入所述基底的光程差；

根据所述光程差、所述基底的折射率以及所述入射光的波长，获得该光栅单元对应的相位差。

在一个实施例中，所述根据所述距离、该分区的所述实际入射方向和所述目标方向，获得所述入射光经该光栅单元的位置和所述基准位置耦入所述基底的光程差，包括：

根据所述距离、第一折射率和所述实际入射方向获得第一光程差，并根据所述距离、第二折射率和所述目标方向获得第二光程差，所述第一折射率为所述入射光经所述超表面光栅调制前所在的介质的折射率，所述第二折射率为所述入射光经所述超表面光栅调制后所在的介质的折射率；

根据所述第二光程差和所述第一光程差获得所述光程差。

在一个实施例中，所述基于各所述分区的光栅单元的尺寸在所述基底上制作所述超表面光栅，包括：

根据各所述分区的光栅单元的尺寸，通过仿真模拟采用每个分区的对应的入射方向的入射光经超表面光栅对应的分区入射至基底，获得各分区的耦入光从基底的耦出区耦出的模拟光强，其中，各所述分区的光栅单元的数量为初始数量；

获取目标光强，并根据各所述分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值，调整各所述分区的光栅单元的数量，以使各所述比值在预设范围内，获得调整后各所述分区的光栅单元的数量；

基于各所述分区的光栅单元的尺寸和调整后各所述分区的光栅单元的数量，在所述基底上制作所述超表面光栅。

在一个实施例中，所述根据各所述分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值，调整各所述分区的光栅单元的数量，以使各所述比值在预设范围内，获得调整后各所述分区的光栅单元的数量，包括：

对于每个所述分区，若该分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值小于所述预设范围的最小值，则提高该分区的光栅单元数量；

若该分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值大于所述预设范围的最大值，则降低该分区的光栅单元数量；

若该分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值不小于所述预设范围的最小值且不大于所述预设范围的最大值，则将当前该分区的光栅单元的数量确定为调整后该分区的光栅单元的数量。

在一个实施例中，所述根据所述相位信息和预设关系图确定所述超表面光栅中各分区的光栅单元的尺寸之前，还包括：

采用所述入射光以各分区对应的实际入射方向模拟入射不同的超表面，获得各实际入射方向对应的不同超表面的透过率和不同超表面中光栅单元的相位信息；其中，不同的超表面的参数不相同，所述参数包括第一单位距离、第二单位距离、光栅单元的高度和半径，同一超表面中各光栅单元的高度和半径相同；

根据所述透过率，确定所述第一单位距离、第二单位距离和所述高度；

在确定的第一单位距离、第二单位距离和所述高度下，根据所述相位信息和对应的各光栅单元的半径获得各分区对应的所述预设关系图。

第二方面，本申请还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面任一项所述的方法的步骤。

第三方面，本申请还提供了一种光波导片，所述光波导片包括基底和设置在所述基底上的超表面光栅，所述超表面光栅包括多个分区，每个分区包括多个光栅单元，多个所述光栅单元呈多行多列排布，所述光波导片采用如第一方面所述的光波导片的生产方法制作得到。

第四方面，本申请还提供了一种显示系统，其特征在于，所述显示系统包括光机和如第三方面所述的光波导片。

上述光波导片及其制作方法、设备和显示系统，光波导片包括基底以及设于所述基底上的超表面光栅，所述超表面光栅包括多个分区，每个所述分区包括多个呈多行多列排布的光栅单元，光波导片的制作方法包括：获取光机发出的入射光投射至各所述分区的实际入射方向和所述入射光经各所述分区调制后的目标方向；根据所述实际入射方向和所述目标方向，获得各分区中光栅单元的相位信息；根据所述相位信息和预设关系图确定所述超表面光栅中各分区的光栅单元的尺寸，其中，所述预设关系图包括光栅单元的相位信息和光栅单元的尺寸的关系；基于所述各分区的光栅单元的尺寸在所述基底上制作所述超表面光栅，以得到所述光波导片。通过上述方式，本申请先获取各分区的入射光的实际入射方向和目标方向，然后根据入射光的实际入射方向和目标方向获得各分区的相位信息分布，利用获得的相位信息分布在预设的关系图中查找到与相位信息对应的光栅单元的尺寸，然后在基底上制作超表面光栅，以获得光波导片，光波导片中采用该超表面光栅作为图像光的耦入元件，可以使得各分区分别对不同入射方向的入射光进行调制成方向相同或各不相同的光束，超表面中各分区的光栅单元的尺寸与实际入射方向和/或目标方向对应，如此，能够对应每个像素点的入射光进行不同的方向调制，同时，可以保证同一分区调制的入射光耦入基底后的方向相同，能够实现对不同像素点发出的光束的耦入方向进行像素级调整，有利于准确控制不同方向的入射光从基底耦入后的角度，进而有利于整体提高光能利用率。

附图说明

图1为一实施例中光波导片的制作方法的流程示意图；

图2为一实施例中计算两个光栅单元之间相位差的场景示意图；

图3为一实施例中光栅单元直径与相位、透射率之间的关系示意图；

图4为一实施例中超表面光栅的俯视示意图；

图5为一实施例中计算机的内部结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

现有的光波导方案中，采用传统光栅作为耦入元件的方案下，由于不同角度的入射光传播路径不相同并且光栅对于具有不同入射角的入射光的衍射效率也不相同，最终在光波导的耦出区域耦出后的光线能量会有较大差异。同时，由于光栅对入射光的角度敏感，无法保证具有较大入射角度范围的入射光经相同的光栅衍射都能够达到较高的衍射效率。因此，本申请提供了一种光波导片及其制作方法、设备和显示系统。本申请所述的光波导片包括基底和设置在基底上的超表面光栅，所述超表面光栅包括多个分区，每个分区包括多个呈多行多列排布的光栅单元。可以理解的是，分区只是对超表面光栅进行划分，实际的超表面光栅整体包括多个呈多行多列排布的光栅单元。

光波导片通常与光机组合形成显示系统，光机可以是以DLP、LCOS或OLED为图像源的光机，光机发出图像光经光波导片的超表面光栅耦入基底，图像光进入基底的耦入角可以是不小于全反射角的角度，这样图像光就可以在基底中全反射传播至光波导片的耦出区耦出。

在一个实施例中，参阅图1，提供了一种光波导片的制作方法，所述方法包括：

步骤100，获取光机发出的入射光投射至各所述分区的实际入射方向和所述入射光经各所述分区调制后的目标方向；

具体的，本实施例可以应用于计算机等具备数据处理能力的设备中，目标方向是指入射光经过超表面光栅调制后进入波导基底的方向。光机中的图像源的每一像素点发出来的光束分别经过准直扩束后的传播方向不相同，因此不同的像素点发出的光投射至超表面光栅时的入射方向不相同，也即不同视场的光束从光机出射后方向均不相同，并且在光波导片中传输的不同视场的光束的在微观上的方向也并不相同，即经光波导片的耦入区耦入后不同视场的光束的目标方向可能也不相同。因此，本实施例中将超表面光栅分为多个分区，每个分区对应至少一个像素点(该像素点是指光机中微显示屏上的像素点，微显示屏包括多个像素点，各个像素点发出的光入射超表面光栅的入射角通常不相同)，如此，可以使得每个分区针对像素点的入射方向和目标方向设置该分区的光栅单元的尺寸。预先根据光机的视场，获取光机发出的入射光的实际入射方向，并根据光波导片的转折区或耦出区所设置的光栅所需接收的光束的方向，获取各分区对应的目标方向。需要说明的是，在实际应用中，图像源的像素是阵列排布的，可以采用凸透镜分别将各个像素点的光束进行准直形成平行光，并照射到光波导片的耦入区的不同位置。分区数量可与光机中的像素点的数量一致，这样，不同分区可以分别调制具有不同入射角的光。

步骤200，根据所述实际入射方向和所述目标方向，获得各分区中光栅单元的相位信息；

其中，相位信息可以是超表面光栅的各个位置的相位，也可以是各个位置与在分区中选定的一个基准位置的相位差。采用各分区接收到的入射光对应的实际入射方向和目标方向来计算入射光在各分区界面的各光栅单元的位置所需的相位信息。

步骤300，根据所述相位信息和预设关系图确定所述超表面光栅中各分区的光栅单元的尺寸，其中，所述预设关系图包括光栅单元对应的相位信息和光栅单元尺寸的关系；

具体的，预先将关系图存储至计算机设备中，预设的关系图包括相位信息和光栅单元的尺寸的关系，光栅单元对应的相位信息与光栅单元的尺寸具有对应关系，也就是说不同的相位信息对应不同尺寸的光栅单元，光栅单元的尺寸可以是半径和高度，对应关系可以是相位差对应具有某一高度和某一半径的光栅单元，或者，固定光栅单元的高度且相位差对应某一半径的光栅单元，或者，固定光栅单元的半径且相位差对应某一高度的光栅单元。在一个实施例中，超表面光栅的各光栅单元的高度均相同，且对于每个分区，该分区中各光栅单元的半径与各光栅单元的相位信息具有对应关系，由于光栅单元具有同一高度，在加工时超表面光栅被视为二维结构，可以降低加工难度。将所有对应关系形成预设关系图。由于每个分区的实际入射方向不相同，在确定每个分区的光栅单元的尺寸时，采用的预设关系图不相同，需要针对不同的分区获得不同的预设关系图。

作为一种示例，光机发出的初始光影可以包括3种，例如由红、绿、蓝三色光混合形成的初始光影。对应的就会有3种入射光，不同的入射光对应的一个映射关系，因此本申请还可以确定光机发出实际入射光的波长，根据波长查找到对应的映射关系。作为另一种示例，初始光影还可以为单色光影，此处不做限定。

在获得各分区中光栅单元的相位信息后，根据获得的相位信息和预设关系图关系即可确定该待制作的超表面光栅中光栅单元的尺寸。

示例性的，如图3所示，图3显示了，在各光栅单元的高度一致的情况下，采用波长为520nm的入射光入射到光栅单元，光栅单元的相位差随光栅单元的直径对应的变化示意图，根据该图可以确定若入射光的波长为520nm时，确定每个光栅单元的直径。同理，可以根据实验获得入射到超表面光栅随相位变化随光栅单元高度对应的变化示意图，从而确定光栅单元高度。假设光栅单元的半径为R，高度为h，本实施例中R∈[10nm-2um]，h∈[10nm-2um]。光栅尺寸在该范围下，能够保证对入射光进行(0，2π)的相位调制，同时透过率接近100％。所述超表面光栅的厚度为H，H∈[0.1mm-2mm]，光栅单元由硅或者二氧化钛制成。

本实施例中各个光栅单元为圆柱体，在其他实施例中光栅单元还可以为正四棱柱、正六棱柱或者正八棱柱，若光栅单元为正四棱柱、正六棱柱或者正八棱柱时，光栅单元的半径R是指光栅单元的中心点到任一角顶点的距离。

步骤400，基于所述各分区的光栅单元的尺寸在所述基底上制作超表面光栅，以得到所述光波导片。

在获得光栅单元的尺寸后，可基于各光栅单元的尺寸在基底上制作超表面光栅。可以采用刻蚀技术或者纳米压印技术制作，以得到光波导片，制作设备可以为现有技术中自动生产设备，此处不做赘述。

上述实施例中，本申请先获取各分区的入射光的实际入射方向和目标方向，然后根据入射光的实际入射方向和目标方向获得各分区的相位信息分布，利用获得的相位信息分布在预设的关系图中查找到与相位信息对应的光栅单元的尺寸，然后在基底上制作超表面光栅，以获得光波导片，光波导片中采用该超表面光栅作为图像光的耦入元件，可以使得各分区分别对不同入射方向的入射光进行调制成方向相同或各不相同的光束，超表面中各分区的光栅单元的尺寸与实际入射方向和/或目标方向对应，如此，能够对应每个像素点的入射光进行不同的方向调制，同时，可以保证同一分区调制的入射光耦入基底后的方向相同，能够实现对不同像素点发出的光束的耦入方向的像素级调整，有利于准确控制不同方向的入射光从基底耦入后的角度，进而有利于整体提高光能利用率。

作为一种实施例，每行中，相邻的光栅单元之间的中心距为第一单位距离的整数倍，每列中，相邻的光栅单元之间的中心距为第二单位距离的整数倍，第一单位距离为相邻两列的列间距，第二单位距离为相邻两行的行间距；所述相位信息为相位差，所述根据所述实际入射反向和所述目标方向，获得各分区中光栅单元的相位信息，包括：

对于每个所述分区，在该分区内确定基准位置；根据所述基准位置、该分区对应的所述实际入射方向和所述目标方向，获得各光栅单元对应的相位差，各光栅单元对应的相位差为所述入射光经该分区中各光栅单元的位置和所述基准位置耦入所述基底的相位差。

具体的，所述超表面光栅包括多个呈多行多列排布的光栅单元，每行中，相邻的光栅单元之间的中心距为第一单位距离的整数倍，每列中，相邻的光栅单元之间的中心距为第二单位距离的整数倍，这里的整数倍是正整数倍，第一单位距离为相邻两列的列间距(列间距为相邻两列同一位置之间的距离，例如列间距为相邻两列中线之间的距离)，第二单位距离为相邻两行的行间距(行间距为相邻两行同一位置之间的距离，例如行间距为相邻两行中线之间的距离)。不同行或不同列的光栅单元的数量可以相同也可以不相同。示例性的，如图4所示，为方便说明，本申请将波导基底的耦入区虚拟为多个形状尺寸相同的晶格(基底实际为一整体，实际上并不存在晶格)，晶格为图4中的每个正方形格子，每个晶格中可以根据需求放置一个光栅单元或者不放置光栅单元，图中圆圈表示光栅单元，基准位置可以是任意一个光栅单元的位置也可以是空置的晶格的中心位置，这样各光栅单元与基准位置的距离，在行方向上是第一单位距离的整数倍，在列方向上是第二距离的整数倍，这里的整数可以是0或正整数，直线距离可以根据各单位距离和倍数计算。每个晶格的长宽分别为第一单位距离和第二单位距离。第一单位距离和第二单位距离可以相同也可以不相同。在晶格内设置有光栅单元时，光栅单元均设置在每个晶格的中间位置，即光栅单元的中心在晶格所在平面的投影和晶格的中心处于同一位置，光栅单元也可以设置在晶格内偏离中心的位置，也可以设置在晶格的顶点或边上。

第一单位距离和第二单位距离的范围是[20nm-4um]，第一单位距离和第二单位距离可相同也可以不相同。第一单位距离和第二单位距离相同，可以使不同偏正态的光束耦入基底，调制两种偏振方向的光束，从而进一步提高光能利用率。

在确定光栅单元的尺寸的过程中，分别确定每个分区的光栅单元的尺寸，然后在每个分区中确定基准位置，基准位置与各所述光栅单元的中心距在行方向上为第一单位距离的整数倍，在列方向上为第二单位距离的整数倍，也就是说，基准位置可以是对应分区中任意一个光栅单元的位置，也可以是在可设置光栅单元但未设置的空位，例如图4中空置的晶格的中心位置或者有光栅单元的晶格的中心位置。再根据该分区对应的实际入射方向和目标方向，确定该分区的各光栅单元的位置与基准位置的相位差。本实施例采用的相位信息为相位差，这样可以以任意一个位置作为基准位置，采用相同的预设关系图来确定不同位置的各个光栅单元的尺寸。需要说明的是，基准位置可以人为指定或者由处理设备按照某个规则确定，例如处理设备选择超表面光栅左上角的光栅单元的位置作为基准位置，或者分区中心的光栅单元作为基准单元。

需要说明的是，不同分区中的光栅单元的尺寸可能相同也可能不相同，这取决于该分区对应的像素点的入射光是否为同一颜色(或者说入射光的波长是否相同)。

在一个实施例中，所述根据所述基准位置、该分区的所述实际入射方向和所述目标方向，获得各光栅单元对应的相位差，包括：

对于该分区中的每个所述光栅单元，确定该分区中该光栅单元和所述基准位置之间的距离；

根据所述距离、该分区对应的所述实际入射方向和所述目标方向，获得所述入射光经该光栅单元的位置和所述基准位置耦入所述基底的光程差；

根据所述光程差、所述基底的折射率以及所述入射光的波长，获得该光栅单元对应的相位差。

其中，各光栅单元的位置和基准位置之间的距离是在入射光的投影线方向上的距离，可以根据入射光的实际入射方向、超表面光栅中第一单位距离及对应的倍数、第二单位距离及对应倍数计算。以某一分区来举例说明，先在该分区中选定一基准位置，然后根据入射光从所需计算的光栅单元所在位置入射基底的实际入射方向和目标方向，计算入射光分别经两个位置传播的相位差。具体计算方式可以通过模拟光路来计算两束光的光程差，也可以采用光程差公式来计算光程差。

在一个实施例中，根据所述距离、所述实际入射方向和所述目标方向，获得所述入射光经该分区中各光栅单元的位置和所述基准位置耦入所述基底的光程差，包括：

根据所述距离、第一折射率和所述实际入射方向获得第一光程，并根据所述距离、第二折射率和所述目标方向获得第二光程；

根据所述第二光程和所述第一光程获得所述光程差。

具体的，所述第一折射率为所述入射光经所述超表面光栅调制前所在的介质的折射率，所述第二折射率为所述入射光经所述超表面光栅调制后所在的介质的折射率。对于每个分区，先确定分区中各光栅单元和基准单元之间的距离，相当于上述计算公式中α，然后计算分区中各光栅单元分别与基准单元之间的光程差，然后根据光程差、预设的光波导片的折射率获得所述相位差。如图2所示，假设左侧的光栅单元的位置为基准位置，右侧的光栅单元为代表某分区的光栅单元，光束从空气进入基底，该分区对应的入射光的实际入射角为θin，在光导波片发生传播方向发生改变后，进入基底的耦入角为θout(即入射光耦入基底的角度)，两个位置的入射角和耦入角相等，α为两者中心点在入射光线的投影线方向上的距离，投影线方向即为图中的水平方向。同时由于O1和O2分别为两个光栅单元的中点，△O1O2O3为直角三角形，△O1O2O4也为直角三角形，那么，两束光在空气中的第一光程差为L1＝n1αsinθin，两束光在基底中的第二光程差为L2＝n2αsinθout，总的光程差L2-L1＝n1αsinθin-n2αsinθout，从而两者的相位差△Φ＝(L2-L1)2Π/λ，其中λ为入射光的波长，n1为空气的折射率，也即第一折射率，n2为光波导片的折射率，也即第二折射率，该公式中两个光栅单元之间的距离可以根据已知条件确定，实际入射角θin也已知，耦入基底后光(即耦入光)的耦入角θout也已知，λ和n1、n2也已知，因此能够计算获得两者的相位差△Φ。

在一个实施例中，所述光波导片的制作方法还包括：

采用所述入射光以各分区对应的实际入射方向模拟入射不同的超表面，获得各实际入射方向对应的不同超表面的透过率和不同超表面中光栅单元的相位信息；其中，不同的超表面的参数不相同，所述参数包括第一单位距离、第二单位距离、光栅单元的高度和半径，同一超表面中各光栅单元的高度和半径相同；

根据所述透过率，确定所述第一单位距离、第二单位距离和所述高度；

在确定的第一单位距离、第二单位距离和所述高度下，根据所述相位信息和对应的各光栅单元的半径获得各分区对应的所述预设关系图。

具体的，本实施例中，不同分区的实际入射角不相同，因此用于确定各分区的光栅单元的尺寸的预设关系图是分别建立的。通过仿真软件计算确定要制作的超表面光栅的第一单位距离、第二单位距离和光栅单元的高度，并获得相位差与半径关系的预设关系图。示例性的，仿真软件可以为VirtualLab Fusion仿真软件，具体实施中还可以采用其他仿真软件。确定所使用的柱体材料后，首先确定晶格尺寸与光栅单元的高度，晶格尺寸也就是第一单位距离和第二单位距离，再在确定的晶格尺寸和高度下，确定光栅单元的半径与相位差的关系。以其中一个分区的预设关系图为例，具体方法为：通过使用RCWA(严格耦合波分析RCWA,Rigorous Coupled Wave Analysis)或FDTD(时域有限差分法Finite DifferenceTime Domain)方法，设定平面波且设定波长为入射光的波长，其中，FDTD方法中，需设定周期性边界条件，RCWA方法中，模态数量设定应足够大以避免误差影响结果准确性。先预设晶格尺寸、光栅单元的半径和高度这三种参数的范围，通过不同种参数组合建立不同的超表面模型。采用与入射光同波长的光束以对应的入射方向入射至不同的超表面模型，分别计算不同参数组合下超表面模型的相位变化量和透过率，例如：给定高度，改变半径与晶格尺寸，分别得到表征相位和透过率的横纵坐标分别是晶格尺寸和半径的图；或给定晶格尺寸，改变半径与高度，分别得到表征相位和透过率的横纵坐标分别是高度和半径的图。根据计算的透过率确定超表面光栅所需采用的晶格尺寸和光栅单元的高度，在所采用晶格尺寸和高度下，光束的透过率接近100％，同时对应的相位差的变化范围为0-2π。然后在所采用晶格尺寸和高度下，将对应的光栅单元的半径和相位差形成预设关系图。

在一个实施例中，基于各所述分区的光栅单元的尺寸在所述基底上制作所述超表面光栅，包括：

根据各分区的光栅单元的尺寸，通过仿真模拟采用每个分区的对应的入射方向的入射光经超表面光栅对应的分区入射至基底，获得各分区的耦入光从基底的耦出区耦出的模拟光强，其中，各分区的光栅单元的数量为初始数量；

获取目标光强，并根据各所述分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值调整该分区的光栅单元数量，以使各所述比值在预设范围内，获得该分区的调整后各所述分区的光栅单元数量；

基于所述各所述分区的光栅单元的尺寸和调整后各所述分区的光栅单元数量，在所述基底上制作所述超表面光栅。

具体地，由于超表面光栅的不同分区入射光方向的偏转角度和方向不同，可能会有不同程度的光能量损失，影响光波导片的耦出光的视场均匀性，为提高耦出视场均匀性，对各分区的光栅单元的数量进行调整。该仿真模拟的光波导片包括：基底，所述基底包括耦入区和耦出区，所述耦入区设置有超表面光栅，耦出区设有光波导片所要采用的耦出元件，耦出元件可以是一维光栅、二维光栅或超表面。入射光从超表面光栅耦入光波导片的基底，并在基底内全反射传播至耦出区并从耦出区射出，从而达到人眼，形成对应的图像。先采用不同方向的仿真光束照射超表面光栅中对应的分区，仿真光束经光波导片传输后从耦出区出射，得到各视场角对应的耦出光的光强值。根据各视场角对应的耦出光的光强值的比值关系，来调整超表面光栅不同分区的光栅单元的数量，也即调整不同分区的晶格空置率，比如：选定某个中等强度的光强值作为基准值，调整其它分区的光栅单元的数量以使光强值趋近于基准值，从而使得所有耦出光的能量相同或相近，提高视场均匀性，具体的，先设置各个分区的光栅单元的数量为初始数量，各个分区光栅单元的初始数量可以相同也可以不相同，然后采用实际入射光入射基底模拟实际光路，获得各分区从基底的耦出区耦出的模拟光强，最后根据目标光强和模拟光强之间的比值，调整各分区的光栅单元的数量，直至所有分区对应的耦出光的光强值在预设范围内，从而确定各分区中光栅单元的数量。其中，比值关系可以是各光强值与基准值的比值关系，或者所有光强值的比值关系，最终实现的是比值尽可能接近1:1。通过调整各分区光栅单元的数量可以灵活控制各个视场的耦出光能量，从而提高光波导片的耦出视场均匀性。

在一个实施例中，所述根据各所述分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值，调整各所述分区的光栅单元的数量，以使各所述比值在预设范围内，获得调整后各所述分区的光栅单元的数量，包括：

对于每个所述分区，若该分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值小于所述预设范围的最小值，则提高该分区的光栅单元数量；若该分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值大于所述预设范围的最大值，则降低该分区的光栅单元数量；若该分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值不小于所述预设范围的最小值且不大于所述预设范围的最大值，则将当前该分区的光栅单元的数量确定为调整后该分区的光栅单元的数量。

具体的，对每个分区的光栅数量分别进行调整，分区中光栅单元的数量影响各分区对应的耦出光的光强值，某一分区光栅单元的数量越多，则该分区对应的耦出光的光强值越大，反之则越小。

应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，提供了一种光波导片，所述光波导片包括基底和设置在所述基底上的超表面光栅，所述超表面光栅包括多个分区，每个分区包括多个光栅单元，多个所述光栅单元呈多行多列排布，所述光波导片采用如上任一实施例所述的光波导片的制作方法制作得到。

在一个实施例中，提供了一种显示系统，所述显示系统包括光机和如上述实施例所述的光波导片。显示系统可以是近眼显示系统、抬头显示系统等。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储外呼任务、外呼系统列表等数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种光波导片的制作方法。

本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例所述的光波导片的制作方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理模块可为通用处理模块、中央处理模块、图形处理模块、数字信号处理模块、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光波导片的制作方法，其特征在于，所述光波导片包括基底以及设于所述基底上的超表面光栅，所述超表面光栅包括多个分区，每个所述分区包括多个呈多行多列排布的光栅单元，所述方法包括：

获取光机发出的入射光投射至各所述分区的实际入射方向和所述入射光经各所述分区调制后的目标方向；

根据所述实际入射方向和所述目标方向，获得各分区中光栅单元的相位信息；

根据所述相位信息和预设关系图确定所述超表面光栅中各分区的光栅单元的尺寸，其中，所述预设关系图包括光栅单元的相位信息和光栅单元的尺寸的关系；

基于所述各分区的光栅单元的尺寸在所述基底上制作所述超表面光栅，以得到所述光波导片。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每行中，相邻的光栅单元之间的中心距为第一单位距离的整数倍，每列中，相邻的光栅单元之间的中心距为第二单位距离的整数倍，第一单位距离为相邻两列的列间距，第二单位距离为相邻两行的行间距；所述相位信息为相位差；所述根据所述实际入射方向和所述目标方向，获得各分区中光栅单元的相位信息，包括：

对于每个所述分区，在该分区内确定基准位置，其中，所述基准位置与各所述光栅单元的中心距在行方向上为第一单位距离的整数倍，在列方向上为第二单位距离的整数倍；

根据所述基准位置、该分区的所述实际入射方向和所述目标方向，获得各光栅单元对应的相位差，各光栅单元对应的相位差为所述入射光经该分区中各光栅单元的位置和所述基准位置耦入所述基底的相位差。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述基准位置、该分区的所述实际入射方向和所述目标方向，获得各光栅单元对应的相位差，包括：

对于该分区中的每个所述光栅单元，确定该分区中该光栅单元和所述基准位置之间的距离；

根据所述距离、该分区的所述实际入射方向和所述目标方向，获得所述入射光经该光栅单元的位置和所述基准位置耦入所述基底的光程差；

根据所述光程差、所述基底的折射率以及所述入射光的波长，获得该光栅单元对应的相位差。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述距离、该分区的所述实际入射方向和所述目标方向，获得所述入射光经该光栅单元的位置和所述基准位置耦入所述基底的光程差，包括：

根据所述距离、第一折射率和所述实际入射方向获得第一光程差，并根据所述距离、第二折射率和所述目标方向获得第二光程差，所述第一折射率为所述入射光经所述超表面光栅调制前所在的介质的折射率，所述第二折射率为所述入射光经所述超表面光栅调制后所在的介质的折射率；

根据所述第二光程差和所述第一光程差获得所述光程差。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于各所述分区的光栅单元的尺寸在所述基底上制作所述超表面光栅，包括：

根据各所述分区的光栅单元的尺寸，通过仿真模拟采用每个分区的对应的入射方向的入射光经超表面光栅对应的分区入射至基底，获得各分区的耦入光从基底的耦出区耦出的模拟光强，其中，各所述分区的光栅单元的数量为初始数量；

获取目标光强，并根据各所述分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值，调整各所述分区的光栅单元的数量，以使各所述比值在预设范围内，获得调整后各所述分区的光栅单元的数量；

基于各所述分区的光栅单元的尺寸和调整后各所述分区的光栅单元的数量，在所述基底上制作所述超表面光栅。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据各所述分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值，调整各所述分区的光栅单元的数量，以使各所述比值在预设范围内，获得调整后各所述分区的光栅单元的数量，包括：

对于每个所述分区，若该分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值小于所述预设范围的最小值，则提高该分区的光栅单元数量；

若该分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值大于所述预设范围的最大值，则降低该分区的光栅单元数量；

若该分区的所述模拟光强和所述目标光强的比值不小于所述预设范围的最小值且不大于所述预设范围的最大值，则将当前该分区的光栅单元的数量确定为调整后该分区的光栅单元的数量。

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述相位信息和预设关系图确定所述超表面光栅中各分区的光栅单元的尺寸之前，还包括：

采用所述入射光以各分区对应的实际入射方向模拟入射不同的超表面，获得各实际入射方向对应的不同超表面的透过率和不同超表面中光栅单元的相位信息；其中，不同的超表面的参数不相同，所述参数包括第一单位距离、第二单位距离、光栅单元的高度和半径，同一超表面中各光栅单元的高度和半径相同；

根据所述透过率，确定所述第一单位距离、第二单位距离和所述高度；

在确定的第一单位距离、第二单位距离和所述高度下，根据所述相位信息和对应的各光栅单元的半径获得各分区对应的所述预设关系图。

8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。

9.一种光波导片，其特征在于，所述光波导片包括基底和设置在所述基底上的超表面光栅，所述超表面光栅包括多个分区，每个分区包括多个光栅单元，多个所述光栅单元呈多行多列排布，所述光波导片采用如权利要求1-7任意一项所述的光波导片的制作方法制作得到。

10.一种显示系统，其特征在于，所述显示系统包括光机和如权利要求9所述的光波导片。