CN116879995A - 一种二维出瞳扩展光波导结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光波导结构领域，具体涉及一种二维出瞳扩展光波导结构。本发明包括衍射光波导基板和部分反射棱镜阵列，衍射光波导基板设置有第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，第一衍射光学元件在第一方向上具有周期性结构，第二衍射光学元件具有周期性结构，其周期性结构与第二方向呈夹角θ，使光线向第一方向扩展并向第二方向传输；部分反射棱镜阵列由若干个相互平行的部分反射棱镜组装而成，每个部分反射棱镜都具有反射表面，反射表面上镀有部分反射膜层，部分反射膜层的反射率延第二方向依次增加。本发明极大的降低了工艺的难度，提高了产品的良率，同时不存在传统二维出瞳衍射光波导中普遍存在的漏光现象和彩虹效应。

Description

一种二维出瞳扩展光波导结构

技术领域

本发明属于光波导结构领域，具体涉及一种二维出瞳扩展光波导结构。

背景技术

增强和混合(AR&MR)现实光波导眼镜能够为用户提供虚拟内容，包括文字、图像以及视频等，同时也能够让用户查看真实世界的场景，且两者可以进行融合与交互，以满足用户的娱乐、消费以及工业生产等各领域的应用。

为了满足当前各种场景下，不同用户的应用需求，需要增强现实和混合现实光波导眼镜具有易加工、轻薄、高亮度、高均匀性、消彩虹、消漏光以及大眼眶等的特点。为了实现上述需求，当前光波导眼镜主要有几何光波导以及衍射光波导两大类，在实际应用上，各有优劣。

为了实现二维出瞳扩展，以获得较大得眼眶，可以应用几何阵列光波导技术，如专利US2023/0013376A1中，其在第一方向上使用了部分反射棱镜阵列，以实现第一方向的扩展，同时在第二方向使用了部分反射棱镜阵列，接收第一方向上扩展后的光，以实现第一和第二两个方向上的扩展，其中第一方向和第二方向相互垂直，从而获得大眼眶、高亮度、高均匀性且无彩虹以及无漏光的光波导结构，但由于其整个光波导结构是在第一方向上和第二方向上使用多个部分反射棱镜拼接而成的，不仅对单个部分反射镜的加工以及镀膜要求较高，对整个光波导中所有的部分反射镜之间的拼接要求更高，因此导致此类几何阵列光波导良率极低，因此无法大批量的生产和应用。

也可以应用衍射光波导技术，如US9,791,696B2中主要使用了衍射光栅以实现两个方向上的扩展，通过在第一方向上使用一种衍射光栅，以实现第一方向上的光束扩展，之后在第二方向上使用一种衍射光栅，以接收来第一方向上扩展后的光束，从而实现第二方向上的扩展，其中，衍射光栅可以通过使用光学曝光或者电子束技术以及刻蚀技术从而母版，之后使用纳米压印技术以进行大批量复制，从而以较低的成本获得光波导眼镜。如图1所示，基于衍射光栅的光波导技术，同样能够获得大眼眶，但普遍存在彩虹效应以及漏光现象，且相比几何光波导，其亮度和均匀性稍差。

发明内容

本发明的目的在于解决当前几何阵列光波导需要在两个方向上使用大量的部分反射棱镜阵列，工艺难度过大导致的成品良率过低，而无法进行大批量的生产和应用的问题，以及衍射光波导在使用过程中，出现的彩虹效应以及漏光的问题，并提出一种二维出瞳扩展光波导结构。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

本发明提出的一种二维出瞳扩展光波导结构，包括衍射光波导基板和部分反射棱镜阵列，所述衍射光波导基板设置有第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，所述部分反射棱镜阵列位于衍射光波导基板的出光区域，并与衍射光波导基板连接，所述第一衍射光学元件在第一方向上具有周期性结构，所述第二衍射光学元件具有周期性结构，第二衍射光学元件的周期性结构与第二方向呈夹角θ，使光线向第一方向扩展并向第二方向传输，所述第一方向与第二方向垂直；

所述部分反射棱镜阵列由若干个相互平行的部分反射棱镜排列而成，所述部分反射棱镜沿第二方向排列，每个部分反射棱镜都具有朝向衍射光波导基板方向的反射表面，所述反射表面上镀有部分反射膜层。

进一步的，所述衍射光波导基板和部分反射棱镜阵列采用晶圆材质制成。

进一步的，所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件为表面浮雕光栅或体全息光栅。

进一步的，所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件为表面浮雕光栅时，制作工艺为：

在衍射光波导基板上压印出第一衍射光学元件和第二衍射光学元件。

进一步的，所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件为体全息光栅时，通过在衍射光波导基板上进行双光束干涉曝光得到。

进一步的，所述部分反射棱镜阵列与衍射光波导基板通过折射率匹配液胶合。

进一步的，不同部分反射棱镜的部分反射膜层具有不同的反射率，所述反射率沿第二方向依次增加。

进一步的，所述第一衍射光学元件的周期性结构的周期范围为200nm～500nm，所述第二衍射光学元件的周期性结构的周期范围为180nm～350nm。

进一步的，所述夹角θ的范围为30°～60°。

进一步的，所述晶圆材质的折射率n＝1.5～2.5。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、本发明中仅在第一方向上使用了衍射光学元件，在第二方向上使用了部分反射棱镜阵列结构，大大降低了在两个方向上使用部分反射棱镜阵列结构造成的工艺难题以及良率过低的问题；

2、本发明中在第扩展方向上使用了部分反射棱镜阵列结构而不是衍射光学元件，避免了衍射光波导中出现的漏光以及彩虹效应，同时通过控制部分反射棱镜所镀膜层的反射率，也能够提高耦出光束的效率和均匀性。

附图说明

图1为现有技术中传统二维出瞳衍射光波导的漏光现象；

图2为本发明一种二维出瞳扩展光波导结构的示意图；

图3为本发明部分反射阵列棱镜的结构示意图；

图4为本发明二维出瞳扩展光波导结构的光路图；

图5为本发明第二实施例的结构示意图。

附图标记说明：1、衍射光栅；11、衍射光波导基板；11-1、第一衍射光学元件；11-2、第二衍射光学元件；12、部分反射棱镜阵列；S1、反射表面。

具体实施方式

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

第一实施例，如图2所示，一种二维出瞳扩展光波导结构包括衍射光波导基板11和部分反射棱镜阵列12，衍射光波导基板11设置有第一衍射光学元件11-1和第二衍射光学元件11-2。部分反射棱镜阵列12位于衍射光波导基板11的出光区域，并与衍射光波导基板11连接，部分反射棱镜阵列12与衍射光波导基板11通过折射率匹配液胶合。

第一衍射光学元件11-1和第二衍射光学元件11-2可以是表面浮雕光栅，也可以是体全息光栅。第一衍射光学元件11-1在第一方向(+X方向)上具有周期性结构，周期范围为200nm～500nm，第一衍射光学元件11-1负责将光机出射的光耦入到光波导中，并在光波导中进行全反射传输。第二衍射光学元件11-2具有周期性结构，周期范围为180nm～350nm，其周期性结构与第二方向(-Y方向)呈夹角θ，θ的范围为30°～60°。且第一衍射光学元件11-1与第二衍射光学元件11-2的周期性结构在第一方向和第二方向构成的平面上，第二衍射光学元件11-2的出光方向是第二方向，即第二衍射光学元件11-2的周期性结构中的单胞沿第二方向的反方向逐渐靠近第一衍射光学元件11-1，使光线实现向+X方向扩展同时向-Y方向传输，到达部分反射棱镜阵列12。

部分反射棱镜阵列12由若干个相互平行的部分反射棱镜组装而成，部分反射棱镜延-Y方向排列，如图3所示，每个部分反射棱镜都具有朝向衍射光波导基板方向的的反射表面S1，反射表面S1上镀有部分反射膜层，能够实现光的反射和透射，以实现光束在第二方向上扩展且耦出到人眼。每个反射表面S1的部分反射膜层的反射率延第二方向依次增加，以获得均匀的耦出光束。一方面，能够将入射部分反射棱镜的反射表面S1的光反射并从二维出瞳扩展光波导结构耦出，另一方面，光能够透过反射表面S1并向-Y方向传输，以实现光向-Y方向的扩展。衍射光波导基板11和部分反射棱镜阵列12两部分组合成一种光波导结构，并实现光在两个方向上的扩展，从而获得所需的眼眶尺寸。

如图4所示，第一衍射光学元件11-1所在的区域为耦入区域，负责将光机出射的光耦入二维出瞳扩展光波导结构中，第二衍射光学元件11-2所在的区域为第一扩展区域，负责将耦入到二维出瞳扩展光波导结构中的光进行+X方向上的扩展，部分反射棱镜阵列12所在的区域为耦出区域，其负责光束在-Y方向上的扩展并将光束耦出。

本发明中，第一方向上的扩展使用了第二衍射光学元件11-2，第二方向上的扩展以及耦出使用了部分反射棱镜阵列12。衍射光波导基板11中的第一衍射光学元件11-1和第二衍射光学元件11-2若为表面浮雕光栅，可以通过光学曝光或者电子束曝光以在光刻胶上获得衍射光学元件的掩模图形，之后使用离子刻蚀技术将光刻胶上的图形沉积到衍射光波导基板上，最后通过纳米压印技术来进行大批量复制，以在衍射光波导基板上获得第一衍射光学元件11-1和第二衍射光学元件11-2，并切割成图2所示的形状或者其它任意形状。衍射光波导基板11采用晶圆材质制成。若第一衍射光学元件11-1和第二衍射光学元件11-2为体全息光栅，则可以通过双光束干涉曝光的方式来获得。部分反射棱镜阵列12可以通过对晶圆的切割、研磨、抛光以及镀膜并胶合而成。衍射光波导基板11压印或者曝光所使用的晶圆与部分反射棱镜阵列12一致。晶圆材质的折射率n＝1.5～2.5。衍射光波导基板11与部分反射棱镜阵列12的厚度t满足：t＝0.5mm～4mm。

本发明中，由于第二衍射光学元件11-2负责光在第一方向上的扩展，而无需使用部分反射棱镜阵列进行扩展，部分反射棱镜阵列12负责光在的第二方向上的扩展和耦出，因此，整个二维出瞳光波导结构中，仅需对部分反射棱镜阵列12中所使用的部分反射棱镜进行拼接和组装，相较于传统的二维出瞳几何阵列光波导，极大的降低了工艺的难度，提高了产品的良率；同时，由于耦出区域使用的是部分反射棱镜阵列，相较于传统的二维出瞳衍射光波导结构，其一，光束仅在人眼方向(+Z方向)耦出，在相反的方向(-Z方向)无光束耦出，因此不存在传统二维出瞳衍射光波导中普遍存在的漏光现象，在传统的二维出瞳衍射光波导中，由于耦出区域使用的是衍射光栅1，其既具有透射级次，也存在反射级次，因此在将光束从波导中耦出到人眼的同时，也会将光束耦出到外界中，如图1所示；其二，环境光无法与耦出区域的部分反射棱镜阵列12相互作用，因此不存在衍射光波导中普遍存在的彩虹效应，即环境光与耦出区域中的衍射光学相互作用时，产生的色散效应。

第二实施例，如图5所示，一种二维出瞳扩展光波导结构包括衍射光波导基板11和部分反射棱镜阵列12，11-1为第一衍射光学元件，负责将光耦入到波导中并实现全反射传输，11-2为第二衍射光学元件，负责光在第一方向(+Y方向)上的扩展并将光传输至部分反射棱镜阵列12区域，其中，部分反射棱镜阵列12由部分反射棱镜构成，每个部分反射棱镜都具有朝向衍射光波导基板11方向的的反射表面S1，反射表面S1镀有相应的部分反射膜层，不同的部分反射棱镜膜层的反射率不一样，一般随光束的扩展方向，反射率逐渐增大；部分反射棱镜阵列12区域一方面负责将光在第二方向上扩展(+X方向)，另外一方面，将光从二维出瞳扩展光波导结构中耦出以进入人眼。第二实施例与第一实施例的主要区别在于，第一方向和第二方向的方向不同，在实际应用中对应左、右眼使用。其他相同结构可参见第一实施例。

第一方向和第二方向不限于第一实施例和第二实施例所述的两种方案，还可以有其他变形，例如第一方向为+X方向，第二方向为+Z方向，均为本申请保护范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种二维出瞳扩展光波导结构，其特征在于，包括衍射光波导基板和部分反射棱镜阵列，所述衍射光波导基板设置有第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，所述部分反射棱镜阵列位于衍射光波导基板的出光区域，并与衍射光波导基板连接，所述第一衍射光学元件在第一方向上具有周期性结构，所述第二衍射光学元件具有周期性结构，第二衍射光学元件的周期性结构与第二方向呈夹角θ，使光线向第一方向扩展并向第二方向传输，所述第一方向与第二方向垂直；

所述部分反射棱镜阵列由若干个相互平行的部分反射棱镜排列而成，所述部分反射棱镜沿第二方向排列，每个部分反射棱镜都具有朝向衍射光波导基板方向的反射表面，所述反射表面上镀有部分反射膜层。

2.根据权利要求1所述的二维出瞳扩展光波导结构，其特征在于，所述衍射光波导基板和部分反射棱镜阵列采用晶圆材质制成。

3.根据权利要求2所述的二维出瞳扩展光波导结构，其特征在于，所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件为表面浮雕光栅或体全息光栅。

4.根据权利要求3所述的二维出瞳扩展光波导结构，其特征在于，所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件为表面浮雕光栅时，制作工艺为：

在衍射光波导基板上压印出第一衍射光学元件和第二衍射光学元件。

5.根据权利要求3所述的二维出瞳扩展光波导结构，其特征在于，所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件为体全息光栅时，通过在衍射光波导基板上进行双光束干涉曝光得到。

6.根据权利要求1所述的二维出瞳扩展光波导结构，其特征在于，所述部分反射棱镜阵列与衍射光波导基板通过折射率匹配液胶合。

7.根据权利要求1所述的二维出瞳扩展光波导结构，其特征在于，不同部分反射棱镜的部分反射膜层具有不同的反射率，所述反射率沿第二方向依次增加。

8.根据权利要求1所述的二维出瞳扩展光波导结构，其特征在于，所述第一衍射光学元件的周期性结构的周期范围为200nm～500nm，所述第二衍射光学元件的周期性结构的周期范围为180nm～350nm。

9.根据权利要求1所述的二维出瞳扩展光波导结构，其特征在于，所述夹角θ的范围为30°～60°。

10.根据权利要求2所述的二维出瞳扩展光波导结构，其特征在于，所述晶圆材质的折射率n＝1.5～2.5。