CN117872523A - 基于微纳结构的光波导系统和显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于微纳结构的光波导系统和显示设备，涉及光学元件技术领域，光波导系统包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅；耦入光栅用于将输入光线耦合到所述波导基板中，并全反射传导至耦出光栅；耦出光栅将发生衍射的光线耦出波导基板以进入人眼成像，耦出光栅包括布置成阵列的多个光学单元结构，每个光学单元结构包括结构可变的第一结构部分以及存在相互交叠的第二结构部分和第三结构部分；结构可变的固定部分与第二结构部分和第三结构部分连接，可变部分与所述固定部分连接，本发明提高衍射光波导的视场均匀性；降低衍射光波导的泄露光，提高能量利用率；并且通过可变结构增加了衍射光波导的设计和调控自由度。
Description
技术领域
本发明涉及基于衍射的显示技术领域，尤其涉及一种基于微纳结构的光波导系统和显示设备。
背景技术
增强现实（Augmented Reality，AR）技术是一种将计算机生成的虚拟信息与现实世界相互融合的技术。AR技术通过一系列光学成像元件将微显示器的画面传递到人眼，增强现实体验感。目前衍射光波导因其具有视场角大，波导重量轻等优点，已成为光学成像主要元件，衍射光波导主要利用光刻技术在波导表面制作表面浮雕光栅来实现图像的耦入和耦出，光束在耦出光栅区域传播的过程中不断将部分光扩展和耦合出，使得在远离耦入光栅的方向上，穿过耦出光栅的光束的强度不断降低，导致耦出光栅的出光效率在临近耦入光栅的一侧较高，在远离耦入光栅的另一侧较低，最终导致出瞳不均匀性。并且，现有的耦出光栅结构固定，使得衍射级次效率固定，不能满足不同光线传导的出瞳均匀性和视场均匀性要求。
发明内容
本发明提供一种基于微纳结构的光波导系统和显示设备，用以解决基于微纳结构的光波导系统出瞳均匀性差，并且，不能满足不同光线传导要求的缺陷。
本发明提供一种基于微纳结构的光波导系统，包括：
波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅；
所述耦入光栅用于将输入光线耦合到所述波导基板中，并全反射传导至所述耦出光栅；
所述耦出光栅将发生衍射的光线耦出所述波导基板以进入人眼成像，所述耦出光栅包括布置成阵列的多个光学单元结构，每个光学单元结构包括结构可变的第一结构部分以及存在相互交叠的第二结构部分和第三结构部分；其中，所述第二结构部分和所述第三结构部分为T字形的多边形结构，任一T字形的多边形结构接收到来自耦入光栅的光线后，将接收到的光朝向与其交叠的另一T字形的多边形结构耦合，以使所述另一T字形的多边形结构将光线耦出所述波导基板；
所述结构可变的第一结构部分包括固定部分和可变部分，所述固定部分与所述第二结构部分和第三结构部分连接，所述可变部分与所述固定部分连接。
根据本发明提供的一种基于微纳结构的光波导系统，所述布置成阵列的多个光学单元结构沿x方向的周期为Px，沿y方向的周期为Py，Px在0.1~2μm之间，Py在0.3~2μm之间。
根据本发明提供的一种基于微纳结构的光波导系统，所述固定部分包括：沿y方向设置的长度相同两条线段，所述两条线段之间宽度为第一宽度，每条线段长度为第一长度；
所述光学单元结构的宽度为W，长度为L，所述第一宽度和第一长度满足第一宽度为0.3W，第一长度为0.2L。
根据本发明提供的一种基于微纳结构的光波导系统，所述可变部分为存在缺口的长方形结构，缺口与所述固定部分连接，所述长方形结构的长度为所述可变部分的宽度；所述长方形结构的宽度为所述可变部分的长度，满足：
0.2W≤所述可变部分的宽度≤0.85W，0.1L≤所述可变部分的长度≤0.4L。
根据本发明提供的一种基于微纳结构的光波导系统，所述可变部分为存在缺口的菱形结构、五边形结构、六边形结构或椭圆形结构中的一种，所述缺口与所述固定部分连接。
根据本发明提供的一种基于微纳结构的光波导系统，所述可变部分为不规则多边形，所述不规则多边形包括沿y方向设置的长度不同多条线段，以及与每条线段相连的多条斜边。
根据本发明提供的一种基于微纳结构的光波导系统，所述可变部分为V型结构，所述可变部分的宽度包括第一宽度和第二宽度，其中，V型结构的外侧宽度为所述可变部分的第一宽度，V型结构的内侧宽度为所述可变部分的第二宽度。
根据本发明提供的一种基于微纳结构的光波导系统，第二结构部分的T字形的多边形结构中T字形的朝向为斜向右下，T字形下部分的宽度与第一宽度相同，长度与第一长度相同；
第三结构部分的T字形的多边形结构中T字形的朝向为斜向左下，T字形上部分的宽度为0.68W，长度为0.13L；
第二结构部分与第三结构部分交叠部分形成的夹角为60°。
根据本发明提供的一种基于微纳结构的光波导系统，可变结构的结构与衍射级次的效率存在对应关系。
本发明还提供一种显示设备，包括如上述任一项所述的基于微纳结构的光波导系统。
本发明提供的一种基于微纳结构的光波导系统和显示设备，基于微纳结构的光波导系统包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅；所述耦入光栅用于将输入光线耦合到所述波导基板中，并全反射传导至所述耦出光栅；所述耦出光栅将发生衍射的光线耦出所述波导基板以进入人眼成像，所述耦出光栅包括布置成阵列的多个光学单元结构，每个光学单元结构包括结构可变的第一结构部分以及存在相互交叠的第二结构部分和第三结构部分；其中，所述第二结构部分和所述第三结构部分为T字形的多边形结构，任一T字形的多边形结构接收到来自耦入光栅的光线后，将接收到的光朝向与其交叠的另一T字形的多边形结构耦合，以使所述另一T字形的多边形结构将光线耦出所述波导基板；所述结构可变的第一结构部分包括固定部分和可变部分，所述固定部分与所述第二结构部分和第三结构部分连接，所述可变部分与所述固定部分连接，提高衍射光波导的视场均匀性；降低衍射光波导的泄露光，提高能量利用率；并且通过可变结构增加了衍射光波导的设计和调控自由度。
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是本发明提供的基于微纳结构的光波导系统的结构示意图；
图2是本发明提供的光学单元结构的结构示意图之一；
图3是本发明提供的光学单元结构阵列图之一；
图4中（a）(b)是本发明提供的衍射效率示意图之一；
图5是本发明提供的光学单元结构的结构示意图之二；
图6是本发明提供的光学单元结构的结构示意图之三；
图7是本发明提供的光学单元结构的结构示意图之四；
图8是本发明提供的光学单元结构的结构示意图之五；
图9是本发明提供的光学单元结构的结构示意图之六；
图10是本发明提供的光学单元结构的结构示意图之七；
图11是本发明提供的光学单元结构阵列图之二；
图12中（a）(b)是本发明提供的衍射效率示意图之二；
图13是本发明提供的光学单元结构的结构示意图之八；
图14是本发明提供的光学单元结构阵列图之三；
图15中（a）(b)是本发明提供的衍射效率示意图之三。
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作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。
图1为本发明实施例提供的基于微纳结构的光波导系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的基于微纳结构的光波导系统包括：
波导基板101和设置在所述波导基板101上的耦入光栅102和耦出光栅103；
耦入光栅102用于将输入光线耦合到所述波导基板101中，并全反射传导至所述耦出光栅103；
耦出光栅103将发生衍射的光线耦出所述波导基板101以进入人眼成像，耦出光栅103包括布置成阵列的多个光学单元结构，如图2所示，每个光学单元结构包括结构可变的第一结构部分以及存在相互交叠的第二结构部分和第三结构部分；其中，所述第二结构部分和所述第三结构部分为T字形的多边形结构，任一T字形的多边形结构接收到来自耦入光栅的光线后，将接收到的光朝向与其交叠的另一T字形的多边形结构耦合，以使所述另一T字形的多边形结构将光线耦出所述波导基板；
所述结构可变的第一结构部分包括固定部分和可变部分，所述固定部分与所述第二结构部分和第三结构部分连接，所述可变部分与所述固定部分连接。
传统的基于微纳结构的光波导系统使得光束在耦出光栅区域传播的过程中不断将部分光扩展和耦合出，使得在远离耦入光栅的方向上，穿过耦出光栅的光束的强度不断降低，导致耦出光栅的出光效率在临近耦入光栅的一侧较高，在远离耦入光栅的另一侧较低，最终导致出瞳不均匀性。并且，现有的耦出光栅结构固定，使得衍射级次效率固定，不能满足不同光线传导的出瞳均匀性和视场均匀性要求。
本发明提供的一种基于微纳结构的光波导系统包括波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅；所述耦入光栅用于将输入光线耦合到所述波导基板中，并全反射传导至所述耦出光栅；所述耦出光栅将发生衍射的光线耦出所述波导基板以进入人眼成像，所述耦出光栅包括布置成阵列的多个光学单元结构，每个光学单元结构包括结构可变的第一结构部分以及存在相互交叠的第二结构部分和第三结构部分；其中，所述第二结构部分和所述第三结构部分为T字形的多边形结构，任一T字形的多边形结构接收到来自耦入光栅的光线后，将接收到的光朝向与其交叠的另一T字形的多边形结构耦合，以使所述另一T字形的多边形结构将光线耦出所述波导基板；所述结构可变的第一结构部分包括固定部分和可变部分，所述固定部分与所述第二结构部分和第三结构部分连接，所述可变部分与所述固定部分连接，提高衍射光波导的视场均匀性；降低衍射光波导的泄露光，提高能量利用率；并且通过可变结构增加了衍射光波导的设计和调控自由度。
基于上述任一实施例，本发明实施例中的结构尺寸在纳米和微米量级。图2中光学单元结构的长度为L，宽度为W，w1和d1是第一宽度和第一长度（第一宽度和第一长度满足w1=0.3W，d1=0.2L），长度L满足0.35Py≤L≤0.7Py，宽度W满足0.42L≤W≤0.8L。第二结构部分的T字形的多边形结构中T字形的朝向为斜向右下，第三结构部分的T字形的多边形结构中T字形的朝向为斜向左下，第二结构部分和第三结构部分的T字形的多边形结构有四个长度指标，第二宽度w2和第二长度d2，第四宽度w4和第四长度d4，第二宽度和第二长度满足w2=w1，d2=d1；第四宽度和第四长度满足w4=0.68W，d4=0.13L；w3和d3是第三宽度和第三长度，第三宽度和第三长度满足0.2W≤w3≤0.85W，0.1L≤d3≤0.4L；第二结构部分与第三结构部分交叠部分形成的夹角为60°；第二结构部分中T字形中斜向左下的线段与y方向的夹角θ2=30°。
基于上述任一实施例，如图3所示，布置成阵列的多个光学单元结构沿x方向的周期为Px，沿y方向的周期为Py，Px在0.1~2μm之间，Py在0.3~2μm之间。
基于上述任一实施例，固定部分包括：沿y方向设置的长度相同两条线段，所述两条线段之间宽度为第一宽度，每条线段长度为第一长度；
所述光学单元结构的宽度为W，长度为L，所述第一宽度和第一长度满足第一宽度为0.3W，第一长度为0.2L。
在本发明实施例中，可变部分为存在缺口的长方形结构，缺口与所述固定部分连接，所述长方形结构的长度为所述可变部分的宽度；所述长方形结构的宽度为所述可变部分的长度，满足：
0.2W≤所述可变部分的宽度≤0.85W，0.1L≤所述可变部分的长度≤0.4L。
在本发明实施例中，可变结构的结构与衍射级次的效率存在对应关系。如图4所示，耦出光栅使得衍射光更均匀地扩展传导和耦出，如图4（a）所示，会产生(0,0)R，(1,-1)R和(1,1)R三个衍射级次，三个衍射级次的效率分别为~95%，~4%和~1%，(1,-1)R和(1,1)R衍射光的效率很低（＜10%），表明衍射光可以有效地沿水平和垂直方向扩展；另外，还有两个衍射级次的光，分别为（2,0）反射级次和（2,0）透射级次，分别垂直于光栅所在平面反射和透射，如图4（b）所示，表示衍射效率随入射角的变化，（2,0）反射级次效率值在0.15%左右，（2,0）透射级次效率值在0.1%左右，这表明反射和透射级次都可以以非常低的衍射效率（＜1%）耦出衍射波导进入人眼成像，从而更多的光能量可以在衍射波导内出瞳扩展，使得衍射波导的出瞳均匀性更好。此外，如图4（b）所示，(2,0)R级衍射光的效率明显大于(2,0)T级衍射光的效率，使得波导的耦出光更多地集中在人眼观察一侧，从而降低波导的泄露光，提高能量利用率。通过改变可变部分的形状和参数大小等，可以增加衍射光波导的设计和调控自由度。
如图5~10所示，可变部分为存在缺口的菱形结构、五边形结构、六边形结构或椭圆形结构中的一种，缺口与所述固定部分连接。
可变部分还可以为不规则多边形，所述不规则多边形包括沿y方向设置的长度不同多条线段，以及与每条线段相连的多条斜边。
通过改变可变部分形状，可以实现更好的光线传导效果。图11是结构阵列排布示意图，其衍射效率如图12（a）所示，(1,-1)R和(1,1)R级衍射光以非常低的效率在波导内传导，从而可以提高衍射光波导的出瞳均匀性和视场均匀性。此外，如图12（b）所示，(2,0)R级衍射光的效率也明显大于(2,0)T级衍射光的效率，使得波导的耦出光可以更多地集中在人眼观察一侧，从而降低波导的泄露光，提高能量利用率。
如图13所示，可变部分还可以为V型结构，所述可变部分的宽度包括第一宽度和第二宽度，其中，V型结构的外侧宽度为所述可变部分的第一宽度，V型结构的内侧宽度为所述可变部分的第二宽度。
结构阵列排布示意图如图14所示，其衍射效率如图15（a）所示，(1,-1)R和(1,1)R级衍射光同样以非常低的效率在波导内传导，且效率小于以上实施例结构的衍射光效率，从而可以提高衍射光波导的出瞳均匀性和视场均匀性，获得更好的波导成像效果。此外，如图15（b）所示，(2,0)R级衍射光的效率同样明显大于(2,0)T级衍射光的效率，使得波导的耦出光可以更多地集中在人眼观察一侧，从而降低波导的泄露光，提高能量利用率。
本发明实施例还提供一种显示设备，包括如上述实施例所述的基于微纳结构的光波导系统。该显示设备例如为近眼显示设备，近眼显示设备包括镜片，镜片可以包括本发明实施例的基于微纳结构的光波导系统。
该显示设备还可以为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中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。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
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)
1.一种基于微纳结构的光波导系统，其特征在于，包括：
波导基板和设置在所述波导基板上的耦入光栅和耦出光栅；
所述耦入光栅用于将输入光线耦合到所述波导基板中，并全反射传导至所述耦出光栅；
所述耦出光栅将发生衍射的光线耦出所述波导基板以进入人眼成像，所述耦出光栅包括布置成阵列的多个光学单元结构，每个光学单元结构包括结构可变的第一结构部分以及存在相互交叠的第二结构部分和第三结构部分；其中，所述第二结构部分和所述第三结构部分为T字形的多边形结构，任一T字形的多边形结构接收到来自耦入光栅的光线后，将接收到的光朝向与其交叠的另一T字形的多边形结构耦合，以使所述另一T字形的多边形结构将光线耦出所述波导基板；
所述结构可变的第一结构部分包括固定部分和可变部分，所述固定部分与所述第二结构部分和第三结构部分连接，所述可变部分与所述固定部分连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的光波导系统，其特征在于，所述布置成阵列的多个光学单元结构沿x方向的周期为Px，沿y方向的周期为Py，Px在0.1~2μm之间，Py在0.3~2μm之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的光波导系统，其特征在于，所述固定部分包括：沿y方向设置的长度相同两条线段，所述两条线段之间宽度为第一宽度，每条线段长度为第一长度；
所述光学单元结构的宽度为W，长度为L，所述第一宽度和第一长度满足第一宽度为0.3W，第一长度为0.2L。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的光波导系统，其特征在于，所述可变部分为存在缺口的长方形结构，缺口与所述固定部分连接；
所述长方形结构的长度为所述可变部分的宽度，所述长方形结构的宽度为所述可变部分的长度，满足：0.2W≤所述可变部分的宽度≤0.85W，0.1L≤所述可变部分的长度≤0.4L。
5.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的光波导系统，其特征在于，
所述可变部分为存在缺口的菱形结构、五边形结构、六边形结构或椭圆形结构中的一种，所述缺口与所述固定部分连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的光波导系统，其特征在于，所述可变部分为不规则多边形，所述不规则多边形包括沿y方向设置的长度不同多条线段，以及与每条线段相连的多条斜边。
7.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的光波导系统，其特征在于，所述可变部分为V型结构，所述可变部分的宽度包括第一宽度和第二宽度，其中，V型结构的外侧宽度为所述可变部分的第一宽度，V型结构的内侧宽度为所述可变部分的第二宽度。
8.根据权利要求3所述的一种基于微纳结构的光波导系统，其特征在于，第二结构部分的T字形的多边形结构中T字形的朝向为斜向右下，T字形下部分的宽度与第一宽度相同，长度与第一长度相同；
第三结构部分的T字形的多边形结构中T字形的朝向为斜向左下，T字形上部分的宽度为0.68W，长度为0.13L；
第二结构部分与第三结构部分交叠部分形成的夹角为60°。
9.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的光波导系统，其特征在于，可变结构的结构与衍射级次的效率存在对应关系。
10.一种显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的基于微纳结构的光波导系统。
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