CN218003766U - 一种光栅及显示元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光栅及显示元件，光栅包括排布的单元结构，单元结构沿着两个维度方向周期性排布。单元结构位于为平行四边形的单元区域内，单元结构包括至少四个六面体结构，任一六面体结构的底面为平行四边形，任一六面体结构的底面的两对边分别与单元区域的两对边平行。本实用新型的光栅中，单元结构包括至少四个六面体结构，增加了单元结构的设计自由度，并且单元结构所处的单元区域以及包括的六面体结构的底面均为平行四边形，任一六面体结构的底面的两对边分别与单元区域的两对边平行，使得单元结构与二维光栅周期架构的吻合度较高，更易于加工。

Description

一种光栅及显示元件

技术领域

本实用新型涉及光学器件领域，特别是涉及一种光栅。本实用新型还涉及一种显示元件。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，其最主要的部件之一是由微型显示屏和光学元件构成的光学显示器。该光学显示器允许用户能够同时观看到周围环境和微型显示屏投射的图像，实现真实图像和虚拟图像的融合，达到对现实增强目的，这在军事、工业、教育、文娱等领域都有着巨大的应用前景。

目前增强现实的技术方案有很多，衍射光波导是其中之一。衍射光波导技术是利用微纳结构的衍射作用和透明平板的全反射作用将虚拟图像和真实图像进行结合。显示屏就是透明的平板，人眼可以通过该平板看到周围的真实场景，对于虚拟图像的观察则是由该平板上的耦入区域和耦出区域来实现。

理论上，耦入区域和耦出区域用相同的微纳结构就可以将虚拟图像导入人眼，但缺点是人眼只能在很小的区域内进行观察，为了扩大人眼的活动范围即扩瞳，耦出区域的微纳结构可采用二维光栅，能够在两个维度上实现扩瞳，使人眼的活动范围可以在两个维度实现扩展。

超构光栅结合了超构材料基元结构的丰富共振散射特性与光栅的固有衍射性质，将基元结构近场模式映射到多级衍射远场光的反射、透射通道上来，为操纵光波前提供了更多的自由度。通过合理设计超构光栅的结构，可以实现更高的性能。比如，在申请号202210152316.7的专利文献中，提出了多种具有超构结构的二维超构光栅，设计自由度大大增加。但是其中，矩形、弧形或者不规则多边形结构与二维光栅的周期架构吻合度差，实际加工非常困难。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光栅，增加了周期性排布的单元结构的设计自由度，并且单元结构与二维光栅周期架构的吻合度较高，使加工难度降低，更易于加工。本实用新型还提供一种显示元件。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种光栅，包括排布的单元结构，所述单元结构沿着两个维度方向周期性排布；

所述单元结构位于为平行四边形的单元区域内，所述单元结构包括至少四个六面体结构，任一所述六面体结构的底面为平行四边形，任一所述六面体结构的底面的两对边分别与所述单元区域的两对边平行。

优选地，同一单元结构中任意两个相邻的所述六面体结构之间具有第一间隔。

优选地，每个所述单元区域内各个所述第一间隔的尺寸一致；或者，定义所述单元区域的一组平行边所在方向为第一方向，另一组平行边所在方向为第二方向，同一所述单元结构中在第一方向上前后两个所述六面体结构间的所述第一间隔尺寸一致；同一所述单元结构中在第二方向上前后两个所述六面体结构间的所述第一间隔尺寸一致。

优选地，所述六面体结构和所在单元区域的与该六面体结构相邻的单元区域边之间具有第二间隔。

优选地，同一单元区域内与同一条单元区域边相邻的两个六面体结构分别对应的所述第二间隔的尺寸一致。

优选地，各个所述六面体结构的折射率一致，为第一折射率；各个所述第一间隔和各个所述第二间隔的折射率一致，为第二折射率；第一折射率不等于第二折射率。

优选地，所述第一折射率和所述第二折射率的取值范围均为1∽3。

优选地，所述单元区域为菱形。

优选地，所述六面体结构为直平行六面体结构。

优选地，各个所述六面体结构的高度范围为50nm∽500nm。

优选地，各个所述六面体结构的底面形状一致，各个所述六面体结构在所述单元区域内均匀排布。

优选地，各个所述六面体结构排布形成二维阵列，所述二维阵列的两个排布方向分别与所述单元区域的两对边平行。

一种显示元件，包括波导本体、耦入结构和耦出结构，所述耦入结构用于将光线耦合入所述波导本体，所述耦出结构用于将在所述波导本体内传播的光线向所述波导本体外耦合出，所述耦出结构采用以上所述的光栅。

由上述技术方案可知，本实用新型所提供的一种光栅，包括排布的单元结构，单元结构沿着两个维度方向周期性排布。其中，单元结构位于为平行四边形的单元区域内，单元结构包括至少四个六面体结构，任一六面体结构的底面为平行四边形，任一六面体结构的底面的两对边分别与单元区域的两对边平行。本实用新型的光栅中，单元结构包括至少四个六面体结构，增加了单元结构的设计自由度，并且单元结构所处的单元区域以及包括的六面体结构的底面均为平行四边形，任一六面体结构的底面的两对边分别与单元区域的两对边平行，使得单元结构与二维光栅周期架构的吻合度较高，可以降低加工难度，更易于加工。

本实用新型提供的一种显示元件，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型一实施例提供的一种光栅的单元结构的俯视图；

图2为由图1所示的单元结构形成的多个单元结构的俯视图；

图3为本实用新型又一实施例提供的一种光栅的单元结构的俯视图；

图4为采用图1所示的单元结构形成的光栅进行仿真得到耦出光线的能量分布图；

图5为衍射光波导的侧视图；

图6为衍射光波导的俯视图；

图7为衍射光波导耦入结构和耦出结构的微纳结构的周期示意图。

说明书附图中的附图标记包括：

单元区域-100，第一边-101，第二边-102，第三边-103，第四边-104；

第一六面体结构-201，第二六面体结构-202，第三六面体结构-203，第四六面体结构-204，第五六面体结构-205，第六六面体结构-206，第七六面体结构-207，第八六面体结构-208；

第一六面体结构和第二六面体结构与第一边的间隔-301，第二六面体结构和第三六面体结构与第二边的间隔-302，第三六面体结构和第四六面体结构与第三边的间隔-303，第一六面体结构和第四六面体结构与第四边的间隔-304；

第一六面体结构和第二六面体结构之间间隔-305，第二六面体结构和第三六面体结构之间间隔-306，第三六面体结构和第四六面体结构之间间隔-307，第一六面体结构和第四六面体结构之间间隔-308；

微型显示屏-1，准直系统-2，平行光-3，耦入结构-4，波导本体-5，光线-6，耦出结构-7，人眼-8，外界景物-9。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

本实施例提供一种光栅，包括排布的单元结构，所述单元结构沿着两个维度方向周期性排布；

所述单元结构位于为平行四边形的单元区域内，所述单元结构包括至少四个六面体结构，任一所述六面体结构的底面为平行四边形，任一所述六面体结构的底面的两对边分别与所述单元区域的两对边平行。

本实施例的光栅中，单元结构包括至少四个六面体结构，增加了单元结构的设计自由度，并且单元结构所处的单元区域以及包括的六面体结构的底面均为平行四边形，任一六面体结构的底面的两对边分别与单元区域的两对边平行，即，单元结构之间的间隔都是一条条的直线，使得单元结构(属于一种微纳架构)与二维光栅周期架构的吻合度较高，非常方便用光刻加刻蚀工艺去加工，有利于提升光栅的设计、生产水平。

单元结构包括的至少四个六面体结构排布于单元区域内，本实施例中，对单元结构包括的六面体结构的数量不做限定。对为平行四边形的单元区域的具体形状不做限定，对任一六面体结构底面的平行四边形具体形状不做限定。另外，单元结构包括的各个六面体结构的底面形状相同，单元结构包括的各个六面体结构的底面尺寸可以相同或者可以不同。在实际应用中，可以根据对光的衍射效率、对耦出光的均匀性等的要求或者结合光栅的加工工艺等灵活设计。

优选地，同一单元结构中任意两个相邻的所述六面体结构之间具有第一间隔。这种实施方式下，本光栅的单元结构的调节参量除了包括各个六面体结构的尺寸之外，还包括任意两个相邻的六面体结构之间的间隔距离，增加了本光栅的调节参量，进一步增加了本光栅的设计自由度。优选地，每个所述单元区域内各个所述第一间隔的尺寸一致，这有助于在每一单元区域内各个六面体结构均匀排布。或者，定义单元区域的一组平行边所在方向为第一方向，另一组平行边所在方向为第二方向，同一所述单元结构中在第一方向上前后两个所述六面体结构间的所述第一间隔尺寸一致；同一所述单元结构中在第二方向上前后两个所述六面体结构间的所述第一间隔尺寸一致。这样可以使得六面体结构之间的间隔都是一条条的直线，使得本光栅非常方便用光刻加刻蚀工艺去加工。

可选地，所述六面体结构和所在单元区域的与该六面体结构相邻的单元区域边之间具有第二间隔，比如，在一单元区域内，若一六面体结构与该单元区域的第一边相邻，该六面体结构与该单元区域的第一边之间具有第二间隔。这种实施方式下，本光栅的单元结构的调节参量除了包括各个六面体结构的尺寸之外，还包括六面体结构与相邻的单元区域边之间的间隔距离，增加了本光栅的调节参量，进一步增加了本光栅的设计自由度。优选地，同一单元区域内与同一条单元区域边相邻的两个六面体结构分别对应的所述第二间隔的尺寸一致，这可以使得单元结构之间的间隔都是一条条的直线，以方便用光刻加刻蚀工艺去加工，有利于提升光栅的设计、生产水平。

可选地，在单元区域内各个所述六面体结构可以排布形成二维阵列，所述二维阵列的两个排布方向分别与所述单元区域的两对边平行。这样可以使得单元结构与二维光栅周期架构的吻合度较高，更方便于加工。

示例性的可参考图1和图2，图1为一实施例提供的一种光栅的单元结构的俯视图，图2为由图1所示的单元结构形成的多个单元结构的俯视图。如图1所示，单元结构位于单元区域100内，包括第一六面体结构201、第二六面体结构202、第三六面体结构203和第四六面体结构204，其中每一六面体结构的底面的两对边分别与单元区域100的两对边平行。四个六面体结构排布形成二维阵列。

其中，第一六面体结构201和第二六面体结构202之间间隔305的尺寸，与第三六面体结构203和第四六面体结构204之间间隔307的尺寸相等；第一六面体结构201和第四六面体结构204之间间隔308的尺寸，与第二六面体结构202和第三六面体结构203之间间隔306的尺寸相等。另外，第一六面体结构201和第二六面体结构202与单元区域100的第一边101的间隔301距离相等，第二六面体结构202和第三六面体结构203与单元区域100的第二边102的间隔302距离相等，第三六面体结构203和第四六面体结构204与单元区域100的第三边103的间隔303距离相等，第一六面体结构201和第四六面体结构204与单元区域100的第四边104的间隔304距离相等。

可选地，同一单元区域100的各个六面体结构的底面形状可以一致，并且各个所述六面体结构在所述单元区域内均匀排布，这样应用本光栅实现将光波导内传播的光线耦合出，有助于提高耦合出光线的均匀性。示例的可参考图1和图2所示，位于单元区域100内的四个六面体结构的底面形状一致，都为菱形，单元区域100的形状为菱形。四个六面体结构在单元区域100内均匀排布。

需要说明的是，图1和图2所示的单元结构是以包括四个六面体结构为例说明的，在其它实施例中，单元结构也可以是包括其它数量的六面体结构，也都在本实用新型保护范围内。另外，图1和图2所示的单元结构是以四个六面体结构的底面尺寸相同为例说明的，在其它实施例中，同一单元区域100内的各个六面体结构的底面尺寸也可以不一致。示例的可参考图3，图3为又一实施例提供的一种光栅的单元结构的俯视图，如图所示，单元结构位于单元区域100内，包括第五六面体结构205、第六六面体结构206、第七六面体结构207和第八六面体结构208，其中每一六面体结构的底面的两对边分别与单元区域100的两对边平行。四个六面体结构在单元区域100内均匀排布。第五六面体结构205和第七六面体结构207的底面形状和尺寸均一致，第六六面体结构206和第八六面体结构208的底面形状和尺寸均一致，而第五六面体结构205和第七六面体结构207的底面尺寸，与第六六面体结构206和第八六面体结构208的底面尺寸不同。由于每一六面体结构的底面的两对边分别与单元区域100的两对边平行，可以通过电子束曝光方式加工出六面体结构阵列再进一步细化各个六面体结构，与现有技术中二维超构光栅采用矩形、弧形或者不规则多边形结构相比，能够降低加工难度。

可选地，六面体结构可以为平行六面体结构，具体可以为直平行六面体结构，这样便于加工，降低了加工难度。比如图1至图3所示的各个六面体结构为直平行六面体结构，那么在俯视图中看到的六面体结构面与其底面的形状和尺寸一致，即在俯视图中看到的六面体结构的面可以代表其底面。但不限于此，六面体结构也可以是非直平行六面体，可以使得六面体结构的调节参量增加，增加了光栅的单元结构的设计自由度。可选地，单元结构包括的六面体结构可以是凸起或者凹槽。

进一步优选地，各个所述六面体结构的折射率一致，为第一折射率；各个所述第一间隔和各个所述第二间隔的折射率一致，为第二折射率；第一折射率不等于第二折射率。可选地，所述第一折射率和所述第二折射率的取值范围均为1∽3。

可选地，各个所述六面体结构的高度范围可以为50nm∽500nm。六面体结构和所在单元区域的相邻边之间具有第二间隔，第二间隔距离范围可以为0-500nm。本实施例的光栅中，若单元结构的尺寸在亚波长尺度，本光栅形成超构光栅，能够结合亚波长基元结构的丰富共振散射特性与光栅的固有衍射性质，将基元结构近场模式映射到多级衍射远场光的反射、透射通道上来，为操纵光波前提供了更多的自由度，应用于增强现实显示设备中更易于实现耦出光线高效率和高均匀性的目的。示例性的请参考图4，图4为采用图1所示的单元结构形成的光栅进行仿真得到耦出光线的能量分布图，通过计算可得到均匀性高达90％。足以证明该光栅结构能够很轻松地达到很高的性能，并且不会增加工艺难度。

本实施例还提供一种显示元件，包括波导本体、耦入结构和耦出结构，所述耦入结构用于将光线耦合入所述波导本体，所述耦出结构用于将在所述波导本体内传播的光线向所述波导本体外耦合出，所述耦出结构采用以上所述的光栅。

本实施例的显示元件。其波导本体采用的耦出结构中，单元结构沿着两个维度方向周期性排布，单元结构位于为平行四边形的单元区域内，单元结构包括至少四个六面体结构，任一六面体结构的底面为平行四边形，任一六面体结构的底面的两对边分别与单元区域的两对边平行，其中单元结构包括至少四个六面体结构，增加了单元结构的设计自由度，并且单元结构所处的单元区域以及包括的六面体结构的底面均为平行四边形，任一六面体结构的底面的两对边分别与单元区域的两对边平行，使得单元结构与二维光栅周期架构的吻合度较高，更易于加工。

本实施例的显示元件的原理可结合图5和图6所示进行理解，可参考图5和图6，图5为衍射光波导的侧视图，图6为衍射光波导的俯视图。如图5所示，微型显示屏1发出的光经过准直系统2后变成平行光3，入射到耦入结构4，耦入结构4的微纳结构使入射光3以一定角度发生衍射并进入波导本体5，若衍射角度符合全反射条件，光线6会在波导本体5中全反射传输。当光线6遇到耦出结构7时，耦出结构7中的微纳结构会将光线6的一部分导出波导本体5然后进入人眼8，另一部分光线6则继续全反射沿之前方向传输，当再次遇到耦出结构7时会再一次被耦出结构7的微纳结构衍射，导出波导本体5进入人眼8。这样人眼8沿x方向的活动范围就增大了，实现了该维度的扩瞳。另外，由于波导本体5是透明的，外界景物9的光线可以直接进入人眼8。

如图6所示，在波导本体5内全反射传播的光线6遇到耦出结构7后，会被耦出结构7中的微纳结构衍射，产生向外出射的光线以及沿x轴方向和沿x轴两侧方向全反射传播的光线。当全反射传播的光线再次遇到耦出结构7时，就会被耦出结构7中的微纳结构衍射成耦出光线和全反射光线。这样就在x和y两个方向上扩大了人眼的活动范围，也就是二维扩瞳。

请进一步参考图7，图7为衍射光波导耦入结构和耦出结构的微纳结构的周期示意图，如图7所示，一般情况下，衍射光波导的耦入结构4中的微纳结构为沿x方向具有周期变化的一维的周期结构，耦出结构7为二维周期结构。为了让以一定角度耦入进波导本体5的光线以相同的角度耦出波导本体5，耦入结构4和耦出结构7中的微纳结构的周期必须满足一定的条件。如果耦入结构4的微纳结构周期为d，那么耦出结构7在如图所示的三个方向上的间隔都应该等于d。这样耦出结构7的微纳结构可以分解为三个与耦入结构4中微纳结构周期相同的一维周期结构。其中一个结构的周期沿x方向，该结构会使沿x方向全反射的光线按照与耦入光线相同的角度耦出；另两个结构的周期分别与x轴呈60°和-60°，这两个周期结构会让沿x轴两侧全反射传播的光线按照与耦入光线相同的角度耦出。由于以上原因，耦出结构7的周期框架为锐角为60°的菱形。耦入结构4和耦出结构7一个周期架构内的微纳结构具体是什么形状需要根据两个区域的主要功能去设计和优化。耦入结构4主要功能是让经过准直系统2准直后的平行光3尽可能多的耦合进入波导本体5，因此高衍射效率是耦入结构4所需要的，因此耦入结构4中微纳结构一般为非对称结构，如斜齿光栅、闪耀光栅等，让能量更多集中于某一非零衍射级次。耦出结构7的主要功能是让波导本体5中的光线6在x方向和y方向两个维度扩展耦出，在保证耦出效率的同时，更重要的是还要保证均匀性，因此高均匀性是耦出结构7所需要的。通过设计和优化耦出结构7中菱形周期框架内微纳结构的尺寸、间隔去调节耦出光线的强度和均匀性。

本实施例的显示元件中，耦出结构采用的光栅包括沿着两个维度方向周期性排布的单元结构(属于一种微纳架构)，单元结构包括至少四个六面体结构，在一个光栅周期内引入亚波长结构，通过调整亚波长结构的尺寸、间隔、高度等参数，可以让亚波长基元结构对光的共振散射与衍射的某一个方向一致，从而更加灵活地操控微纳结构的衍射效率。

本实施例的显示元件中，耦出结构采用的光栅包括沿着两个维度方向周期性排布的单元结构(属于一种微纳架构)，单元结构包括至少四个六面体结构，该光栅考虑耦出结构周期框架的形状，在一个周期内引入至少四个底面为平行四边形的平行六面体结构，每个平行六面体的长、宽和高，平行六面体与周期框架边界的距离，平行六面体之间的间隔都可以作为优化变量。通过对这些变量的全部或者部分进行有目的的设计和优化，实现衍射光波导高效率和高均匀性的目的。

本实施例的显示元件可以应用于增强现实显示设备。

以上对本实用新型所提供的一种光栅及显示元件进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.一种光栅，其特征在于，包括排布的单元结构，所述单元结构沿着两个维度方向周期性排布；

所述单元结构位于为平行四边形的单元区域(100)内，所述单元结构包括至少四个六面体结构，任一所述六面体结构的底面为平行四边形，任一所述六面体结构的底面的两对边分别与所述单元区域(100)的两对边平行。

2.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，同一单元结构中任意两个相邻的所述六面体结构之间具有第一间隔。

3.根据权利要求2所述的光栅，其特征在于，每个所述单元区域(100)内各个所述第一间隔的尺寸一致；

或者，定义所述单元区域(100)的一组平行边所在方向为第一方向，另一组平行边所在方向为第二方向，同一所述单元结构中在第一方向上前后两个所述六面体结构间的所述第一间隔尺寸一致；同一所述单元结构中在第二方向上前后两个所述六面体结构间的所述第一间隔尺寸一致。

4.根据权利要求3所述的光栅，其特征在于，所述六面体结构和所在单元区域(100)的与该六面体结构相邻的单元区域(100)边之间具有第二间隔。

5.根据权利要求4所述的光栅，其特征在于，同一单元区域(100)内与同一条单元区域(100)边相邻的两个六面体结构分别对应的所述第二间隔的尺寸一致。

6.根据权利要求5所述的光栅，其特征在于，各个所述六面体结构的折射率一致，为第一折射率；各个所述第一间隔和各个所述第二间隔的折射率一致，为第二折射率；第一折射率不等于第二折射率。

7.根据权利要求6所述的光栅，其特征在于，所述第一折射率和所述第二折射率的取值范围均为1∽3。

8.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述单元区域(100)为菱形。

9.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述六面体结构为直平行六面体结构。

10.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，各个所述六面体结构的高度范围为50nm∽500nm。

11.根据权利要求1-10任一项所述的光栅，其特征在于，各个所述六面体结构的底面形状一致，各个所述六面体结构在所述单元区域(100)内均匀排布。

12.根据权利要求1-10任一项所述的光栅，其特征在于，各个所述六面体结构排布形成二维阵列，所述二维阵列的两个排布方向分别与所述单元区域(100)的两对边平行。

13.一种显示元件，其特征在于，包括波导本体(5)、耦入结构(4)和耦出结构(7)，所述耦入结构(4)用于将光线耦合入所述波导本体(5)，所述耦出结构(7)用于将在所述波导本体(5)内传播的光线向所述波导本体(5)外耦合出，所述耦出结构(7)采用权利要求1-12任一项所述的光栅。

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