CN218383364U - 光栅结构、光波导器件及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光栅结构、光波导器件及头戴显示设备；其中，包括多个光栅周期单元，所述多个光栅周期单元排列形成设定形状的光栅阵列；其中，每个所述光栅周期单元包括两个或者两个以上的子光栅单元，每个所述光栅周期单元中的所有所述子光栅单元至少具有两种不同的光栅图案和/或尺寸，且所述光栅图案均为多边形。本实用新型提供的方案提出每个光栅周期单元包括至少两个多边形构成的光栅形状，多个多边形光栅图形使得光栅周期单元的设计自由度更高，更容易获得性能更优的光栅结构。

Description

光栅结构、光波导器件及头戴显示设备

技术领域

本实用新型属于增强现实技术领域，具体地，本实用新型涉及一种光栅结构、光波导器件及头戴显示设备。

背景技术

增强现实（Augmented Reality，简称AR），是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术。目前，通常采用光波导器件实现增强现实方案。光波导器件是基于微纳光学的技术，它利用纳米光栅的衍射对光线的选择性定向衍射，实现了选择性波长的成像。

现有的光栅结构虽然经过精细设计，但是每个光栅周期单元中光栅形状由单个图形构成，导致形成的光栅结构设计自由度较低，这会在一定程度上影响光栅结构的应用范围，同时，现有的光栅结构还可能会造成光在光波导内传播后大量的光线经非人眼侧耦出等不良现象。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光栅结构、光波导器件及头戴显示设备的新技术方案。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种光栅结构，包括多个光栅周期单元，所述多个光栅周期单元排列形成设定形状的光栅阵列；

其中，每个所述光栅周期单元包括两个或者两个以上的子光栅单元，每个所述光栅周期单元中的所有所述子光栅单元至少具有两种不同的光栅图案和/或尺寸，且所述光栅图案均为多边形。

可选地，每个所述光栅周期单元中的所述子光栅单元的数量为N，该光栅周期单元中所有子光栅单元至多具有N种不同的高度。

可选地，每个所述光栅周期单元包括第一子光栅单元及第二子光栅单元，其中，所述第一子光栅单元与所述第二子光栅单元的光栅图案均为四边形，且所述第一子光栅单元与所述第二子光栅单元的尺寸不同。

可选地，所述第一子光栅单元与所述第二子光栅单元具有不同的高度，二者之间形成设定的高度差。

可选地，每个所述光栅周期单元包括第一子光栅单元、第二子光栅单元以及第三子光栅单元；其中，所述第一子光栅单元和所述第二子光栅单元的光栅图案为形状不同的四边形，所述第三子光栅单元的光栅图案为三角形。

可选地，所述第一子光栅单元、所述第二子光栅单元及所述第三子光栅单元至多形成三种不同的高度。

可选地，每个所述光栅周期单元中，所述子光栅单元之间的排布方式为间隔排布、相邻排布或者至少部分重叠排布。

可选地，每个所述光栅周期单元中，所述子光栅单元沿自身高度方向的侧边为斜边；当将所述光栅结构设于波导基底上后，与波导基底的表面可呈非90度夹角。

根据本实用新型的第二方面，还提供了一种光波导器件，所述光波导器件包括波导基底，以及设置于所述波导基底上的耦入光栅及耦出光栅；其中，所述耦出光栅采用如上所述的光栅结构。

根据本实用新型的第三方面，还提供了一种头戴显示设备，包括如上所述的光波导器件。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提供的方案提出每个光栅周期单元包括至少两个多边形构成的光栅形状，这样，多个多边形光栅图形使得光栅周期单元的设计自由度更高，更容易获得性能更优的光栅结构，利于根据实际需要设计出所需效果的光栅形状。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。

图1为本实用新型实施例提供的光栅结构示意图之一；

图2为本实用新型实施例提供的光栅结构示意图之二；

图3为本实用新型实施例提供的光栅结构示意图之三；

图4为本实用新型实施例提供的光栅结构示意图之四；

图5为本实用新型实施例提供的光栅结构示意图之五；

图6为本实用新型实施例提供的光栅结构示意图之六；

图7为本实用新型实施例提供的光栅结构示意图之七。

附图标记说明：

100、光栅周期单元；110、第一子光栅单元；120、第二子光栅单元；130、第三子光栅单元；200、波导基底；210、耦入光栅；220、耦出光栅。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

参照图1-图7，本实用新型实施例提供了至少一种光栅结构，所述光栅结构例如可应用于光波导器件上。

本申请实施例提供的光栅结构，参照图1至图7，所述光栅结构包括多个光栅周期单元100，所述多个光栅周期单元100排列形成设定形状的光栅阵列；其中，每个所述光栅周期单元100包括两个或者两个以上的子光栅单元，每个所述光栅周期单元100中的所有所述子光栅单元至少具有两种不同的光栅图案和/或尺寸，且所述光栅图案均为多边形。

在本实用新型的实施例中，光栅结构设计包括多个光栅周期单元100，这里的光栅周期单元100为整个光栅结构中的最小重复单元。需要说明的是，光栅结构中光栅周期单元100的数量可以根据实际要求灵活设计，本实用新型中对此不做限制。

在本实用新型的实施例中，多个光栅周期单元100形成的光栅阵列，也即光栅结构的具体形状可以根据实际需要进行设计，本实用新型对光栅结构的具体形状不做限定。例如，多个光栅周期单元100排列形成的光栅阵列可为图1中右侧示出的的菱形结构。当然，还可以为平行四边形等。

请继续参照图1，本实用新型实施例中，每个光栅周期单元100都至少包括两种不同的光栅图案。具体而言，每个光栅周期单元100中具有至少两种光栅图案的多个子光栅单元，当然也可以是至少两种不同尺寸的多个子光栅单元。如此，使得同一光栅周期单元100中可以含有多个不同光栅图案，使得光栅结构的设计自由度更高，容易得到性能更优的光栅形状。

需要说明的是，每个子光栅单元为具有一定厚度的立体结构。本实用新型中的光栅图案是指子光栅单元在与光栅结构平行的平面上的形状为多边形。

对于一个光栅周期单元100中任意的两个子光栅单元是否相同的判断标准包括但不限于光栅图案的形状以及尺寸。例如，尺寸可以采用光栅图案的边长长度作为判断基准，也可以采用光栅图案的面积作为判断基准。

也就是说，多个子光栅单元不同，可以设置为尺寸不同。例如，参照图1所示，每个光栅周期单元100包括两个四边形，其中一个四边形的面积大于另一个四边形的面积。

此外，多个子光栅单元之间还可以设置为形状不同。当然，多个子光栅单元之间也可以设置为形状及尺寸均不相同。本实用新型对多个子光栅单元的形状关系不做限定，只要保证一个光栅周期单元100包括两个或者两个以上的多个子光栅单元且至少有两种不同的光栅形状和/或尺寸即可。

本实用新型提供的方案提出每个光栅周期单元100包括至少两个多边形构成的光栅形状，这样，多个多边形光栅图形使得光栅周期单元100的设计自由度更高，更容易获得性能更优的光栅结构，利于根据实际需要设计出所需效果的光栅形状。

本实用新型实施例中，可选的是，参照图4至图6所示，每个所述光栅周期单元100中的所述子光栅单元的数量为N，该光栅周期单元100中所有子光栅单元至多具有N种不同的高度。

也就是说，所述光栅周期单元100内的各子光栅单元的高度可以相同，也可以不同，还可以是部分相同。

例如，所述光栅周期单元100内具有两个子光栅单元，这两个子光栅单元的光栅图案均为多边形，且二者的高度不同。两个高度不同的多边形光栅图案可以有效抑制光在非人眼侧的泄露，利于提高成像质量。

在本实用新型的一些示例中，参照图2所示，每个所述光栅周期单元100包括第一子光栅单元110及第二子光栅单元120，其中，所述第一子光栅单元110与所述第二子光栅单元120的光栅图案均为四边形，且所述第一子光栅单元110与所述第二子光栅单元120的尺寸不同。

也就是说，光栅结构中的单个光栅周期单元100包括两个子光栅单元，且这两个子光栅单元的形状均为四边形但是二者的尺寸不同。更进一步地，单个光栅周期的形状形成菱形结构。

可选的是，所述第一子光栅单元110与所述第二子光栅单元120具有不同的高度，二者之间形成设定的高度差，参照图5。其中，两个子光栅单元之间形成的高度差可以根据需要进行调整，以适应不同的设计需要。

当然，在同一光栅周期单元中，所述第一子光栅单元110与所述第二子光栅单元120也可以具有相同的高度，参照图4。

需要说明的是，第一子光栅单元110及第二子光栅单元120的高度是指其在垂直于光栅结构的方向上的厚度。

在本实用新型的另一些示例中，参照图3，每个所述光栅周期单元100包括第一子光栅单元110、第二子光栅单元120以及第三子光栅单元130；其中，所述第一子光栅单元110和所述第二子光栅单元120的光栅图案为形状不同的四边形，所述第三子光栅单元130的光栅图案为三角形。

也就是说，本实用新型的光栅结构，其中的每个所述光栅周期单元100不限于包括两个子光栅单元，还可以包括三个子光栅单元，例如包括第一子光栅单元110、第二子光栅单元120以及第三子光栅单元130。这三个子光栅单元的形状和尺寸各不相同，使得光栅结构的设计自由度更高。

可选的是，在上述的示例中，所述第一子光栅单元110、所述第二子光栅单元120及所述第三子光栅单元130至多形成三种不同的高度。配合上述三种不同的光栅形状使得整个光栅结构具有设计自由度更高，这样更容易得到性能优良的光栅结构，扩展了光栅结构的应用。

需要说明的是，单个光栅周期单元100内，当设置三个子光栅单元时，可以设计为一种高度、也可以设计为两种高度（参照图6）、还可以设计为三种高度，本实用新型对此不做限制。

本实用新型的一些示例中，每个所述光栅周期单元100中，所述子光栅单元之间的排布方式为间隔排布、相邻排布或者至少部分重叠排布。

其中，间隔设置是指任意两个子光栅单元之间设置有间隔。相邻设置则是任意两个子光栅单元的相邻边相贴合设置。上述的至少部分重叠设置可以为在一个光栅周期单元100内，两个子光栅单元可以以完全重叠或部分重叠的方式设置。

本实用新型的一些示例中，参见图7，每个所述光栅周期单元100中，所述子光栅单元沿自身高度方向的侧边为斜边；当将所述光栅结构设于波导基底上后，与波导基底的表面可呈非90度夹角。

上述示例中的设计，一方面可以增加光线的耦出量，另一方面从设计角度来看，可以增加光栅结构的设计自由度。

本实用新型实施例还提供了一种光波导器件，参照图7，包括波导基底200，以及设置于所述波导基底200上的耦入光栅210及耦出光栅220；其中，所述耦出光栅220为如上所述的光栅结构。

所述光栅结构可参照图1至图7，包括多个光栅周期单元100，所述多个光栅周期单元100排列形成设定形状的光栅阵列；其中，每个所述光栅周期单元100包括两个或者两个以上的子光栅单元，每个所述光栅周期单元100中的所有所述子光栅单元至少具有两种不同的光栅图案和/或尺寸，且所述光栅图案均为多边形。

需要说明的是，本实用新型实施例提供的光波导器件，并不限定耦入光栅210与耦出光栅220的数量。

可选的是，所述耦入光栅210和所述光栅结构中的至少一者为光子晶体光栅。

光子晶体光栅是由周期性排列的不同折射率的介质制造的规则光学结构。这种材料因为具有光子带隙而能够阻断特定频率的光子，从而影响光子的运动。采用光子晶体加工制得的光栅可以实现对光线的波长进行选择，提高光栅衍射效果。

本实用新型还提供了一种头戴显示设备，包括如上所述的光波导器件。

例如，头戴显示设备包括壳体，及设置于壳体内的两个光波导器件，两个光波导器件可分别对应用户的左眼和右眼。

本实用新型实施例的头戴显示设备例如可以为增强现实显示设备，例如AR眼镜或者AR头盔等。

虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种光栅结构，其特征在于，包括多个光栅周期单元（100），所述多个光栅周期单元（100）排列形成设定形状的光栅阵列；

其中，每个所述光栅周期单元（100）包括两个或者两个以上的子光栅单元，每个所述光栅周期单元（100）中的所有所述子光栅单元至少具有两种不同的光栅图案和/或尺寸，且所述光栅图案均为多边形。

2.根据权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，每个所述光栅周期单元（100）中的所述子光栅单元的数量为N，该光栅周期单元（100）中所有子光栅单元至多具有N种不同的高度。

3.根据权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，每个所述光栅周期单元（100）包括第一子光栅单元（110）及第二子光栅单元（120），其中，所述第一子光栅单元（110）与所述第二子光栅单元（120）的光栅图案均为四边形，且所述第一子光栅单元（110）与所述第二子光栅单元（120）的尺寸不同。

4.根据权利要求3所述的光栅结构，其特征在于，所述第一子光栅单元（110）与所述第二子光栅单元（120）具有不同的高度，二者之间形成设定的高度差。

5.根据权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，每个所述光栅周期单元（100）包括第一子光栅单元（110）、第二子光栅单元（120）以及第三子光栅单元（130）；其中，所述第一子光栅单元（110）和所述第二子光栅单元（120）的光栅图案为形状不同的四边形，所述第三子光栅单元（130）的光栅图案为三角形。

6.根据权利要求5所述的光栅结构，其特征在于，所述第一子光栅单元（110）、所述第二子光栅单元（120）及所述第三子光栅单元（130）至多形成三种不同的高度。

7.根据权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，每个所述光栅周期单元（100）中，所述子光栅单元之间的排布方式为间隔排布、相邻排布或者至少部分重叠排布。

8.根据权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，每个所述光栅周期单元（100）中，所述子光栅单元沿自身高度方向的侧边为斜边；当将所述光栅结构设于波导基底上后，与波导基底的表面可呈非90度夹角。

9.一种光波导器件，其特征在于，包括波导基底（200），以及设置于所述波导基底（200）上的耦入光栅（210）及耦出光栅（220）；其中，所述耦出光栅（220）采用如权利要求1-8中任一项所述的光栅结构。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，包括权利要求9所述的光波导器件。

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