CN218728144U - 超构形态拓扑光波导及增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超构形态拓扑光波导，包括波导基底，所述波导基底上设有超构体耦入区域和拓扑形态耦出区域，所述超构体耦入区域设有位于所述波导基底表面的耦入光栅和覆盖在所述耦入光栅上的超材料层；所述拓扑形态耦出区域设有耦出光栅，所述耦出光栅包括多行存在耦合效应的光栅单元，每行所述光栅单元的形态均不相同。通过上述结构，本实用新型的超构形态拓扑光波导能提高整体光能利用率，提高光线传导效率和耦出效率，且耦出均匀性高。本实用新型还涉及一种增强现实显示设备。

Description

超构形态拓扑光波导及增强现实显示设备

技术领域

本实用新型涉及增强现实显示技术领域，特别是涉及一种超构形态拓扑光波导及增强现实显示设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术，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，不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。

光学波导(也可简称为“光波导”)因其全反射光学特性、超薄、表面可加工结构，在增强现实领域具备广泛的应用。基于光学波导的增强现实显示已成为目前行业的主流显示技术。例如，微软开发的HoloLens，基于蝴蝶型扩瞳传导组成显示窗口，具备大视场的增强现实显示；美国Magic Leap公司开发的增强现实眼镜，基于二次单向传导光学波导设计，多片组合实现彩色显示。

基于光学波导的增强现实显示除了应用在近眼显示领域以外，还可以应用在车载抬头显示。目前，主流的抬头显示基于几何光学空间反射的原理，具有大的前装体积、虚像视距短、眼动范围窄等缺点。基于光学波导的增强现实抬头显示，通过增大光学波导的表面积，从而可以实现小前装体积、远虚像视距、眼动范围大、视场角大等优点，是智能驾驶、人车交互的关键显示技术。

然而，目前的大部分基于光学波导的增强现实显示技术，采用纳米结构衍射的传导理念，光线传导过程中浪费较多，导致整体耦出效率偏低，且耦出范围均匀性低。

前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能提高整体光能利用率，提高光线传导效率和耦出效率，且耦出均匀性高。

本实用新型提供一种超构形态拓扑光波导，包括波导基底，所述波导基底上设有超构体耦入区域和拓扑形态耦出区域；所述超构体耦入区域设有位于所述波导基底表面的耦入光栅和覆盖在所述耦入光栅上的超材料层；所述拓扑形态耦出区域设有耦出光栅，所述耦出光栅包括多行存在耦合效应的光栅单元，每行所述光栅单元的形态均不相同。

进一步地，所述超材料层是金属膜层。

进一步地，所述超材料层的折射率大于1.5。

进一步地，所述超材料层的厚度大于或等于100纳米。

进一步地，光线在所述超构体耦入区域的入射角范围为-20度至20度。

进一步地，所述耦入光栅、所述耦出光栅位于所述波导基底的同一侧表面；所述超构体耦入区域采取透射式耦入或反射式耦入的方式进行光线耦合。

进一步地，所述光栅单元为纳米点阵结构，每行所述光栅单元包括多个纳米光栅点，且同一行内的所述纳米光栅点的结构相同，不同行的所述纳米光栅点的结构不相同。

进一步地，所述光栅单元为纳米点阵结构，每行所述光栅单元包括多个纳米光栅点，且每个所述纳米光栅点的结构不相同。

进一步地，每行所述光栅单元沿所述波导基底的x方向延伸；多行所述光栅单元形成二维阵列光栅，多行所述光栅单元的所述纳米光栅点呈周期排布设置，并具有交叉设置的第一光栅取向M和第二光栅取向N，所述第一光栅取向M与所述第二光栅取向N之间的夹角为20°至160°。

进一步地，所述超构体耦入区域、所述拓扑形态耦出区域均为矩形且宽度方向和长度方向与所述波导基底的一致，所述超构体耦入区域与所述拓扑形态耦出区域在y方向的中心线重合。

进一步地，所述光栅单元的形态包括每行所述光栅单元内每个所述纳米光栅点的形状、宽度、高度；在y方向上从靠近超构体耦入区域向远离超构体耦入区域方向上的所述纳米光栅点的耦出传导效率依距离递增。

本实用新型还提供一种增强现实显示设备，包括上述的超构形态拓扑光波导。

本实用新型提供的超构形态拓扑光波导，利用耦入光栅和超材料层提高整体光能利用率，产生高耦入传导效率，继而大幅度提高整面耦出效率；配合拓扑形态耦出区域中形态均不相同的光栅单元，逐点控制整面耦出均匀度，有效改善出光不均现象，耦出均匀性高。

附图说明

图1是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的结构示意图；

图2是本实用新型较佳实施例的超构体耦入区域的结构示意图；

图3是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的图像光源入射与人眼观察的一种组合方式示意图；

图4是当超构体耦入区域未设置超材料层时的正负一级衍射效率示意图；

图5是图3所示的超构体耦入区域的仿真效率图；

图6是超材料层的厚度对于衍射效率的影响的示意图；

图7是光线在超构体耦入区域的入射角对于衍射效率的影响的示意图；

图8是光线在超构体耦入区域的入射方位角对于衍射效率的影响的示意图；

图9是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的图像光源入射与人眼观察的另一种组合方式示意图；

图10a是图9所示的超构体耦入区域未设置超材料层时的仿真效率图；

图10b是图9所示的超构体耦入区域的仿真效率图；

图11是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的拓扑形态耦出区域的一种结构示意图；

图12是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导中光线在拓扑形态耦出区域的传导过程示意图；

图13是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的拓扑形态耦出区域的一种结构示意图；

图14是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的光线传导示意图；

图15现有的一种光波导的光线传导示意图；

图16是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的耦出范围内结构点的示意图；

图17是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的耦出范围内耦出效率随深度和占空比变化的趋势图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

图1是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的结构示意图，请参阅图1，本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导包括波导基底10、波导基底10上设有超构体耦入区域20和拓扑形态耦出区域30。

波导基底10具备在可见光波长范围内高的透过率，可以是玻璃、树脂等材料。

图2是本实用新型较佳实施例的超构体耦入区域的结构示意图，超构体耦入区域20设有位于波导基底10表面的耦入光栅21和覆盖在耦入光栅21上的超材料层22，耦入光栅21和超材料层22用于耦入光线，同时高效率地提高在波导基底10内传导的光线。

耦入光栅21优选为纳米线结构。纳米线结构为线条状结构，可以为规则的矩形，也可为不规则的形状，呈周期排布。

定义x方向为图中波导基底10的宽度方向，定义y方向为图中是波导基底10的长度方向，定义z方向为波导基底10的厚度方向。本实施例中，耦入光栅21具有一个光栅取向(即光栅的沟道方向)，本实施例中，耦入光栅21的光栅取向与x方向一致，即与波导基底10的宽度方向一致。

超材料层22例如是金属膜层，例如铝、二氧化钛等。超材料层22在耦入光栅21的表面蜿蜒覆盖。本实施例中，超材料层22的折射率大于1.5。当入射光入射至超构体耦入区域20并发生衍射，衍射光线包括零级衍射光、负一级衍射光和正一级衍射光，如图2所示，光线在经过超材料层22后，正负一级衍射光的衍射效率得到了极大的提高，基本已达到零级衍射光的衍射效率，超材料层22可以提高正负一级衍射光的衍射效率，从而极大提高传导效率。

图3是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的图像光源入射与人眼观察的一种组合方式示意图，请参阅图3，在本实用新型实施例中，耦入光栅21、耦出光栅位于波导基底10的同一侧表面，但并不以此为限。图像光源40可以从超构形态拓扑光波导的结构面(设有耦入光栅21和耦出光栅的一面)入射，超构体耦入区域20采取透射式耦入的方式进行光线耦合，人眼50也是由结构面观察。

图4是当超构体耦入区域未设置超材料层时的正负一级衍射效率示意图，如图4所示，若超构体耦入区域20仅设有耦入光栅21(未设置超材料层22)，限于物理本质特征的衍射效率，在特定波长处，其正负一级衍射光的衍射效率则非常低。

图5是图3所示的超构体耦入区域的仿真效率图，通过图5可以看出，在光线经过具有超材料层22的超构体耦入区域20耦入后，正负一级衍射光的传导效率大于30％。

图6是超材料层的厚度对于衍射效率的影响的示意图，如图6所示，可以看出，超材料层22的厚度在100纳米(nm)之上有个突变，超构体耦入区域22的衍射效率直接从很低提升到20％-30％之间，之后随着深度的增加，其衍射效率稳定在该区间内。也即是说，超材料层22的厚度优选为大于或等于100纳米。

图7是光线在超构体耦入区域的入射角对于衍射效率的影响的示意图，如图7所示，在入射角度正负20度范围内，超构体耦入区域22的衍射效率较为均衡，表面其具备较好的角度宽容性，支持该范围内视场显示。也即是说，光线(即是图像光源40发出的光线)在超构体耦入区域20的入射角范围优选为-20度至20度。

图8是光线在超构体耦入区域的入射方位角对于衍射效率的影响的示意图，如图8所示，随着方位角度0度-360度变化，可以看出效率的变化一致在20％-40％之间，也即是说，图像光源40不管从哪个方位角入射，对超构体耦入区域20的衍射效率的影响并不是很大，超构体耦入区域20具备宽广的方位角度宽容性。

在本实用新型的另一实施例中，入射光线也可以和观察方向不在同一侧。具体地，图9是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的图像光源入射与人眼观察的另一种组合方式示意图，如图9所示，其中，耦入光栅21、耦出光栅位于波导基底10的同一侧表面,当图像光源40从超构形态拓扑光波导的非结构面(未设置耦入光栅21的一面)入射至超构体耦入区域20，光线经超构体耦入区域20反射式衍射，即超构体耦入区域20采取反射式耦入的方式进行光线耦合，产生传导光，人眼50可由结构面观察。

图10a是图9所示的超构体耦入区域未设置超材料层时的仿真效率图，图10b是图9所示的超构体耦入区域的仿真效率图，是请一并参阅图10a和图10b，光线在超构体耦入区域20为图9所示反射式耦入的方式进行光线耦合，在入射波长520nm下，耦入光栅21为纯纳米结构、周期为433nm、占空比为0.7、深度为230nm时，图10a中未设置超材料层22时反射式一级衍射效率较低；图10b中设置有超材料层22(如厚度40nm)情况下，反射式一级衍射效率相较图10a可以提升到30％，相比于未设置超材料层22时，可以提升接近3倍的效率。

拓扑形态耦出区域30用于耦出光线。拓扑形态耦出区域30设有耦出光栅，耦出光栅包括多行存在耦合效应的光栅单元31，且每行光栅单元31的形态均不相同，具体在于形状、宽度、高度等结构参数不同。

光栅单元31可以为纳米线结构或纳米点阵结构。纳米线结构为线条状结构，可以为规则的矩形，也可为不规则的形状，呈周期排布。纳米点阵结构的单个单元可以为圆柱、方柱、梯形柱等任何规则或不规则形状，同样呈周期排布。可以采用全息干涉技术、光刻技术或纳米压印技术制备而成。光栅单元31优选为纳米点阵结构。

图11是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的拓扑形态耦出区域的一种结构示意图，图中每行光栅单元31均为纳米点阵结构。其中，每行光栅单元31包括多个纳米光栅点311，且同一行内的纳米光栅点311的结构相同，由于每行光栅单元31的结构均不相同，因此，不同行的纳米光栅点311的结构不相同。

在本实用新型的另一实施例中，拓扑形态耦出区域30内的每个纳米光栅点311的结构均不相同，也即是说，不仅不同行的纳米光栅点311的结构不相同，且同一行内的纳米光栅点311的结构也不相同。也可以理解成，耦出光栅有多少个纳米光栅点311就有多少种形态。

进一步地，每行光栅单元31沿波导基底10的x方向(即宽度方向)延伸。多行光栅单元31形成二维阵列光栅，多行光栅单元31的纳米光栅点311呈周期排布设置，并具有交叉设置的第一光栅取向M和第二光栅取向N。

进一步地，第一光栅取向M与第二光栅取向N之间的夹角为20°至160°。具体例如，第一光栅取向M的x方向呈120°夹角，第二光栅取向N与x方向呈60°夹角。

超构体耦入区域20、拓扑形态耦出区域30的形状可以为圆形、矩形、锥形或其它适应波导基底10的形状。本实施例中，超构体耦入区域20、拓扑形态耦出区域30均为矩形且宽度方向和长度方向与波导基底10的一致，并且超构体耦入区域20与拓扑形态耦出区域30在y方向的中心线重合。

图12是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导中光线在拓扑形态耦出区域的传导过程示意图，请一并参阅图图11和图12，图像光线经超构体耦入区域20耦入后朝拓扑形态耦出区域30传导，光线在拓扑形态耦出区域30内依次从靠近超构体耦入区域20向远离超构体耦入区域20方向传播，拓扑形态耦出区域30的耦出光栅为纳米点阵结构，经耦入传导的光以一定角度斜入每行光栅单元31，每行光栅单元31内的每个纳米光栅点31具备在光学波导内多向扩散的光线，包括往左边的耦出、右边的耦出和居中的耦出，光线在每个纳米光栅点31的耦出传导过程中，光线与纳米光栅点311之间形似“拓扑”结构，光线不停的在设定方向上多向扩散，实现边扩瞳边传导的功能。

由于每行光栅单元31为的纳米光栅点311的结构不相同。通过调整每行光栅单元31内的纳米光栅点311的结构，可调整每行纳米光栅点311耦出光的总能量，保证在整个耦出范围内光线输出的均匀性。

具体地，图13是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的拓扑形态耦出区域的一种结构示意图。请参图13，在整个拓扑形态耦出区域30的范围内，为满足逐点效率控制的目的，优化调控每行光栅单元31的形态，具体包括每行光栅单元31内每个纳米光栅点311的形态，包括形状、宽度、高度等参数，使得每行光栅单元31内的纳米光栅点311的结构均不相同，最终使得在y方向上从靠近超构体耦入区域20向远离超构体耦入区域20方向上的纳米光栅点311的耦出传导效率依距离递增，即距离超构体耦入区域20越远的纳米光栅点311耦出传导效率越高、距离超构体耦入区域20越近的纳米光栅点311耦出传导效率越低，该递增变化可以是均匀的也可是是不均匀的。

图14是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的光线传导示意图。可以看出，假设在abc三处的拓扑结构设计不一样，且c处的耦出传导效率大于b处，b处的耦出传导效率大于a处。则光线在经过abc三处的时候，可以逐点控制其耦出效率，从而达到光线在z方向上耦出均匀性。

图15现有的一种光波导的光线传导示意图。当耦出区域30’内的每行光栅单元的结构相同时，可以看出，光线经由耦入区域20’耦入耦合，不管耦入区域20’是否设置有超材料层22，在波导内传导，经过耦出区域30’时，部分光线耦出，部分光线继续波导内传导。但可以知晓，若耦出结构非逐点控制的情况，则每次在z方向耦出光的总能量是依距离降低的，即会带来耦出区域效率不均的现象(靠近耦入区域20’的传导效率高，远离耦入区域20’的传导效率低)。

图16是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的耦出范围内结构点的示意图。实际上，通过控制图中abcd四处参数(a为光栅周期、b为相邻两个纳米光栅点311的间距、cd为纳米光栅点311的形态参数(如矩形光栅结构的短边和长边，当纳米光栅点311为其它结构时，形态参数具有不同的定义))，即可实现逐点精确效率调制，从而实现耦出效率的均匀性。

图17是本实用新型较佳实施例的超构形态拓扑光波导的耦出范围内耦出效率随深度和占空比变化的趋势图。其中，设置周期为433nm，入射波从520nm，长边占空比0.4-1.4范围变化，短边设为0.6倍的长边尺寸，深度10-800nm范围变化。从仿真图可以看出，通过调制长边占空比或深度(即纳米光栅点311的高度)，可以实现耦出效率较大范围的变动，从而为精确调控均匀度提供了方法。

本实用新型还涉及一种增强现实显示设备，包括上述的超构形态拓扑光波导。增强现实显示设备的其它结构为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

有益效果：本实用新型的超构形态拓扑光波导通过在波导基底上设置超构体耦入区域和拓扑形态耦出区域；其中超构体耦入区域设有位于波导基底表面的耦入光栅和覆盖在耦入光栅上的超材料层；拓扑形态耦出区域设有耦出光栅，耦出光栅包括多行存在耦合效应的光栅单元，每行光栅单元的形态均不相同。本实用新型利用耦入光栅和超材料层提高整体光能利用率，产生高耦入传导效率，继而大幅度提高整面耦出效率；配合拓扑形态耦出区域中形态均不相同的光栅单元，逐点控制整面耦出均匀度，有效改善出光不均现象，耦出均匀性高。

在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”、“设置在”或“位于”另一元件上时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。

在本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。

在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本文中，用于描述元件的序列形容词“第一”、“第二”等仅仅是为了区别属性类似的元件，并不意味着这样描述的元件必须依照给定的顺序，或者时间、空间、等级或其它的限制。

在本文中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种超构形态拓扑光波导，包括波导基底(10)，其特征在于，所述波导基底(10)上设有超构体耦入区域(20)和拓扑形态耦出区域(30)；所述超构体耦入区域(20)设有位于所述波导基底(10)表面的耦入光栅(21)和覆盖在所述耦入光栅(21)上的超材料层(22)；所述拓扑形态耦出区域(30)设有耦出光栅，所述耦出光栅包括多行存在耦合效应的光栅单元(31)，每行所述光栅单元(31)的形态均不相同。

2.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述超材料层(22)是金属膜层。

3.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述超材料层(22)的折射率大于1.5。

4.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述超材料层(22)的厚度大于或等于100纳米。

5.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，光线在所述超构体耦入区域(20)的入射角范围为-20度至20度。

6.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述耦入光栅(21)、所述耦出光栅位于所述波导基底(10)的同一侧表面；所述超构体耦入区域(20)采取透射式耦入或反射式耦入的方式进行光线耦合。

7.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述光栅单元(31)为纳米点阵结构，每行所述光栅单元(31)包括多个纳米光栅点(311)，且同一行内的所述纳米光栅点(311)的结构相同，不同行的所述纳米光栅点(311)的结构不相同。

8.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述光栅单元(31)为纳米点阵结构，每行所述光栅单元(31)包括多个纳米光栅点(311)，且每个所述纳米光栅点(311)的结构不相同。

9.如权利要求7或8所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，每行所述光栅单元(31)沿所述波导基底(10)的x方向延伸；多行所述光栅单元(31)形成二维阵列光栅，多行所述光栅单元(31)的所述纳米光栅点(311)呈周期排布设置，并具有交叉设置的第一光栅取向M和第二光栅取向N，所述第一光栅取向M与所述第二光栅取向N之间的夹角为20°至160°。

10.如权利要求7或8所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述超构体耦入区域(20)、所述拓扑形态耦出区域(30)均为矩形且宽度方向和长度方向与所述波导基底(10)的一致，所述超构体耦入区域(20)与所述拓扑形态耦出区域(30)在y方向的中心线重合。

11.如权利要求7或8所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述光栅单元(31)的形态包括每行所述光栅单元(31)内每个所述纳米光栅点(311)的形状、宽度、高度；在y方向上从靠近超构体耦入区域(20)向远离超构体耦入区域(20)方向上的所述纳米光栅点(311)的耦出传导效率依距离递增。

12.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至11任一项所述的超构形态拓扑光波导。

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