一种二维光栅及其形成方法、光波导及近眼显示设备与流程

1.本发明实施例涉及光学器件技术领域，特别涉及一种二维光栅及其形成方法、光波导及近眼显示设备。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality，ar)技术是将虚拟信息与现实世界相互融合的技术，以增强现实眼镜为代表的增强现实技术目前在各个行业开始兴起，尤其在安防和工业领域，其大大改进了信息交互方式。目前比较成熟的增强现实技术中的光学显示方案主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案和光波导(lightguide)方案，前三种方案体积较大，限制了其在智能穿戴方面，即增强现实眼镜方面的应用，光波导方案是目前增强现实眼镜中最佳的光学显示方案。
3.光波导方案又分为几何波导方案、浮雕光栅波导方案和体全息波导方案，其中，几何波导方案是使用阵列的镀膜半透半反射镜来达到虚拟信息的显示，但是该方案的视场和眼动范围受限，而且阵列镜片会给画面带来条纹效果，所以几何波导方案无法给人眼呈现最佳的显示效果。体全息波导方案目前在大规模量产上受到了限制。浮雕光栅波导方案由于纳米压印的便利性是目前研究最多的技术方案，具有大视场和大眼动范围的优势。
4.其中，目前浮雕光栅波导的方案主要有基于一维光栅的光波导方案和基于二维光栅的光波导方案，二维光栅波导分为耦入区域和耦出区域，耦出区域使用二维光栅结构兼顾了扩展和耦出的功能。
5.在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：目前基于二维光栅结构的光波导方案中，在耦出区域使用的二维光栅结构通常为圆柱结构和菱形结构等，这些光栅结构的可调节参数较少，不利于二维光栅的耦出效率的调节，从而不利于耦出区域保持均匀的耦出效率。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供了一种二维光栅及其形成方法、光波导及近眼显示设备。
7.本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
8.为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例中提供了一种二维光栅，包括凸设或凹设于波导片表面的若干个形状相同的条带状结构，所述条带状结构由重复单元沿一个方向复制延伸形成，各所述条带状结构相同且等距设置，所述条带状结构由第一边界线和第二边界线限定而成，所述第一边界线和所述第二边界线为不同的多次曲线。
9.在一些实施例中，在所述重复单元内，所述第一边界线为尖凸型多次曲线，所述第二边界线为平凸型多次曲线。
10.在一些实施例中，在所述重复单元内，所述第一边界线为平凸型多次曲线，所述第二边界线为尖凸型多次曲线。
11.在一些实施例中，所述重复单元沿其复制延伸方向的周期为200nm-2μm。
12.在一些实施例中，所述条带状结构相对所述波导片表面凸起或凹陷的高度小于2μm。
13.在一些实施例中，所述重复单元的表面镀设有金属氧化膜。
14.在一些实施例中，所述金属氧化膜的厚度为10nm-200nm。
15.为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种二维光栅的形成方法，包括：根据对光线耦出效率的需求，确定如第一方面所述的二维光栅的优化变量，其中，所述优化变量包括：所述第一边界线的波峰与所述第二边界线的波峰的间距、所述第一边界线和所述第二边界线在所述波导片表面上的位置、所述第一边界线和所述第二边界线的曲线面型、所述重复单元沿其复制延伸方向的周期和/或所述条带状结构相对所述波导片表面凸起或凹陷的高度；根据所述优化变量在波导片上进行刻蚀作业以形成所述二维光栅。
16.为解决上述技术问题，第三方面，本发明实施例提供了一种光波导，包括：波导片；由一维光栅构成的耦入结构，设置在所述波导片的入光侧；由如第一方面所述的二维光栅构成的耦出结构，设置在所述波导片的出光侧。
17.为解决上述技术问题，第四方面，本发明实施例还提供了一种近眼显示设备，包括：如第三方面所述的光波导。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种二维光栅及其形成方法、光波导及近眼显示设备，该二维光栅包括凸设或凹设于波导片表面的若干个形状相同的条带状结构，所述条带状结构由重复单元沿一个方向复制延伸形成，各所述条带状结构相同且等距设置，所述条带状结构由第一边界线和第二边界线限定而成，所述第一边界线和所述第二边界线为不同的多次曲线，该二维光栅可以根据光线耦出效率的需求在光波导上刻蚀形成，能够在不增加加工难度的前提下，提高衍射光波导中的二维光栅的调节自由度，可以更好的控制耦出效率分布，实现更好的出瞳均匀性和视场均匀性。
附图说明
19.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
20.图1是本发明实施例一提供的一种二维光栅的结构示意图；
21.图2(a)是图1所示二维光栅的单个重复单元的俯视图；
22.图2(b)是本发明实施例一提供的图1所示二维光栅的k矢量图；
23.图3是本发明实施例一提供的另一种二维光栅的结构示意图；
24.图4(a)是图3所示二维光栅的单个重复单元的俯视图；
25.图4(b)是图3所示二维光栅的k矢量图；
26.图4(c)是图3所示二维光栅的衍射效率分布图；
27.图5是本发明实施例二提供的一种二维光栅的单个重复单元的俯视图；
28.图6是本发明实施例二提供的另一种二维光栅的单个重复单元的俯视图；
29.图7是本发明实施例三提供的一种二维光栅的形成方法的流程示意图；
30.图8是本发明实施例四提供的一种光波导的结构示意图；
31.图9是本发明实施例五提供的一种近眼显示设备的结构示意图。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
33.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
34.需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
35.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
36.此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
37.具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述；应当理解的是，二维光栅及其重复单元的结构示意图中，图中的阴影/黑色部分为光栅结构。
38.实施例一
39.本实施例提供了一种二维光栅，请参见图1和图2(a)，其中，图1示出了本实施例提供的一种二维光栅的结构，图2(a)是本实施例提供的一种二维光栅中单个重复单元的结构，所述二维光栅包括凸设于波导片表面的若干个形状相同的条带状结构，所述条带状结构由重复单元沿一个方向(图1中虚线箭头方向)复制延伸形成，各所述条带状结构相同且等距设置，所述条带状结构由第一边界线s1和第二边界线s2限定而成，所述第一边界线s1和所述第二边界线s2为不同的多次曲线。
40.在图2(a)所示示例中，在所述重复单元内，所述第一边界线s1为尖凸型多次曲线，所述第二边界线s2为平凸型多次曲线。且有，所述第一边界线s1(尖凸型)的波峰处对应的竖直方向(即垂直于图1中虚线箭头的方向，中心轴l的方向)上的所述第二边界线s2(平凸型)也处于波峰位置。请参阅图2(b),图2(b)是图1所示二维光栅的k矢量图，其示出了该二维光栅的部分衍射级次的矢量方向。
41.在其他的一些实施例中，请参见图3、图4(a)，其示出的二维光栅具有与图1和图2(a)所示二维光栅具有相反的凹凸结构，该二维光栅包括凹设于波导片表面的若干个形状相同的条带状结构，所述条带状结构由重复单元沿一个方向(图3中虚线箭头方向)复制延
伸形成，各所述条带状结构相同且等距设置，所述条带状结构由第一边界线s1和第二边界线s2限定而成，所述第一边界线s1和所述第二边界线s2为不同的多次曲线。
42.在图4(a)所示示例中，在所述重复单元内，所述第一边界线s1为尖凸型多次曲线，所述第二边界线s2为平凸型多次曲线。且有所述第一边界线s1(尖凸型)的波峰处对应的竖直方向(即垂直于图3中虚线箭头的方向，中心轴l的方向)上的所述第二边界线s2(平凸型)也处于波峰位置。请参阅图4(b)、4(c),图4(b)是图3所示二维光栅的k矢量图，其示出了该二维光栅的部分衍射级次的矢量方向；图4(c)示出了图3所示二维光栅用于实现光束在耦出区域的扩展传播以及耦出时，部分衍射级次的矢量方向的衍射效率的分布，其中，图4(c)中的r0、r1、r2、r3、r4、r5分别对应图4(b)中的前传级次0、扩展级次1、扩展级次2、扩展级次3、扩展级次4、回传级次5。
43.优选的，在图2(a)和图4(a)所示示例中，在所述重复单元中，尖凸型的边界线的波峰与平凸型的边界线的波峰保持相应的一致性，也即，尖凸型的边界线处于波峰处的点对应的竖直方向上的另一平凸型的边界线上的点也处于波峰位置；所述重复单元皆为以中心轴l为对称轴的轴对称图形。
44.在一些实施例中，所述重复单元沿其复制延伸方向(如图1或图3中的虚线箭头所示方向)的周期为200nm-2μm。在一些实施例中，所述条带状结构相对所述波导片表面凸起或凹陷的高度小于2μm。
45.在一些实施例中，所述重复单元的表面镀设有金属氧化膜。在一些实施例中，所述金属氧化膜的厚度为10nm-200nm，镀膜用的材料可以选自如二氧化钛(tio2)和三氧化二铝(al2o3)等金属氧化物中的至少一种。
46.在本实施例中，通过调节所述第一边界线s1的波峰与所述第二边界线s2的波峰的间距d、所述第一边界线s1和所述第二边界线s2在所述波导片表面上的位置、所述第一边界线s1和所述第二边界线s2的曲线面型、所述重复单元沿其复制延伸方向的周期和/或所述条带状结构相对所述波导片表面凸起或凹陷的高度等，可以实现对二维光栅的衍射级次的k矢量的调节，实现光束在耦出区域扩展传播后，耦出效率较为均匀。应该理解的是，所述曲线面型表示曲线弯曲的方向及弯曲幅度等，例如，所述曲线面型可为尖凸型、平凸型等。
47.需要说明的是，在图2(a)和图4(a)所示示例中，重复单元以边界线出现波峰且轴对称的情况来划分，在其他的一些实施例中，所述重复单元也可以以边界线出现波谷且轴对称的情况来划分，或者，以其他的形式来划分，具体地，可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明图2(a)和图4(a)中的实施例的限定。
48.实施例二
49.本实施例提供了一种二维光栅，请参见图5，其本实施例提供的二维光栅的单个重复单元的俯视结构，所述二维光栅包括凸设于波导片表面的若干个形状相同的条带状结构，所述条带状结构由重复单元沿一个方向复制延伸形成，各所述条带状结构相同且等距设置，所述条带状结构由第一边界线s1和第二边界线限定而成，所述第一边界线s1和所述第二边界线s2为不同的多次曲线。
50.在图5所示示例中，在所述重复单元内，所述第一边界线s1为平凸型多次曲线，所述第二边界线s2为尖凸型多次曲线。且有，所述第二边界线s2(尖凸型)的波峰处对应的竖直方向(即图5中中心轴l的方向)上的所述第一边界线s1(平凸型)也处于波峰位置。在其他
的一些实施例中，请参见图6，其示出的二维光栅的单个重复单元具有与图5所示二维光栅的单个重复单元具有相反的凹凸结构，所述二维光栅包括凹设于波导片表面的若干个形状相同的条带状结构，所述条带状结构由重复单元沿一个方向复制延伸形成，各所述条带状结构相同且等距设置，所述条带状结构由第一边界线s1和第二边界线限定而成，所述第一边界线s1和所述第二边界线s2为不同的多次曲线。
51.在图6所示示例中，在所述重复单元内，所述第一边界线s1为平凸型多次曲线，所述第二边界线s2为尖凸型多次曲线，具体地，可根据实际需要设置所述第一边界线s1和所述第二边界线s2的凸面型，不需要拘泥于本发明实施例的限定。
52.优选地，在图5和图6所示示例中，所述重复单元皆为以中心轴l为对称轴的轴对称图形。
53.且有，在图5和图6所示示例中，所述第二边界线s2(尖凸型)的波峰处对应的竖直方向(图5和图6中中心轴l的方向)上的所述第一边界线s1(平凸型)也处于波峰位置；优选地，在其他的一些实施例中，尖凸型的边界线的波峰与平凸型的边界线的波峰保持相应的一致性，也即，尖凸型的边界线处于波峰处的点对应的竖直方向上的另一平凸型的边界线上的点也处于波峰位置。
54.图5和图6所示示例的二维光栅均与实施例一图3所示的二维光栅具有相同的k矢量方向；其用于实现光束在耦出区域的扩展传播以及耦出时，部分衍射级次的矢量方向的衍射效率的分布与图3所示的二维光栅略有差别。
55.在一些实施例中，所述重复单元沿其复制延伸方向(图5和图6中垂直于中心轴l的方向)的周期为200nm-2μm。在一些实施例中，所述条带状结构相对所述波导片表面凸起或凹陷的高度小于2μm。
56.在一些实施例中，所述重复单元的表面镀设有金属氧化膜。在一些实施例中，所述金属氧化膜的厚度为10nm-200nm，镀膜用的材料可以选自如二氧化钛(tio2)和三氧化二铝(al2o3)等金属氧化物中的至少一种。
57.在本实施例中，通过调节所述第一边界线s1的波峰与所述第二边界线s2的波峰的间距d、所述第一边界线s1和所述第二边界线s2在所述波导片表面上的位置、所述第一边界线s1和所述第二边界线s2的曲线面型、所述重复单元沿其复制延伸方向的周期和/或所述条带状结构相对所述波导片表面凸起或凹陷的高度等，可以实现对二维光栅的衍射级次的k矢量的调节，实现光束在耦出区域扩展传播后，耦出效率较为均匀。
58.需要说明的是，在图5和图6所示示例中，重复单元以边界线出现波峰且轴对称的情况来划分，在其他的一些实施例中，所述重复单元也可以以边界线出现波谷且轴对称的情况来划分，或者，以其他的形式来划分，具体地，可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明图5和图6中的实施例的限定。
59.实施例三
60.本实施例提供了一种二维光栅的形成方法，请参见图7，其示出了本实施例提供的一种二维光栅的形成方法的流程，所述形成方法包括：
61.步骤s11：根据对光线耦出效率的需求，确定如实施例一或实施例二所述的二维光栅的优化变量，
62.其中，所述优化变量包括：所述第一边界线的波峰与所述第二边界线的波峰的间
距、所述第一边界线和所述第二边界线在所述波导片表面上的位置、所述第一边界线和所述第二边界线的曲线面型、所述重复单元沿其复制延伸方向的周期和/或所述条带状结构相对所述波导片表面凸起或凹陷的高度。
63.步骤s12：根据所述优化变量在波导片上进行刻蚀作业以形成所述二维光栅。
64.示例性的，本实施例提供的二维光栅的形成方法，可根据用户所需要的光波导的如图4(b)和图4(c)所示的衍射效率的需求，对如实施例一所示示例中的二维光栅的结构中的尺寸参数进行优化，从而得到二维光栅的实际制造参数，即所述的二维光栅的优化变量。从而，根据得到的优化变量在光波导基底上刻蚀所述凹陷的部分，也即在图1、图2(a)中的黑色部分进行刻蚀，以形成如实施例一的一种二维光栅。
65.实施例四
66.本实施例提供了一种光波导，请参见图8，其示出了本实施例提供的一种光波导的结构，所示光波导10包括：波导片11；由一维光栅构成的耦入结构12，设置在所述波导片11的入光侧；由如实施例一或实施例二所述的二维光栅构成的耦出结构13，设置在所述波导片11的出光侧。
67.所述耦入结构12可以为矩形光栅、倾斜光栅、梯形光栅、阶梯光栅、全息光栅或其它一维光栅，具体地，所述耦入结构12可以将光机的投影光线衍射耦合到波导片11内朝耦出结构13的方向全反射传播，可根据实际需要进行设置。
68.所述耦出结构13由如实施例一或实施例二所述的二维光栅构成，该二维光栅易于加工，利于调节耦出效率，具体地，请参见实施例一或实施例二及其附图所示，此处不再详述，所述耦出区域13能够将光线扩散传播，并将部分光线耦出波导基底11进入人眼，从而实现扩瞳显示。
69.实施例五
70.本发明实施例提供了一种近眼显示设备，请参见图9，其示出了本发明实施例提供的一种近眼显示设备的结构，所述近眼显示设备100包括：如实施例四所述的光波导10。
71.本发明实施例提供的近眼显示设备100，由于其光波导10采用的是本发明实施例一或实施例二所示的二维光栅作为耦出结构，该二维光栅具有更多的优化变量，可进行多参数调控来实现对衍射效率的调整。
72.本发明实施例中提供了一种二维光栅及其形成方法、光波导及近眼显示设备，该二维光栅包括凸设或凹设于波导片表面的若干个形状相同的条带状结构，所述条带状结构由重复单元沿一个方向复制延伸形成，各所述条带状结构相同且等距设置，所述条带状结构由第一边界线和第二边界线限定而成，所述第一边界线和所述第二边界线为不同的多次曲线。该二维光栅可以根据光线耦出效率的需求在光波导上刻蚀形成，能够在不增加加工难度的前提下，提高衍射光波导中的二维光栅的调节自由度，可以更好的控制耦出效率分布，实现更好的出瞳均匀性和视场均匀性。
73.需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述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。
74.通过以上的实施方式的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施方式
可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory,rom)或随机存储记忆体(random access memory,ram)等。
75.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；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；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范围。

技术特征：
1.一种二维光栅，其特征在于，包括凸设或凹设于波导片表面的若干个形状相同的条带状结构，所述条带状结构由重复单元沿一个方向复制延伸形成，各所述条带状结构相同且等距设置，所述条带状结构由第一边界线和第二边界线限定而成，所述第一边界线和所述第二边界线为不同的多次曲线。2.根据权利要求1所述的二维光栅，其特征在于，在所述重复单元内，所述第一边界线为尖凸型多次曲线，所述第二边界线为平凸型多次曲线。3.根据权利要求1所述的二维光栅，其特征在于，在所述重复单元内，所述第一边界线为平凸型多次曲线，所述第二边界线为尖凸型多次曲线。4.根据权利要求1-3任一项所述的二维光栅，其特征在于，所述重复单元沿其复制延伸方向的周期为200nm-2μm。5.根据权利要求4所述的二维光栅，其特征在于，所述条带状结构相对所述波导片表面凸起或凹陷的高度小于2μm。6.根据权利要求5所述的二维光栅，其特征在于，所述重复单元的表面镀设有金属氧化膜。7.根据权利要求6所述的二维光栅，其特征在于，所述金属氧化膜的厚度为10nm-200nm。8.一种二维光栅的形成方法，其特征在于，包括：根据对光线耦出效率的需求，确定如权利要求1-7任一项所述的二维光栅的优化变量，其中，所述优化变量包括：所述第一边界线的波峰与所述第二边界线的波峰的间距、所述第一边界线和所述第二边界线在所述波导片表面上的位置、所述第一边界线和所述第二边界线的曲线面型、所述重复单元沿其复制延伸方向的周期和/或所述条带状结构相对所述波导片表面凸起或凹陷的高度；根据所述优化变量在波导片上进行刻蚀作业以形成所述二维光栅。9.一种光波导，其特征在于，包括：波导片；由一维光栅构成的耦入结构，设置在所述波导片的入光侧；由如权利要求1-7任一项所述的二维光栅构成的耦出结构，设置在所述波导片的出光侧。10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括：如权利要求9所述的光波导。

技术总结
本发明实施例涉及光学器件领域，公开了一种二维光栅及其形成方法、光波导及近眼显示设备，该二维光栅包括凸设或凹设于波导片表面的若干个形状相同的条带状结构，所述条带状结构由重复单元沿一个方向复制延伸形成，各所述条带状结构相同且等距设置，所述条带状结构由第一边界线和第二边界线限定而成，所述第一边界线和所述第二边界线为不同的多次曲线。该二维光栅可以根据光线耦出效率的需求在光波导上刻蚀形成，能够在不增加加工难度的前提下，提高衍射光波导中的二维光栅的调节自由度，可以更好的控制耦出效率分布，实现更好的出瞳均匀性和视场均匀性。性和视场均匀性。性和视场均匀性。


技术研发人员：郭晓明 宋强 黄浩 马国斌
受保护的技术使用者：深圳珑璟光电科技有限公司
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2022/5/25