本发明专利技术公开了一种共振光栅波导结构，包括：至少一层波导结构层，每层波导结构层设有至少一对耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅；其中，耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅均为多层结构，均是由从上至下依次叠放设置的光栅层、低折射率层、高折射率层和透明波导基底构成：光栅层的光栅周期处于亚波长范围；所述耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅的透明波导基底为共用的同一个透明波导基底。能避免由色散效应带来的颜色不均匀问题，实现高色纯度、颜色均匀的全彩显示并实现最大视场角。角。角。
【技术实现步骤摘要】
共振光栅波导结构及近眼显示装置
[0001]本专利技术涉及近眼显示领域，尤其涉及一种应用于AR、VR等近眼显示器件能实现高质量全彩显示的共振光栅波导结构及近眼显示装置。
技术介绍
[0002]增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来倍受关注的热点科技领域，伴随着5G技术的发展，其未来市场化前景已日趋明朗，使得近眼显示技术得到了快速发展。其中增强现实(AR)是一种将数字化信息(包括文字、图像、视频等)叠加到现实物理世界之上的技术。AR带来数字世界与物理世界的融合，其显著特征是要兼具强透视性及强移动性，AR眼镜成像系统不会遮挡视线前方，能不影响对现实环境的正常观察，给用户带来移动场景的切实感受。目前市场上的AR眼镜采用的显示系统是各种微显示屏与棱镜、Bird Bath、自由曲面、光波导等光学元件的组合，能将虚拟图像耦合进入人眼。其中光波导技术因其轻薄、对外界光线的高穿透特性而被认为是AR眼镜走向消费级的必选光学方案，无论从光学效果、外观美化、量产前景来说，都具备很大的发展潜力。
[0003]光波导总体上可以分为几何光波导和衍射光波导两种。由于光栅在设计和生产上的灵活性，使得衍射光波导技术在可量产性和产品良率方面都比几何光波导具有更大的优势。得益于微加工技术和“平面光学”技术的发展，目前表面浮雕光栅波导被国际上多家大公司采用并已验证其可量产性。光栅波导的优势主要体现在光栅区域的面积、形态、排布方式可以根据AR眼镜的光学参数要求和外形设计来灵活调节。由于采用和光纤技术一样的全反射原理，光栅波导显示器件可以做到和普通眼镜镜片一样轻薄透明。
[0004]由于衍射元件本身对于角度和波长的选择性，导致了目前的光栅波导存在色散的问题，主要表现为视场角(FOV)和动眼框内的颜色不均匀，即“彩虹效应”。图1所示为单层结构光栅波导的示意图，由于同一个衍射光栅对应于不同波长的光会有不同的衍射角度，处于不同波段的红绿蓝(RGB)三色光通过入射光栅发生衍射后，对应的衍射角θ就会不同，存在θ
R
＞θ
G
＞θ
B
，使得每种颜色的光每完成一次全反射在波导中所经过的光程不同，进而在整个传播过程中发生全反射的次数不同，这便导致了光在经过出射光栅时，眼睛移动到动眼框的不同位置看到的RGB色彩比例是不均匀的；另外，即使同一颜色的光衍射效率也会随着入射角度的不同而变化，这就导致在整个视场角(FOV)范围内红绿蓝三色光的分布比例也会不同，因此出现了“彩虹效应”。为了改善单层结构光栅波导的色散问题并实现最大的FOV，目前采用的解决方案是如图2所示的多层结构光栅波导，将红绿蓝三色光分别耦合到三层波导里面，每一层波导只传导单一颜色的光，对应的耦入、耦出光栅只针对某一个颜色而优化，调整光栅参数使衍射角度达到最大FOV，从而可以改善最终在动眼框范围的颜色均匀性，进而减小“彩虹效应”。但是由于针对某一颜色光而优化的光栅在一定角度范围内仍会衍射其他颜色的光，并且每一种颜色的光并不是对应一个波长而是覆盖一定波长范围，所以只能在一定程度上改善色散问题，“彩虹效应”也仅是在一定程度上改善但并不能消除，同时这种多层结构光栅波导方案还存在对所覆盖颜色光的波段和入射角范围(即最大
视场角，FOV)很难兼顾的问题。
[0005]因此，如何克服衍射元件带来的色散问题，实现高色纯度、颜色均匀的全彩显示并实现最大的FOV是目前光栅波导急需解决的问题。
[0006]有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的是提供了一种能实现全彩显示的共振光栅波导组件及近眼显示装置，能避免由色散效应带来的颜色不均匀问题，实现高色纯度、颜色均匀的全彩显示并实现最大视场角，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
[0008]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009]本专利技术实施方式提供一种共振光栅波导结构，包括：
[0010]至少一层波导结构层，每层波导结构层设有至少一对耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅；其中，
[0011]所述耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅均为多层结构，均是由从上至下依次叠放设置的光栅层、低折射率层、高折射率层和透明波导基底构成：所述光栅层的光栅周期处于低于入射光在真空中波长的亚波长范围；
[0012]所述耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅的透明波导基底110为共用的同一个透明波导基底。
[0013]本专利技术实施方式还提供一种近眼显示装置，采用本专利技术所述的共振光栅波导结构作为光栅波导器件。
[0014]与现有技术相比，本专利技术所提供的共振光栅波导结构及近眼显示装置，其有益效果包括：
[0015]通过在每层波导结构层设置至少一对耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅，两者的透明波导基底为共用的同一个透明波导基底，形成了在同一个透明波导基底表面间隔分开设置耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅，实现了入射光耦入和耦出的共振衍射，能对对应波长和入射角度的光产生共振衍射，对其它波长和入射角度的光的衍射效率接近于零；并且由于耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅的光栅周期处于亚波长范围(即低于入射光在真空中的波长)，使得透明波导基底中能够传导的衍射级次有限，有利于减少杂散光，使波导结构对周围环境光具有更高的穿透性；通过调节耦入共振波导光栅和耦出共振波导光栅的光栅参数，能使红、绿、蓝三色光在相同衍射角度下发生共振衍射，实现无色散共振衍射，进而解决现有光栅波导等衍射元件的色散效应问题，从根本上消除“彩虹效应”，实现高色纯度全彩显示。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
[0017]图1为现有技术提供单层结构光波导的示意图；
[0018]图2为现有技术提供多层结构光波导的示意图；
[0019]图3(a)为本专利技术实施例提供的单层共振光栅波导结构的示意图；
[0020]图3(b)为本专利技术实施例提供的三层共振光栅波导结构的示意图；
[0021]图4为本专利技术实施例提供的共振光栅波导结构的耦入、耦出共振波导光栅的结构示意图；
[0022]图5为本专利技术实施例提供共振光栅波导结构的耦入共振波导光栅各级衍射效率随入射角度变化的RCWA仿真模拟结果(入射光波长520纳米，TE偏振)；
[0023]图6为本专利技术实施例提供共振光栅波导结构的耦入共振波导光栅各级衍射效率随入射角度变化的RCWA仿真模拟结果(入射光波长520纳米，TM偏振)；
[0024]图7为本专利技术实施例提供共振光栅波导结构的耦入共振波导光栅在红、绿、蓝光入射下发生共振衍射的RCWA仿真计算结果：在特定光栅参数下红、绿、蓝光在相同入射角度下发生共振衍射且衍射角度相同，即无色散共振衍射。(红光波长630纳米，绿光520纳米，蓝本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种共振光栅波导结构，其特征在于，包括：至少一层波导结构层，每层波导结构层设有至少一对耦入共振波导光栅(120)和耦出共振波导光栅(130)；其中，所述耦入共振波导光栅(120)和耦出共振波导光栅(130)均为多层结构，均是由从上至下依次叠放设置的光栅层、低折射率层、高折射率层和透明波导基底(110)构成：所述光栅层的光栅周期处于低于入射光在真空中波长的亚波长范围；所述耦入共振波导光栅(120)和耦出共振波导光栅(130)的透明波导基底(110)为共用的同一个透明波导基底。2.根据权利要求1所述的共振光栅波导结构，其特征在于，所述波导结构层为三层，三层波导结构层从上至下叠加设置，每层波导结构层对应衍射传播一种不同颜色的光。3.根据权利要求1所述的共振光栅波导结构，其特征在于，所述耦入共振波导光栅(120)与耦出共振波导光栅(130)中，所述光栅层的折射率小于所述高折射率层的折射率且大于所述低折射率层的折射率；所述透明波导基底(110)的折射率小于所述高折射率层的折射率且大于所述低折射率层的折射率。4.根据权利要求3所述的共振光栅波导结构，其特征在于，所述光栅层的折射率与所述透明波导基底(110)的折射率相同或不同。5.根据权利要求3或4所述的共振光栅波导结构，其特征在于，所述高折射率层的折射率为2.0～4.0；所述低折射率层的折射率为1.0～1.5；所述光栅层的折射率为1.5～2.0所述透明波导基底(110)的折射率为1.5～2.0。6.根据权利要求1至4任一项所述的共振光栅波导结构，其特征在于，所述光栅层的高度为40～200纳米；所述低折射率层的厚度为30～200纳米；所述高折射率层的厚度为30～300纳米。...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈鸿，王丙杰，李会会，张威，史晓刚，
申请(专利权)人：北京枭龙科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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