超表面光栅、光波导和头戴式设备制造技术

本发明专利技术提供了一种超表面光栅、光波导和头戴式设备。其中，超表面光栅设置于光波导片靠近光机的一侧，超表面光栅包括高度相同宽度不同的第一条状单元和第二条状单元，第一与第二条状单元相距第一距离平行设置组成超表面光栅的基本单元，基本单元以第二距离周期性地设置于光波导片的表面；在条状单元的高度大于或等于光机发出光束最小波长三分之一的情况下，光束入射到超表面光栅，经过基本单元发生第一次偏转并产生与条状单元高度成正比的相位差，进入光波导片发生第二次偏转并在光波导片中发生全反射，其中光束在宽度不同的两个条状单元之间的耦合可以忽略。本发明专利技术可以通过单片光波导实现彩色显示，有效抑制多级衍射，获得更好的成像效果。好的成像效果。好的成像效果。

【技术实现步骤摘要】
超表面光栅、光波导和头戴式设备


[0001]本专利技术涉及超表面
，尤其涉及一种超表面光栅、光波导和头戴式设备。

技术介绍

[0002]增强现实（Augmented Reality，简称AR）和虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）设备被定义为继电脑、手机之后的下一代人和数据的交互平台，让人与人、人与机器、人与数据的沟通变得更加自然高效，在智能制造、航空航天、医疗健康、教育教学、金融服务、公共安全、文化娱乐等领域具有重要的应用前景。第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，简称5G）、第六代移动通信技术（6th Generation Mobile Communication Technology，简称6G）、人工智能、大数据等技术的发展，进一步促进了AR和VR设备的发展。AR技术是将真实世界信息与虚拟世界信息“无缝”叠加的技术形式。
[0003]光波导是一种利用光栅实现图像近眼显示的技术，随着光学元件从毫米级别到微纳米级别，从“立体”转向“平面”，促进了光波导在AR设备中的应用。光波导可以通过全反射压缩将图像传导到人眼，具有轻薄、透过率高的特点，外观接近近视镜片，比较符合消费级AR设备的需求。目前AR行业中最为领先的微软的HoloLens，是通过将2到3片光波导片叠加实现三色混色，形成彩色画面，其中每片光波导片都采用表面浮雕光栅用于光的耦和耦出。多片光波导片叠加使用容易产生色散、鬼影等问题，并且其投影部分光机体积较大、存在多级衍射导致图像外泄、双目视差引起的眩晕问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种超表面光栅、光波导和头戴式设备，用以解决现有技术中光波导中耦入光栅容易产生色散、鬼影等问题，以及多级衍射导致图像外泄、双目视差引起的眩晕问题，可以通过单片光波导实现彩色显示，提高衍射效率，有效抑制多级衍射，获得更好的成像效果，可以满足AR设备的需求。
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种超表面光栅，所述超表面光栅设置于光波导片靠近光机一侧的表面上，所述超表面光栅包括：第一条状单元和第二条状单元；所述第一条状单元与所述第二条状单元具有相同的高度，所述第一条状单元的宽度小于所述第二条状单元的宽度，并且小于条状单元的高度；所述第一条状单元与所述第二条状单元相距第一距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述超表面光栅的基本单元，所述基本单元以第二距离周期性地设置于所述光波导片的表面上；在所述条状单元的高度大于或者等于所述光机发出的光束最小波长的三分之一的情况下，所述光机发出的光束入射到所述超表面光栅，经过所述基本单元发生第一次偏转，并累计产生与所述条状单元的高度成正比的相位差，进入所述光波导片发生第二次偏转，并在所述光波导片中发生全反射，其中光束在宽度不同的两个条状单元之间的耦合可以忽略。
[0006]根据本专利技术提供的超表面光栅，所述相位差根据常数、所述光束的波长、所述条状单元的高度以及所述第一条状单元与所述第二条状单元之间的有效折射率确定；两次偏转累计产生的偏转角度的正弦值根据所述光束的波长、所述光波导片的折射率以及所述超表面光栅的第二距离确定；所述超表面光栅的第一距离根据常数 、所述相位差、所述光束的波长以及所述偏转角度的正弦值确定。
[0007]根据本专利技术提供的超表面光栅，所述第一条状单元与所述第二条状单元采用相同的材料，所述材料包括氧化硅、氮化硅、氮化镓和二氧化钛中的一种。
[0008]根据本专利技术提供的超表面光栅，所述光波导片的材料为熔融石英。
[0009]根据本专利技术提供的超表面光栅，所述超表面光栅是以所述光波导片为基底，采用半导体制造工艺制作。
[0010]根据本专利技术提供的超表面光栅，所述第一条状单元和所述第二条状单元的材料为二氧化钛，所述第一条状单元与所述第二条状单元的高度为150~450nm，所述第一条状单元的宽度为20~100nm，所述第二条状单元的宽度为60~200nm，所述第一距离为100~300nm，所述第二距离为400~1000nm。
[0011]第二方面，本专利技术提供了一种光波导，包括：光波导片、耦入光栅和耦出光栅；所述耦入光栅采用根据第一方面所述的超表面光栅；所述耦出光栅为表面浮雕光栅，设置于所述光波导片靠近人眼一侧的表面上；从所述耦入光栅入射的光束在所述光波导片中发生全反射，并从所述耦出光栅出射在人眼成像。
[0012]根据本专利技术提供的光波导，所述耦入光栅与所述耦出光栅设置于所述光波导片同一侧的表面上；或者，所述耦入光栅与所述耦出光栅设置于所述光波导片相对两侧的表面上。
[0013]第三方面，本专利技术提供了一种头戴式设备，包括第二方面所述的光波导制作的镜片。
[0014]根据本专利技术提供的头戴式设备，包括增强现实眼镜和增强现实头盔中的一种。
[0015]本专利技术实施例提供的超表面光栅、光波导和头戴式设备，通过将超表面光栅作为光波导中的耦入光栅使用，可以将现有单片光栅的有效光谱范围从465nm扩展到615nm，通过单片光波导实现彩色显示，解决色散、鬼影等问题；并且可以将耦入光栅的衍射效率从10%左右提高到80%以上，有效抑制多级衍射，解决图像外泄、双目视差引起的眩晕问题，可以获得更好的成像效果；同时，薄膜型的超表面光栅轻薄体积小、可以提升耦入光栅的光耦合效率，降低元器件的功耗，从而提升光波导的光学效率；并且使可以通过调整光波导片的折射率，扩大视场角，视场角可以达到50
°
；可以满足AR设备对于轻小型、隐私性、高效性、长时间佩戴的需求。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术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，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，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。
[0017]图1是本专利技术提供的一种超表面光栅的主视图；图2是图1中超表面光栅的俯视图；图3是具有图1中超表面光栅的光波导的示意图；图4是光束通过图3中的光波导进入人眼成像的示意图；图5是本专利技术提供的超表面光栅一实施例的相移示意图；图6是本专利技术提供的超表面光栅一实施例的相位示意图；图7是本专利技术提供的超表面光栅一实施例的衍射效率的示意图；图8是本专利技术提供的超表面光栅一实施例的视场角的示意图。
具体实施方式
[0018]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]超表面是由亚波长尺度的单元构成的功能膜层，可以实现对电磁波振幅、相位、偏振等特性的灵活调控，具有调控精度高、结构平面化、集成度高、多重功能等诸多优点，超本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超表面光栅，其特征在于，所述超表面光栅设置于光波导片靠近光机一侧的表面上，所述超表面光栅包括：第一条状单元和第二条状单元；所述第一条状单元与所述第二条状单元具有相同的高度，所述第一条状单元的宽度小于所述第二条状单元的宽度，并且小于条状单元的高度；所述第一条状单元与所述第二条状单元相距第一距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述超表面光栅的基本单元，所述基本单元以第二距离周期性地设置于所述光波导片的表面上；在所述条状单元的高度大于或者等于所述光机发出的光束最小波长的三分之一的情况下，所述光机发出的光束入射到所述超表面光栅，经过所述基本单元发生第一次偏转，并累计产生与所述条状单元的高度成正比的相位差，进入所述光波导片发生第二次偏转，并在所述光波导片中发生全反射，其中光束在宽度不同的两个条状单元之间的耦合可以忽略。2.根据权利要求1所述的超表面光栅，其特征在于，所述相位差根据常数、所述光束的波长、所述条状单元的高度以及所述第一条状单元与所述第二条状单元之间的有效折射率确定；两次偏转累计产生的偏转角度的正弦值根据所述光束的波长、所述光波导片的折射率以及所述超表面光栅的第二距离确定；所述超表面光栅的第一距离根据常数 、所述相位差、所述光束的波长以及所述偏转角度的正弦值确定。3.根据权利要求2所述的超表面光栅，其特征在于，所述第一条状单元与所述第二条状单元采用相同的材...

【专利技术属性】
技术研发人员：王萌光，李勇，吴斐，
申请(专利权)人：北京亮亮视野科技有限公司，
类型：发明
国别省市：