本发明专利技术提供了一种具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备。其中，光波导包括光波导片、结构不同的第一和第二超表面光栅；第一超表面光栅包括高度和宽度相同的三个条状单元；三个条状单元之间相距第一距离平行设置组成基本单元，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，光束入射到第一超表面光栅发生第一次偏转并产生与条状单元高度成正比的相位差，进入光波导片向两侧发生第二次偏转并发生全反射，分别从二个第二超表面光栅出射在人眼成像，第二超表面光栅只对光束进行单向偏转。本发明专利技术通过第一超表面光栅可以向两侧实现双向扩瞳，提高光波导的利用率。的利用率。的利用率。
【技术实现步骤摘要】
具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备
[0001]本专利技术涉及超表面
，尤其涉及一种具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备。
技术介绍
[0002]增强现实（Augmented Reality，简称AR）通过将虚拟图像投影到人眼与现实空间叠加在一起，形成亦真亦幻的显示效果。增强现实以其人机可交互性﹑逼真的沉浸感以及丰富的想象空间，为使用者提供了前所未有的体验，在工业、消费类电子等领域有着非常广阔的应用前景。增强现实显示设备的实现方案通常为基于传统几何光学透镜的方案或者基于光波导的方案。
[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。
[0004]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
[0005]本专利技术提供一种具有两种超表面光栅的光波导和头戴式设备，用以解决现有技术中光波导容易产生色散、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。
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种具有两种超表面光栅的光波导，包括：光波导片、第一超表面光栅和二个第二超表面光栅；所述第一超表面光栅设置于所述光波导片靠近光机一侧的表面上的中间区域，二个所述第二超表面光栅分别设置于所述光波导片靠近人眼一侧的表面上的左右两侧区域；所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅具有不同的结构，所述第一超表面光栅包括：第一条状单元、第二条状单元和第三条状单元，所述第一条状单元、所述第二条状单元和所述第三条状单元具有相同的高度和宽度，并且条状单元的宽度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、所述第二条状单元与所述第三条状单元分别相距第一距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述第一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第一超表面光栅，经过所述基本单元发生第一
次偏转，并累计产生所述条状单元的高度成正比的相位差，进入所述光波导片向两侧发生第二次偏转，向两侧发生偏转的光束分别在所述光波导片中发生全反射，并分别从二个所述第二超表面光栅出射在人眼成像，其中，所述第二超表面光栅只对光束进行单向偏转，光束在所述基本单元中三个条状单元之间的耦合可以忽略。
[0007]根据本专利技术提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅设置于所述光波导片同一侧的表面上；或者，所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅设置于所述光波导片相对两侧的表面上。
[0008]根据本专利技术提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述第二超表面光栅包括：第四条状单元和第五条状单元，所述第四条状单元与所述第五条状单元具有相同的高度，所述第四条状单元的宽度小于所述第五条状单元的宽度，并且小于条状单元的高度；所述第四条状单元与所述第五条状单元相距第三距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述第二超表面光栅的基本单元，所述基本单元以第四距离周期性地设置于所述光波导片的表面上。
[0009]根据本专利技术提供的具有两种超表面光栅的光波导，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基本单元中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第一超表面光栅的第二距离确定；所属第一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。
[0010]根据本专利技术提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述第一条状单元、所述第二条状单元和所述第三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；和/或，所述第四条状单元和所述第五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。
[0011]根据本专利技术提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述光波导片的材料为熔融石英。
[0012]根据本专利技术提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述第一超表面光栅与所述第二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。
[0013]根据本专利技术提供的具有两种超表面光栅的光波导，所述第一条状单元、所述第二条状单元、所述第三条状单元、所述第四条状单元和所述第五条状单元的材料为二氧化钛；所述第一条状单元、所述第二条状单元、所述第三条状单元、所述第四条状单元和所述第五条状单元的高度为150~450nm，所述第一条状单元、所述第二条状单元和所述第三条状单元的宽度为20~150nm，所述第四条状单元的宽度为20~100nm，所述第五条状单元的宽度为60~200nm；所述第一距离和所述第三距离为100~300nm，所述第二距离和所述第四距离为400~1000nm，所述光波导片的折射率为1.4~2.2。
[0014]第二方面，本专利技术提供了一种头戴式设备，包括第一方面所述具有两种超表面光
栅的光波导制作的镜片。
[0015]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。
[0016]本专利技术提供了一种具有两种超表面光栅的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和耦出光栅使用，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；并且耦入光栅只保留正负一级衍射光向两侧扩瞳，可以提高光波导的利用率；其中单侧衍射效率可以达到40%以上，总的一级衍射效率可以达到80%以上，可以有效抑制多级衍射，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、作为耦入光栅可以降低元器件的功耗，从而提升光波导的光学效率；并且可以通过调整光波导片的折射率，扩大视场角，使视场角可以达到50
°
；作为耦出光栅可以保持较高的反射效率，方便扩瞳；通过耦入光栅与耦出光栅的组合可以实现二维扩瞳；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
[0017]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，还本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有两种超表面光栅的光波导，其特征在于，包括：光波导片、第一超表面光栅和二个第二超表面光栅；所述第一超表面光栅设置于所述光波导片靠近光机一侧的表面上的中间区域，二个所述第二超表面光栅分别设置于所述光波导片靠近人眼一侧的表面上的左右两侧区域；所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅具有不同的结构，所述第一超表面光栅包括：第一条状单元、第二条状单元和第三条状单元，所述第一条状单元、所述第二条状单元和所述第三条状单元具有相同的高度和宽度，并且条状单元的宽度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、所述第二条状单元与所述第三条状单元分别相距第一距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述第一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第一超表面光栅，经过所述基本单元发生第一次偏转，并累计产生所述条状单元的高度成正比的相位差，进入所述光波导片向两侧发生第二次偏转，向两侧发生偏转的光束分别在所述光波导片中发生全反射，并分别从二个所述第二超表面光栅出射在人眼成像，其中，所述第二超表面光栅只对光束进行单向偏转，光束在所述基本单元中三个条状单元之间的耦合可以忽略。2.根据权利要求1所述的具有两种超表面光栅的光波导，其特征在于，所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅设置于所述光波导片同一侧的表面上；或者，所述第一超表面光栅与所述第二超表面光栅设置于所述光波导片相对两侧的表面上。3.根据权利要求1或2所述的具有两种超表面光栅的光波导，其特征在于，所述第二超表面光栅包括：第四条状单元和第五条状单元，所述第四条状单元与所述第五条状单元具有相同的高度，所述第四条状单元的宽度小于所述第五条状单元的宽度，并且小于条状单元的高度；所述第四条状单元与所述第五条状单元相距第三距离，平行地设置于所述光波导片的表面上，组成所述第二超表面光栅的基本单元，所述基本单元以第四距离周期性地设置于所...
【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：
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