衍射光波导及其设计方法和形成方法、以及显示设备技术

本申请公开了一种衍射光波导，其光栅结构包括布置成阵列的多个光学单元结构，光学单元结构的横截面具有两端小、中间大的形状，横截面的长度L和最大宽度W满足0.2L≤W≤0.8L，并且在其上顶点和左顶点、上顶点和右顶点、下顶点和左顶点、以及下顶点和右顶点之间分别形成第一轮廓曲线、第二轮廓曲线、第三轮廓曲线和第四轮廓曲线。本申请还公开了包括该衍射光波导的显示设备以及用于该衍射光波导的设计和形成方法。根据本发明专利技术实施例，通过基于曲线方程来设计光学单元结构的横截面，具有非常高的设计自由度，并且能够更好地调控衍射光波导耦出效率的分布，有利于获得性能更佳的衍射光波导的设计方案。基于该波导设计方法的波导形成方法具有相应的优点。方法具有相应的优点。方法具有相应的优点。

【技术实现步骤摘要】
衍射光波导及其设计方法和形成方法、以及显示设备


[0001]本专利技术涉及基于衍射的显示技术，特别是衍射光波导及其设计方法和形成方法以及具有衍射光波导的显示设备。

技术介绍

[0002]基于衍射的显示技术近年来发展迅速，其可应用在近眼显示装置、头戴式显示装置和平视显示装置等显示装置中。衍射光波导是可以用于衍射显示技术的一种重要光学器件。一种可用于显示的衍射光波导在波导基底上设置有耦入光栅和耦出光栅；耦入光栅将载有图像信息的入射光耦入波导基底中；耦出光栅一边对载有图像信息的光进行传播和扩展，一边将光从波导基底中耦出，形成耦出光场。眼睛接收耦出光场的光，从而可以例如观察到入射光所载图像。
[0003]衍射光波导的耦出光栅可以采用二维光栅结构，二维光栅结构中光学单元结构通常采用横截面为圆形、矩形、菱形结构，光耦入这样的耦出光栅时会出现中间亮线，同时会导致两侧分光能量降低，不利于光能向两侧扩展，影响波导出光均匀性。
[0004]为了改善亮度和均匀性，人们提出了不同的光学单元结构横截面形状。然而，一方面，难以设计获得能够显著改善亮度和均匀性的单元结构横截面形状；另一方面，一些横截面形状的加工精度难以保证，加工之后的形状对设计的形状的还原性较差，不利于调控衍射光波导的衍射性能的分布。因此，亟待提出新的衍射光波导及其设计和形成方法，以克服上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种衍射光波导及其设计方法和形成方法、以及包括该衍射光波导的显示设备，以至少部分地克服了现有技术中的不足。
[0006]根据本专利技术的一个方面，提供了一种衍射光波导，其包括波导基板和形成在所述波导基板上的光栅结构，所述光栅结构用于将在所述波导基板内沿耦入方向传播进入其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出，所述光栅结构包括沿一平面布置成阵列的多个光学单元结构，所述光学单元结构为形成在所述波导基板上的柱状结构，并具有平行于所述平面的横截面，其中：
[0007]所述横截面沿第一方向整体上具有两端小、中间大的形状，并且在第一方向上具有彼此相反的上顶点和下顶点，在垂直于第一方向的第二方向上具有彼此相反的左顶点和右顶点，上顶点、下顶点、左顶点和右顶点分别为横截面的轮廓向外凸的极值点；
[0008]所述横截面的上顶点和下顶点在第一方向上的距离为所述横截面的长度L，左顶点和右顶点在第二方向上的最大距离为所述横截面的最大宽度W，0.2L≤W≤0.8L；并且
[0009]所述横截面在上顶点和左顶点、上顶点和右顶点、下顶点和左顶点、以及下顶点和右顶点之间分别形成第一轮廓曲线、第二轮廓曲线、第三轮廓曲线和第四轮廓曲线，第一轮廓曲线和第二轮廓曲线构造为使得随着靠近上顶点，所述横截面在第二方向上的宽度逐渐
缩小，第三轮廓曲线和第四轮廓曲线构造为使得随着靠近下顶点，所述横截面在第二方向上的宽度逐渐缩小。
[0010]有利地，第一轮廓曲线与第二轮廓曲线在上顶点处是光滑连续的并且具有上曲率半径R1，第三轮廓曲线和第四轮廓曲线在下顶点处是光滑连续的并且具有下曲率半径R2，其中R1≤L/8，R2≤L/8。
[0011]在一些实施例中，上顶点和下顶点之间的连线平行于第一方向，并且所述横截面相对于所述连线是对称的。
[0012]在一些实施例中，所述横截面相对于平行于第二方向的一轴线是对称的。
[0013]在一些实施例中，左顶点包括左上顶点和左下顶点，左上顶点和左下顶点之间形成左侧凹陷部；右顶点包括右上顶点和右下顶点，右上顶点和右下顶点之间形成右侧凹陷部；并且第一轮廓曲线形成在上顶点和左上顶点之间，第二轮廓曲线形成在上顶点和右上顶点之间，第三轮廓曲线形成在下顶点和左下顶点之间，第四轮廓曲线形成在下顶点和右下顶点之间。
[0014]有利地，左上顶点和左下顶点在第一方向上的距离为第一间距d1，右上顶点和右下顶点在第一方向上的距离为第二间距d2，d1≤0.5L，且d2≤0.5L。优选地，d1≤0.3L，且d2≤0.3L。
[0015]有利地，所述左侧凹陷部和所述右侧凹陷部具有圆弧形的轮廓。
[0016]有利地，所述光学单元结构的所述横截面在上顶点、下顶点、左顶点和右顶点处均具有连续可导的曲线轮廓。
[0017]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种显示设备，其包括如上所述的衍射光波导。
[0018]在一些实施例中，所述显示设备为近眼显示设备，并且包括镜片和用于将镜片保持为靠近眼睛的框架，所述镜片包括所述衍射光波导。
[0019]在一些实施例中，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
[0020]根据本专利技术的又一个方面，提供了一种用于如上所述衍射光波导的波导设计方法，该方法包括：
[0021](1)获取所述衍射光波导的基本参数，所述基本参数包括所述波导基板的折射率、所述光栅结构的折射率以及所述波导基板的工作波长；
[0022](2)初始化衍射光波导中的光栅结构，建立用于表示该光栅结构中表示所述光学单元结构的所述横截面的第一轮廓曲线、第二轮廓曲线、第三轮廓曲线和第四轮廓曲线的曲线方程，所述曲线方程包括方程参数；
[0023](3)基于所述衍射光波导的基本参数，以至少包括所述方程参数的优化变量对所述光栅结构进行优化处理，并将满足优化目标的所述优化变量的值确定为优化参数，所述优化目标包括所述衍射光波导的出射光场的光能量分布均匀性和/或所述衍射光波导的光能量耦合效率；和
[0024](4)输出所述衍射光波导的优化方案，所述优化方案包括所述优化参数。
[0025]在一些实施例中，所述优化变量还包括所述曲线方程的数量、所述光学单元结构在垂直于所述平面的方向上的高度、以及所述光学单元结构布置成的所述阵列的参数中的至少一者。
[0026]在一些实施例中，所述曲线方程的数量可以为2、3或4个。
[0027]在一些实施例中，所述阵列包括由所述多个光学单元结构排列形成的沿所述第二方向延伸的多个行，并且所述优化变量包括所述阵列的以下参数中的至少一项：所述多个行在所述第一方向上的预定间隔D、所述光学单元结构在所述行中的周期P以及所述多个行中相邻的两行中的所述光学单元结构在所述第二方向上的错位量。
[0028]根据本专利技术的再一个方面，提供了一种用于如权利要求1所述的衍射光波导的波导形成方法，该方法包括：采用如上所述的波导设计方法设计所述衍射光波导；以及基于所述输出的所述衍射光波导的优化方案，采用微纳米或半导体加工技术形成所述衍射光波导。
[0029]根据本专利技术实施例的衍射光波导中，光学单元结构的横截面具有特定曲线轮廓，其边缘圆滑具有非常好的可加工性，有利于实现高精度还原和量产。此外，单元结构的曲线轮廓横截面拥有非常高的设计自由度，能够用于更好地调控衍射光波导耦出效率的分布，有利于实现高耦出效率和高均匀性。具有这种衍射光波导的显示设备相应地具有高亮度和高均匀性的优点。
[0030]根据本专利技术实施例的波导设计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种衍射光波导，包括波导基板和形成在所述波导基板上的光栅结构，所述光栅结构用于将在所述波导基板内沿耦入方向传播进入其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出，所述光栅结构包括沿一平面布置成阵列的多个光学单元结构，所述光学单元结构为柱状结构，并具有平行于所述平面的横截面，其中，所述横截面整体上具有两端小、中间大的形状，并且在第一方向上具有上顶点和下顶点，在垂直于第一方向的第二方向上具有左顶点和右顶点，上顶点、下顶点、左顶点和右顶点分别为横截面的轮廓向外凸的极值点；所述横截面的上顶点和下顶点在第一方向上的距离为所述横截面的长度L，左顶点和右顶点在第二方向上的最大距离为所述横截面的最大宽度W，0.2L≤W≤0.8L；并且所述横截面在上顶点和左顶点、上顶点和右顶点、下顶点和左顶点、以及下顶点和右顶点之间分别形成第一轮廓曲线、第二轮廓曲线、第三轮廓曲线和第四轮廓曲线，第一轮廓曲线和第二轮廓曲线构造为使得随着靠近上顶点，所述横截面在第二方向上的宽度逐渐缩小，第三轮廓曲线和第四轮廓曲线构造为使得随着靠近下顶点，所述横截面在第二方向上的宽度逐渐缩小。2.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，第一轮廓曲线与第二轮廓曲线在上顶点处是光滑连续的并且具有上曲率半径R1，第三轮廓曲线和第四轮廓曲线在下顶点处是光滑连续的并且具有下曲率半径R2，其中R1≤L/8，R2≤L/8。3.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，上顶点和下顶点之间的连线平行于第一方向，并且所述横截面相对于所述连线是对称的。4.如权利要求1所述的衍射光波导，其中，所述横截面相对于平行于第二方向的一轴线是对称的。5.如权利要求1
‑
4中任一项所述的衍射光波导，其中，左顶点包括左上顶点和左下顶点，左上顶点和左下顶点之间形成左侧凹陷部；并且右顶点包括右上顶点和右下顶点，右上顶点和右下顶点之间形成右侧凹陷部；第一轮廓曲线形成在上顶点和左上顶点之间，第二轮廓曲线形成在上顶点和右上顶点之间，第三轮廓曲线形成在下顶点和左下顶点之间，第四轮廓曲线形成在下顶点和右下顶点之间。6.如权利要求5所述的衍射光波导，其中，左上顶点和左下顶点在第一方向上的距离为第一间距d1，右上顶点和右下顶点在第一方向上的距离为第二间距d2，d1≤0.5L，且d2≤0.5L，优选d1≤0.3L，且d2≤0.3L。7.如权利要求5所述的衍射光波导，其中，所述左侧凹陷部和所述右侧凹陷部具有圆弧...

【专利技术属性】
技术研发人员：范真涛，赵兴明，田克汉，
申请(专利权)人：嘉兴驭光光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：