一种基于高折射率材料的-2级倾斜光栅及应用制造技术

本发明专利技术公开一种基于高折射率材料的

【技术实现步骤摘要】
一种基于高折射率材料的
‑
2级倾斜光栅及应用


[0001]本专利技术涉及
，特别涉及一种基于高折射率材料的
‑
2级倾斜光栅及应用。

技术介绍

[0002]VR/AR技术在娱乐、教育、医疗与军事等方面有着巨大的应用前景及发展趋势。增强现实(AR)与虚拟现实(VR)的近眼显示系统是关键的一环，近眼显示设备是将显示器上的像素,通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中，而衍射光栅在VR/AV近眼显示设备中是关键元器件。常见的一维光栅有矩形光栅，闪耀光栅和倾斜光栅，矩形光栅的0级衍射占据了绝大部分效率，有用的衍射级次效率较低。闪耀光栅和倾斜光栅可以用来提升衍射光栅波导的性能，但是闪耀光栅用于可见光波段时，生产工艺精度要求非常高，导致大规模生产良率低。倾斜光栅的衍射能量可以绝大部分集中在非0级，更适合于波导衍射传输和成像，倾斜光栅的应用范围相对于闪耀光栅来说更加广泛，因此倾斜光栅使用在基于光导的AR/VR显示系统中具有显著优势。
[0003]倾斜光栅的研究设计及应用已经得到了许多人的关注。李树斌等人设计了高效率倾斜光栅【在先技术1：申请号201310285669.5和在先技术2：申请号201310645651.1】，但是该倾斜光栅应用其
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1级衍射光，其设计波长并不适合应用在AR/VR领域。而为了提高衍射效率，传统标量光栅已经不满足需求，高密度倾斜光栅的设计必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波算法【在先技术3:M.G Moharam et al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。利用严格耦合波分析及模拟退火算法，优化设计倾斜光栅。但据我们所知，目前为止，还没有人针对常用620纳米波长的红光给出制作基于高折射率材料的
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2级倾斜光栅。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于高折射率材料的
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2级倾斜光栅，该倾斜光栅能使TE偏振光垂直入射时，实现中心波长620纳米
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2级衍射效率高于80％，且
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2级衍射级次在光波导层内实现全内反射。在AR/VR
具有重要的实用价值。
[0005]本专利技术的另一技术目的在于，提供一种基于高折射率材料的
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2级倾斜光栅在近眼显示设备上的应用。
[0006]本专利技术的技术方案为：一种基于高折射率材料的
‑
2级倾斜光栅，包括光波导层和光栅层，所述光波导层和光栅层采用折射率为1.71的树脂材料制成，所述光栅层倾斜设置。
[0007]进一步，所述倾斜光栅的光栅周期为980～992纳米，占空比为0.74～0.76，光栅深度为1475～1490纳米，倾斜角为26～27
°
。
[0008]进一步，所述倾斜光栅的光栅周期为986纳米，占空比为0.75，光栅深度为1482纳米，倾斜角为26.5
°
。
[0009]本专利技术的另一技术方案为：一种基于高折射率材料的
‑
2级倾斜光栅在近眼显示设备上的应用。
[0010]本专利技术相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0011]TE偏振光垂直入射时，可以实现中心波长620纳米
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2级衍射效率高于80％，并且在光波导层实现全内反射。利用直写工艺和刻蚀工艺，可以获得适用于AR/VR技术的倾斜光栅，具有重要的实用前景。本专利技术具有使用灵活方便、衍射效率较高等优点，是一种非常理想的衍射光学元件。
附图说明
[0012]图1为本专利技术的倾斜光栅的结构示意图。
[0013]图2为TE入射光垂直入射后，衍射级次传播情况示意图。
[0014]图3为
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2级衍射效率随入射角变化的效率图。
具体实施方式
[0015]下面结合实施例，对本专利技术作进一步的详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0016]实施例
[0017]如图1所示，本实施例提供了一种基于高折射率材料的
‑
2级倾斜光栅，包括光栅层1和光波导层2。
[0018]光波导层和光栅层采用高折射率树脂材料制成，光栅层倾斜设置。
[0019]优选的，光波导层和光栅层采用折射率为1.71的树脂材料制成，具体为在树脂材料上刻蚀倾斜光栅，其中，光波导层为板状，光栅层位于光波导层的板面。
[0020]图1中，光栅层折射率为nr(nr＝1.71)，光波导层折射率为n3(n3＝1.71)，a代表倾斜角，d代表光栅周期，b代表光栅脊宽，h代表光栅刻蚀深度，n1代表入射区域空气折射率，ng代表光栅槽折射率，ng＝n1＝1。
[0021]倾斜光栅的光栅周期为980～992纳米，占空比为0.74～0.76，光栅深度为1475～1490纳米，光栅层与竖直面之间的倾斜角为26～27
°
。
[0022]优选的，倾斜光栅的光栅周期为986纳米，占空比为0.75，光栅深度为1482纳米，倾斜角为26.5
°
。
[0023]在如图1所示的光栅结构下，入射光从空气中以中心波长620nm垂直入射。其中0级和
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1级次衍射出光栅结构，
‑
2级衍射光在光波导层内发生全内发射，如图2所示。本专利技术采用严格耦合波理论计算了
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2级衍射光栅在垂直入射TE偏振光情况下的中心620纳米波长的衍射效率。
[0024]如表1所示，表中d为光栅周期，a代表倾斜角，b代表光栅脊宽，h为光栅深度，λ为入射波波长，η为TE偏振光的
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2级衍射效率。在制作本专利技术用于中心波长为620纳米波段的
‑
2级高折射率倾斜光栅的过程中，由表1可知，当光栅周期980～992纳米，占空比为0.74～0.76，光栅深度为1475～1490纳米，倾斜角在26
°
～27
°
。TE偏振光垂直入射时，可以实现中心波长620纳米波段的
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2级衍射效率基本高于80％。由图3可知，当入射角度在
‑
0.5
°
～2
°
的范围内，
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2级衍射效率在80％以上。
[0025]表1 TE偏振光在垂直入射时的
‑
2级衍射效率。
[0026][0027][0028]当TE偏振光垂直入射时，倾斜光栅的光栅周期为986纳米，占空比为0.75，光栅深度为1482纳米，倾斜角为26.5
°
,可以实现中心波长620纳米
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2级衍射效率高于85％，并且在光波导层实现全内反射。
[0029]实施例2
[0030]本实施例提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高折射率材料的
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2级倾斜光栅，其特征在于，包括光波导层和光栅层，所述光波导层和光栅层采用折射率为1.71的树脂材料制成，所述光栅层倾斜设置。2.根据权利要求1所述的基于高折射率材料的
‑
2级倾斜光栅，其特征在于，所述倾斜光栅的光栅周期为980～992纳米，占空比为0.74～0.76，光栅深度为1475～1490纳米，倾斜角为26～27

【专利技术属性】
技术研发人员：王津，周常河，贾伟，张善文，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：