超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备制造技术

本发明专利技术提供超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，涉及光源传播技术领域，超表面光栅包括若干相同的光学结构，若干光学结构阵列排布；任一光学结构包括间隔设置的第一基元和第二基元，第一基元包括相交的两个第一子单元，第二基元包括相交的两个第二子单元；第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线。通过形状不同的基元构建光学结构，第一基元的第一子单元包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线，改变基元的尺寸可以调整耦合效率，并且由于它的特殊结构，可以降低光源传播中的外侧的漏光，提高了隐私性；基元形状可灵活设置，防漏光效果更佳。光效果更佳。光效果更佳。

【技术实现步骤摘要】
超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备


[0001]本专利技术涉及光源传播
，尤其涉及超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备。

技术介绍

[0002]近年来，随着计算机科学的迅猛发展，基于近眼显示设备的虚拟现实(Virtual Reality，VR)与增强现实(Augmented Reality，AR)等人机交互技术逐渐成为应用热点。根据交互方式的不同，VR近眼显示设备通过计算机生成一个虚拟环境，观察者可以观察、触摸虚拟环境中的事物并与之进行交互；而AR近眼显示设备生成的虚拟环境则叠加到现实世界中，观察者可以在看到虚拟环境的同时与现实世界进行交互，实现增强现实的目的，因此AR相对于VR具有更强的交互能力，在教育、医疗与军事等方面均表现出更具潜力的发展趋势。
[0003]目前市场上的AR眼镜采用的显示系统就是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合，其中光学组合器的不同，是区分AR显示系统的关键部分。综合来看，光波导方案从光学效果、外观形态，和量产前景来说，都具备最好的发展潜力，可能会是让AR眼镜走向消费级的不二之选。
[0004]光波导中的主流——衍射光波导本质是一种利用衍射光栅镜片实现图像近眼显示的技术，它的产生和流行得益于光学元件从毫米级别到微纳米级别，从“立体”转向“平面”的技术进步趋势。但是常用的表面浮雕光栅存在衍射效率低下、视场角狭小和体积偏大等问题。
[0005]衍射光波导技术又分为一维扩展和二维扩展。二维衍射光波导相关技术的开发需要在材料方面突破瓶颈，以提升光学参数，同时需要一系列高精度的可量产型微纳加工设备。但是普通的二维光栅正反面耦出效率基本一致，存在漏光问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，用以提高光栅的耦出效率，降低外侧的漏光。
[0007]本专利技术提供一种超表面光栅，包括若干相同的光学结构，其中，若干光学结构阵列排布；任一光学结构包括间隔设置的第一基元和第二基元，第一基元包括相交的两个第一子单元，第二基元包括相交的两个第二子单元；第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线。
[0008]根据本专利技术提供的一种超表面光栅，第二子单元的边缘至少包括两组平行的直线。
[0009]根据本专利技术提供的一种超表面光栅，第二子单元为长方形结构；第一子单元为椭圆结构。
[0010]根据本专利技术提供的一种超表面光栅，第二子单元的边缘至少包括两条对称的曲线。
[0011]根据本专利技术提供的一种超表面光栅，第二子单元为对一椭圆沿平行与短轴或沿平行于长轴进行剖分后获取的结构；第一子单元为椭圆结构。
[0012]根据本专利技术提供的一种超表面光栅，第一基元中的两个第一子单元的交叉角度是预先设置的；第二基元中的两个第二子单元的交叉角度与两个第一子单元的交叉角度相同。
[0013]根据本专利技术提供的一种超表面光栅，若干光学结构所构成的阵列包括多列，在每一列上分布的光学结构的数量相等；任意相邻的两个偶数列上的光学结构对称分布，任意相邻的两个奇数列上的光学结构对称分布；任意相邻的两列上的光学结构非对称分布。
[0014]本专利技术还提供一种二维衍射光波导，包括：波导基底以及设置于波导基底表面的一维耦入光栅和上述的超表面光栅；其中，一维耦入光栅用于将携带有图像信息的入射光线耦入到二维衍射光波导中；超表面光栅用于将来自一维耦入光栅并在二维衍射光波导内以全反射方式传导的衍射光沿两个方向衍射扩展，以耦出到人眼成像。
[0015]根据本专利技术提供的一种二维衍射光波导，耦入到所述二维衍射光波导的入射光线的波长范围为450nm～650nm；耦入所述二维衍射光波导的入射光线的入射角度为40
°
～70
°
。
[0016]本专利技术还提供一种近眼显示设备，包括上述的二维衍射光波导。
[0017]本专利技术提供的超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，若干相同的光学结构阵列排布，每个光学结构包括间隔设置的第一基元和第二基元，第一基元包括相交的两个第一子单元，第二基元包括相交的两个第二子单元；第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线。通过改变第一基元和第二基元的形状大小可以调整耦出效率，基元的形状可灵活设置；由于它的特殊结构，可以降低外侧的漏光，提高了隐私性。
附图说明
[0018]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一简单地介绍，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。
[0019]图1是本专利技术超表面光栅一实施例的结构示意图；
[0020]图2是本专利技术第一子单元边缘形状一实施例的结构示意图；
[0021]图3是本专利技术第二子单元边缘形状一实施例的结构示意图；
[0022]图4是本专利技术光学结构一实施例的结构示意图
[0023]图5是本专利技术一维超表面光栅一实施例的结构示意图；
[0024]图6是本专利技术超表面光栅一实施例的原理示意图；
[0025]图7是本专利技术二维衍射光波导一实施例的结构示意图；
[0026]图8是本专利技术二维衍射光波导一实施例的光线轨迹图；
[0027]图9是本专利技术二维衍射光波导仿真一实施例的耦出效率与可见光波长的关系示意图；
[0028]图10是本专利技术二维衍射光波导仿真一实施例的耦出效率与入射角度的关系示意
图；
[0029]图11是本专利技术二维衍射光波导仿真一实施例的视场角与折射率的关系示意图。
具体实施方式
[0030]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。
[0031]本专利技术提供一种超表面光栅，请参阅图1，图1是本专利技术超表面光栅一实施例的结构示意图。在本实施例中，超表面光栅包括若干相同的光学结构，若干光学结构阵列排布。
[0032]任一光学结构包括间隔设置的第一基元10和第二基元20，第一基元10包括相交的两个第一子单元，第二基元20包括相交的两个第二子单元。
[0033]第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，第二子单元的边缘包括至少一条直线。
[0034]请参阅图2，图2是本专利技术第一子单元边缘形状一实施例的结构示意图。第一子单元的边缘曲线可以是凹曲线或者凸曲线，当第一子单元的边缘曲线为凸曲线时，第一子单元可以理解为椭圆形，如图2的(a)所示，形状与凸透镜相似；当第一子单元的边缘曲线为凹曲线时，如图2的(b)所示，形状与凹透镜相似。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超表面光栅，其特征在于，包括若干相同的光学结构，其中，若干光学结构阵列排布；任一所述光学结构包括间隔设置的第一基元和第二基元，第一基元包括相交的两个第一子单元，第二基元包括相交的两个第二子单元；所述第一子单元的边缘包括两条对称的曲线，所述第二子单元的边缘包括至少一条直线。2.根据权利要求1所述的超表面光栅，其特征在于，所述第二子单元的边缘至少包括两组平行的直线。3.根据权利要求2所述的超表面光栅，其特征在于，所述第二子单元为长方形结构，所述第一子单元为椭圆结构。4.根据权利要求1所述的超表面光栅，其特征在于，所述第二子单元的边缘至少包括两条对称的曲线。5.根据权利要求4所述的超表面光栅，其特征在于，所述第一子单元为椭圆结构，所述第二子单元为对一椭圆沿平行与短轴或沿平行于长轴进行剖分后获取的结构。6.根据权利要求1～5任一项所述的超表面光栅，其特征在于，所述第一基元中的两个所述第一子单元的交叉角度是预先设置的；所述第二基元中的两个所述第二子单元的交叉角度与所述两个所述第一子单元的交叉角度相同。7.根据权利要求1～5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王萌光，李勇，吴斐，娄身强，陆希炜，
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：