衍射光波导以及具有其的显示设备制造技术

本申请公开了一种衍射光波导以及具有其的显示设备。该衍射光波导包括形成在波导基板表面上的光栅结构，该光栅结构包括布置在平面内的多条栅线，栅线各自沿平面内第一方向延伸并在垂直于第一方向的第二方向上以预定间隔排列；每一条栅线的至少一个侧壁沿第一方向具有周期性结构；并且光栅结构构造为将相对于所述平面以非零角度入射于其上的光通过预定衍射级次向所述平面外衍射。上述衍射光波导中采用的光栅结构能够用于对不同角度以及/或者不同衍射级次上的衍射效率进行调节，从而为改善衍射光波导的角度均匀性以及/或者耦出效率提供了新的有效而灵活的手段。供了新的有效而灵活的手段。供了新的有效而灵活的手段。

【技术实现步骤摘要】
衍射光波导以及具有其的显示设备
[0001]本申请是申请号为202210254157.1、申请日为2022年3月15日、申请人为嘉兴驭光光电科技有限公司、专利技术名称为“衍射光波导以及具有其的显示设备”的专利技术专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及基于衍射的显示技术，特别是衍射光波导以及具有衍射光波导的显示设备。

技术介绍

[0003]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。图1示意性地示出了一种可用于显示的衍射光波导；图2示出了沿图1中所示剖切位置截取的该衍射光波导的截面图，并进一步示出了光在衍射光波导中的传播。如图1和图2所示，在衍射光波导的波导基底a上设置有耦入光栅b和耦出光栅c；耦入光栅b将载有图像信息的入射光IN耦入波导基底a中；耦出光栅b一边对载有图像信息的光进行传播和扩展，一边将所述光从波导基底中耦出，形成耦出光场OUT。眼睛E接收耦出光场OUT的光，从而可以例如观察到入射光IN所载图像。
[0004]衍射光波导具有可量产性强、轻薄等优势，然而也并非没有缺点，例如其在显示图像的亮度和均匀性方面尚待提高。
[0005]现有衍射光波导装置中，耦入光栅一般采用直齿光栅(又称“矩形光栅”)，并选择+1级或
‑
1级衍射级次作为耦入用的衍射级次。然而，直齿光栅是一个对称结构，光通过其耦入光波导后，
±
1级衍射的能量均匀分配，而实际只用其中一个级次，因此造成耦入光栅的耦合效率低。耦入光栅如果采用闪耀光栅或者斜齿光栅则能把衍射能量往+1级或
‑
1级集中，提高耦合效率，但是闪耀光栅和斜齿光栅的模板加工较为困难，且转印脱模也是很大的挑战，实际产品往往很难达到设计的性能要求。
[0006]此外，衍射光波导耦出光场的均匀性包括在整个耦出光场的不同区域之间的均匀性，也包括在视场范围内不同视场角(对应于入射光IN对耦入光栅的入射角)之间的均匀性(又称“角度均匀性”)。人们一直在探索如何提高衍射光波导的均匀性，并对二维耦出光栅的光学单元结构提出改进，例如参见CN111194422A和CN212460098U。然而，在制造时要控制二维光栅的光学单元结构具有精细且准确的形状(特别是棱角形状)和尺寸仍有困难；不仅如此，在设计上也存在很大的限制。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种用于衍射显示的衍射光波导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。
[0008]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
波导基板的表面上的光栅结构，其中，所述光栅结构包括布置在一平面内的多条栅线，所述多条栅线各自沿所述平面内的第一方向延伸，并在垂直于所述第一方向的第二方向上以预定间隔排列；每一条栅线在所述第二方向上具有彼此相反的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁中的至少一者沿所述第一方向具有周期性结构；并且所述光栅结构构造为将相对于所述平面以非零角度入射于其上的光通过预定衍射级次向所述平面外衍射。
[0009]在一些实施例中，所述光栅结构构造为通过所述预定衍射级次的衍射，将以预定范围内的入射角照射到所述波导基板上的光束耦合到所述波导基板中，以使之通过全反射在所述波导基板内传播。
[0010]有利地，仅所述第一侧壁沿所述第一方向具有周期性结构，并且不同栅线的第一侧壁上的所述周期性结构在所述第二方向上是彼此对齐的。
[0011]有利地，所述衍射光波导还包括形成在所述波导基板上的耦出光栅，所述耦出光栅构造为将从所述耦入光栅通过全反射传播到其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出；并且所述第一侧壁朝向所述耦出光栅。
[0012]在一些实施例中，所述光栅结构构造为将在所述波导基板内通过全反射传播到其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出。
[0013]有利地，仅所述第一侧壁沿所述第一方向具有周期性结构，并且相邻栅线的侧壁上的所述周期性结构沿所述第一方向错开预定距离s，s＝P/n，其中，P为所述周期性结构在所述第一方向上的周期，n为2或3，优选地n为2。
[0014]有利地，所述衍射光波导还包括附加光栅结构，所述附加光栅结构为一维光栅，并且在所述第一方向上布置在所述光栅结构的至少一侧并与之邻接，用于将传播到其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出。
[0015]有利地，所述衍射光波导还包括形成在所述波导基板上的耦入光栅，所述耦入光栅构造为将照射到所述波导基板上的光束耦合到所述波导基板中，以使之通过全反射在所述波导基板内传播，并且所述第一侧壁朝向所述耦入光栅。
[0016]有利地，所述周期性结构形成突出的多个齿状结构，所述齿状结构具有齿顶和齿根，并且所述齿状结构在所述第一方向上的宽度从所述齿根到所述齿顶逐渐缩小。
[0017]有利地，所述齿状结构关于平行于所述第二方向的轴线具有轴对称结构。
[0018]有利地，所述齿状结构具有多边形形状、圆弧形状或弧线与直线组合形成的形状，优选地，所述齿状结构具有三角形、梯形或圆弧形形状。
[0019]有利地，所述栅线沿所述第二方向分为第一区域和第二区域，所述多个齿状结构位于所述第二区域中；所述栅线在所述第一区域和所述第二区域具有垂直于所述平面的不同高度或者具有不同的折射率。
[0020]有利地，所述周期性结构在所述第一方向上的周期在100～500nm之间。
[0021]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。
[0022]有利地，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。
[0023]有利地，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
[0024]根据本专利技术实施例的衍射光波导中采用了一种新型的光栅结构，该光栅结构能够
用于对不同角度以及/或者不同衍射级次上的衍射效率进行调节，从而为改善衍射光波导的角度均匀性以及/或者耦出效率提供了新的有效而灵活的手段。
附图说明
[0025]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0026]图1为可用于显示的一种衍射光波导的示意图；
[0027]图2为图1所示衍射光波导的示意性截面图；
[0028]图3为根据本专利技术实施例一的衍射光波导的示意图；
[0029]图4、图5和图6分别示出根据本专利技术实施例的光栅的不同示例；
[0030]图7为光栅结构10的栅线11沿第二方向y截取的横截面示意图；
[0031]图8为数据例1中栅线侧壁不具有周期性结构的直齿光栅与栅线侧壁具有不同形状的周期性结构的光栅的+1级衍射效率随入射角变化的曲线图，其中栅线具有一致的高度；...

【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的表面上的光栅结构，其中，所述光栅结构包括布置在一平面内的多条栅线，所述多条栅线各自沿所述平面内的第一方向延伸，并在垂直于所述第一方向的第二方向上以预定间隔排列；每一条栅线在所述第二方向上具有彼此相反的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁中的至少一者沿所述第一方向具有周期性结构；所述光栅结构构造为将相对于所述平面以非零角度入射于其上的光通过预定衍射级次向所述平面外衍射；所述光栅结构构造为耦出光栅，所述耦出光栅将在所述波导基板内通过全反射传播到其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出；并且仅所述第一侧壁沿所述第一方向具有周期性结构，并且相邻栅线的侧壁上的所述周期性结构沿所述第一方向错开预定距离s，s＝P/n，其中，P为所述周期性结构在所述第一方向上的周期，n为2或3，优选地n为2。2.如权利要求1所述的衍射光波导，还包括附加光栅结构，所述附加光栅结构为一维光栅，并且在所述第一方向上布置在所述光栅结构的至少一侧并与之邻接，用于将传播到其中的光的至少一部分通过衍射从所述波导基板中耦出。3.如权利要求1所述的衍射光波导，还包括形成在所述波导基板上的耦入光栅，所述耦入光栅构造为将照射到所述波导基板上的光束耦合到所述波导基板中，以使之通过全反射在所述波导基板内传播，并且所述第一侧壁朝向所述耦入光栅。4.如权利要求...

【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：