用于光学扩瞳的波导光栅制造技术

本申请公开了波导光栅及其设计方法，该方法包括：获取基本参数；初始化光栅结构；通过迭代运算，改变光学单元结构，计算光栅的性能参数，将满足优化目标的性能参数所对应的光学单元结构确定作为波导光栅的优化方案的一部分输出，其中性能参数包括中间耦出效率

【技术实现步骤摘要】
用于光学扩瞳的波导光栅、设计方法以及显示设备


[0001]本专利技术涉及基于衍射的显示技术，特别是用于光学扩瞳的波导光栅及其设计方法以及具有这种波导光栅的显示设备
。

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，二维光栅中的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，人们尝试改进二维光栅的光学单元结构的形状
。
例如，中国专利申请
CN 110914724A
中利用彼此夹角
60
°
的3组一维光栅交叉构造出新的光栅图案
(
参见
CN 110914724A
中图
14
和图/>18)
，交叉形成的光栅图案中的光学单元结构具有多个直的边，这些边基本与上述3组一维矩形光栅的边平行
。
又例如，中国专利
CN 212460098 U
中二维光栅的光学单元结构是利用两组夹角近似
60
°
的一维矩形光栅交叉形成，再对交叉形成的单元结构进行一些变形操作，变形后得到的一种单元结构具有改进的平行四边形
。
该改进的平行四边形的左右两端形成锐角顶角，中间形成上下各两个顶角，这两个顶角之间形成一个小的缺口，此外两侧四条长边两两平行，中间四条短边两两平行
。
具有改进的平行四边形的光学单元结构的耦出光栅具有减弱耦出光场的中间亮条纹的作用，显著改善耦出光场的不同视场之间的均匀性
。
[0005]然而，上述改进的平行四边形中的多个顶角以及缺口的加工难度大，加工精度不能保证，量产存在困难
。
同时，从波导光栅的设计方法来看，还亟待提出一种灵活并且能够有效地获得具有良好的耦出效率和均匀性的波导光栅的设计方法
。

技术实现思路

[0006]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
。
[0007]根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于光学扩瞳的波导光栅的设计方法，所述波导光栅包括波导基板和形成在所述波导基板上的光栅结构，所述设计方法包括以下处理：
[0008](1)
获取所述波导光栅的基本参数，所述基本参数包括所述波导基板的折射率
、
所述光栅结构层的折射率以及所述波导基板的工作波长；
[0009](2)
初始化所述光栅结构，使得所述光栅结构包括在一平面内布置成阵列的多个光学单元结构并且具有第一光栅矢量
、
第二光栅矢量和第三光栅矢量，所述第三光栅矢量的方向处于所述第一光栅矢量和所述第二光栅矢量的方向之间，并且所述第三光栅矢量为第一光栅矢量和第二光栅矢量的矢量和，所述光学单元结构具有结构参数；
[0010](3)
通过多次迭代运算，改变所述光学单元结构的结构参数，基于所述基本参数和所述光学单元结构的结构参数，计算所述光栅结构的性能参数，并将满足优化目标的所述性能参数所对应的所述光学单元结构的结构参数确定作为优化参数，其中所述性能参数包括中间耦出效率
CO、
第一侧向耦出效率
SO1和第二侧向耦出效率
SO2，并且所述优化目标包括：
[0011]在满足小于等于第一阈值
V1且小于等于第二阈值
V2的条件下，所述第一侧向耦出效率
SO1和所述第二侧向耦出效率
SO2之和为最大值，其中：
[0012]所述中间耦出效率
CO
＝
η
e
/
η
a
,
η
a
为以全反射方式在所述波导基板中传播并在所述平面内大致沿所述第三光栅矢量的方向入射到所述光栅结构的入射光束的光能量，
η
e
为所述入射光束经所述光栅结构的衍射后从所述波导基板耦出的中间耦出光束的光能量，
[0013]所述第一侧向耦出效率
η
b
为所述入射光束经过所述光栅结构的衍射而在所述平面内大体沿所述第一光栅矢量的方向在所述波导基板内以全反射方式传播的第一侧向传播光束的光能量，
η
c
为所述第一侧向传播光束经过衍射而从所述波导基板耦出的第一侧向耦出光束的光能量；
[0014]所述第二侧向耦出效率
η
b
′
为所述入射光束经过所述光栅结构的衍射而在所述平面内大体沿所述第二光栅矢量的方向在所述波导基板内以全反射方式传播的第二侧向传播光束的光能量，
η
c
′
为所述第二侧向传播光束经过衍射而从所述波导基板耦出的第二侧向耦出光束的光能量；以及
[0015](4)
输出所述波导光栅的优化方案，所述优化方案包括所述光学单元结构的优化参数
。
[0016]有利地，所述性能参数还可以包括中间全反射效率
CR、
第一侧向全反射效率
SR1和第二侧向全反射效率
SR2，并且所述优化目标还可以包括：中间全反射效率
CR
大于等于第三阈值
V3，第一侧向全反射效率
SR1大于等于第四阈值
V4，以及第二侧向全反射效率
SR2大于等于第五阈值
V5，其中：
[0017]所述中间全反射效率
CR
＝
η
f
/
η
a
，
η
f
为所述入射光束经过所述光栅结构的衍射后的零级衍射光束的光能量，
[0018]所述第一侧向全反射效率
SR1＝
η
d
/
η
b
，
η
d
为所述第一侧向传播光束经过所述光栅结构的衍射后的零级衍射光束的光能量，
[0019]所述第二侧向全反射效率
SR2＝
η
d
′
/
η
b
′<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于光学扩瞳的波导光栅的设计方法，所述波导光栅包括波导基板和形成在所述波导基板上的光栅结构，所述设计方法包括以下处理：
(1)
获取所述波导光栅的基本参数，所述基本参数包括所述波导基板的折射率
、
所述光栅结构层的折射率以及所述波导基板的工作波长；
(2)
初始化所述光栅结构，使得所述光栅结构包括在一平面内布置成阵列的多个光学单元结构并且具有第一光栅矢量
、
第二光栅矢量和第三光栅矢量，所述第三光栅矢量的方向处于所述第一光栅矢量和所述第二光栅矢量的方向之间，并且所述第三光栅矢量为第一光栅矢量和第二光栅矢量的矢量和，所述光学单元结构具有结构参数；
(3)
通过多次迭代运算，改变所述光学单元结构的结构参数，基于所述基本参数和所述光学单元结构的结构参数，计算所述光栅结构的性能参数，并将满足优化目标的所述性能参数所对应的所述光学单元结构的结构参数确定作为优化参数，其中所述性能参数包括中间耦出效率
CO、
第一侧向耦出效率
SO1和第二侧向耦出效率
SO2，并且所述优化目标包括：在满足小于等于第一阈值
V1且小于等于第二阈值
V2的条件下，所述第一侧向耦出效率
SO1和所述第二侧向耦出效率
SO2之和为最大值，其中：所述中间耦出效率
CO
＝
η
e
/
η
a
,
η
a
为以全反射方式在所述波导基板中传播并在所述平面内大致沿所述第三光栅矢量的方向入射到所述光栅结构的入射光束的光能量，
η
e
为所述入射光束经所述光栅结构的衍射后从所述波导基板耦出的中间耦出光束的光能量，所述第一侧向耦出效率
η
b
为所述入射光束经过所述光栅结构的衍射而在所述平面内大体沿所述第一光栅矢量的方向在所述波导基板内以全反射方式传播的第一侧向传播光束的光能量，
η
c
为所述第一侧向传播光束经过衍射而从所述波导基板耦出的第一侧向耦出光束的光能量；所述第二侧向耦出效率
η
b
′
为所述入射光束经过所述光栅结构的衍射而在所述平面内大体沿所述第二光栅矢量的方向在所述波导基板内以全反射方式传播的第二侧向传播光束的光能量，
η
c
′
为所述第二侧向传播光束经过衍射而从所述波导基板耦出的第二侧向耦出光束的光能量；以及
(4)
输出所述波导光栅的优化方案，所述优化方案包括所述光学单元结构的优化参数
。2.
如权利要求1所述的设计方法，其中，所述性能参数还包括中间全反射效率
CR、
第一侧向全反射效率
SR1和第二侧向全反射效率
SR2，并且所述优化目标还包括：中间全反射效率
CR
大于等于第三阈值
V3，第一侧向全反射效率
SR1大于等于第四阈值
V4，以及第二侧向全反射效率
SR2大于等于第五阈值
V5，其中：所述中间全反射效率
CR
＝
η
f
/
η
a
，
η
f
为所述入射光束经过所述光栅结构的衍射后的零级衍射光束的光能量，所述第一侧向全反射效率
SR1＝
η
d
/
η
b
，
η
d
为所述第一侧向传播光束经过所述光栅结构的衍射后的零级衍射光束的光能量，所述第二侧向全反射效率
SR2＝
η
d
′
/
η
b
′
，
η
d
′
为所述第二侧向传播光束经过所述光栅结构的衍射后的零级衍射光束的光能量
。
3.
如权利要求1或2所述的设计方法，其中，随着所述迭代运算的次数增加，所述第一阈值
V1从初始值逐渐降低，直至降低至5％～
20
％之间，优选地降低至
10
％～
15
％之间
。4.
如权利要求3所述的设计方法，其中，所述初始值在
70
％～
90
％之间
。5.
如权利要求3或4所述的设计方法，其中，所述第一阈值
V1分阶段地逐渐降低
。6.
如权利要求5所述的设计方法，其中，当满足优化目标的所述性能参数满足：其中
70
％
≤
α
≤95
％时，降低所述第一阈值
V1至
β
V1，其中
α
≤
β
＜
1。7.
如权利要求1或2所述的设计方法，其中，所述第二阈值
V2在0～
20
％之间
。8.
如权利要求1或2所述的设计方法，其中，所述第三阈值
V3在
80
％～
95
％之间
。9.
如权利要求
1、2
或8所述的设计方法，其中，所述第四阈值
V4和所述第五阈值
V5在
80
％～
95
％之间
。10.
如权利要求1或2所述的设计方法，其中，所述初始化包括：选定所述光学单元结构的初始结构；以及确定所述光学单元结构的排列方式
。11.
如权利要求
10
所述的波导光栅的设计方法，其中，所述光学单元结构的初始结构具有菱形
、
圆形
、
椭圆形或矩形的横截面
。12.
如权利要求
11
所述的设计方法，其中，所述确定所述光学单元结构的排列方式包括：将所述光学单元结构排列为多个行，所述多个行沿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布置，每一个所述行内的多个所述光学单元结构沿所述第一方向以周期
P
排列，并且相邻两个行中的所述光学单元结构沿所述第一方向错开预定距离
s
，
s
＝
P/n
，其中
1&lt;n≤10
，优选地
n
＝
2。13.
如权利要求
12
所述的设计方法，其中，
n≠2
，并且所述第四阈值
V4和所述第五阈值
V5满足：
...

【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：