一种多矩形结构周期的衍射光栅及AR成像装置的制作方法

本实用新型涉及衍射光栅技术领域，特别涉及一种多矩形结构周期的衍射光栅及AR成像装置。

背景技术：

随着科学技术的发展，AR(Augmented Reality)增强现实技术作为一种十分智能、便携的显示技术正慢慢的走向大众，其主要特点是将虚拟画面叠加在现实场景之上，可以实现让人们在观看虚拟画面的同时还可以观看现实场景。也正是由于AR显示具有如上特点，目前该项技术在安防、教育、医疗、军工、工业、娱乐等行业得到了越来越的广泛应用。

光栅波导方案是目前实现AR显示的一个主流方案，但是目前已有的衍射光栅设计方案具有自由度不高、衍射效率较低、衍射均匀性难以控制、设计产品加工难度大等诸多缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种多矩形结构周期的衍射光栅及AR成像装置，可以解决以上诸多缺点，具有较高衍射效率、较高均匀性、易加工等优点。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种多矩形结构周期的衍射光栅，在每个光栅周期内，所述衍射光栅的基材上均蚀刻有多个矩形，且每个所述矩形的线宽和相邻所述矩形的间距均不同。

可选的，在每个光栅周期内，所述矩形的个数均大于或者等于2。

可选的，在不同光栅周期内，所述衍射光栅的基材上蚀刻的结构均相同。

可选的，所述衍射光栅的射角为25°-55°。

可选的，所述衍射光栅上镀有TiO2。

可选的，在每个光栅周期内，所述矩形的个数、所述矩形的线宽以及相邻所述矩形的间距均是根据实际产品要求决定的。

一种AR成像装置，包括图像生成部、准直部、光栅波导部以及图像成像部；所述光栅波导部包括波导片、耦入光栅以及耦出光栅；所述耦入光栅、所述耦出光栅分别分布在所述波导片的两端；所述耦入光栅和所述耦出光栅均为多矩形结构周期的衍射光栅；

所述图像生成部发出的光线经过所述准直部后，以平行光出射，并以设定角度进入所述耦入光栅；经过所述耦入光栅衍射后，进入所述波导片中，并以全反射的形式向前传输，再经过所述耦出光栅输出，最终在所述图像成像部成像。

可选的，所述光栅波导部共包含三层波导片，用以对R、G、B三色光进行传输，且每层所述波导片的两端分别分布有所述耦入光栅和所述耦出光栅。

可选的，所述光栅波导部还包括扩展光栅；所述扩展光栅和所述耦出光栅位于所述波导片的同一端，且在垂直方向上，所述扩展光栅位于所述耦出光栅之上；其中，所述扩展光栅为多矩形结构周期的衍射光栅。

可选的，所述图像生成部为生成显示画面的显示屏；所述准直部分为多个光学透镜所组成的光学系统。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供了一种多矩形结构周期的衍射光栅及AR成像装置。本实用新型通过在每个光栅周期内，将衍射光栅的基材上蚀刻有多个矩形，且每个矩形的线宽和相邻矩形的间距均不同，从而使本实用新型提供的衍射光栅具有较高衍射效率、较高均匀性、易加工等优点；本实用新型将多矩形结构周期的衍射光栅应用到AR成像装置中，以满足面向AR高清高效显示效果的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中常见矩形光栅形貌图；

图2为现有技术中常见倾斜光栅形貌图；图2(a)为一种现有技术中常见倾斜光栅形貌图；图2(b)为另一种现有技术中常见倾斜光栅形貌图；

图3为本实用新型实施例多矩形结构周期的衍射光栅形貌图；

图4为本实用新型实施例衍射光栅光线入射角与衍射效率之间的关系曲线图；

图5为本实用新型实施例AR成像装置的结构示意图；

图6为本实用新型实施例AR成像装置的实际模拟仿真图；

图7为本实用新型实施例实际照度图；

图8为本实用新型实施例扩展光栅在波导片上的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

现有的衍射光栅设计方案主要是将衍射光栅的外观形貌设计成矩形或倾斜样式。对于传统矩形光栅而言，虽其加工难度较低，但是衍射效率也较低，难以实现面向AR高清高效显示效果的需求。对于倾斜光栅而言，虽较传统矩形光栅衍射效率高，但其加工难度相当大，目前国内外仅有极其少数的加工商能制造，成本较高。

如图1-2所示，T为常见光栅的一个周期。由于光栅衍射效率与波长、入射角有关，很显然矩形光栅的入射角已经固定，所以针对衍射效率的提升存在很大的局限性；而虽然倾斜光栅可通过改变倾斜角度而使光栅衍射效率达到设计要求，但是倾斜形貌的光栅加工难度较大，成本较高。

基于此，本实用新型提出了一种多矩形结构周期的衍射光栅，旨在解决加工难度大的同时提高光栅衍射效率。

实施例1

本实施例提供的多矩形结构周期的衍射光栅，在每个光栅周期内，该衍射光栅的基材上均蚀刻有多个矩形，且每个矩形的线宽和相邻矩形的间距均不同，但是在不同光栅周期内，该衍射光栅的基材上蚀刻的结构均相同。其中，在每个光栅周期内，矩形的个数、矩形的线宽以及相邻矩形的间距均是根据实际产品要求决定的。

优选的，在每个光栅周期内，矩形的个数大于或者等于2。

优选的，该衍射光栅的射角为25°-55°。

优选的，该衍射光栅上镀有TiO2。

实施例2

如图3所示，T为本实施例提供的多矩形结构周期的衍射光栅的一个周期。本实施例提供的衍射光栅的主要特点为在一个光栅周期T内，在基材蚀刻出N个小矩形(N大于等于2)，且N个小矩形的线宽和间距不同，例如Z1、Z3、Z5的宽度不同，Z2和Z4的宽度不同，使之在易于加工的同时还能拥有较高的衍射效率。

本实施例设计构思主要为利用矢量电磁衍射理论，以衍射效率和角度均匀性为评价目标对每一个小矩形的断点处进行优化，使之达到设计要求。所以，N个小矩形的线宽和间距是根据实际产品要求决定。

图4为基于本实施例提供的多矩形结构周期所设计出的一种衍射光栅光线入射角与衍射效率之间的关系，该衍射光栅实际为一维达曼光栅的一种具体形式。由于光线入射角度的不同，光栅的衍射效率也会不同，该衍射光栅在射角为25°-55°时，衍射效率可达77％以上，最高衍射效率可达81.5％以上。

与现有的衍射光栅相比，传统衍射光栅中的矩形光栅形貌为简单的矩形，加工难度较低，但是由于其形貌与基底垂直，角度固定，可设计的变量仅为一个周期内的占空比，变量太少，可提高衍射效率与均匀性的设计空间太小；而对于倾斜光栅而言，其形貌不固定，可由设计者决定，可设计的变量除去一个空间内的占空比外，还有倾斜边与基底之间的夹角，相比于矩形光栅，其提高衍射效率与均匀性的设计空间更大，但也正是由于斜边与基底存在一定的角度，所以倾斜光栅的加工难度会更大；而本实施例所阐述的多矩形结构周期的衍射光栅，其微观形貌与基底垂直，加工难度较低，同时增加了可设计的变量(Z1、Z2、Z3、Z4、Z5)。因此，本实施例提供的衍射光栅在降低加工难度的同时，提高衍射效率和均匀性。

实施例3

如图5和6所示，本实施例提供的一种AR成像装置，包括图像生成部1、准直部2、光栅波导部3以及图像成像部4；光栅波导部3包括波导片31、耦入光栅32以及耦出光栅33；耦入光栅32、耦出光栅33分别分布在波导片31的两端，即耦入光栅32分布在波导片31的一端，耦出光栅33分布在波导片31的另一端；耦入光栅32和耦出光栅33均为多矩形结构周期的衍射光栅。

图像生成部1发出的光线经过准直部2后，以平行光出射，并以设定角度进入耦入光栅32；经过耦入光栅32衍射后，进入波导片31中，并以全反射的形式向前传输，再经过耦出光栅33输出，最终在图像成像部4成像。

针对不同色光的波长，衍射光栅具有不同的衍射效率，在本实施例中，优选的，光栅波导部3共包含三层波导片31，用以对R、G、B三色光进行传输，且每层波导片31的两端分别分布有耦入光栅32和耦出光栅33。当光栅波导部3共包含三层波导片31时，平行光以一定角度进入耦入光栅32后会分三色进入R、G、B三片波导片31中，以全反射的形式向前传输，再经由耦出光栅33输出。

图像生成部为生成显示画面的显示屏，如Lcos、OLED、MicroOLED等；所述准直部分为多个光学透镜所组成的光学系统。其中，透镜可为玻璃材质或树脂材质或二者的结合；图像成像部4为Lcos。

图7为该实施例中显示区域的的实际照度均匀性图。

实施例4

本实施例是在实施例3的基础上进一步的限定，除了实施例3全部的部件外，该光栅波导部3还包括扩展光栅34；如图8所示，扩展光栅34和耦出光栅33位于同一波导片31的同一端，且在垂直方向上，扩展光栅34位于耦出光栅33之上；其中，扩展光栅34也为多矩形结构周期的衍射光栅。

在本实施例中，耦入光栅32为一个整体光栅，用来将图像生成部1所发出的光线耦合进入波导片31中，被耦合进入波导片31中的光线遵循折反射定律在波导片31内向前传播至扩展光栅34，扩展光栅34将光线进行出瞳扩展处理，使经过该光栅的光线视场角变大，最终光线进入耦出光栅33被耦合出光栅波导部3。

扩展光栅34与耦出光栅33均包含五个衍射效率逐渐增高的区，用以使最终经过扩展输出后的画面亮度均匀性一致。

为了进一步提升光栅衍射效率，在实施例2-4中的多矩形结构周期的衍射光栅上层镀TiO2等具有较高反射率的膜层，用以提高光栅的整体衍射效率及均匀性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。