一种光栅结构及近眼显示系统的制作方法

一种光栅结构及近眼显示系统
1.相关申请的交叉参考
2.本技术要求于2020年4月16日提交中国专利局，申请号为202010297633.9，发明名称为“一种光栅结构及近眼显示系统”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
3.本实用新型实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种光栅结构及近眼显示系统。


背景技术：

4.增强现实是一种将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中近眼显示系统设计是增强现实技术中的关键环节，而对于便携性较佳的小体积的增强现实眼镜，市面上的主要方案是采用光波导作为光线的传输介质，而光波导又分为几何阵列波导、衍射光栅波导和体全息波导，其中，衍射光栅波导由于纳米压印加工的便利性，衍射光栅设计的高自由度，越来越受到重视，衍射光栅的作用如同阵列波导中的薄膜，主要是改变光线的传播方向。
5.在实现本实用新型实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：目前，采用二维衍射光栅的光波导方案中，普遍采用六边形排布的圆柱结构或者菱形结构，其结构非常简单，设计自由度低，可以实现的效率调制也很简单，这导致整个衍射波导的均匀性和效率不佳。


技术实现要素：

6.针对现有技术的上述缺陷，本实用新型实施例的目的是提供一种易于加工且均匀性较好的光栅结构及近眼显示系统。
7.本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
8.为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例中提供了一种光栅结构，包括：基底，以及，具有至少一个光栅周期的二维光栅，所述二维光栅设置在所述基底的一表面上，
9.所述二维光栅为像素化结构，每一所述光栅周期内，所述二维光栅包括水平方向上的至少一行二维矩形光栅，以及，垂直方向上的至少一列二维矩形光栅，所述二维光栅的行数与列数之和至少为三，至少两个所述二维矩形光栅的高度不同，其中，所述光栅结构的衍射级次的效率与所述二维矩形光栅的宽度、高度、镀膜相关。
10.在一些实施例中，每两个相邻的所述二维矩形光栅贴合设置。
11.在一些实施例中，所述水平方向上的二维矩形光栅的周期尺寸为200
‑
1000nm，所述垂直方向上的二维矩形光栅的周期尺寸为200
‑
1000nm。
12.在一些实施例中，所述二维矩形光栅的尺寸为10
‑
200nm。
13.在一些实施例中，所述二维矩形光栅的高度为0
‑
1000nm。
14.在一些实施例中，所述二维光栅的表面设置有镀膜层。
15.在一些实施例中，所述光栅结构包括在x方向和y方向上具有相同周期性变化的二维光栅，各所述二维光栅结构相同。
16.在一些实施例中，所述光栅结构包括在x方向和y方向上具有在x方向或y方向任一方向上具有相同周期性变化且结构相同的二维光栅。
17.为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示系统，包括：微投影光机，光波导，以及，如上述第一方面所述的光栅结构，所述光栅结构设于所述光波导的耦入区域和/或耦出区域。
18.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种光栅结构，应用于近眼显示系统，该光栅结构包括：基底，以及，具有至少一个光栅周期的二维光栅，该二维光栅设置在所述基底的一表面上，所述二维光栅为像素化结构，每一光栅周期内，该二维光栅包括水平方向上的至少一行二维矩形光栅，以及，垂直方向上的至少一列二维矩形光栅，二维光栅的行数与列数之和至少为三，至少两个所述二维矩形光栅的高度不同，其中，所述光栅结构的衍射级次的效率与所述二维矩形光栅的宽度、高度、镀膜相关，本实用新型实施例提供的光栅结构易于加工、自由度高、均匀性较好，且能够实现更多变的衍射级次分布，实现对衍射级次效率的自由调节。
附图说明
19.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
20.图1(a)是本实用新型实施例一提供的光栅结构的第一种k阈分析图；
21.图1(b)是本实用新型实施例一提供的光栅结构的第二种k阈分析图；
22.图1(c)是本实用新型实施例一提供的光栅结构的第三种k阈分析图；
23.图1(d)是本实用新型实施例一提供的光栅结构的第四种k阈分析图；
24.图2是本实用新型实施例一提供的一种光栅结构的俯视图示意图；
25.图3是本实用新型实施例一提供的一种光栅结构的立体图示意图；
26.图4是本实用新型实施例一提供的另一种光栅结构的立体图示意图；
27.图5(a)是本实用新型实施例一提供的一种具有多个相同光栅周期的二维光栅的光栅结构的立体结构图示意图；
28.图5(b)是本实用新型实施例一提供的一种具有多个具有不同光栅周期的二维光栅的光栅结构的立体结构图示意图；
29.图6是本实用新型实施例二提供的一种近眼显示系统的光学结构的侧视图示意图；
30.图7(a)是本实用新型实施例二提供的近眼显示系统中的第一种光栅结构及光波导的光学结构的俯视图示意图；
31.图7(b)是本实用新型实施例二提供的近眼显示系统中的第二种光栅结构及光波导的光学结构的俯视图示意图；
32.图7(c)是本实用新型实施例二提供的近眼显示系统中的第三种光栅结构及光波导的光学结构的俯视图示意图；
33.图7(d)是本实用新型实施例二提供的近眼显示系统中的第四种光栅结构及光波导的光学结构的俯视图示意图；
34.图7(e)是本实用新型实施例二提供的近眼显示系统中的第五种光栅结构及光波导的光学结构的俯视图示意图。
具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
36.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。为了便于连接结构限定，本实用新型实施例以光路行进/光轴的出射方向为参考进行部件的位置限定。
37.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
38.此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
39.具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。
40.实施例一
41.本实用新型实施例提供了一种光栅结构，包括：基底，以及，具有至少一个光栅周期的二维光栅，所述二维光栅设置在所述基底的一表面上，所述二维光栅为像素化结构，每一所述光栅周期内，所述二维光栅包括水平方向上的至少一行二维矩形光栅，以及，垂直方向上的至少一列二维矩形光栅，所述二维光栅的行数与列数之和至少为三。
42.在一些实施例中，每两个相邻的所述二维矩形光栅贴合设置，也即是，将所述二维矩形光栅设置为周期化排布。
43.在一些实施例中，所述二维光栅的表面设置有镀膜层。所述镀膜层采用折射率高的材料，例如，可以采用三氧化二铝和二氧化锆等材料，以调节衍射级次效率，优选地，在本实用新型实施例中，所述镀膜层的折射率大于1.7。
44.本实用新型实施例提供的光栅结构，应用于近眼显示系统中的光波导时，具有易于加工、自由度高、均匀性较好的特点，且能够实现更多变的衍射级次分布。
45.对于上述反射衍射级次的理解，可一并参考图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)，其示出了本实用新型实施例所示光栅结构的四种衍射级次的分布情况，在图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)所示的各个k域分析图中，外圈代表当前所述光栅结构所应用于的光波导材料可以达到的最大k值，内圈代表全反射条件所对应的k值。如果光波导的耦入区域使用本实用新型实施例所述的光栅结构，光线耦入到波导中相对于光束的k值被平移到内外圈之间，使得光线可以在光波导中进行全反射传播。如果光波导的耦出区域使用本实用新型实
施例所述的光栅结构，全反射传播的光束遇到光栅结构，生成的部分衍射级次被平移到内圈，从而耦出衍射波导，生成的其他衍射级次在内外圈之间，继续保持全反射传播。
46.需要说明的是，本实用新型实施例提供的光栅结构的衍射级次分布不限于图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)所示的衍射级次的分布情况，具体地，可根据实际情况进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
47.本实用新型实施例提供的光栅结构中，二维光栅的行数和列数限定大于等于三，以形成由二维矩形光栅构成的二维像素化的光栅结构，优点是易于加工、自由度高、均匀性较好，且能够实现更多变的衍射级次分布，该光栅结构通过优化调整各行各列中二维矩形光栅的宽度、高度、镀膜情况等，能够有效调节各个衍射级次的效率，从而优化其应用于光波导的功能。
48.具体地，请参见图2和图3，其示出了本实用新型实施例提供的一种光栅结构的俯视图示意图和立体图示意图，在图2和图3所示光栅结构中，二维光栅在水平方向(y方向)上设置有三行二维矩形光栅，在垂直方向(x方向)上设置有四列二维矩形光栅，其满足上述二维光栅的行数与列数之和至少为三的限定。
49.在本实用新型实施例中，二维光栅在一个光栅周期的横纵比例为0.866:1，所述水平方向上的二维矩形光栅的周期尺寸为200
‑
1000nm，所述垂直方向上的二维矩形光栅的周期尺寸为200
‑
1000nm，所述二维矩形光栅的尺寸为10
‑
200nm，所述二维矩形光栅的高度为0
‑
1000nm。且有，一个光栅周期内的各个二维矩形光栅的高度不同。
50.本实用新型实施例所示的光栅结构在实际仿真时，可通过调整周期内所述二维矩形光栅的像素大小、个数和高度来达到对具体衍射级次效率的调节。以上述图1为例，在反射级次中，0级衍射效率为63.8％，如图1(a)中的reflection1，零级左右两个扩展级次的效率是4.7％，如图1(a)中的reflection2和reflection3，透射耦出级次衍射效率为1％。
51.需要说明的是，图2和图3及其所示实施例仅展示了光栅结构的一个光栅周期，在实际应用中，所述光栅结构的光栅周期可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。上述二维光栅中二维矩形光栅的行数和列数同样也不需要拘泥于本实用新型实施例的限定，其数量可根据实际需要进行设置。
52.优选地，在本实用新型实施例中，可通过采用电子束/离子束设备，极/深紫外光刻设备，或者干涉光刻设备等衍射光栅加工设备来加工晶圆，并使用纳米压印设备进行压印复制量产本实用新型实施例所述的光栅结构。具体步骤为：首先，使用电子束/离子束设备加工一个光栅波导片的晶圆作为母模板；然后，使用纳米压印设备将母模板压印复制为工作模板；最后，使用工作模板进行光栅波导片的批量化压印。
53.在一些实施例中，请参见图4，其示出了本实用新型实施例提供的另一种光栅结构的立体图示意图，在图4所示光栅结构中，与图3及其实施例所示光栅结构相同的是：二维光栅在水平方向(y方向)上设置有三行二维矩形光栅，在垂直方向(x方向)上设置有四列二维矩形光栅，各个相邻的所述二维矩形光栅的间隔相同，二维光栅在一个光栅周期的横纵比例为0.866:1，所述水平方向上的二维矩形光栅的周期尺寸为200
‑
1000nm，所述垂直方向上的二维矩形光栅的周期尺寸为200
‑
1000nm，所述二维矩形光栅的尺寸为10
‑
200nm，所述二维矩形光栅的高度为0
‑
1000nm，因而，图4所示光栅结构的俯视图示意图与图2所示俯视图示意图一致。
54.与图3及其实施例所示光栅结构不同的是：本实用新型实施例对所述二维矩形光栅的高度进行了优化，其解决了二维矩形光栅不同高度难以加工的问题。本实用新型实施例所示的光栅结构在实际仿真时，在反射级次中，0级衍射效率为79.79％，如图1(a)中的reflection1，零级左右两个扩展级次的效率是1.38％，如图1(a)中的reflection2和reflection3，透射耦出级次衍射效率为1.21％。
55.需要说明的是，图4及其所示实施例仅展示了光栅结构的一个光栅周期，在实际应用中，所述光栅结构的光栅周期可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。上述二维光栅中二维矩形光栅的行数和列数同样也不需要拘泥于本实用新型实施例的限定，其数量可根据实际需要进行设置。
56.优选地，在本实用新型实施例中，可通过采用电子束/离子束设备，极/深紫外光刻设备，或者干涉光刻设备等衍射光栅加工设备来加工晶圆，并使用纳米压印设备进行压印复制量产本实用新型实施例所述的光栅结构。
57.进一步地，所述光栅结构中，各个光栅周期中的二维光栅的结构可以是相同的，也可以是不同的，具体地，
58.在一些实施例中，请参见图5(a)，其示出了具有多个相同光栅周期的二维光栅的光栅结构，该光栅结构中各个光栅周期中的二维光栅结构相同，如图5(a)所示，单个周期t1的二维光栅具有3x4个像素，即3x4个二维矩形光栅，在x方向和y方向上将二维光栅进行了3x3的周期化，从而形成如图5(a)所示的光栅结构。
59.在一些实施例中，请参见图5(b)其示出了具有多个具有不同光栅周期的二维光栅的光栅结构，该光栅结构中各个光栅周期中的二维光栅存在两种类型的结构且结构不同，如图5(b)所示，存在有t1和t2两种周期的二维光栅，一种是具有3x3个像素/二维矩形光栅(t2周期)的二维光栅，另外一种是具有3x4像素/二维矩形光栅(t1周期)的二维光栅，两种周期的像素/二维矩形光栅大小一致，两种周期的二维光栅在x方向上交错排列，在y方向上直接相同周期大小排列。
60.不难看出，本技术所提供的光栅结构可具有多个光栅周期，本技术的改进之处在于将每一光栅周期内的二维光栅进行进一步的二维像素化，从而使得每个二维光栅内形成像素化结构的二维矩形光栅，进一步提高对衍射级次的效率的调节能力，具体可通过调节各个光栅周期中二维光栅中各个二维矩形光栅的像素大小、高度、个数、镀膜等来调节衍射级次的效率。
61.实施例二
62.本实用新型实施例提供了一种近眼显示系统，其参见图6，其示出了本实用新型实施例提供的一种近眼显示系统的光学结构示意图，该近眼显示系统包括：微投影光机1，光波导3，以及，如上述实施例一或实施例二任一实施例所述的光栅结构，所述光栅结构设于所述光波导3的耦入区域2和/或耦出区域4。
63.需要说明的是，本实用新型实施例所述的光栅结构为上述实施例一所述的光栅结构，具有相同的结构和特性，本实用新型实施例所述的光栅结构的具体结构、参数及效果等可参见上述实施例一，此处不再详述。
64.在本实用新型实施例中，所述微投影光机1中的图像源可以是lcos、dmd、oled和mems中的一种，所述微投影光机1所出射的光线，通过设置在所述耦入区域2上的光栅结构
耦入到所述光波导3中，耦入到所述光波导3中的光线在所述光波导3中全反射传播，光线传播到所述耦出区域4时，部分光线通过设置在所述耦出区域4的光栅结构扩瞳并耦出所述光波导3，传播到人眼5中成像。进一步地，所述光栅结构也可以设置在所述光波导3内部，以使光线能够在所述光波导3中改变传播方向。
65.在一些实施例中，所述耦入区域2或所述耦出区域4也可以不设置如上述实施例一所述的光栅结构，所述耦入区域2、所述耦出区域4、或者所述光波导3的内部，也可以设置为超表面结构、共振光栅结构、体全息结构、二维光栅结构，或者倾斜光栅、梯形光栅、闪耀光栅和矩形光栅等一维光栅结构，具体地，可根据实际需要设置所述耦入区域2和所述耦出区域4上的光栅结构，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
66.具体地，可一并参考图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)和图7(e)所示的光栅结构和光波导的光学结构，其出示了耦入区域2和耦出区域4在光波导3上的多种设置情况和光传播方向，其中，圆形的耦入区域和方形的耦出区域皆可采用如上述实施例一所述的光栅结构，也可以仅有耦入区域或耦出区域采用如上述实施例一所述的光栅结构，未采用如上述实施例一所述的光栅结构的耦入区域或耦出区域可采用如上述的其他光栅结构。
67.需要说明的是，本实用新型实施例提供的近眼显示系统中光栅结构和光波导的光学结构不限于上述的图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)和图7(e)所示的光栅结构，具体可根据实际情况进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
68.本实用新型实施例提供了一种近眼显示系统，该系统包括用于出射用于成像的光线的微投影光机，以及表面上设置有如上述实施例一所述的光栅结构的光波导，该系统中的光栅结构结构简单，易于加工，出光均匀，且衍射级次多变，能够实现较好的出光效果。
69.本实用新型实施例中提供了一种光栅结构，应用于近眼显示系统，该光栅结构包括：基底，以及，具有至少一个光栅周期的二维光栅，该二维光栅设置在所述基底的一表面上，所述二维光栅为像素化结构，每一光栅周期内，该二维光栅包括水平方向上的至少一行二维矩形光栅，以及，垂直方向上的至少一列二维矩形光栅，二维光栅的行数与列数之和至少为三，至少两个所述二维矩形光栅的高度不同，其中，所述光栅结构的衍射级次的效率与所述二维矩形光栅的宽度、高度、镀膜相关，本实用新型实施例提供的光栅结构易于加工、自由度高、均匀性较好，且能够实现更多变的衍射级次分布，实现对衍射级次效率的自由调节。
70.需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
71.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。