一种二维光栅、光波导及近眼显示设备的制作方法

1.本实用新型实施例涉及光学器件技术领域，特别涉及一种二维光栅、光波导及近眼显示设备。


背景技术：

2.增强现实技术(augmented reality，ar)是将虚拟信息与现实世界融合在一起的科学技术，该技术能够配合其他传感器提供给用户全新的交互体验。而采用增强现实技术的近眼显示设备，如增强现实眼镜中，主要有棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案和波导方案，波导方案又分为几何波导方案、浮雕光栅波导方案和体全息波导方案。其中，浮雕光栅波导目前的方案路径主要又包括基于一维光栅的波导方案和基于二维光栅的波导方案。
3.目前，二维光栅波导使用的二维光栅结构兼顾了扩展和耦出的功能，因此在同样大小的波导基底上，二维光栅结构可以提供更大的视场角和眼动范围。然而，目前基于二维光栅结构的光波导方案中，二维光栅结构通常为圆柱结构和菱形结构，这两种结构的可调节光栅参数较少，导致对光线的不同衍射级次之间的能量分布调节自由度低。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种具有更多调节衍射效率的自由度的二维光栅、光波导及近眼显示设备。
5.本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
6.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二维光栅，包括配置为周期性平铺排列在波导基底表面的若干个柱体，所述柱体由第一实体部和若干个第二实体部的侧部连接融合所形成，所述第一实体部和所述第二实体部的形状皆为多棱柱且在连接融合处共用多棱柱的部分结构。
7.在一些实施例中，在所述柱体的横截面上，形成所述第二实体部的多棱柱的外接圆的圆心位于形成所述第一实体部的多棱柱的外接圆的圆周上。
8.在一些实施例中，所述二维光栅在所述波导基底表面的第一方向上的周期与在所述波导基底表面的第二方向上的周期之比为所述第一方向和所述第二方向为在所述波导基底表面上相互垂直的两个方向，所述二维光栅在所述第一方向上的周期为200nm-2μm。
9.在一些实施例中，在每一个所述柱体中，当所述第二实体部的数量大于或等于两个时，任意两个相邻的所述第二实体部不相接。
10.在一些实施例中，所述第二实体部为两个，两个形成所述第二实体部的多棱柱的外接圆的圆心与形成所述第一实体部的多棱柱的外接圆的圆心之间的连线形成的夹角为180
°
。
11.在一些实施例中，在所述柱体的横截面上，形成所述第一实体部的多棱柱的外接
圆的圆心到形成所述第一实体部的多棱柱的侧棱的距离为10nm-1μm；和/或，在所述柱体的横截面上，形成所述第二实体部的多棱柱的外接圆的圆心到形成所述第二实体部的多棱柱的侧棱的距离为10nm-1μm。
12.在一些实施例中，在所述柱体的横截面上，形成所述第一实体部的多棱柱的外接圆的圆心到形成所述第二实体部的多棱柱的外接圆的圆心的距离为20nm-2μm。
13.在一些实施例中，所述第一实体部、所述第二实体部和/或所述柱体的高度为10nm-1μm；和/或，所述第一实体部、所述第二实体部和/或所述柱体的顶面呈阶梯状时，各阶梯的宽度为1-500nm、深度为1-500nm。
14.在一些实施例中，各所述柱体之间的最小间隔大于10mm。
15.为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例提供了一种光波导，包括：波导基底以及设置于所述波导基底的如第一方面所述的二维光栅。
16.为解决上述技术问题，第三方面，本实用新型实施例还提供了一种近眼显示设备，包括：如第二方面所述的光波导。
17.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二维光栅、光波导及近眼显示设备，该二维光栅包括配置为周期性平铺排列在波导基底表面的若干个柱体，所述柱体由第一实体部和若干个第二实体部的侧部连接融合所形成，所述第一实体部和所述第二实体部皆为多棱柱且在连接融合处共用多棱柱的部分结构，在所述柱体的横截面上，形成所述第二实体部的多棱柱的外接圆的圆心位于形成所述第一实体部的多棱柱的外接圆的圆周上，本实用新型实施例提供了一种衍射效率高、具有高自由度的能量分布调节的二维光栅。
附图说明
18.一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/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
19.图1(a)是本实用新型实施例提供的第一种二维光栅在波导基底表面的一种排列方式的俯视示意图；
20.图1(b)是图1(a)所示二维光栅中的一个柱体的立体结构示意图；
21.图1(c)是图1(b)所示柱体的俯视示意图；
22.图1(d)是图1(c)所示角度下形成柱体的各多棱柱的形状示意图；
23.图1(e)示出了图1(c)所示柱体的衍射效率示意图；
24.图2(a)是本实用新型实施例提供的第二种二维光栅在波导基底表面的一种排列方式的俯视示意图；
25.图2(b)是图2(a)所示二维光栅中的一个柱体的立体结构示意图；
26.图2(c)是图2(b)所示柱体的俯视示意图；
27.图2(d)是图2(c)所示角度下形成柱体的各多棱柱的形状示意图；
28.图2(e)示出了图2(c)所示柱体的衍射效率示意图；
29.图3(a)是本实用新型实施例提供的第三种二维光栅在波导基底表面的一种排列方式的俯视示意图；
30.图3(b)是图3(a)所示二维光栅中的一个柱体的立体结构示意图；
31.图3(c)是图3(b)所示柱体的俯视示意图；
32.图3(d)是图3(c)所示角度下形成柱体的各多棱柱的形状示意图；
33.图3(e)示出了图3(c)所示柱体的衍射效率示意图；
34.图4(a)是本实用新型实施例提供的第四种二维光栅在波导基底表面的一种排列方式的俯视示意图；
35.图4(b)是图4(a)所示二维光栅中的一个柱体的立体结构示意图；
36.图4(c)是图4(b)所示柱体的俯视示意图；
37.图4(d)是图4(c)所示角度下形成柱体的各多棱柱的形状示意图；
38.图4(e)示出了图4(c)所示柱体的衍射效率示意图；
39.图5(a)是本实用新型实施例提供的第五种二维光栅在波导基底表面的一种排列方式的俯视示意图；
40.图5(b)是图5(a)所示二维光栅中的一个柱体的立体结构示意图；
41.图5(c)是图5(b)所示柱体的俯视示意图；
42.图5(d)是图5(c)所示角度下形成柱体的各多棱柱的形状示意图；
43.图5(e)示出了图5(c)所示柱体的衍射效率示意图；
44.图6是本实施例提供的一种光波导的结构示意图；
45.图7是本实施例提供的一种近眼显示设备的结构示意图。
具体实施方式
46.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，还可以作出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
47.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。
48.需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
49.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，不适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。
50.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。
51.具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。
52.请参见图1(a)至图1(d)，本实用新型实施例提供了一种二维光栅，包括配置为周
期性平铺排列在波导基底101表面的若干个柱体10，柱体10由第一实体部11和若干个第二实体部12的侧部连接融合所形成，第一实体部11和第二实体部12的形状皆为多棱柱且在连接融合处共用多棱柱的部分结构。其中，连接融合处121为第一实体部11和第二实体部12多棱柱重合、共用的部分。第一实体部11与第二实体部12的融合的深度可以根据实际需要进行调整，也就是说，在柱体10的横截面上，形成第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆心与形成第二实体部12的外接圆的圆心之间的距离可以大于、小于或等于形成第一实体部11的多棱柱的外接圆的半径。
53.本实施例中，由第一实体部11和第二实体部12融合而成的柱体的形状和尺寸的可调节参数更多，可以提高二维光栅对衍射光的能量分布的调节自由度，从而可以根据需要更方便地调整光线在波导基底中的传播路径以及在该传播路径上的衍射效率，并且提高了可调整的最高衍射效率。同时，该二维光栅使用在波导的耦出区域时，不仅可以灵活调整二维光栅的扩展衍射级次，还可以灵活调整二维光栅的耦出衍射级次，满足近眼显示设备的设计需求。
54.可选地，在柱体10的横截面上，形成第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o位于形成第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆周上。在每一个柱体10中，当第二实体部12的数量大于或等于两个时，任意两个相邻的第二实体部12不相接，且任意两个相邻的形成第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o与形成第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆心o’之间的连线形成的夹角α的角度可以为：0
°
＜α≤180
°
。其中，第二实体部12为两个时，形成两个第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心与形成第一实体部的多棱柱的外接圆的圆心之间的连线形成的夹角α为180
°
，这样柱体10在横截面上呈云朵状，采用横截面为云朵状的柱体结构，光栅的透射衍射效率可调节范围更宽，可调节的最高透射衍射效率更高。
55.可选地，二维光栅在波导基底101表面的第一方向上的周期与在波导基底101表面的第二方向上的周期之比为第一方向和第二方向为在波导基底101表面上相互垂直的两个方向，二维光栅在第一方向上的周期为200nm-2μm。可选地，在柱体10的横截面上，形成第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆心o’到形成第一实体部11的多棱柱的侧棱的距离为10nm-1μm；和/或，在柱体10的横截面上，形成第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o到形成第二实体部12的多棱柱的侧棱的距离为10nm-1μm。可选地，在柱体10的横截面上，形成第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆心o’到形成第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o的距离为20nm-2μm。可选地，第一实体部11、第二实体部12和/或柱体10的高度为10nm-1μm。可选地，第一实体部11、第二实体部12和/或柱体10的顶面呈阶梯状时，各阶梯的宽度为1-500nm、深度为1-500nm。可选地，各柱体10之间的最小间隔大于10mm。
56.其中，形成第一实体部11的多棱柱的侧棱数量和形成第二实体部12的多棱柱的侧棱数量可以是相同的，也可以是不同的，并且各多棱柱的侧棱之间的间距可以是相同的，也可以是不同的；形成第一实体部11的多棱柱的侧棱数量可以比形成第二实体部12的多棱柱的侧棱数量更多，也可以更少；第二实体部12的数量可以是一个，也可以是两个及以上。若第二实体部12的数量为至少两个，至少两个第二实体部12的形状和尺寸可以相同也可以不相同。第一实体部11与第二实体部12的形状和尺寸可以相同也可以不相同。具体地，如下附图1至附图5提供了五种示例，但在实际应用场景下可根据实际需要设计形成第一实体部11和第二实体部12的各多棱柱的侧棱数量、尺寸、形状，以及第二实体部12的数量和位置等参
数，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定，从而提供一种具有高自由度的能量分布调节、衍射效率可调、成像效果好、衍射效率高的二维光栅。
57.第一种示例请参见图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)和图1(2)，其中，图1(a)示出了本实用新型实施例提供的第一种二维光栅在波导基底101表面的一种排列方式的俯视图，图1(b)示出了图1(a)所示二维光栅中的一个柱体10的立体结构，图1(c)示出了图1(b)所示柱体10的俯视图，图1(d)示出了图1(c)所示角度下形成柱体10的各多棱柱的形状，图1(e)示出了图1(c)所示柱体10的扩展衍射效率。
58.如图1(a)所示，柱体10在波导基底101上周期性平铺排列，其中，柱体10不仅在水平方向、也即x方向、也即上述的第一方向上周期排列，柱体10也在竖直方向、也即y方向、也即上述的第二方向上周期排列。如图1(b)和图1(c)所示，柱体10由第一实体部11和两个第二实体部12的侧部连接融合所形成。如图1(d)所示，形成柱体10中的第一实体部11的多棱柱为八棱柱，形成柱体10中的第二实体部12的多棱柱也为八棱柱，且在第一实体部11的多棱柱与第二实体部12的多棱柱的连接融合处121共用棱柱的部分结构，在柱体10的横截面上，也即俯视方向上，形成第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o位于形成第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆周上；此时，两个第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o与第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆心o’之间的连线形成的夹角α的角度为180
°
，此时柱体10在横截面上呈云朵状，其具有较宽的透射衍射效率可调节范围和较高的可调节的最高透射衍射效率。
59.第二种示例请参见图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)和图2(e)，其中，图2(a)示出了本实用新型实施例提供的第二种二维光栅在波导基底101表面的一种排列方式的俯视图，图2(b)示出了图2(a)所示二维光栅中的一个柱体10的立体结构，图2(c)示出了图2(b)所示柱体10的俯视图，图2(d)示出了图2(c)所示角度下形成柱体10的各多棱柱的形状，图2(e)示出了图2(c)所示柱体10的扩展衍射效率。
60.如图2(a)所示，柱体10在波导基底101上周期性平铺排列，其中，柱体10不仅在水平方向、也即x方向、也即上述的第一方向上周期排列，柱体10也在竖直方向、也即y方向、也即上述的第二方向上周期排列。如图2(b)和图2(c)所示，柱体10由第一实体部11和两个第二实体部12的侧部连接融合所形成。如图2(d)所示，形成柱体10中的第一实体部11的多棱柱为六棱柱，形成柱体10中的第二实体部12的多棱柱为三棱柱，且在第一实体部11的多棱柱与第二实体部12的多棱柱的连接融合处121共用棱柱的部分结构，在柱体10的横截面上，也即俯视方向上，形成第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o位于形成第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆周上；此时，两个第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o与第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆心o’之间的连线形成的夹角α的角度为180
°
，此时柱体10在横截面上呈云朵状，其具有较宽的透射衍射效率可调节范围和较高的可调节的最高透射衍射效率。
61.第三种示例请参见图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)和图3(2)，其中，图3(a)示出了本实用新型实施例提供的第三种二维光栅在波导基底101表面的一种排列方式的俯视图，图3(b)示出了图3(a)所示二维光栅中的一个柱体10的立体结构，图3(c)示出了图3(b)所示柱体10的俯视图，图3(d)示出了图3(c)所示角度下形成柱体10的各多棱柱的形状，图3(e)示出了图3(c)所示柱体10的扩展衍射效率。
62.如图3(a)所示，柱体10在波导基底101上周期性平铺排列，其中，柱体10不仅在水平方向、也即x方向、也即上述的第一方向上周期排列，柱体10也在竖直方向、也即y方向、也即上述的第二方向上周期排列。如图3(b)和图3(c)所示，柱体10由第一实体部11和两个第二实体部12的侧部连接融合所形成。如图3(d)所示，形成柱体10中的第一实体部11的多棱柱为七棱柱，形成柱体10中的第二实体部12的多棱柱也为七棱柱，且在第一实体部11的多棱柱与第二实体部12的多棱柱的连接融合处121共用棱柱的部分结构，在柱体10的横截面上，也即俯视方向上，形成第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o位于形成第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆周上；此时，两个第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o与第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆心o’之间的连线形成的夹角α的角度为180
°
，此时柱体10在横截面上呈云朵状，其具有较宽的透射衍射效率可调节范围和较高的可调节的最高透射衍射效率。
63.第四种示例请参见图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)和图4(2)，其中，图4(a)示出了本实用新型实施例提供的第四种二维光栅在波导基底101表面的一种排列方式的俯视图，图4(b)示出了图4(a)所示二维光栅中的一个柱体10的立体结构，图4(c)示出了图4(b)所示柱体10的俯视图，图4(d)示出了图4(c)所示角度下形成柱体10的各多棱柱的形状，图4(e)示出了图4(c)所示柱体10的扩展衍射效率。
64.如图4(a)所示，柱体10在波导基底101上周期性平铺排列，其中，柱体10不仅在水平方向、也即x方向、也即上述的第一方向上周期排列，柱体10也在竖直方向、也即y方向、也即上述的第二方向上周期排列。如图4(b)和图4(c)所示，柱体10由第一实体部11和两个第二实体部12的侧部连接融合所形成。如图4(d)所示，形成柱体10中的第一实体部11的多棱柱为十二棱柱，形成柱体10中的第二实体部12的多棱柱也为十二棱柱，且在第一实体部11的多棱柱与第二实体部12的多棱柱的连接融合处121共用棱柱的部分结构，在柱体10的横截面上，也即俯视方向上，形成第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o位于形成第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆周上；此时，两个第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o与第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆心o’之间的连线形成的夹角α的角度为：180
°
，此时柱体10在横截面上呈云朵状，其具有较宽的透射衍射效率可调节范围和较高的可调节的最高透射衍射效率。
65.如图4所示各图不难发现，本实用新型实施例提供的柱体10中形成第一实体部11和第二实体部12的各多棱柱在棱数较多时，多棱柱的形状将会接近于圆柱体，但相较于圆柱体的情况，在波导基底101上切割形成二维光栅更加容易。
66.第五种示例请参见图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)和图5(2)，其中，图5(a)示出了本实用新型实施例提供的第五种二维光栅在波导基底101表面的一种排列方式的俯视图，图5(b)示出了图5(a)所示二维光栅中的一个柱体10的立体结构，图5(c)示出了图5(b)所示柱体10的俯视图，图5(d)示出了图5(c)所示角度下形成柱体10的各多棱柱的形状，图5(e)示出了图5(c)所示柱体10的扩展衍射效率。
67.如图5(a)所示，柱体10在波导基底101上周期性平铺排列，其中，柱体10不仅在水平方向、也即x方向、也即上述的第一方向上周期排列，柱体10也在竖直方向、也即y方向、也即上述的第二方向上周期排列。如图5(b)和图5(c)所示，柱体10由第一实体部11和两个第二实体部12的侧部连接融合所形成。如图5(d)所示，形成柱体10中的第一实体部11的多棱
柱为五棱柱，形成柱体10中的第二实体部12的多棱柱也为五棱柱，且在第一实体部11的多棱柱与第二实体部12的多棱柱的连接融合处121共用棱柱的部分结构，在柱体10的横截面上，也即俯视方向上，形成第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o位于形成第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆周上；此时，两个第二实体部12的多棱柱的外接圆的圆心o与第一实体部11的多棱柱的外接圆的圆心o’之间的连线形成的夹角α的角度为：180
°
，此时柱体10在横截面上呈云朵状，其具有较宽的透射衍射效率可调节范围和较高的可调节的最高透射衍射效率。
68.在一些实施例中，本实施例还提供了一种光波导，请参见图6，其示出了本实施例提供的一种光波导的结构，所示光波导100包括：波导基底101以及设置于所述波导基底的如上所述的任意一个实施例的二维光栅。具体地，光波导100包括耦入结构102和耦出结构103，耦入结构102设置在波导基底101的入光区域，耦出结构103设置在波导基底101的出光区域。耦入结构103和/或耦出结构104由上述任意一个实施例的二维光栅构成，该二维光栅易于加工，利于调节耦出效率，具体地，请参见上述实施例，此处不再详述，耦出区域103能够将光线扩散传播，并将部分光线耦出波导基底101进入人眼，从而实现扩瞳显示。可选的，在耦入结构102和耦出结构103之间还可以设置有转折结构。
69.耦入结构102或者耦出结构103也可以为矩形光栅、倾斜光栅、梯形光栅、阶梯光栅、全息光栅或其他衍射光栅，具体地，耦入结构102可以将光机的投影光线衍射耦合到波导基底101内朝耦出结构103的方向全反射传播，可根据实际需要进行设置。
70.在一些实施例中，本实施例还提供了一种近眼显示设备，请参见图6，其示出了本实施例提供的一种近眼显示设备的结构，近眼显示设备1000包括：光波导100。
71.本实施例提供的近眼显示设备1000，其光波导100可以是如图6及其实施例所示的光波导100，且由于该光波导采用的是本实用新型实施例所示的二维光栅作为耦出结构，该二维光栅具有更多的优化变量，可进行多参数调控来实现对衍射效率的调整。
72.本实用新型实施例中提供了一种二维光栅、光波导及近眼显示设备，该二维光栅包括配置为周期性平铺排列在波导基底表面的若干个柱体，柱体由第一实体部和若干个第二实体部的侧部连接融合所形成，第一实体部和第二实体部皆为多棱柱且在连接融合处共用多棱柱的部分结构，在柱体的横截面上，形成第二实体部的多棱柱的外接圆的圆心位于形成第一实体部的多棱柱的外接圆的圆周上，本实用新型实施例提供了一种衍射效率好、具有高自由度的能量分布调节的二维光栅。
73.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。
74.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他变化，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。