衍射光栅、光波导装置以及显示设备的制作方法

本发明属于光学显示，具体涉及一种衍射光栅、光波导装置以及显示设备。

背景技术：

1、在增强现实(augmented reality，ar)、混合现实(mixed reality，mr)领域，相比bird bath(bb，半反半透式)、虫眼(离轴反射式)、自由曲面棱镜等显示方案，光波导方案更轻薄、眼盒更大，因此有更广阔的应用前景。

2、在光波导方案中，相比使用部分透反膜的阵列光波导，衍射光波导生产制备工艺难度更低，在实现二维扩瞳时不存在栅格状暗条纹，因此更受关注。目前，衍射光波导主要有基于一维光栅的光波导方案和基于二维光栅的光波导方案。相比全一维光栅的光波导设计方案，基于二维光栅的光波导设计方案可以无需转折区即达到二维扩瞳，因此能够提供更大眼盒，具有更大的优势。现有的基于二维光栅的光波导中，通常是由沿二维方向呈周期性排布的多个微结构单元构成二维衍射光栅，微结构单元呈柱状结构，其横截面为圆形、椭圆形、三角形、平行四边形等规则的形状。

3、在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中的二维衍射光栅至少存在如下问题：(1)、微结构单元的形状可调节参数较少，设计自由度低；(2)、微结构单元为圆形或椭圆形形状时，较难以耦出能量；(3)、微结构单元为三角形或平行四边形等具有直边边界时，虽然有利于能量向各级次分散使得各视场光线的能量较均匀，但是也会带来难加工的问题，特别是这些形状的边界存在直边以及尖锐顶点，容易带来散射，降低图像对比度。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种能够增加微结构设计自由度，可以使得耦出能量更均匀，有助于减少散射而提高图像对比度的衍射光栅、光波导装置以及显示设备。

2、为了达到以上目的，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种衍射光栅，包括：

4、衬底；

5、形成在所述衬底上且沿二维方向呈周期性间隔排布的多个微结构单元，所述微结构单元在所述衬底上正投影形成的图形包括第一封闭图形；其中，

6、所述第一封闭图形的边界由一条平滑闭合曲线包围形成以使得所述边界不存在尖锐顶点；其中，所述边界上至少存在曲率半径为负值的第一曲线段使得所述边界上形成有至少一个凹陷部。

7、可选的方案中，所述第一曲线段的曲率半径的绝对值不小于5nm，所述凹陷部的凹陷深度不小于5nm。

8、可选的方案中，所述边界上还形成有至少一个凸起部。

9、可选的方案中，所述边界上对应于形成所述凸起部的第二曲线段的曲率半径不小于5nm，所述凸起部的凸起高度不小于5nm。

10、可选的方案中，所述第一封闭图形为非对称图形。

11、可选的方案中，所述边界包围的区域内还存在另一条平滑闭合曲线以形成所述第一封闭图形的内边界，所述内边界不存在尖锐顶点。

12、可选的方案中，所述微结构单元在所述衬底上正投影形成的图形还包括具有任意形状的第二封闭图形。

13、可选的方案中，所述第二封闭图形的面积不大于所述第一封闭图形的面积。

14、可选的方案中，所述第二封闭图形具有与所述第一封闭图形相似形状的边界，所述第二封闭图形是所述第一封闭图形经由平移和/或镜像和/或旋转和/或缩小后形成的图形。

15、可选的方案中，所述微结构单元在第一维方向排布的周期以及在第二维方向排布的周期均在150nm～2μm范围内。

16、可选的方案中，所述微结构单元在第一维方向排布的周期和在第二维方向排布的周期不相等。

17、可选的方案中，在所述微结构单元周期性排布的二维方向上，以两个排布周期为两组最短对边构成的最小平行四边形中，其中相对较小的内角的角度在40°～90°范围内。

18、可选的方案中，所述衍射光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅，所述衍射光栅厚度在10nm～2μm范围内。

19、可选的方案中，所述衍射光栅为包括光学特性不同的至少两种光学材料组分，所述光学特性包括折射率，和/或吸收特性，和/或双折射特性。

20、可选的方案中，对于所述表面浮雕光栅，所述微结构单元区域形成为光栅厚度一半处，所述衍射光栅中的微结构单元区域被设置为高折射率部分，包围所述微结构单元区域的其他区域被设置为低折射率部分；或者是，所述衍射光栅中的微结构单元区域被设置为低折射率部分，包围所述微结构单元区域的其他区域被设置为高折射率部分；对于折射率渐变的体全息光栅，所述微结构单元区域对应光栅厚度一半处，所述微结构单元区域为光学材料的均值折射率对应的轮廓线包围的部分。

21、本发明还提供了一种光波导装置，其包括：

22、基底；

23、设置于所述基底的耦入光栅和耦出光栅，和/或中间光栅；其中，

24、所述耦入光栅和/或所述耦出光栅和/或所述中间光栅中有部分区域采用如上所述的衍射光栅。

25、可选的方案中，所述衍射光栅靠近人眼侧和/或远离人眼侧存在一层或多层镀膜，和/或所述基底无光栅侧存在一层或多层镀膜。

26、可选的方案中，所述基底为多层结构，和/或所述衍射光栅为多层结构。

27、进一步地，本发明还提供一种显示设备，其包括如上所述的光波导装置。

28、本发明实施例提供的衍射光栅、光波导装置以及显示设备，构成二维衍射光栅的微结构单元的边界由一条平滑闭合曲线包围形成，边界上不存在直边以及尖锐顶点，并且边界上至少存在曲率半径为负值的第一曲线段使得边界上形成有至少一个凹陷部，由此可以取得以下的有益效果：(1)、如上形状结构的微结构单元，可调节参数较多，设计自由度丰富，有利于耦出效率的调节；(2)、如上形状结构的微结构单元，有助于耦入的各视场光线在耦出光栅不同位置的均匀分布，使得耦出图像的能量/色彩更均匀；(3)、如上形状结构的微结构单元，不存在直边以及尖锐顶点，可以减少散射而提高图像对比度。

技术特征：

1.一种衍射光栅，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的衍射光栅，其特征在于，所述第一曲线段的曲率半径的绝对值不小于5nm，所述凹陷部的凹陷深度不小于5nm。

3.根据权利要求1所述的衍射光栅，其特征在于，所述边界上还形成有至少一个凸起部。

4.根据权利要求3所述的衍射光栅，其特征在于，所述边界上对应于形成所述凸起部的第二曲线段的曲率半径不小于5nm，所述凸起部的凸起高度不小于5nm。

5.根据权利要求1所述的衍射光栅，其特征在于，所述第一封闭图形为非对称图形。

6.根据权利要求1所述的衍射光栅，其特征在于，所述边界包围的区域内还存在另一条平滑闭合曲线以形成所述第一封闭图形的内边界，所述内边界不存在尖锐顶点。

7.根据权利要求1-6任一项所述的衍射光栅，其特征在于，所述微结构单元在所述衬底上正投影形成的图形还包括具有任意形状的第二封闭图形。

8.根据权利要求7所述的衍射光栅，其特征在于，所述第二封闭图形的面积不大于所述第一封闭图形的面积。

9.根据权利要求8所述的衍射光栅，其特征在于，所述第二封闭图形具有与所述第一封闭图形相似形状的边界，所述第二封闭图形是所述第一封闭图形经由平移和/或镜像和/或旋转和/或缩小后形成的图形。

10.根据权利要求1所述的衍射光栅，其特征在于，所述微结构单元在第一维方向排布的周期以及在第二维方向排布的周期均在150nm～2μm范围内。

11.根据权利要求10所述的衍射光栅，其特征在于，所述微结构单元在第一维方向排布的周期和在第二维方向排布的周期不相等。

12.根据权利要求1所述的衍射光栅，其特征在于，在所述微结构单元周期性排布的二维方向上，以两个排布周期为两组最短对边构成的最小平行四边形中，其中相对较小的内角的角度在40°～90°范围内。

13.根据权利要求1所述的衍射光栅，其特征在于，所述衍射光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅，所述衍射光栅厚度在10nm～2μm范围内。

14.根据权利要求13所述的衍射光栅，其特征在于，所述衍射光栅为包括光学特性不同的至少两种光学材料组分，所述光学特性包括折射率，和/或吸收特性，和/或双折射特性。

15.根据权利要求14所述的衍射光栅，其特征在于，对于所述表面浮雕光栅，所述微结构单元区域形成为光栅厚度一半处，所述衍射光栅中的微结构单元区域被设置为高折射率部分，包围所述微结构单元区域的其他区域被设置为低折射率部分；或者是，所述衍射光栅中的微结构单元区域被设置为低折射率部分，包围所述微结构单元区域的其他区域被设置为高折射率部分；对于折射率渐变的体全息光栅，所述微结构单元区域对应光栅厚度一半处，所述微结构单元区域为光学材料的均值折射率对应的轮廓线包围的部分。

16.一种光波导装置，其特征在于，包括：

17.根据权利要求16所述的光波导装置，其特征在于，所述衍射光栅靠近人眼侧和/或远离人眼侧存在一层或多层镀膜，和/或所述基底无光栅侧存在一层或多层镀膜。

18.根据权利要求16所述的光波导装置，其特征在于，所述基底为多层结构，和/或所述衍射光栅为多层结构。

19.一种显示设备，其特征在于，包括如权利要求16-18中任一项所述的光波导装置。

技术总结
本发明公开一种衍射光栅，其包括：衬底；形成在衬底上且沿二维方向呈周期性间隔排布的多个微结构单元，所述微结构单元在衬底上正投影形成的图形包括第一封闭图形；所述第一封闭图形的边界由一条平滑闭合曲线包围形成以使得所述边界不存在尖锐顶点；所述边界上至少存在曲率半径为负值的第一曲线段使得所述边界上形成有至少一个凹陷部。本发明还公开了包含如上衍射光栅的光波导装置和显示设备。本发明的技术方案中，构成二维衍射光栅的微结构单元的边界由一条平滑闭合曲线包围形成，边界上不存在直边以及尖锐顶点，同时又具有凹陷部，由此能够增加微结构设计自由度，可以使得耦出能量更均匀，有助于减少散射而提高图像对比度。

技术研发人员：邵陈荻,兰富洋,关健,徐松
受保护的技术使用者：珠海莫界科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13