一种光栅结构、一维光栅、光波导和近眼显示设备的制作方法

1.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、一维光栅、光波导和近眼显示设备。

背景技术：

2.目前，对于消费级ar眼镜，通常采用衍射波导片，在实现全彩显示时，可采用多层波导片分别对不同光线进行衍射传播、或采用单层波导片同时对不同光线进行衍射传播。
3.对于多层波导片全彩显示方案，如图1所示，微投影光机100发出的红、绿、蓝光分别通过三片波导基底200的耦入区域210耦入至各自的波导基底内，经各自波导基底上的耦出区域220进行耦出扩展。然而，在这种方案中，不同颜的光线分层传播，容易导致拖影、彩虹彩失真等现象，显示效果较差、且这种方案使用多层波导片，导致成本高、限制其在市场的推广。因此，单层波导片实现全彩显示的方案成为近期研究热点。然而，现有的耦入光栅多为直光栅、倾斜光栅、闪耀光栅等，这些常规光栅的衍射光谱范围和光线入射角度范围窄、耦入效率低。

技术实现要素：

4.本实用新型实施例的目的是提供一种光栅结构、一维光栅、光波导和近眼显示设备，提供的光栅结构能提高衍射光谱范围和光线入射角度范围，后续应用于光波导中，能提高光线耦入至光波导内部的效率。
5.为解决上述技术问题，本实用新型实施方式采用的一个技术方案是提供一种光栅结构，该光栅结构包括：至少两层光栅单元；所述光栅单元沿第一方向依次层叠设置，所述至少两层光栅单元中的至少一层光栅单元为功能层；其中，所述功能层包括沿第二方向依次交替设置的第一区域光栅和第二区域光栅，所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一区域光栅的折射率不等于所述第二区域光栅的折射率。
6.在一些实施例中，不同层的所述功能层内的所述第一区域光栅的折射率不相同。
7.在一些实施例中，所述至少两层光栅单元中的至少一层光栅单元为间隔层；所述间隔层与所述功能层沿所述第一方向层叠设置。
8.在一些实施例中，所述功能层与所述间隔层依次沿所述第一方向交替层叠设置。
9.在一些实施例中，所述功能层的层数大于所述间隔层的层数。
10.在一些实施例中，任意两层所述功能层内的各所述第一区域光栅在第一方向上的投影部分重叠或完全错开。
11.在一些实施例中，在同一层所述功能层中，所述第一区域光栅的高度与所述第二区域光栅的高度不相等，所述第一区域光栅的宽度与所述第二区域光栅的宽度不相等。
12.第二方面，本实用新型实施例中提供一种一维光栅，该一维光栅包括如第一方面任意一项所述的光栅结构。
13.第三方面，本实用新型实施例中提供一种光波导，该光波导包括波导基底、以及如
第二方面任意一项所述的一维光栅。
14.第四方面，本实用新型实施例还提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括如第三方面任意一项所述的光波导。
15.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、一维光栅、光波导和近眼显示设备，该光栅结构包括至少两层光栅单元；光栅单元沿第一方向依次层叠设置，至少两层光栅单元中的至少一层光栅单元为功能层；其中，功能层包括沿第二方向依次交替设置的第一区域光栅和第二区域光栅，第一方向垂直于第二方向，第一区域光栅的折射率不等于第二区域光栅的折射率。在该光栅结构中，通过设置功能层，利用同一层内不同折射率材料对光线进行衍射，能提高衍射光谱范围和光线入射角度范围，后续应用于光波导中，能提高光线耦入至光波导内部的效率，并使其在光波导内传播时满足全反射条件。
附图说明
16.一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。
17.图1是现有技术中提供的一种近眼显示设备的结构示意图；
18.图2是本实用新型实施例提供的一种光栅结构的结构示意图；
19.图3是本实用新型实施例提供的另一种光栅结构的结构示意图；
20.图4是本实用新型实施例提供的一种光栅结构纵截面结构示意图；
21.图5是本实用新型实施例提供的另一种光栅结构纵截面结构示意图；
22.图6是本实用新型实施例提供的又一种光栅结构纵截面结构示意图；
23.图7是图4的衍射级次能量分布示意图；
24.图8是本实用新型实施例提供的再一种光栅结构的衍射级次能量分布示意图；
25.图9是本实用新型实施例提供的第五种光栅结构纵截面结构示意图；
26.图10是本实用新型实施例提供的第六种光栅结构纵截面结构示意图；
27.图11是本实用新型实施例提供的第七种光栅结构纵截面结构示意图；
28.图12是本实用新型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
29.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。
30.为了便于理解本技术，下面结合附图和具体实施例，对本技术进行更详细的说明。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技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本技术。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。
31.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。
32.第一方面，本实用新型实施例提供一种光栅结构，请参阅图2，该光栅结构包括：至少两层光栅单元10。光栅单元10沿第一方向y依次层叠设置，请参阅图3，至少两层光栅单元中的至少一层光栅单元为功能11。其中，如图4所示，功能层11包括沿第二方向x依次交替设置的第一区域光栅1和第二区域光栅2，第一方向y垂直于第二方向x，第一区域光栅1的折射率不等于第二区域光栅2的折射率。
33.具体的，第一区域光栅1的折射率可以大于第二区域光栅2的折射率，又或者，第二区域光栅2的折射率可以大于第一区域光栅1的折射率。在图2所示的实施例中，第一方向y为竖直向上的方向，第二方向x为水平向右的方向。在该光栅结构中，通过设置功能层11，利用同一层内不同折射率材料对光线进行衍射，能提高衍射光谱范围和光线入射角度范围，后续应用于光波导中，能提高光线耦入至光波导内部的效率，并使其在光波导内传播时满足全反射条件。
34.在其中一些实施例中，不同层的功能层内的第一区域光栅的折射率不相同。例如，在图4所示的实施例中，由下至上的第一层功能层11内的第一区域光栅1的折射率与由下至上的第二层功能层11内的第一区域光栅1的折射率不相同，通过上述设置，可提高设计自由度，从而有利于调控光栅结构对光线的衍射效率。
35.在其中一些实施例中，请参阅图3，至少两层光栅单元中的至少一层光栅单元为间隔层12。间隔层12与功能层11沿第一方向y层叠设置。其中，间隔层12的折射率等于第一区域光栅1的折射率，或者，间隔层12的折射率等于第二区域光栅2的折射率。当在设置沿第一方向y的第n层光栅单元时，可根据实际需要将其设为功能层或者是间隔层。例如，请参阅图3，该光栅结构包括三层光栅单元，在沿第一方向y上，第一层光栅单元为间隔层12，第二层光栅单元和第三层光栅单元均为功能层11，实际应用中，第一层光栅单元可为功能层11，第二层光栅单元和第三层光栅单元均为间隔层12。可见，在本实施例中，通过设置间隔层12，可以自由设计在沿第一方向y上的第n层光栅单元是功能层还是间隔层，从而提高光栅结构的设计自由度。
36.在其中一些实施例中，功能层11与间隔层12依次沿第一方向x交替层叠设置。
37.具体的，每若干层功能层11为一组功能组110与每若干层间隔层12为一组间隔组120依次沿第一方向x交替层叠设置。其中，各组功能组110内的功能层11的层数大于或等于1，各组间隔组120内的间隔层12的层数大于或等于1。另外，各组功能层110内的功能层11的层数可以相等也可以不相等，各组间隔层120内的间隔层12的层数可以相等也可以不相等；任意一组功能层110内的功能层11的层数与任意一组间隔层120内的间隔层12的层数可以相等也可以不相等。
38.例如，请参阅图4，该光栅结构包括三层功能层11和三层间隔层12，各间隔层12和各功能层11依次沿第一方向y交替层叠设置，此时，各组功能层内的功能层11的层数均为1，各组间隔层内的间隔层12的层数也均为1。又如，请参阅图5，三层功能层11为一组功能组110，两层间隔层12为一组间隔组120，且功能层110与间隔组120依次沿第一方向y交替层叠
设置。在本实施例中，间隔层12在光栅结构中可起到支撑作用，在工艺上有利于批量生产。
39.再如，请参阅图6，功能组110与间隔组120依次沿第一方向x交替层叠设置，且各组功能组110内的功能层11的数量不相等，各组间隔组120内的间隔组12的数量相等。在本实施例提供的设计方式下，可自由规划功能组110内的功能层11的层数和间隔组120内的间隔层12的层数，从而提高光栅结构的设计的自由度，有利于调控光栅结构对光线的衍射效率。
40.在其中一些实施例中，功能层11的层数大于间隔层12的层数。如图5所示，各组功能层110内的功能层11的层数为3，各组间隔层120内的的间隔层12的层数均为2，满足上述设置方式。在这种设计方式下，可自由规划功能层11和间隔层12的层数，从而提高光栅结构的设计的自由度，有利于调控光栅结构对光线的衍射效率。实际应用中，各间隔层和功能层的具体层数可根据实际需要进行设置，在此不做限定。
41.在设计光栅结构时，可将各层光栅单元看成由若干个像素点组成，其中，一个像素点的宽度可为最小加工宽度。那么，每一层光栅单元可看成一串二进制字符串，该二进制字符串可对应一个数字，且根据所设定的光栅周期和像素点的宽度可确定用于表示该层光栅单元的字符串位数。在一个完整的光栅周期内、整个光栅结构的各层光栅单元可由对应的字符串进行标识，而对应的字符串可通过给随机优化算法设定条件计算得到，且0可标识第一区域光栅、1可标识第二区域光栅，从而可得到最佳效果的光栅结构。其中，随机优化算法可以是模拟退火优化算法或粒子优化算法等算法。通过利用包含红光、绿光和蓝光的光线rgb入射至图4所示的光栅结构进行仿真可知，请参阅图7，处于正一级衍射级次的红光衍射效率为68％、绿光衍射效率为75％、蓝光衍射效率为70％，且角度满足全反射条件。通过利用包含红光、绿光和蓝光的光线rgb入射至图8所示的光栅结构进行仿真可知，处于正一级衍射级次的红光衍射效率为64％、绿光衍射效率为65％、蓝光衍射效率为65％，且角度满足全反射条件。可见，通过采用本实用新型实施例提供的光栅结构进行衍射，绝大部分光线能量分布在目标级次，例如是正一级，且角度满足全反射条件。
42.在其中一些实施例中，任意两层功能层内的各第一区域光栅在第一方向y上的投影完全重叠、部分重叠或完全错开。
43.具体的，请参阅图9至图11，在该光栅结构中，包括两层功能层，分别为功能层11a和功能层11b。
44.请参阅图9，功能层11a的各第一区域光栅和功能层11b的各第一区域光栅在第一方向y上的投影完全重叠，即在沿第一方向y上，在功能层11a沿第二方向x上的第k个第一区域光栅与在功能层11b沿第二方向x上的第k个第一区域光栅完全对齐、且在功能层11a沿第二方向x上的第k个第一区域光栅的宽度与在功能层11b沿第二方向x上的第k个第一区域光栅的宽度相等，其中，k为大于0的整数。
45.请参阅图10，功能层11a的各第一区域光栅和功能层11b的各第一区域光栅在第一方向y上的投影完全错开，即在沿第一方向y上，在功能层11a沿第二方向x上的第k个第一区域光栅与在功能层11b沿第二方向x上的任意一个第一区域光栅均不对齐，同样的，在功能层11b沿第二方向x上的第k个第一区域光栅与功能层11a在沿第二方向x上的任意一个第一区域光栅均不对齐。另外，功能层11a的各第一区域光栅的宽度可以与功能层11b的其中一个第一区域光栅的宽度相等、或与功能层11b的任意一个第一区域光栅的宽度不相等，同样的，功能层11b的各第一区域光栅的宽度可以与功能层11a的其中一个第一区域光栅的宽度
相等、或与功能层11a的任意一个第一区域光栅的宽度不相等。
46.请参阅图11，功能层11a的各第一区域光栅和功能层11b的各第一区域光栅在第一方向y上的投影部分错开，即在沿第一方向y上，在功能层11a沿第二方向x上的第k个第一区域光栅与在功能层11b沿第二方向x上的任意一个第一区域光栅可以对齐或不对齐，同样的，在功能层11b沿第二方向x上的第k个第一区域光栅与在功能层11a沿第二方向x上的任意一个第一区域光栅可以对齐或不对齐。另外，功能层11a的各第一区域光栅的宽度可以与功能层11b的其中一个第一区域光栅的宽度相等、或与功能层11b的任意一个第一区域光栅的宽度不相等，同样的，功能层11b的各第一区域光栅的宽度可以与功能层11a的其中一个第一区域光栅的宽度相等、或与功能层11a的任意一个第一区域光栅的宽度不相等。
47.可见，在对光栅结构进行设计时，可让任意两层功能层内的各第一区域光栅在第一方向y上的投影完全重叠、部分重叠或完全错开，这样，能提高设计自由度，有利于根据实际需要调节光栅结构的衍射效率，而相比于采用完全重叠的方式，采用部分重叠或完全错开的方式，因其设计自由度更高，从而可以更好的调控衍射效率。
48.为了便于加工，在一些实施例中，在同一层功能层11中，第一区域光栅1的高度等于第二区域光栅2的高度，第一区域光栅1的宽度等于第二区域光栅1的宽度。其中，第一区域光栅1的高度是指第一区域光栅1沿第一方向y上的尺寸，第二区域光栅2的高度是指第二区域光栅2沿第一方向y上的尺寸；第一区域光栅1的宽度是指第一区域光栅1沿第二方向x上的尺寸，第二区域光栅2的宽度是指第二区域光栅2沿第二方向x上的尺寸。
49.在另一些实施例中，在同一层功能层11中，第一区域光栅1的高度与第二区域光栅2的高度不相等，第一区域光栅1的宽度与第二区域光栅2的宽度不相等。在本实施例中，可在设置第一区域光栅1的高度及宽度、第二区域光栅2的高度及宽度提供更大的自由度，实际应用中可通过调节上述参数来调节光栅结构的衍射效率。
50.在其中一些实施例中，光栅单元10的高度范围为1nm-1000nm。实际应用中，光栅单元10的高度可根据实际需要进行调整，且各层光栅单元10的高度可以相等也可以不相等，在此不作限定，从而可提高实际设计时的灵活度和自由度。其中，光栅单元10的高度是指光栅单元10沿第一方向y上的尺寸。
51.在其中一些实施例中，第一区域光栅1的宽度范围和第二区域光栅2的宽度范围均为1nm-1000nm。实际应用中，二者宽度可根据实际需要进行调整，在此不作限定。
52.在其中一些实施例中，第一区域光栅1的高度范围和第二区域光栅2的高度范围均为10nm-1000nm。实际应用中，二者高度可根据实际需要进行调整，在此不作限定。
53.在其中一些实施例中，请参阅图4，第一区域光栅1、第二区域光栅2和间隔层12的纵截面均为矩形，即第一区域光栅1、第二区域光栅2和间隔层12均为矩形光栅。实际应用中，第一区域光栅1、第二区域光栅2和间隔层12的纵截面还可以为平行四边形、梯形等形状，在此不作限定。
54.第二方面，本实用新型实施例提供一种一维光栅，该一维光栅包括如第一方面任意一项的光栅结构；光栅结构沿第二方向周期排布。在本实施例中，光栅结构具有与如第一方面任意一项所述的光栅结构相同的结构与功能，在此不再赘述。
55.在其中一些实施例中，一维光栅的光栅周期为100nm-1000nm。其中，光栅周期为光栅结构沿第二方向的尺寸，该光栅周期大小可根据实际需要进行调整，在此不作限定。
56.第三方面，本实用新型实施例提供一种光波导，该光波导包括波导基底、以及如第二方面任意一项的一维光栅。
57.具体的，一维光栅可设于波导基底上，其中，波导基底可以是采用玻璃、树脂等透明材料制成，波导基底的形状、制作工艺及工艺材料等可根据实际需要进行设置，在此不作限定。本实施例中的一维光栅具有与如第二方面所述的一维光栅相同的结构与功能，在此不再赘述。
58.在其中一些实施例中，请参阅图12，其中，一维光栅设于耦入区域510。
59.具体的，光波导还包括设于波导基底500上的耦入区域510和耦出区域520。在该光波导中，耦入区域510用于将光线耦入至波导基底500内部、并使光线在波导基底500内发生全反射传播至耦出区域520，耦出区域520用于接收光线并使光线在波导基底500内以全反射传播的方式进行扩展，最后，还将光线从波导基底500内部耦出。
60.实际应用中，一维光栅即可设于耦入区域510、也可以设于耦出区域520，而由前述可知，在采用本实用新型实施例提供的光栅结构进行衍射，绝大部分光线能量分布在正一级目标级次，例如是正一级，且角度满足全反射条件，因此，本实用新型实施例提供的光栅结构设于耦入区域510上，可调节入射光，并提高光线耦入效率，从而提高光线能量利用率。实际应用中，耦入区域510的形状可以是圆形、多边形或不规则形状等形状，耦出区域520的形状可以是四边形、六边形、其他多边形或不规则形状等形状。
61.第四方面，本实用新型实施例提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括如第三方面任意一项所述的光波导。在本实施例中，该光波导具有与如第三方向任意一项所述的光波导相同的结构与功能，在此不再赘述。该近眼显示设备采用单层光波导即可实现全彩显示，相比于采用多层波导片实现全彩显示的方案，本实用新型实施例提供的近眼显示设备能降低加工工艺难度、以及降低近眼显示设备的成本和重量。
62.在其中一些实施例中，请参阅图12，该近眼显示设备还包括微投影光机100，光波导的耦入区域510设于微投影光机100的出射方向。其中，微投影光机100中的图像源可以是硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)、数字微镜器件(digtial micromirror devices,dmd)、有机发光二极管(organiclight-emitting diode，oled)和微机电系统(micro electro mechanical systems，mems)中的一种，用于出射带有图像信息的光线。
63.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。
64.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。

技术特征：

1.一种光栅结构，其特征在于，包括：至少两层光栅单元；所述光栅单元沿第一方向依次层叠设置，所述至少两层光栅单元中的至少一层光栅单元为功能层；其中，所述功能层包括沿第二方向依次交替设置的第一区域光栅和第二区域光栅，所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一区域光栅的折射率不等于所述第二区域光栅的折射率。2.根据权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，不同层的所述功能层内的所述第一区域光栅的折射率不相同。3.根据权利要求1或2所述的光栅结构，其特征在于，所述至少两层光栅单元中的至少一层光栅单元为间隔层；所述间隔层与所述功能层沿所述第一方向层叠设置。4.根据权利要求3所述的光栅结构，其特征在于，所述功能层与所述间隔层依次沿所述第一方向交替层叠设置。5.根据权利要求4所述的光栅结构，其特征在于，所述功能层的层数大于所述间隔层的层数。6.根据权利要求1或2所述的光栅结构，其特征在于，任意两层所述功能层内的各所述第一区域光栅在第一方向上的投影部分重叠或完全错开。7.根据权利要求6所述的光栅结构，其特征在于，在同一层所述功能层中，所述第一区域光栅的高度与所述第二区域光栅的高度不相等，所述第一区域光栅的宽度与所述第二区域光栅的宽度不相等。8.一种一维光栅，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的光栅结构。9.一种光波导，其特征在于，包括波导基底、以及如权利要求8所述的一维光栅。10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的光波导。

技术总结

本实用新型实施例中提供了一种光栅结构、一维光栅、光波导和近眼显示设备，该光栅结构包括至少两层光栅单元；光栅单元沿第一方向依次层叠设置，至少两层光栅单元中的至少一层光栅单元为功能层；其中，功能层包括沿第二方向依次交替设置的第一区域光栅和第二区域光栅，第一方向垂直于第二方向，第一区域光栅的折射率不等于第二区域光栅的折射率。在该光栅结构中，通过设置功能层，利用同一层内不同折射率材料对光线进行衍射，能提高衍射光谱范围和光线入射角度范围，后续应用于光波导中，能提高光线耦入至光波导内部的效率，并使其在光波导内传播时满足全反射条件。内传播时满足全反射条件。内传播时满足全反射条件。