一种高光效光栅波导元件的制作方法

1.本发明涉及光栅波导元件领域，尤其涉及一种高光效光栅波导元件。


背景技术：

2.近眼显示设备是虚拟现实和增强现实技术所应用的主要设备，近眼显示设备的显示可通过光栅波导器件实现，光栅波导器件是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像。光栅波导显示具有透视效果好，轻薄，量产成本低等诸多优势，被认为是ar近眼显示技术的发展方向，而目前的光栅波导器件仍存在需要提高光能利用效率的问题。
3.目前的光栅波导器件主要由光学基板和位于光学基板表面的光栅组成(参见图1)，光学基板通常是光学材料制成的平面结构体，如光学玻璃板、光学塑料板等，光学基板一般具有两个互相平行的表面作为光学面，光栅设置在光学基板的一个表面上，光栅通常有入射光栅112，转折光栅114和出射光栅116三个区域。图2示意的现有光栅波导器件的工作原理中，投影系统210发出的带有图像信息的光线214投射到入射光栅112上，入射光栅112会发生衍射，产生两束衍射光，
‑
1级衍射光216和 1级衍射光218，当衍射光满足光学基板的全反射条件，即入射到光学基板的光学表面的角度大于光学基板的全反射临界角时，光束会产生全反射而在光学基板中近乎无损传导，
‑
1级衍射光216朝向
‑
y，即转折光栅114方向传导，当入射至转折光栅114区域中时，由于受到转折光栅114的衍射作用，会在继续沿
‑
y方向传导的同时，产生朝向出射光栅116传导的一系列衍射光，这部分光传导至出射光栅116，被出射光栅116衍射后，出射衍射光222进入人眼212被感知，而反向衍射光220不再满足光学基板的全反射条件而被导出光学基板，泄露到周围环境中，入射光栅112产生的 1级衍射光218朝向 y方向传导，无法传导至转折光栅114及出射光栅116，因此无法得到有效利用，这部分外溢衍射光的一部分还可能会成为系统的杂散光，影响器件的性能。
4.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高光效光栅波导元件，能利用入射光栅产生的 1级衍射光，提升光效的同时，也避免了这部分衍射光成为杂散光，影响器件性能，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.本发明实施方式提供一种高光效光栅波导元件，包括：
8.光学基板、光栅波导结构和入射回转光栅；其中，
9.所述光栅波导结构和入射回转光栅分别设置在所述光学基板的表面；
10.所述入射回转光栅间隔设置在所述光栅波导结构的入射光栅的外侧，与所述入射光栅组成入射外溢衍射光回转光路。
11.与现有技术相比，本发明所提供的高光效光栅波导元件，至少具有以下有益效果：
12.通过在入射光栅一侧设置入射回转光栅，可使传导出入射光栅且不能被传导至出射光栅的衍射光再次被衍射回并传导至出射光栅，产生朝向人眼方向的衍射光，提高能量利用率，同时避免了这部分光造成的杂散光影响器件性能；并且，这种结构的光栅波导元件由于仅在入射光栅一侧布置入射回转光栅，相比于现有利用复杂的入射光栅结构来提高能量利用率的方案，其结构和制作工艺更简单。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
14.图1为现有技术提供的光栅波导器件的结构示意图；
15.图2为现有技术提供的光栅波导器件的工作原理示意图；
16.图3为本发明实施例提供的高光效光栅波导元件的结构示意图；
17.图4为本发明实施例提供的高光效光栅波导元件工作原理示意图；
18.图5为本发明实施例提供的高光效光栅波导元件工作原理平面示意图；
19.图6为本发明实施例提供的高光效光栅波导元件的一种结构示意图；
20.图7为本发明实施例提供的高光效光栅波导元件的另一种结构示意图。
具体实施方式
21.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
22.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
23.术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，x和/或y表示既包括“x”或“y”的情况也包括“x和y”的三种情况。
24.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
25.术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
26.除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也
可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
27.术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
28.下面对本发明所提供的高光效光栅波导元件进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
29.如图3～图5所示，本发明实施例提供一种高光效光栅波导元件，包括：
30.光学基板、光栅波导结构和入射回转光栅；其中，
31.所述光栅波导结构和入射回转光栅分别设置在所述光学基板的表面；
32.所述入射回转光栅间隔设置在所述光栅波导结构的入射光栅的外侧，与所述入射光栅组成入射外溢衍射光回转光路。
33.上述光栅波导元件中，所述入射回转光栅的光栅周期是入射光栅的光栅周期的一半；
34.所述入射回转光栅的沟槽方向与所述入射光栅的沟槽方向平行。
35.这种结构的入射回转光栅使得入射回转光栅衍射的回转衍射光420和
‑
1级衍射光416的方向相同，从而，第二出射衍射光430和第一出射衍射光426的方向也会相同，第三反向衍射光428和第一反向衍射光424的方向也会相同，实现对入射端的 1级衍射光418的有效利用，提升了整个元件的光效，并避免产生杂散光影响器件性能。
36.参见图3，上述光栅波导元件中，所述光栅波导结构包括：
37.所述入射光栅、转折光栅和出射光栅；其中，
38.所述入射光栅、转折光栅和出射光栅布置在所述光学基板的同一表面或不同表面；
39.所述入射光栅间隔设置在所述转折光栅的一侧；
40.所述出射光栅间隔设置在所述转折光栅的侧面。
41.上述光栅波导元件中，所述入射光栅、转折光栅和出射光栅呈l形或反l形布置在所述光学基板的同一表面或不同表面(参见图3)；
42.或者，所述入射光栅、转折光栅和出射光栅呈一条直线布置在所述光学基板的同一表面或不同表面(参见图6)。
43.上述光栅波导元件中，所述入射回转光栅处于所述转折光栅的对侧，所述入射回转光栅与所述转折光栅将所述入射光栅夹设在中间。
44.参见图7，上述光栅波导元件中，所述光栅波导结构包括：
45.入射光栅和二维出射光栅；其中，
46.所述入射光栅与二维出射光栅间隔布置在所述光学基板的同一表面或不同表面
上。
47.上述光栅波导元件中，所述入射回转光栅处于所述二维出射光栅的对侧，所述入射回转光栅与所述二维出射光栅将所述入射光栅夹设在中间。
48.上述光栅波导元件中，所述入射回转光栅采用矩形光栅、梯形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅中的任一种。
49.上述光栅波导元件中，所述入射回转光栅与光栅波导结构处于所述光学基板的同一表面或不同表面上。
50.为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的高光效光栅波导元件方法进行详细描述。
51.实施例1
52.如图3所示，本发明实施例提供的高光效光栅波导元件，主要由光学基板和位于光学基板表面的光栅组成；其中，光栅分成四个区域：入射光栅312、入射回转光栅314、转折光栅316和出射光栅318；如图4和图5所示，入射光栅312用于将投影系统410发出的虚拟图像光束414导入光栅波导元件300中，入射光栅312将入射光414朝向两个近似相对的方向衍射，一部分朝向转折光栅316区域传导(
‑
1级衍射光416)，被转折光栅316衍射，产生朝向出射光栅318传导的衍射光束；这部分衍射光束传导至出射光栅318，被出射光栅318衍射后，产生第一出射衍射光426进入人眼412被感知，而第一反向衍射光424不再满足光学基板的全反射条件而被导出光学基板，泄露到周围环境中；入射光栅312将另一部分衍射光( 1级衍射光418)朝向入射回转光栅314区域传导，被入射回转光栅314衍射，产生朝向
‑
y方向传导的回转衍射光420；回转衍射光420沿
‑
y方向传导，传导至入射光栅312，被入射光栅312衍射，产生第二反向衍射光422，第二反向衍射光422不再满足光学基板的全反射条件而被导出光学基板，泄露到周围环境中；而产生的回转衍射光420继续沿
‑
y方向传导，传导至转折光栅316，被转折光栅316衍射，产生朝向出射光栅318传导的衍射光束，这部分衍射光束传导至出射光栅318，被出射光栅318衍射后，产生第二出射衍射光430进入人眼412被感知，而第三反向衍射光428不再满足光学基板的全反射条件而被导出光学基板，泄露到周围环境中。
53.上述光栅波导元件中，
‑
1级衍射光416由入射光束414被入射光栅312衍射后得到，其极角θ
416
和方位角φ
416
由以下光栅方程给出：
[0054][0055][0056]
n
w
是光学基板的折射率，n
s
是周围环境的折射率，λ是入射光波长，d
i
是入射光栅312的光栅周期，θ
414
和φ
414
是入射光束414的极角和方位角。
[0057]
回转衍射光420由入射光束414被入射光栅312和入射回转光栅314衍射后得到，入射光束414被入射光栅312衍射后， 1级衍射光418的极角θ
418
和方位角φ
418
为：
[0058][0059]
[0060]
1级衍射光418被入射回转光栅314衍射后，产生的回转衍射光420的极角θ
420
和方位角φ
420
为：
[0061][0062][0063]
d
r
是入射回转光栅314的光栅周期。
[0064]
由式(1)，式(3)和式(5)可得：
[0065][0066]
由式(2)，式(4)和式(6)可得：
[0067]
当d
i
＝2d
r
时，式(7)变为：
[0068]
此时，式(8)和式(9)联立可得，θ
420
＝θ
416
，
[0069]
因此，入射回转光栅314的光栅周期是入射光栅312的光栅周期的一半时，回转衍射光420和
‑
1级衍射光416的方向将会相同。从而，第二出射衍射光430和第一出射衍射光426的方向将会相同，第三反向衍射光428和第一反向衍射光424的方向将会相同。这种结构中，回转衍射光420和
‑
1级衍射光416的方向相同时，可使入射光栅产生的
±
1级衍射光均可得到有效利用，且避免产生杂光和图像重影等效应，保证了光栅波导元件的光学性能。
[0070]
本发明的光栅波导元件结构中，通过在入射光栅一侧设置入射回转光栅，可使传导出入射光栅且不能被传导至出射光栅的衍射光再次被衍射回并传导至出射光栅，产生朝向人眼方向的衍射光，提高光的利用率。并且，由于仅是在入射光栅一侧设置入射回转光栅来提高能量利用率，相比于现有利用复杂的入射光栅结构来提高能量利用率的方案，其结构和制作工艺更简单。
[0071]
上述波导中各光栅的种类不限，入射光栅，入射回转光栅，转折光栅和出射光栅均可采用矩形光栅，梯形光栅，倾斜光栅和闪耀光栅等光栅结构。入射光栅，转折光栅和出射光栅的光栅周期和光栅区域形状、尺寸、大小可根据需求优化。
[0072]
入射光栅，转折光栅，和出射光栅的具体个数和分布可任意，如图6的光栅波导元件(图6中，600为光栅波导元件，612为入射光栅，614为入射回转光栅，616为转折光栅，618为出射光栅，各光栅呈一条直线排布)和图7的二维光栅波导元件(图7中，712为入射光栅，714为入射回转光栅，716为二维出射光栅)，只要光线传导出入射光栅的一侧无其它光栅结构，均可设置入射回转光栅来提高光的利用率。
[0073]
入射回转光栅的光栅区域形状、尺寸、大小可根据需求优化，其光栅周期是入射光栅的光栅周期的一半，光栅线槽方向与入射光栅的光栅线槽方向平行。
[0074]
入射回转光栅和入射光栅可位于波导基板的同一表面或不同表面上，入射回转光栅和入射光栅可同时工作在透射或反射模式，或分别工作在透射和反射模式。
[0075]
综上可见，本发明实施例的光栅波导元件通过在入射光栅外无其他光栅一侧设置入射回转光栅，提升了整个器件的光效，也避免了杂光影响器件性能，结构相对简单，成本低，而提升效果明显，对器件体积影响也不大。
[0076]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。