一种衍射光波导器件及近眼显示设备的制作方法

1.本发明实施例涉及光学元件技术，尤其涉及一种衍射光波导器件及近眼显示设备。


背景技术：

2.目前，在近眼显示(例如augmented reality，ar增强现实)设备中，浮雕光栅波导技术得到广泛关注。由于纳米压印的便利性，且浮雕光栅波导方案相比于其他波导方案更具有大视场和大眼动范围的优势，浮雕光栅波导方案越来越得到广泛研究。
3.现有的浮雕光栅波导的方案主要有基于一维光栅的波导方案和基于二维光栅的波导方案，其中，二维光栅波导方案包括光波导基底和设置于光波导基底的耦入光栅及耦出光栅，图像光源出射的图像光束经耦入光栅衍射耦入光波导基底，并在光波导基底内以全反射的方式传播，耦出光栅用于将光波导基底内的图像光衍射耦出进入人眼。
4.若耦出光栅的衍射效率不变，图像会沿光线在波导的传输方向上逐渐变暗。图1为现有技术中采用光栅槽深调制制作的光波导器件的原理示意图，通过对光栅槽深进行调制来实现均匀出瞳。参考图1，光机系统101输出的光线经过耦入光栅103耦合入基板102，向耦出光栅104通过全反射进行传输。到达耦出光栅104后，每次到达耦出光栅104时都会有一部分光通量耦合输出，即光线105、106和107。耦出光栅104的槽深沿光线在光波导器件中传输的方向逐渐加深，耦合输出效率随之逐渐增大，因此虽然衍射输出前到达耦出光栅104的光通量会比前一次到达耦出光栅104的光通量少，但是射出的光线105、106和107所携带的光通量可基本保持一致，从而人眼在接受到光线105、106和107时看到的图像亮度一样。
5.采用槽深调制的方式虽然可以提高出光的均匀性，但是在实际加工过程中不同高度光栅的刻蚀难度很大，制作成本较高。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供一种衍射光波导器件及近眼显示设备，在保证光栅高度一致的情况下通过不同区域的介质的折射率不同来调节出光的均匀性，降低了加工难度，极大地降低了衍射光波导器件的制备成本。
7.第一方面，本发明实施例提供一种衍射光波导器件，包括：
8.光波导基板；
9.所述光波导基板包括第一光栅区域，所述光波导基板的第一光栅区域包括至少两个折射率不同的光栅子区域，每个所述光栅子区域内的折射率相同，且每个所述光栅子区域对应一次光线耦合输出；
10.位于所述第一光栅区域的第一光栅结构，所述第一光栅结构设置于所述光波导基板的一侧，所述第一光栅结构用于耦合输出所述光波导基板内的光线，所述第一光栅结构的栅线的高度相同。
11.可选的，所述光波导基板还包括第二光栅区域和第三光栅区域；
12.所述第二光栅区域包括第二光栅结构，所述第三光栅区域包括第三光栅结构，所述第二光栅结构和所述第三光栅结构均与所述第一光栅结构设置于所述光波导基板的同一侧；
13.所述第二光栅结构与所述第三光栅结构沿第一方向排列，所述第二光栅结构与所述第一光栅结构沿第二方向排列，所述第二光栅结构用于将外界光线耦合入所述光波导基板内，所述第三光栅结构用于接收所述第二光栅结构传输的光束，并将光束扩束后耦合入所述第一光栅结构；
14.其中，所述第一方向和所述第二方向均与所述光波导基板所在平面平行，且所述第一方向和所述第二方向交叉。
15.可选的，在所述第一光栅区域内，沿远离所述第三光栅区域的方向上，所述光栅子区域的折射率依次增大。
16.可选的，所述光波导基板的折射率大于或等于1.5，小于或等于2.0。
17.可选的，所述第一光栅结构的栅线之间设置有保护层，所述保护层的折射率小于所述光波导基板的折射率。
18.可选的，所述保护层的折射率大于或等于1，小于或等于1.1。
19.可选的，所述光栅子区域在所述第一光栅区域均匀分布。
20.可选的，所述光波导基板包括玻璃基板、半导体基板或光学树脂基板。
21.第二方面，本发明实施例还提供一种近眼显示设备，包括上述任一所述的衍射光波导器件。
22.可选的，所述近眼显示设备为虚拟现实显示设备或增强现实显示设备。
23.本发明实施例提供的衍射光波导器件，包括光波导基板，通过在光波导基板的第一光栅区域设置至少两个折射率不同的光栅子区域，光栅子区域内折射率相同，并根据光线在光波导基板内的传播步长设置光栅子区域的位置，使每个光栅子区域对应一次光线的耦合输出，各光栅子区域的栅线高度相同，利用介质的折射率变化来调节出光的均匀性，无需进行栅线的高度调制，降低了光栅加工难度，极大地降低了衍射光波导器件的制备成本。
附图说明
24.图1为现有技术中采用光栅槽深调制制作的光波导器件的原理示意图；
25.图2为一种光波导器件的光路示意图；
26.图3为本发明实施例提供的一种衍射光波导器件的局部剖面结构示意图；
27.图4为本发明实施例提供的另一种衍射光波导器件的局部剖面结构示意图；
28.图5为本发明实施例提供的一种衍射光波导器件的俯视结构示意图；
29.图6为本发明实施例提供的另一种衍射光波导器件的局部剖面结构示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
31.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制
本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。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发明中的具体含义。
32.近眼显示(例如ar)设备通常的佩戴方式与普通眼镜无异，它的特点是可以透过现实世界物体发出的光线，还可以将虚拟图像的光线进入人眼。近眼显示设备的成像系统包括光机系统和光波导器件两部分，其中光机系统是一个微型投影仪或者一个荧幕，它负责将电信号转化为光信号而输出虚拟图像；光波导器件则负责将输出的虚拟图像光线传输到人眼前方的位置，并使光线进入人眼实现虚拟图像成像。光在光波导器件内通过在光波导界面发生全反射从而沿光波导传播，其中，光束的传播步长表示光束在光波导同一界面上相邻两次全反射的入射位置之间的距离。在实际场景中，由于光入射角度不同或者光波长不同，在光波导内传输的不同光束会产生不同的传播步长。图2为一种光波导器件的光路示意图。参考图2，在光波导100内传输的光线110的传播步长为d1，光线120的传播步长为d2，传播步长d1小于传播步长d2。当光传播到耦出区域130时光线发生衍射，向前传播的同时一部分光线耦合出光波导100外，光耦出位置的间距与光束在光波导100内的传播步长相同。由于光线110的传播步长较短，因此其耦出光线较为密集，同理由于光线120的传播步长较长，其耦出光线较为稀疏。若人眼140和耦出区域130的相对位置固定，比如如图2所示情形下，由于人眼140的入瞳范围大小固定，因此间隔较小、较密集的光线110有更多光线进入人眼140(图中为2束)，而间隔更大、更稀疏的光线120的耦出光线被人眼140接收的则更少(图中为1束)。经人眼140成像后的光线亮度是人眼140接收到的多束光线的亮度叠加，因此在人眼140所成的虚拟图像中，光线110所成图像较亮，光线120所成图像较暗。也即人眼140相对于光波导100的位置固定，传播步长不同的光束所成图像的亮度不同，这会导致人眼140获取的虚拟图像信息失真，比如以“暗带”、“图像亮度失真”等形式直接体现在人眼140接收到的虚拟图像成像效果中，这极大地制约了光波导方案的实际使用。
33.目前采用光栅高度调制的方式有利于提高出光的均匀性，但高度调制的光栅加工难度大，成本较高，不利于推广应用。
34.为了解决上述问题，本发明实施例提供一种衍射光波导器件。示例性的，图3为本发明实施例提供的一种衍射光波导器件的局部剖面结构示意图。参考图3，该衍射光波导器件包括：光波导基板10；光波导基板包括第一光栅区域11，光波导基板10的第一光栅区域11包括至少两个折射率不同的光栅子区域111(图3中示意性示出四个光栅子区域，并不是对本发明实施例的限定)，每个光栅子区域111内的折射率相同，且每个光栅子区域111对应一次光线耦合输出；位于第一光栅区域11的第一光栅结构112，第一光栅结构112设置于光波导基板10的一侧，第一光栅结构112用于耦合输出光波导基板10内的光线，第一光栅结构112的栅线的高度相同。
35.其中，本实施例中，光波导基板10可以选用玻璃基板、半导体基板或光学树脂基板，具体实施时可以根据实际情况选择，本发明实施例不作限定。具体实施时，光波导基板
10的折射率在1.5～2.0之间，例如图3中示出的四个光栅子区域111分别设置四个不同的折射率。从左至右四个光栅子区域111的折射率可以分别设置为1.5、1.6、1.7和1.8，具体实施时，可以根据实际需求设置每个光栅子区域的折射率。具体不同区域的折射率不同可以通过在制作过程中掺杂其他材料、控制不同环境条件等方法形成，本发明实施例对此不作限定。当光波导基板10不同区域的折射率不同时，光栅的耦出效率不同。示例性的，光线从左侧向右侧传播，每个光栅子区域111对应一次光线的耦合输出，即光线从图3中左侧耦入，随着部分光线耦合输出，右侧光线的总能量降低，由于介质的折射率越大，相同结构的光栅的耦出效率越高，因此可以设置越往右侧，光波导基板10的折射率越高，以提高出光的均匀性。可以理解的是，光线入射的角度不同时，光线在衍射光栅器件内的传播步长不同，在本实施例设计衍射光波导器件时，先考虑入射光线的入射角度，根据光线的传播步长设计光栅子区域的大小，使每个光栅子区域实现一次耦合输出。具体实施时，可以仅设置光线输出位置特定范围内的区域为光栅子区域，也可类似图3中设置均匀划分的光栅子区域。综合考虑折射率与光栅结构耦合效率、每次耦出后光线剩余能量等因素，可以设计出出光均匀的衍射光波导器件。另外需要说明的是，图3中示出的每个光栅子区域111的形状相同，即光栅子区域111在第一光栅区域11均匀分布仅是示意性的，具体实施时可以根据实际情况设计光栅子区域111的形状及折射率。
36.在另外的实施例中，考虑到衍射光波导器件可能需要适用于多种入射角度的光线，可以根据不同的传播步长设置多种类型的光栅子区域。示例性的，图4为本发明实施例提供的另一种衍射光波导器件的局部剖面结构示意图。参考图4，光线a和光线b的传播步长不同，对于光线a，设置相应的多个第一类光栅子区域111a，第一类光栅子区域111a从左至右折射率依次增大；对于光线b，设置相应的多个第二类光栅子区域111b，第二类光栅子区域111b从左至右折射率依次增大，以匹配不同角度的入射光线。对于更多传播步长的光线，可以根据需求设置相应的光栅子区域。
37.本实施例的技术方案，通过在光波导基板的第一光栅区域设置至少两个折射率不同的光栅子区域，光栅子区域内折射率相同，并根据光线在光波导基板内的传播步长设置光栅子区域的位置，使每个光栅子区域对应一次光线的耦合输出，各光栅子区域的栅线高度相同，利用介质的折射率变化来调节出光的均匀性，无需进行栅线的高度调制，降低了光栅加工难度，极大地降低了衍射光波导器件的制备成本。
38.在上述技术方案的基础上，图5为本发明实施例提供的一种衍射光波导器件的俯视结构示意图。参考图5，可选的，光波导基板10还包括第二光栅区域12和第三光栅区域13；第二光栅区域12包括第二光栅结构121，第三光栅区域13包括第三光栅结构131，第二光栅结构121和第三光栅结构131均与第一光栅结构112设置于光波导基板10的同一侧；第二光栅结构121与第三光栅结构131沿第一方向x排列，第二光栅结构121与第一光栅结构112沿第二方向y排列，第二光栅结构121用于将外界光线耦合入光波导基板10内，第三光栅结构131用于接收第二光栅结构121传输的光束，并将光束扩束后耦合入第一光栅结构112；其中，第一方向x和第二方向y均与光波导基板10所在平面平行，且第一方向x和第二方向y交叉。
39.可以理解的是，第二光栅区域12为衍射光波导器件的耦入光栅区域，用来接收外部(例如光机系统)入射的光线，第三光栅区域13为衍射光波导器件的转折光栅区域，用来
改变光线从传输方向以及扩束，第一光栅区域11为衍射光波导器件的耦出光栅区域，用来出射调制后的光线。
40.可选的，在第一光栅区域11内，沿远离第三光栅区域13的方向上，光栅子区域的折射率依次增大。这样设置有利于提高出光的均匀性，具体折射率的大小、光栅子区域的形状可以根据实际情况设计，本发明实施例对此不作限定。
41.图6为本发明实施例提供的另一种衍射光波导器件的局部剖面结构示意图。参考图6，可选的，第一光栅结构112的栅线之间设置有保护层113，保护层113的折射率小于光波导基板10的折射率。
42.通过在第一光栅结构11的栅线之间设置低折射率的保护层113，可以对光栅结构起到保护作用，有利于衍射光波导器件的封装。其中保护层113与光栅的高度相同仅是示意性的，具体实施时，保护层113的厚度不作限定，具体实施时，保护层的折射率大于或等于1，小于或等于1.1。
43.本发明实施例还提供一种近眼显示设备，包括上述实施例提供的任意一种衍射光波导器件。具体实施时，近眼显示设备可以为虚拟现实显示设备或增强现实显示设备。
44.由于本发明实施例提供的近眼显示设备包括上述实施例提供的任意一种衍射光波导器件，具备与衍射光波导器件相同或响应的技术效果，此处不再详述。
45.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。