提高光能耦入效率的光栅波导显示装置及近眼显示设备的制作方法

1.本发明涉及光栅波导显示领域，尤其涉及一种光栅波导显示装置及近眼显示设备。


背景技术：

2.增强现实(ar)与虚拟现实(vr)是近年来倍受关注的热点科技领域，伴随着5g技术的发展，其未来市场化前景已日趋明朗，使得近眼显示技术得到了快速发展。其中增强现实(ar)是一种将数字化信息(包括文字、图像、视频等)叠加到现实物理世界之上的技术，其显著特征是要兼具强透视性及强移动性，不影响对现实环境的正常观察，给用户带来移动场景的切实感受。目前市场上的ar眼镜采用的显示系统是各种微显示屏与棱镜、bird bath、自由曲面、光波导等光学元件的组合，能将虚拟图像耦合进入人眼。其中光栅波导显示技术因其轻薄、对外界光线的高穿透特性而被认为是ar眼镜走向消费级的必选光学方案，无论从光学效果、外观美化、量产前景来说，都具备很大的发展潜力。光栅波导显示技术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。由于采用和光纤技术一样的全反射原理，光栅波导显示器件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明。光栅波导的优势主要体现在光栅区域的面积、形态、排布方式可以根据ar眼镜的光学参数要求和外形设计来灵活调节。
3.但是，光栅波导显示技术是新兴的技术，虽然目前得以快速发展，但仍存在很多挑战，比如提高光能利用效率就是亟需解决的问题之一。而提高光能耦入效率，不仅仅取决于入射光栅的衍射效率，还与入射光栅的面积大小密切相关。因为如果光栅的宽度太大，耦入到波导基片中的光经全反射后会再一次入射到入射光栅，经光栅二次衍射后会以和入射光相同的角度耦出光波导，造成很大一部分光能的损耗。为避免光栅二次衍射对光能造成的损失，通常对入射光栅的宽度有所限制，最大的光栅宽度为：w
max
＝2dtanθ，其中，d为波导基片的厚度，θ为波导基片中光线与波导基片法线之间的夹角。可见入射光栅的宽度受到波导基片厚度的限制。图1为光波导中入射光栅的二次衍射示意图。由于入射光栅的宽度较宽，使得耦入到波导中的光线经波导基片全反射后再次入射到光栅表面发生二次衍射而逸出光波导，造成光能量损耗，使近眼显示器件的光效降低；如果为避免二次衍射而将入射光栅面积设计得过小(基于ar眼镜的光学参数及ar产品对外观美化及消费者舒适度的追求，目前也会力求波导基片的轻薄)，则会影响与投影系统的匹配，进而影响近眼显示器件的成像质量。
4.因此，如何克服入射光栅二次衍射对光能损失的同时，又要保证ar显示器件的轻薄性和成像质量是目前衍射光栅波导技术亟待解决的问题。
5.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供了一种提高光能耦入效率的光栅波导显示装置及近眼显示
设备，能在保证成像质量以及ar显示器件的轻薄性的前提下，克服入射光栅二次衍射的光能损失，提升光能利用效率，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
8.本发明实施方式提供一种提高光能耦入效率的光栅波导显示装置，包括：
9.波导基片、透射型共振波导光栅和1/4波片；其中，
10.所述透射型共振波导光栅作为入射光栅，设置在所述波导基片表面；
11.所述1/4波片镶嵌在所述波导基片内，该1/4波片的光轴方向平行于所述波导基片的上下平面并与入射光的电场方向成45
°
角。
12.所述1/4波片处于所述透射型共振波导光栅的正下方，该1/4波片在垂直方向的投影范围处于所述透射型共振波导光栅在垂直方向的投影范围内。
13.本发明实施方式还提供一种近眼显示设备，包括光栅波导显示装置，所述光栅波导显示装置采用本发明所述的提高光能耦入效率的光栅波导显示装置。
14.与现有技术相比，本发明所提供的提高光能耦入效率的光栅波导显示装置，其有益效果包括：
15.通过在波导基片表面设置作为入射光栅的透射型共振波导光栅，并在该入射光栅正下方的波导基片内镶嵌设置光轴方向与入射光的电场方向成45
°
角的1/4波片，入射光为te偏振。由于透射型共振波导光栅对入射光偏振态的高度选择性，入射光为te偏振时产生衍射共振，耦入到波导基片的te偏振光在两次经过1/4波片后偏振方向发生90
°
偏转，即在光线经波导基片全反射后再次入射到光栅之前偏振态由te偏振光转变为tm偏振光，而tm偏振光入射到该透射型共振波导光栅时不发生衍射共振，
±
1级衍射效率极低，大部分光反射回波导片，从而避免了二次衍射带来的光能损失，提高了光能耦入效率。同时入射光栅的宽度不至于太小，能够保证成像质量。
附图说明
16.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。
17.图1为现有技术提供的光栅波导显示装置由入射光栅尺寸导致的二次衍射示意图；
18.图2为本发明实施例提供的提高光能耦入效率的光栅波导显示装置光线耦入端的结构示意图；
19.图3为本发明实施例提供的光栅波导显示装置的入射光栅的结构示意图；
20.图4为本发明实施例提供的提高光能耦入效率的光栅波导显示装置入射光栅衍射效率rcwa仿真模拟；其中，(a)为波长520nm、te偏振的光入射到入射光栅的衍射效率随入射角度的变化的rcwa仿真模拟；(b)为波长520nm、tm偏振的光入射到入射光栅的衍射效率随入射角度变化的rcwa仿真模拟；
21.图5为本发明实施例提供的光栅波导显示装置的1/4波片的横截面示意图；
22.图6为本发明实施例提供的光栅波导显示装置的1/4波片的俯视图；其中，(a)为te
偏振的入射光初次进入1/4波片的示意图(光轴方向与入射光电矢量成45
°
角)；(b)为入射光第二次经过1/4波片的示意图(入射的te偏振光两次经过1/4波片后偏振方向发生90
°
偏转，由te偏振变为tm偏振)；
23.图7为本发明实施例提供的光栅波导显示装置耦入到波导基片的光线再次入射到入射光栅表面发生二次衍射的示意图；其中，(a)为波导基片中的te偏振光再次入射到入射光栅表面发生二次衍射的示意图；(a)为波导基片中的tm偏振光再次入射到入射光栅表面发生二次衍射的示意图。
具体实施方式
24.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。
25.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
26.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。
27.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。
28.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。
29.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。
30.当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
31.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。
32.下面对本发明所提供的提高光能耦入效率的光栅波导显示装置进行详细描述。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。
33.如图2所示，本发明实施例提供一种提高光能耦入效率的光栅波导显示装置，包括：
34.波导基片100、透射型共振波导光栅110和1/4波片120；其中，
35.所述透射型共振波导光栅110作为入射光栅，设置在所述波导基片100表面；
36.所述1/4波片120镶嵌在所述波导基片100内，该1/4波片120的上下表面平行于所述波导基片100的上下平面；所述1/4波片120的光轴方向平行于该1/4波片的上下表面以及所述波导基片100的上下平面，且该1/4波片120的光轴方向与入射偏振光的电场方向成45
°
角。
37.所述1/4波片120处于所述透射型共振波导光栅110的正下方，该1/4波片120在垂直方向的投影范围处于所述透射型共振波导光栅110在垂直方向的投影范围内，优选的，两者的投影范围重合或接近重合(即保证由共振波导光栅110耦合进波导片的光线一定经过1/4波片120)。
38.如图3所示，上述光栅波导显示装置中，所述透射型共振波导光栅110由从下至上依次叠放设置的波导基底20、高折射率层22、低折射率层24和光栅层26组成。光栅周期、高度、占空比和所述高、低折射率层的厚度的取值满足使共振波导光栅对一定波长和入射角度的光产生共振模式；各层具体结构参数由rcwa(严格波耦合算法)计算确定，高、低折射率层的厚度满足相位匹配，能使共振模式能量耦合进高衍射级次及达到最高衍射效率。
39.上述光栅波导显示装置中，所述光栅层(26)的光栅周期为低于入射光在真空中的波长发亚波长、高度为40～200nm和占空比为30％～70％；优选的，光栅层(26)的光栅周期为300～600nm；
40.所述高折射率层(22)的折射率为2.0～4.0，厚度为30～300纳米；
41.所述低折射率层(24)的折射率为1.0～1.5，厚度为30～200纳米。
42.如图5所示，所述1/4波片120的厚度满足入射光经过所述1/4波片120后o光与e光之间产生π/2的位相差；
43.即(n
o-ne)
×d÷
cosθ＝
±
λ/4；其中，no，ne分别为o光，e光的折射率；d为1/4波片的厚度；θ为光线与1/4波片表面法线的夹角；λ为入射到1/4波片表面的光波长。
44.本发明实施方式还提供一种近眼显示设备，包括光栅波导显示装置，所述光栅波导显示装置采用本发明所述的提高光能耦入效率的光栅波导显示装置。由于采用了能提高光能耦入效率的光栅波导显示装置，既能保证近眼显示设备的光能耦入效率，也能保证近眼显示设备的成像质量。
45.综上可见，本发明实施例的提高光能耦入效率的光栅波导显示装置，通过采用透射型共振波导光栅作为入射光栅，并在波导基片内镶嵌光轴方向与入射光的电场方向成45
°
角的1/4波片，将耦入到波导基片的te偏振光在两次经过1/4波片后偏振方向发生90
°
偏
转转变为tm偏振光，由于tm偏振光入射到该透射型共振波导光栅时不发生衍射共振，
±
1级衍射效率极低，大部分光反射回1/4波片，从而避免了二次衍射带来的光能损失，提高了光栅波导的光能耦入效率。同时入射光栅的宽度将不再受限制即面积不受限制，能够保证近眼显示器件的成像质量。
46.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提高光能耦入效率的光栅波导显示装置进行详细描述。
47.实施例
48.如图2所示，本发明提供一种提高光能耦入效率的光栅波导显示装置，能够克服现有光栅波导结构中，光栅二次衍射所带来光能损失的问题，该光栅波导显示装置包括：
49.波导基片100、作为入射光栅的透射型共振波导光栅110和镶嵌在波导基片100中的1/4波片120；其中，
50.透射型共振波导光栅110设置在波导基片100的表面，1/4波片120镶嵌在波导基片100中，处于透射型共振波导光栅110的正下方。
51.透射型共振波导光栅110的结构如图3所示，由从下至上依次叠加在一起设置的波导基底20、高折射率层22、低折射率层24和光栅层26组成。这种透射型共振波导光栅能对te偏振的入射光产生衍射共振，
±
1级衍射效率为60％，而对tm偏振的入射光不发生衍射共振，
±
1级衍射效率低于10％，具有1级衍射效率高，并且对入射光的偏振状态具有高度选择性的特点。光栅周期、高度、占空比和所述高、低折射率层的厚度的取值满足使共振波导光栅对一定波长和入射角度的光产生共振模式，各层具体结构参数由rcwa(严格波耦合算法)计算确定；高、低折射率层的厚度满足相位匹配，能使共振模式能量耦合进高衍射级次及达到最高衍射效率。
52.如图4(a)、(b)所示，在波导基片100中嵌入1/4波片，入射光为te偏振，并且1/4波片的光轴方向与入射光的电场方向成45
°
角，使得耦入到波导基片100的te偏振光在两次经过1/4波片后偏振方向发生90
°
偏转，即在光线经波导基片100全反射后再次入射到光栅之前偏振态由te偏振光转变为tm偏振光，参见图2。由于透射型共振波导光栅110对入射光偏振状态的高度选择性，tm偏振光入射到光栅表面时不发生衍射共振，
±
1级衍射效率极低，大部分光反射回波导基片，从而避免了二次衍射带来的光能损失，提高了光能耦入效率。同时作为入射光栅的透射型共振波导光栅110的宽度将不再受限制，能够保证成像质量。
53.如图5所示，1/4波片的光轴方向平行于1/4波片的表面，一定波长的光入射到1/4波片120的表面，1/4波片的厚度满足光经过1/4波片后寻常光(o光)与非常光(e光)之间产生π/2的位相差，即(n
o-ne)d/cosθ＝
±
λ/4，其中，no，ne分别为o光，e光的折射率；d为1/4波片的厚度；λ为光波长，θ为光线与1/4波片表面法线之间的夹角。
54.如图2所示，嵌入到波导基片100中的1/4波片的表面与波导基片的表面平行，即光轴方向平行于波导基片100上下平面；图2中所示入射的te偏振光的电场方向垂直于纸面(y轴方向)，而1/4波片的光轴方向与y轴成45
°
角，即与入射光的电场方向成45
°
角，如图6(a)、(b)的俯视图所示。
55.根据以下推导可以确定，上述方式设置的1/4波片，能确保将入射的te偏振光转换为tm偏振光，具体为：
56.假设te偏振光的电矢量e为：e＝acosωt
ꢀꢀ
(1)；
57.当光进入1/4波片后，入射光电场矢量分解为垂直于光轴的o光和平行于光轴的e光，由于1/4波片的光轴方向与电矢量成45
°
角，即：
58.eo＝asin45
°
cosωt；
59.ee＝acos45
°
cosωt；
ꢀꢀꢀꢀ
(2)；
60.当光经过1/4波片后，eo、ee之间的位相差增加π/2，即：
61.e
o(1)
＝asin45
°
cosωt；
62.e
e(1)
＝acos45
°
cos(ωt π/2)；
ꢀꢀ
(3)；
63.由于e
o(1)
、e
e(1)
的振幅相同，在经过1/4波片后合成为圆偏光，即入射线偏光第一次经过1/4波片后转变为圆偏光。如图2所示，圆偏光经波导基片100全反射后再次经过1/4波片，eo、ee之间的位相差再次增加π/2，即：
64.e
o(2)
＝asin45
°
cosωt；
65.e
e(2)
＝acos45
°
cos(ωt π)＝-acos45
°
cosωt＝
‑ꢀeo(2)
；
ꢀꢀꢀ
(4)；
66.即入射光经波导基片100全发射后第二次经过波导基片100后，圆偏光又转变为线偏光，并且偏振方向较入射线偏光改变了90
°
，由te偏振光变为tm偏振光。由于作为入射光栅的透射型共振波导光栅110对入射光偏振状态的选择性，当tm偏振光入射到入射光栅时不发生共振衍射，从而避免了二次衍射带来的光能损失，提高了光能耦入效率。
67.从空气入射的te偏振光经透射型共振波导光栅110发生衍射共振，如图4(a)所示，1级衍射耦合进光波导，衍射效率高于60％。如果图2中没有1/4波片(120)，则光线经光波导全反射后再次入射光栅表面后再次发生衍射共振，光能60％因为二次衍射而逸出光波导，如图7(a)所示。如图2，在波导基片中嵌入1/4波片后，光线两次经过波片，偏振态由te偏振转变为tm偏振，当光线再次入射光栅表面时，由于共振波导光栅对入射光偏振态的高度选择性，tm偏振光不发生衍射共振，大部分光能反射回波导基片(0r)，如图7(b)所示，避免了因二次衍射造成的光能损失。注意图7中光线的入射角度为波导基片中的角度，光线以大于全反射的角度(＞32
°
)再次入射到光栅表面。
68.综上可见，本发明实施例的光栅波导显示装置，能在提高光能耦入效率的同时，保证显示器件的轻薄性及显示质量。
69.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。