二维光栅、传输波导及近眼显示设备的制作方法

1.本实用新型涉及光学器件领域，特别是涉及一种二维光栅。本实用新型还涉及一种传输波导以及一种近眼显示设备。


背景技术：

2.在ar眼镜等近眼显示设备中，通常包括图像源、光束准直透镜组、传输波导等核心组件。图像源的图像通常是由微型显示屏来生成显示。光束准直透镜组用于将图像点发出的具有不同角度信息的光束变成平行光，以利于在传输波导中传输，人眼可将此平行光还原成图像点而不丢失信息。传输波导用于将图像从显示屏传送到人眼，对准直后的光束进行调制，改变其传输方向或者重新分配能量等，这些传输波导元件可以包括透镜、反射镜、波导板(管)、全息纹和衍射光栅等。
3.目前受到行业重视并广泛应用的传输波导是衍射光栅波导，它是以衍射的方式将光束耦入到波导板中，在满足全反射条件时，耦入的平行光以全反射的方式周期性向前传播，再以衍射的方式耦出，然后进入人眼成像。设置于波导板上的衍射光栅还用于扩展出射光瞳，比如若衍射光栅能够在两个方向上扩展出射光瞳，这意味着，与直接观察显示屏相比，当观察传输波导的输出时，图像将在更宽的区域内可见。
4.现有采用的二维光栅波导方案中，使用二维光栅作为传输波导的耦出结构，但是，目前使用的二维光栅其单元结构为圆柱结构或者菱形结构，这些结构可调节参量较少，对出瞳均匀性和视场均匀性的优化不够灵活，导致输出的显示画面存在明显的“条带化”效应(即中心条带比其他部分亮度高很多)，成像效果有待提升。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种二维光栅，其具有的单元结构可调节参量增多。本实用新型还提供一种传输波导以及一种近眼显示设备。
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
7.一种二维光栅，包括排布的单元结构，所述单元结构沿着两个维度方向周期性排布；
8.所述单元结构的横截面包括至少八条边，所述至少八条边包括一对与水平方向平行的边、一对与垂直方向平行的边以及多条与水平方向、垂直方向都不平行的边。
9.可选地，所述单元结构的横截面包括的边数量为偶数，两两相互平行。
10.可选地，所述单元结构的横截面以水平轴对称且以垂直轴对称。
11.可选地，所述单元结构的横截面包括八条边。
12.可选地，所述单元结构位于矩形的单元区域内，所述单元区域的长度方向与水平方向平行，所述单元区域的宽度方向与垂直方向平行。
13.可选地，所述二维光栅在水平方向的尺寸决定所述单元区域在水平方向的数量，所述二维光栅在垂直方向的尺寸决定所述单元区域在垂直方向的数量。
14.可选地，所述单元区域的对角线与所述单元区域长度方向的夹角处于15
°
～45
°
范围内。
15.可选地，在所述单元区域的中心具有所述单元结构以及在所述单元区域的每一顶角具有所述单元结构的任一子部分，使得相邻的四个所述单元区域相邻顶角的子部分拼接成所述单元结构。
16.一种传输波导，包括波导本体、耦入结构和耦出结构，所述耦入结构用于将光线耦合入所述波导本体，所述耦出结构用于将在所述波导本体内传播的光线向所述波导本体外耦合出，所述耦出结构采用以上所述的二维光栅。
17.一种近眼显示设备，包括以上所述的传输波导。
18.由上述技术方案可知，本实用新型所提供的一种二维光栅，包括排布的单元结构，单元结构沿着两个维度方向周期性排布。其中，单元结构的横截面包括至少八条边，至少八条边包括一对与水平方向平行的边、一对与垂直方向平行的边以及多条与水平方向、垂直方向都不平行的边。本实用新型的二维光栅的单元结构横截面包括至少八条边，与现有的二维光栅其单元结构为圆柱结构或者菱形结构相比，单元结构横截面的边数增加，使得单元结构的可调节参量增多；并且单元结构横截面包括与水平方向、垂直方向都不平行的边，这些边与水平方向或者垂直方向的夹角可调节，使得单元结构的可调节参量增多。
19.本实用新型提供的一种传输波导，能够达到上述有益效果。
20.本实用新型提供的一种近眼显示设备，能够达到上述有益效果。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
22.图1为本实用新型一实施例提供的一种二维光栅的示意图；
23.图2(a)为图1所示的二维光栅的单元结构示意图；
24.图2(b)为图1所示的二维光栅的单个重复单元的示意图；
25.图3为图2(b)所示的重复单元对应的单元区域的示意图；
26.图4为本实用新型又一实施例提供的两种单元结构的横截面示意图；
27.图5为本实用新型实施例提供的一种二维光栅制作方法的流程图；
28.图6(a)至图6(d)分别为采用图5所示的方法制作二维光栅四个工艺步骤获得的效果图；
29.图7(a)为本实用新型一实施例提供的一种传输波导的俯视图；
30.图7(b)为图7(a)所示的传输波导的侧视图；
31.图8(a)为本实用新型一实施例提供的一种垂直二元表面浮雕光栅的侧视图；
32.图8(b)为本实用新型一实施例提供的一种倾斜二元表面浮雕光栅的侧视图；
33.图8(c)为本实用新型一实施例提供的一种悬垂三角形表面浮雕光栅的侧视图；
34.图9为本实用新型一实施例提供的一种近眼显示设备的示意图。
35.说明书附图中的附图标记包括：
36.人眼-100，单元结构-101，单元区域-102，左上顶角的单元结构子部分-103，左下顶角的单元结构子部分-104，右上顶角的单元结构子部分-105，右下顶角的单元结构子部分-106，位于左上方的子部分-1021，位于左下方的子部分-1022，位于右上方的子部分-1023，位于右下方的子部分-1024；
37.波导本体-10，耦入结构-11，耦出结构-12，第一子区域-12a，第二子区域-12b，第三子区域-12c，图像源-14，透镜-15，光阑-16，棱镜-17，保护板-13。
具体实施方式
38.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
39.本实施例提供一种二维光栅，包括排布的单元结构，所述单元结构沿着两个维度方向周期性排布；
40.所述单元结构的横截面包括至少八条边，所述至少八条边包括一对与水平方向平行的边、一对与垂直方向平行的边以及多条与水平方向、垂直方向都不平行的边。
41.本实施例的二维光栅的单元结构横截面包括至少八条边，与现有的二维光栅其单元结构为圆柱结构或者菱形结构相比，单元结构横截面的边数增加，使得单元结构的可调节参量增多；并且单元结构横截面包括与水平方向、垂直方向都不平行的边，这些边与水平方向或者垂直方向的夹角可调节，使得单元结构的可调节参量增多。
42.本实施例中，对单元结构横截面包括的边数量不做限定，包括但不限于八条。对于单元结构横截面包括的与水平方向、垂直方向都不平行的边，这些边可称为斜边，对这些边与水平方向或者垂直方向的夹角大小不做限定。本实施例中，单元结构横截面包括的斜边，可以与水平方向或者垂直方向具有不同的夹角。
43.优选地，单元结构的横截面包括的边数量为偶数，两两相互平行。这种单元结构便于在制作二维光栅时采用电子束曝光的方法制作。
44.优选地，单元结构的横截面可以以水平轴对称，或者单元结构的横截面以垂直轴对称，或者单元结构的横截面以水平轴对称且以垂直轴对称。将单元结构对称设计，有助于使得通过本二维光栅将光线耦合出时耦合出的不同出射方向的光线均匀。
45.示例性的请参考图1和图2(a)，图1为一实施例提供的一种二维光栅的示意图，图2(a)为图1所示的二维光栅的单元结构示意图,如图1所示，单元结构101沿着两个维度方向周期性排布。如图2(a)所示，单元结构101的横截面包括八条边，两两相互平行，具体包括一对与水平方向平行的边、一对与垂直方向平行的边以及两对与水平方向、垂直方向都不平行的边。
46.可选地，单元结构101可位于矩形的单元区域内，所述单元区域的长度方向与水平方向平行，所述单元区域的宽度方向与垂直方向平行。本实施例的二维光栅可以以包含有单元结构101的单元区域为重复单元，该重复单元分别沿着水平方向依次排列以及沿着垂直方向依次排列，进而形成以单元结构101沿着两个维度方向周期性排布的二维光栅。
47.本实施例中，对单元结构101在单元区域内的布置方式不做限定。可选地，可以是在所述单元区域的中心具有所述单元结构101以及在所述单元区域的每一顶角具有所述单元结构101的任一子部分，使得相邻的四个所述单元区域相邻顶角的子部分拼接成所述单元结构101。单元结构101被划分成四个子部分，在单元区域的中心具有单元结构101，以及在单元区域的每一顶角具有单元结构101的任一子部分，相邻的四个单元区域相互邻接的顶角的子部分可以拼接成单元结构101，即相邻的四个单元区域的处于相互邻接的四个顶角的单元结构子部分，能够拼接成单元结构101。
48.本实施例中，对单元结构101所处的单元区域的长度、宽度或者单元区域对角线与其一边的夹角大小不做限定，在实际应用中可以根据需求进行设计。
49.单元区域的长度方向与水平方向平行，单元区域的宽度方向与垂直方向平行，可选地，二维光栅在水平方向的周期决定所述单元区域的长度，二维光栅在垂直方向的周期决定所述单元区域的宽度。可选地，单元区域的长度与二维光栅在水平方向的周期一致，单元区域的宽度与二维光栅在垂直方向的周期一致。具体地，二维光栅在水平方向的周期表示为p，二维光栅在垂直方向的周期表示为q。另外，二维光栅在水平方向的尺寸决定所述单元区域在水平方向的数量，二维光栅在垂直方向的尺寸决定所述单元区域在垂直方向的数量。
50.单元区域的对角线与单元区域长度方向的夹角表示为θ，可选地，单元区域的对角线与单元区域长度方向的夹角θ可处于15
°
～45
°
范围内。
51.进一步可参考图2(b)，图2(b)为图1所示的二维光栅的单个重复单元的示意图，如图所示，在单元区域102的中心具有单元结构101以及在单元区域102的每一顶角具有单元结构101子部分，具体包括位于左上顶角的单元结构子部分103、左下顶角的单元结构子部分104、右上顶角的单元结构子部分105和右下顶角的单元结构子部分106。
52.可结合参考图2(a)所示，单元结构101可以被划分成四个子部分，包括位于左上方的子部分1021、位于左下方的子部分1022、位于右上方的子部分1023和位于右下方的子部分1024。其中，左上顶角的单元结构子部分103和子部分1024的结构、尺寸都一致，左下顶角的单元结构子部分104和子部分1023的结构、尺寸都一致，右上顶角的单元结构子部分105和子部分1022的结构、尺寸都一致，右下顶角的单元结构子部分106和子部分1021的结构、尺寸都一致。
53.结合参考图1和图2(b)所示，单元结构101分别以单元结构101对应的单元区域102的长度方向和宽度方向周期性排布。参考图3所示，图3为图2(b)所示的重复单元对应的单元区域的示意图，单元区域102的长度为p，与二维光栅在水平方向的周期一致；宽度为q，与二维光栅在垂直方向的周期一致。对角线与长度方向的夹角为θ，q＝p*tan(θ)。
54.在图1至图2(b)所示的二维光栅中，单元结构101横截面为八边形，并且以水平轴和垂直轴对称。可以理解的是，以上各图所示的单元结构101的形状仅是用于举例说明，并不用于限定本实用新型的二维光栅的结构，在其它实施例中单元结构也可以是其它形状，也都在本实用新型保护范围内。
55.示例性的可参考图4，图4为又一实施例提供的两种单元结构的横截面示意图，其中，第一种单元结构的横截面为八边形，相对的一对边相互平行，其中包括一对与水平方向平行的边以及一对与垂直方向平行的边，以及还包括两对与水平方向及垂直方向都不平行
的边。图4中的第二种单元结构的横截面包括十二条边，两两相对的一对边相互平行。在其它实施例中单元结构也可以是其它形状。
56.下面对本二维光栅的制作方法进行说明。可选地，本实施例的二维光栅可通过以下方法制作，参考图5，图5为本实施例提供的一种二维光栅制作方法的流程图，如图所示包括但不限于以下步骤：
57.s201：确定二维光栅的单元结构101的形状、尺寸以及布局并确定出曝光区域。
58.若二维光栅要用作传输波导的耦出结构，可以根据对出瞳均匀性和视场均匀性的要求以及对光线耦出效率的需求，确定二维光栅的优化变量，包括单元结构101的形状、尺寸以及布局。根据确定后的优化变量，利用几何关系计算出曝光区域的范围。
59.s202：在基底上制作感光层。本步骤中准备基底，在基底上涂敷感光层。基底可以为硅晶圆或者硅晶圆上的二氧化硅层。
60.s203：对感光层进行曝光，去除经过曝光的部分，保留未曝光的部分。.
61.优选地，可采用电子束曝光的方式。对于图1至图2(b)所示的二维光栅，曝光方法可以是：首先在水平方向上对感光层进行周期性的条状轨迹曝光，形成如图6(a)所示的效果；然后在垂直方向上对感光层进行周期性的条状轨迹曝光，形成如图6(b)所示的效果；然后在倾斜方向上(θ)对感光层进行周期性的条状轨迹曝光，倾斜角度为θ，形成如图6(c)所示的效果。最后在对称的倾斜方向上(-θ)对感光层进行周期性的条状轨迹曝光，形成如图6(d)所示的效果。以上所述的各个曝光步骤并不是固定的，可以任意调换顺序，以最终形成二维光栅结构。
62.s204：基于感光层上形成的周期性结构，对基底刻蚀，以使得基底形成周期性排布的单元结构101。.
63.s205：采用压印技术，将基底上的单元结构转印到目标板上。
64.优选地，可采用纳米压印技术。目标板可以是波导本体、传输波导的底板或者保护板。将基底上的单元结构101转印到目标板的胶层上，从而在目标板上制作形成周期性排布的单元结构101。
65.进一步地，可以在目标板上形成的单元结构101上制作涂层。涂层可以是增透膜，用于提高透光率，涂层可包括一种或者多种金属氧化膜。可选地涂层的厚度可以是10nm-200nm。
66.本实施例的二维光栅，其单元结构的可调节参量增多，增加了二维光栅的调节自由度，应用在传输波导中控制耦出效率分布，可以实现更好的出瞳均匀性和视场均匀性，可以增加光束沿非原方向的衍射级次的光的比例，同时减少衍射到零级(原方向)的光的比例，这可以减少采用现有的二维光栅观察到的“条带化”效应，显著改善了传输波导的实用性。
67.本实施例还提供一种传输波导，包括波导本体、耦入结构和耦出结构，所述耦入结构用于将光线耦合入所述波导本体，所述耦出结构用于将在所述波导本体内传播的光线向所述波导本体外耦合出，所述耦出结构采用以上所述的二维光栅。
68.本实施例的传输波导，其耦出结构采用的二维光栅的单元结构横截面包括至少八条边，单元结构横截面的边数增加，使得单元结构的可调节参量增多；并且单元结构横截面包括与水平方向、垂直方向都不平行的边，这些边与水平方向或者垂直方向的夹角可调节，
使得单元结构的可调节参量增多，增加了二维光栅的调节自由度，有助于更好地优化传输波导的出瞳均匀性和视场均匀性。
69.可选地，波导本体可以是平板或者曲面板，曲面板为具有弧度的曲面形状。本实施例中，对波导本体的材质不做限定，可以是但不限于玻璃波导或者树脂波导。
70.可选地，耦入结构和耦出结构可以设置于波导本体的不同侧面上，或者耦入结构和耦出结构可以设置于波导本体的同一侧面上，位于同一侧在加工工艺上更具有易实现性。示例性的可参考图7(a)和图7(b)，图7(a)为一实施例提供的一种传输波导的俯视图，图7(b)为图7(a)所示的传输波导的侧视图，其中耦入结构11和耦出结构12设置于波导本体10的同一侧面上。
71.耦入结构11可采用一维光栅，若耦入结构11的一维光栅具有水平方向的周期，优选地，耦出结构12的二维光栅的水平周期p可以取为耦入结构11的一维光栅的水平周期d的整数倍，比如为2倍，可以使得耦出结构12耦合出光线的角度与由耦入结构11耦合入的光线角度匹配，使得通过耦出结构12耦合出光线能够较好地还原出图像。
72.耦入结构11可采用一维光栅，可以为表面浮雕光栅(surface relief grating，srg)或全息光栅，采用表面浮雕光栅时其可以是倾斜二元表面浮雕光栅、垂直二元表面浮雕光栅、悬垂三角形表面浮雕光栅、梯形表面浮雕光栅、正弦表面浮雕光栅等。示例性的可参考图8(a)、图8(b)和图8(c)，图8(a)为一实施例提供的一种垂直二元表面浮雕光栅的侧视图，如图所示该种光栅的参数包括光栅单元的周期d、高度h和宽度b。图8(b)为一实施例提供的一种倾斜二元表面浮雕光栅的侧视图，如图所示该种光栅的参数包括光栅单元的周期d、高度h、宽度b和倾斜角度β。图8(c)为一实施例提供的一种悬垂三角形表面浮雕光栅的侧视图，如图所示该种光栅的参数包括光栅单元的周期d、高度h、宽度b和倾斜角度β。
73.耦出结构12采用以上所述的二维光栅，可以对光束进行多方向的扩展。优选地，耦出结构12可以被划分成多个子区域，每一子区域排布着单元结构101，可以对各个子区域的单元结构101分别进行参量优化。示例性的可参考图7(a)和图7(b)，耦出结构12划分成三个子区域包括第一子区域12a、第二子区域12b和第三子区域12c，每一子区域具有沿着两个维度方向周期性排布的单元结构101，三个子区域的单元结构101的周期一致。对于每一子区域可以独立调节单元结构101的形状、尺寸，这种结构设计利于进一步扩展眼动范围和提高耦出均匀性。
74.本实施例还提供一种近眼显示设备，包括以上所述的传输波导。
75.本实施例的近眼显示设备，其传输波导的耦出结构采用二维光栅，二维光栅的单元结构横截面包括至少八条边，单元结构横截面的边数增加，使得单元结构的可调节参量增多；并且单元结构横截面包括与水平方向、垂直方向都不平行的边，这些边与水平方向或者垂直方向的夹角可调节，使得单元结构的可调节参量增多，增加了二维光栅的调节自由度，有助于更好地优化近眼显示设备的出瞳均匀性和视场均匀性。
76.进一步地，近眼显示设备还可包括图像源和准直镜组，所述准直镜组设置于所述图像源的出光光路上，用于将所述图像源出射的光线准直，使准直后的光线入射至所述波导组件的所述耦入结构。本实施例中，对准直镜组的结构不做限定，只要能够实现将图像源出射的光线准直即可。
77.可参考图9，图9为一实施例提供的一种近眼显示设备的示意图，如图所示，近眼显
示设备包括图像源14、准直镜组和传输波导，传输波导包括波导本体10、耦入结构11、耦出结构12和保护板13。图像源14出射的光线经准直镜组准直后，入射至耦入结构11，通过耦入结构11耦合进入波导本体10，光线沿着波导本体10传播，当遇到耦出结构12时向外耦合出，进而光线可以进入人眼100。保护板13对波导本体10、耦入结构11和耦出结构12起到保护作用。其中准直镜组包括透镜15、光阑16和棱镜17。
78.可选地，图像源14和耦出结构12的出光区域(即人眼100所处区域)可以位于传输波导的同一侧，或者图像源14和耦出结构12的出光区域(即人眼100所处区域)分别位于传输波导的两侧。在图9所示的设备中图像源14和人眼100分别位于传输波导的两侧。
79.以上对本实用新型所提供的二维光栅、传输波导及近眼显示设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。