衍射波导结构的制作方法

1.本发明涉及衍射光学设备技术领域，具体而言，涉及一种衍射波导结构。


背景技术：

2.随着vr、ar和mr领域的不断发展，应用在该领域的中的光学设备得到了多元化的发展，其中在ar增强现实方面，衍射波导结构是不可缺少的一门关键技术，也是目前主流的ar显示方案。但基于衍射波导结构存在固有缺陷如系统效率低，不同视场角光线在光波导中传播时，由于所走路径不同，其效率利用率也不相同，导致输出的光不均匀，使得光能的利用率以及输出光的均匀性较差。
3.也就是说，现有技术中的衍射波导结构存在光能利用率差和输出均匀性差的问题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种衍射波导结构，以解决现有技术中的衍射波导结构存在光能利用率差和输出均匀性差的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种衍射波导结构，包括：波导片；耦入区域，耦入区域设置在波导片上，耦入区域用于将外部光机发射的光耦入波导片中；转折区域；耦出区域，转折区域和耦出区域分别设置在波导片的两个不同的表面，且转折区域与耦出区域相对设置，转折区域用于接收耦入区域的光并进行扩瞳和转向传输，耦出区域用于接收转折区域的光并进行耦出；其中，转折区域包括一维光栅区和二维光栅区，一维光栅区包括多个，二维光栅区的至少两侧连接有一维光栅区，耦入区域和二维光栅区在y轴方向上的对称轴在同一条直线上。
6.进一步地，转折区域还包括连接光栅区，连接光栅区位于一维光栅区与二维光栅区之间且与一维光栅区和二维光栅区无缝连接。
7.进一步地，多个一维光栅区包括第一一维光栅区和第二一维光栅区，连接光栅区为多个，多个连接光栅区包括第一连接光栅区和第二连接光栅区，第一连接光栅区和第二连接光栅区分别设置在二维光栅区的一组相对的两侧，第一一维光栅区位于第一连接光栅区远离二维光栅区的一侧，第二一维光栅区位于第二连接光栅区远离二维光栅区的一侧。
8.进一步地，耦入区域和转折区域或耦出区域间隔设置在波导片的同一侧表面上，耦入区域在波导片上的投影与第一连接光栅区和第二连接光栅区在波导片上的投影位于二维光栅区的不同侧。
9.进一步地，二维光栅区、一维光栅区和连接光栅区均沿y轴的方向延伸，二维光栅区、一维光栅区和连接光栅区拼接形成转折区域。
10.进一步地，二维光栅区至少包括两个方向的光栅矢量，第一一维光栅区的光栅矢量k1的方向与二维光栅区的一个光栅矢量的方向相同，第二一维光栅区的光栅矢量k2的方向与二维光栅区的另一个光栅矢量的方向相同。
11.进一步地，第一一维光栅区的光栅矢量k1与x轴的夹角为45
°
或者-45
°
；和/或第二一维光栅区的光栅矢量k2与x轴的夹角为45
°
或者-45
°
；和/或第一一维光栅区的光栅矢量k1与第二一维光栅区的光栅矢量k2之间垂直。
12.进一步地，连接光栅区由二维光栅区到一维光栅区的方向依次包括二维光栅和一维光栅。
13.进一步地，连接光栅区由二维光栅区到一维光栅区的方向被分为多个子区域，各子区域中的光栅结构不同，多个子区域中靠近二维光栅区的至少三个子区域中的光栅为二维光栅，多个子区域中靠近一维光栅区的至少一个子区域中的光栅为一维光栅。
14.进一步地，耦入区域为一维光栅；和/或耦出区域为一维光栅。
15.进一步地，二维光栅区和一维光栅区的光栅高度均大于等于30nm且小于等于200nm，二维光栅区的光栅高度与一维光栅区的光栅高度相同或不相同，当二维光栅区的光栅高度与一维光栅区的光栅高度不相同时，连接光栅区的光栅高度在二维光栅区的光栅高度与一维光栅区的光栅高度之间。
16.进一步地，二维光栅区沿其两个光栅矢量的方向的占空比相等，二维光栅区的占空比大于等于20％且小于等于80％；和/或连接光栅区沿其两个光栅矢量的方向的占空比不相等，连接光栅区沿其两个光栅矢量的方向的占空比的差值的绝对值大于等于0％且小于等于30％；连接光栅区的一个光栅矢量方向的占空比大于等于20％且小于等于80％；和/或一维光栅区沿其光栅矢量方向的占空比大于等于20％且小于等于80％。
17.应用本发明的技术方案，衍射波导结构包括波导片、耦入区域、转折区域和耦出区域，耦入区域设置在波导片上，耦入区域用于将外部光机发射的光耦入波导片中；转折区域和耦出区域分别设置在波导片的两个不同的表面，且转折区域与耦出区域相对设置，转折区域用于接收耦入区域的光并进行扩瞳和转向传输，耦出区域用于接收转折区域的光并进行耦出；其中，转折区域包括一维光栅区和二维光栅区，一维光栅区包括多个，二维光栅区的至少两侧连接有一维光栅区，耦入区域和二维光栅区在y轴方向上的对称轴在同一条直线上。
18.通过设置波导片，使得波导片为耦入区域、转折区域和耦出区域提供了设置位置，有利于提高耦入区域、转折区域和耦出区域的使用可靠性，有利于耦入区域将外部光机发射的大部分光耦入到波导片中，然后朝向转折区域的方向进行全反射传输，转折区域接收耦入区域传输过来的光并将该光进行扩瞳传输和转向传输，从而向耦出区域的方向传输，耦出区域接收转折区域的光，并将该光耦出波导片，进而到达人眼进行显示。转折区域和耦出区域分别设置在波导片的两个不同的表面，且转折区域与耦出区域相对设置，也就是说转折区域和耦出区域在波导片上的投影重合，这样设置有利于耦出区域对转折区域扩瞳转折后的光的承接，保证耦出光的效率，同时这样设置有利于压缩波导片的尺寸，从而实现小型化。转折区域包括一维光栅区和二维光栅区，一维光栅区包括多个，二维光栅区的至少两侧连接有一维光栅区，耦入区域和二维光栅区在y轴方向上的对称轴在同一条直线上，这样设置使得转折区域的一维光栅区和二维光栅区都能够接收耦入区域传输过来的光，并进行扩瞳和转向，使其满足耦出条件后被耦出区域耦出。通过二维光栅区的至少两侧连接有一维光栅区，使得一维光栅区能够收集大量光并保证光路不变的情况下，改变各光路间的能量配比，达到均匀耦出的效果，以提升衍射波导结构的耦出均匀性；同时避免了耦入区域的
光的浪费，使得转折区域能够接收到耦入区域传输过来的大部分光，提高波导片中的光能利用率，进而提高显示效率。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1示出了本发明的一个可选实施例的衍射波导结构的两个表面的示意图；
21.图2示出了图1中的第一连接光栅区的结构示意图；
22.图3示出了图1中的第二连接光栅区的结构示意图。
23.其中，上述附图包括以下附图标记：
24.10、耦入区域；21、二维光栅区；22、第一一维光栅区；23、第二一维光栅区；24、第一连接光栅区；25、第二连接光栅区；30、耦出区域。
具体实施方式
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
26.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
27.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
28.随着科技发展，ar(增强现实)头戴式设备或车载hud现已成为当下科研热点，也已慢慢进入人们日常生活，衍射波导结构目前作为主流的ar设计方案由于其体积小的优点被广泛关注，但其也存在固有缺陷包括系统效率低、角度均匀性差、眼盒均匀性差等问题，严重制约了衍射波导结构在ar设备中的应用。本技术提出一种衍射波导结构，提升波导光学效率，在光路不变的情况下，改变各光路间的能量配比，提升耦出均匀性。
29.为了解决现有技术中的衍射波导结构存在光能利用率差和输出均匀性差的问题，本发明提供了一种衍射波导结构。
30.如图1至图3所示，衍射波导结构包括波导片、耦入区域10、转折区域和耦出区域30，耦入区域10设置在波导片上，耦入区域10用于将外部光机发射的光耦入波导片中；转折区域和耦出区域30分别设置在波导片的两个不同的表面，且转折区域与耦出区域30相对设置，转折区域用于接收耦入区域10的光并进行扩瞳和转向传输，耦出区域30用于接收转折区域的光并进行耦出；其中，转折区域包括一维光栅区和二维光栅区21，一维光栅区包括多个，二维光栅区21的至少两侧连接有一维光栅区，耦入区域10和二维光栅区21在y轴方向上的对称轴在同一条直线上。
31.通过设置波导片，使得波导片为耦入区域10、转折区域和耦出区域30提供了设置位置，有利于提高耦入区域10、转折区域和耦出区域30的使用可靠性，有利于耦入区域10将外部光机发射的大部分光耦入到波导片中，然后朝向转折区域的方向进行全反射传输，转
折区域接收耦入区域10传输过来的光并将该光进行扩瞳传输和转向传输，从而向耦出区域30的方向传输，耦出区域30接收转折区域的光，并将该光耦出波导片，进而到达人眼进行显示。转折区域和耦出区域30分别设置在波导片的两个不同的表面，且转折区域与耦出区域30相对设置，也就是说转折区域和耦出区域30在波导片上的投影重合，这样设置有利于耦出区域30对转折区域扩瞳转折后的光的承接，保证耦出光的效率，同时这样设置有利于压缩波导片的尺寸，从而实现小型化。转折区域包括一维光栅区和二维光栅区21，一维光栅区包括多个，二维光栅区21的至少两侧连接有一维光栅区，耦入区域10和二维光栅区21在y轴方向上的对称轴在同一条直线上，这样设置使得转折区域的一维光栅区和二维光栅区21都能够接收耦入区域10传输过来的光，并进行扩瞳和转向，使其满足耦出条件后被耦出区域30耦出。通过二维光栅区21的至少两侧连接有一维光栅区，使得一维光栅区能够收集大量光并保证光路不变的情况下，改变各光路间的能量配比，达到均匀耦出的效果，以提升衍射波导结构的耦出均匀性；同时避免了耦入区域10的光的浪费，使得转折区域能够接收到耦入区域10传输过来的大部分光，提高波导片中的光能利用率，进而提高显示效率。
32.具体的，转折区域还包括连接光栅区，连接光栅区位于一维光栅区与二维光栅区21之间且与一维光栅区和二维光栅区21无缝连接。连接光栅区用于连接一维光栅区与二维光栅区21，通过设置连接光栅区，在光路方向不变的情况下，改变各光路间的能量配比，从而提升耦出均匀性。
33.如图1所示，多个一维光栅区包括第一一维光栅区22和第二一维光栅区23，连接光栅区为多个，多个连接光栅区包括第一连接光栅区24和第二连接光栅区25，二维光栅区21设置在与耦入区域10对应的位置，第一连接光栅区24和第二连接光栅区25分别设置在二维光栅区21的一组相对的两侧，也就是左右两侧，第一一维光栅区22位于第一连接光栅区24远离二维光栅区21的一侧，第二一维光栅区23位于第二连接光栅区25远离二维光栅区21的一侧。也就是说，第一一维光栅区22、第一连接光栅区24、二维光栅区21、第二连接光栅区25、第二一维光栅区23沿x轴的方向由左至右顺次排布，彼此连接。
34.在本技术的具体实施例中，如图1所示，耦入区域10和转折区域间隔设置在波导片的同一侧表面上，耦出区域30设置在波导片的另一侧表面上；但是在本技术的其他可选实施例中，耦入区域10也可和耦出区域30间隔设置在波导片的同一侧表面上，仅需保证转折区域和耦出区域30分别设置在波导片的两个不同表面即可，这样能够有效利用波导片表面的空间，减小光栅所占面积，从而使得波导片尺寸更小，更加轻薄。耦入区域10在波导片上的投影与第一连接光栅区24和第二连接光栅区25在波导片上的投影位于二维光栅区21的不同侧，如图1所示，耦入区域10位于二维光栅区21的上方且间隔设置，第一连接光栅区24和第二连接光栅区25分别位于二维光栅区21的左右两侧且三者连接。
35.如图1所示，二维光栅区21、一维光栅区和连接光栅区均呈条状，条状的二维光栅区21、一维光栅区和连接光栅区均沿y轴的方向延伸，二维光栅区21、一维光栅区和连接光栅区拼接形成一整个转折区域，在本技术中，转折区域在波导片上的形状为梯形。转折区域朝向耦入区域10和远离耦入区域10的两侧边是平齐。
36.如图1所示，二维光栅区21为呈矩形阵列设置的矩形光栅，优选为正方形光栅。二维光栅区21至少包括两个方向的光栅矢量，二维光栅区21的两个方向的光栅矢量相互垂直。第一一维光栅区22的光栅矢量k1的方向与二维光栅区21的一个光栅矢量的方向相同，
第二一维光栅区23的光栅矢量k2的方向与二维光栅区21的另一个光栅矢量的方向相同。第一一维光栅区22的光栅矢量k1与第二一维光栅区23的光栅矢量k2之间垂直。此处需要说明的是，第一一维光栅区22的光栅矢量k1与第一一维光栅区22的光栅栅线方向垂直，第二一维光栅区23的光栅矢量k2与第二一维光栅区23的光栅栅线方向垂直；也就是说，二维光栅区21包括两中相互垂直的光栅栅线，第一一维光栅区22的光栅栅线方向与二维光栅区21的一种光栅栅线方向相同，第二一维光栅区23的光栅栅线方向与二维光栅区21的另一种光栅栅线方向相同，第一一维光栅区22的光栅栅线方向与第二一维光栅区23的光栅栅线方向垂直。这样设置有利于一维光栅区与二维光栅区21的匹配，同时使得一维光栅区仅在一个方向上存在光栅矢量，舍弃了另一个方向上的光栅矢量。这样可以选择性的加强某一方向上的衍射并舍弃另一个方向上的衍射，提高光能利用率，从而提高光学效率。
37.具体的，第一一维光栅区22的光栅矢量k1与x轴的夹角为45
°
或者-45
°
；第二一维光栅区23的光栅矢量k2与x轴的夹角为45
°
或者-45
°
，k1与k2之间的夹角为90
°
。这样设置约束了第一一维光栅区22和第二一维光栅区23的光栅矢量方向，增强了第一一维光栅区22和第二一维光栅区23在其光栅矢量方向上的光的衍射传输，从而提高光能利用率。
38.具体的，连接光栅区由二维光栅区21到一维光栅区的方向依次包括二维光栅和一维光栅。二维光栅可以是矩形光栅。由矩形光栅逐渐变为线性一维光栅，这样能够逐渐加强某一方向的衍射效率，同时逐渐抑制另一方向的衍射效率。通过连接光栅区中的光栅形状的逐渐变化，相比于突变式的形状调制，能够使得眼盒内能量不发生突变，从而提高输出光的均匀性。
39.具体的，连接光栅区由二维光栅区21到一维光栅区的方向被分为多个子区域，各子区域中的光栅结构不同，多个子区域中靠近二维光栅区21的至少三个子区域中的光栅为二维光栅，多个子区域中靠近一维光栅区的至少一个子区域中的光栅为一维光栅。
40.如图2所示，第一连接光栅区24由二维光栅区21到第一一维光栅区22的方向被分为五个子区域，五个子区域均呈条状，五个子区域沿远离二维光栅区21的方向依次为正方形光栅、矩形光栅、长矩形光栅、接近于一维线栅的长矩形光栅、一维线栅，五个子区域的k矢量变化如图所示，五个子区域的k矢量沿远离二维光栅区21的方向逐渐由两个相互垂直的方向变为一个方向。靠近第一一维光栅区22的一个子区域的光栅矢量方向与第一一维光栅区22的光栅矢量方向相同，以实现与第一一维光栅区22的连接递进。
41.如图3所示，第二连接光栅区25由二维光栅区21到第二一维光栅区23的方向被分为五个子区域，五个子区域均呈条状，五个子区域沿远离二维光栅区21的方向依次为正方形光栅、矩形光栅、长矩形光栅、接近于一维线栅的长矩形光栅、一维线栅，五个子区域的k矢量变化如图所示，五个子区域的k矢量沿远离二维光栅区21的方向逐渐由两个相互垂直的方向变为一个方向。靠近第二一维光栅区23的一个子区域的光栅矢量方向与第二一维光栅区23的光栅矢量方向相同，以实现与第二一维光栅区23的连接递进。
42.具体的，耦入区域10为一维光栅；耦出区域30为一维光栅。
43.具体的，二维光栅区21的光栅呈柱状且沿y轴的方向呈对称设置；柱状的光栅在波导片上的投影形状可以是正方形或者十字形等。二维光栅区21和一维光栅区的光栅高度均大于等于30nm且小于等于200nm，二维光栅区21的光栅高度与一维光栅区的光栅高度相同或不相同，当二维光栅区21的光栅高度与一维光栅区的光栅高度不相同时，连接光栅区的
光栅高度在二维光栅区21的光栅高度与一维光栅区的光栅高度之间。
44.具体的，二维光栅区21沿其两个光栅矢量的方向的占空比相等，二维光栅区21的占空比大于等于20％且小于等于80％；连接光栅区沿其两个光栅矢量的方向的占空比不相等，连接光栅区沿其两个光栅矢量的方向的占空比的差值的绝对值大于等于0％且小于等于30％；连接光栅区的一个光栅矢量方向的占空比大于等于20％且小于等于80％；一维光栅区沿其光栅矢量方向的占空比大于等于20％且小于等于80％。
45.如图1所示，在本技术的具体实施例中，第一一维光栅区22和第二一维光栅区23的占空比相同，均为20％；二维光栅区21沿其两个光栅矢量的方向的占空比均为50％。
46.如图2所示，第一连接光栅区24中，ka1方向和ka2方向的占空比相同，都是50％；kb1方向和kb2方向的占空比差值的绝对值在0％-30％的范围内，具体为20％；kc1方向和kc2方向的占空比的差值在0％-30％的范围内，具体为30％；kd1方向和kd2方向的占空比的差值在0％-30％的范围内，具体为10％；ke方向的占空比为20％。
47.如图3所示，第二连接光栅区25中，kf1方向和kf2方向的占空比相同，都是50％；kg1方向和kg2方向的占空比的差值的绝对值在0％-30％的范围内，具体为20％；kh1方向和kh2方向的占空比的差值在0％-30％的范围内，具体为30％；ki1方向和ki2方向的占空比的差值在0％-30％的范围内，具体为10％；kj方向的占空比为20％。
48.需要说明的是，本技术的衍射波导结构还包括光机，光机设置在波导片的外部，且光机与耦入区域10对应设置，以使得光机发射的图像光能够被耦入区域10耦入到波导片中。光机可以是自发光的有源器件，比如micro-oled或micro-led，也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏，包括透射式的lcd和反射式的lcos，还有基于微机电系统mems技术的数字微镜阵列dmd，即dlp的核心和激光束扫描仪lbs等等。上述光机能够提供单色或彩色图像光源信息，光源大小形状需匹配耦入区域10尺寸以及形状，例如圆形耦入口的光机需匹配圆形的耦入区域10，根据实际设备需求选择不同类型的光机搭配，以使波导结构的性能达到最好。
49.显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
50.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
51.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
52.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。