一种光栅结构、衍射光波导以及显示设备

摘要

本申请提出了一种光栅结构、衍射光波导以及显示设备，所述光栅结构包括设置于波导基底表面的若干呈周期性排列的结构单元，所述结构单元包括第一分部和第二分部，所述第一分部覆盖并贴合所述波导基底表面，所述第二分部贴合并至少围绕所述第一分部的三个表面，所述第一分部的折射率小于所述第二分部的折射率，且所述结构单元的光栅齿与所述第一分部的体积比大于等于3。本申请提供的光栅结构具有较高的衍射效率和较好的均匀性分布且工艺便捷。

权利要求

1.一种光栅结构，所述光栅结构包括设置于波导基底表面的若干呈周期性排列的结构单元，其特征在于，所述结构单元包括第一分部和第二分部，所述第一分部覆盖并贴合所述波导基底表面，所述第二分部贴合并至少围绕所述第一分部的三个表面，所述第一分部的折射率小于所述第二分部的折射率，且所述第一分部的体积较所述第二分部的体积小以使得形成的所述结构单元的光栅齿与所述第一分部的体积比大于等于3；

其中，所述光栅结构包括多个分区，至少两个所述分区内的光栅结构中所述第一分部的占空比和/或高度不同，以使各所述分区对光线的衍射效率不完全相同；

当第一分部为矩形结构时，所述第一分部的占空比小于60%，所述第一分部的高度小于等于100nm；当所述第一分部为闪耀结构时，所述第一分部的高度小于等于200nm；所述第一分部的高度为所述第一分部在所述波导基底表面的法线方向上的尺寸；所述结构单元中所述第二分部的厚度大于等于50nm；

所述第一分部的折射率取值范围为1.5‑2.0，所述第二分部的折射率大于1.9。

2.根据权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，所述光栅结构中所述第一分部的占空比和/或高度渐变，以使沿占空比和/或高度渐变的方向所述光栅结构的衍射效率渐变。

3.根据权利要求2所述的光栅结构，其特征在于，所述光栅结构内各所述结构单元的高度保持一致，所述结构单元的高度为所述结构单元在所述波导基底表面的法线方向上的尺寸。

4.根据权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，所述第一分部采用纳米压印工艺加工得到，所述第二分部覆形于所述第一分部。

5.一种衍射光波导，其特征在于，所述衍射光波导包括波导基底、耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅中的至少一个包括如权利要求1‑4中任一项所述的光栅结构；或者，所述衍射光波导包括波导基底、耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅中的至少一个包括如权利要求1‑4中任一项所述的光栅结构。

6.根据权利要求5所述的衍射光波导，其特征在于，所述耦入光栅、所述转折光栅、所述耦出光栅中所述第二分部在所述波导基底表面的法线方向上的厚度相同；或者，所述耦入光栅、所述转折光栅、所述耦出光栅中所述第二分部在所述波导基底表面的法线方向上的厚度不完全相同，且所述耦入光栅内所述第二分部在所述波导基底表面的法线方向上的厚度一致，所述转折光栅内所述第二分部在所述波导基底表面的法线方向上的厚度一致，所述耦出光栅内所述第二分部在所述波导基底表面的法线方向上的厚度一致。

7.一种显示设备，其特征在于，所述显示设备包括：设备本体、投影光机以及设置于所述设备本体上的如权利要求5或6所述的衍射光波导。

说明书

一种光栅结构、衍射光波导以及显示设备

技术领域

[0001] 本申请涉及衍射波导领域，尤其涉及一种光栅结构、衍射光波导以及显示设备。

背景技术

[0002] 近年来随着科技的不断发展，虚拟现实(VR)、增强现实(AR)及混合现实(MR)等技术逐步进入各行各业中，衍射光波导是增强现实方面的重要一环。一般来说，衍射光波导需要较高的衍射效率和较好的均匀性分布，才能达到较好的显示效果。通常，光栅折射率越高，衍射效率越高，光谱/视场角带宽越好。树脂材料基于其可采用具有量产性的纳米压印工艺加工的优势，被广泛用于制备光栅结构，但此类材料的折射率存在较低的天花板，由此带来的也是较低的性能天花板。另一类可见光波段折射率较高的无机材料也可用作光栅材料，如氧化钛、氧化铪、五氧化二钽等，能够在性能上有很大的提升，但是此类无机材料无法采用具有量产性的纳米压印工艺加工，而需要采用图形化及刻蚀工艺，工艺复杂且难度大。因此，亟需提出一种具有较高的衍射效率和较好的均匀性分布且工艺便捷的光栅结构。

发明内容

[0003] 本申请针对现有技术中存在的问题，提出了一种既能达到较高的衍射效率及较好的均匀性分布，且在制备工艺上也较为便捷适于量产的光栅结构。

[0004] 本申请提供一种光栅结构，该光栅结构包括设置于波导基底表面的若干呈周期性排列的结构单元，所述结构单元包括第一分部和第二分部，所述第一分部覆盖并贴合所述波导基底表面，所述第二分部贴合并至少围绕所述第一分部的三个表面，所述第一分部的折射率小于所述第二分部的折射率，且所述第一分部的体积较所述第二分部的体积小以使得形成的所述结构单元的光栅齿与所述第一分部的体积比大于等于3；

[0005] 其中，所述光栅结构包括多个分区，至少两个所述分区内的光栅结构中所述第一分部的占空比和/或高度不同，以使各所述分区对光线的衍射效率不完全相同；

[0006] 当第一分部为矩形结构时，所述第一分部的占空比小于60%；所述第一分部的高度小于等于100nm；所述第一分部为闪耀结构时，所述第一分部的高度小于等于200nm；所述第一分部的高度为所述第一分部在所述波导基底表面的法线方向上的尺寸；

[0007] 所述第一分部的折射率取值范围为1.5‑2.0，所述第二分部的折射率大于1.9。

[0008] 可选地，所述光栅结构中所述第一分部的占空比和/或高度渐变，以使沿占空比和/或高度渐变的方向所述光栅结构的衍射效率渐变。

[0009] 可选地，所述光栅结构内各所述结构单元的高度保持一致，所述结构单元的高度为所述结构单元在所述波导基底表面的法线方向上的尺寸。

[0010] 可选地，所述第一分部采用纳米压印工艺加工得到，所述第二分部覆形于所述第一分部。

[0011] 本申请提供一种衍射光波导，所述衍射光波导包括波导基底、耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅中的至少一个包括如前所述的光栅结构；或者，所述衍射光波导包括波导基底、耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅中的至少一个包括如前所述的光栅结构。

[0012] 可选地，所述耦入光栅、所述转折光栅、所述耦出光栅中所述第二分部在所述波导基底表面的法线方向上的厚度相同；或者，所述耦入光栅、所述转折光栅、所述耦出光栅中所述第二分部在所述波导基底表面的法线方向上的厚度不完全相同，且所述耦入光栅内所述第二分部在所述波导基底表面的法线方向上的厚度一致，所述转折光栅内所述第二分部在所述波导基底表面的法线方向上的厚度一致，所述耦出光栅内所述第二分部在所述波导基底表面的法线方向上的厚度一致。

[0013] 本申请提供一种显示设备，所述显示设备包括：设备本体、投影光机以及设置于所述设备本体上的如前所述的衍射光波导。

[0014] 本申请提供的光栅结构设计为包括折射率不同的两个部分，第一分部覆盖并贴合波导基底表面设置，能采用纳米压印工艺加工得到，限定第一分部的体积或尺寸小于（甚至远小于）现有技术中的光栅结构体积，形成较小的第一分部，在已经形成第一分部的结构后，便可避开图形化及刻蚀过程，直接在第一分部上形成第二分部，简化工艺过程，降低难度，尤其是降低压印的难度，通过限定形成的光栅齿与第一分部的体积比例关系，突出以第一分部的体积小而第二分部的体积大，甚至第一分部的体积远小于第二分部的体积，通过控制两者的体积比进而来改善衍射效率，尤其是限定光栅齿与第一分部的体积比大于等于3。由于第二分部的折射率大于第一分部的折射率，而且光线首先入射至第二分部，然后经过第二分部传输至第一分部，这样通过合理选择光栅齿与第一分部的体积比，便能在一方面使得光栅结构的有效折射率得到提升，有助于将更多的光线耦合进波导基底中，提高光栅结构的衍射效率；另一方面有效改善光栅结构对不同视场光线的衍射特性，降低对入射光线视场角的敏感性，提高光栅结构在全视场范围的均匀性，同时也能降低压印工艺的难度，以适应批量化压印工艺且保证光栅的性能。

[0015] 本申请提供的衍射光波导和显示设备包括前述光栅结构，也便具有前述光栅结构所具有的优势。

附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图；

[0017] 图1为本申请实施例提供的光栅结构的示意图；

[0018] 图2为本申请实施例提供的光栅结构在改变参数时衍射效率与视场角的关系示意图；

[0019] 图3为本申请实施例提供的纯低折射率光栅结构在改变参数时衍射效率与视场角的关系示意图；

[0020] 图4为本申请实施例提供的纯高折射率光栅结构在改变参数时衍射效率与视场角的关系示意图；

[0021] 图5为本申请实施例提供的不同参数的光栅结构的性能对比示意图；

[0022] 图6为本申请另一实施例提供的不同参数的光栅结构的性能对比示意图；

[0023] 图7为本申请实施例提供的光栅结构第一分部的高度调制的结构示意图；

[0024] 图8为本申请实施例提供的光栅结构第一分部的占空比调制的结构示意图；

[0025] 图9为本申请实施例提供的光栅结构第一分部的占空比和高度同时调制的结构示意图。

具体实施方式

[0026] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

[0027] 需要说明的是，本申请中的术语“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，以便这里描述的本申请的实施例，能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0028] 本申请提供了一种光栅结构，参考图1，光栅结构100包括设置于波导基底200表面的若干呈周期性排列的结构单元110，结构单元110包括第一分部111和第二分部112，第一分部111覆盖并贴合波导基底200表面，第二分部112贴合并至少围绕第一分部111的三个表面，第一分部111的折射率小于第二分部112的折射率，结构单元的光栅齿与第一分部111的体积比大于等于3。

[0029] 可实施地，第二分部112远离第一分部111的表面呈台阶状；以使得光栅结构单元的衍射效率较平滑表面结构效率更高，整体上改善光栅结构的衍射效率。

[0030] 基于上述方案，光栅结构设置为包括折射率不同的两个部分，第一分部覆盖并贴合波导基底表面设置，能采用纳米压印工艺加工得到，在已经形成第一分部后，即可避开图形化以及刻蚀过程，直接在第一分部上形成第二部分，简化工艺过程，降低工艺难度。此外由于第二分部的折射率大于第一分部的折射率，而且光线首先入射至第二分部，然后经过第二分部传输至第一分部，第一分部的体积较所述第二分部的体积小，甚至远小于第二分部，通过合理选择光栅齿与第一分部的体积比，一方面能够使得光栅结构的有效折射率得到提升，有助于将更多的光线耦合进波导基底中，提高光栅结构的衍射效率；另一方面还能有效改善光栅结构对不同视场光线的衍射特性，降低对入射光线视场角的敏感性，提高光栅结构在全视场范围内的均匀性。

[0031] 需要说明的是，在尺寸方面，相较于现有技术中采用一种材料（比如低折射率树脂材料或者高折射率无机材料）形成的光栅结构，本申请实施例中，光栅结构的结构单元中第一分部的尺寸要小很多，第一分部与第二分部形成的整体才是对光线起到衍射作用的光栅结构。而且，在第一分部设计为较小尺寸（较小体积）的结构后，光栅单元结构的光栅齿的体积要大于第一分部的体积，甚至远大于第一分部的体积时，才能在衍射效率以及均匀性上得到提升，得到较佳的效果。

[0032] 可实施地，光栅结构可以为一维光栅或者二维光栅。在光栅结构为一维结构时，光栅结构的结构单元中，第一分部可以为矩形结构、倾斜四边形结构、闪耀结构、台阶结构、梯形结构等。在光栅结构为二维结构时，光栅结构的结构单元中，第一分部的横截面形状可以是圆形、椭圆形、正方形、菱形等。第一分部的折射率相对第二分部的折射率较低，通常，第一分部的折射率取值范围可以是1.5‑2.0，第二分部的折射率取值范围通常是大于1.9。示例性地，第一分部可以是树脂材料，第二分部可以是无机材料。

[0033] 为了获得较高的衍射效率以及较好的均匀性，光栅结构的结构单元中光栅齿与第一分部的体积比应当大于等于3，且就变化趋势而言，光栅齿与第一分部的体积比越大，光栅结构的性能越好，则本申请实施例所提供的光栅结构的结构单元中第一分部的占空比较小、高度也较小，而第二分部的厚度则较大。比如，在光栅结构的结构单元中第一分部为矩形结构时，第一分部的占空比小于60%，高度小于等于100nm；在光栅结构的结构单元中第一分部为闪耀结构时，第一分部的高度小于等于200nm；光栅结构的结构单元中第二分部的厚度大于等于50nm。

[0034] 继续参考图1，第一分部的占空比为W1/T，W1为第一分部的宽度，即第一分部在光栅结构的周期方向上的尺寸，T为光栅结构的周期。第一分部的高度为H，即第一分部在波导基底表面的法线方向上的尺寸。第二部分的厚度包括W21、W22、W23、W24，即第二分部与第一分部、波导基底各表面的垂直方向上的尺寸。可实施地:W21=W22或W23=W24，可实施地:W21=W22且W23=W24，更进一步地，还可有W21=W22=W23=W24。光栅结构的光栅深度为光栅齿的顶面到光栅凹槽的底面之间的距离，等于第一分部的高度。

[0035] 示例性地，参考图1，本申请光栅结构的结构单元中光栅齿如黑色虚线框所围的部分，本申请光栅结构的结构单元中第一分部为黑色实线框所围的部分，本申请光栅结构的结构单元中第二分部为黑色点划线框所围的部分。

[0036] 参考图2，该图示出了在改变光栅结构的结构单元中第一分部的占空比W1/T与第二分部的两侧厚度W21、W22，光栅结构的其他参数保持不变时，衍射效率与视场角的关系示意图。其中，光栅结构的周期T=286nm，第一分部的高度H=40nm，第二分部的上下厚度W23=W24=60nm，即光栅结构的深度为40nm，第一分部折射率为1.9，第二分部折射率为2.4。图2中每个子图的横坐标为视场角，纵坐标为衍射效率；每列子图对应的第一分部的占空比一致，且从左往右，每列子图对应的第一分部的占空比逐渐增大，依次为0%、10%、20%、30%、40%、50%；每行子图对应的第二分部的两侧厚度W21/W22一致，且从上往下，每行子图对应的第二分部的两侧厚度逐渐增加，依次为0nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm。

[0037] 图3和图4分别示出了纯低折射率光栅结构和纯高折射率光栅结构在占空比变化时衍射效率与视场角的关系示意图。其中，光栅周期为286nm，光栅深度为40nm，纯低折射率光栅结构折射率为1.9，纯高折射率光栅结构折射率为2.4。从左往右，每个子图对应的第一分部的占空比逐渐增大，依次为0%、10%、20%、30%、40%、50%。

[0038] 对比图2、3、4明显可以看出，对于折射率1.9的树脂光栅，在周期286nm，光栅高度40nm时，通过调制占空比，效率仅为9%，均匀性仅为25%；对于折射率2.4的高折射率光栅，效率可达到27.5%，均匀性达53%。对于包括两种折射率的光栅结构，在第二分部厚度W21/W22较大，第一分部的占空比较小，也就是光栅结构的结构单元中光栅齿与第一分部的体积比较大时，能达到较纯低折射率光栅性能更佳、较纯高折射率光栅性能相近的效果，某些情况甚至均匀性较纯高折射率光栅更好。比如：参考第2列第7行子图，在占空比W1/T=10%，厚度W21=W22=60nm时，光栅齿与第一分部的体积比近似13，光栅结构的效率均值为22.2%，均匀性达到
83%，效率均值接近纯高折射率光栅，甚至均匀性优于纯高折射率光栅。再参考第3列第5行子图，在占空比W1/T=20%时，厚度W21=W22=40nm时，光栅齿与第一分部的体积比近似6，光栅结构的效率均值19.9%，均匀性65%，效率均值接近纯高折射率光栅，甚至均匀性优于纯高折射率光栅。其中，效率均值为全视场衍射效率的平均值，均匀性为全视场内最小衍射效率与最大衍射效率之比。

[0039] 参考图5，该图示出了光栅深度相同，第二分部厚度以及第一分部占空比不同时的光栅结构性能对比图。该示例中，第一分部折射率为1.7，第一分部的高度为40nm，第二分部折射率为2.4，光栅周期为300nm。光栅结构一中第一分部占空比为10%，第二分部厚度为60nm，光栅齿与第一分部的体积比为12.5，效率均值为21.7%，均匀性达77.8%。光栅结构二中第一分部占空比为20%，第二分部厚度为50nm，光栅齿与第一分部的体积比为6，效率均值为19.2%，均匀性达78.0%。光栅结构三中第一分部占空比为40%，第二分部厚度为20nm，光栅齿与第一分部的体积比为2，效率均值为6.0%，均匀性为8.4%。可以看出，光栅结构一、二结构单元的光栅齿与第一分部的体积比都大于3，效率均值接近纯高折射率光栅，均匀性优于纯高折射率光栅。光栅结构三中结构单元的光栅齿与第一分部的体积比小于3，效率均值和均匀性均不如纯高折射率光栅。

[0040] 参考图6，该图示出了光栅深度相同，第二分部厚度以及第一分部占空比不同时的光栅结构性能对比图。该示例中，第一分部折射率为1.9，第二分部折射率为2.4，第一分部高度为80nm，光栅周期为280nm。光栅结构四中第一分部占空比为30%，第二分部厚度为50nm，光栅齿与第一分部的体积比为3.6，效率均值为41.9%，均匀性达79.3%。光栅结构五中第一分部占空比为45%，第二分部厚度为30nm，光栅齿与第一分部的体积比为2，效率均值为
28.8%，均匀性为31.6%。可以看出，光栅结构四结构单元的光栅齿与第一分部的体积比大于
3，效率均值和均匀性均优于纯高折射率光栅；光栅结构五结构单元的光栅齿与第一分部的体积比小于3，效率均值虽接近纯高折射率光栅，但均匀性不如纯高折射率光栅。

[0041] 可实施地，光栅结构包括多个分区，至少两个分区内的光栅结构中第一分部的占空比和/或高度不同，以使各分区对光线的衍射效率不完全相同。

[0042] 示例性地，光栅结构包括多个分区，至少两个分区内的光栅结构中第一分部的占空比不同，进而单元结构的占空比也得到调制，从而能够调制光栅结构不同区域对光栅的衍射效率，提高光栅结构的衍射均匀性。

[0043] 示例性地，光栅结构包括多个分区，至少两个分区内的光栅结构中第一分部的高度不同，这样单元结构的光栅深度能得到调制，从而能够调制光栅结构不同区域对光栅的衍射效率，提高光栅结构的衍射均匀性。

[0044] 在一些示例中，还可同时调制第一分部的占空比与高度。

[0045] 在一些示例中，每个分区内第一分部的占空比和/或高度一致。

[0046] 在一些实施例中，参考图7，光栅结构内各结构单元的高度保持一致，结构单元的高度为结构单元在波导基底表面的法线方向上的尺寸。也就是说，光栅结构的第二分部不同位置的厚度（图1中厚度W23）不同。

[0047] 进一步在一些实施例中，如图8所示，提供的光栅结构第一分部的占空比调制的结构，不同光栅结构的占空比不同，而光栅结构的第二分部不同位置的厚度（图1中厚度W23）相同。

[0048] 在一些实施例中，参考图9，光栅结构内各结构单元中第二分部的厚度（图1中厚度W23）保持一致。这种光栅结构工艺更为便捷。

[0049] 在以上两种实施方式中，第一分部的占空比和/或高度调制时，光栅单元结构的占空比和/或光栅深度也都能够得到调制。

[0050] 可说明地，第二分部远离第一分部的表面呈台阶状；以使得光栅结构单元的衍射效率较平滑表面结构效率更高，整体上改善光栅结构的衍射效率。

[0051] 需要说明的是，本申请实施例中，光栅结构的结构单元中光栅齿的齿形可以与第一分部的形状一致。比如，第二分部与第一分部共形，或者，第二分部与第一分部、波导基底各表面的垂直方向上的尺寸不完全相同。光栅结构的结构单元中光栅齿的齿形可以与第一分部的形状不一致，比如光栅齿的齿形为梯形机构，第一分部为矩形结构。针对不同的光栅齿形优化第一分部高度与占空比，以及光栅齿与第一分部的体积比，均能达到较好的效果。

[0052] 在另外一些示例中，光栅结构中第一分部的占空比和/或高度渐变，以使沿占空比和/或高度渐变的方向光栅结构的衍射效率渐变。在第一分部的占空比和/或高度渐变时，光栅单元结构的占空比和/或光栅深度也能够得到渐变调制。这样可以避免参数突变带来的负面影响，提高成像效果。这里的渐变是指连续变化，但不限于数学意义上的绝对连续。

[0053] 本申请实施例还提供了一种衍射光波导，包括波导基底、耦入光栅和耦出光栅，或者包括波导基底、耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，其中，耦入光栅、转折光栅和耦出光栅中的至少一个包括上述任一项示例中的光栅结构。

[0054] 进一步地，可选地，耦入光栅、转折光栅、耦出光栅中第二分部在波导基底表面的法线方向上的厚度相同；或者，耦入光栅、转折光栅、耦出光栅中第二分部在波导基底表面的法线方向上的厚度不完全相同，且耦入光栅内第二分部在波导基底表面的法线方向上的厚度一致，转折光栅内第二分部在波导基底表面的法线方向上的厚度一致，耦出光栅内第二分部在波导基底表面的法线方向上的厚度一致。即耦入光栅、转折光栅和耦出光栅第二分部的厚度完全相同；或者耦入光栅、转折光栅和耦出光栅其中之一的第二分部厚度不同，另外两个厚度相同；或者耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的第二分部厚度均不一样。但在各自区域，第二分部厚度保持一致。这样，在调制第一分部的形貌参数（比如占空比、深度等）时，能将其形貌复制到光栅结构上。

[0055] 本申请实施例还提供了一种显示设备，显示设备包括：设备本体、投影光机以及设置于设备本体上的如前述任一项的衍射光波导。

[0056] 可实施地，显示设备为近眼显示设备，包括镜框与镜片，镜片包括衍射光波导。

[0057] 可实施地，显示设备还可为平视显示设备。

[0058] 以上对本申请的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本申请并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本申请的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。