耦入光栅、衍射光栅波导和近眼显示装置的制作方法

1.本发明涉及衍射光学技术领域，尤其涉及一种耦入光栅、衍射光栅波导和近眼显示装置。


背景技术：

2.增强现实（augmented reality，ar）技术是一种将计算机生成的虚拟信息与现实世界相互融合的技术。以ar眼镜为代表的ar近眼显示装置，通过一系列光学成像元件将微显示器的画面传递到人眼，且其透视特性还使得现实景物可以同时映入人眼，现实体验感被极大增强。目前比较成熟的光学成像方案主要包括棱镜、自由曲面、离轴全息透镜、阵列波导、体全息光栅波导和衍射光栅波导等。其中，衍射光栅波导通过光刻技术在波导表面制作表面浮雕光栅来实现图像的耦入和耦出，视场角大，波导重量轻，且其工艺过程与半导体行业成熟的制造技术兼容，生产良率高。因此，衍射光栅波导是一种备受青睐的ar显示光学成像方案。
3.然而，衍射光栅波导的图像依然存在亮度均匀性和色彩均匀性偏差的问题，其中，衍射光栅波导的耦入光栅结构对此有重要影响。现有的衍射光栅波导的耦入光栅结构一般采用矩形光栅、倾斜光栅和闪耀光栅中的一种。矩形光栅的能量利用率较低，导致图像均匀性偏差；相对于矩形光栅，倾斜光栅和闪耀光栅的能量利用率有较大提升，图像均匀性有所提高，但依然存在视场均匀性偏差的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种耦入光栅、衍射光栅波导和近眼显示装置，用以解决现有技术中生成的光学图像的视场均匀性差的缺陷。
5.本发明提供一种耦入光栅，包括若干沿预设方向周期排布的基本光栅；基本光栅包括第一光栅单元、第二光栅单元和第三光栅单元；第二光栅单元分别与第一光栅单元和第三光栅单元相连；第一光栅单元、第二光栅单元和第三光栅单元均为四边形；第二光栅单元的第二高度分别大于第一光栅单元的第一高度和第三光栅单元的第三高度；第一光栅单元的第一倾斜角度、第二光栅单元的第二倾斜角度和第三光栅单元的第三倾斜角度相等。
6.根据本发明提供的一种耦入光栅，第一光栅单元的第一折射率、第二光栅单元的第二折射率和第三光栅单元的第三折射率相同；或者，第一光栅单元的第一折射率、第二光栅单元的第二折射率和第三光栅单元的第三折射率中至少一个不相同。
7.根据本发明提供的一种耦入光栅，第一光栅单元沿预设方向的第一边长、第二光栅单元沿预设方向的第二边长、第三光栅单元沿预设方向的第三边长相同。
8.根据本发明提供的一种耦入光栅，第一光栅单元沿预设方向的第一边长、第二光栅单元沿预设方向的第二边长、第三光栅单元沿预设方向的第三边长中至少一个不相同。
9.根据本发明提供的一种耦入光栅，基本光栅的排布周期为l1，第一边长为l2，第二边长为l3，第三边长为l4，则有：l1＞l2+l3+l4；0＜l3≤0.5l1，0＜l2＜0.5l1，0＜l4＜
0.5l1；l3＞l2，l3＞l4，0.25l1≤l2+l3+l4≤0.8l1。
10.根据本发明提供的一种耦入光栅，第二边长的取值范围为50nm~300nm；第一边长和第三边长的取值范围为50nm~150nm之间。
11.根据本发明提供的一种耦入光栅，第一折射率、第二折射率和第三折射率的取值范围为1~3。
12.根据本发明提供的一种耦入光栅，第一倾斜角度、第二倾斜角度和第三倾斜角度的取值范围为0
°
~75
°
；第一高度和第三高度的取值范围为70nm~300nm，第二高度的取值范围为100nm~500nm。
13.本发明还提供一种衍射光栅波导，包括：波导基底、耦出光栅和如上述任一项所述的耦入光栅；以及耦出光栅和耦入光栅设置于波导基底的表面；其中，耦入光栅用于将携带有图像信息的入射光线耦入到波导基底中；耦出光栅用于将在波导基底内传导的入射光线耦出。
14.本发明还提供一种近眼显示装置，包括微显示器和上述的衍射光栅波导；微显示器用于输出图像光线作为衍射光栅波导的入射光线。
15.本发明提供的耦入光栅、衍射光栅波导和近眼显示装置，耦入光栅包括若干沿预设方向周期排布的基本光栅，基本光栅包括第一光栅单元、第二光栅单元和第三光栅单元，第二光栅单元分别与第一光栅单元和第三光栅单元相连，第一光栅单元、第二光栅单元和第三光栅单元均为四边形，第二光栅单元的第二高度分别大于第一光栅单元的第一高度和第三光栅单元的第三高度，第一光栅单元的第一倾斜角度、第二光栅单元的第二倾斜角度和第三光栅单元的第三倾斜角度相等。通过对不同光栅单元的形状和高度进行调整，有利于提高光学图像的视场均匀性。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
17.图1是本发明耦入光栅的横截面示意图；图2（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之一；图2（b）是图2（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图；图2（c）是基于图2（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一；图2（d）是基于图2（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二；图3（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之二；图3（b）是图3（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图；图3（c）是基于图3（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一；图3（d）是基于图3（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二；图4（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之三；图4（b）是图4（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图；图4（c）是基于图4（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一；
图4（d）是基于图4（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二；图5（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之四；图5（b）是图5（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图；图5（c）是基于图5（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一；图5（d）是基于图5（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二；图6（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之五；图6（b）是图6（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图；图6（c）是基于图6（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一；图6（d）是基于图6（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二；图7（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之六；图7（b）是图7（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图；图7（c）是基于图7（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一；图7（d）是基于图7（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二；图8（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之七；图8（b）是图8（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图；图8（c）是基于图8（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一；图8（d）是基于图8（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二；图9（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之八；图9（b）是图9（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图；图9（c）是基于图9（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一；图9（d）是基于图9（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二；图10是本发明衍射光栅波导的结构示意图。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.本发明提供一种耦入光栅，请参阅图1，图1是本发明耦入光栅的横截面示意图，在本实施例中，耦入光栅包括若干沿预设方向周期排布的基本光栅；基本光栅包括第一光栅单元110、第二光栅单元120和第三光栅单元130；第二光栅单元120分别与第一光栅单元110和第三光栅单元130相连。
20.如图1所示，以x方向为预设方向，在沿预设方向上，耦入光栅包括多个沿预设方向周期排布的基本光栅，每个基本光栅均包括第一光栅单元110、第二光栅单元120和第三光栅单元130，第二光栅单元120分别与第一光栅单元110和第三光栅单元130相连。
21.进一步地，第一光栅单元110、第二光栅单元120和第三光栅单元130均为四边形；第二光栅单元120的第二高度分别大于第一光栅单元110的第一高度和第三光栅单元130的第三高度。
22.需要说明的是，此处的第一高度指的是第一光栅单元距离波导基底的最远距离，
第二高度指的是第二光栅单元距离波导基底的最远距离，第三高度指的是第三光栅单元距离波导基底的最远距离。
23.具体地，如图1所示，在沿预设方向上，每个基本光栅的横截面轮廓上包括7个特征点，即第一特征点p1、第二特征点p2、第三特征点p3、第四特征点p4、第五特征点p5、第六特征点p6和第七特征点p7；其中，特征点为横截面轮廓的曲率极大值所在点。第一特征点p1与第二特征点p2之间、第二特征点p2与第三特征点p3之间、第三特征点p3与波导基底140之间的轮廓线均为直边，使得第一光栅单元110的形状为四边形；第五特征点p5与波导基底140之间、第五特征点p5与第六特征点p6之间、第六特征点p6与第七特征点p7之间的轮廓线均为直边，使得第三光栅单元130的形状为四边形；第二光栅单元120的轮廓线均为直边，使得第二光栅单元120的形状为四边形。第二光栅单元120分别与第一光栅单元110和第三光栅单元130相连，第一特征点p1与第二特征点p2之间的轮廓线、第三特征点p3与波导基底140之间的轮廓线、第五特征点p5与波导基底140之间的轮廓线、第六特征点p6与第七特征点p7之间的轮廓线、以及第二光栅单元120分别与第一光栅单元110和第三光栅单元130相连的两条轮廓线相互平行。
24.进一步地，在沿预设方向上，第一光栅单元110依次出现第一特征点p1、第二特征点p2和第三特征点p3，第二光栅单元120包括第四特征点p4，第三光栅单元130依次出现第五特征点p5、第六特征点p6和第七特征点p7；其中，在垂直于波导基底140的方向上，第一特征点p1和第七特征点p7设置于波导基底140上，第二特征点p2、第三特征点p3、第四特征点p4、第五特征点p5、第六特征点p6均高于第一特征点p1和第七特征点p7。
25.进一步地，在垂直于波导基底140的方向上，将第二特征点p2的高度记为h2，将第三特征点p3的高度记为h3，将第四特征点p4的高度记为h4，将第五特征点p5的高度记为h5，将第六特征点p6的高度记为h6；其中，高度为特征点与波导基底140的垂直距离。
26.在本实施例中，第四特征点p4为第二光栅单元120的最高点，因此将第四特征点p4的高度h4作为第二光栅单元120的第二高度。
27.第二特征点p2的高度h2和第三特征点p3的高度h3可以不同，若h2与h3相等，则将h2或h3的值作为第一光栅单元110的第一高度；若h2与h3不相等，则在h2与h3之间取最大值作为第一光栅单元110的第一高度。
28.第五特征点p5的高度h5和第六特征点p6的高度h6可以不同，若h5与h6相等，则将h5或h6的值作为第三光栅单元130的第三高度；若h5与h6不相等，则在h5与h6之间取最大值作为第三光栅单元130的第三高度。
29.需要说明的是，图1中第二光栅单元还包括特征点p，由于图1中所示的第二光栅单元的轮廓形状为平行四边形，特征点p的高度与第四特征点p4的高度一致，所以不在此处另外说明；而第一光栅单元和第三光栅单元的轮廓形状并非一定是平行四边形，当第一光栅单元和第三光栅单元的轮廓形状不是平行四边形时，h2与h3并不相等，h5与h6也不相等，因此需要区分h2与h3、h5与h6，分别计算h2、h3、h5、h6的取值。
30.第二光栅单元的第二高度分别大于第一光栅单元的第一高度和第三光栅单元的第三高度。
31.进一步地，第一光栅单元110的第一倾斜角度θ1、第二光栅单元120的第二倾斜角度θ2和第三光栅单元130的第三倾斜角度θ3相等，如图1所示，则有θ1=θ2=θ3。
32.具体地，通过调节第一特征点p1和第七特征点p7在波导基底上的位置，以及第二特征点p2、第三特征点p3、第四特征点p4、第五特征点p5和第六特征点p6的高度，可以改变不同光栅单元的形状，使得光在不同视场和不同波长的分布更加均匀，有利于减小视场范围和波长范围内的光强变化；通过调节倾斜角度，可以实现更加平滑和连续的光学过渡，有助于减小光的传输路径的变化，提高光学图像的视场均匀性。
33.本实施例提供的耦入光栅，包括若干沿预设方向周期排布的基本光栅，基本光栅包括第一光栅单元、第二光栅单元和第三光栅单元，第二光栅单元分别与第一光栅单元和第三光栅单元相连，第一光栅单元、第二光栅单元和第三光栅单元均为四边形，第二光栅单元的第二高度分别大于第一光栅单元的第一高度和第三光栅单元的第三高度，第一光栅单元的第一倾斜角度、第二光栅单元的第二倾斜角度和第三光栅单元的第三倾斜角度相等。通过对不同光栅单元的形状和高度进行调整，有利于提高光学图像的视场均匀性。
34.在一些实施例中，第一光栅单元的第一折射率、第二光栅单元的第二折射率和第三光栅单元的第三折射率相同；或者，第一光栅单元的第一折射率、第二光栅单元的第二折射率和第三光栅单元的第三折射率中至少一个不相同。
35.折射率是光栅单元设计中的一个关键参数，不同的折射率配置可以影响光的传输和耦合效果。一般地，光栅单元的折射率可以通过选择不同的材料或者控制不同材料的掺杂比例来调整。
36.请继续参阅图1，第一光栅单元的第一折射率可以记为n1，第二光栅单元的第二折射率可以记为n2，第三光栅单元的第三折射率可以记为n3。
37.可选地，第一光栅单元的第一折射率n1、第二光栅单元的第二折射率n2和第三光栅单元的第三折射率n3相同，以实现光在不同光栅单元之间的平滑传输和耦合。相同的折射率可以使光的传播速度和光波导模式保持一致，从而减小在不同光栅单元之间发生光的折射和反射。
38.可选地，第一光栅单元的第一折射率n1、第二光栅单元的第二折射率n2和第三光栅单元的第三折射率n3中至少一个不相同。不同的光栅单元选择不完全相同的折射率，可以调控光的传输和耦合行为，例如控制入射光的分布和耦合效率、调整输出光的各衍射级次的能量等。
39.在一些实施例中，第一折射率、第二折射率和第三折射率的取值范围为1~3。
40.本领域技术人员可以根据实际需求对不同光栅单元的折射率进行调节，本实施例对此不作限定。
41.本实施例通过对不同光栅单元的折射率进行调节，实现了对光的传输和耦合行为的调控，增加了光栅设计和调控的自由度。
42.在一些实施例中，第一光栅单元沿预设方向的第一边长、第二光栅单元沿预设方向的第二边长、第三光栅单元沿预设方向的第三边长相同。
43.请继续参阅图1，以x方向为预设方向，每个基本光栅均包括第一光栅单元110、第二光栅单元120和第三光栅单元130，第一光栅单元110、第二光栅单元120和第三光栅单元130均设置于波导基底140上。
44.需要说明的是，第一特征点p1与第二特征点p2之间的轮廓线、第三特征点p3与波导基底之间的轮廓线、第五特征点p5与波导基底之间的轮廓线、第六特征点p6与第七特征
点p7之间的轮廓线、以及第二光栅单元120分别与第一光栅单元110和第三光栅单元130相连的两条轮廓线相互平行，在沿预设方向上，相邻两条平行线之间的距离是确定的，因此可以用相邻平行线之间的距离衡量不同光栅单元的宽度。第一光栅单元110沿预设方向的第一边长是两条相邻平行轮廓线之间的距离，即第一特征点p1与第二特征点p2之间的轮廓线、第三特征点p3与波导基底之间的轮廓线，可以理解为第一光栅单元110的宽度，以此类推，第二光栅单元120沿预设方向的第二边长可以理解为第二光栅单元120的宽度，第三光栅单元130沿预设方向的第三边长可以理解为第三光栅单元130的宽度。
45.可选地，第一光栅单元沿预设方向的第一边长、第二光栅单元沿预设方向的第二边长、第三光栅单元沿预设方向的第三边长相同。通过使不同光栅单元在预设方向上具有相等的边长，不仅有助于保持光栅的对称性和一致性，简化基本光栅的制备和布局，还可以确保光在耦合和传输过程中具有一致的衍射效应，进而有利于实现对光耦合效率和光波导模式的控制。
46.在一些实施例中，第一光栅单元沿预设方向的第一边长、第二光栅单元沿预设方向的第二边长、第三光栅单元沿预设方向的第三边长中至少一个不相同。
47.通过使不同光栅单元在预设方向上具有不同的边长，可以实现不用应用场景下光耦合强度、光波导模式的偏置和调制。
48.本领域技术人员可以根据实际需求对不同光栅单元的边长进行调节。
49.本实施例通过对不同光栅单元边长的调整，增加了光栅设计和调控的自由度，以适应不同场景的应用需求。
50.在一些实施例中，基本光栅的排布周期为l1，第一边长为l2，第二边长为l3，第三边长为l4，则有：l1＞l2+l3+l4；0＜l3≤0.5l1，0＜l2＜0.5l1，0＜l4＜0.5l1；l3＞l2，l3＞l4，0.25l1≤l2+l3+l4≤0.8l1。
51.在一些实施例中，第二边长的取值范围为50nm~300nm；第一边长和第三边长的取值范围为50nm~150nm之间。
52.请继续参阅图1，基本光栅的排布周期l1的取值需要大于第一边长l2、第二边长l3和第三边长l4的和，从而确保不同的基本光栅之间不会重叠，避免影响光的传输和耦合效率。
53.在一些实施例中，第一倾斜角度、第二倾斜角度和第三倾斜角度的取值范围为0
°
~75
°
；第一高度和第三高度的取值范围为70nm~300nm，第二高度的取值范围为100nm~500nm。
54.进一步地，通过对不同光栅单元的折射率、倾斜角度、边长和高度进行调节，可以改变耦入光栅的-1级衍射光的衍射效率和视场均匀性，进而改变衍射光栅波导的图像均匀性，增加了衍射光栅波导的设计和调控自由度。
55.本发明还提供了耦入光栅的一些具体的实例，以x方向为预设方向，以z方向为垂直于波导基底的方向，在沿预设方向上，耦入光栅包括多个沿预设方向周期排布的基本光栅。在下述具体的实例中，由于第一光栅单元的第一倾斜角度、第二光栅单元的第二倾斜角度和第三光栅单元的第三倾斜角度相等，因此将倾斜角度记为θ；其余参数的具体含义可参考上述实施例，在下述具体的实例中将不再赘述。
56.请参阅图2（a）-图2（d）以及图10，其中，图2（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之一。
57.具体地，三个光栅单元的折射率满足：n2=1.5，n1=n3；倾斜角度θ=55
°
；基本光栅的排布周期与三个光栅单元的宽度之间的关系满足：l1=420nm，l2=l4=0.1l1，l3=0.3l1；各特征点之间的高度满足：h4=300nm，h2=h3=h5=h6=150nm。
58.图2（b）是图2（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图，横坐标为入射角度，纵坐标为耦入光栅-1级衍射光的效率，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，则可以影响耦入光栅-1级衍射光的效率，耦入光栅-1级衍射光的效率还可以随着光的入射角变化而变化，具体的变化情况正如图2（b）所示。由图2（b）可以看出，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
59.图2（c）是基于图2（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一，当n1=n3=n2=1.5时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图2（c）所示，横坐标为光学图像沿水平方向（记为x方向）的视场角（field of view，fov），单位为度（
°
），记为fovx，左侧纵坐标为光学图像沿垂直于水平方向（记为y方向）的视场角，单位为度（
°
），记为fovy，右侧为色彩亮度对比参考图，色彩亮度的数值范围为0~0.5，数值越低，亮度越低，图像色彩越暗；图2（d）是基于图2（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二，当n2=1.5，n1=n3=2时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图2（d）所示。
60.需要说明的是，视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围。对比图2（c）和图2（d）可知，在n2不变时，若n1和n3增大，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
61.请参阅图3（a）-图3（d）以及图10，其中，图3（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之二。
62.具体地，三个光栅单元的折射率满足：n2=1.5，n1=n3；倾斜角度θ=55
°
；基本光栅的排布周期与三个光栅单元的宽度之间的关系满足：l1=420nm，l2=l4=0.1l1，l3=0.3l1；各特征点之间的高度满足：h4=300nm，h2=h3=h5=h6=250nm。
63.图3（b）是图3（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，则可以影响耦入光栅-1级衍射光的效率，耦入光栅-1级衍射光的效率还可以随着光的入射角变化而变化，具体的变化情况正如图3（b）所示。由图3（b）可以看出，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
64.图3（c）是基于图3（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一，当n1=n2=n3=1.5时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图3（c）所示；图3（d）是基于图3（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二，当n2=1.5，n1=n3=2时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图3（d）所示。
65.对比图3（c）和图3（d）可知，在n2不变时，若n1和n3增大，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
66.对比图2（a）与图3（a）、图2（b）与图3（b）、图2（c）与图3（c）、图2（d）与图3（d）可知，当h2、h3、h5、h6改变，其余参数不变时，耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性不同，由此
可知通过调节光栅单元高度的取值可以调节耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性。
67.请参阅图4（a）-图4（d）以及图10，其中，图4（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之三。
68.具体地，三个光栅单元的折射率满足：n2=1.5，n1=n3；倾斜角度θ=55
°
；基本光栅的排布周期与三个光栅单元的宽度之间的关系满足：l1=420nm，l2=l4=0.2l1，l3=0.3l1；各特征点之间的高度满足：h4=300nm，h2=h3=h5=h6=150nm。
69.图4（b）是图4（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，则可以影响耦入光栅-1级衍射光的效率，耦入光栅-1级衍射光的效率还可以随着光的入射角变化而变化，具体的变化情况正如图4（b）所示。由图4（b）可以看出，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
70.图4（c）是基于图4（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一，当n1=n2=n3=1.5时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图4（c）所示；图4（d）是基于图4（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二，当n2=1.5，n1=n3=1.9时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图4（d）所示。
71.对比图4（c）和图4（d）可知，在n2不变时，若n1和n3增大，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
72.请参阅图5（a）-图5（d）以及图10，其中，图5（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之四。
73.具体地，三个光栅单元的折射率满足：n2=1.5，n1=n3；倾斜角度θ=55
°
；基本光栅的排布周期与三个光栅单元的宽度之间的关系满足：l1=420nm，l2=0.2l1，l4=0.1l1，l3=0.3l1；各特征点之间的高度满足：h4=300nm，h2=h3=h5=h6=150nm。
74.图5（b）是图5（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，则可以影响耦入光栅-1级衍射光的效率，耦入光栅-1级衍射光的效率还可以随着光的入射角变化而变化，具体的变化情况正如图5（b）所示。由图5（b）可以看出，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
75.图5（c）是基于图5（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一，当n1=n2=n3=1.5时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图5（c）所示；图5（d）是基于图5（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二，当n2=1.5，n1=n3=1.9时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图5（d）所示。
76.对比图5（c）和图5（d）可知，在n2不变时，若n1和n3增大，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
77.对比图4（a）与图5（a）、图4（b）与图5（b）、图4（c）与图5（c）、图4（d）与图5（d）可知，当l4改变，其余参数不变时，耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性不同，由此可知通过调节光栅单元宽度的取值可以调节耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性。
78.请参阅图6（a）-图6（d）以及图10，其中，图6（a）是本发明基本光栅单元的横截面参
数示意图之五。
79.具体地，三个光栅单元的折射率满足：n2=1.5，n1=n3；倾斜角度θ=55
°
；基本光栅的排布周期与三个光栅单元的宽度之间的关系满足：l1=420nm，l2=l4=0.1l1，l3=0.3l1；各特征点之间的高度满足：h4=300nm，h2=h3=250nm，h5=h6=100nm。
80.图6（b）是图6（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，则可以影响耦入光栅-1级衍射光的效率，耦入光栅-1级衍射光的效率还可以随着光的入射角变化而变化，具体的变化情况正如图6（b）所示。由图6（b）可以看出，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，耦入光栅-1级衍射光的效率增大，且随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
81.图6（c）是基于图6（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一，当n1=n2=n3=1.5时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图6（c）所示；图6（d）是基于图6（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二，当n2=1.5，n1=n3=1.9时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图6（d）所示。
82.对比图6（c）和图6（d）可知，在n2不变时，若n1和n3增大，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
83.请参阅图7（a）-图7（d）以及图10，其中，图7（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之六。
84.具体地，三个光栅单元的折射率满足：n2=1.5，n1=n3；倾斜角度θ=55
°
；基本光栅的排布周期与三个光栅单元的宽度之间的关系满足：l1=420nm，l2=0.2l1，l4=0.1l1，l3=0.3l1；各特征点之间的高度满足：h4=300nm，h2=h3=250nm，h5=h6=100nm。
85.图7（b）是图7（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，则可以影响耦入光栅-1级衍射光的效率，耦入光栅-1级衍射光的效率还可以随着光的入射角变化而变化，具体的变化情况正如图7（b）所示。由图7（b）可以看出，当n2=1.5，n1=n3时，若将n1和n3从1.5调节至2.4，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦后再趋于陡峭，进而改变耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性。
86.图7（c）是基于图7（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一，当n1=n2=n3=1.5时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图7（c）所示；图7（d）是基于图7（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二，当n2=1.5，n1=n3=1.9时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图7（d）所示。
87.对比图7（c）和图7（d）可知，在n2不变时，若n1和n3增大，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
88.对比图6（a）与图7（a）、图6（b）与图7（b）、图6（c）与图7（c）、图6（d）与图7（d）可知，当l2改变，其余参数不变时，耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性不同，由此可知通过调节光栅单元宽度的取值可以调节耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性。
89.请参阅图8（a）-图8（d）以及图10，其中，图8（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之七。
90.具体地，三个光栅单元的折射率满足：n2=1.5，n1+n3=3.5；倾斜角度θ=55
°
；基本光
栅的排布周期与三个光栅单元的宽度之间的关系满足：l1=420nm，l2=l4=0.2l1，l3=0.3l1；各特征点之间的高度满足：h4=300nm，h2=h3=h5=h6=150nm。
91.图8（b）是图8（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图，当n2=1.5时，若将n1从1.5调节至2，并使得n1+n3=3.5，则可以影响耦入光栅-1级衍射光的效率，耦入光栅-1级衍射光的效率还可以随着光的入射角变化而变化，具体的变化情况正如图8（b）所示。由图8（b）可以看出，当n2=1.5时，若将n1从1.5调节至2，并使得n1+n3=3.5，耦入光栅-1级衍射光的效率增大，且随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
92.图8（c）是基于图8（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一，当n2=1.5，n1=1.5，且n1+n3=3.5，即n3=2时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图8（c）所示；图8（d）是基于图8（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二，当n2=1.5，n1=2，且n1+n3=3.5，即n3=1.5时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图8（d）所示。
93.对比图8（c）和图8（d）可知，在n2不变时，若n1和n3变化，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
94.请参阅图9（a）-图9（d）以及图10，其中，图9（a）是本发明基本光栅单元的横截面参数示意图之八。
95.具体地，三个光栅单元的折射率满足：n2=1.5，n1+n3=3.5；倾斜角度θ=55
°
；基本光栅的排布周期与三个光栅单元的宽度之间的关系满足：l1=420nm，l2=0.2l1，l4=0.1l1，l3=0.3l1；各特征点之间的高度满足：h4=300nm，h2=h3=h5=h6=150nm。
96.图9（b）是图9（a）的耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角变化的示意图，当n2=1.5时，若将n1从1.5调节至2，并使得n1+n3=3.5，则可以影响耦入光栅-1级衍射光的效率，耦入光栅-1级衍射光的效率还可以随着光的入射角变化而变化，具体的变化情况正如图9（b）所示。由图9（b）可以看出，当n2=1.5时，若将n1从1.5调节至2，并使得n1+n3=3.5，耦入光栅-1级衍射光的效率增大，且随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
97.图9（c）是基于图9（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之一，当n2=1.5，n1=1.5，且n1+n3=3.5，即n3=2时，基于该耦入光栅的生成的光学图像视场均匀性正如图9（c）所示；图9（d）是基于图9（a）的耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性示意图之二，当n2=1.5，n1=2，且n1+n3=3.5，即n3=1.5时，基于该耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性正如图9（d）所示。
98.对比图9（c）和图9（d）可知，在n2不变时，若n1和n3变化，耦入光栅-1级衍射光的效率随入射角的变化趋于平坦，进而使得耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性变得更好。
99.对比图8（a）与图9（a）、图8（b）与图9（b）、图8（c）与图9（c）、图8（d）与图9（d）可知，当l4改变，其余参数不变时，耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性不同，由此可知通过调节光栅单元宽度的取值可以调节耦入光栅生成的光学图像的视场均匀性。
100.本发明还提供一种衍射光栅波导，请参阅图10，图10是本发明衍射光栅波导的结构示意图，衍射光栅波导包括：波导基底140、耦出光栅150和上述的耦入光栅160；以及耦出光栅150和耦入光栅160设置于波导基底140的表面；其中，耦入光栅160用于将携带有图像
信息的入射光线耦入到波导基底140中；耦出光栅150用于将在波导基底140内传导的入射光线耦出。
101.具体地，如图10所示，x方向为竖直方向，y方向为水平方向，z方向为垂直于波导基底140的方向。耦出光栅150和耦入光栅160均设置于波导基底140上，其中，耦入光栅160包括若干沿x方向周期排布的基本光栅161，排布周期为l1。基本光栅161包括第一光栅单元、第二光栅单元和第三光栅单元，第二光栅单元分别与第一光栅单元和第三光栅单元相连，在沿z方向上，第二光栅单元的高度分别大于第一光栅单元的高度和第三光栅单元的高度。
102.本发明还提供一种近眼显示装置，包括微显示器和如上述的衍射光栅波导；微显示器用于输出图像光线作为衍射光栅波导的入射光线。
103.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种耦入光栅，其特征在于，包括若干沿预设方向周期排布的基本光栅；所述基本光栅包括第一光栅单元、第二光栅单元和第三光栅单元；所述第二光栅单元分别与所述第一光栅单元和所述第三光栅单元相连；所述第一光栅单元、所述第二光栅单元和所述第三光栅单元均为四边形；所述第二光栅单元的第二高度分别大于所述第一光栅单元的第一高度和所述第三光栅单元的第三高度；所述第一光栅单元的第一倾斜角度、所述第二光栅单元的第二倾斜角度和所述第三光栅单元的第三倾斜角度相等。2.根据权利要求1所述的耦入光栅，其特征在于，所述第一光栅单元的第一折射率、所述第二光栅单元的第二折射率和所述第三光栅单元的第三折射率相同；或者，所述第一光栅单元的第一折射率、所述第二光栅单元的第二折射率和所述第三光栅单元的第三折射率中至少一个不相同。3.根据权利要求1所述的耦入光栅，其特征在于，所述第一光栅单元沿所述预设方向的第一边长、所述第二光栅单元沿所述预设方向的第二边长、所述第三光栅单元沿所述预设方向的第三边长相同。4.根据权利要求1所述的耦入光栅，其特征在于，所述第一光栅单元沿所述预设方向的第一边长、所述第二光栅单元沿所述预设方向的第二边长、所述第三光栅单元沿所述预设方向的第三边长中至少一个不相同。5.根据权利要求4所述的耦入光栅，其特征在于，所述基本光栅的排布周期为l1，所述第一边长为l2，所述第二边长为l3，所述第三边长为l4，则有：l1＞l2+l3+l4；0＜l3≤0.5l1，0＜l2＜0.5l1，0＜l4＜0.5l1；l3＞l2，l3＞l4，0.25l1≤l2+l3+l4≤0.8l1。6.根据权利要求3或4所述的耦入光栅，其特征在于，所述第二边长的取值范围为50nm~300nm；所述第一边长和所述第三边长的取值范围为50nm~150nm之间。7.根据权利要求2所述的耦入光栅，其特征在于，所述第一折射率、所述第二折射率和所述第三折射率的取值范围为1~3。8.根据权利要求1所述的耦入光栅，其特征在于，所述第一倾斜角度、所述第二倾斜角度和所述第三倾斜角度的取值范围为0
°
~75
°
；所述第一高度和所述第三高度的取值范围为70nm~300nm，所述第二高度的取值范围为100nm~500nm。9.一种衍射光栅波导，其特征在于，包括：波导基底、耦出光栅和如权利要求1-8任一项所述的耦入光栅；以及所述耦出光栅和所述耦入光栅设置于所述波导基底的表面；其中，所述耦入光栅用于将携带有图像信息的入射光线耦入到波导基底中；所述耦出光栅用于将在所述波导基底内传导的入射光线耦出。10.一种近眼显示装置，其特征在于，包括微显示器和如权利要求9所述的衍射光栅波导；所述微显示器用于输出图像光线作为所述衍射光栅波导的入射光线。

技术总结
本发明提供耦入光栅、衍射光栅波导和近眼显示装置，涉及衍射光学技术领域，耦入光栅包括若干沿预设方向周期排布的基本光栅；基本光栅包括第一光栅单元、第二光栅单元和第三光栅单元；第二光栅单元分别与第一光栅单元和第三光栅单元相连；第一光栅单元、第二光栅单元和第三光栅单元均为四边形；第二光栅单元的第二高度分别大于第一光栅单元的第一高度和第三光栅单元的第三高度；第一光栅单元的第一倾斜角度、第二光栅单元的第二倾斜角度和第三光栅单元的第三倾斜角度相等。通过对不同光栅单元的形状和高度进行调整，有利于提高光学图像的视场均匀性。视场均匀性。视场均匀性。


技术研发人员：李会会 李勇 吴斐
受保护的技术使用者：北京亮亮视野科技有限公司
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/7/7