[发明专利]基于RGB三基色宽光谱高效率偏振无关的斜双层光栅

说明书

本发明公开了一种基于RGB三基色宽光谱高效率偏振无关的斜双层光栅，该光栅的基底是石英，第一层材料为MgF₂，深度为h₁，第二层材料为石英，深度为h₂。该光栅的周期d为706～727纳米，脊宽b为396～418纳米，倾斜角θ为18～19度，h₁为452～504纳米，h₂为691～743纳米，在正入射的情况下该光栅结构具有454～630纳米的波长带宽。本发明是一种适用于RGB三基色(中心波长为蓝光460纳米、绿光526纳米、红光620纳米)的高效率偏振无关斜双层光栅，由电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，其取材方便，结构简单，容差大，造价小，能大批量生产，可应用于AR、VR等三维成像显示技术。

技术领域

本发明涉及透射光栅技术领域，具体涉及一种正入射条件下基于RGB三基色宽光谱高效率偏振无关的斜双层光栅。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，人们对视觉体验的要求也越来越高，希望可以带来更真实的感受，而3D显示技术恰好可以满足这一需求。双目视差是裸眼技术的基本原理，左右眼看到不同角度的物体图像后通过人脑加工合成以后就可以达到立体的效果。传统的实现方法是通过视差光障、柱透镜技术实现两个视点，这样的设计容易形成重影和模糊，而且只能在特定的位置和角度观看，体验非常的差。然而通过光栅阵列可以实现多个视点、连续视差，可以提供非常好的用户体验。因此，基于RGB三基色宽光谱高效率偏振无关的斜双层光栅在三维屏幕显示技术等领域具有非常重要的研究前景和实用价值。

三维显示技术作为当下非常热门的屏幕显示技术，拥有非常重要的应用前景。而全息技术只能做比较小面积的，相比于全息技术，倾斜光栅可以做到非常大的面积，因此对RGB三基色可以高效率透过且具有非对称结构的斜双层光栅在三维显示技术中扮演着重要的角色。熔融石英和MgF₂作为理想的光栅材料，它们具有非常高的光学质量、稳定的性能、较高损伤阈值以及非常宽的透射谱，并且这样设计出来的高效率斜双层光栅，具有结构简单，工艺流程简便，易于大尺寸制作加工。因此，刻蚀高密度深刻蚀光栅对于三维显示技术具有非常广泛的应用前景。对于高密度光栅来说，一种常见的入射方式是垂直入射，即入射角度是零度。

Changhe Zhou等人设计了一种垂直入射下的-1级高效率透射斜双层光栅【周常河，李树斌，高效率斜双层光栅，CN103675969B】，具有较大的波长带宽和入射角带宽，但是由于倾斜角较大(68-69度)，加工不易，因此亟待设计一种便于加工的斜双层光栅。斜双层光栅是基于在垂直入射的矩形透射式光栅，当光束垂直的照在斜双层光栅上时，由于斜双层光栅在结构上存在着不对称的特性，因此透射光能量会存在不对称分布，同时斜双层光栅具有更多的变量，所以它具有更多的设计自由度，可以实现RGB三基色的三个波段在同一个光栅结构下同时实现-1级高效率的透射。

斜双层光栅可以利用微电子深刻蚀工艺，在石英基底上加工出具有倾斜槽形状的双层光栅。由于高密度的倾斜光栅不可以简单的使用标量光栅衍射理论的公式来进行分析解释，所以我们需要利用矢量衍射理论的公式进行解释。通过矢量形式的麦克斯韦方程组，并且结合光栅的边界条件，编写计算机代码程序进行精确快速的计算，并且利用模拟退火算法【W.Goffe et al.,J.Econometrics60,65-99(1994)】进行优化，从而得出理想的结果。通过Moharam等人的严格耦合波分析法(RCWA)【M.G.Moharam et al.J.Opt.Soc.Am.A,12,1077(1995)】，可以很好地解决这一类高密度光栅的衍射问题。目前据对现有技术研究所知，还没有人针对RGB三基色(中心波长分别为蓝光420纳米、绿光526纳米、红光620纳米)的波长使用同一个光栅结构实现垂直入射下-1级高效率透射的设计。

发明内容