[发明专利]超表面微纳结构单片全色彩波导镜片及AR显示装置

说明书

本发明公开了一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片及AR显示装置。该超表面微纳结构全色彩波导镜片包括波导衬底、耦入光栅和耦出光栅；其中，耦入和耦出光栅均为一维多条矩形微纳结构超表面光栅，位于波导衬底表面，且分布在所述波导衬底的两端；在每个周期内，耦入和耦出光栅均有多条亚波长宽度矩形微纳超表面结构。相比传统光栅，超表面光栅存在不同波长的共振效应，可在大入射角的下对红绿蓝三色光具有高且均衡的1级透射衍射效率。镜片视场角大，视觉体验感强，仅单片波导镜片即可实现全彩色显示，采用该波导镜片的AR显示装置重量轻，可穿戴性佳。相比普通光栅，多条矩形微纳结构超表面光栅的设计变量多，设计灵活，更易加工。

技术领域

本发明涉及透射光栅技术领域和显示技术领域，具体涉及一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片及AR显示装置。

背景技术

增强现实（Augmented Reality；AR）技术是一种将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显示器上的画面传递到人眼，其透视性使得真实场景同时映入人眼。AR眼镜佩戴者可观看到一个叠加了虚拟画面的现实世界，现实体验感被极大加强。基于上述特点，AR技术在工业设计、机械制造、建筑、教育、军事和娱乐等领域有着广泛的应用前景。

光学成像元件用于光传输和成像，是AR眼镜的关键。目前比较成熟的光学成像方案主要包括小棱镜、大小曲面、离轴全息透镜和波导四种。前两种光学方案体积偏大，可穿戴性差；全息透镜体积小，可获得大视场角，但眼动范围小。波导轻薄，对外界光线的穿透性高，量产成本可控，且设计灵活，被认为是消费级AR眼镜的首选。根据光耦入和耦出波导的结构的不同，波导方案又分几何波导、衍射光栅波导和体全息光栅波导三种。几何波导又称为阵列波导，通过阵列半透半反镜的堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，其加工工艺复杂，生产良率低，成本高；体全息光栅波导通过双光束干涉曝光在全息材料上形成周期性的折射率变化，从而实现对光的耦入和耦出。因为体全息光栅深度大，视场角偏小。此外，全息材料有待突破，以延长体全息光栅波导眼镜的使用寿命。相比较而言，衍射光栅波导主要利用光刻技术在镜片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，整机重量轻。工艺过程与半导体行业成熟的制造技术兼容，批量生产良率高，成本远低于几何波导方案。因此，衍射光栅波导方案是一种备受青睐的AR显示光学成像方案。然而，已报道的衍射光栅多采用单条矩形、三角或斜齿设计，所含变量少，设计自由度小，得到的视场角小，响应光谱窄，效率低，且不同入射角或不同波长的入射光会导致效率的较大波动。为实现全彩显示，往往需要多波导镜片叠加技术，导致整个成像系统厚重，可穿戴性差。

超表面由起谐振光学天线作用的表面亚波长结构单元密集排列组成。光在超表面结构单元中发生共振，为人们提供了操纵入射光波前的能力。超表面结构不受传统几何光学理论的限制，可在更小尺度上，利用简单工艺制造出超薄、平坦、无像差的光学器件，代替笨重或难以制造的传统几何光学器件。通过合理的表面亚波长结构设计，超表面可以实现布拉格光栅所具有的光学响应，而相比布拉格光栅的斜齿结构，超表面结构往往由具有垂直侧壁的亚波长结构构成，更易加工。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超表面微纳结构单片全色彩光栅波导镜片及AR显示装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:

一种超表面微纳结构单片全色彩波导镜片，包括波导衬底、耦入光栅和耦出光栅；在一个光栅周期内，所述耦入光栅和耦出光栅结构相同，均为一维多条矩形微纳结构超表面光栅，均位于所述波导衬底表面，且分布在所述波导衬底的两端；

所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅的折射率大于等于所述波导衬底折射率；

所述一维多条矩形微纳结构超表面光栅，在每个光栅周期内，所述矩形微纳结构的个数大于等于2；

RGB三色光信号进入耦入光栅，其1级透射光以大于波导衬底全反射角的角度进入波导衬底中，以全反射的形式向前传输，遇过耦出光栅时输出，进入人眼。