[发明专利]二维超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备

说明书

本发明提供二维超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，涉及超表面技术领域，二维超表面光栅包括若干形状相同，尺寸不同的第一基元和第二基元；其中，第一基元和第二基元的数量相等；第一基元和第二基元间隔设置，第一基元和第二基元由直边连接构成；第一基元为交叉形结构，第一基元与其他的第一基元等间隔阵列设置；第二基元为交叉形结构，第二基元与其他的第二基元等间隔阵列设置。通过上述方式，设置形状相同、大小不同的第一基元和第二基元，可以调整耦出效率，降低外侧的漏光，提高了隐私性。

技术领域

本发明涉及超表面技术领域，尤其涉及二维超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备。

背景技术

近年来，随着计算机科学的迅猛发展，基于近眼显示设备的虚拟现实（VirtualReality，VR）与增强现实（Augmented Reality，AR）等人机交互技术逐渐成为应用热点。根据交互方式的不同，VR近眼显示设备通过计算机生成一个虚拟环境，观察者可以观察、触摸虚拟环境中的事物并与之进行交互；而AR近眼显示设备生成的虚拟环境则叠加到现实世界中，观察者可以在看到虚拟环境的同时与现实世界进行交互，实现增强现实的目的，因此AR相对于VR具有更强的交互能力，在教育、医疗与军事等方面均表现出更具潜力的发展趋势。

目前市场上的AR眼镜采用的显示系统就是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合，其中光学组合器的不同，是区分AR显示系统的关键部分。综合来看，光波导方案从光学效果、外观形态，和量产前景来说，都具备最好的发展潜力，可能会是让AR眼镜走向消费级的不二之选。

光波导中的主流——衍射光波导本质是一种利用衍射光栅镜片实现图像近眼显示的技术，它的产生和流行得益于光学元件从毫米级别到微纳米级别，从“立体”转向“平面”的技术进步趋势。但是常用的表面浮雕光栅存在衍射效率低下、视场角狭小和体积偏大等问题。

衍射光波导技术又分为一维扩展和二维扩展。二维衍射光波导相关技术的开发需要在材料方面突破瓶颈，以提升光学参数，同时需要一系列高精度的可量产型微纳加工设备。但是普通的二维光栅正反面耦出效率基本一致，存在漏光问题。

发明内容

本发明提供二维超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备，用以解决现有技术中光栅存在衍射效率低下、漏光的缺陷。

本发明提供一种二维超表面光栅，包括若干形状相同，尺寸不同的第一基元和第二基元；其中，第一基元和第二基元的数量相等；第一基元和第二基元间隔设置，第一基元和第二基元由直边连接构成；第一基元为交叉形结构，第一基元与其他的第一基元等间隔阵列设置；第二基元为交叉形结构，第二基元与其他的第二基元等间隔阵列设置。

根据本发明提供的一种二维超表面光栅，第一基元由两组直边集合相交构建，每组直边集合包括相互平行的多条直边；其中，第一基元的每组直边集合包括的直边的数量相同；每组直边集合中的直边都与另一组直边集合中的两条直边相交；第二基元由两组直边集合相交构建，每组直边集合包括相互平行的多条直边；其中，第二基元的每组直边集合包括的直边的数量相同；每组直边集合中的直边都与另一组直边集合中的两条直边相交。

根据本发明提供的一种二维超表面光栅，第一基元包括十二条直边；在第一基元中，第一直边、第三直边、第五直边、第七直边、第九直边和第十一直边属于同一直边集合，第一直边、第三直边、第五直边、第七直边、第九直边和第十一直边相互平行；第二直边、第四直边、第六直边、第八直边、第十直边和第十二直边属于另一直边集合，第二直边、第四直边、第六直边、第八直边、第十直边和第十二直边平行；第二基元包括十二条直边；在第二基元中，第一直边、第三直边、第五直边、第七直边、第九直边和第十一直边属于同一直边集合，第一直边、第三直边、第五直边、第七直边、第九直边和第十一直边平行；第二直边、第四直边、第六直边、第八直边、第十直边和第十二直边属于另一直边集合，第二直边、第四直边、第六直边、第八直边、第十直边和第十二直边平行；其中，第一基元的第一直边和第二基元的第一直边平行。