超构形态拓扑光波导及增强现实显示设备的制作方法

本发明涉及增强现实显示，特别是涉及一种超构形态拓扑光波导及增强现实显示设备。

背景技术：

1、增强现实(augmented reality，ar)技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。

2、光学波导(也可简称为“光波导”)因其全反射光学特性、超薄、表面可加工结构，在增强现实领域具备广泛的应用。基于光学波导的增强现实显示已成为目前行业的主流显示技术。例如，微软开发的hololens，基于蝴蝶型扩瞳传导组成显示窗口，具备大视场的增强现实显示；美国magic leap公司开发的增强现实眼镜，基于二次单向传导光学波导设计，多片组合实现彩色显示。

3、基于光学波导的增强现实显示除了应用在近眼显示领域以外，还可以应用在车载抬头显示。目前，主流的抬头显示基于几何光学空间反射的原理，具有大的前装体积、虚像视距短、眼动范围窄等缺点。基于光学波导的增强现实抬头显示，通过增大光学波导的表面积，从而可以实现小前装体积、远虚像视距、眼动范围大、视场角大等优点，是智能驾驶、人车交互的关键显示技术。

4、然而，目前的大部分基于光学波导的增强现实显示技术，采用纳米结构衍射的传导理念，光线传导过程中浪费较多，导致整体耦出效率偏低，且耦出范围均匀性低。

5、前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种能提高整体光能利用率，提高光线传导效率和耦出效率，且耦出均匀性高。

2、本发明提供一种超构形态拓扑光波导，包括波导基底，所述波导基底上设有超构体耦入区域和拓扑形态耦出区域；所述超构体耦入区域设有位于所述波导基底表面的耦入光栅和覆盖在所述耦入光栅上的超材料层；所述拓扑形态耦出区域设有耦出光栅，所述耦出光栅包括多行存在耦合效应的光栅单元，每行所述光栅单元的形态均不相同。

3、进一步地，所述超材料层是金属膜层。

4、进一步地，所述超材料层的折射率大于1.5。

5、进一步地，所述超材料层的厚度大于或等于100纳米。

6、进一步地，光线在所述超构体耦入区域的入射角范围为-20度至20度。

7、进一步地，所述耦入光栅、所述耦出光栅位于所述波导基底的同一侧表面；所述超构体耦入区域采取透射式耦入或反射式耦入的方式进行光线耦合。

8、进一步地，所述光栅单元为纳米点阵结构，每行所述光栅单元包括多个纳米光栅点，且同一行内的所述纳米光栅点的结构相同，不同行的所述纳米光栅点的结构不相同。

9、进一步地，所述光栅单元为纳米点阵结构，每行所述光栅单元包括多个纳米光栅点，且每个所述纳米光栅点的结构不相同。

10、进一步地，每行所述光栅单元沿所述波导基底的x方向延伸；多行所述光栅单元形成二维阵列光栅，多行所述光栅单元的所述纳米光栅点呈周期排布设置，并具有交叉设置的第一光栅取向m和第二光栅取向n，所述第一光栅取向m与所述第二光栅取向n之间的夹角为20°至160°。

11、进一步地，所述超构体耦入区域、所述拓扑形态耦出区域均为矩形且宽度方向和长度方向与所述波导基底的一致，所述超构体耦入区域与所述拓扑形态耦出区域在y方向的中心线重合。

12、进一步地，所述光栅单元的形态包括每行所述光栅单元内每个所述纳米光栅点的形状、宽度、高度；在y方向上从靠近超构体耦入区域向远离超构体耦入区域方向上的所述纳米光栅点的耦出传导效率依距离递增。

13、本发明还提供一种增强现实显示设备，包括上述的超构形态拓扑光波导。

14、本发明提供的超构形态拓扑光波导，利用耦入光栅和超材料层提高整体光能利用率，产生高耦入传导效率，继而大幅度提高整面耦出效率；配合拓扑形态耦出区域中形态均不相同的光栅单元，逐点控制整面耦出均匀度，有效改善出光不均现象，耦出均匀性高。

技术特征：

1.一种超构形态拓扑光波导，包括波导基底(10)，其特征在于，所述波导基底(10)上设有超构体耦入区域(20)和拓扑形态耦出区域(30)；所述超构体耦入区域(20)设有位于所述波导基底(10)表面的耦入光栅(21)和覆盖在所述耦入光栅(21)上的超材料层(22)；所述拓扑形态耦出区域(30)设有耦出光栅，所述耦出光栅包括多行存在耦合效应的光栅单元(31)，每行所述光栅单元(31)的形态均不相同。

2.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述超材料层(22)是金属膜层。

3.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述超材料层(22)的折射率大于1.5。

4.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述超材料层(22)的厚度大于或等于100纳米。

5.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，光线在所述超构体耦入区域(20)的入射角范围为-20度至20度。

6.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述耦入光栅(21)、所述耦出光栅位于所述波导基底(10)的同一侧表面；所述超构体耦入区域(20)采取透射式耦入或反射式耦入的方式进行光线耦合。

7.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述光栅单元(31)为纳米点阵结构，每行所述光栅单元(31)包括多个纳米光栅点(311)，且同一行内的所述纳米光栅点(311)的结构相同，不同行的所述纳米光栅点(311)的结构不相同。

8.如权利要求1所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述光栅单元(31)为纳米点阵结构，每行所述光栅单元(31)包括多个纳米光栅点(311)，且每个所述纳米光栅点(311)的结构不相同。

9.如权利要求7或8所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，每行所述光栅单元(31)沿所述波导基底(10)的x方向延伸；多行所述光栅单元(31)形成二维阵列光栅，多行所述光栅单元(31)的所述纳米光栅点(311)呈周期排布设置，并具有交叉设置的第一光栅取向m和第二光栅取向n，所述第一光栅取向m与所述第二光栅取向n之间的夹角为20°至160°。

10.如权利要求7或8所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述超构体耦入区域(20)、所述拓扑形态耦出区域(30)均为矩形且宽度方向和长度方向与所述波导基底(10)的一致，所述超构体耦入区域(20)与所述拓扑形态耦出区域(30)在y方向的中心线重合。

11.如权利要求7或8所述的超构形态拓扑光波导，其特征在于，所述光栅单元(31)的形态包括每行所述光栅单元(31)内每个所述纳米光栅点(311)的形状、宽度、高度；在y方向上从靠近超构体耦入区域(20)向远离超构体耦入区域(20)方向上的所述纳米光栅点(311)的耦出传导效率依距离递增。

12.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至11任一项所述的超构形态拓扑光波导。

技术总结本发明公开了一种超构形态拓扑光波导，包括波导基底，所述波导基底上设有超构体耦入区域和拓扑形态耦出区域，所述超构体耦入区域设有位于所述波导基底表面的耦入光栅和覆盖在所述耦入光栅上的超材料层；所述拓扑形态耦出区域设有耦出光栅，所述耦出光栅包括多行存在耦合效应的光栅单元，每行所述光栅单元的形态均不相同。通过上述结构，本发明的超构形态拓扑光波导能提高整体光能利用率，提高光线传导效率和耦出效率，且耦出均匀性高。本发明还涉及一种增强现实显示设备。技术研发人员：罗明辉,乔文,朱平,杨明,杨博文,陈林森受保护的技术使用者：苏州苏大维格科技集团股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29