[发明专利]多阶二维光栅结构及其制造方法、光波导装置和AR设备

说明书

本发明涉及多阶二维光栅结构及其制造方法、光波导装置和AR设备。所述多阶二维光栅结构具有阵列组，其包括：多个第一柱体，其设置在基板的表面上并排列成二维周期阵列，其中每一个第一柱体具有彼此相对的顶面和底面，所述底面位于所述基板的表面上；以及多个第二柱体，其分别设置在各自对应的第一柱体的顶面上，其中每一个第二柱体具有彼此相对的顶面和底面，所述第二柱体的底面被包含在对应的第一柱体的顶面内，并且所述第二柱体的底面形状不同于对应的第一柱体的底面形状。所述多阶二维光栅结构可应用于波导片、AR设备等，从而具有有效减少现有波导片中存在的指向世界侧的漏光能量损失，提升波导片的能量利用率，降低信息泄露风险等优势。

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，更具体来讲，本发明涉及多阶二维光栅结构及其制造方法、光波导装置和AR设备。

背景技术

光波导片是新一代增强现实技术(Augmented Reality，AR)中的关键核心部件，它将全反射波导原理和衍射元件相结合，用来在成像系统中复制扩展出射光瞳，由于具有大光瞳、小体积、重量轻等优点，因此已经成为AR技术发展的必然趋势。在一些现有方案中，将二维光栅作为耦出光学元件应用于光波导镜片，此时在具备二维扩瞳功能的同时，亦具备较高的紧凑性，但是在指向世界侧存在着较高的漏光能量损失，由此降低了其能量利用率，而且会导致信息泄露，并且影响与周围人群的眼神交流。

通过采用多阶二维光栅可以改善上述的若干缺点，然而多阶微纳米结构的制造，通常需要通过具有高对准精度的多步套刻来实现，一般n个光刻步骤可以产生2n个台阶，但它会受到光刻工具和蚀刻工艺的对准精度的限制。且当制备特征尺寸低于100nm的多层图案，或者在要求达到非常高的叠层对准精度时，两者都非常具有挑战性，将难以保证多阶二维光栅的质量、生产效率、成本等方面要求。

本节所描述内容是为方便理解本申请之用，因此不应假定仅由于将其包含在本节中而认为已经属于现有技术。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了多阶二维光栅结构及其制造方法、光波导装置和AR设备，从而能够解决或者至少缓解了以上问题以及其他方面的问题中的一个或多个。

首先，根据本发明的一个方面，提供了一种多阶二维光栅结构，所述多阶二维光栅结构具有阵列组，所述阵列组包括：

多个第一柱体，其设置在基板的表面上并排列成二维周期阵列，其中每一个第一柱体具有彼此相对的顶面和底面，所述底面位于所述基板的表面上；以及

多个第二柱体，其分别设置在各自对应的第一柱体的顶面上，其中每一个第二柱体具有彼此相对的顶面和底面，所述第二柱体的底面被包含在对应的第一柱体的顶面内，并且所述第二柱体的底面形状不同于对应的第一柱体的底面形状。

在根据本发明的多阶二维光栅结构中，可选地，所述阵列组还包括一个或多个附加阵列，所述附加阵列包括：

多个第三柱体，其分别设置在与其相邻的基面上，其中每一个第三柱体具有彼此相对的顶面和底面，所述第三柱体的底面被包含在所述基面内，并且所述第三柱体的底面形状不同于所述基面所对应的柱体的底面形状，所述基面是所述阵列组中的第二柱体的顶面或者另一个所述附加阵列中的第三柱体的顶面。

在根据本发明的多阶二维光栅结构中，可选地，所述第一柱体和/或所述第二柱体的截面形状被构造成圆形、椭圆形、多边形及其任意组合，并且/或者所述第二柱体的底面是按照所述第一柱体的底面以预设的缩小率进行等比例缩小。

在根据本发明的多阶二维光栅结构中，可选地，所述缩小率的范围是0.45-0.65。

在根据本发明的多阶二维光栅结构中，可选地，所述第二柱体的中心轴关于所述第一柱体的中心轴偏置。

在根据本发明的多阶二维光栅结构中，可选地，所述第二柱体的底面关于所述第一柱体的底面相切，并且所述相切点位于所述第二柱体的中心轴关于所述第一柱体的中心轴的偏置方向上。