CN111812773A - 一种衍射光波导及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种衍射光波导及其制备方法，衍射光波导，包括：基层(11)，在所述基层(11)的至少一侧设置的低折射率层(12)和设置在所述低折射率层(12)上的高折射率层(13)；所述低折射率层(12)设置有低折射率的第一光栅结构(121)，所述高折射率层(13)设置有高折射率的第二光栅结构(131)；所述第一光栅结构(121)与所述第二光栅结构(131)互补的紧密嵌合设置；所述基层(11)的折射率与所述低折射率层(12)的折射率相同。本方案优化了衍射光波导的结构和加工工艺，有效降低光波导的厚度和重量，同时提升光波导的耐用性和可靠性。

Description

一种衍射光波导及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种衍射光波导及其制备方法，尤其涉及一种用于增强现实眼镜的衍射光波导及其制备方法。
背景技术
在增强现实眼镜产品中，衍射光波导是最重要的光学显示元件之一。目前衍射光波导主要有两种：表面浮雕光栅衍射光波导和全息衍射光波导两种。表面浮雕光栅光波导通过在高折射率玻璃基底的表面加工出微纳米尺度的光栅结构实现；全息衍射光波导也是在高折射率基底表面加工出折射率渐变的图层，因此这两种衍射光波导在完成波导片的组合时，都需要考虑增加单独的玻璃盖板或者结构层面对面组合，以实现对衍射光波导表面结构层的保护。同时在组合过程中，需要在光波导之间增加空气间隔层，防止结构层与其他结构面或玻璃表面的接触。
现有的衍射光波导实现方式，增加了光波导的厚度、重量，同时因为空气间隔层的存在，降低了对环境的适应能力，例如：在冬季间隙中容易凝结水雾，AR眼镜在使用过程中，如果对镜片进行清洁，容易按压导致波导片的空气间隔层，对光学性能产生影响等。且上述的衍射光波导方案需要在加工完成单色的光波导后，进行衍射光波导的组合，工艺复杂性增大，导致成本大幅升高。这些缺点不利于增强现实眼镜产品大规模的推广和作为消费级电子产品的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种衍射光波导及其制备方法，简化衍射光波导的结构。
为实现上述发明目的，本发明提供一种衍射光波导，包括：基层，在所述基层的至少一侧设置的低折射率层和设置在所述低折射率层上的高折射率层；
所述低折射率层设置有低折射率的第一光栅结构，所述高折射率层设置有高折射率的第二光栅结构；
所述第一光栅结构与所述第二光栅结构互补的紧密嵌合设置；
所述基层的折射率与所述低折射率层的折射率相同。
根据本发明的一个方面，所述低折射率层的折射率为n1，所述高折射率层的折射率为n2，其满足：n2-n1≥0.3。
根据本发明的一个方面，所述高折射率层用于传导光线，以及所述第二光栅结构用于光线在所述衍射光波导上的耦入和耦出。
根据本发明的一个方面，所述基层为塑料薄膜层；
所述低折射率层为低折射率胶水层；
所述高折射率层为高折射率胶水层。
根据本发明的一个方面，所述基层的材料为光学级透明塑料薄膜；
所述低折射率层的材料为紫外光线照射固化型或者加热固化型的光学级透明胶水；
所述高折射率层的材料为紫外光线照射固化型或者加热固化型的光学级透明胶水。
根据本发明的一个方面，所述低折射率层采用压印成型；
所述高折射率层采用压印或注塑成型。
根据本发明的一个方面，所述第一光栅结构包括多个呈条状体或柱状体的光栅单元；
多个所述光栅单元呈均匀或渐变排布。
根据本发明的一个方面，所述光栅单元呈条状体，且沿所述低折射率层厚度方向，其底部线宽为5至1000nm，高度为5至1000nm，相邻所述光栅单元之间的底部线距为5nm至1000nm。
根据本发明的一个方面，所述光栅单元的截面形状为三角形、平行四边形或矩形；
若所述光栅单元的截面为三角形或平行四边形，则所述光栅单元的第一侧壁与水平方向的夹角为5°至90°，与所述第一侧壁相对的第二侧壁与水平方向的夹角为5°至90°。
根据本发明的一个方面，所述光栅单元呈柱状体，其截面面积为25nm2至106nm2，高度为5nm至1000nm。
根据本发明的一个方面，所述光栅单元的截面形状为几何多边形、圆形或椭圆形。
为实现上述发明目的，本发明提供一种衍射光波导的制备方法，包括以下步骤：
S1.采用具有与所述第一光栅结构互补结构的母版在所述基层的一侧压印具有所述第一光栅结构的所述低折射率层；
S2.采用无结构的镜面母版在所述低折射率层上压印或注塑所述高折射率层，基于所述第一光栅结构所述高折射率层上互补的形成与所述第一光栅结构紧密嵌合的所述第二光栅结构。
根据本发明的一个方面，若所述基层相对的两侧均具有所述低折射率层和所述高折射率层，则在所述基层的另一侧重复步骤S1至S2。
根据本发明的一种方案，优化了衍射光波导的结构和加工工艺，有效降低光波导的厚度和重量，同时提升光波导的耐用性和可靠性。
根据本发明的一种方案，有效降低衍射光波导的加工成本，便于实现增强现实眼镜的推广和应用。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的衍射光波导的立体图；
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的衍射光波导的侧视图；
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的衍射光波导的爆炸图；
图4示意性表示根据本发明的一种实施方式的衍射光波导的光线传导图；
图5示意性表示根据本发明的另一种实施方式的低折射率层的结构图；
图6示意性表示根据本发明的另一种实施方式的低折射率层的结构图；
图7示意性表示根据本发明的另一种实施方式的低折射率层的结构图；
图8示意性表示根据本发明的另一种实施方式的低折射率层的结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种衍射光波导，包括：基层11，在基层11的至少一侧设置的低折射率层12和设置在低折射率层12上的高折射率层13。在本实施方式中，低折射率层12设置有低折射率的第一光栅结构121，高折射率层13设置有高折射率的第二光栅结构131。其中，第一光栅结构121的材料与低折射率层12是一致的，第二光栅结构131的材料与高折射率层13是一致的。在本实施方式中，第一光栅结构121与第二光栅结构131互补的紧密嵌合设置。在本实施方式中，基层11的折射率与低折射率层12的折射率相同。在本实施方式中，基层11均设置有低折射率层12和高折射率层13，并且基层11两侧的低折射率层12和高折射率层13的结构和材料是一致的。
通过上述设置，低折射率层和高折射率层上的光栅结构采用互补的紧密嵌合的设置形式，有效消除了低折射率层和高折射率层之间所存在的间隙，减小了厚度的同时，增强了低折射率层和高折射率层之间的结构紧密性，进而使得整个衍射光波导的结构牢固稳定，且不易在内部积累杂质或水汽，对保证本发明的工作稳定有利。
通过上述设置，通过设置基层其有效的增强了整个衍射光波导的强度，而且基层11的折射率与低折射率层12的折射率相同的，这样还进一步保证了从高折射率层中衍射出的光线能够按照设计的光路进行传播，保证了整个衍射光波导的光线传播精度和稳定。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，低折射率层12的折射率为n1，高折射率层13的折射率为n2，其满足：n2-n1≥0.3。
通过上述设置，将高折射率层和低折射率层的折射率设置为上述条件，保证了光线在高折射率材料中能够按照设计的光路传播的同时，还能够保证高折射率层厚度足够小，对减小本发明的整体厚度有利。
如图4所示，根据本发明的一种实施方式，高折射率层13用于传导光线，以及第二光栅结构131用于光线在衍射光波导上的耦入和耦出。在本实施方式中，在衍射光波导上具有光线耦入区和光线耦出区，光线是在高折射率层13中进行传播的，最终通过高折射率层13上的第二光栅结构131，将光线在耦入区耦入，在耦出区耦出。在本实施方式中，低折射率层12起到作为高折射率层13的模板和粘合的作用，不作为光线调制的功能层。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，基层11为塑料薄膜层，其采用的材料为光学级透明塑料薄膜，如：PET、COP、PC等。通过上述设置，在保证了基层能够具有高强度的情况下，厚度小，对起到良好的支撑作用和减小整个衍射光波导的厚度有利。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，低折射率层12为低折射率胶水层，其所采用的材料为紫外光线照射固化型或者加热固化型的光学级透明胶水。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，高折射率层13为高折射率胶水层，其所采用的材料为紫外光线照射固化型或者加热固化型的光学级透明胶水。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，低折射率层12采用压印成型；高折射率层13采用压印或注塑成型。
通过上述设置，低折射率层12和高折射率层13均采用胶水材料，保证了低折射率层12和高折射率层13的成型方便且精确，在保证了光线传输质量的情况下，有效降低了制备难度，而且采用胶水材料其成本低廉，低折射率层12和高折射率层13的成品良率高。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，第一光栅结构121包括多个呈条状体或柱状体的光栅单元1211。在本实施方式中，多个光栅单元1211呈均匀或渐变排布。参见图4至图7，光栅单元1211均是以相同尺寸形状等间隔的均匀排布。当然，还可以通过改变光栅单元1211的尺寸、间隔距离、形状中的至少一种实现多个光栅单元1211的渐变排布。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，光栅单元1211呈条状体，且沿低折射率层12厚度方向，其底部(即光栅单元1211与低折射率层12相连接的位置)线宽为5至1000nm，高度为5至1000nm，相邻光栅单元1211之间的底部线距为5nm至1000nm。在本实施方式中，光栅单元1211的截面形状为三角形、平行四边形或矩形。在本实施方式中，若光栅单元1211的截面为三角形或平行四边形，则光栅单元1211的第一侧壁与水平方向的夹角为5°至90°，与第一侧壁相对的第二侧壁与水平方向的夹角为5°至90°。
需要指出的是，由于第二光栅结构131与第一光栅结构121是互补的嵌合设置，因此，在第一光栅结构121中光栅单元1211的尺寸、形状已经确定的情况下，第二光栅结构131的结构也是确定的，进而在此不再赘述。
通过上述设置，可以容易实现对光路的调制，保证光线传输的准确。
参见图4所示，光栅单元1211的截面为矩形：其底部线宽为5nm至1000nm，相邻光栅单元1211之间底部线距为5nm至1000nm，其高度为5nm至1000nm，均匀排列布置。
参见图5所示，光栅单元1211的截面为三角形：其底部线宽为5nm至1000nm，相邻光栅单元1211之间底部线距为5nm至1000nm，其高度为5nm至1000nm，第一个侧壁与水平夹度5°至90°，第二个侧壁与水平夹角5°至90°，均匀排列布置。
参见图6所示，光栅单元1211的截面为平行四边形(即光栅单元1211为倾斜设置的)：其底部线宽为5nm至1000nm，相邻光栅单元1211之间底部线距为5nm至1000nm，其高度为5nm至1000nm，第一个侧壁与水平夹度5°至90°，第二个侧壁与水平夹角5°至90°，均匀排列布置。
如图7所示，根据本发明的另一种实施方式，光栅单元1211呈柱状体，其截面面积为25nm2至106nm2，高度为5nm至1000nm。在本实施方式中，光栅单元1211的截面形状为几何多边形、圆形或椭圆形。
通过上述设置，可以容易实现对光路的调制，保证光线传输的准确。
根据本发明的一种实施方式，本发明的一种用于衍射光波导的制备方法，包括以下步骤：
S1.采用具有与第一光栅结构121互补结构的母版在基层11的一侧压印具有第一光栅结构121的低折射率层12；
S2.采用无结构的镜面母版在低折射率层12上压印或注塑高折射率层13，基于第一光栅结构121高折射率层13上互补的形成与第一光栅结构121紧密嵌合的第二光栅结构131。
根据本发明的一种实施方式，若基层11相对的两侧均具有低折射率层12和高折射率层13，则在基层11的另一侧重复步骤S1至S2。
为进一步说明本发明的制备方法，结合附图1至3对本发明的制备方法作进一步说明。
S1.使用具有与第一光栅结构121互补结构的母版在基层11的一侧上完成第一个低折射率层12上第一光栅结构121的压印，由于母版的结构与设计实现光线处理的微结构的形貌一致，所以在基层11表面实现的第一光栅结构121的结构与母版上的结构是相反的。在本实施方式中，压印低折射率层12的胶水和基层11的折射率一致。
S2.使用高折射率胶水施加在低折射率层12上，使用无结构的镜面母版直接进行压印或者注塑，高折射率胶水固化后形成封装低折射率层12的高折射率层13，并且高折射率胶水在第一光栅结构121的作用下形成与第一光栅结构121紧密嵌合的第二光栅结构131。
S3.重复步骤S1，在基层11的另一侧上，使用准备好的第二张具有与第一光栅结构121互补结构的母版在基层11的另一侧上完成第二个低折射率层12上第一光栅结构121的压印，母版的结构与设计实现光线处理的微结构的形貌一致，所以在低折射率层12上实现的第一光栅结构121的结构与母版上的结构是相反的；在本实施方式中，压印低折射率层12的胶水和基层11的折射率一致。
S4.重复步骤S2，使用高折射率胶水施加在第二个低折射率层12上，使用无结构的镜面母版进行压印或者注塑，高折射率胶水固化后形成封装低折射率层12的高折射率层13，并且高折射率胶水在第一光栅结构121的作用下形成与第一光栅结构121紧密嵌合的第二光栅结构131。
由于现有的衍射光波导，都是在高折射率玻璃上压印或者刻蚀实现的，进而根据本发明的衍射光波导使衍射光波导脱离了对高折射率玻璃基底的依赖，并且由于传统的高折射率玻璃密度较大，本发明的衍射光波导中所形成的高折射率层在实现了良好的光学性能的情况下还可有效降低其密度，进而极大程度上减小了衍射光波导的厚度和重量；
根据本发明，采用的是高折射率材料的被动成型，即依照低折射率层嵌合成型，这样就有效克服了采用压印方法时，高折射率材料在压印后存在齿形与母版齿形存在较大尺寸偏差的问题，对保证和提高本发明的优良光学性能有利。此外，因为光栅齿是由光学级透明胶水(如树脂)组成，且尺度是纳米级，极易发生形变和损伤，通过本发明的方法还克服了采用压印方法时，高折射率层在压印后，因外界环境及人为因素易导致光栅齿强度损坏的问题。
根据本发明，衍射光波导中光栅齿形尺寸稳定、准确，光学性能更加稳定。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种衍射光波导，其特征在于，包括：基层(11)，在所述基层(11)的至少一侧设置的低折射率层(12)和设置在所述低折射率层(12)上的高折射率层(13)；
所述低折射率层(12)设置有低折射率的第一光栅结构(121)，所述高折射率层(13)设置有高折射率的第二光栅结构(131)；
所述第一光栅结构(121)与所述第二光栅结构(131)互补的紧密嵌合设置；
所述基层(11)的折射率与所述低折射率层(12)的折射率相同。
2.根据权利要求1所述的衍射光波导，其特征在于，所述低折射率层(12)的折射率为n1，所述高折射率层(13)的折射率为n2，其满足：n2-n1≥0.3。
3.根据权利要求2所述的衍射光波导，其特征在于，所述高折射率层(13)用于传导光线，以及所述第二光栅结构(131)用于光线在所述衍射光波导上的耦入和耦出。
4.根据权利要求3所述的衍射光波导，其特征在于，所述基层(11)为塑料薄膜层；
所述低折射率层(12)为低折射率胶水层；
所述高折射率层(13)为高折射率胶水层。
5.根据权利要求4所述的衍射光波导，其特征在于，所述基层(11)的材料为光学级透明塑料薄膜；
所述低折射率层(12)的材料为紫外光线照射固化型或者加热固化型的光学级透明胶水；
所述高折射率层(13)的材料为紫外光线照射固化型或者加热固化型的光学级透明胶水。
6.根据权利要求4所述的衍射光波导，其特征在于，所述低折射率层(12)采用压印成型；
所述高折射率层(13)采用压印或注塑成型。
7.根据权利要求1至6任一项所述的衍射光波导，其特征在于，所述第一光栅结构(121)包括多个呈条状体或柱状体的光栅单元(1211)；
多个所述光栅单元(1211)呈均匀或渐变排布。
8.根据权利要求7所述的衍射光波导，其特征在于，所述光栅单元(1211)呈条状体，且沿所述低折射率层(12)厚度方向，其底部线宽为5至1000nm，高度为5至1000nm，相邻所述光栅单元(1211)之间的底部线距为5nm至1000nm。
9.根据权利要求8所述的衍射光波导，其特征在于，所述光栅单元(1211)的截面形状为三角形、平行四边形或矩形；
若所述光栅单元(1211)的截面为三角形或平行四边形，则所述光栅单元(1211)的第一侧壁与水平方向的夹角为5°至90°，与所述第一侧壁相对的第二侧壁与水平方向的夹角为5°至90°。
10.根据权利要求7所述的衍射光波导，其特征在于，所述光栅单元(1211)呈柱状体，其截面面积为25nm2至106nm2，高度为5nm至1000nm。
11.根据权利要求10所述的衍射光波导，其特征在于，所述光栅单元(1211)的截面形状为几何多边形、圆形或椭圆形。
12.一种用于权利要求1至11任一项所述的衍射光波导的制备方法，包括以下步骤：
S1.采用具有与所述第一光栅结构(121)互补结构的母版在所述基层(11)的一侧压印具有所述第一光栅结构(121)的所述低折射率层(12)；
S2.采用无结构的镜面母版在所述低折射率层(12)上压印或注塑所述高折射率层(13)，基于所述第一光栅结构(121)所述高折射率层(13)上互补的形成与所述第一光栅结构(121)紧密嵌合的所述第二光栅结构(131)。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，若所述基层(11)相对的两侧均具有所述低折射率层(12)和所述高折射率层(13)，则在所述基层(11)的另一侧重复步骤S1至S2。
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