CN112099140B - 出射亮度均匀的衍射光波导、制造方法、头戴显示设备 - Google Patents
出射亮度均匀的衍射光波导、制造方法、头戴显示设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种出射亮度均匀的衍射光波导、制造方法、头戴显示设备,包括玻璃基底、耦出光栅和耦入光栅,所述耦出光栅为折射率渐变光栅,通过不同耦出区域的折射率渐变光栅的折射率变化提高耦出光线亮度的均匀性。上述衍射光波导及方法、头戴显示设备在不改变光栅设计参数的前提下,使光波导耦出光线亮度均匀。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域,更为具体地,涉及一种出射亮度均匀的衍射光波导、制造方法、头戴显示设备。
背景技术
现有的衍射光波导结构光路,较多运用到的是表面浮雕光栅(Surfacereliefgrating,SRG)。表面浮雕光栅通常在基底上划刻光栅结构或者采用光刻的方式压印光栅结构,分为一维光栅和二维光栅。但是二者都是均匀光栅,光栅常数和光栅深度都是相同的,由于其自身的特性,在耦出耦出区域的光线能量会沿着光线在光波导内部的传播方向(扩瞳方向)越来越低,导致出射的光线亮度不均匀,人眼就会看到一个明暗不同的图案,如图1所示,衍射光波导10耦出区域图像沿扩瞳方向亮度变化明显,图中上方圆点表示图像,明暗代表出射光线亮度大小。
目前,改善这种亮度不均匀性的方法主要有两种:一是改变光栅深度,使不同耦出区域的深度不同。但是这种光栅难以设计,并且很难加工,没有量产的可行性;二是改变光栅周期,但是这种方法的改善效果有限。
发明内容
鉴于上述问题,本发明的目的是提供一种提高出射亮度均匀性的出射亮度均匀的衍射光波导、制造方法、头戴显示设备。
根据本发明的一个方面,提供一种出射亮度均匀的衍射光波导,包括玻璃基底、耦出光栅和耦入光栅,所述耦出光栅为折射率渐变光栅,通过不同耦出区域的折射率渐变光栅的折射率变化提高耦出光线亮度的均匀性。
优选地,所述折射率渐变光栅通过相变材料获得,将相变材料作为光刻材料涂覆在玻璃基底上,利用光刻方式在相变材料上压印衍射光栅,使得衍射光栅的折射率随温度变化发生渐变。
进一步,优选地,所述相变材料包括Ge2Sb2Te5。
根据本发明的另一个方面,提供一种头戴显示设备,上述衍射光波导。
根据本发明的第三个方面,提供一种出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法,包括:
采用相变材料作为光刻材料,涂覆在玻璃基底上,形成相变材料薄膜;
利用光刻的方式,在相变材料薄膜上压印衍射光栅;
使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化。
优选地,所述使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化的步骤包括:
通过加热方式使得衍射光栅的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
进一步,优选地,所述加热方式包括:
通过制热板加热的方式,使得制热板加热衍射光栅,使得衍射光栅沿扩瞳方向温度从高到低,从而使得衍射光栅的折射率沿扩瞳方向从小到大,衍射光栅的折射率越小,耦出光栅亮度越小。
优选地,所述使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化的步骤包括:
通过激光照射方式使得衍射光栅的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
优选地,所述使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化的步骤包括:
通过电激励的方式使得衍射光栅的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
根据本发明的第四个方面,提供一种出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法,包括:
获得相变材料;
将所述相变材料涂覆在玻璃基底上,形成相变材料薄膜;
利用光刻的方式,在相变材料薄膜上压印衍射光栅,此时衍射光栅的折射率均匀;
获得衍射光栅的折射率随温度变化的第一曲线,相变材料随着温度的不同在非晶态和晶态之间变化,相变材料的折射率也随着温度的变化而变化,从而衍射光栅的折射率也随着温度的变化而变化,所述第一曲线通过曲线拟合的方式预先通过实验获得;
获得压印衍射光栅后衍射光波导的耦出区域的亮度变化的第二曲线;
通过第二曲线获得使得出射光线亮度均匀的沿扩瞳方向不同耦出区域的折射率变化的第三曲线;
通过第三曲线和第一曲线,获得不同耦出区域的温度变化的第四曲线;
通过第四曲线采用用通过加热方式、激光照射方式或/和电激励方式控制衍射光栅的不同耦出区域的温度,获得折射率渐变光栅。
上述出射亮度均匀的衍射光波导及其制造方法、头戴显示设备改变衍射波导中耦出区域的衍射光栅的折射率,使其在扩瞳方向产生折射率梯度变化,从而使耦出区域的光线亮度均匀,具有价格低廉、工艺难度低、适合量产的特点。
为了实现上述以及相关目的,本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而,这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外,本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明内容,并且随着对本发明的更全面理解,本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中:
图1是衍射光波导不同耦出区域的图像亮度示意图;
图2是本发明所述出射亮度均匀的衍射光波导的示意图;
图3是本发明所述出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法的流程示意图;
图4是本发明所述出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法的一个实施例的示意图;
图5是本发明所述出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法的另一个实施例的示意图;
图6是本发明所述出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法的第三个实施例的示意图;
图7是使得衍射光波导出射光线亮度均匀的沿扩瞳方向的折射率变化图;
图8是本发明所述衍射光波导的不同耦出区域的图像的亮度示意图。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图2是本发明所述出射亮度均匀的衍射光波导的示意图,如图2所示,所述衍射光波导10包括包括玻璃基底1、耦出光栅2和耦入光栅(未示出),所述耦出光栅2为折射率渐变光栅,通过不同耦出区域的折射率渐变光栅的折射率变化提高耦出光线亮度的均匀性。
在一个实施例中,折射率渐变光栅通过相变材料获得,将相变材料作为光刻材料涂覆在玻璃基底上,利用光刻方式在相变材料上压印衍射光栅,使得衍射光栅的折射率随温度变化发生渐变,所述相变材料(PCM)是依靠精确控制温度(热量),使得材料在晶体和非晶体之间相互转化,相变材料的折射率随温度阶梯变化,从而获得折射率梯度变化的衍射光栅,(如图7所示,沿着扩瞳方向,衍射光栅的折射率呈现梯度变化,且越来越大),提高耦出区域光线均匀性。
优选地,所述相变材料包括Ge2Sb2Te5(GST)。
本发明还提供一种头戴显示设备,上述各实施例的衍射光波导。
上述衍射光波导及头戴显示设备通过改变衍射波导中耦出区域的衍射光栅的折射率,使其在扩瞳方向产生折射率梯度变化,从而使耦出区域的光线亮度均匀。
图3是本发明所述出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法的流程示意图,如图3所示,所述制造方法包括:
步骤S1,采用相变材料作为光刻材料,涂覆在玻璃基底上,形成相变材料薄膜;
步骤S2,利用光刻的方式,在相变材料薄膜上压印衍射光栅;
步骤S3,使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化,获得折射率渐变光栅。
上述制造方法制造了折射率渐变的衍射光栅,不会改变光栅的设计参数,只需要在压印之后,使衍射光栅的折射率发生梯度变化,可以有效提升耦出区域光线均匀性,并且具有价格低廉、工艺难度低、适合量产的特点。
在一个实施例中,所述使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化的步骤包括:
通过加热方式使得衍射光栅的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化,具体地,如图4所示,包括:
采用制热板41加热方式,精确控制热板在不同光栅区域的温度(沿着光波导内光线全反射方向即扩瞳方向,加热温度从高到底,从而使得衍射光栅的折射率沿扩瞳方向从小到大,衍射光栅的折射率越小,耦出光栅亮度越小),使衍射光栅在相应的区域的产生不同的折射率,从而使整个衍射光栅沿着扩瞳方向折射率发生渐变且越来越大,优选地,通过制热板41加热相变材料薄膜,通过加热器(未示出)控制不同耦出区域的制热板的温度,使得不同耦出区域的衍射光栅的折射率随温度不同变化。
在另一个实施例中,所述使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化的步骤包括:
通过激光照射方式使得衍射光栅的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化,具体地,如图5所示,包括:
控制激光器42的照射时间,使激光器42在不同耦出区域照射时间不同,从而使衍射光栅的折射率渐变,在不同耦出区域的折射率不同,优选地,通过计时器控制不同耦出区域的激光器的照射时间,从而使得衍射光栅的折射率随温度阶梯变化,例如,激光器的照射时间沿扩瞳方向(图中箭头方向)从长到短,使得衍射光栅的温度沿扩瞳方向由高到低,使得衍射光栅的折射率沿扩瞳方向由低到高。
在第三个实施例中,所述使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化的步骤包括:
通过电激励的方式使得衍射光栅的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化,具体地,如图6所示,包括:
对不同耦出区域所对应的导电膜上施加不同强度的电压值,从而使对应耦出区域的衍射光栅的折射率渐变,优选地,通过电控器43对不同耦出区域的导电膜44上施加不同强度的电压值,使得衍射光栅的折射率变化,例如,导电膜34上施加电压值强度沿扩瞳方向(图中箭头方向)由高到低,使得导电膜的加热温度沿扩瞳方向由高到底,从而使得衍射光栅的温度沿扩瞳方向由高到低,使得衍射光栅的折射率沿扩瞳方向由低到高。
在一个优选实施例中,出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法包括:
获得相变材料,例如,Ge2Sb2Te5;
将所述相变材料涂覆在玻璃基底上,形成相变材料薄膜;
利用光刻的方式,在相变材料薄膜上压印衍射光栅,此时衍射光栅的折射率均匀;
获得衍射光栅的折射率随温度变化的第一曲线,相变材料随着温度的不同在非晶态和晶态之间变化,相变材料的折射率也随着温度的变化而变化,从而衍射光栅的折射率也随着温度的变化而变化,所述第一曲线通过曲线拟合的方式预先通过实验获得;
获得压印衍射光栅后衍射光波导的耦出区域的亮度变化的第二曲线,从图1中可以看出不同耦出区域的亮度不同,通过曲线模拟可以获得第二曲线;
通过第二曲线获得使得出射光线亮度均匀的沿扩瞳方向不同耦出区域的折射率变化的第三曲线,如图7所示;
通过第三曲线和第一曲线,获得不同耦出区域的温度变化的第四曲线;
通过第四曲线采用用通过加热方式、激光照射方式或/和电激励方式控制衍射光栅的不同耦出区域的温度,获得折射率渐变光栅。
采用上述制造方法获得的衍射光波导的不同耦出区域的图像的亮度如图8所示,本发明所述出射亮度均匀的衍射光波导能够极高的提高出射光线均匀性。
本发明出射亮度均匀的衍射光波导及其制造方法、头戴显示设备通过采用相变材料(如Ge2Sb2Te5,GST)作为光刻材料,均匀地涂抹在玻璃基底上面,然后利用光刻的方式,在相变材料上压印光栅。然后通过对其加热、激光照射或者电激励的方式使相变材料发生折射率渐变,从而使得衍射光栅的折射率按照耦出区域的亮度扁豆花,从而使耦出区域的光线变得均匀,能够有效提升出射光线的均匀性,在不用改变光栅的设计参数,有效提升耦出区域光线均匀性,具有价格低廉、工艺难度低、适合量产的特点。
本领域技术人员应当理解,对于上述本发明所提出的出射亮度均匀的衍射光波导的衍射光波导及其制造方法、头戴显示设备,还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此,本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
Claims (9)
1.一种出射亮度均匀的衍射光波导,包括玻璃基底、耦出光栅和耦入光栅,其特征在于,所述耦出光栅为折射率渐变光栅,通过不同耦出区域的折射率渐变光栅的折射率变化提高耦出光线亮度的均匀性;
其中,所述折射率渐变光栅通过相变材料获得,将相变材料作为光刻材料涂覆在玻璃基底上,利用光刻方式在相变材料上压印衍射光栅,使得衍射光栅的折射率随温度变化发生渐变。
2.根据权利要求1所述的出射亮度均匀的衍射光波导,其特征在于,所述相变材料包括Ge2Sb2Te5。
3.一种头戴显示设备,其特征在于,包括权利要求1或2所述的衍射光波导。
4.一种如权利要求1或2所述出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法,其特征在于,包括:
采用相变材料作为光刻材料,涂覆在玻璃基底上,形成相变材料薄膜;
利用光刻的方式,在相变材料薄膜上压印衍射光栅;
使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化。
5.根据权利要求4所述的出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法,其特征在于,所述使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化的步骤包括:
通过加热方式使得衍射光栅的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
6.根据权利要求5所述的出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法,其特征在于,所述加热方式包括:
通过制热板加热的方式,使得制热板加热衍射光栅,使得衍射光栅沿扩瞳方向温度从高到低,从而使得衍射光栅的折射率沿扩瞳方向从小到大,衍射光栅的折射率越小,耦出光栅亮度越小。
7.根据权利要求4所述的出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法,其特征在于,所述使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化的步骤包括:
通过激光照射方式使得衍射光栅的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
8.根据权利要求4所述的出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法,其特征在于,所述使得衍射光栅的折射率按照耦出区域亮度变化而变化的步骤包括:
通过电激励的方式使得衍射光栅的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
9.一种出射亮度均匀的衍射光波导的制造方法,其特征在于,包括:
获得相变材料;
将所述相变材料涂覆在玻璃基底上,形成相变材料薄膜;
利用光刻的方式,在相变材料薄膜上压印衍射光栅,此时衍射光栅的折射率均匀;
获得衍射光栅的折射率随温度变化的第一曲线,相变材料随着温度的不同在非晶态和晶态之间变化,相变材料的折射率也随着温度的变化而变化,从而衍射光栅的折射率也随着温度的变化而变化,所述第一曲线通过曲线拟合的方式预先通过实验获得;
获得压印衍射光栅后衍射光波导的耦出区域的亮度变化的第二曲线;
通过第二曲线获得使得出射光线亮度均匀的沿扩瞳方向不同耦出区域的折射率变化的第三曲线;
通过第三曲线和第一曲线,获得不同耦出区域的温度变化的第四曲线;
通过第四曲线采用用通过加热方式、激光照射方式或/和电激励方式控制衍射光栅的不同耦出区域的温度,获得折射率渐变光栅。
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