CN112099141A - 衍射光波导、制造方法、提高出射光均匀性方法、设备 - Google Patents

衍射光波导、制造方法、提高出射光均匀性方法、设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种衍射光波导、制造方法、提高出射光均匀性方法、头戴显示设备，包括衍射光栅和涂敷在衍射光栅上的折射率渐变膜，通过不同耦出区域的折射率渐变膜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

衍射光波导、制造方法、提高出射光均匀性方法、设备
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，更为具体地，涉及一种提高出射光均匀性的衍射光波导及其制造方法、提高衍射光波导出射光均匀性的方法、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出射亮度均匀的衍射光波导及其制造方法、头戴显示设备及提高衍射光波导出射光线均匀性的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种提高出射光均匀性的衍射光波导，包括衍射光栅和涂敷在衍射光栅上的折射率渐变膜，通过不同耦出区域的折射率渐变膜的折射率变化提高耦出光线亮度的均匀性。
优选地，所述折射率渐变膜为相变材料。
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，提供一种提高出射光均匀性的衍射光波导的制造方法，包括：
在衍射光栅上镀相变材料薄膜；
使得相变材料薄膜按照耦出区域亮度变化而变化，获得涂覆在衍射光栅上的折射率渐变膜。
优选地，所述使得相变材料薄膜按照耦出区域亮度变化而变化的步骤包括：
通过加热方式使得相变材料薄膜随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
优选地，所述使得相变材料薄膜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相变材料薄膜的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
优选地，所述使得相变材料薄膜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相变材料薄膜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，提供一种提高衍射光波导的出射光均匀性的方法，包括：
在衍射光波导耦出区域的衍射光栅上镀相变材料薄膜；
使得相变材料薄膜的折射率按照耦出区域亮度变化而变化，获得涂覆在衍射光栅上的折射率渐变膜。
优选地，所述使得相变材料薄膜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、激光照射方式或/和电激励的方式使得相变材料薄膜的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
上述提高出射光均匀性的衍射光波导及其制造方法、提高衍射光波导出射光均匀性的方法、头戴显示设备通过使得涂覆在衍射光栅结构上的折射率渐变膜的折射率按照耦出区域亮度变化渐变，从而在不改变光栅设计参数的前提下，使衍射光波导耦出光线亮度均匀，并且具有价格低廉、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是本发明所述提高出射光均匀性的衍射光波导的示意图；
图3是本发明所述提高出射光均匀性的衍射光波导的制造方法的流程示意图；
图4是本发明所述提高出射光均匀性的衍射光波导的制造方法的一个实施例的示意图；
图5是本发明所述提高出射光均匀性的衍射光波导的制造方法的另一个实施例的示意图；
图6是本发明所述提高出射光均匀性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是本发明所述提高出射光均匀性的衍射光波导的示意图，如图2所示，所述衍射光波导10包括衍射光栅1和涂敷在衍射光栅上的折射率渐变膜2，通过不同耦出区域的折射率渐变膜2的折射率变化提高耦出光线亮度的均匀性，优选地，折射率渐变膜的折射率沿扩瞳方向变大，折射率渐变膜的折射率越大，耦出光线的亮度越大，也就是说，使得扩瞳方向前端的折射率渐变膜的折射率减低，使得扩瞳方向后端的折射率渐变膜的折射率增加，从而使得耦出光线亮度均匀。
在一个实施例中，折射率渐变膜2为相变材料，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，得相变材料的折射率随温度阶梯变化(如图7所示，沿着扩瞳方向，折射率渐变膜的折射率呈现梯度变化，且越来越大，温度越高折射率越小，因此沿扩瞳方向，温度由高到底)，提高耦出区域光线均匀性。
优选地，所述相变材料包括Ge2Sb2Te5(GST)。
图3是本发明所述提高出射光均匀性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，在衍射光栅1上镀相变材料薄膜；
步骤S2，使得相变材料薄膜的折射率按照耦出区域亮度变化而变化，获得涂覆在衍射光栅上的折射率渐变膜。
在一个实施例中，使得相变材料薄膜的折射率按照耦出区域亮度变化而变化的方法包括：通过加热方式使得相变材料薄膜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：
首先在衍射光栅上镀一层相变材料薄膜21(如Ge2Sb2Te5)，此时相变材料薄膜21为一个折射率均匀的薄膜；
然后采用制热板31加热方式，控制相变材料薄膜沿着扩瞳方向产生折射率梯度变化，从而改善耦出区域光线亮度均匀性，优选地，通过制热板31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相变材料薄膜的折射率随温度不同变化，如图4所示，制热板的加热温度沿扩瞳方向(图中箭头方向)由高到底，，使得相变材料薄膜的温度沿扩瞳方向由高到低，使得相变材料薄膜的折射率沿扩瞳方向由低到高。
在另一个实施例中，使得相变材料薄膜的折射率按照耦出区域亮度变化而变化的方法包括：通过激光照射方式使得相变材料薄膜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：
首先在衍射光栅上镀一层相变材料薄膜，此时相变材料薄膜为一个折射率均匀的薄膜；
然后控制激光器32的照射时间，使激光器32在不同耦出区域照射时间不同，从而使相变材料薄膜的折射率渐变，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，从而使得相变材料薄膜的折射率随温度阶梯变化，如图5所示，激光器的照射时间沿扩瞳方向(图中箭头方向)从长到短，使得相变材料薄膜的温度沿扩瞳方向由高到低，使得相变材料薄膜的折射率沿扩瞳方向由低到高。
在第三个实施例中，使得相变材料薄膜的折射率按照耦出区域亮度变化阶梯变化的方法包括：通过电激励的方式使得相变材料薄膜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：
首先在衍射光栅上镀一层相变材料薄膜，此时相变材料薄膜为一个折射率均匀的薄膜；
然后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相变材料薄膜的折射率渐变，优选地，通过电控器33对不同耦出区域的导电膜34上施加不同强度的电压值，使得导电膜具有不同的加热温度，从而使得相变材料薄膜的折射率变化，如图6所示，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，从而使得相变材料薄膜的温度沿扩瞳方向由高到低，使得相变材料薄膜的折射率沿扩瞳方向由低到高。
在一个优选实施例中，提高出射光均匀性的衍射光波导的制造方法包括：
获得相变材料薄膜，例如，Ge2Sb2Te5相变材料薄膜；
将所述相变材料薄膜镀在衍射光栅上，此时相变材料薄膜为一个折射率均匀的薄膜；
获得相变材料薄膜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，所述第一曲线通过曲线拟合的方式预先通过实验获得；
获得镀膜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；
通过第四曲线采用通过加热方式、激光照射方式或/和电激励方式控制相变材料薄膜不同耦出区域的温度，获得折射率渐变膜，例如，在非晶态时，GST的原子排布十分混乱，而在晶态时，原子排布整齐，原子排布方式的不同导致GST在红外波段的光学相纸不同，GST进行160℃以上的退火后，非晶态GST会相变为晶态的GST，晶态的GST在经过640℃高温的快速退火后，又可以回到非晶态。一旦相变完成，GST可以维持相应状态保持不变，只要没有达到相变条件，GST在常温下可以保持当前状态长达数年，也就是说，折射率渐变膜不同耦出区域的折射率可以保持数年。
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，本发明所述衍射光波导能够极高的提高出射光线均匀性。
本发明还提供一种提高衍射光波导的出射光均匀性的方法，包括：
在衍射光波导耦出区域的衍射光栅上镀相变材料薄膜；
使得相变材料薄膜的折射率按照耦出区域亮度变化而变化，获得涂覆在衍射光栅上的折射率渐变膜。
优选地，所述使得相变材料薄膜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、激光照射方式或/和电激励的方式使得相变材料薄膜的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
上述提高衍射光波导的出射光均匀性的方法提高衍射光波导成品的出光均匀性。
本发明还提供一种头戴显示设备，包括上述各实施例的衍射光波导。
头戴显示设备可以包括一片或多片衍射光波导，当包括多片光波导时，在耦出区域的衍射光波导的衍射光栅上涂覆所述折射率渐变膜。
本发明提高出射光均匀性的衍射光波导及其制造方法、提高衍射光波导出射光均匀性的方法、头戴显示设备使用相变材料作为镀膜材料，然后通过对相变材料薄膜加热、激光照射或者电激励的方式使相变材料薄膜沿着光波导中光线传播方向(扩瞳方向)折射率发生渐变，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。
在衍射光栅表面镀折射率渐变膜不用改变光栅的设计参数，只需要在压印之后，在衍射光栅的表面镀一层相变材料制作而成的薄膜，然后通过一定的方式，使相变材料薄膜的折射率发生梯度变化，从而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。
本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的提高出射光均匀性的衍射光波导及其制造方法、提高衍射光波导出射光均匀性的方法、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 (10)

1.一种提高出射光均匀性的衍射光波导，包括衍射光栅，其特征在于，还包括涂敷在衍射光栅上的折射率渐变膜，通过不同耦出区域的折射率渐变膜的折射率变化提高耦出光线亮度的均匀性。
2.根据权利要求1所述的提高出射光均匀性的衍射光波导，其特征在于，所述折射率渐变膜为相变材料。
3.根据权利要求2所述的提高出射光均匀性的衍射光波导，其特征在于，所述相变材料包括Ge2Sb2Te5。
4.一种头戴显示设备，其特征在于，包括权利要求1-3中任一项所述的衍射光波导。
5.一种提高出射光均匀性的衍射光波导的制造方法，其特征在于，包括：
在衍射光栅上镀相变材料薄膜；
使得相变材料薄膜的折射率按照耦出区域亮度变化而变化，获得涂覆在衍射光栅上的折射率渐变膜。
6.根据权利要求5所述的提高出射光均匀性的衍射光波导的制造方法，其特征在于，所述使得相变材料薄膜按照耦出区域亮度变化而变化的步骤包括：
通过加热方式使得相变材料薄膜随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
7.根据权利要求5所述的提高出射光均匀性的衍射光波导的制造方法，其特征在于，所述使得相变材料薄膜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相变材料薄膜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5所述的提高出射光均匀性的衍射光波导的制造方法，其特征在于，所述使得相变材料薄膜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相变材料薄膜的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
9.一种提高衍射光波导的出射光均匀性的方法，其特征在于，包括：
在衍射光波导耦出区域的衍射光栅上镀相变材料薄膜；
使得相变材料薄膜的折射率按照耦出区域亮度变化而变化，获得涂覆在衍射光栅上的折射率渐变膜。
10.根据权利要求9所述的提高衍射光波导的出射光均匀性的方法，其特征在于，所述使得相变材料薄膜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、激光照射方式或/和电激励的方式使得相变材料薄膜的折射率随温度按照耦出区域亮度变化阶梯变化。
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