CN112904482B - 波导光栅元件及其制造方法和显示设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种波导光栅元件及其制造方法和显示设备。波导光栅元件包括第一基材和光栅结构，光栅结构设置于第一基材上，且包括多个第一光学膜层和多个第二光学膜层，多个第一光学膜层沿预设方向排列且间隔设置，且第一光学膜层通过涂布与固化具有第一折射率的第一材料而形成，多个第二光学膜层沿预设方向与多个第一光学膜层交替设置，第二光学膜层通过涂布与固化具有第二折射率的第二材料而形成，第二折射率与第一折射率不同，第一材料与第二材料中的至少一个为光固化胶。上述波导光栅元件的设计、调试和制造较为简单、成本较低、稳定性较高，并且对折射率梯度的控制较为容易。
Description
技术领域
本申请涉及显示技术领域，尤其涉及一种波导光栅元件及其制造方法和显示设备。
背景技术
波导光栅元件是一种常用的光学器件，在多个领域具有广泛的应用。特别是在显示技术领域，随着头戴式显示设备(如AR设备)的发展，波导光栅元件被用于将显示组件的光传输至人眼，实现三维显示。
一些相关技术中，波导光栅元件在制备时，主要是将光致折变光敏胶涂布在基材上，再用两路相干光对光致折变光敏胶进行干涉曝光形成明暗条纹，形成需要的折射率调制。然而，使用干涉光场对光致折变光敏胶进行折射率调整加工的工艺也充满挑战，需要做大量的调试验证工作才能掌握加工条件和折射率调制的关系，导致波导光栅元件的设计制造成本较高，特别是，在曝光过程中，对曝光环境的要求较高，环境中的变化都会对曝光质量产生影响，从而导致同一批次生产的波导光栅元件质量相差较大，波导光栅元件的稳定性较差。此外，光致折变光敏胶通常能够调制出的折射率变化的梯度也比较小(如在0.08～0.1的范围内)且不易控制，也不利于体形光栅的设计。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种设计制造成本较低、稳定性较佳的波导光栅元件及其制造方法和显示设备。
第一方面，本申请实施例提供一种波导光栅元件，所述波导光栅元件包括：
第一基材；
光栅结构，设置于所述第一基材上，包括多个第一光学膜层和多个第二光学膜层，多个所述第一光学膜层沿预设方向排列且间隔设置，且所述第一光学膜层通过涂布与固化具有第一折射率的第一材料而形成，多个所述第二光学膜层沿所述预设方向与多个所述第一光学膜层交替设置，所述第二光学膜层通过涂布与固化具有第二折射率的第二材料而形成，所述第二折射率与所述第一折射率不同，其中，所述第一材料与所述第二材料中的至少一个为光固化胶。
本申请实施例提供的波导光栅元件中，光栅结构包括通过涂布与固化的工艺形成的交替设置的多个第一光学膜层和多个第二光学膜层，避免使用干涉光场和光致折变光敏胶制造光栅结构，不仅使得波导光栅元件的设计、调试简单，还可以降低制造成本，特别是，涂布与固化工艺的设备和工艺条件也相对曝光刻蚀等简单，并可以降低制造成本，且可避免曝光刻蚀等工艺对波导光栅元件的稳定性产生影响的问题。此外，采用涂布与固化工艺，也可以依据实际需要选择适合的材料，获得需要折射率梯度，而且对折射率梯度的控制也较为容易，从而有利于设计、制造较大尺寸的体形光栅，进而再将体形光栅切割获得多个片状的波导光栅元件，从而提高波导光栅元件的生产效率和降低生产成本。另外，采用光固化胶不仅较为常见、成本较低，而且固化控制相对简单、固化时间快，也有利于提高波导光栅元件的生产效率及降低生产成本。
在其中的一个实施例中，所述第一基材为供光线全反射传输的波导，且所述第一基材还用于利用所述光栅结构耦入所述光线或耦出所述光线。可以理解，利用第一基材作为所述波导，从而将光栅结构直接形成在第一基材上，从而使得波导光栅元件结构与工艺较为简单、尺寸较小，有利于降低成本和产品轻薄化。
在其中的一个实施例中，所述第一折射率与所述第二折射率的差值在0.1至0.2的范围之间。可以理解，通过选择适合的材料来实现需要的折射率梯度控制，不仅简单、方便，易于实现，还可以获得需要的光学效果。
在其中的一个实施例中，所述波导光栅元件还包括第二基材，所述第二基材位于所述光栅结构远离所述第一基材一侧的表面。可以理解，第二基材可以对光栅结构进行保护，提高波导光栅元件的结构可靠性，且可保证波导光栅元件的光学效果。
在其中的一个实施例中，所述第一光学膜层和所述第二光学膜层均为平板型膜层，所述第一光学膜层和所述第二光学膜层均包括第一表面、第二表面和第一侧面，所述第一表面和所述第二表面沿所述预设方向排列且相互平行，所述第一侧面连接于所述第一表面和所述第二表面之间，所述预设方向与所述第一表面的夹角为锐角或钝角，所述锐角在30度到60度的范围内，所述钝角在120度至150度的范围内，所述预设方向与所述第一侧面平行。可以理解，当所述锐角或所述钝角在上述角度范围，特别是为特定角度(如45度或135度)时，可有利于使得进入波导光栅元件大部分光线实现全反射，提高光利用率。
在其中的一个实施例中，所述光栅结构还包括多个第三光学膜层，沿所述预设方向与所述第一光学膜层和所述第二光学膜层交替设置，所述第三光学膜层通过涂布与固化具有第三折射率的第三材料而形成，所述第三折射率与所述第一折射率和所述第二折射率均不相同。可以理解，通过进一步使用第三材料来实现需要的折射率梯度控制，不仅简单、方便，易于实现，还可以获得需要的光学效果。
第二方面，本申请实施例提供一种显示设备，其包括：
显示组件，用于将全息显示数据生成全息三维光场；
波导光栅元件，用于传输所述显示组件生成的所述全息三维光场。
本申请实施例提供的显示设备中，波导光栅元件用于将显示组件生成的全息三维光场传输。其中，所述第一波导光栅元件和所述第二波导光栅元件中的至少一个波导光栅元件的光栅结构包括通过涂布与固化的工艺形成的交替设置的多个第一光学膜层和多个第二光学膜层，避免使用干涉光场和光致折变光敏胶制造光栅结构，不仅使得波导光栅元件的设计、调试简单，还可以降低制造成本，特别是，涂布与固化工艺的设备和工艺条件也相对曝光刻蚀等简单，并可以降低制造成本，且可避免曝光刻蚀等工艺对波导光栅元件的稳定性产生影响的问题。此外，采用涂布与固化工艺，也可以依据实际需要选择适合的材料，获得需要折射率梯度，而且对折射率梯度的控制也较为容易，从而有利于设计、制造较大尺寸的体形光栅，进而再将体形光栅切割获得多个片状的波导光栅元件，从而提高波导光栅元件的生产效率和降低生产成本。另外，采用光固化胶不仅较为常见、成本较低，而且固化控制相对简单、固化时间快，也有利于提高波导光栅元件的生产效率及降低生产成本。此外，所述显示设备也具有上述任意一实施例的波导光栅元件的其他有益效果，由于上述已经对波导光栅元件的有益效果进行了详细的说明，此处不再赘述。
第三方面，本申请实施例还提供一种波导光栅元件的制造方法，其包括：
提供第一基材；
在所述第一基材的表面沿远离所述第一基材的第一方向依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料，以在所述第一基材上形成光栅结构，所述光栅结构包括由所述第一材料形成的多个第一光学膜层和由所述第二材料形成的多个第二光学膜层，多个所述第一光学膜层与多个所述第二光学膜层交替设置，所述第二折射率与所述第一折射率不同，其中，所述第一材料与所述第二材料中的至少一个为光固化胶。
本申请实施例提供的波导光栅元件的制造方法中，通过在所述第一基材的表面沿远离所述第一基材的第一方向依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料，以在所述第一基材上形成光栅结构，使得光栅结构包括由折射率变化且交替设置的多个第一光学膜层和多个第二光学膜层，避免使用干涉光场和光致折变光敏胶制造光栅结构，不仅使得波导光栅元件的设计、调试简单，还可以降低制造成本，特别是，涂布与固化工艺的设备和工艺条件也相对曝光刻蚀等简单，并可以降低制造成本，且可避免曝光刻蚀等工艺对波导光栅元件的稳定性产生影响的问题。此外，采用涂布与固化工艺，也可以依据实际需要选择适合的材料，获得需要折射率梯度，而且对折射率梯度的控制也较为容易，从而有利于设计、制造较大尺寸的体形光栅，进而再将体形光栅切割获得多个片状的波导光栅元件，从而提高波导光栅元件的生产效率和降低生产成本。另外，采用光固化胶不仅较为常见、成本较低，而且固化控制相对简单、固化时间快，也有利于提高波导光栅元件的生产效率及降低生产成本。
在其中的一个实施例中，设所述第一光学膜层和所述第二光学膜层共具有N层，所述涂布步骤和所述固化步骤均具有N次，所述在所述第一基材的表面沿远离所述第一基材的方向依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料的步骤中，第i次所述固化步骤在第i次所述涂布步骤之后且在第i+1次所述涂布步骤之前，N为大于等于2的自然数，i为大于等于1小于N的自然数。可以理解，第i次固化步骤在第i次涂布步骤之后且在第i+1次涂布步骤之前，使得上一膜层的固化完成后再进行下一膜层的涂布与固化，从而可以减少两个膜层材料的互溶与混同，进而达到较好的折射率梯度控制。
在其中的一个实施例中，所述制造方法还包括：提供第二基材，将所述第二基材盖设于所述光栅结构远离所述第一基材的表面；最后一次所述固化步骤在将所述第二基材盖设于所述光栅结构远离所述第一基材的表面的步骤之后。可以理解，第二基材可以对光栅结构进行保护，提高波导光栅元件的结构可靠性，且可保证波导光栅元件的光学效果。另外，将最后一次固化步骤在将第二基材盖设于光栅结构远离第一基材的表面的步骤之后，使得最后一层膜层在固化的同时将第二基材固定，进而第一基材、光栅结构和第二基材通过较为简单的方式连接于一体，有利于降低制造成本，且可保证第一基材、光栅结构和第二基材之间较好的连接效果。
在其中的一个实施例中，所述第一光学膜层和所述第二光学膜层均为平板型膜层，所述制造方法还包括：沿预设方向切割所述第一基材和所述光栅结构，使得多个所述第一光学膜层和多个所述第二光学膜层沿所述预设方向交替设置，所述预设方向与所述第一方向的夹角为锐角或钝角，所述锐角在30度至60度的范围内，所述钝角在120度至150度的范围内。可以理解，上述设计可以方便将波导光栅元件设置于波导光栅元件表面，起到需要的光线引导作用，如当所述锐角或钝角为在上述角度范围，特别是在特定角度(如45度或135度)时，可有利于使得进入波导光栅元件大部分光线实现全反射，提高光利用率。
在其中的一个实施例中，所述制造方法还包括：对所述切割后的表面进行精细抛光的步骤。可以理解，通过对切割后的表面进行精细抛光，可以提高波导光栅元件的可靠性和稳定性，进而保证波导光栅元件的光学性能。
在其中的一个实施例中，所述在所述第一基材的表面沿远离所述第一基材的第一方向依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料的步骤包括：在所述第一基材的表面沿远离所述第一基材的第一方向依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料、具有第二折射率的第二材料和具有第三折射率的第三材料，以在所述第一基材上形成所述光栅结构，所述光栅结构包括由所述第一材料形成的多个第一光学膜层、由所述第二材料形成的多个第二光学膜层和由所述第三材料形成的多个第三光学膜层，多个所述第一光学膜层、多个所述第二光学膜层和多个所述第三光学膜层交替设置。可以理解，通过进一步使用第三材料来实现需要的折射率梯度控制，不仅简单、方便，易于实现，还可以获得需要的光学效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述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申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本申请一种实施例的波导光栅元件的结构示意图；
图2是本申请另一种实施例的波导光栅元件的结构示意图；
图3是本申请一种实施例的波导光栅元件的制造方法的流程图；
图4是本申请一种实施例的波导光栅元件的制造方法获得的光栅体的结构示意图；
图5是对图4所示光栅体进行切割以获得波导光栅元件的切割原理示意图；
图6是本申请一种实施例的显示设备的方框图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如前所述，一些相关技术中，波导光栅元件在制备时，使用干涉光场对光致折变光敏胶进行折射率调整加工的工艺导致波导光栅元件的设计制造成本较高、波导光栅元件的稳定性较差，并且，光致折变光敏胶能够调制出的折射率变化的梯度也比较小且不易控制。
有鉴于此，有必要提供一种设计制造成本较低、稳定性较佳的波导光栅元件及其制造方法、波导光栅组件和显示设备。
第一方面，本申请实施例提供一种波导光栅元件，所述波导光栅元件包括：
第一基材；
光栅结构，设置于所述第一基材上，包括多个第一光学膜层和多个第二光学膜层，多个所述第一光学膜层沿预设方向排列且间隔设置，且所述第一光学膜层通过涂布与固化具有第一折射率的第一材料而形成，多个所述第二光学膜层沿所述预设方向与多个所述第一光学膜层交替设置，所述第二光学膜层通过涂布与固化具有第二折射率的第二材料而形成，所述第二折射率与所述第一折射率不同，其中，所述第一材料与所述第二材料中的至少一个为光固化胶。
第二方面，本申请实施例提供一种显示设备，其包括：
显示组件，用于将全息显示数据生成全息三维光场；
上述实施例所述的波导光栅元件，用于传输所述显示组件生成的所述全息三维光场。
第三方面，本申请实施例还提供一种波导光栅元件的制造方法，其包括：
提供第一基材；
在所述第一基材的表面沿远离所述第一基材的第一方向依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料，以在所述第一基材上形成光栅结构，所述光栅结构包括由所述第一材料形成的多个第一光学膜层和由所述第二材料形成的多个第二光学膜层，多个所述第一光学膜层与多个所述第二光学膜层交替设置，其中，所述第一材料与所述第二材料中的至少一个为光固化胶。
相较于上述相关技术，本申请实施例提供的波导光栅元件及其制造方法、波导光栅组件和显示设备中，通过在所述第一基材的表面沿远离所述第一基材的第一方向依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料，以在所述第一基材上形成光栅结构，使得光栅结构包括由折射率变化且交替设置的多个第一光学膜层和多个第二光学膜层，避免使用干涉光场和光致折变光敏胶制造光栅结构，不仅使得波导光栅元件的设计、调试简单，还可以降低制造成本，特别是，涂布与固化工艺的设备和工艺条件也相对曝光刻蚀等简单，并可以降低制造成本，且可避免曝光刻蚀等工艺对波导光栅元件的稳定性产生影响的问题。此外，采用涂布与固化工艺，也可以依据实际需要选择适合的材料，获得需要折射率梯度，而且对折射率梯度的控制也较为容易，从而有利于设计、制造较大尺寸的体形光栅，进而再将体形光栅切割获得多个片状的波导光栅元件，从而提高波导光栅元件的生产效率和降低生产成本。另外，采用光固化胶不仅较为常见、成本较低，而且固化控制相对简单、固化时间快，也有利于提高波导光栅元件的生产效率及降低生产成本。
下面结合附图，对本申请的实施例提供的波导光栅元件及其制造方法和显示设备作进一步的详细说明。
请参阅图1，图1是本申请一种实施例的波导光栅元件10的结构示意图，此外，图1中也示意了波导光栅元件10对射入光线L进行全反射传输的光路。具体地，波导光栅元件10可以用于显示设备(如AR显示设备)的波导光栅组件中，对光线进行引导(如对传输全息三维光场)，其可以包括第一基材12、光栅结构14和第二基材16。
其中，第一基材12可以为供光线全反射传输的波导，且第一基材12可以利用光栅结构14耦入光线或耦出光线。具体地，光栅结构14可以作为波导光栅元件10的耦入光线的耦入光栅，从而将耦入光线在第一基材12(波导)中传输；或者光栅结构14可以作为波导光栅元件10的耦出光线的耦出光栅，从而将第一基材12(波导)中传输的光线耦出，如耦出至人眼。
光栅结构14可以设置于第一基材12上，第二基材16可以设置于光栅结构14远离第一基材12的一侧的表面，使得光栅结构14夹在第一基材12和第二基材16之间。
第一基材12可以为透明基材，如透明玻璃或透明塑胶，其材料和厚度等可以依据实际需要选择。第二基材16也可以为透明基材，如透明玻璃或透明塑胶，其材料和厚度等可以依据实际需要选择。其中，第二基材16可以对光栅结构14进行保护，提高波导光栅元件10的结构可靠性，且可保证波导光栅元件10的光学效果。然而，可以理解，在一些变更实施例中，第二基材16也可以被省略。
光栅结构14包括多个第一光学膜层142和多个第二光学膜层144，多个第一光学膜层142沿预设方向P排列且间隔设置，且第一光学膜层142通过涂布与固化具有第一折射率的第一材料而形成，多个第二光学膜层144沿预设方向与多个第一光学膜层142交替设置，第二光学膜层144通过涂布与固化具有第二折射率的第二材料而形成，其中，所述第一材料与所述第二材料中的至少一个为光固化胶(即UV胶)。具体地，本实施例中，所述第一材料与所述第二材料均为光固化胶，但是二者的折射率不同，即所述第一折射率与所述第二折射率不同。可以理解，光固化胶的具体材料可以依据实际需要选择，如可以包括环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、丙烯酸树脂等材料但不限于上述材料。
本申请实施例提供的波导光栅元件10中，光栅结构14包括通过涂布与固化的工艺形成的交替设置的多个第一光学膜层142和多个第二光学膜层144，避免使用干涉光场和光致折变光敏胶制造光栅结构，不仅使得波导光栅元件10的设计、调试简单，还可以降低制造成本，特别是，涂布与固化工艺的设备和工艺条件也相对曝光刻蚀等简单，并可以降低制造成本，且可避免曝光刻蚀等工艺对波导光栅元件的稳定性产生影响的问题。此外，采用涂布与固化工艺，也可以依据实际需要选择适合的材料，获得需要折射率梯度，而且对折射率梯度的控制也较为容易，从而有利于设计、制造较大尺寸的体形光栅，进而再将体形光栅切割获得多个片状的波导光栅元件10，从而提高波导光栅元件的生产效率和降低生产成本。另外，采用光固化胶不仅较为常见、成本较低，而且固化控制相对简单、固化时间快，也有利于提高波导光栅元件10的生产效率及降低生产成本。
其中，交替设置的多个第一光学膜层142和多个第二光学膜层144为：光栅结构14的膜层沿预设方向P依次为第一光学膜层142、第二光学膜层144、第一光学膜层142、第二光学膜层144、......的规律，即将第一光学膜层、第二光学膜层的上述次序作为最小的周期排列单元循环重复排列。
进一步地，所述第一折射率与所述第二折射率的差值可以在0.1至0.2的范围之间，即【0.1～0.2】。其中，所述第一折射率与所述第二折射率的差值为所述第一折射率与所述第二折射率之间差的绝对值，具体地，在一些实施例中，所述第一折射率大于所述第二折射率，且所述第一折射率减去所述第二折射率的差在0.1至0.2的范围之间；在另一些实施例中，所述第二折射率大于所述第一折射率，且所述第二折射率减去所述第一折射率的差在0.1至0.2的范围之间。可以理解，通过选择适合的材料来实现需要的折射率梯度控制，不仅简单、方便，易于实现，还可以获得需要的光学效果。
更进一步地，第一光学膜层142和第二光学膜层144均为平板型膜层，第一光学膜层142和第二光学膜层144均包括第一表面14a、第二表面14b和第一侧面14c，第一表面14a和第二表面14b沿预设方向P排列且相互平行，第一侧面14c连接于第一表面14a和第二表面14b之间，预设方向P与第一表面14a的夹角为锐角或钝角，具体地，所述锐角在30度到60度的范围内，所述钝角在120度至150度的范围内，预设方向P与第一侧面14c平行。可以理解，当所述锐角或所述钝角在上述角度范围，特别是为特定角度(如45度或135度)时，可有利于使得进入波导光栅元件10大部分光线L实现全反射，提高光利用率。可以理解，图1中主要以第一表面14a与预设方向P的夹角为在30度到60度的范围内的锐角为例进行示意性说明，在另一种实施例中，以第一表面14a与预设方向P的夹角也可以为在120度至150度的范围内的钝角。
请参阅图2，图2是本申请另一种实施例的波导光栅元件10的结构示意图，图2所示的波导光栅元件10与图1所示的波导光栅元件10的结构基本相同，也就是说，上述对图1所示实施例的波导光栅元件10的介绍基本可以适用于图2所示的波导光栅元件10。以下主要对二者的区别部分进行描述。图2所示的实施例中，光栅结构14还包括多个第三光学膜层146，第三光学膜层146沿预设方向P与第一光学膜层142和第二光学膜层144交替设置，如光栅结构14的膜层沿预设方向P依次为第一光学膜层142、第二光学膜层144、第三光学膜层146、第一光学膜层142、第二光学膜层144、第三光学膜层146......的规律，即将第一光学膜层142、第二光学膜层144、第三光学膜层146的上述次序作为最小的周期排列单元循环重复排列。其中，第三光学膜层146是通过涂布与固化具有第三折射率的第三材料而形成，所述第三折射率与所述第二折射率和所述第一折射率均不同。所述第三折射率与所述第二折射率的差值也可以在0.1至0.2的范围之间，并且，优选地，所述第一折射率、所述第二折射率、所述第三折射率依次增大或依次减小。可以理解，通过进一步使用第三材料来实现需要的折射率梯度控制，不仅简单、方便，易于实现，还可以获得需要的光学效果。其中，第三光学膜层146也可以为光固化胶(UV胶)材料。
可以理解，在其他以一些变更实施例中，光栅结构14还可以进一步包括第四光学膜层(或第四、第五......更多的光学膜层)，光栅结构14的膜层沿预设方向依次为第一光学膜层142、第二光学膜层144、第三光学膜层146、第四光学膜层(或第四、第五......更多的光学膜层)、第一光学膜层142、第二光学膜层144、第三光学膜层146、第四光学膜层(或第四、第五......更多的光学膜层)、......的规律，即将第一光学膜层142、第二光学膜层144、第三光学膜层146、第四光学膜层(或第四、第五......更多的光学膜层)的上述次序作为最小的周期排列单元循环重复排列。其中，第四光学膜层(或第四、第五......更多的光学膜层)、是通过涂布与固化具有第四折射率的第四材料(或具有第四、第五折射率......更多材料)而形成，所述第四材料也可以为UV胶材料。可以理解，通过进一步使用第四材料(或具有第四、第五折射率......更多材料)来实现需要的折射率梯度控制，不仅简单、方便，易于实现，还可以获得需要的光学效果。所述第一至第五折射率可以各不相同，且依次增大或依次减小。
请参阅图3，图3是本申请一种实施例的波导光栅元件的制造方法的流程图，图3也是上述实施例所述的波导光栅元件10的制造方法。所述制造方法包括以下步骤S1、S2。
步骤S1，提供第一基材；
步骤S2，在所述第一基材的表面沿远离所述第一基材的第一方向依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料，以在所述第一基材上形成光栅结构，所述光栅结构包括由所述第一材料形成的多个第一光学膜层和由所述第二材料形成的多个第二光学膜层，多个所述第一光学膜层与多个所述第二光学膜层交替设置，所述第一折射率与所述第二折射率不同，其中，所述第一材料与所述第二材料中的至少一个为光固化胶。
具体地，步骤S1中，可以提供第一基材12。关于第一基材12的具体结构材料等已在上述波导光栅元件10的实施例中进行了详细描述，此处就不再进行赘述。
步骤S2中，可以在第一基材12的表面沿远离第一基材12的第一方向D依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料，以在第一基材12上形成光栅结构14，光栅结构14包括由所述第一材料形成的多个第一光学膜层142和由所述第二材料形成的多个第二光学膜层144，多个第一光学膜层142与多个第二光学膜层144交替设置，其中，所述第一材料与所述第二材料可以均为光固化胶。
本申请实施例提供的波导光栅元件10的制造方法中，通过在第一基材12的表面沿远离第一基材12的第一方向D依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料，以在第一基材12上形成光栅结构14，使得光栅结构14包括由折射率变化且交替设置的多个第一光学膜层142和多个第二光学膜层144，避免使用干涉光场和光致折变光敏胶制造光栅结构，不仅使得波导光栅元件10的设计、调试简单，还可以降低制造成本，特别是，涂布与固化工艺的设备和工艺条件也相对曝光刻蚀等简单，并可以降低制造成本，且可避免曝光刻蚀等工艺对波导光栅元件10的稳定性产生影响的问题。此外，采用涂布与固化工艺，也可以依据实际需要选择适合的材料，获得需要折射率梯度，而且对折射率梯度的控制也较为容易，从而有利于设计、制造较大尺寸的体形光栅，进而再将体形光栅切割获得多个片状的波导光栅元件10，从而提高波导光栅元件10的生产效率和降低生产成本。另外，采用光固化胶不仅较为常见、成本较低，而且固化控制相对简单、固化时间快，也有利于提高波导光栅元件10的生产效率及降低生产成本。
具体地，步骤S2中，所述涂布步骤可以采用类似半导体加工中的旋涂工艺，将第一基材12固定在旋转平台上，然后交替旋涂两种折射率不同的光固化胶材料(如所述第一材料和所述第二材料)，其中，每层光固化胶材料的旋涂厚度可以在0.2um～200um的范围内，所述固化步骤为光固化步骤，可以使用UV灯照射旋涂的材料层以形成第一光学膜层142或第二光学膜层144。
进一步地，设第一光学膜层142和第二光学膜层144共具有N层，所述步骤S2中，所述涂布步骤和所述固化步骤均具有N次，第i次固化步骤可以在第i次涂布步骤之后且在第i+1次涂布步骤之前，N为大于等于2的自然数，i为大于等于1小于N的自然数。可以理解，第i次固化步骤在第i次涂布步骤之后且在第i+1次涂布步骤之前，使得上一膜层的固化完成后再进行下一膜层的涂布与固化，从而可以减少两个膜层材料的互溶与混同，进而达到较好的折射率梯度控制。
进一步地，所述制造方法还可以包括以下步骤S3：提供第二基材16，将所述第二基材16盖设于所述光栅结构14远离所述第一基材12的表面；其中，最后一次固化步骤(如第N次固化步骤)可以在将第二基材16盖设于光栅结构14远离第一基材12的表面的步骤之后。可以理解，第二基材16可以对光栅结构14进行保护，提高波导光栅元件10的结构可靠性，且可保证波导光栅元件10的光学效果。另外，将最后一次固化步骤在将第二基材16盖设于光栅结构14远离第一基材12的表面的步骤之后，使得最后一层膜层在固化的同时将第二基材16固定，进而第一基材12、光栅结构14和第二基材16通过较为简单的方式连接于一体，有利于降低制造成本，且可保证第一基材12、光栅结构14和第二基材16之间较好的连接效果。
可以理解，通过步骤S1、S2和S3，可以获得如图4所示的光栅体10’，光栅体10’包括第一基材12、光栅结构14和第二基材16。其中，光栅结构14中，第一光学膜层142和第二光学膜层144可以均为平板型膜层，请参阅图5，所述制造方法还可以包括以下步骤S4：沿预设方向P切割第一基材12和光栅结构14，使得多个第一光学膜层142和多个第二光学膜层144沿预设方向P交替设置，预设方向P与第一方向D的夹角可以为锐角(如45度)，从而可获得如图1所示的波导光栅元件10。在其他实施例中，预设方向P与第一方向D的夹角也可以为钝角(如135度)。可以理解，上述设计可以方便将波导光栅元件10设置于波导光栅元件表面，起到需要的光线引导作用，如当所述预设方向P与第一方向D的夹角为特定角度(如45度或135度时)，可有利于使得进入波导光栅元件10大部分光线L实现全反射，提高光利用率。
本实施例中，所述制造方法还包括以下步骤S5：对所述切割后的表面进行精细抛光。可以理解，通过对切割后的表面进行精细抛光，可以提高波导光栅元件10的可靠性和稳定性，进而保证波导光栅元件10的光学性能。
具体地，如图2所示，在一种变更实施例中，所述步骤S2具体可以包括以下步骤：在第一基材12的表面沿远离第一基材12的第一方向D依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料、具有第二折射率的第二材料和具有第三折射率的第三材料，以在第一基材12上形成光栅结构14，光栅结构14包括由所述第一材料形成的多个第一光学膜层142、由所述第二材料形成的多个第二光学膜层144和由所述第三材料形成的多个第三光学膜层146，多个第一光学膜层142、多个第二光学膜层144和多个第三光学膜层146交替设置，即，通过所述变更实施例的波导光栅元件的制造方法可以获得如图2所示的波导光栅元件10。可以理解，通过进一步使用第三材料来实现需要的折射率梯度控制，不仅简单、方便，易于实现，还可以获得需要的光学效果。
请参阅图6，图6是本申请一种实施例的显示设备30的方框图。显示设备30可以为全息显示设备，具体可以为头戴式设备(AR设备)，显示设备30可以包括显示组件20和上述任意一实施例所述的波导光栅元件10。
显示组件20用于将全息显示数据生成全息三维光场。显示组件20可以包括空间光调制器，所述空间光调制器包括并不限于液晶覆硅(LCOS)空间光调制器、DMD空间光调制器、微机电系统(MEMS)、液晶显示器(LCD)、有机发光显示面板(OLED)等。波导光栅元件10用于对所述全息三维光场进行传输。波导光栅元件10中，第一基材12可以为供全息三维光场全反射传输的波导，且第一基材12可以利用光栅结构14耦入全息三维光场或耦出全息三维光场。具体地，光栅结构14可以作为波导光栅元件10的耦入全息三维光场的耦入光栅，从而耦入显示组件20发出的全息三维光场以使得全息三维光场在第一基材12(波导)中传输；或者光栅结构14可以作为波导光栅元件10的耦出光线的耦出光栅，从而将第一基材12(波导)中传输的全息三维光场耦出，如耦出至人眼。
本申请实施例提供的显示设备30中，波导光栅元件10用于对全息三维光场进行传输，且波导光栅元件10的光栅结构14可以包括通过涂布与固化的工艺形成的交替设置的多个第一光学膜层142和多个第二光学膜层144，避免使用干涉光场和光致折变光敏胶制造光栅结构，不仅使得波导光栅元件10的设计、调试简单，还可以降低制造成本，特别是，涂布与固化工艺的设备和工艺条件也相对曝光刻蚀等简单，并可以降低制造成本，且可避免曝光刻蚀等工艺对波导光栅元件的稳定性产生影响的问题。此外，采用涂布与固化工艺，也可以依据实际需要选择适合的材料，获得需要折射率梯度，而且对折射率梯度的控制也较为容易，从而有利于设计、制造较大尺寸的体形光栅，进而再将体形光栅切割获得多个片状的波导光栅元件10，从而提高波导光栅元件的生产效率和降低生产成本。另外，采用光固化胶不仅较为常见、成本较低，而且固化控制相对简单、固化时间快，也有利于提高波导光栅元件10的生产效率及降低生产成本。此外，显示设备30也具有上述任意一实施例的波导光栅元件10的其他有益效果，由于上述已经对波导光栅元件10的有益效果进行了详细的说明，此处不再赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种波导光栅元件，其特征在于，所述波导光栅元件包括：
第一基材；
光栅结构，设置于所述第一基材上，包括多个第一光学膜层和多个第二光学膜层，多个所述第一光学膜层沿预设方向排列且间隔设置，且所述第一光学膜层通过涂布与固化具有第一折射率的第一材料而形成，多个所述第二光学膜层沿所述预设方向与多个所述第一光学膜层交替设置，所述第二光学膜层通过涂布与固化具有第二折射率的第二材料而形成，所述第二折射率与所述第一折射率不同，其中，所述第一材料与所述第二材料中的至少一个为光固化胶。
2.根据权利要求1所述的波导光栅元件，其特征在于，所述第一基材为供光线全反射传输的波导，且所述第一基材还用于利用所述光栅结构耦入所述光线或耦出所述光线。
3.根据权利要求1所述的波导光栅元件，其特征在于，所述第一折射率与所述第二折射率的差值在0.1至0.2的范围之间。
4.根据权利要求1所述的波导光栅元件，其特征在于，所述波导光栅元件还包括第二基材，所述第二基材位于所述光栅结构远离所述第一基材一侧的表面。
5.根据权利要求1所述的波导光栅元件，其特征在于，所述第一光学膜层和所述第二光学膜层均为平板型膜层，所述第一光学膜层和所述第二光学膜层均包括第一表面、第二表面和第一侧面，所述第一表面和所述第二表面沿所述预设方向排列且相互平行，所述第一侧面连接于所述第一表面和所述第二表面之间，所述预设方向与所述第一表面的夹角在30度到60度的范围内，或者，所述预设方向与所述第一表面的夹角在120度至150度的范围内，所述预设方向与所述第一侧面平行。
6.根据权利要求1所述的波导光栅元件，其特征在于，所述光栅结构还包括多个第三光学膜层，沿所述预设方向与所述第一光学膜层和所述第二光学膜层交替设置，所述第三光学膜层通过涂布与固化具有第三折射率的第三材料而形成，所述第三折射率与所述第一折射率和所述第二折射率均不相同。
7.一种显示设备，其特征在于，所述显示设备包括：
显示组件，用于将全息显示数据生成全息三维光场；
根据权利要求1-6项任意一项所述的波导光栅元件，用于传输所述显示组件生成的所述全息三维光场。
8.一种波导光栅元件的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供第一基材；
在所述第一基材的表面沿远离所述第一基材的第一方向依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料，以在所述第一基材上形成光栅结构，所述光栅结构包括由所述第一材料形成的多个第一光学膜层和由所述第二材料形成的多个第二光学膜层，多个所述第一光学膜层与多个所述第二光学膜层交替设置，所述第二折射率与所述第一折射率不同，其中，所述第一材料与所述第二材料中的至少一个为光固化胶。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：提供第二基材，将所述第二基材盖设于所述光栅结构远离所述第一基材的表面；最后一次所述固化步骤在将所述第二基材盖设于所述光栅结构远离所述第一基材的表面的步骤之后。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述第一光学膜层和所述第二光学膜层均为平板型膜层，所述制造方法还包括：沿预设方向切割所述第一基材和所述光栅结构，使得多个所述第一光学膜层和多个所述第二光学膜层沿所述预设方向交替设置，所述预设方向与所述第一方向的夹角在30度至60度的范围内，或者，所述预设方向与所述第一方向的夹角在120度至150度的范围内。
11.根据权利要求8的制造方法，其特征在于，所述在所述第一基材的表面沿远离所述第一基材的第一方向依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料的步骤包括：在所述第一基材的表面沿远离所述第一基材的第一方向依次交替涂布并固化具有第一折射率的第一材料、具有第二折射率的第二材料和具有第三折射率的第三材料，以在所述第一基材上形成所述光栅结构，所述第三折射率与所述第二折射率和所述第一折射率均不同，所述光栅结构包括由所述第一材料形成的多个第一光学膜层、由所述第二材料形成的多个第二光学膜层和由所述第三材料形成的多个第三光学膜层，多个所述第一光学膜层、多个所述第二光学膜层和多个所述第三光学膜层交替设置。
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