CN113376724A - 衍射元件的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了衍射元件的制作方法。衍射元件的制作方法包括：步骤S10：基底层的一侧表面涂布第一材料形成第一胶层；步骤S20：在第一胶层远离基底层的一侧表面涂布第二材料并形成第二胶层；步骤S30：判断第二胶层的数量与预设数量的大小，若第二胶层的数量小于预设数量，则重复步骤S10至步骤S30，若第二胶层的数量等于预设数量，则执行步骤S40；步骤S40：静置预设时间，待第一胶层和第二胶层相互浸润后进行压印；步骤S50：对第一胶层和第二胶层进行曝光形成折射率渐变的衍射元件。本发明解决了现有技术中光波导存在不同角度入射下耦出光不均匀的问题。

Description

衍射元件的制作方法

技术领域

本发明涉及光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种衍射元件的制作方法。

背景技术

使用波导方案的AR眼镜主要由光机，准直镜，衍射光波导组成。其中衍射光波导又分为耦入、转折和耦出三部分，光波导的作用是为了把光机中携带图像信息的光呈现在耦出区域。但通常情况下，正入射进入耦入区的光，在耦出区光强最高，其他角度入射的光在耦出区强度较小。

也就是说，现有技术的光波导存在不同角度入射下耦出光不均匀的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种衍射元件的制作方法，以解决现有技术中光波导存在不同角度入射下耦出光不均匀的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种衍射元件的制作方法，衍射元件的制作方法包括：步骤S10：基底层的一侧表面涂布第一材料形成第一胶层；步骤S20：在第一胶层远离基底层的一侧表面涂布第二材料并形成第二胶层；步骤S30：判断第二胶层的数量与预设数量的大小，若第二胶层的数量小于预设数量，则重复步骤S10至步骤S30，若第二胶层的数量等于预设数量，则执行步骤S40；步骤S40：静置预设时间，待第一胶层和第二胶层相互浸润后进行压印；步骤S50：对第一胶层和第二胶层进行曝光形成折射率渐变的衍射元件。

进一步地，在步骤S10中控制第一材料在基底层的不同的位置涂布的量使第一胶层的厚度按第一目标分布。

进一步地，在步骤S10中，控制第一材料在基底层上涂布的量沿预设方向逐渐增加，形成沿预设方向厚度逐渐增加的第一胶层。

进一步地，在步骤S10中，基底层具有多个涂布第一材料的子区域，控制第一材料在至少两个子区域内涂布的量不同，以在至少两个子区域内形成的第一胶层的厚度不同。

进一步地，在步骤S30中，控制第一材料在同一个子区域内每次涂布相同的量，以在同一个子区域内的多个第一胶层的厚度均相同。

进一步地，在步骤S20中，控制第二材料在第一胶层的不同的位置涂布的量使第二胶层的厚度按第二目标分布。

进一步地，在步骤S10中，控制第一材料在基底层上涂布的量沿预设方向逐渐增加，形成沿预设方向厚度逐渐增加的第一胶层；控制第二材料在第一胶层上涂布的量沿预设方向逐渐减小，形成沿预设方向厚度逐渐减小的第二胶层。

进一步地，在步骤S10中，基底层具有多个涂布第一材料的子区域，控制第一材料在至少两个子区域内涂布的量不同，以在至少两个子区域内形成的第一胶层的厚度不同；在步骤S20中，控制第二材料在至少两个子区域内涂布的量不同，以在至少两个子区域内形成的第二胶层的厚度不同。

进一步地，在步骤S20中，控制第二材料在至少两个子区域内涂布的量与第一材料涂布的量的比值不同。

进一步地，在步骤S30中，控制第二材料在同一个子区域内每次涂布相同的量，以在同一个子区域内的多个第二胶层的厚度均相同。

进一步地，在步骤S10中，选择厚度大于等于0.1毫米且小于等于1毫米的硅或二氧化硅作为基底层。

进一步地，在步骤S10中，选择折射率大于1.1且小于等于1.6的材料为第一材料，控制第一材料涂布的量以形成厚度大于等于0.1微米且小于等于10微米的第一胶层。

进一步地，在步骤S20中，选择折射率大于1.4且小于等于2.0的材料为第二材料，控制第二材料涂布的量以形成厚度大于等于0.1微米且小于等于10微米的第二胶层。

进一步地，在步骤S10中，在方形或圆形的基底层上涂布第一材料。

进一步地，在步骤S40中，待第一胶层和第二胶层相互浸润后压印形成台阶光栅、闪耀光栅或斜齿光栅。

应用本发明的技术方案，衍射元件的制作方法包括步骤S10：基底层的一侧表面涂布第一材料形成第一胶层；步骤S20：在第一胶层远离基底层一侧表面涂布第二材料并形成第二胶层；步骤S30：判断第二胶层的数量与预设数量的大小，若第二胶层的数量小于预设数量，则重复步骤S10至步骤S30，若第二胶层的数量等于预设数量，则执行步骤S40；步骤S40：静置预设时间，待第一胶层和第二胶层相互浸润后进行压印；步骤S50：对第一胶层和第二胶层进行曝光形成折射率渐变的衍射元件。

通过在基底层上采用不同的第一材料和第二材料形成两个折射率不同的且相互叠置的第一胶层和第二胶层，且第一胶层和第二胶层相互浸润后压印，就使得不同的位置衍射元件的折射率不同，光线经过不同的位置时发生的折射角度不同，这样就使得经过衍射元件衍射后的光线分布的更加均匀。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例一中涂布一层的第一胶层和第二胶层的状态图；

图2示出了本发明的实施例一中涂布两层的第一胶层和第二胶层的状态图；

图3示出了本发明的实施例二中涂布一层的第一胶层和第二胶层的状态图；

图4示出了本发明的实施例二中涂布两层的第一胶层和第二胶层的状态图；

图5示出了本发明的折射率连续变化型的衍射元件；

图6示出了本发明的折射率跳变变化型的衍射元件。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、基底层；21、第一胶层；22、第二胶层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中光波导存在不同角度入射下耦出光不均匀的问题，本发明的提供了一种衍射元件的制作方法。

衍射元件的制作方法包括步骤S10：基底层10的一侧表面涂布第一材料形成第一胶层21；步骤S20：在第一胶层21远离基底层10的一侧表面涂布第二材料并形成第二胶层22；步骤S30：判断第二胶层22的数量与预设数量的大小，若第二胶层22的数量小于预设数量，则重复步骤S10至步骤S30，若第二胶层22的数量等于预设数量，则执行步骤S40；步骤S40：静置预设时间，待第一胶层21和第二胶层22相互浸润后进行压印；步骤S50：对第一胶层21和第二胶层22进行曝光形成折射率渐变的衍射元件。

通过在基底层10上采用不同的第一材料和第二材料形成两个折射率不同的且相互叠置的第一胶层21和第二胶层22，且第一胶层21和第二胶层22相互浸润后压印，就使得不同的位置衍射元件的折射率不同，光线经过不同的位置时发生的折射角度不同，这样就使得经过衍射元件衍射后的光线分布的更加均匀。

需要说明的是，第一胶层21和第二胶层22相互下浸润并压印后作为折射层。

通过使用两种折射率不同的材料分别涂布在基底层10上，使得第一材料和第二材料在连接处能够混合一部分，实现光栅折射率可变的目的，实现了特定位置光栅拥有特定折射率。改变传统的涂布工艺，在传统压印方法制备光栅的过程中仅适用单一折射率树脂材料。而本发明采用两种不同折射率材料的树脂来涂布在基板上，通过控制两种材料在基板上的涂布厚度和比例，达到不同位置的折射层的折射率不同的目的。使用该方法制备光栅，可以实现光栅折射率在不同位置变化的目标。在步骤S40中，待第一材料和第二材料相互浸润后进行压印。涂布为喷墨器涂布的。喷墨器可以控制在特定位置的涂布厚度以及面积，两层材料面积相同下的不同的厚度即为实际涂布比例，通过控制不同区域间第一材料与第二材料的厚度，可以得到折射率连续或不连续变化的衍射光栅。

需要说明的是，由于衍射元件是形成光波导的主要部分，具有上述衍射元件的光波导对不同角度耦入的光线，耦出光波导后的光强更为均匀。

具体的，在步骤S10中控制第一材料在基底层10的不同的位置涂布的量使第一胶层21的厚度按第一目标分布。这样就使得在不同的位置涂布的第一材料的量不同，进而使得不同位置的第一胶层21的厚度不同，以使得形成的衍射元件的折射率是渐变的，进而增加光线分布的均匀性。需要说明的是，根据衍射元件的使用需求来设计折射层的各个位置的折射率的分布情况，然后根据折射层的折射率的分布情况来设计第一胶层21的各个厚度。而在涂布时就需要将第一胶层21的各个位置的厚度按照设计的第一目标分布。

具体的，在步骤S20中，控制第二材料在第一胶层21的不同的位置涂布的量使第二胶层22的厚度按第二目标分布。这样就使得在不同的位置涂布的第二材料的量不同，进而使得不同位置的第二胶层22的厚度不同，以使得形成的衍射元件的折射率是渐变的，进而增加光线分布的均匀性。需要说明的是，根据衍射元件的使用需求来设计折射层的各个位置的折射率的分布情况，然后根据折射层的折射率的分布情况来设计第二胶层22的各个厚度。而在涂布时就需要将第二胶层22的各个位置的厚度按照设计的第二目标分布。

具体的，在步骤S10中，选择厚度大于等于0.1毫米且小于等于1毫米的硅或二氧化硅作为基底层10。基底层10的材料为硅、二氧化硅中的一种。基底层10用于承载第一胶层21和第二胶层22，根据终端产品的需求来选择基底层10的材料，而基底层10的平面度和粗糙度并不会对后续工艺产生影响。若基底层10的厚度小于0.1毫米，基底层10的厚度较小，进而使得基底层10不易制作。若基底层10的厚度大于1毫米，就使得基底层10的厚度过大，不利于衍射元件的轻薄化。

具体的，在步骤S10中，选择折射率大于1.1且小于等于1.6的材料为第一材料，控制第一材料涂布的量以形成厚度大于等于0.1微米且小于等于10微米的第一胶层21。将第一胶层21的折射率限制在1.4至1.6的范围内，就使得第一胶层的折射率较小，便于光线射入到第一胶层21中，以保证光线的传输效率。若第一胶层21的厚度小于0.1微米就使得第一胶层21的厚度过小，不利于第一胶层21的制作。若第一胶层21的厚度大于10微米就使得第一胶层21的厚度过大，导致衍射元件过厚。将第一胶层21的厚度限制在0.1微米至10微米的范围内，便于第一胶层21制作的同时有利于衍射元件的轻薄化。

具体的，在步骤S20中，选择折射率大于1.4且小于等于2.0的材料为第二材料，控制第二材料涂布的量以形成厚度大于等于0.1微米且小于等于10微米的第二胶层22。这样设置使得第二胶层22与第一胶层21的折射率不同但是二者的差值也不会过大，有利于光线的传输，保证光线的传输效率。若第二胶层22的厚度小于0.1微米就使得第二胶层22的厚度过小，不利于第二胶层22的制作。若第二胶层22的厚度大于10微米就使得第二胶层22的厚度过大，导致衍射元件过厚。将第二胶层22的厚度限制在0.1微米至10微米的范围内，便于第二胶层22制作的同时有利于衍射元件的轻薄化。可以根据终端产品的使用需求来进一步设计第一胶层21和第二胶层22的厚度和折射率，以组合成特定位置所需厚度及折射率的第一胶层21和第二胶层22。

同一层中的第一胶层21和第二胶层22的不同位置的厚度可能是不同的。

具体的，在步骤S10中，在方形或圆形的基底层10上涂布第一材料。这样形成的第一胶层21和第二胶层22的形状为方形或圆形。当然，基底层10的具体形状是需要根据衍射元件的使用需求来设计的，当然，基底层10还可以是三角形或其他异形形状。

具体的，在步骤S40中，待第一胶层21和第二胶层22相互浸润后压印形成台阶光栅、闪耀光栅或斜齿光栅。不同的光栅形态可以满足不同的应用需求，光栅可将输入的光场信息耦出，可调节具体参数，最终调整耦出光场的均匀性以满足具体的应用需求。可以根据具体的使用需求来设计衍射元件的形态。

由于折射率是一种光学性能，无法直观用图表示，在图5和图6中用灰度来体现，在图5和图6中，灰度值越高表示此处的折射率越高，灰度值越低表示此处的折射率越低。

在图5所示的具体实施例中，三种光栅从左到右灰度是由低到高连接变化的，表示图5所示的实施例中，折射率从左到右连续变化。

而在图6所示的具体实施例中，三种光栅的灰度不是连续逐渐变化的，而是有跳变的，有的位置灰度高，有的位置灰度低，表示图6所示的实施例中，折射率是跳变的。

实施例一

如图1和图2所示，在步骤S10中，控制第一材料在基底层10上涂布的量沿预设方向逐渐增加，形成沿预设方向厚度逐渐增加的第一胶层21。在步骤S20中，控制第二材料在第一胶层21上涂布的量沿预设方向逐渐减小，形成沿预设方向厚度逐渐减小的第二胶层22。这样形成的第一胶层21和第二胶层22在不同的位置的厚度的比例不同，经过相互浸润后压印曝光后得到的衍射元件的折射率是逐渐且连续变化的，光线经过衍射元件的不同位置时发生的折射角度不同，以增加光线分布的均匀性。

实施例二

如图3和图4所示，在步骤S10中，基底层10具有多个涂布第一材料的子区域，控制第一材料在至少两个子区域内涂布的量不同，以在至少两个子区域内形成的第一胶层21的厚度不同；在步骤S20中，控制第二材料在至少两个子区域内涂布的量不同，以在至少两个子区域内形成的第二胶层22的厚度不同。这样就使得至少两个子区域内形成的第一胶层21的厚度不同，至少两个子区域内形成的第二胶层22的厚度不同。进而使得不同的子区域内折射率是不同的，形成的衍射元件是折射率突变的，以增加光线分布的均匀性。

具体的，在步骤S30中，控制第一材料在同一个子区域内每次涂布相同的量，以在同一个子区域内的多个第一胶层21的厚度均相同。这样在同一个子区域内具有多个第一胶层21时，每个第一胶层21的厚度是相同的。

具体的，在步骤S30中，控制第二材料在同一个子区域内每次涂布相同的量，以在同一个子区域内的多个第二胶层22的厚度均相同。这样在同一个子区域内具有多个第二胶层22时，每个第二胶层22的厚度是相同的，这样便于控制第一胶层21与第二胶层22的厚度的比值。

具体的，在步骤S20中，控制第二材料在至少两个子区域内涂布的量与第一材料涂布的量的比值不同。这样在两个子区域内形成的所有的第一胶层21的总厚度与所有的第二胶层22的总厚度的比值是不同的，这样在不同的子区域内折射率不同，形成的衍射元件的折射率是突变的。

本申请提供了一种渐变折射率光栅的制备方法，使光栅材料折射率能够变化，可以在降低设计难度的同时极大提高不同角度光在耦出区域的光强均匀性。

通过在基底上涂布两种折射率的树脂，使材料的折射率逐渐变化，压印后制作成光栅，以形成渐变折射率光栅。该光栅相比于传统光栅应用在增强现实、虚拟现实等领域可以增加设计自由度，降低设计难度，使整个产品的图像不同角度的光强更加均匀。

通过在基底层10上分层涂布第一材料和第二材料，使两种折射率的树脂材料高度混合，形成类似三明治的结构，实现光栅折射率可变的目的。由于在不同位置第一材料与第二材料的厚度比例不同，以此实现不同区域胶层折射率不同。通过该工艺步骤可以控制材料层不同位置实现特定厚度、不同位置材料实现特定折射率。喷墨的涂布方式由于使用面堆积，可以实现多层材料叠加，该方式可以在特定面积涂布几十纳米到几十微米不等厚度，且更加精准与节省材料。通过控制第一胶层21和第二胶层22的不同位置的厚度可以得到折射率是连续渐变或者非连续渐变的。

需要说明的是，第一材料和第二材料需要性质相同，这样容易混合，同时两种材料需要具有一定的粘度，以此在涂布时可以维持一定高度。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (10)

1.一种衍射元件的制作方法，其特征在于，所述衍射元件的制作方法包括：

步骤S10：基底层(10)的一侧表面涂布第一材料形成第一胶层(21)；

步骤S20：在所述第一胶层(21)远离所述基底层(10)的一侧表面涂布第二材料并形成第二胶层(22)；

步骤S30：判断所述第二胶层(22)的数量与预设数量的大小，若所述第二胶层(22)的数量小于所述预设数量，则重复所述步骤S10至所述步骤S30，若所述第二胶层(22)的数量等于所述预设数量，则执行步骤S40；

步骤S40：静置预设时间，待所述第一胶层(21)和所述第二胶层(22)相互浸润后进行压印；

步骤S50：对所述第一胶层(21)和所述第二胶层(22)进行曝光形成折射率渐变的衍射元件。

2.根据权利要求1所述的衍射元件的制作方法，其特征在于，在所述步骤S10中控制所述第一材料在所述基底层(10)的不同的位置涂布的量使所述第一胶层(21)的厚度按第一目标分布。

3.根据权利要求2所述的衍射元件的制作方法，其特征在于，在所述步骤S10中，控制所述第一材料在所述基底层(10)上涂布的量沿预设方向逐渐增加，形成沿所述预设方向厚度逐渐增加的第一胶层(21)。

4.根据权利要求2所述的衍射元件的制作方法，其特征在于，在所述步骤S10中，所述基底层(10)具有多个涂布所述第一材料的子区域，控制所述第一材料在至少两个所述子区域内涂布的量不同，以在至少两个所述子区域内形成的所述第一胶层(21)的厚度不同。

5.根据权利要求4所述的衍射元件的制作方法，其特征在于，在所述步骤S30中，控制所述第一材料在同一个所述子区域内每次涂布相同的量，以在同一个所述子区域内的多个所述第一胶层(21)的厚度均相同。

6.根据权利要求1所述的衍射元件的制作方法，其特征在于，在所述步骤S20中，控制所述第二材料在所述第一胶层(21)的不同的位置涂布的量使所述第二胶层(22)的厚度按第二目标分布。

7.根据权利要求6所述的衍射元件的制作方法，其特征在于，在所述步骤S10中，控制所述第一材料在所述基底层(10)上涂布的量沿预设方向逐渐增加，形成沿所述预设方向厚度逐渐增加的第一胶层(21)；在所述步骤S20中，控制所述第二材料在所述第一胶层(21)上涂布的量沿所述预设方向逐渐减小，形成沿所述预设方向厚度逐渐减小的第二胶层(22)。

8.根据权利要求6所述的衍射元件的制作方法，其特征在于，在所述步骤S10中，所述基底层(10)具有多个涂布所述第一材料的子区域，控制所述第一材料在至少两个所述子区域内涂布的量不同，以在至少两个所述子区域内形成的所述第一胶层(21)的厚度不同；在所述步骤S20中，控制所述第二材料在至少两个所述子区域内涂布的量不同，以在至少两个所述子区域内形成的所述第二胶层(22)的厚度不同。

9.根据权利要求8所述的衍射元件的制作方法，其特征在于，在所述步骤S20中，控制所述第二材料在至少两个所述子区域内涂布的量与所述第一材料涂布的量的比值不同。

10.根据权利要求9所述的衍射元件的制作方法，其特征在于，在所述步骤S30中，控制所述第二材料在同一个所述子区域内每次涂布相同的量，以在同一个所述子区域内的多个所述第二胶层(22)的厚度均相同。

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