CN113448013A - 一种浮雕型波导结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮雕型波导结构及其制作方法，包括如下步骤：第一步，在高折射率基底的表面依次覆盖一层高折射率材质层和一层低折射率材质层；第二步，在所述低折射率材质层上形成纳米结构图案，将所述纳米结构图案转移至所述高折射率材质层；第三步，清除所述低折射率材质层，获得具有高折射率纳米结构的高折射率基底。本发明所述的浮雕型波导结构的制作方法确实解决了现有技术中高折射率基底刻蚀难度大的问题，另辟蹊径解决了制造难度，推进显示技术的发展。

Description

一种浮雕型波导结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种浮雕型波导结构及其制作方法。

背景技术

科技改变生活，生活重在体验，为了获得更好的视觉体验，增强现实技术显示应运而生。所谓增强现实技术，其实是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，其将真实世界与虚拟世界的视觉反馈信息融为一体，两种不同来源的信息相互补充叠加，形成了一种全新的视觉盛宴。

为了体验这种绝佳的视觉感受，人们普遍会利用头盔显示器来实现这种需求，而目前主流的近眼式增强现实显示设备大多采用光波导原理。例如，微软Hololens全息眼镜是将液晶覆硅(又称硅基液晶或单晶硅反射式液晶，英文：Liquid Crystal On Silicon；缩写：LCOS)上的图像经过三片全息光栅耦合至光波导，通过三片光波导分别传输，最后在人眼正前方通过相应的全息光栅耦合输出，投影至人眼，并且以多层光波导的方式实现彩色投影。

现如今，光波导在增强现实技术中的应用越发的深入，为了制造波导表面浮雕纳米结构，研究人员提出了压印、刻蚀、曝光等方法，然而在实际制造过程中，如纳米压印方法，虽然可以大批量的制造波导镜片，但是受限于当前压印胶折射率未能匹配于波导基底，导致其显示质量受到影响,降低显示分辨率。

如图1纳米结构折射率与波导基底折射率不匹配情况下的光线示意图所示：图中高折射率基底11上设有低折射率材质的纳米结构12，入射光A以某一入射角度入射，因基底11与纳米结构12的折射率有差值，其衍射光线走向为非标准光线B，但若是基底11与纳米结构12的折射率一致，其衍射光线走向为标准光线C。

因此，基底与纳米材料的折射率不匹配会使得实际衍射光线走向不是标准光线，致使衍射角发生较大偏差，波导基底经纳米结构传导光线的能力发生偏差，因光线偏离而带来图像显示朦胧及光线串扰等问题。

请继续参考图2，为光波导的视场传导示意图：光线1(P)和光线2(Q)以入射角度θ入射波导镜片表面，α和β分别为光线1和光线2的衍射角度，n为波导和纳米结构折射率，d为波导镜片厚度，根据光线衍射公式1和公式2：

d*1*sinθ-d*n*sinα＝-λ ①

d*1*sinθ+d*n*sinα＝λ ②

考虑衍射角在波导内全反射，通过计算得出公式3：

n＞2sinθ+1 ③

由公式3可以看出，视场角与折射率密切相关，即若纳米结构折射率不与波导匹配，或远小于波导折射率，则会限制所能实现的视场角。

由上述可知，利用平面光波导原理实现光学透射式的增强现实的显示方案中，纳米结构折射率与波导基底折射率不匹配会导致诸多显示问题。

因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题，推动平面光波导增强现实技术的发展。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种浮雕型波导结构的制作方法，采用的技术方案是：

一种浮雕型波导结构的制作方法，包括：

提供基底，该基底作为浮雕型波导结构的波导载体；

在所述基底上形成光栅材质层；

在所述光栅材质层上形成有一层或多层图案转移材料层，所述图案转移材料层的折射率低于所述光栅材质层的折射率；

在所述图案转移材料层上形成纳米结构图案，将所述纳米结构图案转移至所述光栅材质层，以在所述光栅材质层形成相同的纳米结构图案；

去除所述图案转移材质层。

上述技术方案中优选地，所述基底为透明材质，且所述基底的折射率大于1.6；

优选地，所述光栅材质层的材质为二氧化钛、氟化镁和三氧化二铝中的一种或多种，所述光栅材质层的折射率大于1.6；

优选地，所述图案转移材料层中有一层的材质为低折光刻胶，所述图案转移材料层的折射率不大于1.6。

优选地，在所述光栅材质层上形成有多层图案转移材料层时，位于上层的图案转移材料层的折射率低于位于下层的图案转移材料层的折射率，

此时在所述图案转移材料层上形成纳米结构图案，将所述纳米结构图案转移至所述光栅材质层包括：

先在最上层图案转移材料层形成纳米结构图案；

将最上层图案转移材料层的纳米结构图案转移至下层的图案转移材料层上直到最终将纳米结构图案转移到所述光栅材质层上。

优选地，所述光栅材质层通过蒸发、沉积和溅射的方式均匀覆盖在所述基底的表面；

优选地，所述图案转移材料层通过旋涂、喷涂和刮涂的方式均匀覆盖在所述光栅材质层的表面。

优选地，在所述图案转移材料层上通过光刻和/或曝光的方式制备纳米结构图案；

优选地，所述纳米结构图案通过干法刻蚀和/或湿法刻蚀的方式转移至所述光栅材质层的表面；

优选地，所述图案转移材料层通过微波等离子去胶机清除。

优选地，所述图案转移材料层包括第一图案转移材料层和/或第二图案转移材料层，

优选地，所述第一图案转移材料层均匀覆盖在所述第二图案转移材料层表面，所述第二图案转移材料层均匀覆盖在所述光栅材质层的表面，

优选地，所述第一图案转移材料层的折射率、所述第二图案转移材料层的折射率，以及所述光栅材质层的折射率依次递增。

优选地，所述图案转移材料层中有一层的材质包括二氧化硅和/或硅。

优选地，在所述第一图案转移材料层上形成纳米结构图案，将所述纳米结构图案转移至所述第二图案转移材料层，再将所述纳米结构图案转移至所述光栅材质层，以在所述光栅材质层上形成相同的纳米结构图案，

优选地，所述纳米结构图案自所述光栅材质层的表面被刻蚀至所述光栅材质层与所述基底的交界处。

本发明还提供一种由上述技术方案制得的浮雕型波导结构，包括光波导单元和形成于所述光波导单元表面的光栅结构，所述光栅结构上具有纳米结构图案，

所述光栅结构的折射率大于等于1.6。

进一步的，所述光栅结构的材质为二氧化钛、氟化镁和三氧化二铝中的一种或多种。

进一步的，所述光波导单元的折射率大于等于所述光栅结构的折射率，

进一步的，所述光栅结构和光波导单元的折射率的差值范围为0～0.3。

进一步的，所述光波导单元为具有平行的上、下表面的长条状透明镜片，所述光栅结构覆盖在所述光波导单元的上表面或下表面，

进一步的，所述光波导单元的厚度大于所述光栅结构的厚度。

进一步的，所述纳米结构图案自所述光栅结构的表面贯穿所述光栅结构与所述光波导单元的上表面或下表面相接。

现有技术制备表面纳米结构一般通过光刻光刻胶材质，形成表面光刻胶结构，若要进行高折射率基底刻蚀，还存在较大技术难点。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果中的一个或多个：

1.本发明通过图案转移方式在高折射率的基底上形成高折射率的纳米结构，所述纳米结构图案通过干法刻蚀和/或湿法刻蚀的方式自所述图案转移材料层转移至所述光栅材质层的表面，其中用到的干法刻蚀和湿法刻蚀制备工艺成熟，方案可行性高，解决了现有技术中高折射率基底刻蚀难度大的问题；

2.现有技术制得的波导基底与纳米结构的折射率不匹配，存在朦胧背景光或光线串扰等问题，且图像显示分辨率不高，本发明利用高折射率的基底匹配高折射的纳米结构的方案，可减弱折射率不匹配带来的图像朦胧，光线串扰等显示问题，进一步提升显示质量；

3.现有技术制得的波导基底与纳米结构的折射率不匹配会缩小显像的视场角，本发明利用高折射率的基底匹配高折射率的纳米结构可以扩大可实现的视场角，保证视场范围的光线正常传导，相比现有技术其增强现实能力更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是纳米结构折射率与波导基底折射率不匹配情况下的光线示意图,其中，A为入射光，B为非标准光线，C为标准光线；

图2是光波导的视场传导示意图,其中，P为光线1，Q为光线2；

图3是本发明实施例1中波导结构制造方法中第二步的示意图；

图4是本发明实施例1中波导结构制造方法中第三步的示意图；

图5是本发明实施例1中波导结构制造方法中第四步的示意图；

图6是本发明实施例1中波导结构制造方法中第五步的示意图；

图7是本发明实施例1中波导结构制造方法的流程示意图；

图8是本发明所提出的浮雕型波导结构的结构示意图；

图9是本发明实施例2中波导结构制造方法的流程示意图；

图10是本发明实施例2中波导结构制造方法中第四步的示意图。

其中，1-基底，2-光栅材质层，3-图案转移材料层，31-第一图案转移材料层，32-第二图案转移材料层，4-纳米结构图案；5-光波导单元，6-光栅结构，

11-高折射率基底；12-纳米结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清查、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例：

下面结合附图与实施例进一步说明本发明要旨。

实施例1：

请参见图3-7，本发明提出一种浮雕型波导结构的制作方法，包括如下步骤：

参见图7：步骤101，提供高折射率的基底1，作为浮雕型波导结构的波导载体。

在一种实施例中，高折射率基底1的折射率可以大于1.6，且基底1为可见光高透明材质。

步骤102，在高折射率的基底1上形成光栅材质层2。

在一种实施例中，所述光栅材质层2可以被称为高折射率材质层，光栅材质层2的折射率可以大于1.6，光栅材质层2的材质可以是二氧化钛、氟化镁、三氧化二铝中的一个或多个，其形成方式可以通过蒸发、沉积、溅射等方式对基底1进行表面覆盖，如图3所示。

步骤103，在光栅材质层2上形成图案转移材料层3。

在一种实施例中，所述图案转移材料层3的折射率不大于1.6，相比光栅材质层2，其可以被称为低折射率材料层，如其材质可以是低折射率光刻胶等。图案转移材料层3可通过旋涂、喷涂或刮涂等方式对光栅材质层2进行表面覆盖，如图4所示。

步骤104，在图案转移材料层3上制备纳米结构图案4。

在一种实施例中，纳米结构图案4可通过光刻、曝光等方式刻蚀在图案转移材料层3上，以此获得图案形貌，如图5所示。

步骤105，将图案4转移至光栅材质层2，在光栅材质层2上形成相同的纳米结构图案4。

在一种实施例中，通过干法或湿法刻蚀方式对纳米结构图案4进行图案转移，将其转移至光栅材质层2上，如图6所示。

步骤106，去除图案转移材料层3。

在一种实施例中，通过微波等离子去胶机等设备去掉图案转移材料层3，即在高折射率基底1上形成高折射率材质的纳米结构。

请继续参见图8，由上述制作方法制得的浮雕型波导结构，包括光波导单元5和形成于所述光波导单元5表面的光栅结构6，所述光栅结构6上具有纳米结构图案4，

所述光栅结构6的折射率大于等于1.6。

所述光栅结构6的材质为二氧化钛、氟化镁和三氧化二铝中的一种或多种。

所述光波导单元5的折射率大于等于所述光栅结构6的折射率，

所述光栅结构6和光波导单元5的折射率的差值范围为0～0.3，当所述差值趋近于0时，所述光栅结构6和光波导单元5的匹配度愈高，显示的图像愈加清晰，且视场角也更加宽泛。

所述光波导单元5为具有平行的上、下表面的长条状透明镜片，所述光栅结构6覆盖在所述光波导单元5的上表面或下表面，

所述光波导单元5的厚度大于所述光栅结构6的厚度。

所述纳米结构图案4自所述光栅结构6的表面贯穿所述光栅结构6与所述光波导单元5的上表面或下表面相接。

本发明的重点之一在于通过刻蚀形成纳米图案，再将所述纳米图案由低折射率的材质层转移至高折射率的材质层上形成纳米结构，尽量提高基底与纳米结构折射率的匹配度，除本实施例所述步骤，也可增添或删减其中一至两步，实现近似工艺效果。

实施例2：

请参见图9、10，本发明还提出另一种浮雕型波导结构的制作方法，包括如下步骤：

步骤201，提供高折射率的基底1，作为浮雕型波导结构的波导载体。

在一种实施例中，高折射率基底1的折射率可以大于1.6，且基底1为可见光高透明材质。

步骤202，在高折射率基底1上形成光栅材质层2。

在一种实施例中一种实施方式下，所述光栅材质层2可以被称为高折射率材质层，光栅材质层2的折射率可以大于1.6，光栅材质层2的材质可以是二氧化钛、氟化镁、三氧化二铝中的一个或多个，其可通过蒸发、沉积、溅射等方式对基底1进行表面覆盖；

步骤203，在光栅材质层2上再设置一层图案转移材料层3。

在一种实施例中，在光栅材质层2表面覆盖一层材料层，所述材料层可以称为第二图案转移材料层32，第二图案转移材料层32可以为二氧化硅和/或硅，用于后面步骤进行对比刻蚀；

步骤204，在第二图案转移材料层32上形成第一图案转移材料层31。

在一种实施例中，如图10所示，其中，第一图案转移材料层31的折射率不大于1.6，第一图案转移材料层31可以称为低折射率层，如其材质可以是低折光刻胶等，第一图案转移材料层31通过旋涂、喷涂或刮涂等方式对第二图案转移材料层32进行表面覆盖；第二图案转移材料层32的折射率大于所述第一图案转移材料层31的折射率。

步骤205，在第一图案转移材料层31上制备纳米结构图案4。

在一种实施例中，纳米结构图案4可通过光刻、曝光等方式刻蚀在第一图案转移材料层31上，以此获得图案形貌。

步骤206，将纳米结构图案4从第一图案转移材料层31转移至第二图案转移材料层32。

在一种实施例中，可通过干法或湿法刻蚀方式将在第一图案转移材料层31上形成相同的纳米结构图案4转移至第二图案转移材料层32。

步骤207，将图案4从第二图案转移材料层32转移至光栅材质层2。

在一种实施例中，可通过干法或湿法刻蚀方式将第二图案转移材料层32上的纳米结构图案4转移至光栅材质层2上。

步骤208，去掉剩余第一图案转移材料层31和第二图案转移材料层32，即在高折射率基底1上形成高折射率材质的纳米结构。

在一种实施例中，通过微波等离子去胶机等设备去掉第一图案转移材料层31和第二图案转移材料层32，即在高折射率基底1上形成高折射率材质的纳米结构。

请继续参见图8，由上述制作方法制得的浮雕型波导结构，包括光波导单元5和形成于所述光波导单元5表面的光栅结构6，所述光栅结构6上具有纳米结构图案4，

所述光栅结构6的折射率大于等于1.6。

所述光栅结构6的材质为二氧化钛、氟化镁和三氧化二铝中的一种或多种。

所述光波导单元5的折射率大于等于所述光栅结构6的折射率，

所述光栅结构6和光波导单元5的折射率的差值范围为0～0.3，当所述差值趋近于0时，所述光栅结构6和光波导单元5的匹配度愈高，显示的图像愈加清晰，且视场角也更加宽泛。

所述光波导单元5为具有平行的上、下表面的长条状透明镜片，所述光栅结构6覆盖在所述光波导单元5的上表面或下表面，

所述光波导单元5的厚度大于所述光栅结构6的厚度。

所述纳米结构图案4自所述光栅结构6的表面贯穿所述光栅结构6与所述光波导单元5的上表面或下表面相接。

结合实施例1、2，本发明通过图案转移方式在高折射率的基底上形成高折射率的纳米结构，所述纳米结构图案通过干法刻蚀和/或湿法刻蚀的方式自所述图案转移材料层转移至所述光栅材质层的表面，其中用到的干法刻蚀和湿法刻蚀制备工艺成熟，方案可行性高，解决了现有技术中高折射率基底刻蚀难度大的问题；

进一步的，现有技术制得的波导基底与纳米结构的折射率不匹配，存在朦胧背景光或光线串扰等问题，且图像显示分辨率不高，本发明利用高折射率基底匹配高折射纳米结构的方案，可减弱折射率不匹配带来的图像朦胧，光线串扰等显示问题，进一步提升显示质量；

进一步的，现有技术制得的波导基底与纳米结构的折射率不匹配会缩小显像的视场角，本发明利用高折射率基底匹配高折射纳米结构可以扩大可实现的视场角，保证视场范围的光线正常传导，相比现有技术其增强现实能力更强。

综上所述，本发明提供的一种浮雕型波导结构及其制作方法确实解决了现有技术中高折射率基底刻蚀难度大的问题，另辟蹊径解决了制造难度，推进显示技术的发展。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。

Claims (13)

1.一种浮雕型波导结构的制作方法，其特征在于，包括：

提供基底(1)，该基底(1)作为浮雕型波导结构的波导载体；

在所述基底(1)上形成光栅材质层(2)；

在所述光栅材质层(2)上形成有一层或多层图案转移材料层(3)，所述图案转移材料层(3)的折射率低于所述光栅材质层(2)的折射率；

在所述图案转移材料层(3)上形成纳米结构图案(4)，将所述纳米结构图案(4)转移至所述光栅材质层(2)，以在所述光栅材质层(2)形成相同的纳米结构图案(4)；

去除所述图案转移材质层(3)。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述基底(1)为透明材质，所述基底(1)的折射率大于1.6；

所述光栅材质层(2)的材质为二氧化钛、氟化镁和三氧化二铝中的一种或多种，所述光栅材质层(2)的折射率大于1.6；

所述图案转移材料层(3)中有一层的材质为低折光刻胶，所述图案转移材料层(3)的折射率不大于1.6。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述光栅材质层(2)上形成有多层图案转移材料层(3)时，位于上层的图案转移材料层(3)的折射率低于位于下层的图案转移材料层(3)的折射率，

此时在所述图案转移材料层(3)上形成纳米结构图案(4)，将所述纳米结构图案(4)转移至所述光栅材质层(2)包括：

先在最上层图案转移材料层(3)形成纳米结构图案(4)；

将最上层图案转移材料层(3)的纳米结构图案(4)转移至下层的图案转移材料层(3)上直到最终将纳米结构图案(4)转移到所述光栅材质层(2)上。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述光栅材质层(2)通过蒸发、沉积和溅射的方式均匀覆盖在所述基底(1)的表面；

所述图案转移材料层(3)通过旋涂、喷涂和刮涂的方式均匀覆盖在所述光栅材质层(2)的表面。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述图案转移材料层(3)上通过光刻和/或曝光的方式制备纳米结构图案(4)；

所述纳米结构图案(4)通过干法刻蚀和/或湿法刻蚀的方式转移至所述光栅材质层(2)的表面；

所述图案转移材料层(3)通过微波等离子去胶机清除。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述图案转移材料层(3)包括第一图案转移材料层(31)和/或第二图案转移材料层(32)，

所述第一图案转移材料层(31)均匀覆盖在所述第二图案转移材料层(32)表面，所述第二图案转移材料层(32)均匀覆盖在所述光栅材质层(2)的表面，

所述第一图案转移材料层(31)的折射率、所述第二图案转移材料层(32)的折射率，以及所述光栅材质层(2)的折射率依次递增。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述图案转移材料层(3)中有一层的材质包括二氧化硅和/或硅。

8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，在所述第一图案转移材料层(31)上形成纳米结构图案(4)，将所述纳米结构图案(4)转移至所述第二图案转移材料层(32)，再将所述纳米结构图案(4)转移至所述光栅材质层(2)，以在所述光栅材质层(2)上形成相同的纳米结构图案(4)，

所述纳米结构图案(4)自所述光栅材质层(2)的表面被刻蚀至所述光栅材质层(2)与所述基底(1)的交界处。

9.一种浮雕型波导结构，其特征在于，包括光波导单元(5)和形成于所述光波导单元(5)表面的光栅结构(6)，所述光栅结构(6)上具有纳米结构图案(4)，

所述光栅结构(6)的折射率大于等于1.6。

10.根据权利要求9所述的波导结构，其特征在于，所述光栅结构(6)的材质为二氧化钛、氟化镁和三氧化二铝中的一种或多种。

11.根据权利要求9所述的波导结构，其特征在于，所述光波导单元(5)的折射率大于等于所述光栅结构(6)的折射率，

所述光栅结构(6)和光波导单元(5)的折射率的差值范围为0～0.3。

12.根据权利要求9所述的波导结构，其特征在于，所述光波导单元(5)为具有平行的上、下表面的长条状透明镜片，所述光栅结构(6)覆盖在所述光波导单元(5)的上表面或下表面，

所述光波导单元(5)的厚度大于所述光栅结构(6)的厚度。

13.根据权利要求9所述的波导结构，其特征在于，所述纳米结构图案(4)自所述光栅结构(6)的表面贯穿所述光栅结构(6)与所述光波导单元(5)的上表面或下表面相接。

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