CN113504607A - 一种基于衍射光波导的玻璃框架结构及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于衍射光波导的玻璃框架结构及其加工方法，属于光学元器件技术领域，该基于衍射光波导的玻璃框架结构包括框架主体；光学镜片，光学镜片通过第一卡环和第二卡环固定连接于框架主体内；光机投影器，光机投影器固定连接于框架主体内；光栅组件，光栅组件包括输出光栅、两个光栅槽、扩瞳光栅和多个透光孔，两个光栅槽分别对称开设于框架主体内，两个扩瞳光栅分别固定连接于光栅槽的内壁，输出光栅固定连接于光学镜片的表面，多个透光孔分别开设于两个光栅槽的内壁；本装置将镜片的扩瞳光栅的区域范围转移至框架主体内，增加光学镜片上输出光栅的范围，有效提高了衍射光波导镜片的使用效率。

Description

一种基于衍射光波导的玻璃框架结构及其加工方法
技术领域
本发明属于光学元器件技术领域，具体涉及一种基于衍射光波导的玻璃框架结构及其加工方法。
背景技术
光波导是让光在设计好的路径中传播，而衍射光波导是利用了光的衍射特性，来设计并实现“光路”；衍射需要小孔或者“栅栏”来实现，衍射光波导实现的技术方法之一，就是在光学平面“雕刻”出一道道“栅栏”，让光线按照设计好的路径传播。
在现有技术中，在一个镜片上需要三片光栅，但是使人眼看到的只有输出光栅一片区域，而镜片上扩瞳光栅的区域范围过大使人眼看到的视野小，影响衍射光波导镜片的使用效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于衍射光波导的玻璃框架结构及其加工方法，旨在解决现有技术中镜片上扩瞳光栅的区域范围过大使人眼看到的视野小，影响衍射光波导镜片的使用效率的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于衍射光波导的玻璃框架结构，包括：
框架主体；
光学镜片，所述光学镜片通过第一卡环和第二卡环固定连接于框架主体内；
光机投影器，所述光机投影器固定连接于框架主体内；
光栅组件，所述光栅组件包括输出光栅、两个光栅槽、扩瞳光栅和多个透光孔，两个所述光栅槽分别对称开设于框架主体内，两个所述扩瞳光栅分别固定连接于光栅槽的内壁，所述输出光栅固定连接于光学镜片的表面，多个所述透光孔分别开设于两个光栅槽的内壁；以及
光波导衍射路径，所述光波导衍射路径包括两组输入光、两组转折光、一组垂直光和视野，两组所述输入光分别由光机投影器的两个输出端产生，两组所述输入光分别耦入对称开设的两个光栅槽内，两组所述转折光分别由两组输入光在光栅槽内经过折射产生，两组所述转折光分别通过多个透光孔耦入输出光栅内，所述垂直光由两组转折光在输出光栅内垂直耦入视野。
作为本发明一种优选的方案，两组所述扩瞳光栅的内间距均为300±50nm。
作为本发明一种优选的方案，所述输出光栅的内间距为400±30nm。
作为本发明一种优选的方案，所述框架主体的侧端均固定连接有连接套，两个所述连接套的相远离端均固定连接有连接环扣，两个所述连接环扣内均设有弹性带，两个所述弹性带的相靠近端固定连接有软垫，所述框架主体的底端固定连接有护垫。
一种基于衍射光波导的玻璃框架结构的加工方法，包括如下步骤：
S1、光波导设计：光学镜片表面的输出光栅齿宽s和深度d的关系为d=2s，输入光、转折光和垂直光的周期关系a、b和c为Ta=Tb=3/2Tc，根据关系设计出波导上的光栅排布，并模拟光波导的FOV可视角度、效率、均匀性和杂散光；
S2、母版制作：选用优质母版原料，添加防腐蚀剂，通过电子束光刻设备制作出扩瞳光栅和输出光栅结构，通过步进重复将电子束加工的单片光波导结构整齐地复刻排布在6/8寸晶圆上；
S3、母版转印：母版转印材料选用1.80-1.85折射率的玻璃，树脂选用1.80-1.85折射率的树脂，通过母版转印设备运用纳米压印技术将母版微结构高精度转移到光学镜片表面；
S4、制成成品：通过激光切割设备将转印后的光学镜片、输出光栅、光栅槽、透光孔和扩瞳光栅，按照设计排布情况激光切割出尺寸，将切割边缘做黑化处理，消除外界环境的杂散光，吸收光波导内未被耦出的波导光线；光波导在加工过程中产生的表面缺陷，对光波导图像质量进行测量，检测缺陷，缺陷产品报废或者二次加工。
作为本发明一种优选的方案，所述步骤S4中利用MLA周期性产生的衍射散斑，通过MLA面型控制各衍射级次能量分配，具有大于90%的衍射效率。
作为本发明一种优选的方案，所述光栅槽的底内壁设有165度的弧面光栅，所述转折光经过弧面光栅发生全反射。
作为本发明一种优选的方案，所述框架主体的上下两端均开设有多个固定孔，多个所述固定孔内均固定连接有固定柱，多个所述固定柱的相靠近端分别与光学镜片的上下两端固定连接。
作为本发明一种优选的方案，所述输出光栅与多个光学镜片的接触端无缝衔接。
作为本发明一种优选的方案，所述框架主体和光机投影器表面均涂布有吸收外界光的黑色涂层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中， 耦入输出光栅的光经过折射垂直射入使用者的视野内，被视野捕捉；通过使用本装置，将镜片的扩瞳光栅的区域范围转移至框架主体内，增加光学镜片上输出光栅的范围，有效提高了衍射光波导镜片的使用效率。
2、本发明中，通过母版转印设备运用纳米压印技术将母版微结构高精度转移到光学镜片表面；通过采用纳米压印技术，具有高分辨、易量产、低成本和一致性高的技术优点。
3、本发明中，转折光在光栅槽内折射，未通过透光孔耦入输出光栅的光会继续在光栅槽内折射，最终折射至弧面光栅时全反射沿着光栅槽内路径返回，期间继续在光学镜片内折射，折射时部分光栅槽通过透光孔耦入输出光栅内，通过设置的弧面光栅有效提高了光波导的利用率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的第一立体图；
图2为本发明的第二立体图；
图3为本发明的光线路径概念图；
图4为本发明中扩瞳光栅的结构图；
图5为本发明中输出光栅的结构图；
图6为本发明的光栅组件的结构图；
图7为本发明光栅组件中光线的路径示意图；
图8为本发明中输出光栅的间距测量图；
图9为本发明中视野观察垂直光的示意图；
图10为本发明的加工流程框图。
图中：1、框架主体；101、连接套；102、连接环扣；103、弹性带；104、软垫；105、第一卡环；106、第二卡环；107、护垫；108、固定孔；2、光机投影器；201、光栅槽；202、透光孔；203、光学镜片；2031、输出光栅；2032、视野；204、扩瞳光栅；3、输入光；301、转折光；302、垂直光。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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1
请参阅图1-10，本发明提供以下技术方案：
一种基于衍射光波导的玻璃框架结构，包括：
框架主体1；
光学镜片203，光学镜片203通过第一卡环105和第二卡环106固定连接于框架主体1内；
光机投影器2，光机投影器2固定连接于框架主体1内；
光栅组件，光栅组件包括输出光栅2031、两个光栅槽201、扩瞳光栅204和多个透光孔202，两个光栅槽201分别对称开设于框架主体1内，两个扩瞳光栅204分别固定连接于光栅槽201的内壁，输出光栅2031固定连接于光学镜片203的表面，多个透光孔202分别开设于两个光栅槽201的内壁；以及
光波导衍射路径，光波导衍射路径包括两组输入光3、两组转折光301、一组垂直光302和视野2032，两组输入光3分别由光机投影器2的两个输出端产生，两组输入光3分别耦入对称开设的两个光栅槽201内，两组转折光301分别由两组输入光3在光栅槽201内经过折射产生，两组转折光301分别通过多个透光孔202耦入输出光栅2031内，垂直光302由两组转折光301在输出光栅2031内垂直耦入视野2032。
在本发明的具体实施例中，光栅组件中通过在框架主体1内开设的两个光栅槽201分别用于固定扩瞳光栅204，扩瞳光栅204固定于光栅槽201的内壁，框架主体1的上端中部设置有光机投影器2，光机投影器2的两侧发射光源耦入框架主体1内的光栅组件内，光栅组件中的两个光栅槽201均呈L型，其相靠近内壁均开设有多个透光孔202，转折光301从透光孔202射出，光栅槽201内壁设置的扩瞳光栅204用于反射转折光301，使输入光3在转折光301内从低输入变为高FOV输出，高FOV的转折光301由于反射通过透光孔202耦入输出光栅2031内，输出光栅2031设于光学镜片203的表面，光学镜片203采用1.80-1.85折射率的材料制成，以提高光波导的传递效率，耦入输出光栅2031内的光路转化为垂直光302，使用者佩戴本装置通过其视野2032观察到输出光栅2031内垂直输出的垂直光302。
具体的请参阅图4，两组扩瞳光栅204的内间距均为300±50nm。
具体的请参阅图8，输出光栅2031的内间距为400±30nm。
实施例中：该内间距的扩瞳光栅204和输出光栅2031均具有良好的折射率，光波导耦入扩瞳光栅204和输出光栅2031内经过折射的次数少，提高光波导的传递效率。
具体的请参阅图1，框架主体1的侧端均固定连接有连接套101，两个连接套101的相远离端均固定连接有连接环扣102，两个连接环扣102内均设有弹性带103，两个弹性带103的相靠近端固定连接有软垫104，框架主体1的底端固定连接有护垫107。
本实施例中：两个连接套101和连接环扣102起到连接框架主体1的作用，在其表面设置便于佩戴的结构，弹性带103具有弹性，软垫104用于保护使用者的后脑部位，适合长时间佩戴，护垫107提高装置佩戴在鼻梁的舒适性。
具体的请参阅图5，框架主体1的上下两端均开设有多个固定孔108，多个固定孔108内均固定连接有固定柱，多个固定柱的相靠近端分别与光学镜片203的上下两端固定连接。
本实施例中：通过设置的多个固定孔108和固定柱，用于固定光学镜片203，提高其安装在框架主体1内的稳定性。
具体的请参阅图8，输出光栅2031与多个光学镜片203的接触端无缝衔接。
本实施例中：多个光学镜片203的具体个数为三个，三个光学镜片包括两个侧方位光学镜片和中部光学镜片，两个侧方位光学镜片分别固定连接在中部光学镜片的两个侧端，固定后的三个光学镜片形成与第一卡环105和第二卡环106相匹配的光学镜片；输出光栅2031具有折射光的折射面和与光学镜片贴合的平整面，输出光栅2031的平整面与光学镜片203之间紧密贴合，贴合面之间不会产生气泡从而影响本装置的使用，不产生气泡的固定方式称其为无缝衔接；无缝衔接使转折光301在通过透光孔202耦入输出光栅2031时不会有损耗，提高光波导的传递效率。
具体的请参阅图1，框架主体1和光机投影器2表面均涂布有吸收外界光的黑色涂层。
本实施例中：黑色涂层降低框架主体1的透光性，降低外界光对本装置内部光栅组件以及光波导衍射路径的干扰。
实施例2
一种基于衍射光波导的玻璃框架结构的加工方法：
S1、光波导设计：光学镜片203表面的输出光栅2031齿宽s和深度d的关系为d=2s，输入光3、转折光301和垂直光302的周期关系a、b和c为Ta=Tb=3/2Tc，根据关系设计出波导上的光栅排布，并模拟光波导的FOV可视角度、效率、均匀性和杂散光；
S2、母版制作：选用优质母版原料，添加防腐蚀剂，通过电子束光刻设备制作出扩瞳光栅204和输出光栅2031结构，通过步进重复将电子束加工的单片光波导结构整齐地复刻排布在6/8寸晶圆上；
S3、母版转印：母版转印材料选用1.80-1.85折射率的玻璃，树脂选用1.80-1.85折射率的树脂，通过母版转印设备运用纳米压印技术将母版微结构高精度转移到光学镜片203表面；通过采用纳米压印技术，具有高分辨、易量产、低成本和一致性高的技术优点；
S4、制成成品：通过激光切割设备将转印后的光学镜片203、输出光栅2031、光栅槽201、透光孔202和扩瞳光栅204，按照设计排布情况激光切割出尺寸，将切割边缘做黑化处理，消除外界环境的杂散光，吸收光波导内未被耦出的波导光线，激光切割为非接触加工，非接触加工具有切割速度块、精度高和污染小的特点；光波导在加工过程中产生的表面缺陷，对光波导图像质量进行测量，检测缺陷，缺陷产品报废或者二次加工。
具体的请参阅图4-图6，步骤S4中利用微透镜阵列MLA周期性产生的衍射散斑，通过MLA面型控制各衍射级次能量分配，具有大于90%的衍射效率。
本实施例中，MLA设计和加工具有易压印复制，无零级的特点，同时通过电子束光刻加工的产品解决融合准直镜带来的衍射效率问题。
具体的请参阅图4，光栅槽201的底内壁设有165度的弧面光栅，转折光301经过弧面光栅发生全反射。
本实施例中，转折光301在光栅槽201内折射，未通过透光孔202耦入输出光栅2031的光会继续在光栅槽201内折射，最终折射至弧面光栅时全反射沿着光栅槽201内路径返回，期间继续在光学镜片203内折射，折射时部分光栅槽201通过透光孔202耦入输出光栅2031内，通过设置的弧面光栅有效提高了光波导的利用率。
本发明的工作原理及使用流程：使用者首先将本装置佩戴在头部，启动本装置，光机投影器2的两个输出端产生输入光3，输入光3耦入光栅槽201内，在光栅槽201内折射，通过设置的扩瞳光栅204，耦入光栅槽201内的转折光301在扩瞳光栅204表面折射，FOV逐渐被扩大，转折光301在光栅槽201内折射，部分光线通过透光孔202耦入光学镜片203表面设置的输出光栅2031内，部分光线继续在光栅槽201内折射，通过弧面光栅时发生全反射，转折光301沿光栅槽201路径返回，返回过程中通过透光孔202耦入输出光栅2031内，光波导的高效利用，有效提高了本装置的使用效率，耦入输出光栅2031的光经过折射垂直射入使用者的视野2032内，被视野2032捕捉；通过使用本装置，将镜片的扩瞳光栅204的区域范围转移至框架主体1内，增加光学镜片203上输出光栅2031的范围，有效提高了衍射光波导镜片的使用效率。
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)

1.一种基于衍射光波导的玻璃框架结构，其特征在于，包括：
框架主体（1）；
光学镜片（203），所述光学镜片（203）通过第一卡环（105）和第二卡环（106）固定连接于框架主体（1）内；
光机投影器（2），所述光机投影器（2）固定连接于框架主体（1）内；
光栅组件，所述光栅组件包括输出光栅（2031）、两个光栅槽（201）、扩瞳光栅（204）和多个透光孔（202），两个所述光栅槽（201）分别对称开设于框架主体（1）内，两个所述扩瞳光栅（204）分别固定连接于光栅槽（201）的内壁，所述输出光栅（2031）固定连接于光学镜片（203）的表面，多个所述透光孔（202）分别开设于两个光栅槽（201）的内壁；以及
光波导衍射路径，所述光波导衍射路径包括两组输入光（3）、两组转折光（301）、一组垂直光（302）和视野（2032），两组所述输入光（3）分别由光机投影器（2）的两个输出端产生，两组所述输入光（3）分别耦入对称开设的两个光栅槽（201）内，两组所述转折光（301）分别由两组输入光（3）在光栅槽（201）内经过折射产生，两组所述转折光（301）分别通过多个透光孔（202）耦入输出光栅（2031）内，所述垂直光（302）由两组转折光（301）在输出光栅（2031）内垂直耦入视野（2032）。
2.根据权利要求1所述的一种基于衍射光波导的玻璃框架结构，其特征在于：所述框架主体（1）的上下两端均开设有多个固定孔（108），多个所述固定孔（108）内均固定连接有固定柱，多个所述固定柱的相靠近端分别与光学镜片（203）的上下两端固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于衍射光波导的玻璃框架结构，其特征在于：所述输出光栅（2031）与多个光学镜片（203）的接触端无缝衔接。
4.根据权利要求1所述的一种基于衍射光波导的玻璃框架结构，其特征在于：所述框架主体（1）和光机投影器（2）表面均涂布有吸收外界光的黑色涂层。
5.根据权利要求1所述的一种基于衍射光波导的玻璃框架结构，其特征在于：两组所述扩瞳光栅（204）的内间距均为300±50nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于衍射光波导的玻璃框架结构，其特征在于：所述输出光栅（2031）的内间距为400±30nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于衍射光波导的玻璃框架结构，其特征在于：所述框架主体（1）的侧端均固定连接有连接套（101），两个所述连接套（101）的相远离端均固定连接有连接环扣（102），两个所述连接环扣（102）内均设有弹性带（103），两个所述弹性带（103）的相靠近端固定连接有软垫（104），所述框架主体（1）的底端固定连接有护垫（107）。
8.一种基于衍射光波导的玻璃框架结构的加工方法，其特征在于：使用了权利要求1-4中任意一项所述的一种基于衍射光波导的玻璃框架结构，包括如下步骤：
S1、光波导设计：光学镜片（203）表面的输出光栅（2031）齿宽s和深度d的关系为d=2s，输入光（3）、转折光（301）和垂直光（302）的周期关系a、b和c为Ta=Tb=3/2Tc，根据关系设计出波导上的光栅排布，并模拟光波导的FOV可视角度、效率、均匀性和杂散光；
S2、母版制作：选用优质母版原料，添加防腐蚀剂，通过电子束光刻设备制作出扩瞳光栅（204）和输出光栅（2031）结构，通过步进重复将电子束加工的单片光波导结构整齐地复刻排布在6/8寸晶圆上；
S3、母版转印：母版转印材料选用1.80-1.85折射率的玻璃，树脂选用1.80-1.85折射率的树脂，通过母版转印设备运用纳米压印技术将母版微结构高精度转移到光学镜片（203）表面；
S4、制成成品：通过激光切割设备将转印后的光学镜片（203）、输出光栅（2031）、光栅槽（201）、透光孔（202）和扩瞳光栅（204），按照设计排布情况激光切割出尺寸，将切割边缘做黑化处理，消除外界环境的杂散光，吸收光波导内未被耦出的波导光线；光波导在加工过程中产生的表面缺陷，对光波导图像质量进行测量，检测缺陷，缺陷产品报废或者二次加工。
9.根据权利要求8所述的一种基于衍射光波导的玻璃框架结构的加工方法，其特征在于：所述步骤S4中利用MLA周期性产生的衍射散斑，通过MLA面型控制各衍射级次能量分配，具有大于90%的衍射效率。
10.根据权利要求8所述的一种基于衍射光波导的玻璃框架结构的加工方法，其特征在于：所述光栅槽（201）的底内壁设有165度的弧面光栅，所述转折光（301）经过弧面光栅发生全反射。
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