CN113933992A - 近眼显示设备和光学结构及其晶圆级别的制备方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种近眼显示设备、光学结构及其晶圆级别的制备方法。所述方法包括：提供一第一波导基片，所述第一波导基片具有按照预设周期排布的多个第一衍射光栅结构和用于定位的多个第一基准点；基于所述第一基准点和所述第一衍射光栅结构的周期分布规律，在所述第一波导基片的表面上布设黏着剂；提供一第二波导基片，所述第二波导基片具有与所述第一波导基片相同的周期排布的多个第二衍射光栅结构和用于定位的多个第二基准点；对齐地叠置所述第二波导基片于所述第一波导基片以形成光学结构拼版结构；以及，分割所述光学结构拼版结构，以获得多个适用于近眼显示设备的光学结构。这样，采用晶圆级别的制备方法制得所述光学结构，制备效率高。

Description

近眼显示设备和光学结构及其晶圆级别的制备方法

技术领域

本申请涉及近眼显示设备，尤其涉及近眼显示设备、适用于近眼显示设备的光学结构及其晶圆级别的制备方法。

背景技术

近年来，近眼显示设备(例如，虚拟现实设备、增强现实设备)受到越来越多的关注。相较于虚拟现实，增强现实设备能基于物理环境构建虚拟景象，带给使用者全新体验。增强现实技术包括两种技术方向：传统的Birdbath方案，以及，投影仪加波导片方案。传统的Birdbath方案由于体积较大、视场角难以进一步提升，相对差的体验难以受到消费者的青睐，而使用波导片的方案相对而言更为小巧美观，用户体验更佳。

波导片可以通过衍射光栅或者半透半反透表面将光线沿着波导片扩散，从而观看者可以在波导片的整个可视区域观察到图像。然而，不管是衍射光栅结构还是半透半反表面都具有波长选择性，不同波长的光线的衍射效率不一样，不同波长光线在半反半透表面的透过率也不一样，导致观看者在波导片的出瞳处观察到的图像会存在一定程度的偏色。并且，由于不同波长光线的衍射角不一样，导致波导片展示图像的视场角受到限制，同时，图像也容易出现失真。

为了解决上述技术问题，中国专利(专利号：CN210243962U，其引用基础为英国专利，专利号为：GB2573793)提出使用多个波导片来分别传输不同波长的光线。然而，这种由多层波导片构造成的光学结构在具体实施中(例如，生产制备过程中)，却存在诸多技术问题。

首先，如果两个波导片直接贴附在一起(即，两者之间没有间隙)或部分存在接触，就会破坏光线在波导片内的全内反射传输。对于多层波导片构成光学结构而言，如果在其安装过程中出现诸如定位误差和/或组装误差之类的误差，将导致最终的光学结构存在配合误差，使得输出的图像重影。也就是，多层波导片构成的光学结构，配合精度要求较高，这对制造组装工艺提出较大难题。

其次，不同波导片之间的一致性很难保证，这无疑增加了制备难度。

还有，波导片自身在进行光栅制造时也存在误差，如纳米压印的母版与波导材料未完全平行，导致多层波导片在进行安装时即使具有相对较高的平行度也会存在光学偏差。

还有，现有的制备方法通过效率低下，难以实现大批量工业生产。

因此，需要一种优化的适用于近眼显示设备的光学结构的制备工艺，以制备出满足要求的光学结构。

发明内容

本申请的一优势在于提供一种近眼显示设备和光学结构及其晶圆级别的制备方法，其中，采用晶圆级别的制备方法制得所述光学结构，制备效率高，适用于由多层光波导构成的光学结构的大批量生产。

本申请的另一优势在于提供一种近眼显示设备和光学结构及其晶圆级别的制备方法，其中，由晶圆级别的制备方法制的所述光学结构具有较高的配合精度和可靠性。

本申请的另一优势在于提供一种近眼显示设备和光学结构及其晶圆级别的制备方法，其中，由晶圆级别的制备方法制的所述光学结构中各层光波导之间的一致性较高。

通过下面的描述，本申请的其它优势和特征将会变得显而易见，并可以通过权利要求书中特别指出的手段和组合得到实现。

为实现上述至少一优势，本申请提供一种适用于近眼显示设备的光学结构的晶圆级别的制备方法，其包括：

提供一第一波导基片，所述第一波导基片具有按照预设周期排布的多个第一衍射光栅结构和用于定位的多个第一基准点；

基于所述第一基准点和所述第一衍射光栅结构的周期分布规律，在所述第一波导基片的表面上布设黏着剂；以及

提供一第二波导基片，所述第二波导基片具有与所述第一波导基片相同的周期排布的多个第二衍射光栅结构和用于定位的多个第二基准点；

对齐地叠置所述第二波导基片于所述第一波导基片以形成光学结构拼版结构，其中，在所述光学结构拼版结构中，所述第一波导基片与所述第二波导基片具有预设间隙，该间隙的范围为40μm-60μm，所述第一波导基片的多个第一衍射光栅结构分别对应于所述第二波导基片的多个第二衍射光栅结构；以及

分割所述光学结构拼版结构，以获得多个适用于近眼显示设备的光学结构。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，所述多个第一基准点中包括用于定位黏着剂布设位置的部分第一基准点；

其中，基于所述第一基准点和所述第一衍射光栅结构的周期分布规律，在所述第一波导基片的表面上布设黏着剂，包括：基于用于定位黏着剂布设位置的所述部分第一基准点和所述第一衍射光栅结构的周期分布规律，在所述第一波导基片的表面上布设黏着剂。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，所述多个第一基准点中包括用于定位所述第二波导基片的叠置位置的另一部分第一基准点；

其中，对齐地叠置所述第二波导基片于所述第一波导基片以形成光学结构拼版结构，包括：基于所述另一部分第一基准点与所述第二基准点之间的对齐，叠置所述第二波导基片于所述第一波导基片以形成光学结构拼版结构。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，所述另一部分第一基准点沿着所述第一波导基片的周缘均匀地分布。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，对齐地叠置所述第二波导基片于所述第一波导基片以形成光学结构拼版结构，包括：

分别通过投影仪投射具有定位图案的投影图像于所述第一波导基片的至少三个非位于同一直线上的第一衍射光栅结构，其中，所述投影图像的部分光自所述第一衍射光栅结构的耦入区域进入所述第一波导基片内并经全内反射后从所述第一衍射光栅结构的耦出区域耦出第一投影图像至成像装置；所述投影图像的另一部分光朝向所述第二波导基片的对应的第二衍射光栅结构方向从所述第一波导基片被耦合出并从所述第二衍射光栅结构的耦入区域进入所述第二波导基片内并经全内反射后从所述第二衍射光栅结构的耦出区域耦出第二投影图像至所述成像装置；

分别基于所述第一投影图像的所述定位图案和所述第二投影图像的所述定位图案之间的偏移量，调整所述第一波导基片和所述第二波导基片之间的相对位置关系；以及

响应于所述偏移量满足预设阈值范围，叠置所述第二波导基片于所述第一波导基片。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，至少三个非位于同一直线上的第一衍射光栅结构相对于所述第一波导基片设定的中心沿着所述第一波导基片设定的周向均匀地分布。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，分割所述光学结构拼版结构，以获得多个适用于近眼显示设备的光学结构，包括：沿着用于定位黏着剂布设位置的所述部分第一基准点所设定的参考线分割所述光学结构拼版结构。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，用于定位黏着剂布设位置的所述部分第一基准点所设定的参考线位于所述黏着剂的内边缘与外边缘之间。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，用于定位黏着剂布设位置的所述部分第一基准点所设定的参考线位于所述黏着剂的外边缘的外侧。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，所述黏着剂的厚度尺寸范围为40μm-60μm，其宽度尺寸范围为1mm-3mm。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，所述黏着剂具有非封闭形状。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，所述黏着剂的形状为具有至少一缺口的环形。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，所述黏着剂包括嵌入其内且均匀分布的多个颗粒，所述颗粒的直径范围小于或等于所述第一波导基片与所述第二波导基片之间的间隙大小。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，所述颗粒的直径范围为40μm-60μm。

在根据本申请的晶圆级别的制备方法中，所述第一衍射光栅结构为表面浮雕光栅结构或体全息光栅结构。

根据本申请另一方面，还提供一种适用于近眼显示设备的光学结构，其包括：

具有第一衍射光栅结构的第一光波导；

具有第二衍射光栅结构的第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导相对于由投影仪朝向所述第一光波导的投射方向彼此错开且两者之间具有预设间隙；以及

设置于所述第一光波导和所述第二光波导之间的黏着剂，其中，所述第一光波导与所述第二光波导之间的间隙范围为40μm-60μm。

在根据本申请的光学结构中，所述黏着剂的厚度尺寸范围为40μm-60μm，其宽度尺寸范围为1mm-3mm。

在根据本申请的光学结构中，所述黏着剂包括嵌入其内且均匀分布的多个颗粒，所述颗粒的直径范围小于或等于所述第一光波导与所述第二光波导之间的间隙。

在根据本申请的光学结构中，所述颗粒的直径范围为40μm-60μm。

在根据本申请的光学结构中，所述光学结构进一步包括设置于所述第一光波导的侧部和/或所述第二光波导的侧部的遮光层。

在根据本申请的光学结构中，所述第一光波导与所述第二光波导之间的平行度小于等于4′。

根据本申请的再一方面，还提供一种近眼显示设备，其包括：

如上所述的光学结构；以及

投影仪，被配置为投射投影图像至所述光学结构。

通过对随后的描述和附图的理解，本申请进一步的目的和优势将得以充分体现。

本申请的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

通过结合附图对本申请实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1图示了根据本申请实施例的适用于近眼显示设备的光学结构的示意图。

图2图示了根据本申请实施例的所述光学结构的晶圆级别的制备方法的流程图。

图3图示了根据本申请实施例的所述光学结构的制备过程的示意图。

图4A图示了根据本申请实施例的所述光学结构的制备过程中一种布设黏着剂的示意图。

图4B图示了根据本申请实施例的所述光学结构的制备过程中一种布设黏着剂的示意图

图4C图示了根据本申请实施例的所述光学结构的制备过程中另一种布设黏着剂的示意图。

图4D图示了根据本申请实施例的所述光学结构的制备过程中另一种布设黏着剂的示意图。

图5图示了根据本申请实施例的所述黏着剂的示意图。

图6图示了根据本申请实施例的所述光学结构的制备过程中一种分割光学结构拼版结构的示意图。

图7图示了根据本申请实施例的所述光学结构的制备过程中另一种分割光学结构拼版结构的示意图。

图8图示了根据本申请实施例的所述光学结构的制备过程中用于定位的定位图案的示意图。

图9图示了根据本申请实施例的所述光学结构的制备过程中所述定位图案的成像效果示意图。

图10图示了根据本申请实施例的近眼显示设备的示意图。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

示例性光学结构

如图1所示，根据本申请实施例的适用于近眼显示设备的光学结构被阐明，其中，所述光学结构10被配置为将投影仪20投射的投影图像扩展至所述光学结构10的整个可视区域。在本申请实施例中，如图1所示，所述光学结构10包括第一光波导11和第二光波导12，所述第一光波导11和所述第二光波导12相对于由投影仪20朝向所述第一光波导11的投射方向彼此横向错开且两者之间具有预设间隙，也就是，如图1所示，在本申请实施例中，所述第一光波导11和所述第二光波导12沿着其厚度方向彼此错开且两者之间具有预设间隙，所述第一光波导11用于将所述投影图像的一部分光导出，所述第二光波导12用于将所述投影图像的另一部分光导出。特别地，在本申请实施例中，所述第一光波导11与所述第二光波导12之间的间隙范围为40μm-60μm，所述第一光波导11与所述第二光波导12之间的平行度小于等于4′，优选地，两者之间的平行度小于等于2′。

值得一提的是，所述第一光波导11和所述第二光波导12可分别用于传播不同波长的光，也可以是分别用于传输不同入射角度的光。例如，在本申请一具体应用场景中，所述投影图像的光可配置具有多种波长的光，例如，其具有第一原色、第二原色和第三原色(更明确地，例如，所述第一原色为红色、所述第二原色为绿色、所述第三原色为蓝色)，其中，所述第一光波导11被配置为导出第一原色和部分第二原色的光、所述第二光波导12被配置为导出部分第二原色和第三原色的光。

更具体地，如图1所示，所述第一光波导11，包括具有耦入区域和耦出区域的第一衍射光栅结构111，其中，所述投影图像的一部分光从所述第一衍射光栅111的耦入区域进入所述第一波导内并经全内反射后从所述第一衍射光栅结构111的耦出区域耦出。所述第二光波导12，包括具有耦入区域和耦出区域的第二衍射光栅结构121，其中，所述投影图像的另一部分光所述第二光波导12的第二衍射光栅结构121方向从所述第一光波导11被耦合出并从所述第二衍射光栅结构121的偶入区域进入所述第二光波导12内并经全内反射后从所述第二衍射光栅结构121的耦出区域耦出。相应地，从所述第一光波导11耦出的投射图像和从所述第二光波导12耦出的投射图像相互叠合并被观看者所看到。

在本申请实施例中，所述第一衍射光栅结构111和所述第二衍射光栅结构121可被实施为表面浮雕光栅结构或者全息光栅结构，对此，并不为本申请所局限。

如图1所示，所述光学结构10进一步包括设置于所述第一光波导11和所述第二光波导12之间的黏着剂13。特别地，在本申请实施例中，所述黏着剂13具有相对较小的厚度尺寸(即，高度尺寸)和相对较宽的宽度尺寸。具体地，在本申请实施例中，所述黏着剂13的厚度尺寸范围为40μm-60μm，其宽度尺寸范围为1mm-3mm。

在本申请一具体示例中，所述黏着剂13包括嵌入其内的多个颗粒131，以通过多个所述颗粒131在所述光学结构10的制备过程中确定所述第一光波导11和所述第二光波导12之间的位置关系。在本申请实施例中，所述颗粒131的直径范围为40μm-60μm且其小于或等于所述第一光波导11和所述第二光波导12之间的间隙大小。优选地，所述颗粒131的直径几近等于所述第一光波导11和所述第二光波导12之间的间隙大小，以通过所述颗粒131进行限位与定位。更优选地，在本申请实施例中，所述颗粒131在所述黏着剂13内均匀分布，这里，所述颗粒131均匀分布指的是所述颗粒131之间具有相近的横向间隙且所述颗粒131自身的直径大致相同。

为了避免外界杂光从侧部进入所述光学结构10的内部而形成杂散光影响视觉体验，在本申请实施例中，所述光学结构10，进一步包括设置于所述第一光波导11的侧部和/或所述第二光波导12的侧部的遮光层14，其中，所述遮光层14可通过涂黑处理工艺生成，例如，喷墨方式或涂墨方式。

应可以理解，为了使得从所述第一光波导11耦出的投射图像和从所述第二光波导12耦出的投射图像能够较为完美地融合，以获得较佳的视觉体验，所述第一光波导11和所述第二光波导12之间需满足预设的安装位置关系。也就是，在所述光学结构10的具体制备过程中，所述光学结构10的所述第一光波导11和所述第二光波导12之间需具有较高的安装配合精度，如果两者之间的相对位置关系或配合精度不能满足预设要求，将发生偏色、色彩不均匀、显示偏色和彩虹效应等不良视觉现象。

为了满足上述技术要求，在本申请实施例中，所述光学结构10采用基于晶圆级别的制备方法进行制备，以满足上述技术要求。

综上，基于本申请实施例的适用于近眼显示设备的光学结构10被阐明，其具有较高的配合精度和可靠性，且所述光学结构10中各层光波导之间的一致性较高。

虽然，在上述示例中，以所述光学结构10包括两层光波导(即，所述第一光波导11和所述第二光波导12)为示例，在本申请其他示例中，所述光学结构10还可以包括更多数量的光波导，例如，包括第三光波导，对此，并不为本申请所局限。

示意性制备过程

图2图示了根据本申请实施例的所述光学结构的晶圆级别的制备方法的流程图。

如图2所示，根据本申请实施例的所述光学结构的晶圆级别的制备方法，包括步骤：S110，提供一第一波导基片101，所述第一波导基片101具有按照预设周期排布的多个第一衍射光栅结构111和用于定位的多个第一基准点112；S120，基于所述第一基准点112和所述第一衍射光栅结构111的周期分布规律，在所述第一波导基片101的表面上布设黏着剂；S130，提供一第二波导基片102，所述第二波导基片102具有与所述第一波导基片101相同的周期排布的多个第二衍射光栅结构121和用于定位的多个第二基准点122；S140，对齐地叠置所述第二波导基片102于所述第一波导基片101以形成光学结构拼版结构110，其中，在所述光学结构拼版结构110中，所述第一波导基片101与所述第二波导基片102具有预设间隙，该间隙的范围为40μm-60μm，所述第一波导基片101的多个第一衍射光栅结构111分别对应于所述第二波导基片102的多个第二衍射光栅结构121；以及，S150，分割所述光学结构拼版结构110，以获得多个适用于近眼显示设备的光学结构10。

在步骤S110中，提供一第一波导基片101，所述第一波导基片101具有按照预设周期排布的多个第一衍射光栅结构111和用于定位的多个第一基准点112。这里，所述多个第一基准点112包含用于定位黏着剂13布设位置的部分第一基准点112和用于定位所述第二波导基片102的叠置位置的另一部分第一基准点112。

具体来说，所述第一波导基片101可基于如图3所示意的方式进行制备。制备所述第一波导基片101的过程，首先包括生产压印模板。在该示例中，生产压印模板的过程，包括：首先，提供一硅晶圆并在所述硅晶圆基底上镀一层掩膜层；然后，在其上旋涂一层抗蚀剂层；接着，用干涉曝光或电子束曝光之类的曝光技术进行图案化；继而，通过蚀刻同一将抗蚀剂图案转移到掩膜层，再用氧等离子体法剥离剩余的抗蚀剂层；接着，用反应离子束蚀刻工艺将离子束入射所述硅晶圆基底；蚀刻完成后用标准的湿法蚀刻工艺去除掩模层，便可获得均匀性良好的光栅模板。为了提高生产效率，可以在更大的所述硅晶圆上旋涂UV树脂，并通过如上所述的纳米压印技术印刷更多压印模板；然后通过紫外线曝光将UV树脂固化，重复上述步骤可批量生产多图案的压印模板。

所述压印模板，用于在所述第一波导基片101上制备预设周期排布的多个第一衍射光栅结构111。具体地，在所述第一波导基片101上制备预设周期排布的多个第一衍射光栅结构111的过程，包括：在所述第一波导基片101上进行Mark点标记，用于进行机器视觉定位，其中，所述Mark点可以是所述第一基准点112，也可以是其他定位基准点；然后，在所述第一波导基片101上用上述光栅模板制造按一定周期排布的多个第一衍射光栅结构111；接着，在所述第一波导基片101的表面涂覆功能性图层，便可得到带有多个所述第一衍射光栅结构111的所述第一波导基片101。

值得一提的是，在上述示例中，通过光栅模板制得的所述第一衍射光栅结构111为表面浮雕光栅。应可以理解，在其他示例中，也可以通过其他工艺制得体全息光栅(即，所述第一衍射光栅结构111为体全息光栅结构)，对此，并不为本申请所局限。

在步骤S120中，基于所述第一基准点112和所述第一衍射光栅结构111的周期分布规律，在所述第一波导基片101的表面上布设黏着剂13。

在如图3所示意的示例中，在所述第一波导基片101的表面上布设黏着剂13的过程，包括：首先，用机器视觉识别所述多个第一基准点112中用于定位黏着剂13布设位置的部分第一基准点112；接着，通过布胶设备在所述第一波导基片101表面按光栅位置的周期排布均匀地涂布所述黏着剂13。

也就是，在本申请实施例中，基于所述第一基准点112和所述第一衍射光栅结构111的周期分布规律，在所述第一波导基片101的表面上布设黏着剂13，包括：基于用于定位黏着剂13布设位置的所述部分第一基准点112和所述第一衍射光栅结构111的周期分布规律，在所述第一波导基片101的表面上布设黏着剂13。

优选地，在该示例中，所述黏着剂13的布设形状类似于所述第一光波导11的轮廓状。所述黏着剂13的厚度尺寸范围为40μm-60μm，其宽度尺寸范围为1mm-3mm，优选地，所述黏着剂13的厚度尺寸(即高度尺寸)为50μm，其宽度尺寸优选地为1mm，以兼顾美观程度和粘接可靠性。

值得一提的是，在具体实施中，直接涂覆所述黏着剂13很难实现如上所述的所述黏着剂13的高宽比(一般涂覆黏着剂13可实现的高宽比约为1:2)，并且，当所述第二波导基片102叠置于所述第一波导基片101时，设置于两者之间的所述黏着剂13的高度尺寸会被压低，因此，在步骤S120中，所述黏着剂13的布设高度可适当增加，例如，布设高度增加为160μm，从而，当所述第二波导基片102叠置于所述第一波导基片101时，所述黏着剂13的高度尺寸能被压低至接近50μm，同时宽度保持在1mm-2mm。也就是，在该示例中，可采用先涂后压的方式在所述第一波导基片101和所述第二波导基片102之间形成所述黏着剂13。

还值得一提的是，在具体实施例中，所述黏着剂13可以涂单圈(如图4A所示)，也可以涂多圈再通过所述第二波导基片102的叠置将各圈所述黏着剂13压扁融合(如图4B所示)，以达到所需的高度和宽度。

同时，所述黏着剂13可以具有闭合的形状(如图4C所示)，或者，所述黏着剂13可具有不封闭的轮廓，例如，采用分段涂覆且留有缺口(如图4D所示)。其中，当所述黏着剂13被设置为具有封闭轮廓时，优选地，所述黏着剂13为不需要加热固化的胶水，如通过紫外线固化的UV胶、紫外线和自然光都可以固化的UV胶、湿气固化的胶水、热熔胶等。当所述黏着剂13被设置为不具有封闭轮廓时，优选可采用具有较大粘性的热固胶或者UV热固胶，同时，非封闭的布设方式也能够避免在加热固化所述黏着剂13时，所述第一波导基片101和所述第二波导基片102形成的位于两者之间的封闭空间的气体受热膨胀而使得所述第一波导基片101和/或所述第二波导基片102受损(例如，发生形变甚至裂开)。当然，当所述黏着剂13被设置为不具有封闭轮廓时，也可以采用非热固化的胶水，以提高生产效率。并且，当所述黏着剂13被设置为不具有封闭轮廓时，在固化所述黏着剂13后，应将缺口封掉以避免灰尘、水汽等污染物进入所述第一波导基片101和所述第二波导基片102之间，影响最终值得的所述光学结构10的性能。

优选地，在本申请实施例中，如图5所示，所述黏着剂13被实施为包括嵌入其内的多个颗粒131的黏着剂13。相应地，多个所述颗粒131能够有效地限制所述第一波导基片101和所述第二波导基片102之间的距离不会过小也不会过大。也就是，设置于所述黏着剂13内的所述多个颗粒131能对所述所述第一波导基片101和所述第二波导基片102进行限位和提供初步的定位。优选地，多个所述颗粒131在所述黏着剂13中被均匀设置。

在步骤S130中，提供一第二波导基片102，所述第二波导基片102具有与所述第一波导基片101相同的周期排布的多个第二衍射光栅结构121和用于定位的多个第二基准点122。应可以理解，所述第二波导基片102能够以与所述制得所述第一波导基片101的工艺制备，以使得两者之间具有较佳的一致性。

在步骤S140中，对齐地叠置所述第二波导基片102于所述第一波导基片101以形成光学结构拼版结构110，其中，在所述光学结构拼版结构110中，所述第一波导基片101与所述第二波导基片102具有预设间隙，该间隙的范围为40μm-60μm，所述第一波导基片101的多个第一衍射光栅结构111分别对应于所述第二波导基片102的多个第二衍射光栅结构121。

具体来说，在本申请一实施例中，对齐地叠置所述第二波导基片102于所述第一波导基片101以形成光学结构拼版结构110的过程，包括：首先用机器视觉识别所述多个第一基准点112中用于定位所述第二波导基片102的叠置位置的另一部分第一基准点112和所述第二基准点122；然后，基于所述另一部分第一基准点112与所述第二基准点122之间的对齐，叠置所述第二波导基片102于所述第一波导基片101以形成光学结构拼版结构110。

也就是，在该实施例中，对齐地叠置所述第二波导基片102于所述第一波导基片101以形成光学结构拼版结构110，包括：基于所述另一部分第一基准点112与所述第二基准点122之间的对齐，叠置所述第二波导基片102于所述第一波导基片101以形成光学结构拼版结构110。优选地，所述另一部分第一基准点112沿着所述第一波导基片101的周缘均匀地分布。

值得一提的是，在叠置过程中，可通过激光测距或者其他方式测得所述第一波导基片101和所述第二波导基片102之间的距离，以确保所述第一波导基片101和所述第二波导基片102之间的距离保持在40μm-60μm之间，优选地，50μm，以确保所述第一波导基片101和所述第二波导基片102之间存在空气层，以确保光线发生全反射和衍射的物理条件。当然，当所述黏着剂13内嵌所述多个颗粒131时，也可以通过所述颗粒131来限制所述第一波导基片101和所述第二波导基片102之间的距离。值得一提的是，内嵌于所述黏着剂13之间的所述多个颗粒131还能够有效地保证所述第一波导基片101和所述第二波导基片102之间的平行度。

在本申请另一示例中，对齐地叠置所述第二波导基片102于所述第一波导基片101以形成光学结构拼版结构110的过程，包括：首先分别通过投影仪投射具有定位图案103的投影图像于所述第一波导基片101的至少三个非位于同一直线上的第一衍射光栅结构111，其中，所述投影图像的部分光自所述第一衍射光栅结构111的耦入区域进入所述第一波导基片101内并经全内反射后从所述第一衍射光栅结构111的耦出区域耦出第一投影图像至成像装置；所述投影图像的另一部分光朝向所述第二波导基片102的对应的第二衍射光栅结构121方向从所述第一波导基片101被耦合出并从所述第二衍射光栅结构121的耦入区域进入所述第二波导基片102内并经全内反射后从所述第二衍射光栅结构121的耦出区域耦出第二投影图像至所述成像装置；然后，分别基于所述第一投影图像的所述定位图案103和所述第二投影图像的所述定位图案103之间的偏移量，调整所述第一波导基片101和所述第二波导基片102之间的相对位置关系；接着，响应于所述偏移量满足预设阈值范围，叠置所述第二波导基片102于所述第一波导基片101。优选地，至少三个非位于同一直线上的第一衍射光栅结构111相对于所述第一波导基片101设定的中心沿着所述第一波导基片101设定的周向均匀地分布。

在该示例中，在具体实施中，可以将所述投影仪、所述第一波导基片101和所述成像装置固定在预设位置，所述第二波导基片102可调整地安装于所述第一波导基片101的侧部，以通过调整所述第二波导基片102的位姿(包括位置和姿势)来改变其与所述第一波导基片101之间的相对位置关系。例如，所述第二波导基片102可通过夹持或吸取的方式固定于调整平台，其中，所述调整平台适于在六个自由度方向(分别为X,Y，Z，绕X/Y/Z轴旋转)上对所述第二波导基片102的位姿进行调整。当然，可采用其他方式调整所述第一波导基片101和所述第二波导基片102之间的相对位置关系，对此，并不为本申请所局限。例如，可将所述第二波导基片102固定于预设位置而选择调整所述第一波导基片101的位姿；或者，同时调整所述第一波导基片101和所述第二波导基片102的位姿，对此，并不为本申请所局限。

进一步地，通过所述投影仪投射具有定位图案103的投影图像于所述第一波导基片101。在该示例中，所述投影仪投射的投影图像包括能够用于表征所述投影图像方向和位置的定位图案103，例如，十字图案(如图8所示)、点阵图案、棋盘格图案等。

应可以理解，当所述第一波导基片101的第一衍射光栅结构111与所述第二波导基片102的与所述第一衍射光栅结构111对应的第二衍射光栅结构121存在角度差时(如图3所示)，从所述第一波导基片101耦出的光线和从所述第二波导基片102耦出的光线之间会成角度地出射，也就是说，第一投射图像和所述第二投射图像之间存在偏移，其效果如图9所示。如图9所示，所述成像装置所生成的图像中包括两个十字图案。相应地，通过测量两个十字图案之间的偏移量，便能够获得所述第二波导基片102与第一波导基片101之间所需要的调整量。

具体地，在该示例中，需要测量的偏移量包括两个十字图案之间的偏移的距离和偏移的方向，以确定所述第二波导基片102与第一波导基片101之间所需要调整的角度大小和调整方向。这样，通过循环测量→计算→调整→测量→计算→调整→测量的方式，不断实时地调整所述第一波导基片101与所述第二波导基片102之间的相对位置关系，直至基于所述成像装置采集的图像所计算的偏移量满足预设阈值范围。也就是，当所述偏移量满足预设阈值范围时，所述第一波导基片101和所述第二波导基片102之间的叠置位置关系被确定。

在步骤S150中，分割所述光学结构拼版结构110，以获得多个适用于近眼显示设备的光学结构10。对所述光学结构拼版结构110进行切割的方式有多种，优选地，采用激光切割的方案。

应可以理解，按照不同的布设所述黏着剂13的方式，可以有不同的切割路线。例如，在如图6所示意的切割方式中，分割后所述黏着剂13的外边缘邻近于所述第一光波导11或所述第二光波导12的边缘处。再如，在如图7所示的切割方式中，在切割时切穿所述黏着剂13，使得所述光学结构10中留下的所述黏着剂13的宽度在1mm-2mm。值得一提的是，由于实际布设所述黏着剂13时，无法做到确保所述黏着剂13的边缘绝对光滑，如图7所示意的切割方案可以使得最终的所述光学结构10中的所述第一光波导11和所述第二光波导12的边缘与所述黏着剂13的边缘齐平，也更有利于后续的涂黑处理。

在执行切割工艺时，可沿着用于定位黏着剂13布设位置的所述部分第一基准点112所设定的参考线分割所述光学结构拼版结构110。也就是，在本申请实施例中，分割所述光学结构拼版结构110，以获得多个适用于近眼显示设备的光学结构10，包括：沿着用于定位黏着剂13布设位置的所述部分第一基准点112所设定的参考线分割所述光学结构拼版结构110。

特别地，当用于定位黏着剂13布设位置的所述部分第一基准点112所设定的参考线位于所述黏着剂13的内边缘与外边缘之间，便能够实现如图7所示意的切割方案。当用于定位黏着剂13布设位置的所述部分第一基准点112所设定的参考线位于所述黏着剂13的外边缘的外侧，便能够实现如图6所示意的切割方案。

进一步地，在通过分割所述光学结构拼版结构110获得多个所述光学结构10后，进一步在所述第一光波导11的侧部和/或所述第二光波导12的侧部布设遮光层14(图中未示意)。在本申请一具体示例中，可以在所述第一光波导11和所述第二光波导12的侧部进行涂黑处理，以形成所述遮光层14来避免外界光线从侧边进入第一光波导11和所述第二光波导12的内部而形成杂散光影响视觉体验，其中，涂黑处理可以采用喷墨方式或者涂墨方式。

值得一提的是，通常油墨喷涂越宽则厚度越高，而较高的厚度容易引起喷油墨表面不均匀，而且较高的油墨层厚度也不利于所述光学结构10的装配。优选地，在本申请实施例中，可采用多次喷涂的方式形成所述遮光层，以使得所述遮光层具有较大宽度的同时也具有较小的厚度。

进一步地，所述光学结构10的制备过程，还可以包括在所述光学结构10的侧部设置边框，以保护所述光学结构10避免其在安装于模组或穿戴设备时被磕碰或划伤。

综上，基于本申请实施例的适用于近眼显示设备的光学结构10的晶圆级别的制备过程被阐明，其能够批量化地制得所述光学结构10，制备效率高，适用于由多层光波导构成的光学结构10的大批量生产。并且，由晶圆级别的制备方法制的所述光学结构10具有较高的配合精度和可靠性。

示意性近眼显示设备

根据本申请的又一方面，还提供一种近眼显示设备。图10图示了根据本申请实施例的近眼显示设备的示意图，如图10所示，所述近眼显示设备100，包括投影仪和如上所述的光学结构10，其中，所述投影仪投射投影图像于所述光学结构10，所述光学结构10对所述投影图像进行扩瞳，以供观看者观看，获得增强显示的视觉体验。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (22)

1.一种适用于近眼显示设备的光学结构的晶圆级别的制备方法，其特征在于，包括：

提供一第一波导基片，所述第一波导基片具有按照预设周期排布的多个第一衍射光栅结构和用于定位的多个第一基准点；

基于所述第一基准点和所述第一衍射光栅结构的周期分布规律，在所述第一波导基片的表面上布设黏着剂；以及

提供一第二波导基片，所述第二波导基片具有与所述第一波导基片相同的周期排布的多个第二衍射光栅结构和用于定位的多个第二基准点；

对齐地叠置所述第二波导基片于所述第一波导基片以形成光学结构拼版结构，其中，在所述光学结构拼版结构中，所述第一波导基片与所述第二波导基片具有预设间隙，该间隙的范围为40μm-60μm，所述第一波导基片的多个第一衍射光栅结构分别对应于所述第二波导基片的多个第二衍射光栅结构；以及

分割所述光学结构拼版结构，以获得多个适用于近眼显示设备的光学结构。

2.根据权利要求1所述的晶圆级别的制备方法，其中，所述多个第一基准点中包括用于定位黏着剂布设位置的部分第一基准点；

其中，基于所述第一基准点和所述第一衍射光栅结构的周期分布规律，在所述第一波导基片的表面上布设黏着剂，包括：基于用于定位黏着剂布设位置的所述部分第一基准点和所述第一衍射光栅结构的周期分布规律，在所述第一波导基片的表面上布设黏着剂。

3.根据权利要求2所述的晶圆级别的制备方法，其中，所述多个第一基准点中包括用于定位所述第二波导基片的叠置位置的另一部分第一基准点；

其中，对齐地叠置所述第二波导基片于所述第一波导基片以形成光学结构拼版结构，包括：基于所述另一部分第一基准点与所述第二基准点之间的对齐，叠置所述第二波导基片于所述第一波导基片以形成光学结构拼版结构。

4.根据权利要求3所述的晶圆级别的制备方法，其中，所述另一部分第一基准点沿着所述第一波导基片的周缘均匀地分布。

5.根据权利要求2所述的晶圆级别的制备方法，其中，对齐地叠置所述第二波导基片于所述第一波导基片以形成光学结构拼版结构，包括：

分别通过投影仪投射具有定位图案的投影图像于所述第一波导基片的至少三个非位于同一直线上的第一衍射光栅结构，其中，所述投影图像的部分光自所述第一衍射光栅结构的耦入区域进入所述第一波导基片内并经全内反射后从所述第一衍射光栅结构的耦出区域耦出第一投影图像至成像装置；所述投影图像的另一部分光朝向所述第二波导基片的对应的第二衍射光栅结构方向从所述第一波导基片被耦合出并从所述第二衍射光栅结构的耦入区域进入所述第二波导基片内并经全内反射后从所述第二衍射光栅结构的耦出区域耦出第二投影图像至所述成像装置；

分别基于所述第一投影图像的所述定位图案和所述第二投影图像的所述定位图案之间的偏移量，调整所述第一波导基片和所述第二波导基片之间的相对位置关系；以及

响应于所述偏移量满足预设阈值范围，叠置所述第二波导基片于所述第一波导基片。

6.根据权利要求5所述的晶圆级别的制备方法，其中，至少三个非位于同一直线上的第一衍射光栅结构相对于所述第一波导基片设定的中心沿着所述第一波导基片设定的周向均匀地分布。

7.根据权利要求2所述的晶圆级别的制备方法，其中，分割所述光学结构拼版结构，以获得多个适用于近眼显示设备的光学结构，包括：沿着用于定位黏着剂布设位置的所述部分第一基准点所设定的参考线分割所述光学结构拼版结构。

8.根据权利要求7所述的晶圆级别的制备方法，其中，用于定位黏着剂布设位置的所述部分第一基准点所设定的参考线位于所述黏着剂的内边缘与外边缘之间。

9.根据权利要求7所述的晶圆级别的制备方法，其中，用于定位黏着剂布设位置的所述部分第一基准点所设定的参考线位于所述黏着剂的外边缘的外侧。

10.根据权利要求1所述的晶圆级别的制备方法，其中，所述黏着剂的厚度尺寸范围为40μm-60μm，其宽度尺寸范围为1mm-3mm。

11.根据权利要求10所述的晶圆级别的制备方法，其中，所述黏着剂具有非封闭形状。

12.根据权利要求11所述的晶圆级别的制备方法，其中，所述黏着剂的形状为具有至少一缺口的环形。

13.根据权利要求10所述的晶圆级别的制备方法，其中，所述黏着剂包括嵌入其内且均匀分布的多个颗粒，所述颗粒的直径范围小于或等于所述第一波导基片与所述第二波导基片之间的间隙大小。

14.根据权利要求13所述的晶圆级别的制备方法，其中，所述颗粒的直径范围为40μm-60μm。

15.根据权利要求1所述的晶圆级别的制备方法，其中，所述第一衍射光栅结构为表面浮雕光栅结构或体全息光栅结构。

16.一种适用于近眼显示设备的光学结构，其特征在于，包括：

具有第一衍射光栅结构的第一光波导；

具有第二衍射光栅结构的第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导相对于由投影仪朝向所述第一光波导的投射方向彼此错开且两者之间具有预设间隙；以及

设置于所述第一光波导和所述第二光波导之间的黏着剂，其中，所述第一光波导与所述第二光波导之间的间隙范围为40μm-60μm。

17.根据权利要求16所述的光学结构，其中，所述黏着剂的厚度尺寸范围为40μm-60μm，其宽度尺寸范围为1mm-3mm。

18.根据权利要求17所述的光学结构，其中，所述黏着剂包括嵌入其内且均匀分布的多个颗粒，所述颗粒的直径范围小于或等于所述第一光波导与所述第二光波导之间的间隙。

19.根据权利要求18所述的光学结构，其中，所述颗粒的直径范围为40μm-60μm。

20.根据权利要求16所述的光学结构，进一步包括设置于所述第一光波导的侧部和/或所述第二光波导的侧部的遮光层。

21.根据权利要求16所述的光学结构，其中，所述第一光波导与所述第二光波导之间的平行度小于等于4′。

22.一种近眼显示设备，其特征在于，包括：

权利要求16-21任一所述的光学结构；以及

投影仪，被配置为投射投影图像至所述光学结构。

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