CN118112706A - 一种衍射光波导的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种衍射光波导的制作方法，提供一波导基底；采用刻蚀工艺在波导基底的表面形成耦入光栅结构，耦入光栅结构用于将图像光束耦入波导基底并在波导基底内传输；采用压印工艺在波导基底的表面形成耦出光栅结构，耦出光栅结构用于将波导基底内传输的图像光束从波导基底中衍射耦出；其中，耦出光栅结构被配置为：耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率适配于目标衍射效率。本发明提供的技术方案，可以在工艺复杂度增幅不大而且能够获得较佳的衍射光波导耦出效果的条件下，极大地提高衍射光波导的耦入效果。

Description

一种衍射光波导的制作方法
技术领域
本发明涉及衍射光波导领域，尤其涉及一种衍射光波导的制作方法。
背景技术
增强现实(AR)是一种将真实世界和虚拟信息相融合的技术，AR显示系统通常包括微型投影仪和光学显示屏，将微型显示器提供的虚拟内容通过光学显示屏投射到人眼中，同时，用户可以透过光学显示屏看到真实世界。光波导是光学显示屏的一种实现路径，目前市面上光波导通常被分为几何阵列波导和衍射光波导，衍射光波导又分为体全息波导和表面浮雕光栅波导，其中表面浮雕光栅波导以其极高的设计自由度和由纳米压印加工带来的可量产性，在众多方案中具有明显的优势。
然而，纳米压印工艺受限于压印胶材的折射率，难以实现兼顾不同波长、大视场角的高衍射效率，导致表面浮雕光栅光波导的图像耦入效果受限，影响整个波导的显示效果。因而，开发一种工艺简单且耦入效果好的衍射光波导，成为本领域技术人员亟待要解决的技术重点。
发明内容
本发明提供一种衍射光波导的制作方法，以解决现有纳米压印工艺制备衍射光波导时耦入效果受限的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种衍射光波导的制作方法，包括：
提供一波导基底；
采用刻蚀工艺在所述波导基底的表面形成耦入光栅结构，所述耦入光栅结构用于将图像光束耦入所述波导基底并在所述波导基底内传输；
采用压印工艺在所述波导基底的表面形成耦出光栅结构，所述耦出光栅结构用于将所述波导基底内传输的图像光束从所述波导基底中衍射耦出；
其中，所述耦出光栅结构被配置为：不同区域的光栅结构对应的衍射效率被调制，使得所述耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率适配于目标衍射效率；所述目标衍射效率表征了使得从所述耦出光栅结构耦出的所述图像光束的亮度均匀时，所述耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率。
可选的，所述采用刻蚀工艺在所述波导基底的表面形成耦入光栅结构具体包括：
在所述波导基底的表面形成一光栅材料层；
对所述光栅材料层进行刻蚀处理以在所述波导基底上形成耦入光栅结构。
可选的，所述耦入光栅结构包括若干光栅单元；所述采用刻蚀工艺在所述波导基底的表面形成耦入光栅结构后，还包括：
在所述耦入光栅结构的表面形成一金属膜层；所述金属膜层覆盖所述若干光栅单元，且填充于所述若干光栅单元之间的间隙中。
可选的，所述光栅材料层的折射率大于或等于2.4。
可选的，所述采用压印工艺在所述波导基底的表面形成耦出光栅结构具体包括：
提供一压印母版；所述压印母版包括与耦出光栅结构互补的压印结构；
在所述波导基底的表面形成一压印胶层；
将所述压印结构压印到所述压印胶层上，以在所述波导基底上形成所述耦出光栅结构；
分离所述压印母版和所述波导基底。
可选的，所述耦出光栅结构中不同区域的光栅结构对应的光栅深度和/或光栅占空比被调制，使得所述耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率适配于目标衍射效率。
可选的，所述耦出光栅结构包括若干光栅单元，所述耦出光栅结构中不同区域的光栅单元对应的形状被调制，使得所述耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率适配于目标衍射效率。
可选的，所述衍射光波导的制作方法还包括：
采用压印工艺在所述波导基底的表面形成扩瞳光栅结构；所述扩瞳光栅结构沿图像光束在所述波导基底的传播方向上，形成于所述耦入光栅结构和所述耦出光栅结构之间，用于将图像光束扩展传播至所述耦出光栅结构。
可选的，所述扩瞳光栅结构与所述耦出光栅结构通过同一所述压印母版一次压印得到。
可选的，所述波导基底具有相互平行的第一表面和第二表面；所述耦入光栅结构形成于所述第一表面，所述耦出光栅结构形成于所述第二表面。
本发明提供的一种衍射光波导的制作方法，通过刻蚀工艺制作耦入光栅结构，并通过压印工艺制作耦出光栅结构；由于压印工艺中的压印母版可重复使用且一次性压印成型，那么通过在压印母版上进行一次复杂的调制后便可用于批量生产，在制备耦出光栅结构时有较大的优势；同时由于刻蚀工艺的刻蚀材料基本不受限，因此可以选择折射率高于压印胶层折射率的材料来用作光栅材料，在制备耦入光栅结构时有较大的优势。可见，本发明提供的技术方案，巧妙的将刻蚀工艺与压印工艺相结合来制备衍射光波导，这样相较于常规的压印制备衍射光波导，在工艺复杂度增幅不大的条件下，极大地提高衍射光波导的耦入效果，而且还能够获得较佳的衍射光波导耦出效果。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种衍射光波导的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的另一种衍射光波导的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种衍射光波导的制作方法的流程示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种衍射光波导的制作方法制作的耦出光栅结构的示意图一；
图5是是本发明一实施例提供的一种衍射光波导的制作方法制作的耦出光栅结构的示意图二；
图6是本发明一实施例提供的一种衍射光波导的制作方法制作的不同工艺阶段的器件结构示意图一；
图7是本发明一实施例提供的一种衍射光波导的制作方法制作的不同工艺阶段的器件结构示意图二；
附图标记说明：
101、201-耦入光栅结构；
102、202-耦出光栅结构；
103-金属膜层。
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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)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，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
现有的光波导中，表面浮雕光栅光波导以其极高的设计自由度和由纳米压印加工带来的可量产性，在众多方案中具有明显的优势。但是，在面对消费者对于衍射光波导的彩色显示以及视场范围等越来越高的性能需求，由于纳米压印工艺受限于压印胶材的折射率(通常较高的也只有1.9左右)，难以实现兼顾不同波长、大视场角的高衍射效率，导致在这类场景下衍射光波导的耦入效果受限，影响整个衍射光波导的效果。
但是发明人发现：压印路线在制备耦出光栅结构时有较大的优势，这是由于要获得性能优异的衍射光波导，在耦出光栅结构上的性能要求包括良好的均匀性，通常是通过对耦出光栅结构进行参数(比如光栅深度或者光栅占空比等)调制来调制耦出光栅结构不同位置的衍射效率以调制均匀性。由于压印工艺中的压印母版可重复使用且一次性压印成型，那么通过在压印母版上进行一次复杂的调制后便可用于批量生产，工艺难度和成本可控。尤其是在调制光栅深度以调制均匀性的场景。而且刻蚀工艺的刻蚀材料基本不受限，因此可以选择折射率高于压印胶层折射率的材料来用作光栅材料，在制备耦入光栅结构时有较大的优势。
有鉴于此，本申请的发明人制作耦入光栅结构时采用刻蚀路线，制作需要进行调制的耦出光栅结构时采用压印路线；巧妙的将刻蚀工艺与压印工艺相结合来制备衍射光波导，这样相较于常规的压印制备衍射光波导，在工艺复杂度增幅不大的条件下，极大地提高衍射光波导的耦入效果，而且还能够获得较佳的衍射光波导耦出效果。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
请参考图1-图7，根据本发明的一实施例，提供了一种衍射光波导的制作方法，衍射光波导的制作方法的流程示意图如图3所示，该方法包括：
S11：提供一波导基底。
一种实施例中，波导基底具有相互平行的第一表面和第二表面；第一表面为波导基底靠近人眼一侧的表面；第二表面为波导基底背离人眼一侧的表面，如图1或2所示，其中箭头表示图像光束。
S12：采用刻蚀工艺在波导基底的表面形成耦入光栅结构，耦入光栅结构用于将图像光束耦入波导基底并在波导基底内传输。
一种实施例中，耦入光栅结构中包括若干光栅单元。
一种实施例中，耦入光栅结构是直齿光栅、斜齿光栅、闪耀光栅或梯形光栅；当然也可以是其他形状，只要可以实现本发明的技术效果的耦入光栅结构的形状的实现形式，均在本发明的保护范围内，本发明并不以此为限。
示例性地，如图1和2所示，耦入光栅结构101、201形成于波导基底的第一表面，工作在反射级次。在另外的实施例中，耦入光栅结构也可以形成于波导基底的第二表面，工作在透射级次。
S13：采用压印工艺在波导基底的表面形成耦出光栅结构，耦出光栅结构用于将波导基底内传输的图像光束从波导基底中衍射耦出。
其中，耦出光栅结构被配置为：不同区域的光栅结构对应的衍射效率被调制，使得耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率适配于目标衍射效率；目标衍射效率表征了使得从耦出光栅结构耦出的图像光束的亮度均匀时，耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率。
其中，刻蚀工艺制作的耦入光栅结构的折射率大于压印工艺制作的耦出光栅结构的折射率。
可选地，如图1、2所示，耦出光栅结构102、202形成于波导基底的第一表面，工作在透射级次。当然，在另外的示例中，耦出光栅结构102、202也可形成于波导基底的第二表面，工作在反射级次。
此外，如图1、2所示，不同区域的耦出光栅结构对应的光栅深度被调制，使得耦出光栅结构中不同区域对应的衍射效率适配于使得从耦出光栅结构耦出的图像光束的亮度均匀时，该区域的结构所需的衍射效率。
本发明提供的一种衍射光波导的制作方法，通过刻蚀工艺制作耦入光栅结构，并通过压印工艺制作耦出光栅结构；由于压印工艺中的压印母版可重复使用且一次性压印成型，那么通过在压印母版上进行一次复杂的调制后便可用于批量生产，在制备耦出光栅结构时有较大的优势；同时由于刻蚀工艺的刻蚀材料基本不受限，因此可以选择折射率高于压印胶层折射率的材料来用作光栅材料，在制备耦入光栅结构时有较大的优势。可见，本发明提供的技术方案，巧妙的将刻蚀工艺与压印工艺相结合来制备衍射光波导，这样相较于常规的压印制备衍射光波导，在工艺复杂度增幅不大的条件下，极大地提高衍射光波导的耦入效果，而且还能够获得较佳的衍射光波导耦出效果。
进一步地，一种实施例中，步骤S12中，采用刻蚀工艺在波导基底的表面形成耦入光栅结构具体包括：步骤S121-S122：
S121：在波导基底的表面形成一光栅材料层；
一种实施例中，光栅材料层的折射率大于或等于2。
一种实施例中，光栅材料层的折射率大于或等于2.4。
一种实施方式中，光栅材料层的折射率在2.4-2.6之间。
一种实施例中，光栅材料层选用的材料是SiC、TiO2或GaN等；当然也可以是其他材料，只要可以实现本发明的技术效果的光栅材料层的实现形式，均在本发明的保护范围内，本发明并不以此为限。
S122：对光栅材料层进行刻蚀处理以在波导基底上形成耦入光栅结构。
一种实施例中，步骤S122，对光栅材料层进行刻蚀处理以在波导基底上形成耦入光栅结构，具体包括：步骤S1221-S1222：
S1221：形成图形化的光刻胶；图形化的光刻胶形成于光栅材料层表面；
S1222：以图形化的光刻胶为掩膜刻蚀光栅材料层，并去除图形化的光刻胶，以在波导基底上形成耦入光栅结构。
一种实施例中，步骤S12，采用刻蚀工艺在波导基底的表面形成耦入光栅结构后，还包括：
在耦入光栅结构的表面形成一金属膜层；金属膜层覆盖若干光栅单元，且填充于若干光栅单元之间的间隙中。
示例性地，如图1所示，耦入光栅结构101和耦出光栅结构102均形成于波导基底的第一表面。耦入光栅结构101的表面形成有金属膜层103，用于使得耦入光栅结构101工作在反射级次，且形成耦出光栅结构102的压印胶层可覆盖在金属膜层103上更加便利于耦出光栅结构102的压印制备。
可选的，金属膜层103可与耦入光栅结构101的表面共形，也可在填充耦入光栅结构101的间隙后形成平坦的表面。
需要说明的是，耦入光栅结构101的材料与金属膜层103的材料的折射率差应当大于耦出光栅结构102的材料与空气的折射率差，且金属膜层103的材料的折射率在满足该条件的情况下越小越佳。这样才能使得刻蚀组合压印的制备产生优于常规的压印制备衍射光波导的耦入效率上的优势。
一种实施例中，步骤S13中，采用压印工艺在波导基底的表面形成耦出光栅结构，具体包括：步骤S131-步骤S134：
步骤S131：提供一压印母版；压印母版包括与耦出光栅结构互补的压印结构；
步骤S132：在波导基底的表面形成一压印胶层；具体的，压印胶层的材料是UV固化树脂或者热固化树脂等；
步骤S133：将压印结构压印到压印胶层上，以在波导基底上形成耦出光栅结构；其中，耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率适配于目标衍射效率；
步骤S134：分离压印母版和波导基底。
可实施地，在制备压印母版时，可采用刻蚀工艺制备出参数调制的压印结构，这样压印出的互补的耦出光栅结构的参数也被调制，使得耦出结构中不同区域的结构对应的衍射效率适配于目标衍射效率，可以得到高效率、均匀性佳的耦出光栅结构。其中，被调制的参数可以是光栅深度或光栅占空比等。如图1、2所示，可以看出耦出光栅结构102、202中不同区域的光栅结构对应的光栅深度被调制，当然，在另外的示例中，如图4所示，耦出光栅结构中不同区域的光栅结构对应的光栅占空比被调制。在另外的示例中，耦出光栅结构中不同区域的光栅结构对应的光栅占空比和光栅深度均被调制。
一种实施例中，耦出光栅结构可以是一维光栅结构，如图4所示；耦出光栅结构也可以是二维光栅结构，如图5所示。对于耦出光栅结构实现为二维光栅结构的场景，被调制的参数还可以是光栅单元对应的形状。
示例性地，耦出光栅结构包括若干光栅单元，耦出光栅结构中不同区域的光栅单元对应的形状被调制，使得耦出结构中不同区域的结构对应的衍射效率适配于目标衍射效率。
一种实施例中，衍射光波导的制作方法还包括：
S14：采用压印工艺在波导基底的表面形成扩瞳光栅结构；扩瞳光栅结构沿图像光束在波导基底的传播方向上，形成于耦入光栅结构101和耦出光栅结构102之间，用于将图像光束扩展传播至耦出光栅结构102。
一种实施例中，扩瞳光栅结构与耦出光栅结构102通过同一压印母版一次压印得到。
一种实施例中，扩瞳光栅结构或/和耦出光栅结构是一维光栅或二维光栅。
一种实施例中，如图6所示，当采用透明晶圆用作波导基底，在波导基底上批量形成若干耦入光栅结构101和若干耦出光栅结构102时，步骤S13，采用压印工艺在波导基底的表面形成耦出光栅结构102之后，或者步骤S14，采用压印工艺在波导基底的表面形成扩瞳光栅结构之后，还包括：
切割耦出光栅结构102与耦入光栅结构101之间的波导基底，以分离若干衍射光波导，形成的衍射光波导如图7所示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种衍射光波导的制作方法，其特征在于，包括：
提供一波导基底；
采用刻蚀工艺在所述波导基底的表面形成耦入光栅结构，所述耦入光栅结构用于将图像光束耦入所述波导基底并在所述波导基底内传输；
采用压印工艺在所述波导基底的表面形成耦出光栅结构，耦入光栅结构耦出光栅结构耦入光栅结构耦出光栅结构耦入光栅结构所述耦出光栅结构用于将所述波导基底内传输的图像光束从所述波导基底中衍射耦出；
其中，所述耦出光栅结构被配置为：耦出光栅结构不同区域的光栅结构对应的衍射效率被调制，使得所述耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率适配于目标衍射效率；所述目标衍射效率表征了使得从所述耦出光栅结构耦出的所述图像光束的亮度均匀时，所述耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率。
2.根据权利要求1所述的衍射光波导的制作方法，其特征在于，所述采用刻蚀工艺在所述波导基底的表面形成耦入光栅结构耦入光栅结构具体包括：
在所述波导基底的表面形成一光栅材料层；
对所述光栅材料层进行刻蚀处理以在所述波导基底上形成耦入光栅结构。
3.根据权利要求2所述的衍射光波导的制作方法，其特征在于，所述耦入光栅结构包括若干光栅单元；所述采用刻蚀工艺在所述波导基底的表面形成耦入光栅结构耦入光栅结构后，还包括：
在所述耦入光栅结构的表面形成一金属膜层；所述金属膜层覆盖所述若干光栅单元，且填充于所述耦入光栅结构若干光栅单元之间的间隙中。
4.根据权利要求2所述的衍射光波导的制作方法，其特征在于，所述光栅材料层的折射率大于等于2.4。
5.根据权利要求1所述的衍射光波导的制作方法，其特征在于，所述采用压印工艺在所述波导基底的表面形成耦出光栅结构耦出光栅结构具体包括：
提供一压印母版；所述压印母版包括与耦出光栅结构互补的压印结构；
在所述波导基底的表面形成一压印胶层；
将所述压印结构压印到所述压印胶层上，以在所述波导基底上形成所述耦出光栅结构；
分离所述压印母版和所述耦出光栅结构波导基底。
6.根据权利要求5所述的衍射光波导的制作方法，其特征在于，所述耦出光栅结构中不同区域的光栅结构对应的光栅深度和/或光栅占空比被调制，使得所述耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率适配于目标衍射效率。
7.根据权利要求5所述的衍射光波导的制作方法，其特征在于，所述耦出光栅结构包括若干光栅单元，所述耦出光栅结构中不同区域的光栅单元对应的形状被调制，使得所述耦出光栅结构中不同区域的结构对应的衍射效率适配于目标衍射效率。
8.根据权利要求5-7任一项所述的衍射光波导的制作方法，其特征在于，所述衍射光波导的制作方法还包括：
采用压印工艺在所述波导基底的表面形成扩瞳光栅结构；所述扩瞳光栅结构沿图像光束在所述波导基底的传播方向上，形成于所述耦入光栅结构和所述耦出光栅结构之间，用于将图像光束扩展传播至所述耦出光栅结构。
9.根据权利要求8所述的衍射光波导的制作方法，其特征在于，所述扩瞳光栅结构与所述耦出光栅结构通过同一压印母版一次压印得到。
10.根据权利要求1所述的衍射光波导的制造方法，其特征在于，所述波导基底具有相互平行的第一表面和第二表面；所述耦入光栅结构形成于所述第一表面，所述耦出光栅结构形成于所述第二表面。
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