光波导装置及其制备方法、显示设备与流程

1.本发明属于光学显示技术领域，具体涉及一种光波导装置及其制备方法，还涉及包含所述光波导装置的显示设备。


背景技术：

2.在增强现实(augmented reality，ar)、混合现实(mixed reality，mr)领域，相比bird bath(bb，半反半透式)、虫眼(离轴反射式)、自由曲面棱镜等显示方案，光波导方案更轻薄、眼盒更大，因此有更广阔的应用前景。在光波导方案中，相比使用部分透反膜的阵列光波导，衍射光波导生产制备工艺难度更低，在实现二维扩瞳时不存在栅格状暗条纹，因此更受关注。目前，衍射光波导主要有基于一维光栅的光波导方案和基于二维光栅的光波导方案。
3.为了保证衍射微结构对宽光谱和大入射角范围内的光都具有较高且相近的衍射效率，中国专利cn107690599b提供了一种光学显示装置，通过对衍射微结构加工中产生的残留层的厚度进行调控，从而实现薄膜干涉，使得所期望的光线得到相干增强，以实现跨视场和跨光谱的衍射效率平坦化。中国专利cn107690599b提供技术方案存在以下不足：
4.(1)、可调节变量有限，效果较差：残留层的折射率与衍射微结构相同，仅有残留层的厚度为可调变量，难以对宽光谱和大角度范围内入射的光的衍射效率起到平坦化。
5.(2)、对加工精度敏感：残留层的厚度是该方案中平坦化衍射效率的重要控制因素，残留层厚度的改变(例如与设计值偏离几十纳米)会严重影响光线薄膜干涉的结果，导致无法达到衍射效率平坦化的目的，因此该方案对衍射微结构区域内的残留层的绝对厚度分布有极高的要求，然而，现有的加工工艺难以保证如此严格的精度要求，因此，该方案可操作性较低。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明提供一种能够更加容易实现衍射效率平坦化的光波导装置及其制备方法和显示设备。
7.为了达到以上目的，本发明采用了如下的技术方案：
8.一种光波导装置，其包括：
9.波导基板；
10.位于所述波导基板上的第一膜层组，所述第一膜层组包括一层以上叠层设置的光学薄膜层；
11.位于所述第一膜层组上的微结构残留层；
12.位于所述微结构残留层上的衍射微结构；其中，
13.根据所述微结构残留层的光学特性参数，确定所述第一膜层组中各个光学薄膜层的光学特性参数并构造形成相应的所述第一膜层组，使得由所述第一膜层组和所述微结构残留层组成的第二膜层组被设置为对特定角度范围内入射的光和特定波长范围内的光起
到增反或增透的作用，从而对各级次的衍射效率进行调控以实现跨视场和跨光谱的衍射效率平坦化。
14.优选的方案中，所述光学特性参数包括厚度和/或折射率。
15.优选的方案中，通过对以下式(1)进行最小值求解，确定所述第一膜层组中各个光学薄膜层的光学特性参数；
16.式(1)：
17.所述式(1)中，h和n分别为所述第二膜层组中各个光学薄膜层的厚度和折射率，所述微结构残留层作为其中一个光学薄膜层且厚度和折射率为已知条件；λi和θj分别为需要考虑的光波长和入射角；diff(h，n，λi，θj)为在具有所述第二膜层组的条件下对特定入射光线的衍射效率；d
tar
为目标衍射效率；m和p分别为正整数。
18.优选的方案中，所述第一膜层组中，各个光学薄膜层的厚度设定在1nm～2000nm的范围内，各个光学薄膜层的折射率设定在1～2.4的范围内。
19.优选的方案中，所述微结构残留层是加工形成所述衍射微结构时伴随产生的匀质薄膜层，所述微结构残留层的材质和折射率与所述衍射微结构相同；所述微结构残留层的厚度参数是基于选定的衍射微结构的加工形成工艺通过多次实验确定获取。
20.优选的方案中，所述微结构残留层的厚度参数为所述微结构残留层的最小厚度值和最大厚度值。
21.优选的方案中，所述微结构残留层的厚度参数为所述微结构残留层的离散采样厚度值。
22.优选的方案中，所述第一膜层组包括2～5叠层设置的所述光学薄膜层。
23.优选的方案中，所述光学薄膜层的材料选自具有透光性质的化合物类光学镀膜材料。
24.优选的方案中，所述衍射微结构被构造形成为一维光栅或二维光栅。
25.优选的方案中，所述波导基板设置有耦入区域和耦出区域；所述波导基板的对应于所述耦入区域和/或所述耦出区域的位置上设置有所述第一膜层组、所述微结构残留层和所述衍射微结构。
26.优选的方案中，所述波导基板还设置有转折区域，所述波导基板的对应于所述耦入区域和/或所述耦出区域和/或所述转折区域的位置上设置有所述第一膜层组、所述微结构残留层和所述衍射微结构。
27.本发明的另一方面是提供了如上所述的光波导装置的制备方法，其包括：
28.基于所要制备的衍射微结构的加工工艺，确定在制备所述衍射微结构时随之产生的微结构残留层的光学特性参数；
29.根据所述微结构残留层的光学特性参数，以由第一膜层组和所述微结构残留层组成的第二膜层组能够产生特定的光学性能为条件，确定所述第一膜层组中各个光学薄膜层的光学特性参数；其中，所述第二膜层组能够产生特定的光学性能是指所述第二膜层组能够对特定角度范围内入射的光和特定波长范围内的光起到增反或增透的作用，从而对各级次的衍射效率进行调控以实现跨视场和跨光谱的衍射效率平坦化；
30.提供一波导基板，根据已确定的所述第一膜层组中各个光学薄膜层的光学特性参数，应用镀膜工艺，在所述波导基板上制备形成所述第一膜层组；
31.应用光刻蚀工艺或者纳米压印工艺，在所述第一膜层组上制备形成所述衍射微结构，在所述第一膜层组和所述衍射微结构之间形成所述微结构残留层，制备获得所述光波导装置。
32.进一步地，本发明还提供一种显示设备，其包括如上所述的光波导装置。
33.本发明实施例提供的光波导装置及其制备方法和显示设备，在波导基板和微结构残留层之间增加设置第一膜层组，并且第一膜层组是基于微结构残留层的光学特性参数进行相应的构造，使得由第一膜层组和微结构残留层组成的第二膜层组能够对各级次的衍射效率进行调控，实现跨视场和跨光谱的衍射效率平坦化。通过增加第一膜层组对衍射效率平坦化进行调节，可调节参数较多，设计自由度丰富，有利于实现衍射效率平坦化，并且本发明的方案中微结构残留层的厚度波动不敏感，易于加工和实现。
附图说明
34.图1是本发明实施例中的光波导装置的结构示意图；
35.图2是本发明实施例1中的衍射效率测试结果图示；
36.图3是本发明对比例1中的衍射效率测试结果图示。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
38.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
39.需说明的是，当部件被称为“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。
40.还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
41.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
42.本发明实施例首先提供一种光波导装置，参阅图1，所述光波导装置100主要包括波导基板10、第一膜层组20、微结构残留层30和衍射微结构40。
43.具体地，所述第一膜层组20位于所述波导基板10上，所述微结构残留层30位于所
述第一膜层组20上，所述衍射微结构40位于所述微结构残留层30上。所述第一膜层组20包括一层以上叠层设置的光学薄膜层21，如图1中示出了由两层叠层设置的光学薄膜层21组成第一膜层组20。进一步地，所述光波导装置100中，所述第一膜层组20和所述微结构残留层30组成第二膜层组50。
44.所述波导基板10可以是由玻璃、树脂等透明材质制作而成的平行平板，能够将满足特定条件的光线约束在其中，并通过全反射传输。
45.所述第一膜层组20中的各个光学薄膜层21的材料可以是常用的具有透光性质的化合物类光学镀膜材料。具体地，可以是氧化物类光学镀膜材料，例如氧化铝、氧化铈、氧化铟锡、氧化镁、一氧化硅、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化锆等；也可以是氟化物类光学镀膜材料，例如氟化铝、氟化镁、氟化钙、氟化镱、氟化钇等。
46.所述微结构残留层30是加工形成所述衍射微结构40时伴随产生的匀质薄膜层，所述微结构残留层30的材质和折射率与所述衍射微结构40相同，具体的材料可以是本领域中常见的用于形成衍射微结构的各种材料。
47.具体的方案中，所述衍射微结构40被构造形成为一维光栅或二维光栅，可以是直槽光栅、闪耀光栅、倾斜光栅等，所述衍射微结构40也可以是被构造形成为超表面，能够将光耦合进入所述波导基板10传输或者是将光从所述波导基板10耦出至空气的结构均可。
48.本发明实施例中的光波导装置100，根据所述微结构残留层30的光学特性参数，确定所述第一膜层组20中各个光学薄膜层21的光学特性参数并构造形成相应的所述第一膜层组20，使得由所述第一膜层组20和所述微结构残留层30组成的第二膜层组50被设置为对特定角度范围内入射的光和特定波长范围内的光起到增返或增透的作用，从而对各级次的衍射效率进行调控以实现跨视场和跨光谱的衍射效率平坦化。通过增加第一膜层组20对衍射效率平坦化进行调节，可调节参数较多，设计自由度丰富，有利于实现衍射效率平坦化，并且本发明的方案中微结构残留层的厚度波动不敏感，易于加工和实现。
49.本发明实施例还提供了如上所述的光波导装置100的制备方法，该制备方法包括以下的工艺过程：
50.(1)基于所要制备的衍射微结构40的加工工艺，确定在制备所述衍射微结构40时随之产生的微结构残留层30的光学特性参数。
51.(2)根据所述微结构残留层30的光学特性参数，以由第一膜层组20和所述微结构残留层30组成的第二膜层组50能够产生特定的光学性能为条件，确定所述第一膜层组20中各个光学薄膜层21的光学特性参数；其中，所述第二膜层组50能够产生特定的光学性能是指所述第二膜层组50能够对特定角度范围内入射的光和特定波长范围内的光起到增反或增透的作用，从而对各级次的衍射效率进行调控以实现跨视场和跨光谱的衍射效率平坦化。
52.(3)提供一波导基板10，根据已确定的所述第一膜层组20中各个光学薄膜层21的光学特性参数，应用镀膜工艺，在所述波导基板10上制备形成所述第一膜层组20。
53.(4)应用光刻蚀工艺或者纳米压印工艺，在所述第一膜层组20上制备形成所述衍射微结构40，在所述第一膜层组20和所述衍射微结构40之间形成所述微结构残留层30，制备获得所述光波导装置100。
54.其中，第一膜层组20中的各个光学薄膜层21可以采用常见的光学膜层工艺直接制
备在波导基板10的表面上。本发明的光波导装置100中，第一膜层组20是位于波导基板10和微结构残留层30之间，即，在制备工艺中，先制备形成第一膜层组20，然后再制备形成微结构残留层30和衍射微结构40，因此，第一膜层组20的制备工艺能有效避免镀膜过程、镀膜环境或镀膜材料对衍射微结构的影响和破坏，不会影响衍射微结构的深度，在可操作前提下，只需要保证膜层平整度和厚度即可，结果更容易管控。
55.优选的方案中，所述光学特性参数包括厚度和/或折射率。
56.优选的方案中，通过对以下式(1)进行最小值求解，确定所述第一膜层组20中各个光学薄膜层21的光学特性参数。
57.式(1)：
58.所述式(1)中，h和n分别为所述第二膜层组50中各个光学薄膜层的厚度和折射率，两均为向量，向量维度即膜层数可由根据经验或实际情况确定；所述微结构残留层30作为其中一个光学薄膜层且厚度和折射率为已知条件，所述微结构残留层30的厚度参数可以是基于选定的衍射微结构40的加工形成工艺通过多次实验确定获取；λi和θj分别为需要考虑的光波长和入射角；diff(h，n，λi，θj)为在具有所述第二膜层组50的条件下对特定入射光线的衍射效率；d
tar
为目标衍射效率；m和p分别为正整数。
59.其中，可以采用常用的优化方法对上述式(1)进行求解，例如遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
60.在优选的方案中，所述第一膜层组20中，各个光学薄膜层21的厚度在1nm～2000nm范围内选取，优选设置在50nm～2000nm的范围内，更为优选是设置在50nm～1500nm的范围内。各个光学薄膜层21的折射率在1～2.4范围内选取。
61.在优选的方案中，由衍射微结构40的加工工艺确定微结构残留层30的厚度范围，将厚度范围的最大值和最小值分别作为微结构残留层30的厚度参数，并对第一膜层组20进行优化设计，使得当微结构残留层30的厚度分别为最大值和最小值时，由设计所得第一膜层组20和微结构残留层30共同构成的第二膜层组50对特定光线的衍射效率均能满足设计要求，由此，即使微结构残留层30的厚度在加工厚度范围内波动，微结构残留层30和第一膜层组20共同构成的第二膜层组50的衍射特性依然是固定的，因此对微结构残留层30的厚度的加工精度要求不高，易于加工和实现。
62.在另外的一些实施例中，也可以对微结构残留层30的厚度进行离散采样，如按照正态分布进行采样或均匀采样，利用多个采样厚度值作为微结构残留层30的厚度参数对第一膜层组20进行优化设计，由设计所得第一膜层组20和微结构残留层30共同构成的第二膜层组50对特定光线的衍射效率均能满足设计要求。
63.在优选的方案中，综合考虑可调节参数和产品厚度的因素，所述第一膜层组20中光学薄膜层21的层数优选设置为2～10层，更为优选是设置为2～5层。
64.具体的方案中，所述波导基板10设置有耦入区域和耦出区域；所述波导基板10的对应于所述耦入区域和/或所述耦出区域的位置上设置有所述第一膜层组20、所述微结构残留层30和所述衍射微结构40。进一步地，所述波导基板10还可以设置有转折区域，此时，所述波导基板10的对应于所述耦入区域和/或所述耦出区域和/或所述转折区域的位置上
可以设置有所述第一膜层组20、所述微结构残留层30和所述衍射微结构40。
65.进一步地，本发明实施例还提供一种显示设备，所述显示设备例如是增强现实(ar)显示设备或混合现实(mr)显示设备。所述显示设备包括投像装置和本发明如上实施例提供的光波导装置100，所述投像装置用于产生图像光线(携带图像信息的光线)，所述图像光线由耦入区域耦入至波导基板中，经由波导基板传输至耦出区域，在耦出区域耦出波导基板，传输到达人眼，使得人眼能够观察到相应的图像信息。
66.本发明实施例还进行了如下的仿真测试：
67.实施例1：基于本发明实施例所述的光波导装置，制备如图1所示的光波导装置100，波导基板10上设置有第一膜层组20、微结构残留层30和衍射微结构40。其中，第一膜层组20由两层叠层设置的光学薄膜层21组成，自上而下的第一层光学薄膜层21的折射率为1.81且厚度为100nm，第二层光学薄膜层21的折射率为1.70且厚度为100nm。微结构残留层30和衍射微结构40的折射率均为1.91，衍射微结构40构造形成为一维光栅直槽光栅，光栅周期372nm，脊宽167nm，槽深226nm。微结构残留层30设定了三种厚度，分别是120nm、450nm和780nm。对以上制备获得的不同微结构残留层30厚度对应的三种光波导装置的样品进行测试，测试所得样品的衍射微结构对不同光线入射角的衍射效率，测试结果如图2所示。需要说明的是，具体实施例中不对材料做具体限制，具有上述折射率的材质均能实现同样的效果。
68.对比例1：对比例1与实施例1的区别在于，光波导装置100的结构中省略了第一膜层组20，即微结构残留层30是直接连接于波导基板10的表面上。对比例1的其余结构以及相应的光学特性参数与实施例1的完成相同，因此不再赘述。对对比例1制备获得的不同微结构残留层30厚度对应的三种光波导装置的样品进行测试，测试所得样品的衍射微结构对不同光线入射角的衍射效率，测试结果如图3所示。
69.对比图2和图3的衍射效率结果可知：实施例1的方案，通过在波导基板10和微结构残留层30之间增加设置第一膜层组20，衍射微结构40对于光线衍射效率平坦化受微结构残留层30的厚度波动的影响明显小于对比例1的方案。
70.综上所述，本发明实施例提供的光波导装置及其制备方法和显示设备，通过在波导基板和微结构残留层之间增加设置第一膜层组，能够实现跨视场和跨光谱的衍射效率平坦化，并且可调节参数较多，设计自由度丰富，平坦化的效果对微结构残留层的厚度波动不敏感，易于加工和实现。
71.虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

技术特征：
1.一种光波导装置，其特征在于，包括：波导基板；位于所述波导基板上的第一膜层组，所述第一膜层组包括一层以上叠层设置的光学薄膜层；位于所述第一膜层组上的微结构残留层；位于所述微结构残留层上的衍射微结构；其中，根据所述微结构残留层的光学特性参数，确定所述第一膜层组中各个光学薄膜层的光学特性参数并构造形成相应的所述第一膜层组，使得由所述第一膜层组和所述微结构残留层组成的第二膜层组被设置为对特定角度范围内入射的光和特定波长范围内的光起到增反或增透的作用，从而对各级次的衍射效率进行调控以实现跨视场和跨光谱的衍射效率平坦化。2.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述光学特性参数包括厚度和/或折射率。3.根据权利要求2所述的光波导装置，其特征在于，通过对以下式(1)进行最小值求解，确定所述第一膜层组中各个光学薄膜层的光学特性参数；式(1)：所述式(1)中，h和n分别为所述第二膜层组中各个光学薄膜层的厚度和折射率，所述微结构残留层作为其中一个光学薄膜层且厚度和折射率为已知条件；λ
i
和θ
j
分别为需要考虑的光波长和入射角；diff(h，n，λ
i
，θ
j
)为在具有所述第二膜层组的条件下对特定入射光线的衍射效率；d
tar
为目标衍射效率；m和p分别为正整数。4.根据权利要求3所述的光波导装置，其特征在于，所述第一膜层组中，各个光学薄膜层的厚度设定在1nm～2000nm的范围内，各个光学薄膜层的折射率设定在1～2.4的范围内。5.根据权利要求3所述的光波导装置，其特征在于，所述微结构残留层是加工形成所述衍射微结构时伴随产生的匀质薄膜层，所述微结构残留层的材质和折射率与所述衍射微结构相同；所述微结构残留层的厚度参数是基于选定的衍射微结构的加工形成工艺通过多次实验确定获取。6.根据权利要求5所述的光波导装置，其特征在于，所述微结构残留层的厚度参数为所述微结构残留层的最小厚度值和最大厚度值。7.根据权利要求5所述的光波导装置，其特征在于，所述微结构残留层的厚度参数为所述微结构残留层的离散采样厚度值。8.根据权利要求3所述的光波导装置，其特征在于，所述第一膜层组包括2～5层叠层设置的所述光学薄膜层。9.根据权利要求3所述的光波导装置，其特征在于，所述光学薄膜层的材料选自具有透光性质的化合物类光学镀膜材料。10.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述衍射微结构被构造形成为一维光栅或二维光栅。11.根据权利要求1-10任一项所述的光波导装置，其特征在于，所述波导基板设置有耦
入区域和耦出区域；所述波导基板的对应于所述耦入区域和/或所述耦出区域的位置上设置有所述第一膜层组、所述微结构残留层和所述衍射微结构。12.根据权利要求11所述的光波导装置，其特征在于，所述波导基板还设置有转折区域，所述波导基板的对应于所述耦入区域和/或所述耦出区域和/或所述转折区域的位置上设置有所述第一膜层组、所述微结构残留层和所述衍射微结构。13.一种如权利要求1-12任一项所述的光波导装置的制备方法，其特征在于，包括：基于所要制备的衍射微结构的加工工艺，确定在制备所述衍射微结构时随之产生的微结构残留层的光学特性参数；根据所述微结构残留层的光学特性参数，以由第一膜层组和所述微结构残留层组成的第二膜层组能够产生特定的光学性能为条件，确定所述第一膜层组中各个光学薄膜层的光学特性参数；其中，所述第二膜层组能够产生特定的光学性能是指所述第二膜层组能够对特定角度范围内入射的光和特定波长范围内的光起到增反或增透的作用，从而对各级次的衍射效率进行调控以实现跨视场和跨光谱的衍射效率平坦化；提供一波导基板，根据已确定的所述第一膜层组中各个光学薄膜层的光学特性参数，应用镀膜工艺，在所述波导基板上制备形成所述第一膜层组；应用光刻蚀工艺或者纳米压印工艺，在所述第一膜层组上制备形成所述衍射微结构，在所述第一膜层组和所述衍射微结构之间形成所述微结构残留层，制备获得所述光波导装置。14.一种显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-12中任一项所述的光波导装置。

技术总结
本发明公开一种光波导装置，包括：波导基板；位于波导基板上的包括一层以上叠层设置的光学薄膜层的第一膜层组；位于第一膜层组上的微结构残留层；位于微结构残留层上的衍射微结构；其中，根据微结构残留层的光学特性参数，确定第一膜层组中各个光学薄膜层的光学特性参数，使得由第一膜层组和微结构残留层组成的第二膜层组能够对各级次的衍射效率进行调控以实现跨视场和跨光谱的衍射效率平坦化。本发明还公开了如上所述的光波导装置的制备方法以及包含如上光波导装置的显示设备。本发明的技术方案中，通过增加第一膜层组对衍射效率平坦化进行调节，可调节参数较多，设计自由度丰富，并且微结构残留层的厚度波动不敏感，易于加工和实现。和实现。和实现。


技术研发人员：兰富洋 关健 邵陈荻 周兴
受保护的技术使用者：珠海莫界科技有限公司
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/8/14