光波导器件、显示设备以及制造光波导器件的方法与流程

本发明涉及基于衍射光波导的显示技术；具体地，涉及光波导器件、具有光波导器件的显示设备以及制造光波导器件的方法。

背景技术：

1、ar（增强现实）眼镜逐渐进入消费市场。用于实现ar眼镜的主流方案为衍射光波导，其中采用结合有光栅耦合器的光波导器件。具体而言，衍射光波导采用耦入光栅作为输入元件，用于将载有图像信息的入射光耦入波导基底中并使之在波导中通过全反射传播。衍射光波导还包括用作输出元件的耦出光栅，有的情况下还进一步包括转折光栅。转折光栅用于至少在一个维度上进行扩瞳并使光发生偏折以向耦出光栅传播。耦出光栅则一方面用于扩瞳，另一方面将光从波导基底中耦出，形成耦出光场。眼睛接收耦出光场的光，从而可以观察到入射光所载图像。

2、随着应用的日益广泛，人们对ar眼镜的透/反射率和光栅可见性等方面提出了越来越高的需求，期望ar眼镜在形态上更接近普通眼镜。为此，对于用于ar显示的衍射光波导，人们尝试通过对衍射波导的非光栅区域以及转折/耦出光栅区域镀膜来提升透过率和降低反射率。然而，现有的镀膜结构的设计灵活性差，难以兼顾对光波导器件/衍射光波导的透/反射率和光栅衍射效率的需求，而且存在整体衍射效率低以及光栅的不同子区域之间的衍射效率调控能力不足的技术瓶颈。此外，有些现有的镀膜结构的加工工艺复杂，成本高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种光波导器件、具有光波导器件的显示设备以及一种制造光波导器件的方法，以至少部分地克服现有技术中的问题。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种光波导器件，其包括：

3、波导基底，所述波导基底的一个主表面包括光栅区域和非光栅区域；

4、光栅本体，其设置在所述光栅区域中，并且具有顶部、底部和连接在顶部和底部之间的侧壁；和

5、光学镀膜，其覆盖所述非光栅区域的至少一部分区域和所述光栅本体，用于降低对外部光的反射，

6、其中，所述光学镀膜包括第一镀膜和覆盖在所述第一镀膜上的第二镀膜，所述第一镀膜的有效折射率ne1和第二镀膜的有效折射率ne2均低于所述光栅本体的折射率；

7、在所述非光栅区域的所述至少一部分区域中，所述第二镀膜与所述第一镀膜彼此重叠；并且

8、在所述光栅本体上，所述第一镀膜仅覆盖所述顶部，所述第二镀膜至少覆盖所述顶部和底部。

9、有利地，所述第一镀膜的有效折射率ne1在1.3-2的范围内，所述第二镀膜的有效折射率ne2在1.3-2的范围内。

10、有利地，所述第一镀膜在所述光栅本体的顶部上的厚度h1和所述第二镀膜在所述光栅本体的顶部上的厚度h2满足：50nm≤h1+h2≤120nm，且20nm≤h2≤100nm。

11、有利地，15nm≤h1≤70nm。

12、有利地，所述第一镀膜的每一材料的折射率在1.3-1.7的范围内，所述第二镀膜的每一材料的折射率在1.3-2的范围内；并且所述第一镀膜在所述光栅本体的顶部上的厚度h1和所述第二镀膜在所述光栅本体的顶部上的厚度h2满足：60nm≤h1+h2≤120nm，15nm≤h1≤60nm，且20nm≤h2≤100nm。

13、有利地，所述第一镀膜和第二镀膜各自仅包括一个膜层。

14、有利地，所述第一镀膜包含第一材料，第二镀膜包含第二材料，所述第一材料和第二材料具有不同的折射率。

15、有利地，所述第二镀膜在所述光栅本体的顶部上的厚度h2和所述第二镀膜在所述光栅本体的底部上的厚度d2满足：d2≤h2。

16、有利地，d2≥h2/3或者d2≥15nm。

17、有利地，所述第二镀膜还覆盖所述光栅本体的侧壁，并且在所述侧壁上的平均厚度为w2，w2≤d2。

18、有利地，w2≥h2/3或者w2≥15nm。

19、有利地，所述侧壁包括彼此相反的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁与所述底部形成的第一夹角θ1大于90o，所述第二侧壁与所述底部形成的第二夹角θ2小于所述第一夹角θ1；其中优选地，所述第二镀膜在所述第一侧壁上的厚度w21和在所述第二侧壁上的厚度w22满足：w22≤w21，且h2/3≤w21≤d2≤h2。

20、有利地，所述光学镀膜中任意两个相邻且厚度不小于15nm的膜层之间的折射率差值小于0.5，优选地小于0.3。

21、有利地，所述光栅本体的顶部具有台阶形状，并且所述第一镀膜至少覆盖在所述台阶形状的最高台阶表面上。

22、有利地，所述光栅本体配置为将在所述波导基底中通过全反射沿第一方向传播的光中的一部分光以预定级次衍射以使之沿不同于所述第一方向的第二方向离开所述光栅本体，而允许另一部分光继续通过全反射沿所述第一方向传播；并且所述光栅本体至少包括具有不同光栅占空比的两个区域。

23、有利地，所述光栅本体为转折光栅或耦出光栅，并且所述光栅本体的不同区域中的光栅占空比在0.3-0.7之间变化。

24、根据本发明的另一个方面，提供了一种显示设备，其包括如上所述的光波导器件。

25、有利地，所述显示设备为近眼显示设备，并且还包括镜片和用于将所述镜片保持为靠近眼睛的框架，所述镜片包括所述光波导器件。

26、根据本发明的又一个方面，提供了一种制造光波导器件的方法，该方法包括以下步骤：

27、（1）提供波导基底；

28、（2）在所述波导基底的一个主表面上施加光栅材料，所述主表面包括第一区域和第一区域以外的第二区域；

29、（3）镀覆第一镀膜，使之覆盖所述第一区域以及覆盖所述第二区域的至少一部分，并且使得所述第一镀膜的有效折射率ne1低于所述光栅材料的折射率；

30、（4）在所述第一区域中进行刻蚀，去除所述第一镀膜以及光栅材料的部分；以及

31、（5）镀覆第二镀膜，使之覆盖所述第一区域以及所述第二区域的所述至少一部分，并且使得所述第二镀膜的有效折射率ne2低于所述光栅材料的折射率。

32、有利地，所述方法还包括：在所述步骤（2）和步骤（3）之间，在所述第一区域中进行预刻蚀，去除所述光栅材料的部分，以形成预定形状的顶部表面。

33、有利地，所述方法还包括：在所述步骤（4）和步骤（5）之间，在所述第一区域中进行补充刻蚀，去除所述光栅材料的部分或去除所述第一镀膜以及光栅材料的部分。

34、有利地，所述第一镀膜的每一材料的折射率在1.3-1.7的范围内，所述第二镀膜的每一材料的折射率在1.3-2的范围内；并且所述第一镀膜的厚度h1和所述第二镀膜的覆盖在所述第一镀膜上的部分的厚度h2满足：60nm≤h1+h2≤120nm，15nm≤h1≤60nm，且20nm≤h2≤100nm。

35、有利地，所述第一镀膜和第二镀膜各自仅包括一个膜层。

36、有利地，所述步骤（5）包括采用各向同性或各向异性工艺镀覆第二镀膜，使得第二镀膜在所述第一镀膜上的厚度h2、在所述光栅材料经刻蚀形成的底部上的厚度d2以及在所述光栅材料经刻蚀形成的侧壁上的平均厚度w2满足：h2/3≤w2≤d2≤h2。

37、有利地，所述光栅材料经刻蚀形成的侧壁包括彼此相反的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁与所述底部形成的第一夹角θ1大于90o，所述第二侧壁与所述底部形成的第二夹角θ2小于所述第一夹角θ1；其中优选地，所述步骤（5）包括采用各向同性或各向异性工艺镀覆第二镀膜，使得所述第二镀膜在所述第一镀膜上的厚度h2、在所述光栅材料经刻蚀形成的底部上的厚度d2、在所述第一侧壁上的厚度w21和在所述第二侧壁上的厚度w22满足：w22≤w21，且h2/3≤w21≤d2≤h2。

38、根据本发明实施例的光波导器件中，通过在光栅上应用差异化的多层镀膜结构，允许灵活、方便地通过多膜层、可控折射率匹配设计，在保证透反射率的情况下，大幅提升光栅的整体衍射效率，以及增强不同占空比的光栅子区域之间的衍射效率调控能力。此外，根据本发明实施例的光波导器件还有利于简化制造工艺和降低成本。

39、根据本发明实施例的显示设备同样具有上述技术优势。

40、根据本发明实施例的制造光波导器件的方法具有工艺简单、成本低的技术优势。