衍射光波导、镜片和增强现实眼镜的制作方法

衍射光波导、镜片和增强现实眼镜
1.本实用新型要求2020年8月17日申请的、申请号为202021720747.1、名称为“衍射光波导、镜片和增强现实眼镜”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在在本实用新型中。
技术领域
2.本实用新型涉及光学器件技术领域，特别涉及一种衍射光波导、镜片和增强现实眼镜。


背景技术：

3.增强现实(augmented reality，ar)眼镜能在其镜片上把虚拟世界叠加在现实世界并进行互动。ar眼镜的镜片可由衍射光波导制成。然而，目前衍射光波导上衍射光栅的耦合效率较低、且具有很强的波长敏感性和入射角度敏感性，难以满足ar眼镜的需求。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的是提出一种衍射光波导，旨在提高衍射光栅的耦合效率，并降低衍射光栅的波长敏感性和入射角度敏感性。
5.为实现上述目的，本实用新型提出的衍射光波导包括：
6.透光基底；以及
7.衍射光栅，设于所述透光基底，并由高折射率材料制成，所述高折射率材料的折射率不小于2。
8.可选地，所述高折射率材料采用硬质电介质材料。
9.可选地，所述高折射率材料包括氮化硅或二氧化钛。
10.可选地，所述高折射率材料的折射率不大于3。
11.可选地，所述衍射光栅由对沉积形成在所述透光基底上的高折射率材料薄膜进行光刻成型。
12.可选地，所述衍射光栅设置为垂直光栅或倾斜光栅。
13.可选地，所述透光基底的材质采用玻璃材质。
14.本实用新型还提出一种镜片，包括衍射光波导，所述衍射光波导包括透光基底和衍射光栅，所述衍射光栅设于所述透光基底，并由高折射率材料制成，所述高折射率材料的折射率不小于2。
15.可选地，所述衍射光波导的透光基底上间隔地设置有两个所述衍射光栅，该两个衍射光栅分别作为耦入光栅和耦出光栅。
16.本实用新型还提出一种增强现实眼镜，包括镜片，所述镜片包括衍射光波导，所述衍射光波导包括透光基底和衍射光栅，所述衍射光栅设于所述透光基底，并由高折射率材料制成，所述高折射率材料的折射率不小于2。
17.本实用新型技术方案所提供的衍射光波导，其衍射光栅由折射率不小于2的高折
射率材料制成，能使得整个衍射光栅与周围空气都形成大的折射率差，从而提高衍射光栅的耦合效率，并降低衍射光栅的波长敏感性和入射角度敏感性，进而能够通过一层衍射光波导耦入红绿蓝三色的大入射角范围的光，从而提升产品的生产良率，并减小产品成本。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
19.图1为本实用新型衍射光波导一实施例的结构示意图；
20.图2为对比例的衍射光波导的一阶衍射效率图；
21.图3为本实用新型衍射光波导一实施例的一阶衍射效率图；
22.图4为本实用新型衍射光波导另一实施例的结构示意图。
23.附图标号说明：
[0024][0025][0026]
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0027]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0028]
需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0029]
另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
[0030]
本实用新型提出一种衍射光波导。
[0031]
参照图1，在本实用新型一实施例中，该衍射光波导包括：
[0032]
透光基底10；以及
[0033]
衍射光栅20，设于透光基底10，并由高折射率材料制成，所述高折射率材料的折射率不小于2。
[0034]
本实施例中，该衍射光波导通常可被制成ar眼镜的镜片，该镜片上的耦入光栅和耦出光栅均可设置成所述衍射光栅20，也即，透光基底10通常呈片状设置，且在其一外表面上间隔地设置有两个所述衍射光栅20，该两个衍射光栅20均由折射率不小于2的高折射率材料制成。不失一般性，ar眼镜通常还包括光机，光机朝向其中一个作为耦入光栅的所述衍射光栅20设置，并向耦入光栅发射图像光，图像光在耦入光栅处发生衍射并耦合进入透光基底10，之后在透光基底10内表面的全反射下传播至另一个作为耦出光栅的所述衍射光栅20处，并在耦出光栅处再次发生衍射而从透光基底10传播出来，继而进入人眼，以使得人眼能看到光机所发出的图像光所对应的图像。
[0035]
本实施例中，可选地，透光基底10的材质采用玻璃材质，玻璃材质的折射率较高，有利于实现内部光线的全反射，从而有利于将自耦入光栅进入的光搬运至耦出光栅。然本设计不限于此，于其他实施例中，透光基底10的材质还可采用其他折射率较高且在可见光波段透明的透光材质。
[0036]
本实用新型技术方案所提供的衍射光波导，其衍射光栅20由折射率不小于2的高折射率材料制成，能使得整个衍射光栅20与周围空气都形成大的折射率差，从而提高衍射光栅20的耦合效率，并降低衍射光栅20的波长敏感性和入射角度敏感性，进而能够通过一层衍射光波导耦入红绿蓝三色的大入射角范围的光，从而提升产品的生产良率，并减小产品成本。
[0037]
参照图2和图3，图2为对比例的衍射光波导的一阶衍射效率图，图3为本实用新型衍射光波导一实施例的一阶衍射效率图，二者均为相同周期下的二元矩形光栅。在对比例的衍射光波导中，其衍射光栅的折射率n1为1.7，透光基底的折射率n2为1.7，并对其衍射光栅的厚度和占空比进行优化调整，优化后所得的最佳一阶反射衍射效率见图2，其横轴为入射光波长(0.45μm至0.63μm)，竖轴为光线入射角度(-20deg.至20deg.)，也即，从图2中可以得到，0.45μm至0.63μm中任一波长的入射光以-20deg.至20deg.中任一入射角度透过对比例的衍射光波导后的一阶衍射效率。而在本实用新型一实施例的衍射光波导中，其衍射光栅20的折射率n1为2.3，透光基底10的折射率n2为1.7，同样入射光条件下，对其衍射光栅20的厚度和占空比进行优化调整，优化后所得的最佳一阶衍射效率见图3。比较图3与图2可知，本实用新型该实施例的衍射光波导相较于对比例的衍射光波导有更高的一阶衍射效率，且有更宽的入射角度带宽和波长带宽；也即，本实用新型的技术方案能提高衍射光栅20的耦合效率，并降低衍射光栅20的波长敏感性和入射角度敏感性。
[0038]
在本实施例中，进一步地，所述衍射光栅20所采用的高折射率材料为硬质电介质材料，例如但不限于氮化硅(sinx)、二氧化钛(tio2)等，相较于采用软性的有机树脂材料制成的衍射光栅20，本技术方案中的衍射光栅20一方面能更抗摩擦，有利于衍射光栅20寿命的提高，另一方面其光折射率可以达到2.0-3.0，甚至更高，并且在可见光波段吸收率几乎为零。
[0039]
进一步地，所述衍射光栅20所采用的高折射率材料为硅(si)掺杂的四氮化三硅(si3n4)材料。通过在普通si3n4里面掺杂更多的si，能实现更高折射率(n)，以满足所述衍射光栅20高折射率的需求。
[0040]
当然，由于在si3n4里面掺杂的si越多，其在可见光波段的吸收系数会越高，可以理解，高的吸收系数，会导致衍射光栅20的耦合效率降低。本实施例中衍射光栅20所采用的高折射率材料的折射率不大于3，以在实现所述衍射光栅20整体高折射率的同时，避免其在可见光波段的吸收系数过高，从而保证所述衍射光栅20能有高的耦合效率。值得注意的是，在其他试用材料里，折射率不大于3并不能成为吸收系数低的必要条件，需要光学仿真光栅耦合效率来找到折射率和吸收系数之间的最佳平衡点。
[0041]
进一步地，所述衍射光栅20由对沉积形成在透光基底10上的高折射率材料薄膜进行光刻成型。由于本实施例中所述衍射光栅20所采用的高折射率材料为硬质电介质材料，其主要通过类似半导体加工的工艺来制备：先通过薄膜沉积法在透光基底10(玻璃基底)上沉积形成一层高折射率材料薄膜(例如sinx薄膜)，再在高折射率材料薄膜(例如sinx薄膜)上涂覆上光刻胶，继而通过电子束或者uv曝光的方式，在光刻胶上形成微纳米图案(衍射光栅20图案)，再洗掉未曝光区域的光刻胶，继而通过离子束刻蚀的方式，将光刻胶上的微纳米图案转移到高折射率材料薄膜(例如sinx薄膜)上，最后洗掉光刻胶即可。
[0042]
需要说明的是，薄膜沉积工艺和光刻成型工艺均是成熟的工艺，本实用新型仅仅是利用了这两种成熟的工艺来实现所述衍射光栅20与所述透光基底10的结合，此种结合方式能在实现所述衍射光栅20精确成型的同时，还能保证所述衍射光栅20与所述透光基底10之间的结合可靠性，降低所述衍射光栅20的脱落概率。
[0043]
本实施例中，所述衍射光栅20通常为垂直光栅21，其成品率较高，成本较低。然本设计不限于此，于其他实施例中，如图2，所述衍射光栅20还可设置为倾斜光栅22，相较于垂直光栅21，倾斜光栅22的衍射效率更好，从而能进一步提高其耦合效率。
[0044]
本实用新型还提出一种镜片，该镜片包括衍射光波导，该衍射光波导的具体结构参照上述实施例，由于本镜片采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。该镜片通常用于ar眼镜，其所采用的所述衍射光波导的透光基底上间隔地设置有两个由折射率不小于2的高折射率材料制成的衍射光栅，该两个衍射光栅分别作为耦入光栅和耦出光栅，ar眼镜的光机朝向耦入光栅设置，耦出光栅则对应人眼的位置设置。
[0045]
本实用新型还提出一种增强现实眼镜(ar眼镜)，该ar眼镜包括镜片，该镜片的具体结构参照上述实施例，由于本ar眼镜采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。不失一般性，该ar眼镜还包括光机，该光机朝向所述镜片上的耦入光栅设置，并向耦入光栅发射图像光；所述镜片上的耦出光栅则对应人眼的位置设置，以使得人眼能看到所述图像光所对应的图像。
[0046]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。