光栅结构、镜片及头戴显示设备的制作方法

1.本发明涉及衍射光学器件技术领域，尤其涉及一种光栅结构、镜片及头戴显示设备。


背景技术：

2.ar(augmented reality，增强现实)显示是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应的图像、视频、3d模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。
3.ar显示一般是从图像源发出入射光，经镜片的反射和折射之后进入人眼观看，因此，镜片的性能直接影响ar设备的图像质量和体验效果。可知的，镜片包括衬底和设于衬底上的光栅结构，光栅结构一般包括有光耦入、光扩瞳、光耦出等功能区域，能实现光传输成像。
4.现有的光栅结构的材料折射率均较低，与空气介质的折射率差也较小，导致光传输效率偏低，且出现空间位置或不同角度的色彩与亮度均匀性差。而如果直接选择高折射率的材料，则加工工艺难度高，如直接刻蚀，加工成本高且不适于大规模量产。


技术实现要素：

5.基于此，针对光栅结构折射率低，且对空间位置、角度不同而色彩与亮度不均匀的显示问题，有必要提供一种光栅结构、镜片及头戴显示设备，旨在有效提高光栅折射率，从而提高传输效率和获得不同位置和角度情况下的均匀性。
6.为实现上述目的，本发明提出的一种光栅结构，应用于头戴显示设备，所述光栅结构包括基底和设于所述基底一表面的多个光栅部，多个光栅部在所述基底的延伸方向上间隔排布，所述光栅部的至少部分表面镀设有增强层，所述增强层的折射率大于所述光栅部的折射率。
7.可选地，所述增强层的材料为二氧化钛、氧化铝和氧化镁中的一种；
8.和/或，所述增强层的折射率是所述光栅部的折射率的1.25倍及以上。
9.可选地，每一所述光栅部包括与所述基底表面相平行的顶面、和连接于所述顶面与所述基底表面的侧面，所述顶面、侧面及所述基底设有所述光栅部的表面均设有所述增强层；
10.和/或，所述基底的材料为二氧化硅或树脂；
11.和/或，所述光栅部的材料为二氧化硅和树脂。
12.可选地，所述顶面、侧面及所述基底的表面中的至少两者镀设的增强层的厚度不相同。
13.在多个所述光栅部的排布方向上，所述光栅部的高度大于所述光栅部的宽度，所述顶面和所述基底的表面镀设的增强层的厚度相同，并小于所述侧面镀设的增强层的厚度。
14.可选地，所述顶面镀设的增强层的厚度为所述侧面镀设的增强层的厚度的70％～80％。
15.可选地，在多个所述光栅部的排布方向上，所述光栅部的高度小于所述光栅部的宽度，所述顶面和所述基底的表面镀设的增强层的厚度相同，并大于所述侧面镀设的增强层的厚度。
16.可选地，设定所述光栅结构的周期为a，所述增强层的厚度d的范围为4％a～6％a。
17.可选地，每一所述光栅部的高度h的范围为40％a～60％a；
18.和/或，在多个所述光栅部排布的方向上，每一所述光栅部的宽度范围为15％a～35％a。
19.可选地，所述增强层通过原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积或磁控溅射的方式镀设；
20.和/或，所述光栅结构为耦入光栅或耦出光栅。
21.为了实现上述目的，本发明还提出一种镜片，所述镜片包括衬底和如上述任一所述的光栅结构，所述基底背离所述光栅部的表面贴设于所述衬底的表面。
22.为了实现上述目的，本发明又提出一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括图像源和如上所述的镜片，所述镜片位于所述图像源的出光侧。
23.可选地，所述光栅结构为耦入光栅时，其与所述图像源正对设置；
24.和/或，所述图像源为硅基液晶模块、透射液晶模块、数字光处理模块或激光扫描模块。
25.可选地，所述图像源的视场角的范围为40
°
～60
°
；
26.和/或，所述图像源的出射光线波长范围为520nm～530nm。
27.本发明提出的技术方案中，光栅结构包括基底和设于基底的多个光栅部，通过在光栅部的表面镀设一层增强层，该增强层折射率大于光栅部的折射率，在光线射向该光栅结构时，首先到达增强层的表面，间接增大了光栅结构的平均折射率，也即增大光栅结构与空气介质的折射率差，从而提高了光栅的衍射效率，相比于整体为高折射率的材料相比，有效降低加工成本。当光机图像耦入该光栅结构时，可以保证光效率和图像的均匀性，从而获得不同颜色在不同区域、不同角度情况下的高传输效率和均匀性，提高所应有的头戴显示设备的图像质量和体验效果。
附图说明
28.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。
29.图1为本发明光栅结构一实施例的剖视图；
30.图2为本发明不同镀设工艺的光栅结构与未镀设膜层光栅在各个入射角度下的衍射效率对比图；
31.图3为本发明不同镀设工艺的光栅结构与未镀设膜层光栅在各个入射角度下的最大衍射效率对比图；
32.图4为本发明不同镀设工艺的光栅结构与未镀设膜层光栅在各个入射波长下的衍射效率对比图；
33.图5为本发明的光栅结构在物理气相沉积镀膜工艺的过程示意图；
34.图6为本发明的光栅结构在原子层沉积镀膜工艺的过程示意图；
35.图7中的a、b、c为本发明的光栅结构在不同镀膜材料折射率下的衍射效率的对比图；
36.图8中的a、b、c、d为本发明在一周期条件下不同实施例的光栅结构与未镀设膜层光栅的输出图像效率的对比图；
37.图9中的a、b、c、d为本发明在另一周期条件下不同实施例的光栅结构与未镀设膜层光栅的输出图像效率的对比图；
38.图10为本发明光栅结构在一周期和一镀膜厚度的条件下的衍射效率曲线图；
39.图11为本发明光栅结构在另一周期和另一镀膜厚度的条件下的衍射效率曲线图；
40.图12为本发明光栅结构在又一周期和又一镀膜厚度的条件下的衍射效率曲线图；
41.图13为本发明镜片一实施例的剖视图；
42.图14为本发明头戴显示设备的示意图。
43.附图标号说明：
44.标号名称标号名称100头戴显示设备313光栅部10图像源3131顶面30镜片3133侧面31光栅结构315增强层311基底33衬底
45.本发明目的的实现、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
46.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的一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
47.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)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。
48.另外，在本发明中如涉及“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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
49.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两
个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本发明中的具体含义。
50.另外，本发明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，也不在本发明要求的保护范围之内。
51.在衍射光栅中的效率通常由三个主要因素影响，一是光栅与空气的折射率差，二是光栅宽度与空气的比值，三是光栅高度，由于工艺与材料限制，极高折射率材料或宽高比较小的光栅难以应用，因此，本发明提出一种光栅结构，通过在其表面镀高折射率的膜层得到较高效率的光栅结构。
52.请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，所述光栅结构31包括基底311和设于所述基底311一表面的多个光栅部313，多个光栅部313在所述基底311的延伸方向上间隔排布，所述光栅部313的至少部分表面镀设有增强层315，所述增强层315的折射率大于所述光栅部313的折射率。
53.本实施例中，光栅结构31应用于头戴显示设备100中的镜片30，头戴显示设备100包括ar(augmented reality)显示装置，也可以用在mr(mixed reality，混合现实)显示或者xr(extended reality，扩展现实)显示中。光栅结构31包括基底311和设于基底311一表面的多个光栅部313，此处，基底311与光栅部313的材料可以是相同的，方便加工。具体地，基底311和光栅部313为一体成型结构，在一衬底上加工光栅结构31，如玻璃衬底，在该衬底上涂覆胶体，再通过模具压合该胶体，脱模后得到上述结构的基底311和光栅部313。多个光栅部313在基底311的延伸方向上间隔排布，基底311的延伸方向可以是其宽度方向的延伸，也可以是长度方向的延伸，在此不做限定。当光栅部313在基底311的宽度方向上间隔排布时，可以在基底311的长度方向上延伸，或，当光栅部313在基底311的长度方向上间隔排布时，可以在基底311的宽度方向上延伸，当然，光栅部313的延伸方向和排布方向也可以与基底311的宽度方向均呈夹角设置，在此不做限定。
54.可以理解的，光栅结构31可以是普通的二元矩形光栅，也可以是闪耀光栅(锯齿状)、倾斜光栅或多台阶光栅等，在此不做限定。光栅部313的表面镀设有增强层315，该增强层315的材料并不限定，保证其折射率大于光栅部313的折射率即可，可以根据光栅部313的材料进行相对应的选择。
55.具体地，镀设的膜层为增强层315，增强层315通过镀设的工艺设于光栅部313的表面，该镀设工艺可以是原子层沉积(atomic layer deposition，ald)、化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)、物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)或磁控溅射(sputter)的方式镀设，上述的镀设工艺简单，相比于刻蚀工艺加工，在提高材料折射率的情况下，有效降低加工成本，且该镀设工艺可以适用光栅的大规模量产，提高产能。
56.请参照图2，设定其他条件不变，在各个入射角度的条件下，不同工艺对光栅结构31的衍射效率的影响。该图中的横坐标入射角度为入射光线与光栅表面的夹角，纵坐标为图像衍射效率的百分比。由图中可知，未镀膜光栅的平均衍射效率较低，通过pvd镀膜工艺得到的光栅结构31的平均衍射效率有了较大提高，但是在不同入射角度的均匀程度略低于ald镀膜工艺，通过ald镀膜工艺得到的光栅结构31的平均衍射效率更高，且在各个视场角
度内更加均匀。
57.请再参照图3，在光栅衍射效率最大值对应不同工艺的对比图中，在给定的设计条件下，由图中可知，未镀增强层315的光栅的最大衍射效率的平均值最低，使用pvd镀设增强层315的光栅结构31的最大衍射效率的平均值略有提高，使用ald镀膜工艺得到的光栅结构31的最大衍射效率的平均值有了明显提高，尤其在入射角度为-25
°
～5
°
之间，最大衍射效率大幅度提升。
58.请进一步参照附图4，在设定其他条件不变，针对各个入射波长的条件下，不同工艺对光栅结构31的衍射效率的影响，由图中可知，未镀设增强层315的光栅的衍射效率的平均值较低，而使用pvd镀设工艺得到的光栅结构31的衍射效率的平均值有很大提高，而使用ald镀膜工艺得到的光栅结构31的衍射效率的平均值最高。
59.由此，本发明实施例提出的技术方案中，光栅结构31应用于头戴显示设备100，其包括基底311和设于基底311的多个光栅部313，通过在光栅部313的表面镀设一层增强层315，该增强层315折射率大于光栅部313的折射率，在光线射向该光栅结构31时，首先到达增强层315的表面，间接增大了光栅结构31的平均折射率，也即增大光栅结构31与空气介质的折射率差；且因增强层315的镀设，减小了两光栅部313之间的间距，间接地改变了光栅部313的宽度与两光栅部313之间的间距比值；再加上增强层315也可以加高光栅部313，能够从上述三个方面提高光栅的衍射效率。相比于整体为高折射率的材料相比，有效降低加工成本。当光机图像耦入该光栅结构31时，可以保证光传输效率和图像的均匀性，从而获得不同波长的光线在不同区域、不同角度、情况下的高传输效率和均匀性，提高所应有的头戴显示设备100的图像质量和体验效果。
60.在上述结构基础上，光栅结构31可以是耦入光栅，也可以是耦出光栅。
61.因不同镀膜工艺的镀设方式不同，形成的增强层315的均匀性会有所不同，由此会对衍射效率的影响有所差异，请结合图5，当光栅结构31的光栅部313较为平整，且起伏较小时，也即光栅部313的高度较小，相邻两个光栅部313之间的距离较大时，例如，闪耀光栅等，可以选择pvd镀膜工艺，该工艺是将增强层315的材料被电子束或电热丝直接蒸发，并最终在光栅部313的表面层层沉积，变回固态，形成膜层，是从材料源到待镀样品的直接沉积，因此，该工艺会受到光栅结构31的形状和表面的限制，对于较为平缓的光栅结构31能够形成较好的膜层效果。
62.请参照图6，而对于其他类型的光栅结构31，可以选择原子层沉积工艺进行镀设，该工艺是一种薄膜沉积工艺，基于严格控制流程顺序的气相化学沉积，镀膜材料能直接通过化学反应层层生长在光栅部313和基底311的表面，从而在各个方向和各个角度均匀附着，也即在顶面3131、侧面3133及基底311设置光栅部313的表面均有良好的附着和沉积，不受光栅结构31的形状和表面的限制，该工艺能够实现各种异型结构光栅均匀、致密且保型性良好的膜层，因此，使用该工艺镀设增强层315后能够有效提高衍射效率和均匀性，一般可提高光传输效率50％到200％以上，从而更好地匹配人眼体验需求，提升头戴显示设备100的体验和可应用性。
63.在其中一实施例中，所述增强层315的材料为二氧化钛、氧化铝和氧化镁中的一种；
64.和/或，所述增强层315的折射率是所述光栅部313的折射率的1.25倍及以上。
65.可以理解的，为节约成本，在光栅结构31中，基底311的材料一般为二氧化硅(折射率为1.45)或树脂(折射率为1.5)，此处，也选择基底311的材料为二氧化硅和树脂中的一种。同理的，光栅部313的材料也同基底311的材料相同，为二氧化硅和树脂中的一种，故本实施例中，只需要将增强层315的材料的折射率大于上述材料的折射率即可，例如，可以将增强层315的材料设为二氧化钛(折射率为2.76～2.55)、氧化铝(折射率为1.76)和氧化镁(折射率为1.732)中的一种，从而增大光栅结构31的平均折射率，增大其与空气介质的折射率差，从而提升光栅的衍射效率。
66.可以理解的，随着增强层315的折射率的提高，光栅结构31的平均折射率也增高，这样光栅结构31的整体折射率和空气折射率的差会更大，更容易调制衍射效率。于一实施例中，为了得到较好的衍射效率和图像的均匀性，可以设定增强层315的材料的折射率为光栅部313材料的折射率的1.25倍及以上，例如，当然基底311和光栅部313的材料为二氧化硅或树脂时，可以选择二氧化钛材料作为增强层315，有效保证光栅结构31的高传输性能。当然，随着增强层315的折射率逐渐升高，传输图像的均匀性和效率得到了改善，但是增加的幅度也会趋于稳定，因此，增强层315的折射率也无需设定为非常高。请结合图7，图中的横坐标为入射光线与光栅结构31所在平面的y轴的夹角，纵坐标为光线与光栅结构31的x轴的夹角，可以理解每一个图像是对角线视场角为35
°
、长宽比为1:1的图像。图中每个灰度不同的格子为一大块像素，灰度颜色越浅这说明对应的光线角度衍射效率越高。在不同的折射率材料的对比图中，可以看出，在折射率达到2.5及以上时，改善效果区域稳定。
67.当然，当使用其他半导体材料时，还可以选择cvd工艺进行镀设。
68.在一实施例中，每一所述光栅部313包括与所述基底311表面相平行的顶面3131、和连接于所述顶面3131与所述基底311表面的侧面3133，所述顶面3131、侧面3133及所述基底311设有所述光栅部313的表面均设有所述增强层315。
69.本实施例中，以光栅结构31为普通的二元光栅为例，该光栅部313包括顶面3131和侧面3133，为进一步保证光栅结构31的高折射率，在顶面3131和侧面3133均都设有增强层315，同时在基底311设有光栅部313的表面也镀设增强层315，使得与光线接触的光栅结构31的表面均镀设增强层315，从而使得每一光线均得到较高的传输效率，从而提升光线在不同区域不同角度入射的情况下图像的均匀性。此处，顶面3131与侧面3133可以垂直设置，也可以倾斜设置。
70.可选地，设定光栅结构31的周期为a，所述增强层315的厚度d的范围为4％a～6％a。
71.可选地，每一所述光栅部313的高度h的范围为40％a～60％a；
72.和/或，在多个所述光栅部313排布的方向上，每一所述光栅部313的宽度范围为15％a～35％a。
73.本实施例中，因光栅结构31的衍射效率与其整体的折射率成正比，因此，镀设的增强层315的厚度不宜过小，然而，光栅结构31的高度和宽度也是有一定的要求，因此，镀设的增强层315的厚度也不宜过大。此处，设定光栅结构31的周期为a，镀设的增强层315的厚度d的范围为4％a～6％a，也即镀设的厚度d是光栅结构31的周期a的4％、5％、6％等，例如，当光栅结构31的周期a为375nm时，厚度d可以15nm、18.75nm、22.5nm，从而具有较好的衍射效率。
74.可以理解的，光栅部313的高度和宽度不宜过小，否则衍射高度和宽度不够，当然该高度和宽度不宜过大，否则衍射效果也不好。在一实施例中，设定每一光栅部313的高度h的范围为40％a～60％a，例如，光栅部313的高度为光栅结构31的周期a的40％、50％、60％，从而能够有较好的衍射效率和均匀性。在另一实施例中，设定每一光栅部313的宽度范围为15％a～35％a，例如，光栅部313的宽度为光栅结构31的周期a的15％、20％、25％、30％、35％等，从而与上述的增强层315的厚度与光栅部313的高度相结合，能够实现较好的衍射效率和均匀性。
75.可选地，所述顶面3131、侧面3133及所述基底311的表面中的至少两者镀设的增强层315的厚度不相同。
76.因光栅部313的几何形状也会对衍射效率有所影响，而在光线投向光栅结构31时，顶面3131与侧面3133所接收到的光线也不同，故而本实施例中，设定顶面3131、侧面3133及基底311的表面三者中的至少两个镀设的增强层315厚度不同，例如，顶面3131和基底311的表面镀设增强层315的厚度相同，而与侧面3133的镀设厚度不同。
77.请结合图8，在光栅结构31的周期a为375nm，且光栅部313的尺寸参照上述范围，镀设增强层315的厚度范围参照上述数值，镀设的折射率为1.9时，得出图中的对比图，图中的横坐标为入射光线与光栅结构31所在平面的y轴的夹角，纵坐标为光线与光栅结构31所在平面的x轴的夹角，可以理解每一个图像是对角线视场角为35
°
、长宽比为1:1的图像。图中每个灰度不同的格子为一大块像素，灰度颜色越浅这说明对应的光线角度衍射效率越高。
78.通过在光栅结构31的不同平面镀设增强层315的结果可知，对比未镀设的光栅样品，镀设增强层315的光栅结构31的衍射效率和均匀性都有所提高。其中，只镀设顶面3131和基底311的表面时，衍射效率和均匀性不如在顶面3131、侧面3133及基底311的表面均镀设的结构，而顶面3131、基底311的表面与侧面3133均镀设增强层315，且顶面3131与侧面3133镀设厚度不同时，衍射效率和均匀性最好，因此，该实施例的技术方案可以有效提高光栅结构31所应用的头戴式显示设备的图像亮度和均匀性，改善用户体验。
79.于又一实施例中，参照图9，当光栅周期a为400nm时，其他参数参照上述数据，因周期增大，光栅部313的高度和宽度也略微增大，镀设的膜厚也对应增加，例如，当d为a的5％时，厚度d为20nm，可以看到镀设增强层315后的图像传输效率有明显的改善。
80.可选地，在多个所述光栅部313的排布方向上，所述光栅部313的高度大于所述光栅部313的宽度，所述顶面3131和所述基底311的表面镀设的增强层315的厚度相同，并小于所述侧面3133镀设的增强层315的厚度。
81.本实施例中，光栅结构31为高瘦类型，也即光栅部313的高度大于光栅部313的宽度，此处，将顶面3131镀设的增强层315的厚度与基底311镀设的增强层315的厚度相同，并都小于侧面3133的镀层厚度，如此，可以保证各个表面跟空气介质交错分布，实现更为理想的平均折射率值，从而得到更好的衍射效率。
82.作为可选的实施例，所述顶面3131镀设的增强层315的厚度为所述侧面3133镀设的增强层315的厚度的70％～80％。经过实验进行验证，在该结构的设置中，光栅结构31与空气介质交错分布的更加均匀，能够实现较好的衍射效率。
83.参照图10，该图在条件为光栅周期为350nm，光栅结构31为高瘦类型，且顶面3131镀设膜层厚度是侧面3133镀设膜层厚度的80％时，所呈现的衍射效率曲线图，图中的横坐
silicon，lcos)、透射液晶显示模块(lcd)、数字光处理显示模块(digital light processing，dlp)和激光扫描(laser beam scanning，lbs)中的一种。当然，图像源10还包括有光源，该光源可选的为led光源，为显示面板提供光源，经显示面板后形成入射光，射向镜片30。
96.可选地，所述图像源10的视场角的范围为40
°
～60
°
；
97.和/或，所述图像源10的出射光线波长范围为520nm～530nm。
98.其中，投影光机作为一个图像源10的示例，其主要通过透镜将图像的空间位置信息转换为角度位置信息，因此，图像的大小即为图像的视场角，该实施例的图像源10适于图像视场角为40
°
～60
°
，波长为520nm～530nm的光波，例如，发射绿光(525nm)的投影光机。光栅结构31上使用优化的镀膜设计，可有效提高光栅衍射效率和传输效率，保型性好的高折射率膜层可提高对波长和角度的均匀性和带宽，进而提高头戴显示设备100的空间位置或不同角度的色彩与亮度均匀性。
99.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明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发明的专利保护范围内。