衍射光栅结构、制备方法、成像装置及头戴设备与流程

1.本技术涉及光学元件技术领域，尤其涉及衍射光栅结构、制备方法、成像装置及头戴设备。


背景技术：

2.随着计算机软硬件技术及光学设计制造技术的进步，vr（virtual reality，虚拟现实）、 ar（augmented reality，增强现实）以及mr（mix reality，混合现实）技术发展十分迅速。
3.ar的近眼显示系统需要具有较大的出瞳面积，以提升用户佩戴的体验感。为了提升出瞳面积，近眼显示系统需要设置衍射光栅进行实现扩瞳。其中，衍射光栅通过纳米压印或者全息曝光的方式制备。
4.但是，上述衍射光栅的制备方式工艺复杂，且容易受到加工设备的影响。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种衍射光栅结构、制备方法、成像装置及头戴设备，工艺简单，操作方便，且能减小加工设备对衍射光栅制备的影响。
6.第一方面，本技术实施例提出一种衍射光栅结构的制备方法。该方法包括：加工具有预设图案的印章；其中，预设图案包括多个间隔设置的凹槽；通过印章在光波导的表面印刷与预设图案匹配的多个分子层条纹，同一分子层条纹内的各自组装分子在光波导的表面上自组装；其中，分子层条纹内具有多个自组装分子；向光波导的表面提供多个纳米粒子，通过自组装分子以将多个纳米粒子图案化排布并连接在光波导的表面上，以使分子层条纹和纳米粒子共同形成纳米粒子条纹。
7.本技术衍射光栅的制备方法中，各自组装分子在光波导的表面自组装，通过自组装分子将纳米粒子图案化排布，并将纳米粒子连接在在光波导的表面上，上述自组装的过程中，无需依赖加工设备，且过程简单易行。
8.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，同一分子层条纹内的各自组装分子在光波导的表面上自组装，包括：同一分子层条纹内的自组装分子在光波导的表面上自组装，以使各自组装分子图案化排布，且自组装分子的第一官能团与光波导的表面连接。各自组装分子图案化排布用于为纳米粒子的图案化排布提供基础。
9.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，向光波导的表面提供多个纳米粒子，通过自组装分子以将多个纳米粒子图案化排布并连接在光波导的表面上，以使分子层条纹和纳米粒子共同形成纳米粒子条纹，包括：向光波导的表面喷射或者涂布多个表面具有修饰分子的纳米粒子；自组装分子的第二官能团与纳米粒子的表面的部分修饰分子产生反应并连接，以使分子层条纹和纳米粒子共同形成纳米粒子条纹；其中，自组装分子与纳米粒子连接。
10.通过修饰分子以将纳米粒子稳固的与自组装分子连接，从而将纳米粒子固定在光波导上。
11.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，形成纳米粒子条纹之后；还包括：在光波导具有纳米粒子条纹的表面覆盖保护层，以保护纳米粒子条纹。这样，可避免纳米粒子从光波导上脱落。
12.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，加工具有预设图案的印章，包括：加工同一面上具有两个预设图案的印章；其中，两个预设图案之间具有预设间距，两个预设图案中的凹槽的数量不同。
13.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，通过印章在光波导的表面印刷与预设图案匹配的多个分子层条纹，包括：通过印章在光波导的相对的两个表面中的至少一者印刷与两个预设图案分别匹配的多个第一分子层条纹和多个第二分子层条纹；其中，各第一分子层条纹和各第二分子层条纹中的一者用于形成耦入光栅，另一者用于形成耦出光栅，不同的耦入光栅中相邻的纳米粒子条纹之间的距离不同，不同的耦出光栅中相邻的纳米粒子条纹之间的距离不同。这样，在转印的过程中，可同时制备与耦入光栅和耦出光栅对应的图案，由此，节省了时间，简化衍射光栅的加工工艺，提高了制备衍射光栅的效率。
14.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，向光波导的表面提供多个纳米粒子，包括：向位于光波导的同一表面上的各第一分子层条纹和各第二分子层条纹均提供多个纳米粒子，其中，各第一分子层条纹和各第二分子层条纹均位于光波导的同一表面。
15.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，向光波导的表面提供多个纳米粒子，包括：向位于光波导的第一表面上的各第一分子层条纹和各第二分子层条纹均提供多个第一纳米粒子；向位于光波导的与第一表面相对的第二表面上的各第一分子层条纹和各第二分子层条纹均提供多个第二纳米粒子；其中，第一纳米粒子和第二纳米粒子的尺寸不同。
16.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，向光波导的表面提供多个纳米粒子，包括：向位于光波导的同一表面上的各第一分子层条纹提供多个第一纳米粒子；向位于光波导的同一表面上的各第二分子层条纹提供多个第二纳米粒子；其中，各第一分子层条纹和各第二分子层条纹均位于光波导的同一表面，第一纳米粒子和第二纳米粒子的尺寸不同。
17.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，向光波导的表面提供多个纳米粒子，包括：向位于光波导的第一表面上的各第一分子层条纹和各第二分子层条纹分别提供多个第一纳米粒子和多个第二纳米粒子；向位于光波导的与第一表面相对的第二表面上的各第一分子层条纹和各第二分
子层条纹分别提供多个第二纳米粒子和多个第一纳米粒子；其中，第一纳米粒子和第二纳米粒子的尺寸不同。
18.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，通过印章在光波导的表面印刷与预设图案匹配的多个分子层条纹，包括：通过印章在光波导的相对的两个表面中的至少一者印刷与四个预设图案分别匹配的多个第一分子层条纹、多个第二分子层条纹、多个第三分子层条纹和多个第四分子层条纹；其中，第一分子层条纹和第二分子层条纹依次交错排布，第三分子层条纹和第四分子层条纹依次交错排布，各第一分子层条纹和各第二分子层条纹用于形成不同的耦入光栅，各第三分子层条纹和各第四分子层条纹用于形成不同的耦出光栅，不同的耦入光栅中相邻的纳米粒子条纹之间的距离不同，不同的耦出光栅中相邻的纳米粒子条纹之间的距离不同。
19.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，向光波导的表面提供多个纳米粒子，包括：向位于光波导的同一表面上的各第一分子层条纹和各第三分子层条纹均提供多个第一纳米粒子；向位于光波导的同一表面上的各第二分子层条纹和各第四分子层条纹均提供多个第二纳米粒子；其中，各第一分子层条纹、各第二分子层条纹、各第三分子层条纹和各第四分子层条纹均位于光波导的同一表面，第一纳米粒子和第二纳米粒子的尺寸不同。
20.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，向光波导的表面提供多个纳米粒子，包括：向位于光波导的第一表面上的各第一分子层条纹和各第三分子层条纹均提供多个第一纳米粒子，各第二分子层条纹和各第四分子层条纹均提供多个第二纳米粒子；向位于光波导的与第一表面相对的第二表面上的各第一分子层条纹和各第三分子层条纹均提供多个第一纳米粒子或多个第二纳米粒子，各第二分子层条纹和各第四分子层条纹均提供多个第三纳米粒子；其中，第一纳米粒子、第二纳米粒子和第二纳米粒子的尺寸均不同。
21.第二方面，本技术实施例提供一种衍射光栅结构，采用上述第一方面提供的衍射光栅结构的制备方法制成。衍射光栅结构成本较低。
22.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构，衍射光栅结构中相邻两个纳米粒子之间的间距大于等于0 nm 且小于等于50nm。若相邻两个纳米粒子之间的间距大于100 nm，相邻两个纳米粒子的粒子表面的共振电磁场无法相互耦合形成耦合电磁波模式。
23.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构，纳米粒子的形状为立方体、纳米柱或纳米球。采用规则形状的纳米粒子400，衍射效果较好。
24.在一种可能的实施方式中，本技术实施例提供的衍射光栅结构，纳米球的直径大于等于5 nm 且小于等于100nm。
25.第三方面，本技术实施例提供一种成像装置，包括图像生成模组和至少一个上述第二方面提供的衍射光栅结构，图像生成模组用于向衍射光栅结构的耦入光栅发射光线。衍射光栅结构中的光波导的数量越少，成像装置整体的厚度相应的较薄。
26.第四方面，本技术实施例提供一种头戴设备，包括壳体和上述第三方面提供的成像装置，成像装置设置在壳体上。
附图说明
27.图1为相关技术中的衍射光栅结构的结构示意图一；图2为相关技术中的衍射光栅结构的结构示意图二；图3为本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法的流程图一；图4为图3中制备的印章的结构示意图；图5为图4的内部结构示意图；图6为在图5上填充自组装分子溶液的印章的结构示意图；图7为图3中印章在光波导的表面印刷的结构示意图；图8为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图一；图9为图3中制备的衍射光栅结构的结构示意图；图10为本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法的流程图二；图11为图9的内部结构示意图；图12为图11中a处的局部放大图；图13为采用本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法制备的衍射光栅结构的结构示意图；图14为本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法中的加工的印章的结构示意图一；图15为本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法中的加工的印章的结构示意图二；图16为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图二；图17为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图三；图18为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图四；图19为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图五；图20为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图六；图21为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图七；图22为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图八；图23为图22中制备的衍射光栅结构的部分结构示意图；图24为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图九；图25为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图十；图26为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图十一；图27为本技术实施例提供的成像装置的结构示意图一；图28为本技术实施例提供的成像装置的结构示意图二；图29为本技术实施例提供的成像装置的结构示意图三；图30为本技术实施例提供的成像装置的结构示意图四；图31为本技术实施例提供的头戴设备的结构示意图。
28.附图标记说明：
10-显示器；20-一维耦入光栅；30-一维转折光栅；40-一维耦出光栅；50-眼睛；51-视网膜；60-视窗；70-二维耦出光栅；100-印章；110-凹槽；120-第一预设图案；130-第二预设图案；200-光波导；210-第一表面；220-第二表面；300-自组装分子溶液；310-自组装分子；311-第一官能团；312-第二官能团；320-分子层条纹；321-第一分子层条纹；322-第二分子层条纹；323-第三分子层条纹；324-第四分子层条纹；400-纳米粒子；410-修饰分子；500-纳米粒子条纹；510a-红色耦入光栅；510b-绿色耦光栅；510c-蓝色耦入光栅；520a-红色耦出光栅；520b-绿色耦出光栅；520c-蓝色耦出光栅；600-保护层；700-图像生成模组；800-成像装置；900-壳体。
具体实施方式
29.为了便于清楚描述本技术实施例的技术方案，本技术实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
30.本技术实施例中，“多个”是指两个或两个以上。
31.本技术的实施方式部分使用的术语仅用于对本技术的具体实施例进行解释，而非旨在限定本技术。
32.全反射是指光从高折射率介质射向低折射率介质，并且入射角大于等于临界角时发生的一种现象。即当满足全反射条件时，光会在波导片中通过反射不断向前传播，并且不会透射出来，从而能够改变光的传播方向。
33.波导片，也可称为光波导，是引导光波在其中传播的介质装置。平面介质光波导是最简单的光波导，它是用折射率为n2的二氧化硅作基片，可用微电子工艺在它上面镀一层折射率为n1的介质膜，再加上折射率为n3的覆盖层制成。通常取n1》n2》n3，以便将光波局限在介质膜内传播。
34.自组装，是指基本结构单元（分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发地组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。
35.表面等离激元是金属和介质界面区域的一种自由电子和光子相互作用形成的电磁模。当光波（电磁波）入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。
36.ar的近眼显示系统可以包括显示器件和光学成像元件。近眼显示系统的工作原理为：将显示器件上的像素，通过光学成像元件形成远近的虚像并投射到人眼中。其中，光学成像元件可以包括衍射光栅，衍射光栅是利用周期性或准周期性光栅结构上的光学衍射现象来分离不同波长的光的光学元件。衍射光栅可以包括波导片和光栅结构。
37.近眼显示系统可以为增强现实眼镜或增强现实头戴显示设备等。为了便于描述，以下以增强现实眼镜进行说明。
38.显示器件用来输出图像，然而，若直接将显示器件放置到增强现实眼镜的镜片上，会阻挡用户视线，而且也不美观。基于全反射原理，波导片可将显示器件投射出来的图像进行等比转移，进而可将显示器件放置到增强现实眼镜的顶部或侧部。由此，不仅不会遮挡用户视线。而且，由于波导片的透光率高且十分轻薄，能够使增强现实眼镜在实现虚实融合的显示效果的基础上，更加接近普通眼镜的形态。
39.需要说明的是，波导片只负责将图像进行转移并传至人眼中，没有放大或缩小图像的功能。因此，波导片通过二维扩瞳将出瞳扩大，在确保体积小、视场角大的前提下，双向增加眼动范围，进而获得极强的沉浸感和良好的视觉体验。
40.为了提升出瞳面积，近眼显示系统需要设置光栅进行实现扩瞳。其中，光栅如果要将显示器件（也可以为光机）发出的光导投射到人眼中，必须经过耦入和耦出的过程。即显示器件发出的光通过耦入光栅，进入耦入光栅的波导片中，并在其中进行全反射传播，最后再由耦出光栅将光传递到人眼。
41.图1为相关技术中的衍射光栅结构的结构示意图一。如图1所示，相关技术中，可以通过一维耦入光栅20、一维转折光栅30和一维耦出光栅40这三个光栅进行二维扩瞳。
42.通过一维耦入光栅20将显示器10发出的光耦入到波导片中，然后经过全反射入射到一维转折光栅30上。此时一部分光会被转折到一维耦出光栅40，剩下的光将继续通过反射向前传播，然后再次入射到一维转折光栅30上。此时又会有一部分光被转折到一维耦出光栅40，重复此过程便实现了一维扩瞳。最后，传到一维耦出光栅40上的光，一部分会通过衍射传入用户的眼睛50的视网膜51上，剩下的光将继续通过反射向前传播，然后再次入射到一维耦出光栅40上，此时又会有一部分光被传入眼睛50的视网膜51，重复此过程便实现了另一方向的一维扩瞳。这两次一维扩瞳合在一起便构成了二维扩瞳。从而使视窗60大于眼睛50，这样，允许用户的眼睛50的一定程度的移动和旋转，并且还适应近眼显示器相对于不同用户的眼睛的不同布置、以及不同用户的不同瞳孔间距。
43.图2为相关技术中的衍射光栅结构的结构示意图二。如图2所示，相关技术中，采用一维耦入光栅20和二维耦出光栅70。同样先通过一维耦入光栅20将显示器10发出的光耦入到波导片中，然后经过全反射入射到二维耦出光栅70上，此时一部分光会通过衍射传入用户的眼睛50的视网膜51上，剩下的光将会被分成横纵双向通过反射继续向前传播，然后再次入射到二维耦出光栅70上，此时又会有一部分光被传入人眼，重复此过程便实现了二维扩瞳，从而使视窗60大于眼睛50。
44.相关技术中，衍射光栅通过纳米压印或者全息曝光的方式制备。其中，纳米压印的方式制备衍射光栅，可以包括以下三个步骤。
45.第一步母模板的加工，利用离子束蚀刻工艺在硅或其他衬底上加工光栅母模板。其中，母模板为硬质模板。
46.第二步图样的转移，在待加工的材料表面涂上紫外固化树脂，然后将母模板压在其表面，采用加压的方式使图案转移到紫外固化树脂上。紫外固化树脂不能被全部去除，防止母模板与材料直接接触，损坏模板。其中，向母模板施加的压力会影响母模板的使用寿命，对母模板造成较大的损耗。
47.第三步待加工材料的加工。移开母模板后，用紫外光使紫外固化树脂固化，形成固定周期图案的树脂结构。
48.全息曝光的方式制备衍射光栅，在光学稳定的平玻璃坯件上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层。由激光器发生两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，则光敏物质被感光，在涂层内部形成折射率调制的干涉条纹。
49.但是，上述通过纳米压印或者全息曝光的方式制备衍射光栅的工艺较为复杂，且容易受到加工设备的影响。
50.基于此，本技术实施例提供了一种衍射光栅结构的制备方法，工艺简单，操作方便，且能减小加工设备对衍射光栅制备的影响。
51.图3为本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法的流程图一。如图3所示，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，包括：s101、加工具有预设图案的印章100；其中，预设图案包括多个间隔设置的凹槽110。
52.图4为图3中制备的印章的结构示意图；图5为图4的内部结构示意图。如图4和图5所示，在本实施例中，印章100也可以被称为模具，印章100为弹性基材，印章100的材质可以为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，pdms）或聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，pmma）等材料。示例性的，印章100的材质为pdms，pdms的材料表面能较低，使得印章100具备较好的离型效果。pdms具备较高的介电性能，柔韧性较好，使得印章100具备较好的静电吸附及良好的贴合效果。相对于相关技术中的硬质模板，本技术的印章100较为柔软，抗压性较好。
53.在具体实现时，具有凹槽110的印章100可以通过热压法制备。热压法制备印章100，工艺简单，且效率较高。
54.其中，印章100上具有多个凹槽110，各凹槽110之间可以间隔且均匀设置，各凹槽110形成预设图案。在本实施例中，对于凹槽110的形状和尺寸不加以限制，预设图案与所需制备的光栅结构上的光栅的图案相匹配即可。
55.s102、通过印章100在光波导200的表面印刷与预设图案匹配的多个分子层条纹320，同一分子层条纹320内的各自组装分子310在光波导200的表面上自组装；其中，分子层条纹320内具有多个自组装分子310。
56.图6为在图5上填充自组装分子溶液的印章的结构示意图。如图6所示，在印章100具有凹槽110的一面上填充自组装分子溶液300，以使自组装分子溶液300完全填充至凹槽110内，然后刮除印章100具有凹槽110的一面上的自组装分子溶液300。
57.其中，自组装分子溶液300中可以包括水和自组装分子310（例如水溶性分子）；或者，自组装分子溶液300中可以包括其他有机溶剂和自组装分子310。
58.图7为图3中印章在光波导的表面印刷的结构示意图；图8为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图一。
59.如图7和图8所示，凹槽110朝向光波导200，将凹槽110具有自组装分子溶液300的印章100覆盖在光波导200上，从而将凹槽110内的自组装分子溶液300转印至光波导200的表面上，自组装分子溶液300在光波导200的表面上形成多个分子层条纹320，然后将印章100揭离光波导200。其中，每条分子层条纹320中具有多个自组装分子310。相对于相关技术中采用加压的方式使母模板上的图案转移到紫外固化树脂上，本技术印章100与光波导200接触即可进行转印，印章100受到的压力较小，印章100的寿命较长。
60.分子层条纹320可以具有多条，分子层条纹320为形成在光波导200的表面上的凸起层或者自组装分子膜层，分子层条纹320与上述凹槽110相对应，相邻两条分子层条纹320之间具有间距，以使自组装发生在同一分子层条纹320内。
61.其中，同一分子层条纹320内的各自组装分子310之间同时自发地发生关联并集合在一起，形成一个紧密且有序的整体，且自组装分子310连接在光波导200的表面，即自组装分子310在光波导200的表面上图案化排布。该过程可以称为自组装加工分子层条纹320。由此可以看出，本实施例的自组装加工分子层条纹320，过程简单易行，无需其他装置进行辅助。
62.s103、向光波导200的表面提供多个纳米粒子400，通过自组装分子310以将多个纳米粒子400图案化排布并连接在光波导200的表面上，以使分子层条纹320和纳米粒子400共同形成纳米粒子条纹500。其中，纳米粒子条纹500也可以称为光栅。
63.在具体实现时，纳米粒子400可以为立方体、纳米柱（三棱柱等正棱柱）或纳米球等形状。
64.图9为图3中制备的衍射光栅结构的结构示意图。为了便于说明，附图9中纳米粒子400以纳米球进行示例。需要说明的是，在上述紧密且有序的整体中，至少一个自组装分子310与纳米粒子400连接，纳米粒子400通过自组装分子310连接在光波导200的表面上。这样，纳米粒子400的排布方式与自组装分子310的排布方式相同。由此，实现了纳米粒子400的图案化排布。
65.示例性的，纳米粒子400呈阵列式排布，其中，纳米粒子400可以呈图9中的错开阵列的形式，纳米粒子400也可以呈矩形阵列的形式。可以理解的是，纳米粒子400还可以呈其他的排布方式，本实施例在此不加以限制。
66.纳米粒子400图案化排布后，当入射光入射到纳米粒子400上时，纳米粒子400表面的自由电子发生震荡，入射光与纳米粒子400表面的自由电子耦合而形成的一种沿着纳米粒子400表面传播的近场电磁波，纳米粒子400表面的自由电子的振荡频率与入射光的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为纳米粒子400表面自由电子的集体振动能。相邻纳米粒子400表面的共振电磁场相互耦合形成耦合电磁波模式，这样，同一分子层条纹320内各纳米粒子400等效为金属条纹，相邻的两条分子层条纹320相互作用形成衍射光栅结构。
67.需要说明的是，显示器提供包括红色（r）、绿色（g）和蓝色（b）的输入光束，每个颜色的光对应的波长不同，其中，红色光的波长范围为622nm～760nm，绿色光的波长范围为nm 492～577nm，蓝色光的波长范围为435nm～450nm。衍射光栅的仅衍射同一波段（即同一颜色）处的光，其余波段（即其余颜色）的光直接透过衍射光栅。在具体实现时，可以通过在自组装分子溶液300使用形状相同且尺寸不同的纳米粒子400，或者，使用形状不同且尺寸不
同的纳米粒子400，以形成分别与红色、绿色和蓝色对应的衍射光栅。
68.可以理解的是，各颜色的输入光束对应的耦入光栅和耦出光栅的形成方式相同，换而言之，上述方式制备的衍射光栅可以为耦入光栅，也可以为耦出光栅，或者耦入光栅和耦出光栅均采用上述方式制备。
69.在本技术实施例提供的衍射光栅的制备方法，通过具有凹槽110的印章100在光波导200的表面转印形成多条分子层条纹320，同一分子层条纹320内的各自组装分子310在光波导200的表面自组装，以使自组装分子310图案化排布，自组装分子310将纳米粒子400连接在在光波导200的表面上，以使纳米粒子400图案化排布，纳米粒子400通过表面等离激元效应相互作用，以使同一分子层条纹320内各纳米粒子400等效为金属条纹，相邻的两条分子层条纹320相互作用形成衍射光栅结构。
70.上述衍射光栅的制备方法中，各自组装分子310在光波导200的表面自组装，通过自组装分子310将纳米粒子400图案化排布，并将纳米粒子400连接在在光波导200的表面上的过程中，无需依赖加工设备，且过程简单易行。本实施例相对于相关技术中的纳米压印或者全息曝光的方式制备衍射光栅，避免进行加压，紫外光照射或调节激光器等操作（即避免使用加压，紫外光照射或调节激光器等加工设备），工艺简单，操作方便，且能减小加工设备对衍射光栅制备的影响，减小加工设备的加工误差等对衍射光栅制备的良率的影响，由此，可以节省衍射光栅的加工成本。
71.下面，结合具体的实施例对于上述步骤s103进行说明。
72.图10为本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法的流程图二；图11为图9的内部结构示意图；图12为图11中a处的局部放大图。如图9至图12所示，在具体实现时，本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法，可以包括：s201、同一分子层条纹320内的各自组装分子310在光波导200的表面上自组装，以使各自组装分子310图案化排布，自组装分子310的第一官能团311与光波导200的表面连接。
73.具体的，自组装分子310的第一官能团311与光波导200的表面的分子之间发生反应，从而以将自组装分子310的一端固定在光波导200的表面上。
74.s202、向光波导200的表面喷射或者涂布多个表面具有修饰分子410的纳米粒子400。
75.具体的，通过喷射或者涂布的方式向光波导200的表面提供纳米粒子400，操作方便。
76.s203、自组装分子310的第二官能团312与纳米粒子400的表面的部分修饰分子410产生反应连接，以使分子层条纹320和纳米粒子400共同形成纳米粒子条纹500；其中，自组装分子310与纳米粒子400连接。
77.在本技术中，自组装分子310用于与纳米粒子400连接，各自组装分子310图案化排布用于为纳米粒子400的图案化排布提供基础。
78.纳米粒子400的表面比较光滑，不利于纳米粒子400与自组装分子310连接。在具体实现时，需要在纳米粒子400的表面进行分子处理，从而在纳米粒子400的表面形成修饰分子410。修饰分子410与自组装分子310的第二官能团312之间发生反应，从而将纳米粒子400连接在自组装分子310上。
79.上述衍射光栅结构制备后，在放置、运输或者安装的过程中，会存在纳米粒子条纹500从光波导200的表面脱落的风险。
80.图13为采用本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法制备的衍射光栅结构的结构示意图。参见图13所示，在一些实施例中，形成纳米粒子条纹500之后；还包括：在光波导200具有纳米粒子条纹500的表面覆盖保护层600，以保护纳米粒子条纹500。
81.具体的，保护层600覆盖在光波导200具有纳米粒子条纹500的表面，从而将纳米粒子条纹500固定在保护层600内。由此，增加了纳米粒子条纹500的信赖性，也就是说，能保持纳米粒子条纹500与光波导200连接的稳定性。这样，可以避免纳米粒子条纹500在放置、运输或者安装的过程中，从光波导200的表面脱落。
82.在具体实现时，对于保护层600的厚度不加以限制，只要纳米粒子条纹500位于保护层600内，且不影响衍射光栅结构的性能即可。
83.其中，保护层600可以为有机层，有机层的材质包含丙烯酸酯、聚氨酯等。
84.衍射光栅结构包括光波导200、耦入光栅和耦出光栅，耦入光栅和耦出光栅均位于光波导200上。上述衍射光栅结构制备中，耦入光栅和耦出光栅中的至少一者的形成方式与纳米粒子条纹500的形成方式相同。
85.下面结合实施例和附图对于耦入光栅和耦出光栅的形成方式进行说明。
86.图14为本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法中的加工的印章的结构示意图一。图15为本技术实施例提供的衍射光栅结构的制备方法中的加工的印章的结构示意图二。如图14和图15所示，在一些实施例中，加工具有预设图案的印章100，包括：加工同一面上具有两个预设图案的印章100；其中，两个预设图案之间具有预设的间距，两个预设图案中的凹槽110的数量不同。
87.两个预设图案可以包括第一预设图案120和第二预设图案130，其中，第一预设图案120和第二预设图案130均包括间隔设置的多个凹槽110，第一预设图案120中的各凹槽110之间的间距与第二预设图案130中的各凹槽110之间的间距可以相同也可以不同。
88.第一预设图案120和第二预设图案130中的一者与耦入光栅相匹配，另一者与耦出光栅相匹配。在本实施例中，第一预设图案120和第二预设图案130之间的预设间距与耦入光栅和耦出光栅之间的间距一致。
89.由于光由耦出光栅将光传递到人眼，第一预设图案120或第二预设图案130中凹槽110的数量多的一者，对应的光栅的沿图14或图15中b方向的尺寸较大，由此，可以提高视窗的面积。因此，可以将与耦出光栅对应的第一预设图案120或第二预设图案130中凹槽110的数量设置为大于与耦入光栅对应的第一预设图案120或第二预设图案130中凹槽110的数量。
90.在具体实现时，对于第一预设图案120和第二预设图案130这两者中凹槽110的形状和间距不加以限制。如图14所示，第一预设图案120和第二预设图案130这两者中的凹槽110的形状和间距可以相同。如图15所示，第一预设图案120和第二预设图案130这两者中的凹槽110的形状和间距也可以均不同。只要印章100能顺畅的进行转印即可。
91.在本实施例中，通过在印章100的同一表面设置第一预设图案120和第二预设图案130，在转印的过程中，可同时制备与耦入光栅和耦出光栅对应的图案，由此，节省了时间，
简化衍射光栅的加工工艺，提高了制备衍射光栅的效率。
92.图16为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图二；图17为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图三；图18为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图四。如图8、图14至图18所示，通过印章100在光波导200的表面印刷与预设图案匹配的多个分子层条纹320，包括：通过印章100在光波导200的相对的两个表面中的至少一者印刷与两个预设图案分别匹配的多个第一分子层条纹321和多个第二分子层条纹322；其中，各第一分子层条纹321和各第二分子层条纹322中的一者用于形成耦入光栅，另一者用于连接形成耦出光栅。不同的耦入光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离不同，不同的耦出光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离不同。换而言之，与红色、蓝色或绿色中的一者对应的耦入光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离与其余任一者对应的耦入光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离不同（例如与红色对应的耦入光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离和与蓝色对应的耦入光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离不同）；与红色、蓝色或绿色中的一者对应的耦出光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离与其余任一者对应的耦出光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离不同（例如与红色对应的耦出光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离和与蓝色对应的耦出光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离不同）。
93.通过上述具有第一预设图案120和第二预设图案130的印章100在光波导200的同一表面转印自组装分子溶液300，以使光波导200的同一表面形成多个第一分子层条纹321和多个第二分子层条纹322。其中，每个第一分子层条纹321与第一预设图案120中的凹槽110相匹配，每个第二分子层条纹322与第二预设图案130中的凹槽110相匹配。
94.需要说明的是，在本技术中，第一预设图案120和第二预设图案130仅是在预设图案的数量为两个时，对于两个预设图案的区分，第一预设图案120和第二预设图案130的结构和形成方式与预设图案相同。同理，如图8、图16和图17所示，第一分子层条纹321和第二分子层条纹322仅是在分子层条纹320的数量为两个时，对于两个分子层条纹320的区分，第一分子层条纹321和第二分子层条纹322的结构和形成方式与分子层条纹320相同。以下类似表述意思相同。
95.可以理解的是，通过纳米粒子400的形状和尺寸形成红色、绿色或蓝色对应的耦入光栅和耦出光栅。同一颜色对应的耦入光栅和耦出光栅中纳米粒子400的排布方式可以相同。不同颜色对应的耦入光栅和耦出光栅中纳米粒子400的排布方式可以相同，也可以不同。
96.在一种可能的实现方式中，向位于光波导200的同一表面上的各第一分子层条纹321和各第二分子层条纹322均提供多个纳米粒子400，其中，各第一分子层条纹321和各第二分子层条纹322均位于光波导200的同一表面。
97.即第一分子层条纹321和第二分子层条纹322均位于光波导200的同一表面，且第一分子层条纹321和第二分子层条纹322上对应形状和尺寸均相同的纳米粒子400。如图12、图16和图17所示，纳米粒子400的形状和尺寸相同的衍射光栅的仅衍射同一波段（即同一颜色）处的光，其余波段（即其余颜色）的光直接透过衍射光栅。由此，方便的在同一光波导200上加工具有与红色、绿色或蓝色对应的耦入光栅和耦出光栅。其中，图16示出了第一分子层
条纹321和第二分子层条纹322位于光波导200的第一表面210。图17示出了第一分子层条纹321和第二分子层条纹322位于光波导200与第一表面210相对的第二表面220。
98.在另一种可能的实现方式中，向位于光波导200的第一表面210上的各第一分子层条纹321和各第二分子层条纹322均提供多个第一纳米粒子。
99.向位于光波导200的与第一表面210相对的第二表面220上的各第一分子层条纹321和各第二分子层条纹322均提供多个第二纳米粒子；其中，第一纳米粒子和第二纳米粒子的尺寸不同。其中，尺寸不通可以理解为：形状相同且尺寸不同；或者，形状不同。示例性的，第一纳米粒子和第二纳米粒子可以一者为四棱柱，另一者为圆球状。或者，第一纳米粒子和第二纳米粒子可以均为圆球状，第一纳米粒子和第二纳米粒子的直径不同。
100.也就是说，光波导200的相对的两个表面均具有第一分子层条纹321和第二分子层条纹322，同一表面的第一分子层条纹321和第二分子层条纹322上对应形状和尺寸均相同的第一纳米粒子或第二纳米粒子，第一纳米粒子和第二纳米粒子的尺寸均不同。如图12和图18所示，第一表面210和第二表面220均具有第一分子层条纹321和第二分子层条纹322，其中，第一表面210的第一分子层条纹321和第二表面220的第一分子层条纹321沿图18中c方向相对，第一表面210的第二分子层条纹322和第二表面220的第二分子层条纹322沿图18中c方向相对或者错开设置。这样，在ar眼镜中需要两个图18所示的衍射光栅结构，减小了ar眼镜的厚度。
101.需要说明的是，在本技术中，第一分子层条纹321和第二分子层条纹322上均设置纳米粒子400，第一分子层条纹321和第二分子层条纹322通过不同的剖面线，以区分两者上相同或者不同形状和尺寸的纳米粒子400。纳米粒子400的形状和尺寸均相同，第一分子层条纹321和第二分子层条纹322的剖面线一致；纳米粒子400的尺寸不同，第一分子层条纹321和第二分子层条纹322的剖面线不同。
102.第一表面210上的纳米粒子400的形状和尺寸可以均相同；第二表面220上的纳米粒子400的形状和尺寸可以均相同，第一表面210上的纳米粒子400与第二表面220上的纳米粒子400的尺寸不同。由此，以在同一光波导200上形成红色、绿色和蓝色中至少两者对应的耦入光栅和耦出光栅。
103.图19为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图五；图20为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图六。如图12、图19和图20所示，在第三种可能的实现方式中，第一分子层条纹321和第二分子层条纹322均位于光波导200的同一表面，且第一分子层条纹321和第二分子层条纹322上对应形状和尺寸均不同的纳米粒子400。
104.具体的，同一第一分子层条纹321内的各自组装分子310在光波导200的表面上自组装，以将多个第一纳米粒子图案化排布并连接在光波导200的表面上。同一第二分子层条纹322内的各自组装分子310在光波导200的表面上自组装，以将多个第二纳米粒子图案化排布并连接在光波导200的表面上，其中，第一纳米粒子和第二纳米粒子的尺寸均不同。由此，同一光波导200上可以具有与红色、绿色和蓝色中一者对应的耦入光栅，与另一者对应的耦出光栅。
105.其中，图19示出了第一分子层条纹321和第二分子层条纹322位于光波导200的第一表面210。图20示出了第一分子层条纹321和第二分子层条纹322位于光波导200与第一表面210相对的第二表面220。其中，第一分子层条纹321上用于设置第一纳米粒子，第二分子
层条纹322上用于设置第二纳米粒子。
106.图21为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图七。如图12、图13和图21所示，在第四种可能的实现方式中，向位于光波导200的第一表面210上的各第一分子层条纹321和各第二分子层条纹322分别提供多个第一纳米粒子和多个第二纳米粒子；向位于光波导200的与第一表面210相对的第二表面220上的各第一分子层条纹321和各第二分子层条纹322分别提供多个第二纳米粒子和多个第一纳米粒子；其中，第一纳米粒子和第二纳米粒子的尺寸均不同。即同一颜色的对应的耦入光栅和耦出光栅分别位于第一表面210和第二表面220。
107.上述四种可能的实现方式中，为光波导200的同一表面形成一个耦入光栅和一个耦出光栅的方式。
108.在一些实施中，光波导200的同一表面可以行成两个耦入光栅和两个耦出光栅。其中，一个耦入光栅和一个耦出光栅对应红色、绿色和蓝色中一者，另一个耦入光栅和另一个耦出光栅对应红色、绿色和蓝色中另一者。不同的耦入光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离不同，不同的耦出光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离不同。换而言之，与红色、蓝色和绿色分别对应的耦入光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离均不同，与红色、蓝色和绿色分别对应的耦出光栅中相邻的纳米粒子条纹500之间的距离均不同。
109.可以理解的是，如图5至图9所示，在本技术中，凹槽110内填充自组装分子溶液300，自组装分子溶液300转印至光波导200的表面上后形成分子层条纹320，分子层条纹320上喷射或涂布纳米粒子400后形成纳米粒子条纹500。也就是说，通过邻的纳米粒子条纹500之间的距离与相邻的分子层条纹320之间的间距对应，相邻的分子层条纹320之间的间距与相邻的凹槽110之间的间距对应，若要限制相邻的纳米粒子条纹500之间，可以通过控制相邻的凹槽110之间的间距实现。
110.图22为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图八；图23为图22中制备的衍射光栅结构的部分结构示意图；图24为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图九；图25为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图十；图26为图3中光波导和分子层条纹的结构示意图十一。如图12、图22至图25所示，在一些实施中，通过印章100在光波导200的相对的两个表面中的至少一者印刷与四个预设图案分别匹配的多个第一分子层条纹321、多个第二分子层条纹322、多个第三分子层条纹323和多个第四分子层条纹324；其中，第一分子层条纹321和第二分子层条纹322依次交错排布，第三分子层条纹323和第四分子层条纹324依次交错排布，各第一分子层条纹321和各第二分子层条纹322用于分别形成不同的耦入光栅，各第三分子层条纹323和各第四分子层条纹324用于分别形成不同的耦出光栅。
111.如图12、图22至图24所示，在第五种可能的实现方式中，向位于光波导200的同一表面上的各第一分子层条纹321和各第三分子层条纹323均提供多个第一纳米粒子；向位于光波导200的同一表面上的各第二分子层条纹322和各第四分子层条纹324均提供多个第二纳米粒子；其中，各第一分子层条纹321、各第二分子层条纹322、各第三分子层条纹323和各第四分子层条纹324均位于光波导200的同一表面，第一纳米粒子和第二纳米粒子的尺寸均不同。
112.图22示出了各第一分子层条纹321、各第二分子层条纹322、各第三分子层条纹323和各第四分子层条纹324均位于光波导200的第一表面210。图24示出了各第一分子层条纹
321、各第二分子层条纹322、各第三分子层条纹323和各第四分子层条纹324均位于第二表面220。 图25示出了第一表面210和第二表面220均具有各第一分子层条纹321、各第二分子层条纹322、各第三分子层条纹323和各第四分子层条纹324。
113.其中，各第一分子层条纹321和各第三分子层条纹323可以通过同一印章100形成，各第二分子层条纹322和各第四分子层条纹324可以通过同一印章100形成。相邻的两个第一分子层条纹321之间具有一个第二分子层条纹322，第一分子层条纹321和第二分子层条纹322之间可以具有间隙，或者，第一分子层条纹321和第二分子层条纹322连接。相应的，相邻的两个第三分子层条纹323之间具有一个第四分子层条纹324，第三分子层条纹323和第四分子层条纹324之间可以具有间隙，或者，第三分子层条纹323和第四分子层条纹324连接。
114.自组装分子310与纳米粒子400上的修饰分子410反应并连接后，不会在于其他分子反应了。因此，在具有实现时，可以先提供第一纳米粒子，待第一纳米粒子与各第一分子层条纹321和各第三分子层条纹323反应并连接后，在向各第二分子层条纹322和各第四分子层条纹324提供第二纳米粒子。或者，先提供第二纳米粒子，待第二纳米粒子与各第二分子层条纹322和各第四分子层条纹324反应并连接后，在向各第一分子层条纹321和各第三分子层条纹323提供第一纳米粒子。由此，避免影响自组装分子310与纳米粒子400上的修饰分子410反应。
115.图23示出了各第一分子层条纹321上的圆球形的纳米粒子400（即第一纳米粒子），各第二分子层条纹322上的四棱柱的纳米粒子400（即第二纳米粒子）。
116.如图12和图26所示，在第六种可能的实现方式中，向位于光波导200的第一表面210上的各第一分子层条纹321和各第三分子层条纹323均提供多个第一纳米粒子，各第二分子层条纹322和各第四分子层条纹324均提供多个第二纳米粒子。
117.向位于光波导200的与第一表面210相对的第二表面220上的各第一分子层条纹321和各第三分子层条纹323均提供多个第一纳米粒子或多个第二纳米粒子，各第二分子层条纹322和各第四分子层条纹324均提供多个第三纳米粒子；其中，第一纳米粒子、第二纳米粒子和第二纳米粒子的尺寸均不同。由此，同一光波导200上可以具有四个耦入光栅和四个耦出光栅。这样，在同一光波导200上即可具有可衍射红色、绿色和蓝色这三种颜色的耦入光栅和耦出光栅。由于绿光的光强较大，因此，与绿光对应的耦入光栅和耦出光栅均具有两个，红色和蓝色对应的耦入光栅和耦出光栅可以均具有一个。
118.本技术实施例还提供了一种衍射光栅结构，采用上述实施例提供的衍射光栅结构的制备方法制成。衍射光栅结构的结构在上述实施例中进行了详细说明，此处不再一一赘述。
119.如图3至图26所示，在本技术中，衍射光栅结构的同一分子层条纹320中相邻两个纳米粒子400之间的间距大于等于0 nm 且小于等于50nm。若相邻两个纳米粒子400之间的间距大于100 nm，相邻两个纳米粒子400的粒子表面的共振电磁场无法相互耦合形成耦合电磁波模式。
120.在具体实现时，纳米粒子400的形状为立方体、纳米柱或纳米球等规则形状，采用规则形状的纳米粒子400，衍射效果较好。
121.此外，本技术实施例提供的衍射光栅结构，纳米球的直径大于等于5 nm 且小于等
于100nm。若纳米球的直径小于5 nm，纳米球上的修饰分子410与自组装分子310连接后，纳米粒子400容易脱落。若纳米球的直径大于100nm，无法与红色、绿色和蓝色的输入光产生共振。
122.图27为本技术实施例提供的成像装置的结构示意图一；图28为本技术实施例提供的成像装置的结构示意图二；图29为本技术实施例提供的成像装置的结构示意图三；图30为本技术实施例提供的成像装置的结构示意图四。如图3至图30所示，本技术实施例还提供了一种成像装置800，包括图像生成模组700和至少一个上述实施例提供的衍射光栅结构，图像生成模组700用于向衍射光栅结构的耦入光栅发射光线。
123.具体的，图像生成模组700可以为微型显示器，例如micro led微型显示器、oled微型显示器等。图像生成模组700提供包括红色、绿色和蓝色的输入光束，红色、绿色和蓝色的输入光束作为发射光线进入衍射光栅结构的耦入光栅，相应的，衍射光栅结构中包括红色耦入光栅510a、绿色耦光栅510b、蓝色耦入光栅510c、红色耦出光栅520a、绿色耦出光栅520b和蓝色耦出光栅520c。其中，红色耦入光栅510a和红色耦出光栅520a衍射红色光束，其余颜色光束不进行衍射。绿色耦光栅510b和绿色耦出光栅520b衍射绿色光束，其余颜色光束不进行衍射。蓝色耦入光栅510c和蓝色耦出光栅520c衍射蓝色光束，其余颜色光束不进行衍射。
124.上述红色耦入光栅510a、绿色耦光栅510b、蓝色耦入光栅510c、红色耦出光栅520a、绿色耦出光栅520b和蓝色耦出光栅520c可以均设置在一个至三个光波导200上。示例性的，图27示出了具有三个光波导200的成像装置800。图28和图29示出了具有两个光波导200的成像装置800。图30示出了具有一个光波导200的成像装置800。从图27至图30可以看出，光波导200越少，成像装置800整体的厚度相应的较薄。
125.需要说明的是，图27至图30中，箭头代表不同颜色的光束的衍射，实线箭头代表红色光束，虚线箭头代表绿色光束，点划线箭头代表蓝色光束。
126.可以理解的是，成像装置800的结构不限于图27至图30中所示。图16至图23、图25和图26喷射或涂布纳米粒子400后，进行组合，只要能分别衍射红色、绿色和蓝色的光束即可。
127.图31为本技术实施例提供的头戴设备的结构示意图。如图31所示，本技术实施例还提供了一种头戴设备，包括壳体900和上述实施例提供的成像装置800，成像装置800设置在壳体900上。
128.其中，头戴设备可以为眼镜或者头盔等设备以及其他具有虚拟画面与现实场景结合功能的设备。本技术以头戴设备可以为ar眼镜为例进行说明，可以理解头戴设备的具体形式并不限于ar眼镜。
129.以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。