衍射光波导及其的制造方法

技术领域

本发明涉及衍射光学设备技术领域，具体而言，涉及一种衍射光波导及其的制造方法。

背景技术

随着光学领域的快速发展，各种各样的光学显示设备横空出世。衍射光学设备由于其独特的显示效果以及体积优势而具有较大的应用范围。以近眼显示设备(NED)和平视显示设备(HUD)为例，衍射光波导是近眼显示设备(NED)和平视显示设备(HUD)的重要组成部分，衍射光波导的衍射效果决定近眼显示设备(NED)和平视显示设备(HUD)的最终显示效果。

衍射光波导中通常包括衍射光栅，衍射光栅的质量和特性决定最终输出图像的质量，为了得到更高的衍射效率，通常需要设置特定的衍射光栅形状，但是一般特定形状的衍射光栅的工艺复杂性较高，导致其制造方法较为复杂且困难，不适用于大规模生产。

也就是说，现有技术中的衍射光波导存在高衍射效率和低制造难度难以同时兼顾的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种衍射光波导及其的制造方法，以解决现有技术中的衍射光波导存在高衍射效率和低制造难度难以同时兼顾的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种衍射光波导，包括：基底；台阶结构，台阶结构设置在基底上，台阶结构具有台阶面、第一侧面和第二侧面，台阶面的一组相对两侧分别与第一侧面和第二侧面连接，第一侧面和第二侧面均垂直于基底设置，且第一侧面的高度大于第二侧面的高度；衍射光栅层，衍射光栅层随形覆盖在台阶结构上以呈阶梯状，至少台阶面和第二侧面上设置有衍射光栅层，衍射光栅层用于对光线进行衍射传输。

进一步地，台阶结构包括多个，多个台阶结构间隔设置，以使得多个台阶结构上的衍射光栅层是非连续的。

进一步地，衍射光波导还包括填充层，填充层填充设置在衍射光栅层远离基底的一侧，以使得台阶结构、衍射光栅层和填充层形成一体，填充层高于衍射光栅层设置，且填充层远离基底的一侧表面为平面。

进一步地，填充层与台阶结构之间的折射率差大于等于0.1且小于等于1.5。

进一步地，阶梯状的衍射光栅层包括多级阶梯结构，各级阶梯结构均由垂直连接地第一段和第二段组成，第一段与基底垂直，第二段与基底平行，多级阶梯结构与基底之间的距离沿远离基底的方向逐渐增大。

进一步地，仅台阶面和第二侧面上设置有衍射光栅层；或者衍射光栅层还包括水平段，水平段平行设置在基底上且水平段的一侧与靠近基底的一个阶梯结构的第一段连接。

进一步地，各级阶梯结构的第二段的宽度W大于等于10nm且小于等于150nm；和/或多级阶梯结构中的相邻阶梯结构的高度差h大于等于30nm且小于等于200nm。

进一步地，衍射光栅层的厚度H大于等于10nm且小于等于200nm；和/或衍射光栅层的周期大于等于300nm且小于等于600nm。

根据本发明的另一方面，提供了一种衍射光波导的制造方法，制造方法用于制造上述的衍射光波导，制造方法包括：步骤S1：获取基底，在基底上设置多个间隔设置的台阶结构；步骤S2：采用原子气相沉积、化学气相沉积和物理气相沉积中的一种方法在基底和台阶结构上随形生成一整层沉积层；步骤S3：采用纳米压印光学胶通过旋转涂布或空白压印的方法在沉积层远离基底的一侧表面生成临时层；步骤S4：在临时层上选取多个第一去除区域，各第一去除区域与各台阶结构的第一侧面上的沉积层对应且尺寸匹配，采用光刻工艺去除多个第一去除区域；步骤S5：采用腐蚀或湿法刻蚀的方法去除各台阶结构的第一侧面上的沉积层，以形成衍射光栅层；步骤S6：采用光刻的方法去除临时层。

进一步地，制造方法还包括位于步骤S6后的步骤S7：采用旋转涂布或者压印的方法在衍射光栅层远离基底的一侧表面设置填充层，以使填充层、台阶结构和衍射光栅层形成一个整体。

应用本发明的技术方案，衍射光波导包括基底、台阶结构和衍射光栅层，台阶结构设置在基底上，台阶结构具有台阶面、第一侧面和第二侧面，台阶面的一组相对两侧分别与第一侧面和第二侧面连接，第一侧面和第二侧面均垂直于基底设置，且第一侧面的高度大于第二侧面的高度；衍射光栅层随形覆盖在台阶结构上以呈阶梯状，至少台阶面和第二侧面上设置有衍射光栅层，衍射光栅层用于对光线进行衍射传输。

通过设置基底，使得基底为台阶结构和衍射光栅层提供了设置位置，有利于提高台阶结构和衍射光栅层的使用可靠性。通过设置台阶结构，有利于形成阶梯状的衍射光栅层，同时使得台阶结构能够对衍射光栅层形成支撑，一方面能够形成特定性状的衍射光栅层，使得具有特定性状的衍射光栅层有更高的衍射效率；另一方面，有利于保证在制作、运输过程中衍射光栅层的形状稳定性和结构稳定性，保证高精度、高效率的传输效果。本申请提出了一种新的形状的衍射光栅层，该衍射光栅层相比于传统的倾斜光栅的衍射效率有显著提升。同时本申请的衍射光波导利于加工制作，降低了制造难度，便于批量生产。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例一的衍射光波导在制作过程中经过步骤S1后的示意图；

图2示出了图1中的衍射光波导在制作过程中经过步骤S2后的示意图；

图3示出了图1中的衍射光波导在制作过程中经过步骤S3后的示意图；

图4示出了图1中的衍射光波导在制作过程中处于步骤S4的示意图；

图5示出了图1中的衍射光波导在制作过程中经过步骤S4后的示意图；

图6示出了图1中的衍射光波导在制作过程中处于步骤S5的示意图；

图7示出了图1中的衍射光波导在制作过程中经过步骤S5后的示意图；

图8示出了图1中的衍射光波导在制作过程中经过步骤S6后的示意图；

图9示出了本发明的实施例一的衍射光波导的结构示意图；

图10示出了图9中的衍射光波导的衍射光栅层的结构示意图；

图11示出了本发明的实施例二的衍射光波导在制作过程中处于步骤S4的示意图；

图12示出了图11中的衍射光波导在制作过程中经过步骤S4后的示意图；

图13示出了图11中的衍射光波导在制作过程中经过步骤S5后的示意图；

图14示出了图11中的衍射光波导在制作过程中经过步骤S6后的示意图；

图15示出了本发明的实施例二的衍射光波导的结构示意图；

图16示出了图15中的衍射光波导的衍射光栅层的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、基底；20、台阶结构；21、台阶面；22、第一侧面；23、第二侧面；30、衍射光栅层；31、第一段；32、第二段；33、水平段；40、填充层；50、沉积层；60、临时层；61、第一去除区域；62、第二去除区域；63、第三去除区域。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中的衍射光波导存在高衍射效率和低制造难度难以同时兼顾的问题，本发明提供了一种衍射光波导及其的制造方法。

实施例一

如图1至图10所示，衍射光波导包括基底10、台阶结构20和衍射光栅层30，台阶结构20设置在基底10上，台阶结构20具有台阶面21、第一侧面22和第二侧面23，台阶面21的一组相对两侧分别与第一侧面22和第二侧面23连接，第一侧面22和第二侧面23均垂直于基底10设置，且第一侧面22的高度大于第二侧面23的高度；衍射光栅层30随形覆盖在台阶结构20上以呈阶梯状，至少台阶面21和第二侧面23上设置有衍射光栅层30，衍射光栅层30用于对光线进行衍射传输。

通过设置基底10，使得基底10为台阶结构20和衍射光栅层30提供了设置位置，有利于提高台阶结构20和衍射光栅层30的使用可靠性。通过设置台阶结构20，有利于形成阶梯状的衍射光栅层30，同时使得台阶结构20能够对衍射光栅层30形成支撑，一方面能够形成特定性状的衍射光栅层30，使得具有特定性状的衍射光栅层30有更高的衍射效率；另一方面，有利于保证在制作、运输过程中衍射光栅层30的形状稳定性和结构稳定性，保证高精度、高效率的传输效果。本申请提出了一种新的形状的衍射光栅层30，该衍射光栅层30相比于传统的倾斜光栅的衍射效率有显著提升。同时本申请的衍射光波导利于加工制作，降低了制造难度，便于批量生产。

需要说明的是，台阶结构20仅用于支撑衍射光栅层30，而不用于衍射光线。且台阶结构20的第一侧面22上不设置衍射光栅层30。

如图9所示，本申请的基底10的两侧表面均为平面，台阶结构20包括多个，多个台阶结构20间隔设置在基底10的一侧表面上，以使得多个台阶结构20上的衍射光栅层30是非连续的。也就是说多个阶梯状的衍射光栅层30中的相邻两个衍射光栅层30是间隔设置的。这样设置使得不同位置的衍射光栅层30能够对基底10中的不同位置的光进行衍射传输，进而提高基底10的整体的衍射效率。

具体的，衍射光波导还包括填充层40，填充层40填充设置在衍射光栅层30远离基底10的一侧，以使得任意相邻两个具有衍射光栅层30的台阶结构20之间的间隙能够被填充层40填充，以使得台阶结构20、衍射光栅层30和填充层40形成一体，衍射光栅层30被台阶结构20和填充层40完全包覆，这样设置有利于保证台阶结构20对衍射光栅层30的稳定支撑，同时使得台阶结构20和填充层40能够隔绝外界污物，从而避免外界污物影响衍射光栅层30的衍射效果，避免杂光的产生，保证衍射光栅层30的高衍射效率。填充层40高于衍射光栅层30设置，且填充层40远离基底10的一侧表面为平面，也就是说，填充层40远离基底10的一侧表面到基底10的距离大于衍射光栅层30的距离基底10最远的部分到基底10的距离。

具体的，填充层40的折射率与台阶结构20的折射率之间存在折射率差，且填充层40与台阶结构20之间的折射率差大于等于0.1且小于等于1.5。通过设置具有折射率差的台阶结构20和填充层40包覆衍射光栅层30，有利于实现衍射光栅层30的对光线的衍射功能，为衍射光栅层30的衍射传输创造更好的条件。

如图9和图10所示，阶梯状的衍射光栅层30包括多级阶梯结构，各级阶梯结构均由垂直连接地第一段31和第二段32组成，第一段31与基底10垂直，第二段32与基底10平行，多级阶梯结构与基底10之间的距离沿远离基底10的方向逐渐增大。阶梯结构的个数大于等于2个。具有多级阶梯结构的衍射光栅层30的衍射效率相比于传统的倾斜光栅结构有显著提升。

具体的，衍射光栅层30呈阶梯状，能够具有更高的衍射效率，相比于传统的倾斜光栅及其采用的工艺，本申请的衍射光栅层30能够具备更大的倾斜角以及更小的占空比。同时，制造工艺更简单，相比于传统的倾斜光栅的制造工艺，本申请的衍射光栅层30的加工不涉及制造倾斜光栅的反应离子束刻蚀，仅采用成熟可靠的直齿半导体刻蚀工艺，节省了工艺步骤，降低了制造难度，提升了加工效率。

在本实施例中，衍射光栅层30还包括水平段33，水平段33平行设置在基底10的表面上且水平段33的一侧与靠近基底10的一个阶梯结构的第一段31连接，水平段33的另一侧沿远离该第一段31的方向衍射，由图9可以看出，水平段33的右侧与其右侧的台阶结构20间隔设置，这样设置使得多个衍射光栅层30中任意相邻两个衍射光栅层30在基底10上的投影都是间隔设置的。

具体的，各级阶梯结构的第二段32的宽度W大于等于10nm且小于等于150nm；多级阶梯结构中的相邻阶梯结构的高度差h大于等于30nm且小于等于200nm。衍射光栅层30的厚度H大于等于10nm且小于等于200nm；一个衍射光栅层30的周期大于等于300nm且小于等于600nm。通过合理约束衍射光栅层30的结构尺寸和周期，有利于约束衍射光栅层30的形状，以保证衍射光栅层30的高衍射效率。

另外，通过合理规划衍射光栅层30的厚度H小于200nm是为了避免单层过厚，从而衍射光栅层30总高度过高，以保证结构合理性。通过约束一个衍射光栅层30的周期小于等于600nm是为了避免可见光在空气中存在1级衍射级次，周期大于300nm是为了使得可见光在基底10中存在1级衍射级次。合理约束衍射光栅层30的其他结构参数范围是为了涵盖更多工艺范围内的可能性。

在实施例一中，参考图9和图10，阶梯状的衍射光栅层30包括三级阶梯结构和一个水平段33。水平段33与其连接的阶梯结构的第二段32之间的高度差以及相邻阶梯结构的高度差分别为h1＝70nm，h2＝70nm，h3＝70nm。水平段33以及各级阶梯结构的第二段32的宽度分别为W1＝80nm，W2＝80nm，W3＝80nm，W4＝80nm。衍射光栅层30的厚度H为70nm。多个衍射光栅层30的周期为390nm。台阶结构20的折射率与填充层40的折射率之间的折射率差为0.8。这样设置保证了衍射光栅层30的高衍射效率，将该衍射光栅层30应用于近眼显示器中，可以使得衍射效率显著提升。同时，阶梯状的衍射光栅层30相比于斜齿光栅，无需使用倾斜刻蚀的工艺，在加工上更容易实现。

本实施例还提供了一种衍射光波导的制造方法，制造方法用于制造上述实施例一的衍射光波导，制造方法包括：

如图1所示，步骤S1：获取基底10，在基底10上设置多个间隔设置的台阶结构20；

如图2所示，步骤S2：采用原子气相沉积、化学气相沉积和物理气相沉积中的一种方法在基底10和台阶结构20上随形生成一整层沉积层50；

如图3所示，步骤S3：采用纳米压印光学胶通过旋转涂布或空白压印的方法在沉积层50远离基底10的一侧表面生成临时层60；

如图4和图5所示，步骤S4：在临时层60上选取多个第一去除区域61，各第一去除区域61与各台阶结构20的第一侧面22上的沉积层50对应且尺寸匹配，第一去除区域61的宽度大于或者等于对应的台阶结构20的第一侧面22上的沉积层50的厚度，采用光刻工艺去除多个第一去除区域61；

如图6和图7所示，步骤S5：采用腐蚀或湿法刻蚀的方法去除各台阶结构20的第一侧面22上的沉积层50，以形成衍射光栅层30；

如图8所示，步骤S6：采用光刻的方法去除剩余的临时层60；

如图9所示，步骤S7：采用旋转涂布或者压印的方法在衍射光栅层30远离基底10的一侧表面设置填充层40，以使填充层40、台阶结构20和衍射光栅层30形成一个整体，同时使得台阶结构20和填充层40包覆衍射光栅层30，以形成实施例一的衍射光波导。

需要说明的是，临时层60的材料与台阶结构20的材料不同，临时层60的材料与填充层40的材料相同。

实施例二

如图11至图16所示，描述了实施例二的衍射光波导。

实施例二与实施例一的区别在于，参考图15和图16，仅台阶面21和第二侧面23上设置有衍射光栅层30。也就是说，本实施例中，阶梯状的衍射光栅层30没有实施例一的水平段33。

如图15和图16所示，阶梯状的衍射光栅层30包括三级阶梯结构。多级阶梯结构中的相邻阶梯结构的高度差分别为h1＝100nm，h2＝100nm，h3＝100nm。各级阶梯结构的第二段32的宽度分别为W1＝80nm，W2＝80nm，W3＝80nm。衍射光栅层30的厚度H为50nm。多个衍射光栅层30的周期为400nm。台阶结构20的折射率与填充层40的折射率之间的折射率差为1.2。这样设置保证了衍射光栅层30的高衍射效率，将该衍射光栅层30应用于近眼显示器中，可以使得衍射效率显著提升。同时，阶梯状的衍射光栅层30相比于斜齿光栅，无需使用倾斜刻蚀的工艺，在加工上更容易实现。

本实施例还提供了一种衍射光波导的制造方法，制造方法用于制造上述实施例二的衍射光波导，制造方法包括：

参考图1，步骤S1：获取基底10，在基底10上设置多个间隔设置的台阶结构20；

参考图2，步骤S2：采用原子气相沉积、化学气相沉积和物理气相沉积中的一种方法在基底10和台阶结构20上随形生成一整层沉积层50；

如图11所示，步骤S3：采用纳米压印光学胶通过旋转涂布或空白压印的方法在沉积层50远离基底10的一侧表面生成临时层60；

如图11和图12所示，步骤S4：在临时层60上选取多个第二去除区域62和多个第三去除区域63，第二去除区域62的宽度大于或等于其所在的最远离基底10的阶梯结构的第二段32的左侧端点到左侧相邻的台阶结构20的最底下的阶梯结构的第二段32上的沉积层50之间的距离，第三去除区域63的宽度与第二区域的宽度一致，一组中的第三去除区域63和第二去除区域62沿远离基底10的方向顺次设置，采用光刻工艺先去除多个第二去除区域62，再去除多个第三去除区域63；

如图13所示，步骤S5：采用腐蚀或湿法刻蚀的方法去除第二去除区域62和第三去除区域63中的沉积层50，以形成衍射光栅层30；

如图14所示，步骤S6：采用光刻的方法去除剩余的临时层60；

如图15所示，步骤S7：采用旋转涂布或者压印的方法在衍射光栅层30远离基底10的一侧表面设置填充层40，以使填充层40、台阶结构20和衍射光栅层30形成一个整体，同时使得台阶结构20和填充层40包覆衍射光栅层30，以形成实施例二的衍射光波导。

综上，通过实际模拟，可知在相同材料、深度等条件下，相同角度范围内，采用本申请的衍射光栅层30，衍射效率最大值能够达到94.8％，衍射效率均值为86.08％，衍射效率最小值为65.59％。而现有技术中的实心台阶光栅的衍射效率最大值约为81.05％，衍射效率均值为45.93％，衍射效率最小值为17.49％。由此可知，本申请的衍射光栅层30的衍射效率明显优于现有技术中的实心台阶光栅的衍射效率。

另外，本申请的衍射光栅层30在衍射光波导中作为耦入光栅，这样设置能够实现抑制鬼像的效果。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。