1.本发明涉及增强现实显示技术领域，特别是涉及一种增强现实波导镜片及其制作方法。


背景技术：

2.衍射光波导方案是增强现实(ar，augmented reality)技术中常用的方案。在衍射光波导方案中，光线的精确走向控制不仅取决于衍射光栅的衍射角度，同时还需要结合波导全反射、波导与衍射光栅本身材质折射率，这些参数的不匹配均会造成光线的走向偏离。
3.如图1所示，同一光宽度的角度光线包括视场范围图像的部分信息，同一光宽度的角度光线在以全反射角度传导同时衍射出射的过程中，前一光宽度光线出射宽度和后一光宽度光线出射宽度不能重叠，此时人眼在整个耦出区域33位移观看时，可保证在移动过程中，均仅有某一光宽度的光入射，保证了仅看到视场范围图像的部分信息的唯一性。
4.但当需要提升衍射光波导方案的视场角大小时，往往通过提高波导折射率来容纳更大视场的光线进行内部传导，但波导基底折射率的提高，同时需要表面衍射光栅材质折射率的提高，现有成熟工艺，光刻胶或者压印胶的折射率低于波导基底的折射率，而低折射率衍射光栅匹配高折射率波导基底，会造成光线串扰，影响显示分辨率及效果体验。
5.如图2所示，在图1所示情况中其余参数不变的情况下，波导基底折射率的增大，会导致进入波导的衍射角度减小，从而导致前一光宽度光线出射宽度和后一光宽度光线出射宽度部分重叠，而同一光宽度的角度光线包括视场范围图像的部分信息，此时人眼在整个耦出区域33位移观看时，在移动过程中，在某个位置不仅仅有某一光宽度的光入射，看到完整前一光宽度光线的信息的同时，也看到后一光宽度光线的部分信息，会导致光线的串扰，且随着入射角度的变化，不同视场角的光线混杂，带来极差的视觉体验。
6.例如，图3所示，现有增强现实波导镜片的波导基底的折射率为1.84，入射角度20
°
，光栅周期420nm，入射波长520nm，根据衍射方程公式计算，衍射角为59.18
°
，根据全反射公式，满足全反射条件，此时对应的最大光束宽度为3.352mm，意味着在1mm厚度的波导和3.352mm光束口径的情况下，若功能区的折射率选择小于波导基底的折射率，根据衍射方程，衍射角度小于59.18
°
，即根据图2理论，前一光宽度光线出射宽度和后一光宽度光线出射宽度部分重叠。
7.前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种防止光线串扰的增强现实波导镜片及其制作方法。
9.本发明提供一种增强现实波导镜片，包括波导衬底、设置在所述波导衬底表面的渐变折射率层，以及设置在所述渐变折射率层远离所述波导衬底一侧表面具有纳米结构的功能区，所述波导衬底的折射率大于所述功能区域的折射率，所述渐变折射率层的折射率变化自所述波导衬底往所述功能区方向逐步递减。
10.在其中一实施例中，所述折射率变化呈线性或非线性的逐步递减。
11.在其中一实施例中，所述波导衬底的折射率不小于1.6，所述功能区的折射率不小于1.4，所述渐变折射率层的渐变范围在所述波导衬底的折射率和所述功能区的折射率之间。
12.在其中一实施例中，所述渐变折射率层的大小不小于所述功能区域所覆盖的区域。
13.在其中一实施例中，所述功能区包括将图像光线耦入至所述波导衬底的耦入区域和经所述波导衬底全反射的图像光线耦出至人眼的耦出区域。
14.本发明还提供一种增强现实波导镜片的制作方法，其特征在于，该方法包括：
15.提供一波导衬底；
16.在所述波导基底上制备渐变折射率层；
17.在所述渐变折射率层远离所述波导衬底一侧表面制备一光刻胶层；
18.在所述光刻胶层上制备纳米结构。
19.在其中一实施例中，在所述形成渐变折射率层步骤中，将两种或两种以上的混合材料通过单源混蒸或双源混蒸或多源共蒸的镀膜方式在所述波导衬底表面制备所述渐变折射率层，在此过程中，控制所述混合材料的混合比例及镀膜速率，以控制所述折射率层的渐变梯度。
20.在其中一实施例中，所述混合材料包括五氧化二铌、二氧化锆、五氧化二钽、二氧化铪、二氧化硅、二氧化钛中的其中一种或多种。
21.在其中一实施例中，在所述制备一光刻胶层的步骤中，采用旋涂或喷涂或刮涂的方式将光刻胶覆盖在所述渐变折射率层远离所述波导衬底一侧表面形成所述光刻胶层。
22.在其中一实施例中，在所述制备纳米结构的步骤中，通过光刻的方式在所述光刻胶层形成纳米结构，并清除多余的光刻胶层，以此形成所述具有纳米结构的功能区域。
23.在其中一实施例中，在所述制备纳米结构的步骤中，先提供一母版，再将所述母版压印在所述光刻胶层上，使所述母版的结构转移至所述光刻胶层，固化后将所述母版与所述光刻胶层分离，在所述光刻胶层上形成纳米结构。
24.本发明提供的增强现实波导镜片，通过所述渐变折射率层的折射率变化自所述波导衬底往所述功能区方向逐步递减，避免低折射率功能区匹配高折射率波导基底而造成光线串扰，提升了显示分辨率及体验效果。
附图说明
25.图1为现有增强现实波导镜片中波导基底和功能区的折射率相差较小的光线传导示意图；
26.图2为图1中波导基底和功能区的折射率相差较大的光线传导示意图；
27.图3为现有增强现实波导镜片中波导基底和功能区的折射率相差较大时入射光线以20
°
入射角情况下的光线示意图；
28.图4为本发明实施例增强现实波导镜片的结构示意图；
29.图5为图4所示结构的光线传导示意图；
30.图6为本发明实施例增强现实波导镜片的制作方法的步骤流程图。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
32.请参图4和图5，本发明实施例中提供的增强现实波导镜片，包括波导衬底1、设置在波导衬底1表面的渐变折射率层2，以及设置在渐变折射率层2远离波导衬底1一侧表面具有纳米结构的功能区3。波导衬底1的折射率大于功能区3的折射率，渐变折射率层2的折射率变化自波导衬底1往功能区3方向逐步递减。
33.波导衬底1的材质为可见光高透明的材料，且波导衬底1的折射率不小于1.6。
34.渐变折射率层2的大小不小于功能区域3所覆盖的区域。即，渐变折射率层2的大小与波导衬底1的大小相等，或者，渐变折射率层2的大小与功能区3大小相等。
35.当渐变折射率层2的大小与功能区3大小相等时，渐变折射率层2至少设有两个相互独立且互不接触的部分。
36.渐变折射率层2为多层结构，此多层结构至少设有2个折射层21。其中，同一折射层21的折射率相同，不同折射层21的折射率不同。具体地，渐变折射率层2的折射率渐变自波导衬底1往功能区3方向逐步递减，即，靠近波导衬底1的折射层21的折射率比靠近功能区3的折射层21的折射率大。
37.在本实施例中，渐变折射率层2的渐变范围在波导衬底1的折射率和功能区3的折射率之间。渐变折射率层2的折射率渐变按线性或非线性的方式自波导衬底1往功能区3方向逐步递减。优先地，按等差数列逐步递减的方式将渐变折射率层2分成多层。如图5所示分5层。
38.功能区3的折射率不小于1.4。功能区3包括将图像光线耦入至波导衬底1的耦入区域31和经波导衬底1全反射的图像光线耦出至人眼的耦出区域33。耦入区域31和耦出区域33均设有光栅(即纳米结构)，且二者的光栅的结构、周期可以相同，也可以不同。
39.具体光线传导途径：入射光线首先经功能区3衍射传导，通过渐变折射率层2进入波导基底，在波导基底内部全反射传导，后再次经渐变折射率层2入射功能区3，部分光线经功能区3耦出，部分光线已全反射沿波导长度方向持续传导，实现增强现实的扩瞳传导。即，单一角度光线以某一光宽度经耦入区域31衍射进入波导基底，衍射角度在满足波导内部全反射的情况下光线进行横向扩瞳传导，部分光线经耦出区域33衍射出射，部分光线继续在波导内传导。
40.如图5所示，渐变折射率层2为多层模式，单层内折射率无变化。渐变折射率层2的折射率变化自波导基底往功能区3方向逐步递减。光线经表面纳米结构衍射，进入渐变折射率层2的最上层，由于渐变折射率层2的折射率由上至下依次增大，根据折射定律，其折射角度逐渐减小，最后进入波导基底层后，经全反射，又经过渐变折射率层2后，经功能区3衍射出射，其前一光宽度与后一光宽度的存在不重叠距离b。在图5中的虚线光线为渐变折射率层2为与波导基底同种材质情况下的光线传导，可以看出，其前一光宽度与后一光宽度的存在重叠距离a。由此说明，经过多层模式的渐变折射率层2，一定程度的避免低折射率衍射光栅匹配高折射率波导基底，造成光线串扰，影响显示分辨率及效果体验。
41.请参考图6，本发明实施例还提供一种增强现实波导镜片的制作方法，该制作方法的步骤包括：
42.s1：提供一波导衬底；
43.s2：在波导基底上制备渐变折射率层；
44.s3：在渐变折射率层远离波导衬底一侧表面制备一光刻胶层；
45.s4：在光刻胶层上制备具有纳米结构的功能区。
46.在步骤s2中，将两种或两种以上的混合材料通过单源混蒸或双源混蒸或多源共蒸的镀膜方式在波导衬底表面制备渐变折射率层。渐变折射率层的大小可以与波导衬底表面尺寸相等；也可以在波导衬底表面选择一区域，将渐变折射率层制作在此区域内。在此过程中，控制混合材料的混合比例及镀膜速率，以控制折射率层的渐变梯度，即折射率渐变的方式，如按线性或非线性自波导衬底往外逐步递减。
47.混合材料包括五氧化二铌、二氧化锆、五氧化二钽、二氧化铪、二氧化硅、二氧化钛中的其中一种或多种。
48.在其它实施例中，可以采用上述方式在其它基底上制作所需的渐变折射率膜，再将此渐变折射率膜裁剪成所需大小贴合在波导衬底上形成渐变折射率层。此方法可用于在需具有多个相互独立且互不接触的部分的渐变折射率层上。
49.在步骤s3中，采用旋涂或喷涂或刮涂的方式将光刻胶覆盖在渐变折射率层远离波导衬底一侧表面形成光刻胶层。在实际涂布光刻胶时，通常将光刻胶布满整个波导衬底表面，即光刻胶层的大小与波导衬底表面相当，如此操作简单。当然，光刻胶也可以根据需要涂布在指定的区域，如此可以节省材料，节约成本。
50.在步骤s4中，通过光刻的方式在光刻胶层形成纳米结构。具体地，按照所需图案在对光刻胶层进行曝光、显影，再进行蚀刻以在光刻胶层上形成图图案形貌，即纳米结构。然后再清洗多余的部分，以此形成具有纳米结构的功能区。在此清洗过程中，根据需要，只清洗多余部分的光刻胶，此时渐变折射率层的大小与波导衬底表面尺寸相等。也可以在清洗多余光刻胶时，将布满整个波导衬底表面的渐变折射率层中的一部分清洗掉，保留剩余光刻胶(此时剩余光刻胶形成功能区)覆盖部分的渐变折射率层，此渐变折射率层的大小与功能区大小相等。
51.在其它实施例中，可以采用压印的方式在光刻胶上形成纳米结构。具体地，先提供一母版，再将母版压印在光刻胶层上，使母版的结构转移至光刻胶层，再通过光刻、曝光等方式在光刻胶层获得图案形貌，固化后将母版与光刻胶层分离，在光刻胶层上形成纳米结构。
52.在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”、“设置在”或“位于”另一元件上时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。
53.在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。
54.在本文中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
55.在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
56.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。