1.本发明涉及增强现实显示技术领域，特别是涉及一种具有倾斜纳米结构的波导镜片及其制作方法。


背景技术：

2.增强现实(ar)技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。目前主流的近眼式增强现实显示设备大多采用光波导原理。纳米尺度的倾斜光栅，有助于实现衍射光栅1级或-1级衍射效率的极大化，理论上可以达到90％以上，这对于光波导方法的增强现实领域有着极大的作用，不仅如此，倾斜光栅还具备波长选择特性，通过调控倾斜光栅的倾角、周期、高度等参数，可以实现针对某一波段的极高衍射特性。这种特性，不仅有效提升了增强现实设备的能量转换效率，缩短了电池能源的体积，提高轻便度，而且有助于减弱衍射光栅带来的色差、彩虹纹等现象，提高显示质量。现有制作倾斜光栅的方法大多是利用光刻胶制作出所需的图形形貌，再进行倾斜蚀刻，由于光刻胶的刻蚀速率一般比波导基底的材质刻蚀速率大，因此对光刻胶图案的高度要求比较高，加大了光刻胶图形的制作难度，同时由于光刻胶图案的高度比较高，在倾斜蚀刻时距离相近的光刻胶图形会形成较宽的阴影，从而不利于制作宽深比比较高和倾斜角度比较大的结构。
3.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：

4.本发明的目的在于提供一种制备难度低且倾斜角度、深度可控的具有倾斜纳米结构的波导镜片及其制作方法。
5.本发明提供一种具有倾斜纳米结构的波导镜片的制作方法，该方法包括：
6.提供一波导基底；
7.在所述波导基底的表面至少选择2个区域，在所述区域制备不连续的覆盖层；
8.采用倾斜刻蚀的方式对所述区域未被所述覆盖层遮挡的部分进行蚀刻，在所述区域内形成多个倾斜纳米结构；
9.除去所述覆盖层。
10.在其中一实施例中，制备所述覆盖层的步骤包括：
11.采用旋涂或喷涂或刮涂的方式在所述波导基底上覆盖一层光刻胶形成光刻胶层；
12.对所述光刻胶层进行图形化处理，在所述区域获得具备所需图形形貌的图形光刻胶，以及裸露所述波导基底表面的图形凹槽；
13.采用镀膜工艺对所述图形光刻胶和所述图形凹槽进行镀膜；
14.除去覆盖在所述图形光刻胶上的镀膜及所述图形光刻胶，得到覆盖所述图形凹槽
的所述覆盖层。
15.在其中一实施例中，所述图形化处理为对所述光刻胶层采用干涉光刻或全息曝光或套刻工艺以在所述波导基底上形成所述图形光刻胶和所述图形凹槽。
16.在其中一实施例中，所述镀膜工艺包括蒸发镀膜或溅射镀膜或化学还原。
17.在其中一实施例中，所述波导基底的材质为可见光高透明的材料；所述覆盖层材质为刻蚀速率与所述波导基底的材质刻蚀速率比小于1：2的材料，以保证所述波导基底的刻蚀深度。
18.本发明还提供一种具有倾斜纳米结构的波导镜片，包括波导基底，在所述波导基底的表面至少设有2个区域，每一区域包括多个所述倾斜纳米结构。
19.在其中一实施例中，同一区域的多个倾斜纳米结构的倾斜角和深度相同，不同区域的倾斜纳米结构的倾斜角和深度相同或不同。
20.在其中一实施例中，多个所述倾斜纳米结构形成光栅结构或点阵结构。
21.在其中一实施例中，当多个所述倾斜纳米结构形成所述光栅结构时，所述光栅结构的深度为50nm～500nm，占空比为0.1～0.7，倾斜角为10
°
～60
°
，周期为360nm～510nm。
22.在其中一实施例中，所述波导基底的材质为可见光波段透过率不低于80％的材料。
23.本发明提供的具有倾斜纳米结构的波导镜片的制作方法，通过采用倾斜刻蚀的方式对所述区域未被所述覆盖层遮挡的部分进行蚀刻，在所述区域内形成多个倾斜纳米结构，利用覆盖层作为刻蚀掩模，实现倾斜纳米结构制备，采用常规刻蚀材料，降低制备难度，同时，通过覆盖层遮挡，实现倾斜纳米结构倾斜角、占空比的可控。
附图说明
24.图1为本发明实施例具有倾斜纳米结构的波导镜片的制作方法的步骤流程图；
25.图2为图1中步骤s2的具体步骤流程图；
26.图3a至图3e为本发明实施例具有倾斜纳米结构的波导镜片的制作方法的工艺流程图；
27.图4为本发明实施例制备的图形光刻胶和图形凹槽的扫描电子显微镜图；
28.图5为根据图4进行的镀铬工艺后的扫描电子显微镜图；
29.图6为根据图5实际制备的2种倾斜纳米结构的扫描电子显微镜图；
30.图7为本发明实施例具有倾斜纳米结构的波导镜片的结构示意图；
31.图8为图7中a处放大后的立体图。
32.图9为图7中倾斜纳米结构的衍射效率图。
具体实施方式
33.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。
34.请参图1至图6，本发明实施例中提供的具有倾斜纳米结构的波导镜片的制作方法，该方法包括：
35.s1：提供一波导基底1；
36.s2：在波导基底1的表面至少选择2个区域，在区域制备不连续的覆盖层32；
37.s3：采用倾斜刻蚀的方式对区域未被覆盖层32遮挡的部分进行蚀刻，在区域内形成多个倾斜纳米结构7；
38.s4：除去覆盖层32。
39.在本实施例中，波导基底1的材质为可见光高透明的材料，可实现图像光线在波导基底1内全反射。具体地，波导基底1的材质为可见光波段透过率不低于80％的材料；优选地，波导基底1的材质可以为玻璃或树脂，其折射率不小于1.4。
40.在步骤s2中，制备不连续的覆盖层32的具体步骤如下。
41.s21：采用旋涂或喷涂或刮涂的方式在波导基底1上覆盖一层光刻胶以形成光刻胶层。
42.具体地，采用刮涂的方式将光刻胶涂满整个波导基底1一侧的表面。光刻胶的折射率在1.4-1.8之间。
43.s22：对光刻胶层进行图形化处理，在区域内获得具备所需图形形貌的图形光刻胶21，以及裸露波导基底1表面的图形凹槽22。
44.图形化处理为对光刻胶层采用干涉光刻或全息曝光或套刻工艺以在波导基底1上形成图形光刻胶21和图形凹槽22。此图形光刻胶21的侧壁笔直，即覆盖膜32与波导基底1垂直，有助于覆盖层32的不连续覆盖。
45.具体地，按照所需图形对光刻胶层进行曝光显影后，在选择的区域内获得具备所需图形形貌的图形光刻胶21，以及裸露波导基底1表面的图形凹槽22。为保证露底部分更为干净，在曝光显影后，可以通过等离子去胶机等设备进行氧离子轰击。
46.如图4所示，根据干涉光刻的工艺，进行光刻显影流程，通过控制曝光能量、稳定性、显影时间等工序，可得到具备露底形貌(图形凹槽22)的一维光栅(图形光刻胶21)，光栅周期331.5nm，深度227.7nm。且光栅形貌笔直，有助于覆盖层32的非连续覆盖。
47.需要说明的是，可以在对整个光刻胶层进行干涉光刻或全息曝光或套刻以同时在至少2个选择的区域内形成图形光刻胶21和图形凹槽22；也可以按照选择的区域依次进行干涉光刻或全息曝光或套刻以获得各自区域内的图形光刻胶21和图形凹槽22。
48.在本实施例中，所选择的区域为2个，且2个区域在波导基底1同一侧表面。
49.在其它实施例中，所选择的区域为2个，且2个区域分布在波导基底1不同侧表面，即2个区域在波导基底1两侧各设置一个。
50.s23：采用镀膜工艺对图形光刻胶22和图形凹槽21进行镀膜。
51.具体地，镀膜工艺包括蒸发镀膜或溅射镀膜或化学还原。用于镀膜的材质为刻蚀速率与波导基底1的材质刻蚀速率比小于1：2的材料，即，覆盖层32的材质为刻蚀速率与波导基底1的材质刻蚀速率比小于1：2的材料；从而使得波导基底1的刻蚀速率大于覆盖层32的刻蚀速率，以保证波导基底1的刻蚀深度。优先地，用于镀膜的材质为金属银或金或铝或铬或锗，即，覆盖层32的材质为金属银或金或铝或铬或锗。如图5所示为根据图4进行的镀铬工艺后，形成的具有镀膜的扫描电子显微镜图。
52.镀膜时，膜覆盖凸起的图形光刻胶21的顶部表面和图形凹槽22底部(裸露的波导基底1表面)。在镀膜后，图形光刻胶21的侧面无膜或少量不连续膜。
53.s24：除去覆盖在图形光刻胶21上的镀膜31及图形光刻胶21，得到覆盖图形凹槽22
的覆盖层32；如此便完成了上述中不连续的覆盖层32的制作。
54.具体地，由于光栅的侧壁无覆盖层32，通过超声、配合溶液法，去除图形光刻胶21以及覆盖图形光刻胶21的镀膜31，以裸露出原被图形光刻胶21覆盖的波导基底1，可实现与波导基底1表面相连的膜的保留(即保留覆盖图形凹槽21的膜)，从而获得覆盖层32。
55.在步骤s3中，如图3d所示，通过刻蚀设备的倾斜刻蚀，借助覆盖层32的遮挡作用，形成倾斜纳米结构7。由于波导基底1的刻蚀速率大于覆盖层32的刻蚀速率，因此，覆盖层32仅需较浅的深度，便可制备较深的刻蚀形貌。同时，由于倾斜刻蚀的原因，离子斜轰击，会由于覆盖层32高度带来的遮挡，导致实际刻蚀形貌的宽度小于露底空白区域(即图形光刻胶21的宽度)，因此覆盖层32的高度也不宜过高，如此，可以制作槽宽相对宽些的倾斜纳米结构7。利用覆盖层32作为刻蚀掩模，且覆盖层32刻蚀速率远小于基底1刻蚀速率，因此无需较高深度的覆盖层32，且较高深度掩模倾斜刻蚀，会造成极大遮挡，从而影响刻蚀形貌。
56.在步骤s4中，可以通过等离子去胶机等设备进行氧离子轰击以清除覆盖层32；也可以在采用清洗液清洗后直接通过等离子去胶机等设备进行氧离子轰击以清除覆盖层32。以此获得具有倾斜纳米结构的波导镜片。
57.如图6所示，采用不同的刻蚀气体、工艺流程与时间，可制备不同形貌的倾斜光栅。以此实现衍射光栅一级或-1级衍射效率的极大化，这对于光波导方法的增强现实领域有着极大的作用。不仅有效提升了增强现实设备的能量转换效率，缩短了电池能源的体积，提高轻便度，而且有助于减弱衍射光栅带来的色差、彩虹纹等现象，提高显示质量。
58.例如所示的图7中，在光源入射角度为7
°
，倾斜纳米结构7的深度为300nm，占空比为0.45，倾斜角为30
°
，周期分别为360nm、440nm和510nm情况下对应的效率曲线，且分别针对红绿蓝三色波段光进行调控，其衍射效率均大于80％，极大提高能量转换效率。
59.请参考图8和图9，本发明还提供一种具有倾斜纳米结构的波导镜片，采用上述具有倾斜纳米结构的波导镜片的制作方法制作。包括波导基底11，在波导基底1的表面至少设有2个区域，每一区域包括多个倾斜纳米结构7。
60.在本实施例中，在波导基底1的同一侧表面设置2个区域。2个区域分别为将图像光线耦入至波导基底1的耦入区域51，以及经波导基底1全反射的图像光线耦出至人眼的耦出区域53。
61.在其它实施例中，在波导基底1的不同侧表面设置2个区域；在波导基底1两侧表面各设置1个区域。
62.同一区域的多个倾斜纳米结构7的倾斜角和深度相同，不同区域的倾斜纳米结构7的倾斜角和深度相同或不同。多个倾斜纳米结构7形成光栅结构或点阵结构。
63.当多个倾斜纳米结构7为光栅结构时，所述光栅结构的深度为50nm～500nm，占空比为0.1～0.7，倾斜角为10
°
～60
°
，周期为360nm～510nm。优选地，光栅结构的深度为300nm，占空比为0.45，倾斜角为30
°
。
64.通过制备纳米尺度的倾斜光栅，实现衍射光栅一级或-1级衍射效率的极大化，这对于增强现实领域有着极大的作用。不仅有效提升了增强现实设备的能量转换效率，缩短了电池能源的体积，提高轻便度，而且有助于减弱衍射光栅带来的色差、彩虹纹等现象，提高显示质量。如图9所示，在模拟中，入射角度为7
°
，光栅深度300nm，占空比0.45，倾斜角30
°
，在周期360nm、440nm和510nm情况下对应的效率曲线，且分别针对红绿蓝三色波段光进
行调控，其衍射效率均大于80％，极大提高能量转换效率。
65.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。
66.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。
67.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。
68.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。