一种轻薄型光波导镜片及其制备方法和应用与流程

本发明涉及近眼显示设备的，尤其是涉及一种轻薄型光波导镜片及其制备方法和应用。

背景技术：

1、增强现实技术，即ar技术，是在展示真实场景的同时，通过图像、视频、3d模型等技术为用户提供虚拟信息，实现将虚拟信息与现实世界巧妙地相互融合，属于下一个信息技术的引爆点，而增强现实眼镜可能会取代手机成为下一代的协作计算平台。以增强现实眼镜为代表的增强现实技术目前在各个行业开始兴起，尤其在安防和工业领域，增强现实技术体现了无与伦比的优势，大大改进了信息交互方式。目前比较成熟的增强现实技术中的光学显示方案主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和波导方案。

2、在众多光学显示方案中，浮雕光栅波导为使用浮雕光栅（srg）代替传统的折反射光学器件（roe）作为波导方案中耦入、耦出和出瞳扩展器件，因其优异的性能被认为是最有希望成为消费级ar眼镜产品的实现方案。现有的光波导镜片主要采用高折玻璃作为光波导片、并叠加保护光栅结构的cover玻璃，以降低外界因素对光栅结构的影响，进而延长光波导镜片的使用寿命。但是这种多层高折玻璃叠加、同时外附光机电路的方式，使得ar眼镜较为笨重，影响用户长期佩戴下的体验感。因此，为了降低ar眼镜的体积和重量，目前主要通过减薄光波导镜片的厚度、或者将cover玻璃改为树脂材料的方式，达到减重减薄目的。

3、公开号为cn116626800a的中国专利公开了一种光波导镜片，包括光波导片和盖板；光波导片的数量至少为两个，且光波导片沿光波导镜片的厚度方向层叠设置，相邻的光波导片固定连接；盖板与光波导片固定连接，且沿光波导镜片的厚度方向，盖板位于光波导片的一侧或两侧，盖板为可透光树脂或可透光玻璃；沿光波导镜片的厚度方向，相邻的光波导片之间具有第一空气间隙，盖板与光波导片之间具有第二空气间隙；第一、二空气间隙内设置有填充件，以填充第一、二空气间隙的至少部分，填充件为可透光件，填充件的折射率为1.2~1.3。

4、上述中的现有技术方案存在以下缺陷：上述光波导镜片为至少两个光波导片叠加盖板（cover玻璃）的组合结构，若以两个1mm光波导片叠加0.5mm盖板，且第一、二空气间隙厚度为50µm计算，光波导镜片的整体厚度为2.60mm，整体较为厚重；若是光波导片和盖板的厚度太薄，光波导片的机械强度降低，在人眼佩戴的时候发生碰撞容易碎裂，存在安全隐患；（2）表面浮雕光栅的工作原理是光机的信息通过偶入光栅在光学镜片内部通过全反射传播耦出到人眼，全反射的临界角公式为：sinc=n2/n1，其中，n1、n2分别为波导片内部和外部的折射率；而当盖板和填充件采用光学树脂材料后，光波导片界面的折射率差过小，全反射角就越大，进而难以提供全反射条件，所以已经报道的光波导片和盖板的复合就必须要空气层间隔。

5、公开号为cn117590511a的中国专利公开了一种光波导镜片，包括：波导片，波导片设有衍射微结构；保护片，保护片用于保护波导片表面上的衍射微结构；环形胶层，沿波导片或保护片的边缘区域设置，环形胶层用于连接波导片和波导片；气阀组件，设置在波导片或保护片或环形胶层上，气阀组件用于阻断波导片与保护片之间的空腔中的气体排出，使得波导片与保护片之间的空腔的气压大于或等于光波导镜片所处环境的气压。

6、上述中的现有技术方案存在以下缺陷：上述光波导镜片中的保护片和波导片一般由树脂材料、或由树脂材料及玻璃材料混合构成，使得光波导镜片具有厚度薄、重量轻的特点，但是由于光波导镜片太薄，在应力或镜架等装配条件下，容易发生较大形变，进而导致mtf等光学性能明显变差并影响使用效果；虽然上述光波导镜片通过设置环形胶层以形成空气层，并外附气阀组件以应对形变的影响，避免由于保护片和波导片接触而产生的光能损耗及杂光现象，但这也无疑会增加光波导镜片的整体重量。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种轻薄型光波导镜片，其具有重量轻、厚度薄、光学性能好的优点。

2、本发明的第二个目的在于提供一种轻薄型光波导镜片的制备方法，其具有工艺简单、良品率高的优点。

3、本发明的第三个目的在于提供一种轻薄型光波导镜片的应用，其具有适用于ar眼镜的工业化生产和普及推广的优点。

4、为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：

5、一种轻薄型光波导镜片，包括由宽禁带半导体材料组成的波导片、以及由光学树脂材料组成的保护膜，所述波导片的至少一个表面具有光栅结构，所述保护膜设置于所述波导片的表面上、并嵌设于所述光栅结构的光栅间隙内，且所述保护膜和光栅结构的外侧表面近似的处于同一平面上、和/或所述保护膜遮盖所述光栅结构的外侧表面。

6、具体地，在本发明的光波导镜片中，所述“宽禁带半导体材料”的具体含义是指禁带宽度在2.3ev及以上的半导体材料，非限定地例如可为碳化硅（4h-sic、6h-sic、3c-sic）、氮化镓（gan）、氧化锌（zno）、氮化铝（aln）、硒化锌（znse）、氧化铟镓锌（igzo）、金刚石中的一种或几种的组合物；

7、所述“光栅结构”的具体含义是指由大量等宽等间距的平行狭缝（光栅间隙）构成的光学器件，非限定地例如可为透射式光栅和/或反射式光栅；

8、所述“光学树脂材料”的具体含义是指可替代无机玻璃而被广泛应用于光学领域的高透聚合物光学材料，非限定地例如可为丙烯基二甘醇碳酸醋（cr-39）、聚甲基丙烯酸甲醋 （pmma）、聚碳酸醋（pc）中的一种或几种的组合物。

9、通过采用上述技术方案，将折射率为1.7~1.9的高折玻璃波导片替换为宽禁带半导体材料波导片，优选采用折射率为2.6的碳化硅材料，同时将光学树脂材料直接附着在光栅结构的栅齿表面、无空气层，另外还可将减反射膜、防水膜、抗辐射膜和防雾膜等组成的功能性复合膜层附着在波导片上，由此形成单层光波导镜片；其中，功能性复合膜层各层膜厚为纳米级别，保护膜最厚为3~5μm，按波导片厚度为0.5mm计算，光波导镜片近似为0.5mm，并具有轻薄、耐划伤等性能。

10、进一步地，所述波导片由碳化硅材料组成。

11、进一步地，所述保护膜的折射率为1.50~1.60。

12、进一步地，所述保护膜设置有至少两个、并分别设置于所述波导片靠近和背离光栅结构的表面上。

13、进一步地，所述光波导镜片还包括功能性复合膜层，所述功能性复合膜层设置于所述保护膜表面。

14、进一步地，所述功能性复合膜层包括减反射膜、防水膜、抗辐射膜和防雾膜中的一种或几种的复合膜。

15、最进一步地，所述功能性复合膜层包括设置于所述光栅结构和保护膜之间的减反射膜、以及依次设置于所述保护膜背离光栅结构的表面的防水膜、抗辐射膜和防雾膜。

16、具体地，在本发明的功能性复合膜层中，“减反射膜”的具体含义是指减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光的光学薄膜，又称增透膜，非限定地例如氟化镁、氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化钛、氧化钽、硫化锌等减反射膜；

17、“防水膜”的具体含义是指具有抗油污和抗水性能的顶膜，薄且不会改变减反射膜的光学性能，非限定地例如硅胶、聚酯、醋酸纤维素涂层、氧化锆涂层、氟化物等；

18、“抗辐射膜”的具体含义是指根据电磁干扰遮蔽原理采用特殊镀膜工艺，经过特殊电导体薄膜处理，使镜片具有抗电磁辐射的功能，非限定地例如氧化银等金属化合物；

19、“防雾膜”的具体含义是指具有防雾性能的薄膜，非限定地例如硅胶、聚酯、醋酸纤维素涂层、氧化锆涂层、氟化物等。

20、为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：

21、一种轻薄型光波导镜片的制备方法，包括以下步骤，

22、s1在所述光波导片靠近光栅结构的表面镀膜，得到减反射膜；

23、s2在所述减反射膜表面、或者所述减反射膜表面和光波导片靠近光栅结构的表面镀膜，得到保护膜；

24、s3在靠近光栅结构的所述保护膜的表面、或者这些保护膜的表面依次镀膜，得到防水膜、抗辐射膜、和/或防雾膜；

25、s4切割，涂墨，得到光波导镜片。

26、通过采用上述技术方案，传统方法需要分别将光波导片镀增透膜并切割、cover玻璃镀功能膜并切割、psa裁切成镜片轮廓胶条后，叠合，涂膜，得到多层光波导镜片，这就导致一下问题：（1）镀膜、裁切等每一步骤都可能划伤或污染带结构的光学玻璃，甚至损伤结构区（结构区域为百纳米级光栅，较为脆弱）造成无法修复的损伤，影响良率，增加成本，（2）叠合对位、平行度、翘曲等参数对光波导镜片的光学参数影响很大，这样加工的光波导镜片只能够保护含结构的单面，光学玻璃的另一侧无法保护，这对于光波导镜片的寿命和性能都有一定的影响，若牺牲镜片本身的轻薄而增加一层cover玻璃去保护镜片背面是不值得的；

27、而基于改进的单层光波导镜片，本发明的制备方法直接在碳化硅波导片表面匹配增透膜，再通过浸胶法在碳化硅波导片两侧包裹光学树脂材料，再根据实际需要选择性的增镀其他功能性薄膜，最后进行切割和涂墨，就可以获得光波导镜片，其具有以下优点：（1）整体步骤少，无需叠合，双面保护光波导镜片（碳化硅波导片），（2）从镀增透膜之后就将碳化硅波导片保护起来，保护膜不易划伤，加工过程污染镜片也可以通过清洗解决，不会损伤光学结构。

28、进一步地，在所述s1~s3中，镀膜方法为旋涂法、浸胶法、和/或蒸镀法。其中，通过浸胶法可以直接在减反射膜表面和光波导片靠近光栅结构的表面镀膜，得到保护膜。

29、为实现上述第三个目的，本发明提供了如下技术方案：

30、一种轻薄型光波导镜片在显示设备中的应用。

31、通过采用上述技术方案，可将光波导镜片工业化应用于显示设备中，适用于ar眼镜的工业化生产和普及推广。

32、进一步地，所述显示设备包括手机、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑显、智能手表、裸眼3d显示屏、vr眼镜、ar眼镜、智能手环、智能指环、摄像机、智能眼镜、智能结算台显示器、货架电子标签、智能购物车显示器、门禁显示器、车载中控台、试妆镜、投影仪、冰箱显示器、抬头显示器、车载显示器、投影屏、或者电视显示器。

33、综上所述，本发明的有益技术效果为：

34、1.本发明的光波导镜片将折射率为1.7~1.9的高折玻璃波导片替换为宽禁带半导体材料波导片，并将cover玻璃替换为光学树脂材料保护膜，在双面保护导片、缩小光波导镜片整体厚度、提高光学性能的同时，可以进行做加硬、防划伤、防雾、防滑、防污，高透等功能复合；

35、2.本发明的制备方法具有工艺简单、良品率高的优点；

36、3.本发明可将光波导镜片工业化应用于显示设备中，适用于ar眼镜的工业化生产和普及推广。