深度解析增强现实头戴显示器的设计与加工( 三 )

如图6c所示为倾斜式表面浮雕光栅。
如图6d所示，为实现出瞳扩展，当光打到出耦合光栅元件，一部分光会被衍射从波导出射，另一部分光继续全反射，全反射光每次与出耦合光栅作用时都会有衍射光出射，剩余光继续沿着原方向全反射。
表面浮雕光栅主要通过电子束刻蚀技术制造。制作过程如图7所示，以SiO?作为基底，在基底上涂覆有铬层(Cr)和抗腐蚀剂层(resist) ，然后利用激光的全息记录技术对对抗蚀剂层进行刻印。再通过氯干腐蚀工艺将抗蚀剂图案转移到铬层中。在刻蚀工艺完成之后，再将剩余的光刻胶用氧等离子体过程剥离（oxygenplasmaprocess），获得了具有用于后续氟利昂化学反应离子束蚀刻(RIBE)的极好的垂直剖面形状。在RIBE（反应离子束刻蚀， reactiveionbeametching(RIBE)）刻蚀过程中，电离氩束以斜入射角射向衬底。在蚀刻腔中加入反应气体(氟利昂) ，最终在SiO?中蚀刻了一个斜栅。在RIBE蚀刻后，用标准湿法蚀刻工艺去除Cr掩模。为了大批量生产AR衍射光栅，纳米压印(NIL)是最适用的方法。利用压印技术，对母板进行接近1：1的压印复制，可实现对母版的大批量复制制作，且能保证复制光栅的性能稳定。

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图7.表面浮雕光栅制造工艺的基本流程
1.2.2体全息光栅VHG体全息光栅波导系统（VHG）是平板波导的另一种解决方案。相比较于表面浮雕光栅而言，体全息光栅是基于光的干涉原理制作的具有周期性折射率变化的三维立体结构，当光线入射时，根据布拉格衍射的特点，只有特定角度入射的特定波长光线才可以以高衍射效率出射，由于其出色的波长和角度选择性，体全息光栅开始被广泛应用于近眼显示领域。

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图8.全息光栅波导与其的曝光制备光路
如图8（a）所示，当光在玻璃基板上完全反射时，一旦到达全息表面就会发生衍射。而衍射光不再满足全反射的条件，将从玻璃板中发射出来。同时可以调节入瞳的大小，实现连续的出瞳区域。
之后如图8（b）所示，通过堆叠入耦合和出耦合体全息光栅，发展出了彩色的VHG耦合光栅波导。然而，这些全息光栅叠加会使系统产生杂散光。
体全息光栅的制作主要分为制胶、旋涂、晾干、曝光及后处理过程。全息光栅记录光路图如图8（c）,曝光时，激光器发出激光,通过分束镜之后分为具有一定光强比的光束,经过扩束准直及反射镜反射之后,入射到预涂好光胶的全息干板上,曝光干涉形成干涉条纹。
1.2.3偏振体全息波导PVG

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图9.偏振体全息光栅PVG用于衍射波导AR-HMD及其加工制备方法
如图9a所示，在PVG中，液晶分子LC光轴在xz平面的旋转角度是利用顶基板形成的，并沿x轴周期性地变化。在PVG的顶部衬底下， LC沿y轴呈螺旋周期结构。这种方法产生了大量的周期性和倾斜折射率表面(绿色虚线) ，由此实现光束的衍射偏转。
如图9b所示，给出了PVG波导AR-HMD光路图。两个左旋和右旋PVGs叠加成入射耦合光栅。入射耦合光栅衍射左圆偏振光和右圆偏振光并传输另一正交偏振光。传播图像最终由两个出射耦合光栅分别出射到人眼。
图9c显示了制备PVGs的流程图。在曝光制作过程之前，将亮黄(BY)溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中，并旋转涂覆在玻璃基上，得到均匀的薄膜，然后在热板上干燥。然后对薄膜样品进行偏振干涉曝光。之后，在旋涂过程中还加入了手性掺杂剂和感光剂。涂覆后的薄膜用紫外光固化。最后，反复涂覆和固化，直到达到足够的厚度。