多波导光场显示的制作方法

本申请主张2016年11月30日提交的序列号为62/428,193的美国临时专利申请的优先权益。序列号为62/428,193的美国专利申请的全部内容通过引用并入此文。

本发明涉及波导显示，以及多波导光学结构。

背景技术：

衍射光栅是具有周期性结构的光学组件，该衍射光栅可以将光分裂并衍射成沿着不同方向行进的若干光束。这些光束的方向取决于光栅的间隔和光的波长。在一些示例中，衍射光栅由槽组构成，该槽组的间隔宽于光的波长以引起衍射。在光与光栅相互作用之后，衍射光由从光栅中的每个槽发出的干涉波的总和构成。槽的深度影响波到每个槽的路径长度，这相应地影响波距每个槽的相位，从而影响槽的衍射效率。如果槽具有均匀的深度，则光栅中的槽可具有均匀的衍射效率。如果槽具有不均匀的深度，则光栅中的槽具有不均匀的衍射效率。

技术实现要素：

本说明书中描述的主题的创新方面可以包括一种多波导光学结构。该多波导光学结构包括：多个波导，其被堆叠为拦截顺序传播通过每个波导的光，每个波导与不同颜色和不同平面深度相关联，每个波导包括：第一粘合层；具有第一折射率的基板；以及图案化的层，其被定位为使得第一粘合层位于图案化的层与基板之间，该第一粘合层提供该图案化的层与该基板之间的粘合，该图案化的层具有小于第一折射率的第二折射率，该图案化的层限定衍射光栅，其中，与波导相关联的视场是基于第一折射率和第二折射率的。

这些以及其它实施例可以分别可选地包括以下一个或多个特征。例如，每个波导进一步包括：第二粘合层，其被定位为使得基板位于第一粘合层与第二粘合层之间；波导支撑件，其连接和定位多个波导中的每一者，其中，每个波导的第一粘合层和第二粘合层中的至少一者粘附到该波导支撑件。每个波导进一步包括被定位在基板与第二粘合层之间的抗反射层。每个波导进一步包括附加的图案化的层，该附加的图案化的层被定位为使得第二粘合层被定位在基板与该附加的图案化的层之间。基板由玻璃或蓝宝石制成。每个波导的视场至少为50度。第一折射率为约1.5，第二折射率至少为1.7。该图案化的层包括小于50纳米的厚度的残留层。

本说明书中描述的主题的创新方面可以包括一种多波导光学结构。该多波导光学结构包括：多个波导，其被堆叠为拦截顺序传播通过每个波导的光，每个波导与不同颜色和不同平面深度相关联，每个波导包括：第一粘合层；抗反射层；被定位在该第一粘合层与该抗反射层之间的基板，该基板具有第一折射率；第一图案化的层，其被定位为使得该第一粘合层位于该第一图案化的层与该基板之间，该第一粘合层提供该第一图案化的层和该基板之间的粘合，该第一图案化的层具有小于第一折射率的第二折射率，该第一图案化的层限定衍射光栅，其中，与波导相关联的视场是基于第一折射率和第二折射率的；第二粘合层；以及第二图案化的层，其被定位为使得该第二粘合层被定位在该抗反射层与该第二图案化的层之间，该第二粘合层提供该第二图案化的层与该抗反射层之间的粘合。

本说明书中描述的主题的创新方面可以包括多个波导。该多个波导被堆叠为拦截顺序传播通过每个波导的光，每个波导与不同颜色和不同平面深度相关联，每个波导包括：第一粘合层；抗反射层；被定位在该第一粘合层与抗反射层之间的基板，该基板具有第一折射率；图案化的层，其被定位为使得该第一粘合层位于该图案化的层与该基板之间，该第一粘合层提供该图案化的层与该基板之间的粘合，该图案化的层具有小于第一折射率的第二折射率，该图案化的层限定衍射光栅，其中，与波导相关联的视场是基于第一折射率和所述第二折射率的；以及第二粘合层，其被定位为使得该抗反射层被定为在该第二粘合层与该基板之间；以及波导支撑件，其连接和定位多个波导中的每一者，其中，每个波导的第一粘合层和第二粘合层中的至少一者粘附到该波导支撑件。

可以实施本说明书中描述的主题的特殊实施方式以便实现以下一种或多种优点。本公开的实施方式可以消除蚀刻玻璃(或蓝宝石)基板以形成衍射光栅的需要。通过这样的消除，本公开允许实现高效衍射波导显示的更简单、更高容量的处理，这些显示还呈现出增强的环境稳定性，以及在降低制造成本的同时构建多波导光场显示的优势。此外，本公开提供了波导的复合材料结构的形成，与传统的形成方法相比，更具光学效率，且成本更低。

本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中阐述。通过描述、附图和权利要求，主题的其它可能的特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的光刻系统的简化侧视图。

图2示出了具有定位在其上的图案化的层的基板的简化侧视图。

图3、图5和图6示出了波导。

图4示出了多波导光学结构。

具体实施方式

本文描述了一种多波导光学结构。具体地说，多波导光学结构包括多个波导，该多个波导被堆叠为拦截顺序传播通过每个波导的光。每个波导与不同颜色和不同平面深度相关联。此外，每个波导与第一粘合层、具有第一折射率的基板以及图案化的层相关联。图案化的层被定位为使得第一粘合层位于图案化的层与基板之间。第一粘合层提供图案化的层与基板之间的粘合。图案化的层具有小于第一折射率的第二折射率，并且限定衍射光栅。与波导相关联的视场是基于第一折射率和第二折射率的。

图1示出了在基板102上形成浮雕图案的压印光刻系统100。基板102可以被耦合到基板卡盘104。在一些示例中，基板卡盘104可以包括真空卡盘、销型卡盘、沟槽型卡盘、电磁卡盘等。在一些示例中，基板102和基板卡盘104可以进一步定位在空气轴承106上。空气轴承106提供围绕x轴、y轴和/或z轴的运动。在一些示例中，基板102和基板卡盘104定位在平台上。空气轴承106、基板102和基板卡盘104也可以定位在基座108上。在一些示例中，自动操纵(robotic)系统110将基板102定位在基板卡盘104上。

压印光刻系统100进一步包括压印光刻柔性模板112，该模板取决于设计考虑耦合到一个或多个辊114。辊114提供柔性模板112的至少一部分的移动。这种移动可以选择性地提供与基板102重叠的柔性模板112的不同部分。在一些示例中，柔性模板112包括图案化表面，该表面包括多个特征，例如间隔开的凹槽和突起。然而，在一些示例中，其它特征的配置是可能的。图案化表面可以限定任何原始图案，该原始图案形成要在基板102上形成的图案的基础。在一些示例中，柔性模板112可以耦合到模板卡盘，例如真空卡盘、销型卡盘、沟槽型卡盘、电磁卡盘等。

压印光刻系统100还可以包括流体分配系统120。流体分配系统120可以用于在基板102上沉积可聚合材料。可聚合材料可以使用诸如滴分配、旋涂、浸涂、化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)、薄膜沉积、厚膜沉积等之类的技术以定位在基板102上。在一些示例中，可聚合材料作为多个小液滴定位在基板102上。

参考图1和图2，压印光刻系统100还可以包括能量源122，该能量源122通过耦合以将能量导向基板102。在一些示例中，辊114和空气轴承106被配置为将柔性模板112和基板102的期望部分定位在期望位置。压印光刻系统100可以由与空气轴承106、辊114、流体分配系统120和/或能量源122连通的处理器调节，并且可以根据存储在存储器中的计算机可读程序进行操作。

在一些示例中，辊114、空气轴承106或两者改变柔性模板112与基板102之间的距离以限定其间由可聚合材料填充的期望体积。例如，柔性模板112接触可聚合材料。在期望体积被可聚合材料填充后，能量源122产生能量(例如，宽带紫外辐射)，使可聚合材料符合基板102表面和柔性模板122的图案化表面的一部分的形状来凝固和/或交差链接(cross-link)，从而限定基板102上的图案化的层150。在一些示例中，图案化的层150可以包括残留层152和显示为突起154和凹槽156的多个特征。

图3示出了可以利用压印光刻系统100来形成的波导300。简而言之，波导300拦截传播通过其中的光，例如来自光源的光(光束)，并提供光的全内折射。在一些示例中，波导300促进虚拟内容显示的生成。波导300是多层结构，该结构包括图案化的层302、第一粘合层304、基板306、抗反射层308和第二粘合层310。

基板306被定位在第一粘合层304与抗反射层308之间。基板306与第一折射率相关联，并且在一些示例中，由玻璃或蓝宝石制成。在一些示例中，第一折射率至少为1.7或更大。第一粘合层304提供图案化的层302与基板306之间的粘合。第一粘合层304可以由诸如丙烯酸酯化树脂之类的材料制成。

图案化的层302被定位为使得第一粘合层304位于图案化的层302与基板306之间。图案化的层302可以包括光固化丙烯酸聚合物层。图案化的层302与第二折射率相关联。在一些示例中，第一折射率大于第二折射率。在一些示例中，第二折射率约为1.5。图案化的层302还包括衍射光栅312和残留层314。在一些示例中，残留层314具有小于100纳米的厚度，并且进一步地，在一些示例中厚度小于50纳米。衍射光栅312可以通过这样的包括压印光刻的方法形成，并且可以包括大约100纳米的临界尺寸。

为此，由于波导300包括被定位在基板306与衍射光栅312之间的残留层314，波导300可以限定基于衍射的波导显示。具体地，图案化的层302和基板306的组合，特别是与第二折射率(例如，约1.5)相关联的图案化的层302和与第一折射率(例如，大于1.7)相关联的基板306的组合提供基于衍射的波导显示。此外，由于基于与第二折射率(例如，约1.5)相关联的图案化的层302和与第一折射率(例如，大于1.7)相关联的基板306的组合来形成基于衍射的波导显示，因此提供基于衍射的波导显示而无需在基板306中形成衍射光栅。因此，消除了干式蚀刻基板306(例如，干式蚀刻高折射率玻璃或蓝宝石)的需要。然而，在一些示例中，可以部分地蚀刻基板306(例如，在大气压或低压条件下的等离子体工艺)以去除残留层134和/或将图案转印到基板306中，同时保持一部分残留层314位于基板306的表面上。

在一些示例中，由于残留层314具有小于100纳米或小于50纳米的厚度，图案化的层302与基板306之间的折射率匹配被减小或最小化。

波导300与基于第一折射率和第二折射率的视场相关联。也就是说，波导300的视场是基于与图案化的层302相关联的第二折射率和与基板306相关联的第一折射率的组合的。在一些示例中，波导300的视场至少为50度。也就是说，当与图案化的层302相关联的第二折射率为约1.5，并且与基板306相关联的第一折射率大于1.7时，与波导300相关联的视场至少为50度。

抗反射层308被定位在基板306与第二粘合层310之间。在一些示例中，抗反射层308是无机的。抗反射层308和/或图案化的层302为基板306提供环境保护/稳定性。具体地，当基板306包括具有高折射率(例如，大于1.7)的玻璃(或蓝宝石)时，基板306在暴露于环境时可以在基板306的表面处形成沉淀物。因此，可以形成雾状污染层(例如，在基板306的表面上)，可以形成基板302的腐蚀，和/或可能增加与波导300相关联的散射光。为此，抗反射层308和/或图案化的层302隔离基板306的离子表面(例如，玻璃基板的离子表面)，从而为基板306提供环境保护/稳定性。

第二粘合层310提供抗反射层308与基板306之间的粘合。在一些示例中，气相沉积第二粘合层310并且将该层绑定到基板306(例如，玻璃)。第二粘合层310可以由诸如丙烯酸酯化树脂之类的材料制成。

图4示出了多波导光学结构400，其包括多个波导402a、402b、402c(统称为波导402)，该多个波导被堆叠以拦截顺序传播通过每个波导402的光。波导402中的每者可以类似于图3的波导302。在一些示例中，波导402中的每者与不同颜色和不同平面深度相关联。也就是说，当光传播通过波导402中的每者时，波导402中的每者不同地与光进行相互作用，并且波导402的每个出射光是基于与虚拟内容显示相关联的不同颜色和不同平面深度。在一些示例中，多波导光学结构400包括多于三个波导402，包括六个或九个波导402。在一些示例中，多波导光学结构400中的每个波导402由空气分隔。

多波导光学结构400包括波导支撑件404a、404b(统称为波导支撑件404)。波导支撑件404将多个波导402连接并定位在多波导光学结构400内。为此，波导402中的每者的第一粘合层304和第二粘合层310提供相应的波导402与相应的波导支撑件404之间的粘合。波导支撑件404可以由诸如丙烯酸化树脂或环氧树脂之类的材料制成。在一些示例中，图案化的层302在相应的波导402与波导支撑件404之间提供额外的绑定。

图5示出了包括附加的图案化的层的波导500。具体地，波导500包括第一图案化的层502、第一粘合层504、基板506、抗反射层508、第二粘合层510和第二图案化的层512。第一图案化的层502、第一粘合层504、基板506、抗反射层508和第二粘合层510与图3的波导300的图案化的层302、第一粘合层304、基板306、抗反射层308和第二粘合层310基本相似。

此外，第二图案化的层512被定位为使得第二粘合层510被定位在抗反射层508与第二图案化的层512之间。第二粘合层510提供第二图案化的层512与基板506之间的粘合。在一些示例中，如图6所示，波导500′没有抗反射层508，因此，包括第二图案化的层512，使得第二粘合层510被定位在基板506与第二图案化的层512之间。

第二图案化的层512基本上类似于图3的图案化的层302。具体地，第二图案化的层512与第三折射率相关联。在一些示例中，与基板506相关联的第一折射率大于与第二图案化的层512相关联的第三折射率。在一些示例中，第三折射率为约1.5。第二图案化的层512还包括衍射光栅514和厚度小于50纳米的残留层516。衍射光栅514可以通过这样的包括压印光刻的方法形成，并且可以包括约100纳米的临界尺寸。

为此，由于波导500包括被定位在基板506与衍射光栅514之间的残留层516，因此波导500可以限定基于衍射的波导显示。具体地，第二图案化的层512与基板506的组合，特别是与第三折射率(例如，约1.5)相关联的第二图案化的层512和与第一折射率(例如，大于1.7)相关联的基板506的组合提供基于衍射的波导显示。此外，由于基于与第三折射率(例如，约1.5)相关联的第二图案化的层512和与第一折射率(例如，大于1.7)相关联的基板306的组合来形成基于衍射的波导显示，因此提供基于衍射的波导显示而无需在基板306中形成衍射光栅。因此，消除了干式蚀刻基板306(例如，干式蚀刻高折射率玻璃或蓝宝石)的需要。

在一些示例中，第一图案化的层502、第二图案化的层512和基板506的组合，特别是，与第一折射率(例如，约1.5)相关联的第一图案化的层502、与第三折射率(例如，约1.5)相关联的第二图案化的层512，以及与第一折射率(例如，大于1.7)相关联的基板506的组合提供基于衍射的波导显示。

波导500与基于第一折射率和第三折射率的视场相关联。也就是说，波导500的视场是基于与第二图案化的层512相关联的第三折射率和与基板506相关联的第一折射率的组合的。在一些示例中，波导500的视场至少为50度。也就是说，当与第二图案化的层512相关联的第三折射率为约1.5，且与基板506相关联的第一折射率大于1.7时，与波导500相关联的视场至少为50度。在一些示例中，波导500的视场是基于与第一图案化的层502相关联的第二折射率、与第二图案化的层512相关联的第三折射率、以及与基板506相关联的第一折射率的组合的。

在一些示例中，图4的多波导光学结构400的波导402中的每者可以类似于图5的波导500和/或图6的波导500′。在一些示例中，多波导光学结构400的波导402可以类似于图3的波导300、图5的波导500、以及图6的波导500′的任意组合。

图1的压印光刻系统100可用于形成波导302、402、500、500′和/或多波导光学结构400中的任一者。