CN103649823A - 图像中继波导及其产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种工艺的实施例，其包含：在一材料的衬底的表面上图案化一个或一个以上反射器，所述表面相对于所述材料的(100)结晶平面以选定角度定向；及在所述表面中蚀刻一个或一个以上反射器，每一反射器包含由所述材料的(111)结晶平面形成的一个或一个以上反射表面。本发明还描述用于形成经模制波导的工艺实施例，其包含：制备波导模具，所述波导模具包括母模，所述母模在母模材料的衬底的表面上包含一个或一个以上反射器，所述表面相对于所述材料的(100)结晶平面以选定角度定向，每一反射器包含由所述材料的(111)结晶平面形成的一个或一个以上反射表面；将波导材料注射到所述波导模具中；及使所述经模制波导从所述波导模具脱模。

Description

图像中继波导及其产生方法
技术领域
所揭示实施例大体来说涉及光学器件，且特定来说(但非排他性地)涉及一种图像中继波导及其制作方法。
背景技术
波导用于以通道方式传输电磁辐射且将其从起点输送到目的地。通常，例如可见光的辐射进入波导的一部分、通过从波导的侧反射而被输送穿过所述波导且在波导的另一部分处射出。在某些应用中，必须在极严格的尺寸及角度公差内仔细地制造波导，使得行进穿过波导的辐射的信息内容得以保存。
发明内容
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽实施例，其中除非另有规定，否则在所有各个视图中相似参考编号指代相似部件。
图1A是图像中继波导的实施例的横截面图式。
图1B是波导中的反射器的实施例横截面图式。
图2A-2D是用于在衬底中形成一个或一个以上反射器的工艺的实施例的横截面图式。
图3A-3F是用于在衬底中形成一个或一个以上反射器的工艺的另一实施例的横截面图式。
图4A-4D是用于在衬底中形成一个或一个以上二维反射器的工艺的实施例的图式。
图5A-5D是用于制造图像中继波导的工艺的实施例的横截面图式。
图6是图像中继波导的实施例的横截面图式。
具体实施方式
本发明描述图像中继波导及其制作方法的实施例。描述众多特定细节以提供对本发明的实施例的透彻理解，但相关领域的技术人员将认识到，可在无所述特定细节中的一者或一者以上的情况下或借助其它方法、组件、材料等实践本发明。在一些实例中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作，但尽管如此其仍涵盖在本发明的范围内。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“一实施例”的提及意指结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于至少一个所描述的实施例中。因此，在本说明书中短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必全部指代同一实施例。此外，所描述的特定特征、结构或特性可以任何适合方式组合于一个或一个以上实施例中。
图1A-1B图解说明基于全内反射的波导100的实施例。波导100包含具有第一表面104及第二表面106的衬底102。一对反射器108及112形成于表面104中，且所述反射器由不具有反射器的区110分离。在波导100的操作中，多个射线114通过表面106进入波导且从反射器108反射到区110中。如果射线的角度超过全内反射的临界角，那么射线114将在区110中在波导的表面处于例如115a、115b及115c的位置处被内反射。所述射线沿着穿过区110的路径行进直到其到达反射器112为止，在反射器112处所述射线经反射使得其通过表面106射出波导。或者，为了使全内反射不必要，可用金属或用薄膜光学堆叠涂覆波导的表面以提供高反射率。
图1B图解说明例如反射器108的反射器的实施例。在波导100的一个实施例中，反射器108与112可具有相同配置，但在其它实施例中，其可被不同地配置。反射器108包含一个或一个以上反射表面118a-118c，其中的每一者相对于表面104以角度β定向。通过表面106进入波导的射线以角度α入射于反射表面118a-118c上且依据反射定律从表面118a-118c以角度α被反射。如果图像平面的距离为无限大(即，射线经准直)，那么个别射线的角度表示图像中的空间信息。为了保存此空间信息，在射线传播进入且穿过波导时必须保存射线角度。反射表面118a-118c的定向或平坦度的小误差可能引入角度误差，而角度误差又导致由射出波导的射线形成的图像中的误差或假影。如果反射表面118a-118c中的表面不平行(例如，角度β对于所有表面并不相同)，那么也引入传播角度的误差，从而导致降级的图像。反射表面118的角度误差可由制造工具误差产生。波导可由注射模制、浇注或热压制作而成，且在此类情况中，用于图案化反射器108及112的工具的任何误差均在波导中被复制。
图2A-2D共同图解说明用于在衬底中形成一个或一个以上反射器的工艺。图2A图解说明所述工艺的初始部分，其中从晶锭202切割晶片208。晶锭是通过合成手段产生的材料的单晶锭块；所使用的晶锭材料将取决于由所述材料制成的装置的预期应用，但晶锭的不同实施例可由可选择性地蚀刻的任何材料制成，例如单晶硅。在所图解说明的实施例中，晶锭202的形状为大体圆柱形且关于轴204轴对称。晶锭202经产生使得材料的(100)结晶平面法向于轴204，或换句话说，使得(100)平面的法线平行于轴204，如所述图中所展示。使用结晶学技术中己知的命名约定，(100)表示材料晶格中的晶体平面的米勒指数。为了开始形成例如波导的装置，首先从晶锭202切割晶片208。可借助金刚石锯沿着法向于轴204的平面从所述晶锭切割厚度△的晶片208，使得晶片208具有大体圆形形状。在从所述晶锭切割晶片208之后，可对所述晶片执行例如表面抛光的额外处理步骤。
图2B图解说明从晶锭202切割的晶片208的实施例。晶片208或其某一部分可用作可在其上形成一个或一个以上反射器以制作波导的衬底。由于沿着法向于轴的平面从晶锭切割，因此晶片208具有顶表面210及底表面212。表面210与212间隔开厚度△、彼此平行且两者均为所述材料的(100)结晶平面。晶片208的材料内的结晶平面的对准由所述材料的晶体结构决定。在晶片208中，所述材料包含一对(111)结晶平面214及216。平面214相对于表面210以角度a定向，而平面216相对于表面210以角度c定向。平面214及216相对于彼此以角度b定位，且平面214及216与表面210的相交形成一线。角度a、b及c的值可取决于制成晶片208的材料。在其中晶片208为具有金刚石或立方晶体结构的材料的实施例中，角度a及c将具有大致54.7。的值，而角度b将具有大致70.6。的值。在具有其它结晶结构的材料中，角度a、b及c可具有其它值。
图2C图解说明所述工艺的下一部分。在表面210上形成掩模218并对其进行图案化以形成开口220及222，将在所述开口中于晶片208上形成反射器。可使用标准光刻图案化及蚀刻方法来形成掩模218，其中在表面210上沉积将形成掩模218的材料、对其进行光刻图案化且接着对其进行蚀刻以形成暴露表面210的选定区域的掩模。在一个实施例中，掩模218可由氮化硅制成，但在其它实施例中，掩模218可由与将在形成反射器时使用的蚀刻剂兼容的其它材料制成。
图2D图解说明所述工艺的结果，其中在晶片208的表面210中形成了反射器224及226。以如图2C中所展示的晶片开始，使晶片208经受选择性蚀刻。在一个实施例中，可使用例如比(111)平面更快地选择性蚀刻(100)平面的氢氧化钾(KOH)的蚀刻剂来执行所述选择性蚀刻。然而，在其它实施例中，取决于例如用于晶片208的材料的因素，可使用其它试剂来进行选择性蚀刻。选择性蚀刻表面210的结果是在反射器224及226的每一者中暴露多个(111)平面228及230。(111)平面228及230形成反射器224及226的反射表面。所得装置可用作波导本身、用作制作波导的母模或用作制作用于制作波导的工具的模具。如果用作波导，那么可任选地用金属或多层膜堆叠来涂覆表面以提供对传播的射线的高反射率。
图3A-3F共同图解说明用于在衬底中形成反射器的工艺的另一实施例。图3A图解说明所述工艺的初始部分，其同样以关于轴204轴对称且使其(100)结晶平面法向于轴204定向的晶锭202开始。从晶锭202切割晶片302，使得晶片302的至少一个表面相对于晶锭的(100)结晶平面形成角度δ。换句话说，从晶锭202切割晶片302使得至少一个晶片表面的法线相对于晶锭轴204形成角度δ。因此，晶片302将具有比晶片208更为椭圆的形状。在另一实施例中，可从晶锭切割更为圆形的晶片(例如晶片208)，且可以角度δ来对一个或两个表面进行研磨或抛光。
图3B图解说明晶片302的实施例。晶片302包含彼此间隔开厚度△的顶表面304及底表面30δ。晶片302的材料在其中具有一对(111)结晶平面308及310，但由于晶片302是相对于晶锭的轴以角度δ从晶锭202切割的，因此(111)平面308及310也相对于表面304旋转。具体来说，由于晶片302是以选定角度δ从晶锭202切割的，因此(111)平面308相对于表面304以角度a-δ定位，而(111)平面310相对于表面304以角度c+8定向。在其中晶片302的材料与晶片208的材料相同的实施例中，(111)平面308与310之间的角度b保持与在图2B中相同。在所图解说明的实施例中，选定角度δ为角度b的大致一半，此导致所述平面旋转使得(111)平面相对于表面304处于19.3度及90度的角度。两个(111)平面与表面304的相交在表面平面处形成平行线。
图3C-3D图解说明所述工艺的下一部分；图3C是平面图，而图3D是截面图。在表面304上形成掩模312并对其进行图案化以在表面304上形成例如反射器316的一个或一个以上反射器。可使用光刻图案化及蚀刻来形成掩模312，其中在表面304上沉积用于掩模312的材料且接着对其进行图案化及蚀刻以形成掩模，所述掩模暴露表面304的其中将形成反射器316或其部分的区域。在一个实施例中，掩模312由氮化硅制成，但在其它实施例中，掩模312可由与将在形成反射器316时使用的蚀刻剂兼容的其它材料制成。为了形成反射器316的多个反射表面318(参见图3E)，掩模312包含与由(111)平面308及310和表面304的相交形成的线对准的条带313。在所图解说明的实施例中，反射器316由数个反射表面组成，但在其它实施例中，反射器316可具有其它配置(例如，参见图4A-4D)。
图3E图解说明贯穿在表面304中蚀刻反射器316的工艺部分途径。以图3D中所展示的配置开始，使表面304经受选择性蚀刻。在一个实施例中，可使用己知比(111)平面更快地选择性蚀刻(100)平面的例如氢氧化钾(KOH)的蚀刻剂来执行所述选择性蚀刻。然而，在其它实施例中，可使用其它蚀刻剂来选择性地蚀刻表面304；所使用的确切蚀刻剂将取决于例如晶片302的材料的因素。
图3F图解说明所述工艺的结果。以图3E中所展示的配置开始，允许蚀刻继续进行直到其底切掩模312为止以形成相当锐利的边缘，此后可终止选择性蚀刻。从晶片302的表面清洁掩模312的在所述蚀刻结束时保留的任何部分。选择性蚀刻的结果是暴露形成反射器316的反射表面318的多个(111)平面。反射表面318的特征在于晶体平面的几乎完美的定向。所述图中所展示的结构可直接用作波导或可用作形成用于注射模制、浇注或热压的嵌件的母模。由于晶体平面几乎完美地定向且为平坦的，因此通过相对于晶体结构来定向反射表面，可以几乎完美的定向来形成波导或工具。如果用作波导，那么可任选地用金属或多层膜堆叠来涂覆表面以提供对传播的射线的高反射率。
图4A-4D共同图解说明用于产生波导400的替代实施例的工艺的实施例。图4A图解说明所述工艺的初始部分，其中在形成于衬底402的表面上的掩模404中图案化反射器406及410。掩模404包含用于反射器406及410的多个个别四边形开口412。衬底402的结晶定向将取决于反射器406及410内的个别反射表面所要的配置。在所图解说明的实施例中，衬底402可为如图2B中所展示的常规(100)晶片，但在其它实施例中，其可为结晶平面旋转选定角度δ的衬底，例如图3B中所展示的晶片。在所图解说明的实施例中，掩模开口412具有相同大小且规则地间隔开，但在其它实施例中，其不需要具有相同大小且其也不需要规则地间隔开。
图4B-4D图解说明由选择性地蚀刻如图4A中所展示而图案化的晶片402产生的波导的实施例。所得波导包含反射器406及410，其中的每一者包含个别反射器414的阵列。如图4C-4D中所展示，每一反射器414的形状实质上像包含四个反射面416、418、420及422的开端五面体。反射面中的每一者沿着材料的(111)平面形成，由图4D中的截面图展示。
图5A-5D图解说明用于形成波导的工艺的替代实施例。图5A图解说明所述工艺的初始部分，其中己使用由图2A-2B或图3A-3F图解说明的工艺实施例在晶片或衬底中形成了母模502。在母模502中形成的图案可为最终经模制波导所要的图案的反像或“负像”。可任选地在母模的模制表面上沉积涂层504以防止波导材料粘附到模具502。涂层504应使得完成的经模制波导较易于从模具取出，而不会影响反射表面的平面性或定向。可用作涂层504的材料的实例包含例如镍(Ni)的金属、例如氧化硅(标称地为SiO2)或氧化铝(标称地为Al2O3)的化合物或例如特氟隆(Tetlon)的其它膜。
图5B图解说明所述工艺中的下一步骤。母模502与容器506耦合使得容器506的内部与母模502的表面因此形成内部腔508，可将波导材料注射到内部腔508中，如箭头所展示。波导材料经注射以填充腔508，且一旦注射便在必要的情况下被允许固化。用于经模制波导的材料可取决于应用，但一股可为在所要波长范围中光学透明的材料。在一个实施例中，举例来说，可使用光学透明的热塑性塑料，例如聚碳酸酯。
图5C-5D图解说明所述工艺中的接下来的步骤。在图5C中，在己将波导材料注射到内部腔508中且在必要的情况下允许其固化之后，从容器506取出所得经模制波导510及母模502。在图5D中，从母模502取出经模制波导510。可在经模制波导510的表面上沉积任选涂层512及514以改进其操作。可用于涂层512及514的涂层的实例包含抗反射涂层，或在其中经模制波导501将不通过全内反射操作的实施例中包含例如金属的反射涂层。
图6图解说明可使用先前所图解说明的工艺实施例制作的波导600的实施例。光射线614入射于棱镜608的表面610上，其以最小折射将所述射线耦合到波导602中。可提供任选气隙612以确保在棱镜608与波导材料602之间的表面606上的全内反射。射线614通过从表面604及606的全内反射传播穿过所述波导。如果反射表面616a-616c与表面604之间的角度为θ，那么射线614与表面604之间的角度为2θ。
在一个实施例中，可使用先前所揭示的工艺实施例来形成具有大致19.3度的角度的反射表面616a-616c，从而使得射线614与反射表面之间角度为大致38.6度。全内反射的临界角由下式给出：
θ = sin - 1 ( n 1 n 2 )
其中n1为其中放置波导的介质的折射率，且n2为波导材料602的折射率。此意味着在其中波导的反射表面与空气(即，n1=1)介接的实施例中，波导的折射率n2必须大于1.6。在现代眼镜镜片中使用的高折射率单体必须满足此要求。对于具有较低折射率的材料(例如普通玻璃)，可用金属或多层膜堆叠来涂覆表面以提供对传播的射线的高反射率。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但如相关领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种等效修改。可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。
所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。

Claims (20)

1.一种工艺，其包括：
在一材料的衬底的表面上图案化一个或一个以上反射器，所述表面相对于所述材料的(100)结晶平面以选定角度定向；及
在所述表面中蚀刻一个或一个以上反射器，每一反射器包含由所述材料的(111)结晶平面形成的一个或一个以上反射表面。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中图案化所述一个或一个以上反射器包括：
在所述衬底的所述表面上沉积光致抗蚀剂层；
使所述光致抗蚀剂显影以暴露所述表面的其中将形成所述反射表面的部分。
3.根据权利要求2所述的工艺，其中在所述表面中蚀刻所述一个或一个以上反射器包括选择性地蚀刻所述表面的所述经暴露部分以沿着所述材料的所述(111)平面形成所述一个或一个以上反射表面。
4.根据权利要求1所述的工艺，其中所述材料为可选择性地蚀刻的任何材料。
5.根据权利要求1所述的工艺，其中所述材料为单晶硅。
6.根据权利要求1所述的工艺，其进一步包括由从所述材料的晶锭切割的晶片形成所述衬底。
7.根据权利要求6所述的工艺，其中相对于所述材料的所述(100)平面以所述选定角度从所述晶锭切割所述晶片。
8.根据权利要求7所述的工艺，其中所述选定角度为小于或等于所述材料的(111)结晶平面之间的角度的角度。
9.根据权利要求7所述的工艺，其中所述选定角度为垂直于所述晶片表面定位至少一个(111)平面的角度。
10.一种用于形成经模制波导的工艺，所述工艺包括：
制备波导模具，所述波导模具包括母模，所述母模在母模材料的衬底的表面上包含一个或一个以上反射器，所述表面相对于所述材料的(100)结晶平面以选定角度定向，每一反射器包含由所述材料的(111)结晶平面形成的一个或一个以上反射表面；
将波导材料注射到所述波导模具中；及
使所述经模制波导从所述波导模具脱模。
11.根据权利要求10所述的工艺，其进一步包括给所述母模的所述表面涂覆防止所述波导材料粘附到所述模具的一层。
12.根据权利要求10所述的工艺，其进一步包括使所述波导材料固化。
13.根据权利要求10所述的工艺，其中所述母模材料为单晶硅。
14.根据权利要求10所述的工艺，其中所述选定角度为所述材料的(111)结晶平面之间的角度的大致一半。
15.根据权利要求10所述的工艺，其进一步包括在所述母模的所述表面上沉积涂层，其中所述涂层防止所述经模制波导粘附到所述母模。
16.根据权利要求15所述的工艺，其中所述涂层为金属、氧化硅、氧化铝或特氟龙。
17.一种设备，其包括：
一材料的衬底，所述衬底包含相对于所述材料的(100)结晶平面以选定角度定向的第一表面；及
一个或一个以上反射器，其形成于所述第一表面中，每一反射器包含由所述材料的(111)结晶平面形成的一个或一个以上反射表面。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述选定角度为(111)结晶平面之间的角度的大约一半。
19.根据权利要求17所述的设备，其中所述材料为光学透明的。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述衬底包含平行于所述第一表面且与其间隔开的第二表面。
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