CN112262344A - 用于光学部件的利用旋涂高折射率材料的压印结构的间隙填充 - Google Patents
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Abstract
本公开内容的实施方式一般涉及用于形成光学部件的方法，光学部件例如用于虚拟现实或扩增实境显示设备。在一个实施方式中，方法包含在基板上形成第一层的步骤，第一层具有第一折射率。方法进一步包含以下步骤：将具有图案的印模按压至第一层上，及将印模的图案转印至第一层以形成图案化的第一层。方法进一步包含通过旋涂在图案化的第一层上形成第二层的步骤，第二层具有大于第一折射率的第二折射率。通过旋涂形成具有高折射率的第二层，导致第二层中改善的纳米颗粒均匀性。
Description
技术领域
本公开内容的实施方式一般涉及用于扩增实境、虚拟现实及混合实境的显示设备。更具体而言，本文所述的实施方式提供用于形成显示设备的光学部件的方法。
背景技术
虚拟现实(virtual reality)一般视为计算机产生的仿真环境，其中用户具有明显的实体临场感(physical presence)。虚拟现实体验可以3D产生并且用头戴式显示器(head-mounted display；HMD)来观看，诸如眼镜或具有近眼显示面板作为透镜以显示取代实际环境的虚拟现实环境的其他可穿戴显示设备。
扩增实境(augmented reality)实现了在其中使用者仍可经由眼镜或其他HMD装置的显示透镜观看周围环境也还能看到用于显示而产生且作为环境的一部分出现的虚拟对象的影像的体验。扩增实境可包含任何类型的输入，诸如音频输入及触觉输入，以及增强或扩增使用者体验的环境的虚拟图像、图形及视频。
虚拟现实显示设备及扩增实境显示设备两者皆利用光学部件，诸如波导或平面透镜/超颖表面(meta surface)，包含具有诸如1.7或高于1.7的高折射率(RI)的图案化层。折射率为真空中光速与介质中光速的比率。用于形成图案化高RI层的常规方法包含将具有图案的印模(stamp)按压至高RI材料的纳米颗粒层上，以将图案转印至纳米颗粒层的步骤。由于纳米颗粒之间的弱接合，所产生的图案化的高RI层具有在图案化的高RI层中纳米颗粒的不均匀分散或脆性结构。
因此，需要用于形成用于虚拟现实或扩增实境显示设备的光学部件的改进方法。
发明内容
本公开内容的实施方式一般涉及一种用于形成光学部件的方法，光学部件例如用于虚拟现实或扩增实境显示设备。在一个实施方式中，方法包含以下步骤：在基板上形成具有第一折射率的第一层，将具有图案的印模按压至第一层上，将图案转印至第一层以形成图案化的第一层，以及通过旋涂在图案化的第一层上形成具有第二折射率的第二层，第二折射率大于第一折射率。
在另一个实施方式中，方法包含以下步骤：形成第一层，第一层具有范围从约1.1至约1.5的第一折射率，将具有图案的印模按压至第一层上，将图案转印至第一层以形成图案化的第一层，及通过旋涂在图案化的第一层上形成具有第二折射率的第二层，第二折射率范围从约1.7至约2.4。
在另一个实施方式中，方法包含以下步骤：在基板的第一表面上形成具有第一折射率的第一层，将具有第一图案的第一印模按压至第一层上，将第一图案转印至第一层以形成图案化的第一层，和通过旋涂在图案化的第一层上形成具有第二折射率的第二层，第二折射率范围从约1.7至约2.4。第二层包含金属氧化物。
附图说明
以上简要概述本公开内容的上述详述特征可以被详细理解的方式、以及对本公开内容的更特定描述，可通过参照实施方式来获得，一些实施方式绘示于附图中。然而，应注意，附图仅绘示示例性实施方式，因而不应视为对本公开内容的范围的限制，本公开内容可容许其他等同有效的实施方式。
图1为根据本文所述的一个实施方式的用于形成光学部件的方法的流程图。
图2A-图2D图示根据本文所述的一个实施方式在图1的方法的不同阶段期间光学部件的示意横截面图。
图3A-图3D图示根据本文所述的一个实施方式在不同阶段期间光学部件的示意横截面图。
图4A-图4D图示根据本文所述的实施方式的光学部件的示意横截面图。
为了促进理解，尽可能地使用相同的附图标号来标示图式中共通的相同元件。考虑到，一个实施方式的元件及特征在没有进一步描述下可有利地并入其他实施方式。
具体实施方式
本公开内容的实施方式一般涉及用于形成光学部件的方法，光学部件例如用于虚拟现实或扩增实境显示设备。在一个实施方式中，方法包含在基板上形成第一层的步骤，第一层具有第一折射率。方法进一步包含以下步骤：将具有图案的印模按压至第一层上，及将印模的图案转印至第一层以形成图案化的第一层。方法进一步包含通过旋涂在图案化的第一层上形成第二层的步骤，且第二层具有大于第一折射率的第二折射率。通过旋涂形成具有高折射率的第二层，导致第二层中改善的纳米颗粒均匀性。
图1为根据本文所述的一个实施方式用于形成光学部件200的方法100的流程图。图2A-图2D图示根据本文所述的一个实施方式在图1的方法100的不同阶段期间光学部件200的示意横截面图。方法100在方块102处通过在基板202上形成具有第一折射率(RI)的第一层204开始，如图2A所示。在一个实施方式中，基板202由诸如玻璃之类的视觉上透明的材料制成。基板202的RI范围为从约1.4至约2.0。第一层204由透明材料制成，第一RI的范围为从约1.1至约1.5。在一个实施方式中，基板202的RI与第一层204的第一RI相同。在另一个实施方式中，基板202的RI不同于第一层204的第一RI。第一层204由多孔二氧化硅、石英或任何适合的材料制成。在一个实施方式中，通过旋涂在基板202上形成第一层204。例如，将包含硅前驱物的溶液旋涂至基板202上，随后在氧气环境中加热以形成第一层204。在一些实施方式中，没有分散在溶液中的纳米颗粒。将硅前驱物溶解在溶液中。
下一步，在方块104处，将具有图案208的印模206按压至第一层204上，如图2B所示。印模206由任何适合的材料制成，诸如硅、石英、玻璃或聚合物。聚合物可为聚氨酯(polyurethane)、聚丁二烯(polybutadiene)、聚异戊二烯(polyisoprene)或聚(二甲基硅氧烷)(poly(dimethylsiloxane)；PDMS)。形成在印模206上的图案208可包含多个突起物210及多个间隙212。相邻的突起物210由间隙212分隔。突起物210可具有任何适合的形状。在将印模206按压至第一层204上之后，可执行固化工艺以固化第一层204。固化工艺可利用UV光或热能来固化第一层204。
如图1中方块106处及图2C中所示，在第一层204固化之后，从固化的第一层204移除印模206，并且将印模206的图案208转印至固化的第一层204以形成图案化的第一层214。图案化的第一层214的图案208包含多个突起物216及多个间隙218。相邻的突起物216由间隙218分隔。如图2C所示，突起物216具有矩形形状。突起物216可具有任何其他适合的形状。具有不同形状的突起物216的实例在图4A-图4D中示出。在一个实施方式中，突起物216为光栅。光栅为多个平行的细长结构，其将光分裂并且衍射成沿不同方向行进的若干光束。光栅可具有不同的形状，诸如正弦、正方形、三角形或锯齿形光栅。因为第一层204或图案化的第一层214不含有任何纳米颗粒，所以没有不均匀性问题。此外，从图案化的第一层214移除印模206不会损伤图案化的第一层214，因为图案化的第一层214不是通过填充纳米颗粒而形成的。
下一步，在方块108处，如图2D所示，通过旋涂在图案化的第一层214上形成第二层220，第二层220的折射率大于第一层204的折射率。第二层220包含金属氧化物，诸如氧化钛(TiOx)、氧化钽(TaOx)、氧化锆(ZrOx)、氧化铪(HfOx)或氧化铌(NbOx)。在一个实施方式中，第二层220具有范围从约1.7至约2.4的RI。在一个实施方式中，第二层220包含分散在聚合物基质或载体液体中的金属氧化物的纳米颗粒，并且由于旋涂方法，纳米颗粒均匀地分布在整个第二层220中。此外，因为图案化的第一层214具有形成在其上的图案208，所以当第二层220旋涂在图案化的第一层214上时，第二层220亦被图案化。如图2D所示，第二层220包含多个突起物222，每个突起物222形成在图案化的第一层214的相应的间隙218(如图2C所示)中。图案化的第一层214的突起物216与第二层220的突起物222交替地定位。因为第二层220的图案，亦即，突起物222，在不使用印模按压至第二层220的情况下形成，所以第二层220的图案不会受损伤，并且金属氧化物材料的纳米颗粒均匀地分布在第二层220中。
在第二层220的旋涂之后，可执行固化工艺以固化第二层220。第二层220的固化工艺可与图案化的第一层214的固化工艺相同。包含具有不同RI的层的光学部件200可用于任何适合的显示设备中。例如，在一个实施方式中，光学部件200用作扩增实境显示设备中的波导或波导组合器。波导为导引光波的结构。波导组合器用于将真实世界影像与虚拟图像结合的扩增实境显示设备中。在另一个实施方式中，光学部件200用作扩增实境显示设备及虚拟现实显示设备以及3D感测装置中的平面透镜/超颖表面，所述3D感测装置诸如脸部识别(face ID)及光学雷达(LIDAR)。
图2A-图2D图示用于形成光学部件200的方法100，光学部件200包含在基板202的一侧上具有不同RI的层。在一些实施方式中，基板202的两侧可用于在其上形成具有不同RI的层。图3A-图3D图示根据本文所述的一个实施方式在不同阶段期间光学部件300的示意横截面图。如图3A所示，基板202包含第一表面302及与第一表面302相对的第二表面304。图案化的第一层214及第二层220形成在基板202的第一表面302上，如图2A-图2D中所述。下一步，如图3B所示，在基板202的第二表面304上形成第三层306，并且由印模206将第三层306图案化。第三层306可由与第一层204(如图2A所示)相同的材料制成。可通过与第一层204相同的工艺形成第三层306。印模206包含图案208。
下一步，如图3C所示，将印模206的图案208转印至第三层306以形成图案化的第三层308，并且从图案化的第三层308移除印模206。通过与在移除印模206之前在图案化的第一层214上执行的固化工艺类似的固化工艺来固化图案化的第三层308。图案化的第三层308包含多个突起物310及多个间隙312。相邻的突起物310由间隙312分隔。图案化的第三层308可由与图案化的第一层214相同的材料制成，并且可具有与图案化的第一层214相同的图案。换句话说，图案化的第三层308可与图案化的第一层214相同。在一些实施方式中，图案化的第三层308具有与图案化的第一层214不同的图案。下一步，如图3D所示，通过旋涂在图案化的第三层308上形成第四层316。第四层316可与第二层220相同，并且可由与第二层220相同的方法制造。第四层316包含图案，如多个突起物318。图案化的第三层308的突起物310与第四层316的突起物318交替地定位。光学部件300包含在基板202的两个表面上形成的具有不同RI的层。光学部件300可用于任何适合的显示设备中。例如，在一个实施方式中，光学部件300用作扩增实境显示设备中的波导或波导组合器。在另一个实施方式中，光学部件300用作扩增实境显示设备及虚拟现实显示设备以及3D感测装置中的平面透镜/超颖表面，所述3D感测装置诸如脸部识别及LIDAR。
图4A-图4D图示根据本文所述的实施方式的光学部件400的示意横截面图。如图4A所示，光学部件400包含基板202、设置在基板202上的图案化的第一层214，以及设置在图案化的第一层214上的第二层220。图案化的第一层214包含多个突起物402，及第二层220包含多个突起物403。每个突起物402、403具有平行四边形横截面区域，如图4A所示。突起物402、403可为光栅。
如图4B所示，光学部件400包含基板202、设置在基板202上的图案化的第一层214，和设置在图案化的第一层214上的第二层220。图案化的第一层214包含多个突起物404，及第二层220包含多个突起物405。如图4B所示，每个突起物404、405具有三角形横截面区域。突起物404、405可为光栅。
如图4C所示，光学部件400包含基板202、设置在基板202的第一表面302上的图案化的第一层214和设置在图案化的第一层214上的第二层220。图案化的第一层214包含多个突起物402，及第二层220包含多个突起物403。光学部件400进一步包含设置在基板202的第二表面304上的图案化的第三层308及设置在图案化的第三层308上的第四层316。图案化的第三层308包含多个突起物406，及第四层316包含多个突起物407。突起物406、407可分别与突起物402、403实质上相同。突起物402、403、406、407可为光栅。
如图4D所示，光学部件400包含基板202、设置在基板202的第一表面302上的图案化的第一层214和设置在图案化的第一层214上的第二层220。图案化的第一层214包含多个突起物404，及第二层220包含多个突起物405。光学部件400进一步包含设置在基板202的第二表面304上的图案化的第三层308及设置在图案化的第三层308上的第四层316。图案化的第三层308包含多个突起物408，及第四层316包含多个突起物409。突起物408、409可分别与突起物404、405实质上相同。突起物404、405、408、409可为光栅。光学部件400可用于任何适合的显示设备中。例如，在一个实施方式中，光学部件400用作扩增实境显示设备中的波导或波导组合器。在另一个实施方式中，光学部件400用作扩增实境显示设备及虚拟现实显示设备以及3D感测装置中的平面透镜/超颖表面，所述3D感测装置诸如脸部识别及LIDAR。
本文公开了一种用于形成包含具有不同RI的层的光学部件的方法。在具有较低RI的层中形成图案，并且在具有较低RI的图案化层上旋涂具有较高RI的层。具有较高RI的旋涂层具有改善的高RI材料的纳米颗粒的均匀性。此外，具有较高RI的层不会受损伤，因为避免了使用印模压印具有较高RI的层。光学部件的应用不限于扩增实境显示设备及虚拟现实显示设备以及3D感测装置。光学部件可用于任何适合的应用中。
尽管前述是针对本公开内容的实施方式，但在不脱离本公开内容的基本范围的情况下可设计其他实施方式及进一步实施方式，本公开内容的范围由随附的权利要求书来确定。
Claims (15)
1.一种方法，包括以下步骤：
在基板上形成具有第一折射率的第一层；
将具有图案的印模按压至所述第一层上；
将所述图案转印至所述第一层以形成图案化的第一层；和
通过旋涂在所述图案化的第一层上形成具有第二折射率的第二层，所述第二折射率大于所述第一折射率。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一折射率范围从约1.1至约1.5。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一层包括多孔二氧化硅或石英。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第二层包括金属氧化物。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第二层包括氧化钛、氧化钽、氧化锆、氧化铪或氧化铌。
6.如权利要求1所述的方法，其中通过旋涂在所述基板上形成所述第一层。
7.一种方法，包括以下步骤：
形成第一层，所述第一层具有范围从约1.1至约1.5的第一折射率；
将具有图案的印模按压至所述第一层上；
将所述图案转印至所述第一层以形成图案化的第一层；和
通过旋涂在所述图案化的第一层上形成具有第二折射率的第二层，所述第二折射率范围从约1.7至约2.4。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第二层包括氧化钛、氧化钽、氧化锆、氧化铪或氧化铌。
9.如权利要求7所述的方法，其中将所述图案转印至所述第一层的步骤包括将所述第一层与所述第一层上的所述印模一起固化。
10.如权利要求9所述的方法，其中固化所述第一层的步骤包括UV固化或热固化。
11.一种方法，包括以下步骤：
在基板的第一表面上形成具有第一折射率的第一层；
将具有第一图案的第一印模按压至所述第一层上；
将所述第一图案转印至所述第一层以形成图案化的第一层；和
通过旋涂在所述图案化的第一层上形成第二层，所述第二层具有范围从约1.7至约2.4的第二折射率，所述第二层包括金属氧化物。
12.如权利要求11所述的方法，其中通过旋涂在所述基板的所述第一表面上形成所述第一层。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括在所述基板的第二表面上形成具有第三折射率的第三层的步骤，所述第二表面与所述基板的所述第一表面相对。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤：
将具有第二图案的第二印模按压至所述第三层上；
将所述第二图案转印至所述第三层以形成图案化的第三层；和
通过旋涂在所述图案化的第三层上形成具有第四折射率的第四层，所述第四折射率大于所述第三折射率。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述第二图案与所述第一图案不同。
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