CN112534336A - 用于波导显示器的彩虹减少 - Google Patents
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Abstract
多层光栅是包括多个层的衍射光栅。所述多个层被布置成形成二维光栅，所述层至少包括第一图案化层和第二图案化层。第一图案化层包括以第一图案布置的多种不同材料，使得第一图案化层具有第一折射率分布。第二图案化层包括以第二图案布置的多种不同材料，使得第二图案化层具有相对于第一折射率分布反相的第二折射率分布。入射到第一图案化层和第二图案化层上的环境光分别产生第一衍射光线和第二衍射光线，并且第一衍射光线和第二衍射光线部分地基于反相的折射率分布而彼此相消干涉。
Description
背景
本公开总体上涉及近眼显示系统，更具体地说，涉及波导显示器中的彩虹减少(rainbow reduction)。
近眼显示器将图像直接投射到用户的眼睛中。传统的近眼显示器，特别是那些使用衍射光学器件的近眼显示器的一个问题是杂散光(即，在用户视野之外的一部分环境光)耦入到用户的视野中。杂散光可能起源于用户的视野之外，然而，衍射光学器件可以用于将杂散光散射和/或衍射到用户的视野中。这可以向用户呈现为彩虹，被称为“彩虹效应”。彩虹效应可能对增强和/或混合现实体验有害。
概述
多层光栅是用于彩虹减少的衍射光栅。多层光栅包括布置形成二维光栅的多个层。多个层至少包括第一图案化层和第二图案化层。第一图案化层包括以第一图案布置的多种不同材料，使得第一图案化层具有第一折射率分布。第二图案化层包括以第二图案布置的多种不同材料，使得第二图案化层具有相对于第一折射率分布反相(inverted)的第二折射率分布。入射在第一图案化层和第二图案化层上的环境光分别产生第一衍射光线和第二衍射光线(例如，一级光线(first order ray))，并且第一衍射光线和第二衍射光线部分地基于反相的折射率分布彼此相消干涉，从而减少彩虹效应。
多层光栅可以耦合到波导。波导包括波导主体、输入光栅和多层光栅。当光在波导主体内传播时，波导主体在至少一个维度上扩展接收的图像光。输入光栅被配置成将图像光耦入到波导主体中。多层光栅被配置成将扩展后的图像光的第一部分输出到视窗(eyebox)，入射到第一图案化层和第二图案化层上的环境光分别产生第一衍射光线和第二衍射光线。第一衍射光线和第二衍射光线部分地基于反相的折射率分布彼此相消干涉。相消干涉起到减轻彩虹效应的作用。
在一些实施例中，波导可以是近眼显示器(NED)的一部分。NED用于向用户呈现媒体。NED可以是人工现实系统的一部分。NED包括光源组件和波导。光源组件被配置成发射至少部分相干的图像光。
附图简述
图1示出了根据一个或更多个实施例的波导的横截面。
图2示出了根据一个或更多个实施例的多层光栅的一部分的横截面。
图3A示出了根据一个或更多个实施例的具有二维图案的多层光栅的一部分。
图3B示出了根据一个或更多个实施例的多层光栅的一部分，该多层光栅在列配置中具有二维图案。
图4示出了根据一个或更多个实施例的具有二维图案和非正交光栅矢量的多层光栅的一部分的俯视图。
图5示出了根据一个或更多个实施例的具有二维图案和多个间隔层的多层光栅的一部分的侧视图。
图6是根据一个或更多个实施例的用于制造多层光栅的制造系统的框图。
图7是示出根据一个或更多个实施例的由图6的制造系统执行的制造多层光栅元件的过程的流程图。
图8A示出了根据一个或更多个实施例的由图6的制造系统产生多层光栅元件的过程。
图8B示出了根据一个或更多个实施例，通过图6的制造系统产生具有一个或更多个间隔层的多层光栅元件的过程。
图9是根据一个或更多个实施例的具有多层光栅的近眼显示器(NED)的示意图。
图10示出了根据实施例的波导显示器的等距视图(isometric view)。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员从下面的描述中将容易认识到本文示出的结构和方法的替代实施例可以被采用而不偏离本文所述的本公开的原理或所推崇的益处。
具体实施方式
本公开的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式被使用(例如在人工现实中执行活动)。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
多层光栅是用于彩虹减少的衍射光栅。多层光栅包括多个图案化层，这些图案化层被布置成形成二维衍射光栅。每个图案化层与相邻图案化层平移地对称，并且具有在至少一维上从相邻图案化层偏移半个图案周期的图案。因此，每个图案化层具有与相邻图案化层的折射率分布相同但反相(inverted)的折射率分布。相邻折射率分布中的这种关系允许由不同图案化层产生的一个或更多个非零衍射级彼此相消干涉，从而减轻彩虹效应。此外，由于相邻折射率分布之间的关系可能出现在不止一个维度上，所以多层光栅能够在多个维度上减轻彩虹效应。
在一些实施例中，多层光栅是波导的一部分。并且在一些实施例中，波导可以是近眼显示器(NED)的一部分。NED用于向用户呈现媒体。NED可以是人工现实系统的一部分。NED包括光源组件和波导。光源组件被配置成发射至少部分相干的图像光。
图1示出了根据一个或更多个实施例的波导105的横截面100。在一些实施例中，波导105是近眼显示器的部件(例如，作为显示器的输出波导的一部分)，如下面参考图9和10所讨论的。在替代实施例中，波导105是某个其他NED或其他将显示图像光导向特定位置的系统的一部分。波导105包括耦入元件110、波导主体120和多层光栅130。
耦入元件110将光140耦入到波导主体120中。耦入元件110可以是例如衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱镜表面元件、全息反射器阵列、多层光栅(类似于多层光栅130)及它们的某种组合。例如，在耦入元件110是一种衍射光栅的实施例中，选择衍射光栅的间距，使得发生全内反射，并且图像光140在波导主体120内部传播。例如，衍射光栅的间距可以在300nm至600nm的范围内。
波导主体120在至少一个维度上扩展内部反射光。例如，如图1所示，波导主体120可以在y和/或x维度上扩展光140。波导主体120可以由一种或更多种有助于光140的全内反射的材料组成。波导主体120可以由例如硅、塑料、玻璃或聚合物或它们的某种组合组成。在一些实施例中，波导主体120具有相对较小的形状因子。例如，波导主体120沿x方向约50mm宽，沿y方向约30mm长以及沿Z方向约0.5mm-1mm厚。
多层光栅130将一些光140从波导主体120去耦。多层光栅130可以是一维光栅(例如，沿一维衍射光)或二维光栅(例如，沿二维衍射光)。多层光栅130包括多个层(未示出)。多个层包括多个图案化层，并且可以可选地包括一个或更多个间隔层。下面参照图1-4详细讨论图案化层，以及下面参照图5详细讨论间隔层。每个图案化层由以周期性图案布置的材料形成，并且每个图案化层的每个图案相对于相邻图案化层沿着一个或更多个光栅方向(例如，在y和/或x方向)具有平移对称性。此外，每个图案化层被定位成与相邻的图案化层不对准1/2周期，从而形成与每个相邻图案化层的折射率分布反相的“反相的”折射率分布。
环境光150可以耦入波导主体120，导致例如一级光线160和零级光线170。零级光线170仅通过波导100传播。在每个图案化层，产生额外的衍射级。
如下面参考图2-5详细讨论的，多层光栅130中的多个图案化层用于减轻不想要的衍射级(即彩虹效应)。例如，如图1所示，环境光150被多层光栅100衍射以形成零级光线160和更高级光线170。但是由于上面讨论的反相折射率分布，更高级光线170彼此相消干涉，并因此减轻彩虹效应。
选择多层光栅130的间距，以使部分入射光140作为扩展光180离开波导主体120。通过改变进入耦入元件110的光140的定向和位置来控制从波导100出射的扩展光180的定向和位置。例如，多层光栅130的间距可以在300nm至600nm的范围内。
图2示出了根据一个或更多个实施例的多层光栅的一部分的横截面200。多层光栅可以是多层光栅130的实施例。多层光栅包括第一图案化层210和第二图案化层220。
第一图案化层210由第一材料230和第二材料240组成。第一材料230和第二材料240以具有周期T的第一周期性图案布置，使得第一图案化层210具有第一折射率分布。第一材料230或第二材料240的单一实例被称为图案化层的区段。第二图案化层220也由第一材料230和第二材料240组成，并且这些材料以具有周期T的第二周期图案布置，但是第二周期图案相对于第一图案化层210的第一周期图案偏移了1/2周期。在替代实施例中，第二图案化层220可以由具有与第一材料230和第二材料240相同的折射率分布的一些其他材料组成。因此，第二图案化层220具有相同的折射率分布，但是相对于第一折射率分布反相。相邻折射率分布中的这种关系允许由第一图案化层210产生的以及由第二图案化层220产生的一个或更多个非零衍射级(例如-1级)彼此相消干涉，从而减轻彩虹效应。
例如，光250入射到第一图案化层210上，光250衍射成多条光线，每条光线对应于不同的衍射级，包括零级光线260和更高级光线265。更高级光线265可以是例如对应于-1衍射级的光线。更高级光线265具有部分基于第一周期图案的相位(φ1)。
零级光线260传播通过第一图案化层210，并在第二图案化层220再次衍射。零级光线260被衍射成多条光线，每条光线对应于不同的衍射级，多条光线包括零级光线275和更高级光线280。更高级光线280与更高级光线265具有相同的衍射级(例如，-1)。更高级光线280具有部分基于第二周期图案的相位(φ2)。并且因为第二周期图案与第一周期图案平移对称并且相对于第一周期图案偏移T/2，所以相位(φ2)和相位(φ1)之间的相位差为180度，并且导致更高级光线265和更高级光线280彼此相消干涉。由每个单独层的衍射产生的更高级光线的相消干涉减轻了原本会出现在传统的单层光栅中的彩虹效应。
还要注意，在图2中，在每一层产生单个更高级光线(即，265和285)，但是应该理解，在每一层也产生其他衍射级的光线。并且以类似于上述更高级光线265和280的方式，这些其他光线彼此相消干涉。此外，在实践中，许多其他光线可以忽略不计，因为它们携带的能量可以忽略不计，用户可能看不到它们。
注意，在其他实施例中，多层光栅还包括除了第一图案化层210和第二图案化层220之外的层。附加层可以包括图案化层或间隔层。图案化层是由以周期性图案布置的不同材料组成的层。例如，在图2中，第一图案化层210和第二图案化层220都是图案化层。每个附加层都具有与相邻层相同的周期性图案，但是与相邻层偏移T/2。下面参照图3A-5讨论与多层光栅相关的附加实施例。间隔层是不包括与图案化层相同的周期性图案的层，而是执行光学功能(例如，滤光器)。下面参照图5进一步讨论间隔层。
图3A示出了根据一个或更多个实施例的具有二维图案的多层光栅300的一部分。多层光栅300可以是多层光栅130的实施例。多层光栅300由布置成形成二维光栅的一部分的多个图案化层组成。虽然图3A示出了4个图案化层(每个图案化层沿着z维度占据不同的位置)，但是在其他实施例中，多层光栅300包括更少或更多的图案化层。
每个图案化层具有周期性图案，该图案沿x维度(Tx)是周期性的，沿y维度(Ty)是周期性的。此外，每个图案化层与相邻的图案化层平移对称，并且与相邻的图案化层沿x维度偏移Tx/2，沿y维度偏移Ty/2。例如，在图3中，图案化层310具有类似于图2中的周期性图案的周期性图案，除了沿着y维度是周期性的之外，它在x维度也是周期性的。并且图案化层310与图案化层320相邻。图案化层320具有与图案化层310相同的周期性图案，其在x维度上刚好偏移Tx/2，在y维度上刚好偏移Ty/2。因此，相邻图案化层的折射率分布之间存在关系。每个图案化层具有与相邻图案化层的折射率分布相同但反相的折射率分布(在x和y方向)。相邻折射率分布中的这种关系允许由不同图案化层产生的一个或更多个非零衍射级彼此相消干涉，从而减轻彩虹效应。此外，由于相邻折射率分布之间的关系出现在x维度和y维度上，所以多层光栅300能够减轻x和y维度上的彩虹效应。
图3B示出了根据一个或更多个实施例的多层光栅350的一部分，该多层光栅350在列配置中具有二维图案。多层光栅350可以是多层光栅130的实施例。多层光栅350由布置成形成二维光栅的一部分的多个图案化层组成。虽然图3B示出了4个图案化层(每个图案化层沿z方向占据不同的位置)，但是在其他实施例中，多层光栅350包括更少或更多的图案化层。
每个图案化层由单独特征的部分组成。如图3B所示，特征是一整列区段(例如，4个区段)。注意，虽然如图所示，特征在x-y方向上的横截面是圆形的，但是在其他实施例中，特征在x-y方向上的横截面可以具有一些其他形状(例如，六边形、矩形等)。
类似于图3A，每个图案化层具有沿x维度(Tx)周期性和沿y维度(Ty)周期性的周期性图案。此外，每个图案化层与相邻的图案化层平移对称，并且与相邻的图案化层沿x维度偏移Tx/2，沿y维度偏移Ty/2。例如，在图3中，图案化层310具有类似于图2中的周期性图案的周期性图案，除了沿着y维度是周期性的之外，它在x维度也是周期性的。并且图案化层310与图案化层320相邻。图案化层320具有与图案化层310相同的周期性图案，其在x维度上刚好偏移Tx/2，在y维度上刚好偏移Ty/2。因此，相邻图案化层的折射率分布之间存在关系。每个图案化层具有与相邻图案化层的折射率分布相同但反相的折射率分布(在x和y方向)。相邻折射率分布中的这种关系允许由不同图案化层产生的一个或更多个非零衍射级彼此相消干涉，从而减轻彩虹效应。此外，由于相邻折射率分布之间的关系出现在x维度和y维度上，所以多层光栅300能够减轻x和y维度上的彩虹效应。
图4示出了根据一个或更多个实施例的具有二维图案和非正交光栅矢量的多层光栅400的一部分的俯视图(在x-y平面中)。光栅矢量表示光栅平面(例如，垂直于光栅表面的平面)的方向和间距，以及与从多层光栅入射和衍射的光相关的传播矢量之间的关系。多层光栅400可以具有多个层，类似于上面图3A中所示的。这些层将占据图4所示层下方的不同位置(例如，沿着z维度放置在不同位置)。类似于图3A所示，每层具有第一材料区段230和第二材料区段240的交替布置。然而，每个放置的区段的几何形状不是矩形，而是平行四边形，导致非正交光栅矢量g1和g2。
图5示出了根据一个或更多个实施例的具有二维图案和多个间隔层的多层光栅500的一部分的侧视图。多层光栅500基本上类似于上面图3A中所示的，除了它包括两个间隔层。例如，在图5中，多层光栅500包括间隔层510和间隔层520，以及图案化层530、540、550和560。间隔层是不像图案化层那样包括周期性图案的层，而是执行光学功能的层。光学功能可以是例如过滤、反射、偏振、衰减等。间隔层可以是例如中性密度滤光器、陷波滤光器、一些其他滤光器、部分反射层、偏振器、执行光学功能的一些其他层或它们的某种组合。注意，多层光栅500包括多个图案化层530、540、550和560，并且每个图案化层具有与相邻图案化层相同的周期性图案(在上方和/或下方)，其在y维度上仅偏移Ty/2(尽管未示出，同时在x维度上也偏移Tx/2)。因此，相邻图案化层的折射率分布之间存在关系。每个图案化层具有与相邻图案化层的折射率分布相同但反相的折射率分布(在x和y方向)。相邻折射率分布中的这种关系允许由不同图案化层产生的一个或更多个非零衍射级彼此相消干涉，从而减轻彩虹效应。此外，由于相邻折射率分布之间的关系出现在x维度和y维度上，除了执行间隔层(例如，510和520)的光学功能之外，多层光栅500还能够减轻x和y维度上的彩虹效应。虽然图5示出了两个间隔层和四个图案化层，但是在未示出的其他实施例中，多层光栅500可以包括比图5所示更多或更少的间隔层和更多或更少的图案化层。
图6是根据一个实施例的用于制造多层光栅的制造系统600的框图。制造系统600是产生具有多个图案化层的多层光栅的一组系统，并且在一些实施例中，该一组系统产生具有在多个图案化层之间形成的一个或更多个间隔层的多层光栅。制造系统600可以制造上面讨论的任何一个多层光栅(例如，参考图3A-5)。制造系统600包括图案化系统610、沉积系统620、蚀刻系统630或它们的某种组合。制造系统600可以类似于制造用于形成集成电路的器件的系统，并且可以包括诸如蚀刻部件、薄膜制造部件、氧化部件等部件。在一些实施例中，制造系统600包括控制制造系统600中的每个系统的控制器(这里未示出)。
图案化系统610是对形成在衬底上的物质进行图案化的系统，该图案化产生物质几何形状的变化。在一些实施例中，图案化系统610包括对流炉、热板、冷板、红外灯、晶片旋转器、掩模对准器、曝光系统、基于湿工作台的显影系统或它们的某种组合。在一个实例中，图案化系统610包括用于在150-200℃范围内的温度下通过用于脱水目的的硬烘焙和软烘焙来处理批量晶片的一对对流烘箱、可编程晶片旋转器、接触型掩模对准器以及具有强度接近25mW/cm2的汞源的曝光系统。
在另一个实施例中，图案化系统610包括执行以下至少一种操作的装备：电子束光刻、干涉光刻、多光子光刻、扫描探针光刻或它们的某种组合。在第一示例中，图案化系统610基于电子束光刻，其中聚焦的电子束在覆盖有电子敏感膜的表面上执行所需形状的扫描。聚焦的电子束改变了电子敏感膜的溶解度，导致通过浸入溶剂选择性地除去电子敏感膜的曝光或未曝光区域。在第二个例子中，图案化系统610基于干涉光刻，其中由表示两个或更多相干光波之间的强度最小值和最大值的周期性条纹系列组成的干涉图案被建立并记录在光敏材料中。在一些配置中，图案化系统610包括一个或更多个执行双光束干涉光刻、三光束干涉光刻、四光束干涉光刻、多波干涉光刻或其某种组合的设备。因此，图案化系统610可以执行具有六边形对称性、矩形对称性、具有限定空间频谱的非周期性图案或其某种组合的图案阵列的光刻图案化。在第三个例子中，图案化系统610基于多光子光刻，其中负色调或正色调光致抗蚀剂用来自定义明确的波长的激光器的光照射，而不使用任何复杂的光学系统。多光子光刻工艺基于光敏材料中的多光子吸收工艺，该光敏材料在用于产生光刻图案的激光波长下是透明的。通过扫描和适当调制激光，化学变化在激光的焦点处发生，并且可以被控制以产生任意的三维周期性或非周期性图案。在第四个例子中，图案化系统610基于扫描探针光刻，其中扫描探针显微镜用于使用热、化学反应、扩散、氧化、电偏置、机械力或它们的某种组合在光敏材料上直接写入期望的光刻图案。在一些配置中，图案化系统610包括一个或更多个设备，这些设备以并行方式使用不同类型的扫描探针显微镜在不同位置同时对光敏材料执行光刻图案化，用于大批量制造。
在替代实施例中，图案化系统610包括压印系统，该压印系统在衬底上执行图案的机械冲压。在一个实例中，压印系统基于残留聚合物层的去除和随后压印到图案化衬底中的特征的去除，将图案转印到衬底上。图案化系统610包括热压印系统、紫外压印系统、喷射和闪光压印系统、反向压印系统或它们的某种组合。热压印系统是一种在预热的印模上对预先旋涂在衬底上的热塑性聚合物施加机械力的系统。紫外压印系统是一种在低粘度、可紫外固化的聚合物(如PDMS、HSQ)上施加紫外辐射，使聚合物交联，然后将模具从衬底上脱模的系统。与热压印系统和紫外压印系统相比，喷射和闪光压印系统是一种在低压和低温下通过一个或更多个喷墨口将聚合物分配到衬底上的系统。反向压印系统是一种将聚合物直接涂覆到模板上，并通过调整模板和衬底的表面能来释放图案化衬底的系统。
沉积系统620是在由图案化系统610图案化的衬底上添加一个或更多个材料薄膜的系统。在一些实施例中，沉积系统620添加多个材料薄膜，以基于两个相邻材料层的折射率之间的差异沿着任何方向形成折射率梯度的堆叠。如下文结合图7所述，沉积系统620基于物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、旋涂系统或它们的某种组合将材料薄膜添加到衬底上。
在一些配置中，沉积系统620沉积一个或更多个间隔层薄膜。间隔层执行一些光学功能(例如，滤光器、偏振器等)。间隔层由选自由有机聚合物、介电层或它们的组合构成的组的材料组成。例如，沉积系统620沉积二氧化硅、SSQ衍生物、有机聚合物、二氧化钛、二氧化铪、氮化硅、执行光学功能的一些其他材料或它们的某种组合的一个或更多个间隔层。
沉积系统620可以包括电子束蒸发器、磁控溅射器、反应溅射器、低压化学气相沉积(LPCVD)反应器、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)反应器、原子层沉积(ALD)反应器或它们的某种组合。电子束蒸发器是基于一种物理气相沉积的形式，其中靶阳极在高真空下被带电钨丝发出的电子束轰击。电子束使靶中的原子转变成气相。来自靶的原子然后沉淀成固体形式，用一层薄的阳极材料涂覆真空室中视线范围内的所有东西。磁控管溅射器使用强电场和磁场将带电等离子体粒子限制在溅射靶表面附近。在磁场中，电子沿着磁场线周围的螺旋路径，与目标表面附近的气态中性粒子发生比其他情况下更多的电离碰撞。反应溅射器是基于溅射的粒子在涂覆衬底之前经历化学反应。粒子经历的化学反应是与引入溅射室的反应气体如氧气或氮气的反应。低压化学气相沉积(LPCVD)反应器基于压力低于大气压的化学工艺，其中衬底暴露于一种或更多种挥发性前体(volatile precursors)，所述挥发性前体在衬底表面上反应和/或分解以产生期望的沉积物。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是基于一种化学工艺，该工艺利用等离子体来提高挥发性前体的化学反应速率，从而允许在较低温度下沉积。在一些配置中，沉积系统620在相对低于室温的温度下执行有机涂层如等离子体聚合物的沉积。原子层沉积(ALD)反应器是基于一种化学工艺，其中通过在反应室中交替地脉冲化学反应物，然后以饱和方式在衬底表面上化学吸附，形成化学吸附的单层，将两种元素的交替单层沉积到衬底上。在一些配置中，沉积系统620包括控制器(此处未示出)，该控制器控制将前体脉冲送入反应室的循环次数、每次脉冲的沉积时间以及每次脉冲后清洗反应室的时间。
蚀刻系统630是去除沉积在由图案化系统610图案化的衬底上的一个或更多个材料薄膜的系统。蚀刻系统630基于物理过程、化学过程或它们的某种组合。与沉积在衬底上的多层材料堆叠中的第二组一个或更多个材料薄膜相比，蚀刻系统630以不同的移除速率选择性地移除第一组一个或更多个材料薄膜。蚀刻系统630包括湿工作台、离子研磨模块、基于等离子体的反应离子蚀刻模块、化学机械抛光模块或它们的某种组合。在第一配置中，蚀刻系统630包括湿工作台，其在一定温度和浓度范围内使用酸、碱和溶剂的组合来执行化学蚀刻。在第二配置中，蚀刻系统630包括离子研磨模块，该离子研磨模块在极低的压力下执行沉积在衬底上的薄膜的一部分的物理去除，并且使用高加速电势以便加速以足够的能量撞击中性气体原子的电子，以电离气体原子。在第三配置中，蚀刻系统630包括基于低压化学反应等离子体和外部电磁场的基于等离子体的反应离子蚀刻(RIE)模块，以去除沉积在衬底上的一个或更多个材料薄膜。在第四配置中，蚀刻系统630包括化学机械抛光(CMP)模块，其基于化学和机械力的组合来执行一个或更多个材料薄膜的平滑。在一些示例中，蚀刻系统630使用研磨和腐蚀性化学浆料以及抛光垫和保持环来对沉积在由图案化系统610图案化的衬底上的一个或更多个薄膜进行化学机械抛光。
在一些实施例中，沉积系统620在由图案化系统610图案化的衬底上添加一个或更多个厚度阈值的材料薄膜，其可以由蚀刻系统630选择性地去除，如下文结合图7所述。例如，沉积系统620沉积一层热不稳定聚合物，例如聚(丙烯酸叔丁酯)、叔丁氧基酯，其可通过蚀刻系统630基于高温下的热分解过程来移除，以产生异丁烯(挥发性副产物)和羧酸。在另一个例子中，沉积系统620沉积一层可光解分解的聚合物，例如三氟甲磺酸三苯基锍、九氟甲磺酸三苯基锍或4-异丙基-4’-甲基二苯基碘鎓四(五氟苯基)硼酸盐，其可以基于光解分解被蚀刻系统630去除。
图7是示出根据一个实施例的由图6的制造系统600执行的制造多层光栅元件的过程700的流程图。其他实体可以执行其他实施例中过程的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。
制造系统600(例如，通过图案化系统610)对沉积在衬底上的一种或更多种光致抗蚀剂进行710光刻图案化。
在一个例子中，图案化系统610包括用于在150-200℃下使衬底脱水的对流烘箱、用于在衬底上涂覆物质的晶片旋转器、用于在衬底上限定光刻图案的掩模对准器以及用于将掩模中的光刻图案转移到衬底的曝光系统。在一些实施例中，制造系统600在光刻图案化一个或更多个光致抗蚀剂之前，执行710沉积在一个或更多个光致抗蚀剂上的硬掩模的光刻图案化，以产生堆叠。
在一些实施例中，一种或更多种光致抗蚀剂包括第一光致抗蚀剂和第二光致抗蚀剂。第一光致抗蚀剂是第一材料类型，第二光致抗蚀剂是第二材料类型。第一光致抗蚀剂沉积在衬底上，第二光致抗蚀剂沉积在第一光致抗蚀剂上。在一些实施例中，在将第二光致抗蚀剂沉积在第一光致抗蚀剂上之前，抛光第一光致抗蚀剂。
制造系统600(例如，通过沉积系统620)在一个或更多个图案化光致抗蚀剂上执行720保护涂层的沉积。在一些配置中，制造系统600执行720保护涂层的保形沉积。
制造系统600在保护涂层上执行730光致抗蚀剂的回填。被回填的光致抗蚀剂是第二种材料类型。
制造系统600(例如，通过蚀刻系统630)执行740部分去除回填的光致抗蚀剂以形成图案化层。
在一些实施例中，如下面参考图8B详细描述的，制造系统600在图案化层上执行750一个或更多个间隔层的沉积。
制造系统600重复上述步骤710至750，以制造具有阈值数量(n)级的多层光栅。
图8A是根据一个实施例的由图6的制造系统600创建多层光栅元件的过程800的图示。图8A的过程800可以由制造系统600执行。其他实体可以执行其他实施例中过程的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。
制造系统600在衬底上执行805多种光致抗蚀剂的沉积。例如，制造系统600在波导820(即，衬底)上执行第一光致抗蚀剂810的沉积。波导820是向用户的眼睛输出图像光的光波导，如下面结合图10详细描述的。制造系统600在第一光致抗蚀剂810上执行第二光致抗蚀剂815的沉积，以形成包括两种光致抗蚀剂的堆叠。第一光致抗蚀剂和第二光致抗蚀剂由不同的材料(例如，第一材料230和第二材料240)组成。该堆叠是多层光栅的一部分。堆叠中的第一光致抗蚀剂810和第二光致抗蚀剂815中的每一个都由有机材料组成，例如压印抗蚀剂、屏蔽抗蚀剂等。在图8A的示例中，第一光致抗蚀剂810是SSQ衍生物，第二光致抗蚀剂815是平坦化有机聚合物，例如透明PMMA、PS等。
制造系统600执行825沉积在波导820上的光致抗蚀剂的光刻图案化。在一个示例中，图案化系统610使用单次光刻曝光来图案化两种光致抗蚀剂。蚀刻系统630选择性地去除图案化光致抗蚀剂的光刻曝光区域。蚀刻可以去除材料，以便于形成上面参照图2-5讨论的任何一个多层光栅。
制造系统600以保形方式在图案化光致抗蚀剂上执行835保护涂层830的沉积。例如，沉积系统620沉积一层或更多层介电材料，包括但不限于不能被蚀刻系统630去除的HfO2、TiO2和Si3N4。在一些配置中，沉积系统620基于原子层沉积(ALD)工艺沉积保护涂层830，以获得保护涂层830的每一层的厚度阈值。
制造系统600在保护涂层830上执行840光致抗蚀剂842的沉积。光致抗蚀剂842具有与第二光致抗蚀剂815相同的折射率分布，并且可以由与第二光致抗蚀剂815相同的材料组成。在一些配置中，沉积系统620在保护涂层830上执行840光致抗蚀剂842的回填。
制造系统600执行845选择性去除回填光致抗蚀剂842。在一些配置中，蚀刻系统630执行845回填光致抗蚀剂842的选择性移除，以使回填光致抗蚀剂842的厚度和第一光致抗蚀剂810的厚度之间的差异达到接近零的阈值。在替代配置中，蚀刻系统630执行845选择性移除回填光致抗蚀剂842，使得回填光致抗蚀剂842的厚度比第一光致抗蚀剂810的厚度相对地大一阈值。
制造系统600在保护涂层830上执行850光致抗蚀剂852的沉积。光致抗蚀剂852具有与第一光致抗蚀剂810相同的折射率分布，并且可以由与第一光致抗蚀剂810相同的材料组成。在一些配置中，沉积系统620在保护涂层830上执行850光致抗蚀剂852的回填，使得回填的光致抗蚀剂852的厚度比第二光致抗蚀剂815的厚度相对地大一阈值。
制造系统600执行855选择性去除回填光致抗蚀剂852。在一些配置中，蚀刻系统630执行855选择性去除回填光致抗蚀剂852，直到保护涂层830的顶面暴露。
多层光栅可以用在例如上面参照图1讨论的波导中。在图8A的示例中，形成的多层光栅的部分包括由第一光致抗蚀剂810和回填光致抗蚀剂842沿x维度的多个交替实例组成的第一图案化层，以及由第一光致抗蚀剂810和回填光致抗蚀剂842沿x维度的多个交替实例组成的第二图案化层，并且第二图案化层中的第一光致抗蚀剂810的每个实例与第一图案化层中的回填光致抗蚀剂842的相应实例对准，并且第二图案化层中的回填光致抗蚀剂842的每个实例与第一图案化层中的第一光致抗蚀剂810的相应实例对准。因此，存在类似于上述多层光栅中的周期图案的周期图案(例如，图2、3A等)。每个图案化层具有与相邻周期图案相同的周期图案，但是在x维度上偏移Tx/2(在y维度上偏移Ty/2)。因此，相邻图案化层的折射率分布之间存在关系。每个图案化层具有与相邻图案化层的折射率分布相同但反相的折射率分布(在x和y方向)。相邻折射率分布中的这种关系允许由不同图案化层产生的一个或更多个非零衍射级彼此相消干涉，从而减轻彩虹效应。
在图8A的例子中，包括两个光致抗蚀剂的堆叠是一维多层光栅元件的阵列。在替代实施例中，包括两个光致抗蚀剂的堆叠可以被缩放以形成多层光栅元件的二维阵列。
图8B示出了根据一个实施例的由图6的制造系统600产生具有一个或更多个间隔层的多层光栅元件的过程802。图8B的过程802可以由制造系统600执行。其他实体可以执行其他实施例中过程的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。除了存在一个或更多个间隔层之外，图8B的过程802基本上类似于图8A的过程800。
如上参考图8A所述，制造系统600由波导820上产生的堆叠形成多层光栅的一部分857。多层光栅的部分857包括第一光致抗蚀剂810、第二光致抗蚀剂815、波导820、保护涂层830、光致抗蚀剂842和回填光致抗蚀剂852。
制造系统600在多层光栅的部分857上执行860间隔层862的沉积。间隔层862是接收光并透射一部分入射光的滤光器。间隔层862由选自有机聚合物、介电层或其组合构成的组的材料组成。在一些配置中，沉积系统620沉积一个或更多个间隔层，该间隔层由包括但不限于二氧化硅、SSQ衍生物、有机聚合物、二氧化钛、二氧化铪、氮化硅或它们的某种组合的材料组成。
制造系统600在间隔层862上执行865第三光致抗蚀剂867的沉积。光致抗蚀剂867具有与第二光致抗蚀剂815和光致抗蚀剂842相同的折射率分布，并且可以由与第二光致抗蚀剂815和/或光致抗蚀剂842相同的材料组成。第三光致抗蚀剂867由诸如压印抗蚀剂、屏蔽抗蚀剂等有机材料组成。在图8B的例子中，第三光致抗蚀剂867是SSQ衍生物。
制造系统600执行870沉积在间隔层862上的第三光致抗蚀剂867的光刻图案化。在一个示例中，图案化系统610使用单次光刻曝光来图案化第三光致抗蚀剂867。蚀刻系统630选择性地去除图案化光致抗蚀剂的光刻曝光区域。制造系统600以保形方式在图案化光致抗蚀剂上执行870保护涂层874的沉积。保护涂层874是保护涂层830的实施例，如上参考图8A所述。
制造系统600在保护涂层874上执行875光致抗蚀剂877的沉积。光致抗蚀剂877具有与回填光致抗蚀剂852和第一光致抗蚀剂810相同的折射率分布，并且可以由与回填光致抗蚀剂852和第一光致抗蚀剂810相同的材料组成。
制造系统600执行880光致抗蚀剂877的选择性去除。在一些配置中，蚀刻系统630执行880光致抗蚀剂877的选择性去除，以使光致抗蚀剂877的厚度和第三光致抗蚀剂867的厚度之间的差达到接近零的阈值。在替代配置中，蚀刻系统630执行880光致抗蚀剂877的选择性移除，使得光致抗蚀剂877的厚度比第三光致抗蚀剂867的厚度相对地大一阈值。
过程802形成包括至少一个间隔层862的多层光栅的一部分。多层光栅可以用在例如上面参照图1讨论的波导中。在图8B的例子中，包括第三光致抗蚀剂867和光致抗蚀剂877的堆叠是一维多层光栅元件的阵列。在替代实施例中，包括两个光致抗蚀剂的堆叠可以被缩放以形成多层光栅元件的二维阵列。
图9是根据一个实施例的具有使用图1的制造系统制造的多层光栅的近眼显示器(NED)900的示意图。NED也可以称为头戴式显示器(HMD)。根据一个实施例，NED包括一个或更多个显示器910，显示器910包括使用制造系统600制造的多层光栅。NED 900向用户呈现媒体。由NED 900呈现的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频、音频、或它们的某种组合。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从NED 900、控制台(未示出)或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。NED900通常被配置为作为人工现实NED进行操作。在一些实施例中，NED 900可以用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、现实世界环境的视图。
图9所示的NED 900包括框架905和显示器910。框架805包括一个或更多个光学元件，该一个或更多个光学元件一起向用户显示媒体。显示器910被配置成让用户看到NED900呈现的内容。如下面结合图10所讨论的，显示器910包括至少一个波导显示器。
图10示出了根据一个或更多个实施例的波导显示器1000的等距视图。在一些实施例中，波导显示器1000(也可以被称为扫描波导显示器)是NED 900的部件。在替代实施例中，波导显示器1000是将显示器图像光导向特定定位的某个其他NED或其他系统的一部分。
波导显示器1000包括源组件1010和输出波导1020。源组件1010生成图像光。源组件1010包括源阵列和光学系统(这里未示出)。源组件1010产生图像光1055并将图像光345输出到输出波导1020的耦合元件1050。
输出波导1020是向用户的眼睛1045输出图像光的光波导。在一些实施例中，输出波导1020是上面参考图1讨论的波导105的各向同性视图。输出波导1020在一个或更多个耦合元件1050处接收图像光1055，并将接收到的输入图像光引导至一个或更多个去耦元件1060。在一些实施例中，耦合元件1050将来自源组件1010的图像光1055耦合到输出波导1020中。耦合元件1050可以是例如衍射光栅、全息光栅、多层光栅(例如，如上面参考图1-8B所讨论的)、将图像光1055耦合到输出波导1020中的一些其他元件、或者它们的某种组合。在耦合元件1050是衍射光栅的类型的实施例中，选择衍射光栅的间距，使得发生全内反射，并且图像光1055在内部向去耦元件1060传播。例如，衍射光栅的间距可以在300nm至600nm的范围内。
去耦元件1060将全内反射的图像光从输出波导1020去耦。去耦元件1060是多层光栅(例如，如上面参考图1-8B所讨论的)，其将图像光1040去耦出输出波导1020。选择多层光栅的间距以使入射图像光离开输出波导1020。例如，衍射光栅的间距可以在300nm至600nm的范围内。制造系统600执行自对准堆叠工艺来制造多层光栅，如上文结合图6-8B所述。如以上参考图1-5所讨论的，多层光栅的反相的折射率分布导致更高级光线彼此相消干涉，并因此减轻彩虹效应。
附加配置信息
本公开的实施例的前述描述为了说明的目的被提出；它并不意图为无遗漏的或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。
本描述的一些部分从对信息的操作的算法和符号表示方面描述了本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应理解为将由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件、硬件或其任何组合中。
可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现本文描述的任何步骤、操作或过程。在一个实施例中，利用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，该计算机程序代码可以由计算机处理器执行，用于执行所描述的任何或全部步骤、操作或过程。
本公开的实施例也可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以被特别构造成用于所需的目的，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质中，或者任何类型的适于存储电子指令的介质中，其可以耦合到计算机系统总线。此外，本说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计以提高计算能力的体系结构。
本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。
最后，在说明书中使用的语言主要为了可读性和指导目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制创造性主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开旨在对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。
Claims (20)
1.一种波导，包括：
波导主体，其被配置为当光在所述波导主体内传播时，在至少一个维度上扩展接收的图像光；
输入光栅，其被配置为将图像光耦入到所述波导主体中；和
多层光栅，其包括被布置成形成二维光栅的多个层，所述多个层包括至少第一图案化层和第二图案化层，所述第一图案化层包括以第一图案布置的多种不同材料，使得所述第一图案化层具有第一折射率分布，并且所述第二图案化层包括以第二图案布置的多种不同材料，使得所述第二图案化层具有相对于所述第一折射率分布反相的第二折射率分布，并且所述多层光栅被配置为将扩展后的图像光的第一部分输出到视窗，
其中入射到所述第一图案化层和所述第二图案化层上的环境光分别产生第一衍射光线和第二衍射光线，并且所述第一衍射光线和所述第二衍射光线部分地基于反相的折射率分布彼此相消干涉。
2.根据权利要求1所述的波导，其中：
所述第一图案化层由第一材料和第二材料在第一维度上的多个交替实例组成；和
所述第二图案化层由所述第一材料和所述第二材料在所述第一维度上的多个交替实例组成，并且所述第二图案化层中的第一材料的每个实例与所述第一图案化层中的第二材料的相应实例对准，并且所述第二图案化层中的第二材料的每个实例与所述第一图案化层中的第一材料的相应实例对准。
3.根据权利要求2所述的波导，其中所述多个层形成多个结构，并且所述多个结构中的每个结构与相邻结构至少分开阈值距离。
4.根据权利要求3所述的波导，其中所述多个结构中的每个结构具有从由以下项组成的组中选择的形状：具有圆形横截面的圆柱、具有圆形横截面的矩形柱、以及球形。
5.根据权利要求1所述的波导，其中：
所述第一图案化层由第一材料和第二材料在第一维度和与所述第一维度正交的第二维度上的多个交替实例组成；和
所述第二图案化层由所述第一材料和所述第二材料在所述第一维度和所述第二维度上的多个交替实例组成，并且所述第二图案化层中的第一材料的每个实例与所述第一图案化层中的第二材料的相应实例对准，并且所述第二图案化层中的第二材料的每个实例与所述第一图案化层中的第一材料的相应实例对准。
6.根据权利要求1所述的波导，其中所述多个层包括至少一个间隔层。
7.根据权利要求6所述的波导，其中所述间隔层是滤光器。
8.根据权利要求1所述的波导，其中所述多层光栅具有非正交光栅矢量。
9.根据权利要求1所述的波导，其中所述第一衍射光线和所述第二衍射光线对应于第一负衍射级。
10.根据权利要求1所述的波导，其中所述波导是近眼显示器的部件。
11.一种近眼显示器(NED)，包括：
光源组件，其被配置为发射至少部分相干的图像光；
输出波导，其包括：
波导主体，其被配置为在至少一个维度上扩展所述图像光，
输入光栅，其被配置为将所述图像光耦入到所述波导主体中，以及
多层光栅，其包括被布置成形成二维光栅的多个层，所述多个层包括至少第一图案化层和第二图案化层，所述第一图案化层包括以第一图案布置的多种不同材料，使得所述第一图案化层具有第一折射率分布，并且所述第二图案化层包括以第二图案布置的多种不同材料，使得所述第二图案化层具有相对于所述第一折射率分布反相的第二折射率分布，并且所述多层光栅被配置为将扩展后的图像光的第一部分输出到视窗，
其中入射到所述第一图案化层和所述第二图案化层上的环境光分别产生第一衍射光线和第二衍射光线，并且所述第一衍射光线和所述第二衍射光线部分地基于反相的折射率分布彼此相消干涉。
12.根据权利要求11所述的NED，其中：
所述第一图案化层由第一材料和第二材料在第一维度和与所述第一维度正交的第二维度上的多个交替实例组成；和
所述第二图案化层由所述第一材料和所述第二材料在所述第一维度和所述第二维度上的多个交替实例组成，并且所述第二图案化层中的第一材料的每个实例与所述第一图案化层中的第二材料的相应实例对准，并且所述第二图案化层中的第二材料的每个实例与所述第一图案化层中的第一材料的相应实例对准。
13.根据权利要求12所述的NED，其中所述多个层形成多个结构，并且所述多个结构中的每个结构与相邻结构至少分开阈值距离。
14.根据权利要求13所述的NED，其中所述多个结构中的每个结构具有从由以下项组成的组中选择的形状：具有圆形横截面的圆柱、具有圆形横截面的矩形柱、以及球形。
15.根据权利要求11所述的NED，其中所述多个层包括至少一个间隔层。
16.根据权利要求15所述的NED，其中所述间隔层是滤光器。
17.根据权利要求11所述的NED，其中所述多层光栅具有非正交光栅矢量。
18.根据权利要求11所述的NED，其中所述第一衍射光线和所述第二衍射光线对应于第一负衍射级。
19.根据权利要求11所述的NED，其中所述输入光栅由第三层和第四层组成，所述第三层包括以第三图案布置的多种不同材料，使得所述第三层具有第三折射率分布，并且所述第四层包括以第四图案布置的多种不同材料，使得所述第四层具有相对于所述第三折射率分布反相的第四折射率分布。
20.根据权利要求19所述的NED，其中：
所述第三层由第一材料和第二材料在第一维度上的多个交替实例组成；和
所述第四层由所述第一材料和所述第二材料在所述第一维度上的多个交替实例组成，并且所述第二图案化层中的第一材料的每个实例与所述第一图案化层中的第二材料的相应实例对准，并且所述第二图案化层中的第二材料的每个实例与所述第一图案化层中的第一材料的相应实例对准。
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