CN113167943B - 各向异性地形成的衍射光栅设备 - Google Patents

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Abstract

衍射光栅包括衬底和从衬底延伸的三角形脊的阵列。脊彼此平行延伸，并且具有三角形横截面，使得脊的第一侧面面向第一方向，并且脊的相邻第二侧面面向不同的第二方向。光栅线的阵列设置在脊的阵列的第一侧面上，光栅线的阵列中的每个光栅线包括由脊的阵列中的相应脊的第一侧面支撑的透明材料的平板。光栅线的阵列的折射率不同于脊的阵列的折射率。

Description

各向异性地形成的衍射光栅设备
技术领域
本公开涉及视觉显示器和显示系统，且具体涉及用于可佩戴显示器的光学部件和模块，以及相关的制造方法。
背景技术
头戴式显示器(HMD)、近眼显示器(NED)和其他可佩戴显示系统可以用于向用户呈现虚拟场景，或者用动态信息、数据或虚拟对象来增强真实场景。虚拟或增强的场景可以是三维的(3D)，以增强体验，并将虚拟对象与用户观察到的真实对象相匹配。可以实时跟踪用户的眼睛位置和凝视方向和/或方位，并且可以根据用户的头部方位和凝视方向动态地调整显示的场景，以提供在模拟或增强环境中的更好的沉浸体验。
轻巧紧凑的近眼显示器可减轻用户头部和颈部的压力，并且佩戴起来通常更舒适。这种显示器的光学块可能是整个系统中最重的部分。可以采用紧凑的平面光学部件，例如波导、光栅、菲涅耳透镜等，以减小光学块的尺寸和重量。然而，紧凑的平面光学器件可能具有与图像质量、出瞳(exit pupil)尺寸和均匀性、瞳孔游动(pupil swim)、生成的图像的视场、视觉伪影等相关的限制。
发明内容
本申请提供了以下内容：
1)一种制造衍射光栅的方法，所述方法包括：
形成从衬底延伸的脊的阵列，所述脊彼此平行延伸并具有三角形横截面，使得所述脊的第一侧面面向第一方向，并且所述脊的相邻第二侧面面向不同的第二方向；和
在所述脊的阵列的所述第一侧面上形成光栅线的阵列，所述光栅线的阵列中的每个光栅线包括由所述脊的阵列中的相应脊的所述第一侧面支撑的透明材料的平板；
其中，所述光栅线的阵列的折射率不同于所述脊的阵列的折射率。
2)根据1)所述的方法，还包括在所述光栅线的阵列上形成涂覆层，所述涂覆层具有与所述衬底相对的基本平坦的顶表面。
3)根据2)所述的方法，其中，所述涂覆层由与所述脊的阵列相同的材料形成。
4)根据1)至3)中任一项所述的方法，其中，所述光栅线的阵列被形成为使得在所述脊的所述第二侧面上不存在光栅线。
5)根据4)所述的方法，其中，所述光栅线的阵列使用在所述脊的阵列的所述第一侧面上定向沉积光栅层材料来形成。
6)根据4)所述的方法，其中，所述光栅线的阵列通过在所述脊的所述第一侧面和所述第二侧面上各向同性沉积光栅层材料，随后从所述脊的所述第二侧面各向异性蚀刻所述光栅层材料而形成。
7)根据1)至6)中任一项所述的方法，还包括以空间变化的方式选择性地去除所述光栅线的阵列的所述透明材料的至少一部分，以产生具有空间变化的占空比的光栅线的阵列。
8)根据1)至6)中任一项所述的方法，其中，所述光栅线的阵列通过在所述脊的所述第一侧面上对所述透明材料进行空间变化的定向沉积来形成，以产生具有空间变化的占空比的光栅线的阵列。
9)一种衍射光栅，包括：
衬底；
从所述衬底延伸的脊的阵列，所述脊在平行于所述衬底的平面的平面中彼此平行延伸，并且具有三角形横截面，使得所述脊的第一侧面面向第一方向，并且所述脊的相邻第二侧面面向不同的第二方向；和
光栅线的阵列，其具有与所述脊的阵列不同的折射率，所述光栅线的阵列中的每个光栅线包括由所述脊的阵列中的相应脊的所述第一侧面支撑的透明材料的平板。
10)根据9)所述的衍射光栅，其中，在所述脊的所述第二侧面上不存在光栅线。
11)根据9)或10)所述的衍射光栅，其中，所述脊的阵列或所述衬底中的至少一个包括与所述光栅线的阵列不同的材料。
12)根据9)至11)中任一项所述的衍射光栅，其中，所述光栅线的阵列具有空间变化的占空比。
13)根据9)至12)中任一项所述的衍射光栅，还包括在所述光栅线的阵列上的涂覆层，所述涂覆层具有基本平坦的顶表面。
14)根据13)所述的衍射光栅，其中，所述涂覆层的折射率和所述脊的阵列的折射率之差小于0.05。
15)根据13)所述的衍射光栅，其中，所述涂覆层和所述脊的阵列由相同的材料制成，从而形成在所述衬底上支撑所述光栅线的阵列的透明基质，使得每个光栅线与所述衬底成一定角度设置。
16)根据9)至15)中任一项所述的衍射光栅，其中，所述光栅线的阵列的邻近的光栅线在所述衬底上的垂直投影彼此重叠。
17)根据9)至16)中任一项所述的衍射光栅，其中，所述光栅线的阵列中的每个光栅线平板仅覆盖所述脊的阵列的相应第一侧面的一部分。
18)根据9)至17)中任一项所述的衍射光栅，其中，所述光栅线的阵列具有在0.01和0.3之间或在0.7和0.99之间的占空比。
19)一种光瞳复制波导，包括：
衬底；
从所述衬底延伸的脊的阵列，所述脊在平行于所述衬底的平面的平面中彼此平行延伸，并且具有三角形横截面，使得所述脊的第一侧面面向第一方向，并且所述脊的相邻第二侧面面向不同的第二方向；
光栅线的阵列，所述光栅线的阵列具有与所述脊的阵列不同的材料，所述光栅线的阵列中的每个光栅线包括由所述脊的阵列中的相应脊的所述第一侧面支撑的透明材料的平板；和
所述光栅线的阵列上的涂覆层，所述涂覆层具有基本平坦的顶表面；
其中，所述衬底包括相对的第一表面和第二表面，其中，所述脊的阵列从所述第一表面延伸，并且其中，所述衬底被配置成通过从所述第二表面和所述涂覆层的顶表面的全内反射来引导显示光；
其中，所述光栅线的阵列的节距、占空比、高度、倾斜角度或折射率中的至少一个被选择，以在沿着所述显示光的光路的多个偏移位置输出所述显示光的部分。
20)根据19)所述的光瞳复制波导，其中，所述光栅线的阵列的节距、占空比、高度、倾斜角度或折射率中的至少一个被选择，以减少非显示外部光向所述光瞳复制波导的视窗的非零级衍射。
附图说明
现在将结合附图描述示例性实施例，附图中：
图1是本公开的近眼显示器的侧视横截面图，示出了可能的彩虹光路；
图2是抑制彩虹的衍射光栅的侧视横截面图；
图3A至图3E是本公开的衍射光栅在不同制造阶段的示意性侧视横截面图；
图4A和图4B是使用光栅线的成角度的定向沉积(directional deposition)制造的本公开的衍射光栅的示意性侧视横截面图；
图5A是用于选择性地去除部分光栅线材料的装置的俯视图；
图5B是用于光栅线材料的空间变化的(space-variant)选择性沉积的装置的侧视图；
图6是基于本公开的衍射光栅的光瞳复制波导的示意性侧视横截面图；
图7是根据本公开的制造衍射光栅的方法的流程图；
图8A是结合了本公开的衍射光栅和光瞳复制波导的眼镜形状因子的近眼增强现实(AR)/虚拟现实(VR)显示器的等轴视图；
图8B是图8A的AR/VR显示器的侧视横截面图；和
图9是结合了本公开的衍射光栅和光瞳复制波导的头戴式显示器(HMD)的等轴视图。
具体实施方式
虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是并不意图使本教导受限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导包括各种替代物和等同物。本文中叙述本公开的原理、方面和实施例以及其特定示例的所有陈述旨在包括其结构和功能等同物。另外，意图使这种等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物(即，所开发的执行相同功能的任何元件)，而不管结构如何。
除非明确说明，否则如本文所使用的，术语“第一”、“第二”等不旨在暗示顺序排序，而是旨在将一个元件与另一个元件区分开来。类似地，除非明确说明，否则方法步骤的顺序排序并不暗示它们的执行的顺序排序。在图3A至图3E、图4A、图4B和图6中，相似的参考标记表示相似的元件。
衍射光栅用于光瞳复制波导中，以输出携带待显示的图像的光束。众所周知，衍射光栅有时会将来自明亮光源(例如太阳)的光朝向用户的眼睛衍射。这种有害效应被称为彩虹效应，因为衍射光由于衍射光栅对外部光的角色散(angular dispersion)而呈现彩色。可以适配表面浮雕衍射光栅(surface relief diffraction grating)以减少彩虹效应。然而，适配的衍射光栅所需的占空比可能太小或太大，以至于不能高产量(yield)地制造它们。
根据本公开，提供了一种制造衍射光栅的方法，该方法包括形成从衬底延伸的脊的阵列，脊彼此平行延伸并具有三角形横截面，使得脊的第一侧面面向第一方向，并且脊的相邻第二侧面面向不同的第二方向。该方法还包括在脊的阵列的第一侧面上形成光栅线的阵列，光栅线的阵列中的每个光栅线包括由脊的阵列中的相应脊的第一侧面支撑的透明材料的平板(slab)。光栅线的阵列的折射率不同于脊的阵列的折射率。该方法还可以包括在光栅线的阵列上形成涂覆层(overcoat layer)，该涂覆层具有与衬底相对的基本平坦的顶表面。在一些实施例中，涂覆层由与脊的阵列相同的材料形成。
例如使用在脊的阵列的第一侧面上定向沉积光栅层材料，或者使用在脊的第一侧面和第二侧面上各向同性沉积光栅层材料，随后从脊的第二侧面各向异性蚀刻光栅层材料，可以形成光栅线的阵列，以使得在脊的第二侧面上不存在光栅线。在一些实施例中，该方法还包括以空间变化的方式选择性地去除光栅线的阵列的透明材料的至少一部分，以产生具有空间变化的占空比的光栅线的阵列。具有空间变化的占空比的光栅线的阵列也可以通过在脊的第一侧面上对透明材料进行空间变化的定向沉积来形成。
根据本公开，还提供了一种衍射光栅，该衍射光栅包括衬底和从衬底延伸的脊的阵列。脊在平行于衬底平面的平面中彼此平行延伸，并且具有三角形横截面，使得脊的第一侧面面向第一方向，并且脊的相邻第二侧面面向不同的第二方向。光栅线的阵列具有与脊的阵列不同的折射率，光栅线的阵列中的每个光栅线包括由脊的阵列中的相应脊的第一侧面支撑的透明材料的平板。在一些实施例中，在脊的第二侧面上不存在光栅线。
脊的阵列或衬底中的至少一个可以包括与光栅线的阵列不同的材料。光栅线的阵列可以具有空间变化的占空比。可以在光栅线的阵列上提供涂覆层，该涂覆层具有基本平坦的顶表面。涂覆层的折射率与脊的阵列的折射率之差可以小于0.05。涂覆层和脊的阵列可以由相同的材料制成，从而形成在衬底上支撑光栅线的阵列的透明基质，使得每个光栅线与衬底成一定角度设置。
在一些实施例中，光栅线的阵列的邻近的光栅线在衬底上的垂直投影彼此重叠。在一些实施例中，光栅线的阵列中的每个光栅线平板仅覆盖脊的阵列的相应第一侧面的一部分。光栅线的阵列可以具有高或低的占空比，例如在0.01和0.3之间或者在0.7和0.99之间。
根据本公开，还提供了一种光瞳复制波导，该光瞳复制波导包括衬底和从衬底延伸的脊的阵列。脊在平行于衬底平面的平面中彼此平行延伸，并且具有三角形横截面，使得脊的第一侧面面向第一方向，并且脊的相邻第二侧面面向不同的第二方向。光瞳复制波导还包括：光栅线的阵列，该光栅线的阵列具有与脊的阵列不同的材料，光栅线的阵列中的每个光栅线包括由脊的阵列中的相应脊的第一侧面支撑的透明材料的平板；以及在光栅线的阵列上的涂覆层，该涂覆层具有基本平坦的顶表面。衬底包括相对的第一表面和第二表面，其中脊的阵列从第一表面延伸，并且其中衬底被配置成通过从第二表面和涂覆层的顶表面的全内反射来引导显示光。光栅线的阵列的节距(pitch)、占空比、高度、倾斜角度或折射率中的至少一个被选择，以在沿着显示光的光路的多个偏移位置输出显示光的部分。光栅线的阵列的节距、占空比、高度、倾斜角度或折射率中的至少一个也可以被选择，以减少非显示外部光向光瞳复制波导的视窗(eyebox)的非零级衍射。
现在参考图1，本公开的近眼显示器(NED)100具有眼镜的形状因子。NED 100包括光瞳复制波导102和光源104，光源104(例如投影显示器)光学地耦合到光瞳复制波导102，以提供携带要显示给用户的眼睛106的图像的显示光105。显示光105在光瞳复制波导102中通过全内反射(TIR)以之字形传播，如虚线所示。光瞳复制波导102包括衍射光栅108，用于在多个位置将显示光105向外耦合到用户的眼睛106，从而扩展(“复制”)NED 100的输出光瞳，以获得观察的舒适性和与多个用户的兼容性。长虚线箭头155示出了朝向用户的眼睛106传播的向外耦合的光束。来自太阳110的阳光109照射到衍射光栅108上，并被衍射光栅108衍射，从而提供彩虹112(即太阳110的多个重叠的偏移彩色图像)。彩虹112由于其鲜艳的颜色可能会使观看者分心；此外，彩虹112可以响应于观看者头部的移动或重新定向(reorientation)而沿着视场移动。
参考图2，衍射光栅200可以用来代替图1的光瞳复制波导102的衍射光栅108。衍射光栅200被配置为减轻彩虹效应等。衍射光栅200包括悬浮在基本透明的衬底204中的光栅线202。光栅线202是透明材料的薄平板。光栅线202以节距p间隔开，并且相对于衬底204的法线206以角度α倾斜。如图所示，光栅线202沿着衬底204的长度具有厚度t。光栅线202可以由与衬底204不同的材料制成，并且可以具有与衬底204不同的折射率。衍射光栅200的占空比k被定义为k＝t/p。占空比k可以从0变化到1。
根据本公开，光栅线202的折射率和衬底204的折射率、光栅线202的倾斜角度α、厚度t和/或占空比k可以被选择，以通过对彩虹效应建模并调整上述参数来降低彩虹光束的光功率，同时优化衍射光栅200的光瞳复制功能，来减少或抑制彩虹效应。为了对彩虹效应建模，人们可以例如追踪具有相同光线角度并且源自相同源(例如太阳)的第一光线211和第二光线212。以实线示出的第一光线211在位于衍射光栅200的上半部分221的点A处被衍射。以虚线示出的第二光线212在位于衍射光栅200的下半部分222的点B处被衍射。光线211和212两者在点C处合并，然后共同传播到图2中的左侧。因此，距离AC表示第一光线211和第二光线212之间的光程差。根据本公开，光栅线202的折射率、厚度t、倾斜角度α和/或占空比k可以被选择，使得距离AC大约等于第一光线211和第二光线212的奇数个半波长。在等于奇数个半波长的距离AC处，产生对应于第一光线211和第二光线212的光波的相消干涉，有效地抑制了来自第一光线211和第二光线212的方向的彩虹形成。可能需要在多种波长和入射角处追踪多于两条的光线，以抑制这些波长和入射角处的彩虹效应。仅以示例的方式示出第一光线211和第二光线212。
可以使用各种技术(例如倾斜蚀刻(slanted etching)和/或压印(imprint))制造衍射光栅200。在倾斜蚀刻工艺中，透明衬底上的光栅材料层，例如Si3N4、SiO2、氮氧化硅或碳氮氧化硅(siliconoxycarbonitride)、HfO2、TiO2、这些材料的薄层堆叠或光学等效的选择物，用例如光致抗蚀剂材料、金属(例如铜、铬、铝或钼)、金属间化合物(例如MoSi2)或聚合物来掩模。掩模层可以通过例如光刻(lithography)工艺形成。掩模被图案化为所期望的光栅图案，并应用倾斜蚀刻工艺，例如干法蚀刻工艺，诸如反应离子蚀刻(RIE)、电感耦合等离子体(ICP)、深硅蚀刻(DSE)或离子束蚀刻(IBE)。然后移除掩模。在压印工艺中，首先使用例如倾斜蚀刻工艺制备模具，并将模具压印在衬底上的可固化树脂层中。然后例如在脱模过程中移除模具。
倾斜蚀刻和模制工艺两者都只在占空比k的某个范围内(典型地在0.3和0.7之间)工作得相当好，即具有足够高的产量。同时，优化衍射光栅以抑制彩虹效应同时保持光瞳复制功能，可能需要小于0.3(例如0.01至0.3)以及大于0.7(例如0.7至0.99)的占空比。仅使用倾斜蚀刻或压印方法来制造具有非常高或非常低的占空比的用于光瞳复制波导的衍射光栅变得不可行。
根据本公开，可以使用各向异性工艺(例如定向材料沉积和/或定向材料去除)制造衍射光栅200。下面描述的制造工艺具有可实现的占空比k范围更宽的优点。
参考图3A和图3B，衬底302可以涂覆有纳米压印光刻(nanoimprint lithography，NIL)树脂层304。NIL树脂层304可以包括例如，掺杂有树脂的丙烯酸丁酯基树脂，所述树脂包括诸如丁氧基钛的溶胶-凝胶前体、含有用于后续注入工艺的反应性官能团的单体(例如丙烯酸)和/或高折射率纳米粒子(例如，ZrO2、TiO2、GaP、HfO2、GaAs等)。NIL树脂层304可以通过例如旋涂、层压或喷墨来沉积在衬底302上。具有三角形倾斜凹槽308的NIL模具306可以压靠在NIL树脂层304上，如由向下的箭头310所示的。树脂层304可以通过毛细力(capillary force)填充三角形凹槽308。可以施加压力来促进填充过程。该树脂可以随后例如通过使用热和/或紫外(UV)光被固化或交联。然后，可以如由向上的箭头314所示提起NIL模具306(图3B)，形成从衬底302延伸的脊312的阵列。脊312在平行于衬底302的平面(垂直于图3A和图3B的平面)的平面中彼此平行延伸，并且具有由第一侧面321和第二侧面322形成的三角形横截面。这种构型有时被称为闪耀光栅(blazed grating)构型。脊312的第一侧面321面向由第一侧面321的法线表示的第一方向331，并且与脊312的各自的第一侧面321邻近的第二侧面322面向由第二侧面322的法线表示的不同的第二方向332。第二侧面322的轻微底切(undercut)316，即第二侧面322的负斜率或悬垂(overhang)，可以例如通过提供三角形倾斜凹槽308的对应互补形状来形成。底切316的目的将在下面进一步解释。
参考图3C，光栅线318的阵列可以形成在脊312的阵列的第一侧面321上。每个光栅线318包括由脊的阵列中的相应脊312的第一侧面321支撑的透明材料的平板。光栅线318的材料可以包括例如氮化硅(Si3N4)、氧化硅(SiO2)、氮氧化硅、碳氮氧化硅、金属氧化物等。光栅线318的阵列的折射率不同于脊312的阵列的折射率。在大多数实施例中，光栅线318的阵列的材料不同于脊312的阵列的材料。
光栅线318可以使用合适的定向沉积技术形成，该定向沉积技术使脊312的阵列的第一侧面321被涂覆，同时使第二侧面322未被涂覆，即，使得脊312的第二侧面322上不存在光栅线。定向沉积用垂直向下的箭头320示出。定向沉积技术可以包括例如等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)、热蒸发、电子束蒸发、溅射(sputtering)或选择性地在脊312的阵列的第一侧面321上沉积光栅层材料的任何其他方法。底切316有助于仅在脊312的第一侧面321上形成光栅线318，因为底切316遮蔽了第二侧面322防止光栅线318的材料被沉积在脊312的第二侧面322上。
光栅线318的阵列也可以通过使用例如化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或类似技术对光栅层材料进行各向同性沉积来形成。光栅层材料可以沉积在脊312的第一侧面321和第二侧面322上，并且随后可以对来自脊312的第二侧面322的光栅层材料进行各向异性蚀刻(例如，离子铣(ion milling)、反应离子束蚀刻(reactive ion beam etching)、气体团簇离子束(gas cluster ion beam)等)。各向异性蚀刻可以以有效地遮蔽或保护脊312的第一侧面321上的光栅线318同时从第二侧面322去除光栅材料的角度执行。在一些实施例中，各向异性沉积和/或各向异性蚀刻是空间变化的，以产生具有空间变化的特性的衍射光栅。这些经常用于光瞳复制波导中，以实现被显示图像在复制的光瞳上的更均匀的光功率密度分布。
转到图3D，光栅线318的阵列可以用涂覆层324涂覆，涂覆层324的材料具有不同于光栅线318的材料的折射率。例如，在一些实施例中，高折射率材料(例如二氧化铪、二氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅、高折射率聚合物或前述材料的组合)可用于涂覆光栅线318的阵列并填充光栅线318之间的间隙。在一些实施例中，低折射率材料(例如氧化硅、氧化铝、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物))可用于涂覆倾斜光栅并填充光栅线318之间的间隙。涂覆层324可以具有与衬底302相对的基本平坦的顶表面。
在一些实施例中，涂覆层324的折射率接近脊312的阵列的折射率。当涂覆层324的折射率和脊312的阵列的折射率之差足够小时，例如小于0.05时，脊312可以在光学上“消失”，在显示光中变得几乎不可见。当涂覆层324与脊312的阵列具有相同的折射率时，例如由相同的材料形成时，脊312变得与涂覆层324不可区分，这导致光栅线318悬浮在均匀透明的支撑基质326中，如图3E所示。透明基质326在衬底302上支撑光栅线318的阵列，使得每个光栅线318与衬底成倾斜角度α设置。
图3C中用垂直向下的箭头320示出的“视线”垂直沉积导致光栅线318的节距p、倾斜角度α和高度h之间的关系式(图3E)，具体为
h＝ptanα (1)
在一些实施例中，沉积可以不垂直进行，而是以与衬底302成锐角进行，使得关系式(1)不再适用。光栅层的定向沉积角度可以与支撑光栅线的三角形脊的侧面的角度相协调。作为非限制性示例，参考图4A，可以使用上述的倾斜蚀刻或模制技术来制造衬底402上的脊412A的阵列。脊412A具有由第一侧面421和第二侧面422形成的三角形横截面，第一侧面421和第二侧面422都没有底切或悬垂。可以使用倾斜定向沉积以由箭头420A表示的沉积角度来沉积光栅线418A。以该沉积角度，尽管脊412A中不存在底切，但是脊412A的第二侧面422被脊412A的第一侧面421屏蔽。不仅第二侧面422可以被屏蔽，而且第一侧面421的部分也可以被屏蔽。例如，在图4A中，第一侧面421的部分429未被光栅线418A材料涂覆。结果，光栅线418A的阵列的每个平板仅覆盖脊412A的阵列的相应第一侧面421的一部分。
光栅线418A的材料可以包括例如Si3N4、SiO2、氮氧化硅、碳氮氧化硅、金属氧化物等。光栅线418A的阵列的折射率不同于脊412A的阵列的折射率，这可以通过使光栅线418A的阵列的材料不同于脊412A的阵列的材料来实现。
光栅线418A可以使用合适的定向沉积技术形成，例如PECVD、热蒸发、电子束蒸发、溅射或选择性地在脊412A的阵列的第一侧面421上而不是第二侧面422上沉积光栅层材料的任何其他方法。光栅线418A的阵列也可以通过使用例如CVD、ALD或类似技术对光栅层材料进行各向同性沉积来形成。光栅层材料可以沉积在脊412A的第一侧面421和第二侧面422上，随后对来自脊412A的第二侧面422的光栅层材料进行各向异性蚀刻(例如离子铣、反应离子束蚀刻、气体团簇离子束等)。各向异性蚀刻可以以有效地遮蔽或保护脊412A的第一侧面421上的光栅线418A同时从第二侧面422去除光栅材料的角度执行。在一些实施例中，各向异性沉积和/或各向异性蚀刻是空间变化的，以产生具有空间变化的特性的衍射光栅。
就此而言，使用离轴(off-axis)沉积或各向异性蚀刻带来的优势是，由脊412A支撑并可选地悬浮在均匀基质424中的光栅418A的高度h可以独立于由脊412A的阵列的第一侧面421支撑的光栅线418A的倾斜角度α和节距p来调节，使得对于图3A至图3E中考虑的垂直沉积有效的关系式(1)不再适用。在图4A的衍射光栅中，悬浮的衍射光栅线418A的高度h也可以低于脊412A的高度，这是由于部分屏蔽使得第一侧面421的部分429未被光栅线材料涂覆。
转到图4B，悬垂脊412B呈现了一些有趣的可能性，例如，它们可以允许制造光栅线418B的悬垂。悬垂脊412B可以使用上述的倾斜蚀刻或模制技术使用适当形状的模具来制造。在由箭头420B表示的方向上进行光栅线418B的定向沉积(例如PECVD、热蒸发、电子束蒸发、溅射)，使得光栅线418B沉积在悬垂脊412B的第一侧面421上，但不沉积在悬垂脊412B的第二侧面上，因为第二侧面被悬垂脊412B屏蔽。邻近的光栅线418B在衬底402上的投影450彼此重叠。
类似于图4A，图4B的光栅线418B的阵列可以通过使用例如CVD、ALD或类似技术对光栅层材料进行各向同性沉积来形成。光栅层材料沉积在脊412B的第一侧面421和第二侧面422两者上。随后从脊412B的第二侧面422对光栅层材料进行各向异性蚀刻。各向异性蚀刻可以以有效地遮蔽或保护脊412B的第一侧面421上的光栅线418B同时从第二侧面422去除光栅材料的角度执行。使用这种策略，可以实现悬浮的光栅418B的高度h高于由上面的关系式(1)定义的高度h。离轴沉积所提供的额外灵活性能够实现更广泛的可能性，以优化光栅的衍射并减少彩虹伪影。
在一些实施例中，各向异性沉积和/或各向异性蚀刻以空间变化的方式进行，以产生具有空间变化的特性(例如占空比k)的衍射光栅。参考图5A，用于选择性地去除部分光栅线材料的装置500A可以包括用于保持光栅晶片(wafer)504的晶片保持器502。如图所示，晶片保持器502可以安装在XY平移台506上，用于在X和Y方向上平移光栅晶片504。选择性材料去除头(selective material remover head)(例如气体团簇离子束工具508)设置在光栅晶片504上方。在操作中，气体团簇离子束工具508以预定义的固定或可变入射角提供气体团簇(例如氩气团簇)的聚焦束。气体团簇轰击光栅晶片504的顶表面，以可控方式选择性地去除材料(例如光栅凹槽的透明材料)。可以控制XY平移台506以在X和Y方向上扫描光栅晶片504。随着光栅晶片504在X和Y方向上被扫描，可以通过设置去除时间、离子束强度等中的至少一个来控制由气体团簇离子束工具508去除的材料的量。以这种方式，可以产生具有空间变化的占空比k的光栅线的阵列。要注意的是，衍射光栅的任何层的厚度都可以以这种方式被改变；为了改变占空比k，可以在形成光栅层的步骤之后执行选择性材料去除的步骤。
转到图5B，用于光栅线材料的空间变化的选择性沉积的装置500B可以包括用于保持光栅晶片504的晶片保持器502。孔510可以设置在光栅晶片504上方。孔510可以安装在XY平移台506上。在操作中，溅射束512以预定义的固定或可变角度穿过孔510指向光栅晶片504。可以控制XY平移台506以在X和Y方向上扫描孔510。随着孔510在X和Y方向上被扫描，可以通过设置沉积时间、溅射束功率等中的至少一个来控制由溅射束512沉积的材料的量。以这种方式，可以产生具有空间变化的占空比k的光栅线的阵列。要注意的是，衍射光栅的任何层的厚度都可以以这种方式被改变；为了改变占空比k，可以在形成三角形(闪耀)脊的阵列的步骤之后立即执行定向材料沉积的步骤。还应注意，图5A和图5B的装置500A和500B仅是示例；被平移的元件(即，光束相对于晶片被平移，晶片相对于光束被平移)和沉积/去除方法可以变化。
本文公开的衍射光栅设备可以用作光瞳复制波导，例如通过在衬底上制造能够引导光的衍射光栅。图6中示意性地示出了一个这样的光瞳复制波导600。为了清楚起见，衍射光栅层的厚度被夸大了。光瞳复制波导600的衬底602具有相对的第一表面641和第二表面642。对应于图3B至图3D的脊312、图4A的脊412A和图4B的脊412B的脊612的阵列从第一表面641延伸。衬底602被配置成通过从第二表面642和对应于图3D和图3E的涂覆层324的涂覆层624的顶表面662的全内反射(TIR)来引导由光源604(例如投影显示器)发射的显示光605。与图3C至图3E的衍射光栅线318类似地形成衍射光栅线618的阵列。光栅线618的阵列的节距、占空比或折射率中的至少一个可以被选择，以在沿着显示光605的光路的多个偏移位置输出显示光605的部分655。此外，光栅线618的阵列的节距、占空比或纵横比中的至少一个可以被选择，以减少通常在与显示光部分655相同的方向上的外部光的非零级衍射。在涉及利用可见光进行操作的一些实施例中，衍射光栅的节距在150nm至600nm之间。一些用于减少彩虹效应的优化可能要求占空比小于0.3(例如0.01至0.3)以及大于0.7(例如0.7至0.99)。从衬底的法线测量的倾斜角度(例如，如图2所示的)通常约为60度，但是它也可以大于60度(例如60度至80度)，或者小于60度(例如30度至60度)。应当理解，本文描述的衍射光栅设备结构和制造方法不仅可以应用于减少光瞳复制波导中的彩虹效应，还可以应用于对光瞳复制波导、其他类型的波导以及更一般地可以使用衍射光栅来分散或重定向光的其他类型的设备和应用的任何其他优化。
转到图7，本公开的制造衍射光栅的方法700可以包括获得(702)衍射光栅的衬底，例如用于将显示光从光源引导到用户眼睛的图像复制波导(即类似于图6的波导600)的波导衬底。可以使用NIL技术形成从衬底延伸的三角形脊的阵列(图7；704)。为此，NIL树脂层，例如掺有树脂的丙烯酸丁酯基树脂，所述树脂包含诸如丁氧基钛的溶胶-凝胶前体、用于后续注入工艺的含有反应性官能团的单体(例如丙烯酸)和/或高折射率纳米粒子(例如TiO2、GaP、HfO2、GaAs等)，通过例如旋涂、层压或喷墨沉积在衬底上。然后，可以使用例如定向蚀刻和/或定向沉积技术制造的或从母模自身模制的NIL模具可被压入NIL树脂层中，该树脂层随后被固化，例如被紫外固化或热固化。然后，可以将NIL模具提起。应注意的是，三角形或闪耀NIL模具(即，具有三角形横截面的凹槽)的释放比具有菱形或平板横截面的倾斜平板结构的脱模容易得多。即使对于部分悬垂的三角形(闪耀光栅)结构，施加到压印线的应力的量也比对于倾斜的平的平行线(plano-parallel lines)(例如具有60度的倾斜)的施加到压印线的应力的量低得多。较低的脱模应力导致结构故障(例如线撕裂、模具破损、图案保真度低等)的概率低得多。这可以打开新的设计空间，可以扩展制造工艺窗口，并且相对于压印/蚀刻具有矩形/菱形横截面的倾斜光栅，有望增加制造工艺的吞吐量(throughput)和产量。
形成的脊在衬底平面中或在平行的平面中彼此平行延伸。形成的脊不需要在衬底的整个长度上保持笔直，即它们可以按照光栅设计的要求转弯。脊具有三角形横截面，使得在衬底上的每个位置，脊的第一侧面面向第一方向，并且脊的相邻第二侧面面向不同的第二方向。
在脊的阵列的第一侧面上形成(706)光栅线的阵列。光栅线的阵列中的每个光栅线包括由脊的阵列中的相应脊的第一侧面支撑的透明材料的平板。光栅线的阵列的折射率不同于脊的阵列的折射率；光栅线的材料可以包括例如氮化硅(Si3N4)、氧化硅(SiO2)、氮氧化硅、碳氮氧化硅、金属氧化物等。光栅线可以使用合适的定向沉积技术形成，包括例如PECVD、热蒸发、电子束蒸发、溅射或选择性地在脊的阵列的第一侧面上沉积光栅层材料的任何其他方法。
光栅线的阵列也可以通过使用例如CVD、ALD或类似技术的光栅层材料的各向同性沉积来形成。光栅层材料可以沉积在脊的两个侧面上，随后对来自第二侧面的光栅层材料进行各向异性蚀刻(例如，离子铣、反应离子束蚀刻、气体团簇离子束蚀刻)。可以使用例如离子束蚀刻(IBE)工具来执行定向蚀刻步骤，该工具具有相对于离子束的方向旋转模具材料层的能力，或者使用气体团簇离子栅格化束(gas cluster ion rastering beam)来提供蚀刻空间控制。在蚀刻之后，在脊的第二侧面上不存在光栅线。
然后可以使用空间变化的选择性材料去除技术，例如上面参考图5A所述的技术，来调整(707)光栅占空比。替代地或附加地，形成光栅线的阵列的步骤706可以以空间变化的方式来执行，如上面参考图5B所述。
然后，光栅线的阵列可以被涂(708)有涂覆层，该涂覆层的材料具有不同于光栅线的材料的折射率。可以使用高折射率材料，例如二氧化铪、二氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅或高折射率聚合物。在一些实施例中，可以使用低折射率材料，例如氧化硅、氧化铝、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)、或前述材料的任意组合。涂覆层具有与衬底相对的基本平坦的顶表面。在一些实施例中，涂覆层的折射率接近脊的阵列的折射率，这可以使脊对于显示光变得几乎不可见。上面参考图3A至图3E、图4A、图4B和图5A、图5B也提供了步骤702至708的细节。
要注意的是，图7是示出制造衍射光栅的示例方法的简化流程图700。尽管图7将操作描述为顺序过程，但是一些操作可以并行地或同时执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。操作可以具有图中未包括的附加步骤。一些操作可以是可选的，且因此在各种实施例中可以省略。在一个框中描述的一些操作可以与在另一个框处的操作一起被执行。
参考图8A和图8B，近眼AR/VR显示器800可以包括图2的衍射光栅200、图6的光瞳复制波导600或结合了本文所述的任何衍射光栅的光瞳复制波导。近眼AR/VR显示器800的主体或框架802具有一副眼镜的形状因子。显示器804包括显示组件806(图8B)，显示组件806向视窗810(即，可以向用户的眼睛812呈现高质量图像的几何区域)提供显示光808。显示组件806可以包括用于每只眼睛的单独的相干复制AR/VR显示模块，或者用于双眼的一个相干复制AR/VR显示模块。对于后一种情况，光学开关设备可以耦合到单个电子显示器，用于以时间顺序的方式将图像引导到用户的左眼和右眼，一帧用于左眼，并且一帧用于右眼。图像被足够快速地呈现，即以足够快的帧速率呈现，使得单只眼睛不会注意到闪烁(flicker)，并且感知到周围虚拟或增强的景物的平滑、稳定的图像。
显示组件806的电子显示器可以包括例如但不限于液晶显示器(LCD)、有机发光显示器(OLED)、无机发光显示器(ILED)、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、投影仪或其组合。近眼AR/VR显示器800还可以包括眼睛跟踪系统814，用于实时确定用户眼睛812的凝视方向和/或聚散角(vergence angle)。取决于视角和眼睛位置，所确定的凝视方向和聚散角还可用于视觉伪像的实时补偿。此外，所确定的聚散角和凝视角度可用于与用户的交互、突出显示对象、将对象带到前景、动态创建附加对象或指针等。此外，近眼相干AR/VR显示器800可以包括音频系统，例如小型扬声器或耳机。
转到图9，HMD 900是包围用户眼睛以更大程度地沉浸在AR/VR环境中的AR/VR可佩戴显示系统的示例。HMD 900可以是AR/VR系统的一部分，该AR/VR系统包括用户位置和方位跟踪系统、外部相机、手势识别系统、用于向系统提供用户输入和控制的控制装置、以及用于存储软件程序和其他数据以与用户交互从而与AR/VR环境交互的中央控制台。HMD 900的功能目的是用计算机生成的图像来增强物理、真实世界环境的视图，和/或生成完全虚拟的3D图像。HMD 900可以包括前主体902和带904。前主体902被配置成以可靠和舒适的方式放置在用户的眼睛前面，并且带904可以被拉伸以将前主体902固定在用户的头上。显示系统980可以包括本文描述的任何波导组件。显示系统980可以设置在前主体902中，用于向用户呈现AR/VR图像。前主体902的侧部906可以是不透明的或透明的。
在一些实施例中，前主体902包括定位器908、用于实时跟踪HMD 900的加速度的惯性测量单元(IMU)910、以及用于实时跟踪HMD 900的位置的位置传感器912。定位器908可以由虚拟现实系统的外部成像设备追踪，使得虚拟现实系统可以实时跟踪HMD 900的位置和方位。由IMU和位置传感器912生成的信息可以与通过跟踪定位器908获得的位置和方位进行比较，以改进对HMD 900的位置和方位的跟踪。当用户在3D空间中移动和转动时，精确的位置和方位对于向用户呈现适当的虚拟场景是重要的。
HMD 900还可以包括眼睛跟踪系统914，眼睛跟踪系统914实时确定用户眼睛的方位和位置。获得的眼睛的位置和方位允许HMD 900确定用户的凝视方向，并相应地调整由显示系统980生成的图像。在一个实施例中，确定聚散度(vergence)，即用户眼睛凝视的辐辏角(convergence angle)。取决于视角和眼睛位置，所确定的凝视方向和聚散角可用于视觉伪像的实时补偿。此外，所确定的聚散度和凝视角度可用于与用户的交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指针等。还可以提供音频系统，包括例如内置在前主体902中的一组小扬声器。
用于实现结合本文所公开的方面描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可以用被设计成执行本文所述功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门(discrete gate)或晶体管逻辑、分立硬件部件或它们的任意组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是替代地，处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP内核结合的一个或更多个微处理器、或者任何其他这样的配置。替代地，一些步骤或方法可以由特定于给定功能的电路来执行。
本公开的范围不受本文描述的具体实施例的限制。实际上，根据前面的描述和附图，除了本文描述的那些实施例和修改之外，其他各种实施例和修改对于本领域普通技术人员来说将是明显的。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管在本文已经在用于特定目的的特定环境中在特定实现的上下文中描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将认识到其有用性不限于此，并且本公开可以有益地在任意数量的环境中为了任意数量的目的而实现。因此，所阐述的权利要求应该根据本文描述的本公开的全部广度和精神来解释。

Claims (8)

1.一种制造衍射光栅的方法，所述方法包括：
形成从衬底延伸的脊的阵列，所述脊彼此平行延伸并具有三角形横截面，使得所述脊的第一侧面面向第一方向，并且所述脊的相邻第二侧面面向不同的第二方向；
在所述脊的阵列的所述第一侧面上形成光栅线的阵列，所述光栅线的阵列中的每个光栅线包括由所述脊的阵列中的相应脊的所述第一侧面支撑的透明材料的平板；和
以空间变化的方式选择性地去除所述光栅线的阵列的所述透明材料的至少一部分，以产生具有空间变化的占空比的光栅线的阵列；
其中，所述光栅线的阵列的折射率不同于所述脊的阵列的折射率。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述光栅线的阵列上形成涂覆层，所述涂覆层具有与所述衬底相对的平坦的顶表面。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述涂覆层由与所述脊的阵列相同的材料形成。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法，其中，所述光栅线的阵列被形成为使得在所述脊的所述第二侧面上不存在光栅线。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述光栅线的阵列使用在所述脊的阵列的所述第一侧面上定向沉积光栅层材料来形成。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述光栅线的阵列通过在所述脊的所述第一侧面和所述第二侧面上各向同性沉积光栅层材料，随后从所述脊的所述第二侧面各向异性蚀刻所述光栅层材料而形成。
7.根据权利要求1至3和5至6中任一项所述的方法，其中，所述光栅线的阵列通过在所述脊的所述第一侧面上对所述透明材料进行空间变化的定向沉积来形成，以产生具有空间变化的占空比的光栅线的阵列。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述光栅线的阵列通过在所述脊的所述第一侧面上对所述透明材料进行空间变化的定向沉积来形成，以产生具有空间变化的占空比的光栅线的阵列。
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