CN113678061A - 降低纳米压印光刻中光栅的边缘处的脱模应力 - Google Patents

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Abstract

纳米结构包括在纳米结构的边缘处的外部区域。由距纳米结构的边缘的距离界定的外部区域的宽度小于100μm。在外部区域中纳米结构的深度在纳米结构的最大深度的0％和至少50％之间逐渐变化。一种方法包括在基底上形成蚀刻掩模，以及使用离子束蚀刻具有蚀刻掩模的基底，以在基底中形成纳米结构。蚀刻掩模包括在蚀刻掩模的边缘附近的外部区域。由距蚀刻掩模的边缘的距离界定的外部区域的宽度小于100μm。在外部区域中蚀刻掩模的占空比在至少10％和至少90％之间逐渐变化。

Description

降低纳米压印光刻中光栅的边缘处的脱模应力
背景
诸如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)系统的人工现实系统通常包括被配置成呈现描绘虚拟环境中的对象的人工图像的显示器。显示器可以显示虚拟对象或者将现实对象与虚拟对象组合，如在虚拟现实(VR)应用、增强现实(AR)应用或混合现实(MR)应用中。例如，在AR系统中，用户可以通过例如透过透明的显示眼镜或透镜(通常被称为光学透视(optical see-through)或者通过观看由照相机捕获的周围环境的显示图像(通常被称为视频透视)，来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围环境两者。
一个示例的光学透视AR系统可以使用基于波导的光学显示器，其中投射的图像的光可以被耦合到波导(例如，基底)中，在波导内传播，并且在不同的位置处从波导耦合出去。在一些实施方式中，可以使用衍射光学元件诸如光栅将光从波导耦合出去。光栅可以衍射所投射的图像的光和来自周围环境的光(例如，来自光源诸如灯的光)两者。来自周围环境的衍射光对于AR系统的用户来说可能表现为重影图像。此外，由于光栅的波长依赖性的特性，不同颜色的重影图像可以出现在不同的位置或角度。这些重影图像可能负面地影响使用人工现实系统的用户体验。
概述
本公开内容总体上涉及基于波导的近眼显示系统。更具体地，本公开内容涉及用于制造表面浮雕结构(surface-relief structure)的纳米压印光刻(nanoimprintlithography)(NIL)模制技术，所述表面浮雕结构诸如在近眼显示系统中使用的直的表面浮雕光栅或倾斜的表面浮雕光栅。
在NIL模制中，NIL模具(例如，软印模或任何其他具有纳米结构的工作印模)可以被压靠在NIL树脂层上，用于在NIL树脂层中模制纳米结构(例如，光栅)。为了在脱模期间限制NIL模具和压印的树脂层的纳米结构的损坏，在一些实施方案中，NIL模具的纳米结构的深度可以在NIL模具的边缘处逐渐改变。具有逐渐深度变化的边缘区域可以是小的，以便减小压印的纳米结构中的逐渐深度变化对压印的纳米结构的性能的影响。
在一些实施方案中，反应性离子蚀刻(RIE)滞后效应可以被用于在纳米结构的边缘附近的小区域中(例如，在母体模具(master mold)中)蚀刻具有大的逐渐深度变化的纳米结构。用于在母体模具中蚀刻纳米结构的蚀刻掩模可以被修改为在小区域中包括占空比(duty cycle)的大的逐渐变化，使得由于RIE滞后效应，可以实现在母体模具中蚀刻的纳米结构中的小区域中的蚀刻深度的大的变化。然后，母体模具可以被用于产生具有纳米结构的软印模和/或表面浮雕结构，所述纳米结构在小区域中具有大的深度变化。
在一些实施方案中，纳米结构可以包括在纳米结构的边缘处的外部区域。由距纳米结构的边缘的距离界定的外部区域的宽度可以小于100μm。在外部区域中纳米结构的深度可以在纳米结构的最大深度的0％和至少50％之间逐渐变化。
在一些实施方案中，在外部区域中的纳米结构的深度可以朝向纳米结构的边缘逐渐减小。在一些实施方案中，纳米结构的最大深度可以是至少100nm。在一些实施方案中，在外部区域中的纳米结构的深度可以从400nm或更小到5nm或更小逐渐变化。
在一些实施方案中，纳米结构可以包括多于一个脊和多于一个槽，多于一个槽各自由两个相邻的脊界定。纳米结构的深度可以由多于一个槽中的每一个的深度界定。多于一个槽中的至少一个槽的深度可以在外部区域中在至少一个槽的最大深度的0％和至少50％之间逐渐变化。在一些实施方案中，多于一个脊中的至少一个可以具有大于30°、大于45°或大于60°的倾斜角。
在一些实施方案中，纳米结构可以包括表面浮雕光栅，该表面浮雕光栅被配置成将光耦合到基底中和/或从基底中耦合出，并且其中表面浮雕光栅可以包含树脂。在一些实施方案中，纳米结构可以包括用于纳米压印光刻的模具，并且模具可以包含树脂。在一些实施方案中，纳米结构可以包括用于纳米压印光刻的模具，并且模具可以包含半导体、氧化物或金属。
在一些实施方案中，在外部区域中的纳米结构的占空比可以在至少10％和至少90％之间逐渐变化。在一些实施方案中，纳米结构的占空比可以朝向纳米结构的边缘逐渐增加。在一些实施方案中，外部区域包围纳米结构的不到整个周边。
在一些实施方案中，方法可以包括在基底上形成蚀刻掩模，以及使用离子束蚀刻具有蚀刻掩模的基底，以在基底中形成纳米结构。蚀刻掩模可以包括在蚀刻掩模的边缘附近的外部区域。由距蚀刻掩模的边缘的距离界定的外部区域的宽度可以小于100μm。在外部区域中的蚀刻掩模的占空比可以在至少10％和至少90％之间逐渐变化。
在一些实施方案中，蚀刻掩模的占空比可以朝向蚀刻掩模的边缘逐渐增加。在一些实施方案中，在基底中的蚀刻深度可以朝向纳米结构的边缘逐渐减小。在一些实施方案中，蚀刻深度可以朝向纳米结构的边缘从400nm或更小减小到5nm。
在一些实施方案中，基底可以包括半导体、氧化物或金属。该方法还可以包括使用基底中的纳米结构形成印模，并且印模可以包含树脂。在一些实施方案中，该方法还可以包括使用印模形成表面浮雕光栅。表面浮雕光栅的深度可以朝向表面浮雕光栅的边缘逐渐减小。在一些实施方案中，表面浮雕光栅可以包括多于一个脊和多于一个槽，多于一个槽各自由两个相邻的脊界定。表面浮雕光栅的深度可以由多于一个槽中的每一个的深度界定。多于一个槽中的至少一个槽的深度可以在外部区域中从至少一个槽的最大深度的至少50％到0％逐渐减小。在一些实施方案中，多于一个脊中的至少一个可以具有大于30°、大于45°或大于60°的倾斜角。
本概述既不意图标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不意图孤立地用于确定所要求保护的主题的范围。应当参照本公开内容的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解主题。下面将在以下说明书、权利要求书和附图中更详细地描述前述内容以及其他特征和实例。
附图简述
下面参照以下附图详细地描述说明性的实施方案。
图1是根据某些实施方案的示例性的近眼显示器的简化图。
图2是根据某些实施方案的示例性的近眼显示器的横截面视图。
图3是根据某些实施方案的示例性的波导显示器的等轴视图。
图4是根据某些实施方案的示例性的波导显示器的横截面视图。
图5是包括波导显示器的示例性的人工现实系统的简化框图。
图6示出了根据某些实施方案的使用波导显示器的示例性的光学透视增强现实系统。
图7图示了显示光(display light)和外部光在示例性的波导显示器中的传播。
图8图示了根据某些实施方案的在示例性的波导显示器中的示例性的倾斜的光栅耦合器。
图9A和图9B图示了根据某些实施方案的用于通过模制来制造倾斜的表面浮雕光栅的示例性工艺。图9A示出了模制工艺。图9B示出了脱模工艺。
图10A-图10D图示了根据某些实施方案的用于制造被用于制成倾斜的表面浮雕光栅的软印模的示例性工艺。图10A示出了母体模具。图10B图示了包覆有软印模材料层的母体模具。图10C图示了用于将软印模箔层压到软印模材料层上的层压工艺。图10D图示了分层过程，其中包括软印模箔和附接的软印模材料层的软印模与母体模具分离。
图11A-图11D图示了根据某些实施方案的使用软印模来制造倾斜的表面浮雕光栅的示例性工艺。图11A示出了包覆有压印树脂层的波导。图11B示出了软印模到压印树脂层上的层压。图11C示出了软印模从压印树脂层的分层。图11D示出了在波导上形成的压印的倾斜的光栅的实例。
图12是图示了根据某些实施方案的使用纳米压印光刻制造倾斜的表面浮雕光栅的示例性方法的简化流程图。
图13A是已经被层压到压印树脂层上的示例性软印模的顶视图。
图13B是沿着图13A的线13B-13B截取的横截面侧视图，其图示了已经被部分地分层的图13A的压印树脂层和软印模的一部分。
图13C是类似于图13B的横截面侧视图，其图示了已经被进一步分层的图13A的压印树脂层和软印模的一部分。
图14A是根据某些实施方案的已经被层压到压印树脂层上的另一个示例性软印模的顶视图。
图14B是沿着图14A的线14B-14B截取的横截面侧视图，其图示了根据某些实施方案的已经被部分地分层的图14A的压印树脂层和软印模的一部分。
图14C是类似于图14B的横截面侧视图，其图示了根据某些实施方案的已经被进一步分层的图14A的压印树脂层和软印模的一部分。
图15A和图15B分别是根据某些实施方案的用于制造母体模具的母体模具材料层和母体模具掩模的侧视图和顶视图。
图15C、图15D和图15E是根据某些实施方案的使用图15A和图15B中所示的母体模具掩模制造的母体模具的多种横截面视图。在图15C、图15D和图15E中所示的横截面视图分别沿着图15B的线15C-15C、线15D-15D和线15E-15E截取。
图16图示了反应性离子蚀刻滞后曲线的实例，其表示在占空比和蚀刻深度之间的关系。
图17是图示了根据某些实施方案的使用纳米压印光刻制造倾斜的表面浮雕光栅的示例性方法的简化流程图。
图18是用于实现本文公开的一些实例的示例性近眼显示器的示例性电子系统的简化框图。
附图仅出于说明的目的描绘了本公开内容的实施方案。本领域技术人员从以下描述中将容易地认识到，在不脱离本公开内容的原理或所推崇的益处的情况下，可以采用图示的结构和方法的可选择的实施方案。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后用短划线和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的多种部件。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
详细描述
本公开内容总体上涉及基于波导的近眼显示系统。更具体地，本公开内容涉及用于制造表面浮雕结构的纳米压印技术，所述表面浮雕结构诸如在近眼显示系统中使用的直的表面浮雕光栅或倾斜的表面浮雕光栅。表面浮雕结构可以使用许多不同的纳米制造技术来制造。例如，在一些实施方式中，可以使用光刻技术和蚀刻技术来制造表面浮雕结构。在一些实施方式中，可以使用纳米压印光刻(NIL)模制技术来制造表面浮雕结构。NIL模制可以显著地降低表面浮雕结构的成本。
在NIL模制中，基底可以包覆有NIL树脂层。具有直的结构或倾斜的结构的NIL模具(例如，包含聚合物材料的软印模或任何其他工作印模)可以被压靠在NIL树脂层上，用于在NIL树脂层中模制光栅。在模制工艺和脱模工艺期间，软印模(例如，由聚合物制成)可以提供更多的柔性。随后，可以使用例如热和/或紫外(UV)光来固化NIL树脂层。然后，NIL模具可以与NIL树脂层分离或分层，并且可以在NIL树脂层中形成与NIL模具的结构互补的结构。
在软印模的分层(或脱模)期间，可能在软印模和NIL树脂层的表面之间产生分层前沿或裂纹。在脱模开始时，分层前沿或裂纹可以在软印模和NIL树脂层之间的平坦界面处均匀地传播，因为在软印模的边缘处可能不存在纳米结构。然而，当分层前沿或裂纹到达纳米结构的边缘时，在软印模或树脂层的纳米结构中的应力可能突然改变，因为在软印模和NIL树脂层之间的接触表面积可能由于纳米结构而突然增加。因此，在软印模或树脂层上的纳米结构可能由于应力而被损坏。
因此，可能期望的是具有在软印模的边缘处纳米结构的深度的逐渐变化。此外，可能期望的是具有纳米结构的深度的逐渐变化的边缘区域是小的，以便减少纳米结构的深度的逐渐变化对纳米结构的性能的影响，所述纳米结构诸如直的表面浮雕光栅或倾斜的表面浮雕光栅。然而，使用现有的蚀刻技术来制造具有纳米结构的母体模具可能是有挑战的，所述纳米结构在纳米结构的边缘处(例如，在距纳米结构的边缘约0.1μm-100μm内)的小区域中具有大的逐渐深度变化。
根据某些实施方案，为了在纳米结构边缘附近的小区域中(例如，在母体模具中)蚀刻具有大的逐渐变化深度的纳米结构，用于蚀刻母体模具的掩模的边缘可以被修改为在小区域中包括占空比的大的逐渐变化。当掩模被用于蚀刻纳米结构时，反应性离子蚀刻(RIE)滞后效应可以导致具有不同占空比的区域以不同的速率被蚀刻，并且因此具有不同的深度。例如，由于平均自由程缩短和蚀刻的物质的较低效的输送，具有较大占空比的区域(较窄的槽)可以以较低的速率被蚀刻。在另一方面，具有较小占空比的区域(宽的槽)可以以较快的速率被蚀刻，因为当占空比小时，较容易去除蚀刻的物质。因此，在掩模上对应于母体模具中纳米结构的边缘的小区域中，占空比的大的逐渐变化可以在蚀刻的纳米结构的边缘附近的小区域中导致大的逐渐深度变化。以这种方式，应力可以在纳米结构的边缘附近的短距离内逐渐变化，以避免压印的纳米结构或工作印模的突然变化和损坏。
在以下的描述中，为了解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开内容的实例的透彻理解。然而，将明显的是，在没有这些具体细节的情况下可以实施多种实例。例如，装置、系统、结构、组件、方法和其他部件可以以框图形式被示出为部件，以避免在不必要的细节上模糊实例。在其他情况下，熟知的装置、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下被示出，以便避免模糊实例。附图和描述不意图是限制性的。在本公开内容中使用的术语和表述被用作描述性术语而非限制性的术语，并且在使用这样的术语和表述时不意图排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物。
图1是根据某些实施方案的示例性近眼显示器100的简图。近眼显示器100可以向用户呈现媒体。由近眼显示器100呈现的媒体的实例可以包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施方案中，音频可以经由外部装置(例如，扬声器和/或头戴式耳机)被呈现，该外部装置从近眼显示器100、控制台或两者接收音频信息，并基于该音频信息来呈现音频数据。近眼显示器100通常被配置成作为人工现实显示器来操作。在一些实施方案中，近眼显示器100可以作为增强现实(AR)显示器或混合现实(MR)显示器来操作。
近眼显示器100可以包括框架105和显示器110。框架105可以被耦合至一个或更多个光学元件。显示器110可以被配置成让用户看到由近眼显示器100呈现的内容。在一些实施方案中，显示器110可以包括波导显示组件，用于将来自一个或更多个图像的光引导至用户的眼睛。
图2是图1中所示的近眼显示器100的横截面视图200。显示器110可以包括至少一个波导显示组件210。当用户佩戴近眼显示器100时，出射光瞳(exit pupil)230可以位于用户眼睛220所定位的位置。出于说明的目的，图2示出了与用户的眼睛220和单个波导显示组件210相关联的横截面视图200，但是在一些实施方案中，第二波导显示器可以用于用户的第二只眼睛。
波导显示组件210可以被配置成将图像光(例如，显示光)引导至位于出射光瞳230处的视窗(eyebox)，并且引导至用户的眼睛220。波导显示组件210可以包括具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)。在一些实施方案中，近眼显示器100可以包括在波导显示组件210和用户的眼睛220之间的一个或更多个光学元件。
在一些实施方案中，波导显示组件210可以包括一个或更多个波导显示器的堆叠，该一个或更多个波导显示器包括但不限于堆叠式波导显示器、变焦波导显示器等。堆叠式波导显示器是多色显示器(例如，红-绿-蓝(RGB)显示器)，其通过堆叠波导显示器创建，这些波导显示器的相应单色源具有不同的颜色。堆叠式波导显示器也可以是可以被投射在多个平面上的多色显示器(例如，多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠式波导显示器可以是可以被投射在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。变焦波导显示器是可以调节从波导显示器发射的图像光的焦点位置的显示器。在可选择的实施方案中，波导显示组件210可以包括堆叠式波导显示器和变焦波导显示器。
图3是波导显示器300的实施方案的等轴视图。在一些实施方案中，波导显示器300可以是近眼显示器100的部件(例如，波导显示组件210)。在一些实施方案中，波导显示器300可以是可以将图像光引导至特定位置的一些其他近眼显示器或其他系统的一部分。
波导显示器300可以包括源组件310、输出波导320和控制器330。出于说明的目的，图3示出了与用户的眼睛390相关联的波导显示器300，但在一些实施方案中，与波导显示器300分离(或部分地分离)的另一个波导显示器可以向用户的另一只眼睛提供图像光。
源组件310可以生成用于显示给用户的图像光355。源组件310可以生成图像光355并将图像光355输出到位于输出波导320的第一侧面370-1上的耦合元件350。在一些实施方案中，耦合元件350可以将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。耦合元件350可以包括，例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件(prismatic surface element)、和/或全息反射器阵列。输出波导320可以是可以向用户的眼睛390输出扩展图像光340的光波导。输出波导320可以在位于第一侧面370-1上的一个或更多个耦合元件350处接收图像光355，并将接收到的图像光355引导至导向元件360。
导向元件360可以将接收到的输入图像光355重定向到去耦元件(decouplingelement)365，使得接收到的输入图像光355可以经由去耦元件365从输出波导320耦合出去。导向元件360可以是输出波导320的第一侧面370-1的一部分或者可以被固定至输出波导320的第一侧面370-1。去耦元件365可以是输出波导320的第二侧面370-2的一部分或者可以被固定至输出波导320的第二侧面370-2，使得导向元件360与去耦元件365相对。导向元件360和/或去耦元件365可以包括，例如，衍射光栅、全息光栅、表面浮雕光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件、和/或全息反射器阵列。
输出波导320的第二侧面370-2可以表示沿x维度和y维度的平面。输出波导320可以包括可以有助于图像光355的全内反射的一种或更多种材料。输出波导320可以包括，例如，硅、塑料、玻璃和/或聚合物。输出波导320可以具有相对较小的形状因子(formfactor)。例如，输出波导320可以沿着x维度宽约50mm，沿着y维度长约30mm，以及沿着z维度厚约0.5mm至1mm。
控制器330可以控制源组件310的扫描操作。控制器330可以确定用于源组件310的扫描指令。在一些实施方案中，输出波导320可以以大视场(FOV)将扩展的图像光340输出到用户的眼睛390。例如，被提供给用户的眼睛390的扩展的图像光340可以具有约60度或者更大和/或约150度或更小的对角FOV(在x和y中)。输出波导320可以被配置成提供长度为约20mm或更大和/或等于或小于约50mm和/或宽度为约10mm或更大和/或等于或小于约50mm的视窗。
图4是波导显示器300的横截面视图400。波导显示器300可以包括源组件310和输出波导320。源组件310可以根据来自控制器330的扫描指令生成图像光355(例如，显示光)。源组件310可以包括源410和光学系统415。源410可以包括生成相干光或部分相干光的光源。源410可以包括，例如，激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。
光学系统415可以包括一个或更多个光学部件，所述光学部件可以调节来自源410的光。调节来自源410的光可以包括，例如，根据来自控制器330的指令来扩展、准直和/或调整定向。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。从光学系统415(以及有源组件310)发射的光可以被称为图像光355或显示光。
输出波导320可以从源组件310接收图像光355。耦合元件350可以将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。在耦合元件350包括衍射光栅的实施方案中，衍射光栅可以被配置成使得全内反射可以在输出波导320内发生，并且因此耦合到输出波导320中的图像光355可以在输出波导320内(例如，通过全内反射)朝向去耦元件365进行内部传播。
导向元件360可以将图像光355朝向去耦元件365重新定向，用于将图像光的至少一部分从输出波导320中耦合出去。在导向元件360是衍射光栅的实施方案中，衍射光栅可以被配置成使入射图像光355以相对于去耦元件365的表面倾斜的角度离开输出波导320。在一些实施方案中，导向元件360和/或去耦元件365在结构上可以是相似的，并且可以关于图像光355的不同部分切换它们的作用。
离开输出波导320的扩展的图像光340可以沿着一个或更多个维度被扩展(例如，沿着x维度被拉长)。在一些实施方案中，波导显示器300可以包括多个源组件310和多个输出波导320。源组件310中的每一个可以发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。输出波导320中的每一个可以被堆叠在一起，以输出可以是多色的扩展的图像光340。
图5是包括波导显示组件210的示例性人工现实系统500的简化框图。系统500可以包括近眼显示器100、成像装置535和输入/输出接口540，它们各自被耦合至控制台510。
如上文描述的，近眼显示器100可以是向用户呈现媒体的显示器。由近眼显示器100呈现的媒体的实例可以包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施方案中，音频可以经由外部装置(例如，扬声器和/或头戴式耳机)被呈现，该外部装置可以从近眼显示器100和/或控制台510接收音频信息，并且基于音频信息向用户呈现音频数据。在一些实施方案中，近眼显示器100可以充当人工现实眼镜。例如，在一些实施方案中，近眼显示器100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。
近眼显示器100可以包括波导显示组件210、一个或更多个位置传感器525和/或惯性测量单元(IMU)530。波导显示组件210可以包括源组件310、输出波导320和控制器330，如上文描述的。
IMU 530可以包括电子装置，该电子装置可以基于从一个或更多个位置传感器525接收的测量信号来生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器100的初始位置的近眼显示器100的估计位置。
成像装置535可以根据从控制台510接收的校准参数来生成慢速校准数据。成像装置535可以包括一个或更多个照相机和/或一个或更多个摄像机。
输入/输出接口540可以是允许用户向控制台510发送动作请求的装置。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始应用或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。
控制台510可以根据从成像装置535、近眼显示器100和输入/输出接口540中的一个或更多个接收的信息向近眼显示器100提供媒体以呈现给用户。在图5中所示的实例中，控制台510可以包括应用程序商店545、跟踪模块550和引擎555。
应用程序商店545可以存储用于由控制台510执行的一个或更多个应用。应用可以包括一组指令，该组指令当由处理器执行时可以生成用于呈现给用户的内容。应用的实例可以包括游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
跟踪模块550可以使用一个或更多个校准参数来校准系统500，并且可以调整一个或更多个校准参数以减小近眼显示器100的位置确定中的误差。跟踪模块550可以使用来自成像装置535的慢速校准信息来跟踪近眼显示器100的移动。跟踪模块550还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器100的参照点的位置。
引擎555可以执行系统500内的应用，并从跟踪模块550接收近眼显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息和/或预测的未来位置。在一些实施方案中，由引擎555接收的信息可以用于产生信号(例如，显示指令)给波导显示组件210。信号可以确定要呈现给用户的内容的类型。
可以存在许多不同的实现波导显示器的方式。例如，在一些实施方式中，输出波导320可以包括在第一侧面370-1和第二侧面370-2之间的倾斜的表面，用于将图像光355耦合到输出波导320中。在一些实施方式中，倾斜的表面可以包覆有反射涂层，以朝向导向元件360反射光。在一些实施方式中，倾斜的表面的角度可以被配置成使得图像光355可以由于全内反射而被倾斜的表面反射。在一些实施方式中，可以不使用导向元件360，并且可以通过全内反射在输出波导320内引导光。在一些实施方式中，去耦元件365可以位于第一侧面370-1附近。
在一些实施方式中，输出波导320和去耦元件365(以及导向元件360(如果使用的话))对于来自环境的光可以是透明的，并且可以充当光学合路器(optical combiner)，以组合图像光355和来自近眼显示器100前面的物理的现实世界环境的光。因此，用户可以观看来自源组件310的人工对象的人工图像和在物理的真实世界环境中的真实对象的真实图像两者。
图6示出了根据某些实施方案的使用波导显示器的示例性的光学透视增强现实系统600。增强现实系统600可以包括投影仪610和合路器615。投影仪610可以包括光源或图像源612和投影仪光学器件614。在一些实施方案中，图像源612可以包括显示虚拟对象的多个像素，诸如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施方案中，图像源612可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源612可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。在一些实施方案中，图像源612可以包括多个光源，每个光源发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施方案中，图像源612可以包括光学图案生成器，诸如空间光调制器。投影仪光学器件614可以包括一个或更多个光学部件，所述光学部件可以调节来自图像源612的光，例如对来自图像源612的光进行扩展、准直、扫描或者将来自图像源612的光投射到合路器615。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施方案中，投影仪光学器件614可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，所述液体透镜允许扫描来自图像源612的光。
合路器615可以包括输入耦合器630，用于将来自投影仪610的光耦合到合路器615的基底620中。输入耦合器630可以包括体全息光栅、衍射光学元件(DOE)(例如，表面浮雕光栅)、或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。对于可见光，输入耦合器630可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。如本文使用的，可见光可以指的是具有在约380nm至约750nm之间的波长的光。耦合到基底620中的光可以通过例如全内反射(TIR)在基底620内传播。基底620可以呈一副眼镜的镜片的形式。基底620可以具有平坦的表面或弯曲的表面，并且可以包括一种或更多种类型的介电材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、晶体或陶瓷。基底的厚度可以在例如从小于约1mm至约10mm或更大的范围内。基底620对可见光可以是透明的。如果光束可以以高透射率(transmissionrate)诸如大于60％、75％、80％、90％、95％或更高穿过材料，其中一小部分光束(例如少于60％、25％、20％、10％、5％或更少)可以被材料散射、反射或吸收，则该材料对光束可以是“透明的”。透射率(即，透射度(transmissivity))可以由波长范围内的适光加权的平均透射率或未加权的平均透射率来表示，或者由波长范围(诸如，可见波长范围)内的最低透射率来表示。
基底620可以包括多于一个输出耦合器640或者可以被耦合至多于一个输出耦合器640，所述输出耦合器640被配置成从基底620提取由基底620引导并在基底620内传播的光的至少一部分，并且将所提取的光660引导至增强现实系统600的用户的眼睛690。像输入耦合器630一样，输出耦合器640可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、棱镜或DOE。输出耦合器640在不同位置处可以具有不同的耦合(例如，衍射)效率。基底620还可以允许来自合路器615前面的环境的光650以很少损失或没有损失地穿过。输出耦合器640可以允许光650以很少的损失穿过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器640对于光650可以具有低衍射效率，如下文描述的，使得光650可以被折射或者以其他方式以很少的损失穿过输出耦合器640。在一些实施方式中，输出耦合器640对光650可以具有高衍射效率，并且可以以很少的损失将光650引导至某些期望的方向(即，衍射角)。结果，用户可以观看合路器615前面的环境和由投影仪610投射的虚拟对象的组合图像。
图7图示了包括波导710和光栅耦合器720的示例性波导显示器700中入射显示光740和外部光730的传播。波导710可以是平坦的透明基底或弯曲的透明基底，其中折射率n2大于自由空间折射率n1(即，1.0)。光栅耦合器720可以包括，例如，布拉格光栅(Bragggrating)或表面浮雕光栅。
入射显示光740可以通过例如图6的输入耦合器630或上文描述的其他耦合器(例如，棱镜或倾斜的表面)被耦合到波导710中。入射显示光740可以通过例如全内反射在波导710内传播。当入射显示光740到达光栅耦合器720时，入射显示光740可以被光栅耦合器720衍射成例如，0阶衍射(即，反射)光742和-1阶衍射光744。0阶衍射可以继续在波导710内传播，并且可以在不同的位置处被波导710的底表面朝向光栅耦合器720反射。-1阶衍射光744可以朝向用户的眼睛从波导710耦合(例如，折射)出去，因为由于-1阶衍射光744的衍射角，在波导710的底表面处可能不满足全内反射条件。
外部光730也可以被光栅耦合器720衍射成例如0阶衍射光732或-1阶衍射光734。0阶衍射光732或-1阶衍射光734可以朝向用户的眼睛从波导710被折射出去。因此，光栅耦合器720可以充当输入耦合器，用于将外部光730耦合到波导710中，并且还可以充当输出耦合器，用于将入射显示光740从波导710耦合出去。因此，光栅耦合器720可以充当合路器，用于组合外部光730和入射显示光740，并将所组合的光发送到用户的眼睛。
为了在朝向用户眼睛的期望方向上衍射光，并且为了对于某些衍射阶获得期望的衍射效率，光栅耦合器720可以包括闪耀光栅(blazed grating)或倾斜的光栅，例如倾斜的布拉格光栅或表面浮雕光栅，其中光栅脊(ridge)和槽(trench)(或凹槽(groove)可以相对于光栅耦合器720或波导710的表面法线倾斜。
图8图示了根据某些实施方案的示例性波导显示器800中的示例性的倾斜的光栅820。波导显示器800可以包括波导810诸如基底620上的倾斜的光栅820。倾斜的光栅820可以充当光栅耦合器，用于将光耦合到波导810中或从波导610耦合出去。在一些实施方案中，倾斜的光栅820可以包括具有周期p的周期性结构。例如，倾斜的光栅820可以包括多于一个脊822和在脊822之间的槽或凹槽824。倾斜的光栅820的每个周期可以包括脊822和槽或凹槽824，槽或凹槽824可以是空气间隙或填充有折射率为ng2的材料的区域。脊822的宽度与光栅周期p之间的比率可以被称为占空比。倾斜的光栅820可以具有例如在从约10％至约90％或更大的范围内的占空比。在一些实施方案中，占空比可以从周期到周期变化。在一些实施方案中，倾斜的光栅的周期p可以在倾斜的光栅820上从一个区域到另一个区域变化，或者可以在倾斜的光栅820上从一个周期到另一个周期变化(即，啁啾(chirped))。
脊822可以由具有ng1的折射率的材料制成，诸如含硅材料(例如，SiO2、Si3N4、SiC、SiOxNy或无定形硅)、有机材料(例如，旋涂碳(SOC)或无定形碳层(ACL)或类金刚石碳(DLC))、无机金属氧化物层(例如，TiOx、AlOx、TaOx、HfOx等)，或其组合。每个脊822可以包括具有倾斜角α的前缘830和具有倾斜角β的后缘840。在一些实施方案中，每个脊822的前缘830和后缘840可以彼此平行。换句话说，倾斜角α近似等于倾斜角β。在一些实施方案中，倾斜角α可以不同于倾斜角β。在一些实施方案中，倾斜角α可以近似等于倾斜角β。例如，倾斜角α和倾斜角β之间的差异可以小于20％、10％、5％、1％或更小。在一些实施方案中，倾斜角α和倾斜角β可以例如在从约30°或更小至约70°或更大的范围内。在一些实施方案中，倾斜角α和/或倾斜角β可以大于30°、45°、50°、70°或更大。
倾斜的光栅820可以使用许多不同的纳米制造技术来制造。纳米制造技术通常包括图案化工艺和后图案化(例如，外包覆(overcoating))工艺。图案化工艺可以被用于形成倾斜的光栅820的倾斜的脊822。可以存在许多不同的用于形成倾斜的脊822的纳米制造技术。例如，在一些实施方式中，可以使用包括倾斜蚀刻的光刻技术来制造倾斜的光栅820。在一些实施方式中，可以使用纳米压印光刻(NIL)从母体模具来制造倾斜的光栅820。
后图案化工艺可以被用于用具有不同于倾斜的脊822的折射率ng1的折射率ng2的材料外包覆倾斜的脊822和/或填充在倾斜的脊822之间的槽或凹槽824。后图案化工艺可以独立于图案化工艺。因此，可以在使用任何图案化技术制造的倾斜的光栅上使用相同的后图案化工艺。
下文描述的用于制造倾斜的光栅耦合器的技术和工艺仅用于说明目的，并且不意图是限制性的。本领域技术人员将理解，可以对下文描述的技术进行多种修改。在一些实施方式中，可以省略下面描述的一些操作。在一些实施方式中，可以进行另外的操作来制造光栅耦合器。例如，在一些实施方式中，模具或一些其他结构的表面可以在压印之前被包覆或电镀，以减少模具的磨损，提高产品质量，并降低制造成本。例如，在一些实施方式中，可以在模制(或压印)工艺之前在模具上包覆防粘层。
图9A和图9B图示了根据某些实施方案的用于通过直接模制来制造倾斜的表面浮雕光栅的示例性工艺。在图9A中，波导910可以包覆有NIL树脂层920。NIL树脂层920可以包括例如基于丙烯酸丁酯的树脂，所述基于丙烯酸丁酯的树脂掺杂有溶胶-凝胶前体(例如钛酸四丁酯)、含有用于后续注入工艺的反应性官能团的单体(诸如丙烯酸)和/或高折射率纳米颗粒(例如TiO2、GaP、HfO2、GaAs等)。在一些实施方案中，NIL树脂层920可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一种有机硅弹性体或基于硅的有机聚合物。NIL树脂层920可以通过例如旋涂、层压或油墨注入被沉积在波导910上。具有倾斜的脊932的NIL模具930可以被压靠在NIL树脂层920和波导910上，用于在NIL树脂层920中模制倾斜的光栅。NIL树脂层920可以随后使用热和/或紫外(UV)光来固化(例如，交联)。
图9B示出了脱模工艺，在脱模工艺期间，NIL模具930与NIL树脂层920和波导910分离。如图9B中所示，在NIL模具930与NIL树脂层920和波导910分离之后，可以在波导910上的NIL树脂层920中形成与NIL模具930中的倾斜的脊932互补的倾斜的光栅922。
在一些实施方案中，可以首先使用例如倾斜蚀刻、微机械加工或3-D印刷来制造母体NIL模具(例如，包括刚性材料诸如Si、SiO2、Si3N4或金属的硬模具)。可以使用母体NIL模具来制造软印模，并且然后软印模可以被用作制造倾斜的光栅的工作印模。在这样的工艺中，母体NIL模具中的倾斜的光栅结构可以类似于用于波导显示器的光栅耦合器的倾斜的光栅，并且软印模上的倾斜的光栅结构可以与母体NIL模具中的倾斜的光栅结构和用于波导显示器的光栅耦合器的倾斜的光栅互补。与硬印模或硬模具相比，软印模可以在模制工艺和脱模工艺期间提供更大的柔性。
图10A-图10D图示了根据某些实施方案的用于制造被用于制成倾斜的表面浮雕光栅的软印模的示例性工艺1000。图10A示出了母体模具1010(例如，硬模具或硬印模)。母体模具1010可以包括刚性材料，诸如半导体基底(例如，Si或GaAs)、氧化物(例如，SiO2、Si3N4、TiOx、AlOx、TaOx或HfOx)或金属板。母体模具1010可以使用例如使用反应性离子束或化学辅助的反应性离子束的倾斜蚀刻工艺、微机械加工工艺或3-D印刷工艺来制造。如图10A中所示，母体模具1010可以包括倾斜的光栅1020，该倾斜的光栅1020又可以包括多于一个倾斜的脊1022，在倾斜的脊1022之间具有间隙1024。
图10B图示了包覆有软印模材料层1030的母体模具1010。软印模材料层1030可以包括例如树脂材料或可固化聚合物材料。在一些实施方案中，软印模材料层1030可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一种有机硅弹性体或基于硅的有机聚合物。在一些实施方案中，软印模材料层1030可以包括乙烯四氟乙烯(ETFE)、全氟聚醚(PFPE)或其他氟化聚合物材料。在一些实施方案中，软印模材料层1030可以通过例如旋涂或油墨注入被包覆在母体模具1010上。
图10C图示了用于将软印模箔1040层压到软印模材料层1030上的层压工艺。辊1050可以用于将软印模箔1040压靠在软印模材料层1030上。层压工艺还可以是平坦化工艺，以使软印模材料层1030的厚度基本上均匀。在层压工艺之后，软印模箔1040可以被紧密地或牢固地附接至软印模材料层1030。
图10D图示了分层工艺，其中包括软印模箔1040和附接的软印模材料层1030的软印模与母体模具1010分离。软印模材料层1030可以包括倾斜的光栅结构，该倾斜的光栅结构与母体模具1010上的倾斜的光栅结构互补。因为软印模箔1040和附接的软印模材料层1030的柔性，所以与使用硬印模或模具的脱模工艺相比，分层工艺可以相对容易。在一些实施方案中，可以在分层工艺中使用辊(例如，辊1050)，以确保恒定的分层速度或受控的分层速度。在一些实施方案中，在分层期间可以不使用辊1050。在一些实施方式中，在软印模材料层1030被包覆在母体模具1010上之前，可以在母体模具1010上形成防粘层。防粘层还可以促进分层工艺。在软印模从母体模具1010分层之后，软印模可以被用于在波导显示器的波导上模制倾斜的光栅。
图11A-图11D图示了根据某些实施方案的使用软印模来制造倾斜的表面浮雕光栅的示例性工艺1100。图11A示出了包覆有压印树脂层1120的波导1110。压印树脂层1120可以包括例如基于丙烯酸丁酯的树脂，所述基于丙烯酸丁酯的树脂掺杂有溶胶-凝胶前体(例如钛酸四丁酯)、含有用于后续注入工艺的反应性官能团的单体(诸如丙烯酸)和/或高折射率纳米颗粒(例如，TiO2、GaP、HfO2、GaAs等)。在一些实施方案中，压印树脂层1120可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一种有机硅弹性体或基于硅的有机聚合物。在一些实施方案中，压印树脂层1120可以包括乙烯四氟乙烯(ETFE)、全氟聚醚(PFPE)或其他氟化聚合物材料。压印树脂层1120可以通过例如旋涂、层压或油墨注入被沉积在波导1110上。包括附接至软印模箔1140的倾斜的脊1132的软印模1130可以被用于压印。
图11B示出了软印模1130到压印树脂层1120上的层压。可以使用辊1150将软印模1130压靠在压印树脂层1120和波导1110上，使得倾斜的脊1132可以被压入到压印树脂层1120中。压印树脂层1120可以随后被固化。例如，压印树脂层1120可以使用热和/或紫外(UV)光被交联。
图11C示出了软印模1130与压印树脂层1120的分层。分层可以通过提升软印模箔1140来执行，以将软印模1130的倾斜的脊1132与压印树脂层1120分离。压印树脂层1120现在可以包括倾斜的光栅1122，该倾斜的光栅1122可以用作光栅耦合器或者可以被外包覆以形成用于波导显示器的光栅耦合器。如上文描述的，因为软印模1130的柔性，所以与使用硬印模或模具的脱模工艺相比，分层工艺可以相对容易。在一些实施方案中，可以在分层工艺中使用辊(例如，辊1150)，以确保恒定的分层速度或受控的分层速度。在一些实施方案中，在分层期间可以不使用辊1150。
图11D示出了使用软印模1130在波导1110上形成的示例性的压印的倾斜的光栅1122。如上文描述的，倾斜的光栅1122可以包括脊和在脊之间的间隙，并且因此可以外包覆有具有不同于压印树脂层1120的折射率的材料，以填充间隙并且形成用于波导显示器的光栅耦合器。
在多种实施方案中，倾斜的光栅的周期可以在倾斜的光栅1122上从一个区域到另一个区域变化，或者可以在倾斜的光栅1122上从一个周期到另一个周期变化(即啁啾)。倾斜的光栅1122可以具有例如在从约10％至约90％或更大的范围内的占空比。在一些实施方案中，占空比可以从周期到周期变化。在一些实施方案中，倾斜的光栅1122的脊的深度或高度可以大于50nm、100nm、200nm、300nm、400nm或更高。倾斜的光栅1122的脊的前缘的倾斜角和倾斜的光栅1122的脊的后缘的倾斜角可以大于30°、45°、60°或更高。在一些实施方案中，倾斜的光栅1122的每个脊的前缘和后缘可以彼此平行。在一些实施方案中，倾斜的光栅1122的脊的前缘的倾斜角和倾斜的光栅1122的脊的后缘的倾斜角之间的差可以小于20％、10％、5％、1％或更小。
图12是图示了根据某些实施方案的使用纳米压印光刻来制造倾斜的表面浮雕光栅的示例性方法的简化流程图1200。如上文描述的，不同代的NIL印模可以被制造，并且被用作模制倾斜的光栅的工作印模。例如，在一些实施方案中，母体模具(即，第0代模具，其可以是硬模具)可以被用作直接模制倾斜的光栅的工作印模。在一些实施方案中，混合印模(例如，第1代混合模具或印模)可以使用母体模具来制造，并且可以被用作用于纳米压印的工作印模。在一些实施方案中，第2代混合模具(或印模)可以由第1代模具制成，并且可以被用作用于纳米压印的工作印模。在一些实施方案中，第3代模具、第4代模具等可以被制成并且被用作工作印模。
在框1210处，具有倾斜结构的母体模具可以使用例如倾斜蚀刻工艺、微机械加工工艺或3-D印刷工艺来制造，所述倾斜蚀刻工艺使用反应性离子束或化学辅助的反应性离子束。母体模具可以被称为第0代(generation 0)(或第0代(Gen 0))模具。母体模具可以包括石英、熔凝硅石、硅、其他金属氧化物或塑料化合物。母体模具的倾斜结构可以被称为具有正(+)色调(positive(+)tone)。在框1220处，母体模具可以被用作用于直接模制倾斜的光栅的工作印模(即硬NIL)。如上文描述的，当母体模具被用作工作印模时，母体模具的倾斜结构可以与期望的倾斜的光栅互补。可选择地，母体模具可以用于制成混合印模作为用于模制倾斜的光栅的工作印模。取决于混合印模的代，混合印模的倾斜结构可以类似于期望的倾斜的光栅，或者可以与期望的倾斜的光栅互补。
在框1220处，倾斜的光栅可以使用如上文参照例如图9A和图9B描述的母体模具在例如树脂层中模制。树脂层可以被包覆在波导基底上，并且可以包括例如掺杂有树脂的基于丙烯酸丁酯的树脂，所述树脂包括溶胶-凝胶前体(例如钛酸四丁酯)、含有用于后续注入工艺的反应性官能团的单体(诸如丙烯酸)和/或高折射率纳米颗粒(例如，TiO2、GaP、HfO2、GaAs等)。母体模具可以被压靠在树脂层上。树脂层然后可以被固化，以通过母体模具固定在树脂层内形成的结构。母体模具可以与树脂层分离，以在树脂层内形成倾斜的光栅。与母体模具的倾斜结构相比，树脂层内的倾斜的光栅可以具有负(-)色调。
可选择地，在框1230处，具有倾斜结构的混合印模(例如，硬印模、软印模或硬-软印模)可以使用如上文参照例如图10A-图10D描述的母体模具或者参照例如图11A-图11D描述的工艺来制造。例如，制造混合印模的工艺可以包括用软印模材料诸如上文描述的树脂材料来包覆母体模具。然后，可以例如使用辊将软印模箔层压在软印模材料上。软印模箔和附接的软印模材料可以彼此牢固地附接，并且可以与母体模具分离以形成软印模。在框1230处制造的混合印模可以被称为第1代(generation 1)(或第1代(Gen 1))印模。与母体模具的倾斜结构相比，第1代印模内的倾斜的光栅可以具有负(-)色调。
在框1240处，倾斜的表面浮雕光栅可以使用如上文参照例如图11A-图11D描述的第1代印模来压印。例如，波导基底可以包覆有压印树脂层。第1代印模可以使用例如辊被层压在压印树脂层上。在压印树脂层被固化之后，第1代印模可以与压印树脂层分层，以在压印树脂层内形成倾斜的光栅。压印树脂层内的倾斜的光栅可以具有正色调。
可选择地，在一些实施方案中，在框1250处，第二代混合印模(第2代(Gen 2)印模)可以使用第1代印模，使用与如上文参照例如图7A-图8D描述的用于制造第1代印模的工艺类似的工艺来制造。第2代印模内的倾斜结构可以具有正色调。
在框1260处，倾斜的表面浮雕光栅可以使用如上文参照例如图11A-图11D描述的第2代印模来压印。例如，波导基底可以包覆有压印树脂层。第2代印模可以使用例如辊被层压在压印树脂层上。在压印树脂层被固化之后，第2代印模可以与压印树脂层分层，以在压印树脂层内形成倾斜的光栅。压印树脂层内的倾斜的光栅可以具有负色调。
可选择地，在一些实施方案中，在框1270处，第二代(第二代(Gen 2))子代模具(daughter mold)可以使用第1代印模，使用与如上文参照例如图10A-图11D描述的用于制造第1代印模的工艺类似的工艺来制造。第2代子代模具内的倾斜结构可以具有正色调。
在框1280处，第三代混合印模(第3代(Gen 3)印模)可以使用第2代子代模具，使用与如上文参照例如图10A-图11D描述的用于制造第1代印模或第2代子代模具的工艺类似的工艺来制造。第3代印模内的倾斜结构可以具有负色调。
在框1290处，倾斜的表面浮雕光栅可以使用如上文参照例如图11A-图11D描述的第3代印模来压印。例如，波导基底可以包覆有压印树脂层。第3代印模可以使用例如辊被层压在压印树脂层上。在压印树脂层被固化之后，第3代印模可以与压印树脂层分层，以在压印树脂层内形成倾斜的光栅。压印树脂层内的倾斜的光栅可以具有正色调。
即使在图12中未示出，在一些实施方案中，第四代混合印模、第五代混合印模等可以使用类似的工艺来制造，并且可以被用作用于压印倾斜的光栅的工作印模。
任选地，在框1295处，可以用具有不同于倾斜的光栅的折射率的材料(例如，压印树脂层)外包覆倾斜的光栅。例如，在一些实施方案中，高折射率材料，诸如二氧化铪、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，可以用于外包覆倾斜的光栅并且填充在倾斜的光栅的脊之间的间隙。在一些实施方案中，低折射率材料，诸如氧化硅、氟化镁、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)和类似材料，可以用于外包覆倾斜的光栅并且填充在倾斜的光栅的脊之间的间隙。
与使用纳米压印技术制造纳米结构相关联的一个挑战是避免在分层(或脱模)期间破坏软印模的光栅脊和/或压印的倾斜结构，所述纳米压印技术诸如具有宽范围的占空比、小的周期、高的纵横比和/或小的特征尺寸(或临界尺寸)的倾斜的光栅的制造。例如，当待模制的倾斜结构具有大的倾斜角(例如，大于30°、45°或60°)、高的深度(例如，>100nm)、高的纵横比(例如，3:1、5:1、10:1或更大)和/或大的或小的占空比(例如，低于30％或大于70％)时，软印模中的倾斜结构或压印树脂层中的倾斜结构在软印模的分层期间可能经历大的应力。应力可能由倾斜结构的变形(弯曲)和/或在软印模和树脂层之间的表面粘附或摩擦引起。表面摩擦或粘附可能由例如范德华力、机械互锁力(mechanical interlockforce)、化学结合力等引起。在一些情况下，应力可能足够大以引起倾斜结构的损坏，包括破坏软印模和/或压印的纳米结构中的一些脊。
图13A是已经被层压到压印树脂层1320上的示例性软印模1330的顶视图。应当注意，图13A不是真正的顶视图，因为软印模1330的纳米结构或倾斜的脊1332以及压印在压印树脂层1320中的纳米结构或倾斜的光栅1322也被示出，这两者都在软印模箔1340的下方。出于描述的目的，在其中形成倾斜的脊1332的软印模1330的区域被称为纳米结构区域1370。尽管在图13A中图示了圆形软印模1330和矩形纳米结构区域1370，但是取决于具体应用，软印模1330以及纳米结构区域1370可以具有任何形状。
图13B是沿着图13A的线13B-13B截取的横截面侧视图，其图示了已经被部分地分层的压印树脂层1320和软印模1330的一部分。图13C是类似于图13B的横截面侧视图，其图示了已经被进一步分层的压印树脂层1320和软印模1330的一部分。为了执行分层或脱模工艺，软印模箔1340可以以这样的方式被提升，使得分层发生在大致沿着软印模1330上的倾斜的脊1332(或由相邻的倾斜的脊1332界定的槽)的方向上，如由图13A中的箭头A所指示的，以便减少分层应力。在分层或脱模工艺期间，在软印模1330和压印树脂层1320的界面之间产生分层前沿1360(或裂纹)，并且在由图13A中的箭头A所指示的方向上传播。因此，图13B和图13C图示了沿着分层传播方向(或沿着软印模1330上的倾斜的脊1332)的横截面侧视图。
如图13A和图13B中所示，在分层开始时，分层前沿1360可以在软印模1330和压印树脂层1320之间的平坦界面处均匀地传播，因为在软印模1330的边缘附近可能不存在任何纳米结构。
然而，如图13C中所示，当分层前沿1360到达软印模1330的纳米结构区域1370的边缘并且继续传播时，在软印模1330的倾斜的脊1332中和在压印树脂层1320中的倾斜的光栅1322中的应力可能随着在软印模1330和压印树脂层1320之间的接触表面积突然增加而突然改变或增加。表面积和表面粘附的突然增加导致分层前沿1360经历速度的急剧变化，这产生直接分散在纳米结构上的力。所产生的应力可能导致对在软印模1330上的倾斜的脊1332和/或在压印树脂层1320中形成的倾斜的光栅1322的损坏。
在一些情况下，可能难以减少或消除由例如由于范德华力、机械互锁力、化学结合力等的表面粘附或摩擦所导致的应力。然而，当分层前沿到达软印模的倾斜的脊时应力的变化或增加可以通过修改软印模的倾斜的脊的结构概况(structural profile)来控制。例如，应力的突然增加可以通过在软印模的纳米结构区域(例如，纳米结构区域1370)的边缘附近具有软印模的倾斜的脊的高度(或槽的深度)的逐渐改变被限制或减少，如下文所讨论的。
图14A是已经被层压到压印树脂层1420上的另一个示例性软印模1430的顶视图。图14A不是真正的顶视图，因为软印模1430的纳米结构或倾斜的脊1432以及压印在压印树脂层1420中的纳米结构或倾斜的光栅1422也被示出，这两者都在软印模箔1440的下方。软印模1430包括纳米结构区域1470，在纳米结构区域1470中形成倾斜的脊1432。尽管在图14A中图示了圆形软印模1430和矩形纳米结构区域1470，但是取决于具体应用，软印模1430以及纳米结构区域1470可以具有任何形状。
图14A中所示的软印模1430与图13A中所示的软印模1330的不同之处在于，在纳米结构区域1470的边缘附近的软印模1430的倾斜的脊1432的高度(或各自由两个相邻的倾斜的脊1432界定的槽的深度)是相对小的，以便减小在纳米结构区域1470的边缘附近的倾斜的脊1432和倾斜的光栅1422之间的表面积，从而避免当分层前沿1460接近纳米结构区域1470的边缘时倾斜的脊1432和倾斜的光栅1422可能经历的应力的突然变化。根据多种装置性能考虑，倾斜的脊1432的高度(或槽的深度)然后可以逐渐增加到期望的高度(或深度)，以压印具有期望的操作脊高度(或槽深度)的光栅。因此，纳米结构区域1470可以包括具有基于装置性能考虑的脊高度(或槽深度)的内部区域或操作区域1472，并且还可以包括围绕操作区域1472并且具有基于分层考虑的变化的脊高度(或槽深度)的外部区域或过渡区域1474。
图14B是沿着图14A的线14B-14B截取的横截面侧视图，其图示了已经被部分地分层的压印树脂层1420和软印模1430的一部分。图14C是类似于图14B的横截面侧视图，其图示了已经被进一步分层的压印树脂层1420和软印模1430的一部分。如图14B和图14C中所示，软印模1430在纳米结构区域1470(在图14A中示出)的边缘附近包括变化的脊高度(或槽深度)。图14B中所示的距离或宽度D表示过渡区域1474(在图14A中示出)的宽度，在该宽度内，倾斜的脊1432的高度逐渐地增加到如根据装置性能要求所需的高度(或者槽的深度逐渐地增加到期望的深度)。取决于应用，在多种实施方案中，距离D或过渡区域1474的宽度可以被定义为倾斜的脊1432的高度(或槽的深度)在其中逐渐增加到软印模1430的最大脊高度(或最大槽深度)的至少70％、至少80％、至少90％、至少95％或100％的距离。最大脊高度(或最大槽深度)可以是由装置性能要求确定的最大脊高度(或最大槽深度)。取决于应用，最大脊高度(或最大槽深度)可以是至少50nm、至少100nm、至少200nm、或至少300nm、或至少400nm。
因为脊高度(或槽深度)的变化或增加在软印模1430的边缘附近是逐渐的，所以表面积的变化或增加以及在倾斜的脊1432和倾斜的光栅1422之间的表面粘附的变化或增加等是逐渐的。因此，当分层前沿1460接近纳米结构区域1470的边缘时，速度的导数平滑地变化，这导致分散在纳米结构上的最小的应力。逐渐变化减少或避免了对软印模1430的倾斜的脊1432和在压印树脂层1420中的倾斜的光栅1422的损坏。
如图14A中所示，过渡区域1474沿着纳米结构区域1470的整个周边形成。采用这样的配置，当分层或脱模工艺即将完成并且分层前沿1460从纳米结构区域1470的内部到达纳米结构区域1470的边缘时，倾斜的脊1432的脊高度逐渐减小。脊高度的逐渐减小限制了当分层工艺即将完成时软印模1430的倾斜的脊1432和压印树脂层1420的倾斜的光栅1422可能经历的应力。在一些实施方案中，过渡区域1474可以被形成为小于整个周边，但是仅沿着纳米结构区域1470的周边的选定的一个或更多个部分，这取决于具体应用。
因为过渡区域中脊高度(或槽深度)的变化修改了装置设计，并且从装置的光学性能角度来看，这样的修改可能是不必要的。因此，为了最小化对光学功能的影响并且为了减小增加的占用空间(footprint)的尺寸，过渡区域的宽度可以被配置得尽可能窄。如上文讨论的，软印模可以使用母体模具(例如，硬模具或硬印模)来制造。为了制造在小过渡区域或短距离内具有大变化的脊高度(或槽深度)的软印模，需要在小区域或短距离内具有脊高度(或槽深度)的大变化的母体模具。同样如上文所讨论的，可以使用多种蚀刻技术来制造母体模具，所述蚀刻技术诸如使用高能离子的倾斜蚀刻工艺，所述高能离子可以以反应性离子束或化学辅助的反应性离子束等的形式朝向母体模具材料层被投射。然而，在小区域或短距离内实现蚀刻深度的大变化可能是有挑战的，尤其是当待制造的纳米结构被倾斜时。
图15A和图15B分别是用于制造母体模具(例如，硬模具或硬印模)的母体模具材料层1510(或母体模具基底)和母体模具掩模1520的侧视图和顶视图，所述母体模具在母体模具的纳米结构的边缘附近的非常小的区域或非常短的距离内具有大的蚀刻深度变化。图15A和图15B示出了纳米结构将在遍及母体模具材料层1510的整个区域中被制造，但是在一些其他实施方案中，纳米结构可以仅在如图14A中所示的选定的一个或更多个区域中被制造。
母体模具材料层1510可以包括刚性材料，诸如半导体基底(例如，Si或GaAs)、氧化物(例如，SiO2、Si3N4、TiOx、AlOx、TaOx或HfOx)或金属板。母体模具掩模1520可以由光刻材料层诸如光致抗蚀剂层制造。光刻材料层可以通过沉积在母体模具材料层1510上形成，所述沉积诸如旋涂、物理/化学气相沉积或其他沉积技术。可以使用任何合适的光刻工艺由光刻材料层来形成母体模具掩模1520。例如，光刻工艺可以使用电子束、聚焦离子束、光刻步进机(photolithography stepper)、纳米压印工具等来执行。在一个实例中，具有与图15B中所示的图案相似(或互补)的二维图案的光掩模可以被用于暴露光刻材料层(例如，正色调或负色调的光致抗蚀剂层)，以在光致抗蚀剂显影之后在母体模具材料层1510上形成母体模具掩模1520。在光刻工艺之后，具有期望的图案的母体模具掩模1520在光刻材料层中被形成，并且可以被用作用于母体模具材料层1510的随后蚀刻的蚀刻掩模以形成母体模具。尽管图15A图示了所形成的母体模具掩模1520的特征，即脊1522，在母体模具材料层1510的顶表面上以基本上竖直的位置站立，但是在一些实施方案中，母体模具掩模1520的倾斜的脊可以在母体模具材料层1510中被形成，以在蚀刻等期间减少遮蔽效应和/或扩展占空比范围。
通常，由于可用于加工光刻材料层(或光致抗蚀剂层)的多种光刻技术，脊1522的图案可以以高分辨率和高精度被制造。如下文将进一步解释的，通过操纵母体模具掩模1520的脊1522的图案，可以实现母体模具的脊的期望的特性或图案，这以其他方式可能难以实现。
图16图示了RIE滞后曲线的实例，其表示使用反应性离子蚀刻蚀刻的结构的占空比和蚀刻深度之间的关系。具体地，横轴表示占空比值，其在从0％至100％的范围内。如上文所讨论的，对于具有脊和槽的图案，占空比指的是在脊的宽度与脊和相邻槽的组合宽度(即，周期)之间的比率。纵轴表示在相同的蚀刻持续时间之后，对于每个占空比使用RIE可以获得的蚀刻深度。应当注意，图16中所示的RIE滞后曲线仅用于说明目的，并且可能仅说明一般趋势。取决于待蚀刻的材料、所使用的蚀刻系统、所使用的蚀刻剂和/或蚀刻条件，RIE滞后曲线可以从一种蚀刻条件变化到另一种蚀刻条件。
如图16中所示，随着占空比增加(即，脊的宽度增加和/或槽的宽度减小)，对于给定的蚀刻持续时间，可以通过RIE工艺获得的蚀刻深度逐渐减小。这是因为无论是大或小的占空比，都存在大量的离子用于发生蚀刻反应，但是在小槽内离子平均自由程较短，这降低了蚀刻的效力。此外，当占空比相对大时，蚀刻副产物可能不被有效地输送到蚀刻的槽外部。当占空比较大时，副产物输送到槽开口的滞后可以导致较低的蚀刻深度，这可以被称为RIE滞后效应。
在继续参照图16的情况下，当占空比从例如低于约50％变化到约90％或更高时，蚀刻深度可以显著减小。应当注意，尽管图16图示了当占空比是约50％或低于50％时，占空比对蚀刻深度的影响在一些实施方案中可以是相对小的，但是在一些其他实施方案中，即使当占空比低于50％、低于40％或低于30％时，占空比对蚀刻深度的影响仍然可以是显著的，因为蚀刻深度还取决于光栅间距或周期。例如，对于具有常见的占空比但具有不同的光栅周期的光栅，具有较大周期的光栅将具有较宽的槽，这将导致较深的蚀刻。因此，随着光栅周期变化，RIE滞后曲线可能在不同于图16中所示的占空比的占空比时开始下降。
给定占空比和蚀刻深度之间的这种关系，在母体模具掩模1520的边缘附近的母体模具掩模1520的图案可以被微调以具有变化的占空比，以便在待形成的母体模具的边缘附近获得变化的蚀刻深度，这又可以被用于制造在软印模的边缘附近具有变化的脊高度的软印模。此外，因为如上文所讨论的，母体模具掩模1520的图案可以以高分辨率和高精度被微调，所以可以在非常小的区域或距母体模具掩模1520的边缘非常短的距离内实现母体模具掩模1520的占空比的期望的变化。
返回参照图15B，母体模具掩模1520可以包括沿着母体模具掩模1520的边缘或周边以及围绕操作区域1524的内部区域或操作区域1524和外部区域或过渡区域1526。在操作区域1524内，图案的占空比对应于由装置性能考虑确定的占空比，其可以是或可以不是变化的占空比。在过渡区域1526内，占空比可以从母体模具掩模1520的边缘朝向操作区域1524逐渐减小，或者换句话说，占空比可以朝向母体模具掩模1520的边缘逐渐增加。
尽管出于说明的目的，在图15B中仅示出了八个脊1522，但是母体模具掩模1520可以包括更多的脊1522，并且取决于应用，可以包括数十个、数百个或更多的脊1522，并且脊1522可以彼此紧密靠近地被形成。因此，在母体模具掩模1520的边缘处的占空比可以高达超过50％、超过60％、超过70％、超过80％、超过90％、超过95％或接近100％。从母体模具掩模1520的边缘到操作区域1524的边缘的占空比可以从超过90％逐渐变化到低于50％、低于40％、低于30％、低于20％、低于10％或其他期望的占空比值。此外，如上文所讨论的，脊1522的图案可以以高分辨率和高精度被微调。因此，占空比从超过90％至低于10％的逐渐变化可以在非常短的距离D内实现，如图15B中所示。在一些实施方案中，距离D可以在从0.1μm至100μm的范围内。
如上文所讨论的，当占空比从相对低的值，例如，低于10％、低于30％或低于50％，变化到90％或更高时，蚀刻深度可以显著减小。因此，通过适当地配置过渡区域1526中的图案，可以在非常小的区域或距离D(例如，从0.1μm至100μm)内实现具有大的或巨大的变化的变化的蚀刻深度。在一些实施方案中，在过渡区域1526的外边缘(即，母体模具掩模1520的边缘)处的脊1522的占空比可以高达80％、85％、90％、95％或接近100％，而在过渡区域1526的内边缘(即，操作区域1524的边缘)处的脊1522的占空比可以为低于95％，诸如低于90％或约90％、低于80％或约80％、低于70％或约70％、低于60％或约60％、低于50％或约50％、低于40％或约40％、低于30％或约30％、低于20％或约20％、低于10％或约10％，或更低。
从过渡区域1526的外边缘到过渡区域1526的内边缘的占空比的过渡可以是逐渐的或平滑的，如图15B中所示，并且可以在100μm或更小的距离内实现。因此，当随后执行离子束蚀刻工艺以形成母体模具时，可以在所制造的母体模具的边缘处实现变化的蚀刻深度。所实现的变化的蚀刻深度又转化为在由母体模具制造的软印模的边缘附近的变化的脊高度(或变化的槽深度)。诸如图14A-图14C中所示的，在压印树脂层的边缘附近的变化的光栅高度可以直接使用软印模或母体模具来获得。
在一些实施方案中，在靠近过渡区域1526的外边缘的母体模具材料层1510中的蚀刻深度可以浅至几纳米或几十纳米(例如，低于5nm、低于10nm、低于50nm、低于100nm等)，而在靠近过渡区域1526的内边缘的母体模具材料层1510中的蚀刻深度可以深至超过几十纳米或几百纳米(例如，超过50nm、超过100nm、超过200nm、超过300nm、超过400nm等)。因此，蚀刻深度可以在100μm或更小的距离内从几纳米到几百纳米(例如，从5nm到400nm或取决于应用的任何其他范围)变化。在过渡区域1526的外边缘处的蚀刻深度与在过渡区域1526的内边缘处的蚀刻深度的比可以在从100:1至2:1、从90:1至2:1、80:1至2:1、70:1至2:1、60:1至2:1、50:1至2:1、40:1至2:1、30:1至2:1、20:1至2:1、10:1至2:1、8:1至2:1、6:1至2:1、5:1至2:1、4:1至2:1、或3:1至2:1的范围内。因此，由母体模具制造的软印模可以在100μm或更小的短距离内具有从几纳米过渡到几百纳米的变化的脊高度(或变化的槽深度)。使用这样的软印模和/或母体模具制造的倾斜的光栅可以仅沿着装置的边缘具有变化的光栅高度，这可以对光栅的整体性能和/或并入这样的光栅的装置的总尺寸具有最小的影响。然而，在分层期间可以由应力造成的损坏可以被显著地减少或限制。
图15C、图15D和图15E分别图示了沿着图15B的线15C-15C、线15D-15D和线15E-15E截取的、已经使用例如RIE在母体模具材料层1510中形成的母体模具1530的横截面视图。尽管图15C和图15D图示了倾斜的脊，该倾斜的脊可以使用倾斜RIE工艺通过以相对于母体模具材料层1510的顶表面的倾斜角朝向母体模具材料层1510投射高能离子来形成，但是也可以使用母体模具掩模1520来制造具有基本上零的倾斜角的直立的脊，以在母体模具材料层1510的边缘附近的短距离内实现大的脊高度(或槽深度)变化。
如图15C和图15D中所示，在过渡区域1526的外边缘附近的母体模具掩模1520的脊1522的占空比大于在过渡区域1526的内边缘附近的母体模具掩模1520的脊1522的占空比。因此，可以获得如图15C中所示的、进入过渡区域1526的外边缘附近的母体模具材料层1510中较小的蚀刻深度，而可以获得如图15D中所示的、进入过渡区域1526的内边缘附近的母体模具材料层1510中较大的蚀刻深度。取决于应用，脊高度(或槽深度)可以逐渐增加到在过渡区域1526的内边缘处的最大脊高度(或最大槽深度)的至少70％、至少80％、至少90％、至少95％或100％。在一些实施方案中，最大脊高度(或最大槽深度)可以是由装置性能要求确定的最大脊高度(或最大槽深度)。取决于应用，最大脊高度(或最大槽深度)可以是至少50nm、至少100nm、至少200nm、或至少300nm、或至少400nm。
图15E图示了在母体模具材料层1510中蚀刻的一个槽的示例性蚀刻概况。如所示的，在距所制造的母体模具1530的任一边缘的短距离内实现了蚀刻深度的巨大变化。尽管图15B和图15E图示了与在过渡区域1526中的占空比相比在操作区域1524内具有相对小的占空比的母体模具掩模1520，这导致操作区域1524内较大的蚀刻深度，但是应当注意，操作区域1524可以包括可以大于、小于或类似于过渡区域1526中的占空比的占空比。此外，在操作区域1524内的占空比也可以变化。在其边缘或周边附近具有期望的脊高度变化的母体模具可以独立于在母体模具的内部并且进一步远离母体模具的边缘或周边的脊配置来制造。换句话说，本文描述的方法或技术可以被用于制造可以基于多种装置性能考虑来确定的任何配置的母体模具。
此外，尽管使用RIE作为示例性的制造技术来描述母体模具的制造，但是母体模具可以使用多种其他制造技术来制造，所述其他制造技术诸如微机械加工工艺、3-D印刷工艺、聚焦离子束铣削工艺(focus ion beam milling process)、溅射等。无论被用于制造这样的母体模具的制造工艺或技术如何，只要脊高度尺寸的大变化可以在母体模具的边缘附近的短距离或小区域内实现，就可以使用母体模具制造软印模和/或其他倾斜的表面浮雕结构，其对软印模的倾斜的脊和/或倾斜的表面浮雕结构具有有限的或最小的损坏，所述损坏是由分层工艺期间的应力引起的。
图17是图示了根据某些实施方案的使用纳米压印光刻来制造倾斜的表面浮雕光栅的示例性方法的简化流程图1700。
在框1710处，在母体模具材料层或母体模具基底上形成母体模具掩模。可以在光刻材料层诸如光致抗蚀剂层中形成母体模具掩模，所述光刻材料层可以通过旋涂或其他沉积技术被沉积在母体模具材料层上。然后可以使用电子束、聚焦离子束、光刻步进机、纳米压印工具或任何合适的光刻工艺，由光刻材料层形成母体模具掩模。所形成的母体模具掩模可以包括在母体模具掩模的边缘附近的变化的占空比，所述母体模具掩模诸如上文参照图15A-图15E描述的母体模具掩模1520。这样的占空比变化发生的区域或距离可以非常小，诸如在0.1μm至100μm之间。
在框1720处，可以使用母体模具掩模作为蚀刻掩模，在母体模具材料层中制造具有纳米结构诸如倾斜的脊的母体模具(其可以是硬模具)。可以使用利用高能离子的倾斜RIE工艺来蚀刻母体模具，所述高能离子可以以反应性离子束、化学辅助的反应性离子束等的形式、以相对于母体模具材料层的顶表面的倾斜角朝向母体模具材料层被投射。母体模具材料层可以包括石英、熔凝硅石、硅、其他金属氧化物或塑料化合物。
在框1720处制造的母体模具在其边缘附近可以包括变化的脊高度，这是由于由母体模具掩模的变化的占空比导致的变化的蚀刻深度。所获得的变化的脊高度可以从母体模具的边缘朝向母体模具的内部区域逐渐增加，或者换句话说，朝向母体模具的边缘逐渐减小。这样的脊高度变化发生的距离可以非常小，并且可以被限制到低于100μm，诸如0.1μm至10μm。类似于母体模具掩模的占空比，母体模具的占空比也在其边缘附近逐渐变化。因此，母体模具在其边缘的占空比可以高达超过70％、超过80％、超过90％、超过95％或更高，并且可以取决于装置性能要求被逐渐降低到任何期望的值，诸如朝向母体模具的内部区域被逐渐降低到低于90％、低于80％、低于70％、低于60％、低于50％、低于40％、低于30％、低于20％、低于10％或更低。母体模具可以被称为第0代(generation 0)(或第0代(Gen 0))模具。母体模具的倾斜的脊可以被称为具有正(+)色调。
在框1730处，可以使用在框1720处制造的母体模具来制造具有倾斜的脊的软印模。制造软印模的工艺可以包括用软印模材料诸如本文描述的树脂压印材料来包覆母体模具。然后，可以例如使用辊将软印模箔层压在软印模材料上。软印模箔和附接的软印模材料可以彼此牢固地附接，并且可以与母体模具分离以形成软印模。
因为在软印模材料中形成的结构与母体模具的结构互补，所以在框1730处形成的软印模在其边缘附近也包括变化的脊高度。所获得的变化的脊高度可以从软印模的边缘朝向软印模的内部区域逐渐增加，或者换句话说，朝向软印模的边缘逐渐减小。这样的脊高度变化发生的距离可以被限制到低于100μm，诸如0.1μm至10μm。在框1730处制造的软印模可以被称为第1代(generation 1)(或第1代(Gen 1))印模。
与第0代模具(即，母体模具)的倾斜结构相比，第1代印模的倾斜的脊可以具有负(-)色调。因此，软印模的占空比朝向软印模的边缘逐渐减小，而不是像第0代模具那样具有朝向边缘逐渐增加的占空比。软印模在其边缘处的占空比可以低至低于30％、低于20％、低于10％或甚至更低，并且可以朝向软印模的内部区域逐渐增加到如装置性能所需的任何期望的值，诸如高于10％、高于20％、高于30％、高于40％、高于50％、高于60％、高于70％、高于80％、高于90％或甚至更高。
在框1740处，可以使用第1代印模来压印倾斜的表面浮雕光栅。例如，波导基底可以包覆有压印树脂层。压印树脂层可以包括例如基于丙烯酸丁酯的树脂，所述基于丙烯酸丁酯的树脂掺杂有溶胶-凝胶前体(例如钛酸四丁酯)、含有用于后续注入工艺的反应性官能团的单体(诸如丙烯酸)和/或高折射率纳米颗粒(例如，TiO2、GaP、HfO2、GaAs等)。在一些实施方案中，压印树脂层可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一种有机硅弹性体或基于硅的有机聚合物。在一些实施方案中，压印树脂层可以包括乙烯四氟乙烯(ETFE)、全氟聚醚(PFPE)或其他氟化聚合物材料。第1代印模可以使用例如辊被层压在压印树脂层上，诸如图14A中所示的。在通过UV光和/或热将压印树脂层固化之后，第1代印模可以与压印树脂层分层，诸如图14B和图14C中图示的，以在压印树脂层内形成倾斜的光栅。
压印树脂层内的倾斜的光栅可以具有正(+)色调，并且可以基本上对应于母体模具的倾斜结构。因此，压印的光栅在其边缘附近可以包括变化的光栅深度，所述变化的光栅深度从倾斜的光栅的边缘朝向倾斜的光栅的内部区域逐渐增加，或者换句话说，朝向倾斜的光栅的边缘逐渐减小。压印的光栅还可以包括变化的占空比，所述变化的占空比从倾斜的光栅的边缘朝向倾斜的光栅的内部区域逐渐减小，或者换句话说，朝向倾斜的光栅的边缘增大。尽管变化的光栅深度和/或变化的占空比可以被限制于在压印的倾斜的光栅的边缘内非常小的距离，但是如果需要，由流程图1700图示的方法可以包括修剪或去除包括变化的光栅深度和/或变化的占空比的边缘区域的任选的操作。
在框1750处，可以用具有不同于倾斜的光栅的折射率的材料(例如，压印树脂层)来外包覆倾斜的光栅。例如，在一些实施方案中，高折射率材料可以用来外包覆具有相对低的折射率的倾斜的光栅，并且填充在倾斜的光栅脊之间的间隙。高折射率材料可以包括高折射率金属或金属化合物诸如二氧化铪、二氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓等，硅，高折射率聚合物或高折射率聚合物与一种或更多种前述高折射率金属化合物的组合，及类似物。在一些实施方案中，低折射率材料可以用来外包覆具有相对高的折射率的倾斜的光栅，并且填充在倾斜的光栅脊之间的间隙。低折射率材料可以包括氧化硅、氟化镁、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)，及类似物。
尽管软印模被描述为在框1730处使用母体模具制造的示例性印模，但是母体模具可以被用于制造混合印模(例如，硬印模、软印模或硬-软印模)。此外，不同代的NIL印模可以被制造，并且被用作模制倾斜的光栅的工作印模。例如，在一些实施方案中，母体模具可以被用作工作印模以直接模制倾斜的光栅。在一些实施方案中，除了第1代印模之外，第2代印模可以由第1代印模制成，如在框1760处所示的，并且可以被用作用于纳米压印的工作印模，如在框1770处所示的。在一些实施方案中，第3代印模、第4代印模等可以被制成并且被用作工作印模。变化的脊高度可以从母体模具被转移到第1代印模、第2代印模、第3代印模、第4代印模等，并且可以被压印到压印树脂层中，以减小压印印模和压印的结构在分层期间可能经历的应力。
本发明的实施方案可以用于实现人工现实系统的部件或者可以结合人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与捕获的(例如，真实世界的)内容组合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，并且它们中的任何一种都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(诸如，对观看者产生三维效果的立体视频)。另外地，在一些实施方案中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以在多种平台上实现，所述多种平台包括被连接至主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动装置或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
图18是用于实现本文公开的一些实例的示例性近眼显示器(例如，HMD装置)的示例性电子系统1800的简化框图。电子系统1800可以用作上文描述的HMD装置或其他近眼显示器的电子系统。在该实例中，电子系统1800可以包括一个或更多个处理器1810和存储器1820。处理器1810可以被配置成执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如通用处理器或适于在便携式电子装置内实现的微处理器。处理器1810可以与在电子系统1800内的多个部件通信地耦合。为了实现这种通信耦合，处理器1810可以跨过总线1840与其他图示的部件通信。总线1840可以是适于在电子系统1800内传输数据的任何子系统。总线1840可以包括多条计算机总线和另外的电路以传输数据。
存储器1820可以被耦合至处理器1810。在一些实施方案中，存储器1820可以提供短期存储和长期存储两者，并且可以被分成若干个单元。存储器1820可以是易失性的(诸如，静态随机存取存储器(SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM))和/或非易失性的(诸如，只读存储器(ROM)、闪存等)。此外，存储器1820可以包括可移动存储装置，诸如安全数字(SD)卡。存储器1820可以为电子系统1800提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。在一些实施方案中，存储器1820可以被分布在不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以被存储在存储器1820中。指令可以采取可以由电子系统1800可执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，所述源代码和/或可安装代码当在电子系统1800上(例如，使用多种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)编译和/或安装时，可以采取可执行代码的形式。
在一些实施方案中，存储器1820可以存储多个应用模块1822至1824，应用模块1522至1524可以包括任何数量的应用。应用的实例可以包括游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。这些应用可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用模块1822-1824可以包括待由处理器1810执行的特定指令。在一些实施方案中，应用模块1822-1824中的某些应用或部分可以由其他硬件模块1880执行。在某些实施方案中，存储器1820可以另外包括安全存储器，该安全存储器可以包括另外的安全控件，以防止对安全信息的复制或其他未授权的访问。
在一些实施方案中，存储器1820可以包括被加载在其中的操作系统1825。操作系统1825可以是可操作的，以启动由应用模块1822-1824提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块1880以及与无线通信子系统1830的接口，无线通信子系统1830可以包括一个或更多个无线收发器。操作系统1825可以适于跨过电子系统1800的部件执行其他操作，包括线程管理(threading)、资源管理、数据存储控制和其他类似功能。
无线通信子系统1830可以包括例如红外通信装置、无线通信装置和/或芯片组(诸如，
Figure BDA0003300153380000361
装置、IEEE 802.11装置、Wi-Fi装置、WiMax装置、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统1800可以包括用于无线通信的、作为无线通信子系统1830的一部分或者作为耦合至系统的任何部分的单独部件的一根或更多根天线1834。根据期望的功能，无线通信子系统1830可以包括单独的收发器，以与基站收发台和其他无线装置以及接入点进行通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型(诸如，无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)或无线个域网(WPAN))进行通信。WWAN可以是例如WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其他类型的网络。本文描述的技术也可以用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合。无线通信子系统1830可以允许与网络、其他计算机系统和/或本文描述的任何其他装置交换数据。无线通信子系统1830可以包括用于使用天线1834和无线链路1832来发送或接收数据(例如，HMD装置的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频)的装置。无线通信子系统1830、处理器1810和存储器1820可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的装置中的一个或更多个的至少一部分。
电子系统1800的实施方案还可以包括一个或更多个传感器1890。传感器1890可以包括，例如，图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近度传感器(proximitysensor)、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器或可操作以提供感测输出和/或接收感测输入的任何其他类似模块，例如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，传感器1890可以包括一个或更多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或更多个位置传感器。IMU可以基于从一个或更多个位置传感器接收的测量信号来生成校准数据，该校准数据指示相对于HMD装置的初始位置的HMD装置的估计位置。位置传感器可以响应于HMD装置的运动来生成一个或更多个测量信号。位置传感器的实例可以包括但不限于，一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU的误差校正的一种类型的传感器或它们的某种组合。位置传感器可以位于IMU的外部、IMU的内部或者它们的某种组合。至少一些传感器可以使用结构光图案用于感测。
电子系统1800可以包括显示模块1860。显示模块1860可以是近眼显示器，并且可以以图形方式向用户呈现来自电子系统1800的信息，诸如图像、视频和多种指令。这样的信息可以从一个或更多个应用模块1822至1824、虚拟现实引擎1826、一个或更多个其他硬件模块1880、它们的组合或者(例如，通过操作系统1825)用于为用户解析图形内容的任何其他合适的装置中得到。显示模块1860可以使用液晶显示(LCD)技术、发光二极管(LED)技术(包括例如，OLED、ILED、mLED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示(LPD)技术或某种其他显示技术。
电子系统1800可以包括用户输入/输出模块1870。用户输入/输出模块1870可以允许用户向电子系统1800发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始应用或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。用户输入/输出模块1870可以包括一个或更多个输入装置。示例的输入装置可以包括触摸屏、触摸板、麦克风、按钮、拨号盘、开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送给电子系统1800的任何其他合适的装置。在一些实施方案中，用户输入/输出模块1870可以根据从电子系统1800接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到动作请求或者已经执行动作请求时提供触觉反馈。
电子系统1800可以包括照相机1850，照相机1850可以用于拍摄用户的照片或视频，例如，用于跟踪用户的眼睛位置。照相机1850还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，用于VR应用、AR应用或MR应用。照相机1850可以包括例如具有几百万或几千万像素的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，照相机1850可以包括两个或更多个照相机，它们可以用于捕获3D图像。
在一些实施方案中，电子系统1800可以包括多个其他硬件模块1880。其他硬件模块1880中的每一个可以是电子系统1800内的物理模块。虽然其他硬件模块1880中的每一个可以被永久地配置为结构，但是其他硬件模块1880中的一些可以被临时配置成执行特定功能或者被临时激活。其他硬件模块1880的实例可以包括，例如，音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(NFC)模块、可再充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施方案中，其他硬件模块1880的一个或更多个功能可以用软件实现。
在一些实施方案中，电子系统1800的存储器1820还可以存储虚拟现实引擎1826。虚拟现实引擎1826可以执行电子系统1800内的应用，并且从多种传感器接收HMD装置的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或它们的某种组合。在一些实施方案中，由虚拟现实引擎1826接收的信息可以用于为显示模块1860产生信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎1826可以为HMD装置生成反映用户在虚拟环境中的移动的内容。另外地，虚拟现实引擎1826可以响应于从用户输入/输出模块1870接收的动作请求在应用内执行动作，并且向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。在一些实施方式中，处理器1810可以包括可以执行虚拟现实引擎1826的一个或更多个GPU。
在多种实施方式中，上文描述的硬件和模块可以在单个装置上被实现，或者在可以使用有线连接或无线连接彼此通信的多个装置上被实现。例如，在一些实施方式中，一些部件或模块(例如，GPU、虚拟现实引擎1826和应用(例如，跟踪应用))，可以在与头戴式显示器装置分离的控制台上被实现。在一些实施方式中，一个控制台可以被连接至多于一个HMD或者可以支持多于一个HMD。
在可选择的配置中，不同的和/或另外的部件可以被包括电子系统1800中。类似地，一个或更多个部件的功能可以以不同于上文描述的方式的方式被分布在部件中。例如，在一些实施方案中，电子系统1800可以被修改为包括其他系统环境，诸如AR系统环境和/或MR环境。
上文讨论的方法、系统和装置是实例。多种实施方案可以酌情省略、替换或添加多种过程或部件。例如，在可选择的配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来执行，和/或可以添加、省略和/或组合多个阶段。此外，关于某些实施方案描述的特征可以在多种其他实施方案中被组合。实施方案的不同方面和要素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，并且因此许多要素是实例，其不将本公开内容的范围限制于那些具体实例。
在描述中给出了具体细节，以提供对实施方案的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施方案。例如，为了避免模糊实施方案，熟知的电路、过程、系统、结构和技术已经被示出而没有不必要的细节。此描述仅提供示例性的实施方案，并且不意图限制本发明的范围、适用性或配置。而是，实施方案的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现多种实施方案的使能描述(enabling description)。在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以在要素的功能和布置方面进行多种改变。
此外，一些实施方案被描述为过程，过程被描绘为流程图或框图。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或并发地被执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的另外的步骤。此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来实现方法的实施方案。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行相关联的任务的程序代码或代码段可以被存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。
对于本领域技术人员来说，将明显的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，还可以使用定制的硬件或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，诸如小程序(applet)等)或者两者来实现特定的要素。此外，可以采用到其他计算装置诸如网络输入/输出装置的连接。
参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。如本文中所使用的术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施方案中，多种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其他装置提供指令/代码以用于执行。另外地或可选择地，机器可读介质可以用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理存储介质和/或有形存储介质。这样的介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如磁介质和/或光学介质(诸如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD))、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存-EPROM、任何其他存储器芯片或盒、如下文描述的载波、或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、应用(App)、子例程、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序语句的任何组合。
本领域技术人员将理解，用于传送本文描述的消息的信息和信号可以使用多种不同的技术和技艺中的任何一种来表示。例如，在整个上文的描述中可以引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片(chip)可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或其任何组合来表示。
如本文使用的术语“和”以及“或”可以包括多种含义，这些含义还被预期至少部分地取决于使用这样的术语的上下文。通常，“或”如果用于关联列表，诸如A、B或C，则意图表示A、B和C(此处以包含的意义使用)以及A、B或C(此处以排他的意义使用)。此外，如本文使用的术语“一个或更多个”可以用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性的实例，并且所要求保护的主题不限于该实例。此外，术语“......中的至少一个(at least one of)”如果用于关联列表，诸如A、B或C，则可以被解释为表示A、B和/或C的任何组合，诸如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。
此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施方案，但是应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施方案可以仅以硬件实现，或者仅以软件实现，或者使用它们的组合来实现。在一个实例中，可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现软件，所述计算机程序代码或指令可由一个或更多个处理器执行，用于执行在本公开内容中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以被存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的多种过程可以在相同的处理器上或者以任何组合在不同的处理器上实现。
在装置、系统、部件或模块被描述为被配置成执行某些操作或功能的情况下，可以例如通过设计执行操作的电子电路、通过对可编程电子电路(诸如微处理器)进行编程以(诸如通过执行计算机指令或代码)执行操作、或者被编程为执行存储在非暂时性存储器介质上的代码或指令的处理器或核、或者它们的任何组合来完成这样的配置。过程可以使用多种技术(包括但不限于用于过程间通信的传统技术)进行通信，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或者同一对过程可以在不同的时间使用不同的技术。
因此，说明书和附图应被视为说明性的而不是限制性的。然而，将明显的是，在不脱离如在权利要求中阐述的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施方案，但是这些实施方案并不意图是限制性的。多种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种纳米结构，包括：
在所述纳米结构的边缘处的外部区域，其中：
由距所述纳米结构的所述边缘的距离界定的所述外部区域的宽度小于100μm；并且
在所述外部区域中所述纳米结构的深度在所述纳米结构的最大深度的0％和至少50％之间逐渐变化。
2.根据权利要求1所述的纳米结构，其中在所述外部区域中所述纳米结构的所述深度朝向所述纳米结构的所述边缘逐渐减小。
3.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述纳米结构的所述最大深度是至少100nm。
4.根据权利要求1所述的纳米结构，其中在所述外部区域中所述纳米结构的所述深度从400nm或更小逐渐变化到5nm或更小。
5.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述纳米结构包括：
多于一个脊；和
多于一个槽，所述多于一个槽各自由两个相邻的脊界定，其中：
所述纳米结构的所述深度由所述多于一个槽中的每一个的深度界定；并且
所述多于一个槽中的至少一个槽的深度在所述外部区域中在所述至少一个槽的最大深度的0％和至少50％之间逐渐变化。
6.根据权利要求5所述的纳米结构，其中所述多于一个脊中的至少一个具有大于30°、大于45°或大于60°的倾斜角。
7.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述纳米结构包括表面浮雕光栅，所述表面浮雕光栅被配置为将光耦合到基底中和/或从基底中耦合出，并且其中所述表面浮雕光栅包含树脂。
8.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述纳米结构包括用于纳米压印光刻的模具，并且其中所述模具包含树脂。
9.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述纳米结构包括用于纳米压印光刻的模具，并且其中所述模具包含半导体、氧化物或金属。
10.根据权利要求1所述的纳米结构，其中在所述外部区域中所述纳米结构的占空比在至少10％和至少90％之间逐渐变化。
11.根据权利要求10所述的纳米结构，其中所述纳米结构的所述占空比朝向所述纳米结构的所述边缘逐渐增加。
12.根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述外部区域包围所述纳米结构的不到整个周边。
13.一种方法，包括：
在基底上形成蚀刻掩模，其中所述蚀刻掩模包括在所述蚀刻掩模的边缘附近的外部区域，并且其中：
由距所述蚀刻掩模的所述边缘的距离界定的所述外部区域的宽度小于100μm；
在所述外部区域中所述蚀刻掩模的占空比在至少10％和至少90％之间逐渐变化；以及
使用离子束蚀刻具有所述蚀刻掩模的所述基底，以在所述基底中形成纳米结构。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述蚀刻掩模的所述占空比朝向所述蚀刻掩模的所述边缘逐渐增加。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在所述基底中的蚀刻深度朝向所述纳米结构的边缘逐渐减小。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述蚀刻深度朝向所述纳米结构的所述边缘从400nm或更小减小到5nm。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述基底包含半导体、氧化物或金属，所述方法还包括：
使用所述基底中的所述纳米结构形成印模，其中所述印模包含树脂。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
使用所述印模形成表面浮雕光栅，其中所述表面浮雕光栅的深度朝向所述表面浮雕光栅的边缘逐渐减小。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述表面浮雕光栅包括：
多于一个脊；
多于一个槽，所述多于一个槽各自由两个相邻的脊界定；其中：
所述表面浮雕光栅的所述深度由所述多于一个槽中的每一个的深度界定；并且
所述多于一个槽中的至少一个槽的深度在所述外部区域中从所述至少一个槽的最大深度的至少50％到0％逐渐减小。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述多于一个脊中的至少一个具有大于30°、大于45°或大于60°的倾斜角。
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