CN114341686A - 用于大批量制造波导的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

说明根据本发明的各种实施例的用于记录全息光栅的系统和方法。一个实施例包含一种全息记录系统，其包含：第一可移动平台，其配置成支撑用于曝光的第一多个波导单元；至少一个主光栅；和至少一个激光源，其配置成通过朝向所述至少一个主光栅引导光而提供一组记录波束；其中所述第一可移动平台可沿着两个正交方向中的至少一个在预定义步骤中平移，且其中在每一所述预定义步骤处，至少一个波导单元定位成由所述组记录波束内的至少一个记录波束照射。

Description

用于大批量制造波导的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及用于记录光栅的过程和设备，且更具体来说，涉及用于在波导单元中记录全息体光栅的过程和设备。
背景技术
波导可称为具有约束和导引波(即，限制波可在其中传播的空间区)的能力的结构。一个子类别包含光学波导，其为可导引电磁波(通常为在可见光谱中的电磁波)的结构。波导结构可设计成使用数个不同机构控制波的传播路径。举例来说，平面波导可设计成利用衍射光栅来衍射且将入射光耦合到波导结构中，使得在其中耦合的光可经由全内反射(TIR)在平面结构内继续行进。
制造波导可包含允许在波导内记录全息光学元件的材料系统的使用。一个类别的这种材料包含聚合物分散液晶(PDLC)混合物，其为含有光可聚合单体和液晶的混合物。另一子类别的这种混合物包含全息聚合物分散液晶(HPDLC)混合物。可通过用两个彼此相干的激光束照射材料将例如体相位光栅的全息光学元件记录在这种液体混合物中。在记录过程期间，单体聚合，且混合物经历光聚合诱发的相分离，从而产生散布有清透聚合物区的由液晶微液滴致密填入的区。交替的富含液晶的区和耗尽液晶的区形成光栅的条纹平面。通常称为可切换布拉格(Bragg)光栅(SBG)的所得光栅具有通常与体光栅或布拉格光栅相关联的所有性质，但具有与在衍射效率的连续范围(衍射到所需方向中的入射光的比例)内电调谐光栅的能力组合的高得多的折射率调制范围。后者可从非衍射(清晰)扩展到以接近100％的效率衍射。
波导光学器件(例如上文所描述的波导光学器件)可视为用于一系列显示器和传感器应用。在许多应用中，可使用各种波导架构和材料系统实现含有编码多个光学功能的一个或多个光栅层的波导，从而实现用于扩增现实(AR)和虚拟现实(VR)的近眼显示器、用于道路运输、航空和军事应用的紧凑型平视显示器(HUD)和头盔显示器或头戴式显示器(HMD)和用于生物计量和激光雷达(LIDAR)应用的传感器中的新创新。
发明内容
说明根据本发明的各种实施例的用于记录全息光栅的系统和方法。一个实施例包含一种全息记录系统，其包含：第一可移动平台，其配置成支撑用于曝光的第一多个波导单元；至少一个主光栅；和至少一个激光源，其配置成通过朝向所述至少一个主光栅引导光而提供一组记录波束；其中所述第一可移动平台可沿着两个正交方向中的至少一个在预定义步骤中平移，且其中在每一所述预定义步骤处，至少一个波导单元定位成由所述组记录波束内的至少一个记录波束照射。
在另一实施例中，所述全息记录系统进一步包含第二可移动平台，所述第二可移动平台配置成支撑用于曝光的第二多个波导单元，其中所述第二可移动平台可沿着两个正交方向中的至少一个在预定义步骤中平移。
在另外实施例中，至少一个镜面沿着从所述至少一个激光源到所述第一可移动平台的至少一个光学路径安置。
在又另一实施例中，至少一个分束器沿着从所述至少一个激光源到所述第一可移动平台的至少一个光学路径安置。
在又另外实施例中，所述全息记录系统进一步包含用于滤出环境光的滤光器。
在再一实施例中，所述全息记录系统进一步包含
在再另外实施例中，安置在所述主与所述波导单元之间的折射率匹配层。
在另一额外实施例中，所述组记录波束包含通过照射所述至少一个主光栅而形成的至少一个零阶波束和至少一个衍射波束。
在另外额外实施例中，所述至少一个波导单元中的每一个由用于形成输入光栅、折叠光栅和输出光栅的三组记录波束照射。
在再另一实施例中，所述三组记录波束各自包含零阶波束和衍射波束。
在再另外实施例中，在每一所述预定义步骤处，至少两个波导单元定位成使得每一波导单元可由所述组记录波束内的至少一个记录波束照射。
再又另一实施例包含一种用于记录全息光栅的方法，所述方法包含：提供至少一个激光源；通过朝向至少一个主光栅引导来自所述至少一个激光源的第一光学路径中的光而形成一组记录波束；提供配置成支撑第一多个波导单元的第一可移动平台；将所述第一可移动平台平移到第一操作状态，使得所述第一多个波导单元内的第一组波导单元处于适当位置以由来自所述组记录波束的至少一个记录波束照射；将所述第一组波导单元曝光于所述至少一个记录波束；平移所述第一可移动平台，使得所述第一多个波导单元内的第二组波导单元处于适当位置以由所述至少一个记录波束照射；和将所述第二组波导单元曝光于所述至少一个记录波束。
在再又另外实施例中，曝光所述第一组波导单元包含形成多路复用光栅。
在又另一额外实施例中，至少一个镜面沿着所述第一光学路径安置。
在又另外额外实施例中，至少一个分束器沿着所述第一光学路径安置。
在再又另一实施例中，所述至少一个激光源和所述第一可移动平台由用于滤出环境光的滤光器围封。
在再又另外实施例中，折射率匹配层安置在主光栅与所述第一多个波导单元内的至少一个波导单元之间。
在又一额外实施例中，所述组记录波束包含通过照射所述至少一个主光栅而形成的至少一个零阶波束和至少一个衍射波束。
在再另外额外实施例中，曝光所述第一组波导单元包含在所述第一组波导单元的每一波导单元内同时形成输入光栅、折叠光栅和输出光栅。
在再再另一实施例中，使用单波束干涉曝光过程形成所述输入光栅、所述折叠光栅和所述输出光栅中的每一个。
在再再另外实施例中，所述第一组波导单元包含至少两个波导单元。
在以下描述中部分地阐述额外实施例和特征，且在参阅本说明书后，所述额外实施例和特征将部分地变得对本领域的技术人员显而易见，或可通过实践本发明习得。可通过参考形成本公开的一部分的本说明书和图式的其余部分来实现对本发明的性质和优点的进一步理解。
附图说明
将参考以下图式和数据图表更充分地理解所述描述，所述图式和数据图表呈现为本发明的示范性实施例，且不应解释为对本发明的范围的完整叙述。
图1在概念上说明根据本发明的实施例的单波束记录过程。
图2A和2B在概念上说明根据本发明的各种实施例的HPDLC SBG装置和SBG的切换性质。
图3和4在概念上说明根据本发明的实施例的用于记录安置在曝光台中的多个波导单元的全息记录系统。
图5A和5B在概念上说明根据本发明的实施例的用于记录安置在单个平台上的多个波导单元的全息记录系统。
图6A至6C在概念上说明根据本发明的实施例的用于曝光三个波导单元的批次的分步重复过程。
图7A至7C在概念上说明根据本发明的实施例的用于记录安置在两个平台上的多个波导单元的全息记录系统。
图8A至8I展示根据本发明的实施例的用于记录安置在两个平台上的多个波导单元的全息记录系统的各种操作状态的平面视图。
图9为在概念上说明根据本发明的实施例的使用分步重复过程记录全息光栅的方法的流程图。
具体实施方式
出于描述实施例的目的，光学设计和视觉显示器领域的技术人员已知的光学技术的一些众所周知的特征已省略或简化，以便不混淆本发明的基本原理。除非另外陈述，否则相对于光线或波束方向的术语“轴上”是指平行于与相对于本发明所描述的光学组件的表面正交的轴的传播。在以下描述中，术语光、光线、波束和方向可互换地且彼此相关联地使用以指示电磁辐射沿着直线轨迹的传播方向。术语光和照射可相对于电磁波谱的可见和红外波段使用。将使用光学设计领域的技术人员通常采用的术语呈现以下描述的部分。如本文中所使用，在一些实施例中，术语光栅可涵盖由一组光栅构成的光栅。出于说明性目的，应理解，除非另外陈述，否则图式未按比例绘制。
现转而参考图式，说明根据本发明的各种实施例的用于大批量制造波导的系统和方法。可在多种不同应用中利用波导中的记录全息光栅。因为许多这些应用是针对消费型产品，所以根据本发明的各种实施例的记录系统可配置成提供用于制造呈较大体积的全息波导的高效低成本构件。用于在光学记录媒体中记录光学元件(例如但不限于体光栅)的系统可以许多不同方式实施。在许多实施例中，记录系统配置成在波导单元的光学记录媒体中记录体光栅。在另外实施例中，通过将记录媒体曝光于使用至少一个激光源形成的干涉图案来记录体光栅。波导单元的多个区域的同时曝光可允许记录多个体光栅，即，可在一个波导单元中或跨多个波导单元记录多个体光栅。在若干实施例中，曝光机构在曝光堆栈上进行，所述曝光堆栈可包含至少一个波导单元和至少一个主光栅。主光栅的使用可允许记录作为拷贝或与主光栅相关的光栅。
用于大批量制造的记录系统可包含可移动平台的使用以允许使用一个激光源记录多个波导单元。取决于给定应用的特定要求，系统可利用多于一个激光源。在许多实施例中，记录系统包含多个曝光堆栈和至少一个激光源。波束扩展和转向光学器件可用于形成在曝光堆栈处引导的曝光波束。在一些实施例中，实施可移动平台以移动转向光学器件或曝光堆栈以允许逐步曝光多个曝光堆栈。在另外实施例中，实施多于一个可移动平台以允许转向光学器件和曝光堆栈两者移动。在若干实施例中，上文所描述的全息记录设备中的任一个可进一步包含用于滤出环境光的滤光器。以下章节进一步详细地论述这种系统、其它配置、光栅架构、波导单元和曝光堆栈。
光学波导和光栅结构
记录于波导中的光学结构可包含许多不同类型的光学元件，例如但不限于衍射光栅。可实施光栅以进行各种光学功能，包含但不限于耦合光、引导光和阻止光的透射。光栅可为驻留在波导的外表面上的表面浮雕光栅。在其它情况下，所实施的光栅可为布拉格光栅(也称为体光栅)，其为具有周期性折射率调制的结构。可使用多种不同方法制造布拉格光栅。一个过程包含全息光聚合物材料的干涉曝光以形成周期性结构。布拉格光栅可具有高效率，其中极少光衍射到较高阶中。衍射阶和零阶中的光的相对量可通过控制光栅的折射率调制而改变，所述折射率调制为可用于制造用于在较大光瞳上提取光的有损波导光栅的性质。
根据本发明的实施例的利用主光栅的单波束记录过程在图1中在概念上说明。如所示，将来自单个激光源(未展示)的波束100引导穿过主光栅101。在与光栅101交互后，波束100可例如在光线与主光栅101的黑色阴影区交互的情况下衍射为零阶波束，或波束100可例如在光线与主光栅101的交叉影线区交互的情况下作为零阶波束在无实质性偏差的情况下传播穿过主光栅101。一阶衍射波束102和零阶波束103可重叠以创建曝光波导单元的光学记录层104的干涉图案。在说明性实施例中，间隔物块105定位在光栅101与光学记录层104之间，以便更改两个组件之间的距离。
用于全息波导装置中的一个类别的布拉格光栅为可切换布拉格光栅(SBG)。可通过首先将光可聚合单体与液晶材料的混合物的薄膜放置在衬底之间来制造SBG。衬底可由各种类型的材料(例如玻璃和塑料)制成。在许多情况下，衬底呈并联配置。衬底还可形成楔形形状。一个或两个衬底可支撑电极，通常为透明氧化锡膜，以用于跨所述膜施加电场。SBG中的光栅结构可通过使用具有空间周期性强度调制的干涉曝光的光聚合诱发的相分离来记录于液体材料(通常称为糊浆)中。例如但不限于照射强度的控制、混合物中材料的组分体积分数和曝光温度的因素可确定所得光栅形态和性能。如可容易地了解，取决于给定应用的特定要求，可使用广泛多种材料和混合物。在许多情况下，使用HPDLC材料。在记录过程期间，单体聚合，且混合物经历相分离。LC分子聚集以形成离散或聚结的液滴，所述液滴在光波长的尺度上周期性地分布在聚合物网络中。交替的富含液晶的区和耗尽液晶的区形成光栅的条纹平面，这可产生具有由液滴中的LC分子的定向排序产生的强光学偏振的布拉格衍射。
所得体相位光栅可展现极高衍射效率，所述衍射效率可由跨膜施加的电场的量值控制。当电场经由透明电极施加到光栅时，LC液滴的自然定向可改变，从而导致条纹的折射率调制更低，且全息图衍射效率下降到极低水平。通常，电极配置成使得所施加电场将垂直于衬底。电极由氧化铟锡(ITO)或其它透明导电氧化物(TCO)制造。在一些情况下，使用折射率匹配的ITO(IMITO)。在不施加电场的关闭状态下，液晶的异常轴通常与条纹正交对准。因此，光栅对于P偏振光展现高折射率调制和高衍射效率。当电场施加到HPDLC时，光栅切换到开启状态，其中液晶分子的异常轴平行于所施加的场且因此垂直于衬底对准。在开启状态中，光栅对于S和P偏振光展现较低折射率调制和较低衍射效率。因此，光栅区不再衍射光。每一光栅区可根据HPDLC装置的功能划分成多个光栅元件，例如像素矩阵。通常，一个衬底表面上的电极为均匀且连续的，而相对衬底表面上的电极根据大量可选择性切换的光栅元件来图案化。
通常，SBG元件在30μs内切换为清零，具有更长弛豫时间以切换到开启。装置的衍射效率可借助于所施加电压在连续范围内调整。在许多情况下，装置在不施加电压的情况下展现接近100％效率且在施加足够高电压的情况下展现基本上零效率。在某些类型的HPDLC装置中，磁场可用于控制LC定向。在一些HPDLC应用中，LC材料与聚合物的相分离可实现到不会产生可辨别的液滴结构的程度。SBG还可用作无源光栅。在这一模式中，其首要益处为唯一地高折射率调制。SBG可用于提供用于自由空间应用的透射或反射光栅。SBG可实施为波导装置，其中HPDLC形成波导芯或接近波导的渐逝耦合层。用于形成HPDLC单元的衬底提供全内反射(TIR)光导引结构。当可切换光栅以超出TIR条件的角度衍射光时，光可耦合出SBG。
图2A和2B在概念上说明根据本发明的各种实施例的HPDLC SBG装置200、250和SBG的切换性质。在图2A中，SBG 200处于关闭状态。如所示，LC分子201大体上与条纹平面正交对准。因而，SBG 200展现高衍射效率，且入射光可容易地衍射。图2B说明处于开启位置的SBG 250。所施加电压251可将液滴253内的LC分子252的光轴定向以产生与聚合物的折射率匹配的有效折射率，从而基本上产生其中入射光未衍射的透明单元。在说明性实施例中，展示AC电压源。如可容易地了解，取决于给定应用的特定要求，可利用各种电压源。
在一些应用中，可从SBG提取或抽空LC以提供抽空的布拉格光栅(EBG)。EBG的特征可为表面浮雕光栅(SRG)，其归因于SRG结构的深度(其比使用表面蚀刻和通常用于制造SRG的其它常规过程实际上可实现的大得多)而具有非常类似于布拉格光栅的性质。可使用多种不同方法提取LC，包含但不限于用异丙醇和溶剂冲洗。在许多情况下，去除SBG的透明衬底中的一个，且提取LC。还可替换所去除的衬底。SRG可至少部分地用较高或较低折射率的材料回填。这种光栅提供用于定制效率、角/光谱响应、偏振和其它性质以适应各种波导应用的范围。
波导单元
波导单元可定义为含有未固化和/或未曝光的光学记录材料的装置，在其中可记录例如但不限于光栅的光学元件。在许多实施例中，可通过将光学记录材料曝光于某些波长的电磁辐射而将光学元件记录于波导单元中。通常，波导单元构造成使得光学记录材料包夹在两个衬底之间，从而产生三层波导单元。取决于应用，波导单元可以多种配置构造。在许多实施例中，波导单元通过真空填充由两个衬底制成的空波导单元来构造。还可使用其它填充方法。在若干实施例中，波导单元通过将光学记录材料沉积到一个衬底上且将复合物连同第二衬底层压以形成三层层压物来构造。可使用各种沉积技术，例如但不限于旋涂和喷墨印刷。在一些实施例中，波导单元含有多于三个层。在多个实施例中，波导单元含有可用于各种目的的不同类型的层。举例来说，波导单元可包含保护盖层、偏振控制层和对准层。
不同材料和形状的衬底可用于波导单元的构造中。在许多实施例中，衬底为由透明材料(例如但不限于玻璃和塑料)制成的板。可取决于应用而使用不同形状的衬底，例如但不限于矩形和弧形形状。衬底的厚度还可取决于应用而变化。时常，衬底的形状可确定波导的总体形状。在数个实施例中，波导单元含有具有相同形状的两个衬底。在其它实施例中，衬底具有不同形状。如可容易地了解，衬底的形状、尺寸和材料可变化且可取决于给定应用的特定要求。
在许多实施例中，珠粒或其它粒子在整个光学记录材料中分散以帮助控制光学记录材料层的厚度且帮助防止两个衬底塌陷到彼此上。在一些实施例中，波导单元构造有包夹在两个平面衬底之间的光学记录层。取决于所使用的光学记录材料的类型，归因于一些光学记录材料的粘度和光学记录层的限界周界的缺乏，厚度控制可能难以实现。在数个实施例中，珠粒为相对不可压缩的固体，其可允许构造具有一致厚度的波导单元。珠粒的大小可确定个别珠粒周围的区域的局部最小厚度。因此，可选择珠粒的尺寸以帮助获得所需光学记录层厚度。珠粒可由多种材料中的任一种制成，包含但不限于玻璃和塑料。在若干实施例中，选择珠粒的材料，使得其折射率大体上不影响光在波导单元内的传播。
在一些实施例中，波导单元构造成使得两个衬底平行或大体上平行。在这种实施例中，可在整个光学记录材料中分散相对类似大小的珠粒以帮助在整个层中获得均匀厚度。在其它实施例中，波导单元具有锥形轮廓。锥形波导单元可通过跨光学记录材料分散不同大小的珠粒来构造。如上文所论述，珠粒的大小可确定光学记录材料层的局部最小厚度。通过将珠粒分散在跨材料层的大小增加的图案中，当材料包夹在两个衬底之间时，可形成光学记录材料的锥形层。
材料组成的调制
高亮度和极佳色彩保真度是AR波导显示器中的重要因素。在每一情况下，可需要跨FOV的高均匀性。然而，波导的基本光学器件可能由于沿波导反弹的波束的间隙或重叠而导致非均匀性。另外的非均匀性可由光栅中的缺陷和波导衬底的非平面性产生。在SBG中，可存在双折射光栅的偏振旋转的另外问题。在适用的情况下，最大挑战通常为折叠光栅，其中存在由波束与光栅条纹的多个相交点产生的数百万个光路径。可利用对光栅性质(特定来说，折射率调制)的谨慎管理来克服非均匀性。
在众多可能的波束交互(衍射或零阶透射)中，只有子集对在眼框(eye box)处呈现的信号有贡献。通过从眼框反向跟踪，可精确定位对给定场点有贡献的折叠区。可接着计算出对发送更多到输出照射的暗区中所需的调制的精确校正。在使一种色彩的输出照射均匀性回到目标上之后，可针对其它色彩重复所述程序。一旦已建立折射率调制图案，就可将设计导出到沉积机构，其中每一目标折射率调制平移到用于待涂布/沉积的衬底上的每一空间分辨率单元的唯一沉积设定。沉积机构的分辨率可取决于所利用的系统的技术局限性。在许多实施例中，可将空间图案实施为具有完全可重复性的30微米分辨率。
与利用表面浮雕光栅(SRG)的波导相比，实施根据本发明的各种实施例的制造技术的SBG波导可允许在不需要不同主控装置的情况下在沉积过程期间动态调整影响效率和均匀性的光栅设计参数，例如但不限于折射率调制和光栅厚度。在其中调制由蚀刻深度控制的SRG的情况下，这种方案将不实际，因为光栅的每一变化将必然伴有重复复杂且昂贵的加工过程。另外，实现所需蚀刻深度精确度和抗蚀剂成像复杂性可能非常困难。
根据本发明的各种实施例的沉积过程可通过控制待沉积的材料的类型来提供光栅设计参数的调整。本发明的各种实施例可配置成将不同材料或不同材料组成沉积在衬底上的不同区域中。举例来说，沉积过程可配置成将HPDLC材料沉积到衬底的意图为光栅区的区域上且将单体沉积到衬底的意图为非光栅区的区域上。在若干实施例中，沉积过程配置成沉积组分组成在空间上变化的光学记录材料层，从而允许调制所沉积材料的各种方面。具有不同组成的材料的沉积可以若干不同方式实施。在许多实施例中，可利用多于一个沉积头来沉积不同材料和混合物。每一沉积头可耦合到不同材料/混合物储集器。这种实施方案可用于多种应用。举例来说，可针对波导单元的光栅和非光栅区域来沉积不同材料。在一些实施例中，HPDLC材料沉积到光栅区上，而仅单体沉积到非光栅区上。在若干实施例中，沉积机构可配置成沉积具有不同组分组成的混合物。
在一些实施例中，可实施喷射喷嘴以将多种类型的材料沉积到单个衬底上。在波导应用中，喷射喷嘴可用于沉积用于波导的光栅和非光栅区域的不同材料。在许多实施例中，喷射机构配置成用于印刷光栅，其中可使用具有至少两个可选喷射头的沉积设备来控制材料组成、双折射和/或厚度中的至少一个。在一些实施例中，制造系统提供用于沉积针对控制激光聚束而优化的光栅记录材料的设备。在若干实施例中，制造系统提供用于沉积针对控制偏振非均匀性而优化的光栅记录材料的设备。在若干实施例中，制造系统提供用于沉积针对控制与对准控制层相关联的偏振非均匀性而优化的光栅记录材料的设备。在数个实施例中，沉积作业单元可配置成用于沉积额外层，例如波束拆分涂层和环境保护层。还可实施喷墨印刷头以在衬底的不同区中印刷不同材料。
如上文所论述，沉积过程可配置成沉积组分组成在空间上变化的光学记录材料。材料组成的调制可以许多不同方式实施。在数个实施例中，喷墨印刷头可配置成通过利用印刷头中的各种喷墨喷嘴来调制材料组成。通过在“逐点(dot-by-dot)”基础上更改组成，可沉积光学记录材料层，使得其具有跨层的平面表面的不同组成。这种系统可使用多种设备实施，包含但不限于喷墨印刷头。类似于色彩系统如何使用仅几种色彩的调色板来产生数百万离散色彩值的光谱(例如印刷机中的CMYK系统或显示器应用中的添加性RGB系统)，根据本发明的各种实施例的喷墨印刷头可配置成使用不同材料的仅几个储集器用不同组成来印刷光学记录材料。不同类型的喷墨印刷头可具有不同精确度水平且可以不同分辨率印刷。在许多实施例中，利用300DPI(“点每英寸”)喷墨印刷头。取决于精确度水平，可跨给定区域确定给定数目的材料的不同组成的离散化。举例来说，给定待印刷的两种类型的材料和具有300DPI的精确度水平的喷墨印刷头，如果每一点位置可含有两种类型的材料中的任一种，那么存在跨给定体积的印刷材料的平方英寸的两种类型的材料的组成比的90,001个可能的离散值。在一些实施例中，每一点位置可含有两种类型的材料中的任一种或两种材料。在若干实施例中，多于一个喷墨印刷头配置成用在空间上变化的组成印刷光学记录材料层。虽然在两材料应用中点的印刷基本上为二进制系统，但跨区域对印刷的点进行平均可允许对待印刷的两种材料的比的滑动尺度的离散化。举例来说，跨单位平方的可能的浓度/比的离散水平的量由可在单位平方内印刷多少点位置给出。因此，可存在一系列不同浓度组合，范围为100％第一材料到100％第二材料。如可容易地了解，所述概念适用于实际单位且可由喷墨印刷头的精确度水平确定。虽然论述调制印刷层的材料组成的特定实例，但使用喷墨印刷头调制材料组成的概念可扩展以使用多于两个不同材料储集器，且精确度水平可变化，这在很大程度上取决于所使用的印刷头的类型。
改变所印刷的材料的组成可出于若干原因而为有利的。举例来说，在许多实施例中，在沉积期间改变材料的组成可允许形成具有光栅的波导，所述光栅跨光栅的不同区域具有在空间上变化的衍射效率。在利用HPDLC混合物的实施例中，这可通过在印刷过程期间调制HPDLC混合物中的液晶的相对浓度来实现，其产生可在材料曝光时产生具有不同衍射效率的光栅的组成。在若干实施例中，具有某一浓度的液晶的第一HPDLC混合物和不含液晶的第二HPDLC混合物用作在用于调制可形成于印刷材料中的光栅的衍射效率的喷墨印刷头中的印刷调色板。在这种实施例中，可基于喷墨印刷头的精确度来确定离散化。可通过跨某一区域印刷的材料的浓度/比给出离散水平。在这一实例中，离散水平在无液晶到第一PDLC混合物中的液晶的最大浓度范围内。
改变跨波导的衍射效率的能力可用于各种目的。波导通常设计成通过在波导的两个平面表面之间多次反射光而在内部导引光。这些多个反射可允许光路径多次与光栅交互。在许多实施例中，材料层可以不同组成的材料印刷，使得所形成的光栅具有在空间上变化的衍射效率以补偿在与光栅的交互期间光的损失，以允许均匀输出强度。举例来说，在一些波导应用中，输出光栅配置成在一个方向上提供出口光瞳扩展，同时还将光耦合出波导。输出光栅可设计成使得当波导内的光与光栅交互时，仅一部分光折射出波导。剩余部分在保持于TIR内的相同光路径中继续，且继续在波导内反射。在再次与相同输出光栅进行第二交互后，光的另一部分折射出波导。在每一折射期间，仍在波导内行进的光的量减小了折射出波导的量。因此，就总强度而言，在每一交互下折射的部分逐渐减小。通过改变光栅的衍射效率使得其随着传播距离增大，可补偿沿着每一交互的输出强度的减小，从而允许均匀输出强度。
改变衍射效率还可用于补偿波导内的光的其它衰减。所有物件都具有一定程度的反射和吸收。在波导内的TIR中滞留的光在波导的两个表面之间连续地反射。取决于制成表面的材料，可在每一交互期间由材料吸收光的部分。在许多情况下，这一衰减较小，但在发生许多反射的大区域上可能相当大。在许多实施例中，波导单元可用不同组成印刷，使得由光学记录材料层形成的光栅具有不同衍射效率以补偿来自衬底的光的吸收。取决于衬底，某些波长可更易于由衬底吸收。在多层波导设计中，每一层可设计成在光波长的一定范围内耦合。因此，由这些个别层耦合的光可由所述层的衬底以不同量吸收。举例来说，在数个实施例中，波导由三层堆叠制成以实施全色显示器，其中每一层设计成用于红色、绿色和蓝色中的一种。在这种实施例中，波导层中的每一个内的光栅可形成为具有不同衍射效率，以通过补偿归因于某些波长的光的透射的损失的色彩不平衡来进行色彩平衡优化。
除改变材料内的液晶浓度以便改变衍射效率之外，另一技术还包含改变波导单元的厚度。这可通过使用间隔物来实现。在许多实施例中，间隔物在波导单元的构造期间分散在整个光学记录材料中用于结构支撑。在一些实施例中，不同大小的间隔物分散在整个光学记录材料中。间隔物可跨光学记录材料层的一个方向以大小的递增次序分散。当波导单元通过层压构造时，衬底包夹光学记录材料，且在来自不同大小的间隔物的结构支撑的情况下，创建光学记录材料的楔形层。可类似于上文所描述的调制过程而分散不同大小的间隔物。另外，调制间隔物大小可与材料组成的调制组合。在若干实施例中，使用各自悬挂有不同大小的间隔物的HPDLC材料的储集器来印刷具有策略性分散的不同大小的间隔物的HPDLC材料层以形成楔形波导单元。在数个实施例中，间隔物大小调制通过提供等于不同大小的间隔物的数目与所使用的不同材料的数目的乘积的数个储集器来与材料组成调制组合。举例来说，在一个实施例中，喷墨印刷头配置成印刷具有两种不同间隔物大小的不同浓度的液晶。在这种实施例中，可制备四个储集器：具有第一尺寸的间隔物的不含液晶的混合物悬浮液、具有第二尺寸的间隔物的不含液晶的混合物悬浮液、具有第一尺寸的间隔物的富含液晶的混合物悬浮液，和具有第二尺寸的间隔物的富含液晶的混合物悬浮液。关于材料调制的进一步论述可见于2018年11月18日提交的标题为“用于制造波导单元的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR MANUFACTURING WAVEGUIDE CELLS)”的美国申请第16/203,071号。美国申请第16/203,491号的公开内容出于所有目的以全文引用的方式并入。
多层波导制造
根据本发明的各种实施例的波导制造可实施用于制造多层波导。多层波导是指利用具有光栅或其它光学结构的两个或更多个层的一类波导。虽然下文论述可涉及光栅，但可按需要实施和取代任何类型的全息光学结构。可出于各种目的实施多层波导，包含但不限于改进光谱和/或角带宽。传统上，通过堆叠和对准具有单个光栅层的波导来形成多层波导。在这种情况下，每一光栅层通常由一对透明衬底定界。为了维持所需全内反射特性，通常使用间隔物堆叠波导以在个别波导之间形成气隙。
与传统堆叠波导相比，本发明的许多实施例是针对制造具有交替的衬底层和光栅层的多层波导。这种波导可用能够依序形成用于单个波导的光栅层的迭代过程来制造。在若干实施例中，多层波导制造有两个光栅层。在数个实施例中，多层波导制造有三个光栅层。可形成任何数目个光栅层，其受到所利用的工具和/或波导设计的限制。与传统的多层波导相比，这允许减少厚度、材料和成本，因为需要更少的衬底。此外，归因于简化对准和衬底匹配要求，这种波导的制造过程允许生产中的较高良率。
根据本发明的各种实施例的用于具有交替的透明衬底层和光栅层的多层波导的制造过程可使用多种技术实施。在许多实施例中，制造过程包含将第一光学记录材料层沉积到第一透明衬底上。光学记录材料可包含各种材料和混合物，包含但不限于HPDLC混合物和以上章节中所论述的材料调配物中的任一种。类似地，可利用多种沉积技术中的任一种，例如但不限于喷涂、旋涂、喷墨印刷和以上章节中所描述的技术中的任一种。可利用各种形状、厚度和材料的透明衬底。透明衬底可包含但不限于玻璃衬底和塑料衬底。取决于应用，出于各种目的，透明衬底可涂布有不同类型的膜。一旦沉积过程完成，就可接着将第二透明衬底放置到所沉积的第一光学记录材料层上。在一些实施例中，过程包含层压步骤以将三层复合物形成为所需高度/厚度。可实施曝光过程以在第一光学记录材料层内形成一组光栅。可利用曝光过程，例如但不限于单波束干涉曝光和以上章节中所描述的其它曝光过程中的任一种。本质上，现在形成单层波导。可接着重复过程以将额外层附加到波导。在若干实施例中，将第二光学记录材料层沉积到第二透明衬底上。可将第三透明衬底放置到第二光学记录材料层上。类似于先前步骤，复合物可层压到所需高度/厚度。可接着进行第二曝光过程以在第二光学记录材料层内形成一组光栅。结果为具有两个光栅层的波导。如可容易地了解，所述过程可迭代地继续以添加额外层。额外光学记录层可添加到当前层压物的任一侧上。举例来说，可将第三光学记录材料层沉积到第一透明衬底或第三透明衬底的外表面上。
在许多实施例中，制造过程包含一个或多个后处理步骤。可在制造过程的任何阶段处进行后处理步骤，例如但不限于平坦化、清洁、施加保护涂层、热退火、LC引导件的对准以实现所需双折射状态、从所记录的SBG提取LC且用另一材料再填充等。通常在制造过程结束时进行一些过程，例如但不限于波导切割(其中产生多个元件)、边缘表面处理、AR涂层沉积、最终保护涂层施加等。
在许多实施例中，间隔物(例如但不限于珠粒和其它粒子)在整个光学记录材料中分散以帮助控制和维持光学记录材料层的厚度。间隔物还可帮助防止两个衬底塌陷到彼此上。在一些实施例中，波导单元构造有包夹在两个平面衬底之间的光学记录层。取决于所使用的光学记录材料的类型，归因于一些光学记录材料的粘度和光学记录层的限界周界的缺乏，厚度控制可能难以实现。在数个实施例中，间隔物为相对不可压缩的固体，其可允许构造具有一致厚度的波导单元。间隔物可采取任何合适的几何形状，包含但不限于杆状和球形。间隔物的大小可确定个别间隔物周围的区域的局部最小厚度。因此，可选择间隔物的尺寸以帮助获得所需光学记录层厚度。间隔物可采取任何合适的大小。在许多情况下，间隔物的大小在1到30μm范围内。间隔物可由多种材料中的任一种制成，包含但不限于塑料(例如，二乙烯基苯)、二氧化硅和导电材料。在若干实施例中，选择间隔物的材料，使得其折射率大体上不影响光在波导单元内的传播。
在许多实施例中，使用真空填充方法将第一光学记录材料层并入第一透明衬底与第二透明衬底之间。在数个实施例中，光学记录材料层在不同区段中分离，所述区段可取决于给定应用的特定要求按需要填充或沉积。在一些实施例中，制造系统配置成从下方曝光光学记录材料。在这种实施例中，迭代多层制造过程可包含翻转当前装置，使得曝光光在其入射在任何所形成的光栅层上之前入射在新沉积的光学记录层上。
在许多实施例中，曝光过程可包含临时“擦除”先前形成的光栅层或使其透明，使得所述光栅层将不干涉新沉积的光学记录层的记录过程。临时“擦除的”光栅或其它光学结构可表现为类似于透明材料，从而允许光穿过而不影响光线路径。使用这种技术将光栅记录到光学记录材料层中的方法可包含制造光学结构的堆叠，其中沉积在衬底上的第一光学记录材料层曝光以形成第一组光栅，所述第一组光栅可临时擦除以使得可使用遍历第一光学记录材料层的光学记录波束将第二组光栅记录到第二光学记录材料层中。虽然主要关于具有两个光栅层的波导来论述记录方法，但基本原理可应用于具有多于两个光栅层的波导。
并入有临时擦除光栅结构的步骤的多层波导制造过程可以不同方式实施。通常，使用常规方法形成第一层。所利用的记录材料可包含能够支持可响应于刺激而擦除的光学结构的材料系统。在光学结构为全息光栅的实施例中，曝光过程可利用交叉波束全息记录设备。在数个实施例中，光学记录过程使用由主光栅提供的波束，所述主光栅可为记录在光聚合物或振幅光栅中的布拉格全息图。在一些实施例中，曝光过程利用单个记录波束与主光栅结合以形成干涉曝光波束。除所描述的过程之外，可使用当前用于制造全息图的领域中的其它工业过程和设备。
一旦记录第一组光栅，就可类似于上文所描述的过程而添加额外材料层。在第一材料层之后的任何材料层的曝光过程期间，外部刺激可施加到任何先前形成的光栅以使其有效地透明。有效地透明的光栅层可允许光穿过以曝光新材料层。一个或多个外部刺激可包含光学、热、化学、机械、电和/或磁性刺激。在许多实施例中，在低于预定义阈值的强度下施加外部刺激以产生低于预定义水平的光学噪音。特定预定义阈值可取决于用于形成光栅的材料的类型。在一些实施例中，应用于第一材料层的牺牲对准层可用于临时擦除第一组光栅。在一些实施例中，在正常操作期间，控制施加到第一组光栅的外部刺激的强度以减小光学装置中的光学噪音。在若干实施例中，光学记录材料进一步包含用于促进擦除光栅的过程的添加剂，其可包含上文所描述的方法中的任一种。在数个实施例中，施加刺激以用于擦除的层的恢复。
可使用许多不同方法实现以上过程中所描述的所记录层的清除和恢复。在许多实施例中，通过在记录第二层期间连续地施加刺激来清除第一层。在其它实施例中，初始地施加刺激，且在允许第二光栅的记录的时间标度上，已清除层中的光栅可自然地恢复到其所记录状态。在其它实施例中，所述层在施加外部刺激之后保持已清除，且响应于另一外部刺激而恢复。在若干实施例中，可使用对准层或外部刺激进行第一光学结构到其所记录状态的恢复。用于这种恢复的外部刺激可为多种不同刺激中的任一个，包含但不限于用于清除光学结构的一个或多个刺激。取决于光学结构和待清除的层的组成材料，清除过程可变化。关于利用外部刺激的多层波导制造的进一步论述可见于2019年7月25日提交的标题为“用于制造多层光学结构的系统和方法(Systems and Methods for Fabricating aMultilayer Optical Structure)”的美国申请第16/522,491号。美国申请第16/522,491号的公开内容出于所有目的以全文引用的方式并入。
HPDLC光学记录材料系统
HPDLC混合物大体上包含LC、单体、光引发剂染料和共引发剂。混合物(常常称为糊浆)通常还包含表面活性剂。出于描述本发明的目的，表面活性剂定义为降低总液体混合物的表面张力的任何化学试剂。在PDLC混合物中使用表面活性剂为已知的且追溯到PDLC的最早研究。举例来说，R.L萨瑟兰(Sutherland)等人的论文(SPIE第2689卷，158-169，1996)(其公开内容以引用的方式并入本文中)描述包含可添加表面活性剂的单体、光引发剂、共引发剂、增链剂和LC的PDLC混合物。表面活性剂还在纳塔拉扬(Natarajan)等人的论文(非线性光学物理与材料杂志(Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials)，第5卷第l号，89-98，1996)中提及，所述论文的公开内容以引用的方式并入本文中。此外，萨瑟兰等人的美国专利第7,018,563号论述用于形成具有以下的聚合分散液晶光学元件的聚合分散液晶材料：至少一个丙烯酸单体；至少一种类型的液晶材料；光引发剂染料；共引发剂；和表面活性剂。美国专利第7,018,563号的公开内容以全文引用的方式并入。
专利和科学文献含有可用于制造SBG的材料系统和过程的许多实例，包含对调配用于实现高衍射效率、快响应时间、低驱动电压等的这种材料系统的研究。萨瑟兰的美国专利第5,942,157号和田中(Tanaka)等人的美国专利第5,751,452号均描述适合于制造SBG装置的单体和液晶材料组合。配方的实例还可见于追溯到二十世纪90年代早期的论文。许多这些材料使用丙烯酸酯单体，包含：
●R.L萨瑟兰等人，化学材料(Chem.Mater.)5，1533(1993)(其公开内容以引用的方式并入本文中)描述丙烯酸酯聚合物和表面活性剂的使用。具体来说，配方包括交联多官能丙烯酸酯单体；增链剂N-乙烯基吡咯烷酮、LC E7、光引发剂孟加拉玫瑰红(rose Bengal)和共引发剂N-苯基甘氨酸。在某些变化形式中添加表面活性剂辛酸。
●冯特奇奥(Fontecchio)等人，SID 00文摘(SID 00Digest)774-776，2000(其公开内容以引用的方式并入本文中)描述包含多官能丙烯酸酯单体、LC、光引发剂、共引发剂和链终止剂的用于反射式显示器应用的UV可固化HPDLC。
●Y.H.卓(Cho)等人，聚合物国际杂志(Polymer International)，48，1085-1090，1999(其公开内容以引用的方式并入本文中)公开包含丙烯酸酯的HPDLC配方。
●唐泽(Karasawa)等人，日本应用物理杂志(Japanese Journal of AppliedPhysics)，第36卷，6388-6392，1997(其公开内容以引用的方式并入本文中)描述各种官能次序的丙烯酸酯。
●T.J.邦宁(Bunning)等人，聚合物科学(Polymer Science)：部分B：聚合物物理(Polymer Physics)，第35卷，2825-2833，1997(其公开内容以引用的方式并入本文中)还描述多官能丙烯酸酯单体。
●G.S.扬纳基奥内(Iannacchione)等人，欧洲物理快报(Europhysics Letters)第36(6)卷425-430，1996(其公开内容以引用的方式并入本文中)描述包含五丙烯酸酯单体、LC、增链剂、共引发剂和光引发剂的PDLC混合物。
丙烯酸酯提供快速动力学、与其它材料的良好混合和与成膜过程的兼容性的益处。由于丙烯酸酯交联，因此其往往在机械上稳固且柔性。举例来说，官能度2(二)和3(三)的丙烯酸氨基甲酸酯已广泛地用于HPDLC技术。还已使用较高官能度材料，例如五和六官能干(functional stem)。
纳米粒子类光学记录材料系统
根据本发明的各种实施例的材料系统可包含能够形成全息布拉格光栅的光聚合物混合物。在数个实施例中，混合物能够使用干涉式光刻形成全息光栅。在这种情况下，通过干涉图案的不同曝光强度产生折射率调制。可使用多种光刻技术中的任一种，包含以上章节中所描述的光刻技术和本领域中众所周知的光刻技术。与依赖于通过光反应性的折射率改变的常规技术相比，根据本发明的各种实施例的材料系统和技术利用通过干涉曝光起始的相分离过程。在许多实施例中，光聚合物混合物包含不同类型的单体、染料、光引发剂和纳米粒子。单体可包含但不限于乙烯基、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、硫醇、环氧化物和其它反应性基团。在一些实施例中，混合物可包含具有不同折射率的单体。在若干实施例中，混合物可包含反应性稀释剂和/或粘合促进剂。如可容易地了解，取决于给定应用的特定要求，可按需要实施各种类型的混合物和组合物。在数个实施例中，混合物实施是基于在以下申请中所描述的材料系统：2019年1月8日提交的标题为“低混浊度液晶材料(Low HazeLiquid Crystal Materials)”的美国申请第16/242,943号、2019年1月8日提交的标题为“液晶材料和调配物(Liquid Crystal Materials and Formulations)”的美国申请第16/242,954号、2018年6月13日提交的标题为“并入有低官能度单体的全息材料系统和波导(Holographic Material Systems and Waveguides Incorporating Low FunctionalityMonomers)”的美国申请第16/007,932号和2020年2月24日提交的标题为“具有高衍射效率和低混浊度的全息聚合物分散液晶混合物(Holographic Polymer Dispersed LiquidCrystal Mixtures with High Diffraction Efficiency and Low Haze)”的美国申请第16/799,735号。美国申请第16/242,943、16/242,954、16/007,932和16/799,735号的公开内容特此出于所有目的以全文引用的方式并入。
为了形成全息光栅，主光栅可用于引导曝光波束且将干涉图案形成到未固化光聚合物材料层上以形成光栅。如上文所描述，记录过程可在波导单元上进行，所述波导单元包含由两个透明衬底包夹的未固化光聚合物材料层，所述透明衬底通常由塑料或玻璃板制成。具有未固化光聚合物材料层的波导单元可以许多不同方式形成，包含但不限于真空填充和印刷沉积过程。通过用记录波束曝光主光栅，波束的一部分将衍射，而一部分作为零阶光穿过。衍射部分和零阶部分可干涉以曝光光聚合物材料。单体和纳米粒子相分离以形成对应于干涉图案的单体和纳米粒子的交替区，从而有效地形成体布拉格光栅。在数个实施例中，利用两个不同曝光波束形成用于所需曝光的干涉图案。
取决于应用，所形成的光栅的类型和大小可极大地不同。在若干实施例中，实施纳米粒子类光聚合物系统以形成各向同性光栅。在许多不同波导应用中，各向同性光栅可为有利的。如以上章节中所描述，例如由传统的HPDLC材料系统形成的各向异性光栅的各向异性光栅可对在波导内传播的光产生偏振旋转效应，从而产生条纹和其它不合需要的伪影。并入有各向同性光栅的波导可消除这些伪影中的许多，从而改进光均匀性。在许多实施例中，与典型HPDLC光栅相比，纳米粒子类光栅对于S和P偏振光都具有高衍射效率，这实现更均匀且高效的波导。在一些实施例中，光栅为S和P偏振光中的至少一个提供至少～20％的衍射效率。在另外的实施例中，光栅为S和P偏振光中的至少一个提供至少～40％的衍射效率。如可容易地了解，取决于给定应用的特定要求，这种光栅可配置有适当偏振响应。举例来说，在数个实施例中，光栅为S偏振光提供至少～40％的衍射效率以实施具有足够亮度的波导显示器。在另外的实施例中，光栅为S偏振光提供至少～40％的衍射效率且为P偏振光提供至少～10％的衍射效率。
波导应用通常利用子波长大小的光栅以实现波导内的光的所需传播和控制。因而，本发明的若干实施例包含使用纳米粒子类光聚合物材料来形成具有小于～500nm的周期的光栅。在另外的实施例中，光栅具有～300到500nm的周期。在数个实施例中，可选择单体和纳米粒子的类型以在光栅形成的相分离过程期间提供高扩散速率。高扩散速率可有助于用于形成较小光栅的一些应用且可在所述应用中为所需的。在许多实施例中，光栅形成为具有滚动K向量，即，光栅的K向量在维持类似周期时变化。除不同周期和不同K向量之外，还可形成光栅以具有特定厚度，所述特定厚度通常由光聚合物材料层的厚度限定。如可容易地了解，形成光栅的厚度可取决于特定应用。一般来说，较薄光栅产生较低衍射效率，但产生较高操作角带宽。与其它常规材料系统相比，根据本发明的各种实施例的光聚合物材料系统能够为许多所需波导应用提供具有足够衍射效率值的薄光栅。在许多实施例中，光栅形成为具有小于～5μm的厚度。在另外的实施例中，光栅形成为具有～1到3μm的厚度。在若干实施例中，光栅具有不同厚度轮廓。
所利用的组件的类型可取决于给定应用的特定要求。举例来说，纳米粒子的类型可选择以与其余组分具有低反应性(即，针对纳米粒子对材料系统中的单体、染料、共引发剂等的非反应性选择所述纳米粒子)。在数个实施例中，利用二氧化锆纳米粒子。在许多应用中，波导效率是至关重要的。在这种情况下，具有低吸收性质的纳米粒子可为有利的。给定典型波导应用内的光栅交互的量，甚至在常规系统中视为较低的吸收值仍可导致不可接受的效率损失。举例来说，对于许多波导应用，具有高吸收性质的典型金属纳米粒子将很可能是不合需要的。因此，在许多实施例中，纳米粒子的类型选择以提供小于0.1％的吸收率。在一些实施例中，纳米粒子为非金属的。除低吸收值之外，还可考虑影响波导性能和光栅形成的其它特性。
如上文所描述，在许多波导应用中，小光栅可为有利的。与传统的HPDLC材料系统相比，相分离纳米粒子类光聚合物材料可允许归因于与LC液滴相比相对较小大小的纳米粒子而形成具有高得多的分辨率的光栅。在典型HPDLC材料系统中，LC液滴的大小为约100nm。这可在一些应用中引起某些限制。举例来说，许多波导应用实施用于在波导内形成光栅的全息曝光/记录过程。取决于应用，主光栅的特征大小的分辨率可受到限制。在若干实施例中，主光栅具有约～125nm分辨率。因此，使用100nm LC液滴形成光栅可能较困难，且几乎未留下误差容限。与本文中所描述的光聚合物材料系统相比，形成光栅的纳米粒子小至少一个数量级。在一些实施例中，材料系统包含直径小于15nm的纳米粒子。在另外的实施例中，纳米粒子的直径为～4到～10nm。与主光栅的特征大小的分辨率相比，纳米粒子的相对较小大小允许形成具有高保真度的光栅。此外，与传统HPDLC材料系统的较大液晶液滴大小相比，纳米粒子的物理特性可允许形成产生相对较低混浊度的光栅。在若干实施例中，可实现小于～1％的混浊度。在另外的实施例中，系统的混浊度小于～0.5％。
在选择待使用的纳米粒子的类型时考虑的另一重要特性包含其折射率。在例如波导显示器应用的许多应用中，组件和材料的折射率可对波导性能和效率具有较大影响。举例来说，光栅内的组件的折射率可确定其衍射效率。在一些实施例中，利用具有高折射率n的纳米粒子形成具有高衍射效率的光栅。举例来说，在数个实施例中，利用折射率为至少1.7的ZrO2纳米粒子。在一些实施例中，利用折射率为至少1.9的纳米粒子。在另外的实施例中，利用折射率为至少2.1的纳米粒子。选择光聚合物混合物内的纳米粒子和单体以提供具有高Δn的光栅。在若干实施例中，光栅的折射率调制为至少～0.04Δn。在另外的实施例中，利用折射率调制为～0.05到0.06Δn的光栅。这种材料可有利于实现对于某些波导应用具有足够衍射效率的薄光栅的形成。在数个实施例中，材料可形成具有高于30％的衍射效率的～2μm厚的光栅。在另外的实施例中，光栅的衍射效率可高于40％。在某些情况下，可实施金属纳米粒子以提供高折射率(通常为金属组件的特性)。然而，如上文所论述，金属组件通常具有高吸收率且不适合用于许多不同波导应用中。因此，本发明的许多实施例是针对具有能够形成薄、高效光栅的非金属纳米粒子的材料系统。
多波导模块曝光系统
根据本发明的各种实施例的全息记录系统可配置成用于曝光大量波导单元。在许多实施例中，记录系统利用激光源和波束扩展和转向光学器件来曝光含有波导单元的曝光堆栈。在另外的实施例中，曝光堆栈包含主光栅。在这种实施例中，待记录于波导单元中的光栅可为拷贝或与主光栅中的光栅相关。曝光堆栈可包含设计成操控从激光源到波导单元的曝光区域中的传入光的各种组件。曝光区域为波导单元上的其中光预期曝光的指定区域。如可容易地了解，曝光区域的大小和形状可变化且可很大程度上取决于待写入的体光栅。举例来说，在一些应用中，在相同波导单元中记录需要不同曝光水平的不同类型的体光栅。在许多实施例中，记录系统配置成曝光具有不同功率水平和/或持续时间的光的每一个别曝光区域，其可针对待记录的体光栅的类型而专门定制。如可容易地了解，根据本发明的各种实施例，波导单元可具有任何形状和大小的任何数目个曝光区域。本公开可并入有在2018年8月29日提交的标题为“用于全息波导的高通量记录的系统和方法(Systems andMethods for High-Throughput Recording of Holographic Waveguides)”的美国专利申请第16/116,834号中所公开的实施例和教示中的许多。美国专利申请第16/116,834号的公开内容出于所有目的以全文引用的方式并入。
曝光堆栈可用组件的不同组合构造。在许多实施例中，曝光堆栈包含主光栅和波导单元。在一些实施例中，主光栅为振幅光栅。在另外的实施例中，主光栅为由限定光栅结构的透明层和铬层组成的铬主控装置。在记录过程期间，可使用各种光学组件(例如但不限于镜面和分束器)将来自一个或多个激光源的光朝向曝光堆栈引导。在单波束记录系统中，将单波束朝向曝光堆栈中的主光栅引导。在与主光栅交互后，波束可衍射，且一阶衍射和零阶波束可形成曝光波导单元的干涉图案以形成体光栅。
在若干实施例中，曝光堆栈包含保护层，例如但不限于玻璃板，其可邻近于主光栅放置以帮助防止对光栅的机械损坏。在各种实施例中，可在各种层之间使用光学油以帮助提供折射率的连续性。
图3至4分别在概念上说明根据本发明的实施例的用于全息记录的设备的平面视图和等角视图。在说明性实施例中，记录设备可在含有波导单元和重叠主光栅的多个模块或曝光堆栈上操作，同时曝光单元的子集。图3以平面视图在概念上说明根据本发明的一个实施例的一个这种配置，其在十二个模块上操作，从而曝光四个波导单元(从而提供“四方形(quad)”曝光系统)。如所示，设备300包含支撑安置在可进一步支撑波束转向光学器件的安装件302上的激光器的平台301，和支撑用于提供三个曝光波束的波束扩展和转向光学器件303A到303C的第二平台，所述曝光波束由镜面304A到304C反射以提供波束305A到305C以用于波导部分的曝光。包含模块306A到306D的波导曝光模块沿着平台的两侧安置。在操作期间，三个曝光波束305A到305C可借助于分束器307和镜面308划分和反射，使得每一模块接收由波束305A到305C承载的曝光光的一部分。虽然图3至4说明设计成一次对四个模块的群组进行连续曝光的台，但从对图3至4的考虑应显而易见，在其它实施例中，设备可配置成一次对多于四个模块提供连续曝光。举例来说，在一些实施例中，设备配置成用于八个模块站的同时曝光。一般原理可应用于受制于经济和空间约束的任何数目个模块。在许多实施例中，可通过曝光波导安定时间确定站的数目。在若干实施例中，站的数目可在四个与二十个之间。
分步重复全息记录系统
可以许多不同方式实施用于同时曝光多个波导单元的全息记录系统。除利用曝光站的配置(例如，以上章节中所描述的配置)之外，全息记录系统还可对安装在平台上的多个波导单元实施分步重复记录过程。图5A在概念上说明根据本发明的实施例的用于记录安置在单个平台上的多个波导单元的全息记录系统。如所示，设备500包含支撑安置在第二平台503上的激光器502的底座平台501，所述第二平台503可进一步支撑波束扩展和转向光学器件。设备500进一步包含支撑用于形成来自激光器502的三个曝光波束的波束转向和扩展光学器件504A到504C的第三平台504。三个曝光波束可由镜面505A到505C反射以提供波束506A到506C以用于波导部分的曝光。用于曝光的光学部分或单元507A的阵列507可安置在安装于另外的可平移平台507C上的可移动平台507B上，所述可平移平台507C可沿着安装在平台501上的轨道508A、508B横穿。在一些配置中，光学单元507A包含安置在至少一个主光栅(未展示)上方的波导单元。在曝光过程期间，将曝光波束朝向主光栅引导以从下方曝光波导单元507A。在许多实施例中，主光栅和波导单元通过折射率匹配材料(例如但不限于折射率匹配油)分离。可包含额外轨道508C、508D以实现在第二方向上的行进。在说明性实施例中，曝光光学器件为静止的，而波导单元的阵列可以逐步方式在正交方向(X和Y)上横穿。如可容易地了解，设备500可在受制于波导单元和衬底的大小的情况下用任何量的波导单元的阵列实施。另外，设备500可配置成同时曝光一个或多个单元。在另外的实施例中，设备500配置成以连续批次(逐步地)曝光阵列内的波导单元。在图5A的实施例中，五十四个单元具备一次曝光的三个单元。在许多实施例(例如，图5A中的一个)中，波导单元可支撑输入、折叠和输出光栅。在一些实施例中，用于不同产品中的波导单元可曝光于同一衬底上。这种实施例可包含用于为每一单元类型提供所需曝光波束几何形状的额外光学器件。在若干实施例中，设备500可配置成容纳光学器件，包含但不限于镜面、分束器、波束成形光学器件、滤光器、孔隙等。图5B提供图5A的设备的等角视图。
如上文所描述，多于一个波导单元可同时曝光。利用分步重复过程，可串行曝光波导单元的批次。图6A至6C在概念上说明根据本发明的实施例的用于曝光三个波导单元的批次的分步重复过程。示意性地说明单元阵列相对于具有叠加的曝光光学头的曝光波束路径的三个不同配置。在说明性实施例中，三个主光栅可定位在曝光波束的路径中，且支撑波导单元的平台可定位在不同配置中以便曝光三个波导单元的不同批次。图6A展示第一操作状态600，其中由第一、第四和第七单元行和第三单元列所寻址的单元与三个曝光光学头重叠。图6B展示第二操作状态610，其中由第二、第五和第八单元行和第三单元列所寻址的单元与三个曝光光学头重叠。图6C展示第二操作状态620，其中由第三、第六和第九单元行和第三单元列所寻址的单元与三个曝光光学头重叠。
在许多实施例中，可提供用于支撑单元的阵列的多于一个平台。这种实施例具有以下优点：当一个阵列曝光时，另一个(其它)阵列“安定”，也就是说，用于形成光栅的相分离过程达到稳定状态。图7A在概念上说明根据本发明的实施例的具有两个衬底701702(也称为载体1和载体2)的分步和重复系统700，每一所述衬底支撑波导单元的不同阵列。图7B和7C分别展示图7A的设备700的等角视图710和侧视图720。图8A至8I展示图8A的设备的各种操作状态的平面视图。图8A在概念上说明其中两个载体填入有单元(且与主光栅重叠)的操作状态800。如所示，载体远离曝光光学头安置，其中载体1在曝光头的右方。图8B在概念上说明其中两个载体填入有单元且曝光光学头与由第一列和第一、第四和第七行所寻址的载体1的单元重叠的操作状态810。在许多实施例中，安置在载体2上的单元可在载体1上的单元曝光时安定。图8C在概念上说明其中两个载体填入有单元且曝光光学头与由第一列和第二、第五和第八行所寻址的载体1的单元重叠的操作状态820。图8D在概念上说明其中两个载体填入有单元且曝光光学头与由第一列和第三、第六和第九行所寻址的载体1的单元重叠的操作状态830。图8E在概念上说明其中两个载体填入有单元且载体远离曝光光学头安置(其中载体2在曝光头右方)的操作状态840。图8F在概念上说明其中两个载体填入有单元且曝光光学头与由第一列和第一、第四和第七行所寻址的载体2的单元重叠的操作状态850。在许多实施例中，载体1的单元可在载体2的单元曝光时安定。图8G在概念上说明其中两个载体填入有单元且曝光光学头与由第一列和第二、第五和第八行所寻址的载体2的单元重叠的操作状态860。图8H在概念上说明其中两个载体填入有单元且曝光光学头与由第一列和第三、第六和第九行所寻址的载体2的单元重叠的操作状态870。图8I在概念上说明其中两个载体填入有单元且曝光光学头与由第二列和第三、第六和第九行所寻址的载体2的单元重叠的操作状态880。
用于利用例如图5A和7A中所描述的记录系统的记录系统曝光波导单元的过程可以多种方式实施。图9为在概念上说明根据本发明的实施例的使用分步重复过程记录全息光栅的方法的流程图。如所示，方法900包含提供(901)至少一个激光源。可使用至少一个激光源形成(902)一组曝光波束。曝光波束可使用各种波束扩展和转向光学器件由单个激光源形成。取决于应用，可形成不同数目和类型的曝光波束。举例来说，所形成的曝光波束的数目可取决于待形成于每一波导单元内的光栅的数目和/或待同时曝光的波导单元的数目。曝光波束的数目还可取决于激光源的功率。如可容易地了解，可实施多于一个激光源以同时曝光更多波导单元。可提供(903)至少一个主光栅和支撑多个波导单元的可移动平台。可利用例如铬振幅光栅、体光栅和其它类型的光栅的主光栅。可使用通过用至少一个曝光波束照射主光栅而形成的干涉图案在第一波导单元中形成(904)一组全息光栅。可利用例如上文所描述的单波束曝光过程的单波束曝光过程。可移动平台可平移(905)以使得第二波导单元处于曝光路径中。可使用通过照射主光栅而形成的干涉图案在第二波导单元中形成(906)一组全息光栅，所述主光栅可为用于曝光第一波导单元的相同主光栅。如上文所描述，可实施分步重复过程以同时曝光波导单元的批次。举例来说，两个波导单元可使用两个主光栅和两个曝光波束曝光。平台可平移以将两个其它波导单元移动到适当位置。相同两个主光栅可接着用于在两个新波导单元内形成光栅。如可容易地了解，可对多于两个波导单元的批次进行这种分批曝光。
等效物原则
虽然以上描述含有本发明的许多具体实施例，但这些不应解释为对本发明的范围的限制，而是作为本发明的一个实施例的实例。因此应了解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可用除具体描述的方式之外的方式来实践本发明。因此，本发明的实施例应在所有方面中视为说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围不应由所说明的实施例确定，而应由所附权利要求书和其等效物确定。

Claims (20)

1.一种全息记录系统，其包括：
第一可移动平台，其配置成支撑用于曝光的第一多个波导单元；
至少一个主光栅；和
至少一个激光源，其配置成通过朝向所述至少一个主光栅引导光而提供一组记录波束；
其中所述第一可移动平台可沿着两个正交方向中的至少一个在预定义步骤中平移；且
其中在每一所述预定义步骤处，至少一个波导单元定位成由所述组记录波束内的至少一个记录波束照射。
2.根据权利要求1所述的全息记录系统，其进一步包括第二可移动平台，所述第二可移动平台配置成支撑用于曝光的第二多个波导单元，其中所述第二可移动平台可沿着两个正交方向中的至少一个在预定义步骤中平移。
3.根据权利要求1所述的全息记录系统，其中至少一个镜面沿着从所述至少一个激光源到所述第一可移动平台的至少一个光学路径安置。
4.根据权利要求1所述的全息记录系统，其中至少一个分束器沿着从所述至少一个激光源到所述第一可移动平台的至少一个光学路径安置。
5.根据权利要求1所述的全息记录系统，其进一步包括用于滤出环境光的滤光器。
6.根据权利要求1所述的全息记录系统，其进一步包括安置在所述主与所述波导单元之间的折射率匹配层。
7.根据权利要求1所述的全息记录系统，其中所述组记录波束包括通过照射所述至少一个主光栅而形成的至少一个零阶波束和至少一个衍射波束。
8.根据权利要求1所述的全息记录系统，其中所述至少一个波导单元中的每一个由用于形成输入光栅、折叠光栅和输出光栅的三组记录波束照射。
9.根据权利要求8所述的全息记录系统，其中所述三组记录波束各自包括零阶波束和衍射波束。
10.根据权利要求1所述的全息记录系统，其中在每一所述预定义步骤处，至少两个波导单元定位成使得每一波导单元可由所述组记录波束内的至少一个记录波束照射。
11.一种用于记录全息光栅的方法，所述方法包括：
提供至少一个激光源；
通过朝向至少一个主光栅引导来自所述至少一个激光源的第一光学路径中的光而形成一组记录波束；
提供配置成支撑第一多个波导单元的第一可移动平台；
将所述第一可移动平台平移到第一操作状态，使得所述第一多个波导单元内的第一组波导单元处于适当位置以由来自所述组记录波束的至少一个记录波束照射；
将所述第一组波导单元曝光于所述至少一个记录波束；
平移所述第一可移动平台，使得所述第一多个波导单元内的第二组波导单元处于适当位置以由所述至少一个记录波束照射；和
将所述第二组波导单元曝光于所述至少一个记录波束。
12.根据权利要求11所述的方法，其中曝光所述第一组波导单元包括形成多路复用光栅。
13.根据权利要求11所述的方法，其中至少一个镜面沿着所述第一光学路径安置。
14.根据权利要求11所述的方法，其中至少一个分束器沿着所述第一光学路径安置。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个激光源和所述第一可移动平台由用于滤出环境光的滤光器围封。
16.根据权利要求11所述的方法，其中折射率匹配层安置在主光栅与所述第一多个波导单元内的至少一个波导单元之间。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述组记录波束包括通过照射所述至少一个主光栅而形成的至少一个零阶波束和至少一个衍射波束。
18.根据权利要求11所述的方法，其中曝光所述第一组波导单元包括在所述第一组波导单元的每一波导单元内同时形成输入光栅、折叠光栅和输出光栅。
19.根据权利要求18所述的方法，其中使用单波束干涉曝光过程形成所述输入光栅、所述折叠光栅和所述输出光栅中的每一个。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一组波导单元包括至少两个波导单元。
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