CN115190837A - 制造用于形成具有一体间隔件的目镜的模具的方法 - Google Patents
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Abstract
公开了制造用于形成具有波导的目镜的模具的方法，该波导具有一体间隔件。模具通过使用湿法蚀刻或干法蚀刻将深孔(例如，5μm至1000μm深)蚀刻到基板中来形成。用于限定孔的蚀刻掩模可以由厚金属层和/或多层不同金属形成。抗蚀剂层可以被设置在蚀刻掩模之上。抗蚀剂层可以被图案化以形成孔的图案，该图案可以被转移到蚀刻掩模，并且蚀刻掩模可以用于将图案转移到下伏基板中。图案化的基板可用作模具，在该模具上可以引入可流动聚合物并使其硬化。孔中的硬化的聚合物可以形成一体间隔件。硬化的聚合物可以被从模具中去除以形成具有一体间隔件的波导。
Description
优先权权益
本申请要求2020年2月28日提交的名称为METHOD OF FABRICATING MOLDS FORFORMING EYEPIECES WITH INTEGRATED SPACERS(制造用于形成具有一体间隔件的目镜的模具的方法)的美国专利临时申请62/983518；以及2020年6月23日提交的名称为METHOD OFFABRICATING MOLDS FOR FORMING EYEPIECES WITH INTEGRATED SPACERS(制造用于形成具有一体间隔件的目镜的模具的方法)的美国专利临时申请63/043039的优先权权益。上述申请中的每一个通过引用整体并入本文。
相关申请的相交引用
本申请通过引用的方式整体并入以下专利申请中的每一个：2014年11月27日提交的美国申请号14/555,585，其在2015年7月23日被公开为美国公开号2015/0205126；2015年4月18日提交的美国申请号14/690,401，其在2015年10月22日被公开为美国公开号2015/0302652；2014年3月14日提交的美国专利申请号14/212,961，其现在为2016年8月16日公布的美国专利号9,417,452；2014年7月14日提交的美国申请号14/331,218，其在2015年10月29日被公开为美国公开号2015/0309263；以及2018年4月2日提交的名称为HYBRID POLYMERWAVEGUIDE AND METHODS FOR MAKING THE SAME(混合聚合物波导及其制造方法)的美国申请号62/651,507。
技术领域
本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强现实显示系统。
背景技术
现代计算和显示技术有利于了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以看起来或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及对其它实际的真实世界视觉输入不透明地呈现数字或虚拟图像信息；增强现实或“AR”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息作为对用户周围实际世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景，并且通常涉及整合到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，在MR场景中，AR图像内容可以被真实世界中的对象遮挡或者被感知为与真实世界中的对象交互。
参考图1，示出了增强现实场景10，其中AR技术的用户看到真实世界的公园式设置环境20，该设置环境以人、树、位于背景中的建筑物以及混凝土平台30为特征。除了这些项之外，AR技术的用户还感知到他“看到”“虚拟内容”，例如站在真实世界平台30上的机器人雕像40，以及飞过的卡通式化身角色50，该角色看上去是大黄蜂的化身，尽管这些元素40、50在真实世界中不存在。由于人类视觉感知系统复杂，因此产生便于从其它虚拟或真实世界图像元素当中舒适、自然、丰富地呈现虚拟图像元素的AR技术极具挑战性。
本文公开的系统和方法解决了与AR和VR技术相关的各种挑战。
发明内容
在一些实施例中，提供了一种形成模具的方法。该模具可用于形成具有一体间隔件的波导。所述方法包括：提供基板；在所述基板之上沉积蚀刻掩模层；在所述蚀刻掩模层中限定开口；以及通过所述蚀刻掩模层蚀刻所述基板以在所述基板中限定开口。所述基板中的所述开口具有在5μm至1000μm之间的深度。
在一些实施例中，所述方法还包括：在所述蚀刻掩模层之上沉积光致抗蚀剂层；以及在所述光致抗蚀剂层中光刻限定开口。在所述蚀刻掩模层中限定开口包括将所述光致抗蚀剂层中的所述开口延伸到所述蚀刻掩模层中。在一些实施例中，所述方法还包括：在沉积所述蚀刻掩模之前，在所述基板之上沉积粘附层。
在一些实施例中，所述方法还包括：在停止沉积所述蚀刻掩模之后，增强(augment)所述蚀刻掩模层。增强所述蚀刻掩模层包括：在所述蚀刻掩模层上直接沉积附加蚀刻掩模材料。沉积所述附加蚀刻掩模材料可以包括气相沉积。沉积所述附加蚀刻掩模材料可以包括电镀。所述附加蚀刻掩模材料可以是与在沉积所述蚀刻掩模层期间沉积的材料相同的材料。
在一些实施例中，蚀刻掩模层具有10nm至200nm的厚度。在一些实施例中，通过所述蚀刻掩模层蚀刻所述基板包括湿法蚀刻。在一些实施例中，通过所述蚀刻掩模层蚀刻所述基板包括干法蚀刻。在一些实施例中，所述基板由光学透明材料形成，所述光学透明材料可以选自由玻璃、石英和熔融二氧化硅构成的组。在一些实施例中，所述蚀刻掩模层由金属形成。
在一些实施例中，所述方法还包括：在所述基板中限定内部开口。所述内部开口的高度与所述基板中的所述开口的高度的比率可以是500:1或更大。在一些实施例中，所述比率是100000:1或更小。在一些实施例中，所述内部开口具有与所述衍射光栅对应的尺寸和周期性。在一些实施例中，所述方法还包括：去除所述蚀刻掩模层。
附图说明
图1示出了用户通过AR装置看到的增强现实(AR)的视图。
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。
图3A至3C示出了曲率半径与焦半径之间的关系。
图4A示出了人类视觉系统的适应-聚散(accommodation-vergence)响应的表示。
图4B示出了用户的一双眼睛的不同适应状态和聚散状态的示例。
图4C示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图表示的示例。
图4D示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图表示的另一示例。
图5示出了用于通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的各方面。
图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。
图7示出了由波导输出的出射光束的示例。
图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。
图9A示出了分别包括耦入光学元件的一组堆叠波导的示例的截面侧视图。
图9B示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。
图9C示出了图9A和9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。
图9D示出了可穿戴显示系统的示例。
图10A示出了包括间隔件的波导的示例。
图10B示出了间隔件和用于容纳间隔件的凹部的3维形状的示例。
图10C示出了包括间隔件的波导堆叠的示例。
图11A示出了包括具有光散射特征的间隔件的波导的示例。
图11B示出了包括间隔件和在间隔件与紧邻的波导之间的界面处的防漏光材料的波导堆叠的示例。
图12A-12C示出了用于形成具有间隔件的波导的方法的示例。
图13A-13B示出了包括间隔件的波导的俯视图的示例。
图14示出了包括具有不同尺寸的间隔件和凹部的波导的示例。
图15A-15G示出了用于形成具有间隔件的混合波导的方法的示例。
图16示出了具有被吸收材料覆盖的边缘的波导的示例。
图17-18示出了波导的示例，该波导具有在波导的顶部主表面和底部主表面的部分上延伸的光吸收材料。
图19-20示出了关于不同吸收材料的根据入射角的光吸收的模拟结果。
图21示出了具有粗糙边缘的波导的示例，该粗糙边缘可被吸收材料覆盖。
图22A示出了包括具有耦出光栅和吸收材料的边缘的波导的示例。
图22B-22C示出了包括具有光捕获结构和光吸收材料的边缘的波导的示例。
图23示出了沿着波导的边缘放置光吸收材料的示例的边缘。
图24示出了具有一体间隔件的波导堆叠。
图25示出了用于形成具有一体间隔件的波导的模具的示例。
图26-28示出了在制造与图25的模具类似的模具的过程期间形成的各种中间结构的示例。
图29A-29B示出了蚀刻掩模中的间隙或针孔以及导致的对下伏基板的损伤的示例。
图30A-30C提供了用于减轻(mitigate)蚀刻掩模中的间隙的方法的示例。
图31示出了在用于湿法蚀刻基板以形成用于一体间隔件的模具的工艺流程中形成的中间结构的示例。
图32是示出了用于湿法蚀刻基板以形成用于一体间隔件的模具的工艺流程的示例的框图。
图33是示出了用于干法蚀刻基板以形成用于一体间隔件的模具的工艺流程的示例的框图。
图34示出了分别使用湿法蚀刻和干法蚀刻形成的开口的横截面轮廓的示例。
具体实施方式
近眼增强和虚拟现实显示系统可以包括目镜，以用于将图像信息引导到观看者的眼睛中。目镜可以由波导堆叠形成，这些波导通过中间的胶珠间隔开。应当理解，珠子(bead)的尺寸和由珠子供的波导之间的分隔可能会影响目镜的光学性能和显示系统所感知的图像质量。例如，可以在特定位置形成珠子，然后可以以特定压力将上覆波导压在珠子上，之后可以通过固化使珠子硬化。结果，间隔件的形成可能需要精确对准和受控压力以在整个波导堆叠中维持波导之间的恒定分隔距离。提供如此精确的对准和压力控制可能具有挑战性。此外，在波导由聚合物形成的情况下，聚合物波导可以是柔性的，并且利用材料珠来分隔波导可能无法提供足够的机械或结构稳定性来维持波导之间的期望分隔。
在一些实施例中，可用于形成波导堆叠的一个或多个波导可包括用于提供与诸如其他波导之类的上覆或下伏结构的期望分隔的一体间隔件。波导可以各自包括表面起伏特征，例如通过压印与间隔件同时形成的衍射光学元件。在一些实施例中，间隔件和波导的主体形成单片结构。在一些实施例中，波导可以是包括多个层的混合波导，其中多个层中的一个可以包括间隔件和衍射光学元件。在一些实施例中，间隔件可以沿着与衍射光学元件相同的轴横向伸长，这可以有利于间隔件和衍射光学元件的制造而不使这些特征变形。
在一些实施例中，间隔件和/或凹部(indentation)可以具有不同的尺寸，例如宽度，和/或多个间隔件和/或凹部可以形成为相邻组的间隔件和/或凹部。例如，波导的两个主表面都可以包括间隔件和凹部，从而形成具有间隔件和凹部以及下伏和/或上覆匹配波导的互锁系统。有利地，不同尺寸的间隔件和/或凹部以及/或者相邻组的间隔件和/或凹部可以增加单个波导和/或波导堆叠的机械和结构稳定性。
在一些实施例中，间隔件被设置在波导的一个主表面上，并且凹部被设置在波导的相对主表面上。凹部的尺寸和位置与紧邻的波导的间隔件对准，从而形成自对准的波导堆叠。间隔件的顶部可以设置有光散射特征和/或防漏光材料(例如，抗反射涂层和/或光吸收材料)以防止波导之间的漏光。
在一些实施例中，波导堆叠中的不同波导可以被配置为耦入和/或耦出不同颜色的光，例如，用于形成全彩图像的不同分量颜色的光。另外或替代地，波导中的不同波导可以被配置为输出具有不同波前发散量的光，以在距观看者不同的表观距离处显示图像内容。
有利地，与波导一体间隔件提供刚性结构，用于容易且可再现地使间隔件堆叠中的间隔件分离。此外，在波导中提供匹配的凹部进一步有利于通过提供自对准堆叠来制造一致的间隔件堆叠。除了有利于光通过各个波导的全内反射之外，间隔件之间的一致分隔可以通过一致地防止光在波导之间泄漏来提供一致的光学性能。此外，可以通过消除用于沉积材料珠、精确地向波导施加压力、然后使胶材料硬化的单独的步骤来简化制造过程。相反，在波导包括衍射光学元件的情况下，间隔件可以与衍射光学元件同时形成。
如本文所讨论的，波导可以形成用于增强和虚拟现实显示系统的目镜。波导可以被配置为输出光以向观看者显示图像内容。应当理解，波导内的一些光束可以行进通过波导而不被耦出到观看者。这种光在本文中可以称为未被利用的光。在某些情况下，未被利用的光可能会从波导的边缘反射并通过波导传播回来，其中光可能会从波导传播出来(例如，通过波导中的耦出元件被耦出，或者由于光从边缘反射的角度而逃脱全内反射)。不期望地，未被利用的光从波导中传播出来可能会导致视觉伪影，例如重影和/或显示系统对比度的降低。
在一些实施例中，可用于形成波导堆叠(其可包括用于分离相邻波导的一体间隔件)的一个或多个波导可包括边缘处理以减少或减轻不期望的反射和从波导出来的未被利用的光的传播，从而改善图像质量。作为示例，边缘处理可以包括被施加到波导的一个或多个边缘的光吸收材料和/或在这些边缘处形成的防反射结构。在一些实施例中，边缘处理可以包括黑化材料、黑色墨水、光吸收材料、边缘粗糙化、耦出光栅、光捕获结构、吸收聚合物，以及这些和其他处理的组合。
有利地，在一些实施例中，可以在形成间隔件和/或衍射光学元件的同时形成各种边缘处理。例如，压印模具可以包括用于限定边缘处理的图案(例如，图案可以限定粗糙纹理、耦出光学元件和/或光捕获微结构)。
在一些实施例中，可以使用压印或铸造工艺来形成本文所公开的具有一体间隔件的波导。例如，一体间隔件和波导可以通过铸造工艺同时形成，其中液态的波导材料流到包含期望在波导的表面上形成的特征(例如，间隔件和/或例如光栅的光学元件)的负(negative)的模具之上或之中。然后让材料固化并去除模具，留下具有一体间隔件(以及可能的其他特征，例如光学元件)的波导。
蚀刻工艺可用于在模具中限定期望的负性特征。然而，诸如间隔件之类的特征的尺寸对于常规制造工艺而言可能具有挑战性，并且可能导致表面缺陷，这可能会不期望地产生光学伪影。有利地，根据各种实施例的包括湿法或干法蚀刻的制造工艺允许形成用于形成一体间隔件的大开口，同时在基板的表面和/或基板背侧提供低水平的缺陷。在一些实施例中，多部分蚀刻掩模堆叠(例如，包括与光致抗蚀剂层堆叠的多层蚀刻掩模和/或金属蚀刻掩模)可用于形成尺寸适合于形成一体间隔件的开口，同时保护基板的表面免受不期望的蚀刻。在一些实施例中，可以利用湿法和/或干法蚀刻通过蚀刻掩模来蚀刻基板。有利地，可以基于要形成的开口的期望横截面轮廓来选择湿法或干法蚀刻。例如，与干法蚀刻相比，湿法蚀刻可用于形成具有更圆角的更宽开口。
在一些实施例中，可以通过使用多部分蚀刻掩模堆叠将深孔或开口蚀刻到基板中来形成模具。在一些实施例中，孔可以是5μm到1000μm深。用于限定孔的蚀刻掩模可以由厚金属层和/或多层不同金属形成。抗蚀剂层可以被设置在蚀刻掩模之上。可以将抗蚀剂层图案化以形成孔的图案，该团可以被转移到蚀刻掩模，并且可以使用蚀刻掩模将图案转移到下伏基板中。图案化的基板可用作模具，可在其上引入可流动聚合物并使其硬化。孔中的硬化的聚合物可以形成一体间隔件。硬化的聚合物可以从模具中去除(脱模)以形成具有一体间隔件的波导。
已经发现，基板的面上的缺陷可能是由所沉积的金属蚀刻掩模中的针孔引起的。不期望地，即使当金属蚀刻掩模在基板的蚀刻之后似乎被保留时，金属蚀刻掩模中的针孔也可能允许一些蚀刻剂通过金属蚀刻掩模而泄漏，从而导致在跨基板表面的隔离位置发生对基板的不期望的蚀刻。在一些实施例中，已经发现可以通过增强金属蚀刻掩模的厚度来减轻针孔，例如，通过沉积附加的蚀刻掩模材料层、通过使用足够厚以在基板的整个蚀刻中被保留的光致抗蚀剂层和/或通过电镀来增加较早沉积的金属层的厚度。此外，在一些实施例中，可以使用所沉积的金属层和/或粘附的牺牲基板来保护基板的下侧。
现在将参考附图，在所有附图中，相同的参考标号表示相同的部件。除非另外指出，否则这些附图是示意性的，并且不一定按比例绘制。
示例显示系统
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。将理解，用户的眼睛是间隔开的，并且当观看空间中的真实对象时，每只眼睛具有稍微不同的对象视图，并且可以在每只眼睛的视网膜上的不同位置处形成对象的图像。这可以被称为双眼视差，并且可以被人类视觉系统用于提供深度感。传统的显示系统通过呈现具有对同一虚拟对象的略微不同的视图的两个不同图像190、200(每只眼睛210、220对应一个图像)来模拟双目视差，这些图像对应于将被每只眼睛看成所需深度处的真实对象的虚拟对象的视图。这些图像提供双眼线索，用户的视觉系统可以解释该双眼线索以获得深度感。
继续参考图2，图像190、200与眼睛210、220在z轴上间隔开一距离230。z轴平行于眼睛注视观看者正前方的光学无限远处的对象的观看者的光轴。图像190、200是平坦的并且与眼睛210、220保持固定距离。基于分别呈现给眼睛210、220的图像中的虚拟对象的略微不同的视图，眼睛可以自然地旋转，以使得对象的图像落在每只眼睛的视网膜上的相应点上，以保持单一双眼视觉。该旋转可以使得每只眼睛210、220的视线会聚到虚拟对象被感知存在于的空间点上。因此，提供三维图像通常涉及提供双眼线索，这些线索可以操纵用户眼睛210、220的聚散度，并且被人类视觉系统解释以提供深度感。
然而，产生逼真且舒适的深度感是具有挑战性的。应当理解，来自与眼睛相距不同距离的对象的光具有发散量不同的波前。图3A至3C示出了距离与光线发散之间的关系。对象和眼睛210之间的距离按照距离减小的顺序R1、R2和R3表示。如图3A至3C所示，随着到对象的距离减小，光线变得更加发散。相反，随着距离的增加，光线变得更加准直。换言之，可以说，由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其是该点离用户眼睛多远的函数。曲率随着对象和眼睛210之间的距离的减小而增大。虽然为了清楚地说明在图3A至3C和本文的其它图中仅示出了单只眼睛210，但是关于眼睛210的讨论可应用于观看者的双眼210和220。
继续参考图3A至3C，来自观看者的眼睛所注视的对象的光可以具有不同程度的波前发散。由于波前发散量不同，光可以通过眼睛的晶状体不同地聚焦，这反过来可能需要晶状体呈现不同的形状以在眼睛的视网膜上形成聚焦图像。在视网膜上没有形成聚焦图像的情况下，所产生的视网膜模糊充当适应线索，该适应引起眼睛晶状体形状的改变，直到在视网膜上形成聚焦图像。例如，适应线索可以触发眼睛晶状体周围的睫状肌舒张或收缩，从而适应施加到保持晶状体的悬韧带的力，从而使眼睛晶状体的形状改变，直到消除或最小化注视对象的视网膜模糊，从而在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像。眼睛晶状体改变形状的过程可被称为适应，并且可以将在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像所需的眼睛晶状体形状称为适应状态。
现在参考图4A，示出了人类视觉系统的适应-聚散响应的表示。眼睛移动以注视对象导致眼睛接收来自对象的光，其中光在眼睛的每个视网膜上形成图像。在视网膜上形成的图像中视网膜模糊的存在可以提供适应线索，并且图像在视网膜上的相对位置可以提供聚散线索。适应线索导致适应发生，从而使得眼睛晶状体分别呈现特定适应状态，该状态在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成对象的聚焦图像。另一方面，聚散线索导致聚散运动(眼睛旋转)发生，使得在每只眼睛的每个视网膜上形成的图像处于保持单个双眼视觉的相应视网膜点处。在这些位置中，可以说，眼睛已经呈现特定的聚散状态。继续参考图4A，适应可以被理解为眼睛实现特定适应状态的过程，并且聚散可以被理解为眼睛实现特定聚散状态的过程。如图4A所示，如果用户注视另一对象，则眼睛的适应和聚散状态可以改变。例如，如果用户注视z轴上的不同深度处的新对象，则适应状态可能改变。
不受理论的限制，可以认为对象的观看者可能由于聚散和适应的组合而将对象感知为“三维的”。如上所述，两只眼睛相对于彼此的聚散运动(例如，眼睛旋转以使得瞳孔朝向或远离彼此移动以使眼睛的视线会聚而注视对象)与眼睛晶状体的适应紧密相关。在正常情况下，根据被称为“适应-聚散反射”的关系，改变眼睛晶状体形状以将焦点从一个对象改变到不同距离处的另一对象将自动导致到同一距离的匹配聚散变化。同样，在正常情况下，聚散的变化将触发晶状体形状的匹配变化。
现在参考图4B，示出了眼睛的不同适应状态和聚散状态的示例。一双眼睛222a注视光学无限远处的对象，而一双眼睛222b注视小于光学无限远处的对象221。值得注意的是，每双眼睛的聚散状态是不同的，其中一双眼睛222a望向正前方，而一双眼睛222会聚在对象221上。形成每双眼睛222a和222b的眼睛的适应状态也是不同的，如晶状体210a、220a的不同形状所示。
不期望地，传统“3D”显示系统的许多用户发现，这样的传统系统由于这些显示器中适应和聚散状态之间的失配而令人感到不舒服或者可能根本不能感知深度感。如上所述，许多立体或“3D”显示系统通过向每只眼睛提供略微不同的图像来显示场景。这样的系统对于许多观看者来说是不舒服的，因为除了其他之外，这样的系统仅提供场景的不同呈现并且引起眼睛聚散状态的改变，但是这些眼睛的适应状态未发生相应的变化。相反，图像由相对于眼睛处于固定距离处的显示器示出，使得眼睛在单个适应状态下查看所有图像信息。这种安排通过在适应状态未发生匹配变化的情况下引起聚散状态改变来应对“适应-聚散反射”。这种失配被认为会引起观看者的不适。在适应和聚散之间提供更好匹配的显示系统可以形成更逼真和舒适的三维图像模拟。
不受理论的限制，可以认为人眼通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感。因此，可以通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一者相对应的不同图像呈现来实现高度可信的感知深度模拟。在一些实施例中，不同的呈现可以同时提供聚散线索和匹配的适应线索，从而提供生理上正确的适应-聚散匹配。
继续参考图4B，示出了两个深度平面240，这两个深度平面对应于相对于眼睛210、220的不同空间距离。对于给定深度平面240，可以通过为每只眼睛210、220显示具有适当不同的透视的图像来提供聚散线索。此外，对于给定深度平面240，形成提供给每只眼睛210、220的图像的光可以具有与由该深度平面240的距离处的点所产生的光场对应的波前发散。
在所示实施例中，包含点221的深度平面240沿z轴的距离是1米。如本文所使用的，可以利用位于用户眼睛出射光瞳处的零点来测量沿z轴的距离或深度。因此，位于1米深度处的深度平面240对应于用户眼睛的光轴上的距用户眼睛的出射光瞳1米的距离，其中眼睛指向光学无限远。作为近似，沿z轴的深度或距离可以从用户眼睛前方的显示器(例如，从波导的表面)测量，加上该装置与用户眼睛出射光瞳之间的距离的值。该值可以被称为出瞳距离并且对应于用户眼睛出射光瞳与用户在眼睛前方穿戴的显示器之间的距离。在实践中，出瞳距离的值可以是对于所有观看者通用的标准化值。例如，可以假设出瞳距离是20mm，并且处于1米深度处的深度平面可以在显示器前面980mm的距离处。
现在参考图4C和4D，分别示出了匹配的适应-聚散距离和失配的适应-聚散距离的示例。如图4C所示，显示系统可以向每只眼睛210、220提供虚拟对象的图像。这些图像可以使眼睛210、220呈现一聚散状态，在该聚散状态下，眼睛会聚在深度平面240上的点15处。此外，图像可以由具有与该深度平面240处的真实对象相对应的波前曲率的光形成。结果，眼睛210、220呈现一适应状态，在该适应状态下，图像聚焦在这些眼睛的视网膜上。因此，用户可以将虚拟对象感知为位于深度平面240上的点15处。
应当理解，眼睛210、220的适应和聚散状态中的每一者与z轴上的特定距离相关联。例如，距眼睛210、220特定距离处的对象使得这些眼睛基于对象的距离呈现特定适应状态。与特定适应状态相关联的距离可以被称为适应距离Ad。类似地，存在与特定聚散状态相关联的特定聚散距离Vd或相对于彼此的位置。在适应距离和聚散距离匹配的情况下，可以说适应和聚散之间的关系在生理学上是正确的。这被认为是对于观看者最舒适的场景。
然而，在立体显示器中，适应距离和聚散距离可能不总是匹配。例如，如图4D所示，显示给眼睛210、220的图像可以以对应于深度平面240的波前发散被显示，并且眼睛210、220可以呈现特定适应状态，在该适应状态下，该深度平面上的点15a、15b焦点对准。然而，显示给眼睛210、220的图像可以提供聚散线索，此线索导致眼睛210、220会聚在不位于深度平面240上的点15处。因此，在一些实施例中，适应距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到深度平面240的距离，而聚散距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到点15的更大距离。适应距离不同于聚散距离。因此，存在适应-聚散失配。这种失配被认为是不合需要的并且可能引起用户的不适。应当理解，失配对应于距离(例如，Vd-Ad)并且可以使用屈光度来表征。
在一些实施例中，应当理解，可以使用眼睛210、220的出射光瞳以外的参考点来确定用于确定适应-聚散失配的距离，只要相同的参考点被用于适应距离和聚散距离即可。例如，可以测量从角膜到深度平面，从视网膜到深度平面，从目镜(例如，显示装置的波导)到深度平面，从眼睛的旋转中心到深度平面的距离等等。
不受理论限制，认为在适应-聚散失配本身不导致明显不适的情况下，用户仍然可以将最高为0.25屈光度，最高为0.33屈光度和最高为约0.5屈光度的适应-聚散失配感知为在生理上正确的。在一些实施例中，本文公开的显示系统(例如，图6中的显示系统250)向观看者呈现具有约0.5屈光度或更小的适应-聚散失配的图像。在一些其它实施例中，由显示系统提供的图像的适应-聚散失配为约0.33屈光度或更小。在另外一些实施例中，由显示系统提供的图像的适应-聚散失配为约0.25屈光度或更小，其中包括约0.1屈光度或更小。
图5示出了用于通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的各方面。该显示系统包括波导270，该波导270被配置为接收用图像信息编码的光770，并将该光输出到用户的眼睛210。波导270可以输出具有限定量的波前发散的光650，该波前发散与所需深度平面240上的点产生的光场的波前发散对应。在一些实施例中，为在该深度平面上呈现的所有对象提供相同的波前发散量。另外，将说明可以向用户的另一只眼睛提供来自类似波导的图像信息。
在一些实施例中，单个波导可被配置为输出具有设定量的波前发散的光，该波前发散对应于单个深度平面或有限数量深度平面的波前发散，和/或波导可被配置为输出有限波长范围的光。因此，在一些实施例中，可以利用多个波导或波导堆叠来为不同的深度平面提供不同量的波前发散和/或输出不同波长范围的光。如本文所使用的，应当理解，深度平面可以遵循平坦表面或者弯曲表面。在一些实施例中，有利地，为简单起见，深度平面可以遵循平坦表面的轮廓。
图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导堆叠或堆叠的波导组件260，波导组件260可被用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。应当理解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为光场显示器。此外，波导组件260也可以被称为目镜。
在一些实施例中，显示系统250可被配置为提供基本连续的聚散线索和多个离散的适应线索。可以通过向用户的每只眼睛显示不同的图像来提供聚散线索，并且可以通过输出具有可选择的离散量的波前发散的用于形成图像的光来提供适应线索。换言之，显示系统250可被配置为输出具有可变波前发散水平的光。在一些实施例中，每个离散水平的波前发散对应于特定深度平面，并且可以由波导270、280、290、300、310中的特定一者提供。
继续参考图6，波导组件260还可包括波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可被配置为以各种级别的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导级别可以与特定深度平面相关联，并且可被配置为输出与该深度平面相对应的图像信息。图像注入装置360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可以被用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如本文所述，每个波导可以被配置为使入射光分布跨过每个相应的波导，以朝向眼睛210输出。光从图像注入装置360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且被注入到波导270、280、290、300、310的对应的输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一者可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面的部分(即，直接面向世界510或观看者眼睛210的波导表面中的一者)。应当理解，波导的主表面对应于波导的表面，其中波导的厚度在该表面之间延伸。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入到每个波导中以输出克隆的准直光束的整个场，所述克隆的准直光束以特定角度(和发散量)被导向眼睛210，所述特定角度(和发散量)对应于与特定波导相关联的深度平面。在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400中的单个可与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，三个)相关联并将光注入其中。
在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是离散显示器，每个离散显示器分别产生用于注入到对应的波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其他实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，例如，该多路复用显示器可以经由一个或多个光学导管(例如，光纤光缆)将图像信息通过管道传输到图像注入装置360、370、380、390、400中的每一者。应当理解，由图像注入装置360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色的光(例如，如本文所讨论的不同的组分颜色)。
在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由光投射器系统520提供，光投射器系统520包括光模块530，光模块530可包括光发射器，例如发光二极管(LED)。来自光模块530的光可以经由分束器550被光调制器540(例如，空间光调制器)引导和修改。光调制器540可以被配置为改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度以用图像信息对光进行编码。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)，LCD包括硅上液晶(LCOS)显示器。应当理解，图像注入装置360、370、380、390、400被示意性地示出，并且在一些实施例中，这些图像注入装置可以表示公共投射系统中的不同光路和位置，该公共投射系统被配置为将光输出到波导270、280、290、300、310中的关联的波导中。在一些实施例中，波导组件260中的波导可以用作理想透镜，同时将注入到波导中的光中继输出到用户的眼睛。在该概念中，对象可以是空间光调制器540，并且图像可以是深度平面上的图像。
在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，扫描光纤显示器包括一个或多个扫描光纤，一个或多个扫描光纤被配置为以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如(Lissajous)图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中，并且最终投射到观看者的眼睛210。在一些实施例中，所示的图像注入装置360、370、380、390、400可示意性地表示单个扫描光纤或扫描光纤束，单个扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入到一个或多个波导270、280、290、300、310中。在一些其他实施例中，所示的图像注入装置360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，多个扫描光纤或多个扫描光纤束中的每一者被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的关联波导中。应当理解，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530传输到一个或多个波导270、280、290、300、310。应当理解，可以在一个或多个扫描光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间设置一个或多个居间光学结构，以例如将从扫描光纤出射的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。
控制器560控制堆叠波导组件260中的一个或多个的操作，包括图像注入装置360、370、380、390、400、光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的部分。控制器560包括编程(例如，非暂时性介质中的指令)，该编程根据例如本文公开的各种方案中的任何方案，调节定时和向波导270、280、290、300、310提供图像信息。在一些实施例中，控制器可以是单个整体装置，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图9D)的部分。
继续参考图6，波导270、280、290、300、310可以被配置为通过全内反射(TIR)在每个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或具有另一种形状(例如，弯曲的)，具有顶部主表面和底部主表面以及在这些顶部主表面和底部主表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括耦出光学元件570、580、590、600、610，耦出光学元件570、580、590、600、610被配置为通过重定向光来从波导中提取光，在各自对应的波导内部传播，从波导出射以将图像信息输出到眼睛210。所提取的光也可以被称为耦出光，而耦出光学元件光也可以被称为光提取光学元件。所提取的光束可以在波导中传播的光照射到光提取光学元件的位置处由波导输出。如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以例如是光栅，光栅包括衍射光学特征。虽然被示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是为了便于描述和绘制清楚，在一些实施例中，如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以被直接设置在波导270、280、290、300、310的体积内。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在附接到透明基板的材料层中，以形成波导270、280、290、300、310。在一些其他实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该片材料的表面上和/或内部中。
继续参考图6，如本文所讨论的，每个波导270、280、290、300、310被配置为输出光以形成与特定深度平面对应的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置为将准直光(其被注入到这样的波导270中)传递到眼睛210。该准直光可以代表光学无限远焦平面。下一上行波导280可以被配置为发出准直光，该准直光在可以到达眼睛210之前传输通过第一透镜350(例如，负透镜)；这样的第一透镜350可以被配置为产生轻微凸起的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自该下一上行波导280的光解释为来自从光学无限远向内更靠近眼睛210的第一焦平面。类似地，第三上行波导290使其输出光在到达眼睛210之前传输通过第一透镜350和第二透镜340两者；第一透镜350和第二透镜340的组合光焦度可以被配置为产生波前曲率的另一增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自从光学无限远向内比来自向下一上行波导280的光进一步更靠近人的第二焦平面。
其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，以获得代表与人最靠近的焦平面的总焦度。为了在观察/解释来自堆叠波导组件260的另一侧上的世界510的光时补偿透镜堆叠320、330、340、350，可以在堆叠的顶部设置补偿透镜层620以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的总焦度。这种配置提供与可用的波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些替代实施例中，通过使用电活性特征，它们中的一者或全部两者可以是动态的。
在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可具有相同的关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置为将图像集输出到相同深度平面，或者波导270、280、290、300、310中的多个子集可以被配置为将图像集输出到相同的多个深度平面，每个深度平面一个集。这可以为形成平铺图像提供优势，以在那些深度平面处提供扩展的视野。
继续参考图6，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为既将光重定向到它们相应的波导之外，也为与该波导相关联的特定深度平面输出具有适当的发散量或准直量的该光。结果，具有不同的关联深度平面的波导可以具有不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610，不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610根据关联的深度平面输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积特征或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积全息、表面全息和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以简单地是间隔件(例如，包层和/或用于形成气隙的结构)。
在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或“衍射光学元件”(在本文中也称为“DOE”)。优选地，DOE具有足够低的衍射效率，使得只有一部分光束借助DOE的每个相交点向眼睛210偏转，而其余部分经由TIR继续前进通过波导。因此，携带图像信息的光被分成多个相关的出射光束，这些出射光束在多个位置处从波导出射，并且对于在波导内弹跳的此特定准直光束，结果是向眼睛210出射的相当均匀的图案。
在一些实施例中，一个或多个DOE可以在它们活跃地衍射的“开启”状态和它们不显著衍射的“关闭”状态之间可切换。例如，可切换的DOE可以包括聚合物分散液晶层，其中，微滴包括处于主体介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会显著地衍射入射光)或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率失配的折射率(在这种情况下，图案活跃地衍射入射光)。
在一些实施例中，可提供相机组件630(例如，数码相机，包括可见光相机和红外光相机)以捕捉眼睛210和/或眼睛210周围的组织的图像，以例如检测用户输入和/或监视用户的生理状态。如此处所使用的，相机可以是任何图像捕捉装置。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕捉装置和光源，以将光(例如，红外光)投射到眼睛，然后光可以被眼睛反射并被图像捕捉装置检测。在一些实施例中，相机组件630可以被附接到框架80(图9D)并且可以与处理模块140和/或处理模块150电连通，处理模块140和/或处理模块150可以处理来自相机组件630的图像信息。在一些实施例中，每个眼睛可以使用一个摄像机组件630，以分别监视每只眼睛。
现在参考图7，示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但应当理解，波导组件260(图6)中的其他波导可以类似地起作用，其中，波导组件260包括多个波导。光640在波导270的输入表面460处被注入波导270，并通过TIR在波导270内传播。在光640照射在DOE570上的点处，一部分光作为出射光束650从波导出射。出射光束650被示为基本平行，但是如本文所讨论的，它们也可以被重定向以一角度(例如，形成发散的出射光束)传播到眼睛210，该角度取决于与波导270相关联的深度平面。应当理解，基本上平行的出射光束可以指示具有耦出光学元件的波导，耦出光学元件耦出光以形成看起来设置在距离眼睛210的远距离处(例如，光学无穷远)的深度平面上的图像。其他波导或耦出光学元件的其他集合可以输出更加发散的出射光束图案，这将要求眼睛210适应更近的距离以使更加发散的出射光束图案聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无限远更靠近眼睛210的距离处的光。
在一些实施例中，可以通过在组分颜色(例如，三种或更多种组分颜色)中的每一者中叠加图像来在每个深度平面处形成全彩图像。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中，每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。所示的实施例示出了深度平面240a-240f，但也可以预期更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三个或更多个组分颜色图像，包括：第一颜色G的第一图像；第二颜色R的第二图像；以及第三颜色B的第三图像。对于字母G，R和B之后的屈光度(dpt)，在图中通过不同的数字表示不同的深度平面。仅作为示例，这些字母中的每一者后面的数字表示屈光度(1/m)，或该深度平面距观看者的距离倒数，并且图中的每个框表示单独的组分颜色图像。在一些实施例中，为了考虑眼睛对不同波长的光的聚焦的差异，不同组分颜色的深度平面的精确放置可以变化。例如，给定深度平面的不同组分颜色图像可以被放置在与距用户不同距离相对应的深度平面上。这样的布置可以增加视敏度和用户舒适度，和/或可以减少色差。
在一些实施例中，每种组分颜色的光可以由单个专用波导输出，因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在这样的实施例中，图中包括字母G、R或B的每个框可以被理解为表示单独的波导，并且每个深度平面可以提供三个波导，其中，每个深度平面提供三个组分颜色图像。尽管为了便于描述，在此图中与每个深度平面相关联的波导被示出为邻近彼此，但应当理解，在物理装置中，波导可以全部布置为每层一个波导的堆叠形式。在一些其他实施例中，多个组分颜色可以由相同的波导输出，使得例如每个深度平面可以仅提供单个波导。
继续参考图8，在一些实施例中，G是绿色，R是红色，B是蓝色。在一些其他实施例中，除了红色、绿色或蓝色之外，可以使用与其他波长的光(包括品红色和青色)相关联的其他颜色，或者这些其他颜色可以替代红色，绿色或蓝色中的一种或多种。
应当理解，贯穿本公开对给定颜色的光的提及将被理解为包括在被观看者感知为具有该给定颜色的光的波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包括在约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括在约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括在约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。
在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置为发射观看者的视觉感知范围之外的一个或多个波长的光，例如红外和/或紫外波长的光。此外，显示器250的波导的耦入、耦出和其他光重定向结构可以被配置为引导此光并使此光从显示器出射朝向用户的眼睛210，例如，用于成像和/或用户刺激应用。
现在参考图9A，在一些实施例中，可能需要将照射在波导上的光重定向以将该光耦入到波导中。可以使用耦入光学元件将光重定向并且耦入到其对应的波导中。图9A示出了多个堆叠波导或堆叠波导组660的示例的截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。波导可以被各自配置为输出一个或多个不同波长的光，或一个或多个不同波长范围的光。应当理解，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，并且除了来自一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400的光从需要光被重定向以耦入的位置被注入波导中之外，堆叠660的所示波导可以与多个波导270、280、290、300、310中的部分对应。
图示的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括关联的耦入光学元件(其也可以被称为波导上的光输入区域)，其中例如耦入光学元件700被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件710被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件720被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720中的一个或多个可以被设置在相应波导670、680、690的底部主表面上(特别是在一个或多个耦入光学元件是反射性的偏转光学元件的情况下)。如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690(或下一下行波导的顶部)的顶部主表面上，特别是在那些耦入光学元件的是透射性的偏转光学元件的情况下。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在相应的波导670、680、690的体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720是波长选择性的，使得它们选择性地重定向一个或多个波长的光，同时透射其他波长的光。尽管在它们相应的波导670、680、690的一侧或拐角上示出，但是应当理解，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690的其他区域中。
如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被彼此横向偏移。在一些实施例中，每个耦入光学元件可以被偏移，使得耦入光学元件接收光，而光无需传输通过另一耦入光学元件。例如，如图6所示，每个耦入光学元件700、710、720可以被配置为从不同的图像注入装置360、370、380、390和400接收光，并且可以从其他耦入光学元件700、710、720分开(例如，横向间隔开)，使得该耦入光学元件基本上不接收来自耦入光学元件700、710、720中的其他耦入光学元件的光。
每个波导还包括关联的光分布元件，其中，例如，光分布元件730被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件740被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件750被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的底部主表面上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的顶部主表面上和底部主表面上；或者光分布元件730、740、750可以被分别设置在不同的关联的波导670、680、690中的顶部主表面和底部主表面中的不同主表面上。
波导670、680、690可以被例如气体、液体和/或固体材料层间隔开并分隔开。例如，如图所示，层760a可以使波导670和波导680分隔开；并且层760b可以使波导680和波导690分隔开。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成紧邻的波导670、680、690中的一个波导的材料的折射率低的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率与形成波导670、680、690的材料的折射率相差0.05或更大，或0.10或更小。有利地，较低折射率层760a、760b可以作为包层，包层有利于通过波导670、680、690的光的全内反射(TIR)(例如，在每个波导的顶部主表面与底部主表面之间的TIR)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。尽管未示出，但应当理解，所示波导组660的顶部和底部可包括紧邻的包层。
优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料相似或相同，并且形成层760a、760b的材料相似或相同。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料在一个或多个波导之间可以是不同的，和/或形成层760a、760b的材料可以是不同的，同时仍然保持上述各种折射率关系。
继续参考图9A，光线770、780、790入射在波导组660上。应当理解，光线770、780、790可以通过一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400(图6)注入到波导670、680、690中。
在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的特性，例如，对应于不同的颜色的不同的波长或不同的波长范围。耦入光学元件700、710、720各自使入射光偏转，使得光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应的一个。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720各自选择性地使一个或多个特定波长的光偏转，同时将其他波长透射到下伏波导和关联的耦入光学元件。
例如，耦入光学元件700可以被配置为使具有第一波长或第一波长范围的光线770偏转，同时分别透射具有不同的第二波长或第二波长范围的光线780和具有第三波长或第三波长范围的光线790。透射光线780照射在耦入光学元件710上并被耦入光学元件710偏转，该耦入光学元件710被配置为使第二波长或第二波长范围的光偏转。光线790被耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置为选择性地使第三波长或第三波长范围的光偏转。
继续参考图9A，偏转的光线770、780、790被偏转为使得光线770、780、790传播通过对应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的耦入光学元件700、710、720将光偏转到该对应的波导670、680、690中，以将光耦入到该对应的波导中。光线770、780、790以一定角度被偏转，该角度使光通过TIR传播通过相应的波导670、680、690。光线770、780、790通过TIR传播通过相应的波导670、680、690，直到照射到波导的对应的光分布元件730、740、750上。
现在参考图9B，示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。如上所述，耦入的光线770、780、790分别被耦入光学元件700、710、720偏转，然后分别在波导670、680、690内通过TIR传播。然后，光线770、780、790分别照射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，使得光线770、780、790分别朝向耦出光学元件800、810、820传播。
在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(OPE)。在一些实施例中，OPE将光偏转或分布到耦出光学元件800、810、820，并且在一些实施例中，还可以在光向耦出光学元件传播时增加此光的光束或光斑尺寸。在一些实施例中，可以省略光分布元件730、740、750，并且耦入光学元件700、710、720可以被配置为将光直接偏转到耦出光学元件800、810、820。例如。参考图9A，光分布元件730、740、750可分别被耦出光学元件800、810、820代替。在一些实施例中，耦出光学元件800、810、820是出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)，其将光导入观看者的眼睛210(图7)。应当理解，OPE可以被配置为在至少一个轴上增大眼框(eye box)的尺寸，并且EPE可以在与OPE的轴相交(例如正交)的轴上增大眼框。例如，每个OPE可以被配置为将到达OPE的光的一部分重定向到同一波导的EPE，同时允许光的剩余部分继续沿波导传播。在再次照射到OPE上时，剩余光的另一部分被重定向到EPE，并且该部分的剩余部分继续沿波导进一步传播，依此类推。类似地，在到达EPE时，照射光的一部分被朝向用户导出波导，并且该光的剩余部分继续传播通过波导，直到它再次到达EPE，此时照射光的另一部分被导出波导，依此类推。因此，每当单束耦入光的一部分被OPE或EPE重定向时，该光可以“被复制”，从而形成克隆光束的场，如图6所示。在一些实施例中，OPE和/或EPE可以被配置为修改光束的尺寸。
因此，参考图9A和图9B，在一些实施例中，波导组660包括：波导670、680、690；耦入光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及耦出光学元件(例如，EP)800、810、820，用于每种组分颜色。波导670、680、690可以被堆叠有每个波导之间的气隙/包层。耦入光学元件700、710、720将入射光(其中不同耦入光学元件接收不同波长的光)重定向或偏转到其波导中。然后光以一角度传播，该角度将导致相应波导670、680、690内的TIR。在所示的示例中，光线770(例如，蓝光)被第一耦入光学元件700偏转，然后继续沿波导反弹，以先前描述的方式与光分布元件(例如，OPE)730和耦出光学元件(例如，EP)800相互作用。光线780和光线790(例如，分别为绿光和红光)将传输通过波导670，其中光线780照射在耦入光学元件710上并被其偏转。然后，光线780经由TIR沿波导680反弹，前进到其光分布元件(例如，OPE)740，然后前进到耦出光学元件(例如，EP)810。最后，光线790(例如，红光)传输通过波导690而照射在波导690的光耦入光学元件720上。光耦入光学元件720使光线790偏转为使得该光线通过TIR传播到光分布元件(例如，OPE)750，然后通过TIR传播到耦出光学元件(例如，EP)820。然后，耦出光学元件820最终将光线790耦出到观看者，观看者还从其他波导670、680接收耦出光。
图9C示出了图9A和图9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。如图所示，波导670、680、690以及每个波导的关联的光分布元件730、740、750和关联的耦出光学元件800、810、820可以竖直对准。然而，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720不是竖直对准的；相反，耦入光学元件优选地是不重叠的(例如，当在俯视图中观看时横向间隔开)。如本文进一步讨论的，此不重叠的空间布置有助于将来自不同资源的光一对一地注入到不同波导中，从而允许特定光源被唯一地耦合到特定波导。在一些实施例中，包括不重叠的空间分离的耦入光学元件的布置可以被称为移位的光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可以与子光瞳对应。
图9D示出了可穿戴显示系统60的示例，本文公开的各种波导和相关系统可以被整合到该可穿戴显示系统60中。在一些实施例中，显示系统60是图6的系统250，其中图6示意性地更详细示出该系统60的某些部件。例如，图6的波导组件260可以是显示器70的一部分。
继续参考图9D，显示系统60包括显示器70，以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦接到框架80，该框架80是可由显示系统用户或观看者90佩戴的，并且该框架80被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前方。在一些实施例中，显示器70可以被视为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦接到框架80并且被配置为位于邻近用户90的耳道(在一些实施例中，另一个扬声器(未示出)可以可选地位于邻近用户的另一个耳道，以提供立体/可塑形声音控制)。显示系统60还可以包括一个或多个麦克风110或其他装置以检测声音。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令的选择、自然语言问题等)，和/或可以允许与其他人(例如，与类似的显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风可以进一步被配置为外围传感器以收集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示系统60可以还包括一个或多个向外定向的环境传感器112，其被配置为检测对象、刺激、人、动物、位置或用户周围世界的其他方面。例如，环境传感器112可以包括一个或多个相机，这些相机可以例如面向外定位以便捕捉与用户90的普通视场的至少一部分类似的图像。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，该传感器120a可以与框架80分离，并且被附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置为获取表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。
继续参考图9D，显示器70通过通信链路130(例如，通过有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地数据处理模块140，本地数据处理模块140可以以各种配置来安装，诸如固定地附接到框架80，固定地附接到由用户佩戴的头盔或帽子，嵌入耳机中，或以其他方式(例如，以背包式配置、以腰带耦接式配置)可去除地附接到用户90。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b(例如，有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地处理和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，两者都可被用于辅助数据的处理、缓存和存储。可选地，本地处理和数据模块140可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等等。数据可以包括a)从传感器(其可以例如可操作地耦接到框架80或以其他方式附接到用户90)捕捉的数据，传感器诸如为图像捕捉装置(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、GPS单元、无线电装置、陀螺仪和/或本文公开的其他传感器；以及/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据储存库160(包括与虚拟内容有关的数据)获取和/或处理的数据，可能用于在这样的处理或检索之后向显示器70传送。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180诸如经由有线或无线通信链路可操作地耦接到远程处理模块150和远程数据储存库160，使得这些远程模块150、160可操作地彼此耦接，并且可用作本地处理和数据模块140的资源。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括图像捕捉装置、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、GPS单元、无线电装置和/或陀螺仪中的一者或多者。在一些其他实施例中，这些传感器中的一者或多者可以被附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立结构。
继续参考图9D，在一些实施例中，远程处理模块150可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器，例如，包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等等。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括数字数据存储设施，其可以通过因特网或“云”资源配置中的其他网络配置获得。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括一个或多个远程服务器，所述远程服务器向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息，例如，用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，在本地处理和数据模块中存储所有数据，并且执行所有计算，允许从远程模块完全自主地使用。可选地，包括CPU、GPU等的外部系统(例如，一个或多个处理器、一个或多个计算机的系统)可以执行至少一部分处理器(例如，生成图像信息，处理数据)，并且例如经由无线或有线连接向模块140、150、160提供信息，以及从这些模块接收信息。
示例波导结构
现在参考图10A，示出了包括间隔件的波导的示例。波导1000包括主光学透射体1010和从主体1010的主表面1022竖直延伸的间隔件1020。优选地，间隔件1020与波导1000形成一体并且与限定主表面1022的波导的至少一部分形成单片结构。更优选地，间隔件1020与整个波导1000形成单片结构，其中波导1000的材料竖直延伸以形成间隔件1020。结果，间隔件1020和主体1010可以是由相同的材料形成，并且没有中间边界。
在一些实施例中，间隔件1020可以由与主体1010不同的材料形成，使得在间隔件1020和主体1010的界面处存在中间边界。例如，间隔件1020可以包括局部沉积的材料，然后将其压印以形成间隔件1020。
在一些实施例中，凹部1030被设置为延伸到波导1000的主表面1032中。如图所示，主表面1032以及由此的凹部1030被设置在波导1000的与主表面1022相对的一侧。如本文进一步讨论的，凹部1030优选地被定位、被成形和其尺寸被设计为使得下伏波导(未示出)的间隔件可以被容纳在那些凹部1030内。类似地，间隔件1020优选地被定位、被成形和其尺寸被设计为使得它们可以被容纳在上覆波导(未示出)的凹部内。在一些实施例中，波导1000可以被设置为不具有凹部1030，并且任何下伏间隔件可以简单地接触主表面1032。
继续参考图10A，在一些实施例中，主表面1022可以包括表面起伏特征1040。如图所示，间隔件1020竖直延伸到大于表面起伏特征1040的顶部的高度。优选地，间隔件1020具有足以将波导1000与上覆波导隔开期望的分隔距离(例如30μm或更大)的高度。在一些实施例中，间隔件1020具有30μm或更大的高度。如本文所讨论的，在一些实施例中，间隔件1020可以装配在上覆波导的凹部1030内。在这样的实施例中，间隔件1020的高度可以等于波导之间的期望分隔(例如，30μm)加上插入有间隔件的凹部的高度。
作为表面起伏特征1040的补充或替代，在一些实施例中，相对的主表面1032可以包括表面起伏特征1050。在一些实施例中，表面起伏特征1040和1050之一或两者可以包括突起和凹部的图案，其尺寸被设计为并被布置为形成衍射光学元件，例如衍射光栅。应当理解，这样的衍射光学元件可以对应于图9A-9C中的耦入光学元件700、710、720；光分布元件730、740、750；或耦出光学元件800、810、820中的一个或多个。在一些实施例中，波导1000可以省略表面起伏特征1040、1050之一或两者，使得除了间隔件1020、1030之外，主表面1022、1032可以是平滑的。
在一些实施例中，表面起伏特征1040、1050可以有利地增加波导1000的给定范围内的表面起伏特征的密度并且可以是相同的。在一些其他实施例中，表面起伏特征1040、1050可以不同。例如，表面起伏特征1040可以被配置为衍射不同波长和/或不同入射角的光和/或从表面起伏特征1050以不同角度输出光。
继续参考图10A，波导1000由光学透射材料形成，例如，高度透明的材料。优选地，该材料具有高折射率，这可以针对提供大视场而提供优点。在一些实施例中，该材料具有大于1.5或大于1.65的折射率。形成波导1000的材料可以是高度透明的聚合物材料，例如有机聚合物材料。高折射率材料的示例包括基于聚酰亚胺的高折射率树脂、含卤素(例如，含溴或含碘)聚合物、含磷聚合物、基于硫醇的聚合物和高折射率树脂材料。高折射率树脂材料的示例包括可从日本神奈川县川崎的NTT-AT商购获得的那些，例如以名称#565和#566出售的高折射率树脂；以及可从美国俄亥俄州阿克伦的Akron Polymer System商购的高折射率树脂材料，例如以名称APS-1000、APS2004、APS-4001、以及APS 3000系列的一部分出售的高折射率树脂。
现在参考图10B，示出了用于间隔件和用于容纳间隔件的凹部的3维形状的示例。在一些实施例中，间隔件1020和对应的凹部1030可以是横向伸长的三维体积。应当理解，这种横向伸长的体积可以为结构稳定性和机械强度提供优势，特别是在波导用于形成类似波导堆叠的情况下。这种横向伸长的三维体积的示例是形状A，矩形棱柱。在一些实施例中，间隔件1020和对应的凹部1030可以具有其他形状，包括矩形棱柱(形状B)、圆柱体(形状C)、矩形棱锥(形状D)、三棱锥(形状E)和圆锥体(形状F)。应当理解，在单个波导和/或波导堆叠中，在一些实施例中，可以使用多种不同的形状。在一些实施例中，具有尖端形状(例如，矩形棱锥(形状D)、三棱锥(形状E)或圆锥体(形状F))的间隔件1020的顶部可以被倒圆或平坦化以减小与例如另一波导的上覆结构的接触点处的应力。在通过压印形成间隔件1020的情况下，可以通过适当成形的模具或压印标线来形成形状顶部的期望的圆形或平坦化。
现在参考图10C，示出了包括间隔件的波导堆叠的示例。波导堆叠1100包括独立的波导1000a、1000b和1000c，它们分别具有光学透射体1010a、1010b、1010c。每个波导分别包括间隔件1020a、1020b、1020c。优选地，每个波导还分别包括凹部1030a、1030b、1030c，用于容纳直接位于下方的波导的间隔件。应当理解，间隔件的高度大于凹部的深度，使得一旦被容纳到凹部中，间隔件通过间隙(例如，气隙)将波导分离。如图所示，间隔件1020b装配在凹部1030a内，并且间隔件1020c装配在凹部1030b内。
在一些实施例中，波导1000a、1000b、1000c中的一个或多个可以包括在那些波导的一个或多个主表面上的表面起伏特征。例如，这些波导中的每一个可以包括与波导1000的表面起伏特征1040、1050(图10A)对应的表面起伏特征1040a、1050b。在一些实施例中，波导1000a、1000b、1000c中的不同波导可以包括衍射光学元件，该衍射光学元件被配置为将不同波长的光耦入和/或耦出，例如，该不同波长对应于用于形成全彩图像的不同分量颜色。例如，波导1000a、1000b、1000c可以对应于图9A-9C的波导670、680、690。
应当理解，光可以通过全内反射传播通过波导1000a、1000b、1000c，例如，从耦入光学元件到耦出光学元件。此外，波导之间的漏光可能会劣化图像质量。为了降低间隔件1020、1020a、1020b、1020c可能是用于波导之间的漏光的通道(conduit)的可能性，间隔件1020、1020a、1020b、1020c优选地设置在位于耦入光学元件和耦出光学元件之间的光的传播路径之外的位置处。
在一些实施例中，可以在间隔件1020、1020a、1020b、1020c和紧邻的波导之间的界面处使用光散射特征和防漏光材料中的一种或两种来减轻波导之间的漏光。防漏光材料的示例包括光吸收材料和形成抗反射涂层的材料层。图11A示出了包括间隔件1020的波导的示例，该间隔件1020在间隔件的被配置为与上覆波导成界面的表面上具有光散射特征1060。在一些实施例中，光散射特征1060可以采取在间隔件1020的表面上的峰和谷(例如，不规则定向的峰和谷)的形式。在一些实施例中，光散射特征1060可以被仅设置在间隔件的顶表面上。在一些其他实施例中，光散射特征1060也可以在间隔件1020的侧面上延伸。应当理解，光散射特征1060可以通过对间隔件1020的表面进行粗糙化而形成，例如通过磨蚀。在一些实施例中，光散射特征1060可以在形成间隔件1020期间形成。例如，间隔件1020可以通过压印形成，并且用于形成间隔件1020的模具可以包括用于在间隔件1020的顶部形成光散射特征1060的图案，从而有利地允许同时形成波导特征(例如，衍射光学元件1040)、间隔件1020和光散射特征1060。应当理解，由于担心分立的诸如间隔件的一体突起的断裂和不能准确地再现形成衍射光学元件1040和光散射特征1060的构成特征，通常认为诸如玻璃之类的常规波导材料与这种同时形成不兼容。
如上所述，在一些实施例中，可以使用一层或多层材料来防止间隔件和波导之间的漏光。图11B示出了波导堆叠1100的示例，该波导堆叠1100包括间隔件1020a、1020b、1020c和在间隔件与紧邻的波导1000a、1000b、1000c之间的界面处的防漏光材料1070。例如，防漏光材料1070可以是光吸收材料和/或形成抗反射涂层的一层或多层材料。防漏光材料1070可以设置在间隔件1020b和波导1000a之间。防漏光材料1070还可以设置在间隔件1020c和波导1000b之间。在一些实施例中，防漏光材料1070可以在将间隔件附到另一波导之前被施加到间隔件。例如，防漏光材料1070可以在将间隔件插入到上覆波导中的匹配凹部中之前被沉积在间隔件的表面上。用作防漏光材料1070的光吸收材料的示例包括炭黑、介孔碳、碳纳米管(单壁以及多壁纳米管)。碳纳米管的示例包括单原子碳纳米管，例如可从英国纽黑文的Surrey NanoSystems获得的VANTA BLACK@。在一些实施例中，防漏光材料1070可以是光吸收粘合剂，其可用于将间隔件粘附到上覆波导。在一些实施例中，间隔件可以在间隔件和上覆波导之间的界面处包括光散射特征和防漏光材料。
继续参考图11B，防漏光材料1070可以形成抗反射涂层。抗反射涂层的示例包括由部分反射和部分透射材料层形成的单层和多层抗反射涂层。
现在参考图12A-12C，示出了用于形成具有间隔件的波导的方法的示例。参考图12A，提供了一对模具1200、1202。模具1202包括凸起特征1250的图案，其可以是要在待形成的波导中限定的期望图案的负(negative)。在一些实施例中，模具1202包括用于在待形成的波导中形成凹部的多个凸起特征1230。用于形成波导的大量材料1012被沉积在模具1202上。
参考图12B，将模具1200、1202放在一起以压缩材料1012(图12A)。被压缩的材料可经受固化过程(例如，暴露于UV光)以硬化该材料以形成波导1010。如图所示，负性图案1250限定图案化结构1050，其可以是衍射光学元件。应当理解，可以根据需要在模具1202上设置附加的负性图案以形成包括衍射光学元件的附加的结构。
参考图12C，模具1200、1202相对于彼此移动分开。波导1010从模具中释放，从而形成波导1000。
参考图12A-12C，应当理解，在一些其他实施例中，凸起特征1230被省略，使得所得波导1000不包括凹部1030。相反，在一些实施例中，下伏波导的间隔件仅停留在上覆波导的底部主表面上。
如本文所讨论的，间隔件1020优选地形成在远离波导的耦入和耦出光学元件之间的光的传播路径的位置处。图13A-13B示出了包括间隔件的波导的俯视平面图的示例。如图13A所示，间隔件1020优选地沿着波导1000的外围定位。应当理解，间隔件1020可以因此围绕其中布置有衍射光学元件(例如，耦入和耦出光学元件)的区域。
在一些实施例中，参考图13B，间隔件1020可以沿着与表面起伏特征1040相同的轴1042伸长。在这样的实施例中，间隔件1020可以包括沿轴1042具有相对长的扩展的间隔件，以及具有相对较短的扩展的多个其他间隔件1020’。例如，这些其他间隔件1020’可以间隔开并排列成组1024，其中间隔件组沿着与轴1042交叉的轴间隔开。有利地，使间隔件1020、1020’沿与表面起伏特征1040相同的轴1042伸长可以有利于间隔件和表面起伏特征的一致制造。例如，在一些实施例中，间隔件和表面起伏特征可以通过使用模具压印来形成，随后通过将模具和波导彼此剥离而去除该模具。应当理解，这种剥离可以沿轴1042进行，并且沿不同轴伸长的间隔件或表面起伏特征在去除模具时可能面临断裂或变形的增加的可能性。
现在参考图14，示出了包括具有不同尺寸的间隔件1020和凹部1030的波导的示例。应当理解，一些间隔件1020可能比其他的间隔件宽。间隔件1020的宽度可以根据它们在波导1000上的位置而变化。例如，在不太可能与光相互作用的位置处的间隔件1020可能宽于在间隔件1020更可能接收光和非故意将光泄漏到相邻波导中的位置处的间隔件1020。
继续参考图14，在一些实施例中，可以提供多个并排的间隔件1020和/或多个并排的凹部1030来代替图10A所示的单个间隔件1020和单个凹部1030。例如，如图所示，可以提供两个并排的间隔件1020和两个对应的并排的凹部1030来代替图10A的单个间隔件1020和1030。在一些实施例中，并排的间隔件和凹部可以具有不同的宽度。在一些实施例中，可以在波导1000的顶部和底部主表面上提供间隔件。在这样的实施例中，间隔件和凹部可以在形成堆叠时互锁，从而有利地增加使用这些波导所形成的波导堆叠的稳定性和机械强度。在一些实施例中，单独的间隔件1020可以包括多个层(tier)，其宽度随着距波导的主表面的距离而减小。
在一些实施例中，波导1000可以是由多个不同材料层形成的混合波导。例如，混合波导可以包括芯层和至少一个辅助层。优选地，芯层由高度透明的材料形成，以及辅助层由更薄的材料层形成，其中设置了诸如衍射光学元件的表面起伏结构。在一些实施例中，形成芯层的材料是高度透明的聚合物，例如，跨芯层的厚度在可见光谱中具有大于85％、大于90％或大于96％的透明度中继透射率。该材料可以是可流动的材料(例如，可流动的聚合物)，其可以流动到表面上并随后例如通过固化而硬化。辅助层可以比芯层薄，并且优选由与芯层不同的材料形成。在一些实施例中，辅助层由聚合物(例如有机聚合物)、无机材料、混合有机/无机材料或它们的组合形成。在一些实施例中，对于给定的厚度，辅助层在可见光谱中可以具有比芯层更低的透明度和/或具有比芯层更低的均匀性(在组成和/或例如透明度的光学特性方面)。然而，这种较低的透明度和/或较低的均匀性可以通过与芯层相比的辅助层的相对薄而得到改善。
优选地，芯层由具有高折射率的材料形成，这可以为利用波导中的芯层的显示装置提供有利的大视场。在一些实施例中，形成芯层的材料可具有约1.65或更大、约1.70或更大、或约1.80或更大的折射率。另外，辅助层可以由折射率与芯层不同的材料形成。应当理解，在包括纳米光子结构的界面处的折射率差可以有利于该层中的衍射光学元件重定向光的能力。在一些实施例中，形成辅助层的材料具有与形成芯层的材料的折射率相差约0.05或更多、约0.1或更多、或约0.2或更多的折射率。在一些实施例中，波导可以包括附加的辅助层，其中形成有凹部和/或附加的表面起伏特征(例如，衍射光学元件)。关于混合波导的其他细节在2018年4月2日提交的名称为HYBRID POLYMER WAVEGUIDE AND METHODS FORMAKING THE SAME(混合聚合物波导及其制造方法)的美国申请号62/651,507中公开，其全部内容通过引用被整体并入本文。
在一些实施例中，芯层和辅助层可以使用可流动材料来形成，无需气相沉积。芯层可由如上文针对波导1000所描述的相对高折射率材料形成，并且辅助层可由较低折射率材料形成。较低折射率材料(例如，具有低于1.65的折射率)的示例包括有机聚合物材料、低折射率树脂、基于溶胶-凝胶的混合聚合物(例如TiO2、ZrO2和ITO溶胶-凝胶材料)、掺杂有纳米粒子(例如TiO2、ZrO2)的聚合物和活性材料(例如掺杂有量子点的聚合物)。低折射率有机聚合物材料的示例包括可从美国密苏里州圣路易斯的Sigma-Aldrich商购的那些，例如以名称CPS 1040UV、CPS1040 UV-A、CPS1030、CPS 1020UV、CPS 1040UV-VIS、CPS 1030UV-VIS和CPS 1020UV-VIS出售的聚合物材料。低折射率树脂的示例包括可从日本大阪的Miwon ofthe Nagase Group商购的那些。
在一些实施例中，图案(例如，限定衍射光学元件的图案)可以在芯层和/或辅助层的形成期间形成，而无需单独的图案化和蚀刻工艺。例如，可以通过压印并随后硬化或固化所压印的材料来形成图案。
图15A-15G示出了形成混合波导的方法，该混合波导具有芯层以及上覆和下伏辅助层。参考图15A，提供了一对模具1201、1202，模具1202包括用于在待形成的辅助层中形成表面起伏特征的凸起特征1250的图案。随后将用于形成辅助层的大量材料1300沉积在模具1202上。参考图15B，将模具1201、1202移动得更靠近在一起以压缩大量材料1300(图16A)。所压缩的材料1300可经受固化工艺(例如，通过暴露于UV光)，该固化工艺使这些材料硬化以形成固态辅助层1031。参考图15C，模具1201与辅助层1031分离并且大量的芯层材料1310被沉积在辅助层1031上。参考图15D，将模具1201、1202移动得更靠近在一起以压缩大量的材料1310，从而形成芯层1010。所压缩的材料可以经受固化工艺(例如，暴露于、UV光)，该固化工艺使该材料硬化以形成固态芯层1010。参考图15E，将模具1201与芯层1010分离并被模具1200替换。模具1200包括用于在附加的辅助层中限定表面起伏特征的突起1240的图案。用于形成附加的辅助层的附加的大量的材料1320被沉积在芯层1010上。参考图15F，将模具1200、1202移动得更靠近在一起以压缩大量的材料1320(图16E)以限定辅助层应当理解，特征1240的图案将期望的表面起伏特征1040压印在辅助层1021中。形成辅助层1021的所压缩的材料可以经受固化工艺以硬化该材料以形成固态辅助层1020。参考图15G，将模具1200、1202移开并且将包括芯层1010和辅助层1031、1021的混合波导从模具中释放出来。
在一些其他实施例中，芯层和辅助层可以由互不相溶的不同可流动材料形成。这些材料可以是通过一者在另一者之上地沉积，然后随后被压缩和硬化。关于这种工艺的其他细节可以在2018年4月2日提交的名称为HYBRID POLYMER WAVEGUIDE AND METHODS FORMAKING THE SAME(混合聚合物波导及其制造方法)的美国申请号62/651,507中找到。
再次参考图12A-12C和15A-15G，可以理解，模具1200、1201、1202可以被图案化成具有要形成的间隔件和表面起伏特征的负。此外，模具优选地具有足够的刚度以将特征压印到用于形成波导的各种可流动材料中。用于形成模具的材料的示例包括玻璃、熔融二氧化硅、石英、硅和金属。
取决于间隔件是否具有竖直或倾斜的侧壁可以使用各种工艺在这些材料中限定间隔件的负。对于具有竖直侧壁的间隔件，如在俯视图中所见，可以首先使用光刻对间隔件进行图案化，例如通过对沉积在待图案化的材料上的光致抗蚀剂进行图案化，然后使用定向蚀刻通过图案化的光致抗蚀剂进行蚀刻。定向蚀刻的示例包括干法蚀刻，例如RIE、ICP、溅射蚀刻。在一些其他实施例中，可以使用湿法蚀刻(例如，包括HF)。
对于具有倾斜侧壁的间隔件，可以使用灰度光刻在作为掩模的抗蚀剂层中图案化三维形状来形成间隔件的负，并且该形状的几何形状通过一种或多种干法蚀刻技术(例如RIE、ICP和溅射蚀刻)或通过湿法蚀刻被转移到下伏基板(模具材料)中。对于硅基板，也可以使用湿法化学蚀刻来制造倾斜的侧壁表面。在一些实施例中，可以首先使用光刻在抗蚀剂层中图案化俯视图形状/几何形状，然后首先使用干法蚀刻，接着使用湿法蚀刻来对基板(模具)进行蚀刻。在硅模具的情况下，硅湿法蚀刻可以包括KOH和TMAH。
用于减少未被利用的光从波导出来的传播的示例波导结构
如本文所讨论的，当光单次穿过波导时，并非所有传播通过波导的光都可以被耦出。在穿过波导传播到波导边缘之后剩余的光可以被称为未被利用的光。此外，如本文所讨论的，如果这种未被利用的光传播出波导，则可能导致光学伪影。本文公开的各种实施例提供边缘处理，其在光接触图像附近的边缘或区域之后减轻光在波导内的再循环，从而降低未被利用的光传播出波导的可能性。
在一些实施例中，边缘处理可以包括覆盖波导的一个或多个图像的光吸收材料。现在参考图16，示出了具有被光吸收材料覆盖的边缘的波导1602的示例。波导1602具有顶部主表面1601和底部主表面1603以及边缘1605。边缘1605被光吸收材料1604覆盖。在一些实施例中，光吸收材料1604可以是施加在波导1602的边缘上的光吸收材料层，并且可以吸收朝边缘行进的例如光束1606和1608的未被利用的光束。未被利用的光束可以包括没有从波导1602耦出到观看者的光束。作为降低图像质量的重影和/或杂散光的未被利用的光束可以从波导1602的边缘1605反射，通过波导1602传播回来，然后从波导1602耦出(例如，经由耦出元件，例如图9B中的耦出光学元件800、810、820)。
继续参考图16，在没有光吸收材料1604的情况下，以相对大的入射角撞击波导1602边缘的光束，例如光束1608，可能会从边缘反射回来并降低对比度(例如，通过以一定角度撞击波导的顶部主表面1601，使得光逃脱全内反射以从波导1602传播出)。类似地，从波导1602出射的具有相对小的入射角的光束，例如光束1606，可能仍然具有反射回波导中的一些部分(例如反射1607)，例如，这是由于在形成与波导的边缘的界面的波导1602之间的折射率差(Δn＝n波导–n墨水)。
在不受理论限制的情况下，已发现边缘施加的光吸收材料(例如施加到波导1602的材料1604)的折射率(n)和消光系数(k)影响吸收材料从波导中提取和吸收光的程度。根据光吸收材料的消光系数(k)并且根据入射角(例如，相对于与波导边缘的平面垂直的矢量(在图16中被示出为θ)测量的，其中光束1606具有比光束1608大的入射角)，对撞击边缘施加的光吸收材料的光束的光吸收与反射进行了模拟。对s偏振光(例如，横向电TE偏振光)的吸收和p偏振光(例如，横向磁TM偏振光)的吸收进行了模拟，并获得平均值以确定s偏振光和p偏振光的吸收平均值。模拟假设波导具有1.73的折射率。模拟假设波导具有1.73的折射率。一些模拟假设光吸收材料具有1.55的折射率，而一些模拟假设光吸收材料具有1.65的折射率。模拟结果表明，具有较高入射角的光束(例如，相对直接而不是以掠射方式撞击光吸收材料1604的光束)未被完全吸收并且可能被反射。特别地，随着入射角增大超过约65度，吸收下降并且光开始从边缘1605反射(例如，由于波导1602和光吸收材料1604之间的折射率差)。模拟结果还表明，增加光吸收材料1604的消光系数k可以提高对高入射角光束的吸收，但这种提高相对有限(例如，在k＝0.05时的吸收仅为约50％，其高于k＝0.005时的吸收，所有其他因素都保持不变)。
再次，不受理论限制，模拟结果表明，具有1.65的折射率的光吸收材料显著优于具有1.55的折射率的光吸收材料。这被认为是由于波导和光吸收材料之间的折射率差较小。因此，模拟结果说明，为了改善光吸收材料1604的光吸收，减少波导1602和光吸收材料1604的折射率差是有用的，并且有助于但是是在较小程度上利用具有高消光系数(k)的光吸收材料1604。在一些实施例中，波导1602和光吸收材料1604的折射率差为0.2或更小。此外，在一些实施例中，光吸收材料1604具有至少0.02的消光系数(k)。
应当理解，以上的讨论涉及光束与边缘1605和光吸收材料1604的单一相互作用。为了进一步提高光束到光吸收材料中的吸收，可以增加光吸收材料的覆盖区域，如图17和18所示，其中光吸收材料在波导的较大部分上延伸。
图17-18示出了具有在波导1802的顶部和底部主表面1801、1803的部分上延伸的光吸收材料的波导的示例。如图所示，光吸收材料1804覆盖波导1802的至少一个边缘1805并且还在波导的顶部和底部主表面1801、1803的边缘相邻部分之上延伸。特别地，光吸收材料1804可以形成在远离波导1802的边缘1805延伸如黑化的长度1806所示的特定距离的波导1802的部分上。
如图18所示，在长度1806之上延伸光吸收材料1804可以在传播光束和光吸收材料1804之间产生多次相互作用，从而增加对未被利用的光束的吸收。特别地，图18示出了经由全内反射(TIR)在波导1802内传播的特定光束1808如何在点1810a和点1810b处与光吸收材料1804相互作用。
一般而言，确保传播光与光吸收材料1804多次相互作用所需的长度1806可以依赖于波导1802和相邻材料(其可以是空气)之间的折射率差、波导1802的厚度、穿过波导1802的光的波长、光栅设计(例如，诸如图9B的耦出光学元件800、810、820的耦出元件的设计)、波导1802的视场，以及其他可能的因素。图18示出了在玻璃内部经由TIR的蓝光传播的特定示例，该玻璃具有1.8的折射率，其中空气作为相邻材料，其中黑色墨水(n＝1.73)的至少约1.87mm的黑化长度足以确保多次相互作用。在一些实施例中，长度1806可以从波导边缘延伸约2mm、约5mm或约2-5mm之间，以便有效地吸收到达波导边缘的大部分传播光。
已经确定，边缘施加的光吸收材料(例如施加到波导1602的材料1604和施加到波导1802的材料1804)的厚度很好地影响材料从波导提取和吸收光。对三种不同折射率(n＝1.55、n＝1.65和n＝1.73)的材料执行了光吸收材料(例如黑色墨水)的光吸收研究。各种模拟显示了，根据入射角和消光系数，可用于实现期望吸收水平(例如，某个最小吸收百分比，其可以是至少95％吸收)的材料的潜在厚度为从约7x10-3到约10x10-3变化。一般而言，与入射角高时(例如，当光以掠射方式撞击材料时)相比，在入射角低时(例如，当光相对垂直地撞击材料时)，较大厚度的材料实现了期望的吸收水平。此外，当消光系数较低时，较大厚度的材料实现了期望的吸收水平，但是，吸收率对消光系数的依赖性比对入射角的依赖性要小。模拟进一步表明，约20μm的材料厚度可用于在模拟的入射角范围(例如，从相对于垂直约20度到相对于垂直约70度)和期望的模拟消光系数范围(例如，从约7x10-3到约10x10-3的消光系数)内实现有利的高水平吸收。在一些实施例中，光吸收材料具有20μm或更大的厚度。
任何合适的材料可以用作边缘施加的光吸收或黑化材料(例如，施加到波导1602的材料1604和施加到波导1802的材料1804)。作为示例，边缘施加的光吸收或黑化材料可包括薄膜材料，例如富勒烯、石墨烯、非晶硅、锗等，其可通过物理或化学气相沉积或经由其他合适的处理沉积工艺而沉积在波导表面上；包括低粘度黑色墨水的黑色墨水，例如可从韩国的Nazdar of Shawnee获得的黑色喷墨，其可通过喷墨印刷或其他合适的方法来施加；以及分散或溶解在聚合物(例如，UV可固化聚合物树脂)中的光吸收添加剂，例如炭黑、碳纳米粉末、碳纳米管、金属纳米颗粒、彩色染料、颜料、荧光粉等。
各种不同光吸收材料的反射率的模拟结果被示出在图19的曲线图2000和图20的曲线图2050中。图19和20的模拟涉及光束与光吸收材料的单一相互作用。
关于图19模拟的不同光吸收材料包括针对黑色墨水的曲线2002和针对分散或溶解在树脂中的不同浓度的碳纳米粉末的曲线2004、2006、2008、2010、2012、2014。如图19中的曲线2002所示，针对低于约55度的入射角，黑色墨水具有低反射率(例如，反射率低于10％，因此吸收率至少为90％)。然而，黑色墨水的反射率在55度以上时显著增加。如曲线2004、2006、2008、2010、2012和2014所示，增加光吸收材料中的碳浓度倾向于降低光吸收材料的反射率，从而增加光吸收材料的吸收率。然而，一旦达到一定的碳浓度，光吸收材料的性能就会趋于平稳，并且进一步增加碳浓度不会进一步降低反射率。特别地，图19示出了，约1.56％的碳(曲线2010)、6.25％的碳(曲线2012)和25％的碳(曲线2014)的浓度在模拟的入射角范围内具有相对类似的反射和吸收性能。
关于图20模拟的不同光吸收材料包括针对etercure 6948.8B.28(例如蓝色染料)的曲线2052、针对橙黄色LPB(例如橙黄色染料)的曲线2054、针对红色LPB(例如红色染料)的曲线2056，以及针对RS1813深黑色(例如黑色染料)的曲线2058。如图20所示，橙黄色和红色染料能够在整个模拟的入射角范围内将反射率维持在低于10％，如曲线2056和2058所示。相比之下，蓝色染料仅针对低于约53度的模拟入射角而具有低于10％的反射率，如曲线2054所示，黑色染料仅针对低于约63度的模拟入射角而具有低于10％的反射率，如曲线2052所示。
另一种用于在波导边缘处的吸收和/或防止光束反射的技术是对波导边缘进行粗糙化，如图21所示。波导2100可以被粗糙化以提供具有粗糙纹理的边缘2105。在一些实施例中，边缘2105被光吸收材料2104覆盖。波导2102可以在粗糙化的长度2110范围内沿着其边缘并且在远离边缘延伸的顶部和底部主表面2101、2103上被粗糙化，该长度可以小于在其范围内被施加光吸收材料2104的黑化(darken)的长度2112。在一些实施例中，粗化的长度2110可以在距波导2100的边缘2mm至5mm之间，以及黑化的长度2112可以从波导边缘延伸到超出被粗糙化的区域2mm至5mm之间。以这种方式对波导2100进行粗糙化可有助于扩散传播光，如光束2106在其撞击波导2100的具有施加的光吸收材料2104的粗糙化区域时的散射所示。不受理论限制，诸如光束2106的光束的扩散可以增加光束和光吸收材料2104之间的相互作用，从而导致总体吸收率增加。
边缘和相邻的波导2100的表面(在粗糙化的长度2110上从波导边缘延伸)可以通过打磨波导、通过用具有粗糙纹理的模具形成波导或通过其他方法而被粗糙化。不同的沙粒尺寸可用于将波导打磨成不同的粗糙度。作为示例，具有P150-100μm颗粒的沙粒或具有P2500-8.4μm颗粒的沙粒可用于将波导打磨至期望的粗糙度。在某些实施例中，波导可以被形成、打磨或以其他方式处理以具有至少1的表面粗糙度(Sa)。在一些实施例中，表面粗糙度(Sa)在1到100的范围内。在一些实施例中，波导可以被径向粗糙化，使得较少的光被散射回有源目镜区域(例如，远离边缘)。
用于改善在波导边缘处的光束吸收的其他技术包括沿着波导的边缘形成衍射光栅，如图22A所示，或形成光捕获结构，如图22B和22C所示。
图22A示出了具有被光吸收材料2204覆盖的边缘2205的波导2200a，光吸收材料2204在顶部和底部主表面2201、2203上的黑化区域2212之上延伸，其中波导2202a包括位于在波导2202a的顶部和底部主表面2201、2203上延伸的光栅区域2210a之上的耦出光学元件2220。在一些实施例中，耦出光学元件2220是衍射光栅。在一些实施例中，波导2202a可以在其边缘上具有耦出光学元件，以作为具有位于与边缘相邻的顶部和底部主表面2201、2203上的这样的光栅的补充或替代。在一些实施例中，可以省略光吸收材料2204。
作为示例，耦出光学元件2220可以是耦出衍射光栅，其被配置为将在波导2202a中传播的光(例如光束2206和2208)耦出到光吸收材料2204中，其中光被吸收。作为示例，光栅区域2210a可以从波导2202a的边缘向外延伸2mm至5mm之间(例如，这可以确保在波导中传播的任何光束与光栅相互作用)并且黑化区域2212可以从光栅区域2210a进一步向外延伸2mm至5mm之间(例如，这可以有利于通过光吸收材料2204的通过光栅散射的光的吸收)。光栅2220的设计可以依赖于波导2202a和光吸收材料2204的折射率、通过波导2202a传播的光的波长以及其他可能的因素而变化。在一些实施例中，衍射光栅2220可以通过对形成波导2202a的模具进行图案化而在波导2202a中形成。在一些实施例中，衍射光栅2200可以形成为部分和/或使用在形成本文公开的其他衍射元件(例如图9B中的耦出光学元件800、810和820)和如本文所公开的一体间隔件时所用的相同制造技术而形成。
图22B示出了具有被光吸收材料2204覆盖的边缘2205的波导2202a，该光吸收材料2204还在顶部和底部主表面2201、2203上的黑化区域2212之上延伸，其中波导2202a的顶部和底部主表面2201、2203包括位于从边缘2205延伸的光捕获区域2210b之上的光捕获结构2230a和/或2230b。在一些实施例中，波导2202b可以在其边缘具有光捕获结构，作为具有位于与边缘相邻的顶部和底部主表面2201、2203上的这样的结构的补充或替代。在一些实施例中，可以省略光吸收材料2204。作为示例，光捕获结构2230a和2230b可以是微结构。如图22C所示，由于光捕获结构2230a和2230b的形状和尺寸，进入波导2202b的边缘区域的模拟光束2232不会在没有多次相互作用的情况下而逃离边缘区域。如图所示，在这些相互作用之一期间，光可以从波导逃脱并传播到光吸收材料2204(图22B)光吸收材料2204中。不受理论限制，光捕获结构2230a和2230b可以有利地增加对光的吸收。
在一些实施例中，光捕获区域2210b可以在距波导2202b的边缘2mm至5mm之间(例如，这可以增加在波导中传播的光束与光捕获结构相互作用的可能性)，以及黑化区域2212可以从光捕获区域2210b延伸2mm至5mm之间(例如，这可以增加由光捕获结构散射的任何光被光吸收材料2204吸收的可能性)。在一些实施例中，诸如结构2230a和2230b的光捕获结构可以通过对形成波导2202b的模具进行图案化而在波导2202b中形成。在一些实施例中，光捕获结构2230a和2230b可以形成为部分和/或使用在形成本文公开的衍射元件(例如图9B中的耦出光学元件800、810和820)和如本文所公开的一体间隔件时所用的相同制造技术来形成。
光捕获结构2230a和2230b的设计可以依赖于波导2202b和光吸收材料2204的折射率、通过波导2202b传播的光的波长以及其他因素而变化。在一些实施例中，光捕获结构2230a和2230b的宽度和高度在0.5μm至100μm的范围内。作为示例，光捕获结构2230a和2230b的宽度和高度可以是约0.5μm、约1.0μm、约2.0μm、约4.0μm、约10.0μm、约20.0μm、约50μm、约75μm或约100μm，其中约被理解为在0.4μm以内。
应当理解，可以将用于提高在波导边缘处的光吸收的任何策略组合在一起。作为示例，波导可以包括具有光吸收材料，该光吸收材料位于边缘上并且还从波导边缘向内延伸(如图17和18中所公开的)、具有足够的厚度以用于期望的光吸收水平、由至少在图19和20中所公开的材料制成、以及具有波导表面的粗糙化(如图21中公开的)、衍射光栅(如图22A中公开的)和/或光捕获结构(如图22B和22C中公开的)中的任何一者或多者。
图23示出了具有较高水平的未被利用的光的波导2400的边缘2404a、2404b。本文公开的用于改善在波导边缘处的光吸收的策略可以应用于波导的所有边缘，或者在一些实施例中，可以仅应用于相对于波导的其他区域的波导的预期具有更高水平的未被利用的光的区域。例如，图23的边缘2404a、2404b可以被认为具有高水平的未被利用的光。具有高水平的未被利用的光的区域可以是波导中的其中相对大量的光到达波导边缘而没有被耦出的区域。这种未被利用的光如果在边缘没有被吸收，则可能潜在地会反射回到有源显示区域并产生不期望的重影或杂散光，从而降低图像质量。在一些实施例中，具有高水平的未被利用的光的波导2400的区域包括与耦入光学元件700、710、720相邻的边缘2404a。边缘2404a位于耦入光学元件700、710、720与光被耦入光学元件700、710、720引导的方向相反的一侧以用于最终耦出。具有高水平的未被利用的光的另一区域包括与耦出光学元件800、810、820相邻的边缘2404b。该区域中的光包括已经传播穿过耦出光学元件800、810、820而没有被耦出的光。可以理解的是，入射在这些边缘上的光没有被利用，因为光在穿过这些用于耦出的光学元件之后没有被耦出。相比之下，与光分布元件730、740、750相邻的边缘可能具有相对低水平的未被利用的光，因此可能不会从本文描述的光吸收策略中受益太多。
如本文所述，应当理解，图16-18和21-23中的各种波导1602、1802、2102、2202a和2202b可以包括一个或多个一体间隔件和/或用于容纳间隔件的凹部。此外，在一些实施例中，波导1602、1802、2102、2202a和2202b可以是波导堆叠的一部分，每个波导可以包括一体间隔件和用于容纳来自也包括一体间隔件的下伏波导的下伏间隔件的凹部。
图24示出了具有一体间隔件的波导堆叠。所示的各个波导可以是也在图16-18和21-23中示出的任何波导1602、1802、2102、2202a、2202b。应当理解，为了清楚起见，在该图中仅示出了具有一体间隔件1020和/或凹部1030的波导1602、1802、2102、2202a、2202b的部分。波导1602、1802、2102、2202a和2202b的其余部分在图16-18和21-23中的相应一个中示出，并且可以包括如本文所公开的各种边缘处理(例如，光吸收材料、粗糙纹理、耦出光学元件、光捕获微结构)。在一些实施例中，波导1602、1802、2102、2202a、2202b各自具有一个或多个一体间隔件1020，该一个或多个一体间隔件1020被配置为在该波导和紧邻的上覆波导之间提供分隔。因此，如图所示，具有一体间隔件的波导1602、1802、2102、2202a、2202b可以形成波导堆叠(例如，对应于图9A-9C的波导堆叠660)。在一些实施例中，波导堆叠中的每个波导1602、1802、2102、2202a、2202b可以是类似的(例如，具有类似的边缘处理)。在一些其他实施例中，形成波导堆叠的波导可以具有不同的边缘处理(例如，来自图16-18和21-23的不同波导1602、1802、2102、2202a、2202b可以用在波导堆叠内的不同位置)。
应当理解，波导1602、1802、2102、2202a和2202b的一体间隔件1020和/或凹部1030可以形成并且具有如上文关于图10A-15G所述的形状和取向。例如，在一些实施例中，波导1602、1802、2102、2202a、2202b和一体间隔件1020可以由聚合物材料形成，该聚合物材料可以被模制(例如，使用压印模具)以限定一体间隔件1020。另外，如本文所讨论的，模具可以包括起伏特征，以用于限定耦入光学元件、耦出光学元件、在边缘2105之上和与其相邻的粗糙表面纹理(图21)、耦出光学元件2220(图22A)和光捕获结构2230a和/或2230b(图22B和22C)。
用于形成模具的示例方法
图25中示出了模具1200的示例。模具1200包括由可以是模具1200表面上的开口的小特征1240a和大特征1240b组成的特征图案。小特征1240a可以具有约10nm至250nm之间的高度(或深度)ha，而大特征可以具有约5μm至1000μm之间的高度(或深度)hb。在一些实施例中，小特征1240a对应于衍射光学元件并且大特征1240b对应于一体间隔件。如图所示，小特征1240a可以形成在模具1200的内部，而大特征1240b可以形成在模具1200的周边。从上面的讨论中可以明显看出，将理解，在特征1240a小于特征1240b的意义上，小特征1240a和大特征1240b是“小”和“大”的。这种尺寸差异可以适用于特征的临界尺寸和特征的高度。在一些实施例中，大特征1240b的高度与小特征1240a的高度的比率可以是约20:1或更大、500:1或更大、4000:1或更大。此外，大特征1240b的高度与小特征1240a的高度的比率可为约100000:1或更小。
创建具有像1240b这样的大特征的模具可能会带来制造挑战。制作大特征需要长的蚀刻时间，但于蚀刻剂的延长暴露可能会损伤或劣化不应被蚀刻的基板的部分。本文所述的方法能够制造具有大(例如，微米或毫米级)特征的模具，同时在模具的未被图案化区域中维持低的总厚度变化和表面粗糙度。应当理解，如本文所用，用于形成模具的基板可以被称为晶片，因为一些基板与半导体晶片的物理相似性。然而，应当理解，除了半导体材料之外，基板可以由除了半导体之外的材料形成。例如，在一些实施例中，基板可以由透明材料形成。
湿法蚀刻工艺
参考图26和32，模具的制造可以包括提供基板2602，其将如本文所讨论的那样形成在模具中。优选地，基板2602具有平坦、光滑的表面并且可以具有在约0.3mm至20mm之间的厚度。基板可以包括硅并且可以是玻璃、石英、熔融二氧化硅或其他透明材料基板。优选地，基板具有小于约1μm的总厚度变化(TTV)和小于约0.5nm的表面粗糙度(Rq)。
通过诸如物理气相沉积、溅射、电子束沉积或热沉积的沉积工艺将蚀刻掩模2604施加到基板2602。在一些实施例中，沉积工艺是化学气相沉积。优选地，蚀刻掩模2604由金属形成。不受理论限制，金属蚀刻掩模2604被理解为当暴露于蚀刻剂达到蚀刻大毫米级特征(例如间隔件)所需的持续时间时比光致抗蚀剂层2606的聚合物材料更好地粘附到基板2602。例如，如果将光致抗蚀剂层2606直接施加到基板2602上，则光致抗蚀剂层可能在基板蚀刻工艺期间从基板2602上剥离。在一些实施例中，可以在沉积金属蚀刻掩模之前施加粘附层2610以促进金属蚀刻掩模1604和基板2602之间的粘附。例如，粘附层2610可以是钛或铬材料层。在一些实施例中，粘附层2610的厚度可以在约10nm至100nm之间。
在一些实施例中，蚀刻掩模2604可以由一层或多层金属材料形成，所述金属材料被基板蚀刻剂化学物质以低于下伏基板的材料的速率去除。在氢氟酸(HF)用作基板蚀刻剂的实施例中，银或铜掩模可用于低浓度的HF，例如小于30％。在较高浓度的HF时，例如大于50％之间，可以使用金或铂掩模。在一些实施例中，蚀刻掩模可以包括厚度为约10nm至200nm的金层。应当理解，金或铂蚀刻掩模也可用于具有低于50％的HF浓度的蚀刻化学物质。
在一些实施例中，光致抗蚀剂层2606可以例如通过旋涂施加到蚀刻掩模2604，并且随后可以使用诸如电子束、紫外(UV)或纳米压印光刻的光刻工艺来图案化。光致抗蚀剂层2606包括大特征2608的图案，其将被转移到基板2602中以在将由基板2602形成的模具中形成用于形成间隔件的开口。
如图27所示，执行第一蚀刻阶段以暴露在特征2608的区域中的基板表面。在一些实施例中，可以在基板表面上方设置多层蚀刻掩模材料以形成蚀刻掩模2604。蚀刻掩模材料层可以通过单次蚀刻来去除，如果各种材料是使用单次蚀刻或通过对层中被暴露的一个层的材料具有选择性的一系列蚀刻而可蚀刻的。应当理解，蚀刻可以是具有适当化学性质的湿法和/或干法蚀刻，以相对于其他暴露的材料而选择性地去除蚀刻掩模材料。在执行一系列蚀刻的情况下，可以执行第一蚀刻步骤以去除图案化区域中的金属掩模材料。在金属掩模2604是金的实施例中，在该步骤中使用相对于其他暴露的材料选择性地蚀刻金的蚀刻剂化学物质。如果存在粘附层2610，则可以执行第二蚀刻步骤以去除图案化区域中的粘附层。在粘附层2610是铬层的实施例中，在该步骤中使用相对于其他暴露的材料选择性地蚀刻铬的蚀刻剂化学物质。所得结构如图27所示。
如图28所示，执行第二蚀刻阶段以将特征2608蚀刻到基板2602中。在一些实施例中，基板蚀刻化学物质包括HF，其可以具有在约1％至约50％范围内的浓度。HF可以与诸如氟化铵(NH4F)的缓冲剂混合以减慢蚀刻速率并提供对蚀刻过程更好的控制。在熔融二氧化硅中形成10μm高度特征的蚀刻剂和总湿法蚀刻时间示例如下所示：
| 48％HF | 10-14分钟 |
| 10:1HF(由10份HO、1份49％HF混合) | 385分钟 |
| 5:1BHF(由5份40％NH<sub>4</sub>F、1份49％HF混合) | 77分钟 |
第二蚀刻阶段优选地导致在暴露的基板表面处选择性地去除基板。依赖于蚀刻剂、蚀刻的持续时间和光致抗蚀剂层的初始厚度，图案化的光致抗蚀剂层2606可以被完全或部分蚀刻掉。在完全去除光致抗蚀剂材料的情况下，保留金属蚀刻掩模以保护基板表面的部分。
不期望地，当光致抗蚀剂层2606非常薄或被完全去除并且依赖金属蚀刻掩模2604来保护基板2602的部分免受基板蚀刻化学时，在某些情况下，可能会在被认为由金属蚀刻掩模2604覆盖的基板中看到小的缺陷。如图29A所示，金属蚀刻掩模2604可以被理解为由通过单一沉积工艺沉积的金属材料的金属蚀刻掩模层2604a形成。不受理论限制，金属掩模2604a中的小间隙或针孔2900被认为在一些蚀刻期间允许基板蚀刻剂到达针孔2900下方的基板2602的表面。如图所示，针孔2900可以是金属蚀刻掩模2604a中预先存在的开口和/或可以是金属蚀刻掩模2604a的薄部分，其随后通过暴露于蚀刻剂而被磨损掉。蚀刻剂(例如HF)可以流入这些针孔2900以蚀刻基板2602的表面，如图29B所示。例如，已经观察到，在如上所述的蚀刻之后可以在基板表面上看到小的斑点或点。这些斑点或点被认为是蚀刻剂流经针孔2900蚀刻基板表面的结果，这在基板表面上形成凹陷(depression)2910。
在一些实施例中，针孔2900和/或蚀刻掩模2604a的可能变成针孔的薄区域被减轻。例如，金属蚀刻掩模2604a可以通过在金属蚀刻掩模2604a之上沉积另一材料和/或通过使用另一沉积工艺来沉积更多相同或不同金属来增强。图30A-C示出了防止由针孔引起的蚀刻缺陷的各种策略，包括连续沉积蚀刻掩模材料层以填充或堵塞针孔、使用光致抗蚀剂填充或堵塞针孔、以及电镀以填充或堵塞针孔。应当理解，这些策略中的每一个也可以被理解为增强较早沉积的蚀刻掩模层的厚度。
图30A示出了由多个重叠的金属掩模层2604a、2604b、2604c形成的金属蚀刻掩模2604(图26-28)，这些金属掩模层2604a、2604b、2604c可以在连续沉积中被沉积，针对层2604a、2604b、2604c中的每一个沉积一次。在这样的配置中，每个层2604a、2604b、2604c中的针孔的位置将有利地不同。这提高了基板表面覆盖率并降低了金属蚀刻掩模将被用于蚀刻基板2602的蚀刻剂穿透的可能性。各种金属掩模层2604a、2604b、2604c可以由相同的金属或不同的金属形成，并且沉积可以是相同类型或可以是不同的沉积工艺，包括一种或多种气相沉积工艺，例如化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)。优选地，在一些实施例中，为了简化蚀刻掩模2604的形成，金属掩模层2604a、2604b、2604c中的每一个可以由相同的金属形成并且可以使用相同的沉积工艺来沉积。在一些实施例中，可以连续沉积两个或更多个、三个或更多个、或者四个或更多个层以形成集聚(aggregate)金属蚀刻掩模2604。此外，在一些实施例中，形成集聚蚀刻掩模2604的层的总数可以少于十个、少于六个、或少于五个。
图30B示出了其中光致抗蚀剂层保留在金属蚀刻掩模层上以减少针孔内的基板蚀刻剂的扩散的示例。在一些实施例中，光致抗蚀剂层2606的厚度可以增加到使得光致抗蚀剂将在基板蚀刻步骤的整个预期持续时间期间被保留的水平。例如，在一些实施例中，可以选择光致抗蚀剂层2606的厚度，使得在完成蚀刻以在基板2602中限定开口2608之后，仍然保留光致抗蚀剂层2606的一部分以覆盖整个蚀刻掩模2604。在一些实施例中，可以选择光致抗蚀剂层2606的初始厚度，使得在完成基板2602的蚀刻之后，光致抗蚀剂层2606的剩余部分在蚀刻掩模2604上方延伸蚀刻掩模2604的高度的5％或更多、10％或更多、15％或更多、25％或更多、或30％或更多。
图30C示出了在金属蚀刻掩模层2604a之上生长的电镀层2604b，电镀层2604b和金属蚀刻掩模层2604a一起形成蚀刻掩模2604。电镀层可以是与金属蚀刻掩模材料相同的材料。在一些实施例中，另一种金属可用于电镀层。由电镀层2604b提供的增强产生了非常厚的蚀刻掩模2604，例如，厚度在约1μm到20μm之间，具有一致的覆盖并且没有针孔。电镀步骤可以在光致抗蚀剂图案化步骤之前或之后进行。例如，在将光致抗蚀剂层2606中的开口图案转移到蚀刻掩模2604之后或作为该步骤的一部分，可以完全去除光致抗蚀剂层2606，从而暴露金属蚀刻掩模2604a。接着，在随后蚀刻基板2602之前，金属蚀刻掩模层2604a可用作种子层以在金属蚀刻掩模层2604a上选择性地沉积电镀层2604b。
在一些实施例中，附加金属层(例如通过气相沉积形成的一个或多个连续的金属蚀刻掩模层2604b、2604c，图30A；或电镀金属蚀刻掩模层2604b，图30B)的沉积在预先存在的金属蚀刻掩模层2604a上沉积相同的金属，从而简化了用于对金属蚀刻掩模2604的稍后蚀刻的蚀刻化学物质的选择。已经观察到，当使用已对其应用如上所述的增强策略的金属蚀刻掩模2604时，衬底表面缺陷的减少对于裸眼来说是显而易见的。
除了保护基板2602的顶表面的部分免受蚀刻剂影响之外，保护基板的底表面以避免在基板蚀刻过程期间改变基板厚度、平坦度和/或表面粗糙度也可能是有利的。为了保护基板的背侧，可以使用基板保持器，并且其可以遮蔽基板背侧，使得基板的仅一侧与基板蚀刻剂接触。在另一配置中，可以将金属蚀刻掩模施加到基板的底侧以防止与基板蚀刻剂接触。例如，金属层可以沉积在基板2602的底侧上。在一些实施例中，背侧金属层可以由与用于形成蚀刻掩模2604的金属相同的金属形成，以简化沉积和各种沉积所需的前体的数量。在一些其他实施例中，背侧金属层可以由不同的金属形成，例如，对用于蚀刻蚀刻掩模2604和/或基板2602的蚀刻化学物质具有比蚀刻掩模2604更高的抵抗性的金属。在又一配置中，可以将牺牲基板接合到基板的底部。可以使用光致抗蚀剂或其他粘合剂来接合牺牲基板，该光致抗蚀剂或其他粘合剂例如通过在蚀刻步骤之后浸泡在有机溶液中而被容易地溶解从而可以去除牺牲基板。
在蚀刻基板2602以将开口2608延伸到基板2602中之后，可以执行第三阶段的蚀刻。在该第三阶段期间，可以去除形成金属掩模2604的任何剩余材料，随后进行清洁阶段以洗去任何剩余的蚀刻剂或碎屑。
图31示出了与上述三个蚀刻阶段对应的三个蚀刻阶段的顺序的另一视图，以及在掩模材料去除和清洁之后形成的所得模具结构。结构2)和3)示出了在第一蚀刻阶段形成的结构(如上文关于图26和27所讨论的)。结构4)在第二蚀刻阶段期间形成(如上文关于图28所讨论的)，以及结构5)在去除掩模材料之后的第三蚀刻阶段期间形成。
继续参考图31，在第一所示中间结构1)中，在一些实施例中可以由金属形成的蚀刻掩模2604被沉积在基板2602之上，在一些实施例中该基板2602可以由玻璃形成。在第二所示中间结构2)中，抗蚀剂层2606被沉积在蚀刻掩模2604之上并且被图案化以在抗蚀剂层2606中限定开口2608。在第三所示中间结构3)中，蚀刻掩模2604经受对该蚀刻掩模2604的材料有选择性的蚀刻化学物质，以使抗蚀剂层2606中的开口2608延伸穿过蚀刻掩模2604。在第四所示中间结构4)中，下伏基板2602经受蚀刻(例如，湿法蚀刻，例如含HF的蚀刻)以去除基板材料。在第五所示中间结构5)中，上覆蚀刻掩模2604和任何剩余的光致抗蚀剂材料被去除，并且所得结构经受清洁工艺，从而留下其中具有开口2610的模具。
如图所示，在蚀刻是湿法蚀刻的一些实施例中，应当理解，湿法蚀刻可以竖直(向下)和横向蚀刻基板材料，从而形成开放体积2610。因此，图31的第五所示中间结构5)示出了被转移到基板中的特征，即，由开口2608形成的开放体积2610，具有圆形壁或拐角并且相对于蚀刻掩模被底切。不受理论限制，这被理解为由于湿法蚀刻是各向同性工艺并且基板蚀刻剂攻击基板的暴露水平表面和特征壁的竖直表面两者而发生。有利地，体积2610的弯曲形状便于可在这些体积2610中形成的间隔件的脱模或去除。
图32以流程图的形式示出了上面讨论的和图26-28和31所示的各种动作的示例，其中湿法蚀刻用于在基板中形成开放体积，基板和开放体积形成模具，该模具可用于制造具有在该开放体积中形成的一体间隔件的波导。例如，应当理解，第一、第二和第三所示蚀刻阶段对应于参考图26-28和31讨论的第一、第二和第三蚀刻阶段。在该示出的示例中，用于将图案从光致抗蚀剂层转移到蚀刻掩模然后再到基板(或晶片)的各种蚀刻是湿法蚀刻。此外，还可以使用湿法蚀刻去除在第三蚀刻阶段之后剩余的任何掩模材料。
干法蚀刻工艺
如上所述，湿法蚀刻倾向于形成具有圆形侧壁和/或拐角的横截面形状。如果在蚀刻的基板的特征中期望更多的竖直壁，则可以使用干法蚀刻工艺。图33示出了示例干法蚀刻方法的流程图。干法蚀刻工艺可以包括例如等离子体辅助蚀刻工艺，例如反应离子蚀刻(RIE)、电感耦合等离子体RIE或离子铣削。在一些实施例中，干法蚀刻工艺可用于在第二蚀刻阶段期间蚀刻基板。在一些实施例中，图32和33的流程图在其他方面是相同的。在一些其他实施例中，图32和/或33的第一蚀刻阶段以及上面关于图26-28和31讨论的第一蚀刻阶段可以利用干法蚀刻。在一些实施例中，图32和/或33的第一和第二蚀刻阶段以及上面关于图26-28和31讨论的第一和第二蚀刻阶段都可以利用干法蚀刻。
诸如等离子蚀刻之类的干法蚀刻是定向的并且将导致蚀刻掩模下方的基板的底切更少，如图34的比较图所示。然而，等离子蚀刻也会随时间而去除蚀刻掩模并且可能使上面讨论的针孔效应更糟。为了减少蚀刻掩模下方的基板的表面损伤，使用非常厚的蚀刻掩模可能是有益的。例如，如果基板由玻璃材料制成，则对于每40μm待蚀刻的基板，掩模的厚度可以是1μm。在一些实施例中，诸如以上关于图30A和30C所讨论的材料的多次沉积可用于提供厚蚀刻掩模。
下面提供等离子体蚀刻参数的示例。如下所述，可以基于待蚀刻的基板的组成和/或待形成的最终开口(例如，开口的尺寸和/或纵横比)来选择腔室压力、气体组成和通量、RF功率、温度和ICP功率和/或VHF功率的适当范围。在一些实施例中，可以在具有如下提供的工艺参数的工艺中蚀刻玻璃。
1)腔室压力(从1到10-4托)。
1.包括从20毫托到5毫托
2.包括从100毫托到20毫托
2)气体组成和通量(如Ar、O2、N2、H2、C2F6、CF4、CHF3、CF3Cl、SF6、Cl2、BCL、HBr、其他卤化物气体)。通量范围从1到100sccm。
1.包括SF6/Ar
2.包括BCL3/HBr/Ar
3.包括CF4/CHF3/AR
3)RF功率(10到500W)。
1.包括从200到100W
2.包括从500到200W
3.包括从100到10W
4)温度(-150到100℃)。
1.包括-120到-100℃
2.包括从-100到0℃
3.包括从0到20℃
4.包括从20到50℃
5)ICP功率、VHF功率(10到2500W)。
参考图32和33，如本文所讨论的，蚀刻掩模的沉积可涉及单次沉积，或更优选地，可涉及材料的多次沉积和/或厚抗蚀剂层的使用，如本文关于图30A-30C所讨论的。此外，关于图32和33的第一蚀刻阶段，在一些实施例中，用于蚀刻掩模和可选粘附层的所示湿法蚀刻可以用干法蚀刻来代替。
应当理解，基板或晶片以及在基板中形成的开放体积可以构成模具，该模具可以用于制造具有在那些开放体积中形成的一体间隔件的波导。如本文所讨论的，应当理解，波导可以具有不同取向和配置的多个一体间隔件。虽然为了便于讨论和说明，图26-28和31中示出了单个体积2610或仅一个或两个开口2608，但是应当理解，体积2610或开口2608的数量可以对应于待形成的期望间隔件的数量，并且那些体积2610或开口2608的取向和配置可以对应于期望间隔件的取向和配置。
此外，在前述说明书中，已经参考本发明的具体实施例描述了本发明。然而，显然可以对其进行各种变型和改变而不背离本发明的更广泛的精神和范围。因此，说明书和附图被认为是示例性的而不是限制性意义。
实际上，应当理解，本公开的系统和方法各自具有若干创新方面，其中没有一个单独负责或要求本文公开的期望属性。上述各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合使用。所有可能的组合和子组合旨在落入本公开的范围内。
在本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相对地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征可以在上面描述为在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是在某些情况下，来自要求保护的组合的一个或多个特征可能会从组合中删除，并且要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。没有单个特征或特征组对于每个实施例都是必需的或必不可少的。
应当理解，除非另有明确说明，否则本文使用的条件语言，例如“可”、“可能”、“可以”、“也许”、“例如”等在所使用的上下文中理解的“术语”一般意在传达某些实施例包括而其他实施例不包括某些特征、元素和/或步骤。因此，这种条件性语言通常不旨在暗示特征、元素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必须包括用于在具有或不具有作者输入或提示的情况下决定是否这些特征、元素和/或步骤被包括或将在任何特定实施例中执行。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，并且以开放式的方式包容性地使用，并且不排除附加的元素、特征、动作、操作等。此外，术语“或”以其包容性(而不是排他性)使用，使得例如当用于连接元素列表时，术语“或”表示列表的元素中的一个、一些或全部。此外，除非另有说明，否则本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”、“一个”和“所示”应被解释为“一个或多个”或“至少一个”。类似地，虽然可以在附图中以特定顺序描述操作，但是应当认识到，这样的操作不需要以所示的特定顺序或按顺序执行、或者不需要执行所有图示的操作来实现期望的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地描绘另一示例过程。然而，未描绘的其他操作可以并入被示意性示出的示例方法和过程中。例如，一个或多个附加操作可以在任何所示操作之前、之后、同时或之间执行。此外，在其他实施例中，操作可以重新排列或重新排序。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中各个系统部件的分隔不应被理解为在所有实施例中都需要这样的分隔，应理解的是，所描述的程序部件和系统通常可以集成在一个软件产品中或被打包到多个软件产品中。此外，其他实施例在以下权利要求的范围内。在某些情况下，权利要求中记载的动作可以以不同的顺序执行，并且仍能实现期望的结果。
因此，权利要求不旨在限于本文所示的实施例，而是要符合与本公开、本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
Claims (18)
1.一种形成模具的方法，包括：
提供基板；
在所述基板之上沉积蚀刻掩模层；
在所述蚀刻掩模层中限定开口；以及
通过所述蚀刻掩模层蚀刻所述基板以在所述基板中限定开口，
其中，所述基板中的所述开口具有在5μm至1000μm之间的深度。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述蚀刻掩模层之上沉积光致抗蚀剂层；以及
在所述光致抗蚀剂层中光刻限定开口，
其中，在所述蚀刻掩模层中限定开口包括将所述光致抗蚀剂层中的所述开口延伸到所述蚀刻掩模层中。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：在沉积所述蚀刻掩模之前，在所述基板之上沉积粘附层。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在停止沉积所述蚀刻掩模之后，增强所述蚀刻掩模层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，增强所述蚀刻掩模层包括：在所述蚀刻掩模层上直接沉积附加蚀刻掩模材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，沉积所述附加蚀刻掩模材料包括气相沉积。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，沉积所述附加蚀刻掩模材料包括电镀。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述附加蚀刻掩模材料是与在沉积所述蚀刻掩模层期间沉积的材料相同的材料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，蚀刻掩模层具有10nm至200nm的厚度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述蚀刻掩模层蚀刻所述基板包括湿法蚀刻。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述蚀刻掩模层蚀刻所述基板包括干法蚀刻。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基板由光学透明材料形成。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述光学透明材料选自由玻璃、石英和熔融二氧化硅构成的组。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述蚀刻掩模层由金属形成。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述基板中限定内部开口，其中，所述内部开口的高度与所述基板中的所述开口的高度的比率是500:1或更大。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述比率是100000:1或更小。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述内部开口具有与所述衍射光栅对应的尺寸和周期性。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括：去除所述蚀刻掩模层。
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