CN116324533A - 使用灰色调光刻制造可变蚀刻深度光栅的技术 - Google Patents

使用灰色调光刻制造可变蚀刻深度光栅的技术 Download PDF

Info

Publication number
CN116324533A
CN116324533A CN202180064054.2A CN202180064054A CN116324533A CN 116324533 A CN116324533 A CN 116324533A CN 202180064054 A CN202180064054 A CN 202180064054A CN 116324533 A CN116324533 A CN 116324533A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
grating
display
grating material
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180064054.2A
Other languages
English (en)
Inventor
艾略特·弗兰克
尼哈·兰詹·莫汉蒂
奥斯汀·莱恩
马修·E·科尔本
安吉特·沃拉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meta Platforms Technologies LLC
Original Assignee
Meta Platforms Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Meta Platforms Technologies LLC filed Critical Meta Platforms Technologies LLC
Publication of CN116324533A publication Critical patent/CN116324533A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1847—Manufacturing methods
    • G02B5/1857—Manufacturing methods using exposure or etching means, e.g. holography, photolithography, exposure to electron or ion beams
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/20—Exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/2022—Multi-step exposure, e.g. hybrid; backside exposure; blanket exposure, e.g. for image reversal; edge exposure, e.g. for edge bead removal; corrective exposure
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70216—Mask projection systems
    • G03F7/70283—Mask effects on the imaging process
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

一种制备具有可变光栅深度的光栅的方法包括：在衬底上沉积具有均匀厚度轮廓的第一光栅材料层；在第一光栅材料层上形成具有可变厚度轮廓的蚀刻掩模层；对蚀刻掩模层和第一光栅材料层进行蚀刻，以将第一光栅材料层的均匀厚度轮廓改变为非均匀厚度轮廓；在第一光栅材料层上形成图案化的硬掩模；以及使用图案化的硬掩模对第一光栅材料层进行蚀刻，以在第一光栅材料层中形成具有可变深度的光栅。

Description

使用灰色调光刻制造可变蚀刻深度光栅的技术
技术领域
本公开涉及一种在第一光栅材料层中形成具有可变深度的光栅的方法。本公开还涉及一种波导显示器。
背景技术
人工现实系统，例如头戴式显示器(Head-Mounted Display，HMD)或平视显示器(Heads-Up Display，HUD)系统，通常包括近眼显示器(例如，以头戴式设备(headset)或一副眼镜的形式)，该近眼显示器被配置为经由用户眼睛前方的电子显示器或光学显示器向用户呈现内容。近眼显示器可以呈现虚拟对象或将真实对象的图像与虚拟对象组合，如在虚拟现实(Virtual Reality，VR)应用、增强现实(Augmented Reality，AR)应用或混合现实(Mixed Reality，MR)应用中那样。例如，在AR系统中，用户可以例如通过透视透明的显示眼镜或透镜(通常称为光学透视)来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(Computer-Generated Image，CGI))和周围环境这二者。
光学透视AR系统的一个示例可以使用基于波导的光学显示器，其中，所投射的图像的光可以被耦入到波导(例如，透明衬底)中，在波导内传播，然后在不同位置被耦出波导。在一些光学透视AR系统中，可以使用例如表面浮雕光栅、全息光栅的衍射光学元件，将所投射的图像的光耦入到波导中或自波导耦出。来自周围环境的光也可以穿过波导的透视区域中的衍射光学元件，并且到达用户的眼睛。
发明内容
本公开总体上涉及表面浮雕光栅。更具体地，本文公开了用于制备具有可变深度和/或其它光栅参数(例如，折射率)的表面浮雕光栅的技术。具有可变深度和/或其它光栅参数的表面浮雕光栅可以用于例如减少所显示图像中的光学伪影，和/或增强现实或混合现实系统所用的光学透视波导显示器中的显示泄漏。本文描述了各种发明实施例，这些实施例包括装置、系统、方法、材料等。
在本发明的一方面，提供了一种方法，该方法包括：在衬底上沉积具有均匀厚度轮廓的第一光栅材料层；在第一光栅材料层上形成具有可变厚度轮廓的蚀刻掩模层；对该蚀刻掩模层和第一光栅材料层进行蚀刻，以将第一光栅材料层的均匀厚度轮廓改变为非均匀厚度轮廓；在第一光栅材料层上形成图案化的硬掩模；以及使用图案化的硬掩模对第一光栅材料层进行蚀刻，以在第一光栅材料层中形成具有可变深度的光栅。
在第一光栅材料层上形成具有可变厚度轮廓的蚀刻掩模层可以包括：在第一光栅材料层上沉积光刻胶材料层，该光刻胶材料对曝光光敏感并且对曝光剂量具有非二元响应；通过可变透明度掩模将该光刻胶材料层在所述曝光光下暴露一段时间；以及对该光刻胶材料层进行显影，以去除该光刻胶材料层的暴露于该曝光光的部分，从而在第一光栅材料层上形成具有可变厚度轮廓的蚀刻掩模层。在一些实施例中，该蚀刻掩模层的特性可以在于，蚀刻速率位于第一光栅材料层的蚀刻速率的约0.5倍至约5倍之间。
在第一光栅材料层上形成图案化的硬掩模可以包括：在第一光栅材料层上沉积硬掩模层；在该硬掩模层上形成有机介电层；在该有机介电层上涂覆抗反射层；在该抗反射层上沉积光刻胶层；对该光刻胶层进行图案化；以及使用该图案化的光刻胶层作为蚀刻掩模对该抗反射层、该有机介电层和该硬掩模层进行蚀刻。在一些实施例中，该硬掩模层的特性可以在于均匀厚度；以及该有机介电层的特性可以在于平坦的顶表面。
对第一光栅材料层进行蚀刻以在第一光栅材料层中形成具有可变深度的光栅可以包括：以大于约10°的倾斜角对第一光栅材料层进行干蚀刻。在一些实施例中，对第一光栅材料层进行蚀刻以在第一光栅材料层中形成具有可变深度的光栅可以包括：使用衬底作为蚀刻止挡层，对第一光栅材料层进行蚀刻。
该方法还可以包括：在形成图案化的硬掩模之前，在第一光栅材料层上沉积第二光栅材料层，第二光栅材料层具有与第一光栅材料层的折射率不同的折射率；在第二光栅材料层上形成具有第二可变厚度轮廓的第二蚀刻掩模层；以及对第二蚀刻掩模层和第二光栅材料层进行蚀刻，以将第二光栅材料层的厚度轮廓改变为第二非均匀厚度轮廓。
该方法还可以包括：在对第一光栅材料层进行蚀刻之前，在图案化的硬掩模上形成具有第二可变厚度轮廓的第二蚀刻掩模层，其中，对第一光栅材料层进行蚀刻可以包括通过第二蚀刻掩模层对第一光栅材料层进行蚀刻。在一些实施例中，形成第二蚀刻掩模层可以包括：在图案化的硬掩模上沉积光刻胶材料层，该光刻胶材料层对曝光光敏感并且对曝光剂量具有非二元响应；通过可变透明度光掩模将该光刻胶材料层在该曝光光下暴露一段时间；以及对该光刻胶材料层进行显影，以去除该光刻胶材料层的暴露于该曝光光的部分，从而在图案化的硬掩模上形成具有第二可变厚度轮廓的第二蚀刻掩模层。
该方法还可以包括：在具有可变深度的光栅上沉积外涂层。该方法还可以包括：在该外涂层上形成抗反射涂层或角度选择性传输层。在一些实施例中，该光栅的可变深度可以沿着一个或两个方向变化。
在本发明的一方面，提供一种方法。该方法包括：在衬底上沉积多个光栅材料层的叠置体，其中，该多个光栅材料层的叠置体中的每个光栅材料层的特性可以在于各自的均匀厚度轮廓和各自的折射率；在该多个光栅材料层的叠置体上形成图案化的硬掩模；在图案化的硬掩模上形成具有可变厚度轮廓的蚀刻掩模层；以及使用图案化的硬掩模和蚀刻掩模层蚀刻对该多个光栅材料层的叠置体进行蚀刻，以在该多个光栅材料层的叠置体中形成具有可变深度的光栅。
形成具有可变厚度轮廓的蚀刻掩模层可以包括：在图案化的硬掩模上沉积光刻胶材料层，该光刻胶材料层对曝光光敏感并且对曝光剂量具有非二元响应，通过可变透明度光掩模将该光刻胶材料层在该曝光光下暴露一段时间；以及对该光刻胶材料层进行显影，以去除光刻胶材料层的暴露于该曝光光的部分，从而在图案化的硬掩模上形成具有可变厚度轮廓的蚀刻掩模层。该光栅的可变深度可以沿着一个或两个(例如，正交)方向变化。
在本发明的一方面，提供一种波导显示器。波导显示器包括：衬底；第一表面浮雕光栅耦合器，第一表面浮雕光栅耦合器位于该衬底上，其中，第一表面浮雕光栅耦合器的特性在于非均匀厚度轮廓；以及第二表面浮雕光栅耦合器，第二表面浮雕光栅耦合器位于该衬底上，第二表面浮雕光栅耦合器的特性在于均匀厚度轮廓和可变蚀刻深度。
第一表面浮雕光栅耦合器和第二表面浮雕光栅耦合器可以分别形成在多个光栅材料层的叠置体的第一区域和第二区域中。该多个光栅材料层的叠置体中的每个光栅材料层的特性可以在于各自的折射率；以及该多个光栅材料层的叠置体中的每个光栅材料层在第一区域中的特性可以在于各自的非均匀厚度轮廓。
该波导显示器还可以包括：外涂层，该外涂层位于第一表面浮雕光栅耦合器或第二表面浮雕光栅耦合器中的至少一者上；以及抗反射涂层或角度选择性传输层，该抗反射涂层或角度选择性传输层位于该外涂层上。在一些实施例中，第一表面浮雕光栅耦合器和第二表面浮雕光栅耦合器可以位于该衬底的第一侧上，并且该波导显示器还可以包括第三表面浮雕光栅耦合器，第三表面浮雕光栅耦合器位于该衬底的第二侧上，其中，第三表面浮雕光栅耦合器的特性可以在于第二非均匀厚度轮廓。
在一些实施例中，该波导显示器还可以包括光栅耦合器，该光栅耦合器可以将显示光衍射地耦入到波导中或自波导耦出，并且通过波导来折射地传输环境光。这些光栅耦合器中的每个光栅耦合器可以包括两个或多个光栅层，该两个或多个光栅层具有各自不同的折射率和/或厚度轮廓，以减少显示光自波导显示器朝向周围环境耦出。
本发明内容既不旨在确定所要求保护主题的关键或必要特征，也不旨在孤立地用于确定所要求保护主题的范围。该主题应当通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任何附图或所有附图、以及每项权利要求来理解。前述内容连同其它特征和示例将在说明书、权利要求和附图中更详细地描述。
附图说明
下面参考以下附图详细描述说明性实施例。
图1是根据某些实施例的包括近眼显示器的人工现实系统环境的示例的简化框图。
图2是用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的头戴式显示装置形式的近眼显示器的示例的立体图。
图3是用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的一幅眼镜形式的近眼显示器的示例的立体图。
图4示出了根据某些实施例的包括波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。
图5示出了显示光和外部光在波导显示器的示例中的传播。
图6示出了根据某些实施例的波导显示器中的倾斜光栅耦合器的示例。
图7A示出了基于波导的近眼显示器的示例，其中，用于所有视场的显示光从波导显示器的不同区域大体均匀地输出。
图7B示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的示例，其中，显示光可以自波导显示器在波导显示器的不同区域以不同角度耦出。
图8A示出了根据某些实施例的具有可变蚀刻深度的倾斜光栅的示例的剖面。
图8B示出了根据某些实施例的图8A中所示的具有可变蚀刻深度的倾斜光栅的示例的另一剖面。
图9包括流程图，该流程图示出了根据某些实施例的用于制备具有可变深度的光栅的工艺的示例。
图10A至图10F示出了根据某些实施例的用于制造具有可变光栅深度的光栅的工艺的示例。
图11A至图11C示出了根据某些实施例的用于形成蚀刻掩模的工艺的示例，该蚀刻掩模使用灰度光掩模形成并且具有期望的厚度轮廓。
图12A至图12D示出了根据某些实施例的用于将蚀刻掩模的厚度轮廓转移到下面材料层的工艺的示例。
图13包括流程图，该流程图示出了根据某些实施例的用于制备具有可变深度的光栅的工艺的示例。
图14A至图14G示出了根据某些实施例的用于制造具有可变深度的光栅的工艺的示例。
图15A示出了可能由于环境光的衍射而产生光学伪影的波导显示器的示例。
图15B示出了可能将显示光泄漏到周围环境中的波导显示器的示例。
图16示出了根据某些实施例的波导显示器中的光栅耦合器的示例。
图17示出了根据某些实施例的包括光栅耦合器的波导显示器的示例，该光栅耦合器具有可变光栅深度和可变折射率。
图18A至图18F示出了根据某些实施例的用于制造光栅的工艺的示例，该光栅具有可变光栅深度和包括具有平坦顶部的外涂层。
图19A至图19D示出了根据某些实施例的使用灰色调光刻来控制光栅的高度轮廓的方法的示例。
图20示出了根据某些实施例的使用灰色调光刻来补偿蚀刻工艺的非均匀蚀刻速率的方法的示例。
图21是用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的示例近眼显示器的示例电子系统的简化框图。
附图仅出于说明的目的而描绘了本公开的实施例。本领域技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不脱离本公开的原理或本公开中所披露的权益的情况下，可以采用所示出的结构和方法的替代实施例。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的参考标记。此外，同一类型的各种部件可以通过在参考标记后跟随连接号和区分多个相似部件的第二标记来区分。如果说明书中仅使用了第一参考标记，则该描述可适用于具有相同第一参考标记的多个类似部件中的任何一个部件，而不考虑第二参考标记。
具体实施方式
本文公开的技术总体上涉及用于例如人工现实系统的光学系统的表面浮雕光栅。更具体地，本文公开了用于制备具有期望的深度轮廓和其它光栅参数的表面浮雕光栅的技术。具有期望的深度轮廓和/或其它光栅参数的表面浮雕光栅可以用于例如提高效率、改善视场、减少所显示的图像中的光学伪影、和/或减少增强现实(AR)应用或混合现实(MR)应用所用的光学透视波导显示器中的显示泄漏。本文描述了各种发明实施例，这些实施例包括装置、系统、方法、材料、工艺等。
在光学透视波导显示系统中，可以使用输入光栅耦合器将来自光源的显示光耦入到波导中，然后可以使用输出光栅耦合器将该显示光自波导耦出，以传送到用户的眼睛。波导和光栅耦合器对可见光可以是透明的，使得用户还可以通过波导显示器观看周围环境。为了提高功率效率，图像质量、安全性和隐私性，可以使用非均匀光栅耦合器。非均匀光栅耦合器可以包括例如表面浮雕光栅，该表面浮雕光栅具有可变的光栅周期、蚀刻深度、占空比、倾斜角、折射率和/或材料。具有可变光栅参数的非均匀光栅耦合器可以提供更多的自由度用于调整光栅，以实现期望的性能。然而，制备这种非均匀光栅耦合器，例如具有可变蚀刻深度和/或可变折射率的倾斜表面浮雕光栅，可能是非常有挑战性的。
根据某些实施例，可变蚀刻深度(Variable Etch Depth，VED)光栅可以使用灰色调最后工艺(gray-tone-last process)对具有均匀厚度的材料层(例如，膜或衬底)进行蚀刻。灰色调最后工艺可以包括：在待蚀刻的材料层上形成图案化的硬蚀刻掩模，使用灰色调光刻形成具有期望的高度轮廓(例如，具有可变厚度)的灰色调蚀刻掩模，然后通过对灰色调蚀刻掩模和下面的材料层进行蚀刻而将灰色调蚀刻掩模的厚度轮廓转移到材料层。通过使用灰度光掩模将灰色调光刻胶层暴露于非均匀光束，随后在显影工艺中去除灰色调光刻胶层的曝光部分，可以由灰色调光刻胶层形成灰色调蚀刻掩模。灰色调光刻胶层对曝光剂量可以具有线性或其它非二元(non-binary)响应，使得灰色调光刻胶层在区域中的曝光部分的深度可以是该区域中的曝光剂量的函数。灰色调蚀刻掩模可以具有与材料层的蚀刻速率类似或相当的蚀刻速率，使得可以将灰色调蚀刻掩模的厚度轮廓转移到下面的材料层。
根据一些实施例，灰色调第一工艺(gray-tone-first process)可以单独使用或与灰色调最后工艺结合使用，以制备具有可变光栅参数的光栅。灰色调第一工艺可以包括：执行灰色调光刻工艺以在衬底上形成具有期望的非均匀厚度轮廓的膜，在具有非均匀厚度轮廓的膜上形成硬掩模，以及使用硬掩模对膜进行蚀刻，以在具有非均匀厚度轮廓的膜中形成VED光栅。可以通过在具有非均匀厚度轮廓的膜上沉积硬掩模材料层(例如，金属或金属合金材料，例如Cr)和三层掩模，形成硬掩模。三层掩模可以用于对硬掩模材料层进行图案化，并且可以包括例如位于底部的有机介电层、位于中部的抗反射涂层和位于顶部的光刻胶层。光刻胶层可以被图案化，并且可以作为掩模用于干蚀刻或湿蚀刻，以在硬掩模材料层中形成图案。然后，可以将图案化的硬掩模材料层作为硬掩模，用于对膜进行蚀刻。
在一些实施例中，可以在光刻期间使用底部抗反射涂层(Bottom Anti-Reflection Coating，BARC)和/或顶部抗反射涂层(Top Anti-Reflection Coating，TARC)来减少光反射，并且提高图案的分辨率和质量。
根据某些实施例，可以使用本文公开的技术来制备VED光栅，该VED光栅包括具有不同的折射率和非均匀厚度的多层的不同材料，以提高效率、减少某些光学伪影和/或可能导致透视波导显示器中的干涉、隐私和/或安全问题的不期望的光学泄漏。例如，波导显示器可以包括通过灰色调第一工艺制作的表面浮雕光栅和通过灰色调最后工艺制做的表面浮雕光栅这二者。输入光栅耦合器和输出光栅耦合器可以使用不同的工艺来制作。
根据某些实施例，灰色调光刻还可以用于控制位于具有非均匀光栅参数(例如，深度、占空比或周期)的表面浮雕光栅上的外涂层的厚度轮廓，以补偿大区域中的非均匀蚀刻速率，和/或界定蚀刻区域/阻挡区域(block region)，或控制光栅层的厚度。
例如，倾斜表面浮雕光栅耦合器可以包括倾斜VED光栅和位于倾斜VED光栅之上的外涂层。在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅耦合器还可以包括位于外涂层之上的选择性透射结构或抗反射结构，例如用于减少光学伪影。可以使用本文所公开的灰色调第一工艺和/或灰色调最后工艺来制备倾斜VED光栅。外涂层可以沉积在倾斜VED光栅上。由于倾斜VED光栅具有可变蚀刻深度，因此使用现有技术在倾斜VED光栅上形成的外涂层可能具有不平坦的顶表面。例如，旋涂技术可以提供一种相对低成本和快速地在倾斜VED光栅之上形成外涂层的方式。但是，外涂层的顶表面可能不是平坦的，这是因为旋涂材料可能跟随下面的倾斜VED光栅的形貌，该倾斜VED光栅可能具有变化的倾斜角、占空比、深度等。化学机械抛光(Chemical-Mechanical Polishing，CMP)可以用于实现光栅上的平坦的顶表面，但是可能不能精确地控制位于倾斜VED光栅的顶部上的外涂层的厚度(称为，外涂层负荷(overcoat burden))。
根据一些实施例，可以使用例如旋涂技术在光栅上形成外涂层。可以使用例如旋涂技术在外涂层上涂覆灰色调光刻胶层。然后，可以使用灰色调掩模(该灰色调掩模的光透射率反映外涂层形貌)来执行灰色调光刻工艺，以在曝光和显影之后在灰色调光刻胶层上形成平坦的顶表面。灰色调光刻胶层可以具有与外涂层的蚀刻速率类似或相当的蚀刻速率，使得可以对灰色调光刻胶层和下面的外涂层进行蚀刻，以在外涂层上留下平坦的顶表面。可以控制蚀刻速率和蚀刻时间，以控制外涂层负荷的厚度。
根据某些实施例，可以使用灰色调光刻来补偿大区域中的非均匀蚀刻速率。可以使用灰色调光刻和具有与非均匀蚀刻速率互补的透射率的灰度光掩模，在膜或衬底上形成具有非均匀厚度的光刻胶层。在具有较高蚀刻速率的区域中，光刻胶层可以具有较大的厚度，而在具有较低蚀刻速率的区域中，光刻胶层可以具有较小的厚度。光刻胶层的非均匀厚度和蚀刻区域中的非均匀蚀刻速率的组合，可以使得膜或衬底具有均匀有效的蚀刻速率。
根据某些实施例，可以使用灰色调光刻来界定蚀刻区域/阻挡区域，或控制光栅的不同区域中的厚度。例如，可以在不需要蚀刻的区域中形成厚光刻胶层，以阻止该区域被蚀刻。
在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以提供对本公开的示例的全面理解。然而，将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下来实践各种示例。例如，装置、系统、结构、组件、方法和其它部件可以被示出为框图形式的部件，以免在不必要的细节中模糊这些示例。在其它情况下，为了避免模糊这些示例，可以在没有必要细节的情况下示出众所周知的装置、工艺、系统、结构和技术。这些附图和描述不旨在是限制性的。在本公开中已使用的术语和表达均用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这些术语和表达时无意排除所示出和描述的特征或该特征中的多个部分的任何等同物。“示例”一词在本文中用于表示“作为示例、实例或说明”。本文中描述为“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为比其它实施例或设计更优选或有优势。
图1是根据某些实施例的包括近眼显示器120的人工现实系统环境100的示例的简化框图。图1所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器120，可选的外部的成像装置150和可选的输入/输出接口140，上述部件中的每者都可以耦接至可选的控制台110。尽管图1示出了包括一个近眼显示器120、一个外部的成像装置150和一个输入/输出接口140的人工现实系统环境100的示例，但是人工现实系统环境100可以包括任何数量的这些部件，或者可以省略这些部件中的任何部件。例如，可以存在多个近眼显示器120，这些近眼显示器被与控制台110通信的一个或多个外部的成像装置150监控。在一些配置中，人工现实系统环境100可以不包括外部的成像装置150、可选的输入/输出接口140和可选的控制台110。在替代配置中，在人工现实系统环境100中可以包括不同的部件或附加的部件。
近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示器120呈现的内容的示例包括图像、视频、音频中的一种或多种、或它们的任何组合。在一些实施例中，可以经由外部装置(例如，扬声器和/或耳机)呈现音频，该外部装置接收来自近眼显示器120、控制台110、或这两者的音频信息，并且基于该音频信息来呈现音频数据。近眼显示器120可以包括一个或多个刚性体，该一个或多个刚性体可以刚性地或非刚性地彼此耦接。多个刚性体之间的刚性耦接可以使得耦接的这些刚性体作为单个刚性实体。多个刚性体之间的非刚性耦接可以允许这些刚性体相对于彼此移动。在各种实施例中，近眼显示器120可以以任何适当的形状要素(包括一副眼镜)来实现。下面关于图2和图3进一步描述近眼显示器120的一些实施例。另外，在各种实施例中，可以在头戴式设备(headset)中使用本文描述的功能，该头戴式设备对近眼显示器120外部的环境的图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)进行组合。因此，近眼显示器120可以利用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示器120外部的物理、现实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。
在各种实施例中，近眼显示器120可以包括显示电子器件122、显示光学器件124和眼睛追踪单元130中的一者或多者。在一些实施例中，近眼显示器120还可以包括一个或多个定位器126、一个或多个位置传感器128和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)132。在各种实施例中，近眼显示器120可以省略眼睛追踪单元130、定位器126、位置传感器128和IMU 132中的任何一者，或者可以包括附加的元件。另外，在一些实施例中，近眼显示器120可以包括具备有结合图1描述的各元件的功能的元件。
显示电子器件122可以根据接收的来自于例如控制台110的数据，向用户显示图像或促进向用户显示图像。在各种实施例中，显示电子器件122可以包括一个或多个显示面板，例如液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、有机发光二极管(Organic LightEmitting Diode，OLED)显示器、无机发光二极管(Inorganic Light Emitting Diode，ILED)显示器、微型发光二极管(micro Light Emitting Diode，μLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(Active-Matrix OLED Display，AMOLED)、透明OLED显示器(Transparent OLEDDisplay，TOLED)或一些其它显示器。例如，在近眼显示器120的一种实施方式中，显示电子器件122可以包括前TOLED面板、后显示面板和位于前显示面板和后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器、或者衍射膜或光谱膜)。显示电子器件122可以包括多个像素，以发出例如红色、绿色、蓝色、白色或黄色的主导颜色的光。在一些实施方式中，显示电子器件122可以通过由二维面板产生的立体效果，来显示三维(three-Dimensional，3D)图像，以创建对图像深度的主观感知。例如，显示电子器件122可以包括位于用户的左眼前方的左显示器和右眼前方的右显示器。左显示器和右显示器可以呈现图像的相对于彼此水平移位的多个副本，以创建立体效果(即，用户观看图像时对图像深度的感知)。
在某些实施例中，显示光学器件124可以光学地(例如，使用光波导和光耦合器)显示图像内容，或者可以放大接收到的来自显示电子器件122的图像光，校正与图像光相关的光学误差，并且向近眼显示器120的用户呈现校正的图像光。在各种实施例中，显示光学器件124可以包括例如一个或多个光学元件，例如衬底、光波导、光圈、菲涅耳(Fresnel)透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、输入/输出耦合器、或可以影响从显示电子器件122发出的图像光的任何其它合适的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件的组合以及多个机械耦接件，以保持组合中这些光学元件的相对间距和取向。显示光学器件124中的一个或多个光学元件可以具有光学涂层，例如抗反射涂层、反射涂层、滤光涂层或不同光学涂层的组合。
显示光学器件124对图像光进行放大可以允许显示电子器件122与较大的显示器相比，物理体积更小、重量更轻并且消耗的功率更少。另外，放大可以增大所显示的内容的视场。可以通过调整光学元件、添加光学元件或从显示光学器件124移除光学元件，改变显示光学器件124对图像光的放大量。在一些实施例中，显示光学器件124可以将所显示的图像投射到一个或多个图像平面，该一个或多个图像平面可以比近眼显示器120更远离用户的眼睛。
显示光学器件124还可以被设计为校正一种或多种类型的光学误差，例如二维光学误差、三维光学误差或它们的任何组合。二维误差可以包括在两个维度中出现的光学像差。多种示例类型的二维误差可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括在三个维度中出现的光学误差。多种示例类型的三维误差可以包括球面像差、彗形像差、场曲和像散。
定位器126可以是位于近眼显示器120上的彼此相关且与近眼显示器120上的参考点相关的多个特定位置上的对象。在一些实施方式中，控制台110可以识别由外部的成像装置150采集的图像中的定位器126，以确定人工现实头戴式设备的位置、取向、或这二者。定位器126可以是发光二极管(LED)、隅角立方反射器(comer cube reflector)、反射标记、与近眼显示器120运行时所处的环境形成对比的一种类型的光源、或它们的任何组合。在定位器126为有源部件(例如，LED或其它类型的发光装置)的实施例中，定位器126可以发出位于可见波段(例如，约380nm到750nm)的光、位于红外(IR)波段(例如，约750nm到1mm)的光、位于紫外波段(例如，约10nm到约380nm)的光、位于电磁波谱的另一部分中的光、或位于电磁波谱的多个部分的任何组合中的光。
外部的成像装置150可以包括一个或多个摄像头、一个或多个摄影机、能够采集包括多个定位器126中的一个或多个定位器的图像的任何其它装置、或它们的任何组合。另外，外部的成像装置150可以包括一个或多个滤光器(例如，以增大信噪比)。外部的成像装置150可以被配置为检测从处于外部的成像装置150的视场中的定位器126发出或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，回反射器(retroreflector))的实施例中，外部的成像装置150可以包括照亮多个定位器126中的一些或全部定位器的光源，这些定位器可以将光回射到外部的成像装置150中的光源。可以从外部的成像装置150向控制台110传送慢速校准数据，并且外部的成像装置150可以接收来自控制台110的一个或多个校准参数，以调整一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧率、传感器温度、快门速度、光圈等)。
位置传感器128可以响应于近眼显示器120的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器128的示例可以包括加速计、陀螺仪、磁力计、其它运动检测传感器或误差校正传感器、或它们的任何组合。例如，在一些实施例中，位置传感器128可以包括用于测量平移运动(例如，前/后、上/下或左/右)的多个加速计和用于测量旋转运动(例如，俯仰、偏转或翻滚)的多个陀螺仪。在一些实施例中，各位置传感器可以彼此正交地定位。
IMU 132可以是基于接收到的来自多个位置传感器128中的一个或多个位置传感器的测量信号生成快速校准数据的电子装置。位置传感器128可以位于IMU 132的外部、IMU132的内部、或它们的任何组合。基于来自一个或多个位置传感器128的一个或多个测量信号，IMU 132可以生成快速校准数据，该快速校准数据表示近眼显示器120的、相对于近眼显示器120的初始位置的估计位置。例如，IMU 132可以随时间对接收到的来自加速计的多个测量信号进行积分以估计速度矢量，并且随时间对速度矢量进行积分以确定近眼显示器120上的参考点的估计位置。替代地，IMU 132可以向控制台110提供采样的多个测量信号，该控制台可以确定快速校准数据。虽然可以将参考点笼统地定义为空间中的点，但是在各种实施例中，也可以将参考点定义为近眼显示器120内的点(例如，IMU 132的中心)。
眼睛追踪单元130可以包括一个或多个眼睛追踪系统。眼睛追踪可以指确定眼睛相对于近眼显示器120的位置，该位置包括眼睛的取向和定位。眼睛追踪系统可以包括用于对一只或多只眼睛进行成像的成像系统，并且可以可选地包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统采集。例如，眼睛追踪单元130可以包括非相干或相干光源(例如，激光二极管)和摄像头，该非相干或相干光源发出位于可见光谱或红外光谱的光，该摄像头采集由用户的眼睛反射的光。作为另一示例，眼睛追踪单元130可以采集由微型雷达单元发出的被反射的无线电波。眼睛追踪单元130可以使用低功率光发射器，这些低功率光发射器以不会伤害眼睛或不会引起身体不适的频率和强度发射光。眼睛追踪单元130可以被布置为增加由眼睛追踪单元130采集的眼睛的图像的对比度，同时减小由眼睛追踪单元130消耗的总功率(例如，减小眼睛追踪单元130中包括的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施例中，眼睛追踪单元130消耗的功率可以小于100毫瓦。
近眼显示器120可以使用眼睛的取向来例如确定用户的瞳孔间距离(Inter-Pupillary Distance，IPD)，确定注视方向，引入深度线索(depth cue)(例如，用户的主视线之外的模糊图像)，收集关于VR媒体中用户交互的启发式方法(heuristics)(例如，花费在任何特定主题、对象或帧上的时间随遭受的刺激的变化)、部分基于用户的至少一只用户眼睛的取向的一些其它功能、或者它们的任何组合。因为可以确定用户双眼的取向，所以眼睛追踪单元130可以能够确定用户正在看哪里。例如，确定用户的注视方向可以包括：基于所确定的用户左眼和右眼的取向，确定会聚点(point of convergence)。会聚点可以是用户双眼的两个视网膜中央的轴(foveal axes)相交的点。用户的注视方向可以是穿过会聚点以及用户双眼的瞳孔之间中点的线的方向。
输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110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，动作请求可以是启动或结束应用程序，或者是执行应用程序内的特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或多个输入装置。示例输入装置可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触控屏、或用于接收动作请求并且向控制台110传送所接收到的动作请求的任何其它合适的装置。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，该控制台可以执行与所请求的动作相对应的动作。在一些实施例中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收的指令，向用户提供触觉反馈。例如，输入/输出接口140可以在动作请求被接收时、或者在控制台110已经执行了所请求的动作并且向输入/输出接口140传送指令时，提供触觉反馈。在一些实施例中，外部的成像装置150可以用于追踪输入/输出接口140，例如追踪控制器(该控制器可以包括例如IR光源)的定位或位置、或用户的手部的定位或位置，以确定用户的运动。在一些实施例中，近眼显示器120可以包括一个或多个成像装置，以追踪输入/输出接口140，例如，追踪控制器的定位或位置、或用户的手部的定位或位置，以确定用户的运动。
控制台110可以根据接收的来自外部的成像装置150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一者或多者的信息，向近眼显示器120提供内容，以呈现给用户。在图1所示的示例中，控制台110可以包括应用程序商店112、头戴式设备追踪模块114、人工现实引擎116和眼睛追踪模块118。控制台110的一些实施例可以包括与结合图1描述的那些模块不同的模块或附加的模块。下面进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式分布在控制台110的多个部件之中。
在一些实施例中，控制台110可以包括处理器和存储可由处理器执行的指令的非暂态计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。非暂态计算机可读存储介质可以是任何存储器，例如硬盘驱动器、可移动存储器、或固态驱动器(例如，闪速存储器或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM))。在各种实施例中，结合图1描述的控制台110的模块可以被编码为非暂态计算机可读存储介质中的指令，这些指令在被处理器执行时，使处理器执行下文进一步描述的功能。
应用程序商店112可以存储一个或多个应用程序，以供控制台110执行。应用程序可以包括一组指令，该组指令在被处理器执行时，生成用于呈现给用户的内容。由应用程序生成的内容可以响应于经由用户眼睛的移动而从用户接收的输入，或者响应于从输入/输出接口140接收的输入。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频播放应用程序、或其它合适的应用程序。
头戴式设备追踪模块114可以使用来自外部的成像装置150的慢速校准信息，来追踪近眼显示器120的运动。例如，头戴式设备追踪模块114可以使用来自慢速校准信息的观察到的定位器、以及近眼显示器120的模型，来确定近眼显示器120的参考点的位置。头戴式设备追踪模块114也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120的参考点的位置。此外，在一些实施例中，头戴式设备追踪模块114可以使用以下信息中的部分信息：快速校准信息、慢速校准信息或它们的任何组合，以预测近眼显示器120的未来定位。头戴式设备追踪模块114可以向人工现实引擎116提供估计或预测的、近眼显示器120的未来位置。
人工现实引擎116可以执行人工现实系统环境100内的应用程序，并且接收来自头戴式设备追踪模块114的近眼显示器120的位置信息、近眼显示器120的加速度信息、近眼显示器120的速度信息、预测的近眼显示器120的未来位置、或者它们的任何组合。人工现实引擎116还可以接收来自眼睛追踪模块118的估计的眼睛位置和取向信息。基于所接收到的信息，人工现实引擎116可以确定待提供给近眼显示器120以呈现给用户的内容。例如，如果所接收到的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎116可以为近眼显示器120生成在虚拟环境中反映用户眼睛活动的内容。另外，人工现实引擎116可以响应于接收的来自输入/输出接口140的动作请求，执行在控制台110上执行的应用程序内的动作，并且向用户提供指示该动作已经被执行的反馈。该反馈可以是经由近眼显示器120的视觉反馈或听觉反馈、或者经由输入/输出接口140的触觉反馈。
眼睛追踪模块118可以接收来自眼睛追踪单元130的眼睛追踪数据，并基于该眼睛追踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括眼睛相对于近眼显示器120或该近眼显示器中的任何元件的取向、定位、或这二者。因为眼睛的旋转轴线随眼睛在眼窝中的定位的变化而变化，所以确定眼睛在其眼窝中的定位可以允许眼睛追踪模块118更精确地确定眼睛的取向。
图2是用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的HMD装置200形式的近眼显示器的示例的立体图。HMD装置200可以是例如VR系统、AR系统、MR系统、或它们的任何组合的一部分。HMD装置200可以包括主体220和头带230。图2以立体图示出了主体220的底侧223、前侧225和左侧227。头带230可以具有可调节或可伸长的长度。在HMD装置200的主体220与头带230之间可以有足够的空间，以允许用户将HMD装置200佩戴到用户的头上。在各种实施例中，HMD装置200可以包括附加的、更少的或不同的部件。例如，在一些实施例中，HMD装置200可以包括例如如以下图3所示的眼镜镜腿(eyeglass temple)和镜腿套(temple tip)，而不包括头带230。
HMD装置200可以向用户呈现包括具有计算机生成元素的物理、真实世界环境的虚拟和/或增强视图的媒体。由HMD装置200呈现的媒体的示例可以包括图像(例如，二维(two-Dimensional，2D)图像或三维(3D)图像)、视频(例如，2D视频或3D视频)、音频、或它们的任何组合。可以通过包封在HMD装置200的主体220中的一个或多个显示组件(图3中未示出)，向用户的每只眼睛呈现图像和视频。在各种实施例中，一个或多个显示组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，用户的每只眼睛使用一个显示面板)。一个或多个电子显示面板的示例可以包括例如LCD、OLED显示器、ILED显示器、μLED显示器、AMOLED、TOLED、某种其它显示器、或它们的任何组合。HMD装置200可以包括两个适眼区(eye box)区域。
在一些实施方式中，HMD装置200可以包括各种传感器(未示出)，例如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛追踪传感器。这些传感器中的一些传感器可以使用结构光图案进行感测。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以执行HMD装置200内的应用程序，并且接收来自各种传感器的HMD装置200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或它们的任何组合。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收的信息可以用于向一个或多个显示组件生成信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括定位器(未示出，例如定位器126)，这些定位器位于主体220上的彼此相关并且与参考点相关的多个固定位置。这些定位器中的每个定位器可以发出可由外部的成像装置检测的光。
图3是用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的一副眼镜形式的近眼显示器300的示例的立体图。近眼显示器300可以是图1的近眼显示器120的具体实施方式，并且可以被配置为用作虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置为向用户呈现内容。在一些实施例中，显示器310可以包括显示电子器件和/或显示光学器件。例如，如上文关于图1的近眼显示器120所描述的，显示器310可以包括LCD显示面板、LED显示面板或光学显示面板(例如，波导显示组件)。
近眼显示器300还可以包括位于框架305上或位于框架305内的各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施例中，传感器350a至350e可以包括一个或多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施例中，传感器350a至350e可以包括一个或多个图像传感器，该一个或多个图像传感器被配置为生成表示不同方向上的不同视场的图像数据。在一些实施例中，传感器350a至350e可以用作输入装置以控制或影响近眼显示器300的显示内容，和/或向近眼显示器300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些实施例中，传感器350a至350e也可以用于立体成像。
在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括一个或多个照明器330，以将光投射到物理环境中。所投射的光可以与不同的波段(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，一个或多个照明器330可以在黑暗环境中(或者在具有低强度的红外光、紫外光等的环境中)投射光，以协助传感器350a至350e在黑暗环境中采集不同对象的图像。在一些实施例中，一个或多个照明器330可以用于将特定的光图案投射到环境中的对象上。在一些实施例中，一个或多个照明器330可以用作定位器，这些定位器为例如上面关于图1描述的定位器126。
在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括高分辨率的摄像头340。摄像头340可以采集视场中的物理环境的图像。所采集的图像可以例如被虚拟现实引擎(例如，图1的人工现实引擎116)处理，以将虚拟对象添加到所采集的图像中或者修改所采集的图像中的物理对象，并且所处理的图像可以由用于AR或MR应用的显示器310显示给用户。
图4示出了根据某些实施例的包括波导显示器的光学透视增强现实系统400的示例。增强现实系统400可以包括投影仪410和组合器415。投影仪410可以包括光源或图像源412和投影仪光学器件414。在一些实施例中，光源或图像源412可以包括一个或多个上面描述的微型LED装置。在一些实施例中，图像源412可以包括显示虚拟对象的多个像素，这些像素例如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施例中，图像源412可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源412可以包括上面描述的激光二极管、垂直腔面发射激光器、LED和/或微型LED。在一些实施例中，图像源412可以包括多个光源(例如，上面描述的微型LED的阵列)，每个光源发出对应于原色(primary color)(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施例中，图像源412可以包括三个微型LED二维阵列，其中，每个微型LED二维阵列可以包括被配置为发出原色(例如，红色、绿色或蓝色)光的多个微型LED。在一些实施例中，图像源412可以包括光学图案生成器，例如空间光调制器。投影仪光学器件414可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件可以调节来自图像源412的光，例如扩展、准直、扫描来自图像源412的光或将来自图像源412的光投射到组合器415。例如，该一个或多个光学部件可以包括一个或多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。例如，在一些实施例中，图像源412可以包括一个或多个微型LED的一维阵列或细长的二维阵列，并且投影仪光学器件414可以包括一个或多个一维扫描器(例如，微型反射镜(micro-mirror)或棱镜)，该一个或多个一维扫描器被配置为扫描微型LED的一维阵列或细长的二维阵列，以生成图像帧。在一些实施例中，投影仪光学器件414可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，该液体透镜允许对来自图像源412的光进行扫描。
组合器415可以包括输入耦合器430，该输入耦合器用于将来自投影仪410的光耦入到组合器415的衬底420中。组合器415可以透过第一波长范围内的至少50％的光并且反射第二波长范围内的至少25％的光。例如，第一波长范围可以是从约400nm至约650nm的可见光，并且第二波长范围可以位于红外波段，例如从约800nm至约1000nm。输入耦合器430可以包括体全息光栅、衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)(例如，表面浮雕光栅)、衬底420的倾斜表面或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。例如，输入耦合器430可以包括反射式体布拉格光栅或透射式体布拉格光栅。输入耦合器430对于可见光可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。耦入到衬底420中的光可以通过例如全内反射(Total Internal Reflection，TIR)在衬底420内传播。衬底420可以是一副眼镜的镜片的形式。衬底420可以具有平坦的表面或弯曲的表面，并且可以包括一种或多种类型的介电材料，例如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(poly(methylmethacrylate)，PMMA)、晶体或陶瓷。衬底的厚度可以位于例如从小于约1mm至约10mm或更大的范围内。衬底420对可见光可以是透明的。
衬底420可以包括或可以耦接到多个输出耦合器440，每个输出耦合器被配置为从衬底420提取由衬底420引导并且在衬底420内传播的光的至少一部分，并且使提取的光460指向适眼区495，其中，当增强现实系统400被使用时，增强现实系统400的用户的眼睛490可以位于该适眼区处。多个输出耦合器440可以复制出射光瞳(exit pupil)，以增大适眼区495的尺寸，使得所显示的图像在更大的区域中可见。与输入耦合器430一样，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其它衍射光学元件、棱镜等。例如，输出耦合器440可以包括反射式体布拉格光栅或透射式体布拉格光栅。输出耦合器440可以在不同位置具有不同的耦合(例如，衍射)效率。衬底420还可以允许来自组合器415前方的环境的光450以很少的损失或没有损失地穿过。输出耦合器440也可以允许光450以很少的损失穿过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有非常低的衍射效率，使得光450可以被折射或者通过其它方式以很少的损失穿过输出耦合器440，并且因此可以具有比所提取的光460高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器440对光450可以具有高衍射效率，并且可以以很少的损失在某些期望的方向(即，衍射角)上衍射光450。因此，用户可以能够观看组合器415前方的环境和由投影仪410投射的虚拟对象的图像的组合图像。
图5示出了显示光540和外部光530在包括波导510和光栅耦合器520的示例波导显示器500中的传播。波导510可以是平坦或弯曲的透明衬底，该衬底的折射率n2大于自由空间折射率n1(例如，1.0)。光栅耦合器520可以包括，例如布拉格光栅或表面浮雕光栅。
显示光540可以通过例如上面描述的图4的输入耦合器430或其它耦合器(例如，棱镜或倾斜表面)，而耦入到波导510中。显示光540可以通过例如全内反射在波导510内传播。当显示光540到达光栅耦合器520时，显示光540可以被光栅耦合器520衍射为，例如，第0级衍射(即，反射)光542和第-1级衍射光544。第0级衍射可以在波导510内传播，并且可以在不同的位置处被波导510的底表面反射朝向光栅耦合器520。第-1级衍射光544可以朝向用户的眼睛自波导510耦出(例如，折射)，因为由于衍射角的原因，所以在波导510的底表面处可能不满足全内反射条件。
外部光530也可以被光栅耦合器520衍射为，例如，第0级衍射光532和第-1级衍射光534。第0级衍射光532和第-1级衍射光534可以朝向用户的眼睛自波导510折射出去。因此，光栅耦合器520可以作为输入耦合器，用于将外部光530耦入到波导510中，并且该光栅耦合器还可以作为输出耦合器，用于将显示光540自波导510耦出。如此，光栅耦合器520可以作为组合器，用于将外部光530和显示光540相组合。通常，光栅耦合器520(例如，表面浮雕光栅耦合器)对外部光530的衍射效率(即，透射式衍射)和光栅耦合器520对显示光540的衍射效率(即，反射式衍射)可以是相似的或相当的。
为了在朝向用户眼睛的期望方向上衍射光，并且对某些衍射级实现期望的衍射效率，光栅耦合器520可以包括闪耀光栅(blazed grating)或倾斜光栅，该倾斜光栅例如倾斜布拉格光栅或表面浮雕光栅，其中，光栅脊(ridge)和光栅槽(groove)可以相对于光栅耦合器520或波导510的表面法线倾斜。
图6示出了根据某些实施例的波导显示器600中的倾斜光栅620的示例。倾斜光栅620可以是输出耦合器440或光栅耦合器520的示例。波导显示器600可以包括位于波导610(例如衬底420或波导510)上的倾斜光栅620。倾斜光栅620可以作为光栅耦合器，用于将光耦入到波导610中或自波导610耦出。在一些实施例中，倾斜光栅620可以包括周期为p的周期性结构。例如，倾斜光栅620可以包括多个脊622和位于多个脊622之间的多个槽624。倾斜光栅620的每个周期可以包括脊622和槽624，该槽可以是气隙或填充有折射率为ng2的材料的区域。脊622的宽度w与光栅周期p之比可以称为占空比。倾斜光栅620可以具有范围例如从约10％至约90％或更大的占空比。在一些实施例中，占空比可以逐个周期地变化。在一些实施例中，倾斜光栅的周期p可以在倾斜光栅620上从一个区域到另一个区域变化，或者可以在倾斜光栅620上从一个周期到另一个周期变化(即，啁啾(chirped))。
脊622可以由折射率为ng1的材料制成，这些材料为例如含硅材料(例如，SiO2、Si3N4、SiC、SiOxNy或非晶硅)、有机材料(例如，旋涂碳(spin on carbon，SOC)或非晶碳层(Amorphous Carbon Layer，ACL)或类金刚石碳(Diamond Like Carbon，DLC))、或无机金属氧化物层(例如，TiOX、AlOX、TaOX、HfOX等)。每个脊622可以包括具有倾斜角α的前缘630和具有倾斜角β的后缘640。在一些实施例中，每个脊622的前缘630和后缘640可以彼此平行。换句话说，倾斜角α近似等于倾斜角β。在一些实施例中，倾斜角α可以不同于倾斜角β。在一些实施例中，倾斜角α可以近似等于倾斜角β。例如，倾斜角α与倾斜角β之差可以小于20％、10％、5％、1％或更小。在一些实施例中，倾斜角α和倾斜角β的范围可以为例如从约30°或更小至约70％或更大。
在一些实施方式中，多个脊622之间的多个槽624可以外涂覆(over-coat)或填充有折射率为ng2的材料，折射率ng2高于或低于脊622的材料的折射率。例如，在一些实施例中，高折射率材料，例如氧化铪(Hafnia)、氧化钛(Titania)、氧化钽(Tantalum oxide)、氧化钨(Tungsten oxide)、氧化锆(Zirconium oxide)、硫化镓(Gallium sulfide)、氮化镓(Gallium nitride)、磷化镓(Gallium phosphide)、硅和高折射率聚合物，可以用于填充槽624。在一些实施例中，低折射率材料，例如氧化硅、氧化铝、多孔氧化硅(porous silica)或氟化低折射率单体(fluorinated low index monomer)(或聚合物)，可以用于填充槽624。因此，脊的折射率与槽的折射率之差可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。
人工现实系统的用户体验可以取决于人工现实系统的若干光学特性，例如视场(field of view，FOV)、图像质量(例如，分辨率)、系统的适眼区(以适应眼睛和/或头部运动)的尺寸、出瞳距离(eye relief)的距离、光学带宽和显示图像的亮度。一般来说，FOV和适眼区需要尽可能大，光学带宽需要覆盖可见波段，并且显示图像的亮度需要足够高(尤其是光学透视AR系统)。
在基于波导的近眼显示器中，显示器的输出区域可以远大于近眼显示系统的适眼区的尺寸。光可以到达用户眼睛的部分可以取决于适眼区的尺寸与显示器的输出区域的尺寸之比，在某些情况下，对于特定出瞳距离和视场，该比可以小于10％。为了实现用户眼睛所感知的显示图像的期望亮度，可能需要显著增加来自投影仪或光源的显示光，这可能会增加功耗并且引起一些安全问题。
图7A示出了基于波导的近眼显示器的示例，其中，用于所有视场的显示光从波导显示器710的不同区域大体均匀地输出。近眼显示器可以包括投影仪720和波导显示器710。投影仪720可以与投影仪410相似，并且可以包括与光源或图像源412相似的光源或图像源和与投影仪光学器件414相似的投影仪光学器件。波导显示器710可以包括波导(例如，衬底)、一个或多个输入耦合器712和一个或多个输出耦合器714。输入耦合器712可以被配置为将来自不同视场(或视角)的显示光耦入到波导中。输出耦合器714可以被配置为将显示光自波导耦出。输入耦合器和输出耦合器可以包括例如倾斜的表面浮雕光栅或体布拉格光栅。在图7A所示的示例中，输出耦合器714除了具有可以改变以调节耦合效率从而实现更均匀的输出光的参数以外，可以在输出耦合器的整个区域上具有相似的光栅参数。因此，显示光可以在波导显示器710的不同区域处以与图7A所示的方式相似的方式自波导部分地耦出，其中，来自近眼显示器的所有视场的显示光可以在波导显示器710的任何给定区域处自波导部分地耦出。
也如图7A所示，近眼显示系统可以在某个适眼区位置790处具有适眼区，该适眼区具有有限尺寸从而具有有限视场730。如此，并非自波导显示器710中的波导耦出的所有光都可以到达适眼区位置790处的适眼区。例如，来自波导显示器710的显示光732、734和736可能不会到达适眼区位置790处的适眼区，因此可能不会被用户的眼睛接收到，这可能会导致来自投影仪720的光功率的重大损失。
在某些实施例中，用于基于波导的显示器的光耦合器(例如，倾斜表面浮雕光栅)可以包括光栅耦合器，该光栅耦合器包括多个区域(或多个复用光栅)。光栅耦合器的不同区域对于入射显示光可以具有不同的角度选择特性(例如，构造干涉条件)，使得在基于波导的显示器的任何区域，可以抑制最终不会到达用户眼睛的衍射光(即，可能不会被光栅耦合器衍射而耦入到波导中或自波导耦出，因此可以继续在波导内传播)，而最终可以到达用户眼睛的光可以被光栅耦合器衍射并且被耦入到波导中或自波导耦出。
图7B示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的示例，其中，显示光可以在波导显示器的不同区域中以不同角度自波导显示器740耦出。波导显示器740可以包括波导(例如，衬底)、一个或多个输入耦合器742和一个或多个输出耦合器744。输入耦合器742可以被配置为将来自不同视场(例如，视角)的显示光耦入到波导中，并且输出耦合器744可以被配置为将显示光自波导耦出。输入耦合器和输出耦合器可以包括例如倾斜表面浮雕光栅或其它类型的光栅。输出耦合器可以具有不同的光栅参数，因此在输出耦合器的不同区域处具有不同的角度选择特性。因此，在输出耦合器的每个区域处，只有以特定角度范围朝向近眼显示器的适眼区位置790处的适眼区传播的显示光可以自波导耦出，而其它显示光可能不满足该区域处的角度选择条件，因此可能不会自波导耦出。在一些实施例中，输入耦合器还可以具有不同的光栅参数，因此在输入耦合器的不同区域处具有不同的角度选择特性，从而，在输入耦合器的每个区域处，仅可以将来自相应视场的显示光耦入到波导中。因此，耦入到波导中并且在波导中传播的显示光的大部分可以被有效地发送到适眼区，从而提高了基于波导的近眼显示系统的功率效率。
倾斜表面浮雕光栅的折射率调制和倾斜表面浮雕光栅的其它参数，例如光栅周期、倾斜角、占空比、深度等，可以被配置为以特定衍射方向(例如，在视场730所示的角度范围内)选择性地衍射在特定入射角范围和/或特定波长带内的入射光。例如，当折射率调制较大(例如，>0.2)时，可以在输出耦合器处实现较大的角度带宽(例如，>10°)，以为基于波导的近眼显示器系统提供足够大的适眼区。
在许多应用中，为了朝向用户眼睛以期望的方向衍射光，为了对于某些衍射级实现期望的衍射效率，并且为了增大视场且减少波导显示器的彩虹伪像，光栅耦合器可以包括闪耀光栅或倾斜光栅，例如倾斜表面浮雕光栅，其中，光栅脊和光栅槽可以相对于光栅耦合器或波导的表面法线倾斜。此外，在一些实施例中，可能希望光栅在光栅区域上具有不均匀的高度或深度轮廓，和/或具有在整个光栅上变化的光栅周期或占空比，以改善光栅的性能，例如在光栅的不同区域实现不同的衍射特性(例如，衍射效率和/或衍射角)。
图8A示出了根据某些实施例的在波导显示器的示例中使用的倾斜光栅800的示例的剖面。图8A所示的剖面可以位于x-z平面中。倾斜光栅800可以包括位于衬底810中的光栅区域820。倾斜光栅800可以作为光栅耦合器，用于将光耦入到波导中或自波导耦出。在一些实施例中，倾斜光栅800可以包括具有周期p的结构，周期p可以是恒定的或者可以在倾斜光栅800的整个区域上变化。倾斜光栅800可以包括多个脊822和位于多个脊822之间的多个槽824。倾斜光栅800的每个周期可以包括脊822和槽824，该槽可以是气隙或填充有折射率与脊822的折射率不同的材料的区域。脊822的宽度与光栅周期p之比可以被称为占空比。倾斜光栅800可以具有范围例如从约30％至约70％、或从约10％至约90％或更大的占空比。在一些实施例中，占空比可以从逐个周期或从逐个区域变化。在一些实施例中，倾斜光栅的周期p可以在倾斜光栅800中从一个区域到另一个区域变化，或者可以在倾斜光栅800中从一个周期到另一个周期变化(即，啁啾)。
脊822可以由例如含硅材料(例如，SiO2、Si3N4、SiC、SiOxNy或非晶硅)、有机材料(例如，旋涂碳或非晶碳层或类金刚石碳)、或无机金属氧化物层(例如，TiOx、AlOx、TaOx或HfOx)的材料制成。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。在一些实施例中，每个脊822的前缘830和后缘840可以彼此平行。在一些实施例中，倾斜角α可以不同于倾斜角β。在一些实施例中，倾斜角α可以近似等于倾斜角β。例如，倾斜角α与倾斜角β之差可以小于20％、10％、5％、1％或更小。在一些实施例中，倾斜角α与倾斜角β的范围可以在例如从约30°或更小至约70°或更大，例如约45°或更大。在一些实施例中，倾斜角α和/或倾斜角β还可以在倾斜光栅800中逐个脊地变化。
每个槽824在z方向上可以具有深度d，该深度可以是恒定的或者可以在倾斜光栅800的整个区域上变化。在一些实施例中，槽824的深度可以根据图案或深度轮廓850在倾斜光栅800的整个区域上变化。在一些实施例中，槽824的深度可以包括多个深度等级(depthlevel)，例如8个深度等级、16个深度等级、32个深度等级或更多。在一些实施例中，槽824的深度可以从0至约100nm、200nm、300nm或更深变化。在一些实施方式中，位于多个脊822之间的槽824可以被外涂覆或填充有折射率高于或低于脊822的材料的折射率的材料。例如，在一些实施例中，高折射率材料，诸如氧化铪、氧化钛、氧化钽、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅或高折射率聚合物，可以用于填充槽824。在一些实施例中，低折射率材料，例如氧化硅、氧化铝、多孔氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)，可以用于填充槽824。因此，脊的折射率与槽的折射率之差可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。
图8B示出了根据某些实施例的图8A中所示的倾斜光栅800具有可变蚀刻深度的示例的另一剖面。图8B中所示的剖面可以是沿着图8A中所示的A-A线的剖面，因此该剖面可以位于y-z平面中。图8B中的曲线860示出了特定光栅槽824的深度轮廓，该深度轮廓可以在y方向上变化。在图8B所示的示例中，光栅区域820可以包括具有可变蚀刻深度的一维倾斜光栅，其中，一维倾斜光栅可以包括在x方向上的多个脊822和多个槽824。
在一些实施例中，倾斜光栅800可以包括具有可变深度的二维倾斜光栅。二维倾斜光栅可以包括在x方向上的多个脊822和多个槽824，并且包括在y方向上的多个脊和多个槽。二维倾斜光栅可以具有在x方向和y方向中的每个方向上的相应的光栅周期。在这样的实施例中，倾斜光栅800在y-z平面中的剖面可以与图8A所示的倾斜光栅800在x-z平面中的剖面相似。
如此，倾斜光栅800可以具有3D结构，该3D结构的物理尺寸可以在x方向、y方向和/或z方向上变化。例如，如果倾斜角α与倾斜角β不同，则倾斜光栅800的光栅周期或占空比可以在x-y平面上变化，并且也可以在z方向上变化。槽824在z方向上的深度可以在x方向和/或y方向上变化。在一些实施例中，相对于z方向的倾斜角α和/或β也可以在在倾斜光栅800中沿着x方向和/或y方向变化。
可以使用许多不同的纳米制备技术来制备上述具有在光栅区域上变化的参数和配置(例如，占空比、深度或折射率调制)的倾斜表面浮雕光栅。纳米制备技术通常包括图案化工艺和后图案化(例如，外涂覆)工艺。图案化工艺可以用于形成倾斜光栅的倾斜的脊或槽。可以有许多不同的纳米制备技术用于形成倾斜的脊。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备倾斜光栅。在一些实施方式中，可以使用纳米压印光刻(nanoimprint lithography，NIL)模制技术来制备倾斜光栅，其中，可以使用例如倾斜蚀刻技术来制备包括倾斜结构的母模(master mold)，然后可以使用该母模来模制倾斜光栅或用于纳米压印的不同代的软印模。后图案化工艺可以用于外涂覆倾斜的脊和/或使用折射率不同于倾斜脊的材料填充多个倾斜的脊之间的间隙。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备的倾斜光栅上使用相同的后图案化工艺。
本文描述的用于制备倾斜光栅的技术和工艺仅用于说明的目的，并不旨在是限制性的。本领域技术人员将理解的是，可以对下文描述的技术进行各种修改。例如，在一些实施方式中，可以省略下文描述的一些操作。在一些实施方式中，可以执行附加的操作，以制备倾斜光栅。本文公开的技术也可以用于以各种材料制备其它倾斜的结构。
图9是示出了根据某些实施例的用于制备具有可变的深度轮廓的光栅的工艺的示例的流程图900。流程图900中描述的工艺可以被称为灰色调最后工艺(gray-tone-lastprocess)。流程图900中描述的操作仅是为了说明的目的，并不旨在是限制性的。在各种实施方式中，可以对流程图900进行修改以添加附加的操作、省略一些操作或改变这些操作的顺序。可以使用例如一个或多个半导体制备系统，例如旋涂系统、化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition，CVD)系统、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)系统、离子或等离子体蚀刻(例如，离子束蚀刻(Ion Beam Etching，IBE)、等离子体蚀刻(PlasmaEtching，PE)或反应离子蚀刻(Reactive Ion etching，RIE))系统、光刻系统等，来执行流程图900中描述的操作。
在框910处，可以在衬底上沉积至少一个材料层。衬底可以是透明衬底，例如玻璃衬底。衬底可以是平坦的或者可以是弯曲的，并且衬底可以包括例如透镜，例如视力矫正透镜或用于校正一种或多种类型的光学误差的透镜。衬底可以包括具有第一折射率的材料，第一折射率例如从约1.45至约2.4，例如为约1.9。材料层可以包括具有第二折射率的材料的均匀层，第二折射率例如接近第一折射率。材料层可以包括例如半导体材料、介电材料、聚合物等。在一个示例中，材料层可以包括SiN，该SiN可以具有约2.0的折射率。可以通过例如旋涂、PVD、CVD(例如，低压化学汽相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)或等离子体增强化学汽相沉积(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD))等，将材料层沉积在衬底上。在一些实施例中，可以在衬底上依次沉积具有期望厚度和折射率的多个材料层。多个材料层中的每个可以是具有均匀厚度的材料层。多个材料层的折射率可以逐渐增大或逐渐减小。
在框920处，可以在至少一个材料层上形成硬掩模层(hard mask layer)。该硬掩模层可以包括例如金属或金属合金材料，例如铬或氧化铬。该硬掩模层可以具有高的抗干蚀刻性，该干蚀刻例如等离子体蚀刻。可以使用例如PVD在至少一个材料层上形成硬掩模层。
在框930处，可以对硬掩模层进行图案化，以形成包括期望的透光率图案的硬掩模。在一些实施例中，可以使用三层结构对硬掩模层进行图案化，该三层结构包括位于底部的有机介电层(Organic Dielectric Layer，ODL)、位于中部的抗反射涂层和位于顶部的光刻胶层。该光刻胶层可以被图案化并且被用作蚀刻掩模，以对抗反射涂层、ODL层和硬掩模层进行蚀刻，从而形成具有期望的透光率图案的硬掩模。例如，可以在O2和Cl2环境或CCl4环境中对硬掩模层(例如，铬)进行蚀刻，以形成易挥发性蚀刻产物CrO2Cl2。
在框940处，可以在图案化的硬掩模层上沉积蚀刻掩模层。该蚀刻掩模层可以包括灰色调光刻胶材料层，该灰色调光刻胶材料层对曝光剂量可以具有线性响应或其它已知响应，使得曝光深度可以是曝光剂量的函数。灰色调光刻胶材料可以通过例如旋涂或喷涂沉积在硬掩模层上。
在框950处，可以通过在不同区域具有不同透射率的灰度光掩模将该蚀刻掩模层暴露于光束中，然后可以对该蚀刻掩模层进行显影以去除光刻胶材料的曝光部分，从而形成具有可变厚度的蚀刻掩模。该蚀刻掩模层可以具有期望的厚度轮廓，例如在一维或二维中变化的斜坡形轮廓或另一轮廓。
在框960处，可以对蚀刻掩模层和至少一个材料层进行蚀刻，以将蚀刻掩模层的厚度轮廓线性地或非线性地转移到至少一个材料层中。蚀刻可以是例如使用离子或等离子体束的竖直或倾斜的干蚀刻。可以控制蚀刻时间，以在至少一个材料层中实现期望的蚀刻深度。具有可变厚度的蚀刻掩模层可以通过蚀刻工艺被完全蚀刻，或者可以通过蚀刻工艺不被完全蚀刻，而是随后可以使用例如有机剥离剂(stripper)或无机剥离剂通过光刻胶剥离工艺被去除。可以不对至少一个材料层的位于硬掩模下方的区域进行蚀刻，使得可以在至少一个材料层中形成光栅，该光栅具有可变的深度和与硬掩模的图案相似的图案。
可选地，在框970处，可以在蚀刻的光栅上形成具有期望的折射率的外涂层，以填充光栅槽。例如，在一些实施例中，可以使用高折射率材料来填充光栅槽，这些高折射率材料为例如氧化铪、氧化钛、氧化钽、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅或高折射率聚合物。在一些实施例中，可以使用低折射率材料来填充光栅槽，这些低折射率材料为例如氧化硅、氧化铝、多孔氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)。
图10A至图10F示出了根据某些实施例的用于制造具有可变的光栅深度的光栅的工艺1000的示例。所说明的工艺可以是关于图9描述的灰色调最后工艺的示例。图10A示出了衬底1010(例如，玻璃衬底)，其中，在该衬底上形成有光栅材料层1020。尽管在该示例中示出了一个光栅材料层1020，但是可以在衬底1010上沉积两个或多个光栅材料层。两个或多个光栅材料层可以具有不同的折射率和/或不同的厚度。
图10B示出了在光栅材料层1010上形成掩模层。掩模层可以包括例如硬掩模层1030(例如，金属或金属合金材料，例如Cr)和形成在硬掩模层1030上的三层掩模。该三层掩模可以用于对硬掩模层1030进行图案化。如上文所描述的，三层掩模可以包括例如位于底部的ODL 1040、位于中部的含硅硬掩模底部(Silicon-containing Hard mask Bottom，SHB)抗反射涂层1050、以及位于顶部的光刻胶层1060。图10B示出了已经使用例如光刻工艺对光刻胶层1060进行了图案化。在一些实施例中，在形成三层掩模之前，可以在硬掩模层1030上形成底部抗反射涂(Bottom Anti-Reflective Coating，BARC)层。
图10C示出了执行蚀刻工艺以去除三层掩模的多个部分和硬掩模层1030的多个部分，以在掩模层中形成开口1042，从而在硬掩模层1030中形成图案。图10D示出了三层掩模已经被去除，以暴露图案化的硬掩模层1030。在一些实施例中，可以在下一工艺步骤之前，在图案化的硬掩模层1030上形成BARC层。
图10E示出了在图案化的硬掩模层1030上形成蚀刻掩模1070。蚀刻掩模1070可以具有期望的高度或厚度轮廓。可以使用灰色调掩模在光刻胶材料层中形成蚀刻掩模1070，该光刻胶材料层对曝光剂量具有线性响应或其它已知响应。因为灰色调掩模的原因，所以光刻胶材料层的不同区域可以暴露于不同的曝光剂量，因此经曝光的光刻胶材料在不同区域的深度也可以不同。在对光刻胶材料进行显影以去除曝光的光刻胶材料之后，可以形成具有期望的厚度轮廓的蚀刻掩模1070。
图10F示出了使用蚀刻掩模1070和图案化的硬掩模层1030执行倾斜蚀刻工艺，以将图案化的硬掩模层1030中的图案和蚀刻掩模1070的高度轮廓转移到光栅材料层1020中。因此可以在光栅材料层1020中形成多个光栅槽1022。蚀刻工艺可以包括干蚀刻工艺，例如离子蚀刻或等离子体蚀刻(例如，IBE、PE或RIE)。离子或等离子体束可以相对于光栅材料层1020的表面法线方向倾斜(例如，以大于约10°、30°或45°的角度倾斜)，使得光栅槽1022可以倾斜以在光栅材料层1020中形成倾斜光栅。在蚀刻之后，可以去除剩余的蚀刻掩模1070(如果有的话)和图案化的硬掩模层1030，并且倾斜光栅可以可选地涂覆有如上所述的外涂层。
图11A至图11C示出了根据某些实施例的用于形成蚀刻掩模(例如，蚀刻掩模1070)的工艺1100的示例，该蚀刻掩模使用灰度光掩模形成并且具有期望的厚度轮廓。所说明的工艺1100可以是关于图10E描述的工艺的示例。图11A示出了衬底1110(或形成在衬底上的光栅材料层)，该衬底上形成有硬掩模1120(例如，基于铬的硬掩模)和光刻胶材料层1130。可以如上文关于图10A至10D所述的形成硬掩模1120。光刻胶材料层1130可以包括对曝光剂量具有线性响应或其它非二元响应的、低对比度光刻胶材料。在一些实施例中，光刻胶材料可能对波长短于300nm的光敏感。在一些实施例中，光刻胶材料的特性可以在于蚀刻速率位于衬底1110的蚀刻速率的约0.5倍至约5倍之间。在一些实施例中，光刻胶材料的特性可以在于对紫外线(UV)光剂量的线性响应，使得光刻胶材料的曝光部分的深度是UV光剂量的线性函数。在一些实施例中，光刻胶材料可以包括正性光刻胶(positive-tonephotoresist)。在一些实施例中，光刻胶材料层可以包括使用光敏基团敏化的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。光敏基团可以包括，例如，酰基肟基(acyloximino)基团、甲基丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯的三元共聚物、肟基甲基丙烯酸酯(oximino methacrylate)、苯甲酸类、N-乙酰基咔唑或茚酮中的至少一种。在一些实施例中，光刻胶材料层可以包括以下中的至少一种：聚(甲基丙烯酸甲酯)-r-聚(甲基丙烯酸叔丁酯)-r-聚(甲基丙烯酸甲酯)和光酸产生剂(photo acid generator)、聚(甲基丙烯酸甲酯)-r-聚(甲基丙烯酸)、聚(α-甲基苯乙烯-共-氯代丙烯酸甲酯)和产酸剂(acid generator)、聚碳酸酯和光酸产生剂或光碱产生剂、聚交酯和光酸产生剂或光碱产生剂，或聚邻苯二甲醛(polyphthalaldehyde)和光酸产生剂。在一些实施例中，在沉积光刻胶材料层1130之前，可以在硬掩模1120上形成BARC层。
图11B示出了通过灰度光掩模1140将光刻胶材料层1130暴露于UV光1150。UV光1150可以具有比例如300nm短的波长，例如位于约240nm与280nm之间、位于193nm、位于157nm或更低(例如，位于深UV波长)。灰度光掩模1140可以包括透明衬底和在该整个透明衬底的区域上具有变化的UV透光率的层。如所说明的，在光刻胶材料层1130的与灰度光掩模1140的具有较高透射率的区域相对应的区域中，光刻胶材料层1130的曝光部分1132的深度可以较大。图11C示出了在显影和去除曝光部分1132之后，在光刻胶材料层1130中形成图案化的光刻胶层1134。
图12A至图12D示出了根据某些实施例的用于将蚀刻掩模的厚度轮廓转移到下面材料层的工艺的示例。所说明的工艺可以为上面关于图10F所描述的工艺的示例。图12A示出了位于衬底1210(例如，衬底1110或形成在衬底上的光栅材料层)上的图案化的光刻胶层1230(例如，图案化的光刻胶层1134)，该衬底上已经形成有硬掩模1220(例如，硬掩模1120)。
图12B示出了离子蚀刻工艺，该离子蚀刻工艺对图案化的光刻胶层1230的多个部分进行蚀刻，并且在一些区域中对衬底1210的多个部分进行蚀刻。在衬底1210的与图案化的光刻胶层1230的具有最低厚度的区域相对应的区域中，衬底1210的蚀刻深度最大。在一些实施例中，对图案化的光刻胶层1230和衬底1210进行蚀刻可以包括使用包括O2、N2O、CO2或CO的氧源、包括N2、N2O或NH3的氮源、或具有约100至500eV之间的能量的离子中的至少一种来对图案化的光刻胶层1230和衬底1210进行蚀刻。在一些实施例中，蚀刻可以是倾斜蚀刻，该倾斜蚀刻的倾斜角度大于例如约10°、约30°或约45°。
图12C示出了图案化的光刻胶层1230被完全蚀刻，或者图案化的光刻胶层1230的剩余部分已被去除剂或剥离剂(例如，溶剂)去除。如图12C所示，在衬底1210的不同区域中，衬底1210中的光栅槽1212的深度可以不同。在一些实施例中，衬底1210中的光栅槽1212的深度可以包括至少8个不同的深度等级。衬底1210中的非均匀蚀刻深度的最大深度可以大于约100nm、大于约200nm、大于约300nm或大于约500nm。图12D示出了已经移除了硬掩模1220，以暴露衬底1210中的光栅。
可替代地或附加地，灰色调第一工艺(gray-tone-first process)可以用于制备具有可变蚀刻深度的表面浮雕光栅。在灰色调第一工艺中，可以使用灰色调光刻技术来形成具有期望厚度轮廓的一个或多个光栅材料层，可以在这些光栅材料层上形成图案化的硬掩模，然后可以使用图案化的硬掩模对光栅材料层进行蚀刻。可以蚀刻穿透光栅材料层，以暴露下面的衬底(该衬底可以用作蚀刻止挡件)。在一些实施例中，可以使用上面描述的灰色调最后工艺来蚀刻使用灰色调第一工艺形成的光栅材料层。
图13包括示出了根据某些实施例的用于制备具有可变深度的光栅的工艺的示例的流程图1300。流程图1300中描述的操作仅是为了说明的目的，并不旨在是限制性的。在各种实施方式中，可以对流程图1300进行修改以添加附加的操作、省略一些操作或者改变这些操作的顺序。流程图1300中描述的操作可以由例如一个或多个半导体制备系统来执行，这些半导体制备系统例如为旋涂系统、CVD系统、PVD系统、离子或等离子体蚀刻(例如，IBE、PE或RIE)系统、光刻系统等。
在框1310处，可以如上面关于例如框910或图10A所描述的，在衬底上沉积光栅材料层。该衬底可以是透明衬底，例如玻璃衬底。该衬底可以是平坦的或者可以是弯曲的，并且该衬底可以包括例如透镜，例如视力矫正透镜或用于校正一种或多种类型的光学误差的透镜。该衬底可以包括具有第一折射率的材料，第一折射率例如从约1.45至约2.4，例如为约1.9。光栅材料层可以包括具有第二折射率的材料的均匀层，第二折射率例如接近第一折射率。光栅材料层可以包括例如半导体材料、介电材料、聚合物等。可以通过例如旋涂、PVD、CVD(例如，LPCVD或PECVD)等，在衬底上沉积光栅材料层。
在框1320处，可以在光栅材料层上形成具有可变厚度的蚀刻掩模层。该蚀刻掩模层可以包括期望的厚度轮廓，例如在一维或二维中变化的斜坡形轮廓或其它轮廓。如上面关于框940和950以及图11A至图l1C所描述的，可以通过以下步骤来制成蚀刻掩膜层：沉积灰色调光刻胶材料层(该灰色调光刻胶材料层对曝光剂量可以具有线性或其它非二元响应)，使用在不同区域具有不同透射率的灰度光掩模将灰色调光刻胶材料层暴露于光中，以及在曝光后，对灰色调光刻胶材料层进行显影，以去除光刻胶材料的曝光部分。
在框1330处，可以对蚀刻掩膜层和光栅材料层进行蚀刻，以通过线性或非线性地将蚀刻掩膜层的厚度轮廓转移到光栅材料层中而改变光栅材料层的厚度。例如，蚀刻可以是如上面描述的使用离子或等离子体束的竖直干蚀刻。可以控制蚀刻时间以实现剩余的光栅材料层的期望厚度。蚀刻掩模层可以通过蚀刻工艺被完全蚀刻，或者可以通过蚀刻工艺不被完全蚀刻，而是可以使用例如有机或无机剥离剂通过光刻胶剥离工艺被去除。
可以可选地重复框1310和/或框1320至1330处的操作，以在衬底上形成附加的光栅材料层。这些附加的光栅材料层可以各自具有期望的厚度轮廓，例如均匀的厚度轮廓或在一维或二维中变化的厚度轮廓。这些附加的光栅材料层可以包括具有各自不同的折射率的各自不同的材料。因此，这些光栅材料层可以形成具有折射率梯度的结构。例如，该结构的折射率可以随着距衬底的距离增大而逐渐减小(或增大)。在一些实施例中，这些光栅材料层可以具有各自不同的厚度轮廓，使得在这些光栅材料层中制备的光栅可以减少显示光的泄漏。
在框1340处，可以在至少一个光栅材料层上形成图案化的硬掩模。硬掩模可以包括例如硬掩模材料层(例如，金属或金属合金材料，例如Cr)。如上面关于例如框920以及图10B至图l0C所描述的，可以使用例如包括ODL层、SHB抗反射涂层和光刻胶层的三层掩模，来对硬掩模材料层进行图案化。光刻胶层可以被图案化并且被用作蚀刻掩模，以蚀刻SHB抗反射涂层、ODL层和硬掩模材料层，从而形成具有期望的透光率图案的硬掩模。
可选地，在框1350处，可以如上面关于例如图11A至图11C和框1320所描述的，在硬掩模上形成具有可变厚度的蚀刻掩模。可以通过以下步骤来形成具有可变厚度的蚀刻掩膜：沉积对曝光剂量可以具有线性或其它非二元响应的灰色调光刻胶材料层，使用在不同区域具有不同透射率的灰度光掩模将灰色调光刻胶材料层暴露于光中，以及在曝光后对灰色调光刻胶材料层进行显影，以去除光刻胶材料的曝光部分。
在框1360处，可以使用硬掩模(和蚀刻掩模，如果存在的话)对至少一个光栅材料层进行蚀刻，以在至少一个光栅材料层中形成光栅。蚀刻可以是竖直或倾斜蚀刻。例如，在一些实施例中，蚀刻可以是使用如上所述的离子或等离子体束的倾斜蚀刻。在一些实施例中，可以控制蚀刻时间，以实现例如如图10F和图12C中所示的光栅的期望深度。在一些实施例中，至少一个光栅材料层可以具有可变的总厚度，衬底或另一层可以用作蚀刻止挡层以用于蚀刻穿过至少一个光栅材料层，因此可以不需要精确地控制蚀刻时间。
可选地，在框1370处，可以在经蚀刻的光栅上形成具有期望的折射率的外涂层，以填充光栅槽。例如，在一些实施例中，可以使用高折射率材料来填充光栅槽，这些高折射率材料为例如氧化铪、氧化钛、氧化钽、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅或高折射率聚合物。在一些实施例中，可以使用较低折射率材料来填充光栅槽，这些较低折射率材料为例如氧化硅、氧化铝、多孔氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)。
图14A至图14G示出了根据某些实施例的用于制造具有可变光栅深度的光栅的工艺1400的示例。所说明的工艺1400可以为关于图13所描述的灰色调第一工艺的示例。图14A示出了衬底1410，该衬底可以是透明衬底，例如玻璃衬底。衬底1410可以是平坦的或者弯曲的。例如，衬底1410可以包括透镜，例如视力矫正透镜或用于校正一种或多种类型的光学误差的透镜。衬底1410可以具有第一折射率，第一折射率例如从约1.45至约2.4，例如为约1.9。可以在衬底1410上沉积光栅材料层1420。光栅材料层1420可以包括具有第二折射率的材料的均匀层，第二折射率例如接近第一折射率。光栅材料层1420可以包括例如半导体材料、介电材料、聚合物等。在一个示例中，光栅材料层1420可以包括SiN，SiN可以具有约2.0的折射率。可以通过例如旋涂、PVD、CVD(例如，LPCVD或PECVD)等，在衬底1410上沉积光栅材料层1420。
图14B示出了在光栅材料层1420上形成灰色调光刻胶层1422。灰色调光刻胶层1422可以包括期望的厚度轮廓，例如斜坡形轮廓或在一维或二维中变化的厚度轮廓。如上面关于例如框940、950和1320以及图10E和图11A至图l1C所描述的，可以通过以下步骤制成灰色调光刻胶层1422：沉积灰色调光刻胶材料层，使用在不同区域具有不同透射率的灰度光掩模将灰色调光刻胶材料层暴露于光中，以及在曝光之后对灰色调光刻胶材料层进行显影，以去除灰色调光刻胶材料的曝光部分。
图14C示出了已经使用灰色调光刻胶层1422来蚀刻光栅材料层1420，以线性或非线性地将灰色调光刻胶层1422的高度轮廓转移到光栅材料层1420中。蚀刻可以是例如如上面描述的使用离子或等离子体束的竖直干蚀刻。可以控制蚀刻时间，以实现光栅材料层1420的期望厚度。灰色调光刻胶层1422可以通过蚀刻工艺被完全蚀刻，或者可以通过蚀刻工艺不被完全蚀刻，而是可以使用例如有机剥离剂或无机剥离剂通过光刻胶剥离工艺被去除。
图14D示出了在光栅材料层1420上形成掩模层的示例。掩模层可以包括例如硬掩模材料层1430(例如，金属或金属合金材料，例如Cr)和形成在该硬掩模材料层上的三层掩模。如上面关于例如图10B和图10C所描述的，三层掩模可以用于对硬掩模材料层1430进行图案化，并且可以包括例如位于底部的有机介电层1432、位于中部的抗反射涂层1434和位于顶部的光刻胶层1436。在一些实施例中，在形成三层掩模之前，可以在硬掩模材料层1430上形成BARC层。图14D示出了已经使用例如光刻技术对光刻胶层1436进行了图案化。
图14E示出了执行干蚀刻或湿蚀刻工艺以去除三层掩模的多个部分和硬掩模材料层1430的多个部分，以在掩模层中形成开口1440，从而在硬掩模材料层1430中形成图案。在图14E所示的示例中，光栅材料层1420可以用作蚀刻止挡层。图14F示出了已经去除了三层掩模，以暴露图案化的硬掩模材料层1430。
图14G示出了已经使用图案化的硬掩模材料层1430执行倾斜蚀刻工艺以蚀刻光栅材料层1420，其中，衬底1410可以用作蚀刻止挡层。因此，光栅材料层1420可以被向下蚀刻至衬底1410，以形成多个光栅槽1424。蚀刻工艺可以包括干蚀刻工艺，例如离子蚀刻或等离子体蚀刻(例如，IBE、PE或RIE)。如上所述，离子束或等离子体束可以相对于衬底1410的表面法线方向倾斜，使得光栅槽1424可以相对于衬底1410倾斜，以在光栅材料层1420中形成倾斜的光栅。由于光栅材料层1420的厚度可变，所以在光栅材料层1420中形成的光栅可以是具有可变深度的光栅。如图14G所示，在蚀刻之后，图案化的硬掩模材料层1430可以被去除。在一些实施例中，倾斜光栅可以涂覆有如上所述的外涂层(图14G中未示出)。
光栅耦合器可能不具有接近100％的衍射效率，并且也可能以不期望的方式衍射光。因此，所显示的图像中可能会出现一些伪影，和/或一些光可能会泄漏到周围环境中而不是到达用户的眼睛。例如，来自光源(例如太阳或灯)的外部光可能被光栅耦合器以不期望的方式衍射，从而在显示给用户眼睛的图像中引起光源的彩虹色图像。显示光还可能被泄漏到环境中，从而造成干扰、安全和隐私问题。
图15A示出了外部光1530在波导1510的前侧具有光栅耦合器1520的波导显示器1500的示例中的传播。外部光1530可以被光栅耦合器1520衍射为第0级衍射光1532和第-1级衍射光1534。第0级衍射光1532可以在由光线1536所示的方向上自波导1510折射出去，或者可以指向用户的眼睛。第-1级衍射光1534可以在由光线1538所示的方向上自波导1510折射出去，该第-1级衍射光可以到达适眼区和用户的眼睛。对于不同的波长(颜色)，第0级衍射光可以具有相同的衍射角，但是第-1级衍射光可以与波长相关，因此对于不同颜色的光可以具有不同的衍射角，以引起彩虹色图像。
图15B示出了波导显示器1505中的显示光泄漏的示例。波导显示器1505可以是光学透视增强现实系统400的示例。波导显示器1505可以包括衬底1550、输入耦合器1560和输出耦合器1570，上述部件可以分别类似于衬底420、输入耦合器430和输出耦合器440。如所示出的，显示光1540可以通过输入耦合器1560被耦入到衬底1550中，使得被耦入的显示光可以通过全内反射在衬底1550内传播。当显示光到达衬底1550的形成有输出耦合器1570的表面时，显示光的一部分可以被反射地衍射，使得该部分显示光可以自衬底1550朝向用户的眼睛耦出，如光束1580所示。进入输出耦合器1570的显示光的一部分可以不被反射地衍射，或可以由输出耦合器1570透射地衍射，因此该部分显示光可以自衬底朝向波导显示器1505的前方(例如，在z方向上)耦出，如光束1590所示。光束1590可以对波导显示器1505前方的观看者可见。因此，波导显示器1505前方的观看者可能能够观看到所显示的图像，这在许多情况下可能是不期望的。
根据某些实施例，可以使用例如倾斜光栅来减小某些光学伪影，例如彩虹图像。可以使用例如以梯度折射率为特性或包括具有不同(例如，增大或减小)折射率的多个层的光栅耦合器来减少显示光的泄漏。在一些实施例中，多个层中的每一层可以具有各自的厚度轮廓。由于折射率差较小，因此具有梯度折射率的光栅耦合器还可以帮助减少不同材料层之间的界面处的散射伪影和反射。
图16示出了根据某些实施例的波导显示器1600中的光栅耦合器的示例，该光栅耦合器具有可变光栅深度和可变折射率。光栅耦合器可以包括形成在衬底1610(例如，玻璃衬底)上的多个光栅层，例如光栅层1620、1630和1640。可以使用关于例如框1310至1330以及图14B和图14C所描述的灰色调光刻技术来形成光栅层1620、1630和1640。尽管在示例中示出了三个光栅层，但是多个光栅层可以包括两个或多个层。如上所述，多个光栅层的特性可以在于不同的折射率。例如，在一些实施例中，光栅层1620可以具有比光栅层1630的折射率(其可以大于光栅层1640的折射率)大的折射率。在一些实施例中，光栅层1620可以具有比光栅层1630的折射率大的折射率，而光栅层1640的折射率可以类似于或等于光栅层1620的折射率。光栅层1620、1630和1640中的每个光栅层可以具有非均匀的厚度轮廓，或者可以包括具有非均匀厚度的区域和具有均匀厚度的区域。可以使用关于例如框1320和框1330以及图14B和图14C描述的技术来形成光栅层1620、1630和1640。具有非均匀厚度的区域和具有均匀厚度的区域可以在相同的工艺中同时形成，或者可以在不同的工艺中依次形成。
在图16所示的示例中，倾斜光栅耦合器可以使用不同工艺在不同的区域中形成，这些工艺为例如灰色调第一技术、灰色调最后技术、或灰色调第一技术和灰色调最后技术的组合。例如，在第一区域1602中，光栅层1620、1630和1640各自可以具有非均匀厚度，并且可以在灰色调第一工艺中，使用衬底1610作为蚀刻止挡层在光栅层1620、1630和1640中蚀刻多个光栅槽1650。在第二区域1604中，光栅层1620、1630和1640各自可以具有均匀厚度，并且可以在灰色调最后工艺中，使用具有非均匀厚度轮廓的灰色调蚀刻掩模在光栅层1620、1630和1640中蚀刻多个光栅槽1652。蚀刻可以是倾斜蚀刻，例如倾斜离子或等离子体蚀刻(例如，IBE、PE或RIE)，使得光栅槽1650和1652可以倾斜以形成倾斜光栅。如上所述，在一些实施例中，可以在光栅耦合器上形成具有期望的折射率的外涂层，以填充光栅槽1650和1652。
图17示出了根据某些实施例的包括光栅耦合器的波导显示器1700的示例，该光栅耦合器具有可变光栅深度和可变折射率。波导显示器1700可以包括衬底1710，例如衬底420、1010或1410。在所示出的示例中，波导显示器1700可以包括位于衬底1710的两侧上的输入光栅耦合器和输出光栅耦合器。可以在形成在衬底1710上的一个或多个光栅材料层(例如，形成在衬底1710的顶侧上的光栅材料层1720、1730和1740以及形成在衬底1710的底侧上的光栅材料层1722、1732和1742)中，蚀刻输入光栅耦合器和输出光栅耦合器。可以使用关于例如框1310至框1330以及图14B和图14C描述的灰色调光刻技术来形成光栅材料层。尽管在所示出的示例中，在衬底1710的每一侧上示出了三个光栅层，但是光栅材料层可以包括一个或多个光栅材料层，例如少于三个光栅材料层或多于三个光栅材料层。多个光栅材料层的特性可以在于不同的折射率。例如，多个光栅层可以具有减小或增大的折射率。如上文关于图16所述，在光栅材料层中的每个光栅材料层可以具有非均匀厚度轮廓，或者可以具有厚度非均匀的区域和厚度均匀的区域。对于光栅材料层中的每个光栅材料层，具有非均匀厚度的区域和具有均匀厚度的区域可以在相同的工艺中同时形成，或者可以在不同的工艺中依次形成。
如所示出的，波导显示器1700可以包括位于衬底1710的顶侧上的输入光栅耦合器1780和输出光栅耦合器1790，以及位于衬底1710的底侧上的输入光栅耦合器1782和输出光栅耦合器1792。光栅耦合器可以包括具有或不具有外涂层的竖直或倾斜的表面浮雕光栅。光栅耦合器可以具有可变蚀刻深度。在一些实施例中，光栅耦合器还可以具有可变光栅周期、可变占空比和/或可变倾斜角度。
输入光栅耦合器1780和输入光栅耦合器1782可以用于将显示光耦入到衬底1710中，如上关于图4和图15B所描述的。例如，输入光栅耦合器1780可以具有小于100％的衍射效率，并且未衍射的显示光可以由输入光栅耦合器1782衍射(例如，反射地衍射)。在一些实施例中，输入光栅耦合器1780和输入光栅耦合器1782可以用于将不同颜色的显示光和/或来自不同视场的显示光耦入到衬底1710中。在图17所示的示例中，输入光栅耦合器1780可以形成在一区域中，在该区域中，光栅材料层1720至1740中的每个光栅材料层可以具有各自不同的均匀厚度和各自不同的材料或组合物(因此具有各自不同的折射率)。输入光栅耦合器1780可以使用灰色调最后工艺或灰色调第一工艺和灰色调最后工艺的组合来形成。输入光栅耦合器1782可以以类似的方式形成。尽管图17中未示出，但是可以在输入光栅耦合器1780和输入光栅耦合器1782中的每者上形成外涂层。
输出光栅耦合器1790和输出光栅耦合器1792可以用于将显示光自衬底1710且朝向用户的眼睛耦出，如上关于例如图4和图15B所描述的。输出光栅耦合器1790和输出光栅耦合器1792可以将显示光的不同部分，例如总强度的不同部分(different fraction)、不同颜色分量和/或用于不同视场的光，自衬底1710耦出。在图17所示的示例中，输出光栅耦合器1790可以形成在一区域中，在该区域中，光栅材料层1720至1740中的每个光栅材料层可以具有各自的非均匀厚度和各自不同的材料或组合物(因此具有各自不同的折射率)。输出光栅耦合器1790可以使用上述的灰色调第一工艺或灰色调第一工艺和灰色调最后工艺的组合来形成。例如，可以使用衬底1710作为蚀刻止挡层，通过光栅材料层1720至1740蚀刻出输出光栅耦合器1790。由于光栅材料层1720至1740的厚度不均匀，因此输出光栅耦合器1790可以具有可变蚀刻深度。可替代地，可以使用具有特定厚度轮廓的灰色调光刻胶层作为用于将厚度轮廓转移到光栅材料层1720至1740中的蚀刻掩模，在光栅材料层1720至1740中蚀刻出输出光栅耦合器1790。可以以类似的方式来制备输出光栅耦合器1792。
外涂层1750和外涂层1752可以分别形成在输出光栅耦合器1790和输出光栅耦合器1792上。如上所述，外涂层可以包括折射率高于或低于光栅材料层1720至1740的折射率的材料。缓冲层1760可以形成在外涂层1750上。层1770可以形成在缓冲层1760上。层1770可以是抗反射涂层，该抗反射涂层可以减少可见光在衬底1710的顶表面上的反射，该可见光包括进入衬底1710或离开衬底1710的显示光和用于透视观看的环境光。在一些实施例中，层1770可以是角度选择性传输层，其中，来自波导显示器1700的透视视场之外的掠射角的环境光可以被阻挡，使得其不会进入光栅耦合器而引起某些光学伪影，例如上述的彩虹图像。层1770可以用于宽波长范围和大角度范围内的光。在一个示例中，层1770可以包括具有非常小的光栅周期的光栅，使得由层1770衍射的可见光可以具有较大的衍射角度，因此该可见光可能不会到达用户的眼睛。由于光栅周期小，所以层1770可能不会导致透视雾度。缓冲层1762和层1772可以形成在外涂层1752上，并且可以分别类似于缓冲层1760和层1770。
例如，如图17所示，由于光栅材料层1720至1740的厚度不均匀，或者因为涂覆的材料可能跟随下面的输出光栅耦合器1790的形貌，输出光栅耦合器1790可能具有变化的光栅参数(例如深度、倾斜角、占空比、光栅周期等)，所以外涂层1750或1752的顶表面也可能不平坦。例如，外涂层1750的位于输出光栅耦合器1790的具有较低厚度的区域的顶表面可以低于外涂层1750的位于输出光栅耦合器1790的具有较高厚度的的区域的顶表面。由于外涂层1750的顶表面不平坦，所以可能难以在外涂层1750上制造其它装置或部件，例如层1770。化学机械抛光技术可以用于在外涂层1750上实现平坦的顶表面，但是可能不能在倾斜的输出光栅耦合器1790的顶部上精确地控制外涂层1750的厚度。
根据某些实施例，可以使用例如旋涂技术在外涂层上涂覆灰色调光刻胶层。然后，可以使用具有与外涂层形貌对应的透光率的灰度光掩模，来执行如上所述的灰色调光刻工艺，以在曝光和显影之后在灰色调光刻胶层上创建平坦的顶表面。灰色调光刻胶层可以具有与外涂层的蚀刻速率类似或相当的蚀刻速率，使得可以在蚀刻工艺中对灰色调光刻胶层和下面的外涂层进行蚀刻，以在外涂层上留下平坦的顶部。可以控制蚀刻速率和蚀刻时间，以控制外涂层负荷的厚度。
图18A至图18F示出了根据某些实施例的用于制造包括具有平坦顶部的外涂层的光栅的工艺的示例。图18A示出了位于衬底1810上的光栅层1820。光栅层1820可以包括形成在其中的表面浮雕光栅1822，其中，表面浮雕光栅1822可以具有可变蚀刻深度或可变厚度。如上所述，表面浮雕光栅1822也可以具有可变光栅周期和/或可变占空比。
图18B示出了涂覆在光栅层1820上的外涂层1830。由于下面的表面浮雕光栅1822不均匀，因此外涂层1830可以具有不平坦的顶表面。例如，在蚀刻深度较大的区域中，因为较深的光栅槽可以容纳更多的外涂层材料，所以外涂层1830的顶表面可以较低。
图18C示出了在外涂层1830上涂覆的灰色调光刻胶层1840。如上所述，灰色调光刻胶层1840可以包括对曝光剂量具有线性或其它非二元响应的、低对比度光刻胶材料。在一些实施例中，光刻胶材料可以对波长短于约300nm的光敏感。在一些实施例中，光刻胶材料的特性可以在于蚀刻速率位于外涂层1830的蚀刻速率的约0.5倍至约5倍之间。在一些实施例中，光刻胶材料的特性可以在于对UV光剂量的线性响应，使得光刻胶材料的曝光部分的深度是UV光剂量的线性函数。光刻胶材料可以包括正性光刻胶材料。在一些实施例中，光刻胶材料层可以包括例如用感光基团敏化的PMMA。光敏基团可以包括酰基肟基基团、甲基丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯的三元共聚物、肟基甲基丙烯酸酯、苯甲酸类、N-乙酰基咔唑或茚酮中的至少一种。在一些实施例中，光刻胶材料层可以包括以下中的至少一种：聚(甲基丙烯酸甲酯)-r-聚(甲基丙烯酸叔丁酯)-r-聚(甲基丙烯酸甲酯)和光酸产生剂、聚(甲基丙烯酸甲酯)-r-聚(甲基丙烯酸)、聚(α-甲基苯乙烯-共-氯代丙烯酸甲酯)和产酸剂、聚碳酸酯和光酸产生剂或光碱产生剂、聚交酯和光酸产生剂或光碱产生剂，或聚邻苯二甲醛和光酸产生剂。灰色调光刻胶层1840可以通过例如旋涂或喷涂形成在外涂层1830上。如图18C所示，由于下面的外涂层1830的顶表面不平坦，因此灰色调光刻胶层1840可以具有不平坦的顶表面。
图18D示出了光刻工艺，其中，灰色调光刻胶层1840可以在非均匀光图案1860下暴露某一段时间。非均匀光图案1860的强度可以与灰色调光刻胶层1840的表面拓扑(surfacetopology)对应。例如，在灰色调光刻胶层1840的顶表面较高的区域中，非均匀光图案1860的强度可以较高，使得该曝光部分可以具有较大的深度。在灰色调光刻胶层1840的顶表面较低的区域中，非均匀光图案1860的强度可以较低，使得曝光部分可以具有较小的深度。如此，灰色调光刻胶层1840的曝光部分和未曝光部分之间的界面可以是近似平坦的。例如，可以使用具有均匀强度的准直光束和具有与非均匀光图案1860的期望强度对应的透射率的灰度光掩模1850，来生成非均匀光图案1860。在一个实施例中，可以测量灰色调光刻胶层1840的拓扑，并且可以基于所测量的灰色调光刻胶层1840的拓扑来确定灰度光掩模1850的透射率。
图18E示出了曝光和显影之后的灰色调光刻胶层1840。如上所述，由于灰色调光刻胶层1840的不同区域处的曝光剂量不同，因此曝光深度不同，灰色调光刻胶层1840的未曝光部分1842的顶表面可以近似平坦。在一些实施例中，可以(例如，使用UV光或热)固化灰色调光刻胶层1840的未暴光部分1842，以使光敏光刻胶材料脱敏。
图18F示出了可以执行均匀蚀刻工艺以均匀地对灰色调光刻胶层1840和外涂层1830进行蚀刻。可以设置蚀刻工艺的参数，例如蚀刻速率和蚀刻时间，使得可以完全去除灰色调光刻胶层1840，并且外涂层1830的剩余部分1832可以具有期望的厚度。由于蚀刻速率均匀，因此所得到的外涂层1830的剩余部分1832的顶表面可以近似平坦。如此，可以更容易在外涂层1830的平坦的顶表面上制备其它装置或部件，例如关于图17描述的抗反射涂层或角度选择性透射层。
图19A至图19D示出了根据某些实施例的使用灰色调光刻来控制光栅的高度轮廓和光栅区域的方法的示例。在一些实施例中，可能希望防止光栅层的一些区域被蚀刻。例如，如图17所示，波导显示器1700的某些区域可能不需要具有光栅结构。在一些实施例中，可能希望使光栅层的某些区域保持处于与周围区域不同的某个高度，例如用作对准标记或用于改善光栅的光学调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)。对准标记可以用于例如后续工艺中的掩模对准或用于组装期间的对准。根据某些实施例，可以使用灰色调光刻来界定蚀刻区域和阻挡区域，或者用于控制光栅层的不同区域中的厚度。例如，可以在不需要蚀刻的区域中形成厚光刻胶层，以防止该区域被蚀刻。
图19A示出了在衬底1910上形成光栅材料层1920。可以如上关于例如图10B至10D所描述的，在光栅材料层1920的区域上形成硬掩模1930。图19B示出了可以在硬掩模1930和光栅材料层1920上形成灰色调光刻胶层1940，并且可以使用上述灰色调胶光刻工艺进行图案化。在所说明的示例中，灰色调光刻胶层1940的区域1942可以具有均匀且高的厚度，而灰色调光刻胶层1940的位于硬掩模1930上的区域1944可以具有可变厚度。然后，可以使用灰色调光刻胶层1940和硬掩模1930来执行倾斜蚀刻工艺，以蚀刻光栅材料层1920。
图19C示出了灰色调光刻胶层1940的区域1944已经被完全蚀刻，而灰色调光刻胶层1940的区域1942可能还没有被完全刻蚀。可以在光栅材料层1920中形成多个光栅槽。在蚀刻之后，可以剥离硬掩模1930。图19D示出了可以进一步对灰色调光刻胶层1940的区域1942和光栅材料层1920进行蚀刻(例如，垂直蚀刻)，以去除光栅材料层1920的区域1926，使得光栅材料层1920的区域1924的顶表面可以高于光栅材料层1920的其它区域的顶表面。在一些实施例中，灰色调光刻胶层1940的区域1942可以具有非均匀厚度，以在光栅材料层1920的区域1924中形成某一图案，例如用于对准的配准特征(例如，十字)。
图20示出了根据某些实施例的使用灰色调光刻来补偿蚀刻工艺的非均匀蚀刻速率的方法的示例。在一些蚀刻系统(例如，可以具有大蚀刻区域的蚀刻系统(例如，用于晶圆级蚀刻))中，不同区域处的蚀刻速率可以不同。例如，蚀刻速率在蚀刻区域的中心处可以高，并且在蚀刻区域的边缘处可以低。在所说明的示例中，可能需要对形成在衬底2010上的膜2020进行蚀刻。蚀刻系统的蚀刻速率由图案2040示出，该图案示出了蚀刻速率在整个蚀刻区域中可能不是均匀的。可以测量非均匀蚀刻速率，并且使用该非均匀蚀刻速率来生成灰度光掩模。
为了补偿非均匀蚀刻速率，可以在膜2020上形成灰色调光刻胶层2030的均匀层。如上所述，灰色调光刻胶层2030可以对曝光剂量具有线性或其它非二元响应，并且可以具有与膜2020的蚀刻速率相当的蚀刻速率。灰色调光刻胶层2030可以通过灰度光掩模暴露于具有均匀强度的光束中，该灰度光掩模具有与所测量的蚀刻系统的蚀刻速率互补的透射率。在曝光和显影工艺之后，位于具有较高蚀刻速率的区域中的剩余灰色调光刻胶层2030由于曝光剂量较低可以具有较大的厚度，位于具有较低蚀刻速率的区域中的剩余灰色调光刻胶层2030由于曝光剂量较高可以具有较小的厚度。
然后，可以使用具有图案2040所示的蚀刻速率的蚀刻系统，对膜2020和具有非均匀厚度的灰色调光刻胶层2030进行蚀刻。由于灰色调光刻胶层2030的非均匀厚度轮廓和蚀刻区域的不同区域中的非均匀蚀刻速率的组合，可以在一定的蚀刻周期后，实现如膜2020中的线2022所示的均匀蚀刻深度。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合该人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前已以某种方式进行了调整的现实形式，该人工现实可以包括例如虚拟现实、增强现实、混合现实(mixed reality)、混合现实(hybrid reality)、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与采集的(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，并且任何一种人工现实内容都可以在单个通道或多个通道中呈现(例如，为观看者产生三维效果的立体视频)。另外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用程序、产品、配件、服务或它们的某种组合相关联，这些应用程序、产品、配件、服务或它们的某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其它方式用于人工现实中(例如执行人工现实中的活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括被连接到主控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、或能够向一位或多位观看者提供人工现实内容的任何其它硬件平台。
图21是用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的示例近眼显示器(例如，HMD装置)的示例电子系统2100的简化框图。电子系统2100可以用作HMD装置或上述其它近眼显示器的电子系统。在该示例中，电子系统2100可以包括一个或多个处理器2110和存储器2120。一个或多个处理器2110可以被配置为执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如适合于实现位于便携式电子装置内的通用处理器或微处理器。一个或多个处理器2110可以与电子系统2100内的多个部件通信地耦接。为了实现这种通信耦接，一个或多个处理器2110可以跨总线2140与所示出的其它部件通信。总线2140可以是适于在电子系统2100内传输数据的任何子系统。总线2140可以包括多个计算机总线和附加电路，以传输数据。
存储器2120可以耦接到一个或多个处理器2110。在一些实施例中，存储器2120可以提供短期存储和长期存储这二者，并且可以被划分为若干单元。存储器2120可以是易失性的，例如静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM)，和/或存储器1620可以是非易失性的，例如只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、闪存等。另外，存储器2120可以包括可移除存储装置，例如安全数字(securedigital，SD)卡。存储器2120可以为电子系统2100提供对计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据的存储。在一些实施例中，存储器2120可以分布到不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以存储在存储器2120上。这些指令可以采用可以由电子系统2100可执行的可执行代码的形式，和/或可以采用源代码和/或可安装代码的形式，在电子系统2100上(例如，使用各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)对这些指令进行编译和/或安装时，可以采用可执行代码的形式。
在一些实施例中，存储器2120可以存储多个应用程序模块2122至2124，这些应用程序模块可以包括任何数量的应用程序。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频播放应用程序或其它合适的应用程序。这些应用程序可以包括深度感测功能或眼睛追踪功能。应用程序模块2122至2124可以包括待由一个或多个处理器2110执行的特定指令。在一些实施例中，某些应用程序或应用程序模块2122至2124的某些部分可以能够由其它硬件模块2180执行。在某些实施例中，存储器2120可以附加地包括安全存储器，该安全存储器可以包括附加的安全控制，以防止复制安全信息或对安全信息的未经授权的其它访问。
在一些实施例中，存储器2120可以包括加载在该存储器中的操作系统2125。操作系统2125可以是可操作的，以启动执行应用程序模块2122至2124提供的指令和/或管理其它硬件模块2180以及与无线通信子系统2130交互，该无线通信子系统可以包括一个或多个无线收发器。操作系统2125可以适用于跨电子系统2100的部件执行其它操作，这些操作包括线程化、资源管理、数据存储控制和其它类似功能。
无线通信子系统2130可以包括例如红外通信装置、无线通信装置和/或芯片组(例如，
Figure BDA0004132129700000301
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2100可以包括用于无线通信的一个或多个天线2134，该一个或多个天线作为无线通信子系统2130的一部分或作为耦接到该系统的任何部分的单独部件。取决于期望的功能，无线通信子系统2130可以包括单独的收发器，以与基站收发台以及其它无线装置和接入点通信，这可以包括与不同数据网络和/或网络类型进行的通信，这些数据网络和/或网络类型为例如无线广域网(Wireless Wide-Area Network，WWAN)、无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)或无线个人域网(Wireless Personal AreaNetwork，WPAN)。WWAN可以是例如WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其它类型的网络。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2130可以允许与网络、其它计算机系统和/或本文描述的任何其它装置交换数据。无线通信子系统2130可以包括用于使用一个或多个天线2134和一个或多个无线链路2132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)的器件。无线通信子系统2130、一个或多个处理器2110和存储器2120可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的器件中的一个或多个器件的至少一部分。
电子系统2100的实施例还可以包括一个或多个传感器2190。一个或多个传感器2190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、接近传感器、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，具备加速度计和陀螺仪的功能的模块)、环境光传感器、或可操作用来提供感官输出和/或接收感官输入的任何其它类似的模块，该模块为例如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，一个或多个传感器2190可以包括一个或多个惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)和/或一个或多个位置传感器。基于接收到的来自多个位置传感器中的一个或多个位置传感器的测量信号，IMU可以生成指示HMD装置相对于HMD装置的初始位置的估计位置的校准数据。位置传感器可以响应于HMD装置的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、另一合适类型的检测运动的传感器、一种用于IMU的误差校正的传感器、或它们的任何组合。位置传感器可以位于IMU外部、IMU内部或它们的某种组合。至少一些传感器可以使用结构光图案进行感测。
电子系统2100可以包括显示模块2160。显示模块2160可以是近眼显示器，并且可以将来自电子系统2100的信息图形化地呈现给用户，该信息例如为图像、视频和各种指令。这样的信息可以从一个或多个应用程序模块2122至2124、虚拟现实引擎2126、一个或多个其它硬件模块2180、它们的组合、或用于为用户解析图形内容(例如，通过操作系统2125)的任何其它合适的器件中得到。显示模块2160可以使用LCD技术、LED技术(包括，例如，OLED、ILED、μLED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示(light emitting polymer display，LPD)技术或一些其它显示技术。
电子系统2100可以包括用户输入/输出模块2170。用户输入/输出模块2170可以允许用户向电子系统2100发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动或结束应用程序或执行应用程序内的特定动作。用户输入/输出模块2170可以包括一个或多个输入装置。示例输入装置可以包括：触控屏、触控板、一个或多个麦克风、一个或多个按钮、一个或多个旋钮、一个或多个开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并且向电子系统2100传送接收到的动作请求的任何其它合适的装置。在一些实施例中，用户输入/输出模块2170可以根据从电子系统2100接收到的指令将触觉反馈提供给用户。例如，可以在动作请求被接收到或已经被执行时提供触觉反馈。
电子系统2100可以包括摄像头2150，该摄像头可以用于拍摄用户的照片或视频，例如，以用于追踪用户眼睛位置。摄像头2150还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，以用于VR应用程序、AR应用程序或MR应用程序。摄像头2150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(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，摄像头2150可以包括可以用于采集3D图像的两个或多个摄像头。
在一些实施例中，电子系统2100可以包括多个其它硬件模块2180。其它硬件模块2180中的每个硬件模块可以是电子系统2100内的物理模块。尽管其它硬件模块2180中的每个硬件模块可以被永久地配置为结构，但是其它硬件模块2180中的一些硬件模块可以被临时配置为执行特定功能或被临时激活。其它硬件模块2180的示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等。在一些实施例中，其它硬件模块2180的一种或多种功能可以以软件来实现。
在一些实施例中，电子系统2100的存储器2120还可以存储虚拟现实引擎2126。虚拟现实引擎2126可以执行电子系统2100内的应用程序，并且接收来自各种传感器的HMD装置的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置、或它们的任何组合。在一些实施例中，由虚拟现实引擎2126接收的信息可以用于向显示模块2160生成信号(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，那么虚拟现实引擎2126可以为HMD装置生成反应用户在虚拟环境中活动的内容。此外，虚拟现实引擎2126可以响应于接收到的来自用户输入/输出模块2170的动作请求而执行应用程序内的动作，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，一个或多个处理器2110可以包括可以执行虚拟现实引擎2126的一个或多个图形处理单元(Graphic ProcessingUnit，GPU)。
在各种实施方式中，以上描述的硬件和模块可以在单个装置上实现或可以使用有线或无线连接彼此通信的多个装置上实现。例如，在一些实施方式中，可以在与头戴式显示装置分离的控制台上实现一些部件或模块，例如GPU、虚拟现实引擎2126和应用程序(例如，追踪应用程序)。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到多于一个HMD或支持多于一个HMD。
在替代的配置中，不同的和/或附加的部件可以包括在电子系统2100中。类似地，这些部件中的一个或多个部件的功能可以以与以上描述的方式不同的方式分布在这些部件之中。例如，在一些实施例中，可以将电子系统2100修改为包括其它系统环境，例如AR系统环境和/或MR环境。
以上论述的方法、系统和装置均为示例。各种实施例可以适当地省略、替换或添加各种程序或部件。例如，在替代的配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序来执行所描述的方法，和/或可以添加、省略和/或组合各种阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其它实施例中组合。实施例中的不同方面和元件可以以类似的方式组合。此外，技术在发展，因此许多元件都是示例，这些示例并不会将本公开的范围限制在那些特定示例中。
在描述中给予了许多具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下来实践实施例。例如，为了避免模糊实施例，已经在不具有非必要细节的情况下示出众所周知的电路、过程、系统、结构和技术。本描述仅提供了多个示例实施例，并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。而是，以上对实施例的描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
此外，将一些实施例作为被描绘为流程图或框图的过程进行了描述。尽管每个过程都可以将多个操作描述为顺序过程，但这些操作中的许多操作可以并行或同时执行。此外，这些操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的附加步骤。此外，方法的实施例可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或它们的任意组合来实现。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，用于执行多个相关任务的程序代码或多个代码段可以存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行该多个相关任务。
对本领域的技术人员来说将显而易见的是，可以根据具体要求做出实质性变化。例如，也可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以在硬件、软件(包括便携式软件，例如小程序等)或硬件和软件这两者中实现多个特定元素。此外，可以采用与诸如网络输入/输出装置的其它计算装置的连接。
参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂态(non-transitory)机器可读介质。如本文使用的术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供数据的任何存储介质，该数据使机器以特定方式运行。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其它一个或多个装置提供指令/代码，以供执行。附加地或替代地，机器可读介质可以用于存储和/或携载这些指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理的和/或有形的存储介质。这种介质可以采用多种形式，这些形式包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。常见形式的计算机可读介质包括例如诸如光盘(CompactDisk，CD)或数字多用光盘(Digital Versatile Disk，DVD)的磁和/或光学介质、穿孔卡、纸带、具有多个孔图案的任何其它物理介质、RAM、可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)、FLASH-EPROM、任何其它存储芯片或盒式存储器(cartridge)、如下文所描述的载波、或任何其它介质(计算机可以从该任何其它介质中读取指令和/或代码)。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，该代码和/或机器可执行指令可以表示过程、功能、子程序、程序、例程、应用程序(App)、子例程、模块、软件包、类，或指令、数据结构或程序语句的任意组合。
本领域技术人员将理解的是，用于传达本文所描述的消息的信息和信号可以使用多种不同科技和技术中的任一种来表示。例如，整个上述描述中可能引用的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片可以使用电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或它们的任意组合来表示。
如本文所使用的术语“和”和“或”可以包括多种含义，其中，也至少部分地基于使用这些术语时的上下文来预料这些含义。通常，“或”如果用于关联一列表，例如A、B或C，则旨在表示A、B和C(此处用于包括性意义)以及A、B或C(此处用于排它性意义)。此外，如本文所使用的术语“一个或多个”可以用于以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用于描述多个特征、多个结构或多个特性的某种组合。然而，应当注意的是，这仅仅是说明性示例，并且所要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“至少一个”如果用于关联一列表，例如A、B或C，则可以解释为A、B和/或C的任意组合(例如，A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等)。
此外，尽管已经使用硬件和软件的特定组合对某些实施例进行了描述，但是应当认识到的是，硬件和软件的其它组合也是可行的。某些实施例可以仅以硬件、或仅以软件、或使用它们的组合来实现。在一个示例中，软件可以使用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现，该计算机程序代码或指令可以由一个或多个处理器执行，从而执行本公开中描述的步骤、操作或过程中的任何或所有，其中，计算机程序可以存储在非暂态计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在同一处理器或以任意组合的不同处理器上实现。
在装置、系统、部件或模块被描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，这种配置可以例如通过如下来完成：通过设计多个电子电路来执行该操作，通过对可编程电子电路(例如微处理器)进行编程来执行该操作(例如通过执行计算机指令或代码)或通过被编程的多处理器或内核来执行存储在非暂态存储介质上的代码或指令来执行该操作，或它们的任意组合。进程可以使用多种技术进行通信，这些技术包括但不限于用于进程间通信的传统技术，并且不同的进程对可以使用不同的技术，或者同一进程对在不同的时间可以使用不同的技术。
因此，说明书和附图将被认为是说明性的，而非限制性的。然而，将显而易见的是，在不脱离如权利要求中所阐述的更广泛的精神和范围的情况下，还可以进行添加、减去、删除以及其它修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些具体实施例并不旨在进行限制。各种修改和等同物均落入所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种方法，包括：
在衬底上沉积具有均匀厚度轮廓的第一光栅材料层；
在所述第一光栅材料层上形成具有可变厚度轮廓的蚀刻掩模层；
对所述蚀刻掩模层和所述第一光栅材料层进行蚀刻，以将所述第一光栅材料层的所述均匀厚度轮廓改变为非均匀厚度轮廓；
在所述第一光栅材料层上形成图案化的硬掩模；以及
使用所述图案化的硬掩模对所述第一光栅材料层进行蚀刻，以在所述第一光栅材料层中形成具有可变深度的光栅。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一光栅材料层上形成具有可变厚度轮廓的蚀刻掩模层包括：
在所述第一光栅材料层上沉积光刻胶材料层，所述光刻胶材料层对曝光光敏感并且对曝光剂量具有非二元响应；
通过可变透明度光掩模将所述光刻胶材料层在所述曝光光下暴露一段时间；以及
对所述光刻胶材料层进行显影，以去除所述光刻胶材料层的暴露于所述曝光光的部分，从而在所述第一光栅材料层上形成具有可变厚度轮廓的所述蚀刻掩模层。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述蚀刻掩模层的特性在于蚀刻速率位于所述第一光栅材料层的蚀刻速率的0.5倍至5倍之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，在所述第一光栅材料层上形成图案化的硬掩模包括：
在所述第一光栅材料层上沉积硬掩模层；
在所述硬掩模层上形成有机介电层；
在所述有机介电层上涂覆抗反射层；
在所述抗反射层上沉积光刻胶层；
对所述光刻胶层进行图案化；以及
使用图案化的所述光刻胶层作为蚀刻掩模，对所述抗反射层、所述有机介电层和所述硬掩模层进行蚀刻；以及可选地，
其中，
所述硬掩模层的特性在于均匀厚度；以及
所述有机介电层的特性在于平坦的顶表面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，对所述第一光栅材料层进行蚀刻以在所述第一光栅材料层中形成具有可变深度的光栅包括：
以大于10°的倾斜角对所述第一光栅材料层进行干蚀刻；和/或，使用所述衬底作为蚀刻止挡层对所述第一光栅材料层进行蚀刻。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：在形成所述图案化的硬掩模之前：
在所述第一光栅材料层上沉积第二光栅材料层，所述第二光栅材料层具有与所述第一光栅材料层的折射率不同的折射率；
在所述第二光栅材料层上形成具有第二可变厚度轮廓的第二蚀刻掩模层；以及
对所述第二蚀刻掩模层和所述第二光栅材料层进行蚀刻，以将所述第二光栅材料层的厚度轮廓改变为第二非均匀厚度轮廓。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括，在对所述第一光栅材料层进行蚀刻之前：
在所述图案化的硬掩模上形成具有第二可变厚度轮廓的第二蚀刻掩模层，
其中，对所述第一光栅材料层进行蚀刻包括通过所述第二蚀刻掩模层对所述第一光栅材料层进行蚀刻。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，形成所述第二蚀刻掩模层包括：
在所述图案化的硬掩模上沉积光刻胶材料层，所述光刻胶材料层对曝光光敏感并且对曝光剂量具有非二元响应；
通过可变透明度光掩模将所述光刻胶材料层在所述曝光光下暴露一段时间；以及
对所述光刻胶材料层进行显影，以去除所述光刻胶材料层的暴露于所述曝光光的部分，从而在所述图案化的硬掩模上形成具有所述第二可变厚度轮廓的所述第二蚀刻掩模层。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：在具有可变深度的所述光栅上沉积外涂层；以及可选地，
在所述外涂层上形成抗反射涂层或角度选择性传输层。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光栅的可变深度沿着一个或两个方向变化。
11.一种方法，包括：
在衬底上沉积多个光栅材料层的叠置体，其中，所述多个光栅材料层的叠置体中的每个光栅材料层的特性在于各自的均匀厚度轮廓和各自的折射率；
在所述多个光栅材料层的叠置体上形成图案化的硬掩模；
在所述图案化的硬掩模上形成具有可变厚度轮廓的蚀刻掩模层；以及
使用所述图案化的硬掩模和所述蚀刻掩模层对所述多个光栅材料层的叠置体进行蚀刻，以在所述多个光栅材料层的叠置体中形成具有可变深度的光栅。
12.一种波导显示器，包括：
衬底；
第一表面浮雕光栅耦合器，所述第一表面浮雕光栅耦合器位于所述衬底上，其中，所述第一表面浮雕光栅耦合器的特性在于非均匀厚度轮廓；以及
第二表面浮雕光栅耦合器，所述第二表面浮雕光栅耦合器位于所述衬底上，所述第二表面浮雕光栅耦合器的特性在于均匀厚度轮廓和可变蚀刻深度。
13.根据权利要求12所述的波导显示器，其中：
所述第一表面浮雕光栅耦合器和所述第二表面浮雕光栅耦合器分别形成在多个光栅材料层的叠置体的第一区域和第二区域中；
所述多个光栅材料层的叠置体中的每个光栅材料层的特性在于各自的折射率；以及
所述多个光栅材料层的叠置体中的每个光栅材料层在所述第一区域中的特性在于各自的非均匀厚度轮廓。
14.根据权利要求12或13所述的波导显示器，还包括：
外涂层，所述外涂层位于所述第一表面浮雕光栅耦合器或所述第二表面浮雕光栅耦合器中的至少一者上；以及
抗反射涂层或角度选择性传输层，所述抗反射涂层或角度选择性传输层位于所述外涂层上。
15.根据权利要求12、13或14所述的波导显示器，其中：
所述第一表面浮雕光栅耦合器和所述第二表面浮雕光栅耦合器位于所述衬底的第一侧上；以及
所述波导显示器还包括第三表面浮雕光栅耦合器，所述第三表面浮雕光栅耦合器位于所述衬底的第二侧上，其中，所述第三表面浮雕光栅耦合器的特性在于第二非均匀厚度轮廓。
CN202180064054.2A 2020-09-17 2021-08-06 使用灰色调光刻制造可变蚀刻深度光栅的技术 Pending CN116324533A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/024,072 2020-09-17
US17/024,072 US20220082739A1 (en) 2020-09-17 2020-09-17 Techniques for manufacturing variable etch depth gratings using gray-tone lithography
PCT/US2021/045043 WO2022060485A1 (en) 2020-09-17 2021-08-06 Techniques for manufacturing variable etch depth gratings using gray-tone lithography

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116324533A true CN116324533A (zh) 2023-06-23

Family

ID=77543661

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180064054.2A Pending CN116324533A (zh) 2020-09-17 2021-08-06 使用灰色调光刻制造可变蚀刻深度光栅的技术

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220082739A1 (zh)
EP (1) EP4214553A1 (zh)
JP (1) JP2023542611A (zh)
KR (1) KR20230066576A (zh)
CN (1) CN116324533A (zh)
WO (1) WO2022060485A1 (zh)

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11726332B2 (en) 2009-04-27 2023-08-15 Digilens Inc. Diffractive projection apparatus
US11204540B2 (en) 2009-10-09 2021-12-21 Digilens Inc. Diffractive waveguide providing a retinal image
WO2016020630A2 (en) 2014-08-08 2016-02-11 Milan Momcilo Popovich Waveguide laser illuminator incorporating a despeckler
WO2014188149A1 (en) 2013-05-20 2014-11-27 Milan Momcilo Popovich Holographic waveguide eye tracker
US10241330B2 (en) 2014-09-19 2019-03-26 Digilens, Inc. Method and apparatus for generating input images for holographic waveguide displays
WO2016113534A1 (en) 2015-01-12 2016-07-21 Milan Momcilo Popovich Environmentally isolated waveguide display
US9632226B2 (en) 2015-02-12 2017-04-25 Digilens Inc. Waveguide grating device
EP3359999A1 (en) 2015-10-05 2018-08-15 Popovich, Milan Momcilo Waveguide display
EP3433659A1 (en) 2016-03-24 2019-01-30 DigiLens, Inc. Method and apparatus for providing a polarization selective holographic waveguide device
US11513350B2 (en) 2016-12-02 2022-11-29 Digilens Inc. Waveguide device with uniform output illumination
WO2018129398A1 (en) 2017-01-05 2018-07-12 Digilens, Inc. Wearable heads up displays
KR20200108030A (ko) 2018-01-08 2020-09-16 디지렌즈 인코포레이티드. 도파관 셀 내의 홀로그래픽 격자의 높은 처리능력의 레코딩을 위한 시스템 및 방법
KR20200133265A (ko) 2018-03-16 2020-11-26 디지렌즈 인코포레이티드. 복굴절 제어가 통합된 홀로그래픽 도파관 및 이를 제조하는 방법
JP7456995B2 (ja) * 2018-07-24 2024-03-27 マジック リープ， インコーポレイテッド 左および右ディスプレイとユーザの眼との間の垂直整合を決定するためのディスプレイシステムおよび方法
CN113692544A (zh) 2019-02-15 2021-11-23 迪吉伦斯公司 使用集成光栅提供全息波导显示的方法和装置
CN114207492A (zh) 2019-06-07 2022-03-18 迪吉伦斯公司 带透射光栅和反射光栅的波导及其生产方法
EP4004646A4 (en) 2019-07-29 2023-09-06 Digilens Inc. METHODS AND APPARATUS FOR MULTIPLYING THE IMAGE RESOLUTION AND FIELD OF VIEW OF A PIXELATED DISPLAY SCREEN
US11442222B2 (en) 2019-08-29 2022-09-13 Digilens Inc. Evacuated gratings and methods of manufacturing
US11709422B2 (en) 2020-09-17 2023-07-25 Meta Platforms Technologies, Llc Gray-tone lithography for precise control of grating etch depth
CN114637116B (zh) * 2022-03-15 2023-02-10 嘉兴驭光光电科技有限公司 衍射光波导以及具有其的显示设备
WO2023249702A1 (en) * 2022-06-23 2023-12-28 Google Llc Waveguide grating depth and filling factor dual modulation
WO2024039032A1 (ko) * 2022-08-19 2024-02-22 삼성전자 주식회사 디스플레이 장치

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2197706A1 (en) * 1997-02-14 1998-08-14 Peter Ehbets Method of fabricating apodized phase mask
US6475704B1 (en) * 1997-09-12 2002-11-05 Canon Kabushiki Kaisha Method for forming fine structure
JP2002189112A (ja) * 2000-12-22 2002-07-05 Canon Inc 回折光学素子の製造方法、回折光学素子の製造方法によって製造したことを特徴とする回折光学素子製造用金型、回折光学素子、および該回折光学素子を有する光学系、光学機器、露光装置、デバイス製造方法、デバイス
JP5724213B2 (ja) * 2010-05-13 2015-05-27 セイコーエプソン株式会社 検出装置
CN103928392B (zh) * 2013-01-10 2017-05-17 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 局部互连结构的制作方法
WO2018067500A1 (en) * 2016-10-05 2018-04-12 Magic Leap, Inc. Fabricating non-uniform diffraction gratings
FI128574B (en) * 2017-06-02 2020-08-14 Dispelix Oy Height-modulated diffractive master plate and process for its manufacture
TW202204951A (zh) * 2018-11-07 2022-02-01 美商應用材料股份有限公司 使用灰調微影術及傾斜蝕刻的深度調節傾斜光柵
DE102018221405A1 (de) * 2018-12-11 2019-12-24 Carl Zeiss Smt Gmbh Diffraktives optisches Element sowie Verfahren zu dessen Herstellung
US10690821B1 (en) * 2018-12-14 2020-06-23 Applied Materials, Inc. Methods of producing slanted gratings
CN113169099A (zh) * 2018-12-17 2021-07-23 应用材料公司 用于通过局部加热来控制蚀刻深度的方法
EP3969959A4 (en) * 2019-05-15 2023-06-14 Applied Materials, Inc. METHODS OF FORMING VARIABLE DEPTH DEVICE STRUCTURES
US10823888B1 (en) * 2019-11-12 2020-11-03 Applied Materials, Inc. Methods of producing slanted gratings with variable etch depths
EP4162306A1 (en) * 2020-06-03 2023-04-12 Applied Materials, Inc. Gradient encapsulation of waveguide gratings

Also Published As

Publication number Publication date
US20220082739A1 (en) 2022-03-17
EP4214553A1 (en) 2023-07-26
KR20230066576A (ko) 2023-05-16
WO2022060485A1 (en) 2022-03-24
JP2023542611A (ja) 2023-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220082739A1 (en) Techniques for manufacturing variable etch depth gratings using gray-tone lithography
US11662584B2 (en) Gradient refractive index grating for display leakage reduction
US11307357B2 (en) Overcoating slanted surface-relief structures using atomic layer deposition
US10845596B2 (en) Slanted surface relief grating for rainbow reduction in waveguide display
US11550083B2 (en) Techniques for manufacturing slanted structures
US20220206232A1 (en) Layered waveguide fabrication by additive manufacturing
EP3969949A1 (en) Surface-relief grating with patterned refractive index modulation and method of manufacturing
CN114365021A (zh) 用于波导显示器的具有可变厚度的空间复用体布拉格光栅
CN112334290A (zh) 纳米制作中的占空比、深度和表面能控制
CN113474686A (zh) 可变蚀刻深度的光栅
US11709422B2 (en) Gray-tone lithography for precise control of grating etch depth
CN113348386B (zh) 增加波导组合器的占空比范围
EP3528032A2 (en) Slanted surface relief grating for rainbow reduction in waveguide display
CN113677619A (zh) 干法蚀刻中通过飞秒激光修饰衬底以实现可变蚀刻深度
US20230037929A1 (en) Selective deposition/patterning for layered waveguide fabrication
US11815853B2 (en) PVH in-band chromatic correction using metasurface
US20240151971A1 (en) Techniques for controlling overburden planarization
WO2022146904A1 (en) Layered waveguide fabrication by additive manufacturing

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination