KR20230024291A - 광학 소자의 제조 방법, 광학 소자 및 광학 소자 제조 장치 - Google Patents

광학 소자의 제조 방법, 광학 소자 및 광학 소자 제조 장치 Download PDF

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Abstract

증강 현실 아이웨어(eyeware)의 광학 소자(10)의 제조 방법이 제공된다. 재료(200)의 적어도 하나의 레이어(300)가, 도파관(106)으로부터 넌-제로 거리(D)에서 플레이트(202)의 천공(204)을 통해 도파관(106) 상에 증착된다. 적어도 하나의 레이어(300)의 높이는, 적어도 하나의 레이어(300)으로부터 도파관(106) 상에 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)를 형성하기 위해 플레이트(202) 내의 천공(204)들의 위치에 기초하여 변하는 천공(204)들의 단면적들에 응하여 변하도록 만들어지며, 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)는 도파관(106)과 환경 사이의 가시광의 인-커플링 및/또는 아웃-커플링을 수행한다.

Description

광학 소자의 제조 방법, 광학 소자 및 광학 소자 제조 장치
본 발명은 광학 소자의 제조 방법, 광학 소자 및 광학 소자의 제조 장치에 관한 것이다.
회절 격자(diffractive grating)에 기초한 증강 현실(AR) 아이웨어(eyewear)의 광학 결합기는 종종, 광 가이드로서 기능하는 투명 기판의 상부 상에 증착되고 회절 광학 소자(diffractive optical element; DOE)를 형성하기 위해 패터닝되는 고굴절률 필름으로 제조된다.
아이웨어의 동작은, 가시 범위의 광이 회절 격자를 통해 도파관에 결합되고, 상기 광이 도파관 내부로 분산된 후에, 도파관을 통해 보여질 수 있는 주변 환경에 부가하여 사용자가 디지털 이미지를 볼 수 있도록 다른 회절 격자를 통해 아웃-커필링된(out-coupled) 것을 의미한다. 더 양호한 이미지 품질을 달성하기 위해, 회절 격자 배열의 산란 강도는 종종, 회절 격자 배열을 가로지르는 산란 강도의 큰 차이 (예를 들어 2 내지 10 이상의 인자) 에 의해 낮은 값과 높은 값 사이에서 제어 가능한 방식으로 변조되어야 한다.
격자 패턴의 변화 또는 격자 특징부(feature)의 높이 변화 (즉, 격자 융기부(ridge) 높이 또는 격자 홈 깊이) 를 포함하는 회절 격자 배열을 가로질러 산란 강도를 조절하는 표준 방식이 존재한다. 격자 패턴의 변동은 본질적으로, 활용된 제조 공정에 의해 제한되며, 종종 회절 격자 배열을 가로지르는 산란 강도 (예를 들어, 10 배 이상) 에서 충분히 강한 변조를 제공할 수 없다. 결과적으로, 많은 경우들에서, 격자 특징부의 높이에서의 제어가능한 변화에 대한 필요성이 존재한다. 그러나, 이러한 타입의 변조는, 회절 격자 배열들의 제조를 더 복잡하게 하고, 추가적인 층들의 증착, 다수의 에칭 단계들의 도입, 그레이스케일 리소그래피(grayscale lithography)의 사용, 등과 같은 추가적인 프로세스 단계들의 사용을 요구한다. 또한, 이러한 복잡한 제조 시퀀스들에서는, 프로세스 수율 및 제조 비용이 증가한다. 따라서, 개선에 대한 기본적인 필요성이 존재한다.
본 발명은 AR 아이웨어의 제작성 개선을 제공하고자 한다.
본 발명은 독립 청구항들에 의해 정의된다. 실시예들은 종속 청구항들에 정의된다.
본 발명의 일 측면에 따르는 광학 소자의 제조 방법은, 증강 현실 아이웨어(eyewear)의 광학 소자(10)의 제조 방법으로서, 도파관(106) 상에, 도파관(106)으로부터 넌-제로(non-zero) 거리(D)에서 플레이트(202)의 천공(204)들을 통해 재료(200)의 적어도 하나의 레이어(300)를 증착하는 단계(800); 및 적어도 하나의 레이어(300)로부터 도파관(106) 상에 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)를 형성하기 위해 플레이트(202) 내의 천공(204)들의 위치에 기초하여 변하도록 구성되는, 천공(204)들의 단면적에 응하여 적어도 하나의 레이어(300)의 높이가 변화하도록 야기하는 단계(802); 를 포함하고, 상기 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)는 도파관(106)과 환경 사이의 가시광의 인-커플링 및/또는 아웃-커플링을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 통상적으로 사용되는 방법과 비교하여 적어도 2 개의 상당한 이점을 갖는 DOE 에서, 산란 효율 변조(scattering efficiency modulation)의 문제를 직접적으로 해결한다. 먼저, 격자 특징부의 다양한 높이를 갖는 DOE 의 성능이 개선될 수 있다. 이는, 오로지 격자 패턴의 인-플레인(in-plane) 변화에 의해서는 달성될 수 없는 DOE 산란 강도의 향상된 변조를 초래하는, 격자 높이의 제어가능한 변화로 인한 것이다. 둘째, 이러한 DOE 부품의 제조가능성은, 대안적인 널리 사용되는 방법 중 하나를 실질적으로 능가할 수 있다. 특히, 제안된 솔루션은, 다양한 높이의 주기적 특징들을 갖는 DOE 들의 제조에서, 부가적인 증착 단계들, 부가적인 에칭 단계들, 부가적인 리소그래피 단계들, 그레이스케일 리소그래피(grayscale lithography)의 사용, 등을 회피할 수 있도록 한다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 단지 실시예로서 기술된다.
도 1a 및 도 1b 는 AR 아이웨어의 실시예들을 도시한다.
도 2 는 증착 프로세스의 실시예를 도시한다.
도 3a 는 천공들을 갖는 플레이트의 실시예를 도시한다.
도 3b 는 천공들을 갖는 플레이트를 통해 도파관 상에 증착된 고체 재료 층의 실시예를 도시한다.
도 3c 는 레이어(layer) 상의 패터닝된 레지스트 또는 에칭 마스크의 실시예를 도시한다.
도 4 는 도파관 상에 고체 재료로 만들어진 회절 격자의 융기부(ridge)들의 융기부 높이들의 분포의 실시예를 도시한다.
도 5a 는 플레이트의 천공들의 단면적 및 고체 재료로 이루어진 융기부 높이 분포의 실시예를 도시한다.
도 5b 는 플레이트의 천공들의 단면적 및 융기부 높이 분포의 다른 실시예를 도시한다.
도 6 은 곡선형 플레이트의 실시예를 도시한다.
도 7 은 회절 격자를 갖는 도파관을 포함하는 DOE 의 실시예를 도시한다.
도 8 은 제조 방법의 흐름도의 실시예를 도시한다.
이하의 실시예들은 단지 실시예들일 뿐이다. 본 명세서는 몇몇 위치들에서의"하나의" 실시예를 지칭할 수 있지만, 이는, 각각의 그러한 참조가 동일한 실시예(들)에 대한 것, 또는 그 특징이 단지 단일 실시예에 적용되는 것을 반드시 의미하지는 않는다. 상이한 실시예들의 단일 특징들이 또한 조합되어 다른 실시예들을 제공할 수 있다. 또한, "포함하는(comprising)" 및 "포함하는(including)" 이라는 단어들은, 설명된 실시예가 그러한 특징만으로 이루어진다는 것으로 한정하지 않는 것으로 이해되어야 하며, 그러한 실시예들은 또한, 구체적으로 언급되지 않은 특징/구조들을 포함할 수 있다. 실시예들의 모든 조합들은, 그들의 조합이 구조적 또는 논리적 모순을 초래하지 않는 한, 가능한 것으로 고려된다.
도면들은 다양한 실시예들을 도시하지만, 이들은 단지 일부 구조적 및/또는 기능적 엔터티들(entities)을 나타내는 단순화된 도면들이라는 점에 유의해야 한다. 도면들에 도시된 연결들은 논리적 또는 물리적 연결들을 지칭할 수 있다. 설명된 장치는 또한 도면 및 텍스트에 설명된 것들보다 다른 기능 및 구조들을 포함할 수 있다는 것이, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백하다. 동작에 사용되는 일부 기능, 구조 및 시그널링의 세부사항은 본 발명과 무관하다는 것으로 이해해야 한다. 따라서, 이들은 여기서 더 상세히 논의될 필요가 없다.
이하에서, 높은 굴절률을 갖는 고체 재료로 제조된 회절 격자(들)의 국부적인 두께 특징을 제어하기 위한 기술이, 제시된다. 그 특징들은, 주기적인 바, 회절 격자(들)의 융기부(ridge) 및 홈(groove), 예를 들어, 임의의 2 개의 바로 인접한 융기부들 사이에 위치하는 하나의 홈 및 그 반대의 경우를 포함할 수 있다. 두께는 1 차원 또는 2 차원으로 제어될 수 있다. 그러한 접근법의 기본적인 이점은, 높은 굴절률을 갖는 고체 재료의 두께 프로파일 특징이, 맞춤형 형상(custom-shape)일 수 있다는 것이다. 형성된 프로파일들은, 그 후, 증착된 막 두께 프로파일들에 후속하는 산란 효율 변조를 갖는 DOE 의 제조를 위해 사용된다. 그 후, 상기 DOE 는, 예를 들어, 다수의 에칭 단계를 갖는 접근법과 달리, 단 하나의 에칭 단계로 형성될 수 있다.
도 1a 및 도 1b 는, AR(Augmented Reality) 아이웨어의 예들을 도시한다. 상기 아이웨어는, 예를 들어 안경, 스펙터클(spectacles) 또는 고글과 같이 보일 수 있다. 일 실시예에서, 아이웨어는, 예를 들어, 캡(cap), 모자(hat) 또는 헬멧(helmet)과 같은 헤드웨어(headwear)와 연결될 수 있다. 도 1a 에서, 아이웨어는, 광학 소자(optical element)(10) 및 이미지 생성 유닛(12)을 포함하고, 다시 이미지 생성 유닛(12)은, 이미지 소스(14) 및 광학 부품 장치(optic component arrangement)(16)를 가질 수 있다. 이미지 생성 유닛(12)은, 도파관(106)의 표면 상에 있는 회절 격자(102) 및 광학 부품 장치(16)를 통해 가시광의 도파관(106)에 결합된 (정지 또는 비디오) 영상의 가시광을 생성한다. 도 1b 에서, 아이웨어는, 하나의 눈(150, 152) 각각에 대한 2 개의 부분(A 및 B)을 포함한다. 이미지 생성 유닛(12)은, 2 개의 부분(A 및 B)에 대해 광을 분할할 수 있는 광학 부품 장치(16)로 이미지의 가시광을 지향시킬 수 있다. 광 분할 대신에, 아이웨어는, 하나의 부분(A 및 B) 각각에 대한, 2 개의 이미지 생성 유닛(12)을 가질 수 있다.
도파관(106)은, 제1 아웃-커플링 회절 격자(100) 및 제2 아웃-커플링 회절 격자(104)를 갖는 하나 이상의 원하는 영역으로, 가시광이 회절 격자(102)에 의해 도파관(106) 내로 인-커플링될 때에, 가시광이 인-커플링 영역으로부터 전반사를 통해 전파될 수 있게 한다. 도파관(106)은, 예를 들어, 유리, 사파이어 및/또는 중합체와 같은 투명 재료로 구성될 수 있다. 유리는, 예를 들면, 고굴절률 플린트(flint) 유리 계열을 포함할 수 있다. 도파관(106)은 또한, 광가이드(lightguide)로 지칭될 수 있다. 도파관(106)의 굴절률은 약 1.7 내지 2 이상일 수 있다.
따라서, 가시광은 도파관(106) 내에서 측방향으로 안내되고, 제1 및 제2 아웃-커플링 회절 격자(100, 104) 중의 하나 또는 2개가, 이미지를 보여주기 위해 사용자의 한쪽 또는 양쪽 눈(150, 152)으로 가시광을 지향시키기 위해, 도파관(106)으로부터 가시광을 결합한다. 아웃-커플링 회절 격자(100, 104)는, AR 아이웨어에서 광학 결합기로서 사용된다. 즉, 사용자는 광학 부품(10)을 통해 주위를 볼 수 있으며, 제1 및 제2 회절 격자(100, 104)들로부터 산란된 이미지를 볼 수 있다.
일 실시예에서, 제1 아웃-커플링 회절 격자(100)와 제2 아웃-커플링 회절 격자(104) 사이의 거리(DD)는, 동공간 거리(IPD)로 지칭되는 인간의 두 눈(150, 152)사이의 거리(DE)와 적어도 대략 동일할 수 있다. 상기 거리(DD)는, 일례로 약 63 mm 일 수 있다. 그러나, 제1 아웃-커플링 회절 격자(100), 인-커플링 회절 격자(102) 및 제2 아웃-커플링 회절 격자(104)는, 다른 실시예에서 도파관(106) 상에 연속적인 회절 소자 구조를 형성할 수 있다.
더 상세하게, 거리 DD 는, 예를 들어, IPD 의 평균 또는 추정치와 동일할 수 있다. 상기 IPD, 즉, 거리 DE 는, 남성의 경우 약 64 mm 이고, 여성의 경우 약 62 mm 일 수 있다. 따라서, 거리 DD 는, 제1 아웃-커플링 회절 격자(100)의 중심과 제2 아웃-커플링 회절 격자(104)의 중심 사이의 간격으로 결정될 수 있다.
도 1a 에 도시된 일 실시예에서, 아이웨어는, 양쪽 눈(150, 152)에 대해 하나의 광학 부품(10) 및 하나의 이미지 생성 유닛(12)을 갖는다.
일 실시예에서, 아이웨어는 한쪽 눈(150, 152) 마다 하나의 광학 부품(10) 및 하나의 이미지 생성 유닛(12)을 가질 수 있다.
회절 격자(100 내지 104)들은, 일 실시예에서 도파관(106)의 어느 한 쪽에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 회절 격자들(100 내지 104) 중 적어도 하나는, 이들 중 적어도 하나에 대향하는 도파관(106)의 측면 상에 있을 수 있다.
도 2 는 증착 프로세스의 예를 도시한다. 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)를 형성하기 위해 사용되는 재료(200)는, 플레이트(202)의 천공(204)들을 통해 도파관(106) 또는 도파관(106)의 프리폼(preform) 상에 증착된다. 제조 프로세스 동안, 용어 "도파관" 은 또한, 도파관(106)의 프리폼을 포함하는 것으로 고려된다. 플레이트(202)는, 도파관(106)으로부터 넌-제로(non-zero) 거리(D)에 있다. 상기 거리(D)는 예를 들어, 스페이서 구조체(206)를 사용하여 설정될 수 있다. 플레이트(202)는, 스페이서 구조체(206)에 의해 지지될 수 있다. 도파관(106)의 형상이 원형인 경우, 스페이서 구조체(206)는 도파관(106)의 외부 윤곽 주위에 존재하는 링일 수 있다. 스페이서 구조체(206)를 포함하는 구조체의 총 두께는, 거리 (D) 보다 더 큰 두께를 가질 수 있다. 스페이서 구조(206)는, 원형 외주 형상, 및 원형 개구, 직사각형 개구(들) 및/또는 도파관(106) 위에 플레이트의 포지셔닝을 지원하고 그 위에 증착된 재료(200)로부터 다른 영역들을 스크린(screen)하는 다른 맞춤형 개구(custom-shaped openings)를 갖는 내부 측면을 갖는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 스페이서 구조체(206)는, 거리 (D) 와 동일한 두께를 가질 수 있다. 스페이서 구조체(206)의 재료는, 예를 들어, 금속, 유리, 세라믹 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스페이서 구조체(206)는 예를 들어 아노다이징된 알루미늄을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 스페이서 구조체(206)는, 적어도 하나의 조정 장치(210)를 포함할 수 있다. 조정 장치(210)는 예를 들어, 기계적, 전기-기계적, 유압 및/또는 공압식(pneumatic)일 수 있다. 기계적 조정 장치는, 예를 들어, 스크류를 포함할 수 있다. 전기-기계적 조정 장치는, 예를 들어, 전기 모터 및 전기 모터에 의해 회전되는 스크류를 포함할 수 있다.
거리 (D) 는, 다음과 같은 것에 따라 고려될 수 있는 중요한 파라미터이다: a) 증착 반응기의 타입, 증착 프로세스의 특성 및 파라미터; b) 플레이트(202)의 두께; c) 플레이트(202) 내의 천공(204)의 구조와 천공의 높이 및/또는 폭을 포함하는 특징적인 크기; d) 특정 DOE 레이아웃; e) 웨이퍼 상의 DOE 들의 배열. 여기서, DOE 레이아웃은, 상이한 격자 형상들이 가능하고 특정 형상 (예를 들어, 직사각형, 보우타이(bowtie), 삼각형 등) 에 따라 플레이트(202) 내의 천공(204)들이 상이한 배열을 가질 것이라는 것을, 의미한다. DOE 의 배열은, 레이아웃(300)의 높이 프로파일을 조정 또는 제어하기 위해, 예를 들어, 다양한 높이를 갖는 몇 개의 DOE 가 서로에 대해 어떻게 위치되는지에 따라 상이한 옵션이 존재한다는 것을, 의미한다.
플레이트(202)와 도파관(106) 사이의 거리(D)는, 특정 최적 값으로 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 거리(D)는 일예로 약 5 mm 일 수 있다. 만약 상기 거리(D)가 너무 작으면, 천공(204)들의 특징들이 충분히 나지 않을 수 있고, 레이어(300)의 구조는 충분히 컨포멀(conformal)하지 않을 수 있다. 거리(D)가 너무 길면, 국부 막 두께 제어의 정확도가 저하될 수 있다. 일 실시예에서, 플레이트(202)는 도파관(106)에 대해 틸팅될 수 있다.
일 실시예에서, 스페이서 구조체(206)는 또한, 케이스-특정적(case-specific)이고 도면에 도시되지 않은, 추가적인 소자(elements)들을 포함할 수 있다. 이들 소자들은 다음과 같은 것일 수 있다: a) 섀도 마스크를 지원하는 추가적인 특징부들(features), b) 고굴절 재료들이 증착되지 않아야 하는 제조된 DOE (또는 대략적인 DOE) 의 영역 (즉, 증착된 고굴절률층으로부터 깨끗하게 유지되어야 하는 영역) 을 스크리닝하는데 사용되는 추가적인 특징부들.
플레이트(202)의 재료는, 예를 들어, 금속, 유리, 세라믹 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 금속은, 예를 들어, 고순도일 수 있는 스테인리스 강일 수 있다. 일 실시예에서, 플레이트(202)의 두께는, 예를 들어, 약 0.001 mm 내지 약 1 mm 일 수 있다. 일 실시예에서, 전형적인 두께는, 예를 들어, 약 0.01 mm 내지 약 0.1 mm 일 수 있다. 일 실시예에서, 두께는 약 0.05 mm 일 수 있다.
일 실시예에서, 도파관(106) 및 플레이트(202)의 직경은, 예를 들어 수십 밀리미터 내지 450 mm 로 변할 수 있다. 대형 도파관(106)은, 아이웨어에 적합한 조각으로 절단될 수 있다. 일 실시예에서, 도파관(106) 및 플레이트(202)의 직경은, 예를 들어, 약 100 mm 일 수 있다. 증착 시스템(208)은 더 작은/더 큰 직경의 도파관들(106)에 대해 스케일링/변형되거나 혹은 스케일러블(scalable)할 수 있다.
도 2 의 섹션(E)을 도시하는 도 3a 의 예에 도시된 바와 같이, 천공(204)들의 단면적은 플레이트(202)의 위치에 따라 결정되는 방식으로 변화한다 (천공들 모두가 숫자로 마킹될 수 없기 때문에, 천공들 중 단지 몇 개만이 도 3a 에서 참조 번호를 갖는다). 도 3a 의 예에서, 천공(204)들의 단면적은 X 축의 방향으로는 변하지만, Y 축 방향으로는 일정하게 유지된다.
일 실시예에서, 천공(204)들의 단면적의 변동은, 플레이트(202)의 표면 위의 1 차원일 수 있는바, 한편, 천공(204)들의 단면적은 다른 차원에서 일정하게 유지될 수 있다 (천공들은 공간적으로 2 차원에서만 분포될 수 있다). 차원들(dimensions) 각각은, 다른 차원과 독립적인 및/또는 직교하는 공간 범위(spatial extent)로 간주될 수 있고, 직교 좌표계(cartesian coordinate system)또는 극 좌표계(polar coordinate system)의 것일 수 있다. 일 실시예에서, 천공(204)의 단면적은 양쪽 차원의 함수 값으로서 변할 수 있다.
도 3a 는, 일 예로서 육각형-타입 천공을 도시하고 있으며, X 방향으로의 마스크 개구 영역들의 변조를 도시한다. 천공(204)의 형상은, 예를 들어, 육각형, 원형, 직사각형, 선형, 성형(星形), 이들의 임의의 조합일 수 있다. 천공(204)의 형상은 또한 맞춤형으로 만들어질 수 있다.
천공(204)을 갖는 플레이트(202)는, 플레이트(202)를 가로질러 X 방향, X 및 Y 방향, 또는 맞춤형 패턴으로, 원하는 개구-대-솔리드(opening-to-solid) 면적 비율 또는 격자 충전 인자(grating fill factor)를 충족시키도록 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 고체 재료(200)가, 플레이트(202)의 천공(204)을 통과하는 것을 허용하기 위해, 기체 상태 또는 증기 상태일 수 있는 유동성 상태로 전환될 수 있다. 이어서, 유동성 상태의 재료(200)는 도파관(106) 상에서 응고된다.
일 실시예에서, 도파관 상으로의 증착을 위한 재료 전달은, 예를 들어, 기화된 상태로 수행될 수 있다. 이어서, 고체 재료(200)는 증기 상태로 전환될 수 있고, 증기는, 예를 들어, 기상 증착 공정에서 도파관(106) 상에 층상 또는 필름 구조로서 응축된다. 기상 증착은, 예를 들어, 이들을 제한하지 않고, 스퍼터링, 화학적 기상 증착 또는 물리적 기상 증착을 사용하여 실현될 수 있다.
당업자는, 증착 시스템(208)으로 사용될 수 있는 다양한 증착 시스템 및 공정에 익숙하다. 고체 재료(200)는, 예를 들어, 가시광선 영역에서 도파관(106)의 굴절률과 같거나 높은 굴절률을 가질 수 있다. 상기 재료(200)의 굴절률은, 일부 경우에, 또한 도파관(106)의 굴절률보다 낮을 수 있다. 고체 재료(200)의 굴절률은, 예를 들어, 약 1.8 내지 약 2.7 또는 심지어 약 3.5 일 수 있다. 그러나, 이는 또한 약 1.8 보다 더 낮을 수 있다. 높은 굴절 지수는 광의 유효 산란을 초래하고, 통상적으로 사용자에게 더 양호한 이미지 품질을 초래하는 광범위한 인-커플링 및 아웃-커플링 각도의 넓은 범위에 걸쳐 더 양호한 DOE 성능을 초래한다.
도 3b 는, 플레이트(202)의 천공된 패턴이 어떻게 도파관(106) 상의 재료(200)의 레이어(300)의 특정 높이 프로파일로 전환될 수 있는지의 예를 도시한다. 상기 재료(200)의 분포는, 이 예에서와 같이 선형일 수 있거나, 비선형 함수의 것과 같은 임의의 형상을 따를 수 있다.
플레이트(202) 내의 특징부(feature)의 단위 셀은, 레이어(300)의 국부적인 두께 및 양호한 균일성에 대한 높은 제어를 제공하기에 충분히 작아야 한다. 최소 특징부 크기가 플레이트(202)의 두께 및 천공 기술에 의해 다른 인자들 사이에서 제한되기 때문에, 0.1mm 이하의 얇은 마스크가 일반적으로 유리할 수 있다. 플레이트(202)의 특징부의 요구되는 해상도 및 플레이트(202)의 두께는, 제조된 DOE 의 특정 레이아웃에 의존한다.
일 실시예에서, 플레이트(202)와 도파관(106) 사이의 거리(D)는, 플레이트(202)의 천공(204)들의 단면적에 의존할 수 있다. 일 실시예에서, 플레이트(202)와 도파관(106) 사이의 거리(D)는, 플레이트(202)의 천공(204)들의 최소 단면적에 의존할 수 있다.
일 실시예에서, 플레이트(202)의 천공(204)들의 단면적이 더 작을수록, 상기 거리(D)는 더 짧을 수 있다. 그에 상응하여, 플레이트(202)의 천공(204)들의 단면적이 더 클수록, 상기 거리(D)는 더 길어질 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 재료(200)는 또한, 천공(204)들과 직접 중첩되거나 대면하지 않는 도파관(106)의 영역들로 확산될 수 있다. 이러한 확산은 결국, 도파관(106) 상의 재료(200)의 평평한 또는 적어도 상당히/합리적으로 평탄한 레이어(300)를 초래한다.
도 3c 는, 상기 재료(200)의 레이어(300) 상의 패턴화된 레지스트 또는 에칭 마스크 층(302)의 예를 도시한다. 그 후, 상기 재료(200)의 레이어(300)는, 격자의 융기부(304) 및 홈(306)을 포함하는 특징부를 형성하기 위해 에칭될 수 있다 (도 4 참조). 일 실시예에서, 에칭은 건식 에칭을 포함할 수 있다. 에칭 대신에, 회절 격자(100 내지 104)의 특징부는, 예를 들어, 임의의 다른 적합한 종래 기술의 패터닝 방법에 의해 형성될 수 있다.
도 4 의 예에 도시된 바와 같이, 따라서, 적어도 하나의 회절 격자(100 내지 104)가, 고체 재료(200)의 레이어(300)로 제조되며, 이는 증착 시스템(208)에서 도파관(106)으로 전사된다. 위에서 설명된 바와 같이 에칭 장치 또는 임의의 다른 적합한 종래 기술의 재료 제거 장치를 포함할 수 있는, 어떤 재료 제거 장치가, 적어도 하나의 회절 격자(100 내지 104)의 홈(306)의 위치로부터 레이어(300)의 고체 재료(200)를 제거할 수 있으며, 적어도 하나의 회절 격자(100 내지 104)의 융기부(304)의 위치에 레이어(300)의 고체 재료(200)를 유지시킬 수 있다. 수평 축(X)은 일 방향에서의 위치를 나타내고, 수직 축은 높이(H)를 나타낸다. 양자는 모두 임의의 스케일이다.
도파관(106) 상의 격자(100 내지 104)의 융기부들(304) 각각의 고체 재료(200)의 양은, 천공(204)들의 단면적에 응하여 변화한다. 그 때문에, 도파관(106) 상의 고체 재료(200)로 제조된 융기부들(304) 각각의 높이는, 천공(204)들의 단면적에 응하여 변한다. 위치에 따른 천공(204)들의 단면적의 변화의 결과로서, 융기부들(304)의 높이는 또한, 플레이트(202) 내의 위치의 함수로서 변한다. 천공들의 단면적이 클수록, 도파관(106) 상의 대응하는 위치에서 고체 재료(200)의 융기부(304)의 두께는 더 높아진다. 상이한 고체 재료(200)가, 천공들의 동일한 단면적을 통해 상이한 높이들로 증착될 수 있지만, 당업자는 원하는 고체 재료에 대한 적합한 단면적들을 쉽게 찾을 수 있다.
회절 격자(100 내지 104)의 격자 주기는, 즉, 융기부(304) 및/또는 홈(306) 사이의 거리는, 예를 들어, 약 200 nm 내지 약 500 nm 일 수 있다. 회절 격자(100 내지 104)의 융기부(304)의 높이는, 예를 들어, 약 l0 nm 내지 약 300 nm 및 일부 경우에 약 10 nm 내지 약 l000 nm 사이에서 변할 수 있다.
플레이트(202)와 도파관(106) 사이의 넌-제로 거리(D)는, 고체 재료(200)의 유동성 상태가, 도파관(106) 상의 천공(204)들의 단면적보다 더 큰 영역에 걸쳐 분포되게 한다(도 3b 참조). 고체 재료(200)는 또한, 천공(204) 옆, 플레이트(202) 아래를 증착한다. 이러한 누설은, 전형적으로 바람직하지 않은 것으로 간주되지만, DOE 의 경우, 고체 재료(200) 및 회절 격자들(100, 102, 104)의 레이어(300)의 원하는 두께 프로파일을 형성할 수 있게 하기 때문에, 그러한 누설은 유익하다. 그러한 누설 때문에, 천공(204)을 마주하는 레이어(300)의 높이 및 천공(204) 바로 옆의 플레이트(202)의 고체 표면을 마주하는 레이어(300)의 높이는, 무시할 수 있거나 또는 전혀 차이를 갖지 않는다. 즉, 그러한 레이어(300)는, 플레이트(202)의 천공(204)들의 위치들을 드러내지 않도록, 스무드(smooth)하게 만들어질 수 있다. 레이어(300)의 프로파일은, 예를 들어, 다수의 더 높은 및 더 낮은 두께 영역들을 갖도록 맞춤화될 수 있다.
두께 프로파일의 형상은 또한, 도파관(106)과 플레이트(202) 사이의 거리(D)를 변경함으로써, 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 거리(D)는, 플레이트(202)/도파관(106)의 대향 단부에서 상이할 수 있다.
도 5a 는, 도 3a 내지 도 4 의 실시예에 기초하여, X 축 방향으로 플레이트(202) 내의 천공(204)의 단면 영역의 분포(402) 및 도파관(106) 상의 회절 격자의 대응하는 융기부(304) 및 레이어(300)의 높이 분포(400)의 실시예를 도시한다. 상기 분포(400 및 402)는, 이 실시예에서 선형적이다. 좌측의 Z 축은 높이(H)를 나타내고, 우측에서 A는 면적을 나타내며, X 축은 위치(= 원점으로부터의 거리)를 나타낸다. 모든 축은 임의의 스케일이다.
도 5b 는, 레이어(300)의 높이 및 일예로 도파관(106) 상의 융기부(304)의 분포(400), 그리고 X 축 방향으로 플레이트(202) 내의 천공(204)의 단면적의 분포(402)의 실시예를 도시한다. 이 분포들은, 이 실시예에서는 유사하지 않지만, 그럼에도 불구하고 이 분포들 역시 유사할 수 있다. 도 5b 의 결과는, 천공(204)들이 중간에서 더 크지만 그들의 밀도가 더 낮다는 특징에 기초할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 분포들(400, 402)은 벨(bell) 곡선의 형태와 유사하다. 좌측의 Z 축은 높이(H)를 나타내고, 우측에서 A는 면적을 나타내며, X 축은 위치(= 원점으로부터의 거리)를 나타낸다. 모든 축은 임의의 스케일이다.
도 6 에 도시된 실시예 및 예시에서, 플레이트(202)는 만곡될 수 있는데, 즉, 플레이트(202)의 종방향 프로파일은, 예를 들어, 만곡(curvy)일 수 있다. 곡선 프로파일은, 예를 들어 물결모양(wavy)일 수 있다. 일 실시예에서, 플레이트(202)는 단지 1 차원으로만 만곡될 수 있다. 일 실시예에서, 플레이트(202)는, 2 차원으로 만곡될 수 있다. 일 실시예에서, 플레이트(202)의 커브모양(curviness)은, 2 차원에서 유사할 수 있다. 일 실시예에서, 플레이트(202)의 커브모양은, 2 차원에서 상이할 수 있다. 이러한 방식으로, 천공(204) 옆 플레이트(202) 아래의 누설은, 플레이트(202)/도파관(106)의 상이한 위치에서, 제어 가능하고 바람직한 방식으로, 제조될 수 있다. 상기 커브모양은, 레이어(300)의 높이의 변화가 원하는 방식으로 제어될 수 있도록, 플레이트(202)의 천공(204)의 단면적의 변화와 조합될 수 있다.
일 실시예에서, 회절 격자(100 내지 104) 상에 반사 방지 코팅이 적용될 수 있다.
도 4 및 도 5 에서 알 수 있는 바와 같이, 일 실시예에서, 회절 격자(100, 102, 104)를 제조하는 것이 가능하며, 이는 다음의 3 개의 정의를 동시에 충족시킨다:
1)　다음의 특징을 충족시키는, 바로 연속하는 융기부(304)의 복수개의 쌍이 존재하고,
2)　상기 쌍들 중 임의의 쌍은, 그 사이에 고체 재료(200)를 갖지 않고, 상기 쌍들 중 임의의 것의 융기부(304)는, 그 사이에 고체 재료(200)를 갖지 않고,
3) 상기 쌍들 중 임의의 쌍의 융기부(304)는, 융기부(304)의 높이가 증가 또는 감소하는 방향으로, 상이한 높이를 갖는다.
예를 들어, 도 5b 에서 상기 분포(400)의 벨 곡선의 상부에서, 동일한 높이를 갖는 서로 바로 인접한 한 쌍의 융기부(304)가 존재할 수 있다. 그러나, 한 쌍이 동일한 높이를 갖도록 상기 분포(400)의 상승부 상에서 서로 바로 인접하는 융기부들(304) 쌍이 존재하지 않는 실시예에서, 분포를 만드는 것이 가능할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 분포(400)의 하강부에 대해 동일하게 될 수 있다.
일예로 약 0 nm 내지 약 50 nm 까지 회절 격자를 가로지르는 격자 높이의 선형 증가/감소함에 따라, 하나의 DOE 의 측방향 크기는, 예를 들어 약 10 mm 내지 약 20 mm 일 수 있고, 회절 격자의 주기는, 예를 들어, 약 400 nm 일 수 있다.
고체 재료(200)는, 적어도 2 개의 원소들의 화합물일 수 있다. 일 실시예에서, 고체 재료는, 예를 들어, 티타늄 산화물(TiO2)일 수 있다. 상기 티타늄 산화물은 비정질(amorphous)일 수 있다. 티타늄 산화물의 굴절률은, 가시 범위 내의 파장에서 약 2.4 일 수 있다. 상기 재료(200)는, DOE 의 특정 유형 및 적용에 따라 레이어(300)의 두께를 통해 가시광에 대해 충분히 광학적으로 투명해야 한다.
도 7 은, 인-커플링(in-coupling) 회절 격자(102)가 일정 높이의 융기부(304)를 가질 수 있고 아웃-커플링(out-coupling) 회절 격자(100)가 가변 높이의 융기부(304)를 가질 수 있는, 실시예를 도시한다.
대안적인 실시예에서, 아웃-커플링 회절 격자(100)는 가변 높이의 융기부들(304)를 가질 수 있고 인-커플링 회절 격자(102)는 일정 높이의 융기부(304)를 가질 수 있는 것, 또한 가능하다. 또한, 일 실시예에서, 아웃-커플링 회절 격자(100) 및 인-커플링 회절 격자(102) 양자 모두는, 가변 높이의 융기부(304)를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 아웃-커플링 회절 격자(100) 및 인-커플링 회절 격자(102)는, 융기부(304)가 상이한 높이 변화를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 아웃-커플링 회절 격자(100)의 융기부(304)의 높이 변화 및 인-커플링 회절 격자(102)의 융기부(304)의 높이 변화는, 거울 대칭을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 아웃-커플링 회절 격자(100) 및 인-커플링 회절 격자(102)는, 융기부(304)의 유사한 높이 변화를 가질 수 있다.
상이한 회절 격자들(100, 102, 104) 사이의 유사한 또는 상이한 높이 분포들의 적절한 조합은, 상기 조합이 하나의 애플리케이션에 의존할 수 있는 경우, 이미지 생성 유닛(12)으로부터 사용자의 눈(150, 152)으로 전달되는 이미지의 품질을 개선하여, 더 양호한 이미지 균일성, 더 나은 컬러 분포, 및/또는 더 깊은 콘트라스트를 허용할 수 있다. 이러한 방식으로, 전체적인 사용자의 경험이 개선될 수 있다. 밝기 증가 가능성을 갖는 것은, 아이웨어(eyewear)로 하여금, 밝은 실외 조명 조건 하에서와 같이, 상이한 환경에서 사용될 수 있도록 허용한다. 부가적으로, 아이웨어 디바이스가 높은 광학 효율을 가질 때, 그것은 더 적은 전력을 소비하여, 배터리를 절약하고/하거나 더 긴 동작 시간을 가능하게 한다.
위에서 설명된 바와 같이, 증착 방법은 플레이트(202)를 포함하는바, 상기 플레이트(202)는 천공(204)들을 갖고, 비-제로 거리(non-zero distance)가 플레이트(202)와 도파관(106) 사이에 사용된다. 비-제로 거리는, 스페이서 구조(206)로 실현될 수 있다. 상기 재료(200)는, 각각의 위치에서 천공(204)들의 단면적으로서 측정가능한 크기에 의존하는 속도로 가스 상태로 천공(204)들을 관통한다. 플레이트(202)는, 도파관(106)을 가로질러 원하는 두께 변조를 달성하고 레이어(300) 및 융기부(304)의 등각(conformality)을 유사하게 유지하기 위해, 도파관(106)으로부터 특정 거리를 유지하도록 하여야 한다.
위에서 교시된 것은, 통상적으로 사용되는 방법과 비교하여 적어도 2 개의 상당한 이점을 갖는 DOE 에서, 산란 효율 변조(scattering efficiency modulation)의 문제를 직접적으로 해결한다. 먼저, 격자 특징부의 다양한 높이를 갖는 DOE 의 성능이 개선될 수 있다. 이는, 오로지 격자 패턴의 인-플레인(in-plane) 변화에 의해서는 달성될 수 없는 DOE 산란 강도의 향상된 변조를 초래하는, 격자 높이의 제어가능한 변화로 인한 것이다. 둘째, 이러한 DOE 부품의 제조가능성은, 대안적인 널리 사용되는 방법 중 하나를 실질적으로 능가할 수 있다. 특히, 제안된 솔루션은, 다양한 높이의 주기적 특징들을 갖는 DOE 들의 제조에서, 부가적인 증착 단계들, 부가적인 에칭 단계들, 부가적인 리소그래피 단계들, 그레이스케일 리소그래피(grayscale lithography)의 사용, 등을 회피할 수 있도록 한다.
도 8 은, 증강 현실 아이웨어의 광학 소자(10)의 제조 방법의 흐름도인바, 상기 광학 소자(10)는, 도파관(106)과 환경 사이의 가시광을 결합하도록 구성된 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104) 및 가시광에 대한 도파관(106)의 조합을 포함한다. 단계 (800) 에서, 도파관(106)으로부터 넌-제로 거리(D)에서 플레이트(202)의 천공(204)들을 통한 고체 재료(200)의 적어도 하나의 레이어(300)가, 도파관(106) 상에 증착된다. 단계 (802) 에서, 적어도 하나의 레이어(300)의 높이가 천공(204)들의 단면적들에 응하여 변경되어지도록 하는바, 상기 천공(204)들의 단면적은, 적어도 하나의 레이어(300)로부터 도파관(106) 상의 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)를 형성하기 위해, 플레이트(202) 내의 천공(204)들의 위치에 기하여 변화하며, 상기 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)는 도파관(106)과 환경 사이의 가시광의 인-커플링 및/또는 아웃-커플링을 수행하도록 구성되어 진다.
선택적으로 수행될 수 있는 단계 (804) 에서, 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)의 융기부(304)는, 융기부(304) 사이의 주기적인 홈(306)의 위치에서 도파관(106)으로부터 고체 재료(200)를 제거함으로써 형성된다.
기술이 발전함에 따라, 본 발명의 사상이 다양한 방식으로 구현될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명 및 그의 실시예는 전술한 예시적인 실시예에 제한되지 않고 청구범위의 범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (15)

  1. 증강 현실 아이웨어(eyewear)의 광학 소자(10)의 제조 방법으로서,
    도파관(106) 상에, 도파관(106)으로부터 넌-제로(non-zero) 거리(D)에서 플레이트(202)의 천공(204)들을 통해 재료(200)의 적어도 하나의 레이어(300)를 증착하는 단계(800); 및
    적어도 하나의 레이어(300)로부터 도파관(106) 상에 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)를 형성하기 위해 플레이트(202) 내의 천공(204)들의 위치에 기초하여 변하도록 구성되는, 천공(204)들의 단면적에 응하여 적어도 하나의 레이어(300)의 높이가 변화하도록 야기하는 단계(802);
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)는 도파관(106)과 환경 사이의 가시광의 인-커플링, 아웃-커플링, 또는 인-커플링 및 아웃-커플링을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플레이트(202)와 상기 도파관(106) 사이의 넌-제로 거리(D)를 변화시키는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료(200)는 가시광선 영역에서 상기 도파관(106)의 굴절률과 같거나 더 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착하는 단계는, 스퍼터링, 화학 기상 증착 및 물리 기상 증착 중 적어도 하나에 의해 증착을 수행하는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    융기부(304) 사이의 홈(306)의 위치에서 도파관(106)으로부터 고체 재료(200)를 제거함으로써 상기 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)의 융기부(ridges)(304)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 플레이트(202)를 상기 도파관(106)에 대해 틸팅하는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료의 굴절률은 1.8 이상인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    증착(300)의 높이가 2 차원적으로 변하도록, 상기 천공(204)들의 단면적은 2 차원적으로 변하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 플레이트(202)는 곡면인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  10. 제 1 항의 제조 방법에 따라 제조되는 적어도 하나의 회절 격자(100 내지 104)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 부품(10).
  11. 광학 부품(10)을 제조하기 위한 장치로서,
    상기 장치는, 천공(204)들을 갖는 플레이트(202)를 포함하고, 상기 천공(204)들 각각은 상기 플레이트(202) 내의 위치에 따라 단면적을 갖고, 상기 플레이트(202) 및 상기 광학 부품(10)의 도파관(106)은 그 사이에 넌-제로 거리를 갖도록 구성되며;
    상기 장치는, 상기 도파관(106) 상에, 상기 플레이트(202)의 천공(204)들을 통해 고체 재료(200)의 적어도 하나의 레이어(300)를 증착하도록 구성되어, 상기 도파관(106) 상의 상기 레이어(300)의 높이가 상기 천공(204)들의 단면적에 응하여 변화하도록 야기하는 것을 특징으로 하는, 광학 부품을 제조하기 위한 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 플레이트(202)와 상기 도파관(106) 사이의 거리(D)가 변하는 것을 허용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 플레이트(202)는, 상기 도파관(106)에 대해 틸팅되거나, 만곡되거나, 또는 틸팅 및 만곡되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 천공(204)들의 단면적들에 기초하여 상기 플레이트(202)와 상기 도파관(106) 사이의 거리(D)를 조정하도록 구성된 조정 수단(210)을 갖는 것을 특징으로 하는, 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)의 융기부(304)들 사이의 갭(306)의 위치로부터 고체 재료(200)를 제거하고, 상기 적어도 하나의 회절 격자(100, 102, 104)의 상기 융기부(304)들의 위치에서 상기 고체 재료(200)를 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
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