KR20230025888A - 머리-장착 디스플레이를 위한 아이피스 및 이를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

방법은, 웨이퍼의 표면의 제1 영역에 걸쳐 연장되는 제1 표면 격자 및 웨이퍼의 표면의 제2 영역에 걸쳐 연장되는 제2 표면 격자를 포함하는 웨이퍼를 제공하는 단계; 제1 표면 격자 영역 및 제2 표면 격자 영역 중 적어도 하나에서 표면 격자의 일 부분을 비-기능화하는 단계; 및 웨이퍼로부터 아이피스를 싱귤레이팅하는 단계를 포함하고, 아이피스는 제1 표면 격자 영역의 일 부분 및 제2 표면 격자 영역의 일 부분을 포함한다. 아이피스의 제1 표면 격자는 머리-장착 디스플레이에 대한 입력 커플링 격자에 대응하고, 제2 표면 격자는 머리-장착 디스플레이에 대한 동공 확장기 격자에 대응한다.

Description

머리-장착 디스플레이를 위한 아이피스 및 이를 제조하기 위한 방법

본 출원은 2020년 6월 25일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 제63/044,124호를 35 USC §119(e)에 따라 우선권으로 주장하며, 그의 전체 내용들은 이로써 인용에 의해 통합된다.

본 개시내용은 머리-장착 디스플레이들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 머리-장착 디스플레이들을 위한 아이피스(eyepiece)들 및 아이피스들을 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다.

웨어러블 디스플레이 시스템들(예컨대, 웨어러블 디스플레이 헤드셋들)과 같은 광학 이미징 시스템들은 투사된 이미지들을 사용자에게 제시하는 하나 이상의 아이피스들을 포함할 수 있다. 아이피스들은 하나 이상의 고굴절 재료들의 얇은 층들을 사용하여 구성될 수 있다. 예들로서, 아이피스들은 고굴절 유리, 실리콘, 금속 또는 폴리머 기판들의 하나 이상의 층들로부터 구성될 수 있다.

시뮬레이션된 3차원 이미지를 투사하기 위해 다수의 아이피스들이 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 아이피스들 ― 각각 상이한 패턴을 가짐 ― 은 하나가 다른 것 위에 계층화될 수 있고, 각각의 아이피스는 체적 이미지의 상이한 깊이 층을 투사할 수 있다. 따라서, 아이피스들은 집합적으로 3차원들에 걸쳐 사용자에게 체적 이미지를 제시할 수 있다. 이는, 예를 들어, 사용자에게 "가상 현실" 환경을 제공하는 데 유용할 수 있다.

일부 경우들에서, 아이피스들은 이들 개개의 표면들 상에 형성된 표면 격자들을 포함하는 재료의 얇은 층들을 포함한다. 층들은 주조(casting) 프로세스 동안 재료를 주조하고 표면 격자들을 몰딩(molding)함으로써 형성될 수 있다. 다수의 아이피스들에 대한 격자들이 단일 막으로 주조될 수 있고, 개별 아이피스들이 주조된 막으로부터 싱귤레이팅될(singulated) 수 있다.

특정 구현들에서, 웨어러블 디스플레이 헤드셋에 사용되는 아이피스는 2개의 표면 격자들을 사용하며: 하나는 도파관 내로 투사된 광을 주입하기 위한 것이고(예컨대, 입력 커플링 격자), 다른 하나는 디스플레이의 출구 동공의 크기를 증가시키기 위한 것이다(예컨대, 동공 확장기 격자). 이러한 아이피스들은 일반적으로, 표면 격자들이 몰딩되는 마스터 폴리머 웨이퍼들로부터 싱귤레이팅(예컨대, 컷팅)된다. 이러한 웨이퍼들은 일반적으로, 몰드에 의해 설정되는 격자 배열들로 주조되어, 2개의 표면 격자들에 의해 커버되는 영역들, 각각의 격자의 형상, 피치 및 배향, 및 2개의 격자 영역들 사이의 간격을 확립한다.

아이피스 표면 격자 영역들은 사용자 동공들 사이의 광범위한 거리들이 수용될 수 있도록 주조 및 배향될 수 있다. 이러한 수용은 입력 커플링 격자 및 동공 확장기 격자 영역들 중 어느 하나 또는 둘 모두를 위해 오버-사이징된(over-sized) 영역들을 포함하는 마스터 폴리머 층들의 주조를 통해 달성된다. 이어서, 오버-사이징된 영역들은, 상이한 동공 거리들을 수용하는 아이피스들이 단일 웨이퍼 몰드를 사용하여 수용될 수 있도록, 격자의 영역을 감소시키기 위해 부분적으로 비-기능화된다.

본 발명의 다양한 양상들은 다음과 같이 요약된다.

일반적으로, 제1 양상에서, 본 발명은, 웨이퍼의 표면의 제1 영역에 걸쳐 연장되는 제1 표면 격자 및 웨이퍼의 표면의 제2 영역에 걸쳐 연장되는 제2 표면 격자를 포함하는 웨이퍼를 제공하는 단계;

제1 표면 격자 영역 및 제2 표면 격자 영역 중 적어도 하나에서 표면 격자의 일 부분을 비-기능화하는 단계; 및 웨이퍼로부터 아이피스를 싱귤레이팅하는 단계를 포함하고, 아이피스는 제1 표면 격자 영역의 일 부분 및 제2 표면 격자 영역의 일 부분을 포함하는 방법을 특징으로 한다. 아이피스의 제1 표면 격자는 머리-장착 디스플레이에 대한 입력 커플링 격자에 대응하고, 제2 표면 격자는 머리-장착 디스플레이에 대한 동공 확장기 격자에 대응한다.

본 방법의 실시예들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제1 표면 격자 또는 제2 표면 격자의 부분을 비-기능화하는 단계는 대응하는 표면 격자의 부분을 평탄화하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 표면 격자 또는 제2 표면 격자의 부분을 평탄화하는 단계는 표면 격자의 대응하는 부분 위에 재료를 주조하는 단계를 포함할 수 있다. 주조되는 재료는 표면 격자를 형성하는 재료와 동일한 재료일 수 있다.

일부 실시예들에서, 본 방법은 제1 표면 격자의 일 부분 상에 반사성 재료를 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 반사성 재료는 금속일 수 있다.

제1 표면 격자 영역 또는 제2 표면 격자 영역의 비-기능화된 부분은 제1 표면 격자 피처 또는 제2 표면 격자 피처의 높이보다 큰 표면 위의 높이를 가질 수 있다. 제1 표면 격자 영역 또는 제2 표면 격자 영역의 비-기능화된 부분의 경우, 비-기능화된 부분의 높이는 대응하는 표면 격자 피처들의 높이보다 100 nm 이하만큼 클 수 있다.

웨이퍼를 제공하는 단계는 웨이퍼의 표면 상에 제1 및 제2 격자들을 임프린트하는(imprinting) 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 웨이퍼를 제공하는 단계는 제1 및 제2 격자들을 이용하여 웨이퍼를 주조하는 단계를 포함할 수 있다.

제2 영역은 30 mm 초과의 최소 측방향 치수를 가질 수 있다.

동공 확장기 격자는 30 mm 또는 그 미만의 최대 측방향 치수를 갖는다.

입력 커플링 격자는 5 mm 또는 그 미만의 최대 측방향 치수를 갖는다.

일부 실시예들에서, 방법은 머리-장착 디스플레이에 아이피스를 조립하는 단계를 더 포함할 수 있다.

제2 양상에서, 본 발명은, 폴리머 재료로부터 형성된 평면형 도파관을 포함하고, 평면형 도파관은 제1 표면을 포함하고, 제1 표면은, 제1 표면 격자; 제1 표면 격자로부터 이격된 제2 표면 격자; 및 제1 표면 격자와 제2 표면 격자 사이의 평활 부분을 포함하는 물품을 특징으로 한다. 평활 부분은 제1 표면 높이의 제1 구역을 포함하고, 제1 격자 및 제2 격자는 각각 제1 표면 높이 위로 연장되고, 평활 부분은 제1 표면 격자 또는 제2 표면 격자 중 어느 하나에 인접한 제2 구역을 포함하고, 제2 구역은 인접한 표면 격자 위의 높이로 연장된다.

본 물품의 실시예들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 물품은 제1 표면 격자에 의해 지지되는 반사 층을 더 포함할 수 있다. 제1 표면 격자 및 반사 층은 제2 표면 격자를 향해 전파되는 평면형 도파관에 입사되는 광을 커플링하도록 구성될 수 있다.

제2 표면 격자는 도파관에 의해 안내된 광을 도파관 밖으로 지향시키도록 구성될 수 있다.

제2 구역은 인접한 표면 격자 위로 100 nm 또는 그 미만으로 연장될 수 있다.

제1 표면 격자는 5 mm 또는 그 미만의 최대 측방향 치수를 가질 수 있고, 제2 표면 격자는 30 mm 또는 그 미만의 최대 측방향 치수를 가질 수 있다.

제1 및 제2 격자들은 10 mm 또는 그 초과만큼 분리될 수 있다.

제3 양상에서, 본 발명은 본 발명의 물품을 포함하는 아이피스를 포함하는 머리-장착 디스플레이를 추가로 특징으로 한다. 디스플레이는 가상 망막 디스플레이일 수 있다.

다른 이점들 중에서도, 구현들은 상이한 동공 거리들에 대한 아이피스들이 단일 몰드 기하구조를 사용하여 제조될 수 있게 함으로써 제조 효율들을 제공할 수 있다.

다른 이점들은 설명, 도면들 및 청구항들로부터 명백할 것이다.

도 1a, 도 1b는 머리-장착 디스플레이의 부분들 및 사용자의 눈들과 디스플레이의 아이피스의 정렬을 묘사하는 개략도들이다.
도 2는 다수의 렌즈들에 대한 예시적인 싱귤레이션 라인들 및 다수의 표면 격자 영역들을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼의 예를 도시하는 개략도이다.
도 3은 다수의 렌즈들에 대한 예시적인 싱귤레이션 라인들 및 다수의 표면 격자 영역들을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼의 예를 도시하는 제2 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 입력 커플링 격자에 대응하는 표면 격자 영역들을 비-기능화하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 개략도들이다.
도 5a 및 도 5b는 출력 커플링 확장기들에 대응하는 표면 격자 영역들을 비-기능화하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 개략도들이다.
도 6a 내지 도 6e는 폴리머 액적들을 사용하여 표면 격자 영역들을 비-기능화하기 위한 예시적인 방법의 단계들을 도시하는 개략도들이다.
도 7a 내지 도 7c는 가열된 스테이지 및 공극(void)을 갖는 스탬프를 사용하여 표면 격자 영역들을 비-기능화하기 위한 예시적인 방법의 단계들을 도시하는 개략도들이다.
도 8a 내지 도 8c는 가열된 스테이지 및 인세트(inset) 격자를 갖는 스탬프를 사용하여 표면 격자 영역들을 비-기능화하기 위한 예시적인 방법의 단계들을 도시하는 개략도들이다.
도 9는 마스터 폴리머 웨이퍼로부터 다수의 아이피스들을 싱귤레이팅하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도면들에서, 유사한 심볼들은 유사한 엘리먼트들을 표시한다.

도 1a를 참조하면, 머리-장착 디스플레이 시스템의 아이피스(100)는 투사기(120)로부터의 광을 사용자의 눈(110)으로 지향시킨다. 투사기(120) 및 아이피스(100)는 프레임 또는 하우징(미도시)에 의해 서로에 대해 그리고 사용자의 눈(110)에 대해 포지셔닝된다. 투사기(120)는 사용자의 관자놀이 옆에 로케이팅되고, 사용자의 관자놀이를 지나 연장되는 아이피스(100)의 단부로 광을 지향시킨다. 아이피스(100)는 평면형 도파관(140), ICG(input coupling grating)(130) 및 OCE(out-coupling element)(150)를 포함한다.

ICG(130)는 투사기(120)로부터의 광을 수신하도록 포지셔닝된 표면 격자이고, 투사기(120)로부터의 광의 아이피스(100)로의 인-커플링(in-coupling)을 용이하게 한다. ICG(130)는 투사기(120)에 가장 가까운 아이피스(100)의 에지에 또는 그 가까이에 로케이팅된다. ICG(130)는 투사기(120)로부터의 광을 아이피스(100)의 평면형 도파관 기판(140)의 안내 모드들로 지향시킨다.

ICG(130)는 투사기로부터 광을 수신하기에 충분한 임의의 크기일 수 있다. 일부 실시예들에서, 측방향 치수는 0.5 mm 내지 5.0 mm(예컨대, 1.0 mm 또는 그 초과, 1.5 mm 또는 그 초과, 2.0 mm 또는 그 초과, 2.5 mm 또는 그 초과, 이를테면 4.0 mm 또는 그 미만, 3.0 mm 또는 그 미만)의 범위일 수 있다.

평면형 도파관 기판(140)은 인-커플링된 광을 아이피스(100)를 따라 그의 표면들에서의 내부 전반사를 통해 OCE(out-coupling element)(150)로 안내한다. OCE(150)는 평면형 도파관 기판(140)으로부터 광을 추출하고 이를 사용자의 눈(110)을 향해 재지향시키도록 구성된 제2 표면 격자이다. OCE(150)는 EPE(exit pupil expander) 또는 OPE(orthogonal pupil expander) 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 이상적으로, OCE(150)는 사용자의 눈(110) 전방에 로케이팅되어, 광이 투사기로부터 아래에서 설명되는 아이박스(160)로 전달될 수 있다. OCE(150)는 아이박스(160)의 측방향 포지션들의 범위를 수용하기 위해 측방향 치수(151)를 더 가질 수 있다. 예를 들어, OCE(150)의 측방향 치수(151)의 비제한적인 범위는 30 mm 또는 그 미만(예컨대, 25 mm 또는 그 미만, 20 mm 또는 그 미만, 15 mm 또는 그 미만)일 수 있다.

아이박스(160)는 사용자의 동공(112)이 OCE(150)로부터 출력된 광을 수신하도록 포지셔닝될 수 있는 구역인 것으로 간주된다. 아이박스(160)는, 5 mm 내지 25 mm(예컨대, 5 내지 10 mm, 5 내지 15 mm, 5 내지 20 mm, 10 내지 25 mm, 15 내지 25 mm, 20 내지 25 mm)를 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 평면형 도파관 기판으로부터의 릴리프(relief)들(162)의 범위를 포함할 수 있다.

도 1b를 참조하면, 머리 장착 디스플레이 시스템에 포지셔닝될 때, 한 쌍의 아이피스들(100)은, 측방향 아이피스 간격(180)이 IPD(inter-pupillary distance)(190)로 지칭되는 사용자의 동공들(112) 사이의 중심-대-중심 거리를 수용하도록 포지셔닝된다. 일반적으로, IPD(190)는 개인들의 그룹에 걸쳐 변할 수 있다. 평균적으로, 성인들은 약 62 mm의 IPD를 갖지만, 이는 약 50 mm 내지 약 80 mm에서 변할 수 있다.

일반적으로, 아이피스들(100)은 ICG(130)와 OCE(150) 사이의 단일 중심-대-중심 거리(170)로 제조될 수 있지만, (예컨대, 36 mm 또는 그 초과의 측방향 치수를 갖는) 오버사이징된 OCE(150)로 만들어질 수 있어서, 아이피스는 일정 범위의 IPD들(190)을 수용할 수 있다.

일부 실시예들에서, 다수의 아이피스들(100)은 단일 마스터 폴리머 웨이퍼로부터 싱귤레이팅될 수 있다. 마스터 폴리머 웨이퍼는 웨이퍼의 표면의 제1 영역에 걸쳐 연장되는 제1 표면 격자 및 웨이퍼의 표면의 제2 영역에 걸쳐 연장되는 제2 표면 격자를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 표면 격자 영역들은 성형 시에 마스터 폴리머 웨이퍼 내로 주조될 수 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 표면 격자 영역들은 몰딩 후에 마스터 폴리머 웨이퍼 내로 임프린트될 수 있다. 아이피스들(100)은, 이들이 OCE 표면 격자 영역, ICG 표면 격자 영역, 및 2개의 표면 격자 영역들 사이의 평활 부분을 포함하도록 마스터 폴리머 웨이퍼로부터 싱귤레이팅될 수 있다.

아래에서 설명되는 방법들은 단일 마스터 폴리머 웨이퍼 몰드를 사용하여 하나 이상의 상이한 구성들 및 배향들로 하나 이상의 상이한 OCE(150) 및 ICG(130) 표면 격자 영역들을 갖는 아이피스들을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 아이피스들이 각각 상이한 표면 격자 중심-대-중심 거리들을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼로부터 싱귤레이팅될 수 있다.

예를 들어, 일부 구현들에서, 마스터 폴리머 웨이퍼는 중심-대-중심 거리들의 범위에서 아이피스 싱귤레이션을 허용하는 오버-사이징된 표면 격자 영역을 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 예시적인 마스터 폴리머 웨이퍼(210)는 3개의 상이한 아이피스들이 싱귤레이팅될 수 있는 표면 격자 영역들을 포함한다. 마스터 폴리머 웨이퍼(210)는 3개의 OCE들에 대응하는 3개의 표면 격자 영역들(220)로 주조된다. 추가로, 마스터 폴리머 웨이퍼(210)는 3개의 ICG들(230)에 대응하는 3개의 오버-사이징된 표면 격자 영역(222)을 갖는다. 표면 격자 영역들(220) 및 오버-사이징된 표면 격자 영역(222)은 평활 부분(240)에 의해 분리된다. 통상적으로, 표면 격자 영역들(220) 및 오버-사이징된 표면 격자 영역(222)은 마스터 폴리머 웨이퍼(210)의 표면 상에 임프린트된다.

표면 격자 영역들(222)이 오버-사이징되기 때문에(즉, ICG(230)들에 대해 필요한 영역보다 더 큼), 아이피스들은 오버-사이징된 격자 영역의 상이한 부분들을 둘러싸고 여전히 아이피스의 에지에 대한 ICG(230)에 적절한 로케이션에서 격자 영역(222)의 일 부분을 제공하도록 싱귤레이팅될 수 있다. 이는 도 2에 예시되며, 여기서 아이피스들(200a, 200b 및 200c)은 아이피스의 OCE 사이에 3개의 상이한 간격들을 제공하도록 싱귤레이팅된다. 구체적으로, 아이피스(200a)에 대해, 아이피스는 격자 영역(222)의 비교적 큰 부분을 둘러싸도록 싱귤레이팅되어, ICG(230)와 격자 영역(220)의 중심 사이에 큰 간격(170a)을 산출한다. 아이피스(200b)에 대해, 싱귤레이션은 격자 영역(222)의 중간 부분을 둘러싸서, ICG와 격자 영역(220)의 중심 사이에 중간 간격(170b)을 제공한다. 아이피스(200c)에 대해, 싱귤레이션은, ICG와 격자 영역(220)의 중심과 사이의 작은 간격(17-c)에 대응하는 격자 영역(222)의 작은 영역을 둘러싼다. 각각의 경우에서, ICG(230)는 아이피스의 에지에 대하여 동일한 로케이션에 있음을 주목한다. 싱귤레이션 전 또는 후에, 아래에서 더 상세히 설명될 바와 같이, ICG(230) 외부에 있는 격자 영역들(222)의 부분들은 비-기능화되어, ICG에 대응하는 영역에 격자만을 남길 수 있다.

일반적으로, 격자 영역들(220 및 222)의 치수들 및 이들 사이의 간격(240)은 아이피스, ICG 및 OCE의 크기 및 형상에 따라 적절하게 변할 수 있다. 일부 실시예들에서, 평활 부분에 대응하는 공간(240)은 10 mm 또는 그 초과(예컨대, 15 mm 또는 그 초과, 20 mm 또는 그 초과)일 수 있다. OCE들에 대응하는 제1 표면 격자 영역들(220)은 20 mm 내지 40 mm(예컨대, 22 mm 또는 그 초과, 25 mm 또는 그 초과, 28 mm 또는 그 초과, 이를테면 35 mm 또는 그 미만, 30 mm 또는 그 미만)의 범위의 직경을 가질 수 있다.

표면 격자 영역들(222)은 ICG들이 다수의 상이한 로케이션들에 제공될 수 있게 하기에 충분히 커야 한다. 따라서, 영역(222)은 ICG의 최대 치수보다 적어도 2배(예컨대, 3x 또는 그 초과, 4x 또는 그 초과, 5x 또는 그 초과)만큼 큰 적어도 하나의 치수(예컨대, 직경)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 표면 격자 영역(222)은 5 mm 내지 50 mm(예컨대, 8 mm 또는 그 초과, 10 mm 또는 그 초과, 15 mm 또는 그 초과, 20 mm 또는 그 초과, 이를테면 40 mm 또는 그 미만, 30 mm 또는 그 미만)의 범위의 직경을 갖는다.

마스터 폴리머 웨이퍼(210)는 적절한 표면 격자들을 갖는 렌즈들의 생산에 적합한 임의의 폴리머 재료로 제조될 수 있다.

도 2는 표면 격자 영역들(220) 및 표면 격자 영역들(222)을 원형으로 묘사하지만, 더 일반적으로, 표면 격자 영역들(220 및 222)은 임의의 형상(예컨대, 원형, 정사각형, 삼각형)일 수 있다. 또한, 도 2는 폴리머 웨이퍼(210)로부터 싱귤레이팅되는 3개의 아이피스들을 묘사하지만, 웨이퍼들은 3개보다 더 적거나 더 많은(예컨대, 2개, 4개, 5개, 6개 또는 그 초과의) 아이피스들을 제공하도록 크기가 정해질 수 있다.

마스터 폴리머 웨이퍼(210)로부터의 아이피스들(200)의 싱귤레이션 후에, 아이피스들(200)은 이어서, 필요에 따라 추가로 프로세싱되고, 최종적으로 머리-장착 디스플레이에 조립될 수 있다.

전술한 예는 ICG들(130)에 대한 오버-사이징된 격자 영역들을 특징으로 하지만, 다른 구현들이 가능하다. 예를 들어, 도 3은 다수의 표면 격자 영역들을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼(310)의 제2 예를 도시한다. 여기서, 마스터 폴리머 웨이퍼(310)는 단일의 오버-사이징된 표면 격자 영역(324) 및 평활 영역(340)에 의해 분리된 ICG들(330)에 대응하는 3개의 추가의 표면 격자들로 주조된다.

이 예에서, 아이피스들(300a-300c)은, 각각 상이한 크기이고 각각 ICG로부터 상이한 양(각각 370a, 370b, 및 370c)만큼 이격된 OCE들(350a, 350b, 350c)을 제공하기 위해 마스터 폴리머 웨이퍼(310)로부터 각각 싱귤레이팅된다. 오버-사이징된 표면 격자 영역(324)은 ICG들에 대해 원하는 로케이션들에 OCE들을 갖는 원하는 수의 아이피스들을 제공하도록 크기가 정해지고 형상화될 수 있다. 이 영역은 100 mm 또는 그 초과(예컨대, 350 mm 또는 그 초과, 200 mm 또는 그 초과)인 측방향 치수를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자 영역(324)은 웨이퍼(310)의 직경에 걸쳐 있을 수 있다.

오버-사이징된 표면 격자 영역(324)은, 상이한 측방향 치수들을 갖는 3개의 OCE들(350)을 생성하도록 비-기능화된다. 따라서, ICG들(330)과 OCE들(350) 사이의 중심-대-중심 거리들(370)은 제어될 수 있다. 도 3은 예시적인 짧은, 중간 및 긴 IPD들(190)에 각각 대응할 수 있는 3개의 예시적인 중심-대-중심 거리들(370a, 370b, 및 370c)을 묘사한다.

전술한 2개의 예들이 ICG들 또는 OCE들 중 어느 하나에 대해 오버-사이징된 격자를 형성하는 것을 묘사하지만, 일부 구현들에서, 오버-사이징된 격자들은 둘 모두에 대해 형성될 수 있음을 주목한다.

이제 격자 비-기능화의 프로세스를 참조하면, 이는 일반적으로, 격자 영역의 비-기능화된 부분이 격자로서 기능하는 것을 중단하도록 표면 격자 구조를 평탄화하는 것을 수반한다. 도 4a 및 도 4b는 위에서 논의된 바와 같이, 도 1a에 도시된 ICG(130)에 대응하는, 오버-사이징된 표면 영역(422)의 금속화 및 비-기능화의 예시적인 프로세스를 묘사한다.

도 4a는 OCE에 대응하는 표면 격자 영역(420) 및 ICG(130)를 제공하기 위한 오버-사이징된 표면 격자 영역(422)을 갖는 기판 부분(412)을 포함하는 마스터 폴리머 웨이퍼(410)의 단면도를 도시한다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 표면 격자 영역(422)의 부분을 비-기능화하기 전에, 반사성 재료(426)(예컨대, 금속)가 ICG에 대응하는 격자 영역(422)의 일 부분(423)에 증착된다.

이어서, 폴리머 층(440)이 나머지 격자 영역(422) 위에 주조되어, 전체 영역을 평탄화한다. 일반적으로, 격자 영역(422)을 평탄화하는 데 사용되는 폴리머는 격자 영역(422)을 형성하는 재료와 동일하거나 동일한 굴절률에 근접한 굴절률을 가져서, 격자를 비-기능화한다. 일부 실시예들에서, 동일한 재료가 사용되거나, 또는 격자 및 평탄화 폴리머 둘 모두가 사용된다.

폴리머 층(440)은 금속화된 ICG 영역(423)의 높이보다 더 큰 높이로 주조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 폴리머 층(440)은, 예를 들어 10 nm 내지 100 nm(예컨대, 10 nm 또는 그 초과, 20 nm 또는 그 초과, 30 nm 또는 그 초과, 40 nm 또는 그 초과, 50 nm 또는 그 초과, 이를테면 90 nm 또는 그 미만, 80 nm 또는 그 미만, 70 nm 또는 그 미만, 60 nm 또는 그 미만)의 범위의 깊이(430) 범위만큼 금속화된 ICG 영역(423)을 커버할 수 있다.

격자 비-기능화의 추가적인 구현들이 고려될 수 있다. 예를 들어, 도 5a 및 도 5b는 OCE에 대응하도록 오버-사이징된 표면 격자 영역(524)의 비-기능화의 예시적인 프로세스를 묘사한다. 도 5a는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 오버-사이징된 표면 격자 영역(524) 및 ICG(530)를 갖는 제1 재료(512)로 제조된 마스터 폴리머 웨이퍼(510)의 횡단면도를 도시한다.

도 5b는 평탄화를 통한 원하지 않는 OCE 표면 격자 영역들의 비-기능화를 나타낸다. 오버-사이징된 표면 격자 영역(524)은, 선택된 기능적 OCE 영역 외부를 평탄화하기 위해 다른 폴리머 층을 주조함으로써 비-기능화될 수 있다. 일반적으로, 격자 영역(524)을 평탄화하는 데 사용되는 폴리머는 격자 영역(524)을 형성하는 재료와 동일하거나 동일한 굴절률에 가까운 굴절률을 가져서, 격자를 비-기능화한다. 일부 실시예들에서, 동일한 재료가 사용되거나, 또는 격자 및 평탄화 폴리머 둘 모두가 사용된다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 오버-사이징된 표면 격자 영역(524)의 평탄화 후에, 선택된 OCE 격자 영역(550)만이 남을 수 있다. 폴리머 층(540)은 오버-사이징된 표면 격자 영역(524)의 높이보다 큰 높이로 주조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 폴리머 층(540)은 오버-사이징된 표면 격자 영역(524)을 이전에 설명된 깊이(530) 범위만큼 커버할 수 있다.

평탄화를 통해 마스터 폴리머 웨이퍼 상의 격자 영역들의 비-기능화를 달성하기 위한 몇몇 방법들이 존재할 수 있다. 일부 실시예들에서, 평탄화는 폴리머 수지 액적들의 증착을 통해 그리고 후속하여 액적들을 균일한 층으로 가압하여 하부 격자를 비-기능화하는 것을 통해 달성될 수 있다. 이러한 비-기능화 방법은 도 6에 묘사되어 있다.

도 6a는 다수의 수지 액적들(635)이 비-기능화될 영역을 충분히 채우는 패턴 및 체적으로 증착되는 표면 격자 영역(620)을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼(610)의 횡단면도를 도시한다. 도 6b는 수지 액적들(635)이 증착된 동일한 마스터 폴리머 웨이퍼(610)의 하향식 도면을 묘사한다. 표면 격자 영역(620)은 위에서 설명된 바와 같이 오버-사이징된 ICG 또는 OCE 표면 격자 영역에 대응할 수 있다. 수지 액적들(635)은 표면 격자 영역(620)을 형성하는 재료와 동일하거나 동일한 굴절률에 근접한 굴절률을 갖는다.

묘사된 프로세스는 도 6c의 횡단면도에서 계속된다. 이어서, 수지 액적들(635)은 평평한 표면(645)과 접촉되고, 수지 액적들(635)이 확산되어 비-기능화된 영역(655)을 생성하도록 압력(670)이 적용되어, 표면 격자 영역(620)의 일 부분이 변경되지 않은 채로 남는다. 이어서, 비-기능화된 영역(655)은 자외선(UV) 광(660)으로 경화된다.

이어서, 도 6d에 도시된 바와 같이, 평평한 표면(645)이 제거되어, 비-기능화된 영역(655) 외부의 선택된 격자 영역(620)이 변경되지 않은 채로 남는다. 도 6e는, 수지 액적들(635)이 확산되고 경화되어 비-기능화된 영역(655)을 생성한 후의 비-기능화된 영역(655)의 하향식 예를 도시한다. 일부 실시예들에서, 비-기능화된 영역(655)은 총 표면 격자 영역(620)보다 작을 수 있다.

마스터 폴리머 웨이퍼 상의 격자 영역들을 비-기능화하기 위한 대안적인 수단이 도 7a 내지 도 7c에 묘사된다. 도시된 비-기능화는, 선택된 격자들을 마스터 폴리머 웨이퍼의 높이로 디프레스(depress)하고 평탄화하기 위해, 스탬프, 열, 및 압력의 사용을 통해 달성될 수 있다.

도 7a는 비-기능화될 오버-사이징된 표면 격자 영역(720)을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼(710)의 횡단면도를 도시한다. 일부 실시예들에서, 마스터 폴리머 웨이퍼(710)는, 재료가 여전히 쉽게 변형될 수 있도록, 선택된 재료에 대한 가교 임계치 미만(예컨대, 적합한 티올렌계 폴리머에 대해 70%)으로 경화될 수 있다.

도 7b를 참조하면, 마스터 폴리머 웨이퍼(710)는 가열 스테이지(780)와 접촉된다. 일부 실시예들에서, 스테이지(780)는 60 ℃ 내지 120 ℃(예컨대, 60 ℃ 내지 100 ℃, 60 ℃ 내지 80 ℃, 80 ℃ 내지 100 ℃, 80℃ 내지 120℃)의 범위로 가열될 수 있다. 스테이지(780)는, 오버-사이징된 표면 격자 영역(720)을 용융시키지 않으면서 마스터 폴리머 웨이퍼(710) 재료가 압력 하에서 변형될 수 있는 온도로 가열된다.

오버-사이징된 표면 격자 영역(720)의 선택된 영역과 공극(750)을 정렬시키기 위해, 공극(750)을 갖는 스탬프(790)가 마스터 폴리머 웨이퍼(710) 위에 포지셔닝된다. 스탬프(790)는 오버-사이징된 표면 격자 영역(720)보다 큰 크기의 측방향 치수를 갖는 것으로 도시된다. 일반적으로, 스탬프는 자체적으로 변형되지 않으면서 오버-사이징된 표면 격자 영역(720)을 평탄화하기에 충분한 경도의 재료로 제조될 수 있다(예컨대, 금속).

도 7b의 공극(750)의 깊이는 오버-사이징된 표면 격자 영역(720)보다 크다. 이러한 방식으로, 공극(750) 아래의 오버-사이징된 표면 격자 영역(720)은 압력이 적용된 후에 변경되지 않은 채로 남는다. 스탬프(790)는 하나의 공극(750)을 갖는 것으로 도시되지만, 얼마나 많은 이산 격자 영역들이 요구되는지에 따라 더 많은(예컨대, 2개, 3개, 4개 또는 그 초과의) 공극이 있을 수 있다.

열 스테이지 가열식 스테이지(780)에 의해 웨이퍼가 가열되는 동안, 스탬프(790)가 마스터 폴리머 웨이퍼(710)와 접촉된다. 스탬프(790)와 접촉하는(즉, 공극(750)과 정렬되지 않은) 오버-사이징된 표면 격자 영역(720)의 일 부분을 평탄화하여 그러한 영역들을 비-기능화하기 위해 충분한 압력(770)이 적용된다.

도 7c에 도시된 바와 같이, 스탬프(790)는 마스터 폴리머 웨이퍼(710)로부터 제거되고, 마스터 폴리머 웨이퍼(710)는 스테이지(780)로부터 제거되어, 선택된 표면 격자 영역(721)만을 남긴다.

도 7a 내지 도 7c는 공극과 정렬되는 격자의 부분이 변형되지 않도록 균일한 깊이의 단일 공극(750)을 갖는 스탬프(790)를 묘사하지만, 일부 실시예들에서, 공극(750)은 마스터 폴리머 웨이퍼(710) 내로 원래 주조된 것보다 오버-사이징된 표면 격자 영역(720) 내로 상이한 패턴을 임프린트하도록 설계될 수 있다.

예를 들어, 스탬프의 격자 인세트는 마스터 폴리머 웨이퍼의 오버-사이징된 표면 격자 영역의 일 부분을 수정 또는 교체하기 위해 사용될 수 있다. 인세트 격자들은 마스터 폴리머 웨이퍼에 원래 주조된 오버-사이징된 표면 격자 영역과 상이한 피치, 깊이, 듀티 사이클, 또는 배향을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 인세트 격자들은 수정들의 조합을 포함할 수 있다. 인세트 격자를 갖는 스탬프의 사용은, 오버-사이징된 표면 격자 영역의 일 부분을 비-기능화하는 한편, 나머지 부분을 재-기능화할 수 있다. 도 8a 내지 도 8c는 마스터 폴리머 웨이퍼의 오버-사이징된 표면 격자 영역을 수정하기 위한 인세트 격자를 갖는 스탬프를 도시한다.

도 8a는 수정될 오버-사이징된 표면 격자 영역(820)을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼(810)의 횡단면도를 묘사한다. 도 8b는 인세트 격자(852)가 재-기능화될 오버-사이징된 표면 격자 영역(820) 영역의 선택된 부분과 정렬되도록 마스터 폴리머 웨이퍼(810) 위에 인세트 격자(852)를 갖는 스탬프(890)의 포지셔닝을 묘사한다. 스탬프(890)는 하나의 인세트 격자(852)를 갖는 것으로 도시되지만, 일반적으로, 스탬프(890)는 하나 초과의 인세트 격자(852)(예컨대, 2개, 3개, 또는 4개 또는 그 초과)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 스탬프(890)는 인세트 격자들 및 균일한 공극들의 조합을 가질 수 있다.

이어서, 스탬프(890)는 스테이지(880) 상에서 가열되는 마스터 폴리머 웨이퍼(810)에 접촉된다. 압력(870)이 스탬프(890)에 적용되어, 인세트 격자(852) 아래에 포지셔닝되지 않은 오버-사이징된 표면 격자 영역들(820)을 비-기능화하고 나머지 표면 격자 영역(821)을 재-기능화한다.

이어서, 도 8c에 도시된 바와 같이, 스탬프(890)는 마스터 폴리머 웨이퍼(810)로부터 제거되고, 마스터 폴리머 웨이퍼(810)는 스테이지(880)로부터 제거되어, 재-기능화된 표면 격자 영역(821)을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼(810)만을 남긴다.

위에서 설명된 프로세스들은 도 9에 요약되어, 마스터 폴리머 웨이퍼로부터 다수의 아이피스들을 생성하기 위한 예시적인 싱귤레이션 프로세스(900)의 흐름도를 도시한다. 싱귤레이션 프로세스(900)는, ICG 또는 OCE에 필요한 격자에 대응하는 하나 이상의 오버-사이징된 표면 격자 영역들을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼를 주조함으로써 시작된다(902). 오버-사이징된 ICG 격자를 포함하는 마스터 폴리머 웨이퍼들의 예들이 도 2에 도시되고, 오버-사이징된 OCG 격자를 포함하는 예들이 도 3에 도시된다. 이러한 오버-사이징된 표면 격자 영역들은, 다양한 IPD 길이들, OCG 직경들, 또는 중심-대-중심 거리들을 포함하여, 최종 아이피스의 하나 이상의 설계 파라미터들의 제어를 제공할 수 있다.

이어서, 마스터 폴리머 웨이퍼(210) 상의 하나 이상의 표면 격자 영역들이 비-기능화된다(904). 오버-사이징된 ICG 표면 격자 영역들을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼들에 대한 비-기능화 프로세스는, 선택된 표면 격자 영역의 금속화 및 표면 격자 영역을 커버하기 위한 새로운 폴리머 재료의 주조를 통해 수행된다. 오버-사이징된 OCE 표면 격자 영역들을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼들의 비-기능화 프로세스는 새로운 폴리머 재료들의 주조를 통해 또는 대안적으로 가열된 스탠드 및 스탬프의 사용을 통해 수행될 수 있다.

오버-사이징된 ICG 표면 격자 영역들을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼들은 먼저, 투사기로부터의 광 입력에 대응하도록 금속화된(906) 자신의 영역의 일 부분을 갖는다. 금속화된 영역은 싱귤레이션 후에 ICG와 OCE 사이의 중심-대-중심 거리를 제어하도록 추가로 포지셔닝된다.

오버-사이징된 ICG 표면 격자 영역의 일 부분의 금속화 후에, 금속화된 영역을 커버하고 나머지 표면 격자를 평탄화하기에 충분한 깊이로 새로운 폴리머 재료를 주조함으로써(907), 나머지 영역은 비-기능화된다.

이제, 하나 이상의 오버-사이징된 OCE 표면 격자 영역들로 주조된 마스터 폴리머 웨이퍼들을 참조하면, 격자 영역들의 부분들은 평탄화를 통해 비-기능화된다(908). 평탄화는 열과 압력의 조합, 또는 선택된 영역들에 걸친 새로운 폴리머 재료의 주조를 통해 달성될 수 있다.

도 6a 내지 도 6e에 도시된 바와 같이, 오버-사이징된 OCE 표면 격자 영역의 일 부분을 평탄화하는 제1 예는 수지 액적들의 증착을 통해 달성된다. 수지 액적들의 패턴이 선택된 부분들 상에 증착되고, 평평한 표면을 갖는 평면 층으로 가압된다. 이어서, 수지가 UV 광으로 경화되고, 평탄한 표면이 제거됨으로써, 오버-사이징된 OCE 표면 격자 영역들 중 선택된 영역들이 비-기능화된다.

대안적으로, 도 7a 내지 도 7c 및 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 오버-사이징된 OCE 표면 격자 영역의 일 부분을 평탄화하는 것은 스탬프의 사용을 통해 달성된다. 예들 둘 모두에서, 비-기능화될 오버-사이징된 OCE 표면 격자 영역을 갖는 마스터 폴리머 웨이퍼가 가열 스테이지 상에 배치되고, 웨이퍼의 폴리머 재료가 가단성(malleable)인 온도로 가열된다. 이어서, 스탬프가 비-기능화될 표면 격자 영역 위에 포지셔닝된다. 도 7a 내지 도 7c의 예들에서, 스탬프는 격자 영역의 선택된 부분을 수정되지 않은 채로 남겨 두기 위해 오버-사이징된 표면 격자 영역보다 큰 깊이의 공극을 포함한다. 도 8a 내지 도 8c의 예들은, 부분들을 비-기능화하는 것 및 나머지 표면 격자 영역들을 재-기능화하는 것 둘 모두를 위한 하나 이상의 인세트 격자 패턴들을 포함한다.

이어서, 스탬프는 마스터 폴리머 웨이퍼와 접촉하게 되고, 공극 아래에 포지셔닝되지 않은 선택된 표면 격자 영역을 비-기능화하거나, 또는 선택적으로, 인세트 격자 아래의 영역을 재-기능화하기 위해 압력이 적용된다. 이어서, 스탬프가 제거되어, 선택된 표면 격자 영역 또는 새롭게 재-기능화된 표면 격자 영역을 남긴다.

하나 이상의 오버-사이징된 표면 격자 영역들의 비-기능화 후에, 하나 이상의 아이피스들이 마스터 폴리머 웨이퍼로부터 싱귤레이팅된다(910). 일반적으로, 아이피스들은 ICG와 OCE 사이의 간격 및 특정 IPD를 고려하기 위한 아이피스 영역 내의 OCE의 포지셔닝을 제어하기 위해 싱귤레이팅될 수 있다. 이어서, 아이피스들은 필요에 따라 추가로 프로세싱되고 머리-장착 디스플레이들로 조립될 수 있다.

다수의 실시예들이 설명되었다. 다른 실시예들은 다음의 청구항들에 있다.

Claims (24)

1. 방법으로서,
   웨이퍼의 표면의 제1 영역에 걸쳐 연장되는 제1 표면 격자 및 상기 웨이퍼의 표면의 제2 영역에 걸쳐 연장되는 제2 표면 격자를 포함하는 상기 웨이퍼를 제공하는 단계;
   상기 제1 표면 격자 영역 및 상기 제2 표면 격자 영역 중 적어도 하나에서 표면 격자의 일 부분을 비-기능화하는 단계; 및
   상기 웨이퍼로부터 아이피스(eyepiece)를 싱귤레이팅(singulating)하는 단계를 포함하고, 상기 아이피스는 상기 제1 표면 격자 영역의 일 부분 및 상기 제2 표면 격자 영역의 일 부분을 포함하고,
   상기 아이피스의 제1 표면 격자는 머리-장착 디스플레이에 대한 입력 커플링 격자에 대응하고, 상기 제2 표면 격자는 상기 머리-장착 디스플레이에 대한 동공 확장기 격자에 대응하는,
   방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 표면 격자 또는 상기 제2 표면 격자의 부분을 비-기능화하는 단계는 상기 대응하는 표면 격자의 부분을 평탄화하는 단계를 포함하는,
   방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 표면 격자 또는 상기 제2 표면 격자의 부분을 평탄화하는 단계는 상기 표면 격자의 대응하는 부분 위에 재료를 주조(casting)하는 단계를 포함하는,
   방법.
4. 제3항에 있어서,
   주조되는 재료는 상기 표면 격자를 형성하는 재료와 동일한 재료인,
   방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 재료는 폴리머 재료인,
   방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 표면 격자의 일 부분 상에 반사성 재료를 증착하는 단계를 더 포함하는,
   방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 반사성 재료는 금속인,
   방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 표면 격자 영역 또는 상기 제2 표면 격자 영역의 상기 비-기능화된 부분은 제1 표면 격자 피처 또는 제2 표면 격자 피처의 높이보다 큰 상기 표면 위의 높이를 갖는,
   방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 표면 격자 영역 또는 상기 제2 표면 격자 영역의 비-기능화된 부분의 경우, 상기 비-기능화된 부분의 높이는 대응하는 표면 격자 피처들의 높이보다 100 nm보다 이하만큼 큰,
   방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 제공하는 단계는 상기 웨이퍼의 표면 상에 상기 제1 격자 및 상기 제2 격자를 임프린트하는(imprinting) 단계를 포함하는,
    방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 제공하는 단계는 상기 제1 격자 및 상기 제2 격자를 이용하여 웨이퍼를 주조하는 단계를 포함하는,
    방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 영역은 30 mm 초과의 최소 측방향 치수를 갖는,
    방법.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동공 확장기 격자는 30 mm 또는 그 미만의 최대 측방향 치수를 갖는,
    방법.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 커플링 격자는 5 mm 또는 그 미만의 최대 측방향 치수를 갖는,
    방법.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 머리-장착 디스플레이에 상기 아이피스를 조립하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
16. 물품으로서,
    폴리머 재료로부터 형성된 평면형 도파관을 포함하고, 상기 평면형 도파관은 제1 표면을 포함하고, 상기 제1 표면은,
    제1 표면 격자;
    상기 제1 표면 격자로부터 이격된 제2 표면 격자; 및
    상기 제1 표면 격자와 상기 제2 표면 격자 사이의 평활 부분을 포함하고,
    상기 평활 부분은 제1 표면 높이의 제1 구역을 포함하고, 상기 제1 격자 및 상기 제2 격자는 각각 상기 제1 표면 높이 위로 연장되고, 상기 평활 부분은 상기 제1 표면 격자 또는 상기 제2 표면 격자 중 어느 하나에 인접한 제2 구역을 포함하고, 상기 제2 구역은 인접한 표면 격자 위의 높이로 연장되는,
    물품.
17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 표면 격자에 의해 지지되는 반사 층을 더 포함하는,
    물품.
18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 표면 격자 및 상기 반사 층은 상기 제2 표면 격자를 향해 전파되는 평면형 도파관에 입사되는 광을 커플링하도록 구성되는,
    물품.
19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 표면 격자는 상기 도파관에 의해 안내된 광을 상기 도파관 밖으로 지향시키도록 구성되는,
    물품.
20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 구역은 상기 인접한 표면 격자 위로 100 nm 또는 그 미만으로 연장되는,
    물품.
21. 제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 표면 격자는 5 mm 또는 그 미만의 최대 측방향 치수를 갖고, 상기 제2 표면 격자는 30 mm 또는 그 미만의 최대 측방향 치수를 갖는,
    물품.
22. 제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 격자 및 상기 제2 격자는 10 mm 또는 그 초과만큼 분리되는,
    물품.
23. 제16항의 물품을 포함하는 아이피스를 포함하는 머리-장착 디스플레이.
24. 제23항에 있어서,
    상기 디스플레이는 가상 망막 디스플레이인,
    머리-장착 디스플레이.

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