TW202240215A

TW202240215A - 高指數邊緣塗黑材料

Info

Publication number: TW202240215A
Application number: TW111100736A
Authority: TW
Inventors: 高藝閣; 拉米霍拉尼; 鄧曉培; 艾米塔喬西; 路迪維奇高德; 王康康
Original assignee: 美商應用材料股份有限公司
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2022-10-16
Also published as: EP4275083A1; CN116783526A; US20220221723A1; WO2022150470A1

Abstract

本文所述的實施例包括具有使用光學吸收成分來塗覆的邊緣的波導組合物，及使用光學吸收成分來塗覆波導組合物的邊緣的方法。光學吸收成分包括一個或更多個種類的奈米顆粒或微顆粒，一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者，及一個或更多個黏合劑的聚合物基質。該方法包括產生光學吸收配方。光學吸收配方包括一個或更多個種類的顆粒，一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者，一個或更多個黏合劑、和一個或更多個溶劑。使用邊緣塗黑工具將光學吸收配方施加於波導組合器的邊緣上。使用輻射固化配方以形成光學吸收成分。

Description

高指數邊緣塗黑材料

本揭示案的實施例一般相關於光學裝置。更特定地，本文描述的實施例相關於具有使用光學吸收成分來塗覆的邊緣的波導組合器，及使用光學吸收成分來塗覆波導組合器的邊緣的方法。

虛擬實境一般被認為是電腦產生的模擬環境，其中使用者具有明顯的實體存在。可以3D產生虛擬實境體驗，並使用頭戴式顯示器(HMD)進行瀏覽，例如眼鏡或其他具有近眼顯示面板作為鏡片的可穿戴顯示裝置，以顯示替代真實環境的虛擬實境環境。

然而，增強實境實現了使用者仍可在其中經由眼鏡或其他HMD裝置的顯示鏡片看到以瀏覽周圍環境，也可看到為了顯示而產生並顯示為環境的部分的虛擬物件的圖像的體驗。增強實境可包括任何種類的輸入，例如音頻和觸覺輸入，以及加強或增強使用者體驗環境的虛擬圖像、圖形、和影像。作為一項新興技術，增強實境存在許多挑戰和設計限制。

一個這樣的挑戰是顯示重疊在周圍環境上的虛擬圖像。波導組合器(例如增強實境波導組合器)用於幫助重疊圖像。產生的光經由波導組合器傳播，直到光離開波導組合器並重疊在周圍環境上。光學裝置可能需要塗覆波導組合器的邊緣。塗覆改進了波導組合器的效能。

據此，本領域需要具有使用光學吸收成分來塗覆的邊緣的波導組合器，及使用光學吸收成分來塗覆波導組合器的邊緣的方法。

在一個實施例中，提供一種波導組合器。波導組合器包括：一基板；複數個結構，該複數個結構設置於該基板上；一邊緣；及一光學吸收成分，該光學吸收成分設置於該基板的該邊緣上。該光學吸收成分包括：一個或更多個種類的奈米顆粒或微顆粒；一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者；及一個或更多個黏合劑的一聚合物基質。

在另一實施例中，提供一種波導組合器。波導組合器包括：一基板，該基板具有大於約1.8的一基板折射率；複數個結構，該複數個結構設置於該基板上；一邊緣；及一光學吸收成分，該光學吸收成分設置於該基板的該邊緣上。該光學吸收成分具有約1.7或更大的一折射率及約2.0或更大的一光學密度。該光學吸收成分包括：一個或更多個種類的奈米顆粒或微顆粒；一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者；及一個或更多個黏合劑的一聚合物基質。該一個或更多個種類的奈米顆粒或微顆粒設置於該聚合物基質中且由該聚合物基質支撐；及該一個或更多個黏合劑藉由輻射為可固化的。

在又一實施例中，提供一種方法。該方法包括以下步驟：產生一光學吸收配方。該光學吸收配方包括：一個或更多個種類的顆粒；一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者；一個或更多個黏合劑；及一個或更多個溶劑。使用一邊緣塗黑工具來將該光學吸收配方施加於一波導組合器的一邊緣上。使用輻射來固化該配方以形成一光學吸收成分，該光學吸收成分包括：該一個或更多個種類的顆粒；該一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者；及該一個或更多個黏合劑的一聚合物基質，其中該等顆粒設置於該聚合物基質中且由該聚合物基質支撐。

波導組合器包括：一基板；複數個結構，該複數個結構設置於該基板上；一邊緣；及一光學吸收成分，該光學吸收成分設置於該基板的該邊緣上。該光學吸收成分包括：一個或更多個種類的奈米顆粒或微顆粒；一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者；及一個或更多個黏合劑的一聚合物基質。該方法包括以下步驟：產生一光學吸收配方。該光學吸收配方包括：一個或更多個種類的顆粒；一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者；一個或更多個黏合劑；及一個或更多個溶劑。使用一邊緣塗黑工具來將該光學吸收配方施加於一波導組合器的一邊緣上。使用輻射來固化該配方以形成一光學吸收成分，該光學吸收成分包括：該一個或更多個種類的顆粒；該一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者；及該一個或更多個黏合劑的一聚合物基質，其中該等顆粒設置於該聚合物基質中且由該聚合物基質支撐。

圖1是根據實施例的波導組合器100的透視前視圖。應理解，本文描述的波導組合器100是示例性波導組合器，且其他波導組合器可受益於本揭示案提供的優點。波導組合器100包括設置在基板101的表面103上的複數個結構102。結構102可為具有亞微米尺寸(例如奈米大小的尺寸)的奈米結構。波導組合器100包括對應於一個或更多個光柵104的結構102的區域，例如第一光柵104a、第二光柵104b和第三光柵104c。波導組合器100包括至少對應於輸入耦合光柵的第一光柵104a和對應於輸出耦合光柵的第三光柵104c。波導組合器100可進一步包括對應於中間光柵的第二光柵104b。

基板101也可被選擇為透射適量的所需波長或波長範圍的光，例如從約100到約3000奈米的一個或更多個波長。非限制性地，在一些實施例中，光學裝置基板101經配置以使得光學裝置基板101透射大於或等於約50%至約100%的光譜的紅外至紫外區域。光學裝置基板101可由任何合適的材料形成，只要光學裝置基板101可充分地透射所需波長或波長範圍中的光且可用作本文描述的波導組合器100的充分支撐件。基板選擇可包括任何合適材料的光學裝置基板，包括但不限於：非晶介電質、非非晶介電質、晶體介電質、氧化矽、聚合物、及上述之組合。在可與本文所述的其他實施例組合的一些實施例中，基板101包括透明材料。在可與本文所述的其他實施例組合的一個實施例中，基板101是透明的，具有小於0.001的吸收係數。合適的範例可包括矽(Si)、二氧化矽(SiO ₂)、熔融石英、石英、碳化矽(SiC)、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、藍寶石、或上述之組合。在可與本文所述的其他實施例組合的另一實施例中，基板101具有大於約1.8的折射率。具有大於約1.8的折射率的基板101包括但不限於鉭酸鋰(LiTaO ₃)、鈮酸鋰(LiNbO ₃)、SiC、或上述之組合。

在波導組合器100的操作中，虛擬圖像從近眼顯示器(例如微顯示器)投影到第一光柵104a。第一光柵104a的結構102將虛像圖像的入射光束內耦合且將入射光束衍射到第二光柵104b。衍射光束經歷全內反射(TIR)直到通過波導組合器100，直到衍射光束與第二光柵104b的結構102接觸。入射在第二光柵104b上的來自第一光柵104a的衍射光束被分成：在波導組合器100中折射返回或丟失的第一部分光束、直到第二部分光束接觸第二光柵104b的複數個結構102的另一結構在第二光柵104b中經歷TIR的第二部分光束、及經由波導組合器100耦合到第三光柵104c的第三部分光束。在第二光柵104b中經歷TIR的第二部分光束的光束繼續接觸複數個結構102的結構，直到經由波導組合器100耦合到第二光柵104b的第二部分光束的強度耗盡或經由第二光柵104b傳播的剩餘第二部分光束到達第二光柵104b的末端。

光束通過波導組合器100至第三光柵104c並在波導組合器100中經歷TIR，直到光束接觸第三光柵104c的複數個光柵102的結構，其中光束被分成在波導組合器100中折射返回或丟失的光束、在第三光柵104c中經歷TIR直到光束接觸複數個光柵102的另一結構的光束、或從波導組合器100外耦合到使用者眼睛的光束。在第三光柵104c中經歷TIR的光束繼續接觸複數個光柵102的結構，直到通過波導組合器100至第三光柵104c的光束強度耗盡或經由第三光柵104c傳播的剩餘光束已到達第三光柵104c的末端。虛擬圖像的光束從第三光柵104c傳播以將虛擬圖像重疊在周圍環境上。

提供給波導組合器100的一些光雜散遠離上面討論的預期路徑。例如，在一些情況下，一部分光束(亦即，雜散光)到達波導組合器100的邊緣105。在到達邊緣105時，雜散光可接著(1)透射穿過邊緣105，(2)以各種角度經由波導組合器100反射或散射，或(3)在邊緣105處被吸收。透射穿過邊緣105的雜散光及/或從邊緣105散射穿過波導組合器100的雜散光經由來自雜散光的雜訊減低虛擬圖像的品質。為了減低透射穿過邊緣105的雜散光的量和由邊緣105在波導組合器100中散射的雜散光的量，使用光學吸收成分107來塗覆邊緣105。

光學吸收成分107包括一個或更多個種類的顆粒、一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者、及一個或更多個黏合劑的聚合物基質。在一些實施例中，光學吸收成分107進一步包括一個或更多個填料分散體、一個或更多個光引發劑、一個或更多個環氧樹脂、一個或更多個添加劑、一個或更多個矽烷、一個或更多個異氰酸酯、一個或更多個酸、一個或更多個氧化膦、或上述之組合。填料分散體的範例包括丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯。添加劑的範例包括胺或醯胺。染料的範例包括有機染料。一個或更多個顏料包括但不限於炭黑、碳奈米管、氧化鐵黑、黑色顏料、或上述之組合。藉由輻射可操作以固化如本文在波導組合器100的邊緣105上形成光學吸收成分107的方法200中所述的一個或更多個黏合劑，以形成聚合物基質。一個或更多個種類的顆粒設置於聚合物基質中。一個或更多個黏合劑包括但不限於UV可固化黏合劑、LED可固化黏合劑、熱可固化黏合劑、紅外光可固化黏合劑、或上述之組合。

一個或更多個種類的顆粒包括但不限於：氧化鈦(TiO ₂)、矽(Si)、氧化鋯(ZrO ₂)、氧化鋅(ZnO)、四氧化三鐵(Fe ₃O ₄)、鍺(Ge)、碳化矽(SiC)、金剛石、上述之摻雜劑或上述之任何組合。一個或更多個種類的顆粒包括至少奈米顆粒或微顆粒。每一奈米顆粒(NP)或微顆粒(MP)可為塗覆顆粒，例如繞著核心設置的一個、兩個或更多個殼。在一些範例中，NP或MP可含有耦合至NP或MP的外表面的一個或更多個種類的配體(例如，配體連接的NP或穩定的NP)。NP或MP可具有一個或更多個不同的形狀或幾何形狀，例如球形、橢圓形、棒形、立方體、線形、圓柱形、矩形或上述之組合。NP可具有約2 nm、約5 nm、約8 nm、約10 nm、約12 nm、約15 nm、約20 nm、約25 nm、約30 nm、或約35 nm至約40 nm、約50 nm、約60 nm、約80 nm、約100 nm、約150 nm、或約200 nm的大小或直徑。例如，NP可具有約2 nm至約200 nm、約2 nm至約150 nm、約2 nm至約100 nm、約2 nm至約80 nm、約2 nm至約60 nm、約2 nm至約50 nm、約2 nm至約40 nm、約2 nm至約30 nm、約2 nm至約20 nm、約2 nm至約15 nm、約2 nm至約10 nm、約10 nm至約200 nm、約10 nm至約150 nm、約10 nm至約100 nm、約10 nm至約80 nm、約10 nm至約60 nm、約10 nm至約50 nm、約10 nm至約40 nm、約10 nm至約30 nm、約10 nm至約20 nm、約10 nm至約15 nm、約50 nm至約200 nm、約50 nm至約150 nm、約50 nm至約100 nm、約50 nm至約80 nm、或約50 nm至約60 nm的大小或直徑。

一個或更多個種類的顆粒的顆粒折射率大於2.0。在可與本文所述的其他實施例組合的一些實施例中，一個或更多個種類的顆粒的顆粒折射率為約2.4或更大。大於2.0的顆粒折射率提供了具有約1.7或更大的折射率的光學吸收成分107。由一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者來提供約2.0或更大的光學吸收成分107的光學密度。約1.7或更大的折射率和約2.0或更大的光學密度減低了透射穿過邊緣105的雜散光的量和由邊緣105在波導組合器100中散射的雜散光的量。光學吸收成分107的約1.7或更大的折射率被匹配至高折射率基板，亦即具有大於約1.8的折射率的基板101，以提供對雜散光的進一步吸收。藉由本文所述的方法200形成的光學吸收成分107利用提供黏度、表面張力、化學和物理穩定性、及環境可靠性的配方，使得可操作該配方以使用邊緣塗黑工具施加於邊緣105且在固化之前保持在邊緣105上。

圖2是在波導組合器100的邊緣105上形成光吸收成分107的方法200的流程圖。為了便於說明，將參照圖1的波導組合器100來描述方法200。然而，注意波導組合器100是示例性波導組合器且其他波導組合器可具有結合方法200使用光學吸收成分107來塗覆的邊緣。

在操作201處，產生配方。該配方包括一個或更多個種類的顆粒、一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者、一個或更多個黏合劑、及一個或更多個溶劑。該配方可進一步包括一個或更多個填料分散體、一個或更多個光引發劑、一個或更多個環氧樹脂、一個或更多個添加劑、一個或更多個矽烷、一個或更多個異氰酸酯、一個或更多個酸、一個或更多個氧化膦、或上述之組合。可操作一個或更多個溶劑以在將配方施加於波導組合器100的邊緣105時蒸發或汽化。配方提供黏度、表面張力、化學和物理穩定性、及環境可靠性，使得可操作配方以使用邊緣塗黑工具施加於邊緣105並在固化之前保留在邊緣105上。配方具有約1 kcP至100 kcP的黏度。在操作202處，將配方施加於波導組合器100的邊緣105。可使用邊緣塗黑工具來施加配方。在一個範例中，邊緣塗黑工具包括可操作以保持光學裝置基板的基板支撐件、經配置以旋轉基板支撐件的第一致動器、經配置以當基板100在基板支撐件上旋轉時將塗覆施加器維持抵靠基板100的邊緣105的維持器、可操作以在朝向基板支撐件的方向上在維持器上施加力以將配方施加到邊緣105的第二致動器。

一個或更多個溶劑蒸發或汽化且一個或更多個種類的顆粒、一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者、一個或更多個黏合劑保留。在操作203處，配方被固化以在波導組合器100的邊緣105上形成光學吸收成分107。一個或更多個黏合劑藉由輻射固化以形成聚合物基質。一個或更多個種類的顆粒設置在聚合物基質中且由聚合物基質支撐。一個或更多個黏合劑包括但不限於UV可固化黏合劑、LED可固化黏合劑、熱可固化黏合劑、紅外光可固化黏合劑、或上述之組合。因此，操作203的固化處理包括UV固化處理、LED固化處理、熱固化處理、紅外光固化處理、或上述之組合。

總之，本文描述了具有使用光學吸收成分來塗覆的邊緣的波導組合器、及使用光學吸收成分來塗覆波導組合器的邊緣的方法。本文所述的方法形成的光學吸收成分利用提供黏度、表面張力、化學和物理穩定性、及環境可靠性的配方，使得可操作配方以使用邊緣塗黑工具施加於邊緣並在固化之前保留在邊緣上。一個或更多個黏合劑藉由輻射固化以形成聚合物基質。一個或更多個種類的顆粒設置在聚合物基質中並由聚合物基質支撐。光學吸收成分約1.7或更大的折射率和約2.0或更大的光學密度減低了透射穿過邊緣的雜散光的量和由邊緣在波導組合器中散射的雜散光的量。

雖然前述內容針對本揭示案的範例，可設計本揭示案的其他和進一步的範例而不背離其基本範圍，且其範圍由以下請求項來決定。

100:波導組合器 101:基板 102:結構 103:表面 104:光柵 104a:第一光柵 104b:第二光柵 104c:第三光柵 105:邊緣 107:光學吸收成分 200:方法 201~203:操作

為了能夠詳細理解本揭示案的上述特徵的方式，可藉由參考實施例來獲得上文簡要概括的本揭示案的更特定描述，其中一些圖示於附圖中。然而，注意附圖僅圖示示例性實施例，因此不應被視為限制其範圍，且可允許其他等效的實施例。

圖1是根據實施例的波導組合器的透視前視圖。

圖2是在波導組合器的邊緣上形成光學吸收成分的方法的流程圖。

為了便於理解，儘可能地使用相同的參考數字來表示圖式共有的相同元件。預期一個實施例的元件和特徵可有益地併入其他實施例中而無需進一步敘述。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:波導組合器

101:基板

102:結構

103:表面

104:光柵

104a:第一光柵

104b:第二光柵

104c:第三光柵

105:邊緣

107:光學吸收成分

Claims

一種波導組合器，包括：一基板；複數個結構，該複數個結構設置於該基板上；一邊緣；及一光學吸收成分，該光學吸收成分設置於該基板的該邊緣上，該光學吸收成分包括：一個或更多個種類的顆粒；一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者；及一個或更多個黏合劑的一聚合物基質。
如請求項1所述之波導組合器，其中該等光學裝置結構的區域對應於一個或更多個光柵。
如請求項2所述之波導組合器，其中該一個或更多個光柵包括一輸入耦合光柵及一輸出耦合光柵。
如請求項1所述之波導組合器，其中該一個或更多個種類的顆粒包括至少奈米顆粒或微顆粒。
如請求項4所述之波導組合器，其中該等奈米顆粒或微顆粒含有耦合至該等奈米顆粒或微顆粒的一外表面的一個或更多個種類的配體(ligand)。
如請求項1所述之波導組合器，其中該一個或更多個種類的顆粒的一顆粒折射率大於2.0。
如請求項1所述之波導組合器，其中該一個或更多個種類的顆粒包括：氧化鈦(TiO ₂)、矽(Si)、氧化鋯(ZrO ₂)、氧化鋅(ZnO)、四氧化三鐵(Fe ₃O ₄)、鍺(Ge)、碳化矽(SiC)、金剛石、上述之摻雜劑或上述之任何組合。
如請求項1所述之波導組合器，其中該光學吸收成分進一步包括一個或更多個填料分散體、一個或更多個光引發劑、一個或更多個環氧樹脂、一個或更多個添加劑、一個或更多個矽烷、一個或更多個異氰酸酯、一個或更多個酸、一個或更多個氧化膦、或上述之組合。
如請求項1所述之波導組合器，其中該光學吸收成分具有約1.7或更大的一折射率及約2.0或更大的一光學密度。
如請求項1所述之波導組合器，其中該一個或更多個顏料包括：炭黑、碳奈米管、氧化鐵黑、黑色顏料、或上述之組合。
如請求項1所述之波導組合器，其中該一個或更多個黏合劑包括：一UV可固化黏合劑、一LED可固化黏合劑、一熱可固化黏合劑、一紅外光可固化黏合劑、或上述之組合。
如請求項1所述之波導組合器，其中該基板包括：矽(Si)、二氧化矽(SiO ₂)、熔融石英、石英、碳化矽(SiC)、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、藍寶石、鉭酸鋰(LiTaO ₃)、鈮酸鋰(LiNbO ₃)、或上述之組合。
如請求項1所述之波導組合器，其中該一個或更多個種類的顆粒設置於該聚合物基質中且由該聚合物基質支撐。
一種波導組合器，包括：一基板，該基板具有大於約1.8的一基板折射率；複數個結構，該複數個結構設置於該基板上；一邊緣；及一光學吸收成分，該光學吸收成分設置於該基板的該邊緣上，該光學吸收成分具有約1.7或更大的一折射率及約2.0或更大的一光學密度，該光學吸收成分包括：一個或更多個種類的奈米顆粒或微顆粒；一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者；及一個或更多個黏合劑的一聚合物基質，其中：該一個或更多個種類的奈米顆粒或微顆粒設置於該聚合物基質中且由該聚合物基質支撐；及該一個或更多個黏合劑藉由輻射為可固化的。
如請求項14所述之波導組合器，其中該一個或更多個黏合劑包括：一UV可固化黏合劑、一LED可固化黏合劑、一熱可固化黏合劑、一紅外光可固化黏合劑、或上述之組合。
如請求項14所述之波導組合器，其中該複數個結構為具有亞微米尺寸的奈米結構。
一種方法，包括以下步驟：產生一光學吸收配方，該光學吸收配方包括：一個或更多個種類的顆粒；一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者；一個或更多個黏合劑；及一個或更多個溶劑；使用一邊緣塗黑工具來將該光學吸收配方施加於一波導組合器的一邊緣上；及使用輻射來固化該配方以形成一光學吸收成分，該光學吸收成分包括：該一個或更多個種類的顆粒；該一個或更多個染料或一個或更多個顏料之其中至少一者；及該一個或更多個黏合劑的一聚合物基質，其中該等顆粒設置於該聚合物基質中且由該聚合物基質支撐。
如請求項17所述之方法，其中該一個或更多個黏合劑包括：一UV可固化黏合劑、一LED可固化黏合劑、一熱可固化黏合劑、一紅外光可固化黏合劑、或上述之組合。
如請求項18所述之方法，其中固化該配方之步驟包括以下步驟：一UV固化處理、一LED固化處理、一熱固化處理、一紅外光固化處理、或上述之一組合。
如請求項17所述之方法，其中該光學吸收成分具有約1.7或更大的一折射率及約2.0或更大的一光學密度。