[发明专利]用于印刷具有变化的占宽比的周期性图案的方法和装置

说明书

一种用于在光刻胶层中形成具有期望的占宽比的空间变化的表面浮雕光栅的方法，该方法包括：提供带有线性特征的高分辨率光栅（32）的第一掩模（31），将所述第一掩模布置在距衬底（33）第一距离处，提供带有具有设计的占宽比的空间变化的不透明和透明线性特征的可变透射光栅（27）的第二掩模（28），将所述第二掩模布置在第一掩模之前的一定距离处，使得可变透射光栅的线性特征与高分辨率光栅的线性特征正交，照射第二掩模，同时根据位移Talbot光刻法改变第一距离，并且还将第二掩模相对于其线性特征以一定角度位移，使得在曝光光刻胶的能量密度分布中基本上不存在具有可变透射光栅的周期的调制的分量。

本发明一般地涉及如用于制造微结构和纳米结构的光刻法（photolithography）的领域，并且其特别地涉及用于制造近眼显示器的光刻法的领域。

衍射光学元件（DOE）和全息光学元件（HOE）正被广泛开发用于增强现实（AR）和虚拟现实（VR）显示应用。DOE和HOE的紧凑和轻便性质为实现具有所需功能的便携式和不显眼的头戴式设备提供了明显的优势。吸引最多关注的结构是表面浮雕光栅（surface-reliefgrating），因为它们的较低制造成本的潜力，并且所需结构的周期在250-500nm的范围内。通常，所述结构首先用于将来自图像生成微显示器的光耦合到AR眼镜的透明衬底材料中；其次，将光重新分布到观看者的眼睛前面的眼镜的区域；并且最后，将光从眼镜中耦合出来，使得看到虚拟图像叠加在佩戴者对现实世界的视野上。光栅通常被称为波导光栅，因为它们引导（channel）光，使得光通过衬底的两个表面之间的多次内部反射行进。理想地，光栅的设计使得全色图像能够在广阔的视野中被看到，并在舒适的大距离处聚焦。

美国专利第6,580,529号公开了一种用于放大虚拟图像显示器的出射光瞳的方法，其中3个全息记录的衍射光栅被布置在平面的透明衬底上。参考图1，来自显示源的光入射在位于衬底的一个表面上的第一全息光学元件（HOE）H1上。H1将显示光耦合到衬底中，然后在那里通过衬底表面之间的全内反射将其捕获，并将光导向第二HOE H2。H2扩展了在x方向上的光分布的范围，并将光重定向朝向第三HOE H3。然后，H3扩展了y方向上的光分布的宽度，并将来自衬底的光朝向观察者的眼睛分离（decouple）。H2和H3对x和y方向上的光分布的扩展允许观察者看到具有大视野的显示源的虚拟图像。它描述了由H2和H3执行的扩展通过照射光在光栅和衬底的相对表面之间的多次反射而发生，其中每次光入射在相关的光栅上时，光被分别部分衍射朝向H3和观察者。它进一步公开了为了使外耦合光（out-coupled light）在H3的区域上具有均匀强度，H2和H3的衍射效率在其区域上不应该是恒定的，而应该分别在x和y方向上非线性增加。

Eisen等人的“Planar configuration for image projection”，Appl. Opt.，第45卷，第17期（2006）和Gurwich等人的“Design and experiments of planar opticallight guides for virtual image displays”，Proc. SPIE第5182卷，Wave-OpticalSystems Engineering II （2003）公开了用于设计和制造在上述出射光瞳放大方案中采用的光栅H1、H2和H3的过程。特别地，它们公开了针对光栅H1和H3所需的光栅周期是450 nm，并且针对光栅H2所需的光栅周期是318 nm。为了使衍射效率高，其公开了H2的凹槽形状应该是对称的，而对于光栅H1和H3，凹槽应该具有特定的倾斜角。对于照射波长、光栅的周期、衬底厚度等的一组特定的系统参数，计算沿着光栅H2和H3确保均匀图像亮度所需的衍射效率的非线性变化；并且严格的耦合波理论被用来确定沿着光栅所需的凹槽深度的变化，以获得这些效率变化。公开了全息记录过程，用于获得光栅H1和H3中的所需的凹槽倾斜角，以及用于获得跨光栅的所需的凹槽深度的变化。后者的过程包括表征凹槽深度对曝光剂量的依赖性，并通过曝光期间不透明掩模的逐渐位移来实现跨曝光区域的曝光剂量的变化。