[发明专利]具有图案化折射率调制的表面浮雕光栅和制造方法

说明书

本文公开的技术总体上涉及表面浮雕结构。在一个实施例中，表面浮雕光栅包括多个光栅脊。多个光栅脊包括：第一组光栅脊(1326)，其具有第一折射率；以及第二组光栅脊(1322)，其与第一组光栅脊交错并具有不同于第一折射率的第二折射率。多个光栅脊通过纳米压印光刻工艺压印在聚合物层中，并暴露于光图案，以形成具有不同折射率的第一组光栅脊和第二组光栅脊。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年6月20日提交的美国申请第16/447,095号的优先权，该申请的内容以其整体通过引用并入本文以用于全部目的。

技术领域

本公开总体上涉及用于制造表面浮雕结构的技术，诸如在基于波导的近眼显示系统中使用的直的或倾斜的表面浮雕光栅。

背景

人工现实系统(诸如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)系统)通常包括被配置成呈现描绘虚拟环境中的对象的人工图像的显示器。如在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中，显示器可以显示虚拟对象或者将真实对象的图像与虚拟对象组合。例如，在AR系统中，用户可以例如通过透过透明显示眼镜或透镜进行观看(通常称为光学透视(optical see-through))或者通过观看由照相机捕获的周围环境的显示图像(通常称为视频透视)，来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围环境。

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，其中投影图像的光可以被耦合到波导(例如，基板)中，在波导内传播，并且在不同的位置处从波导耦合出去。在一些实现中，可以使用诸如直的或倾斜的表面浮雕光栅的衍射光学元件将投影图像的光耦合到波导中或从波导耦合出去。表面浮雕光栅的参数(诸如光栅周期、占空比、深度、倾斜角、折射率调制和复用光栅的数量)可能需要调整，并且可能需要在表面浮雕光栅的整个区域上单独或组合变化，以便实现期望的性能，诸如宽视场、宽光学带宽、高效率、光瞳扩展、较少的伪像和期望的角度选择性。以高制造速度和高产量制造具有期望的光栅参数的表面浮雕光栅仍然是具有挑战性的任务。

概述

本公开总体上涉及用于制造表面浮雕结构的技术，诸如在基于波导的近眼显示系统中使用的直的或倾斜的表面浮雕光栅。更具体地，但不限于此，本文公开了使用纳米压印和选择性固化技术制造具有图案化折射率调制的表面浮雕结构的技术，该图案化折射率调制可以在一维、二维或三维上变化。本文描述了各种发明性实施例，包括方法、系统、设备等。

根据某些实施例，一种方法可以包括：在有机材料层中压印包括多个光栅脊的表面浮雕结构，该有机材料层包括含有单体的光敏基础树脂；生成包括亮区和暗区的光图案；以及将表面浮雕结构暴露于光图案，以聚合多个光栅脊的在亮区中的一组光栅脊中的单体，并增加多个光栅脊的在亮区中的该组光栅脊的折射率。

在该方法的一些实施例中，光图案的强度可以在一维、二维或三维上变化。在一些实施例中，生成光图案可以包括通过在光束的横截面中具有均匀强度的光束照射光掩模或衍射光学器件，或者使用两个相干光束生成干涉图案。在一些实施例中，光图案可以包括会聚光图案，并且光图案可以在多个光栅脊的在亮区中的该组光栅脊中具有最高强度。

在一些实施例中，该方法还可以包括生成第二光图案，并将表面浮雕结构暴露于第二光图案。在一些实施例中，该方法还可以包括在有机材料层上沉积包覆层(overcoatlayer)，其中该包覆层可以填充多个光栅脊之间的区域，并且具有不同于该组光栅脊的折射率的折射率。

根据某些实施例，用于显示系统的表面浮雕光栅可以包括聚合物层，该聚合物层包括多个光栅脊。多个光栅脊可以包括以第一折射率为特征的第一组光栅脊，以及与第一组光栅脊交错并以不同于第一折射率的第二折射率为特征的第二组光栅脊。在一些实施例中，表面浮雕光栅还可以包括包覆材料层，该包覆材料层在聚合物层上并填充多个光栅脊之间的区域。

在一些实施例中，聚合物层可以包括折射率大于1.7的纳米粒子。