波导显示器衬底的偏置总厚度变化的制作方法

波导显示器衬底的偏置总厚度变化
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年2月14日提交的美国专利申请号62/805,832和于2019年3月19日提交的62/820,769的权益，其二者以整体内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及波导显示器衬底的偏置(biased)总厚度变化。


背景技术：

4.光学成像系统，诸如可穿戴头戴式系统，通常包括将投射图像呈现给用户的一个或多个目镜。目镜可以使用一种或多种折射材料的薄层构造。作为示例，目镜可以由高度折射玻璃、硅、金属、或聚合物衬底的一个或多个层构造。
5.在一些情况下，目镜层可以图案化(例如，有一个或多个光衍射纳米结构)，使得其显示从外部投影仪耦入的接收光。进一步地，多个目镜层(例如，“波导”)可以结合用来投射模拟三维图像。例如，多个波导—每个波导具有特定图案—可以是分层堆放的，并且每个波导可以中继体积图像的一部分的特定光信息(例如，波长或焦距)，使得在来自每个波导的特定光信息的集合中，整个相干体积图像是可视的。因此，目镜可以跨三维向用户共同呈现全色体积图像。这在例如向用户呈现“虚拟现实”环境时可以是有用的。
6.目镜的无意识变化可能降低投射图像的质量。这样的无意识变化的示例包括褶皱、不均匀厚度以及可能负面影响目镜性能的其他物理变形。


技术实现要素：

7.第一总体方面包括多个波导显示器衬底，每个波导显示器衬底具有：圆柱形部分，其具有直径和平坦表面；弯曲部分，其与所述平坦表面相对，其限定跨所述衬底的厚度的非线性变化并且具有关于所述圆柱形部分的最大高度d；以及楔形部分，其在所述圆柱形部分与所述弯曲部分之间，其限定跨所述衬底的厚度的线性变化并且具有关于所述圆柱形部分的最大高度w。弯曲部分的目标最大高度d
t
是直径的10
‑7至10
‑6倍，d在d
t
的约70％与约130％之间，并且w小于d
t
的约30％。针对所述多个波导显示器衬底，d的平均值是d
mean
，针对所述多个波导显示器衬底的最大值d是d
max
，针对所述多个波导显示器衬底的最小值d是d
min
，并且针对所述多个波导显示器衬底的最大值w是w
max
。
8.第二总体方面包括制造所述第一总体方面的多个波导显示器衬底。
9.第一和第二总体方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
10.在一些实施方式中，厚度的非线性变化是厚度的二次变化。所述弯曲部分可以以拱顶的形式。在一些情况下，所述拱顶是球形的。
11.所述多个波导显示器衬底的平均厚度通常在约200微米与约2000微米之间。所述多个波导显示器衬底的平均直径通常在约2厘米与约50厘米之间。w
max
/d
mean
通常小于约0.3。(d
mean
–
d
min
)/d
mean
通常小于约0.3。(d
max
–
d
min
)/d
mean
通常小于约0.3。d通常在约0.1微米
至约5微米的范围内。w通常在0至约1.5微米的范围内。所述多个衬底的平均总厚度变化通常在约0.1微米与约6.5微米之间。
12.在一些实施方式中，所述波导显示器衬底包括模制聚合物。在某些实施方式中，所述波导显示器衬底包括抛光玻璃、硅、或金属衬底。
13.第二总体方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
14.在一些情况下，制造所述多个波导显示器衬底可以包括抛光所述波导显示器衬底，其中，所述波导显示器衬底由玻璃、金属、或硅形成。在某些情况下，制造所述多个波导显示器衬底包括模制聚合波导显示器衬底。
15.第二总体方面还可以包括在所述波导显示器衬底中的每一个上形成一个或多个波导。所述一个或多个波导可以包括至少两个波导，并且所述波导可以在每个波导显示器衬底上以径向图案定位。
16.在附图和说明书中阐述本公开的主题的一个或多个实施例的细节。主题的其他特征、方面和优点将从描述、附图和权利要求变得显而易见。
附图说明
17.图1描绘了具有波导区域的样本波导显示器衬底。
18.图2a至图2c分别描绘了具有平、凸、和凹截面形状的抛光波导显示器衬底。
19.图3a和图3b描绘了波导显示器衬底的总厚度变化(ttv)比较。
20.图4描绘了具有凸表面的抛光的波导显示器衬底的ttv。
21.图5带出了具有线性(楔形)和非线性(拱顶)组件的带有偏置ttv的波导显示器衬底的剖面。
22.图6a至图6c示出了针对超低ttv波导显示器衬底的波导显示器衬底产量与ttv、拱顶高度、和楔形高度的关系。图6d至图6f示出了针对偏置ttv波导显示器衬底的波导显示器衬底产量与ttv、拱顶高度、和楔形高度的关系。
23.图7示出了具有300μm平均厚度和0nm“楔形”ttv的典型衍射波导显示器的6英寸波导显示器衬底上的球形波导显示器衬底的波导眼盒(eyebox)效率与“拱顶”高度ttv(nm)的关系。
具体实施方式
24.总厚度变化(ttv)是用于改进光波导的性能的一个度量。如本文所使用的，ttv通常指代波导或在其上形成波导的波导显示器衬底的厚度的最大值与最小值之间的差。当光通常通过全内反射穿过光波导时，厚度的变化改变(一个或多个)光传播路径。(一个或多个)光传播路径中的角度差异可能通过场失真、图像模糊、和锐度损失来影响图像质量。
25.波导制备和处理通常通过将指定区域的多个波导布置到波导显示器衬底(例如，晶圆)上发生。图1描绘了具有波导102的径向布置的波导显示器衬底100。ttv可以通过制造平坦波导显示器衬底(即，具有零ttv的波导显示器衬底)而降低，例如，通过抛光衬底(例如，金属、玻璃、或硅衬底)或者最初用高精度模制衬底(例如，聚合物衬底)。然而，抛光可以在波导显示器衬底和在其上形成的产生的波导上产生一定量的曲率。图2a描绘了抛光平坦波导显示器衬底200。图2b和图2c分别描绘了抛光的凸波导显示器衬底202和抛光的凹波导
显示器衬底204。虽然抛光可以产生凸或凹曲率，但是本文所描述的实施例参考凸曲率解释，诸如图2b所描绘的凸曲率。
26.由于要实现完全平坦的抛光或模制(诸如图2a所描绘的抛光或模制)要求多并且处理昂贵，因此一定程度的ttv通常被容许。利用针对波导显示器衬底的最低ttv过程(例如，20nm<ttv<2μm)，存在部分到部分变化(例如，随机地)的衬底的厚度形状或轮廓。此处，“厚度形状”通常指代衬底的顶面与底面之间的高度差的3d映射。在一个示例中，典型的平凸透镜具有凸球形或正“拱顶”的厚度形状。在另一示例中，具有每个表面上的相同曲率半径的弯月形透镜(例如，非处方太阳镜)具有平坦的近零的ttv厚度形状，但是每个表面自己是非平坦的。由于波导被堆叠以形成多层多色波导显示器，因此随机厚度形状差异可以使得红色、绿色和蓝色的每个颜色通道具有不同的亮度均匀性图案。亮度均匀性图案中的差异可以使得颜色在波导堆叠利用均匀白光图像照射时在视场上变化。这些颜色非均匀性可能导致更差的图像质量。
27.参考图3a，波导显示器衬底300被示出具有ttv，该ttv被测量为抛光的波导显示器衬底的弯曲部分的最高点到最低点。图3b所描绘的完美平坦的波导显示器衬底302具有零ttv。图4描绘了具有最小厚度x的波导显示器衬底400。即，没有波导显示器衬底的一部分比x更薄，并且任何厚度变化被测量为除x之外的厚度。最大厚度是h，并且ttv数学上是y，其中，y＝h
‑
x。ttv规格通常被表达为最大允许ttv(ttv
max
)，并且产品规格以ttv(y)低于ttv
max
(即，0≤y<ttv
max
)为目标。此处，“超低ttv”波导显示器衬底指代目标ttv是零(或实际上尽可能接近于零)的波导显示器衬底。
28.在光学产品中，当ttv接近零时，图像质量和均匀性可以对于抛光波导显示器衬底的特定形状或轮廓敏感。在一个示例中，在20nm ttv和40nm ttv波导显示器衬底上产生的波导的图像质量(如由均匀性所测量的)的比较差异可以比在100nm ttv衬底和120nm波导显示器衬底上产生的波导的比较质量高得多，尽管这两对仅是20nm不同的。换句话说，100nm ttv波导和120nm波导可以产生比20nm ttv波导和40nm ttv波导更类似的均匀图像(前者对与后者对相比较是更拱顶状的)。因此，100nm ttv波导和120nm ttv波导可以跨产品线产生更低的图像变化和更一致的图像均匀性。
29.在非平坦波导显示器衬底上产生的波导内的(一个或多个)光传播路径内的路径长度差也可能利用亮度图案非均匀性和颜色非均匀性影响图像质量。亮度图案非均匀性的源包括由通过光瞳复制波导显示器衬底的许多路径产生的电磁干涉图案。典型的光瞳复制波导的晶胞(unit
‑
cell)类似于mach
‑
zender干涉仪，其中，从输入到输出复制光瞳位置每晶胞存在两个路径。两个路径之间的路径长度差由通过波导显示器衬底的厚度的路径长度影响，该路径长度由ttv度量和厚度轮廓(厚度是线性地还是二次地并且关于波导显示器内的全内反射中的光以一定角度改变)限定。如果路径长度具有相等或相反相位，则可以分别存在相长或相消干涉。因此，厚度形状可能影响光瞳复制副本内的幅度并且最终由波导显示器耦出的输出图像。
30.因此，使厚度形状变化以及ttv最小化可以是有利的。由于完美复制可能不在抛光或模制过程中实现，因此可能导致某些制造分布。在假设分布模型中，利用由泽尔尼克(zernike)多项式限定的圆形衬底形状，可以限定一组标准形状基函数。存在偶数和奇数泽尔尼克多项式。偶数泽尔尼克多项式被限定为
[0031][0032]
并且奇数泽尔尼克多项式被限定为
[0033][0034]
其中，m和n是非负整数，其中，n≥m，是方位角，ρ是径向距离，并且r
mn
是下文限定的径向多项式。泽尔尼克多项式具有限于
‑
1至 1的范围的特性，即，径向多项式r
mn
被限定为
[0035][0036]
对于n
‑
m偶数，并且对于n
‑
m奇数同样是0。
[0037]
随着ttv接近零，图像质量，特别地亮度均匀性对于厚度形状非线性敏感。换句话说，当ttv降低到特定阈值以下时，图像质量在厚度形状展现出甚至微小变化的波导之间变得愈加变化。为了补偿该异常，具有一致厚度形状的偏置ttv可以并入衬底处理中。如本文所使用的，“偏置的”ttv通常指代具有非零目标的ttv。更特别地，“偏置的”ttv通常指代具有带有非零目标的泽尔尼克拟合多项式的一个或多个系数和具有零目标的泽尔尼克拟合多项式的所有剩余系数的衬底厚度形状。多个波导显示器衬底内的厚度形状的一致性通常指代具有泽尔尼克拟合多项式的系数的低变化的多个波导显示器衬底。在“偏置的”ttv的情况下，厚度形状的一致性指代一组波导显示器衬底，其具有(i)所有非零目标泽尔尼克系数，其具有距其目标幅度的最小变化，例如，所有波导显示器衬底的非零目标系数是其目标幅度的约70％至约130％，以及(ii)所有零目标泽尔尼克系数，其具有基本上小于非零目标泽尔尼克系数的绝对幅度，例如，零目标系数是非零目标系数的0至约30％。
[0038]
具有偏置ttv和一致衬底厚度形状的示例是对具有比衬底抛光(或模制)过程的典型最小ttv范围大许多倍的ttv的球形基本上抛光(或模制)的衬底。该衬底形状可以被描述为具有楔形(厚度的线性改变)和拱顶(厚度的二次改变)组件。图5描绘了波导显示器衬底500，其具有具有高度w的楔形组件502、具有高度d的拱顶组件504、和具有表面508并且具有厚度t和直径d的圆柱形组件506。使用泽尔尼克拟合多项式，波导显示器衬底的平均厚度是z
00
，ttv的“楔形”组件的高度可以被限定为sqrt(z1‑1 z
11
)，并且ttv的凸“拱顶”组件的高度可以被限定为
‑2×
z
20
。波导显示器衬底的平均厚度通常在200μm与2000μm之间。在产生“拱顶”偏置ttv的衬底抛光或模制过程中，波导显示器衬底可以具有衬底直径的10
‑7至10
‑6的范围内的目标“拱顶”高度d
t
，并且每个衬底可以具有小于目标“拱顶”高度的“拱顶”高度和小于目标“拱顶”高度的30％的“楔形”高度。在一个示例中，与具有在0至300nm范围内的“拱顶”和“楔形”高度的接近零目标ttv的多个波导显示器衬底相比较，具有150mm的直径、1000nm的平均“拱顶”(d
mean
)高度、700nm至1300nm的“拱顶”高度范围(d
min
至d
max
)以及小于300nm的最大“楔形”高度(w
max
)的多个波导显示器衬底将具有增加的效率、亮度均匀性和颜色均匀性以及在效率、亮度均匀性和颜色均匀性方面的减小的部分到部分变化。在图1的径向显示布局和偏置到拱顶的一致形状的径向对称衬底厚度轮廓中，可以在布置在单个衬底上的多个部件之间以及从衬底到衬底实现从波导显示器输入耦合器到输出耦合器的一致厚度变化。与常规波导显示器中使用的具有随机厚度形状的典型超低ttv相比较，这样的一致厚度形状的布置示出改善的颜色均匀性和图像质量。
[0039]
在许多方法中，具有一致形状的偏置ttv可以施加到波导显示器衬底。对于玻璃或晶体衬底，可以通过抛光成偏置形状或通过将具有不均匀厚度(具有一致的形状和大小)的涂层施加到具有小但随机厚度形状变化的超低ttv波导显示器基板来施加。对于可模制的聚合物材料，偏置厚度轮廓可以被设计为产生波导显示器衬底的模具。
[0040]
图6a至图6c示出了针对超低ttv波导显示器衬底的波导显示器衬底产量与ttv、拱顶高度、和楔形高度的关系。在这些超低ttv波导显示器衬底中，拱顶高度和楔形高度的幅度通常彼此类似。而且，拱顶高度的变化范围在幅度方面类似于拱顶高度的平均值。图6d至图6f示出了针对偏置ttv波导显示器衬底的波导显示器衬底产量与ttv、拱顶高度、和楔形高度的关系。在这些偏置ttv波导显示器衬底中，拱顶高度的幅度大于楔形高度的幅度，并且拱顶高度的变化小于平均拱顶高度。图6d至图6f表示描绘在不参考特定值的情况下的偏置关系。针对偏置ttv容限(tolerance)的规格可以被表达为：
[0041]
w
max
/d
mean
<x
[0042]
(d
mean
‑
d
min
)/d
mean
<y
[0043]
(d
max
‑
d
mean
)/d
mean
<z
[0044]
利用这些关系，x、y、和z通常在不同衬底抛光或模制过程之间从0至10范围变化。图6a至图6c示出了导致比图6d至图6f所示的一组波导显示器衬底更高的x、y、和z的值的一组波导显示器衬底。当x、y、和z接近零时，与使ttv自己接近零相反，在许多波导显示器衬底的许多子段上产生的多个波导的总体效率增加并且具有更少的变化。而且，当x、y、和z接近零时，产生的波导之间的亮度均匀性和颜色均匀性也增加并且具有更少的变化。在典型的衬底抛光或模制过程中，随着目标ttv
max
接近零，x、y、和z增加。超低ttv波导显示器衬底通常具有1
‑
10的范围内的x、y和z，并且偏置ttv波导显示器衬底具有0至0.3的范围内的x、y和z，因此偏置(或非零目标)ttv可以有助于改进的波导显示器图像质量。
[0045]
图7示出了具有300μm平均厚度和0nm“楔形”ttv的典型衍射波导显示器的6英寸晶片上的球形波导显示器衬底形状的波导眼盒效率与“拱顶”ttv(nm)的关系。如图7中看到，眼盒效率是400nm的ttv与600nm的ttv之间的最大值。波导眼盒效率此处指代进入远离衍射波导显示器的输出光栅的眼侧15mm2的15x 20mm2矩形面积的光的和相对于入射在波导显示器的输入耦合光栅上的光的和，如由典型的衍射波导模拟所计算的。
[0046]
虽然本公开包含许多特定实施例细节，但是这些不应当被解释为对主题的范围或可以要求保护什么的范围的限制，而是可以特定于特定实施例的特征的描述。在本公开中，在分离的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反地，在单个实施例的上下文中所描述的各种特征还可以分离地或者以任何适合的子组合被实现在多个实施例中。而且，尽管先前所描述的特征可以被描述为在某些组合中作用并且甚至如此初始地要求保护，但是，在一些情况下，可以从组合切除所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。
[0047]
已经描述本主题的特定实施例。如对于本领域普通技术人员来说将明显的，所描述的实施例的其他实施例、变更、和置换在以下权利要求的范围内。虽然操作以特定次序在附图或权利要求中描绘，但是这不应该被理解为要求这样的操作以所示的特定次序或者以顺序次序执行，或者全部所图示的操作被执行(一些操作可以被认为是可选的)，以实现期望的结果。
[0048]
因此，先前所描述的示例实施例不限定或者限制本公开。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，其他改变、替代和变型也是可能的。