用于光波导的可成像外涂层及其制造工艺的制作方法

用于光波导的可成像外涂层及其制造工艺
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年5月30日提交的美国申请第62/854,895号和2019年8月16日提交的美国申请第16/542,840号的优先权。美国申请第62/854,895号和美国申请第16/542,840号的内容为了所有目的通过引用以其整体并入本文。
3.领域
4.本公开总体上涉及光波导，具体地但不排他地用于基于波导的成像系统，例如平视显示器、头戴式显示器、头盔显示器(helmet mounted display)和其他投影显示器。更具体地，本公开涉及用于这种光波导的可成像外涂层及其制造工艺。
5.背景
6.头戴式显示器(hmd)或头盔显示器等正越来越多地用于显示虚拟现实(vr)和增强现实(ar)内容，并且它们在包括娱乐、教育、培训和生物医学科学(仅举几个例子)在内的不同领域中找到了应用。在vr应用中，用户完全沉浸在通过hmd或其他类型的投影显示器显示的数字环境中。另一方面，ar应用可以被视为半现实，它将虚拟的计算机生成的感知项目和特征叠加到现实世界环境中。混合现实(mr)系统是ar系统的一种类型，它也将模拟对象引入现实世界环境，但是这些对象通常具有更大程度的交互性，并且模拟元素甚至可以实时交互。
7.与它们的vr对应系统相比，ar/mr系统需要更多的部件，并且往往更加复杂。此外，为了实现与现实世界环境混合的计算机生成项目，有必要考虑瞳孔大小、虚像、到眼睛的光学距离(出瞳距离(eye relief))、图像放大率和视场来设计光学系统。由于整体尺寸和重量是hmd或头盔显示器的重要考虑因素，用户可能会一次佩戴几个小时，因此许多系统采用波导结构来代替更大和/或更重的部件，例如反射镜、分束器等。特别是，衍射波导广泛用于目前市场上的透视ar/mr显示器。在这种系统中，入射光波通过由第一倾斜光栅(内耦合器(in
‑
coupler))准直以一定角度流入波导，穿过波导，并通过第二倾斜光栅(外耦合器(out
‑
coupler))提取到出射光瞳。
8.不幸的是，光栅的性能可能会受到环境条件的影响，例如湿度变化、油腻或油性沉积物、灰尘和其他颗粒污染物等。此外，由于脊(ridge)的尺寸非常小，光栅非常容易受到物理损坏。为了保护脊，可以用聚合物涂层覆盖光栅。外涂层保护提高了光栅的光学吞吐量和均匀性，并减少了外部光进入用户视场的彩色反射。这种彩色反射被称为“彩虹效应”。
9.因此，提供克服至少一些上述缺点和/或限制的波导组件及其制造工艺将是有益的。
10.概述
11.根据至少一个实施例，提供了一种成像波导，该成像波导包括：衬底，该衬底用于通过全内反射(tir)在其中引导图像光；由衬底支撑的输入光栅，该输入光栅用于将图像光耦合到成像波导中；输出光栅，该输出光栅由衬底支撑并与输入光栅间隔开，用于将衬底中引导的图像光耦合出成像波导，以供用户观察；以及间隙填充外涂层，该间隙填充外涂层形成在输出光栅上和输出光栅内，但不在输入光栅上或输入光栅内。
12.在一些实施例中，成像波导可以进一步包括由衬底支撑的与输出光栅相对的第二光栅，该第二光栅用于重定向图像光，其中间隙填充外涂层进一步形成在第二光栅上和第二光栅内。
13.在一些实施例中，衬底可以是平面平行衬底(plano
‑
parallel substrate)。
14.在一些实施例中，外涂层可以包括以在500nm波长处折射率在1.40和1.80之间为特征的材料。
15.在一些实施例中，该材料的特征还在于对于400nm和700nm之间的波长范围内的电磁辐射，雾度(haze)小于1％。
16.在一些实施例中，该材料的特征还在于对在400nm和700nm之间的波长范围内的电磁辐射的吸收小于1％。
17.在一些实施例中，输出光栅可以包括表面浮雕衍射光栅。
18.在一些实施例中，外涂层可以包括通过交联(cross
‑
link)外涂层前体材料(overcoat precursor material)形成的材料，该外涂层前体材料包括具有环氧化物官能团的有机化合物。
19.在一些实施例中，外涂层可以包括通过交联包含uv可固化的氧化锆纳米颗粒的外涂层前体材料形成的材料。
20.在一些实施方案中，外涂层可以包含通过交联包含硅倍半氧烷部分(silisesquioxane moiety)的外涂层前体材料形成的材料。
21.根据至少一个实施例，提供了一种用于形成用于视觉显示器的成像波导的工艺，包括：提供用于通过全内反射(tir)在其中引导图像光的衬底，该衬底具有由其支撑的输入光栅，用于将图像光耦合到成像波导中，并且该衬底具有由其支撑并与输入光栅间隔开的输出光栅，用于将在衬底中引导的图像光耦合出成像波导以供用户观察；在输出光栅的顶部和输出光栅内以及在输入光栅的顶部和输入光栅内形成外涂层前体材料层，该外涂层前体材料是可交联材料；在设置在输出光栅的顶部和输出光栅内的外涂层前体材料中选择性地引发交联，以产生交联材料，但不在设置在输入光栅的顶部和输入光栅内的外涂层前体材料中引发交联；以及除去除交联材料之外的外涂层前体材料。
22.在一些实施例中，除去除交联材料之外的外涂层前体材料可以包括使用溶剂从输入光栅的顶部和输入光栅内冲洗外涂层前体材料。
23.在一些实施例中，在设置在输出光栅的顶部和输出光栅内的前体材料中选择性地引发交联可以包括：掩蔽设置在输入光栅的顶部和输入光栅内的外涂层前体材料；以及用电磁辐射照射被掩蔽的光学部件。
24.在一些实施例中，电磁辐射可以是紫外(uv)辐射。
25.在一些实施例中，输入光栅和输出光栅可以是倾斜光栅，并且其中外涂层前体材料层可以通过旋涂外涂层制剂来形成，该外涂层制剂可以包括外涂层前体材料、溶剂和引发剂。
26.在一些实施例中，外涂层前体材料可以是具有环氧化物官能团的有机材料，并且其中形成外涂层前体材料层可以包括旋涂包含有机材料的溶液。
27.在一些实施例中，外涂层前体材料可以包括纳米颗粒，并且其中形成外涂层前体材料层可以包括旋涂包含纳米颗粒的溶液。
28.在一些实施例中，纳米颗粒可以是uv可固化的氧化锆纳米颗粒。
29.在一些实施方案中，外涂层材料可以包含硅倍半氧烷部分，并且其中形成外涂层前体材料层可以包括旋涂包含硅倍半氧烷部分的溶液。
30.根据至少一个实施例，提供了一种表面浮雕衍射光栅组件，其用于支持通过其观察外部对象并支持从其显示图像，其中该表面浮雕衍射光栅组件包括衬底和结合到衬底的光致抗蚀剂表面浮雕衍射输入光栅、光致抗蚀剂表面浮雕衍射输出光栅以及用于在光传播平面内在输入光栅和输出光栅之间传播光的波导，其中外涂层形成在输出光栅上，但不形成在输入光栅上，该外涂层由在500nm处折射率在1.40和1.80之间、在电磁光谱的可见光区的吸收在0％和1％之间、以及在电磁光谱的可见光区的雾度％在0％和0.2％之间的材料形成，并且输出光栅对于沿着横向于光传播平面的第一方向的光至少部分透明。
31.应当理解，任何被描述为适合于根据本发明的波导的特征都旨在可推广到本发明的任何方面或实施例，包括本发明的任何工艺或组件光栅。
32.附图简述
33.现在将仅通过示例并参考附图来描述本公开，其中：
34.图1a是示出根据实施例的具有外涂层的波导结构的简图。
35.图1b是示出根据实施例的具有外涂层的另一波导结构的简图。
36.图2示出了根据实施例的方法的步骤。
37.图3a示出了第一种环氧化物化合物的化学结构(式i)，该第一种环氧化物化合物适合用作用于形成外涂层材料前体的交联剂(cross
‑
linker)。
38.图3b示出了第二种环氧化物化合物的化学结构(式ii)，该第二种环氧化物化合物适合用作用于形成外涂层材料前体的交联剂。
39.图3c示出了第三种环氧化物化合物的化学结构(式iii)，该第三种环氧化物化合物适合用作用于形成外涂层材料前体的交联剂。
40.图3d示出了第四种环氧化物化合物的化学结构(式iv)，该第四种环氧化物化合物适合用作用于形成外涂层材料前体的交联剂。
41.图4a是示出对于使用根据式i的交联剂形成的外涂层材料，在电磁光谱的可见光区内的吸收％的标绘图(plot)。
42.图4b是示出对于使用根据式i的交联剂形成的外涂层材料，在em光谱的可见光区内的雾度％的标绘图。
43.图5a是示出对于使用根据式ii的交联剂形成的外涂层材料，在电磁光谱的可见光区内的吸收％的标绘图。
44.图5b是示出对于使用根据式ii的交联剂形成的外涂层材料，在em光谱的可见光区内的雾度％的标绘图。
45.图6a是包围用户面部的代表性增强现实/虚拟现实(ar/vr)可穿戴显示系统的透视图。
46.图6b是图6a的代表性ar/vr系统的简化框图。
47.详细描述
48.下面的描述是为了使本领域技术人员能够制作和使用本公开而提出，并且是在特定应用及其要求的背景下提供的。对所公开的实施例的各种修改对于本领域技术人员来说
将是明显的，并且在不脱离本公开的范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。因此，本公开不旨在限于所公开的实施例，而是符合与本文公开的原理和特征一致的最宽范围。相似的附图标记表示相似的元件。
49.现在参考图1a，示出了根据实施例的表面浮雕衍射光栅组件100形式的光学部件，具体地是成像波导的简图。光栅组件100包括衬底102、包含第一衍射光学元件106(输入光栅)和第二衍射光学元件108(用于将图像光耦合出去的输出光栅)的第一光栅形成层104，以及可选地包含第三衍射光学元件109(用于重定向图像光的第二光栅)的第二光栅形成层105。衬底102具有基本平坦的第一表面110和基本平行于第一平坦表面110的基本平坦的第二表面112。衬底102是波导的，这意味着入射到第一衍射光学元件106上的光可以耦合到衬底102中并在衬底102内朝着第二衍射光学元件108和第三衍射光学元件109传播，使得所述传播的光可以通过全内反射(tir)被限制在衬底102内。图1a所示类型的倾斜光栅可以用于将光耦合到光波导中，因为它们在某一衍射级中具有高效率。在一些实施例中，第一衍射光学元件106、第二衍射光学元件108和第三衍射光学元件可以直接形成在衬底102的材料中。
50.光栅组件100还包括外涂层材料层114，该外涂层材料层114设置在第二衍射光学元件108和第三衍射光学元件109的槽(groove)的顶部和该槽内。然而，外涂层材料层114没有设置在第一衍射光学元件106(输入光栅)的槽的顶部或该槽内。各种有机、无机和混合有机/无机材料可用于形成图1a所示波导组件中的外涂层材料层114。
51.现在参考图1b，示出了根据实施例的表面浮雕衍射光栅组件150形式的另一个光学部件，具体是成像波导的简图。光栅组件150包括衬底102、包含第一衍射光学元件106(输入光栅)和第二衍射光学元件108(输出光栅)的光栅形成层104。衬底102具有基本平坦的第一表面110和基本平行于第一平坦表面110的基本平坦的第二表面112。衬底102是波导的，这意味着照射在第一衍射光学元件106上的光可以耦合到衬底102中并在衬底102内向第二衍射光学元件108传播，使得所述传播的光可以通过全内反射(tir)被限制在衬底102内。图1b所示类型的倾斜光栅可以用于将光耦合到光波导中，因为它们在某一衍射级中具有高效率。在一些实施例中，第一衍射光学元件106和第二衍射光学元件108可以直接形成在衬底102的材料中。
52.光栅组件150还包括外涂层材料层114，该外涂层材料层114设置在第二衍射光学元件108的槽的顶部和该槽内。然而，外涂层材料层114没有设置在第一衍射光学元件106(输入光栅)的槽的顶部或该槽内。各种有机、无机和混合有机/无机材料可用于形成图1b所示波导组件中的外涂层材料层114。
53.在图1a和图1b所示的具体示例中，衬底102是平面平行衬底。可选地，光学部件的衬底具有不同于平面平行几何形状，例如衬底是弯曲的或柔性的。
54.从各种可能的材料类别中的可用化合物中选择用于在图1a和图1b所示的波导组件中形成外涂层的特定外涂层前体材料，应当考虑许多特性，这些特性决定了特定外涂层前体材料是否能够形成具有特定应用所需特性的外涂层。更具体地说，特定外涂层前体材料的选择应至少考虑以下特性。
55.(i)可交联的
‑
外涂层前体材料应该是可交联的。一般来说，交联是在合适的溶剂中，通过由辐射、加热、压力或ph变化等引发的共价键将两个或更多个分子化学连接的过程。交联的材料变得不溶于溶剂，并且通常还耐受可能在后续步骤中使用的其他溶剂。
56.(ii)良好的间隙填充属性
‑
外涂层前体材料还应完全填充表面浮雕光栅结构内的空间(即脊之间的槽)。在图1a和图1b所示的具体示例中，光栅是纵横比高达10:1的倾斜光栅，并且可以具有小至约30nm的最小特征尺寸。外涂层前体材料不应在光栅结构的槽内留下未填充的空隙空间(void space)，以便确保最终的外涂层不包含任何这种不期望的空隙空间。材料的间隙填充属性至少部分地由施加步骤中施加的溶液的粘度以及表面能属性和施加方法本身决定。例如，如果衬底非常亲水，而外涂层前体材料非常疏水，则存在表面能失配，并且外涂层前体材料可能无法很好地填充表面浮雕光栅的槽。
57.(iii)低雾度
‑
成品光学部件中的外涂层材料应在电磁光谱的可见光区(例如在400nm和700nm之间)表现出低雾度。更具体地，对于高达约1μm的薄膜厚度，外涂层材料应该具有小于1％的雾度，优选地在0％和0.5％之间的雾度，且更优选地小于0.2％的雾度。
58.(iv)低吸收性
‑
成品光学部件中的外涂层材料在电磁光谱的可见光区(例如400nm至700nm)应该是光学透明的。更具体地说，对于高达约1μm的薄膜厚度，外涂层材料的特征应该是在可见光区有0％至1％的吸收，优选地在可见光区有0％至0.5％的吸收，且更优选地在可见光区有0％至0.25％的吸收。
59.(v)热稳定性
‑
成品光学部件中的外涂层材料应在后续工艺步骤中保持热稳定性。例如，外涂层材料应在25℃至200℃的范围内的温度，且优选地在25℃至250℃的范围内的温度热稳定高达至少一小时。
60.(vi)相容的蚀刻化学物质
‑
如果需要任何回蚀来修整沉积的外涂层材料的厚度，则蚀刻化学物质不应损坏输入光栅，该输入光栅没有外涂层材料设置在其顶部并因此被暴露。
61.(vii)折射率(ri)
‑
在500nm处，成品光学部件中的外涂层材料的ri优选地在1.40至1.80的范围内。
62.除了如上所述的特性(i)
‑
(vii)之外，成品外涂层结构的顶面应该具有高度的平坦化。也就是说，顶面应该没有波纹和其他不平整性。在成品外涂层结构中实现的平坦化程度主要是用于沉积或施加外涂层前体材料的工艺(而不是材料本身的属性)的函数。通常，旋涂导致良好的平坦化。明显的是，最初通过旋涂形成的外涂层材料层可以比期望的最终厚度厚，然后可以以可控的方式向下回蚀到期望的厚度，导致良好的平坦化。相比之下，原子层沉积(ald)是一种非常保形的(conformal)技术，因此成品外涂层结构的平坦化程度可能非常低，因为衬底上存在的任何不平整性都会导致顶面上的波纹。
63.图2示出了用于形成如图1a所示的表面浮雕衍射光栅组件的示例性工艺的步骤，其中外涂层材料层设置在其输出光栅的槽的顶部和该槽内，以及第二光栅的槽的顶部和该槽内。同一示例性工艺同样适用于形成如图1b所示的表面浮雕衍射光栅组件，其中外涂层材料层设置在其输出光栅的槽的顶部和该槽内。
64.更具体地，示例性工艺基于旋涂技术。该工艺的第一步是提供具有表面浮雕输入和输出光栅的未涂覆波导。例如，表面浮雕输入和输出光栅是具有高达约10:1的纵横比和约30nm的最小特征尺寸的倾斜光栅。在该特定示例中，第二光栅由衬底支撑，与输出光栅相对。
65.接下来，将包含外涂层前体材料的外涂层制剂施加到整个波导表面上，并且使得外涂层前体材料填充输入和输出光栅中的脊之间的间隙以及第二光栅的脊之间的间隙，从
而在衬底上形成具有大致均匀的初始厚度的层。上面已经详细讨论了选择合适的外涂层前体材料的具体考虑或标准。此外，下面列出了优选的外涂层前体材料的几个具体的且非限制性的示例，以及在选择合适的外涂层前体材料时也可以考虑的几类一般的化合物。除了外涂层前体材料之外，外涂层制剂还包括至少一种溶剂和引发剂，例如光酸产生剂(pag)。可选地，外涂层制剂包括额外的成分，例如被选择用于增强交联的成分(例如敏化剂(sensitizer))和/或在外涂层材料中提供增强性能的成分。
66.在一个具体的且非限制性的示例中，在旋涂步骤中施加外涂层制剂，并且外涂层前体材料是具有环氧化物官能团的材料。可选地，进行涂覆后(软)烘烤以蒸发旋涂溶剂。进一步可选地，在该步骤中施加的外涂层前体材料的层厚度可以大于期望的最终层厚度。在随后的步骤中，可以回蚀涂覆的涂层，以提供期望的层厚度和表面质量。
67.在下一步骤中，在输入光栅上施加掩模，并用特定波长范围内的电磁辐射照射被掩蔽的组件，以引发外涂层前体材料的交联。在一个实施例中，电磁辐射在电磁光谱的紫外(uv)区域内。例如，如上所述，在包含例如三苯基硫三氟甲烷磺酸盐(triphenyl sulfonium triflate)的光酸产生剂(pag)的溶液中旋涂外涂层前体材料。光酸是在吸收具有特定波长的光时变得更酸性的分子，诸如例如通过质子光解离。在照射时，pag经历光解离，并且在该特定和非限制性的实例中，打开外涂层前体材料的环氧化物环。然后外涂层前体材料开始交联并形成外涂层结构。
68.然后使用显影液(developer solution)执行曝光后烘烤和显影步骤，该步骤选择性地去除由于掩模而没有暴露于uv光的外涂层前体材料——特别是输入光栅的槽的顶部和该槽内的前体材料。相反，输出光栅的顶部和输出光栅内的交联材料以及第二光栅的顶部和第二光栅内的交联材料不溶于显影液，因此在该步骤中不被去除。
69.上面讨论的工艺使用旋涂将外涂层前体材料施加到衬底上。然而，可以预见，可以使用其他合适的涂覆技术来代替旋涂。例如，外涂层前体材料可以选择性地喷射到输出光栅和第二光栅上以及输出光栅和第二光栅内，或者外涂层前体材料可以使用ald在输出光栅和第二光栅的顶部以及输出光栅和第二光栅内逐层构建。一般来说，参考图2描述的旋涂方法优于ald和其他方法，因为旋涂可以相对快速地进行，即使在纵横比高达至少约10:1且最小特征尺寸约为30nm的倾斜光栅结构中也能获得良好的间隙填充结果，并且还能实现良好的平坦化。相比之下，ald是耗时的，并且在间隙填充步骤期间很难消除空隙，尤其是当光栅处于大角度时。此外，ald倾向于非常保形，因此衬底上的任何不平整性也表现为外涂层结构顶部上的波纹。
70.现在参考图3a
‑
图3d，示出了根据一个实施例的适合用作用于形成外涂层的前体材料的化合物的具体和非限制性的实例。
71.式i(9,9双(4
‑
缩水甘油氧基苯基)芴)和式ii(聚(2
‑
乙烯基萘
‑
r
‑
甲基丙烯酸缩水甘油酯))是有机可交联分子的具体实例，它们分别具有图3a和图3b所示的化学结构。合适的可交联分子的其他实例可以通过用芳族、硫代芳族基团、脂族基团、环脂族基团、卤素基团或硫代脂族基团、杂芳族基团或其组合取代式i或式ii中的至少一些氢基团来获得。
72.式iii(缩水甘油多面体低聚倍半硅氧烷)和式iv(环氧环己基乙基聚倍半硅氧烷)是杂化分子的具体实例，它们分别具有图3c和图3d所示的化学结构。这些化合物中的每一种都具有一般结构：
[0073][0074]
其包含在核心的无机倍半硅氧烷和附接在笼的拐角的有机r基团，其中在式iii中r是缩水甘油基基团，并且在式iv中r是环氧环己基基团。在上面所示的一般结构中，无机硅倍半氧烷核的笼具有八个si顶点，然而具有六个、十个或十二个si顶点的化合物也是已知的，并且可以是外涂层前体材料的合适的候选物。
[0075]
对应于式iii或式iv的化合物或另一种倍半硅氧烷材料诸如例如聚甲基倍半硅氧烷(pmsq)或聚苯基倍半硅氧烷(ppsq)在光酸产生剂的存在下和在曝光后烘烤后的交联表现出优点，因为无机材料倾向于更热稳定和更不容易泛黄。当然，表现出类似的热稳定性和耐泛黄性的有机材料可能同样合适。
[0076]
如上文所讨论的，在500nm处，成品光学部件中的外涂层材料的折射率优选地在1.40和1.80之间的范围内。如下表1中所示，由具有式i、式ii、式iii和式iv中的每一种的前体材料制成的外涂层的折射率落在优选的范围内。
[0077]
表1：由对应于式i至式iv的前体材料制成的外涂层材料的折射率。
[0078]
前体材料结构式#折射率i1.64ii1.67iii1.5iv1.52
[0079]
测量了由具有式i和式ii的前体材料制成的外涂层的吸收％和雾度％。图4a和图4b分别示出了对于由对应于式i的前体材料形成的外涂层材料，在电磁(em)光谱的可见光区(400nm
‑
700nm)内的吸收％相对于波长和雾度％相对于波长的标绘图。类似地，图5a和图5b分别示出了对于由具有式ii的前体材料形成的外涂层材料，在电磁(em)光谱的可见光区(400nm
‑
700nm)内的吸收％相对于波长和雾度％相对于波长的标绘图。在这两种情况下，测得的吸收％和雾度％都在上文讨论的范围内。特别地，在每种情况下，吸收％小于约1％，并且雾度％小于0.2％。如将明显的是，与由具有式i的前体材料制成的外涂层材料相比，对于由具有式ii的前体材料制成的外涂层材料，吸收％和雾度％值较低。
[0080]
具有环氧化物官能团的化合物只是一种类型的合适的外涂层前体材料，所述化合物已经在上文参考具体实例进行了讨论。可以使用多种其他可交联化学体系来代替，包括但不限于以下实例：
[0081]
·
加载纳米颗粒的制剂诸如例如uv可固化纳米颗粒氧化锆(zno2)是另一类适合用作外涂层材料的材料。纳米颗粒氧化锆材料对em光谱的蓝色端具有高透明度，高阿贝数，并且因此具有低的波长依赖性和良好的可靠性。
[0082]
·
在包含powderlink 1174
tm
(四(甲氧基甲基)甘脲交联剂)的溶液中具有光不稳定基团的醇。
[0083]
·
光聚合光致抗蚀剂是一种熟知的光致抗蚀剂，通常用于负性光致抗蚀剂，这是又另一类适合用作外涂层材料的材料。包含丙烯酸酯(例如甲基丙烯酸甲酯)或其他合适的单体和低聚物以及可能适当的敏化剂的溶液可以在暴露于例如紫外光时聚合以形成外涂层材料。
[0084]
·
非化学计量硫醇烯(oste)聚合物是又另一类适合用作外涂层材料的材料。oste聚合物包含硫醇和烯丙基的非化学计量共混物。在完全聚合后，通常通过uv微模塑，聚合物制品在表面上和在本体中都包含明确定义的数量的未反应的硫醇或烯丙基基团。可以加入环氧单体以形成三元硫醇
‑
烯
‑
环氧单体体系(oste )，其中环氧在第二步中与过量的硫醇反应，产生完全惰性的最终聚合物制品。
[0085]
·
乙烯基醚也可以用于形成外涂层材料，但与上文讨论的其他实例相比，它更难以使用。
[0086]
实施例1
‑4[0087]
以下具体和非限制性的实施例描述了使用具有式i、式ii和式iii的前体材料用于生产外涂层的合成条件。
[0088]
实施例1
‑
使用9,9
‑
双(4
‑
缩水甘油氧基苯基)芴(bgpf)(式i)配制光成像外涂层。
[0089]
将0.5g的bgpf溶解于在装备有磁力搅拌棒的10ml玻璃瓶中的4.5g的丙二醇单甲醚乙酸酯(pgmea)中。向该溶液中加入5wt％(相对于bgpf)的在碳酸丙烯酯(极性非质子溶剂)中的三芳基硫鎓六氟磷酸盐(用于开环聚合的光活化的酸性催化剂)。将所得的溶液以1500rpm旋涂在未涂底漆的si晶片衬底上持续30秒，并在110℃烘烤持续60秒以除去溶剂。然后将膜部分地暴露于宽带uv光持续60秒，随后在150℃进行曝光后烘烤(peb)持续60秒。然后用pgmea冲洗所得的膜，以除去未曝光的区域。图案化的膜的折射率在500nm被测量为1.64。
[0090]
实施例2
‑
聚(2
‑
乙烯基萘
‑
r
‑
甲基丙烯酸缩水甘油酯)p(2vn
‑
r
‑
gma)共聚物(式ii)的合成。
[0091]
将1.0g(6.48mmol)的2
‑
乙烯基萘(2vn)、0.10g(0.72mmol)的甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)、47.3mg(0.288mmol)的偶氮二异丁腈(abin)和10.0g的甲苯加入到装备有磁力搅拌棒、冷凝器和氮气入口的3颈100ml圆底烧瓶中。用氮气吹扫反应混合物持续10分钟，并在70℃的油浴中放置持续18小时。在反应结束时，允许烧瓶冷却至室温，并且使反应混合物在200ml的甲醇中沉淀。将聚合物收集在玻璃料漏斗中，并在真空下干燥。将所得的聚合物重新溶解在四氢呋喃(thf)中，并在甲醇中重新沉淀。重复该过程两次以获得白色聚合物粉末。
[0092]
实施例3
‑
用实施例2的聚合物(式ii)配制光成像外涂层。
[0093]
将在4.5g的环己酮中的0.5g来自实施例2的聚合物加入到装备有磁力搅拌棒的10ml玻璃小瓶中。向该溶液中加入1wt％(相对于来自实施例2的聚合物)的在碳酸丙烯酯中的三芳基硫鎓六氟磷酸盐。将所得的溶液以1500rpm旋涂在未涂底漆的si晶片衬底上持续30秒，并在110℃烘烤持续60秒以除去溶剂。然后将薄部分地暴露于宽带uv光持续60秒，随后在150℃进行曝光后烘烤持续60秒。然后用环己酮冲洗所得的膜，以除去未曝光的区域。图案化的膜的折射率在500nm下被测量为1.67。
[0094]
实施例4
‑
用缩水甘油多面体低聚倍半硅氧烷(gposs)(式iii)配制光成像外涂层
[0095]
将0.5g的gposs(来自hybrid plastics的ep0409)溶解于在装备有磁力搅拌棒的10ml玻璃小瓶中的4.5g的pgmea中。向该溶液中加入5wt％(相对于gposs)的在碳酸丙烯酯中的三芳基硫鎓六氟磷酸盐。将所得的溶液以1500rpm旋涂在未涂底漆的si晶片衬底上持续30秒，并在110℃烘烤持续60秒以除去溶剂。然后将膜部分地暴露于宽带uv光持续60秒，随后在150℃进行曝光后烘烤(peb)持续60秒。然后用pgmea冲洗所得的膜，以除去未曝光的区域。图案化的膜的折射率在500nm被测量为1.50。
[0096]
现在参考图6a，示出了适用于表面浮雕衍射光栅100或150的hmd600的透视图，该表面浮雕衍射光栅100或150具有设置在输出光栅108的槽的顶部和该槽内的外涂层材料层114，如果存在的话，还设置在第二光栅109的槽的顶部和该槽内。更具体地说，hmd 600是ar/vr可穿戴显示系统的示例，该系统包围用户的面部，以便更大程度地沉浸在ar/vr环境中。hmd 600的功能是用计算机生成的图像来增强物理、真实世界环境的视图，和/或生成完全虚拟的3d图像。hmd 600可以包括前主体602和带604。前主体602被配置为以可靠和舒适的方式放置在用户的眼睛前面，以及带604可以被拉伸以将前主体602固定在用户的头上。显示系统608可以布置在前主体602中，用于向用户呈现ar/vr图像。前主体602的侧面610可以是不透明的或透明的。
[0097]
在一些实施例中，前主体602包括定位器612、用于跟踪hmd 600的加速度的惯性测量单元(imu)614以及用于跟踪hmd 600的位置的位置传感器616。imu 614是基于从一个或更多个位置传感器616接收的测量信号来生成指示hmd 600的位置的数据的电子设备，位置传感器616响应于hmd 600的运动生成一个或更多个测量信号。位置传感器616的示例包括：一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于imu 614的误差校正的一类传感器或者其某种组合。位置传感器616可以位于imu 614的外部、imu614的内部或者这两种位置的某种组合。
[0098]
定位器612由虚拟现实系统的外部成像设备跟踪，使得虚拟现实系统可以跟踪整个hmd 600的定位和定向。可以将由imu 614和位置传感器616生成的信息与通过跟踪定位器612获得的位置和定向进行比较，以提高hmd 600的位置和定向的跟踪准确性。当用户在3d空间中移动和转动时，精确的位置和取向对于向用户呈现适当的虚拟场景是重要的。
[0099]
hmd 600还可以包括深度相机组件(dca)618，其捕获描述围绕hmd600的部分或全部的局部区域的深度信息的数据。为此，dca 618可以包括激光雷达(lidar)或类似设备。可以将深度信息与来自imu 614的信息进行比较，以便更准确地确定hmd 600在3d空间中的位置和定向。
[0100]
hmd 600还可以包括眼睛跟踪系统620，用于实时地确定用户眼睛的定向和位置。所获得的眼睛的位置和定向还允许hmd 600确定用户的凝视方向，并相应地调整由显示系统608生成的图像。在一个实施例中，确定辐辏(vergence)，即用户眼睛凝视的会聚角度(convergence angle)。取决于视角和眼睛位置，所确定的凝视方向和辐辏角度也可用于视觉伪像的实时补偿。此外，所确定的辐辏和凝视角度可用于与用户交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指针等。还可以提供音频系统，包括例如内置在前主体602中的一组小扬声器(未示出)。
[0101]
参考图6b，ar/vr系统650包括图6a的hmd 600、外部控制台652和输入/输出(i/o)接口654，外部控制台652存储各种ar/vr应用、设置和校准程序、3d视频等，输入/输出(i/o)
接口654用于操作控制台652和/或与ar/vr环境交互。hmd 600可以用物理电缆“拴(tether)”到控制台652上，或者经由诸如wi
‑
fi等的无线通信链路连接到控制台652。可以有多个hmd 600，每个hmd 600具有相关联的i/o接口654，其中每个hmd 600和i/o接口654与控制台652通信。在替代配置中，ar/vr系统650中可以包括不同的和/或附加的部件。此外，在一些实施例中，结合图6a和图6b所示的一个或更多个部件描述的功能可以以不同于结合图6a和图6b描述的方式分布在部件中。例如，控制台652的一些或全部功能可以由hmd 600提供，反之亦然。hmd 600可以设置有能够实现这种功能的处理模块。
[0102]
如上面参考图6a所述，hmd 600可以包括用于跟踪眼睛位置和定向，确定凝视角度和会聚角度等的眼睛跟踪系统620(图6b)、用于确定hmd600在3d空间中的位置和定向的imu 614、用于捕获外部环境的dca 618、用于独立确定hmd 600的位置的位置传感器616、以及用于向用户显示ar/vr内容的显示系统608。显示系统608包括(图6b)电子显示器656。显示系统608还包括光学块658，其功能是将电子显示器656生成的图像传送给用户的眼睛。光学块可以包括各种透镜，例如折射透镜、菲涅尔透镜、衍射透镜、有源或无源pancharatnam
‑
berry相位(pbp)透镜、液体透镜、液晶透镜等。光瞳复制波导，例如图1a的波导100或图1b的波导150，包括本文描述的光栅结构和涂层。显示系统608还可以包括变焦模块660，变焦模块660可以是光学块658的一部分。变焦模块660的功能是调节光学块658的焦点，以例如补偿视觉辐辏调节冲突(vergence
‑
accommodation conflict)、校正特定用户的视觉缺陷、抵消光学块658的像差等。
[0103]
i/o接口654是允许用户发送动作请求并从控制台652接收响应的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束图像或视频数据的捕获的指令，或者是在应用内执行特定动作的指令。i/o接口654可以包括一个或更多个输入设备，例如键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将动作请求传送到控制台652的任何其他合适的设备。由i/o接口654接收的动作请求被传送到控制台652，控制台652执行对应于动作请求的动作。在一些实施例中，i/o接口654包括imu，其捕获指示相对于i/o接口654初始位置的i/o接口654估计位置的校准数据。在一些实施例中，i/o接口654可以根据从控制台652接收的指令来向用户提供触觉反馈。例如，当动作请求被接收到时，或者当控制台652向i/o接口654传送指令——所述指令使i/o接口654在控制台652执行动作时生成触觉反馈——时，触觉反馈可以被提供。
[0104]
控制台652可以向hmd 600提供内容，以根据从imu 614、dca 618、眼睛跟踪系统620和i/o接口654中的一个或更多个接收的信息进行处理。在图6b所示的示例中，控制台652包括应用储存器662、跟踪模块664和处理模块666。控制台652的一些实施例可以具有不同于结合图6b描述的模块或部件的模块或部件。类似地，下面进一步描述的功能可以以不同于结合图6a和图6b描述的方式分布在控制台652的部件当中。
[0105]
应用储存器662可以存储用于由控制台652执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以响应于经由hmd 600的移动或i/o接口654而从用户接收的输入。应用的例子包括：游戏应用、演示和会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
[0106]
跟踪模块664可以使用一个或更多个校准参数来校准ar/vr系统650，并且可以调整一个或更多个校准参数以减少hmd 600或i/o接口654的位置确定中的误差。由跟踪模块
664执行的校准还考虑了从hmd 600中的imu 614和/或被包括在i/o接口654中的imu(如果有的话)接收的信息。另外，如果hmd 600的跟踪丢失，则跟踪模块664可以重新校准ar/vr系统650的部分或全部。
[0107]
跟踪模块664可以跟踪hmd 600或i/o接口654的移动、imu 614或其某种组合。例如，跟踪模块664可基于来自hmd 600的信息来确定hmd600的参考点在局部区域的映射中的位置。跟踪模块664也可以分别地使用来自imu 614的指示hmd 600的位置的数据或者使用来自被包括在i/o接口654中的imu的指示i/o接口654的位置的数据，来确定hmd 600的参考点或者i/o接口654的参考点的位置。另外，在一些实施例中，跟踪模块664可以使用来自imu 614的指示hmd 600的位置的数据部分以及来自dca 618的局部区域的表示来预测hmd 600的未来定位。跟踪模块664向处理模块666提供hmd 600或i/o接口654的估计的或预测的未来位置。
[0108]
处理模块666可以基于从hmd 600接收的信息生成围绕hmd 600的部分或全部的区域(“局部区域”)的3d映射。在一些实施例中，处理模块666基于从dca 618接收的与在计算深度时使用的技术相关的信息来确定用于局部区域的3d映射的深度信息。在各种实施例中，处理模块666可以使用深度信息来更新局部区域的模型，并且部分地基于更新的模型来生成内容。
[0109]
处理模块666在ar/vr系统650内执行应用，并从跟踪模块664接收hmd 600的位置信息、加速度信息、速度信息、所预测的未来位置或其某种组合。基于接收到的信息，处理模块666确定要提供给hmd 600用于向用户呈现的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则处理模块666为hmd 600生成反映(mirror)用户在虚拟环境中或在用附加内容增强局部区域的环境中的移动的内容。另外，处理模块666响应于从i/o接口654接收的动作请求来执行在控制台652上执行的应用内的动作，并且向用户提供动作被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由hmd600的视觉或听觉反馈或者经由i/o接口654的触觉反馈。
[0110]
在一些实施例中，基于从眼睛跟踪系统620接收的眼睛跟踪信息(例如，用户眼睛的定向)，处理模块666确定提供给hmd 600用于在电子显示器656上呈现给用户的内容的分辨率。处理模块666可以向hmd 600提供内容，该内容在电子显示器656上在用户凝视的中央凹区(foveal region)中具有最大像素分辨率。处理模块666可以在电子显示器656的其他区域中提供较低的像素分辨率，从而减少ar/vr系统650的功耗并节省控制台652的计算资源，而不会损害用户的视觉体验。在一些实施例中，处理模块666可以进一步使用眼睛跟踪信息来调整对象在电子显示器656上的显示位置，以防止视觉辐辏调节冲突和/或抵消光学失真和像差。
[0111]
在本公开中，应当理解，除非暗示或明确地理解或另有说明，以单数形式出现的单词包含其复数对应物，并且以复数形式出现的单词包含其单数对应物。例如，除非上下文另有说明，诸如“一个(a)”或“一个(an)”的单数指代意味着“一个或更多个”。此外，应当理解，除非暗示或明确地理解或另有说明，对于本文描述的任何给定部件或实施例，为该部件列出的任何可能的候选物或替代物通常可以单独使用或彼此组合使用。此外，应当理解，除非暗示或明确地理解或另有说明，这种候选物或替代物的任何列表仅仅是说明性的，而不是限制性的。还应当理解，在适当的情况下，为了便于理解，在附图的几个视图中，相同的附图标记可以指代相应的部分。
[0112]
在本说明书的整个描述和权利要求中，词语“包含(comprise)”、“包括(including)”、“具有(having)”和“包含(contain)”以及词语的变体，例如“包含(comprising)”和“包含(comprises)”等表示“包括但不限于”，并不打算(且不)排除其他部件。
[0113]
应当理解，可以对本公开的前述实施例进行变化，同时仍然落入本公开的范围内。除非另有说明，否则本说明书中公开的每个特征可以由用于相同、等同或类似目的的替代特征来代替。因此，除非另有说明，所公开的每个特征仅仅是一系列等同或类似特征的一个例子。
[0114]
本文中提供的任何和所有示例或示例性语言(“例如(for instance)”、“诸如(such as)”、“例如(for example)”、“如(e.g.)”和类似语言)的使用仅旨在更好地说明本公开，而不表示对本公开范围的限制，除非另有要求。
[0115]
本说明书中描述的任何步骤可以以任何顺序或同时执行，除非另有说明或上下文另有要求。
[0116]
本说明书中公开的所有特征可以以任何组合进行组合，除了至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥的组合。特别地，本公开的优选特征适用于本公开的所有方面和实施例，并且可以以任何组合使用。同样，在非必要组合中描述的特征可以单独使用(不组合使用)。