CN111279225A - 图案化光学延迟器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种图案化光学延迟器，图案化光学延迟器包括具有相应第一主表面和第二主表面的非重叠的第一区域(21)和第二区域(27)，相应第一主表面和第二主表面具有不同的RMS表面粗糙度。对于在约400nm至约1000nm波长范围上的基本上垂直入射的光，图案化光学延迟器在相应的第一区域和第二区域中具有不同的延迟。

Description

图案化光学延迟器及其制作方法

背景技术

光学系统可利用反射偏振器、部分反射器和相位延迟器。此类光学系统可用于头戴式显示器。

发明内容

在一个方面，本公开涉及一种图案化光学延迟器，该图案化光学延迟器包括具有相应第一主表面和第二主表面的非重叠的第一区域和第二区域，该相应第一主表面和第二主表面具有不同的RMS表面粗糙度。对于在约400nm至约1000nm波长(λ)范围上的基本上垂直入射的光，该图案化光学延迟器在相应的第一区域和第二区域中具有不同的延迟。

在另一方面，本公开涉及一种光学元件，该光学元件包括具有图案化光学延迟器的光学部件。该图案化光学延迟器包括具有相应第一主表面和第二主表面的非重叠的第一区域和第二区域，该相应第一主表面和第二主表面具有不同的RMS表面粗糙度。对于在约400nm至约1000nm波长(λ)范围上的基本上垂直入射的光，该图案化光学延迟器在相应的第一区域和第二区域中具有不同的延迟。

在另一方面，本公开涉及一种用于制作光学元件的方法。在对于在约400nm至约1000nm的预定波长λ上的基本上垂直入射的光具有基本上均匀的延迟δ并且包括表面的聚合物光学延迟器层中，该方法包括蚀刻所述表面的至少一个第一区域，使得该聚合物光学延迟器层在所述表面的至少一个第一区域中具有与δ的非零延迟差异θ；以及使该聚合物光学延迟器层适形于光学部件的表面。

在另一方面，本公开涉及一种用于制作光学元件的方法。该方法包括施加第一掩模以覆盖聚合物光学延迟器层的第一区域，对于在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ上的基本上垂直入射的光，该聚合物光学延迟器层具有基本上均匀的延迟δ；反应性离子蚀刻该聚合物光学延迟器层的表面，使得该聚合物光学延迟器层的未被第一掩模覆盖的第二区域具有不同于第一区域的光学厚度的光学厚度以及小于第一区域的延迟δ的延迟差异θ；以及使该聚合物光学延迟器层适形于光学部件的表面。

在另一方面，本公开涉及一种用于制作光学元件的方法。该方法包括提供聚合物膜，该聚合物膜具有光学表面，该光学表面被配置为接收在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ的光，该光学表面由以下限定：纵轴和横轴、第一纵向区段以及第二纵向区段，该纵轴和横轴限定在顺时针方向上按顺序编号的四个笛卡尔象限，该第一纵向区段基本上居中于该纵轴上并且该第二纵向区段基本上居中于该横轴上，该第一纵向区段和该第二纵向区段各自在该光学表面的相对边缘上延伸，其中对于基本上垂直入射的光，该第一纵向区段和该第二纵向区段各自具有相同的基本上均匀的延迟δ；以及反应性离子蚀刻该聚合物膜的表面以形成四个离散的延迟器区段，每个延迟器区段设置在该光学表面的相应笛卡尔象限上，其中每个离散的延迟器区段具有不同于第一纵向区段和第二纵向区段的光学厚度的光学厚度以及大于零的与δ的延迟差异θ。

在另一方面，本公开涉及一种用于制作光学元件的方法。该方法包括提供聚合物膜，该聚合物膜具有光学表面，所述光学表面被配置为接收在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ的光，所述光学表面包括非重叠的中心区域以及第一边缘区域和第二边缘区域，该第一边缘区域和该第二边缘区域设置在该中心区域的相应第一边缘和第二边缘处或附近；反应性离子蚀刻该表面，使得对于在该波长范围内的至少一个波长λ₀：对于基本上垂直入射的光，中心区域具有基本上等于δ的平均延迟，第一边缘区域具有基本上等于δ+ξ的平均延迟，并且第二边缘区域具有基本上等于δ–ξ的平均延迟，其中对于整数n，λ₀(n+1/8)≤δ≤(n+1/2)且δ/50≤ξ≤δ/2。

在另一方面，本公开涉及一种用于制作光学元件的方法。该方法包括在聚合物光学延迟器层的表面的第一区域上施加涂层，其中对于在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ上的基本上垂直入射的光，该光学延迟器层具有基本上均匀的延迟δ；反应性离子蚀刻第一区域，使得第一区域在该预定波长范围上的延迟大于未被该涂层涂覆的第二区域的延迟；以及使该聚合物光学延迟器层适形于光学部件的表面，其中该光学部件的表面具有非零屈光度。

本发明的一个或多个实施方案的细节在以下附图和说明书中示出。从说明书和附图以及从权利要求中将显而易见本发明的其它特征、目的和优点。

附图说明

图1是根据本公开的光学延迟器的实施方案的示意性剖视图。

图2A是根据本公开的具有不均匀的延迟的光学延迟器的示意性剖视图。

图2B是其上施加有附加层的图2A的光学延迟器的示意性剖视图。

图3是可用于制作本公开的图案化光学延迟器的蚀刻装置的实施方案的示意图。

图4A至图4C是用于制作图案化光学延迟器且包括一系列蚀刻步骤和掩蔽步骤的过程的示意性俯视图。

图5A至图5D是图案化延迟器层的各种实施方案的示意性俯视图。

图6A至图6D是图案化光学延迟器和具有各种形状的离散延迟器区域的示意性俯视图。

图7是结合本公开的图案化光学延迟器的光学系统的实施方案的示意性剖视图。

图8是实施例1的图案化光学延迟器的光学延迟的图。

图9A至图9B是实施例1的图案化光学延迟器的平均表面粗糙度和RMS表面粗糙度的图。

图10A是由原子力显微镜(AFM)拍摄的实施例1的图案化光学延迟器的未蚀刻表面的2μm×2μm区域的图像。

图10B是由AFM拍摄的实施例1的图案化光学延迟器的第一区域的2μm×2μm区域的图像，该第一区域被蚀刻30秒。

图10C是由AFM拍摄的实施例1的图案化光学延迟器的第二区域的2μm×2μm区域的图像，该第二区域被蚀刻60秒。

图11A是图10A的区域的谱线轮廓。

图11B是图10B的区域的谱线轮廓。

图11C是图10C的区域的谱线轮廓。

图11D是示出实施例1的图案化延迟器的总反射率和漫反射率的图。

图12A是由AFM拍摄的实施例2的图案化光学延迟器的未蚀刻表面的2μm×2μm区域的图像。

图12B是由AFM拍摄的实施例2的图案化光学延迟器的第一区域的2μm×2μm区域的图像，该第一区域被蚀刻30秒。

图12C是由AFM拍摄的实施例2的图案化光学延迟器的第二区域的2μm×2μm区域的图像，该第二区域被蚀刻60秒。

图13A是图12B和图12C的区域的部分的以nm为单位的平均直径的图。

图13B是图12B和图12C的区域的部分的以nm为单位的平均z范围的图。

图14A是图12B的区域的以μm²为单位的面积总和与直径的关系的图。

图14B是图12B的区域的以μm²为单位的面积总和与z范围的关系的图。

图15A是图12C的区域的以μm²为单位的面积总和与直径的关系的图。

图15B是图12C的区域的以μm²为单位的面积总和与z范围的关系的图。

图16是实施例2的图案化光学延迟器的平均表面粗糙度和RMS表面粗糙度的图。

在这些附图中，类似的符号表示类似的元件。

具体实施方式

光学系统包括光学元件诸如透镜、偏振器、屏幕等，每个光学元件均具有被配置为接收预定波长的光的至少一个光学表面。缺陷诸如例如光学系统中各个光学元件的制造差异或系统中部件之间的不对准，可导致误差诸如降低的亮度和对比度，并且降低光学性能。此外，这些光学元件的光学表面的曲率可不同地折射或反射光或者不期望地改变其偏振态，具体取决于光线在该表面上的入射区域或出射区域，或者光线在该表面上的入射角或出射角。

穿过该光学表面的选定区域的光线的光路可被配置为至少部分地补偿光学元件中的对准误差或曲率。例如，对于由具有选定折射率的材料制成的光学表面，该光学表面的较厚区域为在该区域中穿过光学部件的光线提供较长的光路，而较薄区域为在该区域中穿过光学部件的光线提供较短的光路。因此，光学表面的较厚区域相对于较薄区域延迟了穿越性光线的行进，并且在本专利申请中，较厚区域将被称为具有比较薄区域的光学延迟更大的光学延迟。通过使光学表面在一些区域中较厚并且在其他区域中较薄，可使光学部件的延迟不均匀，这可校正光学系统中存在的光学缺陷并且提供改善的光学性能。例如，将光学元件与被配置为使用空间上变化的不均匀延迟补偿不对准或表面曲率的光学表面的结合可增加光学系统的对比度，尤其是在头戴式显示器中使用的高度紧凑的“折叠”光学系统中。

假设将对于在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ上的基本上垂直入射的光具有基本上均匀的延迟δ的延迟器层用作起点，则改变该层的区域的延迟以具有不同于δ的延迟的一种合适技术需要将材料添加到该区域中的光学表面或从该区域中的光学表面移除，以调整光穿过该区域的光路。虽然可将许多不同的技术用于改变光学表面的区域的厚度，但应控制添加或移除材料的区域的表面特性，以防止入射在该区域上或穿过该区域的光产生不期望的损失。例如，为了防止入射在该区域上的光产生不期望的反射或吸收，该区域的表面粗糙度在整个区域上应相对均匀。

本公开涉及用于改变光学延迟器的光学表面以改变该表面的选定区域上的光学延迟、同时控制选定区域中的表面特性的方法。在一些实施方案中，所述用于改变表面的方法包括蚀刻光学表面的选定区域以从该表面移除材料从而降低该区域中的光学延迟，同时将该区域中的表面图案化以提供期望的漫反射率或镜面反射率。

参见图1，光学元件10的一部分包括具有主表面13的基板12。在不旨在进行限制的各种实施方案中，基板12为可用于显示设备的任何类型的光学部件，诸如透镜、反射偏振器或吸收偏振器、显示面板、一个或多个光学延迟器等。例如，基板12可为选自平凸、平凹、双凸、正弯月面、负弯月面、梯度折射率、菲涅耳以及它们的组合的透镜。在一些实施方案中，基板12的表面13具有会聚光或发散光的曲率，因此在本文中将被称为具有非零屈光度。在一些实施方案中，弯曲的主表面13围绕一个轴弯曲或者围绕两个正交轴弯曲。在一些实施方案中，主表面13可为标称平坦的，但可由于例如普通的制造变化而具有某个曲率，或者可具有从图像表面(例如，显示面板处)到光学系统的光阑表面的距离的至少10倍的曲率半径。基板12可由任何合适的透镜材料诸如丙烯酸、聚碳酸酯或玻璃制成。

预定波长范围为光学系统或显示系统被设计成在该范围内工作的波长范围，并且通常在约400nm至约1000nm范围内，或在可见光范围(400nm至700nm)内。又如，预定波长范围可包括一个或多个可见光波长范围。例如，预定波长范围可为多于一个窄波长范围的并集(例如，对应于显示面板的发光颜色的不相交的红色、绿色和蓝色波长范围的并集)。此类波长范围在美国专利申请公布2017/0068100(Ouderkirk等人)中进一步描述，该申请以引用方式并入本文。在一些实施方案中，预定波长范围包括其他波长范围(例如，红外(例如，近红外(约700nm至约2500nm))或紫外(例如，近紫外(约300nm至约400nm))以及可见光波长范围。

在一些实施方案中，基板12为反射偏振器，该反射偏振器被配置为基本上反射在预定波长处或在预定波长范围内具有第一偏振态的光并且基本上透射在预定波长处或在预定波长范围内具有正交第二偏振态的光。例如，如果在预定波长处或在预定波长范围内具有第一偏振态的光的至少60％透射穿过偏振器，则可以认为该反射偏振器基本上透射在预定波长处或在预定波长范围内具有第一偏振态的光。如果在预定波长处或在预定波长范围内具有第二偏振态的光的至少60％从反射偏振器反射，则可以认为该反射偏振器基本上反射在预定波长处或在预定波长范围内具有第二偏振态的光。

任何所述反射偏振器可为线性反射偏振器，该线性反射偏振器反射具有第一线性偏振态的光并且透射具有与第一线性偏振态正交的第二线性偏振态的光。例如，合适的反射偏振器包括聚合物多层光学膜和线栅偏振器。任何所述反射偏振器可为成形的(例如，热成形的)反射偏振器，诸如例如热成形聚合物多层光学膜。聚合物多层光学膜可包括多个交替的第一聚合物层和第二聚合物层。合适的聚合物多层反射偏振器在例如美国专利5,882,774(Jonza等人)和美国专利6,609,795(Weber等人)中有所描述。将反射偏振器形成复合曲线的方法在上文中以引用方式并入本文的美国专利申请公布2017/0068100(Ouderkirk等人)以及提交于2016年9月2日且其内容以不与本说明书矛盾的程度以引用方式并入本文的PCT申请US2016/050024(Ouderkirk等人)中有所描述。

在形成期间，光学膜被拉伸以适形于工具的形状。光学膜被拉伸是因为期望的形状为围绕两个正交的轴线弯曲。与此形成对比的是，光学膜将不需要被拉伸以适形于仅围绕一个轴弯曲的形状。形成过程可使光学膜在第一位置处基本上单轴取向(因为膜在形成期间在该位置处被沿取向方向拉伸)，但由于光学膜在形成时被拉伸而导致在第二位置处双轴取向。

基板12也可为部分反射器层，该部分反射器层在预定波长处或在预定波长范围内具有各自在30％至70％的范围内的平均光学反射率和平均光学透射率。例如，该部分反射器层可为半反射镜。除非另外指明，否则在预定波长范围内的平均光学反射率和平均光学透射率分别是指在垂直入射下确定的在预定波长范围内以及在光学反射率和光学透射率的偏振上的未加权平均值。除非另外指明，否则在预定波长处的平均光学反射率和平均光学透射率分别是指在垂直入射下确定的光学反射率和光学透射率的偏振的未加权平均值。

部分反射器层可为任何合适的部分反射器。例如，部分反射器层可通过将金属(例如，银或铝)的薄层涂覆在透明基板上(例如，可随后粘附到透镜上的膜，或者基板可为透镜)来构造。部分反射器层也可通过例如将薄膜电介质涂层沉积到透镜基板的表面上形成，或者通过将金属和电介质涂层的组合沉积在表面上来形成。在一些实施方案中，部分反射器层可为反射偏振器或者可具有偏振相关反射率。在一些示例中，部分反射器层为电介质部分反射器层。

在一些实施方案中，基板12为一个光学延迟器层或甚至多个延迟器层，该延迟器层在各种实施方案中可具有均匀或不均匀的延迟。在各种实施方案中，该延迟器层可为聚合物膜或涂层，或聚合物膜和涂层的组合。

光学元件10还包括适形于基板12的表面13的至少一部分的至少一个延迟器层14。在各种实施方案中，该延迟器层14可为聚合物膜或涂层，或聚合物膜和涂层的组合。在一些实施方案中，可通过工艺诸如旋涂、原子层沉积等将膜或涂层施加到基板的表面上。

例如，合适的聚合物膜包括双折射聚合物膜延迟器，诸如购自美国科罗拉多州弗雷德里克市的美德拉克光学公司(Meadowlark Optics，Frederick，CO)的那些延迟器。用于形成延迟器层14的合适涂层包括在美国专利申请公布2002/0180916(Schadt等人)、2003/028048(Cherkaoui等人)、2005/0072959(Moia等人)和2006/0197068(Schadt等人)以及美国专利6,300,991(Schadt等人)中描述的线性可光聚合的聚合物(LPP)材料和液晶聚合物(LCP)材料。合适的LPP材料包括ROP-131 EXP 306 LPP，并且合适的LCP材料包括ROF-5185EXP 410 LCP，这两者均购自瑞士阿尔施维尔的落利刻科技有限公司(RolicTechnologies，Allschwil，Switzerland)。

在一些实施方案中，光学元件10还包括在延迟器层14和基板12的表面13之间的任选的附接层或对齐层16。在一个实施方案中，层16可包括光学粘合剂以将延迟器层粘附在表面13上。在另一个实施方案中，如果延迟器层14包括液晶材料，则层16可为任选的液晶对齐层。

光线(图1中未示出)在延迟器层14的光学表面15处入射在光学元件上或从光学元件出射。在一些示例中，光学表面15可延伸到光学元件10的整个表面，而在其他示例中，光学表面15可局限于光学元件的一部分，诸如光学元件的主表面的接收与图像相关联的光的那部分。在一些实施方案中，基板12的表面13和延迟器14的表面15可包括附加的抗反射层(图1中未示出)，诸如抗反射涂层。

对于在约400nm至约1000nm波长范围内的预定波长λ₀的垂直入射光(在表面15处进入光学元件10)，光学表面层14具有基本上均匀的延迟。如果延迟器层中的延迟变化基本上小于整个延迟器上的延迟的最大差异，则该延迟器层或延迟器层片段可被描述为具有基本上均匀的延迟。例如，具有基本上均匀的延迟的延迟器可被理解为延迟的最大差异不超过约20％。

在一些示例中，延迟器层14可为基本上四分之一波延迟器。被描述为指定波长处的基本上四分之一波延迟器的延迟器层可被理解为对于延迟器层的表面积的至少80％的垂直入射非偏振光，该延迟器层的延迟在指定波长的1/4的5％内。延迟器层可为第一波长处的基本上四分之一波延迟器，并且具有基本上不同于不同的第二波长处的四分之一波的延迟。基本上不同于第二波长处的四分之一波的延迟可被理解为该延迟不在第二波长的1/4的5％内。四分之一波延迟器可具有空间上均匀的取向。

在一些情况下，延迟器层14可包括多个堆叠延迟器层，其中该多个层具有例如不同的快轴和慢轴。在这种情况下，延迟器层的有效延迟以及有效快轴和慢轴可相对于入射在延迟器上的偏振光和透射穿过延迟器的偏振光被定义为将入射光的偏振态转换为透射光的偏振态的常规单层延迟器的延迟以及快轴和慢轴取向。此类延迟器层的延迟是指该有效延迟。对于具有单层的延迟器，有效快光轴和慢光轴为该单层的快光轴和慢光轴，并且有效延迟为该单层的延迟。对于具有多个层的延迟器层，其中每个层具有平行于延迟器的有效快轴和慢轴或者相对于延迟器的有效快轴和慢轴旋转90度的快轴和慢轴，对垂直入射的光的有效延迟为具有平行于延迟器的有效快轴和慢轴的相应快轴和慢轴的层的延迟之和减去具有相对于延迟器的有效快轴和慢轴旋转90度的相应快轴和慢轴的层的延迟之和。

再次参见图1，延迟器层14具有基本上均匀的物理厚度t₀。在各种实施方案中，延迟器层14的物理厚度t₀小于约5μm、或小于约2μm、或甚至小于约1μm。在图1中未示出的一些示例中，延迟器层14包括具有不同物理厚度的区域，当使用不同材料时这可为期望的，使得延迟器层14的不同区域可各自具有大约四分之一波延迟。

图2A示出了光学元件20，该光学元件包括基板22，在该基板上具有延迟器层24，该延迟器层具有不均匀的延迟。如果延迟器层24的表面25上的延迟变化大于表示均匀延迟(诸如上文所述的均匀延迟)的延迟最大差异，则该延迟器层可被描述为具有基本上不均匀的延迟。例如，具有基本上不均匀的延迟的延迟器层可被理解为该延迟器层的区域之间的延迟的最大差异大于20％。

表面25包括具有基本上均匀的延迟和物理厚度t₀的区域21。在一些实施方案中，区域21中的表面25具有平均表面粗糙度(根据ASME B46.1的R_a或RMS)，该平均表面粗糙度在2μm正方形测试区域上的变化小于约20％、小于约10％、小于约5％或小于约1％，如使用技术诸如干涉测量法、共焦显微镜法、接触轮廓测定法等测量的。表面25还包括至少一个第一区域27，已将在该第一区域中的材料从表面25移除，使得区域27具有物理厚度t₁<t₀。已从区域27移除足够的材料，使得与表面27的基本上均匀的延迟δ的延迟差异为θ，其中θ＝预定波长λ₀的至少0.01倍、或0.02λ₀、0.03λ₀、0.04λ₀、0.05λ₀、0.06λ₀、0.07λ₀、0.08λ₀、0.09λ₀、0.1λ₀、0.15λ₀、0.2λ₀、0.25λ₀、0.3λ₀、0.35λ₀、0.4λ₀、0.45λ₀、0.5λ₀、0.55λ₀、0.6λ₀、0.65λ₀、0.7λ₀、0.75λ₀、0.8λ₀、0.85λ₀、0.9λ₀、0.95λ₀、或λ₀。

光学元件20还包括在区域27的任一侧上的过渡区域30、31，在过渡区域上，表面25的厚度逐渐变化，并且从t₀“向下过渡”到t₁或从t₁“向上过渡”到t₀。过渡区域30、31的宽度w可有很大变化，并且过渡可为台阶形式的或更平滑的倾斜，并且斜率的变化可为连续的或不连续的。在一些实施方案中，w可在约5μm至约10mm、或约1mm至约5mm的范围内。

在一些情况下，延迟器层20可包括较浅的第一蚀刻区域26和邻近第一蚀刻区域26的较深的第二蚀刻区域28。在此类情况下，可存在顶部表面25与第一蚀刻区域26的表面27之间的第一过渡区域30、表面27与第二蚀刻区域28的表面29之间的第二过渡区域31、以及第二蚀刻区域28的表面29和顶部表面25之间的第三过渡区域32。在一些情况下，延迟器层24的物理厚度t_o可在约0.2微米至约3微米、或约0.2微米至约2.5微米、或约0.2微米至约2微米的范围内。第一蚀刻区域26中的延迟器层24的厚度可减小约0.05微米至约0.5微米、或约0.1微米至约0.5微米。第二蚀刻区域28中的延迟器层24的厚度可比第一蚀刻区域26中延迟器层24的厚度薄约0.01微米至约0.05微米。第一过渡区域的高度为t₀-t₁，并且可在约50nm至约500nm、或约50nm至约400nm、或约50nm至约300nm的范围内。类似的范围可适用于第二过渡区域和第三过渡区域。

在各种实施方案中，延迟器层24因此包括产生不均匀的延迟的一个或多个离散区域。虽然延迟器层24作为一个整体可具有不均匀的延迟，但每个离散区域26、28可在整个离散延迟器区段中具有均匀的延迟。

区域26、28包括具有预定表面特性(包括但不限于表面粗糙度)的表面27、29。在一些情况下，表面27、29的表面结构可被设计为提供期望水平的漫反射率或镜面反射率，或者针对从表面27、29反射或穿过表面27、29的光线提供抗反射或防眩光的表面光洁度。在一些实施方案中，为了提供期望水平的反射或反射率，表面27、29的表面纹理应尽可能均匀。在一些实施方案中，表面27、29具有平均表面粗糙度(根据ASME B46.1的R_a或RMS)，该平均表面粗糙度在2μm正方形测试区域上的变化小于约20％、小于约10％、小于约5％或小于约1％，如使用技术诸如干涉测量法、共焦显微镜法、接触轮廓测定法等测量的。在各种实施方案中，例如，表面27、29的表面平均表面粗糙度(根据ASME B46.1的R_a)在该表面的2μm正方形测试区域上应小于约5μm、或小于约3μm、或小于约2μm。

在图2B所示的示例性实施方案中，可将附加的一个层或一组层34施加在延迟器层24的表面25、27和29上。在各种实施方案中，层34可层压到延迟器层24，或者可在具有或不具有光学粘合剂层(图2B中未示出)的情况下粘附到延迟器层34。在不旨在进行限制的各种实施方案中，层34可选自上文讨论的适用于基板12的任何层，诸如透镜、反射偏振器或吸收偏振器、显示面板、一个或多个光学延迟器等。在一些实施方案中，层34为被选择为提供光学效应的涂层，诸如例如抗反射涂层、或抗刮擦或划伤的保护性涂层。

本发明人已确定，可使用蚀刻工艺从表面25移除精确量的材料以形成区域26、28，并且为穿过该区域的光线提供预定水平的光学延迟。本发明人还已确定，蚀刻提供了对表面27、29的纹理的良好控制。蚀刻工艺可根据为延迟器层24选择的材料的类型而有很大变化，但在延迟器层24为聚合物材料的实施方案中，合适的蚀刻工艺包括湿法蚀刻工艺诸如化学蚀刻，以及干法蚀刻工艺诸如等离子体蚀刻以及反应性离子蚀刻(RIE)。

RIE工艺可提供比化学蚀刻或等离子体蚀刻更具方向性和各向异性的蚀刻轮廓，该RIE工艺利用化学反应性等离子体从表面25移除材料以形成区域26、28。RIE中的等离子体中的离子与表面25反应并且还使材料从表面25溅射，这形成具有精确尺寸和表面粗糙度的区域26、28。

参见不旨在进行限制的图3中的典型RIE装置的示意图，RIE系统100包括真空室102，该真空室具有安装盘104，该安装盘被配置为保持包括延迟器层24的光学元件20。安装盘104与室102的其余部分电隔离。蚀刻气体106被引入到室102中，并且电极104、105之间的强振荡射频(RF)场使蚀刻气体分子108电离以产生等离子体。等离子体的阳离子朝向表面25移动并且与表面25化学地和物理地相互作用，以从表面25移除材料并形成区域26。

合适的RIE蚀刻条件可根据为延迟器层24选择的聚合物材料而有很大变化。合适的RIE蚀刻气体包括反应性较高的化学部分诸如氧气，以及反应性较低的化学部分诸如氩气。反应性较高的化学部分增强了表面25处的化学反应，而反应性较低的化学部分增强了物理相互作用或者溅射趋于占主导地位。

再次参见图2A，在一些实施方案中，可将掩模施加在延迟器层24的表面25上方，以产生具有预定尺寸的蚀刻区域26、28，或者在表面25上产生蚀刻区域26、28的预定图案。参见图4A至图4C中示意性地示出的过程200，对于基本上垂直入射在厚度为t₀的表面225上的预定波长λ₀的光，聚合物光学延迟器层224具有基本上均匀的延迟δ。

在图4A的步骤202中，将第一掩模250和第二掩模252放置在表面225的相应区域251和区域253(图4A中未示出)上方，并且将表面225反应性离子蚀刻。在各种实施方案中，掩模250、252可相对靠近表面225上方放置或者远离表面225上方放置。如果掩模远离表面上方放置，则所得的表面225的蚀刻区域与相邻未蚀刻区域(参见例如图2)之间的过渡区域将为狭窄的，并且在蚀刻区域与未蚀刻区域之间提供相对鲜明的边界。如果掩模更加远离表面225放置，则所得的蚀刻区域与未蚀刻区域之间的过渡区域将为相对较宽的，并且蚀刻区域与未蚀刻区域之间的边界更平缓。

在初始RIE步骤202之后，表面225的未被第一掩模250、252覆盖的区域255的物理厚度t₁小于被第一掩模250、252覆盖的部分的物理厚度。区域255具有小于层224的初始延迟δ的延迟差异θ，其中θ＝预定波长λ₀的至少0.01倍、或0.02λ₀、0.03λ₀、0.04λ₀、0.05λ₀、0.06λ₀、0.07λ₀、0.08λ₀、0.09λ₀、0.1λ₀、0.15λ₀、0.2λ₀、0.25λ₀、0.3λ₀、0.35λ₀、0.4λ₀、0.45λ₀、0.5λ₀、0.55λ₀、0.6λ₀、0.65λ₀、0.7λ₀、0.75λ₀、0.8λ₀、0.85λ₀、0.9λ₀、0.95λ₀、或λ₀。

在图4B中，将第二掩模254放置在表面225上方以覆盖表面225的被第一掩模250、252覆盖的原始部分以及区域225的部分，并且在步骤204中使用RIE再次蚀刻延迟器层的表面。在步骤204中，区域255的在图4A的第一蚀刻202中蚀刻的部分被再次蚀刻，而最初掩蔽的区域251、253保持掩蔽且未被蚀刻。

在图4C所示的步骤206中，移除第二掩模254，这提供了图案化光学延迟器层260。第二蚀刻步骤204从区域255移除附加的材料以形成区域257、259。已被蚀刻两次的区域257、259具有小于被第一掩模250、252覆盖的部分251、253的物理厚度t₀的物理厚度t₂，以及小于区域255的被第二掩模254覆盖的部分的物理厚度t₁的光学厚度。因此，区域251、253具有最大物理厚度和最大光学延迟。区域255具有大于区域257、259的厚度和光学延迟的厚度和光学延迟。

在移除掩模254之后(图4C)，可将图案化光学延迟器层260施加到光学部件的表面或者适形于光学部件的表面。

使用涂覆步骤、施加掩模和蚀刻步骤的组合，可形成各种各样的图案化聚合物延迟器并将其施加到光学元件的表面上，或者甚至在施加到下面的光学元件的表面上时形成这些图案化聚合物延迟器。

在一个示例中，图5A为包括区域441和446的延迟器层445的示意性前视平面图。在一些实施方案中，延迟器层445的区域441具有基本上在空间上恒定的延迟，并且区域446具有在空间上变化的延迟。例如，区域441上的延迟的最大差异可小于区域446上的延迟的最大差异的10％(或小于5％、或小于3％)。在图5A中，区域441为靠近延迟器层445的中心的内部区域。包括延迟器层445的光学系统(图5A中未示出)的光轴440在区域441中与延迟器层445相交。区域446为围绕区域441的周边区域并且延伸到延迟器层445的边缘443。

在一些情况下，可相对于第一偏振态(例如，快光轴与第一偏振态的轴(例如，阻光轴)之间的角度)指定延迟器层445的取向。在一些实施方案中，相对于第一偏振态，延迟器层445在整个延迟器层上具有基本上不均匀的延迟。然后可将该第一延迟器层任选地相对于另一个第二延迟器层取向，以当光线穿过第一延迟器层和第二延迟器层时提供期望的光学效应。

在一些情况下，延迟器层可包括多个堆叠延迟器层，其中该多个层具有例如不同的快轴和慢轴。在这种情况下，延迟器层的有效延迟以及有效快轴和慢轴可相对于入射在延迟器上的偏振光和透射穿过延迟器的偏振光被定义为将入射光的偏振态转换为透射光的偏振态的常规单层延迟器的延迟以及快轴和慢轴取向。此类延迟器层的延迟是指该有效延迟。对于具有单层的延迟器，有效快光轴和慢光轴为该单层的快光轴和慢光轴，并且有效延迟为该单层的延迟。对于具有多个层的延迟器，其中每个层具有平行于延迟器的有效快轴和慢轴或者相对于延迟器的有效快轴和慢轴旋转90度的快轴和慢轴，对垂直入射的光的有效延迟为具有平行于延迟器的有效快轴和慢轴的相应快轴和慢轴的层的延迟之和减去具有相对于延迟器的有效快轴和慢轴旋转90度的相应快轴和慢轴的层的延迟之和。

延迟器对于指定的有效快光轴或慢光轴的光学厚度是指，将每一层沿指定的有效快光轴或慢光轴的折射率乘以该层的厚度，然后对乘积求和。例如，在一些实施方案中，第一延迟器层在原点处具有第一光学厚度，并且在第一延迟器层的有效快光轴或第一延迟器层的有效慢光轴中的一者的至少一个其他位置处具有不同的第二光学厚度。第一光学厚度为沿有效快光轴和慢光轴中的一者的折射率乘以局部物理厚度，并且第二光学厚度为沿有效快光轴和慢光轴中的同一者的折射率乘以局部物理厚度。通过在空间上改变延迟器的光学厚度以获得有效快光轴或慢光轴，可在空间上改变延迟器的延迟，这可通过适当选择延迟器层的取向来在空间上改变沿有效快轴或慢轴的厚度和/或折射率来实现。

图5B示出了延迟器层445的另一个实施方案中的延迟等高线442。在一些实施方案中，其中延迟在空间上基本上恒定的区域包括延伸到延迟器层445的边缘443的部分，如图5B所示。在一些实施方案中，延迟沿+x+y方向和-x-y方向从延迟器层445的中心到该延迟器层的边缘443单调非减小，并且沿+x-y方向和-x+y方向从延迟器层445的中心到该延迟器层的边缘443单调非增大。在一些实施方案中，延迟沿+x+y方向和-x-y方向从延迟器层445的中心到该延迟器层的边缘443单调非增大，并且沿+x-y和-x+y方向从延迟器层445的中心到该延迟器层的边缘443单调非减小。

在一些实施方案中，延迟器层445在围绕z轴的180°旋转下对称。在一些实施方案中，该延迟与光轴440处的延迟之间的差异在围绕z轴的90°旋转下反对称。在一些实施方案中，第二区域446包括区域446a至446d，如图5C所示。在一些实施方案中，区域446a和446c具有比区域441更低的平均延迟，并且区域446b和446d具有比区域441更高的平均延迟。在一些实施方案中，区域446a和446c具有比区域441更高的平均延迟，并且区域446b和446d具有比区域441更低的平均延迟。

区域的相对尺寸可根据区域的表面积或者根据从与光轴正交的平面的平面图中确定的面积来描述。

在一些实施方案中，在平面图中，延迟器层445具有面积A，区域441具有在约A/10至约2A/3的范围内的面积，并且第一区域至第四区域446a至446d中的每一者具有在约A/12至约A/3的范围内的面积。在一些实施方案中，延迟器包括第一区域(例如，区域441)和非重叠的第二区域(例如，区域446)，其中第二区域是该延迟器的剩余部分。在一些实施方案中，第一区域为中心区域，并且第二区域为可围绕中心区域的外围区域(即，包括延迟器的外围或边缘的至少一部分的区域)。在一些实施方案中，区域441的表面积为延迟器层445的总表面积的至少10％。应当理解，表面积和总表面积是指延迟器的一个主表面的表面积。

还参见图5D，在一些实施方案中，延迟器层445具有非重叠的中心区域以及第一边缘区域和第二边缘区域。例如，中心区域可对应于区域441，并且第一边缘区域和第二边缘区域可对应于设置在该延迟器的相应第一边缘和第二边缘(例如，边缘1473和边缘1477)处或附近的区域446a和区域446b。中心区域(例如，区域441)包括第一原点(例如，对应于光轴440与延迟器层445相交的位置)。

对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，如果中心区域具有基本上等于δ的平均延迟；则第一边缘区域具有基本上等于δ-ξ的平均延迟；并且第二边缘区域具有基本上等于δ+ξ的平均延迟。在一些实施方案中，对于整数n，λ₀(n+1/8)≤δ≤λ₀(n+1/2)且δ/50≤ξ≤δ/2。在一些实施方案中，δ基本上等于λ₀(n+1/4)或λ₀/4。在一些实施方案中，ξ不小于δ/20、或不小于δ/10。在一些实施方案中，ξ不大于δ/4、或不大于δ/5。例如，在一些实施方案中，δ/20≤ξ≤δ/5。

以上各式中的整数n可为任何非负整数。例如，n可为零。例如，四分之一波延迟器将具有δ＝λ₀/4，δ满足不等式λ₀(n+1/8)≤δ≤λ₀(n+1/2)，其中n＝0。增加四分之一波延迟器的厚度使得延迟为(n+1)λ₀/4(对于正n)，从而导致透射穿过延迟器的垂直入射的光的偏振态的变化相同。

在一些实施方案中，本文被描述为具有基本上四分之一波延迟的延迟器层被具有(n+1)λ₀/4(对于正n)延迟的延迟器层代替。在一些实施方案中，n为0，并且在一些实施方案中，n为1。

在一些实施方案中，延迟器还包括第三边缘区域446c和第四边缘区域446d，其中中心区域位于第一边缘区域与第三边缘区域之间以及第二边缘区域与第四边缘区域之间。

在一些实施方案中，对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第三边缘区域具有基本上等于δ-ξ的平均延迟，并且第四边缘区域具有基本上等于δ+ξ的平均延迟。

在一些实施方案中，对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，该延迟器在第一原点处具有延迟δ₀。在一些实施方案中，δ₀等于或基本上等于δ。在一些实施方案中，对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第一边缘区域和第二边缘区域中的每一者具有基本上均匀的延迟。在一些实施方案中，对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第一边缘区域和第二边缘区域中的至少一者具有变化的延迟。在一些实施方案中，延迟器还包括第三边缘区域和第四边缘区域。在一些实施方案中，对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第一边缘区域至第四边缘区域中的至少一者具有基本上均匀的延迟。在一些实施方案中，对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第一边缘区域至第四边缘区域中的每一者具有基本上均匀的延迟。

图5D是可对应于延迟器层445的延迟器1445的平面图。示出了平面1401、1402、1403和1404。这些平面沿在点1440处与延迟器1445相交的线(平行于z轴)彼此相交。这些平面中的每一者沿穿过点1440的相应曲线与延迟器1445相交。在一些实施方案中，第一延迟器的延迟在远离中心(可为点1440)到延迟器1445的边缘1473的第一方向1487上增大，并且在远离中心到延迟器1445的边缘1477的第二方向1489上减小。在一些实施方案中，第一方向1487和第二方向1489分别沿延迟器1445与平面1402和平面1401的第一交点和第二交点。当用于光学系统中时，该线可为光学系统的光轴，并且点1440可为与该光轴相交的延迟器层的第一原点。在这种情况下，平面1401、1402、1403和1404中的每一者包含该光轴。延迟器1445可包括对应于区域441的中心区域以及对应于区域446a至446d的第一边缘区域至第四边缘区域，为了便于说明，这些区域在图5D中未标记。在一些实施方案中，平面1401在中心区域和第一边缘区域中与延迟器1445相交，并且平面1402在中心区域和第二边缘区域中与延迟器1445相交。在一些实施方案中，平面1401和1402之间的角度θ1在约60度至约120度的范围内，或者在约70度至约110度的范围内。在一些实施方案中，角度θ1为约90度。在一些实施方案中，平面1403和1404之间的角度θ2在约60度至约120度的范围内，或者在约70度至约110度的范围内。在一些实施方案中，角度θ2为约90度。在一些实施方案中，平面1401和1404之间的角度θ3在约30度至约60度的范围内，或者在约35度至约55度的范围内。在一些实施方案中，角度θ3为约45度。

在一些实施方案中，对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，延迟器1445具有在关于平面1401的反射下基本上对称并且在关于平面1402的反射下基本上对称的延迟。

如果延迟器的表面积的至少80％中的每个点处的延迟不同于对应点处通过将该点关于某个平面反射不超过延迟器的延迟的最大变化的10％而确定的延迟，则该延迟可被描述为在关于该平面的反射下基本上对称。在一些实施方案中，延迟器的表面积的至少90％或至少95％中的每个点处的延迟不同于对应点处通过将该点关于该平面反射不超过延迟器的延迟的最大变化的10％或不超过5％而确定的延迟。

在一些实施方案中，对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，延迟器1445具有延迟，使得该延迟和点1440处的延迟的差异在关于平面1403的反射下基本上反对称，并且在关于平面1404的反射下基本上反对称。如果延迟器的表面积的至少80％中的每个点处的延迟差异不同于对应点处通过将该点关于某个平面反射不超过延迟器的延迟的最大变化的10％而确定的延迟差异的负值，则该延迟差异可被描述为在关于该平面的反射下基本上反对称。在一些实施方案中，延迟器的表面积的至少90％或至少95％中的每个点处的延迟差异不同于对应点处通过将该点关于该平面反射不超过延迟器的延迟的最大变化的10％或不超过5％而确定的延迟差异的负值。

在一些实施方案中，对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第一边缘区域的延迟在远离第一原点朝向第一边缘1477的方向上减小，并且第二边缘区域的延迟在远离第一原点1440朝向第二边缘1473的方向上增大。

例如，延迟可在从第一原点1440到边缘1477的方向上(例如，在+x+y方向上)减小，并且可在从第一原点1440到边缘1473的方向上(例如，在-x+y方向上)增大。

参见图6A所示的图案化光学延迟器600的另一个实施方案，光学表面630可由纵轴632和横轴634限定。纵轴632和横轴634可限定四个笛卡尔象限(I、II、III、IV)。在图6A的示例中，笛卡尔象限在顺时针方向上按顺序编号。

光学表面630可包括基本上居中于纵轴632上的第一纵向区域636和基本上居中于横轴634上的第二纵向区域638。第一纵向区域636和第二纵向区域638可各自在该光学表面的相对边缘上延伸。

对于基本上垂直入射的光，第一纵向区域636和第二纵向区域638可具有相同的基本上均匀的延迟(δ)。基本上均匀的延迟可被理解为第一纵向区域636和第二纵向区域638中的每一者中的延迟的最大变化(该区域中的最大延迟减去最小延迟)可不超过相应纵向区域中的延迟的最大变化的10％。在光学表面630为光学透镜的表面的示例中，该基本上均匀的延迟可为零。在一些示例中，第一纵向区域636和第二纵向区域638覆盖光学表面630的表面积的至少10％。

第三延迟器层620可包括多个离散延迟器区域。在一些示例中，该多个离散延迟器区段可为物理上离散的，使得不存在物理接触的两个延迟器区段。在一些示例中，该多个离散延迟器区段中的两个或更多个可为物理接触或物理接合的，但可覆盖光学表面630的离散部分。

在图6A的示例中，第三延迟器层620包括四个离散延迟器区域，其中包括第一延迟器区域620A、第二延迟器区域620B、第三延迟器区域620C和第四延迟器区域620D。每个离散延迟器区域620A、620B、620C、620D可设置在光学表面630的相应笛卡尔象限I、II、III、IV上。

图6A中的每个离散延迟器区域可具有与第一纵向区域626和第二纵向区域628的基本上均匀的延迟δ的延迟差异θ，该延迟差异θ大于零。在一些示例中，每个离散延迟器区域620B、620C、620D具有与第一纵向区域626和第二纵向区域628的基本上均匀的延迟的基本上均匀的延迟差异。例如，每个离散延迟器区域620B、620C、620D可具有与第一纵向区域626和第二纵向区域628的延迟的至少约0.2λ的延迟差异。

图6B至图6D是具有各种形状的离散光学延迟器区域的示意图。图6B示出了具有直角三角形形状的离散延迟器区段622，该直角三角形形状包括直角和相等的直角边。例如，离散延迟器区域622可用于接收正方形图像的光学表面。图6C示出了具有直角三角形形状的离散延迟器区域624，该直角三角形形状包括直角和不相等的直角边。例如，离散延迟器区域624可用于接收广角图像的光学表面。在一些实施方案中，延迟器区段622、624的斜边可具有曲率。图6D示出了具有四分之一圆形形状的离散延迟器区域626，该四分之一圆形形状包括直角、相等的直角边和圆形斜边。例如，离散延迟器区域626可用于弯曲的光学表面。可使用的其他形状包括但不限于圆形、正方形、三角形等。

图7是紧凑的折叠光学系统1000的非限制性示例的示意性剖视图，在该光学系统中本公开的图案化延迟器可能特别有用。光学系统1000包括光学透镜1210、11410、310、11510和1610，反射偏振器层1220(也称为“反射偏振器”)，部分反射器层1320(也称为“部分反射器”)，第一延迟器层1420，第二延迟器层1520和第三延迟器层1620(也分别称为“第一延迟器”、“第二延迟器”和“第三延迟器”)。

在图7的示例中，对象1100发射具有偏振态1140的光线1136。在穿过第三延迟器层1620之后，光线1136具有偏振态1141；然后，在穿过第二延迟器层1520和部分反射器层1320之后，光线1136具有偏振态1142；然后，在穿过第一延迟器层1420之后，光线1136当首次入射在反射偏振器层1220上时具有偏振态1143；然后，在穿过第一延迟器层1420返回并且从部分反射器层1320反射之后，光线1136具有偏振态1144；并且然后，光线1136再次穿过第一延迟器层1420成为偏振态1145，并且再次入射在反射偏振器层1220上。

图7还示意性地示出了光线1138。光线1138沿光轴11121传播并且在原点1522处穿过延迟器层1520，在原点1422处穿过延迟器层1420并在原点1221处穿过反射偏振器1220。参考图7中所示的x-y-z坐标系，偏振态1140和1143在图7中示意性地示出为具有在x方向上偏振的电场。然而，偏振态的任一者或两者可为除了沿x方向线性偏振之外的某种状态。例如，如果偏振态1141为线性偏振，则偏振态1143可根据延迟器层1420、1520、1620的延迟为椭圆偏振。

光学系统1000的部件可设置在光学透镜1210、1310、1410、1510和1610的一个或多个主表面上。在其他实施方案中，反射偏振器层1220、部分反射器层1320和延迟器层1420、1520和1620中的一者或多者设置在不同于图7所示的实施方案中所示的主表面上。例如，反射偏振器层1220、部分反射器层1320和延迟器层1420、1520和1620中的任何一者或多者可设置在相应透镜的相对主表面上。又如，这些层中的一者或多者可设置在这些层中的另一者上。光学透镜1210具有相对的第一主表面1212和第二主表面1214，光学透镜1310具有相对的第一主表面1312和第二主表面1314，光学透镜1410具有相对的第一主表面1412和第二主表面1414，光学透镜1510具有相对的第一主表面1512和第二主表面1514，并且光学透镜1610具有相对的第一主表面1612和第二主表面1614。

光学系统1000具有光轴1121。光学系统、显示系统或光学系统中的光学透镜或光学元件的光轴可被理解为靠近系统、透镜或光学元件的中心的轴，其中沿该光轴传播的光线以最小折射程度穿过该透镜和/或光学元件，使得沿接近但不同于光轴的轴传播的光经历较大程度的折射。在一些实施方案中，一个或多个光学透镜1210、1310、1410、1510、1610中的每一者在穿过该一个或多个光学透镜1210、1310、1410、1510、1610中的每一者的顶点的光轴1121上居中。沿光轴1121的光线可在不被折射或基本上不被折射的情况下穿过光学透镜和/或光学元件，使得在光学系统的任何主表面处，入射在表面上的光线与透射穿过该表面的光线之间的角度不超过15度。

在一些实施方案中，光学系统1000向观察者1110显示对象1100。例如，对象1100可为显示器或显示器上的图像。例如，合适的显示器包括液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)显示器。另选地，对象1100可为除显示器之外的某个对象，诸如观察者1110的环境中的对象。在对象1100为显示器的实施方案中，光学系统1000连同该显示器可被称为显示系统，或者另选地光学系统1000可被描述为包括该显示器。在一些实施方案中，对象1100是产生偏振光输出的显示面板。在一些实施方案中，提供了偏振来自对象1100的光的预偏振器，使得光在入射在延迟器层1620上时具有偏振态1140。在一些实施方案中，对象1100是观察者1110的环境中的对象，其通过朝向光学系统1000反射环境光而发射光1136。

反射偏振器层1220和部分反射器层1320可限定折叠光学腔1700。折叠光学腔1700可被配置为在反射偏振器层1220或部分反射器层1320中的任一者处接收处于第一偏振态的光，在反射偏振器层1220和部分反射器层1320中的每一者的表面处反射光，并且透射来自接收光的反射偏振器层1220或部分反射器层1320中的另一者的处于第一偏振态的光。通过将光反射离开反射偏振器层1220和部分反射器层1320两者，光可在第一方向上被压缩(即，“折叠”)或在相反的第二方向上展开。在一些示例中，折叠光学腔可反转，使得反射偏振器层1220和部分反射器层1320相对于观察者和对象1100的相对位置可与图7的示例性光学系统1000相反。

现在将在以下的非限制性实施例中进一步描述本公开的设备。

实施例

实施例1

将直径为约3英寸(7.6cm)的玻璃晶圆涂覆一层1.25μm的液晶聚合物(LCP)材料ROF-5185 EXP 410 LCP，该材料购自瑞士阿尔施维尔的落利刻科技有限公司(RolicTechnologies，Allschwil，Switzerland)。在550nm的波长下，该涂层具有121nm的平均延迟。

将由PET膜制成的第一掩模放置在该涂层上的第一区域上方，并且将已掩蔽的经涂覆玻璃晶圆放置在反应性离子蚀刻(RIE)装置中，用含氧蚀刻气体以每秒约5.5nm的蚀刻速率蚀刻该晶圆30秒。

该RIE装置为电容耦合平行板等离子体反应器，型号为PD2480，由佛罗里达州圣彼得堡的普拉斯玛-萨姆公司(Plasma-Therm,St.Petersburg,Florida)制造，以13.56MHZ和2000瓦射频功率运行。使用第一掩模的第一蚀刻步骤在80mTorr等离子体压力下的氧气(500sccm气体流)等离子体中执行。然后将第二掩模放置在表面的不同于第一区域的第二区域上，并且将已掩蔽的经涂覆玻璃晶圆再次用含氧蚀刻气体以每秒5.5nm的蚀刻速率蚀刻60秒。

使用第二掩模的第二蚀刻步骤在50mTorr等离子体压力下的氩气(300sccm气体流)等离子体中执行。

结果示于下表1中。

表1

图8示出了在用550nm光源以垂直入射角测量时的经两次蚀刻的LCP层的表面的延迟的图。在图8中，最亮的区域为对照区域，灰色区域为区域1，并且黑色区域为区域2。

使用原子力显微镜(AFM)来表征经两次蚀刻的LCP层的蚀刻区域的表面，并且结果在图9A至图9B中示出。图9A至图9B示出平均表面粗糙度(Ra)和均方根表面粗糙度(RMS)两者在1μm²和2μm²的两个样品区域中均随着蚀刻时间而增大。在蚀刻30秒后，区域1具有约1.50nm至2.25nm的平均表面粗糙度，以及1.75nm至2.25nm的RMS表面粗糙度。将区域2中的蚀刻时间增加到60秒，这使平均表面粗糙度增大到2.25nm至3.00nm，并且同样地，RMS表面粗糙度增大到2.50nm至3.50nm。

参见图10A至图10C中的AFM图像，随着蚀刻时间的增加，LCP层的表面包括更多脊状突出。如图11A至图11C的谱线轮廓所示，增加的蚀刻时间增大了脊的高度和脊之间谷的深度。

将黑色胶带施加在样品的背部表面上。测量了未蚀刻表面的对照区域、区域1和区域2的总反射率和漫反射率，并且结果在图11D中示出。未蚀刻对照区域、区域1和区域2中的表面显示基本上相同的表面反射率。

实施例2

将实施例1的未蚀刻玻璃晶圆用放置在涂层上的第一区域上方的第一PET膜掩蔽，并且将已掩蔽的经涂覆玻璃晶圆放置在实施例1的RIE装置中，用含氩蚀刻气体以每秒约5.5nm的蚀刻速率蚀刻该晶圆30秒。

然后将第二掩模放置在表面的不同于第一区域的第二区域上，并且将已掩蔽的经涂覆玻璃晶圆再次用含氩蚀刻气体以每秒5.5nm的蚀刻速率蚀刻60秒。

参见图12A至图12C中的AFM图像，随着蚀刻时间的增加，LCP层的表面包括更多脊状突出。

如图13A所示，该涂层的表面中的结构(称为孔)的直径在使用30秒蚀刻时间的第一区域中具有约50nm的近似平均直径，在使用60秒蚀刻时间的第二区域中具有约60nm的近似平均直径，其中直径被定义为面积等于由形状轮廓(周边)包围的面积的圆的直径。图14A中示出了对于使用30秒蚀刻时间的第一区域，面积总和与直径的关系的图，而图15A中示出了对于使用60秒蚀刻时间的第二区域，面积总和与直径的关系的图。

参见图13B，该涂层的表面中的脊状结构(再次被称为孔)的高度或深度具有z范围(在本文中被称为形状轮廓内所有点的最大高度值、最大深度值与最小高度值、最小深度值之间的差值)，在使用30秒蚀刻时间的第一区域中z范围为约5nm至7nm，在使用60秒蚀刻时间的第二区域中z范围为约15nm至20nm。图14B中示出了对于使用30秒蚀刻时间的第一区域，面积总和与z范围的关系的图，而图15B中示出了对于使用60秒蚀刻时间的第二区域，面积总和与z范围的关系的图。

使用AFM进一步表征了经两次蚀刻的LCP层的蚀刻区域的表面，并且结果在图16中示出。图16示出平均表面粗糙度(Ra)和均方根表面粗糙度(RMS)两者在2μm²的样品区域中均随着蚀刻时间而增大。未蚀刻表面具有约0.5nm的平均表面粗糙度，以及约0.6nm的RMS表面粗糙度。在蚀刻30秒后，区域1具有约4nm的平均表面粗糙度，以及约5nm的RMS表面粗糙度。将区域2中的蚀刻时间增加到60秒，这使平均表面粗糙度增大到约7nm，并且同样地，RMS表面粗糙度增大到约8nm。

以下为本公开的实施方案的列表。

实施方案1为一种图案化光学延迟器，该图案化光学延迟器包括非重叠的第一区域和第二区域，该第一区域和第二区域包括具有不同RMS表面粗糙度的相应第一主表面和第二主表面，其中对于在约400nm至约1000nm波长(λ)范围上的基本上垂直入射的光，该图案化光学延迟器在相应的第一区域和第二区域中具有不同的延迟。

实施方案2为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，其中该延迟器包括多个光学延迟器层，并且其中第一区域和第二区域局限于该多个光学延迟器层中的单个光学延迟器层。

实施方案3为一种多层光学延迟器，该多层光学延迟器包括设置在另一个光学延迟器层上的实施方案1的图案化光学延迟器层。

实施方案4为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，该图案化光学延迟器具有在约0.2微米至约2微米的范围内的厚度，第一区域具有比延迟器层的厚度薄约50nm至约500nm的厚度，并且第二区域具有比第一区域的厚度薄约20nm至约500nm的厚度。

实施方案5为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，其中第一主表面的RMS表面粗糙度为约2nm至约2.5nm，并且第二主表面的RMS表面粗糙度为约3nm至约3.5nm。

实施方案6为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，其中第一区域和第二区域间隔开。

实施方案7为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，其中第一区域和第二区域间隔开至少500nm。

实施方案8为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，其中第一区域和第二区域彼此侧向相邻。

实施方案9为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，该图案化光学延迟器还包括在第一区域与第二区域之间的过渡区域，其中该过渡区域具有约5μm至约10mm的宽度。

实施方案10为根据实施方案9所述的图案化光学延迟器，其中该过渡区域具有约1mm至约5mm的宽度。

实施方案11为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，其中对于在约400nm至约1000nm波长(λ)范围内的预定波长λ₀的垂直入射的光，第一区域与第二区域之间的光学延迟差异小于约0.5λ₀。

实施方案12为根据实施方案11所述的图案化光学延迟器，其中第一区域与第二区域之间的光学延迟差异小于约0.2λ₀。

实施方案13为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，其中第一区域与第二区域之间的延迟差异大于20％。

实施方案14为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，其中第一区域与第二区域之间的延迟差异大于10％。

实施方案15为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，其中该光学延迟器包括单层。

实施方案16为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，其中第一区域和第二区域各自具有在2μm正方形测试区域上变化小于约20％的平均表面粗糙度。

实施方案17为根据实施方案1所述的图案化光学延迟器，其中第一区域和第二区域各自具有在2μm正方形测试区域上变化小于约5％的平均表面粗糙度。

实施方案18为一种光学元件，该光学元件包括具有图案化光学延迟器的光学部件，该图案化光学延迟器包括非重叠的第一区域和第二区域，该第一区域和第二区域包括具有不同的RMS表面粗糙度的相应第一主表面和第二主表面，其中对于约400nm至约1000nm的波长(λ)范围上的基本上垂直入射的光，该图案化光学延迟器在相应的第一区域和第二区域中具有不同的延迟。

实施方案19为根据实施方案18所述的光学元件，其中光学部件具有非零屈光度。

实施方案20为根据实施方案18所述的光学元件，其中光学部件为第二光学延迟器。

实施方案21为根据实施方案20所述的光学元件，其中第二光学延迟器包括非重叠的第一区域和第二区域，该第一区域和第二区域包括具有不同的RMS表面粗糙度的相应第一主表面和第二主表面，其中对于在约400nm至约1000nm波长(λ)范围上的基本上垂直入射的光，该图案化第二光学延迟器在相应的第一区域和第二区域中具有不同的延迟。

实施方案22为根据实施方案18所述的光学元件，其中光学部件为偏振器。

实施方案23为根据实施方案22所述的光学元件，其中偏振器选自线性偏振器和圆偏振器。

实施方案24为根据实施方案18所述的光学元件，其中光学部件为透镜。

实施方案25为一种用于制作光学元件的方法，该方法包括：在对于在约400nm至约1000nm的预定波长λ上的基本上垂直入射的光具有基本上均匀的延迟δ并且包括表面的聚合物光学延迟器层中，蚀刻该表面的至少一个第一区域，使得该聚合物光学延迟器层在该表面的所述至少一个第一区域中包括与δ的非零延迟差异θ；以及使该聚合物光学延迟器层适形于光学部件的表面。

实施方案26为根据实施方案25所述的方法，其中光学部件的表面具有非零屈光度。

实施方案27为根据实施方案25所述的方法，其中光学部件选自偏振器、透镜和第二光学延迟器。

实施方案28为根据实施方案27所述的方法，其中偏振器选自圆偏振器和线性偏振器。

实施方案29为根据实施方案27所述的方法，其中第二光学延迟器具有不均匀的光学延迟。

实施方案30为根据实施方案25所述的方法，其中θ小于约0.2λ。

实施方案31为根据实施方案25所述的方法，其中光学延迟器层的表面包括具有与δ的基本上均匀的延迟差异θ的多个区域。

实施方案32为根据实施方案25所述的方法，其中第一区域覆盖光学延迟器层的表面积的至少20％。

实施方案33为根据实施方案25所述的方法，其中光学延迟器层的表面包括具有大于δ的延迟差异θ+的第一区域以及具有小于δ的延迟差异θ-的第二区域。

实施方案34为根据实施方案25所述的方法，其中光学延迟器层的表面具有基本上均匀的物理厚度Λ，并且其中区域具有大于零的与Λ的物理厚度差异ε。

实施方案35为根据实施方案25所述的方法，其中光学延迟器的表面包括具有第一厚度的至少一个第一区域以及具有不同于第一物理厚度的第二物理厚度的至少一个第二区域。

实施方案37为根据实施方案25所述的方法，其中第一区域为直角三角形。

实施方案38为根据实施方案25所述的方法，其中第一区域为四分之一圆形。

实施方案39为根据实施方案25所述的方法，其中延迟器为四分之一波延迟器。

实施方案40为根据实施方案25所述的方法，其中蚀刻选自湿法蚀刻和干法蚀刻。

实施方案41为根据实施方案40所述的方法，其中干法蚀刻选自等离子体蚀刻、反应性离子蚀刻以及它们的组合。

实施方案42为根据实施方案25所述的方法，其中蚀刻为使用选自带电部分和中性部分的等离子体源进行的反应性离子蚀刻。

实施方案43为根据实施方案42所述的方法，其中等离子体源为带电部分。

实施方案44为根据实施方案42所述的方法，其中等离子体源包括氧气。

实施方案45为根据实施方案42所述的方法，其中等离子体源为中性部分。

实施方案46为根据实施方案45所述的方法，其中中性部分包括氩气。

实施方案47为根据实施方案25所述的方法，其中蚀刻包括多个蚀刻步骤。

实施方案48为根据实施方案25所述的方法，其中蚀刻包括通过掩模蚀刻表面。

实施方案49为根据实施方案47所述的方法，其中蚀刻包括通过掩模蚀刻表面。

实施方案50为根据实施方案25所述的方法，其中光学部件的表面具有大于5mm且小于1000mm的曲率半径。

实施方案51为根据实施方案25所述的方法，其中聚合物光学延迟器层包括聚合物膜。

实施方案52为根据实施方案51所述的方法，其中聚合物膜为双折射的。

实施方案53为根据实施方案51所述的方法，其中聚合物膜包括多个层。

实施方案54为根据实施方案25所述的方法，其中聚合物光学延迟器层选自可光聚合的聚合物(LPP)、液晶聚合物(LCP)以及它们的组合。

实施方案55为根据实施方案25所述的方法，其中光学部件为透镜。

实施方案56为根据实施方案55所述的方法，其中透镜选自平凸、平凹、双凸、正弯月面、负弯月面、梯度折射率、菲涅耳以及它们的组合。

实施方案57为一种用于制作光学元件的方法，该方法包括：施加第一掩模以覆盖聚合物光学延迟器层的第一区域，对于在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ上的基本上垂直入射的光，该聚合物光学延迟器层具有基本上均匀的延迟δ；反应性离子蚀刻该聚合物光学延迟器层的表面，使得该聚合物光学延迟器层的未被第一掩模覆盖的第二区域具有不同于第一区域的光学厚度的光学厚度以及小于第一区域的延迟δ的延迟差异θ；以及使该聚合物光学延迟器层适形于光学部件的表面。

实施方案58为根据实施方案57所述的方法，其中光学部件的表面具有非零屈光度。

实施方案59为根据实施方案57所述的方法，该方法还包括：施加第二掩模以覆盖第一区域和包括第二区域的一部分的第三区域；进一步反应性离子蚀刻该表面，使得未被第二掩模覆盖的第三区域被蚀刻，并且具有不同于第一区域和第二区域的光学厚度的光学厚度，以及小于第二区域的延迟的延迟。

实施方案60为根据实施方案57所述的方法，其中θ小于约0.2λ。

实施方案61为根据实施方案57所述的方法，其中第一区域为内部区域，并且第二区域为基本上围绕该内部区域的周边区域。

实施方案62为根据实施方案57所述的方法，其中第一区域具有第一物理厚度，并且第二区域具有不同于第一物理厚度的第二物理厚度。

实施方案63为一种用于制作光学元件的方法，该方法包括：提供聚合物膜，该聚合物膜包括光学表面，该光学表面被配置为接收在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ的光，该光学表面由以下限定：纵轴和横轴、第一纵向区段以及第二纵向区段，该纵轴和横轴限定在顺时针方向上按顺序编号的四个笛卡尔象限，该第一纵向区段基本上居中于该纵轴上并且第二纵向区段基本上居中于该横轴上，该第一纵向区段和该第二纵向区段各自在该光学表面的相对边缘上延伸，其中对于基本上垂直入射的光，该第一纵向区段和该第二纵向区段各自具有相同的基本上均匀的延迟δ；以及反应性离子蚀刻该聚合物膜的表面以形成四个离散的延迟器区段，每个延迟器区段设置在该光学表面的相应笛卡尔象限上，其中每个离散的延迟器区段具有不同于第一纵向区段和第二纵向区段的光学厚度的光学厚度以及大于零的与δ的延迟差异θ。

实施方案64为根据实施方案63所述的方法，该方法还包括使聚合物膜适形于光学元件的表面，其中该光学元件具有非零屈光度。

实施方案65为一种用于制作光学元件的方法，该方法包括：提供聚合物膜，该聚合物膜包括光学表面，该光学表面被配置为接收在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ的光，该光学表面包括非重叠的中心区域以及第一边缘区域和第二边缘区域，该第一边缘区域和该第二边缘区域设置在该中心区域的相应第一边缘和第二边缘处或附近；反应性离子蚀刻该表面，使得对于在该波长范围内的至少一个波长λ₀：对于基本上垂直入射的光，中心区域具有基本上等于δ的平均延迟，第一边缘区域具有基本上等于δ+ξ的平均延迟，并且第二边缘区域具有基本上等于δ–ξ的平均延迟，其中对于整数n，λ₀(n+1/8)≤δ≤(n+1/2)且δ/50≤ξ≤δ/2。

实施方案66为根据实施方案65所述的方法，该方法还包括使已蚀刻的聚合物膜适形于光学元件的表面，其中该光学元件具有非零屈光度。

实施方案67为根据实施方案65所述的方法，其中n为0。

实施方案68为根据实施方案65所述的方法，其中对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，中心区域具有基本上均匀的延迟。

实施方案69为根据实施方案65所述的方法，其中对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第一边缘区域和第二边缘区域中的每一者具有基本上均匀的延迟。

实施方案70为根据实施方案65所述的方法，其中对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第一边缘区域和第二边缘区域中的至少一者具有变化的延迟。

实施方案71为根据实施方案65所述的方法，其中δ基本上等于λ₀/4且δ/20≤ξ≤δ/5。

实施方案72为根据实施方案65所述的方法，其中δ基本上等于λ₀(n+1/4)且δ/20≤ξ≤δ/5。

实施方案73为根据实施方案65所述的方法，其中对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第一边缘区域的延迟在远离第一原点朝向第一边缘的方向上减小，并且第二边缘区域的延迟在远离第一原点朝向第二边缘的方向上增大。

实施方案74为根据实施方案65所述的方法，其中该光学表面还包括第三边缘区域和第四边缘区域、第一边缘区域与第三边缘区域之间以及第二边缘区域与第四边缘区域之间的中心区域，其中对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第三边缘区域具有基本上等于δ-ξ的平均延迟，并且第四边缘区域具有基本上等于δ+ξ的平均延迟。

实施方案75为根据实施方案73所述的方法，其中在平面图中，该光学表面具有面积A，中心区域具有在约A/10至约2A/3的范围内的面积，并且第一边缘区域至第四边缘区域中的每一者具有在约A/12至约A/3的范围内的面积。

实施方案76为根据实施方案74所述的方法，其中对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，中心区域具有基本上均匀的延迟。

实施方案77为根据实施方案74所述的方法，其中对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第一边缘区域至第四边缘区域中的至少一者具有基本上均匀的延迟。

实施方案78为根据实施方案74所述的方法，其中对于在预定波长范围内的至少一个第一波长λ₀，第一边缘区域至第四边缘区域中的每一者具有基本上均匀的延迟。

实施方案79为一种用于制作光学元件的方法，该方法包括：在聚合物光学延迟器层的表面的第一区域上方施加涂层，其中对于在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ上的基本上垂直入射的光，该光学延迟器层具有基本上均匀的延迟δ；反应性离子蚀刻第一区域，使得第一区域在该预定波长范围上的延迟大于未被该涂层涂覆的第二区域的延迟；以及使该聚合物光学延迟器层适形于光学部件的表面，其中该光学部件的表面具有非零屈光度。

实施方案80为根据实施方案79所述的方法，其中施加掩模以覆盖第一区域和第二区域中的一者的至少一部分。

本发明的各种实施方案已进行描述。这些实施方案以及其他实施方案均在以下权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种图案化光学延迟器，所述图案化光学延迟器包括非重叠的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域包括具有不同的RMS表面粗糙度的相应第一主表面和第二主表面，其中对于在约400nm至约1000nm波长(λ)范围上的基本上垂直入射的光，所述图案化光学延迟器在相应的所述第一区域和所述第二区域中具有不同的延迟。

2.根据权利要求1所述的图案化光学延迟器，所述图案化光学延迟器具有在约0.2微米至约2微米范围内的厚度，所述第一区域具有比延迟器层的所述厚度薄约50nm至约500nm的厚度，并且所述第二区域具有比所述第一区域的所述厚度薄约20nm至约500nm的厚度。

3.根据权利要求1所述的图案化光学延迟器，其中对于在约400nm至约1000nm波长(λ)范围内的预定波长λ₀的垂直入射的光，所述第一区域与所述第二区域之间的光学延迟的差异小于约0.5λ₀。

4.根据权利要求1所述的图案化光学延迟器，其中所述图案化光学延迟器包括单层。

5.一种光学元件，所述光学元件包括具有图案化光学延迟器的光学部件，所述图案化光学延迟器包括非重叠的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域包括具有不同的RMS表面粗糙度的相应第一主表面和第二主表面，其中对于在约400nm至约1000nm波长(λ)范围上的基本上垂直入射的光，所述图案化光学延迟器在相应的所述第一区域和所述第二区域中具有不同的延迟。

6.一种用于制作光学元件的方法，所述方法包括：

在对于约400nm至约1000nm的预定波长λ上的基本上垂直入射的光具有基本上均匀的延迟δ并且包括表面的聚合物光学延迟器层中，蚀刻所述表面的至少一个第一区域，使得所述聚合物光学延迟器层在所述表面的所述至少一个第一区域中包括与δ的非零延迟差异θ；以及

使所述聚合物光学延迟器层适形于光学部件的表面。

7.一种用于制作光学元件的方法，所述方法包括：

施加第一掩模以覆盖聚合物光学延迟器层的第一区域，对于在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ上的基本上垂直入射的光，所述聚合物光学延迟器层具有基本上均匀的延迟δ；

反应性离子蚀刻所述聚合物光学延迟器层的所述表面，使得所述聚合物光学延迟器层的未被所述第一掩模覆盖的第二区域具有不同于所述第一区域的光学厚度的光学厚度以及小于所述第一区域的所述延迟δ的延迟差异θ；以及

使所述聚合物光学延迟器层适形于光学部件的表面。

8.一种用于制作光学元件的方法，包括：

提供聚合物膜，所述聚合物膜包括光学表面，所述光学表面被配置为接收在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ的光，所述光学表面由以下限定：

纵轴和横轴、第一纵向区段以及第二纵向区段，所述纵轴和所述横轴限定在顺时针方向上按顺序编号的四个笛卡尔象限，所述第一纵向区段基本上居中于所述纵轴上，所述第二纵向区段基本上居中于所述横轴上，所述第一纵向区段和所述第二纵向区段各自在所述光学表面的相对边缘上延伸，其中对于基本上垂直入射的光，所述第一纵向区段和所述第二纵向区段各自具有相同的基本上均匀的延迟δ；并且

反应性离子蚀刻所述聚合物膜的所述表面以形成四个离散的延迟器区段，每个延迟器区段设置在所述光学表面的相应笛卡尔象限上，其中每个离散的延迟器区段具有不同于所述第一纵向区段和所述第二纵向区段的光学厚度的光学厚度以及大于零的与δ的延迟差异θ。

9.一种用于制作光学元件的方法，包括：

提供聚合物膜，所述聚合物膜包括光学表面，所述光学表面被配置为接收在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ的光，所述光学表面包括非重叠的中心区域以及第一边缘区域和第二边缘区域，所述第一边缘区域和所述第二边缘区域设置在所述中心区域的相应第一边缘和第二边缘处或附近，

反应性离子蚀刻所述表面，使得对于在所述波长范围内的至少一个波长λ₀：

对于基本上垂直入射的光，所述中心区域具有基本上等于δ的平均延迟，

所述第一边缘区域具有基本上等于δ+ξ的平均延迟，并且

所述第二边缘区域具有基本上等于δ–ξ的平均延迟，其中对于整数n，λ₀(n+1/8)≤δ≤(n+1/2)且δ/50≤ξ≤δ/2。

10.一种用于制作光学元件的方法，所述方法包括：

在聚合物光学延迟器层的表面的第一区域上施加涂层，其中对于在约400nm至约1000nm范围内的预定波长λ上的基本上垂直入射的光，所述光学延迟器层具有基本上均匀的延迟δ；

反应性离子蚀刻所述第一区域，使得所述第一区域在所述预定波长范围上的延迟大于未被所述涂层涂覆的第二区域的延迟；以及

使所述聚合物光学延迟器层适形于光学部件的表面，其中所述光学部件的所述表面具有非零屈光度。

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