CN118891548A - 使用离散光栅模块组件的光学装置的低成本制造 - Google Patents
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Abstract
本公开内容的实施方式涉及使用离散光栅组件和光学互连的方法的光学装置制造。在分离的供体基板上形成对应于光学装置的输入耦合光栅、中间光栅或输出耦合光栅的其中一者的离散光栅。供体基板被切割成单独的光栅并附着到光学装置基板。喷墨材料设置在光栅之间以光学地互连光学装置的部分。
Description
背景
领域
本公开内容的实施方式一般涉及光学装置制造。具体地，本公开内容的实施方式涉及使用离散光栅组件和光学互连的方法的光学装置制造。
相关技术的描述
虚拟现实(VR)一般被认为是计算机产生的模拟环境，其中用户具有明显的物理存在。可以3D形式产生VR体验，并使用头戴式显示器(HMD)进行观看，例如眼镜或其他具有近眼显示器面板作为镜头的可穿戴显示器装置，以显示替代真实环境的VR环境。
然而，增强现实(AR)实现了一种体验，其中用户仍然可经由眼镜或其他HMD装置的显示器镜头观看周围环境，还可看到为显示而产生的虚拟对象的图像并作为环境的一部分出现。AR可包括任何类型的输入，例如声音和触觉输入，以及加强或增强用户体验环境的虚拟图像、图形和视频。为了实现AR体验，将虚拟图像叠加在周围环境上，并由光学装置执行叠加。
在用于VR和AR装置之前，多个光学装置被制造在基板上然后被切割。结果，基板只可保留最小数量的光学装置，而基板的大部分表面面积未被使用。据此，需要增加可制造的光学装置的数量的光学装置制造方法。
概述
在一个实施方式中，提供一种光学装置。光学装置包括：光学装置基板；设置于该光学装置基板的上表面上的第一供体基板的一部分；及设置于该第一供体基板的该部分上的第一光栅。该第一光栅包括第一多个光学装置结构。光学装置进一步包括：设置于该光学装置基板的该上表面上的第二供体基板的一部分；及设置于该第二供体基板的该部分上的第二光栅。该第二光栅包括第二多个光学装置结构；且喷墨材料设置于该第一光栅及该第二光栅之间。该喷墨材料具有喷墨高度，该喷墨高度与该第一多个光学装置结构及该第二多个光学装置结构的高度共平面或大于该高度。
在另一实施方式中，提供一种光学装置。光学装置包括：光学装置基板，该光学装置基板具有第一折射率；及设置于该光学装置基板的上表面上的第一供体基板的一部分。该第一供体基板具有第二折射率。光学装置进一步包括：设置于该第一供体基板的该部分上的第一光栅。该第一光栅包括第一多个光学装置结构。光学装置进一步包括：设置于该光学装置基板的该上表面上的第二供体基板的一部分。该第二供体基板的该部分具有第三折射率。光学装置进一步包括：设置于该第二供体基板的该部分上的第二光栅，该第二光栅包括第二多个光学装置结构。光学装置进一步包括：设置于该第一光栅及该第二光栅之间的喷墨材料。该喷墨材料具有喷墨折射率，其中该喷墨折射率、该第一折射率、该第二折射率、及该第三折射率实质相等。
在又一实施方式中，提供一种形成光学装置的方法。该方法包括以下步骤：在第一供体基板上形成输入耦合光栅；在第二供体基板上形成输出耦合光栅；及将该第一供体基板及该第二供体基板的每一者修整至供体基板高度。该方法进一步包括以下步骤：将每一输入耦合光栅及每一输出耦合光栅切割成该第一供体基板的一部分及该第二供体基板的一部分；将该第一供体基板的该部分及该第二供体基板的该部分附着至光学装置基板的上表面；及在该光学装置基板上在该输入耦合光栅及该输出耦合光栅之间设置喷墨材料。
附图简要说明
为了能够详细地理解本公开内容的上述特征的方式，可通过参考实施方式来获得以上简要概括的本公开内容的更具体的描述，其中一些图示于附图中。然而，应注意附图仅图示示例性实施方式，因此不应被视为对其范围的限制，且可承认其他等效的实施方式。
图1是根据本文所述的实施方式的光学装置的示意性顶部视图。
图2A至2C是根据本文所述的实施方式的供体基板的示意性顶部视图。
图3是根据本文所述的实施方式形成如图4A至4F中所展示的光学装置的方法的流程图。
图4A至4F是在根据本文所述的实施方式的方法期间形成光学装置的示意性侧视图。
为了便于理解，尽可能地使用相同的附图标记来指示附图中共有的相同元件。可设想一个实施方式的元件和特征可有益地并入其他实施方式中而无需进一步叙述。
具体描述
本公开内容的实施方式一般涉及光学装置制造。具体地，本公开内容的实施方式涉及使用离散光栅组件和光学互连的方法的光学装置制造。
图1是光学装置100的示意性顶部视图。应理解，下文描述的光学装置100是示例性光学装置。在可与本文描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，光学装置100是波导组合器，例如增强现实波导组合器。光学装置100另外可为用于光学感测(例如，眼睛追踪能力)的光学装置。在可与本文描述的其他实施方式组合的另一实施方式中，光学装置100为平面光学装置，例如超表面。
光学装置100包括多个光学装置结构102。光学装置结构102设置在供体基板115(图2中所展示)的部分105上。装置结构102可为具有亚微米尺寸(例如纳米尺寸)的纳米结构。例如，光学装置结构102的临界尺寸106具有亚微米尺寸。在一个范例中，临界尺寸106小于2微米(μm)。在另一范例中，临界尺寸106为约100纳米(nm)至约1000nm。
在可与本文描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，装置结构102的区域对应于一个或多个光栅104，例如第一光栅104A、第二光栅104B、和第三光栅104C。第一光栅104A对应于输入耦合光栅。第二光栅104B对应于中间光栅。第三光栅104C对应于输出耦合光栅。每一光栅104设置于供体基板115的相应部分105上(图2中所展示)。每一部分105设置在光学装置基板101的上表面103上。
在可与本文描述的其他实施方式组合的一些实施方式中，光学装置结构102的横截面具有不同形状的横截面。在可与本文描述的其他实施方式组合的其他实施方式中，光学装置100的光学装置结构102的横截面具有实质相同形状的横截面。在可与本文所述的其他实施方式组合的一些实施方式中，光学装置结构102的至少一个临界尺寸106可不同于光学装置结构102的其他临界尺寸106。在可与本文所述的其他实施方式组合的其他实施方式中，光学装置结构102的临界尺寸106是相同的。
在可与本文所述的其他实施方式组合的一个实施方式中，光学装置结构102的结构材料包括非导电材料，例如介电材料。介电材料可包括非晶、多晶或结晶材料。介电材料的范例包括但不限于：含硅材料，例如硅、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅、碳化硅(SiC)、碳氮化硅(SiCN)、二氧化硅、熔融石英、或石英。硅可为晶体硅、多晶硅或非晶硅(a-Si)。在可与本文描述的其他实施方式组合的另一实施方式中，光学装置结构102的结构材料包括但不限于：二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、二氧化锡(SnO2)、铝掺杂氧化锌(AZO)、掺杂氟氧化锡(FTO)、锡酸镉(Cd2SnO4)、锡酸镉(氧化锡)(CTO)、锡酸锌(SnZnO3)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钒(IV)(VOx)或含氧化铌(Nb2O5)的材料。在可与本文所述的其他实施方式组合的又一实施方式中，光学装置结构102的材料包括纳米压印抗蚀剂材料。纳米压印抗蚀剂材料的范例包括但不限于以下至少一者：旋涂玻璃(SOG)、可流动SOG、有机、无机和混合(有机和无机)的纳米可压印材料，该纳米可压印材料可含有以下至少一者：碳氧化硅(SiOC)、TiO2、二氧化硅(SiO2)、氧化钒(IV)(VOx)、氧化铝(Al2O3)、氧化铟锡(ITO)、ZnO、氧化钽(Ta2O5)、氮化硅(Si3N4)、氮化钛(TiN)、含二氧化锆(ZrO2)的材料或其组合。
光学装置基板101和供体基板115可由材料形成，包括但不限于：硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、熔融石英、石英、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、硅锗(SiGe)、磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、金刚石、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)、或含蓝宝石的材料。在可与本文描述的其他实施方式组合的另一实施方式中，光学装置基板101和供体基板115包括高折射率玻璃，其由以下一者或多者组成：二氧化硅(SiO2)、氧化硼(B2O3)、氧化钛(TiO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铌(Nb2O5)、氧化镧(La2O3)、氧化铋(Bi2O3)、氧化锌(ZnO)、氧化铅(PbO)、氧化锂(Li2O)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)、氧化铝(Al2O3)和氧化镓(Ga2O3)。光学装置基板101和供体基板115的材料可不同。光学装置基板101具有约1.6至约3.0的第一折射率。供体基板115具有约1.6至约3.0的第二折射率。
在一些实施方式中，喷墨材料108设置在多个光栅104之间。喷墨材料108为可流动材料，其可使用喷墨印刷沉积到光学装置基板101和供体基板115上的选择性区域上。喷墨材料108可在印刷之后进一步交联或固化以产生固化膜。喷墨材料108被调谐为具有接近或等于光学装置结构102的折射率的喷墨折射率。在可与本文所述的其他实施方式组合的一个实施方式中，产生喷墨材料108的墨是纳米颗粒的胶体分散体。例如，纳米颗粒可包括以下一者或多者：氧化钛(TiO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铌(Nb2O5)、氧化镧(La2O3)、氧化铋(Bi2O3)或氧化锌(ZnO)。在可与本文所述的其他实施方式组合的另一实施方式中，墨得自金属氧化物前驱物，包括但不限于：金属醇盐、金属乙酸盐和金属硝酸盐。几个前驱物范例包括：四异丙氧基钛、丁氧基锆、乙酸锆、乙酰丙酮锆、乙醇钽、硝酸锌、乙酸锌。墨配方还可含有以下成分：溶剂(例如水、乙醇、丙二醇甲醚、环戊酮等溶剂)；酸碱类(例如醋酸、盐酸、柠檬酸、氢氧化钠、乙醇胺)；交联剂、单体和聚合物(例如三甘醇二甲基丙烯酸酯、9-乙烯基咔唑、聚酰亚胺和聚膦酸酯)。固化之后的喷墨材料108具有介于约1.6和约3.0之间的喷墨折射率。光学装置结构102的折射率也在约1.6和约3.0之间。
图2A至2C是供体基板115的示意性顶部视图。每一供体基板115包括多个光栅104。每一光栅104包括多个光学装置结构102(在图1中详细展示)。多个光栅104A至104C的每一者被制造于单独的供体基板115上以允许光栅104的密集封装。多个光栅104不限于如图2A至2C中所展示的矩形形状。
图2A包括供体基板115的第一配置200A。第一配置200A包括在供体基板115上形成的多个第一光栅104A。多个第一光栅104A的每一者对应于输入耦合光栅。每一供体基板115可容纳介于4到3000个之间的第一光栅104A，取决于供体基板115的尺寸。例如，供体基板115可包括约160个第一光栅104A。可根据需要在供体基板115上形成多个第一光栅104A以最大化供体基板115上的第一光栅104A的数量。
图2B包括供体基板115的第二配置200B。第二配置200B包括在供体基板115上形成的多个第二光栅104B。多个第二光栅104B的每一者对应于中间光栅。每一供体基板115可容纳介于4至300个之间的第二光栅104B，取决于供体基板115的尺寸。例如，供体基板115可包括约32个第二光栅104B。可根据需要在供体基板115上形成多个第二光栅104B以最大化供体基板115上的第二光栅104B的数量。
图2C包括供体基板115的第三配置200C。第三配置200C包括在供体基板115上形成的多个第三光栅104C。多个第三光栅104C的每一者对应于输出光栅。每一供体基板115可容纳介于4至300个之间的第三光栅104C，取决于供体基板115的尺寸。例如，供体基板115可包括约24个第三光栅104C。可根据需要在供体基板115上形成多个第三光栅104C以最大化供体基板115上的第三光栅104C的数量。
在不同的供体基板115上形成第一光栅104A、第二光栅104B和第三光栅104C允许利用供体基板115的更多表面面积。如下面的方法300中所述，在不同的供体基板115上形成第一光栅104A、第二光栅104B和第三光栅104C通过利用供体基板115的更多表面面积来减少光学装置制造的成本。另外，第一光栅104A、第二光栅104B和第三光栅104C的每一者的制造可采用不同的制造操作。因此，通过分别形成相应光栅使得每一供体基板115可经受相同的制造处理，可进一步减低制造成本。
图3是形成如图4A至4F中所展示的光学装置100的方法300的流程图。图4A至4F是在方法300期间形成光学装置100的示意性侧视图。为了便于解释，方法300和图4A至4F描绘了具有第一光栅104A(例如，输入耦合光栅)和第三光栅104C(例如，输出耦合光栅)的光学装置100，然而，方法300也设想形成具有第二光栅104B(例如，中间光栅)的光学装置100。另外，虽然在相同的高度402形成每一光栅104的光学装置结构102，设想每一光学装置结构102的高度402可跨供体基板115变化。
在操作301处，如图4A中所展示，多个光栅104在供体基板115上被图案化。尽管图4A仅展示在供体基板115上形成第一光栅104A，在不同的供体基板115上形成第二光栅104B和/或第三光栅104C。每一供体基板115的多个光栅104实质相同。设想本文描述的方法300不限于在一个供体基板115上的一种光栅类型。设想在同一供体基板115上设计和制造不同的光栅以进一步利用每一相应的供体基板115的空白区域。为了便于解释，将参考第一光栅104A来描述操作301至303。然而，也可对第二光栅104B和第三光栅104C执行操作301至303。尽管在图4A中仅展示了三个第一光栅104A，可设想可在供体基板115上形成任何数量的光栅104。
在操作302处，如图4B中所展示，修整供体基板115。供体基板115被修整至供体基板高度408。供体基板高度408是基于预定基板厚度412来确定的(在图4E和4F中展示)。预定基板厚度412是供体基板高度408和光学装置基板高度410的总和。将供体基板115修整使得当定位在光学装置基板101上时，达到预定基板厚度412。例如，所需基板厚度412为800μm，光学装置基板高度410为500μm，因此供体基板高度408为约300μm。
在操作303处，如图4C中所展示，每一光栅104(例如，图4C中所展示的每一第一光栅104A)被切割成供体基板115的部分105。部分105是使用基板切割处理来切割的，例如激光烧蚀切割、成丝、金刚石刀片切割、或使用精密切割锯。
在操作304处，如图4D中所展示，供体基板115具有第一光栅104A的部分105和供体基板115具有第三光栅104C的部分105被放置接近光学装置基板101。在一些实施方式中，具有第二光栅104B(未展示)的供体基板115的部分105被接合到光学装置基板101。为了帮助对准供体基板115和光学装置基板101，设计和制造在光学装置基板101和供体基板115上的对准标记。对准标记可在形状上互补，或者，每一标记的位置可由对准系统读取以计算并对准光学装置基板101和供体基板115的相对位置。第一光栅104A的多个光学装置结构102相对于供体基板115的表面202和光学装置基板101的上表面103呈垂直。第三光栅104C的多个光学装置结构102相对于供体基板115的表面202和光学装置基板101的上表面103成角度。每一光栅104可相对于表面202成角度或垂直。
在操作305处，如图4E中所展示，将供体基板115具有第一光栅104A的部分105附着到光学装置基板101。此外，将供体基板115具有第三光栅104C的部分105附着到光学装置基板101。在一些实施方式中，将供体基板115具有第二光栅104B(未展示)的部分105接合到光学装置基板101。通过使用例如粘合剂接合、玻璃料接合或熔融接合的处理接合到部分105，将供体基板115的多个部分105附着到光学装置基板。熔融接合是指两个平面基板在不添加任何中间层的情况下自发附着。在熔融接合中，等离子体预处理可用于产生没有有机污染物的清洁表面。
在操作306处，如图4F中所展示，喷墨材料108设置在光学装置基板101上以形成光学装置100。喷墨材料108设置在每一光栅104的光学装置结构102之间。喷墨材料108也设置在每一相邻的供体基板115之间。经由喷墨印刷处理来设置喷墨材料108。使用喷墨高度404来设置喷墨材料108。喷墨高度404与光学装置结构102的顶部表面406共平面或更高。
喷墨折射率实质等于光学装置基板101的第一折射率和供体基板115的第二折射率。喷墨材料108光学地将第一光栅104A互连至第三光栅104C，使得光学装置100上的入射光的光学路径允许全内反射。例如，因为喷墨折射率实质等于光学装置基板101的第一折射率和供体基板115的第二折射率，光能够传播穿过光学装置100。喷墨材料108不需要额外的图案化操作来界定光栅104之间的互连区域。
总而言之，本文提供了使用离散光栅组件和光学互连的方法的光学装置制造。在操作中，在分离的供体基板上形成对应于光学装置的输入耦合光栅、中间光栅或输出耦合光栅的其中一者的离散光栅。供体基板被切割成单独的光栅并附着到光学装置基板。喷墨材料设置在光栅之间以光学地互连光学装置的部分。通过在单独的基板上形成每一光栅，由于改进了基板表面面积的使用而减低了光学装置的制造成本。
Claims (20)
1.一种光学装置，包括：
光学装置基板；
第一供体基板的一部分，所述部分设置于所述光学装置基板的上表面上；
第一光栅，所述第一光栅设置于所述第一供体基板的所述部分上，所述第一光栅包括第一多个光学装置结构；
第二供体基板的一部分，所述部分设置于所述光学装置基板的所述上表面上；
第二光栅，所述第二光栅设置于所述第二供体基板的所述部分上，所述第二光栅包括第二多个光学装置结构；和
喷墨材料，所述喷墨材料设置于所述第一光栅及所述第二光栅之间，所述喷墨材料具有喷墨高度，其中所述喷墨高度与所述第一多个光学装置结构及所述第二多个光学装置结构的高度共平面或大于所述高度。
2.如权利要求1所述的光学装置，其中所述喷墨材料具有喷墨折射率，所述光学装置基板具有第一折射率，所述第一供体基板具有第二折射率，且所述第二供体基板具有第三折射率，其中所述第一折射率、所述第二折射率、所述第三折射率、及所述喷墨折射率实质相等。
3.如权利要求2所述的光学装置，其中所述喷墨折射率介于约1.6及约3.0之间。
4.如权利要求1所述的光学装置，其中所述喷墨材料包括纳米颗粒或金属氧化物前驱物的胶体分散体。
5.如权利要求1所述的光学装置，进一步包括：
第三供体基板的一部分，所述部分设置于所述光学装置基板的所述上表面上；和
第三光栅，所述第三光栅设置于所述第三供体基板的所述部分上，所述第三光栅包括第三多个光学装置结构，其中所述第三光栅对应于中间光栅。
6.如权利要求1所述的光学装置，其中所述第一光栅为输入耦合光栅。
7.如权利要求1所述的光学装置，其中所述第二光栅为输出耦合光栅。
8.如权利要求1所述的光学装置，其中可操作所述喷墨材料以光学地将第一光栅互连至所述第二光栅以产生用于入射光的光学路径。
9.如权利要求1所述的光学装置，其中：
所述第一多个光学装置结构相对于所述光学装置基板的所述上表面呈垂直；和
所述第二多个光学装置结构相对于所述光学装置基板的所述上表面呈非垂直。
10.如权利要求1所述的光学装置，其中所述喷墨高度与所述第一多个光学装置结构及所述第二多个光学装置结构的所述高度共平面。
11.一种光学装置，包括：
光学装置基板，所述光学装置基板具有第一折射率；
第一供体基板的一部分，所述部分设置于所述光学装置基板的上表面上，所述第一供体基板具有第二折射率；
第一光栅，所述第一光栅设置于所述第一供体基板的所述部分上，所述第一光栅包括第一多个光学装置结构；
第二供体基板的一部分，所述部分设置于所述光学装置基板的所述上表面上，所述第二供体基板的所述部分具有第三折射率；
第二光栅，所述第二光栅设置于所述第二供体基板的所述部分上，所述第二光栅包括第二多个光学装置结构；和
喷墨材料，所述喷墨材料设置于所述第一光栅及所述第二光栅之间，所述喷墨材料具有喷墨折射率，其中所述喷墨折射率、所述第一折射率、所述第二折射率、及所述第三折射率实质相等。
12.如权利要求11所述的光学装置，其中所述喷墨折射率介于约1.6及约3.0之间。
13.如权利要求11所述的光学装置，其中所述喷墨材料包括纳米颗粒或金属氧化物前驱物的胶体分散体。
14.如权利要求11所述的光学装置，其中所述第一光栅为输入耦合光栅。
15.如权利要求11所述的光学装置，其中所述第二光栅为输出耦合光栅。
16.如权利要求11所述的光学装置，其中可操作所述喷墨材料以光学地将第一光栅互连至所述第二光栅以产生用于入射光的光学路径。
17.一种形成光学装置的方法，包括以下步骤：
在第一供体基板上形成输入耦合光栅；
在第二供体基板上形成输出耦合光栅；
将所述第一供体基板及所述第二供体基板的每一者修整至供体基板高度；
将每一输入耦合光栅及每一输出耦合光栅切割成所述第一供体基板的一部分及所述第二供体基板的一部分；
将所述第一供体基板的所述部分及所述第二供体基板的所述部分附着至光学装置基板的上表面；和
在所述光学装置基板上在所述输入耦合光栅及所述输出耦合光栅之间设置喷墨材料。
18.如权利要求17所述的形成光学装置的方法，其中所述喷墨材料光学地将输入耦合光栅互连至所述输出耦合光栅以产生用于入射光的光学路径。
19.如权利要求17所述的形成光学装置的方法，进一步包括以下步骤：直接在所述光学装置基板的所述上表面上及在所述第一供体基板及所述第二供体基板之间设置所述喷墨材料。
20.如权利要求17所述的形成光学装置的方法，进一步包括以下步骤：
在第三供体基板上形成中间光栅；
将所述第三供体基板修整至所述供体基板高度；
将所述中间光栅的每一者切割成所述第三供体基板的一部分；
将所述第三供体基板的所述部分附着至所述光学装置基板的所述上表面；和
在所述光学装置基板上在所述输入耦合光栅、所述输出耦合光栅、及所述中间光栅之间设置喷墨材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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