微软AR/VR专利介绍减少菲涅尔反射的表面浮雕光栅制造过程
SRG制造过程
（映维网Nweon 2023年09月14日）MR头显可以采用衍射光学元件（DOE），以提供来自显示引擎的虚拟图像的入射光瞳复制，并通过放大的视窗将图像光引导到用户的眼睛。在一个应用中，这种DOE可以实现为表面浮雕光栅（SRG）。
然而，传统的SRG容易产生菲涅尔反射，并导致衍射效率的损失，从而减少光学显示系统中SRG可以引导的视场。在名为“Slanted surface relief grating replication by optical proximity recording”的专利申请中，微软介绍了一种减少菲涅尔反射的SRG的制造过程。
图7显示的头显设备700使用了传统的SRG。由非期望提取场表现出的眼睛辉光伪影可以部分或完全遮挡用户的眼睛，这会减损临场感体验，从而降低头显设备的社交舒适度。
在其他场景中，向前投射的眼睛辉光伪影会对用户的体验产生负面影响。例如，在军事环境中，容易感知的眼睛辉光伪影可能代表着安全风险。
所以，可以通过特定的光学接近记录工艺来产生具有更强布拉格选择性的SRG，从而减少对显示系统实际侧的非必要场提取。
图8A,，8B和8C显示了使用传统纳米压印光刻NIL技术制造表面浮雕光栅的说明过程。在图8A中，弹性体冲压件805由硬母材制成。所述冲压件与配置为波导的光学基片810对齐，在所述波导上涂有可变形粘性光敏树脂层815。
在图8B中，使用机械力将冲压件805压在树脂层815上，以压印树脂中的纳米结构，然后使用来自一个或多个UV光源825的光固化。在典型的实现中，机械力与传统的热零压加工相比相对较低，操作可以在室温下进行。
在图8C中，冲压件805从固化树脂中释放出来。分离后，负极图案压印在固化树脂层上，以产生NIL压印的SRG 840。在一个实施例中，可以使用额外的固化或其他后处理来进一步开发SRG特征或提供额外的成型或处理。
图9A、9B、9C和9D显示了通过光学接近记录复制表面浮雕光栅的说明性过程。记录过程包括树脂曝光来定义SRG纳米结构的空间分辨率，使用光刻技术和树脂显影来去除基片的多余树脂，从而消除传统NIL中存在的偏置层，并减少菲涅尔反射。
在图9A中，使用二元铬层提供掩模905。所述掩模与配置为波导的光学基片910对齐，在所述波导基片和可移动顶板920之间的封闭体积中，在其上分配专门的可变形粘性光敏树脂层915。顶板可以配置为对用于曝光的特定波长光学透明。
所述树脂层可包括可光聚合的单体、光引发剂染料、共引发剂和液晶混合物。混合物经历光聚合诱导的相分离，产生由微液滴填充的区域，并在图9B所示的曝光过程中散布透明聚合物区域。
在这里，将二元铬掩模放置在靠近树脂层的位置，操作一个或多个紫外激光器930或其他合适的光源，使用干涉曝光使至少一个记录光束通过掩模衍射，以在混合物中产生相分离和聚合反应。
通常，干涉测量的原理涉及传播相同频率的相干电磁波相互干扰，产生的图案由它们之间的相位关系决定。
为光学接近记录的给定实现产生的干涉图案可以对二元铬掩模905和树脂层915之间的光学接近间距、掩模特性和记录光束特性以及其他因素敏感。干涉曝光过程记录了形成光栅纳米结构条纹面的富液晶和贫液晶交替区域。根据记录光束的配置方式，可以用倾斜或非倾斜的条纹形成光栅结构。
在图9C中，移除顶板，随后树脂显影实现了复制的SRG945。树脂开发可以包括任何合适的方法剥离残留的HPDLC/RMLCM混合物，例如机械和/或化学剥离，从而最大限度地减少SRG光栅特征之间残留的任何残留树脂混合物。
在一个示例性实施例中，如图9D所示，随后的树脂开发可包括将SRG灰化在由一个或多个源955提供的氧等离子体中。等离子体灰化、反应离子束蚀刻和/或其他合适的工艺可以帮助去除由光学接近记录产生的残留树脂和/或偏置层。
微软指出，上述光学近距离记录过程具有诸多优点，并解决了传统记录方法的一系列局限性。与具有纳米级结构的NIL硬母片相比，采用简单二维振幅结构的二元铬掩膜的制作复杂程度较低。由于在SRG复制过程中，二元铬掩膜与树脂之间没有物理接触，因此与NIL弹性体冲压件相比，二元铬掩膜的使用寿命明显更长。
这种缺乏接触同时确保了零件之间高度一致的复制，因为冲压件不再是一个问题。另外，这允许操作较厚的树脂层，因为消除了在压印期间用树脂填充深印痕通道的限制。不仅只是这样，批量生产同样有所简化，因为光学接近记录可用于直接生产SRG，而不是像NIL那样需要晶圆处理的晶圆规模工艺。
图10显示了使用本光学接近记录方法复制的SRG 945。如图所示，光栅特征以预定角度Φ倾斜，槽周期为Δ。倾斜光栅可以是非常通用的元件，并通常提供SRG设计的灵活性，因为它们的光谱和角带宽可以通过倾斜角度来调节。
前后斜角在同一周期可以仔细调整，以实现所需的角度和光谱操作。光栅的宽度为w，光栅1005的高度为h1。如图所示，偏置层高度为b1 = 0，因为如上所述，光学接近记录过程中的树脂显影步骤消除了曝光后残留在沟槽1015中的任何偏置层。
图11显示了使用传统NIL工艺生产的SRG840。如图所示，光栅特征以某种预定角度Φ倾斜，槽间距为Δ。光栅的宽度w和高度h低于图10，这是由于压印过程无法完全将树脂从光栅特征之间的沟槽1115中抽离造成。偏压层作为一个平面界面，可以作为菲涅尔反射面，并可以限制从波导基片传播到光栅的场的视场。
由于SRG 840具有相对较短的光栅特性1105，为了保持可接受的光栅效率并避免不良的菲涅尔反射，SRG的折射率至少需要与波导衬底810一样高。所以如图所示，折射率为0既适用于SRG同样适用于基片。由于TiO2或ZnO2纳米填料，以及蓝色和/或绿色的吸收，高指数树脂可能有其自身的局限性，例如扩散和散射。
图12显示了由于偏压层1110的存在而具有低布拉格选择性的传统SRG 840。如图所示，所述特性导致在波导810的眼睛侧1202和现实世界侧1204发生衍射，如箭头1205和1210所示。向现实世界一侧的衍射引起强烈的眼睛辉光1215，如图示右侧的头显设备700所示。
通过比较，图13显示了使用当前光学接近记录产生的SRG 945。由于更高的宽高比和更低的折射率，因此具有更强的布拉格选择性，从而减少了头显中的眼睛辉光1315。
图14是使用光学接近记录复制表面浮雕光栅的说明性方法流程图1400。
1405在顶板和底波导基片之间分配一层聚合物分散液晶混合物。
1410将掩模放置在光学接近聚合物分散液晶混合物层。
1415将来自光源的至少一个记录光束导向掩模，掩模与至少一个记录光束相互作用以将至少一个记录光束的至少一部分衍射到聚合物分散液晶混合物层。
1420在波导基片上的聚合物分散液晶混合物层中记录用于SRG的衍射光栅特征，其中记录的衍射光栅特征是由至少一个记录光束的衍射部分形成的干涉曝光产生。
1425开发聚合物分散液晶混合物层，以通过将一个或多个部分的干涉未暴露混合物基本上向下排出到底部波导基片来实现SRG。
相关专利：Microsoft Patent | Slanted surface relief grating replication by optical proximity recording
名为“Slanted surface relief grating replication by optical proximity recording”的微软专利申请最初在2022年2月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
