微软AR/VR专利介绍用于光波导的高折射率纳米可压印树脂
获得高视场，同时保持高分辨率图像
（映维网Nweon 2024年05月30日）AR/MR设备的目标是提供大视场的高分辨率图像。这一点非常重要，因为更大的视场可以提供更高的沉浸感。
视场受限于波导中材料的折射率。具体来说，视场的扩大与折射率大致成正比。另外，传统的波导中往往存在视场和图像分辨率之间的权衡：大视场导致图像分辨率较低，反之亦然。所以，AR/MR设备的目标是优化这种平衡，在保持高分辨率的同时实现大视场。同时，在视场和均匀性之间存在权衡。视场越大，波导尺寸越大，制造具有均匀光栅的平面波导就越困难。
在名为“High refractive index nanoimprintable resin for optical waveguide applications”的专利申请中，微软介绍了一种用于光波导应用的高折射率纳米可压印树脂。其中，所述纳米印迹树脂具有高折射率，所以将其结合到AR/MR设备的光波导中可以获得高视场，同时保持高分辨率图像。
如图1所示，纳米可印树脂190可以部分地由基础树脂150形成。所述基础树脂150可与金属氧化物纳米颗粒170和其它材料混合以产生用于波导应用的高折射率纳米可印树脂190。基础树脂150可以由一种或多种交联剂化合物110、一种或多种光学掺杂剂120和/或一种或多种稀释剂130形成。
可以选择用于形成基础树脂150的交联剂化合物110，使其具有高折射率、高玻璃化转变温度（Tg）和/或高粘度。另外，可以选择交联剂化合物110，以便赋予基础树脂150：高折射率、足够的硬度、低收缩率和最佳的划伤、磨损、耐水性和/或耐化学性。同时，希望所述交联剂化合物110具有高活性且不泛黄。
为此，所述交联剂化合物110可具有丙烯酸酯功能。基础树脂150可以由二丙烯酸酯交联剂和三丙烯酸酯交联剂化合物形成。
二丙烯酸酯交联剂可以是二丙烯酸酯己二醇、二丙烯酸酯二丙二醇、二丙烯酸双酚和/或双酚a环氧二丙烯酸酯中的一种或多种。二(丙烯酸酯交联剂可以包括在1%至5%重量，或1.5%至4.5%重量，或2%至4%重量的纳米印迹树脂190，或任何其他范围的组合。
三丙烯酸酯交联剂可以是三甲基丙烷三丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯和/或季戊四醇三丙烯酸酯中的一种或多种。三丙烯酸酯交联剂可以包含在纳米印迹树脂190的0.2%至2%重量，或0.5%至1.5%重量，或0.8%至1.2%重量，或任何其他范围的组合。
所述基础树脂150同时可以包含光学掺杂剂120作为空穴输运元件。另外，可以选择光学掺杂剂120，以增加基础树脂150的折射率。优选地，光学掺杂剂120具有高Tg和高固化性。形成基础树脂150的光学掺杂剂120可以是二乙烯基苯。光学掺杂剂120可包括在所述纳米可印树脂190的1%至3%重量，或1.5%至2.5%重量，或任何其他范围组合。
基础树脂150同时可以包括一种或多种稀释剂130，用于控制基础树脂150的接枝密度。另外，可以选择一种或多种稀释剂130，以便赋予基础树脂150：折射率为1.4或更大，更优选为1.5或更大；高Tg；附着力好，韧性好；和/或最佳的水，耐热性和耐磨性。
一种或多种稀释剂130可以是高固化的，并且将优选地改善基础树脂150的透明度。稀释剂130可以是单丙烯酸酯、烯丙基苯基醚和/或异硼镁基丙烯酸酯中的一种或多种。一种或多种稀释剂130可包括在纳米可印树脂190的总重量5%至19%，或重量8%至15%，或重量10%至12%，或任何其他范围组合。
所述基础树脂150可以包括一种或多种添加剂140，用于
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改善所述金属氧化物纳米颗粒170和/或交联剂化合物110的分散
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降低纳米印迹树脂190的粘度
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和/或降低整体的表面能，从而在纳米压印过程中改善模具从固化的纳米压印树脂190的释放。
基础树脂150可以基本省略硫和/或卤素。例如，卤素基树脂具有高折射率，但相对昂贵，并且会带来环境问题。含硫树脂在固化状态下表现出有限的稳定性，这影响了由它们形成的材料的可靠性和性能。另外，含硫树脂容易变黄。
如图1所示，例如，基础树脂150可以与溶剂160、(金属氧化物纳米颗粒170和/或(光引发剂180混合以形成纳米可印迹树脂190。基础树脂150可包括在纳米可印树脂190的9%至30%，例如15%至25%，或纳米可印树脂190的约20%，或具有由上述任意两个值定义的端点的任何范围组合。
可以选择金属氧化物纳米颗粒170，以改善用于波导应用的纳米可印树脂190的光学性能和折射率。可以选择金属氧化物纳米颗粒170，使其具有比基础树脂150更高的折射率。
在一个例子中，金属氧化物纳米颗粒170的折射率可以在2左右，例如在1.95和2.05之间，而波导或衬底的折射率可以在1.6左右，例如在1.5和1.7之间。
所述金属氧化物纳米颗粒170可具有10 nm至30 nm的平均粒径，例如20 nm。金属氧化物纳米颗粒170可以是二氧化钛、二氧化锆、钛酸钡、氧化铪、氧化铌、氧化锌、氧化铈、氧化铟和/或二氧化钛与二氧化锆的混合物中的一种或多种。
金属氧化物纳米颗粒170可以用丙烯酸酯官能团修饰，使其能够与基础树脂150的一种或多种交联剂化合物110交联。金属氧化物纳米颗粒170可以包括在纳米可压印树脂190重量的60%至85%，例如65%至80%，或纳米可压印树脂190重量的70%至75%。
所述基础树脂150同时可与光引发剂180混合，从而使得述纳米印迹树脂190是光固化的。
基础树脂150可以与溶剂160混合，以调整纳米可印树脂190的厚度，使得其可以由自旋涂覆或浇铸到用于制备光波导的透明衬底之上。溶剂160可以是丙二醇甲基醚、甲苯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、丙二醇甲基醚醋酸酯和/或甲基乙基酮中的一种或多种。
可以通过将一种或多种交联剂化合物110与一种或多种光学掺杂剂120、一种或多种稀释剂130和/或一种或多种添加剂140与溶剂160混合而形成的基础树脂150功能化，以能够与基础树脂150的一种或多种交联剂化合物110交联的金属氧化物纳米颗粒170，以及光引发剂180混合而形成纳米可印迹树脂190。
参考图2，光波导可以通过自旋涂覆、浇注或以其他方式将纳米可印迹树脂190涂覆到透明衬底210之上而由纳米可印迹树脂190形成。所述衬底210可以是玻璃、硅和/或透明聚合物。
将纳米印迹树脂190施加到衬底210的表面后，可以除去溶剂160，使纳米印迹树脂190均匀地分布在衬底210的表面之上，如图2A所示。
然后，通过将包含光栅图案的模具220压在纳米印迹树脂190之上，从而在纳米印迹树脂190中形成相应的纳米尺度图案，并且可以将纳米印迹树脂190冲压成由纳米尺度特征组成的光栅图案，如图2B所示。
然后，如图2C所示，可以通过将紫外线光施加到自旋涂覆薄膜之上来固化纳米印迹树脂190。最后，可以将模具220从固化的纳米印迹树脂190薄膜中去除，在玻璃衬底上固化薄膜的表面留下与模具220相对应的光栅图案。
微软指出，发明描述的纳米印迹树脂190允许树脂薄膜填充模具220中的纳米级蚀刻，并且允许从固化薄膜中释放模具220而不干扰印迹光栅的表面结构。
在一个实施例中，固化的纳米印迹树脂190的折射率可以与透明衬底210的折射率相同或相似。这样，在波导内传播的光从纳米可印树脂190和透明衬底210之间的界面反射的概率就降低了。
相关专利：Microsoft Patent | High refractive index nanoimprintable resin for optical waveguide applications
名为“High refractive index nanoimprintable resin for optical waveguide applications”的微软专利申请最初在2022年11月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
