Meta AR/VR专利分享制造偏振选择元件的方法

制造偏振选择元件的方法

（映维网Nweon 2024年01月05日）诸如偏振选择透镜、光栅和偏转器等偏振选择光学元件在XR应用中获得了越来越多的兴趣。偏振选择光学元件可以基于各向同性或各向异性材料制造，并且可以包括合适的亚波长结构、液晶、光折变全息材料或其组合。

PVH元件和PBP元件是两种提供偏振选择性光学响应的偏振选择性光学元件。PVH元件或PBP元件的光轴可在至少一个平面内方向上具有空间变化的方向。PVH元件或PBP元件的光轴也可以在面外方向上具有空间变化的取向。PBP元件和PVH元件具有平整度高、结构紧凑、效率高、孔径比大、无轴向像差、可切换、设计灵活、制作简单、成本低等特点。因此，PBP元件和PVH元件可以在各种应用中实现，例如可穿戴光学设备或系统。

在名为“System and method for fabricating polarization selective element”的专利申请中，Meta就介绍了一种制造偏振选择元件的方法。

4A-4D图解说明了通过制造偏振选择光学元件（PSOE）的过程，而制作工艺如图5所示。图4A-4D可包括在光对准膜中对准图案的全息记录，以及通过光对准膜对各向异性材料（例如LC材料）进行对准。这种对准过程可称为表面介导的光对准。

在一个实施例中，可以基于图5所示的制造工艺制造PSOE。4A-4D可以是偏振选择光栅，如PVH光栅、PBP光栅等。

如图4A所示，通过在基材405的表面涂敷或沉积极化敏感材料，可以在基材405的表面之上形成记录介质层410。因此，所述记录介质层410可称为极化敏感记录介质层。

包括在记录介质层410中的极化敏感材料可以是光学可记录和极化敏感材料，配置为在暴露于偏振光照射时具有光致光学各向异性。光学可记录和偏振敏感材料的分子和/或光产物可以配置为在偏振光照射下产生取向有序。

在一个实施例中，极化敏感材料可以溶解在溶剂中形成溶液。所述溶液可以使用任何合适的溶液涂层工艺。溶剂则可以使用合适的工艺，例如干燥或加热，从涂层溶液中除去，将极化敏感材料留在衬底405之上，以形成记录介质层410。

衬底405可以对在其上形成的各种层、薄膜和/或结构提供支撑和保护。在一个实施例中，衬底405可以在至少可见波长波段中至少部分透明，例如约380 nm至约700 nm。在一个实施例中，衬底405可以在红外波段的至少一部分中部分透明，例如约700 nm至约4 mm。

衬底405可以包括对上述波长范围的光至少部分透明的合适材料，例如玻璃、塑料、蓝宝石或其组合等。衬底405可以是刚性、半刚性、柔性或半柔性的。所述基材405可包括平面或曲面，在其上可形成不同的层或薄膜。

衬底405可用于制造、存储或运输制造的PSOE。在一个实施例中，在制造PSOE或将PSOE运输到另一个地方或设备后，衬底405可以从所制造的PSOE中可拆卸或可拆卸。换句话说，衬底405可用于制造、运输和/或存储，以支持衬底405提供的PSOE，并且当PSOE的制造完成时，或者当PSOE要在光学器件中实现时，可以从PSOE中分离或移除。在其他实施例中，衬底405可以不与PSOE分离。

在衬底405形成记录介质层410后，如图4B所示，记录介质层410可以暴露于基于两个记录波束440和442产生的偏振干涉图案。所述两个记录波束440和442可以是具有相反旋向的两个相干圆偏振波束。

在一个实施例中，当将记录介质层410暴露于所述偏振干涉曝光过程中基于所述两个记录光束440和442所产生的偏振干涉图时，所述记录介质层410可被光学图案化。在曝光区域中的记录介质层410的光轴方向图案可以由极化干涉曝光过程中所述记录介质层410在其下曝光的极化干涉图案来定义。

在一个实施例中，记录介质层410的不同区域可以暴露于相同或不同的极化干涉图案。在各自的偏振干涉曝光过程中，可以在各自的曝光区域中定义记录介质410的光轴的相同或不同的取向图案。

在一个实施例中，记录介质层410可以包括细长的各向异性光敏单元。在对基于两个记录光源440和442产生的偏振干涉图进行充分曝光后，可以通过偏振干涉图在记录介质层410中诱导各向异性光敏单元的局部对准方向，从而由于各向异性光敏单元的光对准而导致记录介质层410的光轴的对准图案。

在一个实施例中，可以通过多极化干涉曝光处理在记录介质层410的不同部分或区域中记录多个对准图案。多重对准模式可以对应于具有相同或不同尺寸、形状、光栅周期、光栅方向和/或面内调制的手性的多个光栅模式。

在一个实施例中，暴露区域中记录介质层410的光轴的平面内调制的旋向性可以通过控制记录波束440和442的旋向性来控制。

例如，当记录波束440是RHCP波束，记录波束442是LHCP波束时，所述暴露区域中记录介质层410的光轴的面内调制的旋向性可以是右旋的。当记录波束440为LHCP波束，记录波束442为RHCP波束时，记录介质层410的光轴在暴露区域的面内调制的旋向性可以是左旋的。在记录介质层410被光学图案化之后，记录介质层410可被称为具有对齐图案的图案化记录介质层。

如图4C所示，通过在图案化记录介质层410分配例如涂覆或沉积双折射介质，可以在图案化记录介质层410之上形成双折射介质层415。双折射介质可包括具有固有双折射的一种或多种双折射材料。

在一个实施例中，双折射介质同时可以包括或与其他成分混合，例如溶剂、引发剂、手性掺杂剂或表面活性剂等。

在一个实施例中，双折射介质可以不具有固有手性或诱导手性。双折射介质可具有固有手性或诱导手性。例如，双折射介质可以包括宿主双折射材料和以预定浓度掺杂到宿主双折射材料中的手性掺杂剂。手性可以通过掺杂到宿主双折射材料中的手性掺杂剂来引入，例如，掺杂到向列型lc中的手性掺杂剂，或掺杂到非手性RMs中的手性反应介质。

在一个实施例中，双折射介质可以包括具有固有分子手性的双折射材料，并且手性掺杂剂可以不掺杂到双折射材料中。双折射介质的手性可以由双折射材料固有的分子手性决定。例如，双折射材料可包括手性液晶分子，或具有一个或多个手性官能团的分子。

在一个实施例中，可将双折射介质溶解在溶剂中以形成溶液。可将适量的溶液分配在图案化记录介质层410上，以形成双折射介质层415。在一个实施例中，含有双折射介质的溶液可以使用合适的工艺。

在一个实施例中，可加热双折射介质以除去剩余溶剂。这一过程可称为曝光前加热。图案化的记录介质层410可以配置为对双折射介质中的光学各向异性分子提供表面对齐。例如，图案化记录介质层410可以至少部分地将与光栅图案化记录介质层410接触的双折射介质中的LC分子或RM分子对齐。

换句话说，双折射介质中的LC分子或RM分子可至少部分沿图图化记录介质层410中各向异性光敏单元的局部排列方向排列，以形成光栅图案。这样，记录在图案化记录介质层410中的光栅图案(可以转移到双折射介质中，从而转移到双折射介质层415中。即，图案记录介质层410可作为双折射介质中的LC或RM的光对准材料（PAM）层。这样的对准过程可称为表面介导的光对准。

在一个实施例中，在双折射介质中的LC或RMs通过图图化记录介质层410对齐后，可在与双折射介质中的LC或RMs的向列相相对应的温度范围内对双折射介质进行热处理，以增强LC和/或RMs的对齐。这一过程可称为暴露后热处理。在一些实施例中，热处理双折射介质的过程可以省略。

在一个实施例中，当双折射介质包括可聚合的LC时，在RMs被图案化记录介质层410对齐后，RMs可以聚合，例如热聚合或光聚合，以固化和稳定双折射介质的光轴的方向图案，从而形成双折射介质层415。

在一个实施例中，如图4D所示，可以用例如紫外光444照射双折射介质。在足够的紫外光照射下，双折射介质可以发生聚合，从而稳定双折射介质的光轴方向图。在一个实施例中，双折射介质在紫外光照射下的聚合可以在空气中、在例如由氮气、氩气、二氧化碳形成的惰性气氛中或在真空中进行。因此，基于偏振干涉曝光过程和表面介导的光对准可以得到偏振选择光栅400。

如图4D所示，衬底405和/或记录介质层410可用于制造、存储或传输偏振选择光栅400。在一个实施例中，衬底405和/或记录介质层410可以在极化选择光栅400的其他部分制造或运输到另一处或设备后，从偏振选择光栅400的其他部分可拆卸或可拆卸。即衬底405和/或图案化记录介质层410可用于制造、运输和/或存储，以支持双折射介质层415，并且当偏振选择光栅400的制造完成时，或当偏振选择光栅400要在光学器件中实施时，可从双折射介质层415中分离或移除。

制造工艺如图5所示。如图5A所示，可以组装两个衬底405和405 ‘（称为第一衬底405和第二衬底405 ‘）以形成LC单元500。例如，两个衬底405和405’可通过粘合剂412相互粘合以形成LC单元500。

两个衬底405和405 ‘中的至少一个可具有一个或多个导电电极层和图案化记录介质层。例如，在衬底405和405’的相对表面上可形成两个导电电极层540和540’，在两个导电电极层540和540’的相对表面上可形成两个图案化记录介质层410和410’。

导电电极层540或540 ‘可以至少在与衬底405或405 ‘相同的频谱带内是透射和/或反射的。所述导电电极层540或540 ‘可以是平面连续电极层或图案电极层。如图5A所示，在图案化记录介质层410和410′之间可以存在间隙或空间。

如图5B所示，可将可通过外部场重新定向的有源LC填充到LC单元500内图案化记录介质层410和410’之间形成的空间中，以形成有源LC层505。图案化记录介质层410或410 ‘可作为填充到LC单元500中的有源LC的PAM层，使得有源LC可至少部分地由图案化记录介质层410或410 ‘按光栅图案对齐，以形成有源LC层505。

因此，图案化记录介质层410或410 ‘可称为PAM层410和410 ‘。填充有源LC的LC单元500可以通过例如粘合剂412密封，并且可以获得有源PSOE510。可以通过施加到导电电极层540和540 ‘的电压来切换有源PSOE 510。

图案化的记录介质层410和410 可以设置在两个衬底405和405 ‘的相对内表面。在一个实施例中，设置在两个衬底405和405的PAM层410和410中的每一个可以配置为提供平面对准。

PAM层410和410 ‘可以提供平行或反平行的表面对准。在一个实施例中，设置在两个衬底405和405上的PAM层410和410 ‘可以配置为提供混合表面对准。例如，设置在衬底405的PAM层410可以配置为提供平面对准，并且设置在另一衬底405处的PAM层410可以配置为提供各向同性对准。

导电电极层540和540′可设置在两个衬底405和405′处。导电电极层540或540 ‘可设置在图案化记录介质层（410或410 ‘）和衬底（405或405 ‘）之间。在5A和5B中，导电电极层540和540 ‘中的每一层都可以是连续的平面电极层。可对导电电极层540和540 ‘施加驱动电压以产生垂直电场以重新定向LC分子，从而切换有源PSOE510的光学特性。如图5B所示，导电电极层540和540′可设置在有源LC层505的两侧。

在一个实施例中，两个导电电极层540和540 ‘可以设置在有源LC层505的同一侧。例如，如图5C所示，可以组装两个衬底405和405’以形成LC单元520。一个衬底405’可以不设置导电电极层，而另一个衬底405可以设置两个导电电极层和设置在两个导电电极层之间的电绝缘层560。

换句话说，两个导电电极层540a和540b可以设置在有源LC层505的同侧。两个导电电极层540a和540b可以是连续平面电极层540a和图案电极层540b。所述图案化电极层540b可包括以交错方式平行排列的多个条纹电极。

在LC单元520充满有源LC以形成有源LC层505之后，可以得到有源PSOE525。可以在有源LC层505同侧设置的连续平面电极层540a和图画化电极层540b之间施加电压，以产生水平电场使LC分子重新定向，从而切换制备的有源PSOE 525的光学性质。

如图5D所示，两个衬底405和405’可以组装以形成LC单元570。一个衬底405’)可以不提供导电电极层，而另一个衬底405可以提供导电电极层580。导电电极层580可以包括互指电极，其可以包括两个单独可寻址的互指梳状电极结构541和542。

在LC单元560充满有源LC以形成有源LC层505之后，可以得到有源PSOE 575。可以在设置在有源LC层505同侧的互指梳状电极结构541和542之间施加电压，以产生水平电场以使有源LC层505中的LC分子重新定向，从而切换所制备的有源PSOE 575的光学性质。

在一个实施例中，在LC单元组装之前，可以不对记录介质层进行光学图案化。相反，可以在LC单元组装后对记录介质层进行光学图案化。例如，可以组装两个衬底405和405’以形成LC单元。两个衬底405和405’中的至少一个可以具有一个或多个导电电极层和记录介质层。然后，LC单元可以暴露在偏振干涉图中。

因此，可以对设置在衬底上的记录介质层进行光学图案化，以提供与光栅图案化相对应的对准图案化。在LC单元充满有源LC并密封后，可以获得有源PSOE(。

图6A和6B图解说明了另一实施例制造PSOE的方法。图5可以是有源PSOE，而6A和6B可以是无源PSOE。

类似于图5所示的实施例。6A和6B可包括在衬底605的表面分配记录介质以形成记录介质层620。所述记录介质可以是极化敏感记录介质。记录介质可包括光学可记录和偏振敏感的材料，配置为在暴露于偏振光照射时具有光致光学各向异性。在偏振光照射下，光学可记录和偏振敏感材料的分子和/或光产物可在记录介质层的膜平面上产生各向异性角分布。

在衬底605上形成记录介质层620后，如图6B所示，记录介质层620可以暴露于基于两个记录波束640和642产生的偏振干涉图样。两个记录波束640和642可以是具有相反旋向的两个相干圆偏振波束。

在一个实施例中，当将所述记录介质层620暴露于所述偏振干涉曝光过程中基于所述两个记录光束640和642产生的偏振干涉图时，所述记录介质层620可被光学图案化。在偏振干涉曝光过程中，可以定义在曝光区域中的记录介质层620的光轴方向图案。

所述记录介质可包括光敏聚合物。光敏聚合物分子可包括嵌入在主聚合物链或侧聚合物链中的一个或多个极化敏感光反应基团。在记录介质层620的偏振干涉曝光过程中，可在记录介质层620的体积内发生偏振敏感光反应基团的光对准。即，可在记录介质层620的体积内直接记录由两个记录波束640和642的界面产生的三维极化场。

如图6B所示的这种对准过程可称为体介导的光对准。光轴的平面内定向图案可通过暴露区域中的体介导光对准直接记录在记录介质层620中。在一个实施例中，光轴的平面内定向图案可对应于光栅图案。

在一个实施例中，包含在记录介质层620中的光敏聚合物可以包括无定形聚合物、LC聚合物等。光敏聚合物的分子可包括嵌入在主聚合物链或侧聚合物链中的一个或多个极化敏感光反应基团。

在一个实施例中，极化敏感光反应基团可包括偶氮苯基团、肉桂酸基团或香豆素基团等。在一些实施例中，光敏聚合物可以是无定形聚合物，其在经历偏振干涉曝光过程之前可以最初是光学各向同性的，并且在经历偏振干涉曝光过程之后可以表现出诱导的光学各向异性。

在一个实施例中，光敏聚合物可以是LC聚合物，其中由于光致光学各向异性的影响，可以记录双折射和面内取向图案。

在一个实施例中，光敏聚合物可以是在侧聚合物链中嵌入极化敏感肉桂酸基团的LC聚合物。在侧聚合物链中嵌入极化敏感肉桂酸基团的LC聚合物的一个例子是LC聚合物M1。LC聚合物M1在约65°c至约400°c的温度范围内具有向列中间相，光学各向异性可通过用偏振紫外光照射LC聚合物M1的薄膜而诱导。

在一个实施例中，通过在约65℃至约400℃的温度范围下退火所述图案化记录介质层620，所述诱导的光学各向异性随后可被提高一个数量级以上。

衬底605可以类似于衬底405。在一个实施例中，衬底605可用于制造、存储或运输PSOE600。在PSOE 600制造或运输到另一个地方或设备后，衬底605可以从PSOE 600中可拆卸或可拆卸。换句话说，衬底605可用于制造、运输和/或存储，以支持衬底605提供的PSOE 600，并且当PSOE 600的制造完成时，或者当PSOE 600要在光学器件中实现时，可以从PSOE 600中分离或移除。

图10示示出配置成产生可记录在记录介质层1010中的偏振干涉图案的系统1000。如图10所示，所述系统1000可以包括光源1001、光束调节装置1003和SRG 1011。

光束调节装置1003可以包括设置在光学系列中的第一透镜1003a、针孔孔径1003c和第二透镜1003b。例如，可以将光束调节装置1003配置为调节从光源1001发出的光束S1022，并输出具有预定光束尺寸和预定偏振的准直光束S1026。

SRG 1011可以相对于光束调节装置1003的光轴或光束S1026的传播方向定向，使得光束S1026可以以预定入射角入射到SRG 1011上。在一个实施例中，所述系统1000可包括可移动平台，可移动平台可配置为平移和/或旋转SRG 1011，从而调整SRG 1011相对于光束S1026的传播方向的方向和/或位置。当调整SRG 1011的方向和/或位置时，光束S1026相对于SRG 1011的入射角可以调整。

SRG 1011可以配置为对于具有入射角和波长的光束S1026以利特罗配置操作。SRG 1011可以配置成将光束S1026基本上均匀地向前衍射成两条路径。

在一个实施例中，第一光束S1032和第二光束S1033可以分别是-1阶衍射光束S1032和0阶衍射光束S1033。在一个实施例中，−1阶衍射光束S1032和0阶衍射光束S1033可以是两个具有正交偏振的线偏振光束。在一个实施例中，−1阶衍射光束S1032和0阶衍射光束S1033可以是具有基本相同偏振的两个线偏振光束。在一个实施例中，−1阶衍射光束S1032和0阶衍射光束S1033可以具有基本相同的光强。在一个实施例中，−1阶衍射光束S1032和0阶衍射光束S1033可以具有不同的光强。−1阶衍射光束S1032和0阶衍射光束S1033的衍射角可能具有基本相同的值和相反的符号。

系统1000可以包括一个或多个反射器1015a和1015b，配置为通过在不同方向上反射第一光束S1032来改变第一光束S1032的传播方向。反射器1015a和1015b的组合可以在第一路径中添加多个转弯，使得第一光束S1032在与第二光束S1033在第二路径中传播的传播方向基本垂直的方向上传播。即，第一路径的方向可以被反射器1015a和1015b改变，使得第一路径在非偏振分束器1019处垂直于第二路径。

系统1000可以包括设置在第一波束S1032沿其传播的第一路径中的第一波片1013a，以及设置在第二波束S1033沿其传播的第二路径中的第二波片1013b。可以将第一波片1013a和第二波片1013b配置为分别将第一波束S1032和第二波束S1033转换为具有正交偏振的圆偏振波束。

所述第一波片1013a的偏振轴可相对于所述第一光束S1032的偏振方向定向，以将所述第一光束S1032转换为具有首手性的圆偏振光束S1036。光束S1036可以是具有平面波前的准直光束。第二波片1013b的偏振轴可相对于第二光束S1033的偏振方向定向，以将第二光束S1033转换为具有与第一光束相反的第二手性的圆偏振光束S1035。

在一个实施例中，系统1000可以包括设置在第二波片1013b和重新编码介质层1010之间的第二路径中的第三透镜1017。光束S1035可以作为具有抛物波前的光束S1037通过第三透镜1017传输。

在一个实施例中，第二波片1013b与重新编码介质层1010之间的距离可约为第三透镜1017焦距的两倍。在一个实施例中，非偏振分束器1019可以设置在第三透镜1017和重新编码介质层1010之间的第二路径中。可以将NPBS 1019配置为组合沿第一路径传播的第一光束S1032和沿第二路径传播的光束S1033。

例如，NPBS 1019可以配置为将波束S1037作为沿+z轴方向传播的波束S1039进行实质性传输，并将沿+y轴方向传播的波束S1036作为沿+z轴方向传播的波束S1038进行实质性反射。从NPBS 1019输出的波束S1039和波束S1038可以相互干扰产生偏振干涉图，而偏振干涉图可以记录在记录介质层1010中。在充分曝光后，可在记录介质层1010中记录极化干涉图案，以定义记录介质层1010的光轴方向图案。

在一个实施例中，记录介质层1010的光轴的方向可以在具有不同间距的至少一个平面内方向上空间变化。记录介质层1010的光轴方向图案可对应于透镜图案。可基于所暴露的记录介质层1010制造偏振选择透镜。

例如，所暴露的记录介质层1010可作为偏振选择透镜起作用。在一个实施例中，双折射介质可以布置在暴露的记录介质层1010上。双折射介质中的光学各向异性分子可以至少部分地由根据透镜图案暴露的记录介质层1010排列。

在一个实施例中，布置在暴露的记录介质层1010上的双折射介质可以进一步聚合。聚合的双折射介质可以形成无源偏振选择透镜。

在一个实施例中，具有所述暴露的记录介质层1010的两个衬底可以平行排列以形成具有空间的单元。双折射介质可以填充到单元的空间中。

在一个实施例中，两个衬底中的至少一个可以包括两个电极，其配置为向双折射介质提供驱动电压。充满双折射介质的单元可以作为有源偏振选择透镜。

相关专利：Meta Patent | System and method for fabricating polarization selective element

https://patent.nweon.com/32665

名为“System and method for fabricating polarization selective element”的Meta专利申请最初在2020年11月提交，并在日前由美国专利商标局公布。

需要注意的是，一般来说，美国专利申请接收审查后，自申请日或优先权日起18个月自动公布或根据申请人要求在申请日起18个月内进行公开。注意，专利申请公开不代表专利获批。在专利申请后，美国专利商标局需要进行实际审查，时间可能在1年至3年不等。

另外，这只是一份专利申请，不代表一定通过，同时不确定是否会实际商用及实际的应用效果。