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TW202430930A - 超透鏡陣列及具有該超透鏡陣列的顯示裝置 - Google Patents

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TW202430930A
TW202430930A TW112151673A TW112151673A TW202430930A TW 202430930 A TW202430930 A TW 202430930A TW 112151673 A TW112151673 A TW 112151673A TW 112151673 A TW112151673 A TW 112151673A TW 202430930 A TW202430930 A TW 202430930A
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Abstract

一種超透鏡陣列及具有該超透鏡陣列的顯示裝置，超透鏡陣列包括至少一光學透明基層、複數奈米結構及薄膜，複數奈米結構設置於至少一光學透明基層上，複數奈米結構定義出一個或多個超透鏡，一個或多個超透鏡以預設排列方式設置；薄膜塗覆於複數奈米結構上。

Description

超透鏡陣列及具有該超透鏡陣列的顯示裝置
本發明涉及光學技術領域，具體涉及一種超透鏡陣列及具有該超透鏡陣列的顯示裝置。
擴增實境（Augmented Reality，AR）是一種將虛擬資訊與現實世界融為一體的顯示技術。即基於人眼觀察到的現實世界，整合電子設備投射的虛擬影像資訊。 傳統的頭戴式AR顯示裝置通常包括用於捕捉觀看者視野內影像的攝像頭，並根據捕捉到的影像將虛擬影像資訊投影到觀看者視野內的預設位置。
近年來，超透鏡因其緊湊、高效的性能和大規模生產的能力而受到廣泛關注。儘管有這些優勢，超透鏡的商業化還有很長的路要走。因此，需要仔細研究一些挑戰，例如奈米結構的大面積圖案化（厘米尺寸）、可見光譜中材料的有限選擇、精確度和高分辨率的製造。此外，高縱橫比介電超透鏡是最常用的超表面來操縱光的相位、振幅和偏振。
鑒於以上內容，有必要提供一種超透鏡陣列及具有該超透鏡陣列的顯示裝置，以解決上述問題。
本申請一實施例提供一種超透鏡陣列及顯示裝置，超透鏡陣列包括至少一光學透明基層、複數奈米結構及薄膜，複數奈米結構設置於至少一光學透明基層上，複數奈米結構定義出一個或多個超透鏡，一個或多個超透鏡以預設排列方式設置；薄膜塗覆於複數奈米結構上。
本申請一實施例提供一種顯示裝置包括微顯示器及上述之超透鏡陣列，微顯示器用於照射光線，超透鏡陣列與微顯示器間隔設置，超透鏡陣列用於傳輸微顯示器照射的光線。
上述的超透鏡陣列中，透過設置複數奈米結構於至少一光學透明基層上，複數奈米結構定義一個或多個超透鏡，一個或多個超透鏡以預設排列方式設置。採用重疊的超透鏡陣列可以使微顯示器投射的光線均勻地照射到使用者的眼睛，從而克服相鄰透鏡之間的空間和超透鏡邊緣缺陷。此外，超透鏡陣列應用於頭戴式顯示系統可以解決圖元化問題，實現更薄、更輕的系統，以改善使用者體驗。
下面詳細描述本申請的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本申請，而不能理解為對本申請的限制。
在本申請的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水準」、「頂」、「底」、「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本申請和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本申請的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本申請的描述中，需要說明的是，「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本申請的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接或可以相互通訊，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本申請中的具體含義。
在本申請中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵之「上」或之「下」可以包括第一特徵和第二特徵直接接觸，也可以包括第一特徵和第二特徵不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特徵接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」包括第一特徵在第二特徵正上方和斜上方，或僅僅表示第一特徵水準高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」包括第一特徵在第二特徵正下方和斜下方，或僅僅表示第一特徵水準高度小於第二特徵。
下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本申請的不同結構。為了簡化本申請的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且目的不在於限制本申請。此外，本申請可以在不同例子中重複參考數位和/或參考字母，這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。
擴增實境（Augmented Reality，AR）是一種將虛擬資訊與現實世界融為一體的顯示技術。即基於人眼觀察到的現實世界，整合電子設備投射的虛擬影像資訊。 傳統的頭戴式AR顯示裝置通常包括用於捕捉觀看者視野內影像的攝像頭，並根據捕捉到的影像將虛擬影像資訊投影到觀看者視野內的預設位置。
圖1示出了相關技術中應用於顯示裝置的透鏡陣列。顯示裝置9包括從像側至物側排列的微顯示器和透鏡陣列，微顯示器和透鏡陣列之間具有間隙或距離。從微型顯示器發出的光線可以透過透鏡陣列傳輸到觀察者的眼睛。
圖2A示出了用於傳送或顯示擴增實境（Augmented Reality，AR）、虛擬實境（virtual reality，VR）或混合實境（mixed reality，MR）的超透鏡陣列的一個實施例。超透鏡陣列可應用於顯示裝置，例如AR/VR/MR眼鏡。顯示裝置90A包括從像側到物側佈置的微顯示器10、間隔件51和超透鏡陣列30。微顯示器10和超透鏡陣列30透過間隔件51均勻地間隔開。在超透鏡陣列30遠離微顯示器10的一側設置有遮光件8。微顯示器10發出一束光線。微顯示器10可以用於顯示使用者眼睛看到的真實影像。然而，根據設計以及微顯示器10和超透鏡陣列30之間的距離，可以形成取決於設計的實像或虛像。從微顯示器10發射的光束可以被遮光件8限制。光束可以被遮光件8限制。在本實施例中，顯示裝置90A中無需使用偏光器（例如圖2B所示的偏光器20）以及透光膠（例如圖2B所示的透光膠53）。當利用各向同性奈米結構（41）時使用此方案。
圖2B示出了應用於顯示裝置90B的超透鏡陣列30的配置的一實施例。在至少一實施例中，顯示裝置90B還可以是AR/VR/MR裝置，例如AR/VR/MR眼鏡。顯示裝置90B包括從像側到物側佈置的微顯示器10、間隔件53、偏光器20、間隔件51以及超透鏡陣列30。超透鏡陣列30遠離微顯示器10的一側設置有遮光件8。間隔件53位於微顯示器10與偏光器20之間，間隔件51位於偏光器20與超透鏡陣列30之間。在至少一實施例中，偏光器20可以是線性偏光器、圓偏光器、或線性偏光器和四分之一波片（quarter-wave plate）的組合。在一實施例中，偏光器20為圓偏光器，用於對微顯示器10發出的光線進行圓偏振。在另一實施例中，偏光器20為線偏光器、或線偏光器與四分之一波片的組合，以形成圓偏光器。在至少一實施例中，偏光器20可以透過光學透明膠53貼合到微顯示器10上，即間隔件53可以由光學透明膠形成。從微顯示器10發出的光束可以受遮光件8的限制。當利用各向異性奈米結構41並且基於幾何相位原理或使得2π相變能夠完全操縱從微顯示器10發射的光線的其他原理工作時，使用該依賴於偏光器的方案。在一實施例中，顯示裝置90A、90B包括微顯示器10和至少一超透鏡陣列30。微顯示器10配置為照射光線。至少一超透鏡陣列30與微顯示器10間隔開。至少一超透鏡陣列30配置為透射微顯示器10照射的光線。
圖3A及圖3B示出了圖2A和圖2B中所示的超透鏡陣列30的側視圖和俯視圖（例如，對於四個超透鏡）的至少一實施例。超透鏡陣列30包括至少一光學透明基層42和複數奈米結構41。光學透明基層42可以是任何類型的透明基層，例如由熔融二氧化矽（SiO 2）或藍寶石製成的玻璃、或在反射元件中可以由矽和其他材料製成。
請參閱圖3A及圖3B，區域40是一個或多個超透鏡35的放大呈現區域。複數奈米結構4設置和製造於光學透明基層42上。複數奈米結構41設置以定義或形成一個或多個超透鏡35，例如圖3A和圖3B所示的四個超透鏡35，本申請對此不做限制。複數奈米結構41還可以在超透鏡陣列30中形成超表面。在至少一實施例中，複數奈米結構41可以以任何期望的佈置方式設置，例如多個超透鏡陣列30的網格、行和列。在至少一實施例中，複數奈米結構41可以由諸如可固化樹脂（curable resin）、光刻膠（或光阻，photoresist）、金屬氧化物奈米顆粒（metal oxide nanoparticles）和溶膠凝膠混合物（sol-gel mixture）等電介質的厚度範圍為150奈米（nanometer，nm）至數千奈米的奈米柱，和10 nm至70 nm的金屬氧化物（TiO 2、Al 2O 3、HfO 2）或金屬（如金、銀、鋁等）的薄沉積等材料製成，本申請不僅限於這些數值範圍。在至少一實施例中，複數奈米結構41可由諸如奈米壓印樹脂（nanoimprinted resin）的材料製成。
在至少一實施例中，超透鏡陣列30的每個超透鏡35可以有不同的直徑。在至少一實施例中，每個超透鏡35的輪廓可以是矩形（如圖3A所示）、圓形（如圖3B所示）或取決於顯示裝置的形狀的任何形狀。
薄膜43塗覆在複數奈米結構41上。在至少一實施例中，使用原子層沉積系統（atomic layer deposition system）將薄膜43共形地沉積在複數奈米結構41的圖案化樹脂上。薄膜43可以由TiO 2、Al 2O 3、HfO 2等製成。也就是說，在至少一實施例中，薄膜43具有塗覆在複數奈米結構41之上的共形厚度。在另一實施例中，薄膜43具有塗覆在複數奈米結構41上的非共形厚度。
在至少一實施例中，複數奈米結構41的材料由介電材料（TiO 2、Al 2O 3、HfO 2）或金屬（如金、銀、鋁等）和奈米壓印樹脂（nanoimprinted resin）組成。
圖4A示出了圖2A或圖2B所示的超透鏡陣列30的單一透鏡的側視圖和俯視圖的至少一實施例。如圖4A所示，複數奈米結構41可以形成具有更大尺寸的一個單一超透鏡（single metalens）35。
圖4B示出了圖2A或圖2B所示的超透鏡陣列30的透鏡陣列的側視圖和俯視圖的至少一實施例。如圖4B所示，複數奈米結構41可以形成包含四個超透鏡35的超透鏡陣列30的透鏡陣列。每兩個相鄰的超透鏡35部分重疊，即每兩個相鄰的超透鏡35的邊緣重疊。在一實施例中，如圖3A、圖3B、圖4A所示，一個或多個超透鏡35以非重疊配置設置。在另一實施例中，如圖4B所示，一個或多個超透鏡35以重疊配置設置。
圖5A示出了圖3A、圖3B和圖4A、圖4B的超透鏡陣列30的單元格401的至少一實施例。超透鏡陣列30可以被分成多個單元格，例如單元格401。如圖5A所示，單元格401包括圓柱形的奈米結構41。單元格401包括一個奈米結構41，奈米結構41的尺寸為內徑（樹脂半徑）D、外徑D+2*t（塗覆高折射率材料的樹脂或薄膜43）、保形沉積材料的厚度t或沉積薄膜的厚度t，樹脂（光阻）高度H，H R為奈米壓印後剩餘的樹脂，以41R標記，或命名為奈米結構層41R，薄膜材料以43標記。在至少一實施例中，薄膜43均勻地塗覆於奈米結構41和奈米結構層41R，即薄膜43的厚度均勻，如圖5A、圖5B、圖5C所示。單元格401包括一個基層42，基層42的尺寸以節距Px（沿x方向）和節距Py（沿y方向）表示。
圖5B示出了圖3A、圖3B和圖4A、圖4B的超透鏡陣列30的單元格402的至少一實施例。超透鏡陣列30可以被分成多個單元格，例如單元格402。如圖5B所示，單元格402包括一個矩形形狀的奈米結構41。單元格402包括一奈米結構42，其尺寸為內寬度W、外寬度W+2*t、內長度L、外長度L+2*t、樹脂（光阻）高度H，H R為奈米壓印後剩餘的殘留樹脂（其被標記為41R，或命名為奈米結構層41R）。單元格402包括一個基層42，其尺寸以節距Px（沿x方向）和節距Py（沿y方向）表示。薄膜43由高折射率材料如TiO 2、Al 2O 3、HfO 2製成，並且使用原子層沉積系統（atomic layer deposition system）將其共形地沉積在圖案化樹脂（奈米結構）41上。
圖5C示出了圖5A和圖5B所示的單元格401、402的截面圖，示出了奈米結構41、基層42和薄膜43的尺寸細節。如圖5C所示，t為薄膜43的厚度，H為奈米結構41的高度，H R為奈米結構層41R的厚度，奈米結構41設置在基層42上。
圖6A示出了圖3A、圖3B及圖4A、圖4B的超透鏡陣列30的單元格403的實施例。圖6A對應於當薄膜43（可以是高折射率材料）的厚度在樹脂或光阻製成的奈米結構41上不均勻時的圖5A。t 1、t 2和t 3分別表示奈米結構41的頂部、側面和底部上的薄膜43的厚度。在至少一實施例中，t 1、t 2和t 3彼此不同，即t 1≠t 3≠t 2。在一些其他實施例中，t 1＝t 3≠t 2。在一些其他實施例中，t 1＝t 2≠t 3。
圖6B示出了圖3A、圖3B及圖4A、圖4B的超透鏡陣列30的單元格404的實施例。圖6B對應於當薄膜43（可以是高折射率材料）的厚度在樹脂或光阻製成的奈米結構41上不均勻時的圖5B。t 1、t 2和t 3分別表示奈米結構41的頂部、側面和底部上的薄膜43的厚度。換言之，t 1、t 2和t 3彼此不同，即t 1≠t 3≠t 2。
圖6C示出了圖6A及圖6B的超透鏡陣列30的單元格303、404的截面圖。圖6C對應於當薄膜43（可以是高折射率材料）的厚度在樹脂或光阻製成的奈米結構41上不均勻時的圖5C。換言之，t 1、t 2和t 3彼此不同，即t 1≠t 3≠t 2。
圖7A示出了圖3A、圖3B及圖4A、圖4B的超透鏡陣列30的單元格405的實施例。單元格405包括圓柱形的奈米結構41。單元格405包括一個奈米結構41，其尺寸以內徑（樹脂半徑）D、外徑D+2*t 2（塗覆高折射率材料或薄膜43）表示，沉積材料的厚度或沉積薄膜43的厚度在整個奈米結構41上並不均勻。t 1、t 2和t 3分別表示奈米結構41的頂部、側面和底部上的薄膜43的厚度，樹脂（光阻）高度H，本實施例中沒有殘留樹脂。單元格405包括一個基層42，基層42的尺寸以節距Px（沿x方向）和節距Py（沿y方向）表示。
圖7B示出了圖3A、圖3B及圖4A、圖4B的超透鏡陣列30的單元格406的實施例。單元格406包括矩形的奈米結構41。單元格406包括一個奈米結構41，其尺寸為內寬W、外寬W+2*t 2、內長L、外長L+2*t 2、樹脂（光阻）高度H，此時沒有殘留樹脂以及尺寸為節距Px（沿x方向）和節距Py（沿y方向）的基層42。薄膜43由高折射率材料如TiO 2、Al 2O 3、HfO 2製成，並且使用原子層沉積系統（atomic layer deposition system）將其共形地沉積在圖案化樹脂（奈米結構）41上。
圖7C示出了圖7A和圖7B所示的單元格405、406的截面圖，示出了奈米結構41、基層42和薄膜43的尺寸細節。如圖7C所示，t 1、t 2和t 3分別表示奈米結構41的頂部、側面和底部上的薄膜43的厚度，H為奈米結構41的高度，複數奈米結構41設置在基層42上。
圖8A示出了圖3A、圖3B和圖4A、圖4B的超透鏡陣列30的單元格407的至少一實施例。圖8A與圖7A相對應，只有一處不同，即包覆層44的厚度為H clad。包覆層44可以旋塗（或沉積）在薄膜43上。包覆層44可以是阻抗匹配層。包覆層44的折射率可以接近基層42的折射率。包覆層44可以由SiO 2、樹脂、光阻等製成。
圖8B示出了圖3A、圖3B和圖4A、圖4B的超透鏡陣列30的單元格408的至少一實施例。圖8B與圖7B相對應，只有一處不同，即包覆層44的厚度為H clad。包覆層44可以旋塗（或沉積）在薄膜43上。包覆層44可以是阻抗匹配層。包覆層44的折射率可以接近基層42的折射率。包覆層44可以由SiO 2、樹脂、光阻等製成。
圖8C與圖7C相對應，只有一處不同，即包覆層44的厚度為H clad。包覆層44可以旋塗（或沉積）在薄膜43上。包覆層44可以是阻抗匹配層。包覆層44的折射率可以接近基層42的折射率。包覆層44可以由SiO 2、樹脂、光阻等製成。在至少一實施例中，包覆層44覆蓋如圖5A-圖5B、圖6A-圖6C、圖7A-圖7C所示的薄膜43。
圖9A示出了圖3A、圖3B及圖4A、圖4B的超透鏡陣列30的單元格409的實施例。圖9A與圖6A相對應，只有一處不同，即被標記為包覆層44的一阻抗匹配層的厚度為H clad。包覆層44的折射率可以接近基層42的折射率。包覆層44可以旋塗（或沉積）在薄膜43上。包覆層44可以由SiO 2、樹脂、光阻等製成。
圖9B示出了圖3A、圖3B及圖4A、圖4B的超透鏡陣列30的單元格410的實施例。圖9B與圖6B相對應，只有一處不同，即被標記為包覆層44的一阻抗匹配層的厚度為H clad。包覆層44的折射率可以接近基層42的折射率。包覆層44可以旋塗（或沉積）在薄膜43上。包覆層44可以由SiO 2、樹脂、光阻等製成。
圖9C與圖6C相對應，只有一處不同，即被標記為包覆層44的一阻抗匹配層的厚度為H clad。包覆層44的折射率可以接近基層42的折射率。包覆層44可以旋塗（或沉積）在薄膜43上。包覆層44可以由SiO 2、樹脂、光阻等製成。
如圖5A-圖5C所示，在一實施例中，薄膜43具有均勻的厚度，塗覆在複數奈米結構41上。如圖6A-圖6C、圖7A-圖7C、圖8A-圖8C和圖9A-圖9C所示，在另一實施例中，薄膜43具有不一致的厚度，塗覆在複數奈米結構41上。
可以理解，圖5A、圖5B、圖5C、圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B、圖7C、圖8A、圖8B、圖8C、圖9A、圖9B和圖9C可以示出如圖3A、圖3B、圖4A和圖4B所示的超透鏡陣列30中的被動超透鏡的至少一個單元格。可以理解，多個單元格（例如圖5A、圖5B、圖5C、圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B、圖7C、圖8A、圖8B、圖8C、圖9A、圖9B和圖9C所示的單元格401、402、403、404、405、406、407、408、409、410）形成超透鏡35，並且多個超透鏡35形成超透鏡陣列30。或者，超透鏡陣列30由多個超透鏡35排列而成，每個超透鏡35由多個單元格（例如圖5A、圖5B、圖5C、圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B、圖7C、圖8A、圖8B、圖8C、圖9A、圖9B和圖9C所示的單元格401、402、403、404、405、406、407、408、409、410）形成。
在一些實施例中，超透鏡陣列30的單元格可以具有相同的尺寸或不同的尺寸。例如，可以使用三個或更多不同的單元格，因為每種顏色需要不同的節距、寬度、長度，但所有顏色都需要相同的高度。然而，在一些特殊實施例中，可以對所有顏色（具有不同的寬度和長度，但相同的高度）使用相同的單元格（相同的節距）。
在至少一實施例中，薄膜43的透光率大於複數奈米結構41的透光率。
複數奈米結構41可以形成為不同的各向同性（isotropic）形狀、各向異性（anisotropic）形狀、或各向同性和各向異性的組合（a combination of isotropic and anisotropic）形狀，這取決於所需的光譜以及相位和幅度調製的程度。圖10A-圖10F示出了多個不同類型或不同交叉形狀的奈米結構41的俯視圖的一些實施例。圖10A-圖10F示出了圖5A、圖5B、圖6A、圖6B、圖7A、圖7B、圖8A、圖8B、圖9A、圖9B中的單元格的橫截面的不同形狀類型。複數奈米結構41中的每一個可以是圖10A中所示的大致圓形、圖10B中所示的大致三角形、大致正方形、圖10C中所示的大致矩形，或具有圖10D、圖10E和圖10F中所示的各向異性形狀。根據一種實施方式，如圖5A、圖6A、圖7A、圖8A、圖9A所示，複數奈米結構41之一的形狀為圓形。在其他實施例中，複數奈米結構41也可以為其他形狀，例如「L」形或「H」形，本申請對此不做限定。複數奈米結構41中的每一個彼此間隔X方向的節距尺寸Px（Px為150nm至700nm）和Y方向的節距尺寸Py（Py為150nm至700nm）。節距以兩種方式定義：兩個相鄰奈米結構的中心到中心（center-to-center）或兩個相鄰奈米結構的邊緣到邊緣（edge-to-edge）。多個單元格奈米結構41中的每一個可具有40nm至500nm的直徑D。多個單元格奈米結構41中的每一個可具有150nm至3000nm的高度H。然而，對於各向異性奈米結構，這些值可能不同。
示例性的，各向同性形狀可以是圓形、方形，無論從哪一側看，其尺寸都相同。示例性的，各向異性形狀可以是矩形、「L」形、「H」形或從不同側面看具有不同尺寸的任何形狀。
圖11A示出了需要硬掩模沉積和蝕刻的EBL奈米製造過程的示意圖。製作順序由左至右分別是：
步驟1：在如圖3A-圖3B、圖4A-圖4B、圖5A-圖5C、圖6A-圖6C、圖7A-圖7C、圖8A-圖8C 和 圖9A-圖9C中標記為基層42的透明晶圓（transparent wafer）（如熔融石英（fused silica）和藍寶石（sapphire））上沉積高折射率介電材料（high-refractive index dielectric material）（Ti​​O 2、GaN、SiN、Si等）（旋塗步驟中所示的中間層）；
步驟2：一薄層的黏合膜（adhesive film，未示出）、一層光致抗蝕劑（photo-resist，如旋塗步驟中所示的頂層），然後是涂覆最後一層導電聚合物（conductive polymer，未示出），以避免在後續EBL過程中出現充電問題；
曝光（Exposure）步驟：使用高加速電壓（high-accelerating voltage）EBL對最頂層進行曝光以產生超透鏡，然後分別在去離子水（deionized water）中去除導電聚合物層並在相容的光阻顯影劑（compatible photo-resist developer）中對曝光的抗蝕劑（exposed resist）進行顯影；
硬掩模（Hard mask）步驟：在顯影後的光阻上沉積一層相對較薄的金屬（鎳（Nickel）、鉻（chromium）等）薄膜作為硬掩模；
剝離（Lift-off）步驟：使用光阻溶劑（photo-resist solvent）（丙酮（Acetone）、去除劑PG（Remover PG）等）去除光阻；
蝕刻（Etching）步驟：使用反應離子蝕刻（reactive ion etching）對高折射率介電材料進行蝕刻；
移除硬掩模（Hard mask removal）步驟：在最後一步中，將硬掩模層溶解在酸基溶液（acid-based solution）中，僅保留圖案化的介電奈米結構。
圖11B示出了使用EBL、DUV和EUV的奈米製造製程的示意圖。這就需要厚的高品質原子沉積層（thick high-quality atomic deposition layer）。製作順序由左至右分別是：
步驟1：一薄層的的黏合膜（adhesive film，未示出）、一層光致抗蝕劑（如旋塗步驟中所示的頂層），然後是在如圖3A-圖3B、圖4A-圖4B、圖5A-圖5C、圖6A-圖6C、圖7A-圖7C、圖8A-圖8C 和 圖9A-圖9C中標記為基層42的透明晶圓（如熔融石英和藍寶石）上涂覆最後一層導電聚合物（未示出），以避免在後續EBL過程中出現充電問題；
曝光（Exposure）步驟：使用高加速電壓EBL、DUV或EUV對最頂層進行曝光以產生超透鏡，然後（在使用EBL的情況下，在去離子水中去除導電聚合物層）在相容的光致抗蝕劑顯影劑中顯影曝光的抗蝕劑；
沉積步驟： 接下來，使用低溫原子層沉積（low-temperature atomic layer deposition，LTALD）將 TiO 2、Al 2O 3、HfO 2等高折射率材料薄膜共形沉積（conformally deposited）到顯影的樹脂上。薄膜完全沉積在圖案化的光阻奈米結構上，直到完全填充奈米結構之間的間隙；
蝕刻步驟：最終利用反應離子蝕刻和適當的蝕刻氣體去除額外生成的TiO 2薄膜，直到出現下方的光阻層；
剝離步驟：最後，在光阻溶劑（丙酮、去除劑PG等）中去除光阻。
圖11C示出了典型NIL的奈米製造製程的示意圖，包括硬掩模沉積和蝕刻。製作順序由左至右分別是：
壓印（Stamp）步驟：使用高加速電壓EBL在矽基層上製作母版印模，然後製備工作印模，當高模量有機矽彈性體薄膜（high modulus silicone elastomer film）澆鑄在母版印模上並熱固化時，工作印模是母版印模的複製品，面朝下放入熱固化有機矽彈性體中，背面有玻璃；
硬掩模步驟：在高真空條件下在工作印模上沉積Au、Cr、SiO 2等單層或多層（未示出）的硬掩模；
下翻（或下沉Downturned）步驟：將硬掩模轉移到透明晶圓（如熔融石英和藍寶石）上，並在高折射率材料如TiO 2（或GaN、多晶矽等）頂部旋塗黏合層；
釋放（或脫模，Release）步驟：將硬掩模轉移到基板上後，利用鉻（Cr）層蝕刻TiO2層並脫模工作印模；
蝕刻步驟：繼續蝕刻TiO 2直至露出透明基層；
移除殘留（Residual removal）步驟：在蝕刻製程之後，使用蝕刻劑去除鉻（Cr）層。最終，TiO 2超透鏡上方的殘留層被蝕刻溶液溶解。
圖11D示出了使用金屬氧化物奈米顆粒（metal oxide nanoparticles）和溶膠-凝膠混合物（sol-gel mixture）代替樹脂的直接NIL的奈米製造過程的示意圖。母模的複製品可以使用硬聚二甲基矽氧烷（hard-PDMS，h-PMDS）或聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）等水溶性聚合物來製備。
製作順序由左至右分別是：
壓印（Stamp）步驟：使用高加速電壓EBL在矽基層上製作母版印模，然後製備工作印模，當高模量有機矽彈性體薄膜（high modulus silicone elastomer film）澆鑄在母版印模上並熱固化時，工作印模是母版印模的複製品，面朝下放入熱固化有機矽彈性體中，背面有玻璃；
旋塗（Spin-coating）步驟：使用金屬氧化物奈米顆粒基墨水（metal oxide nanoparticle-based ink）例如TiO 2基奈米顆粒墨水（TiO 2-based nanoparticle ink）將無機膜旋塗在玻璃或藍寶石等透明基層上；
壓制（或加壓，Pressing）步驟：將工作印模放置在旋塗晶圓上並加壓；
固化（Curing）步驟：將工作印模的孔和凹槽內的薄膜進行UV彎曲；
脫模（Demolding）步驟：最後，將工作印模釋放（脫模）並形成固化的奈米結構。
下表說明了常見和新的奈米製造技術。下表給出了這些方法的優缺點。這些技術中的每一種都解決了一個或兩個問題，但仍然引起其他問題，因此，需要一種新的奈米製造工藝，其中超透鏡的成本、時間、簡單製造和效率都已解決。本申請提出了一種新的奈米加工技術，如圖14A-圖14C所示。一旦工作印模被釋放，就需要10奈米至70奈米的高折射率電介質（TiO 2、Al 2O 3、HfO 2）或金屬（如金、銀、鋁等）的薄沉積。值得注意的是，對於高折射率介電材料的沉積，原子層沉積是優選的。
優點 缺點
圖11A 1、EBL 可實現高解析度製造 2、效率平庸 1、因蝕刻而導致側壁逐漸變細 2、成本高昂 3、耗時 4、圖案面積小
圖11B 1、近乎完美的側壁，無錐度 2、高效 1、需要精確控制蝕刻，蝕刻到達光阻後立即停止 2、成本高昂 3、使用原子層沉積的厚層 TiO 2（＞200nm）成本高且耗時
圖11C 1、成本低廉 2、可大量生產 3、效率平庸 1、蝕刻導致側壁逐漸變細 2、基層必須在加工前沉積高折射率材料 3、根據高折射率材料的類型，需要更複雜的硬掩模（多層）
圖11D 1、成本低廉 2、製程相對簡單 3、效率平庸 1、需要金屬氧化物奈米粒子和溶膠-凝膠的仔細混合物 2、樹脂混合物不是奈米製造鑄造廠中的常見工藝
圖12A示出了包括具有完美側壁（圖12A中左側所示）和錐形側壁（圖12A右側中所示）的奈米結構的單元格。如圖12A所示，奈米結構的側壁是錐形的。一個超單元格（supercell），包括複數奈米結構，這些結構共同提供操縱偏振和振幅等光特性所需的相位。它無法滿足完全控制入射光所需的相位斜坡，因此效率顯著下降。
圖12B示出了錐形奈米結構如何無法滿足完全操縱光所需的相位覆蓋範圍（2π）。具有理想側壁的超單元格可以完全滿足2π相變，從而保持高效率。
圖13A-圖13C從俯視圖示出了超透鏡的單元格奈米結構的形狀類型。圖13A示出了需要各向異性奈米結構的Pancharatnam-Berry（PB）相或幾何相的示意圖。圖13A所示的多個單元格奈米結構。圖13A具有完全各向異性的形狀並且可以依賴偏光器。示例性的，各向異性形狀可以是矩形、「L」形、「H」形或從不同側面看具有不同尺寸的任何形狀。如圖13A所示，較深顏色的形狀為複數各向異性奈米結構。如圖13A所示，每個正方形表示奈米結構41的一個單元格。在一些實施例中，圖13A所示的複數奈米結構41可以設置在基層42上。
圖13B示出了具有不同尺寸的各向同性奈米結構的傳播相位（propagation phase）的示意圖。圖13B中的多個單元格奈米結構具有完全各向同性的形狀且可以與偏光器無關。示例性的，各向同性形狀可以是任何各向同性形狀，例如圓形、方形，無論從哪一側看都具有相同的尺寸。較深顏色的形狀是複數各向同性奈米結構。如圖13B所示，每個圓形形狀表示奈米結構41的一個單元格。在一些實施例中，圖13B所示的複數奈米結構41可以設置在基層42上。
圖13C示出了使用不同奈米結構形狀的色散工程庫的傳播相和PB相組合設計的一般形式。在一些實施例中，圖13C所示的複數奈米結構41可以設置在基層42上。圖13C所示的多個單元格奈米結構的形狀為上述類型的組合（即，各向同性形狀和各向異性形狀的組合），並且多個單元格奈米結構可以是偏光器相關的（polarizer dependent）。
如圖13A所示，在一實施例中，複數奈米結構41形狀相同但排列不同。如圖13B所示，在一實施例中，複數奈米結構41形狀相同但尺寸不同。如圖13C所示，在另一實施例中，複數奈米結構41具有不同的形狀和不同的尺寸。
圖14A示出了最終提出的無需蝕刻的EBL、DUV和EUV技術的奈米製造過程的示意圖。如圖14A的左圖所示，光致抗蝕劑（或樹脂）在基層（如圖3A-圖3B、圖4A-圖4B、圖5A-圖5C、圖6A-圖6C、圖7A-圖7C、圖8A-圖8C和圖9A-圖9C中提到的基層42）上顯影。然後，如圖14A的右圖所示，將金屬氧化物薄膜（TiO 2、Al 2O 3、HfO 2）或金屬（如金、銀、鋁等）沉積在光致抗蝕劑（或樹脂）上。
圖14B示出了最終提出的不需要蝕刻的NIL技術的奈米製造過程的示意圖。如圖14B的左圖所示，光致抗蝕劑（或樹脂）固化在如圖3A-圖3B、圖4A-圖4B、圖5A-圖5C、圖6A-圖6C、圖7A-圖7C、圖8A-圖8C和圖9A-圖9C中提到的基層42上。工作印模脫模（左圖），金屬氧化物薄膜（TiO 2、Al 2O 3、HfO 2）或金屬（如金、銀、鋁等）沉積在樹脂上（右圖） 。在本實施例中，如圖14B所示，樹脂的殘留層可以存在於基層上。
圖14C示出了最終提出的不需要蝕刻的NIL技術的奈米製造過程的示意圖。如圖14C的左圖所示，光致抗蝕劑（或樹脂）在基層上固化，並且工作印模脫模。然後，將金屬氧化物薄膜（TiO 2、Al 2O 3、HfO 2）或金屬（如金、銀、鋁等）沉積在如圖3A-圖3B、圖4A-圖4B、圖5A-圖5C、圖6A-圖6C、圖7A-圖7C、圖8A-圖8C和圖9A-圖9C中提到的基板42以及圖14C右圖所示的樹脂上。在本實施例中，如圖14C所示，基層上不存在樹脂的殘留層。
圖15A示出了所提出的奈米結構的藍色、綠色和紅色光譜的聚焦效率的主要結果。
圖15B示出了藍色（470nm）、綠色（530nm）和紅色（632nm）在聚焦點的光強度。如圖15B所示，示出了當使用三種不同的奈米結構時圖21中呈現的多個消色差超透鏡的聚焦結果，然而，也可以使用圖22中描述的方法。
圖16A示出了超透鏡陣列30的超透鏡35的一些實施例，其中每個超透鏡35具有矩形形狀。奈米結構41可以是圖10A-圖10F及圖13A-圖13C中呈現的任何奈米結構。根據一實施例，多個單元格奈米結構41可以佈置為多個矩形形狀超透鏡35以形成圖16A中所示的超透鏡陣列30 。
圖16B示出了大矩形單一超透鏡35形式的所提出的超透鏡35的一些實施例。奈米結構41可以是圖10A-圖10F及圖13A-圖13C中呈現的任何奈米結構。如圖16B所示，根據一實施例，多個單元格奈米結構41可排列為具有較大尺寸的一個矩形超透鏡。
圖17A示出了超透鏡陣列30的超透鏡35的一些實施例，其中每個超透鏡35具有圓形形狀。奈米結構41可以是圖10A-圖10F及圖13A-圖13C中呈現的任何奈米結構。根據一實施例，多個單元格奈米結構41可以佈置為多個圓形超透鏡35以形成圖17A中所示的超透鏡陣列30 。
圖17B示出了所提出的大圓形單一超透鏡35的超透鏡35的一些實施例。奈米結構41可以是圖10A-圖10F及圖13A-圖13C中呈現的任何奈米結構。多個單元格奈米結構41可以佈置為一個圓形形狀。根據一個實施例，超透鏡35具有圖17B所示的更大尺寸。
圖18A和圖18B示出了所提出的超透鏡陣列30的超透鏡35的一些實施例，其中超透鏡陣列30具有不規則形狀並且可以設置在不同位置處。奈米結構41可以是圖10A-圖10F及圖13A-圖13C中呈現的任何奈米結構。根據一實施例，多個單元格奈米結構41可以排列為多個超透鏡35，並且多個超透鏡35排列成不規則形狀並放置在不同位置，以形成如圖18A和18B所示的超透鏡陣列30。
圖19A和圖19B示出了所提出的超透鏡35的一些實施例，其呈不規則形狀的單一超透鏡35的形式並且可以設置在不同的位置處。奈米結構41可以是圖10A-圖10F及圖13A-圖13C中呈現的任何奈米結構。請參圖19A和圖19B，根據一實施例，多個單元格奈米結構41可以佈置為一個超透鏡35，並且超透鏡35佈置成不規則形狀並放置在不同位置。
圖20A和圖20B示出了使用具有不同佈置配置的重疊超透鏡35的超透鏡陣列30的一些實施例。奈米結構41可以是圖10A-圖10F及圖13A-圖13C中所示的任何奈米結構。如圖20A和圖20B所示，根據一個實施例，多個單元格奈米結構41可以排列為多個超透鏡35，並且多個超透鏡35透過不同的重疊排列配置以形成不同的超透鏡陣列30。
在至少一實施例中，在圖16A、圖16B、圖17A、圖17B、圖18A、圖18B、圖19A、圖19B、圖20A、圖20B中，單元格411可以是如圖5A、圖5B、圖5C、圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B、圖7C、圖8A、圖8B、圖8C、圖9A、圖9B和圖9C所示的單元格401、402、403、404、405、401、402 、403、404、405、406、407、408、409、410中的任一種。
圖21示出了消色差超透鏡的佈置設計。為了獲得由三種顏色組成的光的消色差超透鏡，應該有至少三種不同類型的奈米結構，例如圖13A和圖13C所示的奈米結構，除了使用其中一種或兩種類型的奈米結構的譜帶之間的光譜重疊的情況之外。如圖21所示，圖5A、圖5B、圖5C、圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B、圖7C、圖8A、圖8B、圖8C、圖9A、圖9B和圖9C中所示的單元格中的奈米結構41B可對於最短波長（對於例如藍色），圖5A、圖5B、圖5C、圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B、圖7C、圖8A、圖8B、圖8C、圖9A、圖9B和圖9C中所示的奈米結構41G可對於中波長（對於例如綠色），圖5A、圖5B、圖5C、圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B、圖7C、圖8A、圖8B、圖8C、圖9A、圖9B和圖9C中所示的奈米結構41R可對於最長波長（對於例如紅色）。對於複數奈米結構41B、奈米結構41G和奈米結構41R中的每一個，節距尺寸（Px和Py）可以相似或不同。N B、N G和N R是每種顏色的單元格數量，與其他顏色相比，每種顏色可以不同或相似。例如，當N B=N G=N R=4時，圓形超透鏡中的每個步驟有四個用於藍色、綠色和紅色的環，這些環重複相同的順序到透鏡的邊緣。在本實施例中，排列為一組4環奈米結構41B位於內環區域，一組4環奈米結構41G位於中環區域，一組4環奈米結構41R位於外環區域。在其他實施例中，佈置為一組2環奈米結構41B位於內環區域，一組3環奈米結構41G位於中環區域，一組4環奈米結構41R位於外環區域。N B、N G和N R可以是任意整數。奈米結構41B、奈米結構41G和奈米結構41R的高度均相同。
圖22示出了消色差超透鏡的另一種佈置設計。為了獲得三種顏色的消色差超透鏡，應存在至少三種不同的奈米結構，如圖13A和圖13C所示的奈米結構，除了使用其中一種或兩種類型的奈米結構的譜帶之間的光譜重疊的情況之外。圖5A、圖5B、圖5C、圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B、圖7C、圖8A、圖8B、圖8C、圖9A、圖9B和圖9C中所示的單元格中的奈米結構41B可對於最短波長（對於例如藍色），圖5A、圖5B、圖5C、圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B、圖7C、圖8A、圖8B、圖8C、圖9A、圖9B和圖9C中所示的奈米結構41G可對於中波長（對於例如綠色），圖5A、圖5B、圖5C、圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B、圖7C、圖8A、圖8B、圖8C、圖9A、圖9B和圖9C中所示的奈米結構41R可對於最長波長（對於例如紅色）。對於複數奈米結構41B、奈米結構41G和奈米結構41R中的每一個，節距尺寸（Px和Py）可以相似或不同。圖22示出了奈米結構41B、奈米結構41G和奈米結構41R的一種佈置。奈米結構41B、奈米結構41G和奈米結構41R可以改變為任何類型的佈置。奈米結構41B、奈米結構41G和奈米結構41R的高度均相同。
需要說明的是，本申請的上述各個實施例的任意步驟、任意技術特徵，均可以自由地、任意地組合。組合後的技術方案，也在本申請的範圍之內。
可以理解的是，上述檢測裝置為了實現上述功能，其包含了執行各個功能相應的硬體結構和/或軟體模組。本領域技術人員應該很容易意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及演算法步驟，本申請實施例能夠以硬體或硬體和電腦軟體的結合形式來實現。某個功能究竟以硬體還是電腦軟體驅動硬體的方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。本領域技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本申請實施例的範圍。
本申請實施例可以根據上述方法示例對上述檢測裝置進行功能模組的劃分，例如，可以對應各個功能劃分各個功能模組，也可以將兩個或兩個以上的功能集成在一個處理模組中。上述集成的模組既可以採用硬體的形式實現，也可以採用軟體功能模組的形式實現。需要說明的是，本申請實施例中對模組的劃分是示意性的，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式。
對於本領域技術人員而言，顯然本申請不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本申請的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本申請。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本申請的範圍由所附請求項而不是上述說明限定，因此旨在將落在請求項的等同要件的含義和範圍內的所有變化涵括在本申請內。
最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本申請的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本申請進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本申請的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本申請技術方案的精神和範圍。
9、90A、90B:顯示裝置 10:微顯示器 8:遮光件 30:超透鏡陣列 51、53:間隔件 20:偏光器 35:超透鏡 41、41B、41G、41R:奈米結構 42:基層 40:區域 43:薄膜 D:內徑、直徑 D+2*:外徑 t、t 1、t 2、t 3:厚度 H:高度 H R:剩餘的樹脂 Px、Py:節距 401、402、403、404、405、401、402 、403、404、405、406、407、408、409、410:單元格 W:內寬度 W+2*t:外寬度 L:內長度 L+2*t:外長度 44:包覆層 H clad:厚度 N B、N G、N R:單元格數量
圖1是一實施例的顯示裝置的示意圖。 圖2A是本申請一實施例的超透鏡陣列應用於顯示裝置的配置（無偏光器）的示意圖。 圖2B是本申請一實施例的超透鏡陣列應用於顯示裝置的配置（有偏光器）的示意圖。 圖3A及圖3B是一些實施例提供的圖2A及圖2B所示的超透鏡陣列（對於四個超透鏡）的側視圖及俯視圖。 圖4A及圖4B是一些實施例提供的圖2A及圖2B所示的超透鏡陣列（對於一個或四個超透鏡）的側視圖及俯視圖。 圖5A、圖5B及圖5C是一些實施例提供的圖3A、圖3B 、圖4A及圖4B的超透鏡陣列的被動超透鏡的單元格的示意圖。 圖6A、圖6B及圖6C是一些實施例提供的圖3A、圖3B 、圖4A及圖4B的超透鏡陣列的被動超透鏡的單元格的示意圖。 圖7A、圖7B及圖7C是一些實施例提供的圖3A、圖3B 、圖4A及圖4B的超透鏡陣列的被動超透鏡的單元格的示意圖。 圖8A、圖8B及圖8C是一些實施例提供的圖3A、圖3B 、圖4A及圖4B的超透鏡陣列的被動超透鏡的單元格的示意圖。 圖9A、圖9B及圖9C是一些實施例提供的圖3A、圖3B 、圖4A及圖4B的超透鏡陣列的被動超透鏡的單元格的示意圖。 圖10A-圖10F是各向同性或各向異性的一種奈米結構的俯視圖。 圖11A-圖11D是一些實施例提供的奈米製造工藝的示意圖。 圖12A及圖12B是一些實施例提供的包括奈米結構的超透鏡陣列的被動超透鏡的單元格的示意圖。 圖13A-圖13C是本申請一些實施例提供的超透鏡的單元格奈米結構的形狀類型的俯視圖。 圖14A-圖14C是一些實施例提供的奈米製造工藝的示意圖。 圖15A是一實施例提供的奈米結構的藍色、綠色和紅色光譜的透射效率的主要結果的示意圖。 圖15B是一實施例提供的藍色、綠色和紅色的聚焦點處的光強度的示意圖。 圖16A-圖16B、圖17A-圖17B、圖18A-圖18B、圖19A-圖19B及圖20A-圖20B是本申請一些實施例提供的以不同配置設置為一個或多個超透鏡的超透鏡陣列的單元格奈米結構。 圖21是一實施例提供的消色差超透鏡的設置設計的示意圖。 圖22是另一實施例提供的消色差超透鏡的設置設計的示意圖。
無
30:超透鏡陣列
35:超透鏡
41:奈米結構
42:基層
40:區域
43:薄膜

Claims (10)

  1. 一種超透鏡陣列，其改良在於，所述超透鏡陣列包括： 至少一光學透明基層； 複數奈米結構，設置於所述至少一光學透明基層上，所述複數奈米結構定義出一個或多個超透鏡，所述一個或多個超透鏡以預設排列方式設置；及 薄膜，所述薄膜塗覆於所述複數奈米結構上。
  2. 如請求項1所述的超透鏡陣列，其中，所述一個或多個超透鏡重疊設置或非重疊設置。
  3. 如請求項1所述的超透鏡陣列，其中，所述薄膜以均勻的厚度或不一致的厚度塗覆於所述複數奈米結構上。
  4. 如請求項1所述的超透鏡陣列，其中，所述超透鏡陣列還包括包覆層，所述包覆層塗覆於所述薄膜上。
  5. 如請求項1所述的超透鏡陣列，其中，每一所述複數奈米結構具有各向同性形狀、各向異性形狀、或各向同性和各向異性的組合的形狀。
  6. 如請求項1所述的超透鏡陣列，其中，所述複數奈米結構具有相同的形狀並以不同的幾何相位排列。
  7. 如請求項1所述的超透鏡陣列，其中，所述複數奈米結構的形狀相同但尺寸不同。
  8. 如請求項1所述的超透鏡陣列，其中，所述複數奈米結構的形狀不同且尺寸不同。
  9. 如請求項1所述的超透鏡陣列，其中，所述薄膜的透光率大於所述複數奈米結構的透光率。
  10. 一種顯示裝置，其改良在於，所述顯示裝置包括： 微顯示器，所述微顯示器用於照射光線；及 如請求項1至9中任一項所述的超透鏡陣列，所述超透鏡陣列與所述微顯示器間隔設置，所述超透鏡陣列用於傳輸所述微顯示器照射的所述光線。
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