具有嵌入式有机基团的光学器件的制作方法

具有嵌入式有机基团的光学器件
发明领域
[0001]
本申请一般涉及线栅偏振器。


背景技术：

[0002]
光学器件可包括粘合在一起的多个不同材料层。由于不同材料的不同热膨胀系数，在光学器件的弯曲期间或温度变化期间，这些层可以分离。减少或消除这种层的分离将是有帮助的。
[0003]
一些光学材料的沉积可能是困难和缓慢的，并可能导致额外的缺陷。一些沉积技术加热光学器件，这会不利地影响所沉积的材料的晶粒结构和化学计量。某些沉积技术可能导致整个层的密度的不希望的变化。蚀刻某些材料可能是困难的。这将有助于改善光学器件的可制造性。


技术实现要素：

[0004]
已经认识到，在弯曲期间和在温度变化期间，减少或消除光学器件的不同材料层的分离将是有利的。已经认识到，改善光学器件的可制造性将是有利的。本发明涉及满足这些需求的光学器件的各种实施例及其制造方法。每个实施例可以满足一个、一些或所有这些要求。
[0005]
光学器件可以包括基板的面上的导线，毗邻导线之间有(诸)通道。每根导线可包括嵌入的有机基团。该方法可包括在基板上施加未固化层，然后固化该未固化层以形成固化层。基板、导线、导线中的(诸)肋、固化层或其组合可具有折射率n≥1.7且消光系数k≤0.1。
[0006]
附图的简要说明(附图可能未按比例绘制)
[0007]
图1a是根据本发明的实施例的光学器件10a的示意性横截面侧视图，其包括基板11的一面上的导线12，毗邻导线12之间具有通道13。
[0008]
图1b是根据本发明的实施例的光学器件10b的示意性横截面侧视图，其包括基板11的一面上的两根导线12，这两根导线12之间具有通道13。
[0009]
图2是根据本发明的实施例的光学器件20的示意性透视图，其包括在基板11的一面上的导线2的阵列，在毗邻导线12之间具有通道13，所述导线是平行和细长的。
[0010]
图3是根据本发明的实施例的光学器件30的示意性横截面侧视图，其类似于光学器件10a、10b和20，但是每根导线12进一步包括两个肋31。
[0011]
图4是根据本发明的实施例的光学器件40的示意性横截面侧视图，其类似于光学器件10a、10b和20，但是每根导线12进一步包括三个肋31。
[0012]
图5是解说根据本发明的实施例的制造光学器件的方法中的步骤50的示意性横截面侧视图，该步骤50包括在基板11上施加未固化层51。
[0013]
图6是解说根据本发明的实施例的制造光学器件的方法中的步骤60的示意性横截面侧视图，该步骤60可接着步骤50，包括固化未固化层51以形成固化层61。
[0014]
图7是解说根据本发明的实施例的制造光学器件的方法中的步骤70的示意性横截面侧视图，该步骤70可接着步骤60，包括在固化层61上溅射沉积薄膜71。
[0015]
定义。以下定义(包括其复数形式)贯穿本专利申请适用。
[0016]
如本文中所使用的，术语“在
…
上”意指直接位于其上，或位于其上方，其间有一些其他固体材料。
[0017]
如本文中所使用的，术语“细长的”意指导线12的长度l明显大于导线宽度w或导线厚度th
12
。例如，l可以是比导线宽度w、导线厚度th
12
或两者≥10倍、≥100倍、≥1000倍、或≥10000倍。见图2。
[0018]
如本文中所使用的，术语“平行”意指完全平行、在正常制造公差内平行或几乎平行，使得任何偏离完全平行的偏差对设备的正常使用将具有可忽略不计的影响。
[0019]
如本文中所使用的，术语“由
…
制成”意指材料具有规定的材料成分，但除了无意的杂质。
[0020]
本文所列出的金属氧化物包括金属与氧以任何比率的组合，包括非化学计量的组合。
[0021]
如本文中所使用的，术语“基板”意指基底材料，诸如玻璃晶片。除非权利要求中另有规定，否则术语“基板”还包括夹在玻璃晶片与偏振器的导线之间的任何(诸)薄膜。基板在光学意义上可能是厚的，这意味着在使用的波长范围中明显比光的最大波长更厚。例如，基板的厚度th
11
可以是≥0.1mm、≥0.35mm或≥0.6mm。
[0022]
光学结构中使用的材料可以吸收一些光，反射一些光，并透射一些光。以下定义区分了主要吸收型、主要反射型或主要透明的材料。每种材料可被认为在预期用途的波长范围中、跨紫外光谱、跨可见光谱、跨红外光谱或其组合是吸收型、反射型或透明的，并且可以在不同波长范围中具有不同的特性。基于反射率r、折射率的实部n和折射率的虚部/消光系数k，将材料分为吸收型、反射型和透明的。等式1被用于确定正常入射下空气与均匀材料板之间界面的反射率r：
[0023]
等式1：
[0024]
除非本文中另有明确规定，波长范围中k≤0.1的材料为“透明”材料，在规定波长范围内k>0.1和r≤0.6的材料为“吸收型”材料，而在规定波长范围内k>0.1和r>0.6的材料为“反射型”材料。如果在权利要求中如此明确说明，则在规定波长范围中，k>0.1且r≥0.7、r≥0.8或r≥0.9的材料为“反射型”材料。
[0025]
如本文中所使用的，紫外光谱意指≥10nm并且<400nm，可见光谱意指≥400nm并且<700nm，而红外光谱意指≥700nm并且≤1mm。
[0026]
除非本文中另有明确说明，否则所有与温度相关的值均为25℃时的此种值。
[0027]
详细描述
[0028]
如图1a-1b中所解说的，光学器件10a和10b被示为包括基板11的面上的导线12，频率导线12之间具有(诸)通道13。通道可填充有空气、另一气体、真空、液体、固体材料或其组合。导线12可以在多个方向上延伸并且可以具有多个厚度th
12
，就像超材料偏振器。替换地，如在图2中的光学器件20上所解说的，导线12可以是平行的和细长的。
[0029]
光学器件10a、10b和20可各自是线栅偏振器(wgp)、波导或其他光学器件。光学器
件10a和20可以包括比所解说的更多的导线12和通道13。替换地，光学器件10b可以仅包括两条导线12，其间具有单个通道13。光学器件10b可以是波导。
[0030]
每根电线12可包括反射型肋、透明肋、吸收型肋或其任何顺序的组合。如图3中的光学器件30所解说的，每根导线12可包括两个肋31。如图4中的光学器件40所解说的，每根导线12可包括三个肋31。每个肋31可以是与相同导线12中的其他(诸)肋不同的材料。平行于基板的面的单个平面中的肋31的每个阵列a可以是单一材料。肋31的每个阵列a可以是反射型肋、透明肋或吸收型肋。
[0031]
以下是光学器件10、20、30和40的各部分的折射率n和消光系数k的实部的示例值。本文中的n和k值可以跨紫外光谱、跨可见光谱、跨红外光谱或其组合。
[0032]
基板11可以由二氧化硅制成，取决于光学器件10或20的类型，其折射率的实部n
s
相对较低，或者可以具有较高的n
s
。基板11可以具有低的消光系数k
s
。基板11可由铪、铅、铌、钽、钛、钨、锆或其组合制成或可包括其氧化物。例如，基板11可具有：n
s
≥1.3、n
s
≥1.7、n
s
≥1.8、n
s
≥1.9、n
s
≥2.0或n
s
≥2.2；n
s
≤1.5、n
s
≤2.0或n
s
≤3.0；k
s
≤0.0001、k
s
≤0.001、k
s
≤0.01或k
s
≤0.1；或其组合。
[0033]
在一个实施例中，每根导线12可以是透明的。每根导线12可具有：n
w
≥1.3、n
w
≥1.7、n
w
≥1.8、n
w
≥1.9、n
w
≥2.0或n
w
≥2.2；n
w
≤1.5、n
w
≤2.0或n
w
≤3.0；k
w
≤0.0001、k
w
≤0.001、k
w
≤0.01或k
w
≤0.1；或其组合。n
w
是折射率的实部，而k
w
是导线12的消光系数。
[0034]
在一个实施例中，透明肋可具有：n
t
≥1.3、n
t
≥1.7、n
t
≥1.8、n
t
≥1.9、n
t
≥2.0或n
t
≥2.2；n
t
≤1.5、n
t
≤2.0或n
t
≤3.0；k
t
≤0.0001、k
t
≤0.001、k
t
≤0.01或k
t
≤0.1；或其组合。n
t
是折射率的实部，而k
t
是透明肋的消光系数。透明肋的示例材料包括铪、铅、铌、钽、钛、钨、锆及其组合。透明肋可以包括铪、铅、铌、钽、钛、钨、锆或其组合的氧化物。
[0035]
每根导线12可包括嵌入的有机基团。反射型肋、透明肋、吸收型肋或其组合可以包括嵌入的有机基团。有机基团的包括可以改善光学器件的灵活性。如果最后的器件必须跨另一个器件(诸如举例而言，透镜)弯曲，则这种灵活性可能是有用的。这种灵活性对于光学器件在热膨胀期间保持接触可能是有用的。这种灵活性甚至会导致不同材料保持接触，尽管热膨胀系数的相对较大的差异。
[0036]
例如，≥0.01％、≥0.1％、≥1％、≥10％或≥25％的原子可以是导线12、反射型肋、透明肋、吸收型肋中的有机基团或其组合的一部分。例如，≤75％、≤50％、≤25％、≤10％或≤5％的原子可以是导线12、反射型肋、透明肋、吸收型肋中的有机基团或其组合的一部分。每个此种肋的剩余部分可以是无机的。
[0037]
例如，金属导线12、反射型肋、透明肋、吸收型肋或其组合中的有机基团的质量百分比可为≥0.01％、≥0.1％、≥1％、≥10％或≥25％；并且≤75％、≤50％、≤25％、≤10％或≤5％。每个此种肋的剩余部分可以是无机的。
[0038]
有机基团是小分子可能是有利的，以便避免对光学性质的不利影响，平衡灵活性和硬度，达到所需的密度，以及便于沉积。例如，每个有机基团可以包括或可以是
–
ch3、
–
ch2ch3、
–
ch2ch2ch3或其组合。作为另一实例，所有有机基团可包括1个碳原子、≤2个碳原子、≤3个碳原子、≤5个碳原子或≤10个碳原子。作为另一示例，所有有机基团可具有≥14g/mol、≥25g/mol或≥50g/mol；并且≤16g/mol、≤30g/mol、≤45g/mol或≤100g/mol的分子量。
[0039]
方法
[0040]
一种制造光学器件的方法可以包括在基板11上施加未固化层51(参见图5中的步骤50)；以及固化该未固化层51以形成固化层61(参见图6中的步骤60)。可以按此顺序或同时执行这些步骤50和60。光学器件的组件和光学器件本身可以具有如上所述的特性。步骤50和60可针对多个层被重复。步骤50和60的每次重复可以用不同的材料来执行。每个固化层61可以跨紫外光谱、跨可见光谱、跨红外光谱或其组合是反射型、透明或吸收型的。该方法可进一步包括蚀刻(诸)固化层以形成导线12，并且因此制造光学器件10、20、30或40。
[0041]
每个固化层61可独立地具有：n
c
≥1.3、n
c
≥1.7、n
c
≥1.8、n
c
≥1.9、n
c
≥2.0或n
c
≥2.2；n
c
≤1.5、n
c
≤2.0或n
c
≤3.0；k
c
≤0.0001、k
c
≤0.001、k
c
≤0.01或k
c
≤0.1；或其组合。n
c
是折射率的实部，而k
c
是固化层61的消光系数。固化层61可具有如上规定的百分比的嵌入的有机基团。如上所述，基板11可以具有n
s
和k
s
。
[0042]
在一个实施例中，未固化层51可以是具有分散在连续相中的固体无机纳米粒子的液体。在未固化层51中固化或导致化学反应可包括将未固化层51形成在无机纳米粒子的固体互连网络中，从而定义了固化层61。在另一实施例中，未固化层51可以是包括分散相和连续相的胶体悬浮液。固化胶体悬浮液或在胶体悬浮液中导致化学反应可包括除去连续相以形成固体，从而定义了固化层61。固体可以是无机的。无机纳米粒子、分散相或两者都可以包括与有机基团粘合的金属原子。在一个方面中，每个金属原子可与不多于一个有机基团粘合。有机基团的示例包括-ch3和-ch2ch3。因此，固化层61可以包括嵌入的有机基团。这些嵌入的有机基团可用于改变固化层61的性质，诸如改变其光学性质和硬度。
[0043]
在另一实施例中，未固化层51可以是包括溶剂中的分子的溶液，并且固化层61可通过使分子反应以形成彼此互连的金属原子的固体而形成。溶剂可以包括水和有机液体。分子可以包括与反应基团r1粘合的金属原子。金属原子的示例包括铪、铅、铌、钽、钛、钨和锆。每个金属原子可包括到反应基团的≥1个键或≥2个键，以及直接到有机基团的≥1个键或≥2个键。
[0044]
每个反应基团r1可以独立地为-cl、-or2、-ocor2或-n(r2)2。每个r2可独立地为
–
ch3、
–
ch2ch3、
–
ch2ch2ch3或任何烷基。烷基具有至少一个碳原子，但可以是小的，诸如举例而言，具有≤2个碳原子、≤3个碳原子、≤5个碳原子或≤10个碳原子。
[0045]
每个金属原子可包括到反应基团的≥1个键或≥2个键，以及直接到有机基团r3的≥1个键或≥2个键。有机基团的示例包括-ch3、-ch2ch3和
–
ch2ch2ch3。分子的示例包括(r3)hf(r1)3、(r3)pb(r1)、(r3)nb(r1)4、(r3)ta(r1)4、(r3)ti(r1)3、(r3)w(r1)5、(r3)zr(r1)3。
[0046]
将未固化层51形成在固化层61中可以包括至少一些液体的蒸发，并且这种蒸发可以与上述固化步骤相粘合。在一个实施例中，最初在未固化层51中的所有液体或者反应以形成固体(固化层61)，或者被蒸发。将未固化层51形成在固化层61中可包括使用紫外光、热或两者。固化层61的完整性可通过在相对较低的温度下固化来改善，诸如举例而言，≥30℃、≥50℃、或≥100℃且≤150℃、≤200℃、≤250℃或≤300℃。
[0047]
如图7中所解说的，上述方法可进一步包括在固化层61上溅射沉积薄膜71。薄膜375可以是具有所需光学特性、针对偏振器的保护的特性、或两者的任何材料。可使用固化层61对薄膜71进行蚀刻，并可成为最终导线12中的肋31，可被用作蚀刻掩模、或两者。如权利要求中所规定的，跨紫外光谱、跨可见光谱、跨红外光谱、或其组合，薄膜71可以是反射型
的、吸收型的、或透明的。薄膜71的溅射沉积可减少固化层61中的空隙。
[0048]
通过旋转涂布然后烘烤、旋转涂布然后再次烘烤、并且可能重复更多次来形成未固化层51，可以改善最终固化层61的均匀性。每次旋涂的时间取决于所需的厚度和旋涂机。示例时间包括每次旋涂≥2秒、≥4秒、或≥6秒并且≤10秒、≤20秒或≤30秒。每次旋涂的速度的示例包括≥100rpm、≥500rpm、≥1000rpm或≥1500rpm；以及≤2500rpm、≤3000rpm、≤4000rpm或≤8000rpm。每次烘烤的温度的示例包括≥30℃、≥50℃、≥100℃或≥150℃；并且≤250℃、≤300℃或≤400℃。
[0049]
例如，未固化层51的厚度th
51
、固化层61的厚度th
61
和薄膜71的厚度th
71
包括≥10nm、≥50nm、≥100nm、≥200nm并且≤300nm、≤600nm或≤1000nm。这种厚度th
51
、th
61
和th
71
可以是层的最大值、最小值或平均值。
[0050]
某些材料，诸如举例而言，氧化钛可能难以蚀刻。通过以上方法形成的氧化钛可能更易于刻蚀，并且因此可改善光学器件的可制造性。溅射沉积可能是困难且缓慢的；会加热光学器件，这可能不利地影响所沉积的材料的晶粒结构和化学计量比；并且会导致整个沉积层的密度的不希望的变化。相反，以上提及的方法可在相对较低的温度下更快地执行，其中密度变化较小。