CN102449509B - 制作具有包层的光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涉及制作包括包层的光学器件的实施例。一个实例实施例包括形成楔形光导，其具有相对的第一面和第二面并且包括具有第一折射率的材料。该实施例进一步包括将包层涂敷到第一面以及将界面层涂敷到包层。在该实施例中，该包层具有小于第一折射率的第二折射率，并且该界面层具有匹配第一折射率的第三折射率。

Description

制作具有包层的光学器件

背景技术

计算机系统可以包括提供图像作为输出或接收图像作为输入的一个或多个光学系统。示例光学系统包括显示器、照相机、扫描仪和某些种类的触敏输入系统。一些光学系统可以包括光导，其将图像传送到触敏显示器表面，将图像聚焦在检测器上或者二者都实施。该光导可以楔形的、在一个或多个可见和/或红外波长范围内是透明的、并且包括至少一对相对面。通过光导，一定波长范围的光可以经由从相对面的内部反射横向传播。在许多情况下，光导的材料属性和总体配置可以影响由光学系统提供的图像的强度和保真度（fidelity）。

发明内容

因此，在一个实施例中，提供一种用于制作光学器件的方法。该方法包括形成楔形光导，该楔形光导具有相对的第一和第二面并且包括具有第一折射率的材料。该方法进一步包括将包层涂敷到第一面以及将界面层涂敷到包层。在该实施例中，该包层具有小于第一折射率的第二折射率，并且该界面层具有匹配第一折射率的第三折射率。

应当理解，提供上述发明内容以便以简化形式引入在下面的具体实施方式中进一步描述的概念的选择。其不旨在标识要求保护的主题的关键或必要特征，要求保护的主题的范围由具体实施方式之后的权利要求限定。而且，要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任意部分中记录的任何缺点的实现方式。

附图说明

图1示出根据本公开的一个实施例中的实例计算机系统的各方面。

图2是示出根据本公开的一个实施例中的光学系统14的各方面的示意性截面图。

图3和4示出根据本公开的一个实施例中实例楔形光导的各方面。

图5示出根据本公开的一个实施例中的多层转向（turning）结构。

图6示出根据本公开的一个实施例的涂敷到聚甲基丙烯酸甲酯光导的二色性（dichroic）涂层的透射和反射光谱。

图7、8和9示出根据本公开的一个实施例的光与成像光学器件相互作用的射线图。

图10示出根据本公开的一个实例实施例中的所选界面的透射效率-入射角的曲线图。

图11示出根据本公开的一个实施例中的实例输入设备的各方面。

图12是示出根据本公开的一个实施例中的光学系统和输入设备的输入区的各方面的示意性截面图。

图13示出根据本公开的一个实施例中的另一个多层转向结构。

图14和15示出根据本公开的一个实施例的光与显示光学器件相互作用的射线图。

图16示出根据本公开的实例实施例中的所选界面的透射效率-入射角的曲线图。

图17示出根据本公开的一个实施例的光与显示光学器件相互作用的射线图。

图18图示了用于制作根据本公开的一个实施例中的成像或显示光学器件的示例方法。

图19图示了用于制作根据本公开的一个实施例中的成像或显示光学器件的示例方法。

图20示出根据本公开的一个实施例的使得包层能够被涂敷到楔形光导的实例应用系统。

具体实施方式

现在通过实例并参照所示的某些实施例来描述本公开的主题。可能在两个或更多个实施例中基本类似的组件被同等地标识，并且以最少的重复来描述。然而，应当注意，在本公开的不同实施例中同等标识的组件可能至少部分不同。应当进一步注意，本公开中所包括的附图是示意性的。所图示的实施例的视图一般地未按比例绘制，并且一些附图的纵横比可能故意被变形以使得所选特征或关系更容易看到。

图1示出一个实施例中实例计算机系统10的各方面。该计算机系统包括大格式、触敏显示器表面12。位于触敏显示器表面下面的光学系统14可被配置成为计算机系统提供显示和输入功能。相应地，图1示出操作地耦合到光学系统的控制器16。该控制器可以是被配置成向光学系统提供显示数据并从中接收输入数据的任何设备。在一些实施例中，该控制器可以包括计算机的全部或部分；在其他实施例中，该控制器可以是经由有线或无线通信链路操作地耦合到计算机的任何设备。

为了提供显示功能，光学系统14可以被配置成将可见图像投影到触敏显示器表面上。为了提供输入功能，该光学系统可以被配置成捕获置于触敏显示器表面上的对象（例如手指、电子设备、纸卡、食物或饮料）的至少部分图像。相应地，光学系统可以被配置成照射这样的对象并且检测从这些对象反射的光。以此方式，该光学系统可以记录置于触敏显示器表面上的任何适当对象的位置、足迹和其他属性。

图2是示出一个实施例中的光学系统14的各方面的示意性截面图。该光学系统包括背光源18、成像光学器件20、光阀22和扩散体24。该背光源和光阀可以操作地耦合到控制器16并且被配置成向触敏显示器表面12提供视觉显示图像。

背光源18可以是被配置成发射可见光的任何发光体。来自背光源的光（例如光线26）被投射通过成像光学器件20并且其颜色和强度被光阀22的许多光闸元件调制。在一些实施例中，该光阀可以包括液晶显示设备，但是其他光调制设备也可以使用。以此方式，该背光源和光阀可以一起创建显示图像。该显示图像被投射通过扩散体24并且由此被提供给触敏显示器表面12。为了确保适当的显示图像强度，该成像光学器件和扩散体可以被配置成至少在垂直于触敏显示器表面的方向上（典型地将从该方向上观看到显示图像）透射入射在它们上的可见光的相当大的一部分。

在图2中所示的实施例中，成像光学器件20包括具有上面28和下面30的楔形光导27。图3更详细地图示了一个实例楔形光导。然而，应当理解，图3不旨在从任何方面进行限制，因为许多楔形光导变型是预期的。

现在参照图3，在一些实施例中，楔形光导的相对的上面和下面可能是基本平坦的并且几乎平行，但是彼此偏移1°或更小的楔角。在一个特定实施例中，该楔角例如可以是0.72度。本文所使用的“基本平坦的”表面是当表面粗糙度和制造异常未被考虑时宽泛地符合平面的表面。例如，在一个特定实施例中，基本平坦的表面可以具有3纳米（平均粗糙度）或更小的粗糙度。该楔形光导可以相对于水平面和/或平行于触敏显示器表面12的任意平面对称地取向。因此，光导的上面或下面与平行于触敏显示器表面的任何平面之间的交角可以是所述楔角的一半。因此，短语“垂直于楔形光导”、“垂直于成像光学器件”和“垂直于相对面”等在本文中被用于指示基本垂直于触敏显示器表面的取向。

楔形光导27具有较薄侧32和与较薄侧相对的较厚侧34。在图3中所示的实例中，楔形光导被研磨（mill）在较厚侧上以限定由中心锐角围起来的球体的部分。如此限定的该部分的曲率半径可以基于楔形光导将被安装在其中的光学系统14的详细配置来确定。在一个具体实施例中，较厚侧的厚度约为较薄侧厚度的两倍，并且较厚侧的曲率半径约为楔形光导的长度的两倍。在一些实施例中，楔形光导（例如，较薄侧32或较厚侧34）的一个或多个侧可以起透镜的作用，其中所述曲率半径限定了透镜的焦距。

图4中示出一个非限制性实施例中的较厚侧34的更详细的截面图。该图示出沿着楔形光导的较厚侧水平行进的基本平坦的小面（facet）36的阵列。该小面限定了一系列水平脊，其扩展以接合（meet）较厚侧的上边缘和下边缘。这些小面可以用反射性材料涂敷以在较厚侧上形成交替（interleaved）的反射器。如此形成的交替反射器可以在将安装光导的光学系统中起各种作用，例如引导来自投影仪的图像或引导到检测器上。在一个非限制实例中，可以在楔形光导的较厚侧中形成27个小面，从而形成一系列间隔约840微米的水平脊并且从较厚侧的上边缘或下边缘延伸约80微米。在其他实例中，楔形光导的较厚侧可以具有任何其他适合的形状或轮廓。基于如本文所述的楔形光导，成像光学器件20可以被配置成至少部分地经由从楔形光导的边界全内反射而在相对的第一与第二面之间横向传送光。当然，应当理解，这里所述的和图3中的配置的细节是为了示例的目的而被呈现的，并且不旨在以任何方式限制。

现在参照图2，光学系统14可以进一步被配置成向计算机系统10提供输入功能。相应地，所图示的光学系统包括检测器38。该检测器可以是照相机，例如红外敏感、数字照相机。成像光学器件20可以被配置成将布置在触敏显示器表面12上或与之接触的一个或多个对象的光引导到检测器上。这样的光可以源自如下文所述的各种源。相应地，该检测器可以捕获所述一个或多个对象的至少部分的图像。

图2示出与触敏显示器表面12接触的对象40和远离对象传播的光线42。所图示的光线被示出为穿过光学系统14的各种组件并且进入成像光学器件20。为了将光从触敏显示器表面反映（image）到检测器38上，该成像光学器件可以被配置成将光朝向楔形光导的反射性较厚端转向（turn）并且经由全内反射将经转向的光限制在到检测器的路径中。相应地，成像光学器件的下面30包括多层转向结构44。本公开包含多层转向结构的许多变型。例如，所述多层转向结构可以是反射性的，使得光被向后引导穿过楔形光导27。

图5示出一个实施例中多层转向结构44的更详细的视图。该多层转向结构包括基础层46。在一些实施例中，该基础层可以例如是300微米厚的聚乙烯四邻苯二甲酸酯（PET）。在其他实施例中，基础层可以包括任何适当厚度的任何其他适当材料。在基础层顶部上，布置了具有规则的棱柱结构的图案化层48，其中每个棱柱的一个面垂直于基础层，并且邻近面相对于基础层倾斜取向。相对于基础层倾斜取向的邻近面可以取向为与基础层成15度和45度之间的角度，例如28度。该图案化层可在各种其他适当材料之中包括例如丙烯酸共聚物。在一个实施例中，基础层46和图案化层48可以以商业预制多层膜形式提供。例如，由明尼苏达州的圣保罗的3M公司制造的图像引导膜（IDF）是可以用于基础层和图案化层的适当配置的双层膜的一个实例。在图案化层的顶部上，可以放置反射性的或部分反射性的涂层。在图5中所示的实施例中，该反射性或部分反射性的涂层包括二色性涂层50。

二色性涂层50可以包括以任何适当方式涂敷到图案化层48的多个很薄的介电层。在一个实施例中，该二色性涂层可以通过化学气相沉积或以任何其他适当方式经由对各种无机氧化物或其他材料的蒸发或溅射而涂敷到图案化层上。在一个实施例中，该薄介电层可以是折射率高低交替的四分之一波涂层，例如6到8层。

在一个实例实施例中，合起来，基础层46、图案化层48和二色性涂层50构成转向膜52。在一些实例中，转向膜的一个或多个组成部分（constituent）可以被选择成具有相似于楔形光导的热膨胀系数，使得标称温度变化不会导致该转向膜变形或与楔形光导分离。如下文所述，该转向膜可以单独地制备并且经由界面层粘合到所述多层转向结构的其余层。而且，在一些实施例中，该界面层可以包括粘合层。相应地，在图5中所示的实施例中，粘合层54被置于转向膜上。该粘合层可以是聚丙烯酸和/或可紫外线固化的粘合剂，例如可从康涅狄格的托灵顿的Dymax公司获得的Dymax 3091或Dymax 3099。该粘合层用于将转向膜粘合到下文进一步详细描述的包层56。在与本公开完全一致的其他实施例中，棱柱形图案化层可以使用转移粘合剂密封在密封层中并且然后粘合到楔形光导，所述粘合剂例如是宾夕法尼亚Glen Rock的Adhesives Research, Inc.的产品8154。应当理解，二色性涂层可以包括在一些转向膜中并在其他中省去。例如，在成像或显示光学器件不被配置成分离可见光与红外光、或以不同的方式这样做的实施例中，二色性涂层可以省去。在缺乏二色性涂层的转向膜中，可以替换宽带反射性涂层，如下文进一步描述。

继续在图5中，包层56包括薄层材料。在一些实施例中，该包层可以作为涂层涂敷在楔形光导27上，如下文所述。包括包层的一种或多种材料可以被鉴于某些物理属性而被选择。首先，至少在下文阐述的厚度范围内的包层可能对成像光学器件20被配置成传送的光基本不吸收且基本不散射。第二，该包层可以对膨胀和压缩应变有显著弹性，使得标称温度变化不会导致包层从楔形光导裂开或分离。第三，该包层可以具有比形成楔形光导的材料更低的折射率。例如，如果楔形光导具有1.492的折射率，则该包层可以具有1.1到1.4范围内的折射率。可以用于包层的材料的特定实例包括但不限于硅树脂聚合物（n~1.38）和含氟聚合物（n~1.33）。相应地，在一些特定实施例中，该包层可以包括例如Teflon（特氟纶）AF（EI Dupont (杜邦) de Nemours &Co. of Wilmington，Delaware），Cytop（日本东京的Asahi公司），MY-133（以色列雷霍沃特的MY Polymers公司），或LS-233（加利福尼亚卡平特里亚的Nusil（诺希尔）公司）。在其他实施例中，该包层可以包括蛾眼层，例如具有光学材料的典型折射率（例如，丙烯酸，n~1.492）的材料的层，但是合并了包含空气的亚波长特征的阵列。该结果是具有较低有效折射率的层。多微孔材料（比如气凝胶和泡沫）包含随机的气囊并且可以起相同的作用，只要该气囊明显小于感兴趣的波长。第四，该包层可以具有比形成界面层（在该实例中为粘合层54）的材料低的折射率。相应地，在一些实施例中，界面层的折射率可以被匹配于楔形光导的折射率。如本文使用的，如果折射率的不同不大于±2%，则这些折射率是“匹配的”。由于所述包层和楔形光导的相对折射率，所述成像光学器件可以被配置成至少部分地经由从包层的边界（在所示的实施例中为下面30）的全内反射而在楔形光导的相对的第一和第二面之间横向地传送光。

多层转向结构44被配置成最低限度地与从背光源18穿过成像光学器件的光（例如，光线26）相互作用；因为二色性涂层50对可见光是基本透明的并且因为从背光源投射的光以太小的角度（垂直于边界测量）与多层转向结构的各种界面相交而不能经历全内反射，所以防止了相互作用。图6示出涂敷到IDF膜的图案化侧的二色性涂层的透射和反射谱；百分比透射率/反射率被绘制在竖直轴上，并且以纳米为单位的波长被绘制在水平轴上。透射谱（虚线曲线）揭示了在大致450nm到700nm的可见波长范围中的相对高的透射率。而且，图7的射线图图示了以适当低的入射角与多层转向结构相交的可见光（例如，光线26）将直接穿过该结构。

相比而言，多层转向结构44可以与来自置于触敏显示器表面12上的一个或多个对象的红外光（例如，光线42）显著相互作用。与红外光更强的相互作用是二色性涂层50对红外光明显反射的结果，如图6中由反射率谱（点虚线曲线）所示。

图8示出例如以一定角度进入成像光学器件20的光线42，该角度小于针对该光线穿过的任何边界的斯奈尔定律（Snell’s Law）临界角。结果，基本上所有光通过楔形光导27、包层56和粘合层54而折射。因为二色性涂层50对红外光是反射的，所以该光线被朝向检测器38转向。因此，图8示出入射在包层56上的经转向的光线58。

为了使来自对象40的任何光成像在检测器38上，该光必须经由折射通过一个或多个界面进入成像光学器件20。然而，在每个边界处，反射也将发生。因此，图8示出分离成折射光线60和反射光线62的转向的光线58。折射光线60进一步分离成向前的光线64和干涉光线66。在图8中所示的实施例中，粘合层54和楔形光导27的相等的折射率可以帮助提供干涉光线66的强度几乎等于反射光线62的强度。而且，分隔这两条光线的相位角由包层56的厚度且由转向光线58与包层相交的角度确定。如果相位角为πM，其中M是任意奇数，则这两条光线相消干涉，从而消除反射功率（reflected power）并且最大化向前功率。如本文所述，包层的厚度可以被选择以提供这种相位角。以此方式，该成像光学器件可以被配置成衰减以小于针对包层边界的斯奈尔定律临界角的角度（垂直于边界测量的角度）入射在包层边界上的光的反射。特别地，为了衰减具有中值（median）波长λ的光，包层的厚度d可以被选择使得通过包层的光路径近似为中值波长的一半：

d≈λ/[2n₂cos(θ)]                           （公式1）

其中n₂是包层材料的折射率，且θ是相对于界面法线的传播角。在一个实例中，如果传播角为70度，波长为850nm且包层的折射率为1.33，则该包层的厚度可以是1.9μm。在其他实例中，包层的厚度可以是如上文定义的值d的奇数倍：例如，3d、5d、7d。公式1对于小于θ_c的任意范围的传播角有效，θ_c为在楔形光导与包层之间的界面处全内反射的斯奈尔定律临界角，即：

θ_c=arcsin(n₂/n₁)，                         （公式2）

其中n₁是制作楔形光导的材料的折射率。然而，为了选择适当的包层厚度的目的，公式1中的θ的值可以被设置为θ_c。因此实例包层厚度可以包括

d≈Mλ/[2n₂cos(θ_c)]，                       （公式3）

其中M是奇数。因此，在一个非限制性实施例中，

                          （公式4）

在这些实例中，厚度公差可以是例如±10%或±5%。

在穿透楔形光导27时，向前光线64可以以大于斯奈尔定律临界角的角度到达上面28并且被反射回下面30。在这一点上，图9中示出了，该向前光线现在可以以大于所述临界角的角度与包层56相交并且被朝向检测器38内反射。在许多内反射之后，来自对象40的光可以离开成像光学器件并且被检测器反映（imaged）。

为了更好地了解所示实施例的一些优点，考虑其中不在楔形光导27上放置包层的另外的类似配置是有帮助的。例如，气隙可以置于楔形光导与适当的转向结构之间。这种配置可以实现上述基本功能，但是可能遇到至少三个相关问题。首先，在光从转向结构进入楔形光导时由于反射的原因，有意义的图像强度可能丢失。这种衰减可以降低用于图像检测的信噪比。特别地，来自转向结构的光，取代经历上述相消干涉的反射，可以在光导的下边界处经受单个的强度窃取反射。结果，有意义的向前功率可能丢失，从而降低了提供给检测器的图像的强度。第二，向前光线的衰减可能对入射光的偏振状态敏感。该效果可以导致图像强度依赖于正被成像对象的几何属性和材料属性的不希望的变化。第三，如果该反射光将以某种方式在不同位置或以不同入射角度重新进入光导，则检测器可以记录叠加在期望图像上的鬼像（ghost image）。

提供夹在两个较高折射率区域的厚度受控的包层56解决了上面识别的缺陷中的每一个。该结构特征提供的优点进一步参照图10被强调，图10示出作为入射角的函数的通过光导边界的透射率（transmissivity）的两个曲线图。上边的曲线图68是针对未包覆的光导（PMMA，n=1.49）；下边的曲线图70针对包覆有Nusil LS2233（n=1.33）的大约3.5波长厚层和位于该包层上的丙烯酸粘合剂（n=1.49）层的相同光导。使用S和P偏振状态的550nm光探查透射率。根据这些曲线清楚，夹在中间的包层通过降低反射率增加了总透射率，并且进一步地降低了相对未包覆的光导边界的透射率的偏振灵敏度。

如上文所记录，来自置于触敏显示器表面上的一个或多个对象的光可以源自各种光源。在一个实施例中，该光可以由对象发射。然而，在图2中所示的实施例中，该光通过对象的扩散照明提供，并且通过触敏显示器表面向后反射。因此，图2示出红外发射器72（例如红外发光二极管）以及照明光导74。在图2中所示的配置中，该照明光导被配置成从触敏显示器表面后面照射所述一个或多个对象。该照明光导可以是被配置成从一个或多个进入区76接纳红外光并且从离去区78投射所述红外光的至少一些。该照明光学器件的进入区和离去区中的每一个可以包括转向膜或其他转向结构。为了接纳来自红外发射器的光并且同时提供期望的光转向功能，与进入区和离去区相关联的转向结构可以彼此不同地取向。而且，该离去区可以包括低角度扩散膜，比如由马萨诸塞州沃本的FusionOptix制造的产品ADF-0505。该低角度扩散膜可以被包括，以便将入射在显示器表面12上的光以掠射角（grazing angle）耦合出去，因此它未被成像光学器件20成像。更具体地，来自LED阵列的光可以在照明光导中通过TIR被俘获（trapped）；由低角度扩散膜进行的弱扩散导致要在照明光导内散射的射线角。在每个相互作用处，一些光通过TIR角并逃逸。尽管该光可以一半从顶部逃逸且一半从底部逃逸，但是只有从顶部逃逸的光被用于照射对象。

图2示出例如通过进入区76进入照明光导74、经由进入区的转向结构被转向并且在照明光导的边界处经历内部反射的红外光线80。该内部反射是所示的光线以大于斯奈尔定律临界角的角度与所述边界相交的结果。继续前进，所示的光线与离去区78的转向结构相交，并且从离去区被基本向上反射。现在至少一些所示的光线被透射通过照明光导的边界，而不是被全内反射；这是因为所示的光线现在以小于所述临界角的角度与边界相交。

在图2所示的实施例中，照明光导74的离去区78是平坦的并且基本平行于触敏显示器表面12。在该配置中，从离去区投射的光穿过扩散体24并且可以照射与触敏显示器表面接触的对象40。然而，应当理解，许多其他照明配置是可能的，并且同样与本公开一致。

图11示出在一个实施例中实例输入设备82的各方面。该输入设备包括接收用户输入的输入区84。用户输入可以经由输入区的触敏区域（例如虚拟键盘、鼠标垫或控制垫）和/或机械键盘而被接收。位于输入区之后的光学系统86可以被配置成向输入区提供输入和/或输入指引功能。相应地，该光学系统操作地耦合到控制器，其示意性地在1116处指示。尽管图11示出在输入设备外部的控制器（例如，使得输入设备由输入设备所附接到的计算设备控制），应当理解，在同样与本公开一致的实施例中，该控制器可以集成到输入设备中。在一个实施例中，该光学系统可以被配置成照射所有或部分输入区并且检测从置于输入区上的对象反射的光，基本如上文参照触敏显示器表面12所述。然而，在其他实施例中，输入区的输入功能可以独立于光学系统（例如经由电容性或电阻性触摸屏和/或机械键开关）而实现。

在图11中所示的实施例中，输入区84包括图像适应区域（image-adapted area）88。该图像适应区域是一个或多个可变图像（键面（keyface）、表盘、滑动条控制等）可以显示其上以便指导用户输入的区域。相应地，光学系统86可以被配置成在图像适应区域上显示一个或多个可变图像，并且由此向输入区提供输入指引功能。在同样与本公开一致的其他实施例中，该图像适应区域可以占据输入区的多个非重叠区域，或者它可以与整个输入区重合。

图12是示出在一个实施例中光学系统86和输入区84的各方面的示意性截面图。该光学系统包括侧装式光源89、显示光学器件1220和光阀1222；该输入区包括置于图像适应区域88内的部分透明键面90。

如在先前的实施例中，所述光阀可以是任何图像形成、光闸设备—例如液晶显示设备。侧装式光源89可以是被配置成提供适当宽的可见波长范围上的适当强烈的、发散光的任何发光体。在图12中所示的实施例中，来自侧装式光源的光（例如光线91）通过显示光学器件1220被投射并且由光阀1222的许多光闸元件调制以向图像适应区域88且具体地向键面90提供经调制的图像。

合起来，在一个实例实施例中，侧装式光源89和光阀1222构成图像创建子系统。该图像创建子系统可以适于使用来自光源（例如侧装式光源89）的光创建可变的可见图像并且适于向键面90或图像适应区域88内其他地方提供可变的可见图像。相应地，该图像创建子系统可以操作地耦合到控制器1116。而且，显示光学器件1220可以被配置成转向并投射来自光源的光，以使得所述可见图像可以被显示在键面90上或图像适应区域内的其他地方。在图12中所示的实施例中，显示光学器件1220被配置成通过光阀将可见光引导到图像适应区域上。

在其他同样与本公开一致的实施例中，可以改为使用其他配置的图像创建子系统。例如，光阀可以被合并到侧装式光源中，使得完全形成的图像通过显示光学器件1220被投射到图像适应区域88上。在另外的其他实例中，该图像可以经由操作地耦合到控制器1116的激光器创建并且被配置成进入显示光学器件的光栅相干、图像调制的光。

在图12中所示的实施例中，假设输入功能独立于光学系统86而被提供—例如经由电容性或电阻性触摸屏和/或机械键开关。因此，附图中不包含检测器或包含其他输入接收设备。然而，在与本公开完全一致的一些实施例中，该光学系统可以进一步也被配置成提供输入功能，如先前在光学系统14的上下文中所述。

为了向图像适应区域88提供图像，显示光学器件1220可以被配置成经由全内反射透射光并且将至少一些光朝向图像适应区域转向。因此，该显示光学器件包括具有上面1228和下面1230的楔形光导1227。多层转向结构1244被置于下面上。在所示的实施例中，该楔形光导进一步包括邻近上面和下面并支持反射性涂层92的较厚侧以及邻近上面和下面、与较厚侧相对的较薄侧。耦合到该配置的显示光学器件，该图像创建子系统可以适于投射光以用于将图像形成到楔形光导的较薄侧中。

图13提供了多层转向结构1244的更详细的视图。在一个实施例中，多层转向结构1244可能与上文描述的多层转向结构44基本相同，但是也设想许多变型。例如，在光垂直于显示光学器件透射不是问题的实施例中，先前实施例的二色性涂层50可以由宽带反射性涂层取代。相应地，图13中所示的实施例示出置于图案化层1348上的宽带反射性涂层93。在一个实施例中，该宽带反射性涂层可以是铝的薄层。在另一个实施例中，它可以是置于镍铬合金子层顶部上的银的薄膜。应当理解，本文提供的实例不旨在限制，因为各种其他反射性涂层也可以是适当的。与先前的实施例对比，多层转向结构1244被配置成与在包括可见区域和红外区域的宽波长范围上的光强烈地相互作用。

图14示出光线91，光线91以大于楔形光导1227和包层1356之间的边界的斯奈尔定律临界角的角度进入显示光学器件1220；该光线被全内反射。在到达上面1228时，该光线进一步向后反射到下面1230。如图15中所示，光线91现在可以以小于所述临界角的角度与楔形光导与包层之间的边界相交并且被折射出光导。然后，该光线反射离开宽带反射性涂层93，向上投射通过显示光学器件，并且在图像适应区域88上（并且特别地在键面90上）形成图像。

为了使从侧装式光源89反射的任何光到达图像适应区域88，它可以经由折射离开楔形光导1227。然而，反射也将在光线与之相交的每个边界处发生。因此，图15示出分离成折射光线1560和反射光线1562的光线91。折射光线1560进一步被分离成向前光线1564和干涉光线1566。在图15中所示的实施例中，粘合层1354和楔形光导1227的相等折射率可以帮助提供干涉光线1566的强度几乎等于反射光线1562的强度。而且，分开这两个光线的相位角由包层1356的厚度并且由光线91与包层相交的角度确定。因此，如前所述，包层的厚度可被选择以消除反射功率并且最大化向前功率。

如在先前实施例的情况下，参照其中在楔形光导上没有放置包层的另外的相似配置最好地理解本实施例的优点。这种配置将经受一组相似的（尽管光学上相反）问题。首先，低于入射临界角的残余内部反射将使得大量光保留在楔形光导中，并且由此窃取来自离开的向前光线的强度。作为结果，投射在图像适应区域88上的图像的强度将被衰减。第二，该衰减将对入射光的偏振状态敏感，导致图像强度的依赖于光学系统的几何属性和材料属性的变化。第三，上面记录的残余内部反射将导致保持在光导中的光在离开之前经历额外反弹，从而形成叠加在期望图像上的鬼像。

通过在显示光学器件1220上提供包层1356，所示的实施例解决上文标识的缺陷中的每一个。

如图10中所示，包覆的光导和未包覆的光导这二者都展示出以高于临界角入射在光导边界上的光的全内反射，并且折射至少一些以低于临界角入射在边界上的光。然而，对于具有薄层涂层的光导，该临界角可以依赖于波长。在其中传播光被限制于窄波长带（例如来自IR-LED的光）的情况下，该问题可能不会引起重大问题。然而，在光导用于成像宽带光的应用中，依赖于临界角的波长可以导致各种不希望的效果，包括叠加的假色图像的投射和颜色失真。幸运的是，如本文所公开的包层被发现对波长适当地不敏感，如图16的透射光谱中所示，其中透射效率被绘制在竖直轴上，并且针对可见波长入射角被绘制在水平轴上。

在其他实施例中，如上文描述的薄层包覆方法还可以采取一个步骤。在包括具有相对的上面和下面的楔形光导的显示光学器件中，包层可以放置在如上文所述的下面上并且也放置在上面上。现在参照图17的射线图描述该实施例的潜在优点。

图17中所示的显示光学器件的分层结构相似于图14和15中所示的显示光学器件，但是进一步包括上包层94和包层95。该上包层的适当组成和厚度可以与如上文所述的包层56的组成和厚度基本相同。然而，该上包层可被选择成具有低于当前所述实施例的包层1756的折射率的折射率。该包层可以包括具有与楔形光导1727的折射率匹配的折射率的任何适当透明的材料。

图17示出光线91，光线91与楔形光导1727与包层1756之间的边界以小于针对该边界的临界角的角度相交。因此该光的大部分被折射出光导，其中这些光反射离开宽带反射性涂层1793并且向上投射通过显示光学器件以形成图像。

如上文所指示，也将在光线相交的每个边界处发生反射。因此，图17示出分离成折射光线1760和反射光线1762的光线91。折射光线1760进一步被分离成向前光线1764和干涉光线1766。在图17中所示的实施例中，粘合层1754和楔形光导1727的相等折射率提供了干涉光线1566的强度几乎等于折射光线1562的强度。而且，分开两个光线的相位角由包层1756的厚度并由光线91与包层相交的角度确定。如上文所述，包层的厚度因此可以被选择以衰减反射功率并相应地增加向前功率。

如上文进一步指示，反射光线1762与干涉光线1766之间的相消干涉可以将反射光线的功率减小到向前光线的小部分（例如10%），但是这个水平的反射对于一些选择的应用而言仍然成问题。因此，图17示出入射在楔形光导1727与上包层94之间的边界上的反射光线1762。现在，该反射光线分离成返回光线96和折射光线97。折射光线97还分离成逃逸光线98和干涉光线99。包层95和楔形光导1727的相等折射率可以帮助提供返回的干涉光线97的强度几乎等于干涉的返回光线99的强度。而且，分开这两个光线的相位角由上包层94的厚度并由光线91与上包层相交的角度确定。如上文所述，上包层的厚度因此可以被选择以消除返回功率并最大化逃逸功率。相应地，该实施例不是提供一个而是提供两个阶段的相消干涉，其效果是进一步减小了通过显示光学器件投射的鬼像的强度。

图18图示在一个实施例中用于制作成像或显示光学器件的实例方法100。该方法在102处开始，其中形成具有相对的上面和下面的楔形光导。该楔形光导可以以任何适当方式形成。图19中图示了用于形成楔形光导的一个实例方法104。

方法104在106处开始，其中迫使熔化的热塑性聚合物或其他热塑性材料通过具有四边形或其他适当横截面的挤压模。该热塑性聚合物可以包括例如聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚酰胺和/或聚碳酸酯。该热塑性材料可以被选择为在一个或多个可见、紫外和/或红外波长范围中透明。在光导被独自用于显示和/或收集光学图像的实施例中，可见范围上的透明可能是足够的。然而，在其他实施例中，该热塑性聚合物也可以被选择为在各种红外和/或紫外范围中透明。而且，该热塑性材料可以鉴于其折射率来选择。在一些实施例中，固体形式的热塑性材料可以具有大于1.4的折射率。

迫使熔化的热塑性聚合物通过具有四边形截面的模产生具有一对相对的面和四边形截面的基本楔形的压出品（extrusion）。在其他实施例中，该模可以不同地成形，从而提供不同形状的压出品。例如，该挤压模可以是矩形形状的并且产生片状（sheet-like）（即，矩形棱柱）压出品。

在图19中继续，方法104前进到108，其中冷却的压出品被切成一个或多个固定尺寸，包括但不限于固定宽度。该压出品可以通过使用锯或研磨器来切割。该压出品被切割的尺寸可以基于其中要安装光导的显示设备的尺寸来选择。

方法104前进到110，其中切割的压出品被改进为适当形状和适当尺寸以供进一步处理。在一些实施例中，该适当形状可以类似于期望的光导的最终形状，并且该适当尺寸可以与期望的最终尺寸相同或比其略大。改进该压出品可以包括例如机械加工、切割、研磨、蚀刻和/或抛光。蚀刻可以包括湿的或干的机械蚀刻（例如，砂磨或锉磨）和/或化学蚀刻。任何蚀刻工艺均可以在掩模（例如，光掩模）的辅助下进行以通过可控方式改变蚀刻深度，从而引入（introduce）表面特征等。

在110处改进压出品还可以包括修改压出品的截面。因此，在一些实施例中，过程步骤106可以导致具有期望楔形的压出品，而在其他实施例中，该压出品在改进之前可以具有矩形、片状形状，并且在110处被改进为具有期望的楔形。

为了使楔形光导在高保真度且不过度损失的情况下传送图像，所述相对的面可以被配置成平坦且光滑的。在一些实施例中，上文描述的方法可以产生具有适当平滑度的表面。然而，在其他实施例中，在110处的改进可以进一步包括精细地调节楔形光导的尺寸，直到获得期望的平面度和平滑度。所述尺寸可以经由如上所述的机械蚀刻或抛光、经由压缩模制或以任何其他适当方式来精细调整。

现在，参照图 18，方法100进行到112，其中薄包层被涂敷到楔形光导的至少第一面。根据该方法涂敷的薄包层可以具有与针对上述实施例的包层56、1356和/或1756所述的属性基本相同的属性。然而，应当理解，根据该方法涂敷的包层也可能至少部分不同。因此，该包层可以具有小于楔形光导的折射率。该折射率可以例如小于1.4。而且，如上文参照公式1和公式1后面的说明而描述的，该包层的厚度可以基于要成像和/或显示的光的波长范围来选择。

在一些实施例中，将包层涂敷到楔形光导的至少第一面可以包括将液体或凝胶状包覆配方（formulation）涂敷到至少第一面并且允许所述液体或凝胶状包覆配方的至少一些凝固。液体或凝胶状包覆配方可以被选择成在固化（curing）后具有低于楔形光导的折射率的折射率。例如，该液体或凝胶状包覆配方可以包括含氟聚合物分散体或预聚合含氟聚合物前驱体。允许所述液体或凝胶状包覆配方的至少一些凝固可以包括促进固化工艺（热地或光化学地），如下文进一步所述。在其中诸如含氟聚合物前驱体之类的聚合物前驱体包括在包覆配方中的实施例中，所述凝固可以包括聚合或齐聚过程。

在一些实施例中，该液体或凝胶状包覆配方可以包括100%固体配方；在其他实施例中，所述配方可以包括溶剂或其他媒介物（vehicle）以辅助分散所述包覆材料或前驱体。

在这些和其他实施例中，该液体或凝胶状包覆配方可以包括紫外可固化成分。相应地，方法100可以进一步包括利用紫外辐射照射楔形光导的至少第一面以固化可紫外线固化的成分。

依赖于使用中的特定液体或凝胶状包覆配方，可以使用各种不同应用模式。在一个实施例中，所述配方可以以气雾剂的形式喷涂到楔形光导的至少第一面上。在该方法的一种变型中，该液体或凝胶状包覆配方可以在喷过程期间超声地被分散。

在另一个实施例中，涂敷液体或凝胶状包覆配方可以包括至少部分地将楔形光导浸没在液体包覆配方中，并且在一些变型中，包括从液体包覆配方以相对于液体包覆配方的表面成斜角地取出楔形光导。图20示出实例应用系统113，其使得包层能够经由沉浸在液体包覆配方115中（然后从中取出）而涂敷到楔形光导27。在一个实施例中，附图中示出的应用系统可以与溶解在适当溶剂中的液体包覆配方（包括2.5%的MY-133MC（MY聚合物的产品）溶液）一起使用。适当的溶剂例如包括对氯三氟甲苯（PCBTF）、HFE-7100（明尼苏达州圣保罗的3M公司的产品 ）和Oxol-100（德克萨斯州休斯顿的Halliburton 公司的产品）。

在浸没在包覆配方中之后，楔形光导可以采用受控速度、机动化升起以相对于液体包覆配方的表面成斜角（例如30度）地取出。在该实施例中，包层的固化可以在取出过程之后或至少部分地在此期间发生。在一些实施例中，浸没、取出和固化中的每一个进行（enacted）一次以提供期望厚度的包层。在其他实施例中，重复的浸没和固化可以用于达到期望的厚度。

在又一个实施例中，涂敷液体或凝胶状包覆配方可以包括通过沿着第一面并以第一面上的固定距离拖拉刮刀来将所述配方以固定厚度层涂敷至楔形光导的第一面。

然后，方法100前进到114，其中转向膜经由界面层粘附到包层。该转向膜可以包括宽带或二色性反射涂层被涂敷到的棱柱图案化膜，如上所述。经由界面层涂敷该转向膜包括将粘合层涂敷到包层和转向膜中的一个或这两个。该粘合剂可以被选择成使得固化的粘合层（即，界面层）的折射率与楔形光导的折射率匹配。该转向膜然后可以抵着包层被压缩。在一些实施例中，该粘合剂可以是热固化树脂，例如环氧/氨基树脂。在其他实施例中，该粘合剂可以是空气固化或湿气固化的。仍在其他实施例中，该粘合剂可以是紫外线固化的。它可以包括例如紫外线固化的丙烯酸树脂。相应地，方法100可以进一步包括用紫外光照射所述光学器件的至少第一面以固化粘合层。

方法100然后前进到116，其中任何不想要的包层从楔形光导被移除。所述不想要的包层可以通过化学或机械蚀刻（例如通过将粘性膜粘附到包层且然后将其提升分离）或以任何其他适当方式来移除。

应当理解，本文所描述和/或图示的过程步骤中的一些在一些实施例中可以省略，而不脱离本公开的范围。同样，所述过程步骤的所指示的顺序可以不总是实现预期结果所要求的，而是被提供以便容易说明和描述。所说明的动作、功能或操作的一个或多个可以依赖于所使用的特定策略重复执行。

最后，应当理解，本文所述的系统和方法本质上是示范性的，并且这些特定实施例或实例不被认为在限制性意义下，因为许多变形是预期的。相应地，本公开包括本文所公开的各种系统和方法的所有新颖且非显而易见的组合和子组合以及其任一和所有等价物。

Claims (14)

1.一种用于制作光学器件的方法（100），该方法包括：

形成（102）楔形光导，该楔形光导具有相对的第一面和第二面并且包括具有第一折射率的材料；

将包层涂敷（112）到第一面，该包层具有小于第一折射率的第二折射率；以及

将界面层（114）涂敷到包层，该界面层具有匹配第一折射率的第三折射率，

其中将界面层涂敷到包层包括将转向膜经由界面层涂敷到包层。

2.权利要求1的方法，其中第一折射率为1.4或更大。

3.权利要求1的方法，其中第二折射率为1.4或更小。

4.权利要求1的方法，所述光学器件被配置成衰减具有中值波长的光的反射，其中将包层涂敷到第一面包括涂敷厚度对应于所选的中值波长的一半的奇数倍的包层。

5.权利要求1的方法，其中经由界面层将转向膜涂敷到包层包括将粘合剂涂敷到包层和转向膜中的一个或这二者，在固化之后，该粘合剂的折射率基本等于第一折射率。

6.权利要求5的方法，其中所述粘合剂是紫外线固化粘合剂，所述方法进一步包括利用紫外光照射至少第一面以固化该粘合剂。

7.权利要求5的方法，其中所述粘合剂是聚丙烯粘合剂。

8.权利要求1的方法，其中将包层涂敷到第一面包括将蛾眼层涂敷到第一面。

9.权利要求1的方法，其中将包层涂敷到第一面包括将液体或凝胶状包覆配方涂敷到至少第一面并且允许该液体或凝胶状包覆配方的至少一些凝固。

10.权利要求9的方法，其中所述液体或凝胶状包覆配方包括含氟聚合物分散体、含氟聚合物溶液和含氟聚合物前驱体中的一种或多种。

11.权利要求9的方法，其中所述液体或凝胶状包覆配方包括100%固体配方。

12.权利要求9的方法，其中所述液体或凝胶状包覆配方包括可紫外线固化的成分，所述方法进一步包括利用紫外辐射照射至少第一面以固化可紫外线固化的成分。

13.权利要求9的方法，其中将包层涂敷到第一面包括通过沿着第一面并以第一面上的固定距离拖拉刮刀来将所述液体或凝胶状包覆配方以固定厚度层涂敷至所述第一面。

14.权利要求9的方法，其中将包层涂敷到第一面包括将液体或凝胶状包覆配方喷到至少第一面上。