CN105824062A - 透镜式分光器棱镜阵列及其相关方法 - Google Patents

透镜式分光器棱镜阵列及其相关方法 Download PDF

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Abstract

一种透镜式分光器棱镜阵列，其包括分光器基板及透镜形式层；分光器基板具有多个平面的和平行的薄膜涂层，每个薄膜涂层横跨顶基板表面和底基板表面，且在其间形成斜角；透镜形式层形成在顶表面上且具有多个透镜形式，每个透镜形式位在多个薄膜涂层中的一个的上方。一种用于制造透镜式分光器棱镜的方法，其包括接合多个基板以在每一个相邻基板对之间形成具有薄膜涂层的基板叠层。该方法亦包括以相对于每个薄膜涂层斜角的多次平行切割以形成叠层切片。每个薄膜涂层跨越第一叠层切片表面以及面对该第一叠层切片表面的第二叠层切片表面。该方法也包括在第一叠层切片表面上形成跨越一个或多个薄膜涂层的透镜形式层。

Description

透镜式分光器棱镜阵列及其相关方法
技术领域
本发明涉及硅基液晶(LCOS)显示器，特别涉及，在其中所使用的透镜式棱镜组件。
背景技术
头戴式显示器系统经安装在使用者的头部，使得使用者可以观看由它产生的图像。一般地，传统计算机介面的显示功能可以被包括在头戴式显示器系统中。例如，头戴式显示器系统可以提供飞机飞行员地图和有关与飞行员正在观看的真实场景的其它讯息。一些头戴式显示器系统被描述为“透视”("see-through")，其允许使用者在观看视线内的真实场景时可以同时观看显示的图像。透视头戴式显示器系统将显示的图像重叠在使用者到看的真实场景上。微光学组件制造的最新进展已经产生了以消费市场为标的的透视头戴式显示器系统，其中该显示系统可以提供类似于智能手机的功能。
发明内容
揭示一种透镜式分光器棱镜阵列。该透镜式分光器棱镜阵列包括具有平面的顶基板表面和底基板表面的分光器基板。该分光器基板具有多个平面的和平行的薄膜涂层，各薄膜涂层横跨该顶基板表面和该底基板表面，且与其间呈斜角。该透镜式分光器棱镜阵列还包括形成在该顶基板表面的透镜形式层，其具有多个透镜形式，每一透镜形式是在上述多个薄膜涂层中的一个的上面。
一种用于制造透镜式分光器棱镜的方法，包括接合多个基板以形成基板叠层，其中每一相邻基板对间具有薄膜涂层。该方法还包括以斜角施行多次平行切割薄膜涂层来形成叠层切片。每一薄膜涂层跨越第一叠层切片表面和相对于该第一叠层切片的第二叠层切片表面。该方法还包括在跨越一个或多个薄膜涂层的第一叠层切片表面上形成透镜形式层。该透镜形式层具有多个透镜形式，每一透镜形式位于薄膜涂层的正上方。
附图说明
图1是一实施例中安装在眼镜的透视近眼显示器装置内的透镜式分光器棱镜的平面图。
图2是一实施例中如图1所示的近眼显示器装置的平面图，其进一步地示例性详细显示透镜式分光器棱镜。
图3是一实施例中的芯片级透镜式分光器棱镜阵列的透视图。
图4是一实施例中制造如图3所示的透镜式分光器棱镜阵列的芯片级方法的流程。
图5是一实施例中将基板结合在一起以形成涂层-基板叠层的横截面图。
图6是一实施例中经沿着一或多个切割平面切割如图5所示的涂层-基板叠层所形成的叠层切片的透视横截面图。
图7是一实施例中如图6所示的叠层切片的横截面图，其上沉积有相位延迟薄膜。
图8是一实施例中由图7的叠层切片所形成的透镜式分光器棱镜阵列的横截面图。
图9是一实施例中如图7所示的透镜式分光器棱镜阵列的横截面图，其上具有薄膜涂层。
图10是一实施例中经将图8的透镜式分光器棱镜阵列单个化所形成的透镜式棱镜的横截面图。
图11是一实施例中如图7所示的叠层切片的横截面图，其上具有光固化层。
图12是一实施例中如图10所示的叠层切片的横截面图，其具有由透镜阵列模具所模制的光固化层。
具体实施方式
图1是平面图，其显示安装于眼镜120的透视的近眼显示器装置130内的透镜式分光器棱镜200的示例性使用。近眼显示器装置130允许使用者同时观看场景160和由显示单元180所产生的图像132。透镜式分光器棱镜200结合场景160和图像132，使得眼镜120的使用者可看到重叠在场景160上的图像132。透镜式分光器棱镜200可选择地被采用在不同的显示装置，如手持式图像投影仪。
图2是图1的近眼显示器装置130的平面图，其更详细地显示透镜式分光器棱镜200的使用。透镜式分光器棱镜200包括偏振光束分离器(PBS)240内的薄膜涂层204。在一个实施例中，PBS240是PBS立方体且角度θ1＝45度。透镜式分光器棱镜200还包括曲面反射镜250和四分之一波片274。曲面反射镜250可由具有反射涂层252在其上的透镜251所形成。
在图2的例子中，薄膜涂层204用作薄膜偏振光分离器且图像132是p偏振者。在不脱离本发明的范围下，薄膜涂层204可以是非偏振的；在这种情况下，图像132可以包括其它偏振状态或是非偏振的状态。例如，无论偏振与否，薄膜涂层204可以传送一半的入射光并反射一半的入射光。本文所示的光的偏振状态是指光的理想偏振状态，但实际的偏振状态可以包括非理想部分，而不脱离本发明的范围。例如，图像132可以包括少量的s偏振分量。
图像132进入PBS240。图像132的一部分由薄膜涂层204传送和通过四分之一波片274。反射涂层252将图像232反射通过四分之一波片274返回朝向薄膜涂层204。图像132二次通过四分之一波片274而使图像132从p偏振改变为s偏振，从而使薄膜涂层204可以将其反射向眼睛172。
透镜式分光器棱镜200还接收来自场景160的光162，其中的p偏振分量传经薄膜涂层204并作为p偏振光163朝向眼睛172传播。因此，眼睛172看到来自显示单元180的图像132，其以s偏振光被眼睛172接收，而叠加在周遭的场景160的图像上，其以p偏振光被眼睛172接收。
图3是透镜式分光器棱镜200在从芯片级透镜式分光器棱镜阵列300分离出来之前的透视图。透镜式分光器棱镜200可包括透镜形式351(1)，其可经由沿切割面312(1)和314(1)切割透镜式分光器棱镜阵列300来形成。
透镜式分光器棱镜阵列300包括透镜形式层301和分光器基板340。分光器基板340包括多个相互彼此平行的涂层304。在切割之前，四分之一波片274被形成作为透镜形式层301和分光器基板340之间的中间层374。中间层374是由例如双折射材料所形成，其功能如同一个可见光波长的四分之一波片。透镜形式层301包括多个透镜形式351。
在实施例中，中间层374可以由多个薄膜层形成。例如，中间层374可包括四分之一波片和单层或多层的抗反射涂层。或，透镜式分光器棱镜阵列可以不具有中间层374。
透镜式分光器棱镜阵列300可以沿切割面312和314被单个化以形成多个透镜式分光器棱镜200。例如，在图2的透镜式分光器棱镜200中，薄膜涂层204是涂层304的一部分，四分之一波片274是中间层374的一部分，并且透镜251是透镜形式层301的一部分，其中包括透镜形式351。虽然图3显示分光器基板340为矩形，但分光器基板340可以是不同的形状，诸如圆柱形，而不脱离本发明的范围。
图4显示用于制造透镜式分光器棱镜阵列300的芯片级方法400的流程图。图5-12是说明方法400的步骤。图5-12最好同时参照图4和下文中的描述。
在步骤402中，方法400将多个涂层基板接合在一起，以形成在每一相邻基板对之间具有薄膜涂层的基板叠层。在步骤402的例子中，如图5所示，涂层基板522以粘合剂层506结合在一起以形成具有薄膜涂层的基板叠层500。每一涂层基板522包括基板502和涂层304，其可以是部分反射器或偏振分光膜。基板502例如为直径8英寸的圆形芯片。每一对相邻的基板502之间具有涂层304。在一个实施例中，一对或多对的邻接的基板502之间可能缺乏涂层而亦不脱离本发明的范围。为说明清楚，在图5中，并非所有的基板502、涂层304和粘合剂层506都被标记参考数字。
在步骤404中，方法400经由相对于每一薄膜涂层以斜角施加多个平行切割，而形成叠层切片，每一薄膜涂层横跨叠层切片的顶表面和底表面。在步骤404的一个例子中，分光器基板340(图6)是沿切割面512相对于每一薄膜涂层以斜角θ1施加多个平行的切割来形成。斜角度θ1可以是在40度和50度之间。在实施例中，倾斜角θ1为45度。
图6是分光器基板340的横截面透视图，其是沿一个或多个切割面512切割涂层基板叠层500所形成。涂层304是在分光器基板340的顶表面602和底表面604之间。虚线690表示，分光器基板340和涂层304在箭头691的方向上可以较长。
顶表面602包括多个区域650，区域的边界为一个或多个交叉的切割面312和314，且在某些情况下则为分光器基板340的边缘。例如，区域650(1)的边界为一对切割面312和一对切割面314，而区域650(2)的边界为切割面312、一对切割面314以及分光器基板340的边缘616。每一切割面312跨越相邻的一对涂层304。分光器基板340可沿切割面312和314来切割，以形成多个分光器立方体，各一分光器立方体具有一个区域650作为其表面。
步骤406是选择性的。如果包括的话，在步骤406中，方法400是将中间层沉积在叠层切片的顶表面与底表面中的一个上。在步骤406的一个例子中，如图7所示，中间层374被形成在分光器基板340的顶表面602，以形成涂覆的叠层切片700。图7是分光器基板340的横截面图，其上沉积有中间层374。图7的横截面图显示，分光器基板340包括多个节段706，各个节段具有平行四边形的横截面。为说明清楚，图7仅包括一个涂层304和一个节段706的参考数字。
当涂层304是作为图2的薄膜涂层204的PBS膜时，步骤406可以被包括。在此情况下，中间层374具有一个四分之一波长的光学厚度，使其可以作为图2的四分之一波片274。
在步骤408中，方法400在跨越一个或一个以上的薄膜涂层的叠层切片表面上形成透镜形式层，该透镜形式层具有多个透镜形式，各个透镜形式位于薄膜涂层正上方，每一透镜形式在顶表面上具有的直径不超过相邻的薄膜涂层之间的最小距离。应理解到，步骤408不要求透镜形式层被直接形成在叠层切片的顶表面上。例如，如果方法400包括步骤406，叠层切片的顶表面是相位延迟膜的表面。
在步骤408的一个例子中，透镜形式层301被形成在中间层374上，以形成透镜分光器棱镜阵列300。透镜形式层301包括多个透镜形式351。每一透镜形式351位于图6的多个区域650中相应的一个之上。在顶表面602上，相邻的涂层304是以最小距离651隔开，该最小距离是对应于每一区域650的长度尺寸。图8是透镜式分光器棱镜阵列300的横截面图。每一透镜形式351的中心对准于相对应的涂层304的中心。
步骤409是选择性的。如果包括的话，在步骤409中，方法400在透镜形式层上形成薄膜涂层。在步骤409的一个例子中，如图9所示，反射涂层252被形成在透镜形式层301上。
在步骤418中，方法400将透镜式分光器棱镜阵列单个化，以形成透镜式棱镜。在步骤418的一个例子中，如图10所示，透镜式分光器棱镜阵列300沿切割面312和314(图3)被切割，以形成多个透镜式分光器棱镜200。每一透镜式分光器棱镜200包括一个透镜251，其对应于一个透镜形式351，在其上具有反射涂层252。
在方法400的实施例中，步骤408包括步骤410、412、414和416。在步骤410中，方法400在叠层切片的顶表面上形成光固化层。应理解到，步骤410不要求光固化层直接形成在叠层切片的顶表面上。例如，如果方法400包括步骤406，叠层切片的顶表面是相位延迟膜的表面。在步骤410的一个例子中，如图11所示，光固化层1102被形成在中间层374上。光固化层1102例如是紫外线可固化粘合剂。
在步骤412中，方法400将透镜式阵列模具对准于叠层切片表面的上方。透镜式阵列模具具有多个位于薄膜涂层的正上方的反透镜形式，且其具有的直径不超过交叉层叠切片表面的相邻薄膜涂层之间的距离。在步骤412的一个例子中，透镜式阵列模具1104对准于顶表面602的上方。透镜式阵列模具1104包括多个反透镜形式1114，反透镜形式各自位于分光器基板340内相应的涂层304的正上方。
在步骤414中，方法400以透镜式阵列模具模制光固化层，而产生多个未固化的透镜形式。在步骤414的例子中，透镜式阵列模具1104模制光固化层1102而产生多个未固化的透镜形式1251。透镜式阵列模具1104是由例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)所形成。
在步骤416中，方法400将未固化的透镜形式固化，以产生多个透镜。在步骤416的一个例子中，一个紫外光源1204发射紫外光1206(图12)，紫外光将未固化的透镜形式1202固化而形成透镜形式351。
特征的组合
如上所述的特征以及如下申请专利范围所主张者可以以各种方式加以组合，而不脱离本发明的范围。以下例子说明本发明于前文所述中可能的、非限制性的组合，明确可知的是，对所述的方法和产品可以施行不脱离本发明的精神和范围的各种改变和修改。
(A1)一种透镜式分光器棱镜阵列可以包括具有平面的顶基板表面和底基板表面的分光器基板。分光器基板具有多个平面的和平行的薄膜涂层，每一薄膜涂层横跨顶基板表面和底基板表面，且其间形成斜角。该透镜式分光器棱镜还可以包括透镜形式层，其形成在顶基板表面上且具有多个透镜形式，每一透镜形式在上述多个薄膜涂层中的一个的上方。
(A2)如(A1)所述的透镜式分光器棱镜，其中底基板表面可以是平面的，并且平行于顶基板表面。
(A3)如(A1)和(A2)所述的透镜式分光器棱镜的一或二个中，斜角可以实质上等于45度。
(A4)如(A1)至(A3)所述的透镜式分光器棱镜的任一个中，每一透镜形式的中心可以与所述多个薄膜涂层中的一个的中心对齐。
(A5)如(A1)至(A4)所述的透镜式分光器棱镜的任一个中，分光器基板可包括多个相互平行的节段，每一个节段具有平行四边形的横截面，其包括(a)平行于第二表面的第一表面以及(b)平行于第四表面的第三表面，其中每一第一表面和第二表面分别构成顶基板表面和底基板表面的一部分，并且每一第三表面与第四表面形成具有相邻的平行的节段的薄膜涂层。
(A6)如(A1)至(A5)所述的透镜式分光器棱镜的任一个中，每一透镜形式在顶表面上可以具有的直径不超过相邻的薄膜涂层之间的最小距离。
(A7)如(A1)至(A6)所述的透镜分光器棱镜的任一个中，透镜形式层可以是连续的。
(B1)一种用于制造透镜式分光器棱镜的方法，其可以包括接合多个基板以形成基板叠层，所述基板叠层在每一相邻基板对之间具有薄膜涂层。该方法还可以包括经相对于每一薄膜涂层以斜角施加多次平行切割以形成叠层切片，每一薄膜涂层跨越第一叠层切片表面和相对于第一叠层切片表面的第二叠层切片表面。该方法还可以包括在第一叠层切片表面上形成透镜形式层，其跨越一个或多个薄膜涂层，该透镜形式层具有多个透镜形式，各个透镜形式位于一个薄膜涂层的正上方。
(B2)如(B1)所述的方法，其还可以包括在第一层叠切片表面上沉积相位延迟膜。
(B3)如(B1)及(B2)所述的方法中的一或二个中，形成透镜形式层的步骤还可以包括：将透镜式阵列模具对准于第一叠层切片表面的上方。该透镜式阵列模具具有多个反透镜形式，每一反透镜形式位于一个薄膜涂层的正上方且具有的直径不超过交叉第一叠层切片表面的相邻薄膜涂层之间的距离。形成透镜形式层的步骤还可以包括以透镜式阵列模具模制光固化层以产生多个未固化的透镜形式。
(B4)如(B3)所述的方法，还可以包括在第一层叠切片表面上形成光固化层。
(B5)如(B3)及(B4)所述方法中的一或二个，其可进一步包括将所述未固化的透镜形式固化。
(B6)如(B1)至(B5)所述方法中的任一个，其可以进一步包括将透镜式分光器棱镜阵列单个化，以形成透镜式分光器棱镜。
(B7)如(B1)至(B6)所述方法中的任一个，其中，每一透镜形式在顶表面上可以具有的直径不超过相邻的薄膜涂层之间的最小距离。
在不脱离本发明的范围的情况下可以对上述的方法和系统施行改变。应当指出的是，包含在上述说明或显示于附图中的事项应当被解释为是说明性的而不是限制性的。下面的申请专利范围旨在涵盖本文中所描述的所有一般的和特别的特征，以及本发明的方法和系统的所有陈述，其中以语言关系而言，可以说都落入其间的范围。

Claims (14)

1.一种透镜式分光器棱镜阵列，包括：
分光器基板，其具有平面的顶基板表面和底基板表面，所述分光器基板具有多个平面的和平行的薄膜涂层，各薄膜涂层横跨所述顶基板表面和所述底基板表面，且其间形成倾斜角度；以及
透镜形式层，其形成在所述顶基板表面上并具有多个透镜形式，每个透镜形式位于所述多个薄膜涂层中的一个的上面。
2.根据权利要求1所述的透镜式分光器棱镜阵列，其中所述底基板表面是平面的，且平行于所述顶基板表面。
3.根据权利要求1所述的透镜式分光器棱镜阵列，其中所述倾斜角实质上等于45度。
4.根据权利要求1所述的透镜式分光器棱镜阵列，其中每个透镜形式的中心对准于所述多个薄膜涂层中的一个的中心。
5.根据权利要求1所述的透镜式分光器棱镜阵列，其中所述分光器基板包括多个相互平行的节段，每个节段具有平行四边形的横截面，其包括：(a)平行于第二表面的第一表面(b)平行于第四表面的第三表面，其中每个第一表面和第二表面分别构成所述顶基板表面和所述底基板表面的一部分，且每个第三表面和第四表面与相邻的平行节段形成薄膜涂层。
6.根据权利要求1所述的透镜式分光器棱镜阵列，其中在所述顶表面上的每个透镜形式具有的直径不超过相邻薄膜涂层之间的最小距离。
7.根据权利要求1所述的透镜式分光器棱镜阵列，其中所述透镜形式层是连续的。
8.一种用于制造透镜式分光器棱镜的方法，包括：
接合多个基板以形成基板叠层，其在每对相邻基板对之间具有薄膜涂层；
以相对于每个薄膜涂层的斜角施行多次平行切割以形成叠层切片，每个薄膜涂层跨越第一叠层切片表面以及面对于所述第一叠层切片表面的第二叠层切片表面；以及
在跨越一个或多个薄膜涂层的第一叠层切片表面上形成透镜形式层，所述透镜形式层具有多个透镜形式，各透镜形式位于薄膜涂层的正上方。
9.根据权利要求8所述的方法，其更包括：将相位延迟膜沉积在所述第一叠层切片表面上。
10.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述透镜形式层的步骤包括：
将透镜阵列模具对准于所述第一叠层切片表面的上方，所述透镜阵列模具具有多个反透镜形式，每个反透镜形式位于薄膜涂层的正上方，且其具有的直径不超过交叉所述第一叠层切片表面的相邻薄膜涂层之间的距离；以及
以所述透镜阵列模具在所述第一叠层切片表面上模制光固化层，而产生多个未固化的透镜形式。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述第一层叠切片表面上形成所述光固化层。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括将未固化的透镜形式固化。
13.根据权利要求8所述的方法，还包括将所述透镜式分光器棱镜阵列单个化，以形成透镜式分光器棱镜。
14.根据权利要求8所述的方法，其中每个透镜形式具有的直径在所述顶表面上不超过相邻薄膜涂层之间的最小距离。
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