CN108693596A - 导光光学元件以及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明呈现一种导光光学元件(LOE)。所述LOE包括：光学透明主体，光学透明主体具有主表面并且被配置成用于通过光从主表面进行的全内反射而在一般传播方向上导引输入光穿过主体；以及至少一个光引导表面，至少一个光引导表面由主体携载并且被配置成用于使输入光朝向一个或多个输出方向耦合离开主体，并且完全嵌入在所述主体的体积中，使得至少一个光引导表面与主表面间隔。主体包括在主体内部的一个或多个界面，在所述主体内部的所有所述界面位于至少一个平面内，所述至少一个平面平行于所述光引导表面并且相对于所述主表面以预定角度倾斜，所述至少一个光引导表面分别位于所述一个或多个界面中的至少一者的至少一个区域中。

Description

导光光学元件以及其制造方法
技术领域
本发明处于光学装置领域，并且涉及紧凑的导光光学元件以及其制造方法。更具体来说，本发明涉及衬底导引的光学装置，所述衬底导引的光学装置包括通过共同的透光衬底携载的一个或多个至少部分反射或衍射表面。
背景技术
此类导光光学元件(LOE)可以用于大量成像应用中，例如便携式DVD、蜂窝式电话、移动TV接收器、视频游戏、便携式媒体播放器或任何其他移动显示装置，例如，用于增强/虚拟现实系统中的透视近眼式显示器或头戴式显示器。操作LOE的主要物理原理是光波通过从LOE的主表面进行的全内反射而被捕集在衬底内。另外，被捕集在LOE内的光波通过一个或多个内反射或部分反射/衍射表面而被耦合进入观看者的眼睛中。
界定上述LOE的性能的重要因素之一是与由从LOE输出的光所形成的照明的均匀性的要求相关联。为此，将考虑每个部分反射表面的实际有效区域，因为可能由于到达每个选择性反射的表面的不同射线的不同反射顺序而出现所得的图像中的潜在的非均匀性。更具体来说，一些射线在先前不与选择性反射的表面进行相互作用的情况下到达，而其他射线在进行一个或多个部分反射之后到达。
因为选择性反射的表面的无效部分不影响将被捕集的光波耦合离开衬底，所以它们对LOE的光学性能的影响可能仅仅是负面的。也就是说，如果在反射表面之间不存在重叠，那么在系统的输出孔口中将存在无效的光学部分，并且将在图像中存在“孔洞”。另一方面，反射表面的无效部分对来自外部场景的光波是一定有效的。另外，两个相邻表面的主轴定向无法相同；否则整个第二表面将无效。因此，如果在反射表面之间设定重叠以补偿输出孔口中的无效部分，那么来自跨越这些重叠区域的输出场景的射线将有双重衰减的问题，并且将在外部场景中产生孔洞。此现象不仅会显著降低与眼睛相距一定距离而定位的显示器(比如平视显示器)的性能，而且还降低近眼式显示器的性能。
例如在US 7,724,443和WO 2007/054928中描述了以上问题以及其一些解决方案，以上两个文献转让给本申请的受让人。克服所述问题的可能的技术是使得部分反射表面的仅实际有效部分嵌入在衬底内部，即，反射表面不与下部主表面相交，而是与除了此表面之外的表面端接。因为反射表面的末端在LOE的长度上彼此邻近，所以在所投影的增强图像中不存在孔洞，并且因为在表面之间不存在重叠，所以在外部视图的真实图像中不存在孔洞，从而提供均匀的照明。
发明内容
在本领域中需要一种用于制造上文描述的种类的导光元件(LOE)的新颖方法，即，被配置成用于通过从LOE的主表面进行的全内反射将光捕集在衬底内的LOE，并且所述LOE携载一个或多个反射或部分反射/衍射表面以用于使被捕集的光耦合离开衬底。
在图1A中大体上说明此类LOE和在所述LOE中以及离开所述LOE的光传播方案。LOE20具有：光输入区域21(例如，与虚拟图像源的输出对准)；主表面26和28，所述主表面通过从其进行的全内反射来导引光；以及一个或多个至少部分反射/衍射表面22，其以适当的定向布置在LOE内。在从主表面26、28进行若干反射之后，被捕集的光波到达选择性部分反射表面22，从而使所述光耦合离开LOE以在朝向观看者的眼睛24的瞳孔25的输出方向上传播。
一般来说，嵌入在LOE的衬底中的所述至少部分反射/衍射表面22用于在一个或多个输出方向上重新引导在一般传播方向上传播的光穿过衬底。出于简单起见，所述表面在下文被称为“光引导表面”。
众所周知，例如通过转让给本申请的受让人的上文指示的US7,724,443和WO2007/054928，可以通过将此类光引导表面22嵌入在衬底中以使得所述光引导表面与主表面26、28间隔来提供LOE的高性能(例如，均匀照明)。
如图1B中示意性地示出，根据在这些专利公布中描述的技术中的一些技术，可以通过以下方式实现此类配置：将盲板132(即，不具有部分反射表面的板)附接到导光衬底130的主表面中的一者(例如，通过使用光学接合剂)，以便在LOE 134处产生用于所有反射表面的适当的有效孔口。如上文所述，两个主表面26和28彼此平行，使得组合的结构形成完整的矩形平行六面体。
如图1C中示意性地所示，根据从这些专利公布已知的替代性技术，可以通过制造通过注射模制或铸造而制造的两个类似的齿形透明形式140来实现所述配置。将所需的反射表面22(各向异性或被涂布的薄膜)插入形式140之间的适当位置，并且随后将所述两个形式胶合在一起以产生所需的LOE 144。
如图中所见，所得的结构134(图1B)具有界面50，所述界面位于与主表面平行的平面内并且因此相对于反射表面22倾斜；以及所得的结构144(图1C)具有界面150，所述界面具有位于与反射表面22基本上平行的平面内的区域/段150A和位于与反射表面和主表面的平面相交的平面内的区域/段150B。
一般来说，为了实现具有良好的光学质量的未失真的图像，主表面和(部分)反射/衍射表面应具有高质量。另一方面，希望此类LOE的制造过程尽可能简单和直接并且有成本效益。
本发明提供一种用于制造LOE的新颖方法以及所述LOE的所得的新颖配置，所述LOE具有使光耦合离开LOE的衬底/主体的一个或多个至少部分反射/衍射表面(在下文有时被称为“光引导表面”)。
因此，根据本发明的一个广泛方面，提供一种导光光学元件(LOE)，所述导光光学元件包括：光学透明主体，所述光学透明主体具有主表面，以用于通过光从所述主表面进行的全内反射而在一般传播方向上导引输入光穿过所述主体，并且所述光学透明主体携载至少一个光引导表面，每个光引导表面被配置成用于使所述输入光朝向一个或多个输出方向耦合离开所述主体。所述配置使得所述至少一个光引导表面中的每一者完全嵌入在所述主体的体积中，使得所述至少一个光引导表面与所述主表面间隔，并且所述主体包括在所述主体内部的一个或多个界面，其中在所述主体内部的所有所述一个或多个界面位于至少一个平面内，所述至少一个平面平行于所述至少一个光引导表面中的每一者并且相对于所述主表面以预定角度倾斜，所述至少一个光引导表面分别位于所述一个或多个界面中的一者的至少一个区域中。
应理解，在本发明的LOE中，除了与光引导表面平行并且在主表面之间延伸的界面之外不存在界面，并且所有光引导表面布置在此类界面中的至少一些界面的区域中。在这一点上，应理解，本文使用的术语“界面”是指元件之间的物理边界，从而形成LOE的一体结构。
在一些实施方案中，LOE的主体(衬底)包括内部图案，通过沿着至少一条轴线以间隔开、平行的关系布置的光引导表面中的两者或更多者的阵列来形成所述内部图案。所述阵列的光引导表面位于所述主体内部的一个或多个界面处并且完全嵌入在所述主体的体积中，使得两个或更多个光引导表面与所述主表面间隔。
此类多个光引导表面中的至少一些光引导表面可以与所述主表面中的至少一者基本上相等地间隔；以及所述多个光引导表面中的至少一些光引导表面可以具有不同或相同的尺寸，同时与所述主表面不同地间隔。
还应注意，虽然在下文将本发明描述为使用相对于主体中传播的输入光是至少部分反射/衍射的光引导表面，但本发明的原理不限于这些特定应用。因此，一般来说，光引导表面具有不同于它们周围物的光学性质，并且一般可以包括具有不同光学性质从而不同地影响穿过主体传播的输入光(例如，引发偏振效应、频谱效应等)的表面。
在一些实施方案中，LOE的多个光引导表面沿着所述至少一个平面内的两条垂直轴线以间隔开的关系布置。
本发明提供一种用于制造上述LOE的新颖方法。另外，本发明的方法对于此类LOE的大规模生产是有利的，所述方法提供了用于使用任何已知的合适的图案化技术来同时制造多个LOE的简单技术。
因此，根据本发明的另一广泛方面，提供一种用于制造如上文描述而配置的两个或更多个导光光学元件(LOE)的方法，所述方法包括：
制备至少一个图案化衬底，所述图案化衬底具有光学透明平坦主体，所述光学透明平坦主体的表面形成有间隔开、平行的光引导区域的图案，所述光引导区域沿着X轴和Z轴中的一者以间隔开的关系布置在X-Z平面内，其中在所述光引导区域之间具有光学透明的间隔物区域；
将所述至少一个图案化衬底围封在顶部光学透明衬底与底部光学透明衬底之间，从而沿着Y轴形成一个堆叠在另一个顶部上的多个光学透明层的堆叠，其中所述间隔开、平行的光引导区域的所述图案位于所述层之间的界面处；
沿着与X-Z平面相交并且与所述X-Z平面形成预定角度的切割平面将多个光学透明层的所述堆叠切割成沿着所述X轴彼此间隔的预定数目的切片，从而界定所述LOE的多个主体，所述主体中的每一者包括至少一个光引导区域，所述至少一个光引导区域完全嵌入在所述LOE的主体中，使得所述至少一个光引导区域与LOE的主表面间隔并且与所述主表面形成所述预定角度。
所述方法进一步包括向所述切片中的每一者应用切边，从而产生具有光学透明主体的LOE，所述光学透明主体具有主表面并且包括嵌入在所述主体中的与所述主表面间隔的至少一个光引导表面。
在一些实施方案中，在将要制造的LOE中的每一者将包括多个光引导区域的情况下，一个以上图案化衬底沿着Y轴一个放置在另一个顶部上并且全部被围封在顶部层与底部层之间，使得所述图案化衬底的图案位于相邻层之间的界面处并且沿着X轴和Z轴中的一者相对于彼此移位，从而形成所述多个LOE，每个LOE包括内部图案，所述内部图案包括完全嵌入在所述主体中的两个或更多个间隔开的光引导区域。
应注意，在一些实施方案中，移位值小于层中的相邻光引导区域之间的最小间隔物/未涂布区域。
应理解，术语“未涂布的区域”是指相对于光引导区域的涂层(例如，部分反射涂层)不同的区域。而且，应理解，术语“透明区域”不应受限于任何未涂布的区域，而是不具有光引导区域的光引导涂层(例如，部分反射涂层)的被涂布或不透明的区域。
可以通过恰当地应用图案化过程或者通过使类似图案化的衬底沿着X轴相对于彼此移位来实现相邻层中的图案的以上移位。
间隔物区域的尺寸以及所述将所述堆叠切割成所述切片界定了所述光引导区域距LOE的主表面的距离。两个或更多个光引导区域可以包括不同尺寸的区域，以及可以包括具有不同光学性质从而不同地影响输入光的区域。
应注意，切割平面中的至少一者穿过所述透明区域。如将在下文进一步例示，在一些实施例中，切割平面中的仅一者穿过透明区域，而至少一个其他平行的切割/剪切平面与所述层的反射涂层相交，从而在不同的LOE之间细分所述反射涂层。
图案化的层可以具有相同或不同的厚度。
如上文指示，可以通过例如光刻过程(负图案化或正图案化)等任何已知的合适的技术来制备图案化衬底，从而产生被光学透明的间隔物区域间隔的间隔开、平行的光引导区域的图案；或者向光学透明平坦主体的表面应用直接写入图案化过程。
应理解，在一些情况下，可以产生由多个光学透明层的上述堆叠形成的中间结构，其中所述层中的一者或多者具有表面图案，并且将所述中间结构供应给客户以用于在需要时进一步切割成LOE主体。
本发明在其另一广泛方面提供此类光学结构，所述光学结构被制备成用于从其形成多个LOE的主体。光学结构被配置成多个光学透明层的堆叠，其中：
所述光学透明层中的每一者具有平行的光引导区域的表面图案，所述光引导区域沿着至少X轴以间隔开的关系布置在X-Z平面内，其中在所述光引导区域之间具有光学透明间隔区域；
所述多个层沿着Y轴一个堆叠在另一个顶部上，使得所述表面图案中的每一者位于两个相邻层之间的界面处，并且所述层的所述图案沿着X轴和Z轴中的一者按预定值的移位对准；
从而使得能够沿着与X-Z平面相交并且与所述X-Z平面形成预定角度的切割平面将所述光学结构切割成沿着X轴和Z轴中的一者间隔的预定数目的切片，从而产生LOE元件的多个主体，所述主体中的每一者形成有内部图案，所述内部图案包括间隔开的平行的光引导区域的阵列，所述阵列完全嵌入在LOE的主体中并且相对于LOE主体的被配置成用于主要反射表面的表面以所述预定角度倾斜。
如上文指示，所述多个层可以包括不同厚度的两个或更多个层。
所述图案的光引导区域可以沿着X轴和Z轴以间隔开的关系布置。
本发明还提供一种导光光学元件(LOE)，所述导光光学元件包括光学透明主体，所述光学透明主体包括主表面并且被配置成用于通过光从所述主表面进行的全内反射而在一般传播方向上导引输入光穿过所述主体，并且所述光学透明主体携载至少一个光引导表面，所述至少一个光引导表面被配置成用于使所述输入光朝向一个或多个输出方向耦合离开所述主体，并且完全嵌入在所述主体的体积中，使得所述至少一个光引导表面与所述主表面间隔，所述LOE是通过包括以下操作的方法制造：
制备至少一个图案化衬底，所述至少一个图案化衬底具有光学透明平坦主体，所述光学透明平坦主体的表面形成有间隔开、平行的光引导区域的图案，所述光引导区域沿着X轴和Z轴中的一者以间隔开的关系布置在X-Z平面内，其中在所述光引导区域之间具有衬底的光学透明区域；
将所述至少一个图案化衬底围封在顶部光学透明衬底与底部光学透明衬底之间，从而沿着Y轴形成一个堆叠在另一个顶部上的多个光学透明层的堆叠，其中所述间隔开、平行的光引导区域的所述图案位于所述层之间的界面处；
沿着与X-Z平面相交并且与所述X-Z平面形成预定角度的切割平面将多个光学透明层的所述堆叠切割成沿着X轴和Z轴中的所述一者彼此间隔的预定数目的切片，从而界定LOE的多个主体，所述主体中的每一者包括完全嵌入在LOE的主体中的至少一个光引导区域。
附图说明
为了更好地理解本文公开的标的并且为了例示实际上可以如何实行本发明，现在将参考附图仅通过非限制性实例来描述实施方案，其中：
图1A示意性地说明本发明涉及的类型的常规的平坦导光光学元件(LOE)的配置和操作；
图1B和图1C示出旨在解决与图1A的常规的LOW配置相关联的问题的LOW配置的两个已知实例；
图2示意性地示出根据本发明的LOE的配置；
图3A至图3D示出用于制造多个LOE的本发明的方法的实例，每个LOE被配置有嵌入在LOE的主体中的单个光引导区域；
图4A至图4E示出用于通过堆叠多个图案化衬底来制造多个LOE的本发明的方法的另一实例，每个LOE被配置有嵌入在LOE的主体中的多个间隔开的光引导区域，其中每个衬底中的区域沿着Z轴延伸并且沿着X轴间隔，并且堆叠的衬底中的图案沿着X轴移位；
图4F例示通过图4A至图4D的一般方法但使用不同的图案化的层来制造的LOE，使得LOE中的多个光引导表面包括具有不同尺寸并且与主表面中的至少一者不同地间隔的光引导表面；
图5A至图5G示出用于通过堆叠多个图案化衬底来制造多个LOE的本发明的方法的另一实例，每个LOE被配置有嵌入在LOE的主体中的多个间隔开的光引导区域，其中每个衬底中的区域沿着Z轴延伸并且沿着X轴间隔，并且堆叠的衬底中的图案沿着Z轴移位；
图6A至图6F示出用于通过堆叠多个图案化衬底来制造多个LOE的本发明的方法的另一实例，每个LOE被配置有嵌入在LOE的主体中的多个间隔开的光引导区域，其中每个衬底中的区域沿着Z轴延伸并且沿着X轴和Z轴间隔，并且堆叠的层中的图案沿着X轴移位；以及
图7说明其中透镜并入有本发明的LOE的所配置的眼镜。
具体实施方式
如上文描述，图1A示意性地说明常规的LOE装置中的配置和操作(光传播方案)，并且图1B和图1C示出改进的LOE配置的两个实例，其中光引导表面完全嵌入在LOE装置的衬底中、与其主表面间隔。
现在参考图2，其示意性地说明根据本发明而配置的LOE装置200的一部分。为了有助于理解，使用相同的参考数字来识别在本发明的所有实例和上文描述的已知装置的实例中共同的组件。
LOE 200包括光学透明主体20，所述光学透明主体具有两个主表面26和28和一个或多个光引导表面22。所述LOE因此被配置成用于通过光从主表面26和28进行的全内反射而在一般传播方向D上导引输入光穿过主体20，并且如此传播的光与光引导表面22的相互作用使所述光朝向一个或多个输出方向耦合离开所述主体。LOE200被配置成使得所有光引导表面22完全嵌入在主体20的体积中、与主表面间隔(相等地间隔或不相等地间隔)。LOE200被制造成使得主体20包括大体上在60处的一个或多个内部界面，其中每个内部界面在所述主表面之间延伸，并且其中所有界面(在最简单的情况下可能仅存在一个此类界面)位于与光引导表面22的平面平行的平面内，并且光引导表面22分别位于此类一个或多个界面60的区域中。
以下内容是用于制造本发明的LOE装置的本发明的制造方法的若干实例。在图3A至图3D中示出同时制造LOE的多个主体的最简单实例，其中每个LOE包括单个光引导区域；以及在下文参考图4A至图4E、图5A至图5G和图6A至图6F描述用于同时制造多个LOE的主体的更实际的实例，其中每个LOE包括两个或更多个光引导表面22的阵列，所述两个或更多个光引导表面沿着X轴和Z轴中的一者以间隔开、平行的关系布置在X-Z平面内(光引导区域可以沿着Z轴细长地延伸)。
如图3A中所示，制备图案化衬底70。图案化衬底70具有光学透明平坦主体20，所述光学透明平坦主体在其表面70A中的至少一者上具有至少一个表面图案72A。应理解，虽然未特定示出，但相对的表面70B也可以具备表面图案。图案72A是呈被衬底20的光学透明区域74间隔的间隔开、平行的光引导区域22(一般有至少两个此类区域)的阵列的形式。通常，区域22和74分别被所要的光引导材料(例如，至少部分反射或衍射)和未涂布的区域涂布。在此实例中，光引导区域22沿着Z轴细长地延伸，并且沿着X轴以间隔开的关系布置，其中在所述光引导区域之间具有光学透明的未涂布的区域74。可以在光学涂布过程后面或前面使用任何已知的合适的技术来产生表面图案72A，所述技术例如是光刻(负或正)、直接写入等。
应注意并且将在下文更具体地描述，光引导区域22可以布置成二维阵列，即，可以沿着X轴和Z轴来间隔开光引导区域。
随后，将图案化衬底70围封在光学透明层76之间(或者至少通过此类层76来覆盖图案化表面70A)。因此，通过使用光学粘合剂进行胶合来产生多层堆叠80，所述多层堆叠包括沿着Y轴一个堆叠在另一个顶部上的光学透明层(衬底)20、76，其中光引导区域22的图案72A位于所述层之间的界面50处。如上文所述，所述配置可以使得在表面70B上形成另一表面图案并且因此位于表面70B与另一光学透明层76之间的界面处。
随后，沿着切割平面82向堆叠80(图3C)应用切割/剪切，所述切割平面以预定角度与X-Z平面相交并且穿过光学透明的未涂布的区域74。借此，制造多个LOE的主体20(在本实例中是11个此类主体)，在图3D中仅示出其中的一者。每个此类LOE具有一个光引导区域22，所述光引导区域完全嵌入在LOE的主体20中并且与主表面形成所述角度。如所示，除了位于与光引导表面22平行的平面内的界面50之外，此类LOE不具有内部界面，并且所述光引导表面位于界面50的区域上，同时与主体22的外表面间隔。
随后可以通过应用各种涂层对这些外部主表面进行进一步处理以产生LOE的主要反射表面，所述涂层包括(但不限于)硬涂层(HC)、抗刮涂层、超疏水涂层、抗污涂层、抗菌和防污涂层、抗反射涂层。用于产生这些涂层的方法可以包括(但不限于)基于液体/溶剂的涂布，例如浸涂、旋涂、喷涂、模涂、毛细管涂布、辊涂、幕涂/刮涂、棒涂，或各种印刷技术，并且可以进一步包括固化步骤(例如，UV/电子束/热固化)和额外的抛光步骤。替代地，可能应用对光学涂层的干法涂布，比如蒸镀或溅镀。还应注意，虽然在这里未特定示出，向通过切割过程得到的每个主体应用切边过程，从而产生所要配置的LOE，以通过从主表面进行的全内反射在一般传播方向上导引输入光并且通过与光引导表面的相互作用来使光耦合离开LOE。
如上文提及，本发明的方法可以有利地用于同时制造大量LOE，每个LOE包括光引导表面的阵列。在图4A至图4E中例示此类方法之一。在此实例中，所述方法开始于制备图案化衬底70(图4A)，所述图案化衬底一般类似于图3A的衬底。使用任何已知的合适的图案化技术来制备所述衬底。
使用光学粘合剂使图案化衬底70沿着Y轴以对准的方式一个在另一个顶部上地光学结合(图4B)，并且可以将所述图案化衬底围封在顶部光学透明层与底部光学透明层之间，或者可以通过光学透明层仅覆盖最上面的图案化表面。借此，制造多层堆叠80。在此类堆叠80中，图案72位于相邻层之间的界面处。而且，在此类堆叠中，位于不同平面内的图案72沿着X轴以预定移位值Δx相对于彼此移位。移位值Δx小于层中的相邻光引导区域22之间的未涂布的光学透明区域74的最小X尺寸Xuncoat。可以通过制备具有图案的所需的移位的图案化的层或者通过以所需的横向移位来堆叠类似图案化的层来获得此类移位的图案的配置。
随后，沿着切割平面82向多层堆叠80(图4C和图4D)应用上述切割/剪切过程，所述切割平面与X-Z平面相交，从而与所述X-Z平面形成预定角度θ(如图4D中所示)，并且所述切割平面穿过所有图案化的层中的间隔物区域74。此过程产生多个LOE的主体，每个主体如图4E中所示进行配置，每个主体形成有多个光引导区域22，所有光引导区域完全嵌入在主体20中，使得它们与主表面间隔并且相对于主表面以角度θ定向。而且，可以向整个堆叠80或者单独地向通过切割过程得到的每个LOE主体应用切边过程。
应理解，光引导区域22之间的间隔物/未涂布的区域74的尺寸以及应用到所述堆叠的切割的参数界定了光引导区域22距LOE的主表面的距离。如图4F中例示，所述配置可以使得LOE 20中的光引导区域22包括相同或不同尺寸的区域，以及与主表面相等或不同地间隔的区域。
图5A至图5G示出用于制造多个LOE的本发明的方法的另一实例，每个LOE具有光引导区域的阵列。首先，制备多个图案化衬底，在图5A中示出一个此类图案化衬底70。所述图案化衬底具有光学透明平坦主体20，所述光学透明平坦主体在至少一个表面70A上具有表面图案72A。如上文提及，所述衬底的相对表面也可以具备表面图案。图案72A是呈被沿着X轴的光学透明(未涂布)区域74间隔的两个或更多个间隔开、平行的光引导区域22(使用所需的光重新引导材料(例如，反射材料、部分反射材料或衍射材料)涂布的区域)的形式。在此实例中，光引导区域22沿着Z轴细长地(线状)延伸。可以在光学涂布过程后面或前面使用任何已知的合适的技术来产生表面图案72A，所述技术例如是光刻(负或正)、直接写入等。
将多个图案化衬底70制备成围封在顶部和底部光学透明层/板76之间(图5B)。随后使用光学粘合剂沿着Y轴以对准的方式一个在另一个顶部上地堆叠图案化衬底70(图5C)，并且将所述图案化衬底围封在顶部和底部光学透明的未图案化的板76之间(或者可以通过光学透明板76仅覆盖最上面的图案化表面)。借此，制造多层堆叠80。在此类堆叠80中，图案72(光引导区域)位于相邻层之间的界面50处。而且，在此类堆叠80中，衬底沿着Z轴以预定移位值Δz相对于彼此移位。
在图5D中示出向多层堆叠80应用的切割/剪切过程。如所示，切割平面82与X-Z平面相交，从而与所述X-Z平面形成预定角度(如上文参考图4D描述)。此过程产生多个LOE衬底(在图5E中示出一个此类衬底20)。
如上文描述，并且在图5D中例示，切割平面82中的仅一者穿过透明区域，而其他切割/剪切平面与所述层的反射涂层相交，从而在不同的LOE之间细分所述反射涂层。在图5E中示出的衬底20具有嵌入在其中的光引导区域的两个阵列78A和78B(一般来说，嵌入两个或更多个阵列，这取决于每个初始衬底70中的图案)，其中阵列中的光引导区域沿着Z轴以间隔开的关系布置，并且所述两个阵列布置成在它们之间具有沿着X轴的间隔84。可以任选地向此类多阵列衬底中的间隔区域84应用另一切割/剪切阶段(图5F)，以便获得两个LOE主体20A和20B，所述两个LOE主体分别含有嵌入的光引导区域的阵列76A和76B。如图5G中所示，如此获得的LOE的衬底/主体中的每一者进一步经受切边和抛光。光引导区域22位于相对于主表面26和28以角度θ定向的界面50内，并且区域22与主表面适当地间隔。
应理解，在图5D中例示的切割过程(即，沿着平面82切割)之前，可以替代地向图5C的整个堆叠80应用图5F的切割过程。在此情况下，将单独地向两个如此获得的单阵列堆叠中的每一者应用两次图5D的切割。
现在参考图6A至图6F，其示出用于同时制造多个LOE的本发明的方法的另一实例，每个LOE具有多个光引导区域。此实例实际上是图5A至图5G的实例的替代方案。
图6A示出多个图案化衬底70中的一者。然而，在此实例中，衬底70的图案化表面(一般来说，至少一个表面)具有呈沿着X轴和Z轴以间隔开的关系布置的光引导区域的二维阵列的形式的图案。如上文描述，所述光引导区域被所要的光引导材料涂布并且被衬底的未涂布区域间隔。因此，可以将所述图案描述成通过区域22的两个阵列72A和72B形成，其中所述阵列沿着Z轴间隔，并且每个阵列的区域22沿着X轴间隔开。
制备多个图案化衬底70并且将一个安放在另一个顶部上，使得不同衬底的图案沿着X轴相对于彼此移位预定移位值Δx，如图6B中所示。移位值Δx小于层中的相邻光引导区域22之间的未涂布的光学透明区域74的最小X尺寸Xuncoat。应理解，为了获得图案之间的此类移位，起初制备的衬底具有移位的图案，或者按此移位堆叠类似图案化的衬底，或者使用以上两种技术。
使用光学粘合剂使图案化衬底以对准的方式一个在另一个顶部上地光学结合以形成堆叠80(图6C)，并且可以将所述图案化衬底围封在顶部和底部光学透明层76之间(或者仅被最上层覆盖)。在此类堆叠80中，图案(光引导区域22)位于相邻层/衬底之间的界面50处。
沿着切割平面82向多层堆叠80应用类似于上文关于图3C和图4C描述的切割/剪切过程(图6D)，所述切割平面与X-Z平面相交，从而与其形成预定角度θ，如上文描述。在图6E中示出作为多个主体中的一者的所得的LOE主体20，并且在图6F中示出在切边和抛光过程之后的所述主体。如上文描述，在此实例中，可能首先向堆叠80应用在两个阵列之间的间隔中沿着X轴的切割/剪切，并且随后可以向所得的一半堆叠中的每一者应用沿着平面82的切割。每个LOE主体20具有多个间隔开、平行的光引导区域，所有光引导区域完全嵌入在主体中，使得它们与用作主表面的表面26和28间隔(相等地间隔或不相等地间隔)。
应理解，通过本发明的方法(图3D、图4E、图5G和图6F)产生的LOE除了位于与光引导表面22平行的平面内的界面50之外不具有内部界面，并且所述光引导表面位于界面50的区域中，同时与主体22的用作主要反射表面的表面间隔。
图7例示本发明的结构(LOE)可以如何并入眼镜中。眼镜中的每个透镜形成为LOE或者携载与其附接的LOE，并且，当与虚拟图像源一起使用时，光引导表面将虚拟图像光引导向佩戴者的眼睛。

Claims (22)

1.一种光学结构，所述光学结构用于从其产生两个或更多个导光光学元件(LOE)，所述两个或更多个导光光学元件被配置成使得每个LOE包括光学透明主体，用于通过光从所述主体的主表面进行的全内反射而在一般传播方向上导引输入光穿过所述主体，并且每个LOE包括光引导表面，用于在一个或多个输出方向上使所述输入光耦合离开所述主体，其中所述光引导表面完全嵌入在所述主体的体积中、与所述主体的所述主表面间隔并且相对于所述主表面以预定角度倾斜，所述光学结构被配置成多个光学透明层的堆叠，其中：
所述光学透明层中的每一者具有平行区域的表面图案，所述区域被配置成沿着至少X轴以间隔开的关系布置在X-Z平面内的光引导表面，其中在所述光引导表面之间具有光学透明间隔区域；
所述多个层沿着Y轴一个堆叠在另一个顶部，使得所述表面图案中的每一者位于两个相邻层之间的界面处，并且所述层的所述图案沿着所述X轴和Z轴中的一者按预定值的移位对准；
使得可以通过间隔开的、平行的切割平面将所述光学结构分割成沿着所述X轴和所述Z轴中的所述一者间隔的预定数目的切片，所述切割平面与X-Z平面相交并且与所述X-Z平面形成预定角度，所述预定数目的切片被配置成所述LOE元件的多个所述光学透明主体，其中所述主体中的每一者具有通过所述切割平面界定的包括所述光引导表面的阵列的内部图案，所述光引导表面以所述间隔开的、平行的关系布置并且完全嵌入在所述LOE的主体中并且相对于所述LOE主体的主表面以所述预定角度倾斜。
2.一种用于制造两个或更多个导光光学元件(LOE)的方法，使得所述两个或更多个LOE中的每一者包括光学透明主体，用于通过光从所述主体的主表面进行的全内反射而在一般传播方向上导引输入光穿过所述主体，并且所述两个或更多个LOE中的每一者包括至少一个光引导表面，用于在一个或多个输出方向上使所述输入光耦合离开所述主体，其中所述至少一个光引导表面完全嵌入在所述主体的体积中、与所述主体的所述主表面间隔并且相对于所述主表面以预定角度倾斜，所述方法包括：
制备至少一个图案化衬底，所述图案化衬底具有光学透明平坦主体，所述光学透明平坦主体的表面形成有间隔开的、平行区域的图案，所述区域具有沿着X轴和Z轴中的一者以间隔开的关系布置在X-Z平面内的光引导表面，其中在所述光引导表面之间具有所述衬底的光学透明的间隔物区域；
将所述至少一个图案化衬底围封在顶部光学透明衬底与底部光学透明衬底之间，从而沿着Y轴形成一个堆叠在另一个顶部的多个光学透明层的堆叠，其中所述间隔开的、平行的光引导表面的所述图案位于所述层之间的界面处；
沿着与X-Z平面相交并且与所述X-Z平面形成预定角度的切割平面将多个光学透明层的所述堆叠切割成沿着所述X轴和所述Z轴中的所述一者彼此间隔的预定数目的切片，从而界定所述LOE的多个主体，所述主体中的每一者包括完全嵌入在所述LOE的主体中的所述至少一个光引导表面。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法进一步包括向所述切片中的每一者应用切边，从而产生具有所述光学透明主体的所述LOE，所述光学透明主体用于通过从其主表面进行的全内反射而在一般传播方向上导引输入光，并且所述LOE包括与所述主表面间隔的至少一个光引导表面，用于朝向一个或多个输出方向影响所述输入光传播。
4.根据权利要求2或3所述的方法，所述方法包括一个以上图案化衬底，所述一个以上图案化衬底沿着所述Y轴一个放置在另一个顶部并且全部被围封在所述顶部层与所述底部层之间，使得所述图案化衬底的图案位于相邻层之间的界面处并且沿着X轴和Z轴中的一者相对于彼此移位，从而形成所述多个所述LOE，每个LOE包括内部图案，所述内部图案包括完全嵌入在所述主体中的两个或更多个间隔开的光引导表面。
5.根据权利要求2或3所述的方法，所述方法包括一个以上图案化衬底，所述一个以上图案化衬底沿着所述Y轴一个放置在另一个顶部，全部被围封在所述顶部层与所述底部层之间，其中所述图案化衬底沿着X轴相对于彼此移位，从而使得所述图案化衬底的图案沿着X轴相对于彼此移位，其中移位值小于所述层中的相邻的光引导区域之间的最小间隔物区域，从而形成所述多个所述LOE，每个LOE包括内部图案，所述内部图案包括完全嵌入在所述主体中的两个或更多个间隔开的光引导表面。
6.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述间隔物区域的尺寸以及所述将所述堆叠切割成所述切片界定了所述光引导表面距所述LOE的所述主表面的距离。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述两个或更多个光引导表面包括不同尺寸的区域，使得所述光引导表面与所述主表面不同地间隔。
8.根据权利要求3所述的方法，其中所述两个或更多个光引导表面包括具有不同光学性质从而不同地影响所述输入光的区域。
9.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述光引导表面包括通过反射和衍射效应中的至少一者来引导光的表面。
10.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述制备所述至少一个图案化衬底包括：向所述光学透明平坦主体的表面应用光刻过程，以产生由光学透明的间隔物区域间隔的所述间隔开的、平行的光引导表面的所述图案。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述光刻过程被配置成应用负图案化或正图案化以产生所述图案。
12.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述制备所述至少一个图案化衬底包括：向所述光学透明平坦主体的表面应用直接写入图案化过程，以产生由所述光学透明的间隔物区域间隔的所述间隔开的、平行的光引导表面的所述图案。
13.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述主表面中的每一者包括外涂层，所述外涂层包括以下中的至少一者：硬涂层(HC)、抗刮涂层、超疏水涂层、抗污涂层、抗菌和防污涂层、抗反射涂层。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法包括向所述外表面应用以下过程中的一者以产生所述LOE的所述主表面：基于液体/溶剂的涂布；一种或多种印刷技术；一种或多种干法涂布。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述基于液体/溶剂的涂布包括以下中的至少一者：浸涂、旋涂、喷涂、模涂、毛细管涂布、辊涂、幕涂/刮涂、棒涂。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述一种或多种干法涂布包括以下中的至少一者：对光学涂层的蒸镀；以及对光学涂层的溅镀。
17.根据权利要求14所述的方法，所述方法进一步包括向所述外表面上的所述基于液体/溶剂的涂布或印刷涂布应用固化过程。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法进一步包括向所述外表面应用抛光。
19.一种导光光学元件(LOE)，所述导光光学元件包括光学透明主体，所述光学透明主体包括主表面并且被配置成用于通过光从所述主表面进行的全内反射而在一般传播方向上导引输入光穿过所述主体，并且所述光学透明主体携载至少一个光引导表面，所述至少一个光引导表面被配置成用于使所述输入光朝向一个或多个输出方向耦合离开所述主体并且完全嵌入在所述主体的体积中，使得所述至少一个光引导表面与所述主表面间隔，所述LOE是通过包括以下操作的方法制造：
制备至少一个图案化衬底，所述至少一个图案化衬底具有光学透明平坦主体，所述光学透明平坦主体的表面形成有间隔开的、平行的光引导区域的图案，所述光引导区域沿着X轴和Z轴中的一者以间隔开的关系布置在X-Z平面内，其中在所述光引导区域之间具有所述衬底的光学透明区域；
将所述至少一个图案化衬底围封在顶部光学透明衬底与底部光学透明衬底之间，从而沿着Y轴形成一个堆叠在另一个顶部的多个光学透明层的堆叠，其中所述间隔开的、平行的光引导区域的所述图案位于所述层之间的界面处；
沿着与X-Z平面相交并且与所述X-Z平面形成预定角度的切割平面将多个光学透明层的所述堆叠切割成沿着所述X轴和所述Z轴中的所述一者彼此间隔的预定数目的切片，从而界定所述LOE的多个主体，所述主体中的每一者包括完全嵌入在所述LOE的主体中的至少一个光引导区域。
20.根据权利要求19所述的LOE，其中所述光学透明主体包括多个所述光引导表面，所述多个所述光引导表面完全嵌入在所述主体的所述体积中、与所述主体的所述主表面间隔并且相对于所述主表面倾斜。
21.根据权利要求20所述的LOE，其中所述光引导表面包括与所述主表面基本上相等地间隔的表面。
22.根据权利要求20所述的LOE，其中所述光引导表面包括不同尺寸的表面，使得所述表面与所述主表面不同地间隔。
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CN114930080A (zh) * 2020-02-02 2022-08-19 鲁姆斯有限公司 用于生产光导光学元件的方法
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