CN114599480B - 抛光波导表面的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种抛光波导的目标表面以实现相对于参考表面的垂直性的方法。该方法包括：i)提供抛光装置，该抛光装置具有抛光盘以及可调节安装装置，抛光盘具有限定参考平面的平坦表面，该可调节安装装置被配置成在抛光期间将波导保持在多个角度取向；ii)定位光学对准传感器及光反射装置，使得第一准直光束从与参考平面平行的表面反射，并使第二垂直准直光束从参考表面反射；iii)将抛光装置内的波导对准，使得由光学对准传感器接收的反射在该光学对准传感器内对准，从而指示参考平面和参考表面之间的垂直性；以及iv)抛光对准的波导的目标表面。

Description

抛光波导表面的方法

技术领域

本公开的主题涉及波导，并且更特别地，本公开的主题涉及抛光波导表面的方法。

背景技术

某些头戴式显示器(head-mounted display，HMD)采用二维波导，该二维波导通过将光波从波导的外表面经由全内反射捕获在基板内来进行操作。被捕获在波导内的光波通过部分反射表面的阵列耦出。典型地，耦出的光波在被传送到用户的眼睛之前穿过附加波导。为了保持传播图像的质量，在波导的两个或更多个表面之间必须有非常高的垂直度。典型地，这些波导具有彼此相对的两对平行外表面(即，顶表面和底表面，前表面和后表面)，其中，两对平行外表面必须相互垂直。

附图说明

为了理解本发明并且了解如何在实践中实现本发明，将参照附图，通过非限制性示例的方式来描述实施方式，在附图中：

图1示出了根据本公开主题的某些实施方式的波导的俯视图；

图2示出了根据本公开主题的某些实施方式的波导的立体图；

图3示出了根据本公开主题的某些实施方式的抛光装置的示意性等距视图；

图4示出了图3的区域的放大视图，图4示出了根据本公开主题的某些实施方式的可调节安装装置。

图5示出了根据本公开主题的某些实施方式的锁定机构的示意性局部剖视等距视图；

图6示出了示出根据本公开主题的某些实施方式的对准波导的过程的示意图；

图7示出了根据本公开主题的某些实施方式的对准两个表面的概念化示意图；

图8示出了根据本公开主题的某些实施方式的对准波导的替选方法；

图9示出了根据本公开主题的某些实施方式的对准波导的替选俯视图；以及

图10示出了根据本公开主题的某些实施方式的具有用于对准波导的开口的抛光装置的仰视图。

具体实施方式

为了提供对本发明的透彻理解，在下文的详细描述中，阐述了许多具体细节。然而，本领域的技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的主题。在其他情况下，未对公知的方法、过程和部件进行详细描述以免模糊本公开的主题。

考虑到这一点，本公开的主题特别适用于诸如在PCT公开第WO 2018/065975A1号中公开的波导，该波导包括多个内部部分反射表面，所述多个内部部分反射表面彼此平行但是相对于波导的侧外表面成角度，但是即使在没有内部部分反射表面的情况下，本发明也可以有利地应用于光学部件必须被抛光以生成高质量的相互垂直的抛光表面的任何情况。现在参照图1，图1示出了波导100的俯视图，该波导100具有侧外表面101、前后表面104以及成角度的内表面102a至内表面102x。图2示出了波导100的立体图，在立体图中示出了侧表面101、顶表面103和前表面104。在诸如上述PCT中公开的波导的波导中，相对于侧外表面在顶表面和底表面之间必须具有很高的垂直度，并且在某些优选实现方式中相对于内表面在顶表面和底表面之间也具有非常高的垂直度。

如此，在本文中提供了一种方法，该方法对波导的外表面进行抛光，以在波导的要抛光的表面(“目标表面”)与至少一个其他(通常是邻接的)表面(“参考表面”)之间实现精确的垂直。在一些实施方式中，对于要抛光的目标表面，可能期望其同时与两个不同的非平行参考表面(例如，外表面和内表面)精确地垂直。

现在参照图3，方法包括提供用于对波导的目标表面进行抛光的抛光装置300。抛光装置300包括环形抛光盘301，该环形抛光盘具有平坦外(如所示的顶)表面303。抛光盘301被配置成保持要抛光的对象并且有助于要抛光的对象与抛光机(未示出)之间的可滑动接触，使得抛光机与对象之间的接触点限定了抛光平面(在抛光期间，当对象的表面被磨削时，抛光平面通常移动)。在抛光期间，抛光装置300接触抛光机，使得平坦表面303与抛光平面平行。因此可以说，平坦表面303限定了总是与抛光平面平行的平面(下文中称为“参考平面”)。尽管图3示出了使平坦表面303面向上的抛光装置300，但这仅是为了清楚起见，如在大多数情况下，在抛光期间，抛光装置300倒置在抛光机上。

抛光装置300还包括至少一个可调节安装装置305，该可调节安装装置被配置成在抛光目标表面期间保持波导100。可调节安装装置305还被配置成相对于抛光装置300的平坦表面303以多个角度取向中的任何一个来保持波导。如将参照图4进一步详细描述的那样，可调节安装装置305有助于波导100绕多个轴旋转，从而允许用户设置目标表面将被抛光至的期望的平面(即，在抛光完成之后平行于该期望的平面)。

在一些实施方式中，如图3所示，抛光装置300可以包括多个可调节安装装置305，其中，每个安装装置305保持不同的波导100，并且每个安装装置305是独立可调节的，从而允许同时抛光多个波导100。在一些实施方式中，抛光装置300还包括可旋转基部307，可旋转基部允许将每个安装装置顺序地与光学对准传感器对准，如下文将详细描述的。在抛光期间也可以允许自由旋转。

在一些实施方式中，方法还包括在抛光盘301的平坦表面303上的不同点处安装多个牺牲块309(例如，使用粘合剂接合材料)。在某些情况下，可能期望在抛光期间，牺牲块309用于进行平衡和/或负载分配。附加地或者替选地，也可能期望牺牲块309在抛光期间释放施加在波导100上的一些压力。这在抛光过程最初到达波导的拐角或者边缘的情况下是特别有价值的，否则该情况将导致局部施加抛光机的过度负载。通过使用牺牲块309，抛光过程的负载总是分布在相对大的区域上，保持抛光机与参考平面的平行度并且避免损坏波导的拐角或边缘。在这种情况下，在抛光之前，波导100的目标表面应当与牺牲块309的顶表面相邻，但是低于牺牲块309的顶表面。“相邻但低于”意指对于肉眼，两个表面看起来位于同一平面上，但是实际上它们的相对高度存在微小差异，使得目标表面稍微较低。附加地或者替选地，牺牲块309的顶表面可以用作与抛光平面平行的替选参考平面，如下文将详细描述的。在一些情况下，通过采用预抛光以提供两个平行面和均匀厚度的牺牲块，可以通过用压力将块粘附到平坦表面303来实现足够精确的参考表面。附加地或者替选地，多个牺牲块309可以在安装之后首先被同时抛光，以确保多个牺牲块的顶表面位于相同的平面上，即共面，并且其次，牺牲块的顶表面精确地平行于抛光平面。在一些实施方式中，牺牲块309可以由玻璃制成，或者由与波导100相同的材料制成，或者由任何其他合适的材料制成。

图4示出了根据本公开主题的一些实施方式的可调节安装装置305的放大视图。安装装置305包括倾斜台400，在该倾斜台上固定有安装板402，该安装板402被配置成接收波导并且在抛光期间保持波导，例如，通过临时粘接或者替选地通过夹紧来保持波导。安装板402通过夹具固定到倾斜平台400，夹具通过紧固件404(例如，螺钉)紧固。安装装置305还包括旋转螺钉406a至旋转螺钉406b，该旋转螺钉被配置成利于倾斜台400围绕至少两个垂直轴(例如倾斜和滚动轴)的旋转(倾斜)。在某些实施方式中，安装装置可以包括第三“高程”螺钉406c，以有助于调节倾斜台400相对于抛光盘301的高度(即，高程)。在此处所示的优选但非限制性的实现方式中，所有三个调节螺钉406a至螺钉406c基本上相似，每个调节螺钉使三点支撑结构的一个区域升高或降低。然而，三个调节点的存在允许倾斜台400的整体升高或降低。在某些实施方式中，可能期望的是设置波导的高度使得目标表面的至少一部分位于初始抛光平面(例如，牺牲块309的顶表面)的下方，但是与初始抛光平面相邻。在某些实施方式中，可以经由螺钉406a至螺钉406c的操作将波导的高度调整到相对于初始抛光平面的预定差，使得牺牲块309在抛光的初始阶段期间承受全部或大部分负载。

在抛光期间，可以在倾斜台400上施加显著的应力，这可能导致调节螺钉406a至调节螺钉406c的不期望的滑动，并且因此导致倾斜台400的取向的不期望的偏离。为了防止这种偏离，在一些实施方式中，安装装置305还可以包括锁定机构，该锁定机构被配置成将倾斜台400的取向锁定在给定的角度取向(和高度)。在这种情况下，方法优选地还包括在抛光之前通过使用锁定机构来锁定倾斜台的角度取向和/或高度。

图5示出了根据本公开主题的某些实施方式的锁定机构的示意性非限制性示例，该示例还用作上述调节螺钉406a至调节螺钉406c中的每一个的更详细的示例性结构。对由每个调节螺钉支撑的倾斜台400的区域的高度的调节通过转动轮700来实现，转动轮700使中空螺栓701转动，这又使与倾斜台400的区域接合的扶手703升高或降低。当调节螺钉被正确调节时，通过拧紧螺钉705(这锁定轮700)来固定轮700以防止轮700进一步转动。附加的夹紧螺钉707经由线缆709连接到线缆端部711，线缆端部711位于抛光盘301的支撑件的相对侧。一旦完成了对取向的所有调节，使螺钉707旋转以拉紧线缆709，从而以给定取向将倾斜台400固定到抛光盘301。在一些实施方式中，锁定机构还可以包括金属端部713以防止在张紧线缆709期间倾斜台400相对于抛光盘301下沉。在一些实施方式中，锁定机构还可以包括位于线缆端部711与抛光盘301之间的弹簧715，以在松开螺钉707时维持线缆709的残余张力，例如，以对倾斜台400的取向进行调整。

现在参照图6，在一些优选实施方式中，方法还包括对高度感测装置600进行定位，高度感测装置600被配置成对波导100的目标表面与牺牲块309的顶表面609之间的高度差进行检测，并且在抛光之前设置期望的高度差。在一些实施方式中，还可以在将第一波导调节到期望的高度之后使用高度感测装置600来将抛光装置100中的第二波导和后续波导的高度调节到与第一波导相同的高度。

在一些实施方式中，如图6所示，方法还包括：对一个或更多个光学对准传感器601(例如，自准直仪等)进行定位，每个对准传感器被配置成发射一个或更多个准直光束并且被配置成接收所述一个或更多个准直光束的反射；以及对一个或更多个光反射装置603(例如，反射镜、五棱镜等)进行定位，光反射装置被配置成将准直光束精确地反射90度。针对每个参考表面607，对相应的光学对准传感器601和相应的光反射装置603进行定位，使得第一准直光束从与参考平面平行的表面609反射出，并且使得在反射点处与第一准直光束垂直的第二准直光束605从给定参考表面607反射出。合适的光学对准传感器包括由尼康公司制造的尼康自准直仪6B-LED/6D-LED。应当理解，也可以使用单个宽的准直光束，在这种情况下，对第一准直光束和第二准直光束的提及应当被理解成是指单个准直光束的两个不同部分。

在一些实施方式中，方法还包括通过使用可调节安装装置305在抛光装置300内对准波导100，使得抛光平面与每个参考表面垂直。这通过以下操作来实现：调节波导的角度取向，使得针对每个给定的参考表面，由相应的光学对准传感器601接收的反射在其中对准，从而指示参考平面(并且通过延伸抛光平面)与给定的参考表面之间的垂直，如下文将参照图7进一步详细描述的。

方法还包括通过使波导的目标表面与抛光机滑动接触来对波导的目标表面进行抛光，从而实现目标表面相对于每个参考表面的精确垂直抛光。在一些实施方式中，精确的垂直包括在1弧分以内的垂直。在一些实施方式中，精确的垂直包括在10弧秒以内的垂直。

在一些实施方式中，如上详细所述，方法可以包括在抛光之前经由安装装置的锁定机构对波导的取向进行锁定。

为了更清楚，参照图7，图7示出了上面详细描述的对准方法的概念图。立方体507具有两个邻接的非平行的表面505和表面503。期望表面505精确地垂直于表面503抛光。预先知道表面501与抛光平面平行，因此期望的结果是在抛光装置上定向立方体507，使得表面503精确地垂直于表面501。自准直仪509和45度倾斜镜511一起被定位，使得自准直仪509将第一准直光束513发射到表面501上，并且将第二准直光束515(其可以是单个宽准直光束的不同区域)发射到表面503上，并且从表面501和表面503接收反射。如果来自两个准直光束的反射精确地平行，使得它们的图像在自准直仪内看起来是对准的，则表面503与抛光平面垂直，否则表面503与抛光平面不垂直。在这种情况下，立方体507应当向左或向右旋转，直到准直光束对准。

如图7所示，当如在自准直仪的取景器517中观察到的接收到的反射513、515的对准符号一致时，可以认为在自准直仪内接收到的两个准直光束的反射是对准的。不完美重叠的反射被认为是未对准的，并且指示准直光束被反射出的表面之间的非垂直。

图8示出了对准波导的替选方法。在该方法中，波导被结合至具有精确垂直的表面的大的、优选为玻璃的块56，波导的目标表面面向抛光机。波导被接合至的块56的表面与抛光平面垂直，并且因此在抛光后将使目标表面与抛光平面垂直。如果同时使目标表面与波导的内表面垂直，则可以使用光学对准传感器和光反射装置将第一准直光束从波导的内表面反射出，并且将第二准直光束从块56的顶表面反射出。然后对波导相对于块56的取向进行调节，直到反射束重叠。

图9A示出了替选或附加的对准方法，其中，光线901从内部小平面102反射。由于部件100的折射，光线901(优选地，源自并反射到自准直仪上)从部件外部在波导100内具有不同的角度。然而，如前述，对准过程仍然有效。

在某些情况下，来自自准直仪的光不是单色的。因此，反射光将通过上述折射而分散，从而降低对准精度。根据本发明，可以通过使用自准直仪投影图像的适当取向来消除这种限制。图9B示出了通过自准直仪投影的典型图像。如图9C所示，如果预期图像平面上光线901的分散取向处于箭头905所示的取向，则应当调整(旋转)准直仪投影图像的取向，直到其平行地对准并且与分散取向垂直。反射图像(图9D)示出了垂直线907的所得分散，使得在大多数情况下，使该分散不可见。沿着分散方向对准的线保持清晰。如前所述，该线在垂直方向909上相对于从表面609投影的反射图像的移位指示非垂直。

现在参照图10，在一些实施方式中，可能希望在整个抛光过程中的不同时间对抛光平面与参考表面之间的垂直度重新检查。为了有助于在不将抛光装置与抛光机分离的情况下进行这种检查，在一些实施方式中可以穿过抛光盘来形成(例如钻出)一个或更多个开口1000，每个开口允许准直光束到达其预期表面。此外，由于牺牲块与抛光机接触并且不能被光学对准传感器接近，因此可以使用与抛光平面平行的替代表面。在这种情况下，可以将一个或更多个块1001(每个块具有与抛光平面平行的平坦表面)附接到抛光盘，并且代替牺牲块用作参考平面。

在本发明的装置和方法的某些特别优选的实施方式中，对于波导的外表面和内部部分反射表面同时执行与波导表面垂直的抛光平面的对准。可以同时使用两个自准直仪执行调整并且交替且重复地执行每个自准直仪的调整。在一些情况下，调整过程可以是自动的。

为了更清楚，在需要顶表面和/或底表面精确地与侧外表面和成角度的内表面垂直的波导应用中，可以使用两个光学对准传感器和两个光反射装置来实现目标表面与两个非平行参考表面(即，侧外表面和内表面)之间的精确垂直。第一光学对准传感器和光反射装置分别发射和接收来自与抛光平面平行的表面和第一参考表面的反射。第二光学对准传感器和光反射装置分别发射和接收来自与抛光平面平行的表面和第二参考表面的反射。然后使用可调节安装装置对波导的角度取向进行调节，直到由第一光学对准传感器接收的反射在其中对准并且由第二光学对准传感器接收的反射也在其中对准，从而同时指示抛光平面、第一参考表面和第二参考表面之间的垂直。

应当理解，本发明并不将其应用限于在本文中包含的说明书中阐述的或者在附图中示出的细节。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实施和执行。因此，应当理解，本文采用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应当被认为是限制性的。同样地，本领域技术人员将理解，本公开内容所基于的概念可以容易地用作设计用于实现本公开主题的若干目的的其他结构、方法和系统的基础。

本领域的技术人员将容易理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对如上所述的本发明的实施方式进行各种修改和改变。

Claims (18)

1.一种对波导的目标表面进行抛光以实现所述目标表面相对于所述波导的至少一个参考表面的精确垂直的方法，所述方法包括：

提供抛光装置，所述抛光装置包括：抛光盘，所述抛光盘具有与抛光平面平行并且限定参考平面的平坦表面；以及可调节安装装置，所述可调节安装装置被配置成在抛光期间将波导保持在相对于所述参考平面的多个角度取向中的任一角度取向上；

针对每个给定的参考表面，对相应的光学对准传感器以及对相应的光反射装置进行定位，使得第一准直光束从与所述参考平面平行的表面反射出，并且使得与所述第一准直光束垂直的第二准直光束从所述给定的参考表面反射出，所述光学对准传感器被配置成发射一个或更多个准直光束并且接收所述一个或更多个准直光束的反射，所述光反射装置被配置成将准直光束精确地反射90度；

通过使用所述安装装置，在所述抛光装置内通过以下操作对准所述波导：调节所述波导的角度取向，使得针对每个给定的参考表面，由与所述给定的参考平面相对应的光学对准传感器接收的反射在所述光学对准传感器内对准，从而指示所述参考平面与所述给定的参考表面之间的垂直；以及

通过使用所述抛光装置，对对准的波导的所述目标表面进行抛光。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个参考表面是所述波导的外表面。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个参考表面是所述波导的内表面。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个参考表面包括所述波导的一个外表面和所述波导的一个内表面。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，每个光学对准传感器是自准直仪，并且每个光反射器是成角度的镜。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，每个光反射器是五棱镜。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述可调节安装装置有助于调节所述波导相对于所述抛光盘的高度。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括在抛光之前将多个牺牲块安装在所述抛光盘的平坦表面上。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，与所述参考平面平行的表面选自包括以下的组：所述抛光盘的平坦表面，牺牲块的顶表面。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括：通过使用所述可调节安装装置来调节所述波导的高度，使得所述目标表面的至少一部分位于初始抛光平面的下方，但是与所述初始抛光平面相邻。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述波导的高度被调整到相对于所述初始抛光平面的预定差，使得所述牺牲块在初始抛光阶段期间承受大部分负载。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述安装装置包括倾斜台和多个螺钉，每个螺钉被配置成使所述倾斜台旋转。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述安装装置还包括锁定机构，所述锁定机构被配置成将所述倾斜台的取向锁定在给定的角度取向上，并且其中，所述方法还包括在抛光之前，通过使用所述锁定机构来锁定所述倾斜台的角度取向。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述安装装置还包括安装板，所述安装板被固定到所述倾斜台，并且被配置成接收所述波导以及在抛光期间将所述波导保持在所述抛光装置中。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可调节安装装置有助于调节所述波导围绕至少两个垂直轴的旋转。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，在抛光之后，所述目标表面在1弧分内精确地垂直于每个参考表面。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述抛光装置包括多个可调节安装装置，每个可调节安装装置是能够独立调节的，并且所述每个可调节安装装置被配置成在所有波导的抛光期间独立地将相应波导保持在相应的角度取向上。

18.一种对波导的目标表面进行抛光以实现所述目标表面相对于所述波导的两个非平行表面的精确垂直的方法，所述方法包括：

提供抛光装置，所述抛光装置包括：抛光盘，所述抛光盘具有与抛光平面平行并且限定参考平面的平坦表面；以及可调节安装装置，所述可调节安装装置被配置成在抛光期间将波导保持在相对于所述参考平面的多个角度取向中的任一角度取向上；

对第一光学对准传感器以及第一光反射装置进行定位，使得所述第一光学对准传感器的第一准直光束从与所述参考平面平行的表面反射出，并且使得所述第一光学对准传感器的与所述第一准直光束垂直的第二准直光束从第一非平行表面反射出，所述第一光学对准传感器被配置成发射一个或更多个准直光束并且接收所述一个或更多个准直光束的反射，所述第一光反射装置被配置成将准直光束精确地反射90度；

对第二光学对准传感器以及第二光反射装置进行定位，使得所述第二光学对准传感器的第一准直光束从与所述参考平面平行的表面反射出，并且使得所述第二光学对准传感器的与所述第二光学对准传感器的第一准直光束垂直的第二准直光束从第二非平行表面反射出，所述第二光学对准传感器被配置成发射一个或更多个准直光束并且接收所述一个或更多个准直光束的反射，所述第二光反射装置被配置成将准直光束精确地反射90度；

通过使用所述安装装置，在所述抛光装置内通过以下操作对准所述波导：调节所述波导的角度取向，使得由所述第一光学对准传感器接收的反射在所述第一光学对准传感器内对准并且使得由所述第二光学对准传感器接收的反射在所述第二光学对准传感器内对准，从而指示所述参考平面与所述第一非平行表面和所述第二非平行表面中的每一个之间的垂直；以及

通过使用所述抛光装置，对对准的波导的所述目标表面进行抛光。