CN115552171A - 复合光导光学元件的制造方法 - Google Patents

复合光导光学元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种制造复合光导光学元件(LOE)的方法。将多个LOE前体和在多个LOE前体之间交替的多个透明间隔板的接合的堆叠接合至具有多个相互平行的成倾斜角度的内表面的第一光学块。将该块接合至堆叠，使得块的第一多个部分反射内表面不平行于LOE前体的内表面。在接合之后，由此形成第二光学。通过贯穿至少两个连续间隔板对第二块进行切割来从第二光学块切出至少一个复合LOE，至少两个连续间隔板之间夹有LOE前体。

Description

复合光导光学元件的制造方法
技术领域和背景技术
本发明涉及光导光学元件(light-guide optical element，LOE)，特别是涉及用于二维图像扩展的复合LOE及其制造方法。
复合LOE或“二维扩展波导”已经在鲁姆斯有限公司(Lumus Ltd.)(以色列)先前的出版物中描述过。这样的复合LOE的示例可以在例如PCT公布WO 2020/049542中找到。一般而言，这些复合LOE采用两个区域，每个区域是透明材料的平行面对块，该平行面对块用于通过主表面处的内反射支持携载准直图像的光的传播，并且每个区域包括一组相互平行的、内部的、部分反射的表面或“小平面”，其重定向准直图像并且同时实现光学孔径的扩展。通过组合具有不同小平面取向的两个这样的元件，可以在单个元件内实现光学孔径的二维扩展，从而扩展来自图像投影仪的输入图像并且将其朝向观察者的眼睛在较大区域上输出。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种制造复合光导光学元件(light-guide opticalelement，LOE)的方法，该方法包含：提供多个LOE前体和多个透明间隔板的接合的堆叠，该堆叠具有第一成对平行面，该堆叠包括沿着堆叠的长度的交替的LOE前体和透明间隔板，堆叠的长度垂直于成对平行面，每个LOE前体包括成对主平行表面和相对于成对平行表面成倾斜角度的第一多个相互平行的部分反射内表面；提供第一光学块，该第一光学块具有第二成对平行面和相对于该第二成对平行面成倾斜角度的多个相互平行的内表面，内表面是至少部分地部分反射的，使得第一块包括第二多个相互平行的部分反射内表面；将第一块接合至堆叠，使得第一块的面中的一个面接合至堆叠的面中的一个面，并且第一多个部分反射内表面不平行于第二多个部分反射内表面，从而形成第二光学块；以及通过贯穿至少两个连续间隔板对第二块进行切割来从第二块切出至少一个复合LOE，至少两个连续间隔板之间夹有LOE前体。
根据一些方面，第一块的内表面均仅部分地涂覆有部分反射涂层，使得内表面包括部分反射涂层的条带，条带之间具有间隙。
根据一些方面，该方法包括：在将堆叠与第一块接合之前，对堆叠的将接合至第一块的面进行抛光；以及/或者在将第一块与堆叠接合之前，对第一块的将接合至堆叠的面进行抛光。
根据一些方面，该方法包括在将第一块接合至堆叠之前：对准第一块和堆叠，使得第一多个部分反射内表面与第二多个部分反射内表面正交。
根据一些方面，该方法包括抛光切出的至少一个复合LOE的外表面，该复合LOE的外表面平行于LOE前体的主平行表面。
根据一些方面，第一块的内表面均仅部分地涂覆有部分反射涂层，使得内表面包括部分反射涂层的条带，该条带之间具有间隙。
根据本发明的另一方面，提供了一种光学结构，该光学结构是复合LOE制造过程的中间工作产品，该光学结构包括：第一区域，其包括多个LOE前体，该多个LOE前体由在多个LOE前体之间的透明间隔板隔开，每个LOE前体包括成对主外平行表面和相对于该成对平行表面成倾斜角度的第一多个相互平行的部分反射内表面；第二区域，其包括与第一多个部分反射表面不平行的第二多个相互平行的部分反射内表面；以及分隔第一区域和第二区域的至少一个内表面，该内表面垂直于成对的平行表面。
根据一些方面，光学结构通过将包括第一区域的第一光学块与包括第二区域的第二光学块接合而形成。
根据一些方面，光学结构可以包括在第一区域与第二区域之间的第三光学区域。该第三光学区域可以包括一个或更多个光学元件。光学元件可以是光学活性元件或光学惰性元件。在一些方面，第二区域内的至少一个子区域可以不含任何部分反射内表面并且/或者第一区域中的每个LOE前体可以包括不含任何部分反射内表面的至少一个子区域。
附图说明
在本文中仅以举例的方式参照附图描述本发明，在附图中：
图1(a)至图1(b)示出根据现有技术的复合LOE的实施方式；
图2(a)至图2(c)示出制造复合LOE的已知方法；
图3(a)至图3(b)示出复合LOE的另一实施方式；
图4(a)至图4(b)示出具有给定厚度d1的LOE；
图5(a)至图5(b)示出由给定厚度d2的透明板隔开的接合的LOE前体的堆叠；
图6(a)至图6(b)示出透明板的块；
图6(c)示了形成图6(a)至图6(b)的块的方法；
图7(a)至图7(b)示出由将图6(a)至图6(b)的块接合至图5(a)至图5(b)的堆叠形成的光学结构；
图7(c)至图7(d)示出取自图7(a)至图7(b)的块的切片；
图8(a)至图8(b)示出图6(a)至图6(b)的块的替选实施方式；
图9(a)至图9(b)示出由将图8(a)至图8(b)的块与图5(a)至图5(b)的堆叠接合而形成的光学结构；
图10(a)至图10(b)示出从图9(a)至图9(b)的光学结构切出的复合LOE；
图11(a)至图11(b)示出块16的另一实施方式；
图12(a)至图12(b)示出由将图11(a)至图11(b)的块与图5(a)至图5(b)的堆叠接合而形成的光学结构；
图12(c)至图12(d)示出取自图12(a)至图12(b)的光学结构的切片；
图13(a)至图13(b)示出块16的另一实施方式；以及
图13(c)至图13(d)示出取自图13(a)至图13(b)的光学结构的切片。
具体实施方式
图1(a)至图1(b)示出根据现有技术的复合LOE 100的实施方式。复合LOE 100包括在界面102处接合在一起的第一LOE 1和第二LOE 2。LOE 1包括成对主平行表面101、102以及相对于表面101、102成倾斜角度的多个相互平行的部分反射内表面(“小平面”)4。在形成LOE 1之前经由内表面上的涂层来提供反射率。每个小平面的反射比可以彼此相同或不同。小平面4被配置成将图像从外部微投影仪(未示出)向LOE 2引导，同时在一个维上扩展图像(在这种情况下为x维)。LOE 1包括垂直于表面101、102的表面103。
LOE 2还包括垂直于LOE 1的表面101、102的成对主平行表面201，以及相对于表面201成倾斜角度的多个相互平行的部分反射小平面5。在一些实施方式中，如图1(a)至图1(b)所示，小平面5相对于小平面4的空间取向可以是正交的，但是取决于复合LOE的特定应用的设计规格，其他取向也是可能的。在形成LOE 2之前，经由内表面上的涂层来提供小平面5的反射率。每个小平面的反射率可以彼此相同或不同。小平面5被配置成将图像从LOE 1(现在在一个维度上扩展)向观察者引导，同时在第二维度上扩展图像(在这种情况下为z维)。
复合LOE 100还包括在XZ平面中的LOE 100的表面上的透明盖板3。由板3覆盖的表面包括LOE 1的表面103和LOE 2的表面201。相应地，这些表面需要精确地对准以施加板3。
图2(a)至图2(c)示出制造复合LOE的已知方法。一般，LOE 1和LOE 2分开制造并且接合在一起。在本文件中，术语“接合”应理解为意指用光学胶或粘合剂附接。然后在外表面上抛光接合的LOE。将盖板3施加到抛光表面，然后通常也对这些盖板进行抛光。使用该制造方法，必须以非常高的精度执行LOE 1到LOE 2之间的接合过程，使得LOE 1的表面103与LOE2的对应表面201处于同一平面中。该方法易于产生如图2(a)至图2(c)所示的失准。
为了克服上述困难，本发明公开了制造复合LOE的新方法。除了克服在LOE 1到LOE2的接合期间的精确对准的问题之外，本文所公开的过程允许制造复合LOE 100的新实施方式，其中透明盖板3’仅存在于LOE 2的表面201上，如图3(a)至图3(b)中所示。在与本申请同日提交的题为“Compound Light-Guide Optical Elements”(“复合光导光学元件”)的共同待审PCT申请中进一步详细讨论了复合LOE的该实施方式，该申请要求2020年5月24日提交的美国临时专利申请第63/029,496号的优先权。
图4(a)至图4(b)示出LOE“前体”2’，其应当被理解为意指LOE 2生产中的中间光学元件。LOE前体2’包括成对主平行外表面6和相对于该成对平行表面成倾斜角度的多个相互平行的部分反射内表面(“小平面”)5。该LOE前体具有表面6之间的在本文中表示为d1的预定厚度。存在用于制造LOE前体的已知方法，例如，如PCT公布WO 2016/103263中所述。
现在参照图5(a)至图5(b)，在制造多个LOE前体之后，形成具有相同厚度d1的多个LOE前体和多个透明间隔板7的接合的堆叠15。该堆叠由沿堆叠长度(y维)交替的LOE前体和透明间隔板组成。每个透明板具有在本文中表示为d2的相同的预定厚度。堆叠15具有沿垂直于表面6的堆叠的长度延伸的成对平行面8a、8b。
现在参照图6(a)至图6(b)，具有平行的面10a、10b的光学块16由多个接合的、透明涂覆板17(每个板涂覆有部分反射涂层)形成，从而形成多个相互平行的部分反射内表面9，每个部分反射内表面9相对于面10b以预定角度11(也称为“小平面倾角”)成倾斜角度。
存在用于形成光学块16的已知方法。例如，如图6(c)所示，一种方法包括堆叠并且接合多个涂覆板17，并且沿着图6(c)所示的虚线切割堆叠，以提取块。然后，通过抛光装置18对面10b进行抛光，以实现期望的小平面倾角11，该小平面倾角11可以根据最终的复合LOE的特定设计规格而变化。
现在参照图7(a)至图7(b)，将块16与堆叠15对准并且接合至堆叠15，从而形成光学块18。更具体地，将块16的面10b接合至堆叠15的面8a。在接合之前，可以将面10b和面8a中的任一个或两个抛光成平的。块16与堆叠之间的特定对准可以根据产品的设计规格而变化。在与图3(a)至图3(b)所示的复合LOE对应的实施方式中，参照图7(a)至图7(b)所示的坐标系XYZ，可以如下理解块15和块16的对准。应该将堆叠15和块16对准，使得：LOE前体2’的表面6平行于平面XZ、堆叠15的面8a平行于平面XY、LOE前体2’的小平面5垂直于平面YZ、块16的板17垂直于平面XZ、并且块16的面10b平行于平面XY。在对准之后，板17垂直于堆叠15中的LOE前体2’的表面6。
在本文中将经对准和接合的结构表示为光学块18，光学块18实际上是作为复合LOE制造过程的中间工作产品的光学结构。如图所示，块18包括：第一区域，其具有多个LOE前体，该多个LOE前体由LOE前体之间的透明间隔板隔开；第二区域，其具有多个相互平行的部分反射内表面；以及将第一区域与第二区域隔开的内表面。在其他实施方式中，如下面将进一步详细描述的，中间块18还可以包括第一区域和/或第二区域中的一个或更多个附加子区域。这些子区域可以包括非有小平面的区域以及包括一个或更多个光学活性或光学惰性元件的区域。可以通过在与堆叠15接合之前将一个或更多个板(板中一些可以包括光学活性元件)添加到块16而将这些子区域添加到块18，如下面将参照图11(a)至图13(d)详细描述的。
使用切割装置(未示出)沿着堆叠15的长度(y维)以预定间隔并且贯穿间隔板7对块18切片，以形成从块18切出的多个复合LOE结构。切分平面在图7(a)至图7(b)中以虚线12示出，并且单个切片在图7(c)至图7(d)中示出。从块18切出的复合LOE具有与图3(a)至图3(b)中所示的复合LOE类似的结构。应观察到，在切片之后，间隔板(更准确地，半间隔板)提供与图3(a)至图3(b)中的盖板3’类似的结构，从而避免了需要附接单独的盖板3’。然后，在由板7和17构成的外表面上对每个切出的复合LOE结构进行抛光，以形成适合于通过内反射引导光的最终复合LOE。
可选地，可以将附加的透明盖板在板17和17上接合至最终复合LOE并且将这些盖板抛光(在这种情况下，LOE 1将具有单盖板并且LOE 2将具有双盖板)。
如以上参照图5(a)至图5(b)所详述的，透明板具有预定厚度d2。在一些实施方式中，根据下式来确定预定厚度d2：
d2＝2t+2p+S
其中，t表示第一LOE盖板与第二LOE盖板的厚度之间期望差异，p表示在抛光期间移除的材料的厚度，并且s表示包括锯床中的切割定位的公差的切割的厚度。应当注意，在仅LOE 2需要盖板而LOE 1不需要盖板的情况下，t简单地表示LOE 2盖板的厚度。t的典型值的范围可以从50微米至500微米。
图8(a)至图8(b)示出块16的替选实施方式，此处表示为块16’。在该实施方式中，透明板各自仅部分地涂覆有部分反射涂层，该部分反射涂层以其间具有间隙的条带的形式施加到每个板。每个涂覆条带具有相同的预定厚度d3，而涂覆条带之间的间隙各自具有相同的预定厚度d4，如鲁姆斯有限公司的美国专利公布第2018/0292599号所述。在该实施方式中，d3对应于最终复合LOE中LOE 1的反射区域的期望宽度，并且根据下式来计算d4：
d4＝d1+d2-d3
其中，d1和d2已经在前面限定。
图9(a)至图9(b)示出了对准并且接合至堆叠15并且与以上参照图7(a)至图7(b)描述的方式类似的方式沿平面12切割的块16’。提取的切片在图10(a)至图10(b)中示出。同样可以在外平行表面上对这些切片进行抛光以形成最终的复合LOE。应注意，根据该实施方式形成的复合LOE包括LOE 1的部分反射小平面4与外表面14之间的缓冲部，该缓冲部由涂覆条带之间的间隙提供并且在不需要物理盖板的情况下实现与透明盖板类似的效果。
应当理解，接合块16’和堆叠15表示中间光学结构块18的另一实施方式。实际上，块16(以及因此块18)的各种其他实施方式也可能用于得到关于LOE 1具有不同结构的各种复合LOE，其中的一些描述如下。
例如，在一些实施方式中，可能期望LOE 1的一些小平面4不是一直延伸跨过LOE1，从而在LOE 1内提供一个或更多个无小平面的区域(即，没有部分反射的内表面)，如将在以下示例中示出的。
图11(a)至图11(b)示出了块16的另一实施方式，此处表示为块19。块19包括块16(如图6(a)至图6(b)中)，其中附加的平面平行透明板20接合至块16的面10b。将板20的外表面10b’平行于面10b进行抛光。
如图12(a)至图12(b)所示，块19和堆叠15对准并且接合在一起，从而形成中间光学块21。随后沿着平行于XZ平面的平面12将块21进行切割。一个这样产生的切片在图12(c)至图12(d)中示出。这样的切片包括LOE 1、LOE 2和没有任何反射或半反射表面的光学清洁区域22(也称为惰性区域)。替选地，区域22也可以包括一个或更多个光学元件，例如部分反射的混合器或偏振器。在这种情况下，透明板20可以代替结合期望的一个或更多个光学元件(即混合器、偏振器等)的板。
图13(a)至图13(b)示出了块16的另一实施方式，其中，可以通过将块16切割并且与其他光学板和/或棱镜结合来产生LOE 1的更复杂的几何形状。在图13(a)至图13(b)中，将块16沿着平面31和32切割和抛光，并且与透明板24和三棱镜25和26接合。板24的经抛光的表面10b”平行于块16的面10b。块16与板24和棱镜25和26形成新的光学块23，该光学块23包括该块内的一个或更多个无小平面的子区域。以类似于图12(a)至图(b)所示的方式，将块23与堆叠15对准并且接合以形成新的中间结构。随后，将该中间结构沿平面12切片，得到图13(c)至图(d)中示出的切片。这样的切片具有惰性区域27、28和29，没有任何反射或半反射表面。
在其他实施方式(未示出)中，堆叠15的LOE前体可以被修改成在LOE前体内包括一个或更多个无小平面的区域，从而得到复合LOE，在该复合LOE中，LOE 2包括一个或更多个无小平面的子区域(即，没有部分反射的内表面)。
应当理解，上文描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求所限定的本发明的范围内，许多其他实施方式是可能的。

Claims (13)

1.一种制造复合光导光学元件(LOE)的方法，包括：
提供多个LOE前体和多个透明间隔板的接合的堆叠，所述堆叠具有第一成对平行面，所述堆叠包括沿着所述堆叠的长度交替的LOE前体和透明间隔板，所述堆叠的长度垂直于所述成对平行面，每个LOE前体包括成对主平行表面和相对于所述成对平行表面成倾斜角度的第一多个相互平行的部分反射内表面；
提供第一光学块，其具有第二成对平行面以及相对于所述第二成对平行面成倾斜角度的多个相互平行的内表面，所述内表面是至少部分地部分反射的，使得所述第一块包括第二多个相互平行的部分反射内表面；
将所述第一块接合至所述堆叠，使得所述第一块的面中的一个面接合至所述堆叠的面中的一个面，并且所述第一多个部分反射内表面不平行于所述第二多个部分反射内表面，从而形成第二光学块；以及
通过贯穿至少两个连续间隔板对所述第二块进行切割来从所述第二块切出至少一个复合LOE，所述至少两个连续间隔板之间夹有LOE前体。
2.根据权利要求1所述的方法，包括在将所述堆叠与所述第一块接合之前，对所述堆叠的将要接合至所述第一块的面进行抛光。
3.根据权利要求1所述的方法，包括在将所述第一块与所述堆叠接合之前，对所述第一块的将要接合至所述堆叠的面进行抛光。
4.根据权利要求1所述的方法，包括，在将所述第一块接合至所述堆叠之前：对准所述第一块和所述堆叠，使得所述第一多个部分反射内表面和所述第二多个部分反射内表面正交。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括抛光切出的至少一个复合LOE的外表面，所述至少一个复合LOE的外表面平行于所述LOE前体的主平行表面。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一块的内表面均仅部分地涂覆有部分反射涂层，使得内表面包括部分反射涂层的条带，所述条带之间具有间隙。
7.一种光学结构，所述光学结构是复合LOE制造过程的中间工作产品，所述光学结构包括：
第一区域，其包括多个LOE前体，所述多个LOE前体由在所述多个LOE前体之间的透明间隔板隔开，每个LOE前体包括成对主外平行表面和相对于所述成对平行表面成倾斜角度的第一多个相互平行的部分反射内表面；
第二区域，其包括与所述第一多个部分反射表面不平行的第二多个相互平行的部分反射内表面；以及
至少一个内表面，其分隔所述第一区域和第二区域，所述内表面垂直于所述成对平行表面。
8.根据权利要求7所述的光学结构，所述光学结构通过将包括所述第一区域的第一光学块与包括所述第二区域的第二光学块接合而形成。
9.根据权利要求7所述的光学结构，还包括在所述第一区域与所述第二区域之间的第三光学区域。
10.根据权利要求9所述的光学结构，其中，所述第三光学区域包括一个或更多个光学元件。
11.根据权利要求9所述的光学结构，其中，所述第三光学区域是光学惰性的。
12.根据权利要求7所述的光学结构，其中，所述第二区域内的至少一个子区域没有任何部分反射内表面。
13.根据权利要求7所述的光学结构，其中，所述第一区域中的每个LOE前体包含至少一个没有任何部分反射内表面的子区域。
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