CN116490725A - 用于制造紧凑型头戴式显示系统的基板引导元件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造具有光波透射基板的光学装置的方法，所述光波透射基板具有至少两个主表面、边缘以及由所述基板承载的输出耦合输出反射元件，从而形成允许光波在所述两个主表面之间穿过所述基板的基板，所述方法包括：(a)将选定厚度的多个平板附接到彼此，所述多个平板各自具有至少两个平行的主表面和两个边缘，所述多个平板布置成无限制的第一周期性叠置件(175)，所述第一周期性叠置件具有平行于所述板的所述主表面的至少两个表面(104U、104D)和边缘(105R、105L)；(b)将所述叠置件切片，以形成限定切片线(107)的多个切片(178)，其中，所述叠置件被定向成使得对于大多数叠置板，所述切片线穿越所述板的至少两个边缘；(c)研磨或抛光所述切片，以形成具有两个主表面以及耦合输出反射元件的基板，其中，所述主表面彼此平行且不平行于所述耦合输出反射元件；以及(d)将所述基板切割成最终尺寸。

Description

用于制造紧凑型头戴式显示系统的基板引导元件的方法
技术领域
本发明涉及基于基板的光波导光学装置，并且特别是涉及包括由透光基板承载的反射表面的装置，以及用于制造这种光学装置的方法。
本发明可在大量的成像应用中有利地实施，例如头戴式和平视显示器，以及蜂窝式电话、紧凑型显示器和3-D显示器。
背景技术
紧凑型光学元件的重要应用之一是头戴式显示器(HMD)，其中，光学模块既作为成像透镜又作为合路器，其中二维显示被成像到无限远并反射到观看者的眼睛中。显示可间接地借助于中继透镜或光纤束而直接从任一空间光调制器(SLM)获得，例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)、扫描源和类似装置。该显示包括元素(像素)的阵列，其通过准直透镜成像到无限远，并且借助于相应地作为非透视和透视应用的合路器的反射或部分反射表面而传输到观看者的眼睛中。通常，常规的自由空间光学模块被用于这些目的。随着系统的期望视场(FOV)的增加，这种常规的光学模块变得更大、更重和更笨重，并且因此，即使对于中等性能的装置来说，也是不实用的。这是所有类型的显示器的一个主要缺点，但尤其是HMD中的主要缺点，其中系统应尽可能地轻和紧凑。
对紧凑性的需求已导致若干不同的复杂光学解决方案，一方面，所有这些解决方案对于大多数实际应用来说仍然不够紧凑，并且另一方面，在可制造性、价格和性能方面存在重大缺陷。
公开号WO2017/141239、WO2017/141240、WO2017/141242、WO2019/077601、WO2020/157747和IL 276466中包含的教导通过引用结合于本文中。
发明内容
本发明有助于为HMD以及其他应用提供紧凑型基板。本发明允许相对宽的FOV以及相对大的眼动框(EMB)值。所得的光学系统提供了大的高质量图像，其也适应眼睛的大幅度移动。根据本发明的光学系统是特别有利的，因为它比现有技术的实施方式显著更加紧凑，而且它可很容易地结合，甚至结合到具有专门构造的光学系统中。
因此，本发明的一个广泛目的在于，根据特定需求，减轻现有技术的紧凑型光学显示装置的缺点，并提供具有改进性能的其他光学部件和系统，并且提供用于制造这种光学装置的方法。
根据本发明，提供了一种用于制造具有光波透射基板的光学装置的方法，所述光波透射基板具有至少两个主表面、边缘以及由所述基板承载的输出耦合输出反射元件，从而形成允许光波在所述两个主表面之间穿过所述基板的基板，所述方法包括：a.将选定厚度的多个平板附接到彼此，每个平板各自具有至少两个平行的主表面和两个边缘，所述多个平板布置成无限制的第一周期性叠置件，所述第一周期性叠置件具有平行于所述板的所述主表面的至少两个表面和边缘；b.将所述叠置件切片，以形成限定切片线的多个切片，其中，所述叠置件被定向成使得对于大多数叠置板，所述切片线穿越所述板的至少两个边缘；c.研磨或抛光所述切片，以形成具有两个主表面以及耦合输出反射元件的基板，其中，所述主表面彼此平行且不平行于所述耦合输出反射元件；以及d.将所述基板切割成最终尺寸。
附图说明
参考以下说明性附图结合某些优选实施例来描述本发明，使得可更全面地理解本发明。
详细地具体参考附图，要强调的是，所示细节仅作为示例，并且仅用于说明性地论述本发明的优选实施例的目的，并且被呈现以提供被认为是对本发明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述。在这方面，除了基本理解本发明所必需的细节之外，不试图更详细地示出本发明的结构细节。结合附图进行的描述用于指导本领域技术人员如何可在实践中实施本发明的多种形式。
在附图中：
图1是现有技术的示例性透光基板的侧视图；
图2是另一现有技术的示例性透光基板的侧视图；
图3A和3B图示了对于两个入射角范围用于现有技术的示例性透光基板中的选择性反射表面的期望反射率和透射率特性；
图4图示了对于示例性介电涂层根据入射角的反射率曲线；
图5A、5B和5C图示了具有耦合输入(coupling-in)和耦合输出(coupling-out)表面以及部分反射重定向元件的现有技术的透明基板的剖视图；
图6a-6e是图示了用于制造透明基板的现有技术方法的示图；
图7a-7e是图示了用于制造重定向元件的现有技术方法的示图；
图8a-8e是图示了用于制造重定向元件的另一种方法的示图；
图9a-9g是图示了根据本发明的用于制造多个透明基板的方法的示图；
图10a-10g是图示了根据本发明的用于制造多个透明基板的另一种方法的示图；
图11a-11g是图示了根据本发明的用于制造多个重定向元件的方法的示图；
图12e-12h是图示了根据本发明的用于制造多个重定向元件的另一种方法的示图；
图13A、13B和13C是具有单个耦合输出元件、中间棱镜、重定向元件和显著小于输出孔径的输入孔径的现有技术的基板引导实施例的示意性剖视图；
图14是根据本发明的具有单个耦合输出元件、中间棱镜和延伸的重定向元件的基板引导实施例的示意性剖视图；
图15是根据本发明的具有单个耦合输出元件、中间棱镜和延伸的重定向元件的基板引导实施例的另一个示意性剖视图；
图16A和16B是根据本发明的具有单个耦合输出元件、中间棱镜和延伸的重定向元件的基板引导实施例的又其他的示意性剖视图；以及
图17是根据本发明的具有空白透明板、耦合棱镜和延伸的重定向元件的基板引导实施例的示意性剖视图。
具体实施方式
图1图示了现有技术的透光基板的剖视图，其中，第一反射表面16由从显示源4发出并且由位于源4和装置的基板20之间的透镜6准直的准直光波12照明。反射表面16反射来自源4的入射光，使得光波通过全内反射被捕获在平面基板20内。在从基板20的主表面26、27的若干次反射之后，被捕获的光波到达部分反射元件22，该部分反射元件22将光从基板中向外耦合到位于输出光瞳25内的观看者的眼睛24中。此处，基板20的输入孔径17被定义为输入光波进入基板所通过的孔径，并且基板的输出孔径18被定义为捕获的光波离开基板所通过的孔径。在图1中所示的基板的情况下，输入和输出孔径两者都与下表面26重合。然而，也设想了其他构造，其中来自移置源4的输入和图像光波位于基板的相对侧上，或者位于基板的边缘中的一个上。如所示，相应地近似为耦合输入元件16和耦合输出元件22在主表面26上的投影的输入孔径和输出孔径的有效区域彼此相似。
在HMD系统中，需要EMB的整个区域都被从显示源发出的所有光波照明，以使观看者的眼睛能够同时看到投影图像的整个FOV。结果，系统的输出孔径应相应地扩展。另一方面，需要光学模块应轻且紧凑。由于准直透镜6的横向范围由基板的输入孔径的横向尺寸决定，因此期望输入孔径应尽可能小。在例如图1中所示的系统中，其中，输入孔径的横向尺寸与输出孔径的横向尺寸相似，在这两个需求之间存在内在矛盾。基于这种光学架构的大多数系统都存在EMB小、可实现的FOV小以及成像模块大且笨重的问题。
图2中图示了至少部分地解决该问题的一个实施例，其中，从基板耦合输出光波的元件为部分反射表面22a、22b等的阵列。这种构造的输出孔径可通过增加嵌入基板20内的部分反射表面的数量来扩展。因此可以设计和构造具有小输入孔径以及大输出孔径的光学模块。如可以看到的，捕获光线从两个不同方向28、30到达反射表面。在该特定实施例中，捕获光线在从基板主表面26和27偶数次反射之后从这些方向中的一个28到达部分反射表面22a，其中，捕获光线与反射表面的法线之间的入射角为βref。
捕获光线在从基板表面26和27的奇数次反射之后从第二方向30到达部分反射表面22b，其中，捕获光线与反射表面的法线之间的入射角为βref'。
如图2中进一步图示的，对于每个反射表面，每个光线首先从方向30到达该表面，其中，一些光线再次从方向28照射到该表面上。为了防止不期望的反射和鬼像，重要的是，对于具有第二方向28的照射到表面上的光线，反射率可忽略。
先前在上文提及的公布中提出了针对该要求的解决方案，该解决方案利用薄膜涂层的角度敏感性。如果一个角度显著小于另一个角度，则可实现两个入射方向之间的期望区分。可以提供在高入射角下具有非常低反射率而对于低入射角具有高反射率的涂层。通过消除这两个方向中的一个上的反射率，可利用此属性来防止不期望的反射和鬼像。
现在具体参考图3A和3B，这些附图图示了部分反射表面34的期望反射行为。当具有βref的离轴角的光线32(图3A)被部分反射并从基板20中向外耦合输出时，相对反射表面34以β'ref的离轴角到达的光线36(图3B)被透射通过反射表面34，而没有任何明显的反射。
图4图示了对于具有波长λ＝550nm的S偏振光该特定系统的典型的部分反射表面的根据入射角的反射率曲线。对于全色显示器，相关可见光谱中的所有其他波长都应实现类似的反射率曲线，对于大多数显示源而言，该波长通常在430nm和660nm之间。在该图中存在两个显著区域：65°和85°之间，在那里反射率非常低；以及10°和40°之间，在那里反射率随着入射角的增加而单调增加。如在图3和图4中可以看到的，图2中所示实施例的部分反射表面22的所要求的反射行为不是常规的。此外，为了在较高角度区域处保持低反射率，较低角度区域处的反射率不能高于20％-30％。此外，为了在整个FOV上实现均匀的亮度，要求部分反射表面的反射率将朝向基板的边缘逐渐增加。因此，最大可实现效率相对低，并且通常无法超过10％。
图5A和5B图示了用于克服上述问题的实施例。替代使用单个元件(图2中的22，或图5中的50)，该单个元件执行将光波从基板20中向外耦合输出以及将光波引导到用户的眼睛24中的双重功能，所要求的功能被分成两个不同的元件；即，嵌入基板内的一个元件将光波从基板中向外耦合输出，而位于基板外的第二常规部分反射元件将光波重定向到观看者的眼睛中。如图5A中所示，来自从显示源发出的平面光波并由透镜(未示出)准直的两个光线63(虚线)相对于基板的主表面70、72以αin (0)的入射角通过输入孔径86进入具有两个平行主表面70和72的光透明基板64。所述光线照射到反射表面65上，该反射表面65与基板的主表面成角度αsur1倾斜。反射表面65反射入射光线，使得这些光线通过来自主表面的全内反射被捕获在平面基板64内。为了区分捕获的光波的各种“传播阶次”，上标(i)将表示阶次i。以零阶照射到基板上的输入光波由上标(0)表示。在从耦合输入反射表面的每次反射之后，捕获光线的阶次从(i)增加1到(i+1)。一次的捕获光线与主表面70、72的法线之间的离轴角αin (1)为：
在从基板的表面的若干次反射之后，捕获光线到达第二平坦反射表面67，其将光线从基板中向外耦合输出。假定表面67相对主表面与第一表面65以相同的角度倾斜，也就是说，表面65和67平行并且αsur2＝αsur1，则耦合输出光线与基板平面的法线之间的角度αout为：
因此，耦合输出光线以与入射光线相同的角度相对基板倾斜。到目前为止，耦合输入光波的行为类似于图1中所示的光波。然而，图5A图示了不同的行为，其中，与光线63具有αin (0)的相同入射角的两个光线68(点划线)照射到反射表面65的右侧上。在从表面65的两次反射之后，光波通过全内反射被耦合在基板64内，并且基板内的捕获光线的离轴角现在为：
在从基板的主表面若干次反射之后，捕获光线到达第二反射表面67。光线68从耦合输出表面67反射两次。然后，该光线以与其他两个光线63相同的离轴角αout从基板耦合输出，这两个光线63仅从表面65和67反射一次，该离轴角也是这四个光线在基板主平面上的相同入射输入角。尽管所有四个光线都以相同的离轴角照射并从基板中向外耦合输出，但它们之间存在实质性差异：在反射表面65的右侧上入射的两个光线68更靠近基板64的右边缘66，从表面65和67反射两次，并且在表面67的左侧处从基板耦合输出，这更靠近基板的相对的左边缘69。另一方面，在反射表面65的左侧上入射的两个光线63更靠近基板64的中心，并且从表面65和67反射一次，并且在表面67的右侧处从基板耦合输出，这更靠近基板的中心。
如图5A和5B中进一步图示的，可通过添加部分反射表面79来调整图像的倾斜角αout，该部分反射表面79以αred的角度相对基板的表面72倾斜。如所示，图像被反射和旋转，使得它再次基本法向于基板的主表面通过基板，并且通过基板的输出孔径89到达观看者的眼睛24。为了最小化失真和色像差，优选将表面79嵌入重定向棱镜80中，并用第二棱镜82完成基板64的形状，这两者由相同材料制成，该材料不必与棱镜80的材料相似。为了最小化系统的厚度，如图5B中所示，可以用平行的部分反射表面79a、79b等的阵列来代替单个反射表面79，其中部分反射表面的数量可根据系统的需求确定。将耦合输出光波重定向到观看者的眼睛中的另一种方法是使用以亚波长尺度图案结构化的平坦超表面(meta-surface)。
图6a-6e图示了用于制造主透明基板64的现有技术方法。如x-z平面的侧视图中所示，用适当的光学涂层142涂覆(步骤(a))(如果需要)的多个透明平板141使用适当的光学粘合剂黏结在一起，以便产生叠置形式143(步骤(b))。然后，若干个部段144(步骤(c))通过切割从叠置形式切下，被研磨和抛光，以产生期望的基板146(步骤(d))。如x-y平面的顶视图中所示，可从每个切片146切下若干个元件148(步骤(e))。图6a-6e图示了用于制造仅具有两个反射表面65和67的基板的方法。对于其他实施例，例如重定向元件80，其中大量反射表面被嵌入基板内，因此应将大量平板添加到制造过程。
如示出了x-z平面的侧视图的图7a-7e中所示，以适当的分束涂层涂覆(步骤(a))的多个相同的部分反射平板150使用适当的光学粘合剂在两个透明板152、154之间黏结在一起，以便产生叠置形式156(步骤(b))。通常，板150的数量与重定向元件80中的部分反射表面的数量相同。然后从叠置形式切下若干个部段158(步骤(c))。重定向元件的最终尺寸通过切割步骤(d)、研磨和抛光来设置，以产生期望的基板162(步骤(e))。图7图示了用于具有四个部分反射元件79的重定向元件的制造方法。然而，对于具有大输出孔径和薄的重定向元件80的系统，需要在元件80中嵌入数量多得多的部分反射表面79。
图8a-8f图示了用于制造重定向元件80的替代性方法。如x-z平面的侧视图中所示，以适当的分束涂层涂覆(步骤(a))的多个相同的部分反射平板164使用适当的光学粘合剂黏结在一起，以便产生叠置形式166(步骤(b))。多个相同的叠置件166i(i＝a,b,c...)使用适当的光学粘合剂在两个透明板167、168之间以错列布置结构黏结在一起，以便产生叠置形式170(步骤(c))。通常，叠置件170中的板164的数量与重定向元件80中的部分反射表面的数量相同。然后从叠置形式切下若干个部段171(步骤(d))。重定向元件的最终尺寸通过切割步骤(d)、研磨和抛光来设置，以产生期望的基板172(步骤(e))。
在图6a-6e至图8a-8f中所示的所有实施例中，可叠置的板的数量受最终元件中的反射表面的数量限制。在图6a-6e中，叠置板的数量为n+1，而在图7a-7e至图8a-8f中其为n+2，其中n为最终元件中的反射表面的数量。这种对叠置板的数量的限制限制了由单个叠置件产生的元件的数量。通常，由于该限制，通常为线锯机的常规的切片装置可容纳比可实现的尺寸大得多的叠置件。结果，图6a-6e至图8a-8f中所示的制造方法的总产量显著受限。
为了提高制造方法的产量，需要将板的叠置件布置成周期性无限制的结构。也就是说，结构不应受限于基板中的反射表面的数量，而是替代地由切片装置的整体容量决定。叠置件的结构通常也应是周期性的，以使切片装置的线能够均匀布置。
图9a-9g图示了用于制造主透明基板64的改进方法。如x-z平面的侧视图中所示，具有至少两个边缘101和两个主平行表面102并且以适当的光学涂层涂覆(步骤(a))(如果需要)的多个透明平板174使用适当的光学粘合剂黏结在一起，以便形成叠置形式175(步骤(b))。根据切片装置的容量，叠置件175可包含任何数量的板174。可选地，两个棱镜176a和176b可被黏结到叠置件175的下主表面和上主表面104，以简化叠置件在切片装置内的定位。然后从叠置形式切下若干部段178(阴影线，步骤(c))。可从每个板174切割包含基板64(图5A-5C)的内部结构的单个切片179(虚线)(步骤(d))。基板的最终尺寸通过在180处切断(步骤(e))、研磨和抛光来设置，以形成基板182的期望横向尺寸(步骤(f))。如x-y平面的顶视图中所示，可从每个切片179切下若干元件183(步骤(g))。虚线表示切割轮廓，而点划线表示倾斜的耦合输入表面65和耦合输出表面67与基板64的主表面70和72的相交处。在这里所示的具体示例中，八个板被黏结在一起，以形成叠置件175。因此，形成该叠置件的板的数量显著大于反射耦合输出表面67的数量，后者仅为一个。显然，多得多数量的板可一起叠置成叠置件175。为了简化叠置件在切片装置内的定位，放置在装置的表面旁边的棱镜176a、176b(图9b)的外表面177a、177b应相对于板174的主表面以角度αsur1倾斜。
图6和图7中所示的现有技术的叠置方法与图9中所示的所提出方法之间存在一些显著差异：
1.在图6和图7中所示的现有技术方法中，板以交错结构布置，以增加过程的产量。在图9所提出的方法中，除了两个主表面104U、104L之外，板174的边缘101被对齐在一起，以形成至少两个主平坦侧面105R、105L。
2.在图9中所示的所提出方法中，叠置件被定向成使得切片线107在其两个主侧面105R、105L之间穿过叠置件。在现有技术方法中，切片线或者从叠置件的左上边缘对角地穿过到右下边缘(图6)，或者穿过其主表面(图7)。
3.在图9中所示的所提出方法中，叠置件175被定向成使得切片线107穿过所有叠置板174的至少两个边缘101。可能存在切片线107将仅穿过一个边缘的构造，这通常在两个最外部的板中。然而，对于大多数板，两个相对的边缘被切片线穿越。在图6中所示的现有技术方法中，切片线仅穿越上板的左边缘和下板的右边缘，但不穿过中间板的边缘。在图7中所示的现有技术方法中，切片线仅穿过叠置件的主表面，并且根本不穿过板的边缘。
4.为了保持叠置件175的周期性结构，两个相邻的切片线107之间的距离是恒定的并且与板174的厚度成比例。在现有技术方法中，这两个参数之间没有这样的联系。
5.如图9中所示，对于所有叠置板174，切片线107基本上在相同的位置108处穿越板边缘101。
在图9a-9g中所示的制造方法中，叠置件175可沿z和y维度完全占据切片装置。然而，可以通过沿x轴扩大叠置件来进一步提高该制造方法的产量。图10a-10g图示了用于制造主透明基板64的另一种方法。如x-z平面的侧视图中所示，用适当的光学涂层涂覆(步骤(a))(如果需要)的多个透明平板184使用适当的光学粘合剂黏结在一起，以便实现叠置形式185(步骤(b))。每个板184沿x轴的尺寸比板174的尺寸长得多(图9a)。根据切片装置的容量，叠置件185可包含任何数量的板184。可选地，两个棱镜186a和186b可被黏结到叠置件185的边缘，以便简化叠置件185在切片装置内的定位。然后从叠置形式切下若干个部段188(步骤(c))。可从每个板184切割包含至少两个基板64的内部结构的单个切片189(图10d)(步骤(10d))。基板的最终尺寸通过在190处切断(步骤(e))、研磨和抛光来设置，以形成期望的基板192(步骤(f))。如x-y平面的顶视图图10(e)中所示，可从每个切片189切下若干元件193(步骤(g))。与其中可从每个切片179切下沿元件183的y轴的一维阵列的图9a-9g中所示的方法不同，可从每个切片189切下沿元件193的x和y轴的二维阵列。
图11a-11g图示了用于制造重定向元件80(图5A-5C)的改进方法。如x-z平面的侧视图中所示，多个透明平板，包括2n+1个板的交错布置结构，包括n+1个双面涂覆板195和n个未涂覆板196(步骤(a))，使用适当的光学粘合剂黏结在一起，以便产生初始叠置形式197(步骤(b))，两个相邻板之间的每个界面平面199包含一个且仅一个部分反射表面。初始叠置件197被黏结到空白板198(图11c)，以便实现中间叠置形式200(步骤(c))。多个相同的中间叠置件200i(i＝a,b,c...)以错列布置结构黏结在一起，以便形成包容性(inclusive)叠置形式202(步骤(d))。根据切片装置的容量，包容性叠置件202可包含任何数量的中间叠置件200。可选地，两个棱镜205a和205b(图11e)可被黏结到包容性叠置件202的边缘，以便简化叠置件在切片装置内的定位。然后从包容性叠置形式切下若干部段204(步骤(e))。可从每个部段204切割出包含重定向元件80的内部结构的单个切片207a、207b。用于元件80的每个部段的确切部分由切片在包容性叠置件202中的相对位置来确定。在位于切割线206上方的部段207a中，元件80(图5a-5c)由部分198b、197b和198c构成，而在位于切割线206下方的部段207b中，元件80由部分198c、197c和198d构成。重定向元件的最终尺寸通过切割208(步骤(f))、研磨和抛光来设置，以形成期望的基板210(步骤(g))。在这里所示的具体示例中，每个中间叠置件200包含2n+1个薄板195、196和2n+2个部分反射表面，这是重定向元件80中的部分反射表面79的数量。假定每个包容性叠置件202包含m个中间叠置件200，则包容性叠置件中的板195、196的总数为m·(2n+1)。因此，形成包容性叠置件的板的数量显著大于重定向元件80中的部分反射表面79的数量。
图12e-12h图示了用于制造重定向元件80的修改方法，其中，每个初始叠置件211和板212沿x轴的尺寸比图11a-11g中的初始叠置件197和板198的尺寸要长得多。这里，步骤a-d(该图中未示出)类似于图11(a)-11(d)中的步骤a-d。然后从包容性叠置形式218切下若干部段214(步骤(e))。可从每个部段214切出包含至少两个重定向元件80的内部结构的单个切片217a、217b。用于元件80的每个部段的确切部分由切片在包容性叠置件218中的相对位置确定。在位于切割线216上方的部段217a中，元件80由部分212a、211a、212b、211b和212c构成，而在位于切割线216下方的部段217b中，元件80由部分212b、211b、212c、211c和212d构成。重定向元件的最终尺寸通过切割219(步骤(f))、研磨和抛光来设置，以产生期望的基板220(步骤(g))。如x-y平面的顶视图中所示，可从每个切片214切下元件222的沿x轴和y轴的二维阵列(步骤(h))。虚线表示切割轮廓，而点划线表示边缘分束表面79(图5A-5C)与重定向元件80的主表面的相交处。每个最终重定向元件222包括非有效区段226和有效区段228，该有效区段228包含2n+2个部分反射表面79i(i＝1...2n+2)，这些部分反射表面79i将耦合输出的光波重定向到观看者的眼睛中。
重定向元件80的确切切割位置219并不是至关重要的，只要有效区段228将耦合输出光波从耦合输出元件重定向到输出孔径89(图5A-5C)的整个区域中。此外，区段226和228之间的边界229通常被设置为从耦合输出元件67反射的边缘光线与基板的下表面70的相交处。然而，存在如下系统，如其中所示，其中切割位置229的确切位置是关键的，并且其中有效区段228可延伸超过上述限制。
图13A图示了从EMB 100朝向基板64的输入光瞳86'的三个光波的现有技术的追溯。如所示，左边缘光波307L、中央光波307M和右边缘光波307R分别通过输入光瞳86'并照射到基板64的下表面72上。这些光波进入基板并通过耦合输入表面65。由于输入光波的入射角相当小，并且AR涂层被施加在表面65处，因此来自该表面的光波的反射率将可忽略。离开基板64的光波通过其附接到基板的上表面70的下表面316进入中间棱镜314，从反射表面318被反射，并且以αin (0)的输入角通过输入孔径86重新进入基板64。光波现在照射到耦合输入表面65上，从而具有αin (0)+αSur1的入射角，该角度高于临界角并且在基板内耦合。光波307L(点划线)照射到表面65的右侧部分上，被捕获在基板内，从而在从表面65的三次反射之后具有离轴角αin (3)，并且在从表面67的三次反射之后从基板耦合输出，其中，将光波从基板中向外耦合输出的第三次反射处于表面67的左侧部分处。光波307M(点线)照射到表面65的中央部分上，被捕获在基板内，从而在从表面65的两次反射之后具有离轴角αin (2)，并且在从表面67的两次反射之后从基板耦合输出，其中，将光波从基板中向外耦合输出的第二次反射处于表面67的中央部分处。光波307R(点线)照射到表面65的左侧部分上，被捕获在基板内，从而从表面65的一次反射之后具有离轴角αin (1)，并且在从表面67的右侧部分的一次反射之后从基板耦合输出。耦合输出光波被重定向元件80部分地反射，重新进入基板，通过耦合输出表面67，通过输出孔径89离开基板，并且照射到EMB 100上。
如关于公布WO2020/157747的图13A-13D所图示和解释的，输入光瞳86'的横向区域显著小于输出孔径89的横向区域。尽管如此，对于具有宽FOV的系统，有时需要在不增加输入光瞳的情况下甚至更多地扩展输出孔径。在图13A-13C中所示的实施例中，通过从耦合输出元件67的右边缘67R追踪边缘右光线307R到下表面70中，来设置元件80的有效区段的右边缘79R。输出孔径89的右边缘89R通过追踪该光线到上表面72来设置。随后，基板的输出孔径89的范围Sout受如下关系限制：
Sout＜d·cot(αSur1) (4)
其中，d是基板的厚度，并且因此，方程(4)的右项是耦合输出元件67在基板64的主表面70、72上的投影。结果，所述有效区段和输出孔径显著小于该投影。从方程(4)可推断出，输出孔径以及因此EMB将通过减小αsur1来扩展。在这种情况下，耦合光波的可获得FOV也将减小。也可以通过增加基板的厚度来增加输出孔径，但输入孔径也将相应地增加。另外，通常需要基板将尽可能薄。
在图13A中所示的实施例中，光波307R、307M和307L在从表面65被反射一次、两次和三次之后被耦合，并且相应地具有第一、第二和第三传播阶次而在基板64内传播。
图14图示了通过还利用引入光波的至少一部分的零阶来增加输出孔径89而不修改基板64的结构的方法。如所示，已将k个更多的部分反射表面79i(i＝j+1,..,j+k)添加到重定向元件80。平行于光波307R的光线307Rn(实线)以αin (0)(max)的最大输入角通过输入孔径86进入基板64。光线在表面65和72之间的相交线65L的左侧照射到下表面72上。结果，光线307Rn没有被表面65反射。然而，对于具有宽FOV的系统，αin (0)(max)可高于临界角，并且因此，其通过全内反射耦合并在基板64内传播，从而具有零阶αin (0)(max)。光线在没有被表面67反射的情况下进入重定向元件80，被重定向表面79j+k部分地反射并重新进入基板。光线307Rn现在不通过耦合输出表面65。其在相应地位于输出孔径89和耦合输出元件67的边缘89R和67R右侧的点89Rn处离开基板。光线在位于EMB 100的先前的右边缘100R右侧的点100Rn处照射到EMB 100的平面上。结果，在方程(4)中给出的限制不再有效。重定向元件80的有效区段和输出孔径89显著大于耦合输出元件67在主表面70、72上的投影。如所示，输出孔径89已通过两个交叉点89R和89Rn之间的距离得到显著扩展。此外，EMB已扩展相同的范围，即100R(EMB的先前的边缘)与100Rn之间的距离。
如所示，EMB 100已通过使用耦合光波的至少一部分的零传播阶次并增加重定向元件的有效区段而得到显著增加。对于公布WO2020/157747的第19页第1-10行所示的示例，EMB扩展了超过5mm。可替代地，输出孔径可保持在相同的范围，并且替代地，可减小基板的厚度d，可增加系统的出瞳距离，或者可增加耦合输入元件65的倾斜角αSur1，以扩展系统的FOV。一般而言，输出孔径、基板厚度和FOV的确切值将根据系统的具体需求来设置。
如图14中所示，重定向元件80的有效区段已通过添加k个其他部分反射表面79i(i＝j+1,...,j+k)而得到扩展。然而，这种扩展不是无限的。这些附加表面不仅反射边缘光波309R，而且还反射位于αin (0)(max)-δ和αin (0)(max)之间的光谱范围内的光波的连续谱(continuum)δ。如图15中所示，为EMB向后追踪的光线320被部分反射表面79j+1反射，并具有αin (0)(max)-δ的零阶传播方向而在基板内耦合。光线正好在耦合输出表面79的右边缘67R的右侧照射到上表面72上。它继续以相同的角度传播并在点322处照射到下表面70上。至关重要的是，光线将不会再次进入元件80。否则，光线将再次被部分反射，并且图像将会失真。结果，重定向元件80在点322处不能是有效的，并且有效补充部(active supplement)限于k个元件79i(i＝j+1,...,j+k)。因此，该补充部的范围Δ限于：
另外，点322处的基板64与元件80之间的界面表面323对于零阶传播的光波必须是全反射的。另一方面，如所示，反射光线307Rn在就位于点322左侧的点321处进入基板64。因此，在该点处界面表面对于零阶传播的光波应是透射的。随后，在点321和322之间的界面表面中应存在不连续性。
图16A中图示了实现所要求的不连续性的一种可能方法。如所示，元件80已在点321和322之间被切割。因此，点322处的界面处于基板64与空气之间。该点处的临界角比以前小很多，并且所有零阶光波按要求从下表面72全反射。结果，相应地在图11(f)和12(g)中所示的切割线208和219应位于计算的点321和322之间。所提出的方法的主要问题在于其不适于其中外部元件被黏结到基板的外表面70、72的系统。这些外部元件可为眼科镜片或保护层。在这种情况下，黏结过程将消除表面72的暴露部分处的玻璃-空气界面并终止基板内的零阶传播光波的全内反射。
图16B中图示了一种替代性方法。如所示，重定向元件80在位于点321和322之间的线处被切割成两个区段324、325。这两个部分在下表面70处一起黏结到基板64，但使用两种不同的光学粘合剂黏结。使用对于耦合输入光波的零阶角透明并且对于一阶传播波全反射的光学粘合剂来黏结有效区段324。使用反射零阶传播光波的光学粘合剂，将非有效区段325与区段324相邻地黏结到表面72，从而限定新的界面表面326。通常，这种粘合剂的折射率没有下限。对于上文给出的示例，具有1.48和1.40的折射率的光学粘合剂Norland NOA-148和Norland NOA-140相应地是界面表面323和326的良好候选者。
在图15-16中所示的实施例中，大部分光线相应地通过从耦合输入表面65和耦合输出表面67的反射来耦合进出基板64。光波307R、307M和307L相应地从表面65和67反射一次、两次和三次。其他光线307Rn和320在与这些表面没有相互作用的情况下耦合进出基板，并且在具有零阶传播阶次的情况下耦合在基板内。然而，存在如下系统，其中优选只使用零阶。如图17中所示，基板330是不包含内反射表面的简单空白透明板。光波331R、331M和331L从折叠棱镜333的反射表面332反射并直接耦合到基板中。光波从上表面72和界面表面326反射。当它们照射到界面表面323上时，它们进入元件80的有效区段324并且从表面79i部分反射。光波通过基板330并到达EMB 100。通常，图17中所示的实施例适于具有有限FOV和小EMB的系统，但它们的结构简单，从而使它们适于不昂贵的凹陷部(niche)。
对于本领域技术人员来说将显而易见的是，本发明不限于前面图示的实施例的细节，并且本发明可在不脱离其精神或基本属性的情况下以其他特定形式实施。因此，当前的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是由前述描述指示，并且因此，落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化都旨在包含在其中。

Claims (20)

1.一种用于制造具有光波透射基板的光学装置的方法，所述光波透射基板具有至少两个主表面、边缘以及由所述基板承载的输出耦合输出反射元件，从而形成允许光波在所述两个主表面之间穿过所述基板的基板，所述方法包括：
a.将选定厚度的多个平板附接到彼此，所述多个平板各自具有至少两个平行的主表面和两个边缘，所述多个平板布置成无限制的第一周期性叠置件，所述第一周期性叠置件具有平行于所述板的所述主表面的至少两个表面和边缘；
b.将所述叠置件切片，以形成限定切片线的多个切片，其中，所述叠置件被定向成使得对于大多数叠置板，所述切片线穿越所述板的至少两个边缘；
c.研磨或抛光所述切片，以形成具有两个主表面以及耦合输出反射元件的基板，其中，所述主表面彼此平行且不平行于所述耦合输出反射元件；以及
d.将所述基板切割成最终尺寸。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述耦合输出元件包括相对于所述主表面以第一角度倾斜的至少一个反射表面的阵列。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述叠置件中的所述板的数量不受所述基板中的所述反射表面的数量限制。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述叠置件中的所述板的数量显著大于所述基板中的所述反射表面的数量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，从单个切片切下至少四个基板的至少二维阵列。
6.根据权利要求2所述的方法，还包括具有至少第一表面和第二表面的至少一个棱镜，其中，所述第一表面被黏结到所述第一叠置件的边缘。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二表面相对于所述第一表面以第二角度倾斜，所述第二角度与所述第一角度相似。
8.根据权利要求2所述的方法，还包括制造重定向元件，以用于将来自所述基板的耦合输出光波重定向到观看者的眼睛中：
e.将具有两侧的多个平板附接到彼此，所述多个平板布置成具有至少两个边缘的无限制的第二周期性叠置件；
f.将所述叠置件切片，以形成切片；
g.研磨或抛光所述切片，以形成具有两个主表面以及彼此平行且不平行于所述主表面的多个部分反射表面的重定向元件；
h.将所述重定向元件切割成所述最终尺寸；以及
i.将所述重定向元件黏结到所述基板的所述主表面中的一个。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述板的至少一部分未涂覆，并且所述板的至少另一部分被部分反射涂层双面涂覆。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，未涂覆的和双面涂覆的板在所述叠置件中以交错布置结构布置，从而形成两个相邻板之间的界面平面。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，每个界面平面包含单独的部分反射表面。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述重定向元件包括非有效区段和有效区段，所述有效区段包含将所述耦合输出光波重定向到所述观看者的眼睛中的多个部分反射表面，所述有效区段显著大于所述耦合输出反射元件在所述基板的所述主表面上的投影。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述非有效区段和所述有效区段使用两种不同的光学粘合剂来黏结到所述基板的主表面。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，耦合光波的至少一部分被重定向到所述观看者的眼睛中，而不被所述耦合输出元件反射。
15.根据权利要求8所述的方法，其中，多个相同的第二叠置件以错列布置结构黏结在一起，以便形成包容性叠置件。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括耦合输入反射表面，所述耦合输入反射表面嵌入所述基板内，相对于所述主表面以第三角度倾斜，所述第三角度与所述第一角度基本上相似。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述叠置板的至少两个边缘对齐在一起，以形成所述叠置件的至少两个主平坦侧。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述叠置件被定向成使得所述切片线在所述两个主平坦侧之间穿过所述叠置件。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，两个相邻的切片线以恒定距离隔开，并且与所述板的厚度成比例。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，对于所有所述叠置板，所述切片线基本上在相同的位置处穿越所述板的边缘。
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