CN117310920A - 用于边缘密封剂和层压坝的光学装置通气间隙 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例涉及一种光学装置，例如目镜，其包括多个波导层。光学装置可以包括用于减少光污染的边缘密封剂、限制光学装置的层之间的边缘密封剂的芯吸的层压坝、以及允许在目镜的外部与内部之间的空气流动的位于密封剂与坝中的通气间隙。间隙允许从具有未反应的聚合物和/或累积的水分的目镜的内部排气，以防止由排出的化学物质与目镜层的(例如，离子、酸性等)表面的化学反应引起的缺陷累积。间隙还防止可能随时间而物理地使目镜变形的压力差。
Description
本申请是申请日为2019年07月22日、申请号为201980049076.4、名称为"用于边缘密封剂和层压坝的光学装置通气间隙"的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月23日提交的名称为“OPTICAL DEVICE VENTING GAPS FOREDGE SEALANT AND LAMINATION DAM(用于边缘密封剂和层压坝的光学装置通气间隙)”的美国专利申请No.62/702,215以及于2018年7月23日提交的名称为“OPTICAL DEVICEVENTING GAPS FOR EDGE SEALANT AND LAMINATION DAM(用于边缘密封剂和层压坝的光学装置通气间隙)”的美国专利申请No.62/702,020的权益。
背景技术
在光学装置中，光可被引导和/或操纵以实现期望的效果。例如，在诸如在虚拟现实界面中使用的目镜的光学装置中，可见光可以被引导和/或操纵以提供由用户感知的图像数据。各种类型的光学装置可以在制造期间和/或之后经受测试，以确保装置根据期望的规范被制造和/或操作。例如，在一些类型的光学装置中，减少或消除装置外部的光的泄漏可能是有利的。
发明内容
本公开的实施例通常涉及具有一个或多个通气间隙的光学装置。更具体地，实施例涉及一种光学装置，例如包括多个光学层的目镜，该光学装置包括沿着光学装置的周边的至少一部分的边缘密封剂、限制边缘密封剂的芯吸的层压坝、以及允许在光学装置的内部与外部之间的空气流动的位于层压坝和边缘密封剂中的一个或多个通气间隙。当光学装置经受热和湿度条件(例如在大约80-100％相对湿度下在大约45-65摄氏度)时，由通气口提供的空气流动还允许未反应的聚合物残留物和水分从光学装置的层之间的区域逸出。
通常，本说明书中所描述的主题的创新方面可被包括在光学装置的一个或多个实施例中，该光学装置包括：多个光学层；边缘密封剂，其跨多个光学层沿光学装置的边缘布置，其中在边缘密封剂中存在一个或多个密封剂间隙；以及层压坝，其被布置在多个光学层中的每对相邻层之间以阻止在光学层之间且在距光学装置的边缘的一距离处的边缘密封剂的芯吸，其中在沿着边缘的一个或多个位置处，在层压坝中存在一个或多个坝间隙，该一个或多个位置中的每一者均与相应密封剂间隙的位置对应，以允许穿过一个或多个密封剂间隙和一个或多个坝间隙的在光学装置的内部与外部之间的空气流动。本说明书中描述的主题的创新方面可以被包括在包含光学装置的实施例的目镜的一个或多个实施例中。
一个或多个实施例可以可选地包括以下特征中的一个或多个。
在一些实施例中，一个或多个密封剂间隙位于光学装置的边缘的关键区域之外。
在一些实施例中，密封剂间隙中的一个或多个具有沿着光学装置的边缘的长度，该长度超过对应坝间隙的长度。
在一些实施例中，边缘密封剂、层压坝和多个光学层中的一个光学层中的表面中的一者或多者包括疏水材料或至少部分地由疏水材料构成。
在一些实施例中，沿着光学装置的边缘，一个或多个密封剂间隙中的至少一者至少部分地与一个或多个坝间隙中的对应一者重叠。
在一些实施例中，一个或多个密封剂间隙中的至少一者与一个或多个坝间隙中的对应一者共心。
在一些实施例中，边缘密封剂包括至少两个密封剂间隙，以及层压坝包括至少两个坝间隙。
在一些实施例中，多个光学层包括至少三个光学层。至少三个光学层包括用于引导红光的层、用于引导绿光的层、以及用于引导蓝光的层。
在一些实施例中，边缘密封剂吸收紫外辐射。
在一些实施例中，多个光学层中的至少一个光学层包括正交光瞳扩展器区域。
在一些实施例中，多个光学层中的至少一个光学层中的包括出射光瞳扩展器区域。
在一些实施例中，多个光学层中的至少一个光学层中包含光栅耦合区域。
在一些实施例中，一个或多个密封剂间隙和一个或多个边缘间隙允许在光学装置的内部与光学装置的外部之间的空气流动。
在一些实施例中，边缘密封剂防止穿过光学装置的边缘的在横向方向上从光学装置的内部到外部的光泄漏。
在一些实施例中，边缘密封剂防止光反射到目镜的内部中。
在一些实施例中，边缘密封剂的厚度在约430微米与约500微米之间的范围内。
在一些实施例中，边缘密封剂的在光学装置的边缘与层压坝之间的厚度为约350微米。
在一些实施例中，层压坝的宽度为约500微米。
在一些方面，目镜包括
应当理解，根据本公开的方面和特征可以包括本文所描述的方面和特征的任何组合。也就是，根据本公开的方面和特征不限于本文具体描述的方面和特征的组合，而且还包括所提供的方面和特征的任何组合。
在附图和下面的描述中阐述了本公开的一个或多个实施例的细节。根据描述和附图以及根据权利要求，本公开的其他特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1描绘了根据本公开的实施例的示例目镜的示意图。
图2描绘了根据本公开的实施例的示例目镜的一部分的示意图。
图3描绘了根据本公开的实施例的可被使用检查设备检查的示例光学装置的横截面示意图。
图4描绘了根据本公开的实施例的目镜中的示例坝布置。
图5描绘了示出诸如在没有通气口的情况下目镜的层的示例变形的示意图。
图6A和6B是根据本公开的实施例的分别示出在没有通气口的情况下和在具有通气口的情况下的目镜变形的扫描电子显微镜(SEM)图像。
具体实施方式
本公开的实施例涉及光学装置，诸如目镜，其包括用于减少光污染的边缘密封剂、限制光学装置的层之间的边缘密封剂的芯吸的层压坝、以及位于密封剂和坝中的允许从目镜的内部排气并且防止压力差发生的间隙。间隙可允许空气在目镜的内部与外部之间流动、防止可能另外由化学反应和/或压力差引起的缺陷和/或变形。
目镜可被构造成包括多层波导，如下所述。在目镜的制造期间，可沿着目镜的周边的至少一部分施加边缘密封剂(例如，聚合物)。随后可使用被引导在边缘密封剂处的紫外(UV)光来固化密封剂。目镜还可以被制造成包括层压坝，该层压坝在密封剂材料完全固化之前限制密封剂材料在目镜的层之间的芯吸超过特定深度。在一些示例中，边缘密封剂被施加到光学装置以防止或至少减少来自光学装置的光的泄漏，并且还确保且维持多层光学装置的结构。在一些示例中，光学装置是已被制造用于在虚拟现实、增强现实和/或计算机视觉界面装置中使用和/或将图像数据、视频数据、图形数据和/或其他类型的视觉可感知的信息传递给佩戴或以其他方式使用界面装置的用户的目镜。密封剂可被应用于吸收来自目镜的光，以及防止光反射回到目镜中且防止降低其光学性能。
可将密封剂施加到目镜的边缘的至少一部分，其中该施加跨目镜的整个厚度、跨多层目镜的所有层。一旦密封剂被施加到多层结构，密封剂开始在目镜的层之间芯吸。因此，密封剂的固化可以在密封剂施加完成之后不久(例如，紧接着)开始。各种因素可以有助于发生的芯吸量(例如，芯吸长度)，包括：用于密封剂的特定材料，及其粘度；固化开始之前的延迟；以及/或者进入的材料变化，诸如目镜中的层之间的气隙大小。例如，层之间的气隙越小，由于毛细管效应可能发生更多芯吸。在一些实施例中，固化和密封剂施加可以是一致的，使得密封剂的所有部分(例如，边缘的所有部分)可以具有相同或基本相同的芯吸时间。在一些实施例中，层压坝被布置在目镜的层之间以使密封剂的芯吸在特定深度处停止，如下文进一步描述的。
在一些实施例中，可以采用一个或多个(例如，紫外)光源(探针)来固化密封剂。例如，密封剂可以是当被暴露于UV光持续一段时间时固化的黑色UV敏感聚合物。密封剂的使用可增强目镜相对于亮度和/或对比度的光学性能，同时还向目镜的多层结构提供机械强度和结构完整性。
如果密封剂沿着整个目镜周边连续施加，而在密封剂和层压坝中没有任何间隙，则目镜的光学性能(例如，相对于对比度、效率等)可能由于缺陷的累积而随时间降低。当穿过密封剂和/或坝材料的排气产生的化学物质与存在于目镜中的化学物质(例如光学层的表面中的化学物质)反应时，可能引起这样的缺陷。缺陷可随时间累积到每个光学层的光学光栅上，导致目镜操作期间的光学像差(例如，双图像、模糊、伪影图像等)。此外，在没有间隙的情况下，由于海拔和/或温度变化引起的被捕获的气隙压力的差异，光学层可随着时间的推移而变形。这样的压力差可以在目镜的内部中的层之间和/或在目镜的内部与外部之间显现，并且可引起目镜结构的实质性机械变形。
实施例采用穿过坝和密封剂两者的一个或多个通气间隙，这允许在目镜的内部与外部之间的空气流动。通过使用间隙，实施例允许排出的化学物质流到目镜的外部，从而减少如上所述的光学光栅的污染。间隙还允许跨越层的和目镜的内部与外部之间的空气压力的平衡，从而减少或消除由随时间的压力差引起的机械变形。坝和密封剂中的间隙可以设置在沿着目镜的周边覆盖的坝和密封剂中基本上相同的位置处，以允许空气流动。例如，密封剂中的间隙可以与坝中的间隙共心或以其他方式重叠。在一些实施例中，与密封剂中的间隙的宽度相比，坝中的间隙的宽度可存在差异，如下面进一步描述的，以避免密封剂穿过坝中的间隙且到达目镜的内部中的芯吸。
测试和比较具有和不具有间隙的目镜，并且该测试验证使用间隙有助于减少光学层的光栅上的缺陷沉积，从而改善光学关键性能指标(KPI)，诸如对比度和效率。通过对没有通气口的目镜的机械模拟，确定了可以通过将内部与外部加压到海平面、然后将外部压力设置为在10,000英尺海拔处的空气压力、最后返回到海平面来使目镜的层变形多达95微米。这种变形可能在光学层之间引入串扰，从而引起光学显示器中的双图像或伪影图像。间隙的使用通过减少或防止目镜的缺陷沉积和基于压力的变形的示例来改善目镜性能。
在一些实施例中，用于层压坝和边缘密封粘合剂以及用于光学层的表面的材料可以是疏水的，以避免当存在间隙时在层之间可能另外发生的水冷凝。在一些实施例中，层压坝是在指定高度(例如，50微米，但取决于光学设计)的间隔物上分配的可固化光学胶。在一些实施例中，可固化胶包括间隔物珠本身。间隔物珠可以是玻璃或聚合物以匹配折射率要求和结构要求。
在一些实施例中，目镜包括聚合物胶和钠钙硅玻璃珠的悬浮液，其中存在玻璃珠以维持气隙以及维持光学装置的内部与外部之间的偏移。偏移由玻璃珠的尺寸限定，并通过减小翘曲和弯曲以及增加机械强度来增强层的机械性能。在一些实施例中，层压坝悬浮液在室温下具有等于或大于70,000厘泊(cP)的粘度。在一些实施例中，钠钙硅玻璃珠的尺寸等于或大于20微米。
图1描绘了根据本公开的实施例的示例目镜102的俯视图的示意图。如该示例中所示，目镜102可以包括各种目镜光栅区域，包括正交光瞳扩展器(OPE)区域104、出射光瞳扩展器(EPE)区域106和耦入光栅(ICG)区域108。目镜102可以包括围绕目镜102的周边的至少一部分的密封剂114(也被描述为边缘密封或边缘密封剂)，如上所述。目镜102还可以包括层压坝116(也被描述为坝)，其布置在目镜102的层之间以阻止可能在密封剂完全固化之前发生的密封剂材料的芯吸。目镜102可以包括位于密封剂114和坝116中的一个或多个通气间隙110(也被描述为间隙)，该间隙110允许在目镜102的内部与外部之间的空气流动。这样的流动可以允许在密封剂和/或坝材料的固化期间产生的气体的排气118，并且防止可能引起目镜层的物理变形的压力差的发生。
在一些实施例中，目镜102的周边的一部分可以被表征为关键区域112，其也被描述为关键光学路径。沿着关键路径，密封剂的存在沿着目镜102的边缘吸收光并且防止光学像差，如上所述。因此，间隙110可沿着不在关键区域内的位置处的周边定位，因为关键区域中的间隙可引起由于反射回到目镜中的光导致的光学像差。目镜102可以包括任何合适数量的间隙110，并且每个间隙110可以具有合适的长度。每个间隙110可以包括密封剂中的间隙和坝中的间隙。间隙110可以是在坝116和密封剂114两者中大致相同的位置和长度，以提供穿过坝116和密封剂114两者的足够的空气流动。在一些实施例中，间隙110的长度可以在坝116与密封剂114之间稍微不同，如下面进一步描述的。
图2描绘了根据本公开的实施例的示例目镜102的一部分的示意图。图2中所示的特定尺寸和公差(以毫米为单位)被提供作为示例，并且实施例不限于所示的示例尺寸和公差。虚线示出了密封剂114和坝116中的间隙110的定位的变化。图2示出了其中目镜102包括允许穿过密封剂114和坝116两者的空气流动的一个或多个间隙110的实施例。在一些实施例中，如该示例中所示，穿过密封胶114的间隙110的长度不同于穿过坝116的间隙110的长度。例如，穿过坝116的间隙110的长度可以小于穿过密封剂114的间隙110的长度。长度差可以用于抑制密封剂114穿过坝116中的间隙到达目镜102的内部中的芯吸。同样如图所示，密封剂114中的间隙110可以在目镜周边的关键区域之外的位置处开始。
在一个示例中，边缘密封和层压坝间隙在远离OPE顶部拐角4mm处共心。排气间隙大小可以是3mm，并且可以在1mm的最小值与5mm的最大值之间变化。层压通气间隙可以被定位成具有指定为±1mm的准确度，以及边缘密封通气间隙可以被定位成具有指定为±2mm的准确度。在一些实施例中，可以基于层压坝通气间隙大小来确定边缘密封通气间隙大小。边缘密封通气间隙可以从层压坝通气间隙的边缘具有1mm安全区域，以防止密封剂泄漏到坝通气间隙中。边缘密封可保持在关键区域或关键光学路径内(例如，具有由OPE光栅的延伸线与如点划线所描绘的玻璃边缘的相交限定的端点)，从而避免在关键区域中存在间隙。
图3描绘了根据本公开的实施例的示例光学装置102(例如，目镜)的横截面示意图300。所示的视图是示例目镜的横截面。如图所示，目镜可以包括多个层302，每个层提供用于特定波长带的光的波导。例如，不同层可被设计为引导红光、绿光或蓝光。边缘密封剂114可被施加到如图所示的目镜的边缘，以试图防止在穿过边缘的横向方向上从目镜的内部到外部的光泄漏310。边缘密封剂114还可防止光反射回到目镜的内部。边缘密封剂114可以被施加为具有适当的厚度306，并且可以渗透(通过芯吸)到目镜中、到层302之间、到适当的深度308。目镜可以由堆叠中的多层(例如，高折射率)玻璃构成。坝116也可用于使密封剂114的芯吸停止。如示例所示，坝116可被布置在层302之间在相对于目镜102的边缘的特定深度308处，以使密封剂114的芯吸在深度308处停止。
本文中所描述的通气间隙可用于任何合适类型的光学装置中。在一些示例中，目镜可以被至少部分地使用由Molecular ImprintTM开发的喷射和闪压印技术(J-FILTM)来创建。J-FIL技术可用于在目镜的玻璃层上创建衍射光栅以创建波导显示器。每个层可以是玻璃薄层，该玻璃薄层具有使用J-FIL在其表面上创建的聚合物光栅。衍射光栅可以提供目镜的基本工作功能。一旦衍射光栅形成在大的宽玻璃层上，玻璃层就可以被激光切割成目镜的形状。每个玻璃层可以是不同的颜色，并且可以存在多个深度平面。较大数量的平面可以为使用目镜的用户提供更好的虚拟体验。可以使用密封剂聚合物(例如，胶点或线)来堆叠层，并且可以使用密封剂密封整个堆叠。可保留层之间的气隙以用于目镜的光学性能。层之间的间隙可以具有受控的尺寸(例如，基本上均匀的宽度)。边缘密封剂聚合物可以围绕分层结构的边缘施加以密封堆叠和来自外部环境的气隙。边缘密封胶还提供物理锁以确保结构的机械完整性，同时防止外部颗粒污染和/或降低水分累积的可能性。在没有这种密封的情况下，这些层可能彼此分离和分层。层之间的间隙可具有任何合适的宽度，以实现期望的光学功能。
密封剂的使用使能通过吸收撞击目镜层的边缘的杂散光来创建高对比度目镜。密封剂还提供结构完整性，用于(例如，“锁定”)目镜的机械间隙和共面性。目镜可具有任何合适数量的玻璃或其它材料的层302，且每个层可充当波导以允许各种频率的光通过。层可以被配置用于特定波长，以便传播特定颜色的光，并且目镜可以被配置用于特定光焦度(optical power)，以创建多个深度平面，在该多个深度平面处可以通过波导感知光。例如，第一组波导层可以包括在第一深度平面处的用于红色、绿色和蓝色的层，以及第二组波导层可以包括与第二深度平面对应的用于红色、绿色和蓝色光的第二组层。颜色的次序可在不同深度平面中不同地布置以实现目镜中的期望的光学效果。在一些实施例中，单个(例如，蓝色)层可以覆盖多个深度平面。在一些示例中，边缘密封剂可以是胶、树脂、聚合物密封剂、墨水和/或其他粘性材料。边缘密封剂可以是黑色的。使多层目镜的边缘变黑可以引起照射在边缘上的光的吸收和/或提供撞击在边缘上的光的减少的反射。
图4描绘了根据本公开的实施例的目镜中的示例坝布置。所示的单位是微米。例如，密封剂从玻璃的边缘的厚度可以是80-150微米，并且密封剂的芯吸深度可以是350微米直到坝使芯吸停止。坝可以是500微米宽，并且通过650微米宽的间隙与目镜的光栅边界分开。玻璃的边缘与光栅边界之间的距离可以是1500微米(1.5mm)。也可以采用其他合适的尺寸。
图5描绘了示出诸如在没有通气口的情况下目镜500的层的示例变形的示意图。例如，目镜可以包括250微米的光学层、具有25微米的间距、9个深度平面、2个覆盖玻璃层，总共11个层。在测试条件下，目镜内部与外部的环境最初被加压到海平面压力。外部空气压力被设定为在10,000英尺海拔处的空气压力，然后返回到海平面压力。结果，压力差导致目镜中的层的平面外变形，高达95微米的平面外变形。
图6A和6B是根据本公开的实施例的分别示出在没有通气口的情况下和在具有通气口的情况下的目镜缺陷的扫描电子显微镜(SEM)图像。在图6A的示例中，图像600示出了在1000小时的将目镜暴露于65摄氏度和95％的相对湿度的热和湿度测试之后，目镜区域(例如，在OPE与EPE之间的区域)的扫描电子显微镜(SEM)图像。图6B中的图像602示出了经受类似测试条件的包括通气口的目镜中的目镜区域的SEM图像。如图所示，通气口的存在显著地减少和/或消除目镜中的污染缺陷的发生率。
虽然本说明书包含许多具体细节，但这些不应被解释为对本公开的范围或所要求保护的内容的限制，而是被解释为与特定实施例相关联的特征的示例。在单独实施例的上下文中在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合地实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施例中实现。此外，尽管可将特征描述为以某些组合起作用且甚至最初如此要求保护，但来自所要求保护的组合的一个或多个特征可在一些示例中从组合中删除，且所要求保护的组合可针对子组合或子组合的变化。
已描述了多个实施例。然而，将理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种变型。例如，可以使用上面示出的各种结构，其中元件被重新布置、不同地定位、不同地定向、添加和/或移除。因此，其它实施例在所附权利要求书的范围内。
Claims (19)
1.一种光学装置，包括：
多个光学层；
边缘密封剂，其跨所述多个光学层沿所述光学装置的边缘布置，其中在所述边缘密封剂中存在一个或多个密封剂间隙；以及
层压坝，其被布置在所述多个光学层中的每对相邻光学层之间以阻止在所述光学层之间且在距所述光学装置的所述边缘的距离处的所述边缘密封剂的芯吸，其中在沿着所述边缘的一个或多个位置处，在所述层压坝中存在一个或多个坝间隙，该一个或多个位置的每一者均与相应密封剂间隙的位置对应，以允许穿过所述一个或多个密封剂间隙和所述一个或多个坝间隙的在所述光学装置的内部与外部之间的空气流动。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述一个或多个密封剂间隙位于所述光学装置的所述边缘的关键区域之外；其中，所述关键区域为所述光学装置的周边的一部分，并且其中，所述边缘密封剂沿着所述关键区域而吸收光。
3.根据权利要求2所述的光学装置，其中，所述边缘密封剂(114)至少部分地布置在所述关键区域内。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述一个或多个密封剂间隙中的一者具有沿着所述光学装置的所述边缘的长度，该长度超过所述对应坝间隙的长度。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述边缘密封剂、所述层压坝和所述多个光学层中的一个光学层的表面中的一者或多者至少部分地由疏水材料构成。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，沿着所述光学装置的所述边缘，所述一个或多个密封剂间隙中的至少一者至少部分地与所述一个或多个坝间隙中的对应一者重叠。
7.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述一个或多个密封剂间隙中的至少一者与所述一个或多个坝间隙中的对应一者共心。
8.根据权利要求1所述的光学装置，其中：
所述边缘密封剂包括至少两个密封剂间隙；以及
所述层压坝包括至少两个坝间隙。
9.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述多个光学层包括至少三个光学层。
10.根据权利要求9所述的光学装置，其中，所述至少三个光学层包括用于引导红光的层、用于引导绿光的层、以及用于引导蓝光的层。
11.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述边缘密封剂吸收紫外辐射。
12.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述多个光学层中的至少一个所述光学层包括下列中的至少一者：正交光瞳扩展器区域、出射光瞳扩展器区域和光栅耦合区域。
13.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述一个或多个密封剂间隙和所述一个或多个边缘间隙允许在所述光学装置的内部与所述光学装置的外部之间的空气流动。
14.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述边缘密封剂防止穿过所述光学装置的所述边缘的在横向方向上从所述光学装置的内部到外部的光泄漏。
15.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述边缘密封剂防止光反射到所述光学装置的内部中。
16.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述边缘密封剂的厚度在430微米与500微米之间的范围内。
17.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述边缘密封剂的在所述光学装置的所述边缘与所述层压坝之间的厚度为350微米。
18.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述层压坝的宽度为500微米。
19.一种包括权利要求1所述的光学装置的目镜。
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