CN210005798U - 光学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有光导光学元件的光学装置。光导光学元件包括第一刚性层、第二刚性层和聚合物材料的挠性层，该挠性层插置并机械地连接在第一刚性层与第二刚性层之间，该光导光学元件具有两个主要的平行的外表面，全内反射发生在该外表面处，其中，刚性层的至少一个刚性层包括多个相互平行的部分反射表面，部分反射表面不平行于外表面。

Description

光学装置

技术领域

当前公开的主题涉及光导光学元件，并且更具体地涉及具有挠性层的光导光学元件。

背景技术

光导光学元件(也称为波导管)——比如那些在近眼显示器中使用的光导光学元件——需要由高质量的光学材料制成的平行外表面，以保证足以使引至波导管的光产生全内反射的平整度和平滑度两者。理想地，这种外表面由硬质材料比如玻璃制成。不幸的是，硬质材料在遭受撞击时趋于破裂成尖锐的碎片。在使用中，近眼显示器通常定位成靠近使用者的眼睛。如果该波导管破裂成尖锐的碎片，这将对使用者造成严重的伤害。

实用新型内容

根据当前公开的主题的一个方面，提供了具有光导光学元件的光学装置。光导光学元件包括第一刚性层、第二刚性层和聚合物材料的挠性层，该挠性层插置并机械地连接在第一刚性层与第二刚性层之间，该光导光学元件具有两个主要的平行的外表面，全内反射发生在该外表面处，其中，刚性层中的至少一个刚性层包括多个相互平行的部分反射表面，该部分反射表面不平行于外表面。

挠性层的折射率可以匹配于刚性层的折射率，或可以具有与所述刚性层中的每个刚性层的折射率不同的折射率。挠性层由具有足够拉伸强度的材料制成，以便提供安全的玻璃性能，并且挠性层可以包括选自聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)和乙烯-甲基丙烯酸(Ionoplast)中的至少一种材料。刚性层中的每个刚性层均可以包括多个相互平行的部分反射表面。所述多个相互平行的部分反射表面可以包括在第一刚性层内。

光导光学元件还可以包括位于第二刚性层内的第二组相互平行的部分反射表面，并且第二刚性层的部分反射表面可以不平行于第一刚性层的部分反射表面。光导光学元件还可以包括插置在挠性层与刚性层中的至少一个刚性层之间的至少一个第三层，所述至少一个第三层是部分反射的并且延伸穿过光导光学元件的至少一部分。光导光学元件可以是近眼显示器的一部分。光导光学元件还可以包括图像投影仪，该图像投影仪部署成将图像引入到光导光学元件中，以使图像在光导光学元件内通过全内反射传播并且使图像通过部分反射表面朝向观察者的眼睛偏转。

附图说明

为了理解本实用新型并了解如何在实践中实施本实用新型，将参照附图并通过非限制性示例来描述实施方式，其中：

图1A示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的光导光学元件(“LOE”)的横截面；

图1B示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的图1A的破裂的LOE的横截面；

图2A示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的根据第一示例的包括多个相互平行的部分反射表面的LOE的横截面；

图2B示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的根据第二示例的包括多个相互平行的部分反射表面的LOE的横截面；

图2C示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的根据第三示例的包括多个相互平行的部分反射表面的LOE的横截面；

图3示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的根据图2C的波导管的三维分解图；

图4A示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的根据第一示例的具有特定光学特性的LOE的横截面；

图4B示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的根据第二示例的具有特定光学特性的LOE的横截面；

图4C示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的根据第三示例的具有特定光学特性的LOE的横截面；

图5A示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的根据第一示例制造的LOE的横截面；

图5B示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的根据第二示例制造的LOE的横截面；

图5C示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的根据第三示例制造的LOE的横截面；以及

图6示出了根据当前公开的主题的某些实施方案的制造LOE的方法。

具体实施方式

在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本实用新型的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践当前公开的主题。在其他情况下，对公知的方法、过程、和部件不进行详细描述，以免使当前公开的主题变得模糊。

应注意的是，术语“光导光学元件”、“LOE”和“波导管”在本文中可互换使用。

考虑到这一点，现在参照图1A至图1B，其中示出了根据当前公开的主题的某些实施方式的光导光学元件(“LOE”)的横截面。如图1A所示，LOE包括刚性层12、14和聚合物材料的挠性层280，该挠性层280插置在刚性层12与刚性层14之间并且机械地连接在刚性层12与刚性层14之间。聚合物层由具有足够拉伸强度的材料形成，以提供安全的玻璃性能。如图1A进一步所示，LOE还包括两个主要的平行外表面22、24，引至LOE的光的全内反射发生在该外表面22、24处。光线如图1A中示出的箭头所示的那样在该波导管内传播。

刚性层12、14能够由硬光学材料比如玻璃制成，并且制造成使得外表面22、24具有高平整度并且彼此平行。挠性层280由挠性材料制成，并且优选地由聚合物基材料制成。一些适合的、具有足够拉伸强度以提供安全的玻璃性能的聚合物基材料的示例包括聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)和乙烯-甲基丙烯酸(Ionoplast)。优选地，挠性层280胶合或以其他方式结合至两个刚性层12、14，如下文进一步描述的。在一些实施方式中，挠性层280能够通过在挠性层与刚性层之间涂覆粘合剂涂层而被结合至一个刚性层或两个刚性层。

如图1B进一步所示，示出了在机械撞击情况下破裂的图1A的LOE，LOE的硬部段会破裂，但由于设置有挠性层280，碎片被保持在一起，从而防止碎片散开并减少对使用者的伤害。除了将碎片保持就位之外，挠性层280的挠性还用于防止该层在撞击时破裂。

现在参照图2A至图2C，刚性层12、14中的至少一个刚性层包括多个相互平行的部分反射表面，所述多个相互平行的部分反射表面不平行于波导管的外表面。在一些情况下，刚性层12、14可以具有相同的、不同的、或互补的光学性能，如下文进一步描述的。

作为第一非限制性示例，图2A示出了波导管，其中，刚性层12包括相互平行的部分反射表面，而刚性层14不包括部分反射表面。在该示例中，刚性层14主要用于提供高质量的外表面。

作为第二非限制性示例，图2B示出了波导管，其中，刚性层12、14两者都包括相互平行的部分反射表面，并且其中，刚性层12的部分反射表面平行于刚性层14的部分反射表面。在该示例中，刚性层12、14提供了类似的光学性能并且用于将光线朝向观察者耦合出波导管。优选地，刚性层14的部分反射表面布置成形成刚性层12的部分反射表面的相应的延续部分，从而有助于为观察者产生一致的图像。最优选地，部分反射表面布置成形成重叠，从而进一步改进一致性，例如在PCT/IL2018/050025中所全面描述的，该申请的全部内容在此如同充分阐述的那样通过参引并入本文。

作为第三非限制性示例，图2C示出了波导管，其中，刚性层12、14两者都包括相互平行的部分反射表面，并且其中，刚性层12的部分反射表面不平行于刚性层14的部分反射表面。在该示例中，刚性层12、14提供了互补的光学性能。图3示出了根据图2C的波导管的三维分解图，其中可以看到：包括在刚性层12中的部分反射表面的角度和布置两者如何不同于包括在刚性层14中的部分反射表面的角度和布置。在这种构型中，具有相互平行的部分反射表面的两个非平行组能够用于产生在二维上侧向展开的入射开孔，如在PCT/IL2018/050701中所全面描述的，该申请的全部内容在此通过参引并入本文。

应注意的是，在一些实施方式中，挠性层的折射率可以匹配于刚性层的折射率，而在其他实施方式中，挠性层可以具有与刚性层中的每一者的折射率不同的折射率。

在一些实施方式中，如通过图4A至图4C所示的非限制性示例而示出的，波导管还可以包括一个或更多个第三层250，所述一个或更多个第三层250插置在挠性层与刚性层中的至少一个刚性层之间、平行于外表面22、24并延伸穿过波导管的至少一部分。所述一个或更多个第三层250能够用于提供波导管所需的特定光学特性，如所示的使用箭头来描绘光穿过波导管传播的路径。例如，并且参照箭头所示，所述一个或更多个第三层可以是部分反射的。在一些实施方式中，第三层250还可以是涂层，或者可以包括一系列涂层，如下文参照图5A至图5C所描述的。

应注意的是，在图4A至图4C的波导管中，由于设置有第三层250，因此，所有光线尽管进行了多次分裂及反射但仍保持其原始方向(图4A至图4C中为了清晰起见仅示出了第一次分裂)，由此改进了一致性。

在一些实施方式中，波导管可以是近眼显示器的一部分。在一些实施方式中，并且如图4A至图4C所示，近眼显示器还可以包括图像投影仪252，该投影仪252部署成将图像引入到波导管中，以在波导管内通过全内反射传播该图像，并且将该图像通过部分反射表面朝向观察者的眼睛偏转。如图4B和图4C所示，尽管一致输出的图像的照度(illumination)需要投影仪照射整个波导管入口开孔，但是层250还能够用于减小图像投影仪252的尺寸，从而降低整个系统的成本，这是因为由层250引起交叉耦合的增加允许使用更小的图像投影仪。

可以使用各种方法来制造本实用新型的具有特定光学特性的波导管，如图5A至图5C所示，其中箭头描绘光的路径。在图5A中，刚性层12、14的内表面在被结合至挠性层280之前涂覆有抗反射涂层262。在图5B中，一个刚性层(在这种情况下为刚性层12)的内表面涂覆有抗反射涂层262，而另一个刚性层(在这种情况下为刚性层14)的内表面涂覆有部分反射涂层264(涂层264对应于图4A至图4C的部分反射的第三层250)。在对于图5B所示实施方式的替代实施方式(未示出)中，当一个刚性层12的内表面涂覆有抗反射涂层262时，尽管另一个刚性层14的内表面没有涂覆抗反射涂层，也能够获得类似的光学特性，使得菲涅耳(Fresnel)反射(由于层280的折射率与层14的折射率之间的不匹配)将产生内反射。图5C示出了另一示例，其中透明的挠性层280使用胶合物266或粘合剂布置在刚性层12、14之间。胶合物的折射率可以与挠性层280的折射率或刚性层12、14的折射率匹配，并且不论涂覆于哪个层的内表面处的抗反射涂层的折射率是不匹配的。优选地，在需要内反射的情况下，可以在刚性层中的一个刚性层的内表面上产生(如上文所述，通过涂覆反射涂层或通过菲涅耳反射)该内反射，这是由于这些表面通常具有最高的平整度和相对于外表面24、22的最高的平行度。如图5A至图5C所示，在一些情况下，挠性层280还能够用作胶合物以结合刚性层12和刚性层14。

现在参照图6，示出了根据某些实施方式的制造本实用新型的波导管的方法。将光学材料的涂覆板400胶合并堆叠在一起402，并且将该堆叠件在两个位置进行切割以产生切片403(对应于刚性层)。第二切片404可以以类似的方式产生(在两个刚性层都包括相互平行的部分反射表面的情况下，对应于另一刚性层)。根据上文参照图2A至图2C所描述的各种选择，可以将切片403、405制造成包括彼此相同或不同的相互平行的部分反射表面。可选地，切片403、405(对应于上文的刚性层12、14)中的一个切片或两个切片可以在其外表面上覆盖有平坦的透明盖405。内部挠性层280放置在切片403、405之间，以产生最终的波导管407。替代性地，在仅使用单个切片403的情况下(例如，其中另一刚性层为如图2A所示的不具有相互平行的部分反射表面的透明板)，最终的波导管如408所示。如前文所述，挠性层280还可以是将切片403、404结合在一起的胶合物。在最终的波导管407或波导管408上可以实施双面抛光。在替代方案中，在切片403和切片404(具有或不具有盖405)上可以实施双面抛光，在这种情况下，这些切片(和/或盖)的精确的平行结合保持了波导管的外表面及内表面的平行度。

应注意的是，挠性层可以由呈液体或浆形式的聚合物前体形成，该聚合物前体插入在刚性层(和/或涂覆于刚性层的表面的任何涂层)之间，并且通过适当的聚合过程、比如通过加热、通过暴露于UV辐射和/或通过与催化剂混合来进行原位聚合。替代性地，部分或全部的挠性聚合物层可以作为插置在刚性层之间的预先形成的挠性层而引入。在后一种情况下，挠性聚合物层与刚性层的结合通常通过包括在层之间的光学粘合剂来实现。

在一些实施方式中，所选择的用于挠性层的材料可以具有所需的特定性能。例如，可以选择阻挡紫外线(“UV”)辐射的材料或表现出其他所需特性的材料以用于波导管。如上所述，挠性材料能够用作胶合物，或者能够胶合至刚性层或者使用热和/或压力以其他方式结合(使用条件选择成不损坏波导管的任何其他部分)。替代性地，挠性层可以是在UV照射或加热下固化的固化树脂。在固化树脂的情况下，优选地，使用间隔件来限定层的厚度。

应注意的是，图1至图6所示的波导管示例并未按比例示出，并且波导管的平面尺寸通常比波导管的整体厚度大一个或两个数量级，并且通常使用多种耦合构型来确保投影图像的有效耦合。最优选地，挠性层通常比刚性层薄，并且通常小于刚性层厚度的10％。

应理解的是，本实用新型的应用不限于本文所包含的说明书中所阐述的或附图中所示出的细节。本实用新型可以是其他实施方式并且以多种方式实践且实现。因此，应理解的是，本文中使用的措辞和术语是为了描述目的，而不应被认为是限制性的。如此，本领域技术人员将理解的是，本公开所基于的概念能够容易地用作设计其他结构、方法和系统的基础，以实现当前公开的主题的多个目的。

本领域技术人员将容易理解的是，在不脱离限定在所附权利要求中并由所附权利要求限定的本实用新型的范围的情况下，可以对上文所描述的本实用新型的实施方式进行多种修改和改变。

Claims (9)

1.一种光学装置，包括：

光导光学元件，包括：

第一刚性层；

第二刚性层；以及

聚合物材料的挠性层，所述挠性层插置并机械地连接在所述第一刚性层与所述第二刚性层之间，所述聚合物材料具有足够的拉伸强度以提供安全的玻璃性能，所述光导光学元件具有两个主要的平行的外表面，在所述外表面处发生全内反射，

其中，所述刚性层中的至少一个刚性层包括多个相互平行的部分反射表面，所述部分反射表面不平行于所述外表面。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述挠性层的折射率匹配于所述刚性层的折射率。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述挠性层具有与所述刚性层中的每个刚性层的折射率不同的折射率。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，还包括插置在所述挠性层与所述刚性层中的至少一个刚性层之间的至少一个第三层，所述至少一个第三层是部分反射的并且延伸穿过所述光导光学元件的至少一部分。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述刚性层中的每个刚性层均包括所述多个相互平行的部分反射表面。

6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述多个相互平行的部分反射表面包括在所述第一刚性层内，并且所述光学装置还包括位于所述第二刚性层内的第二组相互平行的部分反射表面，所述第二刚性层的部分反射表面不平行于所述第一刚性层的部分反射表面。

7.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光导光学元件是近眼显示器的一部分。

8.根据权利要求1所述的光学装置，其中，还包括图像投影仪，所述图像投影仪部署成将图像引入到所述光导光学元件中，以使所述图像在所述光导光学元件内通过全内反射传播，并且通过所述部分反射表面使图像朝向观察者的眼睛偏转。

9.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述挠性层包括选自聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)和乙烯-甲基丙烯酸(Ionoplast)中的至少一种材料。

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