TW201632946A - 透鏡式分光器稜鏡陣列及其相關方法 - Google Patents

透鏡式分光器稜鏡陣列及其相關方法 Download PDF

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Abstract

一種透鏡式分光器稜鏡陣列，其包括分光器基板及透鏡形狀層；分光器基板具有多個平面的和平行的薄膜塗層，每一薄膜塗層橫跨一頂基板表面和一底基板表面，且在其間形成一斜角；透鏡形狀層形成在頂表面上且具有多個透鏡，每一透鏡位在多個薄膜塗層中之一者的上方。一種用於製造透鏡式分光器稜鏡的方法，其包括接合多個基板以在每一個相鄰基板對之間形成具有薄膜塗層的基板疊層。該方法亦包括以相對於每一薄膜塗層以一斜角角度多次平行切割以形成一疊層切片。每一薄膜塗層跨越一第一疊層切片表面以及面對該第一疊層切片表面的一第二疊層切片表面。該方法也包括在第一疊層切片表面上形成跨越一或多個薄膜塗層的透鏡形狀層。

Description

透鏡式分光器稜鏡陣列及其相關方法
本發明涉及矽基液晶(LCOS)顯示器，特別是，在其中所使用的透鏡式稜鏡組件。
頭戴式顯示器系統經安裝在使用者的頭部，使得使用者可以觀看由它產生的圖像。一般地，傳統電腦介面的顯示功能可以被包括在頭戴式顯示器系統中。例如，頭戴式顯示器系統可以提供飛機飛行員地圖和有關與該飛行員正在看到的真實場景的其他訊息。一些頭戴式顯示器系統被描述為“透視”(see-through)，其允許使用者在觀看視線內的真實場景時可以同時觀看顯示的圖像。透視頭戴式顯示器系統將顯示的圖像重疊在使用者到看的真實場景上。微光學元件製造的最新進展已經產生了以消費市場為標的的透視頭戴式顯示器系統，其中該顯示系統可以提供類似於智能手機的功能。
一種透鏡式分光器稜鏡陣列(lensed beam-splitter prism array)係被揭露。該透鏡式分光器稜鏡陣列包括具有一平面的頂基板表面和一底基板表面的分光器基板。上述之分光器基板具有多個平面的和平行的薄膜塗層，各薄膜塗層橫跨該頂基板表面和該底基板表面，且與其間呈一斜角角度。該透鏡式分光器稜鏡陣列還包括形成在該頂基板表面的透鏡形狀層，其具有複數個透鏡，每一透鏡是在上述複數個薄膜塗層中的一者的上面。
一種用於製造透鏡式分光器稜鏡的方法，包括接合多個基板以形成一基板疊層(substrate stack)，其中每一相鄰基板對(substrate pair)之間具有一薄膜塗層(thin-film coating)。上述之方法還包括以一斜角角度施行多次平行切割薄膜塗層來形成一疊層切片(stack slice)。每一薄膜塗層跨越一第一疊層切片表面和相對於該第一疊層切片的一第二疊層切片表面。上述方法亦包括在跨 越一或多個薄膜塗層的第一疊層切片表面上形成一透鏡形狀層(lens form layer)。該透鏡形狀層具有複數個透鏡，每一透鏡位於一薄膜塗層的正上方。
120‧‧‧眼鏡
130‧‧‧透視的近眼顯示器裝置
132‧‧‧圖像
160‧‧‧場景
162‧‧‧光
163‧‧‧P偏振光
172‧‧‧眼睛
180‧‧‧顯示單元
200‧‧‧透鏡分光器稜鏡
204‧‧‧薄膜塗層
240‧‧‧偏振光束分離器(PBS)
250‧‧‧曲面反射鏡
251‧‧‧透鏡
252‧‧‧反射塗層
274‧‧‧四分之一波片
300‧‧‧透鏡分光器稜鏡陣列
301‧‧‧透鏡形狀層
304‧‧‧薄膜塗層
312‧‧‧切割面
312(1)‧‧‧切割面
314‧‧‧切割面
314(1)‧‧‧切割面
340‧‧‧分光器基板
351‧‧‧透鏡
374‧‧‧中間層
400‧‧‧方法
402‧‧‧步驟
404‧‧‧步驟
406‧‧‧步驟
408‧‧‧步驟
409‧‧‧步驟
410‧‧‧步驟
412‧‧‧步驟
414‧‧‧步驟
416‧‧‧步驟
418‧‧‧步驟
500‧‧‧基板疊層
502‧‧‧基板
506‧‧‧黏合劑層
512‧‧‧切割面
522‧‧‧塗層基板
602‧‧‧頂表面
604‧‧‧底表面
616‧‧‧邊緣
650(1)‧‧‧區域
650(2)‧‧‧區域
651‧‧‧最小距離
690‧‧‧虛線
691‧‧‧箭頭
602‧‧‧頂表面
604‧‧‧底表面
700‧‧‧疊層切片
706‧‧‧節段
1102‧‧‧光固化層
1104‧‧‧透鏡陣列模具
1114‧‧‧反向透鏡
1204‧‧‧紫外光光源
1206‧‧‧紫外光
1251‧‧‧透鏡
圖1是一實施例中安裝在眼鏡的透視近眼顯示器裝置內的透鏡式分光器稜鏡的平面圖。
圖2是一實施例中如圖1所示的近眼顯示器裝置的平面圖，其進一步地示例性詳細顯示透鏡式分光器稜鏡。
圖3是一實施例中的晶圓級的透鏡式分光器稜鏡陣列的透視圖。
圖4是一實施例中製造圖3的透鏡式分光器稜鏡陣列的晶圓級方法的流程。
圖5是一實施例中將基板結合在一起以形成一塗層-基板疊層的橫截面圖。
圖6是一實施例中經沿著一或多個切割平面切割如圖5所示的塗層-基板疊層所形成的一疊層切片的透視橫截面圖。
圖7是一實施例中如圖6所示的疊層切片的橫截面圖，其上沉積有相位延遲薄膜。
圖8是一實施例中由圖7的疊層切片所形成的透鏡式分光器稜鏡陣列的橫截面圖。
圖9是一實施例中如圖7所示的透鏡式分光器稜鏡陣列的橫截面圖，其上具有一薄膜塗層。
圖10是一實施例中經將圖8的透鏡式分光器稜鏡陣列切單(singulating)所形成的透鏡式稜鏡的橫截面圖。
圖11是一實施例中如圖7所示的疊層切片的橫截面圖，其上具有一光固化層。
圖12是一實施例中如圖10所示的疊層切片的橫截面圖，其具有由一透鏡陣列模具所模製的光固化層。
圖1是一平面圖，其顯示安裝於眼鏡120的透視的近眼顯示器裝置(see-through near-eye display device)130內的透鏡式分光器稜鏡200的示例性使用。近眼顯示器裝置130允許使用者同時觀看場景160和由顯示單元180 所產生的圖像132。透鏡式分光器稜鏡200結合場景160和圖像132，使得眼鏡120的使用者可看到重疊在場景160上的圖像132。透鏡式分光器稜鏡200可選擇地被採用在不同的顯示裝置，如手持式圖像投影儀。
圖2是圖1的近眼顯示器裝置130的平面圖，其更詳細地顯示透鏡式分光器稜鏡200的使用。透鏡式分光器稜鏡200包括偏振光束分離器(polarizing beam splitter，PBS)240內的薄膜塗層204。在一個實施例中，PBS 240是PBS立方體(PBS cube)且角度θ1=45度。透鏡式分光器稜鏡200還包括曲面反射鏡(curved reflector)250和四分之一波片(quarter-wave plate)274。曲面反射鏡250可由具有反射塗層252在其上的透鏡251所形成。
在圖2的例子中，薄膜塗層204用作薄膜偏振光分離器且圖像132係為p偏振(p-polarized)。在不脫離本發明的範圍下，薄膜塗層204可為非偏振(non-polarizing)；在這種情況下，圖像132可以包括其他偏振狀態或是非偏振的狀態。例如，無論偏振與否，薄膜塗層204可以傳送一半的入射光並反射一半的入射光。本文所示的光的偏振狀態是指光的理想偏振狀態，但實際的偏振狀態可以包括非理想分量，而不脫離本發明的範圍。例如，圖像132可以包括少量的s偏振分量(s-polarized component)。
圖像132進入PBS 240。圖像132的一部分由薄膜塗層204傳送和通過四分之一波片274。反射塗層252將圖像232反射通過四分之一波片274返回朝向薄膜塗層204。圖像132二次通過四分之一波片274而使圖像132從p偏振改變為s偏振，從而使薄膜塗層204可以將其反射向眼睛172。
透鏡式分光器稜鏡200還接收來自場景160的光162，其中的p偏振分量傳經薄膜塗層204並作為p偏振光163朝向眼睛172傳播。因此，眼睛172看到來自顯示單元180的圖像132，其以s偏振光被眼睛172接收，而疊加在周遭的場景160的圖像上，其以p偏振光被眼睛172接收。
圖3是透鏡式分光器稜鏡200在從晶圓級透鏡式分光器稜鏡陣列300分離出來之前的透視圖。透鏡式分光器稜鏡200可包括透鏡351(1)，其可經由沿切割面312(1)和314(1)切割透鏡式分光器稜鏡陣列300來形成。
透鏡式分光器稜鏡陣列300包括透鏡形狀層301和分光器基板340。分光器基板340包括複數個相互彼此平行的塗層304。在切割之前，四分之一波片274被形成作為透鏡形狀層301和分光器基板340之間的中間層374。 中間層374是由例如雙折射材料所形成，其功能如同一個可見光波長的四分之一波片。透鏡形狀層301包括複數個透鏡351。
在實施例中，中間層374可以由多個薄膜層形成。例如，中間層374可包括四分之一波片和單層或多層的抗反射塗層。或，透鏡式分光器稜鏡陣列可以不具有中間層374。
透鏡式分光器稜鏡陣列300可以沿切割面312和314被切單(singulating)以形成多個透鏡式分光器稜鏡200。例如，在圖2的透鏡式分光器稜鏡200中，薄膜塗層204是塗層304的一部分，四分之一波片274是中間層374的一部分，並且透鏡251是透鏡形狀層301的一部分，其中包括透鏡351。雖然圖3顯示分光器基板340為矩形，但分光器基板340可以是不同的形狀，諸如圓柱形，而不脫離本發明的範圍。
圖4是顯示用於製造透鏡式分光器稜鏡陣列300的晶圓級方法400的流程圖。圖5-12是說明方法400之步驟。圖5-12最好同時參照圖4和下文中的描述。
在步驟402中，方法400將多個塗層基板接合在一起，以形成在每一相鄰基板對之間具有薄膜塗層的基板疊層。在步驟402之例子中，如圖5之所示，塗層基板522以黏合劑層506結合在一起以形成具有薄膜塗層的基板疊層500。每一塗層基板522包括基板502和塗層304，其可以是部分反射器或偏振分光膜。基板502例如為一直徑8英寸的圓形晶圓。每一對相鄰的基板502之間具有塗層304。在一個實施例中，一對或多對的鄰接的基板502之間可能缺乏塗層而亦不脫離本發明的範圍。為說明清楚，在圖5中，並非所有的基板502、塗層304和黏合劑層506都被標記參考數字。
在步驟404中，方法400經由相對於每一薄膜塗層以一斜角施加多個平行切割，而形成一疊層切片，每一薄膜塗層橫跨疊層切片的頂表面和底表面。在步驟404的一個例子中，分光器基板340(圖6)是沿切割面512相對於每一薄膜塗層以一斜角θ1施加多個平行的切割來形成。斜角度θ1可以是在40度和50度之間。在實施例中，傾斜角度θ1為45度。
圖6是分光器基板340的橫截面透視圖，其是沿一或多個切割面512切割塗層基板疊層500所形成。塗層304是在分光器基板340的頂表面602和底表面604之間。虛線690表示，分光器基板340和塗層304在箭頭691的 方向上可以較長。
頂表面602包括多個區域650，區域的邊界為一或多個交叉的切割面312和314，且在某些情況下則為分光器基板340的邊緣。例如，區域650(1)的邊界為一對切割面312和一對切割面314，而區域650(2)的邊界為切割面312、一對切割面314以及分光器基板340的邊緣616。每一切割面312跨越相鄰的一對塗層304。分光器基板340可沿切割面312和314來切割，以形成多個分光器立方體，各一分光器立方體具有一個區域650作為其表面。
步驟406是選擇性的。如果包括的話，在步驟406中，方法400是將中間層沉積在疊層切片的頂表面與底表面中的一者上。在步驟406的一個例子中，如圖7之所示，中間層374被形成在分光器基板340的頂表面602，以形成塗覆的疊層切片700。圖7是分光器基板340的橫截面圖，其上沉積有中間層374。圖7的橫截面圖顯示，分光器基板340包括多個節段(segments)706，各個節段具有平行四邊形的橫截面。為說明清楚，圖7僅包括一個塗層304和一個節段706的參考數字。
當塗層304是作為圖2的薄膜塗層204的PBS膜時，步驟406可以被包括。在此情況下，中間層374具有一個四分之一波長的光學厚度，使其可以作為圖2的四分之一波片274。
在步驟408中，方法400在跨越一或一個以上的薄膜塗層的疊層切片表面上形成透鏡形狀層，該透鏡形狀層具有多個透鏡，各個透鏡位於一薄膜塗層正上方，每一透鏡在頂表面上具有的直徑不超過相鄰的薄膜塗層之間的最小距離。應理解到，步驟408不要求透鏡形狀層被直接形成在疊層切片的頂表面上。例如，如果方法400包括步驟406，疊層切片的頂表面是相位延遲膜的表面。
在步驟408的一個例子中，透鏡形狀層301被形成在中間層374上，以形成透鏡分光器稜鏡陣列300。透鏡形狀層301包括多個透鏡351。每一透鏡351位於圖6之多個區域650中相應的一個之上。在頂表面602上，相鄰的塗層304是以最小距離651隔開，該最小距離是對應於每一區域650的長度尺寸。圖8是透鏡式分光器稜鏡陣列300的橫截面圖。每一透鏡351的中心對準於相對應的塗層304的中心。
步驟409是選擇性的。如果包括的話，在步驟409中，方法400 在透鏡形狀層上形成薄膜塗層。在步驟409的一個例子中，如圖9之所示，反射塗層252被形成在透鏡形狀層301上。
在步驟418中，方法400將透鏡式分光器稜鏡陣列切單(singulating)，以形成透鏡式稜鏡。在步驟418的一個例子中，如圖10之所示，透鏡式分光器稜鏡陣列300沿切割面312和314(圖3)被切割，以形成多個透鏡式分光器稜鏡200。每一透鏡式分光器稜鏡200包括一個透鏡251，其對應於一個透鏡351，在其上具有反射塗層252。
在方法400的實施例中，步驟408包括步驟410、412、414和416。在步驟410中，方法400在疊層切片的頂表面上形成光固化層。應理解到，步驟410不要求光固化層直接形成在疊層切片的頂表面上。例如，如果方法400包括步驟406，疊層切片的頂表面是相位延遲膜的表面。在步驟410的一個例子中，如圖11之所示，光固化層1102被形成在中間層374上。光固化層1102例如是紫外線可固化黏合劑。
在步驟412中，方法400將透鏡式陣列模具對準於疊層切片表面的上方。透鏡式陣列模具具有多個位於薄膜塗層的正上方的反向透鏡(inverse lens)，且其具有的直徑不超過交叉層疊切片表面的相鄰薄膜塗層之間的距離。在步驟412的一個例子中，透鏡式陣列模具1104對準於頂表面602的上方。透鏡式陣列模具1104包括多個反向透鏡1114，反向透鏡各自位於分光器基板340內相應的塗層304的正上方。
在步驟414中，方法400以透鏡式陣列模具模製光固化層，而產生多個未固化的透鏡。在步驟414的例子中，透鏡式陣列模具1104模製光固化層1102而產生多個未固化的透鏡1251。透鏡式陣列模具1104是由例如聚二甲基矽氧烷(PDMS)所形成。
在步驟416中，方法400將未固化的透鏡固化，以產生多個透鏡。在步驟416的一個例子中，一個紫外光源1204發射紫外光1206(圖12)，紫外光將未固化的透鏡1202固化而形成透鏡351。
特徵的組合
如上所述的特徵以及如下申請專利範圍所主張者可以以各種方式加以組合，而不脫離本發明的範圍。以下例子說明本發明於前文所述中可能的、非限制性的組合，明確可知的是，對所述的方法和產品可以施行不脫離本 發明的精神和範圍的各種改變和修改。
(A1)一種透鏡式分光器稜鏡陣列可以包括具有平面的頂基板表面和底基板表面的分光器基板。分光器基板具有多個平面的和平行的薄膜塗層，每一薄膜塗層橫跨頂基板表面和底基板表面，且在頂基板表面和底基板表面之間形成一斜角。該透鏡式分光器稜鏡還可以包括透鏡形狀層，其形成在頂基板表面上且具有多個透鏡，每一透鏡在上述多個薄膜塗層中的一者的上方。
(A2)如(A1)所述的透鏡式分光器稜鏡，其中底基板表面可以是平面的，並且平行於頂基板表面。
(A3)如(A1)和(A2)所述的透鏡式分光器稜鏡的一或二者中，斜角角度可以實質上等於45度。
(A4)如(A1)至(A3)所述的透鏡式分光器稜鏡的任一者中，每一透鏡的中心可以與所述多個薄膜塗層中之一者的中心對齊。
(A5)如(A1)至(A4)所述的透鏡式分光器稜鏡的任一者中，分光器基板可包括多個相互平行的節段，每一個節段具有平行四邊形的橫截面，其包括(a)平行於第二表面的第一表面以及(b)平行於第四表面的第三表面，其中每一第一表面和第二表面分別構成頂基板表面和底基板表面的一部分，並且每一第三表面與第四表面形成具有相鄰的平行的節段的薄膜塗層。
(A6)如(A1)至(A5)所述的透鏡式分光器稜鏡的任一者中，每一透鏡在頂表面上可以具有的直徑不超過相鄰的薄膜塗層之間的最小距離。
(A7)如(A1)至(A6)所述的透鏡分光器稜鏡的任一者中，透鏡形狀層可以是連續的。
(B1)一種用於製造透鏡式分光器稜鏡的方法，其可以包括接合多個基板以形成基板疊層，所述基板疊層在每一相鄰基板對之間具有一薄膜塗層。該方法還可以包括經相對於每一薄膜塗層以一斜角施加多次平行切割以形成一疊層切片，每一薄膜塗層跨越一第一疊層切片表面和相對於第一疊層切片表面的一第二疊層切片表面。該方法還可以包括在第一疊層切片表面上形成一透鏡形狀層，其跨越一或多個薄膜塗層，該透鏡形狀層具有多個透鏡，各個透鏡位於一個薄膜塗層的正上方。
(B2)如(B1)所述的方法，其還可以包括在第一層疊切片表面上沉積一相位延遲膜。
(B3)如(B1)及(B2)所述的方法中的一或二者中，形成透鏡形狀層的步驟還可以包括：將一透鏡式陣列模具對準於第一疊層切片表面的上方。該透鏡式陣列模具具有多個反向透鏡，每一反向透鏡位於一個薄膜塗層的正上方且具有的直徑不超過交叉第一疊層切片表面的相鄰薄膜塗層之間的距離。形成透鏡形狀層的步驟還可以包括以透鏡式陣列模具模製光固化層以產生多個未固化的透鏡。
(B4)如(B3)所述的方法，還可以包括在第一層疊切片表面上形成光固化層。
(B5)如(B3)及(B4)所述方法中的一或二者，其可進一步包括將所述未固化的透鏡固化。
(B6)如(B1)至(B5)所述方法中的任一者，其可以進一步包括將透鏡式分光器稜鏡陣列切單(singulating)，以形成透鏡式分光器稜鏡。
(B7)如(B1)至(B6)所述方法中的任一者，其中，每一透鏡在頂表面上可以具有的直徑不超過相鄰的薄膜塗層之間的最小距離。
在不脫離本發明的範圍的情況下可以對上述的方法和系統施行改變。應當指出的是，包含在上述說明或顯示於附圖中的事項應當被解釋為是說明性的而不是限制性的。下面的申請專利範圍旨在涵蓋本文中所描述的所有一般的和特別的特徵，以及本發明的方法和系統的所有陳述，其中以語言關係而言，可以說都落入其間的範圍。
300‧‧‧透鏡分光器稜鏡陣列
301‧‧‧透鏡形狀層
304‧‧‧薄膜塗層
312‧‧‧切割面
312(1)‧‧‧切割面
314‧‧‧切割面
314(1)‧‧‧切割面
340‧‧‧分光器層
351‧‧‧透鏡
374‧‧‧中間層

Claims (14)

  1. 一種透鏡式分光器稜鏡陣列，其包括：一分光器基板，其具有一平面的頂基板表面和一底基板表面，該分光器基板具有複數個平面及平行之薄膜塗層，每一該薄膜塗層橫跨該頂基板表面和該底基板表面，且在該頂基板表面和該底基板表面之間形成一傾斜角度；以及一透鏡形狀層，其形成在該頂基板表面上並具有複數個透鏡，每一該透鏡係位於該複數個薄膜塗層中之一者的上面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之透鏡式分光器稜鏡陣列，其中該底基板表面係為平面且平行於該頂基板表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡式分光器稜鏡陣列，其中該傾斜角度實質上等於45度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡式分光器稜鏡陣列，其中每一透鏡的中心係對準於該複數個薄膜塗層中之一者的中心。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡式分光器稜鏡陣列，其中該分光器基板包括複數個相互平行的節段，每一節段具有一平行四邊形的橫截面，其包括：(a)平行於一第二表面的一第一表面(b)平行於一第四表面的一第三表面，其中每一該第一表面及該第二表面分別構成該頂基板表面和該底基板表面的一部分，且每一該第三表面和該第四表面係與相鄰之該平行節段形成一薄膜塗層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡式分光器稜鏡陣列，其中在該頂表面上的每一透鏡具有的直徑係不超過相鄰薄膜塗層間之一最小距離。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡式分光器稜鏡陣列，其中該透鏡形狀層是連續的。
  8. 一種用於製造一透鏡式分光器稜鏡的方法，其包括： 接合一複數個基板以形成一基板疊層，其在每一相鄰之基板對之間具有一薄膜塗層；以相對於每一薄膜塗層之一斜角角度施行多次平行切割以形成一疊層切片，每一薄膜塗層係跨越一第一疊層切片表面以及面對於該第一疊層切片表面之一第二疊層切片表面；以及在跨越一或多個薄膜塗層之第一疊層切片表面上形成一透鏡形狀層，該透鏡形狀層具有一複數個透鏡，且該每一透鏡係位於該薄膜塗層的正上方。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其更包括：將一相位延遲膜沉積在該第一疊層切片表面上。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中形成該透鏡形狀層的步驟包括：將一透鏡陣列模具對準於該第一疊層切片表面的上方，該透鏡陣列模具具有複數個反向透鏡，每一反向透鏡位於一薄膜塗層的正上方，且其具有之直徑不超過交叉於該第一疊層切片表面之相鄰薄膜塗層間之一距離；以及以該透鏡陣列模具在該第一疊層切片表面上模製一光固化層，而產生一複數個未固化的透鏡。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其更包括在該第一層疊切片表面上形成該光固化層。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其更包括將未固化的透鏡固化。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其更包括將該透鏡式分光器稜鏡陣列切單，以形成一透鏡式分光器稜鏡。
  14. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中每一透鏡具有的直徑在該頂表面上不超過相鄰薄膜塗層間之一最小距離。
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