TW202138853A - 用於生產光導光學元件的方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於生產光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)(16，18，56，58)的方法，每個LOE具有位於一對主外表面之間並且被定向成不平行於該對主外表面的一組相互平行的部分反射表面(17)，以及至少一個沒有部分反射表面的區域(30a，30b，30c)。方法包括將平行面對板(4)在介面處結合在一起以形成其之間具有部分反射塗層的板的堆疊(42)。切割和拋光堆疊以形成與介面相交的邊界平面(48，48a，48b)，並且將透明材料塊(50，50a，50b)結合到該堆疊。將所得到的前體結構(52，52')沿平行平面進行切片以形成切片，每個切片包含針對LOE的有效區域的堆疊的一部分以及塊的一部分。

Description

用於生產光導光學元件的方法
本發明涉及顯示器，並且特別地涉及用於生產光導光學元件的方法。
諸如近眼顯示器的各種類型的顯示器可以採用光導光學元件(LOE)來在一個或更多個維度上擴展輸入圖像。在需要二維擴展的情況下，可以使用兩個LOE，包括被構造成在一個維度上擴展圖像的第一LOE，以及被構造成在另一維度上擴展圖像的第二LOE。與本發明特別相關的是反射式LOE，其中第一LOE和第二LOE中的至少之一被實現為由兩個平行的主外表面界定的透明塊，該兩個平行的主外表面被構造成支持光線經由全內反射(total internal reflection，TIR)在其間傳播，並且具有位於主外表面之間並且不平行於主外表面的一組相互平行的部分反射內表面(或“小平面”)。在LOE內傳播的准直圖像由第一組小平面中的小平面朝向第二組小平面逐漸地部分偏轉，並且由第二組小平面向外朝向觀察者的眼睛逐漸地部分偏轉，從而向觀察者呈現圖像。
本發明是一種用於生產光導光學元件的方法。
根據本發明的實施方式的教導，提供了一種用於生產光導光學元件(LOE)的方法，其中每個LOE具有一對相互平行的主外表面，該一對相互平行的主外表面用於通過主外表面處的內反射來引導在LOE內傳播的圖像照射，每個LOE還具有有效區域和至少一個次級區域，有效區域包括位於主外表面之間並且被定向成不平行於主外表面的一組相互平行的部分反射表面，部分反射表面中的至少之一終止於有效區域與次級區域之間的邊界處，方法包括以下步驟：(a)將多個平行面對板在多個介面處結合在一起以形成板的堆疊，介 面中的每一個處的一個面具有用於提供部分反射光學特性的塗層；(b)切割和拋光板的堆疊以形成與介面中的至少之一相交的邊界平面；(c)在邊界平面處將透明材料塊結合到堆疊以形成前體結構；以及(d)沿多個平行平面對前體結構進行切片以形成多個切片，每個切片包含用於提供LOE的有效區域的堆疊的一部分以及用於提供LOE的次級區域的塊的一部分。
根據本發明的實施方式的另一特徵，沿相對於介面的平面傾斜定向的平面切割邊界平面。
根據本發明的實施方式的另一特徵，透明材料塊與多個板折射率匹配。
根據本發明的實施方式的另一特徵，透明材料塊為光學連續材料塊。
根據本發明的實施方式的另一特徵，透明材料塊為連續均勻塊。
根據本發明的實施方式的另一特徵，在切片之前，沿至少一個邊緣平面切割前體結構，邊緣平面的一部分在切片之後限定每個LOE的邊緣。
根據本發明的實施方式的另一特徵，多個平行平面垂直於介面。
根據本發明的實施方式的另一特徵，多個平行平面相對于介面成斜角。
根據本發明的實施方式的另一特徵，形成到LOE的有效區域的邊緣，其中，邊界不平行於邊緣，使得部分反射表面在與主外表面平行的方向上的長度沿該組部分反射表面的至少四分之一從部分反射表面到部分反射表面逐漸減小。
根據本發明的實施方式的另一特徵，塗層被構造成為相繼的介面提供順序變化的反射率。
根據本發明的實施方式的另一特徵，板具有彼此不同的厚度，使得介面非均勻地間隔開。
根據本發明的實施方式的另一特徵，方法還包括以下步驟：(a) 切割和拋光板的堆疊以形成與介面中的至少之一相交的附加邊界平面，附加邊界平面與邊界平面不共面；以及(b)在邊界平面處將附加透明材料塊結合到堆疊以形成前體結構，並且其中，執行切片，使得每個切片另外包含附加塊的一部分。
根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種中間工作產品，其能夠沿多個平行平面被切片以形成多個光導光學元件(LOE)，每個光導光學元件具有一對相互平行的主外表面，該對相互平行的主外表面用於通過主外表面處的內反射來引導在LOE內傳播的圖像照射，每個LOE還具有有效區域和至少一個次級區域，有效區域包括位於主外表面之間並且被定向成不平行於主外表面的一組相互平行的部分反射表面，部分反射表面中的至少之一終止於有效區域與次級區域之間的邊界處，該中間工作產品包括：(a)堆疊，其由在多個介面處結合在一起的多個平行面對板形成，介面的每一個處的一個面具有用於提供部分反射光學特性的塗層，堆疊在與介面中的至少之一相交的邊界平面處被切割和拋光；以及(b)透明材料塊，其在邊界平面處結合到堆疊。
根據本發明的實施方式的另一特徵，邊界平面相對於介面的平面傾斜定向。
根據本發明的實施方式的另一特徵，透明材料塊與多個板折射率匹配。
根據本發明的實施方式的另一特徵，透明材料塊為光學連續材料塊。
根據本發明的實施方式的另一特徵，透明材料塊為連續均勻塊。
根據本發明的實施方式的另一特徵，塗層被構造成為相繼的介面提供順序變化的反射率。
根據本發明的實施方式的另一特徵，板具有彼此不同的厚度，使得介面非均勻地間隔開。
12,16,18,56,58:光導光學元件(LOE)
17,19:反射表面(小平面)
30a,30b,30c:反射表面的區域
4:平行面對板
42:堆疊
48,48a,48b:邊界平面
50，50a，50b:透明材料塊
52,52':前體結構
10:近眼顯示器
14:圖像投射器
16:第一區域
18:第二基板區域
20:側部
15:楔形棱鏡
22:控制器
24:主外表面
26:眼動箱
28:矩形
40:透明板
42:堆疊
44,54:切片
46:LOE構造
48:邊界平面
52:前體結構
50:塊
32,34,36,38:步驟
60:小平面
62:從無效區域
61:邊界平面
64:切割線
在本文中僅通過示例的方式參照附圖描述本發明，在附圖中：
圖1A和圖1B是使用根據本發明的教導構造和操作的光導光學元件(light-guide optical element，LOE)實現的光學系統的示意性等距視圖，其分別示出了自頂向下和側向注入構造；
圖2A和圖2B是來自圖1A或圖1B的LOE的放大示意性等距視圖，其示出了圖像的兩個末端場的光線路徑；
圖2C是圖1A和圖1B的場與附加場的組合的概況，該組合限定在眼動箱處形成完整圖像所需的部分反射表面的整體包絡；
圖2D是圖2C的替選實現方式，其中選擇性地實現部分反射表面；
圖3是與圖2D的LOE的實現方式類似的替選實現方式的放大示意性等距視圖，其中在不同位置處並且以不同的光軸取向採用圖像投射器；
圖4是通過對板的堆疊進行切片來進行的針對多個LOE的生產方法的各階段的示意性等距表示；
圖5是用於具有排除了部分反射表面的區域的多個LOE的修改的生產方法的流程圖；
圖6是根據圖5的修改的生產方法的通過對板的堆疊進行切片來進行的針對多個LOE的生產方法的各階段的示意性等距表示；
圖7A和圖7B是通過圖5和圖6的方法產生的兩個LOE的放大示意性等距視圖，該兩個LOE分別具有一個和兩個沒有部分反射表面的區域；
圖8是前體結構的示意性等距表示，圖7B的LOE從該前體結構切片得到；
圖9是具有第一LOE區域和第二LOE區域的二維擴展LOE的示意性等距視圖，該第一LOE區域與圖7B的LOE對應，並且第二LOE區域也通過沒有部分反射表面的區域來實現；
圖10A是根據本發明的方法的方面生成的替選前體結構的示意性等距視圖；
圖10B是圖10A的前體結構的側視圖，其示出了截平面，沿該截平面切割前體結構以生成修改的前體結構；
圖10C和圖10D分別是在沿圖10B的截平面切割之後的修改的前體結構的側視圖和等距視圖；以及
圖10E示出了通過對圖10D的前體結構進行切片而獲得的許多LOE。
本發明的某些實施方式提供了用於製造光導光學元件(LOE)的方法，該光導光學元件用於實現光學孔徑擴展以用於平視顯示器並且最優選地近眼顯示器的目的，近眼顯示器可以是虛擬實境顯示器或者更優選地是增強現實顯示器。圖1A至圖3示出了本發明的生產方法特別相關的光學佈置和對應的裝置的某些特別優選的示例，但是生產方法不限於這樣的應用。
在圖1A和圖1B中示意性地示出了呈採用根據本發明的實施方式的教導的LOE 12的近眼顯示器(通常被指定為10)形式的裝置的示例性實現方式。近眼顯示器10採用被光學地耦合以將圖像注入到LOE(可互換地被稱為“波導”、“基板”或“平板”)12中的緊湊型圖像投射器(在本領域中通常被稱為“POD”)14，在LOE 12中圖像光通過一組相互平行的平坦外表面處的內反射被捕獲在一個維度。光射向彼此平行並且相對於圖像光的傳播方向斜向傾斜的一組部分反射表面(可互換地被稱為“小平面”)，其中，每個相繼的小平面使圖像光的一部分偏轉成偏轉方向，其也在基板內通過反射被捕獲/引導。該第一組小平面未在圖1A和圖1B中單獨示出，但是位於LOE的第一區域(被指定為16)中。在相繼的小平面處的該部分反射實現了第一維度的光學孔徑擴展。
在本發明的第一組優選但非限制性示例中，以上提及的一組小平面與基板的主外表面正交。在這種情況下，注入圖像及其在第一區域16內傳播時經歷內反射的其共軛兩者被偏轉並且成為在偏轉方向上傳播的共軛圖像。在替選的一組優選但非限制性示例中，第一組部分反射表面相對於LOE的主外表面成斜角。在後一情況下，注入圖像或其共軛形成在LOE內傳播的期望偏轉圖 像，同時可以例如通過在小平面上採用角度選擇性塗層來使其他反射最少化，其中角度選擇性塗層使得小平面對於由圖像呈現的不需要其反射的入射角範圍相對透明。
第一組部分反射表面將圖像照射從通過全內反射(total internal reflection，TIR)捕獲在基板內的傳播的第一方向偏轉到也通過TIR被捕獲在基板內的傳播的第二方向。
然後，經偏轉的圖像照射進入第二基板區域18，該第二基板區域18可以被實現為相鄰的不同基板或者實現為單個基板的延續，在該第二基板區域18中，耦出佈置(另一組部分反射小平面或衍射光學元件)逐漸將圖像照射的一部分朝向位於被限定為眼動箱(eye-motion box，EMB)的區域內的觀察者的眼睛耦出，從而實現第二維度的光學孔徑擴展。整體裝置可以針對每個眼睛分開實現，並且優選地相對於用戶的頭部被支承，其中每個LOE 12面對用戶的對應的眼睛。在如這裡所示的一個特別優選的選項中，將支承佈置實現為具有用於相對於用戶的耳朵來支承裝置的側部20的眼鏡框。也可以使用其他形式的支承佈置，包括但不限於頭帶、面罩或懸掛在頭盔上的裝置。
本文在附圖和請求項中涉及X軸和Y軸，X軸沿LOE的第一區域的大體延伸方向水準(圖1A)或豎直(圖1B)延伸，並且Y軸垂直於X軸延伸─即在圖1A中豎直延伸以及在圖1B中水準延伸。
以非常近似的術語而言，可以認為第一LOE或LOE 12的第一區域16在X方向上實現孔徑擴展，而第二LOE或LOE 12的第二基板區域18在Y方向上實現孔徑擴展。在下面將更精確地表述視場的不同部分傳播的角方向的擴展的細節。應當注意，如圖1A所示的取向可以被視為“自頂向下”實現方式，在該實現方式中進入LOE的主(第二區域)的圖像照射從上邊緣進入，而圖1B所示的取向可以被視為“側向注入”實現方式，在該實現方式中水準部署這裡被稱為Y軸的軸。在其餘附圖中，將在類似於圖1A的“自頂向下”取向的背景下示出本發明的某些實施方式的各種特徵。然而，應當認識到，所有這些特徵同樣適用於也落入本發明的範圍內的側向注入實現方式。在某些情況下，其他中間取向也是適用的，並且除非明確被排除，否則也被包括在本發明的範 圍內。
與本發明的裝置一起採用的POD優選地被構造成生成准直圖像，即，在准直圖像中每個圖像圖元的光是具有與圖元位置對應的角方向的准直到無窮遠的平行光束。因此，圖像照射跨越與二維角視場對應的角度範圍。
圖像投射器14包括通常被部署成照射空間光調製器例如LCOS晶片的至少一個光源。空間光調製器調製圖像的每個圖元的投射強度，從而生成圖像。替選地，圖像投射器可以包括通常使用快速掃描鏡來實現的掃描佈置，該掃描佈置跨投射器的圖像平面掃描來自鐳射光源的照射，同時光束的強度隨著逐圖元的運動同步變化，從而針對每個圖元投射期望強度。在這兩種情況下，准直光學器件被設置成生成准直到無窮遠的輸出投射圖像。以上部件中的一些或全部通常被佈置在一個或更多個偏振分束器(polarizing beam-splitter，PBS)立方體或本領域所公知的其他棱鏡佈置的表面上。
可以通過任何合適的光學耦合來實現圖像投射器14與LOE 12的光學耦合，例如，經由具有成斜角的輸入表面的耦合棱鏡、或者經由反射耦合佈置、經由側邊緣和/或LOE的主外表面之一來實現。耦入構造的細節對於本發明並不重要，並且在這裡被示意性地示出為應用於LOE的主外表面之一的楔形棱鏡15的非限制性示例。
應當認識到，近眼顯示器10包括各種附加部件，通常包括用於致動圖像投射器14的控制器22，其通常採用來自小型搭載電池(未示出)或一些其他合適的電源的電力。應當認識到，控制器22包括用於驅動圖像投射器的所有必要的電子部件，例如至少一個處理器或處理電路，所有這些均如本領域已知的。
現在轉到圖2A至圖2D，更詳細地示出了近眼顯示器的實現方式的光學特性。具體地，示出了由透明材料形成的光導光學元件(LOE)12的更詳細視圖，LOE 12包括第一區域16和第二基板區域18，第一區域16包含具有第一取向的第一組平坦的相互平行的部分反射表面17，第二基板區域18包含具有與第一取向不平行的第二取向的第二組平坦的相互平行的部分反射表面 19。一組相互平行的主外表面24跨第一區域16和第二區域18延伸，使得第一組部分反射表面17和第二組部分反射表面19兩者均位於主外表面24之間。最優選地，該組主外表面24是各自跨整個第一區域16和第二基板區域18連續的一對表面，但是在第一區域16與第二基板區域18之間厚度減小或增大的選項也落入本發明的範圍。區域16和區域18可以被緊接地並置，使得第一區域16和區域18在邊界處接觸，邊界可以是直邊界或一些其他形式的邊界，或者取決於特定應用，可以存在置於第一區域16與第二基板區域18之間的一個或更多個附加LOE區域，以提供各種附加的光學或機械功能。在某些特別優選的實現方式中，通過採用連續的外部板來實現特別高品質的主外表面，在連續的外部板之間夾有分開形成的第一區域16和第二基板區域18以形成複合LOE結構。
可以通過反向追蹤圖像照射路徑來理解LOE的光學特性。第二組部分反射表面19與主外表面24成斜角，使得通過主外表面處的內反射在LOE 12內從第一區域16傳播到第二基板區域18中的圖像照射的一部分從LOE朝向眼動箱26耦出。第一組部分反射表面17被定向成使得從耦入區域(耦合楔形棱鏡15)通過主外表面處的內反射在LOE 12內傳播的圖像照射的一部分被朝向第二基板區域18偏轉。
在圖2A中通過從LOE右側的POD孔徑朝向LOE左側擴展的照射錐來表示來自圖像投射器14的投射圖像的一個維度的角擴展。在這裡示出的非限制性示例中，POD的中心光軸限定LOE內與X軸對齊的傳播方向，並且角擴展(在LOE內)大致為±16°。(應當注意，由於折射率的改變，角度FOV在空氣中變大。)在第一區域16中示出第一組部分反射表面17，在第二基板區域18中示出第二組部分反射表面19。
近眼顯示器被設計成向使用者的眼睛提供投射圖像的完整視場，其中用戶的眼睛位於由“眼動箱”(eye-motion box，EMB)26指定的允許位置範圍(即，通常被表示為矩形的形狀，其與眼瞳將從其觀看投射圖像的LOE的平面間隔開)內的某個位置處。為了到達眼動箱，光必須通過第二組部分反射表面19從第二基板區域18朝向EMB 26耦出。為了提供完整圖像視場，EMB中的每個點必須從LOE接收圖像的整個角度範圍。從EMB回溯視場指示較大矩 形28，相關照射自矩形28從LOE朝向EMB耦出。
圖2A示出了視場的第一末端，第一末端對應於投射圖像的左下圖元。耦入到LOE中的具有與投射器的光學孔徑對應的寬度的光束被示出為從POD向左且向上傳播並且從一系列部分反射表面17被部分地反射。如這裡所示，僅小平面的子集生成對提供由使用者所觀看的圖像中的對應圖元有用的反射，並且僅這些小平面的子區域有助於所觀察的該圖元的圖像。用粗黑線示出了相關區域，並且示出了從小平面17反射並且然後被小平面19耦出到達EMB 26的四個角的重定向圖像中的該圖元對應的光線。這裡以及貫穿說明書，將注意，這裡示出在LOE內傳播期間光線的僅面內傳播方向，但是光線實際上遵循來自兩個主外表面的重複內反射的Z字形路徑，並且一整個維度的圖像視場通過光線相對於主外表面的對應於Y維度上的圖元位置的傾斜角來編碼。通過一個附加示例的方式，用點劃線示出了在EMB的左上角處觀看到的與圖像的左上末端對應的偏轉且耦出光線。
圖2B示出了與圖2A相同的構造，但是這裡示出了到達EMB的四個角的與視場的右下圖元對應的光線，其中同樣用粗線表示相關部分反射表面17的相關區域。
將明顯的是，通過另外追蹤到達EMB的所有區域的圖像的所有場(方向或圖元)的對應的光線路徑，可以標出從耦入區域開始在LOE內傳播、由第一組部分反射表面之一偏轉並且由第二組部分反射表面之一沿到達眼動箱的方向耦出的所有光線路徑的包絡，並且該包絡限定每個小平面17的“成像區”，而小平面17的位於包絡之外的其餘部分是“非成像區”，其中“成像區”是對圖像照射的有助於圖像到達EMB的部分進行偏轉所需的，“非成像區”並不有助於所需圖像。在圖2C中用粗線示出與所有小平面17的“成像區”對應的該包絡的簡化輪廓。
已經發現，在某些情況下，“非成像區”中的小平面部分可能對圖像品質產生不利影響，例如，支持非預期的多個反射光路徑，從而造成輸入圖像照射的重影圖像，和/或來自環境光源的外部照射。為了使這樣的影響最小化，根據本發明的某些特別優選的實現方式，優選地將小平面17實現為“部分小平 面”，使得部分反射特性僅存在於第一區域16的截面區的子區域內，該子區域包括每個小平面平面的“成像區”，並且優選地排除小平面中的一些或全部的“非成像區”的至少大部分。在圖2D中示意性地示出了這樣的實現方式。小平面的有效(部分反射)區優選地稍微延伸超過完成EMB圖像投射的幾何要求所需的最小值。根據某些特別優選的實現方式，如圖所示，沿從耦入位置起的線遇到的最遠部分反射小平面的距離在從投射器14投射的圖像的大部分角度範圍上隨著角度遠離與第二基板區域18的邊界順時針增加而逐漸增加。這留下了位於第一區域16內並且優選地實現為沒有部分反射小平面的一個或更多個區域，這裡標記為30a、30b和30c。
在圖2A至圖2D中，投射器14的光軸被示為與X軸平行。應當認識到，光軸實際上不平行於X軸，而是位於X-Z平面中，其中，選擇進入頁面的Z分量，使得FOV的深度維度中的整個角度範圍在主基板表面處經歷全內反射。為了簡化呈現，本文中的圖形表示及其描述將僅涉及光線傳播方向的面內(X-Y)分量，其在本文中被稱為“面內分量”或“與LOE的主外表面平行的分量”。
圖3示出了類似的實現方式，其中投射器的光軸被旋轉以將場的一側與第一區域16的上邊緣對齊。在這種情況下，存在優選地實現為沒有部分反射小平面的兩個區域，標記為30a和30b。
圖4示出了用於製造諸如圖2A至圖2C所示的LOE第一區域16或第二基板區域18的典型生產方法。方法涉及首先堆疊和結合光學地塗覆有至少部分反射塗層的多個透明板40，從而形成堆疊42。板之間的介面對應於LOE的小平面。堆疊通常用厚度為其他板的厚度的幾倍的透明板加蓋(在頂部和/或底部)。相對於小平面表面以期望的角度將堆疊切割成切片44。然後，基於所需的LOE構造46，每個切片被成形(例如，通過切割和/或磨削，隨後拋光)以形成平行的外表面，其中小平面相對於外表面以特定的預定角度定向。換言之，LOE是由來自平行的經塗覆的玻璃板的堆疊的切片來成形的，其中部分反射表面的角度和取向由切片角度和後續切割的取向確定。
以上製造過程是高效的，原因在於可以通過以上提及的切片、切 割和拋光步驟使用板的單個堆疊來製造多個相似的LOE。針對堆疊使用厚的端板使得能夠在第一小平面之前和/或最後的小平面之後─但僅在平行於小平面的邊界處─產生透明玻璃區域。然而，由於無效區域例如圖2D和圖3的區域30a、30b和30c與形成小平面區域17的多個堆疊和結合的透明板相交，因此該方法不能直接形成這些區域。
因此為了產生圖2D或圖3中描述的波導或者具有部分小平面的其他類似波導，在上面參照圖4描述的製造方法之外，還需要另外的步驟。
根據本發明的一個特別優選的方面，提供了一種用於生產光導光學元件(LOE)的方法，其中每個LOE具有：一對相互平行的主外表面，其用於通過主外表面處的內反射來引導在LOE內傳播的圖像照射；有效區域，其具有位於主外表面之間並且被定向成不平行於主外表面的一組相互平行的部分反射表面；以及至少一個次級區域，其中部分反射表面中的至少之一終止於有效區域與次級區域之間的邊界處。如圖5的框圖所示以及如圖6示意性所示，方法包括至少以下步驟：(a)將多個平行面對的透明板40在多個介面處結合在一起以形成板的堆疊42，介面中的每一個處的一個面具有用於提供部分反射光學特性的塗層(步驟32)；(b)切割和拋光板的堆疊以形成與介面中的至少之一相交的邊界平面48(步驟34)；(c)在邊界平面48處將透明材料塊50結合到堆疊42以形成前體結構52(步驟36)；以及(d)沿多個平行平面對前體結構52進行切片以形成多個切片54，每個切片包含用於提供LOE的有效區域的堆疊42的一部分以及用於提供LOE的次級區域的塊50的一部分。
在圖6中示出的示例中，如圖所示，從每個切片54切割出最終的LOE 56，從而形成具有至少一個從其排除了該組小平面的區域30a的LOE 56。
優選地，塊50由與多個板折射率匹配的透明材料形成，使得具有小平面的區域與沒有小平面的區域之間的邊界不生成顯著的光學像差。出於相 同的原因，優選地，塊50與堆疊42的附接用折射率匹配的光學粘合劑來執行。塊50本身優選地是光學連續材料的塊，這意味著其不具有引起明顯的光學像差、光的散射或偏轉的內部特徵。最優選地，塊50被實現為透明材料(通常是玻璃)的連續均勻塊。
根據最終的LOE結構中期望邊界的位置選擇邊界平面48的取向和位置。在大部分情況下，取向將是相對於介面的平面傾斜定向的平面。這在圖6中示意性地示出為角度α(大於90°)。
圖5和圖6的方法闡述了用於製造如圖7A所示具有單個無效的區域30a的LOE的步驟，但是方法很容易通過重複步驟34和步驟36被適應性調節，以在進行切片之前形成附加邊界平面並且將附加透明塊添加到前體結構，以用於形成兩個或更多個從其排除了小平面組的無效區域。圖7B示出了具有兩個無效的區域30a和30b的LOE 56的另一示例，以及圖8示出了從對應的前體結構52進行切片得到的若干這樣的LOE 56，使得每個切片包括堆疊的區域和兩個塊的區域。
儘管這裡主要在第一維度的光學孔徑的擴展的示例中示出，在該示例中小平面負責利用LOE將圖像光傳播從第一引導方向到第二引導方向的偏轉，但是相同的原理適用於針對光學孔徑擴展的第二(或任何其他)階段所採用的LOE。通過示例的方式，圖9示出了光學佈置，其包括如圖7B所示的用於執行第一維度的光學孔徑擴展的第一LOE 56以及用於實現第二維度的光學孔徑擴展並將圖像照射朝向觀察者的眼睛耦出的第二LOE 58。在這種情況下，耦出小平面60(為了有利於對說明的理解而被示意性地過度間隔開地示出)限於LOE 58的有效區域，並且從無效區域62被排除，在該無效區域62中不需要小平面來將圖像的任何部分引導到EMB的任何部分。小平面在邊界平面61處中止。這裡同樣地，優選地通過對包括結合到經塗覆的板的堆疊的透明塊的前體元件(未示出)進行切片而將無效區域62與LOE的其餘部分一起生成，所有這些均如上面參照圖5和圖6所公開的。
圖10A至圖10E示出了本發明的方法的與先前示例大致類似的另一示例。在這種情況下，通過將第一透明材料塊50a在第一邊界平面48a處附 接至堆疊42並且將第二透明材料塊50b在第二邊界平面48b處附接至堆疊42而形成前體結構52(圖10A)。在這種情況下，第二邊界平面48b的切割還包括對第一透明材料塊50a的部分的切割。圖10B是示出切割線64的側視圖，優選地在切片之前沿該切割線64切割前體結構。該切割優選地限定一個或更多個邊緣平面，該邊緣平面的部分在切片之後限定每個LOE的邊緣。所得到的預成形的前體結構52'在圖10C和圖10D中示出。沿切片平面對前體結構52'的後續切片(圖10D的虛線66)導致接近最終的LOE結構58，通常需要僅最終的拋光和將LOE組裝為整體光學設計的一部分所需的任何其他步驟。
將注意，本發明的生產方法能夠適用于用於不同應用的廣泛的LOE結構，並且可以適於提供LOE的不同參數。例如，在某些實現方式中，平行的切片平面被定向成與堆疊的介面垂直，得到與LOE的主外表面正交的部分反射表面。對於其他應用，平行的切片平面相對于介面成斜角，從而生成具有相對於LOE的主外表面傾斜的部分反射表面的LOE。
本發明的方法還可以利用實現各種附加特徵的部分反射表面的序列來實現，所有這些附加特徵均是根據特定光學佈置的要求。示例包括但不限於可變的小平面間隔和變化的反射率，其中在可變的小平面間隔的情況下，板具有彼此不同的厚度，使得介面非均勻地間隔開，在變化的反射率的情況下，塗層被構造成針對相繼的介面提供順序變化的反射率。
顯然，取決於最終的光學裝置的期望幾何形狀，LOE的無效區域可以沿小平面的區域的較大或較小比例延伸。根據某些特別優選的實現方式，邊界平面不平行於LOE的邊緣，使得部分反射表面在與主外表面平行的方向上的長度沿該組部分反射表面的至少四分之一從部分反射表面到部分反射表面逐漸減小。
如以上在圖1B的背景下所提及的，本文在“自頂向下”的背景下示出的二維光學擴展示例可以全部等同地應用于“側向”構造，在該“側向”構造中，從位於觀看區側向外部的POD注入圖像，並且通過第一組小平面豎直地擴展圖像，並且然後通過第二組小平面水準地擴展圖像，以耦合到使用者的眼睛中。應當認識到，所有上述構造和變型也適用于側向注入構造。
貫穿以上描述，已經提及如圖所示的X軸和Y軸，其中，X軸是水準的或豎直的，並且對應於第一維度的光學孔徑擴展，以及Y軸是與第二維度的擴展對應的另一主軸。在這樣的背景下，可以相對於安裝在使用者的頭部上時裝置的取向以通常由支承佈置(例如，圖1A和圖1B的以上提及的眼鏡框)限定的取向來限定X和Y。通常與X軸的定義一致的其他術語包括：(a)對眼動箱進行定界的至少一個直線，其可以用於限定與X軸平行的方向；(b)矩形投射圖像的邊緣通常與X軸和Y軸平行；以及(c)第一區域16與第二區域18之間的邊界通常平行於X軸延伸。
應當認識到，以上描述僅旨在用作示例，並且在所附請求項所限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式也是可能的。
40:透明板
42:堆疊
44:切片
46:LOE構造

Claims (19)

  1. 一種用於生產光導光學元件(LOE)的方法，其中每個光導光學元件具有一對相互平行的主外表面，所述一對相互平行的主外表面用於通過所述主外表面處的內反射來引導在所述LOE內傳播的圖像照射，每個LOE還具有有效區域和至少一個次級區域，所述有效區域包括位於所述主外表面之間並且被定向成不平行於所述主外表面的一組相互平行的部分反射表面，所述部分反射表面中的至少之一終止於所述有效區域與所述次級區域之間的邊界處，所述方法包括以下步驟：
    (a)將多個平行面對板在多個介面處結合在一起以形成板的堆疊，所述介面中的每一個處的一個面具有用於提供部分反射光學特性的塗層；
    (b)切割和拋光板的所述堆疊以形成與所述介面中的至少之一相交的邊界平面；
    (c)在所述邊界平面處將透明材料塊結合到所述堆疊以形成前體結構；以及
    (d)沿多個平行平面對所述前體結構進行切片以形成多個切片，每個切片包含用於提供所述LOE的有效區域的所述堆疊的一部分以及用於提供所述LOE的次級區域的所述塊的一部分。
  2. 根據請求項1所述的方法，其中，沿相對於所述介面的平面傾斜定向的平面切割所述邊界平面。
  3. 根據請求項1所述的方法，其中，所述透明材料塊與所述多個板折射率匹配。
  4. 根據請求項1所述的方法，其中，所述透明材料塊為光學連續材料塊。
  5. 根據請求項1所述的方法，其中，所述透明材料塊為連續均勻塊。
  6. 根據請求項1所述的方法，還包括，在所述切片之前，沿至少一個邊緣平面切割所述前體結構，所述邊緣平面的一部分在所述切片之後限定每個LOE的邊緣。
  7. 根據請求項1所述的方法，其中，所述多個平行平面垂直於所述介面。
  8. 根據請求項1所述的方法，其中，所述多個平行平面相對於所述介面成斜角。
  9. 根據請求項1所述的方法，還包括，形成到所述LOE的有效區域的邊緣，其中，所述邊界不平行於所述邊緣，使得所述部分反射表面在與所述主外表面平行的方向上的長度沿所述一組部分反射表面的至少四分之一從部分反射表面到部分反射表面逐漸減小。
  10. 根據請求項1所述的方法，其中，所述塗層被構造成為相繼的所述介面提供順序變化的反射率。
  11. 根據請求項1所述的方法，其中，所述板具有彼此不同的厚度，使得所述介面非均勻地間隔開。
  12. 根據請求項1所述的方法，還包括以下步驟：
    (a)切割和拋光板的所述堆疊以形成與所述介面中的至少之一相交的附加邊界平面，所述附加邊界平面與所述邊界平面不共面；以及
    (b)在所述邊界平面處將附加透明材料塊結合到所述堆疊以形成所述前體結構，
    並且其中，執行所述切片，使得每個切片另外包含所述附加塊的一部分。
  13. 一種中間工作產品，其能夠沿多個平行平面被切片以形成多個光導光學元件(LOE)，每個光導光學元件具有一對相互平行的主外表面，所述一對相互平行的主外表面用於通過所述主外表面處的內反射來引導在所述LOE內傳播的圖像照射，每個LOE還具有有效區域和至少一個次級區域，所述有效區域包括位於所述主外表面之間並且被定向成不平行於所述主外表面的一組相互平行的部分反射表面，所述部分反射表面中的至少之一終止於所述有效區域與所述次級區域之間的邊界處，所述中間工作產品包括：
    (a)堆疊，其由在多個介面處結合在一起的多個平行面對板形成，所述介面的每一個處的一個面具有用於提供部分反射光學特性的塗層，所述堆疊在與所述介面中的至少之一相交的邊界平面處被切割和拋光；以及
    (b)透明材料塊，其在所述邊界平面處結合到所述堆疊。
  14. 根據請求項13所述的中間工作產品，其中，所述邊界平面相對於所述介面的平面傾斜定向。
  15. 根據請求項13所述的中間工作產品，其中，所述透明材料塊與所述多個板折射率匹配。
  16. 根據請求項13所述的中間工作產品，其中，所述透明材料塊為光學連續材料塊。
  17. 根據請求項13所述的中間工作產品，其中，所述透明材料塊為連續均勻塊。
  18. 根據請求項13所述的中間工作產品，其中，所述塗層被構造成為相繼的所述介面提供順序變化的反射率。
  19. 根據請求項13所述的中間工作產品，其中，所述板具有彼此不同的厚度，使得所述介面非均勻地間隔開。
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