TWI760463B - 光導引光學元件與結構及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

揭露一種光導引光學元件(LOE)。該LOE包含：一光學透明體具有複數 主表面並載帶至少一光導向表面，該複數主表面係用以導引一輸入光藉由來自該複數主表面的光的複數全內反射而沿著一大致傳播方向通過該透明體，該至少一光導向表面係配置用以將該輸入光朝向一或多個輸出方向耦合出該透明體，該至少一光導向表面係完全嵌於該透明體的一體積中俾使其與該複數主表面分隔。該透明體在其中包含一或多個界面，該透明體內的所有該界面係位於與該光導向表面(複數表面)平行且以一預定角度相對於該複數主表面傾斜之至少一平面中，該至少一光導向表面係位於該一或多個界面之至少一界面的至少一區域中。

Description

光導引光學元件與結構及其製造方法
本發明係落在光學裝置領域並關於小巧的光導引光學元件及其製造方法。更具體而言，本發明係關於包含由共用透光基板所承載之一或多個至少部分反射或繞射的表面的基板導引之光學元件。
此類光導引光學元件(LOE)可用於大量的成像應用如可攜式DVD、手機、移動式TV接收器、電動遊戲、可攜式影音播放器、或其他任何的移動式顯示裝置如用於擴增/虛擬實境系統中的可透視近眼顯示器、或頭戴式顯示器。LOE操作的主要物理原理為被來自LOE主表面的全內反射困在基板內的光波。此外，被困在LOE中的光波藉由一或多個內反射或部分反射/繞射的表面而耦合出LOE而進入觀看者的眼中。
定義上述LOE之效能之重要因素中的一因素係關於對來自LOE之光輸出所形成之照明的均勻度的要求。為達此目的，應考慮每一部分反射性之表面的實際活性區域，因為在所得之影像中的潛在不均勻性可能是由於到達每一選擇性反射性之表面之不同光束的不同反射順序而產生。更具體而言，某些光束在之前不和一選擇性反射性之表面互動的情況下到達但其他光束卻在一或多次部分反射之後到達。
由於選擇性反射性的表面的非活性部分不會對受困光波耦合出表面有任何貢獻，因此其對LOE的光學效能的影響只可能是負面的。意即，若反射性表面之間並無任何重疊，則在系統之輸出孔徑中將會有非活性的部分並在影像中存在著「空洞」。另一方面，反射性表面的非活性部分對於來自外部場景的光波確實是有活性的。此外，兩個相鄰表面的主軸位向不能相同，否則整個第二表面將會是非活性的。因此，若在反射性表面之間設定重疊以補償輸出孔徑中的非活性部分，則來自橫跨此些重疊區域之輸出場景的光束將不會苦於雙重衰減效應且在外部場景中不會產生空洞。此現象不只是會大幅降低位在似眼抬頭顯示器遠方處的顯示效能亦會大幅降低近眼顯示器的顯示效能。
例如在讓渡予本申請之受讓人的US 7,724,443與WO 2007/054928中說明了上述問題及其某些解決方案。克服該問題的可能技術為，僅將部分反射性表面的真實活性部分嵌於基板內意即反射表面不和較低的主表面互動而是在缺乏此表面之處終止。由於反射性表面的末端在LOE之長度上方彼此相鄰因此在所投影的擴增影像中無空洞，且由於表面之間並無重疊因此在外部景像的實際影像中無空洞，藉此提供均勻的照明。
在此領域中需要上述類型之光導引元件(LOE)之製造新方法，上述類型之光導引元件(LOE)即具有下述特徵的LOE：藉由來自LOE之主表面之全內反射將光困在基板內部且載帶用以使受困光耦合出基板之一或多個反射性或部分反射性的/繞射性的表面。
此類LOE及光於其中傳播並自其離開的方案係大致上例示於圖1A中。LOE 20具有光輸入區域21(例如與虛擬像源的輸出對準)、主表面26與28(藉由來自其全內反射而導引光)、及一或多個至少部分反射性/繞射性的表面 22(以適當的位向設置於LOE內部)。在來自主表面26、28的數次反射後，受困的光波到達選擇性的部分反射性表面(複數表面)22，部分反射性表面(複數表面)22使光耦合出LOE而沿著朝向觀看者眼睛24之瞳孔的輸出方向(複數方向)傳播。
一般而言，嵌於LOE之基板中之此類至少部分反射性/繞射性的表面22係用以重新導引光沿著一大致傳播方向傳播並沿著一或多個輸出方向通過基板。為化簡化，在下文中將此類表面稱為「光導向表面」。一般而言，嵌於LOE之基板中之此類至少部分反射性/繞射性的表面22係用以重新導引光沿著一大致傳播方向傳播並沿著一或多個輸出方向通過基板。為化簡化，在下文中將此類表面稱為「光導向表面」。
例如自上述讓渡予本申請之受讓人的US 7,724,443與WO 2007/054928所知，藉著將此類光導向表面22嵌於基板中俾使其與主表面(複數表面)26、28分隔可提供LOE的高效能(例如均勻的照明)。
如圖1B中概略顯示，根據此些專利公開案中所述的某些技術，此類配置可藉由下列方式達到：將空白板132(即不具有任何部分反射性之表面的板)附接至光導引基板130之複數主表面中的一主表面(例如藉由使用光學膠合劑)俾以在LOE 134處獲得所有反射性表面用的適合活性孔徑。如上所述，兩個主表面26與28係彼此平行俾使經結合的結構形成一個完整的矩形平行六面體。
如圖1C中概略顯示，根據自此些專利公開案已知的替代技術，可藉由下列方式獲得相同的結果：藉由射出成型或鑄造製造兩個類似的齒形透明形體140；將所需的反射表面22(各向性的或塗覆有薄膜的)插入至形體140之間的適當位置處，接著將兩個形體黏在一起以產生所需的LOE 144。
如圖所示，所得之結構134(圖1B)具有平行於主表面但相對於反射性表面22傾斜的界面50；且所得之結構144(圖1C)具有界面150，界面150 具有位於實質上平行於反射表面22之平面中的複數區域/區段150A以及位在與反射表面和主表面相交之平面中的複數區域/區段150B。
一般而言，為了達到具有良好光學品質的未扭曲影像，主要表面及(部分)反射性/繞射性的表面應該要具有高品質。另一方面，期望此類LOE的製造處理儘可能地簡單直觀且有成本效率。
本發明提供一種具有一或多個至少部分反射性/繞射性表面(有時在下文中被稱為「光導向表面」)之LOE的新穎製造方法以及此方法所得之新穎LOE配置，該至少部分反射性/繞射性表面使光耦合出LOE的基板/本體。
是以，根據本發明的一廣泛態樣，提供一種光導引光學元件(LOE)包含：一光學透明體具有複數主表面並載帶至少一光導向表面，該複數主表面係用以導引一輸入光藉由來自該複數主表面的光的複數全內反射而沿著一大致傳播方向通過該透明體，每一該光導向表面係配置用以將該輸入光朝向一或多個輸出方向耦合出該透明體。此配置使每一該至少一光導向表面係完全嵌於該透明體的一體積中俾使每一該至少一光導向表面係與該複數主表面分隔；且該透明體包含在該透明體內的一或多個界面，其中該透明體內之該一或多個界面中的所有界面係位於至少一平面中，該至少一平面係與該至少一光導向表面中的每一者平行且以一預定角度相對於該複數主表面傾斜，該至少一光導向表面係分別位於位在該一或多個界面中之一界面處的至少一區域中。
應瞭解在本發明的LOE中，除了平行於複數光導向表面並在複數主表面之間延伸的界面之外並無其他界面，且所有的光導向表面係設置在此些界面之至少部分界面的區域中。在這一點上應瞭解，文中所用的「界面」一詞係指形成LOE之一整合結構的複數元件之間的物理邊界。
在某些實施例中，該LOE之該透明體(基板)包含藉著沿著至少一軸以一分隔平行關係配置之該光導向表面之兩或更多者之一陣列所形成的一內 圖案。該陣列之該兩或更多光導向表面係位於該透明體內之該一或多個界面處且完全嵌於該透明體的該體積中俾使該兩或更多光導向表面與該複數主表面分隔。
此類複數光導向表面中的至少某些者可與該複數主表面中的至少一表面實質等距；且該複數光導向表面中的至少某些者可具有不同或相同的尺寸但與該複數主表面不等距。
應注意，雖然下文中利用相對於在透明體中傳播之輸入光為至少部分反射性/繞射性的光導向表面來說明本發明，但本發明之原理不限於此些特定的應用。是以，一般而言，光導向表面具有不同於其週遭的光學特性且可大致上包含具有會差異性影響(如引發偏振效應、光譜效應等)傳播通過透明體之輸入光之不同光學特性的複數表面。
在某些實施例中，該LOE之該複數光導向表面係沿著在該至少一平面中的兩垂直軸以一空間分隔關係配置。
本發明提供一種上述LOE的新穎製造方法。然而，本發明之方法係有利於大量製造此類LOE，因為其提供一種利用任何已知的適合圖案化技術(複數技術)同時製造複數LOE的簡單方法。
是以，根據本發明的另一廣泛態樣，提供一種以如上所述之方式配置之兩或更多光導引光學元件(LOE)的製造方法，此方法包含：製備至少一圖案化之基板，該圖案化之基板具有一光學透明之平面體，該平面體具有一表面形成有複數平行分隔之光導向區域的一圖案，該複數光導向區域係配置於一X-Z平面中以一空間分隔關係沿著X-軸與Z-軸中的一者配置並在該複數光導向區域之間具有複數光學透明的間隔件區域；將該至少一圖案化之基板夾置於一上光學透明之基板與一下光學透明之基板之間，藉此沿著一Y-軸形成上下堆疊之多層光學透明膜層的一堆 疊，其中該複數平行分隔之光導向區域的該圖案係位於該些膜層之間的一界面處；沿著與該X-Z平面相交且與該X-Z平面形成一預定角度的一裁切平面將該多層光學透明膜層的該堆疊裁切為沿著該X-軸彼此間隔之預定數目的複數片狀物，藉此定義該複數LOE之複數透明體，該複數透明體中的每一者皆包含完全嵌於該LOE之該透明體中的該至少一光導向區域俾使該至少一光導向區域係與該LOE的該複數主表面分隔且與該複數主表面形成該預定角度。
該方法更包含對該複數片狀物中的每一者施加邊緣裁切，以製造具有該複數主表面之該光學透明體且包含嵌於該透明體中與該複數主表面分隔之該至少一光導向表面的該LOE。
在欲製造之該複數LOE中的每一LOE應包含複數光導向區域的某些實施例中，提供沿著該Y-軸上下配置且包夾於該上層與該下層之間之一個以上的圖案化之基板，俾使該複數圖案化之基板的複數圖案係位於該相鄰膜層之間且沿著該X-軸與Z-軸中的一者彼此偏離，藉此形成該複數LOE，每一該LOE包含一內圖案，該內圖案包含完全嵌於該透明體中的兩或更多個分隔的光導向區域。
應注意，在某些實施例中，偏離值係小於該膜層中相鄰之光導向區域之間的一最小間隔/未經塗覆之區域。
應瞭解，「未經塗覆之區域」係指相對於該光導向區域之塗層(如部分反射性塗層)係不同的一區域。又，應瞭解，「透明區域」一詞不限於任何未經塗覆之區域而是包含光導向區域之無光導向塗層的已塗覆或不透明區域。
上述相鄰膜層中之複數圖案的偏離可藉由適當地施加圖案化處理來達到；或藉著使複數類似圖案化之基板沿著該X-軸彼此偏離而達到。
該複數間隔件區域的尺寸以及將該堆疊裁切為複數片狀物的裁切定義了該光導向區域(複數區域)與該LOE之該複數主表面之間的距離(複數距離)。該兩或更多光導向區域可包含不同尺寸的複數區域且可包含具有能差異性影響該輸入光之不同光學特性的複數區域。
應瞭解，該複數裁切平面中的至少一者通過該複數透明區域。如下面將更進一步例示的，在某些實施例中，只有該複數裁切平面中的一者通過該複數透明區域，但該複數裁切平面中的至少一其他平行裁切平面/裁切與該複數膜層中的複數反射性塗層相交而在不同的該LOE之間將其細分。
該複數圖案化之膜層可具有相同或不同的厚度。
如上所述，該圖案化之基板可藉由任何已知的適合技術製備，例如以微影處理(負圖案化或正圖案化)產生藉由複數光學透明的間隔件區域所分隔之該複數平行分隔之光導向區域的該圖案；或在該光學透明之平面體的一表面施加直寫圖案化處理。
應瞭解，當需要時，在某些情況中可製造由上述多層光學透明膜層之堆疊(其中複數膜層中的一或多者具有表面圖案)所形成的一中間結構並將其供應予客戶進行更進一步的裁切為LOE體。
本發明在其更另一廣泛態樣中提供一種用於自其形成複數LOE體的此類光學結構。該光學結構係配置為多層光學透明膜層的一堆疊，其中：該複數光學透明膜層中的每一者具有複數平行之光導向區域的一表面圖案，該複數光導向區域係配置於一X-Z平面中以一空間分隔關係沿著至少該X-軸配置並在該複數光導向區域之間具有複數光學透明的間隔區域；該複數膜層係沿著該Y-軸彼此上下堆疊俾使該複數表面圖案中的每一者係位於兩相鄰膜層之間之一界面處且該些膜層之該些圖案係沿著該X-軸與Z-軸中之一者與一預定偏離值對準， 藉此沿著與該X-Z平面相交且與該X-Z平面形成一預定角度的一裁切平面將該光學結構裁切為沿著該X-軸與Z-軸中之一者彼此間隔之預定數目的複數片狀物，以製造該複數LOE元件用的複數透明體，該複數透明體中的每一者皆形成一內圖案且該內圖案包含完全嵌於該LOE之該透明體中且相對於該LOE體的複數表面(配置作為主反射表面)以該預定角度傾斜的該複數平行分隔之光導向區域的一陣列。
如上所述，該複數膜層可包含具有不同厚度的兩或更多膜層。
該圖案之該複數光導向區域係沿著該X-軸與該Z-軸兩者以該空間分隔關係配置。
本發明亦包含一種光導引光學元件(LOE)，其包含：一光學透明體具有複數主表面並載帶至少一光導向表面，該複數主表面係用以導引一輸入光藉由來自該複數主表面的光的複數全內反射而沿著一大致傳播方向通過該透明體，該光導向表面係配置用以將該輸入光朝向一或多個輸出方向耦合出該透明體，該光導向表面係完全嵌於該透明體的一體積中俾使其與該複數主表面分隔，該LOE係以包含下列步驟的方法所製造：製備至少一圖案化之基板，該圖案化之基板具有一光學透明之平面體，該平面體具有一表面形成有複數平行分隔之光導向區域的一圖案，該複數光導向區域係配置於一X-Z平面中以一空間分隔關沿著X-軸與Z-軸中的一者配置並在該複數光導向區域之間具有複數光學透明區域；將該至少一圖案化之基板夾置於一上光學透明之基板與一下光學透明之基板之間，藉此沿著該Y-軸形成上下堆疊之多層光學透明膜層的一堆疊，其中該複數平行分隔之光導向區域的該圖案係位於該些膜層之間的一界面處； 沿著與該X-Z平面相交且與該X-Z平面形成一預定角度的一裁切平面將該多層光學透明膜層的該堆疊裁切為沿著該X-軸與Z-軸中之該一者彼此間隔之預定數目的複數片狀物，藉此定義該複數LOE之複數透明體，該複數透明體中的每一者皆包含完全嵌於該LOE之該透明體中的該至少一光導向區域。
20:光導引元件(LOE)/光學透明體/平面體
20A:LOE透明體
20B:LOE透明體
21:光輸入區域
22:表面/光導向表面/光導向區域
26:主表面
28:主表面
50:界面
60:界面
70:圖案化之基板
70A:表面
70B:相對表面
72A:圖案
74:光學透明區域
76:光學透明膜層/板
78A:陣列
78B:陣列
80:多層堆疊
82:裁切平面
84:空間
130:基板
132:空白板
134:光導引元件(LOE)
140:齒形透明形體
144:光導引元件(LOE)
150:界面
150A:區域/區段
150B:區域/區段
200:光導引元件(LOE)裝置
為了更瞭解文中所揭露之標的並例示其可如何實施，現在將參考附圖以非限制性之實例說明實施例，其中：圖1A概略例示與本發明相關之傳統平面式光導引光學元件(LOE)的結構與操作；圖1B與1C顯示意在解決與圖1A之傳統LOE結構相關之問題之LOE的兩個已知實例；圖2概略顯示根據本發明之LOE的結構；圖3A-3D顯示用以製造複數LOE之本發明方法的實例，每一LOE係配置有嵌於LOE之透明體中的單一光導向區域；圖4A-4E顯示用以製造複數LOE之本發明方法的另一實例，每一LOE係配置有嵌於LOE之透明體中的複數分隔光導向區域，此方法係藉由堆疊複數圖案化之基板，其中每一基板中的該複數光導向區域係沿著Z-軸延伸並沿著X-軸分隔，且該堆疊基板中的複數圖案係沿著X-軸偏離；圖4F例示以圖4A-D之大致方法但使用不同圖案化之複數膜層所製造之LOE，以此方法所製造出的LOE中複數光導向表面包含具有不同尺寸且與複數主表面中之至少一主表面具有不同距離的複數光導向表面；圖5A至5G顯示用以製造複數LOE之本發明方法的更另一實例，每一LOE係配置有嵌於LOE之透明體中的複數分隔光導向區域，此方法係藉由 堆疊複數圖案化之基板，其中每一基板中的該複數光導向區域係沿著Z-軸延伸並沿著X-軸分隔，且該堆疊基板中的複數圖案係沿著Z-軸偏離；圖6A至6F顯示用以製造複數LOE之本發明方法的更另一實例，每一LOE係配置有嵌於LOE之透明體中的複數分隔光導向區域，此方法係藉由堆疊複數圖案化之基板，其中每一基板中的該複數光導向區域係沿著Z-軸延伸並沿著X-軸與Z軸兩者分隔，且該堆疊基板中的複數圖案係沿著X-軸偏離；及圖7例示一眼鏡，此眼鏡之透鏡包含本發明之LOE。
如上所述，圖1A概略例示一傳統LOE裝置的結構與操作(光傳播方案)；而圖1B與1C改良式LOE結構的兩個實例，此些LOE提供完全嵌於LOE裝置之基板中且與LOE之主表面(複數表面)分隔的複數光導向表面。
現在參考圖2，其概略例示根據本發明所配置之LOE裝置200的一部分。為了促進瞭解，在本發明的所有實例及上述之已知裝置中使用相同的參考標號來識別共通的元件。
LOE 200包含光學透明體20，光學透明體20具有兩個主表面26與28以及一或多個光導向表面22。是以，LOE的結構係配置用以藉由來自主表面26與28之全內反射引導輸入光沿著大致傳播方向D通過透明體20以及藉由以此方式傳播之光與光導向表面(複數表面)22的互動將光朝向一或多個輸出方向耦合出透明體。LOE 200之配置俾使所有光導向表面(複數表面)22完全嵌於透明體20之體積中並與主表面(等距或不等距)分隔。LOE 200之製造俾使透明體20包含大致上位於60處的一或多個內界面，其中每一內界面在主表面之間延伸且所有的界面(在最簡單的情況中可能只有一個此類界面)係位於平行於光導向 表面(複數表面)22之平面中，且光導向表面(複數表面)22係分別位於此類一或多個界面60的區域(複數區域)中。
下面為用以製造本發明之LOE裝置之本發明之製造方法的數個實例。同時製造複數LOE之透明體的最簡單實例係顯示於圖3A-3D中，其中每個LOE包含單一光導向區域；下面將參考圖4A-4E、5A-5G、及6A-6F說明同時製造複數LOE透明體之更實際實例，其中每一LOE包含沿著X-軸與Z-軸中之一者以平行分隔關係設置之兩或更多光導向表面22(光導向區域可沿著Z-軸拉長延伸)的陣列。
如圖3A中所示，製備圖案化之基板70。圖案化之基板70具有光學透明之平面體20，平面體20在其至少一表面70A上具有至少一表面圖案72A。應瞭解，雖然未特別顯示，但相對表面70B亦可設有表面圖案。圖案72A具有平行分隔之光導向區域22之陣列(大致上至少兩個此類區域)的形式，平行分隔之光導向區域22係藉由平面體20的光學透明區域74所分隔。一般而言，區域22塗有期望的光導向材料(例如至少部分反射性或繞射性的材料)而區域74為未經塗覆之區域。在此實例中的光導向區域22係沿著Z-軸拉長延伸，且沿著X-軸以空間分隔關係配置並在彼此間設有光學透明之未經塗覆之區域74。可在光學塗佈處理之後或之前利用任何已知的適當技術如微影(負或正)、直寫等產生表面圖案72A。
應注意且下面將更進一步具體說明的，光導向區域22可以二維陣列方式配置，意即光導向區域可沿著X-軸與Z-軸兩者分隔。
接著，將圖案化之基板70夾置於光學透明膜層76之間(或至少圖案化的表面70A被此類膜層76所覆蓋)。是以，藉著以光學黏著劑將圖案化之基板70與光學透明膜層76沿著Y-軸彼此上下堆疊黏著而產生多層堆疊80，其中光導向區域22的圖案72A係位於此些膜層之間的一界面50處。如上所述， 配置可俾以在表面70B上產生另一表面圖案是以光導向區域的圖案係位於表面70B與其他光學透明膜層76之間的一界面處。
接著，沿著與X-Z平面以預定角度相交且通過光學透明之未經塗覆之區域74的複數裁切平面82裁切/切割堆疊80(圖3C)。藉此製造複數個LOE的透明體20-在本實例中製造11個此類透明體，但在圖3D中僅顯示其中的一者。每一此類LOE僅具有一個光導向區域22，光導向區域22係完全嵌於LOE的透明體20中並與主表面形成該角度。如所示，此類LOE除了位在平行於光導向表面22之平面中的界面50外並不具有任何其他的內界面，且該光導向表面係位於界面50的一區域上並與透明體20的外表面分隔。
接著可藉由施加各種塗層來更進一步處理此些外主表面而產生LOE的主要反射表面，塗層包含但不限於硬塗層(HC)、抗刮塗層、超斥水塗層、抗污塗層、抗菌與防污塗層、抗反射塗層。產生此些塗層的方法可包含但不限於液體/溶劑類的塗佈如浸塗、旋塗、噴塗、模具塗佈、毛細管塗佈、滾塗、簾式/刮刀塗佈、棒塗、或各種印刷技術，且可更進一步包含固化步驟(如UV/電子束/熱固化)與額外的研磨步驟。或者，可施加乾式塗佈如光學塗層的蒸鍍或濺鍍。亦應注意，雖然在此處未具體顯示，但可將邊緣裁切處理施加至切割處理所得的每一透明體，藉此製造出具有期望配置之LOE，藉由來自主表面之全內反射導引輸入光沿著一大致傳播方向且藉由輸入光與光導向表面的互動將光耦合出LOE。
如上所述，本發明之方法可有利地用於同時製造複數LOE，每一LOE包含複數光導向表面的陣列。此類方法中的一者係例示於圖4A-4E中。在此實例中，方法始於製備大致上類似於圖3A之基板的複數圖案化之基板70(圖4A)。利用任何已知的適合圖案化技術製備基板。
利用光學黏著劑沿著Y-軸以彼此上下對準的方式光學接合複數圖案化之基板70(圖4B)，圖案化之基板70可被夾置於上光學透明膜層與下光學透明膜層之間、或可以光學透明膜層覆蓋僅最上層的圖案化表面。藉此製造多層堆疊80。在此類堆疊80中，圖案72係位於相鄰膜層之間的界面處。又，在此類堆疊中，位於不同平面中的圖案72係沿著X-軸以預定偏離值△x彼此偏離。偏離值△x係小於膜層中之相鄰光導向區域22之間之未經塗覆之光學透明之區域74的最小X-尺寸Xuncoat。此類偏離圖案配置可藉著以所需的圖案偏離製備複數圖案化之膜層所獲得、或可藉著以所需的橫向偏離堆疊類似的複數圖案化之膜層所獲得。
接著，沿著與X-Z平面相交並與X-Z平面形成預定角度θ且通過所有圖案化之膜層之間隔件區域74的複數裁切平面82(如圖4D中所示)將上述裁切/切割處理施加至多層堆疊80(圖4C與4D)。此處理導致複數LOE透明體，每一透明體係如圖4E所示配置，其具有全部皆完全嵌於透明體20中的複數光導向區域22俾使複數光導向區域22與主表面分隔且相對於主表面具有角度θ的位向。又，可對整個堆疊80施加邊緣裁切處理、或分別對切割處理所得到的每一LOE透明體施加邊緣裁切處理。
應瞭解，光導向區域22之間之間隔件/未經塗覆之區域74的尺寸以及施加至堆疊之裁切的參數定義了光導向區域22距離LOE之主表面的距離(複數距離)。如圖4F所例示，配置可俾使LOE 20中的光導向區域22包含相同或不同尺寸的區域以及與主表面等距或不等距的區域。
圖5A至5G顯示製造複數之本發明方法的另一實例，其中每一LOE具有複數光導向區域的陣列。首先，製備複數圖案化之基板，一此類圖案化之基板70係顯示於圖5A中。圖案化之基板具有一光學透明之平面體20，平面體20在其至少一表面70A上具有至少一表面圖案72A。如上所述，基板的相 對表面亦可設有表面圖案。圖案72A具有兩或更多平行分隔之光導向區域22(塗有所需之光重新導向材料如反射性、部分反射性、或繞射性之材料的區域)的形式，平行分隔之光導向區域22係藉由沿著X-軸的光學透明(未經塗覆)區域74所分隔。在此實例中，光導向區域22係沿著Z-軸拉長(線)延伸。可在光學塗佈處理之後或之前利用任何已知的適當技術如微影(負或正)、直寫等產生表面圖案72A。
複數圖案化之基板70係製備而夾置於上光學透明膜層/板76與下光學透明膜層/板76之間(圖5B)。接著使用光學黏著劑以沿著Y-軸彼此上下對準方式堆疊圖案化之基板70並將圖案化之基板70夾置於上光學透明之未圖案化板76與下光學透明之未圖案化板76之間(或以一光學透明板76覆蓋僅最上層之圖案化表面。藉此製造多層堆疊80。在此類堆疊80中，圖案72A(光導向區域22)係位於此些膜層之間的界面50處。又，在此類堆疊80中，基板係沿著Z-軸以預定偏離值△z相對於彼此偏離。
圖5D顯示將裁切/切割處理施加至多層堆疊80。如所示，複數裁切平面82與X-Z平面相交並與X-Z平面形成預定角度(如上面參考圖4D所述)。此處理導致複數LOE基板-一此類基板20係顯示於圖5E中。
如上所述，如圖5D中所例示的，複數裁切平面82中只有一者通過透明區域而其他裁切平面/切割與膜層的反射性塗層相交在不同LOE之間將其細分。圖5E中所示的基板20具有嵌於其中之複數光導向區域的兩個陣列78A與78B(大致上取決於每一初始基板70中的圖案而有兩或更多陣列)，其中陣列中的光導向區域係沿著Z-軸以空間分隔關係配置且兩個陣列係沿著X-軸配置具在其間有空間84。可選擇性地對此類多陣列基板中的空間84施加更進一步的裁切/切割(圖5F)以獲得分別包含鑲嵌之複數光導向區域之陣列78A與78B的兩個LOE透明體20A與20B。如圖5G中所示，所獲得之每一LOE基板/透明體更進 一步經歷邊緣裁切與研磨。光導向區域22係位於界面50內且相對於主表面26與28具有角度θ的位向，光導向區域22係適當地與主表面分隔。
應瞭解，在圖5D例示之切割處理(即沿著平面82裁切)之前可替代性地對圖5C的整個堆疊80施加圖5F之裁切處理。在此情況中，可施加圖5D之裁切兩次，分別針對兩個以此方式所獲得之單一陣列堆疊。
現在參考圖6A至6F，其顯示同時製造複數LOE之本發明方法的更另一實例，每一LOE皆具有複數光導向區域。此實例實際上為圖5A-5G之實例的替代性實例。
圖6A顯示複數圖案化之基板70中的一者。然而，在此實例中，基板70之圖案化的表面(大致上至少一表面)具有沿著X-軸與Z-軸兩者以空間分隔關係配置之光導向區域之二維陣列的形式。如上所述，光導向區域係塗有期望的光導向材料且以基板之未經塗覆之區域分隔。是以，圖案可被敘述為區域22之兩陣列72A與72B所形成的，其中兩陣列係沿著Z-軸分隔且每一陣列的區域22係沿著X-軸分隔。
如圖6B中所示，製備複數圖案化之基板70並將其彼此上下堆疊俾使不同基板的圖案沿著X-軸以預定偏離值△x相對於彼此偏離。偏離值△x係小於膜層中之相鄰光導向區域22之間之未經塗覆之光學透明之區域74之最小X-尺寸即Xuncoat。應瞭解，為了獲得此類圖案之間的偏離，可堆疊具有偏離圖案之初始製備的基板、或以此類偏離堆疊類似的圖案化基板、或使用兩種技術。
利用光學黏著劑以彼此上下對準的方式光學接合複數圖案化之基板而形成堆疊80(圖6C)，圖案化之基板可被夾置於上光學透明膜層76與下光學透明膜層76之間(或可以覆蓋僅最上層)。在此類堆疊80中，圖案(光導向區域22)係位於相鄰膜層/基板之間的界面50處。
類似於針對圖3C與4C所述，沿著與X-Z平面相交且如上所述與X-Z平面形成預定角度θ的複數裁切平面82將裁切/切割處理施加至多層堆疊80(圖6D)。圖6E中顯示所得之複數透明體中的一LOE透明體20，圖6F顯示邊緣裁切與研磨處理之後的結果。如上所述，在此實例中，可先將沿著X-軸在兩個陣列之間之空間中的裁切/切割施加至堆疊80然後將沿著平面82的裁切施加至每一所得的半堆疊。每一LOE透明體20具有完全嵌於透明體中之複數平行分隔的光導向區域俾使光導向區域與作為主表面的表面26與28分隔(等距或非等距)。
應瞭解，以本發明方法所製造的LOE(圖3D、4E、5G、及6F)不具有除了位於平行於光導向表面22之平面中之界面50以外的任何其他內界面，該光導向表面係位於界面50的區域中並與用來作為主要反射表面之透明體22之表面分隔。
圖7例示本發明之結構(LOE)如何被包含於眼鏡中。眼鏡中的每一透鏡係由LOE所形成或載帶附接至其的LOE，當透鏡與虛擬像源一起使用時，光導向表面將虛擬影像光導引至配戴者的眼睛。
50:界面
80:多層堆疊
82:裁切平面

Claims (27)

  1. 一種用以自其製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的光學結構，該每一LOE包含一光學透明體及複數光導向表面，該光學透明體係用以導引一輸入光藉由來自該透明體之複數主表面的光的複數全內反射而沿著一大致傳播方向通過該透明體，該複數光導向表面係用以將該輸入光朝向一或多個輸出方向耦合出該透明體，其中該複數光導向表面係完全嵌於該透明體的一體積中而與該透明體的該複數主表面分隔，且相對於該複數主表面以一預定角度傾斜，該光學結構係配置為多層光學透明膜層的一堆疊，其中：該多層光學透明膜層中的每一該膜層具有一平整表面佈置在X-Z平面並具有多個以平行方向延伸的細長光導向表面的一表面圖案，該複數光導向區域係沿著至少X-軸以一空間分隔關係具有複數光學透明之分隔區域；該多層膜層係沿著一Y-軸彼此上下堆疊俾使該複數表面圖案中的每一表面圖案係位於兩相鄰膜層之間的一界面處且該多層膜層的該複數圖案係沿著該X-軸與一Z-軸中之一者以一預定偏離值對準；其中配置所述複數光導向區域的表面圖案與所述複數光學透明之分隔區域，俾以可藉由與該X-Z平面相交且與該X-Z平面形成一預定角度的複數平行分隔的裁切平面而分割該光學結構，分割為沿著該X-軸與Z-軸中之該一者彼此間隔之的複數片狀物，該複數片狀物係配置為該複數LOE元件之該複數光學透明體，其中該複數透明體中的每一該透明體具有一平行分隔之光導向區域的內部陣列，該內部陣列完全嵌於該LOE之該透明體中，且以該預定角度相對於該LOE之該透明體之該複數主表面傾斜。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學結構，其中，所述多個膜層沿Y軸一個接一個地堆疊，並且沿所述X軸和Z軸之一偏離，從而使所述各個膜層與所述偏離對準。
  3. 如申請專利範圍第1項之光學結構，其中，所述多個膜層包括至少兩個不同厚度的層。
  4. 如申請專利範圍第1項之光學結構，其中，所述光導向區域的表面圖案的各部分沿X軸和Z軸以間隔開的關係配置。
  5. 如申請專利範圍第1項之光學結構，其中，所述光導向區域包括具有對輸入光不同影響的不同光學特性表面。
  6. 如申請專利範圍第1項之光學結構，其中，所述光導向區域包括通過反射和繞射效應的至少一種的導光表面。
  7. 如申請專利範圍第1項之光學結構，其中，所述多個膜層的圖案與沿X軸的偏離相對準，所述偏離值小於沿所述X軸的光導向表面之間的最小間隔。
  8. 如申請專利範圍第1項之光學結構，其中，所述光導向表面包括從所述主表面至所述裁切平面實質上相等間隔的表面。
  9. 如申請專利範圍第1項之光學結構，其中，所述光導向表面包括從所述主表面至所述裁切平面不同間隔的不同尺寸的表面。
  10. 一種製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，俾使該兩或更多LOE中的每一該LOE包含一光學透明體及至少一光導向表面，該光學透明體係用以導引一輸入光藉由來自該透明體之複數主表面的光的複數全內反射而沿著一大致傳播方向通過該透明體，該至少一光導向表面係用以將該輸入光朝向一或多個輸出方向耦合出該透明體，其中該至少一光導向表面係完全嵌於該透明 體的一體積中而與該透明體的該複數主表面分隔，且相對於該複數主表面以一預定角度傾斜，該方法包含：提供請求項1的光學結構；及沿著與該X-Z平面相交且與該X-Z平面形成一預定角度的多個裁切平面，將該堆疊的光學結構沿著該X-軸與Z-軸中之一裁切，以使該光學結構細分為彼此間隔的複數片狀物，藉此定義該複數LOE之複數透明體，該複數透明體中的每一透明體具有一平行分隔之光導向區域的內部陣列，該內部陣列完全嵌於該LOE之該透明體中，且以該預定角度相對於該LOE之該透明體之複數主表面傾斜。
  11. 如申請專利範圍第10項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，更包含對該複數片狀物中的每一該片狀物施加邊緣裁切，以製造具有該光學透明體及與該複數主表面分隔之該至少一光導向表面的該LOE，該光學透明體係用以導引該輸入光藉由來自該透明體之該複數主表面的該複數全內反射而沿著該大致傳播方向，該至少一光導向表面係用以影響該輸入光朝向該一或多個輸出方向傳播。
  12. 如申請專利範圍第10項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，更包含沿著該Y-軸彼此上下堆疊超過一片的圖案化之基板，俾使該複數圖案化之基板的複數圖案位於相鄰膜層之間的複數界面處，且沿著該X-軸與Z-軸中的一者彼此偏離，藉此形成該複數LOE，每一該LOE包含一內圖案，該內圖案包含完全嵌於該透明體中的兩或更多個分隔的光導向區域。
  13. 如申請專利範圍第10項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，更包含沿著該Y-軸彼此上下堆疊超過一片的圖案化之基板，其中該複數圖案化之基板係沿著該X-軸相對於彼此偏離，藉此使該複數圖案化之基板的該複數圖案沿著該X-軸以一偏離值相對於彼此偏離，該偏離值係小於該膜層中之相鄰之該等光導向區域之間的最小間隔件區域，藉此形成該複數LOE，每一該 LOE包含一內圖案，該內圖案包含完全嵌於該透明體中的兩或更多個分隔的光導向區域。
  14. 如申請專利範圍第10項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，其中複數間隔件區域的複數尺寸及該複數片狀物的裁切定義了該光導向區域與該LOE之該複數主表面之間的距離。
  15. 如申請專利範圍第12項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，其中該兩或更多個該光導向區域包含具有不同尺寸的複數區域，俾使其與該複數主表面之間有不同距離。
  16. 如申請專利範圍第12項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，其中該兩或更多個該光導向區域包含具有能差異性影響該輸入光之不同光學特性的複數區域。
  17. 如申請專利範圍第10項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，其中該複數光導向區域包含藉由反射及繞射效應中之至少一者導引光的複數表面。
  18. 如申請專利範圍第10項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，其中製備該至少一圖案化之基板的步驟包含對該光學透明之平面體的一表面施加一微影處理，以產生由該複數光學透明之間隔件區域所分隔之該複數平行分隔之光導向區域的該圖案。
  19. 如申請專利範圍第18項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，其中該微影處理係用以施加負或正圖案化以產生該圖案。
  20. 如申請專利範圍第10項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，其中製備該至少一圖案化之基板的步驟包含對該光學透明之平面體的一表面施加一直寫圖案化處理，以產生由該複數光學透明之間隔件區域所分隔之該複數平行分隔之光導向區域的該圖案。
  21. 如申請專利範圍第10項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，其中該複數主表面中的每一該主表面包含一外塗層，該外塗層包含下列之至少一者：硬塗層(HC)、抗刮塗層、超斥水塗層、抗污塗層、抗菌與防污塗層、及抗反射塗層。
  22. 如申請專利範圍第21項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，更包含對該複數外表面施加下列處理中的一者，以產生該LOE的該複數主表面：液體/溶劑類之塗佈；一或多道印刷技術；及一或多道乾式塗佈。
  23. 如申請專利範圍第22項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，其中該液體/溶劑類之塗佈包含下列處理中的至少一者：浸塗、旋塗、噴塗、模具塗佈、毛細管塗佈、滾塗、簾式/刮刀塗佈、及棒塗。
  24. 如申請專利範圍第22項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，其中該一或多道乾式塗佈包含下列處理的至少一者：光學塗層的蒸鍍、及濺鍍。
  25. 如申請專利範圍第22項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，更包含對該複數外表面上之該液體/溶劑類塗層或印刷塗層施加一固化處理。
  26. 如申請專利範圍第25項之製造兩或更多光導引光學元件(LOE)的方法，更包含對該複數外表面施加研磨。
  27. 一種光導引光學元件(LOE)，包含：一光學透明體，具有複數主表面及用以導引一輸入光藉由來自該複數主表面的光的複數全內反射而沿著一大致傳播方向通過該透明體，並且載帶至少一光導向表面，該至少一光導向表面係配置用以將該輸入光朝向一或多個輸出方向耦合出該透明體，並且完全嵌於該透明體的一體積中俾使該至少一光導向表面係與該複數主表面分隔，該LOE係由包含下列步驟的一方法所製造： 提供請求項1的光學結構；及沿著與該X-Z平面相交且與該X-Z平面形成一預定角度的多個裁切平面，將該光學結構沿著該X-軸與Z-軸中之一裁切，以使該光學結構細分為彼此間隔的複數片狀物，藉此定義該複數LOE之複數透明體，該複數透明體中的每一透明體具有一平行分隔之光導向區域的內部陣列，該內部陣列完全嵌於該LOE之該透明體中，且以該預定角度相對於該LOE之該透明體之複數主表面傾斜。
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