TWI830023B - 複合光導光學元件的製造方法及光學結構 - Google Patents

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Abstract

提供了一種製造複合光導光學元件(Light-guide Optical Element,LOE)的方法。將多個LOE前體和在多個LOE前體之間交替的多個透明間隔板的接合的堆疊接合至具有多個相互平行的成傾斜角度的內表面的第一光學塊。將該塊接合至堆疊，使得塊的第一多個部分反射內表面不平行於LOE前體的內表面。在接合之後，由此形成第二光學。通過貫穿至少兩個連續間隔板對第二塊進行切割來從第二光學塊切出至少一個複合LOE，至少兩個連續間隔板之間夾有LOE前體。

Description

複合光導光學元件的製造方法及光學結構
本發明涉及光導光學元件(Light-guide Optical Element,LOE)，特別是涉及用於二維圖像擴展的複合LOE及其製造方法。
複合LOE或“二維擴展波導”已經在魯姆斯有限公司(Lumus Ltd.)(以色列)先前的出版物中描述過。這樣的複合LOE的示例可以在例如PCT公佈WO 2020/049542中找到。一般而言，這些複合LOE採用兩個區域，每個區域是透明材料的平行面對塊，該平行面對塊用於通過主表面處的內反射支援攜載準直圖像的光的傳播，並且每個區域包括一組相互平行的、內部的、部分反射的表面或“小平面”，其重定向準直圖像並且同時實現光學孔徑的擴展。通過組合具有不同小平面取向的兩個這樣的元件，可以在單個元件內實現光學孔徑的二維擴展，從而擴展來自圖像投影儀的輸入圖像並且將其朝向觀察者的眼睛在較大區域上輸出。
根據本發明的一個方面，提供一種製造複合光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)的方法，該方法包含：提供多個LOE前體和多個透明間隔板的接合的堆疊，該堆疊具有第一成對平行面，該堆疊包括沿著堆疊的長度的交替的LOE前體和透明間隔板，堆疊的長度垂直于第一成對平行面，每個LOE前體包括成對主平行表面和相對于成對主平行表面成傾斜角度的第一多個相互平行的部分反射內表面；提供第一光學塊，該第一光學塊具有第二成對平行面和相對于該第二成對平行面成 傾斜角度的多個相互平行的內表面，內表面是至少部分地部分反射的，使得第一光學塊包括第二多個相互平行的部分反射內表面；將第一光學塊接合至堆疊，使得第一光學塊的面中的一個面接合至堆疊的面中的一個面，並且第一多個相互平行的部分反射內表面不平行於第二多個相互平行的部分反射內表面，從而形成第二光學塊；以及通過貫穿至少兩個連續透明間隔板對第二光學塊進行切割來從第二光學塊切出至少一個複合LOE，至少兩個連續透明間隔板之間夾有LOE前體。
根據一些方面，第一光學塊的內表面均僅部分地塗覆有部分反射塗層，使得內表面包括部分反射塗層的條帶，條帶之間具有間隙。
根據一些方面，該方法包括：在將堆疊與第一光學塊接合之前，對堆疊的將接合至第一光學塊的面進行拋光；以及/或者在將第一光學塊與堆疊接合之前，對第一光學塊的將接合至堆疊的面進行拋光。
根據一些方面，該方法包括在將第一光學塊接合至堆疊之前：對準第一光學塊和堆疊，使得第一多個相互平行的部分反射內表面與第二多個相互平行的部分反射內表面正交。
根據一些方面，該方法包括拋光切出的至少一個複合LOE的外表面，該複合LOE的外表面平行於LOE前體的主平行表面。
根據一些方面，第一光學塊的內表面均僅部分地塗覆有部分反射塗層，使得內表面包括部分反射塗層的條帶，該條帶之間具有間隙。
根據本發明的另一方面，提供了一種光學結構，該光學結構是複合LOE製造過程的中間工作產品，該光學結構包括：第一區域，其包括多個LOE前體，該多個LOE前體由在多個LOE前體之間的透明間隔板隔開，每個LOE前體包括成對主外平行表面和相對于該成對主外平行表面成傾斜角度的第一多個相互平行的部分反射內表面；第二區域，其包括與第一多個相互平行的部分反射內表面不平行的第二多個相互平行的部 分反射內表面；以及分隔第一區域和第二區域的至少一個內表面，該內表面垂直于成對主外平行表面。
根據一些方面，光學結構通過將包括第一區域的第一光學塊與包括第二區域的第二光學塊接合而形成。
根據一些方面，光學結構可以包括在第一區域與第二區域之間的第三光學區域。該第三光學區域可以包括一個或更多個光學元件。光學元件可以是光學活性元件或光學惰性元件。在一些方面，第二區域內的至少一個子區域可以不含任何部分反射內表面並且/或者第一區域中的每個LOE前體可以包括不含任何部分反射內表面的至少一個子區域。
100:複合LOE
101、102、103、201、6、9:表面
11:小平面傾角
12:平面
14:外表面
15:堆疊
16、16’:光學塊
17:透明塗覆板
18:光學塊
19:塊
2’:LOE前體
21:中間光學塊
22:光學清潔區域(惰性區域)
23:光學塊
24:透明板
25、26:稜鏡
27、28、29:惰性區域
38:拋光裝置
3、3’:透明蓋板
4、5:小平面
7:透明間隔板
8a、8b、10a、10b:面
在本文中僅以舉例的方式參照附圖描述本發明，在附圖中：圖1(a)至圖1(b)示出根據現有技術的複合LOE的實施方式；圖2(a)至圖2(c)示出製造複合LOE的已知方法；圖3(a)至圖3(b)示出複合LOE的另一實施方式；圖4(a)至圖4(b)示出具有給定厚度d1的LOE；圖5(a)至圖5(b)示出由給定厚度d2的透明板隔開的接合的LOE前體的堆疊；圖6(a)至圖6(b)示出透明板的塊；圖6(c)示了形成圖6(a)至圖6(b)的塊的方法；圖7(a)至圖7(b)示出由將圖6(a)至圖6(b)的塊接合至圖5(a)至圖5(b)的堆疊形成的光學結構；圖7(c)至圖7(d)示出取自圖7(a)至圖7(b)的塊的切片；圖8(a)至圖8(b)示出圖6(a)至圖6(b)的塊的替選實施方式；圖9(a)至圖9(b)示出由將圖8(a)至圖8(b)的塊與圖5(a)至圖5(b)的堆 疊接合而形成的光學結構；圖10(a)至圖10(b)示出從圖9(a)至圖9(b)的光學結構切出的複合LOE；圖11(a)至圖11(b)示出光學塊16的另一實施方式；圖12(a)至圖12(b)示出由將圖11(a)至圖11(b)的塊與圖5(a)至圖5(b)的堆疊接合而形成的光學結構；圖12(c)至圖12(d)示出取自圖12(a)至圖12(b)的光學結構的切片；圖13(a)至圖13(b)示出光學塊16的另一實施方式；以及圖13(c)至圖13(d)示出取自圖13(a)至圖13(b)的光學結構的切片。
圖1(a)至圖1(b)示出根據現有技術的複合LOE 100的實施方式。複合LOE 100包括在表面102處接合在一起的第一LOE 1和第二LOE 2。LOE 1包括成對主平行表面101、102以及相對於表面101、102成傾斜角度的多個相互平行的部分反射內表面(“小平面”)4。在形成LOE 1之前經由內表面上的塗層來提供反射率。每個小平面的反射比可以彼此相同或不同。小平面4被配置成將圖像從外部微投影儀(未示出)向LOE 2引導，同時在一個維上擴展圖像(在這種情況下為x維)。LOE 1包括垂直於表面101、102的表面103。
LOE 2還包括垂直於LOE 1的表面101、102的成對主平行表面201，以及相對于表面201成傾斜角度的多個相互平行的部分反射小平面5。在一些實施方式中，如圖1(a)至圖1(b)所示，小平面5相對於小平面4的空間取向可以是正交的，但是取決於複合LOE的特定應用的設計規格，其他取向也是可能的。在形成LOE 2之前，經由內表面上的塗層來提供小平面5的反射率。每個小平面的反射率可以彼此相同或不同。小平面5被配置成將圖像從LOE 1(現在在一個維度上擴展)向觀察者引導，同時在第二維度上擴展圖像(在這種情況下為z維)。
複合LOE 100還包括在XZ平面中的複合LOE 100的表面上的透明蓋板3。由透明蓋板3覆蓋的表面包括LOE 1的表面103和LOE 2的表面201。相應地，這些表面需要精確地對準以施加透明蓋板3。
圖2(a)至圖2(c)示出製造複合LOE的已知方法。一般，LOE 1和LOE 2分開製造並且接合在一起。在本檔中，術語“接合”應理解為意指用光學膠或粘合劑附接。然後在外表面上拋光接合的LOE。將透明蓋板3施加到拋光表面，然後通常也對這些蓋板進行拋光。使用該製造方法，必須以非常高的精度執行LOE 1到LOE 2之間的接合過程，使得LOE 1的表面103與LOE 2的對應表面201處於同一平面中。該方法易於產生如圖2(a)至圖2(c)所示的失準。
為了克服上述困難，本發明公開了製造複合LOE的新方法。除了克服在LOE 1到LOE 2的接合期間的精確對準的問題之外，本文所公開的過程允許製造複合LOE 100的新實施方式，其中透明蓋板3’僅存在於LOE 2的表面201上，如圖3(a)至圖3(b)中所示。在與本申請同日提交的題為“Compound Light-Guide Optical Elements”(“複合光導光學元件”)的共同待審PCT申請中進一步詳細討論了複合LOE的該實施方式，該申請要求2020年5月24日提交的美國臨時專利申請第63/029,496號的優先權
圖4(a)至圖4(b)示出LOE“前體”2’，其應當被理解為意指LOE 2生產中的中間光學元件。LOE前體2’包括成對主平行外表面6和相對于該成對平行表面成傾斜角度的多個相互平行的部分反射內表面(“小平面”)5。該LOE前體2’具有表面6之間的在本文中表示為d1的預定厚度。存在用於製造LOE前體2’的已知方法，例如，如PCT公佈WO 2016/103263中所述。
現在參照圖5(a)至圖5(b)，在製造多個LOE前體2’之後，形成具有相同厚度d1的多個LOE前體2’和多個透明間隔板7的接合的堆疊15。該堆疊由沿堆疊長度(y維)交替的LOE前體2’和透明間隔 板組成。每個透明板具有在本文中表示為d2的相同的預定厚度。堆疊15具有沿垂直於表面6的堆疊的長度延伸的成對平行面8a、8b。
現在參照圖6(a)至圖6(b)，具有平行的面10a、10b的光學塊16由多個接合的、透明塗覆板17(每個板塗覆有部分反射塗層)形成，從而形成多個相互平行的部分反射內表面9，每個部分反射內表面9相對於面10b以預定角度11(也稱為“小平面傾角”)成傾斜角度。
存在用於形成光學塊16的已知方法。例如，如圖6(c)所示，一種方法包括堆疊並且接合多個透明塗覆板17，並且沿著圖6(c)所示的虛線切割堆疊，以提取塊。然後，通過拋光裝置38對面10b進行拋光，以實現期望的小平面傾角11，該小平面傾角11可以根據最終的複合LOE的特定設計規格而變化。
現在參照圖7(a)至圖7(b)，將光學塊16與堆疊15對準並且接合至堆疊15，從而形成光學塊18。更具體地，將光學塊16的面10b接合至堆疊15的面8a。在接合之前，可以將面10b和面8a中的任一個或兩個拋光成平的。光學塊16與堆疊之間的特定對準可以根據產品的設計規格而變化。在與圖3(a)至圖3(b)所示的複合LOE對應的實施方式中，參照圖7(a)至圖7(b)所示的坐標系XYZ，可以如下理解堆疊15和光學塊16的對準。應該將堆疊15和光學塊16對準，使得：LOE前體2’的表面6平行於平面XZ、堆疊15的面8a平行於平面XY、LOE前體2’的小平面5垂直於平面YZ、光學塊16的透明塗覆板17垂直於平面XZ、並且光學塊16的面10b平行於平面XY。在對準之後，透明塗覆板17垂直於堆疊15中的LOE前體2’的表面6。
在本文中將經對準和接合的結構表示為光學塊18，光學塊18實際上是作為複合LOE製造過程的中間工作產品的光學結構。如圖所示，光學塊18包括：第一區域，其具有多個LOE前體，該多個LOE前體由LOE前體之間的透明間隔板隔開；第二區域，其具有多個相互平行的 部分反射內表面；以及將第一區域與第二區域隔開的內表面。在其他實施方式中，如下面將進一步詳細描述的，光學塊18還可以包括第一區域和/或第二區域中的一個或更多個附加子區域。這些子區域可以包括非有小平面的區域以及包括一個或更多個光學活性或光學惰性元件的區域。可以通過在與堆疊15接合之前將一個或更多個板(板中一些可以包括光學活性元件)添加到光學塊16而將這些子區域添加到光學塊18，如下面將參照圖11(a)至圖13(d)詳細描述的。
使用切割裝置(未示出)沿著堆疊15的長度(y維)以預定間隔並且貫穿透明間隔板7對光學塊18切片，以形成從塊光學18切出的多個複合LOE結構。切分平面在圖7(a)至圖7(b)中以虛線12示出，並且單個切片在圖7(c)至圖7(d)中示出。從光學塊18切出的複合LOE具有與圖3(a)至圖3(b)中所示的複合LOE類似的結構。應觀察到，在切片之後，間隔板(更準確地，半間隔板)提供與圖3(a)至圖3(b)中的透明蓋板3’類似的結構，從而避免了需要附接單獨的透明蓋板3’。然後，在由透明間隔板7和透明塗覆板17構成的外表面上對每個切出的複合LOE結構進行拋光，以形成適合於通過內反射引導光的最終複合LOE。
可選地，可以將附加的透明蓋板在透明塗覆板17和17上接合至最終複合LOE並且將這些蓋板拋光(在這種情況下，LOE 1將具有單蓋板並且LOE 2將具有雙蓋板)。
如以上參照圖5(a)至圖5(b)所詳述的，透明板具有預定厚度d2。在一些實施方式中，根據下式來確定預定厚度d2：d2=2t+2p+s
其中，t表示第一LOE蓋板與第二LOE蓋板的厚度之間期望差異，p表示在拋光期間移除的材料的厚度，並且s表示包括鋸床中的切割定位的公差的切割的厚度。應當注意，在僅LOE 2需要蓋板而LOE 1不需要蓋板的情況下，t簡單地表示LOE 2蓋板的厚度。t的典型值的範 圍可以從50微米至500微米。
圖8(a)至圖8(b)示出光學塊16的替選實施方式，此處表示為光學塊16’。在該實施方式中，透明板各自僅部分地塗覆有部分反射塗層，該部分反射塗層以其間具有間隙的條帶的形式施加到每個板。每個塗覆條帶具有相同的預定厚度d3，而塗覆條帶之間的間隙各自具有相同的預定厚度d4，如魯姆斯有限公司的美國專利公佈第2018/0292599號所述。在該實施方式中，d3對應于最終複合LOE中LOE 1的反射區域的期望寬度，並且根據下式來計算d4：d4=d1+d2-d3
其中，d1和d2已經在前面限定。
圖9(a)至圖9(b)示出了對準並且接合至堆疊15並且與以上參照圖7(a)至圖7(b)描述的方式類似的方式沿平面12切割的光學塊16’。提取的切片在圖10(a)至圖10(b)中示出。同樣可以在外平行表面上對這些切片進行拋光以形成最終的複合LOE。應注意，根據該實施方式形成的複合LOE包括LOE 1的部分反射小平面4與外表面14之間的緩衝部，該緩衝部由塗覆條帶之間的間隙提供並且在不需要物理蓋板的情況下實現與透明蓋板類似的效果。
應當理解，接合光學塊16’和堆疊15表示中間光學塊18的另一實施方式。實際上，光學塊16(以及因此光學塊18)的各種其他實施方式也可能用於得到關於LOE 1具有不同結構的各種複合LOE，其中的一些描述如下。
例如，在一些實施方式中，可能期望LOE 1的一些小平面4不是一直延伸跨過LOE 1，從而在LOE 1內提供一個或更多個無小平面的區域(即，沒有部分反射的內表面)，如將在以下示例中示出的。
圖11(a)至圖11(b)示出了光學塊16的另一實施方式，此 處表示為塊19。塊19包括光學塊16(如圖6(a)至圖6(b)中)，其中附加的平面平行透明板20接合至光學塊16的面10b。將板20的外表面10b’平行於面10b進行拋光。
如圖12(a)至圖12(b)所示，塊19和堆疊15對準並且接合在一起，從而形成中間光學塊21。隨後沿著平行於XZ平面的平面12將中間光學塊21進行切割。一個這樣產生的切片在圖12(c)至圖12(d)中示出。這樣的切片包括LOE 1、LOE 2和沒有任何反射或半反射表面的光學清潔區域22(也稱為惰性區域)。替選地，光學清潔區域22也可以包括一個或更多個光學元件，例如部分反射的混合器或偏振器。在這種情況下，透明板20可以代替結合期望的一個或更多個光學元件(即混合器、偏振器等)的板。
圖13(a)至圖13(b)示出了光學塊16的另一實施方式，其中，可以通過將光學塊16切割並且與其他光學板和/或稜鏡結合來產生LOE 1的更複雜的幾何形狀。在圖13(a)至圖13(b)中，將光學塊16沿著平面31和32切割和拋光，並且與透明板24和三稜鏡25和26接合。透明板24的經拋光的表面10b”平行於光學塊16的面10b。光學塊16與透明板24和稜鏡25和26形成新的光學塊23，該光學塊23包括該塊內的一個或更多個無小平面的子區域。以類似於圖12(a)至圖(b)所示的方式，將光學塊23與堆疊15對準並且接合以形成新的中間結構。隨後，將該中間結構沿平面12切片，得到圖13(c)至圖(d)中示出的切片。這樣的切片具有惰性區域27、28和29，沒有任何反射或半反射表面。
在其他實施方式(未示出)中，堆疊15的LOE前體可以被修改成在LOE前體內包括一個或更多個無小平面的區域，從而得到複合LOE，在該複合LOE中，LOE 2包括一個或更多個無小平面的子區域(即，沒有部分反射的內表面)。
應當理解，上文描述僅旨在用作示例，並且在所附權利 要求所限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式是可能的。
12:平面
15:堆疊
16:光學塊
18:光學塊
2’:LOE前體
5:小平面
6:表面
7:透明間隔板
8a、10b:面

Claims (13)

  1. 一種製造複合光導光學元件(LOE)的方法，包括：提供多個LOE前體和多個透明間隔板的接合的堆疊，所述堆疊具有第一成對平行面，所述堆疊包括沿著所述堆疊的長度交替的LOE前體和透明間隔板，所述堆疊的長度垂直于所述第一成對平行面，每個LOE前體包括成對主平行表面和相對于所述成對主平行表面成傾斜角度的第一多個相互平行的部分反射內表面；提供第一光學塊，其具有第二成對平行面以及相對於所述第二成對平行面成傾斜角度的多個相互平行的內表面，所述內表面是至少部分地部分反射的，使得所述第一光學塊包括第二多個相互平行的部分反射內表面；將所述第一光學塊接合至所述堆疊，使得所述第一光學塊的面中的一個面接合至所述堆疊的面中的一個面，並且所述第一多個相互平行的部分反射內表面不平行於所述第二多個相互平行的部分反射內表面，從而形成第二光學塊；以及通過貫穿至少兩個連續透明間隔板對所述第二光學塊進行切割來從所述第二光學塊切出至少一個複合LOE，所述至少兩個連續透明間隔板之間夾有LOE前體。
  2. 如請求項1所述的方法，包括在將所述堆疊與所述第一光學塊接合之前，對所述堆疊的將要接合至所述第一光學塊的面進行拋光。
  3. 如請求項1所述的方法，包括在將所述第一光學塊與所述堆疊接合之前，對所述第一光學塊的將要接合至所述堆疊的面進行拋光。
  4. 如請求項1所述的方法，包括，在將所述第一光學塊接合至所述堆疊之前：對準所述第一光學塊和所述堆疊，使得所述第一多個 相互平行的部分反射內表面和所述第二多個相互平行的部分反射內表面正交。
  5. 如請求項1所述的方法，還包括拋光切出的至少一個複合LOE的外表面，所述至少一個複合LOE的外表面平行於所述LOE前體的主平行表面。
  6. 如請求項1所述的方法，其中，所述第一光學塊的內表面均僅部分地塗覆有部分反射塗層，使得內表面包括部分反射塗層的條帶，所述條帶之間具有間隙。
  7. 一種光學結構，所述光學結構是複合LOE製造過程的中間工作產品，所述光學結構包括：第一區域，其包括多個LOE前體，所述多個LOE前體由在所述多個LOE前體之間的透明間隔板隔開，每個LOE前體包括成對主外平行表面和相對于所述成對主外平行表面成傾斜角度的第一多個相互平行的部分反射內表面；第二區域，其包括與所述第一多個相互平行的部分反射內表面不平行的第二多個相互平行的部分反射內表面；以及至少一個內表面，其分隔所述第一區域和第二區域，所述內表面垂直于所述成對主外平行表面。
  8. 如請求項7所述的光學結構，所述光學結構通過將包括所述第一區域的第一光學塊與包括所述第二區域的第二光學塊接合而形成。
  9. 如請求項7所述的光學結構，還包括在所述第一區域與所述第二區域之間的第三光學區域。
  10. 如請求項9所述的光學結構，其中，所述第三光學區域包括一個或更多個光學元件。
  11. 如請求項9所述的光學結構，其中，所述第三光學區域是光學惰性的。
  12. 如請求項7所述的光學結構，其中，所述第二區域內的至少一個子區域沒有任何部分反射內表面。
  13. 如請求項7所述的光學結構，其中，所述第一區域中的每個LOE前體包含至少一個沒有任何部分反射內表面的子區域。
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