TWM598952U - 光學裝置 - Google Patents

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Abstract

本創作公開了一種具有光導光學元件的光學裝置。光導光學元件包括第一剛性層、第二剛性層和聚合物材料的撓性層，該撓性層插置並機械地連接在第一剛性層與第二剛性層之間，該光導光學元件具有兩個主要的平行的外表面，全內反射發生在該外表面處，其中，剛性層的至少一個剛性層包括多個相互平行的部分反射表面，部分反射表面不平行於外表面。

Description

光學裝置
當前公開的主題涉及光導光學元件，並且更具體地涉及具有撓性層的光導光學元件。
光導光學元件(也稱為波導管)-比如那些在近眼顯示器中使用的光導光學元件-需要由高品質的光學材料製成的平行外表面，以保證足以使引至波導管的光產生全內反射的平整度和平滑度兩者。理想地，這種外表面由硬質材料比如玻璃製成。不幸的是，硬質材料在遭受撞擊時趨於破裂成尖銳的碎片。在使用中，近眼顯示器通常定位成靠近使用者的眼睛。如果該波導管破裂成尖銳的碎片，這將對使用者造成嚴重的傷害。
根據當前公開的主題的一個方面，提供了具有光導光學元件的光學裝置。光導光學元件包括第一剛性層、第二剛性層和聚合物材料的撓性層，該撓性層插置並機械地連接在第一剛性層與第二剛性層之間，該光導光學元件具有兩個主要的平行的外表面，全內反射發生在該外表面處，其中，剛性層中的至少一個剛性層包括多個相互平行的部分反射表面，該部分反射表面不平行於外表面。
撓性層的折射率可以匹配於剛性層的折射率，或可以具有與所述剛性層中的每個剛性層的折射率不同的折射率。撓性層由具有足夠拉伸強度的材料製成，以便提供安全的玻璃性能，並且撓性層可以包括選自聚乙烯醇縮丁醛(PVB，poly(vinyl butyral))、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA，Ethylene Vinyl Acetate)和乙烯-甲基丙烯酸(Ionoplast)中的至少 一種材料。剛性層中的每個剛性層均可以包括多個相互平行的部分反射表面。所述多個相互平行的部分反射表面可以包括在第一剛性層內。
光導光學元件還可以包括位於第二剛性層內的第二組相互平行的部分反射表面，並且第二剛性層的部分反射表面可以不平行於第一剛性層的部分反射表面。光導光學元件還可以包括插置在撓性層與剛性層中的至少一個剛性層之間的至少一個第三層，所述至少一個第三層是部分反射的並且延伸穿過光導光學元件的至少一部分。光導光學元件可以是近眼顯示器的一部分。光導光學元件還可以包括圖像投影儀，該圖像投影儀部署成將圖像引入到光導光學元件中，以使圖像在光導光學元件內通過全內反射傳播並且使圖像通過部分反射表面朝向觀察者的眼睛偏轉。
12、14‧‧‧剛性層
22、24‧‧‧外表面
250‧‧‧第三層
252‧‧‧圖像投影儀
262‧‧‧抗反射塗層
264‧‧‧部分反射塗層
266‧‧‧膠合物
280‧‧‧撓性層
400‧‧‧塗覆板
403、404、405‧‧‧切片(或蓋)
407、408‧‧‧波導管
402‧‧‧堆疊件
為了理解本創作並瞭解如何在實踐中實施本創作，將參照圖式並通過非限制性示例來描述實施方式，其中：第1A圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的光導光學元件(“LOE”，Light-guide Optical Element)的橫截面；第1B圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的第1A圖的破裂的LOE的橫截面；第2A圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的根據第一示例的包括多個相互平行的部分反射表面的LOE的橫截面；第2B圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的根據第二示例的包括多個相互平行的部分反射表面的LOE的橫截面；第2C圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的根據第三示例的包括多個相互平行的部分反射表面的LOE的橫截面；第3圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的根據第2C圖的波 導管的三維分解圖；第4A圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的根據第一示例的具有特定光學特性的LOE的橫截面；第4B圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的根據第二示例的具有特定光學特性的LOE的橫截面；第4C圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的根據第三示例的具有特定光學特性的LOE的橫截面；第5A圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的根據第一示例製造的LOE的橫截面；第5B圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的根據第二示例製造的LOE的橫截面；第5C圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的根據第三示例製造的LOE的橫截面；以及第6圖示出了根據當前公開的主題的某些實施方案的製造LOE的方法。
在以下詳細描述中，闡述了許多具體細節以便提供對本創作的透徹理解。然而，本領域技術人員將理解的是，可以在沒有這些具體細節的情況下實踐當前公開的主題。在其他情況下，對公知的方法、過程、和部件不進行詳細描述，以免使當前公開的主題變得模糊。
應注意的是，術語“光導光學元件”、“LOE”和“波導管”在本文中可互換使用。
考慮到這一點，現在參照第1A圖至第1B圖，其中示出了根據當前公開的主題的某些實施方式的光導光學元件(“LOE”)的橫截面。如第1A圖所示，LOE包括剛性層12、14和聚合物材料的撓性層280，該撓性層280插置在剛性層12與剛性層14之間並且機械地連接在剛性層 12與剛性層14之間。聚合物層由具有足夠拉伸強度的材料形成，以提供安全的玻璃性能。如第1A圖進一步所示，LOE還包括兩個主要的平行外表面22、24，引至LOE的光的全內反射發生在該外表面22、24處。光線如第1A圖中示出的箭頭所示的那樣在該波導管內傳播。
剛性層12、14能夠由硬光學材料比如玻璃製成，並且製造成使得外表面22、24具有高平整度並且彼此平行。撓性層280由撓性材料製成，並且優選地由聚合物基材料製成。一些適合的、具有足夠拉伸強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縮丁醛(PVB)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)和乙烯-甲基丙烯酸(Ionoplast)。優選地，撓性層280膠合或以其他方式結合至兩個剛性層12、14，如下文進一步描述的。在一些實施方式中，撓性層280能夠通過在撓性層與剛性層之間塗覆黏合劑塗層而被結合至一個剛性層或兩個剛性層。
如第1B圖進一步所示，示出了在機械撞擊情況下破裂的第1A圖的LOE，LOE的硬部段會破裂，但由於設置有撓性層280，碎片被保持在一起，從而防止碎片散開並減少對使用者的傷害。除了將碎片保持就位之外，撓性層280的撓性還用於防止該層在撞擊時破裂。
現在參照第2A圖至第2C圖，剛性層12、14中的至少一個剛性層包括多個相互平行的部分反射表面，所述多個相互平行的部分反射表面不平行於波導管的外表面。在一些情況下，剛性層12、14可以具有相同的、不同的、或互補的光學性能，如下文進一步描述的。
作為第一非限制性示例，第2A圖示出了波導管，其中，剛性層12包括相互平行的部分反射表面，而剛性層14不包括部分反射表面。在該示例中，剛性層14主要用於提供高品質的外表面。
作為第二非限制性示例，第2B圖示出了波導管，其中，剛性層12、14兩者都包括相互平行的部分反射表面，並且其中，剛性層12的部分反射表面平行於剛性層14的部分反射表面。在該示例中，剛性層12、 14提供了類似的光學性能並且用於將光線朝向觀察者耦合出波導管。優選地，剛性層14的部分反射表面佈置成形成剛性層12的部分反射表面的相應的延續部分，從而有助於為觀察者產生一致的圖像。最優選地，部分反射表面佈置成形成重疊，從而進一步改進一致性，例如在PCT/IL2018/050025中所全面描述的，該申請的全部內容在此如同充分闡述的那樣通過參引併入本文。
作為第三非限制性示例，第2C圖示出了波導管，其中，剛性層12、14兩者都包括相互平行的部分反射表面，並且其中，剛性層12的部分反射表面不平行於剛性層14的部分反射表面。在該示例中，剛性層12、14提供了互補的光學性能。第3圖示出了根據第2C圖的波導管的三維分解圖，其中可以看到：包括在剛性層12中的部分反射表面的角度和佈置兩者如何不同於包括在剛性層14中的部分反射表面的角度和佈置。在這種構型中，具有相互平行的部分反射表面的兩個非平行組能夠用於產生在二維上側向展開的入射開孔，如在PCT/IL2018/050701中所全面描述的，該申請的全部內容在此通過參引併入本文。
應注意的是，在一些實施方式中，撓性層的折射率可以匹配於剛性層的折射率，而在其他實施方式中，撓性層可以具有與剛性層中的每一者的折射率不同的折射率。
在一些實施方式中，如通過第4A圖至第4C圖所示的非限制性示例而示出的，波導管還可以包括一個或更多個第三層250，所述一個或更多個第三層250插置在撓性層與剛性層中的至少一個剛性層之間、平行於外表面22、24並延伸穿過波導管的至少一部分。所述一個或更多個第三層250能夠用於提供波導管所需的特定光學特性，如所示的使用箭頭來描繪光穿過波導管傳播的路徑。例如，並且參照箭頭所示，所述一個或更多個第三層可以是部分反射的。在一些實施方式中，第三層250還可以是塗層，或者可以包括一系列塗層，如下文參照第5A圖至第5C圖所描述 的。
應注意的是，在第4A圖至第4C圖的波導管中，由於設置有第三層250，因此，所有光線儘管進行了多次分裂及反射但仍保持其原始方向(第4A圖至第4C圖中為了清晰起見僅示出了第一次分裂)，由此改進了一致性。
在一些實施方式中，波導管可以是近眼顯示器的一部分。在一些實施方式中，並且如第4A圖至第4C圖所示，近眼顯示器還可以包括圖像投影儀252，該圖像投影儀252部署成將圖像引入到波導管中，以在波導管內通過全內反射傳播該圖像，並且將該圖像通過部分反射表面朝向觀察者的眼睛偏轉。如第4B圖和第4C圖所示，儘管一致輸出的圖像的照度(illumination)需要投影儀照射整個波導管入口開孔，但是第三層250還能夠用於減小圖像投影儀252的尺寸，從而降低整個系統的成本，這是因為由第三層250引起交叉耦合的增加允許使用更小的圖像投影儀。
可以使用各種方法來製造本創作的具有特定光學特性的波導管，如第5A圖至第5C圖所示，其中箭頭描繪光的路徑。在第5A圖中，剛性層12、14的內表面在被結合至撓性層280之前塗覆有抗反射塗層262。在第5B圖中，一個剛性層(在這種情況下為剛性層12)的內表面塗覆有抗反射塗層262，而另一個剛性層(在這種情況下為剛性層14)的內表面塗覆有部分反射塗層264(部分反射塗層264對應於第4A圖至第4C圖的部分反射的第三層250)。在對於第5B圖所示實施方式的替代實施方式(未示出)中，當一個剛性層12的內表面塗覆有抗反射塗層262時，儘管另一個剛性層14的內表面沒有塗覆抗反射塗層，也能夠獲得類似的光學特性，使得菲涅耳(Fresnel)反射(由於撓性層280的折射率與剛性層14的折射率之間的不匹配)將產生內反射。第5C圖示出了另一示例，其中透明的撓性層280使用膠合物266或黏合劑佈置在剛性層12、14之間。膠合物的折射率可以與撓性層280的折射率或剛性層12、14的折射率匹配，並 且不論塗覆於哪個層的內表面處的抗反射塗層的折射率是不匹配的。優選地，在需要內反射的情況下，可以在剛性層中的一個剛性層的內表面上產生(如上文所述，通過塗覆反射塗層或通過菲涅耳反射)該內反射，這是由於這些表面通常具有最高的平整度和相對於外表面24、22的最高的平行度。如第5A圖至第5C圖所示，在一些情況下，撓性層280還能夠用作膠合物以結合剛性層12和剛性層14。
現在參照第6圖，示出了根據某些實施方式的製造本創作的波導管的方法。將光學材料的塗覆板400膠合並堆疊在一起成為堆疊件402，並且將該堆疊件402進行切割以產生切片403(對應於剛性層)。第二切片404可以以類似的方式產生(在兩個剛性層都包括相互平行的部分反射表面的情況下，對應於另一剛性層)。根據上文參照第2A圖至第2C圖所描述的各種選擇，可以將切片403、405製造成包括彼此相同或不同的相互平行的部分反射表面。可選地，切片403、405(對應於上文的剛性層12、14)中的一個切片或兩個切片可以在其外表面上覆蓋有平坦的透明蓋405。內部撓性層280放置在切片403、405之間，以產生最終的波導管407。替代性地，在僅使用單個切片403的情況下(例如，其中另一剛性層為如第2A圖所示的不具有相互平行的部分反射表面的透明板)，最終的波導管如408所示。如前文所述，撓性層280還可以是將切片403、404結合在一起的膠合物。在最終的波導管407或波導管408上可以實施雙面拋光。在替代方案中，在切片403和切片404(具有或不具有蓋405)上可以實施雙面拋光，在這種情況下，這些切片(和/或蓋)的精確的平行結合保持了波導管的外表面及內表面的平行度。
應注意的是，撓性層可以由呈液體或漿形式的聚合物前體形成，該聚合物前體插入在剛性層(和/或塗覆於剛性層的表面的任何塗層)之間，並且通過適當的聚合過程、比如通過加熱、通過暴露於UV(紫外線，Ultraviolet)輻射和/或通過與催化劑混合來進行原位聚合。替代性地， 部分或全部的撓性聚合物層可以作為插置在剛性層之間的預先形成的撓性層而引入。在後一種情況下，撓性聚合物層與剛性層的結合通常通過包括在層之間的光學黏合劑來實現。
在一些實施方式中，所選擇的用於撓性層的材料可以具有所需的特定性能。例如，可以選擇阻擋紫外線(“UV”)輻射的材料或表現出其他所需特性的材料以用於波導管。如上所述，撓性材料能夠用作膠合物，或者能夠膠合至剛性層或者使用熱和/或壓力以其他方式結合(使用條件選擇成不損壞波導管的任何其他部分)。替代性地，撓性層可以是在UV照射或加熱下固化的固化樹脂。在固化樹脂的情況下，優選地，使用間隔件來限定層的厚度。
應注意的是，第1圖至第6圖所示的波導管示例並未按比例示出，並且波導管的平面尺寸通常比波導管的整體厚度大一個或兩個數量級，並且通常使用多種耦合構型來確保投影圖像的有效耦合。最優選地，撓性層通常比剛性層薄，並且通常小於剛性層厚度的10%。
應理解的是，本創作的應用不限於本文所包含的說明書中所闡述的或圖式中所示出的細節。本創作可以是其他實施方式並且以多種方式實踐且實現。因此，應理解的是，本文中使用的措辭和術語是為了描述目的，而不應被認為是限制性的。如此，本領域技術人員將理解的是，本創作所基於的概念能夠容易地用作設計其他結構、方法和系統的基礎，以實現當前公開的主題的多個目的。
本領域技術人員將容易理解的是，在不脫離限定在所附申請專利範圍中並由所附申請專利範圍限定的本創作的範圍的情況下，可以對上文所描述的本創作的實施方式進行多種修改和改變。
12:剛性層

Claims (9)

  1. 一種光學裝置，包括：光導光學元件，包括：第一剛性層；第二剛性層；以及聚合物材料的撓性層，所述撓性層插置並機械地連接在所述第一剛性層與所述第二剛性層之間，所述聚合物材料具有足夠的拉伸強度以提供安全的玻璃性能，所述光導光學元件具有兩個主要的平行的外表面，在所述外表面處發生全內反射，其特徵在於，所述剛性層中的至少一個剛性層包括多個相互平行的部分反射表面，所述部分反射表面不平行於所述外表面。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的光學裝置，其中，所述撓性層的折射率匹配於所述剛性層的折射率。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的光學裝置，其中，所述撓性層具有與所述剛性層中的每個剛性層的折射率不同的折射率。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的光學裝置，還包括插置在所述撓性層與所述剛性層中的至少一個剛性層之間的至少一個第三層，所述至少一個第三層是部分反射的並且延伸穿過所述光導光學元件的至少一部分。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的光學裝置，其中，所述剛性層中的每個剛性層均包括所述多個相互平行的部分反射表面。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的光學裝置，其中，所述多個相互平行的部分反射表面包括在所述第一剛性層內，並且所述光學裝置還包括位於所述第二剛性層內的第二組相互平行的部分反射表面，所述第二剛性層的部分反射表面不平行於所述第一剛性層的部分反射表面。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的光學裝置，其中，所述光導光學元件是近眼顯示器的一部分。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的光學裝置，還包括圖像投影儀，所述圖像投影儀部署成將圖像引入到所述光導光學元件中，以使所述圖像在所述光導光學元件內通過全內反射傳播，並且通過所述部分反射表面使圖像朝向觀察者的眼睛偏轉。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的光學裝置，其中，所述撓性層包括選自聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)和乙烯-甲基丙烯酸(Ionoplast)中的至少一種材料。
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