CN111175879A - 用于制造基板引导的光学器件的方法 - Google Patents
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Abstract
描述了用于制造基板引导的光学器件的方法。所述光学器件包括：具有至少两个主表面和边缘的光波透射基板以及由所述基板承载的多个部分反射表面，其中，所述部分反射表面彼此平行并且不平行于所述基板的所述边缘中的任何边缘。所述方法包括：提供多个透明平坯板；提供具有部分反射表面的多个透明平板；将所述多个透明平坯板和具有部分反射表面的所述多个透明平板交替地光学附接在一起，以便创建堆叠交错形式部；通过切割穿过几个透明平板，从所述堆叠交错形式部切出至少一个区段；研磨并抛光所述区段以产生所述光波透射基板。
Description
本专利申请是国际申请日为2015年12月23日、国家申请号为201580070550.3、发明名称为“用于制造基板引导的光学器件的方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及基板引导的光学器件，并且特别地涉及包括由也被称为光导元件的常见透光基板承载的多个反射表面的器件。
本发明可以在诸如便携式DVD、蜂窝电话、移动电视接收机、视频游戏、便携式媒体播放器或任何其他移动显示设备的大量成像应用中有利地实现。
背景技术
紧凑型光学元件的重要应用是在头戴式显示器(HMD)上，其中光学模块既充作成像透镜又用作组合器，其中二维图像源被成像到无穷远并被反射到观察者的眼睛中。显示源可以直接地从空间光调制器(SLM)(诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)，有机发光二极管阵列(OLED)、扫描源或类似设备)中获得，或者间接地借助于中继透镜或光纤束获得。显示源包括通过准直透镜被成像到无穷远并借助于分别用作非透视应用和透视应用的组合器的反射或部分反射表面被发送到观看者的眼睛中的元件(像素)阵列。通常，常规的自由空间光学模块用于这些用途。但是，随着***的期望视场(FOV)增加，这种常规的光学模块变得更大、更重和更庞大，并因此即使对于中等性能的器件也是不切实际的。对于各种显示器，以及尤其是在其中***应当必须尽可能轻且紧凑的头戴式应用中的显示器，这是主要缺点。
力求紧凑性导致几种不同的复杂光学解决方案，所有这些解决方案一方面对于大多数实际应用而言仍然不足够紧凑，并且另一方面在可制造性上承受主要缺点。此外，由这些设计得到的光学视角的眼睛运动盒(EMB)常常非常小——通常小于8mm。因此，光学***的性能即使对于光学***相对于观看者的眼睛的小的移动也是非常敏感的，并且不允许足够的瞳孔运动来舒适地从这种显示器读取文本。
包括在全部以本申请人的名义的公开内容No.WO01/95027、WO03/081320、WO2005/024485、WO2005/024491、WO2005/024969、WO2005/124427、WO2006/013565、WO2006/085309、WO2006/085310、WO2006/087709、WO2007/054928、WO2007/093983、WO2008/023367、WO2008/129539、WO2008/149339、WO2013/175465、IL 232197和IL235642中的教导通过引用并入本文。
发明内容
本发明有助于开发用于HMD等应用的非常紧凑的光导光学元件(LOE)。本发明允许相对宽的FOV以及相对大的EMB值。得到的光学***提供大的、高质量的图像，其还适应眼睛的大的移动。本发明提供的光学***是特别有利的，因为它显著地比现有技术的实现方式更加紧凑，并且即使在具有专门配置的光学***中，它仍能够容易地结合。
因此，本发明的广泛目的是减轻现有技术的紧凑光学显示器件的缺点，并根据具体需要提供具有改进的性能的其它光学部件和***。
LOE的操作的主要物理原理是通过来自LOE的外表面的全内反射将光波捕获在基板内。此外，通过部分反射表面阵列将被捕获在LOE内的光波耦合出到观察者的眼睛中。因此，为了实现具有良好光学质量的未失真图像，重要的是一方面外部表面和部分反射表面的质量将具有高质量，并且另一方面，LOE的制造过程将尽可能简单且直接。
因此，本发明提供了一种用于制造光学器件的方法，该光学器件包括具有至少两个主表面和边缘的光波透射基板和由该基板承载的多个部分反射表面，其中部分反射表面彼此平行，并且不平行于基板的任一边缘，该方法包括：提供至少一个透明平板和具有部分反射表面的板；将平板光学附接在一起以便创建堆叠交错形式部；通过切割穿过几个板，从堆叠交错形式部切出至少一个区段；研磨和抛光该区段以产生光波透射基板，其特征在于，通过光学无粘合剂过程将板彼此光学附接。
本发明还提供了一种用于制造光学器件的方法，所述光学器件包括：具有至少两个主表面和边缘的光波透射基板以及由所述基板承载的多个部分反射表面，其中，所述部分反射表面彼此平行并且不平行于所述基板的所述边缘中的任何边缘，所述方法包括：提供多个透明平坯板；提供具有部分反射表面的多个透明平板；将所述多个透明平坯板和具有部分反射表面的所述多个透明平板交替地光学附接在一起，以便创建堆叠交错形式部；通过切割穿过几个透明平板，从所述堆叠交错形式部切出至少一个区段；研磨并抛光所述区段以产生所述光波透射基板。
附图说明
参照以下例示性附图，结合某些优选实施例描述本发明，从而可以更全面地理解本发明。
具体参照详细的附图，强调所示的细节仅作为示例并且仅用于例示性地讨论本发明的优选实施例的目的，并且是为了提供被认为是对本发明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述而给出的。在这方面，没有尝试示出比基本理解本发明所必需的细节更详细的本发明的结构细节。利用附图进行的描述将充作对于本领域技术人员关于如何在实践中实施本发明的若干形式的指导。
在附图中：
图1是示例性现有技术LOE的侧视图；
图2是例示根据本发明的用于制造部分反射表面阵列的方法的步骤(a)至(e)的图；
图3是例示根据本发明的用于增加能够由单个切片制造出的LOE的数量的方法的步骤(a)至(c)的示意图；
图4是例示根据本发明的用于制造部分反射表面阵列的另一种方法的实施例的步骤(a)至(e)的图；
图5是例示在LOE的边缘处附接坯板(blank plate)的方法的步骤(a)和(b)的图；
图6例示了根据本发明的照射LOE的输入孔径的光线的跨度，其中LOE的边缘之一相对于主表面以一个斜角倾斜；
图7是例示根据本发明的将输入光波从显示光源耦合进到基板中的***的示意图，其中，中间棱镜附接到LOE的倾斜边缘，以及
图8是例示根据本发明的用于制造具有倾斜边缘的LOE的方法的步骤(a)至(c)的图。
具体实施方式
图1例示了可用于本发明的现有技术的基板20和相关联部件(以下也称为“LOE”)的截面图。例如反射表面16的光学装置被从光源(未示出)发出的准直显示光波18照射。反射表面16反射来自源的入射光波，使得光波通过全内反射被捕获在LOE的平面基板20内。在几次被发射离开基板20的主要下表面和上表面26、28之后，被捕获的光波到达选择性反射表面阵列22，其将光从基板耦合出到观看者的具有瞳孔25的眼24中。这里，LOE的输入表面将被视为是输入光波通过其进入LOE的表面，LOE的输出表面将被视为是被捕获的光波通过其离开LOE的表面。在图1中例示的LOE的情况下，输入和输出表面都在下表面26上。然而，可预见其中输入和图像光波可以位于基板20的相对侧上或者当光波通过基板的倾斜边缘耦合到LOE中的其他配置。
如图1中所例示的，光波通过来自基板20的两个主表面26和28的全内反射被捕获在基板内。为了维持所耦合的光波的原始方向以避免双重图像，关键的是主表面26和28之间的平行度将到一个高的程度。此外，通过部分反射表面阵列22将被捕获在LOE内的光波耦合出到观看者的眼睛中。因此，这些表面的平行度也应当尽可能的高。此外，为了实现具有良好的光学质量的不失真的图像并且为了避免散射和光学噪声，重要的是基板的外表面以及部分反射表面的表面质量将非常高。另一方面也重要的是LOE的制造过程将尽可能简单且直接。
在图2中例示制造LOE的可能方法。(a)涂覆有所需的部分反射涂层103的多个透明平板102和未涂覆的平板104被光学附接到一起，以便创建堆叠形式部106，参见步骤(b)。步骤(c)，然后通过切割、研磨和抛光从堆叠形式部切出区段108，以创建期望的LOE110(d)。如(e)中所示，可以从堆叠形式部切出几个LOE元件112和114。可以通过堆叠中的板的适当交错来最大化能够从堆叠中切出的LOE元件的数量。
在图3A至3C中例示用来增加最终的元件的数量的另一种方法。在图3(a)中示出切出的LOE 108的俯视图。然后沿着线120和122切割切片以创建三个相似的子区段(图3(b))。然后通过切割、研磨和抛光来处理这些切出的区段，以创建三个相似的LOE 126(图3(c))。
在图4(a)至图4(e)中例示生产LOE的替代方法。代替在坯板132的表面上涂覆所选择的部分反射涂层，反射表面被制备在薄板的阵列134上。除了薄膜介电涂层之外，这里的反射机制可以是诸如来自线栅阵列或DBEF膜的各向异性的偏振敏感反射。图4(a)示出了坯板132和具有反射表面的板134，其中反射表面交替地光学附接在一起，以创建堆叠形式部136，参见图4(b)。然后，通过切割从层叠形式部切出一个区段138(图4(c))，通过研磨和抛光来完成，以创建所期望的LOE 140，如图4(d)所示。可以从该堆叠形式部切出在图4(e)中例示的几个元件142和144。
在许多应用中，出于光学以及机械原因，需要在LOE的主表面处添加坯平板。图5例示了适用于参照图2和图4(a)至图4(e)描述的制造方法中的每一个的方法，其中坯板146(图5(a))光学附接到基板110的主表面之一，以便形成LOE 150(图5(b))，其对于所有反射表面具有恰当的有效孔径(active apertures)。存在其中要求LOE 110将具有楔形结构(即，表面151和152不平行)的应用。在这种情况下，严格要求最终的LOE 150的两个外部主表面154和155将彼此平行。
在图1中例示的实施例中，光波通过主表面26耦合到LOE中。然而，存在其中优选的是光将通过LOE的倾斜边缘耦合到LOE中的配置。图6例示了通过其边缘之一将光波耦合到基板中的替代方法。这里，光波透射基板20具有两个平行的主表面和边缘，其中至少一个边缘160相对于主表面以一个斜角被取向。通常，入射的准直光波直接从空气耦合，或者替代地准直模块(未示出)可以光学附接到LOE。因此，有利的是将中心波162垂直于倾斜表面162耦合以最小化色差。出于在以色列专利申请235642中广泛解释的各种光学原因，该要求不能通过将光直接通过表面160耦合来满足。
图7中例示了解决这个问题的方法。中间棱镜164被***在准直模块(未示出)和基板的倾斜边缘160之间，其中中间棱镜164的一个表面166被定位成邻接所述倾斜边缘160。在大多数情况下，中间棱镜的折射率应当与LOE的折射率相似。然而，存在可以为棱镜选择不同的折射率以补偿***中的色差的情况。如上所述，入射的准直光波直接从空气耦合，或者替代地，准直模块(未示出)可以附接到中间棱镜164。在许多情况下，准直模块的折射率与LOE的折射率显著不同，并因此与棱镜的折射率不同。因此，为了最小化色差，棱镜164的输入表面168应当被取向成基本上垂直于中心波162(图6)。
在图8中例示用于制造所需的具有倾斜边缘的LOE的方法。这里，根据参照图2和图4(a)描述的过程制造的非倾斜LOE 110的侧边缘之一被切割以创建所需的倾斜边缘160(b)，然后通过研磨和抛光来处理新的表面以实现所需的光学质量。在薄层172被光学附接到上表面28的情况下，根据图5中例示的过程，最终的LOE 174呈现图8(c)中例示的形状。
用于实现在图2、图4(a)至图4(e)、图5(a)和图5(b)以及图7中的各种光学元件之间的光学附接的明显方法是通过在板之间施加光学粘合剂。然而，这种方法可能会承受一些严重的缺点。首先，如上面参照图1所解释的那样，部分反射表面22之间的平行度应当非常高。这可以通过确保涂覆板102(图2a)的外表面之间的平行度将具有相同的所需的平行度来实现。然而，附接板之间的胶合层可能具有一定程度的楔形，这将在两个相邻的涂覆表面之间创建有限的角度。通过在胶合过程中将附接的板压在一起以确保每个胶合层的厚度不超过几微米，可以最小化这种非期望的效果，然而，即使具有该过程，被胶合的LOE还承受其他缺点。位于胶合表面和外表面之间的交叉处的胶合线通常引起散射和衍射效应，这使图像的光学质量降低。对于位于所有的光波在耦合到LOE中时穿过的倾斜边缘160中的胶合线176来说，该现象更加明显。此外，在胶合过程之后，不可能将LOE的温度增加超过60-70摄氏度。这例如阻止了LOE的热涂覆。因此，当需要这种AR或硬质涂层时，需要进行特殊的冷涂覆过程，这远比常规热涂覆过程复杂且受限制。此外，位于胶合板之间的粘合剂的折射率应当非常接近板的折射率，以避免非期望的反射。由于现有的光学粘合剂的折射率的变化非常有限，尤其是对于相对高的折射率，可用于制造LOE的光学玻璃材料的数量也非常有限。
作为以上描述的结果，利用光学附接过程来附接光学元件而不利用光学粘合剂将是有利的。实现无粘合剂过程的候选之一是阳极键合过程。阳极键合是一种将玻璃密封地且永久地连接到玻璃上而不使用粘合剂的方法。使用硅或二氧化硅的薄膜作为中间层，通过溅射或电子束蒸发将中间层施加在玻璃基板上。将玻璃板压在一起并加热到玻璃中的碱金属离子变成移动的所处的温度(取决于玻璃类型，通常在300至500摄氏度范围中)。使组件接触并在其上施加高电压。这导致碱性阳离子从界面迁移，从而导致具有高的电场强度的耗尽层。所得到的静电吸引力使二氧化硅和玻璃密切接触。氧阴离子的从玻璃到二氧化硅的进一步电流流动导致在界面处的阳极反应，结果是玻璃变成利用永久化学键与二氧化硅层键合。根据拉力试验，典型的键合强度为10MPa至20MPa，高于玻璃的断裂强度。键合时间在几分钟到几个小时之间变化，这取决于键合面积、玻璃类型、玻璃厚度以及其它参数。可以重复该阳极键合的过程，因此可以在创建如图2和图4(a)至图(4e)中所例示的玻璃板的堆叠的迭代过程中利用该过程。
由于光学附接表面的一部分被部分反射涂层覆盖，所以重要的是证实在阳极键合过程中部分反射表面的反射特性不会受损。这可以通过例如适当地设计薄膜涂层的外层，以确保在可能改变该层的最终厚度的阳极键合过程之后涂层的反射特性将如所需要的那样来实现。
除了解决上述粘合过程的问题之外，所提出的附接过程允许LOE的外部表面的化学强化，并因此实现元件的耐擦伤性和硬度(类似大猩猩玻璃(gorilla glass))。化学强化玻璃是一种由于后期生产化学过程而具有增加的强度的玻璃。当被打破时，它仍然以与浮法玻璃类似的长尖碎片碎裂。因此，如果需要安全玻璃，它不被认为是安全玻璃，而必须被层压。然而，化学强化玻璃通常是浮法玻璃的强度的六倍至八倍。该玻璃通过表面精加工(finishing process)进行化学强化。玻璃被浸入处于300℃的含有钾盐(通常为硝酸钾)的池中。这使得玻璃表面中的钠离子会被来自池溶液的钾离子代替。这些钾离子大于钠离子，并因此在它们迁移到硝酸钾溶液时楔入由较小的钠离子留下的空隙。这种离子的代替使得玻璃的表面会处于压缩状态，并且芯在补偿张力中。化学强化玻璃的表面压缩可高达690MPa。还存在一种用来制造化学强化玻璃的更先进的两级过程，其中首先将玻璃制品浸没在处于450℃的硝酸钠浴中，这使表面富集钠离子。这在玻璃上留下更多的钠离子，用于浸没在硝酸钾中以用钾离子代替。以这种方式，硝酸钠浴的使用增加了成品中表面压缩的潜力。化学强化导致与钢化玻璃相似的强化。然而，该过程没有使用温度的极端变化，并因此化学强化玻璃具有很少或没有弯弓或翘曲、光学失真或应变图案。这不同于钢化玻璃，在钢化玻璃中细长的片可以显着地弯曲。利用阳极键合过程制造并通过化学保护过程强化的LOE将比利用现有的制造过程制造的LOE具有更好的光学以及机械特性。
发明构思
本发明提供了以下发明构思：
1.一种用于制造光学器件的方法，包括：
具有至少两个主表面和边缘的光波透射基板和由所述基板承载的多个部分反射表面，其中所述部分反射表面彼此平行并且不平行于所述基板的所述边缘中的任一边缘，所述方法包括：
提供至少一个透明平板和具有部分反射表面的板；
将平板光学附接在一起，以便创建堆叠交错形式部；
通过切割穿过几个板，从所述堆叠交错形式部切出至少一个区段；
研磨并抛光所述区段以产生所述光波透射基板，
其特征在于：
通过光学无粘合剂过程将板彼此光学附接。
2.根据发明构思1所述的方法，其中所述附接过程通过阳极键合过程来实现。
3.根据发明构思1所述的方法，其中多个板中的至少一个是平的透明板，并且所述多个板中的至少一个具有部分反射表面。
4.根据发明构思1所述的方法，其中具有部分反射表面的多个板中的至少一个被薄膜介电涂层涂覆。
5.根据发明构思1所述的方法，其中多个板中的至少一个具有部分反射各向异性表面。
6.根据发明构思1所述的方法，其中多个板中的至少两个是平的透明板。
7.根据发明构思1所述的方法，其中多个板中的至少两个具有至少一个部分反射表面。
8.根据发明构思1所述的方法，其中，从所述堆叠形式部切出至少两个所述区段。
9.根据发明构思1所述的方法，其中在所述光学附接之前，将部分反射表面直接制造在所述透明平板中的至少一个的表面上。
10.根据发明构思1所述的方法，还包括将坯板胶合到所述基板的所述主表面中的至少一个上，并且形成所述基板的两个外部主表面。
11.根据发明构思10所述的方法，其中在所述胶合之后，所述两个外部主表面彼此平行。
12.根据发明构思1所述的方法，还包括切割所述基板的侧表面中的一个以形成所述基板的倾斜边缘。
13.根据发明构思1所述的方法，还包括将所述区段中的至少一个切割成至少两个子区段，从而创建至少两个单独的基板。
14.根据发明构思1所述的方法，还包括通过化学保护过程来强化所述基板。
15.根据发明构思1所述的方法，还包括将用于通过全内反射将光耦合到所述基板中的光学装置胶合到所述基板。
16.根据发明构思15所述的方法，其中所述光学装置是棱镜，并且其中所述棱镜的一个表面被定位成邻近所述基板的所述倾斜边缘。
17.根据发明构思1所述的方法，其中将涂层施加到所述基板的所述主表面中的至少一个上。
18.根据发明构思1所述的方法，还包括将至少一个透镜附接到所述基板的所述主表面中的至少一个上。
19.根据发明构思1所述的方法，其中在所述附接过程期间将所述板压在一起。
Claims (17)
1.一种用于制造光学器件的方法，所述光学器件包括：
具有至少两个主表面和边缘的光波透射基板以及由所述基板承载的多个部分反射表面，其中，所述部分反射表面彼此平行并且不平行于所述基板的所述边缘中的任何边缘，所述方法包括：
提供多个透明平坯板；
提供具有部分反射表面的多个透明平板；
将所述多个透明平坯板和具有部分反射表面的所述多个透明平板交替地光学附接在一起，以便创建堆叠交错形式部；
通过切割穿过几个透明平板，从所述堆叠交错形式部切出至少一个区段；
研磨并抛光所述区段以产生所述光波透射基板。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，具有部分反射表面的所述多个透明平板中的至少一个透明平板被薄膜介电涂层涂覆。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个透明平板中的至少一个透明平板具有部分反射各向异性表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个透明平板中的至少两个透明平板具有至少一个部分反射表面。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述堆叠交错形式部切出所述区段中的至少两个区段。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述光学附接之前，在所述多个透明平板中的至少一个透明平板的表面上直接制造部分反射表面。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：将坯板胶合到所述基板的所述主表面中的至少一个主表面，以及形成所述基板的两个外部主表面。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述胶合之后，所述两个外部主表面彼此平行。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：切割所述基板的侧表面中的一个侧表面以形成所述基板的倾斜边缘。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述区段中的至少一个区段切割成至少两个子区段，从而创建至少两个分开的基板。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过化学保护过程来强化所述基板。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：将用于通过全内反射将光耦合到所述基板中的光学装置胶合到所述基板。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述光学装置是棱镜，并且其中，所述棱镜的表面中的一个表面被定位成邻近所述基板的所述倾斜边缘。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，将涂层施加到所述基板的所述主表面中的至少一个主表面。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括：将至少一个透镜附接到所述基板的所述主表面中的至少一个主表面。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述附接过程期间将所述多个透明平板压在一起。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，通过由保持所述部分反射表面的反射特性的阳极键合过程实现的光学无粘合剂过程，将所述多个透明平坯板和所述多个透明平板彼此光学附接。
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