CN117425843A - 具有矩形波导的光学孔径倍增器的制造方法 - Google Patents

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CN117425843A CN202280040294.3A CN202280040294A CN117425843A CN 117425843 A CN117425843 A CN 117425843A CN 202280040294 A CN202280040294 A CN 202280040294A CN 117425843 A CN117425843 A CN 117425843A
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Abstract

提供了一种制造光学孔径倍增器的方法。获得片和第一光学结构。该片具有包括一对平行面的外表面和倾斜于该对平行面的第一多个部分反射内表面。第一光学结构具有包括平面耦合表面的外表面和倾斜于耦合表面的第二多个部分反射内表面。该片与第一光学结构光学耦合，使得该对平行面中的一个面与耦合表面成面对关系，以形成第二光学结构。通过至少两个垂直于耦合表面的切割平面切割第二光学结构，从第二光学结构切出至少一个光学孔径倍增器。光学孔径倍增器优选地是近眼显示器增强现实***的一部分。

Description

具有矩形波导的光学孔径倍增器的制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年6月7日提交的美国临时专利申请第63/197,452号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及光学孔径倍增器，并且特别地涉及包括与薄板型光学波导光学耦合的矩形光学波导的光学孔径倍增器。
背景技术
用于近眼显示器或平视显示器的光学布置需要大孔径来覆盖观察者眼睛所处的区域。已经在Lumus Ltd(鲁姆斯有限公司)(以色列)的各种出版物中描述了提供二维光学孔径扩展(或倍增)的光学设备。在一组特定的这种光学设备中，通过两个光学波导实现二维孔径扩展。第一光学波导具有形成矩形截面的两对平行面，并且呈薄板形式的第二光学波导与第一(矩形)波导光学耦合并且具有一对平行的主外部面。两个波导协作以在两个维度上扩展注入图像的孔径，其中第一波导在第一维度上扩展孔径，并且第二波导在第二维度上扩展孔径并将扩展孔径的图像耦出以由观看者的眼睛观看。
为了保持图像质量，严格要求波导的面的平行性和矩形波导两对面之间的垂直性，因为与平行性和/或垂直性的偏差会降低图像质量。这种对平行性和垂直性的要求会强加严格的制造要求，使得制造过程的成本较高。
发明内容
本发明的实施方式提供了光学孔径倍增器的制造方法/过程，光学孔径倍增器具有矩形波导和光学结构，所述光学结构是这样的制造方法/过程中的中间工作产品。
根据本发明的实施方式的教导，提供了一种制造光学孔径倍增器的方法。该方法包括：获得片，该片具有包括一对平行面的多个外部面和倾斜于该对平行面的第一多个相互平行的部分反射内表面；获得第一光学结构，该第一光学结构具有包括平面耦合表面的多个外表面和倾斜于耦合表面的第二多个相互平行的部分反射内表面；将片与第一光学结构光学耦合，使得该对平行面中的一个面与耦合表面成面对关系，从而形成第二光学结构；以及通过垂直于耦合表面的至少两个切割平面切割第二光学结构，从第二光学结构切出至少一个光学孔径倍增器。
可选地，第一光学结构由涂覆的透明板的粘合堆叠产生。
可选地，粘合堆叠具有一对面，并且通过沿着相对于粘合堆叠的该对面中的至少一个面成一定角度的切割平面切割粘合堆叠来由粘合堆叠产生第一光学结构。
可选地，通过在切割平面的位置处进一步抛光或切片以形成耦合表面来由粘合堆叠产生第一光学结构。
可选地，第一光学结构形成为光导光学元件(LOE)的粘合堆叠，粘合堆叠的每个LOE具有一对主平行表面和倾斜于该对主平行表面的第二多个相互平行的部分反射内表面的子组。
可选地，至少两个切割平面基本上平行于连续LOE的主平行表面。
可选地，粘合堆叠包括多个透明隔板，并且LOE和透明隔板沿着粘合堆叠的垂直于LOE的主平行表面的长度交替。
可选地，至少两个切割平面位于其间夹有LOE之一的连续隔板中。
可选地，该方法还包括：获得第三光学结构，第三光学结构具有包括耦合面的多个外部面和倾斜于耦合面的多个相互平行的内表面；以及在切出至少一个光学孔径倍增器之前，将第三光学结构与片光学耦合，使得第三光学结构的耦合面与片的外部面中的一个成面对关系。
根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种制造光学孔径倍增器的方法。该方法包括：获得片，该片具有包括一对平行面的多个外部面和倾斜于该对平行面的多个相互平行的部分反射内表面；由涂覆的透明板的粘合堆叠产生具有多个外表面的第一光学结构，所述多个外表面包括倾斜于涂覆的透明板的主表面的耦合表面；将片与第一光学结构光学耦合，使得该对平行面中的一个面与耦合表面成面对关系，从而形成第二光学结构；以及通过垂直于耦合表面的至少两个切割平面切割第二光学结构，从第二光学结构切出至少一个光学孔径倍增器。
可选地，粘合堆叠具有一对面，并且由粘合堆叠产生第一光学结构包括：沿着相对于粘合堆叠的该对面的至少一个面成一定角度的切割平面切割粘合堆叠。
可选地，由粘合堆叠产生第一光学结构还包括：在切割平面的位置处进行抛光以形成耦合表面。
根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种制造光学孔径倍增器的方法。该方法包括：获得光导光学元件(LOE)的粘合堆叠，粘合堆叠的每个LOE具有一对主平行表面和倾斜于该对主平行表面的第一多个相互平行的部分反射内表面；获得片，该片具有包括一对平行面的多个外部面和倾斜于该对平行面的第二多个相互平行的部分反射内表面；将片与粘合堆叠光学耦合，使得该对平行面中的一个面与粘合堆叠的耦合表面成面对关系，并且使得该对平行面垂直于粘合堆叠的每个LOE的该对主平行表面，从而形成光学结构；以及通过基本上平行于连续LOE的主平行表面且垂直于粘合堆叠的耦合表面的至少两个切割平面切割光学结构，从光学结构切出至少一个光学孔径倍增器。
可选地，粘合堆叠包括多个透明隔板，并且LOE和透明隔板沿着粘合堆叠的垂直于LOE的主平行表面的长度交替。
可选地，至少两个切割平面位于其间夹有LOE之一的连续隔板中。
可选地，根据本发明的实施方式的方法中的任何一个还包括：在该对平行面的一个或更多个面处将盖板与片光学耦合。
可选地，盖板包括反射涂层。
可选地，将盖板与片光学耦合包括：将盖板与该对平行面中的一个或更多个面粘合。
可选地，使用折射率低于用于产生片的材料的折射率的光学胶来执行粘合。
可选地，盖板在该平行面中的与耦合表面成面对关系的一个面处与片光学耦合，并且盖板具有偏振管理特性。
可选地，盖板包括波片或偏振器中的至少一个。
根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种光学结构，该光学结构是光学孔径倍增器制造过程的中间工作产品。该光学结构包括：第一部分，第一部分包括包含一对平行面的多个外部面和倾斜于该对平行面的第一多个相互平行的部分反射内表面；以及第二部分，第二部分包括包含耦合表面的多个外表面和倾斜于耦合表面的第二多个相互平行的部分反射内表面，第二部分与第一部分光学耦合，使得该对平行面中的一个面与耦合表面成面对关系，并且使得当通过穿过第一部分和第二部分且垂直于耦合表面的至少两个基本上平行的切割平面来对光学结构切片时产生至少一个光学孔径倍增器。
可选地，第二部分由涂覆的透明板的粘合堆叠形成。
可选地，第二部分形成为光导光学元件(LOE)的粘合堆叠，粘合堆叠的每个LOE具有一对主平行表面和倾斜于该对主平行表面的第二多个相互平行的部分反射内表面的子组。
可选地，粘合堆叠包括多个透明隔板，并且LOE和透明隔板沿着粘合堆叠的垂直于LOE的主平行表面的长度交替。
可选地，该光学结构还包括：第三部分，第三部分具有包括耦合面的多个外部面和倾斜于耦合面的多个相互平行的内表面，第三部分与第一部分光学耦合，使得第三部分的耦合面与第一部分的外部面中的一个成面对关系。
根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种光学结构，该光学结构是光学孔径倍增器制造过程的中间工作产品。该光学结构包括：第一部分，第一部分具有包括一对平行面的多个外部面和倾斜于第一对平行面的多个相互平行的部分反射内表面；以及由涂覆的透明板的粘合堆叠形成的第二部分，第二部分具有多个外表面，多个外表面包括倾斜于涂覆的透明板的主表面的耦合表面，第一部分与第二部分光学耦合，使得该对平行面的一个面与耦合表面成面对关系，并且使得当通过穿过第一部分和第二部分且垂直于耦合表面的至少两个基本上平行的切割平面来对光学结构切片时产生至少一个光学孔径倍增器。
可选地，粘合堆叠具有一对面，并且通过沿着相对于粘合堆叠的该对面的至少一个面成一定角度的切割平面切割粘合堆叠而形成第二部分。
可选地，通过在切割平面的位置处抛光第二部分而形成耦合表面。
根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种光学结构，该光学结构是光学孔径倍增器制造过程的中间工作产品。该光学结构包括：第二部分，第二部分包括包含一对平行面的多个外部面和倾斜于该对平行面的第二多个相互平行的部分反射内表面；以及第二部分，第二部分包括光导光学元件(LOE)的粘合堆叠，粘合堆叠的每个LOE具有一对主平行表面和倾斜于该对主平行表面的第一多个相互平行的部分反射内表面，第一部分与第二部分光学耦合，使得所该对平行面中的一个面与第二部分的耦合表面(322)成面对关系，并且使得该对平行面垂直于粘合堆叠的LOE中的每一个的该对主平行表面。
可选地，粘合堆叠包括多个透明隔板，并且LOE和透明隔板沿着粘合堆叠的垂直于LOE的主平行表面的长度交替。
可选地，根据本发明的实施方式的中间工作产品的任何一个还包括：盖板，盖板在该对平行面的一个或更多个面处与第一部分光学耦合。
可选地，盖板包括反射涂层。
可选地，通过将盖板粘合到该对平行面中的一个面，盖板与第一部分光学耦合。
可选地，使用折射率低于用于产生第一部分的材料的折射率的光学胶来执行粘合。
可选地，盖板在该对平行面中的与耦合表面成面对关系的一个面处与第一部分光学耦合，并且盖板具有偏振管理特性。
可选地，盖板包括波片或偏振器中的至少一个。
除非本文另有定义，否则本文使用的所有技术术语和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。尽管与本文描述的这些方法和材料类似或等同的方法和材料可以用于本发明的实施方式的实践或测试，但示例性方法和/或材料描述如下。在有冲突的情况下，以专利说明书(包括定义)为准。另外，材料、方法和示例仅是说明性的，而不旨在必然进行限制。
附图说明
本文参照附图仅以示例的方式描述本发明的一些实施方式。通过具体详细地参照附图，强调的是，所示的细节是作为示例的，并且是出于说明性地讨论本发明的实施方式的目的。在这点上，结合附图进行的描述使得本领域技术人员清楚可以如何实践本发明的实施方式。
现在将注意力转到附图，其中相同的附图标记或字符指示相应或相同的部件。在附图中：
图1A和图1B分别是可以使用根据本发明的实施方式的教导的制造过程来制造的光学孔径倍增器的示意性侧视图和前视图，该光学孔径倍增器具有第一矩形光学波导，具有多个部分反射内表面的第一矩形光学波导与具有多个部分反射内表面的第二薄板型光学波导光学耦合；
图2A至图2I是示出根据本发明的第一组实施方式的光学孔径倍增器例如图1A和图1B的光学孔径倍增器的制造过程中使用的步骤序列的示意性等距视图；
图3A和图3B是示出根据本发明的实施方式的可以用于制造在图2A至图2I的过程中使用的片光学结构的步骤序列的示意性等距视图；
图4是示出根据本发明的实施方式的可以用于制造片光学结构的另一技术的示意性等距视图；
图5A至图5D是示出根据本发明的第二组实施方式的在光学孔径倍增器的制造过程中使用的步骤序列的示意性等距视图；
图6A是根据本发明的实施方式的光学结构的示意性平面视图，从该光学结构可以提取多个光学耦入构造并且该光学结构可以在光学孔径倍增器的制造过程中使用；
图6B至图6D分别是与在图5A至图5D的过程的一个步骤中产生的另一光学结构光学耦合的图6A的光学结构的示意性平面视图、正视图和等距视图；以及
图6E是可以使用根据本发明的实施方式的制造过程产生的光学孔径倍增器的示意性等距视图。
具体实施方式
本发明的实施方式提供了光学孔径倍增器的制造方法/过程，光学孔径倍增器具有矩形波导和光学结构，所述光学结构是这样的制造方法/过程中的中间工作产品。
参照说明书附图可以更好地理解根据本发明的方法和中间工作产品的原理和操作。附图具有任意标记但在附图之间一致的xyz坐标系。该xyz坐标系在本文中用于通过提供附图当中的共同参考系来更好地解释所公开的实施方式。
在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应当理解的是，本发明的应用不必限于在以下描述中阐述并且/或者在附图和/或示例中示出的部件和/或方法的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式或以各种方式实践或执行。首先，在本文档中，参考了诸如顶部和底部、上部和下部、前部和后部等方向。这些方向参考仅是示例性的，并且仅用于便于呈现，并且指的是如附图中所示的任意取向。最终的光学设备可以以任何所需的取向来部署。
作为介绍，共同拥有的美国专利第10,133,070号描述了在图1A和图1B中总体示出的光学孔径倍增器1的各种实施方式，该专利通过引用整体并入本文中。光学孔径倍增器1特别适合用作增强现实应用的近眼显示器或平视显示器的一部分。一般而言，光学孔径倍增器1(也称为“光学设备”)包括具有伸长方向(在本文中任意地图示为对应于“x轴”)的第一光学波导10。第一光学波导10由透光材料形成，并且具有形成矩形截面的第一对平行面12a、12b和第二对平行面14a、14b(即，第一对面和第二对面垂直)。第一光学波导10还具有附加的一对面16a、16b(其可以是或可以不是平行面)。在面16a、16b是平行面的某些实施方式中，面16a、16b可以垂直于第一对面12a、12b和第二对面14a、14b。第一光学波导10具有多个相互平行的部分反射内表面(也称为“小平面(facet)”)40，这些部分反射内表面至少部分地横穿第一光学波导10并且斜向地倾斜于第一光学波导10的伸长方向(即，小平面40倾斜于面12a、12b)。
在本文档中，术语“面”、“外部面”和“外表面”可以互换使用。如将变得明显的，这些面中的一些是主面(也称为“主外部面”或“主外表面”)。
光学孔径倍增器1还包括与第一光学波导10光学耦合的第二光学波导20，第二光学波导具有第三对平行面22a、22b。此处同样，多个相互平行的部分反射内表面(“小平面”)45至少部分地横穿第二光学波导20，并且斜向地倾斜于面22a、22b。第二光学波导20还具有附加的两对面24a、24a、26a、26b，其中的每一对都不平行于面22a、22b，并且其中的每一对都可以是或可以不是一对平行面。在某些实施方式中，成对面22a、22b、24a、24b、26a、26b相互垂直。在某些实施方式中，小平面28还斜向地倾斜于面24a、24b中的一个或两个，然而，如将论述的，在其他实施方式中，小平面28可以平行于面24a、24b中的一个或两个并且/或者垂直于面26a、26b中的一个或两个。
第二光学波导20也由透光材料(透光基板)形成，并且优选地由与用于形成第一光学波导10的材料相同的材料形成(使得两个光学波导10、20具有相同的折射率)，但是形成薄板型波导，其中，成对面24a、24b、26a、26b之间的距离比面22a、22b之间的距离大至少一个数量级。
光学波导10、20之间的光学耦合(在面12b、24a之间的界面处)以及部分反射表面40、45的部署和构造使得，当对应于准直图像(由未示出的光学图像生成器生成)的图像光30(也称为“光束”或“束”)以倾斜于第一对平行面12a、12b和第二对平行面14a、14b两者的耦合角度以初始传播方向耦合(注入)到第一光学波导10中时，图像沿着第一光学波导10通过四重内反射(图像a1、a2、a3、a4)前进，其中一定比例强度的图像在部分反射表面40处反射以耦合到第二光学波导20中，并且然后该图像通过第二光学波导20内的两重内反射(图像b1、b1)传播，其中一定比例强度的图像在部分反射表面45处反射(偏转)以从平行面22b之一被向外引导，作为由观察者的眼睛47看到的可见图像c。
第一光学波导10从其通过两组平行面(12a、12b、14a、14b)之间的反射在两个维度中引导注入图像的意义上也被称为二维(two-dimensional，2D)波导，而第二光学波导20从其仅在一对平行面(22a、22b)之间的一个维度中引导注入图像的意义上也被称为一维(one-dimensional，1D)波导。第二光学波导20在本文中也可互换地称为光导光学元件(light-guide optical element，LOE)或1D LOE。
美国专利第10,133,070号还描述了光学孔径倍增器1的制造过程。这些过程依赖于分别制造两个光学波导10、20，然后将两个独立的波导10、20耦合在一起以产生独立的光学孔径倍增器。然而，这种制造过程使得光学孔径倍增器的大规模生产更具挑战性。
本发明的实施方式提供了可以用于制造光学孔径倍增器1的过程。如将从以下描述中变得明显的是，根据本发明的实施方式的制造过程使得能够大规模生产特别适合于用作用于增强现实应用的近眼显示器或平视显示器的一部分的光学孔径倍增器，同时保持大的光学表面上的垂直性和平行性，从而使得更严格的制造公差成为可能。
在第一组实施方式中，如将参照图2A至图2I描述的，获得了涂覆的透明板的粘合堆叠。透明板的涂覆表面形成多个相互平行的部分反射内表面(其最终形成小平面45)。沿切割平面切割粘合堆叠以形成具有多个外表面的光学结构，所述多个外表面包括倾斜于涂覆的透明板的主表面的耦合表面(即，耦合表面倾斜于部分反射内表面45)。具有一对外部平行面和倾斜于该对平行面的多个相互平行的部分反射内表面(其最终形成小平面40)的片(其本身是光学结构)在耦合表面处与光学结构光学耦合以形成第二光学结构。然后沿着垂直于耦合表面的两个或更多个平行切割平面对该第二光学结构进行切片，以提取一个或更多个光学孔径倍增器1。
在第二组实施方式中，如将参照图5A至5D描述的，获得LOE 20的粘合堆叠。LOE的这个粘合堆叠构成第一光学结构，该第一光学结构具有倾斜于LOE 20的小平面45(并且还垂直于LOE 20的面22a、22b)的耦合表面。类似于第一组实施方式，具有一对外部平行面和倾斜于该对平行面的多个相互平行的部分反射内表面(其最终形成小平面40)的片在耦合表面处与光学结构光学耦合以形成第二光学结构。然后沿着垂直于耦合表面的两个或更多个平行切割平面对该第二光学结构进行切片，以提取一个或更多个光学孔径倍增器1。在这种情况下，切割平面平行于LOE 20的面22a、22b，并且在某些情况下可以大致位于LOE 20的面22a、22b处。如将要讨论的，在某些实施方式中，LOE 20的粘合堆叠可以包括多个透明隔板，其中LOE 20和隔板沿着粘合堆叠的垂直于LOE 20的面22a、22b的长度交替。在这样的实施方式中，连续的切割平面位于其间夹有一个LOE的连续隔板中。
如将从随后的描述中变得明显的，这两组实施方式都采用以下步骤，这些步骤总体上包括：1)获得具有一对外部平行面和倾斜于该对平行面的多个内表面(其最终形成小平面40)的片；2)获得第一光学结构，其具有：i)包括耦合表面的多个外表面，以及ii)倾斜于耦合表面的耦合表面；3)通过将该片与该光学结构光学耦合，使得片的所述一对平行面中的一个面与第一光学结构的耦合表面成面对关系，形成第二光学结构；以及4)通过垂直于耦合表面的至少两个切割平面切割第二光学结构。
现在转到图2A至图2I，示出了可以用于制造根据本发明的第一组实施方式的光学孔径倍增器如光学孔径倍增器1的优选方法(过程)的步骤。
如图2A所示，获得具有包括一对平行面112a、112b的多个外部面的片110。片110还具有倾斜于面112a、112b的多个相互平行的部分反射内表面(小平面)40。此外，片110具有另一对面114a、114b，在某些实施方式中，所述另一对面114a、114b也是一对平行面，其与面112a、112b一起形成矩形截面。片110还可以具有附加的一对面116a、116b，其可以是或可以不是平行面。在某些实施方式中，片110的三对面112a、112b、114a、114b、116a、116b相互正交。
附带说明，片110本身是光学结构，并且术语“片”在本文中用作命名惯例，作为参考其中可以产生光学结构110的优选方法的方式。通常，可以以各种方式获得片110，通常通过这些方式从由堆叠的板形成的光学结构“切出”片。在一个示例性方法中，如图3A所示，获得具有平行的上表面103a和下表面103b的多个涂覆的透明板102。涂覆的透明板的涂层是选择性反射涂层，其提供小平面40的部分反射性(即，使得小平面40是部分反射的)。如图3B所示，板102对准并被布置成错开的堆叠，并且粘合在一起以形成粘合堆叠101。粘合使得对于每个板102，板的下表面103b与相邻板的上表面103a接合。在本文档中，术语“粘合(bonded)”或“粘合(bonding)”应理解为是指用光学胶或胶水或任何其他合适的粘合剂附接或附着。
然后，沿着倾斜于表面103a、103b的至少两个平行切割平面(由图3B中的虚线104指示)切割粘合堆叠101，以产生一个或更多个片110。切割平面104优选地以预定且均匀的间隔隔开。作为沿切割平面104切割的结果，每个片110具有一对平行面112a、112b和倾斜于面112a、112b的多个相互平行的部分反射内表面(小平面)40。注意，切割平面104限定了最终矩形波导10中的小平面40的倾斜角。在所示的实施方式中，平面104垂直于板102的侧表面(在图中，侧表面在平行于xy平面的平面中)。然而，在某些实施方式中，切割平面104可以具有相对于侧表面(xy平面)的倾斜角，使得小平面40也倾斜于平行面114a、114b。可以进一步沿着优选地但不是必须地与平面104正交的一对或更多对切割平面(优选地但不是必须地是成对平行切割平面)对堆叠101进行切割，以设置片110的其他成对的面114a、114b、116a、116b中的一对或更多对。
图4示出了用于获得片110的另一示例性方法。此处，将板102对准并粘合以形成非错开的粘合堆叠109(即，矩形或近似矩形的块)，然后沿平行的切割平面104’(其倾斜于表面103a、103b)切割该非错开的粘合堆叠109以提取一个或更多个片110。在所示的实施方式中，平面104’垂直于板102的侧表面(在图中，侧表面在平行于xy平面的平面中)。然而，在某些实施方式中，切割平面104’可以具有相对于侧表面(xy平面)的倾斜角，使得小平面40也倾斜于平行面114a、114b。同样，与堆叠101类似，可以进一步沿着优选地但不是必须地与平面104’正交的一对或更多对切割平面(优选地但不是必须是成对平行切割平面)对堆叠109进行切割，以设置片110的其他成对的面114a、114b、116a、116b中的一对或更多对。
现在返回到图2A至图2I，在某些实施方式中，如图2B和图2C所示，板120a可以与片110的面112a对准并且被施加到面112a上。替选地或另外地，同样如图2B和2C所示，板120b可以与片110的面112b对准并且被施加到面112b上。将板120a、120b施加到面112a、112b构成了板120a、120b与片110之间在面112a、112b处的光学耦合。在某些实施方式中，通过粘合实现光学耦合，由此将板120a粘合到片110，使得板与面112a接合，并且/或者将板120b粘合到片110，使得板120b与面112b接合。
盖板120a、120b两者可以例如通过防止在对面112a、112b中的任一个或两个进行抛光期间可能在片110上形成的缺损而为片110提供机械保护。除了提供机械保护之外，盖板120a、120b还可以通过在其上施加各种材料或涂层来提供光学功能。在一个示例中，板120a(和/或板120b)包括反射涂层，其防止来自外部(真实世界)场景的光进入波导10，同时还保持了波导10的面12a(和/或面12b)处的内部反射的条件。在另一示例中，用于将板120a(和/或板120b)与片110粘合在一起的光学胶具有低折射率(低于构成片110的材料的折射率，即，低于板102的折射率)，以便在尽管在板120a、120b与片110之间的界面处积聚了灰尘、碎屑或其他颗粒的情况下仍保持波导10的面12a(和/或面12b)处的全内反射的条件。具有例如约1.35的折射率的光学胶可以特别适合于将板120a、120b粘合到片110。
在某些实施方式中，板120a或板120b中的一个可以具有偏振管理特性(即，板120b可以是偏振管理板)以控制或修改将从波导10透射到波导20中的光的偏振。偏振管理板可以实现为例如波片(例如半波片)和/或偏振器。
注意，代替光学耦合具有上述材料或涂层的板120a、120b，材料或涂层可以直接施加到面112a、112b中的任一个或两个。例如，可以将反射涂层直接施加到面112a、112b中的任一个或两个，以防止不希望的反射并保持面112a和/或面112b处的内反射条件。
现在参照图2D，获得具有平行的上主表面203a和下主表面203b的多个涂覆的透明板202。涂覆的透明板的涂层是选择性反射涂层，其提供光学波导20的小平面45的部分反射性(即，使得小平面45是部分反射的)。
如图2E所示，板202对准并被布置成堆叠(优选地为非错开的堆叠)，并且粘合在一起以形成平行板202的粘合堆叠210。粘合使得对于每个板202，板的下表面203b与相邻板的上表面203a接合。粘合堆叠210具有三对面212a、212b、214a、214b、216a、216b，每一对可以是或可以不是一对平行面。面212a、212b优选地为平行面，因此优选地平行于板202的表面203a、203b。此外，粘合堆叠210中的顶板的表面203a形成面212a，并且粘合堆叠210中的底板的表面203b形成面212b。
在某些实施方式中，成对的面212a、212b和214a、214b是两对平行面，并且一起形成矩形截面。在某些实施方式中，粘合堆叠210的成对面中每一对是一对平行面，并且三对面212a、212b、214a、214b、216a、216b相互正交。应当注意，通常如果粘合堆叠210的任何一对面最初不是一对平行面，可以对该对面的任一个或两个面进行抛光以实现该对面之间的平行性。
应当注意，图2E中所示的非限制性实施方式中的示例性堆叠210是非错开的堆叠，由此板202的各个侧表面(即，板202的除上表面203a和下表面203b以外的表面)对准且共面以形成大体平坦且平滑的面214a、214b、216a、216b。例如，将板202的在平行于yz平面的平面中的前侧表面对准以形成面214a，并且将板202的在平行于yz平面的平面中的后侧表面(未示出)对准以形成面214b，由此面214a、214b中的每一个是大体平坦且平滑的表面。类似的原理适用于形成面216a、216b的侧表面。然而，在某些实施方式中，例如在堆叠210形成为错开式堆叠的实施方式中，面214a、214b、216a、216b中的一个或更多个可以包括形成堆叠210的组成板202的侧表面的深度的台阶或变化(即，向下设置或向上步进)。因此，本文中用于描述和要求保护面214a、214b、216a、216b的术语“面”通常是指在与形成该面的板202的表面平行的平面中的表观面(apparent face)。例如，面214a是指在与yz平面平行的平面中的表观面，尽管板202的前侧表面的深度有变化。在堆叠210为非错开的堆叠并且板202完全对准(例如，如图2E中所示出的)的实施方式中，表观面和实际面是相同的。
现在转到图2F和图2G，光学结构220(图2G)由粘合堆叠210产生。光学结构220具有包括平面耦合表面222(也称为“耦合面”、“交界表面”、“界面表面”或简称为“面”222)的多个外表面(多个面)，所述平面耦合表面222倾斜于涂覆的透明板202的主表面203a、203b(即，耦合表面222将倾斜于由涂覆的透明板202形成的内部小平面45)。第二波导20的面24a最终由耦合表面222形成，因此耦合表面222的一部分形成两个波导10、20之间的界面平面的一部分。
光学结构220的外部面还包括以一定角度与耦合表面222邻接的主面234a(由粘合堆叠210的面214a形成，如以下将要讨论的)。在某些实施方式中，例如图2G所示的实施方式，耦合表面222与面234a之间的邻接角是90°(即，耦合表面222垂直于面234a)。在其他实施方式中，耦合表面222与面234a之间的邻接角是倾斜角，优选地是锐角。这种倾斜角实施方式特别适合于产生最终的光学设备(光学孔径倍增器产品)，其中第二光学波导20的小平面45具有相对于第一光学波导10的倾斜角(即，相对于面12a、12b倾斜)。特定倾斜(优选地为锐角)角的选择可以基于最终光学孔径倍增器产品的光学设计规范。
在某些实施方式中，沿切割平面204(图2F)切割粘合堆叠210(非错开或错开)以产生光学结构220。在其他实施方式中，可以通过研磨或抛光粘合堆叠210以逐渐移除粘合堆叠210的部分211中的材料直到到达切割平面204来产生光学结构220。
切割平面204优选地倾斜于面212a(并且因此倾斜于形成堆叠210/光学结构220的板202的上表面203a和下表面203b)，并且相对于面214a成一定角度，使得切割平面204穿过面212a、216b的部分，并且使得所得耦合表面222也倾斜于面212a并相对于面214a成一定角度。如上所述，在某些实施方式中，切割平面204相对于面214a的角可以是90°(即，切割平面204可以垂直于面214a)，并且在其他实施方式中可以是倾斜(优选为锐角)角。
通常，可以通过在耦合表面222处(即，在切割平面204的位置处)对光学结构220进一步抛光或切片/切割来校正与切割平面204和面214a之间的期望角度的任何偏差或者与所得耦合表面222和面234a之间的期望角度的任何偏差。为了避免浪费，优选地选择切割平面204在光学结构220中的位置，使得耦合表面222的长度(在图2G中的“z”方向上测量的长度)对应于片110的长度(同样在图2A中的“z”方向上测量)。
在某些实施方式中，粘合堆叠210的被移除(通过在切割平面204处切割或者研磨或抛光到切割平面204)的部分211通常可以为包括以下的面的三棱柱部分：i)面212a的第一部分231a(可以是面212a的少部分)，ii)面214a、214b的两个近似三角形部分，以及iii)面216b的一部分(可以是矩形部分)237。在平面204垂直于面214a的实施方式中，第一部分231a是矩形部分。在平面204倾斜于面214a的实施方式中，第一部分231a是非平行四边形(以及美式英语中的“梯形”)。注意，用于在面214a、214b、216a、216b的上下文中定义术语“面”的原则在此处也适用于面234a、234b、236a、236b的上下文中。
因此，在某些实施方式中，光学结构220(通过去除部分211形成)可以具有以下的面：i)一对优选平行的面232a、232b，其中面232a是面212a的第二部分(其是在移除第一部分231a之后面212a的剩余部分)，并且其中面232b与面212b相同，ii)一对优选地(但不是必须地)平行梯形或一般四边形的面234a、234b，其可以垂直于面232a、232b并且通过去除面214a、214b的三角形部分而形成；iii)面236a，其与面216a相同并且可以垂直于面232a、232b、234a、234b；iv)面236b，其可以平行于面236a并且是面216b在去除部分237之后的剩余部分；以及v)交界面222，其倾斜于面232a(即，在去除部分211之后面212a的剩余部分)并且垂直(如图2G中那样)或倾斜于(优选地为锐角)面234a(即，在去除部分211之后面214a的剩余部分)。
在平面204垂直于面214a的实施方式中，第二部分232a是矩形部分。在平面204倾斜于面214a的实施方式中，第二部分232a是非平行四边形(并且是美式英语中的“梯形”)。
注意，平面204提供(限定)部分231a和面232a之间的边界，并且还提供部分237与面236b之间的边界。
同样，与耦合表面222和面234a之间的期望角度的任何偏差可以通过在切割平面204的位置处抛光光学结构220来校正。事实上，由于耦合表面222最终形成两个波导10、20之间的界面平面的一部分，因此优选的是，即使在不存在这样的角偏差的情况下(或其中任何这样的角偏差如此小以致于它们不需要校正的情况下)也抛光耦合表面222，以确保耦合表面222具有高的光学质量。在通过抛光粘合堆叠210以逐渐移除粘合堆叠210的部分211中的材料来产生光学结构220的实施方式中，可以不需要进一步的抛光步骤。
现在转向图2H，将片110与光学结构220光学耦合以形成光学结构240(其是光学孔径倍增器制造过程的中间工作产品)，由此面112a、112b平行于耦合表面222并且由此面112a或面112b中的一个与耦合表面222成面对关系。作为中间工作产品，光学结构240包括片110和光学结构220作为相应的第一(或第二)部分以及第二(或第一)部分。在片110的耦合面(即，面112a或面112b)处片110不包括任何盖板的实施方式中，光学耦合使得面112a或面112b中的一个附接至耦合表面222。
在所示的实施方式中，面112b被示出为与耦合表面222成面对关系，但是面112a可以替选地与耦合表面222成面对关系。有关使面112a、面112b中的哪一个与耦合表面222成面对关系的选择可以基于最终光学孔径倍增器产品的光学设计规范，包括例如光学图像生成器相对于波导10的部署位置。光学耦合可以通过粘合剂粘合实现，使得面112b(或面112a)和耦合表面222接合在一起。替选地，光学耦合可以是在面112b(或面112a)与耦合表面222之间具有设计厚度的气隙的机械耦合。在片110的耦合面(112b或112a)具有盖板的实施方式中，片110与光学结构220之间的光学耦合使得盖板120b(或120a)光学地附接至耦合表面222，这可以通过将盖板120b(或120a)与耦合表面222粘合使得盖板120b(或120a)与耦合表面222接合在一起或者经由盖板120b(或120a)与耦合表面222之间具有气隙的机械耦合来实现。
然后，沿着垂直于耦合表面222并且穿过片110和光学结构220的至少两个平行的切割平面(由图2H中的虚线244指示)切割光学结构240，以产生一个或更多个光学孔径倍增器。图2I中示出了单个这样的光学孔径倍增器。应当注意，波导10在面12a处具有盖板13a，其是由于在切割平面244处切割盖板120a而产生的。
尽管在图2H和图2I中仅示出了从光学结构240切出单个光学孔径倍增器，但是可以通过增加用于形成粘合堆叠210的板202的尺寸和/或数目，从光学结构240切出多个光学孔径倍增器。
注意，为了保持从光学结构240切出的多个光学孔径倍增器之间的一致的厚度(在本文中任意沿“z轴”测量的)，优选的是，切割平面244以预定且均匀的间隔隔开。
切割平面244与耦合表面222之间的垂直性同时实现以下效果：i)第一光学波导10的面14a、14b之间的平行性，ii)第一对平行面12a、12b与第二对平行面14a、14b之间的垂直性(从而实现由面12a、12b、14a、14b形成的矩形截面)，以及iii)第二光学波导20的面22a、22b之间的平行性。
为了提高(最佳)性能，还优选的是，切割平面244垂直于面234a(并且因此垂直于面214a)。在某些实施方式中，切割平面244可以平行于面114a、114b，而在其他实施方式中，切割平面244可以倾斜于面114a、114b。
在某些实施方式中，片110的内部小平面40的平面垂直于切割平面244。应当注意，在需要小平面40与切割平面244之间的垂直性的实施方式中，片110和光学结构220应以高精度对准，以确保与垂直性的最小偏差(例如，在20弧秒内)。
在其他实施方式中，片110的内部小平面40的平面倾斜于切割平面244。在这样的实施方式中，优选的是，小平面40与切割平面244之间的角度完全不垂直，例如与垂直相差至少10°，更优选地至少20°。
为了在小平面40与切割平面244之间实现期望的角度，在切出(多个)光学孔径倍增器之前，将片110与光学结构220对准。优选地，在将片110与光学结构220光学耦合的步骤之前，将片110与光学结构220对准。
片110与光学结构220的对准可以以各种方式执行。在一个示例中，通过以下操作来执行对准：将光学结构220保持在固定位置和取向并且保持面112b或盖板120b(或面112a或盖板120a)与耦合表面222之间的平行性，并相对于光学结构220旋转片110(面112b(或120a)或盖板120b(或120a)在耦合表面222上)直到实现小平面40与切割平面244之间的期望角度(例如，如果期望垂直性，则与90°相差20弧秒内，或者如果期望小平面40与切割平面244之间的斜角，则例如80°或更小)。在另一示例中，将片110保持在固定位置和取向，并且将光学结构220相对于片110旋转，同时面112b或盖板120b(或者面112a或盖板120a)在耦合表面222上并与该耦合表面平行，直到实现小平面40与切割平面244之间的期望角度。在又一示例中，片110和光学结构220都不保持在固定位置，并且片110和光学结构220沿相反方向相对旋转，同时面112b或盖板120b(或者面112a或盖板120a)在耦合表面222上并与该耦合表面平行，直到实现小平面40与切割平面244之间的期望角度。
附带说明，应当注意，耦合表面222相对于形成堆叠210/光学结构220的板202的上表面203a和下表面203b的倾斜角(以及因此形成耦合表面222的切割平面204的倾斜角)部分地限定最终光学孔径倍增器产品的第二光学波导20的小平面45的倾斜角。这主要是由于耦合表面222和切割平面244的取向的相互依赖性(即，切割平面244垂直于耦合表面222)。例如，随着平面204/耦合表面222与表面203a、203之间的角度变得更浅(即，随着耦合表面222变得更接***行于面216b)，切割平面244将产生相对于第二光学波导20的面22a、22b具有更浅倾斜角的小平面45。类似地，随着平面204/耦合表面222与表面203a、203之间的角度变得更陡(即，随着耦合表面222变得更接***行于面212a、212b)，切割平面244将产生相对于第二光学波导20的面22a、22b具有更陡倾斜角的小平面45。
再次参照图2I中所示的光学孔径倍增器，注意，光学孔径倍增器的面14a、22a形成单个连续的外部面，该外部面是由于沿着切割平面244中的一个切割光学结构240而形成的。类似地，光学孔径倍增器的面14b、22b形成单个连续的外部面，该单个连续的外部面是由于沿着切割平面244中的另一个切割光学结构240而形成的。这两个连续的面应当平行(因为为了保持通过光学波导10、20两者的光的内反射的条件，面14a、14b与面22a、22b的平行性是关键的)。这两个连续的面的平行性可以通过确保切割平面244是平行平面来保持。然而，通过在沿着切割平面244切割光学结构240之后抛光连续的面，可以校正由于与切割平面244的平行性的偏差而造成的与连续的面的平行性的偏差。另外，保持两个连续的表面的平行性也保持了两个连续的表面与面12a、12b之间的垂直性，这确保了第一光学波导10的两对平行面12a、12b、14a、14b之间的垂直性(以及矩形截面的形成)。为了在图像光通过四重内反射沿着第一光学波导10前进时保持图像均匀性，这种平行性和垂直性的保持是关键的。
尽管在图2A至图2I中未示出，但是面22a、22b中的任一个或两个可以可选地具有粘合到其上或者以其他方式与其光学耦合的透明盖板。这种透明盖板可以有利地用于避免LOE 20内的双重反射，即，光从同一小平面45反射两次的情况，具体地，盖板有助于确保在由小平面45反射一次之后，光的透射部分将在该小平面之上或之下传播，直接前进到下一小平面，从而使得图像均匀性增强。在2022年2月24日提交的题为“Optical ApertureMultipliers Having a Rectangular Waveguide”的共同拥有的国际专利申请No.PCT/IL2022/050216中描述了具有附接至LOE 20的外部面的透明盖板的光学孔径倍增器的示例。
现在转向图5A至图5D，其示出了可以用于制造根据本发明的第二组实施方式的光学孔径倍增器的优选方法(过程)的步骤。原则上，第二组实施方式与第一组实施方式的相似之处在于，第二组实施方式也采用将片110光学耦合到光学结构320以形成新的光学结构的步骤，其中，通过沿着两个或更多个切割平面进行切片，可以从该新的光学结构提取一个或更多个光学孔径倍增器。然而，如上所述以及从下面的讨论中将变得更明显的是，两组实施方式之间的主要不同是关于片110与之光学耦合的光学结构220、320。
现在具体参照图5A和图5B，光学结构320形成为LOE 20的粘合堆叠321，即粘合在一起的LOE 20的堆叠。所得到的光学结构320(即，粘合堆叠321)具有包括一对平行表面302a、302b的多个外部面和倾斜于表面302a、302b的多个相互平行的部分反射内表面(小平面)45。
粘合堆叠321的LOE中的每一个如以上参照图1A和图1B所描述，即，LOE中的每一个具有包括一对平行面22a、22b(以及附加面24a、24b、26a、26b)的多个外部面和倾斜于外部面22a、22b的多个内部小平面45。每个LOE 20的内部小平面45构成光学结构320的小平面的子组。尽管粘合堆叠321在图5A和图5B中示出为仅由五个单独的LOE 20形成，但是通常可以使用更多数目的LOE来形成堆叠，包括例如十个或更多个LOE，并且在某些情况下为二十个或更多个LOE。
用于制造这样的单个的LOE 20的方法已经在鲁姆斯有限公司(以色列)的各种出版物(包括例如美国专利第7,634,214号、美国专利第8,873,150号、PCT公布WO 2016/103263和PCT公布WO 2020/212835)中广泛地描述。
光学结构320/粘合堆叠321的外表面还包括片110要与之光学耦合的平面耦合表面322(类似于第一组实施方式的耦合表面222)。如将要讨论的，耦合表面322可以由形成粘合堆叠321的组成LOE的面24a形成。光学结构320/粘合堆叠321的外表面还可以包括后表面306a(例如，通过对准LOE的面26a以便共面来形成)、与后表面306a相对的前表面306b(例如，通过对准LOE的面26b以便共面来形成)、以及与耦合表面322相对的顶(或上)表面308(例如，通过对准LOE的面24b以便共面来形成)。在某些实施方式中，光学结构320/粘合堆叠321是矩形立方体，由此表面306a和306b以及表面308和322各自是一对平行表面，并且由此三对平行表面302a、302b、306a、306b、308、322相互垂直。
在某些实施方式中，例如图5A至图5D所示的实施方式，LOE 20的粘合堆叠321还可以包括多个透明隔板324，并且LOE 20和隔板324沿着粘合堆叠321的垂直于组成LOE 20的面22a、22b的长度交替。这些透明隔板324的部分形成粘合到最终光学孔径倍增器产品的面22a、22b的透明盖板。在这样的实施方式中，给定的隔板324与两个相邻的LOE粘合，使得第一相邻LOE的面22a接合到隔板324的一侧并且第二相邻LOE的面22b接合到隔板324的相对侧。
在不采用透明隔板324的实施方式中，将相邻的LOE粘合在一起，使得每个LOE的面22a接合到相邻LOE的面22b。
为了形成粘合堆叠321，优选地将LOE 20对准，使得LOE的所有面22a、22b相互平行，并且使得LOE的所有内部小平面45相互平行(如图5A和图5B所示)。另外，可以使LOE 20的面24a对准以便共面，从而形成耦合表面322。在具有隔板324的实施方式中，面24a的对准还可以包括隔板324的较小外表面的对准。应当注意，如果面24a未对准成共面，则可以沿着垂直于LOE 20的面22a、22b的平面切割并抛光粘合堆叠321以移除LOE中的一个或更多个的额外(extraneous)部分，以产生耦合表面322。
光学结构320的一对平行表面302a、302b平行于各个LOE 20的面22a、22b。此外，在设置有隔板324的实施方式中，表面302a由堆叠321的一端(图5B中的右端)处的隔板324形成，并且表面302b由堆叠321的相对端(图5B中的左端)处的隔板324形成。附带说明，在堆叠321的端部处的两个隔板324相对于在堆叠321的内部部分处的隔板324可以具有增加的厚度。另外，在堆叠的内部部分处的隔板324优选地具有共同(即，相同)的厚度。
在没有设置隔板324的实施方式中，表面302a由堆叠321的一端(图5B中的右端)处的LOE的面22a形成，并且表面302b由堆叠321的相对端(图5B中的左端)处的LOE的面22b形成。
如图5C所示，将片110与光学结构320/粘合堆叠321光学耦合以形成光学结构340(其为光学孔径倍增器制造过程的中间工作产品)，由此面112a、112b平行于耦合表面322并且由此面112a或112b中的一个与耦合表面322成面对关系。作为中间工作产品，光学结构340包括作为片110和光学结构320(粘合堆叠321)作为相应的第一(或第二)和第二(或第一)部分。应当注意，仅作为说明性示例，图5C示出了形成为18个LOE的粘合堆叠(与图5A和图5B中所示的五LOE堆叠相比)的光学结构320。
注意，尽管图5C将片110显示为具有单个盖板(盖板120a附接至面112a)，但应当理解，面112b(其是片110的耦合面)也可以具有与其粘合的盖板120b。
在片110在片110的耦合面(即，面112a或面112b)处不包括任何盖板的实施方式中，片110与光学结构320之间的光学耦合使得面112a或面112b中的一个附接至耦合表面322。在所示的实施方式中，面112a被示出为与耦合表面322成面对关系，但面112b也可以与耦合表面322成面对关系。光学耦合可以通过粘合剂粘合实现，使得面112a(或面112b)和耦合表面322接合在一起。替选地，光学耦合可以是在面112a(或面112b)与耦合表面322之间具有设计厚度的空气间隙的机械耦合。
在片110的耦合面(112b或112a)具有盖板的实施方式中，片110与光学结构320之间的光学耦合使得盖板120a(或120b)光学附接至耦合表面322，这可以通过将盖板120a(或120b)与耦合表面322粘合使得盖板120a(或120b)与耦合表面322接合在一起或者通过与盖板120a(或120b)和耦合表面322之间的气隙的机械耦合来实现。
然后，沿着平行于LOE 20的面22a、22b且垂直于耦合表面322并且穿过切片110和光学结构320的至少两个优选平行的切割平面(由图5C中的虚线344指示)切割光学结构340，以产生一个或更多个光学孔径倍增器。图5D中示出了单个这种光学孔径倍增器1’。类似于图2I的光学孔径倍增器1，波导10在面12a处具有盖板13a，该盖板13a是在切割平面344处切割盖板120a而产生的。注意，与图2I的光学孔径倍增器1对比，光学孔径倍增器1’还具有附接至面22a、22b的盖板39a、39a(通过切穿连续的隔板324形成)。
尽管在图5C和图5D中仅示出了从光学结构340切出单个光学孔径倍增器，但是可以从光学结构340切出多个光学孔径倍增器。
与切割平面344相对于面22a、22b的平行性的任何偏差可以通过在沿着切割平面344的切割的视线/位置处抛光切出的光学孔径倍增器来校正。
在采用透明隔板324的实施方式中，两个连续的切割平面344位于其中夹有粘合堆叠321的LOE 20之一的连续的隔板中。优选地，每个切割平面位于对应隔板324的中心处，以便有效地将隔板324划分成两个近似相等的部分。应当注意，在期望将透明盖板粘合到波导20的面22a、22b的情况下，根据第二组实施方式的光学孔径倍增器的制造可能优于根据第一组实施方式的制造。这是由于根据第二组实施方式的光学孔径倍增器的制造使得盖板(在图5D中标记为39a和39b)与波导10的侧表面14a、14b齐平，从而提供了盖板不突出超过表面14a、14b(这可以在将盖板应用于根据第一组实施方式制造的波导20时发生)的平整构造。
在不采用透明隔板324的实施方式中，优选的是，连续的切割平面344位于粘合堆叠321的连续LOE 20的面22a、22b之间，并且更优选地位于形成在连续LOE 20的面22a、22b之间的粘合区域处，使得每个切出光学孔径倍增器仅具有粘合堆叠321的LOE 20中的一个。例如，第一切割平面优选地在第一LOE 20的面22b与第二LOE 20的面22a之间的粘合区域之间通过，其中第二LOE 20与第一LOE 20相邻并粘合。与第一切割平面相邻的第二切割平面在第二LOE 20的面22b与第三LOE 20的面22a之间的粘合区域之间通过，其中第三LOE 20与第二LOE 20相邻并粘合。在本文中应当注意，粘合区域(形成在连续LOE 20的面22a、22b之间)可以为切割平面344的布置提供引导。
在形成光学结构340(具有或不具有隔板324)之前，优选地将片110和光学结构320适当地对准，以便以类似于上面参照图2H描述的方式实现增强的光学性能。例如，片110和光学结构320优选地对准，使得表面302a与面114a或面114b中的一个平行(并且优选地共面)，并且使得表面302b与面114b或面114a中的另一个平行(并且优选地共面)。还可以优选地将片110和光学结构320对准，使得表面306a与面116a或面116b中的一个平行(并且优选地共面)，并且使得表面306b与面116b或面116a中的另一个平行(并且优选地共面)。这种优选的对准在图5C中示出。
可以通过相对于光学结构320旋转片110来实现对准，类似于上面讨论片110和光学结构220的对准时所描述的那样。还应当注意，片110与光学结构320之间的对准和光学耦合必然使得小平面40不平行于小平面45。
注意，在本文描述的实施方式中，片110具有与波导10的伸长方向垂直且还通常垂直于切割平面244、344的初始伸长方向(本文中任意示出为对应于“z轴”)。片110的这种伸长方向使得能够从光学结构(240或340)提取多个光学孔径倍增器，由此从光学结构(240或340)的片110部分提取每个提取的光学孔径倍增器的波导10部分。
应当注意，可以将一个或更多个附加光学部件在波导的一个或更多个外部面处与使用本文描述的方法产生的光学孔径倍增器产品光学耦合或粘合。这样的光学部件的示例包括例如光学耦入构造、偏振器、消偏振器和透镜。呈外部耦合棱镜或外部耦合反射器布置的形式的光学耦入构造用于将来自光学图像发生器的准直图像光引入/注入到第一光学波导10中，使得注入的图像通过四重内反射前进通过第一光学波导10。
通过一组示例，在美国专利第10,133,070号中例如参照该文献的图8A至图14C描述的任何耦合棱镜可以与第一光学波导10粘合或以其他方式光学耦合以向第一光学波导10提供光注入。在某些情况下，这种耦合棱镜的附接可能需要将附加涂层施加到外部波导面12a、12b、14a、14b的部分并且/或者切割或以其他方式移除第一光学波导10的一部分。
在另一组示例中，耦合棱镜(其在某些构造中还可以包括在耦合棱镜的一个面上的耦合反射器)可以与第一光学波导10的前面14a或后面14b的一部分相关联地部署，例如在2022年2月24日提交的题为“Optical Aperture Multipliers Having a RectangularWaveguide”的共同拥有的国际专利申请第PCT/IL2022/050216号中所描述的。这种部署可能需要将面12a或面12b划分成具有不同光学特性的第一区域(对应于面12a或面12b的大部分)和第二区域(对应于面12a或面12b的剩余部分)。细分可以通过与面12a或面12b的大部分或少数部分相关联部署的涂层或材料来实现，这可以通过将这种涂层或材料施加到片110的面112a或面112b的必需部分来实现。
向光学耦入构造提供准直图像的光学图像发生器通常是微投影仪光学设备，该微投影仪光学设备包括至少一个光源，该光源通常被部署成照射空间光调制器，例如硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCoS)芯片。空间光调制器调制图像的每个像素的投影强度，从而生成图像。替选地，光学图像生成器可以包括通常使用快速扫描镜来实现的扫描布置，该扫描布置在图像生成器的图像平面上扫描来自激光源的照明，同时在逐像素的基础上与扫描运动同步地改变光束的强度，从而为每个像素投影期望的强度。在这两种情况下，提供准直光学器件以生成准直到无穷远的输出投影图像。图像发生器的上述部件中的一些或全部通常布置在一个或更多个偏振分束器立方体或本领域公知的其他棱镜布置的表面上。
如上所述，可能期望提供一个或更多个附加光学部件——特别是光学耦入部件——以与光学孔径倍增器光学耦合。为此，可以特别有利的是提供一种附加的光学结构——可以从该光学结构提取光学耦入部件——该附加的光学结构可以与上述光学结构光学耦合，以便能够大量产生光学孔径倍增器，每个光学孔径倍增器具有一对波导以及附接至其上或以其他方式与其光学耦合的光学耦入构造。考虑到这一点，图6A至图6E示出了根据本发明实施方式的可以用于制造具有波导10、20和粘合到波导10(或以其他方式与波导10光学耦合的)的光学耦入构造的光学孔径倍增器的方法(过程)的步骤。图6A示出了可以从其提取多个光学耦入构造的附加光学结构420，并且图6B至图6E示出了通过光学结构420与光学结构340的光学耦合以及从光学结构500提取光学孔径倍增器而形成的光学结构500。应当注意，尽管在根据第二组实施方式的制造过程的上下文中提供图6B至图6D中所示出的示例，但类似技术也可以应用于根据第一组实施方式的制造过程。
现在详细转向图6A至图6E，光学结构420由透光材料形成，并且具有包括一对平行面402a、402b的多个外部面以及倾斜于面402a、402b的多个相互平行的内表面50。光学结构420的外部面还可以包括面404a、404b(在某些实施方式中，面404a和面404b可以是垂直于面402a、402b的一对平行面)以及面406a、406b(在某些实施方式中，面406a和面406b可以是一对平行面，并且还可以垂直于面402a、402b、404a、404b)。
在某些实施方式中，内表面50是反射表面，而在其他实施方式中，内表面50是部分反射表面(例如光束分离表面)。如上所述，光学结构420可以以各种方式获得，各种方式包括通过将透明板(其可以涂覆有反射或部分反射涂层)堆叠和粘合在一起并且然后以与用于产生片110的方式类似的方式对粘合板进行切片来产生光学结构420。
如图6B至图6D所示，光学结构420与光学结构340的片110部分光学耦合，使得光学结构420的耦合面(其可以是面402a、402b中的一个)与片110的外部面中的一个成面对关系。光学结构340、420之间的光学耦合产生了具有如下三个部分的中间工作产品的新光学结构500：1)LOE部分的粘合堆叠(即，光学结构320)，2)片110部分，以及3)光学结构420部分。
在所示的实施方式中，光学结构420的耦合面是面402a，面402a被部署成与片110的面116b成面对关系。在某些实施方式中，光学结构420与片110粘合，使得耦合面(例如，面402a)接合到面116b(或面116a)。注意，可以基于最终光学孔径倍增器产品的光学设计规范来选择使片110的外部面中的哪一个与光学结构420的耦合面成面对关系，所述光学设计规范包括例如光学图像生成器相对于光学耦入构造和波导10的部署位置。
在将光学结构420与片110光学耦合之前，光学结构420和片110优选地对准。在所示实施方式中，对准优选地使得每个内表面50对应于并且优选地位于粘合堆叠321的LOE中的对应一个的面22a、22b之间。在某些实施方式中，对准使得每个内表面50在对应LOE的面22a、22b之间延伸。该对准进一步使得内表面50不平行于小平面40和小平面45。
在某些实施方式中，光学结构420与片110的对准也使得面114a和面406a平行(且优选共面)，并且使得面114b和面406b平行(且优选共面)。
图6D示出了具有示例性切割平面344(与图5C中所示的相同)的光学结构500。沿着两个或更多个切割平面344切割光学结构500以产生(提取/切出)一个或更多个光学孔径倍增器。图6E示出了单个这样的切出光学孔径倍增器1”，其具有一对波导(10、20)和附接到该对波导的耦入构造42。光学耦入构造42由光学结构420产生，并且包括单个内表面50。
注意，尽管在图6A至图6E的实施方式中片110被示出为没有盖板120a、120b，但是应当理解，盖板120a、120b中的一个或两个可以应用于相应的面112a、112b。
如上所述，用于产生具有附加的光学耦入构造的光学孔径倍增器的类似技术可以与根据第一组实施方式的制造过程一起使用。例如，光学结构420可以与图2H的光学结构240例如在面116b处光学耦合，以产生具有一对波导10、20和附接到该对波导的光学耦入构造42的光学孔径倍增器。
应当注意，附图中所示的光学结构420仅是可以从其提取光学耦入构造的光学结构的一个非限制性示例。通常，具有耦合表面(例如，面402a)和与该耦合表面几何关联的多个光学耦入表面(例如，内表面50)或元件或表面部分的任何光学结构可以与光学结构340或240光学耦合。伸长棱镜是光学结构的另一非限制性示例，从该光学结构可以提取光学耦入构造。这种伸长棱镜可以具有多个外表面，所述多个外表面包括耦合表面(用于与片110光学耦合)和可以被细分成多个非交叠部分的光学耦入表面。每个部分可以对应于例如光学结构320的不同的相应LOE 20，使得当沿着切割平面344切片时，每个部分变成光学孔径倍增器的光学耦入表面。
本文中描述的各种光学结构的对准可以使用执行合适的光学对准技术/方法的任何合适的光学对准装置/设备/工具来执行。这样合适的光学对准装置/设备/工具可以包括例如一个或更多个计算机化的控制设备、一个或更多个计算机化的处理设备、具有例如一个或更多个光源的一个或更多个光学子***、一个或更多个光检测器/传感器(包括光学传感器)、一个或更多个光学部件(例如一个或更多个透镜、一个或更多个折叠光学器件、一个或更多个棱镜等)、自动准直器等。可以用于对准本文描述的各种光学结构的合适的光学对准装置/设备/工具/方法的非限制性示例的细节可在鲁姆斯有限公司(以色列)的各种出版物(包括例如国际专利申请第PCT/IL2021/051377号和国际专利申请第PCT/IL2021/051378号)中找到。
本公开内容已经描述了各种切割步骤，其中沿着切割平面切割光学结构或材料以产生各种其他光学结构或光学产品。应当注意，在某些实施方式中，这些光学结构和材料的一些或全部表面(包括并且尤其是由这些切割步骤产生的这些表面)可以经抛光以例如提高光学质量。在某些实施方式中，抛光可以作为这些切割步骤的一部分或在这些切割步骤之后且在后续光学耦合(例如，粘合)步骤之前执行。如本领域普通技术人员应理解的，在上述制造方法中，可以通过任何合适的切割装置/设备/工具执行本文描述的各种光学结构的切割或切片。如本领域普通技术人员应理解的，可以通过任何合适的抛光装置/设备/工具来执行本文描述的各种光学结构的面和表面的抛光。
已出于说明的目的呈现了对本公开内容的各种实施方式的描述，但该描述不旨在穷举或限于所公开的实施方式。在不脱离所描述的实施方式的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是明显的。选择本文中使用的术语以最佳地解释实施方式的原理、实际应用或对市场中存在的技术的技术改进、或使本领域普通技术人员能够理解本文中所公开的实施方式。
如本文所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。
词语“示例性”在本文中用于意指“用作示例、实例或说明”。描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为比其他实施方式优选或有利以及/或者排除来自其他实施方式的特征的并入。
应当理解，为了清楚起见，在单独实施方式的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方式中组合提供。相反地，为了简洁起见，在单个实施方式的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合或如在本发明的任何其他描述的实施方式中合适地提供。在各种实施方式的上下文中描述的某些特征不应被认为是这些实施方式的必要特征，除非该实施方式在没有这些元素的情况下不起作用。
尽管已经结合本发明的具体实施方式描述了本发明，但是明显的是，许多替选方案、修改和变型对于本领域技术人员来说是明显的。因此，本发明旨在包括落入所附权利要求的精神和宽范围内的所有这些替选方案、修改和变型。

Claims (26)

1.一种制造光学孔径倍增器(1，1’，1”)的方法，包括：
获得片(110)，所述片具有：包括一对平行面(112a，112b)的多个外部面、和倾斜于所述一对平行面(112a，112b)的第一多个相互平行的部分反射内表面(40)；
获得第一光学结构(220，320)，所述第一光学结构具有：包括平面耦合表面(222，322)的多个外表面、和倾斜于所述耦合表面(222，322)的第二多个相互平行的部分反射内表面(203a，45)；
将所述片(110)与所述第一光学结构光学耦合，使得所述一对平行面(112a，112b)中的一个面与所述耦合表面(222，322)成面对关系，从而形成第二光学结构(240，340)；以及
通过垂直于所述耦合表面(222，322)的至少两个切割平面(244，344)切割所述第二光学结构(240，340)，从所述第二光学结构(240，340)切出至少一个光学孔径倍增器(1，1’，1”)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光学结构(320)形成为光导光学元件(LOE)(20)的粘合堆叠(321)，所述粘合堆叠(321)的每个LOE(20)具有一对主平行表面(22a，22b)和倾斜于所述一对主平行表面(22a，22b)的第二多个相互平行的部分反射内表面(45)的子组。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少两个切割平面(344)基本上平行于连续LOE(20)的所述主平行表面(22a，22b)。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述粘合堆叠(321)包括多个透明隔板(324)，其中，所述LOE(20)和所述透明隔板(324)沿着所述粘合堆叠(321)的垂直于所述LOE(20)的主平行表面(22a，22b)的长度交替。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述至少两个切割平面(344)位于其间夹有所述LOE(20)之一的连续隔板(324)中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光学结构(220)由涂覆的透明板(202)的粘合堆叠(210)产生。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述粘合堆叠(210)具有一对面(214a，214b)，并且其中，通过沿着切割平面(204)切割所述粘合堆叠(210)来由所述粘合堆叠(210)产生所述第一光学结构(220)，所述切割平面(204)相对于所述粘合堆叠(210)的一对面(214a，214b)中的至少一个面(214a)成一定角度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过在所述切割平面(204)的位置处进一步抛光或切片以形成所述耦合表面(222)来由所述粘合堆叠(210)产生所述第一光学结构(220)。
9.根据权利要求1的方法，还包括：
获得第三光学结构(420)，所述第三光学结构具有：包括耦合面(402a)的多个外部面、和倾斜于所述耦合面(402a)的多个相互平行的内表面(50)；以及
在切出所述至少一个光学孔径倍增器(1”)之前，将所述第三光学结构(420)与所述片(110)光学耦合，使得所述第三光学结构(420)的耦合面(402a)与所述片(110)的外部面中的一个成面对关系。
10.一种制造光学孔径倍增器(1，1’，1”)的方法，包括：
获得光导光学元件(LOE)(20)的粘合堆叠(321)，所述粘合堆叠(321)的每个LOE(20)具有一对主平行表面(22a，22b)和倾斜于所述一对主平行表面(22a，22b)的第一多个相互平行的部分反射内表面(45)；
获得片(110)，所述片具有：包括一对平行面(112a，112b)的多个外部面、和倾斜于所述一对平行面(112a，112b)的第二多个相互平行的部分反射内表面(40)；
将所述片(110)与所述粘合堆叠光学耦合，使得所述一对平行面(112a，112b)中的一个面与所述粘合堆叠(321)的耦合表面(322)成面对关系，并且使得所述一对平行面(112a，112b)垂直于所述粘合堆叠(321)的每个LOE(20)的所述一对主平行表面(22a，22b)，从而形成光学结构(340)；以及
通过基本上平行于连续LOE(20)的所述主平行表面(22a，22b)且垂直于所述粘合堆叠(321)的耦合表面(322)的至少两个切割平面(344)切割所述光学结构(340)，从所述光学结构(340)切出至少一个光学孔径倍增器(1，1’，1”)。
11.一种制造光学孔径倍增器(1，1’，1”)的方法，包括：
获得片(110)，所述片具有：包括一对平行面(112a，112b)的多个外部面、和倾斜于所述一对平行面(112a，112b)的多个相互平行的部分反射内表面(40)；
由涂覆的透明板(202)的粘合堆叠(210)产生具有多个外表面的第一光学结构(220)，所述多个外表面包括倾斜于所述涂覆的透明板(202)的主表面(203a，203b)的耦合表面(222)；
将所述片(110)与所述第一光学结构(220)光学耦合，使得所述一对平行面(112a，112b)中的一个面与所述耦合表面(222)成面对关系，从而形成第二光学结构(240)；以及
通过垂直于所述耦合表面(222)的至少两个切割平面(244)切割所述第二光学结构(240)，从所述第二光学结构(240)切出至少一个光学孔径倍增器(1)。
12.根据权利要求1、2、6、10或11中任一项所述的方法，还包括：在所述一对平行面(112a，112b)的一个或更多个面处将盖板(120a，120b)与所述片(110)光学耦合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述盖板(120a，120b)包括反射涂层。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述盖板(120a，120b)与所述片(110)光学耦合包括：将所述盖板(120a，120b)与所述一对平行面(112a，112b)中的一个或更多个面粘合。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，使用折射率低于用于产生所述片(110)的材料的折射率的光学胶来执行所述粘合。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述盖板(120a，120b)在所述一对平行面(112a，112b)中的与所述耦合表面(222，322)成面对关系的一个面处与所述片(110)光学耦合，并且其中，所述盖板(120a，120b)具有偏振管理特性。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述盖板(120a，120b)包括波片或偏振器中的至少一个。
18.一种光学结构(240，340)，其是光学孔径倍增器(1，1’，1”)制造过程的中间工作产品，所述光学结构包括：
第一部分(110)，其包括：包括一对平行面(112a，112b)的多个外部面、和倾斜于所述一对平行面(112a，112b)的第一多个相互平行的部分反射内表面(40)；以及
第二部分(220，320)，其包括：包括耦合表面(222，322)的多个外表面、和倾斜于所述耦合表面(222，322)的第二多个相互平行的部分反射内表面(203a，45)，其中，所述第二部分(220，320)与所述第一部分(110)光学耦合，使得所述一对平行面(112a，112b)中的一个面与所述耦合表面(222，322)成面对关系，并且使得当通过穿过所述第一部分(110)和所述第二部分(220，320)且垂直于所述耦合表面(222，322)的至少两个基本上平行的切割平面(244，344)来对所述光学结构(230，240)进行切片时产生至少一个光学孔径倍增器(1，1’，1”)。
19.一种光学结构(340)，其是光学孔径倍增器(1，1’，1”)制造过程的中间工作产品，所述光学结构包括：
第二部分(110)，其包括：包括一对平行面(112a，112b)的多个外部面、和倾斜于所述一对平行面(112a，112b)的第二多个相互平行的部分反射内表面(40)；以及
第二部分(320)，其包括光导光学元件(LOE)的粘合堆叠(321)，所述粘合堆叠(321)的每个LOE(20)具有一对主平行表面(22a，22b)和倾斜于所述一对主平行表面(22a，22b)的第一多个相互平行的部分反射内表面(45)，其中，所述第一部分(110)与所述第二部分(320)光学耦合，使得所述一对平行面(112a，112b)中的一个面与所述第二部分(320)的耦合表面(322)成面对关系，并且使得所述一对平行面(112a，112b)垂直于所述粘合堆叠(321)的LOE(20)中的每一个的所述一对主平行表面(22a，22b)。
20.一种光学结构(240)，其是光学孔径倍增器(1)制造过程的中间工作产品，所述光学结构(240)包括：
第一部分(110)，其具有：包括一对平行面(112a，112b)的多个外部面、和倾斜于第一对平行面(112a，112b)的多个相互平行的部分反射内表面(40)；以及
由涂覆的透明板(202)的粘合堆叠(210)形成的第二部分(220)，所述第二部分具有多个外表面，所述多个外表面包括倾斜于所述涂覆的透明板(202)的主表面(203a，203b)的耦合表面(222)，所述第一部分(110)与所述第二部分(220)光学耦合，使得所述一对平行面(112a，112b)的一个面(112b)与所述耦合表面(222)成面对关系，并且使得当通过穿过所述第一部分(110)和第二部分(220)且垂直于所述耦合表面(222)的至少两个基本上平行的切割平面(244)来对所述光学结构(240)进行切片时产生至少一个光学孔径倍增器(1，1’，1”)。
21.根据权利要求18、19或20中任一项所述的光学结构(240，340)，还包括：盖板(120a，120b)，在所述一对平行面(112a，112b)的一个或更多个面处所述盖板与该所述第一部分(110)光学耦合。
22.根据权利要求21所述的光学结构(240，340)，其中，所述盖板(120a，120b)包括反射涂层。
23.根据权利要求21所述的光学结构(240，340)，其中，通过将所述盖板(120a，120b)粘合到所述一对平行面(112a，112b)中的一个面，所述盖板(120a，120b)与所述第一部分(110)光学耦合。
24.根据权利要求23所述的光学结构(240，340)，其中，使用折射率低于用于产生所述第一部分(110)的材料的折射率的光学胶来执行所述粘合。
25.根据权利要求21所述的光学结构(240，340)，其中，所述盖板(120a，120b)在所述一对平行面(112a，112b)中的与所述耦合表面(222，322)成面对关系的一个面处与所述第一部分(110)光学耦合，并且其中，所述盖板(120a，120b)具有偏振管理特性。
26.根据权利要求25所述的光学结构(240，340)，其中，所述盖板(120a，120b)包括波片或偏振器中的至少一个。
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