本發(fā)明涉及基板引導(dǎo)的光學(xué)器件，并且特別地涉及包括由也被稱為光導(dǎo)元件的常見(jiàn)透光基板承載的多個(gè)反射表面的器件。

本發(fā)明可以在諸如便攜式dvd、蜂窩電話、移動(dòng)電視接收機(jī)、視頻游戲、便攜式媒體播放器或任何其他移動(dòng)顯示設(shè)備的大量成像應(yīng)用中有利地實(shí)現(xiàn)。

背景技術(shù)：

緊湊型光學(xué)元件的重要應(yīng)用是在頭戴式顯示器(hmd)上，其中光學(xué)模塊既充作成像透鏡又用作組合器，其中二維圖像源被成像到無(wú)窮遠(yuǎn)并被反射到觀察者的眼睛中。顯示源可以直接地從空間光調(diào)制器(slm)(諸如陰極射線管(crt)、液晶顯示器(lcd)，有機(jī)發(fā)光二極管陣列(oled)、掃描源或類似設(shè)備)中獲得，或者間接地借助于中繼透鏡或光纖束獲得。顯示源包括通過(guò)準(zhǔn)直透鏡被成像到無(wú)窮遠(yuǎn)并借助于分別用作非透視應(yīng)用和透視應(yīng)用的組合器的反射或部分反射表面被發(fā)送到觀看者的眼睛中的元件(像素)陣列。通常，常規(guī)的自由空間光學(xué)模塊用于這些用途。但是，隨著系統(tǒng)的期望視場(chǎng)(fov)增加，這種常規(guī)的光學(xué)模塊變得更大、更重和更龐大，并因此即使對(duì)于中等性能的器件也是不切實(shí)際的。對(duì)于各種顯示器，以及尤其是在其中系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)必須盡可能輕且緊湊的頭戴式應(yīng)用中的顯示器，這是主要缺點(diǎn)。

力求緊湊性導(dǎo)致幾種不同的復(fù)雜光學(xué)解決方案，所有這些解決方案一方面對(duì)于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用而言仍然不足夠緊湊，并且另一方面在可制造性上承受主要缺點(diǎn)。此外，由這些設(shè)計(jì)得到的光學(xué)視角的眼睛運(yùn)動(dòng)盒(emb)常常非常小–通常小于8mm。因此，光學(xué)系統(tǒng)的性能即使對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于觀看者的眼睛的小的移動(dòng)也是非常敏感的，并且不允許足夠的瞳孔運(yùn)動(dòng)來(lái)舒適地從這種顯示器讀取文本。

包括在全部以本申請(qǐng)人的名義的公開(kāi)內(nèi)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、il232197和il235642中的教導(dǎo)通過(guò)引用并入本文。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明有助于開(kāi)發(fā)用于hmd等應(yīng)用的非常緊湊的光導(dǎo)光學(xué)元件(loe)。本發(fā)明允許相對(duì)寬的fov以及相對(duì)大的emb值。得到的光學(xué)系統(tǒng)提供大的、高質(zhì)量的圖像，其還適應(yīng)眼睛的大的移動(dòng)。本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)是特別有利的，因?yàn)樗@著地比現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式更加緊湊，并且即使在具有專門配置的光學(xué)系統(tǒng)中，它仍能夠容易地結(jié)合。

因此，本發(fā)明的廣泛目的是減輕現(xiàn)有技術(shù)的緊湊光學(xué)顯示器件的缺點(diǎn)，并根據(jù)具體需要提供具有改進(jìn)的性能的其它光學(xué)部件和系統(tǒng)。

loe的操作的主要物理原理是通過(guò)來(lái)自loe的外表面的全內(nèi)反射將光波捕獲在基板內(nèi)。此外，通過(guò)部分反射表面陣列將被捕獲在loe內(nèi)的光波耦合出到觀察者的眼睛中。因此，為了實(shí)現(xiàn)具有良好光學(xué)質(zhì)量的未失真圖像，重要的是一方面外部表面和部分反射表面的質(zhì)量將具有高質(zhì)量，并且另一方面，loe的制造過(guò)程將盡可能簡(jiǎn)單且直接。

因此，本發(fā)明提供了一種用于制造光學(xué)器件的方法，該光學(xué)器件包括具有至少兩個(gè)主表面和邊緣的光波透射基板和由該基板承載的多個(gè)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邊緣，該方法包括：提供至少一個(gè)透明平板和具有部分反射表面的板；將平板光學(xué)附接在一起以便創(chuàng)建堆疊交錯(cuò)形式部；通過(guò)切割穿過(guò)幾個(gè)板，從堆疊交錯(cuò)形式部切出至少一個(gè)區(qū)段；研磨和拋光該區(qū)段以產(chǎn)生光波透射基板，其特征在于，通過(guò)光學(xué)無(wú)粘合劑過(guò)程將板彼此光學(xué)附接。

附圖說(shuō)明

參照以下例示性附圖，結(jié)合某些優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明，從而可以更全面地理解本發(fā)明。

具體參照詳細(xì)的附圖，強(qiáng)調(diào)所示的細(xì)節(jié)僅作為示例并且僅用于例示性地討論本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的目的，并且是為了提供被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述而給出的。在這方面，沒(méi)有嘗試示出比基本理解本發(fā)明所必需的細(xì)節(jié)更詳細(xì)的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。利用附圖進(jìn)行的描述將充作對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員關(guān)于如何在實(shí)踐中實(shí)施本發(fā)明的若干形式的指導(dǎo)。

在附圖中：

圖1是示例性現(xiàn)有技術(shù)loe的側(cè)視圖；

圖2是例示根據(jù)本發(fā)明的用于制造部分反射表面陣列的方法的步驟(a)至(e)的圖；

圖3是例示根據(jù)本發(fā)明的用于增加能夠由單個(gè)切片制造出的loe的數(shù)量的方法的步驟(a)至(c)的示意圖；

圖4是例示根據(jù)本發(fā)明的用于制造部分反射表面陣列的另一種方法的實(shí)施例的步驟(a)至(e)的圖；

圖5是例示在loe的邊緣處附接坯板(blankplate)的方法的步驟(a)和(b)的圖；

圖6例示了根據(jù)本發(fā)明的照射loe的輸入孔徑的光線的跨度，其中l(wèi)oe的邊緣之一相對(duì)于主表面以一個(gè)斜角傾斜；

圖7是例示根據(jù)本發(fā)明的將輸入光波從顯示光源耦合進(jìn)到基板中的系統(tǒng)的示意圖，其中，中間棱鏡附接到loe的傾斜邊緣，以及

圖8是例示根據(jù)本發(fā)明的用于制造具有傾斜邊緣的loe的方法的步驟(a)至(c)的圖。

具體實(shí)施方式

圖1例示了可用于本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)的基板20和相關(guān)聯(lián)部件(以下也稱為“l(fā)oe”)的截面圖。例如反射表面16的光學(xué)裝置被從光源(未示出)發(fā)出的準(zhǔn)直顯示光波18照射。反射表面16反射來(lái)自源的入射光波，使得光波通過(guò)全內(nèi)反射被捕獲在loe的平面基板20內(nèi)。在幾次被發(fā)射離開(kāi)基板20的主要下表面和上表面26、28之后，被捕獲的光波到達(dá)選擇性反射表面陣列22，其將光從基板耦合出到觀看者的具有瞳孔25的眼24中。這里，loe的輸入表面將被視為是輸入光波通過(guò)其進(jìn)入loe的表面，loe的輸出表面將被視為是被捕獲的光波通過(guò)其離開(kāi)loe的表面。在圖1中例示的loe的情況下，輸入和輸出表面都在下表面26上。然而，可預(yù)見(jiàn)其中輸入和圖像光波可以位于基板20的相對(duì)側(cè)上或者當(dāng)光波通過(guò)基板的傾斜邊緣耦合到loe中的其他配置。

如圖1中所例示的，光波通過(guò)來(lái)自基板20的兩個(gè)主表面26和28的全內(nèi)反射被捕獲在基板內(nèi)。為了維持所耦合的光波的原始方向以避免雙重圖像，關(guān)鍵的是主表面26和28之間的平行度將到一個(gè)高的程度。此外，通過(guò)部分反射表面陣列22將被捕獲在loe內(nèi)的光波耦合出到觀看者的眼睛中。因此，這些表面的平行度也應(yīng)當(dāng)盡可能的高。此外，為了實(shí)現(xiàn)具有良好的光學(xué)質(zhì)量的不失真的圖像并且為了避免散射和光學(xué)噪聲，重要的是基板的外表面以及部分反射表面的表面質(zhì)量將非常高。另一方面也重要的是loe的制造過(guò)程將盡可能簡(jiǎn)單且直接。

在圖2中例示制造loe的可能方法。(a)涂覆有所需的部分反射涂層103的多個(gè)透明平板102和未涂覆的平板104被光學(xué)附接到一起，以便創(chuàng)建堆疊形式部106，參見(jiàn)步驟(b)。步驟(c)，然后通過(guò)切割、研磨和拋光從堆疊形式部切出區(qū)段108，以創(chuàng)建期望的loe110(d)。如(e)中所示，可以從堆疊形式部切出幾個(gè)loe元件112和114。可以通過(guò)堆疊中的板的適當(dāng)交錯(cuò)來(lái)最大化能夠從堆疊中切出的loe元件的數(shù)量。

在圖3a至3c中例示用來(lái)增加最終的元件的數(shù)量的另一種方法。在圖3(a)中示出切出的loe108的俯視圖。然后沿著線120和122切割切片以創(chuàng)建三個(gè)相似的子區(qū)段(圖3(b))。然后通過(guò)切割、研磨和拋光來(lái)處理這些切出的區(qū)段，以創(chuàng)建三個(gè)相似的loe126(圖3(c))。

在圖4(a)至圖4(e)中例示生產(chǎn)loe的替代方法。代替在坯板132的表面上涂覆所選擇的部分反射涂層，反射表面被制備在薄板的陣列134上。除了薄膜介電涂層之外，這里的反射機(jī)制可以是諸如來(lái)自線柵陣列或dbef膜的各向異性的偏振敏感反射。圖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學(xué)附接在一起，以創(chuàng)建堆疊形式部136，參見(jiàn)圖4(b)。然后，通過(guò)切割從層疊形式部切出一個(gè)區(qū)段138(圖4(c))，通過(guò)研磨和拋光來(lái)完成，以創(chuàng)建所期望的loe140，如圖4(d)所示?？梢詮脑摱询B形式部切出在圖4(e)中例示的幾個(gè)元件142和144。

在許多應(yīng)用中，出于光學(xué)以及機(jī)械原因，需要在loe的主表面處添加坯平板。圖5例示了適用于參照?qǐng)D2和圖4(a)至圖4(e)描述的制造方法中的每一個(gè)的方法，其中坯板146(圖5(a))光學(xué)附接到基板110的主表面之一，以便形成loe150(圖5(b))，其對(duì)于所有反射表面具有恰當(dāng)?shù)挠行Э讖?activeapertures)。存在其中要求loe110將具有楔形結(jié)構(gòu)(即，表面151和152不平行)的應(yīng)用。在這種情況下，嚴(yán)格要求最終的loe150的兩個(gè)外部主表面154和155將彼此平行。

在圖1中例示的實(shí)施例中，光波通過(guò)主表面26耦合到loe中。然而，存在其中優(yōu)選的是光將通過(guò)loe的傾斜邊緣耦合到loe中的配置。圖6例示了通過(guò)其邊緣之一將光波耦合到基板中的替代方法。這里，光波透射基板20具有兩個(gè)平行的主表面和邊緣，其中至少一個(gè)邊緣160相對(duì)于主表面以一個(gè)斜角被取向。通常，入射的準(zhǔn)直光波直接從空氣耦合，或者替代地準(zhǔn)直模塊(未示出)可以光學(xué)附接到loe。因此，有利的是將中心波162垂直于傾斜表面162耦合以最小化色差。出于在以色列專利申請(qǐng)235642中廣泛解釋的各種光學(xué)原因，該要求不能通過(guò)將光直接通過(guò)表面160耦合來(lái)滿足。

圖7中例示了解決這個(gè)問(wèn)題的方法。中間棱鏡164被插入在準(zhǔn)直模塊(未示出)和基板的傾斜邊緣160之間，其中中間棱鏡164的一個(gè)表面166被定位成鄰接所述傾斜邊緣160。在大多數(shù)情況下，中間棱鏡的折射率應(yīng)當(dāng)與loe的折射率相似。然而，存在可以為棱鏡選擇不同的折射率以補(bǔ)償系統(tǒng)中的色差的情況。如上所述，入射的準(zhǔn)直光波直接從空氣耦合，或者替代地，準(zhǔn)直模塊(未示出)可以附接到中間棱鏡164。在許多情況下，準(zhǔn)直模塊的折射率與loe的折射率顯著不同，并因此與棱鏡的折射率不同。因此，為了最小化色差，棱鏡164的輸入表面168應(yīng)當(dāng)被取向成基本上垂直于中心波162(圖6)。

在圖8中例示用于制造所需的具有傾斜邊緣的loe的方法。這里，根據(jù)參照?qǐng)D2和圖4(a)描述的過(guò)程制造的非傾斜loe110的側(cè)邊緣之一被切割以創(chuàng)建所需的傾斜邊緣160(b)，然后通過(guò)研磨和拋光來(lái)處理新的表面以實(shí)現(xiàn)所需的光學(xué)質(zhì)量。在薄層172被光學(xué)附接到上表面28的情況下，根據(jù)圖5中例示的過(guò)程，最終的loe174呈現(xiàn)圖8(c)中例示的形狀。

用于實(shí)現(xiàn)在圖2、圖4(a)-圖4(e)、圖5(a)和圖5(b)以及圖7中的各種光學(xué)元件之間的光學(xué)附接的明顯方法是通過(guò)在板之間施加光學(xué)粘合劑。然而，這種方法可能會(huì)承受一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)。首先，如上面參照?qǐng)D1所解釋的那樣，部分反射表面22之間的平行度應(yīng)當(dāng)非常高。這可以通過(guò)確保涂覆板102(圖2a)的外表面之間的平行度將具有相同的所需的平行度來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，附接板之間的膠合層可能具有一定程度的楔形，這將在兩個(gè)相鄰的涂覆表面之間創(chuàng)建有限的角度。通過(guò)在膠合過(guò)程中將附接的板壓在一起以確保每個(gè)膠合層的厚度不超過(guò)幾微米，可以最小化這種非期望的效果，然而，即使具有該過(guò)程，被膠合的loe還承受其他缺點(diǎn)。位于膠合表面和外表面之間的交叉處的膠合線通常引起散射和衍射效應(yīng)，這使圖像的光學(xué)質(zhì)量降低。對(duì)于位于所有的光波在耦合到loe中時(shí)穿過(guò)的傾斜邊緣160中的膠合線176來(lái)說(shuō)，該現(xiàn)象更加明顯。此外，在膠合過(guò)程之后，不可能將loe的溫度增加超過(guò)60-70攝氏度。這例如阻止了loe的熱涂覆。因此，當(dāng)需要這種ar或硬質(zhì)涂層時(shí)，需要進(jìn)行特殊的冷涂覆過(guò)程，這遠(yuǎn)比常規(guī)熱涂覆過(guò)程復(fù)雜且受限制。此外，位于膠合板之間的粘合劑的折射率應(yīng)當(dāng)非常接近板的折射率，以避免非期望的反射。由于現(xiàn)有的光學(xué)粘合劑的折射率的變化非常有限，尤其是對(duì)于相對(duì)高的折射率，可用于制造loe的光學(xué)玻璃材料的數(shù)量也非常有限。

作為以上描述的結(jié)果，利用光學(xué)附接過(guò)程來(lái)附接光學(xué)元件而不利用光學(xué)粘合劑將是有利的。實(shí)現(xiàn)無(wú)粘合劑過(guò)程的候選之一是陽(yáng)極鍵合過(guò)程。陽(yáng)極鍵合是一種將玻璃密封地且永久地連接到玻璃上而不使用粘合劑的方法。使用硅或二氧化硅的薄膜作為中間層，通過(guò)濺射或電子束蒸發(fā)將中間層施加在玻璃基板上。將玻璃板壓在一起并加熱到玻璃中的堿金屬離子變成移動(dòng)的所處的溫度(取決于玻璃類型，通常在300-500攝氏度范圍中)。使組件接觸并在其上施加高電壓。這導(dǎo)致堿性陽(yáng)離子從界面遷移，從而導(dǎo)致具有高的電場(chǎng)強(qiáng)度的耗盡層。所得到的靜電吸引力使二氧化硅和玻璃密切接觸。氧陰離子的從玻璃到二氧化硅的進(jìn)一步電流流動(dòng)導(dǎo)致在界面處的陽(yáng)極反應(yīng)，結(jié)果是玻璃變成利用永久化學(xué)鍵與二氧化硅層鍵合。根據(jù)拉力試驗(yàn)，典型的鍵合強(qiáng)度為10mpa～20mpa，高于玻璃的斷裂強(qiáng)度。鍵合時(shí)間在幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)之間變化，這取決于鍵合面積、玻璃類型、玻璃厚度以及其它參數(shù)?？梢灾貜?fù)該陽(yáng)極鍵合的過(guò)程，因此可以在創(chuàng)建如圖2和圖4(a)-圖(4e)中所例示的玻璃板的堆疊的迭代過(guò)程中利用該過(guò)程。

由于光學(xué)附接表面的一部分被部分反射涂層覆蓋，所以重要的是證實(shí)在陽(yáng)極鍵合過(guò)程中部分反射表面的反射特性不會(huì)受損。這可以通過(guò)例如適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)薄膜涂層的外層，以確保在可能改變?cè)搶拥淖罱K厚度的陽(yáng)極鍵合過(guò)程之后涂層的反射特性將如所需要的那樣來(lái)實(shí)現(xiàn)。

除了解決上述粘合過(guò)程的問(wèn)題之外，所提出的附接過(guò)程允許loe的外部表面的化學(xué)強(qiáng)化，并因此實(shí)現(xiàn)元件的耐擦傷性和硬度(類似大猩猩玻璃(gorillaglass))?；瘜W(xué)強(qiáng)化玻璃是一種由于后期生產(chǎn)化學(xué)過(guò)程而具有增加的強(qiáng)度的玻璃。當(dāng)被打破時(shí)，它仍然以與浮法玻璃類似的長(zhǎng)尖碎片碎裂。因此，如果需要安全玻璃，它不被認(rèn)為是安全玻璃，而必須被層壓。然而，化學(xué)強(qiáng)化玻璃通常是浮法玻璃的強(qiáng)度的六倍至八倍。該玻璃通過(guò)表面精加工(finishingprocess)進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化。玻璃被浸入處于300℃的含有鉀鹽(通常為硝酸鉀)的池中。這使得玻璃表面中的鈉離子會(huì)被來(lái)自池溶液的鉀離子代替。這些鉀離子大于鈉離子，并因此在它們遷移到硝酸鉀溶液時(shí)楔入由較小的鈉離子留下的空隙。這種離子的代替使得玻璃的表面會(huì)處于壓縮狀態(tài)，并且芯在補(bǔ)償張力中?；瘜W(xué)強(qiáng)化玻璃的表面壓縮可高達(dá)690mpa。還存在一種用來(lái)制造化學(xué)強(qiáng)化玻璃的更先進(jìn)的兩級(jí)過(guò)程，其中首先將玻璃制品浸沒(méi)在處于450℃的硝酸鈉浴中，這使表面富集鈉離子。這在玻璃上留下更多的鈉離子，用于浸沒(méi)在硝酸鉀中以用鉀離子代替。以這種方式，硝酸鈉浴的使用增加了成品中表面壓縮的潛力?；瘜W(xué)強(qiáng)化導(dǎo)致與鋼化玻璃相似的強(qiáng)化。然而，該過(guò)程沒(méi)有使用溫度的極端變化，并因此化學(xué)強(qiáng)化玻璃具有很少或沒(méi)有彎弓或翹曲、光學(xué)失真或應(yīng)變圖案。這不同于鋼化玻璃，在鋼化玻璃中細(xì)長(zhǎng)的片可以顯著地彎曲。利用陽(yáng)極鍵合過(guò)程制造并通過(guò)化學(xué)保護(hù)過(guò)程強(qiáng)化的loe將比利用現(xiàn)有的制造過(guò)程制造的loe具有更好的光學(xué)以及機(jī)械特性。