Lumus专利分享用于二维图像扩展的复合LOE及其制造方法

　　Lumus一直专注于研发XR波导。在名为“Method of fabrication of compound light-guide optical elements”的专利申请中，这家公司介绍了一种LOE制造方法，特别是用于二维图像扩展的复合LOE及其制造方法。

　　复合光导光学元件(复合LOE)又称二维扩展波导。复合LOE一般有两个区域，每一个都是平行面对的透明材料块，它们在实现光学孔径扩展的同时重新定向准直图像。

　　图1(a)-1(b)示出了根据现有技术制造的复合LOE 100。复合LOE100包括在界面102处键合在一起的第一LOE1和第二LOE2。LOE 1包括一对主要平行表面101、102和多个相互平行的部分反射内表面4，其相对于表面101、102呈斜角。

　　在形成LOE1之前，通过在内部表面的涂层提供面4的反射率。每个面的反射率可以相同或不同。面4配置为从外部微型投影仪(未示出)引导图像到LOE2，同时在一维中扩展图像。LOE 1包括与表面101、102垂直的表面103。

　　LOE2同时包括一对垂直于LOE1的表面101、102的主要平行表面201，以及相对于表面201呈斜角的多个相互平行的部分反射面5。

　　在1(a)-1(b)中，面5相对于面4的空间取向可以是正交，或者是其他取向。在形成LOE2之前，通过在内部表面的涂层提供面5的反射率。每个面的反射率可以相同或不同。面5配置为将图像从LOE 1引导到用户，同时在第二维度扩展图像。

　　复合LOE 100同时包括在LOE的XZ平面表面的透明盖板3。盖板3所覆盖的表面包括LOE1的表面103和LOE2的表面201。因此，表面需要精确对齐。

　　图2(a)-2(c)说明了制备复合LOE的已知方法。通常，LOE1和LOE2是分开制造并键合在一起。然后在外表面抛光键合的LOE。盖板3应用于抛光表面，然后盖板通常同样进行抛光。

　　使用这种制造方法，必须以非常高的精度进行LOE1与LOE2之间的键合过程，以使LOE1的表面103与LOE2的相应表面201处于同一平面。然而，这种方法容易出现偏差。

　　为了克服上述困难，Lumus提出了一种制备复合LOE的新方法。

　　这家公司指出，除了克服LOE1与LOE2键合期间的精确对准问题外，所述新方法允许制造复合LOE100的新实施例，其中透明盖板3 ‘仅存在于LOE2的表面201之上，如图3(a)-3(b)所示。

　　图4(a)-4(b)示出了LOE 前驱体2 ‘，亦即LOE 2生产中的中间光学元件。LOE前驱体2’包括一对主要平行的外表面6和多个相互平行的部分反射的内表面5。所述LOE前驱体在表面6之间具有预定厚度。

　　参考图5(a)-5(b)，在制造多个LOE前驱体后，形成具有相同厚度d1的多个LOE前驱体与多个透明间隔板7的键合堆栈15。堆叠由交替的LOE前驱体和沿堆叠长度的透明间隔板组成。每个透明板具有相同的预定厚度，并用d2表示。堆栈15具有沿垂直于表面6的堆栈长度延伸的一对平行面8a、8b。

　　参考图6(a)-6(b)，具有平行面10a的光学块16，10b由多个键合的透明涂层板17形成，从而形成多个相互平行的部分反射内表面9，每个内表面以预定角度11相对于面10b倾斜。

　　如图6(c)所示，制造光学块的一种方法包括将多个涂覆板17堆叠和键合，并沿着图6(c)所示的虚线切割堆叠，以提取块。然后用抛光装置18抛光表面10b以获得所需的倾斜角度11。

　　在图7(a)-7(b)中，块16与堆叠15对齐并键合，从而形成光学块18。更具体地说，块16的面10b绑定到堆栈15的面8a。在键合之前，表面10b和8a中的一个或两个都可以抛光平整。

　　块16和堆叠15之间的特定对齐可以根据产品的设计规格而变化。堆叠15和块16对齐，使得LOE前驱体2 ‘的面6平行于平面XZ，堆叠15的面8a平行于平面XY, LOE前驱体2 ‘的面5垂直于平面YZ，块16的板17垂直于平面XZ，块16的面10b平行于平面XY。对齐后，板17垂直于堆栈15中LOE前驱体2 ‘的表面6。

　　如图所示，块18包括具有多个LOE前驱体的第一区域，并由LOE前驱体之间的透明间隔板隔开。块18同时具有多个相互平行的部分反射内表面的第二区域，以及分离第一区域和第二区域的内表面。

　　可以使用切割装置(未示出)沿着堆栈15 的长度并通过间隔板7以预定间隔切割块18，以形成从块18切割出来的多个复合LOE结构。

　　可以看到，在切片后，无需附加单独的盖板3 ‘。然后在由板7和17组成的外表面上抛光每个切片的复合LOE结构，以形成适合通过内反射引导光线的最终复合LOE。

　　图8(a)-8(b)说明了块16的替代实施例，并表示为块16’。在本实施例中，透明盖板各仅部分地涂有部分反射涂层。每个涂层带具有相同的预定厚度d3，而每个涂层带之间的间隙具有相同的预定厚度d4。在本实施例中，d3对应于最终复合LOE中LOE 1反射区的所需宽度。

　　图9(a)-9(b)示出块16 ‘与堆叠15对齐并键合，并沿着平面12切割。提取的切片如图10所示。切片同样可以在外部平行表面上抛光以形成最终的化合物LOE。

　　应该注意的是，根据本实施例形成的复合LOE包括LOE 1的部分反射面4和外部表面14之间的缓冲器。所述缓冲器由涂层带之间的间隙提供，并且实现与透明盖板类似的效果，而不需要物理盖板。

　　图11(a)-11(b)说明了块16的另一个实施例，在这里表示为块19。块19和堆叠15对齐并键合在一起，形成中间光学块21。块21随后沿着平行于XZ平面的平面12切割。

　　图13(a)-13(b)说明了块16的另一个实施例。其中，可以通过切割块16并将其与其他光学盖板和/或棱镜键合来产生更复杂的LOE1几何形状。

　　块16沿平面31和32切割抛光，并与透明盖板24和三角棱镜25和26键合。所述盖板24的抛光表面10b″平行于所述块16的表面10b。

　　具有盖板24和棱镜25和26的块16形成新的光学块23。以如图12(a)-(b)所示的类似方式，块23与叠层15对准并键合以形成新的中间结构。中间结构随后沿着平面12切片，得到如图13(c)-(d)所示的切片。

　　这种切片具有惰性区域27、28和29，没有任何反射或半反射表面。

　　名为“Method of fabrication of compound light-guide optical elements”的Lumus专利申请最初在2023年4月提交，并在日前由美国专利商标局公布。