基板引导的光学器件制造技术

一种光学系统，包括具有至少两个外部主表面和边缘的透光基板以及用于通过全内反射将光波耦合到基板中的光学元件。至少一个部分反射表面位于基板中，用于将光波耦合出基板，以及其折射率显著低于透光基板的折射率的至少一个透明层被光学附连到基板的主表面中的至少一个，从而限定接口平面。耦合在基板内的光波基本上全部从基板的主表面和透明层之间的接口平面反射。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基板引导的光学器件
本专利技术涉及基板引导的光学器件，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。
技术介绍
紧凑型光学元件的重要应用是在头戴式显示器(HMD)中，其中光学模块既充当成像透镜又充当组合器，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)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于非透视应用和透视应用的组合器的反射或部分反射表面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，随着系统的期望视场(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设备也是不切实际的。对于各种显示器，以及尤其是在其中系统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，光学系统的性能即使对于光学系统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、IL232197和IL235642中的教导通过引用并入本文。
技术实现思路
本专利技术有助于开发用于HMD等应用的非常紧凑的光导光学元件(LOE)。本专利技术允许相对宽的FOV以及相对大的EMB值。得到的光学系统提供大的、高质量的图像，其还适应眼睛的大的移动。本专利技术提供的光学系统是特别有利的，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系统中，它仍能够容易地结合。因此，本专利技术的广泛目的是减轻现有技术的紧凑光学显示设备的缺点，并根据具体需要提供具有改进的性能的其它光学部件和系统。本专利技术可以被实现来有利于大量成像应用，诸如便携式DVD、蜂窝电话、移动电视接收器、视频游戏、便携式媒体播放器或任何其它移动显示设备。LOE操作的主要物理原理在于通过来自LOE的外表面的全内反射将光波捕获在基板内。但是，存在需要将另一个光学元件附连至外表面中的至少一个的情形。在这种情况下，有必要确认，一方面，来自外表面的光波的反射将不会由于这种附连而劣化，并且另一方面，将光波从LOE耦合出和耦合进LOE的光学布置将不会受到干扰。因此，需要在外表面处添加角度敏感的反射光学布置，其一方面将基本上反射耦合在LOE内并以倾斜的角度撞击在表面上的整个光波，并且另一方面基本上透射以接近于法向入射撞击在表面上的光波。在先前的专利技术(例如，WO2005/024491)中，已经例示了其中将角度敏感的薄膜介电涂层施加到LOE的表面的反射光学布置。在本专利技术中，替代的反射光学布置利用具有极低折射率的介电透明材料。因此，本专利技术提供了一种光学系统，其包括：具有至少两个外部主表面和边缘的透光基板；用于通过全内反射将光波耦合到基板中的光学元件；位于基板中的至少一个部分反射表面，用于将光波耦合出基板；以及至少一个透明层，该至少一个透明层的折射率显著低于透光基板的折射率，该至少一个透明层被光学附连到基板的主表面中的至少一个主表面上，从而限定了接口平面，其中耦合到基板内的光波基本上全部从基板的主表面和透明层之间的接口平面反射。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专利技术，从而可以更充分地理解本专利技术。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专利技术的优选实施例的目的，并且是为了提供被认为是对本专利技术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，没有尝试以比基本理解本专利技术所必需的细节更详细地示出本专利技术的结构细节。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专利技术的若干形式的指导。在附图中：图1是示例性现有技术LOE的侧视图；图2是例示用于准直来自显示光源的输入光波的现有技术光学器件的示意图；图3是例示根据本专利技术的用于对来自显示光源的输入光波进行准直并将其耦合进LOE中的系统的示意图；图4是例示根据本专利技术的用于对来自显示光源的输入光波进行准直并将其耦合进基板中的另一个实施例的示意图，其中准直模块被附连到基板；图5例示根据本专利技术的其中负透镜被附连到光导光学元件的外表面的示例性实施例；图6例示根据本专利技术的其中负透镜和正透镜被附连到光导光学元件的外表面的示例性实施例；图7例示根据本专利技术的其中利用低折射率粘合剂将负透镜胶合到光导光学元件的外表面的示例性实施例；图8例示根据本专利技术的其中由低折射率材料制造的基板被光学附连到光导光学元件的外表面的示例性实施例；图9例示根据本专利技术的其中利用两个透明层将负透镜和正透镜胶合到光导光学元件的外表面的示例性实施例；图10是例示用于根据本专利技术的(a)未胶合的LOE；(b)胶合到低折射率材料基板并涂覆有抗反射涂层的LOE以及(c)胶合到低折射率材料基板并涂覆有角度敏感的反射涂层的LOE的反射率曲线的图；图11例示本专利技术的示例性实施例，其中耦合进元件和耦合出元件是衍射光学元件，以及图12例示本专利技术的示例性实施例，其中光学模块嵌入在手提显示系统中。具体实施方式图1例示可用在本专利技术中的现有技术的基板20和相关联部件(下文中也称为“LOE”)的截面图。光学装置，例如反射表面16，被从光源(未示出)发出的经准直的显示光波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。在几次被反射离开基板20的主要下表面26和上表面28之后，被捕获的光波到达选择性反射表面的阵列22，该选择性反射表面的阵列22将光波耦合出基板，进入观看者的具有瞳孔25的眼睛24。在本文中，LOE的输入表面将被视为输入光波通过其进入LOE的表面，并且LOE的输出表面将被视为被捕获的光波通过其离开LOE的表面。在图1中所例示的LOE的情况下，输入表面和输出表面都在下表面26上。但是，可预见其中输入光波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中时的其它配置。如图2中所例示，来自显示光源4的s偏振的输入光波2通过准直模块6的下表面30耦合进通常由光波透射材料组成的准直模块6。在反射离开偏振分束器31之后，光波通过准直模块6的表面32被耦合出基板。然后，光波穿过四分之一波长延迟片34，被反射光学元件36(例如，平面镜)反射，返回去再次穿过延迟片34，并通过表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学系统，包括：透光基板，具有至少两个外部主表面和边缘；光学元件，用于通过全内反射将光波耦合到所述基板中，位于所述基板中的至少一个部分反射表面，用于将光波耦合出所述基板，以及至少一个透明层，其折射率显著低于所述透光基板的折射率，所述至少一个透明层被光学附连到所述基板的所述主表面中的至少一个主表面，从而限定接口平面，其中耦合到所述基板内的所述光波基本上全部从所述基板的所述主表面和所述透明层之间的所述接口平面反射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.25 IL 2364901.一种光学系统，包括：透光基板，具有至少两个外部主表面和边缘；光学元件，用于通过全内反射将光波耦合到所述基板中，位于所述基板中的至少一个部分反射表面，用于将光波耦合出所述基板，以及至少一个透明层，其折射率显著低于所述透光基板的折射率，所述至少一个透明层被光学附连到所述基板的所述主表面中的至少一个主表面，从而限定接口平面，其中耦合到所述基板内的所述光波基本上全部从所述基板的所述主表面和所述透明层之间的所述接口平面反射。2.如权利要求1所述的光学系统，还包括其折射率显著低于所述透明基板的折射率的第二透明层，其中第二透明层被光学附连到所述基板的所述主表面中的另一个主表面。3.如权利要求1所述的光学系统，其中所述透明层由光学粘合剂构成。4.如权利要求1所述的光学系统，其中所述透明层由固体介电材料组成。5.如权利要求4所述的光学系统，其中所述固体介电材料属于气凝胶材料族。6.如权利要求4所述的光学系统，其中所述固体介电材料是通过掠射角沉积来制造的多孔固体介电材料。7.如权利要求4所述的光学系统，其中所述透明层被直接沉积在所述基板的主表面上。8.如权利要求4所述的光学系统，其中所述透明层被光学胶合到所述基板的主表面。9.如权利要求1所述的光学系统，还包括施加到所述接口平面的涂层。10.如权利要求9所述的光学系统，其中所述涂层是抗反...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·艾米泰，Y·欧菲儿，
申请(专利权)人：鲁姆斯有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL