用于光学器件中改进的图像清晰度的直接键合层压制造技术

提供了用于提高光学器件中的图像清晰度的直接键合层压。示例过程平坦化和等离子体激活要层压在一起的光学表面，然后在两个表面之间形成直接键合而无需粘合剂或粘合剂层。该过程提供了具有更高图像亮度、更少光散射、更好分辨率和更高图像保真度的改进的光学器件。与常规光学粘合剂相比，直接键合还提供了具有高得多的温度耐受性的耐火界面。该示例过程可以用于生产很多类型的改进的光学组件，诸如改进的层压透镜、反射镜、分束器、准直仪、棱镜系统、光导管、以及用于智能眼镜和平视显示器(HUD)的镜面波导，这些组件可以提供更好的图像质量，并且消除了在常规层压中使用常规粘合剂时对人类观察者很清楚的暗视线。对人类观察者很清楚的暗视线。对人类观察者很清楚的暗视线。

【技术实现步骤摘要】
用于光学器件中改进的图像清晰度的直接键合层压
[0001]本申请是国际申请日为2019年2月5日、国际申请号PCT/US2019/016652、于2020年11月18日进入中国国家阶段、中国国家申请号201980033471.3、专利技术名称为“用于光学器件中改进的图像清晰度的直接键合层压”的专利技术专利申请的分案申请。
[0002]本申请根据美国法典第35条第119(e)(1)款要求于2018年10月31日提交的美国非临时申请号16/176,191和于2018年3月20日提交的美国临时申请号62/645,633的权益，其通过引用以其整体并入本文。

技术介绍

[0003]光学组件通常包括以玻璃、反射金属、透明聚合物、电介质和粘合剂的各种层压组合的光学层。接合或层压的层之间的粘合剂本身不具有光学目的，但是即使它们有害地将其他材料引入光路中，它们的存在也被认为是理所当然的。光路中材料的每次附加变化都会引入某种图像损失，诸如亮度损失或分辨率损失。图像质量的这种损失可能是由于每个新界面处光的简单散射，由于粘合剂材料对光的部分吸收，或者可能是由于材料之间的折射角发生变化，或者两者兼而有之。
[0004]在给定材料中光减慢的量由其折射率描述。材料的折射率由真空c中的光速除以光穿过材料的速度来定义。光密介质的折射率较大。在光学装置中，不同类型的玻璃、聚合物、陶瓷(诸如透明尖晶石)和光学粘合剂的折射率可能会略有不同。因此，当随着光从一种材料传递到另一种材料而速度加快时，或者当光在两种材料之间减速时反之亦然，折射角大于(或小于)入射角，从而导致沿光路的图像损失或失真。虽然很薄，但光学器件中透明材料之间的粘合剂层使图像无法具有给人类观察者的完美效果。
[0005]用于增强现实(AR)和虚拟现实(VR)设备的智能眼镜和平视显示器(HUD)依赖于众多光学组件(诸如波导、棱镜、准直仪、凸透镜、反射镜、凹面镜、组合器和分束器)来在智能眼镜中实现近眼光学，并且在平视显示器中实现视觉融合。由于光路穿过很多层压的光学组件，因此传统的粘合剂层的有害影响更加复杂。

技术实现思路

[0006]提供了用于在智能眼镜和其他光学器件中改进图像清晰度的直接键合层压。示例过程平坦化和等离子体激活要层压在一起的光学表面，然后在两个表面之间形成直接键合而无需粘合剂或粘合剂层。该过程提供了具有更高图像亮度、更少光散射、更好分辨率和更高图像保真度的改进的光学器件。与常规光学粘合剂相比，直接键合还提供了耐受更高温度的耐火界面。该示例过程可以用于生产很多类型的改进的光学组件，诸如改进的层压透镜、反射镜、分束器、准直仪、棱镜系统、光导管、以及用于智能眼镜和平视显示器(HUD)的镜面波导，这些组件可以提供更好的图像质量，并且消除在常规层压中使用常规粘合剂时对人类观察者很清楚的暗视线。
[0007]该概述既不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
[0008]以下将参考附图描述本公开的某些实施例，其中相同的附图标记表示相同的元素。然而，应当理解，附图示出了本文所述的各种实现，并且并不表示限制本文所述的各种技术的范围。
[0009]图1是接合的光学组件的图，其示出了与通过粘合剂层接合的常规组件相比，具有用于光学清晰度的直接键合光学层的示例组件。
[0010]图2是示例镜面光波导的图，该镜光波导可以利用光学层之间的直接键合表面而不是与常规粘合剂接合的表面来改进。
[0011]图3是使用具有直接键合在一起的表面而不是用粘合剂材料粘合在一起的光学组件来制造镜像光波导的示例方法。
[0012]图4是制造具有直接键合表面而不是光学致密的常规粘合剂的接合或层压光学层的示例方法。
具体实施方式
[0013]本公开描述了用于光学器件中经改进的清晰度的直接键合层压。在一种实现中，示例直接键合技术旨在最小化或消除光学层之间的光学粘合剂和胶水(其可能导致光学器件中的图像质量损失)。
[0014]在一种实现中，为了光学精度，使用表面之间的直接氧化物键合(诸如氧化硅与氧化硅的键合)或表面与其他半导体非金属组合的直接键合，来接合或层压由玻璃或其他材料制成的光学层。除了二氧化硅，其他材料也可以用于直接键合，诸如氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、碳氮化硅(SiCN)和其他化合物。消除光学层的表面之间的单独的粘合剂或粘合剂层改进了光学性能，诸如更高的光透射保真度。光学表面之间的直接键合还提供了第一光学表面与第二光学表面之间的耐火(refractory)界面，从而改善了整个光学组件的热预算。常规上用于将两个玻璃件附接在一起的胶水和粘合剂例如在高温下或在用于某些光波长、某些光强度以及使用大功率激光器时会劣化，因此包括常规粘合剂的这些常规光学组件被限制用于低工作温度和低功率激光器。本文所述的直接键合工艺(诸如品牌直接键合)消除了这种常规约束。附带提供耐火界面的直接键合具有与被接合在一起的平坦光学表面中的一个或两个相同的热膨胀系数，并且与常规的光学胶和粘合剂相比，提供耐火界面的直接键合也具有更高的耐热性和更高的高温耐受性。
[0015]当由相同材料制成的两个面对面的表面之间的分子已经彼此直接键合时，示例键合技术可以在光学层之间留下最小界面，或者在某些情况下，根本没有界面。即使只有几微米厚，粘合剂的消除也可以减少某些器件在使用过程中的视觉伪影，诸如传统近眼光学器件的使用者可见的垂直线突出。例如，示例方法采用直接键合来改进用于智能眼镜和HUD中近眼光学器件的各种基本波导，它们在波导中的间隔处具有反射镜面。
[0016]图1示出了具有直接键合在一起而不是胶合(cemented)在一起的表面的示例光学组件。通常将两个光学坯料(blank)50和52通过粘合剂或中间粘合剂层54粘合在一起。直接键合界面100可以接合可比较的光学坯料102和104，由于不存在常规接合坯料50和52中发现的干涉和光学有害粘合剂层54，从而提供了改进的光学特性。
[0017]消色差透镜(诸如由凸元件58和凹元件60组成的消色差双合透镜56)通常利用胶
合剂62粘附。消色差透镜被校正以将两个波长(诸如蓝色和红色)聚焦在同一平面上。消色差双合透镜中的凸元件58和凹元件60通常由具有不同色散的不同玻璃制成，诸如皇冠玻璃和火石玻璃。一个透镜58的色差被另一透镜60的色差所抵消。常规设计试图通过使胶合剂层保持尽可能薄并且具有与皇冠玻璃和火石玻璃兼容的折射特性来使传统胶合剂62的存在对计算色差和球面像差校正的影响最小化。
[0018]即使用于被接合的光学元件的玻璃材料由分子上不同的材料(皇冠玻璃和火石玻璃)制成，直接键合界面100也可以接合可比较的消色差透镜元件106和108而无需介于中间的常规胶合剂62。直接键合界面100提供比利用常规胶合剂62的消色差双合透镜更好的消色差双合透镜。
[0019]同样，在分束器、近眼光学器件以及很多其他器件(诸如干涉仪)中也使用部分镜像部分反射表面64，该表面也本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种形成镜面光波导的方法，所述方法包括：在至少第一基板上沉积一个或多个反射涂层，其中所述一个或多个反射涂层至少是部分反射的；在所述的一个或多个反射涂层上方提供电介质涂层，所述电介质涂层形成所述第一基板的第一表面；提供具有第二表面的第二基板；将所述第一表面和所述第二表面放置在一起以形成堆叠；在室温经由所述第一表面与所述第二表面之间的直接键合，形成耐火界面；以及以与所述一个或多个反射涂层的垂直方向成斜角的角度切开所述堆叠。2.根据权利要求1所述的方法，其中：所述第一基板包括以下一项：玻璃、熔融石英、石英、蓝宝石、硼硅酸盐、塑料或陶瓷，并且所述第二基板包括以下一项：玻璃、熔融石英、石英、蓝宝石、硼硅酸盐、塑料或陶瓷。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一表面和所述第二表面在环境室温被放置在一起，以在所述第一表面与所述第二表面之间形成自发化学键合。4.根据权利要求3所述的方法，还包括：在形成所述自发化学键合之后，将所述第一基板和所述第二基板加热到约150℃的温度以增强所述自发化学键合；以及将所述第一基板和所述第二基板冷却到室温。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个反射涂层中的至少一个反射涂层是全反射的。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个反射涂层包括以下一项或多项：铝、银、金、铂、汞、氟化镁、二氧化钛、二氧化硅、硫化锌、五氧化钽、反射电介质或布拉格镜。7.根据权利要求1所述的方法，还包括：利用二氧化硅、氮化硅、碳氮化硅或氮氧化硅的一个或多个层覆盖所述一个或多个反射涂层；以及在所述第一基板和所述第二基板上在所述二氧化硅、所述氮化硅、所述碳氮化硅或所述氮氧化硅的相应层之间形成自发化学键合。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一基板和所述第二基板是光学透明的。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述耐火界面具有与所述第一表面或所述第二表面中的至少一项的热膨胀系数相同的热膨胀系数。10.一种形成镜面光波导的方法，所述方法包括：在(i)第一基板的第一表面和(ii)第二基板的第二表面中的至少一项上沉积一个或多个反射涂层，其中所述一个或多个反射涂层至少是部分反射的；利用等离子体工艺激活所述第一表面和所述第二表面；在所述激活之后，将所述第一表面和所述第二表面放置在一起以形成堆叠，其中所述第一表面和所述第二表面在环境温度被放置在一起，以在所述第一表面与所述第二表面之间形成自发化学键合；在室温经由所述第一表面与所述第二表面之间的直接键合，形成耐火界面；以及
以与所述一个或多个反射涂层的垂直方向成斜角的角度切开所述堆叠。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述等离子体工艺包括(i)基于氮的蚀刻工艺或(ii)反应离子蚀刻工艺中的一项。12.根据权利要求10所述的方法，还包括：利用一个或多个光学透明电介质的一层或多层来覆盖所述一个或多个反射涂层。13.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一基板和所述第二基板是光学透明的。14.根据权利要求10所述的方法，其中所述耐火界面具有与所述第一表面或所述第二表面中的至少一项的热膨胀系数相同的热膨胀系数。15.一种装置，包括：第一基板，包括第一表面；第二基板，包括第二表面、所述第二基板上的一个或多个反射涂层以及所述一个或多个反射涂层上的电介质层，所述电介质层至少部分地限定所述第二基板的所述第二表面，其中所述一个或多个反射涂层至少是部分反射的；以及所述第一表面与所述第二表面之间的直接键合，其中所述直接键合包括所述第一表面与所述第二表面之间的耐火界面，并且其中所述装置具有相对于所述一个或多个反射涂层的垂直方向的倾斜形状。16.根据权利要求15所述的装置，其中：所述第一表面和所述第二表面包括相同的材料，所述材料跨所述直接键合被键合到自身。17.根据权利要求15所述的装...

【专利技术属性】
技术研发人员：B，
申请(专利权)人：隔热半导体粘合技术公司，
类型：发明
国别省市：