用于增强现实/混合现实应用的定制聚合物/玻璃衍射波导堆叠的制作方法

用于增强现实/混合现实应用的定制聚合物/玻璃衍射波导堆叠
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年6月24日提交的美国专利申请no.62/865,808的权益，该专利以其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及用于增强现实/混合现实应用的具有改进性能的定制聚合物/玻璃衍射波导堆叠。


背景技术：

4.增强现实/混合现实设备通常针对所有层(例如，红色(r)、绿色(g)、和蓝色(b)层)使用单一类型的玻璃或聚合物材料。设备的总体性能可由rgb层的性能决定。一些关键性能指标，诸如目镜的调制传递函数(mtf)、效率、视场(fov)、对比度、和均匀性取决于单个层的光学特性。这些光学特性包括折射率、黄度指数、雾度、光传输、表面粗糙度等。对于给定材料，诸如折射率和光传输的光学特性是波长的函数。参见例如，图1a和图1b，其示出了用于聚合物波导的典型色散曲线(折射率与波长)，以及图2，其示出了用于聚合物波导材料的典型光吸收曲线(光传输与波长)。诸如雾度和黄度指数的其他特性在很大程度上不取决于波长。如果折射率和对应的黄度指数值高于某个阈值，则波导材料与入射波长的该特定关系可能施加与光学适用性相关的挑战。


技术实现要素：

5.在第一总体方面中，衍射波导堆叠包括：第一衍射波导，其用于引导第一可见波长范围内的光；以及，第二衍射波导，其用于引导第二可见波长范围内的光。所述第一衍射波导包括第一材料并且在所选择波长处具有第一黄度指数和第一折射率，以及所述第二衍射波导包括第二材料并且在所述所选择波长处具有第二黄度指数和第二折射率。所述第一可见波长范围内的波长超过所述第二可见波长范围内的波长，在所述所选择的波长处所述第一折射率超过所述第二折射率，以及在所述所选择的波长处所述第一黄度指数超过所述第二黄度指数。
6.第一总体方面的实施方式可包括以下特征中的一个或多个。
7.第一总体方面的衍射波导堆叠可包括：第三衍射波导，其用于引导第三可见波长范围内的光。所述第三衍射波导包括第三材料并且在所述所选择的波长处具有第三黄度指数和第三折射率。所述第二可见波长范围内的波长超过所述第三可见波长范围内的波长，以及在所述所选择的波长处所述第二黄度指数超过所述第三黄度指数。在所述所选择的波长处，所述第二折射率可超过所述第三折射率。第一可见波长范围包括红光，第二可见波长范围包括绿光，以及第三可见波长范围包括蓝光。在所述所选择的波长处，第一黄度指数小于大约1.2，第二黄度指数小于大约0.8，以及第三黄度指数小于大约0.4。
8.在一些情况下，所述第一材料包括第一聚合物，以及所述第二材料包括第二聚合物。所述第一聚合物和所述第二聚合物可以是不同的。在某些情况下，所述第一材料包括第一共聚物，其具有第一单体和第二单体；以及所述第二材料包括第二共聚物，其具有第一单体和第二单体。所述第一共聚物中的所述第一单体与所述第二单体的比率可以不同于所述第二共聚物中的所述第一单体与所述第二单体的比率。所述第一材料可包括第一添加剂，以及所述第二材料可包括第二添加剂。所述第一添加剂和所述第二添加剂可以是相同的，其中，所述第一添加剂与所述第一聚合物的比率不同于所述第二添加剂与所述第二聚合物的比率。
9.在一些情况下，所述第一材料包括第一玻璃，以及所述第二材料包括第二玻璃。在某些情况下，所述第一材料包括聚合物和玻璃中的一种，以及所述第二材料包括聚合物和玻璃中的另一种。
10.在第二总体方面中，衍射波导堆叠包括：第一衍射波导，其用于引导在第一可见波长范围内的光；第二衍射波导，其用于引导第二可见波长范围的光；以及，第三衍射波导，其用于引导第三可见波长范围内的光。所述第一衍射波导包括第一材料并且在所选择的波长处具有第一折射率，以及在所述第一可见波长范围的中点处具有第一目标折射率。所述第二衍射波导包括第二材料并且在所述所选择的波长处具有第二折射率，以及在所述第二可见波长范围的中点处具有第二目标折射率。所述第三衍射波导包括第三材料并且在所述所选择的波长处具有第三折射率，以及在所述第三可见波长范围的中点处具有第三目标折射率。所述第一可见波长范围对应于红光，所述第二可见波长范围对应于绿光，以及所述第三可见波长范围对应于蓝光。在所述所选择的波长处，所述第一目标折射率、所述第二目标折射率、和所述第三目标折射率中的任意两个之间的差小于0.005。
11.在第二总体方面的一些实施方式中，所述所选择的波长是589nm。
12.在第三总体方面中，制造用于波导堆叠的衍射波导包括：以第一比率组合第一单体和第二单体以产生第一可聚合材料，将所述第一可聚合材料浇铸在第一衍射波导模具中并聚合所述第一可聚合材料，以产生用于引导第一可见波长范围内的光的第一衍射波导，以第二比率组合第一单体和第二单体以产生第二可聚合材料，以及将所述第二可聚合材料浇铸在第二衍射波导模具中并聚合所述第二可聚合材料，以产生用于引导第二可见波长范围内的光的第二衍射波导。所述第一衍射波导在所选择的波长处具有第一黄度指数和第一折射率，以及所述第二衍射波导在所述所选择的波长处具有第二黄度指数和第二折射率。所述第一可见波长范围内的波长超过所述第二可见波长范围内的波长，在所述所选择的波长处所述第一折射率超过所述第二折射率，以及在所述所选择的波长处所述第一黄度指数超过所述第二黄度指数。
13.第三总体方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
14.第三总体方面还可包括：以第三比率组合所述第一单体和所述第二单体以产生第三可聚合材料，将所述第三可聚合材料浇铸在第三衍射波导模具中并聚合所述第三可聚合材料，以产生用于引导第三可见波长范围内的光的第三衍射波导。所述第三衍射波导在所述所选择的波长处具有第三黄度指数和第三折射率。所述第二可见波长范围内的波长超过所述第三可见波长范围内的波长，以及在所述所选择的波长处所述第二黄度指数超过所述第三黄度指数。在所述所选择的波长处，所述第二折射率可超过所述第三折射率。在一些情
况下，所述所选择的波长是589nm。
15.在附图和说明书中阐述本公开的主题的一个或多个实施例的细节。主题的其他特征、方面、和优点将根据描述、附图和权利要求变得显而易见。
附图说明
16.图1a和图1b示出了用于聚合物波导的典型色散曲线。
17.图2示出了用于波导材料的典型光吸收曲线。
18.图3示出了用于红绿蓝(rgb)波导的效率与黄度指数的图。
19.图4a和图4b示出了基于三种不同基础材料的rgb配置。
20.图5a和图5b示出了基于具有不同折射率的相同基础材料的rgb配置。
21.图6a至图6d示出了基于具有不同折射率的玻璃和聚合物波导的组合的rgb配置。
22.图7描绘了用于基于两部分液体树脂制造rgb层的多头系统。
具体实施方式
23.本发明涉及在基于增强现实(ar)/混合现实(mr)衍射波导的目镜中用于各种颜色层(例如rgb)的光学调谐材料的使用，以优化目镜的总体光学性能。用于每个颜色波导的材料可以根据操作波长进行调谐用于最佳光学特性(折射率、黄度指数、传输)。描述了配置为实现最佳光学特性的基于玻璃和聚合物的波导的各种实施方式。
24.在rgb波长处针对给定波导材料的折射率(色散曲线)的差异通常导致针对每层的不同视场(fov)，并且可能限制波导堆叠的总体fov。另外，具有较高折射率的材料(例如，玻璃以及聚合物)往往展现出较大的黄度指数(b*)，这与波导的光传输和目镜的总体效率有关。在黄度指数(b*
lim
)的一定值以上，材料吸收限制了目镜的总体效率，这至少部分地由于波导主体的光吸收。b*
lim
的阈值是光谱相关的：以顺序b
th
《g
th
《r
th
，b*
lim
对于各种颜色(r、g、b、c等)是不同的。即，与绿色和蓝色层相比较，红色层可以容许更高的b*
lim
值。图3示出了在波导接近b*
lim
时基于眼动范围(eye box)效率下降的各种颜色的阈值b*值的示意性表示，其中，图300、302、和304分别对应于红色、绿色、和蓝色。因此，不是对所有三种颜色使用相同的波导材料，而是可以为单独的r、g、和b层选择折射率和对应b*值的适当组合。
25.为了证明目镜效率与b*和波长的相关性，针对r、g、和b聚合物波导的b*的阈值是通过在lumiplus lpb-1102聚合物(从三菱气体化学可购得的)中制造所有三个波导获得的，其中在589处折射率为1.71并且以b*为0.3开始。然后将波导暴露于附加的uv剂量以在波导中诱导更高的黄度，并且测量每种颜色的效率作为b*的函数。然后，通过定位效率开始显著下降的图上的b*位置，从针对每种颜色的效率与b*图提取b*的阈值。
26.对于r、g、和b层，存在用于分别实现折射率和黄度指数的适合组合的各种实施方式。第一实施方式采用三种不同的波导材料，每种波导材料具有不同的基础材料组成。第二实施方式针对每个波导使用相同的基础材料，并且调整化学组成或合成条件以改变光学特性。第三实施方式组合玻璃和聚合物波导。对于较高的操作波长(例如，红色，625nm)，可以使用具有较高折射率和较高b*的材料，因为红色波长对较高b*值不敏感，并且由于波导的低光吸收，仍然可以维持期望的目镜效率。对于较低的工作波长(例如，蓝色，455nm)，可使用在所选择的波长(例如，589nm)处具有较低折射率且较低b*的材料，因为折射率在455nm
处较高，并且较低b*有助于将光吸收保持在最小值处，并从而提升目镜效率。
27.具有较高b*和较高折射率的材料适用于红色和绿色波导层。因此，具有1.71的折射率的材料可能不是用于红色和绿色波导材料的理想选择，因为绿色(530nm)和红色(625nm)波长处的折射率低于1.75。如图3所描绘的，n1《n2《n3且bb*《gb*《rb*，其中，bb*、gb*、和rb*分别表示蓝色、绿色和红色层的b*。
28.图4a和图4b描绘了具有rgb层的rgb波导堆叠，该rgb层具有用于至少两层的不同基础材料。图4a描绘了rgb目镜堆叠400，在该rgb目镜堆叠400中，红色波导402由具有第一折射率的第一玻璃制成，以及绿色和蓝色波导404和406分别由分别具有第二折射率和第三折射率的第二玻璃制成，其中，第二折射率和第三折射率是不同的。在一个示例中，红色波导由在625nm处具有1.8的折射率且b*《1.2的玻璃制成；绿色波导由在530nm处具有1.8的折射率且b*《0.8的玻璃制成；蓝色波导由在455nm处具有1.8的折射率且b*《0.35的玻璃制成。图4b描绘了rgb目镜堆叠410，在该rgb目镜堆叠410中，红色波导412由具有第一折射率的第一聚合物制成，绿色波导414由具有第二折射率的第二聚合物制成，以及蓝色波导416由具有第三折射率的第三聚合物制成，其中第一聚合物、第二聚合物、和第三聚合物是不同的，以及第一折射率、第二折射率、和第三折射率是不同的。对于图4b所描绘的实施方式，光学聚合物(诸如硫醇烯、聚碳酸酯、cr-39、pmma、mr 167、mr174)和其他适当的聚合物可用于形成用于ar/mr应用的多色波导堆叠的适合组合。
29.图5a和图5b描述了包括具有不同操作波长(例如r、g、b等)的波导的波导堆叠，该波导由相同的基础玻璃或聚合物材料制成。可以选择高折射率组分可以与基础材料组合，固化条件或两者，以实现针对每种颜色的折射率和黄度指数的期望组合。图5a描绘了对于红色波导502、绿色波导504、和蓝色波导506具有相同基础玻璃材料的rgb波导堆叠500。图5b描绘了对于红色波导512、绿色波导514、和蓝色波导516具有相同基础聚合物材料的rgb波导堆叠510。图5a和图5b的波导堆叠中的每层具有被选择为实现用于每层的适合折射率和黄度指数的高折射率组分的浓度。
30.图6a至图6d描述了利用具有不同折射率的玻璃和聚合物波导的组合制造的波导堆叠。图6a描绘了包括具有折射率n1的红色聚合物波导602、具有折射率n2的绿色玻璃波导604、和具有折射率n3的蓝色玻璃波导606的rgb目镜堆叠600。图6b描绘了包括具有折射率n1的红色聚合物波导612、具有折射率n2的绿色聚合物波导614和具有折射率n3的蓝色玻璃波导616的rgb目镜堆叠610。图6c描绘了包括具有折射率n1的红色聚合物波导622、具有折射率n2的绿色玻璃波导624、和具有折射率n3的蓝色玻璃波导626的rgb目镜堆叠620。图6d描绘了包括具有折射率n1的红色聚合物波导632、具有折射率n2的绿色聚合物波导634、和具有折射率n3的蓝色玻璃波导636的rgb目镜堆叠630。
31.本文所描述的定制rgb聚合物波导可以利用使用两部分高折射率聚合物树脂的如图7所描绘的多头系统700、利用用于所有三个波导的基础树脂702和704制造。通过选择性地控制分配和组合的基础树脂702和704的相对量，可以实现期望的折射率和黄度指数。该方法允许快速和高效的大批量制造。
32.在一个示例中，如图7所描绘的，以1:1比率将基础树脂702和704提供给红色层混合器706。所产生的混合物被提供给红色层浇铸头708并用于形成用于rgb目镜堆叠的红色波导。以1:0.8比率将基础树脂702和704提供给绿色层混合器710。所产生的混合物被提供
给绿色层浇铸头712并用于形成用于rgb目镜堆叠的绿色波导。将基础树脂704提供给蓝色层混合器714，而无需提供基础树脂702。来自蓝色层混合器714的基础树脂704被提供给蓝色层浇铸头716并用于形成用于rgb目镜堆叠的蓝色波导。在其他示例中，可以使用不同比率的基础树脂702和704。
33.虽然本公开包含许多特定实施例细节，但是这些不应当对主题的范围或可以要求保护的范围的限制，而是应被解释为可以特定于特定实施例的特征的描述。在本公开中，在分离的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分开地，或者以任何适合的子组合被实现在多个实施例中。而且，尽管先前所描述的特征可以被描述为在某些组合中作用并且甚至如此初始地要求保护，但是，在一些情况下，可以从组合删除所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。
34.已经描述了本主题的特定实施例。如对于本领域普通技术人员来说将显而易见的，所描述的实施例的其他实施例、变更、和置换处于以下权利要求的范围内。虽然操作以特定次序在附图或权利要求中被描绘，但是这不应该被理解为要求这样的操作以所示的特定次序或者以顺序次序被执行，或者全部所图示的操作被执行(一些操作可以被认为是可选的)，以实现期望的结果。
35.因此，先前所描述的示例实施例不定义或者限制本公开。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，其他改变、替代和变型也是可能的。