光学装置的制作方法

1.本公开内容涉及包括波导的光学装置。例如，这样的光学装置可以用在近眼显示器中。


背景技术：

2.在各种场景下需要包括多个堆叠的波导的光学装置。例如，可以将多个堆叠的波导中的每一个优化为引导具有相应不同频率的光，使得光学装置总体上能够引导宽频率范围的光。
3.例如，在虚拟现实头戴式耳机中，在用户的一只或两只眼睛的前面提供包括一个或更多个波导的光学装置。光投影仪将光朝向波导传输。光可以通过输入衍射光栅耦合到每个波导中。然后，光通过全内反射在每个波导内传播，并且输出衍射光栅将光耦合出每个波导并且朝向观看者。
4.另外，观看者可以能够看到来自其外部环境、通过波导透射的光以及来自投影仪的投射光。这可以提供增强现实体验。
5.在虚拟现实或增强现实的领域中的一个挑战是利用投射光提供全色显示。光学器件引入的像差和效应意味着这在实践中可能难以实现。通过堆叠针对不同频率优化的多个波导，每个波导可以提供全色显示的颜色分量，同时使任何像差或不期望的光学效应最小化。
6.应用具有堆叠的波导的光学装置要求波导在堆叠中的精确定位。例如，波导优选地保持尽可能地靠近在一起，以减小光学装置的表观体积。然而，波导之间的距离必须保持足够大以消除倏逝波耦合并且使串扰或能量损失最小化。类似地，必须精确地控制波导的横向定位，例如以对准不同波导的光学功能区域。
7.堆叠的波导通常使用诸如胶水的粘合剂彼此附接。然而，这样的粘合剂的问题在于它们能够流动。在流动的粘合剂的情况下，难以精确地控制波导之间的距离或者波导的横向定位，因为当粘合剂固化时，这些属性中的任一者或两者可能改变。
8.因此，期望提供包括多个波导、其中精确地控制波导的相对定位的光学装置。
9.另外，每个波导在表面上具有至少一个光学功能区域。例如，所述至少一个光学功能区域可以是光进入或离开波导的区域。流动的粘合剂可能沿着表面部分地流动到光学功能区域中，并且妨碍波导起作用或降低波导的有效性。
10.因此，期望提供包括多个波导、其中精确地控制波导之间的粘合剂的位置的光学装置。


技术实现要素：

11.根据本公开的第一方面，提供了一种光学装置，该光学装置包括：第一波导，第一波导包括第一表面；以及第二波导，第二波导包括第二表面，其中，第一波导处于相对于第二波导的固定位置，其中第一表面至少部分地面向第二表面，并且第一表面包括第一定位
元件，其中，第一定位元件是纳米压印光刻nil结构。
12.提供nil定位元件具有更方便以及/或者更准确地限定第一波导和第二波导的相对位置的效果。
13.可选地，第一定位元件被布置成控制第二表面相对于第一表面的位置。
14.通过特别地使用nil定位元件以控制两个表面的相对位置，定位元件可以用作对两个表面的相对位置的精确物理约束。
15.可选地，第一定位元件被布置成控制第一表面与第二表面之间的间隔。
16.使用nil定位元件来控制两个波导之间的间隔意味着不再必需使用基于光学反馈例如通过波导的图像或基准点的跟踪的更复杂的定位技术。而是，两个表面可以简单地物理地接触放置，并且nil定位元件可以正确地控制波导之间所需的间隔。
17.可选地，第二表面包括第二定位元件，该第二定位元件是纳米压印光刻nil结构。
18.在与第一表面相对的表面上设置第二定位元件加强了在第一表面上的第一定位元件的优点。另外，通过跨两个表面扩展定位功能，可以降低每个表面上的nil改性的密度。
19.可选地，第二定位元件被适配成与第一定位元件接合。
20.在波导的相对的表面上提供定位元件并且将定位元件适配成彼此接合意味着一个表面上的定位元件不必接触相对表面。因此，这减少了在光学装置的组装期间损坏波导的表面的可能性。
21.可选地，光学装置还包括粘合剂，粘合剂被布置成用于将第一表面附接至第二表面。
22.将波导附接在一起确保保持了精确的相对定位。
23.可选地，第一定位元件被布置成控制粘合剂的位置。
24.提供用于控制粘合剂的位置的定位元件使得能够精确控制粘合剂所处的位置，从而确保粘合剂充分地设置在旨在用于粘附两个表面的区域中，并且确保粘合剂不存在于不旨在用于粘附两个表面的区域中。
25.可选地，第一定位元件包括：亲性区域，该亲性区域被适配成吸引粘合剂；或者疏性区域，该疏性区域被适配成排斥粘合剂。
26.修改第一表面的吸引性或排斥性意味着定位元件可以在不使用固体突起来阻挡和/或容纳粘合剂的情况下控制粘合剂的位置。例如，这在不减少可以包含在两个波导之间的粘合剂的体积的情况下控制了粘合剂的位置，并且使得能够在不损坏定位元件的情况下移除粘合剂。
27.可选地，第一表面或第二表面包括光学功能区域，第一定位元件包括屏障部分，该屏障部分被布置成围绕光学功能区域，并且粘合剂布置在屏障部分外侧的第一表面上。
28.屏障部分的这种布置具有以下优点：防止粘合剂流动到光学功能区域中，并且因此增加了光学装置在组装之后正确发挥功能的可能性。
29.可选地，粘合剂不透明。
30.使用不透明粘合剂使得粘合剂能够同时减少来自不旨在作为波导的输入的光源的干扰。
31.可选地，粘合剂被适配成控制第一表面与第二表面之间的间隔。
32.使用被适配成控制波导之间的间隔的粘合剂意味着定位元件可以同时且协同地
防止粘合剂扩散到其不应当扩散到的区域，并且提高波导之间间隔的精度。
33.可选地，粘合剂包括微球或珠粒。
34.微球和珠粒为粘合剂提供了固态或弹性组分，其设置了粘合剂的最小厚度。通过控制微球或珠粒的大小，也可以控制波导之间的间隔。
35.根据本公开内容的第二方面，提供了一种用于制造光学装置的方法，该光学装置包括第一波导和第二波导，其中，第一波导处于相对于第二波导的固定位置，该方法包括：在第一波导的第一表面上执行纳米压印光刻，以在第一表面上产生定位元件；使用定位元件将第一波导布置在相对于第二波导的固定位置，其中第一表面至少部分地面向第二表面。
36.执行纳米压印光刻以产生nil定位元件具有更方便以及/或者更准确地限定第一波导和第二波导的相对位置的效果。
附图说明
37.图1是根据已知技术制造的光学装置的示意图；
38.图2a是根据实施方式的光学装置的示意图；
39.图2b是其中第一定位元件被适配成与第二定位元件接合的光学装置的示意图；
40.图3a和图3b是表面的疏性区域和亲性区域的示意图；
41.图4a和图4b是波导表面上的定位元件的示意图；
42.图5是示意性地示出根据实施方式的制造光学装置的方法的流程图。
43.图6是佩戴本发明的实施方式中的增强现实装置的一部分的用户的立体图。
具体实施方式
44.图1示意性地示出了包括第一波导11和第二波导12的光学装置1的截面。第一波导11的第一表面13被布置成面向第二波导12的第二表面14。
45.利用这样的布置，第一波导11的第一光学功能区域15和第二波导12的第二光学功能区域16可以布置在公共光轴上。例如，第一光学功能区域15和第二光学功能区域16可以是输出光栅，被布置成将光衍射到公共光轴上、用于提供从光学装置输出的组合光。替选地，第一光学功能区域15和第二光学功能区域16可以是输入光栅，被布置成将来自入射光的不同光频率范围衍射到相应的波导11、12中。
46.第一波导11和第二波导12使用粘合剂17的一个或更多个区域(如图1所示的两个区域)彼此附接。粘合剂17具有将第一波导11相对于第二波导12的相对位置固定的效果。
47.然而，通过比较图1中的粘合剂17的不同区域可以看出，该方法不能可靠地提供第一波导11与第二波导12之间的恒定间隔。在该示例中，两个波导11、12在图的右侧比在左侧间隔更近。
48.此外，在该示例中，在粘合剂固化之前，在制造期间没有什么来阻挡粘合剂17流动到第一表面13上的光学功能区域15中。
49.根据本发明，使用纳米压印光刻(nil)来解决这些问题中的任一者或两者。
50.纳米压印光刻包括：使用模具使压印抗蚀剂变形，并且使抗蚀剂以最终形状固化。例如，抗蚀剂可以是在模制期间经受热的热塑性材料，或者是当其在模具中时经受uv光的
uv固化材料。当移除模具时，抗蚀剂具有由模具限定的所需形状。
51.作为示例，抗蚀剂可以包括诸如聚丙烯的聚合物。作为另一示例，抗蚀剂可以包括透明树脂，具体地，该透明树脂可以是高折射率透明树脂。模具可以包括与抗蚀剂类似的材料。替选地，可以使用较硬的材料制造模具。例如，可以使用电镀镍制造模具。
52.纳米压印光刻可以用于通过首先将抗蚀剂作为膜沉积在现有表面上来修改该表面。例如，可以使用旋涂来沉积抗蚀剂。在沉积之后，如上所述使抗蚀剂变形。替选地，可以在使抗蚀剂附接至现有表面之前模制抗蚀剂。
53.通过这种技术，可以将具有微米级或纳米级尺寸的定制表面结构添加至表面。
54.纳米压印光刻技术的理论例如在巴塞罗那自治大学的ariadna fernandez estevez的2016年的博士论文“functional surfaces by means of nanoimprint lithography techniques”中论述。
55.图2a是根据实施方式的光学装置的示意性截面图。除非在下文中另外描述，否则图2a的光学装置可以与图1的光学装置相同。
56.如图1所示，光学装置2包括第一波导21和第二波导22，并且第一波导的第一表面23被布置成面向第二波导的第二表面24。
57.在该实施方式中，两个波导21、22具有类似的形状，并且第一表面23完全对准以面向第二表面24。然而，这对于本发明的实施方式不是必需的，并且在其他实施方式中，第一表面23与第二表面24可以具有不同的形状并且/或者可以仅部分地面向第二表面24。
58.在该实施方式中，每个波导21、22具有两个光学功能区域25、26。每个波导上的第一光学功能区域被沿着输入光轴ai布置，并且每个波导上的第二光学功能区域被沿着输出光轴ao布置。例如，光学装置可以被布置成接收围绕输入光轴ai的视场中的入射光，并且输出围绕输出光轴ao的视场中的光。在其他实施方式中，每个波导可以具有任意布置的一个或更多个光学功能区域。
59.在该实施方式中，第一表面23包括三个定位元件27、28，定位元件中的每一个是纳米压印光刻nil结构。定位元件27、28中的每一个被布置成控制第二表面24相对于第一表面23的位置。
60.第一定位元件27被布置成控制第一表面23与第二表面24之间的间隔。例如，第一定位元件27可以是来自第一表面23的块或柱状突起。
61.第二定位元件和第三定位元件28被布置成既控制第一表面23与第二表面24之间的间隔，又控制波导在第二方向(标记为x方向)上的相对位置。在图2所示的实施方式中，这通过使第二定位元件和第三定位元件28适配成与第二波导22的拐角配合来实现。
62.更一般地，一个或更多个定位元件可以被布置成在三个维度上控制第二表面相对于第一表面的位置。例如，包括来自第一表面23的不同高度突起的多个定位元件可以用于限定第一表面23与第二表面24之间的倾斜空间。
63.另外，第二表面24也可以包括作为纳米压印光刻nil结构的一个或更多个定位元件。例如，第一定位元件27可以从第二表面24突出，而不是从第一表面23突出。
64.例如，如图2b所示，第二表面24的定位元件272可以被适配成与第一表面23的定位元件271接合。例如，各自包括突起的两个定位元件可以被适配成端对端地接合。这样的优点是，一个表面的定位元件不必接触另一个表面，并且降低了在构造光学装置时损坏波导
的表面的风险。
65.可以布置粘合剂以将第一表面23附接至第二表面24。例如，粘合剂可以布置在定位元件中的一个或更多个上。
66.可以如图1所示简单地放置粘合剂并且使其能够固化。然而，有利的是在第一表面或第二表面上提供被适配成控制粘合剂的位置例如以防止粘合剂流动到光学功能区域中的定位元件。除了上述用于控制第二表面相对于第一表面的位置的定位元件之外，还可以提供该定位元件，或者代替上述用于控制第二表面相对于第一表面的位置的定位元件，可以提供该定位元件。
67.如图3a和图3b中示意性示出的，纳米压印光刻可以另外用于产生排斥粘合剂的疏性结构和吸引粘合剂的亲性结构。
68.对于光滑表面，液体或凝胶(为简单起见，下文中仅称为“液体”)是被吸引至表面(亲性表面)还是被表面排斥(疏性表面)取决于表面键(surface bond)。更具体地，如果液体的总表面能(包括固-液界面处的能量和液-气界面处的能量)通过在表面上扩散而降低，则液体将使表面“润湿”，即在表面上扩散。当液体扩散时，表面与液体之间的接触角改变，并且最终达到其中进一步扩散不会使表面能降低的平衡。
69.在本说明书中，“亲”和“疏”是相对于彼此定义的。粘合剂被吸引至表面的程度取决于粘合剂停留在表面上时形成的接触角。
70.在具有较高接触角的表面(相对疏性的表面)与具有较低接触角的表面(相对亲性的表面)之间的边界处，粘合剂优先被吸引至其具有较低表面能的亲性表面，并且从其具有较高表面能的疏性表面被有效地排斥。因此，边界充当阻止粘合剂从亲性表面移动到疏性表面上的屏障。
71.另外，接触角越高，表面与粘合剂之间的接触表面积越低，并且粘合剂越不牢固地接合至表面，从而使得粘合剂更容易在表面上滑动(流动)或与表面分离。
72.如在先前提及的巴塞罗那自治大学的ariadna fernandez estevez的2016年的文献“functional surfaces by means of nanoimprint lithography techniques”中详细描述的，一般的表面粗糙度或经设计的表面结构可以具有增大接触角并且/或者减小接触表面积的效果，即增加表面的相对“疏性”。纳米压印光刻可以用于例如通过产生纳米级突起的图案来产生这样的疏液表面。通过将突起的图案设计成足够接近，使得表面张力阻止液体流动到突起之间的间隙中，并且将突起设计成窄的，使得与突起的比例接触面积较低，可以产生其中在表面与液体之间存在气隙并且表面与液体之间的接触面积减小的“超疏”表面。
73.图3a示出了停留在疏性区域32上的粘合剂31的滴。在这种情况下，突起的图案具有等于突起宽度的突起间距。因此，与相同材料的光滑表面相比，停留在三个突起上的滴31具有60％的比例接触面积。
74.另一方面，图3b示出了停留在两个疏性区域32之间的亲性区域33上的粘合剂31的滴。在这种情况下，滴31驻留在光滑表面上，具有100％比例接触面积。
75.因此，与在图3a中相比，在图3b中滴31处于更低的能量状态(更具吸引力的状态)。从图3b所示的状态改变至图3a所示的状态需要增加粘合剂31的表面能，并且该能量改变对应于疏性区域的排斥效应和亲性区域的吸引效应。
76.上述原理适用于与任何表面接触的任何液体或凝胶。液体或凝胶与光滑表面之间的平衡接触角取决于所涉及材料的化学性质，并且增加疏性所需结构改性的规模取决于该平衡接触角。
77.通过修改表面对于粘合剂的相对吸引性或排斥性，而不是使用诸如图2a所示的结构来物理地阻挡粘合剂的移动，提供的附加优点在于，可以在无需破坏或移除物理屏障的情况下移除(例如化学溶解)粘合剂，并且因此这种形式的定位元件不阻碍对光学装置的解构以取回单独波导(例如作为回收方法的一部分)。
78.图4a是包括第一光学功能区域41、第二光学功能区域42和定位元件43的波导4的表面的示意图。如先前针对图2所描述的，波导4可以被布置成面向第二波导。
79.在这种情况下，第一光学功能区域41是输入光栅，并且第二光学功能区域42是输出光栅。更一般地，该表面可以具有任何类型的一个或更多个光学功能区域。
80.图4b示出了定位元件43的一部分的放大视图。更详细地，定位元件43包括第一疏性区域431、第一亲性区域432、第二疏性区域433和第二亲性区域434。
81.定位元件43的亲性区域和疏性区域被设置为一系列同心部分，该一系列同心部分被布置成围绕第一光学功能区域41和第二光学功能区域42。
82.最内部部分即第一疏性区域431被布置为围绕光学功能区域的屏障部分。利用这种布置，屏障部分将波导的表面划分成第二部分和包括光学功能区域41、42的第一部分。屏障部分外侧的置于第二部分中的粘合剂被屏障部分阻止移动到第一部分中，并且因此被阻止移动到光学功能区域41、42中。
83.围绕第一疏性区域431的是第一亲性区域432，并且围绕第一亲性区域432的是第二疏性区域433。该布置类似于如上所述的图3b。如针对图3b所描述的，置于第一亲性区域432上的粘合剂被阻止从第一亲性区域432移出，因为这将需要移动到第一疏性区域431或第二疏性区域433上。因此，第一疏性区域431、第一亲性区域432和第二疏性区域433的布置限定了波导表面的第一区域，粘合剂可以被限制在该第一区域中。
84.图4所示的波导还包括第二亲性区域434，该第二亲性区域434延伸至波导4的边缘。第二疏性区域433和第二亲性区域434的布置限定了波导表面的第二区域，粘合剂可以被结合在该第二区域中。波导表面的第二区域可以用于限制与第一区域的粘合剂不同的粘合剂。
85.例如，与第二亲性区域434对应的第二区域可以用于限制不透明粘合剂，并且因此防止不期望的光在成对波导的相应端部之间进入包括波导4的光学装置。
86.另一方面，作为先前在图2中示出的定位元件27的补充或替选，可以使用与第一亲性区域432对应的第一区域限制被适配成控制波导之间的间隔(例如第一表面23与第二表面24之间的间隔)的粘合剂。在一个实施方式中，粘合剂可以包含微球或珠粒。在这样的实施方式中，粘合剂的流体组分可以流动以减小第一表面与第二表面之间的间隔，但是微球或珠粒限定了可以被粘合剂占据的最小间隔。替选地，通过使用一个或更多个亲性区域和/或疏性区域限制已知体积的粘合剂，或者通过使用一个或更多个nil突起作为直接屏障而不是疏性屏障，可以控制第一表面与第二表面之间的间隔。
87.在图4所示的示例中，两个光学功能区域41、42与定位元件43位于波导4的同一表面上。然而，上述技术通常可用于将粘合剂保持在与任何光学功能区域相关联的光路之外，
其中光学功能区域可以与定位元件43在同一表面上、在波导4的相对表面上或者在包括波导4的光学装置的不同波导上。
88.上述具体示例包括两个亲性区域和两个疏性区域。然而，在本发明的具有被布置成控制粘合剂的位置的定位元件的实施方式中，定位元件可以具有任何数目的亲性区域或疏性区域。
89.例如，另一实施方式包括被布置成形成环路的疏性屏障部分，粘合剂可以置于该环路中。因此，疏性部分不需要围绕光学功能区域。
90.在孤立地设置亲性区域的情况下，应当理解的是，亲性区域比周围表面更光滑，或者是与周围表面相比具有不同表面材料或具有接触角较低的涂层的区域。
91.可以如图5所示制造根据本发明的光学装置，例如图2a所示的光学装置，或者具有如图4所示的波导4的光学装置。
92.首先，在步骤s510处，使用已知技术产生每个单独的波导21、22。
93.在步骤s520处，使用上述技术在波导21、22、4的一个或更多个表面23、24上执行纳米压印光刻(nil)，以产生一个或更多个定位元件27、28、43。该步骤至少包括在第一波导的第一表面上执行nil以在第一表面上产生定位元件。
94.然后，在步骤s530处，在波导21、22、4的一个或更多个表面23、24上形成任何光学功能区域25、41、42。例如，可以将图2所示的光学功能区域25蚀刻到第一表面23上。
95.替选地，可以在执行nil之前或在执行nil的同时形成任何光学功能区域。然而，在这种情况下，当执行nil时，必须确保抗蚀剂不覆盖光学功能区域。此外，在形成定位元件的表面上不存在光学功能区域的情况下，可以省略光学功能区域的形成。
96.然后，在步骤s540处，使用一个或更多个定位元件布置波导。如上所述，定位元件可以控制波导的表面的相对位置，并且/或者可以控制用于将表面附接在一起的粘合剂的位置。例如，参照图2a，使用定位元件27和28将第一波导21布置在相对于第二波导22的固定位置处，其中第一表面23至少部分地面向第二表面24。
97.图6是佩戴本发明的实施方式中的增强现实头戴式耳机的一部分的用户的立体图。在该示例中，在用户眼睛的前方设置光学装置61，使得用户可以观看增强现实图像，同时继续看到他们周围的物理世界。头戴式耳机包括投影仪62，该投影仪62被定位成沿着z轴朝向光学装置61投射光。提供电池(未示出)并且电池向投影仪62供电。另外，提供框架(未示出)以用于将组件安装在使用者的头部上。替选地，增强现实头戴式耳机可以是不需要使用户看见来自其外部环境的光的虚拟现实头戴式耳机。
98.在以上描述中，光学装置包括两个波导。然而，将容易理解的是，上述技术可以应用于包括任何数目的、具有彼此面对的一对或更多对表面的波导的光学装置。