用于增强和混合现实系统的聚合物目镜组件

本申请要求于2018年10月30日提交的名称为“POLYMER EYEPIECE ASSEMBLIESFOR AUGMENTED AND MIXED REALITY SYSTEMS(用于增强和混合现实系统的聚合物目镜组件)”的美国专利申请No.62/752,838的权益。

技术领域

本发明涉及用于增强现实(AR)和混合现实(MR)系统的聚合物目镜组件和制造聚合物目镜组件的方法。

背景技术

用于增强现实(AR)和混合现实(MR)系统的目镜组件通常通过堆叠多个玻璃光波导层来制造，其中相邻层之间的具有气隙。图1是玻璃目镜组件100的侧视图，该玻璃目镜组件100包括位于眼睛侧玻璃盖104和世界侧玻璃盖106之间的玻璃光波导102。光波导102包括设置在波导中或波导上的各种光学特征，诸如光栅。投射通过光波导102的光可以与光栅相互作用，使得光的至少一部分的传播方向被改变。例如，光波导102可以包括耦合光栅(ICG)区域108、正交光瞳扩展器(OPE)区域110和出射光瞳扩展器(EPE)区域112。玻璃光波导102和玻璃盖104、106通常在边缘114处与紫外(UV)可固化粘合剂116接合，该粘合剂116包括尺寸被选择为实现相邻层之间的期望间距的二氧化硅微球体。在一些情况下，玻璃目镜组件100包括玻璃透镜118(例如，处方透镜)，其可以是凹的或凸的。

至少部分地由于聚合物的与玻璃相比的低弹性模量(杨氏模量)和高热膨胀系数(CTE)，平行度在聚合物目镜的制造或操作期间可能劣化。如图2A所示，第一聚合物层200可以相对于第二聚合物层202变弯(例如，弯曲或翘曲)，从而导致诸如聚合物层200、202之间的气隙204的间隙跨目镜区域的不均匀厚度。聚合物层朝向(或远离)相邻聚合物层的弯曲通常将改变离开聚合物波导层朝向用户眼睛的图像的深度平面。聚合物波导的不期望的弯曲可以更改由用户感知到的图像并且可以降低图像质量。如图2B所示，第一聚合物层200的弯曲可以导致第一聚合物层200和第二聚合物层202在区域206中的直接接触。相邻聚合物层的直接接触可以允许从一个层到另一层的传播光的泄漏，从而导致图像质量的退化。因此，为了在AR/MR目镜的一些配置中成功地实现聚合物层的使用，应当减小或最小化聚合物层的弯曲。

发明内容

在第一一般方面，目镜组件包括：第一覆盖层；第二覆盖层；以及位于所述第一覆盖层与所述第二覆盖层之间的多个光波导。所述第一覆盖层与第一光波导相邻，以及所述第二覆盖层与第二光波导相邻。粘合剂其位于所述第一覆盖层与所述第一光波导之间、所述第二覆盖层与所述第二光波导之间、以及相邻的光波导对之间。所述第一覆盖层、所述第二覆盖层和所述多个光波导中的每个光波导包括聚合物材料，以及所述聚合物材料和所述粘合剂的热膨胀系数基本相同。

第一一般方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

所述第一覆盖层、所述第二覆盖层和所述多个光波导可以包括相同的聚合物材料。在-20℃至约65℃的温度间隔范围内，所述聚合物材料和所述粘合剂的热膨胀系数通常在30μm/m℃至150μm/m℃的范围内。在约20℃至约65℃的温度范围内，所述聚合物材料和所述粘合剂的热膨胀系数基本相同。相邻的光波导对之间的间隙通常是基本上均匀的。

在第二一般方面，一种目镜组件包括：第一覆盖层；第二覆盖层；以及位于所述第一覆盖层与所述第二覆盖层之间的多个光波导。在所述多个光波导的表面上的水接触角超过90°。

第二一般方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

所述多个光波导的所述表面通常包括光学透明的疏水或超疏水涂层。所述多个光波导的所述表面可以被用特征纳米图案化，所述特征具有足以在纳米图案化的表面上实现超过90°的水接触角的尺寸、形状和间距。

在第三一般方面，一种制造目镜组件的方法包括用光学透明的疏水或超疏水涂层来处理多个聚合物光波导的表面，以在所述多个聚合物光波导的所述表面上实现超过90°的水接触角；以及在第一覆盖层与第二覆盖层之间组装所述多个聚合物光波导。

第三一般方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

处理表面可以包括旋涂、气相沉积或浸涂。所述涂层可以包括全氟化聚合物、氟化硅烷、有机改性二氧化硅或聚二甲基硅氧烷。所述涂层的厚度通常小于10nm或小于5nm。

在第四一般方面，一种制造目镜组件的方法包括：用可聚合材料形成多个聚合物光波导，所述可聚合材料包括释放剂、掺杂剂或其组合，以及在第一覆盖层与第二覆盖层之间组装所述多个聚合物光波导。在所述多个聚合物光波导的所述表面上的水接触角超过90°

在第五一般方面，一种目镜组件包括第一覆盖层、第二覆盖层和位于所述第一覆盖层与所述第二覆盖层之间的多个光波导。每个光波导包括在所述光波导的一个或多个表面上的至少一个光栅区域。光栅区域可以包括耦入光栅区域、正交光瞳扩展器区域和出射光瞳扩展器区域。所述第一覆盖层与第一光波导相邻，以及所述第二覆盖层与第二光波导相邻。所述目镜组件包括位于所述第一覆盖层与所述第一光波导之间、位于所述第二覆盖层与所述第二光波导之间、以及位于相邻的光波导对之间的粘合剂。所述粘合剂被布置成围绕所述光栅区域的周边的一个或多个延伸部分来。

第五一般方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

所述粘合剂通常未以离散液滴来布置。目镜组件可以第一附加粘合剂延伸部分，所述第一附加粘合剂延伸部分靠近所述正交光瞳扩展器区域与所述出射光瞳扩展器区域之间的界面并且位于所述光栅区域与围绕所述光栅区域的所述周边的所述粘合剂之间。所述第一附加粘合剂延伸部分通常为L形。在一些情况下，第五一般方面的目镜组件可以还包括第二附加粘合剂延伸部分，所述第二附加粘合剂延伸部分靠近第一附加粘合剂延伸部分并且位于所述第一附加粘合剂部分与围绕所述光栅区域的所述周边的所述粘合剂之间。第五一般方面的目镜组件还包括耦入光栅区域且可以还包括附加粘合剂延伸部分，所述附加粘合剂延伸部分靠近所述耦入光栅区域且位于所述耦入光栅区域与围绕所述光栅区域的所述周边的所述粘合剂之间。

在第六一般方面，一种目镜组件包括第一覆盖层、第二覆盖层和位于所述第一覆盖层与所述第二覆盖层之间的多个光波导。每个光波导具有光栅区域，所述光栅区域可以包括正交光瞳扩展器区域和出射光瞳扩展器区域。所述第一覆盖层与第一光波导相邻，以及所述第二覆盖层与第二光波导相邻。所述目镜组件包括位于所述第一覆盖层与所述第一光波导之间、位于所述第二覆盖层与所述第二光波导之间、以及位于相邻的光波导对之间的粘合剂。所述粘合剂被布置成围绕所述光栅区域的周边。第一微球体位于围绕所述光栅区域的所述周边布置的所述粘合剂中，以及第二微球体位于所述正交光瞳扩展器区域与所述出射光瞳扩展器区域之间的区域中的相邻光波导之间。

第六一般方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

在一些情况下，所述第二微球体的直径超过所述第一微球体的直径。第六一般方面的目镜组件可以包括：第一附加粘合剂延伸部分，其靠近所述正交光瞳扩展器区域与所述出射光瞳扩展器区域之间的界面并且位于所述光栅区域与围绕所述光栅区域的所述周边的所述粘合剂之间；以及第三微球体，其位于第一附加粘合剂延伸部分中。所述第三微球体的直径在所述第一微球体与所述第二微球体的直径之间。在一些情况下，所述微球包括二氧化硅。

根据本公开的方面和特征可以包括本文描述的方面和特征的任何组合。也就是，根据本公开的方面和特征不限于本文具体描述的方面和特征的组合，而是还包括所提供的方面和特征的任何组合。

下面在附图和描述中阐述了本公开的一个或多个实施例的细节。根据描述和附图以及权利要求，本公开的其他特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是用于增强现实(AR)或混合现实(MR)系统的玻璃目镜组件的示例的俯视图。

图2A-2B描绘了聚合物目镜组件中相邻聚合物波导层的弯曲。

图3是用于AR/MR系统的聚合物目镜组件的示例的俯视图。

图4A是用于AR/MR系统的玻璃目镜组件中的层之间的粘合剂的不连续放置的示例的顶视图。图4B是聚合物目镜组件中的层之间的粘合剂的连续和延伸放置的示例的顶视图。

图5A是聚合物目镜组件中的层之间的微球体放置的示例的前视图。图5B是聚合物目镜组件中的层之间的微球体放置的示例的侧视图。

图6示出了聚合物目镜组件中的世界侧盖与相邻聚合物波导之间的气隙分布的轮廓图。

具体实施方式

本公开的方面涉及制造聚合物增强现实(AR)和混合现实(MR)目镜组件的方法，以改善平行度和由此的光学性能以及所得的改进的AR/MR聚合物目镜组件。AR/MR聚合物目镜组件的制造和所得的AR/MR聚合物目镜组件可以包括本文所述的单独地或以任何适当的组合地一个或多个方面，以补偿预期的变形并维持聚合物层之间的基本上均匀的间隙。各个方面包括：制造具有多个部件的聚合物目镜组件，该多个部件具有基本上相同的热膨胀系数(CTE)；修改一个或多个聚合物层的表面化学或结构以增加疏水性或全疏性；以连续和/或延伸配置在相邻聚合物层之间设置粘合剂；以及在聚合物层之间的选定位置处设置不同尺寸的微球体。如本文中所使用，“相邻层”是指直接相邻的层，使得在两个相邻层之间不存在中间目镜层。

在第一方面，目镜组件的光学波导、盖和粘合剂由具有相同或基本相同的CTE(例如，在约0℃与约40℃之间的约60μm/m℃、和在约40℃与约60℃之间的约100μm/m℃、或者在约-20℃至约65℃的温度范围内的30μm/m℃与150μm/m℃之间)的材料制成。图3描绘了聚合物目镜组件300，其包括位于眼睛侧聚合物盖304与世界侧聚合物盖306之间的聚合物光波导302。聚合物目镜组件300包括多个(例如，3、4、5、6、7、8、9、10或更多个)聚合物光波导302。聚合物光波导302和聚合物盖304、306通常具有在约300μm至约1000μm的范围内的厚度。聚合物光波导302可以包括一个或多个光栅区域，诸如耦入光栅(ICG)区域308、正交光瞳扩展器(OPE)区域310和出射光瞳扩展器(EPE)区域312。聚合物光波导302和聚合物盖304、306通常在边缘314处与紫外(UV)可固化粘合剂316接合，该粘合剂316包括尺寸被选择以实现相邻层之间的期望间距的二氧化硅微球体。在一些情况下，聚合物目镜组件300包括聚合物透镜318(例如，处方透镜)，其可以是凹的或凸的。在相邻部件之间(例如，在聚合物盖与相邻聚合物光波导之间，或者在两个相邻的聚合物光波导之间)的约10μm至约500μm的基本上恒定的气隙可以通过将具有选定尺寸的微球体与粘合剂组合、或者在制造期间机械地定位微球体来选择。如本文中所使用，“基本上恒定”是指±10μm或±15μm。

聚合物光波导302通常由具有选定CTE(例如，在-20℃至65℃的温度范围内的30μm/m℃与150μm/m℃之间的范围内的CTE)的聚合物材料制造。合适的聚合物材料包括基于硫醇的聚合物、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醚酰亚胺、环烯烃聚合物和共聚物、聚苯乙烯、丙烯酸共聚物和聚酰胺。其它合适的聚合物材料包括MR-7、MR-8和MR-10(可从三井化学(Mitsui Chemicals)获得)、CR-39(可从PPG工业(PPG Industries)获得)和ORMOSTAMP(可从微抗蚀剂技术GmbH(micro resist technologies GmbH)获得)。在一些实施方式中，聚合物盖304、306由与用于制造聚合物光波导302的聚合物材料相同的聚合物材料制成。在某些实施方式中，聚合物盖304、306由与用于制造聚合物光波导302的聚合物材料不同的聚合物材料制成，但是具有与聚合物光波导的CTE基本相同的CTE(例如，在-20℃至65℃的温度范围内在30μm/m℃至150μm/m℃的范围内)。粘合剂316具有与用于制造聚合物光波导302和聚合物盖304、306的聚合物的CTE基本相同的CTE。合适的粘合剂的一个示例是DYMAX OP-4光学粘合剂(可从戴马斯公司(Dymax Corporation)获得)。聚合物透镜318还具有与用于制造聚合物光波导302和聚合物盖304、306的聚合物的CTE相同或基本相同的CTE。因为聚合物光波导302、聚合物盖304、306和粘合剂316具有相同或基本相同的CTE，所以在制造(例如，层的堆叠)和操作(例如，热循环)期间发生的变弯(例如，弯曲和翘曲)至少部分地被减小或最小化，因为材料能够以基本相似的量膨胀和收缩，从而减少或最小化相邻层之间的气隙的变化。

在第二方面，聚合物光波导302、聚合物盖304、306和聚合物透镜318中的一个或多个(例如，在化学或结构上)被更改以增加表面的疏水性或全疏性，使得在表面上的水接触角超过90°。增加相邻表面的疏水性或全疏性促进相邻表面的排斥，从而抑制相邻层的接触。

结构更改以增加疏水性或全疏性的一个示例包括向眼睛侧覆盖层304的内表面320、外表面322或两者、世界侧覆盖层306的内表面324、外表面326或两者、或者奇组合提供附加的纳米图案，以减小可用的接触面积，使得被更改的覆盖层排斥相邻的聚合物光波导302。附加的纳米图案的尺寸和位置被设计和被定位以实现“莲花效应”，从而不干扰ICG区域308、OPE区域310或EPE区域312或者不修改与ICG区域308、OPE区域310或EPE区域312交互的光。覆盖层304、306的增加的疏水性或全疏性可以减少覆盖层304、306与相邻的聚合物光波导302之间的任何粘附。因此，即使聚合物层和/或覆盖层弯曲、翘曲或变弯到它们彼此接触的程度，由纳米图案产生的疏水表面也降低了层彼此粘附的能力。这促进层之间的均匀间隙。

结构更改的另一示例包括向聚合物光波导302提供附加的纳米图案328到光传播路径之外的区域。附加的纳米图案328可以比光传播光栅330(包括位于ICG区域308、OPE区域310和EPE区域312中的光栅特征)更远地从聚合物光波导302的表面延伸高达约50nm，从而有效地排斥(不接触)相邻层。可实施附加的纳米图案328(例如，在聚合物覆盖层304、306上、在聚合物光波导302上、或在两者上)以实现抗反射涂层的效果。如上文相对于被设置在覆盖层304、306上的纳米图案所描述的，附加的纳米图案328的尺寸和位置被设计和被定位以实现“莲花效应”，且因此不干扰ICG区域308、OPE区域310或EPE区域312或者不修改与ICG区域308、OPE区域310或EPE区域312交互的光。

化学更改以增加疏水性或全疏性的一个示例包括用光学透明的疏水和/或超疏水涂层处理聚合物光波导302、聚合物盖304、306或其任何组合的表面，以减小表面的空白(即，非图案化)部分的表面能。处理表面以形成疏水或全疏涂层可包括用水或热(例如，40℃-60℃持续至少一周)来使表面老化或者在表面上形成含氟或含硅化合物(例如，TEFLON、聚二甲基硅氧烷、氟化硅烷或有机改性二氧化硅纳米涂层)的薄膜(例如，小于10nm或小于5nm)。涂层可以通过旋涂、气相沉积、浸涂或其他适当的方法来施加。也可以通过在用于制造聚合物光波导的可聚合材料中组合释放剂或适当的掺杂剂来增强聚合物光波导的表面的防粘性质。可以选择释放剂的浓度以避免对所得聚合物的折射率和其它光学性质的负面影响。

在第三方面，粘合剂被设置在第一聚合物层(例如，聚合物盖或聚合物光波导)上，使得更接近目镜的中心地将第一聚合物层粘附到第二聚合物层(例如，聚合物光波导或聚合物盖)，而不干扰目镜的光学性质。粘合剂可以以连续或延伸的配置而不是离散的液滴来施加。图4A描绘了其中粘合剂被设置在聚合物层400上作为离散液滴402的示例。相反，图4B描绘了其中粘合剂被设置在聚合物层400上作为粘合剂的连续部分404而不是作为离散液滴的示例。粘合剂的连续部分404围绕聚合物光波导400的周边来设置，该聚合物光波导400包括OPE 406、EPE 408和ICG 410。粘合剂的增强部分被设置为靠近OPE 406、EPE 408和ICG410。特别地，粘合剂的增强部分414被设置为靠近ICG 410，以及增强L形部分412被设置为靠近ICG 410、OPE 406和EPE 408的界面。被设置成更接近目镜的中心区域的增强粘合剂部分为聚合物层400提供额外的支撑并且帮助维持相邻层之间的均匀的气隙。也可实施其它图案的增强部分以向粘附的聚合物层提供额外的支撑。

在第四方面，具有选定尺寸的微球体(例如，直径为10μm至200μm)被设置在跨聚合物目镜组件的聚合物层上的各个区域上，以帮助维持聚合物层之间(例如，在聚合物盖与聚合物光波导之间或在两个聚合物光波导之间)的均匀的气隙。微球体可以由二氧化硅或其它适当的材料制成。合适的微球体的示例包括可从Cospheric获得的玻璃球体。选择微球体尺寸和其中设置有微球体的区域，使得微球体补偿在制造和操作期间(例如，在高达65℃的温度下的热循环期间)聚合物层的任何预期变形。因此，可针对预期变形较大的区域选择较大的微球体，以及可针对预期变形较小的区域选择较小的微球体。微球体尺寸也被选择为足够小，使得微球体不干扰光传播。在一些情况下，可在相邻聚合物层之间设置具有合适光学性质的填料(例如，气凝胶)。

图5A是聚合物光波导500的顶视图，其中粘合剂部分502围绕聚合物光波导的周边以连续配置而被施加。以延伸配置施加粘合剂部分504。小微球体506被设置在粘合剂部分502中，以及中微球体508被设置在粘合剂部分504中。大微球体510可以被放置在OPE 512与EPE 514之间。为了便于说明，在与平面X-X正交的单个行中描绘了大微球体510。然而，在一些情况下，微球体被设置在区域中但不一定以行来设置，并且在聚合物光波导500的沿着图5A的平面X-X的横截面中可以存在多于一个微球体。图5B是穿过图5A的平面X-X的横截面图，其示出了聚合物光波导500、相邻的聚合物光波导516、小微球体506和大微球体510。在图5B中，大微球体510被描绘为被设置在平行于图5A的平面X-X延伸的三行中。

图6示出了在不存在本公开中描述的任何校正特征的周围环境中在操作期间的在聚合物世界侧盖与第一聚合物光波导之间的所计算的空气间隙分布(单位为微米)的轮廓图。目镜组件的温度在从约40℃到约55℃的范围内。所描述的校正特征中的任何一个或多个的实施方式将减小图6中所描绘的气隙。

仅描述和示出了几个实现方式。可以基于在本文档中描述和示出的内容来进行所描述的实现方式和其他实现方式的变化、增强和改进。