用于增强现实/混合现实应用的颜色选择波导的制作方法

用于增强现实/混合现实应用的颜色选择波导
1.本技术是国际申请号为pct/us2020/054828、国际申请日为2020年10月08日、中国国家申请号为202080081991.4、标题为“用于增强现实/混合现实应用的颜色选择波导”的专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求于2019年10月8日提交的美国专利申请no.62/912,305；2019年10月9日提交的美国专利申请no.62/912,949；以及2020年7月28日提交的美国专利申请no.63/057,412的权益，上述所有专利申请的全部内容在此纳入作为参考。
技术领域
4.本发明涉及颜色选择波导，以及对用于增强现实(ar)/混合现实(mr)应用的颜色选择波导的实现。


背景技术：

5.通常，增强现实(ar)/混合现实(mr)目镜堆叠由堆叠在一起的单独的红色(r)、绿色(g)、蓝色(b)波导层构成，这些连续的层之间有几十微米的间隙。多瞳孔硅基液晶(lcos)投影仪被设计为将来自每种颜色的光引导到相应的耦入光栅(icg)中(例如，将绿光引导到绿色波导层的icg中)。然而，来自错误颜色的杂散光(通常来自lcos的衍射)可能会传播到相邻的icg，因为在超瞳孔中需要icg的非常接近度。杂散光会引起重影图像或降低诸如对比度之类的光学特性。


技术实现要素：

6.本公开的实施例一般地涉及颜色选择波导、制造颜色选择波导的方法以及包括颜色选择波导的增强现实(ar)/混合现实(mr)应用。具体而言，本文描述的颜色选择波导可以有利地减少或阻挡进入波导(例如，红色、绿色或蓝色波导)的杂散光，从而减少或消除进入目镜的背反射或背散射。
7.在第一一般方面，形成聚合物波导包括：在第一模具的第一区域上分配第一可聚合材料，在第一模具的第二区域上分配第二可聚合材料，使第一可聚合材料和第二可聚合材料与第二模具接触，使第一可聚合材料和第二可聚合材料聚合以在第一模具和第二模具之间产生图案化聚合物层，以及将图案化聚合物层与第一模具和第二模具分离以产生具有由第一可聚合材料形成的未被掺杂的区域和由第二可聚合材料形成的被掺杂的区域的聚合物波导。第一可聚合材料包括第一树脂，第二可聚合材料包括第二树脂和彩色分量。第一模具、第二模具或两者包括：突起、凹陷或两者。
8.第一一般方面的实现方式可以包括以下特征中的一个或多个。
9.在一个实现方式中，彩色分量被选择为允许选定波长的光的传输。第二可聚合材料中彩色分量的浓度可以在百万份之3-3000重量的范围内。选定波长的光通常对应于红光、绿光或蓝光。彩色分量包括一种或多种染料。在一些情况下，彩色分量包括纳米颗粒材
料，可选地包括一种或多种染料。在一些实现方式中，第一树脂和第二树脂是相同的。聚合物波导可以包括多于一个被掺杂的区域、多于一个未被掺杂的区域、或多于一个被掺杂的区域和多于一个未被掺杂的区域。
10.第二一般方面包括由第一一般方面形成的聚合物波导。
11.在第三一般方面，一种聚合物波导包括：包括第一树脂的未被掺杂的区域和包括第二树脂和彩色分量的被掺杂的区域。未被掺杂的区域和被掺杂的区域具有基本相同的折射率。在第三一般方面的一些实现方式中，彩色分量被选择为吸收红光、绿光、蓝光或其任何组合。
12.在第四一般方面，形成聚合物波导包括：在第一模具上分配可聚合材料，使可聚合材料与第二模具接触，使可聚合材料聚合以在第一模具和第二模具之间产生图案化聚合物层，以及将图案化聚合物层与第一模具和第二模具分离以产生被掺杂的聚合物波导。可聚合材料包括树脂和彩色分量。第一模具、第二模具或两者包括：突起、凹陷或两者。彩色分量被选择为吸收红光、绿光、蓝光或其任何组合。
13.第四一般方面的实现方式可以包括以下特征中的一个或多个。
14.在一些实现方式中，被掺杂的聚合物波导不含一个或多个未被掺杂的区域。被掺杂的聚合物波导通常吸收行进通过聚合物波导的红光、绿光和蓝光中的一者或多者的至少90％。在某些情况下，彩色分量被选择为吸收仅红光、仅绿光或仅蓝光的至少90％。在一些情况下，可聚合材料是均质混合物。被掺杂的聚合物波导的厚度通常在约200μm至约1000μm的范围内。被掺杂的聚合物波导的全内反射路径长度通常在约2cm至约15cm的范围内。被掺杂的聚合物波导的折射率通常大于约1.45。
15.第四一般方面可以包括浇注或模制。使可聚合材料聚合可以包括用紫外辐射来照射可聚合材料。
16.在第五一般方面，聚合物波导包括一个或多个图案化区域和一个或多个非图案化区域。一个或多个图案化区域和一个或多个非图案化区域包括被掺杂的聚合物，其具有被选择为吸收行进通过聚合物波导的红光、绿光和蓝光中的一者或多者的至少90％的彩色分量。
17.第五一般方面的实现方式可以包括以下特征中的一个或多个。
18.一个或多个图案化区域之一可以是耦入光栅、出射光瞳扩展器或正交光瞳扩展器。被掺杂的聚合物波导通常不含一个或多个未被掺杂的区域。吸收仅红光、仅绿光或仅蓝光的至少90％。被掺杂的聚合物波导可以吸收行进通过聚合物波导的红光、绿光和蓝光中的一者或多者的至少90％，或吸收仅红光、仅绿光或仅蓝光的至少90％。被掺杂的聚合物可以是均质材料。被掺杂的聚合物波导的厚度通常在约200μm至约1000μm的范围内。被掺杂的聚合物波导的全内反射路径长度通常在约2cm至约15cm的范围内。被掺杂的聚合物波导的折射率通常大于约1.45。
19.附加方面包括一种目镜，其包括第五一般方面的聚合物波导。
20.在第六一般方面，涂覆波导包括：在波导的第一表面上分配可聚合材料的一个或多个部分，以及使可聚合材料聚合以在波导的第一表面上产生被掺杂的涂层。可聚合材料包括树脂和彩色分量。波导可以由玻璃或聚合物形成。被掺杂的涂层被选择为吸收行进通过聚合物波导的红光、绿光和蓝光中的一者或多者的至少90％。
21.第六一般方面的实现方式可以包括以下特征中的一个或多个。
22.在一些情况下，被掺杂的涂层可以是连续涂层。在某些情况下，被掺杂的涂层在波导的第一表面上形成两个或更多个不连续区域。被掺杂的涂层通常覆盖波导的第一表面。波导的第一表面可以包括一个或多个图案化区域和一个或多个非图案化区域，其中可聚合材料被分配在波导的第一表面的一个或多个非图案化区域之一上。波导和被掺杂的涂层可以具有基本相同的折射率。
23.第六一般方面还可以包括：在波导的第二表面上分配可聚合材料的一个或多个附加部分，以及使可聚合材料的一个或多个附加部分聚合以在波导的第二表面上产生第二被掺杂的涂层。第二表面与第一表面相反，并且第二被掺杂的涂层被选择为吸收行进通过聚合物波导的红光、绿光和蓝光中的一者或多者的至少90％。
24.在第七一般方面，被涂覆的波导包括：在第一表面上的一个或多个非图案化区域，以及在第一表面上的一个或多个图案化区域。一个或多个非图案化区域中的至少一个被涂覆有被掺杂的聚合物涂层，并且被掺杂的聚合物涂层被选择为吸收行进通过聚合物波导的红光、绿光和蓝光中的一者或多者的至少90％。在第七一般方面的一些实现方式中，波导的与第一表面相反的第二表面包括附加的被掺杂的聚合物涂层。
25.在第八一般方面，涂覆波导包括：在波导的第一表面上分配第一可聚合材料的一部分，在波导的第一表面上分配第二可聚合材料的一部分，以及使第一可聚合材料和第二可聚合材料聚合以在波导的第一表面上产生第一被掺杂的涂层和第二被掺杂的涂层。第一可聚合材料包括第一树脂和第一彩色分量。第二可聚合材料包括第二树脂和第二彩色分量。第一被掺杂的涂层被选择为吸收行进通过聚合物波导的红光、绿光和蓝光中的第一一者或多者的至少90％，并且第二被掺杂的涂层被选择为吸收行进通过聚合物波导的红光、绿光和蓝光中的第二一者或多者的至少90％。
26.在第九一般方面，制造滤色器包括：在第一模具的表面上分配第一可聚合材料的一部分，在第一模具的表面上分配第二可聚合材料的一部分，以及在第一模具的表面上分配第三可聚合材料的一部分。制造滤色器还包括：使第一可聚合材料、第二可聚合材料和第三可聚合材料与第二模具的表面接触，以及使第一可聚合材料、第二可聚合材料和第三可聚合材料聚合以产生第一滤色器、第二滤色器和第三滤色器。第一可聚合材料包括第一树脂和第一彩色分量，第二可聚合材料包括第二树脂和第二彩色分量。第三可聚合材料包括第三树脂和第三彩色分量。第一滤色器被选择为吸收行进通过第一滤色器的红光、绿光和蓝光中的第一一者或多者的至少90％；第二滤色器被选择为吸收行进通过第二滤色器的红光、绿光和蓝光中的第二一者或多者的至少90％；第三滤色器被选择为吸收行进通过第三滤色器的红光、绿光和蓝光中的第三一者或多者的至少90％。在一些实现方式中，第九一般方面还包括：将第一滤色器、第二滤色器和第三滤色器粘附到光学衬底或波导。
27.在第十一般方面，一种聚合物波导包括耦入光栅和光瞳扩展器。聚合物波导包括掺杂有彩色分量的聚合物。聚合物中彩色分量的浓度从聚合物波导的第一侧到聚合物波导的第二侧变化。在第十一般方面的一些实现方式中，彩色分量的浓度从聚合物波导的第一侧到聚合物波导的第二侧增加。
28.第十一一般方面包括由上述一般方面中的任何方面形成的波导。
29.第十二一般方面包括一种目镜，其包括第十一一般方面的波导中的两个或更多
个。
30.第十三一般方面包括一种装置，其包括第十二一般方面的目镜。
31.在第十四一般方面，一种波导结构包括：被配置为传输可见光波长范围内的光的波导，以及掺杂有吸收可见光波长范围内的光并传输紫外光的着色剂的被固化的粘合剂。被固化的粘合剂与波导直接接触。
32.第十四一般方面的实现方式可以包括以下特征中的一个或多个。
33.在一些情况下，可见光波长范围可以对应于红光、绿光或蓝光或其任何组合。在某些情况下，可见光波长范围对应于青色、品红色或黄色光或其任何组合。被固化的粘合剂通常是厚度在约10μm至约1.5mm范围内的单层。被固化的粘合剂可以被完全固化。被固化的粘合剂通常形成边缘密封。
34.在第十五一般方面，一种波导堆叠包括：多个波导结构，以及掺杂有吸收不同可见光波长范围中每一范围内的光并传输紫外光的着色剂的别固化的粘合剂。每个波导结构具有被配置为传输不同可见光波长范围内的光的波导，并且粘合剂与多个波导结构中的相邻波导结构直接接触。在第十五一般方面的一些实现方式中，被固化的粘合剂是厚度在约10μm至约1.5mm范围内的单层。在第十五一般方面的某些实现方式中，被固化的粘合剂形成边缘密封。
35.在第十六一般方面，形成波导结构包括：选择被配置为传输可见光波长范围内的光的波导，向波导施加掺杂有吸收可见光波长范围内的光并传输紫外光的着色剂的粘合剂，以及使用单施加的紫外光是粘合剂完全固化以产生波导结构。粘合剂具有约10μm至约1.5mm范围内的厚度。在第十六一般方面的一些实现方式中，粘合剂被施加到波导的边缘或被配置为层压到另一波导的层的表面上，该另一波导被配置为传输另一个可见光波长范围内的可见光。
36.本公开的主题的一个或多个实施例的细节在附图和说明书中阐述。本主题的其他特征、方面和优点将从描述、附图和权利要求中变得显而易见。
附图说明
37.图1a和1b分别示出了滤色器和通过这些滤色器的光传输。
38.图2a和2b示出了用于颜色过滤的掺杂染料的波导。
39.图3a示出了在经由浇注的波导制造期间掺杂染料的树脂的局部分配。图3b示出了掺杂染料的聚合物波导。图3c示出了通过掺杂染料的聚合物波导的选定光分量的传输。
40.图4a-4d示出了产生颜色选择波导的掺杂染料的树脂的整体分配。
41.图5a-5f示出了掺杂染料的树脂在用于颜色选择的玻璃或聚合物波导上的局部和整体涂覆。
42.图6a和6b示出了将滤色器直接浇注到现有波导或覆盖层的表面上。
43.图7示出了用掺杂染料的树脂浇注独立的滤色器。
44.图8a-8h示出了在波导中的染料加载(loading)梯度的示例。
45.图9a-9c示出了用于颜色选择聚合物波导的红色、绿色、蓝色(rgb)染料的合适吸收率范围的示例。
46.图10a-10c示出了用于颜色选择聚合物波导的红色、绿色和蓝色染料的合适传输
的示例。
47.图11示出了适用于粘合剂的uv固化的示例uva增强灯的uv可见光谱。
48.图12a-12c示出了具有直接针对波导中的颜色通道定制的着色剂吸收光谱的红色、绿色和蓝色边缘吸收器。
49.图13示出了具有绿色和蓝色部分的边缘吸收器。
50.图14a示出了具有粘合剂和着色剂的示例，该着色剂在不同掺杂水平下具有定制的绿色和蓝色波长吸收。图14b是示出传输百分比与图14a的掺杂水平的关系的图表。
51.图15示出了可见光波长边缘吸收器和层间层压粘合剂，粘合剂包括吸收目镜堆叠中每个颜色通道的波长的着色剂。
52.图16示出了红色、绿色和蓝色着色剂的重叠吸收度光谱。
53.图17示出了图16的吸收度光谱以及示例性红色、绿色和蓝色发光二极管的输出的模拟的比较。
具体实施方式
54.当前的耦入光栅(icg)设计具有有限的波长选择性，使得有时不期望波长的杂散光被注入波导中。在一个示例中，绿色icg衍射蓝光和红光的某个部分，该部分作为“杂散光”耦合到波导中。波导中杂散光的存在会劣化其光学性能。在某些情况下，波导边缘处的光会被背反射或背散射到目镜中，从而削弱对比度。
55.减轻杂散光到波导中的耦合的一种方式是使用滤色器，该滤色器选择性地让单一颜色通过并阻挡其他颜色，否则这些颜色将在波导中最终成为不想要的光。图1a示出了在眼睛侧覆盖层108上分别具有红色、绿色和蓝色滤色器102、104、106的基于玻璃的目镜堆叠100的分解图。红色、绿色和蓝色滤色器110、112、114分别通常用于选择性地使rgb光分别传输到对应的红色、绿色和蓝色波导102、104、106，同时吸收其他颜色。rgb波导分别包括耦入光栅(icg)116、出射光瞳扩展器(epe)118和正交光瞳扩展器(ope)120。红色、绿色和蓝色波导102、104、106位于眼睛侧覆盖层108和世界侧覆盖层122之间。图1b分别示出了图1a所示的红色、绿色和蓝色滤色器的光谱响应130、132、134。然而，至少部分地由于某些光学设计的热膨胀和高精度对准要求的差异，将玻璃滤色器与聚合物目镜集成可能是困难的。这样做会带来玻璃目镜中不存在的复杂性和成本。
56.本文描述了减轻杂散光到波导中的耦合的颜色选择聚合物波导目镜。在一些情况下，特定颜色目镜层的聚合物掺杂有一种或多种具有选定色彩特性的染料或颗粒，以衰减不期望的耦合光波长(例如，绿色目镜层在光路上掺杂有绿色染料)。在一个示例中，用于聚合物波导制造的高折射率(r.i.)树脂加载有所需的颜色染料，以允许特定波长范围的光通过并阻挡所有其他波长。如本文所用，“高折射率”通常是指在587.56nm处大于约1.45或大于约1.5的r.i.(r.i.,nd)。被特定染料阻挡的特定颜色的光量至少部分地基于聚合物中染料的浓度。
57.通常，本文所述的波导厚度为约几百微米的量级(约200μm至约1000μm)，并且通常小于可以是几厘米(约2cm至约15cm)的全内反射(tir)路径长度。波导中的较长光路长度有助于有效吸收杂散光，即使在聚合物波导中染料加载浓度较低时也是如此。图2a示出了掺杂橙色染料的波导200(例如，具有约200μm至约500μm的厚度)和通过掺杂橙色的波导200的
蓝光202的传输。图2b示出了蓝光202的衰减，该衰减发生在光通过橙色染料掺杂波导200行进全内反射(tir)路径(例如，约3cm至约5cm)时。用于针对颜色选择性的将染料加载到特定聚合物波导中的染料的适合性至少部分地取决于包括化学相容性、工艺相容性和染料在基础高折射率树脂中的溶解度的因素。
58.本文所述的颜色选择波导可以用多种方法制造，包括各种模制和浇注方法、包括光刻方法(例如，压印光刻方法)、蚀刻方法、沉积方法的其他合适的方法，及其的任何组合。制造可以包括单个过程或两个或更多个不同的过程。在一个示例中，制造颜色选择波导包括浇注具有彩色分量的波导以产生被掺杂的波导(例如，染料掺杂的波导)，以及修改被掺杂的波导以包括各种特征(例如，光栅、柱、间隔物等)。被掺杂的波导可以是平坦的或图案化的，或者具有平坦和图案化区域的任何组合。修改被掺杂的波导可以包括压印光刻过程或蚀刻过程以产生适当的特征。
59.一方面包括用于波导制造的掺杂染料的高折射率树脂的局部分配以及基础树脂的分配。使用这种方法，可以至少部分地取决于所用染料的浓度和/或光需要被衰减的程度，在聚合物波导体中的单个或多个位置处实现染料掺杂。在一个示例中，以受控方式在icg区域周围分配掺杂染料的高折射率树脂。图3a示出了用于制造掺杂染料的聚合物波导的过程中的步骤。基础(未被掺杂的)高折射率树脂300被分配到底部模具304的图案化表面302上(例如，围绕中心区域)。掺杂染料的树脂306被分配到底部模具304的另一区域上并且允许在间隔开选定距离的顶部模具308和底部模具304之间扩散。在浇注之后，树脂被固化(例如，用uv辐射)，并且将所得波导脱模以产生具有未被掺杂的聚合物区域312和被掺杂的聚合物区域314的掺杂染料的聚合物波导310。具有由被掺杂的聚合物形成的icg区域316和由未被掺杂的聚合物形成的衍射区域318的掺杂染料的聚合物波导310对于所选颜色具有高度选择性。如图3b所示，被掺杂的聚合物波导310包括未被掺杂的聚合物区域312(衍射区域316)和被掺杂的聚合物区域314(icg区域318和衍射区域316之间的区域320)。图3c示出了具有rgb分量322、324、326的光分别进入掺杂染料的聚合物波导310，并且只有选定分量(例如，红色分量322)显示出通过掺杂染料的聚合物波导310的tir。
60.示例1.基于由日本mitsubishi gas chemicals(mgc)提供的lumiplus 1.71折射率树脂制备两种不同的树脂样品。使用mgc的协议制备50ml纯lumiplus制剂，而不在基础树脂中添加任何染料以产生树脂批料。将25ml树脂批料装入单独的玻璃小瓶中，并将1wt％的vis 484(由adam gates&company提供)添加到小瓶中。然后使所得染料加载的树脂经受超声波混合约5分钟以产生均质的掺杂染料的树脂。通过在具有衍射图案的纳米图案化的模具上在中心分配约3ml纯树脂以及在icg区域周围分配约1ml的掺杂染料的树脂来制造聚合物波导。然后，树脂在两个间隔开约350μm的模具之间扩散，并暴露在uv光(波长约365nm)下进行固化，接着在100℃下进行20分钟的后退火步骤。所得掺杂染料的聚合物波导具有两个不同的区域，如图3a所示：具有颜色选择染料的icg区域周围的第一区域，没有染料的波导的其余部分。
61.以类似于示例1中描述的方式，可以使用具有选择性传输和吸收的各种颜色染料(红色、绿色、蓝色、青色、品红色、黄色和红外染料)来制造颜色选择聚合物波导。示例基础树脂/染料组合在表1中列出。
62.表1.用于颜色选择聚合物波导的染料和基础树脂的各种组合。
63.64.65.[0066][0067]
除了表1中列出的树脂-染料组合之外，可以将两种或更多种染料结合到相同基础树脂中以实现特定的颜色选择性。染料组合的示例在表2中列出。当单一染料无法达到所需的颜色选择性时，这种方法会很有帮助。在一个示例中，配制为吸收rgb光的伪(pseudo)黑色染料朝着反发射侧在icg周围被掺杂以吸收rgb光。这种伪黑色染料也可以应用在玻璃或聚合物波导的外围，以吸收从边缘反射或折射的rgb光。
[0068]
表2：在聚合物波导中实现所需颜色选择性的染料组合
[0069][0070]
另一方面包括用于波导制造的掺杂染料的高折射率树脂的整体分配。由于波导是均匀掺杂的，因此当光在几厘米的路径长度上经历tir时，低浓度的染料可以有效地衰减不想要的光。图4a示出了掺杂染料的高折射率树脂的整体分配，其中掺杂染料的树脂406被分配在底部模具404的图案化表面402上，并且类似于图3a所示，经历在底部模具404和顶部模具408之间的浇注和固化过程，以制造仅在icg区域416和衍射区域418中具有掺杂染料的聚合物414的颜色选择性波导410。图4b-4d示出了掺杂有染料的波导的射线图，这些波导分别仅允许红光、绿光和蓝光422、424和426。在图4b中，掺杂红色聚合物的波导410r仅允许红光422的tir。在图4c中，掺杂绿色聚合物的波导410g仅允许绿光424的tir。如图4d所示，掺杂蓝色聚合物的波导410b仅允许蓝光426的tir。
[0071]
示例2.按照独立的单体的mgc的por混合比率在玻璃小瓶中制备25ml lumiplus 1.72折射率树脂。为此，添加了低浓度的来自adam gates&company的vis484染料。然后将所
得掺杂染料的树脂经受超声波混合约5分钟以产生均质的掺杂染料的树脂。将掺杂染料的树脂制品分配到用于波导制造的模具表面上。
[0072]
以类似于示例2中描述的方式，可以使用如表1中所示的具有选择性传输和吸收的各种彩色染料(红色、绿色、蓝色、青色、品红色、黄色和红外线)来制造颜色选择聚合物波导。
[0073]
另一方面包括在波导表面上的掺杂染料的高折射率树脂的局部和整体涂覆。待涂覆的波导可以由玻璃或聚合物形成。在这种方法中，波导表面可以被局部或整体涂有掺杂染料的高折射率树脂，以实现期望的光衰减。图5a-5f示出了这样的涂覆以及在波导上可以施加这样的涂覆的示例位置的各种实现方式。在图5a中，掺杂染料的聚合物波导510包括波导512，以及在icg区域516和衍射区域518之间的掺杂染料的聚合物涂层514。在图5b中，掺杂染料的聚合物波导520包括波导522，以及围绕icg区域526的掺杂染料的涂层524。在图5c中，掺杂染料的聚合物波导530包括波导532、围绕icg区域536和衍射区域538的掺杂染料的涂层534。在图5d中，掺杂染料的聚合物波导540包括波导542、在icg区域546的一侧上的第一掺杂染料的涂层544、以及在波导542的与icg区域546和衍射区域548相反的表面上的第二掺杂染料的涂层544’。第二掺杂染料的涂层544’可以与第一掺杂染料的涂层544相同或不同(例如，在厚度、颜色、组成、浓度、传输中的一个或多个方面)。在图5e中，掺杂染料的聚合物波导550包括波导552、在波导552上的围绕icg区域556的第一掺杂染料的涂层554、以及在波导552的与icg区域556和衍射区域558相反的表面上的第二掺杂染料的涂层554’。第二掺杂染料的涂层554’可以与第一掺杂染料的涂层554相同或不同(例如，在厚度、颜色、组成、浓度、传输中的一个或多个方面)，其中的每一个可以相同或不同(例如，在厚度、颜色、成分、组成中的一个或多个方面)。在图5f中，掺杂染料的聚合物波导560包括波导562、围绕icg区域566和衍射区域568的第一掺杂染料的涂层564，以及在波导562的与icg区域566和衍射区域568相反的表面上的第二掺杂染料的涂层564’。第二掺杂染料的涂层564’可以与第一掺杂染料的涂层564相同或不同(例如，在厚度、颜色、成分、组成中的一个或多个方面)，其中的每一个可以相同或不同(例如，在厚度、颜色、成分、组成中的一个或多个方面)。
[0074]
参考图5a-5f，波导512、522、532、542、552和562可以是玻璃或聚合物。在掺杂染料的聚合物可能会干扰用户视场的位置，可以使用低浓度的染料，以使得颜色色调是不可检测到的。在掺杂染料的聚合物不会干扰用户视场的位置，可以引入更高浓度的染料，以在光借助tir传播通过波导时实现更大的光衰减，从而实现更高的颜色选择性。
[0075]
另一方面包括将滤色器直接浇注到波导或覆盖层的表面上。在这种方法中，使用被加载有期望的染料颜料的uv可固化组合物，将特定染料的局部高着色区域沉积到玻璃或聚合物波导或覆盖层表面上。图6a和6b分别示出了用于波导和覆盖层的滤色器制造。图6a示出了在顶部模具608和衬底604之间的图案化表面602上的icg区域616中浇注掺杂染料的树脂606。衬底604是波导612(例如，玻璃波导或聚合物波导)。在浇注和uv固化之后，掺杂染料的波导610包括围绕icg区域616的掺杂染料的区域614。图6b示出了在衬底624(例如，覆盖玻璃或聚合物层)和顶部模具628之间浇注掺杂染料的树脂626，随后对被掺杂的聚合物波导630进行uv固化和脱模，其中在被掺杂的聚合物波导630的表面上具有滤色器634。掺杂染料的树脂626可以相同或不同(例如，在厚度、颜色、组成、浓度、传输方面)，以使得滤色器634类似地相同或不同。
[0076]
另一方面包括单独地浇注独立的滤色器。所得滤色器可以经由浇注uv可固化的掺杂染料的高折射率树脂来单独地制造多个，如图7所示。然后可以选取滤色器并将其放置在聚合物或玻璃衬底上以在选定装置中使用。图7示出了在底部模具704上掺杂染料的树脂，以及在底部模具704和顶部模具708之间浇注掺杂染料的树脂706。掺杂的染料树脂716可以是不同颜色的(例如rgb)。掺杂染料的树脂706被固化(例如，用uv光)并脱模以在底部模具704上产生滤色器714。滤色器714(例如，rgb中各一个)可以被从底部模具704移除(选取)并定位(放置)在衬底720(例如，覆盖层)上。
[0077]
另一方面包括用红外染料来对聚合物波导进行。掺杂有红外染料的聚合物波导可帮助眼动跟踪。可以以类似于示例1或示例2中描述的方式制造掺杂有红外染料的波导。
[0078]
另一方面包括用一种或多种具有选定浓度梯度的染料来对聚合物波导进行。图8a-8h示出了其中使用具有选定浓度梯度的染料在波导的整体或一部分上对波导进行掺杂以产生掺杂染料的波导的各种实现方式的俯视图。可以基于应用来选择染料浓度、掺杂位置和梯度图案。染料掺杂的梯度可以通过以不同的染料浓度来分配掺杂染料的树脂液滴，并在固化树脂前将液滴扩散以覆盖波导的期望区域来实现。
[0079]
图8a示出了具有从接近icg区域816的掺杂染料的波导810的周边朝向接近衍射(例如，epe/ope)区域818的掺杂染料的波导810的周边减小的染料浓度梯度的掺杂染料的波导810。图8b示出了具有从接近icg区域816的掺杂染料的波导820的周边朝向接近衍射区域818的掺杂染料的波导820的周边增加的染料浓度梯度的掺杂染料的波导820。图8c示出了具有从接近icg区域816和衍射区域818的第一侧(例如，更靠近icg区域816)的周边朝向接近icg区域816和衍射区域818(例如，更靠近衍射区域818)的第二侧的周边增加的染料浓度梯度的掺杂染料的波导830。图8d示出了具有从接近icg区域816和衍射区域818的第二侧(例如，更靠近衍射区域818)的掺杂染料的波导840的周边朝向接近icg区域816和衍射区域818的第一侧(例如，更靠近衍射区域818)的周边增加的染料浓度梯度的掺杂染料的波导840。图8e示出了具有与图8a中的掺杂染料的波导810相似的染料浓度梯度以及具有掺杂染料的icg区域816’的掺杂染料的波导850。掺杂染料的icg区域816’可以包括与染料浓度梯度中的染料相同或不同(例如，厚度、颜色、组成、浓度、传输)的染料。图8f示出了与图8e中的掺杂染料的波导850类似的以及具有围绕icg区域816的掺杂染料的聚合物814的掺杂染料的波导860。掺杂染料的聚合物814可以包括与染料浓度梯度、icg区域816或两者中的染料相同或不同(例如，厚度、颜色、组成、浓度、传输)的染料。图8g示出了与图8e中的掺杂染料的波导850类似的以及具有部分地围绕icg区域816的掺杂染料的聚合物814的掺杂染料的波导870。衍射区域818之一(例如，epe或ope)掺杂有与部分地围绕icg区域816的掺杂染料的聚合物814中的染料相同或不同(例如，厚度、颜色、组成、浓度、传输)的染料。掺杂染料的聚合物814掺杂有与掺杂染料的波导870中的任何其他染料(例如，染料浓度梯度中的染料、icg区域816中的染料或两者)相同或不同(例如，厚度、颜色、组成、浓度、传输率)的染料。图8h示出了与图8g中的掺杂染料的波导870类似的以及具有位于掺杂染料的波导880周边的掺杂染料的区域814’的掺杂染料的波导880。掺杂染料的区域814’掺杂有与染料浓度梯度、icg区域816和衍射区域818中的一者或多者中的染料相同或不同(例如，厚度、颜色、组成、浓度、传输)的染料。
[0080]
在一些方面，聚合物波导的掺杂染料的聚合物的折射率与聚合物波导的未被掺杂
的聚合物的折射率基本相同或在其的选定范围内(δn≤0.5)。因此，在一些实现方式中，聚合物波导中的掺杂染料的聚合物由与聚合物波导中的未被掺杂的聚合物相同的树脂形成。在某些实现方式中(例如，对于玻璃波导)，掺杂染料的聚合物涂层的折射率可以被选择为与被涂覆的衬底(例如，玻璃衬底)的折射率基本相同。
[0081]
表3列出了用于被掺杂的聚合物波导和涂层的合适彩色分量的光学和化学特性(例如溶解度、浓度、相对传输)，该彩色分量包括红色、蓝色和绿色层染料分量。
[0082]
表3.用于被掺杂的聚合物波导和涂层的合适彩色分量的特性
[0083]
[0084][0085]
表4列出了与在用于聚合物波导的高r.i.树脂中彩色分量的掺杂相关的合适范围。
[0086]
表4.用于rgb聚合物波导的吸收和传输带、吸收率和溶解度。
[0087][0088]
假设来自lcos的衍射效率为60:1，并且该光全部入射到颜色不同于感兴趣颜色的icg上，估计需要》5:1(《20％传输)滤色器性能来达到》300:1性能。通过使用50mm波导中的估计的平均路径长度，这等同于≥0.14cm-1
的吸收率。对于感兴趣的颜色，》95％的传输是有利的。通过使用50mm的波导中的估计的平均路径长度，这等同于≤0.004cm-1
的吸收率。图9a-9c示出了针对用于颜色选择聚合物波导的rgb染料波长范围的合适吸收率范围的示例。在图9a(蓝色染料)中，蓝色染料900的吸收率通常为约0.004cm-1
或更小，绿色染料902和红色染料904的吸收率通常为约0.14cm-1
或更大。在图9b(绿色染料)中，绿色染料902的吸收率通常为约0.004cm-1
或更小，蓝色染料900和红色染料904的吸收率通常为约0.14cm-1
或更大。在图9c(红色染料)中，红色染料904的吸收率通常为约0.004cm-1
或更小，蓝色染料900和绿色染料902的吸收率通常为约0.14cm-1
或更大。
[0089]
在浇注时彩色分量的最终浓度可以对应于图9a-9c所示水平的同时，对于1cm路径长度，这些范围将对应于《72％传输(吸收区域)和》99％传输(传输区域)。在1cm路径长度下
考虑》0.7和《0.02之间的吸收度范围是有利的，这对应于《20％传输(吸收区域)和》95％传输(传输区域)。
[0090]
图10a-10c示出了针对用于颜色选择聚合物波导的rgb染料的合适传输的示例。在图10a(蓝色染料)中，蓝色染料900的传输通常为约95％或更大，绿色染料902和红色染料904的传输通常为约20％或更小。在图10b(绿色染料)中，绿色染料902的吸收率通常为约95％或更大，蓝色染料900和红色染料904的传输通常为约20％或更少。在图9c(红色染料)中，红色染料904的传输通常为约95％或更大，蓝色染料900和绿色染料902的吸收率通常为约20％或更小。
[0091]
在另一方面，实施掺杂着色剂的(例如，掺杂染料或颜料的)uv可固化的粘合剂以保持边缘密封粘合或层间粘合的光吸收或光衰减特性，从而允许在各种应用厚度上实现有效的uv固化。uv固化的粘合剂通常用于层间粘合和边缘密封应用，但如果在uv固化期间粘合剂表面吸收过多的uv光，则会产生uv固化的表层和未固化的中心。这对施加的粘合剂提出了厚度限制，其中通过增加处理时间(周期)以便实现增加的厚度，或在处理时间保持恒定时限制被施加的粘合剂的最大厚度。这种效应对于通常包含炭黑并宽地吸收uv可见光的“黑边缘粘合剂”更为明显。
[0092]
图11示出了适用于粘合剂的uv固化的示例uva增强灯(uvitron 600w uva增强灯光谱分布uv0834)的uv可见光(分别为200-400nm和400-700nm)光谱。示出了uvc辐射(200nm至280nm-被示出为250nm至280nm)1100、uvb辐射(280nm至315nm)1102、uva辐射(315nm至400nm)1104，以及可见光辐射(400nm至700nm)1106的相对强度。炭黑吸收光谱在uv和可见光波长范围内具有宽的吸收。这种宽的吸收，尤其是在uv中，会降低黑边缘粘合剂的固化的深度，并且uv辐射通常仅渗透到层的有限深度(例如，120μm至200μm)，从而在没有热固化的情况下使得层的其余部分被部分固化或完全未被固化。当边缘密封是部分未固化时，粘合剂会在可靠性测试条件期间发生相分离，其中透明树脂吸进入(wick into)光栅区域。虽然可以在每次涂覆之后重复施加较薄涂层并进行uv固化以使实现较厚的涂层，但会出现粘合剂分配均匀性和增加处理时间(周期)的问题。
[0093]
本文所述的掺杂着色剂的粘合剂适用于对包括聚合物或玻璃波导的基于波导的目镜的大批量制造。这些吸收颜色的粘合剂的吸收光谱可以被选择性地调整(rgb、cmyk等)以与每个波导的颜色通道和可见光吸收规格相匹配。可以将具有定制光谱的着色剂(例如，颜料或染料)添加到粘合剂中，以吸收波导的特定工作的单个或多个波长的光，而不吸uv光，从而允许粘合剂材料的有效固化，而对其厚度的影响有限。该方法允许对定制的吸收波长的粘合剂的制造。
[0094]
掺杂着色剂的粘合剂通过组合基础粘合剂和着色剂来制备。根据比尔郎伯定律，基础粘合剂中的着色剂浓度可以基于着色剂在感兴趣的波长下的吸收率、要衰减的光量以及可用于实现此衰减的光学路径长度来选择。着色剂可以被选择为吸收波导携带的特定波长而不吸收uv光。合适的着色剂浓度通常在0.1mg/l至100g/l的范围内。表5列出了可商购的uv可固化的粘合剂材料的示例，表6列出了可商购的着色剂的示例。
[0095]
表5.uv可固化的粘合剂的示例
[0096][0097][0098]
表6：着色剂的示例
[0099][0100]
在一个示例中，具有在1nm和35nm之间的fwhm的绿色光源与在相同波长范围内吸收的着色剂配对。对于某些架构和光源，光谱中1:1的匹配是有利的。对于其他架构和光源，着色剂吸收光谱集中在光源的峰波长上。
[0101]
在单颜色吸收示例中，红色通道波导与用作边缘吸收器的掺杂有的吸收红色的着色剂的粘合剂配对。图12a-12c示出了具有直接针对波导中携带的颜色通道定制的着色剂吸收光谱的rgb边缘吸收器。波导可以由玻璃或聚合物制成。图12a示出了具有间隔物1202的蓝色通道波导1200，该间隔物1202具有掺杂有穿过uv吸收蓝色的着色剂(例如vis461b)的粘合剂1204。图12b示出了具有间隔物1212的绿色通道波导1210，该间隔物1212具有掺杂有穿过uv吸收绿色的着色剂(例如vis548b)的粘合剂1214。图12c示出了具有间隔物1222的红色通道波导1220，该间隔物1222具有掺杂有穿过uv吸收红色的着色剂(例如vis637a)的粘合剂1224。
[0102]
在多颜色吸收示例中，蓝色和绿色通道波导与用作边缘吸收器的掺杂有的吸收蓝色和绿色波长的着色剂的粘合剂配对。蓝色和绿色通道波导可以由玻璃或聚合物制成。图13示出了具有间隔物1302的蓝色和绿色通道波导1300，该间隔物1302具有掺杂有穿过uv吸收蓝色和绿色的着色剂(例如adam gates vis484或qcr solutions vis461b+qcr solutions vis548b)的粘合剂1304。
[0103]
图14a示出了各种组成的传输(％)与波长(nm)的关系，其示出了在蓝色和绿色波长中的定制吸收，该组成包括空气(曲线1400)、仅具有粘合剂(lpb-224)的比较示例(曲线1402)，以及包括粘合剂(lpb-224)和各种着色剂(adam gates vis484)浓度的示例(曲线1404、1406、1408、1410)。曲线1404对应于1ml lpb-224/20μl染料标准。曲线1406对应于1ml lpb-224/40μl染料标准。曲线1408对应于1ml lpb-224/80μl染料标准。曲线1410对应于1ml lpb-224/160μl染料标准。染料标准包括溶解在20.58g(或20.58ml)基础单体(lpb)中的0.0177g vis484。图14b中的曲线1420、1422、1424分别示出了取自图14a的640nm、520nm和450nm处的百分比传输(％t)与掺杂水平的关系。
[0104]
在另一示例中，可见波长边缘吸收器和层间层压粘合剂通过添加吸收目镜堆叠中每个颜色通道的波长的着色剂来制备。图15示出了位于覆盖层1506之间并且由可见波长边缘吸收器1508和集成间隔物1510和1512支撑的红色、绿色和蓝色通道波导1500、1502、1504。波导1500、1502和1504可以由聚合物或玻璃制成。可见波长边缘吸收器1508吸收rgb、穿过uv。集成间隔物1510和1512包括可见波长的层间胶，其吸收rgb、穿过uv。根据被有利地吸收的波导通道光的波长，可以使用rgb、cmy等的任何混合，同时使粘合剂具有uv透明性。
[0105]
图16中的曲线1600、1602、1604分别示出了各个qcr solutions dye vis637a(红色)、vis548b(绿色)和vis461b(蓝色)的叠加吸收度光谱(吸收度与波长的关系)，其在uv带中几乎没有吸收。图17中的曲线1700示出了来自图16的qcr solutions dyes(33％vis461、33％vis548和33％vis637)的组合的光输出与波长的关系。曲线1702、1704、1706示出了针对例如rbg发光二极管输出的光输出与波长的关系。曲线1708示出了针对光致传输的光输出与波长的关系，其示例出了在rgb带(分别为rgb＝0.735、0.797和0.727)中的吸收。
[0106]
定制的吸收颜色的粘合剂可以被施加在边缘上(例如，如图12a-12c和13所示)或被施加在包括集成间隔物(例如，如图15所示)的波导层的任何水平表面上。
[0107]
粘合剂折射率的匹配(无论是层间粘合剂还是边缘吸收器)可以通过结合使用高折射率分量和本文所述的方法，或通过使用本文所述的高折射率uv固化粘合剂和匹配的着色剂来获得。可以实现粘合剂和波导层之间更紧密的折射率匹配以减少界面处的背反射。
[0108]
可以将着色剂引入到各种粘合剂中，而不限制或约束粘合剂的分配厚度、分配面
积或粘度。可以根据预期应用来选择粘合剂的粘度。在施加温度下(例如，在室温下)，边缘密封的合适粘度范围通常在约300cp至约3000cp的范围内。不具有集成间隔物的层间层压的合适粘度范围通常在约27,000cp至约70,000cp的范围内。具有被分配在集成间隔物上的粘合剂的层间层压的合适粘度范围通常小于约20cp。粘合剂的厚度范围也取决于预期应用。边缘密封的合适厚度通常在约50μm至约150μm的范围内。具有集成间隔物的层间层压的合适厚度通常在约25μm至约250μm的范围内。具有集成间隔物的层间层压的合适厚度通常在约1μm至约10μm的范围内。
[0109]
尽管本说明书包含许多具体细节，但这些不应被解释为对本公开的范围或可能要求保护的内容的限制，而是作为与特定实施例相关联的特征的示例。在本说明书中在单独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地实现。相反，在单独的实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征可以如上所述在某些组合中起作用并且甚至最初是这样要求保护的，但是在一些示例中，来自要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中去除，并且要求保护的组合可以是针对子组合或子组合的变型。
[0110]
已经描述了许多实施例。然而，应当理解，在不背离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种修改。例如，可以使用上面所示的各种结构，其中元件被重新排列、不同地定位、不同地定向、被添加和/或移除。因此，其他实施例也在以下权利要求的范围内。

技术特征：
1.一种光学装置，包括：波导，所述波导包括在所述波导的一个或多个表面上的一个或多个图化案区域和一个或多个非图案化区域；和在所述波导的至少一个表面的至少一个非图案化区域的至少一部分上的聚合物涂层，其中，所述聚合物涂层包括吸收行进通过所述波导的红光、绿光和蓝光中的一者或多者的至少90％的彩色分量。2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述波导由玻璃材料形成。3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述波导由聚合物材料形成。4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述一个或多个图案化区域包括耦入光栅(icg)和一个或多个衍射区域。5.根据权利要求4所述的光学装置，其中，所述聚合物涂层位于所述icg和所述一个或多个衍射区域中的一个之间。6.根据权利要求4所述的光学装置，其中，所述聚合物涂层在所述icg周围。7.根据权利要求4所述的光学装置，其中，所述聚合物涂层在所述icg周围和在所述一个或多个衍射区域中的至少一个周围。8.根据权利要求4所述的光学装置，其中，所述一个或多个衍射区域包括出射光瞳扩展器(epe)和正交光瞳扩展器(ope)中的一者或多者。9.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述聚合物涂层是在所述波导的第一表面上的第一聚合物涂层，并且其中，所述光学装置包括在所述波导的与所述第一表面相对的第二表面的至少一部分上的第二聚合物涂层。10.根据权利要求9所述的光学装置，其中，所述第二聚合物涂层包括与所述第一聚合物涂层相同的彩色分量。

技术总结
描述了颜色选择波导、用于制造颜色选择波导的方法以及包括颜色选择波导的增强现实(AR)/混合现实(MR)应用。颜色选择波导可以有利地减少或阻挡进入波导(例如，红色、绿色或蓝色波导)的杂散光，从而减少或消除进入目镜的背反射或背散射。背反射或背散射。背反射或背散射。


技术研发人员：S
受保护的技术使用者：奇跃公司
技术研发日：2020.10.08
技术公布日：2023/8/31