光波导光学元件以及形成光波导光学元件的方法与流程

本发明大致上关于一种光波导光学元件(lightwave-guideopticalelement)，和一种形成光波导光学元件的方法。尤其是，本发明系针对一种具有被周边平面所围绕的多个凸出尖岭的光波导光学元件，以及一种形成用于头戴式显示器中或在抬头显示器中的光波导光学元件的方法。

背景技术：

头戴式显示器(hmd)，或是抬头显示器(hud)，是一种能够产生相对大的视野的小型显示器。这些显示器显示数据，又无需要求使用者的眼光远离其通常的视线。例如，抬头显示器是投影到汽车挡风玻璃上的数字透明影像，能显示从仪表板上得到的相同信息。要不然，头戴式显示器是一种戴在头上的、或作为头盔的一部分的、并且位于一只眼睛(单眼hmd)前或位于每只眼睛(双眼hmd)前的小型显示光学器的显示装置。头戴式显示器和抬头显示器这两者都需要光波导光学元件，来将数字影像传送到观察者的眼睛中。

技术实现要素：

有鉴于上述情况，本发明因此提出了一种具有简化的凸出堆叠结构的光波导光学元件，和简化的方法来形成光波导光学元件，以追求具有更好的产业利用性的扎实的头戴式显示器或抬头显示器。

在第一方面，本发明先提出一种用于头戴式显示器中或在抬头显示器中的新颖光波导光学元件。本发明的光波导光学元件，包含有机光学材料、抗反射堆叠以及有机光学盖。有机光学材料包含周边平面，以及被周边平面所包围的多个凸出尖岭。抗反射堆叠顺应地覆盖多个凸出尖岭与周边平面，有机光学盖对应地覆盖抗反射堆叠、周边平面与多个凸出尖岭。

在本发明的一实施方式中，有机光学材料与有机光学盖系独立地选自由丙烯酸材料与环氧材料所组成之光学透明材料群组。

在本发明的另一实施方式中，抗反射堆叠包含至少一层之氧化锆与氧化硅。较佳者，抗反射堆叠包含交错层排之氧化锆与氧化硅。

在本发明的另一实施方式中，凸出尖岭各自独立具有1:1-1:3.5之高宽比。

在本发明的另一实施方式中，凸出尖岭各自独立选自由三角形、矩形、梯形与平行四边形所组成之群组之几何结构。

在本发明的另一实施方式中，有机光学盖具有之残留厚度为0.5微米至60微米。

在本发明的另一实施方式中，光波导光学元件更进一步包含覆盖有机光学盖之顶玻璃片。

在本发明的另一实施方式中，光波导光学元件更进一步包含直接接触有机光学材料之底光学透明载体以支撑有机光学材料。

在第二方面，本发明又提出一种形成光波导光学元件的新颖方法。首先，形成位于光学透明基材上之平坦有机光学层。其次，使用模板来将图案转移至平坦有机光学层中，而获得图案化有机光学层。之后，在模板存在下熟化图案化有机光学层，而获得位于光学透明基材上之有机光学材料。继续，自有机光学材料来移除模板。接着，形成抗反射堆叠，以顺应地覆盖有机光学材料。再来，将有机光学盖层放在抗反射堆叠上，以覆盖抗反射堆叠。

在本发明的一实施方式中，形成光波导光学元件的方法更进一步包含先在塑模存在下进行模塑步骤以置放顶玻璃片，以覆盖有机光学盖层，之后在顶玻璃片存在下熟化有机光学盖层，以获得有机光学盖。

在本发明的另一实施方式中，形成光波导光学元件的方法更进一步包含自有机光学盖移除顶玻璃片。

在本发明的另一实施方式中，形成光波导光学元件的方法更进一步包含自有机光学材料来移除光学透明基材。

在本发明的另一实施方式中，形成光波导光学元件的方法更进一步包含将一光波导光学元件堆叠至另一光波导光学元件上。

在本发明的另一实施方式中，有机光学材料与有机光学盖系独立选自由丙烯酸材料与环氧材料所组成之光学透明材料群组。

在本发明的另一实施方式中，抗反射堆叠包含至少一层之氧化锆与氧化硅。较佳者，抗反射堆叠包含交错层排之氧化锆与氧化硅。

在本发明的另一实施方式中，有机光学材料则包含周边平面以及多个凸出尖岭。多个凸出尖岭被周边平面所包围，又各自独立具有1:1-1:3.5之高宽比。

在本发明的另一实施方式中，凸出尖岭各自独立具有选自由三角形、矩形、梯形与平行四边形所组成之群组之几何结构。

在本发明的另一实施方式中，有机光学盖具有之残留厚度为0.5微米至60微米。

在第三方面，本发明再提出一种形成光波导光学元件的方法。首先，形成抗反射堆叠，以顺应地覆盖图案化有机光学材料。图案化有机光学材料则包含周边平面以及被周边平面所包围之多个凸出尖岭。其次，将有机光学盖层放在抗反射堆叠上，以覆盖抗反射堆叠。

在本发明的一实施方式中，形成光波导光学元件的方法更进一步包含先在塑模存在下进行模塑步骤，以顶玻璃片覆盖有机光学盖层，之后在顶玻璃片存在下熟化有机光学盖层，而获得有机光学盖。

在本发明的另一实施方式中，形成光波导光学元件的方法更进一步包含自顶玻璃片移除塑模而得到光波导光学元件。

在本发明的另一实施方式中，形成光波导光学元件的方法更进一步包含自有机光学盖移除塑模与顶玻璃片而得到光波导光学元件。

在本发明的另一实施方式中，图案化有机光学材料与有机光学盖系独立选自由丙烯酸材料与环氧材料所组成之光学透明材料群组。

在本发明的另一实施方式中，抗反射堆叠包含至少一层之氧化锆与氧化硅。较佳者，抗反射堆叠包含交错层排之氧化锆与氧化硅。

在本发明的另一实施方式中，凸出尖岭各自独立具有选自由三角形、矩形、梯形与平行四边形所组成之群组之几何结构。

在本发明的另一实施方式中，有机光学盖具有之残留厚度为0.5微米至60微米。

附图说明

图1至图15示出从平坦的有机光学层开始，形成本发明的光波导光学元件的一种方法。

图9a示出在没有顶玻璃片的情况下进行模塑步骤，以获得有机光学盖层。

图10a示出在没有顶玻璃片的情况下熟化有机光学盖层，以获得有机光学盖。

图16至图21示出从预先图案化的有机光学层开始，形成本发明的光波导光学元件的另一种方法。

具体实施方式

本发明提供一种形成光波导光学元件的新颖方法。这种新颖的方法使得形成光波导光学元件的过程能更加地简单和容易。形成光波导光学元件的方法，可以在有平坦的有机光学层的存在下，或在预先形成了图案的有机光学材料存在的情况下，开始进行。

在第一方面，形成光波导光学元件的方法可以在有平坦有机光学层的存在下进行。图1至图15示出从平坦有机光学层开始进行形成本发明的光波导光学元件的方法。请参考图1。如图1所示，提供光学上透明且平坦的基板100，使得平坦有机光学层110可以形成在光学上透明且平坦的基板100上。光学上透明且平坦的基板100，也称为底光学透明载体，可以是一种有机材料，如丙烯酸树脂，或是一种无机材料，如玻璃。如果在稍后的步骤中会移除光学上透明且平坦的基板100，则光学上透明且平坦的基板100的厚度就视情况需要来加以选择即可。

要不然，如果光学上透明且平坦的基板100会保留在光波导光学元件中，则光学上透明且平坦的基板100的厚度较佳是尽可能的小。可以将一种有机光学液体，例如经由旋涂或经由压印的方式，施加到光学上透明且平坦的基板100上，以形成平坦有机光学层110。平坦有机光学层110可以是一种光学上透明的液体，例如具有紫外线敏感材料的丙烯酸材料，或具有紫外线敏感材料的环氧树脂材料，以利之后的熟化步骤。

其次，请参考图2。如图2所示，使用模板120将图案121转印到平坦有机光学层110的表面上。请注意，模板120上的图案121要与定义在平坦有机光学层110表面上的图案互补。在转印之后，即获得图案化的有机光学层111。

之后，请参考图3。如图3所示，图案化的有机光学层111在模板120的存在下被熟化，以获得具有图案113的有机光学材料112。图案化的有机光学层111可以以能量为0.5j/cm²至3j/cm²的紫外线来熟化。在熟化步骤之后，图案113便永久地固定在有机光学材料112上。

在上述熟化步骤后，请参照第4图，移除模板120以获得位于光学上透明且平坦的基板100，也称为也称为底光学透明载体，上的有机光学材料112。有机光学材料112具有由模板120所定义的图案113。特别的是，图案113具有周边平面115，和被周边平面115所围绕的多个凸出尖岭114。周边平面115和多个凸出尖岭114一起定义出头戴式显示器或抬头显示器中的工作区域。多个凸出尖岭114定义出对于使用者的工作区域中的视野区域，同时周边平面115定义出工作区域的周边区域。

每个凸出尖岭114都具有几何结构，例如三角形、矩形、梯形或平行四边形，如图5所示。此外，每个凸出尖岭114具有高度h和宽度w。每个凸出尖岭114的高宽比(h/w)可以独立是1：1至1：3.5。

在将模板120从有机光学材料112移除之后，再形成抗反射堆叠130以顺应地覆盖图案113，即有机光学材料112的多个凸出尖岭114和周边平面115，如图6所示。图6中所示出的三角形凸出尖岭114仅作为例示之用而已。抗反射堆叠130包括至少一层的氧化锆或氧化硅。较佳者，抗反射堆叠130包括至少一层的氧化锆和氧化硅。更佳的是，抗反射堆叠130包括交错层排之氧化锆与氧化硅，如图7所示。抗反射堆叠130可以以喷涂或涂覆的方式来形成。

之后，请参考图8，将有机光学胶140涂布在抗反射堆叠130上以形成有机光学盖层，来覆盖抗反射堆叠130。有机光学胶140可以是光学上透明的胶，例如具有紫外线敏感材料的丙烯酸材料，或具有紫外线敏感材料的环氧树脂材料，以利稍后的熟化步骤。有机光学胶140可以是与平坦有机光学层110相同的材料或是不同的材料。

随后，请参考图9，在塑模151的存在下进行另一次的模塑步骤，以放置顶玻璃片150来压有机光学胶140，以获得早先位于图案113上的有机光学盖层141。在此步骤中，顶玻璃片150贴附在有机光学盖层141上，同时有机光学盖层141填满位于多个凸出尖岭114与周边平面115之间的空隙118，使得有机光学盖层141紧紧地与图案113相密合。特别地，塑模151具有平坦的表面152，因此使得不会有图案转移到有机光学盖层141的表面。

顶玻璃片150的厚度无关紧要。如果在后续的步骤中会移除顶玻璃片150，则顶玻璃片150的厚度就视情况需要来加以选择。要不然，如果在后续步骤中不会移除顶玻璃片150，则顶玻璃片150的厚度就尽可能的小。在本发明的另一实施例中，请参阅图9a，模塑步骤可以在没有顶玻璃片的情况下进行，而在有塑模151存在的情况下压有机光学胶140，以获得位于图案113上的有机光学盖层141。

然后，在顶玻璃片150的存在下，使有机光学盖层141熟化，而得到有机光学盖142，如图10所示，或是在顶玻璃片不存在的情况下进行熟化，以获得有机光学盖142，如图10a所示。因为有机光学盖层141较佳是具有紫外线敏感材料以利熟化步骤，所以有机光学盖层141可以以能量为0.5j/cm²至3j/cm²的紫外线来熟化。顶玻璃片150对于紫外线是光学上透明的。

在此熟化步骤之后，就可以移除塑模151以获得具有光学上透明且平坦的基板100、有机光学材料112、抗反射堆叠130、有机光学盖142和顶玻璃片150的光波导光学元件101。在本发明的另一实施例中，请参阅图12，熟化步骤可以在没有顶玻璃片的情况下进行，以获得具有光学上透明且平坦的基板100、有机光学材料112、抗反射堆叠130和有机光学盖142的光波导光学元件103。

特别地，在熟化步骤之后，从一个凸出尖岭114到有机光学盖142表面的距离定义了残余厚度t。此残余厚度t取决于有机光学胶140的黏度和基材的总面积，并有助于确保每个凸出尖岭114都在有机光学盖142之内。残余厚度较佳是在0.5微米至60微米的范围内。例如，1)当粘度为10厘泊，面积是50×50平方毫米时，t＝0.5微米；2)当黏度为1800厘泊，面积是8英寸晶圆时，t＝40微米；或3)当黏度是5000厘泊，面积是8英寸晶圆时，t＝60微米，提供在此作为参考。

在本发明的一个实施例中，可以视情况需要移除光学透明基板100及/或顶玻璃片150。例如，如图所示，如图11所示，视情况需要可以从有机光学材料112中移除光学透明基板100，以获得光波导光学元件102。要不然，如图12所示，可以视情况需要移除顶玻璃片150以获得光波导光学元件103。再不然，如图13所示，去除光学透明基板100和顶玻璃片150这两者，以获得具有有机光学材料112、抗反射堆叠130和有机光学盖142的光波导光学元件104。

在本发明的另一个实施例中，一个光波导光学元件101、102、103或104可以堆叠在另一个光波导光学元件101、102、103或104上，以获得光波导光学堆叠。如图14所示，光波导光学堆叠105可以由相同的光波导光学元件构成，或是，如图15所示，具有不同的光波导光学元件。

在第二方面，本发明提供另一种在一开始时没有前述光学透明基材100的情况下，来形成光波导光学元件的方法。图16至图21示出出本发明从图案化的有机光学基板开始的另一种形成光波导光学元件的方法。图16至图21示出从预先图案化的有机光学基材开始，形成本发明的光波导光学元件的另一种方法。首先，如图16所示，提供图案化的有机光学基板116。图案化的有机光学基板116具有预先形成的图案113。在许多方面，图案化的有机光学基板116可以类似于前述的有机光学材料112。

例如，图案113也具有周边平面115和由周边平面115所围绕的多个凸出尖岭114。周边平面115和多个凸出尖岭114一起定义出头戴式显示器或抬头显示器中的工作区域。多个凸出尖岭114定义出对于使用者的工作区域中的视野区域，并且周边平面115定义出工作区域的周边区域。每个凸出尖岭114具有几何结构，例如三角形、矩形、梯形或平行四边形，如图5所示。此外，每个凸出尖岭114具有高度h和宽度w。每个凸出尖岭114的高宽比(h/w)可以独立是1：1至1：3.5。

其次，如图17所示，再形成抗反射堆叠130以顺应地覆盖图案113，即有机光学材料112的多个凸出尖岭114和周边平面115。抗反射堆叠130包括至少一层的氧化锆或氧化硅。较佳者，抗反射堆叠130包括至少一层的氧化锆和氧化硅。更佳的是，抗反射堆叠130包括交错层排之氧化锆与氧化硅，如图7所示。抗反射堆叠130可以以喷涂或涂覆的方式来形成。

之后，请参考图18，将有机光学胶140涂布在抗反射堆叠130上以形成有机光学盖层，来覆盖抗反射堆叠130。有机光学胶140可以是光学上透明的胶，例如具有紫外线敏感材料的丙烯酸材料，或具有紫外线敏感材料的环氧树脂材料，以利稍后的熟化步骤。有机光学胶140可以是与图案化的有机光学基板116相同的材料或是不同的材料。

随后，请参考图19，进行模塑步骤，在塑模151存在下放置顶玻璃片150来压有机光学胶140，进而获得位于图案113上的有机光学盖层141。在此步骤中，顶玻璃片150贴附在有机光学盖层141上，同时有机光学盖层141填满位于多个凸出尖岭114与周边平面115之间的空隙118，使得有机光学盖层141紧紧地与图案113相密合。特别地，塑模151具有平坦的表面，因此使得不会有图案转移到有机光学盖层141的表面。

顶玻璃片150的厚度无关紧要。如果在后续的步骤中会移除顶玻璃片150，则顶玻璃片150的厚度就视情况需要来加以选择。要不然，如果在后续步骤中不会移除顶玻璃片150，则顶玻璃片150的厚度就尽可能的小。

然后，如图20所示，在顶玻璃片150的存在下，使有机光学盖层141熟化，而得到有机光学盖142，或是如图21所示，在顶玻璃片不存在的情况下熟化有机光学盖层141，而获得有机光学盖142。因为有机光学盖层141较佳是具有紫外线敏感材料以利熟化步骤，所以有机光学盖层141可以以能量为0.5j/cm²至3j/cm²的紫外线来熟化。顶玻璃片150对于紫外线是光学上透明的。

在此熟化步骤之后，就可以移除塑模151而获得具有图案化的有机光学基材116、抗反射堆叠130、有机光学盖142和顶玻璃片150的光波导光学元件106。

在本发明的另一实施例中，可以进一步视情况需要移除顶玻璃片150。例如，如图21所示，可以视情况需要将顶玻璃片150从有机光学盖142上移除，而获得具有图案化的有机光学基材116、抗反射堆叠130和有机光学盖142的光波导光学元件107。

特别地，在熟化步骤之后，从一个凸出尖岭114到有机光学盖142表面的距离定义了残余厚度t。此残余厚度t取决于有机光学胶140的粘度和基材的总面积，并有助于确保每个凸出尖岭114都在有机光学盖142之内。残余厚度较佳是在0.5微米至60微米的范围内。例如，1)当粘度为10厘泊，面积是50×50平方毫米时，t＝0.5微米；2)当粘度为1800厘泊，面积是8英寸晶圆时，t＝40微米；或3)当粘度是5000厘泊，面积是8英寸晶圆时，t＝60微米，提供在此作为参考。

在本发明的另一个实施例中，一个光波导光学元件106或107可以堆叠在另一个光波导光学元件106或107上，以获得光波导光学堆叠105。具有光波导光学元件106及/或107的光波导光学堆叠105与前述之光波导光学叠层105类似。关于光波导光学叠层105的细节请参考前述内容。

在经过前述步骤之后，即获得光波导光学元件101、102、103、104、106或107。光波导光学元件包括底光学透明载体，也称为视情况需要的光学上透明的基板100、有机光学材料112、抗反射堆叠130、有机光学盖142和视情况存在的顶玻璃片150。

有机光学材料112包括周边平面115和多个凸出尖岭114。多个凸出尖岭114被周边平面115所围绕。周边平面115和多个凸出尖岭114一起定义出头戴式显示器或抬头显示器中的工作区域。多个凸出尖岭114定义出对于使用者的工作区域中的视野区域，同时周边平面115定义出工作区域的周边区域。每个凸出尖岭114具有几何结构，例如三角形、矩形、梯形或平行四边形，如图5所示。再者，每个凸出尖岭114具有高度h和宽度w。每个凸出尖岭114的高宽比(h/w)可以独立是1：1至1：3.5。

抗反射堆叠130顺应地覆盖多个凸出尖岭114。抗反射堆叠130包括至少一层的氧化锆或氧化硅。较佳者，抗反射堆叠130包括至少一层的氧化锆和氧化硅。例如，抗反射堆叠130总共可以包括2层、21层或101层的氧化锆和氧化硅。

有机光学盖142对应地覆盖抗反射堆叠130和多个凸出尖岭114，使得抗反射堆叠130夹在有机光学盖142和多个凸出尖岭114之间。有机光学盖142可以是与平坦有机光学层110相同的材料或是不同的材料。

底光学透明载体可以是有机材料，例如丙烯酸树脂，或是无机材料，例如玻璃。底光学透明载体的厚度并不重要。如果有底光学透明载体，则底光学透明载体的厚度可以尽可能地小。类似地，如果顶玻璃片150存在，则顶玻璃片150的厚度也可以尽可能地小。

一个光波导光学元件101、102、103、104、106或107可以堆叠在另一个光波导光学元件光波导光学元件101、102、103、104、106或107上，以获得光波导光学叠层105。光波导光学叠层105可以由相同的光波导光学元件所组成，如图14所示，或者具有不同的光波导光学元件，如图15所示。由于底光学透明载体100的缘故，光波导光学元件103较佳是设置在最底部位置。由于顶玻璃片150的缘故，光波导光学元件102和106较佳是设置在最上方的位置。光波导光学元件104和107较佳是安排在光波导光学叠层105的中间，而不需要额外的保护层，而追求光波导光学叠层105较小的总厚度。不过，光波导光学元件101则是通用的。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明权利要求书所做之均等变化与修改，皆应属本发明之涵盖范围。

符号说明：

100基板

101、102、103、104、106、107光波导光学元件

105光波导光学堆叠

110有机光学层

111图案化的有机光学层

112有机光学材料

113图案

114凸出尖岭

115周边平面

116基板

118空隙

120模板

121图案

130抗反射堆叠

140有机光学胶

141有机光学盖层

142有机光学盖

150顶玻璃片

151塑模

152平坦的表面。