Light guide and method for producing the same

Abstract

A method of finishing a reflective light guide (1), wherein a reflective light guide blank (2) is provided, the blank (2) having two opposed and parallel side faces (10, 11) and comprising a multitude of transparent components (4, 5, 6) so that opposed surfaces of the components (4, 5, 6) form sections of the side faces (10, 11) of the reflective light guide blank (2), wherein at least two adjacent components (5, 6) differ in their abrasion resistance against mechanical grinding or polishing, so that a first component (5) has a lower abrasion resistance than a second component (6) adjacent to and connected to the first component (5) and wherein the side faces (10, 11) are abrasively treated, the abrasive treatment including at least one polishing step, and wherein a selective etching is applied to the side faces (10, 11), whereby compared to the first component (5) less material is removed from the surface of the second component (6), whereby the material removal by the selective etching process at least partly compensates the different abrasion resistances of the components (5, 6) to produce parallel side faces (5, 6) and a constant thickness of the light guide (1) obtained after polishing the blank (2).

Description

Light guide and method for producing the same

[0001] SpecificationBackground of the invention

[0002] The invention generally relates to light guides, in particular plate shaped reflective light guides having a multitude of connected optical parts. Light guides of this kind are used as eyepiece for augmented reality applications, where additional information is displayed in the user's field of vision. This image information is typically provided by a projector, coupled into and guided along the light guide. The image information is then decoupled within the user’s field of view and superimposed with the image of the environment as viewed through the eyepiece. Accordingly, the light is guided and redirected along a complex path. Redirection and beam shaping, e.g. by altering the polarization is accomplished by a multitude of interconnected parts. These parts can differ in their shape and material. A light guide of this kind is, e.g., described in US 2023 / 0314689 A1.

[0003] In order to superimpose the image at the correct position, the path of the light within the reflective light guide has to be well defined. In particular, a lateral variance of the exit point of the light should be avoided. In this regard, the position of the exit point strongly depends on the orientation and shape of the side faces of the light guide since the light is guided by multiple total reflections at these faces. Because of the multiple reflections, even a small misalignment of one or both of the side faces can result in a noticeable error in the superimposed image information.

[0004] Usually, the side faces of the reflective light guide are surface finished by an abrasive treatment, in particular grinding and / or polishing. However, at least if the parts forming the light guide are constituted of different materials, deviations from a uniform thickness may arise due to different abrasion rates of the parts. It is therefore an object of the invention to ascertain a highly defined orientation and shape of the side faces of a light guide. This object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are defined in the dependent claims.Summary of the invention

[0005] This object is achieved with a method of finishing a reflective light guide (also referred to as reflective wave guide) , wherein a reflective light guide blank is provided. The blank has two opposed and parallel side faces and comprises a multitude of transparent components connected together so that opposed surfaces of the components form sections of the side faces of the light guide blank. Transparency in this regard refers to the visible wavelength range from 450 nm to 700 nm. At least two adjacent components differ in their abrasion resistance against mechanical grinding or polishing, so that a first component has a lower abrasion resistance than a second component adjacent to and connected to the first component. The side faces of this blank are abrasively treated, wherein the abrasive treatment includes at least one polishing step. In this regard, polishing may also include at least one of grinding and lapping. Further, a selective etching is applied to the side faces. This etching is selective so that compared to the second component more material is removed from the surface of the first component. The material removal by the selective etching process at least partly compensates the different abrasion resistances of the components to produce parallel side faces and a constant thickness of the light guide after polishing the blank.

[0006] Accordingly, with the selective etching step, the surface of the first component is lowered or recessed with respect to the surface of the at least one adjacent second component.

[0007] Using the method according to this disclosure, a reflective light guide can be obtained, comprising two opposed and parallel polished side faces and a multitude of transparent components (i.e. two or more transparent components) , so that opposed surfaces of the components form sections of the side faces of the reflective light guide, wherein at least two adjacent components differ in their abrasion resistance against mechanical grinding or polishing, wherein a first component has a lower abrasion resistance than a second component adjacent to and connected to the first component, and wherein a thickness variation of the reflective light guide with an in particular wedge like increase in thickness along a surface direction from a first component towards the adjacent second component, if any, is less than 10 μm, preferably less than 8 μm, more preferably less than 5 μm. With the method, even much lower residual wedge features may be achieved. The increase in thickness along a surface direction from a first component towards the adjacent second component may be less than 3 μm  or less than 2 μm, more preferably less than 1 μm, even more preferably less than 0.75 μm, or most preferably less than 0.5 μm. This includes the case that there is no increase at all or even a slight decrease. In the latter case, the thickness of the second component may be less than 5 μm, preferably less than 1 μm smaller than the thickness of an adjacent first component. Even considerably smaller deviations in thickness may be achieved. According to a refinement, the thickness deviation between the first and second component may be less than 400 nm or even less than 100 nm.Brief description of the drawings

[0008] In the following, the invention is described in further detail and with reference to the drawings.

[0009] Fig. 1 shows a block of connected transparent elements during a sawing step.

[0010] Fig. 2 shows a side view of a reflective light guide or a blank of a reflective light guide.

[0011] Fig. 3 shows a reflective light guide with parallel side faces and a guided light ray.

[0012] Fig. 4 shows a reflective light guide with a wedge profile and a guided light ray.

[0013] Fig. 5 shows a cross section of a blank with a periodic sequence of first and second components.

[0014] Fig. 6 shows a photograph of a point like image guided through the light guide and projected to a camera.

[0015] Fig. 7 is a cross section of a light guide where the second component has a lower abrasion resistance compared to the adjacent first components.

[0016] Fig. 8 shows a cross section of a light guide in the opposite case where the second component has a higher abrasion resistance compared to the adjacent first components.

[0017] Fig. 9 shows a light guide blank during polishing and two exemplary guided light rays.

[0018] Fig. 10 shows a light guide with a projecting second component.

[0019] Fig. 11 shows a light guide blank subjected to selective etching using an ion beam.

[0020] Fig. 12 shows the blank of Fig. 11 during a polishing step.

[0021] Fig. 13 shows a light guide blank during an ion beam trimming procedure.

[0022] Fig. 14 shows a light guide blank with a wedge feature in its thickness profile after a selective etching and during an abrasive treatment.

[0023] Fig. 15 shows surface profiles of a light guide blank before and after selective etching.Detailed description

[0024] At the begin of the finishing, in particular including grinding and polishing, the surfaces of the first and second component of the blank are preferably at the same level and form straight planes. For example, the blank may have been produced by sawing the same from a larger block of connected transparent components or elements. Thus, in a preferred embodiment, providing the blank comprises sawing a slice from a block of connected transparent elements, the slice forming the blank. This step is shown in Fig. 1.Preferably, many slices are produced simultaneously using a wire saw with multiple parallel guided wires 25. In the sawing process, the wires 25 cut straight through the block 20 without being deflected by the different abrasion resistances of the elements 22, thereby achieving side faces in the form of straight parallel running planes. The side faces of the slices thereby are formed by the saw kerfs 26.

[0025] The elements 22 are preferably connected together using an optical adhesive or cement.

[0026] Although the blanks as produced after sawing may have even, parallel side faces, however, subsequent mechanical grinding and polishing then may produce a side face with an elevated surfaces of the first component and sloping surfaces of the one or more adjacent second components. This is avoided using a method of finishing the blank according to this disclosure.

[0027] Fig. 2 shows a side view onto a side face 10 of a reflective light guide 1 or a blank 2 for a reflective light guide 1, respectively. The blank 2 and the reflective light guide 1 have the same general structure as exemplary shown, but differ in the surface quality due to the finishing applied to the blank 2 to obtain the light guide 1. In general, fabrication of the final reflective light guide 1 may involve further steps such as cutting the blank 2 to a desired outline or applying functional coatings to the edge or side faces. As can be seen from Fig. 2, the blank 2 or reflective light guide 1 is composed of a  multitude of components 4, 5, 6 which are connected together forming a plate shaped blank 2 or light guide 1.

[0028] Generally, without restriction to the specific example as shown, the components 4, 5, 6 are preferably connected by being cemented together, or, respectively, being bonded with an optical adhesive, since the components 4, 5, 6 are produced by cutting through the elements 22 which are preferably bound together using an optical cement, as described above. Accordingly, a thin cement or adhesive layer 7 is present between the components 4, 5, 6. Preferably, the adhesive layer 7 has a layer thickness in the range from 10 nm to 20 μm, more preferably from 20 nm to 15 μm, more preferably from 50 nm to 10 μm, more preferably from 100 nm to 7 μm, particularly preferably from 200 nm to 5 μm. In general, without restriction to specific embodiments, an organic adhesive is preferred. In particular, a radiation-curing, preferably UV-curing, adhesive is used so that the elements 22 can be stacked and aligned and then securely bonded together in aligned orientation by irradiation with UV light which penetrates the transparent elements 22.

[0029] The components 4, 5, 6 are generally effective to reflect the guided light or change its properties, e.g. polarization direction. This way, image information coupled into the light guide is guided along defined paths and coupled out at defined locations to properly display the information at the right positions within the user’s field of view.

[0030] In Fig. 2, three components are highlighted by cross hatching patterns. These components are two first or main components 6 and an intermediate second component 5. The second component 6 has a higher abrasion resistance than the neighboring first components 6. This can lead to a surface distortion in the form of a deviation from parallellity of the side faces which is caused by the grinding treatment. This is since less material is removed from the second component 6 compared to the adjacent first components 6.

[0031] Ideally, the thickness profiles of the reflective light guide 1 should be laterally uniform so that the side faces 10, 11 are parallel. Further, the side faces should have surfaces of low roughness. In the state of the art, this requires one-sided or, even better, two-sided mechanical polishing of the reflective wave guide using abrasive-based polishing and lapping processes. However, the above described difference in abrasion resistance can lead to a deviation from parallellity after finishing the blank 2. As well,  the blank 2 typically has a certain thickness variation and surface roughness due to the sawing step as exemplary shown in Fig. 1. The reflective light guide blank 2 typically has a total thickness variation of up to 10 μm, up to 5 μm, up to 3 μm or up to 2 μm. The root mean squared (RMS) roughness Rq of the side faces 10, 11 typically amounts to more than 100 nm, more than 200 nm, more than 300 nm, more than 400 nm or even more than 500 nm. The total thickness variation (TTV) can be determined, for example, according to SEMI MF 1530GBIR. The total thickness variation can also be determined by means of interferometric measurements of the thickness profile of the side faces 10, 11.For this purpose, an interferometer, in particular an interferometer from Zygo Corporation may be used. The roughness Rq can be measured, for example, using a white light interferometer or AFM technology, preferably in accordance with DIN EN ISO 4287. The measurement is carried out on the areas of the surface of the blank 2 that do not have an adhesive layer, an inorganic coating or crystalline or organic areas. The specified roughness therefore refers to selected areas of the side faces 10, 11, which do not include an adhesive layer, inorganic coating or crystalline or organic areas.

[0032] After the treatment of the blank 2 with the method according to this disclosure, including at least one polishing and at least one selective etching process, a surface quality can be achieved having at least one of the following features:

[0033] -the side faces 10, 11 have a roughness Rq of less than 5 nm;

[0034] -the TTV is less than 10 μm;

[0035] -the warp of the side faces 10, 11, if any, is smaller than 100 μm;

[0036] -the side faces 10, 11 have a bow feature, if any, of less than 100 μm.

[0037] The contour of the reflective light guide 1 may be angular as shown, e.g. rectangular or square shaped or trapezoidal. As well, the reflective light guide 1 may be rounded or may have rounded edges.

[0038] Further, the maximum lateral dimension preferably is in a range from 10 mm to 300 mm, preferably from 20 mm to 150 mm, more preferably from 30 mm to 100 mm. For light guides 1 with this lateral dimensions and a thickness in a range typically up to 2 mm, the guided light undergoes many reflections. Thus, avoiding a distorted thickness profile using the method according to this disclosure is particularly effective for the optical performance of light guides having these dimensions.

[0039] Fig. 3 shows a schematic cross section of a section of a reflective light guide 1 with a guided light ray 12. The reflective light guide 1 of this example has an ideal shape with parallel side faces 10, 11 and, correspondingly, a constant thickness t. A light ray 12 is guided along the light guide 1 by total internal reflection. Since the side faces 10, 11 of the light guide 1 are parallel, the reflection angle α remains constant even after multiple reflections, as is evident from Fig. 3. However, various image defects may occur if the abrasive finishing process lead to imperfections of the light guide surfaces. If there is no strict parallelism of the side faces and thus a non-uniform thickness profile, especially in low order (e.g. when decomposing the profile according to Zernike polynomials) , a spatial dispersion of the guide image information occurs. This is particularly the case if the thickness profile exhibits a wedge feature, as illustrated with the example of Fig. 4. In this example, light is guided in a light guide 1 with constant wedge in the thickness profile. The reflection angle of the guided light ray 12 is changed by the wedge angle ε with each reflection. This way, a beam of different reflection angles depending on the number of reflections is produced. Moreover, since the reflection angle alters with each reflection, even a very small wedge angle can cause a significant effect. Further, roughness and waviness of the surface result in a contrast degradation and a reduction in the homogeneity of the image. As well, line-like defects may cause diffraction effects. These adverse effects scale with the number of reflections which in turn are dependent from the thickness of the reflective light guide 1. The adverse optical effects and their avoidance by the finishing treatment as described herein are therefore more prominent for thin light guides. In a preferred embodiment, therefore, the reflective light guide 1 has a thickness in a range from 0.2 mm to 2 mm, preferably from 0.3 mm to 1.8 mm, more preferably from 0.4 mm to 1.7 mm, particularly preferable from 0.5 mm to 1.5 mm. As the abrasive treatment of the reflective light guide blank 2 typically does not remove a substantial amount of material, the same thickness specifications are also preferred for the light guide blank 2.

[0040] As explained with respect to Fig. 2, the light guide 1 contains several components 4, 5, 6 with different materials, which favors the development of surface flatness deviations, non-parallelism of the surfaces to each other, roughness and waviness or even topological structures such as linear height deviations of the surface due to abrasive treatment and finishing of the side faces 10, 11. In the following, a  dominant optical effect is caused by the combination of different materials and the polishing process. Typically, the light guide 1 comprises one or more first components 6 and second components 6 therebetween having different effects on the guided light rays such as reflecting structures for total or partial deflection of the guided rays or polarization altering structures. The material of the main components may be glass. However, other materials such as glass-ceramics, ceramics, crystalline materials or polymers may also be used.

[0041] In the example of Fig. 2, the main or first components are the components 4 and 5. The first components 5 may comprise or consist of a glass, the glass is preferably a silicate glass, e.g. a barium-containing silicate glass. For example, the components may comprise or consist of a flint glass or crown glass. Optionally, the glass is selected from alkaline earth-containing flint glass, a barium flint glass, a barium crown glass, a boron-containing crown glass, a lanthanum flint glass, a lanthanum crown glass, and combinations thereof. For at least one of the first components 5 adjacent to a further or second component 6, a glass having a refractive index nd in the range from 1.45 to 2.3, preferably from 1.47 to 2.1, more preferably from 1.5 to 2.0 or from 1.47 to 1.8 is particularly suitable. In a further alternative or additional embodiment, a first component 5 adjacent to a second component 6 has a Young’s modulus in a range from 50 GPa to 150 GPa, preferably from 55 GPa to 100 GPa, more preferably from 65 GPa to 95 GPa, particularly preferably from 75 GPa to 90 GPa.

[0042] The further or second component 6 may be a single component or multiple components. In one embodiment, the blank 2 or light guide 1 fabricated therefrom comprises a periodic sequence of first and second components 5, 6, as shown schematically in the cross section of Fig. 5. The further or second components 6 may be similar in dimensions and / or structure. However, the second components 6 can also differ in the respective structure. Typically, the components 6, 5 are bonded together using optically customized adhesives. In case that the one or more second component 6 is a coating on a first component 5, an adhesive layer 7 is arranged on only one side of the second component 6.

[0043] Typical materials for this further or second components 6 that distinguish them from the material of the main or first components may be glass, glass-ceramics, ceramics, crystalline structures, polymers or films. In some embodiments, individual  layers or layer systems, in particular in form of a coating as the second component 6 or part thereof are used to adjust the reflection (R) and transmission (T) behavior of these structures. In particular, one or more of these structures may be a second component 6 as shown in Fig. 2. These further components can be designed as periodic packages or as individual components. However, they can also differ from one another, even though they are designed as a package, e.g. layer systems (monolayer and multilayer systems) with different R / T behavior due to variations in the respective layer properties, e.g. thickness, material and number of layers of the layer package. Further, at least some of these structures reach up to the side faces 10, 11 so that they are subjected to the abrasive treatment.

[0044] In case that the second component 6 is a coating on a first component 5, this coating may comprise at least two layers, preferably 2 to 100 layers, more preferably 4 to 50 layers, more preferably 5 to 40 layers, most preferred 7 to 35 layers. Further, it is preferred that the coating is inorganic.

[0045] If the second component 6 is a coating on a first component 5, according to further alternative or additional embodiments, the coating may have a thickness in the range from 200 nm to 2000 nm, preferably from 300 nm to 1900 nm, more preferably from 400 nm to 1800 nm, more preferably from 500 nm to 1700 nm, most preferably from 600 nm to 1600 nm.

[0046] If the coating comprises at least two layers, individual layers of the coating may have a thickness in the range from 1 nm to 200 nm, preferably from 4 nm to 1000 nm, more preferably from 8 nm to 800 nm, more preferably from 10 nm to 700 nm, most preferably from 15 nm to 600 nm or from 15 nm to 500 nm.

[0047] In further alternative or additional embodiments, where the second component 6 is or comprises a coating, this coating may comprise constituents selected from one or more oxides, one or more fluorides, one or more nitrides, one or more sulfides, one or more selenides, one or more metals, and combinations thereof. Oxides according to the present invention are preferably selected from silicon oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, titanium oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, praseodymium oxide, scandium oxide, tin oxide, chromium oxide, indium oxide and combinations of two or more thereof. In some embodiments, layers of the coating comprise mixed oxides.

[0048] Fluorides as constituents of layers of the coating are preferably selected from aluminum fluoride, magnesium fluoride, neodymium fluoride, lanthanum fluoride, yttrium fluoride, gadolinium fluoride, ytterbium fluoride and combinations of two or more thereof.

[0049] Layers of the second component 6 containing nitrides are preferably selected from aluminum nitride, silicon nitride and combinations thereof. Layers of the second component 6 containing sulphides and / or selenides may contain zinc sulphide and / or zinc selenide. Metals as layer constituents may be selected from aluminum, silver, gold, chromium, nickel and combinations thereof. Optionally, the combination of two or more metals is an alloy. Preferably, a metallic layer has a thickness of not more than 10 nm to ensure sufficient transparency.

[0050] Typically, the dimension of these one or more second components 6, independent from whether the second component 6 is a coating or a separate part bonded to two adjacent first components 5 may in one direction be larger than the thickness of the light guide. For example, in Fig. 2, the second component 6 has a length (in the vertical direction in the view of Fig. 2) which is considerably larger than the thickness of the light guide 1. On the other hand, its dimension along the side face 10 vertically to this direction is smaller than the dimension of adjacent components 5. Thus, generally and without restriction to the specific example, the second component 6 may be strip shaped. The length of the second component 6 preferably is at least 3 times, more preferably at least 5 times, or even at least 10 times larger than the thickness of the light guide 1 or, respectively, the blank 2.

[0051] In the embodiment of Fig. 2, the second component 6 is a part bonded to the adjacent components which may be cut from a plate and thus forms a separable element of the blank 2 or light guide 1. However, in another embodiment, the second component 6 can also be a coating on a first component 5. If a multitude of coated first components 5 are stacked and bonded together, a configuration as shown in Fig. 5 is obtained. In particular, if the first components 5 have similar dimensions, a periodic sequence of first and second components 5, 6, with the second components 6 being formed as coatings on the first components 5 is obtained. Generally, as also in the examples of Fig. 2 and Fig. 5, the width of the second component 6 and thus also its surface section on the side faces 10, 11 is smaller than the width of the adjacent first  components 5. In particular, the width of the second component 6 measured normal to the interfaces between the second component 6 and the adjacent first components 5 is preferably less than 0.5 times, more preferably less than 0.1 times, more preferably less than 0.05 times, or even less than 0.03 times the width of one of the adjacent first components.

[0052] In one preferred embodiment, the second component 6 has a width of less than 40 μm. For example the second component 6 is a retarder to change the polarization state of the transmitted light rays. For example, a second component 6 being a quartz plate with a thickness of less than 40 μm can be a suitable retarder in form of a half wave plate. More generally, the second component 6 may be a plate of a birefringent material with a thickness in the range from 20 μm to 40 μm.

[0053] Generally, a configuration with a relatively narrow second component 6 surrounded by relatively broader first components 5 that are softer in terms of the abrasion resistance can result in a wedge feature in the vicinity of the second component 6.The effect of such a wedge in the thickness profile as illustrated in Fig. 4 results in a lateral shift of the exit positions of the guided light rays, resulting in a flare-like uniaxial diversion of a projected point. Fig. 6 shows a photograph of a point like image guided through the light guide and projected to a camera. As is evident from this image, the point image projected to a camera has flares 13 extending along a line through the point. Although the intensity of the flares 13 rapidly decreases with increasing distance to the projected feature, this aberration may be disturbing for a user and also reduces image sharpness and contrast.

[0054] The method according to this disclosure aims to avoid the formation of local wedges in the thickness distribution in order to reduce this flare effect. This can be achieved by improving the polishing process or via process control by means of an additional local reduction of the second component 6 having a lower polishing rate. Further, the machining process should be cost efficient to allow for mass fabrication of products, e.g., in the consumer electronics market.

[0055] The respective removal rates of the different components are decisive for the polishing of the blank 2 as composite material. If the abrasion resistance of the one or more second components 6 is less than or equal to the abrasion resistance of the fist component 5, a good uniformity of the thickness distributions of the light guide can be  achieved directly by a polishing process optimized for the first components 5. This holds in particular if the width of the surface of the second component 6 forming a section of a side face 10, 11 is smaller than the width of the surface of one or more adjacent first components 5. In this case, only a small deviation in the thickness profile in the form of a slight indentation in the surfaces results, which only insignificantly influences the beam pattern of the light guide. To illustrate this, Fig. 7 shows a schematic cross section of the finished light guide 1 where the second component 6 has a lower abrasion resistance compared to the first components 5, resulting in indented surface sections 50 of the second component 6.

[0056] Fig. 8 schematically shows the opposite case where both adjacent first components 5 have a lower abrasion resistance than a second component 6. In this case, vice versa, the surfaces sections 50 of the second component 6 are protruding instead of being indented. However, this case as shown is idealized as an abrasive process such as polishing usually does not create discontinuities or steps. Slight discontinuities of the surface of the side faces 10, 11 may eventually be achieved by a significantly different chemical attack to the surfaces of components 5, 6 by the polishing slurry.

[0057] Fig. 9 shows a light guide blank 2 or light guide 1 at the end of the polishing procedure using a polishing pad 15 to finish the side faces 10, 11. Polishing pads have a certain elasticity and can therefore adapt to the surface. This way, the polishing process forms a continuous surface without steps between the components 5, 6. Rather, as shown, the different abrasion resistances result in a wedge feature, wherein the thickness of the blank 2 or light guide 1 continuously increases at the first components 5 towards the interface to the second component 6. Accordingly, this thickness profile is characterized by two opposing local wedge angles (wedges) , which influence the beam path as illustrated with the two light rays 12. For example, a light ray 12 that is reflected before transmitting the second component 6 is reflected with a smaller angle to the side face 10 than a further light ray 12 reflected after transmission through the second component 6. Accordingly, the two light rays 12 therefore no longer run parallel. The disturbances of the light propagation caused by these local wedge errors lead to the observed flare effects in the direction of propagation of the light. Perpendicular to this, no significant wedge errors occur, so that the light rays and therefore also the projected image information does not diverge in this direction. If there is an additional different  chemical interaction of the materials, a projection of the second component 6 above the surfaces of the adjacent first components 5 as shown in Fig. 10 may occur. In the embodiment of Fig 10, the surface sections 50 of the second component 6 project from the sides faces 10, 11. Typically, the surface sections 50 are rounded due to the polishing process. However, as can be seen from the paths of the light rays 12, this has only minor influence on the flare effect if the second component 6 has a small width compared to the adjacent first components 5.

[0058] In the following, sequences of method steps for carrying out the method according to this disclosure are presented. In one embodiment, the selective etching includes moving a focused ion beam along the surface of the second component 6. Further, the examples of Figs. 11, 12 are based on an embodiment wherein the selective etching includes ion beam etching using a focused ion beam.

[0059] Specifically, Fig. 11 shows a light guide blank 2 which is subjected to a selective etching using a focused ion beam 31 emitted from an ion gun 30. The ion beam 31 is directed onto and guided along the surface section 50 of the second component 6, which is vertically to the image plane of the depicted example. With the help of the ion beam 31, this way, material is selectively removed from the second component 6 so that the surface 50 is recessed with respect to the surface sections of the first components 5. Fig 11 shows the blank 2 with both side faces 10, 11 being treated this way, so that the surface section 50 of the second component 6 is recessed on both sides.

[0060] Subsequently, as shown in Fig. 12, the blank 2 is grinded and / or polished, e.g. using a polishing pad 15. As the surface section 50 of the second component 6 is recessed with respect to the surfaces of the adjacent first components 5, the side face 10 can be leveled and smoothed without producing a wedge feature on the first components with a thickness increasing in direction towards the second component 6. A small wedge, however, may occur with a thickness decreasing in this direction towards the second component since the polishing pad at the beginning of the polishing has no or less contact to the recessed surface section 50. However, this surface distortion is similar to that as shown in Fig. 7 and thus does not affect the optical paths considerably. This sequence of steps is also an example of an embodiment, wherein the selective etching step is carried out before a final polishing step. A light guide 1 is obtained after polishing the opposite side face 11.

[0061] Generally, as is also evident from the above example, the method is not restricted to a particular sequence of polishing and etching steps. A polishing step may precede or succeed a selective etching step and there may be more than one selective etching step and / or polishing step. Following options are preferred:

[0062] (a) the blank 2 is polished prior to selective etching, optionally followed by a fine polishing, wherein the polishing step prior to selective etching may also include at least one of lapping or grinding;

[0063] (b) the blank 2 is selectively etched without prior polishing, and is polished subsequently, in particularly fine polished if the surface quality after etching is sufficient;

[0064] (c) the blank 2 is selectively etched, in particular without prior polishing, following an abrasive treatment including at least two polishing steps, wherein a first polishing step is a coarse polishing and a second polishing step is a fine polishing.

[0065] The method of using a focused or collimated ion beam which is scanned along sections of the side faces 10, 11 to locally remove material from the side faces 10, 11 may also referred to as ion beam trimming. This method may also be applied after an abrasive treatment to remove or flatten a wedge in the thickness profile. Thus, according to a further alternative or additional embodiment, at least one of the side faces 10, 11 is abrasively treated, wherein due to the different abrasion resistances of the first and second component 5, 6 a thickness profile is produced wherein the thickness is increasing in a direction from the first component 5 towards the second component 6 and wherein the abrasively treated side face 10, 11 is subsequently scanned with a focused ion beam 31 so that the thickness profile is at least partially flattened, i.e., so that the increase in thickness towards the second component 6 is at least partially removed. The ion beam 31 may be formed with ions having no substantial reactivity with the materials of the first and second components 5, 6. For example, the materials of the components 5, 6 may be removed with a beam of noble gasses such as Argon or Neon ions. Alternatively or additionally, the ion beam 31 may contain ions of a reactive species such as Iodine ions to increase the removal rate. This technique is also referred to as reactive ion beam etching (RIBE) . In another variant, a molecular beam 34 of a reactive species such as Iodine is emitted from a molecular beam source 35 and directed towards the side face 10 to be treated. As in the other embodiments described with  reference to Fig. 11, the ion beam 31 locally removes material from the incidence spot on the surface. Additionally, the ion beam 31 activates the reactive species, particularly by ionization. The reactive species then further increases the removal speed. This technique is also referred to as chemically assisted ion beam etching (CAIBE) . Ion beam etching (IBE) or ion milling may also carried out using an unfocused ion beam, particularly if the etching rates are sufficiently different.

[0066] A surface profile of the blank 2 as shown in Fig. 11 can also be achieved with an etching process that is not localized, e.g., by an ion beam 31 as in the previously discussed examples. Generally, in one embodiment, a lowering of the surface section 50 of second component 6 with respect to the adjacent surface sections of the first components 5 is achieved if the etching rate of the material of the second component 6 is higher compared to the etching rate of the adjacent first component 5. In other words, selective etching according to this embodiment comprises using an etching medium having a higher etching rate to the material of the second component 6 compared to the etching rate of the material of the adjacent first component 5. This embodiment can be carried out with an unfocused ion beam, a plasma, a reactive gas or also by wet etching. Further, this embodiment can also be combined with the other selective etching methods as described herein. For example, reactive ions which have higher etching rates at the second component 6 compared to the first components may be used for the above described RIBE and CAIBE methods. As well, a two-step etching with different selective etching methods may be employed. Generally, suitable reactive gases for selective dry etching, RIBE or CAIBE may include CF4 and / or SF6 as constituents. Thus, independent from the specific selective etching method employed, the selective etching may advantageously comprise subjecting a side face 10, 11 of the light guide blank 2 to a gas comprising at least one of the constituents CF4 and SF6. In the gas the constituents may in particular be ionized.

[0067] Fig. 13 shows a light guide blank 2 during an ion beam trimming procedure. The blank 2 has a local wedge 16 of its thickness profile in the vicinity of the second component 6. The ion beam 31 is scanned over the side face 10 within a sweep range 32 within which the wedge feature is present. The dwell time can be adjusted so that the removal of material compensates the wedge shaped deviation from a uniform thickness profile. To determine the dwell time, it is advantageous to measure the thickness profile  or the surface topography. For this purpose, a suitable sensor, for example an optical sensor 18 may be used. Fig. 13 shows an optical sensor 18 scanning and measuring the surface topography of side face 11. For example, the topography of the respective side face 10, 11 may be measured using optical interference signals such as white light fringes. Based on the surface profile, a dwell time map may be calculated, containing the dwell times for the ion beam to flatten the surface, or, respectively, to remove the wedge 16. Accordingly, in a refinement of this embodiment and without restriction to the shown examples, the method may advantageously comprise the steps of measuring the surface profile of at least a section of one of the side faces 10, 11, calculating position dependent dwell times for the ion beam 31 and scanning the ion beam 31 over the side face 10, 11 so that the ion beam 31 locally removes material from the side face 10, 11 with a dwell time as calculated to flatten the surface profile.

[0068] According to a further variant of the method, it is also possible to flatten the wedge like thickness profile at least partly using mechanical grinding or polishing. In the example of Figs. 11, 12, the surface section 50 of the second component is lowered prior to the one or more mechanical abrasion steps. This way, the reflective light guide blank 2 has a uniform thickness profile along the first components 5 at the beginning of the abrasion process and the parallelism of the side faces is largely maintained as the second component with its higher abrasion resistance does not interfere with the abrasion of the first components 5. However, it may be advantageous to start the finishing of the light guide blank 2 with a mechanical grinding or polishing step. This way, however, as described above, a wedge feature in the thickness profile is produced. In an alternative or additional to the embodiment of Fig. 13, this wedge 16 may also be flattened by a further mechanical grinding or polishing step. Fig. 14 shows a light guide blank with a wedge feature in its thickness profile after a selective etching and during an abrasive treatment. The previous abrasive treatment produced a wedge 16 in the thickness profile. In a subsequent selective etching step, the surface section 50 of the second component 6 has been lowered. As in the embodiment of Fig. 11, this produces a shallow trench with a bottom formed by the surface section 50 of the second component 6. As shown, the finishing of the side faces 10, 11 is continued with a further abrasive treatment, in particular grinding or polishing. As the wedge 16 protrudes from the side faces 10, 11 and as the abrasive process is no longer hindered by  the second component 6, the wedge 16 will be at least partly removed. Thus, this example is based on a general embodiment of the method in which at least one of the side faces 10, 11 of the reflective light guide blank 2 is abrasively treated so that due to the different abrasion resistances of the first and second components 5, 6 an increase in thickness along a surface direction from the first component 5 towards the adjacent second component 6, i.e. a wedge 16, is produced, and wherein the surface section 50 of the second component 6 is lowered compared to the adjacent first component 5 by the selective etching, and wherein the increase in thickness is at least partly flattened or removed by a subsequent further abrasive treatment.

[0069] As the method according to this disclosure provides a correction for geometric distortions such as wedge features, there is no need to use stiff polishing pads or other measures to maintain a flat thickness profile. Thus, the polishing process can be selected with predominant attention to the optimum surface quality to achieve high optical performance of the finished reflective light guide 1.

[0070] The abrasive treatment of the reflective light guide blank 2 may include a grinding and / or lapping step. In particular, grinding and / or lapping of the side faces 10, 11 may be a first step in a multi-step abrasive treatment. In a preferred embodiment, a thickness in a range from 50 μm to 400 μm, preferably from 80 to 300 μm, preferably from 100 to 300 μm of surface material is removed by the lapping or grinding step. Lapping is preferably carried out at a pressure of 50 N to 1500 N, preferably 100 N to 500 N. In advantageous embodiments, lapping or grinding is carried out with a rotational speed of the lapping or grinding pad in a range from 5 to 20 rpm, preferably from 5 to 15 rpm, wherein the pad may comprise resin-bonded diamond. Further, preferably, lapping or grinding is performed with a coolant concentration of 10 vol%to 20 vol%.

[0071] According to one preferred embodiment, the abrasive treatment of the reflective light guide blank 2 comprises polishing at least one of the side faces 10, 11 with at least one of the following parameters:

[0072] -a surface removal of 30 μm to 60 μm, preferably from 40 μm to 60 μm,

[0073] -a pressure of 50 to 1500 N, preferably from 100 N to 500 N,

[0074] -a rotational speed of 5 to 20 rpm, preferably from 5 to 15 rpm,

[0075] -a slurry density of 1.02 to 1.1 g / cm3, preferably from 1.04 g / cm3 to 1.07 g / cm3,

[0076] -a slurry comprising CeO2 particles as abrasive.

[0077] Preferably, polishing may be carried out after a grinding or lapping step which can also be regarded as coarser polishing steps. In some embodiments, grinding or lapping may also be omitted and the surface finishing may start with a polishing step.

[0078] In the following, examples are presented based on an embodiment in which a light guide blank 2, e.g., for forming an eyepiece is polished prior to selective etching. A multitude of polished waveguide blanks was examined. Using confocal microscopy, surface profiles were measured to determine the bump height of a second component 6 protruding from the surface of adjacent first components 6, i.e., similarly as shown in Fig. 8. Dry selective etching was carried out using a gas composition comprising Ar, CF4, C4F8 and CHF3. The etching time was in a range from about 40 s to about 200 s, depending.

[0079] Specifically, the surface profiles have been measured at a quartz plate forming a retarder or half wave plate, respectively, as the second component 6. The quartz plate as the second component 6 is sandwiched between two multicomponent glass elements as adjacent first components 5.

[0080] The bump height, i.e. the height of the protrusion of the second component 6 in relation to the surface of an adjacent first component 5 was measured before and after etching at several locations and an average value of the bump height with respect to the surface level of the adjacent first components 5 was calculated. The following table lists the values of the bump heights before and after etching for four samples:

[0081] Evidently, but without restriction to the above examples, the bump height can be reduced by at least a factor of 2 and / or by at least 100 nm. Preferably, as it is also the  case for examples 1 and 2, the bump height can be reduced by at least a factor 4. Accordingly, in one embodiment of the method, a light guide blank 2 is polished, wherein the polishing results in a protrusion of the surface section 60 of the second component 6 with respect to the surface level of an adjacent first component 5, wherein the light guide blank 2 is selectively etched after the polishing, reducing the height of the protrusion by at least a factor of 2 and / or by at least 100 nm. Fig. 15 shows surface profiles measured on the surface of sample 2 at an area of a side face including the surface section 60 of the second component 6 and sections of adjacent first components 5.Surface profile (a) was measured at the polished sample before etching and surface profile (b) was measured after etching. As can be seen from surface profile (a) , the second component 6 extends approximately from 45 μm to about 75 μm on the scale of the x. axis. Clearly, in this case, the second component forms a plateau-like protrusion with respect to the surfaces of the adjacent first components. The surface of the first component on the right side also exhibits a wedge feature as schematically shown, e.g., in Fig. 9 and Fig. 10. To determine the bump height, subsequent height values along a range were averaged. These average values were determined for a range within the surface section of the second component 6 and on the first components 5 beside the second component 6. The respective ranges are marked with crosshatch filled rectangles in both surface profiles. The values corresponding to the above table are then obtained by calculating the average between the bump heights with respect to the average surface levels on the left and right side beside the second component 6.

[0082] As is evident from the surface profile (b) , the height difference between the second component and the first components is strongly reduced, in accordance also with the values of the above table. Some height variations remain at the interfaces between the components. However, these variations can be flattened in an optional further polishing step.

[0083] List of reference signs

Claims

1.A method of finishing a reflective light guide (1) , wherein a reflective light guide blank (2) is provided, the blank (2) having two opposed and parallel side faces (10, 11) and comprising a multitude of transparent components (4, 5, 6) so that opposed surfaces of the components (4, 5, 6) form sections of the side faces (10, 11) of the reflective light guide blank (2) , wherein at least two adjacent components (5, 6) differ in their abrasion resistance against mechanical grinding or polishing, so that a first component (5) has a lower abrasion resistance than a second component (6) adjacent to and connected to the first component (5) and wherein the side faces (10, 11) are abrasively treated, the abrasive treatment including at least one polishing step, and wherein a selective etching is applied to the side faces (10, 11) , whereby compared to the second component (6) more material is removed from the surface of the first component (6) , whereby the material removal by the selective etching process at least partly compensates the different abrasion resistances of the components (5, 6) to produce parallel side faces (5, 6) and a constant thickness of the light guide (1) obtained after polishing the blank (2) .2.The method according to the preceding claim, wherein the selective etching step is carried out before a final polishing step.3.The method according to one of the preceding claims, characterized by a sequence of polishing and selective etching steps according to one of the following options:(a) the light guide blank (2) is polished prior to selective etching, optionally followed by a fine polishing;(b) the light guide blank (2) is selectively etched without prior polishing, and is polished subsequently, in particularly fine polished if the surface quality after etching is sufficient;(c) the light guide blank (2) is selectively etched, in particular without prior polishing, following an abrasive treatment including at least two polishing steps, wherein a first polishing step is a coarse polishing and a second polishing step is a fine polishing.4.The method according to one of the preceding claims, wherein the light guide blank (2) is polished, the polishing producing a protrusion of the surface section (60) of the second component (6) with respect to the surface level of an adjacent first component (5) , wherein the light guide blank (2) is selectively etched after the polishing, reducing the height of the protrusion by at least a factor of 2 or by at least 100 nm.5.The method according to one of the preceding claims, wherein at the begin of the finishing, the surfaces of the first and second component (5, 6) are at the same level and form a straight plane.6.The method according to one of the preceding claims, wherein providing the blank (2) comprises sawing a slice from a block (20) of connected transparent elements (22) , the slice forming the blank (2) .7.The method according to one of the preceding claims, wherein the selective etching step comprises at least one of the following etching methods:- ion beam etching using a focused ion beam,- ion beam milling using an unfocused ion beam,- reactive ion beam etching,- chemically assisted ion beam etching,- wet etching.8.The method according to one of the preceding claims, wherein the selective etching includes moving a focused ion beam along the surface of the second  component (6) .9.The method according to the preceding claim, wherein at least one of the side faces (10, 11) is abrasively treated, wherein due to the different abrasion resistances of the first and second component (5, 6) a thickness profile is produced wherein the thickness is increasing in a direction from the first component (5) towards the second component (6) and wherein the abrasively treated side face (10, 11) is subsequently scanned with a focused ion beam (31) so that the thickness profile is at least partially flattened, so that the increase in thickness towards the second component (6) is at least partially removed.10.The method according to one of the two preceding claims, comprising the steps of measuring the surface profile of at least a section of one of the side faces (10, 11) , calculating position dependent dwell times for the ion beam (31) and scanning the ion beam (31) over the side face (10, 11) so that the ion beam (31) locally removes material from the side face (10, 11) with a dwell time as calculated to flatten the surface profile.11.The method according to one of the preceding claims, wherein selective etching comprises using an etching medium having a higher etching rate to the material of the second component (6) compared to the etching rate of the material of the adjacent first component (5) .12.The method according to one of the preceding claims, wherein selective etching comprises subjecting a side face (10, 11) of the light guide blank (2) to a gas comprising at least one of the constituents CF4 and SF6.13.The method according to one of the preceding claims, in which at least one of the side faces (10, 11) of the reflective light guide blank (2) is abrasively treated so that due to the different abrasion resistances of the first and second components (5, 6) an increase in thickness along a surface direction from the  first component (5) towards the adjacent second component (6) is produced, and wherein the surface section (50) of the second component (6) is lowered compared to the adjacent first component (5) by the selective etching, and wherein the increase in thickness is at least partly flattened or removed by a subsequent further abrasive treatment.14.The method according to one of the preceding claims, in which the abrasive treatment of the reflective light guide blank (2) comprises a grinding or lapping step with at least one of the following features:- surface material with a thickness in the range from 50 μm to 400 μm, preferably from 80 to 300 μm, preferably from 100 to 300 μm of surface material is removed by the grinding or lapping step.- lapping is carried out at a pressure of 50 N to 1500 N, preferably 100 N to 500 N,- lapping or grinding is carried out with a rotational speed of a lapping or grinding pad in a range from 5 to 20 rpm, preferably from 5 to 15 rpm, wherein the pad preferably comprises resin-bonded diamond.- lapping or grinding is performed with a coolant concentration of 10 vol%to 20 vol%,- a slurry comprising CeO2 particles as abrasive.15.The method according to one of the preceding claims, in which the abrasive treatment of the reflective light guide blank (2) comprises polishing at least one of the side faces (10, 11) with at least one of the following parameters:- a surface removal of 30 μm to 60 μm, preferably from 40 μm to 60 μm,- a pressure of 50 to 1500 N, preferably from 100 N to 500 N,- a rotational speed of 5 to 20 rpm, preferably from 5 to 15 rpm,- a slurry density of 1.02 to 1.1 g / cm3, preferably from 1.04 g / cm3 to 1.07 g / cm3.16.A reflective light guide (1) comprising two opposed and parallel polished side faces (10, 11) and a multitude of transparent components (4, 5, 6) so that  opposed surfaces of the components form sections of the side faces (10, 11) of the reflective light guide (1) , wherein at least two adjacent components (5, 6) differ in their abrasion resistance against mechanical grinding or polishing, wherein a first component (5) has a lower abrasion resistance than a second component (6) adjacent to and connected to the first component (5) , and wherein a thickness variation of the reflective light guide (1) with an increase in thickness, if any, along a surface direction from the first component (5) towards the adjacent second component (6) is less than 10 μm.17.The reflective light guide (1) according to the preceding claim, characterized by at least one of the following features:- the width of the surface of the second component (6) forming a section of a side face (10, 11) is smaller than the width of the surface of one or more adjacent first components (5) ,- the length of the second component (6) is at least 3 times, preferably at least 5 times, or even at least 10 times larger than the thickness of the blank (2) ,- the width of the second component (6) measured normal to the interfaces between the second component (6) and adjacent first components (5) is less than 0.5 times, preferably less than 0.1 times, more preferably less than 0.05 times the width of one of the adjacent first components (5) ,- the second component (6) has a width of less than 40 μm.18.The reflective light guide (1) according to one of the two preceding claims, characterized by at least one of the following features:- the second component (6) has a crystalline structure, in particular a birefringent crystalline structure,- the second component (6) forms a half wave plate, in particular, in the form of a quartz plate,- the first component (5) is a multicomponent glass,- the second component is a coating on a first component (5) ,- the blank (2) comprises a periodic sequence of first and second components (5, 6) .19.The reflective light guide (1) according to one of the two preceding claims, having at least one of the following features;- a thickness in a range from 0.2 mm to 2 mm, preferably from 0.3 mm to 1.8 mm, more preferably from 0.4 mm to 1.7 mm, particularly preferable from 0.5 mm to 1.5 mm,- the maximum lateral dimension is in a range from 10 mm to 300 mm, preferably from 20 mm to 150 mm, more preferably from 30 mm to 100 mm.

Images