專利名稱：與掃描波束圖像源一起使用的基板引導(dǎo)型中繼器的制作方法
與掃描波束圖像源一起使用的基板引導(dǎo)型中繼器
背景技術(shù)：
頭戴型和其他小型顯示系統(tǒng)，例如平視顯示器(HUD)、膝上型電腦、監(jiān)視器、和其他 系統(tǒng)經(jīng)常依靠將圖像覆蓋在透明光學(xué)元件上的光學(xué)裝置。例如，系統(tǒng)可以通過透明透鏡在 使用者眼睛前方顯示圖像，以使得使用者在觀看周圍的物體的同時(shí)觀看顯示的圖像。這些 顯示系統(tǒng)的一些可以利用具有輸入耦合器、傳輸基板、和輸出耦合器這三個(gè)主要部件的基 板引導(dǎo)型中繼器(substrate-guided relay)。光波束或其他電磁波經(jīng)由輸入耦合器進(jìn)入中 繼器并且由于所施加的涂敷層或全內(nèi)反射而保持限制在中繼器內(nèi)。波束在基板內(nèi)被引導(dǎo)至 輸出耦合器，并且波束經(jīng)由輸出耦合器從中繼器射出。 多種技術(shù)可以被用來將光插入到基板引導(dǎo)型中繼器中。目前的一些系統(tǒng)使用衍射 準(zhǔn)直(其中LCD面板將光傳輸?shù)綄⒐獠迦氲街欣^器中的全息元件)和/或折射準(zhǔn)直(其中 透鏡將LCD產(chǎn)生的光插入到中繼器中)。然而，這些系統(tǒng)需要增加大小以擴(kuò)展視場或用于出 射光瞳擴(kuò)展。因此當(dāng)期望寬視場時(shí)，依靠這些技術(shù)的顯示系統(tǒng)大并且重。
多種技術(shù)可以被用來將光耦合到基板引導(dǎo)型中繼器外。目前的一些中繼器采用將 鏡嵌入在基板中的傳輸基板，來耦合來自基板的光。雖然依靠該構(gòu)造的中繼器可提供理想 的形狀因子(form factor)，但是中繼器需要很多反射器，每個(gè)反射器都具有不同的精確反 射特性，這在中繼器內(nèi)的圖像和通過中繼器看到的圖像中產(chǎn)生了不連續(xù)。該中繼器經(jīng)常沒 有有效地將光耦合到基板外。 現(xiàn)有的基板引導(dǎo)型中繼器的缺點(diǎn)在于，它們與光源技術(shù)中的最近的進(jìn)步不是兼容 的。例如，當(dāng)與掃描波束光源一起被使用以創(chuàng)建圖像時(shí)，諸如使用基于MEMS的掃描鏡來跨 過兩個(gè)軸地掃描波束以創(chuàng)建圖像的系統(tǒng)，目前的基板引導(dǎo)型中繼器不是最佳的。掃描波束 光源產(chǎn)生較窄的輸入波束，并且目前的中繼器具有不良的效率，不能生成足夠的復(fù)制以產(chǎn) 生均勻的圖像或用于較小的基于掃描波束的圖像的光瞳。當(dāng)利用目前的中繼器擴(kuò)展視場或 光瞳時(shí)，出現(xiàn)了其他問題，使中繼器難以制造和生產(chǎn)。 當(dāng)針對(duì)掃描波束光源調(diào)整目前的基板引導(dǎo)型中繼器時(shí)，存在這些和其他問題。


圖1A是示出具有成角度的輸入耦合器和單獨(dú)的輸出耦合器的基板引導(dǎo)型中繼器 的頂部橫截面視圖； 圖IB是示出具有成角度的輸入耦合器和單獨(dú)的輸出耦合器的基板引導(dǎo)型中繼器 的后視圖； 圖1C是示出具有成角度的輸入耦合器和單獨(dú)的輸出耦合器的基板引導(dǎo)型中繼器 的立體視圖； 圖ID是示出在圖1C的中繼器內(nèi)的光線存在的立體視圖； 圖1E是示出適合在眼睛佩戴物中使用的圖IA的基板引導(dǎo)型中繼器的頂部橫截面 視圖； 圖2A是組合輸出耦合器/中間基板的頂部橫截面視 圖2B是組合輸出耦合器/中間基板的頂部橫截面視圖，在組合的界面具有變化的 反射層； 圖2C和2D是組合輸出耦合器和中間基板的頂部橫截面視圖和側(cè)橫截面視圖，其 中輸出耦合器被安裝在相對(duì)表面上； 圖2E和2F是組合輸入耦合器和中間基板的側(cè)橫截面視圖和頂部橫截面視圖，其 中輸入耦合器相對(duì)于中間基板以45度的角度被安裝； 圖2G和2H是組合輸入耦合器、中間基板、輸出耦合器和交叉耦合器的側(cè)橫截面視 圖和頂部橫截面視圖； 圖3A是組合輸出耦合器/具有內(nèi)均化層的中間基板的頂部橫截面視圖；
圖3B是組合輸出耦合器/具有外均化層的中間基板的頂部橫截面視圖；
圖3C是組合輸出耦合器/具有分離的均化部件的中間基板的頂部橫截面視圖；
圖4A是組合輸出耦合器/具有分離的均化部件和部分反射層的中間基板的頂部 橫截面視圖； 圖4B是包括兩個(gè)均化層的中間基板的頂部橫截面視圖； 圖5A是具有成角度的界面表面的輸入耦合器的頂部橫截面視圖； 圖5B是與中間基板接近的輸入耦合器的頂部橫截面視圖； 圖6A是具有成角度的界面表面和外均化層的輸入耦合器的頂部橫截面視圖；
圖6B是具有成角度的界面表面和內(nèi)均化層的輸入耦合器的頂部橫截面視圖；
圖7A是在一些實(shí)施例中的中繼器的分解圖；
圖7B是在一些實(shí)施例中的中繼器的分解圖； 圖8是用于將光耦合到基板引導(dǎo)型中繼器中的部件的頂部橫截面視圖；
圖9描述了被用來將光耦合到基板引導(dǎo)型中繼器中的反射器的橫截面視圖；
圖10描述了并入基板引導(dǎo)型中繼器的眼鏡的立體視圖。
具體實(shí)施例方式
公開了在光學(xué)顯示系統(tǒng)中采用光引導(dǎo)基板以將來自源的圖像中繼到觀看者的多 種基板引導(dǎo)型中繼器?；逡龑?dǎo)型中繼器由輸入耦合器、中間基板、和輸出耦合器組成。在 一些實(shí)施例中，輸出耦合器被形成在耦合到中間基板的單獨(dú)的基板中。輸出耦合器可以被 安置于中間基板的前面或后面，并且可以采用兩個(gè)或更多個(gè)部分反射表面以將光耦合到耦 合器和/或從耦合器耦合。在一些實(shí)施例中，輸入耦合器以如下所述的方式被耦合到中間 基板，即，輸入耦合器的光軸以非垂直的角度與中間基板的光軸相交。在一些實(shí)施例中，輸 入耦合器以如下所述的方式被耦合到中間基板，即，輸入耦合器的光軸以垂直或基本上垂 直的角度與中間基板的光軸相交。具有公開的構(gòu)造的中繼器可以被優(yōu)化，從而為從掃描波 束光源，例如激光器，形成的圖像提供大的視場。相似地，具有公開的構(gòu)造的中繼器可以被 優(yōu)化，從而為從其他光源，例如非掃描波束光源，形成的圖像提供大的視場。中繼器還可以 基于觀看者的瞳孔位置(例如，在產(chǎn)生的視場內(nèi)的瞳孔的位置)、瞳孔尺寸、瞳孔均勻性(例 如，將均勻的圖像提供給整個(gè)瞳孔)而被優(yōu)化，并且可以被修改以實(shí)現(xiàn)期望的圖像亮度、看 穿均勻性(seethrough uniformity)、看穿亮度(see through brightness)、禾P制造的簡 單。
這里公開的中繼器構(gòu)造提供了小型形狀因子，其可以被并入薄并且重量輕的、在 期望的視場上產(chǎn)生圖像的裝置中。該中繼器可以被并入頭戴型和其他小型顯示器，例如平 視顯示器(HUD)。例如，眼鏡和其他頭戴型光學(xué)裝置可以將這里描述的中繼器并入。這些頭 戴型裝置可以是透明的或非透明的(例如，有色的或帶色彩的)，實(shí)現(xiàn)了這里描述的相似優(yōu) 點(diǎn)。其他裝置，例如移動(dòng)通信裝置和其他小型裝置也可以采用該中繼器。
現(xiàn)在將描述多種示例的中繼器。為了完全理解和描述這些示例，下面的描述提供 了具體的細(xì)節(jié)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在沒有許多這些具體細(xì)節(jié)的情況下可以實(shí)踐 該技術(shù)。另外，一些公知的結(jié)構(gòu)或功能可不被具體地示出或描述，以避免不必要地使各種示 例的相關(guān)描述不清楚。 在下述的描述中使用的術(shù)語將以其最寬廣并且合理的方式被解釋，即使與該技術(shù) 的特定具體示例的詳細(xì)描述結(jié)合地被使用。在下面特定的術(shù)語甚至可以被強(qiáng)調(diào)；然而，將以 任何限制的方式被解釋的任何術(shù)語將如在該具體實(shí)施方式
部分中那樣被公開地和具體地 定義?？椆?頓 圖1A是示出具有耦合到中間基板120的成角度的輸入耦合器110和單獨(dú)的輸出 耦合器130的基板引導(dǎo)型中繼器的頂部橫截面視圖。輸入耦合器110接收來自光源(未示 出)的光，例如激光器或其他掃描波束光源、LCD、LED、DLP等。例如，光可以具有來自在角 度空間(angle space)中產(chǎn)生圖像的光源的被成角度編碼的圖像的形式。輸入耦合器將光 傳送到中間基板120，該中間基板120是能夠?qū)⒐鈴妮斎腭詈掀鱾魉偷捷敵鲴詈掀鞯钠桨?波導(dǎo)或其他光學(xué)基板。如這里將在其他細(xì)節(jié)中描述的，輸入耦合器iio可以以一角度與中 間基板120接觸，并且可在將光傳送到中間基板之前使接收到的光均化。中間基板120將 從輸入耦合器110接收的光傳送到輸出耦合器130。中間基板120也可以均化任何接收到 的光，進(jìn)一步創(chuàng)建接收到的光的另外光線。輸出耦合器130接收來自中間基板的光并且使 觀看者(未示出)能夠觀看到顯示的圖像。在一些情形中，輸出耦合器經(jīng)由嵌入的部分反 射部件132，例如部分反射鏡，將光耦合出去。關(guān)于輸出耦合器130的進(jìn)一步細(xì)節(jié)在這里被 描述。 圖1B是圖1A的基板引導(dǎo)型中繼器的后視圖。輸出耦合器130在中間基板120的 后表面被耦合到中間基板120?？缰虚g基板120的長度而耦合到該中間基板的輸入耦合器 IIO可以將光引入到該中間基板中，該中間基板接著將光傳送到輸出耦合器130并且經(jīng)由 在輸出耦合器內(nèi)的部分反射部件132將光傳送到中繼器100外。 圖1C是示出具有成角度的輸入耦合器和單獨(dú)的輸出耦合器的基板引導(dǎo)型中繼器 的立體視圖。光經(jīng)由輸入部件140，例如MEMS掃描鏡、反射板、LCD或能夠?qū)?zhǔn)直光束傳送 到輸入耦合器110的其他部件，被插入到輸入耦合器110中。輸入耦合器將光束傳送到中 間基板120。在可為平板波導(dǎo)的中間基板120中，光在經(jīng)由輸出耦合器130被耦合到中繼器 外之前被可選地均化。在圖1B中，輸出耦合器位于中間基板的接近觀看者的面，然而，輸出 耦合器可位于中間基板的遠(yuǎn)離觀看者的面，如在其他圖中所示。在輸出耦合器遠(yuǎn)離觀看者 的實(shí)施例中，中繼器可包含以不同角度設(shè)置的反射部件132，或可包含比在這里描述的其他 構(gòu)造少的反射部件132。 圖1D是示出在圖1C的中繼器內(nèi)的光波存在和在中繼器內(nèi)的均化器的影響的立體 視圖。為了示例的目的，輸入部件140被描述為將單一光束150插入到中繼器100的輸入耦合器110中。在該示例中，輸入耦合器均化光，從單一光束創(chuàng)建另外的光束152。例如， 從插入到輸入耦合器中的單一波束可以創(chuàng)建多于100， 000個(gè)波束。光束經(jīng)由中間基板120 傳播到輸出耦合器130，并且被傳送到輸出耦合器130外朝向觀看者。輸入耦合器110、中 間基板120、或兩者可以均化在中繼器100內(nèi)的光，從插入到中繼器中的波束創(chuàng)建另外的波 束。在一些情形中，中繼器均化光以便提高照明的均勻性，增加圖像的輸出亮度，擴(kuò)展輸出 視場，增加出射光瞳擴(kuò)展，等。 圖1E是示出適合在眼睛佩戴物中使用的圖1A的基板引導(dǎo)型中繼器的頂部橫截面 視圖。例如，使用MEMS掃描鏡142跨過兩個(gè)軸掃描光束，諸如來自一個(gè)或多個(gè)激光器144 的波束，并且該光束被插入到輸入耦合器110中。光束可以來自被包含在一對(duì)眼鏡的框架 中或附于一對(duì)眼鏡的框架的光源。波束(或者，多個(gè)波束)傳播通過輸入耦合器110、中間 基板120，并且傳播到輸出耦合器130外朝向觀看者的眼睛160，觀看者的眼睛160接近輸 出耦合器130。例如，輸出耦合器130與眼鏡的透鏡集成在一起或附于眼鏡的透鏡。
對(duì)于掃描波束光源，非常薄的基板可以被用于輸入耦合器110、中間基板120、和/ 或輸出耦合器130。例如，中間基板可以具有小于4毫米的厚度，而輸出耦合器可以具有小 于2毫米的厚度?；蹇梢杂晒鈱W(xué)級(jí)熔融石英(optical grade fused silica)、玻璃、塑 料、或其他適合的材料形成。使用這里描述的基板構(gòu)造因此實(shí)現(xiàn)了用于基板引導(dǎo)型中繼器 的小型形狀因子。 在一些實(shí)施例中，可以以多種厚度并且利用不同材料制造中繼器100。例如，中繼 器100的厚度和/或材料可以變化以使中繼器的制造容易，實(shí)現(xiàn)較好的圖像均勻性，降低中 繼器的重量或大小，為使用者的眼睛提供較好的保護(hù)，提供較高的圖像質(zhì)量，以低成本生產(chǎn) 中繼器，等。中繼器100的厚度和/或材料可取決于光相對(duì)于中繼器100的插入、反射、傳 輸或輸出的角度。 光在中繼器內(nèi)的限制可歸因于全內(nèi)反射(TIR)。例如，TIR提供在看穿角度(大致 0到25度)處的光的高透射(大致100% )，和在較高的入射角(大致45到80度)處的光 的高反射。在中繼器外或中繼器內(nèi)，中繼器還可以包括部分反射涂敷層，以實(shí)現(xiàn)光的類似限 制。輸出耦合器/中間某禾反 圖2A是組合中間基板120和輸出耦合器120的頂部橫截面視圖。中間基板120 被構(gòu)造為包含光并且將光傳送到輸出耦合器130。中間基板120具有，例如前面202和后面 205，其中，前面202具有內(nèi)表面203和外表面204，后面205具有內(nèi)表面207和外表面206。 中間基板120還具有輸入面221和末端面222。中間基板的表面203、207的全部或部分可 以被構(gòu)造為使用全內(nèi)反射將光束限制在中間基板內(nèi)。表面203、207的全部或部分可以被構(gòu) 造為允許光束離開中間基板120。例如，中間基板可以包含引導(dǎo)部分208，其中該部分的兩 個(gè)內(nèi)表面203、207反射施加到表面上的所有光束。中間基板還可以包含耦合部分209，在耦 合部分209中，前內(nèi)表面203反射任何施加的光束，并且后內(nèi)表面207使一些或所有光束穿 過輸出耦合器130，將沒有傳播到輸出耦合器130的任何光束反射回到前內(nèi)表面203。在一 些情形中，相對(duì)于反射率和/或透射率，耦合部分209的后內(nèi)表面207可以漸變或變化。
圖2B描繪了在中間基板120和輸出耦合器130的界面210具有變化的反射層的 組合輸出耦合器/中間基板的頂部橫截面視圖。例如，中間基板的后內(nèi)表面可具有較高反 射率(諸如60%)的區(qū)域212和較低反射率(諸如40%)的區(qū)域214。變化的反射率表面可具有分離的部分，或可以連續(xù)地變化，諸如，從高反射率區(qū)域212到低反射率區(qū)域214逐
漸增加地變化。反射率可以作為入射光的角度、入射光的偏振、入射光的波長或任何組合的
函數(shù)而變化。如果表面的反射率沒有變化，則與接近中間基板的輸入面的點(diǎn)相比，在接近中
間基板的末端面的點(diǎn)處從輸出耦合器射出的光的強(qiáng)度可能更小。除了其他優(yōu)點(diǎn)外，變化反
射率/透射率提供了光束從中間基板120到輸出耦合器130的基本均勻的透射。 另外，創(chuàng)建變化反射率的表面可以使一個(gè)角度的光比其他角度的光反射得更多，
或使一個(gè)角度的光比其他角度的光透射得更多。在一些情形中，除了其他優(yōu)點(diǎn)外，這使得圖
像的末端部分能夠傳播到末端位置，并且圖像的較接近的部分傳播到較接近的位置，創(chuàng)建
了清晰和更均勻的圖像。 輸出耦合器130被構(gòu)造為從中間基板120的耦合部分209接收光束，并且將接收 到的波束輸出到與輸出耦合器接近的觀看者。例如，輸出耦合器可包括一個(gè)或多個(gè)將光束 反射到中繼器100外的部分反射表面132。表面132是部分反射的，從而向觀看者提供光 束，同時(shí)使觀看者看穿耦合器130。在一些情形中，部分反射表面132可以是相對(duì)于彼此基 本平行的。在一些情形中，部分反射表面132可以具有基本相似的部分反射涂敷層，所述 部分反射涂敷層創(chuàng)建了基本均勻的輸出耦合器透射，從而穿過輸出耦合器的環(huán)境光基本均 勻。在一些情形中，部分反射表面132可以以這樣的方式被分隔開，S卩，環(huán)境光束可以穿過 中繼器而沒有施加到任何表面132上(即，看穿中繼器的觀看者可以更加不被表面132所 分散注意，因?yàn)閺闹欣^器外的物體反射的一些光束在沒有被妨礙的情況下傳播通過中間基 板和輸出耦合器)。關(guān)于適當(dāng)?shù)牟糠址瓷浔砻娴臉?gòu)造的另外的細(xì)節(jié)可以在于2006年11月 21日提交的標(biāo)題為"Substrate-Guided Display with Improved ImageQuality，，的申請(qǐng)序 列號(hào)11/603,964中找到，并且通過引用全部被并入。 圖2C和2D描繪了組合輸入耦合器110、中間基板120和輸出耦合器130的頂部橫 截面視圖和側(cè)橫截面視圖，其中輸出耦合器130被安裝在中間基板的與輸入耦合器110相 對(duì)的表面上。在該示例中，輸入耦合器110相對(duì)于在中間基板120中的反射表面或部分反 射表面125的構(gòu)造使光140相對(duì)于中間基板120的長度大致成45度被耦合到中間基板120 中。 圖2E和2F描繪了組合輸入耦合器110、中間基板120和輸出耦合器130的頂部 橫截面視圖和側(cè)橫截面視圖，其中輸入耦合器110相對(duì)于中間基板以45度的角度被安裝。 在一些示例中，輸入耦合器110被安裝在中間基板120的與輸出耦合器130相同的表面上。 在一些示例中，輸入耦合器110被安裝在中間基板120的與輸出耦合器130相對(duì)的表面上。 在一些示例中，輸入耦合器110被安裝在中間基板120的端表面125上。
圖2G和2H描繪了組合輸入耦合器110、中間基板120、輸出耦合器130和交叉 (cross)耦合器170的側(cè)橫截面視圖和頂部橫截面視圖。交叉耦合器170可以被這樣構(gòu)造 或定位以便從進(jìn)入耦合器170的光創(chuàng)建另外的光線。在一些示例中，交叉耦合器170被安 裝在與輸入耦合器110和中間基板120之間的表面相對(duì)的表面上。在一些示例中，交叉耦 合器170被安裝到輸入耦合器170的其他表面。在一些示例中，交叉耦合器170可以位于 輸入耦合器110和中間基板120之間，或者可以位于中間基板120的其他表面上。
交叉耦合器170和輸入耦合器110之間的表面包括部分反射涂敷層172。交叉耦 合器170包括完全反射器或部分反射器171，反射器171被用于使穿過涂敷層172進(jìn)入到交叉耦合器170中的光改變方向。在一些示例中，反射器171以與耦合到輸入耦合器110中 的其他光不同的角度，將光改變方向進(jìn)入到輸入耦合器110中。交叉耦合器170可以呈現(xiàn) 不同的形狀，諸如與在圖7A以及這里描述的那些相似的鋸齒形狀。在一些實(shí)施例中，基于 入射光的角度、入射光的偏振、入射光的波長、或其組合，反射表面171和涂敷層172可離散 地或連續(xù)地變化。另外，在組合的部件之間的表面可以作為入射角、偏振、波長或其組合的 函數(shù)而離散地或連續(xù)地變化。 在一些實(shí)施例中，輸出耦合器中的反射表面132可以被涂敷以便提供這里描述的 一些或所有優(yōu)點(diǎn)。例如，改變反射表面132的反射率可以使圖像能夠在整個(gè)輸出耦合器上 均勻地展開。因此，變化的反射表面132有助于將光移動(dòng)到期望的位置。
在一些實(shí)施例中，中間基板120可以包含均化結(jié)構(gòu)，諸如在圖3A-3C中所示的各層 和部件。圖3A描繪了組合輸出耦合器/具有內(nèi)均化層310的中間基板的頂部橫截面視圖。 層310可以是不同折射系數(shù)的基板之間的界面，可以是波束分裂型界面，或者可以是部分 反射層，該部分反射層反射波束或多個(gè)波束的一部分并且透射波束或多個(gè)波束的一部分。 層310使單個(gè)施加的波束311形成多個(gè)波束312、313。波束312不受影響地穿過層310并 且反射離開中間基板120的內(nèi)表面203。波束313反射離開層310并且創(chuàng)建具有通過中間 基板的不同路徑的第二波束。因此，該層使系統(tǒng)能夠?qū)蝹€(gè)波束復(fù)制或加倍成多個(gè)波束。多 個(gè)波束然后可以在不同位置通過輸出耦合器從中繼器射出，向觀看者提供均化的光瞳和視 場。 在一些實(shí)施例中，均化層可以被安置于鄰近中間基板120的前面202。圖3B是組 合輸出耦合器/具有外均化層320的中間基板的頂部橫截面視圖。為了將均化層安置于中 間基板120的前面202上，中間基板120的前內(nèi)表面203可以被修改以部分地反射入射光 束并且部分地透射入射光束。均化層的前內(nèi)表面322可以被構(gòu)造為使任何入射光束全內(nèi)反 射，有效地作用以將所有光包含在中間基板內(nèi)。在如此的構(gòu)造中，施加到中間基板的前內(nèi)表 面203上的單個(gè)光束323被部分地反射回到中間基板中以形成一個(gè)波束325并且被部分地 透射到均化層320中以形成第二波束324。另外，施加到中間基板120和均化層320之間的 界面上的在中間基板內(nèi)的每一接下來的波束形成兩個(gè)波束。因此，均化層使系統(tǒng)能夠從單 個(gè)插入的波束形成許多另外的波束。 在一些實(shí)施例中，均化部件可以是被安裝到中間基板120的前面202的分離部件。 圖3C是組合輸出耦合器/具有分離的均化部件的中間基板的頂部橫截面視圖。施加到中間 基板的前內(nèi)表面203上的單個(gè)波束331被部分地反射回到中間基板中以形成一個(gè)波束333 并且被部分地透射到分離的均化部件330中以形成第二波束332。第二波束可以在從第一 波束偏移的位置傳播。另外，均化部件330可以形成許多另外的波束，所有都彼此偏移。與 在圖3B中描述的外均化層320 —樣，光可以經(jīng)由部件330和中間基板120的前面202之間 的部分反射界面335進(jìn)入均化部件330。因此，部件330使系統(tǒng)能夠?qū)蝹€(gè)波束均化成多個(gè) 波束。如這里描述的，所述多個(gè)波束然后可以通過輸出耦合器從中繼器射出，向觀看者提供 飽和的視場。 在一些實(shí)施例中，由于相對(duì)于基板表面垂直安置的反射器，均化可能發(fā)生。圖4A 描繪了組合輸出耦合器/中間基板的頂部橫截面視圖，所述中間基板具有分離的均化部件 330和相對(duì)于中間基板的表面垂直安置的部分反射部件或?qū)?10。光可以經(jīng)由部分反射表面335進(jìn)入分離的均化器330，或可以在進(jìn)入均化部件330之前穿過層410，創(chuàng)建進(jìn)入光的 許多另外的波束，這些波束彼此偏移。 另外，組合輸出耦合器/中間基板可以包括多于一個(gè)的部件或?qū)?10，以實(shí)現(xiàn)光的 各種不同的偏移均化圖案。圖4B示出了包括兩個(gè)均化層410的中間基板，均化層410被用 于從輸入光創(chuàng)建許多另外的波束。例如，一些光可以進(jìn)入基板并且穿過第一部分反射層411 和第二部分反射層412，并且一些光可以穿過第一反射層411，被第二反射層412反射，以從 初始進(jìn)入的光偏移的角度被第一反射層411反射回來，并且然后穿過第二反射層412并且 進(jìn)入到中間基板中。因此，通過反射層410的組合可以實(shí)現(xiàn)彼此偏移的波束。
除了這里描述的均化層和部件之外，能夠均化光束的其他構(gòu)造當(dāng)然也是可能的。 例如，系統(tǒng)可以采用兩個(gè)或更多個(gè)均化層，諸如具有不同折射系數(shù)的堆疊層或在層之間具 有部分反射涂敷層的堆疊層。在一些情形中，層或部件可以基本上彼此平行并且與中間基 板平行。層或部件可以基本上是相同的厚度或在厚度上可以變化。在一些情形中，層或部 件可以是與在圖中所示的那些不同的形狀。輸入耦合器 圖5A描繪了具有成角度的界面表面的輸入耦合器110的頂部橫截面視圖。輸入耦 合器可以由光學(xué)級(jí)熔融石英或其他各向同性的材料形成。在其中輸入耦合器和中間基板之 間的界面的角度不是垂直的構(gòu)造中，輸入耦合器被耦合到中間基板。然而，在一些情形中， 根據(jù)使用者的需要，界面的角度可以是垂直的。 圖5B描繪了與中間基板120接近的輸入耦合器110的頂部橫截面視圖。輸入耦 合器110和中間基板之間的界面的角度e可以是任何角度，例如135度。輸入耦合器的表 面510可以是部分反射的，允許一些光束進(jìn)入中間基板并且將一些光束反射回到輸入耦合 器110中。反射表面510可以在整個(gè)界面上變化，在與光進(jìn)入輸入耦合器的地方最接近的 端反射較強(qiáng)，而在另一端反射較弱。 以與中間基板120的操作類似的方式，輸入耦合器110可以使用均化層或其他部 件將單個(gè)波束(或，多個(gè)波束)均化成另外的波束。圖6A是具有成角度的界面表面和外均 化層610的輸入耦合器110的頂部橫截面視圖。外層610使在輸入耦合器110和均化層 610之間的界面611處從單個(gè)波束620形成多個(gè)波束622。圖6B是具有成角度的界面表面 和內(nèi)均化層630的輸入耦合器110的頂部橫截面視圖。內(nèi)均化層630使從單個(gè)波束620形 成多個(gè)波束622。層630可以是部分反射層，部分地允許波束穿過達(dá)到中間基板，并且部分 地反射波束以在輸入耦合器中形成第二波束。如這里關(guān)于各種公開的示例所描述的，中繼 器可以以多種構(gòu)造形成。圖7A和7B反映了這些構(gòu)造的一些。例如，圖7A示出中繼器700 的分解圖，中繼器700包括輸入耦合器110、中間基板120、輸出耦合器130和均化部件或?qū)?610。圖7B示出具有可選構(gòu)造的中繼器710，雖然也包括輸入耦合器110、中間基板120、和 輸出耦合器130。當(dāng)然，中繼器、輸入耦合器、中間基板、和/或輸出耦合器的其他構(gòu)造也是 可能。將光耦合到某板中 圖8示出用于將光耦合到基板引導(dǎo)型中繼器中的部件800的橫截面視圖。偏振光 由源810發(fā)出，諸如一個(gè)或多個(gè)掃描波束源。透鏡820使偏振光準(zhǔn)直，并且準(zhǔn)直的光穿過偏 振分束器830，通過1/4波片840，并且從掃描MEMS鏡850反射離開。 一旦被鏡850反射， 光穿過1/4波片840，并且由于光的偏振的旋轉(zhuǎn)從偏振分束器830反射離開。反射的光經(jīng) 由輸入表面865進(jìn)入輸入耦合器860(諸如輸入耦合器110)。在該示例中，偏振分束器830被設(shè)置以相對(duì)于輸入耦合器860的輸入表面865成一角度，使得從偏振分束器830反射離 開的波束施加到輸入耦合器860的多個(gè)內(nèi)表面上。分束器830和輸入表面865之間的角度 可以被設(shè)置為，使得光的中心波束870以接近法線入射的方式穿過輸入表面865。
部件800的描述的構(gòu)造使光能夠被耦合到小型的中繼器中。在一些示例中，部件 之間的距離被選擇以最小化來自光源的光的擴(kuò)展，選擇將光插入到耦合器中的角度，等。另 外，不同的部件可以被實(shí)施以實(shí)現(xiàn)相似的光耦合。例如，反射器(諸如PBS)可以被嵌入在 輸入耦合器860中，諸如在輸入表面865的內(nèi)表面上。光可以被MEMS掃描器掃描，并且通 過其他表面867之一被耦合到輸入耦合器860中，諸如通過將棱鏡安置在表面上以使光能 夠進(jìn)入耦合器。直接耦合的光被反射離開嵌入的反射器并且通過輸入耦合器。在一些示例 中，輸入表面865可以被擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)較寬角度的耦合。例如，表面865可以大于輸入耦合器 860在其他位置處的橫截表面。表面865的擴(kuò)展的大小和形狀可取決于部件800的構(gòu)造，或 可取決于部件之間的距離。 圖9描述了被用來將光耦合到基板引導(dǎo)型中繼器中的反射器910、920的橫截面視 圖。在該實(shí)施例中，反射器910、920(諸如具有特定偏振和波長反射特性的部分反射器、完 全反射器或反射器)被安置在輸入耦合器110(或，任何基板)的外表面上，以將光限制在 包含空氣-基板邊界930的區(qū)域內(nèi)。可存在被安置在輸入耦合器110的一個(gè)表面、兩個(gè)表面 或所有表面上的反射器910、920。反射器(以及反射器之間的區(qū)域)接收來自掃描波束源 的光線，并且引導(dǎo)光線進(jìn)入輸入耦合器110中，防止光在源和輸入耦合器之間的擴(kuò)散。根據(jù) 相關(guān)聯(lián)的基板引導(dǎo)型中繼器的設(shè)計(jì)要求，光可以在開口處進(jìn)入，或者可以通過反射器910、 920之一進(jìn)入。例如，在一些情形中，對(duì)于光而言，通過反射器之一進(jìn)入以便實(shí)現(xiàn)光到輸入耦 合器110中的理想輸入角度是有利的?；骞璉導(dǎo)型中繼器在眼睛佩戴物中的使用
在一些實(shí)施例中，基板引導(dǎo)型中繼器可以與眼睛佩戴物一起使用，諸如具有透鏡 的眼睛佩戴物，所述透鏡是清晰、有色的或帶色彩的，以用于特定光學(xué)效果或期望的時(shí)尚效 果。圖10描述了眼睛佩戴物1000的立體視圖。眼睛佩戴物1000包括透鏡1010和框架 1020?？蚣?020可以包括并入基板引導(dǎo)型中繼器100的投影系統(tǒng)的一些部分或全部。系 統(tǒng)可以被并入在例如框架1020的邊撐1030中。例如，邊撐1030可以包含投影器，該投影 器將光投影通過基板引導(dǎo)型中繼器IOO，該基板引導(dǎo)型中繼器100允許眼睛佩戴物1000的 佩戴者經(jīng)由透鏡1010觀看圖像。圖像源還可以在框架1020內(nèi)，可以被附于框架1020，或 者可以位于與眼睛佩戴物1000的佩戴者相關(guān)聯(lián)的其他部件內(nèi)。例如，眼睛佩戴物可以有線 或無線地連接到附于眼睛佩戴物的佩戴者的移動(dòng)裝置。移動(dòng)裝置可以包含圖像源，并且將 圖像傳輸給眼睛佩戴物1000的框架1020內(nèi)的基板引導(dǎo)型中繼器，以用于向佩戴者呈現(xiàn)圖 像。因此，使用者能夠觀看在眼睛佩戴物的透鏡上的圖像，同時(shí)，由于圖像源遠(yuǎn)離眼睛佩戴
物，重量增加最小。MM 如這里使用的術(shù)語"連接"、"耦合"或其任何變體意味著在兩個(gè)或更多個(gè)元件之間 的任何直接或間接的連接或耦合。系統(tǒng)的實(shí)施例的上述描述并不旨在是窮舉的或?qū)⑾到y(tǒng)限 制到以上公開的具體形式。盡管出于示例目的，在上面公開了系統(tǒng)的具體實(shí)施例和示例，但 是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在系統(tǒng)的范圍內(nèi)各種等價(jià)的修改是可能的。因此，本發(fā)明僅被 所附權(quán)利要求限制。
權(quán)利要求
一種基板引導(dǎo)型中繼器，用于與掃描波束圖像源一起使用，所述基板引導(dǎo)型中繼器包括輸入耦合器，所述輸入耦合器從掃描波束圖像源接收多個(gè)光束并且從所述多個(gè)光束的每一個(gè)創(chuàng)建光的多個(gè)副本；中間基板，所述中間基板物理地附于所述輸入耦合器，從所述輸入耦合器接收光的所述多個(gè)副本，并且傳輸所述多個(gè)副本；以及輸出耦合器，所述輸出耦合器物理地附于所述中間基板并且位于所述中間基板外，從所述中間基板接收被傳輸?shù)乃龆鄠€(gè)副本并且從所述輸出耦合器輸出所述多個(gè)副本。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基板引導(dǎo)型中繼器，其中所述輸出耦合器包含兩個(gè)或更多個(gè) 部分反射表面，所述部分反射表面被構(gòu)造為從所述輸出耦合器輸出所述多個(gè)副本。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基板引導(dǎo)型中繼器，其中所述部分反射表面相對(duì)于彼此基本 上平行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基板引導(dǎo)型中繼器，其中以相對(duì)于所述中間基板的光軸一定 角度地安置所述部分反射表面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基板引導(dǎo)型中繼器，進(jìn)一步包括光耦合設(shè)備，所述光耦合設(shè)備位于所述掃描波束圖像源和所述輸入耦合器之間，其中 所述光耦合設(shè)備包括透鏡，所述透鏡使從所述掃描波束圖像源接收的光準(zhǔn)直； 分束器，所述分束器在第一情形中允許準(zhǔn)直光穿過； 1/4波片，所述1/4波片改變所述準(zhǔn)直光的偏振；以及MEMS掃描鏡，所述MEMS掃描鏡將偏振光向回朝向所述分束器進(jìn)行反射；其中所述分束 器在第二情形中將所述偏振光朝向所述輸入耦合器反射。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基板引導(dǎo)型中繼器，進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)反射部件，所述反射部件物理地附于所述輸入耦合器，從所述掃描波束圖 像源接收光并且將所接收的光指引到所述輸入耦合器中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基板引導(dǎo)型中繼器，進(jìn)一步包括交叉耦合器，所述交叉耦合器物理地附于所述輸入耦合器并且位于與所述中間基板相 對(duì)的表面上，所述交叉耦合器從所述輸入耦合器接收光束，從所接收的光創(chuàng)建另外的光束， 并且將所述另外的光束和所接收的波束輸出回到所述輸入耦合器中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基板引導(dǎo)型中繼器，進(jìn)一步包括交叉耦合器，所述交叉耦合器物理地附于所述輸入耦合器和所述中間基板，所述交叉 耦合器位于所述輸入耦合器和所述中間基板之間，所述交叉耦合器從所述輸入耦合器接收 光束，從所接收的光創(chuàng)建另外的光束，并且將所述另外的光束和所接收的波束輸出到所述 中間基板中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基板引導(dǎo)型中繼器，其中，所述中間基板包含兩個(gè)或更多個(gè) 部分反射表面，所述部分反射表面相對(duì)于所述中間基板的外表面處于垂直的角度，其中所 述部分反射表面被構(gòu)造為反射一些入射光束并且透射一些入射光束。
10. —種光學(xué)裝置，所述光學(xué)裝置將來自圖像源的圖像中繼給觀看者，所述光學(xué)裝置包括輸入耦合器，所述輸入耦合器接收表示所述圖像的一部分的波束，并且將所述波束傳 輸?shù)街虚g基板，其中所述輸入耦合器附于所述中間基板，使得所述輸入耦合器的光軸以非 垂直的角度與所述中間基板的光軸相交；以及輸出耦合器，所述輸出耦合器從所述中間基板接收所述波束，并且將所述波束向所述 觀看者輸出，所述輸出耦合器附于所述中間基板并且位于所述中間基板外。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的光學(xué)裝置，其中所述輸入耦合器接收表示所述圖像的一部分的波束并且從所接收的波束創(chuàng)建多個(gè)波束。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包括均化部件，所述均化部件使由所述輸出耦合器接收的光束的數(shù)目大于由所述輸入耦合 器接收的光束的數(shù)目。
13. —種眼睛佩戴物設(shè)備，所述眼睛佩戴物設(shè)備向眼睛佩戴物的使用者呈現(xiàn)圖像，所述 設(shè)備包括兩個(gè)透鏡；框架，其中所述框架將所述兩個(gè)透鏡基本上保持在所述使用者的眼睛的前面；以及基板引導(dǎo)型中繼器，所述基板引導(dǎo)型中繼器至少部分地被包含在所述兩個(gè)透鏡的至少 之一內(nèi)，其中所述基板引導(dǎo)型中繼器包括輸入耦合器，所述輸入耦合器從掃描波束圖像源接收多個(gè)光束并且創(chuàng)建所述多個(gè)光束 的每一個(gè)的多個(gè)副本；中間基板，所述中間基板物理地附于所述輸入耦合器，從所述輸入耦合器接收所述多 個(gè)副本，并且傳輸所述多個(gè)副本；以及輸出耦合器，所述輸出耦合器物理地附于所述中間基板并且位于所述中間基板外，從 所述中間基板接收被傳輸?shù)乃龆鄠€(gè)副本并且從所述輸出耦合器輸出所述多個(gè)副本。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的眼睛佩戴物設(shè)備，其中所述基板引導(dǎo)型中繼器從位于所述 框架內(nèi)的掃描波束圖像源接收所述多個(gè)光束。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的眼睛佩戴物設(shè)備，其中所述基板引導(dǎo)型中繼器從位于下述 裝置內(nèi)的掃描波束圖像源接收所述多個(gè)光束，所述裝置與所述使用者相關(guān)聯(lián)并且耦合到所 述基板引導(dǎo)型中繼器。
全文摘要
一種在光學(xué)顯示系統(tǒng)中的基板引導(dǎo)型中繼器(100)，采用光引導(dǎo)基板以將來自源的圖像中繼給觀看者?；逡龑?dǎo)型中繼器由輸入耦合器(110)、中間基板(120)、和輸出耦合器(130)組成。在一些實(shí)施例中，輸出耦合器被形成在耦合到中間基板的單獨(dú)的基板中。輸出耦合器可以被安置于中間基板的前面或后面，并且可以采用兩個(gè)或更多個(gè)部分反射表面以將光從耦合器耦合。在一些實(shí)施例中，輸入耦合器以如下所述的方式被耦合到中間基板，即，輸入耦合器的光軸以非垂直的角度與中間基板的光軸相交。
文檔編號(hào)G02B27/01GK101730859SQ200880023673
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月10日
發(fā)明者喬舒亞·O·米勒, 克里斯蒂安·迪安·德容, 卡爾通·D·鮑威爾, 馬克·O·弗里曼 申請(qǐng)人:微視公司