与扫描波束图像源一起使用的基板引导型中继器的制作方法

专利名称：与扫描波束图像源一起使用的基板引导型中继器的制作方法
与扫描波束图像源一起使用的基板引导型中继器
背景技术：
头戴型和其他小型显示系统，例如平视显示器(HUD)、膝上型电脑、监视器、和其他 系统经常依靠将图像覆盖在透明光学元件上的光学装置。例如，系统可以通过透明透镜在 使用者眼睛前方显示图像，以使得使用者在观看周围的物体的同时观看显示的图像。这些 显示系统的一些可以利用具有输入耦合器、传输基板、和输出耦合器这三个主要部件的基 板引导型中继器(substrate-guided relay)。光波束或其他电磁波经由输入耦合器进入中 继器并且由于所施加的涂敷层或全内反射而保持限制在中继器内。波束在基板内被引导至 输出耦合器，并且波束经由输出耦合器从中继器射出。 多种技术可以被用来将光插入到基板引导型中继器中。目前的一些系统使用衍射 准直(其中LCD面板将光传输到将光插入到中继器中的全息元件)和/或折射准直(其中 透镜将LCD产生的光插入到中继器中)。然而，这些系统需要增加大小以扩展视场或用于出 射光瞳扩展。因此当期望宽视场时，依靠这些技术的显示系统大并且重。
多种技术可以被用来将光耦合到基板引导型中继器外。目前的一些中继器采用将 镜嵌入在基板中的传输基板，来耦合来自基板的光。虽然依靠该构造的中继器可提供理想 的形状因子(form factor)，但是中继器需要很多反射器，每个反射器都具有不同的精确反 射特性，这在中继器内的图像和通过中继器看到的图像中产生了不连续。该中继器经常没 有有效地将光耦合到基板外。 现有的基板引导型中继器的缺点在于，它们与光源技术中的最近的进步不是兼容 的。例如，当与扫描波束光源一起被使用以创建图像时，诸如使用基于MEMS的扫描镜来跨 过两个轴地扫描波束以创建图像的系统，目前的基板引导型中继器不是最佳的。扫描波束 光源产生较窄的输入波束，并且目前的中继器具有不良的效率，不能生成足够的复制以产 生均匀的图像或用于较小的基于扫描波束的图像的光瞳。当利用目前的中继器扩展视场或 光瞳时，出现了其他问题，使中继器难以制造和生产。 当针对扫描波束光源调整目前的基板引导型中继器时，存在这些和其他问题。


图1A是示出具有成角度的输入耦合器和单独的输出耦合器的基板引导型中继器 的顶部横截面视图； 图IB是示出具有成角度的输入耦合器和单独的输出耦合器的基板引导型中继器 的后视图； 图1C是示出具有成角度的输入耦合器和单独的输出耦合器的基板引导型中继器 的立体视图； 图ID是示出在图1C的中继器内的光线存在的立体视图； 图1E是示出适合在眼睛佩戴物中使用的图IA的基板引导型中继器的顶部横截面 视图； 图2A是组合输出耦合器/中间基板的顶部横截面视 图2B是组合输出耦合器/中间基板的顶部横截面视图，在组合的界面具有变化的 反射层； 图2C和2D是组合输出耦合器和中间基板的顶部横截面视图和侧横截面视图，其 中输出耦合器被安装在相对表面上； 图2E和2F是组合输入耦合器和中间基板的侧横截面视图和顶部横截面视图，其 中输入耦合器相对于中间基板以45度的角度被安装； 图2G和2H是组合输入耦合器、中间基板、输出耦合器和交叉耦合器的侧横截面视 图和顶部横截面视图； 图3A是组合输出耦合器/具有内均化层的中间基板的顶部横截面视图；
图3B是组合输出耦合器/具有外均化层的中间基板的顶部横截面视图；
图3C是组合输出耦合器/具有分离的均化部件的中间基板的顶部横截面视图；
图4A是组合输出耦合器/具有分离的均化部件和部分反射层的中间基板的顶部 横截面视图； 图4B是包括两个均化层的中间基板的顶部横截面视图； 图5A是具有成角度的界面表面的输入耦合器的顶部横截面视图； 图5B是与中间基板接近的输入耦合器的顶部横截面视图； 图6A是具有成角度的界面表面和外均化层的输入耦合器的顶部横截面视图；
图6B是具有成角度的界面表面和内均化层的输入耦合器的顶部横截面视图；
图7A是在一些实施例中的中继器的分解图；
图7B是在一些实施例中的中继器的分解图； 图8是用于将光耦合到基板引导型中继器中的部件的顶部横截面视图；
图9描述了被用来将光耦合到基板引导型中继器中的反射器的横截面视图；
图10描述了并入基板引导型中继器的眼镜的立体视图。
具体实施例方式
公开了在光学显示系统中采用光引导基板以将来自源的图像中继到观看者的多 种基板引导型中继器。基板引导型中继器由输入耦合器、中间基板、和输出耦合器组成。在 一些实施例中，输出耦合器被形成在耦合到中间基板的单独的基板中。输出耦合器可以被 安置于中间基板的前面或后面，并且可以采用两个或更多个部分反射表面以将光耦合到耦 合器和/或从耦合器耦合。在一些实施例中，输入耦合器以如下所述的方式被耦合到中间 基板，即，输入耦合器的光轴以非垂直的角度与中间基板的光轴相交。在一些实施例中，输 入耦合器以如下所述的方式被耦合到中间基板，即，输入耦合器的光轴以垂直或基本上垂 直的角度与中间基板的光轴相交。具有公开的构造的中继器可以被优化，从而为从扫描波 束光源，例如激光器，形成的图像提供大的视场。相似地，具有公开的构造的中继器可以被 优化，从而为从其他光源，例如非扫描波束光源，形成的图像提供大的视场。中继器还可以 基于观看者的瞳孔位置(例如，在产生的视场内的瞳孔的位置)、瞳孔尺寸、瞳孔均匀性(例 如，将均匀的图像提供给整个瞳孔)而被优化，并且可以被修改以实现期望的图像亮度、看 穿均匀性(seethrough uniformity)、看穿亮度(see through brightness)、禾P制造的简 单。
这里公开的中继器构造提供了小型形状因子，其可以被并入薄并且重量轻的、在 期望的视场上产生图像的装置中。该中继器可以被并入头戴型和其他小型显示器，例如平 视显示器(HUD)。例如，眼镜和其他头戴型光学装置可以将这里描述的中继器并入。这些头 戴型装置可以是透明的或非透明的(例如，有色的或带色彩的)，实现了这里描述的相似优 点。其他装置，例如移动通信装置和其他小型装置也可以采用该中继器。
现在将描述多种示例的中继器。为了完全理解和描述这些示例，下面的描述提供 了具体的细节。然而，本领域技术人员将理解，在没有许多这些具体细节的情况下可以实践 该技术。另外，一些公知的结构或功能可不被具体地示出或描述，以避免不必要地使各种示 例的相关描述不清楚。 在下述的描述中使用的术语将以其最宽广并且合理的方式被解释，即使与该技术 的特定具体示例的详细描述结合地被使用。在下面特定的术语甚至可以被强调；然而，将以 任何限制的方式被解释的任何术语将如在该具体实施方式
部分中那样被公开地和具体地 定义。織弓,顿 图1A是示出具有耦合到中间基板120的成角度的输入耦合器110和单独的输出 耦合器130的基板引导型中继器的顶部横截面视图。输入耦合器110接收来自光源(未示 出)的光，例如激光器或其他扫描波束光源、LCD、LED、DLP等。例如，光可以具有来自在角 度空间(angle space)中产生图像的光源的被成角度编码的图像的形式。输入耦合器将光 传送到中间基板120，该中间基板120是能够将光从输入耦合器传送到输出耦合器的平板 波导或其他光学基板。如这里将在其他细节中描述的，输入耦合器iio可以以一角度与中 间基板120接触，并且可在将光传送到中间基板之前使接收到的光均化。中间基板120将 从输入耦合器110接收的光传送到输出耦合器130。中间基板120也可以均化任何接收到 的光，进一步创建接收到的光的另外光线。输出耦合器130接收来自中间基板的光并且使 观看者(未示出)能够观看到显示的图像。在一些情形中，输出耦合器经由嵌入的部分反 射部件132，例如部分反射镜，将光耦合出去。关于输出耦合器130的进一步细节在这里被 描述。 图1B是图1A的基板引导型中继器的后视图。输出耦合器130在中间基板120的 后表面被耦合到中间基板120。跨中间基板120的长度而耦合到该中间基板的输入耦合器 IIO可以将光引入到该中间基板中，该中间基板接着将光传送到输出耦合器130并且经由 在输出耦合器内的部分反射部件132将光传送到中继器100外。 图1C是示出具有成角度的输入耦合器和单独的输出耦合器的基板引导型中继器 的立体视图。光经由输入部件140，例如MEMS扫描镜、反射板、LCD或能够将准直光束传送 到输入耦合器110的其他部件，被插入到输入耦合器110中。输入耦合器将光束传送到中 间基板120。在可为平板波导的中间基板120中，光在经由输出耦合器130被耦合到中继器 外之前被可选地均化。在图1B中，输出耦合器位于中间基板的接近观看者的面，然而，输出 耦合器可位于中间基板的远离观看者的面，如在其他图中所示。在输出耦合器远离观看者 的实施例中，中继器可包含以不同角度设置的反射部件132，或可包含比在这里描述的其他 构造少的反射部件132。 图1D是示出在图1C的中继器内的光波存在和在中继器内的均化器的影响的立体 视图。为了示例的目的，输入部件140被描述为将单一光束150插入到中继器100的输入耦合器110中。在该示例中，输入耦合器均化光，从单一光束创建另外的光束152。例如， 从插入到输入耦合器中的单一波束可以创建多于100， 000个波束。光束经由中间基板120 传播到输出耦合器130，并且被传送到输出耦合器130外朝向观看者。输入耦合器110、中 间基板120、或两者可以均化在中继器100内的光，从插入到中继器中的波束创建另外的波 束。在一些情形中，中继器均化光以便提高照明的均匀性，增加图像的输出亮度，扩展输出 视场，增加出射光瞳扩展，等。 图1E是示出适合在眼睛佩戴物中使用的图1A的基板引导型中继器的顶部横截面 视图。例如，使用MEMS扫描镜142跨过两个轴扫描光束，诸如来自一个或多个激光器144 的波束，并且该光束被插入到输入耦合器110中。光束可以来自被包含在一对眼镜的框架 中或附于一对眼镜的框架的光源。波束(或者，多个波束)传播通过输入耦合器110、中间 基板120，并且传播到输出耦合器130外朝向观看者的眼睛160，观看者的眼睛160接近输 出耦合器130。例如，输出耦合器130与眼镜的透镜集成在一起或附于眼镜的透镜。
对于扫描波束光源，非常薄的基板可以被用于输入耦合器110、中间基板120、和/ 或输出耦合器130。例如，中间基板可以具有小于4毫米的厚度，而输出耦合器可以具有小 于2毫米的厚度。基板可以由光学级熔融石英(optical grade fused silica)、玻璃、塑 料、或其他适合的材料形成。使用这里描述的基板构造因此实现了用于基板引导型中继器 的小型形状因子。 在一些实施例中，可以以多种厚度并且利用不同材料制造中继器100。例如，中继 器100的厚度和/或材料可以变化以使中继器的制造容易，实现较好的图像均匀性，降低中 继器的重量或大小，为使用者的眼睛提供较好的保护，提供较高的图像质量，以低成本生产 中继器，等。中继器100的厚度和/或材料可取决于光相对于中继器100的插入、反射、传 输或输出的角度。 光在中继器内的限制可归因于全内反射(TIR)。例如，TIR提供在看穿角度(大致 0到25度)处的光的高透射(大致100% )，和在较高的入射角(大致45到80度)处的光 的高反射。在中继器外或中继器内，中继器还可以包括部分反射涂敷层，以实现光的类似限 制。输出耦合器/中间某禾反 图2A是组合中间基板120和输出耦合器120的顶部横截面视图。中间基板120 被构造为包含光并且将光传送到输出耦合器130。中间基板120具有，例如前面202和后面 205，其中，前面202具有内表面203和外表面204，后面205具有内表面207和外表面206。 中间基板120还具有输入面221和末端面222。中间基板的表面203、207的全部或部分可 以被构造为使用全内反射将光束限制在中间基板内。表面203、207的全部或部分可以被构 造为允许光束离开中间基板120。例如，中间基板可以包含引导部分208，其中该部分的两 个内表面203、207反射施加到表面上的所有光束。中间基板还可以包含耦合部分209，在耦 合部分209中，前内表面203反射任何施加的光束，并且后内表面207使一些或所有光束穿 过输出耦合器130，将没有传播到输出耦合器130的任何光束反射回到前内表面203。在一 些情形中，相对于反射率和/或透射率，耦合部分209的后内表面207可以渐变或变化。
图2B描绘了在中间基板120和输出耦合器130的界面210具有变化的反射层的 组合输出耦合器/中间基板的顶部横截面视图。例如，中间基板的后内表面可具有较高反 射率(诸如60%)的区域212和较低反射率(诸如40%)的区域214。变化的反射率表面可具有分离的部分，或可以连续地变化，诸如，从高反射率区域212到低反射率区域214逐
渐增加地变化。反射率可以作为入射光的角度、入射光的偏振、入射光的波长或任何组合的
函数而变化。如果表面的反射率没有变化，则与接近中间基板的输入面的点相比，在接近中
间基板的末端面的点处从输出耦合器射出的光的强度可能更小。除了其他优点外，变化反
射率/透射率提供了光束从中间基板120到输出耦合器130的基本均匀的透射。 另外，创建变化反射率的表面可以使一个角度的光比其他角度的光反射得更多，
或使一个角度的光比其他角度的光透射得更多。在一些情形中，除了其他优点外，这使得图
像的末端部分能够传播到末端位置，并且图像的较接近的部分传播到较接近的位置，创建
了清晰和更均匀的图像。 输出耦合器130被构造为从中间基板120的耦合部分209接收光束，并且将接收 到的波束输出到与输出耦合器接近的观看者。例如，输出耦合器可包括一个或多个将光束 反射到中继器100外的部分反射表面132。表面132是部分反射的，从而向观看者提供光 束，同时使观看者看穿耦合器130。在一些情形中，部分反射表面132可以是相对于彼此基 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层，所述 部分反射涂敷层创建了基本均匀的输出耦合器透射，从而穿过输出耦合器的环境光基本均 匀。在一些情形中，部分反射表面132可以以这样的方式被分隔开，S卩，环境光束可以穿过 中继器而没有施加到任何表面132上(即，看穿中继器的观看者可以更加不被表面132所 分散注意，因为从中继器外的物体反射的一些光束在没有被妨碍的情况下传播通过中间基 板和输出耦合器)。关于适当的部分反射表面的构造的另外的细节可以在于2006年11月 21日提交的标题为"Substrate-Guided Display with Improved ImageQuality，，的申请序 列号11/603,964中找到，并且通过引用全部被并入。 图2C和2D描绘了组合输入耦合器110、中间基板120和输出耦合器130的顶部横 截面视图和侧横截面视图，其中输出耦合器130被安装在中间基板的与输入耦合器110相 对的表面上。在该示例中，输入耦合器110相对于在中间基板120中的反射表面或部分反 射表面125的构造使光140相对于中间基板120的长度大致成45度被耦合到中间基板120 中。 图2E和2F描绘了组合输入耦合器110、中间基板120和输出耦合器130的顶部 横截面视图和侧横截面视图，其中输入耦合器110相对于中间基板以45度的角度被安装。 在一些示例中，输入耦合器110被安装在中间基板120的与输出耦合器130相同的表面上。 在一些示例中，输入耦合器110被安装在中间基板120的与输出耦合器130相对的表面上。 在一些示例中，输入耦合器110被安装在中间基板120的端表面125上。
图2G和2H描绘了组合输入耦合器110、中间基板120、输出耦合器130和交叉 (cross)耦合器170的侧横截面视图和顶部横截面视图。交叉耦合器170可以被这样构造 或定位以便从进入耦合器170的光创建另外的光线。在一些示例中，交叉耦合器170被安 装在与输入耦合器110和中间基板120之间的表面相对的表面上。在一些示例中，交叉耦 合器170被安装到输入耦合器170的其他表面。在一些示例中，交叉耦合器170可以位于 输入耦合器110和中间基板120之间，或者可以位于中间基板120的其他表面上。
交叉耦合器170和输入耦合器110之间的表面包括部分反射涂敷层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被用于使穿过涂敷层172进入到交叉耦合器170中的光改变方向。在一些示例中，反射器171以与耦合到输入耦合器110中 的其他光不同的角度，将光改变方向进入到输入耦合器110中。交叉耦合器170可以呈现 不同的形状，诸如与在图7A以及这里描述的那些相似的锯齿形状。在一些实施例中，基于 入射光的角度、入射光的偏振、入射光的波长、或其组合，反射表面171和涂敷层172可离散 地或连续地变化。另外，在组合的部件之间的表面可以作为入射角、偏振、波长或其组合的 函数而离散地或连续地变化。 在一些实施例中，输出耦合器中的反射表面132可以被涂敷以便提供这里描述的 一些或所有优点。例如，改变反射表面132的反射率可以使图像能够在整个输出耦合器上 均匀地展开。因此，变化的反射表面132有助于将光移动到期望的位置。
在一些实施例中，中间基板120可以包含均化结构，诸如在图3A-3C中所示的各层 和部件。图3A描绘了组合输出耦合器/具有内均化层310的中间基板的顶部横截面视图。 层310可以是不同折射系数的基板之间的界面，可以是波束分裂型界面，或者可以是部分 反射层，该部分反射层反射波束或多个波束的一部分并且透射波束或多个波束的一部分。 层310使单个施加的波束311形成多个波束312、313。波束312不受影响地穿过层310并 且反射离开中间基板120的内表面203。波束313反射离开层310并且创建具有通过中间 基板的不同路径的第二波束。因此，该层使系统能够将单个波束复制或加倍成多个波束。多 个波束然后可以在不同位置通过输出耦合器从中继器射出，向观看者提供均化的光瞳和视 场。 在一些实施例中，均化层可以被安置于邻近中间基板120的前面202。图3B是组 合输出耦合器/具有外均化层320的中间基板的顶部横截面视图。为了将均化层安置于中 间基板120的前面202上，中间基板120的前内表面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。均化层的前内表面322可以被构造为使任何入射光束全内反 射，有效地作用以将所有光包含在中间基板内。在如此的构造中，施加到中间基板的前内表 面203上的单个光束323被部分地反射回到中间基板中以形成一个波束325并且被部分地 透射到均化层320中以形成第二波束324。另外，施加到中间基板120和均化层320之间的 界面上的在中间基板内的每一接下来的波束形成两个波束。因此，均化层使系统能够从单 个插入的波束形成许多另外的波束。 在一些实施例中，均化部件可以是被安装到中间基板120的前面202的分离部件。 图3C是组合输出耦合器/具有分离的均化部件的中间基板的顶部横截面视图。施加到中间 基板的前内表面203上的单个波束331被部分地反射回到中间基板中以形成一个波束333 并且被部分地透射到分离的均化部件330中以形成第二波束332。第二波束可以在从第一 波束偏移的位置传播。另外，均化部件330可以形成许多另外的波束，所有都彼此偏移。与 在图3B中描述的外均化层320 —样，光可以经由部件330和中间基板120的前面202之间 的部分反射界面335进入均化部件330。因此，部件330使系统能够将单个波束均化成多个 波束。如这里描述的，所述多个波束然后可以通过输出耦合器从中继器射出，向观看者提供 饱和的视场。 在一些实施例中，由于相对于基板表面垂直安置的反射器，均化可能发生。图4A 描绘了组合输出耦合器/中间基板的顶部横截面视图，所述中间基板具有分离的均化部件 330和相对于中间基板的表面垂直安置的部分反射部件或层410。光可以经由部分反射表面335进入分离的均化器330，或可以在进入均化部件330之前穿过层410，创建进入光的 许多另外的波束，这些波束彼此偏移。 另外，组合输出耦合器/中间基板可以包括多于一个的部件或层410，以实现光的 各种不同的偏移均化图案。图4B示出了包括两个均化层410的中间基板，均化层410被用 于从输入光创建许多另外的波束。例如，一些光可以进入基板并且穿过第一部分反射层411 和第二部分反射层412，并且一些光可以穿过第一反射层411，被第二反射层412反射，以从 初始进入的光偏移的角度被第一反射层411反射回来，并且然后穿过第二反射层412并且 进入到中间基板中。因此，通过反射层410的组合可以实现彼此偏移的波束。
除了这里描述的均化层和部件之外，能够均化光束的其他构造当然也是可能的。 例如，系统可以采用两个或更多个均化层，诸如具有不同折射系数的堆叠层或在层之间具 有部分反射涂敷层的堆叠层。在一些情形中，层或部件可以基本上彼此平行并且与中间基 板平行。层或部件可以基本上是相同的厚度或在厚度上可以变化。在一些情形中，层或部 件可以是与在图中所示的那些不同的形状。输入耦合器 图5A描绘了具有成角度的界面表面的输入耦合器110的顶部横截面视图。输入耦 合器可以由光学级熔融石英或其他各向同性的材料形成。在其中输入耦合器和中间基板之 间的界面的角度不是垂直的构造中，输入耦合器被耦合到中间基板。然而，在一些情形中， 根据使用者的需要，界面的角度可以是垂直的。 图5B描绘了与中间基板120接近的输入耦合器110的顶部横截面视图。输入耦 合器110和中间基板之间的界面的角度e可以是任何角度，例如135度。输入耦合器的表 面510可以是部分反射的，允许一些光束进入中间基板并且将一些光束反射回到输入耦合 器110中。反射表面510可以在整个界面上变化，在与光进入输入耦合器的地方最接近的 端反射较强，而在另一端反射较弱。 以与中间基板120的操作类似的方式，输入耦合器110可以使用均化层或其他部 件将单个波束(或，多个波束)均化成另外的波束。图6A是具有成角度的界面表面和外均 化层610的输入耦合器110的顶部横截面视图。外层610使在输入耦合器110和均化层 610之间的界面611处从单个波束620形成多个波束622。图6B是具有成角度的界面表面 和内均化层630的输入耦合器110的顶部横截面视图。内均化层630使从单个波束620形 成多个波束622。层630可以是部分反射层，部分地允许波束穿过达到中间基板，并且部分 地反射波束以在输入耦合器中形成第二波束。如这里关于各种公开的示例所描述的，中继 器可以以多种构造形成。图7A和7B反映了这些构造的一些。例如，图7A示出中继器700 的分解图，中继器700包括输入耦合器110、中间基板120、输出耦合器130和均化部件或层 610。图7B示出具有可选构造的中继器710，虽然也包括输入耦合器110、中间基板120、和 输出耦合器130。当然，中继器、输入耦合器、中间基板、和/或输出耦合器的其他构造也是 可能。将光耦合到某板中 图8示出用于将光耦合到基板引导型中继器中的部件800的横截面视图。偏振光 由源810发出，诸如一个或多个扫描波束源。透镜820使偏振光准直，并且准直的光穿过偏 振分束器830，通过1/4波片840，并且从扫描MEMS镜850反射离开。 一旦被镜850反射， 光穿过1/4波片840，并且由于光的偏振的旋转从偏振分束器830反射离开。反射的光经 由输入表面865进入输入耦合器860(诸如输入耦合器110)。在该示例中，偏振分束器830被设置以相对于输入耦合器860的输入表面865成一角度，使得从偏振分束器830反射离 开的波束施加到输入耦合器860的多个内表面上。分束器830和输入表面865之间的角度 可以被设置为，使得光的中心波束870以接近法线入射的方式穿过输入表面865。
部件800的描述的构造使光能够被耦合到小型的中继器中。在一些示例中，部件 之间的距离被选择以最小化来自光源的光的扩展，选择将光插入到耦合器中的角度，等。另 外，不同的部件可以被实施以实现相似的光耦合。例如，反射器(诸如PBS)可以被嵌入在 输入耦合器860中，诸如在输入表面865的内表面上。光可以被MEMS扫描器扫描，并且通 过其他表面867之一被耦合到输入耦合器860中，诸如通过将棱镜安置在表面上以使光能 够进入耦合器。直接耦合的光被反射离开嵌入的反射器并且通过输入耦合器。在一些示例 中，输入表面865可以被扩展以实现较宽角度的耦合。例如，表面865可以大于输入耦合器 860在其他位置处的横截表面。表面865的扩展的大小和形状可取决于部件800的构造，或 可取决于部件之间的距离。 图9描述了被用来将光耦合到基板引导型中继器中的反射器910、920的横截面视 图。在该实施例中，反射器910、920(诸如具有特定偏振和波长反射特性的部分反射器、完 全反射器或反射器)被安置在输入耦合器110(或，任何基板)的外表面上，以将光限制在 包含空气-基板边界930的区域内。可存在被安置在输入耦合器110的一个表面、两个表面 或所有表面上的反射器910、920。反射器(以及反射器之间的区域)接收来自扫描波束源 的光线，并且引导光线进入输入耦合器110中，防止光在源和输入耦合器之间的扩散。根据 相关联的基板引导型中继器的设计要求，光可以在开口处进入，或者可以通过反射器910、 920之一进入。例如，在一些情形中，对于光而言，通过反射器之一进入以便实现光到输入耦 合器110中的理想输入角度是有利的。基板弓I导型中继器在眼睛佩戴物中的使用
在一些实施例中，基板引导型中继器可以与眼睛佩戴物一起使用，诸如具有透镜 的眼睛佩戴物，所述透镜是清晰、有色的或带色彩的，以用于特定光学效果或期望的时尚效 果。图10描述了眼睛佩戴物1000的立体视图。眼睛佩戴物1000包括透镜1010和框架 1020。框架1020可以包括并入基板引导型中继器100的投影系统的一些部分或全部。系 统可以被并入在例如框架1020的边撑1030中。例如，边撑1030可以包含投影器，该投影 器将光投影通过基板引导型中继器IOO，该基板引导型中继器100允许眼睛佩戴物1000的 佩戴者经由透镜1010观看图像。图像源还可以在框架1020内，可以被附于框架1020，或 者可以位于与眼睛佩戴物1000的佩戴者相关联的其他部件内。例如，眼睛佩戴物可以有线 或无线地连接到附于眼睛佩戴物的佩戴者的移动装置。移动装置可以包含图像源，并且将 图像传输给眼睛佩戴物1000的框架1020内的基板引导型中继器，以用于向佩戴者呈现图 像。因此，使用者能够观看在眼睛佩戴物的透镜上的图像，同时，由于图像源远离眼睛佩戴
物，重量增加最小。MM 如这里使用的术语"连接"、"耦合"或其任何变体意味着在两个或更多个元件之间 的任何直接或间接的连接或耦合。系统的实施例的上述描述并不旨在是穷举的或将系统限 制到以上公开的具体形式。尽管出于示例目的，在上面公开了系统的具体实施例和示例，但 是本领域技术人员将认识到，在系统的范围内各种等价的修改是可能的。因此，本发明仅被 所附权利要求限制。
权利要求
一种基板引导型中继器，用于与扫描波束图像源一起使用，所述基板引导型中继器包括输入耦合器，所述输入耦合器从扫描波束图像源接收多个光束并且从所述多个光束的每一个创建光的多个副本；中间基板，所述中间基板物理地附于所述输入耦合器，从所述输入耦合器接收光的所述多个副本，并且传输所述多个副本；以及输出耦合器，所述输出耦合器物理地附于所述中间基板并且位于所述中间基板外，从所述中间基板接收被传输的所述多个副本并且从所述输出耦合器输出所述多个副本。
2. 根据权利要求1所述的基板引导型中继器，其中所述输出耦合器包含两个或更多个 部分反射表面，所述部分反射表面被构造为从所述输出耦合器输出所述多个副本。
3. 根据权利要求2所述的基板引导型中继器，其中所述部分反射表面相对于彼此基本 上平行。
4. 根据权利要求2所述的基板引导型中继器，其中以相对于所述中间基板的光轴一定 角度地安置所述部分反射表面。
5. 根据权利要求1所述的基板引导型中继器，进一步包括光耦合设备，所述光耦合设备位于所述扫描波束图像源和所述输入耦合器之间，其中 所述光耦合设备包括透镜，所述透镜使从所述扫描波束图像源接收的光准直； 分束器，所述分束器在第一情形中允许准直光穿过； 1/4波片，所述1/4波片改变所述准直光的偏振；以及MEMS扫描镜，所述MEMS扫描镜将偏振光向回朝向所述分束器进行反射；其中所述分束 器在第二情形中将所述偏振光朝向所述输入耦合器反射。
6. 根据权利要求1所述的基板引导型中继器，进一步包括一个或多个反射部件，所述反射部件物理地附于所述输入耦合器，从所述扫描波束图 像源接收光并且将所接收的光指引到所述输入耦合器中。
7. 根据权利要求1所述的基板引导型中继器，进一步包括交叉耦合器，所述交叉耦合器物理地附于所述输入耦合器并且位于与所述中间基板相 对的表面上，所述交叉耦合器从所述输入耦合器接收光束，从所接收的光创建另外的光束， 并且将所述另外的光束和所接收的波束输出回到所述输入耦合器中。
8. 根据权利要求1所述的基板引导型中继器，进一步包括交叉耦合器，所述交叉耦合器物理地附于所述输入耦合器和所述中间基板，所述交叉 耦合器位于所述输入耦合器和所述中间基板之间，所述交叉耦合器从所述输入耦合器接收 光束，从所接收的光创建另外的光束，并且将所述另外的光束和所接收的波束输出到所述 中间基板中。
9. 根据权利要求1所述的基板引导型中继器，其中，所述中间基板包含两个或更多个 部分反射表面，所述部分反射表面相对于所述中间基板的外表面处于垂直的角度，其中所 述部分反射表面被构造为反射一些入射光束并且透射一些入射光束。
10. —种光学装置，所述光学装置将来自图像源的图像中继给观看者，所述光学装置包括输入耦合器，所述输入耦合器接收表示所述图像的一部分的波束，并且将所述波束传 输到中间基板，其中所述输入耦合器附于所述中间基板，使得所述输入耦合器的光轴以非 垂直的角度与所述中间基板的光轴相交；以及输出耦合器，所述输出耦合器从所述中间基板接收所述波束，并且将所述波束向所述 观看者输出，所述输出耦合器附于所述中间基板并且位于所述中间基板外。
11. 根据权利要求io所述的光学装置，其中所述输入耦合器接收表示所述图像的一部分的波束并且从所接收的波束创建多个波束。
12. 根据权利要求10所述的光学装置，进一步包括均化部件，所述均化部件使由所述输出耦合器接收的光束的数目大于由所述输入耦合 器接收的光束的数目。
13. —种眼睛佩戴物设备，所述眼睛佩戴物设备向眼睛佩戴物的使用者呈现图像，所述 设备包括两个透镜；框架，其中所述框架将所述两个透镜基本上保持在所述使用者的眼睛的前面；以及基板引导型中继器，所述基板引导型中继器至少部分地被包含在所述两个透镜的至少 之一内，其中所述基板引导型中继器包括输入耦合器，所述输入耦合器从扫描波束图像源接收多个光束并且创建所述多个光束 的每一个的多个副本；中间基板，所述中间基板物理地附于所述输入耦合器，从所述输入耦合器接收所述多 个副本，并且传输所述多个副本；以及输出耦合器，所述输出耦合器物理地附于所述中间基板并且位于所述中间基板外，从 所述中间基板接收被传输的所述多个副本并且从所述输出耦合器输出所述多个副本。
14. 根据权利要求13所述的眼睛佩戴物设备，其中所述基板引导型中继器从位于所述 框架内的扫描波束图像源接收所述多个光束。
15. 根据权利要求13所述的眼睛佩戴物设备，其中所述基板引导型中继器从位于下述 装置内的扫描波束图像源接收所述多个光束，所述装置与所述使用者相关联并且耦合到所 述基板引导型中继器。
全文摘要
一种在光学显示系统中的基板引导型中继器(100)，采用光引导基板以将来自源的图像中继给观看者。基板引导型中继器由输入耦合器(110)、中间基板(120)、和输出耦合器(130)组成。在一些实施例中，输出耦合器被形成在耦合到中间基板的单独的基板中。输出耦合器可以被安置于中间基板的前面或后面，并且可以采用两个或更多个部分反射表面以将光从耦合器耦合。在一些实施例中，输入耦合器以如下所述的方式被耦合到中间基板，即，输入耦合器的光轴以非垂直的角度与中间基板的光轴相交。
文档编号G02B27/01GK101730859SQ200880023673
公开日2010年6月9日 申请日期2008年6月19日 优先权日2007年7月10日
发明者乔舒亚·O·米勒, 克里斯蒂安·迪安·德容, 卡尔通·D·鲍威尔, 马克·O·弗里曼 申请人:微视公司