CN112230433A - 毫微微投影仪光学系统 - Google Patents

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Abstract

描述了各种毫微微投影仪光学系统。它们中的每个可以做得足够小以使用塑料注塑成型、金刚石车削、光刻和蚀刻或其他技术装配在隐形眼镜中。大多数(但不是全部)系统包括实心圆柱形透明基板，该基板的一端上形成有弯曲主镜并且另一端上形成有次镜。任何设计可以根据需要使用光阻挡、光重定向、吸收涂层或其他类型的挡板结构来减少杂散光线。

Description

毫微微投影仪光学系统
本申请是国际申请日为2017年10月18日、国际申请号为PCT/US2017/057240、国家申请号为201780078826.1、发明名称为“毫微微投影仪光学系统”的中国发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.的第119(e)段要求于2016年10月31日提交的题为“Femtoprojector Optical Systems”的美国临时专利申请序列号62/415,376和于2017年3月17日提交的题为“Femtoprojector Optical Systems”的美国临时专利申请序列号62/473,268的优先权。所有前述申请的主题以整体内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及用于眼戴式显示器的投影仪。
背景技术
Deering已经提出了一种眼戴式显示器。参见例如题为“Systems using eyemounted displays”的US 8,786,675。一种类型的眼戴式显示器基于安装在隐形眼镜内的微型投影仪。投影仪将图像投影到佩戴隐形眼镜的人的视网膜上。
视频投影仪必须非常小以装配在隐形眼镜中，小到Deering将称其为“毫微微投影仪(femtoprojector)”。典型的毫微微投影仪在任何维度上都不大于约1毫米。
一种毫微微投影仪包括图像源和光学系统。图像源可以是显示芯片，诸如发光像素阵列。发光二极管(LED)阵列是显示芯片的示例。光学系统将来自图像源的光投射到视网膜上。
在光到达视网膜之前，它穿过眼球，眼球包括角膜和眼睛自己的晶状体。毫微微投影仪的光学系统被设计为将来自显示芯片的图像投影到视网膜上，以便它们出现在人的视场中。
所需要的是用于装配在隐形眼镜内部同时还提供适当放大率和良好图像质量的毫微微投影仪光学系统的设计。
附图说明
本公开的实施例具有其他优点和特征，这些优点和特征当结合附图理解时从以下详细描述和所附权利要求将更加清楚，在附图中：
图1示出了在隐形眼镜中包含毫微微投影仪的眼戴式显示器的横截面视图。
图2示出了在隐形眼镜中包含多个毫微微投影仪的眼戴式显示器的俯视图。
图3A和图3B分别示出了具有来自图像源的中央和边缘的光线的毫微微投影仪光学系统的横截面视图。
图4示出了毫微微投影仪光学系统的透视图。
图5A和图5B示出了毫微微投影仪光学系统和具有毫微微投影仪的眼睛的横截面视图，图示了设计折衷。
图5C绘出了作为遮蔽物尺寸的函数的相对效率和内晕角。
图6-图13示出了各种毫微微投影仪光学系统的横截面视图。
图14A-图14B示出了毫微微投影仪的分解图和组装图。
图15A-图15B示出了另一毫微微投影仪的分解图和组装图。
图16示出了隐形眼镜中的水平定位的毫微微投影仪的横截面视图。
图17示出了隐形眼镜中的又一毫微微投影仪的横截面视图。
图18-图20示出了具有不同类型的源挡板的毫微微投影仪光学系统的横截面视图。
图21示出了具有延伸侧挡板的毫微微投影仪光学系统的横截面视图。
图22示出了包括基于偏振的挡板系统的毫微微投影仪光学系统的横截面视图。
图23示出了具有菲涅耳透镜界面的毫微微投影仪光学系统的横截面视图。
图24示出了具有二元全息图界面的毫微微投影仪光学系统的横截面视图。
图25示出了具有遮蔽物的全折射毫微微投影仪光学系统的横截面视图。
图26是图25的毫微微投影仪光学系统的一部分的扫描电子显微镜照片。
图27示出了没有次镜的毫微微投影仪光学系统的横截面视图。
附图仅出于说明的目的描绘了各种实施例。从以下讨论中，本领域技术人员将容易认识到，在不脱离本文所述的原理的情况下，可以采用本文所示的结构和方法的备选实施例。
具体实施方式
附图和以下描述仅通过说明涉及优选实施例。应当注意，从以下讨论中，将容易认识到，在不脱离所要求保护的原理的情况下，本文中公开的结构和方法的备选实施例将被容易地识别为可以采用的可行的备选方案。
毫微微投影仪光学系统被设计为将来自在隐形眼镜内部的图像源的图像投影到用户的视网膜上。下面描述的毫微微投影仪光学系统足够小以装配在隐形眼镜内部，可以用真实的制造工艺来制造，并且被设计为在人的视网膜上提供良好的图像质量。
图1示出了在隐形眼镜150中包含毫微微投影仪100的眼戴式显示器的横截面视图。图1示出了使用巩膜隐形眼镜的实施例，但是隐形眼镜不必是巩膜隐形眼镜。隐形眼镜150通过泪液层172与用户眼睛170的角膜174分离。在角膜174上，泪液层172可以厚达一百微米或更大，而它在巩膜182上可以仅几微米厚。眼球的水溶液位于角膜和眼睛的晶状体176之间。玻璃体填充大部分眼球，包括眼内晶状体176和视网膜178之间的体积。虹膜184限制眼睛的孔径。
隐形眼镜150优选地具有小于2mm的厚度t，并且毫微微投影仪100优选地装配在2mm×2mm×2mm的体积中。隐形眼镜150佩戴舒适，并且通过允许氧气到达角膜174来保持眼睛健康。
在图1的设计中，从毫微微投影仪100中的图像源到视网膜178的光路不包括任何气隙。结果，嵌入隐形眼镜150中的毫微微投影仪100对空气角膜界面不敏感，该界面在肉眼中提供大部分聚焦能力。另外，该系统不受从一个人到另一个人发生的角膜形状变化的影响。
图2示出了在隐形眼镜150中具有多个毫微微投影仪100A-C的眼戴式显示器的俯视图。对于最大的毫微微投影仪，隐形眼镜直径与毫微微投影仪横向尺寸的比率大致为25:1。该比率通常在约15:1到30:1之间，但可以小至5:1或大至50:1。图2示出了隐形眼镜中的三个毫微微投影仪100A-C，但是这样的隐形眼镜中可以安装很多毫微微投影仪或仅一个毫微微投影仪。已经提出了在隐形眼镜中具有多达49个毫微微投影仪的眼戴式显示器。如果隐形眼镜中只有一个毫微微投影仪，则它不必位于隐形眼镜的中央。
图2中的毫微微投影仪100也被示出为具有不同的尺寸。视网膜感受域朝向中央凹更加密集，而远离中央凹逐渐变得不太密集。相应地，在一个实现中，向中央凹投影的毫微微投影仪在视网膜上生成更高分辨率的图像，并且向视网膜周边投影的那些毫微微投影仪相应地生成较低分辨率的图像。由所有毫微微投影仪组成的整个显示器可以是可变分辨率显示器，该显示器仅生成眼睛的每个区域实际可以看到的分辨率，与相同分辨率和视场的非眼戴式显示器相比大大减少了所需要的各个“显示像素”的总数。通过视网膜的较低分辨率的远离中央凹区域观看的眼戴式显示器中的像素将始终被那些较低分辨率区域观看，并且因此可以在视网膜上投射较低分辨率的像素，同时仍然匹配眼睛的分辨率。结果，使用可变分辨率的400,000像素眼戴式显示器可以覆盖与包含数千万个离散像素的固定外部显示器相同的视场。
在图2中，隐形眼镜150被虚线圆圈粗略地划分为光学区域152和非光学区域154。光学区域152中的组件可以在眼睛的光路中，这取决于虹膜有多远。非光学区154中的组件落在眼睛的孔径之外。除了毫微微投影仪100之外，隐形眼镜还可以包含用于数据传输、供电和/或定位的其他组件。数据传输组件可以包括天线或光学/红外光电探测器、数据存储和缓冲、控件，以及可能还包括眼镜上处理。功率组件可以包括用于功率传输的线圈和用于功率存储的电池。定位组件可以包括被用于眼睛跟踪和头部跟踪的加速度计和基准或其他结构。
除了眼戴式显示器之外，整个系统还可以包括头部跟踪器、眼睛跟踪器和缩放器。系统接收输入图像(包括可能的视频)，输入图像将经由眼戴式显示器被显示给人类用户。毫微微投影仪将图像投射在用户的视网膜上，从而在用户的视场中产生虚拟对象的图像。缩放器接收输入图像并且产生适当的数据和命令以驱动毫微微投影仪。头部跟踪器和眼睛跟踪器提供关于头部运动/位置和眼睛运动/位置的信息，以便可以针对这些因素来补偿被提供给毫微微投影仪的信息。
有很多方式可以利用(多个)眼戴式显示器来配置该功能性以创建眼戴式显示系统的实施例。这些子系统的一些部分可以在用户外部，而其他部分可以由用户以头戴式受话器或眼镜的形式佩戴。组件也可以被佩戴在腰带、臂带、腕带、项链或其他类型的包装上。
图3A-图3B示出了毫微微投影仪光学系统300的横截面视图，并且图4示出了毫微微投影仪光学系统的透视图。图3的系统包括具有折射率n1的实心透明基板310。毫微微投影仪光学系统可以嵌入在其中的隐形眼镜材料具有折射率n2。实心透明基板310可以由塑料、玻璃或其他透明材料制成。
图3的系统包括凹面主镜360和凸面次镜350。这些中的任一个或两个可以是非球面的。凹面主镜360可以通过用诸如金属(例如，铝或银)等反射材料或介电层的工程堆叠涂覆基板310的端部来形成。主镜360的形状可以通过几种不同技术中的任何一种来制造。例如，如果基板是注塑成型的塑料，则主镜360的形状遵循所使用的模具的形状。备选地，主镜360的形状可以通过金刚石在车床上车削基板来制成。或者，主镜360的形状可以通过光刻和蚀刻步骤来制成。例如，灰度光刻可以被用来蚀刻镜面轮廓。包括压花、压缩模塑和/或UV固化光敏聚合物在内的晶片级光学技术也可以被用来形成镜面轮廓。也可以采用添加剂制造或三维印刷(例如，经由双光子聚合)技术。
主镜360包括尺寸为“b”的透明非反射安装区域365。图像源340(诸如具有单独可寻址的发射器阵列的LED(发光二极管)显示芯片)被安装在该位置。作为示例，替代图像源包括照明光掩模或单个发光二极管。当然，视频比静态模式或只有很少像素的模式更令人兴奋。然而，这些更有限的图像源对一些应用很有用。
次镜350面向图像源340，并且主镜360面向次镜350。来自图像源340的光线首先在次镜350上入射并且由次镜350反射(次镜350在该示例中为凸面次镜)。然后，在离开光学系统之前，反射光线在主镜360上入射并且由主镜360进一步反射。主镜360是“主要的”，因为它比次镜350大。当光学系统被用在毫微微投影仪中时，来自图像源340的光在主镜360之前照射次镜350。尽管图3中的次镜350被绘制为比主镜中的开口365的尺寸b小，但这不是必须的。例如，在图4中，次镜350大于安装区域365。
次镜350和主镜360协作以将来自图像源340的图像投影到用户的视网膜上。然而，并非来自图像源340的所有光线都可以作为图像形成的一部分被成功地投射。被成功投射以形成图像的那些光线被称为图像形成光线。来自图像源340的剩余光线被称为杂散光线。图3A示出了由图像源340的中心点产生的光线扇形，并且图3B示出了由图像源340的边缘点产生的相同的光线扇形。如果源是LED或未被完全准直的其他源，则该扇形可以具有相当大的发散度。在很多情况下，图像源340将具有朗伯分布。
该系统还包括遮光板系统以阻挡或至少减少到达出射孔的杂散光线和/或将离开的杂散光线引导到远离投影图像的区域。优选地，离开毫微微投影仪光学系统的杂散光线中的功率与离开毫微微投影仪光学系统的图像形成光线中的功率之比不超过1:2。在图3中，挡板系统包括遮蔽物382和侧壁384(或其他类型的侧挡板)。吸收侧壁384位于主镜360外部。通常，侧壁384将与主镜360的外边缘接界并且轴向延伸以形成圆柱形吸收结构。它们可以是毫微微投影仪光学系统的组成部分，也可以是安装有光学系统的周围结构。吸收侧壁或黑色侧壁也可以使得毫微微投影仪对其他人不太可见。
在该示例中，遮蔽物382是围绕次镜350的环形吸收环。它可以由在次镜350周围沉积诸如碳、粗糙或蚀刻的镍(“镍黑”)、黑铬、或梵塔黑(英国纽黑文的Surrey NanoSystems)等吸收材料来制成。遮蔽物的尺寸是“a”。在图3的系统中，a＝b。遮蔽物382是用以控制杂散光线的遮光板系统的一部分，但是它也可以被用来控制或增强焦深。
首先参考图3A，来自图像源340的光线可以如下分类。图3A示出了从图像源340的中央发射的不同光线。光束341(其中光束的边缘由两个实线光线限定)被次镜350和主镜360反射并且被投射以在用户的视网膜上形成图像。这些是图像形成光线341。在图3A中，图像形成光束341当其从图像源340发射以及离开光学系统300时被标记。剩余的光线是杂散光线，它们被管理如下。光束345中的光线被次镜350反射回图像源340，图像源340吸收光线。光束346中的光线(在实线光线和虚线光线之间)被遮蔽物382阻挡。光束347中的杂散光线(在两条虚线光线之间)离开光学系统但是在一个方向上使得它们不与视网膜上的图像形成光线重叠。这些杂散光线有时被称为形成远离由图像形成光线341形成的期望图像的不需要的“光晕”。以相对浅的倾斜角度从图像源发射的光束348(在两条虚线光线之间)中的光线被侧壁384阻挡。为清楚起见，在图3A中仅标出右手光线，但对于左手光线存在类似的情况。对于从图像源340的边缘发射的光线发生类似情况，如图3B所示。遮光板系统优选地操作以减少离开系统的杂散光线并且防止任何离开的杂散光线被投射到与投影图像重叠的区域。
尽管图3A和图3B中的遮蔽物是吸收和平坦的，但这不是必须的。反射和/或非平坦遮蔽物也是可行的，只要从图像源发射的撞击遮蔽物的杂散光线得到适当管理。它们可以被引向吸收结构，或者它们可以在特定方向上离开光学系统使得它们不与视网膜上的图像重叠。遮蔽物还会使图像在视网膜上的焦点变得清晰，并且增加这些图像的焦深。增加的焦深对于被设计为处理各种尺寸和不同晶状体屈光力的人眼的系统是有帮助的。
图4示出了毫微微投影仪光学系统300的透视图。该图示出了透明基板310，透明基板310具有形成在其相对端上的主镜360和次镜350、用于图像源的主镜中的透明安装区域365、和围绕次镜350的环形遮蔽物382。还图示了在圆柱形基板的圆周上的可选平坦部412。
本文所述的毫微微投影仪光学系统的设计由于诸如系统必须装配在其中的非常小的体积、基板和周围的隐形眼镜材料的折射率、所需要的光学放大率规格、考虑到低功率图像源的情况下在视网膜处所需要的光通量、以及图像清晰度和对比度等约束而变得复杂。主镜和次镜的尺寸和曲率、遮蔽物的尺寸和放置、主镜中的透明区域的尺寸以及折射率都是可以由光学设计师调节以优化不同的设计优先级(诸如光通量、焦深、视网膜处的像素尺寸和衍射效应)的参数的示例。
在一些设计中，图像源340的尺寸不大于500微米(b≤500微米)。例如，图像源340可以是单独可寻址的发射器(LED)的500×500阵列，其发射极到发射极间距不大于3微米并且优选不大于1微米。具有1微米间距的500×500阵列在一侧将约为500微米。具有500×500色像素的阵列(每个具有三个不同颜色的LED)在使用1微米间距的一侧将小于1mm。该毫微微投影仪光学系统可以提供从图像源340到用户的视网膜的大约3-5倍或高达30倍或更大的放大率。被投射在用户的视网膜上的所得到的图像可以占据约5度至约20度的完整视场。
图5A-图5C图示了用于毫微微投影仪光学系统的一些设计折衷。以下示例被简化以便说明折衷。例如，小角度近似将被大量使用，使得α＝sinα＝tanα，即使在实际设计中考虑的角度可能不是很小。在设计实际系统时将使用更准确的计算。图5A示出了毫微微投影仪光学系统的横截面，其中“b”是图像源340的尺寸，“c”是次镜350的尺寸，并且“a”是遮蔽物382的尺寸。“w”是毫微微投影仪光学系统的宽度(主镜360的尺寸)，并且“h”是光学系统的高度(从图像源340到次镜350的距离)。基板310具有折射率nfp，其中下标fp代表毫微微投影仪。
毫微微投影仪光学系统的纵横比h∶w优选地小于2∶1，并且更优选地小于1∶1。高度h和宽度w各自优选地小于2mm，或者甚至更优选地1mm或更小。在所示的设计中，图像源340与主镜360轴向对准。在基板310的相对端，次镜350与出射孔轴向对准。对于固定高度h，该方法导致系统内最长的光路长度。
图5B示出了图像源340到视网膜上的投影。投影图像540具有尺寸B，因此整体放大率由m＝B/b给出。眼睛的折射率(特别是玻璃体液的折射率)是neye，其约为1.34。L是眼睛的长度，其约为23mm。
在一个维度中执行以下计算，并且进行某些近似(例如，小角度)以便说明各种原理。它们可以直接扩展到二维，并且可以进行更精确的计算。目前，假定源尺寸b以及毫微微投影仪高度h和宽度w是固定的。眼睛尺寸L和折射率也是固定的。这留下了图像尺寸B、次镜尺寸c和遮蔽物尺寸a的选择。
图像尺寸B根据下式由期望视场FOV确定：
B＝(FOV/neye)L
＝(L/neye)FOV (1)
其中FOV是弧度。(L/neye)是比例常数，其大约等于每度视场300微米。跨越5度视场的图像将在视网膜上跨越约1.5mm。
次镜尺寸c可以部分地基于光学扩展量的守恒来确定。将图像540处的光学扩展量设置为等于图像源340处的光学扩展量得到：
neyeBθeye＝nfpbθfp
(2)
其中θeye是聚焦在图像540上的光锥角，并且θfp是图像源340处的相应接收角。代入B＝(L/neye)FOV，θeye＝w/L和θfp＝c/h并且求解c得到：
Figure BDA0002764840590000101
其中FOV以弧度表示。注意，c是次镜的尺寸，其满足源图像340处的光学扩展量与视网膜图像540处的光学扩展量相匹配的条件(忽略主镜中的中心孔的效果和出口处的遮蔽物的效果)。对于给定的h、w、b和FOV，增加次镜的尺寸使其超过c的值将不会增加形成视网膜图像的光量。注意，该c的值缩放为h*w*FOV/b。对于恒定的h、w和b，次镜尺寸以FOV进行缩放。假定h＝750微米，w＝1000微米，b＝500微米，并且nfp＝1.34，则每度视场产生20微米的比例常数。对于5度视场，对应的次镜尺寸将是c＝100微米。
次镜350的尺寸c还与图像源340和主镜360相对于通过图像形成光线和阻挡杂散光线的尺寸有关。假定主镜360从图像源340的边缘向外延伸到半径w/2。次镜350的边缘由光线541B限定，如图5A所示。
对于c＝b的特殊情况，次镜350和图像源340具有相同的尺寸。在等式3中代入c＝b并且求解FOV得到
Figure BDA0002764840590000111
其中FOV以弧度表示。继续上面的示例，其中h＝750微米，w＝1000微米，b＝500微米，并且nfp＝1.34，c＝b的情况将在约25度的FOV处发生。
对于较小的视场，次镜350可以比图像源340小得多而不牺牲光学扩展量。在这种情况下，没有较大的遮蔽物382，来自图像源的大部分前向发射光(诸如光线547)将在视网膜处与图像540重叠，从而降低图像对比度。
因此，如果c<b，则优选的是，遮蔽物382的内边缘与次镜350的外边缘相邻，并且遮蔽物382的外边缘具有尺寸a，即至少a＝b。随着遮蔽物382从尺寸a＝0增长到a＝b，它不会阻挡任何图像形成光线(至少没有阻挡任何来自图像源340的中心点的图像形成光线)并且仅阻挡杂散光线。在a＝b的尺寸处，遮蔽物382阻挡所有轴向传播的杂散光线，即平行于系统光轴传播的杂散光线，诸如光线547。如果保持未被阻挡，则这些光线通常将会与投影图像540重叠，因此阻挡它们是有益的。然而，随着遮蔽物的尺寸增加超过a＝b，它将阻挡附加的图像形成光线以及附加的杂散光线，如图5所示。因此，在保持图像的对比度与减少离开系统的杂散光之间存在折衷。
对于c>b的较大视场，即使没有遮蔽物382，所有轴向传播的杂散光线也将被次镜反射(并且可能被阻挡)，因此图像的中央将没有这些杂散光线。远离图像的中央，可能仍然存在降低图像对比度的杂散光线，除非提供具有比次镜350更大尺寸的遮蔽物382。
假定遮蔽物382大于图像源，限定晕圈的内边缘(即，由未反射的未阻挡的发射光形成的环的最内角)的杂散光线是从图像源340的边缘发射并且仅使遮蔽物382透明的光线548，如图5A所示。该光线548以角度传播
φ＝(a/2-b/2)/h (5)
为方便起见，角度φ将被称为内晕角。为了确保该光线停留在图像540外部，选择遮蔽物尺寸a使得内晕角φ＞FOV/(2nfp)。代入φ并且求解产生
a≥b+FOV(h/nfp)
(6)
随着遮蔽物382的尺寸增加，晕圈的内边缘被推离图像更远。另外，晕圈的外边缘通常受到眼睛瞳孔或毫微微投影仪的最外边缘的限制。相应地，随着遮蔽物尺寸的增加，光晕中的总功率减小。
然而，增加遮蔽物尺寸也会降低图像中的总功率。仅考虑图像源340的中央像素。令P是在如上定义的接受角θfp内从该像素发射的总功率，并且假定该功率均匀分布。如果a＜b，则由图像源340引起的主镜360中的孔阻挡大致等于(b/w)2的光的一部分。如果a＞b，则遮蔽物382将支配并且阻挡大致等于(a/w)2的光的一部分。相对效率可以被定义为下式的倒数：
相对效率＝1-被阻挡的光的一部分 (7)
图5C绘制了作为遮蔽物尺寸(相对于毫微微投影仪尺寸而测量的)的函数的相对效率和内晕角。图5C继续前面的示例，其中w＝1000微米并且b＝500微米，因此b/w＝50％。实线绘制了由等式7给出的作为(a/w)(其是相对于毫微微投影仪尺寸的遮蔽物尺寸)的函数的相对效率。对于(a/w)＜50％的值，相对效率为75％(损失25％)，因为该损失由图像源产生的主镜中的孔确定(b/w＝50％)。对于(a/w)＞50％的值，当遮蔽物覆盖整个出口区域时，遮蔽物的尺寸增大会降低相对效率，直到达到0％为止。
虚线绘制由等式5给出的作为(a/w)的函数的内晕角φ。对于(a/w)<50％的值，遮蔽物小于图像源，因此一些轴向传播的杂散光线将离开系统，导致内晕角φ＝0度。对于(a/w)>50％的值，遮蔽物的尺寸增大将晕圈推离图像更远。
图6-图13示出了包括内部折射界面、遮蔽物位置和形状以及其他参数的毫微微投影仪光学系统的附加实施例。设计选择必须以组合方式说明，并且为了控制附图的数目，并未示出每种可能的组合。例如，内部折射界面的形状的选择很大程度上与遮蔽物位置或遮蔽物形状的选择无关。说明了这些选择的一些组合。本领域技术人员将理解，在某些情况下可能需要其他未示出的组合。
在图6中，在被主镜360反射之后，图像形成光线641首先越过毫微微投影仪光学系统中的折射率n1材料与折射率n3材料之间的边界670，然后越过折射率n3材料与折射率n2(隐形眼镜)周围环境之间的边界675。这些边界(以及一个透明介质与另一透明介质之间的任何边界)被称为“折射界面”。折射界面可以是弯曲的、平坦的或具有更复杂的形状。
在图6中，以及在下面描述的其他示例中，n1与n3之间的内部折射界面670可以是弯曲的或平坦的，而n3与n2之间的外部折射界面675优选地是平坦的。因此，n3材料有时被称为平坦化层610。它在毫微微投影仪光学系统与其周围环境之间提供平面界面675。n1与n3之间的折射界面的轮廓允许光学设计者调节光学系统的性能。在图6中，内部界面670是弯曲的。折射率n1和n3的值以及它们之间的边界的形状都会影响投影图像质量。然而，n3与n2之间的平面界面675使得系统对n2的微小变化相对不敏感。
图7的毫微微投影仪光学系统类似于图6的毫微微投影仪光学系统。然而，在图7中，遮蔽物782被放置在平面折射界面675的表面上，而不是围绕次镜350。它从次镜350轴向偏移。在图7中，遮蔽物782物理地覆盖圆形区域，尽管在光学上它具有与环形遮蔽物相似的效果。图7的设计优于图6的设计的偏好部分地由制造技术驱动。例如，将遮蔽材料782施加到平面折射界面675可以优于在位于内部界面670上的遮蔽材料上形成平坦化层。此外，可以在遮蔽物782上形成反射层(例如，在遮蔽物之后被沉积)以通过其吸收层来反射通过遮蔽物的任何光。
在图8的毫微微投影仪光学系统中，折射率n1材料与折射率n3材料之间的内部折射界面870具有更复杂的更高阶的形状。内部折射界面870的形状是被用来将图像质量优化到更高水平的设计参数，该更高水平仅经由主镜和次镜形状而是可能的。内部折射界面870的形状可以通过具有一组系数的径向多项式展开来描述。尽管被图示为与次镜和遮蔽物大致在同一平面中，但是内部折射界面可以更靠近或更远离主镜360轴向移位。
在图9的毫微微投影仪光学系统中，环形遮蔽物982从次镜350轴向偏移。它比次镜350更靠近主镜360。对于这种遮蔽物放置的偏好主要由制造技术而非光学性能驱动。在下面描述的一些制造工艺流程中，在实心透明基板的中间形成遮蔽物是方便的。
图10示出了具有与图6的内部折射界面弯曲相反的弯曲的内部折射界面1070的毫微微投影仪光学系统。在概念上，凸形、凹形或复合弯曲折射界面1070的选择可以被认为是由是期望对主镜和次镜的光学效果进行正的、负的还是更复杂的校正而确定的。图10的系统还具有与遮蔽物382和次镜350共面(或几乎共面)形成的平面折射界面。对这种布置的偏好主要还是制造选择的问题。平面折射界面675可以是例如薄窗口，并且n3折射率材料可以是可固化或可模制的材料或气体(诸如氮气或空气)或液体(诸如液晶)。
图11的系统具有遮蔽物1182，遮蔽物1182远离图像源倾斜并且被分成与菲涅耳透镜相似的区段。区段可以是弯曲的。遮蔽物1182是倾斜的，使得来自图像源340的从遮蔽物反射的光被重定向到吸收侧壁384而不是主镜360。因此，重定向遮蔽物1182不需要由吸收材料制成。例如，它可以是反射器并且可以与次镜350同时制造。遮蔽物1182可以制成一个连续的斜坡。然而，如图所示将其分成多个区段会减少光学系统的总长度。图中仅示出了两个区段，但是如果需要，可以将遮蔽物1182分成很多区段。
与图11的遮蔽物相比，图12的系统具有以相反的方式(朝向图像源)倾斜的遮蔽物1282。图12中的遮蔽物未被分成区段，但是可以根据需要被分成区段。图12的遮蔽物1282是倾斜的，使得来自图像源340的从遮蔽物反射的光被重定向到吸收侧壁384而不是主镜360，而是重定向到相对的吸收侧壁而不是如图11中的相邻的吸收侧壁。在图11中，照射右侧遮蔽物1182的杂散光线被反射到右侧吸收侧壁384。在图12中，照射右侧遮蔽物1282的杂散光线被反射到左侧吸收侧壁384。遮蔽物1282不需要由吸收材料制成。例如，它可以是反射器并且可以与次镜同时制造。
图13的系统具有弯曲的遮蔽物1382。图13中的遮蔽物1382是曲率半径R近似等于从遮蔽物到图像源340的距离的凹面镜。来自图像源340的在弯曲的遮蔽物1382上入射的光线被反射回图像源，在那里它们被吸收。如果遮蔽物1382足够精确地将光引导回光源，并且如果光源是足够有效的吸收器，则光学系统可能不需要具有吸收侧壁。因此，图中未示出吸收侧壁。
只要弯曲的反射遮蔽物和吸收图像源的组合阻挡足够的杂散光线以确保期望的图像对比度水平，遮蔽物曲率半径R就不必精确地等于遮蔽物1382与图像源340之间的距离。因此，R是可以针对特定情况进行优化的设计参数。此外，如果该表面与图像源重合，则R可以近似等于遮蔽物与主曲面镜表面之间的距离。还可以制造具有非球面表面的遮蔽物1382。
图6-图13图示了内部折射界面、平面折射界面和遮蔽物的各种配置。内部折射界面允许对整个光学系统进行设计调节。平面界面降低了光学设计对诸如隐形眼镜等周围材料的折射率n2的变化的灵敏度。遮蔽物防止未被次镜反射的光降低图像对比度。倾斜的遮蔽物可以是反射的而不是吸收的，只要它在任何情况下将光导向吸收侧壁、另一吸收表面或远离期望图像。倾斜的遮蔽物可以被分成区段。弯曲的遮蔽物可以是反射性的并且可以消除对吸收侧壁的需要。弯曲的遮蔽物也可以被分成区段。
被选择用于遮蔽物的样式(弯曲的、平坦的、倾斜的、分段的)通常与内部折射界面的特性无关。此外，本文所述的所有不同类型的遮蔽物都适用于不具有内部折射界面的光学系统。
图14和图15图示了用于制造毫微微投影仪光学系统的各种方法。图14A-图14B分别示出了如图6所示系统的分解和组装视图。图14A分四个部分示出了毫微微投影仪光学系统的分解图：A、B、C和D。
图14A中的A部分可以用塑料模制，并且然后涂覆金属以形成主镜结构360。在光学系统完成之后，诸如LED阵列等光源340可以被集成到安装区域365上。B部分可以是玻璃或塑料晶片。B部分是可选的。如果省略，则可以使A部分和C部分更厚以进行补偿。另一方面，B部分可以是方便的起始基板，其上可以通过冲压可模塑的塑料形成A部分和C部分。C部分可以使用与A部分类似的工艺制造。沉积在C部分上的金属形成次镜350。沉积在C部分上的吸收材料形成遮蔽物382。备选地，如果遮蔽物是倾斜的(参见例如图11和图12)，则形成次镜的相同金属也可以形成遮蔽物。最后，可以在C部分之上模制、电镀或旋转D部分、平坦化层。它也可以通过填充结构的其余部分插入其中的孔的底部来形成，或者可以保持孔为空的或向其中填充气体。图14B示出了由A-D部分制成的毫微微投影仪光学系统的组装图。
图15A-图15B分别示出了作为图9和图10所示的系统的组合的系统的分解和组装视图。图15A分四个部分示出了毫微微投影仪光学系统的分解图：A、B、C和D。这些部分可以使用与针对图14中的对应部分描述的相同技术来制造。图14和图15之间的主要区别在于，在图15A中，遮蔽物形成在B部分上。这可以通过在B部分上沉积和图案化吸收材料来完成。而且，在图15A中，形成在C部分和D部分之间的内部折射界面以相反方式弯曲。当然可以改为形成复杂的曲线。在图14和图15中，“D部分”可以由在刚性透气性隐形眼镜中钻出的并且填充有适当的光学环氧树脂的孔的底部形成。图15B示出了由图15A的A-D部分制成的毫微微投影仪光学系统的组装图。
在图1中，示出了毫微微投影仪以“垂直”配置安装在隐形眼镜中。换言之，毫微微投影仪100的光轴和/或对称轴近似垂直于隐形眼镜150的外表面。图16示出了隐形眼镜中的毫微微投影仪的横截面视图。在图16中，毫微微投影仪1600以“水平”配置安装，这表示毫微微投影仪光学系统1630的光轴和/或对称轴大致平行于隐形眼镜150的外表面。在这种配置中。转向镜1640将来自毫微微投影仪光学系统1630的图像形成光线导向用户的视网膜。
图17示出了隐形眼镜150中的又一毫微微投影仪1700的横截面视图。图17的组件如下进行。在隐形眼镜150(诸如刚性透气性透镜)中钻出(或以其他方式产生)第一孔1740。接下来，用深色环氧树脂1742(例如，Master Bond EP42HT-2MED Black)填充孔1740。这是填充孔1742。接下来，钻出或以其他方式产生与第一孔同心但更小直径并且更深的另一孔1750。这是透明孔1750。最后，将毫微微投影仪1700插入透明孔1750中。可以将透明的折射率匹配的环氧树脂1752放置在透明孔1750的底部。从填充孔操作留下的深色环氧树脂1742用作针对上述毫微微投影仪的吸收侧壁。透明孔1750的底部可以填充有透明环氧树脂1752，并且可以形成图14-图15的D部分。这种组装方法可以被称为“钻孔-填充-钻孔”。可以使用除了环氧树脂之外的材料，并且不需要填充第一孔1740。例如，可以改为涂覆它的侧面。
图18-图27图示了包括用于控制杂散光线的不同结构等的附加毫微微投影仪光学系统设计。
图18示出了具有环形遮蔽物和内部吸收管1880的毫微微投影仪光学系统。内部吸收管1880在图18中以横截面示出，但是在三维中它是具有光吸收壁的空圆柱体。管也可以具有矩形或其他形状的横截面以匹配图像源的形状。吸收管1880阻挡来自图像源的光线离开系统而不首先被主镜反射。如此，它是遮光板系统的一部分。它立即减少了由图像源产生的光线的发散，如两条虚线所示，并且因此可以被称为源挡板。如果发散充分减少，则可能不需要侧挡板。吸收管1880可以通过金刚石车削在坚固的透明基板中加工。备选地，可以将吸收管1880热压到实心透明基板中。这样形成的圆柱形切口然后可以用诸如碳、粗糙镍、Vantablack等吸收材料填充。
备选地，可以首先制造具有窄圆柱形端部的基板，该端部具有期望的管1880的尺寸。然后，圆柱形端部可以涂覆有诸如碳、粗糙镍、Vantablack等吸收材料以形成管1880。最后，可以在吸收管1880周围添加透明材料以完成如图所示的透明基板。
图19示出了具有环形遮蔽物和移位图像源的毫微微投影仪光学系统。图19的系统包括用以支撑移位图像源的“凸台”1980和围绕凸台的吸收器1982。
凸台1980在图19中以横截面示出，但在三维中它是具有光吸收侧壁1982的实心圆柱体。吸收器1982阻挡来自图像源的光线经由折射界面离开而没有首先被主镜反射。吸收器1982是另一种类型的源挡板。
从实心透明基板开始，可以通过在车床上车削来在如图所示的基板的一端制造凸台1980。备选地，凸台1980可以是注塑过程中的模具中的特征。凸台1980可以涂覆有诸如碳、粗糙镍、Vantablack等吸收材料。
图20示出了具有环形遮蔽物和位移图像源的毫微微投影仪光学系统，该图像源大于主镜中的开口。图20的系统类似于图19的系统。然而，在图20中，图像源的尺寸“c”大于主镜中的透明开口的尺寸“b”。遮蔽物的尺寸“a”也大于“b”。简而言之，a>b并且c>b。此外，只要a>b，a≤c是可接受的。透明开口的尺寸足够大使得来自图像源的任何部分的光线照射次镜。
图20中的凸台2080包括光吸收侧壁2082。它可以通过用于制造图19所示的凸台的任何方法制成。然而，可能需要附加的步骤来制造图20的结构，因为凸台2080大于主镜中的透明开口的尺寸。凸台2080可以通过例如金刚石车削而成锥形，使得凸台的直径从图像源处的“c”变化为主镜处的“b”。这样，基板被暴露，使得可以沉积反射材料以形成整个主镜表面。
图21示出了具有环形遮蔽物、外部吸收管2180和凹面次镜的外部投影仪光学系统。外部吸收管2180延伸超出折射界面。在图中，管2180具有足够长的长度d0以阻挡来自图像源的未被主镜反射的杂散光线(即，形成光晕的杂散光线)。
对光学系统的整体尺寸的设计约束可能妨碍外部吸收管的使用，该外部吸收管只要需要即用以阻挡每个杂散光线。例如，可能只能制造与d1或d2一样长的管。缩短的外部管仍然有用，因为它可以阻挡一些杂散光线。
图22示出了包括基于偏振的挡板系统的毫微微投影仪光学系统。在图22的系统中，由图像源发射的光线首先通过线性偏振器#1。这些光线中的一些然后通过光学四分之一波片2280，被次镜反射并且再次通过光学四分之一波片。之后，光线被主镜反射，并且然后通过线性偏振器#2。
线性偏振器#2垂直于线性偏振器#1偏振。穿过四分之一波片的光被反射，并其再次通过四分之一波片，其偏振旋转90度，并且因此通过线性偏振器#2。未被次镜反射并且因此在前后不通过四分之一波片的光的偏振不会旋转。该光被偏振器#2阻挡，因为光垂直于偏振器的偏振而被偏振。因此，偏振器#2阻挡杂散光线。
在替代方法中，四分之一波片2280可以改为位于凹面主镜上。只要图像形成光线和杂散光线在到达偏振器#2时具有不同的偏振，就可以通过偏振滤光器阻挡杂散光线。
偏振器和光学四分之一波片可以由光学涂层制成。参见例如Gu Peifu,Tangjinfa的“Design and preparation of quarter-wave plate coatings”(国家航空情报中心，1995年)。
本文所述的任何毫微微投影仪光学系统的设计由于诸如系统必须装配在其中的非常小的体积、基板和周围的隐形眼镜材料的折射率、所需要的光学放大率规格、给定低功率图像源的情况下在视网膜处的所需要的光通量、以及图像清晰度和对比度等约束而变得复杂。在处理大量约束时，有几个可调节的设计参数是有帮助的。如上所述，可调节设计参数的一个示例是镜面曲率。所有毫微微投影仪光学系统中的主镜都是凹面的，如图所示。然而，次镜可以具有正曲率或负曲率(即，它可以是凹的或凸的)，或者它可以是平坦的。次镜的尺寸是另一可调节参数。环形遮蔽物允许独立于其曲率来调节反射镜的尺寸(至少从光线阻挡角度)。
图23-图24示出了毫微微投影仪光学系统中的不同类型的光学界面。这些系统中的任何一个都可以具有凹面、凸面或平面次镜，并且这些系统中的任何一个都可以包括遮蔽物。
图23示出了具有平面次镜和菲涅耳透镜界面2380的毫微微投影仪光学系统。图24示出了具有平面次镜和衍射界面2480(例如，二元全息透镜界面)的毫微微投影仪光学系统。
图23和图24中的折射界面的表面轮廓产生透镜，即使界面(宏观上)整体平坦。通过在注塑部件的情况下将它们的特征包括在模具中或者通过车床上车削(菲涅耳透镜)或者通过光刻和蚀刻(菲涅耳或全息图)，可以在界面上产生菲涅耳透镜或二元全息图。
图25示出了具有遮蔽物的全折射毫微微投影仪光学系统。图25的系统可以由两个部件组装：框架部分2511和框架部分2512。图25的系统包括图像源和形成伽利略望远镜的两个透镜2580、2582。来自图像源的光线在被正透镜2582投射之前首先通过负透镜2580。正透镜2582在其中央包括圆形遮蔽物。遮蔽物阻挡光线穿过透镜中央。它使投影图像更清晰，并且比其他情况下具有更大的焦点深度。
图26是图25的毫微微投影仪光学系统的框架部分2512的扫描电子显微镜照片。在该照片中，正透镜2582的直径约为0.3mm，并且厚度约为0.2mm。透镜2582由塑料制成并且通过注塑制造。框架2512被设计为与包括负透镜的另一框架部分配合以形成图25的结构。该部分已经通过抛光工艺来制造横截面，使得透镜表面的非球面形状是明显的。
图27示出了没有次镜的毫微微投影仪光学系统。图27提供了横截面视图。在图27的系统中，图像源发射的光线在被反射并且通过折射界面2780离开系统之前直接传播到主镜。与先前所示的设计相比，图像源取代了次镜。在图27的示例中，折射界面2780是凹形的，但在其他设计中它可以是凸形的或平坦的。
已经描述了各种毫微微投影仪光学系统。它们中的每个都可以做得足够小以使用塑料注塑成型、金刚石车削、光刻和蚀刻或其他技术装配在隐形眼镜中。大多数(但不是全部)系统包括实心圆柱形透明基板，该基板的一端上形成有弯曲主镜并且另一端上形成有次镜。任何设计可以根据需要使用光阻挡、光重定向、吸收涂层或其他类型的挡板结构来减少杂散光线。
当毫微微投影仪光学系统被描述为“圆柱形”时，其圆柱形状可以包括侧壁上的平坦部。换言之，完美圆柱体的圆形横截面不是必需的，只是整体圆柱形状。图4所示的结构是圆柱形的。光学系统也可以由其他形状的挤压制成，诸如三角形、正方形、五边形等。
尽管详细描述包含很多细节，但这些细节不应当被解释为限制本发明的范围，而仅仅是说明不同的示例。应当理解，本公开的范围包括上面未详细讨论的其他实施例。例如，上述各种折射率的材料在某些设计中可以是空气或气体填充的。在不脱离所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以对本文中公开的方法和装置的布置，操作和细节进行对于本领域技术人员很清楚的各种其他修改、改变和变型。因此，本发明的范围应当由所附权利要求及其合法等同物确定。

Claims (58)

1.一种眼戴式显示器，包括：
隐形眼镜，可安装在用户的眼睛上；以及
所述隐形眼镜中的一个或多个毫微微投影仪，所述毫微微投影仪中的至少一个毫微微投影仪包括：
图像源，产生图像；以及
毫微微投影仪光学系统，包括：
凸面第一镜，面向所述图像源，其中来自所述图像源的图像形成光线在所述第一镜上入射、并且由所述第一镜反射，并且来自所述图像源的杂散光线不在所述第一镜上入射；
凹面第二镜，具有容纳所述图像源的中心开口，所述第二镜具有大于所述第一镜而且同样大于所述图像源的横向维度，所述第二镜面向所述第一镜、并且进一步反射来自所述第一镜的所述图像形成光线，所述第一镜和所述第二镜配合以投射来自所述图像源的所述图像；其中所述图像源、所述第一镜和所述第二镜沿着公共轴线轴向对准，并且沿着所述公共轴线从所述图像源到所述第二镜的距离小于从所述第二镜到所述第一镜的距离；以及
遮光板系统，包括遮蔽物，所述遮蔽物与所述第一镜相邻并且围绕所述第一镜，所述遮蔽物阻挡来自所述图像源的未被所述第一镜反射的杂散光线。
2.根据权利要求1所述的眼戴式显示器，其中从所述图像源到所述用户眼睛的视网膜的用于图像形成光线的光路不包括任何气隙。
3.根据权利要求1所述的眼戴式显示器，其中所述隐形眼镜包含圆柱形孔；并且包含所述图像源、所述第一镜、所述第二镜和所述遮蔽物的结构装配到所述圆柱形孔中。
4.根据权利要求3所述的眼戴式显示器，其中所述遮光板系统还包括侧挡板，所述侧挡板在所述第二镜外部、并且阻挡以倾斜角度从所述图像源发射的杂散光线，并且所述侧挡板位于所述圆柱形孔的内部。
5.根据权利要求3所述的眼戴式显示器，其中所述结构包括面向所述用户眼睛的平面外表面。
6.根据权利要求1所述的眼戴式显示器，其中所述隐形眼镜的厚度不大于2mm。
7.根据权利要求1所述的眼戴式显示器，其中所有所述毫微微投影仪的放大率从所述图像源到所述用户眼睛的视网膜不大于5倍。
8.根据权利要求1所述的眼戴式显示器，其中至少一个毫微微投影仪具有至少五度的全视场。
9.根据权利要求8所述的眼戴式显示器，其中至少一个毫微微投影仪具有至少十五度的全视场。
10.根据权利要求1所述的眼戴式显示器，其中所述一个或多个毫微微投影仪包括两个或更多个毫微微投影仪，由所述毫微微投影仪投影的所述图像在所述用户眼睛的视网膜上形成合成图像。
11.根据权利要求10所述的眼戴式显示器，其中所述毫微微投影仪以不同的分辨率将图像投射到所述视网膜上。
12.根据权利要求10所述的眼戴式显示器，其中所述杂散光线中的一些杂散光线形成光晕，并且来自所述毫微微投影仪中的任何毫微微投影仪的所述光晕都没有被投射到所述用户眼睛的中央凹。
13.根据权利要求1所述的眼戴式显示器，其中所述遮光板系统还包括源挡板，所述源挡板在所述图像源的外部、但在所述第二镜内部，所述源挡板减少了来自所述图像源的光线的发散。
14.根据权利要求1所述的眼戴式显示器，其中所述图像源根据朗伯分布发射光线。
15.根据权利要求1所述的眼戴式显示器，其中所述图像源是单独可寻址的发射器的阵列。
16.根据权利要求15所述的眼戴式显示器，其中所述图像源是单独可寻址的发光二极管的阵列。
17.根据权利要求1所述的眼戴式显示器，其中所述图像源的最大横向维度不大于500微米。
18.根据权利要求17所述的眼戴式显示器，其中所述图像源是单独可寻址的发射器的阵列，并且发射器到发射器间距不大于3微米。
19.根据权利要求1所述的眼戴式显示器，还包括转向镜，其中所述毫微微投影仪水平地定位在所述隐形眼镜内，并且所述转向镜将图像形成光线朝向所述用户的视网膜引导。
20.一种用于将由图像源产生的图像投射到用户眼睛的视网膜的毫微微投影仪光学系统，所述毫微微投影仪光学系统包括：
凸面次镜，面向所述图像源，其中来自所述图像源的图像形成光线在所述次镜上入射、并且由所述次镜反射；
凹面主镜，面向所述次镜，并且进一步反射来自所述次镜的所述图像形成光线，所述次镜和所述主镜配合以将来自所述图像源的所述图像投射到所述用户的视网膜上；以及
遮光板系统，包括遮蔽物，所述遮蔽物阻挡来自所述图像源的未被所述次镜反射的杂散光线，其中(a)离开所述毫微微投影仪光学系统、但是在所述用户的视网膜上没有形成投影图像的所述杂散光线中的功率与(b)离开所述毫微微投影仪光学系统、但是在所述用户的视网膜上形成所述投影图像的所述图像形成光线中的功率的比率不超过1:2；
其中所述毫微微投影仪光学系统小到足以安装在由人类用户可佩戴的隐形眼镜中；
其中所述毫微微投影仪光学系统具有高度h和纵横比，所述高度h从所述图像源到所述次镜测量小于2毫米，所述纵横比为高度h/宽度w，所述纵横比不大于2：1，其中所述宽度w是所述主镜的宽度。
21.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮光板系统防止任何杂散光线被投射到与所述投影图像重叠的区域。
22.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物阻挡来自所述图像源的未被所述次镜反射的所有轴向传播的光线。
23.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物与所述次镜轴向对准。
24.根据权利要求23所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物是环形的，并且环形的所述遮蔽物的内边缘与所述次镜的外边缘相邻。
25.根据权利要求23所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物是环形的，并且环形的所述遮蔽物的最大横向维度符合
a≥b+FOV(h/nfp)，
其中nfp是所述图像源向其中发射光的材料的折射率，h是所述毫微微投影仪光学系统的高度，b是所述图像源的最大横向维度，并且FOV是由所述图像源产生的所述图像占据的视场。
26.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物从所述次镜轴向偏移。
27.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物是环形的。
28.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物是分段的。
29.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物远离所述图像源倾斜。
30.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物将入射的杂散光线反射回所述图像源。
31.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮光板系统还包括侧壁，所述侧壁在所述主镜外部，并且阻挡以倾斜角度从所述图像源发射的杂散光线。
32.根据权利要求31所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物倾斜以朝向相邻的侧壁反射杂散光线。
33.根据权利要求31所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物倾斜以朝向相对的侧壁反射杂散光线。
34.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述次镜的最大横向维度小于所述图像源的最大横向维度。
35.根据权利要求34所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述遮蔽物的最大横向维度大于所述图像源的最大横向维度。
36.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述毫微微投影仪光学系统具有不大于1.1mm的总长度。
37.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中所述毫微微投影仪光学系统具有最大横向维度不大于1mm的出射孔径。
38.根据权利要求20所述的毫微微投影仪光学系统，其中高度h/宽度w的所述纵横比不大于1：1。
39.一种光学系统，包括：
实心透明基板，具有第一端部和相对的第二端部，并且还具有第三表面，所述第三表面同样与所述第一端部相对；
所述基板的所述第二端部上的凸面镜、和所述基板的所述第一端部上的凹面镜，所述凹面镜具有中心开口；其中光线在所述中心开口中的第一孔径与所述第三表面上的第二孔径之间经由两个反射镜的反射传播；以及
遮光板系统，包括：
所述基板上的第一吸收挡板，所述第一吸收挡板在所述第一孔径与所述凹面镜之间；
所述基板上的第二吸收挡板，所述第二吸收挡板在所述凸面镜与所述第二孔径之间；
第三吸收挡板，所述第三吸收挡板在所述基板的侧壁上。
40.一种光学系统，包括：
实心透明基板，具有第一端部和相对的第二端部；
被形成在所述基板的所述第二端部上的凸面镜、和被形成在所述基板的所述第一端部上的凹面镜，所述凹面镜具有中心开口；
所述基板的表面上的环形出射孔径，所述环形出射孔径与所述基板的所述第一端部相对；其中来自位于所述基板的所述第一端部之外的图像源的光线通过所述中心开口中的入口孔径进入所述基板，被所述凸面镜反射然后被所述凹面镜反射，并且通过所述出射孔径离开所述基板；以及
遮光板系统，所述遮光板系统阻挡来自所述图像源的杂散光线直接从所述入口孔径传播到所述基板外部。
41.根据权利要求40所述的光学系统，其中所述遮光板系统包括所述基板上的、所述凸面镜与所述出射孔径之间的吸收挡板。
42.根据权利要求41所述的光学系统，其中所述吸收挡板包括非平坦遮蔽物。
43.根据权利要求41所述的光学系统，其中所述吸收挡板具有最大横向维度“a”；并且
a≥b+FOV(h/nfp)，
其中nfp是所述图像源向其中发射光的材料的折射率，h是所述光学系统的高度，b是所述图像源的最大横向维度，并且FOV是由所述光学系统从所述图像源投射的图像占据的视场。
44.根据权利要求40所述的光学系统，其中所述遮光板系统包括所述基板上的、所述入口孔径与所述凹面镜之间的吸收挡板。
45.根据权利要求40所述的光学系统，其中所述遮光板系统包括所述基板的侧壁上的吸收挡板。
46.根据权利要求40所述的光学系统，其中所述遮光板系统阻挡来自所述图像源的任何杂散光线被投射到与从所述图像源被投射的图像重叠的区域。
47.根据权利要求40所述的光学系统，其中所述环形出射孔径的所述表面是弯曲的。
48.根据权利要求40所述的光学系统，其中所述凸面镜具有最大横向维度“c”；并且
Figure FDA0002764840580000071
其中nfp是所述图像源向其中发射光的材料的折射率，h是所述光学系统的高度，w是所述光学系统的最大横向维度，b是所述图像源的最大横向维度，并且FOV是由所述光学系统从所述图像源投射的图像所占据的视场。
49.根据权利要求40所述的光学系统，其中所述基板的长度不大于2mm。
50.一种用于制造光学系统的方法，包括：
创建呈以下形状的实心透明基板，所述形状的所述实心透明基板具有第一端部和相对的第二端部，并且还具有第三表面，所述第三表面同样与所述第一端部相对；
在所述基板的所述第一端部上形成凹面镜，所述凹面镜具有中心开口；以及
在所述基板的所述第二端部上形成凸面镜；其中来自位于所述基板的所述第一端部之外的图像源的光线通过所述中心开口中的入口孔径进入所述基板，被所述凸面镜反射然后被所述凹面镜反射，并且通过所述第三表面上的出射孔径离开所述基板。
51.根据权利要求50所述的制造方法，还包括：
在所述基板上形成遮光板系统，其中所述遮光板系统阻挡来自所述图像源的杂散光线直接从所述入口孔径传播到所述基板外部。
52.根据权利要求51所述的制造方法，其中在所述基板上形成所述遮光板系统包括：
用吸收涂层来涂覆所述基板的一个或多个表面区域。
53.根据权利要求51所述的制造方法，其中在所述基板上形成所述遮光板系统包括：
用吸收涂层来涂覆所述基板的、在所述凸面镜与所述出射孔径之间的表面区域。
54.根据权利要求51所述的制造方法，其中在所述基板上形成所述遮光板系统包括：
用吸收涂层来涂覆所述基板的侧壁表面。
55.根据权利要求50所述的制造方法，其中在所述基板的所述第二端部上形成所述凸面镜包括：涂覆所述基板的所述第二端部以形成所述凸面镜，并且在所述基板的所述第一端部上形成所述凹面镜包括：涂覆所述基板的所述第一端部以形成所述凹面镜。
56.根据权利要求50所述的制造方法，其中创建呈所述形状的所述基板包括：金刚石车削所述基板成所述形状。
57.根据权利要求50所述的制造方法，其中创建呈所述形状的所述基板包括：使用晶片级光学技术创建呈所述形状的多个实心透明基板。
58.根据权利要求50所述的制造方法，其中所述基板的长度不大于2mm。
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