CN115128741A - 在光纤光学成像系统中使用的机械连接件 - Google Patents

在光纤光学成像系统中使用的机械连接件 Download PDF

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CN115128741A CN202111585088.4A CN202111585088A CN115128741A CN 115128741 A CN115128741 A CN 115128741A CN 202111585088 A CN202111585088 A CN 202111585088A CN 115128741 A CN115128741 A CN 115128741A
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M·R·约翰逊
T·M·达尔林普尔
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Abstract

一种设备包括：光纤；致动器；以及连接件，其将致动器机械地耦接到光纤。该光纤穿过通过颈部的沿着轴延伸的孔。该光纤在颈部的面向轴的表面处被附接到连接件。该连接件还包括衬套，该衬套沿着轴延伸。该致动器在衬套的面向轴的内表面处机械地被附接到连接件。该连接件还包括柔性元件，该柔性元件从颈部径向延伸到衬套。在操作期间，连接件将来自致动器的力耦合到光纤，以改变从颈部延伸的光纤的一部分相对于轴的取向。

Description

在光纤光学成像系统中使用的机械连接件
本申请是申请日为2018年5月29日、申请号为201880048898.6、名 称为"在光纤光学成像系统中使用的机械连接件"的专利申请的分案申 请。
相关申请的交叉引用
本申请主张在2017年5月31日提交的序列号为62/513,082的美国临 时申请的优先权益。序列号为62/513,082的美国申请的全部内容通过引用 并入此文。
技术领域
本公开涉及在诸如光纤扫描显示装置之类的光纤光学成像系统中使用 的机械连接件。
背景技术
成像系统可用于向用户呈现视觉信息。例如，成像系统可以包括将图 像投影到成像表面上以使得一个或多个用户可以观看该图像的光学部件。 在某些情况下，可以将成像系统并入头戴式显示装置中，从而以更加沉浸 的方式来呈现视觉信息。例如，头戴式显示器可用于呈现用于虚拟现实(VR) 或增强现实(AR)系统的视觉信息。
发明内容
本文描述了用于将致动器物理地耦接到波导的机械连接件的实施方式。 所描述的实施方式中的一者或多者可以与诸如光纤扫描显示装置之类的光 纤光学成像系统结合使用。
机械连接件的实施方式可以提供各种优势。例如，本文描述的机械连 接件中的一者或多者使光纤光学成像系统能够以高精度运行，从而改善图 像质量。此外，本文描述的机械连接件中的一者或多者可以精确且一致地 构造，因此可适合用于特定变化(variation-specific)的应用(例如，用于 诸如光纤扫描显示装置之类的对机械连接件的特性高度敏感的成像系统)。 此外，机械连接件能易于大量制造。而且，机械连接件的设计易于修改和 实现，因此能容易地用于各种不同的应用。
通常，在一方面，一种设备包括：光纤；致动器；以及连接件，其将 所述致动器机械地耦接到所述光纤。所述连接件包括颈部，所述颈部沿着 轴延伸。所述光纤穿过通过所述颈部的沿着所述轴延伸的孔。所述光纤在 所述颈部的面向所述轴的表面处被附接到所述连接件。所述连接件还包括 衬套，所述衬套沿着所述轴延伸。所述致动器在所述衬套的面向所述轴的 内表面处机械地被附接到所述连接件。所述连接件还包括柔性元件，所述 柔性元件从所述颈部径向延伸到所述衬套。在操作期间，所述连接件将来 自所述致动器的力耦合到所述光纤，以改变从所述颈部延伸的所述光纤的 一部分相对于所述轴的取向。
此方面的实施方式可以包括以下一个或多个特征。
在一些实施方式中，所述柔性元件可以包括在所述颈部和所述衬套之 间延伸的环形部分。
在一些实施方式中，所述柔性元件可以包括在所述颈部和所述衬套之 间延伸的一个或多个梁。
在一些实施方式中，所述衬套可以在远离所述颈部的方向上沿着所述 轴延伸。
在一些实施方式中，所述衬套可以绕所述颈部的外围沿着所述轴延伸。
在一些实施方式中，所述连接件可以关于所述轴旋转对称。所述连接 件可以具有关于所述轴的至少四重旋转对称性。
在一些实施方式中，所述连接件可以具有相对于所述轴的第一刚度、 相对于第一径向的第二刚度以及相对于与所述第一径向正交的第二径向的 第三刚度。所述第一刚度可以大于所述第二刚度和所述第三刚度。所述第 二刚度和所述第三刚度可以基本相等。
在一些实施方式中，所述连接件可以包括晶体硅。所述晶体硅可以具 有(111)晶体结构。
在一些实施方式中，所述连接件可以包括非晶硅。
在一些实施方式中，所述连接件可以包括一层或多层硅和一层或多层 电绝缘材料。所述电绝缘材料可以包括二氧化硅。
在一些实施方式中，所述外部部分可以具有基本圆形的横截面。所述 颈部可以具有小于200μm的内径。所述颈部可以具有小于300μm的外径。
在一些实施方式中，所述颈部可以限定沿着所述颈部的外围的一个或 多个狭槽。
在一些实施方式中，所述衬套可以具有基本圆形的横截面。所述衬套 可以具有小于1500μm的内径。所述衬套可以具有小于2000μm的外径。
在一些实施方式中，所述衬套可以限定沿着所述衬套的外围的一个或 多个狭槽。
在一些实施方式中，所述设备可以进一步包括照射源，所述照射源与 所述光纤光学连通。所述照射源可以被配置为在操作期间将光引导到所述 光纤中。所述致动器可以被配置为在操作期间改变所述光纤的一部分的取 向，以使得所述光纤的第一端遍历(traverse)预定图案。所述光导可以被 配置为在操作期间接收来自所述照射源的光，将所接收的光导向到所述光 纤的一端，以及从所述光纤的所述第一端发射所接收的光。
在一些实施方式中，所述柔性元件可以限定延伸通过所述柔性元件的 一个或多个狭槽。
在一些实施方式中，所述一个或多个狭槽可以绕所述轴螺旋地布置。
在一些实施方式中，所述柔性元件可以包括万向节结构。所述万向节 结构可以包括环、将所述颈部机械地耦接到所述环的多个内梁以及将所述 环机械地耦接到所述衬套的多个外梁。
在附图和下面的实施方式中阐述一个或多个实施例的细节。根据实施 方式和附图，并根据权利要求，其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1A是示例光纤扫描显示装置的示意图。
图1B示出了波导尖端的示例偏转。
图1C示出了示例调制模式的曲线图。
图1D示出了示例扫描图案。
图2A示出了示例致动器、示例波导和示例机械连接件的透视图。
图2B示出了图2A所示的部件的截面图。
图3A示出了图2A和图2B所示的示例机械连接件的前透视图。
图3B示出了图2A和图2B所示的示例机械连接件的后透视图。
图3C示出了图2A和图2B所示的示例机械连接件的截面图。
图3D示出了图2A和图2B所示的示例机械连接件的俯视图。
图4A示出了图2A和图2B所示的示例机械连接件的后透视图。
图4B示出了图2A和图2B所示的示例机械连接件的俯视图。
图4C示出图2A所示的示例致动器、示例波导和示例机械连接件的 透视图。
图5A示出了另一示例机械连接件的透视图。
图5B示出了图5A所示的机械连接件的俯视图。
图5C示出了图5A所示的机械连接件的截面图。
图6A示出了另一示例机械连接件的透视图。
图6B示出了图6A所示的机械连接件的俯视图。
图6C示出了图6A所示的机械连接件的截面图。
图7A示出了另一示例机械连接件的透视图。
图7B示出了图7A所示的机械连接件的俯视图。
图7C示出了图7A所示的机械连接件的截面图。
图8A至图8C示出了用于产生机械连接件的示例微加工工艺。
具体实施方式
通常，光纤扫描显示器(FSD)装置通过在使光纤尖端振动的同时将 时间调制光图案引导通过光纤来将图像投影到成像表面上。例如，FSD装 置可以使用致动器来使光纤振动，以使得光纤的尖端沿着可预测的预定图 案或路径(例如，螺旋形)行进或“扫描”可预测的可预测的预定图案或路 径(例如，螺旋形)。当光纤的尖端扫描图案时，调制光透射通过光纤， 以使得光以空间相关的方式从光纤的尖端发射。因此，通过在将一系列光 脉冲透射到光纤中的同时使光纤连续振动，可以将图像空间“扫描”到成像 表面上。
图1A示意性地示出了示例FSD装置100。FSD装置100包括被配置 为发射光的多个辐射源102a-c(例如，分别为红色激光器、绿色激光器和 蓝色激光器)。辐射源102a-c被光学耦接到第一波导104(例如，红-绿-蓝 (RGB)合束器)，以使得由辐射源中的每一者发射的光被组合。来自第 一波导104的组合光由光学耦接到第一波导104的第二波导106(例如，单模光纤)中继。接着，来自第二波导106的光从其尖端108(例如，悬 臂式光纤尖端)发射。
所发射的光穿过透镜组件110，该透镜组件110将所发射的光聚焦到 像平面112上。当发射光时，由致动器114(例如，压电管致动器)沿着 一个或多个轴扫描波导尖端108，以使得所发射的光根据沿着像平面112 的扫描图案(例如，螺旋形)而被投影。因此，在像平面112上形成了扫 描图像(例如，螺旋扫描图像)。
如图1B所示，可以通过使用致动器114将力赋予到波导106上来扫 描波导尖端108。波导106是柔性的，从而使波导尖端108相对于致动器 114的纵轴150偏转角度α。可以选择性地调节致动器114的操作以使波 导尖端108沿着与轴150正交的一个或多个轴偏转，以使得波导尖端108 扫描特定的预定图案。
调制由辐射源102a-c发射的光的强度，以使得光作为脉冲序列耦接到 波导106中。FSD装置100凭借波导尖端108的致动来协调脉冲序列，以 使得光以空间相关的方式从波导尖端108选择性地发射，以便形成图像。 例如，当致动器114根据可预测的预定图案连续地扫描波导尖端108时， 辐射源102a-c可以分别根据该图案并在足够短的时间间隔内选择性地发 射光和/或调节光发射的强度，以使得在像平面112上顺序形成的光图案作 为图像呈现给用户。例如，这可用于在像平面112上描绘对象、形状和/或 图案。此外，辐射源还可以根据动态图案发射光，诸如随时间将不同图像 的序列投影到图像源上(例如，为了在像平面112上诸如以视频序列来赋 予运动感)。
如图1A所示，FSD装置100包括驱动模块116，该驱动模块116协 调致动器114的操作和辐射源102a-c的操作。例如，驱动模块116可以生 成到致动器114的驱动信号，以控制致动器114的致动(例如，以使得致 动器114使波导尖端108扫描可预测的预定图案)。驱动模块116还可以 根据致动器114的致动来生成像素调制信号，以调节辐射源102a-c的输出。驱动信号和像素调制信号可以被同时传送到致动器114，以使得在沿 着像平面112在特定空间位置处形成像素。
作为示例，可以根据图1C的曲线图160所示的示例性图案调制驱动 信号，使得该信号构成随时间进行幅度调制的正弦驱动信号。驱动信号可 以包括驱动致动器114的一个扫描轴的正弦信号部分，以及驱动第二扫描 轴的第二正弦信号部分。第二正弦驱动信号相对于第一驱动信号部分相移， 以使得波导尖端108扫过圆形扫描图案。可以随时间对正弦驱动信号进行 幅度调制，以放大和缩小该圆形扫描图案，以形成填充区域的螺旋扫描图案。图1D示出了简化的扫描图案170。类似地，可以根据扫描图案170生 成像素调制信号，以使得沿着扫描图案170在特定空间位置处形成像素。
在某些情况下，可以结合(例如，以二维阵列的形式)使用多个FSD 装置以提高投影图像的质量。作为示例，可以以阵列的形式实现多个FSD 装置，以增加投影图像的分辨率，增加投影图像的像素密度，和/或增加投 影图像的帧速率。
FSD装置100的实施方式可用于各种成像应用。例如，在某些情况下， FSD装置100在头戴式显示装置中实现。一个或多个FSD装置100可用 于将图像投影到定位在用户眼睛上方的目镜上，以使得图像位于用户的视 野内。在某些情况下，FSD装置100可以被实现作为“虚拟现实”系统或“增 强现实”系统的一部分，从而以视觉沉浸的方式呈现图像。
如关于图1A所述，致动器114将力赋予到波导106上，以使得根据 可预测的预定图案沿着一个或多个轴扫描波导尖端108。这可以通过使用 机械连接件200将致动器114机械地耦接到波导106来实现。
图2A和图2B示出了示例致动器114、示例波导106和示例机械连接 件200的透视图(图2A)和截面图(图2B)。为了便于说明，已省略致 动器114的一部分。图3A至图3D示出了根据前透视图(图3A)、后透 视图(图3B)、截面图(图3C)和俯视图(图3D)的机械连接件200。
致动器114沿着纵轴150延伸。致动器114具有管状配置，并包括环 绕中空内部通道206的外壁204。致动器114具有圆形或基本圆形的横截 面。在某些情况下，致动器114是压电管致动器。
波导106穿过致动器114的内部通道206，并沿着纵轴150延伸。波 导106经由机械连接件200机械地耦接到致动器114，以使得将由致动器 114引起(例如，由致动器114沿着其外壁204生成的振动引起)的力被 耦合到波导106。波导106可以是光纤(例如，单模光纤)。
机械连接件200包括颈部部分208、衬套部分210和柔性元件部分212。 在某些情况下，机械连接件200可以被实现作为整体部件。在某些情况下， 机械连接件200可以由两个或更多个分立的部件构成。
颈部部分208被配置为附接到波导106，以使得机械连接件和波导106 被机械地耦接。在某些情况下，颈部部分208可以被机械地和/或化学地附 接到波导106。例如，颈部部分208可以通过金属化或扩散被附接到波导 106。作为另一示例，颈部部分208可以通过使用氨基甲酸酯、环氧树脂或 纳米颗粒而被附接到波导106。
颈部部分208沿着纵轴150延伸。颈部部分208具有管状配置，并包 括环绕中空内部通道216的外壁214。
内部通道216具有容纳波导106的尺寸。在某些情况下，内部通道216 的横截面形状可以与波导106相同或基本相同。例如，如果波导106的横 截面形状为圆形或基本圆形，则内部通道216也可以具有圆形或基本圆形 的横截面。在一些情况下，内部通道216的直径可以与波导106的直径基 本相同，以使得波导106牢固地接触外壁214的面对纵轴150的内表面218 (例如，通过摩擦配合件)。
在某些情况下，颈部部分208可以包括沿着外壁214的一个或多个狭 槽。例如，如图3A至图3C所示，颈部部分208可以包括延伸通过外壁 214的若干狭槽220。每个狭槽220可各自沿着颈部部分208部分或全部 延伸。狭槽220例如有利于促进机械连接件200弯曲。如图3A至图3C所 示，狭槽220可以绕纵轴150均匀地按方位角间隔开。尽管图2A和图3A 至图3C示出了四个狭槽220，但是在实践中，颈部部分208可以包括任何 数量的狭槽(例如，一个、两个、三个或更多个狭槽)，或者根本不包括 任何狭槽。
衬套部分210被配置为机械地耦接到致动器114。衬套部分210沿着 纵轴150延伸。衬套部分210具有管状配置，并包括环绕中空内部通道224 的外壁222。
内部通道224具有容纳致动器114的尺寸。在某些情况下，内部通道 224的横截面形状可以与致动器114的横截面形状相同或基本相同。例如， 如果致动器114的横截面形状为圆形或基本圆形，则内部通道224也可以 具有圆形或基本圆形的横截面。在某些情况下，内部通道224的直径可以 与致动器114的直径基本相同，以使得致动器114牢固地接触外壁222的 面向纵轴150的内表面226(例如，通过摩擦配合件)。在一些情况下， 内部通道224的直径可以大于致动器114的直径，以使得在外壁222的内 表面226和致动器114之间限定间隙区域228。
在某些情况下，衬套部分210可以包括沿着外壁222的一个或多个狭 槽。例如，如图2A和图3A至图3C所示，衬套部分210可以包括延伸通 过外壁222的若干狭槽230。每个狭槽230可各自沿着衬套部份210部分 或全部延伸。狭槽230例如有利于促进机械连接件200弯曲。尽管图2A 和图3A至图3C示出了四个狭槽230，但是在实践中，衬套部分210可以 包括任何数量的狭槽(例如，一个、两个、三个或更多个狭槽)，或者根 本不包括任何狭槽。
柔性元件部分212被配置为将颈部部分208机械地耦接到衬套部分 210，以使得赋予到衬套部分210上的力(例如，由致动器114生成的振动 引起的力)被耦合到颈部部分208。在一些情况下，柔性元件部分212钟 的一部分或柔性元件部分212的整体可以相对于颈部部分208和/或衬套部 分210弯曲，以使得颈部部分208和衬套部分210没有严格地耦接在一起。
柔性元件部分212可以包括在颈部部分208和衬套部分208之间延伸 的各种结构。例如，如图2A至图2B和图3A至图3D所示，柔性元件部 分212可以包括环形部分232(例如，法兰(flange)或轮缘(rim))， 以及在颈部部分208和衬套部分210之间延伸并互连的梁234。尽管图2A、 图3A和图3D示出了四个梁234，但在实践中，柔性元件部分212具有任 何数量的梁234(例如，一个、两个、三个或更多个狭缝)。在某些情况 下，柔性元件部分212可以根本没有任何梁，并且环形部分232可独自从 颈部部分208延伸到衬套部分210。此外，在某些情况下，柔性元件部分 212根本不包括任何环形部分232(例如，梁234中的每一者可从颈部部分 208直接延伸到衬套部分210)。也可以使用其它配置来改变柔性元件部分 212的刚度。
在某些情况下，机械连接件200可以绕纵轴150旋转对称。在某些情 况下，机械连接件200可以具有关于纵轴150的至少四重旋转对称性。
在某些情况下，机械连接件200可以具有方向相关的刚度。例如，参 考图3D，机械连接件200可以具有相对于纵轴150(即，z轴)的第一平 移刚度kz、相对于x轴的第二平移刚度kx和相对于y轴的第三平移刚度 ky(其中，x、y和z轴是指笛卡尔坐标系的轴)。第一平移刚度kz可以不 同于第二平移刚度kx和第三平移刚度ky中的每一者。例如，第一平移刚 度kz可以大于第二平移刚度kx和第三平移刚度ky中的每一者。此外，在 某些情况下，第二平移刚度kx和第三平移刚度ky可以基本相同。
此外，机械连接件200可以具有绕x轴的第一旋转刚度kθx、绕y轴的 第二旋转刚度kθy。第一旋转刚度kθx和第二旋转刚度kθy可以基本相同， 并且每个旋转刚度可以小于第一平移刚度kz。
刚度的这种组合例如可以是有用的，由于其使得机械连接件200能够 相对于x-y平面均匀地耦合来自致动器114的力，以使得在致动器114的 操作期间，波导106不太可能相对于x-y平面表现出方向相关的偏置。因 此，波导106更可能沿着可预测的预定扫描图案行进，从而改善投影图像 质量。此外，由于第一平移刚度kz相对较大，因此波导106沿着z轴平移 较少，同时仍使其能相对于x轴和y轴振动。
此外，在某些情况下，可以修改刚度以改变波导106的行为(例如， 以在致动器114的操作期间增加或减小波导尖端108的偏转角和/或在操作 期间改变波导尖端108的自然频率或共振频率)。因此，可以通过修改机 械连接件200的刚度来调节FSD装置100的性能。在某些情况下，机械连 接件200使波导尖端108能够以约10kHz至150kHz的频率扫描图案，并且能够实现600μm至1800μm之间的径向偏转(例如，尖端108遍历直 径在600μm至1800μm之间的圆形或基本圆形的路径)。根据实施方式， 其它性能特征也是可能的。
例如，在某些情况下，典型的径向平移刚度可以在0.375N/mm至6.0 N/mm之间，而屈曲模式刚度在1.7N/mm至28N/mm之间。在某些情况 下，典型的轴向平移刚度可以在1.2N/mm至20.0N/mm之间，而屈曲模 式刚度在20.0N/mm至360.0N/mm之间。在某些情况下，典型的旋转刚 度可以在0.1N*mm/Rad至1.6N*mm/Rad之间，而屈曲模式刚度在0.15 N*mm/Rad至2.5N*mm/Rad之间。
在某些情况下，每个狭槽220可以与对应的狭槽230和对应的梁234 径向对准。例如，如图4A和图4B所示，第一狭槽220a、第一狭槽230a 和第一梁234a被分别设置在相对于纵轴150的第一径向402a上。此外， 第二狭槽220b、第二狭槽230b和第二梁234b被分别设置在相对于纵轴 150的第二径向402b上。此外，第三狭槽220c、第三狭槽230c和第三梁 234c被分别设置在相对于纵轴150的第三径向402c上。另外，第四狭槽 220d、第四狭槽230d和第四梁234d被分别设置在相对于纵轴150的第四 径向402d上。
此外，这些方向可以围绕纵轴150均匀地按方位角间隔开。例如，如 图4A和图4B所示，径向236a-d相对于纵轴150以90°的增量按方位角间 隔开。
在某些情况下，径向236a-d可以分别与致动器114的相应压电元件对 准。例如，在图4C所示的示例中，致动器114包括：四排压电元件(例 如，压电陶瓷元件)，这些压电元件绕纵轴150均匀地按方位角间隔开； 以及电极板，这些电极板设置在邻近的压电元件之间(由于图4C的透视 图，仅示出了两个压电元件404a和404b和三个电极板406a-c)。如图4C所示，第一径向402a可以与第一压电元件404a径向对准，第二径向402b 可以与第二压电元件404b径向对准。类似地，第三径向402c和第四径向 402d可以各自与第三压电元件和第四压电元件分别径向对准。
例如，该配置可用于在致动器114操作期间限定FSD装置100的运动 轴和/或减小相对于x-y平面的方向相关的偏置。
尽管图2A、图2B、图3A至图3D和图4A至图4C示出了机械连接 件200的示例配置，但这仅是说明性示例。在实践中，机械连接件的配置 可以取决于应用而不同(例如，以容纳不同尺寸的致动器和/或波导，以提 供不同的刚度特性，以提供不同的波导偏转特性等)。
作为示例，图5A至图5C示出了另一机械连接件500。图5A示出了 机械连接件500的透视图，图5B示出了机械连接件500的俯视图，图5C 示出了机械连接件500沿着平面A的截面图。
机械连接件500在某些方面与机械连接件200类似。例如，机械连接 件500包括颈部部分502、衬套部分504和柔性元件部分506。颈部部分 502被配置为通过它们之间的机械和/或化学附接件(attachment)而机械 地耦接到波导(例如，波导106)。此外，衬套部分504被配置为机械地 耦接到致动器(例如，致动器114)。此外，柔性元件部分506被配置为 将颈部部分502机械地耦接到衬套部分504，以使得赋予到衬套部分504 上的力(例如，由致动器生成的振动引起的力)被耦合到颈部部分502。
柔性元件部分506还包括在颈部部分502和衬套部分504之间延伸并 互连的环形部分508(例如，法兰或轮缘)。可以在环形部分508上限定 多个狭槽。例如，如图5A至图5C所示，可以在环形部分508上限定三个 狭槽510，每个狭槽从颈部部分502螺旋地向外延伸。狭槽510可以关于 机械连接件500的纵轴512旋转对称地限定(例如，每个狭槽510可以与 邻近的狭槽510旋转地偏移120°)。尽管在图5A至图5C示出了三个狭 槽510，但这仅仅是说明性示例。在实践中，机械连接件可以包括任何数 量的狭槽510(例如，一个、两个、三个、四个或更多个)。
此外，如图5B所示，狭槽510被限制在假想圆B内。在实践中，圆 B的大小可以不同，以使得狭槽510占据环形部分508中的较大或较小的 区域。
此外，如图5A和图5C所示，机械连接件500还包括中央阶梯结构 514。中央阶梯结构514从柔性元件部分506向外延伸，并环绕颈部部分 502，从而形成阶梯或凹口516。中央阶梯结构514例如可用于为机械连接 件500提供附加的刚度。
图6A至图6C示出了另一示例机械连接件600。图6A示出了机械连 接件600的透视图，图6B示出了机械连接件600的俯视图，图6C示出了 机械连接件600沿着平面A的截面图。
机械连接件600在某些方面与机械连接件200类似。例如，机械连接 件600包括颈部部分602、衬套部分604和柔性元件部分606。颈部部分 602被配置为通过它们之间的机械和/或化学附接件而机械地耦接到波导 (例如，波导106)。此外，衬套部分604被配置为机械地耦接到致动器 (例如，致动器114)。此外，柔性元件部分606被配置为将颈部部分602 机械地耦接到衬套部分604，以使得赋予到衬套部分604上的力(例如， 由致动器生成的振动引起的力)被耦合到颈部部分602。
机械连接件600还包括中央阶梯结构610。中央阶梯结构610包括若 干指状结构612，每个指状结构从柔性元件部分606向外延伸。例如，如 图6A和图6B所示，机械连接件600可以包括从柔性元件部分606突出并 环绕颈部部分602的八个指状结构612。指状结构612可以绕机械连接件 600的纵轴608旋转对称地设置(例如，每个指状结构612可为与邻近的 指状结构612旋转地偏移45°)。尽管图6A至图6C示出了八个指状结构 612，但是这仅是说明性示例。在实践中，机械连接件可以包括任何数量的 指状结构612(例如，一个、两个、三个、四个或更多个)。
此外，指状结构612形成阶梯或凹口614。以与参考图5A至图5C的 描述的类似的方式，中央阶梯结构610例如可用于为机械连接件600提供 附加的刚度。
图7A至图7C示出了另一示例机械连接件700。图7A示出了机械连 接件700的透视图，图7B示出了机械连接件700的俯视图，图7C示出了 机械连接件700沿着平面D的截面图。
机械连接件700包括颈部部分702、衬套部分704和万向节结构706。 颈部部分702被配置为通过它们之间的机械和/或化学附接件机械地耦接 到波导(例如，波导106)。此外，衬套部分704被配置为机械地耦接到 致动器(例如，致动器114)。
此外，万向节结构706被配置为将颈部部分702机械地耦接到衬套部 分704，以使得赋予到衬套部分704上的力(例如，由致动器生成的振动 引起的力)被耦合到颈部部分702。万向节结构706包括环708、将环708 机械地耦接到颈部部分702的内梁710，以及将环708机械地耦接到衬套 部分704的外梁712。
如图7B所示，环708呈卵形，并且关于机械连接件700的纵轴714 居中。内梁710沿着环708的长轴716从环708的内周向内延伸。外梁712 沿着环708的短轴718从环708的外围向外延伸。此外，长轴716与短轴 718正交。因此，内梁710和外梁712彼此旋转90°
万向节结构706使颈部部分702能够基本上绕两个分立的旋转轴(例 如，绕长轴716和绕短轴718)相对于衬套部分704旋转。例如，当环708 通过外梁712机械地耦接到衬套部分704时，环708可以绕短轴718相对 于衬套部分704旋转。该旋转继而类似地使颈部部分702绕短轴718相对 于衬套部分704旋转。此外，由于环708通过内梁710机械地耦接到颈部部分702，因此，颈部部分702可以绕长轴716相对于环708旋转。
这种布置限制了颈部部分702沿着离散数量的旋转轴相对于衬套部分 704运动。这例如可用于改善机械连接件的操作特性(例如，通过消除或 以其它方式减少沿着其它旋转轴的错误运动)。
尽管本文描绘了示例机械连接件，但是应当理解，它们不一定按比例 绘制。在实践中，机械连接件的每个结构的尺寸可以取决于应用而变化。 作为示例，在下面描述了机械连接件的各种尺寸。然而，应当理解，在实 践中，其它尺寸也是可能的。
在某些情况下，衬套部分的内径可以在500μm至1500μm之间(例如， 502μm、612μm、804μm、940μm或1242μm)。在某些情况下，衬套部分 的外径可以在800μm至2000μm之间(例如，802μm、912μmm、802μm、 912μm、1104μm、1214μm、1240μm和1542μm)。
在某些情况下，颈部部分的内径可以在20μm至200μm之间(例如， 26μm、72μm、82μm、84μm、102μm、127μm、129μm、140μm、185 μm、204μm、260μm和556μm)。在某些情况下，颈部部分的外径可以 为300μm或更小(例如，300μm、150μm、100μm和50μm)。
在某些情况下，中央阶梯结构的内径可以在50μm至1000μm之间 (例如，84μm、127μm、129μm、130μm、160μm、185μm、190μm、 204μm、260μm和556μm)。在某些情况下，中央阶梯结构的径向厚度 可以在10μm和60μm之间(例如，20μm和50μm)。
在某些情况下，柔性元件部分的厚度可以在20μm和60μm之间(例 如，30μm和50μm)。
在某些情况下，万向节结构的内梁的厚度(例如，在与机械连接件的 纵轴正交的方向上)可以在5μm至50μm之间(例如，10μm和15μm)。 在某些情况下，万向节结构的外梁的厚度(例如，在与机械连接件的纵轴 正交的方向上)可以在5μm至50μm之间(例如，11μm和17μm)。在某 些情况下，万向节结构的外梁的长度(例如，在与机械连接件的纵轴正交 的另一方向上)可以在50μm至150μm之间(例如，100μm和125μm)。
在某些情况下，沿着柔性元件部分限定的螺旋延伸的狭槽的厚度可以 在10μm至100μm之间(例如，18μm、21μm、22μm、26μm、28μm、 32μm、35μm、72μm、78μm、81μm)。在某些情况下，可以通过以下 公式对螺旋延伸的狭槽进行参数限定：x(t)＝(A1+B1*T*π/180)* (cos(T*π/180)/1000和y(t)＝(A1+B1*T*π/180)*(sin(T*π/ 180)/1000，其中，0≤T≤θf。A1可以在100μm至200μm之间(例如， 102μm、108μm、111μm、124μm、125μm、129μm、135μm、175μm、 181μm)。B1可以在10μm至100μm之间(例如，23μm、24μm、25 μm、28μm、30μm、31μm、32μm、52μm和53μm)。θf可以在200° 至350°之间(例如，220°、262°、272°、277°、278°、279°、296°、299°、301°、304°、315°)。
此外，尽管本文描绘了各种结构，但是应当理解，各种特征可以组合 到单个机械连接件上，和/或从机械连接件中排除。作为示例，机械连接件 可以包括以下一者或多者：在柔性元件部分上限定的螺旋延伸的狭槽(例 如，如图5A至图5C所示)、中央阶梯结构(例如，如图5A至图5C和 图6A至图6C所示)、具有指状结构的中央阶梯结构(例如，如图6A至 图6C所示)、万向节结构(例如，如图7A至图7C所示)、在衬套部分 上限定的狭槽(例如，如图3B所示)、在颈部部分上限定的狭槽(例如， 如图3B所示)或它们的任何组合。
可以使用各种材料来构造机械连接件。例如，在某些情况下，机械连 接件可以部分或全部由硅构造。在某些情况下，可以使用晶体硅(例如， 具有(111)晶体结构的硅)和/或非晶硅来构造机械连接件。在某些情况 下，可以使用一层或多层硅和/或一层或多层电绝缘材料(例如，二氧化硅) 来构造机械连接件。
在某些情况下，机械连接件可以使用半导体微加工技术来构造。图8A 至图8C示出了简化示例。
作为示例，图8A示出了晶片(wafer)800的截面图。晶片800包括 器件层810(例如，硅层)、掩埋氧化物层820(例如，二氧化硅层)和处 理层830(例如，硅层)。这些层例如可以通过将层中的每一者连续地沉积 在基板上来形成(例如，使用氧化、物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、 旋涂或其它层沉积技术)。
可以通过选择性在晶片800上添加材料和/或从中移除材料来限定一 个或多个特征。例如，如图8B所示，可以从晶片800中蚀刻掉材料以限 定通道840。
可以以使剩余材料形成机械连接件的这样的方式向晶片800添加材料 和/或从晶片800移除材料。例如，如图8C所示，可以沿着晶片800的周 边选择性地移除材料，以使得晶片800的基本圆柱形的部分保留，形成机 械连接件200的衬套部分210的外壁222的外围。此外，可以沿着晶片800 的内部选择性地移除材料以限定内部通道216和224。以类似的方式，可 以从晶片800移除附加材料以限定机械连接件200的其它结构中的每一者。 作为示例，可以使用光刻技术(例如，湿法蚀刻或干法蚀刻，诸如反应性 离子蚀刻和深反应性离子蚀刻)来蚀刻晶片800。
使用微加工技术来生产机械连接件可提供各种优势。例如，在某些情 况下，机械连接件可以精确且一致地构造，并且因此适合用于特定变化的 应用(例如，用于诸如FSD装置之类的对机械连接件的特性高度敏感的成 像系统)。此外，机械连接件易于大量生产。此外，机械连接件的设计可 易于修改和实现，因此能容易用于各种不同的应用。
尽管图8A至图8C示出了示例微加工工艺，但这仅是简化的示例。在 实践中，可以使用其它微加工技术来生产机械连接件和/或生产与本文所示 的具有不同结构特征的机械连接件。例如，也可以使用类似的技术来形成 本文所述的任何其它机械连接件(例如，机械连接件500、600和700)。
已经描述了多个实施例。然而，将理解，可以在不脱离本发明的精神 和范围的情况下进行各种修改。因此，其它实施例处于以下权利要求的范 围内。

Claims (40)

1.一种设备，包括：
光纤；
致动器，其被配置为生成以改变所述光纤的第一端的取向的力；以及
连接件，其将所述致动器机械地耦接到所述光纤，其中所述连接件被配置为将由所述致动器生成的所述力耦合到所述光纤，其中所述连接件包括：
颈部，其沿着轴延伸，所述光纤穿过通过所述颈部的沿着所述轴延伸的孔，其中，所述光纤在所述颈部的面向所述轴的表面处被附接到所述连接件，
衬套，其沿着所述轴延伸，其中，所述致动器在所述衬套的面向所述轴的内表面处机械地被附接到所述连接件，以及
柔性元件，其从所述颈部径向延伸到所述衬套，
其中所述连接件具有相对于所述轴的第一刚度、相对于第一径向的第二刚度以及相对于与所述第一径向正交的第二径向的第三刚度，以及
其中，所述第一刚度大于所述第二刚度和所述第三刚度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述连接件包括晶体硅。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述晶体硅具有(111)晶体结构。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述连接件包括非晶硅。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述连接件包括一层或多层硅和一层或多层电绝缘材料。
6.一种设备，包括：
光纤；
致动器，其被配置为生成以改变所述光纤的第一端的取向的力；以及
连接件，其将所述致动器机械地耦接到所述光纤，其中所述连接件被配置为将由所述致动器生成的所述力耦合到所述光纤，其中所述连接件包括：
颈部，其沿着轴延伸，所述光纤穿过通过所述颈部的沿着所述轴延伸的孔，其中，所述光纤在所述颈部的面向所述轴的表面处被附接到所述连接件，并且其中所述颈部限定沿着所述颈部的外围的一个或多个狭槽，
衬套，其沿着所述轴延伸，其中，所述致动器在所述衬套的面向所述轴的内表面处机械地被附接到所述连接件，以及
柔性元件，其从所述颈部径向延伸到所述衬套。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述一个或多个狭槽可以绕所述轴螺旋地布置。
8.一种设备，包括：
光纤；
致动器，其被配置为生成以改变所述光纤的第一端的取向的力；以及
连接件，其将所述致动器机械地耦接到所述光纤，其中所述连接件被配置为将由所述致动器生成的所述力耦合到所述光纤，其中所述连接件包括：
颈部，其沿着轴延伸，所述光纤穿过通过所述颈部的沿着所述轴延伸的孔，其中，所述光纤在所述颈部的面向所述轴的表面处被附接到所述连接件，
衬套，其沿着所述轴延伸，其中，所述致动器在所述衬套的面向所述轴的内表面处机械地被附接到所述连接件，以及
柔性元件，其从所述颈部径向延伸到所述衬套，其中所述柔性元件包括万向节结构。
9.一种设备，包括：
光纤；
致动器，其被配置为生成以改变所述光纤的第一端的取向的力；以及
连接件，其将所述致动器机械地耦接到所述光纤，其中所述连接件被配置为将由所述致动器生成的所述力耦合到所述光纤，其中所述连接件包括：
颈部，其沿着轴延伸，所述光纤穿过通过所述颈部的沿着所述轴延伸的孔，其中，所述光纤在所述颈部的面向所述轴的表面处被附接到所述连接件，
衬套，其沿着所述轴延伸，其中，所述致动器在所述衬套的面向所述轴的内表面处机械地被附接到所述连接件，以及
柔性元件，其从所述颈部径向延伸到所述衬套，其中所述柔性元件包括从所述颈部延伸到所述衬套的一个或更多个梁。
10.一种设备，包括：
光纤；
致动器，其被配置为生成以改变所述光纤的第一端的取向的力；以及
连接件，其将所述致动器机械地耦接到所述光纤，其中所述连接件被配置为将由所述致动器生成的所述力耦合到所述光纤，其中所述连接件包括：
颈部，其沿着轴延伸，所述光纤穿过通过所述颈部的沿着所述轴延伸的孔，其中，所述光纤在所述颈部的面向所述轴的表面处被附接到所述连接件，
衬套，其沿着所述轴延伸，其中，所述致动器在所述衬套的面向所述轴的内表面处机械地被附接到所述连接件，以及
柔性元件，其从所述颈部径向延伸到所述衬套，其中所述柔性元件包括从所述颈部延伸到所述衬套的多个梁。
11.根据权利要求1所述的设备，进一步包括照射源，所述照射源与所述光纤光学连通，其中，所述照射源被配置为在操作期间将光引导到所述光纤中。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述致动器被配置为在操作期间改变所述光纤的一部分的取向，以使得所述光纤的第一端遍历预定图案。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述光导被配置为在操作期间接收来自所述照射源的光，将所接收的光导向到所述光纤的一端，以及从所述光纤的所述第一端发射所接收的光。
14.一种方法，包括：
将光从光源引导到所述光纤中，所述光纤穿过通过连接件的颈部的孔，所述连接件沿着所述连接件的衬套的内表面而机械地附接到致动器，所述颈部和所述衬套通过从所述颈部延伸到所述衬套的柔性元件而机械耦合；
操作所述致动器以根据螺旋图案来改变从所述机械连接件延伸的所述光纤的第一端的取向。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
从所述光纤的所述第一端朝向对象而发射所述光。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述对象为用户的眼睛。
17.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
生成光调制信号和驱动信号；
使用所述光源来根据光调制信号生成所述光；以及
根据所述驱动信号来操作所述致动器。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述光调制信号根据所述螺旋图案而调节所述光源的输出。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述驱动信号调节所述致动器的操作以根据所述螺旋图案来改变所述光纤的所述第一端的所述取向。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括从所述光纤的所述第一端发射光以在像平面上形成图像。
21.根据权利要求14所述的方法，其中操作所述致动器包括使用所述机械连接件来将由所述致动器生成的机械力耦合到所述光纤。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述机械连接件的所述柔性元件包括在所述颈部和所述衬套之间延伸的一个或多个梁，并且其中，由所述致动器生成的所述机械力至少部分地通过所述一个或多个梁而耦合到光纤。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述机械连接件的所述柔性元件包括万向节结构，并且其中，由所述致动器生成的所述机械力至少部分地通过所述万向节结构而耦合到所述光纤。
24.一种设备，包括：
光纤；
致动器，其被配置为生成以根据螺旋图案来改变所述光纤的第一端的取向的力；以及
连接件，其将所述致动器机械地耦接到所述光纤，其中所述连接件被配置为将由所述致动器生成的所述力耦合到所述光纤，其中所述连接件包括：
颈部，其沿着轴延伸，所述光纤穿过通过所述颈部的沿着所述轴延伸的孔，其中，所述光纤在所述颈部的面向所述轴的表面处被附接到所述连接件，
衬套，其沿着所述轴延伸，其中，所述致动器在所述衬套的面向所述轴的内表面处机械地被附接到所述连接件，以及
柔性元件，其从所述颈部径向延伸到所述衬套。
25.根据权利要求24所述的设备，其中，所述光纤被配置为从所述光纤的所述第一端朝向对象而发射所述光。
26.根据权利要求24所述的设备，其中，所述对象为用户的眼睛。
27.根据权利要求24所述的设备，进一步包括：
驱动模块，其被配置为生成光调制信号；和
光源，其被配置为根据所述光调制信号而生成光，并且将光提供至所述光纤的与所述第一端相对的第二端，其中，所述光调制信号根据所述螺旋图案而调节所述光源的输出。
28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述驱动模块被配置为生成驱动信号，其中，所述驱动信号调节所述致动器的操作以根据所述螺旋图案来改变所述光纤的所述第一端的所述取向。
29.根据权利要求28所述的设备，其中，所述设备包括头戴式显示装置。
30.根据权利要求24所述的设备，其中，所述致动器包括绕所述轴按方位角间隔开的多个压电元件。
31.根据权利要求30所述的设备，其中，所述多个压电元件按方位角均匀地间隔开。
32.根据权利要求30所述的设备，其中，所述多个压电元件以90°而按方位角间隔开。
33.根据权利要求24所述的设备，其中，所述柔性元件包括在所述颈部和所述衬套之间延伸的一个或多个梁。
34.根据权利要求24所述的设备，其中，所述连接件具有相对于所述轴的第一刚度、相对于第一径向的第二刚度以及相对于与所述第一径向正交的第二径向的第三刚度，并且其中，所述第一刚度大于所述第二刚度和所述第三刚度。
35.根据权利要求24所述的设备，其中，所述连接件包括晶体硅。
36.根据权利要求24所述的设备，其中，所述连接件包括非晶硅。
37.根据权利要求24所述的设备，其中，所述连接件包括一层或多层硅和一层或多层电绝缘材料。
38.根据权利要求24所述的设备，其中，所述颈部限定沿着所述颈部的外围的一个或多个狭槽。
39.根据权利要求14所述的设备，其中，所述柔性元件限定延伸通过所述柔性元件的一个或多个狭槽，所述一个或多个狭槽绕所述轴螺旋地布置。
40.根据权利要求14所述的设备，其中，所述柔性元件包括万向节结构。
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