CN116710832A - 具有柔性衬底的图像光导 - Google Patents

Abstract

一种用于传送虚拟图像的图像光导，包括波导、可操作以将载像光束引导到波导中的入耦合衍射光学器件、以及可操作以将载像光束从波导向眼盒引导的出耦合衍射光学器件，其中波导被配置为关于其一个或多个点屈曲。

Description

具有柔性衬底的图像光导

技术领域

本公开总体上涉及图像光导，并且更特别地涉及利用柔性衬底材料和保护性聚合物涂层(coating)来使能其抗弯曲性和抗损坏性的图像光导。

背景技术

头戴式显示器(HMD)和虚拟图像近眼(near-eye)显示系统正被开发用于一系列不同的用途，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。对于这些应用中的许多应用，形成可以在视觉上叠加在位于用户的视场中的现实世界图像之上的虚拟图像是有价值的。光学图像光导可以在狭窄的空间中将载像(image-bearing)光传送给观看者，用于将虚拟图像引导到观看者的瞳孔并使能该叠加功能。

尽管常规图像光导布置(arrangement)已看到在体积、重量和近眼显示光学器件的总体成本方面的显著降低，但仍需进一步改进，尤其是在安全领域中。随着虚拟图像近眼显示系统变得更简约，使用量预计大幅增加，从而导致操作员卷入危险状况的潜在性的增加。因此，眼睛安全成为主要问题。虽然图像光导中玻璃衬底的刚性对于稳定性是优选的，但是这样的衬底可能是易碎且非柔性的。本公开提供了一种具有柔性波导的虚拟近眼显示系统。

发明内容

本公开提供了一种可佩戴的显示装置，包括光学模块，该光学模块支撑与观看者的头部相邻的显示装置。在第一示例性实施例中，适配在光学模块内的投影仪生成沿路径投影的载像光的角度相关束。图像光导在载像光束的路径中耦合到光学模块的前段(forward section)。图像光导包括由透明光学材料形成的波导、形成在波导上并被设置成将载像光束引导到波导中的入耦合(in-couplong)衍射光学器件、以及被设置成将载像光束引导出波导的出耦合(out-coupling)衍射光学器件。出耦合衍射光学器件被设置成在至少一个维度上扩展相应的载像光束，并在观看者的眼盒(eyebox)内形成虚拟图像。

在示例性实施例中，波导由柔性热化学处理材料形成并从光学模块突出。未连接到光学模块的柔性衬底的突出部分可操作以沿其长度弯曲零度到二十度或更多。在实施例中，波导系统包括保护层，以防止刮擦并增加对波导分片碎片(sharding debris)的遏制(containment)。

附图说明

附图作为说明书的一部分并入本文中。本文描述的附图图示了当前公开的主题的实施例，并且是本公开的所选原理和教导的说明。然而，附图没有图示当前公开的主题的所有可能的实现并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是近眼显示系统的图像光导的示意性透视图。

图2是根据当前公开主题的示例性实施例的右眼近眼显示系统的俯视图。

图3是根据当前公开主题的示例性实施例的左眼近眼显示系统的俯视图。

图4是根据图2的近眼显示系统的正视图。

图5是无电子模块的根据图2的近眼显示系统的透视图。

图6A是根据图5的近眼显示系统的俯视图。

图6B是示出了波导的屈曲(flexure)的根据图6A的近眼显示系统的俯视图。

图6C是示出了波导的屈曲的根据图6A的近眼显示系统的俯视图。

图7A是示出了根据当前公开主题的示例性实施例的图像光导的简化横截面视图的示意图。

图7B是示出了包括保护层的根据图7A的图像光导的简化横截面视图的示意图。

图8A是示出了根据当前公开主题的示例性实施例的堆叠波导系统的简化横截面视图的示意图。

图8B是示出了根据图8A的堆叠波导系统的一部分的简化横截面视图的示意图。

图8C是示出了根据当前公开主题的示例性实施例的近眼显示器的简化横截面视图的示意图。

图8D是示出了具有堆叠波导系统的屈曲的根据图8C的近眼显示器的简化横截面视图的示意图。

图9A是示出了固定到衬底的表面浮雕光栅(reliefgrating)的简化横截面视图的示意图。

图9B是示出了固定到屈曲衬底的表面浮雕光栅的简化横截面视图的示意图。

图10是示出了根据当前公开主题的示例性实施例的表面浮雕光栅的简化横截面视图的示意图。

图11A是示出了根据当前公开主题的另一示例性实施例的表面浮雕光栅的简化横截面视图的示意图。

图11B是示出了处于屈曲位置的根据图11A的表面浮雕光栅的简化横截面视图的示意图。

具体实施方式

应理解，本发明可以采用各种替代定向和步骤序列，除非另有明确的相反规定。还应理解的是，附图中图示的和下面说明书中描述的特定组件和系统仅仅简单地是本文定义的发明概念的示例性实施例。因此，与所公开的实施例相关的具体尺寸、方向或其他物理特性不应被认为是限制性的，除非另有明确说明。此外，尽管它们可能不同，但是在本申请的该部分中，本文描述的各种实施例中的相同元素通常可以用相同的附图标记来指代。

在本文使用时，术语“第一”、“第二”以及以此类推不一定标示任何序数、序列或优先关系，而仅用于更清楚地将一个元素或元素的集合与另一个区分开，除非另有指定。

在本文使用时，术语“观看者”、“操作者”、“观察者”和“用户”被视为等同物并且指代经由具有图像光导的设备观看图像的人或系统。

在本文使用时，术语“集合”是指非空集合，因为集合的元素或成员的收集的概念在初等数学中被广泛理解。在本文使用时，术语“子集”，除非另有明确说明，是指代非空的真子集，即是指较大集合的子集，具有一个或多个成员。对于集合S，子集可以包含完整的集合S。然而，集合S的“真子集”严格地包含在集合S中并且排除了集合S的至少一个成员。

在本文使用时，术语“耦合的”、“耦合器”或“耦合”在光学上下文中是指光通过其从一个光学介质或设备行进到另一个光学介质或设备的连接。

在本文使用时，术语“示例性”意指“......的示例”，并且不旨在暗示任何优选或理想的实施例。

如本文使用的，术语“束扩展”旨在意指经由与光学元件的多次相遇的束的复制(replication)来在一个或多个方向上提供出瞳(exit pupil)扩展。类似地，如本文使用的，用于“扩展”束或束的一部分旨在意指经由与光学元件的多次相遇的束的复制来在一个或多个方向上提供出瞳扩展。

HMD被开发用于一系列不同的用途，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。HMD可操作以形成虚拟颜色图像，该虚拟颜色图像可以在视觉上叠加在位于HMD用户的视场中的现实世界图像之上。光学透明的平坦平行板波导，也称为平面波导，将多色或单色投影仪系统生成的载像光传送到HMD用户。平面波导在狭窄的空间中传送载像光，以将图像引导至HMD用户的瞳孔并且使能虚拟图像叠加在位于HMD用户的视场中的现实世界图像之上。

在此类常规的图像光导中，来自多色或单色图像源的准直、相对角度编码光束通过输入耦合光学器件，诸如入耦合衍射光学器件，光学耦合至光学透明的平面波导组装件中，输入耦合光学器件可以安装或形成在平行平板平面波导的表面上或设置在波导内。此类衍射光学器件可以形成为但不限于衍射光栅或全息光学元件。例如，衍射光栅可以形成为表面浮雕光栅。在沿着平面波导传播之后，衍射的颜色载像光可以通过类似的输出光学器件，诸如出耦合衍射光学器件，被引导出平面波导，该类似的输出光学器件可以被布置成沿着眼盒E的一个或多个维度提供瞳孔扩展。此外，一个或多个中间光学器件，诸如可以被称为旋转光栅(turning grating)的衍射光栅，可以沿着波导光学地定位在输入和输出光学器件之间，以在虚拟图像的一个或多个维度上提供瞳孔扩展。从平行平板平面波导输出的载像光为观看者提供了扩展的眼盒。

诸如HMD之类的光学系统可以产生虚拟图像。与用于形成现实图像的方法相对，虚拟图像不形成在显示表面上。也就是说，如果显示表面位于虚拟图像的感知位置处，则没有图像将在该表面上形成。虚拟图像显示器具有用于增强现实呈现的许多固有优势。例如，虚拟图像的表观大小(apparent size)不受显示表面的大小或位置所限制。附加地，用于虚拟图像的源对象可能是小的；例如，放大镜提供对象的虚拟图像。与投影现实图像的系统相比，通过形成看起来在一定距离之外的虚拟图像，可以提供更真实的观看体验。提供虚拟图像还消除了补偿屏幕赝像的需要，而这在投影现实图像时可能是必要的。

图1的透视图示出了图像光导20，该图像光导20被布置用于在两个维度上，即，沿预期图像的x轴和y轴二者，扩展眼盒E。为了实现束扩展的第二维，具有光栅向量(vector)k0的入耦合衍射光学器件IDO被定向为将载像光WG的一部分向具有光栅向量k1的中间光学器件TO衍射。中间光学器件TO被定向成以反射模式将载像光WG的一部分向出耦合衍射光学器件ODO衍射。载像光WG的仅一部分通过与中间衍射光学器件TO的多次相遇中的每一次来衍射，从而经由接近出耦合衍射光学器件ODO的载像光WG的角度相关束的复制而横向扩展眼盒E。中间光学器件TO可以取而代之地包括如在US 2021/0215941 A1中描述的反射器阵列，US 2021/0215941 A1通过引用以其整体并入本文中。在作为载像光WO离开平面波导22之前，中间光学器件TO经由在第二维度上的载像光WG的角度相关束的复制向出耦合衍射光学器件ODO重定向载像光WG，用于纵向扩展眼盒E。光栅向量，诸如所描绘的光栅向量k0、k1和k2，在垂直于衍射光学器件的衍射特征(例如，凹槽、线或划线(ruling))的方向上延伸并且具有与衍射光学器件IDO、TO和ODO的周期或节距(pitCh)d(即，凹槽之间的中心距离)相反(inverse)的量值(magnitude)。入耦合衍射光学器件IDO、中间光学器件TO和出耦合衍射光学器件ODO中的每个可以具有不同的周期或节距d。

如图1中图示的，入耦合衍射光学器件IDO接收传入的载像光WI，该传入的载像光WI包含与图像源25生成的图像内的单独像素或等效位置相对应的角度相关束的集合。可操作以生成全范围的角度编码束以产生虚拟图像的图像源255可以是但不限于与聚焦光学器件一起的现实显示器、用于更直接地设置束的角度的束扫描仪、或者诸如与扫描仪一起使用的一维现实显示器之类的组合。图像光导20通过提供载像光WG与不同定向的出耦合衍射光学器件ODO和中间衍射光学器件TO的多次相遇，在眼盒的二维中输出角度相关束的扩展集合。在平面波导22的给定定向中，中间光学器TO件在y轴方向上提供出瞳扩展，并且出耦合衍射光学器件ODO在x轴方向上提供类似的出瞳扩展。入耦合衍射光学器件IDO、出耦合衍射光学器件ODO和中间光学器件TO的反射率(reflectivity)特性以及相应的周期d，连同它们相应的光栅向量的定向提供了二维的出瞳扩展，同时保持了从图像光导20输出作为载像光WO的载像光WI的角度相关束之间的预期关系。

当输入图像光导20中的载像光WI被入耦合衍射光学器件IDO编码成不同集合的角度相关束时，通过计及入耦合衍射光学器件IDO的系统效应，保留了重建图像所需的信息。位于入耦合和出耦合衍射光学器件IDO、ODO之间的光学中间位置的中间光学器件TO通常被布置成使得它不引起载像光WG的编码的任何显著改变。出耦合衍射光学器件ODO通常相对于入耦合衍射光学器件IDO以对称方式布置，例如包括共享相同周期的衍射特征。类似地，中间光学器件TO的周期通常也与入耦合和出耦合衍射光学器件ODO、IDO的公共周期相匹配。如图1中图示的，中间光学器件TO的光栅向量k1被示出为相对于其他光栅向量k0、k2(都作为无向线段)成四十五度(45°)定向。然而，在另一个实施例中，中间光学器件TO的光栅向量k1可以被以载像光WG被转向一百二十度(120°)这样的方式与入耦合和出耦合衍射光学器件IDO、ODO的光栅向量k0、k2成六十度(60°)定向。通过将中间光学器件TO的光栅向量k1相对于入耦合和出耦合衍射光学器件IDO、ODO两者的光栅向量k0、k2成六十度(60°)定向，入耦合和出耦合衍射光学器件IDO、ODO的光栅向量k0、k2也相对于彼此定向为六十度(60°)。使光栅向量量值基于中间光学器件TO以及入耦合和出耦合衍射光学器件IDO、ODO的公共节距，三个光栅向量k0、k1、k2形成等边三角形，并且总和为零量值，这避免了可能引入包括色散在内的不想要的像差的不对称效应。

衍射至平面波导22中的载像光WI由入耦合光学器件有效编码，无论入耦合光学器件使用光栅、全息图、棱镜、镜子或其他机制。在输入处发生的光的任何反射、折射和/或衍射必须由输出对应地解码，以便重新形成呈现给观看者的虚拟图像。放置在入耦合和出耦合衍射光学器件IDO、ODO之间的光学中间位置处的中间光学器件TO通常被设计和定向成使得它不引起编码光的任何改变。出耦合衍射光学器件ODO将载像光WG解码成其原始或期望形式的角度相关束，所述束已经被扩展以填充眼盒E。在更广泛的意义上，无论在转向光学器件TO以及入耦合和出耦合衍射光学器件IDO、ODO之间是否维持任何对称性，或者无论载像光WI的角度相关束的编码沿着平面波导22是否发生任何改变，中间光学器件TO以及入耦合和出耦合衍射光学器件IDO、ODO是相关的，使得从平面波导22输出的载像光WO保持或以其他方式维持载像光WI的原始或期望形式，用于产生预期的虚拟图像。

字母“R”表示对其眼睛在眼盒E中的观看者可见的虚拟图像的定向。如示出的，所表示的虚拟图像中字母“R”的定向与如载像光WI编码的字母“R”的定向相匹配。传入的载像光WI相对于x-y平面的关于z轴的旋转或角定向的改变引起来自出耦合衍射光学器件ODO的ouTOoing光的旋转或角定向的对应对称改变。从图像定向的方面来看，中间光学器件TO充当一类光学中继，提供出瞳沿一个轴(例如，沿y轴)的扩展。出耦合衍射光学器件ODO进一步沿另一个轴(例如，沿x轴)扩展出瞳，同时维持由载像光WI编码的虚拟图像的原始定向。在中间光学器件TO是衍射光栅的实施例中，中间光学器件TO通常是斜光栅(slantedgrating)或正方形的光栅，或者替代地，可以是闪耀光栅(blazed grating)，并且通常布置在平面波导22的前表面或后表面13、15上。

在以下描述中，参考如图2中表示的观察者的右眼34R描述了光路部件、间隔和约束。如图3中图示的，相同的特性和约束可以可选地应用于左眼，具有平行部件和部件定位的对应改变。此外，本公开的某些实施例考虑同时向左眼和右眼提供光路部件。因此，HMD包括单目光学成像装置和双目成像装置二者。

如图2中图示的，在实施例中，近眼显示系统12包括电子模块14、与电子模块14电连接并耦合到其的光学模块16以及与光学模块16耦合的平面波导18。在实施例中，托架(mount)54被配置为将平面波导18与光学模块16机械固定。光学模块16可操作以经由平面波导18将载像光传送到眼睛34R。在实施例中，光学模块16包括投影仪，该投影仪可操作以生成全范围的角度编码的载像光束。在实施例中，投影仪是颜色场顺序投影仪系统，其可操作以将红色、绿色和蓝色波长范围的载像光脉动到数字光调制器/微镜阵列(“DLP”)或硅上液晶(“LCOS”)显示器上。

在实施例中，近眼显示系统12容纳集成照相机70。如图4和图5中所示，照相机70可以包括照相机闪光灯和/或光源71。

如图4和图5中图示的，平面波导18可以沿其x轴以1.5∶1或更大的比从波导托架54向外延伸，其中波导托架54连接至平面波导18外围的不到50％。在该实施例中，平面波导18的大部分悬挂在眼睛34R的前面。在实施例中，光学模块16可以从电子模块14拆卸。

现在参考图6A，在实施例中，平面波导18在不受物理压力因素(stressor)影响时具有零度(0°)的屈曲。换句话说，在静止状态下，平面波导18通常不包括关于x轴、y轴或z轴的任何弯曲。在静止状态定向上，平面波导18包括纵轴40。

如下文进一步描述的，平面波导18可以由形成衬底系统的包括一个或多个柔性材料的一个或多个衬底构造。平面波导18的衬底系统可以包括诸如但不限于聚合物涂层、处理过的玻璃和聚酯薄膜之类的材料。此类薄膜可以包括与339、/>Willow玻璃衬底和/>Optical 0Z024的拉伸弹性(tensile resiliency)相当或超过它们的类中的品种。现在参考图6A、图6B和图6C，这些衬底材料的性质，包括衬底、聚合物涂层、处理过的玻璃层、粘合剂沉积以及诸如此类使得平面波导18在断裂之前能够沿着x轴在z轴方向弯曲。在实施例中，平面波导18可以在断裂之前沿着y轴屈曲。在又一个实施例中，平面波导18可以在断裂之前沿着z轴屈曲。在又一个实施例中，平面波导18可以沿着多于一个轴屈曲。例如，平面波导18可以形成具有旋转角度的弯曲(例如，通过在多个方向上扭曲)。

现参考图7A，在实施例中，平面波导18包括衬底S。衬底S包括已通过热化学过程强化的含碱玻璃材料化合物。在热化学过程中，衬底S被浸入低于玻璃材料化合物的熔点的温度范围的熔融盐浴中，在此期间发生离子交换。在熔融盐浴期间，钠离子从衬底S中扩散出来并被钾离子取代。该离子交换导致衬底S的玻璃材料化合物的表面压缩，这降低了分片事件的可能性。然后将衬底S的压缩玻璃材料化合物在包含熔融盐的加热钢浸没罐中悬浮一个或多个附加的时间，以进一步增加表面硬度。

图7A是示出了包括具有大致平行的表面13、15的衬底S的平面波导18的简化横截面视图的示意图。在实施例中，涂层28位于衬底表面15上。在实施例中，在使用期间，表面15位于佩戴者的眼睛34R、34L之一的附近(见图2和图3)，并且表面13与表面15相对定位。在另一个实施例中，涂层28位于衬底表面13上。在又一个实施例中，涂层28位于衬底S的两个表面13、15上。在实施例中，入耦合衍射光学器件IDO和/或出耦合衍射光学器件ODO位于衬底涂层28中。

例如，衬底涂层28包括透明聚合物材料，其可操作以传输传入的载像光WI。当聚合物沉积与衬底表面13、15反应并呈现最大数量的具有适当表面能量的可到达位点时，表面粘合力最大化。为了促进衬底涂层28和衬底S之间的粘合，衬底S可以用粘合促进剂(adhesive promotor)32处理，粘合促进剂32包括但不限于基于疏水硅烷的单层或取代多层、UV光曝光、热处理或实现总覆盖的另一种方法。

现在参考图6B和图6C，衬底S、衬底涂层28和任何附加处理层(如有)形成波导18的衬底系统，其可操作以例如沿x轴(即，在z轴方向上)屈曲，具有零至二十度(0°-20°)的曲弧44，而不分层(delaminated)。例如，如图6C中所示，波导18按照大约二十度(20°)的曲弧44沿着x轴屈曲而不分层。在另一个实施例中，在波导18的衬底系统没有分层的情况下，沿着轴的可接受的屈曲范围可以高达大约十度(10°)。在又一个实施例中，在波导18的衬底系统没有分层的情况下，沿着轴的可接受的屈曲范围可以是零到五度(0°-5°)。在另一个实施例中，在波导18的衬底系统没有分层的情况下，沿着轴的可接受的屈曲范围可以是零到十五度(0°-15°)。在实施例中，通过扭曲或以其他方式沿多个方向施加力，波导18可以包括沿多于一个轴的屈曲范围而不分层，其中波导18沿从零变动到二十度(0°-20°)的每个轴屈曲。

衬底涂层28或附加处理层在不破裂的情况下的可接受的屈曲范围可以超过二十度(20°)。“可接受的屈曲”和“曲弧”意指波导18的衬底系统的屈曲的量，在该屈曲的量内，波导18可操作以在不断裂或分层的情况下在屈曲后返回其未屈曲的位置。

在实施例中，可以将一个或多个保护层施加于衬底S或多个衬底之间(见图8A)，以及诸如此类。也就是说，在实施例中，具有施加到衬底S的一个或多个保护层的波导18具有上述屈曲范围。在另一个实施例中，平面波导50的堆叠的集合具有如上所述的沿着一个或多个轴的屈曲范围。

如图7A和图7B中图示的，入耦合衍射光学器件IDO可以是布置在衬底S的内平面平行表面15上的透射型(transmissive type)衍射光栅。然而，入耦合衍射光学器件IDO可以替代地是体积全息图或其他全息衍射元件，或可操作以将载像光WI入耦合到波导18中的其他类型的衍射光学部件。入耦合衍射光学器件IDO可以位于衬底S的外平面平行表面13或内平面平行表面15上，并且可以是透射型或反射型的组合，该组合是传入的载像光WI接近衬底S的方向的函数。

当用作虚拟显示系统的一部分时，入耦合衍射光学器件IDO将来自现实图像源的载像光WI耦合至平面波导18的衬底S中。任何现实图像或图像尺寸首先被转换成重叠的角度相关束的阵列，所述束对图像内的不同像素位置进行编码，以呈现给入耦合衍射光学器件IDO。载像光WI被衍射并且从而载像光WI的至少一部分被入耦合衍射光学器件IDO重定向到平面波导18中，作为载像光WG，用于通过全内反射(“TIR”)沿着平面波导18进一步传播。尽管与TIR设置的边界保持一致被衍射到角度相关束的通常更集中的范围中，但是载像光WG以编码形式保存图像信息。出耦合衍射光学器件ODO接收编码的载像光WG并将载像光WG的至少一部分衍射出平面波导18，作为朝向观看者眼睛的预期位置的载像光WO。通常，出耦合衍射光学器件ODO相对于入耦合衍射光学器件IDO对称设计，以恢复载像光WO的输出角度相关束之中载像光WI的原始角度关系。然而，为了增加可以看到虚拟图像的眼盒E中角度相关的束之中的重叠的一个方向，出耦合衍射光学器件ODO被设置成多次遇到载像光WG，并且每次遇到时衍射载像光WG的仅一部分。在传播方向上沿着出耦合光学器件的长度的多次相遇具有扩展其内载像光束重叠的眼盒的一个方向的效果。扩展的眼盒E降低了对观看虚拟图像的观看者眼睛位置的敏感度。

出耦合衍射光学器件ODO示出为布置在衬底S的内表面15上的透射型衍射光栅。然而，与入耦合衍射光学器件IDO类似，出耦合衍射光学器件ODO可以位于衬底S的外表面13或内表面15上，或两者上，并且可以是透射型或反射型的组合，这取决于载像光WG预期退出衬底S的方向。

图7B示出了厚度可以是0.1mm或根据实施例变化的气隙72。气隙72使得TIR能够在衬底S内有效地进行。气隙72沿着外表面13和内表面15二者与衬底S和/或涂层28邻接(border)。在实施例中，气隙72可以是具有与空气相同折射率的透明材料。透明材料可以包括但不限于由二氧化硅、二氧化硅纳米棒、有机聚合物以及诸如此类制成的中孔气凝胶。在另一个实施例中，如图8B中图示的，气隙72包括由低收缩、低硬度(durometer)材料73维持的空气或气态流体，该材料73可操作以与波导18组件一起屈曲。

如图8A中图示的，气隙72可以存在于波导堆叠50的衬底S1、S2之间。在实施例中，波导堆叠50包括两个或更多个波导18。在实施例中，如图8B中图示的，气隙72由围绕系统的外围定位的低收缩率、低硬度材料73维持并且可操作以提供衬底S1、S2的独立移动。在实施例中，低硬度材料73可以用作围绕衬底S1、S2的外围的密封，抵御衬底S1、S2之间的环境污染物的侵入。

现在参考图7B，第一保护层68和第二保护层70可以在衬底涂层28和气隙72之上与衬底S耦合。在实施例中，保护层68、70包括完全透明的聚合物，允许载像光WI、WO传入和传出衬底S，而对波导18的功能没有显著影响。

在对衬底S产生冲击或过度应力时，保护层68、70可操作以增加对衬底S的可能分片作用的遏制。例如，聚合物层68、70可操作以至少部分地遏制(contain)来自衬底S的分片碎片的部分。如图8A中图示的，第一保护层68和第二保护层70可以包围平面波导50的堆叠集合的每个波导18的外表面。在实施例中，具有相同或不同衬底的三个或更多个平面波导18可以以该方式被堆叠和保护。

在形成为衍射光栅的衍射光学器件中，增加光栅深度导致改进的衍射效率。然而，出耦合衍射光栅中增加的衍射效率可能减少从衍射光栅的外部区域输出的载像光WO。此外，包含多个输入光栅的实施例可能在波导内生成光束的混合(admixture)或串扰。为了补偿这些问题，图8A示出了实施例，其中分别具有衬底S1、S2的两个平面波导18可以通过本领域技术人员已知的结合过程堆叠在一起。

平面波导衬底S1在其上平面平行表面15a上涂有衬底涂层28。类似地，平面波导基片S2在其上平面平行表面15上涂有衬底涂层28。在实施例中，第一和第二衬底S1、S2的入耦合衍射特征可以以不同的方式影响载像光WI，诸如将载像光WI的仅特定光谱衍射到相应的衬底S 1、S2中，以经由TIR传播到相应的出耦合衍射光学器件ODO。

如图8C中图示的，在实施例中，近眼显示系统12包括安装有光学模块外壳100的堆叠波导系统126。堆叠波导系统126包括具有入耦合衍射光学器件ID01和出耦合衍射光学器件OD01的第一衬底S1，以及具有入耦合衍射光学器件ID02和出耦合衍射光学器件OD02的第二衬底S2。在实施例中，衬底S1、S2中的一个或二者包括中间光学器件。投影仪110位于外壳100内并且可操作以发射角度编码的载像光。

在实施例中，堆叠波导系统126利用远端波导紧固件106和近端波导紧固件104固定在外壳100内。板112可以位于外壳100内，与第二衬底S1相邻，使得板112可操作以向位于外壳100内的波导系统126提供结构刚性。板112可操作以在堆叠波导系统126的屈曲期间减少对投影仪110的损坏。在实施例中，附加板114、116与第一衬底S1和投影仪100相邻定位，使得板114、116可操作以向堆叠波导系统126提供附加的结构支撑。在实施例中，板112、114、116用于向位于外壳100内的堆叠波导系统126的部分提供刚度。在实施例中，板112、114、116机械地固定到堆叠波导系统126。

质量测试和用户处理模式指示堆叠波导系统126最常见的断裂点发生在距离其与外壳100的连接点不到一厘米。在实施例中，堆叠波导系统126包括弹性屈曲部分128和大致刚性部分140。如图8D中图示的，屈曲部分128创建弹性区域，当力在例如z轴方向上施加到堆叠波导系统126时，该弹性区域可操作以弯曲。在实施例中，屈曲部分128可以被机械编程为在应力下失效(fail)和/或在引起衬底S1、S2屈曲超过它们的弯曲点(例如，二十度)的应力下失效。

为减少分片并维持大致刚性部分140的尺寸稳定性，可以对第一和第二衬底S1、S2施加耐磨刚性涂层130。在实施例中，刚性涂层在刚性部分140中封围第一和第二衬底S1、S2，使得涂层围绕衬底S1、S2的远端。刚性涂层130可以由任何数量的诸如烯丙基聚合物(Allyics)、聚甲基戊烯、聚碳酸酯以及诸如此类的硬透明聚合物组成。在实施例中，刚性涂层130可以施加在保护层68、70之上，如图8A中所示。

为进一步提高堆叠波导系统126的结构完整性，第一衬底S1和第二衬底S2可以由垫圈(gasket)73、粘合剂的珠(bead)或其他低硬度材料分离，可操作以促进用于气隙72的空间，并虑及第一和第二衬底S1、S2在屈曲时沿x轴的独立移动。在实施例中，为了避免屈曲时对刚性涂层130的损坏，衬底屈曲通道136在刚性涂层130的内壁中提供裂缝(cleft)，使得平面波导衬底S1和平面波导衬底S2在屈曲时独立地位移。

在衍射光学器件通过例如涂层或背衬(backing)/板不位于衬底保持刚性的区域中的本公开的实施例中，衍射光学器件可能在波导/堆叠波导系统的屈曲期间遭受损坏。图9A图示了在衬底S的平面平行表面172上的涂层178中形成的倾斜表面浮雕光栅特征170的非屈曲定向。光栅特征170被表示为间隔e的距离分离。图9B图示了衬底S的一些屈曲，这可能引起在光栅碰撞点176处发生的精密光栅微结构的邻接，从而有损坏波导系统的功能性的风险。

如图10中图示的，在实施例中，为补偿衬底S的屈曲，光栅特征170具有扩展的光栅特征间隔f。

如图11A中图示的，在另一个实施例中，光栅特征170被光栅条带间隔h分离成离散区段或光栅条带180。每个光栅条带180包含多个光栅特征170。每个光栅条带180与衬底表面172的有限的总表面接触减少了涂层178所需的屈曲，从而减少了涂层178从衬底S分层的风险。每个光栅条带180由光栅条带间隔h分离。光栅条带间隔h可以在没有限制的情况下通过将每个单独的光栅条带180粘附到衬底S或者通过微激光烧蚀来分离光栅条带180来实现。图11B图示了涂层178的屈曲，其中分离的光栅条带180的光栅特征170彼此不接触。

在示例性实施例中，可佩戴的显示装置包括电子模块，所述电子模块可操作以与观看者的头相邻地安装光学模块；位于光学模块内的投影仪，其中所述投影仪可操作以生成载像光束；与所述光学模块耦合的波导，其中所述波导包括由透明光学材料形成的衬底，该衬底具有与第二表面相对定位的第一表面，可操作以将载像光束引导到所述波导中的入耦合光学器件，以及可操作以引导来自所述波导的载像光束并在眼盒内形成虚拟图像的出耦合光学器件，其中所述虚拟图像出现在观看者的视场中的一定距离处；其中所述波导包括第一端和第二端，其中所述第一端与所述光学模块耦合，并且所述第二端可操作以相对于所述第一端屈曲。

在实施例中，光学模块围绕波导的外围的不到百分之五十。

在实施例中，第一聚合物层与波导第一表面耦合，其中入耦合衍射光学器件和出耦合衍射光学器件中的至少一个位于第一聚合物层中。

在实施例中，波导第二端可操作以相对于波导第一端以二十度角度位移，并且第一聚合物层可操作以屈曲而不与波导分层。

在实施例中，波导进一步包括波导第一表面上的粘合促进剂，其中第一聚合物层粘附到粘合促进剂。在实施例中，波导进一步包括位于第一聚合物层上的第二聚合物层，其中第二聚合物层可操作以遏制发生分片的波导片段的至少一部分。

在实施例中，波导包括碱性化合物，并且波导的第二端可操作以相对于波导的第一端的至少零度至二十度屈曲而不破裂。

在实施例中，其中波导是第一波导，第二波导与第一波导耦合，并且气隙位于第一波导和第二波导之间。在实施例中，低硬度材料位于第一波导和第二波导之间，其中低硬度材料至少部分地限定气隙并且可操作以与第一波导和第二波导一起屈曲。

虽然上文已详细描述了各种实施例，但应理解的是，这些实施例已经通过示例的方式而非限制的方式被呈现。对相关领域的技术人员来说将清楚的是，在不脱离所公开的主题的范围、精神或基本特性的情况下，所公开的主题可以以其他特定形式、变型和修改来体现。因此，上述实施例在所有方面都被认为是说明性的，而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求书指示，并且在其等同物的含义和范围内的所有改变都旨在包含在其中。

Claims (15)

1.一种用于传送虚拟图像的图像光导，包括：

波导，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；

入耦合衍射光学器件，沿着所述波导形成，其中所述入耦合衍射光学器件可操作以将载像光束引导到所述波导中；以及

出耦合衍射光学器件，沿着所述波导形成，其中所述出耦合衍射光学器件可操作以将所述载像光束从所述波导引导向眼盒；

其中所述波导包括第一部分和第二部分，并且所述第二部分可操作以相对于所述第一部分屈曲。

2.根据权利要求1所述的图像光导，其中光学模块围绕所述波导的外围的不到百分之五十。

3.根据权利要求1所述的图像光导，进一步包括与所述波导第一表面耦合的第一聚合物层，其中所述入耦合衍射光学器件和所述出耦合衍射光学器件中的至少一个位于所述第一聚合物层中。

4.根据权利要求3所述的图像光导，其中所述波导第二部分可操作以相对于所述波导第一部分以二十度角屈曲，并且所述第一聚合物层可操作以屈曲而不与所述波导分层。

5.根据权利要求4所述的图像光导，进一步包括位于所述第一表面上的粘合促进剂，其中所述第一聚合物层粘附到所述粘合促进剂。

6.根据权利要求1所述的图像光导，其中所述波导包括碱性化合物，并且所述波导的所述第二部分可操作以相对于所述波导的所述第一部分屈曲至少一到二十度。

7.根据权利要求1所述的图像光导，其中所述波导是第一波导，第二波导与所述第一波导耦合，并且气隙位于所述第一波导和所述第二波导之间。

8.根据权利要求7所述的图像光导，进一步包括位于所述第一波导和所述第二波导之间的低硬度材料，其中所述低硬度材料至少部分地限定所述气隙并且可操作以与所述第一波导和所述第二波导一起屈曲。

9.根据权利要求1所述的图像光导，其中所述出耦合衍射光学器件包括衍射特征的多个区段，其中空间位于衍射特征的每个所述区段之间。

10.根据权利要求7所述的图像光导，其中所述第一波导的第一部分和所述第二波导的第一部分中的至少一个至少部分位于包括载像光源的光学模块内；并且其中所述第一部分经由第一紧固件和第二紧固件与所述光学模块连接。

11.根据权利要求10所述的图像光导，进一步包括在所述第一紧固件和所述第二紧固件之间与所述第一或第二波导耦合的板，其中所述板可操作以向所述第一波导的所述第一部分和/或所述第二波导的所述第一部分提供刚性。

12.根据权利要求10所述的图像光导，进一步包括关于所述第一波导的所述第二部分和所述第二波导定位的刚性涂层，其中所述刚性涂层可操作以防止所述第二部分的屈曲；并且所述图像光导进一步包括位于所述第一部分和所述第二部分之间的所述第二波导和所述第一波导的第三部分，其中所述第三部分可操作以弯曲。

13.一种制造柔性图像光导的方法，包括：

提供具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的衬底；

使所述衬底经受离子扩散方法；

利用第一聚合材料涂覆所述波导第一表面；以及

在所述第一聚合物涂层中模制入耦合衍射光学器件和出耦合衍射光学器件中的至少一个；

其中所述衬底包括第一部分和第二部分，并且所述第二部分可操作以相对于所述第一部分屈曲。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在所述离子扩散方法之后使所述衬底经受热处理。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述离子扩散法包括以第一温度范围将所述衬底浸入第一熔融盐浴中，从而压缩所述波导第一和第二表面的材料。