国民经济行业分类号：
C4350 | C3874 | C4090 | C3879
发明人：
大卫·尼古拉斯·克罗斯比 | 哈奇·海曼·哈奇森 | 菲利普·安德鲁·格林哈尔希
摘要：
一种用于近眼光学显示器的封装式波导系统，该封装式波导系统包括第一外层(24)、第二外层(31)、具有输入区域(27)和输出区域(28)的至少一个波导基板(26)、第一间隔件以及密封元件(22)。至少一个波导基板(26)设置在第一外层(24)与第二外层(31)之间并通过第一间隔件与第一外层和第二外层间隔开。密封元件(22)将第一外层(24)的边缘和第二外层(31)的边缘接合，以便将所述至少一个波导基板(26)封装在由第一外层(24)和第二外层(31)形成的腔(25，29)内。形成的腔包括位于至少一个波导基板(26)与第一外层(24)之间的第一腔(25)和位于至少一个波导基板(26)与第二外层(31)之间的第二腔(29)。
技术问题语段：
如何设计和制造光学波导系统，以实现增强现实和虚拟现实显示器的近眼显示系统，并避免水蒸气和灰尘颗粒对纳米尺寸的衍射图案的光学行为的影响。
技术功效语段：
本专利涉及一种用于近眼光学显示器的封装式波导系统，其技术效果在于通过第一外层、第二外层、至少一个波导基板和密封元件的组合，实现了将至少一个波导基板封装在由第一外层和第二外层形成的腔内，从而达到减小波导系统的体积和提高整个系统的稳定性和可靠性的效果。同时，该系统还包括第一腔和第二腔，可以进一步提高系统的性能和舒适性。
权利要求：
1.一种用于近眼光学显示器的封装式波导系统，所述封装式波导系统包括：
第一外层，
第二外层，
至少一个波导基板，所述至少一个波导基板包括输入区域和输出区域，
第一间隔件，以及
密封元件，
其中，所述至少一个波导基板设置在所述第一外层与所述第二外层之间并通过所述第一间隔件与所述第一外层和所述第二外层间隔开，其中，所述密封元件将所述第一外层的边缘和所述第二外层的边缘接合，以便将所述至少一个波导基板封装在由所述第一外层和所述第二外层形成的腔内；并且其中，形成的所述腔包括位于所述至少一个波导基板与所述第一外层之间的第一腔和位于所述至少一个波导基板与所述第二外层之间的第二腔。
2.根据权利要求1所述的封装式波导系统，还包括第二间隔件，其中，所述至少一个波导基板设置在所述第一外层与所述第二外层之间并且通过所述第一间隔件和所述第二间隔件与所述第一外层和所述第二外层间隔开。
3.根据权利要求2所述的封装式波导系统，其中，所述第一间隔件和所述第二间隔件是连续的间隔件。
4.根据权利要求1所述的封装式波导系统，其中，所述第一间隔件和所述第二间隔件是不连续的间隔件。
5.根据权利要求1所述的封装式波导系统，其中，所述第一外层和所述第二外层保护所述至少一个波导基板免受环境污染的影响。
6.根据权利要求1所述的封装式波导系统，其中，所述至少一个波导基板与通过其他间隔件彼此分开的第二波导或第三波导进行组合。
7.根据权利要求1所述的封装式波导系统，其中，所述至少一个波导基板包括波导子系统，所述波导子系统包括通过间隔件彼此分开的多个波导。
8.根据权利要求1所述的封装式波导系统，其中，所述第一外层或所述第二外层中的一者包括以密封的方式接纳投射器模块并且可选地使所述投射器模块与所述至少一个波导基板的所述输入区域对准的开孔。
9.根据权利要求1所述的封装式波导系统，包括至少一个压力释放元件，所述至少一个压力释放元件构造成使所述至少一个波导基板与所述第一外层之间的所述第一腔的压力和所述至少一个波导基板与所述第二外层之间的所述第二腔的压力与环境压力平衡。
10.根据权利要求9所述的封装式波导系统，其中，所述至少一个压力释放元件设置在从所述封装式波导系统的外表面延伸至所述第一腔或所述第二腔中的一者的开孔内。
11.根据权利要求9所述的封装式波导系统，其中，所述至少一个压力释放元件设置在所述第一外层和所述第二外层内或者设置在所述第一外层与所述第二外层之间。
12.根据权利要求11所述的封装式波导系统，其中，所述压力释放元件包括半透膜，所述半透膜在避免灰尘和湿气进入到所述封装式波导系统中的同时允许特定气体进行交换，而且允许压力平衡。
13.根据权利要求9所述的封装式波导系统，其中，所述压力释放元件包括烧结熔块。
14.根据权利要求9所述的封装式波导系统，其中，所述压力释放元件设置在波导基板之间以减轻波导基板之间的压力差的影响。
15.根据权利要求1所述的封装式波导系统，其中，所述至少一个波导基板包括透明波导基板，并且其中，所述封装式波导系统还包括延伸穿过所述透明波导基板的通路，其中，所述第一腔经由所述通路与所述第二腔流体连通，并且其中，所述通路构造成使得能够在所述波导基板的周围实现压力平衡。
16.根据权利要求1所述的封装式波导系统，其中，所述外层包括用于固定在框架内的两个或更多个离散的玻璃凸块。
17.根据权利要求1所述的封装式波导系统，其中，所述第一外层或所述第二外层中的至少一者是眼科透镜。
18.根据权利要求17所述的封装式波导系统，其中，每个眼科透镜使用标准的眼科透镜坯件来制备。
19.根据权利要求18所述的封装式波导系统，其中，所述眼科透镜使用标准的实验室铣床来制备。
20.根据权利要求1所述的封装式波导系统，其中，所述第一外层或所述第二外层中的至少一者使用3D打印过程来制备。
21.根据权利要求20所述的封装式波导系统，其中，所述3D打印过程配置成生产眼科透镜。
22.一种防止投射在近眼光学显示器内的图像发生压差失真的方法，所述方法包括：
提供附接至支承表面或另一波导的至少一个波导；
在波导与支承件之间或者在波导与波导之间提供通气结构；以及
将所述波导封围在壳体内；
其中，所述通气结构在大气压力与所述至少一个波导周围的气体的压力之间进行压力平衡，由此防止所述波导弯曲并减轻投射在所述波导内的图像的失真。
23.一种近眼光学显示系统，包括：
光引擎；以及
封装式波导系统，所述光引擎光学地联接至所述封装式波导系统，并且所述封装式波导系统包括：
第一外层；
第二外层；
至少一个波导基板，所述至少一个波导基板包括输入区域和输出区域；
第一间隔件；以及
密封元件；
其中，所述至少一个波导基板设置在所述第一外层与所述第二外层之间并通过所述第一间隔件与所述第一外层和所述第二外层间隔开，其中，所述密封元件将所述第一外层的次表面和所述第二外层的次表面接合，以便将所述至少一个波导基板封装在由所述第一外层和所述第二外层形成的腔内；并且其中，形成的所述腔包括位于所述至少一个波导基板与所述第一外层之间的第一腔和位于所述至少一个波导基板与所述第二外层之间的第二腔。
24.根据权利要求23所述的近眼光学显示系统，其中，所述近眼光学显示系统包括增强现实显示系统。
25.根据权利要求23所述的近眼光学显示系统，其中，所述近眼光学显示系统包括虚拟现实显示系统。
26.根据权利要求23所述的近眼光学显示系统，其中，所述光引擎和所述封装式波导系统被承载在眼镜框架上。
技术领域：
[0005]本技术涉及近眼光学显示系统，并且更具体地但非排他性地涉及近眼光学波导系统。一些实施方式涉及构造成用于增强现实和/或虚拟现实装置的波导系统。一些实施方式涉及结合有所述波导系统的近眼光学显示器。一些实施方式涉及结合有所述波导系统的增强现实和/或虚拟现实显示器。一些方面涉及与波导系统相关的光学方法。一些方法实施方式涉及用于减轻波导系统中的光学失真的光学方法。
背景技术：
[0006]光学波导可以用于诸如增强现实显示器和/或虚拟现实显示器的近眼显示系统中。增强现实显示器允许用户观看他们的周围环境以及投射的图像。例如，这些投射的图像可以传达关于用户的周围环境的附加信息，以便增强其对物理世界的感知。这些投射的图像首先由光投射器或其他光引擎生成，然后通过波导系统收集、传送、复制并朝向用户的眼睛引导。因为波导是透明的，所以用户能够如同佩戴眼科眼镜一样看到真实世界。投射的图像由于其亮度较高而被叠加在用户的周围环境的图像上，以便形成用户所感知到的最终图像。因此，波导系统是一种同时完成若干任务的复杂的光学设备件。举例来说，为此，波导系统可以包括容纳输入区域和输出区域的透明波导基板，输入区域和输出区域位于同一主表面或相反的主表面上；替代性地，输入区域或输出区域可以在透明波导基板的厚度内。投射器光通过输入区域耦合到透明波导基板中，然后通过全内反射沿着所述基板传播，直到通过输出区域从所述基板朝向用户的眼睛耦合出去为止。输入区域和输出区域通常由透明波导基板表面上的折射率匹配的旋涂聚合物层制成，该旋涂聚合物层可以通过母模进行压花并通过UV光来固化(纳米压印)，或者可以通过掩模暴露于UV光并通过在暴露区域与未暴露区域之间进行区分的化学过程进行蚀刻(纳米光刻)，以便形成能够使光以受控的方式衍射的纳米尺寸的图案。
[0007]输入区域和输出区域可以是诸如光栅、表面浮雕光栅或全息光学元件的衍射光学纳米结构。
[0008]波导系统族系不仅可以包括衍射波导系统、比如先前提及的衍射波导系统，而且还可以包括反射波导系统、比如基于玻璃嵌入式倾斜反射结构的反射波导系统。对通过输入区域引入至透明波导基板并随后通过输出区域朝向用户的眼睛引导的图像承载光进行衍射的纳米结构的精确性质可能易受环境污染的影响。大气中的水蒸气和/或灰尘颗粒的存在可能会影响纳米尺寸的衍射图案的光学行为并因此损害波导系统的操作。因此，期望从波导系统中排除水蒸气和灰尘颗粒。
发明内容：
[0009]根据本技术的一个方面，用于近眼光学显示器的封装式波导系统可以包括：第一外层；第二外层；至少一个波导基板，所述至少一个波导基板包括输入区域和输出区域；第一间隔件；以及密封元件，其中，至少一个波导基板设置在第一外层与第二外层之间并通过第一间隔件与第一外层和第二外层间隔开，其中，密封元件将第一外层和第二外层接合以便将至少一个波导基板封装在由第一外层和第二外层形成的腔内；并且其中，形成的腔包括位于至少一个波导基板与第一外层之间的第一腔和位于至少一个波导基板与第二外层之间的第二腔。
具体实施方式：
[0050]在下面的描述中，出于说明和非限制性的目的，对诸如特定实施方式、程序、技术等的具体细节进行了阐述，以便提供对本公开的各实施方式的全面理解。然而，对于本领域技术人员而言将明显的是，本公开可以在脱离这些具体细节的其他实施方式中实践。
[0051]本技术旨在使波导系统(不考虑其类型)的光学性能对湿气、微粒碎屑以及环境温度和环境压力的变化的依赖性最小化。
[0052]术语“环境压力”和“环境温度”分别指波导系统周围的环境大气的压力和温度。环境大气由若干个参数表征，所述参数比如为压力、温度和成分(气体、诸如液滴的液体、诸如灰尘的固体)。
[0053]本申请中描述的技术特征可以用于构建封装式波导系统的各种实施方式。
[0054]在一种方法中，用于近眼光学显示器的封装式波导系统具有第一外层和第二外层。在该系统中包括一个或更多个波导基板。所述一个或更多个波导基板具有输入区域和输出区域。在该系统中包括第一间隔件和密封元件。波导基板设置在第一外层与第二外层之间并通过第一间隔件与第一外层和第二外层间隔开。密封元件将第一外层和第二外层接合以便将波导容置或封装在由第一外层和第二外层形成的腔内。形成的腔包括位于波导基板与第一外层之间的第一腔和位于波导基板与第二外层之间的第二腔。形成的腔可以填充有氮气或其他惰性气体或者干燥空气或者其他流体。
[0055]如下面将更详细地解释的，在一些实施方式中，第一腔和第二腔可以彼此流体连通以由此形成一个完整的腔，而在一些其他实施方式中，第一腔和第二腔可以彼此有效地隔离。
[0056]在一些实施方式中，第一外层和第二外层分别包括第一光学覆盖件和第二光学覆盖件。
[0057]在一些实施方式中，第一腔形成在第一覆盖件与波导基板之间，并且第二腔形成在第二覆盖件与波导基板之间。
[0058]在一些实施方式中，封装式波导系统是用于AR/VR近眼显示系统的一体系统。
[0059]如图1A中所示，一些当前的波导系统包括投射有图像2的投射器模块1，并且具有透明覆盖件8，该透明覆盖件8通过环绕输入区域和输出区域两者施用双面粘合胶带垫圈6来附连在对输入区域4和输出区域5进行支承的透明波导基板3的主表面上：因此，当对输入区域和输出区域进行支承的透明波导基板的主表面被包封时，形成空气腔7。垫圈还允许保持透明覆盖件与透明波导基板分开几十微米，以避免透明覆盖件与透明波导基板之间发生任何寄生光学的相互作用。替代性地，可以使用加载颗粒的粘合剂来代替双面粘合胶带垫圈，以确保在使用这种粘合剂接合的相应部件之间实现期望的间隙距离。也可以使用将各部分接合以实现限定间隙距离的其他手段。出于本公开的目的，描述了双面粘合胶带，然而，如对于本领域技术人员而言将明显的，其可以由其他合适的密封器件代替。任何的此类粘合剂都不应当损害波导的功能性能。用户的眼睛10会观看到叠加在用户的周围环境9的图像上的投射图像2。
[0060]如果这样的波导系统经受环境温度的突然升高和/或环境压力11的突然降低，则透明波导基板3和透明覆盖件8可能会由于截留在腔7中的空气的膨胀而向外弯曲(如图1B中所示)：透明波导基板3和透明覆盖件8的面向环境大气的主表面将采用凸形形式；并且输入区域4和输出区域5将因此变形。
[0061]如果这样的波导系统经受环境温度的突然降低和/或环境压力12的突然升高，则透明波导基板3和透明覆盖件8将由于截留在腔中的空气的收缩而引发向内弯曲(如图1C中所示)：透明波导基板3和透明覆盖件8的面向环境大气的主表面将采用凹形形式，并且输入区域4和输出区域5将因此变形。因此，环境压力的变化和/或环境温度的变化将导致透明波导基板3的输入区域4和输出区域5的变形，从而导致投射的图像发生不可修复的改变。上述问题的可能症状将会是图像像差、伪像、清晰度损失即调制传递函数的损失、焦点损失、色散、图像失真。(如果输入区域4和输出区域5位于透明波导基板3内，则只要透明波导基板3变形，其就会变形。)
[0062]图2A和图2B分别描绘了根据本技术的第一实施方式的封装式波导系统的示意性的分解图和侧视图。透明波导基板26布置在图2A中作为第一透明刚性覆盖件24的第一外层与图2A中作为第二透明刚性覆盖件31的第二外层之间。在一些其他实施方式中，比如对于虚拟现实显示系统而言，在使用光学系统时距眼睛最远的覆盖件31(图2A中的第二透明覆盖件)被制成不透明而不是透明的(例如通过用反射涂层或使用不透明的覆盖材料进行覆盖)。在第二透明覆盖件31透明的一些实施方式中，观看者的周围环境32也可以被用户的眼睛21看到。
[0063]透明波导由光学透明材料比如但不限于玻璃制成。布置在第一透明刚性覆盖件24与第二透明刚性覆盖件31之间的透明波导基板26由密封元件22气密密封。透明波导基板26设置在第一透明刚性覆盖件24和第二透明刚性覆盖件31上并经由一个或更多个间隔件与第一透明刚性覆盖件24和第二透明刚性覆盖件31间隔开。在一些实施方式中，透明波导基板26分别经由双面粘合胶带垫圈23、30附接或附连在第一透明刚性覆盖件24和第二透明刚性覆盖件31上并与第一透明刚性覆盖件24和第二透明刚性覆盖件31间隔开。在一些实施方式中，可以采用除了垫圈以外的间隔件。这种布置导致形成与透明波导基板26间隔开的两个空气腔或其他流体腔25、29。透明波导基板26在至少一个方向上、例如在z轴方向上小于第一透明刚性覆盖件24和第二透明刚性覆盖件31(参见图2B)。垫圈23、30可以如图2A中所示的那样是连续的，或者可以如图2C通过示例的方式所示的那样是不连续的。透明波导基板26在其面向用户的眼睛21和投射器模块20的主表面上包括输入区域27和输出区域28。输入区域27和输出区域28是诸如光栅、表面浮雕光栅或全息光学元件的衍射光学纳米结构。在一些其他实施方式中，输入区域27和/或输出区域28可以是在用于近眼波导系统的波导中使用的任何其他类型的输入区域和/或输出区域。
[0064]第一透明刚性覆盖件24和第二透明刚性覆盖件31是相对于用户的眼睛21描绘的，其中，第一透明刚性覆盖件24最靠近眼睛位置，并且第二透明刚性覆盖件31距眼睛位置最远。由于透明波导基板26在至少一个方向上、例如在z轴方向上小于第一透明刚性覆盖件24和第二透明刚性覆盖件31，因此密封元件22围绕第一透明刚性覆盖件24和第二透明刚性覆盖件31的周缘施用，以便覆盖这些刚性覆盖件的边缘或次表面以及主表面的接近次表面的一部分(参见图2B)。密封元件22、第一透明刚性覆盖件24和第二透明刚性覆盖件31可以由相同的材料制成。第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件可以通过在不需要胶水的情况下有效地使材料熔接的过程、比如激光焊接或超声波焊接来接合。另一种可能性涉及在一个单次动作中3D打印第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件，并在打印过程期间放置透明波导基板。在一些其他实施方式中，第一覆盖件24可以由与第二覆盖件31不同的材料制成。
[0065]替代性地，第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件可以使用形式为粘合剂但不限于粘合剂的密封元件来接合，所述粘合剂包括但不限于压敏粘合剂、氰基丙烯酸酯、UV固化粘合剂、环氧树脂、热密封粘合剂等中的任一者或组合。
[0066]密封元件22以及第一透明刚性覆盖件24和第二透明刚性覆盖件31可以提供透明波导基板26的足够弹性的封装，使得该透明波导基板26不受环境压力变化的影响。换言之，在透明波导基板26上没有压力差，即腔25、29中各自的压力相同。因此，透明波导基板的输入区域27和输出区域28不会变形。因此，本技术的第一实施方式对环境大气的环境条件不敏感，例如防止诸如灰尘和颗粒碎屑的环境污染以及防止湿气和环境压力变化。
[0067]输入区域27和输出区域28可以优选地位于透明波导基板的近端主表面上，当使用光学系统时该表面距用户的眼睛21最近。替代性地，输入区域27和输出区域28可以位于透明波导基板的远端主表面上，当使用光学系统时该表面距用户的眼睛21最远，或者输入区域27和输出区域28可以位于透明波导基板的相反的主表面上或透明波导基板内，从而利用使用反射或透射区域的可能性以及透明波导基板的两个主表面均免受环境大气影响的事实。
[0068]图3A和图3B分别描绘了根据本技术的第二实施方式的封装式波导系统的示意性的分解图和侧视图。透明波导基板46布置在图3A中作为第一透明刚性覆盖件44的第一外层与图3A中作为第二透明刚性覆盖件51的第二外层之间。在一些其他实施方式中，比如对于虚拟现实显示系统而言，在使用光学系统时距眼睛最远的覆盖件31(图3A中的第二透明覆盖件)被制成不透明而不是透明的(例如通过用反射涂层或使用不透明的覆盖材料进行覆盖)。
[0069]透明波导由光学透明材料比如但不限于玻璃制成。布置在第一透明刚性覆盖件44与第二透明刚性覆盖件51之间的透明波导基板46由密封元件42气密密封。基板46设置在第一透明刚性覆盖件44和第二透明刚性覆盖件51上并经由一个或更多个间隔件与第一透明刚性覆盖件44和第二透明刚性覆盖件51间隔开。在一些实施方式中，透明波导基板46分别经由不连续的双面粘合胶带垫圈43、50(或其他的间隙间隔粘合剂)附连在第一透明刚性覆盖件44和第二透明刚性覆盖件51上并与第一透明刚性覆盖件44和第二透明刚性覆盖件51间隔开，以有效地限定封装式波导系统内的连接体积。在一些实施方式中，可以采用除了垫圈以外的间隔件。透明波导基板46在至少一个方向上、例如在z轴方向上小于第一透明刚性覆盖件44和第二透明刚性覆盖件51(参见图3B)。在图3E中示出了可以使用的不连续垫圈43、50的非限制性示例。透明波导基板46在其面向用户的眼睛41和投射器模块40的主表面上包括输入区域47和输出区域48。输入区域47和输出区域48是诸如光栅、表面浮雕光栅或全息光学元件的衍射光学纳米结构。在一些实施方式中，输入区域47和/或输出区域48可以是在近眼波导系统中使用的其他类型的输入区域和/或输出区域。
[0070]第一透明刚性覆盖件44和第二透明刚性覆盖件51是相对于用户的眼睛41描绘的，其中，第一透明刚性覆盖件44最靠近眼睛位置，并且第二透明刚性覆盖件51距眼睛位置最远。
[0071]由于透明波导基板46在至少一个方向上、例如在z轴方向上小于第一透明刚性覆盖件44和第二透明刚性覆盖件51，因此密封元件42围绕第一透明刚性覆盖件44和第二透明刚性覆盖件51的周缘施用，以便覆盖次表面以及主表面的接近次表面的一部分(参见图3B)。
[0072]密封元件42、第一透明刚性覆盖件44和第二透明刚性覆盖件51可以由相同的材料制成。例如，第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件可以通过在不需要胶水的情况下有效地使材料熔接的过程、比如激光焊接或超声波焊接来接合。另一种可能性将涉及在一个单次动作中3D打印第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件，并在打印过程期间放置透明波导基板。在一些其他实施方式中，第一覆盖件44可以由与第二覆盖件51不同的材料制成。
[0073]替代性地，第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件可以使用形式为粘合剂但不限于粘合剂的密封元件来接合，所述粘合剂包括但不限于压敏粘合剂、氰基丙烯酸酯、UV固化粘合剂、环氧树脂、热密封粘合剂等中的任一者或组合。密封元件42以及第一透明刚性覆盖件44和第二透明刚性覆盖件51可能无法提供透明波导基板46的足够弹性的封装，使得透明波导基板可能受到环境压力变化的影响。为了避免在透明波导基板46上存在任何压力差，即为了避免腔45、49中具有两种不同的压力，通过使用不连续的双面粘合胶带垫圈43、50将两个腔45、49彼此连接。因此，输入区域47和输出区域48不会变形。(腔45、49之间的流体连接通过使用不连续的双面粘合胶带垫圈43、50以及透明波导基板46在至少一个方向上、例如在z轴方向上的至少一个尺寸小于第一透明刚性覆盖件44和第二透明刚性覆盖件51的事实(参见图3B)来确保。
[0074]图3C和图3D表示可以用于本技术的第三实施方式的不连续的双面粘合胶带垫圈43、50的示例。图3C描绘了呈现出单个不连续部的垫圈，而图3D描绘了通过使用彼此间隔开的多个小片双面粘合胶带而具有多个不连续部的垫圈。
[0075]输入区域47和输出区域48可以优选地位于透明波导基板的近端主表面上，当使用光学系统时该表面距用户的眼睛41最近。替代性地，输入区域47和输出区域48可以位于透明波导基板的远端主表面上，当使用光学系统时该表面距用户的眼睛41最远，或者输入区域47和输出区域48可以位于透明波导基板的相反的主表面上或透明波导基板内，从而利用使用反射或透射区域的可能性以及透明波导基板的两个主表面均免受环境大气影响的事实。
[0076]图4A和图4B分别描绘了根据本技术的第三实施方式的封装式波导系统的示意性的分解图和侧视图。透明波导基板66布置在图4A中作为第一透明刚性覆盖件64的第一外层与图4B中作为第二透明刚性覆盖件71的第二外层之间。在一些其他实施方式中，比如对于虚拟现实显示系统而言，在使用光学系统时距眼睛最远的覆盖件71(图4A中的第二透明覆盖件)被制成不透明而不是透明的(例如通过用反射涂层或使用不透明的覆盖材料进行覆盖)。
[0077]透明波导由光学透明材料比如但不限于玻璃制成。布置在第一透明刚性覆盖件64与第二透明刚性覆盖件71之间的透明波导基板66由密封元件62气密密封。基板66设置在第一透明刚性覆盖件64和第二透明刚性覆盖件71上并经由一个或更多个间隔件与第一透明刚性覆盖件64和第二透明刚性覆盖件71间隔开。在一些实施方式中，透明波导基板66分别经由不连续的双面粘合胶带垫圈63、70(或其他的间隙间隔粘合剂)附连在第一透明刚性覆盖件64和第二透明刚性覆盖件71上并与第一透明刚性覆盖件64和第二透明刚性覆盖件71间隔开(参见图4C)，以有效地限定封装式波导系统内的连接体积。在一些实施方式中，可以采用除了垫圈以外的间隔件。透明波导基板66在至少一个方向上、例如在z轴方向上小于第一透明刚性覆盖件64和第二透明刚性覆盖件71(参见图4B)。透明波导基板66在其面向用户的眼睛61和投射器模块60的主表面上包括输入区域67和输出区域68。输入区域67和输出区域68是诸如光栅、表面浮雕光栅或全息光学元件的衍射光学纳米结构。在一些实施方式中，输入区域67和/或输出区域68可以是在近眼波导系统中使用的其他类型的输入区域和/或输出区域。
[0078]在透明刚性覆盖件64、71中的一者的主表面上或在该主表面中可以定位有压力释放元件73(参见图4A至图4C)，该压力释放元件73构造成使由被包括在第一透明刚性覆盖件64与第二透明刚性覆盖件71之间的空间中的第一腔65、第二腔69和其余部分限定的空间或体积的压力与环境大气均衡或平衡。压力释放元件以这种方式形成通气结构，该通气结构可以减少碎屑和湿气的进入，同时确保封围式或封装式波导内的压力与周围环境平衡。
[0079]压力释放元件73可以包括半透膜，该半透膜允许特定气体(例如，氧气、氮气)进入和离开(即，进行交换)由被包括在第一透明刚性覆盖件64与第二透明刚性覆盖件71之间的空间中的第一腔65、第二腔69和其余部分限定的体积，同时防止液滴、固体颗粒和蒸汽穿透到该体积中并且使封装式波导系统内的压力与环境压力平衡。
[0080]替代性地，压力释放元件73可以包括与半透膜执行相同功能的烧结熔块。
[0081]第一透明刚性覆盖件64和第二透明刚性覆盖件71是相对于用户的眼睛61描绘的，其中，第一透明刚性覆盖件64最靠近眼睛位置，并且第二透明刚性覆盖件71距眼睛位置最远。
[0082]由于透明波导基板66在至少一个方向上、例如在z轴方向上小于第一透明刚性覆盖件64和第二透明刚性覆盖件71，因此密封元件62围绕第一透明刚性覆盖件64和第二透明刚性覆盖件71的周缘施用，以便覆盖次表面以及主表面的接近次表面的一部分(参见图4B)。
[0083]密封元件62、第一透明刚性覆盖件64和第二透明刚性覆盖件71可以由相同的材料制成。例如，第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件可以通过例如在不需要胶水的情况下有效地使材料熔接的激光焊接或超声波焊接来接合。另一种可能性将涉及在一个单次动作中3D打印第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件，并在打印过程期间放置透明波导基板。在一些其他实施方式中，第一覆盖件64可以由与制造第二覆盖件71的材料不同的材料制成。替代性地，第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件可以使用形式为粘合剂但不限于粘合剂的密封元件来接合，所述粘合剂包括但不限于压敏粘合剂、氰基丙烯酸酯、UV固化粘合剂、环氧树脂、热密封粘合剂等中的任一者或组合。
[0084]密封元件62以及第一透明刚性覆盖件64和第二透明刚性覆盖件71可能无法提供透明波导基板66的足够弹性的封装，使得透明波导基板可能受到环境压力变化的影响。为了避免在透明波导基板66上存在任何压力差，即为了避免腔65、69中具有两种不同的压力，通过使用不连续的双面粘合胶带垫圈63、70将两个腔65、69彼此连接。因此，输入区域67和输出区域68不会变形。(腔65、69之间的流体连接通过使用不连续的双面粘合胶带垫圈63、70以及透明波导基板66在至少一个方向上、例如在z轴方向上小于第一透明刚性覆盖件64和第二透明刚性覆盖件71的事实(参见图4B)来确保。)
[0085]输入区域67和输出区域68可以优选地位于透明波导基板的近端主表面上，当使用光学系统时该表面距用户的眼睛61最近。替代性地，输入区域67和输出区域68可以位于透明波导基板的远端主表面上，当使用光学系统时该表面距用户的眼睛61最远，或者输入区域67和输出区域68可以位于透明波导基板的相反的主表面上或透明波导基板内，从而利用使用反射或透射区域的可能性以及透明波导基板的两个主表面均免受环境大气影响的事实。
[0086]在一些其他的实施方式中，在波导系统中可以采用多个透明波导基板而不是单个透明波导基板。在一些实施方式中，提供了一种与本文中所公开的实施方式的如具有单个基板的波导系统中的任何波导系统对应的波导系统，但是该波导系统具有多个透明波导基板而不是单个基板。通过非限制性示例的方式，图14A图示了根据一些实施方式的包括由间隔件彼此分开的多个透明波导基板的封装式波导系统的分解图。图14A中的部件222～239对应于上面参照图2A至图13详细描述的封装式波导系统的实施方式的元件，并且因此不再参照图14A进行详细描述。图14B图示了图14A的封装式波导系统的侧视图。在图14A和图14B的封装式波导系统的实施方式中，该系统包括：密封元件222；不连续的双面粘合胶带垫圈223，该不连续的双面粘合胶带垫圈223将第一透明覆盖件224附连在透明波导基板226上；第一透明刚性覆盖件224；第一腔225；第一透明波导基板226；第一透明波导基板226的输入区域227；第一透明波导基板226的输出区域228；第二腔229；不连续的双面粘合胶带垫圈230，该不连续的双面粘合胶带垫圈230将第一透明波导226附连在第二透明波导基板235上；第二透明波导基板235的输入区域231；第二透明波导基板232的输出区域232；孔233，该孔233是穿过第一透明波导基板226钻出的；孔234，该孔234是穿过第二透明波导基板235钻出的；不连续的双面粘合胶带垫圈236，该不连续的双面粘合胶带垫圈236将第二透明波导基板235附连在第二透明刚性覆盖件237上；第三腔238；以及压力释放元件239。
[0087]图15A图示了根据一些实施方式的包括多个透明波导基板的封装式波导。再次地，图15A中的部件242～259对应于上面参照图2A至图13详细描述的封装式波导系统的实施方式的元件，并且因此不再参照图15A进行详细描述。图15B图示了图15A的封装式波导系统的侧视图。在图15A和图15B的封装式波导系统的实施方式中，该系统包括：密封元件242；第一透明刚性覆盖件244；第一腔245；第一透明波导基板246；第一透明波导基板246的输入区域247；第一透明波导基板的输出区域248；第二腔249；不连续的双面粘合胶带垫圈250，该不连续的双面粘合胶带垫圈将第一透明波导基板246附连在第二透明波导基板255上；第二透明波导基板的输入区域251；第二透明波导基板的输出区域252；不连续的双面粘合胶带垫圈256，该不连续的双面粘合胶带垫圈256将第二透明波导255附连在第二透明刚性覆盖件257上；第三腔；以及压力释放元件259。
[0088]多个透明波导基板中的每个透明波导基板都包括输入区域和输出区域。多个透明波导基板形成波导子系统并且彼此分开或间隔开。本文中所述公开的本技术的如具有单个透明波导的第一实施方式、第二实施方式和第三实施方式或其他实施方式可以包括多个透明波导基板，所述多个透明波导基板各自具有专门设计成与给定波长的光相互作用的输入区域和输出区域；每个透明波导基板通过间隔件、比如双面粘合胶带垫圈或填充间隔颗粒的胶水(在这方面，间隔颗粒可以是几十微米的玻璃珠)彼此间隔开。
[0089]另外，在一些实施方式中，多个透明波导基板可以使用不连续的双面粘合胶带垫圈(或其他的间隙间隔粘合剂)来接合，以有效地限定封装式波导系统内的连接体积(例如，以与图3A至图3E以及图4A至图4C中所示的第二实施方式和第三实施方式中用于将覆盖件和单个基板接合在一起的方式类似的方式进行限定)。
[0090]在本技术的一个方面中，在第一透明刚性覆盖件的外部或外表面中设置有贯通开孔，并且该贯通开孔与波导系统的输入区域对准。在一些实施方式中，波导系统与关于图2A至图2C的第一实施方式、关于图3A至图3E的第二实施方式、关于图4A至图4C的第三实施方式中的任一者相对应，或者与本文中公开的其他实施方式(包括图8A至图8B、图9A至图9B、图10A至图10B和图11A至图11B)中的任一者相对应。在第一透明刚性覆盖件24、44、64的外表面中设置有与输入区域27、47、67对准的开孔500(在图12中描绘)。开孔(未示出)构造成接纳投射器模块20、40、60、80并且将投射器模块20、40、60相对于输入区域27、47、67定向成使得由投射器模块20、40、60提供的图像承载光在适当的角度位置处进入波导，以确保在输出区域28、48、68的眼动范围区域(用户的眼睛可以感知到所投射的图像的区域)上如实地再现图像。因此，通过包括根据本技术的封装式波导系统的AR模块进行观看的观看者能够正确地感知叠加在真实世界上的图像承载光中所包含的信息。开孔500还构造成确保投射器20、40、60被气密密封到封装式波导系统中，由此将封装的透明波导基板26、46、66的期望特性相对于温度和压力的影响而保持。
[0091]因此，开孔500既用于将投射器20、40、60与输入区域27、47、67、光学对准，也用于保持透明波导基板26、46、66的气密封装。
[0092]在又一方面中，如图13中所示，本文中所公开的与本文中所公开的波导系统的实施方式中的任一实施方式有关的第一透明刚性覆盖件或第二透明刚性覆盖件中的至少一者可以包括突出部600，这些突出部600意在将封装式波导系统定位并固定到框架、比如处方眼镜框架中。通常，眼科透镜包括围绕透镜的整个周缘的凸起的突出部，该突出部用于将透镜定位在框架内并在框架内保持就位。然而，由于封装式波导系统与标准眼科透镜相比的易碎性质，使用这种连续的突出部或玻璃凸块可能在将封装式波导系统插入到框架中期间导致波导的损坏。因此，突出部600被设计成在确保透镜在框架内精确定位的同时减少将透镜插入到框架中所需的力。
[0093]图5A和图5B分别描绘了根据本技术的第四实施方式的封装式波导系统的示意性的分解图和侧视图。透明波导基板86布置在图5A中作为第一透明刚性覆盖件84的第一外层与图5A中作为第二透明刚性覆盖件91的第二外层之间。在一些其他实施方式中，比如对于虚拟现实显示系统而言，在使用光学系统时距眼睛最远的覆盖件91(图5A中的第二透明覆盖件)被制成不透明而不是透明的(例如通过用反射涂层或使用不透明的覆盖材料进行覆盖)。
[0094]透明波导由光学透明材料比如但不限于玻璃制成。布置在第一透明刚性覆盖件84与第二透明刚性覆盖件91之间的透明波导基板86由密封元件82气密密封。透明波导基板86设置在第一透明刚性覆盖件84和第二透明刚性覆盖件91上并经由一个或更多个间隔件与第一透明刚性覆盖件84和第二透明刚性覆盖件91间隔开。在一些实施方式中，透明波导基板86分别经由双面粘合胶带垫圈83、90附连在第一透明刚性覆盖件84和第二透明刚性覆盖件91上并与第一透明刚性覆盖件84和第二透明刚性覆盖件91间隔开(参见图5C)。在一些实施方式中，可以采用除了垫圈以外的间隔件。在一些实施方式中，垫圈或其他间隔件是不连续的，而在一些其他实施方式中，垫圈或其他间隔件是连续的。
[0095]这种布置导致形成与透明波导基板86间隔开的两个空气腔85、89。透明波导基板86在至少一个方向、例如在z轴方向上与第一透明刚性覆盖件84和第二透明刚性覆盖件91具有相同长度(参见图5B)。透明波导基板86在其面向用户的眼睛81和投射器模块80的主表面上包括输入区域87和输出区域88。输入区域87和输出区域88是诸如光栅、表面浮雕光栅或全息光学元件的衍射光学纳米结构。在一些实施方式中，输入区域87和/或输出区域88可以是在近眼波导系统中使用的其他类型的输入区域和/或输出区域。
[0096]第一透明刚性覆盖件84和第二透明刚性覆盖件91是相对于用户的眼睛81描绘的，其中，第一透明刚性覆盖件84最靠近眼睛位置，并且第二透明刚性覆盖件91距眼睛位置最远。
[0097]由于透明波导基板86在至少一个方向、例如在z轴方向上与第一透明刚性覆盖件84和第二透明刚性覆盖件81具有相同长度，因此密封元件82被施用至第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件的次表面以及主表面的接近次表面的一部分(参见图5B)。
[0098]密封元件82、第一透明刚性覆盖件84和第二透明刚性覆盖件91可以由相同的材料制成。第一透明刚性覆盖件84和第二透明刚性覆盖件91可以通过在不需要胶水的情况下使材料有效熔接的激光焊接或超声波焊接接合在一起。另一种可能性将涉及在一个单次动作中3D打印第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件，并在打印过程期间放置透明波导基板。在一些其他实施方式中，第一覆盖件84可以由与制造第二覆盖件91的材料不同的材料制成。
[0099]替代性地，第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件可以使用形式为粘合剂但不限于粘合剂的密封元件来接合，所述粘合剂包括但不限于压敏粘合剂、氰基丙烯酸酯、UV固化粘合剂、环氧树脂、热密封粘合剂等中的任一者或组合。密封元件82以及第一透明刚性覆盖件84和第二透明刚性覆盖件91可以提供透明波导基板86的足够弹性的封装，使得透明波导基板86不受环境压力变化的影响。换言之，在透明波导基板86上没有压力差，即腔85、89中各自的压力相同。因此，透明波导基板的输入区域87和输出区域88不会变形。因此，本技术的第四实施方式对环境大气的环境条件例如灰尘、颗粒碎屑、湿气、环境压力不敏感。
[0100]输入区域87和输出区域88可以优选地位于透明波导基板的近端主表面上，当使用光学系统时该表面距用户的眼睛81最近。替代性地，输入区域87和输出区域88可以位于透明波导基板的远端主表面上，当使用光学系统时该表面距用户的眼睛41最远，或者输入区域87和输出区域88可以位于透明波导基板的相反的主表面上或透明波导基板内，从而利用使用反射或透射区域的可能性以及透明波导基板的两个主表面均免受环境大气影响的事实。
[0101]图6A和图6B分别描绘了根据本技术的第五实施方式的封装式波导系统的示意性的分解图和侧视图。透明波导基板106经由一个或更多个间隔件布置在图6A中作为第一透明刚性覆盖件104的第一外层与图6A中作为第二透明刚性覆盖件111的第二外层之间。在一些其他实施方式中，比如对于虚拟现实显示系统而言，在使用光学系统时距眼睛最远的覆盖件111(图2A中的第二透明覆盖件)被制成不透明而不是透明的(例如通过用反射涂层或使用不透明的覆盖材料进行覆盖)。在第二透明覆盖件111透明的实施方式中，观看者的周围环境112也可以被用户的眼睛101看到。透明波导由光学透明材料比如但不限于玻璃制成。布置在第一透明刚性覆盖件104与第二透明刚性覆盖件111之间的透明波导基板106由密封元件102气密密封。基板106设置在第一透明刚性覆盖件104和第二透明刚性覆盖件111上并经由一个或更多个间隔件与第一透明刚性覆盖件104和第二透明刚性覆盖件111间隔开。在一些实施方式中，透明波导基板106分别经由不连续的双面粘合胶带垫圈103、110附连在第一透明刚性覆盖件104和第二透明刚性覆盖件111上并与第一透明刚性覆盖件104和第二透明刚性覆盖件111间隔开(参见图6C)。在一些实施方式中，可以采用除了垫圈以外的间隔件。这种布置导致形成与透明波导基板106间隔开的两个空气(或流体)腔105、109。透明波导基板106在至少一个方向、例如在z轴方向上与第一透明刚性覆盖件104和第二透明刚性覆盖件111具有相同长度(参见图6B)。透明波导基板106可以呈现有(例如，通过钻穿基板形成的)孔113或其他通路，以便将第一腔105和第二腔109连接。延伸穿过透明波导基板106的通路构造成使得能够在波导周围实现压力平衡。透明波导基板106在其面向用户的眼睛101和投射器模块100的主表面上包括输入区域107和输出区域108。输入区域107和输出区域108是诸如光栅、表面浮雕光栅或全息光学元件的衍射光学纳米结构。在一些实施方式中，输入区域107和/或输出区域108可以是在近眼波导系统中使用的其他类型的输入区域和/或输出区域。
[0102]第一透明刚性覆盖件104和第二透明刚性覆盖件111是相对于用户的眼睛101描绘的，其中，第一透明刚性覆盖件104最靠近眼睛位置，并且第二透明刚性覆盖件111距眼睛位置最远。
[0103]由于透明波导基板106在至少一个方向、例如在z轴方向上与第一透明刚性覆盖件104和第二透明刚性覆盖件111具有相同长度，因此密封元件102被施用至第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件的次表面以及主表面的接近次表面的一部分(参见图6B)。
[0104]密封元件102、第一透明刚性覆盖件104和第二透明刚性覆盖件111可以由相同的材料制成。第一透明刚性覆盖件104和第二透明刚性覆盖件111可以通过在不需要胶水的情况下使材料有效熔接的激光焊接或超声波焊接来接合。另一种可能性将涉及在一个单次动作中3D打印第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件，并在打印过程期间放置透明波导基板。在一些其他实施方式中，第一覆盖件104可以由与制造第二覆盖件111的材料不同的材料制成。在一些实施方式中，3D打印过程还将第一透明刚性覆盖件104和第二透明刚性覆盖件111中的一者生产或制造为眼科透镜。
[0105]替代性地，第一透明刚性覆盖件和第二透明刚性覆盖件可以使用形式为粘合剂但不限于粘合剂的密封元件来接合，所述粘合剂包括但不限于压敏粘合剂、氰基丙烯酸酯、UV固化粘合剂、环氧树脂、热密封粘合剂等中的任一者或组合。密封元件102以及第一透明刚性覆盖件104和第二透明刚性覆盖件111可能无法提供透明波导基板106的足够弹性的封装，使得透明波导基板可能受到环境压力变化的影响。为了避免在透明波导基板106上存在任何压力差，即为了避免腔105、109中具有两种不同的压力，经由钻穿透明波导基板106的孔113或其他通路将两个腔105、109彼此连接(参见图6B)。因此，输入区域87和输出区域88不会变形。
[0106]输入区域107和输出区域108可以优选地位于透明波导基板的近端主表面上，当使用光学系统时该表面距用户的眼睛101最近。替代性地，输入区域107和输出区域108可以位于透明波导基板的远端主表面上，当使用光学系统时该表面距用户的眼睛101最远，或者输入区域107和输出区域108可以位于透明波导基板的相反的主表面上或透明波导基板内，从而利用使用反射或透射区域的可能性以及透明波导基板的两个主表面均免受环境大气影响的事实。
[0107]图7A和图7B分别描绘了根据本技术的第六实施方式的封