CN104199187A - 基片导波的光学装置 - Google Patents

Abstract

提供一种基片导波的光学装置，包括有输入孔径以及互相平行的第一主要表面(26)和第二主要表面(32)和边缘的光传输基片(20)，位于基片上的一个部分反射面，该反射面不平行于基片的主要表面，和有输出孔径的光学设备，用于耦合光进入利用全内反射的该基片。用于耦合光的光学设备位于基片之外，输出孔径按照光学方式被固定到基片的输入孔径，和位于紧邻基片输入孔径处的基片部分是基本透明的。

Description

基片导波的光学装置

本申请是申请号为200780035587.8、发明名称为“基于导波的光学装置”、国际申请日为2007年8月21日的专利申请的分案申请，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及基片导波的光学装置，尤其涉及包含由普通光传输基片承载的多个反射面的装置，该装置也称之为光导元件。

本发明能够有利地在大量成像应用，例如，头戴的和平视(head-up)显示器，蜂窝电话，小型显示器，3D显示器，小型光束扩束器，以及非成像应用，像平板指示器，小型发光器和扫描仪中实施。

背景技术

小型光学元件的一个重要应用是在头戴显示器中，其中光学模块作为成像透镜和组合器，在光学模块中，二维显示被成像到无限远，并被反射进入观察者的眼睛。显示器能够直接地从空间光调制器(SLM)，例如，阴极射线管(CRT)，液晶显示器(LCD)，有机发光二极管(OLED)阵列，或扫描源和类似的装置中得到，或间接地，借助于中继透镜或光纤束得到。显示器包括单元(像素)阵列，通过准直透镜被成像到无限远，并借助于作为组合器的反射面，或部分反射面，被传输到观察者的眼睛，分别地用于非看透和看透的应用。典型的是，常规的自由空间光学模块被用于这些目的。然而，当***所需的视场(FOV)增大时，这种常规的光学模块变得较庞大和较笨重，所以，即使对于一个适中性能的装置，它也是不切实际的。这是所有各类显示器的主要缺点，但尤其是在头戴应用中，其中该***必须尽可能地轻和小型。

追求小型化已导致几种不同的复杂光学解决方案，一方面，在大多数实际应用中，所有这些方案仍然不足够小型，另一方面，在可制作性方面具有重大的缺点。此外，从这些设计中得到的光学观察角的眼睛运动盒(EMB)通常是非常小的，典型的是小于8mm。因此，即使光学***相对于观察者的眼睛有微小的运动，光学***的性能也是非常灵敏的，为了方便地从这种显示中读出文本，它不允许有足够大的瞳孔运动。

为了理解本发明的更详细背景，此处给出包含在本申请人名字下的公布WO 01/95027，WO 03/081320，WO 2005/024969，WO2006/013565，WO 2006/085309，WO 2006/085310，WO 2007/054928和PCT/IL2007/000172中的教导，合并在此作为参考。

发明内容

本发明有利于设计和制作非常小型的光导光学元件(LOE)，用于其它应用中的头戴显示器。本发明允许相对宽的FOV以及相对大的EMB数值。制成的光学***提供大的、高质量图像，它还适应于大的眼睛运动。本发明提供的光学***是特别有益的，因为与现有技术的方案比较，它是更加地小型化，而且，还能够容易地甚至包含在有特殊配置的光学***中。

本发明也能够构造改进的平视显示器(HUD)。由于这种显示器起始于三十多年之前，在这个领域已经有了很大的进步。的确，HUD已变得很普遍，不但在最现代的战斗机中，而且还在民用飞机中，它们都起着重要的作用，其中HUD***已成为低可见度着陆操作的关键部件。此外，最近在汽车应用中对HUD提出了许多建议和设计，其中它们在驱动和导航任务中能够潜在地辅助驾驶员。然而，现有技术的HUD存在几个严重的缺点。当前设计的所有HUD需要显示源，它必须补偿与组合器之间的很大距离，以确保显示源照明整个组合器表面。因此，组合器-投影仪HUD***必然是笨重庞大的，并要求一个相当大的安装空间，这使得它的安装是不方便的，而且在使用时甚至不安全。普通HUD的大光学孔径还对光学设计提出了严重的挑战，从而使HUD具有折衷的性能，或在需要高性能时产生很高的成本。高质量全息HUD的色散是特别令人担心的。

本发明的一个重要应用涉及它在小型HUD中的实施方案，该方案可以减轻上述的缺点。在本发明的HUD设计中，利用可以固定到基片上的小型显示源照明组合器。因此，整个***是非常小型的，并能够在广大范围的应用中容易地安装到各种配置上。此外，显示器的色散是可忽略的，因此，可以利用各种光谱源工作，其中包括普通的白光源。此外，本发明能够放大图像，因此，组合器的有效区域可以远远大于被光源实际照明的区域。

本发明的另一个应用是提供一种具有宽FOV的小型显示器，用于移动的手持应用，例如，蜂窝电话。在今日的无线互联网接入市场上，足够的带宽可用于全视频传输。受限的因素使显示器的质量保留在终端用户的装置内。移动性要求限制了显示器的实际尺寸，其结果是具有低图像观看质量的直接显示。本发明能够实现具有很大虚像的物理小型显示器。这在移动通信中是一个关键的特征，特别是用于移动互联网接入，从而解决它在实际方案中的一个主要限制。因此，本发明能够在小的手持装置，例如，蜂窝电话内观看全格式互联网页面的数字内容。

所以，本发明的总体目的是减轻现有技术小型光学显示器装置的缺点，并根据具体的要求，提供有改进性能的其他光学元件和***。

所以，本发明提供一种光学装置，包括光传输基片，有输入孔径以及互相平行的至少第一主要表面和第二主要表面和边缘；位于所述基片中的至少一个部分反射面，该反射面不平行于所述基片的主要表面；有输出孔径的光学设备，用于耦合光进入利用全内反射的所述基片，其特征在于，用于耦合光的所述光学设备位于所述基片之外，输出孔径按照光学方式被固定到所述基片的输入孔径，和位于紧邻基片输入孔径处的基片部分是基本透明的。

附图说明

本发明的描述是参照以下的说明性附图并结合某些优选的实施例，因此，可以更充分地理解本发明。

详细地具体参照这些附图，应当强调的是，通过举例说明被展示的具体细节，其目的仅仅是示意性讨论本发明的优选实施例，并相信给出的内容，对于理解本发明的原理和概念是最有用和容易理解的。关于这一点，并不试图展示比基本理解本发明所需要的内容更详细的本发明的结构细节。结合附图的描述是给本领域的熟练人员指出方向，如何在实践中可以实施本发明的几种形式。

在附图中：

图1是说明按照本发明的光线束，这些光线被耦合进入光导光学元件；

图2是说明按照本发明的用于耦合光进入光导光学元件的一个实施例的示图；

图3是说明按照本发明的用于利用耦合棱镜耦合光进入光导光学元件的一个实施例的示图；

图4是说明按照本发明的用于利用两个耦合棱镜耦合光进入光导光学元件的一个实施例的示图；

图5是说明按照本发明的用于利用两个耦合棱镜耦合光进入光导光学元件的另一个实施例的示图；

图6是说明按照本发明的用于利用两个耦合棱镜耦合光进入光导光学元件的另一个实施例的示图；

图7是说明按照本发明的用于利用两个耦合棱镜耦合光进入光导光学元件另一个实施例的示图；

图8是说明按照本发明的用于利用两个耦合棱镜耦合来自OLED的光进入光导光学元件的另一个实施例的示图；

图9是说明按照本发明的用于利用三个耦合棱镜耦合来自LCOS的光进入光导光学元件的一种方法的示图；

图10是说明按照本发明的用于利用三个耦合棱镜和三个透镜耦合来自LCD的光进入光导光学元件的一个实施例的示图；

图11是说明按照本发明的用于利用三个耦合棱镜和三个透镜耦合来自LCOS的光进入光导光学元件的一个实施例的示图；

图12a和12b是说明按照本发明的用于利用单个耦合棱镜耦合光进入光导光学元件的其他实施例的示图；

图13是说明按照本发明的用于利用单个耦合棱镜耦合光进入光导光学元件的装置的示图；

图14是说明按照本发明的用于利用空气隙耦合光离开光导光学元件的一个实施例的示图；

图15是说明按照本发明的用于利用空气隙耦合光离开光导光学元件的装置的另一个示图；

图16是说明按照本发明一个实施例的示图，该实施例用于利用位于紧邻光导光学元件的一个主要表面处的反射面耦合来自LCD的光进入光导光学元件；和

图17是说明按照本发明一个实施例的示图，该实施例用于利用位于紧邻光导光学元件的一个主要表面处的反射面耦合来自LCOS的光进入光导光学元件。

具体实施方式

本发明涉及基片导波的光学装置，尤其涉及包含由普通光传输基片承载的多个反射面的装置或LOE。

按照本发明的目的，是找到一种不同于现有技术耦入机构的耦入机构，代替通常使用的输入反射镜，如图1所示，一个光线束(a spanof rays)必须被耦合进入LOE，例如，基片20，它有最小所要求的输入孔径21。为了避免产生有间隙或条纹的图像，对于每一个输入光波，在输入孔径21的边缘与基片20的下表面26之间边界线24上的各点应当被从两个不同位置进入基片的两条不同光线：直接照明边界线24的一条光线30，和在照明边界线24之前，首先被上表面32反射的另一条光线31照明。输入孔径21的尺寸通常是由两条边界光线：最高FOV角的最右侧光线34，和最低FOV角的最左侧光线36确定的。

图2说明耦合这些光线进入基片20的最简单可能性。此处，与基片20的主平面比较，输入光波源38，以及准直透镜40的取向是在所要求的离轴角上。中继棱镜44位于准直透镜40与基片20之间，并按照光学方式被粘结到下表面26，因此，来自显示源的光被俘获在利用全内反射的基片内。虽然此处描述的光学***是简单的，它仍然存在着主要的缺点：整体光学***是很大和累赘的，且它不符合眼镜显示器以及手持显示器的外部形状。

所以，问题是找到一种制作小型准直模块的方法，该模块能够耦合光进入有简单配置的LOE，其中这个模块的总体形状和尺寸符合大多数的相关应用。图3表示这样一种方法，该方法实现两个似乎矛盾的要求，并利用这样的事实，在大多数的微显示源，例如，LCD或LCOS中，光是线偏振的。这个实施例与图2所示实施例的主要差别是，光学准直模块是折叠的，因此，它的体积和重量被大大减小。此外，它的机械元件能够容易地被固定到几乎任何相关的光学***上。如图所示，来自输入光波源38的p偏振输入光波传输通过第一中继棱镜46，偏振分束器48和第二中继棱镜50。然后，传输通过四分之一波长延迟片52的光波在透镜54的反射面56被，例如是平凸透镜的透镜54准直，该光波从此再次返回，传输通过延迟片52，并再次进入第二中继棱镜50。现在，s偏振光波是从偏振分束器48上被反射，并通过下表面26进入基片20。图3所示的光学模块远远比图2所示的光学模块小型。然而，在大多数的应用中，这种模块仍然不够小型。例如，假设横向宽度为9mm和水平FOV为22°的显示源，和折射率为～1.51的棱镜，在输入光波源38与准直透镜54之间产生～35mm的距离。此外，对于许多应用，单个反射准直面可能不足以实现所要求的低象差和畸变的光学性能。所以，图4表示有两个反射准直面的更加小型的型式。来自输入光波源38的s偏振输入光波传输通过第一中继棱镜58，第一偏振分束器60和第二中继棱镜62。然后，传输通过四分之一波长延迟片64的光波在第一透镜66的反射面68被第一透镜66部分地准直，再次返回传输通过延迟片64，并重新进入第二中继棱镜62。现在，p偏振光波是从第一偏振分束器60上被反射，并在从上表面70的全内反射之后，传输通过第二偏振分束器72和第三中继棱镜74。然后，传输通过四分之一波长延迟片76的光波在第二透镜78的反射面80被第二透镜78准直，再次返回传输通过延迟片76，并重新进入第三中继棱镜74。现在，s偏振光波是从第二偏振分束器72上被反射，并通过下表面26进入基片20。现在，由于输入光波源38与最后的准直面80之间的光路是三折叠的，该光学模块远远比图3所示的光学模块小型。此外，利用两个准直元件68和80，可以获得更好的光学性能。

在以上所示的光学模块中，利用了两个不同的偏振分束器。第一个偏振分束器60传输s偏振光和反射p偏振光，而第二个偏振分束器70有相反的功能，即，它传输p偏振光和反射s偏振光。利用线栅技术，该线栅技术是在本申请人以前的一个专利申请中被描述的，能够具体制作这两个不同的分束器。在此处的情况下，分束器60和70的线分别是平行和垂直于附图平面。

第二中继棱镜62按照光学方式被粘结到基片20的左边缘，如图4所示。这样做的原因是，光波中最左侧的光线(例如，光线34)是从棱镜62传输通过表面26进入第三棱镜74。然而，有这样的情况，它需要在基片20的边缘与准直模块的边缘之间分离，例如，在眼镜显示器应用的情况下，其中该基片应当被组装在眼镜框内。

图5表示一种改型，其中棱镜62的上表面70是与基片的下表面26对准，而不是与图4所示的上表面28对准。在这种情况下，不但模块的外部形状应当被改变，而且准直透镜的光学设计也应当被改变，为的是调整新的光学模块有所要求的焦距以及所需的性能。

图4和5所示的准直光学模块仅仅是不同实施例的例子，为的是减小所要求的模块体积。图6和7表示更小型的模块，其中大量的折叠面被利用。如图所示，来自输入光波源38的s偏振输入光波传输通过第一中继棱镜82，第一偏振分束器84和第二中继棱镜86。然后，传输通过四分之一波长延迟片88的光波在第一透镜90的反射面92被第一透镜90部分地准直，再次返回传输通过延迟片88，并重新进入第二中继棱镜86。现在p偏振光波是从第一偏振分束器84上被反射，并在从反射面94上被反射和从上表面96上的全内反射之后，传输通过第二偏振分束器98和第三中继棱镜100。然后，传输通过四分之一波长延迟片102的光波在第二透镜104的反射面106上被第二透镜104准直，再次返回传输通过延迟片102，并重新进入第三中继棱镜100。现在，s偏振光波是从第二偏振分束器98上被反射，并通过下表面26进入基片20。由于输入光波源38与最后的准直面106之间的光路现在被折叠四次，该光学模块可以比图4和5所示的光学模块更加小型。如同以上，图6与7所示光学模块之间的差别是，图6中准直模块的上表面96是与基片20的上表面28对准，和基片的右边缘按照光学方式被粘结到第二棱镜86的左边缘，而图7中的上表面96是与基片20的下表面26对准。

在图4至7所示的所有模块中，输入光波源38是被组装在光学模块的后部。这种安排对于这样的***是特别有利的，其中显示源是LCD，而后照光模块应当被添加到显示器的后侧，然而，存在这样的***，其中显示源是OLED，它不需要后照光模块，且通常有非常平坦的形状。在这种情况下，可以在光学模块的前部放置显示源，即，在与LOE相同的水平上，它能够制成更小型的光学模块。

在图8中，来自显示源108的s偏振输入光波传输通过第一中继棱镜110，第一偏振分束器112和第二中继棱镜114。然后，传输通过四分之一波长延迟片116的光波在第一透镜118的反射面120被第一透镜118部分地准直，再次返回传输通过延迟片116，并重新进入第二中继棱镜124。现在，p偏振光波是从第一偏振分束器112上被反射，并传输通过第二偏振分束器122和第三中继棱镜124。然后，传输通过四分之一波长延迟片126的光波在第二透镜128的反射面130被第二透镜128准直，再次返回传输通过延迟片126，并重新进入第三中继棱镜124。现在，s偏振光波是从第二偏振分束器122上被反射，并通过下表面26进入基片20。通常，来自OLED的光是非偏振的，在这种情况下，为了避免不需要的p偏振光从OLED上的散射，必须在显示源108与第一中继棱镜110之间***s偏振器132。

此处所示的建议的成像方法的另一个优点是，当利用了LCOS装置作为显示源时，它本身会显现。与LCD面板一样，LCOS面板包含充满液晶的二维单元阵列，液晶的扭曲和对准是响应于不同的电压。利用LCOS，液晶元件被直接地融合到反射硅芯片上。根据液晶在下表面镜面反射之后的扭曲，光的偏振分别是变化或不变化的。这与偏振分束器一起调制光并产生图像。此外，反射技术意味着，照明光束和成像光束分享相同的空间。这两个因素需要添加特殊的分束元件到光学模块中，以便能够同时实现照明操作和成像功能。添加这种元件通常会使光学模块复杂化，且在利用LCOS作为显示源时，图2所示的安排可以变得更大。然而，在图8所示的成像方法中，能够容易地添加照明单元到光学模块中，而不会严重地增大***的体积。

参照图9，来自光源136的照明光波134传输通过s偏振器138，并被第一反射面142耦合进入基片140。在从基片的上表面144的全内反射之后，光波被反射并耦出偏振分束器112，以照明LCOS显示源146。当然，在准直模块中可以利用的元件数目不限于2个。

图10和11分别说明有LCD和LCOS作为显示源的准直透镜，其中第三透镜148被添加到光学***中。在图11中，被添加另一个中继棱镜150，以便能使来自光源136的光波照明LCOS 146。一般地说，在每个特定的***中，光学准直模块中的透镜数目和类型的设置是根据所要求的光学参数，所需的性能和被允许的体积。

在图2至11所示的所有光学准直模块中，必须被耦合进入基片的光线束的离轴角是由准直模块设定的。然而，有这样一些情况，其中要求利用投射到基片上的准直光波垂直于基片平面。在这些情况下，另一种耦入机构应当代替输入反射镜或现有技术。

参照公布WO 2005/024969的图7，另一个涉及该公布的输入反射镜16的问题是与光波的角范围相关，该反射镜被嵌入在基片20内，该光波能够被耦合到利用全内反射的LOE的内部。类似于图1所示，为了避免有间隙或条纹的图像，对于每个输入光波，在输入反射镜16的边缘与基片20的上表面之间边界线上的各点应当被利用从两个不同位置进入基片的两条不同的光线照明。为了能满足这个要求，需要满足以下的条件：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}}>{\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}^{\max },---\left(1\right)$

其中：

是耦合波在基片20内的最大离轴角，和

α_sur是输入反射镜的离轴角。

我们假设，光源的中心波被耦合到基片20之外，其方向垂直于基片表面26，中心耦合波在基片20内的离轴角是α_in，而在基片内的FOV是α_F，得到：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}}>{\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}+\frac{{\mathrm{\α}}_F}{2}---\left(2\right)$

在输入反射镜与基片平面之间的角度α'_sur是：

${{\mathrm{\α}}^{\′}}_{\mathrm{sur}}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}}{2}---\left(3\right)$

其中：

α′_sur＝90°-α_sur.                 (4)

组合公式(2)-(4)，得到：

把公式(3)-(4)***公式(5)，得到：

对于大多数的应用，α_F>12°，所以，α_in<56°。对于许多应用，最好是，耦合波在LOE内的离轴角较高，例如，在60°-75°之间，或更高。另一个有关的问题是与最大可能的FOV相关。假设，基片的折射率是～1.51，在基片内的最小离轴角是42°。

组合公式(9)-(13)，得到：

所以，在空气中能够被耦合到LOE内的最大FOV是小于～33°。因此，利用现有技术的输入反射镜，该反射镜被嵌入在LOE内，用于耦入输入波，它对图像的FOV以及LOE内耦合波的角度范围施加限制。

如图12a所示，耦入棱镜154的下表面152按照光学方式在基片20的上表面28处被粘结到基片20。来自显示源(未画出)的准直光波传输通过基片20和棱镜154，然后，从反射面156上被反射。在再次传输通过棱镜154之后，该光波被耦合进入利用全内反射的基片。类似于以上图1中所示，为了避免有间隙和条纹的图像，对于每个输入光波，在棱镜154的下表面152与基片20的上表面28之间的边界线上的各点应当被照明，该照明利用了从两个不同位置进入基片的两条不同的光线：一条光线30，首先传输通过棱镜154，再被反射面156反射，由此照明边界线24；另一条光线31，首先被反射面156反射，在照明边界线之前，再被基片20的下表面26反射。输入孔径的尺寸通常是由两条边缘光线：最高FOV角的最右侧光线34和最低FOV角的最左侧光线36确定的。为了避免来自左表面158的非所需反射，该表面可以被以不透明的阻挡层涂敷。由于棱镜154的高度H可能大于基片20的厚度T，耦合波在基片20内的离轴角可以大于反射面156的离轴角。因此，图像有非常宽的FOV，对最大离轴角没有限制，所以，能够被耦合进入基片。

图12b表示改型的耦入棱镜154，其中棱镜的下表面152的取向是与基片20的下表面26共线。虽然组合的棱镜-基片元件的制作过程是较复杂的，但它的优点是，整个光学***的体积是很小的。

如图13所示，耦合波30，31在基片20内的离轴角大于耦入反射面156的离轴角以及耦出部分反射面22的离轴角。在公布WO01/95027中，描述一种有耦合波离轴角的***，该离轴角大于耦出部分反射面的离轴角。然而，在那种情况下，耦出部分反射面的离轴角是相当小的，例如，约30°，它产生有大量部分反射面的***，因此，光学元件的制作是复杂的。另一方面，利用本发明的耦入机构，能够容易地制作这样的光学***，它的耦入反射面156的离轴角以及耦出部分反射面22的离轴角是在50°至60°之间。在这种情况下，中心耦合波30在基片20内的离轴角是在62至80°之间。

至此，我们假设部分反射面22是被涂敷角度灵敏的涂层或有偏振灵敏性特征。然而，对于有相对窄FOV的图像，还可以利用更简单的解决方案，其中利用从各个表面的费涅耳反射，能够实现所要求的反射。就是说，代替涂敷这些表面，可以在未涂敷的表面之间***薄的空气隙。

图14画出一种基片，其中空气隙160被***在耦出表面22之间。这种配置的主要缺点是，内角为α_in的光线的不需要的反射。显然，在显示源上的点被反射进入到基片内的方向α_sur-ε和180-α_sur+ε。虽然离轴方向为180-α_sur+ε的光线162是被部分反射面22反射到所要求的输出方向，而方向为α_sur-ε的光线164被部分反射面22反射到不需要的输出方向α_sur+ε。然后，被反射的光线166沿不需要的方向2ε被反射，从而产生一个幻像。虽然仅仅小部分的光束是沿不需要的方向被反射，但是，当FOV增大时，其影响变得非常严重，它能够干扰观察者，特别是在FOV为极端值的情况。

尽管上述的不需要的反射不能被避免，但通过改变第一反射面22的角度，可以解决幻像问题。例如，若这个角度被改变成α_sur＝63°，则***的其他参数变成：

α_in＝54°；α_sur＝63°；ε＝9°

因此，若***的FOV是16°和基片的折射率是1.51，则在基片内图像的最大离轴角是60°，不需要的反射的方向是66°，而输出角是18°，它是在FOV之外，通过合适的设计，它不会照明出射光瞳。除了幻像现象以外，还存在另一个问题：方向为α_sur-ε的不需要的反射产生的暗条纹被部分反射面22反射进入不需要的输出方向α_sur+ε。当ε变得较大时，暗条纹问题变得更加严重。此外，由于条纹主要出现在基片的耦出孔径的左部分，在较低的FOV角度下，该问题变得更加严重。因此，对于中心输入角α_in小于表面离轴角α_sur的***，在较低的FOV角度下，ε就较大，所以，在这个区域中的条纹问题被加强了。利用此处给出的光学设计，能够制作有这样中心输入角α_in的LOE，该中心输入角大于表面离轴角α_sur。在那种情况下，对于较低的FOV角度，ε就变得较小，而条纹问题被大大减轻。

如图15所示，耦合波303在基片20内的离轴角α_in大于耦出部分反射面22的离轴角α_sur，因此，条纹问题确实被减小了。

在图2至11所示的所有光学准直模块中，必须被耦合进入基片的光线束离轴角是由准直模块设定的，其中在图12至15所示的模块中，准直光波以垂直于基片平面的方向投射到基片上。在后者的情况下，被固定到基片的上表面的反射元件产生耦入机构，它代替现有技术的输入反射镜。

图16和17表示混合的解决方案，其中分别被固定到基片下表面和上表面的准直模块和反射元件被组合形成小型的耦入机构。如图16所示，来自光源172的s偏振光波170被反射面176耦合进入基片174。在全内反射出基片的下表面178之后，光波被反射和耦合出偏振分束器180。然后，传输通过四分之一波长延迟片182的光波在透镜184的反射面186被透镜184准直，然后，再次传输通过延迟片182，并重新进入基片174。现在，p偏振光波传输通过偏振分束器180和中继棱镜188。然后，传输通过LOE 20和第二个四分之一波长延迟片190的光波被反射面192反射，再次返回传输通过延迟片190和LOE20，并重新进入中继棱镜188。现在，s偏振光波从偏振分束器180上被反射，并通过下表面26进入LOE 20。在图17中，被添加另一个中继棱镜194，以便能使来自光源196的光波照明LCOS 198。图16和17中的平坦反射面192可以由反射透镜代替。在那种情况下，光波的准直是由反射面186和192的组合光焦度完成的。

在图1至17的所有光学模块中，LOE，即，基片20的输入孔径，位于它的两个主要表面之一的邻近。用于耦合光进入利用全内反射的基片的光学设备的输出孔径(它位于所述基片之外)按照光学方式被固定到LOE的输入孔径，其中光波被反射元件反射，该反射元件位于LOE之外，并相对于LOE的主要表面以一个角度倾斜。此外，位于紧邻LOE的输入孔径处的LOE部分是基本透明的，且不含任何的反射面或任何其他的光学元件。所以，这种LOE的制作过程比现有技术的制作过程简单得多。此外，在组装过程中，能够确定LOE的准确取向和输入孔径的准确位置。

本领域的熟练人员显然明白，本发明不限于以上所描述实施例的细节，且在不偏离本发明的精神或其基本属性的条件下，本发明可以以其他的具体形式被实施。所以，现在这些实施例在各个方面是作为说明性的，而不是作为限制性的，本发明的范围是由所附权利要求书指出，不是由以上的描述所指出，而且，在与权利要求书相当的意义和范围内的各种变化也被包括在本发明内。

本发明也可被如下配置：

1.一种光学装置，包括：

光传输基片，有输入孔径、以及互相平行的至少第一主要表面和第二主要表面、和边缘；

位于所述基片中的至少一个部分反射面，该部分反射面不平行于所述基片的主要表面；

有输出孔径的光学设备，用于耦合光进入利用全内反射的所述基片，

其特征在于，用于耦合光的所述光学设备位于所述基片之外，输出孔径按照光学方式被固定到所述基片的输入孔径，并且位于紧邻基片输入孔径处的基片部分是基本透明的。

2.条款1的光学装置，其中所述光学设备的输出孔径按照光学方式被固定到所述基片的输入孔径。

3.条款1的光学装置，其中所述光学设备包括有多个表面的至少一个透明棱镜。

4.条款3的光学装置，还包括有至少两个表面的至少一个成像透镜。

5.条款1的光学装置，还包括输入光波源。

6.条款5的光学装置，还包括位于所述输入孔径与所述输入光波源之间光路中的至少一个延迟片。

7.条款6的光学装置，其中所述延迟片是四分之一波片。

8.条款3的光学装置，其中所述成像透镜和延迟片被放置在所述棱镜的一个表面邻近。

9.条款6的光学装置，其中所述延迟片被放置在成像透镜与构成所述光学设备的棱镜的一个表面之间。

10.条款4的光学装置，其中所述成像透镜的一个表面被用反射涂层覆盖。

11.条款4的光学装置，其中所述成像透镜是平凸透镜。

12.条款7的光学装置，其中所述成像透镜按照光学方式被固定到所述四分之一波片。

13.条款4的光学装置，其中所述成像透镜是准直透镜。

14.条款3的光学装置，还包括至少一个附加的透明棱镜。

15.条款14的光学装置，还包括至少一个偏振分束器。

16.条款15的光学装置，其中所述偏振分束器被放置在所述第一透明棱镜的一个表面邻近。

17.条款15的光学装置，其中所述偏振分束器被放置在所述第一透明棱镜与附加的透明棱镜之间。

18.条款15的光学装置，其中所述偏振分束器是线栅偏振分束器。

19.条款15的光学装置，其中所述偏振分束器反射s偏振光，而透射p偏振光。

20.条款15的光学装置，其中所述偏振分束器反射p偏振光，而透射s偏振光。

21.条款20的光学装置，其中所述显示源产生图像光波，该光波被光学设备耦合进入利用全内反射的所述基片。

22.条款21的光学装置，其中所述光波是线性偏振的。

23.条款21的光学装置，其中所述光波是非偏振的。

24.条款20的光学装置，其中所述输入光波源被放置在所述透明棱镜之一的表面邻近。

25.条款21的光学装置，其中所述光波被所述反射面耦合到所述基片之外。

26.条款20的光学装置，其中所述输入光波源是LCD。

27.条款20的光学装置，其中所述输入光波源是LCOS。

28.条款20的光学装置，其中所述输入光波源是OLED。

29.条款20的光学装置，还包括光源。

30.条款29的光学装置，其中所述光源被放置在所述输入光波源邻近。

31.条款29的光学装置，其中光学设备包括有多个表面的至少一个透明棱镜，而所述光源被放置在一个所述透明棱镜的表面邻近。

32.条款31的光学装置，其中所述光源和所述输入光波源被放置在相同的表面邻近。

33.条款31的光学装置，其中所述光源和所述输入光波源被放置在两个相对的主要表面邻近。

34.条款4的光学装置，还包括至少一个附加的成像透镜。

35.条款34的光学装置，其中所述附加的成像透镜是平凸透镜。

36.条款34的光学装置，其中所述附加的成像透镜是平凹透镜。

37.条款34的光学装置，其中所述附加的成像透镜按照光学方式被固定到所述四分之一波片中的一个。

38.条款34的光学装置，其中所述附加的成像透镜是准直透镜。

39.条款15的光学装置，还包括至少一个附加的偏振分束器。

40.条款39的光学装置，其中所述一个和附加的偏振分束器反射s偏振光，而透射p偏振光。

41.条款39的光学装置，其中所述一个和附加的偏振分束器反射p偏振光，而透射s偏振光。

42.条款39的光学装置，其中所述一个和附加的偏振分束器之一反射s偏振光，而透射p偏振光，另一个偏振分束器反射p偏振光，而透射s偏振光。

43.条款3的光学装置，其中所述透明棱镜的一个表面是反射面。

44.条款3的光学装置，其中所述透明棱镜的一个表面被以不透明的阻挡层涂敷。

45.条款3的光学装置，其中所述透明棱镜的一个表面按照光学方式被固定到所述基片的一个主要表面。

46.条款45的光学装置，其中所述透明棱镜在所述基片的输入孔径处按照光学方式被固定到所述基片上。

47.条款4的光学装置，其中所述透明棱镜按照光学方式被固定到所述基片的第一主要表面，而所述成像透镜位于所述第一主要表面的相同侧。

48.条款4的光学装置，其中所述透明棱镜按照光学方式被固定到所述基片的第一主要表面，而所述成像透镜位于第二主要表面侧。

49.条款1的光学装置，其中至少一个所述部分反射面被用角度灵敏涂层涂敷。

50.条款1的光学装置，其中至少一个所述部分反射面是偏振分束器。

51.条款1的光学装置，其中至少一个所述部分反射面是线栅偏振分束器。

52.条款1的光学装置，还包括所述部分反射面之间的空气隙。

53.条款1的光学装置，其中所述多个部分反射面的反射率由费涅耳反射实现。

54.条款1的光学装置，其中所述装置被嵌入在眼镜框内。

55.条款1的光学装置，其中所述装置被嵌入在蜂窝电话机内。

56.条款1的光学装置，其中所述装置被嵌入在娱乐装置内。

57.条款1的光学装置，其中所述装置是平视显示器。

58.条款1的光学装置，其中所述装置被嵌入在照相机内。

59.条款3的光学装置，还包括至少一个反射元件。

60.条款59的光学装置，还包括位于所述基片与所述反射元件之间光路中的至少一个延迟片。

61.条款60的光学装置，其中所述延迟片是四分之一波片。

62.条款59的光学装置，其中所述透明棱镜按照光学方式被固定到所述基片的第一主要表面上，而所述反射元件位于第二主要表面侧。

63.条款1的光学装置，其中所述输入孔径位于所述基片的一个主要表面处。

64.条款43的光学装置，其中所述反射面相对于所述基片的主要表面以一个角度倾斜。

65.条款64的光学装置，其中所述反射面与所述基片的主要表面法线之间的角度是在50°至60°之间。

66.条款1的光学装置，其中所述部分反射面与所述基片的主要表面法线之间的角度是在50°至60°之间。

67.条款1的光学装置，其中中心耦合波在基片内的离轴角是在62°至80°之间。

Claims (42)

1.一种光学装置，包括：

光传输基片，有包括输入孔径表面的第一部分、包括输出孔径表面的第二部分、以及互相平行的至少第一主要表面和第二主要表面、和边缘；

用于从所述基片耦出光波的至少一个部分反射面，该部分反射面位于所述基片的第二部分中并且不平行于所述基片的主要表面；

光学设备，位于所述基片外部，用于改变入射到所述光学设备上的入射光波的方向，使得该光波被限制在利用全内反射的该基片内，并且其中，所述光学设备具有输出孔径表面，所述光学设备的输出孔径表面按照光学方式被粘结到所述基片的输入孔径表面，位于紧邻基片输入孔径表面处的在两个主要表面之间的该基片的第一部分包括基本透明的输入孔径表面，被限制的光波穿过输出孔径表面而基本上不从所述基片的第一主要表面和第二主要表面之一反射；

该基片内的唯一光学元件是位于所述基片的第二部分中的所述至少一个部分反射面，以及

所述基片的输入孔径表面位于所述基片的两个主要表面之一处。

2.权利要求1的光学装置，其中位于紧邻基片输入孔径处的基片部分不含任何光学元件。

3.权利要求1的光学装置，其中所述光学设备包括有多个表面的至少一个透明棱镜。

4.权利要求3的光学装置，还包括有至少两个表面的至少一个成像透镜。

5.权利要求1的光学装置，还包括输入光波源。

6.权利要求5的光学装置，还包括位于所述输入孔径与所述输入光波源之间光路中的至少一个延迟片。

7.权利要求6的光学装置，其中所述延迟片是四分之一波片。

8.权利要求4的光学装置，还包括输入光波源和位于所述输入孔径与所述输入光波源之间光路中的至少一个延迟片，其中所述成像透镜和延迟片被放置在所述棱镜的一个表面邻近。

9.权利要求6的光学装置，其中所述延迟片被放置在成像透镜与构成所述光学设备的棱镜的一个表面之间。

10.权利要求4的光学装置，其中所述成像透镜的一个表面被用反射涂层覆盖。

11.权利要求4的光学装置，其中所述成像透镜是平凸透镜。

12.权利要求7的光学装置，还包括有至少两个表面的至少一个成像透镜，其中所述成像透镜按照光学方式被固定到所述四分之一波片。

13.权利要求4的光学装置，其中所述成像透镜是准直透镜。

14.权利要求3的光学装置，还包括至少一个附加的透明棱镜。

15.权利要求14的光学装置，还包括至少一个偏振分束器。

16.权利要求15的光学装置，其中所述偏振分束器被放置在所述第一透明棱镜的一个表面邻近。

17.权利要求15的光学装置，其中所述偏振分束器被放置在所述第一透明棱镜与附加的透明棱镜之间。

18.权利要求15的光学装置，其中所述偏振分束器是线栅偏振分束器。

19.权利要求1的光学装置，还包括至少一个显示源，其中所述显示源产生图像光波，该光波被光学设备耦合进入利用全内反射的所述基片。

20.权利要求19的光学装置，其中所述光波是线偏振的。

21.权利要求19的光学装置，其中所述输入光波源被放置在一个所述透明棱镜的表面邻近。

22.权利要求19的光学装置，其中所述光波被所述反射面耦合到所述基片之外。

23.权利要求19的光学装置，还包括光源。

24.权利要求23的光学装置，其中所述光源被放置在所述输入光波源邻近。

25.权利要求23的光学装置，其中光学设备包括有多个表面的至少一个透明棱镜，而所述光源被放置在一个所述透明棱镜的表面邻近。

26.权利要求15的光学装置，还包括至少一个附加的偏振分束器。

27.权利要求3的光学装置，其中所述透明棱镜的一个表面是反射面。

28.权利要求3的光学装置，其中所述透明棱镜的一个表面被以不透明的阻挡层涂敷。

29.权利要求3的光学装置，其中所述透明棱镜的一个表面按照光学方式被固定到所述基片的一个主要表面。

30.权利要求29的光学装置，其中所述透明棱镜在所述基片输入孔径处按照光学方式被固定到所述基片。

31.权利要求4的光学装置，其中所述透明棱镜按照光学方式被固定到所述基片的第一主要表面，而所述成像透镜位于所述第一主要表面的相同侧。

32.权利要求4的光学装置，其中所述透明棱镜按照光学方式被固定到所述基片的第一主要表面，而所述成像透镜位于第二主要表面侧。

33.权利要求1的光学装置，其中至少一个所述部分反射面被用角度灵敏涂层涂敷。

34.权利要求3的光学装置，还包括至少一个反射元件。

35.权利要求34的光学装置，还包括位于所述基片与所述反射元件之间光路中的至少一个延迟片。

36.权利要求35的光学装置，其中所述延迟片是四分之一波片。

37.权利要求36的光学装置，其中所述透明棱镜按照光学方式被固定到所述基片的第一主要表面，而所述反射元件位于第二主要表面侧。

38.权利要求27的光学装置，其中所述反射面相对于所述基片的主要表面以一个角度倾斜。

39.权利要求38的光学装置，其中所述反射面与所述基片的主要表面法线之间的角度是在50°至60°之间。

40.权利要求1的光学装置，其中所述部分反射面与所述基片的主要表面法线之间的角度是在50°至60°之间。

41.权利要求1的光学装置，其中中心耦合波在基片内的离轴角是在62°至80°之间。

42.一种光学装置，包括：

光传输基片，有包括输入孔径表面的第一部分、包括输出孔径表面的第二部分、以及互相平行的至少第一主要表面和第二主要表面、和边缘；

用于从所述基片耦出光波的至少一个部分反射面，该部分反射面位于所述基片的第二部分中并且不平行于所述基片的主要表面；

光学设备，用于改变入射到所述基片上的入射光波的方向，使得该光波被限制在利用全内反射的该基片内，

所述光学设备有输出孔径，其中所述光学设备位于所述基片外部，该输出孔径按照光学方式被粘结到该基片的该输入孔径，并且位于紧邻基片输入孔径表面处的基片部分是基本透明的并且不含有任何反射面，以及被限制的光波穿过输出孔径表面而基本上不从所述基片的输入孔径表面反射，以及

其中所述基片的输入孔径表面位于所述基片的两个主要表面之一处。