CN112285931B - 紧凑型头戴式显示*** - Google Patents

Abstract

紧凑型头戴式显示***。提供了光学装置，所述光学装置包括：具有至少两个主要表面和边缘的透光基片；用于将光波耦合到基片中以实现全内反射的光学元件；以及至少一个平坦反射表面，该平坦反射表面具有位于透光基片的两个主要表面之间的至少一个有效侧以用于将光波耦合离开基片，其特征在于，被捕获在基片内部的光波在被耦合离开基片之前被反射表面的有效侧反射至少两次。

Description

紧凑型头戴式显示***

本申请是申请号为201780024405 .0、申请日为2016年2月18日、题为“紧凑型头戴式显示***”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及基片光波引导的光学装置，并且特别地涉及包括透光基片所带有的反射表面的装置。

本发明可以被实现成有利于大量成像应用（诸如，头戴式和平视显示器、蜂窝电话、紧凑型显示器、3-D显示器、紧凑型扩束器）以及非成像应用（诸如，平板指示器、紧凑型照明器和扫描仪）。

背景技术

紧凑型光学元件的重要应用之一是在头戴式显示器（HMD）中，其中，光学模块既用作成像透镜又用作组合器，其中二维显示被成像到无穷远并被反射到观察者的眼睛。显示器可以从诸如阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）、有机发光二极管阵列（OLED）或扫描源之类的空间光调制器（SLM）和类似装置直接获得，或借助于中继透镜或光纤束间接地获得。显示器包括由准直透镜成像到无穷远并且对于非透视和透视应用分别借助于用作组合器的反射或部分反射表面透射到观察者的眼睛中的元素（像素）阵列。通常，常规的自由空间光学模块被用于这些目的。随着***的期望视场（FOV）增大，这种常规的光学模块变得更大、更重且更庞大，并且因此甚至对于中等性能的装置也是不切实际的。这对于所有类型的显示器来说是主要缺点，特别是在头戴式应用中，在头戴式应用中***应当尽可能地轻且紧凑。

为紧凑性而作的努力已经导致若干个不同的复杂的光学方案，一方面，所有这些光学方案对于大多数实际应用来说仍然不是充分紧凑的，并且另一方面，所有这些光学方案在可制造性方面存在主要缺点。另外，由这些设计所产生的光学视角的眼睛运动框（EMB）通常非常小——通常小于8mm。因此，即使对于光学***相对于观察者的眼睛的小的移动，光学***的性能也非常敏感，并且不允许充分的瞳孔径运动以从这样的显示器方便地阅读文本。

发明内容

本发明有助于提供用于HMD以及其他应用的紧凑基片。本发明允许相对宽的FOV，以及相对大的EMB值。所得光学***提供大的高质量图像，其还适应眼睛的大的运动。由本发明提供的光学***是特别有利的，因为它比现有技术的实现方式显著地更紧凑，并且它仍能够被容易地集成，甚至集成到具有专门配置的光学***中。

本发明的另一应用是提供具有宽FOV的紧凑型显示器，用于诸如蜂窝电话的移动手持应用。在今天的无线互联网接入市场中，足够的带宽可用于全视频传输。限制因素保持了最终用户的装置内的显示质量。移动性需求限制了显示器的物理尺寸，结果是具有差的图像观看质量的直接显示。本发明实现了具有大的虚像的物理上紧凑的显示器。这是移动通信中（特别是对于移动互联网接入来说）的关键特征，解决了其实际实现的主要限制之一。从而，本发明实现在诸如蜂窝电话之类的小型手持装置内观看全格式互联网页面的数字内容。

因此，根据具体需求，本发明的广泛目的是减轻现有技术的紧凑型光学显示装置的缺点，并提供具有改进性能的其它光学部件和***。

因此，根据本发明，提供了光学装置，其包括：具有至少两个主要表面和边缘的透光基片；用于将光波耦合到基片中以实现全内反射的光学元件；以及至少一个平坦反射表面，该平坦反射表面具有位于透光基片的两个主要表面之间的至少一个有效侧（activeside）以用于将光波耦合离开基片，其特征在于，被捕获在基片内部的光波在被耦合离开基片之前被反射表面的有效侧反射至少两次。

附图说明

参照以下说明性附图结合某些优选实施例描述了本发明，以使得本发明可以更完整地被理解。

具体地详细参考附图时，要强调的是，所示出的细节仅作为示例并且仅用于说明性地讨论本发明的优选实施例的目的，并且被提出以提供被认为是对本发明的原理和概念的最有用和容易理解的描述的内容。就此而言，除对本发明的基本理解来说所必需的以外，不试图更详细地示出本发明的结构细节。结合附图所作的说明用于关于在实践中可以如何实施本发明的多种形式指导本领域技术人员。

在附图中：

图1是示例性现有技术的导光光学元件的侧视图；

图2A和2B是示出示例性现有技术的选择性反射表面的阵列的详细截面图的图；

图3是具有两条不同的入射光线的现有技术反射表面的示意性截面图；

图4A和图4B示出根据本发明的具有耦合入（coupling-in）和耦合出（coupling-out）表面的透明基片的截面图；

图5A、图5B、图5C和图5D是根据本发明的折叠反射表面的示意性截面图，其将被耦合离开的光波重新定向到观察者的眼睛中；

图6是示出根据本发明的入射光波在界面平面上根据入射角的反射的图；

图7是示出根据本发明的入射光波在耦合出反射表面上根据入射角的反射的图；

图8A、图8B和图8C示出根据本发明的光学模块的截面图，其中校正透镜被附接到主要透明基片；

图9A、图9B、图9C和图9D示出耦合出表面的非有效部分以及其阻挡方法（9A-9C）或替代性地其利用方法（9D）的截面图；

图10A和图10B示出根据本发明的透明基片的截面图，其中彼此远离地分离的被耦合到基片中的两条光线邻近于彼此地被耦合离开；

图11A、图11B、图11C和图11D是根据本发明的光学装置的示意性截面图，其中两个不同的透明基片被光学地附接在一起；

图12A、图12B、图12C和图12D是根据本发明的光学装置的示意性截面图，其中角度敏感的反射表面被嵌入透明基片内部；

图13是示出根据本发明的入射光波在角度敏感的反射表面上根据入射角的反射的图；

图14是示出根据本发明的入射光波在角度敏感的反射表面上根据入射角的反射的另一图；

图15A和图15B示意性地示出根据本发明的通过使用被附接到基片的外部表面中的一个的透明棱镜来将光波耦合到透明基片中的各种方法；

图16A、图16B和图16C示意性地示出根据本发明的通过将薄透明板光学地粘合到基片的主要表面中的一个来混合被耦合在基片内部的光波的各种方法；

图17是示出根据本发明的入射光波在薄透明板与基片的主要表面之间的界面平面上根据入射角的反射的图；

图18A、图18B和图18C是根据本发明的光学装置的示意性截面图，其中两个不同的透明基片被光学地附接在一起并且耦合入元件中的一个是角度敏感的反射表面；

图19示意性地示出根据视角和***的眼睛运动框的耦合出表面的有效部分；

图20A、图20B和图20C是根据本发明的光学装置的示意性截面图，其中四个不同的透明基片被光学地附接并且耦合入元件中的两个是角度敏感的反射表面；

图21A和图21B是示出根据本发明的入射光波在两个不同的角度敏感耦合入表面上根据入射角的反射的图；

图22示意性地示出根据视角和***的眼睛运动框的耦合出表面的有效部分，其中，耦合入元件中的至少部分是角度敏感的反射表面；

图23A、图23B和图23C是根据本发明的光学装置的示意性截面图，其中反射表面被嵌入透明基片内部并且***的输出孔径被扩大；

图24是示出根据本发明的入射光波在部分反射表面上根据入射角的反射的图；

图25A、图25B和图25C是根据本发明的折叠反射表面的示意性截面图，其将被耦合离开的光波重新定向到观察者的眼睛；

图26是示出根据本公开利用被耦合在基片内部的光波的多于两个的传播阶次的图；

图27是示出根据本发明的用于制造所需要的透明基片的方法的图；以及

图28a-28e是示出根据本发明的用于制造透明基片的方法的图。

具体实施方式

图1示出现有技术的导光光学元件截面图。第一反射表面16由的平面光波18照亮，该平面光波18由位于装置后方的显示源4发出且被透镜6准直。反射表面16反射来自源的入射光，以使得光通过全内反射被捕获在平面状基片20的内部。在从基片的主要表面26、27几次反射之后，被捕获的光波到达部分反射表面22构成的阵列，该部分反射表面22构成的阵列将光耦合离开基片进入观察者的具有瞳孔径25的眼睛24中。假设源的中心光波被耦合成沿与基片表面26垂直的方向离开基片20，部分反射表面22是平坦的，并且被耦合光波在基片20内部的离轴角是α_in，则在反射表面与基片的主要表面之间的角度α _sur2 为：

（1）。

从图1中能够看出，被捕获的光线从两个不同的方向28、30到达反射表面处。在该特定实施例中，在从基片主要表面26和27反射偶数次之后，被捕获的光线从这些方向中的一个28到达部分反射表面22，其中，被捕获的光线与反射表面的法线之间的入射角β _ref 是：

（2）。

在从基片表面26和27反射奇数次之后，被捕获的光线从第二方向30到达部分反射表面处，其中离轴角为

，并且被捕获的光线与反射表面的法线之间的入射角为：

（3）

其中负号表示被捕获的光线入射在部分反射表面22的另一侧上。如图1中进一步所示出的，对于每个反射表面，每束光线首先从方向30到达该表面处，其中，一些光线再次从方向28入射在表面上。为了防止不期望的反射和重影，重要的是，照射到具有第二方向28的表面上的光线的反射率是可忽略的。

要考虑的重要问题是每个反射表面的实际有效区域。由于到达每个选择性反射表面的不同光线的不同反射顺序的缘故，在所得图像中可能会出现潜在的不一致性，所述不同光线的不同反射顺序即：一些光线在先前未与选择性反射表面相互作用的情况下到达，并且其他光线在一次或多次部分反射之后到达。在图2A中示出该效果。假设例如α _in ＝50°，则光线31在点32处与第一部分反射表面22相交。光线的入射角为25°，并且光线能量的一部分被耦合离开基片。之后，光线在点34处以75°的入射角与同一部分反射表面相交而没有明显的反射，并且之后在点36处以25°的入射角再次相交，其中光线能量的另一部分被耦合离开基片。相反，图2B中所示出的光线38仅从同一表面经历一次反射40。另外的多次反射在其他部分反射表面处发生。

图3以部分反射表面22的详细截面图来示出了这种不一致现象，该部分反射表面22将被捕获在基片内的光耦合离开并进入观察者的眼睛24中。如能够看出的，光线31紧邻线50被上表面27反射，线50是反射表面22与上表面27的交线。由于该光线不入射在反射表面22上，所以在从两个外部表面的两次反射之后，其亮度保持相同并且其在表面22处的第一次入射处于点52处。在该点处，光波被部分地反射，并且光线54被耦合离开基片。对于恰好位于光线31下方的诸如光线38的其他光线，在其与上表面27相遇之前在表面22处的第一次入射处于点56处，其中，该光波被部分地反射并且光线58被耦合离开基片。因此，当其在从外部表面26、27两次反射之后在点60处入射在表面22上时，被耦合离开的（coupled-out）光线的亮度低于邻近的光线54。因此，在点52左侧到达表面22处的与31具有相同耦合入角度的所有被耦合离开的光线具有较低的亮度。因此，对于该特定的耦合入角度，在点52的左侧，从表面22的反射率实际上“较暗”。

难以完全补偿多次相交效果中的这种差异。然而，在实践中，人眼睛容忍了保持不被注意到的显著亮度变化。对于近眼显示器，眼睛将从单个视角出现的光汇集并将其聚焦到视网膜上的一个点上，并且由于眼睛的响应曲线是对数的，所以显示器亮度的小变化（如果存在的话）将是不明显的。因此，即使对于显示器内的中等水平的照明一致性，人眼也体验到高质量的图像。利用图1中所示出的元件可以容易地实现所需要的中等一致性。对于具有大FOV的***，以及在需要大EMB的情况下，需要相当大量的部分反射表面以实现所期望的输出孔径。结果，由于与大量部分反射表面的多次相交而引起的不一致性变得更为主导（特别是对于诸如HUD的被定位在距眼睛一距离处的显示器来说），并且这种不一致性无法被容忍。对于这些情况，需要更***的方法来克服这种不一致性。

由于部分反射表面22的“较暗”部分对于将被捕获的光波耦合离开基片的贡献较少，所以它们对基片的光学性能的影响只能是负面的，即，在该***的输出孔径中将存在较暗部分，并且图像中将存在暗条纹。然而，反射表面中的每一个的透明度关于来自外部场景的光波是一致的。因此，如果在部分反射表面之间设置重叠以补偿输出孔径中的较暗部分，则来自输出场景的穿过这些重叠区域的光线将遭受双重衰减并且在外部场景中将产生更暗的条纹。这种现象不仅显著地降低了被定位在距离眼睛一距离处的显示器（诸如，平视显示器）的性能，而且也显著地降低了近眼显示器的性能，并且因此不能被利用。

图4A和图4B示出了根据本发明的用于克服上文描述的问题的实施例。不是部分地克服来自部分反射表面的不期望的第二反射，而是这些反射被用于扩大光学***的输出孔径。如图4A中所示出的，来自从显示源发出并被透镜（未示出）准直的平面光波的两条光线63以相对于轴线61的入射角

进入具有两个平行主要表面70和72的光透明基片64，所述轴线61垂直于基片的主要表面70、72。光线入射到反射表面65上，该反射表面65相对于基片的主要表面以角度α _sur1 倾斜。反射表面65反射入射光线，以使得光线通过从主要表面的全内反射被捕获在平面状基片64的内部。被捕获的光线与主要表面70、72的法线之间的离轴角

为：

（4）。

在从基片的表面反射几次之后，被捕获的光线到达第二平坦反射表面67，第二平坦反射表面67将光线耦合离开基片。假设表面67与第一表面65以相同的角度相对于主要表面倾斜，也就是说，表面65和67平行并且α _sur2 =α _sur1 ，则在被耦合离开的光线与基片平面的法线之间的角度α _out 是

（5）。

也就是说，被耦合离开的光线与入射光线相对于基片以相同的角度倾斜。迄今为止，被耦合入的光波的表现与图1的现有技术中所示出的光波类似。然而，图4B示出了不同表现，其中，与光线63具有相同入射角

的两条光线68入射到点69上，该点69位于反射表面65的右侧。在从表面65第一次反射之后，当被耦合光线以离轴角

被捕获在基片内部时，光线从上主要表面70反射并且在表面65处再次入射在点71上。光线从表面65再次反射并且在基片内部的被捕获光线的离轴角现在是

（6）。

在从基片的表面反射几次之后，被捕获的光线到达第二反射表面67。光线68首先入射到点74上，该点74位于反射表面67的右侧（其实际上是有效侧）。在从表面67第一次反射之后，当被耦合光线以离轴角

仍被捕获在基片内部时，光线从下主要表面72反射并且再次入射到位于反射表面67的右侧的点76上。光线之后被再次反射并且光线的离轴角现在是：

（7）。

也就是说，光线68与另两条光线63以相同的离轴角α _out 被耦合离开基片，该离轴角也与这四条光线在基片主要平面上的入射输入角相同，其中光线68从耦合入反射表面65反射两次以及从耦合出表面67的有效侧反射两次，另两条光线63从表面65和67仅反射一次。

如图4A和图4B中所示出，本发明的光学元件64与图1-3中所示出的现有技术元件20的区别在于一些突出特征：首先，从相同输入光波发出的不同光线（例如，图4A和图4B中的光线63和68）以不同离轴角（分别是

和

）在基片内部传播。此外，一些被捕获的光线以两种不同入射角入射到耦合出反射表面的同一侧上，并且必须被该表面反射至少两次以便被耦合离开基片。因此，必须限定适当的标注规则以便正确地标注在基片内部的被捕获光线的各个参数。为了简便，由此开始，忽略在进入或离开基片时由于第二斯涅尔定律而引起的耦合入或耦合出光线的折射，并且假设位于紧邻基片表面的光学元件的材料与基片的材料类似。元件应当被气隙或被具有较低折射率的粘结剂分离开，以便使得能够实现被捕获光线在基片内部的全内反射。在任何情况下，仅考虑在基片内部的光线的方向。为了在被捕获光波的各个“传播阶次”之间进行区分，上标（i）将表示阶次i。以零阶入射到基片上的输入光波由上标（0）表示。在从耦合入反射表面的每次反射之后，被捕获的光线的阶次从（i）增加1变为（i+1），其中

（8）。

类似地，在从耦合出反射表面的每次反射之后，被捕获的光线的阶次从（i）减小1变为（i-1），其中

（9）。

处于给定阶次的光波的角谱受这些阶次的两个极限角限制，即：

（10）

其中

和

分别是阶次（i）的最小角和最大角。图像的中心光波的方向是：

（11）。

在基片内部的图像的FOV是：

（12）。

在基片内部的FOV不取决于阶次（i）。处于给定阶次（i）的光波的全部角谱由如下来表示：

（13）

其中

（14）。

光线在耦合入和耦合出反射表面上的入射角也能够分别被表示为

和

，其中：

（15）

并且

（16）。

从公式（5）和（7）显而易见的是，为了使得从反射表面经历不同次数反射的不同光线的输出方向是相同的，所述两个反射表面应当严格地彼此平行。此外，被捕获的光线在所述两个主要表面上的入射角之间的任何偏差将在每个反射周期导致离轴角

的漂移。因为较高阶的被捕获光线比较低阶的被捕获光线经历小得多的次数的从基片主要表面的反射，所以低阶的漂移将比高阶的漂移明显得多。因此，需要的是，基片的主要表面之间的平行度被实现至更高程度。

为了使得光波将通过全内反射被耦合到基片64中，对于图像的全部FOV而言，基片内部的离轴角将必须满足公式：

（17）

其中α _cr 是基片内部的全内反射的临界角。另一方面，为了使得光波被耦合离开基片，对于图像的全部FOV而言，输出光波的离轴角将必须满足公式：

（18）。

结合公式（9）、（11）、（12）和（17）得到：

（19）。

为了全部前两阶被耦合在基片内部，必须满足条件：

（20）

此外，即使对于具有极高折射率的材料并且即使在邻近基片的主要表面的外部介质是空气的情况下，临界角仍被限制成

（21）。

结合公式（9）、（12）、（18）、（20）和（21）得到：

（22），

即使针对基片内部的10°中等FOV，其也得到如下限制：

（23）。

结合公式（19）、（21）、和（23）得到如下限制：

其中，

是空气中的倾斜输出角，即，被耦合出的（coupled out）图像关于基片平面的法线基本倾斜。对于较宽FOV和较小α _sur2 ，倾斜角将增加。然而通常需要的是，被投射到观察者眼睛中的被耦合出的图像被定向成与基片平面基本垂直。

如图5A中所示出，能够通过添加部分反射表面79来调整图像的倾斜，该部分反射表面79相对于基片的表面72以角度

倾斜。如所示出的，图像被反射并旋转成使得其与基片主要表面基本垂直地再次穿过基片。如图5B中所示出，为了最小化失真和色差，优选的是将表面79嵌入到棱镜80中，并且用第二棱镜82完成基片64的形状，其中二者均由与基片的材料类似的材料制造。为了最小化***的厚度，可以如图5C中所示出，将单个反射表面80替换成平行的部分反射表面79a、79b构成的阵列，其中能够根据***的需求来确定部分反射表面的数量。

基片64与棱镜80之间的界面平面83（图5D）存在两个矛盾的需求。一方面，一阶图像F ^（1） 应当从该平面被反射，而零阶图像F ^（0） 应当在从表面67反射之后基本穿过该平面而没有显著反射。此外，如图5A-5C中所示出，在从表面79反射之后，光波再次穿过界面平面83并且在此也需要最小化不期望的反射。如图5D中所示出，使用在界面平面83中的气隙是实现这点的可能方式。然而，优选的是，为了实现刚性***，在界面平面83中施加光学粘结剂，以便将棱镜80与基片64粘合在一起。在此示出这种方法，其中光学***具有下列参数：

（25）。

光波是s-偏振的。基片64以及棱镜80和82的光学材料是具有n_d=1.8467的折射率的Schott N-SF57，并且光学粘结剂是具有n_d=1.315的折射率的NOA 1315。临界角因此是α _cr >45.4°。所有较高阶的光学光线F ^（1） 和F ^（2） 具有高于临界角的离轴角，并且因此，它们被界面平面83全反射。所有零阶的光学光线以低于临界角的入射角入射到界面平面上，并且因此它们穿过该界面平面。然而，为了最小化被耦合离开的光波从界面平面的菲涅尔反射，优选的是向该平面施加合适的抗反射（AR）涂层。

图6示出了针对三种不同波长根据入射角从被涂覆有适合的AR涂层的界面平面的反射的图，该三种不同波长分别为450 nm、550 nm和650 nm，其实际上覆盖了相关的明视觉区域。如所示出的，针对高于45°的角谱，反射是100%，而针对零阶的入射角{30°,40°}以及针对在从表面79反射之后基本垂直于平面83地再次穿过的光波，反射低于3%。

另一需求是，表面67将对于较高阶的入射角

和

是反射性的，并且对于在被耦合离开基片、由表面79反射并且再次穿过界面平面83之后再次穿过该表面的被耦合离开的光波是透明的。即，对于上文给出的示例性***，该表面应当针对高于40°的入射角是反射性的，并且针对低于15°的入射角是基本透明的。在此，在表面67与棱镜82之间的气隙也是可能的方案，但是在此，同样，优选的是使用光学粘结剂将元件粘合在一起。因此，应当被施加到表面67的介电涂层的需求是针对40°<

<45°的入射角是反射性的（高于45°，光线被表面全反射）并且针对低于15°的入射角是基本透明的。

图7示出了针对三种不同波长根据入射角从被涂覆有适合的角度敏感涂层的界面平面的反射的图，该三种不同波长分别为450 nm、550 nm和650 nm。如所示出的，根据需要，针对在40°与45°之间的角谱，反射高于93%，而针对低于15°的入射角，反射低于2%。

关于表面79的反射率，该参数取决于光学***的性质。在非透视（non-see-through）***中，例如在虚拟现实显示器中，基片可以是不透明的并且***的透射率不重要。在该情况下，可以在表面上施加简单的高反射涂层，其可以是金属的或者介电的。在该情况下，因为一方面表面65和79的反射针对入射光波非常高，并且另一方面表面67和83的反射针对应当被它们反射的光波非常高且针对应当透射通过它们的光波非常低，所以光学***的总效率能够是高的。在透视***中，例如军事或专业应用的HMD，或者对于观察者应当通过基片看到外部场景的增强现实***，表面79应当至少部分透明。因此，在这样的情况下，部分反射涂层应当被施加到表面79。在涂层的透射与反射之间的准确比率应当根据光学***的各种需求来确定。在部分反射表面79a、79b…构成的阵列被用于将光波反射到观察者的眼睛的情况下，对于所有的部分反射表面，涂层的反射率应当是相同的，以便将一致的图像投射到观察者的眼睛并且透射一致的外部所见。

在上文描述的本发明的所有实施例中，被基片透射的图像被聚焦到无穷远。然而，存在透射图像应当被聚焦到较近距离的应用或用途，例如，供患有近视和无法适当地看到位于远距离处的图像的人使用。图8A示出了基于本发明的用于实现透镜的实施例。被准直图像84被反射表面65耦合到基片64中，被角度选择性反射表面67反射（一次或两次，取决于被耦合光线的阶次），穿过界面平面83，被部分反射表面79a、79b构成的阵列部分反射，并且再次穿过表面83进入观察者的眼睛24。被附接到基片的上表面70的眼科平凹透镜86将图像聚焦到方便的距离，并且可选地校正观察者眼睛的其他像差，包括散光。因为透镜86被附接到棱镜82，棱镜82并不在用于通过全内反射将光波捕获在基片64内部的机构中起作用，所以能够使用简单的粘合程序将透镜86光学地附接到棱镜82。然而，例如图8B中所示出，存在透镜86应当具有扩大的孔径且因此其还应当被附接到基片的上表面70的应用。在此，因为该表面对于将光波捕获在基片内部起作用，所以应当在透镜与基片之间的界面平面85中提供隔离层，以确保通过全内反射将图像光线捕获在基片内部。使用在界面平面85中的气隙是实现这点的可能方式。然而，优选的是，如上文所解释的，在界面平面中施加光学粘结剂，以便将棱镜82与透镜86粘合在一起。如上文结合图6所示出，适合的AR涂层能够被施加到界面平面85，以便最小化从该平面的菲涅耳反射。

在上文描述的本发明的所有实施例中，假设的是外部场景位于无穷远。然而，存在例如供专业或医学工作人员使用的应用，其中外部场景位于较近距离处。图8C示出了基于本发明的用于实现双透镜配置的***。被准直图像84被反射表面65耦合到基片64中、被角度选择性反射表面67反射、穿过界面平面83、被部分反射表面79a、79b…构成的阵列部分地反射、并且再次穿过表面83进入观察者的眼睛24。来自近距离的另一场景图像90被透镜89准直到无穷远，并且之后穿过基片64进入眼睛中。透镜86将图像84和90聚焦到方便的距离，其通常为外部场景90的原始距离，并且根据需要校正观察者的眼睛的其他像差。因为棱镜80的下表面81关于通过全内反射被耦合到基片64内部并且被反射表面79定向到观察者的眼睛中的光波不起作用，所以可以通过使用常规粘合程序来将棱镜80与透镜89光学地附接。

图8A-8C中绘出的透镜86和89分别是简单的平凹和平凸透镜。然而，为了保持基片具有平面状形状，可以替代地利用菲涅耳透镜，其能够由具有精密阶梯的薄模制塑料板制成。而且，替代实现为如上文描述的固定透镜，用于实现透镜86或者89的替代性方式是使用电子控制的动态透镜。存在需要用户将不仅能够看见非准直的图像而且还能够动态地控制图像的聚焦的应用。最近，已经示出可以使用高分辨率的空间光调制器（SLM）来形成动态聚焦元件。目前，用于该目的最常用源是LCD装置，但是也可以使用其他动态SLM装置。具有几百行（line）/毫米的高分辨率的动态透镜是已知的。能够使用这种类型的电光控制的透镜作为本发明中的所期望的动态元件，代替上文结合图8A-8C所描述的固定透镜。因此，操作者能够实时地确定和设置由基片64投射的虚像和外部视野的实像二者的准确的焦平面。

与图1-3中所示出的现有技术的实施例相比，图4-8中所示出的本发明的实施例具有多个显著优点。其主要理由是，因为α _sur2 的小角度，具有单个反射表面67的基片的输出孔径的有效区域比基于现有技术的具有单个耦合出部分反射表面的基片的输出孔径的有效区域大得多。例如，具有α _sur2 =10°的倾斜角的单个反射表面67的基片具有的输出孔径对于具有α _sur2 ~30°的倾斜角的相同厚度的现有技术基片将需要至少3-4个面。因此，基片的制造过程将比现有技术的制造过程简单得多。此外，因为对于许多应用来说仅需要单个切面来实现所需要的输出孔径，所以被投射的图像能够比现有技术的多面元件的图像平滑得多并且具有更高的光学质量。然而，关于本发明的光学装置的输出孔径和输入孔径，存在一些应当考虑的注意事项。

关于如图9A中所示出的输出孔径，可能会在反射表面67的边缘处产生重影问题。如所示出的，具有离轴角

的光线91从输出孔径往回追溯到基片64的输入孔径。光线91在点93a处入射到反射表面上并且从反射表面67反射不仅两次，而是三次。因此，被捕获在基片64内的光线具有离轴角

，其是被耦合入的光波的三阶。如图9A中所示出，该角度满足关系

，并且因此，其不是"合法"角度。如所看到的，从第三点93c反射出的光线91不是朝向下主要表面72而是朝向上表面70。因此，光线91将以如下角度入射到上表面72上：

（26）。

因此，在从主要表面反射奇数次之后，光线将以如下角度从输入表面65被反射：

（27）。

因此

（28）。

显然，该角度不一定是所需要的角度

。例如，通过使用上文给出的示例的关于公式（23）的参数并且假设

=31°，被耦合到基片64中以便作为光线91被耦合离开的实际光线具有方向：

=29°。也就是说，不仅应当作为光线91被耦合离开的"正确"光线从图像缺失并且因此在图像中将形成缝隙，而且存在源自“错误”方向的另一光线，这会产生重影。

图9B中示出了克服该问题的可能方式。如所示出的，平坦透明板95被粘合到基片64的下表面72从而限定界面平面96。光线91现在在被耦合到基片64中之前仅从表面67反射两次。因此，在基片内部传播的被耦合光线97具有离轴角

，离轴角

是"合法"方向，并且在图像中不产生重影。在需要最小化被耦合光线97在点98处从界面平面96的菲涅尔反射的情况下，将优选的是，使用具有与基片64和板95的折射率类似的折射率的光学粘合剂。

图9C中示出了克服重影问题的替代性方式。在此，反射表面79被移动到棱镜80内部，以使得其不覆盖反射表面67的全部孔径。也就是说，通过反射表面67的节段99在远边缘处被反射的光线不会被表面79反射回到观察者的眼睛。因此，表面67的部分实际上被阻挡从而无效并且节段99变得无效。因此，具有"错误"方向的光线91不照射到观察者的眼睛中并且避免了重影。可以根据光学***的各种参数来确定解决重影问题的方***参数（如果重影问题存在的话），例如使用哪个实施例或者是否使用其组合、板95的厚度或者表面79的移动，其中所述光学***的各种参数例如是输出孔径的所需要的测量、***的FOV和所期望的基片的总厚度。

图9D中示出了用于克服重影问题的另一替代方案。如此处所示出的，被耦合光线91在以离轴角

入射在反射表面65上之前入射到下主要表面72上，

即是其在第三点93c处从表面67反射时所具有的同一的离轴角。因此，被耦合光线91在以离轴角

被耦合离开基片之前在点93d、93e和93f处从表面65反射三次，其中离轴角

是"适当"角度。为了使得从表面67的三次反射被从表面65的三次反射补偿，光线必须从上表面70以及从下表面72反射相同次数，即，如果光线从表面67向上反射朝向表面70，则其也应当从表面72被向上反射朝向表面65。通常，不可能将光学***设计成使得从表面67被反射三次的所有光线将也从表面65被反射三次。仅照射表面67的节段99（图9c）且因此从表面67被反射三次的光线的一小部分到达光学***的EMB。通常，在适当选择了光学***的各种参数（例如，反射表面65和67的倾斜角以及基片的厚度、长度和折射率）的情况下，可以将***设计成使得对于大部分相关光线，从表面67的三次反射将被从表面65的三次反射补偿，以使得将避免重影和图像中的缝隙。

应当被考虑到的另一问题是所需要的输入孔径的测量值。为了避免图像中的缝隙和条纹，期望的是，所有阶次的耦合入光波将填充基片，以使得反射表面67将完全被耦合入的光波照射。如图10A中所示出，为了确保这点，在反射表面65的边缘与基片64的下表面72之间的边界线100上的点应当针对单个光波由在两个不同位置处进入基片的两个不同光线照射：光线101（点线），其在边界线100处直接照射表面65；和另一光线102（虚线），其首先在点103处被反射表面65反射且之后在恰好于边界线左侧照射下表面72之前被基片64的上表面70反射。如所示出的，在基片内部以一阶传播的来自显示源中同一点的两个光线101和102被远离彼此定位地耦合到基片64中：分别是，101在左边缘处，且102在表面65的近似中心处。然而，光线在表面67的右侧部分处邻近于彼此定位地被耦合出元件67耦合离开。因此，在点103与100之间的表面65的全部区域应被光线101和102所源自的光波照射。因此，该区域应当被耦合到基片中的所有光波完全照射。

类似地，如图10B中所示出，在反射表面65的边缘与下表面72之间的边界线100上的点应当针对上文在图10A中所示出的同一单个光波由在两个不同位置处进入基片的另两条不同光线照射：光线105（点划线），其在恰好位于103右侧的点处从表面65反射一次且从表面70反射一次之后在在边界线100处照射表面65；和另一光线106（实线），其在恰好于边界线左侧照射下表面72之前被反射表面65反射两次并且被基片64的上表面70反射两次。如所示出的，在基片内以二阶传播的来自显示源中同一点的两条光线105和106被远离彼此定位地耦合到基片64中：分别是，105在表面65的近似中心处，且106在接近表面65的右边缘。然而，它们在表面67的左侧部分处邻近于彼此定位地被耦合出元件67耦合离开。因此，在点103与表面65的右边缘104之间的表面65的全部区域应当被光线105和106所源自的光波照射。因此，该区域应当被耦合到基片中的所有光波完全照射。从图10A和图10B中得到两个结论：

a. 表面65的全部区域应当被耦合到基片中的光波照射，以及；

b. 被耦合光波的一阶照射表面65的左侧部分且在表面67的右侧部分处被耦合离开，而被耦合光波的第二阶照射表面65的右侧部分并且在表面67的左侧部分处被耦合离开。

如图10A-10B中所示出，耦合入表面65的孔径类似于耦合出表面67的孔径。然而，存在具有宽FOV和大EMB的***，且因此需要大的输出孔径。此外，期望整个光学将***尽可能紧凑。因此，必须最小化基片的输入孔径。因此，在同时实现大输出孔径以及小输入孔径的相反需求之间存在矛盾。因此，应当找到适合的方法以针对给定输出孔径减小输入孔径或替代性地针对给定输入孔径增加输出孔径。

在图11A-11D中示出了针对给定输入孔径增加输出孔径的实施例。如图11A中所示出，具有输入方向

的光学光线107入射在包括两个基片110a和110b的光学元件109上，其中基片110a的下表面111a被附接到基片110b的上表面112b从而限定界面平面117。不同于图4-10中所示出的基片，上基片110a的耦合入元件114a不是如基片64中的表面65那样的简单的反射表面，而是部分反射表面，这意味着输入光线107被分成两条光线（优选地具有相同的亮度）107a和107b，其分别从表面114a和114b被反射并且通过全内反射被耦合在基片110a和110b内部。不同于表面114a，表面114b可以是简单的反射表面。如所示出的，光线107a和107b分别从表面114a和114b的左侧部分被反射一次，并且以角

以一阶在基片内传播。因此，它们通过从耦合出表面116a和116b的右侧部分的单次反射以

的输出角被耦合离开基片。图11B示出了同样的实施例，其中现在输入光线107入射在表面114a和114b的右侧上。因此，光线107a和107b分别从表面114a和114b被反射两次，并且以具有角度

的二阶在基片内部传播。因此，它们通过从耦合出表面116a和116b的左侧部分的两次反射以

的输出角被耦合离开基片。如所看到的，实际上是光学装置109的输入孔径的表面114a具有输出孔径尺寸的近似一半，输出孔径实际上是耦合出表面116a和116b组合在一起。

在基片110a与110b之间的界面平面117存在两个矛盾的需求。一方面，头两阶图像F^（1）和F^（2）应当从该平面被反射，而来自上基片110a的零阶图像F^（0）应当在从表面116a被反射之后基本穿过该界面平面而没有显著反射。类似地，表面117应当针对以输入角

穿过表面114a的光线107b是透明的。此外，对于透视***，针对基本垂直的入射光，光学装置109的透明度应当尽可能高。使用在界面平面117中的气隙是实现这点的可能方式。用于实现这点且同时维持装置的刚性的替代性方式是通过使用与上文关于图5D中的界面平面83所示出的相同粘合方式将基片110a和110b粘合在一起，该粘合方式利用低折射率的粘结剂。

在图11A-11B中所示出的实施例中，所述两个基片110a和110b彼此类似，即，耦合入装置114a和114b的倾斜角α _sur1 以及耦合出装置116a和116b的倾斜角α _sur2 是相同的。此外，所述两个基片具有相同厚度。然而，可以附接具有两种不同特征的两个基片。如图11C中所示出，上基片110a与上文所示出的***关于公式（23）具有相同的参数。然而，下基片具有下列参数：

（29）。

光波是s-偏振的。基片110a和110b的光学材料如之前一样是具有n_d=1.8467的折射率的Schott N-SF57，并且光学粘结剂是具有n_d=1.315的折射率的NOA 1315。临界角因此是α _cr >45.4°。被耦合到装置109中且之后被耦合离开装置109的图像的FOV从单个基片64中的F ^（0） ={30°,40°}增加到两个基片元件109中的F ^（0） ={24°,40°}。以一阶传播并且具有F ^（1） ={46°,60°}的组合FOV的所有光波具有高于临界角的离轴角，并且因此，它们被基片之间的界面平面117全反射。因为每个基片的实际输出孔径直接取决于tan α _sur2 ，所以下基片110b的厚度应当略微增加，以便使得这两个基片的输出孔径相等。相比于图5A中的单个基片64的输出孔径，元件109的输出孔径翻倍，并且FOV增加6°。后果是装置的厚度翻倍并且被耦合出的图像的亮度降低50%。在表面116a的左边缘无效的情况下，如关于图9A-9C在上文示出的，可以通过略微移动下基片110b来阻挡该部分。如图11D中所示出，反射表面116a和116b不再共线。表面110a的左边缘118不与基片110b的右边缘120一致，该右边缘120略微向右移动，并且因此，表面110a的无效部分122实际上被阻挡。

图12A-12B中示出了实际上减小光学装置的输入孔径的又一替代性实施例。在此，利用了如下事实，即如图10A和图10B中所示出，入射到耦合入表面65的左侧部分上的光波仅从表面65反射一次，并且因此以一阶离轴角

在基片64内部传播，而入射到耦合入表面65的右侧部分上的光波从表面65反射两次，并且因此以二阶离轴角

在基片64内传播。如图12A中所示出，角度敏感部分反射表面124被嵌入到基片64内部。表面124平行于耦合入表面65和耦合出表面67，即，表面124相对于基片64的主要表面的倾斜角是：

（30）。

对于在基片64内部传播的图像的全部FOV，表面124对于具有如下入射角的光波是基本透明的：

（31）

并且基本上均匀地部分反射具有如下入射角的光波：

（32）。

此外，假设仅耦合入表面65的左侧部分125被图像的光波照射。如图12A中所示出，光线127入射到表面65的左侧部分125上，在从表面65反射一次之后被耦合进到基片64中，并且因此以一阶离轴角

在基片64内部传播。在从基片64的主要表面反射几次之后，光线127在点128a处入射到表面124上。因为光线从左侧入射到该表面上，所以其表现类似于入射到表面67上的光线，并且因此应当使用公式（16）来计算光线127在点128a处的入射角。因此，

（33）。

因此，满足公式（31）的条件，并且光线127穿过表面124而没有任何显著反射。在从上主要表面70反射一次之后，光线127在点128b处再次入射到表面124上。现在，光线从右侧入射到该表面上并且其表现类似于入射到表面65上的光线，并且因此应当使用公式（15）来计算在点128b处的光线127的入射角。因此，

（34）。

因此，满足公式（32）的条件，并且光线127被表面124基本均匀地分开，即，光线的强度的近似一半穿过表面124作为光线129并且以相同的离轴角

在基片124内部继续传播，而光线的强度的另一半从表面124被反射作为光线130并且以如下离轴角在基片124内部继续传播：

（35）。

具体地，光线130以二阶离轴角

在基片64内部传播。在从基片64的下主要表面72反射一次之后，光线129在点128c处入射到表面124上。因为光线再次从左侧入射到表面上，所以其表现类似于入射到表面67上的光线，并且因此应当再次使用公式（16）来计算光线129在点128c处的入射角并且同样地：

（36）。

满足公式（31）的条件，光线129穿过表面124而没有任何显著反射并且以一阶离轴角在基片内部继续传播。因此，如果表面65的全部左侧部分125被所有耦合到基片中的所有光波照射，则如上文关于图10A所解释的，基片64将被一阶的耦合入光波填充。在被表面124分开之后，光的部分将继续以一阶填充基片，而光被表面124反射的部分现在将填充二阶的耦合入光波。因此，耦合出表面67的基本全部输出孔径将被一阶和二阶的被耦合波照射，并且输出光波将从表面67的基本全部有效孔径被耦合离开。因此，虽然输出孔径保持是表面67的全部有效孔径，但是基片的输入孔径实际上减小了一半。后果在于，被耦合离开的光波的亮度也减小一半。

图12B中示出了用于将输入孔径减小一半的类似实施例。在此，仅耦合入表面65的右侧部分被输入光波照射。如所示出的，光线132入射到表面65的右侧部分134上，在从表面65反射两次之后被耦合到基片64中，并且因此以二阶离轴角

在基片64内部传播。在从基片64的主要表面反射几次之后，光线132在点135a处入射到表面124上。因为光线从左侧入射到该表面上，所以其表现类似于入射到表面67上的光线，并且因此应当使用公式（16）来计算光线132在点135a处的入射角。因此，

（37）。

因此，满足公式（32）的条件，并且光线132被表面124基本均匀地分开；光线的近似一半穿过表面124作为光线136并且以相同离轴角

在基片124内部继续传播，而光线的另一半从表面124被反射作为光线137并且以如下离轴角在基片124内部继续传播：

（38）。

具体地，光线137以一阶离轴角

在基片64内部传播。在从基片64的下主要表面72反射一次之后，光线137在点135b处入射到表面124上。因为光线从左侧入射到该表面上，所以其表现类似于入射到表面67上的光线，并且因此应当使用公式（16）来计算光线127在点128c处的入射角。因此，

（39）

满足公式（29）的条件，光线137穿过表面124而没有任何显著反射并且其以一阶离轴角在基片内部继续传播。

图12B中所示出的实施例的实际功能类似于图12A中示出的实施例的实际功能。输入孔径65的仅一半被输入光波照射，而输出光波从耦合出表面67的全部孔径被耦合离开。差异在于在图12A中表面65的仅左侧部分125被输入光波照射，而在图12B中使用表面65的右侧部分134，但是结果是类似的，并且利用了全部输出表面。通常，关于实际上使用表面65的哪部分的决定取决于光学***的各种参数。

图12A-12B中所示出的实施例（其中，角度选择性反射表面被嵌入在基片64内部）能够被用于其他用途，而不一定用于减小输入孔径。照射输入孔径65的输入光波的一致性是应当被考虑到的问题。例如，假设由于成像***不完美，图10A中的光线101的亮度低于光线102的亮度，则由于光线之间的远离，将难以通过直接观察输入平面波看到这种不相似性。然而，在被耦合到基片64中之后，这个条件改变并且所述两条光线101和102邻近于彼此地在基片64内部传播。因此，从表面67反射并且被耦合离开基片的两条光线具有不同亮度。然而，不同于输入光波，这两条光线现在邻近于彼此并且这种不相似性将作为被耦合出的图像中的暗线而被容易地看到。如果图10B中的光线106的亮度低于光线105的亮度则发生同样的问题，或者反之亦然。

图12C示出了克服这种不一致性问题的实施例。

在此，相同的角度敏感部分反射表面124被嵌入到基片64内部，但是现在全部输入孔径65均被输入光波照射。如所示出的，两条不同的光线127和132分别以一阶和二阶离轴角在基片64内部传播，光线127接近表面65的中心照射左侧部分125，光线132照射右侧部分134的远边缘（且因此比光线127具有更低的亮度）。这两条光线在表面124上的点138处重合，并且如上文关于图12A和图12B所解释的，它们二者都将被表面124部分地反射并且部分地穿过表面124。因此，以一阶离轴角在基片内部传播的光线139将是光线127的穿过表面124的部分与光线132的被该表面反射的部分的混合。此外，以二阶离轴角在基片内部传播的光线140将是光线132的穿过表面124的部分与光线127的被该表面反射的部分的混合。因此，光线139和140是原始光线127与132的混合，但是不同于原始光线，源自表面124的这两条光线139和140现在具有类似的亮度。因此，假设表面65的全部孔径被输入光波照射，则将源自表面124的光波的一致性将在输出孔径上具有比先前好得多的一致分布，并且将显著地改善不一致性问题。

应当被考虑到的另一问题是基片的主要表面之间的平行度。如上文关于图4A-4B所解释的，基片64的两个主要表面应当严格地彼此平行，因为被捕获光线在这两个主要表面上的入射角之间的任何偏差将在每个反射周期中导致离轴角

的漂移，并且因为较高阶的被捕获光线比较低阶的被捕获光线经历少得多的次数的从主要表面的反射，所以低阶的漂移比高阶的漂移明显得多。然而，存在需要非常高分辨率的应用。此外，基片的长度和厚度之间的比率可以是高的，并且因此，低阶从主要表面的反射数量能够是非常（多）的，并且因此通过常规制造方法无法实现所需要的平行度。

图12D中示出了用于克服上述问题的可能方法。平行于表面65和67的角度敏感的反射表面141被嵌入到基片64内部，但是在此，该表面的反射特征不同于图12A-12C中的表面124的反射特征。对于在基片64内部传播的图像的全部FOV，如先前一样，表面141对于具有如下入射角的光波是基本透明的：

（40）。

然而，现在对于具有如下入射角的光波：

（41）

表面141基本是反射性的。如之前一样，表面141将对于以一阶离轴角分别在点142和144处入射在其上并且入射在表面的右侧上的被耦合光线127和132基本透明。然而，对于光线127和132重合在一起的点146，表面141将是基本反射性的，光线127和132分别以一阶离轴角入射在表面141的左侧上和以二阶离轴角入射在表面141的右侧上。因此，光线127和132将分别以二阶和一阶离轴角从表面141反射，即，光线127和132在重合点146处交换它们的离轴角。因此，假设表面141位于基片64中心、均匀地位于表面65和67之间，则光线127和132从基片64的主要表面经历类似的反射次数。假设表面65的全部孔径被输入光波照射，则针对每个输入光波，所有被耦合光线将具有基本相同的从基片64的主要表面的反射次数，并且因此将显著地改善平行度问题。

在此以具有下列参数的光学***示出了在图12A-12C的实施例中所利用的角度敏感的反射表面124的实现方式：

（42）。

光波是s-偏振的。基片64的光学材料是具有n_d=1.8052的折射率的Schott N-SF6，并且邻近表面124的光学粘结剂是具有n_d=1.71的折射率的NTT 6205。

图13示出从被涂覆有适合的角度敏感的介电涂层的反射表面124的针对三种不同波长根据入射角的反射的图，所述三种不同波长是450 nm、550 nm和650 nm。如所示出的，针对在57°和67°之间的角谱，反射是近似50%，而针对零阶的入射角{33°,43°}，反射非常低。

在此以具有与上文在公式42中提出的参数相同的参数的光学***示出了在图12D的实施例中所利用的角度敏感的反射表面141的实现方式，其中邻近于表面141的光学粘结剂是具有n_d=1.52的折射率的NOA 165。

图14示出从被涂覆有适合的角度敏感的介电涂层的反射表面141的针对三种不同波长根据入射角反射的图，所述三种不同波长是450 nm、550 nm和650 nm。如所示出的，针对在57°以上的角谱，反射是100%，而针对零阶的入射角{33°,43°}，反射实际上是零。

在图4-11中所示出的所有实施例中，耦合入元件是倾斜反射表面。其原因是必须将一阶以及二阶的光波耦合在基片内部。然而，对于分别仅一阶或二阶通过耦合入元件被耦合到基片中的图12A-12B中所示出的实施例，能够利用其他光学器件。如图15A中所示出，棱镜148被光学地附接到基片64的上主要表面70。来自相同输入光波的两条光线149和150输入到棱镜148的输入孔径152的两个边缘上，其中光线在棱镜内部的倾斜角是

。左光线149在棱镜的边缘153恰好右侧照射到上主要表面70上，而右光线150穿过表面70、从下表面72全反射、并且之后在边缘153恰好左侧入射到上表面72上。因此，这两条光线149和150以一阶离轴角

被耦合在基片64内部，同时邻近于彼此地在基片64内传播。在于点154和156处从表面124部分地反射之后，被反射光线158和160以二阶离轴角

邻近于彼此地在基片20内部传播。因此，覆盖输入孔径152的相同输入光波的所有光线将由一阶光波填充基片，并且在从表面124部分地反射之后还将由二阶光波填充基片。因此，输出光波由表面67的全部有效孔径被耦合离开基片。图15B中示出了略微不同的实施例，其中耦合入元件是棱镜162，其被光学地附接到基片的倾斜边缘163。如所示出的，在图15A和图15B的实施例中，输入孔径显著小于图4-11中所示出的实施例的输入孔径。自然，也可以实现改进实施例，其中，具有二阶离轴角的光波利用与图15A和图15B中所示出的耦合入棱镜类似的耦合入棱镜被直接耦合到基片中。在这种情况下，将以与图12B中所示出的方法类似的方法在基片内产生具有一阶离轴角的光波。

应当被考虑到的另一问题是由图12A-12C的实施例中的表面124分开的光波的一致性。如所示出的，具有一阶离轴角

的被捕获光线仅从表面124的左侧被部分地反射一次。然而，如图16A中所示出，存在从表面124被部分地反射两次的光线。如所示出的，光线164首先在点165处从表面124被部分地反射，该点165位于表面124与上主要表面70之间的相交处附近。光线164的在点165处穿过表面124的部分从下主要表面72被反射、穿过表面124、从上表面70被反射、并且之后在点166处从表面124再次被部分反射。因为在点165处分开时光线的该部分的亮度已经被减小一半，所以来自点166的被分开光线的亮度将是原始光线164的亮度的近似25%，即，光线164已经被分成三个不同光线：光线164a，其在点165处从表面124被反射并且具有原始光线164的亮度的大约一半；以及光线164b和164c，其在点165处穿过表面164，且之后在点166处分别再次穿过表面164或被表面164反射，这些光线具有原始光线164的亮度的大约四分之一。因此，在图像波中存在比其他光线更暗的光线，并且这些变化可以被看作是被耦合出的图像中的暗条纹。该现象对于FOV中具有较大离轴角的光波是可以忽略的，然而，但是其对于具有较小离轴角的光波是更加显著的。

为了解决从基片被耦合出来的图像的不均匀性问题，重要的是了解该问题与从显示平面发射出实像的常规显示源的不均匀性问题之间的差异。大体而言，从常规显示源投射的图像的不均匀性是由显示器自身的不一致性导致的，例如，显示器的不同像素发射出具有不同强度的光波。因此，解决不均匀性问题的唯一方式是直接管理显示器的像素。然而，上文示出的关于图16A的图像的不均匀性的原因是完全不同的。在此，不均匀性是由与图像中的单个像素相关联的单个光波的不同光线的不一致性导致的，这意味着属于同一平面光波且因此具有相同方向的不同光线具有不同强度。因此，如果该不均匀波的各个光线将被混合在一起，则能够解决该平面波的不均匀性。因此，适当的混合布置应当被有利地添加到基片64，以便改善通过全内反射被捕获在基片内的平面波的一致性。

如图16B中所示出，该不均匀性问题可以通过将平坦透明板167附接到基片64的主要表面中的一者72来解决，其中，光束分开布置被施加到在基片64与透明板167之间的界面平面168。如所示出 的，具有不同强度的两条光线164和169在位于界面平面168处的点170处彼此相交。在图16A中在上方示出的光线164已经被表面124部分地反射，且因此具有比原始光线更低的亮度。在点171处穿过界面平面且被板167的下表面172反射的另一光线169尚未穿过表面124，且因此其具有更高强度。由于被施加在该处的光束分开布置的原因，两条相交光线中的每一条被部分地反射且部分地穿过界面平面。因此，这两条光线在它们之间交换能量并且从交点170出现的光线164d具有更接近两条入射光线164和169的平均强度的强度。因此，在点166处被表面124部分地反射的光线164d的强度比先前更高并且缓解了不一致性问题。（虽然图16B中存在光线164和169的更多次相交和分开，但是为了简化附图，仅绘出了在点170处的相交和从该处出现的光线164d）。除了光线164与169在点170处的混合之外，从点166出现的光线164b和164c在界面平面168上分别在点174和175处与其他光线（未示出）再次混合，并且它们的强度变得甚至更接近被耦合出的图像波的平均强度。

最有效光束分开布置是将部分反射涂层施加到界面平面，其中，进入光波的一半被透射并且一半从表面被反射。在该情况下，出现的光线164d的强度基本是两条入射光线164和169的平均强度，并且光线之间的混合是最佳的。然而，涂层方法的主要缺点是，为了避免图像的像差和污点，应当严格地保持在基片内部的被捕获光线的方向。因此，如下三个反射表面应当维持高程度的平行度：基片64的上表面70、板167的下表面172和界面平面168。因此，在将基片64和板167的外部表面附接在一起之前，基片64和板167的外部表面应当具有高平行度和非常好的光学质量。然而，将光学涂层施加到这些外部表面中的一者将需要通常使得被涂覆板的表面变形（特别是在该板特别薄的情况下）的涂覆过程。另一问题是，从表面67反射的光线在被耦合离开基片64之前与界面平面168相交。因此，无法将简单的反射涂层容易地施加到界面平面168，因为该平面还应当对于离开基片64的光波透明以及对透视应用对于来自外部场景的光波透明。因此，光波应当以小入射角穿过平面168而没有明显反射，并且应当以较大入射角被部分地反射。该需求使得涂覆程序复杂化并且增加了被涂覆板将在涂覆期间变形的可能性。因此，因为即使很小的变形也会恶化成像***的性能，所以应当施加替代性混合布置。

图16C中示出了替代性实施例。在此，通过使用光学粘结剂176将基片64和板167光学地粘合在一起，该光学粘结剂176具有的折射率显著地不同于透光基片64和平坦板167的折射率。由于折射率的差异以及被捕获光线相比于界面平面168的斜入射角的原因，从平面168的菲涅耳反射将是显著的并且被耦合在基片内部的光波将从界面平面被部分地反射。实际上，入射光线从界面平面168反射两次，一次是从在基片64与粘结剂176之间的界面平面反射，并且第二次是从在光学粘结剂176与透明板167之间的界面平面反射。如所示出的，三条不同光线164、169和178被捕获在基片内部。两条光线169和178在位于界面平面168处的点171处彼此相交。由于菲涅尔反射的原因，两条相交光线中的每一条被部分地反射且部分地穿过界面平面。因此，这两条光线在它们之间交换能量并且从交点171出现的光线179和180具有更接近两条入射光线169和178的平均强度的强度。类似地，两条光线164和179在点170处彼此相交，在它们之间交换能量并且从交点170出现的光线181和182具有更接近两条入射光线164和179的平均强度的强度。因此，三条光线164、179和178在该过程期间交换能量并且它们的强度现在更接***均强度。光线164和178不直接交换能量，但是通过在点170和171处与光线179的两次单独的相交间接地交换能量。

在从界面平面168的菲涅尔反射接近50%的情况下，将实现最佳混合。然而，因为菲涅耳反射对于入射角非常敏感，所以不可能找到具有对于被耦合图像的全部FOV产生50%菲涅耳反射的折射率的光学粘结剂，并且因为被捕获光线与界面平面相交不仅一次而是多次，所以可以找到这样的混合布置，其即使对于与50%的最佳值非常不同的菲涅尔反射也将是可接受的。本文以具有与上文在公式42中给出的参数相同的参数的光学***示出了在图16B-16C的实施例中所利用的光线混合界面平面167的实现方式，其中被用于粘合基片64与平坦板167的光学粘结剂是具有n_d=1.43的折射率的NTT-E3341。

图17示出了针对全部一阶FOV F ^（1） {45°,55°}的针对波长550 nm（在明视觉区域中的其他波长具有类似曲线）的根据入射角的从界面平面167的反射的图。如所示出的，由于全内反射的原因，针对高于53°的角谱，反射是100%，并且因此针对这些角没有实现混合效果。对于全部二阶FOV F ^（2） ={69°,79°}，所有的光波从界面平面168被全内反射并且针对该整个阶次没有实现混合效果。然而，如上文已经解释的，对于具有这些角度的光线基本可忽略不一致性问题。对于

<52°的其他谱范围，反射在20%和80%之间，并且能够实现好的混合效果。此外，这里示出的装置不限于利用单个平坦板。具有各种厚度和折射率的两个或更多个平坦板能够通过使用各种光学粘结剂被光学地附接到主要表面中的一者或两者。在任何情况下，能够根据***的各种需求使用透明板和粘结剂的准确参数。

在图11A-11D中所示出的实施例109中，假设分束器114a将每条输入光线均匀地分成两条光线，这两条光线具有基本相同的亮度并且通过全内反射被耦合在基片110a和110b内部。因此，分束器114a对于输入光波的入射角不敏感，并且此外，输出亮度减小大约50%。图18A-18C示出了装置109的改进版本，其中，输入分束器183对于输入光波的入射角敏感，并且因此显著提高了光学***的效率，并且被耦合出的图像的亮度基本保持与输入图像的亮度类似。为了实现这种改进，利用了如下事实：从基片耦合离开的光波不必照射如图11A-11D的实施例中所实现的那样耦合出表面的全部有效区域。

如图19中所示出，其示出了应当入射到表面79上以便照射EMB 197的光线，图像的两个边缘光波和中心光波被耦合离开基片并且被重新定向到观察者的眼睛24。如所示出的，具有零阶离轴角

、

和

的光波107R、107M和107L仅分别照射耦合出反射表面67的部分67R、67M和67L，并且被表面79反射到EMB 197中。因此，能够找到这样的方法，其中耦合入光波被分成使得它们将仅照射表面67的所需要的相应部分并且原始亮度将被保留。为实现这点，入射到输入表面183（图18A）上的光波的角度范围

被划分成三个基本相等节段：

、

和

。该实施例的目标在于，FOV

中的具有较大入射角的光波将通过耦合出元件的两部分190a和190b被耦合离开上基片110a；FOV

中的具有较小入射角的光波将通过耦合出元件的两部分190c和190d被耦合离开下基片110b；并且FOV

中的光波将通过下耦合出元件190b被耦合离开上基片110a并且通过上耦合出元件190c被耦合离开下基片110b。

为了实现这点，表面183应当基本反射在

中的所有光波以使得它们将被耦合到上基片110a中，并且基本透射在

中的所有光波以使得它们将被反射表面114耦合到下基片110b中。此外，在

中的光波的部分应当被表面183反射成使得它们将被捕获在上基片110a内部但是将仅通过耦合出元件的下部部分190b被耦合离开，并且在

中的光波的部分应当穿过表面183使得它们将被捕获在下基片110b内部但是将仅通过耦合出元件的上部部分190c被耦合离开。如图4A和图4B中所示出，以一阶离轴角在基片内部传播的光波通过耦合出元件67的上部部分被耦合离开基片，而以二阶离轴角在基片内部传播的光波通过耦合出元件67的下部部分被耦合离开基片。因此，为了实现在

中的光波的耦合入需求，该FOV内的光波必须以二阶离轴角被耦合在上基片110a内部并且因此将通过下部部分190b被耦合离开，并且此外将以一阶离轴角被耦合在下基片110b内部并且因此将通过上部部分190c被耦合离开。

因此，角度敏感的反射表面183应当针对全部明视觉范围满足下列三个特征：

a. 针对角度范围

基本全反射；

b. 针对角度范围

基本透明；以及

c. 在表面183的上部部分183a（图18C）处针对角度范围

是基本全反射性的，并且在表面183的下部部分183b（图18C）处针对角度范围

是基本透明的。

可以通过在表面183a和183上施加角度敏感的介电涂层来实现这些需求，但是这些涂层的实现过程可能会是非常复杂的。更简单的方法是通过使用光学粘结剂将表面183a和183b粘合到装置109的惰性部分177，其中该光学粘结剂具有分别在表面183a和183b处产生临界角α _m1 和α _m2 的适当的折射率。能够通过使用适当的AR涂层来实现针对低于相应临界角的角度的高透明度。

图18A示出来自相同平面入射波的具有入射角

的两条光线184a和184b，其分别入射到表面183的下部部分和上部部分。由于上文描述的条件（b），光线穿过表面183并且分别以一阶和二阶离轴角被反射表面114耦合到下基片110b中。因此，光线分别被反射表面190c和190d耦合离开基片。图18B示出来自相同平面入射波的具有入射角

的两条光线185a和185b，其分别入射到表面183的下部部分和上部部分。由于上文描述的条件（a），光线从表面183被反射并且分别以一阶和二阶离轴角被耦合到上基片110a中。因此，光线分别被反射表面190a和190b耦合离开基片。图18C示出来自相同平面入射波的具有入射角

的两条光线186a和186b，其分别入射到表面183b和183a。由于上文描述的条件（c），光线186b从表面183a被反射并且以二阶离轴角被耦合到上基片110a中。因此，该光线被下反射表面190b耦合离开基片。此外，光线186a穿过表面183b并且以一阶离轴角被反射表面114耦合到下基片110b中。因此，根据需要，光线被上反射表面190c耦合离开基片。

通常，将难以将表面183粘合到惰性部分177而使得两部分183a和183b将通过两种不同粘结剂被粘合到部分177但在这些部分之间没有任何串扰。如图18C中所示出，用于克服该问题的可能方式是，制造由在界面平面189处附接在一起的两个平行切片110aa和110ab形成的基片110a。在作为110aa和110ab的组合的上基片110a的制造过程期间应当考虑三个关键问题。首先，为了避免通过从界面平面189的全内反射将二阶光波捕获在上切片110aa中，必要的是被用于光学地附接切片110aa和110ab的光学粘结剂将具有与切片的折射率接近的折射率。此外，为了防止被耦合出的图像的失真，耦合入表面183a和183b和耦合出表面190a和190b应当分别是严格共线的。此外，因为将难以完全防止被捕获光波、特别是具有二阶离轴角的光波的残余菲涅耳反射，所以界面平面189应当平行于基片110a的主要表面111a和112a。

图20A-20C中示出了实现所需要的角度敏感的分束器的替代性实施例。如所示出的，整个光学装置199由四个不同基片191a、191b、191c和191d构成，其光学地粘合在一起从而分别界定三个界面平面193a、193b和193c。与图18A-18C的实施例的另一差异在于，在此分束器183a和183b被互换，例如，表面183a和183b通过使用光学粘结剂被粘合到元件199的惰性部分177，该粘结剂具有现在分别在表面183b和183a处产生临界角α _m1 和α _m2 的适当折射率。

图20A示出来自相同平面入射波的具有入射角

的两条光线184a和184b，其分别入射到表面183b和183a上。如先前一样，光线穿过该表面并且分别被反射表面195b和195a耦合到基片191d和191c中。虽然附图中绘出的光线仅具有一阶离轴角，不过明显的是，输入光波照射表面195a和195b的全部区域，并且因此它们填充全部一阶和二阶离轴角，并且因此照射将它们耦合离开基片的表面190c和190d的全部有效区域。

图20B示出来自相同平面入射波的具有入射角

的两条光线185a和185b，其分别入射到表面183b和183a上。如先前一样，光线从该表面反射并且分别被耦合到基片191b和191a中。如上文所描述，输入光波照射表面183a和183b的全部区域，并且因此它们填充全部的一阶和二阶离轴角，并且因此照射将它们耦合离开基片的表面190a和190b的全部有效区域。

图20C示出来自相同平面入射波的具有入射角

的两条光线186a和186b，其分别入射到表面183b和183a上。因为分束机构在表面183a和183b之间被互换，所以光线186a现在从表面183b被反射并且被耦合到基片191b中并被反射表面190b耦合离开。此外，光线186b现在穿过表面183a并且被反射表面195a耦合到基片191c中，并且因此根据需要被反射表面190c耦合离开基片。

因为四个基片191i（i=a, b, c, d）中的每一个均独立地起作用，所以不再如根据图18A-18C的实施例中那样对每个邻近的耦合入和耦合出表面的共线性存在任何约束。唯一约束是，对于每个单独的基片191i，主要表面以及耦合入和耦合出表面应当分别彼此平行。而且，每个单独的基片能够根据光学***的需求具有不同的厚度和不同的倾斜角。

本文以如下的光学***示出了图18A-18C和图20A-20C的实施例中所利用的角度敏感的反射表面183a和183b的实施方式，该光学***针对图18A-18C的基片110a和图20A-20C的基片191a和191b具有下列参数：

（43）

并且针对图18A-18C的基片110b和图20A-20C的基片191c和191d具有下列参数：

（44）。

光波是s-偏振的。基片64的光学材料是具有n_d=1.846的折射率的Schott N-SF57，并且邻近于图18A-18C中的表面183a和183b（或图20A-20C中的表面183b和183a）的光学粘结剂是分别具有折射率n_d=1.315和n_d=1.42的NTT-E3337和NOA 1315。耦合入图像的总FOV是

（其实际上是空气中的30° FOV），并且角度范围

被划分成三个基本相等节段：

、

和

。

图21A示出针对三种不同波长根据入射角从被涂覆有适合的AR介电涂层的图18C中的反射表面183a（或图20C中的表面183b）的反射的图，所述三种不同波长为450 nm、550nm和650 nm。如所示出的，针对高于45.6°的角谱，由于全内反射的原因，反射是100%，而针对{39°,44.5°}的入射角，反射非常低。图21B示出针对三种不同波长根据入射角从被涂覆有适合的AR介电涂层的图18C中的反射表面183b（或图20C中的表面183a）的反射的图，所述三种不同波长为450 nm、550 nm和650 nm。如所示出的，针对高于50.7°的角谱，由于全内反射的原因，反射是100%，而针对{39°,50°}的入射角，反射非常低。

图22示出了被耦合离开基片并且被重新定向到观察者的眼睛24中的图像的两个边缘光波和中心光波。如所示出的，具有零阶离轴角

、

和

的光波185、186和184各自仅分别照射反射表面190a-190b、190b-190c和190c-190d，并且被表面79反射到EMB 197中。EMB 197的范围由从元件199的总耦合出孔径的两个边缘被反射的两条边缘光线185R和184L设置，并且根本不受到由于新布置而“移动”到耦合出孔径的中心的光线185R和184L的影响。因此，在图18A-18C和图20A-20C中所示出的实施例的EMB 197具有与图11A-11C中所示出的实施例的EMB相同大的孔径，而输出亮度翻倍。

图20A、图20B和图20C示出包括两对基片的实施例的轮廓，其中，输出孔径增加为二倍而不降低被投射图像的亮度。然而，存在具有宽FOV和远离EMB定位的输入孔径的***，其显著增加了所需要的主要基片的输入孔径。在这些情况下，使得孔径增加为二倍不再足够并且需要更大的倍数。为了实现这个目标，上文示出的增加方法能够被一般化为增加为n>2的倍数。假设需要使得图像的孔径增加n倍，则n对透明基片应当被附接在一起，其中，对于每对透明基片，耦合入以及耦合出表面应当以例如分别与表面183a和183b以及190a和190b（图20A）相同的方式邻近地定位。此外，所有的耦合出表面应当如实施例199中的表面190i那样邻近地定位。入射到上部对的输入表面上的光波的角范围

现在通过设置2n-2个相等地分离的角度

而被划分成2n-1个基本相等节段。即，

、

……

和

。假设基片被表示为S _j ，其中j是从底部（j=1）到顶部（j=2n）的连续指数，则来自下部对的基片S ₁ 和S ₂ 的耦合入元件是常规反射表面。所有的其他的2n-2个耦合入元件是角度敏感的部分反射表面，从而针对每个基片S _j （j>2），针对全部明视觉范围，满足下列条件：

a. 针对角度范围

基本全反射；以及

b. 针对角度范围

基本透明。

也就是说，基片S _j 的耦合入元件应当反射具有高于限制角度

的入射角的所有入射光波，以便将这些光波耦合到基片S _j 内部，并且基本将所有的其他光波传输朝向基片S _j-2 的输入孔径。如上文解释的，实现这些需求的最简单方式是通过使用光学粘结剂将每个相应耦合入表面粘合到实施例的邻近的惰性部分，所述光学粘结剂具有产生

的临界角的适当折射率。如先前所描述，能够通过使用适当的AR涂层来实现针对低于相应临界角的入射角的高透明度。

包括n对透明基片的上文示出的实施例将具有下列特征：

a. 除了底部和顶部基片之外，耦合在每个基片S _j （j=2……2n-1）内部的光波是在角度范围

（α _min 和α _max 在此分别被表示为α ₀ 和α _2n-1 ）中的光波。耦合在基片S ₁ 和S _2n 内部的光波分别是角度范围

和

中的光波；

b. 具有入射角α _j-1 <α _s <α _j （j=2……2n）的（在入射到上部对的输入表面上的光波的角度范围

内的）每个光波耦合在两个邻近的基片——S _j 和S _j+i 中并且因此被相应的耦合出元件190 _j 和190 _j+1 从实施例中耦合离开。因此，通过全内反射被耦合在实施例内部的每个光波被总耦合出元件的1/n部分耦合离开。然而，通过适当的设计，基本所有的被耦合光波将覆盖***的指定EMB。

在图11-20中示出的所有实施例中，扩大输出孔径的结果之一是也相应地扩大了光学模块的厚度。然而，存在需要具有大输出孔径同时仍然保持基片尽可能薄的应用。图23A示出了这样的实施例，其中，输出孔径被扩大而没有增加基片的厚度。如所示出的，角度敏感的部分反射表面198被嵌入到基片200内部。表面198平行于耦合入表面65和耦合出表面67。表面198关于基片200的主要表面的倾斜角是：

（45）。

对于在基片200内部传播的图像的全部FOV，表面198基本均匀地部分反射，即，其均匀地反射和透射具有如下入射角的耦合入光波：

（46）

并且全反射具有如下入射角的光波：

（47）。

此外，该表面对于被耦合离开基片并被重新定向到观察者的眼睛中的光波以及对于来自外部场景的光波是基本透明的。

如图23A中所示出，光线202在从表面65反射一次之后被耦合到基片200中，并且因此以一阶离轴角

在基片200内部传播。在从基片200的主要表面反射几次之后，光线202在点206a处入射到表面198上。因为光线从左侧入射到表面上，所以其表现类似于入射到表面67上的光线，并且因此应当利用公式（16）来计算光线202在点206a处的入射角，即

（48）。

因此，满足公式（46）的条件，并且光线202被表面198基本均匀地分开，即，光线202的强度的近似一半作为光线202a以离轴角

从表面198被反射并且因此通过下表面72被耦合离开基片200。光线202的强度的另一半作为光线202b穿过表面198并且以相同离轴角

在基片200内部继续传播。在从上主要表面70反射一次之后，光线202b在点206b处再次入射到表面198上。现在，该光线从右侧入射到表面上并且其表现类似于入射到表面65上的光线，并且因此，应当使用公式（15）来计算光线202b在点206b处的入射角，以使得

（49）。

因此，满足公式（47）的条件，并且光线202b从表面198全反射，并且继续以如下离轴角在基片200内部传播：

（50）。

具体地，光线202b以二阶离轴角

在基片200内部传播。在从耦合出表面67反射两次之后，光线202b以与光线202a相同的离轴角

被耦合离开基片200。

如图23A中还示出的，另一光线204在从表面65反射两次之后被耦合到基片200中，并且因此以二阶离轴角

在基片内部传播。在从基片64的主要表面反射几次之后，光线204在点207a处入射到表面198上。因为光线从左侧入射到表面上并且表现类似于入射到表面67上的光线，因此应当使用公式（16）来计算光线204在点207a处的入射角。因此，

（51）。

因此，满足公式（47）的条件，并且光线204从表面198全反射并且以如下离轴角在基片200内部继续传播：

（52）。

具体地，光线204以一阶离轴角

在基片200内部传播。在从基片200的下主要表面72反射一次之后，光线204在点207b处再次入射到表面198上。类似于光线202在点206a处的表现，光线204被表面198基本均匀地分开。光线204的强度的近似一半作为光线204a以离轴角

从表面198被反射，并且因此通过下表面70被耦合离开基片200。光线204的强度的另一半作为光线204b穿过表面198并且以相同离轴角

在基片200内部继续传播。在从耦合出表面67反射一次之后，光线204b以与光线202a、202b和204a相同的离轴角

被耦合离开基片200。因此，基片200的输出孔径是表面198和67的组合。因此，基片200的输出孔径的实际有效区域相比于基片64（其被图4中示出） 的实际有效区域已经翻倍，而基片的厚度保持相同。另一方面，被耦合离开基片200的光波的亮度相比于被耦合离开基片64的光波的亮度已经减小50%。

图23A中所示出的扩大的实施例不限于一个基片或者仅一个部分反射表面。包括多个不同基片或被嵌入在单个基片内部的多个不同的部分反射表面的光学***也是可行的。图23B示出了光学***208，其中，两个不同基片210a和210b被附接在一起。与图23A中的表面198具有相同光学特征的两个部分反射表面212a和212b分别被嵌入基片210a和210b内部。输入光线214被分束表面216分成两部分：被表面216耦合到基片210a中的光线214a，和穿过表面216且被表面218耦合到基片210b中的光线214b。被耦合光线214a和214b分别被表面212a和212b分开。光线214aa和214ba被这些表面反射并且被耦合离开基片，而光线214ab和214bb穿过这些表面并且分别被反射表面220a和220b耦合离开基片。因此，***208的输出孔径包括四个表面：212a、212b、220a和220b，并且该孔径的有效区域因此扩大。如所示出的，在实施例208中，根据需要，下基片210b的耦合出表面212b和220b能够分别部分地阻挡表面212a和220a的非有效部分。

在图23A和23B中所示出的实施例中，假设被嵌入基片中的部分反射表面均匀地分开入射光波的强度，即，针对被耦合图像的全部角谱，表面的反射率（且因此透射率）是50%。然而，应当注意的是，由于关于图19和图22考虑的相同理由，具有在图像的角谱的上部部分中的离轴角的光波大部分通过部分反射表面198被耦合离开到EMB中，而具有在图像的角谱的下部部分中的离轴角的光波大部分被反射表面67耦合离开到EMB中。因此，将有利的是，在部分反射表面上提供部分反射涂层，其将对于角谱的上部区域和下部区域分别具有高于和低于的50%的反射率。在该情况下，因为在上部区域和下部区域中的光波的亮度分别取决于部分反射表面198的反射率和透射率，所以对于这些区域，其将高于50%。另一方面，对于在角谱的中心区域中的光波（其被部分反射表面198和反射表面67均匀地耦合离开到EMB中），反射率且相应地亮度将在50%左右，这略微低于图像边缘处的亮度。然而，对于大部分背照式和前照式显示器，例如LCD和LCOS，显示源的照射、并且因此显示源的亮度通常在显示器的中心处更强。因此，部分反射表面的不一致反射率曲线能够补偿不一致照射，并且此外改善被耦合出的图像的总亮度。

图23C中示出了替代性实施例255，其中，输出孔径被扩大而没有增加基片的厚度且并非必须采用如表面198所需要的特定部分反射涂层。如所示出的，反射表面256被嵌入基片258内部。表面256与表面67具有相同的反射特征并且平行于耦合入表面65和耦合出表面67。表面256相对于基片258的主要表面的倾斜角是：

（53）。

如图23C中所示出，光线260在从表面65反射一次之后被耦合到基片258中，并且因此以一阶离轴角

在基片258内部传播。从基片258的主要表面反射几次之后，光线260入射到表面256上。因为光线从右侧入射到该表面上，所以其表现类似于入射到表面67上的光线，并且因此其以离轴角

耦合离开基片258并且之后被反射到（或在透视应用中被部分地反射到）观察者的眼睛中，类似于图5A-5C中所示出的。然而，在此被反射光线并未如图5A-5C中所示出的实施例中那样不受干扰地传播到观察者的眼睛中。而是，被反射光线入射到平行于表面79a的部分反射表面264a上，并且被耦合在平坦棱镜267内部，该棱镜267以与棱镜80被附接到基片的下表面72类似的方式被附接到基片268的上表面70。因此，实现上述情况的一种方式是使用在棱镜267与基片258之间的界面平面268中的气隙，而用于实现刚性***的另一方式是在界面平面268中施加具有适当折射率的光学粘结剂，以便将棱镜268与基片258粘合在一起。入射到表面264a上的光线260的强度的部分作为光线260a穿过该表面，并且朝向观察者的眼睛继续传播。因为表面79a和264a平行，所以光线260的强度的另一部分作为光线260b以离轴角

从表面264a被反射并且再次入射到表面256上。光线从左侧入射到该表面上并且表现类似于入射到表面65上的光线，并且因此在从表面256反射两次之后，其以二阶离轴角

在基片258内部传播。在从耦合出表面67反射两次之后，光线260b以相同的离轴角

耦合离开基片258并且从平行于表面79a的表面79d反射，以与光线260a相同的方向到观察者的眼睛中。

如图23C中还示出的，另一光线262在从表面65反射两次之后被耦合到基片258中，并且以二阶离轴角

在基片内部传播。在从基片258的主要表面反射几次之后，光线262入射到表面256上。光线从右侧入射到该表面上并且表现类似于入射到表面67上的光线，并且因此，其以离轴角

耦合离开基片258，并且之后被平行于表面79a的表面79b以类似于光线260的方式反射到（或在透视应用中被部分地反射到）观察者的眼睛中。反射光线入射到平行于表面79b和264a的部分反射表面264b上，并且被耦合到棱镜267内部。入射到表面264b上的光线262的强度的部分作为光线262a穿过该表面，并且朝向观察者的眼睛继续传播。因为表面79b和264b平行，所以光线260的强度的另一部分作为光线262b以离轴角

从表面264b被反射并且再次入射到表面256上。光线从左侧入射到该表面上并且表现类似于入射到表面65上的光线，并且因此，在从表面256反射一次之后，其以一阶离轴角

在基片258内部传播。在从耦合出表面67反射一次之后，光线262b以相同的离轴角

被耦合离开基片258，并且从平行于表面79b的表面79c反射，以与光线260a相同的方向到观察者的眼睛中。因此，源自显示源上的同一点的所有四条光线——260a、260b、260a和262b以相同传播方向到达观察者的眼睛。

因此，基片258的输出孔径是表面256和67的组合。因此，基片258的输出孔径的实际有效区域相比于基片64（其在图4中示出）的输出孔径的实际有效区域已经翻倍，而基片的厚度保持相同。另一方面，被耦合离开基片258的光波的亮度相比于被耦合离开基片64的光波的亮度已经减小。然而，存在改善被耦合离开的光波的亮度的方式。针对其中被耦合在基片内部的光波线性偏振的实施例（例如，显示源是LCD或者LCOS显示器的***）中，部分反射表面79i以及264i （i=a, b, …）能够被设计成是对偏振敏感的反射表面。这些表面针对一个偏振方向（优选地对于s-偏振）是反射性的（或者部分反射性的），并且对于正交偏振方向（优选地对于p-偏振） 是基本透明的。在这样的情况下，对于透视应用能够实现外部场景的透射率，因为整个元件255现在对于一个偏振方向（其与被耦合在基片内部的光波的偏振方向正交）基本透明。反射表面79i能够针对相关偏振方向（其与被耦合在基片内部的光波的偏振方向相同）是全反射的，而表面254i应当针对该偏振方向是部分反射的，其中，能够根据***中的反射表面264i的数量来确定表面的准确反射系数。对于图23C中所示出的实施例（其中两个反射表面256和67被嵌入在基片258内部）， 0.5的反射系数能够对于被耦合在基片内部的光波产生50%的总亮度效率，并且对于外部场景产生50%的透射率。

如图23C中所示出的用于通过将反射表面256嵌入到基片258中来扩大输出孔径的实施例不限于单个反射表面。平行于输出反射表面67的n个平坦反射表面256i （i=a, b,…）构成的阵列能够被嵌入到基片内部以将基片的输出孔径增加至n+1倍。因此，反射表面264i （i=a, b, …）的数量应当相应地增加，以完全覆盖被嵌入表面256i的输出孔径。每个反射表面264i的反射率和横向延伸应当被设计成确保被耦合到观察者的眼睛中的光波的一致性特征。

本文以具有下列参数的光学***示出了图23A中所示出的被嵌入基片200内部的部分反射表面198的实现方式：

（53）。

光波是s-偏振的。基片200的光学材料是具有n_d=1.846的折射率的Schott N-SF57，并且邻近表面198的光学粘结剂是具有折射率n_d=1.49并且因此临界角是α _cr =53.5°的NTT AT9390。表面198的反射率被设计成从

=40°处的44%单调增加到

=50°处的55%。

图24示出针对三种不同波长根据入射角从被涂覆有适合的介电涂层的部分反射表面198的反射的图，所述三种不同波长是450 nm、550 nm和650 nm。如所示出的，针对角谱{60°,70°}，由于全内反射的原因，反射是100%。此外，根据需要，反射曲线从40°处的44%增加到50°处的55%，而其针对低于15°的入射角是非常低的。

图5A-5D示出用于将被耦合离开的光波定向到观察者的眼睛24中的实施例，其中光波被反射表面79反射回并且再次穿过基片64朝向观察者的眼睛。图25A-25C中示出了观察者的眼睛位于基片的另一侧处的替代性方式。如图25A中所示出，来自同一光波的四条光线222a、222b、222c和222d被反射表面65耦合到基片64中并且之后以离轴角

被表面67耦合离开。被耦合离开的光线被反射表面224反射朝向观察者的眼睛，该反射表面224相对于基片的下主要表面72以角度

倾斜。该实施例的主要缺点在于反射表面224的纵向尺寸（沿着y轴线）大，从而导致大且笨重的光学***。

图25B示出了该实施例的替代性版本，其中与表面224具有相同倾斜角的平行反射（或者替代性地部分反射）表面构成的阵列被定位成紧邻基片64的出口孔径。阵列225能够被嵌入透明棱镜226内部，该棱镜226优选地具有与基片64的折射率类似的折射率。光学***现在能够比图25A中所示出的紧凑得多，这取决于阵列225中的反射表面的数量和棱镜226的厚度。如所示出的，图25B中所示出的反射表面邻近于彼此，即，每个表面的右侧邻近于邻近的表面的投影的左侧。所提出的实施例仍然存在一些问题。如所示出的，光线222b（虚线）被表面225a的上部部分反射，这（至少部分地）阻止了光线222b' （灰色箭头） 继续在点227处到达反射表面225b。因此，表面225b在点227下方的部分被表面225a阻挡并且实际上是非有效的（至少部分地非有效，这取决于表面225a的反射率）。此外，所提出的布置适用于中心的被耦合离开的光波，但是不适用于具有较小离轴角的光波。如所示出的，具有离轴角

的被耦合离开的光线228（该光线的仍被耦合在基片内部的部分在此未示出）被表面225c的下部部分阻挡。

图25C示出了该实施例的改进版本，其中包括非有效部分的反射表面225的下部部分被修剪并且因此减小了棱镜226的厚度。该版本的主要结果在于，反射表面225不再邻近于彼此。如所示出的，被耦合离开的光波与棱镜226的下表面232的相交部230具有交替的暗条纹和亮条纹的形式。这显著地降低了被定位成距眼睛一距离处的显示器（诸如HUD）的性能，其中，条纹将被观察者的眼睛明显地看到，并且因此，该方法无法被用于这些应用。对于近眼显示器，眼睛将从单个视角出现的光波汇集并将其聚焦到视网膜上的一个点上，并且由于眼睛的响应曲线是对数的，所以显示器亮度的小变化（如果存在的话）将是不明显的。因此，如果条纹足够密集（即，每个条纹的横向尺寸显著小于眼睛的瞳孔），并且如果眼睛被定位成足够接近基片，则观察者仍然能够体验到高质量图像，即使具有条纹。而且，反射表面225的有效区域能够被进一步修剪以产生照射区域在表面232上的更低填充系数。反射表面225在表面232上的投影230是被投射图像的被耦合离开的光波朝向观察者的眼睛所穿过的区域，而其他非照射区域234是来自外部场景的光波能够朝向眼睛所穿过的“狭缝”，以用于透视应用。因此，能够通过相应地设置被投射区域230的适当填充系数来控制在被投射图像的亮度与外部场景的亮度之间的比率。此外，能够这样实现反射表面225的反射率：通过将具有低于棱镜226的折射率的折射率的光学粘结剂施加到反射表面225，以使得被耦合离开的光波在反射表面225上的斜入射角将大于临界角，以便产生光波从表面的全内反射。图25C中所示出的将被耦合离开的光偏转到观察者的眼睛中的"被修剪阵列"实施例也能够被应用到图5C中所示出的实施例。这意味着反射表面79i （i=a, b, …）将不再位于邻近于彼此，并且将通过设置反射表面79i在棱镜80中的适当填充系数以及通过设置表面79i的反射率来确定被投射图像的亮度与外部场景的亮度之间的比率。此外，"被修剪阵列"实施例还能够被应用于图23C中所示出的多反射表面实施例。也就是说，反射表面264i （i=a, b,…）将不再邻近于彼此，并且将通过设置反射表面264i在棱镜267中的适当填充系数以及通过设置表面264i的反射率来确定穿过反射表面264i到达观察者的眼睛的光波与被这些表面反射以便再次被耦合到基片中的光波的亮度之间的比率。

图25B和图25C中所示出的重新定向实施例主要适合于这样的实施例：耦合出表面是全反射的。对于例如图23A和图23B中所示出的实施例，其中耦合出元件的部分是部分反射表面，必须注意的是，来自外部场景的光波将不会穿透部分反射表面200、被表面225反射到观察者的眼睛中且因此产生重影。

在上文示出的所有实施例中，假设的是仅具有一阶和二阶离轴角的光波在基片内部传播。然而，存在具有相当小的FOV的***，其中甚至能够利用三阶。参考图5C并且例如假设光学***具有下列参数：

（54）

其中光波是s-偏振的，基片的光学材料是具有n_d=1.846的折射率的Schott N-SF57，并且被用于将基片64粘合到棱镜80的光学粘结剂是具有n_d=1.42的折射率的NTT-E3337，其中，在基片64与棱镜80之间的界面平面83（图5D）覆盖全部下主要表面72。下表面的临界角因此是

。在基片与输入光波的准直元件之间的界面是气隙，并且因此上表面的临界角是

。所有的较高阶的光学光线F ^（2） 和F ^（3） 具有高于临界角的离轴角，并且它们因此从界面平面83以及从上表面70全反射。此外，一阶的光波从上表面70全反射，且因此它们能够被用于在耦合入过程期间产生二阶和三阶。另一方面，所有一阶的光学光线以低于在该处的临界角的入射角入射到界面平面83上，并且因此，它们无法通过全反射在基片内部传播。此外，在耦合出过程期间，通过较高阶从表面67的反射被转变成一阶的光波穿过界面平面83并且被耦合出元件67耦合离开基片64作为输出光波。输入光波是零阶F ^（0） ，输出光波是一阶F ^（1） ，而在基片内部传播的光波是较高阶F ^（2） 和F ^（3） 。因此，由于产生较高阶所需要的输入光波的宽度比被耦合离开的一阶的宽度窄得多，所以该***的实际输入孔径将基本小于输出孔径。

如图26中所示出，输入光线250以离轴角

入射到基片64上。在于点252a、252b和252c处从表面65反射三次之后，光线被耦合在基片内部并且在其内部以三阶离轴角

传播。从基片64的主要表面反射几次之后，光线250入射到表面67上。在于点254a和254b处从该表面反射两次之后，其以离轴角

被耦合离开基片64。之后光线250被表面79a反射，基本垂直于基片的主要表面地进入到观察者的眼睛24中。

图27a和图27b示出用于制造所需要的透明基片的方法。首先，制造一组棱镜236，其具有所需要尺寸。这些棱镜能够使用常规研磨和抛光技术由基于硅酸盐的材料（例如，Schott SF-57）制造，或者替代性地它们能够通过使用注塑或铸造技术由聚合物或溶胶-凝胶材料制造。之后这些棱镜的适合的表面被涂覆有所需要的光学涂层237。最后，棱镜被胶合在一起以便形成所需要的基片238。在光学表面的质量很关键的应用中，能够将抛光外表面或外表面的至少部分的最终步骤添加到该过程。

图28a-28e示出用于制造所需透明基片的另一方法。涂覆有适合的光学涂层240的多个透明平板239，步骤（a）（如果需要的话），通过使用适合的光学粘结剂被粘合在一起以便产生堆叠形式242，步骤（b）。之后，多个节段244，步骤（c），通过切割、研磨和抛光从堆叠形式被切下以产生所需要的基片246，步骤（d）。多个元件248能够从每个切片246被切下，如步骤（e）的俯视图所示出的。图27和图28示出用于制造具有仅两个反射表面的基片的方法。对于其他实施例，例如图12或图23中所示的实施例，其中其他反射表面被嵌入到基片内部，更大数量的棱镜（图27）或平板（图28）应当相应地被添加到制造过程。

图5-26示出能够被添加到图4A-4B中所示出的基本配置的各种特征，包括：各种类型的折叠反射表面（图5和图25）；外部校正透镜（图8A-8C）；阻挡耦合出元件的非有效部分（图9A-9C）；特定补偿设计（图9D）；几个基片组合在一起（图11、图18、图20和图23B）；将角度敏感的反射表面嵌入到基片中以用于减小输入孔径（图12A-12B）或用于混合耦合入光波（图12C-12D）；添加不同的耦合入元件（图15A-15B）；将薄透明板粘合到基片的主要表面中的一个（或多个）以便混合耦合入光波（图16B-16C）；利用角度敏感的耦合入表面以用于增加光学***的亮度（图18和图20）；将部分反射表面嵌入到基片内部或者紧邻基片的主要表面以便增加单个基片的输出孔径（图23A-23C）；以及使用在基片内部的被耦合光波的多于两个的传播阶次（图26）。最后，根据光学***的具体需求，这些特征中的任何数量的任何组合能够被一起被添加到图4A-4B中所示出的基本实施例。

对于本领域技术人员将显而易见的是，本发明不限于前述所示出的实施例的细节，并且在不脱离本发明的精神或必要特性的情况下，可以以其他具体形式来实施本发明。因此，本发明实施例应当在所有方面被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是由前述描述来指示，并且因此，落入权利要求的等价物的含义和范围内的所有改变旨在被包含在其中。

Claims (19)

1.一种光学装置，所述光学装置包括：

透光基片，所述透光基片具有至少两个平行的主要表面、边缘以及输出孔径；

至少一个反射元件，所述至少一个反射元件被定位在所述透光基片外部；

至少一个第一反射表面，所述第一反射表面具有位于所述透光基片的所述主要表面中的两个之间的至少一个有效侧以用于将光波耦合离开所述透光基片；

第二反射表面，所述第二反射表面是所述透光基片的倾斜边缘上所带有的且平行于所述第一反射表面，以用于将光波耦合到所述透光基片中以实现全内反射；

其中，被捕获在所述透光基片内部的光波通过所述输出孔径关于透光基片主要表面的法线倾斜地被耦合离开所述透光基片，且从所述反射元件被反射到观察者的眼睛中。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，被捕获在所述透光基片内的光波是平面光波。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，被所述反射元件反射的光波穿过所述透光基片。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述反射元件是至少一个部分反射表面。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述反射元件是彼此间隔开的反射表面的阵列。

6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述反射元件被嵌入到具有至少两个外部表面的透明棱镜内部。

7.根据权利要求6所述的光学装置，其中，所述棱镜的外部表面中的一个被光学地附接到所述透光基片的主要表面中的一个从而限定界面平面；被所述第一反射表面耦合离开所述透光基片的光波穿过所述界面平面而没有反射；并且被耦合在所述透光基片内部的光波被所述界面平面反射而没有透射。

8.根据权利要求6所述的光学装置，其中，所述棱镜通过光学粘结剂被粘合到所述透光基片的主要表面中的一个，并且所述光学粘结剂的折射率小于所述透光基片的折射率。

9.根据权利要求7所述的光学装置，其中，所述棱镜的外部表面中的另一个被光学地附接到第一透镜。

10.根据权利要求9所述的光学装置，其中，所述透光基片的主要表面中的另一个被光学地附接到第二透镜。

11.根据权利要求1所述的光学装置，其中，角度敏感的反射涂层被施加到所述第一反射表面，对于被所述第一反射表面耦合离开所述透光基片的光波，所述第一反射表面是反射性的，并且对于被所述反射元件反射并穿过所述透光基片的光波，所述第一反射表面是透明的。

12.根据权利要求3所述的光学装置，其中，彼此间隔开地被所述第二反射表面耦合到所述透光基片中的来自单个平面光波的两条光线邻近于彼此地被所述第一反射表面耦合离开所述透光基片。

13.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述反射元件包括至少一个对偏振敏感的反射表面。

14.根据权利要求13所述的光学装置，其中，所述对偏振敏感的反射表面对一个偏振方向是反射性的并且对于正交偏振方向是透明的。

15.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一反射表面的一部分是非有效部分，所述反射元件被定位成使得通过所述第一反射表面的非有效部分从所述透光基片耦合离开的光波不被所述反射元件反射。

16.一种光学装置，所述光学装置包括：

透光基片，所述透光基片具有至少两个平行的主要表面、边缘以及输出孔径；

光学元件，所述光学元件用于将光波耦合到所述透光基片中以实现全内反射；

至少一个反射元件，所述至少一个反射元件被定位在所述透光基片外部，不与所述透光基片的表面或边缘中的任一个重合，以及

至少一个第一反射表面，所述第一反射表面具有位于所述透光基片的两个主要表面之间的至少一个有效侧以用于将光波耦合离开所述透光基片；

其中，被捕获在所述透光基片内部的光波通过所述输出孔径关于透光基片主要表面的法线倾斜地被耦合离开所述透光基片，且从所述反射元件被反射到关于所述透光基片主要表面的法线垂直的方向上。

17.一种用于将图像引导到观察者的眼睛中的光学装置，所述光学装置包括：

透光基片，所述透光基片具有至少两个平行的主要平面状表面、边缘以及输出孔径；

光学元件，所述光学元件用于将光波耦合到所述透光基片中以实现全内反射；

至少一个反射元件，所述至少一个反射元件被定位在所述主要表面的平面之间的空间外部，以及

至少一个第一反射表面，所述第一反射表面具有位于所述透光基片的两个主要表面之间的至少一个有效侧以用于将光波耦合离开所述透光基片；

其中，被捕获在所述透光基片内部的光波通过所述输出孔径关于观察者的眼睛的方向倾斜地被耦合离开所述透光基片，且从所述反射元件被反射到所述观察者的眼睛中。

18.根据权利要求17所述的光学装置，其中，观察者的眼睛与所述输出孔径被定位在所述透光基片的同一侧。

19.根据权利要求17所述的光学装置，其中，所述观察者的眼睛与所述输出孔径被定位在所述透光基片的不同侧。

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