TW202323933A - 用於近眼顯示器的光學系統 - Google Patents

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齊翁 艾森菲爾德
尤奇 丹齊格
喬納森 格爾貝格
希蒙 格拉巴尼克
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Abstract

一種光學系統包括由透明材料形成並且具有平行的主外表面的光導光學元件(Light-guide Optical Element,LOE)。投影儀被構造成經由反射耦入構造將對應於準直圖像的照明投影到LOE中，該反射耦入構造包括與第一主外表面共面的圖像注入表面、與主外表面成斜角的反射器表面以及平行於反射器表面的部分反射表面。準直圖像的照明的強度的第一部分由部分反射表面反射，並且準直圖像的照明的強度的第二部分由反射器表面反射並且由部分反射表面透射。強度的兩個部分都貢獻於耦合到LOE中以通過主外表面處的內反射在LOE內傳播的圖像照明。

Description

用於近眼顯示器的光學系統
本發明涉及顯示器，並且特別地涉及用於近眼顯示器的光學系統，其在圖像投影儀與波導之間採用反射耦入構造。
近眼顯示器通常採用微型投影儀(Projecting Optical Device,POD)，其投影準直圖像。為了將圖像與使用者眼睛的相對地進行傳送並且擴展光學孔徑的尺寸，通常將圖像耦合到透明波導(也稱為光導光學元件或“LOE”)中，在該透明波導內，圖像通過在兩個主平行表面處的內反射而傳播，並且圖像從該透明波導朝向眼睛逐漸耦出以供用戶觀看。
圖1A至圖1C示出了近眼顯示器光學引擎的示例。圖1A的顯示器包括圖像投影儀200，其將具有角視場的圖像光通過透射耦合棱鏡202T並且通過垂直孔徑203V投影到波導204中。光在波導中傳播，通過全內反射被反射。在耦出區域210中嵌入波導中的部分反射器(或“小平面”)206將圖像從波導(虛線箭頭)朝向具有眼球中心208的觀察者反射。圖1B示出了通過使用在其背面上具有反射鏡的反射耦合棱鏡202R耦入到波導中的替選形式。
波導構造可以實現一維或二維(Two Dimensions,“2D”)的光學孔徑擴展。圖1C示意性地示出2D孔徑擴展波導的正視圖。這裡，圖像投影儀200通過耦合棱鏡202使圖像穿過側向孔徑203L(也存在垂直孔徑203V，但從該取向看不見)注入波導204。圖像光線220A在其通過波導面之間的全內反射(Total Internal Reflection,TIR)反射時在波導中橫向傳播。這裡使用了兩組小平面：組206L通過逐漸地將引導的圖像反射到不同的引導方向220B來橫向地擴展孔徑， 而小平面組206V通過逐漸地將圖像從波導上的區域210耦出到觀察者的眼睛上來垂直地擴展孔徑。以上是本發明所涉及的一類顯示器的非限制性示例，但是應當理解的是，其還可以有利地用於各種各樣的其他光學佈置，包括本領域已知的採用衍射光學元件或反射和衍射元件的組合的光導，以及用於例如汽車應用的其他平視顯示器的上下文中。
圖像投影儀200可以採用空間光調製器(Spatial Light Modulator,SLM)，例如矽基液晶(Liquid-Crystal-On-Silicon,LCOS)SLM，或者可以通過同步調製照明的掃描光束，例如雷射光束，來生成圖像。圖2中示意性地示出了後一種類型的圖像投影儀的示例。雷射器6將光束傳送到反射器8上。透鏡10將光束準直到掃描反射鏡12上。掃描可以是各種機制，包括：微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)、多邊形體(Polygon)、諧振光纖、檢流計(Galvo)或其他。會聚光束穿過透鏡16到達表面18上，為了擴展光束，表面18通常包括散射漫射器或微透鏡陣列(Micro Lens Array,MLA)。光束由透鏡20準直，該透鏡使光束傳輸通過出射孔徑22(這裡示意性地示出)並且進入波導。為了獲得均勻圖像品質，射在出射孔徑22上的光束應當足夠寬以生成出射孔徑22的完全照明，並且將圖像耦合到波導中的幾何結構應當使得其“填充”波導的輸入孔徑。照明光學器件(透鏡16)和準直光學器件20被有利地構造成使得反射鏡12的平面被成像到波導的入射光瞳(對應於出射孔徑22)上，以實現“光瞳成像”，從而確保光束將被有效地耦合以便在掃描期間進入波導。照明光學器件和準直光學器件可以使用這裡所示的折射透鏡來實現，或者使用用於光學元件之一或二者的反射透鏡來實現。在修改的構造中，圖像平面18可以包括進一步增強圖像解析度的圖像調製矩陣，例如LCOS空間光調製器，其通常利用反射光學器件實現並且採用偏振分束器。
本發明是用於顯示器的光學系統，其在圖像投影儀與波導之間採用反射耦入構造。
根據本發明的實施方式的教導，提供了一種光學系統，包括：(a)光導光學元件(LOE)，其由透明材料形成並且具有用於通過內反射引導光的相 互平行的第一主外表面和第二主外表面；(b)投影儀，其被構造成投影對應於準直圖像的照明；(c)反射耦入元件，其與該LOE相關聯並且提供耦入構造的至少一部分，該耦入構造具有：(i)與第一主外表面共面的圖像注入表面，該投影儀與該圖像注入表面相關聯，並且被定向成使得照明通過該圖像注入表面被注入，該圖像注入表面對於以大於主外表面的臨界角的入射角入射的光線是內部反射的，(ii)與主外表面成斜角的反射器表面，以及(iii)平行於反射器表面的部分反射表面，該反射器表面和該部分反射表面被部署成使得準直圖像的照明的強度的第一部分由該部分反射表面反射，並且準直圖像的照明的強度的第二部分由該反射器表面反射並且由該部分反射表面透射，強度的第一部分和第二部分兩者都貢獻於耦合到該LOE中以通過主外表面處的內反射在LOE內傳播的圖像照明。
根據本發明的實施方式的另一特徵，投影儀被構造成經由出射孔徑投影對應於準直圖像的照明，該照明以限定該投影儀的光軸的主光線和圍繞該主光線的角視場從出射孔徑出射。
根據本發明的實施方式的另一特徵，出射孔徑具有第一尺寸，並且其中，LOE具有與LOE的厚度相對應的輸入光學孔徑，其中，經由出射孔徑投影並且從第一耦入反射器和第二耦入反射器中的每一個反射的準直圖像不足以填充LOE的輸入光學孔徑，並且其中，準直圖像的來自第一耦入反射器和第二耦入反射器兩者的反射的組合填充LOE的輸入光學孔徑。
根據本發明的實施方式的又一特徵，部分反射表面介於圖像注入表面與反射器表面之間，使得跨整個出射孔徑的至少主光線的照明的強度的第一部分由部分反射表面反射，並且跨整個出射孔徑的至少主光線的照明的強度的第二部分由部分反射表面透射，由反射器表面反射，並且由部分反射表面透射。
根據本發明的實施方式的又一特徵，反射器表面和部分反射表面被部署成使得跨整個出射孔徑的整個角視場的照明的強度的第一部分由部分反射表面反射，並且跨整個出射孔徑的整個角視場的照明的強度的第二部分由部分反射表面透射、由反射器表面反射並且由部分反射表面透射。
根據本發明的實施方式的又一特徵，反射耦入元件包括：(a)楔形棱鏡，其附接至LOE並且提供與主外表面成斜角的第一表面；以及(b)平行面對板，其附接至第一表面，其中，部分反射表面設置在楔形棱鏡與板之間的介面處，並且反射器表面設置在板的第二面處。
根據本發明的實施方式的又一特徵，LOE形成有成斜角的邊緣表面，並且其中，反射耦入元件包括附接至成斜角的邊緣表面的平行面對板，其中，部分反射表面設置在邊緣表面與板之間的介面處，並且反射器表面設置在板的第二面處。
根據本發明的實施方式的又一特徵，部分反射表面是被構造成反射第一偏振並且透射第二偏振的反射偏振器。
根據本發明的實施方式的又一特徵，還提供了與圖像注入表面的至少一部分相關聯的四分之一波片，以將在圖像注入表面處內反射的光在第一偏振與第二偏振之間轉換。
根據本發明的實施方式的又一特徵，反射器表面和部分反射表面在LOE內部，並且位於第一主外表面與第二主外表面之間。
根據本發明的實施方式的又一特徵，反射器表面和部分反射表面是位於第一主外表面與第二主外表面之間的一組至少三個相互平行的反射器的一部分。
根據本發明的實施方式的又一特徵，投影儀包括：(a)光源，其生成至少一個光束；(b)掃描裝置，其被部署成在至少一個維度以角掃描運動偏轉至少一個光束；以及(c)調製器，其與光源和掃描裝置相關聯，並且被部署成與角掃描運動同步地調製至少一個光束的亮度，其中，偏轉的光束從掃描裝置直接通過圖像注入表面被注入。
根據本發明的實施方式的又一特徵，投影儀包括：(a)照明子系統，其限定照明光闌；(b)圖像平面，在該圖像平面處形成圖像；(c)出射孔徑，準直圖像通過該出射孔徑被遞送到LOE中；(d)照明光學器件，其部署在照明光闌與圖像平面之間的光路中；以及(e)準直光學器件，其部署在圖像平面與出 射孔徑之間的光路中，其中，照明光學器件和準直光學器件被構造成使得該照明光闌被成像到出射孔徑。
根據本發明的實施方式的另一特徵，LOE具有在第一主外表面與第二主外表面之間的厚度，並且其中，多個至少三個相互平行的反射器跨越厚度的不同部分，使得在相互平行的反射器中的第一反射器處部分地透射並且在相互平行的反射器中的第二反射器處至少部分地反射的照明的至少一條光線在未射到相互平行的反射器中的第一反射器上的情況下通過第一主表面和第二主表面處的內反射在LOE內傳播。
根據本發明的實施方式的又一特徵，反射器表面具有第一反射率，並且其中，至少三個相互平行的反射器中的相繼反射器具有依次減小的反射率。
根據本發明的實施方式的又一特徵，至少三個相互平行的反射器呈部分交疊的關係，使得照明的大部分光線在相互平行的反射器中的至少兩個處被至少部分地反射。
根據本發明的實施方式的又一特徵，該LOE具有垂直於第一主外表面和第二主外表面的相互平行的第三主外表面和第四主外表面，該LOE通過在第一主外表面、第二主外表面、第三主外表面和第四主外表面處的四重內反射來引導光。
10,16,20,54,58:透鏡
101:波導
102,107,111,113,128,130,140,141,154,18,40,48,48A,48B,48C,49,53:面
103,104,115,116,118:光束
105:波導截面/孔徑
106:楔形棱鏡
108,109,117,123,124,125,126:光線
112,119,129:板
114:面/反射器
12:反射鏡/掃描器/掃描裝置
120:第二面/反射鏡
121:邊緣表面/偏振器
122:非偏振光線
127:波片
150:2D波導
200:圖像投影儀
202,202R,202T:耦合棱鏡
203L:側向孔徑
203V:垂直孔徑
204:波導/向外耦合小平面
206L:組
206V:小平面組
208:眼球中心
210:區域
22:出射孔徑
220A:圖像光線
220B:引導方向
30:部分反射內表面/部分反射器
44:掃描角
46:損耗
50:偏振分束器
52:LCOS晶片
56:有源矩陣
6:雷射器
8,206:反射器
D:孔徑的尺寸
D0,D1,D2:孔徑
g:距離
h,h0:高度
s,p:分量
x,y:軸
在此僅通過示例的方式參照圖式描述本發明，其中：
上述圖1A是傳統近眼顯示器的第一形式的示意性側視圖；
上述圖1B是傳統近眼顯示器的第二形式的示意性側視圖；
上述圖1C是傳統近眼顯示器的第三形式的示意性正視圖；
上述圖2是用於傳統近眼顯示器中的圖像投影儀的示意性側視圖；
圖3A是波導的示意性側視圖，示出了用圖像填充波導的厚度所需的條件；
圖3B是波導的示意性側視圖，示出了圖像的傳統反射耦入並且示出了利用圖像的主光線填充波導所需的孔徑；
圖3C是類似於圖3B的視圖，示出了注入圖像的視場的極限光線，所述極限光線限定了用於填充波導的所需孔徑尺寸；
圖3D是類似於圖3C的視圖，示出了根據現有技術的反射耦入棱鏡的尺寸減小的限制條件；
圖4是根據本發明的實施方式的教導構造和操作的光學系統的示意性側視圖，示出了通過採用具有逐漸增加的反射率的多個耦入反射器來減小圖3D的光學孔徑的尺寸；
圖5是根據本發明的光學系統的附加實施方式的教導的類似於圖4的視圖，示出了通過採用偏振選擇反射器作為耦入反射器之一來進一步減小光學孔徑的尺寸；
圖6A是根據本發明的實施方式的教導構造和操作的光學系統的另一實施方式的示意性側視圖，示出了通過部署在波導厚度內的具有逐漸增加的反射率的多個耦入反射器將圖像耦入到波導中，該實施方式示出為具有類似於以上圖2的掃描鐳射圖像投影儀的掃描鐳射圖像投影儀；
圖6B和圖6C是類似於圖6A的視圖，分別示出了採用反射空間光調製器圖像投影儀和有源矩陣圖像投影儀的光學系統的不同實現方式；
圖7A是近眼顯示器的示意性側視圖，示出了圖6A的實施方式的又一變型，該變型採用來自掃描反射鏡的掃描照明光束的直接耦入；
圖7B和圖7C是圖7A的顯示器的局部視圖，示出了根據本發明的不同實現方式的與內部耦入反射器的間隔對應的損失圖像照明量的變化；以及
圖8是根據本發明的另一變型實現方式的包括多個內部耦入反射器的波導的示意性等距視圖，所述多個內部耦入反射器相對於矩形波導的兩個軸傾斜地部署。
本發明是用於顯示器的光學系統，其在圖像投影儀與波導之間採用反射耦入構造。
參照圖式和所附說明可以更好地理解根據本發明的光學系統的原理和操作。
作為介紹，近眼顯示器設計中的限制因素之一是填充波導入射光瞳所需的圖像投影儀的尺寸和重量。將參照圖3A至圖3D進一步說明這些考慮因素。
為了在擴展孔徑上獲得均勻的強度，注入的光束的初始孔徑應該是均勻的，並且應該“填充”波導。術語“填充”在此上下文中用於指示與直接圖像和反轉圖像(直接圖像和反轉圖像在沿著LOE通過內反射傳播期間進行互換)兩者中的每個點(圖元)相對應的光線跨波導的截面的整個厚度而存在。概念上，這種性質意味著，如果波導在任何點被橫向切割，並且如果具有針孔的不透明片然後被放置在切割端之上，則針孔可以放置在跨波導厚度的任何地方，並且將引起直接圖像和對應的反轉圖像兩者的完整投影圖像。在待填充的波導是矩形截面波導(在矩形截面波導中圖像通過在正交的兩對主外表面處的四重內反射來傳播)的情況下，波導的“填充”應當跨截面的兩個維度，使得位於跨波導的厚度或寬度的任何點處的針孔將導致投影所有四個對應圖像，其中在傳播期間在所述四個對應圖像之間交換能量。
圖3A中示意性地示出了波導101。光可以借助於從主平行波導表面102的全內反射(TIR)在波導內傳播。如果在任何波導截面105處存在兩個光束103和光束104，一個光束(光束103)向上傳播，而另一個光束(光束104)向下傳播，則對於給定的視場(Field-Of-View,FOV)點波導孔徑得到填充。
圖3B示出了使用具有反射表面107的楔形物106的耦合。光束103和光束104由POD(未示出)發射，並且在來自楔形物表面107的反射之後通過TIR在波導101內被引導。然而，光束103在到達波導入口之前比光束104多經歷一次內反射。結果，在波導截面105處，光束103向上傳播，並且光束104向下傳播，結果是波導孔徑的完全填充。
圖3C類似於圖3B，但是示出了與擴展的角視場(FOV)的極限以及POD的出射孔徑的邊緣相對應的光線。POD孔徑由屬於圖3所示的極限FOV 的邊緣光線108和邊緣光線109限定。POD孔徑的尺寸D隨著耦合楔形物的高度h減小而變小。然而，隨著楔形物的高度h減小，平行於光線108的光線可以經歷來自楔形物反射表面107的第二次反射並且變成不想要的重影光線。為了避免顯示的退化，這樣的光線必須由楔形物的表面111阻擋，如圖3D所示。在圖3D中，楔形物的高度h0是可能的重影光線被楔形物表面111阻擋的最小高度。高度h0限定了最小可能POD孔徑D0。
圖4至圖8示出了根據本發明的各個實施方式構造和操作的光學系統的各種實現方式。儘管相信各個實施方式具有各種專利性不同的特徵，但概括而言，實施方式的至少子集可以如下以通用術語來描述。該系統包括：光導光學元件(LOE)，其由透明材料形成並且具有相互平行的用於通過內反射引導光的第一主外表面和第二主外表面；投影儀，其被構造成投影對應於準直圖像的照明；以及反射耦入元件，其與該LOE相關聯並且提供耦入構造的至少一部分。耦入構造包括與第一主外表面共面的圖像注入表面，圖像照明通過該圖像注入表面從圖像注入表面被注入。如本領域已知的，通過在表面附近留下空氣間隙或其他低折射率材料以提供全內反射的條件，或者通過提供角度選擇性多層電介質塗層，圖像注入表面對於以大於主外表面的臨界角的入射角入射的光線是內部反射的。耦入構造還包括與主外表面成斜角的反射器表面，以及平行於反射器表面的部分反射表面。反射器表面和部分反射表面被部署成使得準直圖像的照明的強度的第一部分被部分反射表面反射，並且準直圖像的照明的強度的第二部分被反射器表面反射並且被部分反射表面透射，強度的第一部分和第二部分兩者都貢獻於耦合到該LOE中以通過主外表面處的內反射在LOE內傳播的圖像照明。
圖4示出了根據本發明的實施方式的光學系統的第一實現方式，其中反射耦入元件包括附接至LOE 101的楔形棱鏡106以及附接至第一表面113的平行面對板(Parallel-faced Plate)112，該楔形棱鏡提供與主外表面102成斜角的第一表面113。部分反射表面設置在楔形棱鏡106與板112之間的介面(對應於表面113)處，並且反射器表面設置在板112的第二面114處。
這裡優選選擇楔形物106具有超過LOE 101的高度h0，h0對應於 避免波導中的重影所需的最小高度(如以上參照圖3D所討論的)。板112與楔形物106光學接觸，其中表面113處的介面優選地是半反射的，並且側面114優選地是100%反射的。在某些實現方式中，部分反射表面的反射率可以被選擇為約38%，使得反射圖像具有與兩次透射圖像相同的強度。反射器114生成向下傳播通過波導的截面105的光束，如圖4中可見，其中光線109和117示出為示例。半反射表面113生成在波導的截面105處既向上傳播又向下傳播的光束。
比較圖4和圖3D，可以看到光線108現在被光線117代替。結果，可以使所需的POD孔徑尺寸小了光線108與光線117之間的距離(指定為g)。
應注意的是，在該實現方式中，將楔形棱鏡106和LOE 101優選地接合以形成光學連續體。因此，兩個元件在何處接合通常並不重要。例如，在某些情況下，LOE 101的邊緣可以以錐形區域形成，在該錐形區域添加了薄的楔形部分，如圖3B至圖3D中所示的接合線所建議的。替選地，可以將較厚的楔形物附接至與圖4中的孔徑105相對應的LOE 101的平坦端面。這兩個製造選項在光學上是等效的。在前一種情況下，圖像注入表面130實際上與LOE 101的第一主外表面102一體形成。
儘管這裡示出的是提供總共兩個反射耦入表面的單個板112，但是將清楚的是，該結構可以使用兩個或更多個這樣的板來實現，以提供三個或更多個反射耦入表面。在每種情況下，相繼的板的反射率優選地逐漸變化，其中在圖像照明遇到的第一反射器處的反射率最低，並且反射率相繼地增加，一直到最後一個反射器處的最大反射率，通常為100%。
現在轉到圖5，其示出了另一選項，根據該選項，LOE 101形成有成斜角的邊緣表面121，並且反射耦入元件使用附接至成斜角的邊緣表面128的平行面對板129來實現。部分反射表面設置在邊緣表面121與板129之間的介面處，並且反射器表面設置在板的第二面120處。當利用偏振管理實現時，該構造特別有用，其中121處的部分反射表面是被構造成反射第一偏振並且透射第二偏振的反射偏振器，而120處的反射器表面至少對於由部分反射表面透射的偏振是反射的(並且通常被實現為全反射器)。四分之一波片127優選地與圖像注入表面的至少一部分相關聯，以便將在圖像注入表面處內部反射的光在第一 偏振與第二偏振之間轉換。
通過參照如下所示的示例，可以理解該實現方式的操作。非偏振光線122通過附接至波導101的側面102的波片127進入。偏振器121將非偏振光線122分成透射的s分量(光線123)和反射的p分量(光線124)。光線123被反射鏡120反射，並且進一步借助於TIR在波導101內傳播。光線124經過波片127，經歷TIR，並且第二次經過波片127。結果，光線124的偏振改變，並且它變成s偏振光線125。光線125入射到偏振器121，但是由於其偏振已經切換到s，所以其不從偏振器121反射(從偏振器121反射會產生重影光線126)，而是被透射並且被板119的側面129阻擋。
以該方式，圖5所示的佈置消除了重影，否則重影將決定圖4所示的佈置中的楔形物的最小高度h0。由於楔形物高度的這種減小(圖5中的楔形物高度為零)，POD的孔徑D2與圖4中所示的佈置中的孔徑D1相比可以進一步減小。
圖4和圖5兩者的實現方式允許使用比使用傳統的反射耦入構造填充孔徑所需的投影儀孔徑小的投影儀孔徑(並且因此較小且較輕的投影儀結構)以投影圖像“填充”LOE的厚度尺寸。因此，如果圖像投影儀的出射孔徑具有第一尺寸D1或D2，並且LOE具有與LOE的厚度相對應的輸入光學孔徑105，則經由出射孔徑投影並從每個耦入反射器單獨地反射的準直圖像不足以填充LOE 101的輸入光學孔徑105，但是來自兩個耦入反射器的準直圖像的反射的組合填充LOE的輸入光學孔徑。
替選地，在可以容忍孔徑的不完全填充的情況下(例如，在通過附加元件補償孔徑的不完全填充的情況下，其中附加元件例如是將在下面參照圖7A至圖7C進一步描述的與LOE的主表面平行的部分反射內表面30)，圖4和圖5的構造允許投影儀的尺寸和重量的進一步減小，同時與使用傳統耦入構造所實現填充和/或均勻性相比實現更有效的部分填充和/或均勻性。
在以上兩個非限制性示例中，部分反射表面插在圖像注入表面與反射器表面之間，使得至少主光線的跨整個出射孔徑的照明的強度的第一部分由 部分反射表面反射，並且至少主光線的跨整個出射孔徑的照明的強度的第二部分由部分反射表面透射、由反射器表面反射並且由部分反射表面透射。在某些優選的示例中，反射器表面和部分反射表面被部署成使得跨整個出射孔徑的整個角視場的照明的強度的第一部分由部分反射表面反射，並且跨整個出射孔徑的整個角視場的照明的強度的第二部分由部分反射表面透射、由反射器表面反射並且由部分反射表面透射。
以上佈置也可以用於耦入到板型LOE或矩形截面LOE，其中，板型LOE使用兩個主外表面在一個維度引導圖像照明，矩形截面LOE使用四個主外表面(正交的兩對平行表面)通過四重內反射在兩個維度引導圖像照明。
現在轉到圖6A至圖8，這些圖示出了本發明的另一組實現方式，其中反射器表面和部分反射表面在LOE內部並且位於第一主外表面與第二主外表面之間，並且在本文中可互換地稱為“小平面”。根據下面將進一步討論的各種設計考慮因素，反射器表面和部分反射表面可以有利地是位於第一主外表面與第二主外表面之間的一組至少三個(並且在一些情況下是4、5或更多個)相互平行的反射器(小平面)的一部分。
圖6A示出了光學器件20與耦合小平面48的組合。光學器件20將掃描反射鏡12的平面成像到小平面48所在的波導的入口上。因為光束僅照射一個位置，所以需要最小數量的小平面48，並且損耗相對較小。
通過使用幾個交疊的小平面實現孔徑擴展。例如，如果雷射光束具有1mm的寬度並且小平面寬度是3mm(需要對小平面的完整照明)，則三重交疊小平面將完成孔徑擴展(其他交疊數量是可能的)。這被示為小平面48A、小平面48B和小平面48C(當總體提及時，在本文中將其一般地稱為小平面48)。在未通過微透鏡陣列進一步加寬光束的情況下，使用1mm雷射光束工作可以允許使用高度緊湊的光學器件20，並且與以其他方式實現的POD設計相比的小得多且輕得多的POD設計是可行的。
優選地，小平面48A具有最大反射率(例如100%)，48B具有較低反射率(例如50%)，並且小平面48C具有最低反射率(例如25%)。如箭頭46 示意性地指示的，一些光在多次小平面反射之後將損失。小平面48之間的緊密間隔可以使這種損耗最小化，因為相鄰小平面之間的多次反射將導致額外的強度耦合到波導中，並且較少的強度作為損耗46損失，從而將效率提高到我們的示例的小平面48C的25%起始點以上。
儘管到目前為止在鐳射掃描圖像投影儀的非限制性上下文中進行了說明，但是可以使用相同的原理和結構類似的實現方式來有利地減小其他類型的圖像投影儀的孔徑要求，並且因此減小其尺寸和重量。作為示例，圖6B示出了採用以下圖像投影儀的實現方式，該圖像投影儀使用LCOS SLM並且經由交疊小平面49的佈置將圖像注入LOE中。這裡使用術語“重疊小平面”來指代這樣的幾何結構：其中至少三個相互平行的反射器處於部分交疊的關係，使得大部分照明光線在至少兩個相互平行的反射器處被至少部分地反射。
該示例的圖像投影儀包括偏振分束器50、LCOS晶片52和具有相關聯的波片的反射準直透鏡54。當使用進入波導的小輸出孔徑時，該投影系統的尺寸顯著減小，並且通過交疊小平面49執行孔徑擴展。
在圖6B的上下文中示出但同樣可應用於本發明的採用交疊小平面耦入佈置的其他實施方式的另一有利特徵是使用跨越波導的厚度的不同部分的部分反射表面(小平面)。因此，如圖6B所示，LOE具有在第一主外表面與第二主外表面之間的厚度，並且多個小平面跨越厚度的不同部分，使得在相互平行的反射器中的第一反射器處部分地透射並且在相互平行的反射器中的第二反射器處至少部分地反射的照明的至少一條光線通過第一主表面和第二主表面處的內反射在LOE內傳播，而不會再次射到相互平行的反射器中的第一反射器上。部分反射表面部署於其之內的優選分佈對應於以下體積：來自圖像投影儀出射孔徑的光線可以在該體積內入射到這些小平面上。這又取決於出射孔徑的位置，該出射孔徑取決於照明光闌(此處未示出)的光瞳成像，可以在LOE的表面處或在LOE厚度內的某處。因此，部分反射的耦入表面的最終最優部署可以對應於如在截面中看到的梯形形狀(在圖6B中示為虛線)或者可以是矩形或其他形狀──這取決於圖像投影儀的出射孔徑的位置。該出射孔徑是照明器表面53的圖像。
如前所述，至少三個相互平行的反射器中的相繼反射器優選地具有順序變化的反射率，其中注入圖像遇到的第一反射器處的反射率最低，並且隨後的小平面處的反射率依次增加，最優選地在最後的表面處終止於全(100%)反射器。
圖6C示意性地示出了使用基於通過準直透鏡58投影的有源矩陣(例如微LED)56的圖像投影儀並且具有在交疊小平面48上的出射孔徑的本發明的實施方式。
至此，已經在圖像投影儀的上下文下描述了本發明，該圖像投影儀使整個投影的準直圖像準直，該準直圖像填充投影儀出射孔徑，該投影儀出射孔徑可以由圖像的主(中心)光線幾何地限定，該圖像的主(中心)光線可以被用來限定投影儀的光軸和圍繞主光線的角視場。這允許有利地使用照明光闌到圖像投影儀的出射孔徑的“光瞳成像”。
然而，本發明的某些實現方式採用來自掃描裝置的掃描照明光束通過光學系統的圖像注入表面的直接注入，即，沒有介於中間的具有光焦度(optical power)的部件。圖7A至圖7C示意性地示出了這樣的實現方式的示例。
圖7A示出了反射小平面140，該反射小平面140以與圖6A等同的方式交疊，但是延伸跨過來自掃描器12的光束的整個掃描覆蓋區(footprint)。耦入小平面的間隔優選地使得來自掃描器12的每個光束在殘餘光46(這裡示為虛線箭頭)從波導逸出之前被至少兩個小平面部分地反射。在需要進一步增強均勻性的地方，可以選擇性地包括與波導的主表面平行的部分反射器30。
圖7A中所示的向內耦合小平面140和向外耦合小平面204的取向不平行。這允許使用位於LOE的同一側的掃描裝置來注入圖像，使用者從該側觀看輸出圖像，這可以具有人機工程學和美學優點，但使製造工藝複雜化。可以有一種替選的實現方式，其中向內耦合小平面和向外耦合小平面都是平行的(未示出)，這有利於製造。在這樣的實現方式中，掃描裝置12應當放置在LOE的遠離用戶的一側。
圖7B更詳細地示出了跨耦入小平面141的掃描場，耦入小平面141 將圖像照明重定向到波導中。掃描光束的兩個極限角的位置(實線箭頭和虛線箭頭)限定了耦入所需的小平面40的數量。掃描角44越大以及反射鏡12距波導的距離越大，需要的小平面就越多。
假設對於所有視場角都需要均勻的功率，並且需要最大效率，則右側的第一小平面將具有100%的反射率，第二小平面50%、第三小平面25%、第四小平面12.5%和第五小平面(圖5B中左側的最後一個)是6.25%。來自第一小平面的光將作為損耗46被耦出，因此總耦合效率可以近似為大約6.25%。交疊小平面(如圖7A或圖6A中)將減少這種輸出耦合，從而提高效率。
圖7C示出了根據掃描光束在小平面上的投影來改變這些小平面142之間的間隔的實施方式。因此，第一小平面(在右側)與下一小平面具有大的間隔，而最後小平面(在左側)的間隔較窄。因此，這樣的構造需要較少的小平面，並且損失的能量46較少。在圖5C的示例中，只需要四個小平面，因此效率是12.5%，是圖5B中的構造的效率的兩倍。
所有以上耦入構造也可以被實現為用於耦合到2D(矩形截面)波導中。這可以以兩種方式實現：
1.耦合到1D(板型)波導部分，隨後從該第一部分耦合到與第一波導正交的第二2D波導。這些轉變中的一個或兩個的耦合可以通過如上所述的多個小平面佈置來執行。
2.替選地，這種方法可以用於使用如圖8所示的在兩個維度上傾斜的多個小平面將投影圖像直接耦入到2D波導中。在這種情況下，所有小平面154相對於2D波導150的x軸和y軸(即，相對於兩組正交外表面)兩者斜向傾斜。
應當理解的是，以上說明僅用作示例，並且在如所附請求項限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式也是可能的。
101:波導
102,111,113,130:面
105:波導截面/孔徑
106:楔形棱鏡
108,109,117:光線
112:板
114:面/反射器
115,116,118:光束
D1:孔徑
g:距離
h0:高度

Claims (17)

  1. 一種光學系統，包括：
    (a)光導光學元件(LOE)，其由透明材料形成，並且具有用於通過內反射引導光的相互平行的第一主外表面和第二主外表面；
    (b)投影儀，其被構造成投影對應於準直圖像的照明；
    (c)反射耦入元件，其與所述LOE相關聯並且提供耦入構造的至少一部分，所述耦入構造具有：
    (i)與所述第一主外表面共面的圖像注入表面，所述投影儀與所述圖像注入表面相關聯，並且被定向成使得所述照明通過所述圖像注入表面被注入，所述圖像注入表面對於以大於所述主外表面的臨界角的入射角入射的光線是內部反射的，
    (ii)與所述主外表面成斜角的反射器表面，以及
    (iii)平行於所述反射器表面的部分反射表面，
    所述反射器表面和所述部分反射表面被部署成使得所述準直圖像的照明的強度的第一部分被所述部分反射表面反射，並且所述準直圖像的照明的強度的第二部分被所述反射器表面反射並且被所述部分反射表面透射，所述強度的第一部分和第二部分兩者都貢獻於耦合到所述LOE中以通過所述主外表面處的內反射在所述LOE內傳播的圖像照明。
  2. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述投影儀被構造成經由出射孔徑投影對應於所述準直圖像的照明，所述照明以限定所述投影儀的光軸的主光線和圍繞所述主光線的角視場從所述出射孔徑出射。
  3. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述出射孔徑具有第一尺寸，並且其中，所述LOE具有與所述LOE的所述厚度相對應的輸入光學孔徑，其中，經由所述出射孔徑投影並且從所述第一耦入反射器和所述第二耦入反射器中的每一個反射的準直圖像不足以填充所述LOE的所述輸入光學孔徑，並且 其中，所述準直圖像的來自所述第一耦入反射器和所述第二耦入反射器兩者的反射的組合填充所述LOE的所述輸入光學孔徑。
  4. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述部分反射表面介於所述圖像注入表面與所述反射器表面之間，使得跨整個所述出射孔徑的至少所述主光線的照明的強度的所述第一部分由所述部分反射表面反射，並且跨整個所述出射孔徑的至少所述主光線的照明的強度的所述第二部分由所述部分反射表面透射、由所述反射器表面反射並且由所述部分反射表面透射。
  5. 如請求項4所述的光學系統，其中，所述反射器表面和所述部分反射表面被部署成使得跨整個所述出射孔徑的整個角視場的照明的強度的所述第一部分由所述部分反射表面反射，並且跨整個所述出射孔徑的整個角視場的照明的強度的所述第二部分由所述部分反射表面透射、由所述反射器表面反射並且由所述部分反射表面透射。
  6. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述反射耦入元件包括：
    (a)楔形棱鏡，其附接至所述LOE並且提供與所述主外表面成斜角的第一表面；以及
    (b)平行面對板，其附接至所述第一表面，
    其中，所述部分反射表面設置在所述楔形棱鏡與所述板之間的介面處，並且所述反射器表面設置在所述板的第二面處。
  7. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述LOE形成有成斜角的邊緣表面，並且其中，所述反射耦入元件包括附接至所述成斜角的邊緣表面的平行面對板，其中，所述部分反射表面設置在所述邊緣表面與所述板之間的介面處，並且所述反射器表面設置在所述板的第二面處。
  8. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述部分反射表面是被構造成反射第一偏振並且透射第二偏振的反射偏振器。
  9. 如請求項8所述的光學系統，還包括與所述圖像注入表面的至少一部分相關聯的四分之一波片，以將在所述圖像注入表面處內反射的光在所 述第一偏振與所述第二偏振之間轉換。
  10. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述反射器表面和所述部分反射表面在所述LOE內部，並且位於所述第一主外表面與所述第二主外表面之間。
  11. 如請求項10所述的光學系統，其中，所述反射器表面和所述部分反射表面是位於所述第一主外表面與所述第二主外表面之間的一組至少三個相互平行的反射器的一部分。
  12. 如請求項11所述的光學系統，其中，所述投影儀包括：
    (a)光源，其生成至少一個光束；
    (b)掃描裝置，其被部署成在至少一個維度以角掃描運動偏轉所述至少一個光束；以及
    (c)調製器，其與所述光源和所述掃描裝置相關聯，並且被部署成與所述角掃描運動同步地調製所述至少一個光束的亮度，
    其中，所述偏轉光束從所述掃描裝置通過所述圖像注入表面被直接注入。
  13. 如請求項11所述的光學系統，其中，所述投影儀包括：
    (a)照明子系統，其限定照明光闌；
    (b)圖像平面，在所述圖像平面處形成圖像；
    (c)出射孔徑，所述準直圖像通過所述出射孔徑被遞送到所述LOE中；
    (d)照明光學器件，其部署在所述照明光闌與所述圖像平面之間的光路中；以及
    (e)準直光學元件，其被部署在所述圖像平面與所述出射孔徑之間的光路中，
    其中，所述照明光學器件和所述準直光學器件被構造成使得所述照明光闌被成像到所述出射孔徑。
  14. 如請求項13所述的光學系統，其中，所述LOE具有在所述 第一主外表面與所述第二主外表面之間的厚度，並且其中，多個所述至少三個相互平行的反射器跨越所述厚度的不同部分，使得：在所述相互平行的反射器中的第一反射器處部分地透射並且在所述相互平行的反射器中的第二反射器處至少部分地反射的所述照明的至少一條光線在未再次射到所述相互平行的反射器中的所述第一反射器上的情況下通過所述第一主表面和所述第二主表面處的內反射在所述LOE內傳播。
  15. 如請求項11所述的光學系統，其中，所述反射器表面具有第一反射率，並且其中，所述至少三個相互平行的反射器中的相繼的反射器具有依次減小的反射率。
  16. 如請求項11所述的光學系統，其中，所述至少三個相互平行的反射器呈部分交疊的關係，使得所述照明的大部分光線在所述相互平行的反射器中的至少兩個處被至少部分地反射。
  17. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述LOE具有垂直於所述第一主外表面和所述第二主外表面的相互平行的第三主外表面和第四主外表面，所述LOE通過在所述第一主外表面、所述第二主外表面、所述第三主外表面和所述第四主外表面處的四重內反射來引導光。
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