TWI839454B - 包括具有二維擴展的光導光學元件的光學系統 - Google Patents

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TWI839454B TW109102908A TW109102908A TWI839454B TW I839454 B TWI839454 B TW I839454B TW 109102908 A TW109102908 A TW 109102908A TW 109102908 A TW109102908 A TW 109102908A TW I839454 B TWI839454 B TW I839454B
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Abstract

一種光學系統，包括光導光學元件(LOE，Light-guide Optical Element)，該光導光學元件具有處於不同取向的第一組相互平行的部分反射表面和第二組相互平行的部分反射表面。兩組部分反射表面均位於平行主外表面之間。部署在耦入區域處的第三組至少部分反射表面接收從具有光學孔徑的投影儀注入的圖像照明，該光學孔徑具有第一面內寬度，並且第三組至少部分反射表面經由圖像照明的至少一部分在第三組至少部分反射小平面處的反射將圖像照明以有效光學孔徑朝向第一組部分反射小平面引導，該有效光學孔徑具有大於第一寬度的第二寬度。

Description

包括具有二維擴展的光導光學元件的光學系統
本發明涉及光學系統，並且特別地，本發明涉及包括用於實現光學孔徑擴展的光導光學元件(LOE，Light-guide Optical Element)的光學系統。
許多近眼顯示系統包括放置在使用者的眼睛之前的透明光導光學元件(LOE)或“波導”，其通過內反射在LOE內傳送圖像，然後通過合適的輸出耦合機制將圖像朝向使用者的眼睛耦出。輸出耦合機制可以基於嵌入的部分反射器或“小平面”，或者可以採用衍射圖案。下面的描述將主要涉及基於小平面的耦出佈置，但是應當理解，本發明的各種特徵也適用於衍射佈置。
US 6829095 B2的圖13中描述了採用內部正交小平面的波導內的二維孔徑擴展，該圖13在此再現為圖1A。在此，在括弧中呈現了參考現有技術圖式的圖式標記。來自投影儀(20)的光在波導內傳播，並且由小平面(22a)至(22c)朝向小平面(23)反射，該小平面(23)將光朝向觀察者耦出。
PCT公開WO 2019/142177 A1公開了採用非正交小平面的類似構思。該PCT公開的圖2和圖29在此分別再現為圖1B和圖1C。第一組小平面(這裡表示為(32))是非正交的，因此僅反射一種傳播模式。所示的兩種構造在包含兩組小平面的區域是交疊(圖1B)還是不交疊(圖1C)方面不同。
本發明是一種光學系統。
根據本發明的實施方式的教導，提供了一種用於將在耦入區域處注入的圖像照明朝向使用者引導以供觀看的光學系統，該光學系統包括由透明材料形成的光導光學元件(LOE)，該LOE包括：(a)第一區域，其包含具有第一取向的第一組平面型的相互平行的部分反射表面；(b)第二區域，其包 含具有不平行於第一取向的第二取向的第二組平面型的相互平行的部分反射表面；(c)一組相互平行的主外表面，該主外表面跨第一區域和第二區域延伸，使得第一組部分反射表面和第二組部分反射表面均位於主外表面之間，其中第二組部分反射表面與主外表面成斜角，使得通過主外表面處的內反射在LOE內從第一區域傳播到第二區域中的部分圖像照明被從LOE朝向用戶耦出，並且其中，第一組部分反射表面被定向成使得從耦入區域通過主外表面處的內反射在LOE內傳播的部分圖像照明被朝向第二區域偏轉，其中，光學系統還包括部署在耦入區域處的第三組平面型的相互平行的至少部分反射表面，該第三組至少部分反射表面被部署成：接收從具有光學孔徑的投影儀注入的圖像照明，該光學孔徑具有平行於主外表面測量的第一寬度；並且經由圖像照明的至少一部分在第三組至少部分反射小平面處的反射將圖像照明以有效光學孔徑朝向第一組部分反射小平面引導，該有效光學孔徑具有平行於主外表面測量的第二寬度，該第二寬度大於第一寬度。
根據本發明的實施方式的另一特徵，第三組至少部分反射表面具有按照圖像照明到達該第三組至少部分反射表面的順序相繼增大的反射率的第一序列，其中第一組部分反射表面具有按照圖像照明到達該第一組部分表面的順序相繼增大的反射率的第二序列，第二序列以小於第一序列的最後反射率的反射率開始。
根據本發明的實施方式的另一特徵，相繼增大的反射率的第一序列的最後反射率大於90%。
根據本發明的實施方式的另一特徵，被朝向第一組部分反射表面引導的圖像照明的大部分恰好經歷來自第三組至少部分反射表面的一次反射。
根據本發明的實施方式的另一特徵，被朝向第一組部分反射表面引導的圖像照明的大部分經歷來自第三組至少部分反射表面的兩次反射。
根據本發明的實施方式的另一特徵，第三組至少部分反射的表面被集成為LOE的一部分，並且位於主外表面之間。
根據本發明的實施方式的另一特徵，第三組至少部分反射表面平行於第一組部分反射表面。
根據本發明的實施方式的另一特徵，第三組至少部分反射表面不平行於第一組部分反射表面。
根據本發明的實施方式的另一特徵，第三組至少部分反射表面的表面間間距小於第一組部分反射表面的表面間間距。
根據本發明的實施方式的另一特徵，第三組至少部分反射表面中的每個至少部分反射表面的表面積小於第一組部分反射表面中的每個部分反射表面的表面積。
根據本發明的實施方式的另一特徵，第一區域和第二區域不交疊。
根據本發明的實施方式的另一特徵，還提供了一種用於投影具有圍繞光軸的角視場的准直圖像的圖像投影儀，該圖像投影儀光學耦合至LOE，以在耦入區域處經由第三組至少部分反射表面將准直圖像引入到LOE中，作為通過主外表面處的內反射在LOE內傳播的傳播圖像，該傳播圖像被第一組部分反射表面部分反射以生成通過主外表面處的內反射在LOE內傳播的經偏轉的傳播圖像，該經偏轉的傳播圖像被第二組部分反射表面部分反射以生成被從主外表面之一向外朝向使用者引導的耦出圖像。
2:投影儀
4L,4R,6L,6R,8:圖像
10:近眼顯示器
12:LOE(光導光學元件)
14:緊湊型圖像投影儀，POD
15:區域，第三組小平面
16:區域，第一組小平面
18:第二基板區域
20:投影儀，側部
22:控制器
22a,22b,22c,23,32,102,109,202,204,206,210,211:小平面(部分)
39:圓圈
100:孔徑寬度
104,106,110,108:反射光
107,200,207,209,252a,252b,255a,255b,258a,258b,260a,260b,262a,262b,266a,266b,270,280,290:波導(部分)，區域
250,253,256:塗層板
251,254,257:堆疊
264:薄(透明)蓋玻璃
285:耦合棱鏡
295:空氣間隙
1930A,1930B,1934,1938:光
在此僅通過示例的方式，參考圖式描述本發明，在圖式中：
上面討論的圖1A對應於美國專利第6,829,095 B2的圖13；
上面討論的圖1B和圖1C分別對應於PCT專利申請公佈第WO 2019/142177 A1的圖2和圖29；
圖2A和2B是使用根據本發明的教導構造和操作的光導光學元件(LOE)實現的光學系統的示意性等距視圖，其分別示出了自頂向下和側面注入的構 造；
圖3A和圖3B是部分反射內表面的不同間距對將來自具有給定光學孔徑寬度的投影儀的圖像照明在基板內從第一方向重新定向到第二方向的影響的示意圖；
圖4A是根據本發明的實施方式的教導的光導光學元件(LOE)的示意性前視圖，示出了從投影儀到朝向觀看者耦出的照明的光學孔徑的三階段擴展；
圖4B和圖4C是圖4A的LOE的兩個實現方式的示意性等距表示，該兩個實現方式對於孔徑擴展的前兩個階段分別使用正交和傾斜的部分反射內表面；
圖5A和5B分別是圖4A的LOE的變型實現方式的示意性前視圖和示意性等距視圖，在該變型實現方式中用於執行光學孔徑擴展的兩個階段的部分反射內表面被部署在至少部分交疊的區域中；
圖6是通過圖4C的LOE的各個傳播階段的圖像照明的相對方向在角空間(極座標)中的示意性表示；
圖7A和7B是圖4A的LOE的兩個另外的變型實現方式的示意性前視圖，示出了用於圖像照明的橫向注入的選項；
圖8A是圖4A的LOE的生產序列的示意性表示；
圖8B是圖5A的LOE的生產序列的示意性表示；
圖9是圖4A的LOE的另一變型實現方式的示意性前視圖，在該變型實現方式中LOE區域的幾何形式被修改；
圖10A和圖10B分別是圖4A的LOE的另一變型實現方式的示意性前視圖和示意性等距視圖，該變型實現方式採用矩形波導截面用於光學孔徑擴展的初始階段；
圖11A和圖11B分別是圖4A的LOE的另一變型實現方式在組裝之前和組裝之後的示意性等距視圖，該變型實現方式採用具有內部至少部分反射小平面的平板(slab)以用於沒有通過TIR(全內反射，Total Internal Reflection)進行的光引導的初始階段光學孔徑擴展；以及
圖12A和圖12B分別是圖4A的LOE的另一變型實現方式在組裝之前和組裝之後的示意性等距視圖，該變型實現方式採用具有內部至少部分反射小平面的平板以用於具有通過與LOE的主表面不平行的表面進行的光引導的初始階段光學孔徑擴展。
本發明的某些實施方式提供了一種光學系統，其包括用於實現用於諸如近眼顯示器的平視顯示器(其可以是虛擬實境顯示器，或更優選地是增強現實顯示器)的目的的光學孔徑擴展的光導光學元件(LOE)。
圖2A和圖2B示意性地示出了採用根據本發明實施方式的教導的LOE 12的常標示為10的近眼顯示器形式的設備的示例性實施方式。近眼顯示器10採用緊湊型圖像投影儀(或“POD”)14，其被光學耦合以便將圖像注入LOE(可互換地稱為“波導”、“基板”或“平板”)12，在LOE內，圖像光通過在一組相互平行的平面外表面處的內反射而在一個維度上被捕獲。彼此平行並且相對於圖像光的傳播方向傾斜的一組部分反射的表面(可互換地稱為“小平面”)的光衝擊也通過內反射在基板內被捕獲/引導，其中每個相繼小平面將一部分圖像光偏轉到偏轉方向。該第一組小平面沒有在圖2A和圖2B中各個示出，而是位於LOE的指定為16的第一區域中。在相繼小平面處的這種部分反射實現了第一維度的光學孔徑擴展。
在本發明的第一組優選但非限制性的示例中，上述小平面的組與基板的主外表面正交。在這種情況下，注入的圖像及其在第一區域16內傳播時經歷內反射的共軛都發生偏轉，並且成為在偏轉方向上傳播的共軛圖像。在替選的一組優選但非限制性的示例中，第一組部分反射表面相對於LOE的主外表面成斜角。在後一種情況下，注入圖像或其共軛形成在LOE內傳播的期望偏轉圖像，同時可以例如通過在小平面上採用角度選擇塗層使其它反射最小化，其中角度選擇塗層使得小平面對於由圖像所呈現的無需其的反射的入射角的範圍是相對透明的。
第一組部分反射表面將圖像照明從由全內反射(TIR)捕獲在基板內的第一傳播方向偏轉到同樣由TIR捕獲在基板內的第二傳播方向。
然後，經偏轉的圖像照明進入第二基板區域18，該第二基板區域18可以被實現為相鄰的不同基板或單個基板的延續，其中耦出佈置(另一組部分反射小平面或衍射光學元件)將圖像照明的一部分朝向位於被定義為眼動盒(EMB，Eye-motion Box)的區域內的觀察者的眼睛逐漸耦出，從而實現第二維度的光學孔徑擴展。整個設備可以針對每隻眼睛分別地實施，並且優選地相對於用戶的頭部被支承，其中每個LOE 12面向用戶的相應眼睛。在如這裡所示的一個特別優選的選項中，支承裝置被實現為具有側部20的眼鏡架，該側部用於相對於使用者的耳朵對設備進行支承。也可使用其它形式的支承裝置，包括但不限於頭帶、護目鏡或頭盔上懸掛的設備。
本發明的某些實施方式的特別優選的特徵是，光學系統還包括部署在耦入區域處的第三組平面型的相互平行的至少部分反射表面(“小平面”)。第三組小平面沒有在圖2A和圖2B中各個示出，而是由區域15指定。第三組小平面被部署為接收從具有平行於LOE 12的主外表面測量的第一寬度的光學孔徑的投影儀14注入的圖像照明，並且經由區域15中的小平面對圖像照明的至少一部分的反射將圖像照明朝向具有有效光學孔徑的第一區域16中的第一組部分反射小平面引導，該有效光學孔徑具有平行於LOE的主外表面測量的更大的第二寬度。這種孔徑擴展的意義將在下面進一步討論。
第三組小平面15***在耦合區域處在投影儀14與第一組小平面16之間的光路中。在本文中短語“在耦合區域處”用於包括第三組小平面在耦合區域處併入LOE中的情況和第三組小平面在LOE外部的情況兩者，這兩種選項將在下面詳細地舉例說明。
在圖式和申請專利範圍中，參考在LOE的第一區域的大致延伸方向上水平地(圖2A)或豎直地(圖2B)延伸的X軸，以及垂直於X軸延伸的Y軸，即在圖2A中豎直地和在圖2B中水準地延伸。
非常近似地說，第一LOE或LOE 12的第一區域16可以被認為實現了X方向上的孔徑擴展，而第二LOE或LOE 12的第二基板區域18實現了Y方向上的孔徑擴展。應當注意，如圖2A所示的取向可以被認為是“自上而下”的實現方式，其中進入LOE的主要(第二區域)的圖像照明從頂部邊緣進 入，而圖2B所示的取向可以被認為是“側面注入”的實現方式，其中在此被稱為Y軸的軸是水準部署的。在其餘的圖式中，本發明的某些實施方式的各種特徵將在“自上而下”的取向的上下文中示出，類似於圖2A。然而，應當理解，所有這些特徵同樣適用於也落入本發明的範圍內的側面注入的實現方式。在某些情況下，除非明確排除，否則其它中間取向也是適用的，並且包括在本發明的範圍內。
本發明的設備所採用的POD優選地被配置成生成准直圖像，即，其中每個圖像像素的光是准直到無窮遠的平行光束，其中角方向對應於像素位置。因此，圖像照明跨越對應於二維角視場的角度範圍。
圖像投影儀14包括至少一個光源，其通常被部署成照射空間光調製器，例如LCOS晶片。空間光調製器調製圖像的每個像素的投影強度，從而生成圖像。或者，圖像投影儀可以包括掃描裝置，該掃描裝置通常使用快速掃描鏡來實現，其跨投影儀的圖像平面掃描來自鐳射光源的照明，同時光束的強度逐像素地隨著運動同步變化，從而為每個像素投影期望的強度。在這兩種情況下，提供准直光學器件以生成被准直到無窮遠的輸出投影圖像。如本領域所公知的，上述部件中的一些或全部通常佈置在一個或更多個偏振分束器(PBS，Polarizing Beam-splitter)立方體或其它棱鏡裝置的表面上。
圖像投影儀14到LOE 12的光學耦合可以通過任何合適的光學耦合來實現，例如經由具有成斜角的輸入表面的耦合棱鏡，或經由反射耦合裝置，經由LOE的側邊緣和/或主外表面之一。在第三組小平面15位於LOE外部的情況下，第三組小平面優選地與耦入裝置集成，如下面將參照圖11A至圖11C舉例說明的。耦入構造的進一步細節對於本發明不是關鍵的，並且在此僅示意性地示出。
應當理解，近眼顯示器10包括各種附加部件，通常包括控制器22，該控制器22用於通常採用來自小的搭載的電池(未示出)或一些其他合適的電源的電力來致動圖像投影儀14。應當理解，控制器22包括所有必要的電子元件，例如至少一個處理器或處理電路，以驅動圖像投影儀，所有這些都是本領域已知的。
現在轉到圖3A和圖3B，其通過第一組部分反射內表面示意性 地示出了來自具有一定寬度的光學孔徑的投影儀的圖像照明的幾何結構。為了獲得均勻的光照明，投影儀的孔徑的寬度100必須使得來自一個小平面的反射光線與來自下一個小平面的反射光線是連續的以避免顯示器中的黑線。在一些情況下，期望存在足夠的交疊，使得每個觀看方向接收來自兩個或更多個小平面的反射，並且最優選地接收來跨孔徑的恒定數量的小平面的反射，從而增強所觀看圖像的均勻性。圖3A和圖3B示出了其中由來自具有孔徑寬度100的投影儀2的光束照射不同數量的小平面(102和109)的情況。反射光(104、106、110和108)朝向其它小平面(在此圖中未示出)傳播。優選地，照射完整且恒定數量的小平面。在圖3A中，該數量在2和3之間變化，而在圖3B中，數量是恒定的，其中兩個小平面有助於跨整個孔徑的輸出。孔徑寬度100越寬，則被照射的小平面越多，傳輸的圖像越均勻。
對於預定義的小平面間隔，必須相應地修改孔徑寬度以生成均勻的圖像。因此，大的小平面間距要求使用大的孔徑。小平面跨波導的緊密間隔增加了生產複雜性和成本。另一方面，生產大孔徑投影儀增加了投影儀尺寸。根據本發明的一個方面，通過在投影儀和上面稱為第一組小平面之間執行初始階段光學孔徑擴展，這些衝突的設計考慮因素得以協調。這是使用附加的一組小平面(在此稱為“第三組至少部分反射內表面”)來實現的。
圖4A示意性地示出了根據本發明的這個方面的波導的正視圖。投影儀2的孔徑很小。源自該投影儀的兩個箭頭表示該孔徑的邊緣的光線。來自該投影儀的光被耦合至具有小平面202(其是初始的附加“第三”組小平面)的波導部分200中。當光在該部分200中傳播時，光在LOE的平面中的橫向孔徑尺寸(“寬度”)隨著光通過從相繼小平面202朝向部分207的反射被部分地重定向而擴展，其中部分207包括小平面204(上文稱為“第一”組小平面)。從小平面204反射的光被重定向為朝向包括小平面206(上文稱為“第二”組小平面)的部分209，以便朝向觀看者耦出。
圖4B示出了圖4A的等距視圖。這裡可以看出，部分200具有與207和209相同的寬度(波導厚度)，使得部分200、207和209集成在連續的LOE內，夾在相互平行的外表面之間。這些部分各處的引導是通過來自這些 外表面的全內反射(TIR)進行的。優選地，各部分之間的光傳輸沒有干擾或不連續，並且為了便於理解，在各個視圖(例如，圖4A、圖5A、圖7A、圖7B和圖9的正視圖)中在各部分之間示出分隔線。
小平面206被設計成透射場景光，允許觀看者直接越過LOE觀察外部場景，並且因此具有相對低的反射率，通常低於50%。在一些構造中，小平面204也被設計成透射場景光，並且因此也具有相對低的反射率，通常低於50%。在小平面204不是LOE的“觀看區域”的一部分的其他構造中，可以使用較高的反射率。小平面202優選地在LOE的觀看區域之外，並且因此無需透射場景。因此，優選地使用高反射率以獲得高的光傳輸效率。優選地，區域200中的最後一個小平面211具有至少90%的高反射率，並且優選地為100%的反射率。由於部分200沒有被設計成透射場景光，因此優選地將部分200覆蓋(未示出)，從而沒有外部光穿過它。替選地，波導的這個部分200塗覆有反射塗層，例如銀。
為了跨光學孔徑提供相對均勻的圖像照明強度，成組的部分反射表面中的一組或更多組，以及優選地每個組，最優選地具有按照圖像照明到達它們的順序相繼增加的反射率的序列。例如，對於波導區域200，具有33%、50%和100%反射率的3個小平面的序列有效地從每個相繼表面反射入射照明的大約三分之一。對於4個小平面的序列類似，25%、33%、50%和100%的值可以有效地從每個表面反射入射照明的大約四分之一。對於觀看者通過其來察看外部場景的觀看區域內的小平面，反射率值較低，並且小平面之間的比例增加較小，但是用於補償傳播圖像照明內剩餘的較低比例照明強度的漸增序列的基本構思保持相同。(在相繼小平面的理想反射率值相對接近的情況下，作為製造的簡化，LOE的區域中的兩個或更多個相繼小平面可以用相同的反射率值來實現，但是該序列由於其是單調增加的，因此仍然被稱為“相繼增加”，以提供上述增強均勻性的效果)。因此，例如，小平面204具有按照圖像照明到達小平面的順序的相繼增加的反射率的第二序列，其中第二序列以小於(小平面204的)第一序列的最後反射率的反射率開始。
在圖4A的構造中，被朝向小平面204引導的大部分圖像照明 恰好經歷來自小平面202的一次反射。小平面202的間距是接近的，從而確保被朝向小平面204重定向的圖像照明跨經擴展的有效孔徑的連續性，其中經擴展的有效孔徑如LOE部分207中所示的邊界箭頭所示。這允許針對小平面204使用較大間距，從而針對波導的較大部分降低了生產複雜性和成本。例如，如果小平面202將孔徑擴大3倍(使用具有逐漸增加的反射率的3個小平面)，則與沒有部分200的情況相比，小平面204可以具有大約三倍的間距。更一般地說，小平面204的間距通常大於小平面202的間距。另外，小平面202的表面積通常小於小平面204的表面積。結果，僅需要製造相對小體積的緊密間隔的小平面，同時降低了大部分LOE結構的複雜性和製造成本。
圖4B示出了部分200和207中的垂直於波導的主外表面的小平面。圖4C示出了一種替代實現方式，根據該實現方式，波導的兩個部分200和207的小平面與LOE的主表面成斜角，這裡稱為“扭轉小平面”。
圖5A和5B類似於圖4A和4C，但是示出了可以可選地以類似於上面提到的WO 2019/142177 A1中教導的相應選項的方式在波導的至少部分交疊的區域中實現小平面204和206。如圖5B所示，輸入孔徑擴展部分200優選地被實現以便跨越LOE的大部分厚度，並且優選地跨越LOE的整個厚度。
圖6示出了角空間中的小平面的圖像反射。該描述針對如圖4C和圖5中所描述的扭轉小平面。光作為1930A被耦合至波導200中成為圖像6L或6R之一。這兩個圖像表示當圖像照明沿著孔徑擴展部分200傳播時從LOE的主表面的來回的TIR反射。小平面202的反射被表示為1938到圖像4R和4L上。這些是通過TIR沿著部分207傳播的圖像。在該非限制性但特別優選的構造中，小平面202平行於小平面204，因此小平面204朝向部分209的反射也沿著1938從圖像4R到6L。這裡，6L和6R也表示沿著部分209傳播的圖像。換句話說，在部分200和209中傳播的圖像在角空間中是相同的。由部分209內的小平面206朝向觀察者耦出的反射被表示為從引導圖像6R到輸出耦合圖像8的1934。
圓圈39表示波導的TIR截止，並且平行於波導的平面。明顯的是，圖像4L和4R與波導的平面成對角──即，在角空間中矩形圖像的邊平行 和垂直於基板的主表面──而圖像6L和6R平行於波導的表面對準。實際上，構造用於平行耦入的投影儀2通常比構造用於對角耦入的投影儀更方便。結果，通過波導部分200的耦入有助於簡化投影儀的實現方式，並且因此即使經由不必顯著地擴展投影儀的有效光學孔徑的少量高反射率小平面，也會是有利的。
人體工程學考慮可以指示從波導的側面注入圖像，如圖7A和圖7B所示。在這種情況下，第一小平面210有利地以高反射率來實現，以便在由第一小平面透射的圖像照明和由隨後的小平面反射的圖像照明之間實現近似的均勻性。例如，如果在部分200中僅存在兩個小平面，則第一個小平面將具有50%的反射率，第二個小平面將具有100%的反射率。然而，如果存在四個小平面，則第一個小平面將具有75%的反射率(25%的透射率)、第二個小平面33%、第三個小平面50%和最後一個小平面(210)100%。替選地，小平面210可以以100%的反射率來實現，使得進入部分207的所有透射來自隨後的小平面。
圖7A中呈現的構造基於從1930B(參考圖6的角空間圖示)到反射1938至6L的小平面210的耦入。進一步的傳播如前所述。
圖7B示出了等效構造，其中部分200中的小平面處於相反的方向以實現投影儀2的不同位置。
在側面注入的情況下，第一個小平面210主要用作耦入小平面，並且是沿著小平面序列的相繼增加的小平面的反射率的一個例外，其中“序列”從第二個小平面開始。在這些情況下，被朝向小平面204引導的大部分圖像照明經歷來自小平面202的兩次反射。
圖8A示意性地示出了用於將波導與如圖4A至圖4C所述的部分集成的方法。將一組塗層板253黏合在一起以形成堆疊254並且將其切片255a，以生成部分207所需的小平面部分。將一組塗層板250黏合在一起以形成堆疊251並沿對角將其切片，以生成部分209所需的小平面部分(示為252a)，並且將第三組塗層板256黏合在一起以形成堆疊257，將堆疊257進行切片以生成部分258a(部分200所需的小平面)。將這三個部分組合260a並黏合262a。 膠水與波導折射率匹配，因此當光在部分之間通過時，對光引入的干擾最小。優選地，將薄蓋玻璃264黏合在波導的兩側，並且可選地還對其進行拋光，以生成具有光滑的平行TIR表面的波導266a。
圖8B示出了適用於圖5A和圖5B中所描述的架構的類似製造過程。部分252b、255b和258b以與圖8A中所示的相同的方式產生，除了258b的厚度是其他部分的兩倍之外。將252b和255b進行堆疊，同時將258b從側面進行放置，如260b中所示。將這些部分黏合在一起262b，並且將透明蓋玻璃264黏合作為覆蓋物，可選地還進行拋光，以生成單個波導266b。
如果希望在單個層中併入交疊的兩組小平面，這可以根據以上提及的WO 2019/142177 A1中參照圖11說明的技術來完成，其中在添加蓋片之前，將所得到的包含兩組小平面的波導部分與附接到側面的部分258b(對應於部分200的小平面)組合。
儘管到現在為止示出矩形波導部分，但是應當注意，部分的形狀可以根據引導光的傳播而改變。作為一個非限制性示例，根據圖像傳播的幾何結構，在某些情況下，波導內的圖像照明的擴展可能需要沿著傳播路徑加寬部分200和207，從而產生如圖9所示的波導形式。
儘管到現在為止示出了在一個維度上引導的LOE的集成部分，但是孔徑擴展的初始階段可以可選地以各種附加構造來實現，這些附加構造是未引導的、在不同軸線上引導的、或者在兩個維度上引導的，如現在將通過圖10A至圖12B的非限制性示例來舉例說明的。
在圖10A和圖10B的非限制性示例中，部分200被實現為矩形波導部分270，其在孔徑擴展圖像照明注入至波導部分107中之前、在初始孔徑擴展期間在兩個維度上引導圖像照明。優選地，提供空氣間隙295或模擬空氣間隙的一些光學層，以在波導部分270內除了被耦出處之外保持內反射。這樣的2D波導結構的示例可以在美國專利第10,133,070中找到，並且在此將不進行詳細描述。
圖11A和圖11B示出了另一選項，根據該選項，在不通過TIR 引導圖像照明的情況提供了耦入孔徑擴展小平面。在這種情況下，小平面202設置在比波導207的其餘部分寬的第一部分280中。在這種構造中，第一部分280中的光不受引導並且傳播通過第一部分280，同時在兩個維度上擴展。在這種構造中，優選地經由耦合棱鏡285實現向波導207的耦入。為了清楚起見，圖11A示出了與耦合棱鏡285分離的第一部分280。第一部分280和耦合棱鏡285的成角度取向有利於沿著波導207的厚度(如圖所示的豎直)維度的均勻照明。圖11B示出了附接至耦入棱鏡285之後的第一部分280。
圖12A示出了另一變型實現方式，根據該實現方式，在第一部分290中設置經由小平面202的第一階段孔徑擴展，其在不平行於波導207的一個維度上被引導。圖12B示出了在耦合棱鏡285頂部放置部分290，其中在耦合棱鏡285頂部設置空氣間隙295以便在部分290內保持TIR引導。
在除了本文明確描述的那些方面之外的所有方面，可以根據在平行PCT專利申請第PCT/IB2019/157572(其在本發明的提交日之前未公開並且不構成現有技術)中描述的選項範圍來實現第一組部分反射內表面204和第二組部分反射內表面206在公共波導內的佈置。
在本文所示的所有正視圖中，本發明的孔徑擴展由平行箭頭示意性地表示，該平行箭頭指示給定光線方向的光學孔徑的跨度，該給定光線方向對應於准直圖像的光軸上的中心像素。光軸實際上不在X-Y平面內，而是具有在頁面中的Z分量，該Z分量被選擇為使得視場(FOV，Field of View)的深度維度上的整個角度範圍在主基板表面處均發生全內反射。為了簡化表示，本文的圖形表示及其描述僅涉及光線傳播方向的面內(X-Y)分量，其在本文被稱為“面內分量”或“平行於LOE的主外表面的分量”。
如上面在圖3B的上下文中所述，上述所有原理也可以應用於“側向”構造，其中圖像從橫向位於觀看區域外的POD被注入，並且由第一組小平面豎直地擴展，然後由第二組小平面水準地擴展以耦合至用戶的眼睛中。上述所有構造和變型應當理解為也可應用於側向注入構造。
在整個以上描述中，已參照所示的X軸和Y軸，其中X軸是 水準的或豎直的，並且對應於光學孔徑擴展的第一維度，Y軸是對應於擴展的第二維度的另一主軸。在此上下文中，X和Y可以相對於設備在安裝於使用者的頭部上時的取向、沿通常由支承裝置(例如，圖3A和圖3B的前述眼鏡框架)限定的取向來定義。
儘管到現在為止已經在近眼顯示器的優選但非限制性示例的上下文中示出了本發明，但是應當注意，本發明的各方面的實施方式可以有利地用於其他應用，包括但不限於平視顯示器(HUD，Head-up Display)。特別感興趣的HUD的一個子集是用於車輛的HUD。
應當理解，以上描述僅旨在用作示例，並且在所附申請專利範圍所限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式也是可能的。
2:投影儀
202,204,206,211:小平面(部分)
200,207,209:波導(部分)，區域

Claims (10)

  1. 一種用於將在耦入區域處注入的圖像照明朝向使用者引導以供觀看的光學系統，所述光學系統包括由透明材料形成的光導光學元件LOE，所述LOE包括：(a)第一區域，其包含具有第一取向的第一組平面型的相互平行的部分反射表面；(b)第二區域，其包含具有第二取向的第二組平面型的相互平行的部分反射表面，所述第二取向不平行於所述第一取向；(c)一組相互平行的主外表面，所述主外表面跨所述第一區域和所述第二區域延伸，使得所述第一組部分反射表面和所述第二組部分反射表面均位於所述主外表面之間，其中，所述第二組部分反射表面與所述主外表面成斜角，使得通過所述主外表面處的內反射在所述LOE內從所述第一區域傳播到所述第二區域中的部分圖像照明被從所述LOE朝向所述用戶耦出，並且其中，所述第一組部分反射表面被定向成使得從所述耦入區域通過所述主外表面處的內反射在所述LOE內傳播的部分圖像照明被朝向所述第二區域偏轉，其中，所述光學系統還包括第三組平面型的相互平行的至少部分反射表面，所述第三組至少部分反射表面被集成為所述LOE的一部分並且位於所述耦入區域處在所述主外表面之間，所述第三組至少部分反射表面被部署成接收從投影儀注入到所述LOE中而經由所述主外表面處的內反射進行傳播的圖像照明，所述投影儀採用具有平行於所述主外表面測量的第一寬度的光學孔徑注入所述圖像照明，所述第三組至少部分反射小平面經由所述圖像照明的至少一部分在所述第三組至少部分反射小平面處的反射，將所述圖像照明重定向為採用有效光學孔徑、經由所述主外表面處的內反射朝向所述第一組部分反射小平面傳播，所述有效光學孔徑具有平行於所述主外表面測量的第二寬度，所述第二寬度大於所述第一寬度。
  2. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第三組至少部分反射表面具有按照所述圖像照明到達所述第三組至少部分反射表面的順序相繼增大的反射率 的第一序列，並且其中，所述第一組部分反射表面具有按照所述圖像照明到達所述第一組部分反射表面的順序相繼增大的反射率的第二序列，所述第二序列以小於所述第一序列的最後反射率的反射率開始。
  3. 如請求項2所述的光學系統，其中，相繼增大的反射率的所述第一序列的最後反射率大於90%。
  4. 如請求項1所述的光學系統，其中，被朝向所述第一組部分反射表面引導的所述圖像照明的大部分恰好經歷來自所述第三組至少部分反射表面的一次反射。
  5. 如請求項1所述的光學系統，其中，被朝向所述第一組部分反射表面引導的所述圖像照明的大部分經歷來自所述第三組至少部分反射表面的兩次反射。
  6. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第三組至少部分反射表面平行於所述第一組部分反射表面。
  7. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第三組至少部分反射表面不平行於所述第一組部分反射表面。
  8. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第三組至少部分反射表面的表面間間距小於所述第一組部分反射表面的表面間間距。
  9. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第三組至少部分反射表面中的每個至少部分反射表面的表面積小於所述第一組部分反射表面中的每個部分反射表面的表面積。
  10. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第一區域和所述第二區域不交疊。
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