CN101410745A - 基底导向成像透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学系统，该光学系统包括：基底，具有至少一个主表面和边缘；光学元件，用于通过全内反射将光耦合到所述基底中；由于所述基底承载的至少一个反射表面，以及至少一个延迟片；其特征在于至少一个反射光学元件，其中，所述延迟片位于所述基底的主表面的至少一部分和所述反射光学元件之间。

Description

基底导向成像透镜
技术领域
本发明涉及基底导向(substrate-guided)光学系统，具体来说，涉及包含由普通光传输基底承载的反射表面、延迟片和反射光学元件的布置的光学系统。这一系统也称为光导准直元件(LCE)。
本发明可以在大量的成像应用以及非成像应用中有益地实现，所述成像应用，例如，头戴式显示器和平视显示器、蜂窝电话、小型显示器、3-D显示器、小型扩束器，所述非成像应用，例如平板指示器、小型照明器和扫描器。
背景技术
小型光学元件的一个重要应用是在头戴式显示器中，其中光学模块既用作反射光学元件又用作组合器，在头戴式显示器中二维显示器在无限远成像并反射进观察者的眼中。该显示器可以直接从诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、扫描源的空间光调制器(SLM)或相似装置获得，或者间接地通过中继透镜或光纤束获得。该显示器包括元件(像素)阵列，该元件(像素)阵列通过准直透镜在无限远成像，并通过分别作为非看穿和看穿应用的组合器的反射或部分反射表面传输到观察者的眼中。通常，常规的、自由空间光学模块用于这些目的。随着系统的理想视场(FOV)的增大，这样的常规光学模块变得更大、更沉、更笨重，因此即使对于中等性能的装置也是不实用的。这对于各种各类的显示器都是一个主要缺点，尤其在系统必须尽可能地轻便和紧凑的头戴式应用中。
对紧凑的追求导致了若干种不同的复杂的光学解决方案，所有的这些解决方案，一方面对于大部分实际应用仍然不够紧凑，另一方面在可制造性方面受到主要缺点的影响。此外，由这些设计导致的光学视角的眼睛运动区(EMB)经常非常小——通常小于8mm。因此，即使对于相对于观察者的眼睛光学系统很小的移动该光学系统的性能也非常敏感，并且不允许瞳孔充分的移动以便从这些显示器舒适地读取文本。
包括在以申请人的名义的公开WO 01/95027、WO 2006/013565、WO 2006/085309、WO 2006/085310和PCT/IL2006/001278中的指导以引用的方式并入本文。
发明内容
除了其它应用，本发明促进了用于头戴式显示器(HMD)的非常紧凑的成像装置的设计和制造。本发明允许相对较宽的FOV与相对较大的EMB值一同实现。结果所得到的光学系统提供大的、高质量的图像，这样还允许眼睛在较大范围的移动。由于本发明提供的光学系统基本上比现有技术的状态更紧凑并且甚至可以容易地并入具有指定配置的光学系统中，因此本发明提供的光学系统特别有益。
本发明还能够构造改进的平视显示器(HUD)。自从这种显示器在三十多年前推出以来，在该领域有了显著的进步。的确，HUD已经变得普及并且它们现在扮演着重要的角色，不仅在大部分现代战斗机中，而且在民用飞机中，其中HUD系统已经成为低可见度降落操作的关键部件。此外，最近有很多用于汽车应用中的HUD的提议和设计，其中这些提议和设计可以潜在地在驾驶和导航任务中辅助驾驶员。不过，现有技术的HUD具有若干个明显的缺点。当前设计的所有HUD都需要显示光源，该显示光源必须弥补离组合器的较大的距离以便确保该光源照射整个组合器表面。结果，组合器投射器HUD系统必然成为笨重的、大的并且需要相当大的安装空间，这使得其安装不方便并且有时甚至使用起来不安全。常规的HUD的大光学孔径也提出了对光学设计的相当大的挑战，或者导致具有折衷性能的HUD，或者当需要高性能时导致高成本。高质量全息HUD的色散特别需要关注。
因此，本发明的主要目的是为了缓解现有技术的紧凑光学显示装置的缺点，并根据具体要求提供具有改善的性能的其它光学部件和系统。
本发明的另一目的涉及其在紧凑HUD中的实现，缓解前述的缺点。在本发明的HUD设计中，该组合器使用可以附着于基底的紧凑显示光源。因此，整个系统非常紧凑并且可以容易地以不同的配置安装从而用于较大范围的应用。另外，显示器的色散可以忽略不计，并且这样可以以宽的光谱源操作，包括常规的白光光源。另外，本发明扩大了图像，从而使得组合器的有效区域可以比由光源实际照射的区域大得多。
本发明的另一目的是为提供用于移动的、手持应用例如手机的具有宽FOV的紧凑显示器。在当今的无线互联网访问市场中，可以实现用于全视频传输的足够带宽。限制因素仍然在于终端用户的装置内的显示器质量。移动性要求限制了显示器的物理大小，结果是直接显示很差的图像观看质量。本发明能够实现具有非常大的可视图像的物理上非常紧凑的显示器。这一点在移动通信中是关键特征，特别是对于移动互联网访问，解决了其实际实施的一个主要限制。因此，本发明能够在小的手持装置例如手机或任何娱乐装置中观看全格式的互联网页面的数字内容。
因此，根据本发明，提供一种光学系统，该光学系统包括具有至少一个主表面和边缘的基底、用于通过全内反射将光耦合进所述基底的光学元件、由所述基底承载的至少一个反射表面、以及至少一个延迟片，该光学系统的特征在于至少一个反射光学元件，其中所述延迟片位于基底的主表面的至少一部分和所述反射光学元件之间。
附图说明
参考下述示例图结合某些优选实施例描述本发明，从而可以更全面地理解本发明。
就对附图的详细特定参考而言，强调了所示出的细节是通过举例的方式并且只是出于对本发明的优选实施例的示例性讨论的目的，并且由于提供被认为在本发明原理和概念方面是最有用和容易理解的描述的原因而提供这些细节。在这点上，没有试图去示出比基本上理解本发明所需的结构细节更详细的本发明的结构细节。就附图进行的描述是用来指导本领域技术人员实践中如何可以实施本发明的若干形式。
在附图中：
图1是示出根据本发明的用于使来自显示光源的输入光波准直的光学系统的视图；
图2是示出根据本发明的用于将来自显示光源的输入光波准直和耦合入LOE中的方法的视图；
图3是示出根据本发明的用于使来自硅基液晶(liquid crystal onsilicon)(LCOS)显示光源的输入光波准直的方法的视图；
图4a、图4b和图4c是示出根据本发明的用于使来自显示光源的输入光波准直和扩展它的方法的视图；
图5是示出根据本发明的用于通过使用场透镜和准直透镜使来自显示光源的输入光波准直的方法的视图；
图6是示出根据本发明的用于通过使用两个透镜来使来自显示光源的输入光波准直的方法的视图；
图7是示出根据本发明的用于通过使用两个透镜来使来自LCOS显示光源的输入光波准直的方法的视图；
图8a和图8b是示出根据本发明的用于通过使用三个透镜来使来自(a)LCD和(b)LCOS显示光源的输入光波准直的方法的视图；
图9是示出根据本发明的用于通过使用两个透镜来将来自LCOS显示光源的输入光波准直和耦合入LOE的方法的视图；
图10是示出现有技术的准直透镜的光学性能的视图；
图11是示出根据本发明的准直透镜的光学性能的曲线图；
图12是示出根据本发明的用于通过耦合入偏振敏感反射表面将偏振输入波耦合入光导光学元件的光学系统的视图；
图13是示出根据本发明的用于通过耦合入偏振敏感反射表面将来自显示光源的输入光波准直和耦合入LOE的光学系统的视图；
图14示出通过耦合入常规反射表面而耦合入LOE的两条边缘光线；
图15示出根据本发明的通过耦合入偏振敏感反射表面而耦合入LOE的两条边缘光线；
图16是示出根据本发明的用于将输入波耦合入还利用准直透镜的LOE的另一种方法的视图；
图17是示出根据本发明的通过使用准直透镜耦合入偏振敏感反射表面而耦合到LOE中的两条边缘光线；
图18是示出根据本发明的用于将来自显示光源的输入光波准直和耦合入LOE的另一个实施例的视图；
图19是示出根据本发明的用于使用两个透镜将来自显示光源的输入光波准直和耦合入LOE的另一个实施例的视图；
图20是示出根据本发明的用于使用角度敏感涂层将来自显示光源的输入光波准直和耦合入LOE的另一个实施例的视图；
图21和图22是示出分别对于s和p偏振光波的示例性角度敏感涂层的作为入射角的函数的反射率的曲线图；
图23a和图23b示出根据本发明的用于使用不同的延迟片将来自显示光源的输入光波准直和耦合入LOE的实施例；
图24示出根据本发明的用于使用两个具有角度敏感涂层的透明片将来自显示光源的输入光波准直和耦合入LOE的实施例；
图25示出根据本发明的将来自单独一个显示光源的输入光波准直入两个分开的图像中的实施例；
图26示出根据本发明的将来自单独一个显示光源的输入光波准直入两个分开的图像中的另一个实施例；
图27示出根据本发明的将来自单独一个显示光源的输入光波准直入两个分开的图像中的另一个实施例；
图28示出根据本发明的用于将来自显示光源的输入光波准直和耦合入两个分开的LOE的光学系统；
图29示出根据本发明的用于将来自显示光源的具有均匀偏振的输入光波准直和耦合入两个分开的光导光学元件的另一个光学系统；
图30示出根据本发明的用于将来自显示光源的具有均匀偏振的输入光波准直和耦合入两个分开的光导光学元件的另一个系统；
图31示出根据本发明的嵌入标准眼镜架的显示系统的实施例；
图32示出根据本发明的嵌入标准眼镜架的显示系统的实施例的前视图；以及
图33示出根据本发明的具有聚焦透镜的光学系统。
具体实施方式
现在将描述根据本发明的用于设计比现有技术的透镜更紧凑的具有所需的平面形状而又保持系统的理想的光学特性的透镜的更好的方法。
实现这两种表面上矛盾的要求并且利用在大部分微显示光源例如LCD或LCOS中光被线性偏振的事实的该方法在图1中示出。如图所示，来自显示光源112的s偏振输入光波18通过第一反射表面116耦合入基底114。在从基底的低表面118全内反射出来后，该波从偏振分束器120反射出并耦合到基底外。然后穿过四分之一波长延迟片122和透明表面123的该波接着由反射光学元件124例如透镜在其反射表面126处准直，再次返回穿过延迟片122，并通过低表面118重新进入基底114。现在的p偏振光波穿过偏振分束器120并通过上表面128从基底射出。
图2示出LCE 129怎样可以与光导光学元件(LOE)20结合，从而形成所需的光学系统。这样的LOE通常包括至少两个主平面和边缘、至少一个部分反射表面和用于将光耦合进其中的光学元件。来自LCE 129的输出波130通过LOE的下表面26进入LOE。入射波(进入LOE)从表面16反射并以与如图2所示相同的方式在LOE中被捕获。现在，包括显示光源112、折叠棱镜114、延迟片122和准直反射光学元件124的LCE 129可以轻松地集成到可以以相当宽松的机械公差独立于LOE进行组装的一个单独的机械模块中。另外，延迟片122和准直反射光学元件124可以粘合到一起以便形成一个单独的元件。或者，可以使用其它方法将这些组合成一个单独的元件，例如将四分之一波长的薄膜层叠到反射光学元件124的前表面上。
当使用LCOS装置作为显示光源时，这里示出的提出的成像方法的另一个优点证明了其自身。与LCD面板一样，LCOS面板包含由液晶填充的单元的二维阵列，该液晶响应控制电压扭曲和配向。但是，在LCOS中，液晶元件直接被移植到反射硅芯片上。当液晶扭曲之时，在下面的镜面表面反射后，光的偏振被改变或没有改变。与偏振分束器一起，这使光调制并产生图像。另外，反射技术意味着照明和成像光束共享相同的空间。这两个因素使得必须向光学模块添加特殊分光元件1以便使照明和成像功能能够同时操作。添加这样的元件通常会使光学模块变复杂，并且当使用LCOS作为显示光源时，某些使用前置耦合入元件或折叠棱镜的布置甚至将变得更大。但是，对于图1示出的成像方法，可以很容易地将照明单元加入光学模块而不必显著地增加系统的体积。
如图3所示，来自LCOS 112的输入光波18没有使用简单的反射镜，而是由偏振分束器132反射。完全棱镜(completing prism)134被添加到基底114以便形成平行六面体136。这里，从光源140发射的p偏振光波138穿过偏振分束器132并照射LCOS 112的前表面。来自“光”像素的反射光的偏振被旋转到s偏振，然后该光波如上述参考图1所示从分光器132反射出去。如果光源140是非偏振的，那么可以添加只传输理想偏振的偏振器142。显然，LCE 129仍然是紧凑的并且其保持其平面形式。
如上所述，决定准直透镜的体积的一个主要参数是准直透镜的输出孔径。通常，增大该输出孔径将相应地增加透镜的体积。但是，图4a、图4b和图4c示出了通过轻微地增大透镜体积将LCE 129的输出孔径增大两倍的方法。如图4a所示，完全棱镜144被添加到基底114以便形成平行四边形145。来自准直反射光学元件124的输出波130穿过四分之一波长延迟片146，被半反射表面148部分反射，返回穿过上表面128从而重新进入基底145。现在的s偏振光波从偏振分束器122反射出。然后，在从基底的上表面128全内反射出后，该波被反射并耦合出反射表面150。显然，耦合出的光波130的输出孔径为前面图1所示的大小的两倍。一个遗留下的要解决的问题是输出光波130的偏振均匀性。当波130R的右边部分是圆偏振的时，左边部分130L是线性s偏振的。图4b示出解决这种不均匀性的一种方法。四分之一波长延迟片152被添加到输出孔径的左侧，其中延迟片152的主轴方向相对于片146的主轴方向被旋转90°。在这种情况下，输出光波130是圆偏振的。图4c示出其中在输出孔径的右侧添加四分之一波长延迟片154的一种不同的方法，该输出孔径产生线性s偏振的输出光波130。在这种情况下，延迟片154的主轴方向平行于片146的主轴方向。
在图1到图4c示出的系统中，只使用了一个球面会聚透镜。对于某些光学方案，这可能足够了。但是，对于具有宽FOV和大输入孔径的其它系统，可能需要更高的光学质量。一种改善该系统的光学特性的方法是使用非球面或甚至非球面衍射透镜。另一种方法是使用多于一个的反射光学元件。
图5示出其中场透镜(field lens)156插入到显示光源和基底114之间的光学系统。该透镜可以用来校正该光学系统的色差和场差。
图6示出使用包括两个嵌入偏振分束器162和164、四分之一波长延迟片166和两个会聚透镜168和170的更大的基底160的光学系统。如图所示，p偏振输入光波18穿过第一偏振分束器162，然后被延迟片166和第一透镜168反射、部分会聚并改变成s偏振光。然后，其被从第一偏振分束器162、棱镜的低表面172，然后是第二偏振分束器164反射出去。然后，由延迟片166和第二透镜170反射、全准直并改变回p偏振光。然后，该波穿过第二偏振分束器164并穿过上表面128从基底出去。现在可以以与如图2所示相同的方式将入射波(进入LOE)捕获到LOE中。如果显示光源为LCOS装置，那么照明方法将不同于参考图3在上文所述的方法。
如图7所示，来自显示光源176的照明光波174穿过s偏振器178并由第一反射表面182耦合入基底180。在从基底的上表面184全内反射出后，该波被反射和耦合出偏振分束器162以便照射LCOS显示光源112。自然，可以在LCE 129中使用的元件数目不限于2个。
图8a和图8b示出分别具有作为显示光源的LCD和LCOS的准直透镜，其中第三透镜186被添加到光学链(optical train)中。通常，对于每个具体系统，在光学准直模块中的透镜的数目和类型将根据所需的光学参数、理想的性能和允许的体积来设置。
图9示出上面参考图6描述的光学模块的尺寸。光学参数与上述为具有耦合入元件和使用折叠棱镜例如在国际公开WO 2006/013565的图23中示出的棱镜的系统相同。即使显示光源是LCOS装置，在图9中示出的系统具有比上述系统小得多的体积。
图10和图11示出上述系统的MTF性能。如图所示，举例来说，该光学模块不仅包含代替以前系统的两个衍射非球面元件的两个球面透镜，而且也具有更好的性能。
其中输入波和输出波都位于基底的同一侧，利用在大部分微显示光源例如LCD或LCOS中光是线性偏振的事实的方法在图12中示出。在这里示出的实施例和现有技术之间的主要差别是没有使用均匀的反射镜作为耦合入元件，在这里，偏振分束器206被嵌入LOE 20中。即，表面206传输p偏振光并反射s偏振光。如图所示，来自LCE的输入光束130是p偏振的，因此通过表面206传输。在通过上表面27从LOE 20射出后，该光束入射到将入射光束会聚到圆偏振光的四分之一波长延迟片208。然后，被传输的光束由平坦反射镜210通过四分之一波长延迟片208反射回去。现在是s偏振的反射光束212通过上表面27进入LOE 20，并由偏振分束器206反射。反射光束214通过全内反射被捕获到LOE 20内部。明显地，延迟片208和反射表面210可以粘合到一起以便形成一个单独的元件。或者，可以使用其它方法将它们结合成一个单独的元件，例如在延迟片208的背面涂覆反射表面或者将四分之一波长的薄膜层叠到反射表面210的前表面。
图13示出具有在图3中描述的耦合入机制的LOE 20的整体结构。这种LOE满足两个要求：输入波和输出波位于基底的同一侧并且耦合入反射表面16被定向为平行于部分反射耦合出元件22。因此，这种结构可以在眼镜配置中实现并且还可以使用相对简单的工序制造。
另一个要考虑的问题是LCE 19的输出孔径，该输出孔径由LOE20的所需的输入孔径决定。图14示出常规LOE 20的孔径，其中耦合入元件是简单的反射镜16。如图所示，由系统的FOV的两个极端角的边缘光线确定。光线216和218分别是FOV的左角和右角的左边缘光线和右边缘光线。它们与LOE 20的下表面26的交点确定LOE的输入孔径Sin1。
图15示出用于LOE的所需的输入孔径，其中耦合入元件是上面参考图12描述的偏振分束器206。由于现在两条边缘光线216和218在由表面210反射回之前不得不横穿LOE的额外厚度T，因此在入射到耦合入元件之前所需的光路比以前更长。因此，所需的输入孔径Sin2比以前更大。Sin1和Sin2之间的差依赖于光学系统的各种参数。例如，在具有24度的水平FOV、2.5mm的片厚度和1.51的折射率的系统中，Sin1和Sin2之间的差是1mm。
图16示出显著地减少所需的输入孔径的方法。没有使用图15的平坦反射表面210，而是在延迟片208之后放置平凸透镜220。现在，为了将准直后的波耦合入LOE，通过下表面26进入LOE的波130应该是发散的。这些发散波由透镜220并通过背离该透镜的反射背面222的反射进行准直。然后，以与上面参考图12描述方法相似的方式将这些光捕获到LOE中。如上所述，延迟片208可以粘合或层叠到透镜100的前平坦表面224上。如图17所示，由两条边缘光线216和218确定的输入孔径Sin3现在小于Sin1。这一孔径小于Sin1的程度依赖于准直透镜220的光焦度。自然地，图15中示出的光学模块可以认为是图16中示出的模块的专用的情况，其中透镜220的光焦度降低到零。
通过使用准直透镜代替平坦反射表面，不仅实现了小得多的输入孔径，而且整个光学模块也可以比以前紧凑得多。图18示出使用上述方法的示例系统的整个光学布局。折叠棱镜228被用来将来自显示光源112的光耦合到LOE 20中。来自显示光源112的输入波18由第一反射表面230耦合入棱镜，然后由第二反射表面232耦合出，从而进入LOE，在LOE中这些光以与上面参考图16描述的方式相同的方式准直并捕获到LOE 20中。由于最后的会聚透镜现在位于LOE 20的耦合入元件206的邻近，因此在图18中示出的光学系统甚至可以比上面参考图1到图8b示出的使用准直模块的那些光学系统更紧凑。
与上面参考图5到图8b描述的那些相似，在这里，可以应用到准直模块中的元件数不限于一个。图19示出准直模块，其中第二透镜被添加到光学链。这里，完全棱镜233被加入基底228，在基底228中组合基底236的两个主平面234和235是平行的。而且，代替使用简单的反射镜，线栅偏振分束器237被嵌入到基底228和棱镜233之间，其中该格栅的主轴与图1的主轴相比旋转90°。即，在这里该偏振分束器被定向为反射p偏振并传输s偏振。如图所示，s偏振输入波18通过第一偏振分束器237并通过LOE 20的右边部分。然后，由延迟片208和具有反射背面239的第一透镜238将其反射、部分会聚并改变为p偏振光。然后，由第一偏振分束器237、棱镜的上表面234反射，接着由第二偏振分束器232反射。然后，穿过偏振分束器206，接着由延迟片208和第二透镜220反射、完全准直，并改变回s偏振光。然后，该波以与上面参考图16描述的方式相同的方式捕获到LOE中。
如上面参考图1所述，也是在图19中示出的配置中，延迟片208以及反射透镜220和238的前表面可以粘在一起以便形成一个单独的元件。但是，将LCE的所有不同的部件即：基底234、延迟片208和透镜220和238一起粘到LOE 20上以便形成一个具有简单得多的机械模块的紧凑元件。
图20示出模块，其中基底236的上表面234在界面平面240处粘到LOE 20的下表面26上，并且其中已经粘到透镜220和238上的延迟片208在界面平面242处粘到LOE 20的上表面27上。这里提出的配置的主要问题是粘接过程放弃了之前存在于LOE 20与基底234和延迟片208之间的空隙。这些空隙主要用于捕获在基底234内部的输入波18和在LOE 20内部的输出波212。如图20所示，被捕获的光波18应当从界面平面240上在点244和点246处反射，并且被捕获的光波212应当从界面平面242上在点248和点250处反射。因此，应当在这些平面上采用恰当的反射涂覆，或者在LOE 20的主表面26和27上或者在基底236和延迟片208的上表面上。但是，简单的反射涂覆不能轻易地采用，因为这些表面对于在示例点252处进入和离开LOE 20的光波也应当是透明的。该光波应当以小入射角穿过平面240和242，并以更高的入射角反射。在示出的例子中，穿过的入射角在0°和15°之间，反射入射角在50°和80°之间。
图21和图22示出，分别对于s偏振和p偏振，作为在适光区域：460nm、550nm和640nm中的三个具有代表性的波长的入射角的函数的反射率曲线。如图21所示，对于s偏振光波，可以实现在大入射角的高反射率(大于95％)和在小入射角的低反射率(小于5％)的所需的行为。但是，对于p偏振光，如图22所示，由于接近布儒斯特角，可以在50°到70°之间的入射角实现高反射率。
图23a和图23b示出克服这个问题的两种方法。对于这两种方法，来自显示光源的光波是线性p偏振的，并且格栅的主轴相对于图19和图20的格栅的主轴旋转90°。即，在这里偏振分光器被定向为使得反射s偏振并传输p偏振。现在，照射到点244和246的反射波是s偏振的，并且可以实现所需的反射率。图23a示出其中在反射表面232和基底236之间插入四分之一波长延迟片254的方法。这里，当穿过平面254两次并从表面232反射时，光波的偏振被旋转，并且现在p偏振光波被以上面参考图19描述的方式相同的方式耦合入LOE 20。
图23b示出其中在基底236的上表面234和LOE 20的下表面26之间插入半波长延迟片256的方法。这里，当穿过平面256时，光波的偏振被旋转，并且现在的p偏振光波被耦合入LOE。
在图23a和图23b所示的配置中仍然存在的困难是LOE以及基底236是由几个不同部件组装而成的。由于制造过程通常涉及粘接光学元件，并且由于所需的角度敏感反射涂层只有在LOE 20和基底234的主体完成后才应用到基底表面，因此不可能使用可能会破坏粘接区域的常规的热涂覆工艺。新的薄膜技术和离子辅助的涂覆处理工艺也可以用于冷处理。消除对零件的加热需要允许各粘接的零件被安全地涂覆。在图24中示出了可选方法。这里，透明片258和260分别置于界面平面240和242处。现在，使用常规的热涂覆工艺所需的涂层可以简单地应用到这些基底的外表面上，然后可以将其粘接到合适的地方。对于下基底258，可以将涂层应用到下表面262、上表面264或者甚至两个表面。对于上基底260，最佳表面是下部的那个266，其与LOE相邻。
到目前为止，一直假设显示光源是线性偏振的。但是，存在像OLED的光学系统，其中显示光源是未偏振的，并且最大的可能效率是重要的。在这些情况下，可以将来自显示光源的输入光波分开为两个分离的图像。
图25示出其中第二LCE 270附着于在图1中示出的LCE 129的光学装置。代替对简单反射镜116的使用，线栅偏振分光器272被嵌入到LCE 129和LCE 270之间。如图所示，当s偏振输入光波被以与上面参考图1描述的方式相同的方式反射并准直时，p偏振输入光波274穿过第一偏振分光器272，然后由延迟片278和具有反射背面282的第二会聚透镜280反射、会聚和改变为s偏振光。然后，该光波由第一偏振分光器272、LCE 270的上表面284反射，接着由反射表面285反射。
在图25中示出的实施例的主要缺点是，由于会聚透镜124和280的焦距不能相同，因此来自LCE 129和270的图像是不同的。图26示出变形的配置，其中在LCE 270中使用两个不同的会聚透镜。透镜286和288的组合的光焦度被设计为与反射光学元件124的光焦度相同。因此，两个LCE的图像现在可以相同。图27示出与在图25中示出的布置的不同变形。这里，会聚透镜124和280分别由两个简单反射表面292和294代替。两个相同的准直透镜296和298分别置于上主表面邻近，以便获得具有两个相同图像300L和300R的光学系统。
图28示出其中来自LCE 129和270的一对图像300L和300R被分别耦合入两个不同LOE 20L和20R的光学系统。如图所示，图像300L和300R的偏振态分别是p和s。这一点对于其中要求来自两个图像的偏振态相似的系统是缺点。
图29示出其中半波延迟片301被插入左LCE 129和左LOE 20L之间以便创建两个相同的线性s偏振图像300L和300R的光学系统。
双图像布置的另一个变形版在图30中示出。这里，LOE被插入到两个相同的准直透镜302L和302R与四分之一波长延迟片304L和304R之间，其中图像光波以与上文参考图16描述的方式相同的方式准直和耦合入LOE内。在这种耦合入方法中，优选的是，到LOE的输入光波将是p偏振的。因此，半波长延迟片301现在被插入右LCE272和右LCE 20R之间，以便产生两个相同的线性p偏振输入波300L和300R。如图31所示，这种光学布置可以在眼镜架中组装，从而生成其中通过只使用一个显示光源112为双眼24L和24R投影相同的图像的光学设备，该光学设备位于两只眼镜之间。通常，常规眼镜架的鼻梁位于眼睛之上几毫米处。
图32示出将图像适当地映入用户眼睛的方法。这里，显示光源112的中心的位置稍微高于准直透镜302L和302R的中间，准直透镜302L和302R的中间的位置稍微高于眼睛24L和24R的中间。结果，图像投影到眼睛里，其中图像的主轴在水平方向上稍向上倾斜几度。如图31和图32所示，可以添加到任何常规框架的光学模块可以非常紧凑和重量轻，不会给用户带麻烦。
在上述的与图25到图32相关的所有光学系统中，LCE使未偏振的光波准直。不过，诸如LCD或LCOS的微型显示器也可以用作显示光源，在这些微型显示器中射出的光是线性偏振的。这可以通过将显示光源的光波的线性偏振旋转45°或者通过将线性偏振转换成圆偏振来实现。
在上述的与图1到图32相关的所有光学系统中，LCE用作准直器。即，来自显示光源的真实图像被聚焦到无限远。另外，实物化LCE的主要目的是为了生成作为用于基于光学系统的LOE的输入的准直光波。很明显，LCE装置可以用于不同的光学操作和很多其它应用。即，LCE可以将图像聚焦到除去无限远以外的不同位置，并且可以插入到其它系统，其中希望实现较高的性能和保持紧凑和重量轻的系统。
图33示出其中LCE作为用于照相机的聚焦透镜的光学系统。这里，来自外部图景的输入光波306的p偏振分量穿过LCE 129的上表面307并穿过偏振分光器308。然后，该光波由延迟片310和具有反射背面314的聚焦透镜312反射、会聚并改变为s偏振光。然后，该光由偏振分光器308和LCE 129的下表面316反射，接着由反射表面318反射。会聚光波通过下表面318离开LCE，然后聚焦到探测器平面320上。通过使照相机或聚焦透镜相对于下平面316沿着z轴横向平移，可以将聚焦机构加入这种装置。
对于本领域技术人员，本发明不限于上述示出的实施例，并且在不脱离本发明的精神和基本属性的情况下，本发明可以以其它的特定形式实施。因此，本发明的实施例无论从哪方面来看都被认为是示例性的并且非限制性的，本发明的范畴由所附的权利要求而不是由上述描述而说明，并且，因此在权利要求的同等物的含义和范围内的所有改变都应当被包含在权利要求中。

Claims (83)

1.一种光学系统，包括：
基底，具有至少一个主表面和边缘；
光学元件，用于通过全内反射将光耦合到所述基底中；
由所述基底承载的至少一个反射表面，以及
至少一个延迟片；
其特征在于至少一个反射光学元件，
其中，所述延迟片位于所述基底的主表面的至少一部分和所述反射光学元件之间。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述反射表面与所述基底的任何边缘都不平行。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述透光式基底还包括第二主表面。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述两个主表面平行。
5.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统还包括显示光源。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述显示光源产生图像光波，该图像光波由所述光学元件通过全内反射耦合到所述基底中。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述光波是线性偏振的。
8.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述光波是非偏振的。
9.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述显示光源与所述基底的一个所述主表面相邻地设置。
10.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述光波通过所述反射表面从所述基底耦合出。
11.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述延迟片是四分之一波片。
12.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述反射光学元件是成像透镜。
13.根据权利要求12所述的光学系统，其中，所述反射光学元件包括两个表面，所述表面中的第一表面是透明的，第二表面涂有反射材料。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其中，所述延迟片位于所述第一透明表面和所述基底的一个所述主表面之间。
15.根据权利要求1所述的光学系统，其中，用于将光耦合到所述基底中的所述光学元件是嵌入所述基底中的反射表面。
16.根据权利要求1所述的光学系统，其中，用于将光耦合到所述基底中的所述光学元件是偏振分束器。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其中，用于将光耦合到所述基底中的所述光学元件是线栅偏振分束器。
18.根据权利要求16所述的光学系统，其中，用于耦合光的所述光学元件反射s偏振光，并透射p偏振光。
19.根据权利要求16所述的光学系统，其中，用于耦合光的所述光学元件反射p偏振光，并透射s偏振光。
20.根据权利要求1所述的光学系统，其中，由所述基底承载的所述反射表面是偏振分束器。
21.根据权利要求20所述的光学系统，其中，由所述基底承载的所述反射表面是线栅偏振分束器。
22.根据权利要求20所述的光学系统，其中，由所述基底承载的所述反射表面反射s偏振光，并透射p偏振光。
23.根据权利要求20所述的光学系统，其中，由所述基底承载的所述反射表面反射p偏振光，并透射s偏振光。
24.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述反射光学元件和所述延迟片与用于将光耦合到所述基底中的所述光学元件邻近地设置。
25.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述反射光学元件和所述延迟片与由所述基底承载的所述反射表面邻近地设置。
26.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述反射光学元件是平凸透镜。
27.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述反射光学元件光学地附着于所述四分之一波长延迟装置。
28.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述反射光学元件是准直透镜。
29.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述显示光源是LCD。
30.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述显示光源是LCOS。
31.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述显示光源是OLED。
32.根据权利要求5所述的光学系统，所述光学系统还包括光源。
33.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述光源与所述基底的一个所述主表面相邻地设置。
34.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述光源和所述显示光源与同一主表面相邻地设置。
35.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述光源和所述显示光源与两个相对的主表面相邻地设置。
36.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统还包括由所述基底承载的第二反射表面。
37.根据权利要求36所述的光学系统，其中，所述第二反射表面与用于将光耦合到所述基底中的所述光学元件平行。
38.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统还包括第二反射光学元件。
39.根据权利要求38所述的光学系统，其中，所述第二反射表面与所述基底的一个所述主表面相邻地设置。
40.根据权利要求38所述的光学系统，其中，延迟片位于所述基底的所述第二反射光学元件和所述主表面之间。
41.根据权利要求38所述的光学系统，其中，所述反射光学元件中的至少一个具有零的光焦度。
42.根据权利要求38所述的光学系统，所述光学系统还包括第三反射光学元件。
41.根据权利要求38所述的光学系统，其中，所述反射光学元件中的至少一个具有零的光焦度。
42.根据权利要求38所述的光学系统，所述光学系统还包括第三反射光学元件。
43.根据权利要求42所述的光学系统，其中，所述第三反射表面与所述基底的一个所述主表面相邻地设置。
44.根据权利要求42所述的光学系统，其中，延迟片位于所述第三反射光学元件和所述基底的所述主表面之间。
45.根据权利要求1的所述的光学系统，所述光学系统还包括：
具有两个边缘和至少两个彼此平行的主表面的第二透光式基底；
用于通过内反射将光耦合到所述基底的第二光学元件，以及
置于所述基底中的至少一个部分反射表面，所述表面与所述第二基底的主表面不平行，
其中，所述第二基底与所述第一基底相邻地设置。
46.根据权利要求45所述的光学系统，其中，耦合出所述第一基底的光波由所述第二光学元件通过全内反射耦合到所述第二基底中。
47.根据权利要求45所述的光学系统，其中，用于耦合光的所述光学元件被嵌入所述透光式基底内。
48.根据权利要求45所述的光学系统，其中，用于耦合光的所述光学元件是反射表面。
49.根据权利要求45所述的光学系统，其中，用于耦合光的所述第二光学元件是偏振分束器。
50.根据权利要求49所述的光学系统，其中，用于耦合光的所述第二光学元件反射s偏振光，并透射p偏振光。
51.根据权利要求49所述的光学系统，其中，用于耦合光的所述第二光学元件反射p偏振光，并透射s偏振光。
52.根据权利要求49所述的光学系统，其中，用于耦合光的所述第二光学元件包含线栅偏振分束器。
53.根据权利要求49所述的光学系统，其中，所述第二基底置于所述第一基底和所述反射光学元件之间。
54.根据权利要求53所述的光学系统，其中，延迟片置于所述第二基底和所述反射光学元件之间。
55.根据权利要求53所述的光学系统，所述光学系统还包括与所述第二基底中的一个主表面邻近地设置的第二反射光学元件。
56.根据权利要求46所述的光学系统，其中，耦合出所述第一基底并通过全内反射耦合到所述第二基底中的所述光波是s偏振的。
57.根据权利要求46所述的光学系统，其中，耦合出所述第一基底并通过全内反射耦合到所述第二基底中的所述光波是p偏振的。
58.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述延迟片光学地附着于所述基底。
59.根据权利要求45所述的光学系统，其中，所述两个基底被光学地附着。
60.根据权利要求1所述的光学系统，其中，角度敏感涂层被施加到所述基底的至少一个主表面。
61.根据权利要求45所述的光学系统，其中，角度敏感涂层被施加到所述基底的至少一个主表面。
62.根据权利要求61所述的光学系统，其中，所述角度敏感涂层透射具有低入射角的光波并反射具有高入射角的s偏振光。
63.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统还包括与所述基底的至少一个主表面邻近地设置的至少一个透明片。
64.根据权利要求63所述的光学系统，其中，所述透明片涂有角度敏感涂层。
65.根据权利要求6所述的光学系统，其中，通过用于将光耦合入所述基底中的所述光学元件，所述图像光波被分成两个分开的图像。
66.根据权利要求65所述的光学系统，所述光学系统还包括由所述基底承载的第二反射表面。
67.根据权利要求66所述的光学系统，其中，所述第二反射表面平行于所述第一反射表面。
68.根据权利要求65所述的光学系统，其中，所述两个图像被耦合出所述基底。
69.根据权利要求65所述的光学系统，其中，所述两个图像相同。
70.根据权利要求65所述的光学系统，其中，所述两个图像具有相同的线性偏振。
71.根据权利要求45的所述光学系统，所述光学系统还包括：
具有两个边缘和至少两个彼此平行的主表面的第三透光式基底；
用于通过内反射将光耦合到所述基底的第三光学元件，以及
置于所述基底中的至少一个部分反射表面，所述表面与所述第三基底的主表面不平行，
其中，所述第三基底与所述第一基底相邻地设置。
72.如权利要求65和71所述的光学装置，其中，被耦合出所述第一基底的图像波通过全内反射被耦合入所述第二基底和所述第三基底。
73.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述系统嵌入眼镜架中。
74.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述系统嵌入蜂窝电话中。
75.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述系统嵌入娱乐装置中。
76.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述系统为准直透镜。
77.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述系统为聚焦透镜。
78.根据权利要求77所述的光学系统，其中，所述系统嵌入照相机。
79.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述反射光学元件中的至少一个表面是非球面表面。
80.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述反射光学元件中的至少一个表面是衍射表面。
81.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统还包括第二反射光学元件，其中，所述第二反射光学元件置于所述显示光源和所述基底的一个所述主表面之间。
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