CN102144178B - 平面透镜 - Google Patents

Abstract

一种平面透镜系统是具有最小或不具有扇出空白的锥形光导。锥形光导包括薄端，而其厚端是斜面镜或光学等价物。光线入射到薄端中，且镜面是这样的：通过薄端处一点入射的光线从光导表面之一准直射出，通过光导表面之一以适当角度入射的准直光从薄端处的一点射出。对于彩色实现也可使用布拉格光栅。通过挤压成型、注入成型、或挤压成型和注入成型的组合/变型以及其他公知的技术，锥形光导可被制造成单件。

Description

平面透镜

背景

众所周知，从透镜的焦平面中的点发出的光线是准直的，入射到透镜上的平行光束集中在一点上。平面透镜使从一点发出的光线准直，但需要该点和光线准直平面之间没有光线扇出。然而在平面透镜中，点和平面周边是分开的，在点和平面周边之间中存在不合需要的空白(margin)。

普通透镜和其每一个焦平面之间存在空间，这可能使光学系统体积庞大。一个建议的解决方案公开了一种平面透镜，该平面透镜使从一点(或者说是从一点到平面透镜)发出的光线在长锥形光导内准直。焦点和出射表面近似共面但相互移位，因为在两者之间设置了光导板以便光线能够从焦点扇出到出射表面。

背投电视机通常是体积庞大的，因为视频投影机和漫射屏幕之间需要空间以便画面填充屏幕。该空间可用平面透镜来替代，但是不需要使光线准直，因为屏幕必然会破坏准直。因此，具有均匀横截面的简单锥形光学波导就够用了。然而，光导板(来自投影机的光线在光导板内扇出)形成了屏幕上的空白，但用户宁愿希望在这些地方看到画面填充屏幕。

作为替代，可使用一对棱镜将板包在屏幕后面，但是板、锥形波导以及棱镜必须被精细地对准，这可能是代价高的。在又一尝试方案中，可在所有线性光学系统中颠倒光线的方向，可使用锥形光导来去除照相机和正被拍照的对象之间的空间。然而，这同样需要光导板，使得光线能够扇入。尽管可用折叠棱镜去除所导致的空白，但是这仍然可能代价很高。

发明内容

下面提供了简化的概述，以便提供对此处所描述的一些新颖实施例的基本理解。本概述不是详尽的综述，并且它不旨在标识关键/重要元素或描绘本发明的范围。其唯一的目的是以简化形式提出一些概念，作为稍后提出的更详细描述的序言。

所公开的是具有最少或无空白的平面透镜作为锥形光导。不使用折叠棱镜，并且可从单块透明材料来制作光导。在一个实现中，锥形光导包括薄端，而其厚端是斜面镜或光学等价物。斜面(bevel)是这样的：通过薄端处一点入射的光线从光导表面之一准直射出，通过光导表面之一以适当角度入射的准直光从薄端处的一点射出。

光导在平面显示器和提供直接人类触觉交互的显示器(不依赖于诸如鼠标和键盘等传统输入设备)、照相机、投影电视机等中有具体的应用，仅列举了几个例子。通过挤压成型、注入成型、或挤压成型和注入成型的组合/变型以及其他公知的技术，锥形光导可被制造成单件。

为了实现上述及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面。这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。结合附图阅读下面的详细描述，其他优点和新颖特征将变得显而易见。

附图说明

图1例示出一种透镜系统，其特性和尺寸减少或消除了显示器上的空白。

图2例示出从光源以不同角度入射到光导的受光面的光以及来自厚端处的反射面的偏转光的例子。

图3例示出具有以不同角度定向的受光面的替代光导，适合于提供根据临界角离开第一光导的镜面反射光。

图4例示出入射到光导的薄端中心的光线能够扇出达到光导的宽度。

图5例示出反射面可被配置成交替反射角的菲涅耳化表面。

图6例示出具有曲面的光导的替代实施例，其中所有光线在离开之前经历相同次数的反射。

图7例示出在光线遇到反射面之前提供从锥形部分到具有平行边的部分的平滑过渡的光导。

图8例示出厚端的曲率半径可以是光导长度的两倍。

图9例示出采用各自厚端根据图7和图8所述的实现而弯曲的重复光导的表示的示图。

图10例示出当光导表面是平面时推导出光导的最小厚度的技术。

图11例示出用于将图10绘制在球面上的技术，使得进入光导表面任一端的光线在离开薄端时相遇。

图12例示出可被用于厚端处的反射面的光学性质。

图13例示出反射面可由布拉格反射器替代的透镜系统。

图14例示出反射面可由一对布拉格反射器替代。

图15例示出透镜系统的替代实施例，其中光导在薄端和厚端之间使用渐变折射率。

图16示出可用于采用根据所公开的架构的透镜系统的计算系统的框图。

具体实施方式

所公开的是一种楔形(或锥形)光导，其中点光源置于薄端而厚端是倾斜的反射面，以便减小光线和光导平面之间的角度。该反射器可包括z形曲折(或菲涅耳化的)表面。厚端可绕在平行于锥形的轴的方向上的离楔形体的薄端一个楔形体长度的距离的点弯曲。此外，厚端可以是薄端厚度的两倍。楔形体的厚度剖面(profile)与sin[(z+L)/kL]成比例，其中z是离薄端的距离，L是楔形体的长度，k是常数。

现在将参考附图，全部附图中相同的附图标记用于表示相同的元件。在下面的描述中，为了进行说明，阐述了很多具体细节以便提供对本发明的全面理解。然而，显而易见，可以没有这些具体细节的情况下实施各新颖实施例。在其它情况下，以框图形式示出了公知的结构和设备以便于描述它们。本发明将涵盖落入所要求保护的主题的精神和范围内的所有修改、等效方案和替换方案。

图1例示出一种透镜系统100，其特性和尺寸减少或消除了显示器上的空白(margin)。透镜系统100包括楔形光导102，该楔形光导具有第一光导表面104和第二光导表面106且从厚端108到薄端110逐渐变薄。光导100还包括薄端110处的用于接收入射到光导102中的光114的受光面112，以及光导102的厚端108处的用于将入射光118偏转会第一光导表面104(且可能第二光导表面106)的反射面116(也称为斜面镜面或倾斜镜面、反射表面)，偏转的入射光120(或镜面反射光)在到达受光面112之前离开第一光导表面104(或显示表面)。

图2例示出从光源202以不同角度入射到光导102的受光面112的光以及来自厚端108处的反射面116的偏转光的例子200。反射面116(斜面镜)使得入射到薄端110的光线按以下方式偏转：达到临界角(光线将离开光导102而不是在内部反射的角度)并在取决于相关联的光源202的入射角的点处离开锥形波导(光导102)。反射面116偏转入射光线，使得经偏转的入射光线向薄端110返回，但以相对于与光导102的平面206垂直的轴204减小很多的角度返回。在偏转之后，每条光线在薄端110的方向上所遭遇的逐渐减小的厚度使得光线角度减小直到光线角度小于(取决于光导102的特定材料的)临界角，此时光线从光导102的光导表面(第一光导表面104和/或第二光导表面106)射出。

在最上面的例子200中，来自光源202的入射光线以低角度进入光导102，在反射表面116偏转并在离开第一光导表面102之前几乎返回到受光面112。在中间的例子200中，来自光源202的入射光线以比最上面的例子更高的角度进入光导102，在反射表面116偏转并返回，在减小到临界角以离开第一光导表面102之前在接近中间处离开光导102。在最下面的例子200中，来自光源202的入射光线以比中间的例子更高的角度进入光导102，在反射表面116偏转并返回，在第一表面102的接近反射表面116处离开光导102。因此，容易看到通过调整光源将光入射到受光面112的角度，可以在从第一表面104观看时减少或消除空白。

图3例示出具有带有以不同角度定向的受光面304的光导302的替代光导系统300，适合于提供根据临界角离开第一光导表面104的镜面反射光。反射面116(斜面镜)使得在薄端110入射到受光面304的光线按以下方式偏转：达到临界角并在取决于相关联的光源202的入射角的点处离开锥形波导(光导302)。反射面116偏转入射光线，使得经偏转的入射光线(或镜面反射光线)向薄端110返回，但以相对于与光导302的平面308垂直的轴306减小很多的角度返回。在反射之后，每条光线在薄端110的方向上所遭遇的逐渐减小的厚度使得光线角度减小直到光线角度小于临界角，此时光线从光导302的光导表面(第一光导表面104和/或第二光导表面106)射出。

图4例示出入射到光导102的薄端110的中心的光线400能够扇出达到光导102的宽度，使得在厚端108偏转离开反射面116(也称为斜面镜)之后，光线400照亮光导102的前表面402(类似于第一光导表面104)的整个区域(整体)。离开前表面402的整个区域的光由前表面402的四个角中的每一个角附近离开的光线箭头表示。因此不需要光线能够在其中扇出的空白，例如常规系统中光源202附近的光导102的下半部中。

传统上已经证明对于平滑的光导，光导厚度与相对于光导的垂直方向的光线角度的余弦的乘积是常数。因此厚度乘以相对于光导的平面的光线角度的正弦也是常量。小角度的正弦近似地与该角度本身成比例，因此可以说厚度与光线角度本身的乘积近似为常数。考虑光源202(例如激光、LED)将光线以0度和临界角之间均匀分布的角度范围入射到光导102中的厚端108中，且考虑光导102逐渐减小厚度至其输入厚度的一半(例如在薄端110处)。光线到达薄端110的角度将加倍，因此一半的入射光线已经超过了临界角且因此不再被引导。

相反，如所公开的技术，光线在薄端110处入射，且光线400的角度都将在厚端108处小于临界角的一半。适当角度的反射面116反射光线400，使得全部光线400以大于一半临界角的角度返回。从而，所有光线400在达到薄端110之前离开光导102。因此，在一个实现中，光导102的厚端108是或大约是薄端110的厚度的两倍。

图2的最上面的、中间的和最下面的例子200中示出的三条光线都是从光导102中的左手侧入射到厚端108处的反射面116。然而，光线也会从右手侧入射，且这些光线将沿光导102向下传播并将通过薄端110而消失于系统，因此投射出的图像中可能有间隙。

图5例示出反射面116可被配置成交替反射角的菲涅耳化表面500。菲涅耳化表面500可被模压(emboss)在厚端108上以确保对于任何入射光线502，光线502的一部分504丢失，但镜面反射的部分506继续以形成图像508，使得图像均匀且无间隙(空白)。因此，厚端108上的反射面116的菲涅耳化表面500包括各对反射平面(510和512)，其法线共享分解在光导102的平面中的相同分量，但具有垂直于光导102的平面的相等但相反的分量。

通过具有笔直侧面的锥形光导投影的图像中的不连续性会在光线入射角中的微小变化造成光线经受额外的反射时形成。图4中前表面402上的投影图像的下半部比上半部更靠近光源202(如投影机)，因此投影图像可能经受梯形失真(使图像看上去像梯形的图像尺寸失真)，因为厚端108处的反射面116是平坦的。

图6例示出具有曲面的光导600的替代实施例，其中所有光线在离开之前经历相同次数的反射。反射面116绕垂直于光导600的平面的轴602弯曲，曲率半径等于光导600的长度的两倍。在反射之后光线不再扇出，从而消除了梯形失真。然而，可能希望显示的边缘是笔直的。因此，反射面116可以改为菲涅耳表面，且其准直作用可与反射平面510和512(图5)的反射作用一起集成到单个棱柱表面中。

通过弯曲反射面116而提供的表面是近似圆柱面。圆柱面镜(或表面)的缺点是引入了可能使分辨率降级的散光。这如下解决的。

图7例示出在光线遇到反射面116之前提供从锥形部分702到具有平行边的部分704的平滑过渡的光导700。光导700端部处的反射面116以均匀的曲率半径弯曲，使得第一光导表面104和弯曲的反射面116限定的第一角706以及第二光导表面106和弯曲的反射面116限定的第二角708都是直角。当采用图5的菲涅耳表面时，反射平面(510和512)遵照该曲率，使得这些平面中的每一个(510和512)相对于反射面116而形成的角度是恒定的。

图8例示出厚端108的曲率半径800可以是光导102的长度的两倍。如上述在一个实现中描述的，最理想的是光导102的厚端108是薄端110的厚度的两倍。而且，由于光导102具有平坦表面(第一光导表面104和第二光导表面106)，因此厚端108的曲率半径等于光导102的长度的两倍。这意味着反射面116具有绕图6中描述的轴604的与绕轴602所示出的曲率半径相同的曲率半径，以便使梯形失真最小。因此厚端108的组合曲率是球形，在这种情况下反射面116没有引入散光且分辨率没有降级。

可通过跟踪光线交替到达上下表面并计算反射离开每个表面的角度来找到光线通过光导的路径；然而这可能是费力且缺乏信息的。如果光导具有平坦表面，则可能更简单且光学上相当于绘制笔直通过一堆锥形光导复制品的光线，直到光线以小于临界角的角度越过交叉点，此时光线将实际上射出到空气中。还可允许通过反向绘制光线而使用反向方法；即不是将光线入射在光导一端并跟踪光线的行进直到其射离表面，而是可从光导堆的表面来跟踪光线回到光导端部，但其条件是光线以临界角离开表面且不再超过临界角。

图9例示出采用各自厚端108根据图7和图8所述的实现而弯曲的重复光导902的表示的示图900。使用上述反向方法，施加于实际上可以是离开表面906(类似于第一光导表面104)的入射光线904反射离开厚端108的反射面116。厚端108处的重复光导902组合成恒定半径的曲线，从而将平行光线近似地集中到等于该曲线的曲率半径的一半距离的点908处。

如果厚端108是完美平滑的，则该点908将位于重复光导902的最上面的光导的薄端110处，但是菲涅耳平面(图5的510和512)的作用是偏转每条光线的一半光使得被偏转的那一半光的聚焦点位于该堆下部中的重复光导902之一的薄端110处。在一最佳实现中，所有光线在进入和离开之间经过相同次数的反射。图9说明了这是所例示实施例的固有性质，因为每条光线和任何其他光线一样穿过相同数量的光导界面。

垂直于图9的平面，从薄端110跟踪的光线通过反射面116的球面反射而被近似准直，使得通过光导投影的图像经历小的失真。准直光线不具有歪斜失真，因此投影图像表现出均匀性。

此外，光线可被入射到光导的薄端处的受光面以便从显示表面上的任一点射出，从而减少或完全消除空白。光导的侧面不具有曲率，这帮助保持通过光导投影的图像的分辨率。而且，这还意味着该透镜系统制作简单。

为了制造锥形光导表面(如第一光导表面104和第二光导表面106)，抛光机的基座可被倾斜，在高透明度玻璃板上面涂蜡并磨平。为了制作球形弯曲的反射面116(斜面镜)，可将若干这种锥形光导以堆的形式一起上蜡，在端部磨成球面，就好像常规透镜表面。然后菲涅耳化平面(510和512)可铸造在薄膜上，在球形反射面116上伸展，然后进行胶合。

图10例示出当光导表面是平面时推导出光导的最小厚度的技术1000。反射面116上的球面曲率将平行光线反射成有限厚度的斑点而不是一个点，光导可被设计成不比斑点的大小薄。图10将几何学应用于图9以示出如何计算该最小厚度。示出了两条光线(1002和1004)，光线1002的离开点1006接近薄端110，而光线1004的离开点1006接近厚端108。所有的光线(1002和1004)在离开之前正好处于临界角φ。直接通过重复光导902的堆来进行以此角度对两条光线(1002和1004)的向后跟踪，直到光线(1002和1004)遇到厚端108。

当采用菲涅耳平面(510和512)时，在厚端108处反射离开菲涅耳表面510之后，可进行对光线1002的平行于重复光导的平面的返回薄端110的跟踪。光线1002被反射的部分与光线的入射部分成某一角度θ，其中角度θ可被计算，而菲涅耳平面510与反射面116的球面曲率成θ/2角度。

光线1004反射离开同一菲涅耳平面510。因此，可计算光线1004的反射部分的角度。由于对称，如果光线1002和1004要在薄端110相遇，则该角度等于θ。几何学计算示出了如果临界角φ等于42度，则θ等于21度，而光线1004改为以对楔形表面(如第一光导表面104)成24度的角反射，差大约3度。

如果要制造非常薄的光导，则可改进聚焦。然而，图9的对称性指示出厚端108是简单曲线。代替改变厚端108的几何形状，锥形光导的侧面可被弯曲，并且以图9的方式结合的许多此类光导将映射成球体，类似于切好的橙子的橙皮片。可通过将附图10绘制在球体上来找到非常薄的锥形光导所需的表面曲率，球体的曲率半径使得从厚端108反射的光线在一点处相遇。现在就描述该内容。

图11例示出用于将图10绘制在球面上的技术，使得进入光导表面任一端的光线在离开薄端110时相遇。图11描绘了球体1102的具有北极点N的一部分，其中图10的光线1002从纬度为ψ度的位置b根据称为轨迹的向量以西南角度φ移动到北极N。光线1002在位于2ψ纬度时停下来，最终位置由向量a表示。光线1002的初始方向为t，光线1002沿大圆弧线移动，使得a可被表示为b和t的线性和。如果大圆弧线的弧ba相对于球体中心C的角度为λ，则

$a=\cos \mathrm{\λb}+\sin \mathrm{\λt}$

$=\cos \mathrm{\λ}\left(\begin{array}{c}\sin \mathrm{\ψ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\\ 0\end{array}\right)+\sin \mathrm{\λ}\left(\begin{array}{c}\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\\ -\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\ψ}\\ \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right)$

位置a位于纬度2ψ，因此a的j分量等于cos2ψ：

$a_j=\cos 2\mathrm{\ψ}\sqrt{1{\sin }^2\mathrm{\λ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\λ}\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\ψ}}$

所以

(1-sin²λ)cos²ψ＝cos²2ψ+sin²λsin²φsin²ψ+2cos2ψsinλsinφsinψ以及，

0＝(cos²2ψ-cos²ψ)+(2cos2ψsinφsinψ)sinλ+(sin²φsin²ψ+cos²ψ)sin²λ

这是二次方程，可求解来获得sinλ；然后是λ；然后是a。光线1002移动的距离是球体半径的λ倍，但是希望知道θ，即在光线1002到达位置a时的方向。这可通过对光线1002刚行进的大圆弧线的法线n来确定；n垂直于b和t，因此：

$n=b\×t=\left(\begin{array}{c}\sin \mathrm{\ψ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\\ 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\\ -\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\ψ}\\ \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\φ}\end{array}\right)$

可通过计算j×a来获得垂直于通过光线的最终位置的经度圈的向量：

$j\×a=\cos \mathrm{\λ}\left(\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}\sin \mathrm{\ψ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\\ 0\end{array}\right)+\sin \mathrm{\λ}\left(\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\\ -\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\ψ}\\ \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right)$

$=\cos \mathrm{\λ}\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ -\sin \mathrm{\ψ}\end{array}\right)+\sin \mathrm{\λ}\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\φ}\\ 0\\ -\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right)$

$=\cos \mathrm{\λ}\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ -\sin \mathrm{\ψ}\end{array}\right)+\sin \mathrm{\λ}\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\φ}\\ 0\\ -\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right)$

现在，θ等于行进路线和通过a的经度线之间的角度，因此θ也等于这两条线的垂线之间的角度。因此：

$\cos \mathrm{\θ}=n\·\frac{j\×a}{|j\×a|}\frac{\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\φ}\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}\sin \mathrm{\λ}\cos \mathrm{\φ}\\ 0\\ -\cos \mathrm{\λ}\sin \mathrm{\ψ}-\sin \mathrm{\λ}\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right)}{|j\×a|}$

$=\frac{\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\λ}{\cos }^2\mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\λ}\sin \mathrm{\ψ}+\sin \mathrm{\λ}{\sin }^2\mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}}{\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\λ}{\cos }^2\mathrm{\φ}+{(\cos \mathrm{\λ}\sin \mathrm{\ψ}+\sin \mathrm{\λ}\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ})}^2}}$

通过将此输入例如电子数据表，并改变ψ直到θ＝24度，得到ψ必须为24°。由于楔形体(锥形光导102)的长度L等于球体半径R乘以ψ(以弧度为单位)，因此R＝L/ψ，即等于2.39L。

剩下的是计算厚度随绘制在球面上的楔形体长度L的变化。在离开北极点N的纬度β，纬线的半径是Rsinβ。楔形体从纬度L/R延伸到2L/R，因此楔形体厚度T与sin[(z+L)/2.39L]成比例，其中z是沿楔形体从薄端到厚端的距离。这可被更为一般化地表达，因为光导具有与sin[(z+L)/kL]成比例的厚度剖面，其中z是离开薄端的距离，L是光导的长度，k是常数。

图5的反射面116浪费了一半光。下面描述如何消除该损耗。如果菲涅耳平面510和512仅是由来自薄端的光线照亮的，其中光线被菲涅耳表面反射以便从光导表面射出，或反之类似(当光线传入光导表面时从薄端射出)，则可降低或消除损耗。例如，如果由振动镜扫描的激光光束瞄准于薄端，这当光束产生如图5的镜面反射部分506时的反射时，光束应被接通，而当光束产生如部分504之类的反射时应被关断。可将光电传感器置于薄端并用于在无论何时检测到不希望的反射部分504时关断激光器。

也可通过在光束前面放置液晶显示器(LCD)并在LCD上表示出衍射光栅来扫描激光光束，并且可通过被称为全息投影的技术用衍射光栅的叠加来产生图像。在这种情况下，可通过确保LCD上的图案仅由不会产生诸如部分504之类的无用光的、将光引导向菲涅耳表面的光栅组成来使损耗最小化。

众所周知的是反射离开诸小面(如菲涅耳平面510和512)的光经受使分辨率降级的孔径衍射。如果使用布拉格光栅(包括折射率在两个值之间交替变化且厚度在两个值之间交替变化的各层的结构)，则可消除孔径衍射。通过对厚度和折射率的适当选择，就可能设计反射表面116使其在所希望的角度范围上反射单色光但在其他角度上透明。

图12例示出可被用于厚端处的反射面116的光学性质。图1200示出可被用于偏转θ₀至2θ₀的范围内的光线的单个反射面116。可结合反射面116使用第二反射面，以处理从0到-θ₀的范围的光线。

图13例示出反射面可由布拉格反射器替代的透镜系统1300。反射器1302因此可被设计成反射来自锥形光导102的下表面(第二光导表面106)的全部光线(如光线1304)，但透射来自上表面(第一光导表面104)的全部光线。然后可在反射器1302之外模压传统的平面或菲涅耳化镜面，以反射来自上表面(如第一光导表面102)的光线。

图14例示出反射面可由一对布拉格反射器1400替代。两个布拉格光栅1400可被叠加，使得第一光栅1402反射来自光导102的下表面(第二光导表面106)的光线，而另一光栅反射来自上表面(第一光导表面104)的光线。可选的，两个光栅1400可在空间上叠加成执行两个功能的单个光栅1406。

彩色显示器由红、绿和蓝(RGB)光照亮，所以至少三种波长可被布拉格光栅反射。例如，这些波长可以是照亮背投电视机中的视频投影机的激光的波长。三对独立的光栅足以反射入射到左手侧和右手侧的全部三种波长的光线，但是每一对仅反射其自己波长的光。幸运的是如果光栅被设计用于具有对最通常的透明材料典型的折射率的光导，则这会发生，下文将详细描述。

诸如聚(甲基丙烯酸甲酯)(即PMMA)之类的常见透明材料具有1.492的折射率以及空气中为42度的临界角。因此，由这种材料制成的光导将所有光线限制在相对于光导的平面的0度至48度之间的角度。光线以小于24度的角度入射到厚端上，因为厚端的厚度为薄端的两倍，且全部光线以大于24度的角度反射以在向薄端传回时从显示表面射出。具体来说，以24度角入射的光线以负48度角反射，就好像以反射离开成负12度角的反射表面(镜面)。

如此工作的布拉格光栅具有等于入射和反射波矢量的矢量和的大小的周期，等于每波长两倍的cos{[24°-(-48°)]/2}＝0.81。正常入射的光线以每波长两个周期反射离开光栅，因此如果蓝对绿的波长比率为0.81，则绿色光线将穿过为蓝色设计的光栅。绿-红波长比率也同样，且分别为430、532以及655纳米(nm)的RGB波长就足够了。

当根据这些波长选择时，没有一个波长会受到为其它两个波长设计的光栅的影响，因此三对光栅能够叠加在单个薄层中。然而，眼睛对655nm的感光度可能较差。在此类情况下，光导的临界角可增加以便允许波长之间更小的比率。

以所希望的角度精确性将布拉格镜应用在光导端部上可能是困难的。一种替代技术是通过将离子束导引通过光导的侧面来创建布拉格光栅。众所周知的是高能离子穿过聚合物会引起键断裂以及折射率改变。因此离子束可用于创建构成布拉格光栅的高低折射率的交替层。

一般地但非穷举性地概括来说，提供了包括锥形光导的透镜系统实现，锥形光导具有从厚端到薄端逐渐变薄的显示表面以及第二光导表面，厚端的厚度是薄端的两倍；薄端处的用于接收入射到光导的光的受光面；以及光导的厚端处用于将入射光偏转回显示表面的反射面，所述反射面倾斜以减少镜面反射光线相对于光导平面的角度，使得镜面反射光线在到达受光面之前离开显示表面。

倾斜的反射面是菲涅耳化的表面，并可绕在平行于锥形的轴的方向上的离薄端一个光导长度的距离的点弯曲。光导的厚度剖面与sin[(z+L)/kL]成比例，其中z是离薄端的距离，L是光导的长度，k是常数。反射面包括一个或多个反射光栅，反射光栅具有折射率在两个折射率值之间交替变化且厚度在两个厚度值之间交替变化的各层，所述一个或多个反射光栅消除了孔径衍射。

反射面根据均匀的曲率半径而球面弯曲，显示表面和弯曲的反射面之间形成的角度等于第二表面和弯曲的反射面之间形成的角度，显示表面和第二光导表面各自在厚端对反射面形成直角。

进入受光面的入射光包括在离开显示表面之前经历了相同次数的反射的全部光线。反射面由用于使用红、绿和蓝色照亮显示表面的三组布拉格光栅组成。光导可由聚(甲基丙烯酸甲酯)构成。

图15例示出透镜系统1500的替代实施例，其中光导1502在薄端110和厚端108之间使用渐变折射率。透镜系统1500包括具有第一光导表面104和第二光导表面106的光导1502，两个表面可以是平行的或可从厚端108到薄端110逐渐变薄。光导1502还包括薄端110处的用于接收入射到光导1502中的光114的受光面112，以及光导1502的厚端108处的用于将入射光118偏转回第一光导表面104(且可能第二光导表面106)的反射面116(也称为斜面镜面或倾斜镜面)，偏转的入射光120(或镜面反射光)在到达受光面112之前离开第一光导表面104。光导1502的渐变折射率特性包括随离开薄端110的距离增加而减少的折射率，使得光线从薄端110到厚端108遵循正弦曲线路径。

现在参考图16，示出了可用于采用根据所公开的体系结构的透镜系统的计算系统1600的框图。为了提供用于其各方面的附加上下文，图16及以下讨论旨在提供对其中可实现各方面的合适的计算系统1600的简要概括描述。尽管以上描述是在可在一个或多个计算机上运行的计算机可执行指令的一般上下文中进行的，但是本领域的技术人员将认识到，新颖实施例也可结合其他程序模块和/或作为硬件和软件的组合来实现。

用于实现各方面的计算系统1600包括计算机1602，其具有处理单元1604、系统存储器1606、以及系统总线1608。处理单元1604可以是各种市场上可买到的处理器中的任一种，包括单处理器、多处理器、单核单元以及多核单元。此外，本领域的技术人员可以理解，各新颖方法可用其他计算机系统配置来实施，包括小型机、大型计算机、以及个人计算机(例如、台式、膝上型等)、手持式计算设备、基于微处理器的或可编程消费电子产品等，其每一个都可在操作上耦合到一个或多个相关联的设备。

系统存储器1606可包括易失性(VOL)存储器1610(例如，随机存取存储器(RAM))和非易失性存储器(NON-VOL)1612(如ROM、EPROM、EEPROM等)。基本输入/输出系统(BIOS)可被存储在非易失性存储器1612中，并且包括诸如在启动期间便于在计算机1602内的组件之间传递数据和信号的基本例程。易失性存储器1610还可包括诸如静态RAM等高速RAM来用于高速缓存数据。

系统总线1608提供了用于包括，但不限于存储器子系统1606的系统组件到处理单元1604的接口。系统总线1608可以是若干种总线结构中的任一种，这些总线结构还可使用各类可购买到的总线体系结构中的任一种互连到存储器总线(带有或没有存储器控制器)以及外围总线(例如，PCI、PCIe、AGP、LPC等)。

计算机1602还包括存储子系统1614以及用于将存储子系统1614接口到系统总线1608和其他所需计算机组件的存储接口1616。存储子系统1614可包括例如硬盘驱动器(HDD)、磁软盘驱动器(FDD)和/或光盘存储驱动器(例如，CD-ROM驱动器、DVD驱动器)中的一种或多种。存储接口1616可包括诸如，例如EIDE、ATA、SATA和IEEE 1394等接口技术。

一个或多个程序和数据可被存储在存储器子系统1606、可移动存储器子系统1618(例如，闪存驱动器形状因子技术)和/或存储子系统1614，包括操作系统1620、一个或多个应用程序1622、其他程序模块1624以及程序数据1626。一般而言，程序包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、方法、数据结构、其他软件组件等等。操作系统1620、应用程序1622、模块1624和/或数据1626的全部或部分也可被高速缓存在诸如易失性存储器1610等存储器中。应该明白，所公开的体系结构可以用各种市场上可购得的操作系统或操作系统的组合(例如，作为虚拟机)来实施。

存储子系统1614和存储器子系统(1606和1618)用作用于数据、数据结构、计算机可执行指令等的易失性和非易失性存储的计算机可读介质。计算机可读介质可以是可由计算机1602访问的任何可用介质，且包括易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质。对于计算机1602，介质以任意适当的数字格式容纳数据的存储。本领域的技术人员应当理解，可使用其他类型的计算机可读介质，如zip驱动器、磁带、闪存卡、磁带盒等来存储用于执行所公开的体系结构的新颖方法的计算机可执行指令。

用户可以使用诸如键盘和鼠标等外部用户输入设备1628来与计算机1602、程序和数据交互。其他外部用户输入设备1628可包括话筒、IR(红外)遥控器、操纵杆、游戏手柄、照相机识别系统、指示笔、触摸屏、姿势系统(例如，眼移动、头移动等)和/或类似物。在计算机1602是例如便携式计算机的情况下，用户可以使用诸如触摸垫、话筒、键盘等板载用户输入设备1630来与计算机1602、程序和数据交互。这些和其他输入设备通过输入/输出(I/O)设备接口1632经由系统总线1608连接到处理单元1604，但也可通过其它接口连接，如并行端口、IEEE 1394串行端口、游戏端口、USB端口、IR接口等等。I/O设备接口1632还便于使用输出外围设备1634，如打印机、音频设备、照相机设备等，如声卡和/或板载音频处理能力。

一个或多个图形接口1636(通常也称为图形处理单元(GPU))提供计算机1602和外部显示器1638(例如，LCD、等离子)和/或板载显示器1640(例如，对于便携式计算机)之间的图形和视频信号。图形接口1636也可作为计算机系统板的一部分来制造。外部显示器1638和/或板载显示器1640可包括这里所公开的透镜系统。

计算机1602可以使用经由有线/无线通信子系统1642到一个或多个网络和/或其他计算机的逻辑连接在联网环境(例如，IP)中操作。其他计算机可包括工作站、服务器、路由器、个人计算机、基于微处理器的娱乐设备、对等设备或其他常见的网络节点，并且通常包括以上相对于计算机1602描述的许多或所有元件。逻辑连接可包括到局域网(LAN)、广域网(WAN)、热点等的有线/无线连接。LAN和WAN联网环境常见于办公室和公司，并且方便了诸如内联网等企业范围计算机网络，所有这些都可连接到例如因特网等全球通信网络。

当在联网环境中使用时，计算机1602经由有线/无线通信子系统1642(例如，网络接口适配器、板载收发机子系统等)连接到网络来与有线/无线网络、有线/无线打印机、有线/无线输入设备1644等通信。计算机1602可包括用于通过网络建立通信的调制解调器或其他装置。在联网环境中，相对于计算机1602的程序和数据可被存储在远程存储器/存储设备中，如与分布式系统相关联。应该理解，所示网络连接是示例性的，并且可以使用在计算机之间建立通信链路的其他手段。

计算机1602可用于使用诸如IEEE 802.xx标准家族等无线电技术来与有线/无线设备或实体通信，例如在操作上安置在与例如打印机、扫描仪、台式和/或便携式计算机、个人数字助理(PDA)、通信卫星、任何一件与无线可检测标签相关联的设备或位置(例如，电话亭、报亭、休息室)以及电话的无线通信(例如，IEEE 802.11空中调制技术)中的无线设备。这至少包括用于热点的Wi-Fi(即无线保真)、WiMax和蓝牙^TM无线技术。由此，通信可以是如对于常规网络那样的预定义结构，或者仅仅是至少两个设备之间的自组织(ad hoc)通信。Wi-Fi网络使用称为IEEE 802.11x(a、b、g等等)的无线电技术来提供安全、可靠、快速的无线连接。Wi-Fi网络可用于将计算机彼此连接、连接到因特网以及连接到有线网络(使用IEEE 802.3相关介质和功能)。

所示各方面也可以在其中某些任务由通过通信网络链接的远程处理设备来执行的分布式计算环境中实施。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和/或远程存储和/或存储器系统中。

上面描述的包括所公开的体系结构的各示例。当然，描述每一个可以想到的组件和/或方法的组合是不可能的，但本领域内的普通技术人员应该认识到，许多其他组合和排列都是可能的。因此，该新颖体系结构旨在涵盖所有这些落入所附权利要求书的精神和范围内的更改、修改和变化。此外，就在说明书或权利要求书中使用术语“包括”而言，这一术语旨在以与术语“包含”在被用作权利要求书中的过渡词时所解释的相似的方式为包含性的。

Claims (17)

1.一种透镜系统，包括：

具有第一表面和第二表面的锥形光导，两个表面从厚端到薄端逐渐变薄；

薄端处用于接收入射到光导中的光的受光面；以及

光导的厚端处用于将入射光偏转回第一表面和第二表面的反射面，经偏转的光在到达受光面之前离开第一表面，其中所述反射面根据均匀的曲率半径而球面弯曲。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射面以某一角度形成，使得偏转离开所述反射面的入射光以准直光离开第一表面或第二表面。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射面以某一角度形成，使得在第一表面或第二表面接收的准直光在某一点处离开受光面。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，入射光从受光面扇出并从反射面偏转，以照亮整个第一表面。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一表面和弯曲的反射面之间形成的角度等于第二表面和弯曲的反射面之间形成的角度。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一表面和第二表面是平的，厚端的厚度是薄端的两倍。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进入受光面的入射光包括在从离开受光面到离开光导期间全部都经历了相同次数的反射的光线。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，反射面是反射光栅，反射光栅具有折射率在两个折射率值之间交替变化且厚度在两个厚度值之间交替变化的各层。

9.一种透镜系统，包括：

具有显示表面和第二光导表面的锥形光导，两个表面从厚端到薄端逐渐变薄，厚端的厚度是薄端的两倍；

薄端处用于接收入射到光导中的光的受光面；以及

光导的厚端处用于将入射光偏转回显示表面的反射面，反射面倾斜以减少镜面反射光线相对于光导的平面的角度，使得镜面反射光线在到达受光面之前离开显示表面，其中反射面根据均匀的曲率半径而球面弯曲。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述倾斜的反射面是菲涅耳化的表面。

11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述倾斜的反射面是绕在平行于锥形的轴的方向上的离薄端一个光导长度的距离的点弯曲。

12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，反射面包括一个或多个反射光栅，反射光栅具有折射率在两个折射率值之间交替变化且厚度在两个厚度值之间交替变化的各层，所述一个或多个反射光栅消除了孔径衍射。

13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，显示表面和弯曲的反射面之间形成的角度等于第二表面和弯曲的反射面之间形成的角度。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，显示表面和第二光导表面各自在厚端对反射面形成直角。

15.如权利要求9所述的系统，其特征在于，反射面由用于使用红、绿和蓝色照亮显示表面的三组布拉格光栅组成。

16.如权利要求9所述的系统，其特征在于，光线入射到薄端的中心以消除扇出的空白。

17.如权利要求9所述的系统，其特征在于，反射面偏转入射光，使得镜面反射光在取决于光的入射角的一点处离开显示表面。