CN103869406A

CN103869406A - 具有光束加倍器的准直图像的光导管及相关的光学器件

Info

Publication number: CN103869406A
Application number: CN201310665321.9A
Authority: CN
Inventors: J·多米尼奇; P·奥热罗; P·科尼
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: US9182597B2; US20140160577A1; CN103869406B; FR2999301A1; FR2999301B1

Abstract

本发明提出一种具有光束加倍器的准直图像的光导管及相关的光学器件。本发明的一般领域为用于准直图像的光导管，包括通过全反射作用的第一和第二图像导体（30、40），每个导体包括多个为平面的、半反射的、互相平行且相对于图像导体的外表面的平面倾斜的板（33、43）。两个导体布置为便于将准直图像传递至大的光瞳。根据本发明的光导管包括具有基本上长方体形状的光束加倍器元件（50）。在其基本版本中，其包括四个外平面切面（52、54）、两个内部半反射的平面反射镜（53、55）（所述反射镜为相互垂直的）、旨在接收准直图像的平面入射面（51）、胶合联结至图像导体中的一个的注入区域的出射面（56）。本发明还涉及与该光导管相关的整个显示器件。

Description

具有光束加倍器的准直图像的光导管及相关的光学器件

技术领域

本发明的领域为用于传送准直图像的光导管。这些导管尤其可以用于眼睛视觉光学系统的产品。这些系统使得可以将由微型显示器输出的图像叠加在外部景观上。其应用涉及大众市场部分以及航空领域。

背景技术

包括这样的导管的显示系统在图1中示意性地示出。其包括小成像器1、准直光学器件2以及光导管10。光导管的功能为将准直图像传递至用户的眼睛，而同时产生最小化的视觉干扰并且同时尽可能地离散、小和轻。在其基本版本中，其包括具有小厚度的平面的且平行的面的板11，在板11中插入半反射板12。该板仅引起非常小的外部视觉的干扰。由显示器输出的光束通过光导管内的全反射而传播，并且由半反射板12反射且朝向用户O的眼睛离开光导管。它们由图1和下面的附图中的离散箭头表示。

如果光导管10仅包括单个半反射板，观察者O仅能看见狭窄部分的图像，系统的光瞳位于远离眼睛处并且本质上尺寸较小。为了缓解在给定维度下的该缺点，半反射板12的数目如图2所示地增加，图2示出了包括多个半反射板12的光导管10的剖视图。这些半反射板都是完全互相平行的。

对于特定应用，尤其是要求宽视野的那些应用，需要进一步在空间的两个维度上扩大光瞳区域。在这种情况下，如图3所示，其示出了提供这样的光瞳的导管的透视图，光导管10由两个基本光学元件20和30组成。第一元件20为具有平面的和平行的面的第一光导管，第一光导管包括若干个互相平行并且使得可以在第一给定方向上扩大光瞳的第一半反射板12。第二元件30为具有平面的和平行的面的第二光导管，包括若干个互相平行并且使得可以在垂直于第一方向的第二方向上扩大光瞳的第二半反射板31。这两个导管在共同面22相遇并且形成具有平面的和平行的面的单个板。

这样的光导管仍然具有一个缺点。代表给定视野的每个平行光束必须大到足以在这些相同的面上产生连续的全内反射时“覆盖”整个导管的平面，通过这样的方式使得由连续的半反射板反射的光束组完全覆盖光瞳区域而没有“孔”。然而，如果导管仅包括半反射板，有可能情况就不是这样了。如图4中可见，其示出了包括三个互相平行、倾斜的半反射板12的光导管10的剖视图，尽管光束覆盖了导管的整个入射光瞳，但由各个板反射的光束并没有覆盖均匀性区域。

为了解决该问题，已经提出了若干个技术方案。题为“Dispositif deguidage optique d’un faisceau lumineux”（用于光束的光导引的器件）的专利FR 2 937 152提出扩大布置在光导管的输入处的光束的注入区域。该方案使得可以在一维空间扩大注入区域，但其难以应用于二维空间。题为“Substrate-guided relays for use with scanned beam image sources”的专利申请WO 2009/009 268提出将为平面的、半反射的且平行于导管的外平面的板引入波导的内部，使得可以加倍在给定方向上入射到该板上的光束。读者应当参考该申请的图3A、3B和3C以获得有关在光导管内光束的传播的细节。题为“Dispositif optique pour l’introductiond’une image collimatée dans le champ visuel d’un observateur et casquecomportant au moins un tel dispositif”（用于将准直图像引入观察者的视野的光学器件以及包括至少一个这样的器件的头盔）的专利申请EP 0399 965也提出将为平面的、半反射的并且平行于导管的外表面平行的板插入，以用于相同的目的。读者应当具体参考该专利的图1。最后，题为“Ensemble optique pour l’introduction,en surimpression,d’une imagedans le champ visuel d’un observateur et casque comportant au moins untel ensemble”（用于将图像叠加地引入观察者的视野中的光学组件以及包括至少一个这样的组件的头盔）的专利FR 2 662 821是前述申请的改进。要求保护的光导管的特殊性在于其既包括为平面的、半反射的并且平行于导管的外平面的板也包括通过表面垂直于所述外平面的平面反射镜的堆叠形成的聚焦“块”。读者应当参考该专利的图2和图3来获得几何形状的细节。

具有内部半反射板的图像导管是制造复杂的光学组件。其由多个经处理的并且胶合联结的光学元件组成，在组装之后，其必须完美地展示出具有极其精确的定向的平面表面。现有技术的光导管为了解决光瞳“孔”的问题，在光导管的内部增加了各种组件，致使其制造复杂且昂贵，并且引入了寄生图像的可能来源。

发明内容

根据本发明的用于传送准直图像的光导管不具有这些缺点。其在二维导管的上游增加了简单的组件，使得可以填充光瞳“孔”并且可以获得均匀性出射光瞳。

更精确地，本发明的主题为用于准直图像的光导管，包括：

-第一图像导体，所述第一图像导体具有基本上长方体的形状并且包括两个第一面、两个第二面、多个第一板以及注入区域，其中，所述两个第一面为平面的且互相平行，所述两个第二面为平面的且互相平行的并且垂直于两个第一平面所述多个第一板为平面的、半反射的、互相平行的且相对于所述两个第一平面的平面倾斜；

-第二图像导体，所述第二图像导体具有基本上平面板的形状，所述第二图像导体包括两个第三面、第四面以及多个第二板，其中，所述两个第三面为平面的且互相平行并且布置在两个第二平面的延伸上，所述第四面为平面的、垂直于第二平面并且连接至所述两个第一平面的其中一个，所述多个第二板为平面的、半反射的、互相平行并且相对于两个第三平面的平面倾斜；

其特征在于，所述导管包括光束加倍器元件，所述加倍器元件具有基本上长方体的形状，并且包括两个第一切面、两个第二切面、第一反射镜、第二反射镜、平面入射面以及出射面，其中，所述两个第一切面为平面的且互相平行，所述两个第二切面为平面的、互相平行且垂直于所述两个第一平面切面，所述第一反射镜为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第一平面切面的其中一个的第一预设距离处并且平行于所述两个第一平面切面，所述第二反射镜为半反射的、平面的且布置在距离所述第二平面切面的其中一个的第二预设距离处并且平行于所述两个第二平面切面，所述平面入射面旨在接收准直图像，所述出射面与所述注入区域一致或在所述注入区域附近。

有利地，所述加倍器元件包括两个第一反射镜，所述两个第一反射镜为半发射的、平面的且布置在距离所述两个第一平面切面的其中一个的两个第一预设距离处，所述两个第一半反射的平面反射镜为互相平行的且平行于所述第一平面切面；以及包括两个第二反射镜，所述两个第二反射镜为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第二平面切面的其中一个的两个第二预设距离处，所述两个第二半反射的平面反射镜为互相平行的并且平行于所述第二平面切面。

有利地，所述加倍器元件包括三个第一反射镜，所述三个第一反射镜为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第一平面切面的其中一个的三个第一预设距离处，所述三个第一半反射的平面反射镜为互相平行的且平行于所述第一平面切面；以及包括三个第二反射镜，所述三个第二反射镜为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第二平面切面的其中一个的三个第二预设距离处，所述三个第二半反射的平面反射镜为互相平行的且平行于所述第二平面切面。

有利地，所述加倍器元件包括四个第一反射镜，所述四个第一反射镜为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第一平面切面的其中一个的四个第一预设距离处，所述四个第一半反射的平面反射镜为互相平行的且平行于所述第一平面切面；以及包括四个第二反射镜，所述四个第二反射镜为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第二平面切面的其中一个的四个第二预设距离处，所述四个第二半反射的平面反射镜为互相平行的且平行于所述第二平面切面。

有利地，在第一变型中，所述注入区域布置在所述第一图像导体的第五面上。

有利地，在第二变型中，所述注入区域位于所述两个第一平面的其中一个上或所述两个第二平面的其中一个上。

本发明还涉及包括布置为形成准直图像的光学装置，以及如上定义的光导管的光学器件，其特征在于，所述准直图像由平行光束构成，所述光学装置布置为使得所述光束中的每一个相对于所述入射面的法线倾斜非零值，所述光束都不具有任何相对于所述法线对称的光束。

有利地，所述第一半反射的反射镜的最小长度和所述第二半反射的反射镜的最小长度等于所述入射面的最大长度除以在所述加倍器元件内部的光束的倾斜最小角度的正切的值。

附图说明

通过阅读下面的非限定性说明，并且借助于所附附图，本发明将得到更好的理解，并且其他优点将变得清楚，在这些附图中：

图1示出具有单个半反射板的第一图像导管；

图2示出具有两个半反射板的第二图像导管；

图3示出包括两个垂直布置的图像导体的第三图像导管；

图4示出通过包括若干个半反射板的图像导管的光线的通道；

图5示出根据本发明的加倍器元件的工作原理；

图6示出根据本发明的加倍器元件的透视图；

图7示出在根据本发明的加倍器元件的入射面上构成准直图像的容许入射的光束；

图8示出在加倍器元件仅包括两个半反射镜的情况下，在根据本发明的加倍器元件内部的半反射镜的最佳长度的确定；

图9A至图9E示出在加倍器元件包括多于两个的半反射镜的情况下，在根据本发明的加倍器元件内部的半反射镜的最佳长度的变型；

图10和图11透视地示出根据本发明的光导管的两个可能实施方案。

具体实施方式

为了清楚的目的，以及为了使加倍器元件的几何表面与图像导体的几何表面之间能够进行区分，加倍器的外表面被称为“切面”而图像导体的外表面被称为“面”。同样地，内置半反射表面对于图像导体被称为“板”，而对于加倍器元件则被称为“反射镜”。当然，光学功能是相同的，仅仅改变了术语。

图5示出了根据本发明的加倍器光学元件的一般工作原理。该图5示出加倍器元件50的部分剖视图。该视图示出入射面51、两个平面的互相平行的切面52，以及布置为平行于所述平面切面并且与所述平面切面等距的半反射平面反射镜53。由离散箭头表示的光束覆盖了整个的入射面，并且通过从两个平面切面的全反射在导管里传播。如在图5中可见，光束通过从半反射镜的反射而加倍。这些光束通过图5中的虚线来表示。因此，在加倍器元件内部的光束的横截面被加倍。这使得可以防止“孔”出现在一维空间的光瞳区域。

为了在二维空间中加倍光束的横截面，根据本发明的光学加倍器具有基本上长方体的形状。在图6中透视地示出这样的加倍器。在其基本版本中，其包括两个为平面的且互相平行的第一切面52、两个为平面的、互相平行的且垂直于两个第一平面切面的第二切面54、为半反射的、平面的且布置在距离两个第一平面切面的其中一个的第一预设距离处并且与它平行的第一反射镜53、为半反射的、平面的且布置在距离两个第二平面切面的其中一个的第二预设距离处并且与它平行的第二反射镜55、旨在接收准直图像的平面入射面51，以及出射面56。

根据本发明的加倍器与包括布置为形成准直图像的光学装置的光学器件一起使用。该准直图像由光束构成。这些光束在加倍器的入射面上的入射必须使得反射的光束通过从两个半反射平面镜其中一个的反射，与直接的光束不具有相同的入射。因此，光束中的每一个必须相对于入射面51的法线N倾斜非零值，并且必须不具有相对于该法线对称的光束。换句话说，所有光束的方向必须占据不多于空间的四分之一。图7显示该原理。图7示出根据本发明的光学加倍器元件50的剖视图。在该剖视图中，光束的入射包含在角度α和角度β之间，这两个角度在入射面的法线N的同一侧。

在加倍器仅包括两个半反射镜的情况下，使得半反射镜最佳地作用，在加倍器元件内部，第一半反射镜的最小长度L和第二半反射镜的最小长度等于入射面的最大长度h除以光束倾斜的最小角度θ的正切的值。这给出了等式：

L = \frac{h}{\tan (θ)}

图8示出根据本发明的光学加倍器元件的剖视图，其中示出了这些各个参数。

通过倍增在加倍器内的半反射镜的数目可以降低加倍器的长度L，如在图9A至图9E中可见，其作为剖视图分别示出了五个不同的加倍器构造。

如图9A所示，第一加倍器50的构造包括（如之前在图8中所描述的）第一半反射镜53和第二半反射镜55。加倍器的长度具有值L₁。

如图9B所示，第二加倍器的构造包括两个第一半反射镜53和两个第二半反射镜55。加倍器的长度具有小于L₁的值L₂。在这种构造中，半反射镜布置为互相间等距。

如图9C所示，第三加倍器50的构造为前一个构造的变型。其包括两个第一半反射镜53和两个第二半反射镜55。在该构造中，半反射镜布置在与彼此间距的不同距离处。已经示出的是加倍器的长度具有小于L₂的值L’₂。

如图9D所示，第四加倍器50的构造包括三个第一半反射镜53和三个第二半反射镜55。在该构造中，半反射镜布置为互相间等距。已经示出的是加倍器的长度具有小于L₂的值L₃。

最后，如图9E所示，第五加倍器50的构造包括四个第一半反射镜53和四个第二半反射镜55。在该构造中，半反射镜布置在与彼此间距的不同距离处。已经示出的是加倍器的长度具有小于L₃的值L₄。因此该构造可以通过相对于具有两个半反射镜的加倍器的长度的因子3来减小加倍器的长度。分隔各个半反射镜的最佳距离的确定和优化能够通过光线追踪光学软件来执行，光线的传播通过在加倍器内部的连续传输和反射变得简单。

通过非限定实例，图10和图11透视地示出根据本发明的光导管的两个可能设置。在这些附图中，通过指示的方式给出光学组件的各个维度。这种类型的光导管，其旨在放置于用户的眼睛前面，通常具有包含在两毫米和五毫米之间的厚度，几厘米的长度以及一厘米到二厘米的高度。同样地，在这些附图中构成导管的两个光导体，每个包括三个半反射板。通过指示的方式给出该图，应当记住的是半反射板数目的增加必然增加待生产的光学组件的复杂性。图9A至图9E和图10位于一个参照系（O,X,Y,Z）。

示出的光导管包括两个图像导体30和40以及加倍器元件50。在图9A至图9E和图10之间仅有加倍器50的设置有所不同。

第一图像导体30具有基本上长方体的形状，并且包括:

-两个第一面31，两个第一面31为平面的、互相平行的且平行于平面（O,Y,Z）；

-两个第二面32，两个每二面32为平面的、互相平行的、平行于平面（O,X,Z）且垂直于两个第一平面；

-三个板33，三个板33是平面的、半反射的且互相平行的并且其法线位于平面（O,X,Z）中且以第一预设角度倾斜；以及

-平面34，平面34平行于平面（O,X,Y）。

半反射板33的处理是优化的，使得反射的图像具有相似的照度水平。

第二图像导体40具有基本上长方体的形状，并且包括：

-两个第一面41，两个第一面41为平面的、互相平行的且平行于平面（O,Y,Z）；

-两个第二平面42；

-三个板43，三个板43是平面的、半反射的且互相平行的并且其法线位于平面（O,X,Z）中且以第二预设角度倾斜；以及

-入射面44，入射面44为平面的且平行于平面（O,Y,Z）。该面位于两个面31中的一个旁边。应当注意的是此两个面的并置必须在没有改变两个面之间的光学指数的情况下实现，使得光束的全反射能够在第一图像导体30的内部持续发生，而没有光束朝向图像导体40泄露。

半反射板43的处理是优化的，使得反射的图像具有相似的照度水平。优选地它们的反射系数非常低，以便促进景观的传输。

加倍器50与图6中的加倍器完全相同。优选三个次光学组件30、40和50由相同的光学材料制成，以便限制产生寄生图像地风险。

在图10中示出的第一变型中，加倍器元件50的出射面56胶合联结至第一导体30的面34。

在图11中示出的第二变型中，加倍器元件50的出射面56胶合联结至第一导体30的面32中的一个。在这种情况下，光导体30包括倾斜的反射镜35，使得可以重新定向源自加倍器的光束。

即使光学图像导管包括大量的配置有高精度的基本光学元件，所有的这些元件仍然是具有平面切面的基本棱镜且不造成任何成形、处理或最终装配的特殊问题。

该图像导管旨在在用于显示准直图像的器件中操作。

Claims

1.一种用于准直图像的光导管，包括：

-第一图像导体（30），所述第一图像导体（30）具有基本上长方体的形状并且包括两个第一面（31）、两个第二面（32）、多个第一板（33）以及注入区域，其中，所述两个第一面（31）为平面的且互相平行，所述两个第二面（32）为平面的且互相平行并且垂直于两个第一平面，所述多个第一板（33）为平面的、半反射的、互相平行的且相对于所述两个第一平面的平面倾斜；

-第二图像导体（40），所述第二图像导体（40）具有基本上平面板的形状，所述第二图像导体（40）包括两个第三面（41）、第四面（44）以及多个第二板（43），其中，所述两个第三面（41）为平面的且互相平行并且布置在两个第二平面的延伸上，所述第四面（44）为平面的、垂直于第二平面（32）并且连接至所述两个第一平面（31）的其中一个，所述多个第二板（43）为平面的、半反射的、互相平行并且相对于两个第三平面（41）的平面倾斜；

其特征在于，所述导管包括光束加倍器元件（50），所述加倍器元件具有基本上长方体的形状，并且包括两个第一切面（52）、两个第二切面（54）、至少一个第一反射镜（53）、至少一个第二反射镜（55）、平面入射面（51）以及出射面（56），其中，所述两个第一切面（52）为平面的且互相平行，所述两个第二切面（54）为平面的、互相平行且垂直于所述两个第一平面切面，所述至少一个第一反射镜（53）为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第一平面切面的其中一个的第一预设距离处并且平行于所述两个第一平面切面，所述至少一个第二反射镜（55）为半反射的、平面的且布置在距离所述第二平面切面的其中一个的第二预设距离处并且平行于所述两个第二平面切面，所述平面入射面（51）旨在接收准直图像，所述出射面（56）与所述注入区域一致或在所述注入区域附近。

2.根据权利要求1所述的用于准直图像的光导管，其特征在于所述加倍器元件包括两个第一反射镜（53），所述两个第一反射镜（53）为半发射的、平面的且布置在距离所述两个第一平面切面的其中一个的两个第一预设距离处，所述两个第一半反射的平面反射镜为互相平行的且平行于所述第一平面切面；以及包括两个第二反射镜（55），所述两个第二反射镜（55）为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第二平面切面的其中一个的两个第二预设距离处，所述两个第二半反射的平面反射镜为互相平行的并且平行于所述第二平面切面。

3.根据权利要求1所述的用于准直图像的光导管，其特征在于所述加倍器元件包括三个第一反射镜（53），所述三个第一反射镜（53）为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第一平面切面的其中一个的三个第一预设距离处，所述三个第一半反射的平面反射镜为互相平行的且平行于所述第一平面切面；以及包括三个第二反射镜（55），所述三个第二反射镜（55）为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第二平面切面的其中一个的三个第二预设距离处，所述三个第二半反射的平面反射镜为互相平行的且平行于所述第二平面切面。

4.根据权利要求1所述的用于准直图像的光导管，其特征在于所述加倍器元件包括四个第一反射镜，所述四个第一反射镜为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第一平面切面的其中一个的四个第一预设距离处，所述四个第一半反射的平面反射镜为互相平行的且平行于所述第一平面切面；以及包括四个第二反射镜（55），所述四个第二反射镜（55）为半反射的、平面的且布置在距离所述两个第二平面切面的其中一个的四个第二预设距离处，所述四个第二半反射的平面反射镜为互相平行的且平行于所述第二平面切面。

5.根据权利要求1所述的用于准直图像的光导管，其特征在于所述注入区域布置在所述第一图像导体（30）的第五面（34）上。

6.根据权利要求1所述的用于准直图像的光导管，其特征在于所述注入区域位于所述两个第一平面（32）的其中一个上或所述两个第二平面（31）的其中一个上。

7.一种光学器件，所述光学器件包括布置为形成准直图像的光学装置，以及根据前述权利要求中的一项所述的光导管，其特征在于，所述准直图像由平行光束构成，所述光学装置布置为使得所述光束中的每一个相对于所述入射面的法线倾斜非零值，所述光束都不具有任何相对于所述法线对称的光束。

8.根据权利要求7所述的光学器件，其特征在于所述第一半反射的平面反射镜的最小长度（L）和所述第二半反射的平面反射镜的最小长度等于所述入射面的最大长度（h）除以在所述加倍器元件内部的光束倾斜的最小角度（θ）的正切的值。