CN107111129B - 基板引导的光学器件 - Google Patents

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Abstract

一种光学系统，包括具有至少两个外部主表面和边缘的透光基板以及用于通过全内反射将光波耦合到基板中的光学元件。至少一个部分反射表面位于基板中，用于将光波耦合出基板，以及其折射率显著低于透光基板的折射率的至少一个透明层被光学附连到基板的主表面中的至少一个，从而限定接口平面。耦合在基板内的光波基本上全部从基板的主表面和透明层之间的接口平面反射。

Description

基板引导的光学器件
技术领域
本发明涉及基板引导的光学器件，特别地，涉及包括由也被称为光导元件的常见透光基板承载的多个反射表面的器件。
背景技术
紧凑型光学元件的重要应用是在头戴式显示器(HMD)中，其中光学模块既充当成像透镜又充当组合器，其中二维图像源被成像到无穷远并被反射到观察者的眼睛中。显示源可以直接地从空间光调制器(SLM)(诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)、扫描源或类似设备)获得，或者间接地借助于中继透镜或光纤束获得。显示源包括通过准直透镜被成像到无穷远并借助于分别用于非透视应用和透视应用的组合器的反射或部分反射表面发送到观看者的眼睛中的元件(像素)阵列。通常，常规的自由空间光学模块用于这些用途。但是，随着系统的期望视场(FOV)增加，这种常规的光学模块变得更大、更重和更庞大，并因此即使对于中等性能的设备也是不切实际的。对于各种显示器，以及尤其是在其中系统应当必须尽可能轻且紧凑的头戴式应用中的显示器，这是主要缺点。
力求紧凑性导致几种不同的复杂光学解决方案，所有这些解决方案一方面对于大多数实际应用而言仍然不足够紧凑，并且另一方面在可制造性上承受主要缺点。此外，由这些设计得到的光学视角的眼睛运动盒(EMB)常常非常小——通常小于8mm。因此，光学系统的性能即使对于光学系统相对于观看者的眼睛的小的移动也是非常敏感的，并且不允许足够的瞳孔运动来舒适地从这种显示器读取文本。
包括在全部以本申请人的名义的公开内容No.WO01/95027、WO03/081320、WO2005/024485、WO2005/024491、WO2005/024969、WO2005/124427、WO2006/013565、WO2006/085309、WO2006/085310、WO2006/087709、WO2007/054928、WO2007/093983、WO2008/023367、WO2008/129539、WO2008/149339、WO2013/175465、IL 232197和IL 235642中的教导通过引用并入本文。
发明内容
本发明有助于开发用于HMD等应用的非常紧凑的光导光学元件(LOE)。本发明允许相对宽的FOV以及相对大的EMB值。得到的光学系统提供大的、高质量的图像，其还适应眼睛的大的移动。本发明提供的光学系统是特别有利的，因为它显著地比现有技术的实现方式更加紧凑，并且即使在具有专门配置的光学系统中，它仍能够容易地结合。
因此，本发明的广泛目的是减轻现有技术的紧凑光学显示设备的缺点，并根据具体需要提供具有改进的性能的其它光学部件和系统。
本发明可以被实现来有利于大量成像应用，诸如便携式DVD、蜂窝电话、移动电视接收器、视频游戏、便携式媒体播放器或任何其它移动显示设备。
LOE操作的主要物理原理在于通过来自LOE的外表面的全内反射将光波捕获在基板内。但是，存在需要将另一个光学元件附连至外表面中的至少一个的情形。在这种情况下，有必要确认，一方面，来自外表面的光波的反射将不会由于这种附连而劣化，并且另一方面，将光波从LOE耦合出和耦合进LOE的光学布置将不会受到干扰。因此，需要在外表面处添加角度敏感的反射光学布置，其一方面将基本上反射耦合在LOE内并以倾斜的角度撞击在表面上的整个光波，并且另一方面基本上透射以接近于法向入射撞击在表面上的光波。
在先前的发明(例如，WO 2005/024491)中，已经例示了其中将角度敏感的薄膜介电涂层施加到LOE的表面的反射光学布置。在本发明中，替代的反射光学布置利用具有极低折射率的介电透明材料。
因此，本发明提供了一种光学系统，其包括：具有至少两个外部主表面和边缘的透光基板；用于通过全内反射将光波耦合到基板中的光学元件；位于基板中的至少一个部分反射表面，用于将光波耦合出基板；以及至少一个透明层，该至少一个透明层的折射率显著低于透光基板的折射率，该至少一个透明层被光学附连到基板的主表面中的至少一个主表面上，从而限定了接口平面，其中耦合到基板内的光波基本上全部从基板的主表面和透明层之间的接口平面反射。
附图说明
参照以下例示性附图，结合某些优选实施例描述本发明，从而可以更充分地理解本发明。
具体参照详细的附图，强调所示的细节仅作为示例并且仅用于例示性地讨论本发明的优选实施例的目的，并且是为了提供被认为是对本发明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述而给出的。在这方面，没有尝试以比基本理解本发明所必需的细节更详细地示出本发明的结构细节。利用附图进行的描述将充作对于本领域技术人员关于如何在实践中实施本发明的若干形式的指导。
在附图中：
图1是示例性现有技术LOE的侧视图；
图2是例示用于准直来自显示光源的输入光波的现有技术光学器件的示意图；
图3是例示根据本发明的用于对来自显示光源的输入光波进行准直并将其耦合进LOE中的系统的示意图；
图4是例示根据本发明的用于对来自显示光源的输入光波进行准直并将其耦合进基板中的另一个实施例的示意图，其中准直模块被附连到基板；
图5例示根据本发明的其中负透镜被附连到光导光学元件的外表面的示例性实施例；
图6例示根据本发明的其中负透镜和正透镜被附连到光导光学元件的外表面的示例性实施例；
图7例示根据本发明的其中利用低折射率粘合剂将负透镜胶合到光导光学元件的外表面的示例性实施例；
图8例示根据本发明的其中由低折射率材料制造的基板被光学附连到光导光学元件的外表面的示例性实施例；
图9例示根据本发明的其中利用两个透明层将负透镜和正透镜胶合到光导光学元件的外表面的示例性实施例；
图10是例示用于根据本发明的(a)未胶合的LOE；(b)胶合到低折射率材料基板并涂覆有抗反射涂层的LOE以及(c)胶合到低折射率材料基板并涂覆有角度敏感的反射涂层的LOE的反射率曲线的图；
图11例示本发明的示例性实施例，其中耦合进元件和耦合出元件是衍射光学元件，以及
图12例示本发明的示例性实施例，其中光学模块嵌入在手提显示系统中。
具体实施方式
图1例示可用在本发明中的现有技术的基板20和相关联部件(下文中也称为“LOE”)的截面图。光学装置，例如反射表面16，被从光源(未示出)发出的经准直的显示光波18照射。反射表面16反射来自源的入射光波，使得光波通过全内反射被捕获在LOE的平面基板20内。在几次被反射离开基板20的主要下表面26和上表面28之后，被捕获的光波到达选择性反射表面的阵列22，该选择性反射表面的阵列22将光波耦合出基板，进入观看者的具有瞳孔25的眼睛24。在本文中，LOE的输入表面将被视为输入光波通过其进入LOE的表面，并且LOE的输出表面将被视为被捕获的光波通过其离开LOE的表面。在图1中所例示的LOE的情况下，输入表面和输出表面都在下表面26上。但是，可预见其中输入光波和图像光波可以位于基板20的相对侧上或者当光波通过基板的倾斜边缘耦合到LOE中时的其它配置。
如图2中所例示，来自显示光源4的s偏振的输入光波2通过准直模块6的下表面30耦合进通常由光波透射材料组成的准直模块6。在反射离开偏振分束器31之后，光波通过准直模块6的表面32被耦合出基板。然后，光波穿过四分之一波长延迟片34，被反射光学元件36(例如，平面镜)反射，返回去再次穿过延迟片34，并通过表面32重新进入准直模块6。现在p偏振的光波穿过偏振分束器31，并通过准直模块6的表面38耦合出光导。光波然后穿过第二个四分之一波长延迟片40，被部件42(例如，透镜)在其反射表面44处准直，返回去再次穿过延迟片20，并通过表面38重新进入准直模块6。现在s偏振的光波被反射离开偏振分束器31，并通过上表面46离开准直模块。反射表面36和44可以通过金属或介电涂层来具体化(materialized)。
图3例示了如何可以将由关于图2详细描述的部件构成的准直模块6与LOE组合以形成光学系统。来自准直模块6的输出光波48通过基板20的下表面26进入基板20。(相对于基板20)进入的光波从光学元件16反射并被捕获在基板中，如图2中所例示的。现在，包括显示光源4、折叠棱镜52和54、偏振分束器31、延迟片34和40以及反射光学元件36和42的准直模块6可以集成到单个机械模块中，其可以独立于基板组装，具有相当宽松的机械公差。此外，延迟片34和40以及反射光学元件36和42可以分别胶合在一起，以形成单个的元件。
将准直模块6的所有各种部件附连到基板20以形成具有更简单的机械模块的单个紧凑元件将是有利的。图4例示了这种模块，其中准直模块6的上表面46在接口平面58处附连到LOE的下表面26。该配置的主要问题是附连过程取消了在LOE和准直模块6之间的先前存在的气隙50(图3中例示的)。该气隙对于将输入光波48捕获在LOE 20内是必要的。如图4中例示的，被捕获的光波48应当在接口平面58上的点62和64处被反射。因此，反射光学布置应当被应用在这个平面处，在LOE的主表面26处或者准直模块6的上表面46处。但是，不能够容易地施加简单的反射涂层，因为这些表面还应当对于在示例性点66处进入和离开LOE的光波是透明的。光波应当在小的入射角时穿过平面64，并在更高的入射角时反射。通常，穿过的入射角在0°和15°之间，而反射的入射角在38°和80°之间。
在本发明的所有上述实施例中，耦合到LOE中的图像被准直到无穷远。但是，存在其中所发送的图像应当被聚焦到更近的距离的应用，例如对于遭受近视并且不能正确地看到位于远距离的图像的人。
图5例示了基于本发明的用于实现透镜的方法。来自无穷远的图像80通过反射表面16耦合到基板20中，然后由部分反射表面的阵列22反射到观看者的眼睛24中。眼科透镜82将图像聚焦到方便的距离并且可选地校正观看者的眼睛的其它像差(包括像散)。平凹透镜82可以在其平坦表面84处附连到基板的表面。如上面关于图4所解释的，必须在透镜82和基板20之间保留薄的气隙，以确保通过全内反射将图像光线捕获在基板内。
此外，在与本发明相关的大多数应用中，假设外部场景位于无穷远处。但是，存在诸如用于专业或医疗用途的其中外部场景位于更近的距离处的应用。
图6例示了基于本发明的用于实现双透镜配置的方法。来自无穷远的图像80通过反射表面16耦合进基板20，然后通过部分反射表面的阵列22反射到观看者的眼睛24中。来自近距离的另一场景图像86由透镜88准直到无穷远，然后穿过基板20进入眼睛。透镜82将图像80和86聚焦到方便的距离，通常是外部场景86的原始距离，并(如果需要的话)校正观看者的眼睛的其它像差。
图5和图6中例示的透镜82和88分别是简单的平凹透镜和平凸透镜。但是，为了保持LOE的平面形状，可以取代地使用菲涅耳透镜，其可以由薄的模制塑料板以精细步骤制成。而且，取代如上所述的固定透镜，将透镜82或88具体化的替代方式是开发电子控制的动态透镜。存在需要用户将不仅能够看到非准直图像而且能够动态控制图像的焦点的应用。已经示出，可以使用高分辨率的空间光调制器(SLM)来形成动态元件。用于该用途的最受欢迎的源是LCD器件，但也可以使用其它动态SLM器件。具有数百线/毫米的高分辨率动态透镜是已知的。这种电光控制的透镜可以用作本发明中的期望的动态元件，来取代上面结合图5和图6描述的固定透镜。因此，操作人员可以实时地确定和设定由LOE投影的虚像和外部视图的实像二者的精确焦平面。自然地，图5和图6中例示的透镜能够容易地组装在眼镜框架83内，如图5中所示。
如上面在图6中例示的，将所有透镜82和88附连到LOE以形成具有更简单的机械模块的单个紧凑元件将是有利的。如前所述，主要问题是附连过程取消了LOE与透镜82和88之间先前存在的气隙，这种气隙对于将输入光波80捕获在LOE内是必要的。如图6中进一步例示的，捕获的光线80应当在接口平面84的点90处被反射并在点92处被透射通过同一平面。因此，如上面关于图4所描述的，类似的反射光学布置应当被应用在这个平面处。
用于实现所需要的反射光学布置的可能做法是将其折射率显著低于LOE的折射率的透明层光学附连到LOE的主表面。将这种做法具体化的一种方法是利用低折射率粘合剂将LOE胶合到所需的光学元件。在市场上可购得折射率为
Figure BDA0001329844940000071
1.3的光学粘合剂。
如图7中所例示的，低折射率粘合剂100被用于将校正透镜82胶合到LOE。被捕获在LOE内的光线现在全部从粘合剂100和LOE之间的接口表面101反射。该胶合过程不能简单地代替所需的气隙。例如，在由折射率为1.52的BK7制造的LOE中，临界角为41.8°。用低折射率粘合剂代替气隙将使临界角增加到58.8°。具有如此高的临界角，只有非常有限的FOV能通过全内反射被捕获到LOE中。但是，通过利用高折射率材料来制造LOE，可以增加可实现的FOV。例如，利用折射率为1.8的光学材料来制造LOE将使临界角减小到46.2°，这现在可以实现更合理的FOV。
用于增加FOV的替代实施例是在LOE和附连的光学元件之间插入具有低折射率的固体介电材料的中间薄层。已经开发了具有非常低折射率(在1.1-1.2的范围内)以及稳定的机械特性的气凝胶材料族。用于该目的的另一种可能的替代方案是通过掠射角沉积来制造的多孔固体介电材料。
图8例示了插入在LOE和校正透镜82之间的低折射率材料(LIM)的薄板104。这个LIM的板104可以直接沉积在LOE的外表面26上或者利用薄粘合剂层被胶合到该表面。为了避免从不同表面的多次反射，在这个情况下，优选地利用折射率类似于LOE的折射率的粘合剂。LOE内捕获的光线的内反射将来自板104的上表面107。因此，为了避免多个图像，这个表面应当平行于LOE的外表面26。因此，并且也为了避免图像中的黑色条纹，粘合剂层106的厚度应当被最小化，并且在任何情况下都不超过几微米。此外，表面107的光学质量和平坦度应当非常高。将LIM的板附连到基板的主表面以实现所需的角度敏感光学布置不仅可以被应用于LOE的两个外表面中的一个表面，而且也可以被应用于另一个表面。
图9例示了插入在LOE 20和正透镜88之间的LIM的第二薄板108，其中该板的下表面110被光学附连到LOE的上表面28。
能够改进上述两个实施例的性能的另一个过程是添加将整个FOV捕获在基板内(即使是对于比接口反射表面的临界角更小的角度)的角度敏感反射涂层(ASR)。即使对于其中基板表面中的一个可以是不透明并且因此可以涂覆有常规反射表面的非透视应用，在紧挨着观看者眼睛的外表面至少对于所需的外部FOV的角度也应当是透明的。因此，所需的反射涂层对于低于临界角的角度的区域应当具有非常高的反射率，并且对于图像的整个FOV具有非常高的反射率。
图10例示了用于示例性实施例的反射率曲线，在该示例性实施例中LOE由折射率为1.6并且波长λ＝550nm的光学材料制造。示出了三个不同的图：
a)实线表示未胶合的LOE(即，其中外部材料是空气并且其外表面涂覆有常见的抗反射(AR)涂层的LOE)的反射率曲线。如所例示的，临界角为38.7°，并且，低于那个值，反射率迅速下降。
b)点线表明胶合到具有1.1的折射率的LIM的基板并且接口表面涂覆有常见的AR涂层的LOE的反射率曲线。这里，临界角增加到43.4°。能够耦合到LOE中的潜在FOV减小，但仍然是合理的并且类似于由BK7制造的未胶合LOE(其中临界角为41.8°)。
c)虚线表示胶合到具有1.1的折射率的LIM的基板的LOE的反射率曲线。但是，这里，接口表面涂覆有特殊的ASR涂层。LOE内捕获的光线在处于低于43.4°的入射角时从接口表面反射的光学布置不再是全内反射，而是从ASR涂层的反射。以高于34.7°的入射角撞击接口表面的光线的反射率高于99％，并且光线几乎完全从接口表面反射。因此，可以被捕获在这个LOE内的潜在FOV远高于如曲线图(a)中所例示的、未胶合的LOE的潜在FOV。
在这个曲线图中有两个显著的区域：反射率非常高的34°和90°之间的区域，以及反射率非常低的0°和29°之间(相当于基板外的0°-46°)的区域。因此，对于给定的FOV，只要可以确保其中期望非常高的反射的所捕获的光波的整个角谱将位于第一区域内而基本上需要零反射的外部FOV的整个角谱将位于第二区域内，则整个FOV就将通过内反射被捕获在基板内并且观看者可以看到完整图像。
当LIM基板被胶合到LOE的上表面时，如上面所解释的，ASR涂层可以被施加到LIM板的位于邻近LOE的外表面107(图9)。但是，如果LIM层是直接沉积在LOE上，那么施加所需的ASR涂层的唯一方式是在LOE的外表面26上施加。由于LOE的制造过程通常涉及胶合光学元件，并且由于所需ASR涂层只有在完成LOE主体之后才被施加到基板表面，因此不可能利用可能损坏胶合区域的常规热涂覆工艺。新型的薄膜技术(诸如离子辅助的涂覆工艺)也可以用于冷处理，从而消除对加热部件的需求，这允许胶合部分(诸如LOE)被安全地涂覆。
在迄今为止所例示的所有实施例中，用于将光波耦合出基板的元件是位于所述基板中的至少一个平坦的部分反射表面，其通常涂敷有部分反射的介电涂层并且不平行于所述基板的主表面。但是，根据本发明的特殊反射光学布置可以也被开发用于其它耦合出技术。
图11例示了基板20，其中耦合进元件102或耦合出元件104是衍射元件，并且薄LIM基板被光学地胶合到基板的上表面28。此外，可以使用其它耦合出元件(诸如弯曲的部分反射表面)和其它装置。
图5-9中的元件仅仅是例示本发明的在眼镜框架内的简单实现方式的示例。由于构成系统的核心的基板引导的光学元件非常紧凑和重量轻，因此可以以各种各样的布置来安装它。许多其它实施例也是可以的，包括面盔(visor)、折叠显示器、单目眼镜和许多其它实施例。这个实施例被指定用于其中显示器应当靠近眼睛的应用；头戴式、头部穿戴式或头部佩戴式的应用。但是，存在显示器的位置不同的应用。这种应用的示例是用于移动应用的手提式设备，诸如，例如智能电话或智能手表。这些智能设备的主要问题是所需的小尺寸和体积与期望的高质量图像之间的矛盾。
图12例示了基于本发明的替代实施例，其消除了移动设备的小尺寸与在全幅显示器上观看数字内容的期望之间的必要折中。这个应用是手持式显示器(HHD)，其通过将高质量图像直接投影到用户的眼睛中而解决了先前的相对的需求：实现小型的移动设备与在全幅显示器上观看数字内容的期望。包括显示源4、折叠和准直光学器件108以及基板20的光学模块被集成到智能设备110的主体中，其中基板20代替电话的现有保护盖窗。具体而言，包括源4和光学器件108的支撑部件的体积足够小，以适配在现代智能设备的可接受尺寸内。为了观看由设备发送的全屏幕，设备的窗口定位在用户眼睛24的前方，从而以高的FOV、大的眼睛运动盒和舒适的眼距来观察图像。还可以通过倾斜设备以显示图像的不同部分来以更大的眼距观看整个FOV。此外，由于光学模块可以以透视配置进行操作，因此设备的双重操作是可能的，即，存在维持常规显示器112原封不动的选项。以这种方式，当显示源4被关闭时，可以透过基板20观看标准显示器。在被指定用于大规模上网或高质量视频操作的第二、虚拟模式下，常规显示器112被关闭，而显示源4将所需的宽FOV图像通过基板20投影到观看者的眼睛中。通常，在大多数手提式智能设备中，用户可以通过使用嵌入在设备的前窗上的触摸屏来操作智能设备。如图12中所例示的，触摸屏114可以通过直接将其胶合到位于基板20上的LIM层120的外表面上而附连到智能设备。

Claims (63)

1.一种光学系统，包括：
透光基板，具有至少两个外部主表面和边缘；
光学元件，用于通过全内反射将指示图像的光波耦合到所述基板中；
位于所述基板中的至少一个部分反射表面，用于将光波耦合出所述基板；
透明层，被光学附连到所述基板的所述主表面中的至少一个主表面，从而限定接口平面，以及
施加到所述接口平面的角度敏感的反射涂层，
其中所述透明层的折射率低于所述透光基板的折射率以便限定临界角，使得对应于与所述图像相关联的视场的至少一部分的、以大于临界角的角度耦合到所述基板内的光波通过从所述基板的所述主表面和所述透明层之间的所述接口平面的全内反射被捕获在所述基板内。
2.如权利要求1所述的光学系统，还包括折射率显著低于所述透明基板的折射率的第二透明层，其中第二透明层被光学附连到所述基板的所述主表面中的另一个主表面。
3.如权利要求1所述的光学系统，其中所述透明层由光学粘合剂构成。
4.如权利要求1所述的光学系统，其中所述透明层由固体介电材料组成。
5.如权利要求4所述的光学系统，其中所述固体介电材料属于气凝胶材料族。
6.如权利要求4所述的光学系统，其中所述固体介电材料是通过掠射角沉积来制造的多孔固体介电材料。
7.如权利要求4所述的光学系统，其中所述透明层被直接沉积在所述基板的主表面上。
8.如权利要求4所述的光学系统，其中所述透明层被光学胶合到所述基板的主表面。
9.如权利要求1所述的光学系统，其中涂层被施加到所述基板的主表面。
10.如权利要求1所述的光学系统，其中利用冷涂覆技术来施加涂层。
11.如权利要求1所述的光学系统，其中涂层被施加到所述透明层的外表面。
12.如权利要求1所述的光学系统，其中所述基板和所述透明层组装在眼镜框架内。
13.如权利要求1所述的光学系统，其中用于将光波耦合出所述基板的所述部分反射表面是平坦的表面。
14.如权利要求13所述的光学系统，其中用于将光波耦合出所述基板的所述部分反射表面涂敷有部分反射介电涂层。
15.如权利要求13所述的光学系统，其中用于将光波耦合出所述基板的所述部分反射表面不平行于所述基板的所述主表面。
16.如权利要求1所述的光学系统，其中用于通过内反射将光波耦合到所述基板中的所述光学元件是衍射元件。
17.如权利要求1所述的光学系统，其中用于将光波耦合出所述基板的所述部分反射表面是衍射元件。
18.如权利要求1所述的光学系统，其中用于将光波耦合出所述基板的所述部分反射表面是弯曲的表面。
19.如权利要求1所述的光学系统，其中所述基板和所述透明层组装在智能设备内。
20.如权利要求19所述的光学系统，其中所述智能设备是智能电话。
21.如权利要求19所述的光学系统，其中所述智能设备是智能手表。
22.如权利要求19所述的光学系统，其中所述光学元件是触摸屏。
23.一种光学系统，包括：
透光基板，具有包括至少第一主要外表面和第二主要外表面的多个表面，所述基板被配置为通过内反射在基板的主要外表面之间引导指示图像的耦合进入的光波，并且所述基板还被配置为经由至少一个部分反射表面将光波耦合出所述基板；
在所述基板外部的透镜装置，所述透镜装置至少包括位于所述基板的所述主要外表面中的一个主要外表面旁边的第一透镜，所述第一透镜将对应于穿过所述基板的光波以及在所述基板的主要外表面之间引导的光波中的至少一个光波的至少一个图像聚焦到至少一个距离以供观看者的眼睛观看；
透明层，将所述第一透镜的至少一部分光学耦合到所述基板的所述主要外表面中的所述一个主要外表面以限定接口平面；以及
施加到所述接口平面的角度敏感的反射涂层，
其中所述透明层的折射率低于所述基板的折射率以便限定临界角，使得对应于与所述图像相关联的视场的至少一部分的、以大于临界角的角度耦合到所述基板内的光波通过从所述基板的所述主要外表面和所述透明层之间的所述接口平面的全内反射被捕获在所述基板内。
24.如权利要求23所述的光学系统，其中所述第一透镜被动态地控制。
25.如权利要求23所述的光学系统，其中所述至少一个图像被所述第一透镜聚焦到用户控制的距离。
26.如权利要求23所述的光学系统，其中所述第一透镜是电子控制的。
27.如权利要求23所述的光学系统，其中所述第一透镜是电光控制的。
28.如权利要求23所述的光学系统，其中被所述第一透镜聚焦的所述至少一个图像是对应于在所述基板的主要外表面之间引导的光波的图像。
29.如权利要求23所述的光学系统，其中被所述第一透镜聚焦的所述至少一个图像是不同于所述图像的对应于穿过所述基板的光波的外部场景图像。
30.如权利要求23所述的光学系统，其中，被所述第一透镜聚焦的所述至少一个图像包括对应于在所述基板的主要外表面之间引导的光波的图像，以及不同于所述图像的对应于穿过所述基板的光波的外部场景图像。
31.如权利要求23所述的光学系统，其中所述第一透镜校正所述观看者的眼睛的像差。
32.如权利要求23所述的光学系统，其中，所述图像由电子显示源生成。
33.如权利要求32所述的光学系统，其中所述电子显示源被耦合到空间光调制器。
34.如权利要求32所述的光学系统，其中所述电子显示源是高分辨率显示源。
35.如权利要求32所述的光学系统，其中所述电子显示源是液晶显示器。
36.如权利要求23所述的光学系统，其中所述透镜装置进一步包括位于所述基板的另一个主要外表面旁边的第二透镜，用于使来自不同于所述图像的外部场景图像的光波穿过所述基板并随后通过所述第一透镜进入所述观看者的眼睛。
37.如权利要求36所述的光学系统，还包括折射率低于所述基板的折射率的第二透明层，所述第二透明层将所述第二透镜的至少一部分光学耦合到所述基板的所述另一个主要外表面。
38.如权利要求36所述的光学系统，其中所述图像和所述外部场景图像被所述第一透镜聚焦到用户控制的距离。
39.如权利要求36所述的光学系统，其中所述图像被所述第一透镜聚焦到预定距离，其中所述预定距离是所述外部场景图像和所述光学系统之间的距离。
40.如权利要求36所述的光学系统，其中所述第二透镜是准直透镜。
41.如权利要求36所述的光学系统，其中所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个是动态透镜。
42.如权利要求41所述的光学系统，其中所述动态透镜是电子控制的。
43.如权利要求41所述的光学系统，其中所述动态透镜是电光控制的。
44.如权利要求36所述的光学系统，其中所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个是菲涅耳透镜。
45.如权利要求23所述的光学系统，其中耦合到所述基板内的光波以基本上垂直于所述接口平面的角度通过所述接口平面耦合出射。
46.如权利要求45所述的光学系统，其中通过所述接口平面耦合出射的所述光波透射通过所述第一透镜。
47.如权利要求23所述的光学系统，其中所述临界角被限定为使得，对应于与所述图像相关联的整个视场的、以小于所述临界角的角度和大于所述临界角的角度耦合到所述基板内的光波通过从所述基板的主要外表面和所述透明层之间的所述接口平面的全内反射被捕获在所述基板内。
48.如权利要求23所述的光学系统，其中透明层被光学附接到的第一透镜的部分包括面向所述基板的平坦外表面。
49.如权利要求23所述的光学系统，其中所述透明层被部署在所述基板的所述第一主要外表面与所述第一透镜之间。
50.如权利要求23所述的光学系统，其中用于将光波耦合出所述基板的所述至少一个部分反射表面是衍射元件。
51.一种光学系统，包括：
透光基板，具有包括至少第一主要外表面和第二主要外表面的多个表面，所述基板被配置为通过内反射在基板的主要外表面之间引导指示图像的耦合进入的光波，并且所述基板还被配置为经由至少一个部分反射表面将光波耦合出所述透光基板；
透明层，所述透明层的折射率低于所述基板的折射率以便限定临界角，其中所述透明层光学附连到所述基板的所述主要外表面中的一个外表面以限定接口平面；
施加到所述接口平面的角度敏感的反射涂层，其中对应于与所述图像相关联的视场的至少一部分的、以大于临界角的角度耦合在所述在基板内的所述光波通过从所述基板的所述主要外表面和所述透明层之间的所述接口平面的全内反射被捕获在所述基板内；以及
透镜，所述透镜光学耦合到所述透明层，其中所述透镜位于所述基板的所述第一主要外表面旁边并且将对应于穿过所述基板的光波以及在所述透光基板的主要外表面之间引导的光波中的至少一个光波的至少一个图像聚焦到至少一个距离，以供观看者的眼睛观看，或者其中所述透镜位于所述基板的所述第二主要外表面旁边并且将来自不同于所述图像的外部场景图像的光波穿过所述基板以供所述观看者的眼睛观看。
52.如权利要求51所述的光学系统，其中所述透镜是电子控制的。
53.如权利要求51所述的光学系统，其中所述透镜是动态透镜。
54.如权利要求51所述的光学系统，其中所述透镜是菲涅耳透镜。
55.如权利要求51所述的光学系统，其中所述透镜校正所述观看者的眼睛的像差。
56.如权利要求51所述的光学系统，其中所述透镜是聚焦透镜。
57.如权利要求51所述的光学系统，其中所述透镜是准直透镜。
58.如权利要求51所述的光学系统，其中所述透镜位于所述基板的所述第一主要外表面旁边，并且所述透镜将来自所述外部场景图像的光波连同通过所述接口平面耦合出射的、来自所述图像的光波一起聚焦到所述观看者的眼睛中。
59.一种光学系统，包括：
透光基板，具有包括至少第一主要外表面和第二主要外表面的多个表面；
光学元件，用于将指示图像的光波耦合到所述基板中，以实现耦合进入的光波在所述基板的主要外表面之间的内反射；
至少一个部分反射表面，用于将光波耦合出所述基板；
在所述基板外部的透镜装置，所述透镜装置包括位于所述基板的所述第一主要外表面旁边的聚焦透镜，所述聚焦透镜将指示图像的耦合出射的光波聚焦到至少一个距离，以进入观看者的眼睛；
透明层，所述透明层将所述聚焦透镜的至少一部分光学耦合到所述基板的所述第一主要外表面以限定接口平面，以及
施加到所述接口平面的角度敏感的反射涂层，其中所述透明层的折射率低于所述基板的折射率以便限定临界角，使得对应于与所述图像相关联的视场的至少一部分的以大于所述临界角的角度耦合到基板内的光波通过从所述基板的所述第一主要外表面和所述透明层之间的所述接口平面的全内反射被捕获在所述基板内。
60.一种光学系统，包括：
透光基板，具有包括至少第一主要外表面和第二主要外表面的多个表面；
光学元件，用于将指示具有相关联的视场的图像的光波耦合到所述基板中；
至少一个部分反射表面，用于将光波耦合出所述基板；
透明层，所述透明层光学耦合到所述基板的主要外表面中的至少一个外表面以限定接口平面，其中所述透明层的折射率低于所述基板的折射率以便限定临界角；以及
沉积在所述接口平面上的角度反射敏感涂层，其中以小于临界角的角度和大于临界角的角度耦合到所述基板内的来自整个视场的光波通过从所述基板的所述主要外表面和所述透明层之间的所述接口平面的全内反射被捕获在所述基板内。
61.如权利要求60所述的光学系统，还包括在所述基板外部的透镜装置，所述透镜装置至少包括位于所述基板的所述主要外表面中的一个主要外表面旁边的第一透镜，所述第一透镜将对应于穿过所述基板的光波以及来自所述视场的光波中的至少一个光波的至少一个图像聚焦到至少一个距离以供观看者的眼睛观看，所述透明层将所述第一透镜的至少一部分光学耦合到所述基板的所述主要外表面。
62.一种光学系统，包括：
透光基板，具有包括至少第一主要外表面和第二主要外表面以及至少一个不平行于所述主要外表面的边缘的多个表面，所述基板被配置为通过内反射在基板的主要外表面之间引导指示图像的经由所述至少一个边缘耦合进入的光波，并且所述基板还被配置为经由至少一个部分反射表面将光波耦合出所述基板；
透明层，光学耦合到所述基板的所述主要外表面中的至少一个外表面以限定接口平面；以及
施加到接口平面的角度敏感的反射涂层，其中所述透明层的折射率低于所述基板的折射率以便限定临界角，使得对应于与所述图像相关联的视场的至少一部分的、以大于临界角的角度耦合到所述基板内的光波通过从所述基板的所述主要外表面和所述透明层之间的所述接口平面的全内反射被捕获在所述基板内。
63.一种光学系统，包括：
透光基板，具有包括至少第一主要外表面和第二主要外表面的多个表面；
光学元件，用于将指示图像的光波耦合到所述基板中，以实现耦合进入的光波在所述基板的主要外表面之间的全内反射；以及
至少一个部分反射表面，用于将光波耦合出所述基板；
透明层，光学耦合到所述基板的主要表面中的至少一个表面以限定接口平面；以及
施加到所述接口平面的角度敏感的反射涂层，
其中所述透明层的折射率低于所述基板的折射率以便限定临界角，使得来自与所述图像相关联的整个视场的、以小于临界角的角度和大于临界角的角度耦合到所述基板内的光波通过从在所述基板的所述主要外表面和所述透明层之间的所述接口平面的全内反射被捕获在所述基板内。
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