CN109828376A - 使用矩形波导的孔径倍增器 - Google Patents

Abstract

一种光学孔径倍增器，包含：一第一光学波导(10)，具有一矩形横截面以及包含与所述波导的一延伸方向形成一倾斜角度的多个部分反射表面(40)；及一第二光学波导(20)，也包含呈一倾斜角度的多个部分反射表面(45)，并与所述第一光学波导(10)光学相耦合。一图像以一倾斜耦合角的一初始传播方向耦合进入到所述第一光学波导中，并沿着所述第一光学波导通过四重内反射而前进，所述图像以一强度比例在所述多个部分反射表面上反射，以便耦合进入到所述第二光学波导中，并接着在所述第二光学波导内通过双重反射进行传播，所述图像并以一强度比例在所述多个部分反射表面反射，以便从所述多个平行面中的一个向外导出而成为一可视图像。

Description

使用矩形波导的孔径倍增器

本申请为申请号201780003193.8(PCT申请号为PCT/IL2017/051028)、申请日2017年09月12日、发明名称“使用矩形波导的孔径倍增器”的分案申请。

技术领域及背景技术

本发明是关于多种光学孔径倍增器，特别是关于一种包含矩形波导的光学孔径倍增器以及采用上述的孔径倍增器的近眼显示器及抬头显示器。

用于近眼显示器或抬头显示器的光学装置需要大孔径以覆盖观看者的眼睛所在区域(眼睛动作区，eye motion box)。为了实现紧凑的装置，图像由具有小孔径的微小光学图像产生器产生，其被倍增以产生一大孔径。

一种在一个维度上孔径倍增的方式已经被开发，基于图像在透明材料形成的一平行平板，在所述平行平板内部通过内反射进行传播。图像波阵面的一部分通过使用倾斜角度部分反射器或通过使用一绕射光学元件而在所述平板的一表面上耦合输出到所述平板外。这样的一平板在本文被称为一维波导，因为其包含在一个维度上通过内反射的图像波阵面。在所述平板的平面(即平板表面)中，图像必须被准直，以保持穿过波导的图像品质。

平板传播方法非常适用于孔径倍增的第二阶段，其中所述平板被部署于观看者的眼睛对面(如同近眼显示器的玻璃透镜，或较大平视显示器的视窗)并形成图像到达眼睛处的最终输出表面。然而，这种方式对于倍增的第一阶段并非是最佳的，图像波阵面宽度相似平板宽度的需求增加了装置的体积及重量。

发明内容

本发明关于一种光学孔径倍增器，所述光学孔径倍增器包含一矩形波导。

根据本发明的实施例的教导，提供了一种光学装置，包含：

(a)一光学波导，具有至少一第一对平行面，用于通过全内反射传送一图像；及

(b)一图像投影装置，光学耦合到所述光学波导，用于将一准直图像引入到所述光学波导中，所述图像投影装置包含一偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜具有：

(i)一图像输入表面；

(ii)一准直光学元件，部署在基本上垂直于所述图像输入表面的一第二表面上；及

(iii)一偏振分光器，部署在一对角面上，以便将来自所述图像输入表面的一图像照射引向所述准直光学元件，

其中所述偏振分光棱镜以所述图像输入表面及所述第二表面相对于所述第一对平行面倾斜因而光耦合到所述光学波导，所述偏振分光棱镜还包含一修改的底面位于所述偏振分光器远离所述准直光学元件的一侧，并形成所述第一对平行面中的一第一个的一连续。

根据本发明的实施例的进一步特征，所述修改的底面的至少一部分位于由所述图像输入表面及所述第二表面定义的一长方体内。

根据本发明的实施例的进一步特征，所述偏振分光棱镜通过一耦合棱镜光学耦合到所述波导，及所述耦合棱镜提供一外表面与所述修改的底面及所述第一对平行面的所述第一个共面并且所述外表面桥接在所述修改的底面与所述第一对平行面的所述第一个之间。

根据本发明的实施例的进一步特征，所述光学装置还包含一图像投射源光学耦合到所述图像输入表面，以便将一图像投影到所述偏振分光棱镜中，所述图像投射源及所述准直光学元件定义从所述准直光学元件投射的一准直图像的多个光线的一视场角，其中所述第一对平行面中的一第二个在一边缘处终止，及所述第一对平行面中的所述第一个及所述修改的底面一起形成一延伸表面，所述延伸表面充分延伸使得，在所述视场角内的所有角度的所述准直图像的多个光线于所述延伸表面处反射之后照射所述边缘。

根据本发明的实施例的进一步特征，所述光学波导还包含一第二对平行面，使得所述光学波导通过四重内反射传送一图像，所述图像输入表面及所述第二表面相对于所述第一及所述第二对平行面两者倾斜，及所述偏振分光棱镜还包含一第二修改的底面位于所述偏振分光器远离所述准直光学元件的一侧，并形成所述第二对平行面中的一个的一连续。

根据本发明的实施例的进一步特征，所述修改的底面的至少一部分及所述第二修改的底面的至少一部分位于由所述图像输入表面及所述第二表面所定义的一长方体内。

根据本发明的实施例的进一步特征，所述偏振分光棱镜通过一耦合棱镜光学耦合到所述波导，及所述耦合棱镜提供一第一外表面与所述修改的底面及所述第一对平行面的所述第一个共面，并且所述第一外表面桥接在所述修改的底面与所述第一对平行面的所述第一个之间，及所述耦合棱镜提供一第二外表面与所述第二修改的底面及所述第二对平行面的所述第一个共面，并且所述第二外表面桥接在所述第二修改的底面及所述第二对平行面的所述第一个之间。

根据本发明的实施例的进一步特征，所述光学装置还包含一图像投射源光学耦合到所述图像输入表面，以便将一图像投影到所述偏振分光棱镜中，所述图像投射源及所述准直光学元件定义从所述准直光学元件投射的一准直图像的多个光线的一视场角，其中所述第一对平行面中的一第二个在一第一边缘处终止及所述第二对平行面中的一第二个在一第二边缘处终止，及所述第一对平行面中的所述第一个及所述修改的底面一起形成一第一延伸表面，所述第一延伸表面充分延伸使得在所述视场角内的所有角度的所述准直图像的多个光线于所述第一延伸表面处反射之后照射所述第一边缘，及所述第二对平行面中的所述第一个及所述第二修改的底面一起形成一第二延伸表面，所述第二延伸表面充分延伸使得在所述视场角内的所有角度的所述准直图像的多个光线于所述第二延伸表面处反射之后照射所述第二边缘。

附图说明

本发明于本文仅以示例方式参照附图进行描述，其中：

图1A及图1B分别是根据本发明的一个实施例教示的构造与操作，一光学孔径倍增器的示意侧视及前视图；

图2A及图2B示出了从图1A及1B的光学孔径倍增器波导中，相对于部份反射内部刻面传播的图像光线的二种可能几何形状示意图；

图3是图1A及图1B的光学孔径倍增器中，其内部刻面及各种反射图像之间角度关系的二维投影示意图；

图4A至图4D是图1A及图1B的光学孔径倍增器中，各种共轭图像及其在内部平面上反射的相互关系的等轴示意图；

图5A至图5D是针对波导的各种初始光线方向及各种几何形状，从图1A及1B的光学孔径倍增器沿着二维波导传波的共轭图像中各种光线之间的关系示意图；

图6是根据本发明的另一个方面，一耦合反射器装置的示意等角视图，所述装置用于将一图像耦合到来自图1A及图1B的光学孔径倍增器的二维波导；

图7是图6的耦合反射器装置的一变型实施方式；

图8A及图8B是等同于图6的波导及耦合反射装置的不同视角等角视图，其中所述耦合反射器装置被应用为耦合棱镜的一部分；

图9A及图9B分别是相似于图8A及图8B的视图，示出了耦合棱镜的一变型实施；

图10A至图10C分别是耦合棱镜的一个替代实施方式的等角视图、俯视图及侧视图；

图11、图12及图13A是图10A的耦合棱镜及波导进一步的三个变型实施方式的等角视图；

图13B是图13A的耦合棱镜及二维波导的俯视图；

图14A至图14C是根据本发明又一个方面，图10A的耦合棱镜及二维波导的制造期间中三个阶段的示意等角视图；

图15示出根据本发明又一个方面，一图像投影装置与一二维波导整合的示意侧视图；

图16及图17为图15的图像投影装置及二维波导整合的二个变型实施方式的示意侧视图；

图18是图15至图17在三维中所述原理的一示例性实施方式的一等角视图；

图19A至图19C分别示出根据本发明又一个实施方式中，二维波导及一维波导之间的一变型耦合几何形状的示意等角视图、侧视图及俯视图；

图20示出图19A至图19C的光学孔径倍增器在各种共轭图像及其在内部平面的反射之间的互相关系的示意等角视图；

图21A至图21C示出根据本发明教示的二维波导及一维波导之间耦合几何形状的三种变型实施方式的示意侧视图；

图22A及图22B分别示出根据本发明一个实施方式将二维波导以一角度耦合到一维波导之间的几何结构的又一变型实施方式的示意等角视图及侧视图；

图22C至图22E是相似于图22B的示意侧视图，示出了各种变型实施方式；

图23是相似于图1A中的光学孔径倍增器的示意侧视图，但采用一折射层介于二个波导之间；

图24是相似于图3的一个实施方式，其示出了图23中装置的相关角度关系；

图25A至图25C是相似于图1A中装置的侧视图，其示出了二个波导机械地相互连接的各种实施方式；

图25D是相似于图22E中一装置的侧视图，其示出了二个波导机械地相互连接的一个实施方式；

图26是相似于图1B中一装置的前视图，其图示出了第一波导与图像在第二波导中的一传播方向之间的相对倾斜度；

图27示出二维波导的一个实施例的示意等角视图，所述二维波导具有相对于二组延伸的平行外部面两者皆斜向地倾斜的内部部分反射刻面；

图28及图29A是相似于图3的一个实施方式，其示出一装置的几何角度关系的二个示例性实施方式，所述装置分别采用图27中的二维波导，其具有第一及第二内部平面方向；

图29B是根据图29A的实施方式在二维波导中图像传播角度的示意等角视图；

图30是根据本发明又一个方面的波导示意前视图，其波导与相邻波导并列以提供均匀增强；

图31A及31B是根据本发明的另一个方面的波导示意图，示出了内部刻面间隔的变化对图像均匀性的影响；

图31C是类似于图1B的系统前视图，示出了用于增强图像均匀性的多路径实施方式；

图32A及32B是类似于图1B的系统的两个另外的变型多路径实施方式；

图33A是类似于图1B的装置的另一替代实施方式的示意前视图，所述装置使用内部刻面涂层以选择性地反射较浅的入射光线角度；

图33B是类似于图3的表示，示出了图33A的光学孔径倍增器的各种反射图像与内部刻面之间的角度关系；

图33C是使用在图33A的装置涂覆刻面对S及P偏振辐射的反射率的角度依赖关系曲线图；

图34A至34E示出根据本发明的一个方面，一系列步骤生产二维波导及耦合棱镜的示意等角视图；

图35A及35B分别是示意前视图及侧视图，示出本发明的一个实施例对直接观看的情景的透射视野强度的潜在影响；以及

图35C及35D是类似于图35A及35B的视图，示出了根据本发明的另一个方面的透射视野强度校正。

具体实施方式

本发明为包含一矩形波导的一光学孔径倍增器。

本发明的光学孔径倍增器其原理与操作可透过参照附图及所附描述更好的理解。

现在参照附图。图1A至图35示出了根据本发明某些实施例的构造与操作的一光学孔径倍增器的各个方面。一般来说，根据本发明一个实施例的一光学孔径倍增器包含一第一光学波导10具有一延伸方向，于本文中为任意地对应于“X轴”示例。第一光学波导10具有一第一对平行面与一第二对平行面12a、12b、14a、14b以共同形成一矩形横截面。根据本发明部分优选的实施例，多个内部部分反射表面40，于本文中称为“多个刻面(facets)”，至少部分地横置于所述第一光学波导相对于所述延伸方向形成一倾斜角度(即，既不平行也不垂直)。

所述光学孔径倍增器优选地还包含一第二光学波导20，与第一光学波导10光学相耦合，所述第二光学波导具有一第三对平行面22a、22b以形成一板式波导，即，其中波导20的另外二个维度至少比第三对平行面22a、22b之间的距离大一个数量级。在此处，多个部分反射表面45优选地至少部分地横置于所述第二光学波导，所述多个部分反射表面相对于所述第三对平行面形成一倾斜角度。

多个波导之间的光学耦合以及多个部分反射表面40、45的部署与配置，因而当一图像以一初始传播方向30并以与所述第一及第二对平行面12a、12b、14a、14b两者皆倾斜的一耦合角耦合进入到所述第一光学波导10中时，所述图像沿着所述第一光学波导10通过四重内反射(图像a1、a2、a3，及a4)而前进，所述图像以一强度比例在所述多个部分反射表面40上反射，以便耦合进入到所述第二光学波导20中，并在所述第二光学波导20内通过双重反射(图像b1、b2)进行传播，所述图像并以一强度比例在所述多个部分反射表面40反射，以便从所述多个平行面的一向外导出而成为一可视图像，由一使用者47眼睛所看见。

现在更具体的说明图1A及1B，图1A及1B示出了上述说明一个实施方式的第一图示。第一波导10在本文被称为二维(2D)波导，其通过二组平行面间在二个维度中反射引导入射的图像，而第二波导20被称为一维(1D)波导，仅在一对平行面间于一个维度上引导入射的图像。来自一光学图像产生器(未描绘)的光束30以一角度入射第一光学波导10中。因此，如图1A的侧视图所示，光从所述波导的所有四个外表面反射的同时，沿着波导10传播。在这个过程中，产生了四个共轭光束向量a1、a2、a3及a4，其表示通过所述多个面内部反射的相同图像。

入射到波导10中的所述光束30的角度设置为从所述波导的所有四个外部表面反射。所述光束应该以浅(掠过)角度从第一波导10的底面12b反射，所述底面12b即与第二波导20相邻的面，并且应该以陡峭的角度从10传播到20。这种性质可以通过全内部反射(TIR)或通过内部光学涂层来实现。一绕射图案也可以透过在同一表面上结合绕射与透射来实现所述光学性质。来自第一波导10的另外三个面12a、14a及14b的反射可以以相同方式或是透过使用一反射涂层来产生。

在第一波导10内引导的光束(例如a1及a2)的部分被反射通过内部平行部分反射器(刻面)40向下到第二波导20的一输入耦合表面上。在第二波导中20中，这些光束被定义为b1及b2。

光束b1及b2被反射通过外部表面并变成为共轭，即光束b1被反射成为b2，反之亦然(如图1A所描绘)。第一波导10的外部正面与背面14a、14b应该彼此平行，并且在所述实施方式中应该平行于第二波导20的相对应外部面22a、22b。任何平行度的偏差都将导致耦合的图像b1及b2不是精确的共轭图像，并且会降低图像的品质。

第二波导20中的所述多个内部平面45将光束b2反射到波导外的并进入观看者47的眼睛里。

在图2A及2B中进一步说明了通过波导10及20中所述多个内部平面的反射过程。二种基本配置被描绘，并且以所述光束及所述刻面的相对角度区分。在此示意图中，所述多个光束a1、a2及b1被表示为相同的向量(仅针对b1引用)，因为相同的几何因素适用于每个由相对应波导的侧视图的观察。光束a3、a4及b2也被表示为相同的向量(仅针对b2引用)。

光束b2实际上是在相同方向下传播的一束光线，如通过二个向量描绘在图2A中。在这个情况下，一个向量通过所述外部表面反射变成b1并进入所述内部切面40(或45)，其中部分被反射为C1。另一个b2向量直接被刻面反射为向量C2。所述向量C1及C2表示正像及重像(ghost image)，不一定要按照此顺序。在这种结构中，b1及b2由同一侧入射在刻面45上。

此外，无论在本文何处一图像以一光束表示，其应该注意的是，所述光束是所述图像的一示例光束，其通常由多个光束以些微不同的角度所形成，每个些微不同的角度相对应于图像的一点或是一图元。除了被具体地提及为图像的边缘的外，所述多个光束所示通常是图像的质心。

图2B基本上描述了相同的过程，除了其中因几何形状使得b1及b2从相对侧边入射到刻面40(或45)上。

在这二种情形下，图像C1及C2在S-及P-偏振中的反射程度由这些刻面上的涂层所决定。优选地，一个反射为所述图像，而另一个反射被抑制，因为其所对应的是一不必要的“重影”图像(“ghost”image)。用于控制入射光束角度在哪个范围被反射及入射光束角度在哪个范围被传输的合适涂层是本领域已知的，并且可以在与本发明相同申请人的美国专利第7391573号及第7457040号中详细描述。

特别优选的是，系统设计是使得“重影”图像不与主图像或是共轭图像重叠(C1与C2重叠)。设计在波导内图像传播时光束的适当角度以及同时保持TIR的条件，并同时避免重影重叠的过程描述在图3中。此图介绍了一示意图，其将在下文进一步用于呈现本发明另外的实施例。

因此，图3示出波导10及20的几何形状的一投影，其中旋转被描绘如同沿着直线轴线的距离(“角度空间”)。因此所述图表示笛卡尔座标中的球面座标。这种表示导入了各种失真，而且沿着不同轴的位移是不可交换的(正如对于不同轴的旋转性质)。尽管如此，这种图表的形式已被发现简化了描述并且为系统设计提供一个有用的工具。为了阐述，沿着X、Y及Z轴的方向根据一旋转顺序被标注。

大圆表示波导各种外部表面的临界角(内部全反射(TIR)边界)。因此，在一圆外的一点代表一光束的一角度方向将通过TIR被反射，而在一圆内的一点代表一光束将通过所述表面并传播至所述波导外。圆57及圆59代表波导10的前后外部表面14a与14b及波导20的前后外部表面22a与22b的临界角度。相对刻面的圆之间的“距离”为180度。圆61及63代表波导10的顶部与底部外部表面12a及12b的临界角度。点划线65及67代表所述波导这些外部表面的方向。

如前文所述，所述图像被入射进入到所述二维波导10中同时经历了内部反射。在接下来的示例中，所有的反射都是基于TIR，因此所述入射的图像a1在图3中所示为在任何圆圈之外。一正方形图像在所述角度空间中具有一正方形形状。

当图像a1被从波导10的外部平面12a，12b，14a，及14b反射(以方向65及67表示)，其被乘以a2，a3，a4，并且回到a1(以四个弯曲实线箭头示意表示)。每个图像的反射与所述图像本身具有与每个面(线65及67)相同的角度“距离”，但另一个方面，根据光学原理其入射角等同于反射角。

所述多个内部刻面40(在图1B中)的方向在此被描述为根据所述多个刻面的倾斜角度定位的一线70。当图像a1或a2遇到刻面70(40)时，其被反射到从70的一相等的相对角度距离，如同分别指向图像b1及b2上的虚线箭头线所示。

由于b1及b2在第一波导10的底部外部表面的临界角度边界圆61内，其将从所述波导被耦合输出并且进入到第二波导20。

当图像b1及b2在波导20中传播时，其被互相交换通过具有角度方向67从前后外部表面22a及22b反射(所述反射以弯曲实线双头箭头表示)。

最后，图像b1在方向72处遇到所述多个内部刻面45(图1A)并被反射成为图像c。由于图像c在临界角度圆57内，其被耦合输出第二波导20并且到达所述眼睛(图1A中的47)。

在所有此种配置中，所述多个内部刻面(70及72)的角度不得逾越任何图像的角度形状(正方形)，因为如同这样的逾越将会导致“重影”图像与正常图像重叠。

图像可以被设计成与相对于波导20的任意角度上出现(不一定要垂直)，如图3所示例，其中c不是Z方向的中心。

如前文所提，刻面40及45优选地设置有涂层，所述涂层分别减低或基本上消除低角度图像a3、a4及b2的反射。

图3中描述的计算过程示意性地示出在二维笛卡尔坐标中用于简单且清楚的描述。如图4A至4D所示，系统的最终精确设计在球坐标中进行。图4A表示图像a1至a4之间的耦合。图4B示出了通过在所述多个刻面40上的反射耦合a1到b1及a2到b2。图4C表示第二波导20中b1及b2之间的耦合。图4D表示通过所述多个刻面45反射从b1到c之间的耦合。

在波导10内的内部反射期间，如图5A至5D所示，每个往返可以在每个维度(y或z)上有任意数量的反射。图5A描绘了由外部表面的一个反射。在这种情况下，b1是源自a1。然而，由于不同图像场的各种光束具有不同的角度，所以最终反射的方向可以随着光束沿着波导10的x轴传播而改变。图5B示出了可以演变的不同方向，构成由a2产生b2。因此，在每一个设计中都应该假定b1及b2两者的生成。如图5C所示，波导10的高宽比可以设计为每个外部刻面具有多于一个的反射。对于不同的视场角，反射的方向可以改变，如图5D所示。实际上，本发明的某些特别优选的实施方式确保波导10被体积地填满所有四个共轭图像a1至a4，使得图像a1及a2两者将总是被外耦合以产生b1及b2，除非采取特殊预防措施阻止路径中的一个，如下面进一步讨论的。

通过波导10及20的外部表面及所述多个内部刻面的组合反射扩大了x及y维度两者的原始入射孔径。波导10在x维度扩大所述孔径且波导20在y维度(轴线如图1B所示)。第一波导10的孔径扩大优选地是通过用图像填满波导然后沿着所述波导的长度以连续方式将图像通过所述多个刻面从波导耦合输出来实现，所有这些在下面进一步详述。

耦入配置：

为了在扩展的孔径上获得均匀的强度，光束的入射初始孔径应该是均匀并且应该“填满”所述波导。术语“填满”在本文中用于指示对应于图像中的每个点(图元)的光线在所述波导的整个横截面上存在。从概念上讲，这一性质意味着，如果波导10在任何一点横向切割，并且如果在切割端部上方放置了具有针孔的不透明薄片，所述针孔可放置在所述横截面上的任何地方，并且将得到一个完整的投影图像。实际上，对于所述二维波导10，这将得到四个投影的完整图像a1，a2，a3及a4，其中a2及a4是相反的。

为了确保所述波导与所述输入图像的填满，应该将稍微过大的输入图像修剪成进入所述波导的大小。这确保了相邻的多个孔径一方面不会重叠，并且在另一方面不会有间隙。所述修剪是在所述光束入射进入到所述波导中时执行的。

在图6至13B中示出了用于实现一图像有效的耦合进入第一波导10的一些配置。首先参照图6及图7，这些图示意性地示出一耦合设置的一自由空间镜实施方式，用于修剪一输入图像，从而均匀地填满第一波导10。在这种情况下，平面12a终止于一第一近端边缘处16a及平面14a终止于一第二近端边缘处16b。为了充分地填满所述波导，本发明某些实施例的一个特别优选的特征是所述光学孔径倍增器包含一耦合反射器装置与所述第一波导10一体形成或光学地耦合。所述耦合反射器装置包含一第一反射器18a，被布置为所述平面12b的一个近端延伸部(图6)，或者布置为一反射器平行所述平面12b且位在所述平面12b外(图7)，所述第一反射器具有一宽度垂直于所述延伸方向，所述第一反射器的所述宽度大于所述表面12b的一宽度。所述耦合反射器装置还包含一第二反射器，被布置为所述平面14b的一近端延伸部(图6)，或者布置为一反射器平行于所述平面14b且位在所述平面14b外，所述第二反射器具有一宽度垂直于所述伸长方向，所述第二反射器的所述宽度大于所述表面14b的一宽度。使得所述耦合反射器装置，当沿着一光学输入轴线观察时，一图像沿着所述光学输入轴将要被导入，所述第一及第二近端边缘16a及16b呈现一外显的波导孔径，所述外显的波导孔径是由所述第一及第二近端边缘以及在所述耦合反射器装置内反射的所述第一及第二近端边缘的多个图像加以限定边界，整体对应于四倍(2x2)物理孔径的一外显孔径。当所述多个耦合反射器位于所述波导的所述多个表面的外时，所述外显孔径由所述物理孔径的三个图像组成，所述外显孔径与所述物理孔径本身稍微间隔，其中每个孔径由所述物理孔径的所有四个边缘为框架。这导致由于图像强度落在所述孔径之间的“空隙”上而造成轻微的效率低下，但是所述孔径的填满仍然实现。

在此所示的一个优选的几何形状中，所述光学输入轴线相对于所述第一反射器18a及第二反射器18b两者皆呈倾斜。从这些图中可以清楚地看出，此处为了确保不要修剪所述图像及所述波导的不完全填满，所述反射器的尺寸要求大于所述波导的尺寸。以这种方式，所述波导在其整个横截面上都可靠地填满全部四个图像。

虽然在某些情况下使用自由空间反射镜可能是可行的，但是所述耦合反射器装置为一耦合棱镜，所述耦合棱镜与所述波导10一体成形，或光学地耦合于所述波导10通常是有利的，其中第一及第二反射器18a及18b由所述耦合棱镜91的多个表面提供。进一步地，所述耦合棱镜的表面优选地呈现一耦合表面，大致垂直于所述光学输入轴线，通过所述耦合表面导入所述图像。图8A至8B及图9A至9B示出了这种配置的示例，其中图8A至8B在几何上等同于图6，而图9A至9B在几何上等同于图7。在这些情况下，波导10的近端“边缘”是由耦合棱镜表面与所述波导表面的交点限定的边缘。在这种情况下，相邻表面优选地以角度一向外倾斜，使得落在那些近端边缘外的光将被反射(或透射)到不进入所述波导的方向。任选地，可以将吸收性材料施加到这些表面以进一步防止杂散辐射到达不期望的位置。

在图10A至10C中示出了一个耦入几何的另一个示例，并且更详细地解释了一个图像的耦入到所述波导的一个样本波阵面的前进。在这种情况下，如图10B所示，沿着x轴测量具有任意初始孔径横向尺寸81的入射光束30。当所述光束进入所述波导时，所述孔径的前端通过第一近端边缘16a修剪。在入口期间在一侧被修剪的光束孔径被所述相对的耦合反射器18a反射及/或其连续面12b返回到所述前表面12a，在那里其背侧通过相同的第一近侧边缘16a再一次修剪。当所述光束沿着所述波导传播时，其孔径(84及88)现在相邻的地方没有重叠或间隙，从而填满所述波导。

根据本发明的一个特别优选的实施方式，所述光束的孔径的一个第二维度同时被第二近端边缘16b修剪。近端边缘16a及16b的相对应方向并不重要。例如，而在图10A至10C中示出了边缘16a被示出为倾斜向所述纵向x轴，一替代几何形状在图11中示出，其中近端边缘16a及16b都垂直于所述纵向x轴，在一些情况下可以简化制造。所述两个近端边缘16a及16b优选地在一转角处相交，但这不是必需的，只要所述光学元件足够宽使得修整仅通过近端边缘16a及16b以及其反射来执行。图12中示出一个不相交的示例。

在第二维度的修剪与描述于第一维度并参照图10B的方式相同。因此，在图10C中，所述初始未修剪的投影图像孔径具有一初始孔径垂直尺寸92沿着所述x轴被测量。当图像以一角度从部件91进入波导10时，其前面被第二近端边缘16b修剪。在92的光束从相对的外部表面14a及/或其延续部分反射之后，其后侧也被第二近端边缘16b修剪为适当尺寸94。因此，沿着此维度的所有反射的孔径现在也相邻。二维修剪的整体结果是波导10基本上填满所有四个图像/共轭图像a1至a4，从而有助于沿着二维随后不间断的孔径扩展。

可以使用一种吸收材料或折射材料(例如一棱镜或涂层)来制造光栏16a及16b。例如，在图10至13中，其在所述波导的入口处被描绘为一台阶形状，其用于分散进入的光。

耦合棱镜91可以与波导10一体成形被制造，或者通过用已知技术连接两个部件来制造。下面将进一步描述这些部件附接的某些特别有利的方法。

如上所述，耦合到波导10中所述图像的光轴以一耦合角倾斜于所述组平行面两者。然而，这不一定需要一图像投影器的倾斜方向，因为图像传播的所需角度可以由其他光学部件实现，例如，在耦合棱镜91的一倾斜反射面91a处附加的反射被设置来反射光以沿着垂直于x轴的一光轴输入，从而入射到所述外显的波导孔径上。

图13A及13B示出了这样的一种选择，其中倾斜反射面91a提供一反射镜。如图13B所描绘，任意的(过大的)孔径81进入所述波导中，被反射表面91a反射，同时被通过16a修剪。在一次反射82之后，所述孔径的背侧通过相同的边缘16a修剪成84。

81额外的光通过边缘16a被修剪，使用两个机制：在入口处，额外的光继续传播并向外透射在边缘16a的边缘处(到左边)，同时在反射82到84之后，背侧的波阵面到了边缘16a的右侧，因此再次通过91a反射到超出TIR范围之外的角度或在相关图像之外。

边缘16b继续如同之前在所述其他维度上修剪垂直轴线。任选地，当输入图像30垂直于所述波导的一个面时，反射镜91a可以大致对两个轴线倾斜，以便产生图像传播的期望方向。

因此，总而言之，可以使用在所述波导之前、之后或之内放置一棱镜、一反射镜或其它已知方法来实现将所述图像/光束以一个所需角度耦合进入到波导10中。只要所描述的双光栏配置存在，所有这些方法都是可行的。

为了在扩展孔径上实现均匀的强度，优选的是，修剪边缘16a及16b应该是光洁的边缘，并且具有最小的偏差及散射。胶体或其他干扰元件的残留物可能导致均匀性下降。图14A至14C示出了本发明的又一个方面，其也适用于光学元件将被接合的其它情况下，其便于形成光洁的修剪边缘(或在其他应用中，连续的外表面)。波导10相关的所述多个外部面(12a及14b)首先通过一反射或保护涂层1610涂覆。然后根据所需的修剪边缘1630(16a及16b)抛光所述波导10的边缘，并且最后安装棱镜1640。在此附接中，另外两个面(在所示视图的背面)必须是波导10的一精确连续的外部面，以提供所述耦合反射器作为所述多个面的延续。如果这些面不连续(如图9b所示)，那么反射涂层1610也应该优选地覆盖相对面(12b及14a)。这种方法也适用于一维波导系统。所述耦合表面的角度可以是任何方向。

应该注意的是，上述技术，即在一表面精加工之前为耦合的两个光学元件提供一层保护性介电或反射涂层，解决了本文描述超出特定应用的一个普遍问题。具体地，无论何时要连接两个部件以提供从一个到另一个的一光学路径，部件必须通过合适的光学粘合剂连接，通常与部件进行指数匹配。为了确保最佳的光学耦合，所述接口的整个表面应完全覆盖粘合剂。另一方面，正是由于粘合剂所需的光学性质，从接口到所述部件的外表面任何溢出的粘合剂通常将损害部件的光学性能。通过预先在相邻的所述多个表面上涂覆一层保护涂层，优选在抛光所述接口表面之前，可以减少或消除粘合剂溢出在外表面上的任何影响。在两个部件要被耦合的地方以便某些所述多个表面在耦合之后被冲洗的情况下，这种涂层可以有利地在耦合之前被提供在两个部件上。在某些应用中，仅在一面或者所述多个面的分组上涂覆，例如，其中某些所述多个表面上的任何多余的胶体可以在粘合之后通过进一步的抛光步骤而轻易地被除去。

上述耦入配置的实施方式优选地与一图像投影器一起使用，所述投影器用于被布置成投影一图像以沿着所述光学输入轴线平行到无穷远，以便与所述外显的波导孔径完全重叠。可以使用任何适当类型及技术的图像投影器，包含各种自由空间图像投影器。在某些情况下，为了提供特别紧凑及坚固的实施方式，所述图像投影器可以与一耦合棱镜机械地一体化(即，一体成形或刚性互连)。现在将参照图15至18描述这种类型的各种实施方式。

首先参照图15示出了一个改善方案为根据PCT专利申请公开号第WO 2015/162611号在一个二维波导的情况下的紧凑型图像投影器，所述二维波导编号为503。其包含照明偏振分光器(PBS)500，一准直PBS 501，一耦合棱镜502(相当于图10A至10C中的91)耦合进入到波导503。

在下面的描述中，为了清楚起见，省略了偏振管理部件(包含波板及偏振器)。所述照明光505进入照明棱镜500，并通过内表面507反射到图像生成器509上，例如硅基液晶(LCOS)显示器。从显示器反射的光511通过进入到准直棱镜501，其中表面513反射光到到一表面515上具有光学能量以实现光的准直以在无限远处形成投影图像。准直光通过进入且穿过耦合棱镜502到波导503。

表面515具有一宽度517，其被选择为足以提供使图像的整个视场(FOV)“填满”波导10所需的所有输入图像角度，所需的所有输入图像角度从一个最高图像角度518a到一个最低图像角度518b，并且包含在FOV中指定为519的最低光线。表面515的所需尺寸依次决定棱镜501及500的所需尺寸。更具体地，如上所述并参照图6至10C，期望所述波导10填满所述图像及其共轭图像，这意味着由所述图像包围的光束角度的整个范围应该入射在所述波导的物理孔径图像的整个宽度以及在所述耦合反射器中的图像孔径。通过逆向追踪这些光线从所述波导孔径通过所述准直PBS 501，可以决定所述准直PBS的最小所需宽度517，并因此也决定所述照明/图像生成PBS 500的最小所需宽度。近端边缘523(对应于然后如上所述执行所述图像波阵面的修剪。

图15仅示出了一维维度，但所述波导的轴线相对于PBS的那些轴线倾斜，使得在两个维度上发生相同的图像修剪，如上所述。

根据本发明的再一个方面，其也可被使用有利用于在其他方面的传统一维波导中耦入一图像，可以将部分或全部的耦合棱镜502合并到准直棱镜501中，从而减小系统的尺寸。换句话说，位于表面513下方/之外的准直PBS 501的部分可被切除以提供所需的耦合反射器表面。

此方法的一个示例在图16中示出。在此图中，光如在图15传播，并且使用相同的编号。在此，准直棱镜526与棱镜501的不同的地方在于其与近端边缘523毗连，并具有一个修改的底面528，形成波导503的底面连续部分，以提供耦合反射器。在这种配置中，光学面515与修剪边缘523之间的距离比图15的实施方式基本上更短。通过从光学孔径以及横跨整个所需的视场角的外显光学孔径逆向追踪光线，可以看出面515(以及最终的棱镜526)的所需尺寸减小了。这又能够减小图像生成PBS 500的尺寸。

图15至17的示例示出适用于一维波导或二维波导实施方式的横截面几何形状。当耦合进入一个二维波导时，棱镜526(及与其相邻的500)以二维倾斜角度(如图10A至10C中所示耦合棱镜91的耦合面)相对于波导503。因此，图16中所示的几何形状在其他轴上(以不同的角度)被再现。棱镜526的一第二面垂直于面528也将是波导503的一第二表面的一个延续部分(在前面的图示中的波导10)。图18中示出了这样封装的三维表示。在这种情况下，图像生成元件、棱镜及波导的方向可以是相对于彼此的任意旋转，全部根据每个具体设计的要求。

根据此紧凑实施方式的棱镜526的配置优选地满足以下条件：

1)来自光学面515的光线被直接反射到波导上并且不被表面513反射(等同于上面对图15的描述)。

2)修剪边缘523的图像(由光束521表示为所述图像的最浅部分)不能被截断，不能被反射表面513截断而不能被棱镜526的外表面截断。

3)表面528必须是波导表面的延续。

4)对于二维波导，上述条件应该在波导的两者的维度上得到满足。

图17示出了这些限制可以如何规定可以将耦合棱镜502并入到准直棱镜531中的程度。在此示例中，进入到波导的耦合角度是非常浅的。因此，所述耦合棱镜(在被合并之前)将是非常大的，所以所述准直及照明棱镜也是如此。在所述实施例中，所述耦合棱镜仅被整合到准直棱镜531中，所述图像(表示为521)的所述最浅角部分的所述修剪边缘的所述图像不被所述棱镜531的所述外表面所损害。所述点533成为所述耦合棱镜的所述边缘。然后光学元件515的尺寸517由所述图像的最陡角部分支配，所述角度部分必须无阻碍地到达边缘523。由于所述尺寸的准直棱镜531不能与边缘523直接抵接，因此在波导503的入口处设置一个小的耦合棱镜535。

在上述用于将图像耦合到波导10中的每个选择方式中，所提出的解决方案被认为对于任何外耦合应用是有利的，例如上述的部分反射刻面耦合-输出方法，(诸如在PCT专利申请公开第WO2017/141242A2号中公开的)或用于耦合输出的使用绕射元件的应用。在一波导的一个表面上内部照射的一定比例的辐射耦合所用的倾斜面及绕射元件在所述技术中是已知的，这里不再详细描述。

在第一及第二波导之间的耦合：

根据图1A及1B的配置，从第一波导10到第二波导20的耦合需要波导的精确对准，以保持图像质量而不产生双重图像。具体地，如图1A、图3及图5D所示，在第一波导10中的图像的两个输出图像a1及a2被耦合进入到第二波导20中，并且继续彼此交换作为沿着波导20传递的共轭图像b1及b2。为了达到良好的质量，波导10及20的外部面应该精确地彼此相互平行或垂直。根据图1A及1B的实施例，波导10被放置在波导20的顶部。另外，无论在本文何处提及例如上、下、顶部、底部等方向，这些术语仅用于容易表示并参照附图中所示的任意方位。最终装置可以以任何需要的方向部署。另外，用于引导图像至第一波导的耦入装置以及将耦合图像从第一波导至第二波导的耦出装置的相对方向没有限制。

图19A至19C示出了根据本发明的一个实施例的一个不同的配置，用于通过将第一波导10放置在与第二波导20的平行面的一相邻的位置来进行耦合波导，如图19A所示。光在第一波导10中从右向左传播，如上参照图1A所述，并遇到波导10的所述多个内部刻面(在图19C的俯视图中可见)其在这里被定向成偏转所述偏转图像，从而通过中间折射层99将所述图像耦合进入到第二波导20的所述面中(在下面进一步讨论)。所述耦合被选择为一个角度，使得光束在第二波导20内继续反射，优选地通过TIR(图19B中的实线箭头)。所述共轭光束在所述共轭方向上耦合进入到第二波导20中(图19B中的虚线箭头)传播到第二波导20的相邻端并通过向外散射而损失。

在此实施方式中，用来自第一波导10的耦入图像填满第二波导20优选地通过选择第一波导10足够的一个宽度来实现，使得从波导10的远端(如图19B所示的顶部)以一个角度呈现的一光束101，所述图像的最浅角度区域不会超过第一波导10的另一端部102。

为了实现图19A至19C的配置，必须满足多个条件。首先，为了支持沿第一波导10的传播，光束被引导进入到波导10必须通过与折射层99的接口反射。在通过波导10的内部刻面反射之后，光束应该被耦合输出通过折射层99进入到第二波导20，但是不应该从波导20的相对的外部面逸出。图20描绘了用于实现这种结构以便满足上述条件的一种以球面坐标方法。

因此，在图20中，图像106LU、106RU、106LD及106RD等同于图1A的a1、a2、a3及a4。波导与空气之间的临界角由圆107及108表示，分别等同于图3中的61及63。圆109表示图19B及图19C中波导10及中间折射层99之间的临界角。由于波导及折射层99的折射率比小于空气，所以TIR圆大于空气边界。沿着第一波导10传播的四个共轭图像全部在圆107及109之外，使得图像沿着波导通过TIR传播。当106LU遇到波导10的内部刻面时(图2A中的描述图像C2的过程)，其被耦合到110LU上(相当于图1A中的b1)，同时106RU被耦合到110RU。光束110LU及110RU在临界角109内但在临界角107之外。因此，其将有效地耦合输出波导10通过层99并进入到波导20，但是不会从波导20的所述多个外部面耦合输出到空气。

当110LU及110RU在第二波导20内反射时，其分别产生相对应的共轭图像110LD及110RD。这些反射相当于图1A中的b2。

如上所述，在此实施方式中，如图19B中的虚线箭头所述，110RU及110RD被散射出去。图像110LD通过第二波导20的所述多个内部刻面(如上面在图1A中以45所示)耦合输出到眼睛。

图21A及图21B示出了此实施例的变型实施方式。在图21A中，光束110RU及110RD(如虚线箭头所描绘)被反射以重叠并加强110LU及110LD(实线箭头)。如图21A所示，通过垂直地导入一反射器112并在第二波导20的端部处实现这种组合。所述反射器可以使得图像110RU及110RD的一部分被反射回来并且以相反方向再次进入第一波导10。在第一波导10的两个相对的外部刻面114R及114L上可能需要提供反射涂层，以在被所述内部刻面反射之后容纳这些光束。

图21B示出将第一波导反射器114R与第二波导反射器112组合为一个单反射器116的一种配置，同时保持与图21A的配置相同的功能。

在图21C中，波导10也与波导20相邻，间隔一个中间介电质或空气间隙。从波导10耦合输出的光(实线箭头)被反射通过在波导20上的一反射镜117在一个过程中类似于上面参照图13A及13B描述的过程。反射镜117的角度被选择以与来自波导10的透射光到进入波导20(虚线)中所需的导光角相匹配。在一些情况下，反射镜117延伸超过波导10的边缘(如图21C所示)，取决于波导10的实施方式所产生的耦合输出角度及所使用的图像传播角度。

通过内部刻面(或绕射光学的元件)图像耦合输出的不同几何形状可以应用于图19A至21C的实施方式，例如上面描述参照图2A及2B的各种几何形状及适当的涂层。

图19A至21B(没有图21C)的实施方式在可用视野中受到参照图20描述的几何要求的限制。然而，对于一个应用范围，此种选择方式可能是特别有利的由于设计的简单性及易于制造的考量。

在图22A至22E中示出了第一波导10及第二波导20之间的耦合的另一组实施例。在这些实施方式中，二维波导10相对于第二波导20倾斜，因而如图22B所示，从波导10耦合输出的所述多个图像中得仅有一个图像被容纳及引导在波导20内，如图22B所示。第一波导10可以通过使用一中间透明光楔730而相对于一维波导20以所需的倾斜度安装。这种倾斜度被选择以致于耦合来自波导10的一个图像(实线箭头，类似于图19B的实线箭头)而不是将来自波导10的其他图像耦合(虚线箭头，类似于图19B的虚线箭头)。非耦合图像被外部吸收体(例如736)吸收，或者在一个方向上指向观看者不可见的地方。任选地，736可以是一维回射器，其将光(点划线箭头)沿相反方向反射返回进入到波导10中及耦合进入到波导20中，相同于图21A至21B中的虚线箭头。根据这个选择方式，一反射涂层737可以提供在二维波导10的外部刻面中的至少一个上，如图22B所示。为了清晰呈现，波导的内部刻面在这些图中已被省略。

波导10相对于波导20的倾斜度可以根据波导所需角度及在它们之间传播的图像来选择，并且可以采用一个透明的光楔耦合棱镜730来相对于第二波导20的一个倾斜耦合表面减小倾斜度，如图22C所示；或增加所述角度，如图22D所示。在图22E所示的一个特别优选的实施方式中，第一波导10相对于第二波导20的所需倾斜角度与所述第二波导耦合表面的角度相匹配，使得不需要中间耦合棱镜。为了实现所述选择，耦合到第二波导20中图像的输出角度必须与波导20内的所需的传播角度相匹配，并且由倾斜的端面734形成的光楔的大小以及波导10的尺寸必须使得第二波导20填满所述图像及其共轭图像，与上面所述参照图6至12的方式类似。

在每种情况下，在第一波导10的输出面上需要一个不连续性接口，以确保波导性质不受损害。在图22A至22E所示的实施方式中，在波导10及波导20之间提供一光学不连续性的中间介质是空气，但是也可以使用其他任何折射材料或涂层。选择方式包含一绕射光栅也可以执行输出耦合，作为上述内部部分反射刻面的替代方案。

因此图22A至22E示出波导10的一倾斜，根据所述倾斜，第一波导10被光学地耦合到第二光学波导20的一端面734，在第三对平行面22a、22b之间延伸并且相对于第三对平行面22a、22b倾斜地成角度。这种类型的倾斜可以与本文呈现的所有其他变型结构组合，例如，下面参照图26至29描述的各种不同类型的内部刻面倾斜。

现在参照图23及图24，这些基本上关于类似上述图1A至1B的实施方式，但是示出了一些可变特征。因此，图23示出了一个实施例，其中一中间折射层120介于波导10及20之间。所述层应该优选地是薄薄的一层，并且可以由各种材料或多层涂层制成。所述层120的存在用于扩大图3的临界角圆61，在图24的角度空间图中示出为临界角圆121。通过合适的折射率选择，可以选择临界圆的大小，从而在光学设计中提供一个额外的自由度，并且在一些情况下，有利于实现具有比一个气隙更大的FOV。

在一个独立的方面，图24还描绘了一个实施方式，其中a3及a4位于波导10中的刻面相对于a1及a2的角度122是在同一侧上。这相当于图2A中的C1的情况。

另一个独立方面，图24还描绘了一种配置，其中波导10及20由具有不同折射率的材料形成。为了表示不同的结果特点，在图24的左侧分别绘制了第二波导20的几何特性，图像及临界角圆的角度大小在两个图中是不同的。

本领域普通技术人员应当清楚的是，所有上述变型可以与本文所述的任何实施例结合使用，以提供系统设计的附加自由度。

在本发明的各种实施例中，部件的相对定位，特别是两个波导的精确对准及结构稳定性对于确保高图像质量可能是关键的。图25A至25D为根据本发明的多个不同选择方式用于封装装置，并且提供各种附加的优点。

图25A示出用于波导10在波导20之顶部的实施方式第一种选择方式，同时保持外部表面的质量、平行度及垂直度，以保持图像质量。根据这个选择方式，为波导10及20提供连续的共同的外部覆盖件132。根据一个优选的选择方式，外部覆盖件132与波导的材料光学地匹配，使得实际的波导事实上由覆盖件132的外部面所限定，同时内部刻面仅设置在覆盖件的面内接口134之间。在这种情况下，外部覆盖件132应该尽可能地薄以减少漏光136。波导10及20之间的间隙可以是用于临界角度管理的气隙或折射间隙。

图25B示出类似图25A的一个实施方式，但是还有沿着波导10的顶部及底部添加了光学覆盖件142。使用这种覆盖件可以有助于获得高光学质量(平滑度)同样沿着这些面。

图25C示出波导10比波导20略宽的一个实施方式，以确保波导20的入口处完全覆盖(填满)，尽管波导之间的附接有任何间隙或偏差。在这种情况下，一层中间折射材料149优选地覆盖波导10的整个底面。

图25D为关于具有类似图22A至22E的几何形状的实施方式，其在两个波导之间具有一气隙来实现。为了固定波导的相对位置，并在波导中以最小的内部反射扰动来密封波导之间的气隙，优选地在波导的外表面上施加一反射涂层1149，至少在接合将要进行的区域。然后，一连接附件1150附着到这些涂层中的每一个，以机械地连接所述多个波导，并且优选地还产生一密封。涂层可以位于靠近间隙处，或者可以延伸以覆盖二维波导的整个侧面。

涂层1149可以是金属反射涂层，或者可以是一种介电涂层，其被选择为使得图像光的掠射角被反射，而来自散射的陡峭光线或任何不希望的图像将被透射出去。

现在参照图26，在所述实施方式中，波导10的延伸方向相对于第二波导20内部刻面的延伸方向倾斜(不平行)。换句话说，第二波导20的部分反射表面(刻面45)在一组平行线150处与表面22a相交，并且第二波导20的耦合端面在一个边缘151处与表面22a相遇，所述边缘不平行于一组平行线。倾角改变了图像的外接角度，并且可以用于满足在某些应用中对人体工程学设计的要求，或者可以简化某些角度的设计限制。这些角度限制包含不超过所述临界角的限制(图像矩形不横跨一圆)或要求不具有重影重叠一般图像(图像矩形不横跨一刻线，如在图24中的122)。

在图26的实施方式中，选择第一波导10内部刻面的角度，使得提供给第二波导20的连接离开的图像垂直于第二波导的刻面传播。

波导10相对于波导20的倾斜可以替代地以与此处所示的相反的方式，取决于刻面配置(图2A及2B的选择)、耦合方法(图19A至23)、所需的图像FOV及/或空气及波导之间的临界角(图24)。

图27示出本发明的另一变型实施方式，其中第一波导10的多个部分反射表面(这里标记为155)与面12a及14a两者处于一倾斜角度。(虚线是为了便于观察刻面的倾斜，通过显示一个垂直于两个外表面的两者的一个平面，而另一个相对于仅一个表面倾斜)。图28中示出了角度空间中的这种实施方式的描绘。波导10中的初始图像表示为a1至a4具有一“景观(landscape)”(宽)纵横比。图像以一个扭曲的角度作为图像a1入射到波导中，以获得最终的水准图像。所述二维倾斜内部刻面155的平面呈现为157。这个刻面将a1耦合进入到b1为从波导10向外耦合进入到波导20。另一方面，a2被耦合到不在临界角边界159中的b2，因此不耦合到波导20，而是被损失。图像b1在波导20内产生自己的共轭图像b3，并最终被耦合到眼睛，如图像c(如上所述)。在这种结构中，波导10及20之间对准精度的要求被放宽了。

图29A及图29B表示的角度空间根据图27的实施方式的另一变型，所述多个刻面40的一个取向可以选择具有二维倾斜表示为110，并具有合适的涂层，以选择性地反射在第一波导10内传播的四个图像中的仅一个图像的显着部分。因此，在图29A所示的几何结构中，图像a2被选择性地耦合到b1，被波导20传播及扩张。剩余的图像a1、a3及a4为在足够小的角度，通过适当选择涂层，可以基本上消除这些图像在所述多个刻面40的反射。所述图像的角度差异(a1、a3及a4比a2更接近所述刻面)最好在图29B的三维(3D)图示中看到。因此，在一个特别优选的例子中，所述多个刻面40被涂覆涂层，以使其基本透明(即，在所述相关波长范围内入射辐射产生少于5％的反射)。对于在55度及85度之间到所述表面法线的光线，并部分反射(通常反射至少10％的入射辐射强度，并且显着更多，通常比“基本上透明”的角度范围具有至少两倍的反射强度)对于入射对法线倾斜小于45度的入射光线，图像的扩展角度方向的入射角度及所述刻面的倾斜角度可以被选择为使得对于三个图像(这里是a1、a3及a4)的整个角度扩展落在所述基本上透明的角度范围内，而对于一个图像(这里是a2)的所有图像角度在所述部分反射范围内。这导致仅有一个图像的选择性耦合输出，从而简化了系统设计的各个方面。将会注意到的是，耦合输出的图像不需要与最初生成的图像相同，并且可以以其倒转的共轭图像用于入射。必要时，原始图像生成元件可以生成一个用于入射的倒转共轭图像，使一个右边图像从所述波导耦合输出。

均匀性增强：

在最终放大孔径照明中的不均匀性有时可能是由于原始投影图像孔径的不均匀光线导致或者由于孔径的非最佳修剪而导致的。根据本发明的另一个方面，通过实现波导的一个多路径配置，任何这样的不均匀性可以变得平滑。

具体参照图30示出一波导170(其可以是波导10或20的一个侧视图)并列有一个相邻的平行波导172。这些波导之间的中间接口产生光耦合，使部分光线在所述波导之间传输，其余部分在内部反射。所述中间面(在波导170及172之间)及所述外部面(如图所示的顶部及底部)是平行的。所述中间接口处的部分反射可以基于所述波导之间的一个涂层或一个折射率不连续性。在波导170内传播的反射孔径174如176(被标记为虚线)被耦合到波导172中。所述孔径的所述图像也被耦合回到波导170中，并通过所述多个内部刻面40或45(图中未示出)连同“原始”孔径179输出成为输出孔径178。输出孔径178及孔径179是平行的，但在位置上偏移，导致横跨所述孔径的任何不均匀性被平均。

如图31A所示察觉不均匀性的另一个来源关于不同视场内的内部刻面的角度重叠。在这里所示的波导区域(10或20)，所述波导含有内部刻面(两个被描绘为2515及2517，相当于40或45)。大部分的耦合输出光都是从一个内部刻面反射出来的。但是，在所述多个刻面的边缘，在离轴角度上是不均匀的。对于FOV的一个区域指向左边(标记为实线箭头)，标号为2520的一区域不反射任何光线，因为在这个角度上，刻面2515及刻面2517所反射的光线之间有一个有效的空隙，导致在感觉中的黑暗条纹。另一方面，耦合到右边的光(标记为虚线箭头)具有一个区域2525，其中有从2515及2517反射的光线重叠，所以会反射几乎两倍的光量。因此，图31A中的不均匀性将在FOV及眼睛位置的不同区域中横跨扩展孔径的图像强度中位数约200％至0％之间变化。

根据本发明的另一个方面，刻面之间导入了显着的重叠，如图31B所示。在这种情况下，相邻的刻面之间的间隔减半，导致FOV的大部分在大部分眼睛位置接收来自所述图像的照明通过两个刻面的迭加反射。在所述图像的角度末端附近及所述多个刻面的末端，所述多个刻面重叠的数目仍会有所改变，这种重叠有助于所述图像的某些区域，如光束2540所示，光束2540仅源自于一个刻面，光束2545由三个相邻的所述多个刻面贡献。尽管如此，不均匀性大大降低，通常相当于大约±50％。另外，变化发生在孔径更密集的位置，从而在所述观察员的瞳孔中趋于平均，并且降低变化的显着性。

如图31C所示，进一步改善减少不均匀性可能是由于导入由所述重叠内部所述多个刻面所产生的“多路径”图像造成的。光在波导10内传播(标记为实线箭头并标记为“a”)被耦合输出(指定为“b”)，但是一些来自b的光被逆向耦合到“a”(标记为虚线箭头)在被耦合输出为“b”之前。“a”及“b”之间来回的耦合，导致横跨孔径强度的平均，同时保持光线的平行度，从而进一步改善光均匀性。

在图32A及32B中示出根据本发明的某些实施方式中交叉耦合的另一种方法。在图32A中，内部刻面2670(相当于40)处于“逆向”方向，以便反射所述图像照明传播的一部分通过TIR从右到左(如实线箭头所示)在所述多个内部刻面并向上到顶部外部面2675上。这个面是涂覆涂层的，以使其成为一个全反射器，从而向下反射(光线2672)到波导20中。

从顶部外部面2675反射的有些光线被通过所述多个内部刻面再次反射(如虚线箭头所示)并沿着波导10向后传播，直到被另一个内部刻面向下反射为光线2680。显然地，光线2672及2680彼此平行并且偏移，因而实现交叉耦合及平滑在图像强度的不均匀性。

在图32B中，所述多个内部刻面被描绘为耦合光线向下(在所述实施例中也包含向上耦合)，底部外部面2705被实现为一部分反射器并且顶部外部面2710被实现为一个完整的(例如，金属化的)反射器。作为所述配置的结果，部分光线通过所述多个内部刻面40向下反射并且通常将被耦合输出将被向后反射进入到第一波导10中。所述向上光线(如虚线所示)然后分成多条路径，其中一部分穿过所述多个内部刻面并从顶部面2710反射，以及一部分沿着进入的光路逆向反射回去，在随后的内部刻面反射向上。从所述上表面2710反射的光线类似地可以直接通过所述多个内部刻面进行耦合输出，或者可以在所述多个内部刻面上经历进一步的反射对，以在不同的位置耦合输出。图像之间的这种多路径混合及交叉耦合进一步用于减少不均匀性。

应当注意的是，前述与所述耦合输出面成高角度的多重内反射也将入射到波导10的前面及后面上。取决于光束的角度，可以优选地另外在波导10的前后表面涂覆一层反光涂层。

现在参照图33A至33C，应该注意的是，在上面所述参照图3、24、28及29的方案中，在所述多个内部刻面上的选择性部分反射被设计为入射图像a1及a2相对于所述刻面具有相对较高的倾斜度，而低倾斜角的图像a3及a4被透射。如上所述，适合于实施这些选择性的刻面涂层在本领域是已知的，并且可以在本受让人先前申请的美国专利第7391573号及第7457040号中找到。

作为所述方法的一个替代方案，图33A至33C示出了一种实施方式，其中所述低倾角图像是被耦合输出的图像，而所述高倾角图像被透射通过所述刻面。因此，在图33B的角度图中，图像a3及a4是被耦合输出的以提供b1及b2，而图像a1及a2以最小的反射穿过所述内部刻面40。这个光线的几何结构如图33A所示，并且在几何上等同于图2A中耦合输出的光线C2。

图33C示出可用于实现这种选择性的所述内部刻面角反射率的一个实施例。在此图示中，在x轴显示相对于所述刻面法线的角度，同时每个偏振的反射率显示在y轴上。实心方形表示a3或a4的角度范围。明显地，S-偏振将被部分地反射，而P-偏振被大部分地透射(如在之前的实施例中所描述的)。虚线正方形表示共轭图像a1或a2。这两个偏振的反射率是最小的，因此它们不会被反射输出波导10。

用于实现这些反射率分布所需的涂层可以使用一维波导背景中公开的涂层来实施，例如在前述的美国专利第7391573号及美国专利第7457040号中。

偏振方案：

所述刻面涂层的反射特性是与偏振相关的。如果偏振不保持不变，这种强烈的依赖性可于产生投影给观看者的图像不均匀强度输出。所以现有的实施方式为当与一维波导运转时，使用一单一偏振(最好是S)以一方向正交于波导的表面来照亮他们。当光沿着所述一维波导传播时偏振方向随着而保持不变。

在根据本发明的一个方面教导的二维波导10的实施方式中，所述输入图像使用一单一偏振不能提供一个最佳解决方案，由于光入射在所述多个面上的各个角度，通过这些反射引起偏振方向的改变。所以，如果一单一偏振入射到所述波导上，其方向将沿所述波导改变，并且图像均匀性将受到损害。

相反地，根据本发明的某些特别优选的实施方式，引导进入到第一波导10的图像以非偏振光被耦合(或假性非偏振光，如下所述)进入到二维波导。通过使用一个非偏振的输入，偏振的旋转对图像的均匀性没有影响。而且，尽管来自所述多个内部刻面40的耦合输出反射产生了一个极大的偏振输出，所述部分偏振的透射图像的偏振不断地被扰乱，通过在所述波导的所述多个面后续的反射，从而有助于所述图像在随后的所述多个内部刻面上均匀分布。

所述光学的图像可以被产生通过一扫描雷射器、液晶显示器(LCD)，硅基液晶(LCOS)，数位光源处理(DLP)，有机发光二极体(OLED)或其他发光装置产生。如果投射光是偏振的，或者如果由一个偏振分光器引起偏振，则光优选地在进入第一波导10的孔径之前传输通过一个去偏振器。所述去偏振器可以是被动去偏振器(例如“里奥(Lyot)”去偏振器、“柯努(Cornu)”去偏振器，或者“光楔(Wedge)”去偏振器)，其基于改变光的不同光谱分量的偏振。例如，红色、绿色或蓝色LED的光谱宽度可以在50纳米左右的，而一个1毫米厚的晶体石英可以实现良好的去偏振。这样的去偏振器可以在任何光学接口处沿着所述图像传播路径导入，在所述图像投影装置中的最后一个偏振元件之后。例如，其可以被导入在图16的偏振分光器513的正下方或者在制造所述波导期间接合的任何元件之间的中间接口处。

替代地，一单一单元的LCD可被使用于偏振的快速切换，实现通过人类视觉感知的时间平均效应所感知的伪去偏振。如果所述LCD在两个正交状态之间改变所述入射光的偏振于投影图像的一个单帧的时间内，那么在这个应用中光可以被认为是非偏振。在某些情况下，更多的状态可以是优选的(例如，通过以一降低的电压致动一个LCD单元而产生的一个中间状态)，但两个正交状态通常会产生令人满意的结果。例如，如果投影图像帧速率是100FPS，则所述LCD应以200Hz的速率改变偏振，并将留在每个偏振中几毫秒。

在非偏振光入射到波导10之后，所述非偏振光遇到第一内部刻面40。所述光的一部分被所述刻面反射。由于反射是部分偏振的，所以继续传播的其余光线也是部分偏振的。因此，例如，如果偏振是S-偏振，部分反射以耦合输出到第二波导20，则透射光的部分是P偏振。

这个透射光在撞击所述多个刻面40之前继续进行TIR或反射。所述TIR随机地旋转光的偏振，并且在一定程度上也使其去偏振。这种偏振扰动(旋转及去偏振)是有益的，有助于沿着波导10输出的一致性。通过采用波导10与其环境之间的高折射率差，增强了所述偏振扰乱(如由菲涅耳方程表示)，例如，其中波导10的顶部外刻面之上的介质是空气。

根据一个优选的选择方式，在波导10内导入一种双折射材料或涂层以增强偏振扰动。根据另一个优选的选择方式，在波导10的外表面之外导入一层涂层以增强偏振扰动。在内部刻面处部分偏振的上述过程随后通过偏振扰乱在每个连续的内部刻面上重复进行。

关于在所述多个内部刻面40处反射的光用于从波导10耦合输出并进入到波导20，这种光通常是部分偏振的，通常地具有S-偏振，但是可以进行偏振修正在发生在波导10的侧面的任何进一步的反射，在离开第一波导之前以及在离开波导10进入所述波导之间的间隙之间。所述耦合输出光所得到的偏振特性及相对于所述第二波导的任何偏振方向因此取决于所采用的特定耦合几何形状的各种特征。一些选择方式可采用关于在第二波导20中偏振的管理。

任选地，通过在所述波导10及20之间的间隙处放置一个波板，可以减小S-偏振的累积偏差。所述波板(或多个波板)的实际参数应根据具体输出的耦合光从波导10中的偏振相对于波导20中所需的偏振。任选地，可以在波导10及20之间部署一偏振器，以便减少不希望的偏振、散射及重影。

所述多个刻面45的延伸方向与所述多个刻面40正交处，S-偏振通过所述多个刻面40反射后的方向对于所述多个刻面45为P-偏振。如果S-偏振对于所述多个刻面45为优选的，则一λ/2波板可以配置在所述波导之间，以使与所述多个刻面45所需要的偏振相匹配。所述λ/2波板可以放置在先前描述的偏光器之前或之后。

在一个替代实施方式中，在某些情况下，系统已被发现以提供可接受的结果，在波导10及20之间没有实施偏振管理。在这种情况下，来自所述多个刻面(b1及b2)的反射光的偏振将旋转当从波导20向下传播，在波导20的所述多个刻面45上产生偏振平均。这种结构的进一步优选的通过具有反射两种偏振的涂层来实现，如图33C所示，在50度至75度的范围内。(在这个例子中，这两个偏振的反射是不相等的，但两者都被显着地反映出来)。

也可以在所述两个波导之间的间隙导入一个去偏振器(除了在图像注入到所述第一波导处的去偏振器之外)。另外地，或者替代地，双折射材料(例如，某些塑胶)可以用于所述多个波导，从而进一步增强所述系统的偏振扰动性质。

制造过程：

适用于制造第二波导20的技术通常是已知的，并且可以在例如相同受让人的在先前美国专利第6,829,095号中找到，如在此参照图32至36所描述的。

图34A示出了一个非限制性但优选的过程，其可用于生产第一波导10。为清楚起见，在图中，所述多个内部刻面不是以比例或密度来描绘。

一涂覆涂层的透明平行板组被附接在一起作为堆迭400。所述堆迭被斜线地切割(402)以便生成一个切片404。如果需要，一透明盖板405可以被附接到所述切片404的顶部及/或底部(未示出)。如果需要一维刻面倾角，所述切片垂直于所述多个刻面的边缘切割(虚线)，或者如果需要二维刻面倾角，则需要斜线地切割(点划线)，以产生二维波导406。

对于上述许多实施例，一耦合棱镜然后附接在波导10上。在图34B至34E中示出了一耦合棱镜附接的示例性过程。所述切片的二维波导406，如图34B所示，与所述多个刻面重叠(两个刻面反射每一视线)。这只是一个非限制性的示例，并且不与所述多个刻面重叠也是可能的。

如图34B所示，所述二维波导406(为清楚起见，描绘为不透明)被切割，例如沿着如图所示的虚线。这种切割可以在任何方向，但是一垂直切割缓解了严格的折射率匹配要求。优选地，如图34C所示，所述切割是执行在所述多个切面重叠存在处(参照图34C的切割端部)为了保持照明的均匀性。否则，所述第一切面将反射而不重叠，将导致照明减少。一透明的延伸部413可以被添加，如果需要，且棱镜414(相当于上述的91，描绘为透明)被附接到406，以产生二维波导416具有一延伸部及耦合棱镜。在不需要所述延伸部的情况下，所述耦合棱镜414可直接附接到所述波导上以生成组装的波导417。所述波导的远端可被留下，以允许任何剩余的光线从其散射，并且可任选地涂上光吸收材料(例如黑色颜料)以最小化散乱反射。

现在参照图35A至35D，观看者通过所述一维波导20看到世界。因此，所述多个内部刻面45(在图1中)在透明度上的变化可以是可观察的及有困难的。然而，为了保持所述波导(虚拟图像)的均匀照明，所述多个内部刻面的反射率必须远高于所述波导照明点。

在图35A至35D中，所述一维波导的照明被描绘为粗箭头，并且所述多个刻面的较高反射率在所述图35A及图35C的前视图中被描绘为较暗的透明度，在图35B及35D的侧视图中被描绘为较粗的线。

在图35A及35B的部分450示出透明玻璃在所述波导的端部处。所述部分不在内部地引导光线，仅用于波导窗口所述观看者的连续性，超出所述投影图像的区域。这通常导致部分450及最后的刻面之间的一外显不连续。根据图35C及35D所示的本发明的另一个方面，也适用于另外传统的系统，最后部分454是故意透明低的，从而减少任何外显不连续性在最后刻面及最后部分454之间真实世界视野的传输。这使得所述图像的一部分对所述观看者的干扰更小。对于部分454所期望减小透射率也可以在部分450的顶部上使用一涂层来实现。

根据本发明的又一个方面，另外的一渐变透明度视窗457可以在所述波导附近(前方或后方)导入。所述渐变透明度在与所述渐变透明度相对的方向上变化，所述渐变透明度是由连续较厚的所述内部多个刻面的配置所产生的，从而补偿了通过显示器观看现实世界的外观变化，并产生一个大致均匀的整体组合透明度。

所附的权利要求撰写没有包含多重附属的范围，这仅是为了符合在司法管辖权的形式要求上不允许多重附属。应该注意的是，通过使得权利要求多重附属而暗示的所有可能特征组合都被明确地设想过并且应该被认为是本发明的一部分。

应该理解的是，以上描述仅用作示例，并且有许多其他的实施方式亦可以属于本发明的范围，如同在所附的权利要求中所定义。

Claims (8)

1.一种光学装置，包含：

(a)一光学波导，具有至少一第一对平行面，用于通过全内反射传送一图像；及

(b)一图像投影装置，光学耦合到所述光学波导，用于将一准直图像引入到所述光学波导中，所述图像投影装置包含一偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜具有：

(i)一图像输入表面；

(ii)一准直光学元件，部署在基本上垂直于所述图像输入表面的一第二表面上；及

(iii)一偏振分光器，部署在一对角面上，以便将来自所述图像输入表面的一图像照射引向所述准直光学元件，

其中所述偏振分光棱镜以所述图像输入表面及所述第二表面相对于所述第一对平行面倾斜因而光耦合到所述光学波导，所述偏振分光棱镜还包含一修改的底面位于所述偏振分光器远离所述准直光学元件的一侧，并形成所述第一对平行面中的一第一个的一连续。

2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述修改的底面的至少一部分位于由所述图像输入表面及所述第二表面定义的一长方体内。

3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述偏振分光棱镜通过一耦合棱镜光学耦合到所述波导，及所述耦合棱镜提供一外表面与所述修改的底面及所述第一对平行面的所述第一个共面并且所述外表面桥接在所述修改的底面与所述第一对平行面的所述第一个之间。

4.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置还包含一图像投射源光学耦合到所述图像输入表面，以便将一图像投影到所述偏振分光棱镜中，所述图像投射源及所述准直光学元件定义从所述准直光学元件投射的一准直图像的多个光线的一视场角，其中所述第一对平行面中的一第二个在一边缘处终止，及所述第一对平行面中的所述第一个及所述修改的底面一起形成一延伸表面，所述延伸表面充分延伸使得，在所述视场角内的所有角度的所述准直图像的多个光线于所述延伸表面处反射之后照射所述边缘。

5.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学波导还包含一第二对平行面，使得所述光学波导通过四重内反射传送一图像，所述图像输入表面及所述第二表面相对于所述第一及所述第二对平行面两者倾斜，及所述偏振分光棱镜还包含一第二修改的底面位于所述偏振分光器远离所述准直光学元件的一侧，并形成所述第二对平行面中的一个的一连续。

6.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述修改的底面的至少一部分及所述第二修改的底面的至少一部分位于由所述图像输入表面及所述第二表面所定义的一长方体内。

7.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述偏振分光棱镜通过一耦合棱镜光学耦合到所述波导，及所述耦合棱镜提供一第一外表面与所述修改的底面及所述第一对平行面的所述第一个共面，并且所述第一外表面桥接在所述修改的底面与所述第一对平行面的所述第一个之间，及所述耦合棱镜提供一第二外表面与所述第二修改的底面及所述第二对平行面的所述第一个共面，并且所述第二外表面桥接在所述第二修改的底面及所述第二对平行面的所述第一个之间。

8.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置还包含一图像投射源光学耦合到所述图像输入表面，以便将一图像投影到所述偏振分光棱镜中，所述图像投射源及所述准直光学元件定义从所述准直光学元件投射的一准直图像的多个光线的一视场角，其中所述第一对平行面中的一第二个在一第一边缘处终止及所述第二对平行面中的一第二个在一第二边缘处终止，及所述第一对平行面中的所述第一个及所述修改的底面一起形成一第一延伸表面，所述第一延伸表面充分延伸使得在所述视场角内的所有角度的所述准直图像的多个光线于所述第一延伸表面处反射之后照射所述第一边缘，及所述第二对平行面中的所述第一个及所述第二修改的底面一起形成一第二延伸表面，所述第二延伸表面充分延伸使得在所述视场角内的所有角度的所述准直图像的多个光线于所述第二延伸表面处反射之后照射所述第二边缘。