CN112198662B - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种光学装置。该光学装置包括：光导光学元件，其具有两个主表面和两个边缘、输入孔和输出孔，光波穿过所述输入孔进入所述光导光学元件，光波穿过所述输出孔离开所述光导光学元件；至少一个光学元件，其用于将光波从所述光导光学元件耦合出来，至少一个光束分离表面，其嵌入在所述光导光学元件内部，其中，耦合在所述光导光学元件内部的光波经历从所述至少一个光束分离表面的多次反射以及穿过所述至少一个光束分离表面的多次穿透，并且其中，光波经历从所述输入孔与所述输出孔之间的所述两个主表面离开的多次全内反射。

Description

光学装置
本申请是申请日为2016年2月10日、发明名称为“具有均匀图像的紧凑型头戴式显示系统”以及申请号为201680010913.9的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及基板引导式光学装置，特别涉及包括由公共透光基板(也称为光导光学元件(LOE))承载的多个反射表面的装置。
本发明可以实现成有利于许多成像应用(诸如头戴式和平视显示器、蜂窝电话、紧凑型显示器、3-D显示器、紧凑型扩束器)以及非成像应用(诸如平板指示器、紧凑型照明器和扫描仪)。
背景技术
紧凑型光学元件的重要应用之一是在头戴式显示器中，其中光学模块既用作成像透镜又用作组合器，其中二维显示器被成像到无穷远并被反射到观察者的眼睛。显示器可以直接从诸如阴极光线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)或扫描源和类似装置之类的空间光调制器(SLM)获得，或间接地借助于中继透镜或光纤束获得。显示器包括分别由准直透镜成像到无穷远并且借助于用作非透视和透视应用的组合器的反射或部分反射表面传递到观察者的眼睛中的元素(像素)阵列。通常，常规的自由空间光学模块用于这些目的。不幸的是，随着系统的期望视场(FOV)增大，这种常规的光学模块变得更大、更重、更庞大，因此甚至对于中等性能的装置也是不切实际的。这是各种显示器的主要缺点，特别是在系统必须尽可能轻且紧凑的头戴式应用中尤其如此。
致力于紧凑性的努力导致了几种不同的复杂光学解决方案，其一方面对于大多数实际应用仍然不够紧凑，而另一方面又在可制造性方面存在重大缺点。此外，由这些设计产生的光学视角的眼动盒(EMB)通常非常小——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移动也非常敏感，并且不允许足够的瞳孔运动来方便从这样的显示器阅读文本。
包括在公开号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、IL232197，IL235642、IL236490和IL236491中的教导均以申请人的名义通过引用并入本文。
发明内容
相对于其他应用，本发明特别有助于关于头戴式显示器的非常紧凑的LOE的设计和制造。本发明允许相对较宽的FOV以及相对较大的眼动框值。所得到的光学系统提供了大型高质量图像，其也适应眼睛的大移动。本发明提供的光学系统是特别有利的，因为它比现有技术的实施方式更紧凑并且甚至还可以轻松地并入到具有专门配置的光学系统中。
本发明的另一应用是提供一种具有宽FOV的紧凑型显示器，用于移动电话、手持应用(诸如蜂窝电话)。在今天的无线互联网接入市场，足够的带宽可用于完整的视频传输。限制因素保持了最终用户装置内的显示质量。移动性要求限制了显示器的物理尺寸，结果是直观显示，而图像观看质量差。本发明实现了具有非常大的虚拟图像的物理上非常紧凑的显示器。这是移动通信(特别是移动互联网接入)中的一个关键特征，解决了其实际实施的主要限制之一。因此，本发明能够在诸如蜂窝电话之类的小型手持装置内观看全格式互联网页面的数字内容。
因此，根据具体要求，本发明的广泛目的是减轻最先进的紧凑型光学显示装置的缺点，并提供具有改进性能的其它光学部件和系统。
因此，根据本发明，提供了一种光学装置，其包括：透光基板，其具有输入孔、输出孔、至少两个主表面和边缘；光学元件，其用于通过全内反射将光波耦合进入基板中；至少一个部分反射表面，其位于透光基板的两个主表面之间，用于将光波部分地反射出基板；第一透明板，其具有至少两个主表面，该透明板的一个主表面光学地附着到限定界面平面的透光基板的主表面；以及光束分离涂层，其涂覆在基板和透明板之间的界面平面上，其中耦合在透光基板内部的光波部分地从界面平面反射并部分穿过其中。
附图说明
结合某些优选实施例，参考以下说明性附图来描述本发明，以便可以更全面地理解本发明。
具体详细参考附图时，强调所示的细节仅作为示例并且仅用于说明性地讨论本发明的优选实施例的目的，并且在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的理由下呈现。在这方面，没有尝试比基本理解本发明所必需的更详细地示出本发明的结构细节。伴随附图的描述将作为本领域技术人员如何在实践中实施本发明的几种形式的方向。
在附图中：
图1是示例性现有技术的光导光学元件的侧视图；
图2A和2B是图示选择性反射表面的示例性阵列的详细截面图的图；
图3是根据本发明的具有两条不同的入射光线的反射表面的示意性截面图；
图4图示了选择性反射表面的示例性阵列的截面图，其中透明板附着到基板边缘；
图5是图示表面的实际有效孔径的根据本发明的反射表面的示意性截面图；
图6对于示例性LOE图示了作为场角的函数的反射表面的有效孔径尺寸；
图7对于三个不同视角图示了来自选择性反射表面的示例性阵列的反射率的详细截面图；
图8对于示例性LOE图示了作为场角的函数的两个相邻反射表面之间的所需距离；
图9是根据本发明的具有两条不同的入射光线的反射表面的另一示意性截面图；
图10图示了具有附着到基板边缘的楔形透明板的选择性反射表面的示例性阵列的截面图；
图11是根据本发明的具有两条不同的入射光线的反射表面的另一示意性截面图，其中两束光线从两个部分反射表面反射；
图12是根据本发明的具有两条不同的入射光线的反射表面的另一示意性截面图，其中该两束光线被耦合进入远离的LOE中并且从彼此相邻的LOE耦合出来；
图13A和13B是嵌入光导光学元件内部的光束分离表面的示意性截面图；
图14是图示对于s偏振光波的示例性角敏感涂层的作为入射角度的函数的光束分离表面的反射率曲线的曲线图；
图15是图示对于s偏振光波的示例性角敏感涂层的作为入射角度的函数的光束分离表面的反射率曲线的另一曲线图；
图16是嵌入到光导光学元件内部的两个不同的光束分离表面的示意截面图；
图17是嵌入在光导光学元件内部的光束分离表面的另一示意性截面图，其中在透明附着板内部制造部分反射表面；以及
图18A和18B是嵌入在光导光学元件内部的光束分离表面的实施例的再一示意性截面图，其中耦合进入以及耦合出元件是衍射光学元件。
具体实施方式
图1图示了根据本发明的光导光学元件(LOE)的截面图。第一反射表面16由位于装置后面的光源(未示出)发出的准直显示器18照亮。反射表面16反射来自源的入射光，以使得光通过全内反射被捕获在平面基板20的内部。在离开基板的表面26、27的几次反射之后，被捕获的光波到达部分反射表面22的阵列，其将来自基板的光耦合进入具有瞳孔25的观察者的眼睛24中。这里，LOE的输入表面将被定义为输入光波通过其进入LOE的表面，而LOE的输出表面将被定义为被捕获的光波通过其离开LOE的表面。此外，LOE的输入孔将被认为是输入光波在输入LOE时实际通过的输入表面的一部分，而LOE的输出孔将被认为是输出光波在离开LOE时实际通过的输出表面的一部分。在图1中所示的LOE的情况下，输入和输出表面都与下表面26重合，但是可以想到其中输入和图像光波可以位于基板的相对侧上或位于LOE的边缘之一上的其他配置。假设源的中心光波沿垂直于基板表面26的方向从基板20耦合出来，部分反射表面22是平坦的，并且耦合光波在基板20内部的离轴角度是αin，那么反射表面与基板平面的法线之间的角度αsur2为：
Figure BDA0002682648880000051
从图1可以看出，被捕获的光线从两个不同的方向28、30到达反射表面。在该特定实施例中，在从基板表面26和27发出偶数次反射之后，被捕获的光线从这些方向28中的一个到达部分反射表面22，其中被捕获的光线与反射表面的法线之间的入射角度βref是：
Figure BDA0002682648880000052
在从基板表面26和27发出奇数次反射之后，被捕获的光线从第二方向30到达反射表面，其中离轴角度为α'in＝180°-αin，并且捕获的光线与反射表面的法线之间的入射角度为：
Figure BDA0002682648880000053
其中负号表示被捕获的光线入射在部分反射表面22的另一侧上。
如图1中所示，对于每个反射表面，每束光线首先从方向30到达该表面，其中一些光线再次从方向28入射在表面上。为了防止不期望的反射和重影，重要的是，对于入射在具有第二方向28的表面上的光线，反射率可以忽略不计。
必须考虑的一个重要问题是每个反射表面的实际有效区域。由于到达每个选择性反射表面的不同光线的不同反射顺序(一些光线在没有与选择性反射表面的前期相互作用的情况下到达；其他光线在一次或多次部分反射之后到达)的缘故，而可能会在所得图像中出现潜在的不均匀性。该效果图示在图2A中。假设例如αin＝50°，则光线80在点82处与第一部分反射表面22相交。光线的入射角度为25°，并且将光线能量的一部分从基板耦合出来。然后，光线在点84处以75°的入射角度横穿同一选择性部分反射表面，而没有明显的反射，然后在点86处以25°的入射角度再次横穿，其中光线的另一部分能量从基板耦合出来。相反，图2B中所示的光线88仅从同一表面经受一次反射90。在其他部分反射表面上发生另外的多次反射。
图3以部分反射表面22的详细截面图来图示了这种不均匀现象，该部分反射表面22将捕获在基板内的光耦合进入观察者的眼睛24中。可以看出，光线80从紧邻作为反射表面22与上表面27的交线的线100的上表面27反射出去。由于该光线不入射在反射表面22上，所以在从两个外表面的双重反射之后，其亮度保持相同并且其在表面22处的第一次入射处于点102处。此时，光波被部分地反射，并且光线104被从基板20耦合出来。对于位于光线80正下方的诸如光线88之类的其他光线，在表面22处的第一次入射在其与上表面27相遇之前处于点106处，在其中该光段被部分反射并且光线108被从基板耦合出来。因此，当其再次入射在表面22上时，在从外表面26、27的双重反射之后的点110处，耦合出来的光线的亮度低于相邻光线104。结果，在表面22处到达点102左侧的具有与80相同的耦合进入角度的所有光线具有较低的亮度。因此，对于该特定的耦合进入角度，从表面22的反射率实际上在点102的左侧更暗。
然而，难以完全补偿多重相交效应中的这种差异，实际上人眼容忍了仍然不被注意的显著亮度变化。对于近眼睛显示器，眼睛将从单个视角出现的光聚集在视网膜上的一个点上，并且由于眼睛的响应曲线是对数的，所以显示器亮度的很小变化(如果有的话)将不会很显著。因此，即使对于显示器内的中等程度的照明均匀性，人眼也经历高质量的图像。利用图1中所示的元件可以轻松地实现所需要的中等均匀性。对于具有大FOV的系统，在需要大EMB的情况下，需要相当大量的部分反射表面以实现所期望的输出孔。结果，由于与多个部分反射表面的多次相交而引起的不均匀性变得更为主要(特别是对于距离眼睛一定距离的显示器(诸如平视显示器))，并且这种不均匀性不能接受。对于这些情况，需要更系统的方法来克服这种不均匀性。
由于部分反射表面22的“较暗”部分对于被捕获的光波从基板耦合出来贡献很小，所以它们对LOE的光学性能的影响只能是负面的，即，在该系统的输出孔中将存在较暗部分，并且暗条纹将存在于图像中。然而，每个反射表面的透明度关于来自外部场景的光波是均匀的。因此，如果在反射表面之间设置重叠以补偿输出孔中的较暗部分，则来自输出场景的穿过这些重叠区域的光线将遭受双重衰减，并且在外部场景中将产生更暗的条纹。这种现象不仅显著地降低了距离眼睛一定距离处的显示器(诸如平视显示器)的性能，而且也显著地降低了近眼显示器的性能，因此不能利用。
图4图示了克服这个问题的实施例。只有部分反射表面22a、22b、22c的“亮”部分嵌入在基板内，即反射表面22a、22b、22c不再与下主表面26相交，而是终止该表面的短边。由于反射表面的端部在LOE的长度上彼此相邻，因此在投影图像中将不存在间隙，并且由于表面之间不存在重叠，所以在外部视图中将不存在间隙。构建这种LOE有几种方式，其中之一是将具有厚度T的透明板120(优选通过光学胶合)附着到基板的有效区域中。为了以正确的方式仅使用反射表面22的有效区域，重要的是计算每个部分反射表面的实际有效区域和板120的所需厚度T。
如图5中所示，反射表面22n在外表面26的平面内的亮孔径Dn，作为耦合进入角度αin的函数，为：
Figure BDA0002682648880000071
由于捕获角度αin可以作为FOV的函数而变化，因此重要的是知道以哪个角度关联每个反射表面22n，以便计算其有效孔径。
图6图示了作为以下系统参数的场角的函数的有效孔径：基板厚度d＝2mm，基板折射率v＝1.51，以及部分反射表面角度αsur＝64°。在考虑视角时，注意到所得到的图像的不同部分来自部分反射表面的不同部分。
图7是基于所提出的配置的紧凑型LOE显示系统的截面图，其图示了该效应。这里，代表特定视角114的单平面光波112仅照亮部分反射表面22a、22b和22c的整个阵列的一部分。因此，对于部分反射表面上的每个点，限定标称视角，并且根据该角度计算反射表面的所需有效区域。各种部分反射表面的有效区域的准确详细设计如下进行：对于每个特定表面，绘制从表面的左边缘到指定的眼睛瞳孔25的中心的光线(考虑到Snell定律所引起的折射)。将计算出的方向设置为标称入射方向，并根据该方向计算特定有效区域。
如图5中所示，反射表面有效区域的精确值可用于确定每个反射表面22n的亮部分的左边缘102和下表面26之间的各种距离T。较大的有效区域决定较小的表面间距离。该距离表示应该附着到LOE的下表面的板120(图7)的厚度。如图5中所示，作为耦合进入角度αin的函数的距离T为：
T＝d-Dn·cot(αsur) (5)
图8图示了对于与以上参考图6所设定的相同的参数的、作为场角的函数的板120的所需厚度T。将厚度T设置为最大计算值以确保在图像中避免暗条纹现象是值得的。设置太厚的板120将引起相反的效果，即亮条纹图像中出现。
如图9中所示，两束光线122和124被耦合在基板20内。这两束光线分别在点126和128处从表面22a部分反射。然而，只有光线122在点130处入射在第二表面22b上并且在其处被部分反射，而光线124跳过表面22b而没有任何反射。结果，在点134处入射在表面22c上的光线124的亮度高于点132处的光线122的亮度。因此，来自点134的耦合出光线138的亮度高于从点132耦合出的光线136的亮度，并且亮条纹将出现在图像中。因此，应该选择厚度T的精确值以避免图像中的暗以及亮条纹。
如图10中所示，用于实现所需结构(其中板120的厚度T取决于视角)的可能实施例将是构造楔形基板20'(其中两个主表面不平行)。互补的透明楔形板120'优选通过光学胶合附着到基板上，以使得组合结构形成完整的长方体，即最终LOE的两个外主表面彼此平行。然而，这种方法有一些缺点。首先，楔形LOE的制作工艺比平行的更复杂和繁琐。此外，该解决方案对于具有小EMB的系统是有效的，在这种小EMB中在基板平面上的视角和横向位置之间存在良好的匹配。然而，对于具有大EMB的系统，即，在眼睛可以沿着横向轴线显著移动的情况下，在视角和板120'的实际厚度之间将不会有很好的调整。因此，可能会在图像中看到暗或亮条纹。
由于部分反射表面在LOE中的结构而引起的暗或亮条纹出现不限于产生该现象的表面。如参考图3中所示，由表面22a反射两次的耦合光线88的亮度在点110处低于在点102处仅从表面22a反射一次的光线80的亮度。结果，反射波112的亮度低于相邻光线104的亮度。然而，如图11中所示，不仅来自表面22a的反射波的亮度不同，而且透射光线140和142的亮度也不同。结果，分别在点148和150处来自表面22b的反射光线144和146的亮度将以相同的方式不同，并且在图像的该区域也将产生暗条纹。当然，光线之间的这种不相似性将继续在LOE中传播到下一个部分反射表面。结果，由于每个部分反射表面根据准确的入射角度产生其自己的暗或亮条纹，所以对于具有大量部分反射表面的LOE，大量的暗和亮条纹将被累积在LOE的输出孔的远边缘，因此图像质量将严重恶化。
图像不均匀的另一个来源可以是耦合进入LOE中的图像波的不均匀性。通常，当光源的两个边缘具有稍微不同的强度时，如果有的话，这也几乎不被观察者注意到。这种情况对于耦合在基板内并逐渐耦合出来的图像是完全不同的，如在LOE中那样。如图12中所示，两束光线152和154位于平面波156的边缘，该平面波156源自显示源(未示出)中的相同点。假设作为非完美成像系统的结果，而光线152的亮度低于光线154的亮度，则由于光线之间的偏远，而通过平面波156的直接观察将难以看到这种不相等。然而，在耦合进入LOE20中之后，该状况被改变。当光线154照射到在反射表面16和下主表面26之间的界面线156的正右侧的反射表面16时，将右侧光线152从表面16反射，从上表面27全反射，然后入射在界面线158的正左侧的下表面26上。结果，这两束光线152和154彼此相邻地在LOE 20内传播。分别来自光线152和154并从表面22a反射的两条出射光线160和162相应地具有不同的亮度。然而，与输入光波156不同，两条不同的光线彼此相邻，并且这种不相似性将容易被看作是图像中的暗条纹。这两束光线164、165将在LOE内部彼此相邻地一起传播，并且将在每个位置处形成暗条，使它们一起被耦合在一起。当然，避免这种不均匀性的最佳方法是确保进入LOE中的所有耦合光波在整个FOV的整个输入孔上具有均匀的亮度。对于具有大FOV以及宽输入孔的系统来说，这种要求可能非常困难。
如图13A和13B中所示，这种不均匀性问题可以通过将透明板附着到LOE的主表面之一来解决，如以上参考图4所述。然而，在该实施例中，光束分离涂层166被涂覆到LOE 20和透明板120之间的界面平面167。如图13A中所示，两束光线168和170耦合在基板20内。只有光线168在点172处入射在第一部分反射表面22a上并且在其处部分地反射，而光线170跳过表面22a而没有任何反射。结果，假设两束光线在耦合进入LOE中时具有相同的亮度，则从下主表面26向上反射的光线170比从上表面27向下反射的光线168具有更高的亮度。这两束光线在位于界面平面167上的点174处彼此相交。由于涂覆到其上的光束分离涂层的缘故，两束相交光线中的每一束被部分地反射并且部分地穿过涂层。因此，两束光线在它们之间交换能量，并且从交点174出来的光线176和178具有相似的亮度，其基本上是两束入射光线168和170的平均亮度。另外，该光线在相交点180和182处与另外两束光线(未示出)交换能量。作为这种能量交换的结果，来自表面22b的两束反射光线184和186将具有基本相似的亮度，并且亮条纹效果将显著提高。
类似地，如图13B中所示，两束光线188和190耦合在基板20内。然而，只有光线188在点192处入射在第一部分反射表面22a上并且在被上表面27反射之前在那里被部分地反射。结果，假设两束光线在耦合进入LOE中时具有相同的亮度，则从上主表面27向下反射的光线190具有比光线188更高的亮度。然而，这两束光线在位于界面平面167上的点194处彼此相交并在那里交换能量。此外，这两束光线在位于光束分离表面167上的点196和198处与其它光线相交。结果，从表面22a反射的光线200和202以及从表面22b反射的光线204和206将具有基本相同的亮度，因此暗条纹效果将显著降低。这种改善的亮度效果的均匀性也适用于由LOE的输入孔处的不均匀照明引起的暗和亮条纹。结果，被捕获在LOE内部的光波的亮度分布在LOE的输出孔上基本上比在输入孔上更均匀。
如图13A中所示，从表面22a反射的光线184、186在从LOE耦合出来之前，与光束分离表面167相交。结果，因为对于透视应用来说该表面对于退出基板20的光波也是透明的并且对于来自外部场景的光波也是透明的，即光波以小入射角度穿过平面167并以较高的入射角度部分反射，所以简单的反射涂层不能轻松地被涂覆到表面167。通常，这种穿过的入射角度介于0°和15°之间，而该部分反射的入射角度介于40°和65°之间。另外，由于光线在LOE内部传播时多次穿越界面平面167，所以涂层的吸收应该是可以忽略的。结果，不能使用简单的金属涂层，而必须使用具有高透明度的电介质薄膜涂层。
图14对于s偏振图示了作为关于在明视区域中的三个代表性波长，即470nm、550nm和630nm的入射角度的函数的反射率曲线。如图所示，对于s偏振光波，可以实现在介于40°和65°之间的大入射角度下的部分反射率(介于45％和55％之间)和小入射角度下的低反射率(低于5％)的所需行为。对于p偏振光波，由于接近布鲁斯特(Brewster)角，所以不可能在介于40°和65°之间的入射角度下实现实质反射。由于通常用于基于LOE的成像系统的偏振是s偏振，因此可以相当容易地应用所需要的光束分离器。然而，由于光束分离涂层对于以低入射角度入射在界面表面上并且基本上是未极化的来自外部场景的光波而言应该基本上是透明的，所以对于p偏振光波，该涂层在小入射角度下应该具有低反射率(低于5％)。
仍然存在的困难是LOE 20由几个不同的部件组装而成。由于制造工艺通常涉及固定光学元件，并且由于仅在LOE 20的主体完成之后将所需要的角度敏感反射涂层涂覆到光导表面，所以不可能利用可能会损坏胶合区域的常规热涂覆过程。新型薄膜技术以及离子辅助涂层过程也可用于冷加工。消除加热部件的需要，使胶合部件得以安全涂覆。一种替代方案是，可以所需要的涂层通过利用常规热涂覆过程，然后将其固化在合适的位置，来简单地涂覆到与LOE 20相邻的透明板120。显然，这种替代方法仅当透明板120不太薄因而可能在涂覆过程期间变形时才可以使用。
在设计如上所述的光束分离机构时，应该考虑到一些问题：
a.由于被捕获在LOE内的光线不仅从主表面26和27全反射，而且从内部部分反射界面平面167全反射，所以这些表面中的所有三个表面将彼此平行以确保耦合光线将在LOE内部保持它们原始的耦合进入方向。
b.如图13A和13B中所示，透明板120比原始LOE 20更薄。然而，不同于关于图7-10中的未涂覆板引起的考虑(其中板120的厚度对于均匀性优化很重要)，这里可以根据其它考虑来选择涂覆板的厚度。一方面，更容易制造、涂覆和胶合更厚的板。另一方面，利用薄板，实际上将光波从基板耦合出来的LOE 20的有效体积对于给定的基板厚度来说更大。此外，板120和LOE 20的厚度之间的精确比例可能影响基板内的能量交换过程。
c.通常，对于为全色图像指定的光束分离器，反射曲线对于整个明视区域应该尽可能均匀，以便中止色彩效应。然而，由于在本发明所示的配置中，各种光线在从LOE 20耦合出来之前彼此相交许多次，所以这一要求已不再重要了。当然，光束分离涂层应该考虑耦合图像的整个波长光谱，但是可以根据系统的各种参数来容忍部分反射曲线的色彩平坦度。
d.光束分离涂层的反射-透射比率不一定是50％-50％。可以利用其他比例来实现在较暗和较亮光线之间的所需能量交换。此外，如图15中所示，可以使用更简单的光束分离涂层，其中反射率从入射角度为40°时的35％逐渐增加到入射角度为65°时的60％。
e.添加到LOE中的光束分离表面的数量不限于一个。如图16中所示，另一个透明板208可以胶合到LOE的上表面，其中将类似的光束分离涂层涂覆到介于LOE 20和上板208之间的界面平面210上，以形成具有两个光束分离表面的光学装置。这里，该两束不均匀光线212和214随着与点216和217处的其它光线的相交而在经涂覆界面平面210上的点215处彼此相交。除此而外，这是在下光束分离界面平面167上的交点。结果，预期反射光线218和220的均匀性将比图13A和13B的实施例的均匀性更好。当然，具有两个光束分离界面平面的LOE的制造方法比仅具有单个平面的LOE的制造方法更困难。因此，应该仅对不均匀性问题很严重的系统进行考虑。如前所述，重要的是所有四个反射表面和平面26、27、167和210应该彼此平行。
f.透明板120不应该由与LOE 20相同的光学材料制成。此外，LOE可以由硅酸盐基材料制成，而为了安全起见，透明层可以由聚合物基材料制成。当然，应该注意确保外表面的光学质量并且避免透明板的变形。
g.到目前为止，都假定透明板是空白的。然而，如图17中所示，可以在板120内部制造部分反射表面222a和222b，以便增加LOE的可用体积。这些表面应该严格平行于现有表面22a和22b并且以完全相同的方位定向。
上述实施例的所有各种参数(诸如板120的厚度和光学材料、光束分离涂层的确切性质、光束分离表面的数量和部分反射表面在LOE中的位置)可以具有许多不同的可能值。这些因素的精确值根据光学系统的各种参数以及光学质量和制造成本的具体要求来确定。
到目前为止，都假设光波通过部分反射表面从基板耦合出来，该部分反射表面相对于主表面以倾斜角度定向，并且通常涂覆有电介质涂层。然而，如图18A中所示，存在这样的系统，其中光波分别利用衍射元件230和232耦合进入基板并且从基板耦合出来。上述讨论的相同均匀问题也应该与此配置相关。如图所示，来自显示源中的相同点的两束光线234和236被耦合进入基板238中，该基板238彼此远离地定位在耦合进入元件230的两个边缘处。这些光线被彼此相邻定位的耦合输出元件232耦合出来。因此，将容易在耦合输出图像中看到这些光线之间的任何不相似之处。此外，为了验证经均匀耦合输出图像，耦合输出元件232的衍射效应被逐渐增加。结果，来自同一点源的不同光线可能在从该元件232耦合出来之前穿过元件232中的不同位置，因此在图像中将具有不同的亮度。不均匀的另一个来源可能是由于光线234在光栅232的右边缘240处被部分衍射出基板，而光线236入射在光栅正左侧的下表面上，因此不在那里衍射。结果，对于两束相邻光线234和236在光栅232中的所有耦合输出位置，光线236将具有更高的亮度，并且这个差异将容易看出。
图18B图示了解决这些问题的类似方法。如图所示，透明板242被胶合到基板238的上表面244，其中界面表面246涂覆有类似于上述涂层的光束分离涂层。
发明构思
本发明提供了以下发明构思：
1.一种光学装置，包括：
透光基板，其具有输入孔、输出孔、至少两个主表面和边缘；
光学元件，其用于通过全内反射将光波耦合进入基板中；
至少一个部分反射表面，其位于所述透光基板的两个主表面之间，用于将光波部分地反射出基板；
第一透明板，其具有至少两个主表面，该透明板的一个主表面光学地附着到限定界面平面的透光基板的主表面；以及
光束分离涂层，其涂覆在所述基板和所述透明板之间的界面平面上，
其中耦合在所述透光基板内部的光波部分地从所述界面平面反射并且部分地穿过所述界面平面。
2.根据发明构思1所述的光学装置，其中通过所述部分反射表面从所述基板耦合出来的光波基本上穿过所述界面平面，而没有任何显著的反射率。
3.根据发明构思1所述的光学装置，其中所述透光基板的主表面平行于所述第一透明板的主表面。
4.根据发明构思1所述的光学装置，其中所述光束分离涂层在大入射角度下具有高反射率，而在小入射角度下具有低反射率。
5.根据发明构思4所述的光学装置，其中所述光束分离涂层在介于0°和15°之间的入射角度下具有低反射率，而在大于40°的入射角度下具有高反射率。
6.根据发明构思4所述的光学装置，其中所述光束分离涂层在高于40°的入射角度下具有高于35％的反射率，而在低于15°的入射角度下具有低于10％的反射率。
7.根据发明构思1所述的光学装置，其中所述光束分离涂层被涂覆到所述透光基板的主表面。
8.根据发明构思7所述的光学装置，其中所述光束分离涂层采用冷涂覆工艺涂覆。
9.根据发明构思1所述的光学装置，其中所述光束分离涂层涂覆到所述第一透明板的一个表面上。
10.根据发明构思4所述的光学装置，其中所述光束分离涂层的反射率在高于40°和低于60°的入射角度下基本上恒定。
11.根据发明构思4所述的光学装置，其中所述光束分离涂层的反射率在高于40°的入射角度下不恒定。
12.根据发明构思11所述的光学装置，其中所述光束分离涂层的反射率在高于40°的入射角度下作为入射角度的函数而增加。
13.根据发明构思4所述的光学装置，其中对于整个明视区域，大入射角度下的光束分离涂层的反射率基本上是均匀的。
14.根据发明构思1所述的光学装置，其中所述透明板比所述透光基板薄。
15.根据发明构思1所述的光学装置，还包括第二透明板，其光学地附着到所述透光基板的、限定第二界面平面的另一主表面。
16.根据发明构思15所述的光学装置，其中在所述第二界面平面上涂覆光束分离涂层。
17.根据发明构思16所述的光学装置，其中所述光束分离涂层在大入射角度下具有高反射率，而在小入射角度下具有低反射率。
18.根据发明构思1所述的光学装置，其中所述透光基板和所述透明板由相同的光学材料制成。
19.根据发明构思1所述的光学装置，其中所述透光基板和所述透明板由两种不同的光学材料制成。
20.根据发明构思1所述的光学装置，其中所述透明板由聚合物基材料制成。
21.根据发明构思1所述的光学装置，其中用于将光波耦合进入所述基板中的光学元件是衍射元件。
22.根据发明构思1所述的光学装置，其中位于所述透光基板的两个主表面之间的所述至少一个部分反射表面是衍射元件。
23.根据发明构思1所述的光学装置，其中位于所述透光基板的两个主表面之间的所述至少一个部分反射表面相对于所述基板的主表面以倾斜角度定向。
24.根据发明构思23所述的光学装置，其中所述至少一个部分反射表面被涂覆有电介质涂层。
25.根据发明构思1所述的光学装置，包括多个部分反射表面，其位于所述透光基板的两个主表面之间，其中所述部分反射表面彼此平行。
26.根据发明构思1所述的光学装置，其中耦合在所述基板内部的光波的亮度分布在所述基板的输出孔上比在所述输入孔上基本上更均匀。

Claims (12)

1.一种光学装置，包括：
光导光学元件，其具有彼此平行的两个主表面和边缘、输入孔和输出孔，光波穿过所述输入孔进入所述光导光学元件，光波穿过所述输出孔离开所述光导光学元件；
至少一个部分反射表面，其用于将光波从所述光导光学元件的主表面中的在所述输出孔处的主表面耦合出来，所述至少一个部分反射表面位于所述光导光学元件的两个主表面之间并且相对于所述光导光学元件的两个主表面以倾斜角度定向；以及
至少一个光束分离表面，其嵌入在所述光导光学元件内部，位于所述光导光学元件的两个主表面之间，与所述光导光学元件的两个主表面分开，并且与所述光导光学元件的两个主表面平行，所述至少一个光束分离表面被实现为电介质薄膜涂层，所述电介质薄膜涂层被配置成部分反射和部分透射，其中对于跨越至少20°的范围内的所有入射角的至少三个可见光波长中的每一个的s偏振光的反射率在35％至60％之间，所述范围是与所述光束分离表面的法线成40°以上的角度，并且对于以与所述光束分离表面的法线成小于15°的角度入射的所述至少三个可见光波长的光的反射率小于10％，所述至少三个可见光波长包括470nm、550nm和630nm的波长，
其中，通过在所述两个主表面的全内反射传播的光波在所述两个主表面经历多次全内反射并且多次撞击在所述输入孔与所述输出孔之间的所述至少一个光束分离表面上。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，对于跨越入射角的所述范围的入射角下的所述至少三个可见光波长中的每一个，所述电介质薄膜涂层的反射率变化不超过其值的10％。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述电介质薄膜涂层的反射率在跨越入射角的所述范围的入射角下作为入射角度的函数而增加。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，对于入射角的所述范围内的每个入射角，所述光束分离涂层的反射百分比在所述至少三个可见光波长之间相差不超过10。
5.根据权利要求1所述的光学装置，还包括用于将光波耦合进入所述光导光学元件中的光学元件。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述至少一个部分反射表面涂覆有电介质涂层。
7.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光导光学元件由两种不同的光学材料制成。
8.根据权利要求7所述的光学装置，其中，所述两种不同的光学材料包括硅酸盐基材料和聚合物基材料。
9.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述至少一个光束分离表面被实现为至少两个光束分离表面，每个光束分离表面嵌入在所述光导光学元件内部，位于所述光导光学元件的两个主表面之间，并且与所述光导光学元件的两个主表面平行。
10.根据权利要求9所述的光学装置，其中，用于将光波耦合出来的所述至少一个部分反射表面插入在所述光束分离表面中的两个光束分离表面之间。
11.根据权利要求1所述的光学装置，其中，用于将光波耦合出来的所述至少一个部分反射表面包括在所述光束分离表面的一侧的第一部分反射表面和在所述光束分离表面的第二侧的第二部分反射表面。
12.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述至少一个光束分离表面与所述输出孔至少部分重叠。
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