CN112601993A - 近眼显示器中的反射抑制 - Google Patents

Abstract

近眼显示器包括光导光学元件LOE(10)，LOE具有平面的且相互平行的第一主外表面(11A)和第二主外表面(11B)。图像投影仪(2)将对应于图像的照明引入LOE中，使得照明通过主外表面处的内反射在所述LOE内传播。耦出装置将照明朝向观察者的眼睛从LOE耦出。耦出装置可以是成斜角地被部署在LOE内的相互平行的部分反射表面(12A)集。用于抑制环境光源的反射的各种装置包括被定向成避免周边视场减小的遮挡挡板、各种非反射涂层以及偏振滤波器的各种部署。

Description

近眼显示器中的反射抑制

技术领域

本发明涉及近眼显示器，并且特别地涉及具有用于抑制明亮对象的重影图像的各种特征的近眼显示器。

背景技术

许多近眼显示系统包括在用户眼睛前放置的透明光导光学元件(LOE)或“波导”，其通过内反射在LOE内传送图像，并且然后通过合适的输出耦合机制朝向用户眼睛耦出图像。输出耦合机制可以基于嵌入的部分反射器或“小平面”，或者可以采用衍射模式。下面的描述将主要涉及基于小平面的耦出装置，但是应当理解，本发明的各种特征也能够适用于衍射装置。在应用于衍射元件的情况下，本文中所称的小平面的延伸方向可以被认为是指衍射光栅的元件的方向。

波导和小平面至少部分透明，使得来自周围(场景)的光可以穿过波导和小平面，允许用户直接观看现实世界。场景光线中的一些被小平面反射并且以各种角度到达眼睛，从而生成现实世界的不想要的“重影”图像(反射)。

发明内容

本发明是近眼显示器。

根据本发明的实施方式的教导，提供了一种用于将图像投射到观察者的眼睛的近眼显示器，近眼显示器包括：(a)光导光学元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面以及边缘；(b)支承装置，其被配置用于在第二主外表面与观察者的眼睛呈面向关系的情况下相对于观察者的头部支承LOE；(c)图像投影仪，其用于投射对应于图像的照明，图像投影仪光学地耦合至LOE以将照明引入LOE中，以便通过在第一主外表面和第二主外表面处的内反射在LOE内传播；(d)耦出装置，其被部署用于将照明朝向观察者的眼睛从LOE耦出；以及(e)阻光挡板，其沿LOE的边缘之一的大部分延伸并且从第二主外表面的平面突出，以便阻挡来自一定范围掠射角的入射辐射到达第二主外表面的至少一部分，挡板在朝向观察者的眼睛的方向上突出，从而与第二主外表面形成锐角。

根据本发明的实施方式的另一特征，阻光挡板在朝向观察者的眼球中心的方向上突出。

根据本发明的实施方式的另一特征，耦出装置包括多个相互平行的部分反射表面，部分反射表面与第一主外表面成斜角地被部署在LOE内。

根据本发明的实施方式的另一特征，挡板和部分反射表面的部署阻止光线路径在进入第一主外表面和第二主外表面之一并且经历来自部分反射表面之一的单次反射之后到达观察者的眼睛。

根据本发明的实施方式的另一特征，部分反射表面具有平行于第二主外表面的延伸方向，并且其中，挡板与部分反射表面的延伸方向基本上平行地沿边缘之一的大部分延伸。

根据本发明的实施方式的另一特征，阻光挡板通过附接至LOE而被机械地支承。

根据本发明的实施方式的另一特征，阻光挡板通过附接至支承装置而被机械地支承。

根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种用于将图像投射到观察者的眼睛的近眼显示器，近眼显示器包括：(a)光导光学元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(b)支承装置，其被配置用于在第二主外表面与观察者的眼睛呈面向关系的情况下相对于观察者的头部支承LOE；(c)图像投影仪，其用于投射对应于图像的照明，图像投影仪光学地耦合至LOE以将照明引入LOE中，以便通过在第一主外表面和第二主外表面处的内反射在LOE内传播；以及(d)耦出装置，其被部署用于将照明朝向观察者的眼睛从LOE耦出，其中，第一主外表面涂覆有多层涂层，多层涂层被配置成为以小于40度的入射角入射的可见光提供抗反射特性，并且为以大于70度的入射角入射的可见光的至少第一偏振提供高反射率。

根据本发明的实施方式的另一特征，第二主外表面涂覆有多层涂层，多层涂层被配置成为以小于40度的入射角入射的可见光提供抗反射特性，并且为与以70度与85度之间的入射角入射的第一偏振垂直的、可见光的第二偏振提供低反射率。

根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种用于将图像投射到观察者的眼睛的近眼显示器，近眼显示器包括：(a)光导光学元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(b)支承装置，其被配置用于在第二主外表面与观察者的眼睛呈面向关系的情况下相对于观察者的头部支承LOE；(c)图像投影仪，其用于投射对应于图像的照明，图像投影仪光学地耦合至LOE以将照明引入LOE中，以便通过在第一主外表面和第二主外表面处的内反射在LOE内传播；(d)耦出装置，其被部署用于将照明朝向观察者的眼睛从LOE耦出；以及(e)微细百叶窗层，其与LOE的第一主外表面相关联，微细百叶窗层阻挡从至少一个方向以大于70度的入射角入射的光进入LOE。

根据本发明的实施方式的另一特征，微细百叶窗层包括具有延伸方向的一维微细百叶窗阵列，并且其中，在延伸方向基本上水平的情况下部署微细百叶窗层。

根据本发明的实施方式的另一特征，微细百叶窗层包括具有基本上垂直的延伸方向的两个微细百叶窗阵列。

根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种用于将图像投射到观察者的眼睛的近眼显示器，近眼显示器包括：(a)光导光学元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(b)支承装置，其被配置用于在第二主外表面与观察者的眼睛呈面向关系的情况下相对于观察者的头部支承LOE；(c)图像投影仪，其用于投射对应于图像的照明，图像投影仪光学地耦合至LOE以将照明引入LOE中，以便通过在第一主外表面和第二主外表面处的内反射在LOE内传播；(d)耦出装置，其被部署用于将照明朝向观察者的眼睛从LOE耦出，LOE和耦出装置限定以大于60度的入射角入射在第一主外表面和第二主外表面之一上并且朝向观察者的眼睛离开LOE的至少一个高入射角偏振相关光学路径，偏振相关光学路径具有有利偏振取向；以及(e)偏振滤波器，其被部署用于防止沿偏振相关光学路径前进的具有有利偏振取向的外部光到达观察者的眼睛。

根据本发明的实施方式的另一特征，偏振滤波器被部署成对进入第一主外表面的光进行滤波。

根据本发明的实施方式的另一特征，偏振滤波器被部署成对朝向观察者的眼睛离开第二主外表面的光进行滤波。

根据本发明的实施方式的另一特征，朝向观察者的眼睛从LOE出来的照明基本上被使用图像偏振进行偏振，并且其中，偏振滤波器被部署成阻挡具有垂直于图像偏振的偏振的光。

根据本发明的实施方式的另一特征，还提供了第二偏振滤波器，第二偏振滤波器被部署成对进入第一主外表面的光进行滤波，偏振滤波器与第二偏振滤波器被对准以透射相同的偏振。

根据本发明的实施方式的另一特征，还提供了横向偏振遮光元件，横向偏振遮光元件用于对沿观察者的眼睛与LOE之间的路径来自至少一个方向的光进行滤波，其中，横向偏振遮光元件的偏振轴处于相对于偏振滤波器的偏振轴交叉的角度。

根据本发明的实施方式的另一特征，还提供了横向偏振遮光元件，横向偏振遮光元件用于对沿观察者的眼睛与LOE之间的路径来自至少一个方向的光进行滤波。

根据本发明的实施方式的另一特征，耦出装置包括多个相互平行的部分反射表面，部分反射表面与第一主外表面成斜角地被部署在LOE内。

附图说明

本文中仅以示例方式参照附图描述了本发明，在附图中：

图1A和图1B是使用根据本发明的教导构造和操作的近眼显示器的观察者的示意性侧视图和俯视图，示出了可能引起要抑制的反射的各种环境光源；

图2A是图1A的近眼显示器的放大示意性侧视图，示出了图像照明的光线路径以及来自环境光源的示例性“重影”光路的光线路径；

图2B和图2C是示出图2A的图像光线路径和重影光线路径的光线路径的各个部分之间的角度关系的角度图；

图3A是根据图1A的近眼显示器的光导光学元件的放大示意性侧视图，示出了来自光导光学元件后侧的环境光源的替选示例性“重影”光路集；

图3B是示出图3A的重影光线路径的光线路径的各个部分之间的角度关系的角度图；

图3C是根据图1A的近眼显示器的光导光学元件的变型实现方式的放大示意性侧视图；

图4和图5是示出通过图1A的近眼显示器的观察者的能视域范围的示意性俯视图；

图6是类似于图4的视图，示出了来自光导光学元件后部的入射环境光线在光导光学元件的内部小平面处单次反射之后可以到达观察者的眼睛的角度范围；

图7是类似于图6的视图，示出了对包含内部小平面的区域进行限制以抑制某些重影光路到达观察者的眼睛的变型实现方式；

图8A和图8B是类似于图7的视图，示出了根据本发明的实施方式的另一方面使用遮挡挡板以阻挡某些重影光路到达观察者的眼睛，分别在有和没有示例性光线路径的情况下示出；

图8C是类似于图8A的视图，示出了根据本发明的方面的双目近眼显示器的变型，该变型采用其之间以10度至30度之间的角度部署以更好地符合面部曲率的两个非共面的光导光学元件，示出了该倾斜对挡板几何结构的影响；

图9A是示出根据本发明的实现方式的反射率根据示例性部分反射表面(小平面)的涂层的入射角而变化的图表；

图9B是对于未经修改的菲涅耳反射的反射率根据入射角而变化的对应图表；

图10A是类似于图1A的示意性侧视图，示出了采用外部偏振滤波器的变型实现方式；

图10B是类似于图10A的视图，示出了采用内部偏振滤波器的变型实现方式；

图10C和图10D分别是不使用和使用横向偏振滤波器情况下的图10B的实现方式的俯视图；

图10E是类似于图10A的视图，示出了采用内部偏振滤波器和外部偏振滤波器两者的变型实现方式；

图11是本发明的实现方式的示意性俯视图，示出了与观察者直接观看到的场景的能视域相比的来自环境光源的光线的典型入射角；

图12是示出根据本发明的实施方式的方面的、优选抗反射涂层的反射率特性根据光导光学元件的表面的入射角而变化的图表。

图13是在根据本发明的实施方式的另一方面的近眼显示器的实现方式中使用的微细百叶窗膜的示意图；

图14A至图14C是在使用光导光学元件的近眼显示器的各种实现方式中相对于小平面位置的眼睛位置的示意图，该光导光学元件包括以不同取向的两个不同的部分反射表面集；

图15A是使用光导光学元件的近眼显示器的另一示例的示意图，该光导光学元件包括以不同取向的两个不同的部分反射表面集，其中，两个小平面集的主反射偏振矢量类似地对准；

图15B是适于与图15A的光导光学元件一起使用的偏振滤波器的取向的示意图；

图16A是基于图14A的光导光学元件的近眼显示器的部分示意图；

图16B是被实现为具有非均匀偏振滤波器的双目显示器的、图16A的近眼显示器的示意性俯视图；以及

图16C是示出图16A和图16B的实现方式中反射率根据光导光学元件的部分反射表面的入射角而变化的图表。

具体实施方式

本发明是近眼显示器。

参照附图和所附描述可以更好地理解根据本发明的近眼显示器的原理和操作。

“重影图像”的介绍和分类

为了充分理解本发明的各个方面，重要的是识别到达光导光学元件(LOE)的入射光可能生成潜在地困扰观察者的眼睛的“重影”的各种不同方向。

作为介绍，图1A示意性地示出了通过近眼显示器进行观看的观察者。一般而言，近眼显示器包括光导光学元件(LOE)或“波导”10，LOE或“波导”10具有平面的且相互平行的第一主外表面11A和第二主外表面11B，并且具有通常没有光学活性的边缘。图像投影仪2光学地耦合至LOE10，以在LOE中引入对应于图像的照明，使得照明通过在主外表面11A和11B处内反射在所述LOE内传播。图像投影仪2至LOE 10的光学地耦合可以经由具有斜角度输入表面的耦合棱镜或者经由反射耦合装置、经由LOE的侧边缘和/或LOE的主外表面之一来实现。

合适的图像投影仪(或“POD”)的示例——例如，采用通常全部被设置在一个或更多个PBS立方体或其他棱镜装置的表面上的照明源、诸如LCOS片的空间光调制器以及准直光学器件——是本领域公知的。类似地，用于将图像耦合至LOE中的合适的耦入配置——例如，通过使用耦入反射器或通过呈适当角度的耦合棱镜——是本领域公知的。图像投影仪与LOE之间的耦合可以是直接的，或者可以是经由用于扩展跨其在LOE的平面中注入图像的孔径尺寸的附加的孔径扩展装置。为了表示的简洁性，本文中将不再进一步讨论投影仪和耦入配置，并且这里仅示意性地表示其组合。

近眼显示器还包括耦出装置，耦出装置被部署用于将照明朝向观察者的眼睛从LOE耦出以供观察者观看。耦出装置在本文中被示为多个相互平行的部分反射表面(或“小平面”)12A，部分反射表面12A与主外表面11A和11B成斜角地被部署在LOE 10内。小平面通常具有角度相关涂层，以如下面进一步讨论的那样在某些角度提供高透射并且在其他角度提供部分反射。包括这样的小平面的LOE的各种实现方式可以从LUMUS公司(以色列)商购获得。尽管本文中的描述主要涉及基于小平面的耦出装置，但是本领域普通技术人员将理解，本发明的各个方面也适用于替选耦出装置，例如基于衍射光学元件的耦出装置。

本发明的近眼显示器通常是头戴式显示器，并且因此优选地包括被配置用于在第二主外表面11B与观察者的眼睛呈面向关系的情况下相对于观察者的头部支承LOE 10的支承装置。支承装置在图1B中被示意性地示为包括用于相对于观察者耳朵支承显示器的侧15的眼镜框架结构。这仅是还包括头带安装结构以及与头盔相关联的显示器的许多选项中的一个选项。支承装置本身的细节对于本发明并不是关键的，并且在本文中不再详细描述。

如图1A示意性所示，投影仪2将对应于所需图像的光(实线箭头)注入波导中，并且该光朝向观察者的眼睛从波导耦出。来自场景中的对象4的光(双点划线)在有一些强度降低的情况下穿过波导到达观察者。外来外部光的各种可能的入射方向用附图标记6加上指示方向的两个字母代码进行标记：上、下或侧(分别为U、D或S)以及前或后(分别为F或B)。在图1B的俯视图中更清楚地示出侧方向。

图2A是示出投影仪2、波导10和所选内部小平面12A的放大示意图，内部小平面12A具有相对于形成波导的前部和后部的平行主外表面的角度13。在这里示出的示例性配置中，投影仪位于顶部(如图1A中)。在该情况下，小平面通常是将光从波导并且朝向观察者的眼睛耦出的水平延伸的部分反射器，尽管部分反射器不一定是精确地水平的。在该示例中，为了清楚呈现，仅示出了图像的一个光束，但实际上，图像的角度扩展(通常准直到无穷远)沿波导投射并且朝向眼睛耦出。小平面的间距呈现为非均匀以有助于示出反射路径，但小平面的间距通常是均匀的。

这里，图像的引导光用从波导的外部面反射的光线14A和16A表示。当光线16A入射在小平面之一上时，光线16A中的一部分朝向观察者反射为光线18A。图2B示出了角空间中的相应光线方向，其中12B对应于小平面12A的平面角度，并且双箭头表示该平面的矢量(垂直于当衍射元件执行耦出时可适用的平面)。矢量14B、16B和18B分别表示光线14A、16A和18A的方向。图2B和图2C中的虚线角表示波导10的外部面的TIR角，即，落在示出的角度范围内的诸如18B的光线将从波导逸出，而在该范围之外的光线方向将被内部地反射。

波导和输出耦合机制的任何架构通常固有来自场景的各种不期望的反射机制。光线20源自光源6UF(在用户前方并且在经由波导观看到的现实世界的正常视场上方的光源，这是典型的阳光或顶部照明的场景)并且作为光线22A折射到波导中。该光线在图2C的角空间中被示为矢量22B。该光线的大多数将穿过波导并且作为光线20A折射出波导，光线20A处于正常视场之外并且不会干扰观察者。然而，光线22A的一部分可以从小平面12A(平面12B)之一反射为光线24A(矢量24B)。该光线将被LOE的外部面反射为光线26A(矢量26B)并且再次被小平面12A之一反射为光线28A(矢量28B)。矢量28B与矢量14B大致相同，因此光线将继续以与14A(14B)相同的方式朝向观察者的眼睛传播。这被呈现为光线30A(相当于16A)和32A(相当于18A)。

生成干扰重影照明的另一可能的机制是从LOE的后表面11B部分反射光线22A，然后从小平面12A部分反射该光线，从而生成输出光线23A。

图3A描述了现实空间中在将图像侧向注入光导的情况下来自源102的“单次反射”的光学路径，其中，小平面的延伸方向大致是竖直的。该源类似于图1B中的源6SB。图3B描述了角空间中的相同过程。来自源的光折射进波导作为光线106A(矢量106B)，被小平面104A(平面104B)反射为光线112A(矢量112B)并且折射出波导。与涉及多个小平面反射的其他类型的反射路径相比，该过程涉及由小平面进行的仅一次反射。因此，在一些情况下，该单次相同侧反射可能是特别明亮的反射。当场景源以远离掠入射的角度照明时，反射角变大，如通过将光线110A和112A与光线106A和108A进行比较所示。

波导的几何结构及其相对于眼睛的位置确定了将到达眼睛的反射的角度分布。图4和图5示出了观察者的头部的俯视图。波导和用户眼睛的相对定位由诸如眼镜框架支承结构或一些其他头戴式支承结构的支承结构确定，为了简化呈现在这里省去了支承结构。在该示例中，如根据实线箭头和小平面角度明显的那样，波导10配置有从侧面引入的照明的图像。该示例中的小平面指的是“竖直小平面”。

瞳可以在一定范围的位置和取向内移动，但是如图4和图5所示来自中心场的中心光线在所有观察方向上朝向中央凹穿过眼球101的中心。观察者关注的角度场被描述为角度100。等效角度竖直地存在。为了清楚，在说明书中不包括用于扩大角度100的其他考虑，例如IPD或眼动范围(eye-box)容差。

后侧重影的几何阻挡

根据图8A至图8C示出的本发明的实施方式的第一方面，近眼显示器设置有阻光挡板(130L，130R)，阻光挡板(130L，130R)沿LOE的边缘之一的大部分延伸并且从第二主外表面的平面突出以阻挡来自一定范围掠射角的入射辐射到达第二主外表面的至少一部分，挡板在朝向观察者的眼睛的方向上突出，从而与第二主外表面形成锐角，并且最优选地在朝向观察者的眼球中心的方向上突出。这确保挡板对观察者的周边视场的影响最小，使观察者留下不受限制的视场的印象。

挡板优选地沿LOE的边缘延伸，该边缘与平行于主表面的部分反射表面的延伸方向基本上平行。根据几何定义，平行于主表面的小平面的延伸方向可以被限定为部分反射表面之一位于其中的平面与第一主外表面的平面之间的相交线。本文中所使用的“基本上平行”优选地是指彼此平行或彼此在约20度内的方向。

根据第一选择，阻光挡板130L、130R通过附接至LOE 10而被机械地支承。替选地，阻光挡板通过附接至支承装置(未在这些附图中示出)而被机械地支承。

用于实现挡板的优选几何结构考虑如下。如上所述，图3A至图3C呈现了已经经历根据光导(3A，3B)的后侧上的照明的入射角而变化的单次反射或来自前侧3C的单次反射的光线的角度依赖性。图6以部署在观察者的头部上的近眼显示器的俯视图示出了该角度依赖性的含义。波导10将场景光线120、光线122、掠射光线124从波导上的点121R、点123R、点125R朝向观察者的眼球101的中心反射。

根据本发明的方面的某些实施方式，最后的小平面(即，离图像投影仪最远的小平面)位于由来自场景(124R或124L)的掠入射光线造成的临界角光线的反射不再能够到达眼睛中心101的位置，如图7中的125所示。右眼(或左眼)的波导中的小平面终止于光线124R(124L)反射到眼睛中心101上的点。根据图6，明显的是，任何其他光线均不能反射到101上，因为那里不存在反射光的小平面。

虽然在一些场景下，以上方法可以有效地避免来自后侧环境照明的单反射明亮重影，但对于一些应用，对“最后的小平面”的位置的几何限制可能无法提供足够的角度视场。根据本发明的另一方面，使用图6中示出的几何关系并且在识别所需的角度视场的程度(例如，如图6所示延伸到位置123R)之后，可以识别以下有限的角度范围(例如，从光线124到光线122的角度)，该有限的角度范围需要被遮挡以避免来自需要输出小平面的区域的单次反射重影到达观察者的中心视觉。

根据这些原理实现的阻光挡板130L、130R通常相对小，从光学装置的周边大体上向后延伸，其中，与完全侧挡装置相比，对观察者的周边视觉的遮挡大大减小。在某些特别优选的实现方式中，挡板被实现为从光学装置的周边大体上朝向眼睛延伸，在一些情况下挡板与投影仪的一些特征和/或框架侧对准，以对观察者的周边视觉几乎不具有遮挡影响。

在图8A中，示出了这样的遮挡挡板的示例。挡板130R和130L在这里被示为位于波导边缘并且朝向101定向的平面，如点划线所示。对于预定义的虚拟FOV，具有小平面的波导10的长度被限定为123R(123L)。如图8B所示，限定后反射的光学路径并且设置挡板130R(130L)长度，以阻挡由最后的小平面反射的光线的该光学路径。如图8C所示，倾斜波导也可以使用该散射阻挡。除了在美学上符合使用者的“面部曲线”之外，这样的倾斜波导还通过针对给定长度的挡板跨波导的后表面投射更长的“阴影”来进一步放宽对挡板尺寸的要求。

因此，最优选地，挡板130L、130R和部分反射表面的部署防止光线路径在进入第一主外表面和第二主外表面之一并且经历从部分反射表面之一的单次反射之后到达观察者的眼睛。

排除高入射角光线

单独或与本文中描述的其他方面结合均有用的本发明的实施方式的另一方面涉及用于管理以高入射角接近LOE 10的第一(外)主外表面11A的入射光线的方法。

再次参照图2A，注意到，现实世界光源的有问题的反射中的许多反射开始于诸如这里示意性地示出为光线20的高角度入射光线。如果这样的光线可以被排除而完全不进入LOE，则这将清楚地避免生成朝向观察者的眼睛的引起麻烦的反射的入射辐射。

因此，波导10的外部小平面的适当涂层可以使场景反射减弱，如图11和12所示。角度100表示观察者通过波导10看周围环境的角度场。

在图12中示出具有抗反射涂层的波导的第一(外)表面的角反射率的优选实现方式。角度范围166表示角度100。在该范围中，波导的透射率应当是最大的。来自范围100之外的场景的光线源自前方168或后方120(受小平面反射、小平面或观察者面部遮挡的限制)。这些光线的角度范围被示为图10B中的170。根据本发明的一个方面，波导上的抗反射涂层被修改为在170处具有高反射率并且在166处具有高透射率。(高角度处的高反射率是被设计用于垂直光入射的AR涂层的共同特性。)这大大减少了进入波导10的前向和后向场景照明以高角度进入并且通过内部小平面反射到眼睛上。

因此，根据本发明的实施方式的该方面的一个实现方式，第一(外)主外表面11A涂覆有多层涂层，该多层涂层被配置成为以小于40度的入射角入射的可见光提供抗反射特性，并且为以大于70度的入射角入射的可见光的至少第一偏振提供高反射率。根据对观察者通过LOE直接观看的能视域的特定要求以及有问题的环境照明可能入射的可能方向，可以优选地为多至50度的角度提供抗反射特性和/或为超过大约60度的角度提供高反射率，但是这些限制越接近，涂层需求变得要求越高，以致实现它们可能变得不现实或不合理地复杂。在本上下文中，“抗反射特性”优选地是指小于5％并且最优选地小于3％的反射率。在该上下文中的“高反射率”是指超过70％并且优选地超过80％、更优选地至少90％、并且在一些特别优选的情况下至少95％的反射率。

当考虑外部照明可能入射的角度范围时，可能难以实现对于整个FOV以及整个可见光谱的高入射角(小掠射角)的所期望的排除。因此，在本发明的特别优选的实现方式中，该反射率增强仅针对高角度入射照明的S偏振进行优化。如下所述，提供了替选解决方案，用于降低来自外部光源的P偏振照明的重影的可见性。

具体地，参照图2A的折射光线22A，根据以上方法，由于外表面的涂层，在光导的前主表面处折射并且透射穿过光导的前主表面的来自入射光线20的残余光可能基本上是p偏振的。重影反射光线路径中的一些涉及随后在基板的第二(后)主外表面11B处反射光线22A，以生成重影光线23A。然而，由于在离开主表面法线的界面处的折射，透射穿过后主表面11B的该光的任何部分将在与进入LOE的前主表面的环境光20的传播方向基本上平行的急剧向下路径20A上继续，并且将不会干扰近眼显示器的佩戴者的眼睛。因此提出在LOE的后表面涂覆抗反射涂层，以增加高入射角光线的透射。在所有角度实现P偏振的有效抗反射涂层更可行。因此，本发明的该第二方面对第一方面补充如下：具有S偏振的入射外部重影照明中的大部分可以通过前表面11A处的外部反射而被排除，而P偏振重影照明中的大部分可以在后表面11B处透射。其结果是：与现有的LOE相比，遵循图2中示出的路径的整体重影照明大大减小。

因此，根据本发明的该方面，第二主外表面11B有利地涂覆有多层涂层，该多层涂层被配置成为以小于40度的入射角入射的可见光提供抗反射特性并且为与以70度与至少约85度(优选地接近90度)之间的入射角入射的第一偏振垂直的、可见光的第二偏振提供低反射率。

再次参照图2，关于可以生成重影32A的替选光线路径，可以通过残余环境光形成重影，该残余环境光穿透到LOE中并且然后在相对受限的角度范围内从光导的部分反射小平面反射(例如，从光线22A到光线24A或从光线26A到光线28A)，该角度范围通常不同于显示信号传播的角度范围(和偏振取向)。因此，提出了修改部分反射表面涂层的设计，以在这些特定角度范围中的一个或两个内基本上减小反射率。具体地，抑制高角度光线的反射的小平面涂层将趋向于使进入被引导模式的光量(即，从光线22A到24A的反射)最小化，并且因此抑制重影32A的强度。

微细百叶窗膜变型

作为本发明的前一方面的替选的或另外的实现方式，可以使用百叶窗膜来实现对高角度入射光的排斥，该百叶窗膜被部署在LOE的外表面前方并且被配置成在期望的视场上提供来自外部场景的光的高透射的同时阻挡从高角度入射的光。微细百叶窗膜是已知的，并且通常用作用于将计算机显示器的可视性限制到期望的视角范围的“隐私膜”。这样的膜的示例可以从

公司在高级光控制膜(ALCF)的描述下商购获得。

在图13中示意性地示出这样的膜的结构，其中，膜的内层包含被支承在透明基板302中的不透明(或大大减弱)微细百叶窗300的阵列，基板302限定了入射光可以穿过膜的角度的几何限制。商业可获得的隐私膜通常包括一维微细百叶窗阵列，即，所有百叶窗以相同方向延伸。在该情况下，优选地相对于LOE部署膜，使得百叶窗水平延伸，从而阻挡来自上方的高角度外部光源。替选地，可以使用二维阵列微细百叶窗结构，其具有在两个垂直方向上延伸的微细百叶窗(通常在膜结构的两个单独的层中，一个叠加在另一个上)以提供对来自所有侧的高角度外部光源的排除。

为了避免影响LOE的光学特性以从主表面进行内反射，通常优选的是避免直接向LOE表面施加光控制膜。可选地，可以提供合适的结构以确保相邻于LOE保持气隙，并且在与LOE稍微间隔开的单独的光学元件(透镜等)上支承光控制膜。替选地，可以设置具有足够低的有效折射率以保持LOE的光学特性的缓冲或“隔离”层。用于这样的层的合适的材料的示例可以商购获得，并且包括气凝胶以及用于类似目的的各种其他材料。根据另一替选实现方式，可以设置通常使用多层电介质涂层来实现的角度选择性反射涂层，以在允许在小角度下的高透射的同时模拟在LOE内传播的图像的相关角度范围的TIR。该选择还允许微细百叶窗膜直接光学附接至LOE的涂覆表面而不损害LOE的光学特性。顺便指出，在本文中提及与LOE的一个或两个表面相关联的偏振滤波器的情况下，所有以上提及的用于在不影响其光学特性的情况下相对于LOE施加支承微细百叶窗膜的选择同样能够适用。

在特别优选的实现方式中，微细百叶窗层300与LOE 10的第一主外表面11A相关联，并且阻挡从至少一个方向以大于70度的入射角入射的光进入LOE。在使用具有一维微细百叶窗阵列的微细百叶窗层300的情况下，微细百叶窗层优选地在延伸方向基本上水平的情况下部署。替选地，可以使用具有两个具有基本上垂直的延伸方向的微细百叶窗阵列的微细百叶窗层。

偏振滤波

小平面上的涂层设计对反射滤波具有显著影响。图9A示出了在小平面12A和40A上使用的典型涂层的角度反射率。在大多数情况下，反射率如所示是偏振相关的(或“偏振敏感的”)，这也是基本菲涅耳反射特性(图9B)所固有的。

箭头150示出了对应于反射26A(B)至28A(B)的角度。对于该涂层并且在该入射角下，P偏振比S偏振更多地反射。箭头154示出了具有低反射率和无偏振选择性的角度反射22A(B)至24A(B)。在用于某些LOE的小平面的替选实现方式中，155和152表示具有明显的主S偏振的反射角度。根据本发明的实施方式的方面，如现在将描述的那样，可以使用对小平面斜角度和/或涂层轮廓的特定选择来利用偏振相关特性以抑制真实世界反射。

由于反射(例如6UF或6DF)可以被控制成具有预定义的主偏振(例如，通过如上所述的合适的抗反射涂层，或通过小平面本身的特性)，因此通过如图10A所示在波导前方使用偏振滤波器或“偏振器”160U来有利地实现重影反射减弱。可以使用任何合适类型的偏振器，最优选地为结构(或“笛卡尔”)偏振器，并且通常使用吸收型偏振器。该偏振器将使来自场景4的非偏振光减弱50％(在许多情况下，无论如何都可能需要或期望)，但会使偏振的上正面反射6UF或下正面反射6DF减弱更多。应当优选地相对于反射的小平面的取向(依赖于S或P阻挡为与小平面垂直或水平)来设置偏振器的取向。

在一些情况下，LOE和耦出装置限定以大于60度的入射角入射在第一主外表面和第二主外表面之一上并且朝向观察者的眼睛离开LOE的至少一个高入射角偏振相关光学路径，其中，偏振相关光学路径具有有利偏振取向。然后，有利地部署偏振滤波器以防止沿偏振相关光学路径前进的具有有利偏振取向的外部光到达观察者的眼睛。在图10A的上述示例中，偏振滤波器160U被外部地部署成对进入第一(外)主外表面11A的光进行滤波。

本发明的实施方式的一个实现方式是具有小平面涂层的波导，该小平面涂层被设计成生成具有与耦出的投影图像的偏振垂直的偏振的真实世界重影图像的反射。在该情况下，可以如图10B和图10C中的160I所示将偏振器放置在面向观察者的内侧，即，偏振滤波器被部署成对朝向观察者的眼睛离开第二主外表面的光进行滤波的位置。该配置可以阻挡还源自波导的背面(例如6SB)并且两次通过偏振器的反射投射到眼睛上，如图10C明显的那样。然而，仅在投影仪2投射的虚拟图像以该偏振器最小减弱或失真来照射眼睛的情况下，才应当使用该配置。换言之，其中朝向观察者的眼睛从LOE耦出的图像照明基本上被使用图像偏振进行偏振，并且偏振滤波器160I被部署成阻挡具有垂直于图像偏振的偏振的光。

在使用偏振器的每种情况下，将注意的是，偏振器的取向由小平面结构指定，偏振器的取向被定向以使得可能被小平面反射的真实世界重影照明的偏振被减弱，而不会显著地被小平面集中的至少一个根据重影光线路径以其特定入射角反射的偏振被允许通过。这导致在许多情况下与透射P偏振并且排斥来自水平表面的S偏振的正常偏振的太阳镜部署有角度偏移(例如，至少20度，或至少30度，并且在某些情况下，在60度与120度之间)的偏振器取向。

图10D示出了在系统侧上的侧偏振器160S的实现方式。以此方式，偏振器与偏振器160U的作用大致相同，用以阻挡从波导(6SB)侧反射的偏振。优选地，侧偏振器与前偏振器160U或160I一起实现，因此场景的强度可见性从前方或周边(侧)是相同的。

如果160I与160S结合使用(如图10D所示)，则160S的取向优选地垂直于160I(即，交叉偏振轴，例如一个竖直并且一个水平)，导致在保持周边可见性的情况下完全阻挡所有侧反射。

在一些波导和小平面架构中，虚拟注入图像在线性偏振的情况下照射在眼睛上。在这样的情况下，可以更接近眼睛使用偏振器(如图10B所示)，其效果是对重影反射中的一些进行滤波。然而，除此之外，场景反射中的一些也在波导中的偏振旋转之后在相同偏振处反射。由于该偏振旋转不会发生在直接场景光线4上，因此引入具有与230相同取向的第二偏振器232(图10E)将不会对直接光线4产生任何附加的影响，但是会引入对反射6UF和6DF的附加减弱。

具有两个小平面集的LOE的变型实现方式

根据本发明的LOE的某些实现方式采用两个不同的非平行的部分反射表面集，以在LOE内实现二维的光学孔径扩展。用于消除或减弱(统称为“抑制”)现实世界照明(重影)的不需要的反射的上述特征中的许多特征同样适用于2D扩展LOE。下面参照图14A至图16C说明这些应用中的一些中的各种另外的考虑。

在图14A中，小平面64A位于眼睛前方，以将引导图像反射到眼睛上。小平面68A用于通过从光导内的一个引导图像方向到不同引导图像方向的反射来进行光学孔径扩展，并且不耦合至眼睛。这使得在一些情况下将这些小平面定位在远离眼睛相关场以消除小平面的直接反射的可见性是可行的。图14A示出了小平面68A位于低于眼睛中心的布置。通过如图14B和14C所示的非交叠架构可以进一步减少交叠，其中，眼睛通过仅具有一种类型的小平面的区域观看。

图15A示出了两个交叠的小平面集。在图10A至图10E中呈现的偏振结构可以同时应用于两个小平面集。通过如图15A中由200A和202A所示将一个偏振设置为P偏振并且一个设置为S偏振来操纵来自两个偏振的反射使其接近平行，从而提高偏振器效率。图15B示出了偏振取向(200B和202B)的交叠和优选偏振取向以阻挡组合偏振。

替选地，可以垂直于(或平行于)生成主反射的小平面来设置偏振器。

图16A示出了具有两个小平面集的波导，其中，倾斜的小平面220集用于注入图像的竖直孔径扩展，并且竖直的小平面集222用于水平扩展。小平面220可以相对于波导的外部小平面倾斜。在该情况下，单个小平面反射通常将从后面进行，如图6所示。然而，如果小平面220垂直于(或接近垂直于)光导的外部面，则可以从光导前方的方向发生单次反射，如图16B的箭头所示。

图16C示出了具有正面单次反射(图16B)的典型的反射角224和角度226的典型的小平面涂层的反射率(反射率如具有近似或准确垂直的小平面的3C所述)。明显的是，背面反射倾向于在更接近垂直的角度224处，其中，电介质涂层将在偏振之间具有低差异，而正面反射角226将具有高差异。因此，根据本发明的方面，在波导的前方放置滤掉否则会引起显著单次正面反射的偏振的偏振器228。

一些涂层例如线栅或双折射电介质(如通过3M)在垂直角度也具有固有的偏振选择性。在该情况下，侧偏振器(图10D中的160S)可以有利地用于实现有效的反射减弱。

偏振器228可以被设计成在220前方和222前方具有不同取向，因为小平面的不同取向将生成具有不同偏振的反射。可选地，可以使用在两个期望的偏振取向之间逐渐转变的非线性偏振器，以避免尖锐的边界。

反射可以源自由多于一个的小平面集进行的多个反射。例如，在图12A中，反射可以在由小平面68A反射之后具有一定程度的线性偏振，并且可以在由小平面64A反射之后变为任意偏振。在该情况下，应当计算反射的特定偏振，并且将非线性偏振器与波导一起使用。这可以包括具有线性偏振器的波片或其他双折射材料。

投射到眼睛上的反射的光学特性可以跨波导变化。因此，可以跨波导非均匀地使用上述方法，以跨观察者的整个视场来实现反射抑制。这可以包括(不限于)：

·可变偏振器

·可变波片

·平行和不平行小平面的可变涂层

·波导的外部面的可变涂层，以改变透射率和偏振

在所有以上描述中，自上而下的配置等同于侧配置，并且竖直小平面等同于水平。换言之，布置通常是可互换的；可以将系统旋转90度。这包括挡板、涂层和偏振。

应当理解，以上描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求书中限定的本发明的范围内，许多其他实施方式是可能的。

Claims (20)

1.一种用于将图像投射到观察者的眼睛的近眼显示器，所述近眼显示器包括：

(a)光导光学元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面以及边缘；

(b)支承装置，其被配置用于在所述第二主外表面与所述观察者的眼睛呈面向关系的情况下相对于所述观察者的头部支承所述LOE；

(c)图像投影仪，其用于投射对应于所述图像的照明，所述图像投影仪光学地耦合至所述LOE以将所述照明引入所述LOE中，以便通过所述第一主外表面和所述第二主外表面处的内反射在所述LOE内传播；

(d)耦出装置，其被部署用于将所述照明朝向所述观察者的眼睛从所述LOE耦出；以及

(e)阻光挡板，其沿所述LOE的所述边缘之一的大部分延伸并且从所述第二主外表面的平面突出，以便阻挡来自一定范围掠射角的入射辐射到达所述第二主外表面的至少一部分，所述挡板在朝向所述观察者的眼睛的方向上突出，从而与所述第二主外表面形成锐角。

2.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述阻光挡板在朝向所述观察者的眼球中心的方向上突出。

3.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述耦出装置包括多个相互平行的部分反射表面，所述部分反射表面与所述第一主外表面成斜角地被部署在所述LOE内。

4.根据权利要求3所述的近眼显示器，其中，所述挡板和所述部分反射表面的部署阻止光线路径在进入所述第一主外表面和所述第二主外表面之一并且经历来自所述部分反射表面之一的单次反射之后到达所述观察者的眼睛。

5.根据权利要求3所述的近眼显示器，其中，所述部分反射表面具有平行于所述第二主外表面的延伸方向，并且其中，所述挡板与所述部分反射表面的所述延伸方向基本上平行地沿所述边缘之一的大部分延伸。

6.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述阻光挡板通过附接至所述LOE而被机械地支承。

7.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中，所述阻光挡板通过附接至所述支承装置而被机械地支承。

8.一种用于将图像投射到观察者的眼睛的近眼显示器，所述近眼显示器包括：

(a)光导光学元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；

(b)支承装置，其被配置用于在所述第二主外表面与所述观察者的眼睛呈面向关系的情况下相对于所述观察者的头部支承所述LOE；

(c)图像投影仪，其用于投射对应于所述图像的照明，所述图像投影仪光学地耦合至所述LOE以将所述照明引入所述LOE中，以便通过所述第一主外表面和所述第二主外表面处的内反射在所述LOE内传播；以及

(d)耦出装置，其被部署用于将所述照明朝向所述观察者的眼睛从所述LOE耦出，

其中，所述第一主外表面涂覆有多层涂层，该多层涂层被配置成为以小于40度的入射角入射的可见光提供抗反射特性，并且为以大于70度的入射角入射的可见光的至少第一偏振提供高反射率。

9.根据权利要求8所述的近眼显示器，其中，所述第二主外表面涂覆有多层涂层，该多层涂层被配置成为以小于40度的入射角入射的可见光提供抗反射特性，并且为与以70度与85度之间的入射角入射的所述第一偏振垂直的、可见光的第二偏振提供低反射率。

10.一种用于将图像投射到观察者的眼睛的近眼显示器，所述近眼显示器包括：

(a)光导光学元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；

(b)支承装置，其被配置用于在所述第二主外表面与所述观察者的眼睛呈面向关系的情况下相对于所述观察者的头部支承所述LOE；

(c)图像投影仪，其用于投射对应于所述图像的照明，所述图像投影仪光学地耦合至所述LOE以将所述照明引入所述LOE中，以便通过所述第一主外表面和所述第二主外表面处的内反射在所述LOE内传播；

(d)耦出装置，其被部署用于将所述照明朝向所述观察者的眼睛从所述LOE耦出；以及

(e)微细百叶窗层，其与所述LOE的所述第一主外表面相关联，所述微细百叶窗层阻挡从至少一个方向以大于70度的入射角入射的光进入所述LOE。

11.根据权利要求10所述的近眼显示器，其中，所述微细百叶窗层包括具有延伸方向的一维微细百叶窗阵列，并且其中，在所述延伸方向基本上水平的情况下部署所述微细百叶窗层。

12.根据权利要求10所述的近眼显示器，其中，所述微细百叶窗层包括具有基本上垂直的延伸方向的两个微细百叶窗阵列。

13.一种用于将图像投射到观察者的眼睛的近眼显示器，所述近眼显示器包括：

(a)光导光学元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；

(b)支承装置，其被配置用于在所述第二主外表面与所述观察者的眼睛呈面向关系的情况下相对于所述观察者的头部支承所述LOE；

(c)图像投影仪，其用于投射对应于图像的照明，所述图像投影仪光学地耦合至所述LOE以将所述照明引入所述LOE中，以便通过所述第一主外表面和所述第二主外表面处的内反射在所述LOE内传播；

(d)耦出装置，其被部署用于将所述照明朝向所述观察者的眼睛从所述LOE耦出，所述LOE和所述耦出装置限定以大于60度的入射角入射在所述第一主外表面和所述第二主外表面之一上并且朝向所述观察者的眼睛离开所述LOE的至少一个高入射角偏振相关光学路径，所述偏振相关光学路径具有有利偏振取向；以及

(e)偏振滤波器，其被部署用于防止沿所述偏振相关光学路径前进的具有所述有利偏振取向的外部光到达所述观察者的眼睛。

14.根据权利要求13所述的近眼显示器，其中，所述偏振滤波器被部署成对进入所述第一主外表面的光进行滤波。

15.根据权利要求13所述的近眼显示器，其中，所述偏振滤波器被部署成对朝向所述观察者的眼睛离开所述第二主外表面的光进行滤波。

16.根据权利要求15所述的近眼显示器，其中，朝向所述观察者的眼睛从所述LOE耦出的所述照明基本上被使用图像偏振进行偏振，并且其中，所述偏振滤波器被部署成阻挡具有垂直于所述图像偏振的偏振的光。

17.根据权利要求15所述的近眼显示器，还包括第二偏振滤波器，所述第二偏振滤波器被部署成对进入所述第一主外表面的光进行滤波，所述偏振滤波器与所述第二偏振滤波器被对准以透射相同的偏振。

18.根据权利要求15所述的近眼显示器，还包括横向偏振遮光元件，所述横向偏振遮光元件用于对沿所述观察者的眼睛与所述LOE之间的路径来自至少一个方向的光进行滤波，其中，所述横向偏振遮光元件的偏振轴处于相对于所述偏振滤波器的偏振轴交叉的角度。

19.根据权利要求13所述的近眼显示器，还包括横向偏振遮光元件，所述横向偏振遮光元件用于对沿所述观察者的眼睛与所述LOE之间的路径来自至少一个方向的光进行滤波。

20.根据权利要求8至19中任一项所述的近眼显示器，其中，所述耦出装置包括多个相互平行的部分反射表面，所述部分反射表面与所述第一主外表面成斜角地被部署在所述LOE内。

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