CN113330348A - 包括具有三阶段扩展的loe的光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种光学系统，包括光导光学元件(LOE)，该光导光学元件具有处于不同取向的第一组相互平行的部分反射表面(204)和第二组相互平行的部分反射表面(206)。两组部分反射表面均位于平行主外表面之间。部署在耦入区域处的第三组至少部分反射表面(202)接收从具有光学孔径的投影仪(2)注入的图像照明，该光学孔径具有第一面内宽度，并且第三组至少部分反射表面经由图像照明的至少一部分在第三组至少部分反射小平面处的反射将图像照明朝向具有有效光学孔径的第一组部分反射小平面引导，该有效光学孔径具有大于第一宽度的第二宽度。

Description

包括具有三阶段扩展的LOE的光学系统
本发明的技术领域和背景技术
本发明涉及光学系统，并且特别地，本发明涉及包括用于实现光学孔径扩展的光导光学元件(LOE)的光学系统。
许多近眼显示系统包括放置在用户的眼睛之前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，然后通过合适的输出耦合机制将图像朝向用户的眼睛耦出。输出耦合机制可以基于嵌入的部分反射器或“小平面”，或者可以采用衍射图案。下面的描述将主要涉及基于小平面的耦出布置，但是应当理解，本发明的各种特征也适用于衍射布置。
US 6829095 B2的图13中描述了采用内部正交小平面的波导内的二维孔径扩展，该图13在此再现为图1A。在此，在括号中呈现了参考现有技术附图的附图标记。来自投影仪(20)的光在波导内传播，并且由小平面(22a)至(22c)朝向小平面(23)反射，该小平面(23)将光朝向观察者耦出。
PCT公开WO 2019/142177 A1公开了采用非正交小平面的类似构思。该PCT公开的图2和图29在此分别再现为图1B和图1C。第一组小平面(这里表示为(32))是非正交的，因此仅反射一种传播模式。所示的两种构造在包含两组小平面的区域是交叠(图1B)还是不交叠(图1C)方面不同。
发明内容
本发明是一种光学系统。
根据本发明的实施方式的教导，提供了一种用于将在耦入区域处注入的图像照明朝向用户引导以供观看的光学系统，该光学系统包括由透明材料形成的光导光学元件(LOE)，该LOE包括：(a)第一区域，其包含具有第一取向的第一组平面型的相互平行的部分反射表面；(b)第二区域，其包含具有不平行于第一取向的第二取向的第二组平面型的相互平行的部分反射表面；(c)一组相互平行的主外表面，该主外表面跨第一区域和第二区域延伸，使得第一组部分反射表面和第二组部分反射表面均位于主外表面之间，其中第二组部分反射表面与主外表面成斜角，使得通过主外表面处的内反射在LOE内从第一区域传播到第二区域中的部分图像照明被从LOE朝向用户耦出，并且其中，第一组部分反射表面被定向成使得从耦入区域通过主外表面处的内反射在LOE内传播的部分图像照明被朝向第二区域偏转，其中，光学系统还包括部署在耦入区域处的第三组平面型的相互平行的至少部分反射表面，该第三组至少部分反射表面被部署成：接收从具有光学孔径的投影仪注入的图像照明，该光学孔径具有平行于主外表面测量的第一宽度；并且经由图像照明的至少一部分在第三组至少部分反射小平面处的反射将图像照明朝向具有有效光学孔径的第一组部分反射小平面引导，该有效光学孔径具有平行于主外表面测量的第二宽度，该第二宽度大于第一宽度。
根据本发明的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射表面具有按照图像照明到达该第三组至少部分反射表面的顺序相继增大的反射率的第一序列，其中第一组部分反射表面具有按照图像照明到达该第一组部分表面的顺序相继增大的反射率的第二序列，第二序列以小于第一序列的最后反射率的反射率开始。
根据本发明的实施方式的另一特征，相继增大的反射率的第一序列的最后反射率大于90％。
根据本发明的实施方式的另一特征，被朝向第一组部分反射表面引导的图像照明的大部分恰好经历来自第三组至少部分反射表面的一次反射。
根据本发明的实施方式的另一特征，被朝向第一组部分反射表面引导的图像照明的大部分经历来自第三组至少部分反射表面的两次反射。
根据本发明的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射的表面被集成为LOE的一部分，并且位于主外表面之间。
根据本发明的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射表面平行于第一组部分反射表面。
根据本发明的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射表面不平行于第一组部分反射表面。
根据本发明的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射表面的表面间间距小于第一组部分反射表面的表面间间距。
根据本发明的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射表面中的每个至少部分反射表面的表面积小于第一组部分反射表面中的每个部分反射表面的表面积。
根据本发明的实施方式的另一特征，第一区域和第二区域不交叠。
根据本发明的实施方式的另一特征，还提供了一种用于投影具有围绕光轴的角视场的准直图像的图像投影仪，该图像投影仪光学耦合至LOE，以在耦入区域处经由第三组至少部分反射表面将准直图像引入到LOE中，作为通过主外表面处的内反射在LOE内传播的传播图像，该传播图像被第一组部分反射表面部分反射以生成通过主外表面处的内反射在LOE内传播的经偏转的传播图像，该经偏转的传播图像被第二组部分反射表面部分反射以生成被从主外表面之一向外朝向用户引导的耦出图像。
附图说明
在此仅通过示例的方式，参考附图描述本发明，在附图中：
上面讨论的图1A对应于美国专利第6,829,095B2的图13；
上面讨论的图1B和图1C分别对应于PCT专利申请公布第WO2019/142177A1的图2和图29；
图2A和2B是使用根据本发明的教导构造和操作的光导光学元件(LOE)实现的光学系统的示意性等距视图，其分别示出了自顶向下和侧面注入的构造；
图3A和图3B是部分反射内表面的不同间距对将来自具有给定光学孔径宽度的投影仪的图像照明在基板内从第一方向重新定向到第二方向的影响的示意图；
图4A是根据本发明的实施方式的教导的光导光学元件(LOE)的示意性前视图，示出了从投影仪到朝向观看者耦出的照明的光学孔径的三阶段扩展；
图4B和图4C是图4A的LOE的两个实现方式的示意性等距表示，该两个实现方式对于孔径扩展的前两个阶段分别使用正交和倾斜的部分反射内表面；
图5A和5B分别是图4A的LOE的变型实现方式的示意性前视图和示意性等距视图，在该变型实现方式中用于执行光学孔径扩展的两个阶段的部分反射内表面被部署在至少部分交叠的区域中；
图6是通过图4C的LOE的各个传播阶段的图像照明的相对方向在角空间(极坐标)中的示意性表示；
图7A和7B是图4A的LOE的两个另外的变型实现方式的示意性前视图，示出了用于图像照明的横向注入的选项；
图8A是图4A的LOE的生产序列的示意性表示；
图8B是图5A的LOE的生产序列的示意性表示；
图9是图4A的LOE的另一变型实现方式的示意性前视图，在该变型实现方式中LOE区域的几何形式被修改；
图10A和图10B分别是图4A的LOE的另一变型实现方式的示意性前视图和示意性等距视图，该变型实现方式采用矩形波导截面用于光学孔径扩展的初始阶段；
图11A和图11B分别是图4A的LOE的另一变型实现方式在组装之前和组装之后的示意性等距视图，该变型实现方式采用具有内部至少部分反射小平面的平板(slab)以用于没有通过TIR进行的光引导的初始阶段光学孔径扩展；以及
图12A和图12B分别是图4A的LOE的另一变型实现方式在组装之前和组装之后的示意性等距视图，该变型实现方式采用具有内部至少部分反射小平面的平板以用于具有通过与LOE的主表面不平行的表面进行的光引导的初始阶段光学孔径扩展。
具体实施方式
本发明的某些实施方式提供了一种光学系统，其包括用于实现用于诸如近眼显示器的平视显示器(其可以是虚拟现实显示器，或更优选地是增强现实显示器)的目的的光学孔径扩展的光导光学元件(LOE)。
图2A和图2B示意性地示出了采用根据本发明实施方式的教导的LOE 12的常标示为10的近眼显示器形式的设备的示例性实施方式。近眼显示器10采用紧凑型图像投影仪(或“POD”)14，其被光学耦合以便将图像注入LOE(可互换地称为“波导”、“基板”或“平板”)12，在LOE内，图像光通过在一组相互平行的平面外表面处的内反射而在一个维度上被捕获。彼此平行并且相对于图像光的传播方向倾斜的一组部分反射的表面(可互换地称为“小平面”)的光冲击也通过内反射在基板内被捕获/引导，其中每个相继小平面将一部分图像光偏转到偏转方向。该第一组小平面没有在图2A和图2B中各个示出，而是位于LOE的指定为16的第一区域中。在相继小平面处的这种部分反射实现了第一维度的光学孔径扩展。
在本发明的第一组优选但非限制性的示例中，上述小平面的组与基板的主外表面正交。在这种情况下，注入的图像及其在区域16内传播时经历内反射的共轭都发生偏转，并且成为在偏转方向上传播的共轭图像。在替选的一组优选但非限制性的示例中，第一组部分反射表面相对于LOE的主外表面成斜角。在后一种情况下，注入图像或其共轭形成在LOE内传播的期望偏转图像，同时可以例如通过在小平面上采用角度选择涂层使其它反射最小化，其中角度选择涂层使得小平面对于由图像所呈现的无需其的反射的入射角的范围是相对透明的。
第一组部分反射表面将图像照明从由全内反射(TIR)捕获在基板内的第一传播方向偏转到同样由TIR捕获在基板内的第二传播方向。
然后，经偏转的图像照明进入第二基板区域18，该第二基板区域18可以被实现为相邻的不同基板或单个基板的延续，其中耦出布置(另一组部分反射小平面或衍射光学元件)将图像照明的一部分朝向位于被定义为眼动盒(EMB)的区域内的观察者的眼睛逐渐耦出，从而实现第二维度的光学孔径扩展。整个设备可以针对每只眼睛分别地实施，并且优选地相对于用户的头部被支承，其中每个LOE 12面向用户的相应眼睛。在如这里所示的一个特别优选的选项中，支承装置被实现为具有侧部20的眼镜架，该侧部用于相对于用户的耳朵对设备进行支承。也可使用其它形式的支承装置，包括但不限于头带、护目镜或头盔上悬挂的设备。
本发明的某些实施方式的特别优选的特征是，光学系统还包括部署在耦入区域处的第三组平面型的相互平行的至少部分反射表面(“小平面”)。第三组小平面没有在图2A和图2B中各个示出，而是由区域15指定。第三组小平面被部署为接收从具有平行于LOE 12的主外表面测量的第一宽度的光学孔径的投影仪14注入的图像照明，并且经由区域15中的小平面对图像照明的至少一部分的反射将图像照明朝向具有有效光学孔径的区域16中的第一组部分反射小平面引导，该有效光学孔径具有平行于LOE的主外表面测量的更大的第二宽度。这种孔径扩展的意义将在下面进一步讨论。
第三组小平面15插入在耦合区域处在投影仪14与第一组小平面16之间的光路中。在本文中短语“在耦合区域处”用于包括第三组小平面在耦合区域处并入LOE中的情况和第三组小平面在LOE外部的情况两者，这两种选项将在下面详细地举例说明。
在附图和权利要求中，参考在LOE的第一区域的大致延伸方向上水平地(图2A)或竖直地(图2B)延伸的X轴，以及垂直于X轴延伸的Y轴，即在图2A中竖直地和在图2B中水平地延伸。
非常近似地说，第一LOE或LOE 12的第一区域16可以被认为实现了X方向上的孔径扩展，而第二LOE或LOE 12的第二区域18实现了Y方向上的孔径扩展。应当注意，如图2A所示的取向可以被认为是“自上而下”的实现方式，其中进入LOE的主要(第二区域)的图像照明从顶部边缘进入，而图2B所示的取向可以被认为是“侧面注入”的实现方式，其中在此被称为Y轴的轴是水平部署的。在其余的附图中，本发明的某些实施方式的各种特征将在“自上而下”的取向的上下文中示出，类似于图2A。然而，应当理解，所有这些特征同样适用于也落入本发明的范围内的侧面注入的实现方式。在某些情况下，除非明确排除，否则其它中间取向也是适用的，并且包括在本发明的范围内。
本发明的设备所采用的POD优选地被配置成生成准直图像，即，其中每个图像像素的光是准直到无穷远的平行光束，其中角方向对应于像素位置。因此，图像照明跨越对应于二维角视场的角度范围。
图像投影仪14包括至少一个光源，其通常被部署成照射空间光调制器，例如LCOS芯片。空间光调制器调制图像的每个像素的投影强度，从而生成图像。或者，图像投影仪可以包括扫描装置，该扫描装置通常使用快速扫描镜来实现，其跨投影仪的图像平面扫描来自激光光源的照明，同时光束的强度逐像素地随着运动同步变化，从而为每个像素投影期望的强度。在这两种情况下，提供准直光学器件以生成被准直到无穷远的输出投影图像。如本领域所公知的，上述部件中的一些或全部通常布置在一个或更多个偏振分束器(PBS)立方体或其它棱镜装置的表面上。
图像投影仪14到LOE 12的光学耦合可以通过任何合适的光学耦合来实现，例如经由具有成斜角的输入表面的耦合棱镜，或经由反射耦合装置，经由LOE的侧边缘和/或主外表面之一。在第三组小平面15位于LOE外部的情况下，第三组小平面优选地与耦入装置集成，如下面将参照图11A至图11C将举例说明的。耦入构造的进一步细节对于本发明不是关键的，并且在此仅示意性地示出。
应当理解，近眼显示器10包括各种附加部件，通常包括控制器22，该控制器22用于通常采用来自小的搭载的电池(未示出)或一些其他合适的电源的电力来致动图像投影仪14。应当理解，控制器22包括所有必要的电子元件，例如至少一个处理器或处理电路，以驱动图像投影仪，所有这些都是本领域已知的。
现在转到图3A和图3B，其通过第一组部分反射内表面示意性地示出了来自具有一定宽度的光学孔径的投影仪的图像照明的几何结构。为了获得均匀的光照明，投影仪的孔径的宽度100必须使得来自一个小平面的反射光线与来自下一个小平面的反射光线是连续的以避免显示器中的黑线。在一些情况下，期望存在足够的交叠，使得每个观看方向接收来自两个或更多个小平面的反射，并且最优选地接收来跨孔径的恒定数量的小平面的反射，从而增强所观看图像的均匀性。图3A和图3B示出了其中由来自具有孔径宽度100的投影仪2的光束照射不同数量的小平面(102和109)的情况。反射光(104、106、110和108)朝向其它小平面(在此图中未示出)传播。优选地，照射完整且恒定数量的小平面。在图3A中，该数量在2和3之间变化，而在图3B中，数量是恒定的，其中两个小平面有助于跨整个孔径的输出。孔径100越宽，则被照射的小平面越多，传输的图像越均匀。
对于预定义的小平面间隔，必须相应地修改孔径宽度以生成均匀的图像。因此，大的小平面间距要求使用大的孔径。小平面跨波导的紧密间隔增加了生产复杂性和成本。另一方面，生产大孔径投影仪增加了投影仪尺寸。根据本发明的一个方面，通过在投影仪和上面称为第一组小平面之间执行初始阶段光学孔径扩展，这些冲突的设计考虑因素得以协调。这是使用附加的一组小平面(在此称为“第三组至少部分反射内表面”)来实现的。
图4A示意性地示出了根据本发明的这个方面的波导的正视图。投影仪2的孔径很小。源自该投影仪的两个箭头表示该孔径的边缘的光线。来自该投影仪的光被耦合至具有小平面202(其是初始的附加“第三”组小平面)的波导部分200中。当光在该部分200中传播时，光在LOE的平面中的横向孔径尺寸(“宽度”)随着光通过从相继小平面202朝向部分207的反射被部分地重定向而扩展，其中部分207包括小平面204(上文称为“第一”组小平面)。从小平面204反射的光被重定向为朝向包括小平面206(上文称为“第二”组小平面)的部分209，以便朝向观看者耦出。
图4B示出了图4A的等距视图。这里可以看出，部分200具有与207和209相同的宽度(波导厚度)，使得部分200、207和209集成在连续的LOE内，夹在相互平行的外表面之间。这些部分各处的引导是通过来自这些外表面的全内反射(TIR)进行的。优选地，各部分之间的光传输没有干扰或不连续，并且为了便于理解，在各个视图(例如，图4A、图5A、图7A、图7B和图9的正视图)中在各部分之间示出分隔线。
小平面206被设计成透射场景光，允许观看者直接越过LOE观察外部场景，并且因此具有相对低的反射率，通常低于50％。在一些构造中，小平面204也被设计成透射场景光，并且因此也具有相对低的反射率，通常低于50％。在小平面204不是LOE的“观看区域”的一部分的其他构造中，可以使用较高的反射率。小平面202优选地在LOE的观看区域之外，并且因此无需透射场景。因此，优选地使用高反射率以获得高的光传输效率。优选地，区域200中的最后一个小平面211具有至少90％的高反射率，并且优选地为100％的反射率。由于部分200没有被设计成透射场景光，因此优选地将部分200覆盖(未示出)，从而没有外部光穿过它。替选地，波导的这个部分200涂覆有反射涂层，例如银。
为了跨光学孔径提供相对均匀的图像照明强度，成组的部分反射表面中的一组或更多组，以及优选地每个组，最优选地具有按照图像照明到达它们的顺序相继增加的反射率的序列。例如，对于波导区域200，具有33％、50％和100％反射率的3个小平面的序列有效地从每个相继表面反射入射照明的大约三分之一。对于4个小平面的序列类似，25％、33％、50％和100％的值可以有效地从每个表面反射入射照明的大约四分之一。对于观看者通过其来察看外部场景的观看区域内的小平面，反射率值较低，并且小平面之间的比例增加较小，但是用于补偿传播图像照明内剩余的较低比例照明强度的渐增序列的基本构思保持相同。(在相继小平面的理想反射率值相对接近的情况下，作为制造的简化，LOE的区域中的两个或更多个相继小平面可以用相同的反射率值来实现，但是该序列由于其是单调增加的，因此仍然被称为“相继增加”，以提供上述增强均匀性的效果)。因此，例如，小平面204具有按照图像照明到达小平面的顺序的相继增加的反射率的第二序列，其中第二序列以小于(小平面204的)第一序列的最后反射率的反射率开始。
在图4A的构造中，被朝向小平面204引导的大部分图像照明恰好经历来自小平面202的一次反射。小平面202的间距是接近的，从而确保被朝向小平面204重定向的图像照明跨经扩展的有效孔径的连续性，其中经扩展的有效孔径如LOE部分207中所示的边界箭头所示。这允许针对小平面204使用较大间距，从而针对波导的较大部分降低了生产复杂性和成本。例如，如果小平面202将孔径扩大3倍(使用具有逐渐增加的反射率的3个小平面)，则与没有部分200的情况相比，小平面204可以具有大约三倍的间距。更一般地说，小平面204的间距通常大于小平面202的间距。另外，小平面202的表面积通常小于小平面204的表面积。结果，仅需要制造相对小体积的紧密间隔的小平面，同时降低了大部分LOE结构的复杂性和制造成本。
图4B示出了部分200和207中的垂直于波导的主外表面的小平面。图4C示出了一种替代实现方式，根据该实现方式，波导的两个部分200和207的小平面与LOE的主表面成斜角，这里称为“扭转小平面”。
图5A和5B类似于图4A和4C，但是示出了可以可选地以类似于上面提到的WO 2019/142177 A1中教导的相应选项的方式在波导的至少部分交叠的区域中实现小平面204和206。如图5B所示，输入孔径扩展部分200优选地被实现以便跨越LOE的大部分厚度，并且优选地跨越LOE的整个厚度。
图6示出了角空间中的小平面的图像反射。该描述针对如图4C和图5中所描述的扭转小平面。光作为1930A被耦合至波导200中成为图像6L或6R之一。这两个图像表示当图像照明沿着孔径扩展部分200传播时从LOE的主表面的来回的TIR反射。小平面202的反射被表示为1938到4R和4L上。这些是通过TIR沿着部分207传播的图像。在该非限制性但特别优选的构造中，小平面202平行于小平面204，因此小平面204朝向部分209的反射也沿着1938从4R到6L。这里，6L和6R也表示沿着部分209传播的图像。换句话说，在部分200和209中传播的图像在角空间中是相同的。由部分209内的小平面206朝向观察者耦出的反射被表示为从引导图像6R到输出耦合图像8的1934。
圆圈39表示波导的TIR截止，并且平行于波导的平面。明显的是，图像4L和4R与波导的平面成对角——即，在角空间中矩形图像的边平行和垂直于基板的主表面——而图像6L和6R平行于波导的表面对准。实际上，构造用于平行耦入的投影仪2通常比构造用于对角耦入的投影仪更方便。结果，通过波导部分200的耦入有助于简化投影仪的实现方式，并且因此即使经由不必显著地扩展投影仪的有效光学孔径的少量高反射率小平面，也会是有利的。
人体工程学考虑可以指示从波导的侧面注入图像，如图7A和图7B所示。在这种情况下，第一小平面210有利地以高反射率来实现，以便在由第一小平面透射的图像照明和由随后的小平面反射的图像照明之间实现近似的均匀性。例如，如果在部分200中仅存在两个小平面，则第一个小平面将具有50％的反射率，第二个小平面将具有100％的反射率。然而，如果存在四个小平面，则第一个小平面将具有75％的反射率(25％的透射率)、第二个小平面33％、第三个小平面50％和最后一个小平面(210)100％。替选地，小平面210可以以100％的反射率来实现，使得进入部分207的所有透射来自随后的小平面。
图7A中呈现的构造基于从1930B(参考图6的角空间图示)到反射1938至6L的小平面210的耦入。进一步的传播如前所述。
图7B示出了等效构造，其中部分200中的小平面处于相反的方向以实现投影仪2的不同位置。
在侧面注入的情况下，第一个小平面210主要用作耦入小平面，并且是沿着小平面序列的相继增加的小平面的反射率的一个例外，其中“序列”从第二个小平面开始。在这些情况下，被朝向小平面204引导的大部分图像照明经历来自小平面202的两次反射。
图8A示意性地示出了用于将波导与如图4A至图4C所述的部分集成的方法。将一组涂层板253粘合在一起以形成堆叠254并且将其切片255a，以生成部分207所需的小平面部分。将一组涂层板250粘合在一起以形成堆叠251并沿将其对角地切片，以生成部分209所需的小平面部分(示为252a)，并且将第三组涂层板256粘合在一起以形成堆叠257，将堆叠257进行切片以生成部分258a(部分200所需的小平面)。将这三个部分组合260a并粘合262a。胶水与波导折射率匹配，因此当光在部分之间通过时，对光引入的干扰最小。优选地，将薄盖玻璃264粘合在波导的两侧，并且可选地还对其进行抛光，以生成具有光滑的平行TIR表面的波导266a。
图8B示出了适用于图5A和图5B中所描述的架构的类似制造过程。部分252b、255b和258b以与图8A中所示的相同的方式产生，除了258b的厚度是其他部分的两倍之外。将252b和255b进行堆叠，同时将258b从侧面进行放置，如260b中所示。将这些部分粘合在一起262b，并且将透明盖玻璃264粘合作为覆盖物，可选地还进行抛光，以生成单个波导266b。
如果希望在单个层中并入交叠的两组小平面，这可以根据以上提及的WO 2019/142177A1中参照图11说明的技术来完成，其中在添加盖片之前，将所得到的包含两组小平面的波导部分与附接到侧面的部分258b(对应于部分200的小平面)组合。
尽管到现在为止示出矩形波导部分，但是应当注意，部分的形状可以根据引导光的传播而改变。作为一个非限制性示例，根据图像传播的几何结构，在某些情况下，波导内的图像照明的扩展可能需要沿着传播路径加宽部分200和207，从而产生如图9所示的波导形式。
尽管到现在为止示出了在一个维度上引导的LOE的集成部分，但是孔径扩展的初始阶段可以可选地以各种附加构造来实现，这些附加构造是未引导的、在不同轴线上引导的、或者在两个维度上引导的，如现在将通过图10A至图12B的非限制性示例来举例说明的。
在图10A和图10B的非限制性示例中，部分200被实现为矩形波导部分270，其在孔径扩展图像照明注入至波导部分107中之前、在初始孔径扩展期间在两个维度上引导图像照明。优选地，提供空气间隙295或模拟空气间隙的一些光学层，以在波导部分270内除了被耦出处之外保持内反射。这样的2D波导结构的示例可以在美国专利第10,133,070中找到，并且在此将不进行详细描述。
图11A和图11B示出了另一选项，根据该选项，在不通过TIR引导图像照明的情况提供了耦入孔径扩展小平面。在这种情况下，小平面202设置在比波导207的其余部分宽的第一部分280中。在这种构造中，280中的光不受引导并且传播通过280，同时在两个维度上扩展。在这种构造中，优选地经由耦合棱镜285实现向波导207的耦入。为了清楚起见，图11A示出了与285分离的280。280和耦合棱镜285的成角度取向有利于沿着207的厚度(如图所示的竖直)维度的均匀照明。图11B示出了附接至耦入棱镜285之后的280。
图12A示出了另一变型实现方式，根据该实现方式，在第一部分290中设置经由小平面202的第一阶段孔径扩展，其在不平行于波导207的一个维度上被引导。图12B示出了在耦合棱镜285顶部放置部分290，其中在耦合棱镜285顶部设置空气间隙295以便在部分290内保持TIR引导。
在除了本文明确描述的那些方面之外的所有方面，可以根据在平行PCT专利申请第PCT/IB2019/157572(其在本申请的提交日之前未公开并且不构成现有技术)中描述的选项范围来实现第一组部分反射内表面204和第二组部分反射内表面206在公共波导内的布置。
在本文所示的所有正视图中，本发明的孔径扩展由平行箭头示意性地表示，该平行箭头指示给定光线方向的光学孔径的跨度，该给定光线方向对应于准直图像的光轴上的中心像素。光轴实际上不在X-Y平面内，而是具有在页面中的Z分量，该Z分量被选择为使得视场(FOV)的深度维度上的整个角度范围在主基板表面处均发生全内反射。为了简化表示，本文的图形表示及其描述仅涉及光线传播方向的面内(X-Y)分量，其在本文被称为“面内分量”或“平行于LOE的主外表面的分量”。
如上面在图3B的上下文中所述，上述所有原理也可以应用于“侧向”构造，其中图像从横向位于观看区域外的POD被注入，并且由第一组小平面竖直地扩展，然后由第二组小平面水平地扩展以耦合至用户的眼睛中。上述所有构造和变型应当理解为也可应用于侧向注入构造。
在整个以上描述中，已参照所示的X轴和Y轴，其中X轴是水平的或竖直的，并且对应于光学孔径扩展的第一维度，Y轴是对应于扩展的第二维度的另一主轴。在此上下文中，X和Y可以相对于设备在安装于用户的头部上时的取向、沿通常由支承装置(例如，图3A和图3B的前述眼镜框架)限定的取向来定义。
尽管到现在为止已经在近眼显示器的优选但非限制性示例的上下文中示出了本发明，但是应当注意，本发明的各方面的实施方式可以有利地用于其他应用，包括但不限于平视显示器(HUD)。特别感兴趣的HUD的一个子集是用于车辆的HUD。
应当理解，以上描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求所限定的本发明的范围内，许多其他实施方式也是可能的。

Claims (12)

1.一种用于将在耦入区域处注入的图像照明朝向用户引导以供观看的光学系统，所述光学系统包括由透明材料形成的光导光学元件(LOE)，所述LOE包括：
(a)第一区域，其包含具有第一取向的第一组平面型的相互平行的部分反射表面；
(b)第二区域，其包含具有第二取向的第二组平面型的相互平行的部分反射表面，所述第二取向不平行于所述第一取向；
(c)一组相互平行的主外表面，所述主外表面跨所述第一区域和所述第二区域延伸，使得所述第一组部分反射表面和所述第二组部分反射表面均位于所述主外表面之间，
其中，所述第二组部分反射表面与所述主外表面成斜角，使得通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内从所述第一区域传播到所述第二区域中的部分图像照明被从所述LOE朝向所述用户耦出，并且其中，所述第一组部分反射表面被定向成使得从所述耦入区域通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的部分图像照明被朝向所述第二区域偏转，
其中，所述光学系统还包括部署在所述耦入区域处的第三组平面型的相互平行的至少部分反射表面，所述第三组至少部分反射表面被部署成：接收从具有光学孔径的投影仪注入的图像照明，所述光学孔径具有平行于所述主外表面测量的第一宽度；并且经由所述图像照明的至少一部分在所述第三组至少部分反射小平面处的反射将所述图像照明朝向具有有效光学孔径的所述第一组部分反射小平面引导，所述有效光学孔径具有平行于所述主外表面测量的第二宽度，所述第二宽度大于所述第一宽度。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第三组至少部分反射表面具有按照所述图像照明到达所述第三组至少部分反射表面的顺序相继增大的反射率的第一序列，并且其中，所述第一组部分反射表面具有按照所述图像照明到达所述第一组部分反射表面的顺序相继增大的反射率的第二序列，所述第二序列以小于所述第一序列的最后反射率的反射率开始。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，相继增大的反射率的所述第一序列的最后反射率大于90％。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，被朝向所述第一组部分反射表面引导的所述图像照明的大部分恰好经历来自所述第三组至少部分反射表面的一次反射。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，被朝向所述第一组部分反射表面引导的所述图像照明的大部分经历来自所述第三组至少部分反射表面的两次反射。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第三组至少部分反射表面被集成为所述LOE的一部分并且位于所述主外表面之间。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述第三组至少部分反射表面平行于所述第一组部分反射表面。
8.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述第三组至少部分反射表面不平行于所述第一组部分反射表面。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第三组至少部分反射表面的表面间间距小于所述第一组部分反射表面的表面间间距。
10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第三组至少部分反射表面中的每个至少部分反射表面的表面积小于所述第一组部分反射表面中的每个部分反射表面的表面积。
11.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一区域和所述第二区域不交叠。
12.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统还包括用于投影具有围绕光轴的角视场的准直图像的图像投影仪，所述图像投影仪光学耦合至所述LOE，以在所述耦入区域处经由所述第三组至少部分反射表面将所述准直图像引入到所述LOE中，作为通过所述主外表面处的内反射在在所述LOE内传播的传播图像，所述传播图像被所述第一组部分反射表面部分反射以生成通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的经偏转的传播图像，所述经偏转的传播图像被所述第二组部分反射表面部分反射以生成被从所述主外表面之一向外朝向所述用户引导的耦出图像。
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