CN113341566A

CN113341566A - 交叠的反射面构造

Info

Publication number: CN113341566A
Application number: CN202110512527.2A
Authority: CN
Inventors: 尤查·丹齐格; 锑逊·阿克塞尔·艾森菲尔德
Original assignee: Lumus Ltd
Current assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2038-01-08
Also published as: US20200110211A1; US20190212487A1; CN113341566B; CN109416433B; IL262107B; JP2020512566A; EP3397997A4; TWI751262B; JP6956414B2; US11125927B2; JP2023103432A; JP7580144B2; CN109416433A; CN117572644A; US10481319B2; TW202212884A; JP2022020626A; EP3397997A1; TWI800974B; KR102319611B1

Abstract

本发明公开一种多个反射面的交叠的配置的特定管理方式减少在朝向一名义观察点耦出的一映像中的不均匀性。一波导件包括：至少二平行的表面；以及最先的、中间的及最后的多个部分反射的反射面。所述波导件被配置成使得在所述多个反射面被映射到所述多个表面中的一个的一几何投影中，所述多个反射面是交叠的，优选为相邻的多个反射面形成交叠，并且非相邻的多个反射面的多个起点及多个终点沿着所述波导件的至少一部分形成重合。

Description

交叠的反射面构造

本申请是申请日为2018年01月08日、国家申请号为201880000521.3(国际申请号为PCT/IL2018/050025)、发明名称为“交叠的反射面构造”的申请的分案申请。

相关申请案的交叉引用

本申请案主张由本案发明人于2017年3月22日提交的临时专利申请案(PPA)序号62/474,614的权益，其通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明通常涉及光学器件，并且特别地论及均匀的反射。

背景技术

诸多紧凑型光学元件(compact optical elements)的诸多重要应用之一是使用头戴式显示器(head-mounted displays，HMD)，其中一光学模组既用作一成像透镜(imaging lens)又用作一组合器(combiner)，藉此，一个二维显示器被成像到无穷远并被反射到一观看者的眼睛中。所述显示器可以藉由一空间光调变器(spatiallightmodulator，SLM)被直接地获得，诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)、一扫描来源(scanning source)或诸多类似装置，或藉由一中继透镜(relaylens)装置或一光纤束(optical fiber bundle)装置被间接地获得。所述显示器包括多个元件(多个像素)的一阵列，所述多个元件藉由一准直透镜(collimating lens)被成像到无穷远，并且藉由一反射型或部分反射型且以表面作为一组合器的装置被透射到所述观看者的眼睛中，分别用于诸多非透视(non-see-through)应用及诸多透视(see-through)应用。通常地，一种传统的自由空间光学模组(free-space optical module)被用于这些目的。随着所述系统的期望的视野(field-of-view，FOV)增加，这种类型的传统光学模组变得更大、更沉重及更笨重，因此即使对于一适度性能(moderate performance device)，所述装置也是不切实际的。这是各种显示器的一主要缺点，尤其是在诸多头戴式应用中，所述系统必须尽可能的轻巧。

对紧凑性的追求导致几种不同的复杂光学解决方案，整体而言，一方面所有这些方案在大多数实际应用中仍然不够紧凑，另一方面是难以制造。此外，衍生于这些设计所产生的所述光学视角的所述眼动箱(eye-motion-box，EMB)通常非常小-通常小于8毫米(mm)。因此，所述光学系统的性能也是非常敏感的，即使是相对于观看者的眼睛而言的诸多小移动，并且不允许足够的瞳孔运动以便于读取一被显示的文本(displayed text)。

发明内容

根据本实施例的教导，一种光学装置被提供，包括：一波导件，具有：至少一对相互平行的表面中的一第一对；一第一区域，光(light)在所述第一区域处被耦入所述波导件；及多个反射面中的一第一序列，包括：一最先的反射面(first facet)，是：位于接近所述第一区域处；及在所述多个表面中的所述第一对之间沿一方向具有一第一宽度；一最后的反射面(last facet)，是：位于所述多个反射面的所述第一序列远离所述第一区域的一远端处；及在所述多个表面中的所述第一对之间沿一方向具有一第三宽度；及一个或更多个的中间的反射面(middle facets)，是：位在所述最先的反射面与所述最后的反射面之间；及在所述多个表面中的所述第一对之间沿一方向具有一第二宽度；其中所述多个反射面中的每一个：宽度是沿所述反射面的一平面；为一个至少部分反射表面；与所述多个表面中的所述第一对呈一倾斜角度；在所述反射面的宽度的一近侧(proximal side)上具有一反射面起点(facet-start)；及在所述反射面的宽度的一远侧(distal side)上具有一反射面终点(facet-end)；及其中一几何投影沿从所述波导件耦出的一名义射线(nominal ray)的一方向被映射到所述多个表面的所述第一对中的一个，所述名义射线为从所述波导件耦出的光中的一中心射线，所述最后的反射面及所述一个或更多个中间的反射面中的每一个的所述几何投影是与一相邻的所述一个或更多个的中间的反射面及所述最先的反射面的一各自的所述几何投影形成交叠(overlaps)，所述最后的反射面及所述一个或更多个中间的反射面中的每一个所述反射面起点的所述几何投影是与所述一个或更多个中间的反射面及所述最先的反射面的一非相邻的反射面终点的一各自的所述几何投影形成重合(coinciding)，所述重合是沿着所述波导件的至少一部分。

在一个可选实施例中，所述最先的反射面的所述第一宽度小于所述一个或更多个中间的反射面的所述第二宽度。在另一可选实施例中，一数量的所述多个反射面被从所述波导件耦出(outcoupled)的所述名义射线(nominal ray)横跨穿越，且对于所述多个反射面的所述第一序列的全部而言，所述多个反射面的所述数量是恒定的。在另一可选实施例中，所述光对应于一映像(image)，并且所述中心射线为来自所述映像的一中心的一中心射线(center ray)。在另一可选实施例中，所述光对应于一映像，并且所述多个中心射线(central rays)对应于所述映像的一中心像素(central pixel)。在另一可选实施例中，所述最后的反射面具有一反射率(reflectivity)，所述反射率实质上为一名义反射率(nominal reflectivity)的100％，所述名义反射率是存在于所述波导件中的一特定位置处所需的全反射(total reflection)。在另一可选实施例中，所述第三宽度小于所述第二宽度。在另一可选实施例中，所述第三宽度实质上为所述第二宽度的一半。在另一可选实施例中，所述一个或更多个中间的反射面的一数量是选自于由下列组成的一群组：一个；二个；三个；四个；五个；及多个。

在另一可选实施例中，一恒定数量的所述多个反射面沿着朝向所述光的一名义观察点(nominal point of observation)的一视线形成交叠，所述光是经由所述多个表面的所述第一对中的一个耦出所述波导件。在另一可选实施例中，所述多个反射面的所述第一序列的所述多个反射面中的一个的一宽度相对于所述多个反射面的所述第一序列的所述多个反射面中的一相邻的一个的一宽度呈单调地变化。在另一可选实施例中，在所述多个反射面的所述第一序列的多个相邻的反射面中的一对之间的一空隙相对于在所述多个反射面的所述第一序列的多个相邻的反射面中的另一对之间的一相邻的空隙进行变化。在另一可选实施例中，来自所述第一区域的所述光的传播过程使得所述光的至少一部分在遇到所述一个或更多个中间的反射面中的一个前先遇到所述最先的反射面。在另一可选实施例中，在多个相邻的反射面之间的一空隙大于被耦入(coupled into)所述光导件的所述光的一同调长度(coherence length)。

在一个可选实施例中，所述第一宽度实质上是等于所述第二宽度；及所述最先的反射面具有一第一区段(first section)，所述第一区段对应于所述最先的反射面的所述几何投影，所述最先的反射面与一相邻的中间的反射面的所述几何投影是非交叠的。在另一可选实施例中，所述第一区段对于所述光而言是透光的。在另一可选实施例中，所述第一区段具有一反射率，所述反射率实质上为一相邻的反射面的一反射率的两倍。在另一可选实施例中，所述多个反射面中的每一个横跨穿越所述反射面具有一均等的部分反射率(uniform partial reflectivity)。

在一个可选实施例中，所述波导件还具有：多个相互平行的表面中的一第二对，并且所述第二对不平行于所述多个表面的所述第一对；及所述多个反射面被配置成使得：当一映像以倾斜于多个表面的所述第一对及所述第二对的一角度沿一传播初始方向在所述第一区域处被耦入所述波导件时，所述映像则沿着所述波导件以四重内部反射(four-foldinternal reflection)的方式前进。

在另一可选实施例中，所述多个表面中的所述第二对垂直于所述多个表面中的所述第一对。在另一可选实施例中，所述多个反射面中的每一个是相对于所述多个表面的所述第二对呈一倾斜角度(oblique angle)。

在一个可选实施例中，所述最先的反射面的所述第一宽度实质上等于所述多个中间的反射面的所述第二宽度；所述最先的反射面的一第一反射率大于一名义反射率(nominal reflectivity)的50％；邻近所述最先的反射面的一第二个反射面具有一第二反射率，使得所述第二反射率加上所述第一反射率实质上是所述名义反射率；邻近所述第二个反射面的一第三个反射面具有一第三反射率，所述第三反射率大于所述名义反射率的50％且小于所述第一反射率；及邻近所述第三个反射面的一第四个反射面具有一第四反射率，使得所述第四反射率加上所述第三反射率实质上是所述名义反射率。

在另一个可选实施例中，所述最先的反射面的所述第一宽度实质上等于所述多个中间的反射面的所述第二宽度；多个奇数起始的反射面的一序列(a sequenceofbeginning odd facets)包括所述最先的反射面及与最先的反射面相距一给定数量的每一个其他的反射面；多个偶数起始的反射面的一序列(a sequence of beginningevenfacets)包括与所述最先的反射面相邻的一第二个反射面及与所述第二个反射面相距一给定数量的每一个其他的反射面；多个反射面的一第一集合包括来自所述奇数起始的反射面的所述序列的一第一个奇数的反射面及来自所述奇数起始的反射面的所述序列的一对应的第一个偶数的反射面；所述第一个奇数的反射面具有一第一反射率，所述第一反射率大于一名义反射率的50％；所述第一个偶数的反射面具有一第二反射率，使得所述第二反射率与所述第一反射率相加实质上为所述名义反射率；所述多个反射面的每个后续的集合包括来自所述奇数起始及所述偶数起始的各个序列的一下一个奇数的及偶数的反射面；来自所述后续的集合的所述多个奇数的反射面中的每一个具有一奇数反射率，所述奇数反射率大于所述名义反射率的50％且小于来自前一集合的一奇数的反射面的一反射率；及来自所述多个后续的集合的所述多个偶数的反射面中的每一个具有一偶数反射率，使得所述奇数反射率与一相应的偶数的反射面的偶数反射率相加实质上为所述名义反射率。

附图说明

在此仅通过举例的方式参照附图描述实施例，其中：

图1是一先前技术的折叠式光学装置(folding optical device)的一侧视图。

图2是一示例性的光导光学元件(light-guide optical element)的一侧视图。

图3A及图3B是以图解说明对于两个入射角范围的多个选择性反射表面(selectively reflecting surfaces)的期望的反射率及透射率的特性(desiredreflectance and transmittance characteristics)。

图4是以图解说明一光导光学元件的一示例性配置图。

图5是以图解说明一光导光学元件的其他配置图。

图6是以图解说明具有一对称结构的一横向光瞳扩张的一维波导件(transversepupil expansion one-dimensional waveguide)的细部剖视图。

图7是以图解说明利用一双LOE配置沿二轴线扩展一光束的一方法的图。

图8是以图解说明利用一双LOE配置沿着二轴线扩展一光束的另一方法的图。

图9是以图解说明被嵌入在一标准眼镜框架中的多个LOE的一示例性实施例。

图10A是以图解说明变化对映像均匀性(image uniformity)的影响的具有多个非交叠的反射面的一波导件的一示意图。

图10B是以图解说明变化对映像均匀性的影响的具有多个交叠的反射面的一波导件的一示意图。

图11A至图11C是用于实现具有不同角度传播配置的多个交叠的反射面的示例性替代配置。

图12A及图12B分别是一个二维光学孔径倍增器(twodimensionalopticalaperture multiplier)的示意性侧视及前视的表现形式。

图12C及图12D是以图解说明相对于来自图12A及图12B的所述光学孔径倍增器波导件中的多个部分反射的内部反射面进行传播的多个映像射线(image rays)的两种可能的几何形状的示意图。

图13是以图解说明具有皆相对于多个细长平行外表面的集合倾斜地斜向的多个内部分反射的反射面的一2D波导件的一实现方案的一示意性等距视图。

图14A及图14B是分别以多个交叠的反射面被建构的一光学孔径倍增器的示意性侧视及前视的表现形式。

图15A及图15B是分别改换图14A及图14B的结构的一光学孔径倍增器用以对一自由空间光学布置产生扩展过程的示意性侧视及前视的表现形式。

图16A至图16C是多个示例性反射面的实现方案的草图。

图17A是双重的反射面的一粗略草图。

图17B是不同的反射面的间隙的一粗略草图。

图17C是从所述波导件的近端到远端减小反射面的间隙的一粗略草图。

图17D是不同的反射面的宽度的一粗略草图。

图18是将多个交叠的反射面应用于一对称结构的一粗略草图。

图19A是在一双重交叠的配置中的总名义反射率(total nominal reflectivity)的一图形。

图19B是使用交替性反射面反射率的一变化的在一双重交叠配置中的总名义反射率的一示例性图形。

图20A是以图解说明可以被用以产生具有多个交叠的反射面的一波导件的一过程。

图20B至图20E是对于一耦合棱镜的附接过程的一示例性过程。

图21A至图21D是用于创建具有多个交叠的反射面的一波导件的一示例性过程的进一步细节。

缩写及定义

为了便于参考，本节包含本文件中使用的缩写(abbreviations)、首字母缩写(acronyms)及简短定义(short definitions)的一简要列表。本节内容不应被视为限制。更为详细的描述可以在下面被找到，也可以在适用的标准中被找到。

1D-一维(one-dimensional)

2D-二维(two-dimensional)

CRT-阴极射线管(cathode ray tube)

EMB-眼动箱(eye-motion-box)

FOV-视场(field-of-view)

HMD-头戴式显示器(head-mounted display)

HUD-抬头显示器(head-up display)

LCD-液晶显示器(liquid crystal display)

LOE-光导光学元件(light-guide optical element)

OLED-有机发光二极管阵列(organic light emitting diode array)

SLM-空间光调变器(spatial light modulator)

TIR-全内反射(total internal reflection)

具体实施方式

参考附图及所附描述可以被更好地理解根据本实施例的系统的原理及操作。本发明是一光学装置(optical device)，用以朝一观看者产生均匀的反射。

多个反射面(facets)的交叠(overlap)的配置的特定管理方式减少在朝向一名义观察点(nominal point of observation)耦出的一映像中的不均匀性。一波导件(waveguide)包括：至少二平行的表面；以及多个最先的、中间的及最后的部分反射的反射面。所述波导件被配置成使得在所述多个反射面被映射到所述多个表面中的一个的一几何投影中，所述多个反射面是交叠的，优选为所述相邻的反射面形成交叠，并且多个非相邻的反射面的多个起点及多个终点沿着所述波导件的至少一部分形成重合。

基本技术-图1至图9：

图1以图解说明一常规先前技术的折叠式光学装置，其中所述基板(substrate)2被一显示来源(display source)4照亮。所述显示器藉由一准直光学器件(collimatingoptics)6而被准直，譬如藉由一透镜。来自所述显示来源4的光藉由一第一反射表面(firstreflecting surface)8以所述主要射线(main ray)11平行于所述基板平面的方式被耦入基板2中。一第二反射表面(second reflecting surface)12将所述光从基板中耦出到一观看者(viewer)14的眼睛中。尽管这种配置具紧凑性，但是这种配置有明显的缺点。特别是，只能有非常有限的FOV被实现。

现在参考图2，这是一示例性的光导光学元件(LOE)的一侧视图。为了减轻上述限制，本实施例利用在一光导光学元件(LOE)内被制造的多个选择性反射表面的一阵列(array of selectively reflecting surfaces)。所述第一反射表面16被一准直显示光射线(collimated display light ray)(多个光束)18照射，所述准直显示光射线(多个光束)18从位于所述装置后面的一光来源(未示出)发出。在当前的附图中，为了简单起见，通常仅一光射线(light ray)被描绘，即所述传入的光射线(incoming light ray)38(也被称为“光束(beam)”或“传入的射线(incoming ray)”)。入射光的其他射线，诸如多个光束18A及18B，可被用于指定所述入射瞳孔(incident pupil)的边缘，诸如入射瞳孔的左边缘及右边缘。通常地，在本文中，一映像(image)是以一光的光束(light beam)表示，应该注意的是，所述光束是所述映像的一样本光束(sample beam)，典型地由多个光束以略微不同的角度形成，每个角度对应于所述映像的一点或像素。除了具体被称为所述映像的一末稍(extremity)之外，以图解说明的所述光束通常是所述映像的一质心(centroid)。

所述反射表面16是反射来自所述来源的所述入射光(incident light)，使得所述光藉由全内反射(total internal reflection)被捕获在一波导件20内。所述波导件20也被称为“平面基板(planar substrate)”及“透光基板(light-transmitting substrate)”。所述波导件20包括至少二相互平行的(主要)表面，在本图中被示出为一下(主要)表面26及一上(主要)表面26A。

传入的光射线38在所述基板的一近端(图中的右侧)进入所述基板。光通过所述波导件及一个或更多个反射面传播，通常地至少为多个反射面，典型地为几个反射面，所述反射面朝向所述波导件的一远端(图的左侧)。光在传播的一初始方向28及传播的另一方向30都通过所述波导件进行传播。

在几次反射离开基板20的表面之后，多个被捕获的波到达多个选择性反射表面(selectively reflecting surfaces)22的一阵列，所述选择性反射表面22将来自基板的光耦合到一观看者的眼睛(eye)24中。在多个可替代的配置中，所述多个选择性反射表面(selectively reflecting surfaces)22紧接在光射线18进入所述基板之后，而没有先反射出所述基板20的所述多个表面。

多个内部的(internal)、部分反射表面(partially reflecting surfaces)，诸如多个选择性反射表面(selectively reflecting surfaces)22，在本文件的上下文中通常被称为“反射面(facets)”。在极限情况中，反射面也可以是完全反射的(entirelyreflecting)(反射率100％，或是一镜件，例如：一基板的所述远端的最后的反射面)或最小反射的(minimal-reflecting)。对于多种增强现实应用(augmentedrealityapplications)，所述多个反射面是部分反射的，允许来自所述真实世界的光经由上表面26A进入，横贯穿过(traverse)包括多个反射面的所述基板，并且经由下表面26离开所述基板到达所述观看者的所述眼睛24。对于多种虚拟现实应用(virtualrealityapplications)，所述多个反射面可以具有多个替代的反射率(alternativereflectivities)，诸如具有100％反射率的反射镜中的所述第一耦合，因为来自真实世界的所述映像的光不必横贯穿过这个反射镜。所述多个内部分反射表面(internalpartially reflecting surfaces)22通常至少部分地以与波导件20的伸长方向呈一倾斜角度(oblique angle)(即，既不平行也不垂直)而横跨穿越所述波导件20。

对反射率的参考通常是与所述名义反射率有关的。所述名义反射率是在所述基板中的一特定位置处所需的全反射(total reflection)。例如：如果一反射面的所述反射率被称为50％，则这通常是指所述名义反射率的50％。在所述名义反射率为10％的情况下，50％的反射率导致所述反射面的所述反射率为5％。本领域技术人员将理解在上下文中使用的反射率的百分比的用法。部分反射可以藉由多种技术被实现，包括但不限于一定百分比的光的透射或者偏振的使用。

图3A及图3B以图解说明多个选择性反射表面的一期望反射行为(desiredreflectance behavior)。在图3A中，所述射线32从反射面(facet)34被部分地反射并被耦出所述基板20的38B。在图3B中，所述射线36透过所述反射面34被透射而没有任何明显的反射。

图4是将光耦入一基板中然后耦出到一观看者的眼睛中的多个选择性反射表面的一阵列的一细部剖视图。可以看出的是，来自所述光来源4的一射线38照射在所述第一部分反射表面上。所述射线41的一部分以所述原来的方向继续，并被耦出所述基板。所述射线42的另一部分藉由全内反射被耦入所述基板中。所述被捕获的射线藉由在所述点44处的其他二部分反射表面22从所述基板逐步地被耦出。所述最先的反射面16的所述涂布特性不应必然与其他反射表面22、46的涂布特性相似。这种涂层可以是一个更简单的分束器(beam-splitter)，无论是金属的(metallic)、分色的(dichroic)或混合金属分色的(hybridmetallic-dichroic)。类似地，在一非透视系统的情况下，最后的反射表面46可以是简单的一反射镜。

图5是包括多个反射表面的一阵列的一装置的一细部剖面图，其中最后的表面46是一全反射镜(total reflecting mirror)。确实，在这种情况下，最后的反射表面46的最左侧的部分不能是光学活性的(optically active)，并且多个边缘射线48不能从所述基底被耦出。因此，所述装置的所述输出孔径将会是稍小的。但是，所述光学效率可以是更高的，并且所述LOE的制造工艺可以是更简单的。

重要而要注意的是，不同于图2所示的配置，一约束(constraint)存在于所述多个反射表面16及22的所述取向(orientation)上。在以前的配置(former configuration)中，所有的光藉由所述反射表面16被耦合在所述基板的内部。因此，表面16不必平行于表面22。而且，所述多个反射表面可以被定向成使得所述光将沿与所述多个输入光波相反的方向从所述基板被耦出。对于在图4中所示的配置，然而，所述输入光的一部分不被表面16反射，而是沿着所述输入光38的一原来方向(original direction)延续，并立即从所述基板被耦出以作为输出光41。因此，为了确保源自同一平面光波的所有光将具有相同的输出方向，所有的反射表面22彼此平行是不够的，而是表面16也应平行于这些表面。

再次参考图4描述一系统，所述系统具有二反射表面，用于将所述光耦出所述基板，然而，任何数量的反射表面可以根据所述光学系统的所需输出孔径及所述基板的厚度被使用。当然，有些情况下只有一个耦出表面(coupling-out surface)被需要。在这种情况下，所述输出孔径本质上将是所述系统的输入孔径的尺寸的两倍。所述唯一需要的用为最后配置的多个反射表面是简单的多个分束器(beam-splitters)及多个镜件(mirrors)。

在图4所描述的装置中，来自所述显示来源的光于所述基板的端部处被耦入所述基板，然而，存在优选具有一对称系统的多个系统。也就是说，所述输入光应该在所述基板的中心部位被耦入所述基板。

图6是以图解说明具有一对称结构的一横向光瞳扩张的一维波导件的多个细部剖视的一图。当前的附图以图解说明一个方法以组合两个相同的基板，以产生一对称光学模组(symmetric optical module)。可以看出的是，来自所述显示来源4的光的一部分直接穿过所述多个部分反射表面而离开所述基板。所述光的其他部分则分别藉由多个部分反射表面16R及16L被耦入所述基板20R的右侧及所述基板20L的左侧。所述被捕获的光然后分别被所述反射表面22R及22L逐步地耦出。显然，所述输出孔径是所述系统的输入孔径的尺寸的三倍，具有与图8所述相同的放大率。然而，与那里的系统不同的是，这里的系统关于左方及右方的基板的所述胶合表面(cemented surface)29是对称的。

现在参考图7及图8，在图5及图6的一波导件的一顶部上的多个示例性实现方案。图5及图6的配置横向扩展所述传入的映像。图5的所述装置可以被用于实现图7的所述第一个LOE 20a，图6的所述装置可以被用于实现图8的所述第一个LOE 20a’，图2的所述装置可以被用于实现所述第二个LOE 20b。

图7以图解说明利用一双重LOE配置沿二轴线扩展所述光束的一替代的方法。所述输入光波90被耦入所述第一个LOE 20a，所述第一个LOE20a具有类似于图5所示的一非对称结构，藉由所述最先的反射表面16a而沿着所述η轴线进行传播。所述多个部分反射表面22a将所述光耦出第一个LOE20a，然后所述光藉由所述反射表面16b被耦入所述第二个不对称的LOE20b。所述光然后沿着所述ξ轴线进行传播，然后藉由所述选择性反射表面22b被耦出。如图所示，所述原始光束90沿着两个轴线被扩展，其中所述总体扩展藉由在所述元件16a及22b的所述横向尺寸之间的所述比率被决定。在图7中给出的配置只是一双重LOE设置的一示例。其中两个或更多个LOE被组合在一起以形成复杂的多个光学系统的其他多个配置也是可行的。

现在参考图8，是以图解说明利用一双重LOE配置沿二轴线扩展一光束的另一种方法的一图。通常地，所述光被所述表面16b耦合到所述第二个LOE 20b中的区域对外部光不能是透明的，而且不是所述透视区域的一部分。因此，所述第一个LOE 20a本身不必是透明的。因此，即使对于多个透视系统，通常也可以将第一个LOE 20a设计为具有一对称结构，如在当前的图中可以看到的那样。第二个LOE 20b具有一不对称结构，使得所述使用者能够看到所述外部场景。在这种配置中，所述输入光束90的一部分沿着所述原来方向92继续进入第二个LOE 20b的所述耦入镜件16b中，而所述另一部分94藉由所述多个反射表面16a被耦入所述第一个LOE20a’中，沿着所述η轴线进行传播，并且然后藉由所述多个选择性反射表面22a被耦入所述第二个LOE 20b中。两个部分然后都藉由所述反射表面16b被耦入所述第二个不对称LOE 20b中，沿着所述ξ轴线进行传播，然后藉由所述多个选择性反射表面22b被耦出。

图9以图解说明被嵌入在一标准眼镜框架(standard eyeglasses frame)107中的多个LOE 20a/20a’及20b的一实施例。所述显示来源4与所述折叠及所述准直光学器件6被组装在所述眼镜框架的所述臂部(arm)112内，正好在位于所述第二个LOE 20b的所述边缘处的LOE 20a/20a’旁边。对于所述显示来源为一电子元件的情况，诸如一小型CRT、LCD、OLED等，用于所述显示来源的所述驱动电子器件(driving electronics)114可以被组装在所述臂部112的所述后部内侧。一电源及资料介面(power supply and data interface)116可藉由一引线(lead)118或包括无线电或光学传输的其他通讯装置被连接到臂部112。替代地，一电池及微型资料链接电子器件可以被积体化(integrated)在所述眼镜框架中。被描述在图9中的所述实施例仅是一个示例。其他可能的头戴式显示器装置可以被构建，包括所述显示来源被安装而平行于所述LOE平面或在所述LOE的上部的多个组件。

此基本技术的多个附加的细节可以在美国专利案第7,643,214号中被找到。

第一实施例-图10A至图21D

现在参考图10A图，是以图解说明具有多个非交叠的反射面的一波导件对映像均匀性的变化的影响的一示意图。被感知的不均匀性的一来源涉及在不同视场中的内部反射面的角度交叠。对在此以图解说明波导件(10或20，参见图12A及图12B)的所述区域中，所述波导件包括多个内部反射面(两个被描绘为最后的反射面(last facet)2515及最先的反射面(first facet)2517)。所述被耦出的光的大部分从单一的内部反射面被反射。然而，在多个反射面的边缘处，对多个离轴角度而言是不均匀的。对于指向左侧的所述FOV的一区域(被标记为实线箭头)，一常规的间隙区域2520(通常也被称为一“欠叠区域(underlappingarea)”，“黑线(black line)”区域或“暗条纹(dark strip)”区域)将不会反射任何光，因为在这个角度上，在被最后的反射面2515与最先的反射面2517反射的光之间存在一有效的间隙(effective gap)，导致被感知的一暗条纹。另一方面，被耦出的光(被标记为虚线箭头)具有一常规的明亮区域(conventional bright area)2525(通常也被称为一“部分交叠(partially overlapping)”区域或“密集(intense)”区域)，在所述区域内存在从2515及2517被反射的光，使得所述波导件将反射几乎为两倍的光量。因此，在图10A中的所述不均匀性将在所述FOV及眼睛位置的不同区域中的所述延伸孔径上的所述中值映像强度的大约200％与0％之间变化。

现在参考图10B，是以图解说明具有交叠反射面波导件对映像均匀性的变化的影响的一示意图。如在当前附图中以图解说明的，显着的交叠被引入在所述多个反射面之间。在这种情况下，多个相邻的反射面之间的所述间隙被减半，导致在大多数眼睛位置处的所述FOV的大部分经由来自两个反射面的交叠反射从所述映像接收照明。在此示例性情况下，单个中间的反射面(middle facet)2535被配置在所述最后的反射面2515与所述最先的反射面2517之间。在所述映像的末稍处及多个反射面的末稍处附近，对于所述映像的某些区域有贡献的多个交叠的反射面的数量仍然会发生变化，如藉由欠叠区域2540所示的，所述欠叠区域2540仅发源自一个反射面(所述中间的反射面2535)及明亮区域(bright area)2545，所述明亮区域2545是由三个相邻反射面(2517、2535及2515)所贡献的。因此，所述输出的不均匀性将在所述中值反射率(median reflectivity)的50％与150％之间变化。

来自反射面2517的前半部分(光从右侧传播)处的所述光将会耦出作为被减少的能量(射线/输出光束(ray/output beam)2546)，因为在这个位置上，所述下一个反射面2535并不是交叠的，即只有一个反射面对所述观看者发出的光进行反射。在反射面2515的后半部分(射线/输出光束(ray/output beam)2547)处发生同样的被降低的功率。在这些区域，所述反射率将是所述中值反射率的50％。

所述当前实施例的一特征是所述多个反射面的交叠的配置的管理，特别地最佳化所述交叠以获得将光反射到所述观看者的一恒定数量的反射面(多于一个)。换句话说，至少二反射面对朝着一观看者的一FOV的光进行反射。

现在参照图11A至图11C，是用于实现用于多个不同反射(角度传播)的配置的交叠反射面的示例性替代配置(这些配置也在图12C及图12D中被描述)。在当前附图中，为了简化起见，仅标示出一条光的射线，即所述传入的光射线38(也被称为所述“光束(beam)”)，以多个相应耦出的射线38B。为了简单起见，交叉耦合并未被描绘。一些被耦出的射线38B1穿过所述多个内部反射面(internal facets)2560并且一些耦出射线38B2直接被耦出。

在如图11A所示的配置中，所述传入射线38从多个内部反射面2560的两侧横跨穿越多个内部反射面2560。一第一个横跨穿越过程是从反射面2562后方开始进行的，在此横跨穿越过程中，在所述反射面的这一侧上的一涂层对于这个小的角度(shallow angle)而言应该是透明的。所述光束还从另一侧横跨穿越反射面2564，即在与所述后侧相对的一前侧上横跨穿越，并且在此示例性的更陡峭角度处，所述反射面的所述涂层应该是部分反射的，使得所述光的一部分被引导出所述波导件。(一类似的单个反射面被描述在US 7,391,573 B2中)。

在图11B及图11C所示的结构中，所述多个内部反射面2560的角度及光传播的方向被设置，使得所述光束(传入的射线38)总是从所述多个反射面的相同侧通过所述多个内部反射面2560。在所述多个反射面上的所述涂层可以被用于设定所述反射率及透射率，使得所述适当的光束(38B)被反射而出。

在图11B中，所述光束38接近垂直地横跨穿越所述多个初始的内部反射面2560，如在点2568处所示，其中所述反射面的涂层被设计为透明的。一第二个横跨穿越过程是如在2570点处(更远离垂直)所示的一小的角度，其中所述涂层被设计成部分反射器，使得所述光的一部分被耦出(38B)。

在图11C中，所述反射面的涂层被设置为接近垂直的部分反射器，如在点2574处所示，并且以更远离垂直的角度被设置为透明的，如在点2576处所示。

现在参照附图，图12A至图12D以图解说明在一光学孔径倍增器(opticalaperturemultiplier)的一维(1D)及二维(2D)波导件中的多个交叠的反射面。通常地，根据本发明的一实施例的一光学孔径倍增器的术语包括一第一个光学波导件10，所述第一个光学波导件10具有一伸长方向，所述伸长方向在此被任意地以图解说明为对应于所述“x轴线”。第一个光学波导件10具有第一对平行面12a、12b及第二对平行面14a、14b，所述第一对平行面12a、12b及第二对平行面14a、14b形成一矩形横截面。多个内部分反射表面40至少部分地以与所述倾斜方向呈一倾斜角度(即，既不平行也不垂直)的方式横贯穿过第一个光学波导件10。

所述光学孔径倍增器优选地还包括一第二个光学波导件20，所述第二个光学波导件20与第一个光学波导件10是光学地耦合，所述第二光学波导件20具有一第三对平行面22a、22b，所述第三对平行面22a、22b形成一平板型波导件，即波导件20的另外两个尺寸至少比在第三对平行面22a，22b之间的距离大一个数量级。在此，多个部分反射表面45优选至少部分地以与所述第三对平行面呈一倾斜角度的方式横贯穿过第二个光学波导件20。

在所述多个波导件之间的所述光学的耦合以及多个部分反射表面40、45的布署及配置，使得当一映像在倾斜于所述第一对平行面12a、12b及第二对平行面14a、14b的一耦合角度中以传播(例如：光射线38)的一初始方向28被耦入第一个光学波导件10中时，所述映像沿着第一个光学波导件10藉由四重内部反射(映像a1、a2、a3及a4)的方式前进，在多个部分反射表面40处被反射的所述映像的强度的一比例，从而被耦入第二个光学波导件20中，然后在第二个光学波导件20中通过双重反射(映像b1、b2)的方式进行传播，其中所述映像的强度的一比例在多个部分反射表面45处被反射，以便从所述多个平行面中的一个被向外导出以作为如在一使用者的眼睛47被看到的一可见的映像(visible image)c。

现在更明确地转至图12A及图12B，是分别显示以上描述的一实现方案的第一图例的一个二维光学孔径倍增器的示意性侧视及前视的表现形式。第一个波导件10在此被称为一个二维(2D)波导件，即第一个波导件10藉由在多个平行面(在这种情况下，所述第一对平行面12a、12b及第二对平行面14a、14b)的二集合之间的反射在二维度中引导所述被注入的映像，而第二个波导件20被称为一个一维(1D)波导件，在一对平行面(在这种情况下，所述第三对平行面22a、22b)之间仅在一个维度上引导所述被注入的映像。

如图12B所示，藉由所述多个交叠的内部反射面，进一步改进以减少可能是由于“多路径(multipath)”图像的引入所产生的不均匀性。通常在多个交叠的反射面的实现方案中存在一类似的过程。在2D波导件10中传播的所述光(被标记为实心箭头并标记为“a”)被耦出(被指定为“b”)，但是来自b的一些光在被耦出作为b’以前就被反向耦合(back-coupled)到a’(被标记为虚线箭头)。在“a”与“b”之间的这种来来回回(back-and-forth)的耦合致使横跨穿越所述孔径的强度得以均化，同时保持光并行度(light parallelism)，藉以进一步改善光均匀性(light uniformity)。这种改进还可以在具有使用多个交叠的反射面的一类似过程的其他波导件中被实现，诸如在图12A中所示用于1D波导件20。在1D波导件20中传播的所述光(被标记为实线箭头，并被示出为光束“b1”及“b2”)被耦出(被示出为光束“c”)，但是来自光束c的一些光在被耦出作为光束c3及c4(标记为虚线箭头)以前就被反向耦合到b2’(被标记为虚线箭头)。

来自一光学映像生成器(optical image generator)(未被示出)的光的光束38以一角度被注入第一个波导件10中。因此，如图12A的所述侧视所示，所述光在从所述波导件的全部四个外部的表面被反射的同时沿着波导件10传播。在这个过程中，四个共轭光束向量被生成为a1、a2、a3及a4，所述a1、a2、a3及a4代表所述映像藉由多个反射面被内部地反射的相同映像。

被注入到波导件10中的光束38的所述角度被设置为从此波导件的全部四个外部表面进行反射。所述光的光束应该以小的(掠过)角度从第一个波导件10的底面12b进行反射，所述底面12b即与第二个波导件20相邻的面，并且优选应当以陡峭的角度从10透射到20。这种性质可以通过全内反射(TIR)或通过光学涂层被完成。一衍射图案(diffractivepattern)也可以藉由在同一表面上结合衍射(diffraction)与透射(transmission)以执行这种光学性质。来自第一个波导件10的另外三个面12a、14a及14b的反射可以用相同的方式或者藉由使用一反射的涂层被产生。

在第一个波导件10中的所述被引导的光的光束的部分(例如光束a1及光束a2)被所述内部平行的部分反射器(多个反射面)40反射而向下投射到第二个波导件20的一输入耦合表面(input coupling surface)上。在第二个波导件20中，这些光束被定义为示例性光束b1及b2。在这个过程中，所述交叠的配置引起交叉耦合(cross-coupling)，藉而改善均匀性而不降低映像品质(如所描述的)。

多个光束b1及b2被多个外部面反射并变为共轭的，即光束b1被反射为光束b2，反之亦然(如图12A所标示)。第一个波导件10的外部的前面14a及背面14b应当相互平行，并且在所述实现方案中，应当平行于第二个波导件20的相应外部面22a、22b。任何对于并行度的偏差都将导致来自光束b1及b2的被耦合的映像并非被精确共轭的映像，并且映像的品质会降低。

在第二个波导件20内的所述多个内部反射面45将所述多个波导件的外部的光束b2反射到所述观看者47的眼睛中。所述多个内部反射面45也可以交叠，从而进一步改善如对反射面40所述的映像均匀性。

在图12C及图12D中进一步解释在波导件10及20中的所述多个内部反射面的所述反射过程。两种基本配置被绘示，并且不同的是所述多个光的光束及所述多个反射面的多个相对角度。在此示意的图例中，由于从相应波导件的一侧视被观察到的每一个相同的几何考虑因素，所以所述多个光束a1、a2及b1被描绘为相同的向量(将仅参考光束b1)。光束a3、a4及b2也被描述为相同的向量(将仅参考b2)。

光的光束b2实际上是如图12C中两个向量所示的在相同方向上传播的一束射线。在这种情况下，一个向量被所述外部面反射成为光束b1，并且投射到所述一个向量的一部分被反射作为光束c1的所述内部反射面40(或45)。其他的光束b2向量被反射面直接地反射作为向量光束c2。所述向量光束c1及c2不必然要按照这个顺序呈现所述正常映像(normalimage)及鬼影映像(ghost image)。在这种结构中，多个光束b1及b2从同一侧照射到反射面45上。

图12D本质上描述相同的过程，但其中几何形状则是使得光束b1及b2从相对侧照射到反射面40(或45)上。

在这两种情况下，在S及P极化中的映像c1及c2的反射的大小由这些反射面上的所述涂层决定。优选地，一个反射是所述映像而另一个反射被抑制，因为另一个映像对应于一不想要的“重影”映像。用于控制入射光束角度的哪个范围被反射以及入射光束角度的哪个范围被透射的合适的涂层是本领域已知的，并且可以发现在与本发明共同被转让的美国专利案第7,391,573号及第7,457,040号中被详细描述。

图13以图解说明另一实现方案，其中第一个波导件10的所述部分反射表面，在此被标记为155，与两个面12a及14a形成一倾斜角度。(所述虚线被意图便于观察所述多个反射面的倾斜程度，藉由显示皆垂直于两个外部表面的一平面，而另一个仅相对于一个表面倾斜)。

现在参考图14A及图14B，分别是以所述交叠的反射面被建构的一光学孔径倍增器的示意性侧视及前视的表现形式。以上参考图12A及图12B描述当前附图的一般操作，多个反射面的所述交叠被应用在所述2D波导件10以及在所述1D波导件20中。在此示例中，在图14B中，所述2D波导件10最后横向地扩展所述光学孔径(在当前附图中从右到左)，并且所述1D波导件20在将所述光透射到所述观看者47的眼睛以前垂直地扩展所述光学孔径(在当前图中从上到下)。

在图14A中，光(被显示为传入射线38)被耦入2D波导件10中。此波导件包括所述交叠的反射面40。虚线在当前图中被使用以显示如用双线示出的所述多个反射面40的对齐情况。在此实施方式中，所述最先的反射面40a及所述最后的反射面40b具有比所述多个内部反射面40中的所述多个中间的反射面更小的面积。这使得被所述2D波导件10耦出(“b”)的光能够实质为均匀的，因为所述被耦出的光‘b’起源于由包括在所述2D波导件10的开始及结束处的一恒定数量的多个反射面。例如：输出射线b10及输出射线b20(当从波导件10输出时实际上是交叠的，但为了清楚起见在图中稍微分开)产生一被结合的输出，所述被结合的输出起源于二反射面(最先的反射面40a及所述多个内部反射面40中的一相邻的反射面)。类似地，多个输出射线b30及b40从二反射面产生一输出。

为了进行比较，回头参照图10B，其中来自所述第一个全反射面2517的所述光输出光束2546及来自最后一个全反射面的所述光输出光束2547以被减少的能量被耦出。由于部分的最先的反射面40a及最后的反射面40b与所述相邻的反射面40交叠的更短少，使用所述部分的最先的反射面及最后的反射面(40a、40b)将能避免此被降低的能量。注意的是，如果被照亮的最后的反射面被设计成具有100％的反射率(当被用于增强观看时为100％的名义反射率)，则所述最后的反射面将会表现的与完整的反射面2515相似。

对于所述2D波导件10描述的所述交叠的反射面的配置的运作类似对于所述1D波导件20。所述内部反射面45将所述光反射到所述观看者47。所述1D波导件的多个内部反射面45的交叠方式是如对于2D波导件的多个内部反射面40所描述的那样。类似部分的最先的反射面40A及最后的反射面40b，最先的反射面45a及最后的反射面45b具有被缩减的面积，以维持如对于2D波导件10所述的照明均匀性(illumination uniformity)。

现在参考图15A及图15B，图14A及图14B的基本结构被变换为取代所述2D波导件10，以一自由空间光学布置11(例如：在图5及图6中所描述的)表现所述横向扩展。1D波导件20的所述创新交叠结构仍被用于执行所述垂直扩展。

现在参考图16A至图16C，是多个示例性反射面的实现方案的多个草图。所述多个反射面可以用各种交叠的配置被布置，包括但不限于交叠的数量，多个反射面相对于所述波导件基板的所述多个平行的表面(主要边缘，诸如一对下表面26及上表面26a)的角度及诸多反射率。多个反射面的交叠可以被实现成在本文件的上下文被称为单个(非交叠)、双重及三重(交叠)的反射面。通常地，两个或更多个反射面的交叠(通过定义以“双重”开始)被称为“多反射面(multiple facets)”或“多交叠(multiple overlap)”。额外的超过三倍的交叠是可行的以及部分交叠，从当前的描述及多个非限制性的示例中将是显而易见的。为了在当前附图中清楚起见，从传入光射线38到耦出射线38B的传播过程未被示出。

图16A，作为参考，显示如上参考图2所描述的单个反射面或是不交叠的一常规实现方案。波导件20包括多个反射面22，所述多个反射面22在所述第一个的二表面(26、26A)之间被以双线示出。一第一区域54是光(如射线38所示)被耦入所述基板中的一区域。所述实线箭头显示耦出射线38B仅横跨穿越一个反射面(单个反射面式横跨穿越(singlefacetcrossing))。请注意的是，对“横跨穿越的(crossing)”多个反射面及“被横跨穿越的(crossed)”多个反射面的数量的引用包括计算所述耦出射线的来源的所述反射面。虚线被用于显示多个反射面22的对齐情况。在此单个反射面的配置中，所述多个反射面22未交叠，并且具体地被配置为一个反射面的末端部位与一相邻的反射面的起始部位被对齐。

对于本领域技术人员而言，对于对齐情况的引用相对于所述反射面在所述多个表面中的一个上所投射的一几何投影是显而易见的。例如：示例性反射面F1的反射面起点(facet-start)在点P1处具有被投射在下表面26上的一几何投影(geometricalprojection)。示例性反射面F2的反射面终点(facet-end)在点P1处也具有被投射在下表面26上的一几何投影。示例性反射面F2的反射面起点在点P2处具有被投射在下表面26上的一几何投影。示例性反射面F3的反射面终点在点P2处也具有被投射在下表面26上的一几何投影。

图16B是一双重的反射面(双重反射面横跨穿越(double facet crossing)、双重交叠(double overlap))的一草图。此为一个优选的实现方案，所述实验显示出提供良好的结果，同时最小化制造复杂性的增加(与较为高级的多种横跨穿越方式相比)。在本说明书中通常使用一双重反射面交叠的非限制性示例。一波导件(透光基板(lighttransmittingsubstrate)、波导件20)包括多个交叠的内部反射面40，所述多个反射面40在所述第一个(二个)表面(26、26A)之间被以双线示出。一实线箭头显示传入光射线38。另一个实心箭头显示一名义射线横跨穿越二反射面，然后从所述基板被耦出(耦出射线38B显示箭头)。两个反射面(反射面F11及反射面F12)的这种横跨穿越是一双重反射面横跨穿越(double facetcrossing)。如在相似的附图中，虚线被用于显示出所述多个反射面40的对齐情况。在这个例子中，单个第一个部分的反射面40a及单个最后一个部分反射面40b被显示。

所述波导件包括至少一对彼此平行的反射面(下表面26及上表面26A，被称为“多个第一表面”)。一基板宽度52是在所述多个第一表面之间的一距离。一第一区域54是在光(如射线38所示)被耦合到所述基板中的一区域。

所述波导件包括多个反射面56的一序列。所述多个反射面的所述序列56包括一最先的反射面(40a)、一最后的反射面(40b)及一个或更多个中间的反射面(40c)。所述最先的反射面40a位于接近所述第一区域54处，此处是接近多个反射面56的所述序列的最近部分。所述最先的反射面在所述多个第一表面(26、26a)之间沿一方向具有一第一宽度(52a)。

所述最后反射面40b位于远离所述第一区域54的多个反射面56的一序列的一远端55处。所述最后的反射面40b在所述多个第一表面(26、26a)之间沿一方向具有一第三宽度52b。

一个或更多个中间的反射面40c位于所述最先的反射面40a及所述最后的反射面40b之间。所述中间的反射面(的每一个)在所述多个第一表面(26、26a)之间沿一方向具有一第二宽度52c。为了清楚起见，仅显示一个第二宽度52c。在一典型的实现方案中，所有中间的反射面的所述宽度将是相等的。然而，这种实现方案不是限制性的，并且每个反射面的宽度可以是相互不同的，如下所述。中间的反射面的所述数量可以根据应用而变化。所述一个或更多个中间的反射面的典型数量包括一个、二个、三个、四个、五个及多个。

多个反射面56的所述序列中的每一个反射面通常是一至少部分反射表面，与所述多个表面(26、26a)呈一倾斜角度，在所述反射面宽度的一近端侧上具有一反射面起点，并且在所述反射面宽度的一远程侧上具有一反射面终点。多个示例性的反射面起点被显示，对于所述最先的反射面40a则如点57a；对于与所述最先的反射面40a相邻的一中间的反射面则如点57m，对于一下一个中间的反射面则如点57n，及对于所述最后的反射面40b则如点57b。类似地，多个示例性的反射面终点被显示，对于所述最先的反射面40a则如点58a；对于与所述最先的反射面40a相邻的一中间的反射面则如点58m，对于一下一个中间的反射面则如点58n，及对于所述最后的反射面40b则如点58b。

所述多个反射面的交叠的一对齐情况现在被描述。首先，我们定义一几何投影沿从所述基板20被耦出的一名义射线38B的一方向被投射在所述多个表面中的一个(在这种情况下，我们将使用下表面26)。所述名义射线38B通常实质上是从所述基底20被耦出的所述光的一中心射线。通常地，所述名义射线38B是一设计者希望在所述射线场中具有最佳性能的一射线。一名义射线38B也可以是用于所述基板20上的一特定位置的最佳射线。在某些特别优选的实施例中，所述名义射线被设计为垂直于所述光导光学元件的所述多个平行表面，但是取决于各种设计考虑，所述名义射线可以相对于这些平行表面的一法线(normal)倾斜一个或两个尺寸。注意的是，如果一名义射线38B未垂直于所述基板20的所述平行表面(例如26)，那么所述名义射线38B与所述表面呈一角度，所述名义射线38B将在从所述基板20耦出时折射，并且在所述基板20外侧处于一不同的角度。在本文件的上下文中，通常参考所述基板20内侧的所述名义射线38B。通常所述名义射线对应于来自中心或接近所述传入映像的中心的一射线。在一些实现方案中，所述名义射线是所述传入映像的所述主要射线。通常地，所述传入光38对应于一映像，并且所述中心射线是来自所述映像的一中心的一中心射线。附加地或替代地，所述传入光38对应于一映像，并且所述中心射线对应于所述映像的一中心像素。

接着，所述最后的反射面40b及所述一个或更多个的中间的反射面40c中的每一个的所述几何投影是与一相邻的一个或更多个的中间的反射面40c及所述最先的反射面40a的一各自的所述几何投影形成交叠。换句话说，多个相邻的反射面形成交叠。例如：在所述远端的最后的反射面40b与相邻的最左侧(在图中)的中间的反射面形成交叠，所述多个中间的反射面40c中的每一个与一相邻的中间的反射面形成交叠，并且在所述近端的最右侧的中间的反射面与所述最先的反射面40a形成交叠。

另外，所述最后的反射面57b的所述反射面起点及所述一个或更多个中间的反射面(诸如57n、57m)中的每一个的所述几何投影实质上优选与所述一个或更多个中间的反射面(诸如58n、58m)及所述最先的反射面58a的一非相邻的反射面终点的一各自的几何投影形成重合。换句话说，每一个反射面起点沿名义射线耦出的一方向与一非相邻的反射面终点对齐或优选地紧密对齐(除了所述最先的反射面40a明显例外，因为没有反射面终点与它对齐)。所述重合是沿着所述基板的至少一部分。

替代地，反射面的交叠可以被描述为在视线中交叠的恒定数量的反射面朝向通过其中一个表面耦合出基底的光的观测点的名义观察点。换句话说，所述名义点是一使用者的一眼睛47的一典型位置，即一观看者的一眼睛的一瞳孔的最可能的位置。在一些应用中，所述名义点是所述观看者的眼球的中心。多个内部反射面被最佳化，以藉由具有在所述视线中朝向一名义观察点交叠的恒定数量的反射面朝向所述观看者产生均匀的反射。

所述当前实施例的一特征是多个反射面的所述交叠的所述配置的特定管理。在这种情况下，对于双重反射面横跨穿越，每一个最先的反射面及中间的反射面的所述反射面终点与一相邻的中间的反射面或最后的反射面的中心位于同一条线上。同样，每一个最后的反射面及中间的反射面的所述反射面起点与一相邻的中间的反射面或最后的反射面的中心在同一条线上。在这种情况下，以下的多个示例性反射面具有多个几何投影投射在以下的多个点处的下表面26上：

在点P11处的反射面F11的反射面终点；

在点P12处的反射面F11的中间；

在点P14处的反射面F11的反射面起点；

在点P12处的反射面F12的反射面终点；

在点P14处的反射面F12的中间；

在点P14处的反射面F13的反射面终点；及

在点P13处横跨穿越多个反射面F11及F12的射线38B。

因此，中间的反射面F11的近端与相邻的中间的反射面F12的所述远端形成交叠，并且中间的反射面F11的所述反射面起点与非相邻的中间的反射面F13的反射面终点形成对齐。

所述多个反射面通常相互平行且间隔恒定，意即，在多个反射面的所述序列的多个相邻的反射面中的一对之间的一间隙与在多个反射面的所述序列的相邻的反射面的另一对之间的一间隙是相同的。例如：在反射面F11与反射面F12之间的间隙59a是与在反射面F12与反射面F13之间的间隙59b实质上是相同的。在多个相邻的反射面之间的所述间隙通常大于被耦入所述基板中的所述光的同调长度(coherence length)。同调长度是在一同调波(譬如一电磁波)上保持一特定同调度(specified degree of coherence)的传播距离(propagation distance)。通常地，所述同调长度是波长的平方除以光谱宽度(spectralwidth)。如果反射面间隙沿着所述波导件被改变，则多个交叠的条件应该被保留。

在一优选实施例中，所述最先的反射面的所述第一宽度小于所述一个或更多个中间的反射面的所述第二宽度。换句话说，所述最先的反射面是一部分反射面。在一示例性实现方案中，所述第一宽度实质上为所述第二宽度的一半。

在另一种选择中，所述第三宽度小于所述第二宽度。换句话说，所述最后的反射面是一部分反射面，最好是所述中间的反射面的宽度的一半(所述第三宽度实质上是第二宽度的一半)。在另一种选择中，所述最后半反射面具有一反射率，所述反射率实质上为一名义反射率的100％。例如：如果所述名义反射率是50％(如双重交叠的情况)，那么在所述波导件的所述远半端(distal half end)，所述最后的反射面将具有50％的反射率。例如：在图10B中，如果反射面2517的一半具有100％的名义反射率，则射线2546将具有如所述被耦出的光的其余部分相同的强度。类似地，如果反射面2515的一半具有100％的反射率，则射线2547也将具有如被耦出的光的其余部分相同的强度。

来自所述第一区域的所述光的所述传播使得所述光的至少一部分在遇到一个或更多个中间的反射面中的一个以前就遇到所述最先的反射面。

现在参考图16C为三重反射面(三重反射面横跨穿越，三重交叠)的一草图。类似于其他示例，一波导件(波导件20)包括多个交叠的内部反射面40，所述多个交叠的内部反射面40以双线被示出在所述多个第一表面(26、26A)之间。一实线箭头显示一名义射线横跨穿越三个反射面，然后从所述基板被耦出(箭头耦出射线38B)。如在相似的附图中，虚线被用于显示出所述多个反射面40的对齐情况。在这个例子中，多个(具体地说是两个)最先部分反射面及多个(两个)最后部分反射面被示出。

通常地，多个反射面被从所述波导件基板耦出的所述名义射线横跨穿越。在一双重反射面横跨穿越的示例中，被横跨穿越的反射面数量是两个。同样地，在一个三重反射面横跨穿越的示例中，被横跨穿越的反射面的数量是三个。一般来说，对多个反射面的所述序列中的全部而言，被横跨穿越的反射面的数量是恒定的。构建一波导件，所述波导件具有一恒定数量的被横跨穿越的反射面，可以用多种配置被实现。例如：如参照图16B所描述的那样，所述最先的反射面40a的所述第一宽度52a实质上可以是所述相邻的中间的反射面(所述多个中间的反射面40c中的一个反射面)的所述第二宽度52c的一半。在另一个示例中，所述最先的反射面的1/4及所述相邻的反射面的3/4可以被使用。另一个示例，参见图16C，所述最先的反射面40a及一最先相邻的反射面(first adjacent facet)F14都是所述下个相邻的反射面(next adjacent facet)F15的所述宽度的部分。

基于对多个交叠的反射面的实现方案使用一示例性lD波导件(例如：所述lD波导件20)的当前描述，本领域技术人员将能够实现用于一2D波导件的多个交叠的反射面(例如：在所述2D波导件10中)及其他波导件的配置。

参照图14A、图14B及图13。一般来说，在一2D波导件中，所述波导件包括所述第一表面(26、26a或12b、12a)及多个表面的一第二对(14a、14b)。所述多个第二表面(14a、14b)是相互平行且不平行于所述多个第一表面(12b、12a)。类似相对于所述多个第一表面的多个反射面的宽度，所述最先的反射面在所述多个第二表面之间沿一方向具有一第四宽度，所述最后的反射面在所述多个第二表面之间沿一方向具有一第六宽度，并且所述一个或更多个中间的反射面在所述多个第二表面之间沿一方向具有一第五宽度。所述2D波导件的一特征在于：所述多个反射面被配置使得当一映像在倾斜于所述第一表面及第二表面的一耦合角度内以传播的一初始方向被耦合到所述波导件中时，所述映像沿所述波导件以四重内部反射的方式前进。

在一替代实施例中，所述多个第二表面垂直于所述多个第一表面。在另一替代实施例中，每个反射面与所述多个第二表面呈一倾斜角度。

现在参考图17A至图17D，是所述诸多替代反射面配置的诸多粗略草图。在当前的附图中，所述多个反射面是平行的。

相较之下，现在参考的图17A是如图16B被详细描述的多个双重反射面的一粗略草图。由于所述波导件将所述映像朝向一使用者的眼睛47投射，不同的光射线以不同的角度传播，藉此产生交叠及欠叠，这降低均匀性(引入不均匀性)，如上面参考图10A所述。图17A的所述交叠配置(类似于图16B及图10B)相对于图10A(类似于图16A)的非交叠配置降低这种不均匀性效应。对于许多应用来说，这种双重配置是足够的，并且所述交叠充分地抑制不均匀性。

现在参考图17B，是不同反射面间隙的一粗略草图。从图17A的双重配置进一步减少不均匀性。图17A显示在图17B中，反射面序列的一对相邻反射面之间的间隔相对于反射面序列的另一对相邻反射面之间的相邻间隔而变化。在一优选实施例中，所述间隙变化在一对相邻的反射面与相邻的一对相邻的反射面之间是单调的。例如：间隙59d大于间隙59c，并且间隙59e大于间隙59d。注意的是，由于输出射线38B的折射，所述多个反射面的间隙的变化可以被降低，如在所述输出射线38B离开所述基板时朝向法线弯曲(为了简单起见未被示出)。在当前配置中，所述名义波的不同角度被处置，并且对于所述观看者(一使用者的眼睛47)而言，交叠是恒定的。在此非限制性示例中，所述多个名义输出射线将总是穿过二反射面。注意的是，在当前附图中，在所述基板20的中心处的所述名义射线38B与在所述基板20的多个端部(诸如近端及远端)处的所述名义射线的角度是不同的。

现在参考图17C，是所述波导件从近端到远端的反射面间隙缩小的一粗略草图。所述波导件20包括在所述波导件的第一部分中的一第一间隙及在所述波导件20的一第二部分中的至少一第二间隙。在此非限制性示例中，一第一部分61a包括多个非交叠的反射面。一第二部分61c包括多个双重交叠的反射面，而另一部分61e包括多个三重交叠的反射面。部分61b及61d是多个过渡部分(transition portions)，或是从一个离散交叠(discreteoverlapping)到另一个离散交叠的多个过渡区域(areas of transition)。在多个替代实施例中，所述些部分的交叠可以是非离散的、连续变化的或被设计成管理来自所述波导件的所述有效输出强度的另一种间隙配置。

为了沿着所述波导件保持恒定的反射强度，每个反射面必须从所述近端开始具有较高的反射系数，并且在所述远端的方向上增加反射率。这种对反射强度的管理改善对所述观看者输出的均匀性(强度的一致性)。在当前附图中，每个反射面的反射率可以被保持为恒定的，而在所述多个反射面之间的所述间隙根据所需的反射率而变化。所述光从所述近端(当前附图的右侧)被注入到所述波导件中，并且因此在所述近端具有最高的强度。在近端，反射面之间的间隙最大，反射面之间的交叠最小。当光沿着波导件(未示出)传播时，光的功率减小，并且反射面的更高的交叠补偿了这种功率的减小。因此，一整体功率输出沿着所述波导件被保持。

藉由一交叠的整数的非连续变化或藉由在多个反射面的窄间隙处的连续变化(非整数)沿着所述波导件的连续性可以被保持，其中交叠的不连续性未被观察到。

如果要在所述波导件上保持多个反射面的间隙及高度恒定，则一最佳化程序应该考虑交叠与反射面的欠叠的影响。交叠的反射面提供更多的输出功率及更多的不均匀性混合。此外，交叠导致强度从100％变化到150％(或100％±20％)，而欠叠产生50％到100％(或100％±33％)。在交叠时，相对强度变化是较小的。因此，一个或更多个反射面的反射率随着在多个反射面的所述序列中的另一个或更多个反射面的另一反射率而变化。

另请注意的是，一观看者的眼睛对强度变化没有线性响应(respond linearly)，而所述眼睛具有一对数响应(logarithmic response)。这也意谓着所述叠覆对观看者的知觉有更多的影响。鉴于上述情况，应该考虑以增加交叠为代价以减少欠叠。

现在参考图17D，是不同反射面宽度的一粗略草图。从图17A被显示在图中的双重配置进一步减少不均匀性，其中所述多个反射面的所述序列的所述多个反射面中的一个的一宽度相对于多个反射面的所述序列的所述多个反射面中相邻的一个的一宽度而变化。在一优选实施例中，对于多个反射面的整个序列，所述宽度变化在多个反射面中的一个与一相邻的反射面之间是单调的。在当前附图中，随着多个反射面的所述序列从所述近端被横贯穿过到所述远端，所述宽度从波导件的底部朝向顶部被缩短。另一种实现方案是从两侧(从所述顶部及底部朝向每一个反射面的中心)缩短所述反射面宽度。在当前的示例中，宽度59e大于宽度59d，并且宽度59f大于宽度59e。

在图17B的改变所述反射面的间隙及在图17D的改变所述反射面的宽度的实现方案中，在所述光的光束(输出射线38B)的名义会聚(nominal convergence)处的所述观看者(一使用者的眼睛47)将不会看到交叠或欠叠。然而，在眼睛位置中的任何变化都会产生一些交叠/欠叠，这将会被双重反射面配置所抑制。

现在参考图18，是将多个交叠的反射面应用于一对称结构的一粗略草图，如参考图6及图8所描述的。在当前的附图中，仅有所述顶部的横向波导件被描绘，类似于图17B的所述交叠的配置。在此对称配置中，所述第一区域(类似于图16B的第一区域54)是在光(如射线38所示)被耦入所述基板中的一区域，在此情况下是在所述波导件的中间的一区域。所述波导件的对称的左侧及右侧的每一个具有一区域，在所述区域的光被耦入所述基板的各个侧(或者被称为相邻的一第一区域及第二区域)，其中所述左侧及右侧的所述多个反射面为相等及相反的倾斜度。此对称结构也可以用图17A中的多个反射面的平行配置及图17D的变化的宽度配置被实现。

再次参考图10B，在一交叠的配置中，所述(最先全)反射面2517及(最后全)反射面2515是部分不交叠的。如上所述，具体地，反射面2517的开始与反射面2535不交叠，并且反射面2515的末端与反射面2535不交疊。因此，在这些非交叠部分中耦出的所述光(2546、2547)的强度不那么强烈。例如：在一双重交叠的配置中，所述第一全反射面的一半未被交叠，所述功率的一半将从所述非交叠部分被耦出。

几种技术可以被使用以克服非交叠开始及结束部分处的强度较低的问题。

1.在开始及结束处使用较短的多个反射面，如上面参考图14B的元件40a及40b与图16B的所述内容。

2.用一非反射涂层涂覆所述非交叠部分，以增加相对于其他(中间)反射面的名义反射率的所述非交叠部分的反射率。

3).逐渐改变所述多个反射面的特征反射率，从非交叠到交叠，如下所述。

现在为了简化，使用一双重交叠的配置以描述逐渐改变所述特征反射率的技术，但是此技术可以应用于更多重交叠的配置。

现在参考图19A，是在一双重交叠的配置中的总名义反射率的一图。所述x轴显示所述多个反射面，以被编号为“1”(一)的一反射面为起点，所述反射面是接近第一区域54的所述最先的反射面，在所述反射面处的光被耦入所述波导件(基板)中。增加被编号的多个反射面是朝向所述波导件的所述远端55的反射面“1”后续的多个反射面。所述y轴以总名义反射率的一百分比显示反射率。多个细线黑盒是每个单独反射面的反射率(名义反射率的百分比)，所述粗黑线是所述特征反射率-藉由一耦出射线经历的所述有效反射率。所示的每个反射面有一恒定的名义反射率，例如：所述名义所需反射率的50％。

所述特征反射率是对于一射线被耦出的所述波导件的一部分的各个反射率的总和。可以看出的是，从在当前示例中的反射面“1”的所述非交叠部分耦出的所述特征反射率是50％(名义值)，如可以在图10B中的射线2546(或射线2547)看到的那样。从反射面“1”及反射面“2”的交叠(两个相邻的反射面的交叠)耦出的所述特征反射率达到100％(名义值)。因此，在所述波导件的起始部分及后续部分之间存在不连续性(50％与100％)。

现在参考图19B，是使用替代反射面反射率的一变化的一双重交叠的配置中的总名义反射率的一示例性曲线图。在当前的附图中，反射面“1”(所述最先的反射面)被设计为近似无交叠(即，具有近似100％的名义值)，而反射面“2”(所述第二个反射面)被设计为具有最小的反射。因此，当被结合时，所述最先的反射面及第二个反射面具有近似一无交叠的特征反射率。类似地，反射面“3”(第三个反射面)具有与反射面“1”几乎一样高的反射率，但被降低，并且反射面“4”具有与反射面“2”几乎一样高的反射率，但被增加。在当前的附图中，反射面“7”及“8”具有50％的(名义)反射率，导致一特征反射率，如被描述在图19A中的所述双重交叠的配置。所述点划线表示奇数反射面的所述反射率(以更多非交叠涂层的参数开始)，而所述虚线表示偶数反射面的所述反射率(呈现所述增加的交叠性质)。所述粗黑(实线)表示对两个相邻的反射面(由双重交叠的及无交叠的最先的反射面所引起)的反射率相加的所述特征反射率，显示前半个反射面无半反射率，与图19A的反射面“1”的50％特征反射率相较。

尽管图19A的配置在所述波导件的开始部分及后续部分之间具有一不连续性(50％与100％)，图19B的创新配置减少此不连续性。所述残余的不连续性取决于收敛率，例如：在六个反射面以后的收敛，所述不连续性将近似为10％。因此，克服在非交叠的开始及结束部分处的强度较低的问题。当前的配置可以在所述波导件的远端处被反向地重复进行。反射率的变化的斜率(点划线及虚线(dot-dashed and dashed lines))可以被变换，以改变所得的多个反射面的所述序列的效果及特征反射率。所述波导件可以具有在所述波导件的长度上的多个交叠及非交叠特性的反射率的各种组合。例如：当前附图的反射面“4”及“5”可在至少一部分反射面的所述序列上被重复，而不收敛至反射面“7”及”8”的所述配置。

图20A以图解说明可被用于制造第一1D波导件10的一非限制性但优选的过程。为了清楚起见，在附图中，所述内部反射面不是以比例或密度被描绘。

一组被涂覆的透明平行板被附接在一起作为堆叠(400)。所述堆叠被对角地切割(402)以便生成一切片(slice)404。如果需要的话，一遮盖透明板405可以被附接在切片404的顶部及/或底部(未被绘出)上。如果需要一1D的反射面倾斜度(inclination)，则所述切片404然后垂直于所述多个反射面的所述边缘(在404上的虚线)被切割，或者如果需要所述2D的反射面倾斜度，则对角地(在404上的点划线)切割所述切片404以产生所述2D波导件406。

图20B至20E，是对一耦合棱镜的附接的一示例性程序。所述被切割的2D波导件406在图20B中被示出具有多个交叠的反射面(反射每个视线的两个反射面)。这只是一非限制性的示例，并且多个不交叠的反射面也是可行的。

如在图20B中所示，所述2D波导件406(为了清楚起见，被绘示为非透明的)被切割，例如：沿着以图接说明的虚线420A。此切割可以在任何方向，但一垂直切割减轻匹配要求的程度。优选地，如图20C所示，为了保持照明的均匀性，所述切割在存在所述多个交叠的反射面处被进行(参见图20C中的切割端部)。否则，所述最先的反射面将会反射而非交叠，从而导致被减少的照明程度。如果需要的话，一透明延伸部分413可以被添加，并且棱镜414被附接到所述波导件406，藉以产生一2D波导件416，所述2D波导件416具有一延伸及耦合的棱镜(extension and coupling prism)(如图20D所示)。在无需延伸的情况下，所述耦合棱镜414可以被直接附接到所述波导件406，以产生所述组装波导件417(如图20D所示)。所述波导件406的所述远端可以被留下，以允许任何残余的光从其散射，并且能够可选地用光吸收材料(诸如黑色涂料)涂装以最小化诸多杂散反射。

图21A至图21D是用于创建具有多个交叠的反射面的一波导件的一示例性程序。在图21A中，被切片后的2D波导件406被切割，例如：垂直地沿着两侧切割，沿着将成为所述波导件的近端的所述虚线420A切割，并且沿着将成为所述波导件的远端的所述虚线420B切割。这产生波导件420，所述波导件420在各自的近端及远端处具有多个部分反射面40a及40b。在图21B中，在此示例中，波导件426及424分别被附接到波导件420的所述近端及远端以及(图中的420、424及426)的组合被抛光(polished)，以产生在图21C中的被结合的波导件428的多个光滑外部面。在此被结合波导件428中，所述被附接的波导件426及424无须具有如波导件406精确的一折射指数(refractive index)。

这种生产方法也可以应用于不具有多个交叠的反射面波导件，以消除对于精确折射率匹配的需求。

在图21D中，可选地，藉由附接具折射率匹配的外部面427，所述被结合波导件428的所述外部反射面的平滑度及光学性质可以被改善，以产生波导件429。

注意的是，图21C及图21D绘示多个分离构件的边际(separatecomponentsmargins)，然而，对于所述光(诸如传入光射线38)，所述边际是透明的，并且只有所述多个外部面及所述倾斜的涂覆的内部面反射所述光。

当前的方法(图20A至图21D)可被应用于一1D波导件以及一2D波导件。

为了清楚起见，在本说明书中的各种实施例，诸如变化的反射面间隙、宽度及反射率，已经被分开描述。本领域技术人员将认识到的是，这些实施例可以被结合。例如：在从所述波导件的近端到远端改变反射面的宽度的同时改变反射面间隙为被缩短的。

注意的是，上述诸多示例，所使用的数字及示例性计算是有助于对本实施例的描述。不经意的印刷错误(Inadvertent typographical errors)、数学错误(mathematicalerrors)及/或简化的计算结果(simplified calculations)不会减损本发明的效用及基本的优点。

就所附权利要求书已被起草而没有多重从属性而言，这只是为了适应不允许这种多重从属性的诸多司法管辖区的诸多形式要求(formal requirementsinjurisdictions)。注意的是，藉由使得权利要求的多重从属而被隐喻的特征的所有可能的组合被显然地设想并且应该被认为是本发明的一部分。

应该理解的是，以上描述仅用作诸多示例，并且本发明在如所附的诸多权利要求所限定的范围内的许多其他实施例是可行的。

Claims

1.一种光学装置，所述光学装置包括：

一波导件，具有：

一对相互平行的主要表面；

一第一区域，光在所述第一区域处被耦入所述波导件；及

多个至少部分反射的反射面，包括：

一最先的反射面，所述最先的反射面位于接近所述第一区域处；

一最后的反射面，所述最后的反射面位于远离所述第一区域的所述多个反射面的所述第一序列的一远端处；

一个或更多个的中间的反射面，所述中间的反射面位在所述最先的反射面与所述最后的反射面之间，

其中，每个所述中间的反射面的几何投影与两个相邻的反射面的几何投影形成交叠，

所述最先的反射面及所述最后的反射面的几何投影与单个相邻的中间的反射面的几何投影形成交叠，并且

其中，所述几何投影是被投射在所述一对主要表面中的一者上的投影。