CN113678049B - 具有小的输入孔口的高效紧凑型头戴式显示系统 - Google Patents

Abstract

一种光学器件包括：透光基板；输入孔口和输出孔口；眼部运动框；基板外部的中间元件，用于将光波通过输入孔口耦合到基板中；在透光基板的两个主表面之间的第一反射表面，用于反射耦合输入的光波以实现从基板主表面的全内反射；定位在透光基板的主表面之间的平行于第一反射表面的第二平坦反射表面，用于将光波从基板耦合输出；以及光学元件，用于将通过输出孔口从基板耦合输出的光波重定向到眼部运动框中。输入孔口显著小于输出孔口，第一反射表面和第二反射表面的有效面积类似，并且每个耦合光波覆盖眼部运动框的整个孔口。

Description

具有小的输入孔口的高效紧凑型头戴式显示系统

技术领域

本发明涉及基于基板的光波引导的光学器件，并且特别涉及包括由透光基板承载的反射表面和附接到基板的部分反射表面阵列的器件。

本发明可以有利地实现在大量成像应用中，诸如头戴式和平视显示器，以及蜂窝电话、紧凑型显示器和三维显示器。

背景技术

紧凑型光学元件的一个重要应用是在头戴式显示器（HMD）中，其中光学模块既充当成像透镜又充当组合器，其中二维显示被成像到无限远并反射到观察者的眼睛中。显示器可以直接从诸如阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）、有机发光二极管阵列（OLED）、扫描源和类似设备的空间光调制器（SLM）获得，或者借助于中继透镜或光纤束间接获得。显示器包括元件（像素）阵列，所述元件（像素）阵列由准直透镜成像到无限远，并且借助于反射或部分反射表面透射到观察者的眼睛中，该反射或部分反射表面分别用作非透视和透视应用的组合器。典型地，常规的自由空间光学模块用于这些目的。随着系统的期望视场（FOV）的增加，这样的常规光学模块变得更大、更重和更笨重，并且因此，即使对于中等性能的器件，也是不切实际的。这是所有种类显示器、但尤其是在HMD中的主要缺点，其中系统应当尽可能轻和紧凑。

对紧凑性的需求已经导致了几种不同的复杂光学解决方案，所有这些解决方案一方面对于大多数实际应用来说仍然不够紧凑，并且另一方面，在可制造性、价格和性能方面经受重大缺陷。

公开号WO2017/141239、WO2017/141240、WO2017/141242和PCT/IL2018/051105中包含的教导通过引用并入本文。

发明内容

除了其他应用之外，本发明还促进为HMD提供紧凑型基板。本发明允许相对宽的FOV以及相对大的眼部运动框（EMB）值。所得的光学系统提供了大的高质量图像，这也适应了眼睛的大幅移动。根据本发明的光学系统是特别有利的，这是因为它比现有技术的实现更加紧凑，而且它甚至可以容易地并入到具有专门化配置的光学系统中。

因此，本发明的广泛目的是要减轻现有技术的紧凑型光学显示器件的缺点，并根据具体要求提供具有改进性能的其他光学组件和系统。

根据本发明，因此提供了一种包括光学器件的光学器件，该光学器件包括具有至少两个平行主表面和两个相对边缘的第一透光基板；输入孔口；靠近基板的主表面之一定位的输出孔口；具有孔口的眼部运动框；第一中间元件，具有定位在基板外部的至少两个表面，用于将具有视场的光波通过输入孔口耦合到基板中；第一平坦反射表面，具有定位在透光基板的两个主表面之间的有效面积，用于反射耦合输入的光波以实现从基板的主表面的全内反射；平行于第一平坦反射表面的第二平坦反射表面，具有有效面积并定位在透光基板的两个主表面之间，用于将光波从基板耦合输出；以及重定向光学元件，具有定位在基板外部的至少两个表面，用于将通过输出孔口从基板耦合输出的光波重定向到眼部运动框中，其中输入孔口显著小于输出孔口，第一反射表面的有效面积与第二反射表面的有效面积相似，并且每个耦合光波覆盖眼部运动框的整个孔口。

附图说明

结合某些优选实施例，参考以下说明性的图来描述本发明，使得可以更全面地理解本发明。

具体参考详细的图，要强调的是，所示出的详情以示例的方式，并且仅用于本发明的优选实施例的说明性讨论的目的，并且被呈现以提供被认为是对本发明的原理和概念方面最有用和最容易理解的描述的内容。在这点上，没有试图比对本发明的基本理解所必需的更详细地示出本发明的结构细节。结合附图进行的描述将充当对本领域技术人员的关于可以如何在实践中体现本发明的几种形式的指导。

在附图中：

图1是现有技术示例性透光基板的侧视图；

图2是另一现有技术示例性透光基板的侧视图；

图3A和3B图示了现有技术示例性透光基板中使用的选择性反射表面对于两个入射角范围的期望反射性和透射性特性；

图4图示了示例性介电涂层的作为入射角的函数的反射性曲线；

图5是现有技术的透光基板的示意性截面图，其中耦合输入和耦合输出元件是衍射光学元件；

图6A、6B和6C图示了具有耦合输入和耦合输出表面以及部分反射重定向元件的现有技术透明基板的截面图；

图7示意性地图示了根据系统的视角和EMB的耦合输出表面的有效部分；

图8A、8B、8C和8D示意性地图示了根据系统的视角和EMB的耦合输入表面的有效部分；

图9A、9B、9C和9D是根据本发明的具有单个耦合输出元件、中间棱镜和显著小于输出孔口的输入孔口的基板引导实施例的示意性截面图；

图10是图示了根据本发明的对于三种不同波长的作为入射角的函数的入射光波在界面平面上的反射的曲线图；

图11是图示了根据本发明的作为波长的函数的两种不同光波在界面平面上的入射角和界面平面的临界角的曲线图；

图12A、12B和12C是图示了根据本发明的对于三种不同波长的作为入射角的函数的入射光波在界面平面上的反射，以及两种特定光波的入射角的曲线图；

图13A、13B、13C和13D是根据本发明的具有单个耦合输出元件、中间棱镜和显著小于输出孔口的输入孔口的其他基板引导实施例的示意性截面图；

图14A、14B、14C和14D是根据本发明的具有单个耦合输出元件、中间棱镜和显著小于输出孔口的输入孔口的又其他的基板引导实施例的示意性截面图；

图15是图示了根据本发明的对于三种不同波长的作为入射角的函数的入射光波在耦合输入表面上的反射的曲线图；

图16是图示了根据本发明的作为波长的函数的两种不同光波在耦合输入表面上的入射角和耦合输入表面的临界角的曲线图；

图17A、17B和17C是图示了根据本发明的对于三种不同波长的作为入射角的函数的入射光波在耦合输入平面上的反射，以及两种特定光波的入射角的曲线图；

图18 A、18B、18C和18D是根据本发明的具有单个耦合输出元件、两个中间棱镜和显著小于输出孔口的输入孔口的基板引导实施例的示意性截面图；

图19A、19B、19C和19D是根据本发明的具有单个耦合输出元件、两个中间棱镜和显著小于输出孔口的输入孔口的基板引导实施例的其他示意性截面图；

图20A、20B、20C和20D是根据本发明的具有单个耦合输出元件、两个中间棱镜和显著小于输出孔口的输入孔口的基板引导实施例的又其他的示意性截面图；

图21是根据本发明的具有两个相邻基板的基板引导实施例的示意性截面图，所述两个相邻基板具有不同的耦合输入表面倾斜角；

图22A、22B、22C和22D是根据本发明的在具有两个相邻基板的基板引导实施例内部耦合的单个光波的示意性截面图；

图23A、23B、23C和23D是根据本发明的在具有两个相邻基板的基板引导实施例内部耦合的另一光波的示意性截面图；

图24A、24B和24C是根据本发明的在具有两个相邻基板的基板引导实施例内部耦合的又一光波的示意性截面图；

图25是根据本发明的在具有两个相邻基板、中间棱镜和显著小于输出孔口的输入孔口的基板引导实施例内部耦合的三种不同光波的示意性截面图；

图26A和26B是基板引导实施例的示意性截面图，其中不期望的光波到达系统的EMB；

图27是根据本发明的基板引导实施例的示意性截面图，该基板引导实施例具有用于消除从外表面的全内反射的吸收表面阵列；

图28A、28B、28C、28D、28E和28F是图示了根据本发明的用于制造具有吸收表面阵列的板的方法的示图；

图29A和29B是根据本发明的基板引导实施例的示意性截面图，其中不期望的杂散光线被吸收在薄板内部；

图30是图示了根据本发明的利用双基板配置沿着两个轴扩张输出孔口的方法的示图，以及

图31A和31B是使用反射透镜作为用于偏振和非偏振显示源的准直元件的基板引导实施例的其他示意性截面图。

具体实施方式

图1图示了现有技术的透光基板的截面图，其中第一反射表面16被从显示源4发出的准直光波12照射，并且由被定位在源4和器件的基板20之间的透镜6准直。反射表面16反射来自源4的入射光，使得光波通过全内反射被捕获在平面基板20内。在从基板20的主表面26、27反射几次之后，捕获的光波到达部分反射元件22，该部分反射元件22将光从基板耦合输出到观看者的具有瞳孔25的眼睛24中。在本文中，基板20的输入孔口17被限定为输入光波通过其进入基板的孔口，并且基板的输出孔口18被限定为所捕获的光波通过其离开基板的孔口。在图1中图示的基板的情况下，输入孔口和输出孔口均与下表面26重合。然而，设想其他配置，其中来自位移源4的输入和图像光波定位在基板的相对侧，或者定位在基板的边缘之一上。如所图示的，输入孔口和输出孔口的有效面积彼此类似，它们分别近似是主表面26上的耦合输入元件16和耦合输出元件22的投影。

在HMD系统中，要求EMB的整个区域被从显示源出现的所有光波照射，以使得观看者的眼睛能够同时看到投射图像的整个FOV。结果，系统的输出孔口应当相应地扩展。另一方面，要求光学模块应当轻且紧凑。因为准直透镜6的横向范围由基板的输入孔口的横向尺寸确定，所以期望输入孔口应当尽可能小。在诸如图1中图示的那些系统之类的系统中，其中输入孔口的横向尺寸类似于输出孔口的横向尺寸，这两个要求之间存在固有的矛盾。基于该光学架构的大多数系统经受EMB小和可实现FOV小以及成像模块大且笨重的影响。

图2中图示了至少部分解决该问题的实施例，其中耦合输出来自基板的光波的元件是部分反射表面22a、22b等的阵列。该配置的输出孔口可以通过增加嵌入基板20内部的部分反射表面的数量来扩展。因此，设计和构造具有小的输入孔口以及大的输出孔口的光学模块是可能的。可以看到，所捕获光线从两个不同的方向28、30抵达反射表面。在该特定实施例中，在从基板主表面26和27进行偶数次反射之后，所捕获光线从这些方向28之一抵达部分反射表面22a，其中所捕获光线和反射表面的法线之间的入射角为。

在从基板表面26和27进行奇数次反射之后，所捕获光线从第二方向30抵达部分反射表面22b，其中所捕获光线和反射表面的法线之间的入射角为。

如图2中进一步图示的，对于每个反射表面，每个光线首先从方向30抵达表面，其中一些光线再次从方向28撞击在表面上。为了防止不期望的反射和重像，对于撞击在表面上的具有第二方向28的光线而言，反射性可忽略是重要的。

先前在上文提及的出版物中提出了利用薄膜涂层的角度灵敏度的用于该要求的解决方案。如果一个角度显著小于另一个角度，则可以实现两个入射方向之间的期望区分。提供在高入射角下具有非常低的反射性且在低入射角下具有高反射性的涂层是可能的。通过消除两个方向之一上的反射性，可以利用这一特性来防止不期望的反射和重像。

现在具体参考图3A和3B，这些图图示了部分反射表面34的期望反射性行为。当具有离轴角的光线32（图3A）被部分反射并从基板20耦合输出时，以离轴角/>抵达反射表面34的光线36（图3B）透射通过反射表面34，而没有任何明显的反射。

图4图示了作为具有波长λ=550 nm的S偏振光的入射角的函数的该特定系统的典型部分反射表面的反射性曲线。对于全色显示器，对于相关可见光谱中的其他波长，应当实现类似的反射性曲线，该相关可见光谱对于大多数显示源通常在430 nm和660 nm之间。该曲线图中存在两个重要的区：在65°与85°之间，其中反射性非常低；和在10°与40°之间，其中反射性随着入射角的增加而单调增加。如在图3和4中可以看到的，图2中图示实施例的部分反射表面22所要求的反射性行为并不常规。更进一步地，为了保持较高角度区处的低反射性，在较低角度区处的反射性不能高于20% - 30%。更进一步地，为了在整个FOV之上实现均匀的亮度，需要部分反射表面的反射性将朝向基板边缘逐渐增加，并且因此，最大可实现的效率相对低，并且通常不能多于10%。

将光波耦合输入光导光学元件中和从光导光学元件耦合输出的另一种方法是通过使用衍射元件。如图5中图示的，光线34和36通过衍射元件48耦合到透明基板20中，并且在从基板的外表面几次全内反射之后，光线通过第二衍射元件50从基板耦合输出。如所图示的，光线34在元件54上的两个不同点52和54处耦合输出至少两次。因此，为了实现均匀的输出光波，元件50的衍射效率应当沿着轴逐渐增加。结果，光学系统的整体效率甚至低于图2中图示的系统，并且通常不多于百分之几。也就是说，在图2和5中图示的实施例中，以显著降低光学模块的亮度效率以及使基板的制造过程复杂化为代价，输出孔口被扩展到比输入孔口更大得多。

图6A和6B图示了用于克服上述问题的实施例。代替使用单个元件（图2中的22，或图5中的50），其执行将光波从基板20耦合输出以及将光波定向到用户的眼睛24中的双重功能，所请求的功能被划分成两个不同的元件；即，嵌入基板内部的一个元件将光波从基板耦合输出，而定位在基板外部的第二常规部分反射元件将光波重定向到观看者的眼睛中。如图6A中图示的，来自从显示源发出并且被透镜（未示出）准直的平面光波的两条光线63（虚线）以相对于基板主表面70、72为的入射角通过输入孔口86进入具有两个平行主表面70和72的透光基板64。光线撞击在反射表面65上，其以角度/>倾斜于基板的主表面。反射表面65反射入射光线，使得光线通过从主表面的全内反射被捕获在平面基板64内部。为了在捕获光波的各种“传播阶”之间进行区分，上标（i）将标示阶i。以零阶撞击在基板上的输入光波由上标（0）标示。在从耦合输入反射表面的每次反射之后，捕获光线的阶数从（i）增加一到（i+1）。第一阶捕获光线与主表面70、72的法线之间的离轴角/>为

。

在从基板表面反射几次之后，所捕获光线到达第二平坦反射表面67，其将光线从基板耦合输出。假设表面67以与第一表面65相同的角度倾斜于主表面，也就是说，表面65和67是平行的，并且，那么耦合输出的光线与基板平面的法线之间的角度/>为

。

因此，耦合输出的光线以与入射光线相同的角度倾斜于基板。到目前为止，耦合输入的光波表现得类似于图1中所图示的光波。然而，图6A图示了不同的行为，其中具有与光线63相同的入射角的两条光线68（点划线）撞击在反射表面65的右侧上。在从表面65反射两次之后，光波通过全内反射耦合到基板64内部，并且基板内部的所捕获光线的离轴角现在是

。

在从基板的主表面反射几次之后，所捕获光线到达第二反射表面67。光线68从耦合输出表面67反射两次，并以与从表面65和67仅反射一次的其他两条光线63相同的离轴角从基板耦合输出，这也是这四条光线在基板主平面上的相同入射角。尽管所有四条光线以相同的离轴角撞击并从基板耦合输出，但它们之间存在显著差异：入射在反射表面65右侧上的两条光线68更接近基板64的右边缘66，从表面65和67反射两次，并在表面67的左侧处从基板耦合输出，其更接近于基板的相对左边缘69。另一方面，入射在反射表面65左侧上的两条光线63更接近基板64的中心，并且从表面65和67反射一次，并且在表面67的右侧处从基板耦合输出，其更接近于基板的中心。

如图6A和6B中进一步图示的，可以通过添加部分反射表面79来调整图像的倾斜角，该部分反射表面79以角度/>倾斜于基板的表面72。如所示出的，图像被反射和旋转，使得它再次基本上垂直于基板的主表面穿过基板，并通过基板的输出孔口89到达观看者的眼睛24。为了最小化失真和色差，优选的是将表面79嵌入重定向棱镜80中，并且利用第二棱镜82完成基板64的形状，这二者由相同的材料制造，该材料应当不一定与棱镜80的材料类似。为了最小化系统的厚度，如图6B中图示的，利用平行的部分反射表面79a、79b等的阵列替换单个反射表面79是可能的，其中部分反射表面的数量可以根据系统要求来确定。将耦合输出的光波重定向到观看者的眼睛中的另一方式是使用由亚波长尺度模式结构化的平坦超表面。

在本文图示的实施例中，假设仅具有第一阶和第二阶轴-轴角度的光波在基板内部传播。然而，存在一些系统，其具有相当小的耦合输入和耦合输出表面的倾斜角，其中甚至可以利用第三阶和第四阶。

如图6C中图示的，输入光线71撞击在基板64上，具有离轴角。在点75a、75b和75c处从表面65反射三次之后，该光线在基板内部耦合，并在基板内部传播，具有第三阶离轴角/>。在从基板64的主表面反射几次之后，光线71撞击在表面67上。在点77a、77b和77c处从表面反射三次之后，它从基板64耦合输出，具有离轴角/>。光线71然后基本上垂直于基板的主表面被表面79a反射到观看者的眼睛24中。通常来说，对于具有几个耦合输入阶的系统，较低阶将在更接近基板边缘的反射表面部分处耦合进入基板并从基板耦合，较高阶将在更接近基板中心的反射表面部分处耦合，而中间阶将从耦合输入和耦合输出表面的中心部分耦合。

存在来自耦合输出表面67的两个矛盾的要求。一方面，前三阶图像、/>和/>应当从该平面反射，而另一方面，来自基板64的零阶图像/>应当在从表面79被反射之后基本上穿过它，而没有显著的反射。此外，对于透视系统，光学系统对于来自外部场景的基本上垂直的入射光线83的透明度应当尽可能高。实现这一点的一种方式是在表面67中使用气隙。然而，为了实现刚性系统，优选的是在表面67中施加光学粘合剂，以便使用折射率显著小于基板折射率的光学粘合剂将基板64与棱镜82粘合。然而，存在如下情形，其中为整个耦合FOV产生必要全内反射效果的光学粘合剂所需折射率非常低，大约在1.31-1.35的量级上。存在商业上可获得且具有所需折射率的光学粘合剂。尽管如此，通常它们的粘合强度不够好，并且它们对极端环境条件的抵抗力也不足以用于军事和专业应用。替代解决方案是使用旋涂程序在表面67上施加介电材料薄膜。施加的涂层材料的折射率显著小于基板的折射率，并且应当具有适当的值，这为整个FOV产生所需的从表面67的全内反射。现在可以使用光学粘合剂将基板64粘合到棱镜82，该光学粘合剂具有所需的粘合强度和对环境条件的抵抗力，同时其精确的折射率可以具有任何合理的值。

在用以最小化来自耦合输出表面67的透射光波的菲涅耳反射的任何所提出方案中，优选的是将合适的抗反射（AR）涂层施加到该表面。在此情况下，穿过基板的光波的总效率可以非常高，即，当将光波从基板耦合输出时，由于从表面67的全内反射，该表面的反射性是100%，而该表面对来自表面79的反射光波以及来自外部场景的光线的透射也由于AR涂层而接近100%。类似地，优选使用折射率显著小于基板折射率的光学粘合剂来将棱镜80粘合到基板64的下表面72，从而限定界面平面81，其中适当的AR涂层被施加到该界面平面。这里同样，通过在表面72上使用旋涂施加适当的材料并使用常规的光学粘合剂将棱镜80粘合到表面72，可以实现从表面72的全内反射。因此，通过表面67从基板耦合输出的光波的亮度类似于在通过表面65耦合到基板中之前的输入光波的亮度，并且它们的亮度唯一被衰减之处是通过从表面79的部分反射。结果，图6A-6C中图示实施例的亮度效率可以比图2和5中图示的配置的效率高一个数量级。

如上面关于图6A所解释的，在诸如用于增强现实（AR）应用的HMD之类的透视系统中，其中观看者应当通过基板看到外部场景，部分反射表面79应当至少部分透明，以使得外部光线63和68能够穿过基板并到达观看者的眼睛24。由于表面79仅仅是部分反射的，所以耦合光波63和68的仅一部分被表面79反射并到达观看者的眼睛，而光波84的另一部分穿过表面79，从棱镜80耦合输出并且没有到达观看者的眼睛。类似地，由于表面79是仅部分透射的，因此外部光线83的仅一部分穿过表面79并到达观看者的眼睛，而光线85的另一部分从表面79反射，从棱镜80耦合输出，并且也没有到达观看者的眼睛。自然，由于外部场景，投射图像的效率可以增加，并且反之亦然，即，通过增加部分表面79的反射率，耦合光线63和68的亮度增加。然而，因此，表面79的透射率降低，并且因此，外部图像83的亮度相应地降低。

与图1-5中所图示的实施例相反，将耦合输出的光从基板反射到观看者的眼睛并且同时透射外部光线的表面79是常规的部分反射镜，其不具有任何特殊或复杂的特性，分别如图2和图5中所图示的实施例的表面22和50。结果，根据外部照明条件和投射到观看者眼睛的特定图像来动态地控制部分反射表面79的反射率（并且因此控制透射率）是可能的。控制表面79的反射率的一种方式是通过使用电可切换的透反射镜，其是由特殊液晶材料制成的固态薄膜器件，并且其可以在纯反射、部分反射和全透明状态之间快速切换。实现可切换元件79的另一种方法是通过将其形成为动态超表面。可切换镜的所需状态可以由用户手动设置，或者通过使用光度计自动设置，光度计根据外部亮度控制该镜的反射率。该特征对于如下状况是有用的：投射图像与外部图像恰当组合，但是外部场景的亮度相对高，并且因此，应当主要阻止其使观看者目眩和干扰投射图像。另一方面，投射图像的效率应当足够高，以实现合理的对比度。因此，动态表面79可以被切换到主反射状态，即，可切换镜的反射远高于其透射。结果，来自基板的耦合输出的光线63和68主要从表面79反射到观看者的眼睛，并且光学系统的总效率可以多于90%，同时仍然可以恰当地看到明亮的外部场景。因此，图6A-6C中图示的实施例的潜在亮度效率可以比图2和5中图示的配置的效率高出多于一个数量级。

如图6A-6C中看到的，耦合输入表面65的孔口类似于耦合输出表面67的孔口。随后，输入孔口86的有效面积类似于输出孔口89的有效面积。结果，尽管图6A-6C中图示的实施例的潜在亮度效率可能非常高，但它仍然遭受输入孔口和输出孔口类似的问题。因此，应当找到一种适当的方法来在给定输出孔口的情况下减小输入孔口，或者可替代地在给定输入孔口的情况下增加输出孔口。为了实现这一点，利用从基板耦合输出的光波不必照射耦合输出表面的整个有效面积的事实。

图7展示了应当撞击在表面89的输出孔口上以便照射EMB 100的光线，包括图像的两个边际光波和中心光波，它们从基板耦合输出并被重定向到观看者的眼睛24中。如所示出的，具有零阶离轴角、/>和/>——其分别是FOV中的最小、中心和最大角度——的光波107R、107M和107L分别仅照射耦合输出反射表面67的部分67R、67M和67L，并被表面89反射到EMB 100中。因此，可以确定一种方法，其中基板的输入孔口将显著减小，使得耦合输入的光波将仅照射表面67的所需相应部分，并且因此，原始亮度将被保持。

图8A-8D图示了三个光波从EMB朝向基板64的输入孔口86的回溯。如所示出的，光波107L（图8A的点划线）撞击在表面65的右侧部分上，在从表面65反射三次之后被捕获在基板内部——这具有离轴角，并且在从表面67反射三次之后从基板耦合输出，其中将光波从基板耦合输出的第三次反射在表面67的左侧部分。光波107M（图8B的虚线）撞击在表面65的中心部分上，在从表面65反射两次之后，被捕获在基板内部——这具有离轴角/>，并且在从表面67反射两次之后从基板耦合输出，其中将光波从基板耦合输出的第二次反射在表面67的中心部分。光波107R（图8C的虚线）撞击在表面65的左侧部分上，在从表面65反射一次之后被捕获在基板内部——这具有离轴角/>，并且在从表面67的右侧部分反射一次之后从基板耦合输出。如图8D中图示的，输入孔口86的覆盖整个FOV之上的传入光波的横向面积类似于输出孔口89的横向面积，并且因此，在该实施例中，没有实现减小输入孔口86的目标。

然而，应当注意的是，尽管传入波覆盖了相当大的输入孔口，但是它们以与常规光学系统定向相对的定向撞击在输入孔口上。也就是说，当从输入孔口86反向追踪光波时，它们不是发散开，而是会聚成彼此更接近。结果，可以将中间棱镜添加到光学系统，这将使得回溯的光波能够会聚成比输入孔口86的光瞳显著更小的光瞳中。

图9A-9D图示了图8A-8D中所示的实施例，其中中间棱镜108在输入孔口86处附接到基板64。棱镜108的表面110可以光学附接到基板64的上表面70，从而限定界面平面111。为了最小化色散，棱镜108的光学材料应当类似于重定向棱镜80的光学材料。此外，棱镜108的光波输入表面112应当被定向成使得传入波107R、107M和107L将以与它们从基板64通过上表面70朝向观看者的眼睛24耦合输出的相同角度撞击在表面112上。此外，表面112应当定位在其中回溯光波会聚到最小孔口的平面中。如图9D中图示的，所有传入光波在新的输入孔口86’内部撞击在表面112上，与原始输入孔口86以及输出孔口89相比，该新的输入孔口86’显著更小，比原始输入孔口86以及输出孔口89的二分之一更小。

存在来自中间棱镜108和基板64之间的界面平面111的两个矛盾的要求。一方面，前三阶图像、/>和/>应当从该平面反射，而通过中间棱镜111进入基板64的零阶图像应当基本上穿过它而没有显著的反射。类似地，基板64和重定向棱镜80之间的界面平面81对于从表面67最后一次反射之后的具有输入角/>的耦合输出光波应当是透明的，并且同时对于具有更高阶输入角/>、/>和/>的耦合光波是高度反射的。此外，对于透视系统，光学系统对于通过界面平面81的基本上垂直的入射光的透明度应当尽可能高。实现这一点的优选方式是将折射率显著小于基板折射率的光学粘合剂施加到这些界面平面，或者可替代地，使用旋涂程序在界面平面81上施加具有所需折射率的薄膜。此外，为了最小化来自界面平面81和111的透射光波的菲涅耳反射，优选将合适的AR涂层施加到这些平面。在此情况下，与这些平面相互作用的光波的总效率可能非常高。也就是说，当将光波耦合到基板中时，由于从该表面的全内反射，平面111的反射性是100%，而由于AR涂层，该表面对传入光波的透射也接近100%。类似地，由于从表面81的全内反射，从该表面耦合在基板64内部的光波的反射性是100%，而该表面对从基板64耦合输出到重定向棱镜80中的光波以及来自外部场景的传入光波的透射也由于AR涂层而接近100%。

对于大多数相关显示系统，这两个要求应当在整个相关可见光谱内得到满足。因此，合理的假设是，邻近界面表面的光学粘合剂（或者可替代地，通过旋涂施加的薄膜）和基板的光学材料的阿贝数应当是类似的，以避免图像中不期望的色彩效果。为了实现所需的全内反射现象，基板和粘合剂（或薄膜）的折射率应当显著不同。结果，将很难满足这一要求，并且通常粘合剂（或薄膜）和光学材料的阿贝数将显著不同。然而，可以通过选取用于棱镜108和80的耦合输入和重定向的光学材料来补偿由于阿贝数之间的变化所致的色散，该光学材料具有不同于基板64的阿贝数的阿贝数。通过恰当的选择，阿贝数之间的差异可以引发具有相同幅度和相对方向的色散。结果，两种引发的色散将相互补偿。

要考虑的另一个问题是投射到观看者眼睛中的图像的最大可实现FOV。在大多数基于基板引导的HMD技术中，无论是反射还是衍射，光波基本上垂直于基板的主表面从引导基板耦合输出。因此，由于从基板的斯内尔折射，图像的外部FOV为：

其中基板内部的FOV为，并且基板的折射率为/>。此外，耦合在基板内部的光波的阶应当严格分离，即，

。

此外，为了确保整个零阶通过界面平面81和111的透射，以及整个第一阶从这些平面的反射，必须满足以下约束：

其中是界面平面的临界角。因此，内部FOV由如下约束限制：

其中通常应当在和/>之间保持在大约一度的量级上的裕量，以确认两阶之间的分离。等式（4）的限制产生了其中基板、耦合输入和耦合输出元件的折射率相等的系统。

光学光波以高度倾斜的角度从中间棱镜108进入基板64的事实可以用来改进上述限制。如图9A-9D中图示的，中间棱镜108和重定向棱镜80由折射率具有以下光学特性的相同光学材料制造

其中v _p 是棱镜108和80的折射率。此外，分别选择棱镜和基板的阿贝数A _p 、A _s ，以补偿由基板和光学粘合剂（或薄膜）的阿贝数之间的相异性引发的色散，如上面所解释的。

由于基板64的光学材料与中间棱镜108和重定向棱镜80的光学材料之间的相异性，以及光线107R、107M和107L入射在界面表面111和81上的高倾斜度，光波在穿过界面表面时经历显著的折射。由于棱镜108和80具有相同的光学特性，所以对于每个穿过的光波，表面111和81处的折射将分别具有相同的幅度和相对的方向，并且因此，它们将相互补偿。作为基板内部偏差的函数的棱镜内部两种不同光线之间的角度偏差可以根据如下近似等式计算

其中和/>分别是基板和棱镜内部的离轴角。类似地，空气中光线之间的角度偏差为

。

因此，空气中的角度偏差和基板64内部的角度偏差之间的比率为

或者

也就是说，通过修改棱镜108和80的光学材料，可以将系统在空气中的FOV增加至倍。

图9A-9D中所示实施例的实现在本文离用具有以下标称参数的光学系统来说明：

其中光波是非偏振的，基板64的光学材料是具有折射率v_d = 1.917和阿贝数A_d =31.6的Ohara S-LAH88，棱镜81和111的光学材料是具有折射率v_d = 1.516和阿贝数A_d =65.5的Schott N-BK7，图9A-9D中邻近表面81和111的光学粘合剂是具有折射率v_d = 1.48和阿贝数A_d = 48的NOA 148。如所示出的，FOV在空气中为40°，在棱镜111和81内部为26°，并且在基板64内部为13°。也就是说，即使基板的折射率小于2，与基板内部的FOV相比，空气中的FOV也扩大至三倍以上。第三阶中的最大角度大于90°，并且因此，它具有“非法”传播方向。然而，如图9A-9C中所示，第三阶仅对FOV的下部区中的光波有效。FOV的上部区中的光波在从耦合输入表面65单次反射之后被耦合在基板内部，并且因此，它们仅在第一传播阶中传播，并且避免了该矛盾。

图10图示了施加在界面表面81和111处的AR涂层的反射曲线。作为由于基板64与棱镜81和111的阿贝数之间的变化所致的色散的结果，临界角很大程度上取决于波长。因此，应当假设在整个相关可见光谱内满足如下条件以满足等式（5）的条件

也就是说，基板内部的FOV应当减小到12°，并且因此，空气中的FOV将减小到36°。

通过中间棱镜111进入基板64的光波的高色散使得每个传入的白光波空间分离成不同波长的分量。例如，对于分别具有450 nm、550 nm和650 nm波长的零阶光波，对于整个可见光谱具有-20°离轴角的边际光波107R被分成36.2°、36.6°和36.8°的传播方向。等式（13）中给出的参数的精确值对于三种不同的波长是

其中下标sb、sg和sr标示基板64内部分别具有450 nm、550 nm和650 nm的波长的光波的参数，并且下标surb、surg和surr标示分别具有相同波长的撞击在耦合输入表面65上的传入光波的参数。

图11图示了作为整个相关可见光谱的波长的函数的传播方向和/>以及临界角/>。如所示出的，对于整个光谱，在等式（5）-（6）中给出的要求在不受制于等式（14）的限制的情况下被满足，并且保持了至少在基板中为13°以及空气中为40°的FOV。

图12A-12C分别图示了对于450 nm、550 nm和650 nm的波长，施加在界面表面81和111处的AR涂层的反射曲线，其中针对每个相关波长，曲线图上的两条垂直线标示传播方向和/>。如所示出的，对于所有的波长，由于从界面平面的全内反射，角度对于/>的反射是100%，而对于角度/>的透射根据需要可忽略。

在图9A-9D中，图示了光学系统的一个实施例，该光学系统即使仅利用单个耦合输出元件67，在基板64内部沿着光波的传播方向也具有40°的宽FOV。然而，输入光波的传入方向具有高度倾斜的角度。在许多应用中，要求传入光波将基本上垂直于基板的主表面70和72而撞击在基板上。图13A-13C图示了一种配置，其中左边际107L、中心107M和右边际107R光波分别基本上垂直于下表面72而撞击在基板上。如所示出的，光波进入基板并穿过耦合输入表面65。由于输入光波的入射角显著地小，并且在表面65处施加了AR涂层，因此光波从该表面的反射性将是可忽略的。离开基板64的光波通过中间棱镜114的附接到基板上表面70的下表面116而进入中间棱镜114，从反射表面118反射，并以输入角通过基板64的上表面70重新进入基板64。现在撞击在耦合输入表面65上的光波具有入射角/>，该角度高于临界角，并且以类似于上面关于图9A-9D所图示的方式耦合在基板内部。如图13D中所图示的，整个FOV中的光波入射在新输入孔口86’内部的表面72上，新输入孔口86’至少显著小于原始输入孔口86和输出孔口89的三分之一。这里，输入孔口86’不邻近中间棱镜114，而是靠近基板的下主表面72。一般来说，光学系统应当被设计成使得输入孔口将被定位在对于放置准直模块的外表面方便的地方。

在图13A-13D中所图示的实施例中，光波在表面72处撞击在基板上，并且光波通过相对的表面70离开基板进入观看者的眼睛中，即观看者的眼睛和显示源定位在基板的相对侧处。该配置对于自上而下的配置是优选的，然而，存在诸如眼镜结构之类的其他布置，其中要求观看者的眼睛和显示源将定位在基板的同一侧处。

图14A-14C图示了一种配置，其中左边际107L、中心107M和右边际107R光波分别在观看者眼睛的同一侧处基本上垂直于上表面70而撞击在基板上。向图中添加了透镜6，以图示来自显示源4的光波的准直。如所示出的，光波进入基板并穿过耦合输入表面65而没有显著反射。光波离开基板64，通过中间棱镜120的附接到基板下表面72的上表面124进入中间棱镜120，从反射表面122反射，并通过基板64的下表面72再次进入基板64。光波再次撞击在耦合输入表面65上，具有低于临界角的入射角，穿过表面65，并从基板的上表面70全反射。光波再次撞击在耦合输入表面65上，现在具有高于临界角的入射角，并且以类似于上面关于图13A-13C所图示的方式耦合在基板内部。如图14D中所图示的，入射在靠近准直透镜6外表面定位的新输入孔口86’内部的表面70上的整个FOV中的光波显著小于原始输入孔口86。

与上文所图示的其他配置不同，在关于图14A-14D描述的实施例中，光波撞击在耦合输入表面65上三次。第一次，光波将穿过表面65而没有显著反射的要求可以简单地通过在表面65处施加AR涂层来实现。然而，对于其他两次撞击，存在来自表面65的两个矛盾的要求。一方面，第三次入射在表面上的具有入射角的光波应当从该表面反射。另一方面，第二次入射在表面上的具有入射角/>的光波应当基本上穿过它而没有显著反射。如上面关于界面平面81和111所述，实现这一点的优选方式是将光学粘合剂（或通过旋涂的薄膜）施加到耦合输入表面65，所述光学粘合剂（或通过旋涂的薄膜）具有显著小于基板折射率的折射率。此外，为了最小化第二次入射在表面65上的光波的菲涅耳反射，需要向这些平面施加合适的AR涂层。

图15图示了针对具有以下参数的基板在耦合输入表面65处施加的AR涂层的反射曲线：光波是非偏振的，基板64的光学材料是具有折射率为v_d = 1.954和阿贝数A_d = 32.32的Ohara S-LAF198，邻近表面65的光学粘合剂是具有折射率v_d = 1.315和阿贝数A_d = 56的NOA 1315。作为由于基板64和光学粘合剂的阿贝数之间的变化所致的色散的结果，临界角在很大程度上取决于波长。

图16图示了作为整个相关可见光谱的波长的函数的传播方向和以及临界角/>。如所示出的，对于整个光谱，第二次和第三次撞击的角度光谱之间存在差异，并且根据需要，光谱分别定位在临界角曲线的下方和上方。

图17A-17C分别图示了对于450 nm、550 nm和650 nm的波长，施加在耦合输入表面65处的AR涂层的反射曲线，其中针对每个相关波长，曲线图上的两条垂直线标示传播方向和/>。如所示出的，对于所有的波长，由于从界面平面的全内反射，具有入射角/>的第三次撞击的反射为100%，而具有入射角/>的第二次撞击的透射根据需要可忽略。

虽然图13A-13D和14A-14D图示了其中输入光波基本上垂直于主表面而撞击在基板上的实施例，但是存在其中要求输入光波将与基板成倾斜角定向的配置。图18A-18D图示了图13A-13D中所示实施例的修改版本。以预定义角度照射基板的光波通过第一中间棱镜126的附接到基板64的下表面72的表面128进入基板，并穿过耦合输入表面65而没有显著反射。然后，光波离开基板64，通过第二中间棱镜132的附接到基板上表面70的下表面136进入第二中间棱镜132，从反射表面134反射，并通过基板64的上表面70重新进入基板64。光波被耦合输入表面65反射，并以类似于上面关于图13A-13D所图示的方式被捕获在基板内部。

图19A-19D图示了图14A-14D中所示实施例的修改版本。以预定义角度照射基板64的光波通过第一中间棱镜138的附接到基板上表面70的表面140进入基板，并穿过耦合输入表面65而没有显著反射。离开基板64的光波通过第二中间棱镜144的附接到基板下表面72的上表面148进入第二中间棱镜144，从反射表面146反射，并通过基板64的下表面72再次进入基板64。然后，光波再次撞击在耦合输入表面65上，具有低于临界角的入射角，穿过表面65，并从基板上表面70全反射。光波再次撞击在耦合输入表面65上，现在具有高于临界角的入射角/>，并且它们以类似于上面关于图14A-14C所图示的方式耦合在基板内部。

图14A-14D和19A-19D图示了可以用于眼镜布置的实施例。然而，特别是对于消费市场应用存在如下情形，其中出于美学考虑，要求附接到基板72的前表面的折叠棱镜将尽可能小。图20A-20D图示了图14A-14D和19A-19D中所示实施例的修改版本，其中以预定角度照射基板64的光波通过第一中间棱镜226的附接到上表面70的表面228进入基板，并且穿过耦合输入表面65而没有显著反射。离开基板64的光波通过附接到基板下表面72的上表面224进入第二中间棱镜220，从反射表面222反射，并通过基板64的下表面72再次进入基板64。然而，这里，与主表面72相比，反射表面222的倾斜角分别显著小于在图14A-14D和19A-19D的配置中表面122和146的倾斜角。结果，光波再次撞击在耦合输入表面65上，具有入射角，其中/>是可以根据设计考虑确定的角度，但典型地大于5°。现在，即使是最大入射角/>也比临界角更小得多，并且因此可以将更简单的AR涂层施加到表面65。光波继续穿过表面65，通过第一中间棱镜226的附接到基板上表面70的下表面230再次进入第一中间棱镜226。然后，波从外表面228全反射，并通过基板64的下表面72重新进入基板64。表面228的倾斜角被设置成补偿“丢失”的角度/>。因此，高于临界角的光波现在具有入射角/>，再次撞击在耦合输入表面65上，并且以类似于上面关于图14A-14C和19A-19D所图示的方式耦合在基板内部。

在上面说明的实施例中，利用单个耦合输出表面67实现了基板内部沿着传播方向的40°的高FOV。对于侧视图配置（诸如眼镜），对角线FOV可以是47°或50°，这取决于显示源的纵横比（分别为9：16或3：4）。对于自上而下的配置（诸如头盔显示器），对于9：16的纵横比，对角线FOV可以扩展到多于80°。为了最大化亮度效率，假设基板中的单个耦合输出表面是优选的，则存在来自该表面的角度定向的两个矛盾的要求。一方面，由于等式（7）中给出的限制，优选增加角度，以便扩大可以在基板内部耦合的全FOV。另一方面，基板的输出孔口89的范围与/>成比例，其中d是基板的厚度，即输出孔口，并且因此EMB将通过减小/>而被扩展。通过增加基板的厚度来增加输出孔口也是可能的，但是输入孔口也将相应地增加。此外，通常要求基板将尽可能薄。

图21图示了图14A-14D中所示实施例的修改版本。代替于使用单个基板64，所示系统150包括两个相邻的基板64a和64b。基板64b的上表面70b光学附接到基板64a的下表面72a，从而限定界面表面152。耦合输入和耦合输出表面65b和67b的定向角根据等式（7）的限制由所需的FOV来设置，而耦合输入和耦合输出表面65b和67b的定向角/>被设置为如下较低值，

。

结果，整个FOV可以耦合在下基板64b内部。然而，为了经得起等式（7）的要求，只有FOV的一部分可以耦合到上基板64a内部。也就是说，耦合在两个基板内部的FOV是

。

因此，FOV的下部仅耦合在下基板64b内部，并且为了避免与FOV上部的串扰，它不耦合在上基板64a内部。因为来自FOV下部的光波从输出孔口的左侧部分照射观看者的眼睛，所以它应当从左侧耦合输出表面67b耦合输出，也就是说，它应当仅通过下基板64b透射到眼睛。因此，可以为整个EMB保留全FOV/>。此外，输出孔口/>以如下程度扩张

。

可替代地，对于给定的输出孔口，双光栅的厚度可以以如下比率更薄：

其中d _a 和d _b 分别是基板64a和64b的厚度，并且d是单个基板的厚度，诸如在图14A-14B中所图示的实施例中那样。因此，图21的实施例具有由较大角度确定的较宽FOV以及由较小角度/>确定的较大输出孔口的优点。由于两个基板64a和64b中的每一个独立地起作用，因此除了倾斜角之外，每个单独的基板还可以具有不同的参数。根据光学系统的要求，两个基板尤其可以具有不同的厚度、折射率和阿贝数。此外，耦合输入表面65a和65b的相对位置以及耦合输出表面67a和67b的相对位置可以自由设置，以最小化系统的输入孔口86’（见图25），并且同时最大化系统的输出孔口89（见图25）。

分别如图22A、22B和22C中所图示的，来自左边际光波153（153a、153b、153c）的三条光线在从表面65b反射三次之后耦合在下基板64b内部，一条光线153d（图22B）在反射两次之后耦合，并且两条其他光线153e、153f（图22C）在从表面65b单次反射之后耦合。如图22D中所示，所有光线通过耦合输出元件67b从基板64b耦合输出，并被重定向以照射整个EMB 100。

在图23A、23B和23C中，分别图示了来自中心光波154（154a、154b）的两条光线在从表面65b单次反射之后耦合在下基板64b内部并由表面67b耦合输出，两条光线（154c、154d）在从表面65a反射三次之后耦合在上基板64a内部并由表面67a耦合输出，并且两条其他光线154e、154f（图23C）在从表面65a反射两次之后耦合在上基板64a内部并由表面67a耦合输出。如图23D中所示，所有光线被重定向棱镜80重定向，以照射整个EMB 100。

图24A图示了来自右边际光波155（155a、155b）的两条光线在从表面65a反射两次之后耦合在上基板64a内部，以及三条其他光线155c、155d、155e在从表面65a单次反射之后耦合。如图24C中所示，所有光线通过耦合输出元件67a从基板64a耦合输出，并被重定向以照射整个EMB 100。如图25中图示的，入射在输入孔口86’内部的表面70上的整个FOV中的光波照射整个EMB，输入孔口86’显著小于输出孔口89。

应当考虑的另一个问题是，由于来自系统外表面的杂散光线的不期望的反射，在图像中可以看到重像。如图26A中所图示的，输入光线160在从表面65单次反射之后耦合到基板64中，并且然后在从表面67单次反射之后从基板耦合输出。光线然后被表面79i和79j作为输出光线160a和160b以恰当的方向（在恰当的方向上）部分反射到观看者的眼睛中。然而，光线160的一部分穿过表面79j，从棱镜80的下表面162全反射，然后从表面79k部分反射，穿过基板64，从基板64的上表面70全反射，再次穿过基板64，并且然后作为输出光线160c以“错误”的方向从表面79m部分反射到观看者的眼睛中。也就是说，杂散光线160c将在投射图像中作为重像出现。图26A图示了这样的源自耦合输入图像光波的重像。然而，由于来自外部场景的光波，可能引起其他重像。如图26B中所图示的，外部光线163穿过部分反射表面79n，穿过棱镜80和基板64，并以光线163a的原始方向到达观看者的眼睛。然而，光线163的一部分从表面79n部分反射，从棱镜80的下表面162全反射，从表面79o部分反射，穿过基板64，从基板64的上表面70全反射，再次穿过基板64，并且然后作为输出光线163b以“错误”的方向从表面79p部分反射到观看者的眼睛中。因此，在投射图像中，杂散光线163b也将作为重像出现。

如图26A和26B中所示，重像的主要原因是来自表面162的不期望的反射。该现象不仅对于本申请中图示的实施例是典型的，而且在其他基板引导的配置中也是典型的。与这些其他配置不同，从表面162的全内反射对于光波在基板内部的传播不是必需的，并且因此，它可以被完全消除。消除从表面162的不期望的反射的一种可能方式是向该表面施加吸收层。该简单方法可以用于非透视系统，其中外表面162可以是完全不透明的。然而，对于透视系统，由于来自外部场景的光线应当穿过表面162到达观看者的眼睛24，所以不准许表面162将是不透明的。

图27图示了一种更高效的方法来移除从表面162的全内反射，同时保持该表面对于来自外部场景的光线基本上是透明的。如所示出的，薄的平坦透明板167的上表面166光学附接到重定向棱镜80的下表面162。垂直于表面166定向的平行吸收表面168₁、168₂……的阵列嵌入板167内部。为了验证撞击在表面162上的所有光线都将被这些表面吸收，必须满足以下关系：

其中T是板167的厚度，D是两个连续表面168_i与168_i+1之间的距离；并且是撞击在板167上的光波的最小离轴角。如所示出的，光线171在从板167的下表面169全反射之后被表面168_i吸收，而光线172被表面168_j上的直接撞击吸收。由于基板64是薄的，并且吸收表面垂直于基板的主表面并且因此垂直于观看者的视轴，所以板167对于来自外部场景的光线保持基本上透明。

图28A至28F图示了用于制造板167的方法。制造了具有厚度T的多个透明平板174_i（图27）。由于这些板的主表面应当是吸收性的，所以它们应当不一定被抛光，并且它们的平行度并不重要。薄吸收层175被施加到每个板的主表面之一（图28B）。该吸收层尤其可以是黑漆、薄硅涂层、金属涂层或可以作为薄层施加的任何其他吸收材料。使用适当的光学粘合剂将板176粘合在一起，以便形成堆叠（图28C））。多个分段167’_i然后在垂直于板174_i的主表面的方向上从堆叠形式176被切下（图28D），并且然后通过切割、研磨和抛光进行处理以创建具有厚度T’的板167”_i（图28E）。该板的主表面之一被光学粘合到表面162（图28F）。在许多情况下，要求板167非常薄，大约为0.1 mm。在该情况下，可能难以处理具有所需厚度T的板167’_i。因此，具有厚度的板将被粘合到棱镜80，并且粘合的板167”的下表面169’将被接地和抛光，以实现最终板167的所需厚度T。

图29A和29B图示了类似于图26A- 26B中所示实施例的实施例，其中板167光学附接到棱镜80的下表面162。如所示出的，杂散光线160c和163b不是从表面162全反射并继续在系统中传播，而是在板167中被吸收，并且因此，源自投射图像以及外部场景的重像被完全消除。用于衰减由不期望的全内反射所致的重像的这种方法也可以应用于其他光学模块，其中杂散光线从本来应当对正常入射光透明的表面被不合期望地反射。因此，板167可以光学地附接到这样的表面，以便衰减不期望的反射，同时仍然保持表面的所需透射性。

如上所说明的减小输入孔口的横向尺寸的优点在其中需要耦合光波的二维扩张的情况下甚至更加明显。图30是图示了利用双基板配置沿着两个轴扩张光束的方式的示意图。为简单起见，从附图中省略了中间棱镜和重定向元件。输入图像256由第一反射表面265a通过输入孔口274耦合到第一基板264a中，并且然后沿着η轴传播，第一基板264a具有类似于上面说明的实施例之一的结构。耦合输出元件267a通过输出孔口276将光从基板264a耦合输出，并且然后光通过输入孔口由耦合输入元件265b耦合到第二主基板264b中，该输入孔口与第一基板264a的输出孔口276重合。光波然后沿着轴传播，并通过输出孔口278由耦合输出元件267b耦合输出。如所示出的，原始图像256沿着两个轴扩张，其中总的扩张由孔口274和278的横向尺寸之间的比率确定。如所示出的，每个光波（由附图中的单个箭头表示）仅照射输出孔口278的一部分，但是所有的光波都在具有所需的方向的情况下耦合输出到EMB 100中。

在所有上面实施例中，已经假设显示源是非偏振的。然而，存在微显示光源，诸如LCD或LCOS，其中光是线性偏振的，并且这可以用来制作更紧凑的准直系统。如图31A中所图示的，来自显示光源4的p偏振输入光波107L、107M和107R通过光导279的表面280耦合到通常由光波透射材料组成的光导279中。光波穿过偏振分束器282，并通过表面283从光导279耦合输出。光波然后穿过四分之一波长延迟板285，在透镜286的反射表面289处被透镜286准直，返回再次穿过延迟板285，并通过表面283重新进入光导279。现在的s偏振光波从偏振分束器282反射，并通过下表面290离开光导。光波现在以与上面关于图20A-20D所图示的相同方式通过中间棱镜226和220耦合到基板64中。反射表面289可以通过金属或介电涂层实体化。

如图31A中所图示的，利用反射准直透镜286具有一些突出的优点，诸如通过使用少量的光学部件、具有附加的紧凑型准直模块等而实现良好的性能。因此，将该实施例也用于诸如微型LED和OLED之类的非偏振光源是有利的。这样的情况下的主要缺点是仅可以使用显示源的单个偏振分量，并且因此，可实现的亮度降低了50%以上。图31B中图示了用于利用非偏振显示源的两个正交偏振分量并因此避免亮度降低的替代方法。如所示出的，来自显示光源4的输入光波107L、107M和107R的s偏振分量通过光导279的右表面280耦合到光导279中。在从偏振分束器282反射之后，光波通过光导279的表面291从基板耦合输出。光波然后穿过第二四分之一波长延迟板293，在第二透镜296的反射表面297处被第二透镜296准直，返回再次穿过延迟板293，并通过表面291重新进入光导279。现在的p偏振光波穿过偏振分束器282，通过下表面290离开光导，并如之前那样通过中间棱镜226和220耦合到基板64中。如图31A中所图示的，光源的p偏振分量耦合到基板中。两个准直透镜应当是相同的，并且非常准确地放置在光导279的表面处，以避免双像。

对于本领域技术人员来说应当显而易见的是，本发明不限于前面说明的实施例的细节，并且在不脱离本发明的精神或本质属性的情况下，本发明可以以其他特定形式体现。因此，当前的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是由前面描述来指示，并且因此，在权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变都旨在被包含在其中。

特别地，应当注意，参考一个或多个实施例描述的特征是通过举例的方式而不是通过对那些实施例的限制的方式来描述的。因此，除非另有声明或者除非特定组合明显不可接受，否则假设仅参考一些实施例描述的可选特征也同样适用于所有其他实施例。

Claims (20)

1.一种光学器件，包括：

第一透光基板，具有至少两个平行的主表面和两个相对的边缘；

输入孔口；

靠近基板的主表面之一定位的输出孔口；

具有孔口的眼部运动框；

第一中间元件，具有定位在基板外部的至少两个表面，用于将具有视场的传入光波通过输入孔口耦合到基板中；

第一平坦反射表面，具有定位在透光基板的两个主表面之间的有效面积，用于反射来自第一中间元件的传入光波以实现从基板的主表面的全内反射；

平行于第一平坦反射表面的第二平坦反射表面，具有有效面积并定位在透光基板的两个主表面之间，用于将光波从基板耦合输出；以及

重定向光学元件，具有定位在基板外部的至少两个表面，用于将从基板通过输出孔口耦合输出的光波重定向到眼部运动框中，

其中输入孔口显著小于输出孔口，所有的传入光波在输入孔口内部穿过，通过第二反射表面从基板耦合输出的所有光波通过从第一反射表面的反射而被耦合输入到基板中，第一反射表面的有效面积类似于第二反射表面的有效面积，并且每个耦合光波覆盖眼部运动框的整个孔口。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其中耦合到基板中和从基板耦合输出的光波具有亮度，由第二平坦反射表面从基板耦合输出的光波的亮度基本上类似于耦合到基板中的光波的亮度。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其中，第一平坦反射表面和第二平坦反射表面通过全内反射分别将光波耦合到基板中和耦合来自基板的光波。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其中，耦合在基板内部的光波从第一平坦反射表面和第二平坦反射表面反射相同次数的反射。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其中，穿过输入孔口并耦合到基板中的光波仅入射在第一平坦反射表面和第二平坦反射表面的一部分上。

6.根据权利要求5所述的光学器件，其中，穿过输入孔口和眼部运动框的孔口的光波仅入射在第一反射表面的更接近基板边缘之一的部分上，并且仅由第二反射表面的更接近基板的另一边缘的部分从基板耦合输出。

7.根据权利要求5所述的光学器件，其中，穿过输入孔口和眼部运动框的孔口的光波仅入射在第一反射表面的更接近基板中心的部分上，并且仅由第二反射表面的更接近基板中心的部分从基板耦合输出。

8.根据权利要求5所述的光学器件，其中，穿过输入孔口和眼部运动框的孔口的光波仅入射在第一反射表面的中心部分上，并且仅由第二反射表面的中心部分从基板耦合输出。

9.根据权利要求1所述的光学器件，进一步包括第二中间元件，其中光波在由第一反射表面耦合到基板中之前穿过第一中间元件和第二中间元件。

10.根据权利要求1所述的光学器件，其中，耦合输入的光波在被表面反射以耦合到基板中之前，穿过第一平坦反射表面至少两次。

11.根据权利要求1所述的光学器件，其中，第一中间元件和重定向光学元件由第一光学粘合剂光学粘合到具有折射率的基板的主表面，限定第一界面平面和第二界面平面，其中粘合剂的折射率显著低于基板的折射率，并且抗反射涂层被施加到界面平面。

12.根据权利要求11所述的光学器件，其中，界面平面对于具有比界面平面的临界角更低多于一度的入射角的光波基本上是透明的。

13.根据权利要求1所述的光学器件，其中，第二光学粘合剂被施加到第一反射表面和第二反射表面，粘合剂的折射率显著低于基板的折射率，抗反射涂层被施加到反射表面，并且所述表面对于具有比表面的临界角更低多于一度的入射角的光波基本上是透明的。

14.根据权利要求12所述的光学器件，其中，第一中间元件和重定向光学元件由具有折射率和阿贝数的相同光学材料制造，所述折射率和阿贝数与基板的折射率和阿贝数显著不同，从而创建耦合在基板内部的光波的第一色散。

15.根据权利要求14所述的光学器件，其中，第一粘合剂的阿贝数与基板的阿贝数显著不同，从而创建在基板内部的光波的第二色散，并且第一色散和第二色散基本上相互补偿。

16.根据权利要求1所述的光学器件，进一步包括第二透光基板，所述第二透光基板具有至少两个主表面、两个相对的边缘以及彼此平行的第三平坦反射表面和第四平坦反射表面，每个表面具有倾斜角，其中两个基板光学附接，并且第三平坦反射表面和第四平坦反射表面向第二基板的主表面的倾斜角低于第一平坦反射表面和第二平坦反射表面向第一基板的主表面的倾斜角。

17.根据权利要求1所述的光学器件，进一步包括第二透光基板，所述第二透光基板具有至少两个主表面、两个相对的边缘以及第三平坦反射表面和第四平坦反射表面，输入孔口和输出孔口具有横向尺寸，其中从第一基板耦合输出的光波被耦合到第二基板中，并且输入孔口的横向尺寸沿着两个不同的轴显著小于输出孔口的横向尺寸。

18.根据权利要求1所述的光学器件，进一步包括光学附接到重定向光学元件表面的平板，其中基本上垂直于重定向光学元件表面的平坦吸收表面阵列嵌入在所述板内部，所述平板对于垂直入射光波基本上是透明的，并且从基板耦合输出并入射在平板上的光波被吸收表面吸收。

19.根据权利要求1所述的光学器件，其中第一中间元件和重定向元件通过光学粘合剂光学粘合到具有折射率的基板的主表面，从而限定第一界面平面和第二界面平面，抗反射涂层和薄膜介电涂层被施加到界面平面，其中介电涂层的折射率显著低于基板的折射率。

20.根据权利要求1所述的光学器件，其中基板具有折射率，并且表面具有临界角，第一反射表面和第二反射表面具有薄膜介电涂层和折射率，介电涂层的折射率低于基板的折射率，反射表面具有抗反射涂层，所述抗反射涂层对于具有低于表面临界角的入射角的光波是透明的。