CN114616507A

CN114616507A - 紧凑型平视显示器

Info

Publication number: CN114616507A
Application number: CN201980097217.XA
Authority: CN
Inventors: 吴皓; 贠智省; 斯蒂芬·J·维勒特; 克雷格·R·沙尔特; 吉勒斯·J·伯努瓦; 基思·M·科奇克; 赖安·C·舍克; 大卫·A·罗森
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2022-06-10
Also published as: EP3980836A1; US20220197024A1; EP3980836A4; JP7366156B2; WO2020243939A1; JP2022542502A

Abstract

本发明公开了一种光学系统，该光学系统包括反射偏振器(20)和设置在该反射偏振器(20)的同一侧上的显示器(10)、第一反射镜(30a)和第二反射镜(30b)。该反射偏振器(20)在显示器(10)所发射的图像被第一反射镜(30a)和第二反射镜(30b)反射之后透射图像。由系统的光轴与显示器(10)、反射偏振器(20)和第二反射镜(30b)之间的交点限定的中间平面具有一次通过区域至四次通过区域，该一次通过区域至四次通过区域具有相应面积A1至A4。该一次通过区域包括所发射的图像射线(15)的横穿过一次通过区域至少一次的部分，该二次通过区域包括图像射线(15)的横穿过二次通过区域至少两次的部分，该三次通过区域包括图像射线(15)的横穿过三次通过区域至少三次的部分，并且该四次通过区域包括图像射线(15)的横穿过四次通过区域四次的部分，使得比率A4/A3介于约0.15与约0.40之间。

Description

紧凑型平视显示器

发明内容

在本说明书的一些方面，提供了一种光学系统，该光学系统包括反射偏振器以及设置在反射偏振器的同一侧上的显示器、第一反射镜和第二反射镜。对于法向入射光和在从约450nm扩展至约600nm的范围内的至少一个波长，反射偏振器透射具有第一偏振态的入射光的至少80％并且反射具有正交第二偏振态的入射光的至少80％，并且第一反射镜和第二反射镜中的每一者对于第一偏振态和第二偏振态中的至少一者反射入射光的至少80％。显示器适于发射供观看者观看的图像，所发射的图像在被第一反射镜和第二反射镜中的每一者反射一次之后被反射偏振器透射。光学系统具有光轴，并且由显示器发射并沿光轴传播的图像射线在被反射偏振器和第二反射镜反射之后基本上法向入射在第一反射镜上。中间平面由光轴与显示器、反射偏振器和第二反射镜之间的交点限定。中间平面具有一次通过区域至四次通过区域，该一次通过区域至四次通过区域具有相应的面积A1至A4。对于从显示器发射并沿着中间平面且在中间平面中传播，以及在第二次入射到反射偏振器上之前的图像射线：一次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过一次通过区域至少一次的部分，二次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过二次通过区域至少两次的部分，三次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过三次通过区域至少三次的部分，并且四次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过四次通过区域四次的部分，使得比率A4/A3介于约0.15与约0.40之间。

在本说明书的一些方面，提供了一种光学系统，该光学系统包括显示器、反射偏振器、第一反射镜和第二反射镜，该显示器、该反射偏振器、该第一反射镜和第二反射镜大致设置在长方体棱镜的不同侧面上以及相反的平行端面之间并且面向长方体棱镜的内部空间。在由显示器发射的图像被反射偏振器以及第一反射镜和第二反射镜中的每一者反射之后，所发射的图像可被反射偏振器透射以供观看者观看。

在本说明书的一些方面，提供了一种光学系统，该光学系统包括反射偏振器以及设置在反射偏振器的同一侧上的显示器、第一反射镜和第二反射镜。对于法向入射光和在从约450nm扩展至约600nm的范围内的至少一个波长，反射偏振器透射具有第一偏振态的入射光的至少80％并且反射具有正交第二偏振态的入射光的至少80％，并且第一反射镜和第二反射镜中的每一者对于第一偏振态和第二偏振态中的至少一者反射入射光的至少80％。显示器适于发射中心图像射线，该中心图像射线沿着中心平面且在中心平面中传播，并且该中心图像射线在被第一反射镜和第二反射镜中的每一者反射一次之后被反射偏振器透射以供观看者观看。中心平面包括具有相应面积A3和A4的三次通过区域和四次通过区域。对于从显示器发射并沿着中心平面在中心平面中传播，以及在第二次入射到反射偏振器上之前的所发射的图像射线：三次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过三次通过区域至少三次的部分，并且四次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过四次通过区域四次的部分，使得比率A4/A3介于约0.15与约0.40之间。

附图说明

图1是根据本文所述的一个实施方案的紧凑型平视显示器的剖视图；

图2是根据本文所述的一个实施方案的示出光轴的紧凑型平视显示器的剖视图；

图3A至图3D示出了根据本文所述的一个实施方案的为紧凑型平视显示器限定的各种示例性横截面区域；

图4示出了根据本文所述的一个实施方案的为紧凑型平视显示器限定的各种示例性横截面区域的关系；

图5A至图5D示出了根据本文所述的一个实施方案的为紧凑型平视显示器限定的单个示例性横截面区域；

图6是根据本文所述的一个替代实施方案的紧凑型平视显示器的剖视图；并且

图7是根据本文所述的一个实施方案的紧凑型平视显示器的剖视图。

具体实施方式

在以下说明中参考附图，该附图形成本发明的一部分并且其中以举例说明的方式示出各种实施方案。附图未必按比例绘制。应当理解，在不脱离本说明书的范围或实质的情况下，可设想并进行其他实施方案。因此，以下具体实施方式不应被视为具有限制意义。

根据本说明书的一些方面，光学系统(例如，紧凑型平视显示器)可包括反射偏振器，以及设置在反射偏振器的同一侧上的显示器、第一反射镜和第二反射镜。对于法向入射光和在从约450纳米(nm)扩展至约600nm的范围内的至少一个波长，反射偏振器可透射具有第一偏振态的入射光的至少80％并且可反射具有正交的第二偏振态的入射光的至少80％。例如，反射偏振器可允许至少80％的具有s型线性偏振的光横穿过(即，透射)，并且反射至少80％的具有p型线性偏振的光。在另一个示例中，反射偏振器可基本上透射p偏振光并且基本上反射s偏振光。在一些示例性实施方案中，反射偏振器可为多层光学膜。

第一反射镜和第二反射镜中的每一者对于第一偏振态和第二偏振态中的至少一者可反射入射光的至少80％。在一些实施方案中，第一反射镜和第二反射镜中的一者或两者可基本上反射所有入射光，而不管光的偏振如何。在一些实施方案中，第一反射镜和第二反射镜中的一者或两者可基本上反射第一偏振态的所有入射光，并且基本上透射第二偏振态的入射光。在一些实施方案中，第一反射镜和第二反射镜中的一者或两者可基本上反射第二偏振态的所有入射光，并且透射第一偏振态的入射光。

在一些实施方案中，反射偏振器、第一反射镜和第二反射镜中的至少一者可以是弯曲的，以向投影图像提供一定量的光功率。在一些实施方案中，曲面可为球形、非球形、自由形式(即，以偏离最佳拟合球形表面为特征的非旋转对称表面)或它们的任何适当组合。在一些实施方案中，使用自由形式表面可对由光学系统投影的图像中的像差的位置、数量和大小提供更强的控制(例如，从显示图像到投影图像的改善的光学传递函数)。

在一些实施方案中，显示器、第一反射镜和第二反射镜可设置成大致面向反射偏振器。在一些实施方案中，反射偏振器、显示器以及第一反射镜和第二反射镜大致在它们之间限定内部空间，其中第一反射镜和第二反射镜中的一者朝向内部空间呈凸形，并且第一反射镜和第二反射镜中的另一者反射镜朝向内部空间呈凹形。在一些实施方案中，第一反射镜和第二反射镜中的至少一者可为反射偏振器。

在一些实施方案中，显示器可适于发射供观看者观看的图像。显示器可以是图像生成单元或PGU(例如，液晶显示器或LED显示器)，其生成图像以用于最终向观看者(例如，包括HUD的车辆的驾驶员)显示。在一些实施方案中，所发射的图像可在被第一反射镜和第二反射镜中的每一者反射一次之后被反射偏振器透射。

在一些实施方案中，光学系统还可包括一个或多个四分之一波片，该四分之一波片定位在系统内，使得所发射的图像和反射的图像的偏振根据需要从一种状态改变为另一种状态，以被反射偏振器透射或反射。在一些实施方案中，显示器、反射偏振器以及第一反射镜和第二反射镜的布置(包括每个组件的倾斜角度)可使得光学系统所需的体积量最小化。换句话讲，系统的组件可布置成使得限定所发射的图像的反射射线基本上穿过相同图像射线在反射之前穿过的空间或体积(即，重复使用图像射线先前在可能的程度上穿过的公共区域或体积)。

在一些实施方案中，光学系统具有光轴，并且由显示器发射并沿光轴传播的图像射线在被反射偏振器和第二反射镜反射之后可基本上法向入射在第一反射镜上。在一些实施方案中，光轴可与显示器成第一倾斜角度并且与反射偏振器成第二倾斜角度。在一些实施方案中，光轴基本上法向入射在第一反射镜和第二反射镜中的仅一者上。在一些实施方案中，反射偏振器可与光轴成角度θ_R，使得当θ_R改变至少5度时，A4/A3的比率改变小于约30％。

在一些实施方案中，中间平面可由光轴与显示器、反射偏振器和第二反射镜中的每一者之间的交点限定。在一些实施方案中，中间平面可包括一次通过区域至四次通过区域，该一次通过区域至四次通过区域具有相应的面积A1至A4。在一些实施方案中，对于从显示器发射并沿着中间平面且在中间平面中传播，以及在第二次入射到反射偏振器上之前的图像射线：一次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过一次通过区域至少一次的部分，二次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过二次通过区域至少两次的部分，三次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过三次通过区域至少三次的部分，并且四次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过四次通过区域四次的部分，使得比率A4/A3介于约0.15与约0.40之间。

根据本说明书的一些方面，光学系统(例如，平视显示器)可包括显示器(即，图像生成单元或PGU)、反射偏振器、第一反射镜以及第二反射镜，该显示器、该反射偏振器、该第一反射镜和第二反射镜大致设置在长方体棱镜的不同侧面上以及相反的平行端面之间，并且基本上面向长方体棱镜的内部空间。在一些实施方案中，显示器和反射偏振器可沿长方体棱镜的两个相邻侧面设置。在一些实施方案中，显示器和第二反射镜可基本上面向彼此，各自设置在相对的端面上，并且反射偏振器和第一反射镜可基本上面向彼此，各自设置在相对的侧面上。在一些实施方案中，显示器、反射偏振器、第一反射镜和第二反射镜可以以与其相邻的长方体棱镜的对应端面或侧面成一定角度但大致面向该长方体棱镜的对应端面或侧面设置。

在一些实施方案中，在由显示器发射的图像被反射偏振器以及第一反射镜和第二反射镜中的每一者反射之后，所发射的图像被反射偏振器透射以供观看者观看。例如，在一些实施方案中，由显示器所发射的图像射线可首先入射在第二反射镜上并被第二反射镜反射，在第二反射镜这些图像射线被反射以入射在第二偏振器上并被第二偏振器反射，在第二偏振器这些图像射线被反射以投射在第一反射镜上并被第一反射镜反射，最终穿过反射偏振器以呈现给观看者(例如，被投影到挡风玻璃上以被车辆的驾驶员观看)。也可能存在其他实施方案和其他配置。在一些实施方案中，光学系统还可包括一个或多个四分之一波片，该四分之一波片定位在系统内，使得所发射的图像和反射的图像的偏振根据需要从一种状态改变为另一种状态，以被反射偏振器透射或反射。

根据本说明书的一些方面，光学系统可包括反射偏振器以及设置在反射偏振器的同一侧上的显示器、第一反射镜和第二反射镜。对于法向入射光和在从约450nm扩展至约600nm的范围内的至少一个波长，反射偏振器透射具有第一偏振态的入射光的至少80％并且反射具有正交第二偏振态的入射光的至少80％，并且第一反射镜和第二反射镜中的每一者对于第一偏振态和第二偏振态中的至少一者反射入射光的至少80％。显示器适于发射中心图像射线，该中心图像射线沿着中心平面且在中心平面中传播，并且该中心图像射线在被第一反射镜和第二反射镜中的每一者反射一次之后被反射偏振器透射以供观看者观看。中心平面包括具有相应面积A3和A4的三次通过区域和四次通过区域。对于从显示器发射并沿着中心平面在中心平面中传播，以及在第二次入射到反射偏振器上之前的所发射的图像射线：三次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过三次通过区域至少三次的部分，并且四次通过区域包括所发射的图像射线的横穿过四次通过区域四次的部分，使得比率A4/A3介于约0.15与约0.40之间。

在一些实施方案中，对于法向入射光和在从约450nm扩展至约600nm的范围内的至少一个波长，第一反射镜和第二反射镜中的至少一者对于第一偏振态和第二偏振态中的一者可透射入射光的至少80％。

在一些实施方案中，对于法向入射光和在约450nm至约600nm之间的至少20nm宽的波长范围(即，至少20nm宽的波长带)内的每个波长，第一反射镜和第二反射镜中的至少一者对于第一偏振态和第二偏振态中的一者可透射入射光的至少80％。

在一些实施方案中，第一反射镜和第二反射镜中的一者或两者可基本上反射所有入射光，而不管光的偏振如何。在一些实施方案中，第一反射镜和第二反射镜中的至少一者可为反射偏振器。即，在一些实施方案中，第一反射镜和第二反射镜中的一者或两者可基本上反射第一偏振态的入射光，并且基本上透射第二偏振态的入射光。在其他实施方案中，第一反射镜和第二反射镜中的一者或两者可基本上反射第二偏振态的入射光，并且基本上透射第一偏振态的入射光。在一些实施方案中，对于在从约700nm至约2500nm的范围内的至少一个波长，第一反射镜和第二反射镜中的至少一者还对于第一偏振态和第二偏振态中的每一者透射法向入射光的至少40％。例如，第一反射镜和第二反射镜中的至少一者可以是“冷反射镜”(即，用于反射和可能聚焦人类可见波长的光同时透射至少一些红外波长的反射镜技术)。在一些光学系统(例如，平视显示器或HUD)中，日光可穿过挡风玻璃并进入HUD系统。地球表面的太阳光谱包括综合能量大致等于人类可见光能量的红外光(大约700nm至2500nm波长)。该人类可见加红外辐射会引起HUD内的组件的不期望的加热甚至物理损坏。在一些优选的HUD设计中，使用冷反射镜可确保辐射的红外分量在优选位置被吸收，而不会危害敏感分量。在一些实施方案中，冷反射镜可以是通过无机层的真空沉积、或通过聚合物层的精确形成、或通过任何其他适当的制造工艺制造的多层制品或膜。

现在转到附图，图1是根据本文所述的实施方案的光学系统(诸如紧凑型平视显示器(HUD))的剖视图。在一些实施方案中，HUD 100包括显示器10、第一反射镜30a、第二反射镜30b和反射偏振器20。在一些实施方案中，显示器10可以是液晶显示器(LCD)或发光二极管(LED)显示器，或能够显示图像的任何其他适当的图像生成单元(PGU)。图像以所发射的图像射线15(包括例如射线15a、15b和15c)的形式从显示器10发射。在一些实施方案中，为了将发射的图像从显示器10引导到可被观看者观看到(例如，由车辆操作者投影在挡风玻璃上观看)的点，同时最小化为投影图像创建适当焦距所需的体积量，可首先将所发射的图像射线15导向到第二反射镜30b，在第二反射镜30b，图像射线15中的至少一些被反射并重新导向到反射偏振器20。然后，图像射线15可被反射并重新导向到第一反射镜30a。在一些实施方案中，HUD 100可限定光轴，使得由显示器10发射的图像射线(例如，图像射线15b)沿光轴传播并以与第一反射镜30a基本上正交的角度θ_N撞击第一反射镜30a。然后，图像射线15被反射回反射偏振器20，其中，允许这些图像射线15穿过反射偏振器20，以投影到挡风玻璃或类似表面上，以显示给观看者/操作人员。在一些实施方案中，反射偏振器20与光轴成角度θ_R，该角度可基于设计考虑因素而改变，以优化HUD 100内的空间利用。

在一些实施方案中，第一四分之一波片25a和第二四分之一波片25b可用于旋转或改变发射的图像射线15的偏振态，使得图像射线15在处于第一偏振态时被允许穿过反射偏振器20(被反射偏振器20透射)，并且在处于不同的第二偏振态时在撞击反射偏振器20时被反射。在一些实施方案中，诸如图6的实施方案，单个四分之一波片可足以改变发射的图像射线15的偏振态。图6的替代实施方案将在本文中另外详细描述。

在一些实施方案中，反射偏振器20可被设计成使得其反射第一偏振态的入射图像射线15的至少80％，并且透射(允许通过)第二偏振态的入射图像射线15的至少80％。换句话讲，基于入射图像射线15的偏振，反射偏振器20可为基本上反射的或基本上透射的。

反射偏振器20可提供对光的一种偏振(例如，s偏振)的基本上完全透射，同时提供对另一种偏振(例如，p偏振)的选择性反射和透射。在一些实施方案中，反射偏振器20可为多层光学膜(MOF)。在此类实施方案中，MOF可为替代材料的多层叠堆，诸如美国专利5,882,774(琼扎(Jonza)等人)中所述，该专利以引用方式并入本文。特定于偏振的反射特性可通过适当的层厚度选择而制成特定于波长的，使得反射偏振器20对于除所选波长之外的所有波长基本上是透射的。所选择的波长可以是单个窄谱带、多个窄谱带或宽谱带。可通过控制层与层的折射率差以及反射偏振器20中层的总数来实现所选波长谱带的任何合适程度的反射率。反射偏振器20可由数十或数百个共挤出聚合物层制成，共挤出聚合物层在可见光和近红外波长内为基本上非吸收性的，使得偏振器的反射率和透射率之和为100％。

图2是根据本文所述的一些实施方案的紧凑型平视显示器100的剖视图，其示出了四分之一波片可如何用于改变图像射线的偏振。图2的许多元件与图1的类似编号的元件相同，并且可根据与图1相关的这些组件的前述描述来理解。为简单起见，示出了单个发射的图像射线15。然而，实际上，可存在限定由显示器10发射的图像的多条图像射线。

在一些实施方案中，图像射线15可以第一偏振类型(例如，线性p偏振或p偏振)从显示器10发射。当图像射线15穿过第一四分之一波面板25a时，偏振态改变为中间偏振态(例如，圆形偏振)。然后，图像射线15撞击第二反射镜30b并被其反射，然后被重新导向到反射偏振器20。在撞击反射偏振器20之前，图像射线15穿过第二四分之一波片25b，在此处其变为第二偏振类型(例如，线性S偏振或S偏振)。图像射线15从反射偏振器20反射，该反射偏振器基本上反射第二偏振类型的光，并且光第二次穿过第二四分之一波片25b，其中偏振类型改变回中间类型(例如，圆形偏振)。最后，图像射线15以基本上垂直于第一反射镜30a的角度撞击第一反射镜30a，并且被反射回反射偏振器20。在一些实施方案中，图像射线15最终穿过第二四分之一波片25b，使得偏振态改变回第一偏振态(例如，P偏振)，从而允许其穿过基本上透射第一偏振类型的反射偏振器20。

应当指出的是，图2所示的偏振态仅为示例，并且可在不脱离本文所述的概念的情况下改变。例如，第一偏振类型可为S偏振，并且第二偏振类型可为P偏振。在一些实施方案中，可使用不同数量或类型的偏振改变设备(例如，四分之一波片)来实现类似的结果。例如，图6示出了其中使用单个四分之一波片来改变偏振态的实施方案。另外，如图1和图2所示的光学组件的角度和构型仅为示例，并且可根据需要修改以实现适合应用的结果。例如，在一些实施方案中，可交换显示器10和第二反射镜30b的相对位置。也可以采用其他配置和实施方案。

图3A至图3D示出了图1和图2的HUD 100的简化剖视图，限定了由行进穿过HUD的图像射线的子集限定的若干横截面区域。图3A示出了由虚线概述的示例性区域R1，其中该区域由所发射的图像射线15的横穿过R1区域至少一次的那些部分限定。应当指出的是，“一次通过”区域R1是将由第一次通过实际HUD 100的图像射线15限定的较大三维体积的二维横截面表示。

图3B示出了由虚线概述的示例性区域R2，其中该区域R2由所发射的图像射线15的横穿过R2区域至少二次的那些部分限定。换句话讲，区域R2是区域R1的子区域，仅限定图像射线已横穿过该区域至少两次的区域。类似地，图3C示出了由虚线概述的示例性区域R3，其中该区域R3由所发射的图像射线15的横穿过R3区域至少三次的那些部分限定。换句话讲，区域R3是区域R1和R2两者的子区域，仅限定图像射线已横穿过该区域三次的区域。最后，图3D示出了由虚线概述的示例性区域R4，其中该区域R4由所发射的图像射线15的横穿过R4区域至少四次的那些部分限定。换句话讲，区域R4是区域R1、R2和R3的子区域，仅限定图像射线已横穿过该区域四次的区域。

区域R1、R2、R3和R4具有相应的面积A1、A2、A3和A4。图4示出了如针对图1的示例性HUD 100所定义的面积A1、A2、A3和A4的关系，其在单个附图中被包含和覆盖。图5A至图5D将这三个面积分开并将它们并排显示以便于比较。通过比较面积的比率，可创建由系统定义的“面积共享”的相对量的定量量度。即，面积A2的大小表示第一通过图像射线和第二通过图像射线共享的面积A1的部分，面积A3的大小表示第一通过图像射线、第二通过图像射线和第三通过图像射线共享的面积A1的部分，并且面积A4的大小表示第一通过图像射线、第二通过图像射线、第三通过图像射线和第四通过图像射线共享的面积A1的部分。

面积A4相对于面积A3、A2和A1越大，反射的图像射线所使用的面积共享程度越高。重要的是应注意，面积共享量转化为由长方体棱镜限定的体积空间的共享量，长方体棱镜的侧面由显示器、第一反射镜、第二反射镜和反射偏振器的位置大致限定。所使用的体积空间较小意味着HUD更小、更紧凑。可选择HUD组件(例如，显示器、反射偏振器和反射镜)的相对位置和取向，以便使A4与A3的比率(以及A4/A2和A4/A1的比率)最大化，从而优化体积空间的使用。在一些实施方案中，比率A4/A3可介于约0.15与约0.40之间。在一些实施方案中，反射偏振器可与HUD的光轴成角度θ_R，使得当θ_R改变至少5度时，A4/A3改变小于约30％。

图6是紧凑型光学系统的替代实施方案的剖视图。图6的许多元件与图1和图2的类似编号的元件相同，并且可根据与这些图相关的这些组件的前述描述来理解。在图6的实施方案中，使用单个四分之一波片25代替如图1和图2的示例性实施方案所示的两个单独的四分之一波片。在该示例中，图像射线15以第一偏振类型(例如，线性S偏振或S偏振)从显示器10发射。图像射线15撞击第二反射镜30b并被重新导向到反射偏振器20。基本上反射第一偏振类型的图像射线15的反射偏振器20将图像射线15朝第一反射镜30a反射。图像射线15穿过四分之一波片25，从而将偏振从第一偏振类型(例如，S偏振)改变为中间偏振类型(例如，圆形偏振)。图像射线15撞击第一反射镜30a并被反射回穿过四分之一波片25，这再次将图像射线15的偏振改变为第二偏振类型(例如，线性p偏振或p偏振)。然后，图像射线第二次入射到反射偏振器20上(这次具有第二偏振类型)，并且基本上透射穿过反射偏振器20以投影到表面(例如，挡风玻璃的表面)上以供观看者/操作者观看。

如前所述，图6所示的偏振态仅为示例，并且可在不脱离本文所述概念的情况下改变。例如，第一偏振类型可为P偏振，并且第二偏振类型可为S偏振。在一些实施方案中，可使用不同数量或类型的偏振改变设备(例如，四分之一波片)来实现类似的结果(即，根据应用的需要改变偏振类型)。

图7是示出光学系统可如何限定光轴的紧凑型平视显示器100的另选视图。在一些实施方案中，HUD 100可包括显示器10、反射偏振器20、大致设置在体积空间的长方体棱镜50的不同侧面52上并且位于相反的平行端面54a/54b之间的第一反射镜30a和第二反射镜30b，显示器10、反射偏振器20、第一反射镜30a和第二反射镜30b中的每一者面向长方体棱镜50的内部空间56。限定由显示器10发射的图像的图像射线沿循光轴40a穿过内部空间56，并且在所发射的图像被反射偏振器20以及第一反射镜30a和第二反射镜30b中的每一者反射之后，所发射的图像被反射偏振器20透射以供观看者作为表面45(例如，挡风玻璃)上的投影图像40b观看。在一些实施方案中，光轴40a以基本上垂直于反射镜30a的角度θ_N入射在第一反射镜30a上。反射偏振器设置成与光轴40a成角度θ_R。

应当指出的是，长方体棱镜50的每个面被认为是侧面52以及端面54。术语“侧面”通常用来指长方体棱镜50的四个侧面中的任何一个侧面，如图7所示。术语“端面”将用于指作为一组相反的平行端面存在的端面(即，一组具有对应于第一侧面的一个端面，以及对应于与第一侧面直接相对的侧面的第二端面)。存在两组相反的平行端面54a和54b。

在一些实施方案中，显示器10和反射偏振器20沿长方体棱镜的两个相邻侧面52设置。在一些实施方案中，显示器10和第二反射镜30b在相反的平行端面54a上基本上面向彼此，并且反射偏振器20和第一反射镜30a在相反的平行端面54b上基本上面向彼此。

诸如“约”的术语将在本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中理解。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“约”应用于表达特征大小、数量和物理特性的量的使用不清楚，则“约”将被理解为是指在指定值的10％以内。给定为约指定值的量可精确地为指定值。例如，如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对其不清楚，则具有约1的值的量是指该量具有介于0.9和1.1之间的值，并且该值可为1。

本领域普通技术人员将在本说明书中使用和描述的上下文中理解术语诸如“基本上”。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“基本上相等”的使用不清楚，则“基本上相等”将指约大致为如上所述的约的情况。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“基本上平行”的使用不清楚，则“基本上平行”将指在平行的30度以内。在一些实施方案中，描述为彼此基本上平行的方向或表面可以在平行的20度以内或10度以内，或者可以是平行的或标称平行的。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“基本上对准”的使用不清楚，则“基本上对准”将指在对准对象的宽度的20％以内对准。在一些实施方案中，描述为基本上对准的对象可在对准对象的宽度的10％以内或5％以内对准。

上述所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文据此以引用方式并入本文。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。

除非另外指明，否则针对附图中元件的描述应被理解为同样应用于其他附图中的对应的元件。虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。

Claims

1.一种光学系统，包括：

反射偏振器；以及

显示器、第一反射镜和第二反射镜，所述显示器、所述第一反射镜和所述第二反射镜设置在所述反射偏振器的同一侧，使得对于法向入射光和在从约450nm扩展至约600nm的范围内的至少一个波长：

所述反射偏振器透射具有第一偏振态的所述入射光的至少80％并且反射具有正交的第二偏振态的所述入射光的至少80％；以及

所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每一者对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的至少一者反射所述入射光的至少80％；

所述显示器适于发射供观看者观看的图像，所发射的图像在被所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每一者反射一次之后被所述反射偏振器透射，

所述光学系统具有光轴，由所述显示器发射并沿所述光轴传播的图像射线在被所述反射偏振器和所述第二反射镜反射之后基本上法向入射在所述第一反射镜上，所述光轴与所述显示器、所述反射偏振器和所述第二反射镜之间的交点限定中间平面，所述中间平面包括具有相应面积A1至A4的一次通过区域至四次通过区域，使得对于从所述显示器发射并沿着所述中间平面且在所述中间平面中传播以及在第二次入射到所述反射偏振器上之前的所发射的图像射线：

所述一次通过区域包括所述所发射的图像射线的横穿过所述一次通过区域至少一次的部分；

所述二次通过区域包括所述所发射的图像射线的横穿过所述二次通过区域至少两次的部分；

所述三次通过区域包括所述所发射的图像射线的横穿过所述三次通过区域至少三次的部分；以及

所述四次通过区域包括所述所发射的图像射线的横穿过所述四次通过区域四次的部分，0.15≤A4/A3≤0.40。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述显示器、所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每一者大致面向所述反射偏振器。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述反射偏振器与所述光轴成角度θ_R，使得当θ_R改变至少5度时，A4/A3改变小于约30％。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述反射偏振器、所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者是弯曲的。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述反射偏振器、所述显示器以及所述第一反射镜和所述第二反射镜大致在它们之间限定内部空间，其中所述第一反射镜和所述第二反射镜中的一者朝向所述内部空间呈凸形，并且所述第一反射镜和所述第二反射镜中的另一者朝向所述内部空间呈凹形。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光轴与所述显示器成第一倾斜角度并且与所述反射偏振器成第二倾斜角度。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光轴基本上法向入射在所述第一反射镜和所述第二反射镜中的仅一者上。

8.一种光学系统，所述光学系统包括显示器、反射偏振器、第一反射镜和第二反射镜，所述显示器、所述反射偏振器、所述第一反射镜和所述第二反射镜大致设置在长方体棱镜的不同侧面上以及相反的平行端面之间并且面向所述长方体棱镜的内部空间，在由所述显示器发射的图像被所述反射偏振器以及所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每一者反射之后，所发射的图像被所述反射偏振器透射以供观看者观看。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述显示器和所述反射偏振器沿着所述长方体棱镜的两个相邻侧面设置。

10.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述显示器和所述第二反射镜基本上面向彼此，并且所述反射偏振器和所述第一反射镜基本上面向彼此。

11.一种光学系统，包括：

反射偏振器；以及

所述显示器适于发射中心图像射线，所述中心图像射线沿着中心平面且在所述中心平面中传播，并且所述中心图像射线在被所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每一者反射一次之后被所述反射偏振器透射以供观看者观看，所述中心平面包括具有相应面积A3和A4的三次通过区域和四次通过区域，使得对于从所述显示器发射并且沿着所述中心平面在所述中心平面中传播以及在第二次入射到所述反射偏振器上之前的所发射的图像射线：

12.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者是反射偏振器。

13.根据权利要求11所述的光学系统，使得对于法向入射光和在从约450nm扩展至约600nm的所述范围内的至少一个波长，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的一者透射所述入射光的至少80％。

14.根据权利要求13所述的光学系统，其中对于在从约700nm至约2500nm的范围内的至少一个波长，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的所述至少一者还对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每一者透射法向入射光的至少40％。

15.根据权利要求11所述的光学系统，其中对于法向入射光和在从约450nm扩展至约600nm的所述范围内的至少一个波长，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每一者对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每一者反射所述入射光的至少80％；并且对于在从约700nm至约2500nm的范围内的至少一个波长，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者还对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每一者透射法向入射光的至少40％。

16.根据权利要求11所述的光学系统，其中对于法向入射光和在约450nm至约600nm之间的至少20nm宽的波长范围内的每个波长，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的一者透射所述入射光的至少80％。

17.根据权利要求16所述的光学系统，其中对于在从约700nm至约2500nm的范围内的至少一个波长，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者还对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每一者透射法向入射光的至少40％。

18.根据权利要求11所述的光学系统，其中对于法向入射光和在450nm至约600nm的至少20nm宽的波长范围内的每个波长，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每一者对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每一者反射所述入射光的至少80％；并且对于在从约700nm至约2500nm的范围内的至少一个波长，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者还对于所述第一偏振态和所述第二偏振态中的每一者透射法向入射光的至少40％。