CN115136055B

CN115136055B - 用于减轻重影的光学装置

Info

Publication number: CN115136055B
Application number: CN202180013389.1A
Authority: CN
Inventors: 埃坦·罗宁; 埃德加·弗里德曼
Original assignee: Lumus Ltd
Current assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2023-10-27
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: KR20220152387A; WO2021191889A1; EP4127815A1; CN115136055A; JP2023524357A; IL295694A; US11815709B2; TW202142903A; US20220357497A1; EP4127815A4; IL295694B2

Abstract

光学装置具有透光基板、光学耦出配置和光学布置。透光基板具有至少两个主表面，并且通过主表面之间的内反射来引导光。光学耦出配置将通过内反射引导的光朝向观看者的眼睛耦出透光基板。光学布置与两个主表面中的至少一个相关联，并且具有第一光学元件和第二光学元件。光学元件彼此光学耦合以限定与耦出配置的至少一部分相关联的界面区域。界面区域使从外部场景发出的、以给定入射角范围入射到光学装置的光线偏转。

Description

用于减轻重影的光学装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年3月23日提交的美国临时专利申请第62/993,100号的优先权，该申请的全部公开内容通过引用合并且于本文中。

技术领域

本发明涉及基板引导的光学装置。

背景技术

近眼显示器(NED，near eye display)、头戴式显示器(HMD，head mounteddisplay)和平视显示器(HUD，head up display)的光学布置需要大孔径以覆盖观看者的眼睛所在的区域(通常被称为眼睛运动盒或EMB)。为了实现紧凑的装置，要投影到观看者的眼睛中的图像由具有小孔径的小型光学图像生成器(投影仪)生成，该小孔径被倍增以生成大孔径。

基于透明材料的平行面对的板开发了一种在一个维度上进行孔径倍增的方法，在该平行面对的板中图像通过内反射进行传播。通过使用成斜角的部分反射器或通过在板的一个表面上使用衍射光学元件，将图像波前的一部分耦出板。这样的板在本文中被称为光导光学元件(LOE，light-guide optical element)、透光基板或光波导。在图1中示意性地示出了这种孔径倍增的原理，图1示出了产生图像并且执行图像的孔径扩展的光学装置10。光学装置10具有光导光学元件12，该光导光学元件12由透明材料形成并且具有一对平行的主外表面(面)14、16，用于通过内反射(优选但不一定是全内反射)来引导光。图像投影仪18(示意性地表示为矩形)生成如此处由照明束20示意性地表示的投影图像20，该照明束20包括跨越束的样本光线20A和样本光线20B。投影图像20由如此处由棱镜22(可互换地被称为“楔形件”或“棱镜”)示意性地示出的光学耦入配置22耦入光导光学元件12中，以生成反射光线24，该反射光线24通过内反射被捕获在基板内，从而还生成光线26。此处，耦合楔形件22包括三个主表面，其中一个主表面位于LOE 12的倾斜边缘面28旁边(或与LOE 10的倾斜边缘28是共同的)(此处边缘26与面14、面16成倾斜角)。

耦入图像20通过面14、面16的重复内反射沿基板12传播，入射在与平行面14、面16成倾斜角(α_sur)的光学耦出配置30上，光学耦出配置30此处由一系列部分反射表面30a、部分反射表面30b、部分反射表面30c、部分反射表面30d、部分反射表面30e、部分反射表面30f(统称为部分反射表面30)示意性地示出，其中，图像强度的一部分被反射，以朝向位于EMB38中的观看者的眼睛36的瞳孔34作为光线32A和光线32B耦出基板，该EMB 36处于距表面14的出瞳间隔(ER，eye relief)距离40处。基板12的透明性使观看者能够观看覆盖在基板12的前侧处(即在面16处)的外部场景(即，真实世界场景)的视图上的耦合出图像20，当将光学装置10布置为增强现实(AR)系统的一部分时，这是特别有用的。

为了使可能引起重影图像的图像20的不需要的反射最小化，部分反射表面30优选地被涂覆成具有针对第一入射角度范围的低反射率，同时具有针对第二入射角度范围的所期望的部分反射率，其中，将相对于部分反射表面30的法线具有小倾斜度的光线(此处表示为角度βref)分开以生成用于耦出的反射光线，而高倾斜度(相对于法线)的光线以可忽略的反射透过。

投影图像20是准直图像，即其中每个像素由对应角度处的平行光线束——相当于来自远离观看者的场景的光——来表示(准直图像被称为“准直到无限远”)。此处，图像由与图像中的单个点(通常是图像的质心)对应的光线简化地表示，但事实上，图像包括到该中心束的每一侧的角度范围，该图像以对应角度范围耦入至基板，并且类似地以对应的角度耦出，从而创建与以不同方向到达观看者的眼睛36的图像的部分对应的视场(FOV，fieldof view)。

除了可能产生重影的图像20的不需要的反射之外，基板12和耦出配置30的能够使来自图像投影仪18的图像20通过重复内反射从面14、面16沿基板12传播并且由耦出配置30耦出的光学特性还可能引起来自外部场景(即，真实世界场景)的不需要的光向观看者的眼睛36偏转，从而引起外部场景重影。

发明内容

本发明的各方面提供了用于减轻由外部场景中的源发出的光引起的重影图像的光学装置。

根据本发明的实施方式的教导，提供了一种光学装置。该光学装置包括：具有至少两个主表面的透光基板，用于通过主表面之间的内反射来引导光；光学耦出配置，用于将通过两个主表面之间的内反射引导的光朝向观看者的眼睛耦出透光基板；以及光学布置，其与两个主表面中的至少一个相关联，并且包括第一光学元件以及第二光学元件，第二光学元件光学耦合至第一光学元件，以限定与光学耦出配置的至少一部分相关联的界面区域，光学布置被布置成使得从外部场景发出并且以给定入射角范围入射到光学布置的光线在界面区域处偏转。

可选地，第一光学元件和第二光学元件均具有比界面区域的折射率高的折射率。

可选地，界面区域被形成为气隙。

可选地，界面区域被形成为低折射率材料的透明层。

可选地，第一光学部件和第二光学部件各自包括多个表面，并且经由多个表面中的对应表面来对应配置和相邻放置，以限定界面区域。

可选地，第一光学元件和第二光学元件中的每一个是棱镜，棱镜具有相互平行的第一表面和第二表面以及倾斜于相互平行的第一表面和第二表面的第三表面，并且其中，第一光学元件和第二光学元件在第三表面处彼此光学耦合。

可选地，光学布置被形成为透镜。

可选地，界面区域具有线性表面轮廓。

可选地，界面区域具有非线性表面轮廓。

可选地，界面区域包括第二透光基板，第二透光基板具有一对平行面以及在相对于平行表面倾斜地布置第二透光基板内的多个部分反射表面。

可选地，部分反射表面中的每一个包括：一对透明层以及布置在一对透明层之间的涂覆有低折射率材料的粗糙透明层，其中，一对透明层中的每一个的折射率高于低折射率材料的折射率。

可选地，以给定角度范围从外部场景发出的光线在界面区域处偏转，从而通过内反射被捕获在第一光学元件内。

可选地，以给定角度范围从外部场景发出的光线经由第一光学元件的第一表面进入光学布置，在界面区域处被反射，在第一光学元件的第一表面处被反射，并且在界面区域处朝向第一光学元件的第二表面反射并且离开透光基板。

可选地，第一光学元件的第二表面与光收集或耗散部件相关联。

可选地，以给定角度范围之外的角度范围从外部场景发出的光线经由第一光学元件的第一表面进入光学布置，被界面区域透射，经由第二光学元件的第一表面离开光学布置，并且穿过透光基板到达观看者的眼睛。

可选地，光学布置使得在缺少该光学布置的情况下，以给定角度范围从外部场景发出的光线进入透光基板并且通过光学耦出配置朝向观看者的眼睛耦出透光基板。

可选地，该光学装置还包括：第二光学布置，第二光学布置被布置成正交于透光基板的取向并且位于透光基板的端部处。

可选地，光学耦出配置包括位于透光基板内的至少一个部分反射表面。

可选地，光学耦出配置包括至少部分地横穿透光基板的多个部分反射表面。

可选地，所述光学装置还包括：图像投影仪，图像投影仪耦合到透光基板的近端，以将与准直图像对应的光波引入透光基板中，其中，界面区域跨越位于透光基板的与近端相对的远端附近的部分反射表面的子集。

可选地，光学耦出配置包括与两个主表面之一相关联的衍射元件。

可选地，所述光学装置还包括：图像投影仪，图像投影仪耦合到透光基板，以将与准直图像对应的光波引入透光基板中，使得准直图像在透光基板内通过内反射传播，并且通过光学耦出配置耦出透光基板。

可选地，所述光学装置还包括：与透光基板和图像投影仪相关联的光学耦入配置，光学耦入配置用于从图像投影仪接收准直图像并且将准直图像耦入透光基板中。

根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种光学装置。该光学装置包括：透光基板，具有一对面，用于通过面之间的内反射来引导光；光学耦出配置，用于将通过面之间的内反射引导的光朝向观看者的眼睛耦出透光基板；以及至少一个光学元件，其具有多个表面，多个表面包括一对平行主表面以及倾斜于一对平行主表面并且与光学耦出配置的至少一部分相关联的第三主表面，其中，至少部分地通过第三主表面来限定折射率低于至少一个光学元件的折射率的界面区域，其中，至少一个光学元件被布置成：一对平行主表面中的一个主表面与透光基板的一个面相关联，使得从外部场景发出并且以给定入射角范围入射到一对平行主表面中的另一个主表面的光线在界面区域处偏转。

可选地，至少一个光学元件的多个表面还包括第四表面，并且其中，以给定角度范围从外部场景发出的光线经由一对平行主表面中的另一主表面进入至少一个光学元件，在界面区域处被反射，在一对平行主表面中的所述另一主表面处被反射，并且在界面区域处朝向第四表面反射并且离开透光基板。

可选地，第四表面与光收集或耗散部件相关联。

可选地，界面区域还部分地由光学耦合至第三主表面的透明板限定。

根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种光学装置。该光学装置包括：透光基板，其具有至少两个主表面，用于通过主表面之间的内反射来引导光；光学耦出配置，用于将通过两个主表面之间的内反射引导的光朝向观看者的眼睛耦出透光基板；以及光学布置，其与两个主表面中的至少一个相关联，并且包括被相邻定位以限定与光学耦出配置的至少一部分相关联的界面区域的一对光学元件，界面区域的折射率小于光学元件的折射率，并且光学布置被布置成使得从外部场景发出并且以给定入射角范围入射到光学布置的光线在界面区域处偏转。

根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种光学装置。该光学装置包括：第一透光基板，具有至少第一主表面和第二主表面，用于通过第一主表面和第二主表面之间的内反射来引导光；光学耦出配置，用于将通过第一主表面与第二主表面之间的内反射引导的光朝向观看者的眼睛耦出第一透光基板；以及光学布置，包括：具有至少两个主表面的第二透光基板，其中，第二透光基板的两个主表面中的一个与第一透光基板的第一主表面或第二主表面相关联，以及多个部分反射表面，多个部分反射表面被相对于第二透光基板的两个主表面倾斜地布置在第二透光基板的一部分内，以限定与光学耦出配置的至少一部分相关联的界面区域，光学布置被布置成使得从外部场景发出并且以给定入射角范围入射到光学布置的光线在界面区域处被偏转或吸收。

在本文档的上下文内，术语“引导”通常是指通过在透光材料的主外表面处的内反射而被捕获在透光材料(例如，基板)内的光，使得被捕获在透光材料内的光在传播方向上穿过透光材料传播。当在透光基板内传播的光以在给定角度范围内的入射角入射到透光材料的主外表面时，在透光基板内传播的光通过内反射被捕获。被捕获的光的内反射可以呈全内反射的形式，由此以大于临界角(部分由透光材料的折射率和布置有透光材料的介质例如空气的折射率限定)的角度入射到透光材料的主外表面的传播光在主外表面处经历内反射。替选地，可以通过将涂层(例如，角度选择性反射涂层)应用至透光材料的主外表面以实现在给定角度范围入射到主外表面的光的反射来实现被捕获的光的内反射。

除非本文另有定义，否则本文使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文描述的方法和材料类似或等同的方法和材料可以在本发明的实施方式的实践或测试中使用，但是下文描述了示例性方法和/或材料。在存在冲突的情况下，应以专利说明书(包括定义)为准。另外，材料、方法和示例仅是说明性的，并非旨在必然进行限制。

附图说明

本文参照附图以仅示例的方式描述了本发明的一些实施方式。在具体详细地参照附图的情况下，要强调的是，所示的细节是作为示例并且出于说明性讨论本发明的实施方式的目的。在这方面，结合附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何实践本发明的实施方式。

现在将注意力转向附图，其中相同的附图标记或字符指示对应的或相同的部件。在图中：

图1是如上所述的用于近眼显示器的采用部分反射表面的现有技术的光导光学元件(LOE)的示意性侧视图；

图2是示意性侧视图，示出了从图1的LOE的前侧处的外部场景中的源发出的代表性光线通过部分反射表面之一朝向观看者的眼睛偏转，以形成外部场景的重影；

图3是示意性侧视图，示出了从图1的LOE的后侧处的外部场景中的源发出的代表性光线通过部分反射表面之一朝向观看者的眼睛偏转，以形成外部场景的重影；

图4是示出引起重影的光线的角度分布的示意性侧视图；

图5是根据本发明的实施方式构造和操作的光学装置的示意性侧视图，该光学装置包括LOE以及与LOE的前表面相关联的光学装置，并且具有彼此耦合以限定界面区域的一对光学元件，该界面区域使引起重影的光线偏转；

图6是示出图5的光学布置的部件的示意性侧视图；

图7是图6中用VII表示的区域的放大图；

图8是图5的光学布置的示意性侧视图，其中界面区域被实现为薄的透明板；

图9是示意性侧视图，示出了由图5和图6的光学布置的界面区域引起的样本光线的偏转；

图10是在给定入射角范围内入射到图5和图6的光学布置上的光线的光强度分布的热图的图；

图11是类似于图5的示意性侧视图，但光学布置与LOE的后面相关联；

图12是根据本发明的另一实施方式的使引起重影图像的光线偏转的光学布置的示意性侧视图，该光学布置具有成对的弯曲的主表面；

图13是根据本发明的另一实施方式的使引起重影图像的光线偏转的光学布置的示意性侧视图，该光学布置具有成对的弯曲的和平面的主表面；

图14是根据本发明的另一实施方式的使引起重影图像的光线偏转的光学布置的示意性侧视图，该光学装置类似于图5的光学布置，但是具有有着非线性表面轮廓的界面区域；

图15是根据本发明的另一实施方式的使引起重影图像的光线偏转的光学布置的示意性侧视图，该光学装置类似于图13的光学布置，但是具有有着非线性表面轮廓的界面区域；

图16是根据本发明的另一实施方式的使引起重影图像的光线偏转的光学布置的示意性侧视图，该光学装置具有被形成为采用一组部分反射表面的透光基板的界面区域；

图17是示出图16的界面区域的部分反射表面中的代表性部分反射表面的结构的示意性侧视图；

图18是类似于图16的光学布置的示意性侧视图，但是界面区域具有多个相互平行的吸收表面；以及

图19是类似于图5的示意性侧视图，但是具有第二光学布置，该第二光学布置以正交于LOE的取向布置在光学装置的图像投影仪处或图像投影仪附近。

具体实施方式

本发明的实施方式提供了用于减轻由外部场景中的源发出的光引起的重影的光学装置。

参照说明书附图，可以更好地理解根据本发明的光学装置的原理和操作。

在详细说明本发明的至少一个实施方式之前，应理解的是，本发明不一定将其应用限于以下描述中阐述的和/或在附图和/或示例中示出的方法和/或部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式或者能够以各种方式实践或执行。

通过介绍的方式，图2和图3是来自图1的基板12和部分反射表面30的部分的复制，其被注释以示出下述示例场景：来自光源42(其为外部场景的一部分)的不需要的光朝向眼睛36偏转，引起外部场景重影。光源42通常是可以在外部场景中提供照明的任何光源，包括自然照明光源(例如太阳)和人造照明光源(例如灯、显示屏、灯泡等)。在图2中，基板12被布置成面16面向源42的关系。表示从源42发出的光的样本光线44以掠射角(大入射角——或AOI)入射到面16，并且通过折射在点46处进入基板12。光线44在面14处被主平面(在点48处)朝向部分反射表面30之一(在该示例中为部分反射表面30b)反射，该部分反射表面30将光线44反射回去通过面14而离开基板12，并且朝向眼睛36传播。由于光线44的源不是图像投影仪20而是真实世界，因此光线44在基板12内的传播不是通过(全)内反射。因此，与图1中的从基板12发出的垂直于面14并且在FOV内的(作为光线32A和32B)的图像20相比，朝向眼睛36偏转的光线44的部分是倾斜于面16从基板12发出的并且在FOV的外部。

在图3中，源42与眼睛36位于基板12的同一侧。此处，光线44在点50处以掠射角(大AOI)入射到面14，并且通过折射在点50处进入基板12。光线44然后入射在部分反射表面30之一(在该示例中为部分反射表面30b)上，该部分反射表面30将光线44反射回去通过面14从而朝向眼睛36离开基板12。

在图2和图3所示的场景中，由不需要的光线产生的重影图像(其中，重影图像位于FOV外部，并且通常经历来自给定部分反射表面的最多一次反射(在下文中可互换地称为重影)。

现在参照图5至图19，图5至图19示出了根据本发明的实施方式构造和操作的用于减轻/减少重影的总体上标记为光学装置100的结构和操作的各个方面。光学装置100通常包括光学装置10的所有部件，但是还包括用于使以特定AOI范围到达的光偏转的光偏转光学布置102(在下文中称为“光学布置”)。更具体地，光学装置100包括：光导光学元件12(也称为LOE、透光基板或光波导)，其由透明材料(例如玻璃)形成并且具有一对主外表面(面)14、16，面14、面16被布置成面中的一个面14面对观看者/观察者的眼睛36；光学耦出配置30(示意性地表示为至少部分地横穿基板12的部分反射表面的阵列)，该光学耦出配置30与面14、面16中的一个或两个相关联；以及图像投影布置(即，图像投影仪)18，用于生成准直图像，该准直图像经由光学耦入配置22(在此示意性地用棱镜示出)耦入LOE 12中。光学布置102与面14、面16中的至少一个相关联，并且在某些非限制性实施方式中，光学布置102通常包括由具有适当高的折射率(优选地在1.5至1.9的范围内)的材料形成的两个光学元件，并且这两个光学元件彼此光学耦合以限定界面区域，该界面区域具有小于两个光学元件的折射率的适当低的折射率(优选地在1至1.35的范围内)。

光学布置102被布置成使得从外部场景中的源(例如，源42)发出的以给定AOI范围入射到光学布置102(特别是光学布置102的第一光学元件)的光线(由光线44表示，并且在下文中可互换地称为“不需要的光”)在界面区域处被偏转。界面区域使不需要的光偏转离开基板12和光学耦出配置30，从而防止不需要的光到达眼睛36。通常将不需要的光定义为以给定AOI范围入射到光学布置102的特定的一组光线，在缺少光学布置102的情况下，该特定的一组光线会产生重影。

在详细描述光学布置102的结构和操作之前，首先要注意的是，由于来自外部场景的不需要的光(由光线44表示)在FOV之外，因此，为了使不需要的光到达EMB(即到达眼睛36)，偏转/反射的光应离开LOE 12的边缘或末端部分。这在图4中示意性地示出，图4示出了经由位于LOE 12的远端11处或附近的部分反射表面30a、30b、30c到达(EMB内的)眼睛36的不需要的光线43的角度分布。这意味着仅需要通过光学布置102将该组部分反射表面30的有效区域的边缘处的不需要的光线进行偏转来减轻外部场景重影。另外，仅需要通过光学布置102将以给定角度范围(即，给定角度分布)入射到面14、面16上的光线(该光线的从右侧到面14、面16的法线的掠射角大于测得的特定掠射角)进行偏转。在本文中，LOE 12的远端11被任意地定义为在图的左侧，并且与LOE 12的近端13(在图的右侧)相对，其中，图像投影仪18和光学耦入配置22位于LOE 12的近端13或附近。

出于上述考虑，参照图5，图5示出了布置在面16处的光学布置102，以对抗/减轻由位于LOE 12的前部的外部场景中的光源引起的重影(即，当面16面对具有光源的外部场景时，如图2所示)。如所提及的，在某些实施方式中，光学布置102通常由至少两个光学部件形成，此处将两个光学部件示出为第一光学部件104和第二光学部件106，它们被相应地配置并且彼此光学耦合以限定与光学耦出配置30的至少一部分相关联的界面区域108(替选地称为“界面表面”或“界面层”)。在优选实施方式中，界面区域108与有效区域的边缘处的部分反射表面(即位于更靠近LOE 12的远端11的最后几个部分反射表面30)相关联。在所示示例中，界面区域108与最后三个部分反射表面30——被标记为30a、30b、30c——相关联。

图6和图7示出了根据某些实施方式的光学布置102的更详细的视图，该视图中没有LOE、耦合棱镜和图像投影仪。图7示出了图6中标记为区域VII的放大图。在某些非限制性实施方式例如图5至图10中所示的一些实现方式中，光学部件104、光学部件106被实现为一对相应地配置的棱镜，使得光学布置102形成大体上矩形的横截面(即，在纸平面上为矩形)。在这样的实现方式中，这些棱镜104、棱镜106优选地(但不是必须地)在纸平面上是四边形的。现在将描述这些棱镜104、棱镜106的具体结构和特性。

第一光学元件104通常包括多个表面，所述多个表面包括至少四个平面主表面(即，面)，分别被标记为表面105a、表面105b、表面105c、表面105d。表面105a和表面105b优选地彼此平行并且具有不同的长度。在所示的实施方式中，表面105a的长度大于表面105b的长度(该长度是沿水平轴测量的)。表面105c在表面105a、表面105b的相应的第一端之间延伸并且倾斜于表面105a、表面105b。在图7中，倾斜角α是在表面105a与表面105c之间形成的角度。表面105d在两个表面即表面105a、表面105b的相应第二端(与第一端相对)之间延伸，并且优选地(但不是必须地)正交于表面105a、105b。

类似地，第二光学元件106通常包括多个表面(即，面)，所述多个表面包括至少四个平面主表面，分别标记为表面107a、表面107b、表面107c、表面107d。如图所示，表面107a和表面107b可以相互平行，并且具有不同的长度。在所示的实施方式中，表面107b的长度大于表面107a的长度。表面107c在表面107a、表面107b的相应的第一端之间延伸并且倾斜于表面107a、表面107b。在图7所示的实施方式中，在表面107b与表面107c之间形成相同的倾斜角α。表面107d在两个表面107a、表面107b的相应第二端(与第一端相对)之间延伸。表面107d可以与表面107a、107b正交或者可以不正交。在图5至图10所示的实施方式中，表面105a、表面107a是共面的，表面105b、表面107b以及表面105c、表面107c也是共面的。

如上所述，光学元件104、光学元件106被相应地配置。特别地，通过经由机械或光学附件使表面105c、表面107c彼此相邻放置，光学元件104、光学元件106彼此光学耦合。表面105c、表面107c的相邻放置限定了位于表面105c、表面107c处的界面区域108。明显的是，界面区域108倾斜于表面105a、表面105b、表面107a、表面107b(由于光学布置102的部件的几何形状)。在某些非限制性实施方式例如图5至图10中所示的实施方式中，表面105c、表面107c中的每一个都是平面的，从而具有线性表面轮廓，使得界面区域108也具有线性表面轮廓(界面区域在纸平面上是线性的)。

如所提及的，光学元件104、光学元件106由具有适当高折射率的材料(称为“高折射率材料”)形成，并且界面区域108由具有低于(即小于)光学元件104、光学元件106的折射率的适当低折射率的材料(称为“低折射率材料”)形成。可用于形成光学元件104、光学元件106的材料的示例包括不同类型的玻璃(例如折射率约为1.52的BK7)、聚合物等。在随后的段落中将提供可用于形成界面区域108的材料的示例。

在图5所示的实施方式中，光学布置102经由面16与表面105b、表面107b之间的光学耦合被布置在面16处。光学布置102的几何形状使得界面区域108倾斜于LOE 12的面14、面16。优选地，光学布置102光学地耦合到LOE 12，使得面16平行于表面105b、表面107b。在某些非限制性实施方式中，光学耦合通过布置在面16与表面105b、表面107b之间的一层光学粘合剂来实现。在其他非限制性实施方式中，光学耦合可以通过机械附接来实现，由此光学布置102被机械地定位成在表面105b、表面107b与面16之间保持气隙的情况下使表面105b、表面107b与面16相邻。

界面区域108可以以各种方式实现。在一组非限制性实施方式中，界面区域108被实现为气隙，从而具有大约1的折射率。例如，可以通过将第一光学元件104布置成(例如，经由机械连接、光学粘合剂等)使表面16b与面16的第一部分相邻并且将第二光学元件106布置成(例如，经由机械连接、光学粘合剂等)使表面107b与面16的第二部分相邻来实现这种气隙，使得在表面105c、107c之间保持均匀的气隙。在其他非限制性实施方式中，界面区域108被实现为透明的低折射率材料的薄层，例如光学粘合剂层、固体电介质材料层、薄膜电介质涂层或低折射率材料的透明薄板。在这样的实施方式中，可以类似于气隙实现方式那样布置光学元件104、光学元件106，并且可以在表面105c、表面107c处在光学元件104、光学元件106之间布置低折射率材料的透明薄层。

市场上可购得折射率约为1.3的光学粘合剂。可以将这种光学粘合剂沉积在表面105c、表面107c中的任何一个上。固体电介质材料也可以在市场上购得，例如形式为已开发的一系列气凝胶材料。这些气凝胶材料的折射率在1.1至1.2的范围内，并且具有稳定的机械性能。可以将这种气凝胶材料涂覆到表面105c、表面107c中的任何一个上。替选地，可以将具有必要的反射特性(即，在低AOI时是透射性的并且在较大AOI时是高反射性的)的薄膜电介质涂层涂覆到表面105c、表面107c中的任一个上。

图8示出了根据本公开的某些实施方式的非限制性实现方式，其中界面区域108被实现为薄的透明板114。在这样的实施方式中，透明板114包括两对相互平行的侧面(即，表面、面)，即侧面109a、侧面109b、侧面111a、侧面111b。在此，板114的尺寸对应于光学元件104、光学元件106的尺寸，特别是侧面111a、侧面111b的长度对应于表面105c、表面107c的长度，使得侧面109a、侧面109b之间的距离对应于(在表面105a、表面105b和/或表面107a、表面107b之间测量的)光学元件104、光学元件106的厚度。因此，侧面109a、侧面109b比侧面111a、侧面111b短，从而形成非矩形的平行四边形截面，即，透明板114的相邻侧面彼此倾斜。特别地，侧面111a、侧面109b之间以及侧面111b、侧面109a之间的角度为α(根据表面105c、表面107c的倾斜布置)。在这种实现方式中，透明板114的短侧面中的一个109a与表面105a、表面107a共面，而透明板114的短侧面中的另一个109b与表面105b、表面107b共面。透明板114的长侧面中的一个111a光学地附接到表面105c并且实际上(即，有效地)与表面105c重合，并且长边中的另一个111b光学地附接到表面107c并且实际上与表面107c重合。侧面111a、侧面111b可以经由光学粘合剂薄层光学地附接到相应的表面105c、表面107c。替选地，薄的透明板114可以被机械地定位成使得侧面111a、表面111b被布置成与相应的表面105c、表面107c相邻并且实际上与相应的表面105c、107c重合。注意，如图8所示，在侧面111a、侧面111b与相应的表面105c、表面107c之间的间隙的尺寸为了图示清楚而被放大，并且在实践中优选地实际上不存在这种间隙。

如所提及的，界面区域108与光学耦出配置30的至少一部分相关联，并且在图5所示的示例布置配置中与最后三个部分反射表面即部分反射表面30a、部分反射表面30b、部分反射表面30c相关联。特别地，界面区域108跨越最后的部分反射表面30a的至少一部分，并且跨越整个部分反射表面30b、30c。这种布置防止了以第一给定入射角范围入射到光学布置102的光线从最后两个部分反射表面30a、30b反射并且到达眼睛36。

注意，表面105a、105b、107a、107b的相对长度确定倾斜角α，反之，倾斜角α也确定表面105a、105b、107a、107b的相对长度。还应注意的是，由于界面区域108仅需要与部分反射表面30中的一些相关联(通常最多是部分反射表面30中的一半)，因此光学元件104的长度显著小于光学元件106的长度，并且表面105b的长度显著小于表面107a的长度。在本文中，光学元件104、106的长度分别由表面105a、107b的长度限定，并且表面105a、105b、107a、107b的长度沿水平轴测量(跨越在表面105d与107d之间)。在某些非限制性实施方式中，表面107b的长度约为表面105a的长度的两倍，并且表面107a的长度约为表面105b的长度的五倍。在这样的实施方式中，表面105a的长度约为表面105b的长度的1.5倍，并且表面107b的长度约为表面107a的长度的四倍。两个光学元件104、106的表面长度的乘数可以取决于各种因素，包括例如部分反射表面的数量和期望的倾斜角α。例如，可以选择要与界面区域108相关联的部分反射表面的数量，其指示倾斜角α，该倾斜角α然后将指示表面105a、105b、107a、107b的对应长度。

图9通过两个入射光线即光线44和光线60的示例方式，示出了光线与光学布置102的部件之间的相互作用。为清楚起见，界面区域108的厚度与图7和图8所示的界面区域厚度相比基本上是减小的。光线44表示特定的一组光线中的以第一给定入射角范围入射到光学布置102的光线，在缺少光学布置102的情况下，该一组光线会产生重影。光线60表示以第一给定范围之外的第二给定入射角范围入射到光学布置102的光线。在缺少光学布置102的情况下，第二入射角范围内的光线不会引起重影，因此优选的是，第二给定范围内的光线大体上不受光学布置102的影响。第二光学元件106确保这样的光线大体上不受光学布置102的影响，并且使这些光线以与这些光线到达光学元件104的AOI相同(或近似相同)的AOI到达LOE 12。

首先看光线60的遍历，光线60以大约0°(即，大致垂直于表面105a)的AOI入射到光学布置102的光学元件104的表面105a。入射光线60经由表面105c进入光学布置102，并且以小于(由光学元件104的折射率和界面区域108的折射率定义的)临界角θ_c的(相对于界面区域108的法线测量的)AOI入射在界面区域108上，使得光线60进入(即，透射到)界面区域108中。由于从第一光学元件104的高折射率到界面区域108的低折射率的变化，光线60可能经历一些折射。光线60然后离开界面区域108并且进入第二光学元件106，并且由于从界面区域108的低折射率到第二光学元件106的高折射率的变化，可能经历一些折射。由于光学元件104、106优选地具有相同的折射率，因此光线60的由于从高折射率到低折射率到高折射率的转变的双折射，确保了光线60的传播方向大体上不受光学布置102的影响。换言之，入射光线60传播穿过界面区域108而没有传播角的任何显著变化，使得光线60(经由表面107c)进入光学元件106的角度与光线60(经由表面105c)离开光学元件104的角度大体上相同。另外，由于光学元件104、106的对应配置和共同的折射率，光线60(经由光学元件104的表面105a)进入光学布置102与(经由光学元件106的表面107b)离开光学布置102的角度大体上相同。

尽管未在附图中示出，但是在离开光学布置102之后，光线60以与光线60入射在表面105a上相同的AOI入射在LOE 12的面16上。在该特定示例中，AOI大约为0°，光线60经由面16进入LOE 12，并且直接穿过LOE 12(不经过部分反射表面30的反射或者反射量可忽略不计)，从而经由面14离开LOE 12并且被观看者的眼睛36观看到。因此，光学布置102不会遮挡观看者对外部场景的观看。

光线44以掠射角(相对于表面105a的大AOI——标记为θ_in)入射到光学布置102的表面105a。光线44的一部分强度作为光线45a耦合到光学布置102中，其中，透射光线45a以角度θ₁传播(可以根据斯涅耳定律(Snell's law)，使用光学元件104的折射率以及布置光学布置102采用的介质(例如空气)的折射根据θ_in计算出角度θ₁)。透射光线45a以θ₂的AOI(相对于界面区域108的法线测量的)入射在界面区域108上。可以使用以下表达式来计算角度θ₂：θ₂＝θ₁+α(其中α是在表面107b与表面107c之间形成的倾斜角)。

如果θ₂大于临界角θ_c，则光线45a在界面区域108处被全内反射成为反射光线45b(即，经历全内反射即TIR)。经TIR反射的光线45b朝向表面105a传播回来，并且在表面105a处经历内反射，从而向界面区域108传播回来成为反射光线45c。反射光线45c继续传播通过光学元件104，直到经历从界面区域108的最终反射，从而朝向表面105d反射成为反射光线45d。反射光线45d到达与光学元件104的表面105d相关联的光收集/耗散部件110，该光收集/耗散部件110收集和/或耗散与光线45d相关联的强度。光收集/耗散部件110可以被布置在表面105d处并且可以以各种方式来实现，包括例如作为吸收器或散射器。吸收器和散射器是本领域普通技术人员众所周知的。当被实现为吸收器时，光收集/耗散部件110可以被实现为例如涂覆到或沉积在表面105d上的光吸收材料层，例如黑光吸收涂料。

可以选择光学布置102的设计参数，特别是角度α以及界面区域108和光学元件104、106的折射率，以产生临界角θ_c，临界角θ_c确保将以第一给定入射角范围内的AOI入射到光学布置102的所有光线通过内反射耦合到光学布置102中，并且在光收集/耗散部件110处被收集和/或耗散，以防止这种光线进入LOE 12并且通过部分反射表面30朝向眼睛36耦出LOE 12(在这里，耦出光线表现为外部场景重影)。

如所提到的，光学元件104、106优选地由高折射率材料形成，优选地，其折射率η₁在1.5至1.9的范围内，并且界面区域108优选地由低折射率材料形成，优选地其折射率η₂在1至1.35的范围内。如本领域中已知的，临界角θ_c＝sin^-1(η₂/η₁)。因此，使用上述η₁和η₂的示例性范围，临界角可以采用介于大约33.7°(对于η₁＝1.8并且η₂＝1)与60.1°(对于η₁＝1.5并且η₂＝1.3)之间的值。

图10示出了入射在图5和图6的光学布置102上的第一给定入射角范围内的光线的光强度分布的热图，其中光学元件104、106由折射率为1.59的材料构成，界面区域108的折射率为1.1，并且α＝2.5。该热图示出了与表面105b、107b相关联布置的检测器的强度分布，该检测器收集来自点光源的光，该点光源具有与表面105a、107a相关联布置的朗伯分布(Lambertian distribution)。竖直轴上的光分布具有180°的跨度，并且在沿水平轴的一侧(表示界面区域108的跨度)被截断。以大于71°的AOI入射到光学布置102(在这种情况下为光学元件106的表面107a)的光通过内反射耦入光学布置102中，并且被界面区域108偏转离开LOE 12(并且朝向光收集/耗散部件110)。通常，可以选择光学布置102的光学参数(例如，α、界面区域108的折射率、光学元件104、106的折射率等)，以减轻以第一给定入射角范围入射到光学布置102(即，光学元件104的表面105a)的不需要的光线的影响。第一入射角范围通常为56°至86°，但可能会根据光学装置的具体配置而有所不同。例如，在某些光学配置中，第一入射角范围是70°至86°，而在其他光学配置中是55°至86°。还可以选择光学布置102的光学参数，使得以(第一范围之外的)第二给定入射角范围(通常在-90°至45°范围内)入射到光学布置102(即，光学元件104的表面105a)的光线大体上不受光学布置102的影响(如先前在示例光线60中所讨论的)。

现在参照图11，图11示出了布置在面14处的光学布置102，该光学布置102用于对抗/减轻由在LOE 12的后部处的外部场景中的光源引起的重影(即，当面14面对具有光源的外部场景时，如图3所示)。在此，光学布置102的结构几乎与先前参照图5至图9描述的结构相同，但是有一些关键的区别。首先，也是最值得注意的，光学布置102经由面16与表面105b、107b之间的光学耦合布置在面14处。其次，图11所示的布置配置可能需要沿长度维度(在LOE 12的近端与远端之间的方向上的跨度，即水平轴)截断光学元件106(与图5所示的布置配置相比)，以容纳光学耦入配置22。第三，由于光学布置102被布置成减轻由LOE 12后部的光源引起的重影，所以界面区域跨越了整个的最后几个部分反射表面(在该示例中为部分反射表面30a、30b)，并且跨越随后的部分反射表面的至少一部分(在该示例中为部分反射表面30c，并且跨过整个部分反射表面30b、30c)。这种布置防止以第一给定入射角范围入射到光学布置102的光线从最后两个部分反射表面30a、30b被反射并且到达眼睛36。

图11所示的布置配置中的光学布置102的一般操作原理与图5所示的布置配置中的操作原理相同或相似。在图11中，来自与面14相关联布置的并且在图像投影仪18附近的(外部场景中的)光源的以给定范围的AOI入射到表面105a的光经由光学元件104的表面105a耦入光学布置102中，并且通过全内反射在界面区域108处被反射，以作为反射光线向表面105a反射回去。然后，该反射光线在表面105a处被反射回界面区域108，该界面区域108将反射光线朝向表面105d反射，该表面105d具有布置在其上和/或与其相关联的光收集/耗散部件。

明显的是，图5和图11中所示的布置配置可以组合使用，以对抗/减轻在LOE 12的前侧(即面16)处的外部场景中的第一组光源以及在LOE 12的后侧(即面14)处的外部场景中的第二组光源的影响。换言之，第一光学布置102可以与面16相关联地布置(如图5所示)，并且第二光学布置102可以与面14相关联地布置(如图11所示)。

现在参照图12，图12示出了根据本公开的另一实施方式的光偏转光学布置202。类似于光学布置102，光学布置202由彼此光学耦合(并且彼此相邻放置)以限定界面区域208的对应配置的第一光学部件204和第二光学部件206形成。如所讨论的，与前述实施方式的光学部件104、106不同，光学部件204、206具有弯曲的主表面，使得当光学部件204、206彼此耦合时，光学布置202形成具有两个连续弯曲的主表面的透镜状的形状。

如图所示，第一光学元件204包括多个表面，所述多个表面包括至少四个主表面(即，面)，分别标记为表面205a、205b、205c、205d。表面205a和205b分别是凹曲面和凸曲面。与光学元件102类似，表面205a比表面205b长，并且表面205c在两个表面205a、205b的相应的第一端之间延伸并且倾斜于表面205a、205b。

表面205d在两个表面205a、205b的(与第一端相对的)相应第二端之间延伸，并且优选地(但不是必须地)平行于LOE 12的面14、面16，并且提供光学布置202与LOE 12之间的光学耦合的一部分。特别地，表面205d将光学布置202光学地耦合到在LOE 12的远端处或附近的面16的一部分。

第二光学元件206包括多个表面(即，面)，所述多个表面包括至少四个主表面，分别标记为表面207a、207b、207c、207d。表面207a和205b分别是凸曲面和凹曲面。与光学元件102类似，表面207b比表面207a长(并且表面207b的长度大于表面205a的长度，并且表面207a的长度大于表面205b的长度)。表面207c在两个表面207a、207b的相应的第一端之间延伸，并且倾斜于表面207a、207b。

表面207d在两个表面207a、207b的(与第一端相对的)相应第二端之间延伸，并且优选地(但不是必须地)平行于LOE 12的面14、面16，并且最优选地与表面205d共面。表面207d提供光学布置202与LOE 12之间的光学耦合的一部分。特别地，表面207d将光学布置202光学耦合至LOE 12的近端处或附近的面16的一部分。

由于表面205a、205b、207a、207b均具有一定程度的曲率，因此表面205c与表面205a、205b之间的倾斜角以及表面207c与表面207a、207b之间的倾斜角是混合角。因此，在表面205a、205c之间的交点处，在表面205c与表面205a的切线之间测量表面205a、205c之间的倾斜角。类似地，在表面205b、205c之间的相交点处，在表面205c与表面205b的切线之间测量表面205b、205c之间的倾斜角。类似地，在表面207a、207c之间的交点处，在表面207c与表面207a的切线之间测量表面207a、207c之间的倾斜角。类似地，在表面207b、207c之间的交点处，在表面207c与表面207b的切线之间测量表面207b、207c之间的倾斜角。这些倾斜角限定了界面区域208的倾斜布置，类似于上述光学布置102中的倾斜布置。

从图12中可以看出，光学元件204、206的光学耦合(相邻放置)优选地导致：表面205b和207b形成光学布置202的连续凹曲面的一部分；以及表面205a和205b形成光学布置202的连续凸曲面的一部分。

可以使光收集/耗散部件(类似于图9的光收集/耗散部件110)与主表面205a的靠近表面205d的部分相关联，以收集或耗散通过内反射传播通过光学元件204的不需要的光。

图13示出了根据本公开的另一实施方式的光偏转光学布置302。类似于光学布置102、202，光学布置302由彼此光学耦合(并且彼此相邻放置)以限定界面区域308的对应配置的第一光学部件304和第二光学部件306形成。光学元件304包括多个表面，但是与光学布置102、202的光学元件不同，光学元件304主要由纸平面中的标记为表面305a、305b、305c的三个主表面(即，面)限定。与表面205a相似，表面305a是凸曲面。表面305b是平面表面，并且表面305c在两个表面305a、305b的相应的第一端之间延伸并且倾斜于表面305a、305b。表面305a、305b在两个表面305a、305b的相应第二端处接合。光收集/耗散部件可以与主表面305a的靠近表面305b的部分相关联，以收集或耗散通过内反射传播通过光学元件304的不需要的光。

第二光学元件306也主要由纸平面中的标记为表面307a、307b、307c的三个主表面(即，面)限定。与表面207a相似，表面307a是凸曲面。表面307b是优选地与表面305b共面的平面。表面307c在两个表面307a、307b的相应的第一端之间延伸，并且倾斜于表面307a、307b。表面307a、307b在两个表面307a、307b的相应第二端处接合。

从图13中可以看出，光学元件304、306的光学耦合(相邻放置)优选地导致：表面305b和307b形成光学布置202的连续平面的一部分；以及表面305a和305b形成光学布置202的连续凸曲面的一部分，使得光学布置302具有一般的平凸结构。

在图13所示的实施方式中，光学布置302经由面16与表面305b、307b之间的光学耦合布置在面16处。在某些优选但非限制性的实施方式中，光学耦合通过机械耦合来实现，由此光学布置302被机械地定位成：表面305b、307b与表面16相邻，并且在表面305b、307b与面16之间保持气隙(类似于参照图5至图9描述的实施方式中的气隙)。

尽管未在附图中示出，但是图12和图13的光学布置202、302可以与面14相关联地布置(类似于图11)，以对抗/减轻由位于LOE 12后部的外部场景中的光源引起的重影。应注意，这种布置可能需要对光学布置202进行修改，类似于对在图11的布置配置中描述的光学布置102的修改(例如，光学元件206、306的截断，以及界面区域208、308相对于部分反射表面的放置)。注意，通常，如果在LOE 12与眼睛36之间引入具有光功率的光学表面，则该光学表面是平凹表面。光学表面的平凹性使得能够以比无限远更近的距离对经由光学耦出配置30从LOE 12耦出的照明(例如，图1中的光束20)进行成像。

尽管到目前为止描述的实施方式涉及了具有限定了具有线性表面轮廓的界面区域的两个相邻放置的对应配置的光学元件的光偏转光学布置，但是其中界面区域的表面轮廓是非线性的其他实施方式也是可能的。图14和图15示出了具有这种非线性界面区域的光学装置的示例。

首先参照图14，图14示出了根据本公开的实施方式的光偏转光学布置402，光偏转光学布置402类似于光学布置102，但是具有有着非线性表面轮廓的界面区域。除了光学布置402的部件的附图标记以数字“4”开头之外，光学布置402的相同部件被标记为与光学布置102的部件相同。光学布置402在结构和操作上几乎与光学布置102相同，不同之处在于，表面405c、407c是弯曲表面(即具有一定程度的曲率)，使得界面区域408具有非线性表面轮廓，优选地为二维(2D)或一维(1D)凸或半凸表面轮廓。在这样的实施方式中，表面405c通常是凸的或半凸的，而表面407c通常是凹的或半凹的。光收集/耗散部件可以与主表面405d相关联，以收集或耗散通过内反射传播通过光学元件404的不想要的光。

图15示出了根据本公开的另一实施方式的光偏转光学布置502，光偏转光学布置502类似于光学布置302。光学布置502的相同部件被标记为与光学布置302的部件相同，不同之处在于，光学布置502的部件的附图标记以数字“5”开头。光学布置502在结构和操作上几乎与光学布置302相同，不同之处在于，表面505c、507c是曲面(类似于光学布置402)，使得界面区域508具有非线性表面轮廓，优选地为凸或半凸表面轮廓。光收集/耗散部件可以与主表面505a的靠近表面505b的部分相关联，以收集或耗散通过内反射传播通过光学元件504的不需要的光。

由于光学布置402、502的结构，入射到表面405a、505a的光线经历界面区域408、508的变化的表面轮廓，使得入射光线的AOI随着位置变化(即，入射点在界面区域处的位置)。结果，光学布置402、502能够在较大的FOV上使光线偏转，这是因为随着界面区域的曲率变陡(在图中从LOE 12的近端到远端的方向上)，被偏转的光线的角度分布增加。

尽管到目前为止描述的实施方式涉及了被形成为气隙或透明低折射率材料层(例如，光学粘合剂层、固体电介质材料层或低折射率材料的薄透明板)的界面区域，但是其中界面区域具有更确定的光学结构(例如形式为嵌入在基板内的一系列部分反射器)的其他实施方式也是可能的。图16示出了根据这样的实施方式的光偏转光学布置602的非限制性实现方式。光学布置602类似于光学布置102，但是包括具有一系列部分反射表面的界面区域。光学布置602的相同部件被标记为与光学布置102的部件相同，不同之处在于，光学布置602的部件的附图标记以数字“6”开头。

在所示的非限制性实施方式中，光学布置602包括两个光学元件604、606，所述两个光学元件具有在其间形成的界面区域608。界面区域608被形成为具有第一对平行的主外表面612a、612b和第二对平行的主外表面614a、614b的透光基板610，并且包括一系列部分反射表面630a、630b、630c、630d、630e、630f(总体上标记为部分反射表面630)，所述部分反射表面被布置在基板610内，所述部分反射表面在表面612a、612b之间延伸并且倾斜于表面612a、612b。

两个光学元件604和606中的每一个包括多个表面，所述多个表面包括至少四个平面主表面(即，面)，分别标记为表面605a、605b、605c、605d和表面607a、607b、607c、607d。表面605a、605b相互平行并且分别与相互平行的表面607a、607b共面。在某些非限制性实施方式中，表面605a、605b与表面605c、605d正交，并且表面607a、607b优选地与表面607c、607d正交。在这样的实施方式中，界面区域608被形成为布置在光学元件604、606之间的矩形平板型基板610，其中第二对表面中的一个表面614a光学耦合至表面605c，而第二对表面中的另一个表面614b光学耦合至表面605c。在其他非限制性实现方式中，表面605c、607c倾斜于表面605a、605b、607a、607b。

表面605a、612a、607a形成单个连续表面(标记为表面620a)的一部分，该单个连续表面620a平行于由表面605b、612b、607b形成的另一个单个连续表面(标记为表面620b)。

有时，在另外一些更优选的非限制性实现方式中，光学布置602通常被形成为具有平行表面620a、620b的整体矩形平板型基板，并且具有布置在平板型基板内在表面620a、620b之间延伸并且倾斜于表面620a、620b的部分反射表面630。就降低的制造复杂性而言，这样的实现方式可以具有优于非整体实现方式的某些优点。

无论采用哪种实施方式，光学布置602都被布置成使得部分反射表面630与光学耦出配置30相关联。在优选但非限制性的实现方式中，部分反射表面630跨越整个光学耦出配置30，并且在各组部分反射表面30、630的每一个中的部分反射器之间存在一对一的关系。这在图16中进行了说明，在图16中，部分反射表面630中的每个部分反射表面的投影跨越部分反射表面30中的相应部分反射表面的投影。例如，部分反射表面630a的投影跨越部分反射表面30a的投影，其中投影平面平行于表面620a、620b、14、16的平面。

注意，(在表面620a、620b之间测量的)基板610的厚度小于LOE 12的厚度。因此，部分反射表面30和630被布置的倾斜角是不同的。

以下段落描述了部分反射表面630的优选光学性质。首先，部分反射表面630优选地对于高AOI是反射性的并且在低AOI下是透射性的(其中垂直于部分反射表面630的平面来测量AOI)。该光学性质类似于在先前描述的实施方式中讨论的界面区域的光学性质，其中以大于临界角θ_c的角度入射在界面区域上的光线在界面区域处被反射。

另外，为了防止光被部分反射表面630中的一个反射到引导方向中并且被反射表面630中的另一个反射回原始方向(该现象称为“双反射”)，将部分反射表面630实现为散射表面可能是有利的。在图16中示意性地示出了双反射，其中，代表性的入射光线44经由表面620a耦入光学布置602成为折射光线45a。光线45a入射在表面中的一个630e上，并且被反射成为反射光线45b，该反射光线45b入射在该表面的相邻表面630d上并且被反射成为反射光线45c。然后，光45c经由表面620b被折射出光学布置602，成为光线45d。通过利用散射特性，双反射光也将被双散射以失去其原始方向。这样，对于较大的AOI，部分反射表面630具有反射和散射/漫射特性。

然而，对于较小的AOI，部分反射表面630也应该是镜面透明的。通过在非常粗糙的漫射玻璃上沉积非常薄的低折射率材料层，可以实现在高AOI时具有漫反射特性并且在低AOI时具有镜面透明度的部分反射表面。例如，可以将具有大约1μm的厚度的氟化镁(MgF₂)层沉积在具有大约10μm的表面粗糙度(Ra)的漫射玻璃上以构造部分反射表面630。

另外，如果光学布置602的材料是部分吸收性的，则直行传播通过光学布置602的光(例如光线60)将被稍微吸收，而光线44(以及相关联的折射和反射光线45a至45c)将在吸收材料内部传播长得多的距离，从而显著降低光线44、45a至45d的强度。这种部分吸收性材料的示例是光致变色材料，该光致变色材料在存在明亮光源时变暗(即吸收更多)。因此，例如，当将光学装置布置到户外使用时，在存在以特定AOI入射到光学装置上的阳光时，当重影反射可能非常明亮时，光致变色材料将转变为黑色，并且显著减少重影图像。另外，如果表面630是部分吸收性的，则通过这些表面630反射的光将被吸收两次，而穿过表面630的光将仅被吸收一次。注意，对光线60的透射与对光线44、45a至45d的阻挡的差异在某种程度上受到限制。因此，可以更好地区分这些光线的光学结构可能是优选的。

图17示出了这种有时是优选的光学结构的示例。此处，(表示部分反射表面630的)部分反射表面是通过将涂覆有低折射率材料634(例如，MgF₂)的薄层的粗糙表面632(由旨在表示表面粗糙度的弯曲线示意性地表示)夹在具有大于材料634的折射率的近似相同的高折射率的两个透明层(光学元件)636、638中间构造而成。这将在低AOI时产生清晰的镜面透明表面，而在高AOI时产生漫反射表面。

透明层636、638彼此光学耦合，从而以涂覆有材料634的表面632的形式限定界面区域。由于每个部分反射表面630是通过将低折射率涂覆的粗糙表面夹在一对高折射率光学元件之间实现，因此界面区域608包括多个界面区域(即，对于每个部分反射表面630有一个界面区域)。

图18示出了根据本公开的另一实施方式的用于对抗重影的光学布置702的非限制性实现方式，光学布置702类似于光学布置602。光学布置702的相同部件被标记为与光学装置602的部件相同，不同之处在于，光学布置702的部件的附图标记以数字“7”开头。类似于光学布置602，光学布置702采用布置在透光基板710内的一组相互平行的表面730。然而，在光学布置602和702之间存在几个关键差异。一个关键差异是表面730的基本光学原理。在本实施方式中，表面730是吸收性的，并且阻挡所有光通过表面730。这在图18中示意性地示出，在图18中，入射光线44经由表面720a耦合到光学装置成为折射光线45a。光线45a入射在表面730之一上并且被该表面吸收，从而防止光线44到达LOE12。因此，光学布置702并且非严格地是“光偏转”光学布置，而是“光吸光”光学布置。

另一个关键差异在于，与表面630相比，表面730以更大的倾斜角布置，并且在与部分反射表面30相反的方向上布置。大的倾斜角使得可以将更多数量的表面填充到基板710中。在图18中清楚地示出了这一点，图18将表面730a至730f示出为多个平行表面730中的仅一些平行表面的示例。表面730相对于部分反射表面30的位置以及表面730的布置角度确保表面730不会打扰用户/观看者。如图所示，表面730被定位成/位于仅在LOE 12的左侧区域(与在LOE 12的远端处或附近的部分反射表面30相关联)。(相对于表面720b的平面测量的)通常在75°至85°的范围内的较大的倾斜角以及与部分反射表面30相反的倾斜方向并且结合表面730的布置位置确保了用于以接近法线的角度入射在表面720a上的外部场景光线(例如，光线60)的表面730的横截面非常小。因此，以接近法线的角度入射在表面720a上的来自外部场景的大部分光将直接穿过光学布置702。

可以使用与先前参照图17描述的结构类似的结构来实现表面730，期望该材料634应为吸收性的，并且折射率与透明层636和638的折射率相似。

注意，不管光学布置的实现方式如何，光学布置优选地跨越LOE 12的整个宽度(即，跨越LOE 12的近端与远端之间)，以确保观看者可以无障碍地看到外部场景。

当以眼镜的形状因子实现时，根据本公开的实施方式的光学装置可以被有利地利用，其中，头戴式机械本体被实现为带有侧臂的眼镜框架，以与观看者(观看者)的耳朵接合。这种眼镜形状因子的示例可以在许多共同拥有的专利文献中找到，例如美国专利第8,432,614号，其公开内容通过引用整体并入本文。在这样的非限制性实现方式中，图像投影仪18和光学耦入配置22位于眼镜框架的太阳穴附近。应当注意，其他形状因子例如头盔安装形状因子以及其他平视显示器和近眼显示器形状因子也显然落入本发明的范围内。

可能特别有利的是，在眼镜框架的侧臂之一处或附近布置第二光学布置，以防止源自观看者的后侧和太阳穴侧的不需要的光线到达EMB。图19示出了根据这种布置配置来布置的第二光学布置102'。在所示的布置配置中，第二光学布置102'类似于第一光学布置102，第二光学布置102'的相同部件被标记为与第一光学布置102的部件相同，不同之处在于，第二光学部件102'的部件的附图标记附有“撇号(prime)(')”。

第二光学布置102'被布置在LOE 12的近端处(即，在图像投影仪18和光学耦入布置22附近)，正交于LOE 12(并且正交于光学布置102)的取向，并且105b'、107b'面向眼睛36。光学布置102'与LOE 12之间的正交取向通常是指光学布置102'与LOE 12的伸长方向的正交性。在所示的实施方式中，LOE 12(和第一光学布置102)具有任意地对应于水平轴的伸长方向，并且第二光学布置102'具有对应于竖直轴的伸长方向。

注意，由于第二光学布置102'被布置在正交于LOE 12的侧臂之一处或附近，因此光学元件104'的几何形状可以与光学元件104的几何形状不同。与光学元件104、106的长度相比，(沿图中的竖直轴测量的)元件104'、106'的长度可以被截断。另外，(沿竖直轴测量的)表面105a’、105b'的长度优选地比表面105a、105b的相应长度短得多。在某些实施方式中，光学元件104'由三个主表面限定，以在纸平面上形成三棱柱(即表面105b'的有效长度为0)。此外，表面105a'、105c'之间的倾斜角的测量可以不同于表面105a、105c之间的倾斜角的测量。

注意，尽管图19中的两个正交取向的光学布置被示出为被实现为参照图5描述的光学布置，但是可以根据任何先前描述的光学装置来实现两个正交取向的光学布置。此外，两个正交取向的光学布置不必一定是相同的实现方式。例如，第一光学布置可以被实现为参照图12描述的光学布置，并且第二光学布置可以被实现为参照图5描述的光学布置。

在以眼镜形状因子或其他平视显示器和近眼显示器形状因子实现光学装置的上下文中，由具有弯曲的主表面的光学元件形成的光学布置(例如光学布置202、302、502)可以为视力障碍的观看者提供优势。例如，光学布置202、302、502可以被形成为透镜，或者被形成为透镜的一部分，由此表面205a、207a、305a、307a、505a、507a可以对从外部场景发出的光施加校正力(该光在缺少光学布置的情况下会以相对小的AOI(例如，0°至34°范围内的AOI)入射在面16上)，从而改进观看者对外部场景的观看。注意，在所示的非限制性实现方式中，光学布置202、302、502在被布置在外部场景与LOE 12之间时具有0.5D的功率(如图12和13中所示)，并且在被布置在LOE 12与眼睛之间时具有-0.5的功率(例如图11)。

尽管到目前为止已经在被实现为一组部分反射表面30的光学耦出配置30的上下文中描述了根据本公开的实施方式的光学装置，但是该组部分反射表面30仅说明了光学耦出配置的一个非限制性实现方式，并且可以使用其他光学耦合配置将图像光耦出LOE 12。光学耦出配置可以是将已经通过内反射在LOE 12内传播的图像入射光的一部分偏转到一定角度使得图像入射光的被偏转部分离开LOE 12的任何光学耦合布置。这样的合适光学耦合布置的其他示例包括但不限于布置在面14、面16上的一个或更多个衍射光学元件和分束器布置。在来自外部场景的入射光以特定的掠射角范围入射在外表面14、面16上的情况下，这种光学耦合布置也可能引起重影。因此，当与利用这种衍射或分束光学耦合布置的透光基板组合使用时，根据上述本公开的实施方式的光偏转或吸收光学布置也适用于减轻重影。

还应注意，尽管到此为止已经在平行面平板型光波导的上下文中描述了本文所讨论的重影减轻技术，但是根据本文所描述的实施方式的光偏转或吸收光学布置可以与其他光波导架构结合使用。如背景技术部分中所讨论的，一个维度上的孔径倍增是基于透明材料的平行面对的板开发的，在该平行面对的板内图像通过内反射传播。注意，还使用各种光波导配置开发了两个维度上的孔径倍增。在一个示例配置中，通过第一光波导和第二光波导来实现二个维度的孔径扩展。第一光波导具有形成矩形截面的两对平行的主外表面。第一组相互平行的部分反射表面倾斜于光波导的伸长方向而横穿第一光波导。光耦合至第一光波导的第二光波导具有形成板型波导的一对平行的主外表面。第二组相互平行的部分反射表面倾斜于第二光波导的主外表面而横穿第二光波导。此外，包含第一组部分反射表面的平面优选地倾斜于包含第二组部分反射表面的平面。两个光波导之间的光耦合以及两组部分反射表面的布置和配置使得，当图像以初始传播方向以倾斜于第一光波导的两对平行主外表面的耦合角度耦合到第一光波导中时，图像沿第一光波导通过四重内反射(即，在两个维度上)前进，其中在第一组部分反射表面处反射的图像的一部分强度被耦出第一光波导并耦入第二光波导，并且然后通过第二光波导内的双重内反射(即，在一个维度上)传播，其中在第二组部分反射表面处反射的图像的一部分强度被耦出第二光波导，作为由观看者的眼睛看到的可见图像。这样的二维孔径倍增器的进一步细节可以在各种专利文献——包括例如美国专利第10,564,417号中找到，该美国专利第10,564,417号的全部内容通过引用并入本文中。

可以与光波导的主表面之一相关联地布置根据本公开的实施方式的光偏转或吸收光学布置，以对抗/减轻由位于光波导的主表面之一的前方的外部场景中的光源引起的重影。

在另一示例配置中，通过第一板型光波导和第二板型光波导来实现二维孔径扩展。第一光波导具有形成板型波导的两对平行的主外表面。第一组相互平行的内部部分反射表面以与两对平行的主外表面成倾斜角横穿第一光波导。第二光波导也具有两对平行的主外表面。第二组相互平行的内部部分反射表面以与第二光波导的两对平行的主外表面成倾斜角地横穿第二光波导。此外，包含第一组部分反射表面的平面倾斜于或垂直于包含第二组部分反射表面的平面。两个光波导之间的光耦合以及两组部分反射表面的布置和配置使得，当图像被耦合到第一光波导管中时，图像在第一引导方向上在两对外表面中的一对的外表面之间通过在第一光波导内的两重内反射传播，其中在第一组部分反射表面处反射的图像的一部分强度被耦出第一光波导并耦入第二光波导中，并且然后在第二引导方向(倾斜于第一引导方向)上在第二光波导的两对外表面中的一对的外表面之间通过在第二光波导内的两重内反射传播，其中，在第二组部分反射表面处反射的图像的一部分强度被耦出第二光波导，作为观看者的眼睛看到的可见图像。这样的二维孔径倍增器的进一步细节可以在各种专利文献——包括例如美国专利第10,551,544号中找到，该美国专利第10,551,544号的全部内容通过引用并入本文中。

注意，尽管未在附图中示出，但是本文描述的各种光学装置的图像投影仪18通常包括用于生成图像光的微显示器，例如硅上液晶(LCoS)、有机发光二极管(OLED)等以及用于将图像准直到无限远的对应的准直光学器件。当微显示器被实现为反射式或透射式显示器时，在图像投影仪18中还包括照明部件(例如，一个或更多个LED)和照明光学装置(例如，分束器)，以将光从照明部件引导到微显示器，以及将图像光引导至准直光学装置。

还应注意，本文所述的各种光学装置的耦合棱镜22仅是光学耦入配置的一种非限制性实施方式的说明，并且其他光学耦合配置可用于将来自图像投影仪20的图像光耦入LOE 12。光学耦入配置可以是将图像光的一部分以适当的角度偏转到LOE 12中以通过内反射在LOE 12内引导光的任何光学耦合布置。这样的合适的光学耦合布置的其他示例包括但不限于形式为耦入反射器的反射表面和衍射光学元件。

已经出于说明的目的给出了对本公开内容的各种实施方式的描述，但是其并非旨在是穷举的或限于所公开的实施方式。在不脱离所述实施方式的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域的普通技术人员将会是明显的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施方式的原理、实际应用或对市场中发现的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施方式。

除非上下文另有明确规定，否则如本文所使用，单数形式(无量词修饰词和该)包括复数指代。

在本文中使用词语“示例性”来表示“用作示例、实例或说明”。被描述为“示例性”的任何实施方式不必然被解释为比其他实施方式优选或有利以及/或者排除并入来自其他实施方式的特征。

应理解，为清楚起见而在分开的实施方式的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方式中组合地提供。反之，为简化起见而在单个实施方式的上下文中描述的本发明的各个特征也可以单独地提供或以任何合适的子组合提供，或者适用于本发明的任何其他描述的实施方式。在各种实施方式的上下文中描述的某些特征不应被认为是这些实施方式的必要特征，除非该实施方式在没有这些元件的情况下不起作用。

就所附权利要求是在没有多项引用的情况下撰写的而言，这样做仅是为了适应不允许这样的多项引用的司法管辖区的形式要求。应当注意，通过使权利要求多项引用而隐含的特征的所有可能组合被明确地设想并且应当被认为是本发明的一部分。

尽管已结合本发明的特定的实施方式描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员来说，许多替选、修改及变型是明显的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求的精神和宽范围内的所有这样的替选、修改和变型。

Claims

1.一种光学装置，其特征在于包括：

透光基板，所述透光基板至少具有两个主表面，用于通过所述两个主表面之间的内反射来引导光；

光学耦出配置，用于将通过所述两个主表面之间的内反射引导的光朝向观看者的眼睛耦出所述透光基板；以及

光学布置，所述光学布置与所述两个主表面中的至少一个相关联，并且包括第一光学元件以及第二光学元件，所述第二光学元件光学耦合至所述第一光学元件以限定与所述光学耦出配置的至少一部分相关联的界面区域，所述光学布置被布置成使得从外部场景发出并且以给定入射角范围入射到所述光学布置的光线在所述界面区域处偏转。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件各自具有比所述界面区域的折射率高的折射率。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述界面区域被形成为气隙。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述界面区域被形成为低折射率材料的透明层。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件均包括多个表面，并且经由所述多个表面中的对应表面来对应配置和相邻放置，以限定所述界面区域。

6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件中的每一个是棱镜，所述棱镜具有相互平行的第一表面和第二表面以及相对于相互平行的所述第一表面和所述第二表面倾斜的第三表面，并且其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件在所述第三表面处彼此光学耦合。

7.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光学布置被形成为透镜。

8.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述界面区域具有线性表面轮廓。

9.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述界面区域具有非线性表面轮廓。

10.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述界面区域包括第二透光基板，所述第二透光基板具有一对平行面以及相对于所述平行表面倾斜地布置在所述第二透光基板内的多个部分反射表面。

11.根据权利要求10所述的光学装置，其中，所述部分反射表面中的每一个包括：一对透明层以及布置在所述一对透明层之间的涂覆有低折射率材料的粗糙透明层，其中，所述一对透明层中的每一个的折射率高于所述低折射率材料的折射率。

12.根据权利要求1所述的光学装置，其中，以所述给定角度范围从所述外部场景发出的光线在所述界面区域处偏转，从而通过内反射被捕获在所述第一光学元件内。

13.根据权利要求1所述的光学装置，其中，以所述给定角度范围从所述外部场景发出的光线经由所述第一光学元件的第一表面进入所述光学布置，在所述界面区域处被反射，在所述第一光学元件的第一表面处被反射，并且在所述界面区域处朝向所述第一光学元件的第二表面反射并且离开所述透光基板。

14.根据权利要求13所述的光学装置，其中，所述第一光学元件的第二表面与光收集或耗散部件相关联。

15.根据权利要求1所述的光学装置，其中，以所述给定角度范围之外的角度范围从所述外部场景发出的光线经由所述第一光学元件的第一表面进入所述光学布置，被所述界面区域透射，经由所述第二光学元件的第一表面离开所述光学布置，并且穿过所述透光基板到达所述观看者的眼睛。

16.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光学布置使得在不存在所述光学布置的情况下，以所述给定角度范围从所述外部场景发出的光线进入所述透光基板并且通过所述光学耦出配置朝向所述观看者的眼睛耦出所述透光基板。

17.根据权利要求1所述的光学装置，还包括：第二光学布置，所述第二光学布置被布置成正交于所述透光基板的取向并且布置在所述透光基板的端部处。

18.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光学耦出配置包括位于所述透光基板内的至少一个部分反射表面。

19.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光学耦出配置包括至少部分地横穿所述透光基板的多个部分反射表面。

20.根据权利要求19所述的光学装置，还包括：图像投影仪，所述图像投影仪耦合到所述透光基板的近端，以将与准直图像对应的光波引入所述透光基板中，其中，所述界面区域跨越位于所述透光基板的与所述近端相对的远端附近的所述部分反射表面的子集。

21.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光学耦出配置包括与所述两个主表面中的一个相关联的衍射元件。

22.根据权利要求1所述的光学装置，还包括：图像投影仪，所述图像投影仪耦合到所述透光基板，以将与准直图像对应的光波引入所述透光基板中，使得所述准直图像在所述透光基板内通过内反射传播，并且通过所述光学耦出配置耦出所述透光基板。

23.根据权利要求22所述的光学装置，还包括：与所述透光基板和所述图像投影仪相关联的光学耦入配置，所述光学耦入配置用于从所述图像投影仪接收所述准直图像并且将所述准直图像耦入所述透光基板中。

24.一种光学装置，其特征在于包括：

透光基板，所述透光基板具有一对面，用于通过所述一对面之间的内反射来引导光；

光学耦出配置，用于将通过所述一对面之间的内反射引导的光朝向观看者的眼睛耦出所述透光基板；以及

至少一个光学元件，所述至少一个光学元件具有多个表面，所述多个表面包括一对平行主表面以及相对于所述一对平行主表面倾斜并且与所述光学耦出配置的至少一部分相关联的第三主表面，其中，至少部分地通过所述第三主表面来限定折射率低于所述至少一个光学元件的折射率的界面区域，

其中，所述至少一个光学元件被布置成所述一对平行主表面的主表面中的一个主表面与所述透光基板的所述一对面中的一个面相关联，使得从外部场景发出并且以给定入射角范围入射到所述一对平行主表面的主表面中的另一主表面的光线在所述界面区域处偏转。

25.根据权利要求24所述的光学装置，其中，所述至少一个光学元件的所述多个表面还包括第四表面，并且其中，以所述给定角度范围从所述外部场景发出的光线经由所述一对平行主表面的主表面中的另一主表面进入所述至少一个光学元件，在所述界面区域处被反射，在所述一对平行主表面的主表面中的所述另一主表面处被反射，并且在所述界面区域处朝向所述第四表面反射并且离开所述透光基板。

26.根据权利要求25所述的光学装置，其中，所述第四表面与光收集或耗散部件相关联。

27.根据权利要求24所述的光学装置，其中，所述界面区域还部分地由光学耦合至所述第三主表面的透明板限定。

28.一种光学装置，其特征在于包括：

光学布置，所述光学布置与所述两个主表面中的至少一个相关联，并且包括一对光学元件，所述一对光学元件被相邻定位以限定与所述光学耦出配置的至少一部分相关联的界面区域，所述界面区域的折射率小于所述光学元件的折射率，并且所述光学布置被布置成使得从外部场景发出并且以给定入射角范围入射到所述光学布置的光线在所述界面区域处偏转。

29.一种光学装置，其特征在于包括：

第一透光基板，所述第一透光基板至少具有第一主表面和第二主表面，用于通过所述第一主表面和所述第二主表面之间的内反射来引导光；

光学耦出配置，用于将通过所述第一主表面与所述第二主表面之间的内反射引导的光朝向观看者的眼睛耦出所述第一透光基板；以及

光学布置，所述光学布置包括：

第二透光基板，所述第二透光基板至少具有两个主表面，其中，所述第二透光基板的两个主表面中的一个与所述第一透光基板的第一主表面或第二主表面相关联，以及

多个部分反射表面，所述多个部分反射表面被相对于所述第二透光基板的两个主表面倾斜地布置在所述第二透光基板的一部分内，以限定与所述光学耦出配置的至少一部分相关联的界面区域，所述光学布置被布置成使得从外部场景发出并且以给定入射角范围入射到所述光学布置的光线在所述界面区域处被偏转或吸收。