CN115176190A - 复合光导光学元件 - Google Patents

Abstract

一种用于将在耦入区域处注入的图像照射朝向用户引导以供观看的光学系统，包括具有一对平行主外表面(24)的光导光学元件(LOE)(12)。LOE的第一区域(16)包含第一组部分反射表面(17)，该第一组部分反射表面被定向成将在LOE内传播的图像照射朝向LOE的第二区域(18)重定向，该第二区域包含第二组部分反射表面(19)，该第二组部分反射表面被定向成将图像照射朝向用户耦出。第一组部分反射表面(17)跨LOE的厚度的至少95％延伸，而第二组部分反射表面(19)被包含在厚度的跨越小于厚度的95％的子部分内，使得将第二组部分反射表面(19)从第二区域(18)的一个或两个表面层排除。

Description

复合光导光学元件

技术领域

本发明涉及光学系统，并且特别地，涉及包括用于实现光学孔径扩展的光导光学元件(light-guide optical element，LOE)的光学系统。

发明的背景

复合光导光学元件(Compound Light-Guide Optical Element，LOE)或“二维扩展波导”已经在鲁姆斯有限公司(Lumus Ltd.)(以色列)的先前出版物中描述。这样的复合LOE的示例可以在例如PCT公布第WO 2020/049542号中找到。一般而言，这些复合LOE采用两个区域，这两个区域中的每一个是用于通过主表面处的内反射来支持携载准直图像的光的传播的透明材料的平行面对块，并且包括一组相互平行的内部的部分反射表面或“小平面”，小平面逐渐地重定向准直图像的一部分并且实现光学孔径的扩展。通过组合具有不同小平面取向的两个这样的元件，可以实现光学孔径在单个元件内的二维扩展，从而扩展来自图像投射器的输入图像并且将其在较大的区域上朝向观察者的眼睛输出。

为了便于参考，负责复合元件内的第一阶段的扩展的光导光学元件(LOE)区域被称为“第一LOE”或“LOE1”，而负责将偏转一次的图像朝向观察者耦出的LOE区域在本文中被称为“第二LOE”或“LOE2”。

发明内容

本发明是一种用于将在耦入区域处注入的图像照射朝向用户引导以供观看的光学系统。

根据本发明的实施方式的教导，提供了一种用于将在耦入区域处注入的图像照射朝向用户引导以供观看的光学系统，该光学系统包括由透明材料形成的光导光学元件(LOE)，LOE包括：(a)第一区域，其包含具有第一取向的第一组平坦的相互平行的部分反射表面；(b)第二区域，其包含具有第二取向的第二组平坦的相互平行的部分反射表面，第二取向与第一取向不平行；以及(c)一组相互平行的主外表面，该主外表面跨第一区域和第二区域延伸，使得第一组部分反射表面和第二组部分反射表面两者均位于主外表面之间，其中，第二组部分反射表面与主外表面成斜角，使得通过主外表面处的内反射在LOE内从第一区域传播到第二区域的图像照射的一部分被从LOE朝向用户耦出，并且其中，第一组部分反射表面被定向成使得从耦入区域起通过主外表面处的内反射在LOE内传播的图像照射的一部分被朝向第二区域偏转，其中，LOE具有主外表面之间的厚度，并且其中，第一组部分反射表面跨厚度的至少95％延伸，并且第二区域中的第二组部分反射表面被包含在厚度的跨越小于厚度的95％的子部分内，使得将第二组部分反射表面从第二区域的至少一个表面层排除。

根据本发明的实施方式的另一特征，将第二组部分反射表面从第二区域中的两个主外表面的表面层排除。

根据本发明的实施方式的另一特征，排除了第二组部分反射表面的第二区域的至少一个表面层的总厚度在厚度的6％至33％之间。

根据本发明的实施方式的另一特征，在与主外表面平行的方向上第二组部分反射表面的相邻表面之间的间隔是至少1mm，并且其中，排除了第二组部分反射表面的第二区域的至少一个表面层的总厚度是厚度的至少10％。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一组部分反射表面跨厚度的至少96％延伸。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一组部分反射表面跨厚度的至少98％延伸。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一组部分反射表面跨整个厚度延伸。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一组部分反射表面的第一取向与主外表面正交。

附图说明

在本文中仅通过示例的方式参照附图描述本发明，在附图中：

图1A和图1B是使用根据本发明的教导构造和操作的光导光学元件(LOE)实现的光学系统的示意性等距视图，其分别示出了自顶向下构造和侧向注入构造；

图2A和图2B是来自图1A或图1B的LOE的放大示意性等距视图，其示出了图像的两个末端场的光线路径；

图3是图2A和图2B的LOE的示意性前视图，其示出了主光线传播通过LOE并且在LOE内经历第一重定向和用于从LOE朝向观看者耦出的第二重定向的路径；

图4A和图4B是沿图3中的线IV-IV截取的局部示意性截面图，其分别示出了在LOE的第二区域内传播并且遇到跨越或未跨越LOE的厚度的内部部分反射表面的光线的光线路径；

图5A、图5B和图5C是沿图3中的线V-V截取的局部示意性截面图，其分别示出了在LOE的第一区域内传播并且遇到完全跨越LOE的厚度、与两个主表面间隔开、或与仅一个主表面间隔开的内部部分反射表面的光线的光线路径；

图6A是实现方式中的图2A和图2B的LOE的示意性侧视图，其中LOE的第一区域和第二区域两者均具有部分反射内表面被从其排除的表面层，即盖板；

图6B是类似于图6A的在实现方式中的视图，其中LOE的仅第二区域具有盖板；

图6C是类似于图6A的视图，其中LOE的第二区域具有盖板，并且LOE的第一区域具有与第二区域的盖板相比更薄的盖板；

图6D是类似于图6C的视图，其中LOE的第一区域的仅一侧设置有盖板；

图7是示出LOE部分反射表面的空间密度与LOE的第二区域的盖板的优选最小厚度之间的关系的示意性曲线图；

图8A和图8B分别是根据本发明的某些实施方式的LOE的制造过程期间的中间工作产品的侧视图和等距视图；

图9A是示出生产过程的跨整个LOE施加薄盖板的阶段的示意性侧视图，其中第一区域初始形成为没有盖板，并且第二区域形成有具有期望盖板厚度的仅一部分的盖板；以及

图9B是示出由图9A的生产过程得到的结构的示意性侧视图。

具体实施方式

本发明是用于将在耦入区域处注入的图像照射朝向用户引导以供观看的光学系统。

本发明的某些实施方式提供了包括用于实现光学孔径扩展的光导光学元件(LOE)的光学系统，以用于平视显示器并且最优选地近眼显示器的目的，该近眼显示器可以是虚拟现实显示器或者更优选地是增强现实显示器。

在图1A和图1B中示意性地示出了呈采用根据本发明的实施方式的教导的LOE 12的近眼显示器(通常被指定为10)形式的装置的示例性实现方式。近眼显示器10采用光学地耦合以将图像注入到LOE(可互换地被称为“波导”、“基板”或“平板”(slab))12中的紧凑型图像投射器(compact image projector)(或“POD”)14，在LOE 12内图像光通过一组相互平行的平坦外表面处的内反射被捕获在一个维度。光射向彼此平行并且与图像光的传播方向成斜角的一组部分反射表面(可互换地被称为“小平面”)，其中，每个相继的小平面使图像光的一部分偏转成偏转方向，其也通过反射被捕获在基板内/在基板内被引导。该第一组小平面未在图1A和图1B中单独示出，但是位于LOE的第一区域(被指定为16)中。在相继的小平面处的该部分反射实现了第一维度的光学孔径扩展。

在本发明的第一组优选但非限制性示例中，以上提及的一组小平面与基板的主外表面正交。在该情况下，注入图像及其在区域16内传播时经历内反射的共轭两者均被偏转并且成为在偏转方向上传播的共轭图像。在替选的一组优选但非限制性示例中，第一组部分反射表面相对于LOE的主外表面成斜角。在后一情况下，注入图像或其共轭形成在LOE内传播的期望偏转图像，同时可以例如通过在小平面上采用角度选择性涂层来使其他反射最少化，该角度选择性涂层使得小平面对于由图像呈现的不需要其反射的入射角范围相对透明。

第一组部分反射表面将图像照射从通过全内反射(total internal reflection，TIR)被捕获在基板内的传播的第一方向偏转到也通过TIR被捕获在基板内的传播的第二方向。

然后，偏转的图像照射进入第二基板区域18，该第二基板区域18可以实现为相邻的不同基板或实现为单个基板的延续，在该第二基板区域18中，耦出布置(通常是另一组部分反射小平面)逐渐地将图像照射的一部分朝向位于被限定为眼动箱(eye-motion box，EMB)的区域内的观察者的眼睛耦出，从而实现第二维度的光学孔径扩展。整体装置可以针对每个眼睛分开实现，并且优选地相对于用户的头部被支承，其中每个LOE 12面对用户的对应的眼睛。在如这里所示的一个特别优选的选项中，将支承布置实现为具有用于相对于用户的耳朵来支承装置的侧部20的眼镜框。也可以使用其他形式的支承布置，包括但不限于头带、面罩或悬挂在头盔上的装置。

本文在附图和权利要求中参照考X轴和Y轴，X轴在LOE的第一区域的大体延伸方向上水平(图1A)或竖直(图1B)延伸，Y轴垂直于X轴延伸，即在图1A中竖直延伸以及在图1B中水平延伸。

以非常近似的术语，可以认为第一LOE或LOE 12的第一区域16在X方向上实现孔径扩展，而第二LOE或LOE 12的第二区域18在Y方向上实现孔径扩展。以下将更精确地表述视场的不同部分传播的角方向的扩展的细节。应当注意，如图1A所示的取向可以被视为“自顶向下”实现方式，在该实现方式中进入LOE的主(第二区域)的图像照射从上边缘进入，而图1B所示的取向可以被视为“侧向注入”实现方式，在该实现方式中水平部署这里被称为Y轴的轴。在其余附图中，将在类似于图1A的“自顶向下”取向的背景下示出本发明的某些实施方式的各种特征。然而，应当认识到，所有这些特征同样适用于也落入本发明的范围内的侧向注入实现方式。在某些情况下，其他中间取向也可适用，并且除非明确排除，否则也包括在本发明的范围内。

与本发明的装置一起采用的POD优选地被构造成生成准直图像，即，在准直图像中每个图像像素的光是具有与像素位置对应的角方向的准直到无穷远的平行光束。因此，图像照射跨越与二维角视场对应的角度范围。

图像投射器14包括通常被部署成照射空间光调制器例如LCOS芯片的至少一个光源。空间光调制器调制图像的每个像素的投射强度，从而生成图像。替选地，图像投射器可以包括通常使用快速扫描镜来实现的扫描布置，该扫描布置跨投射器的图像平面扫描来自激光光源的照射，同时光束的强度随着逐像素的运动同步变化，从而针对每个像素投射期望强度。在这两种情况下，准直光学器件被设置成生成准直到无穷远的输出投射图像。以上部件中的一些或全部通常被布置在一个或更多个偏振分束器(polarizing beamsplitter，PBS)立方体或本领域所公知的其他棱镜布置的表面上。

图像投射器14与LOE 12的光学耦合可以通过任何合适的光学耦合来实现，例如，经由具有成斜角的输入表面的耦合棱镜，或者经由反射耦合装置，经由侧边缘和/或LOE的主外表面之一。耦入构造的细节对于本发明并不重要，并且在这里被示意性地示出为应用于LOE的主外表面之一的楔形棱镜15的非限制性示例。

将认识到，近眼显示器10包括各种附加部件，通常包括用于致动图像投射器14的控制器22，其通常采用来自小型搭载电池(未示出)或一些其他合适的电源的电力。将认识到，控制器22包括用于驱动图像投射器的所有必要的电子部件，例如至少一个处理器或处理电路，所有这些均如本领域已知的。

现在转到图2A和至图2B，更详细地示出了近眼显示器的实现方式的光学特性。具体地，示出了由透明材料形成的光导光学元件(LOE)12的更详细视图，LOE 12包括：第一区域16，在本文中也被称为“LOE1”，其包含具有第一取向的第一组平坦的相互平行的部分反射表面17；以及第二区域18，在本文中也被称为“LOE2”，其包含具有与第一取向不平行的第二取向的第二组平坦的相互平行的部分反射表面19。一组相互平行的主外表面24跨第一区域16和第二区域18延伸，使得第一组部分反射表面17和第二组部分反射表面19两者均位于主外表面24之间。最优选地，该组主外表面24是各自跨第一区域16和第二区域18的整体连续的一对表面，但是在区域16与区域18之间厚度减小或增大的选项也落入本发明的范围。区域16和区域18可以被紧接地并置，使得区域16和区域18在边界处接触，边界可以是直边界或一些其他形式的边界，或者取决于特定应用，可以存在置于区域16与区域18之间的一个或更多个附加LOE区域，以提供各种附加的光学或机械功能。尽管本发明不限于任何特定的制造技术，但是在某些特别优选的实现方式中，通过采用连续的外部板来实现特别高质量的主外表面，在该连续的外部板之间夹有分别形成的区域16和区域18以形成复合LOE结构。以下将进一步讨论关于该选项和这些板的厚度的考虑。

可以通过反向追踪图像照射路径来理解LOE的光学特性。第二组部分反射表面19与主外表面24成斜角，使得通过主外表面处的内反射在LOE 12内从第一区域16传播到第二区域18中的图像照射的一部分从LOE朝向眼动箱26耦出。第一组部分反射表面17被定向成使得从耦入区域(耦合棱镜15)通过主外表面处的内反射在LOE 12内传播的图像照射的一部分被朝向第二区域18偏转。

在图2A中通过从LOE的右侧的POD孔径朝向LOE的左侧扩展的照射锥来表示来自图像投射器14的投射图像的一个维度的角扩展。在这里示出的非限制性示例中，POD的中心光轴限定LOE内与X轴对准的传播方向，并且角扩展(在LOE内)大致为±16°。(应当注意，由于折射率的改变，角度FOV在空气中变大。)在第一区域16中示出第一组部分反射表面17，在第二区域18中示出第二组部分反射表面19。

近眼显示器被设计成向用户的眼睛提供投射图像的完整视场，该用户的眼睛位于由“眼动箱”(eye-motion box，EMB)26指定的允许位置范围(即，通常被表示为矩形的形状，其与眼瞳将从其观看投射图像的LOE的平面间隔开)内的某个位置处。为了到达眼动箱，光必须通过第二组部分反射表面19从第二区域18朝向EMB 26耦出。为了提供完整图像视场，EMB中的每个点必须从LOE接收图像的整个角范围。从EMB回溯视场指示较大矩形28，相关照射自矩形28从LOE朝向EMB耦出。

图2A示出了视场的第一末端，第一末端对应于投射图像的左下像素。耦入到LOE中的具有与投射器的光学孔径对应的宽度的光束被示出为从POD向左和向上传播并且从一系列部分反射表面17被部分地反射。如这里所示，小平面的仅子集生成对提供由用户观看的图像中的对应像素有用的反射，并且这些小平面的仅子区域有助于观察的该像素的图像。用粗黑线示出了相关区域，并且示出了从小平面17反射并且然后被小平面19耦出到达EMB26的四个角的与重定向图像中的该像素对应的光线。这里以及贯穿说明书，将注意，这里示出在LOE内传播期间光线的仅面内传播方向，但是光线实际上遵循来自两个主外表面的重复内反射的Z字形路径，并且一整个维度的图像视场通过光线相对于主外表面的与Y维度上的像素位置对应的倾斜角来编码。通过一个附加示例的方式，用点划线示出了在EMB的左上角处观看到的与图像的左上末端对应的偏转和耦出光线。

图2B示出了与图2A相同的构造，但是这里示出了到达EMB的四个角的与视场的右下像素对应的光线，其中同样用粗线表示相关部分反射表面17的相关区域。

将明显的是，通过另外追踪到达EMB的所有区域的图像的所有场(方向或像素)的对应的光线路径，可以标出从耦入区域开始在LOE内传播、由第一组部分反射表面之一偏转并且由第二组部分反射表面之一在到达眼动箱的方向上耦出的所有光线路径的包络，并且该包络限定每个小平面17的“成像区”，而小平面17的位于包络之外的其余部分是“非成像区”，其中“成像区”是对图像照射的有助于图像到达EMB的部分进行偏转所需的，“非成像区”并不有助于所需图像。可选地，可以对小平面的面内延伸进行截取以覆盖仅成像区域。在鲁姆斯有限公司(以色列)的现有出版物，特别是在以上提及的PCT公布第WO 2020/049542号、以及PCT公布第WO 2020/152688号和PCT申请第PCT/IL2020/051354号(这两篇文献在本申请优先权日之前均未公布，并且不认为是现有技术)中详细讨论了该实施方式和其他变型实施方式，所述其他变型实施方式采用不同的成像注入位置和几何形状、非均匀的小平面间隔、或引入附加(例如，第三)组部分反射内表面。这些附加特征均可以在本发明的上下文中实现，但是为了简洁起见，这里将不详细对其进行表述。

本发明的某些实施方式的特别优选的特征是，第一组部分反射表面17跨LOE的厚度的至少95％延伸，而第二区域18中的第二组部分反射表面19被包含在跨越小于厚度的95％的厚度的子部分内，使得第二组部分反射表面19被从第二区域18的至少一个表面层排除。现在将呈现该组合的优点。

在术语方面，术语“盖板”在本文中一般用于指与LOE的主表面中的一者或两者相邻的具有一定深度的层的任何实现方式，其中LOE的一组内部部分反射表面被从LOE的主表面排除。形成这样的层的一种方法是通过将透明材料的片——即物理上不同的盖板——附接至LOE部件。然而，其他生产技术也是可能的，例如通过由其中部分反射涂层仅施加在与有效LOE层对应的区域中的板的堆叠来生成LOE结构，并且将与LOE的主外表面相邻的区域在没有反射涂层的情况下用折射率匹配粘合剂进行接合。独立于生产技术来使用术语“盖板”，以指代没有小平面的其中表面层充当盖板的功能结构，而不管该层如何形成。

参照图3，其示出了单个光线30(这里为与图像的视场在X维度上的中心对应的主光线)的路径，当该光线横穿LOE1的一部分时，该光线通过部分反射表面17之一处的反射被重定向为朝向LOE2(光线30')，并且通过部分反射表面19之一处的反射被重定向且被耦出为朝向观看者(光线30”)。图4A和图4B示出了在LOE上没有面板和具有面板的情况下第二重定向/耦出的几何结构，而图5A和图5B示出了第一重定向的几何结构。

在图像从其朝向观看者耦出的LOE2(区域18)中，使用倾斜小平面。当小平面倾斜(例如，与主外表面成25度)时，光线可以从同一小平面反射两次，如图4A所示。这导致离开波导的非均匀光束。由第二反射生成较暗区域。然后，暗条纹出现在波导出射瞳上。对于观看者，这将导致远场图像上的暗条纹。

图4B示出了如何可以通过在一个或两个外表面上将盖板32添加到波导，从而导致小平面有效地与波导的外表面间隔开，来避免该双反射。以该方式，在被小平面反射一次之后，光线的透射部分将跳过该小平面或在该小平面之下，直接传播至下一小平面，从而导致增强的图像均匀性。

然而，已经发现，关于盖板的使用，在LOE1中实现图像均匀性的考虑因素与LOE2中的考虑因素显著不同。由于用于将图像照射从在波导内引导的一个方向重定向到另一引导方向的部分反射表面必须陡得多，并且在一些实施方式中与波导的主外表面正交，光线不被单个小平面反射两次。在该情况下，通过使用跨越基板的整个厚度的小平面(图5A)，将获得最佳的图像均匀性，然而已经发现未达到表面的小平面允许某些光线完全跳过小平面(图5B)，导致输出图像中的暗线。在图6A中示意性地示出了在区域16和区域18两者整体上向结构设置盖板的整体结果，在图6A中，来自图像投射器的均匀照射的输入孔径34传播通过LOE，并且作为被输出中的暗线38中断的图像区域36朝向眼动箱(EMB)26耦出。相比之下，图6B的结构仅在LOE2 18上采用盖板，而LOE1 16的小平面延伸至装置的主外表面。在该情况下，来自图像投射器的均匀注入图像34优选地产生观看者感知到的相对均匀的图像36。

尽管在LOE1区域16中存在盖板不利地影响输出图像质量，但是可能存在有利于在LOE1区域16的一个或两个主表面上使用盖板的实际考虑因素。例如，不存在延伸至外表面的任何胶合接合部可以使得更容易实现波导的高质量的平坦外表面。如果盖板足够薄，使得任何导致的图像的中断均不干扰人眼，则盖板的存在是能够接受的(图6C)。薄盖板将生成细暗条纹，在该细暗条纹处缺失输出图像。暗条纹的空间频率和宽度确定了它们的可见度和对人眼所感知的图像的影响。为了正确地评估未填充的条纹对于人眼的严重性，人眼瞳在波导出射瞳上的卷积示出了应当允许怎样的盖板厚度。如果暗条纹的空间频率显著高于眼瞳的直径，则变化将固有地被眼睛平均化。如果空间频率较低，则如果条纹足够窄，使得在瞳大小上平均的强度不会显著变化，则条纹仍然是能够接受的。

实际上，用于LOE1区域的盖板(如果存在)的厚度范围应当为1至100微米，最优选地小于50微米。作为LOE的厚度的比例，盖板的总厚度优选地小于厚度的5％，优选地不大于厚度的4％，并且最优选地不大于厚度的2％。这对应于第一组部分反射表面跨(跨越)厚度的至少95％、更优选地厚度的至少96％、并且最优选地厚度的至少98％延伸。暗条纹问题可以通过在LOE1区域16的仅一侧上使用盖板来改善，如图6D示意性所示。

尽管采用盖板的可能的优点，但是在本发明的某些特别优选的实现方式中，第一组部分反射表面17跨LOE1 16的整个厚度延伸，即没有盖板，如图6B示意性所示。

关于区域18中的LOE2，如上所述，该区域中的盖板有助于减小照射的非均匀性，从而提高观看图像的质量。优选地，将第二组部分反射表面19从第二区域中的两个主外表面的表面层排除，这意味着两个主面均具有“盖板”。排除了第二组部分反射表面19的第二区域18的表面层的总厚度优选地在LOE2的总厚度的6％与33％之间。

这里同样，人眼所感知到的照射的非均匀性的程度取决于强度变化的空间频率、其动态范围及其宽度，这又决定了将对减轻这些变化有效的盖板的优选厚度。在耦出小平面19的情况下，空间频率直接由在与主外表面平行的方向上第二组部分反射表面19的相邻表面之间的间隔得到。图7示出了对于各种小平面密度的优选最小盖板厚度(盖板厚度的总和占LOE2总厚度的百分比)，小平面密度在这里被定义为与瞳直径交叠的小平面的数目，瞳直径这里取大约3毫米。可以看出，对于高的小平面密度，相对薄的盖板就足够了，这是因为强度变化在瞳区域上固有地被平均，并且因此较少地被观看者感知。随着小平面间隔增加，强度变化的空间频率减小，并且需要更厚的盖板来补偿这些变化。

作为有用的参考点，如图7中的水平虚线所示，当第二组部分反射表面19的相邻表面之间在与主外表面平行的方向上的间隔为至少1mm(对应于每3毫米瞳直径3个小平面的密度)时，排除第二组部分反射表面的第二区域的表面层的总厚度优选地为总厚度的至少10％。

如本领域普通技术人员将清楚的，根据本发明的光学系统可以通过基于在本领域中采用的标准制造技术的各种过程来生产。每个LOE区域通常通过将薄板的堆叠接合在一起而形成，薄板在一个或两个面上被涂覆(通常全部板都在一面上被涂覆，或者替选在两侧上被涂覆的板)，以为每个界面提供期望的部分反射特性。部分反射特性通常由多层电介质涂层提供，多层电介质涂层如本领域所公知的可以提供角度选择性反射率。然后，以所需的角度对这些堆叠进行切片，以产生具有正确定向的内部部分反射表面的LOE部分/区域。然后，在需要的情况下，将适当厚度的盖板添加到每个区域，并且将LOE部分的边缘表面进行抛光并且然后接合在一起以形成最终的复合LOE。

可选地，在要将盖板设置在LOE1的一个或两个主表面上的情况下，可能有利的是，生产具有有着局部厚度的盖板的LOE2，该局部厚度对应于期望的最终盖板厚度减去LOE1所需的盖板厚度。然后，可以在复合LOE的组装期间添加单个连续盖板，其提供LOE1的总的期望盖板厚度，并且补充LOE2的盖板厚度达到期望厚度。以下参照图9A和图9B进一步表述该选择。

替选地，在一些情况下，可能期望产生阶梯式盖板，其具有适于LOE1的第一厚度的第一部分和具有适于LOE2的(较大)第二厚度的第二部分。然后，两个部分之间的台阶可以用作组装两个LOE部分的对准特征。

在图8A和图8B中示意性地示出了制造本发明的复合LOE的另一选择。在该情况下，将用于形成LOE1的板的堆叠进行切割以形成尺寸与多个LOE对应的块80。通过将与中间透明板86接合在一起的LOE2的多个有效层84(即，LOE的包含部分反射表面的部分)组合在一起来形成第二块82。然后，将第一块80与第二块82接合在一起以形成中间工作产品81，如图8A和图8B所示，可以将该中间工作产品沿切片平面88进行切片并且抛光以生成多个复合LOE，其中中间透明板86的厚度的一部分变成每个复合LOE的第二LOE区域18的盖片。

在与本申请同一天提交的题为“Method of Fabrication of Compound Light-Guide Optical Elements”(“复合光导光学元件的制备方法”)的共同待审PCT申请中更详细地讨论了图8A和图8B的制造技术及其变形，该申请要求2020年5月24日提交的美国临时专利申请第63/029,500号的优先权。

这里同样，如果期望在第一LOE区域16上具有盖板，则可能有利的是，生成根据图8A和图8B的复合LOE结构，其中区域18的盖板32a比期望厚度小了与区域16期望的厚度相等的量，如图9A所示。然后，通过跨整个结构增加接合至波导的均匀厚度板32B，可以使两个盖板达到它们的预期总厚度，从而产生如图9B所示的最终结构。

应当认识到，以上描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求所限定的本发明的范围内，许多其他实施方式也是可能的。

Claims (8)

1.一种用于将在耦入区域处注入的图像照射朝向用户引导以供观看的光学系统，所述光学系统包括由透明材料形成的光导光学元件(LOE)，所述LOE包括：

(a)第一区域，其包含具有第一取向的第一组平坦的相互平行的部分反射表面；

(b)第二区域，其包含具有第二取向的第二组平坦的相互平行的部分反射表面，所述第二取向与所述第一取向不平行；

(c)一组相互平行的主外表面，所述主外表面跨所述第一区域和所述第二区域延伸，使得所述第一组部分反射表面和所述第二组部分反射表面两者均位于所述主外表面之间，

其中，所述第二组部分反射表面与所述主外表面成斜角，使得通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内从所述第一区域传播到所述第二区域的图像照射的一部分被从所述LOE朝向所述用户耦出，并且其中，所述第一组部分反射表面被定向成使得从所述耦入区域起通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的图像照射的一部分被朝向所述第二区域偏转，

其中，所述LOE具有所述主外表面之间的厚度，并且其中，所述第一组部分反射表面跨所述厚度的至少95％延伸，并且所述第二区域中的所述第二组部分反射表面被包含在所述厚度的跨越小于所述厚度的95％的子部分内，使得将所述第二组部分反射表面从所述第二区域的至少一个表面层排除。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，将所述第二组部分反射表面从所述第二区域中的两个所述主外表面的表面层排除。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，排除了所述第二组部分反射表面的所述第二区域的所述至少一个表面层的总厚度在所述厚度的6％至33％之间。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，在与所述主外表面平行的方向上所述第二组部分反射表面的相邻表面之间的间隔是至少1mm，并且其中，排除了所述第二组部分反射表面的所述第二区域的所述至少一个表面层的总厚度是所述厚度的至少10％。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一组部分反射表面跨所述厚度的至少96％延伸。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一组部分反射表面跨所述厚度的至少98％延伸。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一组部分反射表面跨整个所述厚度延伸。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一组部分反射表面的所述第一取向与所述主外表面正交。

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