CN116184666A - 包括具有二维扩展的光导光学元件的光学系统 - Google Patents

包括具有二维扩展的光导光学元件的光学系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及包括具有二维扩展的光导光学元件的光学系统。一种光学系统，包括光导光学元件(LOE)，LOE具有第一组相互平行的部分反射表面以及与第一组相互平行的部分反射表面取向不同的第二组相互平行的部分反射表面。两组部分反射表面均位于一组相互平行的主外表面之间。在耦入位置处引入的图像照射沿LOE传播，被第一组部分反射表面朝向第二组部分反射表面重定向，图像照射在第二组部分反射表面被朝向用户的眼睛耦出。第一组部分反射表面被实现为位于向眼动箱填充所需图像而所需的位置处的部分表面。另外地或替选地，第一组部分反射表面的间隔跨LOE的第一区域变化。附加特征涉及投射仪和部分反射表面的相对取向，以提高紧凑性并且实现各种调整。

Description

包括具有二维扩展的光导光学元件的光学系统
本申请是申请日为2019年9月9日、申请号为“201980057892.X”、发明名称为“包括具有二维扩展的光导光学元件的光学系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光学系统，并且特别地，其涉及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。
背景技术
许多近眼显示系统包括在用户的眼睛前放置的透明光导光学元件(LOE)或“波导”，LOE或波导通过内反射在LOE内传送图像，并且然后通过合适的输出耦合机制朝向用户的眼睛耦出图像。输出耦合机制可以基于嵌入的部分反射器或“小平面”，或者可以采用衍射模式。下面的描述将主要涉及基于小平面的耦出装置，但是应当理解，本发明的各种特征也适用于衍射装置。
发明内容
本发明是光学系统。
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引导到眼动箱以供用户的眼睛观看的光学系统，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；(c)一组相互平行的主外表面，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朝向眼动箱耦出，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，第一组部分反射表面的部分反射表面中的每一个包括形成LOE的一部分的两个板之间的交界平面处的部分反射涂层，并且其中，部分反射涂层位于交界平面的第一部分上，并且部分反射表面中的至少之一具有被结合以在两个板之间形成光学连续体的交界平面的第二部分。
根据本发明的实施方式的另一特征，从耦入区域开始在LOE内传播、被第一组部分反射表面中的一个部分反射表面偏转并且被第二组部分反射表面中的一个部分反射表面沿到达眼动箱的方向耦出的光线路径的包络限定第一组部分反射表面中的一个部分反射表面的成像区域，并且其中，第一组部分反射表面中的一个部分反射表面中的位于包络外的区域限定第一组部分反射表面中的一个部分反射表面的非成像区域，其中，非成像区域的大部分被结合以在两个板之间形成光学连续体。
根据本发明的实施方式的另一特征，第一组部分反射表面具有不均匀的间隔，使得靠近耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔小于远离耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔。
根据本发明的实施方式的另一特征，光学系统还包括图像投射仪，图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，图像投射仪光学地耦合到LOE，以在耦入区域处将准直图像引入LOE中，作为通过主外表面处的内反射在LOE内传播的传播图像，传播图像被第一组部分反射表面部分地反射，以生成通过主外表面处的内反射在LOE内传播的经偏转传播图像，经偏转传播图像被第二组部分反射表面部分地反射，以生成从主外表面之一向外指向眼动箱的耦出图像，耦出图像的光轴相对于主外表面的法线倾斜，具有沿第二组部分反射表面的面内延伸方向的非零倾斜分量。
根据本发明的实施方式的另一特征，被配置用于利用主轴将图像投射到眼动箱，主轴包括与投射图像的第一水平或竖直轴对应的X轴，以及与投射图像的另一轴对应的Y轴，并且其中，第二组部分反射表面具有平行于主外表面的延伸方向，延伸方向具有相对于X轴的角度偏移。
根据本发明的实施方式的另一特征，被配置用于利用主轴将图像投射到眼动箱，主轴包括与投射图像的第一水平或竖直轴对应的X轴，以及与投射图像的另一轴对应的Y轴，光学系统还包括图像投射仪，图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，图像投射仪光学地耦合到LOE，以在耦入区域处将准直图像引入LOE中，作为通过主外表面处的内反射在LOE内传播的传播图像，传播图像的光轴的面内分量相对于X轴朝向第二区域的边界倾斜。
根据本发明的实施方式的另一特征，传播图像的视场的一个末端的面内分量基本上平行于X轴。
根据本发明的实施方式的另一特征，被配置用于利用主轴将图像投射到眼动箱，主轴包括与投射图像的第一水平或竖直轴对应的X轴，以及与投射图像的另一轴对应的Y轴，光学系统还包括图像投射仪，图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，图像投射仪光学地耦合到LOE，以在耦入区域处将准直图像引入LOE中，作为通过主外表面处的内反射在LOE内传播的传播图像，传播图像被第一组部分反射表面部分地反射，以生成通过主外表面处的内反射在LOE内传播的经偏转传播图像，经偏转传播图像的光轴的面内分量相对于Y轴倾斜。
根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种用于投射在耦入区域处注入的图像以供用户的眼睛在眼动箱处观看的光学系统，图像被利用主轴来观看，主轴包括与投射图像的水平或竖直轴对应的X轴，以及与投射图像的垂直于X轴的轴对应的Y轴，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；(c)一组相互平行的主外表面，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朝向眼动箱耦出，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，并且其中，第二组部分反射表面具有平行于主外表面的延伸方向，延伸方向具有相对于X轴的角度偏移。
根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种用于投射在耦入区域处注入的图像以供用户的眼睛在眼动箱处观看的光学系统，图像被利用主轴来观看，主轴包括与投射图像的水平或竖直轴对应的X轴，以及与投射图像的垂直于X轴的轴对应的Y轴，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；(c)一组相互平行的主外表面，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朝向眼动箱耦出，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，光学系统还包括图像投射仪，图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，图像投射仪光学地耦合到LOE，以在耦入区域处将准直图像引入LOE，作为通过主外表面处的内反射在LOE内传播的传播图像，传播图像的光轴的面内分量相对于X轴朝向第二区域的边界倾斜。
根据本发明的实施方式的另一特征，传播图像的视场的一个末端的面内分量基本上平行于X轴。
根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种用于投射在耦入区域处注入的图像以供用户的眼睛在眼动箱处观看的光学系统，图像被利用主轴来观看，主轴包括与投射图像的水平或竖直轴对应的X轴，以及与投射图像的垂直于X轴的轴对应的Y轴，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；(c)一组相互平行的主外表面，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朝向眼动箱耦出，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，光学系统还包括图像投射仪，图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，图像投射仪光学地耦合到LOE，以在耦入区域处将准直图像引入LOE，作为通过主外表面处的内反射在LOE内传播的传播图像，传播图像被第一组部分反射表面部分地反射，以生成通过主外表面处的内反射在LOE内传播的经偏转传播图像，经偏转传播图像的光轴的面内分量相对于Y轴倾斜。
根据本发明的实施方式的另一特征，眼动箱由平行于X轴的至少一个直线定界。
根据本发明的实施方式的另一特征，投射图像是具有与X轴和Y轴平行的边缘的矩形图像。
根据本发明的实施方式的另一特征，还提供了支承装置，支乘装置被配置用于相对于用户的头部支承LOE，其中，主外表面之一面对用户的眼睛并且沿相对于用户的眼睛的使得X轴被水平定向的取向。
根据本发明的实施方式的另一特征，第一区域和第二区域由平行于X轴延伸的边界分开。
根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种用于将在耦入区域处注入的图像照射引导到眼动箱以供用户的眼睛观看的光学系统，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；(c)一组相互平行的主外表面，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朝向眼动箱耦出，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，并且其中，第一组部分反射表面具有不均匀的间隔，使得靠近耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔小于远离耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔。
根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种用于将在耦入区域处注入的图像照射引导到眼动箱以供用户的眼睛观看的光学系统，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；(c)一组相互平行的主外表面，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朝向眼动箱耦出，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，光学系统还包括图像投射仪，图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，图像投射仪光学地耦合到LOE，以在耦入区域处将准直图像引入LOE，作为通过主外表面处的内反射在LOE内传播的传播图像，传播图像被第一组部分反射表面部分地反射，以生成通过主外表面处的内反射在LOE内传播的经偏转传播图像，经偏转传播图像被第二组部分反射表面部分地反射，以生成从主外表面之一向外指向眼动箱的耦出图像，耦出图像的光轴相对于主外表面的法线倾斜，具有沿第二组部分反射表面的面内延伸方向的非零倾斜分量。
附图说明
本文仅通过示例参照附图描述了本发明，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，分别示出了自顶向下配置和侧向注入配置；
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，示出了图像的两个末端场的光线路径；
图2C是图1A和图1B的场与限定在眼动箱处形成完整图像所需的部分反射表面的整体包络的附加场的组合的概况；
图2D是图2C的替选实现方式，其中选择性地实现部分反射表面；
图2E是类似于图2D的视图，示出了部分反射表面之间的可变间隔；
图2F是类似于图2E的视图，示出了LOE中可以切除的区域；
图3A和图3B是类似于图2E的视图，示出了在部分反射表面的所需轮廓之外存在和不存在部分反射表面的情况下形成重影的潜在光线路径；
图4A是根据图1A或图1B的LOE的另一实现方式的LOE的第一区域的放大示意性等距视图，示出了两个末端场的光线路径；
图4B是类似于图4A的视图，示出了在部分反射表面之间具有可变间隔的部分反射表面的部分表示；
图4C是类似于图4B的视图，示出了场末端所需的部分反射表面的各部分；
图5A是包括根据上面关于图2E示出的原理实现的与图4C的第一区域类似的第一区域的LOE的放大示意性等距视图；
图5B是类似于图5A的视图，示出了LOE的可以切除的区域；
图6A至图6D是类似于图2A至图2F的示意性等距视图，示出了各种角度偏移参数的影响；以及
图7是近眼显示器的示意性俯视图，示出了根据本发明的方面的面部曲线和会聚校正所需的角度偏移。
具体实施方式
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，以用于平视显示器的目的，并且最优选地为可以是虚拟现实显示器或者更优选地是增强现实显示器的近眼显示器。
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”)12中的紧凑型图像投射仪(或“POD”)14，在LOE 12中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。光射向一组彼此平行并且相对于图像光的传播方向斜向倾斜的部分反射表面(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，其也在基板内通过反射被捕获/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种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，前面提及的小平面组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其共轭均被偏转并且成为沿偏转方向传播的共轭图像。在替选的一组优选但非限制性示例的中，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内传播的所需偏转图像，而另一反射可以例如通过在小平面上采用角度选择涂层来最小化，其中角度选择涂层使得小平面对于由不需要其反射的图像呈现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(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，经偏转的图像照射进入第二基板区域18，可以将该第二基板区域18实现为相邻的不同基板或者实现为单个基板的延续，在第二基板区域18中，耦出装置(另一组部分反射小平面或衍射光学元件)逐渐将图像照射的一部分朝向位于被限定为眼动箱(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单独实现，并且优选地相对于用户的头部被支承，其中每个LOE 12面对用户的对应眼睛。在如这里所示的一个特别优选的选择中，将支承装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的眼镜框架。也可以使用其他形式的支承装置，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书中参照X轴和Y轴，其中，X轴沿LOE的第一区域的大体延伸方向水平(图1A)或竖直(图1B)延伸，并且Y轴垂直于X轴延伸，即，在图1A中竖直延伸并且在图1B中水平延伸。
以非常粗略的术语而言，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。在下面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中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中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“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，类似于图1A。然而，应当理解，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，其他中间取向也是适用的，并且除非明确被排除，否则其他中间取向包括在本发明的范围内。
与本发明的装置一起采用的POD优选地被配置成生成准直图像，即，在准直图像中每个图像像素的光是准直到无穷远的平行光束，其中角度方向对应于像素位置。因此，图像照射跨越与两个维度中的角视场对应的角度范围。
图像投射仪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。空间光调制器对图像的每个像素的投射强度进行调制，从而生成图像。替选地，图像投射仪可以包括通常使用快速扫描镜来实现的扫描装置，其跨投射仪的图像平面扫描来自激光光源的照射，同时光束的强度与逐像素的运动同步地被改变，从而针对每个像素投射期望的强度。在两种情况下，设置准直光学器件以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(PBS)立方体或本领域所公知的其他棱镜装置的表面上。
图像投射仪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。耦入配置的细节对于本发明并不重要，并且在此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。
应当理解，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仪14的控制器22，其通常采用来自小型板载电池(未示出)或一些其他合适的电源的电力。应当理解，控制器22包括用于驱动图像投射仪的所有必需的电子部件，例如至少一个处理器或处理电路，所有这些均为本领域已知的。
现在转到图2A至图2F，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和第二区域18，第一区域16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，第二区域18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是各自跨整个第一区域16和第二区域18连续的一对表面，然而在区域16与区域18之间厚度递增或厚度递减的选择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，在连续的外部板之间夹有单独形成的区域16和18以形成复合LOE结构。
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右侧的POD孔径朝向LOE左侧扩展的照射锥表示来自图像投射仪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轴对齐的传播方向，并且角扩展(在LOE内)大致为±16°。(应当注意，由于折射率的变化，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，其中用户的眼睛位于由“眼动箱”(EMB)26(即，通常被表示为矩形的形状，与眼瞳将从其观看投射图像的LOE的平面间隔开)指定的允许位置范围内的某个位置处。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接收图像的整个角度范围。从EMB回溯视场可以指示较大矩形28，相关照射从矩形28自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。耦合到LOE中的具有与投射仪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，仅小平面的子集生成对提供由用户观看的图像中的相应像素有用的反射，并且仅这些小平面的子区域有助于该像素的观察图像。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EMB 26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对应于Y维度中的像素位置的斜角来编码。作为一个附加示例，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相同的配置，但这里示出了与视场的右下像素对应的到达EMB的四个角的光线，其中同样用粗线示出相关部分反射表面17的相关区域。
明显地，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沿到达眼动箱的方向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中的“成像区域”，而小平面17中的位于包络外的剩余部分是“非成像区域”，其中“成像区域”是对图像照射中的有助于图像到达EMB的部分进行偏转所需的，“非成像区域”并不有助于所需图像。在图2C中用粗线示出与所有小平面17的“成像区域”对应的该包络的简化轮廓。
根据本发明的一组特别优选的实现方式，将小平面17实现为“部分小平面”，使得部分反射特性仅存在于区域16的截面区域的子区域内，该子区域包括每个小平面平面的“成像区域”，并且优选地排除小平面中的一些或全部的“非成像区域”的至少大部分。在图2D中示意性地示出了这样的实现方式。小平面的有效(部分反射)区域优选地略微延伸超过完成EMB图像投射的几何要求所需的最小值，以避免可能由涂层边缘处的缺陷引起的异常，并且在一些情况下小平面也可以由于与偏转图像方向上小平面之间的整数交叠有关的另外考虑而进一步延伸以实现改善的图像均匀性。根据某些特别优选的实现方式，如图所示，沿从耦入位置起的线遇到的最远部分反射小平面的距离在从投射仪14投射的图像的大部分角度范围上随着角度离开与第二区域18的边界顺时针增加而逐渐增加。
在第一区域16由然后以适当的角度被切割的涂覆板的堆叠形成(例如，如PCT专利公开第WO2007054928A1号所述，并且如本领域中已知的)的情况下，部分反射表面的选择性空间部署可以有利地被实现为形成板的堆叠，其中，部分反射涂层位于两个板之间的交界平面的第一部分上，而交界平面的第二部分被结合(通常使用折射率匹配粘合剂并且不使用涂层)以便在两个板之间形成光学连续体。部分反射涂层的选择性施加通常通过在涂覆过程之前施加合适的掩蔽层并且在涂覆过程结束时移除掩蔽层来实现。
根据替选生产技术，可以形成全区域涂覆板的堆叠，并且然后将其切割成包含小平面的体积所需的形状(例如，对应于图2D所示的具有小平面的区域)。然后，通过将包含部分反射小平面的该不规则块与单纯折射率匹配玻璃的互补块一起光学地结合来完成LOE的所需形式。
图2E类似于图2D，但示出了以下光学系统：在该光学系统中，第一组部分反射表面17在表面的平面之间具有不均匀的间隔，使得靠近耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔小于远离耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔。该可变间隔在许多情况下是优选的，用于增强投射图像的均匀性，如将在下面进一步说明的。
光轴实际上不平行于X轴，而是位于X-Z平面中，其中，选择进入页面的Z分量，使得FOV的深度维度中的整个角度范围在主基板表面处经历全内反射。为了简化呈现，本文中的图形表示及其描述将仅涉及光线传播方向的面内(X-Y)分量，其在本文中被称为“面内分量”或“平行于LOE的主外表面的分量”。
应当注意，视场最上面的光线方向对应于到达观察者眼睛的视场左侧，而最低的光线方向对应于视场右侧。还应当注意，视场左侧的一些反射从LOE右侧附近的小平面沿将不会到达EMB的方向被反射，并且将因此丢失。类似地，来自视场右侧的一些光线从LOE左侧附近的小平面反射并且沿将不会到达EMB的方向被偏转，并且因此将丢失。本发明的某些方面利用这些观察来减小第一LOE(或LOE区域)的尺寸(并因此减小体积和重量)。
具体地，图2F用阴影示出了图2E中并不有助于图像到达EMB的各个区域，并且因此该各个区域可以被截断而不会干扰向用户的眼睛的图像投射。还应当注意，用于从图像投射仪注入图像的光学孔径处于LOE 12的第一区域16的下半部分中，因为图像的与所示的成向下角度的光线对应的部分对应于图像视场的右侧，图像视场的右侧不需要从较接近第一区域16的左侧部分的小平面被反射。这允许LOE 12的第一区域16的相对紧凑的实现方式。具体地，选择在POD光轴以下的LOE的范围，使得来自POD孔径的与视场的最右侧像素对应的光线到达将光线朝向EMB的整个区域偏转的小平面，但是小平面在这样的角度不再能够到达EMB的区域中被缩短。第一区域16的高度的减小还导致X尺寸的小量减小，因为LOE高度的减小使小平面更接近EMB，并且因此减小了覆盖FOV的所需角度范围的所需X尺寸。在本文献的这里和其它地方，将注意，术语“切除”和“截断”用于指代最终产品的相对于例如图2A的作为参照点的实现方式的理论起点减小的几何结构或尺寸。该术语不承载物理地切掉材料的任何实现方式或任何其他特定生产技术。不一定设想为LOE将被精确地沿所指示区域的边界截断，而是这些区域提供设计灵活性，允许以被认为在美学上优选的和/或与期望的应用的另外细节机械兼容的任意外部轮廓来完成LOE。
应当注意，如上参照图2D至图2F所述使用部分小平面可以提供许多优点中的一个或更多个，包括提高的效率和亮度，其中来自远离耦入区域的小平面的图像的透射在到达第二LOE区域之前不需要穿过如此多的附加小平面。这里参照图3A和图3B示出另外的优点。
具体地，图3A示出了在将投射图像传递到EMB所需的小平面区域的包络之外的被标记为17'的小平面的区域。(该小平面通常是许多小平面中的一个，但为了更容易解释其意义而在这里单独示出了该小平面。)图3A示出了源自图像投射仪处的向下指向的图像光线的光线路径，其直接穿过部分反射表面。该光线行进(通过全内反射传播)到第二区域18中，在第二区域18中，光线入射到第二组部分反射表面19之一上，并且如图所示被部分地反射，生成向上传播回到第一区域16中的不期望的“重影”(“ghost”)反射。该光线的角度使得光线可以从小平面17'的延续部分沿朝向EMB 24的方向被反射，在该情况下光线可以形成干扰观看图像的可见重影。
图3B相对照地示出了在小平面仅被部署在形成输出图像所需的区域处或附近的缩减区域中的情况下同一重影光线路径所发生情况。在该情况下，从表面19反射并且被引导回到第一区域16的光线在其传播通过LOE的第一区域时不会遇到任何部分反射表面。因此，光线继续行进直到到达LOE的外边缘，在此处光线优选地被合适设置的非反射表面吸收或漫射。
在图2A至图2F的示例中，第一LOE区域16在POD 14的光轴以上的尺寸不能显著减小，因为FOV最左侧区域必须从LOE最左侧末端的小平面被反射。图4A至图5B示出了根据本发明的某些特别优选的实现方式的另外特征的替选方法，替选方法允许进一步减小第一LOE区域16的尺寸。
具体地，在图4A的装置中，将POD和/或耦入棱镜旋转以使得图像投射的中心光轴跨第一LOE区域16成向下角度，其中，最优选地选择该角度使得大致平行于X轴投射FOV的最左侧末端。在该情况下，POD的耦入优选地在第一LOE区域16的上末端处或附近(通常在上三分之一处)。LOD在POD孔径以下的所需尺寸由类似于参照图2A至图2F所述的几何考虑因素指定，即，图像的所有光线应当遇到被适当定位并且成适当角度的小平面，以将投射的FOV的相应区域传送到整个EMB。在该情况下，最右侧光线以更陡的角度下降，并且小平面角度相应地被调整，但是第一LOE的整体Y尺寸仍进一步减小。
在一些情况下，并且如图4A中视场右侧所示的更陡的角度所特别强调的，“填充”EMB的几何要求需要在视场右侧与视场左侧之间的显著不同的小平面间隔。因此，在图4A所示的示例中，对于如图所示的耦入光学孔径宽度，通过从一个小平面反射的像素光束的一侧与从相邻小平面反射的光束的另一侧重合来有效地填充左侧场。然而，在场的右侧，如图所示的均匀小平面间隔将导致“黑线”(这里被示为粗黑线)，黑线内不存在图像照射。如果小平面间隔均匀减小，这将导致靠近场的左侧的亮条纹的逆问题。为解决该问题，优选可变小平面间隔，如图4B示出的具有相应几何构造的小平面的部分集合所示，示出如何正确地调整小平面间隔以提供针对视场的每个末端“填充”EMB的图像照射。小面间隔优选地跨LOE区域16逐渐变化(但是不一定连续地或线性地)。
如上面照图2A至图2E所述，可以识别各个小平面的提供部分反射以针对图像的每个场(像素)填充EMB图像而所需的区域，如针对图4C中的两个末端场所示。这里，通过限定包括在眼动箱26处提供输出图像所需的所有小平面的所有区域的“包络”，也可以以在结构和功能上完全类似于上面参照图2D和图2E描述的方式实现LOE 12的第一区域16，该第一区域16具有其范围跨第一区域变化的选择性部署的部分反射表面。在图5A中示出对应该情况的整体光学系统的相应实现方式。图5B示出了第一LOE和第二LOE的并不有助于图像投射并且可以根据每个特定应用的需要进一步如图所示进行切除的各个附加区域。
因此，通过部署图像投射仪14并且使得传播图像的光轴的面内分量相对于X轴朝向第二区域18的边界倾斜，并且最优选地确保传播图像的视场的一个末端的面内分量基本上平行于X轴，可以实现相比于图2A至图2F的整体配置的进一步紧凑。在所有其他方面，用于实现图4A至图5B的装置的结构、功能和选择范围如上面参照2A至图3B所述那样。
除了图4A至图5B中描述的图像投射仪的光轴方向的倾斜之外，可以使用许多其他角度参数来实现对光学系统的特性的各种调整。现在将参照图6A至图6D和图7示出其各种示例。
首先参照图6A和图6B，这些示出了跨LOE 12的第二区域的宽度尺寸对眼动箱位置的潜在调整的几何原理。在图6A中，示出了相当于图2A至图2F的装置，其中，光线路径对应于从眼动箱的中心观看的图像的中心光线。这导致EMB的中心定位。
图6B示出了实现LOE 12的第二区域18的效果，其中，小平面19相对于X轴发生角度偏移。在该情况下，形成眼动箱的中心处的场中心的光线被移位，导致水平移位的眼动箱，这在需要相对于LOE的EMB的不对称部署的情况下是有用的。在该背景下，小平面的“延伸方向”被认为是小平面与平行于LOE的主外表面的平面的交线。等价定义是包含部分反射表面的平面与主外表面之间的交线。本文中该线被称为小平面的平行于主外表面的延伸方向，或“面内”延伸方向。在该背景下，相对于X轴的“角度偏移”的程度取决于所需的水平偏移的程度，但是对于某些优选情况，可以在5度至25度的范围内偏移，但是更小和更大的角度偏移是可能的。
转到图6C和图6D，示出了另一调整形式，其允许对“面部曲率”和/或会聚角进行校正，如图7所示。具体地，图7示意性地示出了近眼显示器的俯视图，其中，LOE相对于彼此倾斜部署，允许LOE被安装在“围裹式”(wrap-around)框架中，该框架被成形为遵循(在某种程度上)面部的侧到侧(side-to-side)曲率。为了在这样的配置中实现立体视觉，有必要针对面部曲率进行校正，使得图像沿空间中的平行线(图7中的点划线)在中心呈现，平行线相对于LOE的垂线水平偏移。另外地或替选地，在各种应用中，特别地但不唯一地针对室内使用，期望在两个显示器之间提供会聚角，使得通过显示器双眼观看的物体看起来位于用户的期望方向处。该校正还需要具有在水平(X轴)方向上的分量的情况下的从法线到LOE平面的偏转。
为了实现该校正，图像投射仪14和第一组部分反射表面17被定向，使得从图像投射仪14耦入到LOE中的传播图像被小平面17偏转，以生成以相对于Y轴倾斜的光轴的面内分量传播的经偏转传播图像。在被小平面19耦出之后，该偏移的结果是耦出图像的光轴在水平平面中被偏转，即，相对于主外表面的法线倾斜，具有沿第二组部分反射表面的面内延伸方向的非零倾斜分量，如图6D所示。
尽管这些调整已经作为独立调整呈现，但应当注意，投射仪光轴倾斜、第一LOE区域小平面角度和第二LOE区域小平面角度等各种参数是相互关联的，并且这些参数中的一个参数的改变将通常需要其他参数的相应调整以确保整个视场的透射，并且这些调整可以导致注入图像围绕其中心轴旋转，这可以通过投射仪和/或耦合装置的旋转直接进行校正，如图6D中示意性地所示。
如上面在图1B的背景下提及的，所有上述原理也可以应用于“侧向”配置，在“侧向”配置中，图像从横向地位于观看区外的POD注入并且由第一组小平面竖直地扩展，并且然后由第二组小平面水平地扩展，以用于耦合到用户的眼睛中。应当理解，所有上述配置和变型也适用于侧向注入配置。
贯穿以上描述，已经参照如图所示的X轴和Y轴，其中，X轴是水平的或竖直的，并且对应于光学孔径扩展的第一维度，以及Y轴是与扩展的第二维度对应的另一主轴。在该背景下，当装置被安装在用户的头部上时，可以相对于装置的取向以通常由支承装置(例如，上述图1A和图1B的眼镜框架)限定的取向来限定X和Y。通常与X轴的定义一致的其他术语包括：(a)对眼动箱进行定界的至少一个直线，其可以用于限定与X轴平行的方向；(b)矩形投射图像的边缘通常平行于X轴和Y轴；以及(c)第一区域16与第二区域18之间的边界通常平行于X轴延伸。
本发明还包括以下技术方案：
1.一种用于将在耦入区域处注入的图像照射引导到眼动箱以供用户的眼睛观看的光学系统，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，其包含具有与所述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；
(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朝向所述眼动箱耦出，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，所述第一组部分反射表面的所述部分反射表面中的每一个包括形成所述LOE的一部分的两个板之间的交界平面处的部分反射涂层，并且其中，所述部分反射涂层位于所述交界平面的第一部分上，并且所述部分反射表面中的至少之一具有被结合以在所述两个板之间形成光学连续体的所述交界平面的第二部分。
2.根据方案1所述的光学系统，其中，从所述耦入区域开始在所述LOE内传播、被所述第一组部分反射表面中的一个部分反射表面偏转并且被所述第二组部分反射表面中的一个部分反射表面沿到达所述眼动箱的方向耦出的光线路径的包络限定所述第一组部分反射表面中的所述一个部分反射表面的成像区域，并且其中，所述第一组部分反射表面中的所述一个部分反射表面中的位于所述包络外的区域限定所述第一组部分反射表面中的所述一个部分反射表面的非成像区域，其中，所述非成像区域的大部分被结合以在所述两个板之间形成光学连续体。
3.根据方案1所述的光学系统，其中，所述第一组部分反射表面具有不均匀的间隔，使得靠近所述耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔小于远离所述耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔。
4.根据方案1所述的光学系统，其中，所述光学系统还包括图像投射仪，所述图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，所述图像投射仪光学地耦合到所述LOE，以在所述耦入区域处将所述准直图像引入所述LOE，作为通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的传播图像，所述传播图像被所述第一组部分反射表面部分地反射，以生成通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的经偏转传播图像，所述经偏转传播图像被所述第二组部分反射表面部分地反射，以生成从所述主外表面之一向外指向所述眼动箱的耦出图像，所述耦出图像的所述光轴相对于所述主外表面的法线倾斜，具有沿所述第二组部分反射表面的面内延伸方向的非零倾斜分量。
5.根据方案1所述的光学系统，被配置用于利用主轴将图像投射到所述眼动箱，所述主轴包括与投射图像的第一水平或竖直轴对应的X轴，以及与所述投射图像的另一轴对应的Y轴，并且其中，所述第二组部分反射表面具有平行于所述主外表面的延伸方向，所述延伸方向具有相对于X轴的角度偏移。
6.根据方案1所述的光学系统，被配置用于利用主轴将图像投射到所述眼动箱，所述主轴包括与投射图像的第一水平或竖直轴对应的X轴，以及与所述投射图像的另一轴对应的Y轴，所述光学系统还包括图像投射仪，所述图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，所述图像投射仪光学地耦合到所述LOE，以在所述耦入区域处将所述准直图像引入所述LOE，作为通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的传播图像，所述传播图像的所述光轴的面内分量相对于所述X轴朝向所述第二区域的边界倾斜。
7.根据方案6所述的光学系统，其中，所述传播图像的所述视场的一个末端的面内分量基本上平行于所述X轴。
8.根据方案1所述的光学系统，被配置用于利用主轴将图像投射到所述眼动箱，其中，所述主轴包括与投射图像的第一水平或竖直轴对应的X轴，以及与所述投射图像的另一轴对应的Y轴，所述光学系统还包括图像投射仪，所述图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，所述图像投射仪光学地耦合到所述LOE，以在所述耦入区域处将所述准直图像引入所述LOE中，作为通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的传播图像，所述传播图像被所述第一组部分反射表面部分地反射，以生成通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的经偏转传播图像，所述经偏转传播图像的所述光轴的面内分量相对于所述Y轴倾斜。
9.一种用于投射在耦入区域处注入的图像以供用户的眼睛在眼动箱处观看的光学系统，所述图像被利用主轴来观看，所述主轴包括与投射图像的水平或竖直轴对应的X轴，以及与所述投射图像的垂直于所述X轴的轴对应的Y轴，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，其包含具有与所述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；
(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朝向所述眼动箱耦出，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，
并且其中，所述第二组部分反射表面具有平行于所述主外表面的延伸方向，所述延伸方向具有相对于X轴的角度偏移。
10.一种用于投射在耦入区域处注入的图像以供用户的眼睛在眼动箱处观看的光学系统，所述图像被利用主轴来观看，所述主轴包括与投射图像的水平或竖直轴对应的X轴，以及与所述投射图像的垂直于所述X轴的轴对应的Y轴，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，其包含具有与所述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；
(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朝向所述眼动箱耦出，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，
所述光学系统还包括图像投射仪，所述图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，所述图像投射仪光学地耦合到所述LOE，以在所述耦入区域处将所述准直图像引入所述LOE，作为通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的传播图像，所述传播图像的所述光轴的面内分量相对于所述X轴朝向所述第二区域的边界倾斜。
11.根据方案10所述的光学系统，其中，所述传播图像的所述视场的一个末端的面内分量基本上平行于所述X轴。
12.一种用于投射在耦入区域处注入的图像以供用户的眼睛在眼动箱处观看的光学系统，所述图像被利用主轴来观看，所述主轴包括与投射图像的水平或竖直轴对应的X轴，以及与所述投射图像的垂直于所述X轴的轴对应的Y轴，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，其包含具有与所述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；
(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朝向所述眼动箱耦出，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，
所述光学系统还包括图像投射仪，所述图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，所述图像投射仪光学地耦合到所述LOE，以在所述耦入区域处将所述准直图像引入所述LOE，作为通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的传播图像，所述传播图像被所述第一组部分反射表面部分地反射，以生成通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的经偏转传播图像，所述经偏转传播图像的所述光轴的面内分量相对于所述Y轴倾斜。
13.根据方案5至12中任一项所述的光学系统，其中，所述眼动箱由平行于所述X轴的至少一个直线定界。
14.根据方案5至12中任一项所述的光学系统，其中，所述投射图像是具有与所述X轴和所述Y轴平行的边缘的矩形图像。
15.根据方案5至12中任一项所述的光学系统，还包括支承装置，所述支承装置被配置用于相对于所述用户的头部支承所述LOE，其中，所述主外表面之一面对所述用户的眼睛并且沿相对于所述用户的眼睛的使得所述X轴被水平定向的取向。
16.根据方案5至12中任一项所述的光学系统，其中，所述第一区域和所述第二区域由平行于所述X轴延伸的边界分开。
17.一种用于将在耦入区域处注入的图像照射引导到眼动箱以供用户的眼睛观看的光学系统，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，其包含具有与所述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；
(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朝向所述眼动箱耦出，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，
并且其中，所述第一组部分反射表面具有不均匀的间隔，使得靠近所述耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔小于远离所述耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔。
18.一种用于将在耦入区域处注入的图像照射引导到眼动箱以供用户的眼睛观看的光学系统，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，其包含具有与所述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；
(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朝向所述眼动箱耦出，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，
所述光学系统还包括图像投射仪，所述图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，所述图像投射仪光学地耦合到所述LOE，以在所述耦入区域处将所述准直图像引入所述LOE，作为通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的传播图像，所述传播图像被所述第一组部分反射表面部分地反射，以生成通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的经偏转传播图像，所述经偏转传播图像被所述第二组部分反射表面部分地反射，以生成从所述主外表面之一向外指向所述眼动箱的耦出图像，所述耦出图像的所述光轴相对于所述主外表面的法线倾斜，具有沿所述第二组部分反射表面的面内延伸方向的非零倾斜分量。
应当理解，以上描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求书中限定的本发明的范围内，许多其他实施方式是可能的。

Claims (8)

1.一种用于向用户的眼睛显示图像的头戴式显示器，所述头戴式显示器包括：
(a)由透明材料形成的光导结构，所述光导结构具有一组相互平行的主表面，用于支持光通过所述主表面处的内反射在所述光导结构内的传播；
(b)支承装置，其用于将所述光导结构支承在所述用户的头部上，其中，所述主表面中的一个主表面与所述用户的眼睛成面对关系，并且所述光导结构的水平轴平行于所述用户的瞳孔之间的线；以及
(c)图像投射仪，其光学地耦合到所述光导结构，以将对应于准直图像的光引入为通过所述主表面处的内反射在所述光导结构内沿第一方向传播，
其中，所述光导结构包括第一组部分反射内表面和第二组部分反射内表面，所述第一组部分反射内表面被部署成将沿所述第一方向传播的光逐渐偏转为通过所述主表面处的内反射在所述光导结构内沿第二方向传播，并且所述第二组部分反射内表面被部署成将沿所述第二方向传播的光逐渐偏转为从所述光导结构朝向所述用户的眼睛耦出，
并且其中，所述第一组部分反射内表面和所述第二组部分反射内表面两者的大部分位于所述光导结构的观看区域内，所述用户的眼睛能够通过所述观看区域观看远处场景。
2.一种用于将与投射仪投射的准直图像对应的光引导为用户的眼睛可见的光学系统，所述光学系统包括：
(a)第一光导部分，其具有平行的、平坦的前主外表面和后主外表面，所述前主外表面和所述后主外表面支持光通过在所述前主外表面和所述后主外表面处的内反射在所述第一光导部分内的传播，所述第一光导部分由一组边缘包围，所述一组边缘包括平坦的下边缘，所述第一光导部分包括一组相互平行的、平坦的内部部分反射表面，所述内部部分反射表面被定向成使得在面内分量沿第一方向的情况下通过内反射在所述第一光导部分内传播的光被所述部分反射表面逐渐偏转为在面内分量沿第二方向的情况下通过内反射在所述第一光导部分内传播，所述第二方向不平行于所述第一方向；
(b)第二光导部分，其在所述平坦的下边缘处光学地结合到所述第一光导部分，以形成所述第一光导部分的延续，所述第二光导部分具有平行的、平坦的前主外表面和后主外表面，所述第二光导部分的前主外表面和后主外表面是所述第一光导部分的所述前主外表面和所述后主外表面的延续，所述第二光导部分具有相对于所述前主外表面和所述后主外表面斜向地倾斜的一组相互平行的、平坦的内部部分反射耦出表面，其中，所述第二光导部分在平行于所述平坦的下边缘的方向上具有宽度，所述第二光导部分的所述宽度随着距所述平坦的下边缘的距离增加而逐渐减小。
3.一种用于向用户的眼睛显示图像的头戴式显示器，所述头戴式显示器包括：
(a)由透明材料形成的光导结构，所述光导结构具有一组相互平行的主表面，用于支持光通过所述主表面处的内反射在所述光导结构内的传播；
(b)支承装置，其用于将所述光导结构支承在所述用户的头部上，其中，所述主表面中的一个主表面与所述用户的眼睛成面对关系，并且所述光导结构的水平轴平行于所述用户的瞳孔之间的线；以及
(c)图像投射仪，其光学地耦合到所述光导结构，以将对应于准直图像的光引入为通过所述主表面处的内反射在所述光导结构内沿第一方向传播，
其中，所述光导结构包括第一组部分反射内表面和第二组部分反射内表面，所述第一组部分反射内表面被部署成将沿所述第一方向传播的光逐渐偏转为通过所述主表面处的内反射在所述光导结构内沿第二方向传播，并且所述第二组部分反射内表面被部署成将沿所述第二方向传播的光逐渐偏转为从所述光导结构朝向所述用户的眼睛耦出，
并且其中，所述第二组部分反射内表面中的每一个具有与所述部分反射内表面和平行于所述主表面的平面之间的交线相对应的伸长方向，所述伸长方向倾斜于所述光导结构的所述水平轴。
4.根据权利要求3所述的头戴式显示器，其中，所述第一组部分反射内表面成角度，使得所述第二方向基本上垂直于所述第二组部分反射内表面的所述伸长方向。
5.一种用于向用户的眼睛显示图像的显示器，所述显示器包括：
(a)由透明材料形成的光导结构，所述光导结构具有一对相互平行的主表面，所述一对相互平行的主表面限定板状光导，所述板状光导支持光通过所述主表面处的内反射在所述光导结构内的传播；以及
(b)图像投射仪，其光学地耦合到所述光导结构，以将对应于准直图像的光引入为通过所述主表面处的内反射在所述光导结构内沿第一方向传播，
其中，所述光导结构包括第一组部分反射内表面和第二组部分反射内表面，所述第一组部分反射内表面被部署成将沿所述第一方向传播的光逐渐偏转为通过所述主表面处的内反射在所述光导结构内沿第二方向传播，并且所述第二组部分反射内表面被部署成将沿所述第二方向传播的光逐渐偏转为从所述光导结构朝向所述用户的眼睛耦出，
并且其中，所述图像投射仪投射矩形准直图像，所述矩形准直图像具有围绕与所述准直图像的宽度对应的第一轴的光线方向的角扩展和围绕与所述准直图像的高度对应的第二轴的光线方向的角扩展，并且其中，所述准直图像在所述第一轴和所述第二轴均不平行于所述光导结构的主表面的情况下在所述光导结构内沿所述第一方向传播。
6.根据权利要求5所述的显示器，其中，所述图像投射仪和所述第一组部分反射内表面与第二组部分反射内表面的取向使得，从所述光导结构朝向所述用户的眼睛耦出的光相对于所述主表面的法线以偏移角度倾斜，具有沿着所述第二组部分反射内表面的面内延伸方向的非零倾斜分量，所述伸长方向对应于所述部分反射内表面与平行于所述主表面的平面之间的交线。
7.根据权利要求6所述的显示器，还包括支承装置，所述支承装置用于将所述光导结构支承在所述用户的头部上，其中，所述主表面中的一个主表面与所述用户的眼睛成面对关系，并且其中，所述偏移角度校正所述光导结构相对于所述用户的眼睛的面部曲率角。
8.根据权利要求6所述的显示器，还包括支承装置，所述支承装置用于将所述光导结构支承在所述用户的头部上，其中，所述主表面中的一个主表面与所述用户的眼睛成面对关系，并且其中，所述偏移角度为由所述用户的眼睛观看的图像提供会聚角。
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