CN116348707A - 具有小输入孔和大输出孔的紧致头戴式显示系统 - Google Patents

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CN116348707A CN202180067918.6A CN202180067918A CN116348707A CN 116348707 A CN116348707 A CN 116348707A CN 202180067918 A CN202180067918 A CN 202180067918A CN 116348707 A CN116348707 A CN 116348707A
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Abstract

一种光学设备包括：第一透光基板，具有至少两个平行主要表面；光波输入孔；光波输出孔，位于所述基板的主要表面之一旁边；光波输出瞳孔；光波输入元件，用于将具有视野的光波和中央光波耦合到所述基板中，以实现来自所述基板的主要表面的全内反射；以及至少一个反射表面，具有活动区域且位于所述透光基板的两个主要表面之间，以用于将光波耦合出所述基板，其中被困在所述基板内部的光波在被从所述基板耦合出来之前被所述反射表面的活动区域反射至少两次，基本上在从所述反射表面的第一和第二反射比之间从所述主要表面之一反射，然后从所述反射表面反射且穿过所述输出孔向着所述输出瞳孔。还提供了一种用于传送光波的光学设备。

Description

具有小输入孔和大输出孔的紧致头戴式显示系统
技术领域
本发明涉及基于基板的光波引导光学设备，且具体涉及包括由透光基板承载的反射表面的设备。
本发明可以被实现以在大量成像应用(诸如，头戴式和平视显示器以及蜂窝电话、紧致显示器和3-D显示器)中取得优势。
背景技术
针对紧致光学元件的重要应用之一处于头戴式显示器(HMD)中，其中光学模块既充当成像透镜又充当组合器，其中二维显示器被成像到无穷远且被反射到观察者的眼睛中。显示器可以是直接从空间光调制器(SLM)(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)、间接凭借中继透镜或光纤束获得的。显示器包括：元件(像素)的阵列，由准直透镜成像到无穷远且凭借充当分别针对不透视和透视应用的组合器的反射或部分反射表面而透射到观察者的眼睛中。典型地，出于这些目的而使用传统自由空间光学模块。随着系统的期望视野(FOV)增大，这种传统光学模块变得更大、更重且更笨重，且因而甚至对于中等性能设备而言也是不实际的。因此，这是针对所有种类的显示器但尤其在其中系统应当尽可能轻且紧致的HMD中的主要缺陷。
针对紧致性的需要已经导致若干不同复杂光学解决方案，一方面，所有这些光学解决方案对于大多数实际应用而言仍然不够紧致，并且另一方面，所有这些光学解决方案在可制造性、价格和性能方面遭受主要缺陷。
在国际专利公开号WO2017/141239、WO2017/141240、WO2017/141242、WO2019/077601和WO2020/157747中包括的教导通过引用并入本文。
发明内容
本发明促进了针对HMD等应用的紧致基板的提供。本发明允许相对较宽的FOV与相对较大的眼动盒(EMB)值一起。所得到的光学系统供应了大的高质量图像，其还容纳了眼睛的大移动。根据本发明的光学系统特别有利，这是因为它基本上比现有技术实现方式更紧致，然而，它甚至可以被容易地并入到具有各种专门配置的光学系统中。
因此，本发明的广泛目的是减轻现有技术紧致光学显示设备的缺陷并根据具体要求来提供具有经改进的性能的其他光学部件和系统。
因此，根据本发明，提供了一种光学设备，包括：第一透光基板，具有至少两个平行主要表面；输入孔；输出孔，位于所述基板的主要表面之一旁边；输出瞳孔；输入元件，用于将具有视野的光波和中央光波耦合到所述基板中，以实现来自所述基板的主要表面的全内反射；以及至少一个平坦反射表面，具有活动区域且位于所述透光基板的两个主要表面之间，以用于将光波耦合出所述基板，其中被困在所述基板内部的光波在被从所述基板耦合出来之前被所述反射表面的活动区域反射至少两次，基本上在从所述反射表面的第一和第二反射比之间从所述主要表面之一反射，然后从所述反射表面反射且穿过所述输出孔直接向着所述输出瞳孔。
根据本发明，进一步提供了一种用于传送光波的光学设备，包括：第一透光基板，具有至少两个平行主要表面和至少一个边缘；输入孔；输出孔，位于所述基板的主要表面之一旁边；输出瞳孔；输入表面，用于将具有第一视野的光波和中央光波耦合到所述基板中，以实现来自所述基板的主要表面的全内反射；以及至少一个平坦反射表面，具有活动面积且位于所述透光基板的两个主要表面之间，以用于将光波耦合出所述基板，其中对所述基板的主要表面基本上成法向地通过所述输入孔而耦合到所述基板中的光波在被耦合到所述基板中之前被所述输入表面反射至少两次，且基本上在从所述输入表面的第一和第二反射比之间从所述主要表面之一反射。
附图说明
参考以下图示性附图，结合某些优选实施例来描述本发明，使得它可以被更充分理解。
详细地具体参考附图，应当强调，所示出的细节仅作为示例且用于本发明的优选实施例的图示性讨论的目的，且被呈现以提供被认为最有用且容易理解本发明的原理和构思方面的描述的内容。在这点上，不试图比本发明的基本理解所必需更详细地示出本发明的结构细节。与附图一起采取的描述应充当对本领域技术人员来说的关于实际上可以如何体现本发明的若干形式的方向。
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图示了在现有技术示例性透光基板中使用的针对入射角的两个范围的选择性反射表面的期望反射比和透射比特性；
图4图示了针对示例性介电涂层的作为入射角的函数的反射比曲线；
图5A、5B和5C图示了具有耦合入和耦合出表面的现有技术透明基板以及部分反射重定向元件的截面图；
图6A和6B示意性地图示了耦合出图像中的间隙和重影(ghost image)的创建；
图7是根据本发明的具有单个耦合入元件和单个耦合出元件的基板引导的实施例的示意截面图，其中所有光线向着输出瞳孔而耦合；
图8A、8B和8C是根据本发明的具有单个耦合入元件和单个耦合出元件的基板引导的实施例的示意截面图，其中针对整个耦合视野的所有光线向着输出瞳孔而耦合；
图9是根据本发明的具有单个耦合入元件和两个耦合出元件的基板引导的实施例的示意截面图；
图10是根据本发明的具有单个耦合入元件和单个耦合出元件的基板引导的实施例的示意截面图，其中耦合出图像关于对基板平面的法向而倾斜；
图11是图示了用于利用双光导光学元件配置对具有沿两个轴的有限FOV的图像进行扩充的现有技术方法的图；
图12是根据本发明的具有单个部分反射耦合入元件和两个耦合出元件的基板引导的光束扩充器的示意截面图；
图13是根据本发明的具有单个部分反射耦合入元件和单个耦合出元件的基板引导的光束扩充器的示意截面图；
图14是根据本发明的具有在对称配置中布置的两个部分反射耦合入元件和两个耦合出元件的基板引导的光束扩充器的示意截面图；
图15是根据本发明的具有在对称配置中布置的两个部分反射耦合入元件和两个耦合出元件的基板引导的光束扩充器的示意截面图，其中所耦合的光线的仅部分到达输出瞳孔；
图16是根据本发明的具有在对称配置中布置的两个部分反射耦合入元件和两个耦合出元件的基板引导的光束扩充器的另一示意截面图；
图17是根据本发明的具有在对称配置中布置的两个部分反射耦合入元件和两个耦合出元件的基板引导的光束扩充器的又一示意截面图；
图18是根据本发明的具有在两步对称配置中布置的四个部分反射耦合入元件和四个耦合出元件的基板引导的光束扩充器的示意截面图；
图19是根据本发明的具有在三步非对称配置中布置的三个耦合入元件和三个耦合出元件的基板引导的实施例的示意截面图，其中耦合出图像关于对基板平面的法向而倾斜；
图20示意性地图示了光束扩充器的耦合出图像中的间隙和重影的创建；
图21A和21B表示了根据本发明的具有在对称配置中布置的两个部分反射耦合入元件和两个耦合出元件的基板引导的光束扩充器的示意截面图，其中使耦合出元件的边缘部分不活动；以及
图22A和22B表示了根据本发明的具有在对称配置中布置的两个部分反射耦合入元件和两个耦合出元件的基板引导的光束扩充器的示意截面图，其中耦合出和耦合入元件的边缘部分被截短。
具体实施方式
图1图示了现有技术透光基板的截面图，其中第一反射表面16由准直光波12照明，准直光波12是从显示源4发出的且由位于源4与设备的基板20之间的透镜6准直。反射表面16反射来自源4的入射光，使得光波被全内反射困在平面基板20内部。在离开基板20的主要表面26、27的若干反射之后，被困的光波到达部分反射元件22，部分反射元件22将从基板出来的光耦合到查看者的眼睛24中，眼睛24位于输出瞳孔25内部。本文中，基板20的输入孔17被定义为输入光波通过其而进入基板的孔，并且基板的输出孔18被定义为被困的光波通过其而退出基板的孔。在图1中图示的基板的情况下，输入和输入孔两者与下表面26重合。然而，可以想到其他配置，其中来自位移源4的输入和图像光波位于基板的相对侧上或者位于基板的边缘之一上。如所图示的那样，分别近似为主要表面26上的耦合入元件16和耦合出元件22的投影的输入和输出孔的活动面积彼此类似。
在HMD系统中，要求EMB的整个区域由从显示源浮现的所有光波照明，以使查看者的眼睛能够同时看所投影的图像的整个FOV。由此，应当相应地扩展系统的输出孔。另一方面，要求光学模块应当是轻且紧致的。由于准直透镜6的横向伸展由基板的输入孔的横向尺寸确定，因此期望输入孔应当尽可能小。在诸如图1中图示的其中输入孔的横向尺寸类似于输出孔的横向尺寸的那些系统之类的系统中，在这两个要求之间存在内在矛盾。基于该光学架构的大多数系统遭受小EMB和小的可实现FOV以及遭受大且笨重的成像模块。
在图2中图示了至少部分地解决该问题的实施例，其中从基板耦合出光波的元件是部分反射表面22a、22b等的阵列。可以通过增加在基板20内部嵌入的部分反射表面的数目来扩展该配置的输出孔。因此，设计和构造具有小输入孔以及大输出孔的光学模块是可能的。如可以看出的那样，被困的光线从两个不同方向28、30到达反射表面。在该特定实施例中，被困的光线在从基板主要表面26和27的偶数数目次反射之后从这些方向之一28到达部分反射表面22a，其中被困的光线与对反射表面的法向之间的入射角是βref。
被困的光线在从基板表面26和27的奇数数目次反射之后从第二方向30到达部分反射表面22b，其中被困的光线与对反射表面的法向之间的入射角是βref。
如图2中进一步图示，对于每个反射表面，每个光线首先从方向30到达表面，其中光线中的一些再次从方向28撞击在表面上。为了防止不期望的反射和重影，重要的是，反射比对于具有第二方向28的撞击在表面上的光线而言应当可忽略不计。
先前在上文中提及的公开中提出了利用薄膜涂层的角灵敏度的针对该要求的解决方案。如果一个角度显著小于另一个，则可以实现两个入射方向之间的期望鉴别。提供具有高入射角处的非常低反射比和针对低入射角的高反射比的涂层是可能的。可以利用该特性，以通过消除两个方向之一上的反射比来防止不期望的反射和重影。
现在具体参考图3A和3B，这些图图示了部分反射表面34的期望反射比行为。尽管具有离轴角βref的光线32(图3A)部分地从基板20反射和耦合出来，但以离轴角β'ref到达反射表面34的光线36(图3B)在没有任何显著反射的情况下透射通过反射表面34。
图4图示了作为针对具有波长λ＝550nm的S偏振光的入射角的函数的该具体系统的典型部分反射表面的反射比曲线。对于全色显示器，应当针对相关可见光谱中的所有其他波长、通常针对430nm与660nm之间的大多数显示源而实现类似反射比曲线。在该曲线图中存在两个显著区域：在65°与85°之间，其中反射比非常低；以及在10°与40°之间，其中反射比随增加的入射角单调增加。如可以在图3和4中看出的那样，图2中图示的实施例的部分反射表面22的所请求的反射比行为不是传统的。此外，为了在较高角度区域处保持低反射比，较低角度区域处的反射比不能高于20％-30％。此外，为了实现整个FOV内的均匀亮度，要求部分反射表面的反射比将向着基板的边缘逐渐增加。因此，最大可实现效率相对较低且通常不能多于10％。
图5A和5B图示了用于克服上面描述的问题的实施例。取代使用执行将光波耦合出基板20以及将光波定向到用户的眼睛24中的双重功能的单个元件(图2中的22)，将所请求的功能划分到两个不同元件中。即，在基板内部嵌入的一个元件将光波耦合出基板，而位于基板外的第二传统部分反射元件将光波重定向到查看者的眼睛中。如图5A中所图示，来自从显示源发出且由透镜(未示出)准直的平面光波的两个光线63(虚线)以相对于基板的主要表面70、72的入射角
Figure BDA0004158799770000051
通过输入孔86进入具有两个平行主要表面70和72的光透明基板64。撞击在反射表面65上的光线以到基板的主要表面的角度αsur1倾斜。反射表面65反射入射光线，使得光线被来自主要表面的全内反射困在平面基板64内部。为了在被困的光波的各种“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。在从耦合入反射表面的每次反射之后，被困的光线的阶从(i)增加1到(i+1)。一阶的被困的光线与对主要表面70、72的法向之间的离轴角/>
Figure BDA0004158799770000052
是：
Figure BDA0004158799770000061
在离开基板的表面的若干反射之后，被困的光线到达第二平坦反射表面67，第二平坦反射表面67将光线耦合出基板。假定表面67以到主要表面的与第一表面65相同的角度倾斜，也就是说，表面65和67平行并且αsur2＝αsur1，那么耦合出光线与对基板平面的法向之间的角度αout是：
Figure BDA0004158799770000062
因此，耦合出光线以与入射光线相同的角度倾斜到基板。到目前为止，耦合入光波以与图1中图示的光波类似的方式表现。然而，图5A图示了不同的行为，其中具有与光线63相同的入射角
Figure BDA0004158799770000063
的两个光线68(点划线)撞击在反射表面65的右侧上。在从表面65的两次反射之后，光波被全内反射耦合在基板64内部，并且被困在基板内部的光线的离轴角现在是：
Figure BDA0004158799770000064
在离开基板的主要表面的若干反射之后，被困的光线到达第二反射表面67。光线68从耦合出表面67反射两次，且以与其他两个光线63相同的离轴角αout从基板耦合出来，该其他两个光线63从基板65和67反射仅一次，该离轴角αout也是这四个光线在基板主要平面上的相同入射输入角。尽管所有四个光线以相同离轴角撞击在基板上且耦合出基板，但在它们之间存在基本区别：在反射表面65的右侧上入射的两个光线68更接近于基板64的右边缘66，从表面65和67反射两次，且在表面67的左侧处从基板耦合出来，表面67的左侧更接近于基板的相对的左边缘69。另一方面，在反射表面65的左侧上入射的两个光线63更接近于基板64的中心，且从表面65和67反射一次。它们在表面67的右侧处从基板耦合出来，表面67的右侧更接近于基板的中心。
如图5A和5B中进一步图示，可以通过添加以到基板的表面72的角度αred倾斜的部分反射表面79来调整图像的倾斜角αout。如所示的那样，通过基板的输出孔89而耦合出的图像被反射和旋转，使得它对基板的主要表面基本上成法向地再次穿过基板并到达查看者的眼睛24。为了最小化失真和色差，优选的是，在重定向棱镜80中嵌入表面79并利用第二棱镜82使基板64的形状完整，两者由相同材料制作，该材料不应当必然类似于棱镜80的材料。为了最小化系统的厚度，如图5B中所图示，利用平行部分反射表面79a、79b等的阵列替代单个反射表面79是可能的，其中部分反射表面的数目可以是根据系统的要求来确定的。用于将耦合出光波重定向到查看者的眼睛中的另一方式是使用利用亚波长规模的图案而结构化的平坦元表面。
如先前在上文中提及的公开WO2017/141239的等式(20)中所示，必须满足条件：
Figure BDA0004158799770000071
也就是说，所耦合的光线相对于对主要表面70、72的法向的入射角
Figure BDA0004158799770000072
应当小于耦合出表面67相对于该法向的倾斜角。图6A和6B图示了其中违反等式(4)的条件的实施例，也就是说，取而代之，满足针对所耦合的光波中的至少一个的关系：
Figure BDA0004158799770000073
如图6A中所图示，所耦合的光线81在表面67处的第一入射来自下主要表面72。由此，所耦合的光线从表面67反射两次，且在第二次反射之后以下述输出角从基板耦合出来：
Figure BDA0004158799770000074
其是“合适”输出角。
图6B图示了来自首先在点85处从上主要表面70撞击在表面67上的相同耦合光波的不同光线84。由此，所耦合的光线84以下述离轴角从表面67反射：
Figure BDA0004158799770000075
光线84现在从下主要表面72撞击在表面67上，从该表面反射两次，且在第二次反射之后以下述输出角从基板耦合出来：
Figure BDA0004158799770000076
该角度不必然是所要求的角度
Figure BDA0004158799770000077
假定例如αsur2＝18°并且/>
Figure BDA0004158799770000078
那么从基板64耦合出的实际光线具有αout(act)＝-10°的方向。换言之，不仅应当被耦合出作为光线84的“正确”光线从图像丢失，并且因此将在图像中形成间隙，而且取而代之，存在起源于“错误”方向的另一光线，其形成重影。
如公开WO2017/141239的等式(23)和(24)中所示，本说明书的等式(5)的结果是：表面67的最大倾斜角由αsur2<16°给出，并且由此，中央输出光波的最小输出角是
Figure BDA0004158799770000079
即，耦合出图像基本上关于对基板平面的法向而倾斜。然而，通常，要求被投影到查看者的眼睛的耦合出图像将对基板平面基本上成法向地取向。因此，应当通过添加部分反射表面79来调整未从基板向着系统的输出瞳孔耦合出的图像的倾斜，部分反射表面79以到基板的表面72的角度/>
Figure BDA00041587997700000710
倾斜，如图5A-5C中所示。
此后图示了根据本发明的用于克服上面描述的问题的可替换方法。也就是说，被困在基板内部的光波的至少部分在被通过输出孔从基板耦合出来之前以与图5A-5C的实施例类似的方式被耦合出元件反射至少两次。然而，光波在输出瞳孔的方向上从耦合出表面反射。不可避免地，等式(5)中给出的条件将被违反，但如下面所图示，存在其中可以避免图像中的重影和间隙的实施例。
图7中图示的第一示例主要对于具有小到中等FOV和EMB的光学系统而言是适当的。如所图示的那样，光学设备，包括透光基板83，透光基板83具有至少两个平行主要表面：反射表面65，用于将穿过输入孔86的光波耦合到基板中；以及反射表面67，其与表面65平行，用于通过输出孔89向着系统的输出瞳孔90耦合从基板出来的光波。对于其中来自外部场景的光线需要穿过基板以到达查看者的眼睛的透视系统，表面67应当是部分反射的。来自图像的两个边际光波和中央光波的三个光线从基板耦合出来到输出瞳孔90的中心处。如所示的那样，具有作为FOV中的最大、中央和最小角度的入射角的光线91R、91M和91L分别从耦合出表面67的右侧、中央和左侧部分耦合出来。尽管光线91M和91L在两次反射之后耦合出来，但光线91R在从表面67的单次反射之后耦合出来。
图6B中图示的用于最小化间隙和重影效应的可能途径是将用于造成这些不期望效应的条件进行分离。如上文中解释的那样，光线必须满足两个不同要求以偏离于其指定的方向：它应当从耦合出表面反射至少两次，并且它应当满足等式(5)的关系。如这里所图示的那样，光线91R不满足第一条件。它从表面67反射仅一次。因此，它可以被允许满足等式(5)。另一方面，光线91M和91L从表面67反射两次，并且因此，它们不应当被允许满足等式(5)。用于实现这些要求的可能方式是通过选择针对中央光线91M的限制条件，也就是说：
Figure BDA0004158799770000081
因此
Figure BDA0004158799770000082
假定中央光波对基板的主要平面成法向地耦合出来，这产生了：
αsur2＝18° (11)。
图8A、8B和8C图示了系统，其中等式(11)被满足，零阶入射角
Figure BDA0004158799770000083
Figure BDA0004158799770000084
和
Figure BDA0004158799770000085
在空中是+10°、0°和-10°，并且基板的折射率是2.0。基板的厚度是4mm，适眼距是18mm，并且输出瞳孔直径是6mm。如图8A、8B和8C中所示，具有最大入射角的所有光线从表面65反射仅一次，且因此从表面67也反射一次，并且因此，不能形成具有“错误”方向的光线。具有最小入射角(图8C)的所有光线从表面65反射两次，且因此从表面67也反射两次。然而，由于它们全部满足等式(4)的条件，因此所有光线在合适方向处耦合出来。关于具有中央入射角(图8B)的光线，它们的部分从表面65和67反射仅一次，但被反射两次的光线在基板内部与表面67平行地传播，并且因此，它们不能直接从上表面70撞击在它上。由此，图8A、8B和8C中图示的所有所绘制的光线在合适方向处从基板耦合出来。
显然，图8A、8B和8C中图示的实施例类似于图1的实施例。然而，它具有相比于现有技术的一个突出优势。表面22的倾斜角是大约30°，并且因此，输出孔的大小是1.5·d左右，其中d是基板的厚度。另一方面，表面67的倾斜角是18°，并且因此，本实施例中的输出孔的大小是3·d左右。因此，对于给定基板的厚度，输出孔可以加倍，或者可替换地，对于给定输出孔，本实施例的基板的厚度可以减小到1/2。
然而，存在其中要求进一步增大输出孔同时仍尽可能薄地维持基板的应用。图9图示了其中在不增大基板的厚度的情况下扩充输出孔的实施例。如所示的那样，部分反射表面93被嵌入基板83内部。表面93平行于耦合入表面65和耦合出表面67。也就是说，表面93关于基板83的主要表面的倾斜角是αsur2。对于在基板83内部传播的图像的整个FOV，表面93是部分反射的。也就是说，它部分反射且部分透射具有下述入射角的耦合入光波：
Figure BDA0004158799770000091
并且它对于具有下述入射角的光波而言全反射：
Figure BDA0004158799770000092
用于实现关系(12)和(13)的可能方法是在部分反射表面93上应用具有比基板83的折射率低得多的折射率的光学胶黏剂。由基板83和表面93的折射率设置的临界角αcr对于被困在基板83内部的光波的整个FOV而言必须满足以下关系：
Figure BDA0004158799770000093
对于具有与图8A、8B和8C的实施例的参数相同的参数的光学系统，
Figure BDA0004158799770000094
Figure BDA0004158799770000095
并且/>
Figure BDA0004158799770000096
利用具有折射率1.48的诺兰德(Norland)NA-148光学胶黏剂产生了临界角αcr＝47.7°，并且因此，满足等式14的条件。
如图9中所图示，光线95(虚线)在从表面67的一次反射之后耦合到基板83中，且因而在基板83内部被传播，具有一阶离轴角
Figure BDA0004158799770000097
在从基板83的主要表面的几次反射之后，光线95撞击在表面93上。由于光线从右侧撞击在表面上，因此它以与撞击在表面67上的光线类似的方式表现，并且因此，
Figure BDA0004158799770000098
由此，满足等式(12)的条件，并且光线95被表面93拆分。即，光线95的强度的一部分从表面93反射作为具有离轴角
Figure BDA0004158799770000099
的光线95a，且因而通过下表面72从基板83耦合出来。在另一部分中，光线95的强度穿过表面93作为光线95b，且继续在基板83内部传播，具有相同离轴角/>
Figure BDA0004158799770000101
在从上主要表面70的一次反射之后，光线95b再次撞击在表面93上。现在，光线从左侧撞击在表面上，并且它与撞击在表面67上的光线类似地表现，并且因此，
Figure BDA0004158799770000102
由此，满足等式(13)的条件，并且光线95b从表面93全反射，且继续在基板83内部传播，具有下述离轴角：
Figure BDA0004158799770000103
具体地，光线95b在基板83内部传播，具有二阶离轴角
Figure BDA0004158799770000104
在从耦合出表面67的两次反射之后，光线95b从基板83耦合出来，具有与光线95a相同的离轴角/>
Figure BDA0004158799770000105
同样如图9中所图示，另一光线96(实线)在从表面67的两次反射之后耦合到基板83中，且因而在基板内部传播，具有二阶离轴角
Figure BDA0004158799770000106
在从基板83的主要表面的几次反射之后，光线96撞击在表面93上。由于光线从左侧撞击在表面上且以与撞击在表面67上的光线类似的方式表现，因此，
Figure BDA0004158799770000107
由此，满足等式(13)的条件，并且光线96从表面93全反射，且继续在基板83内部传播，具有下述离轴角：
Figure BDA0004158799770000108
具体地，光线96在基板83内部传播，具有一阶离轴角
Figure BDA0004158799770000109
在从基板83的下主要表面72的一次反射之后，光线96再次撞击在表面93上。与光线95的行为类似，光线96被表面93拆分。光线96的强度的部分从表面93反射作为具有离轴角/>
Figure BDA00041587997700001010
的光线96a，且因而通过下表面70从基板83耦合出来。光线96的强度的另一部分穿过表面93作为光线96b，且继续在基板83内部传播，具有相同离轴角/>
Figure BDA00041587997700001011
在从耦合出表面67的一次反射之后，光线96b从基板83耦合出来，具有与光线95a、95b和96a相同的离轴角/>
Figure BDA00041587997700001012
由此，基板83的输出孔是表面93和67的组合。因此，基板83的输出孔的实际活动面积与图8A、8B和8C中图示的基板83的实际活动面积相比已经加倍，而基板的厚度保持相同。另一方面，从基板83耦合出的光波的亮度已经被表面93的反射率降低。
图10图示了根据本发明的另一实施例。这里，被投影到查看者的眼睛中的耦合出图像未对基板主要平面成法向地取向，而是以角度αinc倾斜。这种配置可以是在其中要求图像位于查看者的视轴外的应用中利用的。也就是说，分别针对自顶向下和眼镜配置而向上或侧向平移图像。可替换的利用可以是在自顶向下配置中，其中图像位于查看者的视轴处，但基板以角度αinc旋转以减小系统的适眼距并同时将基板上边缘保持为远离于用户的前额。
图10中所示的实施例具有以下参数：αsur2＝12.5°；基板的折射率是2.0，并且因此，αCr＝30°；零阶入射角
Figure BDA0004158799770000111
和/>
Figure BDA0004158799770000112
在空中是10°、20°和30°，且因此在基板内部是5°、9.8°和14.5°；分别地，一阶入射角/>
Figure BDA0004158799770000113
和/>
Figure BDA0004158799770000114
是30°、34.8°和39.5°，并且二阶入射角/>
Figure BDA0004158799770000115
和/>
Figure BDA0004158799770000116
是55°、59.8°和64.5°。对于基板中的所有所耦合的光波，满足等式(4)的条件。如所示的那样，来自图像的两个边际光波和中央光波的三个光线从基板耦合出来到输出瞳孔90的中心处。具有分别作为FOV中的最小、中央和最大角度的入射角的光线97L、97M和97R分别从耦合出表面67的左侧、中央和右侧部分耦合出来。尽管光线97M和97L在两次反射之后耦合出来，但光线97R在从表面67的单次反射之后耦合出来。由于对于整个FOV而言满足等式(4)，因此避免了重影和间隙。另外，由于对于整个FOV而言/>
Figure BDA0004158799770000117
并且/>
Figure BDA0004158799770000118
因此可以在不使用重定向元件79的情况下在输出瞳孔90的方向上从耦合出表面67反射来自整个FOV的光波。
图9图示了用于通过在基板83内部嵌入部分反射表面93沿传播方向ξ扩充基板的输出孔的方法。输出孔可以是通过在基板内部嵌入更多部分反射表面来沿ξ轴进一步扩充的。在许多应用中，要求还沿正交轴η扩充孔。
图11图示了如何利用双基板配置沿两个轴扩充光束。输入波110通过第一反射表面116a而耦合到具有与图9中图示的结构类似的结构的第一基板120a中，且然后沿η轴传播。部分反射表面122a将光耦合出基板120a，并且然后，光通过反射表面116b而耦合到第二基板120b中。光然后沿ξ轴传播且通过部分反射表面122b耦合出来。如所示的那样，沿全部两个轴η和ξ扩充原始光束110，其中总体扩充由元件116a和122b的横向尺寸之间的比率确定。
为了找到针对输入光波的横向扩充的合适配置，重要的是要注意，横向扩充器120a不必然必须是部分透明的，如主要基板120b在透视应用的情况下将必须成为的那样。
图12图示了图9的经修改的版本。如所示的那样，这里的表面116a是也满足等式(12)和(13)的条件的部分反射表面。由此，基板83的输出孔是表面116a、122a1和112a2的组合。因此，基板120b的输出孔沿η轴的实际活动面积与仅使用单个基板的实施例相比已经三倍。表面116a、122a1和112a2针对满足等式(12)的入射角的反射比应当被设置以实现沿η孔轴的均匀图像。对于图12中图示的配置，这些表面针对满足等式(12)的入射角的反射比应当分别是67％、50％和100％(也就是说，表面112a2可以是简单的镜)。由此，横向扩充器120a的亮度效率是33％左右。
图13图示了横向扩充器，其中输出光波的亮度因横向扩充而提高。如所示的那样，仅两个表面被嵌入基板120a内部：部分反射耦合入表面116a，其满足等式(12)(具有反射比50％)和(13)的条件；以及反射耦合出元件122a。这里，元件120a的亮度效率提高到50％，并且沿η轴的扩充减小到1/2。
在图12和13中描述的系统中，来自显示源的光在基板的端部处耦合到基板中。然而，存在下述系统：其中，优选地具有对称系统，即，输入光应当在基板的中央部分处耦合到基板中。
图14图示了用于组合两个如图13中的相同基板的方法，该两个相同基板被联结以产生对称光学模块124。如可以看出的那样，来自显示源(未示出)的光的一部分直接穿过部分反射表面从基板出来。光的其他部分分别通过部分反射表面116R和116L而耦合到基板的右120R和左120L小部分中。被困的光然后分别通过反射表面122R和122L而耦合出来。输出孔是系统的输入孔的大小的两倍，这是与图13中所描述相同的放大。然而，不同于该系统，图14中的系统是关于中央线125对称的。模块124可以被构造为图13中图示的两个相同基板120R和120L的组合，该两个相同基板120R和120L在基板的边缘123处光学附着。模块还可以由等腰三角形棱镜126M构造，等腰三角形棱镜126M光学胶合到两个相同平行六面体126R和126L。
除图14中图示的光学系统的优选外部形状外，对称配置还具有相比于图12和13中图示的系统的其他优势。在考虑视角时，应当注意，所得图像的不同区段从耦合出元件的不同区域浮现。如图15中所图示，表示特定视角128的单个平面波127从输出瞳孔90浮现，并对耦合出元件122a的总体阵列的仅部分129进行照明。
图16图示了该视角分析可以如何简化对称基板的光学设计。根据从显示源的右侧浮现的输入平面波133的检查，显然，部分地耦合到右部分120R中的波133R的仅右侧部分到达系统的输出瞳孔90。相比而言，耦合到左LOE 20L中的波133L的左侧部分未到达输出瞳孔。类似地，从显示源的左侧浮现的波134的仅左侧部分134L到达输出瞳孔，而波的右侧134R未到达输出瞳孔。
存在针对该现象的两个主要结果。第一后果与基板的对称结构相关。假定基板内部的所要求的FOV角是αFOV＝αmax＝αmin。因此，对于非对称基板，如图12和13中所图示，被困在基板内部的波的最大和最小角度分别是αmax和αmin。因此，基板应当被设计成耦合入和出该角度范围。然而，对于图17中图示的对称基板，明显的是，对于右部分120R，FOV 140RL的仅较低部分耦合到系统的输出瞳孔中，而FOV 140RH的较高部分耦合在输出瞳孔外且未被查看者利用。因此，仅有作为原始FOV的下半部分的αmin与
Figure BDA0004158799770000131
之间的角带宽被右部分120R利用。类似地，FOV 140LL的仅低部分被左小面120L利用，并且再一次，由于元件的对称结构，仅有/>
Figure BDA0004158799770000132
与αmin之间的较低角带宽在这里被用户利用。因此，基板的全部两个部分120R和120L是必须耦合入和出具有/>
Figure BDA0004158799770000133
的相同FOV的波的相同元件。由于耦合在部分120R和120L中的每一个内部的光波的FOV是耦合在图12和13中的基板120a内部的FOV的一半，因此验证遇到从表面116a和122a的双反射的所有光线也满足等式(4)的条件现在将简单得多。图17中图示的这两个部分的设计和制作过程比如图12和13中图示的针对单个基板的那些设计和制作过程容易得多。
类似结果与准直透镜6相关。由于FOV的仅右半部分被右部分120R利用，因此可以推断出，这是FOV的针对准直透镜6R右侧部分的仅有相关部分。类似地，FOV的仅左侧部分与准直透镜6L左侧部分相关。因此，现在可以甚至针对具有非常宽FOV的系统而设计简单得多的准直透镜。
图14至17图示了用于将输出孔扩充到2倍的方法，然而，存在主要具有宽FOV和大EMB的系统，其中要求更显著的扩充比。使用与图12中图示的途径类似的途径来扩充输出孔是可能的。被插入基板120a内部的分束器122ai(i＝1、2、……)的数目不限于1。可以利用产生扩充比n+2的更大数目n个分束器，因而按相同比率降低输出亮度。然而，该途径的主要缺陷是：可耦合在基板内部的FOV由于基板的非对称结构而受限。另外，若干不同分束器的使用使实施例在制造上复杂且有挑战性。
图18图示了用于利用均具有图14中所示的相同结构的两个不同基板提高扩充比的可替换实施例。如所图示的那样，光学模块144包括主要基板124M和次要基板124S，其中基板124M沿ζ和η轴的横向尺寸是与基板124S的横向尺寸相比的2倍大。通常，这两个基板具有沿ξ轴的相同横向尺寸。基板124S的输出表面72S位于基板124M的输入表面70M旁边。传入光波沿η轴的横向伸展由基板124S扩充到2倍，且然后再次被扩充到与总体扩充4类似的倍数。因此，输出光波的亮度被相同地降低到1/4。最终，图18中图示的途径在具体化上比图12中图示的途径简单得多，而它可以包含宽得多的FOV。被组合以形成扩充设备的元件124的数目不限于2。更大数目n个不同元件124可以被联结以形成具有扩充比2n的光学设备。
图8A、8B、8C至图18图示了可被添加到图7中图示的基本配置的各种特征，包括：离轴光学系统(图10)；单个耦合出元件(图8A、8B和8C)和多个耦合出元件(图9)；非对称横向扩充(图12和13)和对称横向扩充(图14至18)，并且，设备包括单个元件(图8A、8B、8C至图17)和多个元件(图18)。最终，可以根据光学系统的具体要求将任何数目的这些特征的任何组合一起添加到图7中图示的基本实施例。
图19图示了处理上面描述的特性中的几个特性的光学设备。如所示的那样，设备146是包括三个基板148A、148B和148C的离轴多级光束扩充器。基板148A和148B的沿ξ轴的横向尺寸分别是基板148B和148C的沿ξ轴的横向尺寸的两倍大。基板148B和148C的输出表面72B和72C分别是邻近于基板148A和148B的输入表面70A和70B而定位的。输入光波150的横向伸展被设备146增加到八倍，而其亮度降低相同倍数。
如上文中解释的那样，在图7至图19中图示的所有实施例中，已经假定基板内部的所耦合的光线必须满足两个以下要求中的至少一个：它们应当从耦合入表面反射不多于一次或者应当满足等式(4)的关系。否则，将形成间隙和重影。然而，存在光学系统，主要是其中FOV极宽的那些光学系统，其中该要求难以实现。假定在空中具有沿ξ轴的40°的横向FOV的光学系统，那么在图7和8A、8B和8C中图示的实施例中，耦合入表面的倾斜角度是αsur2＝18°并且基板的折射率是2.0。FOV的最小角度在空中是
Figure BDA0004158799770000141
且在基板内部是
Figure BDA0004158799770000142
在从耦合入元件的单次反射之后，被困在基板内部的光线的离轴角是：
Figure BDA0004158799770000143
该传播角度小于临界角αcr＝30°，并且因此，光波不能被TIR困在基板内部。可以通过使基板倾斜来针对一些光学系统解决该问题，如图10中所图示。然而，可被困在非对称系统内部的FOV通常是有限的。另外，对于如图16中所示的对称系统，被困的FOV可以加倍，但该基板由于其对称结构而不能绕其对称轴倾斜。由此，为了包含40°的整个FOV，耦合入元件的倾斜角度应当至少增加到αsur2＝19.9°。
具有该倾斜角度的实施例的主要问题是：上面定义的中止不期望伪像的要求不再存在。图20图示了在空中具有离轴-16.1°且在基板内部具有离轴-8°的光线152的后向追踪(从EMB到输入孔)。耦合入元件的倾斜角度是αsur2＝20°。由于光线位于FOV的左段中，因此它对耦合出元件122的左侧部分进行照明，且因此在被耦合在基板120内部之前从该表面反射两次。二阶传播光线的离轴角是：
Figure BDA0004158799770000144
并且因此
Figure BDA0004158799770000151
换言之，不满足等式(4)的条件。如图20中所示，由于同时满足上面声明的两个条件，光线在“错误”方向处从下表面72入射在耦合入元件116上。因此，它耦合出来，具有与传入的光线不同的离轴角。由于“错误”光线是在耦合出表面122的边缘部分处发起的，因此可能解决方案是使基板的该部分不活动。
图21A和21B图示了用于通过机械移除(例如，通过切割基板边缘(图21A)或者通过分别使用机械阻挡器127L、127R阻挡耦合出表面112L、112R的边缘(如图21B中所示))对该解决方案进行具体化的方法。
该所提出的解决方案的主要问题是：使边缘部分不活动减小了耦合出表面的活动面积。精确减小通常由设备的FOV和EMB确定，但对于大多数相关系统，它是25％左右。也就是说，耦合出表面的可使用面积是其原始大小的75％左右。对于图14中图示的实施例，扩充比Ar是：
Figure BDA0004158799770000152
其中Sin和Sout分别是耦合入和耦合出表面的活动面积。
对于常规设备，当两个表面的活动面积相等时，扩充比是2。对于图21A和21B的经修改的设备，该比率被减小到～1.75。对于一些系统，该减小仍然可接受，然而，对于具有极大FOV的系统，输入孔必须尽可能小。此外，单个扩充可能对于这些系统而言不够，并且，要求如图18和19中图示的双倍或甚至三倍扩充。在这种情况下，使基板的耦合出表面部分地不活动会将扩充比分别从4和8减小到3和5.4。
在图22A和22B中图示了对减小问题的可能解决方案。由于使耦合出表面部分地不活动连同等式5中给定的条件的满足，耦合入表面的边缘部分也变为不可使用且也可以不活动。如图22A中所示，像移除耦合出表面的边缘那样移除耦合入元件的边缘部分。被截短的基板160的耦合入和耦合出表面的活动面积现在相等。图22B图示了具有以下参数的对称设备164：倾斜角度是αsur2＝20°，FOV是40°，并且基板的折射率是2.0。在不遭受诸如黑条纹或重影之类的现象的情况下，光波在整个FOV内的横向尺寸被扩充到两倍。模块164可以被构造为图22B中图示的两个相同基板160R和160L的组合，该两个相同基板160R和160L在基板的边缘123处光学附着。
如图22C中所示，模块还可以被构造为两个相同的被截短的平行六面体166R和166L的组合，该两个平行六面体166R和166L光学胶合到两个不同等腰三角形棱镜167M和167S。
对本领域技术人员来说将明显的是，本发明不限于以上说明的实施例的细节，并且在不脱离本发明的精神或实质属性的情况下可以以其他具体形式体现本发明。因此，本实施例应在所有方面中被视为说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求指示，而不是由以上描述指示，并且因此，落在权利要求的等同含义和范围内的所有改变意在被涵盖在本文中。
具体地，应当注意，参考一个或多个实施例而描述的特征是作为示例而非作为对那些实施例的限制来描述的。因此，除非以其他方式声明或者除非具体组合明显不能采纳，参考仅一些实施例而描述的光学特征被假定为同样也适用于所有其他实施例。

Claims (20)

1.一种光学设备，包括：
第一透光基板，具有至少两个平行主要表面；
光波输入孔；
光波输出孔，位于所述基板的主要表面之一旁边；
光波输出瞳孔；
光波输入元件，用于将具有视野的光波和中央光波耦合到所述基板中，以实现来自所述基板的主要表面的全内反射；以及
至少一个反射表面，具有活动区域且位于所述透光基板的两个主要表面之间，以用于将光波耦合出所述基板，
其中被困在所述基板内部的光波在被从所述基板耦合出来之前被所述反射表面的活动区域反射至少两次，基本上在从所述反射表面的第一和第二反射比之间从所述主要表面之一反射，然后从所述反射表面反射且穿过所述输出孔向着所述输出瞳孔。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中被困在所述基板内部的光波以第一反射比被所述反射表面全反射，且以第二反射比从所述反射表面向着所述输出瞳孔部分反射。
3.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述输入元件是与所述反射表面平行的平坦表面。
4.根据权利要求1所述的光学设备，其中被困在所述基板内部的光波在被从所述基板通过所述输出孔向着所述输出瞳孔耦合出来之前被所述反射表面的活动区域反射单次。
5.根据权利要求3所述的光学设备，其中被耦合在所述基板内部的光波从所述输入元件和所述反射表面反射相同反射次数。
6.根据权利要求3所述的光学设备，进一步包括与所述反射表面平行的部分反射表面，其中在从所述输入元件的两次反射之后被困在所述基板内部的光波以第一反射比被所述部分反射表面全反射，且以第二反射比从所述部分反射表面向着所述输出瞳孔部分反射。
7.根据权利要求1所述的光学设备，其中对所述基板的主要表面基本上成法向地从所述基板耦合出中央波。
8.根据权利要求7所述的光学设备，其中耦合出的中央波关于对所述基板的主要表面的法向而倾斜。
9.根据权利要求5所述的光学设备，其中所述输入元件对于直接从所述输入孔到达的光波而言部分反射，且对于从所述输入元件反射一次且从所述基板的主要表面之一反射一次的光波而言全反射。
10.根据权利要求8所述的光学设备，其中来自所述输入孔的光波部分地穿过输入表面向着所述光学设备的输出孔。
11.一种用于传送光波的光学设备，包括：
第一透光基板，具有至少两个平行主要表面和至少一个边缘；
光波输入孔；
光波输出孔，位于所述基板的主要表面之一旁边；
光波输出瞳孔；
光波输入表面，用于将具有第一视野的光波和中央光波耦合到所述基板中，以实现来自所述基板的主要表面的全内反射，以及
至少一个反射表面，具有活动区域且位于所述透光基板的两个主要表面之间，以用于将光波耦合出所述基板，
其中对所述基板的主要表面基本上成法向地通过所述输入孔而耦合到所述基板中的光波在被耦合到所述基板中之前被所述输入表面反射至少两次，且基本上在从所述输入表面的第一和第二反射比之间从所述主要表面之一反射。
12.根据权利要求11所述的光学设备，其中被困在所述基板内部的光波在被对所述基板的主要表面基本上成法向地通过所述输出孔从所述基板耦合出来之前被所述反射表面的活动侧反射至少两次。
13.根据权利要求11所述的光学设备，其中对所述基板的主要表面基本上成法向地穿过所述输入孔的光波在被耦合到基板中之前被所述输入表面反射一次。
14.根据权利要求11所述的光学设备，其中所述输入表面以所述第一反射比对于光波而言部分反射，且以所述第二反射比对于光波而言全反射。
15.根据权利要求14所述的光学设备，其中来自所述输入孔的光波对所述基板的主要表面基本上成法向地部分地穿过所述输入表面向着所述光学设备的输出孔。
16.根据权利要求14所述的光学设备，进一步包括：
第二透光基板，具有至少两个平行主要表面和至少一个边缘；
第二输入表面，用于将具有第二视野的光波耦合到所述第二基板中，以实现来自所述基板的主要表面的全内反射，以及
至少一个反射表面，具有活动区域且位于所述第二透光基板的两个主要表面之间，以用于将光波耦合出所述基板，
其中对所述基板的主要表面基本上成法向地从所述输入孔耦合到所述第二基板中的光波在被耦合到所述基板中之前被所述第二输入表面反射至少两次，且基本上在从所述输入表面的第一和第二反射比之间从所述主要表面之一反射。
17.根据权利要求16所述的光学设备，其中所述第一和第二基板在边缘处光学附着。
18.根据权利要求16所述的光学设备，其中所述光学设备包括等腰三角形棱镜和两个相同平行六面体。
19.根据权利要求16所述的光学设备，其中总视野是所述第一和第二视野的组合。
20.根据权利要求1所述的光学设备，其中所耦合的光波是经准直的平面波。
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