CN116368413A - 复合光导光学元件 - Google Patents

Abstract

一种用于将图像朝向用户引导以供观看的光学系统(100)，包括：光导光学元件(LOE)(10)，其具有平行主外表面(11a,11b)，以用于通过内反射来支持图像的传播；耦出布置，其用于将图像朝向用户的眼睛耦出；以及耦入孔径。图像投影仪(114)包括：图像生成器(32)，其用于生成图像；准直光学器件(31)，其用于对图像进行准直；以及图像共轭生成器(20,33,34)。图像投影仪耦合至耦入孔径，以在图像入射到主外表面上中的任何一个表面上之前将准直图像及其共轭图像引入到LOE中。图像共轭生成器可以是第二图像生成器(33)，或者可以采用与LOE的主外表面不连续的一个或更多个反射表面(22,23,24,34)。

Description

复合光导光学元件

技术领域

本发明涉及光学系统，并且特别地涉及用于向用户显示图像的光学系统。

背景技术

各种类型的显示器并且特别是近眼显示器(near-eye displays，NED)通常采用一个或更多个波导，在波导中，图像从图像投影仪注入以通过全内反射(total internalreflection，TIR)在波导内传播并且随后经由一个或更多个耦出元件(例如，部分反射内表面(“小平面”)、衍射光栅等)朝向观察者的眼睛耦出。这样的波导由透明基板制成，该透明基板具有沿波导的长度延伸的一对平行主外表面，图像及其共轭在该对平行主外表面之间反射。图像优选地是准直图像，并且波导优选地是平面的。为了最佳性能，图像及其共轭两者应当完全填充波导，使得与图像的每个像素和共轭图像的每个像素对应的照射存在于波导的厚度内的每个点处(对于有助于可以到达用户的眼睛的输出图像的波导的区域)。

可以通过提供具有耦入表面——该耦入表面的取向大致垂直于注入图像的主光线——的耦入棱镜来实现波导的填充，使得图像能够落在波导的一个表面的延伸区域上，以生成共轭图像。然而，特别是对于相对于主外表面以相对浅的角度(即，与表面的法线成接近90度)注入图像的实现方式，用于利用共轭图像填充波导所需的耦入区域的长度显著增加了波导的尺寸。这在图2A中示出，图2A示出了到波导10的典型耦入。从波导基板切割或者附接在波导基板上的耦入棱镜14用于以浅角度将光线40、41引导至波导中。当光线40、41在波导内传播时，光线41从波导的顶表面反射，从而变成光线40的共轭。从图1中可以明显看出，即使使用耦入棱镜，也需要相对大的输入孔径(并且因此需要较大的投影仪)以在波导内产生浅光线的共轭。

图2B所示的用于填充波导的替选方法是在波导10内部约中点处采用50％的分束器(或“混合器”)13，分束器13对主外表面之间的波导的厚度进行细分并且沿波导的长度平行于外表面延伸至少一部分路径。如图2A所示，分束器有效地部分反射光线以在波导内生成其共轭(例如光线41)，并且允许较小的输入孔径和楔形棱镜14。

尽管混合器13的存在允许使用较小的投影仪孔径和耦合棱镜，但是混合器本身显著地增加了波导的尺寸。混合器13所需的最小长度可以用公式l_mini＝w·tan(φ)表示，其中w是波导的宽度，并且φ是视场的角度(相对于LOE主表面的法线)的传播。因此，上述对混合器的最小长度的限制要求使波导更长以容纳混合器。另外，由于需要与波导表面平行，因此在将混合器包括在波导内部需要更高的精度来生产波导。

发明内容

本发明是一种用于将图像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，提供了一种用于将图像朝向用户引导以供观看的光学系统，该光学系统包括：(a)光导光学元件(light-guide optical element，LOE)，其由透明材料形成并且具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面，以用于通过在第一主外表面和第二主外表面处的内反射来支持图像的传播，该LOE具有用于将图像朝向用户的眼睛耦出的耦出布置，该LOE具有耦入孔径；(b)图像投影仪，该图像投影仪包括：图像生成器，其用于生成图像；准直光学器件，其用于对图像进行准直；以及图像共轭生成器，该图像投影仪耦合至耦入孔径，以在准直图像和共轭图像入射到第一主外表面或第二主外表面中的任何一个表面上之前将准直图像及其共轭图像引入到耦入孔径中。

根据本发明实施方式的另一特征，图像共轭生成器包括第二图像生成器。

根据本发明实施方式的另一特征，图像共轭生成器包括与第一主外表面和第二主外表面不连续的至少一个反射表面。

根据本发明实施方式的另一特征，图像共轭生成器包括与第一主外表面和第二主外表面不平行的至少一个反射表面。

根据本发明实施方式的另一特征，图像共轭生成器包括光束倍增器，该光束倍增器包括至少一个分束器，该至少一个分束器部署在两个反射表面之间并且平行于两个反射表面。

根据本发明的实施方式的另一特征，光束倍增器包括分束器中的至少两个分束器，至少两个分束器插入在反射表面中的至少三个反射表面之间。

根据本发明实施方式的另一特征，光束倍增器具有与LOE的厚度不同的外部厚度。

根据本发明实施方式的另一特征，光束倍增器的反射表面是在分层结构的层之间的界面处的反射表面，并且其中，分层结构的外表面是光束倍增器的光学非功能性表面。

根据本发明实施方式的另一特征，LOE还包括与第一主外表面和第二主外表面倾斜部署的耦入反射器，该耦入反射器被部署成：将准直图像重定向为入射在第一主外表面上，并且将共轭图像重定向为入射在第二主外表面上。

根据本发明实施方式的另一特征，耦入反射器被部署成与第一主外表面和第二主外表面成45度。

根据本发明实施方式的另一特征，图像共轭生成器包括反射表面，该反射表面穿过与耦入反射器相邻的LOE，反射表面的穿过LOE的部分是角度选择性反射表面。

根据本发明实施方式的另一特征，角度选择性反射表面使用光学粘合剂来实现，该光学粘合剂具有比与耦入反射器相邻的LOE的折射率低的折射率。

根据本发明的方面，还提供了一种光束倍增器，该光束倍增器包括透明板的堆叠，该透明板的堆叠限定多个平行界面平面，多个平行界面平面设置有涂层，所述涂层限定：(a)一组N个反射器，其中N至少为三；(b)一组至少N-1个部分反射分束器，分束器中的每一个插入在该组反射器中的两个相邻反射器之间。

附图说明

在本文中，仅以示例的方式参照附图描述本发明，在附图中：

图1A和图1B是根据本发明的教导构造和操作的使用光导光学元件(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如上所述是示出经由耦合棱镜将图像常规耦入到LOE中的示意性侧视图；

图2B如上所述是示出将图像常规耦入到具有集成光束倍增器的LOE中的示意性侧视图；

图3是图1A和图1B的光学系统的一部分的示意性侧视图，示出了将图像-共轭图像对耦入到LOE；

图4A是图1A和图1B的光学系统的一部分的示意性侧视图，示出了本发明的采用光束倍增器的替选实现方式；

图4B是图4A的光束倍增器的放大示意图；

图5是图1A和图1B的光学系统的一部分的示意性侧视图，示出了本发明的采用光束倍增器和成斜角的耦入反射器的替选实现方式；

图6是根据图5的本发明的实现方式的光线轨迹图，示出了朝向用户的眼睛引导的图像的不同部分的光线路径；

图7A和图7B是来自图6的LOE的耦入区域的放大局部视图，分别示出了单个图像像素的仅一半光线路径，有助于用该像素的对应图像照射填充LOE；以及

图8是图1A和图1B的光学系统的一部分的示意性侧视图，示出了本发明的采用穿过LOE的厚度的反射器表面作为角度选择性反射器的替选实现方式。

具体实施方式

本发明是一种用于将图像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是近眼显示器的目的，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中示意性地示出了采用LOE 10的根据本发明的实施方式的教导的近眼显示器形式的装置的示例性实现方式，该近眼显示器总体上用附图标记100表示。近眼显示器100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”)10中的紧凑型图像投影仪(或“POD”)114，在LOE 10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。

在LOE 10内通过用于对图像照射方向渐进地重定向的一个或更多个布置来实现光学孔径扩展，该布置通常采用一组部分反射表面(可互换地称为“小平面”)，这些表面相互平行并且相对于图像光的传播方向倾斜，其中每个连续的小平面将一部分图像光偏转到偏转方向。对于一维孔径扩展，小平面还将图像光朝向用户的眼睛耦出。在一些情况下，如此处所示，通过在区域116中采用第一组小平面以渐进地重定向LOE内的图像照射，还通过内反射来捕获/引导该图像照射，从而实现二维孔径扩展。然后，经偏转的图像照射进入到第二基板区域118中，该第二基板区域118可以实现为相邻的不同基板或者实现为单个基板的延续，在该第二基板区域118中，耦出布置(例如，另一组部分反射小平面)渐进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。如本领域已知的，使用衍射光学元件(diffractive optical elements，DOE)来在区域116和区域118中的一个或两个区域内重定向和/或耦出图像照射，可以获得类似的功能。

整个装置可以针对每只眼睛分别来实现，并且优选地，整个装置相对于用户的头部被支承，其中每个LOE 10面对用户的对应眼睛。在如此处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该装置的侧部120的眼镜框架。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中竖直延伸并且在图1B中水平延伸。以非常近似的术语，可以认为第一LOE或LOE 10的第一区域116在X方向上实现孔径扩展，而第二LOE或LOE 10的第二区域118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此处被称为Y轴的轴。在其余附图中，将在类似于图1A的“自顶向下”取向的上下文中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，其他中间取向也是适用的，并且除非明确被排除，否则也包括在本发明的范围内。此处所示的二维扩展实施方式仅是示例性的，但是本发明也适用于其中LOE执行仅单维孔径扩展的实施方式。

应当理解，近眼显示器100包括各种附加部件，通常包括用于致动图像投影仪114的控制器122，该控制器122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122包括用于驱动图像投影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，所有这些都是本领域公知的。

本发明的方面涉及图像投影仪114的实现方式，该图像投影仪114包括图像共轭生成器，该图像共轭生成器被布置成使得图像投影仪将准直图像及其共轭图像注入到LOE 10中。下文将参照图3至图8说明图像共轭生成器的各种非限制性示例。

因此，参照图3，示出了用于将图像朝向用户引导以供观看的图1的光学系统的放大示意性局部视图。光学系统包括LOE 10，该LOE 10由透明材料形成并且具有相互平行的第一主外表面11a和第二主外表面11b，以用于通过在这些表面处的内反射来支持图像的传播。LOE 10还具有：耦出布置(在图1的区域118中，如上所述但此处未示出)，该耦出布置用于将图像朝向用户的眼睛耦出；以及耦入孔径15，在这种情况下，耦入孔径15被示出为LOE10的侧边缘。

不是依赖于与LOE 10集成的结构来生成图像共轭对，根据本发明的该方面的图像投影仪114包括图像共轭生成器，以在准直图像或共轭图像中的任一者入射在LOE 10的主外表面11a和11b的任何一个表面上之前生成图像共轭对。

因此，在图3的示例中，图像投影仪114包括：图像生成器32，其用于生成图像；准直光学器件31，其用于对图像进行准直；以及图像共轭生成器，此处实现为生成共轭图像的第二图像生成器33。在此处所示的示例中，图像生成器32和图像生成器33共享公共准直光学器件31。图像投影仪114耦合到耦入孔径15，以在准直图像或其共轭图像入射在LOE 10的主外表面11a和11b的任何一个表面上之前将准直图像及其共轭图像直接引入到LOE 10中。

将理解的是，该解决方案与图2A和图2B的耦入布置形成了明显的对比，在图2A和图2B的耦入布置中，共轭图像是在LOE自身内通过从主外表面(或耦合棱镜的表面，其是这些主外表面的延续并且为此目的在本文中限定为LOE的主外表面的一部分)的反射而生成的。

驱动两个图像生成器32和33以生成其中之一反转的相同的图像，并且从两个场中相同地示出每个场。在装置的组装期间，优选地通过机械调整或更优选地通过图像显示位置的数字校正来使用主动对准，以移动图像生成器上的两个图像，使得它们作为LOE内的互补共轭图像而对准。因此，用从耦入孔径向前遍及LOE的主图像及其共轭“填充”LOE，而不需要LOE的任何延伸来实现这样的填充。

在本发明的这个和所有其他实现方式中，图像生成器可以是本领域已知的任何类型的微显示图像生成器。合适的示例包括但不限于空间光调制器(spatial lightmodulators，SLM)，包括：诸如LCD显示器的透射型SLM和诸如LCOS显示器的反射型SLM，以及诸如OLED显示器的有源光生成显示器。其中快速扫描激光束与其扫描运动同步调制的扫描图像生成器也可以用作根据本发明的图像生成器。

作为第二图像生成器33的替选，本发明的其他实现方式将图像共轭生成器实现为与主外表面不连续的至少一个反射表面，以生成共轭图像。参照图4A至图8呈现了这样的实现方式的各种示例。

图4A示出了其中图像共轭生成器是波导10外部的光束倍增器或“混合器”构造20的实现方式。在图4B中更详细地示出了混合器20的一个特别优选的实现方式，其本身被认为是可取得专利的。

在概念上，混合器20执行与图2B的混合器13的功能类似的功能，但是在这种情况下，它不是波导10的一部分，而是图像投影仪组件114的组件的一部分，混合器20被定位在LOE 10与包含图像生成器和准直光学器件的投影仪单元30之间。在这种情况下，投影仪单元30具有产生一个图像的单个图像生成器32，而混合器20通过部分反射光线40产生共轭(光线41)来产生图像共轭对。然后将图像对注入到波导中。因为混合器20在波导的外部，所以它可以在组装期间主动地与波导对准，而不会对波导施加制造限制。混合器20可以包括多层镜22、24和分束器23以及外表面21，外表面21不需要具有光学质量并且不需要与LOE外表面共面。这极大地简化了对结构的制造限制。

关于光束倍增器20的结构，本发明的光束倍增器与现有出版物中描述的光束倍增器的区别在于存在至少一个中间高反射层，其有效地将混合器细分成一个堆叠在另一个之上的两个独立混合器。因此，光束倍增器20优选地由限定多个平行界面平面的透明板的堆叠形成，所述多个平行界面平面被涂覆以限定：

(a)一组N个反射器，其中N至少为三；

(b)一组至少N-1个部分反射分束器，分束器中的每一个插入在该组反射器中的两个相邻反射器之间。

在这种情况下，“反射器”优选地是高反射性的，这意味着它们至少在与沿LOE传播相关的角范围内反射入射光的至少85％，更优选地至少90％，并且通常至少95％。部分反射分束器优选地是大约50％的反射器(50％±10％)。在光束倍增器位于用户的视场之外的应用中，可以有利地使用金属涂层来实现反射器和分束器两者。在需要透明度以通过光束倍增器观看场景的情况下，如本领域中已知的，采用多层电介质涂层以在大角度处提供所需水平的反射率，同时在小(近正交)角度处提供相对高的透明度。

中间反射器有效地将混合器细分成两个(或更多个)子混合器。这将混合器利用图像及其共轭实现填充波导所需的长度减少了两倍。在图4B中，将根据一个示例的混合器20的输入和输出孔径示出为黑线。这些孔径不需要填充混合器的整个宽度。事实上，在透明板之间的内部界面平面处实现所有反射器和分束器可能是有利的，而分层结构的外表面是光学非功能性表面。此处的“光学非功能性”是指图像光无法到达的表面，或者到达表面的任何图像光随后不进入LOE。在这样的情况下，外表面不需要是抛光表面，并且不需要平行于其他元件。因此，如图4A所示，混合器20的外部厚度可以是不同的，通常大于LOE 10的厚度(即，第一主外表面11a与第二主外表面11b之间的距离)。最外侧的反射器22之间的距离应当与LOE厚度匹配，或者比LOE厚度稍大，以填充LOE。

现在转向图5至图8，在一些实现方式中，外部图像共轭生成器的使用有助于折叠光路的使用，从而从组件的侧面去除体积。因此，根据本发明的某些实施方式，LOE 20还包括耦入反射器12，该耦入反射器12被部署成：相对于第一主外表面和第二主外表面倾斜，以将准直图像重定向为入射到第一主外表面11a上，并且将共轭图像重定向为入射到第二主外表面11b上。耦入反射器12可以在一定角度范围内实现，但是最优选地，被部署成与第一主外表面和第二主外表面成45度，从而有效地将图像投影仪的光轴折叠90度。与某些常规耦入构造不同，反射器12特别地位于LOE 20的厚度内，使得反射器12可以将主图像及其共轭图像两者朝向它们各自的上/下传播方向偏转。

图5示出了一种这样的构造，其中，外部混合器20被定位成垂直于波导。在这种情况下，45度反射耦入表面12将离开混合器的图像折叠到波导中。楔形棱镜25优选地用于以垂直于棱镜表面的角度将中心FOV光耦入到混合器中。由于折叠，混合器的孔径宽度必须大于波导的孔径宽度。孔径的确切大小取决于所显示光的角FOV和表面12的折叠角度。在该示例中，宽度增加了66％。

应当注意，在这种情况下，混合器20被分成三个子混合器。因此，无需增加混合器的长度(因为如上所述l_mini＝w·tan(φ)/2，并且在折叠之后，宽度(w)增加了60％)。因此，混合器被外部镜小平面22之间的两个内部镜小平面24分成三个子混合器。分束器23设置在每个子混合器的中心平面处。

图6示出了包括图5的混合器的整个光学系统的光路图。图像生成器32上的三个示例性点(像素)由透镜31准直，以离开投影仪单元30进入到耦合楔形棱镜25中并且进入到混合器20中。混合器生成共轭场，使得整个图像及其共轭通过耦入反射器12耦合到波导10中。在该示例中，光通过一组平行的部分反射小平面11耦出波导到达眼动箱(eye motion box，EMB)200。应当注意，小平面11的示例仅是一个非限制性示例，并且耦出的其他机构例如全息或二向色光栅也是可能的并且包括在本文的范围内。最后，可以看出，尽管不同场的传播的角度可能非常浅，但是混合器25与投影仪单元30之间的输入孔径保持相对较小。

图7A和图7B示出了在波导内传播的图像(图7A)及其共轭(图7B)的两个截面图。交叠图7A和图7B说明如何用图像及其共轭完全填充波导。这样，在波导内实现了光的均匀化。应当注意，该图示根据沿LOE中途的任意位置将照射细分为“图像”和“共轭”，但是当光在传播时从LOE的第一主外表面和第二主外表面反射时，光在图像与共轭之间不断地互换。本发明的一个特别优选的方面的特定限定特征是，进入LOE的耦入孔径并且到达耦入反射器12的照射已经包括了用图像和共轭图像两者填充反射器，图像和共轭图像中的一个如图所示向上指向，以首先入射在第一主外表面11a上，而另一个如图所示向下指向，以首先入射在第二主外表面11b上。哪个图像是“主图像”和哪个是“共轭图像”以及哪个表面被称为“第一”主外表面或“第二”主外表面的限定是任意的，并且由图像生成器生成的“主图像”是用户要观看的图像还是该图像的反转版本通常是无关紧要的，这仅取决于各种设计考虑。

要注意的是，如图7B所示，从耦入反射器12反射的一些向下指向的光线在通过光束倍增器20交叠的区域中入射到第二主外表面11b上。为了在该交叠区域中保持TIR，该装置优选地在元件之间装配有小的气隙，或者更优选地在部件之间使用低折射率粘合剂。特别是对于浅角度光线传播，LOE的材料与粘合剂之间的相对小的折射率差足以限定通过TIR保持传播图像照射的临界角。替选地，可以在与LOE交叠的区域施加角度选择性多层电介质涂层，以提供合适的内反射特性。

在采用混合器20的所有上述实施方式中，本文中任意限定的混合器在功能上为投影仪114的一部分，因为它在将图像注入到LOE 10中之前形成光学系统的一部分，并且不包括LOE的任何表面的延伸。在产品的实际构造中，混合器不一定与组合了图像生成器和准直光学器件的投影仪单元30集成，并且在某些情况下可以在放置投影仪单元之前通过附接至LOE而更方便地组装混合器。

图8示出了本发明的某些特别优选的实现方式的另一特征。根据该特征，图像共轭生成器包括反射表面34，该反射表面34与耦入反射器12相邻地穿过LOE 10的厚度。将反射表面34的穿过LOE的部分121实现为角度选择性反射表面，以在反射器12处进行反射之前反射从投影仪114进入LOE的光线，同时(即，以与沿LOE 20的图像传播相关的角度)传输已经被反射器12反射的光线。此处同样，也可以使用折射率比与耦入反射器相邻的LOE的折射率低的光学粘合剂来最方便地实现角度选择性反射表面，从而提供在反射器12处反射之前的光线入射角与在反射器12处反射之后的光线入射角之间的临界角。也可以使用上述其他选项，例如使用角度选择性多层电介质涂层，或者包括气隙。

在图8所示的非限制性示例中，投影仪114通过使用与LOE的主外表面垂直的单个延伸反射表面34而不是经由外部混合器来生成共轭图像。投射的准直图像的一部分直接入射到耦入反射器12上，对应于朝向第一主外表面11a向上偏转的主图像。图像的另一部分从表面34反射，从而生成共轭图像，该共轭图像被耦入反射器12朝向第二主外表面11b向下偏转。反射表面区域121有助于用共轭图像填充耦入反射器12，同时类似地处理交叠区域122以提供角度选择性反射，从而避免在交叠的区域中向下反射的共轭图像光的泄漏(如上所述)。

图8的投影仪114的结构的其他方面基于在基于偏振分束器棱镜的常规反射式SLM图像投影仪中采用的原理。特别地，照射源40将照射引入到PBS棱镜35中，在PBS棱镜35处，光朝向诸如LCOS、DLP等的反射式SLM 32被反射。经反射的图像照射通过PBS到达与四分之一波片(未示出)相关联的反射准直透镜310，使得经反射的准直图像从PBS朝向LOE耦入孔径被反射。如上所述，通过使图像的一部分直接入射到反射器12上而其他图像照射首先从表面34反射，来实现用于提供图像及其共轭两者的图像的加倍。表面34的在反射透镜310下面的区域还可以有利地设置有角度选择性反射涂层例如低折射率粘合剂，以在从PBS反射之后以相关角度实现TIR。可以添加诸如场透镜313的其他透镜来改善光学性能。

在该实现方式中，特别有利的是，棱镜面34与波导10的主表面正交，并且此处示出的离开反射透镜310的两条平行光线在进入波导之前将是共轭的。此外，可以看出，来自源40的照射的所需输入方向相对于波导的主表面约为110度，这使得其自身高度符合人体工程学的设计，其中在要集成在装置的任一侧上的部件之间具有轻微的偏离，这非常适合于眼镜框架形状因数。

对在具有角度选择反射特性的区域121处穿过LOE的厚度的反射表面34的使用也适用于上述本发明的其他实现方式。例如，如果将图5至图7B的光束倍增器20的反射器之一实现为穿过LOE 20的厚度的表面，则可以使光束倍增器20所需的光学输入和输出孔径显著地减小，从而行成更紧凑的设计。

应当理解，以上描述仅旨在用作示例，并且在如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 (13)

1.一种用于将图像朝向用户引导以供观看的光学系统，所述光学系统包括：

(a)光导光学元件(LOE)，所述光导光学元件由透明材料形成并且具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面，以用于通过在所述第一主外表面和所述第二主外表面处的内反射来支持图像的传播，所述光导光学元件具有用于将所述图像朝向所述用户的眼睛耦出的耦出布置，所述光导光学元件具有耦入孔径；

(b)图像投影仪，所述图像投影仪包括：图像生成器，其用于生成图像；准直光学器件，其用于对所述图像进行准直；以及图像共轭生成器，所述图像投影仪耦合至所述耦入孔径，以在准直图像及其共轭图像入射到所述第一主外表面或所述第二主外表面中的任何一个表面上之前将所述准直图像及其共轭图像引入到所述耦入孔径中。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述图像共轭生成器包括第二图像生成器。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述图像共轭生成器包括与所述第一主外表面和所述第二主外表面不连续的至少一个反射表面。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述图像共轭生成器包括与所述第一主外表面和所述第二主外表面不平行的至少一个反射表面。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述图像共轭生成器包括光束倍增器，所述光束倍增器包括至少一个分束器，所述至少一个分束器部署在两个反射表面之间并且平行于所述两个反射表面。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述光束倍增器包括所述分束器中的至少两个分束器，所述至少两个分束器插入在所述反射表面中的至少三个反射表面之间。

7.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述光束倍增器具有与所述光导光学元件的厚度不同的外部厚度。

8.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述光束倍增器的所述反射表面是在分层结构的层之间的界面处的反射表面，并且其中，所述分层结构的外表面是所述光束倍增器的光学非功能性表面。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光导光学元件还包括与所述第一主外表面和所述第二主外表面倾斜部署的耦入反射器，所述耦入反射器被部署成：将所述准直图像重定向为入射在所述第一主外表面上，并且将所述共轭图像重定向为入射在所述第二主外表面上。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其中，所述耦入反射器被部署成与所述第一主外表面和所述第二主外表面成45度。

11.根据权利要求9所述的光学系统，其中，所述图像共轭生成器包括反射表面，所述反射表面穿过与所述耦入反射器相邻的所述光导光学元件，所述反射表面的穿过所述光导光学元件的部分是角度选择性反射表面。

12.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述角度选择性反射表面使用光学粘合剂来实现，所述光学粘合剂具有比与所述耦入反射器相邻的所述光导光学元件的折射率低的折射率。

13.一种光束倍增器，包括透明板的堆叠，所述透明板的堆叠限定多个平行界面平面，所述多个平行界面平面设置有涂层，所述涂层限定：

(a)一组N个反射器，其中N至少为三；

(b)一组至少N-1个部分反射分束器，所述分束器中的每一个插入在所述一组反射器中的两个相邻反射器之间。

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