CN118103755A - 用于近眼显示器的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种光学系统包括由透明材料形成并且具有平行的主外表面的光导光学元件(LOE)。投影仪被构造成经由反射耦入构造将对应于准直图像的照明投影到LOE中，该反射耦入构造包括与第一主外表面共面的图像注入表面、与主外表面成斜角的反射器表面以及平行于反射器表面的部分反射表面。准直图像的照明的强度的第一部分由部分反射表面反射，并且准直图像的照明的强度的第二部分由反射器表面反射并且由部分反射表面透射。强度的两个部分都贡献于耦合到LOE中以通过主外表面处的内反射在LOE内传播的图像照明。

Description

用于近眼显示器的光学系统

发明的领域和背景

本发明涉及显示器，并且特别地涉及用于近眼显示器的光学系统，其在图像投影仪与波导之间采用反射耦入构造。

近眼显示器通常采用微型投影仪(也称为POD)，其投影准直图像。为了将图像与用户眼睛的相对地进行传送并且扩展光学孔径的尺寸，通常将图像耦合到透明波导(也称为光导光学元件或“LOE”)中，在该透明波导内，图像通过在两个主平行表面处的内反射而传播，并且图像从该透明波导朝向眼睛逐渐耦出以供用户观看。

图1A至图1C示出了近眼显示器光学引擎的示例。图1A的显示器包括图像投影仪200，其将具有角视场的图像光通过透射耦合棱镜202T并且通过垂直孔径203V投影到波导204中。光在波导中传播，通过全内反射被反射。在耦出区域210中嵌入波导中的部分反射器(或“小平面”)206将图像从波导(虚线箭头)朝向具有眼球中心208的观察者反射。图1B示出了通过使用在其背面上具有反射镜的反射耦合棱镜202R耦入到波导中的替选形式。

波导构造可以实现一维或二维(Two Dimensions，“2D”)的光学孔径扩展。图1C示意性地示出2D孔径扩展波导的正视图。这里，图像投影仪200通过耦合棱镜202使图像穿过侧向孔径203L(也存在203V，但从该取向看不见)注入波导204。图像光线220A在其通过波导面之间的全内反射(Total Internal Reflection，TIR)反射时在波导中横向传播。这里使用了两组小平面：组206L通过逐渐地将引导的图像反射到不同的引导方向220B来横向地扩展孔径，而小平面组206V通过逐渐地将图像从波导上的区域210耦出到观察者的眼睛上来垂直地扩展孔径。以上是本发明所涉及的一类显示器的非限制性示例，但是应当理解的是，其还可以有利地用于各种各样的其他光学布置，包括本领域已知的采用衍射光学元件或反射和衍射元件的组合的光导，以及用于例如汽车应用的其他平视显示器的上下文中。

图像投影仪200可以采用空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)，例如硅基液晶(Liquid-Crystal-On-Silicon，LCOS)SLM，或者可以通过同步调制照明的扫描光束，例如激光束，来生成图像。图2中示意性地示出了后一种类型的图像投影仪的示例。激光器6将光束传送到反射器8上。透镜10将光束准直到扫描反射镜12上。扫描可以是各种机制，包括：MEMS、多边形体(Polygon)、谐振光纤、检流计(Galvo)或其他。会聚光束穿过透镜16到达表面18上，为了扩展光束，表面18通常包括散射漫射器或微透镜阵列(micro lens array，MLA)。光束由透镜20准直，该透镜使光束传输通过出射孔径22(这里示意性地示出)并且进入波导。为了获得均匀图像质量，射在出射孔径22上的光束应当足够宽以生成出射孔径22的完全照明，并且将图像耦合到波导中的几何结构应当使得其“填充”波导的输入孔径。照明光学器件(透镜16)和准直光学器件20被有利地构造成使得反射镜12的平面被成像到波导的入射光瞳(对应于出射孔径22)上，以实现“光瞳成像”，从而确保光束将被有效地耦合以便在扫描期间进入波导。照明光学器件和准直光学器件可以使用这里所示的折射透镜来实现，或者使用用于光学组件之一或二者的反射透镜来实现。在修改的构造中，图像平面18可以包括进一步增强图像分辨率的图像调制矩阵，例如LCOS空间光调制器，其通常利用反射光学器件实现并且采用偏振分束器。

发明内容

本发明是用于显示器的光学系统，其在图像投影仪与波导之间采用反射耦入构造。

根据本发明的实施方式的教导，提供了一种光学系统，包括：(a)光导光学元件(LOE)，其由透明材料形成并且具有用于通过内反射引导光的相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(b)投影仪，其被构造成投影对应于准直图像的照明；(c)反射耦入组件，其与该LOE相关联并且提供耦入构造的至少一部分，该耦入构造具有：(i)与第一主外表面共面的图像注入表面，该投影仪与该图像注入表面相关联，并且被定向成使得照明通过该图像注入表面被注入，该图像注入表面对于以大于主外表面的临界角的入射角入射的光线是内部反射的，(ii)与主外表面成斜角的反射器表面，以及(iii)平行于反射器表面的部分反射表面，该反射器表面和该部分反射表面被部署成使得准直图像的照明的强度的第一部分由该部分反射表面反射，并且准直图像的照明的强度的第二部分由该反射器表面反射并且由该部分反射表面透射，强度的第一部分和第二部分两者都贡献于耦合到该LOE中以通过主外表面处的内反射在LOE内传播的图像照明。

根据本发明的实施方式的另一特征，投影仪被构造成经由出射孔径投影对应于准直图像的照明，该照明以限定该投影仪的光轴的主光线和围绕该主光线的角视场从出射孔径出射。

根据本发明的实施方式的另一特征，出射孔径具有第一尺寸，并且其中，LOE具有与LOE的厚度相对应的输入光学孔径，其中，经由出射孔径投影并且从第一耦入反射器和第二耦入反射器中的每一个反射的准直图像不足以填充LOE的输入光学孔径，并且其中，准直图像的来自第一耦入反射器和第二耦入反射器两者的反射的组合填充LOE的输入光学孔径。

根据本发明的实施方式的又一特征，部分反射表面介于图像注入表面与反射器表面之间，使得跨整个出射孔径的至少主光线的照明的强度的第一部分由部分反射表面反射，并且跨整个出射孔径的至少主光线的照明的强度的第二部分由部分反射表面透射，由反射器表面反射，并且由部分反射表面透射。

根据本发明的实施方式的又一特征，反射器表面和部分反射表面被部署成使得跨整个出射孔径的整个角视场的照明的强度的第一部分由部分反射表面反射，并且跨整个出射孔径的整个角视场的照明的强度的第二部分由部分反射表面透射、由反射器表面反射并且由部分反射表面透射。

根据本发明的实施方式的又一特征，反射耦入组件包括：(a)楔形棱镜，其附接至LOE并且提供与主外表面成斜角的第一表面；以及(b)平行面对板，其附接至第一表面，其中，部分反射表面设置在楔形棱镜与板之间的界面处，并且反射器表面设置在板的第二面处。

根据本发明的实施方式的又一特征，LOE形成有成斜角的边缘表面，并且其中，反射耦入组件包括附接至成斜角的边缘表面的平行面对板，其中，部分反射表面设置在边缘表面与板之间的界面处，并且反射器表面设置在板的第二面处。

根据本发明的实施方式的又一特征，部分反射表面是被构造成反射第一偏振并且透射第二偏振的反射偏振器。

根据本发明的实施方式的又一特征，还提供了与图像注入表面的至少一部分相关联的四分之一波片，以将在图像注入表面处内反射的光在第一偏振与第二偏振之间转换。

根据本发明的实施方式的又一特征，反射器表面和部分反射表面在LOE内部，并且位于第一主外表面与第二主外表面之间。

根据本发明的实施方式的又一特征，反射器表面和部分反射表面是位于第一主外表面与第二主外表面之间的一组至少三个相互平行的反射器的一部分。

根据本发明的实施方式的又一特征，投影仪包括：(a)光源，其生成至少一个光束；(b)扫描装置，其被部署成在至少一个维度以角扫描运动偏转至少一个光束；以及(c)调制器，其与光源和扫描装置相关联，并且被部署成与角扫描运动同步地调制至少一个光束的亮度，其中，偏转的光束从扫描装置直接通过图像注入表面被注入。

根据本发明的实施方式的又一特征，投影仪包括：(a)照明子系统，其限定照明光阑；(b)图像平面，在该图像平面处形成图像；(c)出射孔径，准直图像通过该出射孔径被递送到LOE中；(d)照明光学器件，其部署在照明光阑与图像平面之间的光路中；以及(e)准直光学器件，其部署在图像平面与出射孔径之间的光路中，其中，照明光学器件和准直光学器件被构造成使得该照明光阑被成像到出射孔径。

根据本发明的实施方式的另一特征，LOE具有在第一主外表面与第二主外表面之间的厚度，并且其中，多个至少三个相互平行的反射器跨越厚度的不同部分，使得在相互平行的反射器中的第一反射器处部分地透射并且在相互平行的反射器中的第二反射器处至少部分地反射的照明的至少一条光线在未射到相互平行的反射器中的第一反射器上的情况下通过第一主表面和第二主表面处的内反射在LOE内传播。

根据本发明的实施方式的又一特征，反射器表面具有第一反射率，并且其中，至少三个相互平行的反射器中的相继反射器具有依次减小的反射率。

根据本发明的实施方式的又一特征，至少三个相互平行的反射器呈部分交叠的关系，使得照明的大部分光线在相互平行的反射器中的至少两个处被至少部分地反射。

根据本发明的实施方式的又一特征，该LOE具有垂直于第一主外表面和第二主外表面的相互平行的第三主外表面和第四主外表面，该LOE通过在第一主外表面、第二主外表面、第三主外表面和第四主外表面处的四重内反射来引导光。

附图说明

在此仅通过示例的方式参照附图描述本发明，其中：

上述图1A是传统近眼显示器的第一形式的示意性侧视图；

上述图1B是传统近眼显示器的第二形式的示意性侧视图；

上述图1C是传统近眼显示器的第三形式的示意性正视图；

上述图2是用于传统近眼显示器中的图像投影仪的示意性侧视图；

图3A是波导的示意性侧视图，示出了用图像填充波导的厚度所需的条件；

图3B是波导的示意性侧视图，示出了图像的传统反射耦入并且示出了利用图像的主光线填充波导所需的孔径；

图3C是类似于图3B的视图，示出了注入图像的视场的极限光线，所述极限光线限定了用于填充波导的所需孔径尺寸；

图3D是类似于图3C的视图，示出了根据现有技术的反射耦入棱镜的尺寸减小的限制条件；

图4是根据本发明的实施方式的教导构造和操作的光学系统的示意性侧视图，示出了通过采用具有逐渐增加的反射率的多个耦入反射器来减小图3D的光学孔径的尺寸；

图5是根据本发明的光学系统的附加实施方式的教导的类似于图4的视图，示出了通过采用偏振选择反射器作为耦入反射器之一来进一步减小光学孔径的尺寸；

图6A是根据本发明的实施方式的教导构造和操作的光学系统的另一实施方式的示意性侧视图，示出了通过部署在波导厚度内的具有逐渐增加的反射率的多个耦入反射器将图像耦入到波导中，该实施方式示出为具有类似于以上图2的扫描激光图像投影仪的扫描激光图像投影仪；

图6B和图6C是类似于图6A的视图，分别示出了采用反射空间光调制器图像投影仪和有源矩阵图像投影仪的光学系统的不同实现方式；

图7A是近眼显示器的示意性侧视图，示出了图6A的实施方式的又一变型，该变型采用来自扫描反射镜的扫描照明光束的直接耦入；

图7B和图7C是图7A的显示器的局部视图，示出了根据本发明的不同实现方式的与内部耦入反射器的间隔对应的损失图像照明量的变化；以及

图8是根据本发明的另一变型实现方式的包括多个内部耦入反射器的波导的示意性等距视图，所述多个内部耦入反射器相对于矩形波导的两个轴倾斜地部署。

具体实施方式

本发明是用于显示器的光学系统，其在图像投影仪与波导之间采用反射耦入构造。

参照附图和所附说明可以更好地理解根据本发明的光学系统的原理和操作。

作为介绍，近眼显示器设计中的限制因素之一是填充波导入射光瞳所需的图像投影仪的尺寸和重量。将参照图3A至图3D进一步说明这些考虑因素。

为了在扩展孔径上获得均匀的强度，注入的光束的初始孔径应该是均匀的，并且应该“填充”波导。术语“填充”在此上下文中用于指示与直接图像和反转图像(直接图像和反转图像在沿着LOE通过内反射传播期间进行互换)两者中的每个点(像素)相对应的光线跨波导的截面的整个厚度而存在。概念上，这种性质意味着，如果波导在任何点被横向切割，并且如果具有针孔的不透明片然后被放置在切割端之上，则针孔可以放置在跨波导厚度的任何地方，并且将引起直接图像和对应的反转图像两者的完整投影图像。在待填充的波导是矩形截面波导(在矩形截面波导中图像通过在正交的两对主外表面处的四重内反射来传播)的情况下，波导的“填充”应当跨截面的两个维度，使得位于跨波导的厚度或宽度的任何点处的针孔将导致投影所有四个对应图像，其中在传播期间在所述四个对应图像之间交换能量。

图3A中示意性地示出了波导101。光可以借助于从主平行波导表面102的全内反射(Total Internal Reflection，TIR)在波导内传播。如果在任何波导截面105处存在两个光束103和光束104，一个光束(光束103)向上传播，而另一个光束(光束104)向下传播，则对于给定的FOV点波导孔径得到填充。

图3B示出了使用具有反射表面107的楔形物106的耦合。光束103和光束104由POD(未示出)发射，并且在来自楔形物表面107的反射之后通过TIR在波导101内被引导。然而，光束103在到达波导入口之前比光束104多经历一次内反射。结果，在波导截面105处，光束103向上传播，并且光束104向下传播，结果是波导孔径的完全填充。

图3C类似于图3B，但是示出了与扩展的角视场(Field-Of-View，FOV)的极限以及POD的出射孔径的边缘相对应的光线。POD孔径由属于图3所示的极限FOV的边缘光线108和边缘光线109限定。POD孔径的尺寸D随着耦合楔形物的高度h减小而变小。然而，随着楔形物的高度h减小，平行于光线108的光线可以经历来自楔形物反射表面107的第二次反射并且变成不想要的重影光线。为了避免显示的退化，这样的光线必须由楔形物的表面111阻挡，如图3D所示。在图3D中，楔形物的高度h₀是可能的重影光线被楔形物表面111阻挡的最小高度。高度h₀限定了最小可能POD孔径D₀。

图4至图8示出了根据本发明的各个实施方式构造和操作的光学系统的各种实现方式。尽管相信各个实施方式具有各种专利性不同的特征，但概括而言，实施方式的至少子集可以如下以通用术语来描述。该系统包括：光导光学元件(Light-guide OpticalElement，LOE)，其由透明材料形成并且具有相互平行的用于通过内反射引导光的第一主外表面和第二主外表面；投影仪，其被构造成投影对应于准直图像的照明；以及反射耦入组件，其与该LOE相关联并且提供耦入构造的至少一部分。耦入构造包括与第一主外表面共面的图像注入表面，图像照明通过该图像注入表面从图像注入表面被注入。如本领域已知的，通过在表面附近留下空气间隙或其他低折射率材料以提供全内反射的条件，或者通过提供角度选择性多层电介质涂层，图像注入表面对于以大于主外表面的临界角的入射角入射的光线是内部反射的。耦入构造还包括与主外表面成斜角的反射器表面，以及平行于反射器表面的部分反射表面。反射器表面和部分反射表面被部署成使得准直图像的照明的强度的第一部分被部分反射表面反射，并且准直图像的照明的强度的第二部分被反射器表面反射并且被部分反射表面透射，强度的第一部分和第二部分两者都贡献于耦合到该LOE中以通过主外表面处的内反射在LOE内传播的图像照明。

图4示出了根据本发明的实施方式的光学系统的第一实现方式，其中反射耦入组件包括附接至LOE 101的楔形棱镜106以及附接至第一表面113的平行面对板(parallel-faced plate)112，该楔形棱镜提供与主外表面102成斜角的第一表面113。部分反射表面设置在楔形棱镜106与板112之间的界面(对应于表面113)处，并且反射器表面设置在板112的第二面114处。

这里优选选择楔形物106具有超过LOE 101的高度h₀，h₀对应于避免波导中的重影所需的最小高度(如以上参照图3D所讨论的)。板112与楔形物106光学接触，其中表面113处的界面优选地是半反射的，并且侧面114优选地是100％反射的。在某些实现方式中，部分反射表面的反射率可以被选择为约38％，使得反射图像具有与两次透射图像相同的强度。反射器114生成向下传播通过波导的截面105的光束，如图4中可见，其中光线109和117示出为示例。半反射表面113生成在波导的截面105处既向上传播又向下传播的光束。

比较图4和图3D，可以看到光线108现在被光线117代替。结果，可以使所需的POD孔径尺寸小了光线108与光线117之间的距离(指定为g)。

应注意的是，在该实现方式中，将楔形棱镜106和LOE 101优选地接合以形成光学连续体。因此，两个元件在何处接合通常并不重要。例如，在某些情况下，LOE 101的边缘可以以锥形区域形成，在该锥形区域添加了薄的楔形部分，如图3B至图3D中所示的接合线所建议的。替选地，可以将较厚的楔形物附接至与图4中的孔径105相对应的LOE 101的平坦端面。这两个制造选项在光学上是等效的。在前一种情况下，图像注入表面130实际上与LOE101的第一主外表面102一体形成。

尽管这里示出的是提供总共两个反射耦入表面的单个板112，但是将清楚的是，该结构可以使用两个或更多个这样的板来实现，以提供三个或更多个反射耦入表面。在每种情况下，相继的板的反射率优选地逐渐变化，其中在图像照明遇到的第一反射器处的反射率最低，并且反射率相继地增加，一直到最后一个反射器处的最大反射率，通常为100％。

现在转到图5，其示出了另一选项，根据该选项，LOE 101形成有成斜角的边缘表面121，并且反射耦入组件使用附接至成斜角的边缘表面128的平行面对板129来实现。部分反射表面设置在边缘表面121与板129之间的界面处，并且反射器表面设置在板的第二面120处。当利用偏振管理实现时，该构造特别有用，其中121处的部分反射表面是被构造成反射第一偏振并且透射第二偏振的反射偏振器，而120处的反射器表面至少对于由部分反射表面透射的偏振是反射的(并且通常被实现为全反射器)。四分之一波片127优选地与图像注入表面的至少一部分相关联，以便将在图像注入表面处内部反射的光在第一偏振与第二偏振之间转换。

通过参照如下所示的示例，可以理解该实现方式的操作。非偏振光线122通过附接至波导101的侧面102的波片127进入。偏振器121将非偏振光线122分成透射的s分量(光线123)和反射的p分量(光线124)。光线123被反射镜120反射，并且进一步借助于TIR在波导101内传播。光线124经过波片127，经历TIR，并且第二次经过波片127。结果，光线124的偏振改变，并且它变成s偏振光线125。光线125入射到偏振器121，但是由于其偏振已经切换到s，所以其不从偏振器121反射(从偏振器121反射会产生重影光线126)，而是被透射并且被板119的侧面129阻挡。

以该方式，图5所示的布置消除了重影，否则重影将决定图4所示的布置中的楔形物的最小高度h₀。由于楔形物高度的这种减小(图5中的楔形物高度为零)，POD的孔径D₂与图4中所示的布置中的孔径D₁相比可以进一步减小。

图4和图5两者的实现方式允许使用比使用传统的反射耦入构造填充孔径所需的投影仪孔径小的投影仪孔径(并且因此较小且较轻的投影仪结构)以投影图像“填充”LOE的厚度尺寸。因此，如果图像投影仪的出射孔径具有第一尺寸D₁或D₂，并且LOE具有与LOE的厚度相对应的输入光学孔径105，则经由出射孔径投影并从每个耦入反射器单独地反射的准直图像不足以填充LOE 101的输入光学孔径105，但是来自两个耦入反射器的准直图像的反射的组合填充LOE的输入光学孔径。

替选地，在可以容忍孔径的不完全填充的情况下(例如，在通过附加元件补偿孔径的不完全填充的情况下，其中附加元件例如是将在下面参照图7A至图7C进一步描述的与LOE的主表面平行的部分反射内表面30)，图4和图5的构造允许投影仪的尺寸和重量的进一步减小，同时与使用传统耦入构造所实现填充和/或均匀性相比实现更有效的部分填充和/或均匀性。

在以上两个非限制性示例中，部分反射表面插在图像注入表面与反射器表面之间，使得至少主光线的跨整个出射孔径的照明的强度的第一部分由部分反射表面反射，并且至少主光线的跨整个出射孔径的照明的强度的第二部分由部分反射表面透射、由反射器表面反射并且由部分反射表面透射。在某些优选的示例中，反射器表面和部分反射表面被部署成使得跨整个出射孔径的整个角视场的照明的强度的第一部分由部分反射表面反射，并且跨整个出射孔径的整个角视场的照明的强度的第二部分由部分反射表面透射、由反射器表面反射并且由部分反射表面透射。

以上布置也可以用于耦入到板型LOE或矩形截面LOE，其中，板型LOE使用两个主外表面在一个维度引导图像照明，矩形截面LOE使用四个主外表面(正交的两对平行表面)通过四重内反射在两个维度引导图像照明。

现在转到图6A至图8，这些图示出了本发明的另一组实现方式，其中反射器表面和部分反射表面在LOE内部并且位于第一主外表面与第二主外表面之间，并且在本文中可互换地称为“小平面”。根据下面将进一步讨论的各种设计考虑因素，反射器表面和部分反射表面可以有利地是位于第一主外表面与第二主外表面之间的一组至少三个(并且在一些情况下是4、5或更多个)相互平行的反射器(小平面)的一部分。

图6A示出了光学器件20与耦合小平面48的组合。光学器件20将扫描反射镜12的平面成像到小平面48所在的波导的入口上。因为光束仅照射一个位置，所以需要最小数量的小平面48，并且损耗相对较小。

通过使用几个交叠的小平面实现孔径扩展。例如，如果激光束具有1mm的宽度并且小平面宽度是3mm(需要对小平面的完整照明)，则三重交叠小平面将完成孔径扩展(其他交叠数量是可能的)。这被示为小平面48A、小平面48B和小平面48C(当总体提及时，在本文中将其一般地称为小平面48)。在未通过微透镜阵列进一步加宽光束的情况下，使用1mm激光束工作可以允许使用高度紧凑的光学器件20，并且与以其他方式实现的POD设计相比的小得多且轻得多的POD设计是可行的。

优选地，小平面48A具有最大反射率(例如100％)，48B具有较低反射率(例如50％)，并且小平面48C具有最低反射率(例如25％)。如箭头46示意性地指示的，一些光在多次小平面反射之后将损失。小平面48之间的紧密间隔可以使这种损耗最小化，因为相邻小平面之间的多次反射将导致额外的强度耦合到波导中，并且较少的强度作为损耗46损失，从而将效率提高到我们的示例的小平面48C的25％起始点以上。

尽管到目前为止在激光扫描图像投影仪的非限制性上下文中进行了说明，但是可以使用相同的原理和结构类似的实现方式来有利地减小其他类型的图像投影仪的孔径要求，并且因此减小其尺寸和重量。作为示例，图6B示出了采用以下图像投影仪的实现方式，该图像投影仪使用LCOS SLM并且经由交叠小平面49的布置将图像注入LOE中。这里使用术语“重叠小平面”来指代这样的几何结构：其中至少三个相互平行的反射器处于部分交叠的关系，使得大部分照明光线在至少两个相互平行的反射器处被至少部分地反射。

该示例的图像投影仪包括偏振分束器50、LCOS芯片52和具有相关联的波片的反射准直透镜54。当使用进入波导的小输出孔径时，该投影系统的尺寸显著减小，并且通过交叠小平面49执行孔径扩展。

在图6B的上下文中示出但同样可应用于本发明的采用交叠小平面耦入布置的其他实施方式的另一有利特征是使用跨越波导的厚度的不同部分的部分反射表面(小平面)。因此，如图6B所示，LOE具有在第一主外表面与第二主外表面之间的厚度，并且多个小平面跨越厚度的不同部分，使得在相互平行的反射器中的第一反射器处部分地透射并且在相互平行的反射器中的第二反射器处至少部分地反射的照明的至少一条光线通过第一主表面和第二主表面处的内反射在LOE内传播，而不会再次射到相互平行的反射器中的第一反射器上。部分反射表面部署于其之内的优选分布对应于以下体积：来自图像投影仪出射孔径的光线可以在该体积内入射到这些小平面上。这又取决于出射孔径的位置，该出射孔径取决于照明光阑(此处未示出)的光瞳成像，可以在LOE的表面处或在LOE厚度内的某处。因此，部分反射的耦入表面的最终最优部署可以对应于如在截面中看到的梯形形状(在图6B中示为虚线)或者可以是矩形或其他形状——这取决于图像投影仪的出射孔径的位置。该出射孔径是照明器表面53的图像。

如前所述，至少三个相互平行的反射器中的相继反射器优选地具有顺序变化的反射率，其中注入图像遇到的第一反射器处的反射率最低，并且随后的小平面处的反射率依次增加，最优选地在最后的表面处终止于全(100％)反射器。

图6C示意性地示出了使用基于通过准直透镜58投影的有源矩阵(例如微LED)56的图像投影仪并且具有在交叠小平面48上的出射孔径的本发明的实施方式。

至此，已经在图像投影仪的上下文下描述了本发明，该图像投影仪使整个投影的准直图像准直，该准直图像填充投影仪出射孔径，该投影仪出射孔径可以由图像的主(中心)光线几何地限定，该图像的主(中心)光线可以被用来限定投影仪的光轴和围绕主光线的角视场。这允许有利地使用照明光阑到图像投影仪的出射孔径的“光瞳成像”。

然而，本发明的某些实现方式采用来自扫描装置的扫描照明光束通过光学系统的图像注入表面的直接注入，即，没有介于中间的具有光焦度(optical power)的部件。图7A至图7C示意性地示出了这样的实现方式的示例。

图7A示出了反射小平面140，该反射小平面140以与图6A等同的方式交叠，但是延伸跨过来自扫描器12的光束的整个扫描覆盖区(footprint)。耦入小平面的间隔优选地使得来自扫描器12的每个光束在残余光46(这里示为虚线箭头)从波导逸出之前被至少两个小平面部分地反射。在需要进一步增强均匀性的地方，可以选择性地包括与波导的主表面平行的部分反射器30。

图7A中所示的向内耦合小平面140和向外耦合小平面204的取向不平行。这允许使用位于LOE的同一侧的扫描装置来注入图像，用户从该侧观看输出图像，这可以具有人机工程学和美学优点，但使制造工艺复杂化。可以有一种替选的实现方式，其中向内耦合小平面和向外耦合小平面都是平行的(未示出)，这有利于制造。在这样的实现方式中，扫描装置12应当放置在LOE的远离用户的一侧。

图7B更详细地示出了跨耦入小平面141的扫描场，耦入小平面141将图像照明重定向到波导中。扫描光束的两个极限角的位置(实线箭头和虚线箭头)限定了耦入所需的小平面40的数量。扫描角44越大以及反射镜12距波导的距离越大，需要的小平面就越多。

假设对于所有视场角都需要均匀的功率，并且需要最大效率，则右侧的第一小平面将具有100％的反射率，第二小平面50％、第三小平面25％、第四小平面12.5％和第五小平面(图5B中左侧的最后一个)是6.25％。来自第一小平面的光将作为损耗46被耦出，因此总耦合效率可以近似为大约6.25％。交叠小平面(如图7A或图6A中)将减少这种输出耦合，从而提高效率。

图7C示出了根据扫描光束在小平面上的投影来改变这些小平面142之间的间隔的实施方式。因此，第一小平面(在右侧)与下一小平面具有大的间隔，而最后小平面(在左侧)的间隔较窄。因此，这样的构造需要较少的小平面，并且损失的能量46较少。在图5C的示例中，只需要四个小平面，因此效率是12.5％，是图5B中的构造的效率的两倍。

所有以上耦入构造也可以被实现为用于耦合到2D(矩形截面)波导中。这可以以两种方式实现：

1.耦合到1D(板型)波导部分，随后从该第一部分耦合到与第一波导正交的第二2D波导。这些转变中的一个或两个的耦合可以通过如上所述的多个小平面布置来执行。

2.替选地，这种方法可以用于使用如图8所示的在两个维度上倾斜的多个小平面将投影图像直接耦入到2D波导中。在这种情况下，所有小平面154相对于2D波导150的x轴和y轴(即，相对于两组正交外表面)两者斜向倾斜。

应当理解的是，以上说明仅用作示例，并且在如所附权利要求限定的本发明的范围内，许多其他实施方式也是可能的。

Claims (17)

1.一种光学系统，包括：

(a)光导光学元件(LOE)，其由透明材料形成，并且具有用于通过内反射引导光的相互平行的第一主外表面和第二主外表面；

(b)投影仪，其被构造成投影对应于准直图像的照明；

(c)反射耦入组件，其与所述LOE相关联并且提供耦入构造的至少一部分，所述耦入构造具有：

(i)与所述第一主外表面共面的图像注入表面，所述投影仪与所述图像注入表面相关联，并且被定向成使得所述照明通过所述图像注入表面被注入，所述图像注入表面对于以大于所述主外表面的临界角的入射角入射的光线是内部反射的，

(ii)与所述主外表面成斜角的反射器表面，以及

(iii)平行于所述反射器表面的部分反射表面，

所述反射器表面和所述部分反射表面被部署成使得所述准直图像的照明的强度的第一部分被所述部分反射表面反射，并且所述准直图像的照明的强度的第二部分被所述反射器表面反射并且被所述部分反射表面透射，所述强度的第一部分和第二部分两者都贡献于耦合到所述LOE中以通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的图像照明。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述投影仪被构造成经由出射孔径投影对应于所述准直图像的照明，所述照明以限定所述投影仪的光轴的主光线和围绕所述主光线的角视场从所述出射孔径出射。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述出射孔径具有第一尺寸，并且其中，所述LOE具有与所述LOE的所述厚度相对应的输入光学孔径，其中，经由所述出射孔径投影并且从所述第一耦入反射器和所述第二耦入反射器中的每一个反射的准直图像不足以填充所述LOE的所述输入光学孔径，并且其中，所述准直图像的来自所述第一耦入反射器和所述第二耦入反射器两者的反射的组合填充所述LOE的所述输入光学孔径。

4.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述部分反射表面介于所述图像注入表面与所述反射器表面之间，使得跨整个所述出射孔径的至少所述主光线的照明的强度的所述第一部分由所述部分反射表面反射，并且跨整个所述出射孔径的至少所述主光线的照明的强度的所述第二部分由所述部分反射表面透射、由所述反射器表面反射并且由所述部分反射表面透射。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其中，所述反射器表面和所述部分反射表面被部署成使得跨整个所述出射孔径的整个角视场的照明的强度的所述第一部分由所述部分反射表面反射，并且跨整个所述出射孔径的整个角视场的照明的强度的所述第二部分由所述部分反射表面透射、由所述反射器表面反射并且由所述部分反射表面透射。

6.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述反射耦入组件包括：

(a)楔形棱镜，其附接至所述LOE并且提供与所述主外表面成斜角的第一表面；以及

(b)平行面对板，其附接至所述第一表面，

其中，所述部分反射表面设置在所述楔形棱镜与所述板之间的界面处，并且所述反射器表面设置在所述板的第二面处。

7.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述LOE形成有成斜角的边缘表面，并且其中，所述反射耦入组件包括附接至所述成斜角的边缘表面的平行面对板，其中，所述部分反射表面设置在所述边缘表面与所述板之间的界面处，并且所述反射器表面设置在所述板的第二面处。

8.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述部分反射表面是被构造成反射第一偏振并且透射第二偏振的反射偏振器。

9.根据权利要求8所述的光学系统，还包括与所述图像注入表面的至少一部分相关联的四分之一波片，以将在所述图像注入表面处内反射的光在所述第一偏振与所述第二偏振之间转换。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述反射器表面和所述部分反射表面在所述LOE内部，并且位于所述第一主外表面与所述第二主外表面之间。

11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述反射器表面和所述部分反射表面是位于所述第一主外表面与所述第二主外表面之间的一组至少三个相互平行的反射器的一部分。

12.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述投影仪包括：

(a)光源，其生成至少一个光束；

(b)扫描装置，其被部署成在至少一个维度以角扫描运动偏转所述至少一个光束；以及

(c)调制器，其与所述光源和所述扫描装置相关联，并且被部署成与所述角扫描运动同步地调制所述至少一个光束的亮度，

其中，所述偏转光束从所述扫描装置通过所述图像注入表面被直接注入。

13.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述投影仪包括：

(a)照明子系统，其限定照明光阑；

(b)图像平面，在所述图像平面处形成图像；

(c)出射孔径，所述准直图像通过所述出射孔径被递送到所述LOE中；

(d)照明光学器件，其部署在所述照明光阑与所述图像平面之间的光路中；以及

(e)准直光学元件，其被部署在所述图像平面与所述出射孔径之间的光路中，

其中，所述照明光学器件和所述准直光学器件被构造成使得所述照明光阑被成像到所述出射孔径。

14.根据权利要求13所述的光学系统，其中，所述LOE具有在所述第一主外表面与所述第二主外表面之间的厚度，并且其中，多个所述至少三个相互平行的反射器跨越所述厚度的不同部分，使得：在所述相互平行的反射器中的第一反射器处部分地透射并且在所述相互平行的反射器中的第二反射器处至少部分地反射的所述照明的至少一条光线在未再次射到所述相互平行的反射器中的所述第一反射器上的情况下通过所述第一主表面和所述第二主表面处的内反射在所述LOE内传播。

15.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述反射器表面具有第一反射率，并且其中，所述至少三个相互平行的反射器中的相继的反射器具有依次减小的反射率。

16.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述至少三个相互平行的反射器呈部分交叠的关系，使得所述照明的大部分光线在所述相互平行的反射器中的至少两个处被至少部分地反射。

17.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述LOE具有垂直于所述第一主外表面和所述第二主外表面的相互平行的第三主外表面和第四主外表面，所述LOE通过在所述第一主外表面、所述第二主外表面、所述第三主外表面和所述第四主外表面处的四重内反射来引导光。