CN1440513A - 基片导引的光束扩展器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学器具，包括一光传输基片；用来通过全内反射将光耦合进该基片内的光学装置；和多个由该基片承载的部分反射面，其特征在于该部分反射面彼此相互平行并且均不平行于该基片的任何边缘。

Description

基片导引的光束扩展器

技术领域

本发明涉及基片导引的光学器具，具体地说，涉及包括由一共用的光传输基片承载的多个反射面的器具。

本发明可被实施在很多应用中，例如头戴(head-mounted)显示器和平视显示器(head-up display，HUD)、紧凑的显示器、紧凑的光束扩展器和平板照明器。

背景技术

对于紧凑的光学元件，重要的应用之一是在头戴的显示器中，其中一光学模块既用作成像透镜又用作组合器，其中的二维显示器被成像在无穷远并被反射进入观察者的眼睛。这种显示器可直接由阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)来得到，或者间接地借助于中继透镜或光纤束来得到。一般，这种显示器是由通过准直透镜被成像在无穷远的一排点组成，并且借助于作为组合器的部分反射面被传输进入观察者的眼睛。通常，一传统的自由空间光学模块被用作这些目的。然而，不幸的是，随着该系统期望视场(FOV)的增大，该光学模块就变得较重、庞大并且使用起来非常复杂。这是应当尽可能轻且紧凑的头戴应用中的主要缺点。

现有设计的其它缺点是在这些设计中，整个光学系统通常非常复杂并且难于制造。此外，由这些设计所产生的光学视角的眼睛运动框(eye-motion-box)通常非常小—一般小于8mm。因此，相对于观察者的眼睛即使是面罩(visor)小的移动，光学系统的性能也对此非常敏感。

发明的公开

本发明可被用于设计和制作用于面罩显示器的基片导引的光学元件，其中的光学模块是非常紧凑和易于使用的，即使是对具有相对高视场的系统。另外，该光学系统的眼睛运动框是相对大的，从而适应面罩大的移动。因为非常紧凑并且易于组合进即使具有专门结构的光学系统中，所以本发明的系统是特别有利的。

本发明也能够构造改进了的平视显示器(HUD)。由于这类显示器开始于至少三十年以前，故在该领域中已经有显著的发展。事实上，HUD已经变得如此通用，以致当前不论在所有现代化的战斗机中还是在民用飞行器中HUD都起着重要的作用，其中HUD系统在着陆操作期间发挥着重要的作用。此外，近几年来已经有许多有关将HUD安装在汽车上以参与驱动和导航的提议和设计。

然而，当前形式的HUD有几个缺点。需要使用必须位于距组合器一定距离处的显示源来照明其整个表面使得HUD笨重而又庞大，并且有时使用起来不方便且不安全。

本发明另一个重要的应用是提供一种可克服上述缺点的紧凑的HUD。组合器可被安装在基片上的一紧凑显示源来照明。因此，整个系统是非常紧凑的，从而能够被容易地安装并可用于各种位置和应用中。另外，该显示器的色散相对很小，因而，光源可以具有宽光谱，即使是像传统的白光光源。此外，该显示的面积大大大于实际上由光源照明的面积。

本发明的再一个应用是提供一种紧凑的光束扩展器。用来将窄的准直光束扩大为较大直径光束的扩束器一般包括一望远镜装置，其两个透镜沿公用轴线并具有共同的焦点。本发明提供一种扩束器，其可以以单色光和多色光的方式来使用。

因此，本发明的主要目的是改进已知器具的缺点并根据专门需要提供具有改进性能的光学系统。

因此，本发明提供一种光学器具，包括一光传输平面基片；用来通过全内反射将光耦合进所述基片中的光学装置；和多个由所述基片承载的部分反射面，其特征在于所述部分反射面彼此平行并且不平行于或不垂直于所述基片的平面。

附图简要说明

现在联系确定的优选实施例参照下面图示的附图来描述本发明，以使本发明可被更加全面地理解。

在当前详细地具体参看附图时，应当强调的是所表示的细节是作为实例，仅仅是为了图解讨论本发明优选实施例的目的，而且是为了提供被认为是对本发明原理和概念上细节描述最有益和最易于理解的内容。在这点上，没有给出比基本理解本发明所需更详细的结构细节。带有附图的说明被用来指导本领域的熟练人员以使本发明的几种形式可具体化在实践中。

在附图中：

图1是现有技术的基片导引的光学器具最简单形式的侧视图；

图2是依照本发明的基片导引的光学器具的侧视图；

图3说明对于各种入射角，该部分反射面所期望的反射性能；

图4说明对于二向色(diachronic)涂层的反射曲线；

图5是依照本发明的反射面的示意侧视图；

图6A和6B是说明一排部分反射面其详细侧视图的示意图；

图7是依照本发明的利用一半波片来旋转引入光的偏振的器具的侧视图；

图8是依照本发明的头戴显示器的侧视图；

图9说明对于三种不同的视角，来自一排部分反射面的反射的详细侧视图；

图10为说明计算投影显示和外部景物亮度的模拟结果的曲线；

图11是依照本发明另一实施例的基片导引的光学器具的侧视图；

图12是说明作为视场函数的反射光效率的示意图；

图13是说明依照本发明的具有三排反射面的基片导引的光学结构的示意图；

图14是说明三维观察依照本发明的整个基片导引的光学器具的示意图；

图15是说明依照本发明的具有三排反射面的基片导引的光学器具的另一个示意图；

图16是一依照本发明的紧凑的、基片导引的头戴显示器的三维视图；

图17是依照本发明的用来扩展光的替代结构的侧视图；

图18是依照本发明的另一器具实施例的侧视图；

图19和20是图17中实施例的修改的示意图；

图21是本发明又一实施例的示意图；

图22和23说明用在眼镜中的本发明的再一实施例；

图24是说明用于利用带有移动电话的器具的方法的示意图；

图25说明一依照本发明的HUD系统；

图26是说明依照本发明的具有较大总视场的HUD系统其可替代

实施例的示意图；

图27说明一依照本发明的用来实施具有双焦距透镜的实施例；

图28是说明使用依照本发明的器具、将外部景物的两个方面组合在观察者眼睛上的一种方法的示意图；

图29是说明依照本发明的用于照明目的的一种紧凑的SGOD(基片导引的光学器具)光束扩展器的示意图；

图30为一曲线图，表示输出波强度作为基片内部沿ξ轴传播距离的函数；

图31A和31B是说明依照本发明的用于照明目的的紧凑的SGOD光束扩展器结构的示意图；

图32是说明一依照本发明的用来制作一排部分反射面的方法的示意图；

图33是说明依照本发明的用来制作一排部分反射面的另一种方法的示意图；

图34是说明依照本发明的用来制作一排部分反射面的再一种方法的示意图；

图35是说明依照本发明的用来制作一排部分反射面的又一种方法的示意图；

图36是一说明依照本发明的用来在反射面上得到非均匀涂层的方法的示意图；

优选实施例的详细说明

图1说明一种SGOD的最简单形式，其中基片2被一显示源4照明。该显示被一准直透镜6准直。来自显示源4的光按照一定方式通过第一反射面8被耦合进基片2内，以使主光线10平行于基片平面。第二反射面12将此光耦合出基片并进入观察者14的眼睛中。尽管这种结构紧凑，但是它仍然存在一些严重的缺点，首要的一个就是得到的视场非常局限。如图1中所示，基片内最大允许的离轴角是： ${\mathrm{\α}}_{\max }=\arctan \left[\frac{{T-d}_{\mathrm{eye}}}{2l}\right]........\left(1\right)$

其中

T是基片厚度；

d_eye是所期望的出瞳直径，和

l是反射面8和10之间的距离。

在角度大于α_max时，光线在到达反射面10之前就被从基片表面反射。从而，反射面10并不在期望的方向被照明，并且产生重象。

因此，这种结构下可得到的最大视场是：

FOV_max≈2να_max                (2)

其中

ν是反射面8的折射率，通常具有1.5-1.6范围内的值。

一般，眼瞳孔的直径是2-6mm。然而，为了适应显示的移动，就需要较大的出瞳直径。从而，最小可接受的值是约8mm。对于平均的头部，l在40至60mm之间。因而，即使对于8°的小视场，期望的基片厚度大约是12mm数量级。

近来，已经提出一些方法来克服上述的问题，像利用基片内的一放大望远镜、非平行耦合方向等。然而，即使用这些解决方法，仅使用反射在眼睛上的单个表面也产生类似的限制。视场受限于基片平面上反射面12投影的直径。由于这种限制，很容易知道最大可接受视场是： ${\mathrm{FOV}}_{\max }\≈\frac{{T\tan \mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}}-d_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}}.......\left(3\right)$

其中

α_sur是反射面和基片平面法线间的角度，和

R_eye是观察者眼睛和基片间的距离(一般是约30-40mm)。

通常，tanα_sur不能大于2；从而，对于如上所述8°视场的相同假设，期望的基片厚度大约是7mm数量级，这是一个比较合理的限度。然而，当期望的视场增大时，基片厚度迅速变厚。例如，15°和30°的期望视场分别得出9mm和14mm的基片厚度。

为了克服上述的限制，本发明采用一排部分反射面。图2说明依照本发明的基片导引的光学器具的侧视图。第一反射面16被从位于该器具后的光源(未表示)发出的准直显示18照射。该反射面16反射来自光源的入射光，使得该光被全内反射限制在平面基片20内。在基片内进行一些反射之后，被截获波(trapped wave)到达一排平行的部分反射面22，该一排平行的部分反射面22将光耦合出基片进入观察者24的眼中。假定该光源的中心波沿垂直于基片表面26的方向被耦合出基片20，并且基片20内衍射波的离轴角度是α_in，那么反射面和基片平面法线间的角度α_sur2就是： ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}2}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}}{2}........\left(4\right)$

从图2可以看出，该受限光线从两个不同的方向28、30到达反射面。在该特定的实施例中，该受限光线在从基片表面26经过偶数次反射之后自这些方向中的一个28到达反射面，其中受限光线和反射面法线间的入射角β_ref是：

受限光线从基片表面26经过奇数次反射之后自第二个方向30到达反射面，其中离轴角是α_in’＝180°-α_in，并且受限光线和反射面法线间的入射角是：

为了避免不希望的反射和重象，重要的是该两个方向中的一个的反射被忽略不计。幸运的是，如果一个角度显著小于另一个角度，那么就能得到该两个入射方向间的所期望差别。对这种需要的一个解是β_ref～0°的情况。将该值代入等式(5)中，得到α_in～180°。很明显，这个解实际上并不可行。第二个解是β’_ref～0°的情况，得到：

β_ref＝60°；α_in＝60°；α’_in＝120°；α_sur2＝30°        (7)

图3说明部分反射面所期望的反射性能。在具有离轴角β_ref～60°的光线32被部分反射并耦合出基片34的同时，垂直于反射面到达的光线36被透过反射面34而没有任何显著的反射。

图4说明对于四个不同的入射角：0°、52°、60°和68°，被计用来得到期望目标的二向色涂层的反射曲线。在法向光线的反射对于整个相应光谱被忽略不计的同时，对于同一光谱，在60°离轴角下的光线得到几乎恒定的反射率20％。显然，反射率随着入射光线的倾斜而增加。

很明显第一反射面的反射率应当尽可能高，以便将来自显示源的光尽可能多地耦合在基片上。假定光源的中心波垂直入射在基片上，即α₀＝180°，那么第一反射面和基片平面法线间的角度α_sur1是： ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}1}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}+{\mathrm{\α}}_0}{2};{\mathrm{\α}\text{'}}_{\mathrm{sur}1}=\frac{{{\mathrm{\α}}^{\′}}_{\mathrm{in}}+{\mathrm{\α}}_0}{2}......\left(8\right)$

在此情形下，α_sur1和α’_sur1的解分别是120°和150°。

图5表示反射面36的侧视图，该反射面耦合来自显示源(未表示)的光38并通过全内反射将其限制在基片20内。如此处所描绘的，该反射面在基片表面40上的投影S₁是：

S₁＝T·tan(α)                      (9)

其中T是基片厚度。

很明显，解α＝α_sur1是优选的一个，这是由于该基片表面的耦合面积比其它解的耦合面积大三倍。假设此耦合波照射整个反射面区域，则从表面36反射之后，该耦合波照射基片表面上2S₁＝2Ttan(α)的面积。另一方面，该基片平面上反射面36的投影是S₂＝Ttan(α_sur2)。为了避免反射面间的交叠或间隙，每个表面的投影都邻近其相邻表面的投影。从而，在一个循环过程(即，在从基片相同表面的两个反射之间)中，每个被耦合光线通过的反射面36的数目N是： $N=\frac{2S_1}{S_2}=\frac{2T\·\tan \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}1}\right)}{T\·\tan \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}2}\right)}.......\left(10\right)$

在该例中，在α_sur2＝30°，α_sur1＝120°时，解是N＝6；也即，在一个循环过程中每条光线通过六个不同的表面。

应当注意，有关图5的上述实施例是一个用来将入射波耦合进基片的方法实例。然而，入射波也可借助于其它光学装置被耦合进基片，包括(但不限于)可折叠棱镜、光纤束、衍射光栅以及其它。

同样，在图2说明的实例中，入射波和图像波均位于基片的相同一侧。然而，也允许其它的结构，其中入射波和图像波可位于基片的相对两侧。也可有其它的应用，其中入射波可通过基片的侧棱被耦合进基片。

图6A是一排部分反射面的详细侧视图，该部分反射面将被限于基片内的光耦合进观察者的眼睛中。正如所示，在每个循环中，被耦合光线都通过四个反射面42，具有α’_sur2＝120°的方向，由此光线垂直入射在反射面上，且由这些面的反射被忽略不计。另外，光线通过两个方向为α_sur2＝60°的反射面44，在那儿的入射角是60°并且光线的部分能量被耦合出基片。假设仅使用一排六个部分反射面22来将光耦合在观察者的眼睛上，则最大视场是： ${\mathrm{FOV}}_{\max }\≈\frac{2T\tan {\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}1}-d_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}}.......\left(11\right)$

因此，对于上面作的相同假设，8°的视场所期望的基片厚度是4mm量级；对于期望视场是15°和30°的情形，得到的基片厚度分别是5.3mm和8.2mm。自然，对于其它的结构，存在着比上面得到的更多的合理值。而且，可以使用多于一排的部分反射面22。显然可以看出，通过采用包括十二个部分反射面的两排反射面22，对于15°和30°的视场，所期望的基片厚度分别是2.6mm和4.1mm的量级。

如图6B所示，每个部分反射面都被不同能量的光线照射。在光线被从基片20的上表面48反射后即照射每个表面46上半部的同时，每个表面的下半部50被通过一个部分反射面46的光线照射，因此该光线具有较低的能量。相应地，从表面50下部被反射的光的亮度就小于从表面上部46被反射的光的亮度。显然，为了获得具有均匀亮度的显示，就应当解决这一问题。实际上，用两种不同的涂层涂覆反射面，由此上部46的反射率将低于下部50的反射率，以便补偿这种非均匀照射，从而就可以解决这一问题。例如，如果希望的标称(nominal)反射率是20％，则当下部具有25％的反射率时此上部就具有该反射率。然而在大多数情形下，这一问题可完全忽略。如果基片不是特别厚，那么对于每个视角，反射在眼睛上的光来自于几个反射面。例如，对于d_eye＝4mm和T＝4mm，此处d_eye是瞳孔的直径，则对每个视角，眼睛被大约两个反射面照射。由于眼睛汇集了所有从单个视角出现的光并聚焦在视网膜上的一点，而且由于眼睛的响应曲线是对数性的，因此可以认为显示亮度上任何小的变化都不是显著的。

另一个应当考虑的问题是光的偏振。众所周知，设计和制作用于S偏振光的反射面要比设计和制作用于非偏振光或P偏振光的反射面要简单。幸而，一些紧凑显示源(例如，向列液晶显示器)是线偏振的。然而，存在一些情形，其中显示源被定向使得入射光关于反射面是P偏振的。通过利用一半波片就可以很容易的解决这一问题。如图7所示，从显示源4射出的光是线性P偏振的。通过使用一半波片52，就可旋转该偏振使该光关于耦合反射面22为S偏振。

再一个重要问题是作为视场函数的亮度的均匀性。如图4所示，每个反射面的反射率都随着视角而增大。幸而，由于眼睛的瞳孔相对较小，因此就可以解决这一问题。图8表示基于所建议结构的头盔显示系统的侧视图。代表一特定视角56的单平面波54，仅照射整排部分反射面22的一部分。从而，对于每个部分反射面，依照该角度来确定标称的视角和设计反射率。

各个部分反射面其涂层的精确、详细设计被如下进行：对于每个特定的表面，光线被从该表面的中心到指定眼睛瞳孔58来绘制(考虑由于Snell定律的折射)。计算出的方向被设定为标称的入射方向，并且根据该方向来设计具体的涂层。从而，对于每个视角，相应表面的平均反射会非常接近于期望的反射。

图9表示对于三种不同的视角：右最大60、中央62和左最大64，来自一排部分反射面的反射的详细侧视图。如上所示，每个反射面的投影都与相邻的反射面邻近，从而避免反射面间的重叠和间隙。然而，这仅对中央视角是准确的。对于右最大视角，反射间存在间隙66，然而在左最大视角的反射间却存在重叠68。在每对相邻反射面22之间设定不同的间距可以解决这一问题。也即，右侧部分60的间距较小左侧部分64的间距较大。然而，对于大多数应用，这种解决方法可能不需要，这是由于对于大部分期望的视场，间隙和重叠都相当小(图8中的视角被高度夸大以说明这种问题)并被用反射强度比较小的增加(在左侧)或比较小的减小(在右侧)来表示。另外，如上所述，对于右表面60存在较高反射的相反趋势。所以，这两种现象可以相互补偿，至少部分地。

另一个要考虑的问题涉及具有比较宽视场的显示系统，其中采用至少两排部分反射面22。在此情形下，从第二排反射的波已经通过第一排的反射面，并且至少部分能量被耦合出基片。对于两种不同的使用，这个问题应当被考虑。

在透明系统例如用于飞行员的头戴显示器中，其中观察者应当看到外面景物并且表面的反射率不应非常高，第二排的涂层设计应当考虑到第一排中的能量损耗。也即，第二排的反射率应当比较高以在整个视场上得到均匀的亮度。由于反射系数不再恒定不变，因此这种解决方法的期望结果可用通过基片看到景物的非均匀图像来表示。幸而，这种非均匀性是相当小的。如在图4中可以看到的，每个反射面的反射率都随着视角而增大。因而，由于从该两排来的视角间的入射角偏差预期至少10°，所以损耗将相当小。例如，如果入射角70°的反射率是22％，那么具有60°入射角的光线的反射率应是6-7％数量级，并且总损耗不超过15％。因为需要矫正故基片透射率的变化实际上可以忽略不计。例如，反射率从22％至25％的变化产生透射率从78％减小至75％。在任何情形下，对于外部景物的均匀性是关键的系统，专门的非均匀涂层可加在基片的外表面上，以补偿基片的非均匀并对整个视场获得均匀亮度的视图。

在非透明系统中，例如虚拟现实(virtual-reality)显示器中，基片是不透明的而且系统的透射率并不重要。然而，在这种情形下，反射率可比在前的更高，并且为了获得在整个视场上具有均匀亮度的显示，就必须注意以确保足够的能量通过第一排。

为了说明一般透明系统的预期性能，已进行一计算机模拟，计算投影显示和外部景物的亮度。该系统具有下述参数：T＝4mm；α_in＝60°；视场＝30°；R_eye＝40mm；ν＝1.5；排数为两排，标称反射率是22％。图10说明这些计算的结果，归一化为所请求的标称值。在两条曲线上都存在一些小的波动，但期望这些变化是不显著的。

一种替代的设计方法是利用具有第二反射角的光线的反射，即，该光线具有α’_in＝180°-α_in的离轴角。将等式(7)的参数带入等式(4)得到：

图11说明这种替代设计方法的侧视图。第一反射面22被位于该元件后的准直显示器4和6(图1)照射。该反射面反射来自光源的入射光，使得该光被全内反射限制在基片内。在基片内进行一些反射之后，被截获波到达一排平行的部分反射面22’，其将该光耦合出基片进入观察者的眼睛中。

这种结构的主要缺点是具有内角α_in的光线其不希望有的反射率。显然，显示源被准直至基片内引入方向ε的点被反射成基片内α_in+ε和α’_in+ε的方向。在具有α’_in+ε方向的光线被部分反射面反射成输出方向ε的同时，具有α_in+ε方向的光线70被部分反射面22’反射成不希望的输出方向α_in-ε。然后光线72被沿不希望的方向-ε反射，从而产生重象。尽管仅仅很少一部分光束被沿不希望的方向反射，但随着视场的增大其效果变得更加显著；它能够干扰观察者，特别是在视场的边缘处。

虽然不可能避免上述不希望有的反射，但通过改变第一反射面22的角度可以解决重象的问题。例如，当该角度变为α_sur1＝63°时，系统的其它参数变成：

β_ref＝27°；α_in＝54°；α’i_n＝136°；α_sur2＝63°        (13)

从而，当系统的视场是16°、基片的折射率是1.5、基片内图像的最大离轴角是60°且不希望反射的的方向是66°时，则输出角是18°，很显然超出了视场，并且在正确的设计下不会照射出瞳。

上述的解决方法仅仅克服了重象的问题。部分能量仍旧沿不希望的方向被反射，这就可能降低效率和成象的质量。然而，这种替代的设计方法仍然具有一些优点：第一，每个部分反射面22’的横截面大大大于前面的实施例。因而，给定视场就需要较小数目的表面。第二，不仅是所需的光学涂层比较简单，而且在表面的菲涅耳反射下也可得到希望的反射。也即，代替涂覆表面，薄的空气间隙可插在未涂覆的表面之间。尽管这种方法并不是最佳的，但也可得到合意的结果，并且具有比较简单的制作过程。

图12说明对于两类光源：具有非偏振光的光源和具有S偏振光的光源，作为视场函数的系统的光学效率。虽然在这两种情形下效率并不均匀，但通过紧邻显示源插入一可变衰减器就可解决这一问题。因此，可以得到对于非偏振光10％的均匀效率和对于S偏振光15％的均匀效率。

很容易设计光学涂层来获得在整个视场上均匀的照射。例如，当采用三个部分反射面时，其反射可被设计成分别具有20％、25％和33％的反射率，这就在整个视场上得到20％的均匀效率。

至此，仅仅讨论了沿ξ轴的视场。沿正交η轴的视场也应当被考虑。沿η轴的视场并不取决于部分反射面的大小或数目，而是取决于沿耦合进入基片的输入波的η轴的横向尺寸(laternal dimension)。沿η轴最大可得到的视场是： ${\mathrm{FOV}}_{\max }\≈\frac{D_{\mathrm{\η}}-d_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}+l/\left({v\sin \mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}\right)}.......\left(14\right)$

其中D_η是沿耦合进入基片的输入波的η轴的横向尺寸。

也就是说，如果期望的视场是30°，那么通过采用与以前使用的相同参数，必需的横向尺寸是42mm。以前已经证明，沿耦合进入基片的输入波的ξ轴的横向尺寸被用S₁＝Ttan(α_in)来给出。厚度为T＝4mm的基片得到S₁＝6.8mm。表面上看，在沿这两个轴的横向尺寸之间存在一个大于6的倍数(factor)。即使假设存在一个4∶3的高宽比(同样的视频显示)并且沿η轴的视场是22°，则必需的横向尺寸大约是34mm，并且在该两个轴间仍存在一个5的倍数。这种差异产生出一些问题，包括需要使用高数值孔径的准直透镜或非常大的显示源。无论怎样，在这些尺寸下，不可能得到期望的紧凑系统。

解决这个问题的一种替代方法表示在图13中。代替使用仅沿ξ轴的一排反射面22，沿η轴设置另一排反射面22a、22b、22c。这些反射面被定位垂直于基片20沿ξ轴和η轴二等分线的平面。这些反射面的反射率被决定以获得均匀的出射波。也即，如果采用三个反射面，则对于第一反射面22a、第二反射面22b和第三反射面22c，反射率被分别设定为33％、50％和100％。应当注意，在排列组合22和22a-22c中表示的配置仅仅是例子。根据光学系统和所期望的参数，其它用来增加沿两轴的光波横向尺寸的配置也是允许的。

图14表示整个基片导引光学结构的三维视图。衍射波首先沿η轴扩展然后沿ξ轴扩展。由于入射波在基片平面上的投影相对于图2中的配置被旋转90°，所以在耦合进入基片后，沿中心波η轴的横向尺寸S_n由S_n＝2S₁＝2Ttan(α_in)给出。为了获得对称的耦合波，最好是选择一种结构，借此该耦合波沿ξ轴可具有相同的尺寸。在此情况下，由于在耦合之前沿输入波η轴的横向尺寸是S₁＝Ttan(α_in)，因此在该两个尺寸之间存在一个倍数2。然而，这个倍数通常是合意的。在从反射面22a-22c反射之后，沿η轴的横向尺寸由S_η＝2NTtan(α_in)给出，其中N是反射面的数目。现在沿η轴的最大可获得视场是： ${{\mathrm{FOV}}^{\mathrm{\η}}}_{\max }\≈\frac{S_{\mathrm{\η}}-d_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}+l/\left({v\sin \mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}\right)}=\frac{2\mathrm{NT}\tan \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}\right)-d_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}+l/\left({v\sin \mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}\right)}....\left(15\right)$

由于反射阵列(array)22a-22c可被定位距眼睛较近，因此可以预期反射面间的距离l将小于先前的。假设l＝30mm，并选择参数：T＝4mm；N＝3；α_in＝60°；R_eye＝40mm和ν＝1.5，则作为结果的视场将是：

FOV^η _max≈30°                  (16)

该结果优于先前得到的结果。

作为所要求的光束扩展的结果，光波的亮度已经被降低N倍。然而，这种效果也可被如上述相同的方法来最小化。如图15所示，应被从第一反射面22a反射的视场的较低部分76的入射角，大于主要应被从最后反射面22c反射的视场的较高部分78的反射角。在这种情形下，对于较高的入射角，就可以如以前所述设计具有较高反射率系数的反射层。由于视场的较高部分78的能量损耗大大减小，故对于第一反射面22a就可以选择较高的反射系数，并且亮度降低将比较小。所要求设计的精确细节依赖于每个具体系统的各个参数。

并不需要仅限于采用单个光透射基片20；额外的基片也可被采用。例如三个不同的基片，其中每一个的涂层都被设计成用于三基色中的一种，可被组合来产生一种三色显示系统。在这种情形下，每个基片相对于另外两种颜色都是透明的。对于需要组合三种不同单色显示源来产生最后图像的应用来说，这种系统是有用的。另外，存在许多其它的例子，其中几个基片可被组合在一起来形成更加复杂的系统。

图16说明依照本发明构造的一种紧凑的基片导引头盔显示结构。所表示的结构是由三排反射面组成。第一反射面22将从输入显示源4射出并被透镜6准直的光耦合进基片20，在此处光分布被沿一个方向扩展。第二排部分反射面22a、22b、22c反射该光线，然后光分布被沿其它方向扩展。第三排部分反射面22d、22e、22f将来自基片的光向外耦合进观察者24的眼睛中。

图17说明用来沿η轴方向扩展光束的一种可替代方法。在此，扩束被向外进行，而不是向基片20内进行。分束器80将来自显示源4的光分束成两部分：一部分被直接传向基片20，同时第二部分被反射至反射镜82，然后被再次反射至基片20。接着，现在构成比原始光束更宽光束的这两部分光被反射面84耦合进入基片。大量的分束器和反射镜可被用来放大沿η方向的引入光。准直透镜81可被插在显示源4和分束器80之间。

图18说明对图17作细微改进的变型。众所周知，设计和制作用于S偏振光的反射面要比设计和制作用于非偏振或P偏振光的反射面简单。如果来自显示源4的光实际上是S偏振时，就可通过将半波片86插入光路中来实现沿正确方向的反射，如图中所示。

代替显示源4被定向为平行于基片20，同样可以使显示源4被定向为垂直于基片20，如图19和20所示。

另一个可能的实施例表示在图21中。显示源4被定向为垂直于基片20，并且通过使用折叠式反射镜或反射棱镜83，光可被加进第一耦合(couping-in)反射镜。该折叠式反射镜或反射棱镜83可在反射面和/或在反射棱镜面上具有光焦度以能够进行准直操作，从而节省使用另一准直元件的必要性。

该基片导引的面罩(visor)显示器结构的优点如下：

1)由于输入显示源可位于非常接近基片，因此整个结构非常紧凑且重量轻。

2)并不像其它的面罩显示器结构，此处存在着很多的灵活性以便输入显示源可相对于最终的目镜来定位。因此，就避免了常规的离轴结构，并且可相对简单和有效地补偿像场弯曲(field aberration)。

3)部分反射面的反射系数在整个相应光谱上几乎是恒定的。因此，不仅单色光源而且多色光源都可用作显示源，从而就获得一种彩色头戴显示器。

4)由于来自输入显示的每点都被转换成平面波，且该平面波从反射阵列22d-22f的大部分被反射进入观察者的眼睛中，所以对眼睛精确位置的容差可被显著放松。同样，观察者可以看到整个视场，并且眼睛运动框可显著大于其它的面罩显示器结构。

5)由于耦合进SGOD能量的大部分是“可循环的”且被耦合出进入观察者的眼睛中，因此可以获得相对高亮度的显示。

图22和23说明本发明的一个实施例，其中基片90被安装在眼镜架92内。显示源4、准直透镜6和折叠式反射镜82被装配在该眼镜的臂部94内，恰恰相邻于光学基片90的边缘。对于显示源是电子元件如小的CRT或LCD的情形，用于显示源的驱动电子设备93可以装配在臂94的后面部分内。电源96通过引线97连接在臂94上。

由于耦合进基片内的输入波通常是准直的平面波，因此可以利用一些新颖的技术以用作所需的显示源。一种可能的显示是虚的视网膜显示(VRD)，也即，一种平面波被快速扫描以在观察者的视网膜上产生图像的系统。另一种可能的显示是基于傅立叶变换全息术的类似思想。利用这一原理，一LCD产生所需图像的傅立叶变换，而不是图像自身。当此LCD被从小激光二极管发出的相干平面波照射时，所期望图形的准直图像将形成在该LCD平面上。该图像可被用作SGOD的输入。

上述的实施例可用于透明系统和其中不透明层位于光学元件之前的非透明系统中。一种替代的方法是按照一定方式在系统前使用可变的滤光片，使观察者可以控制从外部景物出射光的亮度级。这种可变滤光片可以是一个机械控制的器件像折叠式滤光片或两个旋转偏振片，一个电子控制器件，或一个自动器件，由此该滤光片的透射率由外部背景的亮度决定。

关于SGOD可被用在本实施例中的精确方式存在着一些备选方案。最简单的选择就是将单个元件用于一只眼睛。另一种选择是对于每一只眼睛使用一元件和一显示源，但是具有相同的图像。这种选择的另一种变型是在两只眼睛间存在一些重叠下投射相同图像的两个不同部分，从而能够得到较大的视场。最复杂的可能就是投射两个不同的景物，每只眼睛一个，以产生立体图像。在这些备选方案下，有吸引力的实施是可能的，包括三维电影、先进的虚拟现实、训练系统等。

重要的是要强调，图22和23的实施例仅仅是一个说明简单实施本发明的例子。由于构成系统核心的该基片导引光学元件是非常紧凑和重量轻的，因此它可以被以大量变化的设置来进行安装。从而，许多其它的实施例也是可能的，包括面罩、折叠式显示器、单片眼镜及其它。

图22和23中说明的实施例被指定用于显示器是头盔或头载的应用。然而，存在着显示器应位于其它位置处的应用。这种应用的一个例子就是便携式电话，它被认为在不久的将来可实现多种新颖的操作，包括视频电话、Internet联接、使用电子邮件和高质量电视卫星广播的传输。在现有的技术下，小的显示器可被嵌在电话内，然而，目前，这类显示器仅能将差质量的视频数据，或者一些线路的Internet或e-mail数据直接投射入眼睛。

图24说明基于本发明的一种将高质量图像直接投射入使用者眼睛的替代方法。一折叠式SGOD98以类似于话筒(mouthpiece)通常被连接的方式被整体连接在一便携式电话100的主体上。嵌入电话内的小显示源102将一通过光学中继器106传输的视频图像104投影在SGOD98上，其中的光学中继器106可以是折叠式反射镜、小棱镜、光纤束或任何其他中继器。以这种方式，在操作期间，使用者可以将定位在他眼睛前的SGOD98展开，方便地观看希望的图像。

重要的是要注意，图24中描述的实施例仅仅是一个例子，用来说明除了头戴显示器可实现外的其它应用。其它可能的头载装置包括嵌入手表内的小显示器、具有信用卡尺寸和重量的袋装显示器及其它。

上述的实施例是单眼光学系统，也即，图像被投射在单个眼睛上。然而，存在着多种应用，像平视显示器(HUD)，其中希望将图像投射在两只眼睛上。到目前为止，HUD系统已经被主要用于高级战斗机和民用飞行器。近来，为了在黑暗或其它低能见度情况下帮助进行导航或者将热图像投射入眼睛，已经有许多提议和设计来将HUD安装在小汽车驾驶员的前面。现有航空系统的主要问题在于它们都非常昂贵，单个部件的价格大约是几十万美元。很显然，为了使其能与客车消费市场相容，这一价格必须降低三个数量级。另外，现有的系统非常巨大、笨重并且庞大，同时对于安装在小汽车内又太复杂。对消费者的HUD来说，可选的系统应当非常紧凑、便宜并且可很容易地安装在现有车辆内。

图25说明实现基于本发明的HUD系统的一种方法。来自显示源4的光被透镜6准直成无穷远，并被第一反射面22耦合进基片20。当在第二反射阵列(未表示)反射之后，光波碰撞(impinge)第三反射阵列22’，该第三反射阵列22’将光耦合出进入观察者的眼睛24中。该整个系统是非常紧凑和重量轻的，具有几毫米厚的大明信片的尺寸。具有几个立方厘米体积的显示源可被固定在该基片的角落上，在那儿电线将能量和数据传向系统。安装该提出的HUD系统被认为是并不复杂于安装简单的商业声频系统。而且，对于图像投射由于不需要外部的显示源，因此就避免了要在危险位置安装部件的必要性。

由于眼睛和反射面间的距离以及出瞳的直径都比单眼显示器的要大得多，因此就可以认为需要更多的反射面22’和/或更厚的基片20来获得所希望的视场。对于给定系统，实现具有较大视场的HUD系统的一种替代方法示于图26中。在距基片较近的位置处限定一具有较小直径的虚拟出瞳108，而不是将该系统的出瞳限定在观察者眼睛的指定位置上。如图所示，视场的右部110仅能被左眼看到，而视场的左部112仅能被右眼看到。视场的中央部分114可被两只眼睛看到。这种解决方法在军用HUD系统中是可被广泛接受的，其中光学系统的光瞳位于准直棱镜处，同样地，瞬时视场(IFOV)要小于总视场(TFOV)。在这类结构中，每只眼睛都看到TFOV的不同部分，且在TFOV的中央交叠。被两只眼睛看到的总视场要比被每只单眼看到的大得多。关于图26的实施例，该虚拟出瞳的精确位置和大小要根据每个特定系统的具体参数和期望性能而定。

由于一般HUD系统的出瞳都要比头盔系统的大得多，因此就认为需要如上图14所述的三排结构来获得期望的视场，即使对于图26所描述的结构。然而，可以有一些特殊的情形，包括具有小垂直视场或具有垂直LED阵列作为显示源的系统，其中两排的结构(如上图2所述)就足够了。

图25和26说明的实施例除用于车辆的HUD系统外还可实现其它的应用。这些实施例一种可能的利用是用作计算机或电视的平板显示器。这种显示器的主要独特特征在于图像并不是位于屏幕面上，而是被聚焦在无穷远或类似适当的距离。现有计算机显示器的一个主要缺点是使用者不得不将眼睛聚焦在40至60cm之间的非常近距离上，但健康眼睛的自然焦距是无穷远。许多人在计算机上工作一段长持续时间之后都会患头痛病。许多经常用计算机工作的人易于产生近视。另外，一些既患近视又患远视的人需要专门的眼镜来用计算机进行工作。对于遭受上述问题并且不愿意用头戴显示器工作的人们，基于本发明的平板显示器可以是一种合适的解决方法。

本发明显示器的另一个优点是其非常平的外形，即使同现有的平面显示器相比。不像通常的显示器，本发明的显示器具有受限的头部运动框(head-motion-box)，其中整个图像都可被看到。然而，这种受限的头部运动框对于单个使用者的通常操作是足够的。

本发明的另一种可能实施例是用作假定注视观众同时又读出文本的广播员或TV播音员的文本投影器(projector)。利用本发明，广播员能够使用邻近其面部的一透明平板，该透明平板将要求的文本投射入广播员的眼睛而不会被观众看到。

本发明再一种可能的实施是作为个人数字助理(PDA)的屏幕。当前使用的现有通常屏幕的尺寸大约是10cm。由于这些显示器能被读出的最小距离是40cm量级，因此可获得的视场约为15°；从而，来自这些显示器的投射信息相当有限。利用图25和26说明的实施例，可对投射视场作出显著的改进。由于图像被准直到无穷远，因此屏幕可被定位距观察者眼睛非常近。另外，由于每只眼睛看到TFOV的不同部分，且在其中央有交叠，因此就可得到TFOV的另一种增加。所以，很容易就得到具有40°或更大视场的显示。

在上述本发明的所有实施例中，被SGOD传输的图像都产生于诸如CRT或LCD的电子显示源。然而，也存在着多种应用，例如在用于既患近视又患远视和其问题通常还没有被传统的双焦点或多焦点眼镜解决的人们的眼镜中，被传输图像可以是一生动景物的一部分。另一种替代解决方法是使用具有一些焦距的镜片。这些镜片在观察者的视网膜上产生多个图像。然后大脑适应最清晰的图像。

图27说明基于本发明的实施具有双焦距透镜的一种方法。来自无穷远的景物图像114被反射面22耦合入基片20，然后被一排部分反射面22’反射进入观察者的眼睛24。来自近距离的另一景物图像116被透镜118准直至无穷远，然后通过基片20进入眼睛。镜片120聚焦图像114和116至一通常的距离并纠正包括散光的观察者眼睛的其它像差。当外部景物接近于观察者时，景物116在视网膜上具有清晰的图像，同时景物114是模糊的。从而，大脑自动适应清晰的景物图像116；反过来，当外部景物在远处时，图像114将最清晰，然后大脑适应它。

本发明也可被用来组合两个完全不同的景物。存在着这种装置可被使用的多种用途，包括用于同时既想看到前面景物又想看到后面景物的飞行员或驾驶员，想要看到场地内不同风景的运动员，想要用照片同实景相组合的画家，从黑板复制课文的学生等等。图28说明根据本发明将外部景物的两个不同部分组合入观察者眼睛中的一种方法。从倾斜方向来的景物图像120例如被棱镜或任何其它的光学装置122折叠，再被反射面22耦合进基片20，然后被一排部分反射面22’反射入观察者的眼睛24，在该点处其被与常规的景物124组合。

重要的是要注意，对于图27和28描述的实施例，由于耦合进入SGOD的光波114和120来自无穷远并且不必用透镜或任何类似的光学元件来聚焦，因此耦合波的横向尺寸就不具有重要性。从而，如图2所示仅具有两反射阵列的较简单SGOD就可被使用，而不用图14的具有三阵列的较复杂实施例。

关于图27和28所述的实施例仅仅是说明本发明实施能力的例子。可以用SGOD来组合任何两个不同的像，由生动景物产生的像、来自源于电子显示器的像(例如，用热图像装置来组合摄像机)或任何其它可能的组合。

在上述所有的实施例中，为了成像的目的，SGOD被用来传输光波。然而，本发明不仅可被用于成像，而且可被用于非成像应用、主要是照明系统，其中输出波的光学质量并不是关键的，重要的参数是强度和均匀的亮度。本发明也可用在例如平板显示器的背光照明、大多是LCD系统，其中，为了构成像，就必需用尽可能亮和均匀的光来照射平板。其它这类可能的应用包括但不限于，用于室内照明或泛光灯的平且便宜替代物、用于指纹扫描仪的照明器和用于3维显示全息图的读出波。

图29说明用于照明目的、依照本发明构建的一种紧凑的SGOD扩束器结构。图示的结构是由第一反射面126、第二排反射面128和第三反射阵列130组成。输入波132是垂直入射在基片20上的平面波，而输出波134是直径显著大于输入波直径的平面波。对于相对大的面积，这种系统可被作为非常薄的紧凑照明器具来实现。

SGOD光束扩展结构的操作类似于上述本发明的其它结构。然而，在成像系统和非成像系统之间存在着一些差别。第一，由于在非成像系统器具中不必担心“重象”，因此输入波可被平行于基片平面进行耦合；从而，每个部分反射面都可被均匀照明。第二，在非成像系统中，基片的透射率并不重要，因此仅仅应当考虑反射率分布。

另外，代替均匀视场的设计目标，非成像系统的设计目标是得到均匀强度的输出波。为了实现这一目的，部分反射阵列130的反射率沿ζ轴逐渐增大，使得在每个反射期间，受限光波的仅仅一部分能量被耦合出。图30说明对于一般的基片导引扩束器，作为基片内沿ζ轴传播距离函数的输出波强度、反射面的反射率和基片内剩余能量的量。

由于在照明器具中光可被平行于基片平面耦合，因此就可以通过基片边缘之一被耦合。另外，并不必限于使用单个的光源；也可使用多个光源。此外，在这些器具中，光波也不必被准直。发散的输入光束也同样可被用来产生发散的输出波。图31A和31B说明对于照明目的的两种可能结构，一种具有两排的部分反射面(图31A)，另一种具有一个这样的阵列(图31B)。在这些结构中，光源是一排LED136，它被小透镜阵列138准直并通过基片边缘之一耦合进基片，从而产生被阵列140耦合出的均匀光照明。

图32说明制作部分反射面阵列的方法。首先，制造一组具有所需尺寸的棱镜142。这些棱镜可采用传统的研磨和抛光技术由基于硅酸盐材料像BK-7来制作，或作为替代，这些棱镜可采用注模法或铸造工艺由聚合物或溶胶-凝胶制得。然后，用所需的光学涂层144涂覆这些棱镜的适当表面。最后，这些棱镜被粘合在一起产生所需的SGOD。在光学表面的质量很关键的应用中，可将抛光外表面146的最后步骤添加在该过程中。

图33说明另一种制作部分反射面阵列的方法。通过注模法或铸造制作两个相似的齿状透明模型(form)148。所需的涂层150施加在一个模型的适当表面上，然后该两个模型被粘合在一起产生所需的SGOD152。

图34说明图33中描述的用于制作部分反射面阵列方法的另一种变型。代替用涂层150来涂覆模型148，是将该涂层施加在一非常薄且柔软的聚合物片154上。该片被插入模型148之间，然后将其粘合在一产生所需的SGOD156。

图35说明制作一排部分反射面的又一种方法。一排透明平板158的表面被用所需的涂层160涂覆，然后这些平板被粘合在一起以产生立体模型162。接着通过切割、研磨和抛光从该立体模型切开一段164，以产生所需的SGOD166。

存在着输出光的均匀性并不是关键的情形。在那些情况下，代替涂覆反射面，可以在反射面间留出气隙，从而允许光通过菲涅耳反射从这些反射面耦合出去。然而在这种情形下，可能存在着输出强度均匀性的问题，但是这一问题可通过使用从相反方向照射的两个平板来解决。另一种可能的解决办法是用反射涂层涂覆相对的边缘和外表面。

如上所述，存在着在反射面上重要的是具有非均匀涂层的应用。图36说明达到这种要求的一种方法。两排不同的部分反射面被用上述任何一种方法或其它方法来制作，较低排168的反射率高于较高排170的。然后该两排反射面被粘合在一起，得到所需的SGOD172。

很显然，对于本领域的熟练人员，本发明并不限于前述说明实施例的细节，而且本发明可具体表现为其它特定的形式，只要其不脱离本发明的精神或基本属性。因此，当前的实施例在所有方面都应当被认为是说明性而非限定性的，本发明的范围是由所附权利要求书而不是由前述的说明来给出，故此，所有落入权利要求等同物含义和范围的变化都被包含在此。

Claims (42)

1.一种光学器具，包括：

一光传输基片；

用来通过全内反射将光耦合进所述基片内的光学装置；和

多个由所述基片承载的部分反射面，

其特征在于所述部分反射面彼此相互平行并且均不平行于所述基片的任何边缘。

2.依照权利要求1的光学器具，其中所述光学装置是一由所述基片承载的波反射面。

3.依照权利要求1的光学器具，其中所述多个部分反射面将由全内反射截获的光耦合出所述基片。

4.依照权利要求2的光学器具，还包括用来从读出波产生图像波的装置，其中所述读出波和图像波位于所述基片的同一侧。

5.依照权利要求2的光学器具，还包括用来从读出波产生图像波的装置，其中所述读出波位于所述基片的一侧，所述图像波位于所述基片的另一侧。

6.依照权利要求2的光学器具，还包括用来从读出波产生图像波的装置，其中所述读出波通过基片的一个边缘被耦合进所述基片。

7.依照权利要求1的光学器具，其中所述多个部分反射面的反射率是由获得均匀亮度的视场决定的。

8.依照权利要求1的光学器具，其中所述多个部分反射面的反射率是由获得具有预定亮度的视场决定的。

9.依照权利要求1的光学器具，其中所述每个部分反射面的反射率局部地变化，以获得具有预定亮度的视场。

10.依照权利要求1的光学器具，其中所述部分反射面之间的距离是由获得具有预定亮度的视场决定的。

11.依照权利要求1的光学器具，还包括由所述基片承载的第二多个部分反射面，所述第二多个部分反射面彼此平行并且不平行于所述基片的任何边缘，并且也不平行于所述第一多个部分反射面。

12.依照权利要求11的光学器具，其中所述第二多个部分反射面改变由全内反射耦合进所述基片中的光的传播方向。

13.依照权利要求11的光学器具，其中所述第二多个部分反射面的反射率是由获得具有均匀亮度的视场决定的。

14.依照权利要求11的光学器具，其中所述第二多个部分反射面的反射率是由获得具有预定亮度的视场决定的。

15.依照权利要求1的光学器具，其中所述基片是部分透明的，以允许其透明操作。

16.依照权利要求1的光学器具，还包括一附着于所述基片表面上的不透明层，用来阻挡来自外部景物光的进入。

17.依照权利要求1的光学器具，还包括一附着于所述基片表面上的可变透射率层，用来控制来自外部景物通过所述器具的光的亮度。

18.依照权利要求17的光学器具，其中所述可变透射率层的透射率根据外部景物的亮度被自动地确定。

19.依照权利要求2的光学器具，其中所述多个部分反射面将被截获波反射进入计算可到达观察者一只眼睛的方向。

20.依照权利要求2的光学器具，其中所述多个部分反射面将被截获波反射进入计算可到达观察者两只眼睛的方向。

21.依照权利要求20的光学器具，其中所述观察者的每只眼睛都仅能看到总视场的部分，且两只眼睛一起看到整个视场。

22.依照权利要求1的光学器具，所述器具组合相同图像的两个不同聚焦。

23.依照权利要求1的光学器具，所述器具组合外部景物的两个不同方面。

24.依照权利要求11的光学器具，其中所述两个多个部分反射面以这样一种方式嵌入所述基片中，使从所述基片射出光束的横向尺寸大于进入所述基片光束的横向尺寸。

25.依照权利要求24的器具，其中所述两个多个部分反射面的反射率被设定以获得具有均匀强度的输出波。

26.依照权利要求24的器具，其中所述两个多个部分反射面的反射率被设定以获得具有预定强度的输出波。

27.依照权利要求24的光学器具，还包括一虚拟视网膜显示光源。

28.依照权利要求1的光学器具，还包括一液晶显示(LCD)光源，以这样一种方式进行操作，以使所期望图像的傅立叶变换产生在所述LCD的平板上。

29.依照权利要求1的光学器具，还包括构成光源的一排发光二极管。

30.依照权利要求29的光学器具，其中所述光源通过基片的边缘被耦合进该基片。

31.依照权利要求1的光学器具，其中所述基片是由多个棱镜组成的。

32.依照权利要求1的光学器具，其中所述基片是由多个透明模型(form)组成的，该多个透明模型是通过注模工艺产生的。

33.依照权利要求1的光学器具，其中所述基片是由多个平行的透明平板组成的。

34.依照权利要求1的光学器具，其中所述部分反射面是由涂覆有光学涂层的柔软透明片组成的。

35.依照权利要求1的光学器具，还包括在所述部分反射面之间的气隙。

36.依照权利要求1的光学器具，其中所述基片的部分边缘或部分表面涂覆有光学涂层以生成反射面。

37.依照权利要求1的光学器具，还包括至少一个插入所述器具光路中的半波片。

38.依照权利要求1的光学器具，其中所述多个部分反射面的反射率被菲涅耳反射所影响。

39.依照权利要求1的光学器具，还包括位于所述光传输基片外的一排至少两个反射面。

40.依照权利要求1的光学器具，还包括组合在一起形成光学系统的几个不同基片。

41.依照权利要求1的光学器具，其中所述器具被嵌入眼镜框内。

42.依照权利要求1的光学器具，其中所述器具被嵌入便携式电话内。

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