CN211905857U - 近眼显示器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种近眼显示器，该近眼显示器包括：第一光学波导，第一光学波导具有伸长方向、至少一对平行面以及第一耦合输出机构；第二光学波导，第二光学波导具有输入孔径、一对平行面以及第二耦合输出机构；光学耦合部，光学耦合部位于第一光学波导与第二波导之间，光学耦合部至少包括：空气间隙，空气间隙构造成使得能够在第一波导内进行全内反射；和界面窗口，界面窗口包括透明光学元件，透明光学元件具有与第二光学波导的折射率基本相同的折射率；并且其中，界面窗口的至少一部分突出超出第二光学波导的输入孔径使得离开第一光学波导的不期望的光被防止进入第二光学波导。

Description

近眼显示器
技术领域
当前公开的主题涉及近眼显示器，并且更具体地，涉及具有中间界面窗口的近眼显示器。
背景技术
具有孔径的2D扩展的某些近眼显示器和平视显示器包括两个波导(或“光导”)部分。第一部分使孔径在一个维度上扩展，第二部分使孔径在正交维度上扩展。第一示例在美国专利7,643,214中描述，该专利采用了基于一对平行表面的波导以用于在每个维度上进行扩展。在PCT/IL2017/051028的图22A至图22B中(本文中重现为图2)示出了另一组示例，其中，进行第一维度的孔径扩展的波导具有相互正交的两对平行表面，所述两对平行表面通过四重的内部反射来引导图像光。该图描述了两个波导之间的各种界面配置。
为了维持第一波导内的全内反射，这些配置中的一些配置是基于波导之间的需要被密封的空气间隙的。在该文献的其余部分中，使用术语“空气间隙”来指空气或具有足够低折射率的任何其他材料以针对与视图的像场相对应的图像照射(illumination)的角度范围而在波导10内保持TIR。
两个波导必须机械组合并牢固地保持在观看者的前面。此外，波导之间的界面优选地具有良好限定的孔径，该孔径执行修整以便实现沿着波导的大致均匀的照射。
实用新型内容
根据当前公开的主题的一方面，提供了一种近眼显示器，包括：第一光学波导，第一光学波导具有伸长方向、至少一对平行面以及第一耦合输出机构；第二光学波导，第二光学波导具有输入孔径、具有一对平行面以及第二耦合输出机构；光学耦合部，光学耦合部位于第一光学波导与第二波导之间，光学耦合部至少包括：空气间隙，空气间隙构造成使得能够在第一波导进行全内反射；和界面窗口，界面窗口包括透明光学元件，透明光学元件具有与第二光学波导的折射率基本相同的折射率；以及至少一个光吸收元件；其中，界面窗口的至少一部分突出超出第二光学波导的输入孔径并用作用于所述至少一个光吸收元件的结构支撑部。
根据当前公开的主题的另一方面，提供了一种近眼显示器，该近眼显示器包括：第一光学波导，第一光学波导具有伸长方向、至少一对平行面以及第一耦合输出机构；第二光学波导，第二光学波导具有输入孔径、一对平行面以及第二耦合输出机构；光学耦合部，光学耦合部位于第一光学波导与第二波导之间，光学耦合部至少包括：空气间隙，空气间隙构造成使得能够在第一波导内进行全内反射；和界面窗口，界面窗口包括透明光学元件，透明光学元件具有与第二光学波导的折射率基本相同的折射率；并且其中，界面窗口的至少一部分突出超出第二光学波导的输入孔径，使得离开第一光学波导的不期望的光被防止进入第二光学波导。
根据一些方面，所述至少一个光吸收元件优选地沿与第三对平行面平行的方向在第二光学波导的一部分上延伸。
根据一些方面，所述至少一个光吸收元件包括挡板。
根据一些方面，所述至少一个光吸收元件封装第一光学波导。优选地，所述至少一个光吸收元件包括罩。优选地，罩封装第一光学波导，使得在第一光学波导的面与罩之间留有空气间隙。优选地，罩构造成防止灰尘和湿气进入空气间隙。
根据一些方面，所述至少一个光吸收元件包括封装第一光学波导的罩和在第二光学波导的一部分上延伸的挡板中的每一者。
根据一些方面，界面窗口在一个端部处是较厚的。优选地，界面窗口在一个端部或两个端部处涂覆有光吸收涂层。
根据一些方面，第二光学波导在第二光学波导的修整点处涂覆有反射涂层。
根据一些方面，第一耦合输出机构包括多个内部部分反射表面，所述多个内部部分反射表面至少部分地以与伸长方向成一倾斜角度地横过第一光学波导，或者第一耦合输出机构包括一个或更多个衍射元件。
根据一些方面，第二耦合输出机构包括多个部分反射表面，所述多个部分反射表面至少部分地以与第二光学波导的一对平行面成一倾斜角度地横过第二光学波导，或者第二耦合输出机构包括一个或更多个衍射元件。
附图说明
为了理解本实用新型并了解如何在实践中实现本实用新型，将参照附图通过非限制性示例来描述实施方式，在附图中：
图1A至图1B示出了根据现有技术的概括的光学孔径倍增器；
图2示出了根据现有技术的光学孔径倍增器的特定实施方式；
图3A至3B示出了根据现有技术的近眼显示器的示意图；
图4A至图4B示出了根据本实用新型的第一实施方式的近眼显示器的概括示意图；
图4C示出了根据本实用新型的第二实施方式的近眼显示器的概括示意图；
图5示出了根据本实用新型的第三实施方式的近眼显示器的概括示意图；以及
图6示出了根据本实用新型的第四实施方式的近眼显示器的概括示意图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本实用新型的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践当前公开的主题。在其他情况下，对公知的方法、过程、和部件不进行详细描述，以免使当前公开的主题变得模糊。
整个说明书中使用的术语“近眼显示器”应理解为包括需要图像扩大的其他形式的显示器，包括例如平视显示器。
通过参引并入本文中的PCT/IL2017/051028描述了在图1A至图1B中大体示出的光学孔径倍增器(optical aperture multiplier)的各种实施方式。光学孔径倍增器包括第一光学波导10，第一光学波导10具有在本文中任意地示出为与“x轴”相对应的伸长方向。第一光学波导10具有形成矩形横截面的第一对平行面12a、12b和第二对平行面14a、14b。根据本实用新型的某些特别优选的实施方式，在本文中被称为“小面”的多个内部部分反射表面40至少部分地以与伸长方向成一倾斜角度(即，既不平行也不垂直)地横过第一光学波导10。
光学孔径倍增器优选地还包括与第一光学波导10光学耦合的第二光学波导20，第二光学波导20具有形成平板型波导的第三对平行面22a、22b，即，其中波导20的其他两个尺寸至少比第三对平行面22a、22b之间的距离大一个数量级。同样在此，多个部分反射表面45优选地至少部分地以与第三对平行面成一倾斜角度地横过第二光学波导20。
波导之间的光学耦合部以及部分反射表面40、45的部署和构型为使得：当图像以初始传播方向30以与第一对平行面12a、12b和第二对平行面14a、14b两者倾斜的耦合角度耦合到第一光学波导10中时，图像沿着第一光学波导10通过四重内部反射(图像a1、a2、a3和a4)前进，其中，一部分图像强度在部分反射表面40处反射以便耦合到第二光学波导20中，然后在第二光学波导20内通过两重反射(图像b1、b2)传播，其中，一部分图像强度在部分反射表面45处反射，以便被从平行面中的一个平行面向外引导为由用户47的眼睛看到的可见图像c。
PCT/IL2017/051028进一步描述了光学孔径倍增器的特定实施方式，其中，如图2中所示，波导10相对于波导20倾斜。第一波导10可以通过使用中间透明楔形件730而相对于ID波导20以期望的倾斜度安装。该倾斜度选择成使得耦合来自波导10的一个图像(实线箭头)而不耦合来自波导10的另一图像(虚线箭头)。波导10相对于波导20的倾斜度可以根据波导的期望角度和在波导之间传播的图像来选择，并且可以采用透明楔形耦合棱镜730来减小相对于第二波导20的倾斜耦合表面的倾斜度。替代性地，第一波导10相对于第二波导20的期望的倾斜角度与第二波导耦合表面的角度相匹配，使得不需要中间耦合棱镜。
然而，在现有技术构型中，在某些情况下，光可以被反射回到波导10中，从而引起图像劣化，如在图示了根据现有技术的近眼显示器的概括示意图的图3A至图3B中示出的。在图3A中，光被耦合离开第一波导10、穿过空气间隙、穿过棱镜15并进入第二波导20中，其中，第一波导10例如为2D波导，第二波导20例如为1D波导。波导20的修整点21用作对不需要的光进行修整的孔径(通常定位在波导20的拐角处)。也就是说，撞击点21右侧的点的任何光射线都将反射离开波导20。
如图3A中图示的，平行光射线22a、22b和22c代表准直到无限远的图像的透射FOV中的单个点。射线22a在修整点21附近进入波导20并经由TIR传播通过波导20。射线22b反射离开波导20的面22b并在点21左侧的点处反射回来并经由TIR继续传播通过波导20。然而，也反射离开面22b的射线22c撞击点21右侧的点并因此经由棱镜15离开波导20。
图3B图示了近眼显示器的替代性的现有技术构型，其中，波导的角度设计导致在波导10与20之间没有“楔形”棱镜。在这种情况下，射线22c可以以浅角度撞击在空气间隙面上并且因此作为不期望的光反射回到波导20中。这种不期望的光会导致图像劣化。
应指出的是，尽管图3A至图3B将波导10示出为具有两对平行面的2D波导，但是不期望的光进入波导20的问题在波导10为具有一对平行面的1D波导时同样适用，波导10比如为在美国专利7,643,214(特别地参见例如图10至图15、图17、图18和图20)中所描述的波导，该美国专利通过参引并入本文中。
现在转至本实用新型，提供了一种近眼显示器，该近眼显示器在现有技术的近眼显示器上有所改进。图4A至图4B图示了根据当前公开的主题的某些实施方式的近眼显示器的概括示意图。根据本实用新型的一个实施方式，近眼显示器包括第一光学波导10、第二光学波导20以及位于波导10与波导20之间的由空气间隙29和中间界面窗口30构成的光学耦合部。
如现有技术中那样，波导10具有伸长方向、至少一对平行面12a、12b以及耦合输出机构40。在一些实施方式中，波导10可以具有两对平行面12a、12b、14a、14b。在一些实施方式中，并且如图1B所示，耦合输出机构40可以是例如至少部分地以与伸长方向成一倾斜角度地横过波导10的多个内部部分反射表面。在其他实施方式中，耦合输出机构可以是例如一个或更多个衍射元件。在一些实施方式中，波导10的除了输出表面之外的面可以涂覆有反射涂层。
另外，如现有技术中那样，波导20具有一对平行面22a、22b和耦合输出机构45，耦合输出机构45比如为至少部分地以与所述一对平行面成一倾斜角度地横过波导20的多个部分反射表面或者例如为一个或更多个衍射元件。优选地，波导10比波导20略宽。
如上面详述的，波导10与20之间的光学耦合部包括空气间隙29和界面窗口30。界面窗口优选地由折射率与波导20的折射率基本上相同的透明光学元件制成。“基本上相同”的折射率是指光射线应该能够基本上完整地、即没有重定向地穿过界面30与波导20之间的边界。
界面窗口30优选地与第二波导20的整个输入孔径(aperture)重叠并且在某些优选情况下如图4A至图4B中那样突出超出该孔径，由此使得射线22c能够反射离开近眼显示器而不进入波导20。另外，如下面将参照图5至图6详述的，在某些优选实施方式中，界面窗口的突出超出波导20的输入孔径的部分可以另外用作近眼显示器的附加部件的结构支撑部。
界面窗口30的最小厚度应设定为使得没有TIR——TIR在整个透射像场中于空气间隙的窗口侧产生——能够返回至波导20并通过窗口30侧离开。最大限度地，窗口的厚度优选地小于波导20自身的在波导的主平行面之间测量时的厚度。小的空气间隙优选地维持用于使光在第一波导10内传播的TIR状态。该间隙可以有利地通过经由第一波导10的端表面、即如图所示的图的“进入页面”的维度借助于任何适合的支承结构或粘合剂安装第一波导10来保持。
根据本实用新型的另一实施方式，界面窗口30可以在一个端部处较厚，如图4B中所示的。例如，这可能在近眼显示器的设计要求波导10与波导20之间有较小角度的情况下是必要的。
图4C图示了近眼显示器的另一实施方式，该近眼显示器包括第一1D波导1000、第二光学波导20以及位于波导1000与波导20之间的由空气间隙29和中间界面窗口30构成的光学耦合部。在该实施方式中，波导1000是具有用于经由TIR传播光射线的一对平行面12a、12b的1D波导，比如在美国专利7,643,214(特别是图10至图15、图17、图18和图20中所示的实施方式)中公开的波导。与波导10类似，波导1000具有伸长方向和耦合输出机构，该耦合输出机构可以是例如至少部分地以与伸长方向成一倾斜角度地横过波导1000的多个内部部分反射表面，或者是一个或更多个衍射元件。
优选地，在这种情况下，波导1000的端部(即，垂直于一对平行面21、12b的面)涂覆有光吸收涂层1002或至少向外透射的涂层，以防止外界光进入波导。优选地，界面窗口在其端部处也涂覆有涂层1002。
图5中示出了本实用新型的另一实施方式，其中，界面窗口30还用作用于将一个或更多个附加部件固定至近眼显示器的基座。在该实施方式中，近眼显示器包括至少一个光吸收元件、比如固定至界面窗口30的罩35和/或挡板36，并且该近眼显示器与现有技术的近眼显示器相比提供了额外的优点，如下面将进一步详述的。应指出的是，尽管图5示出了具有罩35和挡板36两者的近眼显示器，但是近眼显示器实际上可以包括仅罩35、仅挡板36或罩35和挡板36两者。
挡板36构造成防止散射光向外辐射并防止环境光被耦合。挡板36优选地在波导20的一部分上延伸，并且最优选地沿平行于平行面22a、22b的方向延伸。
罩35封装波导10且同时优选地在罩与波导10的面之间留出空气间隙，以保持TIR状态。该罩防止环境光穿过波导10到达波导20上而导致图像劣化。优选地，罩构造成还防止灰尘和湿气进入空气间隙，灰尘和湿气进入空气间隙将干扰图像传输。
如上面详述的，本实用新型的近眼显示器在某些情况下可以包括罩35和挡板36两者，在这种情况下，这两个元件出于描述的目的被统称为光吸收元件。
界面窗口30的端部部分34a、34b不用于光学透射或反射(TIR)，并且因此可以用于固定光吸收元件，比如封装罩35和/或挡板36。
优选地，窗口30在其端面上涂覆有光吸收涂层37，以进一步提高图像透射率。
在一些实施方式中，为了提高修整点21的光学质量，如在PCT专利申请No.WO2018/087756中描述的那样在波导20的位于修整点21处的面上涂覆反射涂层39。
图6中示出了本实用新型的另一实施方式，其中，界面窗口相对于波导20和/或波导10不倾斜，并且界面窗口仅用作用于将附加部件固定至近眼显示器的基座，附加部件比如为罩35和/或挡板36。
应理解的是，本实用新型的应用不限于本文中所包含的说明书中所阐述的或附图中所示出的细节。本实用新型可以是其他实施方式并且以多种方式实践且实现。因此，应理解的是，本文中使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被认为是限制性的。如此，本领域技术人员将理解的是，本公开所基于的概念能够容易地用作设计其他结构、方法和系统的基础，以实现当前公开的主题的多个目的。

Claims (17)

1.一种近眼显示器，包括：
第一光学波导，所述第一光学波导具有伸长方向、至少一对平行面以及第一耦合输出机构；
第二光学波导，所述第二光学波导具有输入孔径、具有一对平行面以及第二耦合输出机构；
光学耦合部，所述光学耦合部位于所述第一光学波导与所述第二光学波导之间，所述光学耦合部至少包括：空气间隙，所述空气间隙构造成使得能够在所述第一光学波导内进行全内反射；和界面窗口，所述界面窗口包括透明光学元件，所述透明光学元件具有与所述第二光学波导的折射率基本相同的折射率；以及
至少一个光吸收元件；
其特征在于，所述界面窗口的至少一部分突出超出所述第二光学波导的所述输入孔径并用作用于所述至少一个光吸收元件的结构支撑部。
2.根据权利要求1所述的近眼显示器，其特征在于，所述至少一个光吸收元件在所述第二光学波导的一部分上延伸。
3.根据权利要求2所述的近眼显示器，其特征在于，所述至少一个光吸收元件沿与第三对平行面平行的方向在所述第二光学波导的一部分上延伸。
4.根据权利要求2所述的近眼显示器，其特征在于，所述至少一个光吸收元件包括挡板。
5.根据权利要求1所述的近眼显示器，其特征在于，所述至少一个光吸收元件封装所述第一光学波导。
6.根据权利要求5所述的近眼显示器，其特征在于，所述至少一个光吸收元件包括罩。
7.根据权利要求6所述的近眼显示器，其特征在于，所述罩封装所述第一光学波导，使得在所述第一光学波导的面与所述罩之间留有空气间隙。
8.根据权利要求7所述的近眼显示器，其特征在于，所述罩构造成防止灰尘和湿气进入所述空气间隙。
9.根据权利要求1所述的近眼显示器，其特征在于，所述至少一个光吸收元件包括封装所述第一光学波导的罩和在所述第二光学波导的一部分上延伸的挡板中的每一者。
10.根据权利要求1所述的近眼显示器，其特征在于，所述界面窗口在一个端部处是较厚的。
11.根据权利要求1所述的近眼显示器，其特征在于，所述界面窗口在一个端部或两个端部处涂覆有光吸收涂层。
12.根据权利要求1所述的近眼显示器，其特征在于，所述第二光学波导在所述第二光学波导的修整点处涂覆有反射涂层。
13.根据权利要求1所述的近眼显示器，其特征在于，所述第一耦合输出机构包括多个内部部分反射表面，所述多个内部部分反射表面至少部分地以与所述伸长方向成一倾斜角度地横过所述第一光学波导。
14.根据权利要求1所述的近眼显示器，其特征在于，所述第一耦合输出机构包括一个或更多个衍射元件。
15.根据权利要求1所述的近眼显示器，其特征在于，所述第二耦合输出机构包括多个部分反射表面，所述多个部分反射表面至少部分地以与所述第二光学波导的所述一对平行面成一倾斜角度地横过所述第二光学波导。
16.根据权利要求1所述的近眼显示器，其特征在于，所述第二耦合输出机构包括一个或更多个衍射元件。
17.一种近眼显示器，包括：
第一光学波导，所述第一光学波导具有伸长方向、至少一对平行面以及第一耦合输出机构；
第二光学波导，所述第二光学波导具有输入孔径、一对平行面以及第二耦合输出机构；
光学耦合部，所述光学耦合部位于所述第一光学波导与所述第二光学波导之间，所述光学耦合部至少包括：空气间隙，所述空气间隙构造成使得能够在所述第一光学波导内进行全内反射；和界面窗口，所述界面窗口包括透明光学元件，所述透明光学元件具有与所述第二光学波导的折射率基本相同的折射率；并且
其特征在于，所述界面窗口的至少一部分突出超出所述第二光学波导的输入孔径，使得离开第一光学波导的不期望的光被防止进入所述第二光学波导。
CN201921941596.XU 2018-11-11 2019-11-11 近眼显示器 Active CN211905857U (zh)

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