RU2793070C2

RU2793070C2 - Optical system containing a light guide optical element with partially reflective inner surfaces

Info

Publication number: RU2793070C2
Application number: RU2020142142A
Authority: RU
Inventors: Эйтан РОНЕН
Original assignee: Лумус Лтд.
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2023-03-28

Abstract

FIELD: optical system.

SUBSTANCE: optical system comprises a light guide optical element (LOE) having a pair of parallel primary outer surfaces; and a plurality of mutually parallel reflective surfaces within said LOE that are inclined at an angle with respect to said primary outer surfaces. At least one of said reflective surfaces is highly reflective for angles of incidence greater than 60 degrees relative to the normal, and partially reflective for angles of incidence less than 35 degrees relative to the normal; wherein said plurality of mutually parallel reflective surfaces within said LOE also comprises a reflective guide surface forming at least a part of the input device and having a high reflectivity for angles of incidence greater than 60 degrees relative to the normal and a reflectivity of at least about 66% for angles of incidence less than 35 degrees from the normal.

EFFECT: increase in the uniformity of the output image intensity over the entire output aperture.

10 cl, 8 dwg

Description

Область и предшествующий уровень техники изобретенияField and prior art of the invention

Настоящее изобретение имеет отношение к оптическим системам для использования в проекционных дисплеях и, в частности, рассматривает оптическую систему с применением световодного оптического элемента (LOE) с частично отражающими внутренними поверхностями.The present invention relates to optical systems for use in projection displays and in particular contemplates an optical system using a light guide optical element (LOE) with partially reflective inner surfaces.

В различных дисплеях, в частности, проекционных дисплеях (HUD) и окулярных дисплеях для дополненной или виртуальной реальности, используются световодные оптические элементы (LOE) с парой параллельных основных внешних поверхностей для передачи коллимированного изображения, распространяющегося внутри LOE вследствие внутреннего отражения. Изображение постепенно выводится из LOE обычно или непосредственно в направлении глаза, или в другой LOE, передающий изображение в глаз. В одном классе подобных устройств вывод изображения с LOE достигается с использованием набора взаимно параллельных частично отражающих поверхностей внутри LOE, размещенных наклонно относительно основных внешних поверхностей LOE. Постепенный вывод по ряду частично отражающих поверхностей приводит к умножению оптической апертуры, выведенной в LOE.Various displays, particularly head-up displays (HUDs) and ocular displays for augmented or virtual reality, use light guide optical elements (LOE) with a pair of parallel primary outer surfaces to convey a collimated image propagating within the LOE due to internal reflection. The image is progressively output from the LOE, usually either directly towards the eye, or to another LOE that transmits the image to the eye. In one class of such devices, imaging from the LOE is achieved using a set of mutually parallel partially reflective surfaces within the LOE placed obliquely with respect to the major outer surfaces of the LOE. Gradual inference over a number of partially reflective surfaces results in a multiplication of the optical aperture derived in LOE.

Традиционные LOE устанавливают жесткие требования в отношении отражающей способности частично отражающих поверхностей в зависимости от угла падения, обычно с требованием высокой передачи (почти полной передачи) подсветки изображения в заданных диапазонах углов и частичного отражения под другими углами относительно плоскости граней. На практике достичь практически полной передачи затруднительно. На фиг. 1А и фиг. 1В упрощенно изображен один типичный пример, в котором LOE 10 с параллельными основными поверхностями 12, 14 содержит набор частично отражающих поверхностей 16 (также называемых здесь взаимозаменяемо "гранями"). Типовой луч света 18 под углом, соответствующим заданному пикселю изображения, генерируемого из заданного места во входной оптической апертуре (не показано), распространяется вдоль LOE вследствие внутреннего отражения на поверхностях 12 и 14.Traditional LOEs place stringent requirements on the reflectivity of partially reflective surfaces depending on the angle of incidence, typically requiring high transmission (near full transmission) of image illumination at given ranges of angles and partial reflection at other angles relative to the plane of the facets. In practice, it is difficult to achieve almost complete transmission. In FIG. 1A and FIG. 1B illustrates one exemplary example in a simplified manner, in which an LOE 10 with parallel major surfaces 12, 14 comprises a set of partially reflective surfaces 16 (also referred to interchangeably herein as "edges"). A typical beam of light 18 at an angle corresponding to a given image pixel generated from a given location in the entrance optical aperture (not shown) propagates along the LOE due to internal reflection on surfaces 12 and 14.

В обычном применении подсветка изображения, изображенная лучом 18, распространяется под более крутым углом в направлении основных поверхностей 12, 14 по сравнению с углом частично отражающих поверхностей 16. В результате каждый луч 18 подсветки может пересекать конкретную грань 16 несколько раз. Например, на фиг. 1А и фиг. 1В луч 18, распространяясь слева направо, пересекает третью грань три раза в местах, обозначенных 1, 2 и 3, соответственно. В результате свет, отраженный и выходящий из точки 1 (обозначенной а на фиг. 1В), будет сильнее, чем отраженный и выходящий из точки 3 (обозначенной b), что приводит к неравномерности выходного изображения.In a typical application, the image illumination depicted by beam 18 propagates at a steeper angle towards the major surfaces 12, 14 compared to the angle of the partially reflective surfaces 16. As a result, each illumination beam 18 may intersect a particular facet 16 multiple times. For example, in FIG. 1A and FIG. 1B beam 18, propagating from left to right, intersects the third face three times at the locations labeled 1, 2, and 3, respectively. As a result, the light reflected and exiting from point 1 (labeled a in FIG. 1B) will be stronger than that reflected and exiting from point 3 (labeled b), resulting in uneven output image.

Кроме того, обычно требуется, чтобы грань была прозрачной (без отражения) для луча 18 под углом падения, показанном в точке 2, поскольку любое отражение в указанном месте (пунктирная стрелка) еще больше уменьшит яркость распространяющегося света, достигающего точки 3, и создаст "фантом" из-за подсветки, распространяющейся в неверном направлении, что может привести к смещению части изображения в конечном изображении. Это требование полной прозрачности (нулевого отражения) выполнить затруднительно, и его выполнение становится все более затруднительным по мере увеличения углов падения (AOI).Also, the facet is usually required to be transparent (no reflection) to beam 18 at the angle of incidence shown at point 2, since any reflection at the indicated location (dashed arrow) will further reduce the brightness of the propagating light reaching point 3 and create " phantom" due to backlight propagating in the wrong direction, which can cause part of the image to shift in the final image. This requirement of complete transparency (zero reflection) is difficult to meet and becomes increasingly difficult as the angles of incidence (AOI) increase.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Настоящее изобретение представляет собой оптическую систему, содержащую световодный оптический элемент (LOE) с внутренними отражающими поверхностями.The present invention is an optical system comprising a light guide optical element (LOE) with internal reflective surfaces.

В соответствии с принципами одного из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена оптическая система, содержащая: (а) световодный оптический элемент (LOE), имеющий пару параллельных основных внешних поверхностей; и (b) множество взаимно параллельных отражающих поверхностей внутри упомянутого LOE, при этом упомянутые отражающие поверхности наклонены под углом относительно упомянутых основных внешних поверхностей, при этом по меньшей мере одна из упомянутых отражающих поверхностей выполнена так, чтобы иметь высокую отражающую способность для углов падения больше чем 60 градусов относительно нормали и частичную отражающую способность для углов падения меньше чем 35 градусов к нормали.In accordance with the principles of one embodiment of the present invention, an optical system is provided, comprising: (a) a light guide optical element (LOE) having a pair of parallel primary outer surfaces; and (b) a plurality of mutually parallel reflective surfaces within said LOE, wherein said reflective surfaces are inclined at an angle relative to said major outer surfaces, wherein at least one of said reflective surfaces is configured to be highly reflective for angles of incidence greater than 60 degrees from normal and partial reflectivity for angles of incidence less than 35 degrees from normal.

В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутая высокая отражающая способность превышает 95% для углов падения больше чем 60 градусов.According to another aspect of one embodiment of the present invention, said high reflectivity is greater than 95% for angles of incidence greater than 60 degrees.

В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутая частичная отражающая способность составляет не более чем 50%.According to another aspect of one embodiment of the present invention, said partial reflectivity is not more than 50%.

В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый LOE содержит участок ввода, из которого вводная подсветка изображения распространяется вдоль LOE, и при этом упомянутая частичная отражающая способность изменяется между последовательными отражающими поверхностями так, чтобы по меньшей мере частично компенсировать уменьшение интенсивности упомянутой подсветки изображения, достигающей последовательных отражающих поверхностей.In accordance with another feature of one embodiment of the present invention, said LOE comprises an input portion from which the input image illumination propagates along the LOE, wherein said partial reflectivity varies between successive reflective surfaces so as to at least partially compensate for the reduction in intensity of said illumination. image reaching successive reflective surfaces.

В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутое множество взаимно параллельных отражающих поверхностей внутри упомянутого LOE также содержит отражающую поверхность ввода, образующую по меньшей мере часть устройства ввода, при этом упомянутая отражающая поверхность ввода имеет высокую отражающую способность для углов падения больше чем 60 градусов относительно нормали и отражающую способность по меньшей мере приблизительно 66% для углов падения меньше чем 35 градусов к нормали.According to another feature of one of the embodiments of the present invention, said plurality of mutually parallel reflective surfaces within said LOE also comprises a reflective input surface forming at least a part of the input device, said reflective input surface being highly reflective for angles of incidence greater than 60 degrees from normal and a reflectivity of at least about 66% for angles of incidence less than 35 degrees from normal.

В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутое множество отражающих поверхностей, включая упомянутую отражающую поверхность ввода, является частью симметричного расположения двух наборов взаимно параллельных отражающих поверхностей, включая две отражающие поверхности ввода, при этом упомянутые две отражающие поверхности ввода сходятся, образуя шевронное расположение ввода.In accordance with another feature of one embodiment of the present invention, said plurality of reflective surfaces, including said reflective input surface, is part of a symmetrical arrangement of two sets of mutually parallel reflective surfaces, including two reflective input surfaces, wherein said two reflective input surfaces converge to form a chevron pattern. input location.

В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения также предусмотрен проектор изображения, проецирующий коллимированное изображение, и при этом устройство ввода оптически вводит упомянутое коллимированное изображение в упомянутый LOE в качестве подсветки изображения первого порядка так, чтобы распространяться внутри упомянутого LOE вследствие внутреннего отражения на упомянутых основных гранях, причем подсветка изображения первого порядка охватывает первое угловое поле обзора, и упомянутое первое угловое поле обзора расположено под более крутыми углами относительно упомянутых основных поверхностей по сравнению с отражающими поверхностями.According to another aspect of one embodiment of the present invention, an image projector is also provided projecting a collimated image, wherein the input device optically inputs said collimated image into said LOE as first order image illumination so as to propagate within said LOE due to internal reflection on said primary faces, wherein the first order image illumination spans a first angular field of view, and said first angular field of view is located at steeper angles relative to said primary surfaces compared to reflective surfaces.

В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения по меньшей мере часть упомянутой подсветки изображения первого порядка, распространяющейся вдоль упомянутого LOE, передается и затем отражается одной из упомянутых отражающих поверхностей для получения подсветки изображения второго порядка, охватывающей второй сектор обзора под меньшими углами относительно упомянутых основных поверхностей по сравнению с упомянутыми отражающими поверхностями.In accordance with another feature of one embodiment of the present invention, at least a portion of said first order image illumination propagating along said LOE is transmitted and then reflected by one of said reflective surfaces to obtain a second order image illumination covering the second viewing sector at smaller angles relative to said base surfaces compared to said reflective surfaces.

В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутая подсветка изображения второго порядка отклоняется обратно к подсветке изображения первого порядка вследствие отражения в одной из последующих упомянутых отражающих поверхностей.According to another feature of one embodiment of the present invention, said second order image illumination is deflected back to first order image illumination due to reflection in one of said subsequent reflective surfaces.

В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутые отражающие поверхности наклонены под углом 20-26°, и предпочтительно под углом 23-25°, к упомянутым основным внешним поверхностям упомянутого LOE.According to another feature of one of the embodiments of the present invention, said reflective surfaces are inclined at an angle of 20-26°, and preferably at an angle of 23-25°, to said main outer surfaces of said LOE.

С целью определения углов падения луча на плоскость угол падения определен как угол между направлением луча и нормалью к плоскости, так что луч, перпендикулярный поверхности, имеет угол падения, равный 0°, а угол, приближающийся к 90°, представляет собой скользящее падение на поверхность. Если не указано иное, фраза "малые углы падения" означает углы 0-35°, а "большие углы падения" означает углы 60-90°.For the purpose of determining the angles of incidence of a ray onto a plane, the angle of incidence is defined as the angle between the direction of the ray and the normal to the plane, such that a ray perpendicular to the surface has an angle of incidence equal to 0°, and an angle approaching 90° is grazing incidence onto the surface. . Unless otherwise indicated, the phrase "small dip angles" means angles of 0-35°, and "large dip angles" means angles of 60-90°.

Термины "крутой" или "более крутой" используют для обозначения лучей с относительно малыми углами падения на плоскость, или для обозначения плоскости, наклоненной под относительно большим углом к исходной плоскости. И наоборот, термины "малый" или "меньший" используют для обозначения лучей с относительно большим углом, которые ближе к скользящему падению на поверхность, или для обозначения плоскости, наклоненной под относительно небольшим углом к исходной плоскости.The terms "steep" or "steeper" are used to denote rays with relatively small angles of incidence on a plane, or to denote a plane inclined at a relatively large angle to the original plane. Conversely, the terms "small" or "smaller" are used to denote rays with a relatively large angle that are closer to the grazing incidence on the surface, or to denote a plane inclined at a relatively small angle to the original plane.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Настоящее изобретение описано ниже исключительно как пример со ссылками на прилагаемые фигуры, при этом:The present invention is described below by way of example only, with reference to the accompanying figures, while:

фиг. 1А и фиг. 1В, рассмотренные выше, представляют собой упрощенные виды сбоку, на которых показана геометрия луча света, распространяющегося вдоль LOE, и набор наклонно ориентированных частично отражающих поверхностей внутри LOE, соответствующего определенным традиционным вариантам исполнения LOE;fig. 1A and FIG. 1B, discussed above, are simplified side views showing the geometry of a beam of light propagating along a LOE and a set of obliquely oriented partially reflective surfaces within a LOE corresponding to certain conventional LOE implementations;

Фиг. 2А, фиг. 2С, фиг. 2D и фиг. 2Е представляют собой упрощенные виды сбоку LOE, сконструированного и работающего в соответствии с принципами одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, на которых показаны различные траектории лучей для лучей изображения, распространяющихся вдоль LOE;Fig. 2A, fig. 2C, fig. 2D and FIG. 2E are simplified side views of a LOE constructed and operating in accordance with the principles of one embodiment of the present invention, showing different ray paths for image rays propagating along the LOE;

Фиг. 2В представляет собой увеличенный вид участка фиг. 2А, выделенного кружком с обозначением II; иFig. 2B is an enlarged view of a portion of FIG. 2A, circled with designation II; And

Фиг. 3 представляет собой упрощенное изображение оптической системы, использующей LOE, изображенный на фиг. 2А-2Е для получения окулярного дисплея.Fig. 3 is a simplified view of the optical system using the LOE shown in FIG. 2A-2E to obtain an ocular display.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретенияDescription of preferred embodiments of the invention

Настоящее изобретение представляет собой оптическую систему, содержащую световодный оптический элемент.The present invention is an optical system containing a light guide optical element.

Устройство и функционирование оптических систем в соответствии с настоящим изобретением могут быть лучше поняты со ссылкой на фигуры и сопроводительное описание.The design and operation of optical systems in accordance with the present invention can be better understood with reference to the figures and the accompanying description.

Фиг. 2А-2Е представляют собой упрощенные изображения базовой реализации части оптической системы, содержащей световодный оптический элемент (LOE) 100, имеющий пару параллельных основных внешних поверхностей 102 и 104. Множество взаимно параллельных отражающих поверхностей 106а, 106b и 106с развернуты внутри LOE 100, наклоненных под углом относительно основных внешних поверхностей 102 и 104.Fig. 2A-2E are simplified illustrations of a basic implementation of a portion of an optical system comprising a light guide optical element (LOE) 100 having a pair of parallel main outer surfaces 102 and 104. A plurality of mutually parallel reflective surfaces 106a, 106b and 106c are deployed within the LOE 100, inclined at an angle relative to the main outer surfaces 102 and 104.

Характерной особенностью некоторых особо предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения является то, что по меньшей мере одна из отражающих поверхностей 106b, 106с выполнена так, чтобы иметь высокую отражающую способность для углов падения больше чем 60 градусов относительно нормали и частичную отражающую способность для углов падения меньше чем 35 градусов к нормали. "Высокая отражающая способность" в этом контексте в общем случае означает отражающую способность больше чем 90%, и более предпочтительно означает отражающую способность, превышающую 95%. В некоторых особо предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения высокая отражающая способность, достигаемая для углов падения больше чем 60 градусов, превышает 98%, и наиболее предпочтительно близка к 100%. В отличие от описанных выше известных подходов в этом аспекте настоящего изобретения близкая к нулю отражающая способность отражающих поверхностей в любом из диапазонов углов падения не требуется. Это значительно упрощает реализацию многослойных диэлектрических покрытий или других отражающих покрытий, наносимых на отражающие поверхности.It is a feature of some particularly preferred embodiments of the present invention that at least one of the reflective surfaces 106b, 106c is configured to be highly reflective for angles of incidence greater than 60 degrees relative to normal and partially reflective for angles of incidence less than 35 degrees to normal. "High reflectivity" in this context generally means a reflectivity greater than 90%, and more preferably means a reflectivity greater than 95%. In some particularly preferred embodiments of the present invention, the high reflectivity achieved for angles of incidence greater than 60 degrees is greater than 98%, and most preferably close to 100%. In contrast to the prior art approaches described above, in this aspect of the present invention, near-zero reflectivity of reflective surfaces in any of the ranges of incidence angles is not required. This greatly simplifies the implementation of multilayer dielectric coatings or other reflective coatings applied to reflective surfaces.

Использование отражающих поверхностей с высокой отражающей способностью под большими углами создает отличительные траектории лучей, отличающиеся от траекторий известного уровня техники. В частности, в отношении траекторий лучей, изображенных на фиг. 2А и фиг. 2С-2Е, а также на увеличении на фиг. 2В, доставленное в LOE коллимированное изображение (представленное введенными лучами 108 в различных отдельных положениях поперек апертуры, обозначенных А, В, С, D и Е), вводится в LOE в качестве подсветки изображения первого порядка, представленного лучами изображения 110а и их сопряженными лучами изображения 110b, для распространения в пределах LOE 100 вследствие внутреннего отражения на главных гранях 102, 104. Все изображенные лучи А-Е являются параллельными, что в коллимированном изображении указывает на то, что все они соответствуют подсветке от одного пикселя введенного изображения, где общее поле обзора (FOV) вводного изображения, называемого здесь "подсветкой изображения первого порядка", охватывает первое угловое поле обзора. Этот первый сектор обзора направлен под более крутыми углами к основным поверхностям, чем отражающие поверхности 106а, 106b, 106с. В результате этого более крутого угла первого сектора обзора по меньшей мере часть подсветки изображения первого порядка, распространяющейся вдоль LOE, подвергается отражению под большим углом падения одной из отражающих поверхностей, отклоняя лучи 110а для получения подсветки изображения второго порядка, представленной лучом 112, охватывающей второй сектор обзора под меньшими углами к основным поверхностям 102, 104 по сравнению с отражающими поверхностями 106а, 106b, 106с. При падении луча 112 на следующую отражающую поверхность подсветка 112 изображения второго порядка отклоняется обратно к подсветке 110а изображения первого порядка вследствие отражения в одной из последующих отражающих поверхностей. При падении лучей 110b на отражающие поверхности это происходит под малыми углами (менее чем 35 градусов), что приводит к частичному отражению для вывода подсветки изображения в виде лучей 114, а также частичному пропусканию лучей 110b, которое переносит вперед часть интенсивности подсветки для дальнейшего вывода вдоль LOE.The use of highly reflective reflective surfaces at large angles creates distinctive ray paths that are different from those of the prior art. In particular, with respect to the ray paths depicted in FIG. 2A and FIG. 2C-2E, as well as a magnification in FIG. 2B, the collimated image delivered to the LOE (represented by the injected beams 108 at various distinct positions across the aperture, labeled A, B, C, D, and E) is injected into the LOE as a first-order image highlight, represented by the image beams 110a and their conjugate image beams. 110b for propagation within the LOE 100 due to internal reflection on the main faces 102, 104. All of the depicted beams A-E are parallel, which in the collimated image indicates that they all correspond to the illumination from one pixel of the entered image, where the total field of view (FOV) of the introductory image, referred to here as the "image illumination of the first order", covers the first angular field of view. This first field of view is directed at steeper angles to the main surfaces than the reflective surfaces 106a, 106b, 106c. As a result of this steeper angle of the first viewing sector, at least a portion of the first order image illumination propagating along the LOE is reflected at a high angle of incidence by one of the reflective surfaces, deflecting beams 110a to obtain a second order image illumination represented by beam 112 spanning the second sector. view at smaller angles to the main surfaces 102, 104 compared to the reflective surfaces 106a, 106b, 106c. As the beam 112 strikes the next reflective surface, the second order image illumination 112 is deflected back to the first order image illumination 110a due to reflection in one of the subsequent reflective surfaces. When beams 110b are incident on reflective surfaces, this occurs at low angles (less than 35 degrees), resulting in partial reflection to output image illumination as beams 114, as well as partial transmission of beams 110b, which brings forward some of the backlight intensity for further output along LOE.

В изображенном здесь неограничивающем примере ввод лучей 108 изображения достигается с использованием отражающей поверхности 106а, выполненной в виде отражающей поверхности ввода с высокой отражающей способностью для углов падения выше чем 60 градусов относительно нормали и отражающей способностью более чем 50%, обычно по меньшей мере приблизительно 66%, для углов падения менее чем 35 градусов к нормали. Таким образом, первое отражение на грани 106а вводит подсветку изображения в подсветку 110b изображения первого порядка. Лучи А и В, изображенные на фиг. 2А-2С, входят в область входной апертуры и под углом, приводящим к их повторному отражению от грани 106а, что приводит к получению подсветки 112 изображения второго порядка, которая преобразуется обратно в подсветку 110а изображения первого порядка на грани 106b. Затем эта подсветка изображения первого порядка отражается от основной поверхности 104, чтобы стать 106а, пересекающей грань 106b, с получением лучей 114 вывода вследствие частичного отражения. Лучи А и В продолжают распространяться вдоль LOE, также пересекая грань 106с, где происходит дальнейшее частичное отражение, и затем подвергаются дополнительному отражению под большим углом на грани 106с для повторения вышеописанного процесса. Поскольку отражающая способность отражающих поверхностей при больших углах высока, преобразование в подсветку изображения второго порядка и обратно происходит без существенных потерь энергии или получения фантомных изображений. Кроме того, использование отражающих поверхностей, расположенных под относительно малыми углами, способствует реализации относительно тонкого и легковесного LOE. Предпочтительный наклон отражающих поверхностей относительно основных поверхностей LOE составляет от 20-26°, и наиболее предпочтительный - 23-25°.In the non-limiting example depicted here, the input of image rays 108 is achieved using a reflective surface 106a configured as a reflective input surface with high reflectivity for angles of incidence greater than 60 degrees relative to the normal and a reflectivity greater than 50%, typically at least about 66%. , for angles of incidence less than 35 degrees from normal. Thus, the first reflection on the facet 106a introduces the image highlight into the first order image highlight 110b. Beams A and B, shown in Fig. 2A-2C enter the entrance aperture region and at an angle causing them to re-reflect from facet 106a resulting in second order image illumination 112 which is converted back to first order image illumination 110a at facet 106b. This first order image illumination is then reflected from the main surface 104 to become 106a intersecting the facet 106b to produce output rays 114 due to partial reflection. Beams A and B continue to propagate along the LOE, also crossing face 106c where further partial reflection occurs, and then undergoing additional high-angle reflection at face 106c to repeat the above process. Since the reflectivity of reflective surfaces is high at large angles, conversion to and from second-order image illumination occurs without significant power loss or ghost images. In addition, the use of reflective surfaces at relatively low angles contributes to the realization of a relatively thin and lightweight LOE. The preferred slope of the reflective surfaces relative to the main surfaces of the LOE is between 20-26°, and the most preferred is 23-25°.

Следует отметить, что различные лучи подвергаются вышеупомянутому преобразованию между подсветкой изображения первого и второго порядка в разных местах, а в некоторых случаях и не подвергаются вообще. Таким образом, на фиг. 2D показаны лучи С и D, которые подвергаются регулярному распространению подсветки изображения первого порядка между гранями 106а и 106b а затем подвергаются преобразованию в подсветку второго порядка путем отражения на задней поверхности второй отражающей поверхности 106b. На фиг. 2Е показан луч Е, для которого положение и угол вводного луча таковы, что луч остается в качестве подсветки изображения первого порядка на протяжении трех показанных здесь граней.It should be noted that different beams undergo the aforementioned transformation between first and second order image illumination at different locations, and in some cases not at all. Thus, in FIG. 2D shows beams C and D that are subjected to regular propagation of first order image illumination between facets 106a and 106b and then converted to second order illumination by reflection on the back surface of second reflective surface 106b. In FIG. 2E shows a beam E for which the position and angle of the lead-in beam are such that the beam remains as a first-order image illumination over the three faces shown here.

Эти различные отдельные типы оптических траекторий обеспечивают вывод подсветки изображения от LOE в диапазоне местоположений вдоль LOE и, как правило, взаимодействуют для получения в целом непрерывного общего выходного изображения в желаемой выходной области. Частичная отражающая способность отражающих поверхностей при малых углах предпочтительно варьируется между поверхностями для повышения однородности выходного изображения в соответствии со следующими принципами. Во-первых, при использовании первой грани 106а в качестве поверхности ввода отражающая способность для отражающей поверхности ввода предпочтительно составляет по меньшей мере 50%, и наиболее предпочтительно составляет примерно (1-1/n), где n - количество граней, если отражающая поверхность ввода не находится за пределами области, в которой требуется вывод, в случае чего можно использовать 100% отражатель.These various distinct types of optical paths provide image illumination output from the LOE at a range of locations along the LOE and generally cooperate to produce a generally continuous overall output image in the desired output region. The partial reflectivity of the reflective surfaces at small angles is preferably varied between the surfaces to improve the uniformity of the output image according to the following principles. First, when using the first facet 106a as the input surface, the reflectivity for the reflective input surface is preferably at least 50%, and most preferably about (1-1/n), where n is the number of facets if the reflective input surface is not outside the area where the output is required, in which case a 100% reflector can be used.

Частичная отражающая способность под малыми углами остальных граней предпочтительно составляет примерно 1/n, где n для каждой грани - это количество оставшихся граней, на которых требуется вывод, включая текущую грань. Таким образом, например, для случая 3-гранной реализации, как показано, оптимальные значения отражающей способности для граней при малых и больших углах будут следующими:The small angle partial reflectivity of the remaining faces is preferably about 1/n, where n for each face is the number of remaining faces on which output is required, including the current face. Thus, for example, for the case of a 3-faced implementation, as shown, the optimal reflectance values for the faces at small and large angles will be as follows:

и для 4-гранной реализации значения будут следующими:and for a 4-faced implementation, the values will be as follows:

Указанные выше свойства могут быть легко получены с помощью стандартных программных средств для проектирования многослойных покрытий, и фактически могут быть получены более равномерные и требующие меньшего количества слоев покрытия по сравнению с вышеупомянутыми традиционными конструкциями, требующими неотражающих свойств для определенных угловых диапазонов.The above properties can be easily obtained with standard multilayer coating design software, and in fact more uniform and requiring fewer layers of coatings can be obtained compared to the above conventional designs requiring non-reflective properties for certain angular ranges.

Приведенные выше иллюстративные значения отражающей способности пригодны для вариантов осуществления настоящего изобретения, в которых LOE используется для расширения в первом измерении оптической апертуры, служащей входом в другой LOE, находящийся напротив глаза, или для приложений виртуальной реальности. Для приложений, в которых LOE развертывается напротив глаза для приложений дополненной реальности, грань ввода развертывается вне поля обзора (или используется альтернативная конфигурация ввода), и предпочтительно большее количество граней с относительно низкой отражающей способностью при малых углах.The above illustrative reflectance values are suitable for embodiments of the present invention in which the LOE is used to expand in the first dimension of the optical aperture serving as an entrance to another LOE located opposite the eye, or for virtual reality applications. For applications where the LOE is deployed against the eye for augmented reality applications, the input edge is deployed out of view (or an alternative input configuration is used), and preferably more relatively low reflectivity edges at low angles.

На фиг. 3 упрощенно показана общая оптическая система 200, содержащая проектор 202 изображения, выполненный так, чтобы проецировать коллимированное изображение. Проектор 202 изображения показан здесь лишь упрощенно и может представлять собой проектор любого типа, проецирующий коллимированное изображение. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения проектор изображения содержит источник света, пространственный модулятор света (например, жидкий кристалл на кремнии "LCOS") и коллимирующую оптику. Эти компоненты могут предпочтительно располагаться на поверхностях ряда известных светорасщепляющих призм, например, кубов светоделителя поляризованного пучка (PBS), с отражающей коллимирующей оптикой.In FIG. 3 is a simplified view of a general optical system 200 including an image projector 202 configured to project a collimated image. The image projector 202 is shown here only in a simplified way and can be any type of projector projecting a collimated image. In some embodiments of the present invention, the image projector comprises a light source, a spatial light modulator (eg, liquid crystal on silicon "LCOS"), and collimating optics. These components may preferably be located on the surfaces of a number of known light splitting prisms, for example polarized beam splitter (PBS) cubes, with reflective collimating optics.

Устройство ввода, например, первые грани 106a, оптически вводит коллимированное изображение в LOE в качестве подсветки изображения первого порядка так, чтобы распространяться внутри LOE, с обменом между подсветкой изображения первого и второго порядка и прогрессивным выводом изображения, согласно вышеприведенному описанию. В одном особенно предпочтительном, но не ограничивающем, варианте осуществления настоящего изобретения, как показано здесь, набор отражающих поверхностей 106а, 106b и 106с является частью симметричного расположения двух наборов взаимно параллельных отражающих поверхностей 106а, 106b, 106с, 106a?, 106b? и 106с?, включая две отражающие поверхности ввода 106a и 106a?, которые сходятся, образуя шевронное расположение ввода.The input device, for example, the first edges 106a, optically inputs the collimated image into the LOE as the first order image illumination so as to propagate within the LOE, exchanging between the first and second order image illumination and progressive image output as described above. In one particularly preferred, but non-limiting, embodiment of the present invention, as shown here, a set of reflective surfaces 106a, 106b, and 106c are part of a symmetrical arrangement of two sets of mutually parallel reflective surfaces 106a, 106b, 106c, 106a?, 106b? and 106c?, including two reflective entry surfaces 106a and 106a? that converge to form a chevron entry arrangement.

Подсветка изображения вывода из LOE 100 показана здесь упрощенно с вводом в последующий LOE 204, который передает изображение напротив глаза наблюдателя и выводит его в направлении глаза наблюдателя. LOE 204 может быть выполнен с гранями 206, которые выполнены в соответствии с принципами настоящего изобретения, с высокой отражающей способностью под большими углами, или, иначе, может быть выполнен с применением традиционной технологии LOE, основанной на известных частично отражающих гранях и/или дифракционных оптических элементах для ввода и вывода.The illumination of the output image from LOE 100 is shown simplified here with input to a subsequent LOE 204 which transmits the image opposite the viewer's eye and outputs it towards the viewer's eye. LOE 204 can be made with facets 206 that are made in accordance with the principles of the present invention, highly reflective at high angles, or alternatively can be made using conventional LOE technology based on known partially reflective facets and/or diffractive optical elements for input and output.

Хотя ввод проецируемого изображения в LOE был приведен в этом описании в качестве примера отражающей поверхности ввода, следует понимать, что другие устройства ввода также могут быть полезно использованы. Дополнительные устройства включают, но без ограничения ими, различные виды призмы ввода, прикрепляемой к или выполненной как одно целое с одной из основных поверхностей и/или с боковой поверхностью LOE, обеспечивающей правильно наклоненную поверхность для прямого ввода проецируемого изображения в управляемый режим подсветки изображения первого порядка, а также различные устройства ввода на основе дифракционных оптических элементов.Although the input of the projected image into the LOE has been cited in this specification as an example of a reflective input surface, it should be understood that other input devices may also be usefully used. Additional devices include, but are not limited to, various types of input prism attached to or integral with one of the main surfaces and/or with the side surface of the LOE, providing a properly inclined surface for direct input of the projected image into a controlled first-order image illumination mode. , as well as various input devices based on diffractive optical elements.

Для дальнейшего повышения однородности интенсивности изображения вывода по всей выходной апертуре в комбинации с описанными выше функциями факультативно могут быть реализованы дополнительные функции. Согласно одному неограничивающему примеру одна или обе основные поверхности LOE изменены путем добавления пластины с параллельными поверхностями, оптически связанной с LOE, и с частично отражающей границей раздела между LOE и пластиной, полученной или введением граничного слоя из подходящего материала, или нанесением подходящих покрытий на одну или обе поверхности на границе раздела. Эта частично отражающая граница раздела служит в качестве "микшера", образующего перекрытие множества оптических траекторий, тем самым повышая однородность интенсивности изображения вывода по всей выходной апертуре LOE.To further improve the uniformity of output image intensity across the entire output aperture, additional functions can optionally be implemented in combination with the functions described above. According to one non-limiting example, one or both of the main surfaces of the LOE are modified by adding a plate with parallel surfaces, optically coupled to the LOE, and with a partially reflective interface between the LOE and the plate, obtained either by introducing a boundary layer of a suitable material, or by applying suitable coatings to one or both surfaces are at the interface. This partially reflective interface serves as a "mixer" forming an overlap of a plurality of optical paths, thereby improving the output image intensity uniformity across the entire exit aperture of the LOE.

Следует понимать, что приведенные выше описания предназначены только в качестве примеров, и что многие другие варианты осуществления настоящего изобретения возможны без выхода за пределы объема настоящего изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.It should be understood that the above descriptions are intended as examples only, and that many other embodiments of the present invention are possible without departing from the scope of the present invention, which is defined in the appended claims.

Claims

1. An optical system comprising:

(a) a light guide optical element (LOE) having a pair of parallel primary outer surfaces; And

(b) a plurality of mutually parallel reflective surfaces within said LOE, wherein said reflective surfaces are inclined at an angle relative to said major outer surfaces, wherein at least one of said reflective surfaces is configured to be highly reflective for angles of incidence greater than 60 degrees relative to the normal and partial reflectivity for angles of incidence less than 35 degrees relative to the normal; wherein said plurality of mutually parallel reflective surfaces within said LOE also comprises an introductory reflective surface forming at least a part of the input device, wherein said introductory reflective surface is highly reflective for angles of incidence greater than 60 degrees relative to the normal, and a reflectivity of at least about 66% for angles of incidence less than 35 degrees from normal.

2. Optical system according to claim 1, characterized in that said high reflectivity exceeds 95% for angles of incidence greater than 60 degrees.

3. Optical system according to claim 1 or 2, characterized in that said partial reflectivity is not more than 50%.

4. An optical system according to any one of the preceding claims, characterized in that said LOE comprises an input portion from which the input image illumination propagates along the LOE, wherein said partial reflectivity varies between successive reflective surfaces so as to at least partially compensate for the reduction the intensity of said image illumination reaching successive reflective surfaces.

5. An optical system according to claim 1, characterized in that said plurality of reflective surfaces, including said reflective input surface, is part of a symmetrical arrangement of two sets of mutually parallel reflective surfaces, including two reflective input surfaces, wherein said two reflective input surfaces converge, forming a chevron input arrangement.

6. An optical system according to any one of the preceding claims, further comprising an image projector projecting a collimated image, wherein the input device optically inputs said collimated image into said LOE as first order image illumination so as to propagate within said LOE due to internal reflection on said primary faces, wherein the first order image illumination spans a first angular field of view, and said first angular field of view is located at steeper angles relative to said primary surfaces compared to reflective surfaces.

7. An optical system according to claim 6, characterized in that at least a part of said first order image illumination propagating along said LOE is transmitted and then reflected by one of said reflective surfaces to obtain a second order image illumination covering a second field of view under smaller angles relative to said base surfaces compared to said reflective surfaces.

8. An optical system according to claim 7, characterized in that said second order image illumination is deflected back to the first order image illumination due to reflection in one of said subsequent reflective surfaces.

9. Optical system according to any one of the preceding claims, characterized in that said reflective surfaces are inclined at an angle of 20-26° to said main external surfaces of said LOE.

10. Optical system according to any one of the preceding claims, characterized in that said reflective surfaces are inclined at an angle of 23-25° to said main external surfaces of said LOE.