TW201602638A - 用於近眼式顯示器之小型化影像組合器 - Google Patents

用於近眼式顯示器之小型化影像組合器 Download PDF

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Abstract

一種近眼式顯示系統或類似者之影像組合器，亦稱為組合器光學器件，其透射足以讓使用者可在「現實視界」中看到遠端物體之光，同時亦反射足以讓該使用者可在「投射」(擴增)視界中同時看到投射影像之光。所揭示之影像組合器使用經組態成用以形成楔形反射空腔之兩個部分反射器。在該顯示系統中，來自成像裝置之光遵循通至使用者眼睛之路徑，該路徑在該楔形空腔中包括三次反射。該組合器光學器件藉由使用該楔形空腔的此種能力，相較於僅使用一個部分反射器且在該光徑中僅使用一次反射之組合器光學器件，可具有實質縮減之厚度、且較為小型化。

Description

用於近眼式顯示器之小型化影像組合器
本發明大致上係關於透鏡與相關光學組件，特別是應用於包括部分反射元件以允許同時觀視遠端物體與一投射影像之光學組件。本發明亦關於相關聯的物件、系統及方法。
光學分束器屬於已知技術。某些分束器係藉由將兩個稜鏡黏接在一起且兩者之間具有一反射薄膜而製成。請參照例如美國專利第7,329,006號(Aastuen等人)。透鏡亦屬已知。已知的透鏡包括複合透鏡，其中二或更多個單透鏡黏接在一起。美國專利第5,654,827號(Reichert)論述透鏡，在其中透鏡係藉由一分束器區分成兩個零件。
抬頭顯示器或頭戴式顯示器(在本文中統稱為HUD)可投射佔據使用者全部或部分視野的影像。某些HUD使用組合器光學器件(combiner optic)，其整合投影影像與外界環境之普通影像。在某些情況中，HUD是近眼式顯示器(Near-Eye Display,NED)，其可具有與眼鏡類似的形狀因數。請參照例如美國專利第6,353,503號(Spitzer等人)。
在近眼式顯示器與類似者中，該顯示系統使用至少一組合器光學器件，例如組合器透鏡，其藉由互相疊加，以光學方式組合現實視界與擴增(投射)視界。在該現實視界中，使用者透過該組合器光學器件看到遠距物體。在該擴增視界中，該使用者看到由小型投射器所產生並由該組合器光學器件反射到該使用者眼睛之影像。該系統較佳的是以高品質光學效能並且在穩固的封裝中組合該兩個視界。再者，該眼鏡希望為輕型且美觀。該組合器光學器件不僅可在該光學效能方面扮演重要角色，在該顯示系統之美感與重量方面也扮演重要角色。
我們已開發出一系列之組合器光學器件，例如組合器透鏡，其可按照組件尺寸提供該兩個疊加之視界，可將該組件尺寸的軸向尺寸(厚度)製作得相當小。可利用該縮減之厚度來縮減該組合器光學器件之體積且因此減輕重量，並且藉由提供薄型、時髦、「小型化(low profile)」的設計來增進系統美感。藉由該組合器光學器件之某些光學設計特徵來縮減厚度是有可能的。簡言之，該組合器光學器件使用形成楔形反射空腔之兩個部分反射器。產生該投射(擴增)視界之成像光遵循自該成像裝置至該使用者眼睛之路徑，並且該等部分反射器經組態成致使該光徑在該楔形反射空腔中包括三次反射。藉由在該反射空腔中運用該多次反射，該部分反射器可用更小的傾角定向，亦即，相較於單反射分束器所需的傾角，更加幾乎垂直於該組合器光學器件之縱軸或光軸，使得更薄的產品組態成為可能。所揭示的組合器 光學器件較不傾斜之設計特徵亦有助於該現實視界與該投射視界兩者之寬角度觀視。
因此，我們還在本文中描述許可同時觀視遠端物體與一投射影像之顯示系統，該系統包括組合器光學器件與成像裝置。該組合器光學器件具有近端及遠端，該近端適合置放於使用者眼睛之附近。該成像裝置經配置成用以將成像光導向該組合器光學器件之該近端。該組合器光學器件包括形成楔形反射空腔之第一與第二部分反射器，並且該成像光遵循通至該使用者眼睛之光徑，該光徑在該楔形反射空腔中包括三次反射。
該第一部分反射器可為或包括反射偏光器。該反射偏光器可經配置於該組合器光學器件之該近端處或附近，使得沿著該光徑傳播之該成像光在會遇該第二部分反射器之前會遇該反射偏光器。該反射偏光器可為或包括圓形反射偏光器。該反射偏光器可為或包括線性反射偏光器，並且該組合器光學器件可進一步包括設置於該等第一與第二部分反射器間之阻滯層。該阻滯層可具有實質為λ/4之阻滯性。該反射空腔中的三次反射可在該反射偏光器包括第一反射，並且在該第二部分反射器包括第一與第二反射。該阻滯層可具有快軸且該反射偏光器可具有通過軸，而且該快軸可相對於該通過軸定向，以致在該反射偏光器出現之該第一反射僅有少量或沒有該成像光透射通過該反射偏光器。
該組合器光學器件可包括相異之第一與第二透鏡，並且該第一透鏡可透過該第二部分反射器附接至該第二透鏡。該第一透鏡 可具有第一曲面，並且該第二透鏡可具有定形成與該第一曲面匹配之第二曲面。
該第二部分反射器可為或包括凹口反射器。該凹口反射器在自400nm至700nm之波長範圍內可包括至少一有區別之反射頻帶，該反射頻帶的半高全寬(FWHM)小於100奈米。該第二部分反射器可對於垂直入射具有對偏振狀態實質不靈敏之反射性。該第二部分反射器在自400nm至700nm之波長範圍內可無有區別之反射頻帶，該反射頻帶的半高全寬(FWHM)小於100奈米。該第一部分反射器對於範圍自25%至75%之該成像光可具有平均反射性，並且該第二部分反射器對於範圍自25%至75%之該成像光可具有平均反射性。
該反射偏光器可定義偏振之通過狀態與阻斷狀態，並且該反射偏光器之該阻斷狀態可提供凹口反射光譜，而且該成像光可包含對應於該凹口反射光譜之一或多個有區別之光譜輸出峰值。再者，該第二部分反射器可為或包括具有第二凹口反射光譜之凹口反射器，該第二凹口反射光譜對應於該反射偏光器之該阻斷狀態之該凹口反射光譜。
我們亦描述具有近端與遠端之組合器光學器件，此等組合器光學器件在該近端處或附近包括第一透鏡並在該遠端處或附近包括第二透鏡。第一與第二部分反射器可設置於該第一透鏡之對置端，該第一部分反射器係附接至該等第一透鏡之第一表面，並且該第二部分反射器係包夾於該等第一與第二透鏡之間。第一與第二部分反射器 可具有足以許可透過該組合器光學器件觀視遠端物體之光透射，並且該等第一與第二部分反射器可形成楔形反射空腔。
第一部分反射器可為或包括反射偏光器。第一部分反射器可為或包括線性反射偏光器，並且組合器光學器件亦可包括設置於該等第一與第二部分反射器間之阻滯層。第一與第二部分反射器所具有之反射性可經調適成使得導向該近端之成像光經由在該楔形反射空腔中包括三次反射之光徑，對設置於該近端附近之眼睛提供可觀視影像。
我們亦揭示將光自來源重導向至偵測器之光學器件(光學元件)。該光學器件包括配置成用以形成楔形反射空腔之反射偏光器及反射器。該光學器件亦在該反射偏光器與該反射器間包括阻滯層。該阻滯層係相對於該反射偏光器定向，使得透過該反射偏光器進入該楔形反射空腔之光，在該楔形反射空腔中經過三次反射之後，穿過該反射偏光器出射該楔形反射空腔。
該反射偏光器可為在可見波長光譜之大部分或全部範圍內運作之寬頻帶偏光器，或該反射偏光器反而可為或包括凹口反射器。在任一情況中，該反射偏光器在超過50%、或超過70%、或超過90%、或超過99%偏振之阻斷狀態下，對至少某些光皆可具有反射性。該阻滯層可具有實質為λ/4之阻滯性。該反射器可為部分反射器，該部分反射器所具有之光透射足以許可透過該楔形反射空腔並透過該光學器件光學檢測遠端物體，使得該光學器件為組合器光學器件。或者，該光學器件所具有之光透射可能不足以許可透過該楔形反 射空腔或透過該光學器件光學檢測遠端物體，使得該光學器件不為組合器光學器件。亦揭示併入此類光學器件之系統。該系統可包括將成像光導向該光學器件之該反射偏光器之成像裝置。該系統亦(或取而代之)可包括設置成用以接收穿過該反射偏光器出射該楔形反射空腔之光的偵測器。在某些情況中，該偵測器可為人眼，或其可替代地為或包括電子偵測器。
以下隨附的申請專利範圍及實施方式中可發現本發明之其他態樣。
亦論述相關方法、系統及物件。
從下文實施方式將可容易明白本申請案之此等及其他態樣。然而，以上發明內容絕不應該解讀為所主張標的之限制，該標的僅由所附申請專利範圍界定，其可在審查(prosecution)期間修正。
102‧‧‧左眼
103‧‧‧右眼
104‧‧‧遠端物體
105‧‧‧虛擬物件
106‧‧‧光
110‧‧‧顯示系統
112‧‧‧鏡框
120‧‧‧左組合器光學器件
120a‧‧‧第一光學表面
120b‧‧‧第二光學表面
120c‧‧‧周圍側表面
121‧‧‧縱軸
122‧‧‧光學體
124‧‧‧光學體
126‧‧‧部分反射器
128‧‧‧部分反射器
129‧‧‧楔形反射空腔
130‧‧‧左成像裝置
132‧‧‧成像光
140‧‧‧右組合器光學器件
140a‧‧‧第一光學表面
140b‧‧‧第二光學表面
140c‧‧‧周圍側表面
141‧‧‧縱軸或光軸
142‧‧‧光學體
144‧‧‧光學體
146‧‧‧部分反射器
148‧‧‧部分反射器
149‧‧‧楔形反射空腔
150‧‧‧右成像裝置
202‧‧‧使用者眼睛
205‧‧‧參考軸或平面
210‧‧‧顯示系統
220‧‧‧組合器光學器件
220a‧‧‧表面
221‧‧‧軸
222‧‧‧光學體
228‧‧‧部分反射器
230‧‧‧成像裝置
232‧‧‧光
235‧‧‧光徑
302‧‧‧使用者眼睛
305‧‧‧參考軸或平面
310‧‧‧顯示系統
320‧‧‧組合器光學器件
320a‧‧‧光學表面
321‧‧‧軸
322‧‧‧光學體
326‧‧‧部分反射器
328‧‧‧部分反射器
329‧‧‧楔形反射空腔
330‧‧‧成像裝置
332‧‧‧光
335‧‧‧光徑
420‧‧‧組合器光學器件
420a‧‧‧第一光學表面
420b‧‧‧第二光學表面
420c‧‧‧周圍側表面
421‧‧‧縱軸或光軸
422‧‧‧光學體(透鏡)
424‧‧‧光學體(透鏡)
426‧‧‧部分反射器
428‧‧‧部分反射器
428t1‧‧‧終端
428t2‧‧‧終端
429‧‧‧反射空腔
432‧‧‧代表射線
432b‧‧‧透射/折射部分
432c1‧‧‧射線
432c2‧‧‧透射線
432d1‧‧‧射線
432d2‧‧‧透射線
432e1‧‧‧射線
432e2‧‧‧透射線
432f‧‧‧射線
432g‧‧‧射線
432h‧‧‧射線
520‧‧‧組合器光學器件
520a‧‧‧第一光學表面
520b‧‧‧第二光學表面
520c‧‧‧周圍側表面
521‧‧‧縱軸或光軸
522‧‧‧相異之光學體(透鏡)
524‧‧‧相異之光學體(透鏡)
526‧‧‧部分反射器
527‧‧‧阻滯層
528‧‧‧部分反射器
528t1‧‧‧終端
528t2‧‧‧終端
529‧‧‧楔形反射空腔
532‧‧‧代表射線
532b‧‧‧透射/折射線
532c1‧‧‧射線
532c2‧‧‧透射線
532d‧‧‧反射線
532d1‧‧‧射線
532e1‧‧‧射線
532e2‧‧‧透射線
532f‧‧‧射線
532g‧‧‧雜散射線
532h‧‧‧雜散射線
620‧‧‧組合器光學器件
620a‧‧‧第一光學表面
620b‧‧‧第二光學表面
620c‧‧‧周圍側表面
621‧‧‧縱軸或光軸
622‧‧‧相異之光學體(透鏡)
624‧‧‧相異之光學體(透鏡)
625‧‧‧吸收層
626‧‧‧部分反射器
627‧‧‧四分之一波長阻滯層
628‧‧‧部分反射器
628t1‧‧‧終端
628t2‧‧‧終端
629‧‧‧楔形反射空腔
632‧‧‧成像光
632b‧‧‧成像光
632c1‧‧‧成像光
632c2‧‧‧成像光射線
632d‧‧‧成像光
632e1‧‧‧成像光
632e2‧‧‧成像光射線
632f‧‧‧成像光
632g‧‧‧成像光射線
710‧‧‧曲線
710a‧‧‧頻帶
710b‧‧‧頻帶
710c‧‧‧頻帶
a‧‧‧點
b‧‧‧點
c‧‧‧點
d‧‧‧點
e‧‧‧點
f‧‧‧點
g‧‧‧點
h‧‧‧點
θinc‧‧‧入射角
θtilt‧‧‧傾角
圖1是近眼式顯示系統之示意俯視圖，形式為眼鏡，其併入如本文中所述之左與右組合器光學器件，而圖1A與圖1B為顯示該眼鏡如何允許使用者分別看到現實視界與投射視界之示意圖；圖2A是顯示系統之示意側視或剖視圖，該組合器光學器件在該顯示器統中僅使用部分反射器，而圖2B顯示該系統自成像裝置至眼睛之光徑於該組合器僅具有一次反射；圖3A是顯示系統之示意側視或剖視圖，該組合器光學器件在該顯示系統中使用經組態為楔形反射空腔之兩個部分反射器，而圖3B 顯示該系統自成像裝置至眼睛之光徑於該反射空腔中具有三次反射；圖4是組合器光學器件之放大示意圖，該組合器光學器件具有經組態為楔形空腔之兩個部分反射器，所繪示的光線顯示自成像裝置至眼睛之光徑的一部分，還顯示產生雜散光束之成像光之反射及折射；圖5及圖6是具有經組態為楔形空腔之兩個部分反射器之附加組合器光學器件之放大示意圖，此等組合器光學器件亦包括用以減少雜散光束之附加元件；圖7是部分反射器之測得之光譜反射性之圖，該部分反射器與另一部分反射器經組合成為經製作並測試之組合器光學器件；圖8是所製作並測試之組合器光學器件之照片，該組合器光學器件係置放在一印刷表面上，以致可看到透射及反射之影像；以及圖9是該組合器光學器件以偏振之成像光照射並將該成像光反射到一表面上之照片。
圖式中，相似元件符號指代相似元件。
如上述，我們已開發組合器光學器件，其由於併入彼此相對傾斜以形成楔形反射空腔之兩個部分反射器，製作出的軸向尺寸或厚度視需要可小於習用之組合器光學器件。在形成投射視界時，來自顯示系統之成像裝置之光遵循通至使用者眼睛之一路徑，該路徑在該楔形反射空腔中包括三次反射。
請參照圖1，我們在其中看到顯示系統110之示意圖，其允許使用者同時感知現實視界與投射視界。為了易於描述，該系統110是在x-y-z直角坐標系之環境中顯示。該現實視界可與例如遠端物體104之實物相關聯。該投射視界是由左成像裝置130及右成像裝置150之一者或兩者所產生，並且可在該現實視界上疊加。該投射視界在圖中是以該投射光所形成之虛擬物件105代表。在某些例子中，可提供具有二或更多個不同相關聯虛擬物件之兩個不同投射視界，例如，左成像裝置130所提供之左投射視界及右成像裝置150所提供之右投射視界。提供的如果是相異之左與右投射視界，則其可為一或多個虛擬物件之左與右立體視界，從而對該使用者提供該(些)物體之3維外觀或錯覺。或者，該左與右投射視界可替代地為不同之無相關的虛擬物件之視界。在另外其他例子中，可省略成像裝置130、150之一者，使得該顯示系統110僅包括一個成像裝置，並且僅提供一個投射視界。
所揭示的顯示系統可製作成任何適當的式樣或型式，例如眼鏡(例如眼鏡)或頭戴物(例如帽子、頭盔、或帽舌(visor))，只要至少一組合器光學器件及其相關聯成像裝置係固持於定位或另定位或懸掛於使用者之眼睛附近便可。圖1說明的顯示系統110為眼鏡，正因為如此，其包括可藉由該使用者的耳朵與鼻子來支撐之適當的鏡框112。鏡框112分別貼近該使用者之左眼102及右眼103而將左組合器光學器件120及右組合器光學器件140固持於定位。該鏡框亦將左成像裝置130及右成像裝置150固持於其各別組合器光學器件 120、140附近，並且相對於其各別組合器光學器件120、140呈一合適的方位角。
組合器光學器件120具有對置的第一與第二光學表面120a、120b，其典型為曝露至空氣之最外層表面。第一光學表面120a位於該光學器件120之近端，適宜置放在使用者眼睛102附近。第二光學表面120b位於該光學器件120之遠端，背對使用者且向外朝向任一或多個可能存在的遠端物體。周圍側表面120c連接該第一光學表面120a與該第二光學表面120b。該組合器光學器件典型為包括二或多個相異之光學體，例如透鏡或稜鏡，其互相嵌合並黏結或另附接或粘貼在一起，以致該組合器光學器件的形式為單一光學模組或封裝。組合器光學器件120顯示為以位於該光學器件之近端之光學體122及位於該光學器件之遠端之另一光學體124製成。此等光學體之光學表面可為平面、非平面(例如彎曲)、或平面與非平面之組合，以主體122及124之例子為例，其各具有一平面光學表面及一彎曲光學表面。
本文中所揭示的光學體122、光學體124、以及其他光學體，如果其光學表面之至少一者為彎曲(例如外凸或內凹而不是平坦或平面)，則可視為透鏡。曲率可呈球面，亦即，曲率在實質上整個光學表面上可具有恆定的曲率半徑，或曲率可呈非球面而具有在光學表面上變動的曲率半徑，通常是以漸進且連續的方式變動。曲率提供光學體非零光學功率，例如，會聚透鏡的例子中光學功率為正，發散透鏡的例子中光學功率為負，除非兩個光學表面的曲率相同(在這種例子中，透鏡可具有零光學功率，並且可不會聚也不發散)。主體之光 學表面之曲率亦可存在於兩個正交的橫截平面，例如圖1之x-z平面及y-z平面，或其可僅存在於兩個正交的橫截平面之一，例如其可存在於x-z平面但不存在於y-z平面。
其對置的光學表面都為平面但彼此相對傾斜或歪斜之光學體在本文中可稱為稜鏡而不是透鏡。例如，請參照圖3。
給定的組合器光學器件可包括為透鏡及/或稜鏡之光學體。取決於該等光學體之光學表面為平面或彎曲，並取決於例如該等光學體之折射率等其他因素，組合器光學器件120可具有非零光學功率，例如其可對通過之光具有淨會聚效應或淨發散效應，或其可具有零或實質零之光學功率。亦注意該組合器光學器件所提供之光學功率對於現實視界相較於投射視界，由於此兩個視界所使用的光徑不同，可為且典型為不同。在組合器光學器件120的例子中，如果光學體122、124具有相同或類似的折射係數，並且光學表面120a、120b實質為平面，則光學器件120對於該現實視界可實質具有零光學功率，但如果顯示的部分反射器128為彎曲，其對於該投射視界可具有顯著的非零光學功率。
各組合器光學器件皆可定義一縱軸或光軸。該軸可經定義以重合於與其協作之眼睛之光軸。因此，在圖1中，當顯示系統110妥當定位於使用者之頭上或附近時，組合器光學器件120之縱軸121亦與該使用者之左眼102之光軸重合，並且組合器光學器件140之縱軸141與該使用者之右眼103之光軸重合。在許多例子中，一給定組合器光學器件之縱軸亦通過位於該光學器件近端與遠端之至少該 等光學表面，例如組合器光學器件120之光學表面120a、120b之幾何中心。該縱軸雖然可為與該組合器光學器件之一或某些光學表面(例如位於該光學器件之近端與遠端之對置的光學表面)有關之對稱軸，但其不可為(並且在許多例子中不為)其他光學表面之對稱軸(具體而言為嵌入該組合器光學器件中且與該組合器光學器件該兩個部分反射器之一相關聯之光學表面)。
就此而言，圖1之組合器光學器件120包括部分反射器126及部分反射器128。部分反射器128係嵌入組合器光學器件120中，並且是以與光學器件120之縱軸121不對稱之方式傾斜並彎曲。下文進一步論述該部分反射器的更多態樣及特徵。組合器光學器件中之兩個部分反射器之一或二者較佳的是以關於定義一楔形反射空腔之方式，相對於該縱軸傾斜，並且亦可彎曲。該空腔由於是設計成與該成像裝置協作而呈楔形，其與使用者眼睛分離並位於該使用者眼睛之一側，因而亦偏離該光學器件之縱軸。在組合器光學器件120的例子中，部分反射器126、128形成楔形反射空腔129。部分反射器126、128及空腔129經組態成致使該投射視界之成像光遵循自成像裝置130至使用者之左眼102之一路徑，該路徑在空腔129中包括三次反射。
現已論述左組合器光學器件120之各項部分及特徵。讀者將瞭解的是，右組合器光學器件140與左光學器件120可具有相同或實質類似的設計，差別在於其相對於光學器件120可具有一鏡像對稱，如圖1所示。因此，右組合器光學器件140具有位於光學器件140之近端與遠端之對置的第一與第二光學表面140a及140b、周圍側 表面140c、光學器件140近端處之光學體142及其遠端處之另一光學體144、縱軸或光軸141、以及形成楔形反射空腔149之部分反射器146、148，並且此等元件全都可與其在右組合器光學器件120之各別對應體相同或類似。
圖1A及圖1B是圖1之顯示系統在運作時之示意圖。圖1A顯示該系統如何操縱產生現實視界之光。圖1B顯示該系統如何操縱產生投射視界之光。在此等圖中，相似的參考符號係指圖1中相似的元件，且將不在這裡重複描述。
在圖1A中，來自一或多個遠端物體之光106自該(等)物體傳播至系統110之使用者。光106典型為可見光，但亦可為或包括不可見波長，例如紫外線及/或近紅外線。光106典型亦為非偏振，但在某些例子中，其可為弱偏振或甚至為強偏振。在一簡單的例子中，該光可為非偏振、寬頻帶白光，例如周圍陽光、日光、或從實體物體反射而來的辦公室照明。光106會遇組合器光學器件120、140之最外層光學表面120b、140b，於是光106藉由折射進入該各別組合器光學器件。除非在那些最外層光學表面提供抗反射塗層，否則對於簡單的空氣/介電質介面而言，根據眾所周知的菲涅耳(Fresnel)方程式，亦將於那些表面出現某些反射。就此而言，組成該組合器光學器件之光學體(例如光學器件120之光學體122與124及光學器件140之光學體142與144)可用任何適當的光透射光學材料製成，例如諸如聚碳酸酯之透光聚合物、諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)之丙烯酸酯、環聚烯烴共聚物及/或環聚烯烴聚合物、或聚矽氧、或諸如鈉鈣 玻璃、硼矽玻璃、矽石、或藍寶石之光學玻璃或陶瓷。此等材料的全部或大部分為介電質。一給定組合器光學器件之光學體，例如組合器光學器件120之主體122與124，典型是由相同或類似的光學材料構成，並且具有相同或類似的折射率。但在某些例子中，主體122、124可由實質不同的光學材料構成，並且可具有與某些材料組合物實質不同之折射率、或實質相同之折射率。各主體122、124之折射率典型為等向性而不是具有雙折射性。即使簡單的空氣/介電質介面反射某些光並透射剩餘者，此介面對於本申請案之目的而言，仍不視為「部分反射器」。對於以法線或近垂直入射角入射之光，光在此一介面之反射量典型亦相當小，例如小於8%、或小於6%、或小於5%。
為了方便起見，現請參照左組合器光學器件120，進入組合器光學器件之光106穿過光學體124(請參照圖1)傳播，直到其會遇部分反射器128為止。在本實施例中，該部分反射器128假定是包夾於主體122、124之匹配之曲面之間。在這裡，取決於光106的特性(例如波長、偏振、入射角)及部分反射器128的特性，可反射光106的一部分，而剩餘者係穿過該部分反射器128透射到光學體122內(請參照圖1)。舉例而言，如果部分反射器128為(光譜)凹口反射器且光106之一實質部分之波長避開該凹口反射器之該(等)反射頻帶、或如果該部分反射器為反射偏光器且光106之一實質部分具有與該反射偏光器所反射之偏振正交之一偏振，則光106在部分反射器128反射之該部分可為少部分或極小部分，例如小於10%、或小於5%。或者，光106之一更顯著的部分可在該部分反射器128反射，例 如高達20%、或高達30%、或高達40%。在許多例子中，部分反射器128之光吸收可為少量或可忽略，使得光106由部分反射器128透射的部分實質或近似等於100%減去光106由部分反射器128反射之量。然而，在某些例子中，例如在部分反射器128為或包括金屬蒸氣塗層的例子中，吸收作用可更顯著，使得反射比與透射比之和小於100%。
光106由部分反射器128透射的部分穿過光學體122(請參照圖1)傳播至部分反射器126。在本實施例中，部分反射器126是假定形成於光學體122之外層光學表面上、黏附至該外層光學表面、或另塗敷至該外層光學表面。取決於光106的特性及部分反射器126的特性(請參照以上關於部分反射器128的論述)，光106的一部分可在部分反射器126反射，而光106之剩餘者透射通過部分反射器126、離開組合器光學器件120，並且前進至使用者眼睛102。
圖1B顯示該顯示系統110在提供一投射視界予使用者方面如何運作。在以下的描述中，我們將著重系統110左半部的運作，並瞭解包括成像裝置150及右組合器光學器件140之右半部可按照實質相同或類似的方式運作。
成像裝置130可為或包含OLED顯示器、透射液晶顯示器、反射LC顯示器(例如，矽基液晶(LCoS)顯示器等)、或掃描式雷射裝置。在任一例子中，裝置130皆發射成像光132，該成像光在藉由組合器光學器件反射之後，可由使用者感知為一虛像。成像光132可為尋常的非偏振白光，或其可具有特殊的性質(例如光譜及/或 偏振性質)，其係調適成匹配或實質匹配部分反射器126、128之一或二者之光學特性以增進系統效率，例如，致使部分反射器126、128之一或二者對於成像光132提供更高的反射比，同時亦提供來自遠端物體之光之高透射比。因此，裝置130可發射偏光，而且部分反射器126、128之一或二者接著可調適成對於偏振狀態具有更高的反射比，並且對於該正交之偏振狀態之光具有更低的反射比(及更高的透射比)。替代地或附加地，裝置130可選擇性在一或多個窄頻帶中發射成像光(例如，其可僅發射一窄頻帶中之光，諸如光譜之紅色、綠色、或藍色區域等，或其可發射兩個或三個此類實質未重疊之窄頻帶中之光)，而且該(等)部分反射器接著可調適成僅在成像光132之該或該等窄頻帶中具有一高反射比。要重申前述，可藉由在該顯示系統的某些實施例中注意該等部分反射器之一或各者，對於該成像光132，皆可調適成比尋常的周圍光(例如非偏振、寬頻帶的白光)具有更高的反射比、以及更低的透射比，其典型可特徵化遠端物體所發射之光。
成像光132在離開成像裝置130時，遵循涉及與組合器光學器件120之相互作用並結束於使用者眼睛102之網膜之路徑，與光學器件120之相互作用在部分反射器126、128所形成之楔形反射空腔129中包括多次反射。成像光132在組合器光學器件120的近端會遇其最外層光學表面120a，部分反射器126係位於該近端(在圖1之實施例中)。光132之某些係於此反射，且一剩餘部分係藉由部分反射器126透射並藉由折射進入楔形反射空腔129。空腔129在本例中，實質上對應於光學體122。成像光132之透射/折射部分接著在反射空 腔129與光學體122內傳播，其一部分是先藉由部分反射器128反射，接著藉由部分反射器126反射，再來是藉由部分反射器128反射。光132在空腔129中經過第三反射(在部分反射器128的第二反射)之後，其路徑通往部分反射器126，其中該光的一部分經反射且該光的一部分經透射。經透射之光132在該點出射組合器光學器件120，並且沿著縱軸121前進至使用者眼睛102。圖中以示意方式顯示之成像光132之射線僅為成像裝置130所發射之一束射線之一，該射線之各者都遵循具有類似特性之路徑，尤其是都在反射空腔129中具有三次反射，此等射線的集合經組合以對使用者呈現一投射影像，其可在使用者之現實視界上疊加。
圖2A至圖2B及圖3A至圖3B示意說明光學顯示系統所提供之一優點，相較於僅使用一部分反射器、以及只有一次反射之系統，該光學顯示系統利用一楔形反射空腔以及在該投射影像之該光徑中的多次反射。圖2A至圖2B是為了比較或參考而提供，並且係關於組合器光學器件在其中僅具有一部分反射器並且僅使用一次反射之一顯示系統。圖3A至圖3B係關於一顯示系統，其中之組合器光學器件具有配置成用以形成楔形反射空腔之兩個部分反射器。簡言之，楔形反射空腔所提供之多次反射(圖3A)允許該部分反射器以更小的傾角定向，亦即與該比較系統(圖2A)中之該部分反射器比較，更加近乎垂直於該組合器光學器件之縱軸或光軸。該部分反射器之更小的傾角進而允許圖3A之組合器光學器件具有更小的縱向尺寸，亦即，相較於圖2A之組合器光學器件，其可製成更薄。
在圖2A中，顯示系統210包括組合器光學器件220，組合器光學器件220與成像裝置230組合，對使用者眼睛202提供投射影像。類似的是，在圖3A中，顯示系統310包括組合器光學器件320，組合器光學器件320與成像裝置330組合，對使用者眼睛302提供投射影像。此等圖中之組合器光學器件，可具有各別縱軸或光軸(圖2A中之軸221、圖3A中之軸321)，其在兩例子中，與該使用者眼睛之該光軸重合，平行於z軸。該成像裝置在各例子中，皆自使用者眼睛偏移，並且以特徵為相對於各別組合器光學器件之縱軸之入射角θinc的方向定向。為了易於比較，方位角θinc在圖2A及圖3A中都相同。
在圖2A中，成像光232是朝向組合器光學器件220，以夾角θinc自成像裝置230發射。成像光232會遇光學器件220之外層光學表面220a。外表面220a係假定為一簡單的空氣/介電質介面，並且係假定垂直於縱軸221。如此，光232之一小部分係反射成雜散光，而且剩餘者係透射並折射到光學體222內，例如稜鏡(或透鏡)。光學體222是圖2A之組合器光學器件220的一部分。透射、折射光232穿過光學體222傳播，並且在提供部分反射器228之主體222之遠端光學表面的位置反射。部分反射器228與光學表面係以相對於一參考軸或平面205之夾角θtilt傾斜，該參考軸或平面205係垂直於該組合器光學器件之縱軸221。傾角θtilt係經選擇以使光232在部分反射器228反射之部分係平行於縱軸221而導向至使用者眼睛202。圖2B示意說明成像光232在圖2A之系統中所遵循之光徑235。成像光 232在點a出射成像裝置230，在位於點b之表面220a折射，在位於點c之部分反射器228反射，自位於點d之組合器光學器件之表面220a射出，並且到達位於點e之使用者眼睛。在成像裝置230內出現的任何反射或折射皆可忽略，並且在我們對光徑235的分析中並不包括該反射或折射。
在圖3A中，成像光332是朝向組合器光學器件320，以夾角θinc自成像裝置330發射。繪示之夾角θinc與圖2A中之夾角θinc相同。再請參照圖3A，成像光332會遇光學器件320之外層光學表面320a。外表面320a係假定與部分反射器326重合，並且係假定垂直於縱軸321。如此，光332之某些係反射成雜散光，而且剩餘者係透射並折射到光學體322內，例如稜鏡(或透鏡)。光學體322是圖3A之組合器光學器件320之一部分，並且係假定具有與圖2A之光學體222相同之折射率，因而對於折射到該組合器光學器件之外層光學表面之光，產生相同的折射角。透射及折射光332穿過光學體322傳播，並且在提供另一部分反射器328之主體322之遠端光學表面反射。部分反射器328與光學表面係以相對於參考軸或平面305之夾角θtilt傾斜，該參考軸或平面305垂直於該組合器光學器件之縱軸321。部分反射器328、326因而形成楔形反射空腔329。在部分反射器328反射之光332行進至其他部分反射器326，光332之一部分係於此處反射回到部分反射器328，並且該光之一部分行進回到部分反射器326，該光有某些係於此處透射並出射組合器光學器件320。部分反射器328之傾角θtilt係經選擇，使得在空腔329中經過三次反射 之後出射組合器光學器件之光332之部分係平行於縱軸221而導向至使用者眼睛202。如藉由圖與圖之比較可看出的是，圖3A之傾角θtilt實質小於圖2A之傾角θtilt。這是因為在組合器光學器件320之楔形反射空腔中所經歷的三次反射。
就此而言，圖3B示意說明成像光332在圖3A之系統中所遵循之光徑335。成像光332在成像裝置330點a處出射，在部分反射器326(及光學表面320a)點b處折射，在部分反射器328點c處反射，在部分反射器326點d處反射，在部分反射器328點e處再次反射，在點f處自部分反射器326(及光學表面320a)射出，並且在點g處到達使用者眼睛。在成像裝置330內出現的任何反射或折射皆可忽略，並且在我們對光徑335的分析中並不包括該反射或折射。
圖4、圖5、以及圖6更詳細說明各項組合器光學器件實施例，其各包括經配置以形成楔形反射空腔之兩個部分反射器。在此等實施例之某些中，該系統之部分反射器及其他元件係經調適以減少或消去一或多條雜散光束。
在圖4中，組合器光學器件420是呈可在所揭示之顯示系統中使用之類型。光學器件420具有對置的第一與第二光學表面420a、420b。光學表面420a位於光學器件420之近端，適宜置放在使用者眼睛附近。光學表面420b位於光學器件420之遠端。周圍側表面420c連接第一與第二光學表面420a、420b。組合器光學器件420包括相異之光學體(透鏡)422、424，光學體(透鏡)422、424之彎 曲的光學表面實質互相嵌合，並且係黏結或另附接或粘貼在一起，但部分反射器係配置於兩者之間。組合器光學器件420定義縱軸或光軸421。當顯示系統(組合器光學器件420為其一部分)定位妥當時，軸421可與使用者眼睛之光軸重合。軸421亦可垂直於光學表面420a、420b，光學表面420a、420b可為平面並且互相平行。組合器光學器件420包括部分反射器426與部分反射器428。部分反射器428係嵌入組合器光學器件420中，包夾於光學體422、424之間，並且是以與縱軸421不對稱之一方式傾斜並彎曲。部分反射器428亦可具有終端，該終端圍繞周圍側表面420c完全擴延，請參照終端428t1、428t2。部分反射器426可附接至、塗敷至、或在位於光學器件420之近端處的主體422之該光學表面上形成。部分反射器426、以及其所附接至之光學表面可如圖示為平面並正交於縱軸421，或兩者可相對於該縱軸傾斜(非正交)，及/或兩者可為非平面，例如具有內凹或外凸曲率。在任一例子中，部分反射器426、428之一或二者係相對於縱軸傾斜，致使反射空腔429具有楔形組態。部分反射器426、428及空腔429係經設計以使投射視界之成像光遵循自成像裝置至使用者眼睛之路徑，該路徑在空腔429中包括三次反射。
一般來說，各式各樣的不同薄膜、層、以及類似元件都可用於在所揭示之顯示系統中形成反射空腔之部分反射器。基於尺寸、空間、及/或重量等實務上的理由，各部分反射器較佳的是皆具有薄型形狀因子，例如在單層薄膜或多層薄膜或薄膜組合的例子中，總厚度(舉例而言)可小於1mm、或小於0.5mm、或小於0.1mm，而 不是大型的光學組件。給定之部分反射器比簡單的介電質/空氣介面提供更大的反射比，但(結合其他部分反射器及該組合器光學器件之其他組件)未大到使部分反射器之透射比低到讓使用者不再可透過該組合器光學器件看到遠端物體。例如，一或兩部分反射器對於可見光、及/或對於由顯示系統之成像裝置所發射之成像光，可具有範圍自25%至75%之平均反射比。類似的是，一或兩部分反射器對於可見光、及/或對於由顯示系統之成像裝置所發射之成像光，可具有範圍自25%至75%之平均透射比。在許多例子中，部分反射器在關注的波長範圍內具有小或可忽略的吸收作用，使得部分反射器之反射比與透射比的和在任何給定的波長、偏振、以及入射角下都等於100%。在其他例子中，部分反射器之吸收作用可更加顯著，使得反射比與透射比的和在某些或全部關注的波長範圍內實質小於100%。
在某些例子中，給定之部分反射器之透射比與反射比根據光波長，可呈現少量變化或無變化，而且(對於法線或近垂直入射角)亦根據偏振，呈現少量變化或無變化。例如，鋁、銀、或其他適當的金屬或材料之簡單、薄型蒸氣塗層可塗敷至透明薄膜，或直接塗敷至透鏡、稜鏡、或組合器光學器件中其他光學體之光學表面，而且此蒸氣塗層在某些或全部可見波長範圍內可具有恆定、或實質恆定之反射比與透射比，並且(對於以法線或近法線角入射之光)係獨立、或實質獨立於偏振狀態。舉另一實例來說，某些多層光學薄膜，例如專利申請公開案美國第2010/0165660號(Weber等人)中論述的某些，可設計成用以提供反射比居間的寬反射頻帶(亦即部分反射，具 有互補、居間的透射比)，該反射比與透射比在中等波長範圍及入射角上，根據波長且根據偏振，係為實質恆定。多層光學薄膜可為用大量(例如數十、數百、或數千個)共擠壓之聚合物層所製成之聚合性薄膜，或可用高與低折射率無機材料之交替層製成(例如二氧化矽、二氧化鈦、以及其他已知的無機光學材料)，係在蒸氣塗布室中循序蒸鍍到載體薄膜或其他基材上。
在其他例子中，給定之部分反射器之透射比與反射比根據波長，可呈現顯著變化，但(對於法線或近垂直入射角)根據偏振，呈現少量變化或無變化。例如，藉由適當控制該些層在一聚合性或無機多層光學薄膜中之層厚度剖面，可產生一或多個有區別之反射頻帶，使得反射器在該(些)反射頻帶中提供中等至高的反射比，並且在其他波長提供低很多的反射比，具有互補之透射光譜(亦即，該(些)反射頻帶下中等至低的透射比、以及其他波長下，高很多的透射比)。此類光學薄膜在本文中稱為(光譜)凹口反射器，原因在於其反射或透射光譜因存在該(些)有區別的、孤立的反射頻帶而具有凹口或波峰外觀。製作出之給定之孤立的反射頻帶可相當窄，例如，如以半高全寬(FWHM)測得之反射頻帶之光譜寬可小於100奈米、或小於75奈米。這可與呈現少量或未呈現光譜變異性之部分反射器形成對比，該部分反射器可不具有FWHM小於100奈米之有區別的反射頻帶。
在其他例子中，給定之部分反射器之透射比與反射比根據波長，可呈現少量變化或無變化，但(對於法線或近垂直入射角) 根據偏振，呈現顯著變化。該部分反射器之實例包括寬頻帶反射偏光器，例如經設計以在大部分或全部可見波長光譜內運作之反射偏光器。反射偏光器對於偏振之阻斷狀態具有高、或較高之反射比，並且對於偏振之通過狀態具有低反射比(及高透射比)。在某些例子中，例如對於藉由拉伸來定向之某多層光學薄膜，阻斷與通過狀態為以物理方式彼此正交之線性偏振狀態。在其他例子中，例如利用某膽固醇狀光學薄膜，阻斷與通過狀態為圓形或橢圓偏振狀態，該等偏振狀態係以數學方式(非以物理方式)彼此正交。無論反射偏光薄膜是否經拉伸、為膽固醇狀、或其他狀態，其層厚度剖面可經調適致使根據關注的波長範圍內之波長，阻斷狀態之反射比可寬且較恆定、或至少變化緩慢。亦可藉由組合線性偏光器與經適當定向之阻滯層(例如標稱為四分之一波長(λ/4)之阻滯層)建構圓偏振狀態之反射偏光器。
在又其他例子中，給定之部分反射器之透射比與反射比根據波長與偏振兩者，可呈現顯著的變化。該部分反射器的實例包括定向之多層聚合物薄膜，該多層聚合物薄膜之雙折射層提供偏振變異性且其層厚度剖面係經調適以提供所欲之波長變異性，例如一或多個孤立的反射頻帶。此一薄膜可(例如)對於偏振之阻斷狀態提供凹口反射光譜，並且對於偏振之通過狀態提供少量或未提供反射(因此有高透射比)。薄膜若是當作具有成像裝置之所揭示之組合器光學器件中之部分反射器使用，該成像裝置發射之成像光在波長與偏振中與部分反射器實質匹配(例如，部分反射器對於阻斷偏振可具有凹口反射性，並且成像裝置可僅在與凹口反射器之該(些)反射頻帶對應之一 或多個光譜帶或一或多個峰值中才發射光，成像裝置之光亦在阻斷狀態中偏振)，則該薄膜對於非偏振周圍白光可具有出乎意外高的平均透射比，但對於成像裝置所發射之成像光亦具有高反射比。
包括上述在內之各種類型之部分反射器之組合皆可用在所揭示的顯示系統中。形成楔形反射空腔之兩個部分反射器都可呈相同的類型，例如，兩者在波長或偏振方面皆可呈現少量或未呈現變異性，或兩者皆可為凹口反射器及/或反射偏光器。或者，該兩個部分反射器皆可呈不同的類型。在某些例子中，部分反射器可經選擇以提升或最大化系統效率，例如對現實視界之周圍光提供高透射比，同時亦對投射視界之成像光提供高反射比。部分反射器亦可經選擇成以減少或消去雜散光束，該等雜散光束可能發射自組合器光學器件之近端及/或遠端。
請將我們的注意力轉回到圖4，我們可回顧其與成像裝置所提供之成像光有關之運作。成像裝置雖然未在圖4中顯示，但仍可適當相對於組合器光學器件定位且定向，例如圖1及圖3A所示。源自成像裝置之成像光之代表射線432藉由反射、折射、以及透射而與組合器光學器件420相互作用，然後沿著縱軸421進入使用者眼睛。射線432為成像光所組成之一束大量射線之一部分。射線432於點「a」(未在圖4中顯示，但請參照例如圖3B)處出射成像裝置，該射線遵循一路徑，其中於點b處會遇光學表面420a、以及部分反射器426。部分反射器426可呈簡單設計，例如鋁之單一蒸氣塗布層，或可為如上述任何其他適當的部分反射器。光432之某些是在這裡反射， 且剩餘部分是藉由部分反射器426透射並藉由折射進入楔形反射空腔429、以及光學體422。光432之透射/折射部分現標記為432b，其接著在反射空腔429與光學體422內傳播，該透射/折射部分之一部分是先在點c處藉由部分反射器428來反射(產生射線432c1)，接著是在點d處藉由部分反射器426來反射(產生射線432d1)，並且接著在點e處再次藉由部分反射器428反射(產生射線432e1)。在點c、d、以及e處之會遇一般來說亦可產生透射之射線432c2、432d2、432e2，如圖所示：射線432d2是由出自穿過部分反射器426之透射及出自組合器光學器件420之折射所產生；射線432c2與432e2分別於點g及h處穿過光學體424傳播至光學表面420b，並且於該處從組合器光學器件420折射到外圍空氣以分別提供射線432g、432h。射線432d2、432g、以及432h可視為外來或雜散之成像光束。在某些應用中，此類雜散光可整體被接收，並且對顯示系統之運作可不具有任何顯著的有害衝擊。在其他應用中，雜散光束之一或多者可為不良的或不可接受。
再轉而注意路徑始於成像裝置並止於使用者眼睛、且係經形成或有助於形成投射影像之光線，射線432e1是由於在部分反射器428之第二反射、以及在楔形反射空腔429中之第三反射而產生。射線432e1沿著縱軸421傳播，並且射線432e1之一部分是在點f處藉由部分反射器426透射以產生射線432f。射線432f接著進一步沿著縱軸421傳播，直到進入使用者的眼睛(未在圖4中顯示)以產生投射影像。
雜散光至少有某些可透過明智選擇部分反射器、成像光、以及某些例子中顯示系統之一或多個其他元件來減少或消去。圖5及圖6示意說明兩個此類實施例。
在圖5中，顯示的是適用於所揭示之近眼式顯示器系統之組合器光學器件520。光學器件520之組成部分有許多部分可與圖4之光學器件420之對應部分相同或類似。例如，組合器光學器件520因而具有對置的第一與第二光學表面520a、520b。光學表面520a位於光學器件520之近端，適宜置放在使用者眼睛附近。光學表面520b位於光學器件520之遠端。周圍側表面520c連接第一與第二光學表面520a、520b。組合器光學器件520包括相異之光學體(透鏡)522、524，光學體(透鏡)522、524可與圖4之對應主體相同。組合器光學器件520定義可與圖4所示相同之縱軸或光軸521。組合器光學器件520包括部分反射器526與部分反射器528。部分反射器528係嵌入於組合器光學器件520中、包夾於光學體522、524之間、並且以相對縱軸521不對稱之方式傾斜並彎曲，而且與另一部分反射器526形成楔形反射空腔529。部分反射器528亦可具有終端，該終端圍繞周圍側表面520c完全擴延，請參照終端528t1、528t2。部分反射器526係於光學器件520之近端，與阻滯層527組合附接至、塗敷至、或形成於主體522之光學表面上，如圖所示。在本例中，部分反射器526為線性反射偏光器(無論是否以光譜方式為寬頻帶或以光譜方式為窄頻帶(例如凹口))，並且阻滯層527實質為四分之一波長阻滯器(λ/4)，該四分之一波長阻滯器之面內快軸係相對於反射偏光器之切合 的面內軸(例如其通過軸或阻斷軸)定向，致使部分反射器526所透射之線性偏振成像光係藉由阻滯層527轉換成圓偏振成像光。換種方式來說，阻滯層527結合線性反射偏光器(部分反射器)526，反射一種旋向性(handedness)之圓偏振光(例如「順時針」或CW圓偏振狀態)，並且透射另一種旋向性之圓偏振光(例如「逆時針」或CCW圓偏振狀態)。部分反射器526、528及空腔529係經設計而使投射視界之成像光遵循自成像裝置至使用者眼睛之路徑，該路徑在空腔529中包括三次反射。提供阻滯層527與反射偏光器(部分反射器)526以減少或消去與圖4之射線432d2類同之雜散成像光束。
我們現在回顧組合器光學器件520與由成像裝置所提供之成像光有關之運作。源自成像裝置之成像光之代表射線532與組合器光學器件520相互作用，然後沿著縱軸521進入使用者眼睛。射線532是組成成像光之一束大量射線之一部分，並且該光(包括射線532)可為偏振或非偏振，但較佳的是，該光係經偏振以匹配反射偏光器(部分反射器526)之通過軸。射線532出射成像裝置之後，遵循射線532在點b處會遇光學表面520a、以及部分反射器526與阻滯層527之路徑。部分反射器526為線性反射偏光器，如上所述。在點b處，射線532中與反射偏光器通過狀態對應之線性偏振分量由反射偏光器526透射(因而進入反射空腔529)，而剩餘者(如果有的話)被反射。(注意，如果射線532是沿著反射偏光器526之通過軸而線性偏振，則在反射偏光器之阻斷狀態中將僅有射線532之少量或沒有分量，並且因而在點b處會僅有少量或沒有反射線。)一般而言，隨著 反射偏光器526所透射之線性偏振成像光於點b處進入反射空腔529，該線性偏振成像光通過阻滯層527，阻滯層527將透射/折射線532b轉換成圓偏振狀態，例如圖示之CW。射線532b接著跨反射空腔529傳播，射線532b之一部分先在點c處由部分反射器528反射(產生射線532c1)，接著在點d處由部分反射器526反射(產生射線532d1)，並且接著在點e處再次由部分反射器528反射(產生射線532e1)。一般來說，於點c及e處之會遇亦可產生如圖示之透射線532c2、532e2，透射線532c2、532e2分別於點g及h處穿過光學體524傳播至光學表面520b，並且於光學表面520b從該組合器光學器件520折射到周圍空氣中以分別提供雜散射線532g、532h。
於點d處實質避免透射光，因而避免與圖4之射線432d2類同之雜散射線。原因在於反射偏光器、阻滯層、以及其他部分反射器之組合作用。因而，當部分反射器528反射CW圓偏振射線532b時，典型出現π相移，該π相移將反射線532c1之CW偏振狀態轉換成「正交」CCW偏振狀態。偏振狀態實質由阻滯層527/反射偏光器526之結合於點d處完全反射，具有少量或不具有透射光。得以維持反射線532d之CCW偏振狀態，但該CCW偏振狀態於點e處再次逆轉成反射線532e1之CW。沿著縱軸521傳播之射線532e1具有CW偏振狀態，射線532e1係由阻滯層527/反射偏光器526之結合而於點f高度透射，因而產生射線532f。射線532f接著進一步沿著縱軸521傳播，直到進入使用者的眼睛以產生投射影像。
在圖5之替代實施例中，四分之一波長阻滯層527只要是介於部分反射器526、528之間，並且仍達成於點d處減少或消去雜散成像光的目標，便可定位於組合器光學器件520內的其他地方。
圖6之實施例可與圖5之實施例相同或類似，差別在於另一元件或另多個元件係新增至該組合器光學器件之遠端，用以減少或消去從組合器光學器件之該端射出之成像光之雜散射線之一。
組合器光學器件620之組成部分有許多部分可與圖5之光學器件520之對應部分相同或類似。例如，組合器光學器件620因而具有對置的第一與第二光學表面620a、620b。光學表面620a位於光學器件620之近端，適宜置放在使用者眼睛附近。光學表面620b位於光學器件620之遠端。周圍側表面620c連接第一與第二光學表面620a、620b。組合器光學器件620包括相異之光學體(透鏡)622、624，光學體(透鏡)622、624可與圖5之對應主體相同。組合器光學器件620定義可與圖5所示相同之縱軸或光軸621。組合器光學器件620包括部分反射器626與部分反射器628。部分反射器628係嵌入於組合器光學器件620中、包夾於光學體622、624之間、並且以其相對縱軸621不對稱之方式傾斜並彎曲，而且與另一部分反射器626形成楔形反射空腔629。部分反射器628亦可具有終端，該終端圍繞周圍側表面620c完全擴延，請參照終端628t1、628t2。部分反射器626係於光學器件620之近端，與一阻滯層627結合而附接至、塗敷至、或形成於該主體622之光學表面上，如圖所示。部分反射器626及阻滯層627可與圖5之對應元件實質相同；所以，部分反射器626 為線性(寬頻帶或窄頻帶)反射偏光器，並且阻滯層627為四分之一波長(λ/4)阻滯器。部分反射器626、628及空腔629係經設計而使投射視界之成像光遵循自成像裝置至使用者眼睛之路徑，該路徑在空腔629中包括三次反射。提供阻滯層627及反射偏光器(部分反射器)626是為了要以類似於圖5描述之方式，減少或消去與圖4之射線432d2類同之雜散成像光束。
成像光之射線632、632b、632c1、632d、632e1、及632f、以及成像光射線632c2、632e2、及632g、以及點b、c、d、e、f、g、及h全都可實質對應於其在圖5中之各別對應體，無需多加闡釋。然而，圖6之組合器光學器件620由於在吸收該成像光線之圓偏振狀態之一之光學器件之遠端新增薄膜或多個薄膜，因此有別於光學器件520。此薄膜或此等薄膜是在圖6中以吸收層625來表示。例如，吸收層625可為或包括層壓至另一四分之一波長(λ/4)阻滯薄膜之線性吸收偏振薄膜。薄膜組合若彼此相對妥當定向，則造成吸收層625吸收一圓偏振狀態(例如CCW)之成像光，並且透射正交圓偏振狀態(例如CW)之成像光。透射線632c2、632e2係呈對立的圓偏振狀態，透射線632c2相似射線632b為CW，而透射線632e2相似射線632d為CCW。如此，可用吸收層625減少或消去該雜散束之一，例如將另於點h自射線632e2射出者。
可在本揭露的範疇內進行許多調整，並且將瞭解與一實施例有關而描述之特徵及態樣亦適用於相關實施例。例如，類似於圖5之論述，四分之一波長阻滯層627只要是介於部分反射器626、628 之間，並且仍達成於點d處減少或消去雜散成像光的目標，便可在圖6之替代實施例中，定位於組合器光學器件620內的其他地方。在所揭示的實施例任一者中，例如與圖5或圖6有關所描述者，如果反射偏光器是當作部分反射器使用，則反射偏光器對於白光在偏振之阻斷狀態可具有超過99%、超過90%、超過70%、或超過約50%之反射比。在反射偏光器是當作部分反射器使用之任一例子中，其亦可以是或包含任何適當的反射偏光器，例如包括諸如雙折射反射偏光器之線性反射偏光器、線柵反射偏光器、光纖反射偏光器(fiber reflective polarizer)、或分散反射偏光器、或圓形反射偏光器，例如膽固醇狀反射偏光器。再者，所揭示的組合器光學器件可用於多種替代光學成像系統中。例如，在某些例子中，成像光可兼含可見光及不可見(例如紅外線或紫外線)光，而在其他例子中，成像光可包括紅外光及/或紫外光，但可見光為少量或沒有。成像光之偵測器可為或包括如上述之人眼，或反而可為或包括諸如CCD陣列或其他適當的固態裝置或裝置陣列之電子偵測器，經設置以接收由楔形反射空腔所反射並且出射楔形反射空腔之成像光。
在另外的其他替代實施例中，可輕易調整所揭示組合器光學器件之各者，使得調整後之各組合器光學器件不再作用為組合器光學器件，而仍保留用以將光學器件之一側入射之光反射之楔形反射空腔。這可藉由以全反射器置換該等部分反射器之一者來完成，全反射器亦即於該(些)關注的波長之透射比可忽略或為零之反射器。例如，圖5之部分反射器528可用形狀完全相同之全反射器(例如更加 厚的金屬蒸氣塗層)來置換，置換後的全反射器具有更高的反射比，並且於該(些)關注的波長實質為不透明。或者或此外，該調整可藉由併入楔形反射空腔之一側之不透明或實質不透明體、層、或一(或多)個其他元件來完成。例如，圖5中之光學體524可用不透明材料製成、及/或可將不透明塗層塗敷至第二光學表面520b。在此等例子之任一者中，光學器件如經過調整者，於關注的該(些)波長不再透射足以許可透過光學器件檢測遠端物體之光，所以，不再視為組合器光學器件。然而，此一調整之光學器件仍然擁有楔形反射空腔，該楔形反射空腔係經組態以沿著在楔形反射空腔中包括三次反射之光徑，將光自來源(例如圖3A之來源330)重導向至偵測器(例如圖3A中之眼睛302，或以類似方式定位之電子偵測器)，如上述。當然，楔形反射空腔亦可包括阻滯層，例如介於如上述兩個反射器間之λ/4阻滯器。
實例
前述原理係用於製造適合在如本文所論述之近眼式顯示器系統中使用之組合器光學器件。
在實例中，取得市售平凸透鏡作為第一光學體。透鏡係得自Thorlabs,Inc.,Newton,NJ,USA，其產品碼為LA1417。透鏡之凸曲光學表面具有77mm之曲率半徑。取得市售平凹透鏡作為第二光學體。第二透鏡亦得自Thorlabs,Inc.,Newton,NJ，但其產品碼為 LC1611。透鏡之凹曲光學表面亦具有約77mm之曲率半徑，並且因而相對於第一光學體之外凸形狀具有嵌合形狀。
第一部分反射器係於第一光學體之凸光學表面上形成。部分反射器是藉由在透鏡之外凸表面上蒸鍍無機光學材料之交替層而形成，用以形成無機多層堆疊。多層堆疊總共具有約36層，並且將TiO2及Al2O3當作無機材料使用。多層堆疊之總厚度小於5微米。多層堆疊之個別層之厚度係使得多層堆疊作用為凹口反射器，具有如圖7之曲線710所示之反射比。圖7之反射比是在分光光度計上使用垂直入射至堆疊之非偏振光測得。多層堆疊之垂直入射反射比係為實質偏振不靈敏。如在曲線710中看到者，由多層堆疊所產生之凹口反射器具有三個有區別之反射頻帶：峰值在450nm(藍光)之頻帶710a、峰值在547nm(綠光)之頻帶710b、以及峰值在624nm(紅光)之頻帶710c。
接著使用UV可固化黏著劑，藉由將多層堆疊之曝露側黏結至第二光學體之內凹光學表面，於第一與第二光學體之間，包夾第一部分反射器(該無機多層堆疊)。
接著取得線性反射偏振薄膜作為第二部分反射器使用。所使用的反射偏振薄膜為可得自3M Company,St.Paul,MN的聚合性多層光學薄膜，其產品碼為APF。在將該薄膜塗敷至該平凸透鏡之平面光學表面之前，先使用可得自3M Company,St.Paul,MN、產品碼為OCA之透光黏著劑，將四分之一波長阻滯薄膜塗敷並黏結至該表面。接著使用相同的透光黏著劑，將反射偏振薄膜塗敷並黏結至阻滯 薄膜，使得反射偏光器之通過軸與阻滯薄膜之快軸呈45度之夾角。(反射偏光器之阻斷軸因而亦與阻滯薄膜之快軸呈45度之夾角。)於此之後，將透鏡組合軸向切半以產生彼此鏡像對稱之兩個組合器光學器件。
圖8及圖9為產生之組合器光學器件之一的圖片。在圖8中，顯示的組合器光學器件係停置在周圍辦公室燈光所照明之房間中之印刷表面上。在這張照片中，光學器件之(平面)反射偏光器側面向觀察者，並且近旁文字之透射及反射影像都可看到。圖9是張照片，其顯示產生反射(真實)影像之組合器光學器件。分光器之輸出係經導向穿過10mm乘1mm之孔徑，並接著穿過吸收偏光器。可看到孔徑是於反射中在透鏡附近之平面上成像。
除非另有指明，說明書及申請專利範圍中所有用以表達數量、性質測量等等的數字皆應理解為以用語「約(about)」修飾。因此，除非另有相反指示，在說明書以及申請專利範圍中所提出的數值參數是約略值，其可依據所屬技術領域中具有通常知識者運用本申請書的教導所欲獲致之所要特性而有所不同。至少應鑑於有效位數的個數，並且藉由套用普通捨入技術，詮釋各數值參數，但意圖不在於限制申請專利範圍範疇之均等論之應用。儘管陳述本發明範疇之數值範圍及參數為約略值，本文中所述特定實例中陳述的任何數值就一定程度而言，係儘可能合理地精確描述。然而，任何數值皆可能含有與試驗或測量限制有關的誤差。
所屬技術領域中具有通常知識者將輕易明白本發明之各種不脫離本發明之精神及範疇的修改及變化，並且應明白本發明不限於本文提及之闡釋性實施例。除非另有指示，讀者應假設一項揭示之實施例的特徵亦可應用於全部其他揭示之實施例。本文中參照的所有美國專利、專利申請公開案及其他專利與非專利文件皆是在未抵觸前述揭露的條件下，以引用方式併入本文。
102‧‧‧左眼
103‧‧‧右眼
110‧‧‧顯示系統
112‧‧‧鏡框
120‧‧‧左組合器光學器件
120a‧‧‧第一光學表面
120b‧‧‧第二光學表面
121‧‧‧縱軸
126‧‧‧部分反射器
128‧‧‧部分反射器
129‧‧‧楔形反射空腔
130‧‧‧左成像裝置
132‧‧‧成像光
140‧‧‧右組合器光學器件
140a‧‧‧第一光學表面
140b‧‧‧第二光學表面
141‧‧‧縱軸或光軸
146‧‧‧部分反射器
148‧‧‧部分反射器
149‧‧‧楔形反射空腔
150‧‧‧右成像裝置

Claims (10)

  1. 一種許可同時觀視遠端物體及一投射影像之近眼式顯示系統，該系統包含：具有一近端與一遠端之一組合器光學器件，該近端適合置放於一使用者眼睛之附近；以及一成像裝置，其經設置成用以將成像光朝向該組合器光學器件之該近端導向；其中該組合器光學器件包括形成一楔形反射空腔之第一與第二部分反射器，該成像光遵循通至該使用者眼睛之一光徑，該光徑在該楔形反射空腔中包括三次反射。
  2. 如請求項1之系統，其中該第一部分反射器為一反射偏光器。
  3. 如請求項2之系統，其中該反射偏光器經設置於該組合器光學器件之該近端處或附近，使得沿著該光徑傳播之該成像光在會遇該第二部分反射器之前會遇該反射偏光器。
  4. 如請求項1之系統，其中該組合器光學器件包括相異之第一與第二透鏡，並且該第一透鏡透過該第二部分反射器附接至該第二透鏡。
  5. 如請求項1之系統，其中該第二部分反射器為一凹口反射器(notched reflector)。
  6. 如請求項5之系統，其中該凹口反射器在自400nm至700nm之一波長範圍內包括至少一有區別之反射頻帶，該反射頻帶的半高全寬(FWHM)小於100奈米。
  7. 如請求項2之系統，其中該反射偏光器定義偏振之一通過狀態與一阻斷狀態，並且該反射偏光器之該阻斷狀態提供一凹口反射光譜，而且該成像光包含對應於該凹口反射光譜之一或多個有區別之光譜輸出峰值。
  8. 如請求項7之系統，其中該第二部分反射器為具有第二凹口反射光譜之一凹口反射器，該第二凹口反射光譜對應於該反射偏光器之該阻斷狀態之該凹口反射光譜。
  9. 一種具有一近端與一遠端之組合器光學器件，該組合器光學器件包含：位於該近端處或附近之一第一透鏡；位於該遠端處或附近之一第二透鏡；以及設置於該第一透鏡之對置端上之第一與第二部分反射器，該第一部分反射器係附接至該第一透鏡之一第一表面，並且該第二部分反射器係包夾於該第一與第二透鏡之間；其中該等第一與第二部分反射器具有足以許可透過該組合器光學器件觀視遠端物體之光透射，且其中該等第一與第二部分反射器形成一楔形反射空腔。
  10. 一種將光自來源重導向至一偵測器之光學器件，該光學器件包含一反射偏光器與一反射器，該反射偏光器與該反射器形成一楔形反射空腔，該光學器件在該反射偏光器與該反射器之間進一步包含一阻滯層，該阻滯層相對於該反射偏光器而定向，使得透過該反射偏光器進入該楔形反射空腔之光，在該楔形反射空腔中經過三次反射之後，透過該反射偏光器出射該楔形反射空腔。
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