TW201918758A - 通過光導光學元件的矽基液晶照明器 - Google Patents

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Abstract

一種用於比諸多傳統實施方式具更小(緊湊)的一配置的一影像光提供器的均勻光學照明器的系統，包括：一光導，具有：相互平行的一第一個外部的表面及一第二個外部的表面；及一第一反射面序列，其至少一部分為：數個平行、部分反射及偏振選擇性的表面；具有處在相對於該第一個外部的表面及該第二個外部的表面的一傾斜角度；及位在該第一個外部的表面與該第二個外部的表面之間；及一前照式反射偏振旋轉的影像調變器：被佈署以空間地調變從該第一個外部的表面被耦出的光；輸出對應於一影像而被反射的光；且被佈署使得該被反射的光從該第一個外部的表面通過該第一反射面序列穿越該光導到該第二個外部的表面。

Description

通過光導光學元件的矽基液晶照明器
本發明通常涉及光學照明(optical illumination)，特別是涉及一種影像光提供器的均勻照明(uniform illumination of an image light provider)。
參考第1圖，這示出用於照明器的一架構的一傳統實現方案。一光源2L產生一非偏振的、均勻照明的輸入光束(an unpolarized,uniformly illuminated input beam)4L。該非偏振的輸入光束4L被一偏振器(polarizer)103偏振化，以產生一偏振的、均勻照明的輸入光束4P，被假定為被偏振化的S-pol(S偏振，S-polarization)。該偏振化的輸入光束4P被輸入到一偏振分束器(PBS)104，並且作為被一偏振選擇型的反射器105反射到該矽基液晶(LCOS)矩陣106上的光線124。該LCOS矩陣106被從該LCOS的前方照明，藉由改變該照明器的偏振度，在空間上將該被反射的光調變為一影像，並將該光反射為一影像的光線126。該LCOS將來自該光線124的S-pol的被反射光的偏振度旋轉到在光線126中的白色像素的P-pol(P偏振，P-polarization)，而黑色像素的偏振度不變(保持為S-pol)。來自在光線126中具有P偏振的數個白色像素的光穿過該偏振選擇型的反射器105，而來自在光線126中具有S偏振的數個黑色像素的光不穿過該偏振選擇型的反射器105。該P-pol光線126然後朝向投影光學器件(toward projecting optics)107(通常是投影系統，被示意性地描繪為透鏡)傳播。該投影光學系統107進行準直(collimation)及其他功能，如同特定應用所必需的。
根據本實施例的教導，提供一種光學系統，包括：一光導，具有：相互平行的一第一個外部的表面及一第二個外部的表面；及一第一 反射面序列，該第一反射面序列的至少一部分為：數個平行、部分反射及偏振選擇性的表面；具有處在相對於該第一個外部的表面及該第二個外部的表面的一傾斜角度；及位在該第一個外部的表面與該第二個外部的表面之間；以及一前照式反射偏振旋轉的影像調變器：被佈署以空間地調變從該第一個外部的表面被耦出的光；輸出對應於一影像而被反射的光；及被佈署使得該被反射的光從該第一個外部的表面通過該第一反射面序列穿越該光導到該第二個外部的表面。
在一個可選的實施例中，該數個反射面中的每一個反射一第一種偏振的光的至少一部分並透射該第一種偏振的光的一剩餘部分，且透射一第二種偏振的光。
在另一個可選的實施例中，該第一種偏振的反射率從在該第一反射面序列中的一個反射面到隨後的另一個反射面有所增加。
在另一個可選的實施例中，該第一種偏振的光從該第一個外部的表面被耦出，且該被反射的光為該第二種偏振的光。
在另一個可選的實施例中，該第一反射面序列擴展被耦入該光導的光，使得該光被均勻地耦出該第一個外部的表面。
在另一個可選的實施例中，該影像調變器是一矽基液晶(LCOS)陣列。
在另一個可選的實施例中，該反射面以至少部分地使用選自由下列組成的群組中的一技術所建構：多層塗層(multi-layer coatings)、一介電塗層(dielectric coating)及一線柵(wire-grid)。
在另一個可選的實施例中，該數個反射面的一主軸的取向決定該數個反射面的反射率。
在另一個可選的實施例中，該數個反射面中的每一個的反射率取決於該反射面的一光入射角度(angle light impinges)。
在另一個可選的實施例中，該第一反射面序列被配置成產生從該第一個外部的表面的被耦出的光，該第一反射面序列具有的一恆定數量的反射面，所述恆定數量的反射面在朝向該第一個外部的表面的光被耦出的一觀察名義點(nominal point of observation)的一視線中相交疊。
在另一個可選的實施例中，還包括：一第二反射面序列，該第二反射面序列的至少一部分為：數個平行、部分反射及偏振選擇性的表面；具有處在相對於該第一個外部的表面及該第二個外部的表面的一傾斜角度；及位在該第一個外部的表面與該第二個外部的表面之間；其中該第一反射面序列中的反射面與該第二反射面序列中的數個反射面相對於彼此是非平行的。
在另一個可選的實施例中，該反射面序列中的每一個反射面橫跨一覆蓋區域，該橫跨作為該反射面序列中的每一個反射面被佈署所越過的一區域，並且其中該第一反射面序列與該第二反射面序列兩者的該覆蓋區域是至少部分交疊的。
10‧‧‧眼睛/光導
103‧‧‧偏振器
104‧‧‧PBS
105‧‧‧反射器
106‧‧‧LCOS
107‧‧‧投影光學器件
12‧‧‧反射面
124‧‧‧光線
126‧‧‧光線
20‧‧‧光導
20A‧‧‧光導
20W‧‧‧輸入寬度
21‧‧‧側面
2515‧‧‧反射面
2517‧‧‧反射面
2520‧‧‧傳統間隙區
2525‧‧‧明亮區
2535‧‧‧反射面
2540‧‧‧下方露出區
2545‧‧‧明亮區
2546‧‧‧光束
2547‧‧‧光束
26‧‧‧表面
26A‧‧‧表面
2C‧‧‧準直光源
2L‧‧‧光源
2U‧‧‧光源
300‧‧‧源光學器件
300C‧‧‧源光學器件
300D‧‧‧源光學器件
300W‧‧‧出口寬度
302‧‧‧光學照明器
302A‧‧‧光學照明器
302B‧‧‧光學照明器
303‧‧‧偏振器
314‧‧‧偏振管理器
324‧‧‧光
326‧‧‧光/光導
38B‧‧‧光線
40‧‧‧反射面
430‧‧‧角度分佈器
432‧‧‧照明角錐
434‧‧‧像素
440‧‧‧照明角錐
4C‧‧‧輸入光束
4P‧‧‧偏振的光
4L‧‧‧光
4L1‧‧‧光
4U‧‧‧非偏振的光
60‧‧‧臨界角
62‧‧‧臨界角
64‧‧‧照明
66‧‧‧照明
68‧‧‧照明
70‧‧‧分佈
72‧‧‧分佈
74‧‧‧分佈
76‧‧‧分佈
78‧‧‧分佈
80‧‧‧分佈
82‧‧‧分佈
84‧‧‧區
86‧‧‧細矩形
88‧‧‧分佈
90‧‧‧分佈
9‧‧‧光導
903‧‧‧光導光學元件
916‧‧‧反射表面
920‧‧‧光導
922‧‧‧表面
922A‧‧‧反射面
922M‧‧‧反射面
922N‧‧‧反射面
922N1‧‧‧區段
922N2‧‧‧區段
922N3‧‧‧區段
922P‧‧‧反射面
922T‧‧‧反射面
926‧‧‧表面
926A‧‧‧表面
941‧‧‧光線
942‧‧‧光線
944‧‧‧點
954‧‧‧區域
a1‧‧‧光束
a2‧‧‧光束
a3‧‧‧光束
a4‧‧‧光束
b1‧‧‧光束
b2‧‧‧光束
c1‧‧‧光束
c2‧‧‧光束
Tp‧‧‧透射率
Rs‧‧‧反射率
Ts‧‧‧影像
該實施例在此僅藉由舉例的方式，參考附圖被描述，其中：第1圖為用於照明器的一架構的傳統實現方案。
第2圖是被配置用於當前實施例的一示例性光導光學元件(LOE)903的一側視圖。
第3A圖及第3B圖是用於光學照明器302的一示例性緊湊型系統的相應前視及側視的多個草圖。
第3C圖是源光學器件300的一第一示例性實施例300C的一草圖。
第3D圖是源光學器件300的一第二示例性實施例300D的一草圖。
第4A圖是具有均勻角度響應的多个反射面的一側視的一草圖。
第4B圖是具有不同角度響應的多個反射面的一側視的一草圖。
第5A圖是具有多個非交疊的反射面的一光導以圖解說明在影像均勻性上變化的影響的一示意圖。
第5B圖是具備多個交疊的反射面的光導以圖解說明在影像均勻性上變化的影響的一示意圖。
第5C圖是三重反射面的一草圖。
第6圖是該光導20的一角度空間配置的一草圖。
第7圖是第6圖具備被改善的能量萃取的一角度空間配置的一草圖。
第8圖是對於第7圖的配置所設計的塗層的一性能圖表。
第9圖是包括該第二示例性實施例300D的錐形(或柱面透鏡)擴展的一配置的一角度分佈草圖。
第10A圖是用於光學照明器302A的一第一種可選的結構的一草圖。
第10B圖及第10C圖是用於光學照明器302B的一第二種可選的配置的各別的側視及前視的多個草圖。
第11A圖及第11B圖是在多個光導10及20中的反射面的反射過程。
具體實施方式-第2圖至第11B圖
參考附圖及所附描述可以更好地理解根據本實施例的系統的原理及操作。本發明是一種用於光學照明的系統。與諸多傳統實施方式相比，該系統以更小(緊湊)的配置促進影像光提供者的均勻照明。
一種用於一影像光提供器的均勻光學照射器的系統，該影像光提供器採用比諸多傳統實施方式更小(緊湊)的一配置，該系統包括：一光導，具有：相互平行的一第一個外部的表面及一第二個外部的表面；及一第一反射面序列，該第一反射面序列的至少一部分為：數個平行、部分反射及偏振選擇性的表面；具有處在相對於該第一個外部的表面及該第二個外部的表面的一傾斜角度；及位在該第一個外部的表面與該第二個外部的表面之間；以及一前照式反射偏振旋轉的影像調變器：被佈署以空間地調變從該第一個外部的表面被耦出的光；輸出對應於一影像而被反射的光；及被佈署使得該被反射的光從該第一個外部的表面通過該第一反射面序列穿越該光導到該第二個外部的表面。
基礎技術：
參考第2圖，這示出被配置用於當前實施例的一示例性的光導光學元件(LOE)903的一側視圖。一準直光源(collimated light source)2C發出一準直的輸入光束(collimated input beam)4C。在本文件的上下文中，諸多光源也被稱為“投影儀(projectors)”。諸多光源可以是諸多雷射或傳輸單個或數個波長的一LED。該光具有數個角傳播方向，這些傳播方向圍繞該透射軸被取向，諸如在一光導中。為了簡化當前圖式，通常僅有為了清楚起 見的該傳播的中心方向被描繪。通常僅有一條光線被描繪，該傳入光線、該輸入光束(例如該準直的輸入光束4C)，也稱為“光束(beam)”或“傳入光線(incoming ray)”。通常，在此藉由一光束表示一影像的任何一處，應當注意的是，該光束是該影像的一樣本光束，該影像通常由處於諸多略微不同角度的數個光束形成，每個角度對應於該影像的一點或像素。除了特別被稱為該影像的一盡頭(extremity)處以外，所例示的諸多光束通常是該影像的一質心(centroid)。也就是說，該光對應於一影像，並且該中心光線是來自該影像的一中心或該影像的一中心像素的一中心光線。
一第一個反射表面916由該準直的輸入光束4C所照射。一第一區域954靠近該準直的輸入光束4C，其中一影像照明器被耦合進入一光導920。該反射表面916至少部分地反射來自該準直光源2C的該準直的輸入光束4C的該入射光，使得該光藉由內反射，通常是全內反射(TIR)，被捕獲在該光導920內部。該光導920通常是一透明基板，並且也稱為一“平面基板(planar substrate)”、“透光基板(light-transmitting substrate)”及“波導(waveguide)”。該光導920包括至少兩個(主要的、外部的)表面，通常彼此平行(相互平行)，在當前圖式中被示為第一個(後方的、主要的)表面926及一前方的(第二個、主要的)表面926A。注意的是，關於該主要的表面(926、926A)的“前(front)”及“後(back)”的指定方式是為了便於參考。耦入到該光導920可以來自各種表面，諸如前、後、側邊或任何其他被期望的耦入幾何形狀。
該準直的輸入光束4C在該基板的一近端(圖式的右側)進入該光導基板。光透過該光導920及一個或數個反射面，一般至少為數個反射面，並且通常是幾個反射面，朝向該光導920的一遠端(圖式的左側)傳播。該光導920通常藉由該多個外表面的內反射來引導在該基板中傳播的光。
在可選地反射離開該基板920的該內表面以後，該被捕獲的波到達一組選擇性反射的表面(反射面)922，該選擇性反射的表面(反射面)922將該光從該基板耦出到一觀察者的眼睛10。在當前的示例性圖式中，被捕獲的光線藉由在該點944處的兩個其它部分反射表面922從該基 板920逐漸被耦出。
內部的、部分反射的多個表面，諸如該組選擇性反射的表面922，在本文件的上下文中通常被稱為“反射面(facets)”。對於諸如增強實境的諸多應用，該反射面是部分反射的，允許來自現實世界的光經由該前方的表面926A進入，穿越包括諸多反射面的該基板，經由該後方的表面926離開該基板到該觀察者的眼睛10。示例性的光線942示出該準直的輸入光束4C從反射表面916部分反射的光，並且示例性的光線941示出該準直的輸入光束4C部分透射穿過反射表面916的光。
該內部的部分反射的表面922通常與該光導920的該伸長方向成一傾斜角度(即，非平行，既不平行也不垂直)至少部分穿越該光導920。部分反射可以藉由各種技術被實現，包括但不限於光的一透射百分比或偏振的使用。
該光導920可選地具有一第二對外表面(在當前圖式的側視中未被示出)，該第二對外表面彼此平行並且不平行於該第一對外表面。在一些實施方案中，該第二對外表面垂直於該第一對外表面。通常地，該多個反射面中的每一個相對於該第二對外表面處於一傾斜角度。在其他情況下，在不需要來自該光導的諸多周圍表面的諸多反射的情況下，那些周圍表面通常保持未拋光及/或塗覆有吸光(譬如黑色)材料，以最小化非期望的諸多反射。
第一實施例：
參考第3A圖及第3B圖，這示出用於光學照明器302的一示例性緊湊系統的各別的前視及側視的多個草圖。常規的PBS 104由一光導(波導)偏振分光器(WGPS)代替，諸如一光導20(類似於上述的LOE 903)。源光學器件300將具有均勻照明的偏振的光4P提供進入該光導20。源光學器件300具有一出口寬度300W，並且光導20具有該均勻照明的偏振的光4P的一輸入寬度20W。該光導20的該側面21(第二對外表面)可以塗覆有一反射塗層，以防止能量從側面逸失。雖然該準直的輸入光束4C在上面被描述為被LOE 903所使用，但是進入該光導20的均勻照明的偏振的光4P較佳地不是確切準直的，而是在一被決定的角度範圍內照射的一角度擴展 性。
隨著光(均勻偏振的光4P)沿該光導20傳播時，該光被一系列偏振選擇性的多個反射面922P部分反射。該偏振選擇性的部分反射的多個反射面922P類似於上述的一組選擇性反射的表面(反射面)922，具有基於偏振的選擇性反射。這些偏振選擇性的多個反射面922P將光324的一第一種偏振(例如S-pol)反射並將光326的一第二種正交的偏振(例如P-pol)透射。
當前實施例的一創新特徵是該多個反射面是偏振選擇性的並且是部分反射的。此特徵可以在該光導20的生產過程中被實現。對於一般示例性的生產方法，參見美國專利第6,829,095號(2004年12月7日被授予並且被轉讓給LUMUS有限公司)。產生該偏振選擇性部分反射的多個反射面的較佳方法是在該光導的多個板之間使用一介電塗層或線柵。可以預見的是，其他實現部分反射偏振選擇性的諸多方法可以被開發，並且可以被實現用於當前實施例。在使用一線柵的情況下，藉由控制該線柵的參數，諸如諸多線的導電性，可以使得該線柵偏振器僅為部分反射偏振(平行於諸多線)。例如：較低傳導性的線可被用於較低的反射。導電率可以藉由線材、厚度及間距被控制。控制反射率的另一種選擇是旋轉或“扭曲(twist)”該線柵。一技術的組合，諸如將一介電材料與一線柵相結合，控制在該線柵上的光強度，並且因而控制該反射率。偏振選擇性塗層的附加資訊及諸多示例性圖表可以在例如美國專利第7,643,214號(2010年1月5日被授予並且被讓與給LUMUS有限公司)中被找到。
該第一種偏振的光324經由該第一個外部的表面926從該光導20朝向例如該LCOS 106的一前照式反射偏振旋轉影像調變器輸出。為了簡化當前描述，使用一LCOS的具體實現方案將被描述。該第一種偏振的光324入射在該LCOS 106上。較佳地，該第一種偏振的光324以在適當的中心角周圍的一光錐(cone of light)照亮每個像素。較佳地，該光導20應略微遠離該LCOS 106，以防止可觀察到的不均勻性。該入射的第一種偏振的光324藉由該LCOS 106的偏振旋轉進行空間地調變，並且朝向該光導20而被反射。例如：該第一種偏振的光324被反射並旋轉為該(正交的)第二種偏振的光326。由於該偏振選擇性的反射面922P被設計為對該第二種 偏振的光326是透明的，所以該第二種偏振的光326經由該偏振選擇性的多個反射面922P從該第一個外部的表面926穿過(穿越)該光導20，並且從該第二個外部的表面926A朝向該投影光學器件107射出。為了濾除被散射的光，可以在該光導20與該投影光學器件107之間佈署一可選的偏振器303。在當前示例中，該偏振器303是處於P-pol取向並且過濾任何S-pol偏振的光。
參考第3C圖，這示出源光學器件300的一第一示例性實施例300C的一草圖。該非偏振的光源2U發射(不一定是均勻的)非偏振的光4U，該非偏振的光4U被垂直引入一2D(二維)光導9。隨著該光在該2D光導9中傳播及反射，該光的照明變成更具均勻性的光4L1。一可選的漫射器(未示出)可以被放置在該光導20前方，例如：沿著或者作為該2D光導9的諸多外表面的一部分，以改善在該光導9的該輸出寬度上的進一步的光均勻性。可選地，可以將一小型PBS引入該2D光導9。該小型PBS可被用於傳遞S偏振的光，同時輸出P偏振的光，然後藉由1/2波片被旋轉為S-pol並與該被通過的S偏振平行結合，從而避免50%的功率損失。替代地，對2D光導9而言，在本技術領域中用於產生均勻性的光4L1的其他實施方案是已知的。
該均勻性的光4L1然後進入一第一個光導10，該第一個光導10具有內部部分反射的多個反射面12(類似於上述具有選擇性反射的多個反射面922的LOE 903)。這些反射面處於一角度以將該內部傳播的光反射出第一個光導10，作為朝向該光導20的具有均勻照明的光4L。
可選地且較佳地，從該第一個光導10被反射出的具有均勻照明的光4L然後穿過可選的偏振管理器314。偏振管理器314的多個構件可包括一偏振器(類似於如上所述的偏振器103)及1/2波片。一純偏振是較佳的，以使得在該光導20中的光散射最小化並且從該LCOS 106獲得一高對比度的影像。一偏振器的取向較佳為沿著由該多個反射面12耦出的最大強度的一方向(最可能是S偏振)。由於通常諸多塗層(在該多個反射面12上)及/或諸多線柵以比P偏振還高許多的效率反射S偏振，因此大部分該均勻性的光4L1的該S-pol分量將被反射作為均勻照明的光4L。如果由該第一 個光導10發射的偏振取向(並且如果被使用則由該偏振器過濾)與在該光的傳播路徑中的下一階段的該最佳偏振不交疊，則需要一波片(wave-plate)。在一典型的情況下，來自該第一個光導10的該S-pol在反射後被取向為P-pol，因此需要一1/2波片以再次獲得S-pol取向。
該偏振管理器314是可選的，這取決於入射在該LCOS 106上的該第一種偏振的光324的純度(對於良好的影像對比度，單一偏振是較佳的)。該偏振管理器314應該較佳為盡可能薄，而不破壞在該第一個光導10中的該TIR。一種替代方案是藉由低折射率膠(例如：n~1.3)將該偏振管理器314黏合在該第一個光導10與該光導20之間。
隨著該光導20不進行成像，在該光導20中的光傳播可以沿著該光導20的一軸對應於該反射面序列的一方向被注入。在這種情況下，可以在該光導10及20的該外部的多個反射面上使用一低折射率膠(例如，n=1.3)。該膠可以存在於該2D光導9與該第一個光導10之間、該光導20與該投影光學器件107(例如棱鏡)之間，以及該光導20與該LCOS 106之間。這樣的話，將是沒有氣隙的。
參考第3D圖，這示出源光學器件300的一第二示例性實施例300D的一草圖。該光源2U發射非偏振的光4U，該非偏振的光4U被垂直地引入該2D光導9。隨著該光在該2D光導9中傳播及反射，該光的照明變成更均勻的光4L1。該均勻性的光4L1然後進入一錐形非成像光導326，該錐形非成像光導326將內部傳播的光從錐形非成像光導326側向擴展為具有朝向(可選的偏振管理器314及)該光導20的均勻照明的光4L。
在上述兩個示例性實施例中，具有均勻照明的該偏振的光4P從該源光學器件(300C、300D)被輸出並進入該光導20。
可選地，在將光(該具有均勻照明的偏振的光4P)注入該光導20之前，具有不正確角度分佈的光被過濾，亦即，不與該期望的影像交疊的光。因此，僅將與影像交疊的角度分佈被注入該光導20。此技術減少該散射及對比度降低。
該諸多光導(該光導20、該第一個光導10)可以是基於金屬塗層、介電塗層或全內反射(TIR)，以在內部反射傳播的光。在該第一個光 導10與光導20之間的面較佳為角度選擇透射率，較佳基於TIR。
孔徑管理器及/或部分反射器、基於波導的反射、塗層管理及2D擴展的該組合是用於光學照明器302的該緊湊系統的諸多特徵，比諸如基於諸多偏振分束器的諸多傳統實施方式更加緊湊。一更為緊湊的系統允許降低成本、重量以及可能更多用於成像/投影光學器件107的空間。
替代實施例：
參考第4A圖，這示出具有均勻角度響應的多個反射面的一側視的一草圖。藉由配置在該光導20中的多個反射面的角反射率，可以改善該LCOS 106的照明。該光導20包括一系列反射面922A(類似於上述反射面組922)。該LCOS 106的幾個示例性的像素434被示出。具有均勻照明的偏振的光4P進入該光導20作為角度分佈器430。該多個反射面922A具有均勻的角度響應，因此，該反射的像素434都看到相同的照明角錐432並且將反射相同的照明角錐432。當前配置改善用於遠心光學器件的照明，例如：如果投影光學器件107是遠心的(telecentric)。
參考第4B圖，這示出具有不同角度響應的多個反射面的一側視的一草圖。對於一非遠心的光學配置，多個反射面922N(類似於上述反射面組922)可以採用不同的角度反射率被建構，從而產生不同的多個照明角錐440。在此示例性配置中，在區段922N1中的多個反射面將以多個更大的角度(相對於一頂點，其中每個頂點垂直於該光導20的相同的一個外表面)反射光並且可透射到所有其他的角度。在多個區段922N2、922N1及922N3中的多個反射面全部都以一相同的角展度(angular spread)反射，但每個區段的該角展度相對於(置中的)不同的角展度。
作為參考的是，在遠心照明中，該多個主光線在影像及/或物體空間中被準直並且平行於該光軸。當該被準直的光線照射一物體表面時，該被準直的光線保持被準直的。相比之下，來自一標準背光的光線相互擴散並相互干擾。在此文件的上下文中，遠心照明描述光錐，其中一光錐垂直地會聚在每個像素上。在非遠心照明中，每個不同的像素由相對於該像素的不同地傾斜的一光錐照射。準直被用於描述從一像素被反射的發散光線(主要是錐形分佈)並使所有反射的光線在特定方向上平行的光學器 件。不同的像素是“被準直(collimated)”到不同的方向。
均勻照明：
為了有助於在該LCOS 106上獲得均勻照明，該S偏振(一第一種偏振)的反射率應該較佳地沿著該光導增加，亦即，隨著光沿著該光導20傳播，反射率從該反射面922P的序列中的一個反射面到一隨後的反射面有所增加。在該傳播路徑中的第一個反射面應被設計成具有相對低的反射率，並且最後一個反射面具有相對高的該(第一種)S偏振的反射率。由該LCOS反射的P偏振的光(一第二種偏振)的該透射率對於每個反射面而言應該是最大的。也就是說，該多個反射面應盡可能透明至P偏振。在以下的描述中，通常使用S-pol反射率及P-pol透射率，並且為了簡單起見，將假設為一遠心照明(telecentric illumination)。
一第一個要求是該LCOS 106的照明應該較佳是均勻的，以便實現(被反射的光326的)均勻的影像強度。一第二個要求是對於離開瞳孔的近眼顯示器光學器件(投影光學器件107)也應該均勻地被照明以便進行最佳觀察。這兩個要求意味著該LCOS 106像素(像素434)應該均勻地被照明並且該照明角錐432的角度應該是均勻的。換句話說，較佳為，100%的全空間照明及跨光學系統的數值孔徑的均勻角度照明。
如果來自該源光學器件300的耦合完全填充該光導20的該入口，則可以實現該LOE的光導20的均勻照明。因此，該源光學器件300的該出口寬度300W應該較佳地等於該光導20的輸入寬度20W或比該光導20的輸入寬度20W更寬。此外，該源光學器件300也應該較佳地被均勻照明，這可以例如藉由使用諸多漫射器及該初始的2D光導9的適當長度而被實現。
在該光導20內進入及傳播的光中可能存在一些不均勻性，並且可能由該反射面922P本身引入一些均勻性。為了減少及處理這種不均勻性，具有內部的部分反射的反射面12的該第一個光導10及具有該偏振選擇的反射面922P序列的光導20較佳地處於一交疊配置。
參考第5A圖，這示出具有非交疊的反射面的一光導(諸如光導920)的一示意圖，以示出對影像均勻性變化的影響。被感知到的不均 勻性的一來源涉及不同視場中的內部的反射面的角度交疊。在此以圖解說明的該光導的區域中，該光導包含多個內部的反射面(其中兩個被描繪為最後一個反射面2515及第一個反射面2517)。大部分該被耦出的光從單個內部的反射面被反射。然而，在該多個反射面的該邊緣處，在軸外角度處存在不均勻性。對於指向左方的該FOV區域(標記為實心箭頭)，一傳統間隙區2520(通常也稱為一“底部區(underlapping area)”，“黑線(black line)”區或“暗條(dark strip)”區)將不會反映任何光，因為在該角度處，在由該最後一個反射面2515反射的光與該第一反射面2517之間存在有效間隙，導致在被感知的一暗條帶。另一方面，向右被耦出的光(標記為虛線箭頭)具有一傳統的明亮區2525(通常也稱為“部分交疊(partially overlapping)”區，或“明暗度強(intense)”區)，其中存在交疊的區域，從2515及2517被反射的光，使得該光導將反射幾乎是兩倍的光量。因此，在當前圖式中的該不均勻性將在該FOV及眼睛位置的不同區域中的該延伸孔徑上的該中值影像強度(median image intensity)大約在200%與0%之間變化。
參考第5B圖，這示出具有交疊反射面的光導的示意圖，以示出對影像均勻性變化的影響。如當前圖式所圖解說明的，在該反射面之間被引入實質的交疊。在這種情況下，在相鄰的反射面之間的該間隔減半，導致該FOV的大多數部分在大多數眼睛位置處經由來自兩個反射面的交疊反射而接收來自影像的照射。在此示例性情況下，單個中間的反射面2535被配置在最後一個反射面2515與第一個反射面2517之間。在該影像的角度盡頭及該多個反射面的盡頭處附近，仍然存在對該影像的某些區域有貢獻的多個交疊的反射面的數量變化，如由下方露出(underlapping)區2540及明亮(bright)區2545所示，該下方露出區2540僅由一個反射面(中間反射面2535)起源而成，該明亮區2545由三個相鄰反射面(2517、2535及2515)貢獻而成。因此，該輸出不均勻性將在中值反射率的50%與150%之間變化。
來自反射面2517的第一個半部的光(從右方傳播的光)將耦出作為被減少的能量(射線/輸出的光束2546)，因為在此位置處與下一個反射面2535沒有交疊，即只有一個反射面將光反射給該觀察者。在反射面2515的最後一個半部發生相同的減小的功率(射線/輸出的光束2547)。在這些區 域中，該反射率將是中值反射率的50%。
參考第5C圖，這示出三重反射面(三重反射面交越、三重交疊)的一草圖。與其他示例類似，一光導(該光導20)包括在該多個第一個表面(26、26A)之間交疊的多個內部的反射面922T，該反射面922T以雙重線條被示出。一實線箭頭示出穿過三個反射面的一名義上的光線(nominal ray)，然後從該基板向外耦合(以箭號向外耦合的光線38B)。如在類似的圖式中，虛線被用於示出該多個反射面922T的對齊情況。在此示例中，多重的(特別是兩個)第一個部分反射面及多重的(兩個)最後一個部分反射面被示出。
在當前實施例中，在一交疊配置中的多個反射面的配置管理，具體地優化該交疊，以獲得將光反射到該觀察者上的一恆定數量的反射面(多於一個)，換言之，至少二反射面將光反射而朝向一觀察者的一FOV，可以減少來自該光導的光被輸出的不均勻性。
參考第6圖，這示出由第一示例性實施例300C(第3C圖)所饋送的該光導20(第3A圖、第3B圖)的一角度空間配置的一草圖。從該光導20提取光的效率取決於該多個反射面922P的諸多角度及諸多塗層參數。用於當前情況的諸多示例性參數是基於BK7玻璃及MY-130膠，但是其他光學材料可以被使用。
該第一個光導10的臨界角60(表示為圓圈)在由n=1.3的保護塗層包圍的一BK7玻璃光導內是59度。四個圓圈表示該光導20的四個外部反射面的該臨界角60。該非偏振的光源2U及該2D光導9產生均勻的照明分佈，因此我們可以簡單地假設在多個臨界角62之間的角度區域被均勻照射。假設該投影光學器件107的矩形孔徑為f/2，則該所需影像的光的半角發散度為14度，如照明64所示。這種所需的照射角度分佈沿著該第一個光導10傳播，直到被該反射面12以45度反射到該光導20上，如由所需的照明66所示。當該所需的照明66沿該第一個光導10傳播時，所需的照明66被該反射面922P以45度被反射出該光導20並被反射到該LCOS 106上，如由照明68所示。
為了使散射最小化，較佳的是在該反射面12及反射面922P 上的塗層僅在所需的角度具有S偏振的反射率。在此示例中，這應該是大約45度左右±14度。
本發明的此配置的效率由照明角度分佈(在由臨界角62限定的角度區域內)與該照明64的該所需的角度區域的比率決定。具有與該所需的分佈交疊的有限角度分佈的該2D光導9(包括可選的漫射器)可被可選地用於提高效率。
參考第7圖，這示出第6圖具備被改善的能量萃取的一角度空間配置的一草圖。該軸及該臨界角與參考第6圖的情況所描述的相同。
該所需的光學照射角度的分佈70具有與第6圖中相同的參數但偏離中心處。這樣，此分佈由該第一個光導10的四個外部的反射面反射，以產生多個分佈70、72、74及76。當四個分佈沿該第一個光導10傳播時，這四個分佈投入能量(engage energy)。
在此實施例中的該反射面12處於37度，並且具有塗層，該塗層是部分地反射在20至53度(相對於反射面頂點)之間的角度的S偏振。這些反射面12將多個分佈70及72反射到該光導20上以分別作為分佈78及80。隨著該二分佈沿該光導20傳播，此二分佈(78、80)也交換能量。
在該光導20內的該多個反射面922P(在該示例中具有與在該第一個光導10中相同的參數)部分地將分佈78從該光導20反射到該LCOS 106上作為分佈82。
在當前實施例中，該多個反射面部分地反射該光，並且與在該光導內的其他分佈連續耦合，使得更多能量能夠被耦合到所需的分佈。從當前圖式中顯而易見的是，70、72、74及76的組合分佈有效地填充該第一個光導10的該多個臨界角之間的該照明角度分佈。
反射面(12、922P)及相應多個塗層的一組合可以被設計在該光導(10、20)中，將以大角度(相對於反射面的法線)傳播的光轉換為以一相對較淺的角度傳播。該設計的組合可以基於處於諸多高角度的反射及處於諸多低角度的多個反射面，較佳地僅關於S偏振。與允許光以諸多高角度傳播的實施方案相比，此設計的組合可以提高效率。
參考第8圖，這示出用於第7圖的配置所設計的塗層性能的 一圖表。當前圖表中的表現包括交疊的多個反射面。該S偏振(朝向LCOS 106)的反射率Rs為10-15%，而P偏振(從LCOS 106朝向投影光學器件107)的透射率Tp則>95%。在大多數角度的光譜中，其他影像Ts(74、76及80)的該透射率是相對良好的>85%。Rs的反射率會導致能量損失成不可觀察的方向。
第8圖的該塗層的設計是基於一示例性多層折射構造。然而，較低成本(具有稍低性能)的單層可以被使用，包括具有不同折射率的膠。
參考第9圖，這示出包括該第二示例性實施例300D的錐形(或柱面透鏡)擴展的一配置的角度分佈的一草圖。在該第二示例性實施例300D中描繪的配置描述來自該2D光導9的光(使用該錐形非成像光導326的該非偏振的光4U)的一錐形1D擴展。這種膨脹也可被可選地通過圓柱狀的多個透鏡。通過保持該光分佈的集光率，以執行這些類型的擴展是常識。這樣，該照明寬度的空間擴展是伴隨著在同一軸上的照明角度分佈等效減小。
在該2D光導9中的該角度照明分佈(在所有臨界角之間的照明)被描繪為區84。該錐形轉換被描繪為對細矩形86的一變換(從一個方向到另一個方向的旋轉不是強制性的，並且是為了清楚起見)。
所需的強度的分佈88及90交換能量，並由多個反射面922P以相同於第7圖中的78及80的方式被耦合到92。這樣，從該光導9到所需的照明分佈的光能轉換效率被提高。
參考第10A圖，這示出用於光學照明器302A的一第一種可選的架構的一草圖。在該第一個光導10與該光導20之間的一傾斜角度可被用於優化在第8圖中所示塗層的該角度參數。
參考第10B圖及第10C圖，這示出用於可選的光學照明器302B的第二種可選的架構的各別為側視及前視的多個草圖。該源光學器件300將均勻照明的光4L1(在這種情況下為偏振或非偏振)提供進入一交疊的光導20A，該交疊的光導20A具有一第一組反射面922M及一第二組反射面922N。該第一及第二組反射面的交越(交疊)取向引發在該交疊的光導20A內的該源孔徑的側向擴展，並且在透射光326的第二個正交的偏振同時投 射光324的該第一種偏振。
參考第11A圖及第11B圖，這示出在多個光導10及20中的該內部的多個反射面的該反射過程。兩種基本配置被描繪，並且不同之處在於諸多光束及諸多反射面的諸多相對角度。在此示意圖中，該光束a1、a2及b1被描繪為相同的向量(為了簡單起見，稱為光束b1)，因為相同的幾何考慮適用於從相應光導的側視被觀察到的每一個。多個光束a3、a4及b2也被描繪為相同的向量(參考將僅針對b2)。該光束b1代表74、78、80或90。光束b2代表70、72、78或88。
諸多光束(light beams)b2實際上是在相同方向上傳播的諸多光束，如在第11A圖中的兩個向量所示。在這種情況下，一個向量被外部的面反射成光束b1並且到達一內部的反射面40(對應於多個反射面922P)，其中一個向量的一部分被反射為光束c1。另一個光束b2的向量由反射面直接反射為向量光束c2。該多個向量光束c1及c2表示正常影像(normal image)及鬼影影像(ghost image)，不一定按此順序。在此配置中，多個光束b1及b2從同一側入射在該反射面40上。
第11B圖描述著與參考第11A圖描述的類似過程。但是，在幾何形狀使得多個光束b1及b2從反射面40的多個相對側入射在反射面40上。
在兩種情況下，在S-偏振及P-偏振中的影像c1及c2的反射幅度由這些反射面40上的塗層決定。較佳地，一個反射是影像而另一個被抑制，因為另一個影像對應於不想要的“鬼影(ghost)”影像。在本發明的共同轉讓的美國專利第7,391,573號及第7,457,040號中詳細描述用於控制入射光束的角度範圍被反射以及入射光束的角度範圍被傳輸的合適塗層。
注意的是，上述的諸多示例，使用的數字及示例性計算有助於本實施例的描述。無意造成的印刷錯誤、數學錯誤及/或簡化計算的使用不會減損本發明的實用性及基本優點。
所附的諸多請求項是在沒有多重附屬性的情況下被起草的，這僅僅是為了適應不允許這種多重附屬性的管轄區域中的形式要求。注意的是，通過使諸多請求項多重附屬而暗示的所有可能的特徵組合被明 確設想，並且應被認為是本發明的一部分。
應當理解的是，以上描述僅僅旨在用作示例，並且在所附諸多請求項中限定的本發明的範圍內，許多其他實施例是可能的。

Claims (12)

  1. 一種光學系統，包括：(a)一光導，具有：(i)相互平行的一第一個外部的表面及一第二個外部的表面；及(ii)一第一反射面序列，該第一反射面序列的至少一部分為：(A)數個平行、部分反射及偏振選擇性的表面；(B)具有處在相對於該第一個外部的表面及該第二個外部的表面的一傾斜角度；及(C)位在該第一個外部的表面與該第二個外部的表面之間；以及(b)一前照式反射偏振旋轉的影像調變器：(i)被佈署以空間地調變從該第一個外部的表面被耦出的光；(ii)輸出對應於一影像而被反射的光；及(iii)被佈署使得該被反射的光從該第一個外部的表面通過該第一反射面序列穿越該光導到該第二個外部的表面。
  2. 如請求項1所述的光學系統，其中該數個反射面中的每一個反射一第一種偏振的光的至少一部分並透射該第一種偏振的光的一剩餘部分，且透射一第二種偏振的光。
  3. 如請求項2所述的光學系統，其中該第一偏振的反射率從在該第一反射面序列中的一個反射面到隨後的另一個反射面 有所增加。
  4. 如請求項2所述的光學系統，其中該第一種偏振的光從該第一個外部的表面被耦出，且該被反射的光為該第二種偏振的光。
  5. 如請求項1所述的光學系統，其中該第一反射面序列擴展被耦入該光導的光，使得該光被均勻地耦出該第一個外部的表面。
  6. 如請求項1所述的光學系統，其中該影像調變器是一矽基液晶(LCOS)陣列。
  7. 如請求項1所述的光學系統，其中該反射面以至少部分地使用選自由下列組成的群組中的一技術所建構：(a)多層塗層；(b)一介電塗層；及(c)一線柵。
  8. 如請求項7所述的光學系統，其中該數個反射面的一主軸的取向決定該數個反射面的反射率。
  9. 如請求項1所述的光學系統，其中該數個反射面中的每一個的反射率取決於該反射面的一光入射角度。
  10. 如請求項1所述的光學系統，其中該第一反射面序列被配置成產生從該第一個外部的表面的被耦出的光，該第一反射面序列具有的一恆定數量的反射面，所述恆定數量的反射面在朝向該第一個外部的表面的光被耦出的一觀察名義點的一視線中相交疊。
  11. 如請求項1的光學系統，還包括： (iii)一第二反射面序列，該第二反射面序列的至少一部分為：(A)數個平行、部分反射及偏振選擇性的表面；(B)具有處在相對於該第一個外部的表面及該第二個外部的表面的一傾斜角度；及(C)位在該第一個外部的表面與該第二個外部的表面之間；其中該第一反射面序列中的反射面與該第二反射面序列中的數個反射面相對於彼此是非平行的。
  12. 如請求項11所述的光學系統，其中該反射面序列中的每一個反射面橫跨一覆蓋區域，該橫跨作為該反射面序列中的每一個反射面被佈署所越過的一區域，並且其中該第一反射面序列與該第二反射面序列兩者的該覆蓋區域是至少部分交疊的。
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