TW202126957A - 具有光束倍增的圖像顯示系統 - Google Patents

Abstract

一種用於顯示圖像的光學系統，包括：光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)，該光導光學元件(LOE)具有耦入區域和傳播區域；耦出結構，該耦出結構與LOE的傳播區域相關聯；圖像投影儀，該投影儀用於生成與準直圖像對應的圖像照射；以及在LOE外部的光束倍增結構。光束倍增器是與耦入區域相鄰地接合至LOE的透明板。透明板具有處於LOE與板之間的部分反射表面，以及處於相對表面處的反射器。部分反射表面和反射器使來自投影儀的光束倍增以利用準直圖像和準直圖像的共軛完全照射LOE的傳播區域。

Description

具有光束倍增的圖像顯示系統

本發明涉及光學系統，並且更特別地，本發明涉及採用波導的圖像顯示系統，在該系統中，照射束被倍增。

作為用於本發明的實現方式的示例性上下文，各種光學顯示器採用用於將圖像從與使用者眼睛相對的圖像投影儀朝向眼睛傳達的光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)(可以被互換地稱為“波導”或者“基板”)，其中，圖像通常通過部分反射器的佈置或者通過衍射光學元件耦出。

為了實現所觀察的圖像的均勻性，波導應當被投影圖像及其共軛圖像均勻地“填充”。這對圖像投影儀的大小和光學設計的各種其他方面施加了設計限制。

本發明是一種光導光學系統，其具有光束倍增結構以對由圖像投影儀造成的孔徑填充不足進行補償。

根據本發明的實施方式的教示，提供了一種用於向使用者的眼睛顯示圖像的光學系統，包括：a)光導光學元件(LOE)，其具有兩個平坦的主外表面，這兩個主外表面是平行的，以支持通過主外表面處的內反射在LOE內進行圖像照射的傳播，LOE在主外表面之間具有厚度h，LOE具有耦入區域和傳播區域；(b)耦出結構，該耦出結構與LOE的傳播區域相關聯，並且被構造成用於將圖像照射的至少一部分從LOE朝向使用者的眼睛耦出。(c)圖像投影儀，該圖像投影儀用於生成與準直圖像對應的圖像照射，圖像投影儀光耦合至LOE以將圖像照射引入LOE的耦 入區域，從而通過內反射在LOE的傳播區域內傳播；以及(d)光束倍增結構，該光束倍增結構與LOE相關聯，並且被構造成實現對被引入LOE的耦入區域的圖像照射的光束倍增，該光束倍增結構包括具有相互平行外表面的透明板，透明板接合到LOE的與耦入區域相鄰的主外表面，透明板提供處於LOE與板之間的部分反射表面，並且還提供反射器，部分反射表面和反射器被佈置成將被引入耦入區域的圖像照射反射到傳播區域中，以利用準直圖像和準直圖像的共軛完全照射傳播區域。

根據本發明實施方式的另一特徵，透明板具有厚度h/2。

根據本發明實施方式的另一特徵，光束倍增結構被構造成對由圖像投影儀造成的耦入區域的1/2孔徑填充進行補償。

根據本發明實施方式的另一特徵，包括耦入結構，該耦入結構與LOE的耦入區域相關聯，並且被構造成用於將來自圖像投影儀的圖像照射耦入到LOE中，以通過內反射在LOE內傳播。

根據本發明實施方式的另一特徵，耦入結構包括：位於圖像投影儀與LOE的耦入區域之間的楔形棱鏡，或者處於圖像投影儀與LOE的耦入區域之間的LOE的端部處的傾斜邊緣。

根據本發明實施方式的另一特徵，該系統包括第一光束倍增結構和第二光束倍增結構，第一光束倍增結構被構造成在LOE的導向維上提供光束倍增，第二光束倍增結構被構造成在LOE的非導向維上提供光束倍增。

根據本發明實施方式的另一特徵，光束倍增結構包括m個部分反射相互平行表面，其中m為正整數，m個表面由m個透明板提供，光束倍增結構被構造成對1/(m+1)孔徑填充進行補償，每個板具有成對的主平行外表面，m個板在其相應的主平行表面處接合在一起，以形成接合至LOE的主外表面的堆疊，反射器由第m個板的外表面提供，第m個板是距LOE最遠的板，m個板中的每一個板的厚度等於LOE的厚度h的1/(m+1)。

10:光導光學元件(LOE)

12,14:主外表面

16,24:部分反射表面

18:衍射光學元件

20:圖像投影儀(POD)

22:楔形件，楔形棱鏡

26,26':透明板

28:部分反射器，部分反射表面

30:全反射器，完全反射表面，反射鏡

32:端點，臨界點

34:耦入區域

36:傳播區域

38:邊緣

40:傾斜邊緣

44:氣隙

100:使用者的眼睛

102:眼運動框(EMB)

d ₁ ,d ₂ :直徑

H:長度

h:厚度

S:光闌

α_pod:角度

θ ₁ :入射角

θ ₂ :折射角

在本文中，參照圖式僅以示例方式描述本發明，在圖式中：

圖1A和圖1B是示出根據本發明的實施方式的具有光束倍增的圖像投射波導系統的示意性側視圖，所示系統分別採用反射束引導部件和衍射束引導部件；

圖2是採用根據常規耦入幾何結構的耦入楔形件的波導的示意性側視圖；

圖3A和圖3B示出了被引入圖2的波導中的不同大小的照射孔徑的結果，其分別實現波導的完全填充和部分填充；

圖4至圖6分別是用於對半孔徑填充、三分之一孔徑填充和四分之一孔徑填充進行補償的圖像顯示系統的實施方式的示意性側視圖；

圖7示出了使用楔形耦入結構的常規光學系統的耦入區域的大小；

圖8示出了所公開的使用楔形耦入結構的光學系統的實施方式的耦入區域的大小；

圖9示出了所公開的使用傾斜邊緣耦入結構的光學系統的實施方式的耦入區域的大小；

圖10至圖11是所公開的其中孔徑在非導向維上延伸的光學系統的實施方式的示意性側視圖；

圖12是圖10和圖11的光學系統的等距視圖；

圖13是其中孔徑在導向維和非導向維上延伸的光學系統的等距視圖；以及

圖14是所公開的使用氣隙耦入結構的光學系統的實施方式的示意性側視圖。

本發明是一種具有光束倍增的光導光學系統，參照圖式和所附說明書可以更好地理解該系統的原理和操作。

現在參照圖式，圖1A和圖1B示意性示出了根據本文提 供的教示的用於向使用者的眼睛100顯示圖像的光學系統的實現方式，使用者的眼睛位於被稱為眼運動框(Eye Motion Box，EMB)102的區域內。系統包括光導光學元件(LOE)10(可以被互換地稱為“波導”或者“基板”)，該LOE具有兩個平坦的主外表面12、14，這兩個主外表面是平行的，以支持通過主外表面處的全內反射(total internal reflection，TIR)在LOE內進行圖像照射的傳播。可以認為本系統的LOE沿其寬度被虛擬地劃分成至少功能上不同的區域，在本文中稱為“耦入區域”和“傳播區域”，將在下文進一步詳細描述。

耦出結構與LOE的傳播區域的至少一部分相關聯，並且被構造成用於將圖像照射的至少一部分從LOE朝向使用者的眼睛100耦出。在某些實施方式中，如圖1A所示，耦出結構被實現為一組相互平行的部分反射表面16，其被部署在LOE內並且相對於主外表面傾斜取向。在其他實施方式中，如圖1B所示，耦出結構被實現為與LOE 10相關聯的至少一個衍射光學元件18，並且被構造成用於朝向使用者的眼睛將圖像照射的一部分逐漸耦出。在一些實施方式中，耦出結構可以與整個傳播區域相關聯，使得圖像沿著傳播區域的整個長度逐漸耦出。在其他實施方式中，耦出結構可以僅與傳播區域的一部分相關聯，使得傳播區域包括使圖像僅在其中傳播而不被耦出的部分。

圖像投影儀20(其可以被互換地稱為“POD”)生成與準直圖像相應的圖像照射。圖像投影儀20光耦合至LOE 10以將圖像照射引入LOE的耦入區域從而通過內反射在LOE內傳播。與本發明的裝置結合採用的POD優選地被構造成生成準直圖像，即，其中，每個圖像像素的光是具有與像素位置對應的角方向的平行光束，該平行光束被準直到無窮遠。因此，圖像照射跨越與二維角度視場相應的角度範圍。

圖像投影儀20包括至少一個光源，通常被部署成照射空間光調變器，例如矽上液晶(liquid crystal on silicon，LCOS)晶片。空間光調變器對圖像的每個像素的投射強度進行調變，從而生成圖像。圖像投影儀20的其他實施方式可以包括有機發光二極體(organic light emitting diode，OLED)照射源或微發光二極體(micro light emitting diode，micro-LED)照射源。替選地或者附加地，圖像投影儀可以包括掃描佈置，其通常使用快速掃描鏡來實現，該掃描裝置在投影儀的圖像平面各處掃描來自雷射光源的照射，同時以逐個像素為基礎使光束的強度隨運動同步變化，從而針對每個像素投射期望的強度。在這兩種情況下，提供準直光學器件以生成被準直到無窮遠的輸出投影圖像。如本領域所公知的，上述部件中的一些或者全部通常被佈置在一個或更多個偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)立方體或者採用反射光學器件的其他棱鏡佈置的表面上。替選地，可以使用具有反射光學器件和/或折射光學器件的自由空間光學器件實現方式。圖像投影儀的細節本身不是本發明的一部分，並且為了簡化表示，在此將圖像投影儀示意性地表示為虛線框而不試圖對各個部件進行說明。

圖像投影儀20到LOE 10的光耦合可以通過任何合適的光耦合來實現，例如經由具有斜角輸入表面的耦入棱鏡、或者經由反射耦合裝置、經由LOE的側邊緣和/或其中一個主外表面來實現。經由楔形棱鏡耦入的示例可以在PCT公佈文本第WO2015162611號中找到。使用反射鏡進行耦入的各種示例可以在PCT公佈文本第WO2001095027號中找到。除非在下文中另有說明，否則在圖像投影儀與LOE之間的光耦合的細節通常對本發明而言並不關鍵，並且在此被示意性地示為應用於LOE 10的邊緣表面的楔形棱鏡22的非限制性示例。此外，本文中示出的使用耦入棱鏡的本發明的實現方式能夠使用反射耦入佈置等同地實現，反之，使用反射耦入佈置的實現方式能夠使用耦入棱鏡等同的實現。耦入佈置確定POD與LOE之間的角度，在圖2中表示為α_pod。

在圖1A、圖1B和圖4至圖14中示出的本發明的方面涉及一些結構，其中：準直圖像的光被具有成對的主平行外表面的光導光學元件(LOE)導向但不完全“填充”(在本文中也稱為“照射”)該LOE，並且特別地，圖像不是沿著LOE在每個點處作為圖像/共軛圖像對傳播。在這種情況下，根據本發明的一個方面，已經發現下述佈置尤其有效：設置 光束倍增結構，使其與LOE的耦入區域相關聯並且被構造成用於對引入LOE的耦入區域的圖像照射的光束倍增以利用圖像及其共軛完全照射傳播區域，將在下面詳細描述。

因此，圖1A至圖1B中示出的光學系統包括鄰近LOE 10的下表面12定位的至少一個透明板26。在圖1A至圖1B所示的實施方式中，示出了單個透明板26。透明板26包括處於表面12處或者表面12附近的部分反射表面24，該部分反射表面24用作分束器(也稱為“光束倍增器”和/或“光束複製器”)，使得撞擊該分束器的一部分光被反射回到LOE 10中並且透射穿過透明板26的一部分光被透明板26的外表面反射回到LOE 10中。在下文中提供本發明的光束倍增結構的其他細節。

為了更好地說明圖1A至圖1B示出的光束倍增結構所提供的優點，圖2和圖3A示出了採用根據常規方法的楔形棱鏡22而不具有當前公開的光束倍增結構的耦入結構。LOE應當針對光的所有傳播角度(也被稱為“場”或“視場”-(field of view，FOV))以及在整個EMB 102中以均勻分佈向人眼提供圖像照射。為此，每個視場的孔徑應當被光均勻地填充。換言之，對於與準直圖像內的像素對應的任何照射角度，在垂直於LOE的主表面的平面中，LOE的整個截面應當填充有圖像及其反射(共軛)二者，使得在LOE體積中的任何點處都存在與準直圖像及其共軛的所有像素對應的光線。為了實現該結果，如圖3A所示，使用相對大孔徑的圖像投影儀20以及到LOE的一個主表面12的延伸，使得LOE 10的孔徑接收圖像的完全直接照射以及從表面12內反射的共軛圖像的完全反射照射。以這樣的方式，圖像投影儀20必須具有用以填充LOE孔徑的對應的大孔徑。

如果不滿足“填充”條件，則射入眼睛的光將不會均勻分佈。圖3B示出了不滿足該標準的窄照射束的示例，其中，使用了較小的圖像投影儀20，其光學結構在其他方面類似於圖3A。當存在孔徑填充不足時，離開LOE的光將不會均勻分佈。LOE填充的不均勻性可能由於多種原因而發生，包括但不限於使用小孔徑投影儀、使用小耦入幾何結構以 及內部小面反射的某些結構。

現在參照圖4至圖6，公開了根據本發明的實施方式的光學系統，該光學系統對孔徑的部分填充進行補償。總體而言，每個該光學系統包括LOE 10，該LOE 10具有兩個平坦的主外表面12、14，主外表面是平行的以支持通過主外表面處的內反射在LOE內進行圖像照射的傳播。LOE在主外表面之間具有厚度h。沿著LOE的長度，LOE首先包括耦入區域34，隨後是傳播區域36。與耦入區域不同，傳播區域被空氣屏障(或者替選地，反射鏡)包圍，使得被引入傳播區域的圖像照射在主外表面12、14之間經歷TIR。

投影儀20將圖像引入耦入區域34，圖像投影儀20被構造成用於生成與準直圖像對應的圖像照射，並且圖像投影儀20光耦合至LOE以將圖像照射引入LOE的耦入區域使其通過內反射在LOE的傳播區域內傳播。

該光學系統還包括光束倍增結構，該光束倍增結構與LOE相關聯並且被構造成用於對被引入LOE的耦入區域中的圖像照射的光束倍增，光束倍增結構包括m個部分反射相互平行表面28，其中m是正整數，m個表面在LOE外部並且平行於LOE的主外表面。光束倍增結構還包括全反射器30。m個表面和反射器被佈置成將被引入耦入區域34的圖像照射反射到傳播區域36中，以利用圖像及其共軛完全照射傳播區域36。

光學系統還包括耦出結構，該耦出結構典型地被實現為小面16或者衍射光學元件18(為了清楚起見，在圖4至圖6中省略，但是在圖1A至圖1B中示出)，耦出結構與傳播區域36相關聯並且被構造成用於將來自LOE的圖像照射的至少一部分朝向使用者的眼睛耦出。

在本說明書中，部分反射表面28在本文中也被稱為“部分反射器”，而完全反射表面30簡單地被稱為“反射器”。如下面將詳細描述的，反射器和部分反射器由一個或更多個透明板26提供。一般而言，m個板用於對1/m孔徑填充進行補償。m個板提供m+1個反射表面，包括一 個(1個)反射器和m個部分反射器。反射器通常被實現為通過TIR完全反射撞擊光線的板的外表面。替選地，在一些實施方式中，反射器可以被實現為鏡。

現在參照圖4，示出了光學系統的截面圖式，其中，光束倍增結構對圖像投影儀的半(1/2)孔徑填充進行補償。在這種情況下，單個透明板26提供部分反射器28和全反射器30，並且透明板26接合至與耦入區域34相鄰的LOE的外表面12(在本文中也被稱為“下”主外表面)。

透明板26沿著與耦入區域34相鄰的LOE的下主外表面12的長度部分地延伸。透明板26的端點32(在本文中被稱為“臨界點”)標誌著LOE的耦入區域34結束並進入傳播區域36，但是，耦入區域與傳播區域之間的區別僅是概念性的，因為在這些區域之間的接合處不存在物理屏障。在一些實施方式中，透明板26包括在臨界點處的邊緣38，該邊緣垂直於LOE的主外表面。重要的是，沒有圖像照射可以在撞擊邊緣38之後進入傳播區域。在一些實施方式中，在兩個或更多個板的情況下，只有最接近LOE(實際上與LOE相鄰)的板必須完全在耦入區域34旁邊延伸並且在端點32處終止於邊緣38。

在這種情況下，如圖4所示，光束倍增結構通過對進入傳播區域的圖像照射的光束倍增(在本文中也被稱為“光束複製”)對1/2孔徑填充進行補償，使得傳播區域被圖像(示為向下箭頭)及其共軛(示為向上箭頭)二者完全照射。如圖4所示，每個光線被分束器複製，其中部分光線從部分反射器28反射並且部分光線從全反射器30反射，從而有效地使臨界點32進一步沿著LOE的長度延伸，使得此時每個光線及其共軛填充LOE的傳播區域36，從而對投影儀造成的小孔徑填充進行補償，小孔徑填充不足以利用圖像及其共軛完全照射傳播區域。為了實現圖像及其共軛圖像的均勻強度分佈，透明板26的下表面用作全反射器30(例如，經由TIR或者鏡面塗層)，並且理想地，透明板26的頂表面應當被塗覆以均勻地反射圖像的角度範圍內36%至40%的撞擊光，並且最優選地為 38.2%。

附帶地，應當理解，圖像投影儀20可以替選地注入圖像的共軛，在這種情況下，向下箭頭實際上表示共軛而向上箭頭表示圖像。同樣地，在本說明書中，術語“圖像”和“共軛”應當被理解為可互換，使得對“圖像”的引用也可以表示圖像的共軛，在這種情況下，對“共軛”的任何引用將被理解為是指圖像。

在一些實施方式中，光學系統可以包括在圖像投影儀20與LOE 10之間的楔形件22耦入結構。

如上所述，還設想了對較小的部分孔徑填充進行補償。圖5示出了對注入光線進行補償的光學裝置，該注入光線僅填充全孔徑注入光線所填充區域的大小的1/3(即，圖3A中示出的被光線填充的大小的1/3)。在不進行補償的情況下，LOE將僅被部分填充(圖3B)。為了對1/3孔徑填充(N=3)進行補償，需要兩個(N-1=2)部分反射器28。在圖5所示的示例性實現方式中，使用兩個透明板26實現兩個部分反射器，兩個透明板的總組合厚度由h*2/3給出，每個單獨透明板26的厚度為h/3。在這種情況下，兩個透明板26接合在一起形成“堆疊”，然後該“堆疊”接合到與耦入區域34相鄰的LOE的表面12。兩個透明板在它們的主外表面處接合並且共同提供兩個部分反射器28和一個全反射器30。

為了實現共軛圖像的圖像均勻分佈，頂(第一個)板與LOE之間的界面可以包括反射率在21%與24%之間、並且優選為22.8%的部分反射塗層。底(第二個)板與該頂(第一個)板之間的界面可以塗覆有反射率在37%與40%之間、並且優選為38.2%的部分反射塗層。與參照圖4所述的類似，底(即，第二個)透明板的下主外表面用作全反射器。

圖6示出了對注入光線進行補償的光學裝置，該注入光線僅對填充全孔徑注入光線所填充的區域的大小的1/4(即，圖3A中示出的被光線填充的大小的1/4)。為了對1/4孔徑填充(N=4)進行補償，需要三個(N-1=3)部分反射器28。在圖6所示的示例性實現方式中，使用三個透明板26實現三個部分反射器28，三個透明板的總組合厚度由h*3/4 給出，每個單獨透明板的厚度為h/4。

為了實現共軛圖像的圖像均勻分佈，頂(第一個)板與LOE之間的界面可以包括反射率在15%與17%之間、並且優選為16.1%的部分反射塗層。中間(第二個)板與頂(第一個)板之間的界面可以塗覆有反射率在21%與24%之間、並且優選為22.8%的部分反射塗層。中間(第二個)板與底(第三個)板之間的界面可以塗覆有反射率在37%與40%之間、並且優選地為38.2%的部分反射塗層。與參照圖4和圖5所描述的類似，底(即，第二個)透明板的下主外表面用作全反射器。

一般而言，光束倍增結構包括由m個透明板提供的與LOE主外表面平行的m個部分反射表面，其中m是正整數。部分反射器的數量根據式m=N-1確定，其中，1/N表示要補償的孔徑填充的分數。部分反射器以間隔關係部署，其中第一部分反射器處於LOE的下主外表面12處或附近。部分反射器之間的間隔與LOE的厚度h成比例，並且通過板的厚度來指示。全反射器30被部署在部分反射器下方，並且特別地，在最後的部分反射器下方(在僅使用一個部分反射器時，最後的部分反射器也是第一部分反射器)。全反射器被部署成相對於最後的部分反射器成間隔關係並且在最後的部分反射器下方，使得全反射器與LOE的下主外表面12(等同於或者近似等同於第一部分反射器)之間的有效間隔也與h成比例。通常，全反射器與LOE的下主外表面之間的有效間距可以由公式h*(N-1)/N表示。為了實現這樣的間距，m個板中的每一個的厚度應當優選為h的1/(m+1)。

在多於一個透明板的情況下，板之間的每個界面以及第一個板(即，與LOE相鄰的板)與LOE之間的界面包括部分反射塗層。可以採用許多不同的塗覆方法。例如，每個板可以在一個表面上被塗覆並且接合在一起並且接合至LOE，使得每個界面包括部分反射塗層。替選地，每隔一個板(即，堆疊中的交替板)可以在其兩個主外表面上均塗覆部分反射塗層。替選地，可以通過將具有不同折射率的板堆疊(或者使用光學黏合劑)來實現部分反射率，選擇不同的折射率以在板之間的界面處生成 期望的部分反射。替選地，板之間的光學黏合劑可以具有與板不同的折射率，選擇不同的折射率以生成期望的部分反射。

為了實現圖像及共軛圖像的均勻強度，板i的頂表面應 當被塗覆以實現理想的部分反射率

，其中，由於TIR，第m 個板(即，距LOE最遠的板)的底表面為R _m+1=1。

優選地，使用上文詳述的針對R_i的算式給出m個連續的部分反射器中的每個的反射率。然而，反射比例是一個可能無法在所有情況下都精確限定或精確實現的參數，至少對於圖像的整個角度範圍(視場)而言並非如此，因而此處意圖是指足夠接近理論值的值，理論值即如果被採樣則將在視覺上被感知為在LOE的整個厚度上均勻的結果強分佈。對於單個部分反射器(m=1)，5%至10%的反射率誤差在視覺上是可以接受的，即使僅在一個二分之一週期之後。更一般地，在某些情況下，反射率±5%甚至±10%的變化可能提供足夠接近視覺上可接受的最優值的結果。為了避免在光束倍增過程期間生成具有不均勻強度的條紋，應當保持部分反射器層與LOE的主外表面之間的平行性，並且優選地執行將厚度細分成相等部分達到10%內的準確度，並且優選地更準確地執行。

在結構上，可以使用任何合適的部分反射層或者塗層來實現光束倍增結構的部分反射率，部分反射層或者塗層包括但不限於金屬塗層、結構性部分反射器(例如，圓點(polka-dot)圖案化反射器)和多層介電塗層。在一些實施方式中，部分反射塗層可以優選地使用角相關反射塗層來實現，其中，該塗層在與LOE內的圖像光傳播的角度對應的範圍內的角度處具有根據上述序列的期望的反射率，同時，在小角度(接近垂直於分束器)處具有低反射率，以提供來自直接觀看場景的較少的光衰減。具有這種角相關反射的層可以使用多層介電塗層容易地實現，並且易於製造，因為所需的性質本質上類似於菲涅爾反射性質。提供這種角相關反射率的多層塗層的設計可以使用標準套裝軟體執行，這是本領域中的常見做法，並且可以從許多來源商業地獲得合適的塗層。因此，為了陳述的簡潔 起見，將不在此闡述細節。

雖然目前所述的實施方式涉及當使用楔形件作為用於將光線注入LOE的耦入機構時的光束倍增，但可以存在其中設想了其他耦入幾何結構的其他實施方式。

通過介紹，圖7重申了當使用楔形件22作為耦入機構時LOE的全孔徑填充。該楔形件被光學設計成使得孔徑被完全填充，即，在垂直於LOE的主外表面的平面中，LOE的截面中的每個點處存在上行光線和下行光線。耦入區域34的大小由楔形件和視場確定，並且被設計成使得對於LOE內的所有視場，上行光線與下行光線之間存在交疊。在主光線被與LOE正交地耦出LOE的結構中，楔形件相對於LOE的角度被選擇為垂直於主光線。然而，如果對LOE添加輕微的傾斜(例如，出於美觀原因)，則應當調節楔角以考慮該傾斜角，從而使色差最小化。此外，楔形件的長度根據可以被導向通過LOE的最淺光線來確定。傳播區域36在耦合區域34的末端處開始並且繼續遍及LOE的長度。

如上面詳細討論的，具有光束倍增的部分孔徑填充技術(例如，在圖4示出並且在圖8中更詳細地再現的半孔徑填充技術)依賴於使用一個或更多個透明板26來複製入射光線以完全填充孔徑。然而，從圖8明顯看出，與圖7示出的全孔徑方法相比，透明板26增加了耦入區域34的大小(即，透明板沿著LOE的下主外表面12的有效部分延伸)。

考慮到上述情況，圖9示出了根據本發明的實施方式的光學裝置，該光學裝置具有光束倍增機構，與圖8的耦入區域34相比，該光束倍增機構同時減小了耦入區域34的大小。在這樣的實施方式中，全孔徑被照射，然而，楔形耦入機構被傾斜邊緣40(即，與LOE的平行主外表面成一定角度的邊緣)代替。通常，根據與上述用於選擇楔角相同的標準來選擇傾斜邊緣40的特定角度。由於不存在用以複製上行光線和下行光線楔形件，因此光線經由傾斜邊緣40直接注入LOE。透明板26(類似於前述透明板)複製上行光線和下行光線並使其交疊。此外，由於不存在用作耦入機構的楔形件，所以光學裝置的總輸入孔徑較小(與圖8 的光學裝置相比)，並且耦入區域34(即，由透明板的長度限定的區域)的大小小於圖8的耦入區域34的大小。此外，減小的總輸入孔徑具有減小光學裝置的總體形狀因子的附加優點，這適合用於近眼顯示(near eye display，NED)系統。

為此，已經針對LOE 10的導向維上的孔徑延伸討論了關於輸入孔徑延伸的論述。在一些情況下，在非導向維上的孔徑延伸也是必要的。如本文中所使用的，“導向維”指主表面之間的維，在該維上光被TIR導向，並且“非導向維”指平行於主表面延伸的維，在該維上，光路在不受內反射限制的情況下擴展。

圖10示出了孔徑在非導向維上延伸的光學系統。為了在光線未被TIR導向時對孔徑的部分填充進行補償，在楔形件22與LOE 10的邊緣之間部署有透明板26，該透明板26的下主表面28塗覆有部分反射塗層，使得透明板26的上主外表面的一部分用作反射鏡30，並且透明板的下主外表面用作部分反射器28。透明板有效地反射入射光線，使得部分填充的輸入光線被複製。為了填充整個孔徑，透明板26的厚度h _m 被選擇為具有光學系統的孔徑光闌S的一半。

圖11示出了圖10的光學系統的另一描述，其附加地示出了來自不同視場(由含有平行光線的不平行集合表示)的光線全部填充光學系統的光闌S(其大小為原始全孔徑光學系統的大小的一半)。

圖12是圖10和圖11的光學系統的等距視圖，示出了耦合至LOE輸入的透明板26。為清楚起見，在圖12中沒有示出耦入結構，但假設其存在。兩個光線被透明板26複製並且然後在LOE內傳播直至到達耦出結構(在圖12中示為表示小面的對角線)，並且朝向EMB(未示出)耦出。

圖13分別示出與圖12的光學系統類似的光學系統的實施方式的截面圖和等距視圖，但在LOE輸入處具有另外的透明板26'，用於在LOE的導向維上執行光束複製(如例如參照圖4至圖9所論述的)。

圖14示出了根據本發明實施方式的在非導向維上執行光 束倍增的另一光學系統。與參照圖10至圖12描述的實施方式形成對照。在該實施方式中，沒有使用楔形件來將光線耦合到LOE中。而是入射束(光線)從投影儀(未示出)經由氣隙44(為了清楚起見而誇大示出)注入LOE。類似於參照圖10至圖12所描述的，在氣隙44與LOE 10之間部署有透明板。當光束從較低折射率的氣隙44介質移動到較高折射率的介質(例如，通常由玻璃構成的LOE)時，部分由於透明板26(如前文所述)並且部分由於光束折射而使光束擴展。折射引起的擴展稱為光束直徑放大。如圖14所示，直徑為d ₁ 的光束以入射角θ ₁ (相對於法線測量)撞擊到覆蓋一段長度H的透明板上。折射束具有束直徑d ₂ 和折射角θ ₂ (相對於法線測量)。使用簡單的幾何學，可以容易地推導出以下數學關係：

由於θ ₂ 小於θ ₁ (根據斯涅爾定律)，因此d ₂ 大於d ₁ ，由此產生放大的束直徑。

應當強調的是，在以上參照圖1A至圖1B和圖4至圖14公開的實施方式中，進入LOE的傳播區域的光先前僅被部分反射器和/或全反射器反射。在任何情況下，反射離開透明板的邊緣(即，透明板26的垂直於LOE表面12、14的邊緣)的光不會進入LOE的傳播區域。

應當理解，顯示器包括各種附加部件，通常包括用於致動圖像投影儀的控制器，通常採用來自小型機載電池或者一些其他合適的電源的電力。應當理解，控制器包括所有必要的電子部件，例如用以驅動圖像投影儀的至少一個處理器或處理電路，所有這些是本領域公知的。這些特徵本身不是本發明的一部分，因此將不在此詳細描述。本領域的普通技術人員將容易地實現所有這些特徵。

在本文的描述中，擴展後的光束被稱為“完全照射”傳播區域，其意義在於，光束倍增結構克服了由圖像投影儀提供的束寬度的限 制，並且確保LOE的進入孔徑被提供有處於其整個區域上的圖像及其共軛。顯然，“完全”照射是通過生成不具有在一定程度上會被觀察者的眼睛感知並對其產生困擾的顯著電洞或黑線的耦出圖像的能力來評估的。LOE填充中不會顯著影響使用者體驗的微小缺陷顯然可接受，並且被短語“完全照射”涵蓋。

應當理解，以上描述僅旨在用作示例，並且在如所附申請專利範圍所限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式也是可能的。

10:光導光學元件(LOE)

12,14:主外表面

20:圖像投影儀(POD)

22:楔形件，楔形棱鏡

26:透明板

28:部分反射器，部分反射表面

30:全反射器，完全反射表面，反射鏡

32:端點，臨界點

34:耦入區域

36:傳播區域

38:邊緣

Claims (20)

1. 一種用於向使用者的眼睛顯示圖像的光學系統，所述光學系統包括：

   (a)光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)，所述光導光學元件具有兩個平坦的主外表面，所述主外表面是平行的，以支持通過所述主外表面處的內反射在LOE內進行圖像照射的傳播，所述LOE在所述主外表面之間具有厚度h，所述LOE具有耦入區域和傳播區域；

   (b)耦出結構，所述耦出結構與所述LOE的所述傳播區域相關聯，並且被構造成用於將所述圖像照射的至少一部分從所述LOE朝向使用者的眼睛耦出；

   (c)圖像投影儀，所述圖像投影儀用於生成與準直圖像對應的圖像照射，所述圖像投影儀光耦合至所述LOE以將所述圖像照射引入所述LOE的所述耦入區域，使所述圖像照射通過內反射在所述LOE的所述傳播區域內傳播；

   (d)光束倍增結構，所述光束倍增結構與所述LOE相關聯，並且被構造成實現對被引入所述LOE的所述耦入區域的圖像照射的光束倍增，所述光束倍增結構包括m個部分反射相互平行表面，其中m是正整數，所述m個表面在所述LOE外部並且平行於所述LOE的主外表面，並且所述光束倍增結構還包括反射器，所述m個表面和所述反射器被佈置成將被引入所述耦入區域的圖像照射反射到所述傳播區域中，以利用所述準直圖像和所述準直圖像的共軛二者完全照射所述傳播區域。
2. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述m個表面由m個透明板提供，每個板具有成對的主平行外表面，所述m個板在其相應的主平行表面處接合在一起，以形成接合至所述LOE的主外表面的堆疊。
3. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述反射器由第m個板的外表面提供，所述第m個板是距所述LOE最遠的板，所述外表面被構造成用於經由全內反射(total internal reflection，TIR)進行全反射。
4. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述反射器由鏡提供。
5. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述m個板中的每一個板的厚度等於h的1/(m+1)。
6. 如請求項2所述的光學系統，其中，第一個板沿著所述LOE的與所述耦入區域相鄰的長度延伸，所述第一個板是距所述LOE最近的板。
7. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述光束倍增結構被構造成對1/(m+1)孔徑填充進行補償。
8. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述LOE包括導向維和非導向維，並且其中，所述光學系統包括第一光束倍增結構和第二光束倍增結構，所述第一光束倍增結構被構造成在所述導向維上提供光束倍增，並且所述第二光束倍增結構被構造成在所述非導向維上提供光束倍增。
9. 如請求項1所述的光學系統，還包括耦入結構，所述耦入結構與所述LOE的所述耦入區域相關聯，並且被構造成用於將來自所述圖像投影儀的圖像照射耦入到所述LOE中，以通過內反射在所述LOE內傳播。
10. 如請求項9所述的光學系統，其中，所述耦入結構包括位於所述圖像投影儀與所述LOE的所述耦入區域之間的楔形棱鏡。
11. 如請求項9所述的光學系統，其中，所述耦入結構包括處於所述圖像投影儀與所述LOE的所述耦入區域之間的所述LOE的端部處的傾斜邊緣。
12. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述耦出結構包括與所述LOE的所述主外表面成斜角的多個相互平行的小面。
13. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述耦出結構包括衍射元件。
14. 一種用於向使用者的眼睛顯示圖像的光學系統，包括：

    (a)光導光學元件(LOE)，所述光導光學元件具有兩個平坦的主外表面，所述主外表面是平行的，以支持通過所述主外表面處的內反射在LOE內進行圖像照射的傳播，所述LOE在所述主外表面之間具有厚度h，所述LOE具有耦入區域和傳播區域；

    (b)耦出結構，所述耦出結構與所述LOE的所述傳播區域相關聯，並且被構造成用於將所述圖像照射的至少一部分從所述LOE朝向使用者的眼睛耦出；

    (c)圖像投影儀，所述圖像投影儀用於生成與準直圖像對應的圖像照射，所述圖像投影儀光耦合至所述LOE以將所述圖像照射引入所述LOE的所述耦入區域，使所述圖像照射通過內反射在所述LOE的所述傳播區域內傳播；

    (d)光束倍增結構，所述光束倍增結構與所述LOE相關聯並且被構造成用於對被引入所述LOE的所述耦入區域的圖像照射的光束倍增，所述光束倍增結構包括具有相互平行的外表面的透明板，所述透明板接合到所述LOE的與所述耦入區域相鄰的主外表面，所述透明板提供處於所述LOE與所述板之間的部分反射表面，並且還提供反射器，所述部分反射表面和所述反射器被佈置成將被引入所述耦入區域的圖像照射反射到所述傳播區域中，以利用所述準直圖像和所述準直圖像的共軛二者完全照射所述傳播區域。
15. 如請求項14所述的光學系統，其中，所述透明板具有厚度h/2。
16. 如請求項14所述的光學系統，其中，所述光束倍增結構被構造成對由圖像投影儀造成的所述耦入區域的1/2孔徑填充進行補償。
17. 如請求項14所述的光學系統，還包括耦入結構，所述耦入結構與所述LOE的所述耦入區域相關聯，並且被構造成用於將來自所述圖像投影儀的圖像照射耦入到所述LOE中，以通過內反射在所述LOE內傳播。
18. 如請求項14所述的光學系統，其中，所述耦入結構包括位於所述圖像投影儀與所述LOE的所述耦入區域之間的楔形棱鏡。
19. 如請求項14所述的光學系統，其中，所述耦入結構包括處於所述圖像投影儀與所述LOE的所述耦入區域之間的所述LOE的端部處的傾斜邊緣。
20. 如請求項14所述的光學系統，其中，所述LOE包括導向維和非 導向維，並且其中，所述光學系統包括第一光束倍增結構和第二光束倍增結構，所述第一光束倍增結構被構造成在所述導向維上提供光束倍增，所述第二光束倍增結構被構造成在所述非導向維上提供光束倍增。

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