TW202142903A - 用於減輕重影的光學裝置 - Google Patents

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埃坦 羅寧
埃德加 弗里德曼
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以色列商魯姆斯有限公司
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Abstract

光學裝置具有透光基板、光學耦出配置和光學佈置。透光基板具有至少兩個主表面，並且通過主表面之間的內反射來引導光。光學耦出配置將通過內反射引導的光朝向觀看者的眼睛耦出透光基板。光學佈置與兩個主表面中的至少一個相關聯，並且具有第一光學元件和第二光學元件。光學元件彼此光學耦合以限定與耦出配置的至少一部分相關聯的介面區域。介面區域使從外部場景發出的、以給定入射角範圍入射到光學裝置的光線偏轉。

Description

用於減輕重影的光學裝置
本申請要求於2020年3月23日提交的美國臨時專利申請第62/993,100號的優先權，該申請的全部公開內容通過引用合並且于本文中。
本發明涉及基板引導的光學裝置。
近眼顯示器(NED，near eye display)、頭戴式顯示器(HMD，head mounted display)和平視顯示器(HUD，head up display)的光學佈置需要大孔徑以覆蓋觀看者的眼睛所在的區域(通常被稱為眼睛運動盒或EMB)。為了實現緊湊的裝置，要投影到觀看者的眼睛中的圖像由具有小孔徑的小型光學圖像生成器(投影儀)生成，該小孔徑被倍增以生成大孔徑。
基於透明材料的平行面對的板開發了一種在一個維度上進行孔徑倍增的方法，在該平行面對的板中圖像通過內反射進行傳播。通過使用成斜角的部分反射器或通過在板的一個表面上使用衍射光學元件，將圖像波前的一部分耦出板。這樣的板在本文中被稱為光導光學元件(LOE，light-guide optical element)、透光基板或光波導。在圖1中示意性地示出了這種孔徑倍增的原理，圖1示出了產生圖像並且執行圖像的孔徑擴展的光學裝置10。光學裝置10具有光導光學元件12，該光導光學元件12由透明材料形成並且具有一對平行的主外表面(面)14、16，用於通過內反射(優選但不一定是全內反射)來引導光。圖像投影儀18(示意性地表示為矩形)生成如此處由照明束20示意性地表示的投影圖像20，該照明束20包括跨越束的樣本光線20A和樣本光線20B。投影圖像20由如此處由棱鏡22(可互換地被稱為“楔形件”或“棱鏡”)示意性地示出的光學耦入配置22耦入光導光學元件12中，以生成反射光線24，該反射光線24通過內反射被捕獲在基板內，從而還生成光線26。此處，耦合楔形件22包括三個主表面，其中一個主表面位於LOE 12的傾斜邊緣面28旁邊(或與LOE 10的傾 斜邊緣28是共同的)(此處邊緣26與面14、面16成傾斜角)。
耦入圖像20通過面14、面16的重複內反射沿基板12傳播，入射在與平行面14、面16成傾斜角(α sur )的光學耦出配置30上，光學耦出配置30此處由一系列部分反射表面30a、部分反射表面30b、部分反射表面30c、部分反射表面30d、部分反射表面30e、部分反射表面30f(統稱為部分反射表面30)示意性地示出，其中，圖像強度的一部分被反射，以朝向位於EMB 38中的觀看者的眼睛36的瞳孔34作為光線32A和光線32B耦出基板，該EMB 36處於距表面14的出瞳間隔(ER，eye relief)距離40處。基板12的透明性使觀看者能夠觀看覆蓋在基板12的前側處(即在面16處)的外部場景(即，真實世界場景)的視圖上的耦合出圖像20，當將光學裝置10佈置為增強現實(Augmented Reality,AR)系統的一部分時，這是特別有用的。
為了使可能引起重影圖像的圖像20的不需要的反射最小化，部分反射表面30優選地被塗覆成具有針對第一入射角度範圍的低反射率，同時具有針對第二入射角度範圍的所期望的部分反射率，其中，將相對於部分反射表面30的法線具有小傾斜度的光線(此處表示為角度βref)分開以生成用於耦出的反射光線，而高傾斜度(相對於法線)的光線以可忽略的反射透過。
投影圖像20是准直圖像，即其中每個圖元由對應角度處的平行光線束──相當於來自遠離觀看者的場景的光──來表示(准直圖像被稱為“准直到無限遠”)。此處，圖像由與圖像中的單個點(通常是圖像的質心)對應的光線簡化地表示，但事實上，圖像包括到該中心束的每一側的角度範圍，該圖像以對應角度範圍耦入至基板，並且類似地以對應的角度耦出，從而創建與以不同方向到達觀看者的眼睛36的圖像的部分對應的視場(FOV，field of view)。
除了可能產生重影的圖像20的不需要的反射之外，基板12和耦出配置30的能夠使來自圖像投影儀18的圖像20通過重複內反射從面14、面16沿基板12傳播並且由耦出配置30耦出的光學特性還可能引起來自外部場景(即，真實世界場景)的不需要的光向觀看者的眼睛36偏轉，從而引起外部場景重影。
本發明的各方面提供了用於減輕由外部場景中的源發出的光引起的重影圖像的光學裝置。
根據本發明的實施方式的教導，提供了一種光學裝置。該光學裝置包括：具有至少兩個主表面的透光基板，用於通過主表面之間的內反射來引導光；光學耦出配置，用於將通過兩個主表面之間的內反射引導的光朝向觀看者的眼睛耦出透光基板；以及光學佈置，其與兩個主表面中的至少一個相關聯，並且包括第一光學元件以及第二光學元件，第二光學元件光學耦合至第一光學元件，以限定與光學耦出配置的至少一部分相關聯的介面區域，光學佈置被佈置成使得從外部場景發出並且以給定入射角範圍入射到光學佈置的光線在介面區域處偏轉。
可選地，第一光學元件和第二光學元件均具有比介面區域的折射率高的折射率。
可選地，介面區域被形成為氣隙。
可選地，介面區域被形成為低折射率材料的透明層。
可選地，第一光學部件和第二光學部件各自包括多個表面，並且經由多個表面中的對應表面來對應配置和相鄰放置，以限定介面區域。
可選地，第一光學元件和第二光學元件中的每一個是棱鏡，棱鏡具有相互平行的第一表面和第二表面以及傾斜于相互平行的第一表面和第二表面的第三表面，並且其中，第一光學元件和第二光學元件在第三表面處彼此光學耦合。
可選地，光學佈置被形成為透鏡。
可選地，介面區域具有線性表面輪廓。
可選地，介面區域具有非線性表面輪廓。
可選地，介面區域包括第二透光基板，第二透光基板具有一對平行面以及在相對于平行表面傾斜地佈置第二透光基板內的多個部分反射表面。
可選地，部分反射表面中的每一個包括：一對透明層以及佈置在一對透明層之間的塗覆有低折射率材料的粗糙透明層，其中，一對透明層中的每一個的折射率高於低折射率材料的折射率。
可選地，以給定角度範圍從外部場景發出的光線在介面區域處偏轉，從而通過內反射被捕獲在第一光學元件內。
可選地，以給定角度範圍從外部場景發出的光線經由第一光學元件的第一表面進入光學佈置，在介面區域處被反射，在第一光學元件的第一表面處被反射，並且在介面區域處朝向第一光學元件的第二表面反射並且離開透光基板。
可選地，第一光學元件的第二表面與光收集或耗散部件相關聯。
可選地，以給定角度範圍之外的角度範圍從外部場景發出的光線經由第一光學元件的第一表面進入光學佈置，被介面區域透射，經由第二光學元件的第一表面離開光學佈置，並且穿過透光基板到達觀看者的眼睛。
可選地，光學佈置使得在缺少該光學佈置的情況下，以給定角度範圍從外部場景發出的光線進入透光基板並且通過光學耦出配置朝向觀看者的眼睛耦出透光基板。
可選地，該光學裝置還包括：第二光學佈置，第二光學佈置被佈置成正交於透光基板的取向並且位於透光基板的端部處。
可選地，光學耦出配置包括位於透光基板內的至少一個部分反射表面。
可選地，光學耦出配置包括至少部分地橫穿透光基板的多個部分反射表面。
可選地，所述光學裝置還包括：圖像投影儀，圖像投影儀耦合到透光基板的近端，以將與准直圖像對應的光波引入透光基板中，其中，介面區域跨越位於透光基板的與近端相對的遠端附近的部分反射表面的子集。
可選地，光學耦出配置包括與兩個主表面之一相關聯的衍射元件。
可選地，所述光學裝置還包括：圖像投影儀，圖像投影儀耦合到透光基板，以將與准直圖像對應的光波引入透光基板中，使得准直圖像在透光基板內通過內反射傳播，並且通過光學耦出配置耦出透光基板。
可選地，所述光學裝置還包括：與透光基板和圖像投影儀相關聯的光學耦入配置，光學耦入配置用於從圖像投影儀接收准直圖像並且將准直圖像耦入透光基板中。
根據本發明的教導的實施方式，還提供了一種光學裝置。該光學裝置包括：透光基板，具有一對面，用於通過面之間的內反射來引導光；光學耦出配置，用於將通過面之間的內反射引導的光朝向觀看者的眼睛耦出透光基板；以及至少一個光學元件，其具有多個表面，多個表面包括一對平行主表面以及傾斜于一對平行主表面並且與光學耦出配置的至少一部分相關聯的第三主表面，其中，至少部分地通過第三主表面來限定折射率低於至少一個光學元件的折射率的介面區域，其中，至少一個光學元件被佈置成：一對平行主表面中的一個主表面與透光基板的一個面相關聯，使得從外部場景發出並且以給定入射角範圍入射到一對平行主表面中的另一個主表面的光線在介面區域處偏轉。
可選地，至少一個光學元件的多個表面還包括第四表面，並且其中，以給定角度範圍從外部場景發出的光線經由一對平行主表面中的另一主表面進入至少一個光學元件，在介面區域處被反射，在一對平行主表面中的所述另一主表面處被反射，並且在介面區域處朝向第四表面反射並且離開透光基板。
可選地，第四表面與光收集或耗散部件相關聯。
可選地，介面區域還部分地由光學耦合至第三主表面的透明板限定。
根據本發明的教導的實施方式，還提供了一種光學裝置。該光學裝置包括：透光基板，其具有至少兩個主表面，用於通過主表面之間的內反射來引導光；光學耦出配置，用於將通過兩個主表面之間的內反射引導的光朝向觀看者的眼睛耦出透光基板；以及光學佈置，其與兩個主表面中的至少一個相關聯，並且包括被相鄰定位以限定與光學耦出配置的至少一部分相關聯的介面區域的一 對光學元件，介面區域的折射率小於光學元件的折射率，並且光學佈置被佈置成使得從外部場景發出並且以給定入射角範圍入射到光學佈置的光線在介面區域處偏轉。
根據本發明的教導的實施方式，還提供了一種光學裝置。該光學裝置包括：第一透光基板，具有至少第一主表面和第二主表面，用於通過第一主表面和第二主表面之間的內反射來引導光；光學耦出配置，用於將通過第一主表面與第二主表面之間的內反射引導的光朝向觀看者的眼睛耦出第一透光基板；以及光學佈置，包括：具有至少兩個主表面的第二透光基板，其中，第二透光基板的兩個主表面中的一個與第一透光基板的第一主表面或第二主表面相關聯，以及多個部分反射表面，多個部分反射表面被相對於第二透光基板的兩個主表面傾斜地佈置在第二透光基板的一部分內，以限定與光學耦出配置的至少一部分相關聯的介面區域，光學佈置被佈置成使得從外部場景發出並且以給定入射角範圍入射到光學佈置的光線在介面區域處被偏轉或吸收。
在本文檔的上下文內，術語“引導”通常是指通過在透光材料的主外表面處的內反射而被捕獲在透光材料(例如，基板)內的光，使得被捕獲在透光材料內的光在傳播方向上穿過透光材料傳播。當在透光基板內傳播的光以在給定角度範圍內的入射角入射到透光材料的主外表面時，在透光基板內傳播的光通過內反射被捕獲。被捕獲的光的內反射可以呈全內反射的形式，由此以大於臨界角(部分由透光材料的折射率和佈置有透光材料的介質例如空氣的折射率限定)的角度入射到透光材料的主外表面的傳播光在主外表面處經歷內反射。替選地，可以通過將塗層(例如，角度選擇性反射塗層)應用至透光材料的主外表面以實現在給定角度範圍入射到主外表面的光的反射來實現被捕獲的光的內反射。
除非本文另有定義，否則本文使用的所有技術和/或科學術語具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的含義相同的含義。儘管與本文描述的方法和材料類似或等同的方法和材料可以在本發明的實施方式的實踐或測試中使用，但是下文描述了示例性方法和/或材料。在存在衝突的情況下，應以專利說明書(包括定義)為准。另外，材料、方法和示例僅是說明性的，並非旨在必然進行限制。
10、100:光學裝置
105a、105a’、105b、105b'、105c、105c'、105d、107a、107b、107b'、107c、107d、16b、205a、205b、205c、205d、207a、207b、207c、207d、30a、30b、30c、305a、305b、305c、307a、307b、307c、405a、405c、405d、407c、505a、505b、505c、507a、507c、605a、605b、605c、605d、607a、607b、607c、607d、612a、612b、614a、614b、720a、720b、730、730a、730b、730c、730d、730e、730f:表面
108、208:介面區域(介面表面、介面層)
109a、109b、111a、111b:側面
11:遠端
110:光收集/耗散部件
114:透明板
12:基板、光導光學元件
13:近端
14、16:面
18:圖像投影佈置(圖像投影儀)
20:圖像投影儀
208、308、408、508、608:介面區域
22:光學耦入配置、光學耦入佈置、棱鏡
30:光學耦出配置、反射表面
32A、32B、43、44、45a、45b、45c、45d、60:光線
34:瞳孔
36:眼睛
42:光源
46、48、50:點
610、710:基板
630a、630b、630c、630d、630e、630f:反射表面
632:粗糙表面
634:材料
636、638:透明層
102:第一光學佈置、光學元件
102':第二光學佈置、第二光學部件
202、302、402、502、602、702:光學佈置
104:第一光學部件、棱鏡、第一光學元件
104':光學元件
204:第一光學部件、第一光學元件
106:第二光學部件、棱鏡、第二光學元件
206:第二光學部件、第二光學元件
304:第一光學部件、光學元件
306:第二光學部件、第二光學元件
404、504、604、606:光學元件
α:傾斜角
θin:相對於表面105a的大AOI
θc:臨界角
本文參照附圖以僅示例的方式描述了本發明的一些實施方式。在具體詳細地參照附圖的情況下，要強調的是，所示的細節是作為示例並且出於說明性討論本發明的實施方式的目的。在這方面，結合附圖進行的描述使得本領域技術人員清楚如何實踐本發明的實施方式。
現在將注意力轉向附圖，其中相同的附圖標記或字元指示對應的或相同的部件。在圖中：
圖1是如上所述的用於近眼顯示器的採用部分反射表面的現有技術的光導光學元件(LOE)的示意性側視圖；
圖2是示意性側視圖，示出了從圖1的LOE的前側處的外部場景中的源發出的代表性光線通過部分反射表面之一朝向觀看者的眼睛偏轉，以形成外部場景的重影；
圖3是示意性側視圖，示出了從圖1的LOE的後側處的外部場景中的源發出的代表性光線通過部分反射表面之一朝向觀看者的眼睛偏轉，以形成外部場景的重影；
圖4是示出引起重影的光線的角度分佈的示意性側視圖；
圖5是根據本發明的實施方式構造和操作的光學裝置的示意性側視圖，該光學裝置包括LOE以及與LOE的前表面相關聯的光學裝置，並且具有彼此耦合以限定介面區域的一對光學元件，該介面區域使引起重影的光線偏轉；
圖6是示出圖5的光學佈置的部件的示意性側視圖；
圖7是圖6中用VII表示的區域的放大圖；
圖8是圖5的光學佈置的示意性側視圖，其中介面區域被實現為薄的透明板；
圖9是示意性側視圖，示出了由圖5和圖6的光學佈置的介面區域引起的樣本光線的偏轉；
圖10是在給定入射角範圍內入射到圖5和圖6的光學佈置上的光 線的光強度分佈的熱圖的圖；
圖11是類似於圖5的示意性側視圖，但光學佈置與LOE的後面相關聯；
圖12是根據本發明的另一實施方式的使引起重影圖像的光線偏轉的光學佈置的示意性側視圖，該光學佈置具有成對的彎曲的主表面；
圖13是根據本發明的另一實施方式的使引起重影圖像的光線偏轉的光學佈置的示意性側視圖，該光學佈置具有成對的彎曲的和平面的主表面；
圖14是根據本發明的另一實施方式的使引起重影圖像的光線偏轉的光學佈置的示意性側視圖，該光學裝置類似於圖5的光學佈置，但是具有有著非線性表面輪廓的介面區域；
圖15是根據本發明的另一實施方式的使引起重影圖像的光線偏轉的光學佈置的示意性側視圖，該光學裝置類似於圖13的光學佈置，但是具有有著非線性表面輪廓的介面區域；
圖16是根據本發明的另一實施方式的使引起重影圖像的光線偏轉的光學佈置的示意性側視圖，該光學裝置具有被形成為採用一組部分反射表面的透光基板的介面區域；
圖17是示出圖16的介面區域的部分反射表面中的代表性部分反射表面的結構的示意性側視圖；
圖18是類似於圖16的光學佈置的示意性側視圖，但是介面區域具有多個相互平行的吸收表面；以及
圖19是類似於圖5的示意性側視圖，但是具有第二光學佈置，該第二光學佈置以正交於LOE的取向佈置在光學裝置的圖像投影儀處或圖像投影儀附近。
本發明的實施方式提供了用於減輕由外部場景中的源發出的光引起的重影的光學裝置。
參照說明書附圖，可以更好地理解根據本發明的光學裝置的原理和操作。
在詳細說明本發明的至少一個實施方式之前，應理解的是，本發明不一定將其應用限於以下描述中闡述的和/或在附圖和/或示例中示出的方法和/或部件的構造和佈置的細節。本發明能夠具有其他實施方式或者能夠以各種方式實踐或執行。
通過介紹的方式，圖2和圖3是來自圖1的基板12和部分反射表面30的部分的複製，其被注釋以示出下述示例場景：來自光源42(其為外部場景的一部分)的不需要的光朝向眼睛36偏轉，引起外部場景重影。光源42通常是可以在外部場景中提供照明的任何光源，包括自然照明光源(例如太陽)和人造照明光源(例如燈、顯示幕、燈泡等)。在圖2中，基板12被佈置成面16面向光源42的關係。表示從光源42發出的光的樣本光線44以掠射角(大入射角──或AOI[Automated Optical Inspection])入射到面16，並且通過折射在點46處進入基板12。光線44在面14處被主平面(在點48處)朝向部分反射表面30之一(在該示例中為部分反射表面30b)反射，該部分反射表面30將光線44反射回去通過面14而離開基板12，並且朝向眼睛36傳播。由於光線44的源不是圖像投影儀20而是真實世界，因此光線44在基板12內的傳播不是通過(全)內反射。因此，與圖1中的從基板12發出的垂直於面14並且在FOV內的(作為光線32A和32B)的圖像投影儀20相比，朝向眼睛36偏轉的光線44的部分是傾斜於面16從基板12發出的並且在FOV的外部。
在圖3中，源42與眼睛36位於基板12的同一側。此處，光線44在點50處以掠射角(大AOI)入射到面14，並且通過折射在點50處進入基板12。光線44然後入射在部分反射表面30之一(在該示例中為部分反射表面30b)上，該部分反射表面30將光線44反射回去通過面14從而朝向眼睛36離開基板12。
在圖2和圖3所示的場景中，由不需要的光線產生的重影圖像(其中，重影圖像位於FOV外部，並且通常經歷來自給定部分反射表面的最多一次反射(在下文中可互換地稱為重影)。
現在參照圖5至圖19，圖5至圖19示出了根據本發明的實施方式構造和操作的用於減輕/減少重影的總體上標記為光學裝置100的結構和操作的各個方面。光學裝置100通常包括光學裝置10的所有部件，但是還包括用於使以特定AOI範圍到達的光偏轉的光偏轉光學佈置102(在下文中稱為“光學佈置”)。更具體地，光學裝置100包括：光導光學元件12(也稱為LOE、透光基板或光波導)，其由透明材料(例如玻璃)形成並且具有一對主外表面(面)14、16，面14、面16被佈置成面中的一個面14面對觀看者/觀察者的眼睛36；光學耦出配置30(示意性地表示為至少部分地橫穿基板12的部分反射表面的陣列)，該光學耦出配置30與面14、面16中的一個或兩個相關聯；以及圖像投影佈置(即，圖像投影儀)18，用於生成准直圖像，該准直圖像經由光學耦入配置22(在此示意性地用棱鏡示出)耦入LOE 12中。光學佈置102與面14、面16中的至少一個相關聯，並且在某些非限制性實施方式中，光學佈置102通常包括由具有適當高的折射率(優選地在1.5至1.9的範圍內)的材料形成的兩個光學元件，並且這兩個光學元件彼此光學耦合以限定介面區域，該介面區域具有小於兩個光學元件的折射率的適當低的折射率(優選地在1至1.35的範圍內)。
光學佈置102被佈置成使得從外部場景中的源(例如，源42)發出的以給定AOI範圍入射到光學佈置102(特別是光學佈置102的第一光學元件)的光線(由光線44表示，並且在下文中可互換地稱為“不需要的光”)在介面區域處被偏轉。介面區域使不需要的光偏轉離開基板12和光學耦出配置30，從而防止不需要的光到達眼睛36。通常將不需要的光定義為以給定AOI範圍入射到光學佈置102的特定的一組光線，在缺少光學佈置102的情況下，該特定的一組光線會產生重影。
在詳細描述光學佈置102的結構和操作之前，首先要注意的是，由於來自外部場景的不需要的光(由光線44表示)在FOV之外，因此，為了使不需要的光到達EMB(即到達眼睛36)，偏轉/反射的光應離開LOE 12的邊緣或末端部分。這在圖4中示意性地示出，圖4示出了經由位於LOE 12的遠端11處或附近的部分反射表面30a、30b、30c到達(EMB內的)眼睛36的不需要的光線43的角度分佈。這意味著僅需要通過光學佈置102將該組部分反射表面30 的有效區域的邊緣處的不需要的光線進行偏轉來減輕外部場景重影。另外，僅需要通過光學佈置102將以給定角度範圍(即，給定角度分佈)入射到面14、面16上的光線(該光線的從右側到面14、面16的法線的掠射角大於測得的特定掠射角)進行偏轉。在本文中，LOE 12的遠端11被任意地定義為在圖的左側，並且與LOE 12的近端13(在圖的右側)相對，其中，圖像投影儀18和光學耦入配置22位於LOE 12的近端13或附近。
出於上述考慮，參照圖5，圖5示出了佈置在面16處的光學佈置102，以對抗/減輕由位於LOE 12的前部的外部場景中的光源引起的重影(即，當面16面對具有光源的外部場景時，如圖2所示)。如所提及的，在某些實施方式中，光學佈置102通常由至少兩個光學部件形成，此處將兩個光學部件示出為第一光學部件104和第二光學部件106，它們被相應地配置並且彼此光學耦合以限定與光學耦出配置30的至少一部分相關聯的介面區域108(替選地稱為“介面表面”或“介面層”)。在優選實施方式中，介面區域108與有效區域的邊緣處的部分反射表面(即位於更靠近LOE 12的遠端11的最後幾個部分反射表面30)相關聯。在所示示例中，介面區域108與最後三個部分反射表面30──被標記為30a、30b、30c──相關聯。
圖6和圖7示出了根據某些實施方式的光學佈置102的更詳細的視圖，該視圖中沒有LOE、耦合棱鏡和圖像投影儀。圖7示出了圖6中標記為區域VII的放大圖。在某些非限制性實施方式例如圖5至圖10中所示的一些實現方式中，第一光學部件104、第二光學部件106被實現為一對相應地配置的棱鏡，使得光學佈置102形成大體上矩形的橫截面(即，在紙平面上為矩形)。在這樣的實現方式中，這些棱鏡104、棱鏡106優選地(但不是必須地)在紙平面上是四邊形的。現在將描述這些棱鏡104、棱鏡106的具體結構和特性。
第一光學部件104通常包括多個表面，所述多個表面包括至少四個平面主表面(即，面)，分別被標記為表面105a、表面105b、表面105c、表面105d。表面105a和表面105b優選地彼此平行並且具有不同的長度。在所示的實施方式中，表面105a的長度大於表面105b的長度(該長度是沿水準軸測量的)。表面105c在表面105a、表面105b的相應的第一端之間延伸並且傾斜於表 面105a、表面105b。在圖7中，傾斜角α是在表面105a與表面105c之間形成的角度。表面105d在兩個表面即表面105a、表面105b的相應第二端(與第一端相對)之間延伸，並且優選地(但不是必須地)正交於表面105a、105b。
類似地，第二光學元件106通常包括多個表面(即，面)，所述多個表面包括至少四個平面主表面，分別標記為表面107a、表面107b、表面107c、表面107d。如圖所示，表面107a和表面107b可以相互平行，並且具有不同的長度。在所示的實施方式中，表面107b的長度大於表面107a的長度。表面107c在表面107a、表面107b的相應的第一端之間延伸並且傾斜於表面107a、表面107b。在圖7所示的實施方式中，在表面107b與表面107c之間形成相同的傾斜角α。表面107d在兩個表面107a、表面107b的相應第二端(與第一端相對)之間延伸。表面107d可以與表面107a、107b正交或者可以不正交。在圖5至圖10所示的實施方式中，表面105a、表面107a是共面的，表面105b、表面107b以及表面105c、表面107c也是共面的。
如上所述，光學元件104、光學元件106被相應地配置。特別地，通過經由機械或光學附件使表面105c、表面107c彼此相鄰放置，光學元件104、光學元件106彼此光學耦合。表面105c、表面107c的相鄰放置限定了位於表面105c、表面107c處的介面區域108。明顯的是，介面區域108傾斜於表面105a、表面105b、表面107a、表面107b(由於光學佈置102的部件的幾何形狀)。在某些非限制性實施方式例如圖5至圖10中所示的實施方式中，表面105c、表面107c中的每一個都是平面的，從而具有線性表面輪廓，使得介面區域108也具有線性表面輪廓(介面區域在紙平面上是線性的)。
如所提及的，光學元件104、光學元件106由具有適當高折射率的材料(稱為“高折射率材料”)形成，並且介面區域108由具有低於(即小於)光學元件104、光學元件106的折射率的適當低折射率的材料(稱為“低折射率材料”)形成。可用于形成光學元件104、光學元件106的材料的示例包括不同類型的玻璃(例如折射率約為1.52的BK7)、聚合物等。在隨後的段落中將提供可用于形成介面區域108的材料的示例。
在圖5所示的實施方式中，光學佈置102經由面16與表面105b、 表面107b之間的光學耦合被佈置在面16處。光學佈置102的幾何形狀使得介面區域108傾斜於LOE 12的面14、面16。優選地，光學佈置102光學地耦合到LOE 12，使得面16平行於表面105b、表面107b。在某些非限制性實施方式中，光學耦合通過佈置在面16與表面105b、表面107b之間的一層光學粘合劑來實現。在其他非限制性實施方式中，光學耦合可以通過機械附接來實現，由此光學佈置102被機械地定位成在表面105b、表面107b與面16之間保持氣隙的情況下使表面105b、表面107b與面16相鄰。
介面區域108可以以各種方式實現。在一組非限制性實施方式中，介面區域108被實現為氣隙，從而具有大約1的折射率。例如，可以通過將第一光學元件104佈置成(例如，經由機械連接、光學粘合劑等)使表面16b與面16的第一部分相鄰並且將第二光學元件106佈置成(例如，經由機械連接、光學粘合劑等)使表面107b與面16的第二部分相鄰來實現這種氣隙，使得在表面105c、107c之間保持均勻的氣隙。在其他非限制性實施方式中，介面區域108被實現為透明的低折射率材料的薄層，例如光學粘合劑層、固體電介質材料層、薄膜電介質塗層或低折射率材料的透明薄板。在這樣的實施方式中，可以類似於氣隙實現方式那樣佈置光學元件104、光學元件106，並且可以在表面105c、表面107c處在光學元件104、光學元件106之間佈置低折射率材料的透明薄層。
市場上可購得折射率約為1.3的光學粘合劑。可以將這種光學粘合劑沉積在表面105c、表面107c中的任何一個上。固體電介質材料也可以在市場上購得，例如形式為已開發的一系列氣凝膠材料。這些氣凝膠材料的折射率在1.1至1.2的範圍內，並且具有穩定的機械性能。可以將這種氣凝膠材料塗覆到表面105c、表面107c中的任何一個上。替選地，可以將具有必要的反射特性(即，在低AOI時是透射性的並且在較大AOI時是高反射性的)的薄膜電介質塗層塗覆到表面105c、表面107c中的任一個上。
圖8示出了根據本公開的某些實施方式的非限制性實現方式，其中介面區域108被實現為薄的透明板114。在這樣的實施方式中，透明板114包括兩對相互平行的側面(即，表面、面)，即側面109a、側面109b、側面111a、側面111b。在此，透明板114的尺寸對應於光學元件104、光學元件106的尺 寸，特別是側面111a、側面111b的長度對應於表面105c、表面107c的長度，使得側面109a、側面109b之間的距離對應於(在表面105a、表面105b和/或表面107a、表面107b之間測量的)光學元件104、光學元件106的厚度。因此，側面109a、側面109b比側面111a、側面111b短，從而形成非矩形的平行四邊形截面，即，透明板114的相鄰側面彼此傾斜。特別地，側面111a、側面109b之間以及側面111b、側面109a之間的角度為α(根據表面105c、表面107c的傾斜佈置)。在這種實現方式中，透明板114的短側面中的一個側面109a與表面105a、表面107a共面，而透明板114的短側面中的另一個側面109b與表面105b、表面107b共面。透明板114的長側面中的一個側面111a光學地附接到表面105c並且實際上(即，有效地)與表面105c重合，並且長邊中的另一個側面111b光學地附接到表面107c並且實際上與表面107c重合。側面111a、側面111b可以經由光學粘合劑薄層光學地附接到相應的表面105c、表面107c。替選地，薄的透明板114可以被機械地定位成使得側面111a、側面111b被佈置成與相應的表面105c、表面107c相鄰並且實際上與相應的表面105c、107c重合。注意，如圖8所示，在側面111a、側面111b與相應的表面105c、表面107c之間的間隙的尺寸為了圖示清楚而被放大，並且在實踐中優選地實際上不存在這種間隙。
如所提及的，介面區域108與光學耦出配置30的至少一部分相關聯，並且在圖5所示的示例佈置配置中與最後三個部分反射表面即部分反射表面30a、部分反射表面30b、部分反射表面30c相關聯。特別地，介面區域108跨越最後的部分反射表面30a的至少一部分，並且跨越整個部分反射表面30b、30c。這種佈置防止了以第一給定入射角範圍入射到光學佈置102的光線從最後兩個部分反射表面30a、30b反射並且到達眼睛36。
注意，表面105a、105b、107a、107b的相對長度確定傾斜角α，反之，傾斜角α也確定表面105a、105b、107a、107b的相對長度。還應注意的是，由於介面區域108僅需要與部分反射表面30中的一些相關聯(通常最多是部分反射表面30中的一半)，因此光學元件104的長度顯著小於光學元件106的長度，並且表面105b的長度顯著小於表面107a的長度。在本文中，光學元件104、106的長度分別由表面105a、107b的長度限定，並且表面105a、105b、 107a、107b的長度沿水準軸測量(跨越在表面105d與107d之間)。在某些非限制性實施方式中，表面107b的長度約為表面105a的長度的兩倍，並且表面107a的長度約為表面105b的長度的五倍。在這樣的實施方式中，表面105a的長度約為表面105b的長度的1.5倍，並且表面107b的長度約為表面107a的長度的四倍。兩個光學元件104、106的表面長度的乘數可以取決於各種因素，包括例如部分反射表面的數量和期望的傾斜角α。例如，可以選擇要與介面區域108相關聯的部分反射表面的數量，其指示傾斜角α，該傾斜角α然後將指示表面105a、105b、107a、107b的對應長度。
圖9通過兩個入射光線即光線44和光線60的示例方式，示出了光線與光學佈置102的部件之間的相互作用。為清楚起見，介面區域108的厚度與圖7和圖8所示的介面區域厚度相比基本上是減小的。光線44表示特定的一組光線中的以第一給定入射角範圍入射到光學佈置102的光線，在缺少光學佈置102的情況下，該一組光線會產生重影。光線60表示以第一給定範圍之外的第二給定入射角範圍入射到光學佈置102的光線。在缺少光學佈置102的情況下，第二入射角範圍內的光線不會引起重影，因此優選的是，第二給定範圍內的光線大體上不受光學佈置102的影響。第二光學元件106確保這樣的光線大體上不受光學佈置102的影響，並且使這些光線以與這些光線到達光學元件104的AOI相同(或近似相同)的AOI到達LOE 12。
首先看光線60的遍歷，光線60以大約0°(即，大致垂直於表面105a)的AOI入射到光學佈置102的光學元件104的表面105a。入射光線60經由表面105c進入光學佈置102，並且以小於(由光學元件104的折射率和介面區域108的折射率定義的)臨界角θc的(相對於介面區域108的法線測量的)AOI入射在介面區域108上，使得光線60進入(即，透射到)介面區域108中。由於從第一光學元件104的高折射率到介面區域108的低折射率的變化，光線60可能經歷一些折射。光線60然後離開介面區域108並且進入第二光學元件106，並且由於從介面區域108的低折射率到第二光學元件106的高折射率的變化，可能經歷一些折射。由於光學元件104、106優選地具有相同的折射率，因此光線60的由於從高折射率到低折射率到高折射率的轉變的雙折射，確保了光 線60的傳播方向大體上不受光學佈置102的影響。換言之，入射光線60傳播穿過介面區域108而沒有傳播角的任何顯著變化，使得光線60(經由表面107c)進入光學元件106的角度與光線60(經由表面105c)離開光學元件104的角度大體上相同。另外，由於光學元件104、106的對應配置和共同的折射率，光線60(經由光學元件104的表面105a)進入光學佈置102與(經由光學元件106的表面107b)離開光學佈置102的角度大體上相同。
儘管未在附圖中示出，但是在離開光學佈置102之後，光線60以與光線60入射在表面105a上相同的AOI入射在LOE 12的面16上。在該特定示例中，AOI大約為0°，光線60經由面16進入LOE 12，並且直接穿過LOE 12(不經過部分反射表面30的反射或者反射量可忽略不計)，從而經由面14離開LOE 12並且被觀看者的眼睛36觀看到。因此，光學佈置102不會遮擋觀看者對外部場景的觀看。
光線44以掠射角(相對於表面105a的大AOI──標記為θin)入射到光學佈置102的表面105a。光線44的一部分強度作為光線45a耦合到光學佈置102中，其中，透射光線45a以角度θ1傳播(可以根據斯涅耳定律(Snell's law)，使用光學元件104的折射率以及佈置光學佈置102採用的介質(例如空氣)的折射根據θin計算出角度θ1)。透射光線45a以θ2的AOI(相對於介面區域108的法線測量的)入射在介面區域108上。可以使用以下運算式來計算角度θ2：θ2=θ1+α(其中α是在表面107b與表面107c之間形成的傾斜角)。
如果θ2大於臨界角θc，則光線45a在介面區域108處被全內反射成為反射光線45b(即，經歷全內反射即Total Internal Reflection,TIR)。經TIR反射的光線45b朝向表面105a傳播回來，並且在表面105a處經歷內反射，從而向介面區域108傳播回來成為反射光線45c。反射光線45c繼續傳播通過光學元件104，直到經歷從介面區域108的最終反射，從而朝向表面105d反射成為反射光線45d。反射光線45d到達與光學元件104的表面105d相關聯的光收集/耗散部件110，該光收集/耗散部件110收集和/或耗散與反射光線45d相關聯的強度。光收集/耗散部件110可以被佈置在表面105d處並且可以以各種方式來實現，包括例如作為吸收器或散射器。吸收器和散射器是本領域普通技術人員眾所 周知的。當被實現為吸收器時，光收集/耗散部件110可以被實現為例如塗覆到或沉積在表面105d上的光吸收材料層，例如黑光吸收塗料。
可以選擇光學佈置102的設計參數，特別是角度α以及介面區域108和光學元件104、106的折射率，以產生臨界角θc，臨界角θc確保將以第一給定入射角範圍內的AOI入射到光學佈置102的所有光線通過內反射耦合到光學佈置102中，並且在光收集/耗散部件110處被收集和/或耗散，以防止這種光線進入LOE 12並且通過部分反射表面30朝向眼睛36耦出LOE 12(在這裡，耦出光線表現為外部場景重影)。
如所提到的，光學元件104、106優選地由高折射率材料形成，優選地，其折射率η1在1.5至1.9的範圍內，並且介面區域108優選地由低折射率材料形成，優選地其折射率η2在1至1.35的範圍內。如本領域中已知的，臨界角θc=sin-1(η2/η1)。因此，使用上述η1和η2的示例性範圍，臨界角可以採用介於大約33.7°(對於η1=1.8並且η2=1)與60.1°(對於η1=1.5並且η2=1.3)之間的值。
圖10示出了入射在圖5和圖6的光學佈置102上的第一給定入射角範圍內的光線的光強度分佈的熱圖，其中光學元件104、106由折射率為1.59的材料構成，介面區域108的折射率為1.1，並且α=2.5。該熱圖示出了與表面105b、107b相關聯佈置的檢測器的強度分佈，該檢測器收集來自點光源的光，該點光源具有與表面105a、107a相關聯佈置的朗伯分佈(Lambertian distribution)。豎直軸上的光分佈具有180°的跨度，並且在沿水準軸的一側(表示介面區域108的跨度)被截斷。以大於71°的AOI入射到光學佈置102(在這種情況下為光學元件106的表面107a)的光通過內反射耦入光學佈置102中，並且被介面區域108偏轉離開LOE 12(並且朝向光收集/耗散部件110)。通常，可以選擇光學佈置102的光學參數(例如，α、介面區域108的折射率、光學元件104、106的折射率等)，以減輕以第一給定入射角範圍入射到光學佈置102(即，光學元件104的表面105a)的不需要的光線的影響。第一入射角範圍通常為56°至86°，但可能會根據光學裝置的具體配置而有所不同。例如，在某些光學配置中，第一入射角範圍是70°至86°，而在其他光學配置中是55°至86°。還可以選擇光學佈置102 的光學參數，使得以(第一範圍之外的)第二給定入射角範圍(通常在-90°至45°範圍內)入射到光學佈置102(即，光學元件104的表面105a)的光線大體上不受光學佈置102的影響(如先前在示例光線60中所討論的)。
現在參照圖11，圖11示出了佈置在面14處的光學佈置102，該光學佈置102用於對抗/減輕由在LOE 12的後部處的外部場景中的光源引起的重影(即，當面14面對具有光源的外部場景時，如圖3所示)。在此，光學佈置102的結構幾乎與先前參照圖5至圖9描述的結構相同，但是有一些關鍵的區別。首先，也是最值得注意的，光學佈置102經由面16與表面105b、107b之間的光學耦合佈置在面14處。其次，圖11所示的佈置配置可能需要沿長度維度(在LOE 12的近端與遠端之間的方向上的跨度，即水準軸)截斷光學元件106(與圖5所示的佈置配置相比)，以容納光學耦入配置22。第三，由於光學佈置102被佈置成減輕由LOE 12後部的光源引起的重影，所以介面區域跨越了整個的最後幾個部分反射表面(在該示例中為部分反射表面30a、30b)，並且跨越隨後的部分反射表面的至少一部分(在該示例中為部分反射表面30c，並且跨過整個部分反射表面30b、30c)。這種佈置防止以第一給定入射角範圍入射到光學佈置102的光線從最後兩個部分反射表面30a、30b被反射並且到達眼睛36。
圖11所示的佈置配置中的光學佈置102的一般操作原理與圖5所示的佈置配置中的操作原理相同或相似。在圖11中，來自與面14相關聯佈置的並且在圖像投影儀18附近的(外部場景中的)光源的以給定範圍的AOI入射到表面105a的光經由光學元件104的表面105a耦入光學佈置102中，並且通過全內反射在介面區域108處被反射，以作為反射光線向表面105a反射回去。然後，該反射光線在表面105a處被反射回介面區域108，該介面區域108將反射光線朝向表面105d反射，該表面105d具有佈置在其上和/或與其相關聯的光收集/耗散部件。
明顯的是，圖5和圖11中所示的佈置配置可以組合使用，以對抗/減輕在LOE 12的前側(即面16)處的外部場景中的第一組光源以及在LOE 12的後側(即面14)處的外部場景中的第二組光源的影響。換言之，第一光學佈置102可以與面16相關聯地佈置(如圖5所示)，並且第二光學佈置102'可以 與面14相關聯地佈置(如圖11所示)。
現在參照圖12，圖12示出了根據本公開的另一實施方式的光偏轉光學佈置202。類似於光學佈置102，光學佈置202由彼此光學耦合(並且彼此相鄰放置)以限定介面區域208的對應配置的第一光學部件204和第二光學部件206形成。如所討論的，與前述實施方式的光學部件104、106不同，光學部件204、206具有彎曲的主表面，使得當光學部件204、206彼此耦合時，光學佈置202形成具有兩個連續彎曲的主表面的透鏡狀的形狀。
如圖所示，第一光學部件204包括多個表面，所述多個表面包括至少四個主表面(即，面)，分別標記為表面205a、205b、205c、205d。表面205a和205b分別是凹曲面和凸曲面。與光學元件102類似，表面205a比表面205b長，並且表面205c在兩個表面205a、205b的相應的第一端之間延伸並且傾斜於表面205a、205b。
表面205d在兩個表面205a、205b的(與第一端相對的)相應第二端之間延伸，並且優選地(但不是必須地)平行於LOE 12的面14、面16，並且提供光學佈置202與LOE 12之間的光學耦合的一部分。特別地，表面205d將光學佈置202光學地耦合到在LOE 12的遠端處或附近的面16的一部分。
第二光學部件206包括多個表面(即，面)，所述多個表面包括至少四個主表面，分別標記為表面207a、207b、207c、207d。表面207a和205b分別是凸曲面和凹曲面。與光學元件102類似，表面207b比表面207a長(並且表面207b的長度大於表面205a的長度，並且表面207a的長度大於表面205b的長度)。表面207c在兩個表面207a、207b的相應的第一端之間延伸，並且傾斜於表面207a、207b。
表面207d在兩個表面207a、207b的(與第一端相對的)相應第二端之間延伸，並且優選地(但不是必須地)平行於LOE 12的面14、面16，並且最優選地與表面205d共面。表面207d提供光學佈置202與LOE 12之間的光學耦合的一部分。特別地，表面207d將光學佈置202光學耦合至LOE 12的近端處或附近的面16的一部分。
由於表面205a、205b、207a、207b均具有一定程度的曲率，因此表面205c與表面205a、205b之間的傾斜角以及表面207c與表面207a、207b之間的傾斜角是混合角。因此，在表面205a、205c之間的交點處，在表面205c與表面205a的切線之間測量表面205a、205c之間的傾斜角。類似地，在表面205b、205c之間的相交點處，在表面205c與表面205b的切線之間測量表面205b、205c之間的傾斜角。類似地，在表面207a、207c之間的交點處，在表面207c與表面207a的切線之間測量表面207a、207c之間的傾斜角。類似地，在表面207b、207c之間的交點處，在表面207c與表面207b的切線之間測量表面207b、207c之間的傾斜角。這些傾斜角限定了介面區域208的傾斜佈置，類似於上述光學佈置102中的傾斜佈置。
從圖12中可以看出，光學部件204、206的光學耦合(相鄰放置)優選地導致：表面205b和207b形成光學佈置202的連續凹曲面的一部分；以及表面205a和205b形成光學佈置202的連續凸曲面的一部分。
可以使光收集/耗散部件(類似於圖9的光收集/耗散部件110)與主表面205a的靠近表面205d的部分相關聯，以收集或耗散通過內反射傳播通過光學部件204的不需要的光。
圖13示出了根據本公開的另一實施方式的光偏轉光學佈置302。類似於光學佈置102、202，光學佈置302由彼此光學耦合(並且彼此相鄰放置)以限定介面區域308的對應配置的第一光學部件304和第二光學部件306形成。光學元件304包括多個表面，但是與光學佈置102、202的光學元件不同，光學元件304主要由紙平面中的標記為表面305a、305b、305c的三個主表面(即，面)限定。與表面205a相似，表面305a是凸曲面。表面305b是平面表面，並且表面305c在兩個表面305a、305b的相應的第一端之間延伸並且傾斜於表面305a、305b。表面305a、305b在兩個表面305a、305b的相應第二端處接合。光收集/耗散部件可以與主表面305a的靠近表面305b的部分相關聯，以收集或耗散通過內反射傳播通過光學元件304的不需要的光。
第二光學部件306也主要由紙平面中的標記為表面307a、307b、307c的三個主表面(即，面)限定。與表面207a相似，表面307a是凸曲面。表 面307b是優選地與表面305b共面的平面。表面307c在兩個表面307a、307b的相應的第一端之間延伸，並且傾斜於表面307a、307b。表面307a、307b在兩個表面307a、307b的相應第二端處接合。
從圖13中可以看出，光學部件304、306的光學耦合(相鄰放置)優選地導致：表面305b和307b形成光學佈置202的連續平面的一部分；以及表面305a和305b形成光學佈置202的連續凸曲面的一部分，使得光學佈置302具有一般的平凸結構。
在圖13所示的實施方式中，光學佈置302經由面16與表面305b、307b之間的光學耦合佈置在面16處。在某些優選但非限制性的實施方式中，光學耦合通過機械耦合來實現，由此光學佈置302被機械地定位成：表面305b、307b與面16相鄰，並且在表面305b、307b與面16之間保持氣隙(類似於參照圖5至圖9描述的實施方式中的氣隙)。
儘管未在附圖中示出，但是圖12和圖13的光學佈置202、302可以與面14相關聯地佈置(類似於圖11)，以對抗/減輕由位於LOE 12後部的外部場景中的光源引起的重影。應注意，這種佈置可能需要對光學佈置202進行修改，類似於對在圖11的佈置配置中描述的光學佈置102的修改(例如，光學元件206、306的截斷，以及介面區域208、308相對於部分反射表面的放置)。注意，通常，如果在LOE 12與眼睛36之間引入具有光功率的光學表面，則該光學表面是平凹表面。光學表面的平凹性使得能夠以比無限遠更近的距離對經由光學耦出配置30從LOE 12耦出的照明(例如，圖1中的光束20)進行成像。
儘管到目前為止描述的實施方式涉及了具有限定了具有線性表面輪廓的介面區域的兩個相鄰放置的對應配置的光學元件的光偏轉光學佈置，但是其中介面區域的表面輪廓是非線性的其他實施方式也是可能的。圖14和圖15示出了具有這種非線性介面區域的光學裝置的示例。
首先參照圖14，圖14示出了根據本公開的實施方式的光偏轉光學佈置402，光偏轉光學佈置402類似於光學佈置102，但是具有有著非線性表面輪廓的介面區域。除了光學佈置402的部件的附圖標記以數位“4”開頭之外，光 學佈置402的相同部件被標記為與光學佈置102的部件相同。光學佈置402在結構和操作上幾乎與光學佈置102相同，不同之處在於，表面405c、407c是彎曲表面(即具有一定程度的曲率)，使得介面區域408具有非線性表面輪廓，優選地為二維(2D)或一維(1D)凸或半凸表面輪廓。在這樣的實施方式中，表面405c通常是凸的或半凸的，而表面407c通常是凹的或半凹的。光收集/耗散部件可以與主表面405d相關聯，以收集或耗散通過內反射傳播通過光學元件404的不想要的光。
圖15示出了根據本公開的另一實施方式的光偏轉光學佈置502，光偏轉光學佈置502類似於光學佈置302。光學佈置502的相同部件被標記為與光學佈置302的部件相同，不同之處在於，光學佈置502的部件的附圖標記以數位“5”開頭。光學佈置502在結構和操作上幾乎與光學佈置302相同，不同之處在於，表面505c、507c是曲面(類似於光學佈置402)，使得介面區域508具有非線性表面輪廓，優選地為凸或半凸表面輪廓。光收集/耗散部件可以與主表面505a的靠近表面505b的部分相關聯，以收集或耗散通過內反射傳播通過光學元件504的不需要的光。
由於光學佈置402、502的結構，入射到表面405a、505a的光線經歷介面區域408、508的變化的表面輪廓，使得入射光線的AOI隨著位置變化(即，入射點在介面區域處的位置)。結果，光學佈置402、502能夠在較大的FOV上使光線偏轉，這是因為隨著介面區域的曲率變陡(在圖中從LOE 12的近端到遠端的方向上)，被偏轉的光線的角度分佈增加。
儘管到目前為止描述的實施方式涉及了被形成為氣隙或透明低折射率材料層(例如，光學粘合劑層、固體電介質材料層或低折射率材料的薄透明板)的介面區域，但是其中介面區域具有更確定的光學結構(例如形式為嵌入在基板內的一系列部分反射器)的其他實施方式也是可能的。圖16示出了根據這樣的實施方式的光偏轉光學佈置602的非限制性實現方式。光學佈置602類似於光學佈置102，但是包括具有一系列部分反射表面的介面區域。光學佈置602的相同部件被標記為與光學佈置102的部件相同，不同之處在於，光學佈置602的部件的附圖標記以數位“6”開頭。
在所示的非限制性實施方式中，光學佈置602包括兩個光學元件604、606，所述兩個光學元件具有在其間形成的介面區域608。介面區域608被形成為具有第一對平行的主外表面612a、612b和第二對平行的主外表面614a、614b的透光基板610，並且包括一系列部分反射表面630a、630b、630c、630d、630e、630f(總體上標記為部分反射表面630)，所述部分反射表面被佈置在基板610內，所述部分反射表面在表面612a、612b之間延伸並且傾斜於表面612a、612b。
兩個光學元件604和606中的每一個包括多個表面，所述多個表面包括至少四個平面主表面(即，面)，分別標記為表面605a、605b、605c、605d和表面607a、607b、607c、607d。表面605a、605b相互平行並且分別與相互平行的表面607a、607b共面。在某些非限制性實施方式中，表面605a、605b與表面605c、605d正交，並且表面607a、607b優選地與表面607c、607d正交。在這樣的實施方式中，介面區域608被形成為佈置在光學元件604、606之間的矩形平板型基板610，其中第二對表面中的一個表面614a光學耦合至表面605c，而第二對表面中的另一個表面614b光學耦合至表面605c。在其他非限制性實現方式中，表面605c、607c傾斜於表面605a、605b、607a、607b。
表面605a、612a、607a形成單個連續表面(標記為表面620a)的一部分，該單個連續表面620a平行於由表面605b、612b、607b形成的另一個單個連續表面(標記為表面620b)。
有時，在另外一些更優選的非限制性實現方式中，光學佈置602通常被形成為具有平行表面620a、620b的整體矩形平板型基板，並且具有佈置在平板型基板內在表面620a、620b之間延伸並且傾斜於表面620a、620b的部分反射表面630。就降低的製造複雜性而言，這樣的實現方式可以具有優於非整體實現方式的某些優點。
無論採用哪種實施方式，光學佈置602都被佈置成使得部分反射表面630與光學耦出配置30相關聯。在優選但非限制性的實現方式中，部分反射表面630跨越整個光學耦出配置30，並且在各組部分反射表面30、630的每一個中的部分反射器之間存在一對一的關係。這在圖16中進行了說明，在圖16 中，部分反射表面630中的每個部分反射表面的投影跨越部分反射表面30中的相應部分反射表面的投影。例如，部分反射表面630a的投影跨越部分反射表面30a的投影，其中投影平面平行於表面620a、620b、14、16的平面。
注意，(在表面620a、620b之間測量的)基板610的厚度小於LOE 12的厚度。因此，部分反射表面30和630被佈置的傾斜角是不同的。
以下段落描述了部分反射表面630的優選光學性質。首先，部分反射表面630優選地對於高AOI是反射性的並且在低AOI下是透射性的(其中垂直於部分反射表面630的平面來測量AOI)。該光學性質類似於在先前描述的實施方式中討論的介面區域的光學性質，其中以大於臨界角θc的角度入射在介面區域上的光線在介面區域處被反射。
另外，為了防止光被部分反射表面630中的一個反射到引導方向中並且被反射表面630中的另一個反射回原始方向(該現象稱為“雙反射”)，將部分反射表面630實現為散射表面可能是有利的。在圖16中示意性地示出了雙反射，其中，代表性的入射光線44經由表面620a耦入光學佈置602成為折射光線45a。光線45a入射在表面中的一個630e上，並且被反射成為反射光線45b，該反射光線45b入射在該表面的相鄰表面630d上並且被反射成為反射光線45c。然後，光45c經由表面620b被折射出光學佈置602，成為光線45d。通過利用散射特性，雙反射光也將被雙散射以失去其原始方向。這樣，對於較大的AOI，部分反射表面630具有反射和散射/漫射特性。
然而，對於較小的AOI，部分反射表面630也應該是鏡面透明的。通過在非常粗糙的漫射玻璃上沉積非常薄的低折射率材料層，可以實現在高AOI時具有漫反射特性並且在低AOI時具有鏡面透明度的部分反射表面。例如，可以將具有大約1μm的厚度的氟化鎂(MgF2)層沉積在具有大約10μm的表面粗糙度(Ra)的漫射玻璃上以構造部分反射表面630。
另外，如果光學佈置602的材料是部分吸收性的，則直行傳播通過光學佈置602的光(例如光線60)將被稍微吸收，而光線44(以及相關聯的折射和反射光線45a至45c)將在吸收材料內部傳播長得多的距離，從而顯著降低 光線44、45a至45d的強度。這種部分吸收性材料的示例是光致變色材料，該光致變色材料在存在明亮光源時變暗(即吸收更多)。因此，例如，當將光學裝置佈置到戶外使用時，在存在以特定AOI入射到光學裝置上的陽光時，當重影反射可能非常明亮時，光致變色材料將轉變為黑色，並且顯著減少重影圖像。另外，如果表面630是部分吸收性的，則通過這些表面630反射的光將被吸收兩次，而穿過表面630的光將僅被吸收一次。注意，對光線60的透射與對光線44、45a至45d的阻擋的差異在某種程度上受到限制。因此，可以更好地區分這些光線的光學結構可能是優選的。
圖17示出了這種有時是優選的光學結構的示例。此處，(表示部分反射表面630的)部分反射表面是通過將塗覆有低折射率材料634(例如，MgF2)的薄層的粗糙表面632(由旨在表示表面粗糙度的彎曲線示意性地表示)夾在具有大於材料634的折射率的近似相同的高折射率的兩個透明層(光學元件)636、638中間構造而成。這將在低AOI時產生清晰的鏡面透明表面，而在高AOI時產生漫反射表面。
透明層636、638彼此光學耦合，從而以塗覆有材料634的表面632的形式限定介面區域。由於每個部分反射表面630是通過將低折射率塗覆的粗糙表面夾在一對高折射率光學元件之間實現，因此介面區域608包括多個介面區域(即，對於每個部分反射表面630有一個介面區域)。
圖18示出了根據本公開的另一實施方式的用於對抗重影的光學佈置702的非限制性實現方式，光學佈置702類似於光學佈置602。光學佈置702的相同部件被標記為與光學裝置602的部件相同，不同之處在於，光學佈置702的部件的附圖標記以數位“7”開頭。類似於光學佈置602，光學佈置702採用佈置在透光基板710內的一組相互平行的表面730。然而，在光學佈置602和702之間存在幾個關鍵差異。一個關鍵差異是表面730的基本光學原理。在本實施方式中，表面730是吸收性的，並且阻擋所有光通過表面730。這在圖18中示意性地示出，在圖18中，入射光線44經由表面720a耦合到光學裝置成為折射光線45a。光線45a入射在表面730之一上並且被該表面吸收，從而防止光線44到達LOE12。因此，光學佈置702並且非嚴格地是“光偏轉”光學佈置，而是“光 吸光”光學佈置。
另一個關鍵差異在於，與表面630相比，表面730以更大的傾斜角佈置，並且在與部分反射表面30相反的方向上佈置。大的傾斜角使得可以將更多數量的表面填充到基板710中。在圖18中清楚地示出了這一點，圖18將表面730a至730f示出為多個平行表面730中的僅一些平行表面的示例。表面730相對於部分反射表面30的位置以及表面730的佈置角度確保表面730不會打擾用戶/觀看者。如圖所示，表面730被定位成/位於僅在LOE 12的左側區域(與在LOE 12的遠端處或附近的部分反射表面30相關聯)。(相對於表面720b的平面測量的)通常在75°至85°的範圍內的較大的傾斜角以及與部分反射表面30相反的傾斜方向並且結合表面730的佈置位置確保了用於以接近法線的角度入射在表面720a上的外部場景光線(例如，光線60)的表面730的橫截面非常小。因此，以接近法線的角度入射在表面720a上的來自外部場景的大部分光將直接穿過光學佈置702。
可以使用與先前參照圖17描述的結構類似的結構來實現表面730，期望該材料634應為吸收性的，並且折射率與透明層636和638的折射率相似。
注意，不管光學佈置的實現方式如何，光學佈置優選地跨越LOE 12的整個寬度(即，跨越LOE 12的近端與遠端之間)，以確保觀看者可以無障礙地看到外部場景。
當以眼鏡的形狀因數實現時，根據本公開的實施方式的光學裝置可以被有利地利用，其中，頭戴式機械本體被實現為帶有側臂的眼鏡框架，以與觀看者(觀看者)的耳朵接合。這種眼鏡形狀因數的示例可以在許多共同擁有的專利文獻中找到，例如美國專利第8,432,614號，其公開內容通過引用整體併入本文。在這樣的非限制性實現方式中，圖像投影儀18和光學耦入配置22位於眼鏡框架的太陽穴附近。應當注意，其他形狀因數例如頭盔安裝形狀因數以及其他平視顯示器和近眼顯示器形狀因數也顯然落入本發明的範圍內。
可能特別有利的是，在眼鏡框架的側臂之一處或附近佈置第二光學佈置，以防止源自觀看者的後側和太陽穴側的不需要的光線到達EMB。圖19 示出了根據這種佈置配置來佈置的第二光學佈置102'。在所示的佈置配置中，第二光學佈置102'類似於第一光學佈置102，第二光學佈置102'的相同部件被標記為與第一光學佈置102的部件相同，不同之處在於，第二光學部件102'的部件的附圖標記附有“撇號(prime)(')”。
第二光學佈置102'被佈置在LOE 12的近端處(即，在圖像投影儀18和光學耦入佈置22附近)，正交於LOE 12(並且正交於光學佈置102)的取向，並且表面105b'、107b'面向眼睛36。光學佈置102'與LOE 12之間的正交取向通常是指光學佈置102'與LOE 12的伸長方向的正交性。在所示的實施方式中，LOE 12(和第一光學佈置102)具有任意地對應于水準軸的伸長方向，並且第二光學佈置102'具有對應於豎直軸的伸長方向。
注意，由於第二光學佈置102'被佈置在正交於LOE 12的側臂之一處或附近，因此光學元件104'的幾何形狀可以與光學元件104的幾何形狀不同。與光學元件104、106的長度相比，(沿圖中的豎直軸測量的)元件104'、106'的長度可以被截斷。另外，(沿豎直軸測量的)表面105a’、105b'的長度優選地比表面105a、105b的相應長度短得多。在某些實施方式中，光學元件104'由三個主表面限定，以在紙平面上形成三棱柱(即表面105b'的有效長度為0)。此外，表面105a'、105c'之間的傾斜角的測量可以不同於表面105a、105c之間的傾斜角的測量。
注意，儘管圖19中的兩個正交取向的光學佈置被示出為被實現為參照圖5描述的光學佈置，但是可以根據任何先前描述的光學裝置來實現兩個正交取向的光學佈置。此外，兩個正交取向的光學佈置不必一定是相同的實現方式。例如，第一光學佈置可以被實現為參照圖12描述的光學佈置，並且第二光學佈置可以被實現為參照圖5描述的光學佈置。
在以眼鏡形狀因數或其他平視顯示器和近眼顯示器形狀因數實現光學裝置的上下文中，由具有彎曲的主表面的光學元件形成的光學佈置(例如光學佈置202、302、502)可以為視力障礙的觀看者提供優勢。例如，光學佈置202、302、502可以被形成為透鏡，或者被形成為透鏡的一部分，由此表面205a、207a、305a、307a、505a、507a可以對從外部場景發出的光施加校正力(該光在缺少光 學佈置的情況下會以相對小的AOI(例如，0°至34°範圍內的AOI)入射在面16上)，從而改進觀看者對外部場景的觀看。注意，在所示的非限制性實現方式中，光學佈置202、302、502在被佈置在外部場景與LOE 12之間時具有0.5D的功率(如圖12和13中所示)，並且在被佈置在LOE 12與眼睛之間時具有-0.5的功率(例如圖11)。
儘管到目前為止已經在被實現為一組部分反射表面30的光學耦出配置30的上下文中描述了根據本公開的實施方式的光學裝置，但是該組部分反射表面30僅說明了光學耦出配置的一個非限制性實現方式，並且可以使用其他光學耦合配置將圖像光耦出LOE 12。光學耦出配置可以是將已經通過內反射在LOE 12內傳播的圖像入射光的一部分偏轉到一定角度使得圖像入射光的被偏轉部分離開LOE 12的任何光學耦合佈置。這樣的合適光學耦合佈置的其他示例包括但不限於佈置在面14、面16上的一個或更多個衍射光學元件和分束器佈置。在來自外部場景的入射光以特定的掠射角範圍入射在外表面14、面16上的情況下，這種光學耦合佈置也可能引起重影。因此，當與利用這種衍射或分束光學耦合佈置的透光基板組合使用時，根據上述本公開的實施方式的光偏轉或吸收光學佈置也適用於減輕重影。
還應注意，儘管到此為止已經在平行面平板型光波導的上下文中描述了本文所討論的重影減輕技術，但是根據本文所描述的實施方式的光偏轉或吸收光學佈置可以與其他光波導架構結合使用。如背景技術部分中所討論的，一個維度上的孔徑倍增是基於透明材料的平行面對的板開發的，在該平行面對的板內圖像通過內反射傳播。注意，還使用各種光波導配置開發了兩個維度上的孔徑倍增。在一個示例配置中，通過第一光波導和第二光波導來實現二個維度的孔徑擴展。第一光波導具有形成矩形截面的兩對平行的主外表面。第一組相互平行的部分反射表面傾斜于光波導的伸長方向而橫穿第一光波導。光耦合至第一光波導的第二光波導具有形成板型波導的一對平行的主外表面。第二組相互平行的部分反射表面傾斜于第二光波導的主外表面而橫穿第二光波導。此外，包含第一組部分反射表面的平面優選地傾斜於包含第二組部分反射表面的平面。兩個光波導之間的光耦合以及兩組部分反射表面的佈置和配置使得，當圖像以初 始傳播方向以傾斜于第一光波導的兩對平行主外表面的耦合角度耦合到第一光波導中時，圖像沿第一光波導通過四重內反射(即，在兩個維度上)前進，其中在第一組部分反射表面處反射的圖像的一部分強度被耦出第一光波導並耦入第二光波導，並且然後通過第二光波導內的雙重內反射(即，在一個維度上)傳播，其中在第二組部分反射表面處反射的圖像的一部分強度被耦出第二光波導，作為由觀看者的眼睛看到的可見圖像。這樣的二維孔徑倍增器的進一步細節可以在各種專利文獻──包括例如美國專利第10,564,417號中找到，該美國專利第10,564,417號的全部內容通過引用併入本文中。
可以與光波導的主表面之一相關聯地佈置根據本公開的實施方式的光偏轉或吸收光學佈置，以對抗/減輕由位於光波導的主表面之一的前方的外部場景中的光源引起的重影。
在另一示例配置中，通過第一板型光波導和第二板型光波導來實現二維孔徑擴展。第一光波導具有形成板型波導的兩對平行的主外表面。第一組相互平行的內部部分反射表面以與兩對平行的主外表面成傾斜角橫穿第一光波導。第二光波導也具有兩對平行的主外表面。第二組相互平行的內部部分反射表面以與第二光波導的兩對平行的主外表面成傾斜角地橫穿第二光波導。此外，包含第一組部分反射表面的平面傾斜于或垂直於包含第二組部分反射表面的平面。兩個光波導之間的光耦合以及兩組部分反射表面的佈置和配置使得，當圖像被耦合到第一光波導管中時，圖像在第一引導方向上在兩對外表面中的一對的外表面之間通過在第一光波導內的兩重內反射傳播，其中在第一組部分反射表面處反射的圖像的一部分強度被耦出第一光波導並耦入第二光波導中，並且然後在第二引導方向(傾斜於第一引導方向)上在第二光波導的兩對外表面中的一對的外表面之間通過在第二光波導內的兩重內反射傳播，其中，在第二組部分反射表面處反射的圖像的一部分強度被耦出第二光波導，作為觀看者的眼睛看到的可見圖像。這樣的二維孔徑倍增器的進一步細節可以在各種專利文獻──包括例如美國專利第10,551,544號中找到，該美國專利第10,551,544號的全部內容通過引用併入本文中。
可以與光波導的主表面之一相關聯地佈置根據本公開的實施方式 的光偏轉或吸收光學佈置，以對抗/減輕由位於光波導的主表面之一的前方的外部場景中的光源引起的重影。
注意，儘管未在附圖中示出，但是本文描述的各種光學裝置的圖像投影儀18通常包括用於生成圖像光的微顯示器，例如矽上液晶(LCoS)、有機發光二極體(OLED)等以及用於將圖像准直到無限遠的對應的准直光學器件。當微顯示器被實現為反射式或透射式顯示器時，在圖像投影儀18中還包括照明部件(例如，一個或更多個LED)和照明光學裝置(例如，分束器)，以將光從照明部件引導到微顯示器，以及將圖像光引導至准直光學裝置。
還應注意，本文所述的各種光學裝置的耦合棱鏡22僅是光學耦入配置的一種非限制性實施方式的說明，並且其他光學耦合配置可用於將來自圖像投影儀20的圖像光耦入LOE 12。光學耦入配置可以是將圖像光的一部分以適當的角度偏轉到LOE 12中以通過內反射在LOE 12內引導光的任何光學耦合佈置。這樣的合適的光學耦合佈置的其他示例包括但不限於形式為耦入反射器的反射表面和衍射光學元件。
已經出於說明的目的給出了對本公開內容的各種實施方式的描述，但是其並非旨在是窮舉的或限於所公開的實施方式。在不脫離所述實施方式的範圍和精神的情況下，許多修改和變型對於本領域的普通技術人員將會是明顯的。選擇本文所使用的術語以最好地解釋實施方式的原理、實際應用或對市場中發現的技術改進，或使本領域的其他普通技術人員能夠理解本文所公開的實施方式。
除非上下文另有明確規定，否則如本文所使用，單數形式(無量詞修飾詞和該)包括複數指代。
在本文中使用詞語“示例性”來表示“用作示例、實例或說明”。被描述為“示例性”的任何實施方式不必然被解釋為比其他實施方式優選或有利以及/或者排除併入來自其他實施方式的特徵。
應理解，為清楚起見而在分開的實施方式的上下文中描述的本發明的某些特徵也可以在單個實施方式中組合地提供。反之，為簡化起見而在單個 實施方式的上下文中描述的本發明的各個特徵也可以單獨地提供或以任何合適的子組合提供，或者適用于本發明的任何其他描述的實施方式。在各種實施方式的上下文中描述的某些特徵不應被認為是這些實施方式的必要特徵，除非該實施方式在沒有這些元件的情況下不起作用。
就所附權利要求是在沒有多項引用的情況下撰寫的而言，這樣做僅是為了適應不允許這樣的多項引用的司法管轄區的形式要求。應當注意，通過使權利要求多項引用而隱含的特徵的所有可能組合被明確地設想並且應當被認為是本發明的一部分。
儘管已結合本發明的特定的實施方式描述了本發明，但是對於本領域普通技術人員來說，許多替選、修改及變型是明顯的。因此，旨在涵蓋落入所附權利要求的精神和寬範圍內的所有這樣的替選、修改和變型。
12:基板、光導光學元件
14、16:面
30b:表面
34:瞳孔
36:眼睛
42:光源
44:光線
46、48:點

Claims (29)

  1. 一種光學裝置，包括：
    透光基板，所述透光基板具有至少兩個主表面，用於通過所述兩個主表面之間的內反射來引導光；
    光學耦出配置，用於將通過所述兩個主表面之間的內反射引導的光朝向觀看者的眼睛耦出所述透光基板；以及
    光學佈置，所述光學佈置與所述兩個主表面中的至少一個相關聯，並且包括第一光學元件以及第二光學元件，所述第二光學元件光學耦合至所述第一光學元件以限定與所述光學耦出配置的至少一部分相關聯的介面區域，所述光學佈置被佈置成使得從外部場景發出並且以給定入射角範圍入射到所述光學佈置的光線在所述介面區域處偏轉。
  2. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述第一光學元件和所述第二光學元件各自具有比所述介面區域的折射率高的折射率。
  3. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述介面區域被形成為氣隙。
  4. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述介面區域被形成為低折射率材料的透明層。
  5. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述第一光學元件和所述第二光學元件均包括多個表面，並且經由所述多個表面中的對應表面來對應配置和相鄰放置，以限定所述介面區域。
  6. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述第一光學元件和所述第二光學元件中的每一個是棱鏡，所述棱鏡具有相互平行的第一表面和第二表面以及相對于相互平行的所述第一表面和所述第二表面傾斜的第三表面，並且其中，所述第一光學元件和所述第二光學元件在所述第三表面處彼此光學耦合。
  7. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述光學佈置被形成為透鏡。
  8. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述介面區域具有線性表面輪廓。
  9. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述介面區域具有非線性表面輪廓。
  10. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述介面區域包括第二透光基板，所述第二透光基板具有一對平行面以及相對于所述平行表面傾斜地佈置在所述第二透光基板內的多個部分反射表面。
  11. 如請求項10所述的光學裝置，其中，所述部分反射表面中的每一個包括：一對透明層以及佈置在所述一對透明層之間的塗覆有低折射率材料的粗糙透明層，其中，所述一對透明層中的每一個的折射率高於所述低折射率材料的折射率。
  12. 如請求項1所述的光學裝置，其中，以所述給定角度範圍從所述外部場景發出的光線在所述介面區域處偏轉，從而通過內反射被捕獲在所述第一光學元件內。
  13. 如請求項1所述的光學裝置，其中，以所述給定角度範圍從所述外部場景發出的光線經由所述第一光學元件的第一表面進入所述光學佈置，在所述介面區域處被反射，在所述第一光學元件的第一表面處被反射，並且在所述介面區域處朝向所述第一光學元件的第二表面反射並且離開所述透光基板。
  14. 如請求項13所述的光學裝置，其中，所述第一光學元件的第二表面與光收集或耗散部件相關聯。
  15. 如請求項1所述的光學裝置，其中，以所述給定角度範圍之外的角度範圍從所述外部場景發出的光線經由所述第一光學元件的第一表面進入所述光學佈置，被所述介面區域透射，經由所述第二光學元件的第一表面離開所述光學佈置，並且穿過所述透光基板到達所述觀看者的眼睛。
  16. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述光學佈置使得在不存在所述光學佈置的情況下，以所述給定角度範圍從所述外部場景發出的光線進入所述透光基板並且通過所述光學耦出配置朝向所述觀看者的眼睛耦出所述透光基板。
  17. 如請求項1所述的光學裝置，還包括：第二光學佈置，所述第二光學佈置被佈置成正交於所述透光基板的取向並且佈置在所述透光基板的端部處。
  18. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述光學耦出配置包括位於所述透光基板內的至少一個部分反射表面。
  19. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述光學耦出配置包括至少部分地橫穿所述透光基板的多個部分反射表面。
  20. 如請求項19所述的光學裝置，還包括：圖像投影儀，所述圖像投影儀耦合到所述透光基板的近端，以將與准直圖像對應的光波引入所述透光基板中，其中，所述介面區域跨越位於所述透光基板的與所述近端相對的遠端附近的所述部分反射表面的子集。
  21. 如請求項1所述的光學裝置，其中，所述光學耦出配置包括與所述兩個主表面中的一個相關聯的衍射元件。
  22. 如請求項1所述的光學裝置，還包括：圖像投影儀，所述圖像投影儀耦合到所述透光基板，以將與准直圖像對應的光波引入所述透光基板中，使得所述准直圖像在所述透光基板內通過內反射傳播，並且通過所述光學耦出配置耦出所述透光基板。
  23. 如請求項22所述的光學裝置，還包括：與所述透光基板和所述圖像投影儀相關聯的光學耦入配置，所述光學耦入配置用於從所述圖像投影儀接收所述准直圖像並且將所述准直圖像耦入所述透光基板中。
  24. 一種光學裝置，包括：
    透光基板，所述透光基板具有一對面，用於通過所述面之間的內反射來引導光；
    光學耦出配置，用於將通過所述面之間的內反射引導的光朝向觀看者的眼睛耦出所述透光基板；以及
    至少一個光學元件，所述至少一個光學元件具有多個表面，所述多個表面包括一對平行主表面以及相對於所述一對平行主表面傾斜並且與所述光學耦出配置的至少一部分相關聯的第三主表面，其中，至少部分地通過所述第三主表面來限定折射率低於所述至少一個光學元件的折射率的介面區域，
    其中，所述至少一個光學元件被佈置成所述一對平行主表面的主表面中的一個主表面與所述透光基板的所述面中的一個面相關聯，使得從外部場景發出並且以給定入射角範圍入射到所述一對平行主表面的主表面中的另一主表面的光線在所述介面區域處偏轉。
  25. 如請求項24所述的光學裝置，其中，所述至少一個光學元件的所述多個表面還包括第四表面，並且其中，以所述給定角度範圍從所述外部場景發出的光線經由所述一對平行主表面的主表面中的另一主表面進入所述至少一個光學元件，在所述介面區域處被反射，在所述一對平行主表面的主表面中的所述另一主表面處被反射，並且在所述介面區域處朝向所述第四表面反射並且離開所述透光基板。
  26. 如請求項25所述的光學裝置，其中，所述第四表面與光收集或耗散部件相關聯。
  27. 如請求項24所述的光學裝置，其中，所述介面區域還部分地由光學耦合至所述第三主表面的透明板限定。
  28. 一種光學裝置，包括：
    透光基板，所述透光基板具有至少兩個主表面，用於通過所述主表面之間的內反射來引導光；
    光學耦出配置，用於將通過所述兩個主表面之間的內反射引導的光朝向觀看者的眼睛耦出所述透光基板；以及
    光學佈置，所述光學佈置與所述兩個主表面中的至少一個相關聯，並且包括一對光學元件，所述一對光學元件被相鄰定位以限定與所述光學耦出配置的至少一部分相關聯的介面區域，所述介面區域的折射率小於所述光學元件的折射率，並且所述光學佈置被佈置成使得從外部場景發出並且以給定入射角範圍入射到所述光學佈置的光線在所述介面區域處偏轉。
  29. 一種光學裝置，包括：
    第一透光基板，所述第一透光基板具有至少第一主表面和第二主表面，用於 通過所述第一主表面和所述第二主表面之間的內反射來引導光；
    光學耦出配置，用於將通過所述第一主表面與所述第二主表面之間的內反射引導的光朝向觀看者的眼睛耦出所述第一透光基板；以及
    光學佈置，所述光學佈置包括：
    第二透光基板，所述第二透光基板具有至少兩個主表面，其中，所述第二透光基板的兩個主表面中的一個與所述第一透光基板的第一主表面或第二主表面相關聯，以及
    多個部分反射表面，所述多個部分反射表面被相對於所述第二透光基板的兩個主表面傾斜地佈置在所述第二透光基板的一部分內，以限定與所述光學耦出配置的至少一部分相關聯的介面區域，所述光學佈置被佈置成使得從外部場景發出並且以給定入射角範圍入射到所述光學佈置的光線在所述介面區域處被偏轉或吸收。
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