TW202144827A - 包括具有二維擴展的光導光學元件的光學系統 - Google Patents

Abstract

一種光學系統，包括圖像重定向佈置，該圖像重定向佈置具有至少兩個反射器以引導來自圖像投影儀的準直圖像，從而在光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)內沿第一方向和第二方向傳播，隨後該準直圖像由對應的第一組部分反射內表面和第二組部分反射內表面朝向耦出光學佈置反射。與沿第一方向傳播的準直圖像的右側相鄰的視場(Field of View,FOV)的一部分與各組部分反射內表面中的一個的平面或與主外表面平行的平面相交，從而在未到達使用者眼睛的視場區域中形成準直圖像的一部分的自交疊。

Description

包括具有二維擴展的光導光學元件的光學系統

本發明涉及光學系統，並且特別地，本發明涉及包括用於實現光學孔徑擴展的光導光學元件(Light-guide Optical Element,LOE)的光學系統。

許多近眼顯示系統包括在使用者眼睛前放置的透明光導光學元件(LOE)或“波導”，LOE或波導通過內反射在LOE內傳送圖像，並且然後通過合適的輸出耦合機構朝向使用者眼睛耦出圖像。輸出耦合機構可以基於嵌入的部分反射器或“小平面”，或者可以採用衍射元件。下面的描述將主要涉及基於小平面的耦出佈置。

在與本申請共同轉讓的美國專利第10,551,544號和PCT專利申請公開第WO 2020/049542號A1中公開了用於實現圖像投影儀的光學孔徑的二維擴展的各種LOE配置。在這些示例中，第一組部分反射小平面逐步地反射注入LOE中的圖像，以將該圖像從第一方向重定向至第二方向，同時實現孔徑擴展的第一維度，並且第二組部分反射小平面逐步地耦出重定向圖像，同時實現孔徑擴展的第二維度。

當實現具有大視場的此類配置時，可以使用的角的範圍在一端受到以下要求限制：在LOE內傳播的圖像的所有光線必須以大於臨界角的入射角入射在LOE的主表面上。在另一端，如果LOE內的圖像的角場與LOE的中心平面相交，則圖像的某些光線作為共軛圖像的光線交疊(即，在同一方向上)，導致圖像的該部分損壞。因為與小平面的平面相交的圖像場的任何部分由與圖 像的相鄰區域上的反射而損壞，對LOE內的部分反射表面(“小平面”)的平面施加了另外的限制。這些考慮使得用於二維孔徑擴展的LOE的設計複雜化，並且對可以顯示的圖像的角場施加限制。

本發明是一種用於將圖像照射引導至眼動盒以供使用者的眼睛觀看的光學系統。

根據本發明的實施方式的教示，提供了用於將圖像引導至眼動盒以供使用者的眼睛觀看的光學系統，該光學系統包括：(a)圖像投影儀，其投影與準直圖像對應的照射，該準直圖像具有從左側至右側和從頂部至底部的角度視場以及在視場的中心處的主光線表示傳播方向；(b)光導光學元件(LOE)，其由透明材料形成並且具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(c)圖像重定向佈置，其至少包括第一反射器和第二反射器，該第一反射器被佈置成在LOE內沿第一方向重定向照射的部分使得準直圖像在LOE內通過內反射沿第一方向傳播，該第二反射器被佈置成在LOE內沿第二方向重定向照射的部分使得準直圖像在LOE內通過內反射沿第二方向傳播；(d)耦出光學佈置，其與LOE相關聯並且被配置用於使在LOE內傳播的照射朝向眼動盒向外偏轉；以及(e)LOE內的多組部分反射內表面，多組部分反射內表面包括相互平行的第一組部分反射內表面和相互平行的第二組部分反射內表面，該相互平行的第一組部分反射內表面被佈置成用於將沿第一方向傳播的照射朝向耦出光學佈置重定向，該相互平行的第二組部分反射內表面被佈置成不平行於第一組部分反射內表面，用於將沿第二方向傳播的照射朝向耦出光學佈置重定向，其中沿第一方向重定向並且由第一組部分反射內表面重定向的照射的部分將視場的至少左側提供給眼動盒，並且其中與沿第一方向傳播的準直圖像的右側相鄰的視場的一部分與多組部分反射內表面中的一個的平面或與主外表面平行的平面相交，從而在視場的未到達眼動盒的區域中形成準直圖像的一部分的自交疊。

根據本發明的實施方式的另一個特徵，沿第二方向重定向並且由第二組部分反射內表面重定向的照射的部分將視場的至少右側提供給眼動盒，並且其中與沿第二方向傳播的準直圖像的左側相鄰的視場的一部分與多組部分 反射內表面中的一個的平面或與主外表面平行的平面相交，從而在視場的未到達眼動盒的區域中形成準直圖像的一部分的自交疊。

根據本發明的實施方式的另一特徵，圖像重定向佈置包括反射稜鏡，該反射稜鏡在LOE外部，該反射稜鏡提供第一反射器和第二反射器。

根據本發明的實施方式的另一特徵，第一反射器是在LOE內部並且與第一組部分反射內表面平行的反射表面，並且第二反射器是在LOE內部並且與第二組部分反射內表面平行的反射表面。

根據本發明的實施方式的另一特徵，第一組部分反射內表面和第二組部分反射內表面在LOE的至少一個區域中處於交疊關係。

根據本發明的實施方式的另一特徵，第一組部分反射內表面和第二組部分反射內表面各自與LOE的主外表面成斜角。

根據本發明的實施方式的另一特徵，與沿第一方向傳播的準直圖像的右側相鄰的視場的一部分與第二組部分反射內表面的平面相交。

根據本發明的實施方式的另一特徵，與沿第一方向傳播的準直圖像的右側相鄰的視場的一部分與平行於主外表面的平面相交。

根據本發明的實施方式的另一特徵，耦出光學佈置包括相互平行的第三組部分反射內表面，該相互平行的第三組部分反射內表面與第一組部分反射內表面和第二組部分反射內表面都不平行，該相互平行的第三組部分反射內表面與LOE的主外表面成斜角。

110:近眼顯示器

112:光導光學元件

114:緊湊型圖像投影儀(POD)

116:第一區域

118:第二區域

120:裝置的側部

122:控制器

14、14’、15A、15B:矩形圖像

14F、15F:線

16、31、50、60:波導

18A:小平面、第一反射器

18B:小平面、第二反射器

22:耦出小平面

9:圓圈圖像

B:下邊緣

C:主光線

L:左側

R:右側

T:上邊緣

在本文中，僅以示例的方式參照附圖描述本發明內容，在附圖中：

圖1A和圖1B是使用根據本發明的第一方面的教示構造和操作的光導光學元件(LOE)實現的光學系統的示意性等距視圖，分別示出了自頂向下和側向注入配置；

圖2A是示出由用戶的眼睛觀看到的圖像的視場(Field Of View,FOV)的示意性等距視圖；

圖2B是示出將FOV的左端和右端提供給眼動盒(Eye Motion Box,EMB)的LOE的區域的示意性俯視圖；

圖2C是類似於圖2B的視圖，另外示出了從LOE的未到達EMB的區域投影的視場的端部，並且因此根據本發明的方面，允許該端部被損壞；

圖3A是示出用於提供視場的右側(圖的頂部)和左側(圖的底部)的替選光路的反射序列的角度空間的示意性表示的序列；

圖3B(1)和圖3B(2)分別是來自LOE的右側和左側的投影圖像的高品質部分和損壞部分的示意性俯視圖，其中僅投影圖像的高品質部分到達EMB；

圖3C和圖3D分別是示出物理空間中圖3A的光路的一系列示意性正視圖和側視圖；

圖3E和圖3F是圖3A中所示的反射序列的三維角度表示，其中圖3E包括示出反射序列的箭頭，而圖3F標示每個圖像的遭受損壞的區域；

圖4A和圖4B是用於本發明的替選實施方式的類似於圖3E和圖3F的三維角度表示；

圖5A和圖5B是用於本發明的另一替選實施方式的類似於圖3E和圖3F的三維角度表示；

圖6至圖8是根據本發明的實施方式的教示的LOE的三個替選實現方式的相應部件和整體組裝結構的示意圖；

圖9是示出用於本發明的實現方式的部分反射內表面(小平面)的反射率的角度依賴性的曲線圖，還示出了在LOE內傳播的各種圖像的角度範圍；

圖10是圖1A至圖8的LOE的實現方式的示意性正視圖，示出了耦入圖像的中心向下注入；

圖11A是類似於圖10的視圖，示出了其中耦入圖像垂直注入的實現方式；

圖11B和圖11C是沿圖11A的線XI-XI截取的示意性截面圖，示出了用於在兩個方向上耦入投影圖像的圖像重定向佈置的第一實現方式和第二實現方式；

圖12A是類似於圖10的視圖，示出了向上注入耦入圖像的實現方式；

圖12B和圖12C是沿圖12A的線XII-XII截取的示意性截面圖，示出了用於在向上方向上耦入投影圖像的第一實現方式和第二實現方式；

圖13A是採用與LOE的主外表面垂直的第一組部分反射內表面和第二組部分反射內表面的本發明的另一實現方式的示意性角度表示；以及

圖13B是與圖13A的實施方式對應的LOE的示意性正視圖。

本發明是用於將圖像照射引導至眼動盒以供使用者的眼睛觀看的光學系統。

參照附圖和所附描述，可以更好地理解根據本發明的光學系統的原理和操作。

作為介紹，本發明的某些方面涉及用於經由光導光學元件(LOE)將圖像照射引導到眼動盒(EMB)以供使用者的眼睛觀看的光學系統。光學系統提供光學孔徑擴展以用於平視顯示器並且最優選地為近眼顯示器的目的，所述顯示器可以是虛擬實境顯示器或者更優選地是增強現實顯示器。優選地，光學系統提供輸入光學孔徑的兩級擴展，並且其中第一擴展使用兩組不同的相互平行部分反射表面(“小平面”)來實現，每組部分反射表面理向眼睛呈現的整體視場(FOV)的不同部分(不相同但優選地交疊)。

在典型但非限制性實施方式(圖1A和圖1B)中，光學系統採用單個圖像投影儀(“POD”)，該POD將圖像照射提供至集成到LOE中的兩組小平面。概括地說，圖1A和圖1B示出了用於將注入到至少一個耦入區域中的圖像照射引導至眼動盒以供使用者的眼睛觀看的光學系統。光學系統包括光導光學元件(LOE)112，該光導光學元件112由透明材料形成並且包括第一區域116，該第一區域116包含具有第一取向的第一組平坦的相互平行的部分反射表面(“小平面”)和具有第二取向的第二組平坦的相互平行的部分反射表面(“小平面”)，所述第二取向與第一取向不平行。(小平面在圖1A和圖1B中不可見，但是將在下面的附圖中示意性地示出。)LOE還包括第二區域118，該第二區域118包含具有第三取向的第三組平坦的相互平行部分反射表面(或“小平面”，也稱為“耦出表面”)，所述第三取向與第一取向和第二取向中的每個取向不平行。LOE由跨第一區域和第二區域延伸的一組相互平行的主外表面定界，使得第一組部分反射表面、第二組部分反射表面和第三組部分反射面都位於主外表面之間。

第三組部分反射表面與主外表面成斜角，使得在LOE內通過主外表面處的內反射從第一區域傳播進入第二區域的圖像照射的一部分朝向眼動盒耦出LOE以供用戶的眼睛觀看。替選地，代替第三組小平面，可以在第二區域 118中使用衍射光學元件，用於朝向眼動盒逐漸地耦出圖像照射。類似地，衍射光學元件可以用於將來自投影儀114的圖像照射耦合到LOE中，以通過內反射在第一區域116內傳播。

第一組部分反射表面和第二組部分反射表面中的每個部分反射表面被定向為使得來自至少一個耦入區域的在LOE內通過主外表面處的內反射傳播的圖像照射的一部分被朝向第二區域偏轉。

最優選地，第一組小平面和第二組小平面中的每一個負責整個視場的不同部分的孔徑擴展。具體地，優選地，第一組部分反射表面使圖像的視場的第一部分朝向第二區域偏轉，並且第二組部分反射表面使圖像的視場的第二部分朝向第二區域偏轉，視場的第一部分和第二部分組合以提供比FOV的第一部分和第二部分中的每一個都要大的連續組合視場。優選地，FOV的兩個部分大致對應於全部FOV的兩側(左右或上下，但在下文中任意地稱為“左”和“右”)，但是具有與中心區域的充分交疊以確保跨眼動盒的中心場的完全且連續的覆蓋，眼動盒對應於觀看者的瞳孔的位置的可接受範圍，顯示器是針對該觀看者來設計的。

本發明的示例性實施方式採取通常被標示為110的近眼顯示器的形式，該近眼顯示器採用LOE 112。緊湊型圖像投影儀(或“POD”)114被光學耦合以將圖像注入LOE 112(可互換地稱為“波導”、“基板”或“板(slab)”，在LOE 112內，通過平坦主外表面處的內反射在一個維度上捕獲圖像光。光射到第一組部分反射表面和第二組部分反射表面(可互換地稱為“小平面”)上，其中，每組小平面相對於圖像光的傳播方向傾斜，其中每個相繼小平面將圖像光的一部分偏轉到也通過內反射被捕獲/引導在基板內的偏轉方向。這些第一組小平面和第二組小平面未在圖1A和圖1B中單獨示出，而是位於LOE的被標示為116的第一區域中。在相繼小平面處的該部分反射實現了第一維度的光學孔徑擴展。

位於第一區域116中的第一組部分反射表面和第二組部分反射表面將圖像照射從通過全內反射(Total Internal Reflection,TIR)被捕獲在基板內的第一傳播方向偏轉到也通過TIR被捕獲在基板內的第二傳播方向。在相繼小平面處的該部分反射實現了第一維度的光學孔徑擴展。

然後，經偏轉的圖像照射進入第二區域118，第二區域118可以被實現為相鄰的不同基板或者被實現為單個基板的延續，在第二區域118中，耦出光學裝置(另一組部分反射小平面或衍射光學元件)逐步地將圖像照射的一部分朝向位於被限定為眼動盒(EMB)的區域內的觀察者的眼睛耦出，從而實現第二維度的光學孔徑擴展。整個裝置可以針對每只眼睛分別來實現，並且優選地，整個裝置相對於使用者的頭部被支撐，其中每個LOE 112面對用戶的相應的眼睛。在如此處所示的一個特別優選的選項中，將支撐佈置實現為具有用於相對於使用者的耳朵來支撐裝置的側部120的眼鏡框架。也可以使用其他形式的支撐佈置，包括但不限於頭帶、護目鏡或懸掛在頭盔上的裝置。

本文在附圖和權利要求書中參照X軸和Y軸，其中，X軸沿LOE的第一區域的大體延伸方向水準(圖1A)或豎直(圖1B)延伸，並且Y軸垂直於X軸延伸，即，在圖1A中豎直延伸並且在圖1B中水準延伸。

以非常近似的措辭，可以認為LOE 112的第一區域116實現X方向上的孔徑擴展，而第二LOE或LOE 112的第二區域118實現Y方向上的孔徑擴展。下面將更精確地表述視場的不同部分傳播的角度方向的擴展的細節。應當注意，如圖1A中所示的取向可以被視為“自頂向下”實現方式，在該實現方式中進入LOE的主(第二區域)的圖像照射從上邊緣進入，而圖1B中所示的取向可以被視為“側向注入”實現方式，在該實現方式中水準佈置這裡被稱為Y軸的軸。在其餘附圖中，將在類似於圖1A的“自頂向下”取向的上下文中示出本發明的某些實施方式的各種特徵。然而，應當理解，所有這些特徵同樣適用于側向注入實現方式，其也落入本發明的範圍內。在某些情況下，其他中間取向也可適用，並且除非明確排除，否則也包括在本發明的範圍內。為了呈現的簡潔和清楚起見，由不同的第一組小平面和第二組小平面提供的顯示圖像的兩側在下面被稱為對應於X方向上的端部的“左”和“右”，但是如上所述，“左”和“右”不一定對應於裝置的最終佈置取向上的水準間隔。

在本發明的第一組優選但非限制性示例中，前述第一組小平面和第二組小平面與基板的主外表面正交。在這種情況下，注入圖像以及其在第一區域116內傳播時經歷內反射的其共軛均被偏轉並且成為沿偏轉方向傳播的共軛圖像。在替選的一組優選但非限制性示例中，第一組部分反射表面和第二組部分 反射表面相對於LOE的主外表面成斜角。在後一情況下，注入圖像或其共軛形成在LOE內傳播的所需偏轉圖像，而另一反射可以例如通過在小平面上採用角度選擇塗層來最小化，其中角度選擇塗層使得其對於由不需要其反射的圖像呈現的入射角範圍相對透明。

優選地，本發明的裝置所採用的POD被構造成生成準直圖像，即其中每個圖像圖元的光是以與圖元位置對應的角度方向準直到無窮遠的平行束。因此，圖像照射跨越與二維角度視場對應的角的範圍。在圖2A中示意性地表示該角度視場，其中用戶的眼睛觀看視場，在這種情況下為從左側“L”延伸到右側“R”，並且從上邊緣“T”延伸到下邊緣“B”的矩形。代表性傳播方向被認為是與主光線“C”對應的中心方向。

圖像投影儀114包括至少一個光源，其通常被佈置成照射諸如LCOS晶片的空間光調製器。空間光調製器調製圖像的每個圖元的投影強度，從而生成圖像。替選地，圖像投影儀可以包括掃描佈置，該掃描佈置通常使用一個或更多個快速掃描鏡實現，該一個或更多個掃描佈置跨投影儀的圖像平面掃描來自鐳射光源的照射，同時束的強度隨運動逐圖元地同步改變，從而針對每個圖元投影期望的強度。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。以上部件中的一些或全部通常被佈置在一個或更多個偏振分束器(Polarizing Beam-Splitter,PBS)立方體或本領域所公知的其他稜鏡佈置的表面上。

可以通過任何合適的光學耦合來實現圖像投影儀114與LOE 112的光學耦合，例如，經由具有斜角輸入表面的耦合稜鏡、或者經由反射耦合佈置、經由側邊緣和/或LOE的主外表面中的一個主外表面。替選地，衍射光學元件(Diffractive Optical Element,DOE)可以用於將圖像耦合到基板中。除了在下面的某些示例中所指定的耦入構造的細節之外，耦入構造的細節對於本發明通常不是關鍵的，並且在這裡僅示意性地示出。

應當理解，近眼顯示器110包括各種附加部件，通常包括用於致動圖像投影儀114的控制器122，通常採用來自小型板載電池(未示出)或一些其他合適的電源的電力。應當理解，控制器122包括所有必需的電子部件，例如至少一個處理器或處理電路，以驅動圖像投影儀，所有這些都是本領域公知的。

現在參照圖2B的俯視圖，要注意的是，到達EMB 4的投影圖像的右端源自LOE 2的表示為“A”的區域，而到達EMB 4的投影圖像的左端源自LOE的區域“B”。EMB標示光學系統提供完整FOV圖像所需的眼睛位置的範圍。本發明的方面利用該觀察：允許在諸如圖2C中標記為6的區域中的投影圖像的部分損壞，這些區域中的投影圖像未到達EMB 4並且因此不影響使用者觀看到的圖像的品質。

因此，根據本發明的一個方面，對於將來自投影儀114的圖像朝向第一組部分反射表面和/或第二組部分反射面重定向的方式具有特別的重要性。具體地，根據本發明的該方面，光學系統還包括圖像重定向佈置，該圖像重定向佈置包括至少第一反射器和至少第二反射器，該第一反射器被佈置成沿LOE內的第一方向重定向圖像照射的一部分，使得準直圖像在LOE內通過內反射沿第一方向朝向第一組部分反射內表面傳播，並且至少第二反射器被佈置成沿LOE內的第二方向重定向照射的一部分，使得準直圖像在LOE內通過內反射沿第二方向朝向第二組部分反射內表面傳播。與沿第一方向傳播的準直圖像的右側相鄰的視場的一部分與各組部分反射內表面中的一個的平面或與主外表面平行的平面相交，從而形成一部分準直圖像的自交疊。然而，由於第一組部分反射表面將圖像的左側提供給眼動盒，所以該自交疊損壞了未到達眼動盒的視場區域中的圖像。

優選地，在視場的右側使用相反的佈置。具體地，優選地，與沿第二方向傳播的準直圖像的左側相鄰的視場的一部分與各組部分反射內表面中的一個的平面或與主外表面平行的平面相交，從而形成一部分準直圖像的自交疊。然而，由於第二組部分反射表面將圖像的右側提供給眼動盒，所以該自交疊損壞了未到達眼動盒的視場區域中的圖像。下面將呈現重定向佈置及其對圖像的未到達眼動盒的某些區域的相應的影響的具體示例。

現在轉向圖3A至圖3D，這些圖示意性示出了根據本發明的非限制性示例的大FOV的二維孔徑擴展。圖3A示出了角度空間中的過程，而圖3B(1)至圖3D示出了真實空間中的等效過程。

圖3A的表示基於角度空間的二維直線表示，其中以笛卡爾座標描繪球面座標。該表示引入各種變形，並且沿不同軸的位移是不可交換的(繞不同 軸旋轉的性質如此)。然而，已經發現這種形式的圖簡化了描述並且為系統設計提供有用的工具。圓圈表示波導的主外表面的臨界角(全內反射(TIR)的邊界)。因此，圓圈外的點表示將通過TIR反射的束的角度方向，而圓圈內的點表示將通過面並且透射出波導的束。圓圈9表示波導的正面和背面的臨界角。圓心之間的“距離”為180度。

這些附圖示出了在連續反射之後通過光學系統進行的圖像照射的4個連續階段。在階段10示出了在將矩形圖像14注入到波導中之後的初始狀態。由於圖像14位於圓圈9的外部，因此當圖像14通過波導的主表面處的內反射沿波導傳播時，其光線由TIR引導(因此表示為兩個耦合的矩形14和矩形14′)。圖像的這種傳播在圖3C階段10所示的波導16的真實空間描述中被表示為箭頭。在整個該文檔中，參考與基板的主表面平行的傳播方向的平面內分量來示出實際空間傳播方向。應當理解，箭頭表示通過從波導的前表面和後表面反射的內反射的傳播，並且一般標示圖像的主光線的平面內分量。

當圖像在波導中傳播時，遇到重定向光學佈置的第一反射器和第二反射器，它們在角度空間中分別被描述為點劃線18A和點劃線18B。這些小平面使圖像在角度空間中改變方向，如矩形15A和矩形15B所示，矩形15A和矩形15B中的每一個矩形通過在LOE的主外表面處的內反射生成其自己的共軛圖像15A′和共軛圖像15B′。在真實空間(圖3C的階段11)中，重定向的圖像傳播方向被表示為橫向傳播的箭頭“A”和箭頭“B”。

在該非限制性示例中，第一反射器是LOE內部並且與第一組部分反射內表面平行的反射表面，並且第二反射器是LOE內部並且與第二組部分反射內表面平行的反射表面。下面將參照圖6至圖8描述可以如何實現這樣結構的具體示例。

明顯的是，小平面18A在區域20處與圖像15A′中的一個相交。因此，這部分圖像自身被反射，使得該段圖像不可用。該不可用的段在矩形圖像內被陰影化。在被小平面18B重定向的圖像中發生類似的過程，其中圖像15B′與小平面相交並且引起損壞區域20。雖然在許多情況下用以實現部分反射表面的多層介電塗層被設計為在大入射角下具有低反射率，但是在掠入射下的反射率總是高的，因此這樣的塗層不能防止與小平面的平面相交的圖像的損壞。

通過在第一組小平面和第二組小平面中的進一步反射將偏轉圖像重定向至圖像14和圖像14′。由於所有引導的圖像彼此耦合，因此由於小平面18A引起的不可用段被再現到所有四個圖像即圖像14、圖像14′、圖像15A和圖像15A′，並且對於由小平面18B生成的不可用段也是如此。然而，與圖像15B相比，在LOE的一側上傳播的圖像15A具有相反的不可用段，如階段12所示，其示出了通過耦出小平面22耦出圖像14′以生成耦出圖像16A和耦出圖像16B。俯視圖(圖3B(1)和圖3B(2))示出了每個子圖像(A和B)如何用其相應圖像的未受損部分照射眼動盒4，而圖像6的不可用部分沿位於眼動盒外部的方向投影，並且因此用戶看不到。

圖3E和圖3F以三維角度表示示出了圖3A中描述的角度過程。這裡，小平面18和小平面22的平面被示為圓圈。圖3E示出了圖3A中所示的相同圖像，而圖3F示出了生成不可用部分作為圍繞小平面18彼此折疊的20A1和20A2，並且組合的不可用部分作為20B、20C、20D傳播並且作為20E耦出。

圖4A和圖4B示出了根據本發明的實現方式的不同角度架構(在具有4：3的形狀因數(比率)和70度的對角線的圖像的非限制性示例中)。然而這裡，小平面角在20A和在20D處與圖像角度分佈相交兩次。兩個不可用部分交疊，並且因此最終結果等同於上面參照圖3A至圖3D描述的結果。

圖5A和圖5B示出圖像15和圖像15'(從小平面18偏轉的圖像及其共軛)部分交疊從而生成不可用部分20的情況。這對應於與沿第一(或第二)方向傳播的準直圖像的右(或左)側相鄰的視場的一部分與平行於主外部表面的平面相交的情況。這引起部分圖像自身折疊。與先前示例中一樣，該不可用部分僅照射眼動盒外部的區域6(圖2B)，而眼動盒4由圖像的具有未擾動區域的部分A和部分B照射。

圖6、圖7和圖8描述了波導的各種配置和對應的組成部件。為了表示的清楚，尺寸是示意性的。通過到達眼動盒所需的光學路徑幾何地確定每個部分的實際尺寸。

在圖6中，波導31由四個分離的部分形成：分束部分30，其由具有以不同取向傾斜的小平面的兩個交疊部分30A和部分30B構成。小平面的取向不必相反地或對稱地傾斜，並且因此，來自第一反射器(18A)和第二反射器 (18B)的重定向圖像照射不需要在正好相反的方向上，並且可以考慮其他考慮因素，例如相對於輸出圖像的波導傾斜或兩個圖像的不同修整。

為了改善圖像均勻性，可以在與波導的主外表面的平面平行的交疊部分之間引入部分反射器(Partial Reflector,PR)。

這裡，優選地，側向部分32具有與部分30A平行的小平面，並且部分34具有與部分30B平行的小平面，以執行朝向LOE的第二部分36的圖像反射。如圖3A和圖3B的階段13所示，部分36作為延續而附接，以將光朝向用戶的眼睛耦出。在本示例中，所有部分並排附接，其中部分30、部分32和部分34一起構成圖1A或圖1B的第一區域116，並且部分36對應於第二波導部分118。

圖7示出了另一可選實現方式，其中波導50由覆蓋在部分54上方的部分52組裝而成，以提供第一區域116，該第一區域116實現重定向光學佈置以及第一組部分反射表面和第二組部分反射表面的分束操作。對應於圖1A或圖1B的第二區域118的部分36被連續地放置以耦出圖像。在此，還可以將部分反射器(PR)實現為交疊部分(這裡，示出以相對關係附接在上方部分54的下方部分52)之間的塗層。在圖6和圖7的兩種情況下，可選地，部件可以夾在連續的玻璃蓋板之間，以有助於實現波導的高品質平坦外表面。

圖8示出了另一選擇，根據該選擇，所有部分(部分62、部分64和部分66)一個放置在另一個之上以組裝波導60。如圖所示，每個部分包括一組小平面，其至少在波導的相關區域中實現並且可選地，跨波導的整個尺寸延伸。可以在一個或兩個介面處實現部分反射器，以增強圖像均勻性。

實現介電塗層，以為大角度光譜和所有顏色提供所需的部分反射特性可能是具有挑戰性的。原則上，用於設計多層介電塗層的標準套裝軟體可以提供根據角度的所需反射率變化，並且將生成對應的塗層設計。然而，需求越具體，塗層變得越複雜和越昂貴，和/或可能必須針對期望性能做出更多折衷。本發明有助於設計的該方面，因為與無論如何將被損壞或者無論如何將不會對從EMB可見的圖像做出貢獻的的圖像區域對應的角度不需要滿足其餘圖像所需的反射率要求。

例如，圖9示出了用於圖5的實現方式的小平面18的多層介電塗 層的典型實現方式的角度反射率18A。標稱圖像14的角度譜在這裡被描述為線14N，並且圖像15的角度譜在這裡被描述為15N。圖像15在其自身上的折疊在這裡可以表示為14N在15N上的部分交疊，並且交疊角度範圍為20N(表示20)。因為範圍20N不包括將到達眼動盒的高品質圖像，所以在塗層設計期間可以忽略(即，不施加約束)該區域。因此，小平面18A的塗層所要求的反射率和透射率的實際範圍實際上更短，其對應於線14F和線15F。這極大地促進了合適塗層的設計。

這種縮短動態譜的過程適用於所示的所有其他配置，從而使得用於大FOV的小平面塗層的實現更實用。

在至此所論述的示例中，來自圖像投影儀114的圖像照射在到達圖像重定向佈置的第一反射器和第二反射器之前被耦合到LOE的第一區域116中，並且這些反射器與第一組部分反射表面和第二組部分反射內表面集成。在這種情況下的耦入可以通過本領域已知的任何常規佈置例如具有傾斜表面的耦合稜鏡、耦入反射器或衍射光學元件來實現。圖10示意性地示出了用於該族解決方案的沿波導的功率分佈。圖像照射的全部輸入強度作為圖像14向下(沿所示的任意方向)注入到波導中。一部分光在側向15A和側向15B耦合。該光又作為光70耦合到第二波導部分。注入光14中的一些在小平面處不被反射的情況下繼續進行作為光71。該光通常具有相對高的強度，並且因此將產生投影圖像的不均勻性。可以通過在段30、段52、段54、段62和段64(圖6至圖8)中的一些小平面或所有小平面處實現高反射率來減輕此不均勻性。

圖11A介紹了替選光學結構，其中圖像重定向佈置的第一反射器和第二反射器是用於將來自圖像投影儀(未示出)的光耦合到波導中的耦入佈置的一部分。在這種情況下，如圖11A中的圓圈14所示，優選地，來自圖像投影儀的圖像14垂直於LOE的主表面被注入。在圖11B和圖11C中示出了圖像重定向佈置的實現方式的兩個非限制性示例。

在圖11B中，投影儀114在反射稜鏡78上具有出瞳。來自投影儀114的光被稜鏡78分成兩束：束15A和束15B，束15A耦入到波導的一側，並且束15B耦入到另一側。在該配置中，沒有與圖10的束71類似的高強度中心束。

圖11C示出了替選實現方式，其中，小平面板80A和小平面板80B類似於圖6的30A和30B但是附接到波導外部。如上所述，這兩個部分中的小平面將光偏轉為側向傳播圖像15A和圖像15B。這裡也不生成高強度中心束。

兩個圖像即圖像15A和圖像15B在由稜鏡78的小平面或板80A和板80B的小平面反射之後注入波導。優選地，在該注入期間，它們也由耦入佈置的邊緣79修整。這種修整對於淺束是最重要的。然而，特別是對於圖5A和圖5B所示類型的光學架構，這些最淺束通常對應於在任何情況下都不會對到達EMB的圖像部分做出貢獻的區域20，因此它們也可以在耦入階段被修整而不會損失性能。這允許圖像投影儀114的孔徑和圖像重定向佈置的反射器78和反射器80的寬度小於沿兩個方向傳輸所有圖像場理論上所需的寬度。這使得能夠使用更小的投影儀114和更集中的能量。

在圖12A至圖12C中示意性示出了另一組選項。在這種情況下，高強度輸入圖像束14被“向上”偏轉，即遠離發生耦出的LOE的第二區域。這也避免了如參照圖10的束71所論述的不均勻性的形成。在圖12A中示意性地示出所得幾何形狀。圖12B和圖12C示意性示出了用於將輸入圖像向上耦合的兩個具體的非限制性示例解決方案。在圖12B的情況下，耦入稜鏡提供用於耦入向上引導的圖像的適當定向表面，而在圖12C中，耦入稜鏡提供用於類似地耦入來自投影儀(未示出)的圖像的反射表面。在這兩種情況下，圖像重定向佈置的第一反射器和第二反射器在這裡實現為波導內的內部反射器。

最後，參照圖13A和圖13B，本發明的原理還可以應用於與基板的主外表面垂直的小平面的情況。圖13A示出在角度空間中垂直小平面90A(相當於傾斜小平面18)的示例，其中為了清楚，沿輸出圖像16傳播方向觀看，投影是極性的。注入圖像15通過垂直小平面90A折疊到圖像14上。圖像14和圖像15的交疊生成重影圖像部分20。圖13B示出了相同束在真實空間中的傳播。這裡，90B是具有與小平面90A相等但相反傾斜度的垂直小平面。

所有上述原理也可以應用于“側向”配置，其中圖像從橫向位於觀看區域外部的POD注入，並且由第一組小平面垂直地展開，並且然後由第二組小面水準地展開，以耦合到用戶的眼睛中。應當理解，所有上述配置和變型也適用于側向注入配置。

貫穿以上描述，參考了如圖所示的X軸和Y軸，其中，X軸是水準的或豎直的，並且對應於光學孔徑擴展的第一維度，以及Y軸是與擴展的第二維度對應的另一主軸。在該背景下，可以相對於當裝置被安裝在使用者的頭部上時裝置的取向，以通常由支承裝置(例如，上述圖1A和圖1B的眼鏡框架)限定的取向來限定X和Y。通常與X軸的定義一致的其他術語包括：(a)對眼動盒進行定界的至少一個直線，其可以用於限定與X軸平行的方向；(b)矩形投影圖像的邊緣通常平行於X軸和Y軸；以及(c)第一區域16與第二區域18之間的邊界通常平行於X軸延伸。

應當理解，上文描述僅旨在用作示例，並且在所附權利要求所限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式也是可能的。

110:近眼顯示器

112:光導光學元件

114:緊湊型圖像投影儀(POD)

116:第一區域

118:第二區域

120:裝置的側部

122:控制器

Claims (9)

1. 一種用於將圖像引導至眼動盒以供使用者的眼睛觀看的光學系統，所述光學系統包括：

   (a)圖像投影儀，所述圖像投影儀投影與準直圖像對應的照射，所述準直圖像具有從左側至右側和從頂部至底部的角度視場，以及在所述視場的中心處的主光線表示傳播方向；

   (b)光導光學元件(LOE)，所述光導光學元件由透明材料形成並且具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面；

   (c)圖像重定向佈置，所述圖像重定向佈置包括至少第一反射器和至少第二反射器，所述至少第一反射器被佈置成：在所述LOE內沿第一方向重定向部分所述照射，使得所述準直圖像在所述LOE內通過內反射沿所述第一方向傳播，所述至少第二反射器被佈置成：在所述LOE內沿第二方向重定向部分所述照射，使得所述準直圖像在所述LOE內通過內反射沿所述第二方向傳播；

   (d)耦出光學佈置，所述耦出光學佈置與所述LOE相關聯並且被配置用於使在所述LOE內傳播的照射朝向所述眼動盒向外偏轉；以及

   (e)所述LOE內的多組部分反射內表面，所述多組部分反射內表面包括相互平行的第一組部分反射內表面和相互平行的第二組部分反射內表面，所述相互平行的第一組部分反射內表面被佈置成用於將沿所述第一方向傳播的所述照射朝向所述耦出光學佈置重定向，所述相互平行的第二組部分反射內表面被佈置成不平行於所述第一組部分反射內表面，用於將沿所述第二方向傳播的所述照射朝向所述耦出光學佈置重定向，

   其中，沿所述第一方向重定向並且由所述第一組部分反射內表面重定向的所述照射的所述部分將所述視場的至少左側提供給所述眼動盒，並且其中與沿所述第一方向傳播的所述準直圖像的右側相鄰的所述視場的一部分與所述多組部分反射內表面中的一個的平面或與所述主外表面平行的平面相交，從而在所述視場的未到達所述眼動盒的區域中形成所述準直圖像的一部分的自交疊。
2. 如請求項1所述的光學系統，其中，沿所述第二方向重定向並且由所述第二組部分反射內表面重定向的所述照射的所述部分將所述視場的至少右側提 供給所述眼動盒，並且其中與沿所述第二方向傳播的所述準直圖像的左側相鄰的所述視場的一部分與所述多組部分反射內表面中的一個的平面或與所述主外表面平行的平面相交，從而在所述視場的未到達所述眼動盒的區域中形成所述準直圖像的一部分的自交疊。
3. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述圖像重定向佈置包括反射稜鏡，所述反射稜鏡在所述LOE外部，所述反射稜鏡提供所述第一反射器和所述第二反射器。
4. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第一反射器是在所述LOE內部並且與所述第一組部分反射內表面平行的反射表面，並且所述第二反射器是在所述LOE內部並且與所述第二組部分反射內表面平行的反射表面。
5. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第一組部分反射內表面和所述第二組部分反射內表面在所述LOE的至少一個區域中處於交疊關係。
6. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第一組部分反射內表面和所述第二組部分反射內表面各自與所述LOE的所述主外表面成斜角。
7. 如請求項1所述的光學系統，其中，與沿所述第一方向傳播的所述準直圖像的右側相鄰的所述視場的一部分與所述第二組部分反射內表面的平面相交。
8. 如請求項1所述的光學系統，其中，與沿所述第一方向傳播的所述準直圖像的右側相鄰的所述視場的一部分與平行於所述主外表面的所述平面相交。
9. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述耦出光學佈置包括相互平行的第三組部分反射內表面，所述相互平行的第三組部分反射內表面與所述相互平行的第一組部分反射內表面和所述相互平行的第二組部分反射內表面都不平行，所述相互平行的第三組部分反射內表面與所述LOE的所述主外表面成斜角。

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