TW202316175A - 用於近眼顯示器的封裝光導光學元件 - Google Patents

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阿米爾 沙皮拉
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阿維夫 弗羅梅爾
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Abstract

光學器件具有由具有第一折射率的透光材料形成的LOE。LOE的成對平行主外表面通過TIR在LOE內引導圖像照明。LOE的至少一個光學耦合構造使通過TIR在LOE內被引導的圖像照明中的一定比例進行偏轉。光學材料包括至少一種透明材料，其至少在主外表面處直接附接到LOE以與主外表面直接接觸並且至少部分地封裝LOE。光學材料具有小於第一折射率的第二折射率，以維持主外表面處的TIR條件。在某些實施方式中，TIR引導的圖像照明以大於臨界角的角度入射到主外表面，其中臨界角包括淺角。

Description

用於近眼顯示器的封裝光導光學元件
本發明涉及光學器件，特別是具有封裝的光導光學元件的光學器件。
本申請要求2021年6月15日提交的美國臨時專利申請第63/210,672號、2021年10月4日提交的美國臨時專利申請第63/251,918號以及2022年3月28日提交的美國臨時專利申請第63/324,164號的優先權，這些優先權申請的全部公開內容通過引用併入本文中。
近眼顯示器(Near Eye Display，NED)、頭戴式顯示器(Head Mounted Display，HMD)和平視顯示器(Head Up Display，HUD)的光學佈置需要大孔徑以覆蓋觀察者的眼睛所在的區域(通常被稱為眼睛運動盒或EMB(Eye Motion Box))。為了實現緊湊的器件，要投影到觀察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。可以通過多種方式實現孔徑倍增(擴展)。用於實現孔徑倍增的一組解決方案採用光導光學元件(Light-guide Optical Element,LOE)，並且已在魯姆斯有限公司(以色列)的各種出版物中進行了描述。在一些示例解決方案中，來自圖像投影儀的圖像照明被注入到LOE中，以通過LOE的外表面處的全內反射傳播通過LOE。通過使用成傾斜角度的部分反射 器或者通過在LOE的一個表面上使用衍射光學元件，傳播的照明逐漸從LOE朝向觀察者的眼睛耦出。
本發明的實施方式提供了封裝的光導光學元件(LOE)、具有封裝LOE的光學器件、製造具有封裝LOE的光學器件的方法以及封裝LOE的方法。所公開的實施方式的每個LOE由具有第一折射率的透光材料形成，LOE通過在LOE的一對(並且在某些實施方式中為兩對)平面平行主外表面處的全內反射來支援圖像照明的傳播，並且包括用於重定向/偏轉一些傳播的圖像照明的至少一個光學耦合構造。LOE在主外表面處至少部分地被封裝在膠囊部中，膠囊部由具有第二折射率的光學材料形成，第二折射率小於第一折射率，以維持LOE的主外表面處的全內反射條件。光學材料(也被稱為低折射率材料)直接附接到主外表面，使得在低折射率材料之間不存在中間材料或物質(包括空氣)。作為結果，封裝是無氣隙封裝。低折射率材料包括至少一種透明低折射率材料。在某些實施方式中，低折射率材料僅由單一透明低折射率材料構成。在其他實施方式中，低折射率材料包括相鄰放置的兩種透明低折射率材料。在又一些實施方式中，低折射率材料包括透明低折射率材料和相鄰放置的吸光低折射率材料。
在某些優選實施方式中，LOE被構造成用於執行一維孔徑擴展，而在其他優選實施方式中，LOE被構造成用於執行二維孔徑擴展。在LOE執行二維孔徑擴展的實施方式中，LOE的第一區域執行孔徑擴展的第一階段並且LOE的第二區域執行孔徑擴展的第二階段。在LOE執行二維孔徑擴展的某些實施方式中，吸光材料被部署在附接到LOE的第一區域的低折射率材料的部分處。如上所述，在某些實施方式中，使用多於一種低折射率材料來封裝LOE。這樣的實施方式與LOE執行二維孔徑擴展的實施方式結合特別有用，其中第一低折射率材料附接到LOE的執行孔徑擴展的第一階段的第一區 域，並且第二低折射率材料附接到LOE的執行孔徑擴展的第二階段的第二區域。在某些實施方式中，第一低折射率材料和第二低折射率材料二者都是透明材料，並且吸光材料部署在第一低折射率材料上。在其他實施方式中，第二低折射率材料是透明材料並且第一低折射率材料是具有固有低折射率的吸光材料。
根據本發明的實施方式的教導，提供了一種用於將圖像照明引向使用者以供觀看的光學器件。該光學器件包括：由具有第一折射率的透光材料形成的光導光學元件(LOE)，LOE包括多個表面，所述多個表面包括一對平行的主外表面，該對平行的主外表面用於通過在主外表面處的全內反射在LOE內引導圖像照明，LOE還包括至少一個光學耦合構造，光學耦合構造用於使通過主外表面處的全內反射在LOE內被引導的圖像照明中的一定比例進行偏轉；以及光學材料，其包括至少一種透明材料，光學材料至少在主外表面處直接附接到LOE以與主外表面直接接觸並且至少部分封裝LOE，光學材料具有小於第一折射率的第二折射率，以維持主外表面處的全內反射條件，並且通過主外表面處的全內反射在LOE內被引導的圖像照明以大於由第一折射率和第二折射率限定的臨界角的角度範圍入射到主外表面，並且大於臨界角的角度包括相對於主外表面測量的淺角。
可選地，至少一種透明材料由固態材料形成。
可選地，至少一種透明材料由一層或更多層光學粘合劑形成。
可選地，至少一種透明材料是聚合物或介電材料的薄塗層。
可選地，光學材料具有足夠小的厚度，使得光學材料的表面圖案遵循主外表面處的瑕疵圖案。
可選地，厚度在從2μm至20μm的範圍內。
可選地，第一折射率在從1.5至1.8的範圍內。
可選地，第二折射率在從1.3至1.4的範圍內。
可選地，至少一個光學耦合構造包括恰好一個光學耦合構造，該恰好一個光學耦合構造使通過主外表面處的全內反射在LOE內被引導的圖像照明中的所述比例從LOE朝向用戶偏轉出去。
可選地，將光學耦合構造實現為部署在LOE內並且傾斜於主外表面的多個相互平行的部分反射表面。
可選地，將光學耦合構造實現為與主外表面之一相關聯的至少一個衍射元件。
可選地，LOE包括第一區域和第二區域，並且至少一個光學耦合構造包括位於第一區域中的第一光學耦合構造和位於第二區域中的第二光學耦合構造，第二光學耦合構造被構造成用於使通過主外表面處的全內反射在LOE內被引導的從第一區域到第二區域的圖像照明的一部分從LOE朝向用戶偏轉出去，並且第一光學耦合構造被構造成用於使通過主外表面處的全內反射在第一區域內被引導的圖像照明的一部分朝向第二區域偏轉。
可選地，將第一光學耦合構造實現為具有第一取向的第一多個相互平行的部分反射表面，並且將第二光學耦合構造被實現為具有不平行於第一取向的第二取向的第二多個相互平行的部分反射表面。
可選地，將第一光學耦合構造實現為與主外表面之一相關聯的第一至少一個衍射元件，並且將第二光學耦合構造實現為與主外表面之一相關聯的第二至少一個衍射元件。
可選地，光學器件還包括：與至少一種透明材料的在第一區域中的一個或更多個部分相關聯地部署的吸光材料。
可選地，吸光材料具有等於第一折射率或者與第一折射率相比不多於10%的折射率。
可選地，光學器件還包括：附接到至少一種透明材料的至少一個光學元件。
可選地，至少一個光學元件包括：透鏡，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及保護膜，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第二主外表面的第二部分。
可選地，至少一個光學元件包括：第一透鏡，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二透鏡，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第二主外表面的第二部分。
可選地，至少一個光學元件包括：第一保護膜，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二保護膜，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第二主外表面的第二部分。
可選地，LOE是在將光學材料直接附接到LOE之前從前體LOE切割的預切割LOE，使得LOE基本上僅包括圖像照明在其中傳播的有效區域，並且LOE的一個或更多個周邊邊緣塗覆有至少一層不透明材料。
根據本發明的教導的實施方式，還提供了一種用於製造將圖像照明引向使用者以供觀看的光學器件的方法。該方法包括：獲得由具有第一折射率的透光材料形成的光導光學元件(LOE)，LOE包括多個表面，該多個表面表面包括一對平行的主外表面，該對平行的主外表面用於通過主外表面處的全內反射在LOE內引導圖像照明，LOE還包括至少一個光學耦合構造，光學耦合構造用於使通過主外 表面處的全內反射在LOE內被引導的圖像照應中的一定比例進行偏轉，並且通過主外表面處的全內反射在LOE內被引導的圖像照明以大於由第一折射率和第二折射率限定的臨界角的角度範圍入射到主外表面，並且大於臨界角的角度包括相對於主外表面測量的淺角；以及至少在主外表面處將包括至少一種透明材料的光學材料直接附接到LOE，使得光學材料直接接觸主外表面並且至少部分地封裝LOE，光學材料具有小於第一折射率的第二折射率，以維持主外表面處的全內反射條件。
可選地，LOE包括圖像照明在其中傳播的有效區域以及圖像照明不在其中傳播或者圖像照明未被引向使用者的無效區域，該方法還包括：在將光學材料直接附接到LOE之前：修改LOE以去除無效區域，使得基本上僅保留LOE的有效區域，從而產生經修改的LOE，並且用至少一層不透明材料塗覆經修改的LOE的一個或更多個周邊邊緣。
可選地，光學材料另外在經修改的LOE的一個或更多個周邊邊緣處直接附接到不透明材料。
可選地，該方法還包括：切割或修整光學材料以獲得目鏡的輪廓。
可選地，該方法還包括：將至少一個光學元件附接到至少一種透明材料。
可選地，至少一個光學元件包括：透鏡，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及保護膜，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第二主外表面的第二部分。
可選地，至少一個光學元件包括：第一透鏡，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第一主外表面的第一 部分；以及第二透鏡，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第二主外表面的第二部分。
可選地，至少一個光學元件包括：第一保護膜，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二保護膜，其附接到至少一種透明材料的直接附接到主外表面中的第二主外表面的第二部分。
可選地，LOE包括第一區域和第二區域，並且至少一個光學耦合構造包括位於第一區域中的第一光學耦合構造以及位於第二區域中的第二光學耦合構造，第二光學耦合構造被構造成用於使通過主外表面處的全內反射在LOE內被引導的從第一區域到第二區域的圖像照明的一部分從LOE朝向用戶偏轉出去，並且第一光學耦合構造被構造成用於使通過主外表面處的全內反射在第一區域內被引導的圖像照明的一部分朝向第二區域偏轉，並且方法還包括：將吸光材料與至少一種透明材料的在第一區域中的一個或更多個部分相關聯地部署。
可選地，吸光材料具有等於第一折射率或者與第一折射率相比不多於10%的折射率。
可選地，將至少一種透明材料直接附接到LOE包括：執行選自由浸塗、旋塗、結合和模制構成的組的過程。
根據本發明的教導的實施方式，還提供了一種用於將圖像照明引向使用者以供觀看的光學器件。該光學器件包括：由具有第一折射率的透光材料形成的光導光學元件(LOE)，LOE包括：多個表面，所述多個表面包括至少一對平行的主外表面，該至少一對平行的主外表面用於通過主外表面處的全內反射在LOE內引導圖像照明；第一區域和第二區域；以及位於第一區域中的第一光學耦合構造和位於第二區域中的第二光學耦合構造，第二光學耦合構造被構造成 用於使通過主外表面處的全內反射在LOE內被引導的從第一區域到第二區域的圖像照明的一部分從LOE朝向用戶偏轉出去，並且第一光學耦合構造被構造成用於使通過主外表面處的全內反射在第一區域內被引導的圖像照明的一部分朝向第二區域偏轉；透明材料，其至少在主外表面處直接附接到LOE以與主外表面直接接觸並且至少部分封裝LOE，透明材料具有小於第一折射率的第二折射率，以維持主外表面處的全內反射條件；以及吸光材料，其與透明材料的在第一區域中的一個或更多個部分相關聯地部署。
根據本發明的教導的實施方式，還提供了一種用於將圖像照明引向使用者以供觀看的光學器件。該光學器件包括：由具有第一折射率的透光材料形成的光導光學元件(LOE)，LOE包括：多個表面，所述多個表面包括至少一對平行的主外表面，該至少一對平行的主外表面用於通過主外表面處的全內反射在LOE內引導圖像照明，第一區域和第二區域，以及位於第一區域中的第一光學耦合構造和位於第二區域中的第二光學耦合構造，第二光學耦合構造被構造成用於使通過主外表面處的全內反射在LOE內被引導的從第一區域到第二區域的圖像照明的一部分從LOE朝向用戶偏轉出去，並且第一光學耦合構造被構造成用於使通過主外表面處的全內反射在第一區域被內引導的圖像照明的一部分朝向第二區域偏轉；吸光材料，其在第一區域中的主外表面處直接附接到LOE，以在第一區域中與主外表面直接接觸；以及透明材料，其在第二區域中的主外表面處直接附接到LOE，以與第二區域中的主外表面直接接觸，透明材料和吸光材料協作以至少部分地封裝LOE，並且透明材料和吸光材料中的每一個具有小於第一折射率的折射率以維持主表面外的全內反射條件。
根據本發明的教導的實施方式，還提供了一種用於將圖像照明引向使用者以供觀看的光學器件。該光學器件包括：由具有第一折射率的透光材料形成的光導光學元件(LOE)，LOE包括：多 個表面，所述多個表面包括至少一對平行的主外表面，該至少一對平行的主外表面用於通過主外表面處的全內反射在LOE內引導圖像照明，第一區域和第二區域，以及位於第一區域中的第一光學耦合構造和位於第二區域中的第二光學耦合構造，第二光學耦合構造被構造成用於使通過主外表面處的全內反射在LOE內被引導的從第一區域到第二區域的圖像照明的一部分從LOE朝向用戶偏轉出去，並且第一光學耦合構造被構造成用於使通過主外表面處的全內反射在第一區域內被引導的圖像照明的一部分朝向第二區域偏轉；至少一種透明材料，其至少在主外表面處直接附接到LOE以與主外表面直接接觸並且至少部分封裝LOE，至少一種透明材料具有小於第一折射率的第二折射率，以維持主外表面處的全內反射條件；至少一個保護膜，其至少與至少一種透明材料的一部分相關聯，使得至少一個保護膜與第一區域中的主外表面中的至少一個的一部分相關聯；以及塗層，其部署在至少一個保護膜的至少一部分上，使得塗層與至少一種透明材料的所述部分相關聯。
可選地，在根據本發明的實施方式的任何一個光學器件中，第一區域被構造成具有形成矩形橫截面的兩對平行的主外表面的第一LOE部段，使得圖像照明通過兩對平行的主外表面處的全內反射傳播通過第一LOE部段。
在本文的上下文中，術語“引導”通常是指以下的光：該光通過透光材料(例如，基板)的主外表面處的全內反射而被捕獲在透光材料內，使得被捕獲在透光材料內的光沿傳播方向傳播穿過透光材料。
除非本文中另有定義，否則本文中使用的所有技術和/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。儘管與本文所描述的那些方法和材料相似或等同的方法和材料可以在實踐或測試本發明的實施方式時使用，但是在下面描述 了示例性的方法和/或材料。在有衝突的情況下，以包括定義的專利說明書為准。此外，材料、方法和示例僅是說明性的，並且不旨在必然是限制性的。
10,100,200:光學器件
12,12’,205:光導光學元件(LOE)
120:封裝複合LOE/LOE/複合LOE
120’:封裝複合LOE/複合LOE
121:第一區域/LOE 1/區域
122:第二區域/LOE 2/區域
124a,124b:主外表面/主表面/表面
125a,125b,126a,126b:外(周邊)表面(邊緣)/周邊表面(邊緣)
131:光學耦合構造/第一光學耦合構造/小平面
132:光學耦合構造/第二光學耦合構造/小平面
14a,14b,15a,15b,16a,16b,54a,54b:表面
17:有效區域
18:圖像投影儀
19:無效區域
20:圖像/照明光束
20A,20B:樣本光線
210:第一(矩形)LOE/LOE
212a,212b,214a,214b:外表面/表面/平行面
22:光學耦入構造
220:LOE/板型LOE
221:第一區域
224a,224b:主外表面/表面/面
23:不透明材料
24:反射光線
25:耦入區域
26,32A,32B:光線
28:斜邊
30:光學耦出構造/反射內表面/部分反射表面
30a,30b,30c,30d,30e,30f:內表面
31:照明
32:可見圖像
34:瞳孔
36:眼睛
38:眼睛運動盒
40:瞳距離
50:封裝結構/膠囊部
51:光學材料/低折射率材料
52a:第一區域/區域
52a-1,52a-2,52b-1,52b-2:子區域
52b:第二區域/區域
53a:第一接觸部
53b:第二接觸部
60:吸光材料
61:第一低折射率材料
62:第二低折射率材料
62e,61e:外表面
63:塗層
72a:第一光學元件/透鏡
72b:第二光學元件/保護膜/膜
74a:第一光學元件/保護膜/膜
74b:第二光學元件/保護膜/膜
76a:第一光學元件/第一透鏡
76b:第二光學元件/第二透鏡
78a:第一光學元件/光焦度透鏡/保護透鏡/透鏡
78b:第二光學元件/光焦度透鏡/保護透鏡/透鏡
82a:第一光學元件/透鏡
82b:第二光學元件/覆蓋膜/膜/保護膜
83b:主表面
T1,T2:厚度
X,Y,Z:維度
α sur :傾斜角
在本文中參照圖式僅通過示例描述本發明的某些實施方式。詳細地具體參照圖式，要強調的是，所示出的細節是作為示例並且是出於對本發明的實施方式的說明性論述的目的。在這方面，通過圖式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。
現在關注圖式，其中相同的圖式標記表示相應或相似的部件。在圖式中：
圖1是可以用於本發明的實施方式的具有光導光學元件(LOE)的光學器件的示意性側視圖，該光學器件具有一對平行面以及傾斜於平行面的部分反射表面；
圖2A至圖2C分別是根據本發明的實施方式的具有與圖1的LOE相似的LOE的光學器件的示意性側視圖、平面圖和正視圖，該光學器件由膠囊部封裝，該膠囊部由折射率低於LOE的折射率的透明材料形成；
圖3是類似於圖2C的示意性前視圖，但是圖3示出了LOE的有效區域和無效區域；
圖4A是根據本發明的實施方式的已經被修整或切割以去除無效區域的LOE的示意性前視圖；
圖4B是根據本發明的實施方式的圖4A的LOE的示意性前視圖，圖4B示出了其上已施加不透明材料塗層的LOE的周邊邊緣；
圖4C和圖4D分別是根據本發明的實施方式的圖4B的LOE的 示意性前視圖和平面圖，該LOE由膠囊部封裝，該膠囊部由折射率低於LOE的折射率的透明材料形成；
圖4E是根據本發明的實施方式的圖4C和圖4D的封裝LOE的示意性前視圖，圖4E示出了在被修整或切割成具有目鏡輪廓之後的膠囊部；
圖4F是根據本發明的實施方式的類似於圖4E的封裝LOE的示意性前視圖，但是圖4F示出了在被修改以包括可以容納光學耦入構造的耦入區域之後的封裝LOE；
圖5A和圖5B分別是根據本發明的實施方式的具有分別附接到膠囊部的第一表面和第二表面的透鏡和保護膜的封裝LOE的示意性側視圖和平面圖；
圖6A和圖6B分別是根據本發明的實施方式的具有分別附接到膠囊部的第一表面和第二表面的第一保護膜和第二保護膜的封裝LOE的示意性側視圖和平面圖；
圖7A和圖7B分別是根據本發明的實施方式的具有分別附接到膠囊部的第一表面和第二表面的第一透鏡和第二透鏡的封裝LOE的示意性側視圖和平面圖；
圖8A和圖8B分別是根據本發明的實施方式的具有分別附接到膠囊部的第一表面和第二表面的第一透鏡和第二透鏡的封裝LOE的示意性側視圖和平面圖，每個透鏡均具有塗覆的保護塗層或膜；
圖9A和圖9B分別是根據本發明的實施方式的具有LOE的光學器件的示意性前視圖和側視圖，該LOE被構造成用於執行二維孔徑擴展，由具有低於LOE的折射率的透明材料形成的膠囊部封裝；
圖10是根據本發明的實施方式的圖9A和圖9B的封裝LOE的示意性前視圖，圖10示出了在被修整或切割成具有目鏡輪廓之後的 膠囊部；
圖11是根據本發明的實施方式的類似於圖9B的封裝LOE的示意性側視圖，圖11示出了分別附接到膠囊部的第一表面和第二表面的透鏡和保護膜；
圖12是圖9A和圖9B的LOE的示意性局部側視圖，圖12示出了從LOE逃逸的光被膠囊部的外表面反射回LOE，並且還示出了來自外部場景的光被與LOE相關聯的光學耦合構造朝向使用者反射；
圖13A和圖13B是根據本發明的實施方式的類似於圖9A和圖9B的示意性前視圖和側視圖，圖13A和圖13B示出了與形成膠囊部的透明材料的部分相關聯的吸光材料；
圖14是根據本發明的實施方式的圖13A和圖13B的LOE的示意性局部側視圖，圖14示出了光的吸光材料吸收從LOE逃逸的光和來自外部場景的光；
圖15是根據本發明的實施方式的示出與圖9B所示類似的封裝LOE的示意性側視圖，但是其中膠囊部由兩種透明材料形成，每種材料的折射率低於LOE的折射率；
圖16A和圖16B分別是根據本發明的實施方式的類似於圖15中所示的LOE的封裝LOE的示意性側視圖和平面圖，但圖16A和圖16B還示出了在LOE一側的透明材料上的保護膜以及在保護膜的一部分上的附加塗層；
圖17A和圖17B分別是根據本發明的另一個實施方式的具有LOE的光學器件的示意性側視圖和正視圖，該LOE由膠囊部封裝並且被構造成用於執行二維孔徑擴展，該膠囊部由第一透明材料和第二透明材料形成，每種材料的折射率均低於LOE的折射率；
圖18是根據本發明的實施方式的圖17A和圖17B的光學器件 的示意性側視圖，圖18另外示出了分別附接到膠囊部的第一表面和第二表面的部分的透鏡和保護膜；以及
圖19是根據本發明的實施方式的圖17A和17B的光學器件的示意性側視圖，圖19另外示出了與膠囊部的第一透明材料的部分相關聯的吸光材料。
本發明的實施方式提供封裝的光導光學元件(LOE)、具有封裝LOE的光學器件、製造具有封裝LOE的光學器件的方法以及封裝LOE的方法。根據本發明的實施方式的封裝LOE特別適合用作用於增強現實應用的近眼顯示器或平視顯示器的一部分。
參照附於說明書的圖式，可以更好地理解根據本發明的實施方式的LOE、光學器件和方法的原理和操作。
在詳細說明本發明的至少一個實施方式之前，應當理解的是，本發明在其應用方面未必限於在以下描述中闡述的和/或在圖式和/或示例中示出的部件和/或方法的構造和佈置的細節。本發明能夠具有其他實施方式並且能夠以各種方式實踐或執行。最初，在整個文檔中，提及了諸如前和後等方向。這些方向基準僅是示例性的，並且僅為了易於呈現才使用並且指代圖式中所示的任意取向。LOE和光學器件可以沿任何需要的取向部署。
作為介紹，圖1示意性地示出了可以與本發明的實施方式一起使用的光導光學元件(LOE)12。最初，應注意圖1中的LOE 12是光學器件10的一部分，該光學器件10可以包括除LOE 12之外的其他光學部件，最顯著的是圖像投影儀18和光學耦入構造22。這些部件也可以存在於根據本發明的實施方式構造和操作的光學器件中。
LOE 12被形成為透明(即透光)材料的平行面對 (Parallel-faced)的板(也稱為基板)，圖像照明通過板的外表面處的全內反射在其中傳播(即被引導)。在該特定實施方式中，LOE 12具有多個表面，包括一對平面平行主外表面(面)14a、14b，用於通過全內反射引導圖像照明(光)。
圖像投影儀18產生圖像20，圖像20此處由照明光束20示意性地表示，照明光束20包括橫跨光束的樣本光線20A和20B的。圖像20通過光學耦入構造22耦合到LOE 12中以產生反射光線24，反射光線24通過全內反射被捕獲在LOE 12內，從而還產生光線26，其中光學耦入構造22如此處由耦合棱鏡22示意性地示出(然而可以使用任何合適的耦入佈置，包括耦合反射器和衍射光柵)。此處，耦合棱鏡22包括三個主表面，其中一個主表面被定位成緊挨著LOE 12的斜邊28(或與斜邊28共面)(其中邊28與主外表面14a、14b成傾斜角)。
耦入圖像20通過來自主外表面14a、14b的重複全內反射沿LOE 12傳播，從而射在光學耦出構造30上，此處光學耦出構造30被示意性地示為與主外表面14a、14b成傾斜角(α sur )的一系列相互平行的部分反射內表面30a、30b、30c、30d、30e、30f(總體標為光學耦出構造30)，其中部分圖像強度被反射以被偏轉出(耦出)基板而成為光線32A和32B，光線32A和32B朝向位於距離主外表面14a的出瞳(Eye Relief，ER)距離40處的眼睛運動盒(EMB)38中的(觀察者/用戶的)眼睛36的瞳孔34。LOE 12的透明度使觀察者能夠觀看到覆蓋在LOE 12前面(即，面14b)處的外部場景(即，真實世界場景)的視圖上的耦出圖像20，這在光學器件10被部署為增強現實(Augmented Reality,AR)系統的一部分時特別有用。
為了使圖像20的可能導致重影的不希望的反射最少化，部分反射內表面(在本文中也稱為“小平面”)30優選地塗覆有反射塗層，以對於第一入射角範圍具有低反射比，同時對於第二入射角範圍 具有期望的部分反射率，其中與部分反射表面30的法線具有小傾斜度的光線(此處表示為角度β ref )被分開以產生用於耦出的反射光線，而(相對於法線的)高傾斜度的光線被透射，其反射可忽略不計。
圖像20是准直圖像，即，每個圖元由對應角度的平行光線束表示，相當於來自遠離觀察者的場景的光(准直圖像被稱為“准直至無窮遠”)。圖像在此處簡單化地由與圖像中單個點對應的光線表示，該點通常是圖像的質心，但實際上圖像包括與該中心光束的每一側的一定角度範圍，這些角度範圍的光線以對應的角度範圍耦合到基板中，並且類似地以對應的角度耦出，從而產生與以不同方向到達觀察者眼睛36的圖像的各部分對應的視場(Field Of View，FOV)。
儘管圖像投影儀18在此示意性地示出為矩形，但是圖像投影儀18包括至少一個光源，該光源通常被部署為照射空間光調製器，例如LCOS晶片。空間光調製器對圖像的每個圖元的投影強度進行調製，從而生成圖像。替選地，圖像投影儀可以包括通常使用快速掃描鏡實現的掃描佈置，該掃描佈置跨投影儀的圖像平面掃描來自鐳射光源的照射，同時在逐圖元的基礎上隨著掃描運動同步地改變光束的強度，從而針對每個圖元投影期望強度。在這兩種情況下，提供准直光學器件以產生被准直到無窮遠的輸出投影圖像。上述部件中的一些或全部通常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棱鏡佈置的表面上。
LOE 12的性能在很大程度上取決於整個期望場上的圖像照明的全內反射(Total Internal Reflection,TIR)。如本領域已知的，TIR的原理由臨界角控制，臨界角由構成LOE 12的材料(通常為玻璃，例如折射率約為1.52的BK7)的折射率以及與LOE 12接觸的周圍介質的折射率確定。具體而言，光通過LOE傳播的臨界角被限定 為
Figure 111121898-A0202-12-0016-4
，其中η m 是LOE周圍的介質的折射率，η L 是LOE的 折射率。例如，如果LOE由BK7構成，並且與主外表面14a、14b直接接觸的介質是空氣(空氣的折射率實際上為1，即折射率為1)，則
Figure 111121898-A0202-12-0016-2
因此，LOE 12的性能通常由LOE 12內的傳播光場的角度以及LOE 12和周圍介質的折射率確定。
在利用LOE來執行孔徑倍增(即孔徑擴展)的常規光學器件例如圖1的光學器件10中，接觸LOE的主表面14a、14b的周圍介質通常是空氣。這會在幾個方面造成問題。一方面，使LOE的主表面14a、14b與空氣直接接觸會使LOE暴露在環境中，從而使LOE不受保護易損壞，並且降低光學器件的整體機械穩定性。這也減少了LOE與其他功能元件或機械元件的機械接觸面積，所述其他功能元件或機械元件例如為支承LOE的機械本體，特別是在某些近眼顯示器實現方式中可以安裝LOE的眼鏡框架。另一方面，在主外表面14a、14b上部署附加的光學元件例如透鏡或光學膜並且同時保持小的形狀因數和良好的光學性能可能特別困難。例如，將附加光學元件直接結合到LOE的主表面會由於結合材料(例如光學膠)的折射率而對TIR產生負面影響，其中結合材料的折射率低於LOE的折射率但通常高於空氣的折射率並且因此增大了臨界角，從而降低了有效FOV，因此。可以通過附加光學元件與LOE 12之間的氣隙來維持具有較低臨界角的TIR條件，但是這樣的氣隙增加了光學器件的厚度，導致器件體積增大，並且還降低了器件的機械穩定性。
為了克服這些限制，本發明的實施方式提供由具有中等至適度高的折射率的材料形成並且至少部分地封裝在由光學材料形成的封裝結構中的LOE，該封裝結構包括折射率低於LOE但仍大 於1的至少一種透明材料。
現在轉向圖2A至圖2C，圖2A至圖2C示意性地示出了根據本發明的實施方式構造和操作的通常以100表示的光學器件。此處，光學器件100包括LOE 12，並且還包括由封裝LOE 12的光學材料51形成的封裝結構50。光學器件100可以被成形為近似於目鏡的形式，即作為近眼顯示器的一部分例如作為眼鏡形狀因數的一部分的的目鏡。注意，圖2A至圖2C所示的LOE在結構上與圖1所示的LOE相似，顯著不同之處在於，圖2A至圖2C所示的LOE沒有示出為具有斜邊，並且在圖2A至圖2C中沒有示出光學耦入構造。這僅是為了表達清楚，因為根據本公開內容的實施方式的封裝LOE可以包括一個或更多個斜邊(即，傾斜於平行表面14a、14b的邊緣或表面)，並且與封裝LOE一起使用的光學耦入構造將在本公開內容的後續部分中討論。
圖2A至圖2C中還示出了LOE 12的另外兩組外表面15a、15b和16a、16b。這些表面15a、15b、16a、16b也被稱為周邊表面/邊緣或周緣表面/邊緣15a、15b、16a、16b。在某些實施方式中，成對表面15a、15b和16a、16b中的每一對可以是成對平行表面。在某些實施方式中，兩對表面14a、14b和15a、15b是成對平行表面，並且三對表面14a、14b、15a、15b、16a、16b相互垂直。
封裝結構50(在本文中也可互換地稱為“膠囊部”)和LOE 12被佈置成使得膠囊部50的光學材料51至少在主外表面14a、14b處直接附接到LOE 12，以與主外表面14a、14b直接接觸(即直接鄰接)，從而封裝LOE 12。直接接觸是指在膠囊部50的光學材料51與LOE 12的主外表面14a、14b之間不存在中間材料層。這樣的中間材料包括固體材料、半固體材料以及空氣。因此，應該清楚的是，根據本發明的實施方式的封裝LOE的關鍵區別在於，在膠囊部50的光學材料51與LOE 12的主外表面14a、14b之間不存在氣隙。
在本發明的某些實施方式中，LOE 12由具有中等至適度高的折射率的透光材料形成，折射率優選地在1.5至1.8的範圍內(即，1.5
Figure 111121898-A0202-12-0018-40
η L
Figure 111121898-A0202-12-0018-41
1.8).封裝結構50由具有小於LOE的折射率但仍大於空氣的折射率(即，大於1)的折射率的光學材料51形成。在優選實施方式中，封裝結構50由具有落在1.1至1.4範圍內(即，1.1
Figure 111121898-A0202-12-0018-42
η m
Figure 111121898-A0202-12-0018-43
1.4)，更優選地落在1.2至1.4範圍內(即，1.2
Figure 111121898-A0202-12-0018-44
η m
Figure 111121898-A0202-12-0018-45
1.4)，最優選地落在1.3至1.4的範圍內(即1.3
Figure 111121898-A0202-12-0018-46
η m
Figure 111121898-A0202-12-0018-47
1.4)的折射率的光學材料51形成。在一個非限制性實施方式中，封裝結構50由具有約1.34(即η L =1.34)的折射率的光學粘合劑形式的透明材料形成，例如可以從美國新澤西州詹姆斯伯格市的諾蘭德產品公司商購的光學粘合劑。在本公開內容的後續部分中提供了可以形成膠囊部50的透明材料的類型的詳細討論。
形成封裝結構50的光學材料在本文中可互換地稱為低折射率材料51。在本文獻的上下文中，表述“低折射率”中的術語“低”是相對於LOE 12的折射率而言的。換言之，光學材料51具有與LOE 12的折射率相比要低的折射率，即，光學材料具有比LOE 12的折射率低的折射率(優選地，光學材料具有比LOE的折射率低至少約7%的折射率)。
在所公開的實施方式中，光學材料51包括至少一種透明材料。如將要討論的，在某些實施方式中，使用單一透明材料來封裝LOE。在其他實施方式中，使用(彼此相鄰佈置的)兩種透明材料來封裝LOE。在又一實施方式中，使用透明材料和吸光材料來封裝LOE。根據本發明的實施方式的所有這些用於封裝的透明材料和吸光材料都是符合上述低折射率材料定義的低折射率材料。
通過由中等至適度高的折射率材料構造LOE 12並提供由低折射率材料51形成的膠囊部50，當LOE 12被封裝在膠囊部50中時，可以在具有可用的臨界角的情況下維持TIR條件。例如， 以上述折射率範圍的極值為基礎，可以實現在約37.7°(當η m =1.1並且η L =1.8時)至69°(當η m =1.4並且η L =1.5時)的範圍內的臨界角。
在某些實施方式中，可能需要將圖像照明注入LOE 12，使得注入的照明通過TIR傳播並且以大於臨界角的角度範圍(包括相對於主外表面14a、14b的平面測量的淺角)入射到主表面14a、14b。這些淺角對應於高入射角(Angle Of Incidence,AOI)，優選地為在60°至80°之間的範圍內的AOI。通過以大於臨界角的角度(包括淺角)進行的TIR在LOE內傳播圖像照明具有包括圖像光場的較大部分的有利效果。這在臨界角大於優選角度(例如，大於50°)的情況下可能具有特殊價值，臨界角大於優選角度會導致大部分光場低於臨界角並且因此不會被捕獲在LOE 12中。將圖像照明注入LOE以使圖像照明通過主表面14a、14b處的TIR被捕獲在LOE內，並且使傳播的圖像照明以大於臨界角的角度範圍(包括淺角)入射到主表面14a、14b可以通過適當地設計光學耦入構造來實現，例如通過適當地設計耦入棱鏡或耦入反射器的角度來實現。
應注意，在圖2A至圖2C中，LOE 12被示出為由膠囊部50封裝，使得除了與表面14a、14b直接接觸之外，低折射率材料51也直接接觸整個表面15a、15b(如圖2A和圖2C所示)以及整個表面16a、16b(如圖2B和2C所示)。儘管圖2A至圖2C示出了低折射率材料與表面15a、15b、16a、16b的直接接觸，但這種接觸只是可選的，並且在主外表面14a、14b處的封裝是優選最小封裝量，因為這種封裝為TIR提供必要的工作條件。事實上，在某些非限制性實現方式中，可能更實際的是，封裝LOE以使低折射率材料僅附接在LOE的主表面處。
在某些優選實施方式中，主外表面14a、14b處的封裝是完全封裝，由此低折射率材料51的層在每個主外表面14a、14b的整個長度上延伸。然而，在其他優選實施方式中，低折射率材料可以 (在某些情況下)部分地延伸跨過主外表面14a、14b的長度，從而可能使LOE 12的端部(就在表面15a、15b之前)不與低折射率材料接觸。優選地，部分延伸覆蓋主外表面14a、14b的以下部分：圖像照明通過這些部分傳播並最終到達觀察者的眼睛。優選地，該部分延伸跨越主外表面14a、14b的絕大部分(或主體)長度(其中絕大部分長度優選地指長度的至少80%，更優選地指長度的至少90%，甚至更優選地指長度的至少95%)。在這些“部分延伸”實施方式中，LOE被認為是“部分封裝”。
在圖式中使用的任意標記的xyz坐標系中，“長度”是沿x維度測量的。還應注意，低折射率材料51優選地在(垂直於長度的)橫貫方向上延伸穿過整個主外表面14a、14b，橫貫方向在圖式中使用的任意標記的xyz坐標系中是沿z維度測量的。換言之，低折射率材料優選地剛好延伸到邊緣16a、16b。
如上所述，在某些非限制性實施方式中，低折射率材料在長度維度(圖式中的x維度)上剛好延伸到邊緣15a、15b。然而，在某些情況下，低折射率材料可以在長度維度(圖式中的x維度)上延伸超過邊緣15a、15b，使得低折射率材料的部分與邊緣15a、15b直接接觸。在某些情況下，低折射率材料還可以在橫向維度(圖式中的z維度)上延伸超過邊緣16a、16b，使得低折射率材料的部分與邊緣16a、16b直接接觸。
膠囊部50的延伸跨越表面14a的長度的低折射率材料51的層(或多個層)對應於膠囊部50的直接附接到表面14a的第一區域52a。類似地，膠囊部50的延伸跨越表面14b的長度的低折射率材料51的層(或多個層)對應於膠囊部50的直接附接到表面14b的第二區域52b。低折射率材料51具有在主外表面14a、14b處直接接觸LOE的內在/內部接觸部分。這些內在/內部接觸部分也被稱為“交界”部分。第一接觸部53a位於低折射率材料51的第一區域52a 中，並且在表面14a處直接接觸LOE 12，從而形成低折射率材料51與LOE 12的表面14a之間的介面。類似地，交界部分的第二接觸部分53b位元於低折射率材料51的第一區域52a中，並且在表面14b處直接接觸LOE 12，從而形成低折射率材料51與LOE 12的表面14b之間的介面。因此，注入LOE 12的圖像照明通過主外表面14a、14b處的TIR被引導(即傳播)，並且等效地通過低折射率材料51與表面14a、14b之間的介面處的TIR被引導。
低折射率材料51的區域52a、52b中的每一個具有相關聯的厚度。具體地，區域52a具有在表面14a(以及等效地，交界部分的接觸部分53a)與膠囊部50的低折射率材料51的外表面54a之間測量的相關聯的厚度T1。類似地，區域52b具有在表面14b(以及等效地，交界部分的接觸部分53b)與膠囊部50的低折射率材料51的外表面54b之間測量的相關厚度T2。
類似的原理適用於低折射率材料與LOE 12的其他表面15a、15b、16a、16b中的一個或更多個表面直接接觸的情況。例如，低折射率材料可以具有直接接觸LOE 12的其餘表面15a、15b、16a、16b的附加交界部分。這些附加交界部分位元於膠囊部50的區域中，這些區域中的部分可以與區域52a、52b交疊。
應當注意，雖然膠囊部50的外表面(例如，表面54a、表面54b以及未在圖式中標記的其他外表面)被示出為平面表面，但是膠囊部的外表面中的一個或更多個(在某些情況下是全部)可以是彎曲的或其他形式的非平面表面。
順便提及，為了圖式中清楚以更好地說明本發明的原理，誇大了LOE 12和膠囊部50的尺寸，包括兩個區域52a、52b的厚度。一般而言，區域52a、52b處的低折射率材料51的厚度可以小至2μm，並且可以大至如光學設計和製造限制所允許的。然而，在某 些實施方式中，低折射率材料51的厚度優選地不超過100μm，即，低折射率材料51的厚度優選地在2μm至100μm之間的範圍內。事實上，會特別有利的是，將兩個區域52a、52b的厚度保持相對小，更優選地在2μm至20μm之間的範圍內，甚至更優選地在2μm至10μm之間的範圍內，這樣可以提高光學性能並且同時減小光學器件的整體體積。優選地，表面14a、14b處的低折射率材料51的厚度足夠小，使得低折射率材料51的表面圖案遵循表面14a、14b處的瑕疵圖案。這些瑕疵圖案通常是表面14a、14b處的微米級缺陷，例如呈沿著表面14a、14b的各個部分的微小凹痕的形式，並且可能在LOE 12的製造過程期間例如在拋光階段期間出現。瑕疵圖案可能導致由TIR引導通過LOE 12的圖像照明的一定比例強度從LOE 12逸出。如果低折射率材料51太厚，則逸出LOE 12的圖像照明可能以不期望的角度被低折射率材料反射回LOE 12，從而可能會導致重影並降低光學性能。通過使低折射率材料足夠薄，更優選地在2μm至20μmm之間的範圍內，甚至更優選地在2μm至10μmm之間的範圍內，低折射率材料的表面圖案將遵循LOE表面14a、14b的瑕疵圖案表面，使得通過表面14a、14b逸出LOE 12的TIR引導的照明最經常也從低折射率材料逸出，從而不被重新引入LOE 12。
注意，低折射率材料51的上述厚度範圍也可以表示為(在表面14a、14b之間的y維度上測量的)LOE厚度的百分比。在優選實施方式中，LOE 12的厚度通常在0.6mm至1.5mm(600μm至1500μm)的範圍內。因此，大於2μm、優選地在2μm至100μm之間、更優選地在2μm至20μm之間、甚至更優選地在2μm至10μm之間的低折射率材料51的厚度範圍分別對應於：大於LOE厚度的0.13%、優選地在LOE厚度的0.13%至16.67%之間、更優選地在LOE厚度的0.13%至3.33%之間、甚至更優選地在LOE厚度的0.13%至1.67%之間。
一般來說，膠囊部50可以由各種類型的透明低折射率材料形成。這樣的透明材料包括但不限於塊狀材料(例如玻璃或聚合物)、光學粘合劑、介電材料、聚合物材料(例如聚合物樹脂)等。所有這些材料都可以使用各種已知技術在表面14a、14b處直接附接(即，直接結合)到LOE 12，這些技術有助於在不使用低折射率材料51與表面14a、14b之間的任何中間材料或層的情況下的直接附接。
在某些實施方式中，可以將一層或更多層低折射率材料51直接附接到表面14a、14b。這可以特別適用於將低折射率材料實現為低折射率光學粘合劑的實施方式，光學粘合劑也可以容易地適應將附加光學部件或元件附接到LOE。
在其他實施方式中，優選的會是，提供低折射率材料的單個薄層。這可以特別適用於將低折射率材料實現為低折射率介電材料或低折射率聚合物的實施方式。
在又一實施方式中，可以在LOE的不同區域處部署兩種或更多種低折射率材料，以協同封裝LOE。這樣的實施方式在LOE提供二維孔徑擴展的情況下特別有利，如將在本公開內容的後續部分中討論的。
用於將低折射率材料51附接/結合到表面14a、14b的技術可以取決於所使用的低折射率材料的類型。例如，如果使用塊狀材料，則可以使用超聲處理或熱處理結合工藝將塊狀材料直接附接到表面14a、14b。在這方面，在本公開內容的上下文中，塊狀材料是指可以使用在固態材料與LOE 12之間不存在任何中間材料的情況下致使直接結合的任何工藝(例如，超聲處理、熱處理等)直接附接到LOE 12的表面14a、14b的任何固態材料，包括例如玻璃或聚合物。
注意，LOE 12的主表面14a、14b以及膠囊部50的表面54a、54b優選地經拋光以提高光學品質。可以使用本領域已知的 任何拋光工具或設備執行拋光。
通過膠囊部50將LOE 12封裝的過程在本文中被稱為封裝過程。可以使用本領域已知的各種技術來執行封裝過程，包括但不限於浸塗、旋塗、結合和模制(Molding)。浸塗和旋塗二者都是在基板製造和加工領域眾所周知的工業塗敷工藝。結合技術已經在上面討論過，並且在低折射率材料51是固態(塊狀材料)時特別適用。諸如注塑之類的模制技術在將低折射率材料51實現為聚合物或聚合物樹脂的實施方式中會特別有用。在這樣的實施方式中，可以將LOE 12插入限定膠囊部的形狀的模具中，然後可以將諸如聚合物樹脂之類的低折射率材料提供(例如，注入)到模具中，然後使其固化直到凝固，然後可以從模具中取出封裝LOE。
在某些情況下，通過LOE 12傳播的圖像照明或者來自外部場景的照明可能會射在LOE的部分上，例如LOE 12的其他表面15a、15b、16a、16b中的一個或更多個表面上，這可能導致部分照明的散射。在某些情況下，這種散射照明可以例如經由光學耦出構造30的偏轉而到達用戶的眼睛。為了減輕並優選地完全防止光散射效果，本發明的某些實施方式在LOE 12的周邊邊緣15a、15b、16a、16b處的層)處提供了不透明材料例如吸光塗料(例如黑色塗料)層(或多個層)。因此，當照明射在不然會進行散射的周邊邊緣15a、15b、16a、16b上時，照明優選地被不透明材料吸收。
在某些實施方式中，可以通過減小將被不透明材料塗覆的周邊邊緣15a、15b、16a、16b的表面積來簡化不透明材料塗覆過程。在詳細討論這種簡化之前，首先要注意的是，LOE 12通常可以細分為有效區域和無效區域，在有效區域中，圖像照明傳播並最終被引向使用者，在無效區域中，圖像照明不傳播或者圖像照明未被引向用戶。有效區域和無效區域分別可互換地稱為“成像區域”和“非成像區域”。成像區域可以由以下包絡限定：該包絡由在LOE 12內傳播 的被光學耦出構造30向EMB偏轉的所有光線路徑勾畫出。圖3示出了類似於圖2C所示的LOE 12的示意性前視圖，不同之處在於，此處LOE 12被示出為具有有效區域17(由虛線劃界)和無效區域19。
在某些實施方式中，可以通過以下操作來減小周邊邊緣15a、15b、16a、16b的表面積：切割或修整LOE 12以基本上去除整個(即，全部或大部分)無效區域19，從而提供實際上只包含有效區域的LOE。圖4A示出了這樣的LOE 12’。在某些實施方式中，LOE 12’是從LOE 12(此處，LOE 12也稱為前體LOE)切割或修整得到的預切割LOE。因此，LOE 12(通過切割/修整)被修改以去除無效區域19，從而產生僅具有有效區域17的經修改的LOE 12’。然後，可以將經修改的LOE 12’在表面14a、14b處進行拋光以提高光學品質。替選地，可以在切割/修整以去除無效區域17之前對前體LOE 12的表面14a、14b進行拋光。
如圖4B所示，然後可以在減小的周邊邊緣15a、15b、16a、16b處用不透明材料23將經修改/預切割的LOE 12’進行塗覆。一旦用不透明材料23進行塗覆，然後經塗覆的LOE 12’可以(使用封裝過程，例如上述任何封裝過程/技術)由膠囊部50封裝，使得膠囊部50的低折射率材料51直接附接/結合到LOE的表面14a、14b。在某些實施方式中，低折射率材料51還在周邊邊緣15a、15b、16a、16b處直接附接/結合到不透明材料23。圖4C和圖4D示出了具有膠囊部50的經塗覆的LOE 12’的不同視圖，其中低折射率材料也直接接觸周邊邊緣15a、15b、16a、16b的。然後，可以拋光膠囊部50的表面54a、54b以提高光學器件的光學品質。
如圖4E所示，可以將封裝LOE 12’選擇性地切割或修整以實現期望的目鏡輪廓。特別地，可以將膠囊部50的低折射率材料51進行切割或修整以獲得具有目鏡輪廓的期望形狀。這在封裝 LOE旨在安裝作為例如以眼鏡形狀因數實現的近眼顯示裝置的一部分時尤其有用。
在某些實施方式中，可以修改LOE 12或12’以適應光學耦入構造的放置。可以通過(在封裝之前)切割/修整LOE以限定LOE的耦入區域來完成LOE的修改。圖4F示出了LOE 12’的以下示例：該LOE 12’的示例已經被進一步修改以在被膠囊部50封裝之後包括耦入區域25(可以通過耦入區域25注入圖像照明)。可以對LOE 12進行類似修改。替選地，可以例如通過研磨/切割/修整膠囊部50的位於將成為耦入區域的區域中的區域/部分來對封裝LOE進行修改以提供具有耦入區域的封裝LOE。
應當注意，去除LOE的無效區域不是絕對要求，並且本文設想了其中完全完整無缺的LOE(即，具有有效區域和無效區域二者的LOE)的周邊邊緣15a、15b、16a、16b中的一個或更多個都塗覆有不透明材料的實施方式。
如前所述，(放置在耦入區域處的)光學耦入構造用於將由圖像投影儀(例如圖1的圖像投影儀18)生成的圖像照明注入到LOE中以由TIR引導。如所討論的，可以適當地設計光學耦入構造以適應圖像照明以包括淺角在內的角度的注入。光學耦入構造的設計還可以包括耦入區域的適當設計，即，適當地修改LOE或封裝LOE以產生可以適應光學耦入構造的放置的適當耦入區域。
根據本發明的實施方式的封裝LOE提供了優於常規未封裝LOE的許多優點。首先，根據某些實施方式的封裝LOE(例如圖4E的封裝LOE，其包括僅具有有效區域的經修整的LOE 12’以及被修整為適配目鏡輪廓的膠囊部50)的重量輕於其常規未封裝LOE對應物。另一個優點在於，封裝LOE提供了功能元件(例如眼鏡框)的直接機械接觸。除了這些機械優勢之外，根據本發明的實施方式的 封裝LOE提供了優於常規未封裝LOE的某些光學優勢。一些顯著的光學優勢是能夠將附加光學元件(例如透鏡、保護膜、減少重影的塗層/膜等)直接附接到與主表面14a、14b之一相關聯的膠囊部50，而不會不利地影響TIR條件。
現在轉向圖5A至圖8B，示出了具有附接到其上的各種附加光學元件的封裝LOE的示例。在所有示例中，第一光學元件(72a/74a/76a/78a)在表面54a處直接附接到膠囊部50，以與主表面14a相關聯地部署(即，與用戶的眼睛成面對關係)，並且第二光學元件(72b/74b/76b/78b)在表面54b處直接附接到膠囊部50，以與主表面14b相關聯地部署(即，背離用戶的眼睛，即在LOE的背面)。可以例如通過黏合劑黏合將光學元件72a/74a/76a/78a、72b/74b/76b/78b直接附接到表面54a、54b。在膠囊部50由低折射率光學黏合劑形成的實施方式中，(具有厚度T1和T2的)低折射率光學黏合劑也可以用於在表面14a、14b處將光學元件72a/74a/76a/78a、72b/74b/76b/78b結合到LOE。
第一光學元件72a/74a/76a/78a可以被設計和部署為在橫向方向(圖式中的x維度)和橫貫方向(圖式中的z維度)上延伸跨越表面54a的一部分、大部分或全部。類似地，第二光學元件72b/74b/76b/78b可以被設計和部署為在橫向方向和橫貫方向上延伸跨越表面54b的一部分、大部分或全部。
現在轉向圖5A和圖5B，示出了光學元件的第一示例，在該第一示例中，第一光學元件72a呈透鏡(其可以是處方透鏡，即眼科透鏡)的形式，而第二光學元件72b呈保護膜(即，安全保護膜，例如薄光學保護膜)的形式。
透鏡72a可以被設計成施加正或負光焦度，並且取決於透鏡的設計和部署位置，可以將這種光焦度施加到來自用戶通過表 面14a、14b可見的外部場景的照明，並且還可以將這種光焦度施加到從LOE 12耦出的圖像照明(例如圖1中的光線32A、32B)。在示出的示例中，透鏡72a是平凸的並且因此施加正光焦度。此外，透鏡72a被示出為在橫向方向上部分地延伸跨越表面54a並且完全地延伸跨越LOE 12的包含部分反射表面30的部分。因此，在所示示例中，透鏡72a向來自外部場景的光以及通過部分反射表面30從LOE 12耦出的圖像照明施加正光焦度。
保護膜72b被示出為在橫向方向和橫貫方向兩個方向上完全延伸跨越表面54b。膜72b可以是保護LOE 12免受損壞例如破損、破碎、破裂的保護性安全膜。膜72b還可以是提供防劃傷或抗劃傷塗層和/或防止灰塵或其他微粒或污染物與LOE接觸的(可從例如3M購得的)阻擋膜。
參照圖6A和圖6B，示出了光學元件的第二示例，在該第二示例中，第一光學元件74a和第二光學元件74b二者都被實現為保護膜(類似於圖5A和圖5B中的光學元件72b)。在該示例中，膜74a、74b在橫向方向和橫貫方向兩個方向上延伸跨越整個表面54a、54b。
圖7A和圖7B示出了光學元件的第三示例。在該示例中，第一光學元件76a被實現為第一透鏡，第二光學元件76b被實現為第二透鏡，第一光學元件76a和第二光學元件76b中的每一個都可以施加光焦度。此處，第一透鏡76a是平凸(正)透鏡(類似於圖5A和圖5B中的透鏡72a)，第二透鏡76b是平凹(負)透鏡，因此兩個透鏡76a、76b的組合提供了雙重光焦度。在所示示例中，第一透鏡76a在橫向方向上部分地延伸跨越表面54a並且在橫貫方向上完全延伸跨越表面54a。類似地，第二透鏡76b在橫向方向上部分地延伸跨越表面54b並且在橫貫方向上完全地延伸跨越表面54b。
現在轉向圖8A和圖8B，示出了光學元件的第四示例。在該示例中，第一光學元件78a和第二光學元件78b既是光焦度透鏡又是保護透鏡，這意味著兩個透鏡都提供光焦度和保護功能。具體地，透鏡78a(其可以是正透鏡或負透鏡，但在所示示例中被示出為平凸(正)透鏡(類似於透鏡72a、76a))具有施加到其上的保護膜或塗層(具有類似於膜72b、74a、74b的特性)。類似地，透鏡78b(其可以是正透鏡或負透鏡，但在示出的示例中被示出為平凹(負)透鏡(類似於透鏡76b))具有施加到其上的保護膜或塗層(具有類似於膜72b、74a、74b的特性)。在所示示例中，透鏡78a、78b在橫貫方向上完全延伸跨越相應表面54a、54b，但在橫向方向上僅部分地延伸跨越相應的表面54a、54b。
需要強調的是，圖5A至圖8B中所示的構造僅僅是根據本發明的實施方式設想的可能構造的示例性子集，而其他構造(包括具有與兩個主表面14a、14b相關聯地部署的多個光學元件的組合的構造、以及主表面14a、14b中僅一個主表面具有與其相關聯地部署的一個或更多個光學元件的構造)落入本發明的範圍內。例如，考慮其中在表面54a處施加保護膜(類似於圖6A和圖6B中)並且在表面54b處施加透鏡(例如負透鏡)的實施方式。
儘管迄今為止所描述的實施方式涉及具有被實現為一組相互平行的部分反射內表面的光學耦出構造30的LOE，其中該組相互平行的部分反射內表面至少部分地橫貫LOE並且傾斜於表面14a、14b(即，部署在該表面內的小平面)，但是該組部分反射表面僅是對光學耦出構造的一種非限制性實現方式的說明，而且其他光學耦合構造可以用於將圖像照明從LOE 12耦出。光學耦出構造可以是將通過TIR已經在LOE 12內傳播的入射圖像照明的一部分偏轉到一定角度而使得圖像照明的被偏轉部分離開LOE 12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部署在表面14a、 14b中的任一個(當光學耦入構造被實現為一個或更多個衍射元件時最適合使用)上的一個或更多個衍射光學元件(例如衍射光柵)和分束器佈置。
迄今為止所描述的實施方式涉及被構造成在一個維度(大約在圖式中使用的任意標記的坐標系中的x維度)中執行孔徑擴展的LOE的封裝。然而，使用上述封裝方法/技術執行二維孔徑擴展的LOE的封裝也落入本發明的範圍內。事實上，本文描述的封裝方法在某些情況下可能更適用於執行二維孔徑擴展的LOE架構。多年來，已經開發了用於執行二維孔徑擴展的基於LOE的光學器件的各種解決方案，包括由魯姆斯有限公司(以色列)開發的兩類示例性解決方案，每類解決方案都基於各自使一定比例的傳播的圖像照明偏轉的LOE(被實現為一個或更多個透光基板)的兩個相應區域內的兩組部分反射表面(即，兩組光學耦合構造)。
在由魯姆斯開發的並且在包括例如PCT公佈第WO 2020/049542號的各種出版物中進行描述的一類示例性解決方案中，使用所謂的“複合LOE”來實現二維孔徑擴展。一般而言，這些複合LOE採用兩個區域，每個區域都是透明(即透光)材料的平行面對的板，用於促進准直圖像照明通過平行的主外表面處的TIR進行的傳播，並且每個區域包括光學耦合構造(例如，一組相互平行的部分反射內表面(即，部署在LOE內的小平面)或衍射元件)，該光學耦合構造將圖像照明重定向並且同時實現光學孔徑的擴展。
在同樣由魯姆斯開發並且在包括例如美國專利第10,133,070號的各種出版物中描述的另一類示例性解決方案中，利用與第二板型LOE光學耦合的第一矩形LOE來實現二維孔徑擴展，第一LOE和第二LOE均支援通過內反射傳播圖像照明。一般而言，這些基於矩形LOE的解決方案也採用兩個區域，其中第一個區域包括矩形LOE，該矩形LOE被形成為長形基板，具有形成矩形截面的兩 對平面平行主外表面。矩形LOE支援圖像照明通過兩對主外表面處的全內反射(稱為四重全內反射)進行傳播。第二區域包括板型LOE，該板型LOE與矩形LOE光學耦合，並且具有類似於圖1的LOE的外形。換言之，第二板型LOE具有一對平行主表面和傾斜於主平行表面的一組內部部分反射表面(小平面)。矩形LOE還具有以與矩形LOE的伸長方向成斜角的一組平行小平面，該組平行小平面使通過矩形LOE傳播的一定比例圖像照明被偏轉到第二LOE中，從而通過第二LOE的一對平行主表面處的TIR被引導通過第二LOE。通過第二LOE傳播的一定比例的圖像照明被第二LOE的小平面偏轉，以從第二LOE朝向觀察者的眼睛耦出。
因此，在一維孔徑擴展的上下文中描述的光學耦出構造30可以更一般地被稱為使在LOE內被引導的一定比例的圖像照明偏轉的光學耦合構造30，並且執行二維孔徑擴展的LOE架構可以包括兩個(或更多)這樣的光學耦合構造，每個這樣的光學耦合構造用於使通過TIR傳播通過LOE區域的圖像照明偏轉。在LOE被構造成僅在一個維度上執行孔徑擴展的實施方式中，光學耦合構造30使被引導的圖像照明的一定比例從LOE朝向用戶偏轉出去。
考慮到上述內容，以下段落描述了至少部分封裝的二維孔徑擴展LOE的實施方式。首先，將描述至少部分封裝的複合LOE的實施方式，然後將描述基於至少部分封裝的矩形LOE的佈置的實施方式。
現在參照圖9A和圖9B，示出了具有封裝複合LOE 120的光學器件110的示例的不同視圖，該封裝複合LOE 120具有位於LOE的兩個相應區域中的兩個光學耦合構造131、132，每個光學耦合構造都使傳播的圖像照明偏轉。LOE 120被形成為具有一對平行主外表面(面)124a、124b的透明(即，透光)材料板，並且具有包含第一光學耦合構造131的第一區域121(在本文中也被稱為“LOE 1”， 其為在圖9A中由虛線劃界)以及包含第二光學耦合構造132的第二區域122(在本文中也被稱為“LOE 2”，其在圖9A中由虛線劃界)。在圖式中示出的非限制性示例實施方式中，將第一光學耦合構造131實現為具有第一取向的第一組平面相互平行的部分反射內表面(小平面)，並且將第二光學耦合構造132實現為具有與第一取向不平行的第二取向的第二組平面相互平行的部分反射內表面(小平面)。然而，應當注意，也可以將光學耦合構造131、132實現為部署在表面124a、124b中的任一個上的衍射光學元件(例如，衍射光柵)。
順便提及，在某些實施方式中，用於生產具有封裝複合LOE的光學器件的一般步驟類似於用於生產執行一維孔徑擴展的具有封裝LOE的光學器件的步驟。在這樣的實施方式中，這些步驟通常包括：獲得LOE，然後通過將低折射率材料直接附接到LOE的主外表面來至少部分地封裝所獲得的LOE。如在一維實施方式中那樣，低折射率材料可以延伸跨越主外表面的整個長度(完全封裝)或者可以延伸跨越主外表面的絕大部分長度(部分封裝)。在某些實施方式中，獲得LOE可以包括：製造LOE。在魯姆斯有限公司(以色列)的各種出版物(包括例如前述PCT公佈第WO2020/049542號)中廣泛描述了用於製造複合LOE的方法。在其他實施方式中，封裝步驟可以作為複合LOE製造過程的附加步驟來執行。
在將光學耦合構造131、132實現為成組小平面(如圖式所示)的實施方式中，第一取向通常是指小平面131斜向傾斜於傳播圖像照明的方向，而第二取向是指小平面132不平行於小平面131並且還斜向傾斜於表面124a、124b。在一組非限制性示例中，第一取向也可以使得小平面131與主表面124a、124b正交，而在另一組非限制性示例中，第一取向也可以使得小平面131相對於主表面124a、124b成斜角。
相互平行的主外表面124a、124b延伸跨越第一區域121 和第二區域122，使得第一組部分反射表面131和第二組部分反射表面131二者都位於主外表面124a、124b之間。
在此由樣本光線20示意性表示的對應於由圖像投影儀18生成的准直圖像的圖像照明通過表面124a、124b處的TIR在LOE 120的第一區域121內傳播。第一光學耦合構造131使圖像照明的一部分從LOE 120的第一區域121內由TIR捕獲/引導的第一傳播方向偏轉到同樣在LOE 120內由TIR捕獲/引導的第二傳播方向。然後，被偏轉的圖像照明(此處由樣本光線21示意性地表示)從第一區域121進入第二區域122，其中第二光學耦合構造132使TIR引導的圖像照明的一部分偏轉，以將圖像照明中的一定比例(在圖9B中示意性地表示為樣本光線32)從LOE 120並且朝向位於EMB內的觀察者/用戶的眼睛36逐漸耦出，從而實現第二維度光學孔徑擴展。
注意，在與複合LOE實施方式對應的圖式中，僅示出了在LOE內傳播期間光線的平面內傳播方向，但是光線實際上遵循從兩個主外表面124a、124b重複內反射的鋸齒形路徑(類似於圖1所示)，並且圖像視場的一整個維度由與Y維度中的圖元位置對應的相對於主外表面的光線的傾斜角編碼。
LOE 120還包括附加的外(周邊)表面(邊緣)125a、125b、126a、126b，它們可以是或者可以不是成對的平行表面。注意，在所示示例中，膠囊部50的低折射率材料51僅與LOE 120的平行主表面124a、124b直接接觸，但不與LOE 120的周邊表面(邊緣)125a、125b、126a、126b接觸。然而，應該明顯的是，低折射率材料與周邊表面(邊緣)125a、125b、126a、126b中的一個或更多個直接接觸的其他構造也是可能的。
在某些實施方式中，類似於以上在一維孔徑擴展LOE 12的上下文中所描述的，邊緣125a、125b、126a、126b可以塗覆有 不透明材料以減少散射。此外，類似於LOE 12，複合LOE 120具有有效區域和無效區域。因此，與之前在LOE 12的上下文中所描述的類似，可以獲得僅具有有效區域的複合LOE(例如通過修整/切割複合LOE 120以去除無效區域)，並且經修整的複合LOE的周邊邊緣可以塗覆有不透明材料。圖10示出了複合LOE 120’的以下示例：複合LOE 120’的該示例已被修整以去除大部分或全部無效區域，並且在該示例中得到的周邊邊緣125a、125b、126a、126b已塗覆有不透明材料23。在該示例中，膠囊部50的低折射率材料51也被示出為與經塗覆的周邊邊緣125a、125b、126a、126b直接接觸。
與參照圖5A至圖8B描述的LOE類似，LOE 120可以具有包括透鏡和保護膜的組合在內的附加光學元件，該附加光學元件經由在低折射率材料51的外表面54a、54b處直接附接到膠囊部50來附接到LOE 120。圖11示出了一個非限制性示例構造，在該構造中，第一光學元件82a(此處表示為透鏡，例如眼科透鏡)附接在膠囊部50的前表面54a處，並且第二光學元件82b(此處表示為保護膜)附接在膠囊部50的後表面54b處。雖然在圖式中僅示出了將光學元件82a和82b分別實現為透鏡和保護膜的一個示例性構造，但是應該清楚的是，以上在執行一維孔徑擴展的LOE的上下文中討論的透鏡和/或保護膜的任何組合在此處也適用於執行二維孔徑擴展的LOE 120的上下文中。
應當注意，雖然圖11將透鏡82a示出為在橫向維度(圖式中的x維度)上沿著整個表面54a延伸，以在橫向維度上沿著整個主表面124a延伸，使得透鏡82a與主表面124a的在LOE 120的每個區域121、122中的部分相關聯，但是在某些情況下，可能限制透鏡82a的尺寸，使得透鏡82a在橫向維度上僅延伸穿過表面54a的一部分，使得透鏡82a僅與主表面124a的位於LOE 120的第二區域122中的部分相關聯。在某些情況下，這可能更實用，因為在LOE 120的 第二區域122中圖像照明被小平面132偏轉出去，而且通過該第二區域122眼睛36可以觀察外部場景(經由主表面124a、124b)。
如在本公開內容的前面部分中提到的，為了清楚起見在圖式中誇大了兩個區域52a、52b的厚度(T1和T2)(它們分別對應於膠囊部50的延伸跨越表面124a和124b的長度的低折射率材料51的層)以更好地說明本發明的原理，但是特別有利的會是保持兩個區域52a、52b的厚度相對較小以提高光學性能並且同時減小光學器件的整體體積。具體地，表面124a、124處的低折射率材料51的厚度優選地足夠小，使得低折射率材料51的表面圖案遵循表面124a、124b處的瑕疵圖案，使得通過表面124a、124b逸出LOE 120的TIR引導的照明最經常地也從低折射率材料51逸出，以免被重新引入LOE 120。然而，可能會出現如下情況：偏離主圖像的圖像照明從LOE 120逸出並且進入區域52a、52b中的一者或兩者，並且在表面54a或54b處通過TIR被反射(由於逸出照明以大於由低折射率材料51的折射率和圍繞膠囊部50的介質(通常是空氣)限定的臨界角的入射角射在在表面54a或54b上)回到LOE 120成為散射光。此外，可能會出現如下情況：來自場景(例如，外部場景)的光可能進入LOE並且被光學耦合構造之一朝向使用者的眼睛反射。這些情況在圖12中示意性地示出，圖12示出了LOE 120的第一區域121的放大的局部側視圖。如圖12中所示，從主TIR引導圖像20偏離並且(經由表面124a)從LOE 120逸出到膠囊部50的區域52a的照明(示意性地表示為粗樣本光線27)在表面54a處通過TIR被反射，然後重新進入LOE 120(經由表面124a)成為散射光(示意性表示為粗樣本光線29)。還示出了來自外部場景的光(示意性表示為粗樣本光線31)，該光(經由表面124b)進入LOE 120，並且被光學耦合構造131偏轉/反射為朝向用戶的眼睛36的反射光(示意性表示為粗樣本光線33)。
為了減輕上述情況中的散射和不期望的反射，本公開 內容的某些實施方式在低折射率材料51的一個或更多個部分處提供一層或更多層吸光材料。現在參照圖13A和圖13B，示出了光學器件110的不同視圖，該光學器件110具有與低折射率材料51的部分相關聯地部署的、優選地經由與低折射率材料51的部分的直接附接來部署的吸光材料60。在所示示例中，將例如可以實現為一層或更多層黑色塗料的吸光材料60直接沉積或塗覆在直接附接到LOE 120的第一區域121中的表面124a、124b的低折射率材料51的表面54a、54b中的每一者的少部分(表面積)上。低折射率材料51的表面54a、54b中的被吸光材料60覆蓋的少部分大致構成低折射率材料51的覆蓋由第一光學耦合構造131在xz平面中的投影所橫跨的區域的整個表面區域，並且優選地包括低折射率材料51的略微延伸超出所橫跨區域的表面區域。這有助於確保來自外部場景的以不然將支援進入LOE並且從光學耦合構造131偏轉的角度到達光學器件的照明被吸光材料61吸收。大體來說，低折射率材料51的被吸光材料60覆蓋的區域大致包括低折射率材料51的覆蓋LOE 120的第一區域121的整個表面區域，並且還可以包括LOE 120的在區域121、122之間的一些中間區域(或第二區域122中的一些區域)，以稍微延伸超過第一光學耦合構造131在xz平面中的投影。按比例，低折射率材料51的表面54a、54b中被吸光材料60覆蓋的少部分構成部署在表面124a、124b中的每一個處的低折射率材料的的表面區域的大約10%至20%。
圖14示意性地示出了吸光材料對逸出照明(光線27)和場景照明(光線31)的影響。如圖所示，從主TIR引導圖像20偏離並且(經由表面124a)從LOE 120逸出到膠囊部50的區域52a中的照明27由部署在表面54a處的吸光材料60吸收，從而防止在表面54a處發生TIR並且防止散射光重新進入LOE 120。還如圖所示，來自外部場景的照明31被部署在表面54b處的吸光材料60吸收，從而防止光學耦合構造131將照明31朝向用戶的眼睛偏轉/反射。
為了防止菲涅耳(Fresnel)反射或TIR反射，吸光材料60優選地具有與形成膠囊部50的低折射率材料51的折射率相同(即，相等)或稍高的折射率。稍高是指吸光材料60的折射率優選地與形成膠囊部50的低折射率材料51的折射率相比不大於/高於10%(更優選地不大於/高於5%)。
由於眼睛36位於位於LOE 120的第二區域122前面的EMB中，所以吸光材料60的層不會幹擾使用者對由第二光學耦合構造131耦出的圖像照明的可見性或者用戶對外部場景的可見性，外部場景通過表面124a、124b可見。
如上所述，在某些實施方式中，膠囊部50可以由多於一種的低折射率材料形成。圖15示出了這樣的實施方式的非限制性示例，其中第一低折射率材料61直接附接到表面124a、124b的在第一區域121中的部分，並且第二低折射率材料62直接附接到表面124a、124b的在第二區域122中的部分。第二低折射率材料62是透明材料，並且第一低折射率材料可以是或者可以不是透明材料。此處，將膠囊部50的第一區域52a細分為兩個子區域52a-1和52a-2，並且將膠囊部50的第二區域52b細分為兩個子區域52b-1和52b-2。第一低折射率材料61在子區域52a-1和52b-1中，而第二低折射率材料62在子區域52a-2和52b-2中。兩種低折射率材料61、62相鄰放置以形成膠囊部，並因此協作以至少部分地封裝LOE。換言之，膠囊部50的一部分由第一低折射率材料61形成，而膠囊部50的另一部分由第二低折射率材料62形成。優選地，在LOE 120的主外表面124a、124b中的每一個處，附接到LOE 120的主外表面的第二低折射率材料62的外表面62e是附接到LOE 120的主外表面的第一低折射率材料61的外表面61e的延續，從而形成膠囊部50的外表面54a、54b。
優選地，兩種低折射率材料61、62具有相同或相似的折射率。然而，這不是絕對要求，並且儘管在兩種材料61、62之間 折射率發生變化，LOE 120仍然可以提供二維孔徑擴展。例如，第一低折射率材料61可以具有約為1.2的折射率，並且第二低折射率材料62可以具有1.3的折射率。
在某些實施方式中，第一低折射率材料61是透明材料。在其他實施方式中，第一低折射率材料61是具有低折射率的吸光材料，例如被實現為具有固有低折射率(例如，約1.3的折射率)的黑色塗料。在這樣的其他實施方式中，第一低折射率材料61執行多種功能，包括例如：i)在主外表面124a、124b的處於第一區域121中的部分處維持TIR條件；ii)通過吸收來自外部場景的照明來防止外部場景照明進入LOE 120，其中所述外部場景照明不被吸收的話將經由主外表面124a、124b的位於第一區域121中的部分進入LOE 120，並且從第一光學耦合構造131偏轉；以及iii)通過吸收逸出照明來防止通過主外表面124a、124b的位於第一區域121中的部分從LOE 120逸出的TIR引導照明重新進入LOE 120。
注意，在第一低折射率材料61是低折射率吸光材料的實施方式中，第一低折射率材料61優選地覆蓋與圖13B和圖14的吸光材料60相關聯的主外表面124a、124b相同或相似的表面區域。換言之，第一低折射率材料61優選地覆蓋主外表面124a、124b的以下表面區域：該表面區域由第一光學耦合構造131在xz平面中的投影所橫跨，並且優選地略微延伸超出該投影。
此外，由於在此類其他實施方式中低折射率材料61本身是吸光材料，因此可能不需要附加吸光材料層(例如，如圖13B和14所示)。
在某些情況下，在附加光學元件(例如，保護膜)經由低折射率材料(或多種低折射率材料)附接到LOE的特定實施方式中，可能有利的是，將附加的一個或更多個塗層施加到光學元件的全 部或部分暴露表面，以增加機械穩定性並幫助阻擋來自外部場景的不需要的光進入LOE。可以用於附加塗層的一種示例性材料是抗反射(anti-reflective，AR)塗層，其提供剛性(機械穩定性)和抗反射特性。可以用於附加塗層的另一種示例性材料是吸光材料，例如黑色塗料。圖16A和圖16B示出了根據一個非限制性示例實施方式的LOE的各種視圖，其中塗層63(例如，一層或更多層AR塗層、一層或更多層黑色塗料)施加到保護膜中(例如，薄的光學保護膜)的附接到與主外表面124b之一附接的低折射率材料(或多種低折射率材料)的部分82b。為了說明清楚，圖16B中未示出光學耦合構造131、131。優選地，塗層63覆蓋膜82b的一些或全部主表面(優選地，至少覆蓋膜82b的主表面83b的與LOE 120的第一區域121相關聯的部分，例如膜82b的附接到第一低折射率材料61的部分)以及膜82b的邊緣和低折射率材料的邊緣(直到與LOE 120的主表面124b的相交處)。這確保了低折射率材料本身不受環境影響，從而防止低折射率材料從LOE上脫落或剝落。在所示示例中，膠囊部50由兩種低折射率材料61、62形成，並且塗層63覆蓋膜82b的主表面83b的與第一低折射率材料61相關聯的部分。然而，應該清楚的是，在某些非限制性構造中，塗層63也可以被部署為覆蓋膜82b的主表面83b的與第二低折射率材料62相關聯的部分。
此外，應當明顯的是，塗層63的部署也適用於使用單一低折射率材料形成膠囊部的情況。在這樣的構造中，塗層63可以被部署為僅覆蓋在與低折射率材料的與第一區域121相關聯的部分相關聯的膜82b的主表面的部分中，或者可以被部署為覆蓋膜82b的整個主表面。還應注意的是，雖然圖16A和圖16B將塗層63示為部署在與用戶眼睛相反的主外表面124b相關聯的保護膜82b上，但是塗層63也可以部署在與面向用戶眼睛的主外表面124a相關聯的保護膜(類似於保護膜82b)上(即，附接到與主外表面124a附接的低 折射率材料的保護膜，類似於例如圖6A所示的膜74a)。塗層63在與主外表面124b相關聯的保護膜上的這種部署可以是塗層63在與主外表面124b相關聯的膜82b上的部署的補充或替代，如圖16A和圖16B所示。
儘管本文所述的至少部分封裝的複合LOE涉及光學耦合構造的特定非限制性構造，但是在魯姆斯有限公司(以色列)的現有出版物(特別是在前述PCT公佈第WO2020/049542號，以及PCT公佈第WO2020/152688號和PCT申請第PCT/IL2020/051354號)中詳細討論了採用例如不同的成像注入位置和幾何結構、不均勻的小平面間距或引入附加(例如，第三)組的部分反射內表面的其他變型實施方式。這些附加特徵都可以在本發明的上下文中實現，但是為了簡潔起見，此處不再詳細闡述。
現在轉向圖17A和圖17B，示出了根據本發明的另一個實施方式的具有執行二維孔徑擴展的至少部分封裝LOE 205的光學器件200的示例的不同視圖。此處，LOE 205是基於矩形基板的架構，並且在第一區域(或LOE部段)221中包括第一(矩形)LOE 210，LOE 210被形成為具有伸長方向(任意顯示為沿z軸)和形成矩形橫截面的兩對主要平行外表面(面)212a、212b、214a、214b的透光基板。第一光學耦合構造131在此表示為多個相互平行的部分反射內表面(小平面)131，小平面131至少部分地橫貫LOE 210並且斜向傾斜於LOE 210的伸長方向(即小平面131傾斜於表面212a、212b)，用於使通過LOE 210傳播的圖像照明偏轉。
矩形LOE 210在LOE 205的第二區域(或LOE部段)222中與第二板型LOE 220光學耦合，LOE 220在結構上類似於參照圖1至圖2C描述的LOE 12。具體地，LOE 220被形成為具有一對平行的主外表面224a、224b的透光基板，LOE 220通過表面224a、224b處的TIR引導圖像照明通過LOE 220，並且LOE 220具有第二光學 耦合構造132，此處第二光學耦合構造132被表示為多個相互平行的部分反射內表面132，該部分反射內表面132至少部分地橫貫LOE 220並且斜向傾斜於面224a、224b。優選地，成對表面224a、214a和224b、214b均平行且共面，使得表面224a、214a形成與由表面224b、214b形成的表觀單一表面平行的表觀單一表面。
LOE 210、220之間的光學耦合以及部分反射表面131、132的部署和構造使得當與准直圖像對應的圖像照明20以初始傳播方向以傾斜於兩對平行面212a、212b、214a、214b的耦合角耦合(注入)到矩形LOE 210中時，圖像沿矩形LOE 210通過四重全內反射(圖像a1、a2、a3、a4)前進，一定比例強度的圖像在部分反射表面131處被反射，以耦合到板型LOE 220中，然後在LOE 220內通過兩重全內反射(圖像b1，b1)傳播，一定比例強度的圖像在部分反射表面132處被反射(偏轉)，以從平行面224b之一被向外引導為觀察者的眼睛36看到的可見圖像32。
應當理解的是，除非另有明確說明，否則與複合LOE 120/120’的至少部分封裝相關的構思(包括使用由低折射率材料(其可以包括一種或更多種透明低折射率材料，或者與吸光低折射率材料相鄰的透明低折射率材料)形成的膠囊部的至少部分封裝、將附加光學元件附接到低折射率材料、部署附加塗層、輪廓成形以適配眼鏡透鏡的形狀以及其他此類構思，如以上在複合LOE 120/120’的上下文中描述的所有構思)此處也適用於基於矩形的LOE 205的上下文。因此，此處不再贅述LOE 205的封裝的細節及其相關構思，而僅作一般性討論。
考慮到上述內容，通常，封裝LOE 205的膠囊部50可以由單一的低折射率材料(其與表面214a、214b、224a、224b直接接觸)形成，或者可以由與表面214a、214b直接接觸的第一低折射率材料以及與表面224a、224b直接接觸的第二低折射率材料)形成。 在圖式中，膠囊部50被示出為由兩種低折射率材料61、62形成，其中第一低折射率材料61與表面214a、214b直接接觸，而第二低折射率材料與表面224a、224b直接接觸。在某些實施方式，例如圖18所示的實施方式中，附加光學元件82a、82b(此處分別表示為透鏡和保護膜)可以經由直接與膠囊部50的低折射率材料的相關部分的直接附接來與LOE 205的正面和背面相關聯地部署。在所示示例中，透鏡82a在x維度中僅部分地沿LOE 205延伸，使得透鏡82a覆蓋區域222，然而，類似於如上所述，透鏡82a可以在x維度上完全延伸跨越表面214b、224b。應該清楚的是，以上在執行一維孔徑擴展的LOE的上下文中討論的透鏡和/或保護膜的任何組合在此處也適用於執行二維孔徑擴展的LOE 205的上下文。
順便提及，雖然圖17A示出了其中矩形LOE 210的整個主外表面214a、214b具有附接的第一低折射率材料61並且板型LOE 220的整個主外表面224a、224b具有附接的第二低折射率材料62的非限制性示例，但是其他構造也是可能的。例如，第一低折射率材料61可以(進一步沿著x軸)向下延伸，以還附接到板型LOE 220的主外表面224a、224b的少部分(位元於板型LOE 220的靠近兩個LOE 210、220之間的耦合的“上”部分)。
在某些實施方式，例如圖19所示的實施方式中，吸光材料60可以與和第一區域221接觸的低折射率材料(即，與矩形LOE 210的表面214a、214b接觸的低折射率材料)相關聯地部署。在其他實施方式中，可以將與表面214a、214b接觸的低折射率材料(例如，圖17A中的低折射率材料61)實現為具有低折射率的吸光材料，例如具有固有的低折射率的黑色塗料。儘管圖式中未示出，但可以將附加塗層(例如，AR、黑色塗料)施加到與LOE 205的第一區域221中的低折射率材料附接的保護膜，類似於圖16A和圖16B中所示。
注意，與LOE 120/120’的封裝可能不同的LOE 205封 裝的一個方面涉及表面212a、212b。通常，對於本文公開的所有LOE，通過TIR反射照明的任意成對主外表面的光學特性應該相同。由於矩形LOE 210通過四重全內反射來引導光，因此相對的表面212a、212b的光學特性應該相同，使得以給定角度射到表面212a、212b的照明被表面212a、212b以相同的角度反射。因此，如果膠囊部50的低折射率材料也直接附接到表面212a(例如圖17A至圖19中所示的低折射率材料61或62)，則應注意確保相對的表面212a、212b的匹配的光學特性得到保持，使得在表面212b處通過TIR反射的角度範圍與在表面212a處通過TIR反射的角度範圍相同。
在某些實施方式中，用於生產具有基於封裝的矩形LOE的佈置的光學器件的一般步驟類似於用於生產具有封裝的複合LOE和執行一維孔徑擴展的LOE的光學器件的步驟。在這樣的實施方式中，這些步驟通常包括：獲得基於矩形LOE的佈置(即，獲得LOE 205)，然後通過將低折射率材料直接附接到LOE 210的主外表面214a、214b(並且優選地還附接到表面212a)和主外表面224a、224b來封裝LOE 205。在某些實施方式中，獲得LOE可以包括：製造LOE 205。用於製造基於封裝的矩形LOE的佈置的方法已經在魯姆斯有限公司(以色列)的各種出版物(包括例如在前述美國專利第10,133,070號以及在共同未決的PCT申請第PCT/IL2022/050500號)中廣泛描述。在某些實施方式中，封裝步驟可以作為LOE製造過程的附加步驟來執行。
已經出於說明的目的呈現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。在不脫離所描述的實施方式的範圍和精神的情況下，許多修改和變化對於本領域普通技術人員將是明顯的。選擇本文所使用的術語以最好地解釋實施方式的原理、實際應用或相對市場上存在的技術改進，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。
如本文所用，除非上下文另外明確指出，否則單數形式“一”、“一個”和“該”包括複數指代。
在本文中使用詞語“示例性”來表示“作為示例、實例或說明”。被描述為“示例性”的任何實施方式不必須被解釋為比其他實施方式優選或有利和/或排除對來自其他實施方式的特徵的結合。
應當理解的是，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一些特徵也可以在單個實施方式中組合地提供。相反，為了簡潔起見在單個實施方式的上下文中描述的本發明的各種特徵也可以單獨地或以任何合適的子組合或根據需要在本發明的任何其他描述的實施方式中提供。在各種實施方式的上下文中描述的一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是不可操作的。
就所附請求項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。應當注意的是，通過使請求項多項引用而將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。
儘管已經結合本發明的特定實施方式描述了本發明，但是顯然，對於本領域技術人員而言，許多替代、修改和變化將是明顯的。因此，本發明旨在包括所有這些落入所附請求項的精神和寬範圍內的替選、修改和變化。
10:光學器件
12:光導光學元件(LOE)
14a,14b:主外表面/主表面/表面
18:圖像投影儀
20:圖像/照明光束
20A,20B:樣本光線
22:光學耦入構造
24:反射光線
26,32A,32B:光線
28:斜邊
30:光學耦出構造/內表面總體/部分反射表面
30a,30b,30c,30d,30e,30f:內表面
34:瞳孔
36:眼睛
38:眼睛運動盒
40:瞳距離
α sur :傾斜角

Claims (37)

  1. 一種用於將圖像照明引向使用者以供觀看的光學器件，所述光學器件包括：
    由具有第一折射率的透光材料形成的光導光學元件(LOE)，所述LOE包括多個表面，所述多個表面包括一對平行的主外表面，所述一對平行的主外表面用於通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內引導圖像照明，所述LOE還包括至少一個光學耦合構造，所述光學耦合構造用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內被引導的所述圖像照明中的一定比例偏轉；以及
    光學材料，其包括至少一種透明材料，所述光學材料至少在所述主外表面處直接附接到所述LOE以與所述主外表面直接接觸並且至少部分封裝所述LOE，所述光學材料具有小於所述第一折射率的第二折射率，以維持所述主外表面處的全內反射條件，
    其中，通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內被引導的圖像照明以大於由所述第一折射率和所述第二折射率限定的臨界角的角度範圍入射到所述主外表面，其中，大於所述臨界角的角度包括相對於所述主外表面測量的淺角。
  2. 如請求項1所述的光學器件，其中，所述至少一種透明材料由固態材料形成。
  3. 如請求項1所述的光學器件，其中，所述至少一種透明材料由一層或更多層光學黏合劑形成。
  4. 如請求項1所述的光學器件，其中，所述至少一種透明材料是聚合物或介電材料的薄塗層。
  5. 如請求項1所述的光學器件，其中，所述光學材料具 有足夠小的厚度，使得所述光學材料的表面圖案遵循所述主外表面處的瑕疵圖案。
  6. 如請求項5所述的光學器件，其中，所述厚度在從2μm至20μm的範圍內。
  7. 如請求項1所述的光學器件，其中，所述第一折射率在從1.5至1.8的範圍內。
  8. 如請求項1所述的光學器件，其中，所述第二折射率在從1.3至1.4的範圍內。
  9. 如請求項1所述的光學器件，其中，所述至少一個光學耦合構造包括恰好一個光學耦合構造，所述恰好一個光學耦合構造使通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內被引導的所述圖像照明中的所述比例從所述LOE朝向所述用戶偏轉出去。
  10. 如請求項9所述的光學器件，其中，將所述光學耦合構造實現為部署在所述LOE內並且傾斜於所述主外表面的多個相互平行的部分反射表面。
  11. 如請求項9所述的光學器件，其中，將所述光學耦合構造實現為與所述主外表面之一相關聯的至少一個衍射元件。
  12. 如請求項1所述的光學器件，其中，所述LOE包括第一區域和第二區域，並且其中，所述至少一個光學耦合構造包括位於所述第一區域中的第一光學耦合構造和位於所述第二區域中的第二光學耦合構造，所述第二光學耦合構造被構造成用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內被引導的從所述第一區域到所述第二區域的圖像照明的一部分從所述LOE朝向所述用戶偏轉出去，並且所述第一光學耦合構造被構造成用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述第一區域內被引導的圖像照明的一部分朝向所述第二區域偏轉。
  13. 如請求項12所述的光學器件，其中，將所述第一光學耦合構造實現為具有第一取向的第一多個相互平行的部分反射表面，並且其中，將所述第二光學耦合構造實現為具有第二取向的第二多個相互平行的部分反射表面，所述第二取向不平行於所述第一取向。
  14. 如請求項12所述的光學器件，其中，將所述第一光學耦合構造實現為與所述主外表面之一相關聯的第一至少一個衍射元件，並且其中，將所述第二光學耦合構造實現為與所述主外表面之一相關聯的第二至少一個衍射元件。
  15. 如請求項12所述的光學器件，還包括：與所述至少一種透明材料在所述第一區域中的一個或更多個部分相關聯地部署的吸光材料。
  16. 如請求項15所述的光學器件，其中，所述吸光材料具有等於所述第一折射率或者與所述第一折射率相比不超過10%的折射率。
  17. 如請求項1所述的光學器件，還包括：附接到所述至少一種透明材料的至少一個光學元件。
  18. 如請求項17所述的光學器件，其中，所述至少一個光學元件包括：透鏡，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及保護膜，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。
  19. 如請求項17所述的光學器件，其中，所述至少一個光學元件包括：第一透鏡，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二透鏡，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。
  20. 如請求項17所述的光學器件，其中，所述至少一個光學元件包括：第一保護膜，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二保護膜，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。
  21. 如請求項1所述的光學器件，其中，所述LOE是在將所述光學材料直接附接到所述LOE之前從前體LOE切割的預切割LOE，使得所述LOE基本上僅包括所述圖像照明在其中傳播的有效區域，並且其中，所述LOE的一個或更多個周邊邊緣塗覆有至少一層不透明材料。
  22. 一種用於製造將圖像照明引向使用者以供觀看的光學器件的方法，所述方法包括：
    獲得由具有第一折射率的透光材料形成的光導光學元件(LOE)，所述LOE包括多個表面，所述多個表面包括一對平行的主外表面，所述一對平行的主外表面用於通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內引導圖像照明，所述LOE還包括至少一個光學耦合構造，所述光學耦合構造用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內被引導的所述圖像照明中的一定比例偏轉，其中，通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內被引導的圖像照明以大於由所述第一折射率和第二折射率限定的臨界角的角度範圍入射到所述主外表面，其中，大於所述臨界角的角度包括相對於所述主外表面測量的淺角；以及
    至少在所述主外表面處將包括所述至少一種透明材料的光學材料直接附接到所述LOE，使得所述光學材料直接接觸所述主外表面並且至少部分地封裝所述LOE，所述光學材料具有小於所述第一折射率的第二折射率以維持所述主外表面處的全內 反射條件。
  23. 如請求項22所述的方法，其中，所述LOE包括圖像照明在其中傳播的有效區域和所述圖像照明不在其中傳播或者所述圖像照明未被引向所述使用者的無效區域，所述方法還包括：
    在將所述光學材料直接附接到所述LOE之前：
    修改所述LOE以去除所述無效區域，使得基本上僅保留所述LOE的有效區域，從而產生經修改的LOE，以及
    用至少一層不透明材料塗覆所述經修改的LOE的一個或更多個周邊邊緣。
  24. 如請求項23所述的方法，其中，所述光學材料另外在所述經修改的LOE的一個或更多個周邊邊緣處直接附接到所述不透明材料。
  25. 如請求項24所述的方法，還包括：切割或修整所述光學材料以獲得目鏡的輪廓。
  26. 如請求項22所述的方法，還包括：拋光所述至少一種透明材料。
  27. 如請求項22所述的方法，還包括：將至少一個光學元件附接到所述至少一種透明材料。
  28. 如請求項27所述的方法，其中，所述至少一個光學元件包括：透鏡，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及保護膜，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。
  29. 如請求項27所述的方法，其中，所述至少一個光學元件包括：第一透鏡，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到 所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二透鏡，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。
  30. 如請求項27所述的方法，其中，所述至少一個光學元件包括：第一保護膜，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二保護膜，其附接到所述至少一種透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。
  31. 如請求項22所述的方法，其中，所述LOE包括第一區域和第二區域，並且其中，所述至少一個光學耦合構造包括位於所述第一區域中的第一光學耦合構造和位於所述第二區域中的第二光學耦合構造，所述第二光學耦合構造被構造成用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內被引導的從所述第一區域到所述第二區域的圖像照明的一部分從所述LOE朝向所述用戶偏轉出去，並且所述第一光學耦合構造被構造成用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述第一區域內被引導的圖像照明的一部分朝向所述第二區域偏轉，並且其中，所述方法還包括：將吸光材料與所述至少一種透明材料的在所述第一區域中的一個或更多個部分相關聯地部署。
  32. 如請求項31所述的方法，其中，所述吸光材料具有等於所述第一折射率或者與所述第一折射率相比不超過10%的折射率。
  33. 如請求項22所述的方法，其中，將所述至少一種透明材料直接附接到所述LOE包括：執行選自由浸塗、旋塗、結合和模制構成的組中的過程。
  34. 一種用於將圖像照明引向使用者以供觀看的光學器件，所述光學器件包括：
    由具有第一折射率的透光材料形成的光導光學元件(LOE)，所述LOE包括：
    多個表面，所述多個表面包括至少一對平行的主外表面，所述至少一對平行的主外表面用於通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內引導圖像照明，
    第一區域和第二區域，以及
    位於所述第一區域中的第一光學耦合構造和位於所述第二區域中的第二光學耦合構造，所述第二光學耦合構造被構造成用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內被引導的從所述第一區域到所述第二區域的圖像照明的一部分從所述LOE朝向所述用戶偏轉出去，並且所述第一光學耦合構造被構造成用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述第一區域內被引導的圖像照明的一部分朝向所述第二區域偏轉；
    透明材料，其至少在所述主外表面處直接附接到所述LOE，以與所述主外表面直接接觸並且至少部分地封裝所述LOE，所述透明材料具有小於所述第一折射率的第二折射率，以維持所述主外表面處的全內反射條件；以及
    吸光材料，其與所述透明材料的在所述第一區域中的一個或更多個部分相關聯地部署。
  35. 一種用於將圖像照明引向使用者以供觀看的光學器件，所述光學器件包括：
    由具有第一折射率的透光材料形成的光導光學元件(LOE)，所述LOE包括：
    多個表面，所述多個表面包括至少一對平行的主外表面，所述至少一對平行的主外表面用於通過所述主外表面處的全內反 射在所述LOE內引導圖像照明，
    第一區域和第二區域，以及
    位於所述第一區域中的第一光學耦合構造和位於所述第二區域中的第二光學耦合構造，所述第二光學耦合構造被構造成用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內被引導的從所述第一區域到所述第二區域的圖像照明的一部分從所述LOE朝向所述用戶偏轉出去，並且所述第一光學耦合構造被構造成用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述第一區域內被引導的圖像照明的一部分朝向所述第二區域偏轉；
    吸光材料，其在所述第一區域中的所述主外表面處直接附接到所述LOE，以與所述第一區域中的所述主外表面直接接觸；以及
    透明材料，其在所述第二區域中的所述主外表面處直接附接到所述LOE，以與所述第二區域中的所述主外表面直接接觸，
    其中，所述透明材料和所述吸光材料協作以至少部分地封裝所述LOE，並且其中，所述透明材料和所述吸光材料中的每一個具有小於所述第一折射率的折射率以維持所述主表面外的全內反射條件。
  36. 一種用於將圖像照明引向使用者以供觀看的光學器件，所述光學器件包括：
    由具有第一折射率的透光材料形成的光導光學元件(LOE)，所述LOE包括：
    多個表面，所述多個表面包括至少一對平行的主外表面，所述至少一對平行的主外表面用於通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內引導圖像照明，
    第一區域和第二區域，以及
    位於所述第一區域中的第一光學耦合構造和位於所述第二 區域中的第二光學耦合構造，所述第二光學耦合構造被構造成用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述LOE內被引導的從所述第一區域到所述第二區域的圖像照明的一部分從所述LOE朝向所述用戶偏轉出去，並且所述第一光學耦合構造被構造成用於使通過所述主外表面處的全內反射在所述第一區域內被引導的圖像照明的一部分朝向所述第二區域偏轉；
    至少一種透明材料，其至少在所述主外表面處直接附接到所述LOE，以與所述主外表面直接接觸並且至少部分地封裝所述LOE，所述至少一種透明材料具有小於所述第一折射率的第二折射率，以維持所述主外表面處的全內反射條件；
    至少一個保護膜，其至少與所述至少一種透明材料的一部分相關聯，使得所述至少一個保護膜與所述主外表面中的至少一個在所述第一區域中的部分相關聯；以及
    塗層，其部署在所述至少一個保護膜的至少一部分上，使得所述塗層與所述至少一種透明材料的所述部分相關聯。
  37. 如請求項34至36中任一項所述的光學器件，其中，所述第一區域被構造成具有形成矩形橫截面的兩對平行的主外表面的第一LOE部段，使得所述圖像照明通過所述兩對平行的主外表面處的全內反射傳播通過所述第一LOE部段。
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