TW202346963A

TW202346963A - 用於引導圖像以供觀看的光學系統

Info

Publication number: TW202346963A
Application number: TW112100917A
Authority: TW
Inventors: 尤奇丹齊格
Original assignee: 以色列商魯姆斯有限公司
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2023-01-09
Publication date: 2023-12-01

Abstract

一種光學系統包括：部分內反射矩形光導(Partial-Internal-Reflection Rectangular Light Guide,PRLG)，其具有支持內反射的三個表面以及與第二光導部相關聯的部分反射的第四表面。通常在光導部中包括一組嵌入的部分反射表面的光束復位向佈置將從PRLG射出的光朝向第三光導部復位向，該第三光導部包括諸如另一組部分反射表面的耦出構造，該耦出構造將圖像的光束朝向使用者的眼睛耦出。

Description

用於引導圖像以供觀看的光學系統

本發明涉及光學系統，並且特別地涉及用於將與來自圖像投影儀的圖像對應的光束朝向使用者引導以供觀看的光學系統。

許多近眼顯示系統包括放置在使用者的眼睛之前的透明光導(Light Guide，LG)或“波導”，這樣的透明光導或“波導”通過內反射傳送圖像，並且然後通過合適的耦出構造將圖像朝向使用者的眼睛耦出。耦出構造可以基於嵌入的部分反射器或“小平面”，或者可以採用衍射圖案。在這兩種情況下，耦出構造將組成圖像的光束逐漸耦出，從而實現光學孔徑在一個方向上的擴展。

為了允許使用微型圖像投影儀，一些近眼顯示系統提供來自圖像投影儀的光學孔徑的二維擴展。在第10133070號美國專利中描述了這樣的解決方案的一個子集，其中，使用具有嵌入的部分反射器的矩形截面波導來實現第一維度的孔徑擴展。

本發明是一種用於將與來自圖像投影儀的圖像對應的光束朝向使用者引導以供觀看的光學系統。

根據本發明的實施方式的教導，提供了一種用於將與來自圖像投影儀的圖像對應的光束朝向使用者引導以供觀看的光學系統，該光學系統包括以下部件，使得來自圖像投影儀的通過四重內反射在PRLG內傳播的光束通過部分反射塗層從PRLG逐漸發出並進入第二光導部，通過在一組部分反射表面處的反射而被復位向以在第三光導部內傳播，並且通過耦出構造從第三光引導部朝向使用者耦出：(a)部分內反射矩形光導(Partial-Internal-Reflection Rectangular Light Guide，PRLG)，其由透明材料形成並且具有相互平行的第一主表面和第二主表面、與第一主表面和第二主表面垂直的第三主表面以及與第三主表面平行的第四主表面，第一主表面、第二主表面和第三主表面支持入射角範圍內的內反射，第四主表面的至少一部分設置有非衍射的部分反射塗層；(b)第二光導部，其具有用於通過內反射傳送光束的一對相互平行的主表面，第二光導部光學耦合到部分反射塗層的區域的至少一部分，第二光導部包含位於一對主表面之間且與該對主表面不平行的一組平面的、相互平行的、部分反射的表面；(c)第三光導部，其形成為第二光導部的延續部分或與第二光導部相鄰，第三光導部包括耦出構造，該耦出構造被佈置成用於將通過內反射在第三光導部內傳播的光束耦出，以朝向使用者引導光束；以及(d)耦入佈置，其用於將與來自圖像投影儀的準直圖像對應的光束耦入到PRLG中，以通過在第一主表面、第二主表面、第三主表面和第四主表面處的四重內反射在PRLG內傳播。

根據本發明的實施方式的另一特徵，該PRLG具有沿同第一主表面與第三主表面之間的相交線平行的方向的長度，並且其中，光束在從PRLG發出直到被一組部分反射表面中的一個部分反射表面重定向的光路的最大長度長於PRLG的長度。

根據本發明的實施方式的另一特徵，該PRLG具有沿同第一主表面與第三主表面之間的相交線平行的方向的長度，並且其中，光束在從PRLG發出直到被一組部分反射表面中的一個部分反射表面重定向的光路的最大長度短於PRLG的長度。

根據本發明的實施方式的另一特徵，第二光導部具有與該對相互平行的主表面垂直的第二對相互平行的主表面，使得第二光導部通過四重內反射來傳送光束，該組部分反射表面將光束從第二光導部耦出並耦入到第三光導部中。

根據本發明的實施方式的另一特徵，PRLG的第一主表面和第二主表面與第二光導部的一對相互平行的主表面平行或共面。

根據本發明的實施方式的另一特徵，第二光導部和第三光導部是單個光導的部分，使得所述一對相互平行的主表面跨第二光導部和第三光導部連續地延伸。

根據本發明的實施方式的另一特徵，耦出構造包括佈置在第三光導部內的第二組相互平行的部分反射內表面。

根據本發明的實施方式的另一特徵，耦出構造包括與第三光導部相關聯的衍射光學元件。

根據本發明的實施方式的另一特徵，PRLG不具有內反射器。

根據本發明的實施方式的另一特徵，PRLG的長度的大部分沒有內反射器。

根據本發明的實施方式的另一特徵，PRLG包括與第二光導部的一組部分反射表面平行的至少一個部分反射內表面。

根據本發明的實施方式的另一特徵，至少一個部分反射內表面包括對於至少一個入射角範圍具有大於10%的反射率的表面，該表面位於遠離耦入佈置的PRLG的長度的三分之一中。

根據本發明的實施方式的另一特徵，至少一個部分反射內表面包括對於至少一個入射角範圍具有小於10%的反射率的表面，該表面位於靠近耦入佈置的PRLG的長度的三分之一中。

根據本發明的實施方式的另一特徵，PRLG的第三主表面塗覆有反射塗層，以支持以透明材料在空氣中的臨界角以下的入射角進行的反射。

根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種用於將與來自圖像投影儀的圖像對應的光束朝向使用者引導以供觀看的光學系統，該光學系統包括以下部件，使得來自圖像投影儀的通過四重內反射在PRLG內傳播的光束通過部分反射塗層從PRLG逐漸發出並進入第二光導部，通過衍射光學元件重定向以在第三光導部內傳播，並且通過耦出構造從第三光引導部朝向使用者耦出：(a)部分內反射矩形光導(PRLG)，其由透明材料形成並且具有相互平行的第一主表面和第二主表面、與第一主表面和第二主表面垂直的第三主表面以及與第三主表面平行的第四主表面，第一主表面、第二主表面和第三主表面支持入射角範圍內的內反射，第四主表面的至少一部分設置有非衍射的部分反射塗層；(b)第二光導部，其具有用於通過內反射傳送光束的一對相互平行的主表面，第二光導部光學耦合到部分反射塗層的區域的至少一部分，第二光導部設置有衍射光學元件，該衍射光學元件被佈置成使在第二光導部內傳播的光束偏轉；(c)第三光導部，其形成為第二光導部的延續部分或與第二光導部相鄰，第三光導部包括耦出構造，該耦出構造被佈置成用於將通過內反射在第三光導部內傳播的光束耦出，以朝向使用者引導光束；以及(d)耦入佈置，其用於將與來自圖像投影儀的準直圖像對應的光束耦入到PRLG中，以通過在第一主表面、第二主表面、第三主表面和第四主表面處的四重內反射在PRLG內傳播。

根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種用於將與來自圖像投影儀的圖像對應的光束朝向使用者引導以供觀看的光學系統，該光學系統包括以下部件，使得來自圖像投影儀的通過四重內反射在PRLG內傳播的光束以大於臨界角的入射角入射到第四主表面上，通過部分反射塗層從PRLG逐漸發出並進入第二光導，通過在一組部分反射表面處的反射而被復位向，以便以小於臨界角的入射角入射到第四主表面上，橫過PRLG並穿過第三主表面以進入第三光導，通過內反射在第三光導內傳播，並通過耦出構造從第三光導朝向使用者耦出：(a)部分內反射矩形光導(PRLG)，其由透明材料形成並且具有相互平行的第一主表面和第二主表面、與第一主表面和第二主表面垂直的第三主表面以及與第三主表面平行的第四主表面，第一主表面、第二主表面和第三主表面支持臨界角以上的入射角的內反射，至少第三主表面對於小於臨界角的入射角是透射的，第四主表面的至少一部分設置有部分反射塗層，該部分反射塗層對於大於臨界角的入射角是部分反射的，並且對於小於臨界角的入射角是透明的；(b)第二光導，其具有用於通過內反射傳送光束的一對相互平行的主表面，第二光導光學耦合到第四主表面的部分反射塗層的區域的至少一部分，第二光導包含位於一對主表面之間且與該對主表面不平行的一組平面的、相互平行的、部分反射的表面；(c)與第三主表面相鄰的第三光導，第三光導包括耦出構造，該耦出構造被佈置成用於將通過內反射在第三光導內傳播的光束耦出，以將光束朝向使用者引導；以及(d)耦入佈置，其用於將與來自圖像投影儀的準直圖像對應的光束耦入到PRLG中，以通過在第一主表面、第二主表面、第三主表面和第四主表面處的四重內反射在PRLG內傳播。

根據本發明的實施方式的另一特徵，第二光導的一對主表面垂直於PRLG的第四主表面。

根據本發明的實施方式的另一特徵，第二光導還包括與第四主表面平行的附加主表面，該附加主表面支援以大於臨界角的入射角對光束的內反射。

10,311:部分內反射矩形光導(PRLG)

100:棱鏡/耦入佈置

110:光學耦入構造/衍射元件

12,219,22a,22b,22c,22d,225,266,28,31,33,330,40:面

122:耦出構造

130:偏振旋轉元件

2:眼睛

20:第三光導部/光導

200a,200b:圓/光導

202,204,231:圓

206,208,237,239,341,342:線

210:對角線

221:第二光導

222a,222b:角度

223:光導

22a,22b:主表面

230:面/塗層

232:面/部分反射器

233:角譜

260,262,264,270,272,274:部分

28:面/部分反射器

29:衍射元件

30:第二光導部/矩形光導

300:近眼顯示器/顯示器

30R:矩形光導/第二光導部

310:矩形光導

311:矩形光導元件

312:光導光學元件(LOE)/部分內反射矩形光導(PRLG)

314:圖像投影儀/TIR表面

32:面/頂部反射器

320:光導光學元件(LOE)/側部

321:光導部分/光導部

322:控制器/部分

323:光導部分

331:平行反射器

34:面/頂部反射器/塗層

340:塗層/表面

350,352,354:位置

36:保護蓋

38:部分反射器

400:表面光柵

60:圖像/光束

62a,62b,62c,62d,63a,63b,64a,64b,66,a1,a2,a3,a4,b1,b2,c:圖像

A-A:線/截面

D,63a,63b:光路

L:長度

X,Y:方向/軸

在本文中參照圖式僅通過示例的方式描述了本發明，在圖式中：

圖1是包括根據本發明的實施方式構造和操作的光學系統的顯示裝置的示意性等距視圖，該光學系統採用用於將與來自圖像投影儀的圖像對應的光束朝向使用者引導以供觀看的部分內反射矩形光導(PRLG)；

圖2A是圖1的光學系統的第一實施方式的示意性正視圖；

圖2B是沿圖2A中的線A-A截取的截面圖；

圖3和圖4是與圖2A類似的視圖，示出了圖2A的實施方式的變型實現方式；

圖5是圖2A的光學系統的示意性等距視圖；

圖6是與圖5類似的視圖，示出了PRLG內併入內部分束器；

圖7是與圖5類似的視圖，示出了PRLG相對於光學系統的其他光導部傾斜的實現方式；

圖8A和圖8B分別是與圖2A和圖2B類似的視圖，示出了光學系統的第二光導部被實現為矩形光導的變型實現方式；

圖9A和圖9B分別是圖1的光學系統的替選實施方式的正視圖和側視圖；

圖10A和圖10B分別是與圖9A和圖9B類似的視圖，其採用用於耦入佈置和耦出構造的衍射光學元件；

圖11A至圖11C是對於第二光導部中的一組部分反射表面與光導的主表面正交的情況，準直圖像通過圖9A和圖9B的光學系統進行的傳播的各個階段的角度符號的示意性表示；

圖12A至圖12C是對於其中第二光導部中的一組部分反射表面相對於光導的主表面傾斜地定向的情況，準直圖像通過圖9A和圖9B的光學系統進行的傳播的各個階段的角度符號的示意性表示；

圖13A和圖13B是分別與由圖9A和圖9B的光學系統顯示的圖像的右上角和左下角對應的光線的示意性等距光線圖；

圖14是與圖9A類似的視圖，示出了變型實現方式並詳述偏振管理方案；

圖15A至圖15F是與圖9B類似並示出光學系統的變型實現方式的示意性側視圖；

圖16A是與圖9A類似的視圖，示出了光學系統的第二光導部被實現為矩形光導的變型實施方式；

圖16B和圖16C是根據兩種變型實現方式的圖16A的光學系統的側視圖；

圖16D是示出根據沿圖16A中的光導的距離的在PRLG與第二光導部之間的相對光強度的示意圖；

圖17A和圖17B分別是圖1的光學系統的另一替選實施方式的正視圖和側視圖；

圖17C是圖17A和圖17B的光學系統中的PRLG與第二光導之間的表面的塗層的根據入射角(相對於該表面的法線)的反射率的示意圖；

圖18A、圖18B1、圖18B2和圖18C是準直圖像通過圖17A和圖17B的光學系統進行的傳播的各個階段的角度符號的示意性表示，其中圖18B1和圖18B2分別描繪了第二光導部中的一組部分反射表面與光導的主表面正交或相對於光導的主表面傾斜的情況；

圖19是與圖17A類似的示意性正視圖，示出了顯示器的視場的連續性的幾何要求；

圖20和圖21是與圖17A類似的示意性正視圖，示出了分別使用部分反射表面的非交疊和交疊佈置在第二光導中沿彎曲輪廓佈置部分反射表面；

圖22是與圖17A類似的視圖，示出了光學系統的第二光導被實現為矩形光導的變型實施方式；

圖23A是與圖17A類似的正視圖，示出了在PRLG內有限使用內部部分反射表面的變型實施方式；

圖23B是與圖9A類似的正視圖，示出了在PRLG內有限使用內部部分反射表面的變型實施方式；

圖24A是採用矩形光導的用於二維光學孔徑擴展的光學系統的示意性正視圖，該矩形光導跨光導的寬度的第一部分延伸，並且在該矩形光導中光從矩形光導的端部射出進入到板光導中；

圖24B是採用與圖2A類似的PRLG的用於二維光學孔徑擴展的光學系統的示意性正視圖；

圖24C是採用來自圖24A和圖24B的特徵的組合的用於二維光學孔徑擴展的光學系統的示意性正視圖；

圖25和圖26是分別與圖11A和圖12A對應的角度符號的示意性表示，其示出了可以通過使用施加至PRLG的反射塗層傳播通過系統的具有放大的角尺寸的圖像；以及

圖27A和圖27B是分別與圖10A和圖10B類似的視圖，其示出了其中第二光導部的部分反射表面由衍射光學元件代替的另一實施方式。

參照圖式和隨附描述，可以更好地理解根據本發明的光學系統的原理和操作。

通過介紹的方式，本發明的一方面提供了用於將與來自圖像投影儀的圖像對應的光束朝向使用者引導以供觀看的光學系統，該光學系統包括部分內反射矩形光導(PRLG)。圖1是採用每個均根據本發明的實施方式的兩個光學系統以向使用者的眼睛提供雙目顯示器的近眼顯示器300的示意性概況。在每個光學系統中，僅示意性地示出了PRLG 10、第二光導部30和第三光導部20，它們如同組合在以面向每個眼睛的關係佈置的公共光導光學元件312中。在各種實現方式中，PRLG 10以及還有可能的第二光導部30實際上可以併入到處於使用者的眼睛的觀看區域之外的殼體中。本文中參照圖2A至圖26討論這些元件的各種實現方式的細節。

從概念上講，PRLG是矩形光導，其在光導的一個主表面上採用部分反射器，以允許在光沿光導的長度傳播時逐漸發出(“洩漏”)光束，而不是依賴於嵌入小平面將圖像光束耦出。發出的光束的方向是內部光束路徑的延續，光束沿內部光束路徑入射到部分反射的主表面上(由於材料的折射率的差異而經受任何折射偏轉，但沒有衍射)。在相鄰的光導中提供了一組補充的嵌入部分反射表面，以將發出的光復位向，以在光導或相鄰的光導內朝向耦出佈置傳播，該耦出佈置將圖像光束朝向使用者引導以供觀看。

因此，如在圖2A和圖2B中所看到的，PRLG 10由透明材料形成並且具有相互平行的第一主表面31和第二主表面33、以及與第一主表面和第二主表面垂直的第三主表面32，其中，第一主表面、第二主表面和第三主表面例如通過全內反射(Total Internal Reflection，TIR)或通過提供反射塗層來支援入射角範圍內的內反射。矩形截面形狀由與第三主表面32平行的第四主表面34完成。第四主表面34的至少一部分以及優選的全部設置有非衍射、部分反射塗層。具有一對相互平行的主表面22a和22b用於通過內反射傳送光束的第二光導部30光學耦合到PRLG 10的第四主表面34上的部分反射塗層的區域的至少一部分以及優選的全部。第二光導部30包含平面的、相互平行的、部分反射的一組表面12，該組表面12位於一對主表面22a和主表面22b之間並且與該對主表面不平行。這些嵌入部分反射表面在下面的圖5至圖7中以等距視圖示意性地示出，並且在正視圖中的其他地方被表示為線。形成為第二光導部 30的延續部分或與第二光導部30相鄰的第三光導部20包括耦出構造，該耦出構造被佈置成用於將通過內反射在第三光導部內傳播的光束耦出，以將光束朝向使用者引導。耦入佈置將與來自圖像投影儀314的準直圖像對應的光束耦合到PRLG 10中，以通過在第一主表面、第二主表面、第三主表面和第四主表面處的四重內反射在PRLG內傳播。

由於該結構，來自圖像投影儀314的通過PRLG 10內的四重內反射傳播的光束通過部分反射塗層從PRLG逐漸發出並進入第二光導部30，在第二光導部30中，光束通過在該組部分反射表面12處的反射而復位向，以在第三光導部20內傳播，並且然後通過耦出構造從第三光導部朝向使用者耦出。

與採用矩形光導的常規光學孔徑擴展佈置相比，這種採用以下PRLG的方法提供了顯著優點，該PRLG具有部分反射的一個面，其同與PRLG相鄰的光導中的一組部分反射表面組合，以用於將圖像的光束朝向耦出構造復位向。例如，參考前述第10133070號美國專利(“'070專利”)中公開的設計，該美國專利中描述的矩形光導完全依賴於嵌入部分反射表面來將圖像的光束耦出。在一方面對裝置的進一步小型化的需求以及在另一方面對低成本的大規模生產製造工藝的需求的組合，對這樣的設計提出了挑戰。'070專利的光導必須通過以下操作來構造：切割塗覆有部分反射塗層的薄板的堆疊並對其進行拋光，同時使切割邊緣處的散射缺陷最小化並維持部分反射塗層和矩形光導的側面的高精度平行。相比之下，PRLG可以在很大程度上或完全沒有嵌入的小平面，從而允許PRLG被單獨地或通過從黏合板的堆疊中切割結構而製造為簡單的矩形玻璃塊，如下文進一步討論的，所有這些都可以相對便宜且高精度地完成。同時，使用矩形光導外部的一組部分反射表面使光束朝向耦出構造偏轉，使系統免於幾何限制，否則該幾何限制將由PRLG的使用引起。PRLG和該組部分反射表面一起實現光學孔徑擴展的第一維度，而耦出構造實現光學孔徑擴展的第二維度。

如大多數圖式中所示的耦出構造被實現為第二組相互平行的部分反射內表面28，該部分反射內表面28被佈置在第三光導部20內，並且相對於第三光導部的主表面傾斜，以將離開光導的圖像的光束朝向使用者的眼睛復位向。以下參照圖10A和圖10B例示的替選實現方式採用被實現為與第三光導部相關聯的衍射光學元件的耦出構造。

與本發明的裝置一起採用的圖像投影儀314優選地被構造成生成準直圖像，即，在該準直圖像中每個圖像像素的光是具有與像素位置對應的角方向的準直到無限遠的平行光束。因此，圖像照明跨越與二維角視場對應的角度範圍。代表性的傳播方向被視為與圖像的“主光線”(中心像素)對應的中心方向。

圖像投影儀314包括至少一個光源，該至少一個光源通常被佈置成照射諸如矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)晶片的空間光調製器。空間光調製器調製圖像的每個像素的投影強度，從而生成圖像。替選地，圖像投影儀可以包括通常使用一個或更多個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明，同時在逐像素的基礎上隨著運動同步地改變光束的強度，從而針對每個像素投影期望的強度。另一種可能性是使用有源光生成圖像源(例如，微型LED陣列)。在所有以上情況下，提供準直光學器件以生成被準直到無限遠的輸出投影圖像。如本領域中已知的，以上部件中的一些或全部可以被佈置在一個或更多個偏振分束器(Polarizing Beam-Splitter，PBS)立方體或其他棱鏡佈置的表面上。

圖像投影儀314到PRLG 10的光學耦合可以通過任何合適的光學耦合來實現，例如經由具有成斜角的輸入表面的耦合棱鏡、或者經由反射耦合佈置、經由LOE的主外表面之一和/或側邊緣來實現。替選地，特別地在耦出構造是衍射的情況下，可以使用衍射光學元件(Diffractive Optical Element，DOE)將圖像耦合到基板中，以消除色散。除在下面的某些示例中指定耦入構造的細節對於本發明是關鍵的之外，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300包括各種附加部件，通常包括用於致動圖像投影儀314的控制器322，該控制器322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。控制器322包括用於驅動圖像投影儀的所有必要的電子部件(例如，至少一個處理器或處理電路)，所有這些都是本領域已知的。

顯示器300優選地相對於使用者的頭部被支承，其中每個LOE 312面向使用者的對應眼睛。在如此處所示的一個特別優選的選項中，將支承佈置實現為眼鏡框架，該眼鏡框架具有用於相對於使用者的耳朵來支承該裝置的側部320。也可以使用其他形式的支承佈置，包括但不限於頭帶、面罩或懸掛在頭盔上的裝置。

現在轉向本發明的光學系統的具體但非限制性的示例性實現方式，圖2A至圖8B中示出了第一組實現方式，在該第一組實現方式中，光束從PRLG 10發出直到被該組部分反射表面12之一重定向的光路D的最大長度比PRLG 10沿與第一主表面31與第三主表面32之間的相交線平行的方向的長度L長。在這種情況下，PRLG 10比期望的水平孔徑擴展短。(本文檔中的術語“水平”和“垂直”直觀地用於指圖式中所示的取向，同時應理解，可以根據裝置的所需形狀因素的設計考慮而任意選擇整個結構的取向)。因此，該結構可以被認為是三級孔徑擴展。第一級是PRLG 10。來自圖像投影儀314的光束作為來自第一主表面31和第二主表面33、第三主表面32和部分反射的第四主表面34的四重反射耦合到PRLG 10中。當光束沿PRLG 10傳播時，反射光束中的兩個反射光束的光強度的一部分穿過表面34，如截面A-A所示的那樣，“洩漏”到第二光導部30中，而光的其餘部分繼續沿PRLG 10傳播。這導致垂直孔徑擴展，使得進入第二光導部30的輸入顯著寬於圖像投影儀314的輸出孔徑。當光束通過兩重內反射沿第二光導部30傳播時，光束被部分反射表面12逐漸部分反射，這將光束復位向成向下傳播(如所示出的那樣)，同時在水平方向上擴展光束的有效孔徑。然後，光束向下傳播，從第二光導部30進入第三光導部20。然後，光束通過耦出構造122逐漸耦出，該耦出構造122被實現為一組相互平行的部分反射表面28，其使離開光導的光束逐漸朝向使用者的眼睛(未示出)偏轉。

PRLG 10優選地是窄的，這便於使用具有小輸出光學孔徑的高度緊湊的圖像投影儀314。

在此處所示的優選實現方式中，PRLG 10的第一主表面31和第二主表面33與第二光導部30的外部平行面22a和外部平行面22b共面，而第三主表面32和第四主表面34與外部平行面22a和外部平行面22b垂直。優選地，為了易於製造，表面32和表面34也被實現為平行於嵌入的部分反射表面12。這允許表面32和表面34被製造為塗覆板，並且與用於形成表面12的附加塗覆板堆疊，隨後對堆疊進行切割和拋光，使得可以使用單個製造工藝來同時形成PRLG 10和第二光導部30。

優選地，注入PRLG 10中的光相對於第四表面34是S偏振的，從而匹配針對小平面12的優選偏振，並維持沿光導部30的偏振取向。

保護蓋36可以有利地設置在表面32上，以保護表面32的結構完整性。保護蓋36可以是低折射率材料，以保持表面32的全內反射(TIR)條件。替選地，表面32的反射率可以由反射塗層(例如，金屬塗層)提供，從而使裝置對保護蓋的折射率不敏感。

第四主表面34的部分反射率可以由金屬塗層提供，使第四主表面34對入射角相對不敏感。替選地，可以通過使第四主表面34的反射率取決於光束的入射角來將第四主表面34的角反射率設置成對於不同角度分佈的光束具有不同的孔徑擴展。根據沿PRLG的所需透射率位置，考慮兩個相反的參數來優化角透射率(與反射率互補)，以到達觀看位置(眼動箱)。高透射率使得能夠在期望的位置處進行有效的輸出耦合，但也可能在所需的位置之前使太多的光耦出。通過優化這兩個考慮因素來實現最大的總效率。優選地，該優化被執行到沿PRLG的存在最低功率的最遠點。如本領域中已知的，可以使用多層電介質塗層來實現具有給定期望相關性的角度相關反射率，該多層電介質塗層具有使用標準軟體工具設計的層厚度。

儘管此處示出了表面32和表面34平行於部分反射表面12的實現方式，但PRLG 10可以與第二光導部30分開生產，在這種情況下，PRLG 10可以具有與表面12不同的取向(如下面參照圖24B所示)。

圖3與圖2A類似，具有類似地標記的等效特徵。圖3示出了圖像投影儀314可以以不同的角度定向，但仍然在光導中產生相同的傳播角。在使用耦合棱鏡(未詳細示出，但隱含在所示的結構中)的情況下，棱鏡可以施加於前或後(第一或第二)主表面(表面31或表面33)。替選地，耦合棱鏡可以在反射塗層設置有開口的區域中施加至表面32(或保護蓋36)。

圖4與圖3類似，但示出了PRLG 10與第二光導部30之間的介面的長度可以根據每個設計的需要而改變。這通過表面34的反射率來控制，其中較低的反射率和較高的透射率將使發生有效孔徑擴展的區域的長度更短。在該圖示中，根據需要哪些小平面的區域來提供到達‘‘眼動盒，，的視場的部分，來可選擇性地佈置小平面12，從該眼動盒觀看圖像。在所有其他方面，圖3和圖4在結構和功能上等同於上述圖2A和圖2B。

圖5是與來自圖2A和圖2B的實施方式的光導佈置對應的等距視圖。圖6是類似的視圖，但附加地示出了放置在PRLG 10內的與表面31和33平行的縱向部分反射器38，以進一步改進垂直孔徑擴展並實現較小的投影光學器件。部分反射器38或其他類似的反射器也可以被引入光導中的其他位置。

圖7示出了另一選項，根據該選項，此處標記為10T的PRLG傾斜，使得從表面34射出的兩組光束中僅一組光束進入第二光導部30。此處，同樣地，也可以提供與部分反射器38類似但位於第二光導部30內的內部部分反射器(未示出)，以確保用投影圖像填充光導。

圖8A和圖8B示出了圖3的實施方式的變型，其中第二光導部本身被實現為矩形光導30R。因此，如圖8B中的箭頭示意性示出的，除了第一對相互平行的主表面22a和主表面22b之外，第二光導部30R還具有與主表面22a、主表面22b垂直的第二對相互平行的主表面22c和主表面22d，使得第二光導部30R通過四重內反射傳送光束。在這種情況下，該組部分反射表面12將來自第二光導部30R的光束耦出，並將光束引導到第三光導部20中，在該第三光導部20中，光束通過兩重內反射傳播，並通過嵌入的部分反射器28耦出(如之前所述)。為了支持表面22d處的內反射，優選地在第二光導部30R與第三光導部20之間插入小的氣隙或低折射率黏合劑層。替選地，可以將多層電介質塗層施加至表面22d，其被設計成模擬TIR行為。

附帶地，如參照圖8B的側視圖最佳地理解但是與本文中描述的多個實施方式相關的，對於在第三光導部20內通過二重內反射傳播的圖像之一優選地選擇性地發生使圖像的光束通過部分反射表面28耦出，而表面28優選地對於第二圖像的光束基本上是透明的，否則第二圖像的光束會形成不想要的“重影”圖像。這樣的角度選擇性反射率是通過使用標準軟體工具設計並使用標準塗層技術實現的適當多層電介質塗層實現的，所有這些在本領域中都是已知的。

現在轉向圖9A至圖16D中所示的另一組實現方式，這些實現方式涉及其中PRLG 10的延伸方向顯著地與朝向耦出構造傳播的圖像的主光線的方向不平行的光學系統。與之前提及的“長度”相似，PRLG 10的延伸方向被認為是由(例如)第一主表面31與第三主表面32之間的相交線限定，而圖像的主光線是與通過第三光導到耦出構造的路徑中的圖像的中心像素對應的光束的方向。在該組實現方式中，延伸方向顯著地不平行於該主光線，這意味著延伸方向與主光線形成至少60度以及更優選地至少70度的角度，某些特別優選的實現方式是基本上正交的，這意味著在90±10度的範圍內(如此處所示出的)。作為替選限定，特別是在基於部分反射小平面的耦出構造的情況下，PRLG 10的延伸方向可以與耦出小平面28的延伸方向基本上平行(±20度，以及在一些情況下為±10度)。PRLG 10的該取向使得該架構與前述'070專利的架構更加相似，但具有如上所述不依賴於嵌入的反射器的矩形光導的優點。代替嵌入反射器，第二光導部30中的一組部分反射表面12位元於矩形光導的外部，從而放鬆了特定於具有嵌入反射器的矩形光導的對精度的許多嚴格要求。

在這種情況下，與先前描述的實施方式相比，從離開PRLG 10到光束被部分反射表面12偏轉的最遠點的光路的長度相對較短。在一些情況下，光束從PRLG發出直到被一組部分反射表面中的一個部分反射表面重定向的光路D的最大長度短於PRLG 10沿與第一主表面31和第三主表面32之間的相交線平行的方向的長度L。

現在具體地參照圖9A和圖9B，如之前所述，PRLG 10在此處被限定為外部平行的面31和面33、頂部反射器32和底部部分反射器34(以上分別被稱為第一表面、第二表面、第三表面和第四表面)。部分反射表面34與第二光導部30和第三光導部20光學耦合，第二光導部30和第三光導部20優選地集成到單個光導光學元件(Light-Guide Optical Element，LOE)312中。此處示出為耦合棱鏡100的光學耦入構造將圖像60耦合到PRLG 10中。

在所示的實施方式中，LOE 312是具有一對平行的面22a、面22b的薄板型波導，該對平行的面22a、面22b有利地分別與表面31和33表面共面。第二光導部30中的一組相互平行的部分反射表面12用作光復位元向裝置，其將耦合到第二光導部30中的光朝向耦出構造復位向(偏轉)，該耦出構造此處被實現為第三光導部20中的附加的一組部分反射內表面(或“小平面”)28。

第二光導部30和第三光導部20可以是非交疊區域，使得第三光導部20佔據LOE 312的未被第二光導部30佔據的下部部分(如所示出的)。替選地，在某些實施方式中，兩個部即第二光導部30和第三光導部20可以部分地交疊(沿“Y”方向)。

部分反射表面12不平行於耦出部分反射表面28。具體地，耦出部分反射表面28斜向傾斜於主表面22a、主表面22b，以執行將在LOE 312內傳播的光耦出，而部分反射表面12在許多實現方式中與主表面22a、主表面22b正交。此外，由每個表面的平面與主表面22a、主表面22b之一的相交線限定的小平面12和小平面28的延伸方向也是非平行的，其中，小平面12的取向被選擇為使從PRLG 10發出的光束向下(沿“Y”軸)朝向小平面28並且通常大致垂直於小平面28的延伸方向偏轉。

小平面12和小平面28的構造使得，在部分反射表面34將通過四重內反射(由主光線光路示意性地表示的4個圖像即圖像62a、圖像62b、圖像62c、圖像62d)在PRLG 10內傳播的圖像耦合到LOE 312中時，所耦入的圖像通過在主表面22a、主表面22b處在第一引導方向上的內反射(光路63a、光路63b)在第二光導部30內傳播，其中一定比例強度的圖像在小平面12處反射(偏轉)，以在第二引導方向上朝向第三光導部20復位向，並且通過在主表面22a、主表面22b處的內反射(圖像64a、圖像64b)在LOE 312內傳播，其中一定比例強度的圖像在部分反射表面28處反射(偏轉)，以從平行的主表面22a之一向外引導，成為由觀看者的眼睛2看到的可見圖像66。第一引導方向通常傾斜於PRLG 10的延伸方向(即，傾斜於表面34)。

圖10A和圖10B示出了與圖9A和圖9B所示的實施方式類似的實施方式，不同之處在於此處使用衍射元件來實現耦入佈置和耦出構造。特別地，佈置在PRLG 10的表面之一上的呈衍射元件(例如，衍射光柵)的形式的光學耦入構造110用於將圖像60耦合到PRLG中。耦入衍射元件被示出為與側面相關聯地佈置，以適應光學圖像生成器在光學孔徑倍增器的背側處的優選但非限制性的佈置。輸出耦合器也是衍射元件29，其將圖像66的光束朝向眼睛2耦出。兩個衍射元件即衍射元件110和衍射元件29的組合使得能夠消除由衍射過程引起的色散(在考慮到由小平面12引入的旋轉之後)。

在替選實施方式中，可以附加地或替選地使用衍射光學元件來實現第二光導部30的光束復位向佈置。在這種情況下，通常通過確保每個輸出光束平行於輸入到第一衍射光學元件中的對應光束來實現消除由衍射元件引入的色差。圖27A和圖27B示出了圖10A和圖10B的這樣的變型。在這種情況下，第二光導部30使用諸如所示出的表面光柵400或嵌入光柵等衍射光學元件(Diffractive Optical Element，DOE)，使通過部分反射表面34出射的光束轉向。如通常實踐中那樣，通過保證入射光束取向平行於出射光束來補償色散。通過在第二光導部30中(即，不與PRLG 10的任何表面相關聯地)實施DOE，PRLG 10的結構保持盡可能簡單，從而提供與關於以上描述的反射實現方式描述的優點類似的可製造性和圖像品質優點。

圖11A至圖11C示意性地在扁平角空間中描述了圖9A和圖9B中所示的光束傳播(使用另外在前述'070專利中詳細說明的表示)。圓200a和200b分別表示主表面22a和主表面22b的TIR角度，其中，落在圓內的角度對應於將通過這些表面逸出的光線方向。圓202表示表面32的TIR角度，而虛線圓204表示部分反射器34的部分透射區域。四重圖像被標記為圖像a1、圖像a2、圖像a3和圖像a4(相當於以上的圖像62a至圖像62d)。圖11A描述了PRLG 10內部的分佈。此處，僅圖像a3和圖像a4在圓204內，使得它們能量的一部分被傳遞至LOE 320。

圖11B示出了第二光導部30中的角分佈。此處，線206表示與面主表面22a和主表面22b垂直的小平面12的角度。這些小平面在標記為圖像b1和圖像b2(相當於圖像64a、圖像64b)的不同傳播方向上反射圖像a3和圖像a4(相當於圖像63a、圖像63b)。

圖11C示出了第三光導部20內的角分佈，其中小平面28(有角度地表示為線208)將圖像b2或圖像b1反射出光導成為圖像c(相當於圖像66)。

在替選實現方式中，如圖12A至圖12C的角空間中所描述的，小平面12可以傾斜於外表面22a、外表面22b定向(並且不平行於小平面28)。在圖12A中，該分佈相當於圖11A，不同之處在於此處圖像的取向是傾斜的，使得最終輸出圖像是直的。

在圖12B中，傾斜小平面12的取向被示出為對角線210。該小平面僅將圖像a3(相當於圖像63a或圖像63b)反射到圖像b1(相當於圖像64a或圖像63a)上。圖像b1在LOE 312內的傳播也生成其共軛圖像b2(因此圖像64a和圖像64b共存)。傾斜小平面12的塗層應當被優化為在與圖像a4和圖像b2的光線對應的入射角處也是透明的(最小反射)，以防止光在不期望的方向上的損失(重影)。這樣的傾斜小平面的優點是它們對光偏振進行加擾，從而減少了不均勻性，並且這樣的小平面的生產不需要嚴格的角公差。

在以上構造中，在小平面12反射向下傳播的圖像或從PRLG逸出的圖像的情況下，以最陡角度(即，相對於表面34的法線的小“入射角”)傳播到表面34的光線對應於圖像場中的更靠近圖像投影儀的一部分，而以較淺角度(即，相對於表面34的法線的較大“入射角”)傳播的光線對應於圖像場中的距圖像投影儀最遠的一部分。這是有利的，因為具有最長傳播路徑的光線在光導內經歷相對較少的內反射，並且因此不容易受到由於光導中的任何缺陷而導致的圖像劣化的影響。

圖13A和圖13B示出了從耦合棱鏡100到眼睛2的光線跟蹤。為了清晰呈現，每個圖中的一條特定光線被強調為粗線，並且其反射點用箭頭突出顯示。如此處所看到的，傳播最遠的光束(圖13B)以最淺的角度傳播(儘管具有較長的傳播距離，但經歷與較陡的光束類似數量的反射)，並且因此減少了功率損失和/或圖像劣化。

圖14相當於圖9，增加了光束之一的偏振的示意性描述。照明光束60在此處被示出為S偏振(圓表示垂直於圖式的平面的偏振向量)。平面34上的塗層便於針對該偏振的設計(因為這避免了需要解決布魯斯特角下的固有100%透射)。當光束沿PRLG 10傳播時，它通常保持其偏振取向與光導的對稱性一致。該光束隨後照射到垂直小平面12(如圖9和圖11中所顯示的)上，該光束將具有相對於這些小平面的塗層的最佳取向(S偏振)。在某些優選實施方式中，可以在第二光導部30之後引入偏振旋轉元件(半波片)130(或消偏振器)，使得這些光束將旋轉取向(如雙頭箭頭所示)，從而以相對於這些小平面的S偏振照射在小平面28(其相對於小平面12旋轉)上。

在小平面12傾斜於LOE表面(如圖12所示)的情況下，可以不需要偏振旋轉元件130，或者可以有利地用消偏振器替換偏振旋轉元件130。

圖14還示出了一種選擇，根據該選擇，第二光導部30(小平面12位於其中)相對於PRLG 10的延伸方向“傾斜，”以通過減少相繼小平面的相互遮蔽來改善對從PRLG 10射出的光束的收集。取決於光束角度，其他構造也是可能的。

圖9B中的LOE側視圖示出PRLG 10、第二光導部30和第三光導部20，它們全部一個垂直地堆疊在另一個的頂部上並且優選地具有共面(共用)外表面。在許多情況下，由於設計的簡單性和製造過程的優點，該選擇可以是優選的，其中用於多個這樣的產品的相關部件可以單獨地生產，組合為堆疊，並且然後切片和拋光以由單個堆疊形成多個光學系統。然而，該系統不限於這樣的設計。圖15A至圖15F示意性地示出了其中角度和/或尺寸可以在各個部件之間變化的若干替選實現方式。

圖15A示出了PRLG 10相對於第二光導部30傾斜的替選方案。在這種情況下，僅將一個圖像(圖11A至圖11C的圖像a3或圖像a4)耦合到第二光導部30中。

在圖15B中，在第二光導部與第三光導部之間引入傾斜，使得在第二光導部30內傳播的僅一個圖像b1或圖像b2從第二光導部30耦合到第三光導部20中。

在圖15C中，PRLG 10通過第二光導部30的主表面之一耦合到第二光導部30中。該實現方式可以僅採用來自PRLG 10的一個發出圖像，或者可以通過實現具有鏡表面的第二光導部30的頂邊緣來恢復第二圖像。

在圖15D中，PRLG 10比其他部分寬。該佈置是可能的，同時要考慮到在下部面處耦出的光中的一些可能會丟失(如箭頭所示)，除非底部面的懸突區域具有反射塗層或者滿足TIR的條件，而與第二光導部30耦合的區域利用如先前描述的部分反射塗層來實現。圖15E示出了第二光導部30可以比第三光導部20寬。此處，同樣地，過大的寬度也可能引起光損失(如箭頭所示)。

圖15F示出了PRLG 10比第二光導部30窄的情況(這可以替選地是第二光導部30與第三光導部20之間的厚度的增加)。在這種情況下，優選的是，引入縱向部分反射器38(如以上參照圖6所描述的)，其充當分束器(由箭頭示出)，從而說明增強圖像光束在第三光導部20內的均勻性。

本文中描述的任何和所有構造(上文和下文)也可以適用於平視顯示器以及近眼顯示器。

現在轉至圖16，圖16示出了與圖9的光學系統類似的光學系統，但其中在第二光導部30下方添加了支持全內反射(TIR)的表面或塗層340，使得第二光導部30本身成為支持通過四重內反射進行的傳播的矩形光導。因此，透射通過部分反射表面12並且否則會在對輸出圖像沒有貢獻的方向上損失的光替代地通過內反射重新利用，直到該光到達附加表面12。

在圖16A的正視圖中，具有窄光學孔徑的圖像投影儀314將與準直圖像對應的光束注入到PRLG 10(相當於圖9的PRLG 10)中。光束通過四重內反射在該光導中傳播，通過TIR或反射塗層從頂表面和側表面反射，同時通過表面34(相當於圖9中的表面34)部分透射和反射。由於TIR表面340的存在，第二光導部30還用作通過四重內反射引導光束的矩形光導，其中側面通過TIR進行反射，頂表面34通過部分反射進行反射，以及底表面340通過TIR進行反射。

光束以相等的角度入射在表面/塗層34和340上，因此它們各自的塗層和光導部的材料選擇必須使得執行塗層340處的TIR和部分反射34。TIR最簡單地通過使用低折射率黏合劑層或其他低折射率材料來維持。如以上所討論的，優選地使用多層介電塗層來實現部分反射表面34的塗層。

圖16B示出了其中PRLG 10具有與矩形光導30相同的寬度的第一實現方式的側視圖，而圖16C示出了其中PRLG 10比矩形光導30窄的替選實現方式。在此第二種情況下，可以與PRLG 10相鄰地添加附加的矩形光導元件311，在它們之間具有部分反射器，使得來自PRLG 10的光可以直接耦合至矩形光導30，或者間接地，首先耦合至附加的矩形光導元件311，並且然後耦合至矩形光導30。

圖16D示意性地示出了沿PRLG 10(線341)和沿矩形光導30(線342)的強度分佈的示例性曲線圖。在光注入之後，最大功率最初包含在PRLG 10內，並且在矩形光導30中沒有功率(在圖16A以及圖16D的曲線圖中標記為位置350的位置處)。光導之間的耦合(通過表面34)引起強度從PRLG 10到矩形光導30的“擴散”，其如所示出的那樣在標記為位置352的中間位置處行進，並進一步沿光導(標記為位置354的位置)達到近似平衡。在平衡時，強度在PRLG 10和矩形光導30的較大截面面積上擴散，並且由於矩形光導30優選地具有比PRLG 10大的截面面積，因此大部分光能量位於矩形光導30內。不同角度的場將在沿光導的不同距離處實現平衡。

從PRLG 10到矩形光導30的連續“洩漏”生成注入孔徑的有效擴展，因此儘管矩形光導30具有比PRLG 10大的截面，但其被完全照亮。

可選地，塗層34和塗層340中的一個或二者可以是角度地選擇性的，以確保光束根據期望的光學設計和觀看者眼睛位置(未示出)從PRLG 10耦出到矩形光導30並從矩形光導30耦出到第三光導部20。

圖17A至圖22涉及本發明的另一組實施方式，其在概念上類似於圖9A至圖16D的實施方式，但部件的順序被切換。具體地，替代採用插入在PRLG 10與第三光導部20之間的第二光導部，第二光導此處被設置在PRLG 10“上方”，即在第三光導部20的遠側上。

因此，參照圖17A和圖17B，示出了用於將與來自圖像投影儀的圖像對應的光束朝向使用者引導以供觀看的光學系統，該光學系統包括部分內反射矩形光導(Partial-Internal-Reflection Rectangular Light-Guide，PRLG)10，該部分內反射矩形光導由透明材料形成並且具有相互平行的第一主表面31和第二主表面33以及與第一主表面和第二主表面垂直的第三主表面230。第一主表面31、第二主表面33和第三主表面230對於臨界角以上的入射角支持內反射，至少第三主表面對於小於臨界角的入射角是透射的。PRLG 10還具有平行於第三主表面230的第四主表面232。第四主表面232的至少一部分設置有部分反射塗層，該部分反射塗層對於大於臨界角的入射角是部分反射的，並且對於小於臨界角的入射角是透明的。

第二光導221具有用於通過內反射傳送光束的一對相互平行的主表面(如所示的前和後)，該對主表面優選地垂直於第四主表面232。第二光導221光學耦合到第四主表面232的部分反射塗層的區域的至少一部分，並且包含一組平面的、相互平行的、部分反射的表面(或“小平面”)219，該組表面位於一對主表面之間並且不平行於該對主表面。

與第三主表面230相鄰的第三光導部20包括耦出構造122，該耦出構造122被佈置成用於將通過內反射在第三光導內傳播的光束耦出，以將光束朝向使用者引導。耦入佈置100被佈置成將與來自圖像投影儀的準直圖像對應的光束耦合到PRLG 10中，以通過在第一主表面、第二主表面、第三主表面和第四主表面處的四重內反射在PRLG 10內傳播。

來自圖像投影儀的通過PRLG 10內的四重內反射傳播的光束以大於臨界角的入射角入射在第四主表面232上並且通過部分反射塗層從PRLG 逐漸發出，以進入第二光導221，其中，這樣的光束通過在一組部分反射表面219處的反射被復位向，以便以小於臨界角的入射角入射在第四主表面232上。為了清楚起見，向下偏轉的光線在此處被示出為虛線箭頭。偏轉的光波然後穿越PRLG 10並穿過第三主表面230以進入第三光導部20，通過內反射在第三光導內傳播，並通過耦出構造122從第三光導部20朝向使用者耦出。用於標記光線的術語類似於圖9B中的術語。

第四主表面232的塗層可以具有如圖17C所示的角反射率分佈。在大角度(相對於表面的法線)222a處，塗層是部分反射的，而在小角度222b處，塗層是透射的，從而使得反射光能夠穿過表面232並穿越PRLG 10進入第二光導部20中。如以上圖9中所示，耦出構造122可以被實現為一組相互平行的部分反射表面28。

圖18A至圖18C在角空間中示出了與準直圖像對應的光束通過圖17的系統的行進。在圖18A中，塗層230的TIR限制被表示為圓231，並且部分反射器232的角譜被示出為233。如以上的圖11A中所示，圓200a和圓200b表示前表面和後表面的TIR限制。在這種情況下，如圖18B1和圖18B2所示的，圖像a1和圖像a2(由PRLG 10中的四重圖像傳播的四個圖像中的)耦合到第二光導221中。圖18B1示出了小平面219(在角空間中表示為線237)與第二光導221的主表面正交的情況，而圖18B2中的線239表示根據替選實現方式的小平面219，其中，小平面219傾斜於光導表面，在這種情況下，它們使用對圖像a1和圖像b2透明但將圖像a2部分反射到b1上的塗層來實現。圖18C示出了通過小平面28(與圖9B中相似)從光導20耦出，其中小平面28在角空間中由線208表示。

應當注意的是，如以上相對於圖9A和圖9B的圖10A至圖10B和圖27A至圖27B所例示的，圖17A和圖17B的實施方式的變型形式也可以使用衍射光學元件替換耦入佈置、耦出構造和/或小平面219來實現，所有這些都是本領域普通技術人員將理解的。

通過棱鏡100注入的光束是與無限遠處的圖像(準直圖像)對應的各種角度的多個準直光束。圖19示出了為了朝向眼動盒(未示出)的中心連續地照射，小平面219之間的間距應當最佳地變化。距投影儀較近的小平面應當處於緊密間距，而距投影儀較遠的小平面應當間隔開較大距離。虛線箭頭(與不同光束相關聯)示出了小平面角度的邊緣應當交疊以產生均勻的照明(為了清楚起見，未示出所有場在光導10內的傳播)。可變小平面間距的構造適用於本文中公開的所有小平面構造。

圖20示出了(圖19的)第二光導221可以被重塑為彎曲光導223，其中小平面225(相當於小平面219)是平行的並且沿弧線分佈。如圖19中所示，小平面需要以一定的間距分佈，從而在眼動盒上生成均勻的照明(虛線箭頭)。該構造使得較遠的小平面的遮蔽最小，因此功率損失較小，並且照明較好。該構造還提供了通過光導的更清晰的可見性，具有遮擋景物的最少小平面，並且可能是特別令人感興趣的是需要眼鏡透鏡型設計的圓形整體形式因數。

圖21示出了光導223中的“交疊小平面”構造，其中小平面的密度增大到超過在眼動盒(Eye Motion Box,EMB)處提供連續覆蓋所需的密度，使得來自多於一個小平面的反射對到達EMB的每條光線有貢獻。該構造可以提供改進的圖像品質和/或更高的效率，特別是在採用傾斜小平面的設計中(如以上參照圖18B2所描述的)。

現在轉至圖22，根據圖17A的實施方式的另一變型，第二光導221可以具有平行於第四主表面34的附加主表面40，該附加主表面40支援光束在大於臨界角的入射角處的內反射。這使得第二光導221成為矩形光導，其支持通過四重內反射進行的傳播，從而重新利用由部分反射表面219透射的光束並減少能量損失。在所有其他方面，圖22的光學系統的結構和操作類似於圖17A的光學系統。

現在轉至圖23A和圖23B，在迄今為止所示的所有實施方式中，PRLG 10被實現為不具有內反射器，而是依賴於用於耦出光束的部分反射表面34，加上附加的光束復位向佈置(通常是一組小平面12、小平面219或小平面225)以朝向耦出構造引導光束。這種方法具有如以上所討論的各種優點。仍然具有這些優點並且在保持經由部分反射表面34耦出的主要功能的同時，某些優選實現方式可以採用以下PRLG 10，其包括與第二光導部的一組部分反射表面平行的一個或更多個部分反射內表面266(對應於任何以上實施方式中的小平面12、小平面219或小平面225)。即使在這種情況下，PRLG 10的長度的大部分(此處未按比例示出)也可以有利地沒有內反射器。如下文詳述的，在PRLG 10內包括若干小平面可以對實現緊湊的大小和/或提高的功率效率有貢獻。

PRLG 10內的內部小平面(如果存在)優選地分為兩個類別之一。第一類別是朝向PRLG 10的末端定位，即遠離耦入佈置100的PRLG的長度的三分之一中的一個或更多個部分反射表面。在這種情況下，對於至少一個入射角範圍，表面優選地具有大於10%的反射率，並且在一些情況下可以超過50%的反射率，或者在最後小平面的情況下為100%的反射率。這樣的遠端小平面用於將仍在PRLG內傳播並且否則會在未到達觀看者的情況下損失的任何剩餘光強度耦出。

第二類別是位於PRLG 10的開端附近，即靠近耦入佈置100的PRLG的長度的三分之一中的一個或更多個部分反射內表面。在這種情況下，對於在與期望圖像的耦出相關的角度範圍內的光束，表面優選地具有小於10%的低反射率，並且在大多數情況下小於5%的低反射率，以及通常小於3%的低反射率。這些近端小平面對於緊湊的實現方式是有用的，其中光束以PRLG 10內的傳播的角度通過部分反射表面34的出射角將需要更大的整體系統覆蓋區。

這兩個類型的內部小平面可以被引入到在PRLG上方採用小平面219的實施方式和在PRLG下方採用小平面12的實施方式兩者，如現在將要說明的。

在圖23A中，PRLG 10的第一近端部分260包括小平面266，從而使得能夠在光導的開始處耦出光束。該部分處的小平面需要部分地反射圖像a1和圖像a2，同時透射圖像a3和圖像a4(或者，在小平面傾斜於前表面和後表面的情況下，僅反射圖像中的一個)。第二部分262(相當於上述的第二光導221或第二光導223)反射圖像a1和圖像a2(或二者中之一)，並且如果第二部分262被實現為矩形光導，則第二部分262應當是有角度地選擇性的，以僅反射這些圖像。該部分不需要從輸入耦合棱鏡開始。PRLG 10的最後的遠端部分264可以具有高反射率的小平面。可以僅利用部分262實現部分260或利用部分262和部分264實現部分260。

圖23B示出了基於圖9的實現方式。部分270具有PRLG 10內的部分地反射圖像a3和圖像a4(或二者中之一)同時透射圖像a1和圖像a2的小平面266。部分272(基於第二光導部30)包含部分地反射圖像a3和圖像a4(或二者中之一)而不需要使圖像a1和圖像a2透射的小平面12。部分274中的小平面266可以具有高反射率。此處，同樣地，可以僅利用部分272實現部分270或利用部分272和部分274實現部分270，即，包括內部遠端小平面而不包括近端內部小平面，或者相反。

在圖24A至圖24C中示出了使用矩形光導和位於矩形光導之外的小平面的組合來執行橫向孔徑擴展的另一組構造。

在圖24A中，矩形光導310包括將光束耦出到光導20中的小平面，光導20包括將光束耦出的耦出構造122(通常為嵌入的部分反射小平面，為清楚起見未示出)。此處，(與上述PRLG實施方式相比)矩形光導310在上方和下方都由TIR表面330界定。

矩形光導310的端部通向光導部分321，使得殘餘光束從矩形光導310射出，以直接或在延伸的平行反射器331上的附加反射之後通過光導部分321傳播，延伸的平行反射器331是矩形光導的面330之一的延伸。從矩形光導310射出到光導部分321中的光束通過兩重內反射引導，但不再在第二維度(如所示的上下)中引導，使得光束在光導部321的平面內擴散。光束被矩形光導310內的小平面266和光導部分321中的小平面12偏轉，以在光導20中被引導至耦出構造122以及觀看者的眼睛。

在該構造中，除了耦出構造之外，光導的中心是清晰的，這在增強現實(Augmented Reality，AR)眼鏡中是優選的。此外，矩形光導僅跨光學系統的維度的一部分延伸的事實減少了光路中的四重反射的次數，從而使得系統在傳播期間較不易受到由於矩形光導中的缺陷而引起的圖像劣化的影響。

圖24B示出了其中以完全類似於圖2A和圖9A的實施方式的方式通過表面34將PRLG 311中的光束耦出的替選構造。在這種情況下，PRLG 311是短的且傾斜的，使得從PRLG 311射出並進入光導20中的光束在其傳播通過部分322時擴展。擴展部分322中的小平面12將光束朝向耦出構造122復位向。

圖24C示出了來自圖24A和圖24B的實施方式的特徵的組合，其中部分內反射矩形光導312包括沿其長度的至少一部分的內部小平面266，但也以部分反射下表面為特徵，從而允許傳播光強度的一部分逸出並在其傳播方向上繼續進入光導部分323，該光導部分323包括小平面12，小平面12被定位成使通過部分反射表面34逸出的光束和離開PRLG 312的末端的光束兩者偏轉。

本發明的某些實現方式允許將輸出圖像的視場擴展到超出通常可以由完全受TIR限制的矩形光導傳送的限制。具體地，至少在圖2A至圖14和圖23B的實施方式中，來自表面34的內反射由部分反射塗層的性質決定，並且不受TIR的限制，並且PRLG 10的另一平行表面32也可以通過施加反射塗層致使反射性以及角度超出TIR限制。這在圖25和圖26中以角度空間示出。

通過介紹，在圖11A和圖12A的角度表示中，投影圖像的角度大小受到光導的TIR角度(特別地包括由PRLG 10的頂表面的圓202表示的TIR條件)的限制。因此，在圖11A和圖12A中，投影圖像的寬度在角度大小上受限制，使得圖像a1和圖像a2不與圓202交疊，而光導200a和光導200b的前表面和後表面的TIR限制限制了圖像的垂直角度大小。圖25和圖26示出了如何通過利用反射塗層塗覆PRLG 10的第三主表面32以支持透明材料在空氣中的臨界角以下的入射角進行的反射來克服該限制以投射較寬的圖像場。

圖25示出了與圖11A的光學架構等效的角度空間中的光學架構。通過利用反射塗層(其可以是介電塗層、銀、鋁或其他)塗覆表面32(與具有矩形光導的所有構造相關)，由圓202表示的TIR限制不再相關(因此被標記為虛線以供參考)，並且圖像a1和圖像a2(因此還有它們的共軛圖像a3和圖像a4)可以更寬，以與圓202交疊並且仍然繼續在光導中傳播。對於光學路徑的剩餘部分，通過小平面12的反射和隨後的光學路徑的反射過程保持如圖11B和圖11C中所描述的那樣，但是具有較寬的圖像。

圖26示出了在與圖12A的實現方式類似的實現方式中的相應擴展的圖像，其中在成傾斜角度的小平面的情況下在表面32上實施反射塗層。此處，同樣地，也可以實現較寬的場。

為了清楚起見，以上所有描述均引用“橫向”和“垂直”(如圖中所示)。實際上，這些取向可以根據光導的放置而不同。

將認識到，以上描述僅旨在用作示例，並且在所附請求項限定的本發明的範圍內許多其他實施方式是可能的。

10:部分內反射矩形光導(PRLG)