TWI653478B - 使用矩形波導的孔徑倍增器 - Google Patents

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TWI653478B TW106134651A TW106134651A TWI653478B TW I653478 B TWI653478 B TW I653478B TW 106134651 A TW106134651 A TW 106134651A TW 106134651 A TW106134651 A TW 106134651A TW I653478 B TWI653478 B TW I653478B
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Abstract

一種光學孔徑倍增器，包含：一第一光學波導，具有一矩形橫截面以及包含與波導一延伸方向形成一傾斜角度的多個部分反射表面；及一第二光學波導，也包含呈一傾斜角度的多個部分反射表面，並與第一光學波導光學相耦合。一圖像以一傾斜耦合角的一初始的傳播方向耦合進入到第一光學波導中，並沿著第一光學波導通過四重內反射而前進，圖像以一強度比例在部分反射表面上反射，以便耦合進入到第二光學波導中，並接著在第二光學波導內通過雙重反射進行傳播，圖像並以一強度比例在部分反射表面反射，以便從平行面之一向外導出而成為一可視圖像。

Description

使用矩形波導的孔徑倍增器
本發明係關於多種光學孔徑倍增器，特別是關於一種包含矩形波導的光學孔徑倍增器以及採用上述的孔徑倍增器的近眼顯示器及抬頭顯示器。
用於近眼顯示器或抬頭顯示器的光學裝置需要大孔徑以覆蓋觀看者的眼睛所在區域(眼睛動作區，eye motion box)。為了實現緊湊的裝置，圖像由具有小孔徑的微小光學圖像產生器產生，其被倍增以產生一大孔徑。
一種在一維度上孔徑倍增的方式已經被開發，基於圖像在透明材料形成的一平行平板，在該平行平板內部通過內反射進行傳播。圖像波陣面的一部分通過使用傾斜角度部分反射器或通過使用一繞射光學元件而在該平板的一表面上耦合輸出到該平板外。這樣的一平板在本文被稱為一維波導，因為其包含在一個維度上通過內反射的圖像波陣面。在該平板的平面(即平板表面)中，圖像必須被準直，以保持穿過波導的圖像品質。
平板傳播方法非常適用於孔徑倍增的第二階段，其中該平板被部署於觀看者的眼睛對面(如同近眼顯示器的玻璃透鏡，或較大平視顯示器的視窗)並形成最終輸出表面於圖像到達眼睛處。然而，這種方式對 於倍增的第一階段並非是最佳的，圖像波陣面寬度相似平板寬度的需求增加了裝置的體積及重量。
本發明關於一種光學孔徑倍增器，該光學孔徑倍增器包含一矩形波導。
根據本發明一個實施例的教示，一種光學孔徑倍增器，包含：(a)一第一光學波導，具有一延伸方向，該第一光學波導具有一第一對平行面及一第二對平行面以共同形成一矩形橫截面，其中數個部分反射表面至少部分地橫置於該第一光學波導，該等部分反射表面相對於該延伸方向形成一傾斜角度；及(b)一第二光學波導，與該第一光學波導光學相耦合，該第二光學波導具有一第三對平行面以形成一板式波導，其中數個部分反射表面至少部分地橫置於該第二光學波導，該等部分反射表面相對於該第三對平行面形成一傾斜角度，其中該第一及第二光學波導的光學耦合及該等部分反射表面係被配置為使得當一圖像以一初始的傳播方向並以與該第一及第二對平行面兩者皆傾斜的一耦合角耦合進入到該第一光學波導中時，該圖像沿著該第一光學波導通過四重內反射而前進，該圖像以一強度比例在該等部分反射表面上反射，以便耦合進入到該第二光學波導中，並在該第二光學波導內通過雙重反射進行傳播，該圖像並以一強度比例在該等部分反射表面反射，以便從該等平行面之一向外導出而成為一可視圖像。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該第一對平行面包含一第一面及一第二面，且該第二對平行面包含一第三面及一第四面，該第一 面的一端部終止在一第一近端邊緣處，並且該第三面的一端部終止於一第二近端邊緣處，該光學孔徑倍增器更包含：一耦合反射器裝置，與該光學波導一體成形或光學耦合，該耦合反射器裝置包含：(a)一第一反射器，被佈置為該第三面的一近端延伸部，或者佈置為一反射器平行該第三面且位在該第三面外，該第一反射器具有一寬度垂直於該延伸方向，該第一反射器的該寬度大於該第三表面的一寬度；及(b)一第二反射器，被佈置為該第四面的一近端延伸部，或者佈置為一反射器平行於該第四面且位在該第四面外，該第二反射器具有一寬度垂直於該伸長方向，該第二反射器的該寬度大於該第四表面的一寬度，使得當沿著一光學輸入軸線觀察時，該第一及第二近端邊緣呈現一外顯的波導孔徑，該外顯的波導孔徑係由該第一及第二近端邊緣以及在該耦合反射器裝置內反射之該第一及第二近端邊緣的多個圖像加以限定邊界。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該光學輸入軸線相對於該第一及第二反射器兩者皆呈傾斜。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該耦合反射器裝置為一耦合棱鏡，該耦合棱鏡與該光學波導一體成形，或光學地耦合於該光學波導，該耦合棱鏡呈現一耦合表面，大致垂直於該光學輸入軸線。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該耦合反射器裝置為一耦合棱鏡，該耦合棱鏡與該光學波導一體成形，或光學地耦合於與該光學波導，該耦合棱鏡與一圖像投影裝置的至少一光學元件整合。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該至少一光學元件包含一分光棱鏡，該分光棱鏡具有一輸入面、一反射面、一內部傾斜分光元件 及一輸出面，該輸出面大致垂直於輸出圖像傳播的一主要方向，以及其中該耦合反射器的該第一及第二反射器的至少部分延伸跨過該輸出面的一平面。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該耦合反射器裝置為一耦合棱鏡，該耦合棱鏡與該光學波導一體成形，或光學地耦合於該光學波導，該耦合棱鏡呈現一傾斜反射面，用於沿著垂直於該第一及第二反射器其中一個的一光軸反射一光輸入，以便入射該外顯的波導孔徑。
根據本發明一個實施例的另一特徵，更還提供了一圖像投影器，該圖像投影器被佈置成投影一圖像以沿著該光學輸入軸線平行到無窮遠，以便與該外顯的波導孔徑完全重疊。
根據本發明一個實施例的另一特徵，還提供了一去偏振器元件，插置於該圖像投影器及該耦合反射器裝置之間的一光路徑中。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該第一光學波導光學地耦合到該第二光學波導的一端面，該端面係延伸於該第三對平行面之間。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該端面與該第三對平行面形成垂直。根據本發明一個實施例的一個替代特徵，該端面具角度的與該第三對平行面形成傾斜。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該第二光學波導的該等部分反射表面在一組平行線處與該第三對平行面中的第一對相交，並且其中該等端面沿著一邊緣與該第三對平行面中的該第一對相會，該邊緣不平行於該組平行線。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該第一光學波導光學耦 合到該第三對平行面中的一個。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該第一光學波導的該等部分反射表面相對於該第一對平行面及該第二對平行面兩者形成一傾斜角度。
根據本發明一個實施例的另一特徵，來自該第一及第二對平行面中的至少一面係塗覆有多層的一介電材料以形成一介質鏡面。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該第一光學波導的該等面其中之一是一耦合面，通過該耦合面該第一光學波導與該第二光學波導光學相耦合，並且其中該第一光學波導的該等部分反射表面係為重疊關係，使得在該等部分反射表面沿著一主要圖像傳播方向投影到該耦合面上的一幾何投影中，位於該投影內的一大部分區域被包含在該等部分反射表面中的至少兩個的投影內。
根據本發明一個實施例的另一特徵，更還提供了一圖像投影裝置，該圖像投影裝置與該第一光學波導相聯結，並且被佈置以引導一第一圖像以一第一傳播角度方向進入該第一光學波導，及其中該四重內反射產生的一第二共軛圖像、一第三共軛圖像及一第四共軛圖像具有相應的一第二角度方向傳播、一第三角度方向傳播及一第四角度方向傳播，該第一光學波導的該等部分反射表面被塗覆，以使得該等部分反射表面對於以相對於該等部分反射表面的一第一角度範圍內入射之該圖像的光線而言基本上是透射的，並且使得以一第二角度範圍內入射之該圖像的光線被部分地反射，其中該第一角度方向傳播及該等部分反射表面的該傾斜角度被選擇，以使對於該等四個共軛圖像中的三個之該等角度方向傳播全部在該第 一角度範圍內入射至該等部分反射表面上，且對於該等四個共軛圖像中僅有的一個之該等角度方向傳播則在該第二角度範圍內入射至該等部分反射表面上。
根據本發明一個實施例的教示，還提供了一種光學孔徑倍增器，包含：(a)一光學波導，具有一延伸方向，該光學波導具有一第一對平行面包含一第一面及一第二面，且一第二對平行面包含一第三面及一第四面，該等平行面共同形成一矩形橫截面，該第一面的一端部終止在一第一近端邊緣，且該第三面的一端部終止在一第二近端邊緣；及(b)一耦合反射器裝置，與該光學波導一體成形，或光學地耦合於該光學波導，該耦合反射器裝置包含：(i)一第一反射器，被佈置為該第三面的一近端延伸部，或佈置為一反射器平行於該第三面且位於該第三面外，該第一反射器具有一寬度垂直於該延伸方向，該第一反射器的該寬度大於該第三表面的一寬度，且(ii)一第二反射器，被佈置為該第四面的一近端延伸部，或佈置為一反射器平行於該第四面且位於該第四面外，該第二反射器具有一寬度垂直於該延伸方向，該第二反射器的該寬度大於該第四表面的一寬度，使得當沿著一光學輸入軸線觀察時，該第一及第二近端邊緣呈現一外顯的波導孔徑，該外顯的波導孔徑係由該第一及第二近端邊緣以及在該耦合反射器裝置內反射之該第一及第二近端邊緣的多個圖像加以限定邊界。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該光學輸入軸線與該第一及第二反射器兩者皆呈傾斜。
根據本發明一個實施例的另一特徵，該耦合反射器裝置為一耦合棱鏡，該耦合棱鏡與該光學波導一體成形，或光學地耦合於該光學波 導，該耦合棱鏡呈現一耦合表面大致上垂直於該光學輸入軸線。
根據本發明一個實施例的另一特徵，還提供了一圖像投影器，該圖像投影器被佈置成投影一圖像以沿著該光學輸入軸線平行到無窮遠，以使與該外顯的波導孔徑完全重疊。
根據本發明一個實施例的另一特徵，更包含一去偏振器元件，插置於該圖像投影器及該耦合反射器裝置之間的一光路徑中。
根據本發明一個實施例的教示，還提供了一種光學孔徑倍增器，包含：(a)一第一光學波導，具有一延伸方向，該第一光學波導具有第一對平行面及第二對平行面形成一矩形橫截面，其中數個部分反射表面至少部分地橫置於該第一光學波導，該等部分反射表面相對於該延伸方向形成一傾斜角度，該第一光學波導的該等部分反射表面被塗覆，以使得該等部分反射表面對於以相對於該等部分反射表面的一第一角度範圍內入射之光線而言基本上是透射的，並且使得以第二角度範圍內入射的光線被部分地反射；及(b)一圖像投影裝置，與該第一光學波導相聯結，並被佈置以引導一第一圖像以第一角度方向傳播進入到該第一光學波導中，其中該第一圖像沿著該第一光學波導通過四重內反射前進，從而產生一第二共軛圖像、一第三共軛圖像及一第四共軛圖像，該第二、第三及第四共軛圖像分別具有相應的一第二角度方向傳播、一第三角度方向傳播及一第四角度方向傳播，及其中該第一角度方向傳播與該等部分反射表面的該傾斜角度被選擇以使對於該四個共軛圖像中的三個之該等角度方向傳播全部在該第一角度範圍內入射至該等部分反射表面，且對於該等四個共軛圖像中僅有的一個之該等角度方向傳播則在該第二角度範圍內入射至該等部分反射表 面。
a1‧‧‧圖像
a2‧‧‧圖像
a3‧‧‧圖像
a4‧‧‧圖像
b1‧‧‧圖像
b2‧‧‧圖像
C‧‧‧圖像
C1‧‧‧圖像
C2‧‧‧圖像
10‧‧‧第一光學波導
101‧‧‧光束
102‧‧‧端部
106LU‧‧‧圖像
106LD‧‧‧圖像
106RU‧‧‧圖像
106RD‧‧‧圖像
107‧‧‧圓
108‧‧‧圓
109‧‧‧圓
110LU‧‧‧圖像
110LD‧‧‧圖像
110RU‧‧‧圖像
110RD‧‧‧圖像
112‧‧‧反射器
114L‧‧‧外部刻面
114R‧‧‧外部刻面
116‧‧‧反射器
117‧‧‧反射鏡
12a、12b‧‧‧第一對平行面
120‧‧‧中間折射層
121‧‧‧臨界角圓
122‧‧‧角度
132‧‧‧覆蓋件
134‧‧‧面內介面
136‧‧‧漏光
14a、14b‧‧‧第二對平行面
142‧‧‧光學覆蓋件
149‧‧‧中間折射材料
150‧‧‧平行線
151‧‧‧邊緣
155‧‧‧內部刻面
157‧‧‧平面
159‧‧‧臨界角邊界
170‧‧‧波導
172‧‧‧波導
174‧‧‧孔徑
176‧‧‧孔徑
178‧‧‧輸出孔徑
179‧‧‧孔徑
16a‧‧‧第一近端邊緣
16b‧‧‧第二近端邊緣
18a‧‧‧第一反射器
18b‧‧‧第二反射器
20‧‧‧第二光學波導
22a、22b‧‧‧第三對平行面
30‧‧‧初始傳播方向
40‧‧‧部分反射表面
45‧‧‧部分反射表面
47‧‧‧使用者
400‧‧‧堆疊
402‧‧‧切割
404‧‧‧切片
405‧‧‧透明蓋板
406‧‧‧二維波導
413‧‧‧延伸部
414‧‧‧棱鏡
416‧‧‧二維波導
417‧‧‧波導
450‧‧‧部分
454‧‧‧最後部分
457‧‧‧漸變透明度視窗
57‧‧‧臨界角度圓
59‧‧‧圓
500‧‧‧偏振分光器
501‧‧‧准直棱鏡
502‧‧‧耦合棱鏡
503‧‧‧波導
505‧‧‧照明光
507‧‧‧內表面
509‧‧‧圖像生成器
511‧‧‧光
513‧‧‧表面
515‧‧‧光學面
517‧‧‧尺寸
518a‧‧‧最高圖像角度
518b‧‧‧最低圖像角度
519‧‧‧最低光線
521‧‧‧光束
523‧‧‧近端邊緣
526‧‧‧棱鏡
528‧‧‧面
531‧‧‧准直棱鏡
533‧‧‧點
535‧‧‧耦合棱鏡
61‧‧‧臨界角度邊界圓
63‧‧‧圓
65‧‧‧方向
67‧‧‧方向
70‧‧‧刻面
72‧‧‧刻面
730‧‧‧光楔
734‧‧‧端面
736‧‧‧回射器
737‧‧‧反射塗層
81‧‧‧初始孔徑橫向尺寸
84‧‧‧孔徑
88‧‧‧孔徑
91‧‧‧耦合棱鏡
91a‧‧‧傾斜反射面
92‧‧‧初始孔徑垂直尺寸
94‧‧‧適當尺寸
99‧‧‧折射層
1149‧‧‧塗層
1150‧‧‧連接附件
1610‧‧‧塗層
1630‧‧‧修剪邊緣
1640‧‧‧棱鏡
2515‧‧‧內部刻面
2517‧‧‧內部刻面
2520‧‧‧區域
2525‧‧‧區域
2540‧‧‧光束
2545‧‧‧光束
2670‧‧‧內部刻面
2672‧‧‧光線
2675‧‧‧頂部外部面
2680‧‧‧光線
2705‧‧‧底部外部面
2710‧‧‧頂部外部面
本發明於本文僅以示例方式參照附圖進行描述，其中：圖1A及圖1B分別是根據本發明的一個實施例教示的構造與操作，一光學孔徑倍增器的示意側視及前視圖；圖2A及圖2B示出了從圖1A及1B的光學孔徑倍增器波導中，相對於部份反射內部刻面傳播的圖像光線的二種可能幾何形狀示意圖；圖3是圖1A及圖1B的光學孔徑倍增器中，其內部刻面及各種反射圖像之間角度關係的二維投影示意圖；圖4A至圖4D是圖1A及圖1B的光學孔徑倍增器中，各種共軛圖像及其在內部平面上反射的相互關係的等軸示意圖；圖5A至圖5D是針對波導的各種初始光線方向及各種幾何形狀，從圖1A及1B的光學孔徑倍增器沿二維波導傳波的共軛圖像中各種光線之間的關係示意圖；圖6是根據本發明的另一個方面，一耦合反射器裝置的示意等角視圖，該裝置用於將一圖像耦合到來自圖1A及圖1B的光學孔徑倍增器的二維波導；圖7是圖6的耦合反射器裝置的一變型實施方式；圖8A及圖8B是等同於圖6的波導及耦合反射裝置的不同視角等角視圖，其中該耦合反射器裝置被應用為耦合稜鏡的一部分；圖9A及圖9B分別是相似於圖8A及圖8B的視圖，示出了耦合稜鏡的一變型實施； 圖10A至圖10C分別是耦合稜鏡的一個替代實施方式的等角視圖、俯視圖及側視圖；圖11、圖12及圖13A是圖10A的耦合稜鏡及波導進一步的三個變型實施方式的等角視圖；圖13B是圖13A的耦合稜鏡及二維波導的俯視圖；圖14A至圖14C是根據本發明又一方面，圖10A的耦合稜鏡及二維波導的製造期間中三個階段的示意等角視圖；圖15示出根據本發明又一方面，一圖像投影裝置與一二維波導整合的示意側視圖；圖16及圖17為圖15的圖像投影裝置及二維波導整合的二個變型實施方式的示意側視圖；圖18是圖15至圖17在三維中該原理的一示例性實施方式的一等角視圖；圖19A至圖19C分別示出根據本發明又一實施方式中，二維波導及一維波導之間的一變型耦合幾何形狀的示意等角視圖、側視圖及俯視圖；圖20示出圖19A至圖19C的光學孔徑倍增器在各種共軛圖像及其在內部平面的反射之間的互相關係的示意等角視圖；圖21A至圖21C示出根據本發明教示的二維波導及一維波導之間耦合幾何形狀的三種變型實施方式的示意側視圖；圖22A及圖22B分別示出根據本發明一實施方式將二維波導以一角度耦合到一維波導之間的幾何結構的又一變型實施方式的示意等角視圖及側視圖； 圖22C至圖22E是相似於圖22B的示意側視圖，示出了各種變型實施方式；圖23是相似於圖1A中的光學孔徑倍增器的示意側視圖，但採用一折射層介於二個波導之間；圖24是相似於圖3的一實施方式，其示出了圖23中裝置的相關角度關係；圖25A至圖25C是相似於圖1A中裝置的側視圖，其示出了二個波導機械地相互連接的各種實施方式；圖25D是相似於圖22E中一裝置的側視圖，其示出了二個波導機械地相互連接的一實施方式；圖26是相似於圖1B中一裝置的前視圖，其圖示出了第一波導與圖像在第二波導中的一傳播方向之間的相對傾斜度；圖27示出二維波導的一個實施例的示意等角視圖，該二維波導具有相對於二組延伸的平行外部面兩者皆斜向地傾斜的內部部分反射刻面；圖28及圖29A是相似於圖3的一實施方式，其示出一裝置的幾何角度關係的二個示例性實施方式，該裝置分別採用圖27中的二維波導，其具有第一及第二內部平面方向；圖29B是根據圖29A的實施方式在二維波導中圖像傳播角度的示意等角視圖；圖30是根據本發明又一個方面的波導示意前視圖，其波導與相鄰波導並列以提供均勻增強；圖31A及31B是根據本發明的另一個方面的波導示意圖，示出了內部刻 面間隔的變化對圖像均勻性的影響；圖31C是類似於圖1B的系統前視圖，示出了用於增強圖像均勻性的多路徑實施方式；圖32A及32B是類似於圖1B的系統的兩個另外的變型多路徑實施方式；圖33A是類似於圖1B的裝置的另一替代實施方式的示意前視圖，該裝置使用內部刻面塗層以選擇性地反射較淺的入射光線角度；圖33B是類似於圖3的表示，示出了圖33A的光學孔徑倍增器的各種反射圖像與內部刻面之間的角度關係；圖33C是使用在圖33A的裝置塗覆刻面對S及P偏振輻射的反射率的角度依賴關係曲線圖；圖34A至34E示出根據本發明的一個方面，一系列步驟生產二維波導及耦合棱鏡的示意等角視圖；圖35A及35B分別是示意前視圖及側視圖，示出本發明的一個實施例對直接觀看的情景的透射視野強度的潛在影響；以及圖35C及35D是類似於圖35A及35B的視圖，示出了根據本發明的另一方面的透射視野強度校正。
本發明為包含一矩形波導的一光學孔徑倍增器。
本發明之光學孔徑倍增器其原理與操作可透過參考附圖及所附描述更好的理解。
現在參考附圖。圖1A至圖35示出了根據本發明某些實施例的構造與操作的一光學孔徑倍增器的各個方面。一般來說，根據本發明一 個實施例的一光學孔徑倍增器包含一第一光學波導10具有一延伸方向，於本文中為任意地對應於“X軸”示例。第一光學波導10具有一第一對平行面與一第二對平行面12a、12b、14a、14b以共同形成一矩形橫截面。根據本發明部分優選的實施例，多個內部部分反射表面40，於本文中稱為“多個刻面(facets)”，至少部分地橫置於該第一光學波導相對於該延伸方向形成一傾斜角度(即，既不平行也不垂直)。
該光學孔徑倍增器優選地還包含一第二光學波導20，與第一光學波導10光學相耦合，該第二光學波導具有一第三對平行面22a、22b以形成一板式波導，即，其中波導20的另外二個維度至少比第三對平行面22a、22b之間的距離大一個數量級。在此處，數個部分反射表面45優選地至少部分地橫置於該第二光學波導，該等部分反射表面相對於該第三對平行面形成一傾斜角度。
數個波導之間的光耦合以及數個部分反射表面40、45的部署與配置，因而當一圖像以一初始的傳播方向30並以與該第一及第二對平行面12a、12b、14a、14b兩者皆傾斜的一耦合角耦合進入到該第一光學波導10中時，該圖像沿著該第一光學波導10通過四重內反射(圖像a1、a2、a3，及a4)而前進，該圖像以一強度比例在該等部分反射表面40上反射，以便耦合進入到該第二光學波導20中，並在該第二光學波導20內通過雙重反射(圖像b1、b2)進行傳播，該圖像並以一強度比例在該等部分反射表面40反射，以便從該等平行面之一向外導出而成為一可視圖像，由一使用者47眼睛所看見。
現在更具體的說明附圖1A及1B，示出了上述說明實施的第 一圖示。第一波導10在本文被稱為二維(二維)波導，其通過二組平行面間在二個維度中反射引導入射的圖像，而第二波導20被稱為一維(1D)波導，僅在一對平行面間於一個維度上引導入射的圖像。來自一光學圖像產生器(未描繪)的光束30以一角度入射第一光學波導10中。因此，如圖1A的側視圖所示，光從該波導的所有四個外表面反射的同時，沿著波導10傳播。在這個過程中，產生了四個共軛光束向量a1、a2、a3及a4，其表示通過該多個面內部反射的相同圖像。
入射到波導10中的該光束30的角度設置為從該波導的所有四個外部表面反射。該光束應該以淺(掠過)角度從第一波導10的底面12b反射，該底面12b即與第二波導20相鄰的面，並且應該以陡峭的角度從10傳播到20。這種性質可以通過全內部反射(TIR)或通過內部光學塗層來實現。一繞射圖案也可以透過在同一表面上結合繞射與透射來實現該光學性質。來自第一波導10的另外三個面12a、14a及14b的反射可以以相同方式或是透過使用一反射塗層來產生。
在第一波導10內引導的光束(例如a1及a2)的部分被反射通過內部平行部分反射器(刻面)40向下到第二波導20的一輸入耦合表面上。在第二波導中20中，這些光束被定義為b1及b2。
光束b1及b2被反射通過外部表面並變成為共軛，即光束b1被反射成為b2，反之亦然(如圖1A所描繪)。第一波導10的外部正面與背面14a、14b應該彼此平行，並且在該實施方式中應該平行於第二波導20的相對應外部面22a、22b。任何平行度的偏差都將導致耦合的圖像b1及b2不是精確的共軛圖像，並且會降低圖像的品質。
第二波導20中的該等內部平面45將光束b2反射到波導外的並進入觀看者47的眼睛裡。
在圖2A及2B中進一步說明瞭通過波導10及20中該等內部平面的反射過程。二種基本配置被描繪，並且以該光束及該刻面的相對角度區分。在此示意圖中，該等光束a1、a2及b1被表示為相同的向量(僅針對b1引用)，因為相同的幾何因素適用於每個由相對應波導的側視圖的觀察。光束a3、a4及b2也被表示為相同的向量(僅針對b2引用)。
光束b2實際上是在相同方向下傳播的一束光線，如通過二個向量描繪在圖2A中。在這個情況下，一個向量通過該外部表面反射變成b1並進入該內部切面40(或45)，其中部分被反射為C1。另一個b2向量直接被刻面反射為向量C2。該向量C1及C2表示正像及重像(ghost image)，不一定要按照此順序。在這種結構中，b1及b2由同一側入射在刻面45上。
此外，無論在本文何處一圖像以一光束表示，其應該注意的是，該光束是該圖像的一示例光束，其通常由多個光束以些微不同的角度所形成，每個些微不同的角度相對應於圖像的一點或是一圖元。除了被具體地提及為圖像的邊緣之外，該等光束所示通常是圖像的質心。
圖2B基本上描述了相同的過程，除了其中因幾何形狀使得b1及b2從相對側邊入射到刻面40(或45)上。
在這二種情形下，圖像C1及C2在S-及P-偏振中的反射程度由這些刻面上的塗層所決定。優選地，一個反射為該圖像，而另一個反射被抑制，因為其所對應的是一不必要的“重影”圖像(“ghost” image)。用於控制入射光束角度在哪個範圍被反射及入射光束角度在哪個範圍被傳輸的合 適塗層是本領域已知的，並且可以在與本發明相同申請人的美國專利第7391573號及第7457040號中詳細描述。
特別優選的是，系統設計是使得“重影”圖像不與主圖像或是共軛圖像重疊(C1與C2重疊)。設計在波導內圖像傳播時光束的適當角度以及同時保持TIR的條件，並同時避免重影重疊的過程描述在圖3中。此圖介紹了一示意圖，其將在下文進一步用於呈現本發明另外的實施例。
因此，圖3示出波導10及20的幾何形狀的一投影，其中旋轉被描繪如同沿著直線軸線的距離(“角度空間”)。因此該圖表示笛卡爾座標中的球面座標。這種表示導入了各種失真，而且沿著不同軸的位移是不可交換的(正如對於不同軸的旋轉性質)。儘管如此，這種圖表的形式已被發現簡化了描述並且為系統設計提供一個有用的工具。為了闡述，沿著X、Y及Z軸的方向根據一旋轉順序被標註。
大圓表示波導各種外部表面的臨界角(內部全反射(TIR)邊界)。因此，在一圓外的一點代表一光束的一角度方向將通過TIR被反射，而在一圓內的一點代表一光束將通過該表面並傳播至該波導外。圓57及圓59代表波導10的前後外部表面14a與14b及波導20的前後外部表面22a與22b的臨界角度。相對刻面的圓之間的“距離”為180度。圓61及63代表波導10的頂部與底部外部表面12a及12b的臨界角度。點劃線65及67代表該波導這些外部表面的方向。
如前文所述，該圖像被入射進入到該二維波導10中同時經歷了內部反射。在接下來的示例中，所有的反射都是基於TIR，因此該入射的圖像a1在圖3中所示為在任何圓圈之外。一正方形圖像在該角度空間中具有 一正方形形狀。
當圖像a1被從波導10的外部平面12a，12b，14a，及14b反射(以方向65及67表示)，其被乘以a2，a3，a4，並且回到a1(以四個彎曲實線箭頭示意表示)。每個圖像的反射與該圖像本身具有與每個面(線65及67)相同的角度“距離”，但另一方面，根據光學原理其入射角等同於反射角。
該等內部刻面40(在圖1B中)的方向在此被描述為根據該等刻面的傾斜角度定位的一線70。當圖像a1或a2遇到刻面70(40)時，其被反射到從70的一相等的相對角度距離，如同分別指向圖像b1及b2上的虛線箭頭線所示。
由於b1及b2在第一波導10的底部外部表面的臨界角度邊界圓61內，其將從該波導被耦合輸出並且進入到第二波導20。
當圖像b1及b2在波導20中傳播時，其被互相交換通過具有角度方向67從前後外部表面22a及22b反射(該反射以彎曲實線雙頭箭頭表示)。
最後，圖像b1在方向72處遇到該等內部刻面45(圖1A)並被反射成為圖像c。由於圖像c在臨界角度圓57內，其被耦合輸出第二波導20並且到達該眼睛(圖1A中的47)。
在所有此種配置中，該等內部刻面(70及72)的角度不得踰越任何圖像的角度形狀(正方形)，因為如同這樣的踰越將會導致“重影”圖像與正常圖像重疊。
圖像可以被設計成與相對於波導20的任意角度上出現(不一定要垂直)，如圖3所示例，其中c不是Z方向的中心。
如前文所提，刻面40及45優選地設置有塗層，該塗層分別減低或基本上消除低角度圖像a3、a4及b2的反射。
圖3中描述的計算過程示意性地示出在二維笛卡爾坐標中用於簡單且清楚的描述。如圖4A至4D所示，系統的最終精確設計在球坐標中進行。圖4A表示圖像a1至a4之間的耦合。圖4B示出了通過在該等刻面40上的反射耦合a1到b1及a2到b2。圖4C表示第二波導20中b1及b2之間的耦合。圖4D表示通過該等刻面45反射從b1到c之間的耦合。
在波導10內的內部反射期間，如圖5A至5D所示，每個往返可以在每個維度(y或z)上有任意數量的反射。圖5A描繪了由外部表面的一個反射。在這種情況下，b1是源自a1。然而，由於不同圖像場的各種光束具有不同的角度，所以最終反射的方向可以隨著光束沿著波導10的x軸傳播而改變。圖5B示出了可以演變的不同方向，構成由a2產生b2。因此，在每一個設計中都應該假定b1及b2兩者的生成。如圖5C所示，波導10的高寬比可以設計為每個外部刻面具有多於一個的反射。對於不同的視場角，反射的方向可以改變，如圖5D所示。實際上，本發明的某些特別優選的實施方式確保波導10被體積地填滿所有四個共軛圖像a1至a4，使得圖像a1及a2兩者將總是被外耦合以產生b1及b2，除非採取特殊預防措施阻止路徑之一，如下面進一步討論的。
通過波導10及20的外部表面及該等內部刻面的組合反射擴大了x及y維度兩者的原始入射孔徑。波導10在x維度擴大該孔徑且波導20在y維度(軸線如圖1B所示)。第一波導10的孔徑擴大優選地是通過用圖像填滿波導然後沿著該波導的長度以連續方式將圖像通過該等刻面從波導耦合 輸出來實現，所有這些在下面進一步詳述。
耦入配置：為了在擴展的孔徑上獲得均勻的強度，光束的入射初始孔徑應該是均勻並且應該“填滿”該波導。術語“填滿”在本文中用於指示對應於圖像中的每個點(圖元)的光線在該波導的整個橫截面上存在。從概念上講，這一性質意味著，如果波導10在任何一點橫向切割，並且如果在切割端部上方放置了具有針孔的不透明薄片，該針孔可放置在該橫截面上的任何地方，並且將得到一個完整的投影圖像。實際上，對於該二維波導10，這將得到四個投影的完整圖像a1，a2，a3及a4，其中a2及a4是相反的。
為了確保該波導與該輸入圖像的填滿，應該將稍微過大的輸入圖像修剪成進入該波導的大小。這確保了相鄰的多個孔徑一方面不會重疊，並且在另一方面不會有間隙。該修剪是在該光束入射進入到該波導中時執行的。
在圖6至13B中示出了用於實現一圖像有效的耦合進入第一波導10的一些配置。首先參考圖6及圖7，這些圖示意性地示出一耦合設置的一自由空間鏡實施方式，用於修剪一輸入圖像，從而均勻地填滿第一波導10。在這種情況下，平面12a終止於一第一近端邊緣處16a及平面14a終止於一第二近端邊緣處16b。為了充分地填滿該波導，本發明某些實施例的一個特別優選的特徵是該光學孔徑倍增器包含一耦合反射器裝置與該第一波導10一體形成或光學地耦合。該耦合反射器裝置包含一第一反射器18a，被佈置為該平面12b的一個近端延伸部(圖6)，或者佈置為一反射器平行該平面12b且位在該平面12b外(圖7)，該第一反射器具有一寬度垂直於該延伸 方向，該第一反射器的該寬度大於該表面12b的一寬度。該耦合反射器裝置還包含一第二反射器，被佈置為該平面14b的一近端延伸部(圖6)，或者佈置為一反射器平行於該平面14b且位在該平面14b外，該第二反射器具有一寬度垂直於該伸長方向，該第二反射器的該寬度大於該表面14b的一寬度。使得該耦合反射器裝置，當沿著一光學輸入軸線觀察時，一圖像沿著該光學輸入軸將要被導入，該第一及第二近端邊緣16a及16b呈現一外顯的波導孔徑，該外顯的波導孔徑係由該第一及第二近端邊緣以及在該耦合反射器裝置內反射之該第一及第二近端邊緣的多個圖像加以限定邊界，整體對應於四倍(2x2)物理孔徑的一外顯孔徑。當該等耦合反射器位於該波導的該等表面的外時，該外顯孔徑由該物理孔徑的三個圖像組成，該外顯孔徑與該物理孔徑本身稍微間隔，其中每個孔徑由該物理孔徑的所有四個邊緣為框架。這導致由於圖像強度落在該孔徑之間的“空隙”上而造成輕微的效率低下，但是該孔徑的填滿仍然實現。
在此所示的一個優選的幾何形狀中，該光學輸入軸線相對於該第一反射器18a及第二反射器18b兩者皆呈傾斜。從這些圖中可以清楚地看出，此處為了確保不要修剪該圖像及該波導的不完全填滿，該反射器的尺寸要求大於該波導的尺寸。以這種方式，該波導在其整個橫截面上都可靠地填滿全部四個圖像。
雖然在某些情況下使用自由空間反射鏡可能是可行的，但是該耦合反射器裝置為一耦合棱鏡，該耦合棱鏡與該波導10一體成形，或光學地耦合於該波導10通常是有利的，其中第一及第二反射器18a及18b由該耦合棱鏡91的數個表面提供。進一步地，該耦合棱鏡的表面優選地呈現一 耦合表面，大致垂直於該光學輸入軸線，通過該耦合表面導入該圖像。圖8A至8B及圖9A至9B示出了這種配置的示例，其中圖8A至8B在幾何上等同於圖6，而圖9A至9B在幾何上等同於圖7。在這些情況下，波導10的近端“邊緣”是由耦合棱鏡表面與該波導表面的交點限定的邊緣。在這種情況下，相鄰表面優選地以角度一向外傾斜，使得落在那些近端邊緣外的光將被反射(或透射)到不進入該波導的方向。任選地，可以將吸收性材料施加到這些表面以進一步防止雜散輻射到達不期望的位置。
在圖10A至10C中示出了一耦入幾何的另一個示例，並且更詳細地解釋了一個圖像的耦入到該波導的一個樣本波陣面的前進。在這種情況下，如圖10B所示，沿著x軸測量具有任意初始孔徑橫向尺寸81的入射光束30。當該光束進入該波導時，該孔徑的前端通過第一近端邊緣16a修剪。在入口期間在一側被修剪的光束孔徑被該相對的耦合反射器18a反射及/或其連續面12b返回到該前表面12a，在那裡其背側通過相同的第一近側邊緣16a再一次修剪。當該光束沿著該波導傳播時，其孔徑(84及88)現在相鄰的地方沒有重疊或間隙，從而填滿該波導。
根據本發明的一個特別優選的實施方式，該光束的孔徑的一個第二維度同時被第二近端邊緣16b修剪。近端邊緣16a及16b的相對應方向並不重要。例如，而在圖10A至10C中示出了邊緣16a被示出為傾斜向該縱向x軸，一替代幾何形狀在圖11中示出，其中近端邊緣16a及16b都垂直於該縱向x軸，在一些情況下可以簡化製造。該兩個近端邊緣16a及16b優選地在一轉角處相交，但這不是必需的，只要該光學元件足夠寬使得修整僅通過近端邊緣16a及16b以及其反射來執行。圖12中示出一個不相交的示例。
在第二維度的修剪與描述於第一維度並參照圖10B的方式相同。因此，在圖10C中，該初始未修剪的投影圖像孔徑具有一初始孔徑垂直尺寸92沿著該x軸被測量。當圖像以一角度從部件91進入波導10時，其前面被第二近端邊緣16b修剪。在92的光束從相對的外部表面14a及/或其延續部分反射之後，其後側也被第二近端邊緣16b修剪為適當尺寸94。因此，沿著此維度的所有反射的孔徑現在也相鄰。二維修剪的整體結果是波導10基本上填滿所有四個圖像/共軛圖像a1至a4，從而有助於沿著二維隨後不間斷的孔徑擴展。
可以使用一種吸收材料或折射材料(例如一棱鏡或塗層)來製造光欄16a及16b。例如，在圖10至13中，其在該波導的入口處被描繪為一台階形狀，其用於分散進入的光。
耦合棱鏡91可以與波導10一體成形被製造，或者通過用已知技術連接兩個部件來製造。下面將進一步描述這些部件附接的某些特別有利的方法。
如上所述，耦合到波導10中該圖像的光軸以一耦合角傾斜於該組平行面兩者。然而，這不一定需要一圖像投影器的傾斜方向，因為圖像傳播的所需角度可以由其他光學部件實現，例如，在耦合棱鏡91的一傾斜反射面91a處附加的反射被設置來反射光以沿著垂直於x軸的一光軸輸入，從而入射到該外顯的波導孔徑上。
圖13A及13B示出了這樣的一種選擇，其中傾斜反射面91a提供一反射鏡。如圖13B所描繪，任意的(過大的)孔徑81進入該波導中，被反射表面91a反射，同時被通過16a修剪。在一次反射82之後，該孔徑的背 側通過相同的邊緣16a修剪成84。
81額外的光通過邊緣16a被修剪，使用兩個機制：在入口處，額外的光繼續傳播並向外透射在邊緣16a的邊緣處(到左邊)，同時在反射82到84之後，背側的波陣面到了邊緣16a的右側，因此再次通過91a反射到超出TIR範圍之外的角度或在相關圖像之外。
邊緣16b繼續如同之前在該其他維度上修剪垂直軸線。任選地，當輸入圖像30垂直於該波導的一個面時，反射鏡91a可以大致對兩個軸線傾斜，以便產生圖像傳播的期望方向。
因此，總而言之，可以使用在該波導之前、之後或之內放置一稜鏡、一反射鏡或其它已知方法來實現將該圖像/光束以一個所需角度耦合進入到波導10中。只要所描述的雙光欄配置存在，所有這些方法都是可行的。
為了在擴展孔徑上實現均勻的強度，優選的是，修剪邊緣16a及16b應該是光潔的邊緣，並且具有最小的偏差及散射。膠體或其他幹擾元件的殘留物可能導致均勻性下降。圖14A至14C示出了本發明的又一個方面，其也適用於光學元件將被接合的其它情況下，其便於形成光潔的修剪邊緣(或在其他應用中，連續的外表面)。波導10相關的該等外部面(12a及14b)首先通過一反射或保護塗層1610塗覆。然後根據所需的修剪邊緣1630(16a及16b)拋光該波導10的邊緣，並且最後安裝棱鏡1640。在此附接中，另外兩個面(在所示視圖的背面)必須是波導10的一精確連續的外部面，以提供該耦合反射器作為該等面的延續。如果這些面不連續(如圖9b所示)，那麼反射塗層1610也應該優選地覆蓋相對面(12b及14a)。這種 方法也適用於一維波導系統。該耦合表面的角度可以是任何方向。
應該注意的是，上述技術，即在一表面精加工之前為耦合的兩個光學元件提供一層保護性介電或反射塗層，解決了本文描述超出特定應用的一個普遍問題。具體地，無論何時要連接兩個部件以提供從一個到另一個的一光學路徑，部件必須通過合適的光學粘合劑連接，通常與部件進行指數匹配。為了確保最佳的光學耦合，該介面的整個表面應完全覆蓋粘合劑。另一方面，正是由於粘合劑所需的光學性質，從介面到該部件的外表面任何溢出的粘合劑通常將損害部件的光學性能。通過預先在相鄰的該等表面上塗覆一層保護塗層，優選在拋光該介面表面之前，可以減少或消除粘合劑溢出在外表面上的任何影響。在兩個部件要被耦合的地方以便某些該等表面在耦合之後被沖洗的情況下，這種塗層可以有利地在耦合之前被提供在兩個部件上。在某些應用中，僅在一面或者該等面的分組上塗覆，例如，其中某些該等表面上的任何多餘的膠體可以在粘合之後通過進一步的拋光步驟而輕易地被除去。
上述耦入配置的實施方式優選地與一圖像投影器一起使用，該投影器用於被佈置成投影一圖像以沿著該光學輸入軸線平行到無窮遠，以便與該外顯的波導孔徑完全重疊。可以使用任何適當類型及技術的圖像投影器，包含各種自由空間圖像投影器。在某些情況下，為了提供特別緊湊及堅固的實施方式，該圖像投影器可以與一耦合棱鏡機械地一體化(即，一體成形或剛性互連)。現在將參照圖15至18描述這種類型的各種實施方式。
首先參照圖15示出了一個改善方案為根據PCT專利申請公 開號第WO 2015/162611號在一個二維波導的情況下的緊湊型圖像投影器，該二維波導編號為503。其包含照明偏振分光器(PBS)500，一準直PBS 501，一耦合棱鏡502(相當於圖10A至10C中的91)耦合進入到波導503。
在下面的描述中，為了清楚起見，省略了偏振管理部件(包含波板及偏振器)。該照明光505進入照明棱鏡500，並通過內表面507反射到圖像生成器509上，例如矽基液晶(LCOS)顯示器。從顯示器反射的光511通過進入到准直棱鏡501，其中表面513反射光到到一表面515上具有光學能量以實現光的准直以在無限遠處形成投影圖像。准直光通過進入且穿過耦合棱鏡502到波導503。
表面515具有一寬度517，其被選擇為足以提供使圖像的整個視場(FOV)“填滿”波導10所需的所有輸入圖像角度，所需的所有輸入圖像角度從一個最高圖像角度518a到一個最低圖像角度518b，並且包含在FOV中指定為519的最低光線。表面515的所需尺寸依次決定棱鏡501及500的所需尺寸。更具體地，如上所述並參照圖6至10C，期望該波導10填滿該圖像及其共軛圖像，這意味著由該圖像包圍的光束角度的整個範圍應該入射在該波導的物理孔徑圖像的整個寬度以及在該耦合反射器中的圖像孔徑。通過逆向追蹤這些光線從該波導孔徑通過該准直PBS 501，可以決定該准直PBS的最小所需寬度517，並因此也決定該照明/圖像生成PBS 500的最小所需寬度。近端邊緣523(對應於然後如上所述執行該圖像波陣面的修剪。
圖15僅示出了一維維度，但該波導的軸線相對於PBS的那些軸線傾斜，使得在兩個維度上發生相同的圖像修剪，如上所述。
根據本發明的再一個方面，其也可被使用有利用於在其他方 面的傳統一維波導中耦入一圖像，可以將部分或全部的耦合棱鏡502合併到准直棱鏡501中，從而減小系統的尺寸。換言之，位於表面513下方/之外的准直PBS 501的部分可被切除以提供所需的耦合反射器表面。
此方法的一個示例在圖16中示出。在此圖中，光如在圖15傳播，並且使用相同的編號。在此，准直棱鏡526與棱鏡501的不同之處在於其與近端邊緣523毗連，並具有一個修改的底面528，形成波導503的底面連續部分，以提供耦合反射器。在這種配置中，光學面515與修剪邊緣523之間的距離比圖15的實施方式基本上更短。通過從光學孔徑以及橫跨整個所需的視場角的外顯光學孔徑逆向追蹤光線，可以看出面515(以及最終的棱鏡526)的所需尺寸減小了。這又能夠減小圖像生成PBS 500的尺寸。
圖15至17的示例示出適用於一維波導或二維波導實施方式的橫截面幾何形狀。當耦合進入一個二維波導時，棱鏡526(及與其相鄰的500)以二維傾斜角度(如圖10A至10C中所示耦合棱鏡91的耦合面)相對於波導503。因此，圖16中所示的幾何形狀在其他軸上(以不同的角度)被再現。棱鏡526的一第二面垂直於面528也將是波導503的一第二表面的一個延續部分(在前面的圖示中的波導10)。圖18中示出了這樣封裝的三維表示。在這種情況下，圖像生成元件、棱鏡及波導的方向可以是相對於彼此的任意旋轉，全部根據每個具體設計的要求。
根據此緊湊實施方式的棱鏡526的配置優選地滿足以下條件：
1)來自光學面515的光線被直接反射到波導上並且不被表面513反射(等同於上面對圖15的描述)。
2)修剪邊緣523的圖像(由光束521表示為該圖像的最淺部分)不能被截斷，不能被反射表面513截斷而不能被棱鏡526的外表面截斷。
3)表面528必須是波導表面的延續。
4)對於二維波導，上述條件應該在波導的兩者的維度上得到滿足。
圖17示出了這些限制可以如何規定可以將耦合棱鏡502併入到准直棱鏡531中的程度。在此示例中，進入到波導的耦合角度是非常淺的。因此，該耦合棱鏡(在被合併之前)將是非常大的，所以該准直及照明棱鏡也是如此。在該實施例中，該耦合棱鏡僅被整合到准直棱鏡531中，該圖像(表示為521)的該最淺角部分的該修剪邊緣的該圖像不被該棱鏡531的該外表面所損害。該點533成為該耦合棱鏡的該邊緣。然後光學元件515的尺寸517由該圖像的最陡角部分支配，該角度部分必須無阻礙地到達邊緣523。由於該尺寸的准直棱鏡531不能與邊緣523直接抵接，因此在波導503的入口處設置一個小的耦合棱鏡535。
在上述用於將圖像耦合到波導10中的每個選擇方式中，所提出的解決方案被認為對於任何外耦合應用是有利的，例如上述的部分反射刻面耦合-輸出方法，(諸如在PCT專利申請公開第WO2017/141242A2號中公開的)或用於耦合輸出的使用繞射元件的應用。在一波導的一個表面上內部照射的一定比例的輻射耦合所用的傾斜面及繞射元件在該技術中是已知的，這裡不再詳細描述。
在第一及第二波導之間的耦合：根據圖1A及1B的配置，從第一波導10到第二波導20的耦合 需要波導的精確對準，以保持圖像質量而不產生雙重圖像。具體地，如圖1A、圖3及圖5D所示，在第一波導10中的圖像的兩個輸出圖像a1及a2被耦合進入到第二波導20中，並且繼續彼此交換作為沿著波導20傳遞的共軛圖像b1及b2。為了達到良好的質量，波導10及20的外部面應該精確地彼此相互平行或垂直。根據圖1A及1B的實施例，波導10被放置在波導20的頂部。另外，無論在本文何處提及例如上、下、頂部、底部等方向，這些術語僅用於容易表示並參考附圖中所示的任意方位。最終裝置可以以任何需要的方向部署。另外，用於引導圖像至第一波導的耦入裝置以及將耦合圖像從第一波導至第二波導的耦出裝置的相對方向沒有限制。
圖19A至19C示出了根據本發明的一個實施例的一個不同的配置，用於通過將第一波導10放置在與第二波導20的平行面之一相鄰的位置來進行耦合波導，如圖19A所示。光在第一波導10中從右向左傳播，如上參照圖1A所述，並遇到波導10的該等內部刻面(在圖19C的俯視圖中可見)其在這裡被定向成偏轉該偏轉圖像，從而通過中間折射層99將該圖像耦合進入到第二波導20的該面中(在下面進一步討論)。該耦合被選擇為一個角度，使得光束在第二波導20內繼續反射，優選地通過TIR(圖19B中的實線箭頭)。該共軛光束在該共軛方向上耦合進入到第二波導20中(圖19B中的虛線箭頭)傳播到第二波導20的相鄰端並通過向外散射而損失。
在此實施方式中，用來自第一波導10的耦入圖像填滿第二波導20優選地通過選擇第一波導10足夠的一個寬度來實現，使得從波導10的遠端(如圖19B所示的頂部)以一個角度呈現的一光束101，該圖像的最淺角度區域不會超過第一波導10的另一端部102。
為了實現圖19A至19C的配置，必須滿足多個條件。首先，為了支持沿第一波導10的傳播，光束被引導進入到波導10必須通過與折射層99的介面反射。在通過波導10的內部刻面反射之後，光束應該被耦合輸出通過折射層99進入到第二波導20，但是不應該從波導20的相對的外部面逸出。圖20描繪了用於實現這種結構以便滿足上述條件的一種以球面坐標方法。
因此，在圖20中，圖像106LU、106RU、106LD及106RD等同於圖1A的a1、a2、a3及a4。波導與空氣之間的臨界角由圓107及108表示，分別等同於圖3中的61及63。圓109表示圖19B及圖19C中波導10及中間折射層99之間的臨界角。由於波導及折射層99的折射率比小於空氣，所以TIR圓大於空氣邊界。沿著第一波導10傳播的四個共軛圖像全部在圓107及109之外，使得圖像沿著波導通過TIR傳播。當106LU遇到波導10的內部刻面時(圖2A中的描述圖像C2的過程)，其被耦合到110LU上(相當於圖1A中的b1)，同時106RU被耦合到110RU。光束110LU及110RU在臨界角109內但在臨界角107之外。因此，其將有效地耦合輸出波導10通過層99並進入到波導20，但是不會從波導20的該等外部面耦合輸出到空氣。
當110LU及110RU在第二波導20內反射時，其分別產生相對應的共軛圖像110LD及110RD。這些反射相當於圖1A中的b2。
如上所述，在此實施方式中，如圖19B中的虛線箭頭所述，110RU及110RD被散射出去。圖像110LD通過第二波導20的該等內部刻面(如上面在圖1A中以45所示)耦合輸出到眼睛。
圖21A及圖21B示出了此實施例的變型實施方式。在圖21A 中，光束110RU及110RD(如虛線箭頭所描繪)被反射以重疊並加強110LU及110LD(實線箭頭)。如圖21A所示，通過垂直地導入一反射器112並在第二波導20的端部處實現這種組合。該反射器可以使得圖像110RU及110RD的一部分被反射回來並且以相反方向再次進入第一波導10。在第一波導10的兩個相對的外部刻面114R及114L上可能需要提供反射塗層，以在被該內部刻面反射之後容納這些光束。
圖21B示出將第一波導反射器114R與第二波導反射器112組合為一個單反射器116的一種配置，同時保持與圖21A的配置相同的功能。
在圖21C中，波導10也與波導20相鄰，間隔一個中間介電質或空氣間隙。從波導10耦合輸出的光(實線箭頭)被反射通過在波導20上的一反射鏡117在一個過程中類似於上面參考圖13A及13B描述的過程。反射鏡117的角度被選擇以與來自波導10的透射光到進入波導20(虛線)中所需的導光角相匹配。在一些情況下，反射鏡117延伸超過波導10的邊緣(如圖21C所示)，取決於波導10的實施方式所產生的耦合輸出角度及所使用的圖像傳播角度。
通過內部刻面(或繞射光學的元件)圖像耦合輸出的不同幾何形狀可以應用於圖19A至21C的實施方式，例如上面描述參照圖2A及2B的各種幾何形狀及適當的塗層。
圖19A至21B(沒有圖21C)的實施方式在可用視野中受到參照圖20描述的幾何要求的限制。然而，對於一個應用範圍，此種選擇方式可能是特別有利的由於設計的簡單性及易於製造的考量。
在圖22A至22E中示出了第一波導10及第二波導20之間的耦 合的另一組實施例。在這些實施方式中，二維波導10相對於第二波導20傾斜，因而如圖22B所示，從波導10耦合輸出的該等圖像中得僅有一個圖像被容納及引導在波導20內，如圖22B所示。第一波導10可以通過使用一中間透明光楔730而相對於一維波導20以所需的傾斜度安裝。這種傾斜度被選擇以致於耦合來自波導10的一個圖像(實線箭頭，類似於圖19B的實線箭頭)而不是將來自波導10的其他圖像耦合(虛線箭頭，類似於圖19B的虛線箭頭)。非耦合圖像被外部吸收體(例如736)吸收，或者在一個方向上指向觀看者不可見的地方。任選地，736可以是一維回射器，其將光(點劃線箭頭)沿相反方向反射返回進入到波導10中及耦合進入到波導20中，相同於圖21A至21B中的虛線箭頭。根據這個選擇方式，一反射塗層737可以提供在二維波導10的外部刻面中的至少一個上，如圖22B所示。為了清晰呈現，波導的內部刻面在這些圖中已被省略。
波導10相對於波導20的傾斜度可以根據波導所需角度及在它們之間傳播的圖像來選擇，並且可以採用一個透明的光楔耦合棱鏡730來相對於第二波導20的一個傾斜耦合表面減小傾斜度，如圖22C所示；或增加該角度，如圖22D所示。在圖22E所示的一個特別優選的實施方式中，第一波導10相對於第二波導20的所需傾斜角度與該第二波導耦合表面的角度相匹配，使得不需要中間耦合棱鏡。為了實現該選擇，耦合到第二波導20中圖像的輸出角度必須與波導20內的所需的傳播角度相匹配，並且由傾斜的端面734形成的光楔的大小以及波導10的尺寸必須使得第二波導20填滿該圖像及其共軛圖像，與上面所述參照圖6至12的方式類似。
在每種情況下，在第一波導10的輸出面上需要一個不連續性 介面，以確保波導性質不受損害。在圖22A至22E所示的實施方式中，在波導10及波導20之間提供一光學不連續性的中間介質是空氣，但是也可以使用其他任何折射材料或塗層。選擇方式包含一繞射光柵也可以執行輸出耦合，作為上述內部部分反射刻面的替代方案。
因此圖22A至22E示出波導10的一傾斜，根據該傾斜，第一波導10被光學地耦合到第二光學波導20的一端面734，在第三對平行面22a、22b之間延伸並且相對於第三對平行面22a、22b傾斜地成角度。這種類型的傾斜可以與本文呈現的所有其他變型結構組合，例如，下面參考圖26至29描述的各種不同類型的內部刻面傾斜。
現在參考圖23及圖24，這些基本上關於類似上述圖1A至1B的實施方式，但是示出了一些可變特徵。因此，圖23示出了一個實施例，其中一中間折射層120介於波導10及20之間。該層應該優選是薄薄的一層，並且可以由各種材料或多層塗層製成。該層120的存在用於擴大圖3的臨界角圓61，在圖24的角度空間圖中示出為臨界角圓121。通過合適的折射率選擇，可以選擇臨界圓的大小，從而在光學設計中提供一個額外的自由度，並且在一些情況下，有利於實現具有比一個氣隙更大的FOV。
在一個獨立的方面，圖24還描繪了一實施方式，其中a3及a4位於波導10中的刻面相對於a1及a2的角度122是在同一側上。這相當於圖2A中的C1的情況。
另一個獨立方面，圖24還描繪了一種配置，其中波導10及20由具有不同折射率的材料形成。為了表示不同的結果特點，在圖24的左側分別繪製了第二波導20的幾何特性，圖像及臨界角圓的角度大小在兩個圖 中是不同的。
本領域普通技術人員應當清楚的是，所有上述變型可以與本文所述的任何實施例結合使用，以提供系統設計的附加自由度。
在本發明的各種實施例中，部件的相對定位，特別是兩個波導的精確對準及結構穩定性對於確保高圖像質量可能是關鍵的。圖25A至25D為根據本發明的多個不同選擇方式用於封裝裝置，並且提供各種附加的優點。
圖25A示出用於波導10在波導20之頂部的實施方式第一種選擇方式，同時保持外部表面的質量、平行度及垂直度，以保持圖像質量。根據這個選擇方式，為波導10及20提供連續的共同的外部覆蓋件132。根據一個優選的選擇方式，外部覆蓋件132與波導的材料光學地匹配，使得實際的波導事實上由覆蓋件132的外部面所限定，同時內部刻面僅設置在覆蓋件的面內介面134之間。在這種情況下，外部覆蓋件132應該盡可能地薄以減少漏光136。波導10及20之間的間隙可以是用於臨界角度管理的氣隙或折射間隙。
圖25B示出類似圖25A的一實施方式，但是還有沿著波導10的頂部及底部添加了光學覆蓋件142。使用這種覆蓋件可以有助於獲得高光學質量(平滑度)同樣沿著這些面。
圖25C示出波導10比波導20略寬的一實施方式，以確保波導20的入口處完全覆蓋(填滿)，儘管波導之間的附接有任何間隙或偏差。在這種情況下，一層中間折射材料149優選地覆蓋波導10的整個底面。
圖25D為關於具有類似圖22A至22E的幾何形狀的實施方 式，其在兩個波導之間具有一氣隙來實現。為了固定波導的相對位置，並在波導中以最小的內部反射擾動來密封波導之間的氣隙，優選地在波導的外表面上施加一反射塗層1149，至少在接合將要進行的區域。然後，一連接附件1150附著到這些塗層中的每一個，以機械地連接該等波導，並且優選地還產生一密封。塗層可以位於靠近間隙處，或者可以延伸以覆蓋二維波導的整個側面。
塗層1149可以是金屬反射塗層，或者可以是一種介電塗層，其被選擇為使得圖像光的掠射角被反射，而來自散射的陡峭光線或任何不希望的圖像將被透射出去。
現在參考圖26，在該實施方式中，波導10的延伸方向相對於第二波導20內部刻面的延伸方向傾斜(不平行)。換句話說，第二波導20的部分反射表面(刻面45)在一組平行線150處與表面22a相交，並且第二波導20的耦合端面在一個邊緣151處與表面22a相遇，該邊緣不平行於一組平行線。傾角改變了圖像的外接角度，並且可以用於滿足在某些應用中對人體工程學設計的要求，或者可以簡化某些角度的設計限制。這些角度限制包含不超過該臨界角的限制(圖像矩形不橫跨一圓)或要求不具有重影重疊一般圖像(圖像矩形不橫跨一刻線，如在圖24中的122)。
在圖26的實施方式中，選擇第一波導10內部刻面的角度，使得提供給第二波導20的連接離開的圖像垂直於第二波導的刻面傳播。
波導10相對於波導20的傾斜可以替代地以與此處所示的相反的方式，取決於刻面配置(圖2A及2B的選擇)、耦合方法(圖19A至23)、所需的圖像FOV及/或空氣及波導之間的臨界角(圖24)。
圖27示出本發明的另一變型實施方式，其中第一波導10的數個部分反射表面(這裡標記為155)與面12a及14a兩者處於一傾斜角度。(虛線是為了便於觀察刻面的傾斜，通過顯示一個垂直於兩個外表面的兩者的一個平面，而另一個相對於僅一個表面傾斜)。圖28中示出了角度空間中的這種實施方式的描繪。波導10中的初始圖像表示為a1至a4具有一“景觀(landscape)”(寬)縱橫比。圖像以一個扭曲的角度作為圖像a1入射到波導中，以獲得最終的水準圖像。該二維傾斜內部刻面155的平面呈現為157。這個刻面將a1耦合進入到b1為從波導10向外耦合進入到波導20。另一方面，a2被耦合到不在臨界角邊界159中的b2，因此不耦合到波導20，而是被損失。圖像b1在波導20內產生自己的共軛圖像b3，並最終被耦合到眼睛，如圖像c(如上所述)。在這種結構中，波導10及20之間對準精度的要求被放寬了。
圖29A及圖29B表示的角度空間根據圖27的實施方式的另一變型，該等刻面40的一個取向可以選擇具有二維傾斜表示為110，並具有合適的塗層，以選擇性地反射在第一波導10內傳播的四個圖像中的僅一個圖像的顯著部分。因此，在圖29A所示的幾何結構中，圖像a2被選擇性地耦合到b1，被波導20傳播及擴張。剩餘的圖像a1、a3及a4為在足夠小的角度，通過適當選擇塗層，可以基本上消除這些圖像在該等刻面40的反射。該圖像的角度差異(a1、a3及a4比a2更接近該刻面)最好在圖29B的三維(3D)圖示中看到。因此，在一個特別優選的例子中，該等刻面40被塗覆塗層，以使其基本透明(即，在該相關波長範圍內入射輻射產生少於5%的反射)。對於在55度及85度之間到該表面法線的光線，並部分反射(通常反射至少 10%的入射輻射強度，並且顯著更多，通常比“基本上透明”的角度範圍具有至少兩倍的反射強度)對於入射對法線傾斜小於45度的入射光線，圖像的擴展角度方向的入射角度及該刻面的傾斜角度可以被選擇為使得對於三個圖像(這裡是a1、a3及a4)的整個角度擴展落在該基本上透明的角度範圍內，而對於一個圖像(這裡是a2)的所有圖像角度在該部分反射範圍內。這導致僅有一個圖像的選擇性耦合輸出，從而簡化了系統設計的各個方面。將會注意到的是，耦合輸出的圖像不需要與最初生成的圖像相同，並且可以以其倒轉的共軛圖像用於入射。必要時，原始圖像生成元件可以生成一個用於入射的倒轉共軛圖像，使一個右邊圖像從該波導耦合輸出。
均勻性增強：在最終放大孔徑照明中的不均勻性有時可能是由於原始投影圖像孔徑的不均勻光線導致或者由於孔徑的非最佳修剪而導致的。根據本發明的另一個方面，通過實現波導的一個多路徑配置，任何這樣的不均勻性可以變得平滑。
具體參考圖30示出一波導170(其可以是波導10或20的一個側視圖)並列有一個相鄰的平行波導172。這些波導之間的中間介面產生光耦合，使部分光線在該波導之間傳輸，其餘部分在內部反射。該中間面(在波導170及172之間)及該外部面(如圖所示的頂部及底部)是平行的。該中間介面處的部分反射可以基於該波導之間的一個塗層或一個折射率不連續性。在波導170內傳播的反射孔徑174如176(被標記為虛線)被耦合到波導172中。該孔徑的該圖像也被耦合回到波導170中，並通過該等內部刻面40或45(圖中未示出)連同“原始”孔徑179輸出成為輸出孔徑178。輸出孔徑 178及孔徑179是平行的，但在位置上偏移，導致橫跨該孔徑的任何不均勻性被平均。
如圖31A所示察覺不均勻性的另一個來源關於不同視場內的內部刻面的角度重疊。在這裡所示的波導區域(10或20)，該波導含有內部刻面(兩個被描繪為2515及2517，相當於40或45)。大部分的耦合輸出光都是從一個內部刻面反射出來的。但是，在該等刻面的邊緣，在離軸角度上是不均勻的。對於FOV的一個區域指向左邊(標記為實線箭頭)，標號為2520的一區域不反射任何光線，因為在這個角度上，刻面2515及刻面2517所反射的光線之間有一個有效的空隙，導致在感覺中的黑暗條紋。另一方面，耦合到右邊的光(標記為虛線箭頭)具有一個區域2525，其中有從2515及2517反射的光線重疊，所以會反射幾乎兩倍的光量。因此，圖31A中的不均勻性將在FOV及眼睛位置的不同區域中橫跨擴展孔徑的圖像強度中位數約200%至0%之間變化。
根據本發明的另一方面，刻面之間導入了顯著的重疊，如圖31B所示。在這種情況下，相鄰的刻面之間的間隔減半，導致FOV的大部分在大部分眼睛位置接收來自該圖像的照明通過兩個刻面的疊加反射。在該圖像的角度末端附近及該等刻面的末端，該等刻面重疊的數目仍會有所改變，這種重疊有助於該圖像的某些區域，如光束2540所示，光束2540僅源自於一個刻面，光束2545由三個相鄰的該等刻面貢獻。儘管如此，不均勻性大大降低，通常相當於大約±50%。另外，變化發生在孔徑更密集的位置，從而在該觀察員的瞳孔中趨於平均，並且降低變化的顯著性。
如圖31C所示，進一步改善減少不均勻性可能是由於導入由 該重疊內部該等刻面所產生的“多路徑”圖像造成的。光在波導10內傳播(標記為實線箭頭並標記為“a”)被耦合輸出(指定為“b”)，但是一些來自b的光被逆向耦合到“a”(標記為虛線箭頭)在被耦合輸出為“b”之前。“a”及“b”之間來回的耦合，導致橫跨孔徑強度的平均，同時保持光線的平行度，從而進一步改善光均勻性。
在圖32A及32B中示出根據本發明的某些實施方式中交叉耦合的另一種方法。在圖32A中，內部刻面2670(相當於40)處於“逆向”方向，以便反射該圖像照明傳播的一部分通過TIR從右到左(如實線箭頭所示)在該等內部刻面並向上到頂部外部面2675上。這個面是塗覆塗層的，以使其成為一個全反射器，從而向下反射(光線2672)到波導20中。
從頂部外部面2675反射的有些光線被通過該等內部刻面再次反射(如虛線箭頭所示)並沿著波導10向後傳播，直到被另一個內部刻面向下反射為光線2680。顯然地，光線2672及2680彼此平行並且偏移，因而實現交叉耦合及平滑在圖像強度的不均勻性。
在圖32B中，該等內部刻面被描繪為耦合光線向下(在該實施例中也包含向上耦合)，底部外部面2705被實現為一部分反射器並且頂部外部面2710被實現為一個完整的(例如，金屬化的)反射器。作為該配置的結果，部分光線通過該等內部刻面40向下反射並且通常將被耦合輸出將被向後反射進入到第一波導10中。該向上光線(如虛線所示)然後分成多條路徑，其中一部分穿過該等內部刻面並從頂部面2710反射，以及一部分沿著進入的光路逆向反射回去，在隨後的內部刻面反射向上。從該上表面2710反射的光線類似地可以直接通過該等內部刻面進行耦合輸出，或者可 以在該等內部刻面上經歷進一步的反射對，以在不同的位置耦合輸出。圖像之間的這種多路徑混合及交叉耦合進一步用於減少不均勻性。
應當注意的是，前述與該耦合輸出面成高角度的多重內反射也將入射到波導10的前面及後面上。取決於光束的角度，可以優選地另外在波導10的前後表面塗覆一層反光塗層。
現在參考圖33A至33C，應該注意的是，在上面所述參考圖3、24、28及29的方案中，在該等內部刻面上的選擇性部分反射被設計為入射圖像a1及a2相對於該刻面具有相對較高的傾斜度，而低傾斜角的圖像a3及a4被透射。如上所述，適合於實施這些選擇性的刻面塗層在本領域是已知的，並且可以在本受讓人先前申請的美國專利第7391573號及第7457040號中找到。
作為該方法的一個替代方案，圖33A至33C示出了一種實施方式，其中該低傾角圖像是被耦合輸出的圖像，而該高傾角圖像被透射通過該刻面。因此，在圖33B的角度圖中，圖像a3及a4是被耦合輸出的以提供b1及b2，而圖像a1及a2以最小的反射穿過該內部刻面40。這個光線的幾何結構如圖33A所示，並且在幾何上等同於圖2A中耦合輸出的光線C2。
圖33C示出可用於實現這種選擇性的該內部刻面角反射率的一個實施例。在此圖示中，在x軸顯示相對於該刻面法線的角度，同時每個偏振的反射率顯示在y軸上。實心方形表示a3或a4的角度範圍。明顯地，S-偏振將被部分地反射，而P-偏振被大部分地透射(如在之前的實施例中所描述的)。虛線正方形表示共軛圖像a1或a2。這兩個偏振的反射率是最小的，因此它們不會被反射輸出波導10。
用於實現這些反射率分佈所需的塗層可以使用一維波導背景中公開的塗層來實施，例如在前述的美國專利第7391573號及美國專利第7457040號中。
偏振方案：該刻面塗層的反射特性是與偏振相關的。如果偏振不保持不變，這種強烈的依賴性可於產生投影給觀看者的圖像不均勻強度輸出。所以習知的實施方式為當與一維波導運轉時，使用一單一偏振(最好是S)以一方向正交於波導的表面來照亮他們。當光沿著該一維波導傳播時偏振方向隨著而保持不變。
在根據本發明的一個方面教導的二維波導10的實施方式中，該輸入圖像使用一單一偏振不能提供一個最佳解決方案，由於光入射在該等面上的各個角度，通過這些反射引起偏振方向的改變。所以，如果一單一偏振入射到該波導上，其方向將沿該波導改變，並且圖像均勻性將受到損害。
相反地，根據本發明的某些特別優選的實施方式，引導進入到第一波導10的圖像以非偏振光被耦合(或假性非偏振光，如下所述)進入到二維波導。通過使用一個非偏振的輸入，偏振的旋轉對圖像的均勻性沒有影響。而且，儘管來自該等內部刻面40的耦合輸出反射產生了一個極大的偏振輸出，該部分偏振的透射圖像的偏振不斷地被擾亂，通過在該波導的該等面後續的反射，從而有助於該圖像在隨後的該等內部刻面上均勻分佈。
該光學的圖像可以被產生通過一掃描雷射器、液晶顯示器 (LCD)，矽基液晶(LCOS)，數位光源處理(DLP)，有機發光二極體(OLED)或其他發光裝置產生。如果投射光是偏振的，或者如果由一個偏振分光器引起偏振，則光優選地在進入第一波導10的孔徑之前傳輸通過一個去偏振器。該去偏振器可以是被動去偏振器(例如“裡奧(Lyot)”去偏振器、“柯努(Cornu)”去偏振器，或者“光楔(Wedge)”去偏振器)，其基於改變光的不同光譜分量的偏振。例如，紅色、綠色或藍色LED的光譜寬度可以在50納米左右的，而一個1毫米厚的晶體石英可以實現良好的去偏振。這樣的去偏振器可以在任何光學介面處沿著該圖像傳播路徑導入，在該圖像投影裝置中的最後一個偏振元件之後。例如，其可以被導入在圖16的偏振分光器513的正下方或者在製造該波導期間接合的任何元件之間的中間介面處。
替代地，一單一單元的LCD可被使用於偏振的快速切換，實現通過人類視覺感知的時間平均效應所感知的偽去偏振。如果該LCD在兩個正交狀態之間改變該入射光的偏振於投影圖像的一個單幀的時間內，那麼在這個應用中光可以被認為是非偏振。在某些情況下，更多的狀態可以是優選的(例如，通過以一降低的電壓致動一個LCD單元而產生的一個中間狀態)，但兩個正交狀態通常會產生令人滿意的結果。例如，如果投影圖像幀速率是100FPS，則該LCD應以200Hz的速率改變偏振，並將留在每個偏振中幾毫秒。
在非偏振光入射到波導10之後，該非偏振光遇到第一內部刻面40。該光的一部分被該刻面反射。由於反射是部分偏振的，所以繼續傳播的其餘光線也是部分偏振的。因此，例如，如果偏振是S-偏振，部分反射以耦合輸出到第二波導20，則透射光的部分是P偏振。
這個透射光在撞擊該等刻面40之前繼續進行TIR或反射。該TIR隨機地旋轉光的偏振，並且在一定程度上也使其去偏振。這種偏振擾動(旋轉及去偏振)是有益的，有助於沿著波導10輸出的一致性。通過採用波導10與其環境之間的高折射率差，增強了該偏振擾亂(如由菲涅耳方程表示)，例如，其中波導10的頂部外刻面之上的介質是空氣。
根據一個優選的選擇方式，在波導10內導入一種雙折射材料或塗層以增強偏振擾動。根據另一個優選的選擇方式，在波導10的外表面之外導入一層塗層以增強偏振擾動。在內部刻面處部分偏振的上述過程隨後通過偏振擾亂在每個連續的內部刻面上重複進行。
關於在該等內部刻面40處反射的光用於從波導10耦合輸出並進入到波導20，這種光通常是部分偏振的，通常地具有S-偏振，但是可以進行偏振修正在發生在波導10的側面的任何進一步的反射，在離開第一波導之前以及在離開波導10進入該波導之間的間隙之間。該耦合輸出光所得到的偏振特性及相對於該第二波導的任何偏振方向因此取決於所採用的特定耦合幾何形狀的各種特徵。一些選擇方式可採用關於在第二波導20中偏振的管理。
任選地，通過在該波導10及20之間的間隙處放置一個波板，可以減小S-偏振的累積偏差。該波板(或多個波板)的實際參數應根據具體輸出的耦合光從波導10中的偏振相對於波導20中所需的偏振。任選地，可以在波導10及20之間部署一偏振器，以便減少不希望的偏振、散射及重影。
該等刻面45的延伸方向與該等刻面40正交處，S-偏振通過該等刻面40反射後的方向對於該等刻面45為P-偏振。如果S-偏振對於該等刻面 45為優選的，則一λ/2波板可以配置在該波導之間，以使與該等刻面45所需要的偏振相匹配。該λ/2波板可以放置在先前描述的偏光器之前或之後。
在一個替代實施方式中，在某些情況下，系統已被發現以提供可接受的結果，在波導10及20之間沒有實施偏振管理。在這種情況下，來自該等刻面(b1及b2)的反射光的偏振將旋轉當從波導20向下傳播，在波導20的該等刻面45上產生偏振平均。這種結構的進一步優選的通過具有反射兩種偏振的塗層來實現，如圖33C所示，在50度至75度的範圍內。(在這個例子中，這兩個偏振的反射是不相等的，但兩者都被顯著地反映出來)。
也可以在該兩個波導之間的間隙導入一個去偏振器(除了在圖像注入到該第一波導處的去偏振器之外)。另外地，或者替代地，雙折射材料(例如，某些塑膠)可以用於該等波導，從而進一步增強該系統的偏振擾動性質。
製造過程：適用於製造第二波導20的技術通常是已知的，並且可以在例如相同受讓人的在先前美國專利第6,829,095號中找到，如在此參照圖32至36所描述的。
圖34A示出了一個非限制性但優選的過程，其可用於生產第一波導10。為清楚起見，在圖中，該等內部刻面不是以比例或密度來描繪。
一塗覆塗層的透明平行板組被附接在一起作為堆疊400。該堆疊被斜線地切割(402)以便生成一個切片404。如果需要，一透明蓋板405可以被附接到該切片404的頂部及/或底部(未示出)。如果需要一維刻面傾角，該切片垂直於該等刻面的邊緣切割(虛線)，或者如果需要二維刻面 傾角，則需要斜線地切割(點劃線)，以產生二維波導406。
對於上述許多實施例，一耦合棱鏡然後附接在波導10上。在圖34B至34E中示出了一耦合棱鏡附接的示例性過程。該切片的二維波導406，如圖34B所示，與該等刻面重疊(兩個刻面反射每一視線)。這只是一個非限制性的示例，並且不與該等刻面重疊也是可能的。
如圖34B所示，該二維波導406(為清楚起見，描繪為不透明)被切割，例如沿著如圖所示的虛線。這種切割可以在任何方向，但是一垂直切割緩解了嚴格的折射率匹配要求。優選地，如圖34C所示，該切割是執行在該等切面重疊存在處(參照圖34C的切割端部)為了保持照明的均勻性。否則，該第一切面將反射而不重疊，將導致照明減少。一透明的延伸部413可以被添加，如果需要，且棱鏡414(相當於上述的91，描繪為透明)被附接到406，以產生二維波導416具有一延伸部及耦合棱鏡。在不需要該延伸部的情況下，該耦合棱鏡414可直接附接到該波導上以生成組裝的波導417。該波導的遠端可被留下，以允許任何剩餘的光線從其散射，並且可任選地塗上光吸收材料(例如黑色顏料)以最小化散亂反射。
現在參照圖35A至35D，觀看者通過該一維波導20看到世界。因此，該等內部刻面45(在圖1中)在透明度上的變化可以是可觀察的及有困難的。然而，為了保持該波導(虛擬圖像)的均勻照明，該等內部刻面的反射率必須遠高於該波導照明點。
在圖35A至35D中，該一維波導的照明被描繪為粗箭頭，並且該等刻面的較高反射率在該圖35A及圖35C的前視圖中被描繪為較暗的透明度，在圖35B及35D的側視圖中被描繪為較粗的線。
在圖35A及35B的部分450示出透明玻璃在該波導的端部處。該部分不在內部地引導光線，僅用於波導窗口該觀看者的連續性，超出該投影圖像的區域。這通常導致部分450及最後的刻面之間的一外顯不連續。根據圖35C及35D所示的本發明的另一個方面，也適用於另外傳統的系統，最後部分454是故意透明低的，從而減少任何外顯不連續性在最後刻面及最後部分454之間真實世界視野的傳輸。這使得該圖像的一部分對該觀看者的幹擾更小。對於部分454所期望減小透射率也可以在部分450的頂部上使用一塗層來實現。
根據本發明的又一方面，另外的一漸變透明度視窗457可以在該波導附近(前方或後方)導入。該漸變透明度在與該漸變透明度相對的方向上變化，該漸變透明度是由連續較厚的內部該等刻面的配置所產生的，從而補償了通過顯示器觀看現實世界的外觀變化，並產生一個大致均勻的整體組合透明度。
所附的申請專利範圍撰寫沒有包含多重附屬的範圍，這僅是為了符合在司法管轄權的形式要求上不允許多重附屬。應該注意的是，通過使得申請專利範圍多重附屬而暗示的所有可能特徵組合都被明確地設想過並且應該被認為是本發明的一部分。
應該理解的是，以上描述僅用作示例，並且有許多其他的實施方式亦可以屬於本發明的範圍，如同在所附的申請專利範圍中所定義。

Claims (24)

  1. 一種光學孔徑倍增器，包含：(a)一第一光學波導，具有一延伸方向，該第一光學波導具有一第一對平行面及一第二對平行面以共同形成一矩形橫截面，其中數個部分反射表面至少部分地橫置於該第一光學波導，該等部分反射表面相對於該延伸方向形成一傾斜角度；及(b)一第二光學波導，與該第一光學波導光學相耦合，該第二光學波導具有一第三對平行面以形成一板式波導，其中數個部分反射表面至少部分地橫置於該第二光學波導，該等部分反射表面相對於該第三對平行面形成一傾斜角度；其中該第一及第二光學波導的光學耦合及該等部分反射表面係被配置為使得當一圖像以一初始的傳播方向並以與該第一及第二對平行面兩者皆傾斜的一耦合角耦合進入到該第一光學波導中時，該圖像沿著該第一光學波導通過四重內反射而前進，該圖像以一強度比例在該等部分反射表面上反射，以便耦合進入到該第二光學波導中，並在該第二光學波導內通過雙重反射進行傳播，該圖像並以一強度比例在該等部分反射表面反射，以便從該等平行面之一向外導出而成為一可視圖像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學孔徑倍增器，其中該第一對平行面包含一第一面及一第二面，且該第二對平行面包含一第三面及一第四面，該第一面的一端部終止在一第一 近端邊緣處，並且該第三面的一端部終止於一第二近端邊緣處；該光學孔徑倍增器更包含：一耦合反射器裝置，與該光學波導一體成形或光學耦合，該耦合反射器裝置包含：(a)一第一反射器，被佈置為該第三面的一近端延伸部，或者佈置為一反射器平行該第三面且位在該第三面外，該第一反射器具有一寬度垂直於該延伸方向，該第一反射器的該寬度大於該第三表面的一寬度；及(b)一第二反射器，被佈置為該第四面的一近端延伸部，或者佈置為一反射器平行於該第四面且位在該第四面外，該第二反射器具有一寬度垂直於該伸長方向，該第二反射器的該寬度大於該第四表面的一寬度；使得當沿著一光學輸入軸線觀察時，該第一及第二近端邊緣呈現一外顯的波導孔徑，該外顯的波導孔徑係由該第一及第二近端邊緣以及在該耦合反射器裝置內反射之該第一及第二近端邊緣的多個圖像加以限定邊界。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光學孔徑倍增器，其中該光學輸入軸線相對於該第一及第二反射器兩者皆呈傾斜。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之光學孔徑倍增器，其中該耦合反射器裝置為一耦合棱鏡，該耦合棱鏡與該光學波導一體成形，或光學地耦合於該光學波導，該耦合棱鏡呈現一耦合表面，大致垂直於該光學輸入軸線。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之光學孔徑倍增器，其中該耦合反射器裝置為一耦合棱鏡，該耦合棱鏡與該光學波導一體 成形，或光學地耦合於與該光學波導，該耦合棱鏡與一圖像投影裝置的至少一光學元件整合。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光學孔徑倍增器，其中該至少一光學元件包含一分光棱鏡，該分光棱鏡具有一輸入面、一反射面、一內部傾斜分光元件及一輸出面，該輸出面大致垂直於輸出圖像傳播的一主要方向，以及其中該耦合反射器的該第一及第二反射器的至少部分延伸跨過該輸出面的一平面。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之光學孔徑倍增器，其中該耦合反射器裝置為一耦合棱鏡，該耦合棱鏡與該光學波導一體成形，或光學地耦合於該光學波導，該耦合棱鏡呈現一傾斜反射面，用於沿著垂直於該第一及第二反射器其中一個的一光軸反射一光輸入，以便入射該外顯的波導孔徑。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之光學孔徑倍增器，更包含一圖像投影器，該圖像投影器被佈置成投影一圖像以沿著該光學輸入軸線平行到無窮遠，以便與該外顯的波導孔徑完全重疊。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光學孔徑倍增器，更包含一去偏振器元件，插置於該圖像投影器及該耦合反射器裝置之間的一光路徑中。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光學孔徑倍增器，其中該第一光學波導光學地耦合到該第二光學波導的一端面，該端面係延伸於該第三對平行面之間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光學孔徑倍增器，其中該端 面與該第三對平行面形成垂直。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之光學孔徑倍增器，其中該端面具角度的與該第三對平行面形成傾斜。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之光學孔徑倍增器，其中該第二光學波導的該等部分反射表面在一組平行線處與該第三對平行面中的第一對相交，並且其中該等端面沿著一邊緣與該第三對平行面中的該第一對相會，該邊緣不平行於該組平行線。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之光學孔徑倍增器，其中該第一光學波導光學耦合到該第三對平行面中的一個。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之光學孔徑倍增器，其中該第一光學波導的該等部分反射表面相對於該第一對平行面及該第二對平行面兩者形成一傾斜角度。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之光學孔徑倍增器，其中來自該第一及第二對平行面中的至少一面係塗覆有多層的一介電材料以形成一介質鏡面。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之光學孔徑倍增器，其中該第一光學波導的該等面其中之一是一耦合面，通過該耦合面該第一光學波導與該第二光學波導光學相耦合，並且其中該第一光學波導的該等部分反射表面係為重疊關係，使得在該等部分反射表面沿著一主要圖像傳播方向投影到該耦合面上的一幾何投影中，位於該投影內的一大部分區域被包含在該等部分反射表面中的至少兩個的投影內。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之光學孔徑倍增器，更包含一圖 像投影裝置，該圖像投影裝置與該第一光學波導相聯結，並且被佈置以引導一第一圖像以一第一傳播角度方向進入該第一光學波導，及其中該四重內反射產生的一第二共軛圖像、一第三共軛圖像及一第四共軛圖像具有相應的一第二角度方向傳播、一第三角度方向傳播及一第四角度方向傳播；該第一光學波導的該等部分反射表面被塗覆，以使得該等部分反射表面對於以相對於該等部分反射表面的一第一角度範圍內入射之該圖像的光線而言基本上是透射的，並且使得以一第二角度範圍內入射之該圖像的光線被部分地反射；其中該第一角度方向傳播及該等部分反射表面的該傾斜角度被選擇，以使對於該等四個共軛圖像中的三個之該等角度方向傳播全部在該第一角度範圍內入射至該等部分反射表面上，且對於該等四個共軛圖像中僅有的一個之該等角度方向傳播則在該第二角度範圍內入射至該等部分反射表面上。
  19. 一種光學孔徑倍增器，包含：(a)一光學波導，具有一延伸方向，該光學波導具有一第一對平行面包含一第一面及一第二面，且一第二對平行面包含一第三面及一第四面，該等平行面共同形成一矩形橫截面，該第一面的一端部終止在一第一近端邊緣，且該第三面的一端部終止在一第二近端邊緣；及(b)一耦合反射器裝置，與該光學波導一體成形，或光學 地耦合於該光學波導，該耦合反射器裝置包含：(i)一第一反射器，被佈置為該第三面的一近端延伸部，或佈置為一反射器平行於該第三面且位於該第三面外，該第一反射器具有一寬度垂直於該延伸方向，該第一反射器的該寬度大於該第三表面的一寬度；且(ii)一第二反射器，被佈置為該第四面的一近端延伸部，或佈置為一反射器平行於該第四面且位於該第四面外，該第二反射器具有一寬度垂直於該延伸方向，該第二反射器的該寬度大於該第四表面的一寬度；使得當沿著一光學輸入軸線觀察時，該第一及第二近端邊緣呈現一外顯的波導孔徑，該外顯的波導孔徑係由該第一及第二近端邊緣以及在該耦合反射器裝置內反射之該第一及第二近端邊緣的多個圖像加以限定邊界。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之光學孔徑倍增器，其中該光學輸入軸線與該第一及第二反射器兩者皆呈傾斜。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之光學孔徑倍增器，其中該耦合反射器裝置為一耦合棱鏡，該耦合棱鏡與該光學波導一體成形，或光學地耦合於該光學波導，該耦合棱鏡呈現一耦合表面大致上垂直於該光學輸入軸線。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之光學孔徑倍增器，更包含一圖像投影器，該圖像投影器被佈置成投影一圖像以沿著該光學輸入軸線平行到無窮遠，以使與該外顯的波導孔徑完全重疊。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之光學孔徑倍增器，更包含一 去偏振器元件，插置於該圖像投影器及該耦合反射器裝置之間的一光路徑中。
  24. 一種光學孔徑倍增器，包含：(a)一第一光學波導，具有一延伸方向，該第一光學波導具有第一對平行面及第二對平行面形成一矩形橫截面，其中數個部分反射表面至少部分地橫置於該第一光學波導，該等部分反射表面相對於該延伸方向形成一傾斜角度，該第一光學波導的該等部分反射表面被塗覆，以使得該等部分反射表面對於以相對於該等部分反射表面的一第一角度範圍內入射之光線而言基本上是透射的，並且使得以第二角度範圍內入射的光線被部分地反射；及(b)一圖像投影裝置，與該第一光學波導相聯結，並被佈置以引導一第一圖像以第一角度方向傳播進入到該第一光學波導中；其中該第一圖像沿著該第一光學波導通過四重內反射前進，從而產生一第二共軛圖像、一第三共軛圖像及一第四共軛圖像，該第二、第三及第四共軛圖像分別具有相應的一第二角度方向傳播、一第三角度方向傳播及一第四角度方向傳播；及其中該第一角度方向傳播與該等部分反射表面的該傾斜角度被選擇以使對於該四個共軛圖像中的三個之該等角度方向傳播全部在該第一角度範圍內入射至該等部分反射表面，且對於該等四個共軛圖像中僅有的一個之該等角度方向傳播則在該第二角度範圍內入射至該等部分反射表面。
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