TWI776938B - 具有多軸內孔徑擴展的光導光學元件 - Google Patents

具有多軸內孔徑擴展的光導光學元件 Download PDF

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Abstract

一種光學裝置，包含一光導件具有一第一對外表面彼此相平行，以及至少兩組切面。該些組中的每一組包含數個部分反射切面呈彼此相平行，以及位在該第一對外表面之間。該些組切面中的每一組，各自的該些切面是相對於該第一對外表面形成一傾斜角度及相對於該些組切面中的另一組為不平行。該光學裝置特別適用於光學孔徑擴展。

Description

具有多軸內孔徑擴展的光導光學元件
本發明通常關於光學孔徑擴展。
用於增強現實的近眼顯示器是基於具有小孔徑的投影器及光導件，該光導件將該小孔徑倍增(擴展)以投射更大的孔徑以照明期望的動眼範圍(eye-box)。如果投射孔徑是寬的，則擴展是在一個維度上。如果投射孔徑是小的(例如，在二維(2D)光導件中)，則該光導件的擴展是在二維上。
本發明的某些實施例提供了一種光導光學元件，其具有至少兩個維度的內孔徑擴展。因此，根據本發明的一個實施例，提供一種光學裝置，包含：(a)一光導件，具有：(i)一第一對外表面，彼此相平行；及(ii)至少兩組切面，該些組中的每一組為：(A)包含數個部分反射切面呈彼此相平行；及(B)位在該第一對外表面之間；及(b)其中在該些組切面中的每一組，各自的該些切面是：(i)相對於該第一對外表面形成一傾斜角度；及(ii)相對於該些組切面中的另一組為不平行。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該光導件 包含該些組切面中的恰好兩個切面。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該光導件包含該些組切面中的恰好三個切面。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該些組切面中的一第一組用於在由該第一組切面的一相應佈署區域上方的一觀察方向觀看時提供一連續覆蓋，使得該觀看方向上的至少一部分光線穿過在該光導件內的至少兩組切面中的至少一切面。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該些組切面中的每一組橫跨一覆蓋區域，該橫跨是一區域且該些組切面中的每一組佈署於其上方；且該些組切面中的兩組切面的該覆蓋區域是至少部分地重疊。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該光導件是一單區段光導件，包含：(a)該些組切面中的一第一組切面；及(b)該些組切面中的一第二組切面，其中該第一組切面及第二組切面在該光導件的一厚度尺寸的一相同平面上相重疊，該厚度尺寸落在該第一對外表面之間。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，(a)該光導件具有一厚度尺寸在該第一對外表面之間；(b)該些組切面中的一第一組的數個切面延伸跨過該厚度尺寸，以從一第一深度到一第二深度橫跨一第一深度帶；及(c)該些組切面中的一第二組的數個切面延伸跨過該厚度尺寸，以從一第三深度到一第四深度橫跨一第二深度帶。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該第一深 度帶及該第二深度帶橫跨數個重疊深度。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該第一深度帶及該第二深度帶橫跨數個相同範圍的深度。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該第一深度帶及該第二深度帶不重疊。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該些切面的一區段與一對邊界表面毗鄰為界，該對邊界表面平行於或重合於該第一對外表面，該區段含有該些組切面中的至少一組。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該光導件是一單區段光導件，包含：該些切面的該區段的一第一區段，該第一區段包含該些組切面中的兩組切面。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該光導件是一雙區段光導件，包含：(a)該些切面的該區段的一第一區段具有一第一對邊界表面；及(b)該些切面的該區段的一第二區段具有一第二對邊界表面，其中該第一對邊界表面的一個表面與該第二對邊界表面的一個表面相鄰接，以及該第一對邊界表面與該第二對邊界表面相平行。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該光導件是是一個三區段光導件，還包含：該些切面的該區段的一第三區段具有一第三對邊界表面，其中該第三對邊界表面的一個表面與該第一對邊界表面或該第二對邊界表面的一個表面相鄰接；及其中該第三對邊界表面與該第一及第二對邊界表面相平行。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該光導件 包含：(a)該些切面的該區段的一第一區段具有一第一對邊界表面；及(b)該些切面的該區段的一第二區段具有一第二對邊界表面，(c)其中該第一對邊界表面與該第二對邊界表面相平行；以及(d)至少一界面，每個該界面為：(i)至少部分位在兩個區段之間；及(ii)平行於該第一對外表面，(e)其中該界面是選自由以下組成的群組中的至少一個：(i)一個部分反射表面；(ii)一個部分反射光學鍍膜；(iii)從該些區段中的一個區段的一材料到該些區段中的另一個區段的另一材料的一轉變；(iv)一偏振改性鍍膜；及(v)一柔性中間層。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該些組切面中的一第二組配置為執行自該光導件的光線耦出，該第二組切面具有一恆定數量的數個切面，該恆定數量的數個切面係在朝向用於觀察該光導件的光線通過該第一對外表面中的一個進行耦出的一標稱點的一視線上相重疊。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，還包含：(a)一耦入裝置，配置為將一光線引導進入到該光導件中，使得該光線通過該第一對外表面沿著光導件以一第一平面內分量在一傳播方向上的內反射進行傳播；及(b)其中在該些組切面中的每一個中，相應的該些切面被取向為偏轉欲通過該光導的內反射引導的該光線的一部分，以便沿著該光導件以不平行於該第一平面內分量的一第二平面內分量在一傳播方向上進行傳播。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該耦入裝置是一第二光導件，包含：(a)一第二對外表面，彼此相平行；及(b) 一組切面。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，在該些組切面的至少一組中，在該些部分反射的切面的每一個之間的一間隔係被配置為使得：位在欲通過該些組切面中的該一組進行反射的一圖像的一視場中，在沿著該光導件發生一雙重反射傳播步驟的一距離不匹配於該間隔的一精確倍數。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，在該至少兩組切面的一第一組切面中的該些部分反射切面的一第一角度不同於在該至少兩組切面的一第二組切面中的該些部分反射切面的一第二角度，該第一及第二角度均是相對於該第一對外表面。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，在該至少兩組切面的一第一組切面中的該些部分反射切面的一第一角度基本上與在該至少兩組切面的一第二組切面中的該些部分反射切面的一第二角度相同，該第一及第二角度均是相對於該第一對外表面，及該第一組切面係相對於該第二組切面轉動。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，還包含：(a)一光源，提供一輸入照明進入到該光導件中；及(b)一圖像調製器，反射由該輸入照明產生並通過該光導件的一傳播光，該反射產生通過該光導件的一反射圖像光。
根據本發明的一個實施例的數個教導還提供了一種製造一光學裝置的方法，該光學裝置包含一光導件，該光導件具有：(i)至少兩組切面，位在一第一對外表面之間；(ii)該對外表面，彼此相平行；以及 (iii)該些組切面中的每一組包含彼此相平行的數個部分反射切面；其中在該些組切面中的每一組，各自的該些切面相對於該第一對外表面形成一傾斜角度，及不平行於該些組切面中的另一組；該方法包含下列步驟：(a)提供數個部分反射切面的一第一陣列；(b)提供數個部分反射切面的一第二陣列；以及(c)光學地附接該第一陣列及該第二陣列，使得該第一陣列的該些切面及該第二陣列的該些切面相對於該第一對外表面形成一傾斜角度，並且彼此互相不平行。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該光學地附接的步驟是以在該第一及第二陣列之間的一可流動黏合劑將該第一及第二陣列壓合在一起來執行。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該第一陣列中的該些部分反射切面的一第一角度不同於該第二陣列中的該部分反射切面的第二角度，該第一及第二角度均是相對於該陣列的數個相應外表面。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該第一陣列中的該部分反射切面的第一角度與該第二陣列中的該部分反射切面的第二角度基本相同，該第一及第二角度均是相對於該陣列的數個相應外表面，並且在光學地附接該第一及第二陣列之前，該第一陣列係相對於該第二陣列旋轉。
根據本發明的一個實施例的數個教導還提供了一種製造一光學裝置的方法，所述光學裝置包含光導件，該光導件具有：(i)至少兩組切面，位在第一對外表面之間；(ii)該些外表面，彼此相平行；(iii)該 些組切面中的每一組包含數個彼此相平行的數個部分反射切面，及其中在該些切面中的每一組中，各自的該些切面相對於該第一對外表面形成一傾斜角度，及不平行於該些組切面中的另一組切面；該方法包含下列步驟：(a)提供數個透明平坦的窗口，該些窗口具有數個部分反射表面；(b)將該些窗口光學地附接在一起以形成一第一堆疊件；(c)對該第一堆疊件進行切片以產生數個第一扁平陣列，該切片的進行係跨過該些窗口並相對於該第一堆疊件的至少兩對相對側形成一傾斜角度；(d)將數個該第一扁平陣列光學附接在一起以形成一陣列堆疊件；以及(e)對該陣列堆疊件進行切片以產生至少一個該光導件，該切片的進行係跨過該些第一扁平陣列並相對於該陣列堆疊件的至少兩對相對側形成一傾斜角度。
根據本發明的一個實施例的進一步的一個特徵，該些第一平坦陣列在被光學地附接以產生該陣列堆疊件之前係先被拋光及鍍膜。
根據本發明的一個實施例的數個教導還提供了一種在二個維度上擴展光學孔徑的方法，係通過提供一圖像以作為一光輸入用於如前所述的光學裝置。
2‧‧‧投影器
3‧‧‧光導件
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16T‧‧‧厚度
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24‧‧‧外表面
32‧‧‧切面
36‧‧‧切面
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56‧‧‧第二陣列
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116‧‧‧光線
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124‧‧‧方向
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144‧‧‧點
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148‧‧‧光線
150‧‧‧點
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262‧‧‧方向
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266‧‧‧方向
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920‧‧‧基板
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A38‧‧‧圓圈
A39‧‧‧圓圈
本文僅通過舉例的方式，在此參考附圖描述了實施例，其中：第1圖示出了一個光導件的光束擴展效果，具有兩組重疊的部分反射內部切面的高階示意圖；第2圖示出了該光導件的示例性配置的示意圖；第3圖示出了在該光導件中光線傳播的側視示意圖； 第4圖示出了具有不同反射率幅度的各種不同鍍膜的反射率與角度的關係圖；第5圖示出了以角度空間示出該光導件的幾何光學性質；第6圖示出了該光導件的數個切面的角度空間取向；第7圖示出了第二組切面的幾何光學性質；第8圖示出了數個切面及鍍膜邊緣的一個替代實施方式的角度空間圖；第9圖示出了一光導件的另一個實施例，其中數個區段的第一區段及第二區段的部分在該光導件的一厚度尺寸上重疊，以產生單個區段光導件具有數個相交的切面；第10圖示出了用於製造兩區段光導件的方法；第11圖示出了用於製造單區段光導件的示例性方法；第12A圖示出了照明來自側面；第12B圖示出了來自上側的照明，此配置減少了側邊邊緣視野的遮蔽；第12C圖示出了來自中心(兩個光導件之間)的照明，其中可以與投影器的硬體(右及左)組合以減小尺寸及重量；第12D圖示出了能夠實現幾乎完整的邊緣未遮擋視野的頂部照明；第12E圖示出了在眼睛取向以下的一個角度的照明；第13圖示出了上述架構的一個變型實施方式；第14A圖及第14B圖示出了使用第13圖的架構的光導件的配置示意圖； 第15圖示出了在光導件中光線傳播的示意圖；第16A圖示出了設計用於反射高角度入射光束的切面鍍膜的反射率(反射輪廓)曲線圖；第16B圖示出了當前方法的示例角度架構；第17圖示出了反轉圖像的光線傳播的示意圖；第18A圖示出了光線在光導件173中傳播時的反射方向示意圖；第18B圖示出了組合的光導件173的正視示意圖，其組合了三個切面區段；第18C圖示出了當光線在三個切面區段的另一種配置中，在光導件173中傳播時的反射方向示意圖；第19A圖示出了光入射光導件的替代方向角度圖；第19B圖示出了使用第19A圖的角度圖的光導件示意圖；第19C圖示出了當前光導件中的光線傳播圖；第20圖示出了在圖像的另一側具有切面的替代實施例的角度圖；第21圖示出了折射的數個切面與繞射光柵組合的一個混合系統；第22A圖示出了通過一部分反射鍍膜分開的數個區段；第22B圖示出了一個替代的較小的光學裝置；第22C圖示出了具有部分反射器的一個替代實施例；第23圖示出了在具有非較佳擴展的光導件內光傳播的示意圖；第24A圖示出了兩個相似橫截面的實施例，其具有一耦合棱鏡用於將輸入光束耦合進入到光導件中；第24B圖示出了一種配置，其中光導件以一角度拋光並且一棱鏡添加 在該拋光角度的頂部；第24C圖示出了一棱鏡添加在光導件的一垂直端的配置；第24D圖示出了一棱鏡與一圖像生成器基於偏振分束器的組合；第25圖示出了數個區段之間的一安全黏合劑；第26A圖及第26B圖分別示出了饋入一兩區段光導件的二維光導件的側視圖及前視圖；第27A圖及第27B圖分別示出了饋入一兩區段光導件的一維光導件的側視圖及前視圖；第28圖示出了不期望圖像與虛擬圖像重疊的角度圖；第29A圖示出了防止高角度光到達光導件的一遮蔽件；第29B圖示出了一角度敏感鍍膜以防止高角度光到達光導件；第30圖示出了數個區段的替代組合；第31圖示出了配置用於使用當前實施例的示例性光導光學元件(LOE)的側視圖；第32A圖示出了一個示例性照明系統的側視示意圖；。
第32B圖示出了一個示例性照明系統的前視示意圖。
第一實施例：第1圖至第32B圖
參考附圖及所附描述可以更好地理解根據本實施例的系統的原理及操作。本發明是一種用於光學孔徑擴展的系統。參考附圖及所附描述可以更好地理解根據一個實施例的系統的原理及操作。本發明是一種用於光學孔徑擴展的系統。通常，一圖像投影器具有一小孔徑投射一輸入光束，該輸入光束通過具有多於一組平行的部分反射表面或“數個切面” 的一光導件而增加，較佳地具有優化的鍍膜。替代實施例採用數個切面及繞射元件的組合。這減少了對透明光導件外部的孔徑擴展的需要，減小了系統的尺寸及重量。
一種光學器件，包含：一光導件，具有一第一對外表面彼此相平行；以及至少兩組的數個切面。該些組的每一個包含數個部分反射切面彼此相平行，以及位於該第一對外表面之間。在該些組的數個切面的每一個中，各自的切面相對於第一對外表面成一傾斜角度，並且相對於該等組切面的另一組成一非平行角度。
參考第31圖，示出了配置用於當前實施例的一個示例性光導光學元件(LOE)903的側視圖。一第一反射表面916由從一個光源2發出一輸入准直顯示光線(輸入光束)4照射。在本文件的上下文中，光源2也被稱為“投影器”。為了簡化當前的附圖，通常僅描繪一條光線，入射光線(輸入光束4)，也稱為“光束”或“入射光線”。通常，在本文任何地方一個圖像由一個光束表示，應當注意的是，該光束是圖像的一樣本光束，其通常由略微不同的角度的數個光束形成，每個角度對應於圖像的一個點或像素。除非特別指出圖像的一個端點之外，所示的光束通常是圖像的一個質心。也就是說，光線對應於一個圖像，並且中心光線是來自圖像的一個中心或圖像的一個中心像素的一個中心光線
一第一區域954靠近輸入光束4，其中一個圖像照射耦合到一光導件920中。反射表面916至少部分地反射來自光源2的輸入光束4的入射光，使得光通過內反射被集聚在光導件920內部，通常是全內反射(TIR)。光導件920通常是一透明基板，也稱為一“平面基板”、“透光 基板”及波導件。光導件920包含至少兩個(主要的，外部的)表面，通常彼此相平行，在當前附圖中示為一個後(主)表面926及一個前(主)表面926A。應該注意的是，關於主表面(926、926A)的“前”及“後”的指定是為了便於參考。耦合進入到光導件920可以來自各種表面，例如前、後、側邊緣或任何其他所需的耦合幾何形狀。
輸入光束4在基板的一近端(圖示的右側)進入光導件基板。光通過光導件920及一個或數個切面傳播，通常至少數個切面，並且通常是幾個切面，朝向光導件920的一個遠端(圖示的左側)傳播。光導件920通常通過外表面的內反射來引導在基板中傳播的光線。
在任選地反射離開基板920的內表面之後，被集聚的波到達一組選擇性反射表面(數個切面)922，其將光從基板耦合輸出到一個觀看者的眼睛10中。在當前示例性圖中，被集聚的光線通過另外兩個部分反射表面922在點944處從基板920梯度地耦合輸出。
內部的，部分反射的表面，例如該組選擇性反射表面922在本文的上下文中通常稱為“數個切面”。對於增強現實應用，該些切面是部分反射的，允許來自現實世界的光通過前表面926A進入，穿過包含數個切面的基板，並經由後表面926離開基板到達觀看者的眼睛10。示例性光線942示出了輸入光束4的光從反射表面916部分反射，並且示例性光線941示出了輸入光束4的光部分透射通過反射表面916。
內部部分反射表面922通常至少部分地與光導件920的伸長方向成一個傾斜角度(即，不平行、不平行也不垂直)穿過光導件920。部分反射可以通過多種技術的種變化來實現。該些技術包含但不限於，傳 輸一百分比的光，或使用偏振。
光導件920可選地具有一第二對外表面彼此相平行且與該第一對外表面不平行(在當前側視圖中未示出)。在一些實施方案中，該第二對外表面垂直於該第一對外表面。通常，該些切面中的每一個與該第二對外表面成一個傾斜角。在其他情況下，在不希望光導件的外圍表面發生反射的情況下，那些外圍表面通常保持未拋光及/或塗有吸光(例如黑色)材料，以使不希望的反射最小化。
參考第1圖，示出了一個高水平，一光導件3的光束擴展效果的示意圖，具有兩個重疊組的部分反射內部切面在不同方向上，通過在光導件3內的該些切面具有兩個光束擴散流程。投影器2將一個圖像投射到光導件3作為輸入光束4。一組的數個切面(第一組的數個切面，如下圖所示)連續轉換一比例的輸入光束(投影圖像)4為第一引導光束(投影圖像)6。區別地，根據某些特別較佳的實施方式，該組的數個第一切面成一角度，使得輸入光束4的入射圖像光線及第一引導光束6的反射圖像光線在光導件3的數個主要基板表面(數個外表面)處通過內反射的角度範圍內集聚，因此通過光導件3的光導(也稱為作為的“基板”或“波導”)的引導。整合在同一光導中，最較佳地，與第一組的數個切面的重疊關係是另一個第二組的數個切面，其與第一組的數個切面成一個不同的角度。該第二組的數個切面將第一引導光束(投影圖像)6以一比例轉換到第二引導光束(投影圖像)8。該第二引導光束8耦合輸出光導件3，通常進入到觀看者的眼睛10。
參考第2圖，示出了光導件3的一個示例性配置的示意圖。 在第一組非限制性實施方式中，光導件3包含兩個層具有不同取向的數個內部切面。如上所述，一第一區段14及一第二區段12中的每一個可以是數個光導光學元件903。同樣地，該第一及第二區段在本文件的上下文中被稱為相應的第一及第二光導光學元件，或第一及第二層，或第一及第二切面區段。每個區段包含一組相應的數個切面。該第一區段14包含一第一組的數個切面32，該第二區段12包含一第二組的數個切面36。該第一及第二區段(14、12)以一個重疊關係部署到相對於用戶的觀察方向(用戶的眼睛10)。在此示例中，第二層12重疊在第一層14的頂部上以產生一最終光導件16的一個重疊切面圖案。應該注意的是，為了描述的清楚，簡要地及粗略地示出了當前圖示中描繪的數個取向。由於光導件16具有至少兩組的數個切面，其在一個用戶的觀察方向上至少部分地重疊，所以光導件16也被稱為一“重疊的光導件”。
每組的數個切面提供包含該組的數個切面的區段的一個給定佈署區域上的覆蓋。至少一第一組的數個切面在該第一組的數個切面的一相應佈署區域上以一個觀察方向提供連續覆蓋。該組的數個切面的該佈署區域包含該些切面之間的區域(空間)。該些切面的一個較佳配置可以通過從該些切面到光導件表面的交叉的外推線來描述。給出第一組的數個切面及一外表面的平面之間的一第一組交叉線，並給出一第二組的數個切面及同一平面(光導件的一外表面)的平面之間的一第二組交叉線，該第一組及該第二組線是不平行的。
下面將描述決定這些層中該些切面的取向的考慮因素。應該注意的是，在第1圖中，光導件3最初以一個高水平示出，而在第2圖 中，光導件16被示出具有內部結構的細節(第一及第二區段)。光導件16具有兩組(平行)的數個切面可被稱為具有“雙軸”，而一光導件具有任意數量組的數個切面(多於一組)的可被稱為“幾軸“的光導件。在這種情況下，每個“軸”是光導件3的光束擴展的一個方向，即在光導件3中排列有數個切面的方向。
參考第3圖，示出了在光導件16中光線傳播的一個側視示意圖。第一層14包含第一組的數個切面32(也稱為第一區段的數個切面，或者數個第一切面)。類似地，第二層12包含第二組的數個切面36(也稱為第二區段的數個切面，或數個第二切面)。光導件16具有一厚度16T在一第一外表面22及一第二外表面24之間(分別類似於後表面926及一前表面926A)。通常，第一層14及第二層12光學地附接，因此光在這些層之間通過而沒有反射。通過內反射，通常通過全內反射(TIR)的機制，從光導件16的外表面實現每層內部光的引導。在當前圖示中，投影器2通過一個光學裝置20實施。一棱鏡16P是光導件16的一個耦入裝置的一部分。該光學裝置20用一個內耦圖像(輸入光束4)准直到無限遠照射光導件16(例如，如Lumus有限公司的PCT專利申請公開案第WO2015/162611號中所述)。當光在光導件3內傳播時，傳播光線5從光導件16的第一外表面22及第二外表面24內反射。當前圖示光導件16的第一外表面22及第二外表面24分別類似於第31圖的光導光學元件903的前表面926A及後表面926。
一光導件16的第一區段14包含數個內部切面，其橫向地反射傳播光線5(在當前圖示的側視圖中不可辨別的方向的變化)成為第一引導光束6。第二區段12包含數個切面，反射傳播光線4A成為第二引導光 束8朝向觀看者的動眼範圍10。在每個區段內的該些切面較佳地重疊(在Lumus有限公司的PCT專利申請案第PCT/IL2018/050025中定義，其整體結合於此)，其中觀看者的眼睛10觀看的方向上光線在數個切面的每個順列中通過一個以上的切面，以增強圖像照明的均勻性。
光線被引導到該光導件16中，通常通過一耦合輸入裝置(例如，光學裝置20及棱鏡16P)。該耦合輸入裝置及/或圖像投影器被配置為將光引導到該光導件16中，使得傳播的光線5通過外表面(22、24)沿著該光導件16的一個傳播方向內反射以一第一面內分量傳播。(面外分量在光導件主要外表面的每次內反射處反向)。至少第一組的數個切面32被定向成偏轉部分光以通過內反射引導。該光導件16沿該光導件16以一傳播方向傳播，其中一第二平面內分量與該第一平面內分量不平行。通過數個切面的一個順序的部分反射對圖像進行重定向，在光導件內實現了一第一維度的孔徑倍增。一耦合輸出裝置通常被配置為耦合輸出以第二平面內部分量傳播的光的至少一部分。該耦合輸出裝置通常是該第二(或一第三)組的部分反射的數個切面36，其在第二面內方向上實現一個另外的孔徑倍增。
該第二區段12(具有耦合輸出的數個切面)較佳地更靠近觀看者的眼睛10，因此外耦合的光(第二引導光束8)將不會受到干擾，然而反向配置也在本發明的範圍內，並且在某些應用中可能是較佳的。
現在描述一光導件16的一個示例性實施方式，其使用具有一折射率為1.5955的玻璃，並且耦合輸出(透射)40度對角線的一個矩形圖像。
參考第4圖，示出了具有不同反射率幅度的各種反射率鍍膜的反射率與角度的關係圖。較佳地，該些切面的鍍膜應設計成獲得最大效率及與鬼影相關的最小能量。在較佳實施例中，圖像反射率存在於從垂直於表面0到55度的入射角，而從垂直於表面在55到87度(除了高透明度高達72度的高反射率鍍膜)鍍膜實際上是透明的。該些鍍膜的特性決定了稜角切面的設計。該些鍍膜的特性對於整個可見光譜幾乎是相同的，因此一光導件將透射所有顏色(通常稱為RGB、或紅色、綠色及藍色)。從光入射進入到該光導件(光導件的近端)在更遠距離(朝向該光導件的遠端)處的數個切面較佳地設置有具有更高反射率的鍍膜。
參考第5圖，一光導件16的幾何光學特性以角度空間示出。兩個外表面(第一外表面22及第二外表面24)的TIR臨界角限制表示為圓圈A30，其中在這些圓圈內引導的光線將從基板逸出，並且在這些圓圈外引導的光線將保持被集聚在基板內。入射的圖像光進入該光導件16，即輸入光束4，具有矩形角度分佈。該輸入光束4在該些外表面(第一外表面22及第二外表面24)之間來回反彈，並且顯示為正方形4L及4R(共軛圖像在主要基板表面中反射，相當於第1圖中的輸入光束4)。
參考第6圖，示出了一光導件16的該些切面的一個角度空間取向。該圖像光輸入光束4首先在該光導件16的一第一區段14內遇到一第一組的數個切面32。該第一組的數個切面32的角度空間取向顯示為由圓圈A32表示的一個平面。這些第一區段的數個切面32塗有一層具有角度反射率的鍍膜，如第4圖所示。從該鍍膜透明的角度(在該示例中為55度)顯示為圓圈A34。因此，在這些圓之間(外部)顯示的任何圖像(即，具有 傾斜於該些切面的法線的角度超過55度，例如當前圖示中的4L)將以最小的反射率穿過鍍膜的切面。落入這些圓內的圖像(即，具有傾斜於該些切面的法線的角度小於55度，例如該圖中的4R)將被部分地反射。反射將相對於切面角A32成一個相對的角度。因此，圖像4R被反射(如箭頭600所示)以產生一個共軛圖像6L(其對應於第一引導光束6)。當圖像在光導件16內傳播時，一些光將在4R及6L之間來回反彈，從而改善最終圖像照明的均勻性。
參考第7圖，示出了第二組的數個切面36的幾何光學特性。光圖像6L從光導件16的外表面(22、24)反射，以產生共軛圖像6R。圖像6L及6R傳播同時從該些面(22、24)反射並且遇到第二區段12的數個切面(第二區段的數個切面36)，其取向在此呈現為A36。該第二區段的數個切面36上的鍍膜也具有透明範圍(如第6圖中的A34)，並且該透明範圍的邊緣顯示為圓圈A38。
圖像6L、4L及4R在透明範圍內(在圓圈38之間)，因此不會顯著地通過該第二區段12的數個第二切面36反射。然而，圖像6R位於55度截止範圍內，因此將被該的數個第二切面36部分地反射，最終在一個角度範圍內，其從基板主表面的內反射中逃逸，被傳送(如箭頭700所示)到該光導件16的外部成為圖像8(第二引導光束8)朝向觀看者的動眼範圍10。
參考第8圖，示出了數個切面及鍍膜邊緣的一個替代實施方式的角度空間圖。圖像4L及4R不通過第二區段12的數個第二切面36反射(在表示角度大於55度的邊緣A38內)。另外，圖像4L及6R不通過第一區 段14的數個第一切面32反射(在邊緣A34內)。
在一個示例性情況下，假設耦合進入到該光導件16中的第一圖像是圖像4L，則圖像按以下順序耦合：
1.圖像4L：通過投影器光學系統20耦合進入到該光導件16中。
2.圖像4R：通過在該光導件16內的內反射以共軛於圖像4L產生。
3.圖像6L：由通過數個第一切面32反射圖像4R產生。
4.圖像6R：通過在該光導件16內的內反射以共軛於圖像6L產生。
5.圖像8：通過數個第二切面36反射圖像6R而產生。
如上所述，可以使用具有耦合相同圖像順序的相同基本屬性的不同角度配置。應該注意的是，照射在數個第一切面32上的入射圖像4R及來自數個第二切面36的反射圖像6L都在通過基板的數個主表面(數個外表面22、24)內反射的角度範圍內，並因此通過基板引導。經由該光導件16的該些外表面(22、24)的內反射類似於經由光導光學元件903的基板920的數個主表面(926、926A)的內反射。
儘管這裡示出的較佳實施方式被設計成優化每個圖像相對於每個切面的角度，使得圖像被選擇性地部分反射或者根據切面鍍膜的角度選擇性特性以最小的反射而透射，但是應該注意的是，這樣的優化不是基本的。在某些情況下，使用非優化角度及/或非優化鍍膜可能是可接受的，導致產生各種不需要的模式(對應於鬼影圖像)，只要鬼影是相對低 能量模式或落在所需輸出圖像的視野之外。
參考第9圖，示出了一光導件16的另一個實施例，其中該些區段的第一區段14及第二區段12在該光導件的一厚度尺寸上相重疊，以產生一單區段光導件40具有交叉的數個切面。換句話說，數個組的數個切面，在這種情況下是第一組的數個切面32及第二組的數個切面36，在該光導件的一相同平面上相重疊及排列(配置)。該單區段光導件40在第一外表面22及第二外表面24之間具有一個厚度40T。下面描述製造這種光導件的方法。單區段光導件40中的該些切面的角度類似於上述兩區段光導件16的數個切面，參考第4圖及第8圖。
參考第10圖，示出了用於製造兩區段光導件16的一種方法。再次參見第2圖及第3圖。一第一組的窗口50被鍍膜並黏合(堆疊)在一起以形成一第一堆疊件51。在本文上下文中，術語“窗口”是指一透明、平板。該第一堆疊件51以一角度切片以產生一第一陣列的數個反射表面52。類似地，一第二組的窗口54(另一組，與第一組的窗口50不同)被鍍膜並黏合(堆疊)在一起以形成一第二堆疊件55。該第二堆疊件55以一第二角度切片(另一角度，不同於用於切片該第一堆疊件51的角度)以產生一第二陣列的反射表面56。該兩個陣列(第一陣列52及第二陣列56)以適當的相對角度連接在一起60(例如，以一個相對於彼此所需的角度黏接或膠合)。重疊的陣列被修整61以產生該光導件16的一個所需形狀。在一些實施例中，較佳的數個蓋體62被膠合以作為最後兩區段光導件64的外表面。每個步驟較佳的可包含切割、研磨及拋光一個或數個表面。根據該些窗口的實際尺寸及光導件64的所需尺寸，可以從每個堆疊件製造一個以上 的陣列。
通過對該光導件16的兩個區段皆使用相同的陣列(切面平板)可以實現顯著的成本降低。例如，使用BK7玻璃生產兩個陣列(第一陣列52)，每個陣列具有數個切面為26度。這與上述描述產生兩個陣列(第一陣列52及第二陣列56，每個陣列具有不同角度的數個切面)不同。然後將該兩個陣列以相對於彼此扭轉以115度的一個角度連接在一起60。此示例性配置使得能夠以16：9的視場比率傳輸具有38度的一個圖像。
參考第11圖，示出了用於製造一單區段光導件40的示例性方法。類似於參考第10圖製造一兩區段光導件16的描述，一第一組的窗口50被鍍膜及堆疊以生成一第一堆疊件。該堆疊件被切片成數個第一陣列52。該第一陣列52切片被拋光、鍍膜及堆疊在一起以產生一陣列堆疊件70。該陣列堆疊件70可以類似於第一堆疊件，然而，在這種情況下，在該陣列堆疊70中存在額外的鍍膜。該陣列堆疊70現在被切片以產生切片陣列71，切片陣列71具有在光導件的相同厚度內的兩組平行的數個切面。可選地，數個外部窗口62可以添加以生成完成的單區段光導件72(第9圖的單區段光導件40)。每個切片的角度及每個堆疊的角度可以彼此相同或不同，並且由最終光導件16的需求決定。
參考第12A圖至第12E圖，示出了使用投影器2照明光導件16的一個實施方式的各種示例性照明架構。在第12A圖中，照明來自側面。通過箭頭800A1及800A2所示的照明傳播示出了大部分的向下擴增，同時該擴增是從6L回到4R的交叉反向耦合所致(參見第圖6)。
第12B圖示出了從上側照射，這種配置減少了側邊邊緣視 野的遮擋。
第12C圖示出了來自中心(兩個光導件之間)的照明，其中投影器的硬體(右及左)可以組合以減小尺寸及重量。
第12D圖示出了能夠實現幾乎完整的邊緣視野未遮擋的頂部照明。
第12E圖示出了在眼睛方向以下的一個角度的照射。以這樣的方式，圖像投影器便利地位於觀看者邊緣視野之外。
參考第13圖，示出了上述架構的一個變型實施方式。該變型實施方式包含該些切面及圖像的不同角度。將當前圖示作為第8圖的一個變型實施方式進行比較。在當前圖示中，第一組的數個切面32的角度A32使得角度A32位於圖像6R的角度的相對側，從而能夠傳輸更大的圖像。圓圈A39描述了兩個外表面的內反射角，其中在這些圓圈內投射的一個圖像將耦合輸出光導件。例如，圖像8在圓圈外部成像並且將作為一個共軛圖像在光導件內反射。其中一個圖像的共軛圖像是從光導件的一個外表面反射的圖像。從光導件的外表面沿著光導件的重複反射產生兩個彼此共軛的圖像。
參考第14A圖及第14B圖，示出了使用第13圖的架構的光導件佈置示意圖。在第14A圖中，投影器2將光圖像入射光導件16。入射光的寬度由投影器孔徑決定。兩個箭頭示出了視場中的一個特定點(即，一個特定方向)的投射光束100(第13圖中的4L及/或4R)的寬度。較佳地，此描述涉及投影圖像的中心場。該些切面102(在第13圖中表示為方向A32)將光反射到垂直方向104及106上。垂直反射104及垂直反射106具有相同的 方向(第13圖中的6R及/或6L)，但是沿著光束100的數個不同的位置。顯然地，垂直反射104的光束被該些切面102中的三個反射，而垂直反射106的光束僅被該些切面102中的兩個反射。因此，反射的圖像不會有均勻的強度分佈。
在第14B圖中，該些切面109被佈置成使得沿著數個反射方向(反射方向108及反射方向110)。從入射的光束100將存在一定數量的反射(在這種情況下為兩個)。在該些切面109中被配置用於反射的切面可以是一個、兩個或更多個切面。使用簡單的三角函數通過切面間距、該些切面相對於投影圖像光線的角度以及孔徑的寬度，來定義用於實現對一反射光線有貢獻的一個給定數量的數個切面的幾何標準。
第二區段12的第二組的數個切面36(參見第3圖，第13圖中的角度A36)較佳地重疊，以便改善圖像的均勻性。
參考第15圖，示出了光導件16內光線傳播的示意圖。組合光導件的所需尺寸通過光導件內及自由空間中朝向觀看者的眼睛的光線傳播方向決定。在當前圖示中，引導的傳播被描繪為虛線並且在自由空間中的傳播被描繪為實線。兩個傳播不在同一平面上，但為了清楚起見，在當前圖示中示意性地示出在同一平面上。為清楚起見，也未描繪通過折射的角度變化。
投影器2入射具有一場寬度(不同光線角度)的一圖像。該場寬度的邊緣由光線115及116(第13圖中的4R的大小)表示。光線115及116通過數個第一切面32(第13圖中的角度A32)在數個點118處反射成一個不同方向上的光線117A及117B(在當前圖示中向下，在第13圖中的 6L)。
兩個光線117A及117B通過數個第二切面36(圖13中的角度A36)在點120處被反射到方向122(由116產生)及124(由115產生)到觀看者眼睛10上之前，在新的方向上以不同的長度傳播。
顯然地，光導件16的一高度126不能小於115與116的擴展，及122與124的擴展。
在當前配置中，用於輸出耦合的數個第二切面36(第13圖中的角度A36)將僅在數個點120的上部處發生(如在當前圖示的頁面上繪製的)。該些第二切面36不需要在該些點120的上部之上，因為觀看者(觀看者的眼睛10)將不會看到整個投影場域。
參考第16A圖、第16B圖及第17圖，示出了一種方法，與上述實施方式相比，該方法允許進一步減小光導件的高度。
第16A圖是設計用於反射高角度入射光束的一切面鍍膜的一反射率(反射輪廓)圖(與第4圖所示的反射率相比)。當傳播的光耦合輸出光導件時，該反射輪廓用於反轉光束的傳播角度。
第16B圖示出了當前方法的一個示例的角度架構。圖像被入射作為130L，通過外表面耦合1600到130R，然後該些切面角度A132(一組的數個切面A132，如下所述)具有第16圖的鍍膜，將圖像耦合1602到134R。然後，在外部面反射1604作為圖像134L，其通過在光導件上的數個切面角度A136(一組的數個切面136，如下所述)上的類似鍍膜反射1606，成為反轉圖像138。顯然地，圖像130L及130R的下部成為反轉圖像138的上部，即圖像被反轉。
第17圖示出了反轉圖像138的光線的傳播的一個示意圖。投影器2入射一圖像具有通過光線140及142(角度130L及/或130R)定義邊界的一個視場。在數個點144處的反射是通過一組的數個切面132到相應的光線146及148上(圖像134L及/或134R)。數個反射點150表示通過該組的數個切面136反射到相應的光線152及154上。顯然地，光線152及154的垂直方向與光線140及142的方向相反。因此，與第15圖的高度126相比，光導件的總垂直高度156更小。
參考第18A圖、第18B圖及第18C圖，示出了另一個實施例，其中組合了三組的數個切面以產生光導件16。第18A圖是作為光的反射方向的一個示意圖。光線在光導件173中傳播。第18B圖是組合光導件173的一個前視圖的示意圖，其中組合了三個切面的數個區段。一組的數個切面174具有一預定義的取向，該取向不同於數個切面176並且不同於外耦合的數個切面178。投影器2將光線180入射光導件173。在點182處設置數個切面174部分地將光線180反射到方向184。應該注意的是，所有點表示分佈在光導件上的過程(通過相應的數個組的數個切面)。在某點186處，傳播光線184通過該組的數個切面174中的一個被反射到原來的光線180的方向。在點191處，光線通過該組的數個切面178外耦合為光線193朝向觀看者的眼睛10。另一個擴展的路徑是通過數個切面176產生。來自投影器2的光線在點187處被該組的數個切面176反射到方向188。在某一點190處，光線188反射回到方向180並且在點192處由該組的數個切面178外耦合為光線195朝向觀看者的眼睛10。
第18C圖是在三個切面的數個區段的另一種配置中光線在 光導件173中傳播時的反射方向的一個示意圖。當前圖示是將三個切面的數個區段組合成單個光導件以產生孔徑擴展的另一種配置。
參考第19A圖，示出了將光入射光導件的一個替代方向的一個角度圖。通常，入射輸入的圖像光線在任何耦合的傳播圖像處以實現孔徑擴展。例如，可以在當前圖示中修改第8圖的角度圖以在6L或6R處入射1900一圖像照明(其中圖像反射1902作為共軛圖像)。光也反射來回1908到4L，即共軛1906到4R。這些圖像在返回1908到原始方向之前以不同方向傳播(從而在光導件中擴展光線分佈)，並且最後如當前圖示中所描述的耦合輸出1904到8。
參考第19B圖，示出了使用第19A圖的角度圖的一光導件的示意圖。圖像投影器2將一個圖像輸入到對角線的數個切面202的一個組合(在當前圖示中對角地繪製，起到類似於第一組的數個切面32的作用)並且輸出耦合數個切面203(在當前圖示中垂直繪製)，其功能類似於第二組的數個切面36)。
參考第19C圖，示出了當前光導件中的一個光線傳播圖。在當前圖示中，虛線1920表示來自圖像投影器2的入射光線(相當於6R及6L)。點劃線1922表示當它們向側面傳播以擴展孔徑(相當於4R及4L)時的光線。實線箭頭1924表示外耦合光線(等同於8)。應該注意的是，使用當前的配置，圖像入射進入到光導件為圖像6R或6L相對於圖像4R及4L為更陡峭的角度(隨著這些圖像相對於內部反射平面A39成角度)。因此，一個較小的投影器孔徑足以實現填滿光導件的厚度尺寸。
參考第20圖，示出了圖像在另一側具有數個切面的一個替 代實施例的角度圖。在當前圖示中，第二組的數個切面36位於圖像6L的另一側(即，6L及6R都位於同一側相對於第二組的數個切面36)。雙條線(1930A、1930B)是用於將圖像耦合到光導件中的替代方案。圖像以6L、6R、4L或4R耦合。類似於先前的實施例，圖像4R及4L是共軛1936圖像，耦合1938來回到6L，共軛1932為6R。圖像6R也被反射1934輸出為圖像8朝向觀看者。
在替代實施例中，各種配置可用於切面反射，包含：圖像及圖像共軛在切面的不同側(第13圖)；圖像及圖像共軛在切面的同一側(第19D圖)。
在替代實施例中，可以使用各種鍍膜，包含：在切面角附近成角度地反射圖像(第16圖)；從切面角度進一步反射圖像(第4圖)。
在替代實施例中，各種圖像入射進入到光導件中可以被使用，包含：直接輸出耦合的方向(第19C圖中的6R、6L)；輸出耦合前的方向改變(第19D圖中的4L、4R)。
參考第21圖，示出了一種混合系統，其中折射的數個切面與繞射光柵組合以實現孔徑擴展的功能，其方式與參考第1圖及第2圖描述的方式大致相同。
繞射光柵的應用需要使用至少兩個光柵具有相反光功率，以便消除色散。在當前圖示的實施例中，一繞射圖案210用於將輸入光耦合到光導件中，而繞射圖案212用於將光耦合輸出光導件。橫向的孔徑擴 展是通過重疊對角線的數個切面214來實施的，橫向地來回耦合傳播的光，而不引入一色差。在此再次，重疊的對角線的數個切面214被部署於重新導向一第一引導模式(在主要基板數個表面處內反射)到一第二引導模式(在主要基板數個表面處內反射)。
參見第22A圖至及第22C圖，示出了用於在傳播期間混合光線的各種實施例。光導件16內的傳播光線的混合可以通過各種實施方式實施。例如，通過在第一區段14中的第一組的數個切面32及第二區段12中的第二組的數個切面36之間引入部分反射。
參考第22A圖，示出了通過一部分反射鍍膜分開的數個區段。第一區段14及第二區段12在一界面250處通過一部分反射鍍膜分開。輸入光學裝置20提供輸入光束4給光導件16。該界面250，及以這樣的方式該部分反射鍍膜，平行於數個外表面(第一外表面22及第二外表面24)。儘管傳播光線5多次分裂及反射，這樣實施方式將維持所有光線在傳播光線5(顯示為黑色箭頭)的原始方向。在當前圖示中，為了清楚起見，僅描繪了一條光線的分裂。本領域的技術人員將從當前描述中實現多次分裂的發生，進一步改善輸出圖像的均勻性。
替代地，第一區段14及第二區段12可以由不同的材料(例如，玻璃及塑料，或不同類型的玻璃)製成，從而在界面250處發生數個菲涅耳反射。界面250可以替代地及/或或者另外產生偏振旋轉(界面處的介電變化將造成這種作用)進一步改善輸出圖像的均勻性。
參考第22B圖，示出了一種替代的較小的光學裝置20B。通過減小圖像投影器的尺寸(第22A圖的光學裝置20)可以降低系統成本。 然而，均勻的圖像照明要求圖像投影器照明光導件16的所有入口。在當前圖示中，由反射界面250引起的增加的耦合使得一個較小的圖像投影器252用於一個較小的光學佈置20B，光學裝置20。
參考第22C圖，示出了具有一個部分反射器的一個替代實施例。保持界面250的平面與該些外表面(第一外表面22及第二外表面24)的平行度在技術上可能是有問題的。在當前圖示中，一小平行反射器254被使用。該小平行反射器254僅在第一區段14及第二區段12之間的界面的一部分處被實施為界面250。這個較小的反射器254產生輸入的耦合光線(輸入光束4)的分裂，因而所有光導件16均勻照射。較佳地，該小反射器254(界面250)的反射率沿著光導件(從近端到遠端)梯度地減小，從而改善輸出圖像的均勻性。上部區段(第一區段14)的反射率梯度地減小可用於補償數個切面增加的反射率(更遠離投影器的數個切面具有更高的反射率以保持恆定的圖像功率)，從而產生遍及光導件的恆定透明度的表現。
參考第23圖，示出了一個光導件內具有非較佳擴展的光線傳播示意圖。可以通過產生非較佳光線(也稱為“鬼影”)並通過從這些鬼影耦合回來而執行橫向孔徑擴展。然而，與上述較佳光線傳播技術相比，該過程效率較低並且可能導致圖像劣化。此過程通過使用交叉的數個切面(如第2圖所示)但不進行鍍膜優化(如第8圖所示)而生成。因此，4L及4R也被通過第二組的數個切面36反射，從而產生不希望的圖像。然而，通過適當選擇切面角度(如第8圖中的角度空間中的重複設計)，這些鬼影將位於觀看者感興趣的視場之外。
當前圖示揭示如何使用這些“鬼影”在另一個橫向方向上擴展圖像。投影器2以方向260入射光線。通過第一區段14的第一組的數個切面32反射之後，傳播光被轉向成方向262。通過第二區段12的第二組的數個切面36反射之後，傳播的光被轉向成方向264上從光導件輸出。先前的擴展是在一個橫向方向上。方向260上的輸入光線也可以通過第二區段12的該些切面反射成被引導的方向266，但是與方向264相反的方向。通過第二組的數個切面36的二級相互作用，將傳播光線從方向266反射回到原始方向260，但後來轉移。類似於上述方向260的描述，傳播光線260通過第一組的數個切面32反射到方向262，並通過第二組的數個切面36以方向264反射輸出光導件。
參考第24A圖，示出了兩個相似的橫截面示例，具有一耦合棱鏡270用於將輸入光束4耦合進入到光導件16中。單一主要的光線2400(視場中心及孔徑中心)示出該光線通過該些區段的數個切面分裂。可以以各種方式執行耦合進入到光導件。
參考第24B圖及第24C圖，示出了數個耦合裝置的橫截面示意圖。橫截面沿著第24A圖所示的主光線2400的平面。
第24B圖示出了一種配置，其中光導件16以一角度拋光以及一棱鏡2410被添加在該拋光的角度的頂部。這樣的配置使得能夠從光導件16的底部(如圖所示)平滑地反射。
第24C圖示出了增加一棱鏡2420在光導件16的垂直端部的結構。這種結構能夠具有一個較長的耦合區段(從光導件16延伸出矩形形狀)。這種結構也能夠於棱鏡2420及於光導件16使用不同的折射率。
第24D圖示出了基於偏振分束器的一棱鏡與一圖像發生器的組合。這種組合可以節省體積及空間。
在該兩區段內的該些切面的各種取向將造成光導件16內的光線的偏振變化。因此，引入非偏振光是較佳的。非偏振光可以來自一個現有的非偏振投影器(例如基於一德州儀器數字光處理(TI-DLP))或者在一偏振投影器(水晶石英窗口)前放置一去偏振器。
參考第25圖，示出了在數個區段之間的一安全黏著劑。在光導件16(光導件的玻璃或塑料)破裂的情況下，破裂的片段應該連接在一起並保持結構的完整性，以防止對觀看者的傷害。這種保持光導件的完整性可以通過各種技術來實施，例如在兩個區段之間(在第一區段14及第二區段12之間)引入一個適當的膠水或塑料陪襯物，如當前圖示所示。因此，在一個或數個的該些區段的結構損壞情況下，生成的碎片將保持附著在光導件16上，而不會四散，從而減少對使用者造成傷害的可能性。中間層280的光學性質可以變化，包含但不限於上面關於界面250討論的性質。中間層280可以與該些區段的指數進行指數匹配，或者中間層280的指數可以與該些區段的指數不同，以實施如關於第22圖所述的反射。
參考第26A圖及第26B圖，分別示出了饋入一兩區段光導件16的二維光導件的側視圖及正視圖。側向孔徑擴展可以通過一個一維光導件在另一個一維光導件上、通過一個二維光導件在一個一維光導件上或通過上述重疊(幾軸)的一維光導件來進行。結合這些技術可以由光導件產生獲得均勻的圖像強度，及具有最小尺寸的圖像投影器。
第26A圖示出了一個二維光導件310的側視圖，其後來擴展 孔徑，後面有光導件320(重疊光導件16的一種形式)。如當前圖示所示，光導件320是一個雙軸光導件，其垂直地擴展孔徑，並且如第26B圖所示，後來擴展孔徑。
二維光導件的橫向孔徑的擴展可以通過兩者皆由Lumus有限公司在2017年9月12日提交的PCT專利申請案第PCT/IL2017/051028號及第PCT/IL2005/000637號(美國專利第7,643,214號)中描述的各種替代方案來執行。該兩軸光導件可以具有上述的任何配置。較佳地，可以通過如2018年1月8日Lumus有限公司提交的PCT專利申請案第PCT/IL2018/050025中所述的數個切面重疊來進行進一步的均化及混合。
參考第27A圖及第27B圖，分別示出了饋入一兩區段光導件16的一個一維光導件的側視圖及正視圖。第27A圖示出了的一個一維光導件410的側視圖，最後擴展孔徑，後面有光導件320。
近眼顯示器光導件將一個“虛擬”圖像的光從投影器2傳輸到觀看者的眼睛10，同時使投影孔徑倍增。通過光導件16的透射包含嵌入式反射器(數個切面)的數個反射或通過數個光柵的繞射。
光導件16對於“世界(world)”是透明的，並且較佳地應該1不會引入世界的任何反射朝向觀看者的眼睛10。
許多光導件的配置確實從高角度朝向眼睛10引入一些反射。該些切面的鍍膜可以優化(或光柵的繞射效率)以降低在這樣的高角度下的反射效率。然而，高強度光源例如一盞燈(在一個黑暗環境中)或太陽，可以朝向觀看者反射大量的光強度。
參考第28圖，示出了一個不期望的圖像重疊虛擬圖像的角 度圖。當前圖示是基於第13圖，但在當前圖示中，僅表示該視場中的一個點。來自系統外部的一光源耦合進入到光導件中並產生一個不期望的圖像與虛擬圖像重疊。
外部光源標記為8Is(例如觀看者上方在高角度處的太陽)。外部光源8Is被傳輸進入到光導件16以通過第二組的數個切面36反射到角度4Rs(在第13圖中重疊4R)，從這一點不期望的圖像跟隨圖像路徑：4Rs、6Ls、6Rs及觀看者8s。
很明顯的，4R被引導，因此圖像將被傳輸給觀看者。然而，在不同角度的8Is，外部光源將被耦合到不通過內反射引導的4Rs，因此不會產生不期望的圖像。
當此圖像在TIR外(在該些圓圈中的一個內)時，雜波光也可以通過圖像4Rs耦合到光導件中。該(雜波)光從光導件的另一側(觀看者側)穿透。為了防止雜波光8Is或4Rs被引導，可以在光導件的頂部放置一遮光件，如第29A圖所示。
參考第29A圖，示出了一遮光件以防止高角度光到達光導件。一遮光件1009的引入較佳地阻擋(光導件16的)正面及背面的高角度雜波光2900。較低角度的入射光1007A將不會照明1007B動眼範圍，因此將不會被看見。
參考第29B圖，示出了一個角度敏感鍍膜，以防止高角度的光到達光導件。一角度敏感鍍膜1011被引入。此鍍膜1011反射高角度(相對於頂點)的入射光線2900，同時透射低角度光1007A，如圖所示。
參考第30圖，示出了數個區段的一種替代組合。在當前圖 示中，兩個區段(第一區段14及第二區段12)被組合成單個一維光導件1020。該光導件1020具有兩個區段使用一個不同的邊緣相鄰接，與第2圖所示的重疊光導件16的相鄰邊緣相比。光導件1020的該些區段被組合為一個連續件，其中被引導的傳播光(第13圖，兩個圖像4L及4R)首先通過在第一區段14中的第一組的數個切面32(4R通過第13圖中的第一組的數個切面32)反射，然後通過第二區段12中的第二組的數個切面36(6R通過第13圖中的第二組的數個切面36)反射。應該注意的是，根據此實施方式，該些切面不垂直於光導件面。因此，僅一個圖像在朝向眼睛10的關鍵路徑上被反射。例如，在同時具有4L至6L時，僅4R被反射到6L而不是4R到6R。此單一關鍵路徑放寬了對多路徑架構中存在對準精度的要求。
參考第32A圖，示出了一個示例性照明系統的側視示意圖。光導件16可用於一照明系統，提供圖像投影器的照明透明無成像。光源3200提供照明光導件16的輸入照明。當光3202在光導件16中傳播時，光3202通過光導件16的該些切面反射3204到一圖像調製器3215上。例如，圖像調製器3215可以是一液晶覆矽(LCOS)。反射的圖像光3206通過光導件，然後通常由光學器件3220成像。較佳地，該些切面是偏振敏感的，因此光導件16用作一偏振分束器。為了清楚起見，在當前的描述及圖中，省略了偏振器及偏振旋轉器。
參考第32B圖，示出了一個示例性照明系統的前視示意圖，示出了光導件16的前視圖。光源3200將光3202直接(或通過一個光管)投射到在第16圖中的光導件中，該些切面的交叉(重疊)取向引起光導件16內來源孔徑的橫向擴展，並將光投射輸出光導件16。
應當注意的是，上述的示例，使用的標號及示例性計算有助於本實施例的描述。無意的印刷錯誤、數學錯誤及/或簡化計算的使用不會減損本發明的實用性及基本優點。
所附申請專利範圍是在沒有多重附屬的情況下起草的，這僅僅是為了適應不允許這種多重附屬的管轄區域的形式要求。應該注意的是，通過使申請專利範圍多重附屬而暗示的所有可能的特徵組合應被明確設想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。
4‧‧‧輸入光束
5‧‧‧光線
6‧‧‧第一引導光束
8‧‧‧第二引導光束
10‧‧‧眼睛
12‧‧‧第二區段
14‧‧‧第一區段
16‧‧‧光導件
16P‧‧‧棱鏡
16T‧‧‧厚度
20‧‧‧光學系統
22‧‧‧外表面
24‧‧‧外表面
32‧‧‧切面
36‧‧‧切面

Claims (29)

  1. 一種光學裝置，包含：(a)一光導件，具有：(i)一第一外表面及一第二外表面，該第一外表面及該第二外表面彼此相平行；及(ii)至少兩組切面，該些組中的每一組為：(A)包含數個部分反射切面呈彼此相平行；及(B)位在該第一外表面及該第二外表面之間；及其中在該些組切面中的每一組，各自的該些切面是：相對於該第一外表面及該第二外表面形成一傾斜角度；及位於一平面的該些切面中的每一個，該些組切面中的第一組具有在該第一組切面的平面與該第一外表面的平面之間的相交一第一組線；該些組切面中的第二組具有在該第二組切面的平面與該第二外表面的平面之間相交的一第二組線；及該第一組線與該第二組線不平行。
  2. 如請求項1所述的光學裝置，其中該光導件包含該些組切面中的恰好兩個切面。
  3. 如請求項1所述的光學裝置，其中該光導件包含該些組切面中的恰好三個切面。
  4. 如請求項1所述的光學裝置，其中該些組切面中的一第一組用於在由該第一組切面的一相應佈署區域上方的一觀察方向觀看時提供一連續覆 蓋，使得該觀看方向上的至少一部分光線穿過在該光導件內的至少兩組切面中的至少一切面。
  5. 如請求項1所述的光學裝置，其中該些組切面中的每一組橫跨一覆蓋區域，該橫跨是一區域且該些組切面中的每一組佈署於其上方；且該些組切面中的兩組切面的該覆蓋區域是至少部分地重疊。
  6. 如請求項1所述的光學裝置，其中該光導件是一單區段光導件，其中該第一組切面及該第二組切面在該光導件的一厚度尺寸的一相同平面上相重疊，該厚度尺寸落在該第一外表面及該第二外表面之間。
  7. 如請求項1所述的光學裝置，其中：(a)該光導件具有一厚度尺寸在該第一外表面及該第二外表面之間；(b)該第一組切面中的數個切面延伸跨過該厚度尺寸，以從一第一深度到一第二深度橫跨一第一深度帶；及(c)該第二組切面中的數個切面延伸跨過該厚度尺寸，以從一第三深度到一第四深度橫跨一第二深度帶。
  8. 如請求項7所述的光學裝置，其中該第一深度帶及該第二深度帶橫跨數個重疊深度。
  9. 如請求項7所述的光學裝置，其中該第一深度帶及該第二深度帶橫跨數個相同範圍的深度。
  10. 如請求項7所述的光學裝置，其中該第一深度帶及該第二深度帶不重疊。
  11. 如請求項1所述的光學裝置，其中該些切面的一區段與一對邊界表面毗鄰為界，該對邊界表面平行於或重合於該第一外表面及該第二外表面，該區段含有該些組切面中的至少一組。
  12. 如請求項11所述的光學裝置，其中該光導件是一單區段光導件，包含：該些切面的該區段的一第一區段，該第一區段包含該些組切面中的兩組切面。
  13. 如請求項11所述的光學裝置，其中該光導件是一雙區段光導件，包含：(a)該些切面的該區段的一第一區段具有一第一對邊界表面；及(b)該些切面的該區段的一第二區段具有一第二對邊界表面，其中該第一對邊界表面的一個表面與該第二對邊界表面的一個表面相鄰接，以及該第一對邊界表面與該第二對邊界表面相平行。
  14. 如請求項13所述的光學裝置，其中該光導件是是一個三區段光導件，還包含：該些切面的該區段的一第三區段具有一第三對邊界表面，其中該第三對邊界表面的一個表面與該第一對邊界表面或該第二對邊界表面的一個表面相鄰接；及其中該第三對邊界表面與該第一及第二對邊界表面相平行。
  15. 如請求項11所述的光學裝置，其中該光導件包含：(a)該些切面的該區段的一第一區段具有一第一對邊界表面；及(b)該些切面的該區段的一第二區段具有一第二對邊界表面，(c)其中該第一對邊界表面與該第二對邊界表面相平行；以及(d)至少一界面，每個該界面為：(i)至少部分位在兩個區段之間；及(ii)平行於該第一外表面及該第二外表面，(e)其中該界面是選自由以下組成的群組中的至少一個： (i)一個部分反射表面；(ii)一個部分反射光學鍍膜；(iii)從該些區段中的一個區段的一材料到該些區段中的另一個區段的另一材料的一轉變；(iv)一偏振改性鍍膜；及(v)一柔性中間層。
  16. 如請求項1所述的光學裝置，其中該些組切面中的一第二組配置為執行自該光導件的光線耦出，該第二組切面具有一恆定數量的數個切面，該恆定數量的數個切面係在朝向用於觀察該光導件的光線通過該第一外表面及該第二外表面中的一個進行耦出的一標稱點的一視線上相重疊。
  17. 如請求項1所述的光學裝置，還包含：(a)一耦入裝置，配置為將一光線引導進入到該光導件中，使得該光線通過該第一外表面及該第二外表面沿著光導件以一第一平面內分量在一傳播方向上的內反射進行傳播；及(b)其中在該些組切面中的每一個中，相應的該些切面被取向為偏轉欲通過該光導的內反射引導的該光線的一部分，以便沿著該光導件以不平行於該第一平面內分量的一第二平面內分量在一傳播方向上進行傳播。
  18. 如請求項17所述的光學裝置，其中該耦入裝置是一第二光導件，包含：(a)一第二對外表面，彼此相平行；及(b)一組切面。
  19. 如請求項1所述的光學裝置，其中在該些組切面的至少一組中，在該些部分反射的切面的每一個之間的一間隔係被配置為使得：位在欲通 過該些組切面中的該一組進行反射的一圖像的一視場中，在沿著該光導件發生一雙重反射傳播步驟的一距離不匹配於該間隔的一精確倍數。
  20. 如請求項1所述的光學裝置，其中在該至少兩組切面的一第一組切面中的該些部分反射切面的一第一角度不同於在該至少兩組切面的一第二組切面中的該些部分反射切面的一第二角度，該第一及第二角度均是相對於該第一外表面及該第二外表面。
  21. 如請求項1所述的光學裝置，其中在該至少兩組切面的一第一組切面中的該些部分反射切面的一第一角度基本上與在該至少兩組切面的一第二組切面中的該些部分反射切面的一第二角度相同，該第一及第二角度均是相對於該第一外表面及該第二外表面，及該第一組切面係相對於該第二組切面轉動。
  22. 如請求項1所述的光學裝置，還包含：(a)一光源(3200)，提供一輸入照明(3202)進入到該光導件(16)中；及(b)一圖像調製器(3215)，反射由該輸入照明產生並通過該光導件的一傳播光(3204)，該反射產生通過該光導件的一反射圖像光(3206)。
  23. 一種製造一光學裝置的方法，該光學裝置包含一光導件(16)，該光導件(16)具有：(i)至少兩組切面(32、36)，位在一第一對外表面(22、24)之間；(ii)該對外表面(22、24)，彼此相平行；以及(iii)該些組切面(32、36)中的每一組包含彼此相平行的數個部分反射切面； 其中在該些組切面(32、36)中的每一組，各自的該些切面相對於該第一對外表面(22、24)形成一傾斜角度，及不平行於該些組切面中的另一組(32、36)；該方法包含下列步驟：(a)提供數個部分反射切面的一第一陣列(52)；(b)提供數個部分反射切面的一第二陣列(56)；以及(c)光學地附接該第一陣列(52)及該第二陣列(56)，使得該第一陣列(32)的該些切面及該第二陣列(36)的該些切面相對於該第一對外表面(22、24)形成一傾斜角度，並且彼此互相不平行。
  24. 如請求項23所述的方法，其中該光學地附接的步驟是以在該第一及第二陣列之間的一可流動黏合劑將該第一及第二陣列壓合在一起來執行。
  25. 如請求項23所述的方法，其中該第一陣列中的該些部分反射切面的一第一角度不同於該第二陣列中的該部分反射切面的第二角度，該第一及第二角度均是相對於該陣列的數個相應外表面。
  26. 如請求項23所述的方法，其中該第一陣列中的該部分反射切面的第一角度與該第二陣列中的該部分反射切面的第二角度基本相同，該第一及第二角度均是相對於該陣列的數個相應外表面，並且在光學地附接該第一及第二陣列之前，該第一陣列係相對於該第二陣列旋轉。
  27. 一種製造一光學裝置的方法，所述光學裝置包含光導件(16)，該光導件(16)具有：(i)至少兩組切面(32、36)，位在第一對外表面(22、24)之間；(ii)該些外表面(22、24)，彼此相平行； (iii)該些組切面(32、36)中的每一組包含數個彼此相平行的數個部分反射切面，及其中在該些切面(32、36)中的每一組中，各自的該些切面相對於該第一對外表面(22、24)形成一傾斜角度，及不平行於該些組切面中的另一組切面(32、36)；該方法包含下列步驟：(a)提供數個透明平坦的窗口(50)，該些窗口(50)具有數個部分反射表面；(b)將該些窗口(50)光學地附接在一起以形成一第一堆疊件(51)；(c)對該第一堆疊件(51)進行切片以產生數個第一扁平陣列(52)，該切片的進行係跨過該些窗口(50)並相對於該第一堆疊件(51)的至少兩對相對側形成一傾斜角度；(d)將數個該第一扁平陣列(52)光學附接在一起以形成一陣列堆疊件(70)；以及(e)對該陣列堆疊件(70)進行切片以產生至少一個該光導件(71、16)，該切片的進行係跨過該些第一扁平陣列(52)並相對於該陣列堆疊件(70)的至少兩對相對側形成一傾斜角度。
  28. 如請求項27所述的方法，其中該些第一平坦陣列在被光學地附接以產生該陣列堆疊件之前係先被拋光及鍍膜。
  29. 一種在二個維度上擴展光學孔徑的方法，係通過提供一圖像以作為一光輸入用於如請求項1所述的光學裝置。
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