TWI839642B - 光束倍增器和用於將圖像朝向使用者引導以供觀看的光學系統 - Google Patents

Abstract

一種用於將圖像朝向使用者引導以供觀看的光學系統，包括：光導光學元件(Light-guide Optical Elements，LOE)，其具有平行主外表面，以用於通過內反射來支援圖像的傳播；耦出佈置，其用於將圖像朝向使用者的眼睛耦出；以及耦入孔徑。圖像投影儀包括：圖像生成器，其用於生成圖像；準直光學器件，其用於對圖像進行準直；以及圖像共軛生成器。圖像投影儀耦合至耦入孔徑，以在圖像入射到主外表面上中的任何一個表面上之前將準直圖像及其共軛圖像引入到LOE中。圖像共軛生成器可以是第二圖像生成器，或者可以採用與LOE的主外表面不連續的一個或更多個反射表面。

Description

光束倍增器和用於將圖像朝向使用者引導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向使用者顯示圖像的光學系統以及複合光導光學元件。

各種類型的顯示器並且特別是近眼顯示器(near-eye displays，NED)通常採用一個或更多個波導，在波導中，圖像從圖像投影儀注入以通過全內反射(total internal reflection，TIR)在波導內傳播並且隨後經由一個或更多個耦出元件(例如，部分反射內表面(“小平面”)、衍射光柵等)朝向觀察者的眼睛耦出。這樣的波導由透明基板製成，該透明基板具有沿波導的長度延伸的一對平行主外表面，圖像及其共軛在該對平行主外表面之間反射。圖像優選地是準直圖像，並且波導優選地是平面的。為了最佳性能，圖像及其共軛兩者應當完全填充波導，使得與圖像的每個像素和共軛圖像的每個像素對應的照射存在於波導的厚度內的每個點處(對於有助於可以到達使用者的眼睛的輸出圖像的波導的區域)。

可以通過提供具有耦入表面--該耦入表面的取向大致垂直於注入圖像的主光線--的耦入稜鏡來實現波導的填充，使得圖像能夠落在波導的一個表面的延伸區域上，以生成共軛圖像。然而，特別是對於相對於主外表面以相對淺的角度(即，與表面的法線成接近90度)注入圖像的實現方式，用於利用共軛圖像填充波導所需的耦入區域的長度顯著增加了波導的尺寸。這在圖2A中示出，圖2A示出了到波導10的典型耦入。從波導基板切割或者附接在波導基板上的耦入稜鏡14用於以淺角度將光線40、41引導至波導中。當光線40、41在波導內傳播時，光線41從波導的頂表面反射，從而變成光線40的共軛。從圖1中可以明顯看出，即使使用耦入稜鏡，也需要相對大的輸入孔徑(並 且因此需要較大的投影儀)以在波導內產生淺光線的共軛。

圖2B所示的用於填充波導的替選方法是在波導10內部約中點處採用50%的分束器(或“混合器”)13，混合器13對主外表面之間的波導的厚度進行細分並且沿波導的長度平行於外表面延伸至少一部分路徑。如圖2A所示，分束器有效地部分反射光線以在波導內生成其共軛(例如光線41)，並且允許較小的輸入孔徑和楔形稜鏡14。

儘管混合器13的存在允許使用較小的投影儀孔徑和耦合稜鏡，但是混合器本身顯著地增加了波導的尺寸。混合器13所需的最小長度可以用公式l _mini =w．tan〔Φ)表示，其中w是波導的寬度，並且Φ是視場的角度(相對於LOE主表面的法線)的傳播。因此，上述對混合器的最小長度的限制要求使波導更長以容納混合器。另外，由於需要與波導表面平行，因此在將混合器包括在波導內部需要更高的精度來生產波導。

本發明是一種用於將圖像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，提供了一種用於將圖像朝向使用者引導以供觀看的光學系統，該光學系統包括：(a)光導光學元件(light-guide optical element，LOE)，其由透明材料形成並且具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面，以用於通過在第一主外表面和第二主外表面處的內反射來支援圖像的傳播，該LOE具有用於將圖像朝向使用者的眼睛耦出的耦出佈置，該LOE具有耦入孔徑；(b)圖像投影儀，該圖像投影儀包括：圖像生成器，其用於生成圖像；準直光學器件，其用於對圖像進行準直；以及圖像共軛生成器，該圖像投影儀耦合至耦入孔徑，以在準直圖像和共軛圖像入射到第一主外表面或第二主外表面中的任何一個表面上之前將準直圖像及其共軛圖像引入到耦入孔徑中。

根據本發明實施方式的另一特徵，圖像共軛生成器包括第二圖像生成器。

根據本發明實施方式的另一特徵，圖像共軛生成器包括與第一主外表面和第二主外表面不連續的至少一個反射表面。

根據本發明實施方式的另一特徵，圖像共軛生成器包括與第一主 外表面和第二主外表面不平行的至少一個反射表面。

根據本發明實施方式的另一特徵，圖像共軛生成器包括光束倍增器，該光束倍增器包括至少一個分束器，該至少一個分束器部署在兩個反射表面之間並且平行於兩個反射表面。

根據本發明的實施方式的另一特徵，光束倍增器包括分束器中的至少兩個分束器，至少兩個分束器插入在反射表面中的至少三個反射表面之間。

根據本發明實施方式的另一特徵，光束倍增器具有與LOE的厚度不同的外部厚度。

根據本發明實施方式的另一特徵，光束倍增器的反射表面是在分層結構的層之間的介面處的反射表面，並且其中，分層結構的外表面是光束倍增器的光學非功能性表面。

根據本發明實施方式的另一特徵，LOE還包括與第一主外表面和第二主外表面傾斜部署的耦入反射器，該耦入反射器被部署成：將準直圖像重定向為入射在第一主外表面上，並且將共軛圖像重定向為入射在第二主外表面上。

根據本發明實施方式的另一特徵，耦入反射器被部署成與第一主外表面和第二主外表面成45度。

根據本發明實施方式的另一特徵，圖像共軛生成器包括反射表面，該反射表面穿過與耦入反射器相鄰的LOE，反射表面的穿過LOE的部分是角度選擇性反射表面。

根據本發明實施方式的另一特徵，角度選擇性反射表面使用光學黏合劑來實現，該光學黏合劑具有比與耦入反射器相鄰的LOE的折射率低的折射率。

根據本發明的方面，還提供了一種光束倍增器，該光束倍增器包括透明板的堆疊，該透明板的堆疊限定多個平行介面平面，多個平行介面平面設置有塗層，所述塗層限定：(a)一組N個反射器，其中N至少為三；(b)一組至少N-1個部分反射分束器，分束器中的每一個插入在該組反射器中的兩個相鄰反射器之間。

10:LOE、波導

100:近眼顯示器

11a,11b:主外表面

116:區域

118:區域

12:反射器

120:側部

121:區域

122:控制器

123:交疊區域

13:混合器

14:稜鏡

15:孔徑

114:圖像投影儀

20:混合器

200:眼動箱

21:外表面

22:反射器、外部鏡小平面、多層鏡

23:分束器

24:多層鏡、內部鏡小平面

25:楔形稜鏡

30:投影儀單元

31:準直光學器件

310:透鏡

313:場透鏡

32:圖像生成器、反射式SLM

33:圖像生成器

34:反射表面、稜鏡面

35:PBS稜鏡

40:光線、照射源、源

41:光線

在本文中，僅以示例的方式參照圖式描述本發明，在圖式中：圖1A和圖1B是根據本發明的教導構造和操作的使用光導光學元件(LOE)實現的光學系統的示意性等距視圖，分別示出了自頂向下配置和側向注入配置；圖2A如上所述是示出經由耦合稜鏡將圖像常規耦入到LOE中的示意性側視圖；圖2B如上所述是示出將圖像常規耦入到具有集成光束倍增器的LOE中的示意性側視圖；圖3是圖1A和圖1B的光學系統的一部分的示意性側視圖，示出了將圖像-共軛圖像對耦入到LOE；圖4A是圖1A和圖1B的光學系統的一部分的示意性側視圖，示出了本發明的採用光束倍增器的替選實現方式；圖4B是圖4A的光束倍增器的放大示意圖；圖5是圖1A和圖1B的光學系統的一部分的示意性側視圖，示出了本發明的採用光束倍增器和成斜角的耦入反射器的替選實現方式；圖6是根據圖5的本發明的實現方式的光線軌跡圖，示出了朝向使用者的眼睛引導的圖像的不同部分的光線路徑；圖7A和圖7B是來自圖6的LOE的耦入區域的放大局部視圖，分別示出了單個圖像像素的僅一半光線路徑，有助於用該像素的對應圖像照射填充LOE；以及圖8是圖1A和圖1B的光學系統的一部分的示意性側視圖，示出了本發明的採用穿過LOE的厚度的反射器表面作為角度選擇性反射器的替選實現方式。

本發明是一種用於將圖像朝向使用者引導以供觀看的光學系統。

本發明的某些實施方式提供了包括用於實現光學孔徑擴展的光導光學元件(LOE)的光學系統，以用於平視顯示器並且最優選地是近眼顯示器的目的，該近眼顯示器可以是虛擬實境顯示器或者更優選地是擴增實境顯示器。

在圖1A和圖1B中示意性地示出了採用LOE 10的根據本發明的實施方式的教導的近眼顯示器形式的裝置的示例性實現方式，該近眼顯示器總 體上用圖式標記100表示。近眼顯示器100採用光學地耦合以將圖像注入到LOE(可互換地被稱為“波導”、“基板”或“平板”)10中的緊湊型圖像投影儀(或“POD”)114，在LOE 10內圖像光通過一組相互平行的平坦外表面處的內反射被捕獲在一個維度。

在LOE 10內通過用於對圖像照射方向漸進地重定向的一個或更多個佈置來實現光學孔徑擴展，該佈置通常採用一組部分反射表面(可互換地稱為“小平面”)，這些表面相互平行並且相對於圖像光的傳播方向傾斜，其中每個連續的小平面將一部分圖像光偏轉到偏轉方向。對於一維孔徑擴展，小平面還將圖像光朝向使用者的眼睛耦出。在一些情況下，如此處所示，通過在區域116中採用第一組小平面以漸進地重定向LOE內的圖像照射，還通過內反射來捕獲/引導該圖像照射，從而實現二維孔徑擴展。然後，經偏轉的圖像照射進入到第二基板區域118中，該第二基板區域118可以實現為相鄰的不同基板或者實現為單個基板的延續，在該第二基板區域118中，耦出佈置(例如，另一組部分反射小平面)漸進地將圖像照射的一部分朝向位於被限定為眼動箱(eye-motion box，EMB)的區域內的觀察者的眼睛耦出，從而實現第二維度的光學孔徑擴展。如本領域已知的，使用繞射光學元件(diffractive optical elements，DOE)來在區域116和區域118中的一個或兩個區域內重定向和/或耦出圖像照射，可以獲得類似的功能。

整個裝置可以針對每隻眼睛分別來實現，並且優選地，整個裝置相對於使用者的頭部被支撐，其中每個LOE 10面對用戶的對應眼睛。在如此處所示的一個特別優選的選項中，將支撐佈置實現為具有用於相對於用戶的耳朵來支撐該裝置的側部120的眼鏡框架。也可以使用其他形式的支撐佈置，包括但不限於頭帶、面罩或懸掛在頭盔上的裝置。

本文在圖式和請求項中參考X軸和Y軸，X軸在LOE的第一區域的大體延伸方向上水準(圖1A)或豎直(圖1B)延伸，Y軸垂直於X軸延伸，即在圖1A中豎直延伸並且在圖1B中水準延伸。以非常近似的術語，可以認為第一LOE或LOE 10的第一區域116在X方向上實現孔徑擴展，而第二LOE或LOE 10的第二區域118在Y方向上實現孔徑擴展。以下將更精確地表述視場的不同部分傳播的角方向的擴展的細節。應當注意，如圖1A中所示的 取向可以被視為“自頂向下”實現方式，在該實現方式中進入LOE的主(第二區域)的圖像照射從上邊緣進入，而圖1B中所示的取向可以被視為“側向注入”實現方式，在該實現方式中水準部署此處被稱為Y軸的軸。在其餘圖式中，將在類似於圖1A的“自頂向下”取向的上下文中示出本發明的某些實施方式的各種特徵。然而，應當認識到，所有這些特徵同樣適用於也落入本發明的範圍內的側向注入實現方式。在某些情況下，其他中間取向也是適用的，並且除非明確被排除，否則也包括在本發明的範圍內。此處所示的二維擴展實施方式僅是示例性的，但是本發明也適用於其中LOE執行僅單維孔徑擴展的實施方式。

應當理解，近眼顯示器100包括各種附加部件，通常包括用於致動圖像投影儀114的控制器122，該控制器122通常採用來自小型板載電池(未示出)或一些其他合適的電源的電力。應當理解，控制器122包括用於驅動圖像投影儀的所有必需的電子部件，例如至少一個處理器或處理電路，所有這些都是本領域公知的。

本發明的方面涉及圖像投影儀114的實現方式，該圖像投影儀114包括圖像共軛生成器，該圖像共軛生成器被佈置成使得圖像投影儀將準直圖像及其共軛圖像注入到LOE 10中。下文將參照圖3至圖8說明圖像共軛生成器的各種非限制性示例。

因此，參照圖3，示出了用於將圖像朝向使用者引導以供觀看的圖1的光學系統的放大示意性局部視圖。光學系統包括LOE 10，該LOE 10由透明材料形成並且具有相互平行的第一主外表面11a和第二主外表面11b，以用於通過在這些表面處的內反射來支援圖像的傳播。LOE 10還具有：耦出佈置(在圖1的區域118中，如上所述但此處未示出)，該耦出佈置用於將圖像朝向使用者的眼睛耦出；以及耦入孔徑15，在這種情況下，耦入孔徑15被示出為LOE 10的側邊緣。

不是依賴於與LOE 10集成的結構來生成圖像共軛對，根據本發明的該方面的圖像投影儀114包括圖像共軛生成器，以在準直圖像或共軛圖像中的任一者入射在LOE 10的主外表面11a和11b的任何一個表面上之前生成圖像共軛對。

因此，在圖3的示例中，圖像投影儀114包括：圖像生成器32，其用於生成圖像；準直光學器件31，其用於對圖像進行準直；以及圖像共軛生成器，此處實現為生成共軛圖像的第二圖像生成器33。在此處所示的示例中，圖像生成器32和圖像生成器33共用公共準直光學器件31。圖像投影儀114耦合到耦入孔徑15，以在準直圖像或其共軛圖像入射在LOE 10的主外表面11a和11b的任何一個表面上之前將準直圖像及其共軛圖像直接引入到LOE 10中。

將理解的是，該解決方案與圖2A和圖2B的耦入佈置形成了明顯的對比，在圖2A和圖2B的耦入佈置中，共軛圖像是在LOE自身內通過從主外表面(或耦合稜鏡的表面，其是這些主外表面的延續並且為此目的在本文中限定為LOE的主外表面的一部分)的反射而生成的。

驅動兩個圖像生成器32和33以生成其中之一反轉的相同的圖像，並且從兩個場中相同地示出每個場。在裝置的組裝期間，優選地通過機械調整或更優選地通過圖像顯示位置的數位校正來使用主動對準，以移動圖像生成器上的兩個圖像，使得它們作為LOE內的互補共軛圖像而對準。因此，用從耦入孔徑向前遍及LOE的主圖像及其共軛“填充”LOE，而不需要LOE的任何延伸來實現這樣的填充。

在本發明的這個和所有其他實現方式中，圖像生成器可以是本領域已知的任何類型的微顯示圖像生成器。合適的示例包括但不限於空間光調變器(spatial light modulators，SLM)，包括：諸如液晶顯示器(liquid-crystal display，LCD)的透射型SLM和諸如液晶覆矽(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)顯示器的反射型SLM，以及諸如有機發光二極體(Organic Light-emitting Diode，OLED)顯示器的有源光生成顯示器。其中快速掃描雷射光束與其掃描運動同步調製的掃描圖像生成器也可以用作根據本發明的圖像生成器。

作為第二圖像生成器33的替選，本發明的其他實現方式將圖像共軛生成器實現為與主外表面不連續的至少一個反射表面，以生成共軛圖像。參照圖4A至圖8呈現了這樣的實現方式的各種示例。

圖4A示出了其中圖像共軛生成器是波導10外部的光束倍增器或“混合器”構造20的實現方式。在圖4B中更詳細地示出了混合器20的一個特別優選的實現方式，其本身被認為是可取得專利的。

在概念上，混合器20執行與圖2B的混合器13的功能類似的功能，但是在這種情況下，它不是波導10的一部分，而是圖像投影儀114的元件的一部分，混合器20被定位在LOE 10與包含圖像生成器和準直光學器件的投影儀單元30之間。在這種情況下，投影儀單元30具有產生一個圖像的單個圖像生成器32，而混合器20通過部分反射光線40產生共軛(光線41)來產生圖像共軛對。然後將圖像對注入到波導中。因為混合器20在波導的外部，所以它可以在組裝期間主動地與波導對準，而不會對波導施加製造限制。混合器20可以包括多層鏡22、24和分束器23以及外表面21，外表面21不需要具有光學品質並且不需要與LOE外表面共面。這極大地簡化了對結構的製造限制。

關於混合器20的結構，本發明的光束倍增器與現有出版物中描述的光束倍增器的區別在於存在至少一個中間高反射層，其有效地將混合器細分成一個堆疊在另一個之上的兩個獨立混合器。因此，混合器20優選地由限定多個平行介面平面的透明板的堆疊形成，所述多個平行介面平面被塗覆以限定：(a)一組N個反射器，其中N至少為三；(b)一組至少N-1個部分反射分束器，分束器中的每一個插入在該組反射器中的兩個相鄰反射器之間。

在這種情況下，“反射器”優選地是高反射性的，這意味著它們至少在與沿LOE傳播相關的角範圍內反射入射光的至少85%，更優選地至少90%，並且通常至少95%。部分反射分束器優選地是大約50%的反射器(50%±10%)。在光束倍增器位於用戶的視場之外的應用中，可以有利地使用金屬塗層來實現反射器和分束器兩者。在需要透明度以通過光束倍增器觀看場景的情況下，如本領域中已知的，採用多層電介質塗層以在大角度處提供所需水準的反射率，同時在小(近正交)角度處提供相對高的透明度。

中間反射器有效地將混合器細分成兩個(或更多個)子混合器。這將混合器利用圖像及其共軛實現填充波導所需的長度減少了兩倍。在圖4B中，將根據一個示例的混合器20的輸入和輸出孔徑示出為黑線。這些孔徑不需要填充混合器的整個寬度。事實上，在透明板之間的內部介面平面處實現所有反射器和分束器可能是有利的，而分層結構的外表面是光學非功能性表面。此處的“光學非功能性”是指圖像光無法到達的表面，或者到達表面的任何圖像 光隨後不進入LOE。在這樣的情況下，外表面不需要是拋光表面，並且不需要平行於其他元件。因此，如圖4A所示，混合器20的外部厚度可以是不同的，通常大於LOE 10的厚度(即，第一主外表面11a與第二主外表面11b之間的距離)。最外側的反射器22之間的距離應當與LOE厚度匹配，或者比LOE厚度稍大，以填充LOE。

現在轉向圖5至圖8，在一些實現方式中，外部圖像共軛生成器的使用有助於折疊光路的使用，從而從元件的側面去除體積。因此，根據本發明的某些實施方式，LOE 10還包括耦入反射器12，該耦入反射器12被部署成：相對於第一主外表面和第二主外表面傾斜，以將準直圖像重定向為入射到第一主外表面11a上，並且將共軛圖像重定向為入射到第二主外表面11b上。耦入反射器12可以在一定角度範圍內實現，但是最優選地，被部署成與第一主外表面和第二主外表面成45度，從而有效地將圖像投影儀的光軸折疊90度。與某些常規耦入構造不同，反射器12特別地位於LOE 10的厚度內，使得反射器12可以將主圖像及其共軛圖像兩者朝向它們各自的上/下傳播方向偏轉。

圖5示出了一種這樣的構造，其中，外部混合器20被定位成垂直於波導。在這種情況下，45度反射耦入反射器12將離開混合器的圖像折疊到波導中。楔形稜鏡25優選地用於以垂直於稜鏡表面的角度將中心視野(field of view，FOV)光耦入到混合器中。由於折疊，混合器的孔徑寬度必須大於波導的孔徑寬度。孔徑的確切大小取決於所顯示光的角FOV和反射器12的折疊角度。在該示例中，寬度增加了66%。

應當注意，在這種情況下，混合器20被分成三個子混合器。因此，無需增加混合器的長度(因為如上所述l _mini =w．tan〔Φ)/2，並且在折疊之後，寬度(w)增加了60%)。因此，混合器被外部鏡小平面22之間的兩個內部鏡小平面24分成三個子混合器。分束器23設置在每個子混合器的中心平面處。

圖6示出了包括圖5的混合器的整個光學系統的光路圖。圖像生成器32上的三個示例性點(像素)由準直光學器件31準直，以離開投影儀單元30進入到耦合楔形稜鏡25中並且進入到混合器20中。混合器生成共軛場，使得整個圖像及其共軛通過耦入反射器12耦合到波導10中。在該示例中，光通過一組平行的部分反射小平面11耦出波導到達眼動箱(eye motion box，EMB) 200。應當注意，小平面11的示例僅是一個非限制性示例，並且耦出的其他機構例如全息或二向色光柵也是可能的並且包括在本文的範圍內。最後，可以看出，儘管不同場的傳播的角度可能非常淺，但是楔形稜鏡25與投影儀單元30之間的輸入孔徑保持相對較小。

圖7A和圖7B示出了在波導內傳播的圖像(圖7A)及其共軛(圖7B)的兩個截面圖。交疊圖7A和圖7B說明如何用圖像及其共軛完全填充波導。這樣，在波導內實現了光的均勻化。應當注意，該圖示根據沿LOE中途的任意位置將照射細分為“圖像”和“共軛”，但是當光在傳播時從LOE的第一主外表面和第二主外表面反射時，光在圖像與共軛之間不斷地互換。本發明的一個特別優選的方面的特定限定特徵是，進入LOE的耦入孔徑並且到達耦入反射器12的照射已經包括了用圖像和共軛圖像兩者填充反射器，圖像和共軛圖像中的一個如圖所示向上指向，以首先入射在第一主外表面11a上，而另一個如圖所示向下指向，以首先入射在第二主外表面11b上。哪個圖像是“主圖像”和哪個是“共軛圖像”以及哪個表面被稱為“第一”主外表面或“第二”主外表面的限定是任意的，並且由圖像生成器生成的“主圖像”是使用者要觀看的圖像還是該圖像的反轉版本通常是無關緊要的，這僅取決於各種設計考慮。

要注意的是，如圖7B所示，從耦入反射器12反射的一些向下指向的光線在通過混合器20交疊的區域中入射到第二主外表面11b上。為了在該交疊區域中保持全反射(Total Internal Reflection，TIR)，該裝置優選地在元件之間裝配有小的氣隙，或者更優選地在部件之間使用低折射率黏合劑。特別是對於淺角度光線傳播，LOE的材料與黏合劑之間的相對小的折射率差足以限定通過TIR保持傳播圖像照射的臨界角。替選地，可以在與LOE交疊的區域施加角度選擇性多層電介質塗層，以提供合適的內反射特性。

在採用混合器20的所有上述實施方式中，本文中任意限定的混合器在功能上為圖像投影儀114的一部分，因為它在將圖像注入到LOE 10中之前形成光學系統的一部分，並且不包括LOE的任何表面的延伸。在產品的實際構造中，混合器不一定與組合了圖像生成器和準直光學器件的投影儀單元30集成，並且在某些情況下可以在放置投影儀單元之前通過附接至LOE而更方便地組裝混合器。

圖8示出了本發明的某些特別優選的實現方式的另一特徵。根據該特徵，圖像共軛生成器包括反射表面34，該反射表面34與耦入反射器12相鄰地穿過LOE 10的厚度。將反射表面34的穿過LOE的部分區域121實現為角度選擇性反射表面，以在反射器12處進行反射之前反射從圖像投影儀114進入LOE的光線，同時(即，以與沿LOE 10的圖像傳播相關的角度)傳輸已經被反射器12反射的光線。此處同樣，也可以使用折射率比與耦入反射器相鄰的LOE的折射率低的光學黏合劑來最方便地實現角度選擇性反射表面，從而提供在反射器12處反射之前的光線入射角與在反射器12處反射之後的光線入射角之間的臨界角。也可以使用上述其他選項，例如使用角度選擇性多層電介質塗層，或者包括氣隙。

在圖8所示的非限制性示例中，圖像投影儀114通過使用與LOE的主外表面垂直的單個延伸反射表面34而不是經由外部混合器來生成共軛圖像。投射的準直圖像的一部分直接入射到耦入反射器12上，對應於朝向第一主外表面11a向上偏轉的主圖像。圖像的另一部分從反射表面34反射，從而生成共軛圖像，該共軛圖像被耦入反射器12朝向第二主外表面11b向下偏轉。反射表面區域121有助於用共軛圖像填充耦入反射器12，同時類似地處理交疊區域123以提供角度選擇性反射，從而避免在交疊的區域中向下反射的共軛圖像光的洩漏(如上所述)。

圖8的圖像投影儀114的結構的其他方面基於在基於偏振分束器稜鏡的常規反射式SLM圖像投影儀中採用的原理。特別地，照射源40將照射引入到(Polarizing Beam Splitter，PBS)偏振分束器稜鏡35中，在PBS稜鏡35處，光朝向諸如LCOS、DLP等的反射式SLM 32被反射。經反射的圖像照射通過PBS到達與四分之一波片(未示出)相關聯的反射準直透鏡310，使得經反射的準直圖像從PBS朝向LOE耦入孔徑被反射。如上所述，通過使圖像的一部分直接入射到反射器12上而其他圖像照射首先從反射表面34反射，來實現用於提供圖像及其共軛兩者的圖像的加倍。反射表面34的在反射透鏡310下面的區域還可以有利地設置有角度選擇性反射塗層例如低折射率黏合劑，以在從PBS反射之後以相關角度實現TIR。可以添加諸如場透鏡313的其他透鏡來改善光學性能。

在該實現方式中，特別有利的是，稜鏡面34與波導10的主表面正交，並且此處示出的離開反射透鏡310的兩條平行光線在進入波導之前將是共軛的。此外，可以看出，來自源40的照射的所需輸入方向相對於波導的主表面約為110度，這使得其自身高度符合人體工程學的設計，其中在要集成在裝置的任一側上的部件之間具有輕微的偏離，這非常適合於眼鏡框架形狀因數。

對在具有角度選擇反射特性的區域121處穿過LOE的厚度的反射表面34的使用也適用於上述本發明的其他實現方式。例如，如果將圖5至圖7B的混合器20的反射器之一實現為穿過LOE 10的厚度的表面，則可以使混合器20所需的光學輸入和輸出孔徑顯著地減小，從而行成更緊湊的設計。

應當理解，以上描述僅旨在用作示例，並且在如所附請求項所限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式也是可能的。

10:LOE、波導

11a,11b:主外表面

15:孔徑

114:圖像投影儀

31:準直光學器件

32:圖像生成器、反射式SLM

33:圖像生成器

40:光線、照射源、源

41:光線

Claims (12)

1. 一種用於將圖像朝向使用者引導以供觀看的光學系統，所述光學系統包括：(a)光導光學元件，所述光導光學元件由透明材料形成並且具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面，以用於通過在所述第一主外表面和所述第二主外表面處的內反射來支援圖像的傳播，所述光導光學元件具有用於將所述圖像朝向所述使用者的眼睛耦出的耦出佈置，所述光導光學元件具有與所述第一主外表面和所述第二主外表面傾斜部署的耦入反射器；(b)圖像投影儀，所述圖像投影儀包括：圖像生成器，其用於生成圖像；準直光學器件，其用於對所述圖像進行準直；以及圖像共軛生成器，所述圖像投影儀耦合至所述光導光學元件，以將準直圖像引導到所述耦入反射器上從而使其偏轉以入射到所述第一主外表面上並在所述第一主外表面處經歷內反射，並且將所述準直圖像的共軛圖像引導到所述耦入反射器上從而使其偏轉以入射到所述第二主外表面上並在所述第二主外表面處經歷內反射，所述準直圖像和所述共軛圖像在從所述第一主外表面或所述第二主外表面中的任何一個表面反射之前被所述耦入反射器偏轉。
2. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述圖像共軛生成器包括第二圖像生成器。
3. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述圖像共軛生成器包括與所述第一主外表面和所述第二主外表面不平行的至少一個反射表面。
4. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述圖像共軛生成器包括與所述第一主外表面和所述第二主外表面垂直的至少一個反射表面。
5. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述圖像共軛生成器包括光束倍增器，所述光束倍增器包括至少一個分束器，所述至少一個分束器部署在兩個高反射表面之間並且平行於所述兩個高反射表面。
6. 如請求項5所述的光學系統，其中，所述光束倍增器包括所述分束器中的至少兩個分束器，所述至少兩個分束器插入在所述高反射表面中的至少三個高反射表面之間。
7. 如請求項5所述的光學系統，其中，所述光束倍增器具有 與所述光導光學元件的厚度不同的外部厚度。
8. 如請求項5所述的光學系統，其中，所述光束倍增器的所述反射表面是在分層結構的層之間的介面處的反射表面，並且其中，所述分層結構的外表面是所述光束倍增器的光學非功能性表面。
9. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述耦入反射器被部署成與所述第一主外表面和所述第二主外表面成45度。
10. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述圖像共軛生成器包括反射表面，所述反射表面穿過與所述耦入反射器相鄰的所述光導光學元件，所述反射表面的穿過所述光導光學元件的部分是角度選擇性反射表面。
11. 如請求項10所述的光學系統，其中，所述角度選擇性反射表面使用光學黏合劑來實現，所述光學黏合劑具有比與所述耦入反射器相鄰的所述光導光學元件的折射率低的折射率。
12. 一種光束倍增器，包括透明板的堆疊，所述透明板的堆疊限定多個平行介面平面，所述多個平行介面平面設置有塗層，所述塗層限定：(a)一組N個高反射反射器，其中N至少為三；(b)一組至少N-1個部分反射分束器，所述分束器中的每一個插入在所述一組反射器中的兩個相鄰反射器之間。