CN115176191A - 包括具有二维扩展的光导光学元件的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种光学系统，包括图像重定向布置，该图像重定向布置具有至少两个反射器以引导来自图像投影仪的准直图像，从而在光导光学元件(LOE)内沿第一方向和第二方向传播，随后该准直图像由对应的第一组部分反射内表面和第二组部分反射内表面朝向耦出光学布置反射。与沿第一方向传播的准直图像的右侧相邻的视场(FOV)的一部分与各组部分反射内表面中的一个的平面或与主外表面平行的平面相交，从而在未到达用户眼睛的视场区域中形成准直图像的一部分的自交叠。

Description

包括具有二维扩展的光导光学元件的光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统，并且特别地，本发明涉及包括用于实现光学孔径扩展的光导光学元件(light-guide optical element，LOE)的光学系统。

背景技术

许多近眼显示系统包括在用户眼睛前放置的透明光导光学元件(LOE)或“波导”，LOE或波导通过内反射在LOE内传送图像，并且然后通过合适的输出耦合机构朝向用户眼睛耦出图像。输出耦合机构可以基于嵌入的部分反射器或“小平面”，或者可以采用衍射元件。下面的描述将主要涉及基于小平面的耦出布置。

在与本申请共同转让的美国专利第10,551,544号和PCT专利申请公开第WO 2020/049542号A1中公开了用于实现图像投影仪的光学孔径的二维扩展的各种LOE配置。在这些示例中，第一组部分反射小平面逐步地反射注入LOE中的图像，以将该图像从第一方向重定向至第二方向，同时实现孔径扩展的第一维度，并且第二组部分反射小平面逐步地耦出重定向图像，同时实现孔径扩展的第二维度。

当实现具有大视场的此类配置时，可以使用的角的范围在一端受到以下要求限制：在LOE内传播的图像的所有光线必须以大于临界角的入射角入射在LOE的主表面上。在另一端，如果LOE内的图像的角场与LOE的中心平面相交，则图像的某些光线作为共轭图像的光线交叠(即，在同一方向上)，导致图像的该部分损坏。因为与小平面的平面相交的图像场的任何部分由与图像的相邻区域上的反射而损坏，对LOE内的部分反射表面(“小平面”)的平面施加了另外的限制。这些考虑使得用于二维孔径扩展的LOE的设计复杂化，并且对可以显示的图像的角场施加限制。

发明内容

本发明是一种用于将图像照射引导至眼动盒以供用户的眼睛观看的光学系统。

根据本发明的实施方式的教示，提供了用于将图像引导至眼动盒以供用户的眼睛观看的光学系统，该光学系统包括：(a)图像投影仪，其投影与准直图像对应的照射，该准直图像具有从左侧至右侧和从顶部至底部的角度视场以及在视场的中心处的主光线表示传播方向；(b)光导光学元件(LOE)，其由透明材料形成并且具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(c)图像重定向布置，其至少包括第一反射器和第二反射器，该第一反射器被布置成在LOE内沿第一方向重定向照射的部分使得准直图像在LOE内通过内反射沿第一方向传播，该第二反射器被布置成在LOE内沿第二方向重定向照射的部分使得准直图像在LOE内通过内反射沿第二方向传播；(d)耦出光学布置，其与LOE相关联并且被配置用于使在LOE内传播的照射朝向眼动盒向外偏转；以及(e)LOE内的多组部分反射内表面，多组部分反射内表面包括相互平行的第一组部分反射内表面和相互平行的第二组部分反射内表面，该相互平行的第一组部分反射内表面被布置成用于将沿第一方向传播的照射朝向耦出光学布置重定向，该相互平行的第二组部分反射内表面被布置成不平行于第一组部分反射内表面，用于将沿第二方向传播的照射朝向耦出光学布置重定向，其中沿第一方向重定向并且由第一组部分反射内表面重定向的照射的部分将视场的至少左侧提供给眼动盒，并且其中与沿第一方向传播的准直图像的右侧相邻的视场的一部分与多组部分反射内表面中的一个的平面或与主外表面平行的平面相交，从而在视场的未到达眼动盒的区域中形成准直图像的一部分的自交叠。

根据本发明的实施方式的另一个特征，沿第二方向重定向并且由第二组部分反射内表面重定向的照射的部分将视场的至少右侧提供给眼动盒，并且其中与沿第二方向传播的准直图像的左侧相邻的视场的一部分与多组部分反射内表面中的一个的平面或与主外表面平行的平面相交，从而在视场的未到达眼动盒的区域中形成准直图像的一部分的自交叠。

根据本发明的实施方式的另一特征，图像重定向布置包括反射棱镜，该反射棱镜在LOE外部，该反射棱镜提供第一反射器和第二反射器。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一反射器是在LOE内部并且与第一组部分反射内表面平行的反射表面，并且第二反射器是在LOE内部并且与第二组部分反射内表面平行的反射表面。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一组部分反射内表面和第二组部分反射内表面在LOE的至少一个区域中处于交叠关系。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一组部分反射内表面和第二组部分反射内表面各自与LOE的主外表面成斜角。

根据本发明的实施方式的另一特征，与沿第一方向传播的准直图像的右侧相邻的视场的一部分与第二组部分反射内表面的平面相交。

根据本发明的实施方式的另一特征，与沿第一方向传播的准直图像的右侧相邻的视场的一部分与平行于主外表面的平面相交。

根据本发明的实施方式的另一特征，耦出光学布置包括相互平行的第三组部分反射内表面,该相互平行的第三组部分反射内表面与第一组部分反射内表面和第二组部分反射内表面都不平行，该相互平行的第三组部分反射内表面与LOE的主外表面成斜角。

附图说明

在本文中，仅以示例的方式参照附图描述本发明内容，在附图中：

图1A和图1B是使用根据本发明的第一方面的教示构造和操作的光导光学元件(LOE)实现的光学系统的示意性等距视图，分别示出了自顶向下和侧向注入配置；

图2A是示出由用户的眼睛观看到的图像的视场(field of view，FOV)的示意性等距视图；

图2B是示出将FOV的左端和右端提供给眼动盒(eye motion box，EMB)的LOE的区域的示意性俯视图；

图2C是类似于图2B的视图，另外示出了从LOE的未到达EMB的区域投影的视场的端部，并且因此根据本发明的方面，允许该端部被损坏；

图3A是示出用于提供视场的右侧(图的顶部)和左侧(图的底部)的替选光路的反射序列的角度空间的示意性表示的序列；

图3B(1)和图3B(2)分别是来自LOE的右侧和左侧的投影图像的高质量部分和损坏部分的示意性俯视图，其中仅投影图像的高质量部分到达EMB；

图3C和图3D分别是示出物理空间中图3A的光路的一系列示意性正视图和侧视图；

图3E和图3F是图3A中所示的反射序列的三维角度表示，其中图3E包括示出反射序列的箭头，而图3F标示每个图像的遭受损坏的区域；

图4A和图4B是用于本发明的替选实施方式的类似于图3E和图3F的三维角度表示；

图5A和图5B是用于本发明的另一替选实施方式的类似于图3E和图3F的三维角度表示；

图6至图8是根据本发明的实施方式的教示的LOE的三个替选实现方式的相应部件和整体组装结构的示意图；

图9是示出用于本发明的实现方式的部分反射内表面(小平面)的反射率的角度依赖性的曲线图，还示出了在LOE内传播的各种图像的角度范围；

图10是图1A至图8的LOE的实现方式的示意性正视图，示出了耦入图像的中心向下注入；

图11A是类似于图10的视图，示出了其中耦入图像垂直注入的实现方式；

图11B和图11C是沿图11A的线XI-XI截取的示意性截面图，示出了用于在两个方向上耦入投影图像的图像重定向布置的第一实现方式和第二实现方式；

图12A是类似于图10的视图，示出了向上注入耦入图像的实现方式；

图12B和图12C是沿图12A的线XII-XII截取的示意性截面图，示出了用于在向上方向上耦入投影图像的第一实现方式和第二实现方式；

图13A是采用与LOE的主外表面垂直的第一组部分反射内表面和第二组部分反射内表面的本发明的另一实现方式的示意性角度表示；以及

图13B是与图13A的实施方式对应的LOE的示意性正视图。

具体实施方式

本发明是用于将图像照射引导至眼动盒以供用户的眼睛观看的光学系统。

参照附图和所附描述，可以更好地理解根据本发明的光学系统的原理和操作。

作为介绍，本发明的某些方面涉及用于经由光导光学元件(LOE)将图像照射引导到眼动盒(EMB)以供用户的眼睛观看的光学系统。光学系统提供光学孔径扩展以用于平视显示器并且最优选地为近眼显示器的目的，所述显示器可以是虚拟现实显示器或者更优选地是增强现实显示器。优选地，光学系统提供输入光学孔径的两级扩展，并且其中第一扩展使用两组不同的相互平行部分反射表面(“小平面”)来实现，每组部分反射表面理向眼睛呈现的整体视场(FOV)的不同部分(不相同但优选地交叠)。

在典型但非限制性实施方式(图1A和图1B)中，光学系统采用单个图像投影仪(“POD”)，该POD将图像照射提供至集成到LOE中的两组小平面。概括地说，图1A和图1B示出了用于将注入到至少一个耦入区域中的图像照射引导至眼动盒以供用户的眼睛观看的光学系统。光学系统包括光导光学元件(LOE)112，该光导光学元件112由透明材料形成并且包括第一区域116，该第一区域116包含具有第一取向的第一组平坦的相互平行的部分反射表面(“小平面”)和具有第二取向的第二组平坦的相互平行的部分反射表面(“小平面”)，所述第二取向与第一取向不平行。(小平面在图1A和图1B中不可见，但是将在下面的附图中示意性地示出。)LOE还包括第二区域118，该第二区域118包含具有第三取向的第三组平坦的相互平行部分反射表面(或“小平面”，也称为“耦出表面”)，所述第三取向与第一取向和第二取向中的每个取向不平行。LOE由跨第一区域和第二区域延伸的一组相互平行的主外表面定界，使得第一组部分反射表面、第二组部分反射表面和第三组部分反射面都位于主外表面之间。

第三组部分反射表面与主外表面成斜角，使得在LOE内通过主外表面处的内反射从第一区域传播进入第二区域的图像照射的一部分朝向眼动盒耦出LOE以供用户的眼睛观看。替选地，代替第三组小平面，可以在第二区域118中使用衍射光学元件，用于朝向眼动盒逐渐地耦出图像照射。类似地，衍射光学元件可以用于将来自投影仪114的图像照射耦合到LOE中，以通过内反射在第一区域116内传播。

第一组部分反射表面和第二组部分反射表面中的每个部分反射表面被定向为使得来自至少一个耦入区域的在LOE内通过主外表面处的内反射传播的图像照射的一部分被朝向第二区域偏转。

最优选地，第一组小平面和第二组小平面中的每一个负责整个视场的不同部分的孔径扩展。具体地，优选地，第一组部分反射表面使图像的视场的第一部分朝向第二区域偏转，并且第二组部分反射表面使图像的视场的第二部分朝向第二区域偏转，视场的第一部分和第二部分组合以提供比FOV的第一部分和第二部分中的每一个都要大的连续组合视场。优选地，FOV的两个部分大致对应于全部FOV的两侧(左右或上下，但在下文中任意地称为“左”和“右”)，但是具有与中心区域的充分交叠以确保跨眼动盒的中心场的完全且连续的覆盖，眼动盒对应于观看者的瞳孔的位置的可接受范围，显示器是针对该观看者来设计的。

本发明的示例性实施方式采取通常被标示为110的近眼显示器的形式，该近眼显示器采用LOE 112。紧凑型图像投影仪(或“POD”)114被光学耦合以将图像注入LOE 112(可互换地称为“波导”、“基板”或“板(slab)”，在LOE 112内，通过平坦主外表面处的内反射在一个维度上捕获图像光。光射到第一组部分反射表面和第二组部分反射表面(可互换地称为“小平面”)上，其中，每组小平面相对于图像光的传播方向倾斜，其中每个相继小平面将图像光的一部分偏转到也通过内反射被捕获/引导在基板内的偏转方向。这些第一组小平面和第二组小平面未在图1A和图1B中单独示出，而是位于LOE的被标示为116的第一区域中。在相继小平面处的该部分反射实现了第一维度的光学孔径扩展。

位于区域116中的第一组部分反射表面和第二组部分反射表面将图像照射从通过全内反射(total internal reflection，TIR)被捕获在基板内的第一传播方向偏转到也通过TIR被捕获在基板内的第二传播方向。在相继小平面处的该部分反射实现了第一维度的光学孔径扩展。

然后，经偏转的图像照射进入第二基板区域118，第二基板区域118可以被实现为相邻的不同基板或者被实现为单个基板的延续，在第二基板区域118中，耦出光学装置(另一组部分反射小平面或衍射光学元件)逐步地将图像照射的一部分朝向位于被限定为眼动盒(EMB)的区域内的观察者的眼睛耦出，从而实现第二维度的光学孔径扩展。整个装置可以针对每只眼睛分别来实现，并且优选地，整个装置相对于用户的头部被支撑，其中每个LOE112面对用户的相应的眼睛。在如此处所示的一个特别优选的选项中，将支撑布置实现为具有用于相对于用户的耳朵来支撑装置的侧部120的眼镜框架。也可以使用其他形式的支撑布置，包括但不限于头带、护目镜或悬挂在头盔上的装置。

本文在附图和权利要求书中参照X轴和Y轴，其中，X轴沿LOE的第一区域的大体延伸方向水平(图1A)或竖直(图1B)延伸，并且Y轴垂直于X轴延伸，即，在图1A中竖直延伸并且在图1B中水平延伸。

以非常近似的措辞，可以认为LOE 112的第一区域116实现X方向上的孔径扩展，而第二LOE或LOE 112的第二区域118实现Y方向上的孔径扩展。下面将更精确地表述视场的不同部分传播的角度方向的扩展的细节。应当注意，如图1A中所示的取向可以被视为“自顶向下”实现方式，在该实现方式中进入LOE的主(第二区域)的图像照射从上边缘进入，而图1B中所示的取向可以被视为“侧向注入”实现方式，在该实现方式中水平布置这里被称为Y轴的轴。在其余附图中，将在类似于图1A的“自顶向下”取向的上下文中示出本发明的某些实施方式的各种特征。然而，应当理解，所有这些特征同样适用于侧向注入实现方式，其也落入本发明的范围内。在某些情况下，其他中间取向也可适用，并且除非明确排除，否则也包括在本发明的范围内。为了呈现的简洁和清楚起见，由不同的第一组小平面和第二组小平面提供的显示图像的两侧在下面被称为对应于X方向上的端部的“左”和“右”，但是如上所述，“左”和“右”不一定对应于装置的最终布置取向上的水平间隔。

在本发明的第一组优选但非限制性示例中，前述第一组小平面和第二组小平面与基板的主外表面正交。在这种情况下，注入图像以及其在区域116内传播时经历内反射的其共轭均被偏转并且成为沿偏转方向传播的共轭图像。在替选的一组优选但非限制性示例中，第一组部分反射表面和第二组部分反射表面相对于LOE的主外表面成斜角。在后一情况下，注入图像或其共轭形成在LOE内传播的所需偏转图像，而另一反射可以例如通过在小平面上采用角度选择涂层来最小化，其中角度选择涂层使得其对于由不需要其反射的图像呈现的入射角范围相对透明。

优选地，本发明的装置所采用的POD被构造成生成准直图像，即其中每个图像像素的光是以与像素位置对应的角度方向准直到无穷远的平行束。因此，图像照射跨越与二维角度视场对应的角的范围。在图2A中示意性地表示该角度视场，其中用户的眼睛观看视场，在这种情况下为从左侧“L”延伸到右侧“R”，并且从上边缘“T”延伸到下边缘“B”的矩形。代表性传播方向被认为是与主光线“C”对应的中心方向。

图像投影仪114包括至少一个光源，其通常被布置成照射诸如LCOS芯片的空间光调制器。空间光调制器调制图像的每个像素的投影强度，从而生成图像。替选地，图像投影仪可以包括扫描布置，该扫描布置通常使用一个或更多个快速扫描镜实现，该一个或更多个扫描布置跨投影仪的图像平面扫描来自激光光源的照射，同时束的强度随运动逐像素地同步改变，从而针对每个像素投影期望的强度。在这两种情况下，提供准直光学器件以生成被准直到无穷远的输出投影图像。以上部件中的一些或全部通常被布置在一个或更多个偏振分束器(polarizing beam-splitter，PBS)立方体或本领域所公知的其他棱镜布置的表面上。

可以通过任何合适的光学耦合来实现图像投影仪114与LOE 112的光学耦合，例如，经由具有斜角输入表面的耦合棱镜、或者经由反射耦合布置、经由侧边缘和/或LOE的主外表面中的一个主外表面。替选地，衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)可以用于将图像耦合到基板中。除了在下面的某些示例中所指定的耦入构造的细节之外，耦入构造的细节对于本发明通常不是关键的，并且在这里仅示意性地示出。

应当理解，近眼显示器110包括各种附加部件，通常包括用于致动图像投影仪114的控制器122，通常采用来自小型板载电池(未示出)或一些其他合适的电源的电力。应当理解，控制器122包括所有必需的电子部件，例如至少一个处理器或处理电路，以驱动图像投影仪，所有这些都是本领域公知的。

现在参照图2B的俯视图，要注意的是，到达EMB 4的投影图像的右端源自LOE 2的表示为“A”的区域，而到达EMB 4的投影图像的左端源自LOE的区域“B”。EMB标示光学系统提供完整FOV图像所需的眼睛位置的范围。本发明的方面利用该观察：允许在诸如图2C中标记为6的区域中的投影图像的部分损坏，这些区域中的投影图像未到达EMB 4并且因此不影响用户观看到的图像的质量。

因此，根据本发明的一个方面，对于将来自投影仪114的图像朝向第一组部分反射表面和/或第二组部分反射面重定向的方式具有特别的重要性。具体地，根据本发明的该方面，光学系统还包括图像重定向布置，该图像重定向布置包括至少第一反射器和至少第二反射器，该第一反射器被布置成沿LOE内的第一方向重定向图像照射的一部分，使得准直图像在LOE内通过内反射沿第一方向朝向第一组部分反射内表面传播，并且至少第二反射器被布置成沿LOE内的第二方向重定向照射的一部分，使得准直图像在LOE内通过内反射沿第二方向朝向第二组部分反射内表面传播。与沿第一方向传播的准直图像的右侧相邻的视场的一部分与各组部分反射内表面中的一个的平面或与主外表面平行的平面相交，从而形成一部分准直图像的自交叠。然而，由于第一组部分反射表面将图像的左侧提供给眼动盒，所以该自交叠损坏了未到达眼动盒的视场区域中的图像。

优选地，在视场的右侧使用相反的布置。具体地，优选地，与沿第二方向传播的准直图像的左侧相邻的视场的一部分与各组部分反射内表面中的一个的平面或与主外表面平行的平面相交，从而形成一部分准直图像的自交叠。然而，由于第二组部分反射表面将图像的右侧提供给眼动盒，所以该自交叠损坏了未到达眼动盒的视场区域中的图像。下面将呈现重定向布置及其对图像的未到达眼动盒的某些区域的相应的影响的具体示例。

现在转向图3A至图3D，这些图示意性示出了根据本发明的非限制性示例的大FOV的二维孔径扩展。图3A示出了角度空间中的过程，而图3B(1)至图3D示出了真实空间中的等效过程。

图3A的表示基于角度空间的二维直线表示，其中以笛卡尔坐标描绘球面坐标。该表示引入各种变形，并且沿不同轴的位移是不可交换的(绕不同轴旋转的性质如此)。然而，已经发现这种形式的图简化了描述并且为系统设计提供有用的工具。圆圈表示波导的主外表面的临界角(全内反射(TIR)的边界)。因此，圆圈外的点表示将通过TIR反射的束的角度方向，而圆圈内的点表示将通过面并且透射出波导的束。圆圈9表示波导的正面和背面的临界角。圆心之间的“距离”为180度。

这些附图示出了在连续反射之后通过光学系统进行的图像照射的4个连续阶段。在阶段10示出了在将矩形图像14注入到波导中之后的初始状态。由于图像14位于圆圈9的外部，因此当图像14通过波导的主表面处的内反射沿波导传播时，其光线由TIR引导(因此表示为两个耦合的矩形14和矩形14′)。图像的这种传播在图3C阶段10所示的波导16的真实空间描述中被表示为箭头。在整个该文档中，参考与基板的主表面平行的传播方向的平面内分量来示出实际空间传播方向。应当理解，箭头表示通过从波导的前表面和后表面反射的内反射的传播，并且一般标示图像的主光线的平面内分量。

当图像在波导中传播时，遇到重定向光学布置的第一反射器和第二反射器，它们在角度空间中分别被描述为点划线18A和点划线18B。这些小平面使图像在角度空间中改变方向，如矩形15A和矩形15B所示，矩形15A和矩形15B中的每一个矩形通过在LOE的主外表面处的内反射生成其自己的共轭图像15A′和共轭图像15B′。在真实空间(图3C的阶段11)中，重定向的图像传播方向被表示为横向传播的箭头“A”和箭头“B”。

在该非限制性示例中，第一反射器是LOE内部并且与第一组部分反射内表面平行的反射表面，并且第二反射器是LOE内部并且与第二组部分反射内表面平行的反射表面。下面将参照图6至图8描述可以如何实现这样结构的具体示例。

明显的是，小平面平面18A在区域20处与图像15A′中的一个相交。因此，这部分图像自身被反射，使得该段图像不可用。该不可用的段在矩形图像内被阴影化。在被小平面18B重定向的图像中发生类似的过程，其中图像15B′与小平面相交并且引起损坏区域20。虽然在许多情况下用以实现部分反射表面的多层介电涂层被设计为在大入射角下具有低反射率，但是在掠入射下的反射率总是高的，因此这样的涂层不能防止与小平面的平面相交的图像的损坏。

通过在第一组小平面和第二组小平面中的进一步反射将偏转图像重定向至图像14和图像14′。由于所有引导的图像彼此耦合，因此由于小平面18A引起的不可用段被再现到所有四个图像即图像14、图像14′、图像15A和图像15A′，并且对于由小平面18B生成的不可用段也是如此。然而，与图像15B相比，在LOE的一侧上传播的图像15A具有相反的不可用段，如阶段12所示，其示出了通过耦出小平面22耦出图像14′以生成耦出图像16A和耦出图像16B。俯视图(图3B(1)和图3B(2))示出了每个子图像(A和B)如何用其相应图像的未受损部分照射眼动盒4，而图像6的不可用部分沿位于眼动盒外部的方向投影，并且因此用户看不到。

图3E和图3F以三维角度表示示出了图3A中描述的角度过程。这里，小平面18和小平面22的平面被示为圆圈。图3E示出了图3A中所示的相同图像，而图3F示出了生成不可用部分作为围绕小平面18彼此折叠的20A1和20A2，并且组合的不可用部分作为20B、20C、20D传播并且作为20E耦出。

图4A和图4B示出了根据本发明的实现方式的不同角度架构(在具有4：3的形状因数(比率)和70度的对角线的图像的非限制性示例中)。然而这里，小平面角在20A和在20D处与图像角度分布相交两次。两个不可用部分交叠，并且因此最终结果等同于上面参照图3A至图3D描述的结果。

图5A和图5B示出图像15和图像15'(从小平面18偏转的图像及其共轭)部分交叠从而生成不可用部分20的情况。这对应于与沿第一(或第二)方向传播的准直图像的右(或左)侧相邻的视场的一部分与平行于主外部表面的平面相交的情况。这引起部分图像自身折叠。与先前示例中一样，该不可用部分仅照射眼动盒外部的区域6(图2B)，而眼动盒4由图像的具有未扰动区域的部分A和部分B照射。

图6、图7和图8描述了波导的各种配置和对应的组成部件。为了表示的清楚，尺寸是示意性的。通过到达眼动盒所需的光学路径几何地确定每个部分的实际尺寸。

在图6中，波导31由四个分离的部分形成：分束部分30，其由具有以不同取向倾斜的小平面的两个交叠部分30A和部分30B构成。小平面的取向不必相反地或对称地倾斜，并且因此，来自第一反射器(18A)和第二反射器(18B)的重定向图像照射不需要在正好相反的方向上，并且可以考虑其他考虑因素，例如相对于输出图像的波导倾斜或两个图像的不同修整。

为了改善图像均匀性，可以在与波导的主外表面的平面平行的交叠部分之间引入部分反射器(partial reflector，PR)。

这里，优选地，侧向部分32具有与部分30A平行的小平面，并且部分34具有与部分30B平行的小平面，以执行朝向LOE的第二部分36的图像反射。如图3A和图3B的阶段13所示，部分36作为延续而附接，以将光朝向用户的眼睛耦出。在本示例中，所有部分并排附接，其中部分30、部分32和部分34一起构成图1A或图1B的第一波导部分116，并且部分36对应于第二波导部分118。

图7示出了另一可选实现方式，其中波导50由覆盖在部分54上方的部分52组装而成，以提供第一波导部分116，该第一波导部分116实现重定向光学布置以及第一组部分反射表面和第二组部分反射表面的分束操作。对应于图1A或图1B的第二波导部分118的部分36被连续地放置以耦出图像。在此，还可以将部分反射器(PR)实现为交叠部分(这里，示出以相对关系附接在上方部分54的下方部分52)之间的涂层。在图6和图7的两种情况下，可选地，部件可以夹在连续的玻璃盖板之间，以有助于实现波导的高质量平坦外表面。

图8示出了另一选择，根据该选择，所有部分(部分62、部分64和部分66)一个放置在另一个之上以组装波导60。如图所示，每个部分包括一组小平面，其至少在波导的相关区域中实现并且可选地，跨波导的整个尺寸延伸。可以在一个或两个界面处实现部分反射器，以增强图像均匀性。

实现介电涂层，以为大角度光谱和所有颜色提供所需的部分反射特性可能是具有挑战性的。原则上，用于设计多层介电涂层的标准软件包可以提供根据角度的所需反射率变化，并且将生成对应的涂层设计。然而，需求越具体，涂层变得越复杂和越昂贵，和/或可能必须针对期望性能做出更多折衷。本发明有助于设计的该方面，因为与无论如何将被损坏或者无论如何将不会对从EMB可见的图像做出贡献的的图像区域对应的角度不需要满足其余图像所需的反射率要求。

例如，图9示出了用于图5的实现方式的小平面18的多层介电涂层的典型实现方式的角度反射率18A。标称图像14的角度谱在这里被描述为线14N，并且图像15的角度谱在这里被描述为15N。图像15在其自身上的折叠在这里可以表示为14N在15N上的部分交叠，并且交叠角度范围为20N(表示20)。因为范围20N不包括将到达眼动盒的高质量图像，所以在涂层设计期间可以忽略(即，不施加约束)该区域。因此，小平面18A的涂层所要求的反射率和透射率的实际范围实际上更短，其对应于线14F和线15F。这极大地促进了合适涂层的设计。

这种缩短动态谱的过程适用于所示的所有其他配置，从而使得用于大FOV的小平面涂层的实现更实用。

在至此所论述的示例中，来自图像投影仪114的图像照射在到达图像重定向布置的第一反射器和第二反射器之前被耦合到LOE的第一区域116中，并且这些反射器与第一组部分反射表面和第二组部分反射内表面集成。在这种情况下的耦入可以通过本领域已知的任何常规布置例如具有倾斜表面的耦合棱镜、耦入反射器或衍射光学元件来实现。图10示意性地示出了用于该族解决方案的沿波导的功率分布。图像照射的全部输入强度作为图像14向下(沿所示的任意方向)注入到波导中。一部分光在侧向15A和侧向15B耦合。该光又作为光70耦合到第二波导部分。注入光14中的一些在小平面处不被反射的情况下继续进行作为光71。该光通常具有相对高的强度，并且因此将产生投影图像的不均匀性。可以通过在段30、段52、段54、段62和段64(图6至图8)中的一些小平面或所有小平面处实现高反射率来减轻此不均匀性。

图11A介绍了替选光学结构，其中图像重定向布置的第一反射器和第二反射器是用于将来自图像投影仪(未示出)的光耦合到波导中的耦入布置的一部分。在这种情况下，如图11A中的圆圈14所示，优选地，来自图像投影仪的图像14垂直于LOE的主表面被注入。在图11B和图11C中示出了图像重定向布置的实现方式的两个非限制性示例。

在图11B中，投影仪114在反射棱镜78上具有出瞳。来自投影仪114的光被棱镜78分成两束：束15A和束15B，束15A耦入到波导的一侧，并且束15B耦入到另一侧。在该配置中，没有与图10的束71类似的高强度中心束。

图11C示出了替选实现方式，其中，小平面板80A和小平面板80B类似于图6的30A和30B但是附接到波导外部。如上所述，这两个部分中的小平面将光偏转为侧向传播图像15A和图像15B。这里也不生成高强度中心束。

两个图像即图像15A和图像15B在由棱镜78的小平面或板80A和板80B的小平面反射之后注入波导。优选地，在该注入期间，它们也由耦入布置的边缘79修整。这种修整对于浅束是最重要的。然而，特别是对于图5A和图5B所示类型的光学架构，这些最浅束通常对应于在任何情况下都不会对到达EMB的图像部分做出贡献的区域20，因此它们也可以在耦入阶段被修整而不会损失性能。这允许图像投影仪114的孔径和图像重定向布置的反射器78和反射器80的宽度小于沿两个方向传输所有图像场理论上所需的宽度。这使得能够使用更小的投影仪114和更集中的能量。

在图12A至图12C中示意性示出了另一组选项。在这种情况下，高强度输入图像束14被“向上”偏转，即远离发生耦出的LOE的第二区域。这也避免了如参照图10的束71所论述的不均匀性的形成。在图12A中示意性地示出所得几何形状。图12B和图12C示意性示出了用于将输入图像向上耦合的两个具体的非限制性示例解决方案。在图12B的情况下，耦入棱镜提供用于耦入向上引导的图像的适当定向表面，而在图12C中，耦入棱镜提供用于类似地耦入来自投影仪(未示出)的图像的反射表面。在这两种情况下，图像重定向布置的第一反射器和第二反射器在这里实现为波导内的内部反射器。

最后，参照图13A和图13B，本发明的原理还可以应用于与基板的主外表面垂直的小平面的情况。图13A示出在角度空间中垂直小平面90A(相当于倾斜小平面18)的示例，其中为了清楚，沿输出图像16传播方向观看，投影是极性的。注入图像15通过垂直小平面90A折叠到图像14上。图像14和图像15的交叠生成重影图像部分20。图13B示出了相同束在真实空间中的传播。这里，90B是具有与小平面90A相等但相反倾斜度的垂直小平面。

所有上述原理也可以应用于“侧向”配置，其中图像从横向位于观看区域外部的POD注入，并且由第一组小平面垂直地展开，并且然后由第二组小面水平地展开，以耦合到用户的眼睛中。应当理解，所有上述配置和变型也适用于侧向注入配置。

贯穿以上描述，参考了如图所示的X轴和Y轴，其中，X轴是水平的或竖直的，并且对应于光学孔径扩展的第一维度，以及Y轴是与扩展的第二维度对应的另一主轴。在该背景下，可以相对于当装置被安装在用户的头部上时装置的取向，以通常由支承装置(例如，上述图1A和图1B的眼镜框架)限定的取向来限定X和Y。通常与X轴的定义一致的其他术语包括：(a)对眼动盒进行定界的至少一个直线，其可以用于限定与X轴平行的方向；(b)矩形投影图像的边缘通常平行于X轴和Y轴；以及(c)第一区域16与第二区域18之间的边界通常平行于X轴延伸。

应当理解，上文描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求所限定的本发明的范围内，许多其他实施方式也是可能的。

Claims (9)

1.一种用于将图像引导至眼动盒以供用户的眼睛观看的光学系统，所述光学系统包括：

(a)图像投影仪，所述图像投影仪投影与准直图像对应的照射，所述准直图像具有从左侧至右侧和从顶部至底部的角度视场，以及在所述视场的中心处的主光线表示传播方向；

(b)光导光学元件(LOE)，所述光导光学元件由透明材料形成并且具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面；

(c)图像重定向布置，所述图像重定向布置包括至少第一反射器和至少第二反射器，所述至少第一反射器被布置成：在所述LOE内沿第一方向重定向部分所述照射，使得所述准直图像在所述LOE内通过内反射沿所述第一方向传播，所述至少第二反射器被布置成：在所述LOE内沿第二方向重定向部分所述照射，使得所述准直图像在所述LOE内通过内反射沿所述第二方向传播；

(d)耦出光学布置，所述耦出光学布置与所述LOE相关联并且被配置用于使在所述LOE内传播的照射朝向所述眼动盒向外偏转；以及

(e)所述LOE内的多组部分反射内表面，所述多组部分反射内表面包括相互平行的第一组部分反射内表面和相互平行的第二组部分反射内表面，所述相互平行的第一组部分反射内表面被布置成用于将沿所述第一方向传播的所述照射朝向所述耦出光学布置重定向，所述相互平行的第二组部分反射内表面被布置成不平行于所述第一组部分反射内表面，用于将沿所述第二方向传播的所述照射朝向所述耦出光学布置重定向，

其中，沿所述第一方向重定向并且由所述第一组部分反射内表面重定向的所述照射的所述部分将所述视场的至少左侧提供给所述眼动盒，并且其中与沿所述第一方向传播的所述准直图像的右侧相邻的所述视场的一部分与所述多组部分反射内表面中的一个的平面或与所述主外表面平行的平面相交，从而在所述视场的未到达所述眼动盒的区域中形成所述准直图像的一部分的自交叠。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，沿所述第二方向重定向并且由所述第二组部分反射内表面重定向的所述照射的所述部分将所述视场的至少右侧提供给所述眼动盒，并且其中与沿所述第二方向传播的所述准直图像的左侧相邻的所述视场的一部分与所述多组部分反射内表面中的一个的平面或与所述主外表面平行的平面相交，从而在所述视场的未到达所述眼动盒的区域中形成所述准直图像的一部分的自交叠。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述图像重定向布置包括反射棱镜，所述反射棱镜在所述LOE外部，所述反射棱镜提供所述第一反射器和所述第二反射器。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一反射器是在所述LOE内部并且与所述第一组部分反射内表面平行的反射表面，并且所述第二反射器是在所述LOE内部并且与所述第二组部分反射内表面平行的反射表面。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一组部分反射内表面和所述第二组部分反射内表面在所述LOE的至少一个区域中处于交叠关系。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一组部分反射内表面和所述第二组部分反射内表面各自与所述LOE的所述主外表面成斜角。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，与沿所述第一方向传播的所述准直图像的右侧相邻的所述视场的一部分与所述第二组部分反射内表面的平面相交。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，与沿所述第一方向传播的所述准直图像的右侧相邻的所述视场的一部分与平行于所述主外表面的所述平面相交。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述耦出光学布置包括相互平行的第三组部分反射内表面，所述相互平行的第三组部分反射内表面与所述相互平行的第一组部分反射内表面和所述相互平行的第二组部分反射内表面都不平行，所述相互平行的第三组部分反射内表面与所述LOE的所述主外表面成斜角。

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