CN118511114A - 修改颜色和斜率中介层 - Google Patents

Abstract

光学系统可以包括(1)光导光学元件，该光导光学元件由透明材料形成并且具有用于通过内反射支持图像传播的至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面，以及(2)中介层，该中介层与至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面中的至少一个相邻，该中介层被配置成使得(1)耦入LOE并且在至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面之间以低于临界角的角度传输的光在可见光谱上平均的反射率高于在没有中介层的情况下预期的反射率并且(2)对于从低于临界角的角度到临界角的角度范围，纯白光的反射率比在没有中介层的情况下将预期的反射率更接近纯白色点。

Description

修改颜色和斜率中介层

技术领域

本发明涉及光学系统，特别地，本发明涉及用于向用户显示图像的光学系统，该光学系统包括用于减少雾效应的修改颜色和斜率中介层。

背景技术

对更好、更舒适的人机界面的消费者需求刺激了对更小的头戴式显示器(headmounted display，HMD)和智能眼镜几何构造、更宽的视场角(FOV，field of view)、更长的电池寿命和白天清晰的增强图像等的需求。头戴式显示器，其使用波导(LOE)以将增强图像从小型投影仪引导到用户的眼睛，显示了在减小HMD装置的整体尺寸方面的益处。然而，这样的显示器经常表现出不期望的彩色雾。

发明内容

在本发明的一个实施方式中，通过控制LOE的主表面上的波导涂层内的光学界面处的反射强度和反射强度的角度依赖性来减轻彩色雾。

在波导内传播的光根据入射角经历不同幅度的反射。定义三个角度区是方便的，即需要低反射系数的低入射角(LR区)，中等入射角和高入射角。中等入射角与高入射角之间的边界由临界角来限定，使得以大于临界角的角度入射的所有光将经历全内反射(totalinternal reflection，TIR)，因此，该角度区域可以称为TIR区。中间范围的特点是反射强度对入射角的陡的依赖性。

根据本发明的实施方式的指导，提供了一种光学系统，该光学系统可以包括：光导光学元件，其由透明材料形成，并且具有用于通过内反射支持图像传播的至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面；以及中介层，其与第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面中的至少一个相邻。中介层被配置成使得：(1)耦入LOE并在至少第一相互平行主外表面与第二相互平行主外表面之间以低于临界角的角度传输的光在可见光谱上平均的反射率高于在没有中介层的情况下将预期的反射率；以及(2)对于从低于临界角的角度到临界角的角度范围，纯白光的反射率比在没有中介层的情况下将预期的反射率更接近纯白色点。

并入说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了示出本发明各方面的各种示例实施方式的各种示例系统、方法等。将理解的是，图中所示的元件边界(例如，框、框组或其他形状)表示边界的一个示例。本领域普通技术人员将理解的是，一个元件可以被设计为多个元件，或者多个元件可以被设计为一个元件。可以将示为另一元件的内部部件的元件实现为外部部件，反之亦然。此外，元件未必按比例绘制。

附图说明

图1示出了用于近眼显示器(near-eye display，NED)的示例性光学系统的示意图。

图2A和图2B示出了用于图1的NED的透镜和LOE的截面侧视图和放大截面侧视图的示意图。

图2C是光行进穿过图2A和图2B的LOE的示意侧视图。

图3A示出了玻璃LOE与空气之间的界面的反射的与入射角的曲线图。

图3B示出了CIE 1931XYZ彩色空间色域的一部分，其示出了在具有BK7玻璃芯和空气包层的波导中对于430nm至660nm波长在不同角度范围上的反射的示例性反射色坐标。

图4示出了具有引起散射的缺陷或瑕疵的示例性LOE。

图5示出了在具有BK7玻璃芯和空气包层的波导中对于430nm至660nm波长的反射在中间角度范围II上的色坐标(CIE 1931XYZ彩色空间色域)。

图6示出了BK7玻璃波导(玻璃)与低折射率粘合剂(低RI胶)之间的界面处的反射率与入射角的第一曲线图(包括中间区域II)，以及BK7玻璃波导与MCSML之间的界面处的反射率与入射角的第二曲线图。

图7A示出了在具有BK7玻璃芯和低折射率粘合剂(低RI胶)的波导中对于430nm至660nm波长的反射在中间角度范围II上的色坐标(CIE 1931XYZ彩色空间色域)。

图7B示出了在具有BK7玻璃芯和MCSML的波导中的反射在中间角度范围II上的色坐标。

图8示出了说明粘合胶的层厚度对相干长度的影响的三个曲线图。

具体实施方式

本发明的某些实施方式提供了包括光导光学元件(light-guide opticalelement，LOE)的光学系统，该光导光学元件用于出于平视显示器并且最优选地出于近眼显示器目的而实现光学孔径扩展，近眼显示器可以是虚拟现实显示器或增强现实显示器。

图1示出了根据本发明的实施方式的教导的采用LOE 10的近眼显示器装置的示例性实现方式，其通常被指定为100。近眼显示器100采用小型图像投影仪(或“POD”)114，其被光学耦合以将图像注入到LOE(可互换地称为“波导”，“基板”或“平板”)10中，在LOE 10内，图像光通过在一组相互平行的平面外表面(“主表面”)处的全内反射被捕获在一个维度中。

在LOE 10内，光学孔径扩展通过用于渐进重定向图像照明的一个或更多个布置来实现，该布置通常采用相互平行且斜向地倾斜于图像光的传播方向的一组部分反射表面(可替换地称为“小平面”)，其中每个相继小平面使图像光的一部分偏转到偏转方向。对于一维孔径扩展，小平面还将图像光朝向用户的眼睛耦出。在某些情况下，如本文所示，通过在LOE 10的区域116中采用第一组小平面以渐进重定向LOE 10内的图像照明(其也通过全内反射被捕获/引导)来实现二维孔径扩展。然后，偏转的图像照明进入LOE 10的第二基板区域118，该区域可以实现为相邻的不同基板或实现为单个基板的延续部分，其中耦出布置(例如，另一组部分反射小平面)将图像照明的一部分朝向位于被定义为眼动盒(eye-motion box，EMB)的区域内的观察者的眼睛渐进地耦出，从而实现第二维度光学孔径扩展。类似的功能可以使用衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)来获得，衍射光学元件用于在区域116和区域118中的一个或两个内重定向和/或耦出图像照明。尽管下文和附图侧重于嵌入式折射光学元件，而不是衍射，但是本发明同等地适用于基于衍射嵌入式元件或折射嵌入式元件的近眼显示器。

整体装置可以针对每只眼睛单独实现，并且优选地相对于用户的头部支持，其中每个LOE 10面向用户的对应的眼睛。在如本文所示的一个特别优选的选项中，将支持布置实现为具有透镜112和框架的面部安装的一组透镜(例如，Rx透镜、太阳镜等，本文中通俗地称为“眼镜”)，LOE 10可操作地连接至透镜112，框架具有用于相对于用户的耳朵支持装置的侧部120。也可以使用其他形式的支持布置，包括但不限于头带、面罩或悬挂在头盔上的装置。

在所示实施方式中，X轴在LOE 10的第一区域的总体延伸方向上水平延伸，并且Y轴垂直于其(即，垂直地)延伸。近似而言，可以认为LOE 10的第一区域116实现了在X方向上的孔径扩展，而LOE 10的第二区域118实现了在Y方向上的孔径扩展。

近眼显示器100可以包括各种附加部件，通常包括用于通常采用来自小型携载电池(未示出)或一些其他合适的电力源的电力来致动图像投影仪114的控制器122。控制器122可以包括所有必要的电子部件，例如用以驱动图像投影仪的至少一个处理器或处理电路。

在本公开内容中，本发明的某些实施方式的各种特征将在眼镜的透镜(如图1所示)的上下文中示出，并且具体地，在波导和眼镜的透镜之间的界面的上下文中示出。然而，本文所公开的所有特征同样适用于任何波导界面实现方式。

图2A和图2B分别示意性地示出了LOE 10的可能的截面侧视图和放大截面侧视图。此处，LOE 10的主表面11通过中介层20附接至眼镜的透镜112。另一中介层30附接至LOE 10的主表面12。图2A和图2B是为了说明目的，而不是真实世界的比例。中介层20将LOE 10与透镜112隔离，并且用作隔离件以保持注入到LOE 10中的整个图像的全内反射。中介层30可以将LOE 10与环境(例如，空气湿度和污垢)隔离。

本文所公开的中介层可以放置在光学层(例如，低RI粘合剂或有效低RI涂层)的顶部或可以是光学层的一部分，光学层也将使全内反射的临界角偏移。在这些情况下，中介层使临界角偏移，从而影响了可以用于在LOE 10内引导图像的角度大小。然而，这是不必要的。在其他示例中，可以使用本文所公开的中介层在不使临界角偏移的情况下实现本文所公开的目标。总之，本文所公开的中介层可以是也将使临界角偏移的光学层的一部分，也可以不是该光学层的一部分。

此外，如图2A和图2B中所示，中介层可以用在隔离波导(例如，LOE 10)与另一波导或透镜之间(例如，粘附至隔离波导与另一波导或透镜)。在这种情况下，中介层可以称为绝缘层或隔离层，本领域中可能更常见的术语。

如图2A中所示，LOE 10位于一侧的透镜112与另一侧的空气之间。类似地，LOE 10也可以放置在两个透镜之间，或者LOE 10可以在两侧是空气间隔的，或者它可以接合到与LOE 10的基板材料之间具有足够折射率差异的任何其他材料。

图2C示出了LOE 10的简化横截面，LOE 10的一侧具有接合透镜112，其中光线AA描述了引导图像内的单个场。光线AA与LOE主表面11和12的法线成角度α。光线AA在其传播通过波导时被主表面11和12反射，直到其射到嵌入的部分反射表面22，该表面将光线重定向至BB并且将光线耦出LOE 10并耦入眼盒中。

主表面11和12上的反射率取决于不同的参数，例如照射光的波长、偏振以及入射角α，并且由菲涅尔方程给出。菲涅尔方程描述了电磁波在具有不同(波长相关)折射率的两种介质之间的界面处的行为。

图3A示出了在整个可见光谱上平均的作为s偏振光的入射角的函数的示例性反射曲线。显然，反射曲线可以分为与临界角θc有关的三个部分：

I-α<<θ_c：漏角区。在低入射角处，反射率较低，并且因此，光快速地从波导中泄漏出来并且不能在波导中被引导。

弱引导角区(中间范围)。在低于临界角但接近临界角的角度处，反射率相对高，但反射率低于100％，并且因此光在波导中被弱引导。

III-α>θ_c：引导角区。在临界角θc以上100％反射；在临界角以上，光经历全内反射并且由波导引导。

此处，临界角θc定义为：

其中，n_surroundings为包层或中介层(即，低折射率介质)的折射率，并且n_LOE是LOE的折射率，捕获光将在LOE中行进(即，较高折射率介质)。

图3B通过针对具有周围空气的BK7基板波导，对于近似于可见光谱的430nm至660nm之间的均匀分布的波长，示出这三个角度区内的不同入射角处的光在CIE 1931XYZ彩色空间色域上的x、y坐标来示出这三个角度区域的颜色特性。图3B I示出了在0度至39度角度范围内的第一角度区域(α＜＜θc)的入射角的色坐标。图3B III示出了在从42度到90度的第三角度区(α>θc)内的色坐标。从图3B I和3B III可以看出，这些反射是消色的，限定为位于接近纯白色点(0.333，0.333)。图3B II示出了在从39度到42度的第二角度范围内的色坐标。从图3B II可以看出，在该角度范围中，反射是彩色的，它们位于远离纯白色点(0.333，0.333)处。

在更实际的应用中，瑕疵引起LOE 10内部有害的散射伪影。例如，LOE 10可能具有制造瑕疵或碰撞瑕疵，例如表面上的机械加工瑕疵或小平面边缘上的切屑。波导也可能是脏的。例如，灰尘或用户的汗水可能会落在波导的表面。或者杂散光可能从投影仪注入波导。

图4示出示例性的LOE 10，其类似于图2C，但是具有引起散射的缺陷或瑕疵F1和F2。F1是LOE 10内部的瑕疵，而F2是LOE 10的表面上的瑕疵。从图4中可以看出，瑕疵F1、瑕疵F2引起来自光线AA的部分光散射。在低反射范围内射到LOE 10的有害散射光的部分将泄漏出来。部分散射光将在LOE 10内部被引导或被部分引导。散射光可能在图3A至图3B的中间角度范围II中或引导角度范围III中射到芯-包层界面上，直至其最终到达半反射小平面22。从小平面22，散射光将部分地耦出LOE 10并且耦入用户的眼睛，如光线CC所例示的。因此，散射光将作为弱背景被观察到，该弱背景污染了期望图像并且降低对比度。根据芯-包层反射比和色度(见图3A至图3B)，散射光将形成彩色雾和/或消色雾，该雾将叠加在增强图像光线BB上。

虽然背景雾是不期望的，但是只要雾不遭受强的强度梯度或颜色不均匀性，弱雾可能对于人眼通常是可接受的。通常地，这样的由TIR在波导中完美引导(角度区III)的雾光将在强度上是均匀的并且在本质上是消色的。然而，仅弱引导光(角度区II)可能会遭受强的强度梯度和颜色不均匀，并且因此将更突出和更干扰眼睛。

为了观察弱引导雾的影响，考虑中间弱引导区II中的反射率以及入射光线相对于LOE 10的主表面的角度为α和波长为λ。如果入射光在耦出波导之前从主表面反射N次，则耦出波导之前的强度I(α)将为：

I(α,λ)＝I₀R(α,λ)^N 式2

其中，I₀为初始强度。此处，仅关注来自主表面的反射的影响，而忽略其他伪影，例如来自波导内部不同嵌入式元件的反射。强度梯度由相对于视场(field of view，FoV)和波长(λ)的偏导数给出：

其中，忽略N对α的依赖性并且在等式右边使用近似R≈1，该近似在临界角附近有效。因此，得出结论，反射率的标准化偏导数在强度的归一化偏导数中由因子N增强。N通常在几十的数量级，并且反射率通常对入射角以及非常靠近临界角(低于临界角)的入射角中的波长敏感，因此，强度I的梯度对入射角敏感，并且也对波长敏感。图5示出了在具有BK7玻璃芯和空气包层的波导中对于430nm至660nm波长的反射在中间角度范围II上的色坐标(CIE 1931 XYZ彩色空间色域)。从图5可以看出，在12度至39度的角度范围中，散射光将是消色的，在40.7度至41.2度的角度范围中，散射光将是彩色的(即，反射位于远离纯白色点(0.333，0.333)处)，以及在41.248度到45度的角度范围中，散射光将再次是消色的。此外，当玻璃/空气反射率低(图3A的漏角区I的下部)时，散射光将迅速地衰减并且将不会到达用户的眼睛。中间范围II的彩色/消色和强度分布(profile)决定了接收到的雾的分布。

在图1的消费品AR眼镜中，LOE 10与光学透镜112集成。如图2A和图2B中所示，中介层20可以在透镜112与LOE 10之间实现，并且中介层30可以在LOE 10与环境之间实现。综上所述，中介层20、中介层30不仅可以设计成支持在低角度中的低反射和在高角度中的高反射(即，支持TIR)，而且还可以设计成解决彩色雾的问题，并且在实施方式中，中介层20、中介层30可以设计成控制在芯(LOE)-包层(环境)界面处的反射强度。对于此情况，在此处引入修改颜色和斜率中介层(modified color and slope mediating layer，MCSML)20、30。从更广泛的情况来看，在低RI环境中保持的较高RI波导将通常遭受有害的雾的影响并且将需要MCSML技术方案来处理有害的雾。

在图1的布置中，粘合剂将LOE 10粘附至透镜112。如上所述，缺乏MCSML的这样的布置将由于瑕疵(例如，切削、灰尘、汗水等)而倾向于对用户的眼睛显示出彩色雾。与现有技术粘合剂/绝缘层的反射率相比，MCSML 20、MCSML 30通过修改中间范围II中的反射率使整体LOE 10的任何雾更易接受。此外，与现有技术的粘合剂/绝缘层相比，MCSML 20、MCSML30修改了中间范围II中的反射，使得修改的反射基本上是消色的，并且使得芯(LOE)包层(环境)界面处的反射强度不会根据低于临界角的入射角变化太大。

图6示出了BK7玻璃波导(玻璃)与低折射率粘合剂(低RI胶)之间的界面处的入射角与反射率的第一曲线图(包括中间区域II)。图6还示出了BK7玻璃波导与MCSML20之间的界面处的入射角与反射率的第二曲线图。从图6中可以看出，MCSML 20、MCSML 30修改了中间范围II的斜率以增加耦合到LOE中并在主外表面之间以接近临界角θ_C的角θ(θ<θ_C)弱捕获的光在可见光光谱上平均的反射率。因此，MCSML 20、MCSML30反射比在没有MCSML20、MCSML30的情况下会预期的反射要大。在实施方式中，MCSML20、MCSML 30修改中间范围II的斜率，使得耦合到LOE 10中并在主外表面之间以临界角θ_C以下10度的角度弱捕获的光在可见光谱上平均的反射率为至少10％、15％、20％或25％。例如，从图6可以看出，通过MCSML20、MCSML 30，在54度(在临界角θ_C＝64度以下约10度)处的反射率高于20％。对中间范围II的斜率的这种修改使整体LOE 10的雾更易接受。

图7A示出了在具有BK7玻璃芯和低折射率粘合剂(低RI胶)的波导中对于430nm至660nm波长的反射在中间角度范围II上的色坐标(CIE 1931XYZ彩色空间色域)。从图7A可以看出，在接近59.6度与63.1度之间的中间角度范围，散射光将是彩色的(即，反射位于远离纯白色点(0.333，0.333)处)。图7B示出了在具有MCSML 20、MCSML 2030的BK7玻璃芯的波导中的反射在相同中间角范围II上的色坐标。从图7B可以看出，与现有技术粘合剂/绝缘层相比，MCSML 20、MCSML 30修改了中间范围II中的反射，使得修改的反射基本上是消色的(即，反射位于接近纯白色点(0.333，0.333)处)。

因此，在一个实施方式中，对于在具有MCSML 20、MCSML 30的BK7玻璃芯的波导中的反射，对于从低于临界角10度的角度至临界角θ_C的角度范围，与没有MCSML20、MCSML 30的相同波导中的反射相比，纯白光的反射率位于CIE 1931XYZ彩色空间或色域中更接近纯白色点(0.333，0.333)。例如，在实施方式中，对于在具有MCSML 20、MCSML 30的BK7玻璃芯的波导中的反射，对于从低于临界角10度的角度至临界角θ_C的角度范围，纯白光的反射率位于CIE 1931XYZ彩色空间或色域中距纯透射白色点(0.333，0.333)0.01或0.015或0.02或0.025或0.03或0.035或0.04色半径内。例如，当与图7A所示的反射率相比，该反射率通常被认为是消色的。

从涂层设计的角度来看，可以设想不同的技术方案，但是通常有利的是(1)使用低折射率(refractive index，RI)材料以满足TIR范围III的要求以及(2)使用多层涂层以用于减反射范围I(低度数)和TIR(中间)范围II的斜率。

参照图2B，可以将低RI折射率材料和多层涂层的两种不同组合用于中介层20和中介层30。设置在LOE 10与透镜112之间的中介层20可以包括可以同时作为低RI材料和可操作地将LOE 10连接至透镜112的粘合剂的胶22。另一方面，设置在LOE 10与环境(例如，空气)之间的中介层30可以包括作为低RI材料的多层低RI涂层32。中介层20和中介层30中的每一个还包括多层涂层24、多层涂层34以促成减反射范围I(低度数)和TIR(中间)范围II的斜率。尽管本文中公开了按照特定层堆叠顺序的各种层，但本发明不限于层的任何特定顺序，因此，层的顺序可以变化。

在一个实施方式中，低RI材料32(例如，折射率约为1.38的MgF₂或折射率约为1.36的AlF₃)可以是具有700nm以上的光学厚度(光学厚度＝物理厚度x折射率)的厚涂层，而低RI材料22可以是厚(0.5μm至100μm)低RI折射率胶(折射率约为1.34的诺兰德光学粘合剂)。低RI折射率胶的其他候选材料包括NOA粘合剂以及环氧树脂、丙烯酸树脂以及硅树脂，这些材料可以根据它们的特定(低)折射率、粘合强度和其他性能进行选择。

虽然薄涂层的厚度可以很好地控制，但胶(粘合剂)材料的厚度通常更难控制并且往往可以从一个样品到下一个样品或在产品之间变化很大。因此，恰当地设计和控制胶的色度和角反射率分布是很困难的。如上所述，由于相干伪影，薄胶层可能受角度和波长敏感分布的影响，这可能导致背景雾中的彩色伪影。因此，有利的会是设计和制造与照明光源的相干长度相比较厚的这样的胶层。在一个实施方式中，低RI粘合剂层22比光学系统的照明源(例如，POD 114)的相干长度的一半厚。这样厚层通常会平滑相干伪影，并且允许更好地控制背景雾的颜色特性。

图8中示出了粘合胶的层厚度对相干长度的影响，图8示出了当用具有在520nm与540nm波长之间20nm的均匀光谱带宽的绿色光源照射时，在LOE 10的BK7玻璃层与低RI粘合剂22之间的界面处的预期反射率。如图8所示，改变粘合剂的厚度(从1μm至10μm以及至100μm)对预期的总反射率有很强影响。

使用低RI胶22有利于满足TIR范围要求，因为其降低了多层涂层24的总体要求。一般而言，随着涂层需要在其上支持某种性能规格的角度范围的增加，涂层的光学性能可能会降低。这是因为，为了在更大的角度范围上实现一定水平的性能，可能需要更复杂和更厚的涂层。另一方面，如果涂层需要在其上支持某种性能规格的角度范围较小，则更简单和更薄的涂层可能足以实现期望的性能。当多层涂层24需要支持较小的角度范围时，使用低RI胶22简化了涂层24，并且将其整体光学厚度从约～3μm减小至约～0.5μm，并且将其层数减少～33％。当将MCSML 20实现在原始的全小平面LOE 10上时，减少整体涂层厚度和所需层数允许较高产量、较高生产周期和较低应力/曲率等。

在另一实施方式中，在低RI材料22、低RI材料32之前将具有折射率接近LOE 10的折射率的粘合剂或涂层的层(折射率匹配层)放置在LOE 10的顶部上。折射率匹配层(index-matched layer，IML)是应用于近眼显示器中波导的表面的薄材料层。IML的目的是减少在界面处反射的光的量，该反射的光会导致有害的眩光，并且降低显示器的对比度和亮度。IML可以由具有与LOE 10的折射率相匹配的折射率的材料制成，这使得IML在界面处充当缓冲层。通过使IML的折射率与LOE 10的折射率相匹配，IML可以帮助减少在界面处反射的光的量。这可以产生具有较高对比度和亮度以及较少眩光的显示器。除了减少反射，IML还可以帮助减轻散射等问题，散射在光被波导表面中的瑕疵散射时会发生。通过用与波导具有相同折射率的材料填充这些瑕疵，IML可以帮助减少散射并提高图像质量。在该布置中，IML可以使由LOE 10的瑕疵引起的散射效应降到最低并且可以减少整体雾，以及提高图像对比度。

定义

下文包括本文所采用的选定术语的定义。该定义包括落入术语范围内并且可以用于实现的部件的各种示例或形式。该示例并不旨在是限制性的。术语的单数和复数形式二者都可以在定义之内。

“可操作连接”或实体借以“可操作连接”的连接是其中可以发送或接收信号、物理通信或逻辑通信的连接。通常地，可操作连接包括物理接口、电接口或数据接口，但应注意的是，可操作连接可以包括足以允许可操作的控制的这些或其他类型的连接的不同组合。例如，两个实体可以通过直接地或通过一个或更多个中间实体(如处理器、操作系统、逻辑、软件或其他实体)彼此传送信号来可操作地连接。逻辑通信信道或物理通信信道可以用于创建可操作连接。

就在详细的说明书或权利要求书中采用的术语“包括(includes)或“包括(including)”而言，其旨在以类似于在权利要求中作为过渡词使用时所解释的术语“包括(comprising)”的方式是包括的。此外，就在详细的说明书或权利要求书(例如，A或B)中采用的术语“或”而言，其旨在是指“A或B或两者”。当申请人旨在表明“仅A或B但非两者”时，则将采用“仅A或B但非两者”的术语。因此，使用术语“或”在本文中是包括的，而非排他性使用。参见Bryan A.Garner的《现代法律用法词典624》(ADictionary of Modern LegalUsage 624)(1995年，第二版)。

当示例系统、方法等已经通过描述示例来示出时，以及当示例已经进行相当详细地描述时，申请人并不旨在限制或以任何方式将范围限制到这样的细节。当然，不可能出于描述本文所描述的系统、方法等的目的来描述部件或方法的每一个可以想象的组合。对于本领域技术人员来说，附加的优点和修改将很容易想到。因此，本发明不限于所示和所描述的具体细节、代表性装置和说明性示例。因此，本申请旨在包括落入所附权利要求书的范围内的变更、修改和变化。此外，上述描述并不意味着限制本发明的范围。而是，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案确定。

Claims (20)

1.一种用于向用户引导图像以供观看的光学系统，所述光学系统包括：

光导光学元件(LOE)，所述光导光学元件由透明材料形成，并且具有至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面，所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面用于当与图像对应的光在第一主外表面和第二主外表面上的入射角大于临界角时通过全内反射支持所述光的传播，所述LOE具有用于将所述图像耦入所述LOE的耦入布置和用于将所述图像向所述用户的眼睛耦出的耦出布置；以及

中介层，所述中介层与所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面中的至少一个相邻，所述中介层被配置成使得：与没有中介层的情况下将预期的反射相比，耦入所述LOE并且在所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面之间以低于临界角10度的角度传输的光在可见光谱上平均的反射率为至少10％或更高，并且对于从低于所述临界角10度的角度到所述临界角的角度范围，纯白光的反射率位于CIE 1931XYZ彩色空间或色域中更接近纯传输白色点(0.333，0.333)。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述中介层包括：

低折射率粘合剂层，所述低折射率粘合剂层的厚度在0.5μm与100μm之间。

3.根据权利要求2所述的光学系统，包括：

照明源，所述照明源被配置成生成所述图像，其中，所述低折射率粘合剂层比所述照明源的相干长度的一半厚。

4.根据权利要求1所述的光学系统，所述中介层包括以下至少一个：

低折射率多层涂层，所述低折射率多层涂层的光学厚度大于700nm，以及

折射率匹配层，所述折射率匹配层设置在所述中介层与所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面中的所述至少一个之间。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，对于从低于所述临界角10度至所述临界角的角度范围，纯白源的反射率位于所述CIE 1931XYZ彩色空间或色域中距纯传输白色点(0.333，0.333)0.04色半径内。

6.一种用于向用户引导图像以供观看的光学系统，所述光学系统包括：

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至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面，所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面用于当与图像对应的光在第一主外表面和第二主外表面上的入射角大于临界角θ_C时通过全内反射支持所述光的传播，所述LOE具有用于将所述图像耦入所述LOE的耦入布置和用于将所述图像向所述用户的眼睛耦出的耦出布置；以及

中介层，所述中介层与所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面之一的至少一个相邻，所述中介层被配置成使得：与没有所述中介层的情况下将预期的反射相比，耦入所述LOE并且在所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面之间以接近临界角θ_C的角度θ且θ<θ_C传输的光在可见光谱上平均的反射率更大。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，在所述临界角θ_C以下10度的角度处，反射率为至少10％。

8.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述中介层包括：

低折射率粘合剂层，所述低折射率粘合剂层的厚度在0.5μm与100μm之间。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述低折射率粘合剂层比所述光学系统的照明源的相干长度的一半厚。

10.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述中介层包括：

低折射率多层涂层，所述低折射率多层涂层的光学厚度大于700nm。

11.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述中介层包括：

多层涂层，所述多层涂层被设置成与所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面中的所述至少一个相邻，使得对于从低于所述临界角10度至所述临界角的角度范围，纯白源的反射率位于CIE 1931XYZ彩色空间或色域中距纯传输白色点(0.333，0.333)0.04色半径内。

12.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述中介层包括设置在所述中介层与所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面中的所述至少一个之间的折射率匹配层。

13.一种用于向用户引导图像以供观看的光学系统，所述光学系统包括：

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至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面，所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面用于当与图像对应的光在第一主外表面和第二主外表面上的入射角大于临界角时通过全内反射支持所述光的传播，所述LOE具有用于将所述图像耦入所述LOE的耦入布置和用于将所述图像向所述用户的眼睛耦出的耦出布置；以及

中介层，所述中介层与所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面中的至少一个相邻，所述中介层被配置成使得：对于从低于所述临界角10度到所述临界角的角度范围，纯白源的反射率位于CIE 1931XYZ彩色空间或色域中距纯传输白色点(0.333，0.333)0.04色半径内。

14.根据权利要求13所述的光学系统，其中，所述中介层包括：

低折射率粘合剂层，所述低折射率粘合剂层的厚度在0.5μm与100μm之间。

15.根据权利要求14所述的光学系统，包括：

照明源，所述照明源被配置成生成图像，其中，所述低折射率粘合剂层比所述照明源的相干长度的一半厚。

16.根据权利要求13所述的光学系统，其中，所述中介层包括：

低折射率多层涂层，所述低折射率多层涂层的光学厚度大于700nm。

17.根据权利要求13所述的光学系统，包括：

折射率匹配层，所述折射率匹配层设置在所述中介层与所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面中的所述至少一个之间。

18.一种用于向用户引导图像以供观看的光学系统，所述光学系统包括：

照明源，所述照明源被配置成生成图像；

光学透镜，所述光学透镜具有至少第一主外表面和第二主外表面；

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至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面，所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面用于当与所述图像对应的光在第一主外表面和第二主外表面上的入射角大于临界角时通过全内反射支持所述光的传播，所述LOE具有用于将所述图像耦入所述LOE的耦入布置和用于将所述图像向所述用户的眼睛耦出的耦出布置，所述LOE被设置成与所述光学透镜相邻，并且所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面中之一面向所述光学透镜的所述至少第一主外表面和第二主外表面之一；

中介层，所述中介层设置在所述光学透镜与所述LOE之间，与所述光学透镜的所述至少第一主外表面和第二主外表面以及所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面中之一相邻，所述中介层被配置成使得：与没有中介层的情况下将预期的反射相比，耦入所述LOE并且在所述至少第一相互平行主外表面和第二相互平行主外表面之间以接近临界角θ_C的角度θ且θ<θ_C传输的光在可见光谱上平均的反射率更大，并且对于从低于所述临界角10度的角度到所述临界角的角度范围，纯白光的反射率位于CIE 1931XYZ彩色空间或色域中距纯传输白色点(0.333，0.333)0.04色半径内。

19.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述中介层包括：

低折射率粘合剂层，所述低折射率粘合剂层的厚度在0.5μm与100μm之间，其中，所述低折射率粘合剂层比所述照明源的相干长度的一半厚。

20.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述中介层包括：

低折射率多层涂层，所述低折射率多层涂层的光学厚度大于700nm。