CN111373296B - 用于近眼显示器的光学孔径扩展布置 - Google Patents

Abstract

一种对近眼显示器尤其有用的光学孔径扩展布置，其采用具有楔状构造(25，26)的波导(30，140，145)以生成图像照明沿该波导的传播的两种模式，并将这两种模式从波导耦出。各种实施方式采用矩形波导，在矩形波导中图像照明通过四重内反射进行传播。在一些情况下，将楔状构造与部分反射内表面(45，150)阵列进行组合以实现二维孔径扩展。

Description

用于近眼显示器的光学孔径扩展布置

技术领域

本发明涉及近眼显示器，并且特别地，本发明涉及用于近眼显示器的光学孔径扩展布置。

背景技术

某些近眼显示器是基于用来将小型投影仪的孔径扩展为较大孔径的波导来向观察者的眼睛进行显示。波导包括输出耦合机构以向眼睛传送来自波导的光。

孔径扩展通常被细分为两个阶段，沿两个维度依次扩展。向眼睛提供输出的第二维度可以基于可从Lumus Ltd.(鲁姆斯有限公司)(以色列)商购获得的包含内部刻面(facet)的波导，或者可以采用包含用于耦出图像的衍射光学元件的波导。

可以使用各种布置来提供第一维度的孔径扩展。在PCT专利公布WO 2017/141242(下文称为“’242公布”)中描述了一个示例，在该示例中，通过波导的端部处的楔状构造(其从侧面观察形成平行四边形结构)来实现耦入和耦出。

发明内容

本发明是一种光学装置，其提供了在近眼显示器中特别有用的孔径扩展。

根据本发明的实施方式的教导，提供了一种光学装置，包括：具有伸长方向的第一光波导，该第一光波导具有第一对平行面和第二对平行面，该第一对平行面和第二对平行面平行于伸长方向、形成矩形截面、用于通过第一对平行面和第二对平行面处的四重内反射来引导光，经历内反射的每个光线由此限定一组四个共轭传播方向，第一光波导的至少一部分由第一楔状成形表面和第二楔状成形表面定界，第一楔状成形表面被构造成使得与在第一光波导内沿第一组共轭传播方向中的第一方向传播的注入图像的至少一部分对应的光线通过第一楔状成形表面处的反射被偏转成沿第二组共轭传播方向中的第二方向传播，与第一方向相比，第二方向与伸长方向所成的角较小，并且其中，第二楔状成形表面平行于第一楔状成形表面，以将沿第二组共轭方向中的至少一个方向传播的图像偏转成沿第一组共轭方向中的至少一个方向传播，并且将沿第一组共轭方向中的一个方向传播的图像耦出为从第一光波导离开。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一楔状成形表面是第一光波导的外表面。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一楔状成形表面涂覆有反射涂层。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一楔状成形表面涂覆有部分反射涂层。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一楔状成形表面是透光的，并且其中，至少平行面中与第一楔状成形表面呈面对关系的部分涂覆有反射涂层。

根据本发明的实施方式的另一特征，被引入第一光波导的注入图像通过第一楔状成形表面的第一反射被从注入方向偏转至第一组共轭方向中的方向，并且在自平行面中的至少之一的附加反射之后，通过自第一楔状成形表面的第二反射被进一步从第一组共轭方向中的方向偏转至第二组共轭方向中的方向。

根据本发明的实施方式的另一特征，还设置有与第一波导的耦入区域相邻或邻接的耦入棱镜，该耦入棱镜包括形成第一波导的对应表面的延伸的至少一个表面。

根据本发明的实施方式的另一特征，还设置有具有两个主要平行表面的光导，其中，第一波导被部署成使得从第一波导耦出的图像被耦入到该光导以在该光导内通过两个主要平行表面处的内反射来传播，该光导还包括耦出布置，该耦出布置用于将在光导内传播的图像耦出以将该图像引向用户的眼睛。

根据本发明的实施方式的另一特征，还设置有第二光波导，该第二光波导具有第一对平行面和第二对平行面，该第一对平行面和第二对平行面平行于伸长方向、形成矩形截面、用于通过第一对平行面和第二对平行面处的四重内反射来引导光，第二光波导的至少一部分由第一楔状成形表面和第二楔状成形表面定界，第一光波导和第二光波导被部署为呈堆叠关系，并且被构造成使得具有第一孔径尺寸的投射图像被部分地耦入第一光波导和第二光波导中的每一个，并且使得第一光波导的第二楔状成形表面和第二光波导第二楔状成形表面各自用作耦出构造的一部分，耦出构造被部署成提供具有与第一孔径尺寸更大的尺寸的有效输出孔径。

根据本发明的实施方式的另一特征，对于第一光波导和第二光波导中的每一个，第一楔状成形表面和平行面之一的与第一楔状成形表面呈面对关系的部分形成耦入构造，光学装置还包括填充棱镜，该填充棱镜基本上填充耦入构造之间的楔形间隙。

根据本发明的实施方式的另一特征，第二光波导的第一楔状成形表面被涂覆成部分反射，从而将投射图像的一部分耦入并且允许投射图像的一部分到达第一耦入构造。

根据本发明的实施方式的另一特征，平行面之一的与第一光波导的第一楔状成形表面呈面对关系的部分被涂覆成部分反射，从而将投射图像的一部分耦入并且允许投射图像的一部分到达第二耦入构造。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一光波导和第二光波导是至少三个光波导的堆叠的一部分。

根据本发明的实施方式的另一特征，从第二光波导耦出的图像传播穿过第一光波导。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一光波导的第一楔状成形表面和第二楔状成形表面以斜角相对于第一对平行面倾斜并且垂直于第二对平行面。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一光波导的第一楔状成形表面和第二楔状成形表面以斜角相对于第一对平行面倾斜和第二对平行面二者。

根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种光学装置，包括：第一光波导部，其具有用于通过内反射来引导光的至少第一对平行面，第一光波导包括被定向成与成对的平行面不平行的多个相互平行的部分反射表面；楔状构造，其被形成在第一楔状成形表面与平行表面之一之间，该楔状构造被构造成使得与在第一光波导部内沿第一方向传播的注入图像的至少一部分对应的光线通过第一楔状成形表面处的反射被偏转成沿第二方向传播，与第一方向相比，第二方向与第一光波导部的伸长方向所成的角较小，第一方向上的光线和第二方向上的光线在部分反射表面处被分别偏转到第一偏转方向和第二偏转方向以从第一光波导部耦出；第二光波导部，其具有用于通过内反射来引导光的第二对平行面，第二光波导部被部署用于接收注入图像的沿第一偏转方向和第二偏转方向传播的部分，第二光波导部包括在第二楔状成形表面与第二对平行面之一之间形成的耦出楔状构造，该耦出楔状构造被部署用于至少将图像的通过自楔状成形表面的单次反射而沿第一偏转方向传播和通过从楔状成形表面被反射两次而沿第二偏转方向传播的部分耦出。

附图说明

在本文中，参照附图仅通过举例的方式描述了本发明，在附图中：

图1A是根据本发明的实施方式构造和操作的包括波导的光学装置的示意性前视图；

图1B是与图1A中的光学装置类似的、示出了用于耦入投射图像的替选构造的光学装置的示意性前视图；

图1C是通过图1A中的波导截取的示意性剖视图，其被示出两次以显示出图像传播的两种不同模式；

图2A是采用图1B中的波导以及第二波导的光学装置的前视图；

图2B是沿图2A中的线A截取的剖视图；

图3A是采用与图1A类似的波导的堆叠的光学装置的前视图；

图3B是沿图3A中的线A截取的剖视图；

图4是与图3A类似的示出了与图1B类似的替选耦入构造的前视图；

图5A和图5B是示出根据本发明的教导的具有耦入棱镜的波导的示意性等轴视图，其中波导采用了与波导的两组平行面和仅其中一组平行面分别以斜角倾斜的楔状成形表面；

图6A至图6C分别是根据本发明的另一方面的用于实现二维光学孔径扩展的装置的示意性顶视图、侧视图和前视图；

图7A和图7B分别是图6A至图6C中的装置的采用了替选的耦入几何结构的修改后实现方式的示意性侧视图和前视图；以及

图8A至图8C分别是与6A至图6C中的装置类似的使用两个板式波导实现的装置的示意性顶视图、侧视图和前视图。

具体实施方式

本发明是一种光学装置，其提供在近眼显示器中尤其有用的孔径扩展。

参照附图和所附说明书可以更好地理解根据本发明的光学装置的原理和操作。

现在参照附图，图1A至图5B示出了根据本发明的非限制性实施方式的第一子集构造和操作的提供在近眼显示器中尤其有用的孔径扩展的光学装置的各种实现方式。

总体来说，该光学装置包括具有伸长方向D的第一光波导30。光波导30具有平行于伸长方向D的第一对平行面12a、12b和第二对平行面14a、14b，这些平行面形成矩形截面，用于通过第一对平行面12a、12b和第二对平行面14a、14b处的四重内反射来引导光。该上下文中的“矩形”包括正方形截面的特殊情况。作为这种四重内反射的结果，经历内反射的每个光线因此限定了一组四个共轭传播方向，其例如在图1C中被示为光线a1、a2、a3和a4。

根据本发明的一个方面，光波导30的至少一部分由第一楔状成形表面21和第二楔状成形表面22定界限，该第一楔状成形表面和第二楔状成形表面与一个或更多个平行面的相邻区域一起分别形成对应的楔状构造25和26。

第一楔状成形表面21优选地被构造成使得与在第一光波导内沿着第一组共轭传播方向a1至a4中的第一方向a3或a4传播的注入图像的至少一部分对应的光线a3、a4通过第一楔状成形表面21处的反射被偏转成沿着第二组共轭传播方向c1至c4中的第二方向c1或c2传播，与第一方向相比，第二方向与伸长方向所成的角较小。换句话说，在已经按照第一组共轭方向a1至a4将图像耦入波导30之后，在楔状成形表面21的进一步反射使图像传播方向偏转成另一组共轭方向c1至c4，该另一组共轭方向c1至c4以较浅的入射角度撞击平行表面。沿第一组共轭方向a1至a4传播的图像本身可以通过自楔状成形表面21的第一反射被耦入，如图1A和图1B所示。因此，在图1的示例中，输入的投射图像的光线经由平行表面之一12a进入第一楔状构造25，并且然后从楔状成形表面21反射一次以生成对应于光线a1或a2的一次偏转光线(其通过侧面14a和14b处的反射而在彼此之间互换)。这些光线在面12a处反射以形成共轭光线a3和a4。对于孔径的用实线箭头表示的部分，光线a3和a4到达的下一边界是超出楔状成形表面的端部的面12b。因此，投射图像的该部分在其沿着波导部前进时通过四重内反射来传播，其中，四重内反射如图1C(左)所示通过光线a1至a4互换。对于该孔径的另外的部分，光线a3和a4再次落在楔状成形表面21上，从而引起进一步偏转以生成光线c1和/或c2，并且通过如图1C(右)所表示的共轭光线c1至c4的四重内反射来沿着波导传播。与光线a1至a4相比，光线c1至c4与波导的伸长方向D所成的角较小，但是该差别在图1C的轴向视图中不可见。

顺便指出，无论在本文中是通过光束还是光线来表示图像，都应当注意，束是图像的样本束，图像通常由具有略微不同的角度的多个束形成，所述多个角度各自对应于图像的点或像素。除了被特别称为图像的末端(extremity)的情况之外，所示的束通常是图像的质心(centroid)。此外，针对每个像素的照明(illumination)不限于特定的光线位置，而是优选地是基本上“填充”波导的对应维度的宽的平行光线束。因此，本文中示出的样本光线通常是跨越图像投射装置的输出孔径的更宽的连续光线的一部分。

楔状成形表面21与面12a的倾斜角被优选地选择为满足多个几何要求。首先，对于图像的整个视场，在考虑到投射图像的预期注入方向的情况下，将楔角选择为使得一次反射光线a1、a2在波导的平行面处经历内反射。此外，将楔角选择为足够浅以使得用于生成光线c1、c2的自楔状成形表面的上述重复反射能够发生，同时确保一次偏转图像和两次偏转图像中的图像视场在角度空间中不交叠。在前述’242公布中呈现了在双重反射的情况下如何在数值上评估这些条件的示例，并且如对于本领域技术人员将清楚的那样，示例可以容易地适于本发明中的四重反射的情况。本发明不限于两种传播模式，并且特别地在仅需要相对小的角度视场的情况下也可以使用第三传播及其共轭，其中，第三传播及其共轭在光线c1至c4中的一个在楔状成形表面处被进一步反射之后实现。

在这种情况下，第二楔状成形表面22平行于第一楔状成形表面21，从而形成第二楔状构造26，该构造以类似于上述耦入的方式将在波导部内传播的图像照明(imageillumination)耦出。具体地，第二楔状成形表面22使沿着第二组共轭方向c1至c4中的至少一个方向传播的图像偏转以使该图像沿着第一组共轭方向a1至a4中的至少一个方向传播，并且进一步将沿着第一组共轭方向a1至a4中的一个方向传播的图像耦出以使该图像离开光波导30。

图1A的构造在侧视图中看起来类似于前述’242公布中描述的构造。然而，’242公布涉及仅在一对平行表面处发生反射(即，双重反射)的波导，并且该波导的另一维度(如所示的在页面中)相对较大以避免光线与该波导的其他末端交叉。相比之下，本发明的某些优选实施方式采用矩形波导方法，从而通过四重内反射来提供对图像照明在两个维度的引导，并且由此允许使用比板式波导方法可以使用的光学元件紧凑得多的光学元件。

尽管楔状成形表面21和22在此被示为与一对平行面12a、12b成斜角并且垂直于另一对平行面14a、14b，但矩形波导方法也允许使用相对于两对平行面以斜角倾斜的楔状成形表面。下面将参照图5A示出一个这样的示例。总的来说，只要楔状几何结构对于第一楔状构造和第二楔状构造而言是相似的，则耦出几何结构仍然有效地“撤销”耦入几何结构的效果。

在图1A的构造中，根据投射图像的注入角度和楔体本身的角度，楔状成形表面21在某些情况下可以在不需要涂层的情况下实现足够的内反射。然而，在大多数情况下，优选的是为楔状成形表面21提供反射涂层，或者在下文进一步讨论的某些情况下提供部分反射涂层。第二楔状成形表面22优选地设置有反射涂层。该反射涂层(在此用加粗线表示)可以使用如本领域已知的金属涂层或介电涂层来实现。

图1B示出了替选的耦入几何结构，其在某些实现方式中可能有利于实现更紧凑的整体产品形状因数。在这种情况下，第一楔状成形表面21是光波导30的透光外表面，并且是注入图像被引导穿过的表面。至少面12a中与第一楔状成形表面21呈面对关系的部分涂覆有(完全或部分)反射涂层27，从而将注入图像的全部或部分反射回楔状成形表面21，在楔状成形表面21处光线经历反射，该反射等效于图1的构造中的第一反射。其余的反射类似于以上结合图1A描述的反射。

图1B中的耦入构造，包括采用在另一维度上较大的波导以便在波导30中利用仅两重反射来容纳图像的整个视场的变型(即，其他方面类似于上述’242公布中描述的构造)，被认为在广泛的应用中是有利的。

图2示出了近眼显示器的实现方式，其中，使用波导30将图像传送至具有两个主要平行表面24a、24b的第二波导(或“光导”)20，(以光线b1和b2进行传播的)该图像从第二波导朝向观察者的眼睛47耦出。在此示出的特别优选但非限制性的示例中，第二波导采用多个相互平行的、以斜角倾斜的、内部的部分反射表面45以用于将图像朝向眼睛耦出。可以使用本领域公知的设计和制造技术容易地实现具有内部部分反射表面45的光导20，其中，类似元件可以从包括Lumus Ltd.(鲁姆斯有限公司)(耐斯兹敖那(Ness Ziona)，以色列)在内的一系列来源商购获得。因此，这里将不再详细描述光导20本身的结构。

在此处示出的装置设计中，波导30相对于波导20内的部分反射表面45的延伸方向翘起，以便在波导20内产生垂直传播。在某些情况下，可能希望在两个波导之间采用其他偏移角(例如围绕沿波导30的伸长方向的“滚动”轴的倾斜)以在两个波导之间提供改进的光耦合构造。在PCT专利申请公布第WO 2018/065975A1号(其在本申请的优先权日之后公布并且不构成本申请的现有技术)中，特别是在图19至图26中描述了此处也可以采用的各种变型耦合选项，为简洁起见此处将不予讨论。

该示例采用以上参照图1B描述的耦入几何结构。添加有耦入棱镜11以最小化色差。在耦入棱镜11与楔状成形表面21之间设置有气隙或其他低指数耦合材料以在楔状成形表面21处保持全内反射特性。

现在转向图3A至图4，这些附图示出了可以如何使用堆叠的两个或更多个波导来实现更加扩大的孔径扩展。在这些图示中，布置了堆叠的三个波导30a、30b、30c(每个波导都类似于目前为止所描述的波导30)使得所投射的输入图像被部分地耦合到每个波导中。波导的长度不同，使得耦出楔状构造是错列的，最优选地具有如图所示的大致共面的楔状成形表面22，从而为光导20的整个“宽度”维度提供覆盖，光导本身提供第二维度的孔径扩展，如以上的图2A至图2B中所示。在波导30a、30b以及30c之间布置有气隙或其他内反射保持层或多层结构，以便保持这些波导的内反射特性。至少在耦出区域中，波导之间的边界必须对于低角度光线是透光的以允许耦出光线穿过界面。在其他区域中，可以在波导之间使用金属反射层或其他反射层。

如图3B中可见，从上部波导30b和30c的楔状成形表面22进行的耦出引导耦出的图像照明(光线b1和/或b2)穿过下层波导，其中前面14a和后面14b用作光导20在前后方向上的延伸。在图3A的剖视图中，为了呈现清楚起见，已经略去了上波导中的光线b1至b2和c1至c4，但是这些光线仍存在于此。

图3B中的装置的耦入构造基于自楔状成形表面21的部分反射。具体地，将波导30c和30b的楔状成形表面21涂覆成部分反射，使得当如图所示输入投射图像时，该图像照明的一部分被偏转并被耦合到波导30c中，一部分被透射并被耦合到波导30b中，并且一部分被透射穿过波导30c和波导30b二者并被耦合到波导30a中。波导30a的楔状成形表面21可以是完全(即，接近100％)反射器。为了使图像照明的被透射部分的失真最小化，优选地部署填充棱镜31以使其基本上填充耦入构造之间的楔形间隙。可以将填充棱镜31集成为波导的延伸部分，并且可以通过所示的气隙将填充棱镜与下面的波导分开。在一些情况下，例如可以设置耦入棱镜32以有益于耦入几何结构和使色差最小化。

图4示出了与图3B类似但是采用了基于图1B的原理的耦入布置的装置架构。在这种情况下，通过施加到面12a的一部分的部分反射涂层实现了到多个波导中的部分耦合，并且从楔状成形表面21一侧引入了图像。最上面的波导30c可以在面12a的相关部分上采用全反射涂层。再次设置填充楔子31，但是其在此被示为通过气隙与楔状成形表面21间隔开以保持表面21的TIR特性，从而在捕获反射线的同时提供了对注入图像照明的低损耗透射。设置了耦入棱镜11。

虽然到目前为止示出的本发明的实现方式均采用自第一楔状成形表面21的第一反射来将图像照明耦入波导中(成为光线a1至a4模式)，但这不是必要的特征，并且替选的耦入布置可能是优选的。作为示例，图5A和图5B示出了以下耦入布置：在该偶入布置中，耦入棱镜40与第一波导30的耦入区域相邻或邻接以便提供倾斜输入表面42，该倾斜输入表面被正确定向以允许沿着与光线a1至a4中之一对应的图像注入方向直接注入图像，其中，其余三个共轭光线通过自波导面的内反射来生成。这些共轭射线中之一从楔状成形表面21被反射以生成第二模式光线c1至c4中之一，其中，其他三个共轭光线通过波导内的内反射再次生成。

耦入棱镜40优选地包括至少一个表面，以及优选地包括两个表面44和46，这两个表面是第一波导的对应表面(其可以是所示出的面12b和14b)的共面延伸，或者该耦入棱镜在一些情况下可以包括楔状成形表面21。这些延伸表面有助于用图像照明“填充”波导。在该实现方式中，对应于光线a1至a4的第一模式的传播是(通过注入这些图像中之一)而被直接注入波导中，而对应于光线c1至c4的第二模式是通过在楔状成形表面21对这些图像中之一进行反射并且然后通过内反射生成共轭图像而形成的。

图5A和图5B中的实现方式基本类似，除了图5A示出了楔状成形表面21和22以斜角相对于第一对平行面12a、12b和第二对平行面14a、14b二者倾斜的实现方式，而图5B示出了楔状成形表面21和22以斜角相对于第一对平行面12a、12b倾斜并且垂直于第二对平行面14a、14b的实现方式。

现在转向图6A至图8C，这些附图示出了本发明的第二方面，根据该第二方面，第一楔状成形表面和第二楔状成形表面不是平行表面，这是因为图像照明是在第一楔状构造与第二楔状构造之间被偏转。在此处所示的情况下，偏转发生在第一波导部内的一系列部分反射倾斜内表面处，其中，该一系列部分反射倾斜内表面实现第一维度的孔径扩展并且将图像照明重定向为朝向第二波导部。

现在将描述这种实现方式的三个非限制性示例。在每种情况下，示出了包括第一光波导部140的光学装置，第一光波导部140具有用于通过内反射来引导光的至少一对平行面。光波导部140包括被定向为不平行于成对的平行面的一系列相互平行的部分反射表面150。光波导部140还包括形成在第一楔状成形表面125与平行表面中的一个平行表面之间的楔状构造。该楔状构造被构造成提供图像照明的耦入以生成两个不同的模式(或角度范围)以用于在波导内传播图像，如在之前的实施方式中关于楔状成形表面21所描述的那样。在这种情况下，并不直接传播至耦出楔体而是在部分反射表面150处将与图像的两种传播模式对应的光线偏转到对应的偏转方向以从第一光波导部耦出。

第二光波导部145具有用于通过内反射来引导光的一对平行面，并且被部署成用于接收注入图像中的沿与从表面150偏转的两种模式的图像传播对应的方向传播的部分。第二光波导部145包括在第二楔状成形表面122与平行面中的一个平行面之间形成的耦出楔状构造。该耦出楔状构造以完全类似于上述楔状成形表面22的方式耦出两种模式的图像传播。在用作增强现实显示的一部分的情况下，优选地用部分反射涂层来实现楔状成形表面122，并且可以添加互补楔状棱镜(未示出)以经由楔状构造提供现实世界的非失真视图。

在图6A至6C和图7A至7C的情况下，第一光波导部140是矩形波导，在其中通过四重内反射来传播图像照明，如以上关于波导30所描述的那样。在图6A至图6C中，耦入楔状构造在图6A的顶视图中最佳地看到，而耦出楔状构造在图6B的侧视图中最佳地看到。也可以与上述的图1B类似使用经由楔状成形表面125的耦入的替选实现方式。这里，部分反射表面150的取向最优选地相对于波导140的顶表面和底表面倾斜并且垂直于前表面和后表面，如图8C所示。

图7A和图7B中的实施方式在结构和功能上类似于图6A至图6C的实施方式，但是采用了耦入楔体的不同取向，这可以在产品设计紧凑性和人体工程学方面提供额外的灵活性。考虑到在波导内传播图像期间发生四重反射，因此在一些情况下可以选择期望取向的共轭图像以耦出至眼睛。在耦出图像是反转图像的情况下，可以通过反转所生成的图像来对此电子地进行补偿，使得耦出图像被正确地定向。在一般情况下，部分反射表面150相对于波导的两对平行外面倾斜。

最后转向图8A至图8C，这些图示出了与图6A至图6C的实施方式类似的实施方式，但是在图8A至图8C中第一波导部140是板式波导，该板式波导在一对平行面之间仅在一个维度上引导图像照明。在另一维度(如图8B和图8C所示的上下维度)上，投射在波导部140内的图像根据其角视场展开并且不应到达波导部的末端。因此，波导部140通常需要在非引导维度上比先前的实现方式稍大。由于不需要(或期望)波导部140与波导部145之间的内反射，因此可以可选地将这些元件统一或光学结合成单个波导板，而无需插入任何气隙或其他光学元件。在所有其他方面，图8A至图8C的实施方式的结构和操作类似于上述图6A和图6C中的实施方式。

在所有上述实施方式中，所描述的装置与多个附加部件组合使用以形成完整的产品。因此，例如，在附图中，无论在何处示出与耦入图像照明有关的光线，这种光线通常都由微型图像投影仪或“POD”提供，其通常包括照明源、诸如LCoS芯片的空间光调制器以及准直光学器件，它们通常都被集成在分束器棱镜块结构的表面上。这种图像投影仪本身是公知的并且可商购获得，因此在此将不再详细描述。

类似地，在近眼显示器的情况下，通常将最终产品与支承结构集成，支承结构可以包括由佩戴者的耳和鼻支承的镜架型结构，或者可以包括诸如头带或头盔的头戴式结构。所有这些结构都是公知的，因此不需在本文中进行描述。

应当理解，以上描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求书限定的本发明的范围内可以存在许多其他实施方式。

Claims (15)

1.一种光学装置，包括：

具有伸长方向的第一光波导(30)，所述第一光波导具有第一对平行面(12a，12b)和第二对平行面(14a，14b)，所述第一对平行面和所述第二对平行面平行于所述伸长方向、形成矩形截面、用于通过所述第一对平行面和所述第二对平行面处的四重内反射来引导光，经历内反射的每个光线由此限定一组四个共轭传播方向，所述第一光波导的至少一部分由第一楔状成形表面(21)和第二楔状成形表面(22)定界，

所述第一楔状成形表面被构造成使得与在所述第一光波导内沿第一组共轭传播方向中的第一方向传播的注入图像的至少一部分对应的光线通过所述第一楔状成形表面处的反射被偏转成沿第二组共轭传播方向中的第二方向传播，与所述第一方向相比，所述第二方向与所述伸长方向所成的角较小，

并且其中，所述第二楔状成形表面平行于所述第一楔状成形表面，以将沿所述第二组共轭方向中的至少一个方向传播的图像偏转成沿所述第一组共轭方向中的至少一个方向传播，并将沿所述第一组共轭方向中的一个方向传播的图像耦出为从所述第一光波导离开，

其特征在于，

所述光学装置还包括具有两个主要平行表面(24a，24b)的光导(20)，其中，所述第一光波导被部署成使得由所述第二楔状成形表面从所述第一光波导耦出的图像被耦入到所述光导以在所述光导内通过所述两个主要平行表面处的内反射来传播，所述光导还包括耦出布置(45)，所述耦出布置用于将在所述光导内传播的图像耦出以将所述图像引向用户的眼睛(47)。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一楔状成形表面是所述第一光波导的外表面。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一楔状成形表面涂覆有反射涂层。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一楔状成形表面涂覆有部分反射涂层。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一楔状成形表面是透光的，并且其中，至少所述平行面中与所述第一楔状成形表面呈面对关系的部分涂覆有反射涂层。

6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，被引入所述第一光波导的注入图像通过所述第一楔状成形表面的第一反射被从注入方向偏转至所述第一组共轭方向中的方向，并且在自所述平行面中的至少之一的附加反射之后，通过自所述第一楔状成形表面的第二反射被进一步从所述第一组共轭方向中的方向偏转至所述第二组共轭方向中的方向。

7.根据权利要求1所述的光学装置，还包括与所述第一光波导的耦入区域相邻或邻接的耦入棱镜，所述耦入棱镜包括形成所述第一光波导的对应表面的延伸的至少一个表面。

8.根据权利要求1所述的光学装置，还包括第二光波导，所述第二光波导具有第一对平行面和第二对平行面，所述第二光波导的所述第一对平行面和所述第二对平行面平行于所述伸长方向、形成矩形截面、用于通过所述第一对平行面和所述第二对平行面处的四重内反射来引导光，所述第二光波导的至少一部分由第一楔状成形表面和第二楔状成形表面定界，

所述第一光波导和所述第二光波导被部署为呈堆叠关系，并且被构造成使得具有第一孔径尺寸的投射图像被部分地耦入到所述第一光波导和所述第二光波导中的每一个，并且使得所述第一光波导的所述第二楔状成形表面和所述第二光波导的所述第二楔状成形表面各自用作耦出构造的一部分，所述耦出构造被部署成提供具有比所述第一孔径尺寸更大的尺寸的有效输出孔径。

9.根据权利要求8所述的光学装置，其中，对于所述第一光波导和所述第二光波导中的每一个，所述第一楔状成形表面和所述平行面之一的与所述第一楔状成形表面呈面对关系的部分形成耦入构造，所述光学装置还包括填充棱镜，所述填充棱镜基本上填充所述耦入构造之间的楔形间隙。

10.根据权利要求9所述的光学装置，其中，所述第二光波导的所述第一楔状成形表面被涂覆成部分反射，从而将所述投射图像的一部分耦入并且允许所述投射图像的一部分到达第一耦入构造。

11.根据权利要求9所述的光学装置，其中，所述平行面之一的与所述第一光波导的所述第一楔状成形表面呈面对关系的所述部分被涂覆成部分反射，从而将所述投射图像的一部分耦入并且允许所述投射图像的一部分到达第二耦入构造。

12.根据权利要求8所述的光学装置，其中，所述第一光波导和所述第二光波导是至少三个光波导的堆叠的一部分。

13.根据权利要求8所述的光学装置，其中，从所述第二光波导耦出的所述图像传播穿过所述第一光波导。

14.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一光波导的所述第一楔状成形表面和所述第二楔状成形表面以斜角相对于所述第一对平行面倾斜并且垂直于所述第二对平行面。

15.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一光波导的所述第一楔状成形表面和所述第二楔状成形表面以斜角相对于所述第一对平行面和所述第二对平行面二者倾斜。

Images