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TWM598414U - 具有中間視窗的近眼顯示器 - Google Patents

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TWM598414U
TWM598414U TW108214820U TW108214820U TWM598414U TW M598414 U TWM598414 U TW M598414U TW 108214820 U TW108214820 U TW 108214820U TW 108214820 U TW108214820 U TW 108214820U TW M598414 U TWM598414 U TW M598414U
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eye display
waveguide
optical
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TW108214820U
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尤奇 丹齊格
拿瑪 勒萬
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以色列商魯姆斯有限公司
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Abstract

一種近眼顯示器，包括：第一光學波導，第一光學波導具有伸長方向、至少一對平行面以及第一耦合輸出機構；第二光學波導，第二光學波導具有輸入孔徑、一對平行面以及第二耦合輸出機構；光學耦合部，光學耦合部位於第一光學波導與第二波導之間，光學耦合部至少包括：空氣間隙，空氣間隙構造成使得能夠在第一波導內進行全內反射；和介面視窗，介面視窗包括透明光學元件，透明光學元件具有與第二光學波導的折射率基本相同的折射率；並且其中，介面視窗的至少一部分突出超出第二光學波導的輸入孔徑使得離開第一光學波導的不期望的光被防止進入第二光學波導。

Description

具有中間視窗的近眼顯示器
當前公開的主題涉及近眼顯示器，並且更具體地，涉及具有中間介面視窗的近眼顯示器。
具有孔徑的2D擴展的某些近眼顯示器和平視顯示器包括兩個波導(或“光導”)部分。第一部分使孔徑在一個維度上擴展，第二部分使孔徑在正交維度上擴展。第一示例在美國專利7,643,214中描述，該專利採用了基於一對平行表面的波導以用於在每個維度上進行擴展。在PCT/IL2017/051028的第22A圖至第22B圖中(本文中重現為圖2)示出了另一組示例，其中，進行第一維度的孔徑擴展的波導具有相互正交的兩對平行表面，所述兩對平行表面通過四重的內部反射來引導圖像光。該圖描述了兩個波導之間的各種介面配置。
為了維持第一波導內的全內反射，這些配置中的一些配置是基於波導之間的需要被密封的空氣間隙的。在該文獻的其餘部分中，使用術語“空氣間隙”來指空氣或具有足夠低折射率的任何其他材料以針對與視圖的像場相對應的圖像照射(illumination)的角度範圍而在第一光學波導10內保持全內反射(Total Internal Reflection,TIR)。
兩個波導必須機械組合並牢固地保持在觀看者的前面。此外，波導之間的介面優選地具有良好限定的孔徑，該孔徑執行修整以便實現沿著波導的大致均勻的照射。
根據當前公開的主題的一方面，提供了一種近眼顯示器，包括：第一光學波導，第一光學波導具有伸長方向、至少一對平行面以及第一耦合輸出機構；第二光學波導，第二光學波導具有輸入孔徑、具有一對平行面以及第 二耦合輸出機構；光學耦合部，光學耦合部位於第一光學波導與第二波導之間，光學耦合部至少包括：空氣間隙，空氣間隙構造成使得能夠在第一波導進行全內反射；和介面視窗，介面視窗包括透明光學元件，透明光學元件具有與第二光學波導的折射率基本相同的折射率；以及至少一個光吸收元件；其中，介面視窗的至少一部分突出超出第二光學波導的輸入孔徑並用作用於所述至少一個光吸收元件的結構支撐部。
根據當前公開的主題的另一方面，提供了一種近眼顯示器，該近眼顯示器包括：第一光學波導，第一光學波導具有伸長方向、至少一對平行面以及第一耦合輸出機構；第二光學波導，第二光學波導具有輸入孔徑、一對平行面以及第二耦合輸出機構；光學耦合部，光學耦合部位於第一光學波導與第二波導之間，光學耦合部至少包括：空氣間隙，空氣間隙構造成使得能夠在第一波導內進行全內反射；和介面視窗，介面視窗包括透明光學元件，透明光學元件具有與第二光學波導的折射率基本相同的折射率；並且其中，介面視窗的至少一部分突出超出第二光學波導的輸入孔徑，使得離開第一光學波導的不期望的光被防止進入第二光學波導。
根據一些方面，所述至少一個光吸收元件優選地沿與第三對平行面平行的方向在第二光學波導的一部分上延伸。
根據一些方面，所述至少一個光吸收元件包括擋板。
根據一些方面，所述至少一個光吸收元件封裝第一光學波導。優選地，所述至少一個光吸收元件包括罩。優選地，罩封裝第一光學波導，使得在第一光學波導的面與罩之間留有空氣間隙。優選地，罩構造成防止灰塵和濕氣進入空氣間隙。
根據一些方面，所述至少一個光吸收元件包括封裝第一光學波導的罩和在第二光學波導的一部分上延伸的擋板中的每一者。
根據一些方面，介面視窗在一個端部處是較厚的。優選地，介面視窗在一個端部或兩個端部處塗覆有光吸收塗層。
根據一些方面，第二光學波導在第二光學波導的修整點處塗覆有反射塗層。
根據一些方面，第一耦合輸出機構包括多個內部部分反射表面， 所述多個內部部分反射表面至少部分地以與伸長方向成一傾斜角度地橫過第一光學波導，或者第一耦合輸出機構包括一個或更多個衍射元件。
根據一些方面，第二耦合輸出機構包括多個部分反射表面，所述多個部分反射表面至少部分地以與第二光學波導的一對平行面成一傾斜角度地橫過第二光學波導，或者第二耦合輸出機構包括一個或更多個衍射元件。
10‧‧‧第一光學波導
12a、12b‧‧‧第一對平行面
14a、14b‧‧‧第二對平行面
40、45‧‧‧部分反射表面
20‧‧‧第二光學波導
22a、22b、22c‧‧‧射線
30‧‧‧初始傳播方向
47‧‧‧用戶
29‧‧‧間隙
30‧‧‧視窗
1000‧‧‧第一1D波導
1002、37、39‧‧‧塗層
35‧‧‧罩
36‧‧‧擋板
34a、34b‧‧‧端部部分
730‧‧‧楔形件
21‧‧‧修整點
15‧‧‧棱鏡
為了理解本實用新型並瞭解如何在實踐中實現本實用新型，將參照附圖通過非限制性示例來描述實施方式，在附圖中：
第1A圖至第1B圖示出了根據現有技術的概括的光學孔徑倍增器；
第2圖示出了根據現有技術的光學孔徑倍增器的特定實施方式；
第3A圖至第3B圖示出了根據現有技術的近眼顯示器的示意圖；
第4A圖至第4B圖示出了根據本實用新型的第一實施方式的近眼顯示器的概括示意圖；
第4C圖示出了根據本實用新型的第二實施方式的近眼顯示器的概括示意圖；
第5圖示出了根據本實用新型的第三實施方式的近眼顯示器的概括示意圖；以及
第6圖示出了根據本實用新型的第四實施方式的近眼顯示器的概括示意图。
在下面的詳細描述中，闡述了許多具體細節以便提供對本實用新型的透徹理解。然而，本領域技術人員將理解的是，可以在沒有這些具體細節的情況下實踐當前公開的主題。在其他情況下，對公知的方法、過程、和部件不進行詳細描述，以免使當前公開的主題變得模糊。
整個說明書中使用的術語“近眼顯示器”應理解為包括需要圖像擴大的其他形式的顯示器，包括例如平視顯示器。
通過參引併入本文中的PCT/IL2017/051028描述了在第1A圖至第1B圖中大體示出的光學孔徑倍增器(optical aperture multiplier)的各種實施 方式。光學孔徑倍增器包括第一光學波導10，第一光學波導10具有在本文中任意地示出為與“x軸”相對應的伸長方向。第一光學波導10具有形成矩形橫截面的第一對平行面12a、12b和第二對平行面14a、14b。根據本實用新型的某些特別優選的實施方式，在本文中被稱為“小面”的多個內部部分反射表面40至少部分地以與伸長方向成一傾斜角度(即，既不平行也不垂直)地橫過第一光學波導10。
光學孔徑倍增器優選地還包括與第一光學波導10光學耦合的第二光學波導20，第二光學波導20具有形成平板型波導的第三對平行面22a、22b，即，其中第二光學波導20的其他兩個尺寸至少比第三對平行面22a、22b之間的距離大一個數量級。同樣在此，多個部分反射表面45優選地至少部分地以與第三對平行面成一傾斜角度地橫過第二光學波導20。
波導之間的光學耦合部以及部分反射表面40、45的部署和構型為使得：當圖像以初始傳播方向30以與第一對平行面12a、12b和第二對平行面14a、14b兩者傾斜的耦合角度耦合到第一光學波導10中時，圖像沿著第一光學波導10通過四重內部反射(圖像a1、a2、a3和a4)前進，其中，一部分圖像強度在部分反射表面40處反射以便耦合到第二光學波導20中，然後在第二光學波導20內通過兩重反射(圖像b1、b2)傳播，其中，一部分圖像強度在部分反射表面45處反射，以便被從平行面中的一個平行面向外引導為由用戶47的眼睛看到的可見圖像c。
PCT/IL2017/051028進一步描述了光學孔徑倍增器的特定實施方式，其中，如第2圖中所示，第一光學波導10相對於第二光學波導20傾斜。第一光學波導10可以通過使用中間透明楔形件730而相對於ID第二光學波導20以期望的傾斜度安裝。該傾斜度選擇成使得耦合來自波導10的一個圖像(實線箭頭)而不耦合來自波導10的另一圖像(虛線箭頭)。第一光學波導10相對於第二光學波導20的傾斜度可以根據波導的期望角度和在波導之間傳播的圖像來選擇，並且可以採用透明楔形耦合棱鏡730來減小相對於第二波導20的傾斜耦合表面的傾斜度。替代性地，第一光學波導10相對於第二光學波導20的期望的傾斜角度與第二波導耦合表面的角度相匹配，使得不需要中間耦合棱鏡。
然而，在現有技術構型中，在某些情況下，光可以被反射回到第一光學波導10中，從而引起圖像劣化，如在圖示了根據現有技術的近眼顯示器的概括示意圖的第3A圖至第3B圖中示出的。在第3A圖中，光被耦合離開第一光學波導10、穿過空氣間隙、穿過棱鏡15並進入第二波導20中，其中，第一光學波導10例如為2D波導，第二光學波導20例如為1D波導。第二光學波導20的修整點21用作對不需要的光進行修整的孔徑(通常定位在波導20的拐角處)。也就是說，撞擊點21右側的點的任何光射線都將反射離開第二光學波導20。
如第3A圖中圖示的，平行光射線22a、22b和22c代表准直到無限遠的圖像的透射FOV中的單個點。射線22a在修整點21附近進入第二光學波導20並經由TIR傳播通過第二光學波導20。射線22b反射離開第二光學波導20的面22b並在修整點21左側的點處反射回來並經由TIR繼續傳播通過第二光學波導20。然而，也反射離開面22b的射線22c撞擊點21右側的點並因此經由棱鏡15離開第二光學波導20。
第3B圖示了近眼顯示器的替代性的現有技術構型，其中，波導的角度設計導致在第一光學波導10與第二光學波導20之間沒有“楔形”棱鏡。在這種情況下，射線22c可以以淺角度撞擊在空氣間隙面上並且因此作為不期望的光反射回到第二光學波導20中。這種不期望的光會導致圖像劣化。
應指出的是，儘管第3A至第3B將第一光學波導10示出為具有兩對平行面的2D波導，但是不期望的光進入第二光學波導20的問題在第一光學波導10為具有一對平行面的1D波導時同樣適用，第一光學波導10比如為在美國專利7,643,214(特別地參見例如第10圖至第15圖、第17圖、第18圖和第20圖)中所描述的波導，該美國專利通過參引併入本文中。
現在轉至本實用新型，提供了一種近眼顯示器，該近眼顯示器在現有技術的近眼顯示器上有所改進。第4A圖至第4B圖圖示了根據當前公開的主題的某些實施方式的近眼顯示器的概括示意圖。根據本實用新型的一個實施方式，近眼顯示器包括第一光學波導10、第二光學波導20以及位於第一光學波導10與第二光學波導20之間的由空氣間隙29和中間介面視窗30構成的光學耦合部。
如現有技術中那樣，第一光學波導10具有伸長方向、至少一對平行面12a、12b以及耦合輸出機構40。在一些實施方式中，第一光學波導10可以具有兩對平行面12a、12b、14a、14b。在一些實施方式中，並且如第1B圖所示，耦合輸出機構40可以是例如至少部分地以與伸長方向成一傾斜角度地橫過第一光學波導10的多個內部部分反射表面。在其他實施方式中，耦合輸出機構可以是例如一個或更多個衍射元件。在一些實施方式中，第一光學波導10的除了輸出表面之外的面可以塗覆有反射塗層。
另外，如現有技術中那樣，第二光學波導20具有一對平行面22a、22b和耦合輸出機構45，耦合輸出機構45比如為至少部分地以與所述一對平行面成一傾斜角度地橫過第二光學波導20的多個部分反射表面或者例如為一個或更多個衍射元件。優選地，第一光學波導10比第二光學波導20略寬。
如上面詳述的，第一光學波導10與第二光學20之間的光學耦合部包括空氣間隙29和介面視窗30。介面視窗優選地由折射率與第二光學波導20的折射率基本上相同的透明光學元件製成。“基本上相同”的折射率是指光射線應該能夠基本上完整地、即沒有重定向地穿過介面30與第二光學波導20之間的邊界。
介面視窗30優選地與第二波導20的整個輸入孔徑(aperture)重疊並且在某些優選情況下如第4A圖至第4B圖中那樣突出超出該孔徑，由此使得射線22c能夠反射離開近眼顯示器而不進入第二光學波導20。另外，如下面將參照第5圖至第6圖詳述的，在某些優選實施方式中，介面視窗的突出超出第二光學波導20的輸入孔徑的部分可以另外用作近眼顯示器的附加部件的結構支撐部。
介面視窗30的最小厚度應設定為使得沒有TIR──TIR在整個透射像場中於空氣間隙的視窗側產生──能夠返回至第二光學波導20並通過視窗30側離開。最大限度地，窗口的厚度優選地小於第二光學波導20自身的在波導的主平行面之間測量時的厚度。小的空氣間隙優選地維持用於使光在第一波導10內傳播的TIR狀態。該間隙可以有利地通過經由第一波導10的端表面、即如圖所示的圖的“進入頁面”的維度借助于任何適合的支承結構或粘合劑安裝第一波導10來保持。
根據本實用新型的另一實施方式，介面視窗30可以在一個端部處較厚，如第4B圖中所示的。例如，這可能在近眼顯示器的設計要求第一光學波導10與第二光學波導20之間有較小角度的情況下是必要的。
第4C圖圖示了近眼顯示器的另一實施方式，該近眼顯示器包括第一1D波導1000、第二光學波導20以及位於第一1D波導1000與第二光學波導20之間的由空氣間隙29和中間介面視窗30構成的光學耦合部。在該實施方式中，第一1D波導1000是具有用於經由TIR傳播光射線的一對平行面12a、12b的1D波導，比如在美國專利7,643,214(特別是第10圖至第15圖、第17圖、第18圖和第20圖中所示的實施方式)中公開的波導。與第一光學波導10類似，第一1D波導1000具有伸長方向和耦合輸出機構，該耦合輸出機構可以是例如至少部分地以與伸長方向成一傾斜角度地橫過第一1D波導1000的多個內部部分反射表面，或者是一個或更多個衍射元件。
優選地，在這種情況下，第一1D波導1000的端部(即，垂直于一對平行面21、12b的面)塗覆有光吸收塗層1002或至少向外透射的塗層，以防止外界光進入波導。優選地，介面視窗在其端部處也塗覆有塗層1002。
第5圖中示出了本實用新型的另一實施方式，其中，介面視窗30還用作用於將一個或更多個附加部件固定至近眼顯示器的基座。在該實施方式中，近眼顯示器包括至少一個光吸收元件、比如固定至介面視窗30的罩35和/或擋板36，並且該近眼顯示器與現有技術的近眼顯示器相比提供了額外的優點，如下面將進一步詳述的。應指出的是，儘管第5圖示出了具有罩35和擋板36兩者的近眼顯示器，但是近眼顯示器實際上可以包括僅罩35、僅擋板36或罩35和擋板36兩者。
擋板36構造成防止散射光向外輻射並防止環境光被耦合。擋板36優選地在第二光學波導20的一部分上延伸，並且最優選地沿平行于平行面22a、22b的方向延伸。
罩35封裝第一光學波導10且同時優選地在罩與第一光學波導10的面之間留出空氣間隙，以保持TIR狀態。該罩防止環境光穿過第一光學波導10到達第二光學波導20上而導致圖像劣化。優選地，罩構造成還防止灰塵和濕氣進入空氣間隙，灰塵和濕氣進入空氣間隙將干擾圖像傳輸。
如上面詳述的，本實用新型的近眼顯示器在某些情況下可以包括罩35和擋板36兩者，在這種情況下，這兩個元件出於描述的目的被統稱為光吸收元件。
介面視窗30的端部部分34a、34b不用於光學透射或反射(TIR)，並且因此可以用於固定光吸收元件，比如封裝罩35和/或擋板36。
優選地，視窗30在其端面上塗覆有光吸收塗層37，以進一步提高圖像透射率。
在一些實施方式中，為了提高修整點21的光學品質，如在PCT專利申請No.WO 2018/087756中描述的那樣在第二光學波導20的位於修整點21處的面上塗覆反射塗層39。
第6圖中示出了本實用新型的另一實施方式，其中，介面視窗相對於第二光學波導20和/或第一光學波導10不傾斜，並且介面視窗僅用作用於將附加部件固定至近眼顯示器的基座，附加部件比如為罩35和/或擋板36。
應理解的是，本實用新型的應用不限於本文中所包含的說明書中所闡述的或附圖中所示出的細節。本實用新型可以是其他實施方式並且以多種方式實踐且實現。因此，應理解的是，本文中使用的措辭和術語是為了描述的目的，而不應被認為是限制性的。如此，本領域技術人員將理解的是，本公開所基於的概念能夠容易地用作設計其他結構、方法和系統的基礎，以實現當前公開的主題的多個目的。
10‧‧‧第一光學波導
20‧‧‧第二光學波導
22b‧‧‧面
30‧‧‧介面視窗
21‧‧‧修整點
29‧‧‧間隙
37、39‧‧‧塗層
35‧‧‧罩
36‧‧‧擋板
34a、34b‧‧‧端部部分

Claims (17)

  1. 一種近眼顯示器，包括：
    第一光學波導，所述第一光學波導具有伸長方向、至少一對平行面以及第一耦合輸出機構；
    第二光學波導，所述第二光學波導具有輸入孔徑、具有一對平行面以及第二耦合輸出機構；
    光學耦合部，所述光學耦合部位於所述第一光學波導與所述第二波導之間，所述光學耦合部至少包括：空氣間隙，所述空氣間隙構造成使得能夠在所述第一波導內進行全內反射；和介面視窗，所述介面視窗包括透明光學元件，所述透明光學元件具有與所述第二光學波導的折射率基本相同的折射率；以及
    至少一個光吸收元件；
    其中，所述介面視窗的至少一部分突出超出所述第二光學波導的所述輸入孔徑並用作用於所述至少一個光吸收元件的結構支撐部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述至少一個光吸收元件在所述第二光學波導的一部分上延伸。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的近眼顯示器，其中，所述至少一個光吸收元件沿與第三對平行面平行的方向在所述第二光學波導的一部分上延伸。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的近眼顯示器，其中，所述至少一個光吸收元件包括擋板。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述至少一個光吸收元件封裝所述第一光學波導。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的近眼顯示器，其中，所述至少一個光吸收元件包括罩。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的近眼顯示器，其中，所述罩封裝所述第一光學波導，使得在所述第一光學波導的面與所述罩之間留有空氣間隙。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的近眼顯示器，其中，所述罩構造成防止灰塵和濕氣進入所述空氣間隙。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述至少一個光吸收 元件包括封裝所述第一光學波導的罩和在所述第二光學波導的一部分上延伸的擋板中的每一者。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述介面視窗在一個端部處是較厚的。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述介面視窗在一個端部或兩個端部處塗覆有光吸收塗層。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述第二光學波導在所述第二光學波導的修整點處塗覆有反射塗層。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述第一耦合輸出機構包括多個內部部分反射表面，所述多個內部部分反射表面至少部分地以與所述伸長方向成一傾斜角度地橫過所述第一光學波導。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述第一耦合輸出機構包括一個或更多個衍射元件。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述第二耦合輸出機構包括多個部分反射表面，所述多個部分反射表面至少部分地以與所述第二光學波導的所述一對平行面成一傾斜角度地橫過所述第二光學波導。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述第二耦合輸出機構包括一個或更多個衍射元件。
  17. 一種近眼顯示器，包括：
    第一光學波導，所述第一光學波導具有伸長方向、至少一對平行面以及第一耦合輸出機構；
    第二光學波導，所述第二光學波導具有輸入孔徑、一對平行面以及第二耦合輸出機構；
    光學耦合部，所述光學耦合部位於所述第一光學波導與所述第二波導之間，所述光學耦合部至少包括：空氣間隙，所述空氣間隙構造成使得能夠在所述第一波導內進行全內反射；和介面視窗，所述介面視窗包括透明光學元件，所述透明光學元件具有與所述第二光學波導的折射率基本相同的折射率；並且
    其中，所述介面視窗的至少一部分突出超出所述第二光學波導的輸入孔徑，使得離開第一光學波導的不期望的光被防止進入所述第二光學波導。
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