包括具有三阶段扩展的LOE的光学系统技术方案

本公开涉及包括具有三阶段扩展的LOE的光学系统。一种光学系统，包括光导光学元件(LOE)，该光导光学元件具有处于不同取向的第一组相互平行的部分反射表面(204)和第二组相互平行的部分反射表面(206)。两组部分反射表面均位于平行主外表面之间。部署在耦入区域处的第三组至少部分反射表面(202)接收从具有光学孔径的投影仪(2)注入的图像照明，该光学孔径具有第一面内宽度，并且第三组至少部分反射表面经由图像照明的至少一部分在第三组至少部分反射小平面处的反射将图像照明朝向具有有效光学孔径的第一组部分反射小平面引导，该有效光学孔径具有大于第一宽度的第二宽度。有效光学孔径具有大于第一宽度的第二宽度。

【技术实现步骤摘要】
包括具有三阶段扩展的LOE的光学系统
[0001]本申请是申请日为2020年1月26日、申请号为“202080010473.3”、专利技术名称为“包括具有三阶段扩展的LOE的光学系统”的专利技术专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及光学系统，并且特别地，本专利技术涉及包括用于实现光学孔径扩展的光导光学元件(LOE)的光学系统。

技术介绍

[0003]许多近眼显示系统包括放置在用户的眼睛之前的透明光导光学元件(LOE)或“波导”，其通过内反射在LOE内传送图像，然后通过合适的输出耦合机制将图像朝向用户的眼睛耦出。输出耦合机制可以基于嵌入的部分反射器或“小平面”，或者可以采用衍射图案。下面的描述将主要涉及基于小平面的耦出布置，但是应当理解，本专利技术的各种特征也适用于衍射布置。
[0004]US 6829095 B2的图13中描述了采用内部正交小平面的波导内的二维孔径扩展，该图13在此再现为图1A。在此，在括号中呈现了参考现有技术附图的附图标记。来自投影仪(20)的光在波导内传播，并且由小平面(22a)至(22c)朝向小平面(23)反射，该小平面(23)将光朝向观察者耦出。
[0005]PCT公开WO 2019/142177 A1公开了采用非正交小平面的类似构思。该PCT公开的图2和图29在此分别再现为图1B和图1C。第一组小平面(这里表示为(32))是非正交的，因此仅反射一种传播模式。所示的两种构造在包含两组小平面的区域是交叠(图1B)还是不交叠(图1C)方面不同。
专利技术内容
[0006]本专利技术是一种光学系统。
[0007]根据本专利技术的实施方式的教导，提供了一种用于将在耦入区域处注入的图像照明朝向用户引导以供观看的光学系统，该光学系统包括由透明材料形成的光导光学元件(LOE)，该LOE包括：(a)第一区域，其包含具有第一取向的第一组平面型的相互平行的部分反射表面；(b)第二区域，其包含具有不平行于第一取向的第二取向的第二组平面型的相互平行的部分反射表面；(c)一组相互平行的主外表面，该主外表面跨第一区域和第二区域延伸，使得第一组部分反射表面和第二组部分反射表面均位于主外表面之间，其中第二组部分反射表面与主外表面成斜角，使得通过主外表面处的内反射在LOE内从第一区域传播到第二区域中的部分图像照明被从LOE朝向用户耦出，并且其中，第一组部分反射表面被定向成使得从耦入区域通过主外表面处的内反射在LOE内传播的部分图像照明被朝向第二区域偏转，其中，光学系统还包括部署在耦入区域处的第三组平面型的相互平行的至少部分反射表面，该第三组至少部分反射表面被部署成：接收从具有光学孔径的投影仪注入的图像照明，该光学孔径具有平行于主外表面测量的第一宽度；并且经由图像照明的至少一部分
在第三组至少部分反射小平面处的反射将图像照明朝向具有有效光学孔径的第一组部分反射小平面引导，该有效光学孔径具有平行于主外表面测量的第二宽度，该第二宽度大于第一宽度。
[0008]根据本专利技术的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射表面具有按照图像照明到达该第三组至少部分反射表面的顺序相继增大的反射率的第一序列，其中第一组部分反射表面具有按照图像照明到达该第一组部分表面的顺序相继增大的反射率的第二序列，第二序列以小于第一序列的最后反射率的反射率开始。
[0009]根据本专利技术的实施方式的另一特征，相继增大的反射率的第一序列的最后反射率大于90％。
[0010]根据本专利技术的实施方式的另一特征，被朝向第一组部分反射表面引导的图像照明的大部分恰好经历来自第三组至少部分反射表面的一次反射。
[0011]根据本专利技术的实施方式的另一特征，被朝向第一组部分反射表面引导的图像照明的大部分经历来自第三组至少部分反射表面的两次反射。
[0012]根据本专利技术的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射的表面被集成为LOE的一部分，并且位于主外表面之间。
[0013]根据本专利技术的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射表面平行于第一组部分反射表面。
[0014]根据本专利技术的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射表面不平行于第一组部分反射表面。
[0015]根据本专利技术的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射表面的表面间间距小于第一组部分反射表面的表面间间距。
[0016]根据本专利技术的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射表面中的每个至少部分反射表面的表面积小于第一组部分反射表面中的每个部分反射表面的表面积。
[0017]根据本专利技术的实施方式的另一特征，第一区域和第二区域不交叠。
[0018]根据本专利技术的实施方式的另一特征，还提供了一种用于投影具有围绕光轴的角视场的准直图像的图像投影仪，该图像投影仪光学耦合至LOE，以在耦入区域处经由第三组至少部分反射表面将准直图像引入到LOE中，作为通过主外表面处的内反射在LOE内传播的传播图像，该传播图像被第一组部分反射表面部分反射以生成通过主外表面处的内反射在LOE内传播的经偏转的传播图像，该经偏转的传播图像被第二组部分反射表面部分反射以生成被从主外表面之一向外朝向用户引导的耦出图像。
附图说明
[0019]在此仅通过示例的方式，参考附图描述本专利技术，在附图中：
[0020]上面讨论的图1A对应于美国专利第6,829,095 B2的图13；
[0021]上面讨论的图1B和图1C分别对应于PCT专利申请公布第WO 2019/142177 A1的图2和图29；
[0022]图2A和2B是使用根据本专利技术的教导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，其分别示出了自顶向下和侧面注入的构造；
[0023]图3A和图3B是部分反射内表面的不同间距对将来自具有给定光学孔径宽度的投
影仪的图像照明在基板内从第一方向重新定向到第二方向的影响的示意图；
[0024]图4A是根据本专利技术的实施方式的教导的光导光学元件(LOE)的示意性前视图，示出了从投影仪到朝向观看者耦出的照明的光学孔径的三阶段扩展；
[0025]图4B和图4C是图4A的LOE的两个实现方式的示意性等距表示，该两个实现方式对于孔径扩展的前两个阶段分别使用正交和倾斜的部分反射内表面；
[0026]图5A和5B分别是图4A的LOE的变型实现方式的示意性前视图和示意性等距视图，在该变型实现方式中用于执行光学孔径扩展的两个阶段的部分反射内表面被部署在至少部分交叠的区域中；
[0027]图6是通过图4C的LOE的各个传播阶段的图像照明的相对方向在角空间(极坐标)中的示意性表示；
[0028]图7A和7B是图4A的LOE的两个另外的变型实现方式的示意性前视图，示出了用于图像照明的横向注入的选项；
[0029]图8A是图4A的LOE的生产序列的示意性表示；
[0030]图8B是图5A的LOE的生产序列的示意性表示；
[0031]图9是图4A的LOE的另一变型实现方式的示意性前视图，在该变型实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于将来自图像投影仪的图像照明朝向用户引导以供观看的光学系统，所述光学系统包括：(a)图像投影仪，用于投影具有围绕光轴的角视场的准直图像，所述准直图像具有投影仪光学孔径；(b)由透明材料形成的光导光学元件LOE，所述LOE包括：(i)第一区域，其包含具有第一取向的第一组平面型的相互平行的部分反射表面；(ii)第二区域，其包含具有第二取向的第二组平面型的相互平行的部分反射表面，所述第二取向不平行于所述第一取向；(iii)一组相互平行的主外表面，所述主外表面跨所述第一区域和所述第二区域延伸，使得所述第一组部分反射表面和所述第二组部分反射表面均位于所述主外表面之间；以及(iv)具有耦入光学孔径的耦入表面，所述耦入表面被定位成使得经由所述耦入表面引入的准直图像通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播，被所述第一组部分反射表面部分反射以生成通过所述主外表面处的内反射在所述LOE内传播的经偏转的传播图像，并且被所述第二组部分反射表面部分反射以生成被从所述主外表面之一向外朝向所述用户引导的耦出图像，其中，所述耦入光学孔径的至少一个尺寸大于所述投影仪光学孔径的相应尺寸，并且其中，所述图像投影仪经由孔径扩展装置与所述耦入表面相关联，所述孔径扩展装置包括部署在所述图像投影仪与所述耦入表面之间的第三组平面型的相互平行的至少部分反射表面，所述孔径扩展装置通过在所述第三组部分反射表面的相继表面处的镜面反射来扩展所述图像投影仪的有效光学孔径以填充所述耦入光学孔径。2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述耦入表面相对于所述主外表面成斜角。3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述孔径扩展装置还包括成对的相互平行的外部面，所述第三组部分反射表面位于所述外部面之间，所述外部面之一被部署成与所述耦入表面成面对关系，在所述外部面与所述耦入表面之间具有空气间隙。4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第三组至少部分反射表面具有按照所述图像照明到达所述第三组至少部分反射表面的顺序相继增大的反射率的第一序列，并且其中，所述第一组部分反射表面具有按照所述图像照明到达所述第一组部分反射表面的顺序相继增大的反射率的第二序列，所述第二序列以小于所述第一序列的最后反射率的反射率开始。5.根据权利要求4所述的光学系统，其中，相继增大的反射率的所述第一序列的最后反射率大于90％。6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，到达所述第一组部分反射表面的所述图像照明的大部分恰好已经经历来自所述第三组至少部分反射表面的一次反射。7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，到达所述第一组部分反射表面的所述图像照明的大部分已经经历来自所述第三组至少部分反射表面的两次反射。8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一区域和所述第二区域不交叠。9.一种用于将来自图像投影仪的图像照明朝向用户引导以供观看的光学系统，所述光学系统包括：(a)图像投影仪，用于投影具有围绕光轴的角视场的准直图像，所述准直图像具有投影
仪光学孔径；(b)由透明材料形成的第一光导，所述第一光导具有第一对相互平行的表面和第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：耶谢，
申请(专利权)人：鲁姆斯有限公司，
类型：发明
国别省市：