CN101013177B - 光导光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学设备，具有至少两个彼此平行的主表面以及边缘的光透射基片；位于所述基片内并且不平行于所述基片的主表面的至少一个部分反射表面，其特征在于至少两个显示光源，和通过内反射将来自所述光源的光耦合进所述基片的光学装置。

Description

光导光学设备

本专利申请是中国专利申请03809089.9号、发明名称为光导光学设备的专利申请的分案申请。 

技术领域

本发明涉及基片导引的光学设备，具体地说，涉及包括由共用的光透射基片承载的多个反射表面的设备，也称为光导。

本发明在很多成像应用领域中实施都具有优势，例如头戴显示器和平视显示器、蜂窝电话、紧凑型显示器、3-D显示器、紧凑束扩展器和非成像应用比如平板指示器、紧凑型照明器和扫描仪。

背景技术

对于紧凑的光学元件，重要的应用之一是应用于头戴显示器中，在这种头戴显示器中一光学模块既用作成像透镜又用作组合器，其中二维显示器被成像在无穷远并被反射进入观察者的眼睛。这种显示器可从空间光调制器(SLM)比如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机光发射二极管阵列(OLED)或者扫描光源和类似的装置直接得到，或者借助于中继透镜或光纤束间接地得到。这种显示器包括由通过准直透镜成像在无穷远并且借助于作为分别用于非透明和透明应用的组合器的反射或部分反射表面被传输进入观察者的眼睛的元件(像素)阵列。通常，传统的自由空间光学模块被用作这些目的。然而，不幸的是，随着该系统所需的视场(FOV)的增大，这种光学模块就变得较重、庞大并且使用起来非常复杂，因此，即使对于中等性能的设备仍然不实用。这是所有类型的显示器尤其是其中系统必须尽可能轻且紧凑的头戴应用中的显示器的主要缺陷。

为紧凑所做出的努力导致了几种不同的复杂的光学方案，然而一方面所有的这些方案对于大多数实际的应用仍然不足够紧凑，在另一 方面，在可制造性方面所有这些方案仍然存在重要的缺陷。此外，由这些设计所产生的光学视角的眼睛运动框(eye-motion-box)通常非常小-一般小于8mm。因此，相对于观察者的眼睛即使光学系统的小的移动，光学系统的性能也对此非常敏感，并且为方便地从这种显示器中读取文字不允许瞳孔充分地运动。

发明内容

本发明有利于尤其是在头戴显示器的应用中的非常紧凑的光导光学元件(LOE)的设计和制造。本发明允许相对较宽的FOV以及相对较大的眼睛运动框值。所得的光学系统提供了也适应眼睛的较大的运动的高质量大图像。本发明所提供的光学系统特别有利，因为它比已有技术的实施方案更加紧凑并且易于组合进即使具有专门结构的光学系统中。

本发明也能够实现改进了的平视显示器(HUD)的结构。由于这类显示器开始于至少三十年以前，故在该领域中已经有了重要的发展。事实上，HUD已经变得普及，如今不仅在所有现代化的战斗机中而且在民用飞行器中HUD都起着重要的作用，在这些应用中HUD系统成为低可见度着陆操作的重要部件。此外，近几年来已经有将HUD安装在汽车应用系统上的许多提议和设计，在那里它们有助于驾驶员驾驶和导航。然而，当前形式的HUD有几个缺点。当前设计的所有的HUD都要求必须提供从位于距组合器一极大的距离处的显示源来确保该显示源照明整个组合器表面。结果，组合器-投影器HUD系统必定笨重而又庞大，并且要求相当大的安装空间，这使得它安装不便，甚至有时使用不安全。常规的HUD的较大的光学孔径也提出了重要的光学设计的挑战，使得HUD要么具有突出的性能，要么导致了高成本，只要要求高性能。特别是高质量的全息HUD的色散是一个问题。

本发明另一个重要的应用涉及在紧凑的HUD中的实施方案，它可克服上述缺点。在本发明的HUD设计中，组合器可被连接在基片上的紧凑显示源照明。因此，整个系统非常紧凑，并且能够被容易地 安装于多种应用领域的各种各样的结构中。另外，该显示器的色散可忽略，因而，可以以包括传统的白光光源的宽频谱源操作。此外，本发明扩展了该图像以使组合器的有效的面积远大于实际上由光源实际照明的面积。

本发明的另一重要应用是提供一种具有真正的三维(3D)视图的大显示屏。在信息技术中当前的研究已经导致越来越需要3-D显示器。实际上，在市场上已经有了各种各样的3-D设备。然而，现有的系统要求用户佩带专用的设备来将用于左眼和右眼的图像分开。这种“半自动观看”系统已经在许多专业应用中断然确定。进一步扩展到它的领域则要求改善观看舒适性的并更加适应双目视觉的机理的“自由观看”系统。已有技术对这种问题的解决方案具有各种缺陷，在图像质量和观看舒适性方面它们具有类似于2-D显示器的缺陷。然而，使用本发明可以实施不要求观看帮助并且容易以标准的光学制造过程制造的真实的高质量3-D自动立体镜。

本发明的再一个应用是提供一种用于移动的手持式应用系统比如蜂窝电话的具有宽FOV的紧凑的显示器。在今天的无线因特网可触及的市场，可以使用足够的带宽用于全视频传输。这种限制因素保持了在终端用户的设备内的显示器的质量。移动性要求限制了显示器的物理尺寸，结果是以较差的图像观看质量的直接显示。本发明能够使在物理上非常紧凑的显示器具有非常大的虚拟图像。这在移动通信中是一个重要特征，特别是用于可移动的因特网访问，这种特征解决了它的实际实施方案中的一个主要局限。因此本发明能够使在较小的手持式设备比如蜂窝电话中观看全格式的因特网页的数字内容。

因此，本发明的各种目的是改进已知设备的缺点并根据特定的需要提供具有改进性能的其它光学部件和系统。

因此，本发明提供一种光学设备，包括具有至少两个主表面和边缘的光透射基片；用来通过全内反射将光耦合进所述基片中的光学装置；和位于所述基片内的至少一个部分反射表面。

本发明提供的光学设备，具有至少两个彼此平行的主表面以及边缘的光透射基片、位于所述基片内并且不平行于所述基片的主表面的至少一个部分反射表面，其特征在于：显示光源的阵列，其中，所述显示光源的阵列与所述基片的主表面相邻地设置，并且，所述显示光源的阵列通过透镜的相关阵列准直，从而形成准直图像；和通过全内反射将来自所述光源的光耦合进所述基片的光学装置。

附图说明

参考下面的实例性附图并结合某些优选的实施例描述本发明以便更完整地理解本发明。

在详细地具体参看附图时，应当强调的是所表示的细节是作为实例，仅仅是为了图解讨论本发明优选实施例的目的，而且是为了提供被认为是对本发明原理和概念上细节描述最有益和最易于理解的内容。在这点上，没有给出比基本理解本发明所需更详细的结构细节。带有附图的说明被用来指导本领域普通技术人员在实际中如何以几种形式实施本发明。

在附图中：

附图1是现有技术的折叠式光学设备的一般形式的侧视图；

附图2是根据本发明的示例性的光导光学元件的侧视图；

附图3A和3B说明对于两个入射角范围在本发明中使用的有选择性地反射表面的理想的反射和透射特性；

附图4所示为示例性分色镜涂层的波长函数的反射曲线；

附图5所示为示例性分色镜涂层的入射角度函数的反射曲线；

附图6所示为另一分色镜涂层的波长函数的反射曲线；

附图7所示为另一分色镜涂层的入射角度函数的反射曲线；

附图8所示为根据本发明的反射表面的示意性剖面图；

附图9A和9B是说明有选择性反射表面的示例性阵列的详细剖面图的附图；

附图10所示为有选择性反射表面的示例性阵列的详细剖面图的视图，其中薄的透明层粘合在光导光学元件的底部；

附图11所示为对于不同的视角从有选择性反射表面的示例性阵列反射的详细剖面视图；

附图12所示为利用旋转入射光的偏振的半波片根据本发明的示例性装置的剖视图；

附图13所示为表示作为在投影显示器的图像上的FOV函数的亮度的模拟计算的两个曲线和外部(透明的)景象；

附图14所示为具有根据本发明的四个部分反射表面的阵列的光导光学元件(LOE)构造的附图；

附图15所示为根据本发明的另一实施例具有四个部分反射表面的阵列的光导光学元件构造的附图；

附图16所示为利用了双LOE构造沿两个轴扩展束的方法的附图；

附图17所示为根据本发明的设备的侧视图，利用了液晶显示器(LCD)光源；

附图18所示为根据本发明的准直和折叠的光学元件的光学设计的附图；

附图19所示为根据本发明在准直透镜的前表面上耦合进基片的光的覆盖区的附图；

附图20所示为根据本发明的光学设计的等效的展开的附图；

附图21所示为利用两对平行的反射镜实现较宽的视场根据本发明的光学设计的附图；

附图22A是根据本发明扩展光的变型结构的顶视图，22B是侧视图；

附图23所示为在标准眼镜玻璃框上嵌入本发明的示例性实施例；

附图24所示为在可移动的手持式设备比如蜂窝电话内实施本发明的实施例的示例性方法的附图；

附图25所示为根据本发明的示例性HUD系统；

附图26所示为其中以显示器源阵列照亮光导光学元件的本发明的示例性实施例；

附图27-29所示为根据本发明将三维图像投影到观看者的眼睛的成像系统的示例性实施例的附图；

附图30所示为星光放大器(SLA)设备的常规实施方案的实施例；

附图31所示为使用根据本发明的设备的星光放大器(SLA)的改善的实施方案的示例性实施例；

附图32所示为利用具有常规的照亮设备的反射液晶显示器(LCD)显示源的根据本发明的设备的侧视图；

附图33所示为利用其中光导光学元件用于照亮显示源的反射液晶显示器(LCD)显示源的根据本发明的设备的侧视图；

附图34所示为制造部分反射表面的阵列的可能的方法；

附图35所示为根据本发明制造有选择性反射表面的阵列的方法的附图；

附图35所示为利用两个棱镜测量涂敷片在两个不同的角度上的反射率的测量结构的附图；

附图36所示为进一步运用折叠式棱镜来使第二输出束与入射输入束对准并利用两个棱镜测量涂敷片在两个不同的角度上的反射率的测量系统的附图。

具体实施方式

图1所示为常规的折叠式光学结构，其中基片2被显示源4照明。该显示通过准直透镜6准直。来自显示源4的光通过第一反射表面8被耦合进基片2内以使主光线10平行于基片平面。第二反射表面12将此光耦合出基片并进入观察者14的眼睛中。尽管这种结构紧凑，但是它仍然存在一些严重的缺点，尤其是仅能实现非常有限的FOV。如图1中所示，基片内最大允许的离轴角是：

${\mathrm{\α}}_{\max }=\arctan \left[\frac{T-d_{\mathrm{eye}}}{2l}\right]$            (1)

其中

T是基片厚度；

d_eye是所需的出瞳直径，和

l是反射表面8和12之间的距离。

在角度大于α_max时，光线在到达反射表面12之前就被从基片表面反射。从而，反射表面12在不希望的方向上被照明，并且产生重象。

因此，这种结构下可实现的最大视场是：

FOV_max≈2vα_max    (2)

其中v是基片的折射率。

通常折射率的值在1.5-1.6范围内。

一般，眼瞳孔的直径是2-6mm。然而，为了适应显示器的移动或不对准，需要较大的出瞳直径。取最小所需的值为大约8-10mm，在眼睛的光轴和头部侧面之间的距离l通常在40和80mm之间。因而，即使对于8°的小FOV，所需的基片厚度大约是12mm。

已经提出一些方法来克服上述的问题。这些方法包括利用基片内的放大望远镜和非平行耦合方向。然而，即使用这些解决方法，即使仅考虑一个反射表面，该系统的厚度仍然受到类似的值的限制。FOV受限于在基片平面上反射表面12投影的直径。由于这种限制，从数学上，最大可实现的FOV表示为：

$\mathrm{FO}{V}_{\max }\≈\frac{{T\tan \mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}}-d_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}}$                          (3)

其中α_sur是反射表面和基片平面法线间的角度，和

R_eye是观察者眼睛和基片间的距离(一般是约30-40mm)。

在实际中，tanα_sur不能比1大得太多；从而，对于如上所述8°的FOV的相同的参数，在此所要求的基片厚度大约是7mm，它是对先前的限制的改进。然而，当所需的视场增大时，基片厚度迅速增加。例如，对于15°和30°的所需的FOV，基片限制厚度分别是18mm或25mm。

为了克服上述的限制，本发明采用在光导光学元件(LOE)内制造的有选择性反射表面的阵列。图2说明根据本发明的LOE的剖视图。第一反射表面16被从位于该设备后的光源(未表示)发出的准直的显示18照射。该反射表面16反射来自光源的入射光，以通过全内反射将该光截获在平面基片20内。在从基片进行几次反射之后，被截获的波到达将从基片出来的光耦合进观察者24的眼睛中的选择性反射表面22的阵列。假定该光源的中心波沿垂直于基片表面26的方向被耦合出基片20，并且在基片20内耦合波的离轴角度是α_in，那么反 射表面和基片平面法线间的角度α_sur2是：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}2}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}}{2}---\left(4\right)$

从图2可以看出，被截获的光线从两个不同的方向28、30到达反射表面。在该特定的实施例中，该被截获的光线在从基片表面26经过偶数次反射之后自这些方向中的一个方向28到达反射表面，其中被截获的光线和反射表面法线间的入射角β_ref是：

被截获的光线从基片表面26经过奇数次反射之后自第二个方向30到达反射表面，其中离轴角是α_in′＝180°-α_in，并且被截获的光线和反射表面法线间的入射角是：

为了避免不希望的反射和重象，重要的是该两个方向中的一个方向上的反射被忽略不计。幸运的是，如果一个角度显著小于另一个角度，那么就能得到该两个入射方向间的所期望差别。先前提出了对这种需求的两种解决方案，这种两个方案利用了S-偏振光的反射特性，然而，这两种方案都存在缺陷。第一种方案的主要缺陷是实现可接受的FOV要求相当大数量的反射表面。第二种结构的主要缺陷是具有α_in的内部角度的光线的不希望的反射。目前已经描述了一种变型方案，这种变型方案利用P-偏振光的反射特性，在某些情况下也利用s-偏振光，并且提供了更浅的反射表面倾斜以使对于给定的应用要求更少的反射表面。

作为S-和P-偏振光的入射角度的函数的反射特性不同。例如考虑空气/冕牌玻璃界面，虽然两个偏振在零入射时反射4％，在边界上的S-偏振光入射的菲涅耳反射单调上升并在切线入射上达到100％，P-偏振光的菲涅耳反射在布儒斯特角度上降低到0％，并且然后上升在切线入射上达到100％。因此，对于s-偏振光，可以设计在斜入射上具有高反射和在法线入射上具有几乎零反射的涂层。此外，对于P-偏振光，也已经设计在高入射角度上具有很低的反射而对于低入射角 度具有高反射的涂层。可以利用这种特性通过消除两个方向中的一个方向上的反射来防止如上文所述的不希望的反射和重象。例如从公式(5)和(6)中选择β_ref～25°，可以计算：

β＇_ref＝105°；α_in＝130°；α′_in＝50°；α_sur2＝65°    (7)

如果现在确定β＇_ref没有被反射但β_ref被反射的反射表面，则实现了理想的条件。附图3A和3B所示为有选择性反射表面的理想的反射特性。虽然具有β_ref～25°的离轴角度的光线(附图3A)被部分地反射并从基片34耦合出，但是在β＇_ref～75°的离轴角度(它等效于β＇_ref～105°)上到达反射表面的光线36(附图3B)通过反射表面34透射而没有任何显著的反射。

图4所示为对于四个不同的入射角：20°、25°、30°和75°(它们全部都是用于P-偏振光)被设计成实现上述的反射特性的分色镜涂层的反射曲线。在大角度光线的反射对于整个相应光谱可忽略的同时，在相同光谱上在20°、25°和30°的离轴角下的光线分别几乎得到了恒定的反射率26％、29％和32％。显然,反射率随着入射光线的倾斜而增加。

附图5所示为作为波长λ＝550nm的P-偏振光的入射角度的函数相同的分色镜涂层的反射曲线。显然，在这个曲线中具有两个重要的区段：在50°和60°之间反射率较低的区段和在15°和40°之间反射率随着入射角单调增加的区段。因此，对于给定的FOV，只要可以确保所需的非常低的反射率的β＇_ref的整个角度频谱位于在第一区段内同时要求更高的反射的β_ref的整个角度频谱位于第二区段内，就可以确保仅将一个基片模型反射进观察者的眼睛中并且确保无重象。

至此，仅分析了P-偏振光。对于使用偏振显示源的系统(比如液晶显示器(LCD))或者其中输出亮度不是关键并且滤去S-偏振光的系统这种处理足够。然而，对于未经偏振的显示源，比如CRT或OLED，亮度是关键，S-偏振光不能被忽略并且在设计的过程中必须考虑它。幸运的是，虽然比P-偏振光更富于挑战性,但是对于如上文所讨论的S-偏振光也可以设计具有相同的特性的涂层。即，对于β＇_ref 的整个角度频谱具有很低的反射率和对于β_ref的相应的角度频谱具有更高的预定的反射的涂层。

附图6和7所示为参考附图4和5上文所述的相同的分色镜涂层的反射曲线，但现在是用于S-偏振光。显然，在两种偏振的特性之间存在某些差别：对于S-偏振，反射率很低的高角度的区段窄得多；对于S-偏振光在整个频谱带宽上对于给定实现恒定的反射率比对于P-偏振光难得多；最后，在要求更高的反射的β_ref的角度频谱上的S-偏振光的单调特性与P-偏振光的特性相反，即S-偏振光的反射率随着入射光线的倾斜度增加。显然，在系统的光学设计的过程中可以利用两个偏振在β_ref上的角度频谱上的这种矛盾的特性来根据每种系统的特定的要求实现在整个光上的理想的反射率。

很明显，第一反射表面16(附图2)的反射率应当尽可能高，以便将来自显示源的光尽可能多地耦合在基片上。假定光源的中心波垂直入射在基片上，即α₀＝180°，那么第一反射表面和基片平面法线间的角度α_sur1是：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}1}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}+{\mathrm{\α}}_0}{2};$ ${{\mathrm{\α}}^{\′}}_{\mathrm{sur}1}=\frac{{{\mathrm{\α}}^{\′}}_{\mathrm{in}}+{\mathrm{\α}}_0}{2}$                     (8)

在上述的实例中α_sur1和α′_sur1的解分别是155°和115°。

图8表示反射表面16的侧视图，该反射表面耦合来自显示源(未表示)的光38并通过全内反射将其截获在基片20内。如此处所描绘，该反射表面在基片表面40上的投影S₁是：

S₁＝T·tan(α)，    (9)

其中T是基片厚度。

α＝α＇_sur1的解是优选的，这是由于在上面的实例中在该基片表面上的耦合面积比先前的解的耦合面积大4.5倍。对于其它的系统保持类似的改进比率。假设此耦合波照射整个反射表面区域，则从表面16反射之后，该耦合波照射基片表面上2S₁＝2Ttan(α)的面积。另一方面，该基片平面上反射表面16的投影是S₂＝Ttan(α_sur2)。为了避免反射表面间的交叠或间隙，每个表面的投影都邻近其相邻表面的投影。从而,在一个循环周期(即，在从基片相同表面的两次反射之间)中每个被 耦合光线通过的反射表面22的数目N是：

$N=\frac{{2S}_1}{S_2}=\frac{2T\·\tan \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}1}\right)}{T\·\tan \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}2}\right)}---\left(10\right)$

在本实例中，在α_sur2=65°，α_surl=ll5°时，解是N＝2；也即，在一个循环过程中每条光线通过2个不同的表面。这是对我们先前公开的方案的原理性改变和重要的改善，其中每个光线通过在一个循环周期中通过了6个不同的表面。对于给定的FOV要求减小反射表面的数量的能力涉及将反射表面投影在观看平面上一因为在本公开方案中的角度越大，需要更少的反射表面跨越在图像尺寸上。允许更少的反射表面简化了LOE的实施方案并且确保了在其制造中重要的成本节省。

上文描述的关于附图8的实施例是将输入波耦合进基片的方法的实例。然而，输入波也可借助于其它光学装置被耦合进基片，包括(但不限于)折叠式棱镜、光纤束、衍射光栅以及其它方案。

同样，在如附图2所示的实例中，输入波和图像波均位于基片的相同一侧。然而，也可以设计其中输入波和图像波位于基片的相对侧上的其它的结构。在某些应用中还可以将输入波通过基片的一个外周侧边耦合进基片。

图9A是将在基片内截获的光耦合进观察者的眼睛中的有选择性反射表面的阵列的详细剖面视图。正如所示，在每个循环中，被耦合光线都通过反射表面42，具有α’_in=1300的方向，由此在光线和反射表面的法线之间的角度是～75。，且来自这些面的反射可忽略不计。另外，在每个循环周期中光线两次通过具有α_rin＝50°的反射表面44，这里入射角是25°并且光线的部分能量被耦合出基片。假设仅使用一个阵列的有选择性反射表面22来将光耦合在观察者的眼睛上，则最大FOV是：

${\mathrm{FOV}}_{\max }\≈\frac{2T\tan {\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}1}-d_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}}---\left(11\right)$

因此，对于上面的实例的相同参数，对于8。的FOV的极限基片厚度是大约2．8mm；对于15°和30°的FOV，极限基片厚度分别是 3.7mm和5.6mm。与比上面讨论的已有技术的解的有效厚度相比存在更加合理的值。此外，可以使用多于两个的有选择性反射表面。例如，对于三个有选择性反射表面22，15°和30°的FOV的极限基片厚度大约分别为2.4mm和3.9mm。除了上述优点之外引入类似的附加反射表面可以进一步减少极限光学厚度。

对于其中要求相对较小的FOV的结构，单个的部分反射表面可能足够。例如，对于具有如下参数的系统：R_eye＝25mm；α_sur＝72°和T＝5mm，甚至通过单个反射表面22可以实现中等的17°的FOV。部分光线在耦合进所需的方向之前与表面22交叉几次。由于在基片内对于BK7或类似的材料实现全内反射条件的最小传播角度是α_in(min) ＝42°，因此FOV的中心角度的传播方向是α_in(cen)＝48°。因此，投影图像不垂直于该表面而是倾斜到12°的离轴。然而，对于许多应用这是可接受的。

如图9B所示，每个有选择性反射表面都被不同能量的光线照射。在光线被从基片20的下表面48反射后即照射右表面46的同时，左表面50被已经通过部分反射表面46的光线照射，因此该光线具有较低的能量。为获得具有均匀亮度的图像，要求对在图像的不同部分之间的强度差别进行补偿。实际上，用两种不同的涂层涂覆反射表面，由此表面46的反射率将低于表面50的反射率，以便补偿这种非均匀照射。

在所得的图像中另一可能的非均匀性可能由每个都到达有选择性反射表面的不同光线的不同反射顺序引起：某些光线直接到达而没有从有选择性反射表面反射；另外的光线在一次或多次这样的反射之后到达。这种效果在附图9A中示出。光线在点52上第一有选择性反射表面22交叉。光线的入射角度是25°并且光线的能量的一部分耦合出基片。然后光线以75°的入射角度在点42上与相同的有选择性反射表面交叉而没有明显的反射，然后如25°的入射角度在点54上交叉，在这里另一部分光线能量从基片耦合出。与在附图9B中所示的光线相反，仅经历从相同的表面反射一次。我们注意到在更小的入射角度 上发生多次反射。因此，补偿由这种多交叉引起的非均匀性的一种方法是设计反射率随着入射角的降低而单调地增加的涂层，如在附图5的范围10-40°的反射率所示。难以完全补偿在多交叉效应中的这种差值。然而，在实际中，人眼能够容允亮度的极大变化而觉察不到。对于近视显示器，眼睛综合了从单个视角发射的所有的光并将它聚集在视网膜上的一个点上，因为眼睛的响应曲线是对数式，因此如果在显示器的亮度上存在任何较小的变化都不容易看见。因此，即使在显示器内的亮度的均匀性适当地变化，人眼仍然感觉到高质量的图像。所要求的适当的均匀性可利用LOE容易实现。

然而，对于在距离眼睛一定的距离内的显示器，比如平视显示器，由多次交叉引起的非均匀性不能容允。对于这种情况，要求一种克服非均匀性的更加系统的方法。附图10所示为一种可能的方法。具有厚度T_add的薄透明层55接合在LOE的底部上。在这种结构设置中，根据附图9A以25°入射的示例性光线在三个点上与第一有选择性反射表面22交叉，与这个表面仅交叉两次并仅反射一次：在点52上。这样，不会发生两次反射的效果。厚度T_add可以被计算为使光学系统的整个FOV的两次反射效果最小。例如，对于具有下面的参数的光学系统：FOV＝24°；α_sur＝64°；α_in＝52°；v＝1.51和T＝4mm，应该增加具有T_add＝2.1的厚度的层以完全消除不希望的两次通过的效应。显然，LOE的总的厚度现在是6.1mm而不是4mm，但对于其中组合器相对较大并且对于LOE要求机械强度的HUD系统，增加的厚度未必是个缺陷。可以在LOE的顶部甚至在基片的两侧上增加透明层，其中根据光学系统的具体要求设定精确的结构。对于所提出的构造，不管T_add的厚度是多少，至少某些光线与系统的有选择性反射表面交叉两次。例如，附图10中，在具有25°的入射角的点52上光线通过第一反射表面22一次，其中一部分的光线的能量耦合出基片，在75°的入射角上通过一次但没有明显的反射。显然，仅仅第一次交叉对由LOE形成的图像具有贡献。

在考虑视角时所得的图像的不同部分从部分反射表面的不同部 分发出，附图11示出了这种效果：基于所提出的结构的紧凑的LOE显示系统的剖视图。在此表示特定的视角58的单个平面波56仅照亮部分反射表面22的整个阵列的一部分。因此，对于在部分反射表面上的每个点，确定标称视角，并且根据这个角度设计反射率。

如下地执行LOE的各种部分反射表面的涂层设计：对于每个特定的角度，从指定的眼睛瞳孔60的中心到部分反射表面绘制光线(考虑由斯涅尔定律引起的折射)。所计算的方向设定为标称入射方向，根据该方向并且还考虑与这个特定的视角相关的先前的反射率设计特定的涂层。因此，对于每个视角，来自相关的表面的平均反射率非常接近所需的反射率。此外，如果要求的话，给LOE增加具有厚度T_add 的层。

具有不相同的有选择性反射表面的LOE具有两种结果。在透明系统中，比如在飞行员的头戴显示器中，在这种系统中观看者将通过LOE看到外部景象，因此有选择性反射表面的反射率应该相对较高。由于这里反射系数对于所有的有选择性反射表面不同，因此存在的危险是这将也使通过基片观看的外部景象具有非均匀图像。在其它的情况下，这种可能的非均匀性是关键的，补偿的非均匀涂层可以增加到基片的外部表面上以补偿基片的非均匀性并实现在整个FOV上的均匀亮度的视图。

在非透明的系统中，比如虚拟显示显示器，基片是不透明的并且系统的透射不重要。然而，在这种情况下，反射率比之前更大，必须注意确保足够的强度通过第一反射表面以便在整个FOV上实现均匀的亮度。应该考虑的另一个问题是光的偏振。如上文所讨论，对于有选择性反射表面涂层，优选P-偏振光。幸运的是，某些紧凑的显示源(例如向列型液晶显示器)都是线性偏振。这也应用到其中使显示源设置成入射光相对于反射表面S-偏振的情况。在这种情况下，可以设计S-偏振光的涂层或者可替换地以半波片旋转源的偏振。如附图12所示，从显示源4发出的光被线性地S-偏振。通过使用半波片62，旋转偏振以使所需的P-偏振光入射在耦合的反射表面22上。

为说明典型的透明系统的预期性能，已经进行了计算机模拟，计算投影的显示器和外部景象两者的亮度。该系统具有如下的参数：T＝4.3mm；T_add＝0；α_in＝50°；FOV＝24°；R_eye＝25mm；v＝1.51；显示源被S-偏振，有两个有选择性反射表面，以及标称反射率是22％。附图13所示为模拟结果，归一化到所请求的标称值。在两个曲线图中有某些小的波动，但这些变化在近视应用中不显著。

至此，已经讨论了沿ξ轴的FOV。沿正交的η轴的FOV也应该考虑。沿η轴的FOV不取决于有选择性反射表面的大小或数量，但取决于沿耦合到基片的输入波的η轴的横向尺寸。η轴的最大的可实现的FOV是：

$\mathrm{FO}{V}_{\max }\≈\frac{D_{\mathrm{\η}}-d_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}+l/\left(v\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}\right)}$                    (12)

其中D_η是沿耦合进入基片的输入波的η轴的横向尺寸。

也就是说，如果所需的视场是30°，那么通过采用与以前使用的相同参数，极限横向尺寸是42mm。以前已经证明，沿耦合进入基片的输入波的ξ轴的横向尺寸由S₁＝Ttan(α_in)给定。厚度为T＝4mm的基片得到S₁＝8.6mm。表面上看，LOE的横向宽度是纵向尺寸的5倍。即使对于4∶3的纵横比(同样的视频显示)并且沿η轴的视场是22°，则必需的横向尺寸大约是34mm，仍然是纵向尺寸的4倍。这种非对称性产生的问题是：要求具有高数值孔径的准直透镜或非常大的显示源。在任何情况下，应用这种数字值大小，不可能得到所需的紧凑系统。

解决这个问题的一种替代方法表示在图14中。不使用仅沿ξ轴的反射表面22的阵列，而是沿η轴设置另一反射表面22a、22b、22c、22d的阵列。这些反射表面被定位垂直于基片20沿ξ轴和η轴二等分线的平面。确定这些反射表面的反射率以获得均匀的出射波。例如，对于四个反射表面，对于第一反射表面22a、第二反射表面22b、第三反射表面22c和第四有反射表面22d，表面的反射率应该分别为75％、33％、50％和100％。这种结构产生了波前序列，每个波前序列的入射强度为25％。通常，对于S-偏振光这种反射表面阵列容易设计。幸 运的是，对与部分反射表面22a-22d相当地S-偏振的光进行与部分反射表面22相当的P-偏振。因此，如果以S-偏振影响在η轴中的图像的垂直展开，则不需要半波片来旋转在ξ轴上的水平扩展器上的光的偏振。在阵列组件22和22a-22d中所示的结构仅仅是例子。根据光学系统和所需的参数，其它用来增加沿两轴的光波横向尺寸的配置也是允许的，它们将在下文中描述。

附图15所示为沿η轴扩展束的变型方法。在这种结构中对于S-偏振光表面22a、22b和22c的反射率是50％，这里22d是简单的100％反射镜。虽然这种方案的垂直扩展的横向尺寸大于先前的结构，但是仅要求一种简单的有选择性反射涂层并且整个结构容易制造。一般地，对于每个特定的光学系统，根据特定的系统的要求可以选择沿η轴扩展束的精确的方法。

假设在从反射表面22a-22d反射之后，对称的准直透镜6沿η轴的横向尺寸由S_η＝NTtan(α_in)给出，其中N是反射表面的数目。现在沿η轴的最大可获得的FOV是：

${{\mathrm{FOV}}^{\mathrm{\η}}}_{\max }\≈\frac{S_{\mathrm{\η}}{d}_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}+l/\left(v\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}\right)}=\frac{\mathrm{NT}\tan \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}\right)-d_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}+l/\left(v\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{in}}\right)}$                        (13)

由于反射阵列22a-22d可被定位在眼睛附近，因此可以预计在反射表面间的距离l将小于先前的实例。假设l＝40mm，并选择参数：T＝4mm；N＝4；α_in＝65°；R_eye＝25mm和v＝1.5，则所得的FOV是：

FOV^η _max≈30°    (14)

这个结果优于先前上文得到的值。

附图16所示为利用双LOE结构扩展沿两个轴的束的另一方法。通过第一反射表面16a输入波耦合进第一LOE 20a，然后沿ξ轴传播。部分反射表面22a将光耦合出20a，然后通过反射表面16b耦合进第二20b。然后光沿η轴传播，然后通过有选择性反射表面22b耦合出。如图所示，原始的束沿两个轴扩展，其中总的扩展由分别在元件16a和22b的横向尺寸之间的比率确定。在附图16中给出的结构正好是双LOE设置的一个实例。将两个或多个LOE组合在一起以形成复杂的光学系统的其它结构也是可以的。例如，三个不同的基片(每个基片 的涂层被设计成用于三种基本颜色中的一种)可以组合以形成三色显示系统。在这种情况下，每个基片相对于其它的两种颜色透明。这种系统对于其中要求三种单色显示源的组合以形成最终的图像的应用有用。有许多其它的实例，在这些实例中将几个基片组合在一起以形成更加复杂的系统。

要解决的另一问题是系统的亮度。这个问题对于透明应用系统比较重要，在这种应用系统中希望显示器的亮度与外部景象的亮度相当以允许可接受的对比率和通过组合器方便观看。确保大部分系统的插入损失很小是不可能的。例如，如上文所描述对于附图14的四表面组合器，因为沿η轴所要求的束扩展的缘故，光学波的亮度减小四倍。一般地对于N-反射表面亮度减小N倍。在原理上高亮度显示源可以消除这种困难，但这种方法必然具有实际的局限。不仅高亮度显示源非常昂贵，而且它们也具有与非常高的电流相关的高功率消耗。此外，在大部分显示器中，存在对可实现的最大亮度的固有的局限。作为实例，对于当前用于小显示器使用最多的显示源的透射LCD，限制背照亮光功率以避免降低显示器的分辨率和对比率的不希望的影响比如闪烁。因此，要求其它的方法来使来自光源的可用光的使用最佳化。

改善达到观看者的眼睛的显示器的亮度的一种可能的方法是根据观看者的眼睛运动框(EMB)控制LOE的反射表面22的反射率。如附图11所示，有选择性反射表面22的整个阵列的每个反射表面仅通过整个FOV的一部分照亮。因此，每个表面的反射率可以被设定成使整个FOV的亮度最佳。例如，在附图11中的右表面22a的反射率被设计成对于FOV的右边部分具有更高的反射率，而对于FOV的左边部分具有最低的可能的反射率，同时对于FOV的左边部分左表面22b具有更高的反射率。类似的设计方法可应用于二维扩展系统。假设η是在附图16中的垂直轴，反射表面22a的反射率可以被设计成使对于FOV的更低的部分下表面具有更高的反射率，而对于FOV的更高的部分具有最低的可能的反射率，同时对于FOV的上部分上表面具有更高的反射率。因此，其中由于横向扩展的缘故亮度被减小 的倍数可能比R小得多，这里R是在耦入表面16a和耦出表面22b的面积之间的比率。

改善系统的总体亮度的另一方法是通过控制显示源的亮度而不改变输入功率。如上文附图11所示，通过反射镜16耦合在基片20上的能量的一大部分反射进眼睛瞳孔60的附近。然而，为使可实现的亮度最大，理想的是从显示源发射出的光大部分耦合进基片。

附图17所示为显示源是透射LCD的基片型显示器的实例。从光源64发射并通过透镜66准直的光照亮LCD 68。来自LCD的图像通过光学部件70准直并反射到基片20。附图18所示为准直/折叠式透镜70的光学设计，而附图19所示为在透镜70的前表面上耦合进基片20的光的覆盖区。通常，对于大多数显示源，从显示器中发出的光的存在兰伯特(Lambertian)分布。即，能量非均匀地分布在2π球面度的整个角频谱。然而，如附图18和19所示，从显示源中发出的仅仅一小部分的光实际地耦合进基片20。从在显示表面上的每个点源中，仅仅～20-30°的小锥形的光实际照亮在前表面72上的覆盖区并耦合进基片20。因此，如果从显示器发出的光都集中在这个锥形里则可以实现亮度的极大增加。

实现在光源亮度上的这种方向性的一种方法是使用专用于LCD的有选择性的扩散器。通常，常规的扩散器均匀地散射在所有的方向上的光。可替换地，有选择性的扩散器可以扩展光以使来自每个点源的光分散到所要求的角锥中。在这种情况下，LCD表面照亮的功率仍然保持相同。对于20-30°的锥形，与兰伯特源的π球面度相比，每个点源的光的分散角度减小超过50倍，光的亮度增加相同的倍数。因此，通过最小的设计和制造努力并且不增加相同的功率消耗，可以实现相同的亮度的极大改善。

不仅适合于LCD而且适合于其它的显示源的一种变型方案是使用与显示源的像素对准的微透镜阵列。对于每个像素，微透镜使从该像素发出到所需的角锥的发散束变窄。实际上，这种方案只有当像素的填充系数是较小的数量时才有效。这种方案的改善方式是设计在像 素阵列中的像素的发射分布功能以使每个像素发散到所要求的角度。例如，在OLED显示器中，通常做出努力以增加单个的LED的发散角以允许从较宽的角度观看。然而，对于四个特定的LOE显示应用系统，有利的是保持这种发散角较小，即大约20-30°，以使系统的亮度最佳化。

如上文参考附图14和15所描述，沿垂直η方向也可以实现宽的FOV而不显著地增加系统的体积。然而，还存在这种方案不够的如下的情况。特别是对具有很宽的FOV和对在耦入反射表面16和耦出有选择性反射表面22之间的距离l的限制的系统是这样。附图20所示为具有如下参数的展开的光学系统：l＝70mm；T＝4mm；α_in＝65°；R_eye＝24mm；v＝1.51，眼睛运动框(EMB)是10mm并且所要求的垂直FOV是42°。如果跟踪来自EMB 74的光线，我们发现光通过在耦出光学设备22上的EMB的投影，其中76、78和80分别是FOV的上部、中央和下部角度的投影。这意味着为实现所需的FOV所要求的耦入孔82是65mm；这是必定增加整个系统的尺寸的非常大的孔径，即使基片仍然保持薄片。可替换地，只要40mm的更小的孔84允许，则可实现的垂直的FOV 86落在23°，它是所要求的FOV的几乎一半。

附图21所示为对这个问题的解决方案。不使用单个矩形片20，而是将片的两个水平边缘分别以两对平行的反射表面88a、88b和90a和90b替换。虽然FOV的中央部分直接通过孔84投影，如前文所述，但是来自FOV的下部的光线从表面88a和88b反射，同时来自FOV的上部的光线从表面90a和90b反射。通常，在基片里面截获的光线和反射表面88和90之间的角度足够大以实施全内反射，因此对于这些表面不要求特定的反射涂层。由于所有的光线从输入孔直接行进或者从一对平行表面反射两次，因此保持了每条光线的原始方向，并且不影响原始图像。

实际上，重要的是确保通过表面88a所反射的每条光线在撞击到孔84之前也由表面88b反射。为证实这个，检查两个光线路径就足够：在点94上入射在表面88a上的极限角92的边缘光线必须撞击在表面 88b到它与表面90a的交点98的右边；此外，入射紧接着在它与表面90b的交点98的表面88a上的边缘光线96必须在它与孔84交叉之前必须撞击在表面88b上。由于两个边缘光线都复符合要求，因此入射在表面88a上的来自FOV的所有的光线必定也撞击在表面88b上。对于42°的FOV本实例能够使输入孔极大地减小84：40mm。显然，在l非常大的情况下，两对或更多对的反射表面的并排可用于实现所需的FOV，同时保持可接受的输入孔。

附图21的实施例正好是说明这种方法的简单实施方案的实例。对于给定的FOV为减小该系统的孔或者可替换地对于给定的孔为增加可使用的FOV，使用平行的反射表面对并不限于基片型光学设备，在其他的光学系统中也可以使用，这些光学系统包括(但不限于)自由空间系统象平视显示器、反射幻灯机潜望镜。

显然，如上文参考附图21所描述，基片的输入孔的横向尺寸沿η轴是40mm，而沿ξ轴是8.5mm。附图22A和22B所示为上文参考附图14-15描述的变型实施例。这种方法包含在对称的准直透镜16和非对称输入孔之间的调整。输入孔的横向尺寸假设沿两个轴分别为D和4D。具有2D的孔的透镜6将图像准直在基片上。前半部分的准直的光通过镜子16a耦合进基片。两对平行反射表面22a、22b和22c和22d将耦合的光朝外分束，然后将其反射回它的原始方向。后部分的经准直的光通过基片20，然后通过棱镜99折回到基片。第二镜子16b将折回的光耦合到基片。显然，按照要求，输入孔的横向尺寸沿两个轴分别是D和4D。

上文参考附图22所描述的方法具有某些优点。该系统绕η轴对称，并且更重要的是，没有光强度损失。这种方法仅仅是一个实例，其它将对称的输入束转换为非对称耦合的光束的类似的方法也是可以的。沿η轴扩展图像的适合的结构要求仔细分析系统的技术规范。

一般地，上文考虑的光导光学元件的所有的不同的结构相对于显示应用的变型紧凑的光学设备具有几种重要的优点，它们包括：

1)输入显示源可以非常靠近基片，因此整个光学系统非常紧凑 并且重量轻，提供了不平行的形状系数。

2)与其它的紧凑的显示器结构相反，本发明提供了相对于输入显示源目镜定位的灵活性。结合将显示源定位在靠近扩展基片的能力，这种灵活性使得不需要使用其它的显示器系统普通使用的离轴光学构造。此外，由于LOE的输入孔比输出孔的有效面积更小，因此准直透镜6的数字孔径比相当的常规的成像系统所要求的小得多。因此，可以实施非常方便的光学系统，并且与离轴光学设备和高数值孔径透镜相关的许多困难比如场或色差都可以相对容易且有效地补偿。

3)在本发明中有选择性反射表面的反射系数在整个相关的频谱上基本相同。因此，不管单色还是多色光源都可用作显示源。LOE具有可忽略的波长依赖性，这确保了具有高分辨率的高质量的彩色显示。

4)因为来自输入显示器的每个点变换到平面波，该平面波从反射阵列的大部分反射到观察者的眼睛，所以可以极大地放松对眼睛的精确位置的容差。这样，观察者可以看到整个视场，并且眼睛运动框比其它的紧凑的显示器结构大得多。

5)由于来自显示源的大部分强度耦合进基片，并且因为大部分这种耦合的能量是“再循环”的并耦合进观察者的眼睛，因此甚至以具有较低的功率消耗的显示源也可以实现相对较高的亮度的显示器。

附图23所示为其中LOE 20嵌入在眼镜框100中的本发明的一种实施例。显示源4、准直透镜6和折叠式透镜70组装在眼镜框的臂部102中，正好紧接着LOE 20的边缘。对于其中显示源是电子元件比如小的CRT、LCD或者OLED的情况，显示源的驱动电子设备104可以组装在臂102的后部里面。电源和数据接口106通过导线108和其它的通信装置包括无线电或光学传输连接到臂102。可替换地，电池和微型数据链接电子设备可集成在眼镜框中。

上文描述的实施例在透明和非透明的系统中都有用。在后一情况下不透明的层位于LOE的前面。不需要封闭整个OLE，通常仅仅其中显示是可见的有效面积需要被阻封。这样，该设备可以确保维持用户的外围视觉，重现计算机或电视显示屏的观看体验，在这些设备中 外围视觉起重要的感知功能。可替换的是，在该系统的前面放置可变滤光器以使观察者可以控制从外部景象发出的光的亮度级。这种可变的滤光器可以是机械控制的设备比如折叠式滤光器或者是两个旋转偏振器、电子地控制的设备或者甚至是自动设备，由此滤光器的透射率由外部背景的亮度确定。

关于在本实施例中利用LOE的精确方式有几种变型方案。最简单的选择是使用用于一个眼睛的单个元件。另一选择是使用用于每个眼睛的元件和显示源，但具有相同的图像。可替换地，可以投影相同的图像的不同的部分，并且在两个眼睛之间有一定的重叠，使FOV更宽。再一种可能选择是投影两个不同的景象，每眼睛一个，以便形成立体图像。应用这种变型，引人注目的实施方案是可能的，包括3-维电影、高级的虚拟现实、训练系统等。

附图23的实施例正好是说明本发明的简单实施方案的实例。由于构成该系统的核心的基片引导光学元件是非常紧凑的并且轻便的，因此可以安装在各种各样的结构中。因此，包括面罩、折叠式显示器、单片眼镜及其它的许多其它实施例也是可能的。这种实施例被设计成用于其中显示器应该是近视的应用：头戴式、头穿式或头带式。然而，还有显示器不同地设置的应用。这种应用的实例是用于移动应用比如蜂窝电话的手持式设备。预计在不久的将来这些设备执行要求大显示屏的分辨率的新颖的操作，包括可视电话、因特网连接、电子邮件的访问和高质量的电视卫星广播的发射。应用已有的技术，小的显示器可以嵌入到电话里面，然而，在目前这种显示器将较差的质量的视频数据或者少数几行的因特网或电子邮件数据直接投影到眼睛中。

附图24所示为基于本发明的变型方法，通过将高质量的图像直接投影能够在用户的眼睛中这种变型方法不需要在移动装置的小尺寸和在整屏格式显示器上理想地看数字内容之间的折衷。包括显示源6、折叠式和准直光学设备70和基片20的光学模块集成在蜂窝电话110的本体上，其中基片20替换电话的已有的保护性盖窗。具体地，包括显示源6和光学设备70的支撑部件的体积足够小到在里面安装现代的 蜂窝设备的可接受的体积。为看通过该设备发射的整个显示屏，用户将该窗口定位在它的眼睛24的前面以方便地看具有高FOV的图像，同时具有大眼睛运动框，并且舒适地眼睛放松地看。通过倾斜该设备以显示图像的不同的部分，也可以以眼睛更放松地看整个FOV。此外，由于光学模块可以以透明的结构操作，因此该设备的双操作也是可以的，即可选择地可以原样地维持常规的蜂窝显示器112。这样在显示源6被切断时通过LOE可以看低分辨率的显示器。在第二模式中，指定用于电子邮件读、因特网冲浪或者视频操作，常规的显示器112被切断同时显示源6将所要求的宽FOV图像通过LOE投影在观察者的眼睛中。在附图24中所描述的实施例仅是一个实例，说明了除了头戴显示器之外的应用可以被实现。其它可能的手持式结构包括掌上计算机、嵌入在手表中的小显示器、具有信用卡的尺寸和重量的口袋携带式显示器等。

上文所描述的实施例是单色光学系统，即图像投影在单个眼睛上。然而，有多种应用，比如头戴显示器(HUD)，其中理想的是将图像投影在两个眼睛上。直到最近，HUD系统已经主要用于先进战斗机和民用飞机上。已经有无数方案和设计来将HUD安装在汽车驾驶员前面以帮助驾驶导航或者在低可见度的情况下将热图像投影到他的眼睛。当前的航天HUD系统非常昂贵，单个单元的价格大约在几十万美元。此外，已有的系统非常大、笨重并且庞大，而且在小型飞行器和汽车中安装非常麻烦。基于LOE的HUD可能提供非常紧凑且自包含的HUD的可能性，这这HUD容易安装在受限制的空间中。还简化了与HUD相关的光学系统的结构和制造成本，因此可能适合于改善航天的HUD以及将紧凑、低廉且用于汽车行业的消费的HUD。

附图25所示为实现基于本发明的HUD系统的方法。来自显示源4的光通过透镜6准直到无穷远处并通过第一反射表面16耦合进基片20。在第二反射阵列(未示)反射之后，光学波撞击在将光耦合进观察者的眼睛24的第三反射表面22上。整个系统可以是非常紧凑，重量轻，并具有几毫米厚的大明信片的大小。具有几立方厘米的体积的 显示源可以连接到基片的一个角上，在该角上电线将电力和数据传输给该系统。预计所提出的HUD系统的安装将不比单个的商用声频系统的安装更加复杂。此外，由于不需要用于图像投影的外部显示源，因此消除了将部件安装在不安全的地方的需要。

由于典型HUD系统的出射光瞳比头戴系统的出射光瞳大得多，因此预计需要如上文参考附图14-16所描述的三阵列的结构实现所需的FOV。然而，有许多特殊的情况，包括具有小的垂直FOV的系统或者具有作为显示源的垂直LED的系统，或者通过利用其中两阵列结构就足够的一对平行反射镜(如上文参考附图21所描述)。

除了用于机车的HUD系统之外，在附图25中所示的实施例可用于其它的应用。这些实施例的一个可能的应用是计算机或电视的平板显示器。这种显示器的主要独特特性是图像不位于显示屏平面上，而是聚焦在无穷远处或者类似的方便的距离。已有的计算机显示器的一个主要的缺陷是用户必须将他的眼睛聚集在40和60cm之间的非常靠近的距离上，而健康人的眼睛的自然焦点在无穷远处。许多人在计算机上工作了较长的持续时间之后出现头痛。经常用计算机工作的许多其它人易于患近视。此外，一些既患近视又患远视的人需要专门的眼镜来用计算机进行工作。基于本发明的平板显示器可能是用于具有上述问题并且不希望使用头戴显示器工作的人的合适解决方案。此外，本发明允许在显示屏的物理尺寸方面极大地减小。由于通过LOE形成的图像比该设备更大，因此在更小的框上可以实施更大的显示屏。对于移动的应用比如膝上型计算机和掌上计算机这特别重要。

应用大显示LOE可能出现的一个问题涉及它的亮度。理想地，为紧凑，有利的是使用微型显示源，但是这必然减小显示器亮度，因为与该源的有效照亮面积相比，LOE的有效照亮面积增加较大。因此，即使在利用前文描述的专门的措施之后，甚至对于非透明的应用，预计亮度减小。这种亮度的减小可以通过增加源的亮度或者利用一个以上的源解决。即，应用显示源和它们相关的准直透镜的阵列照亮LOE。附图26所示为这种方法的实例。相同的图像从显示源4a至4d的阵列 中产生，每个显示源通过透镜6a至6d的相关阵列准直以形成单个的准直的图像，通过反射表面16将这种准直的图像耦合进LOE 20中。乍一看这种方案显得十分昂贵。通过固有的微型显示器本身的低成本和减小准直透镜的数值孔径的能力消除由于增加它的部件造成的系统成本增加和使源图像与专用电子设备的协调的需要。在这种结构中也不需要横向扩展器，仅包括一个一维图像扩展器LOE并因此增加亮度也是十分可行的。重要的是注意显示源不必彼此相同并且具有不同的显示源的更复杂的系统可以如下文解释那样地使用。

本发明的LOE显示器的另一优点是它非常扁平的形状，甚至与已有的平板显示器相比。另一差别是更加显著的方向性观看角度：与普通的平板显示器相比LOE显示器可以从严重受限的角度范围中看。这种有限的头部运动框对于单个用户的方便操作足够，并且在许多情况下提供了保密性的附加优点。

此外，基于LOE屏幕的图像位于在显示表面之后的远平面而不是在它的物理平面上。图像的感觉类似于通过窗口看它。这种结构特别适合于实施三维显示。

在信息技术中的当前的发展已经导致对3-D显示器需求的增加。实际上，在市场上已经有了各种各样的3-D设备。然而，现有的系统要求用户佩带专用的设备来将用于左眼和右眼的图像分开。这种“半自动观看”系统已经在许多专业应用中断然确定。进一步扩展到它的领域则要求改善观看舒适性并更加适应双目视觉的机理的“自由观看”系统。已有技术对这种问题的解决方案具有各种缺陷，在图像质量和观看舒适性方面它们具有类似于2-D显示器的缺陷。

附图27A和27B所示分别为基于本发明实现3-D显示器的可能的结构的正视图和顶视图。不使用单显示源，而是将n个不同的显示源1 141、114n的阵列114设置在基片20的下部部分上，在这里每个显示源投影以系统的景象的不同透视点获得的图像。来自每个显示源的图像以与上文参考附图26所描述的相同的方式耦合进基片。在观察者正观察显示器时，他的右眼24a和左眼24b分别看从显示源114i 和114j投影的图像。因此，观察者应用每个眼睛从不同的透视点看相同的景象。体验非常接近在通过窗口看真实的3-D目标时的观看体验。如附图28a-28b所示，在观察者水平移动他的视线时他的眼睛看从不同的显示源114k和114l投影的图像；效果类似于在窗口上移动头部，同时看外部景象。在观察者垂直地移动他的视线时，如附图29A-29B所示，眼睛看之前位于下部的显示屏上的点。由于这些点位于靠近显示源114，因此观察者看到从比之前位于更靠近阵列114的中心的不同的显示源114g和114h中发出的图像。结果，观察者的感觉类似于看更靠近窗口的景象。即，通过基片的景象被看作三维全景，其中该景象的下部部分更靠近观察者。

上文参考附图27-29所描述的实施例仅是一种实例。通过利用本发明也可以实现真实3-D显示的具有不同的孔径、方位点数等的其它结构。

本发明的另一可能的实施例是作为讲词提示器实施，比如用作给演讲者或TV广播员提供文字；在讲词提示器是透明的时，观众感觉到演讲者目光接触它们但他实际上正在阅读文字。利用LOE，可以以连接到光学组件的很小的资源实施讲词提示器，不需要在该设备的附近设置大的显示屏。

本实施例的另一可能的实施方案是用于个人数字助理(PDA)的显示屏。当前使用的已有的常规显示屏的尺寸在10厘米下。由于在可以阅读这些显示器之间的最小距离大约40厘米，因此可实现的FOV在15°下；因此，特别是只要涉及文字，在这些显示器上的信息内容就受到限制。应用在附图24中所示的实施例可以在投影的FOV上做出重要的改进。图像聚焦在无穷远处，并且显示屏可以设定在非常靠近观看者的眼睛。此外，由于每个眼睛看全部视场(TFOV)的不同部位，并且在它的中心存在重叠，因此可以实现在TFOV方面的另一增加。因此，具有40°或更大的FOV的显示器是可行的。

在如上文所述的本发明的所有的实施例中，通过基片20透射的图像源自电子显示源比如CRT或LCD。然而，存在所透射的图像可 以是逼真景象的一部分的应用，比如在要求它将逼真景象耦合到光学系统中时。

附图30所示为其中要求这种实施方案的星光放大器(SLA)116的应用。来自外部景象的图像通过准直器18聚焦在SLA上，在SLA中图像的电子信号被放大以形成通过目镜120投影到观看者的眼睛的综合图像。所示的构造在军事、准军事和民用应用中非常普遍。这种普遍使用的结构在使用者的前面朝前突出并使它在头戴结构中长时间使用不方便。该设备相对笨重，并且除了它的对使用者的附近中的目标在物理上的干扰之外，它给使用者的头部和颈部施加了费力的力矩。

更加方便的结构在附图31中示出。在此，该设备没有位于使用者的前面，而是在头部的侧面，在这里SLA的重心沿头部的主轴对齐。该设备的方向被反向，即准直器118位于后部而目镜120位于前面。现在，来自前面外部景象的图像通过使用另一LOE 20b耦合进使用者眼睛。尽管附加的两个光学元件20a和20b增加到原始的设备中，但是这些元件的重量与SLA的重量相比可忽略，而且总体结构比之前的结构方便得多。此外，由于安装这些设备的容差非常不苛刻，因此可行的是这两个元件被构造为模块以使它们可以从它们的位置移开或者甚至被使用者删除。在这种方式中，为了具有安装的LOE的头戴操作的方便定位或者为了安装在标准的枪点上或其它的目的设备上以便不使用LOE模块，可以重新配置SLA观看者。也可以平移LOE以便容纳与任一眼睛一起使用的设备。

在上文描述的所有的实施例中，利用LOE来发射光波以用于成像目的。然而，本发明不仅可用于成像，而且还可用于非成像的应用，主要是照亮系统，在这种系统中输出波的光学质量不是关键，重要的参数是强度和均匀的亮度。本发明例如可以应用于平板显示器的背光照亮，大部分LCD系统，其中为了构造图像需要以尽可能的亮度和均匀性的光照亮平板。其它的这种可能的应用包括但不限于用于房间照明或用于探照灯、指纹扫描仪的照明和3-维显示全息的读出波的扁平的不昂贵的替代品。

通过使用LOE设备可以极大地改进的一种照明是反射式LCD。附图32所示为显示源是反射LCD的基片型显示器的实例。通过照明器122产生的光通过偏振器124，通过透镜126准直，通过偏振分束器128反射并照亮LCD 130。从LCD反射的光的偏振在90°上旋转1/4波长片，或者可替换的是通过LCD材料本身旋转。来自LCD的图像现在通过分束器被准直并通过透镜132反射到基片20上。作为分束器构造的结果，整个照明系统较大并且笨重，并且对于头戴系统肯定不够紧凑。此外，因为分束器128的缘故，准直器132远离显示源，同时为了使象差最小的目的，要求场透镜尽可能地接近显示表面设置。

照明配置的改进形式在附图33中示出。来自光源122的光耦合进照亮LCD 130的表面的另一LCD 134，在LCD 130的表面中部分反射表面对偏振敏感。显然，在此整个系统比在附图32中所示的系统紧凑得多，并且透镜132位于更加靠近LCD表面。此外，由于LOE 134的输入孔比分束器128的输入孔小得多，因此准直透镜126现在比以前小得多，因此具有更大的f-数。在附图32中所示的照亮结构仅是一种实例。根据光学系统和所需的参数照亮反射或透射的LCD或者为其它任何照亮目的使用的其它结构设置也都是允许的。

要求解决的一个重要问题是LOE的制造过程，其中关键的部件是有选择性反射表面22。附图34所示为制造部分反射表面的阵列的可能的方法。多个透明平板138的表面以所要求的涂层140涂敷，然后将这些平板粘合在一起以形成层叠的形式142。然后通过切割、研磨和抛光从层叠形式将段144切下以形成反射表面146的所需的阵列，这些阵列可与其它的元件组装在一起以实现整个LOE。对于每段144根据涂敷片138的实际尺寸和LOE的所要求的尺寸由每段144制造一个以上的阵列146。如附图4-7所描述，有选择性反射表面的所要求的涂层具有特定的角度和频谱响应以便确保LOE的适当的操作。因此，重要的是精确地测量在LOE的最终制造之前的涂层的实际的性能。如上文所述，有两个应该测量的角度区-其中反射率非常低的高入射角(通常在60°和85°之间)和其中表面的反射率用于将截获的 波的部分耦合到LOE外的低入射角(通常在15°和40°之间)。显然，应该在这两个区域测量涂层。测试过程的主要问题是以已有的测试设备测量如我们的情况那样在两个透明平板之间设置的涂层的非常高的入射角度(通常高于60°)的反射率(或可替代的投射率)很困难。

附图35所示为在非常高的入射角度上测量涂层150的反射的所提出的方法。首先具有角度α的两个棱镜152连接到涂敷片。入射束154以入射角度α撞击在涂敷片上。一部分束156在原始方向上继续并测量它的强度T_α。因此，考虑自外部表面的菲涅耳反射，在角度α上所测量的涂层的反射率可以计算为R_α＝1-T_α。此外，其它的部分束从涂敷的表面反射，通过全内反射从下部棱镜的外部表面再次反射，在角度3α上再次撞击在涂敷的表面上，从上部棱镜的外部表面通过全内反射再次反射，然后在角度α上通过涂敷的表面反射并从棱镜耦合出。在此，可以测量输出束158的强度。考虑菲涅耳反射，输出束的强度是(R_α)²T_3α。因此，从先前的步骤中得知反射率R_α，因此可以计算在角度3α上的反射率。有这样的测试设备，其中输出束必须定位在与入射束相同的轴上。附图36所示为用于将该束变换为原始束的折叠式棱镜160。使用适合的面罩或者阻挡层162可以阻挡原始光线154的残余。

显然，每对棱镜可以测量在两个角度-α和3α上的反射率。例如，如果头部角度是25°，则在25°和75°上的反射率可以被同时测量。因此，对于涂敷片的适当的测量通常要求较少数量的棱镜对(2或3)。自然，在此所示的配置可用于测量在不同的波长以及两种偏振(如果要求的话)上的这两个角度的反射率。

1.  显然，对于在本领域的普通技术人员本发明并不限于前面示出的实施例的细节，在不脱离本发明的精神或者实质特征的前提下本发明可以以其它的具体形式实施。因此，在所有的方面本发明都被认为是示例性的而不是限制性的，因此本发明的范围通过附加的权利要求给定而不是前述的描述，因此在权利要求的等同物的意义和范围内的所有的变化都被认为包含在本发明内。

Claims (14)

1.一种光学设备，包括：

具有至少两个彼此平行的主表面、以及边缘的光透射基片；

位于所述基片内并且不平行于所述基片的主表面的至少一个部分反射表面，

其特征在于显示源的阵列；

与所述显示源的阵列相关的准直透镜的阵列，所述显示源通过所述准直透镜的阵列准直；和

通过全内反射将来自所述显示源的光耦合进所述基片的光学装置。

2.根据权利要求1的光学设备，其中所述至少一个部分反射表面将通过全内反射截获的光耦合到所述基片之外。

3.根据权利要求2的光学设备，其中所述至少一个部分反射表面将所截获的波反射到被计算成要到达观察者的双眼的方向。

4.根据权利要求1的光学设备，其中来自所述显示源的图像相同。

5.根据权利要求1的光学设备，其中来自所述显示源的图像不同。

6.根据权利要求1的光学设备，其中来自所述显示源的图像形成三维图像。

7.根据权利要求2的光学设备，其中所述至少一个部分反射表面的反射形成了在整个视场上具有均匀的亮度的视场。

8.根据权利要求2的光学设备，其中所述至少一个部分反射表面的反射形成了具有预定的亮度分布的视场。

9.根据权利要求1的光学设备，其中所述显示源是液晶显示器。

10.根据权利要求1的光学设备，其中所述显示源是阴极射线管。

11.根据权利要求1的光学设备，其中所述基片是部分透明的，以实现透视操作。

12.根据权利要求1的光学设备，进一步包括设置在所述基片中或其上的不透明表面以便阻挡光从外部景象穿过基片进入。

13.根据权利要求1的光学设备，进一步包括被设置成用于衰减穿过基片进入的光的可变透射表面，以控制从外部景象穿过所述设备的光的亮度。

14.根据权利要求13的光学设备，其中所述可变透射表面的透射率根据导向到穿过基片的光的亮度自动地被确定。

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