本發(fā)明涉及基底導光光學裝置，尤其涉及包括由常見的光傳輸基底所承載的多個反射表面的裝置(也被稱作光導元件)。

本發(fā)明可被實施以有利于大量的成像應用，諸如便攜式DVD、移動電話、移動電視接收器、視頻游戲、便攜式媒體播放器或任何其他移動顯示裝置。

背景技術：

緊湊的光學元件的一個應用涉及頭戴顯示器(HMD)，其中光學模塊用作成像透鏡和組合器，其中二維圖像源被成像至無窮遠，并且被反射進觀看者的眼睛中。顯示源可以是直接地或者是通過中繼透鏡、光纖束或類似設備的方式不直接地來源于空間光調制器(SLM)，諸如陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(LCD)、有機發(fā)光二極管陣列(OLED)、掃描光源或類似的裝置，。顯示源包括通過準直透鏡成像至無窮遠，并且通過反射或部分反射的表面(用作用于非透視和透視應用的組合器)傳輸?shù)接^看者的眼睛里的元件(像素)陣列。通常，常見的自由空間光學模塊被用于這些目的。隨著系統(tǒng)的期望的視場(FOV)增加，然而，這種常見的光學模塊變得更大、更重和更笨重，因此，即使對于中等性能的裝置也是不現(xiàn)實的。這對于所有類型的顯示器都是一個主要的缺點，尤其是在系統(tǒng)需要盡可能地輕和緊湊的頭戴式應用中。

為了緊湊化所作的努力導致了一些不同的復雜的光學方案，所有的這些方案，一方面，對于大多數(shù)實際應用仍然不夠緊湊，而另一方面，遇到了關于可制造性的主要缺點。此外，由這些設計造成的光學觀看角的眼睛運動箱(eye-motion-box)(EMB)通常非常小，通常小于8mm。因此，即使是光學系統(tǒng)相對于觀看者眼睛很小的運動，光學系統(tǒng)的性能也非常敏感，并且也不允許瞳孔充分的運動以從這種顯示器舒適地閱讀文本。

以本申請人的名義申請的公開號WO01/95027、WO03/081320、WO2005/024485、WO2005/024491、WO2005/024969、WO2005/124427、WO2006/013565、WO2006/085309、WO2006/085310、WO2006/087709、WO2007/054928、WO2007/093983、WO2008/023367、WO2008/129539、WO2008/149339和WO2013/175465中包括了的教導在此處通過引用的方式被結合。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明促進了非常緊湊的光導光學元件(LOE)用于HMD和其他應用。本發(fā)明允許相對較寬的FOV和相對較大的EMB值。得到的光學系統(tǒng)提供了大的、高質量的圖像，這樣也容許了眼睛的較大的運動。本發(fā)明所公開的光學系統(tǒng)是特別有利的，因為它基本上比現(xiàn)有技術的實施方式更緊湊，因而它可被容易地結合在甚至是具有特殊構造的光學系統(tǒng)中。

因此本發(fā)明的廣泛的目標是減少現(xiàn)有技術的緊湊的光學顯示裝置的缺點，并根據(jù)特定需求提供其他具有提高了的性能的其他光學組件和系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種光學系統(tǒng)，包括：具有至少兩個主表面和邊緣的光傳輸基底；光學棱鏡，具有至少第一、第二和第三表面，用于將具有給定視場的光波通過全內反射耦合入基底中；位于基底中的至少一個部分反射表面，該部分反射表面被相對于基底的主表面不平行地取向，用于將光波從該基底耦合出來；基底的邊緣中的至少一個以相對于主表面的傾斜角傾斜；棱鏡的第二表面定位為相鄰于基底的傾斜邊緣；和基底的緊挨著傾斜邊緣定位的部分基本上是透明的，其特征在于光波穿過棱鏡的第一表面進入棱鏡，在不經過任何反射的情況下橫穿棱鏡并且穿過傾斜邊緣進入基底。

附圖說明

將參照下面示出的附圖，結合特定的優(yōu)選實施例來說明本發(fā)明，便于更完整地了解本發(fā)明。

對專門詳細參照的附圖，應當強調，具體畫出的附圖是以舉例方式并且只為說明本發(fā)明優(yōu)選實施例的示意性討論為目的，并且提供被認為是最有用的內容和容易了解本發(fā)明原理及概念的說明。就此而言，除對本發(fā)明的基本理解必需之外，不試圖更詳盡表明本發(fā)明的結構細節(jié)。結合附圖所作的說明，作用是引導本領域技術人員來了解本發(fā)明的若干種形式可以如何實際實施。

在附圖中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的被耦合進入LOE中的光線的跨度(span)；

圖2示出了照明LOE的入射孔徑的光線的跨度；

圖3示出了包括光學地附連在LOE的主表面之一上的棱鏡的示例性的耦合進入機構的現(xiàn)有技術的側視圖；

圖4是示出了包括光學地附連在LOE的主表面之一上的棱鏡的示例性的耦合進入機構的現(xiàn)有技術的側視圖的另一個示意圖；

圖5示出了照明LOE的入射孔徑的光線的跨度，其中LOE的邊緣之一以傾斜角相對于主表面傾斜；

圖6是示出了另一個系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)具有照明LOE的入射孔徑的光線的跨度，其中，LOE的邊緣之一相對于主表面以傾斜角傾斜；

圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明的光學系統(tǒng)的實施例的示意圖，該光學系統(tǒng)將從顯示光源發(fā)出的輸入光波耦合進入至基底中，具有附在LOE的傾斜邊緣上的中間棱鏡；

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的光學系統(tǒng)的另一個實施例的光學系統(tǒng)，該光學系統(tǒng)將從顯示光源發(fā)出的入射光波耦合進入至基底中，具有附在LOE的傾斜邊緣上的中間棱鏡；

圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明的用于通過利用偏振分束器準直來自于顯示光源的輸入光波的裝置的示意圖；

圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明的用于準直來自硅基液晶(LCOS)光源的輸入光波的裝置的示意圖；以及

圖11A和圖11B是示出了根據(jù)本發(fā)明的眼鏡的頂視圖的兩個實施例。

具體實施方式

本發(fā)明涉及基底導光光學裝置，特別是緊湊的HMD光學系統(tǒng)。通常，具有有限的FOV的準直圖像被耦合入基底中。如圖1所示，LOE或在下文中的基底20中的圖像包含具有中間波14以及邊緣波16和18的平面波的跨度。圖像的中間波14和主表面26、32的平面的法線之間的夾角為α_in?；?0內的FOV被定義為2·Δα。因此，圖像的邊緣波16和18與主表面的平面的法線之間的夾角分別為α_in+Δα和α_in-Δα。在數(shù)次從基底20的表面26、32反射后，捕獲的波到達選擇性反射表面22的陣列處，其將光波從基底耦合出來進入觀看者的眼睛24中。為了簡單起見，僅僅將中間波14的光線標繪成從基底耦合出來。

本發(fā)明的目的在于找到不同于現(xiàn)有技術的耦合進入機構且具有更緊湊的尺寸的光波耦合進入機構。在圖2中，示出了必須以最小需要入射孔徑21被耦合進入基底20中的光線的跨度。為了避免圖像上有間隙或條紋，在入射孔徑21的邊緣和基底20的下表面26之間的邊界線25上的點應該對于每個輸入光波被從兩個不同位置進入基底的兩個不同的光線照亮：直接照亮邊界線25的一個光線30，以及首先被基底的上表面32反射之后再照亮邊界線25的另一個光線31。入射孔徑21的尺寸通常由兩個邊緣光線確定：FOV的最大角的最右邊的光線34，和FOV的最小角的最左邊的光線36。

用于將邊緣光線耦合入基底20中的一個可能的實施例如圖3所示。此處，輸入光波源38以及準直模塊40(例如，準直透鏡)以相較于基底20的主表面26、32的所需離軸角度定向。中繼棱鏡44位于準直模塊40和基底20之間，且被光學粘接至基底20的下表面26，使得來自顯示源38的光線以大于臨界角的角度照射到主表面26上，以便在基底內部發(fā)生全內反射。因此，圖像的所有的光學光波都通過從主表面26和32的全內反射而在基底內部被捕獲。盡管此處所示的光學系統(tǒng)是簡單的，這仍然不是最緊湊的耦合進入機構。對于光學系統(tǒng)來說，應該與眼鏡以及手持或其他顯示裝置的外部形狀一致是很重要的一點。

為了最小化準直模塊40的尺寸，耦合進入棱鏡44的輸入表面46孔徑D_T應該盡可能地小。因此，耦合進入棱鏡的尺寸也應當相應地最小化，而整個FOV的耦合光線將穿過耦合進入棱鏡44。

如圖4所示，為了使FOV的最大角的最右邊的光線34穿過該棱鏡44，棱鏡44的輸出表面21的孔徑D_L必須滿足關系式：

D_L≥2d·tan(α_in+Δα) (1)

其中，d是基底20的厚度。

此外，為了使FOV的最小角的最左邊的光線36穿過棱鏡44，棱鏡44的左表面48和基底20的主表面26的法線之間的夾角α_sur1必須滿足關系式：

α_sur1≤α_in-Δα (2)

為了最小化穿過棱鏡44的光波的色差，將耦合進入棱鏡44的輸入表面46取向為基本正交于圖像的中間波14是有利的。因此，棱鏡44的進入表面46和基底20的主表面26的法線之間的夾角α_sur2是：

α_sur2＝90°-α_in (3)

為了最小化棱鏡44的尺寸，將式2的不等式取極限值得到棱鏡的如下內角：表面46和21之間的夾角為α_in；表面48和21之間的夾角為90°-α_in+Δα。相應地，表面46和48之間的夾角為90°-Δα。利用這些數(shù)值得到：

將式1的不等式取極限值并插入式4中可得：

盡管圖3和圖4所示的光學系統(tǒng)看似簡單，其仍然不是最緊湊的耦合進入機構，由于對于這種光學系統(tǒng)來說，與顯示器(例如眼鏡或手持顯示器)的外部形狀一致是很重要的。

圖5示出了穿過基底的一個邊緣將光波耦合入基底的一個可選的實施例。此處，光波傳輸基底20具有兩個主要的平行表面26和32以及邊緣，其中至少一個邊緣50以相對于主表面的傾斜角取向，并且其中α_sur3是邊緣50和基底的主表面的法線之間的夾角。通常，入射的準直光波是從空氣直接耦合的，或者可替代地，準直模塊40(圖3)可被附接在基底20上。因此，將正交于傾斜表面50的中間波14耦合以最小化色差是有利的。不幸地，通過直接穿過表面50耦合光不能滿足這個條件。通常，即使是對于具有適度的FOV的耦合圖像，圖像的中間波14和主表面的平面的法線之間的夾角α_in(圖3)必須滿足條件α_in≥50°。因此，如果中間波14確實正交于傾斜表面50，則必須滿足關系式α_sur3≤40°。從而，結果是將在系統(tǒng)中滿足關系式α_sur3＜α_in，并且，對于相對較寬的FOV，甚至滿足關系式α_sur3＜＜α_in+Δα。

圖6示出了復雜情形，其中捕獲的光線和主表面26、32之間的最大夾角大于輸入表面50和主表面之間的夾角。如圖所示，在輸入孔徑50的邊緣和基底20的下表面26之間邊界線25上的點僅通過直接照亮邊界線25的光波的最左邊的光線35照亮。入射到輸入表面50的邊緣51上的另一邊緣光線34在位于離邊界線25距離Δx的不同的線52處照亮下表面之前，首先被上表面32反射。如圖所示，間隙Δx完全沒有被邊緣光波34的捕獲光線照亮。因此，將會出現(xiàn)黑條紋，并且耦合出來的光波和圖像質量將明顯變差。

這種情況通過圖7所示的實施例解決。中間棱鏡54被插入準直模塊40(圖3)和基底的傾斜邊緣50之間。棱鏡的表面56之一定位為相鄰于基底20的傾斜邊緣50。在大多數(shù)情況下，中間棱鏡的折射率應當類似于基底20的折射率。然而，還有這樣的情況，其中可為棱鏡選擇不同的折射率，以補償系統(tǒng)中的色差。入射光波直接從空氣耦合，或可選地，準直模塊40可被附接至中間棱鏡54。在許多情況下，準直模塊40的折射率與基底20的折射率基本上不同，并且因此，與棱鏡54的折射率不同。從而，為了最小化色差，棱鏡54的輸入表面58應當以與入射光線的中間光波基本上正交地取向。此外，F(xiàn)OV的最小角的最左側的光線應當穿過棱鏡54。因此，圖7的結構也應當滿足式(2)和(3)的條件。為了消除參考圖6所描述的不希望有的暗條紋的現(xiàn)象，關系式：

α_sur3≥α_in+Δα (6)

必須被滿足，也就是說，基底的傾斜邊緣和基底的主表面的法線之間的夾角大于FOV的最大角。因此，棱鏡54的輸出表面56的孔徑D_S必須滿足關系式：

顯然，由于光波穿過棱鏡的進入表面58進入棱鏡54，在不經受任何反射直接穿過棱鏡，并且穿過傾斜邊緣50進入基底，所以入射表面58的有效區(qū)域D_P相對于出射表面56的孔徑D_s的擴大是最小的。此外，如上所述，為了使FOV的最小角的最左側光線36(圖4)穿過棱鏡54，棱鏡54的左表面60和基底的主表面26的法線之間的夾角α_sur1也必須滿足式(2)的關系，也就是說，棱鏡54的表面60和基底的主表面的法線之間的夾角小于FOV的最小角。從而，當式(2)、(6)和(7)的關系被滿足時，來自整個FOV的耦合進入光波將完全覆蓋基底的主表面而不存在任何條紋或間隙。

如圖8所示，通過將式(2)、(6)和(7)的不等式取極限值，棱鏡54的內角為：表面56和58之間的夾角為2α_in-90°+Δα，而表面56和60之間的夾角為180°-2α_in。因此，表面58和60之間的夾角為90°-Δα。利用這些值可得：

其中D_P是中間棱鏡54的入射表面58的有效區(qū)域。

從而，通過比較式(5)和(8)，圖4的現(xiàn)有技術系統(tǒng)的棱鏡54和44的輸入表面的各自的有效面積D_P和D_T之間的關系為：

顯然，對于窄的FOV，即，Δα＜＜α_in，改進是可以忽略的。然而，對于相對寬的FOV，棱鏡54的有效區(qū)域D_P和棱鏡44的有效區(qū)域D_T相比需要被顯著減少。例如，對于Δα＝12°和α_in＝52°，式(9)的縮小比具有D_P/D_T≈0.7的有效值。

在圖3所示的實施例中，準直模塊40作為簡單的傳輸透鏡被示出，然而，可采用使用反射透鏡、偏振分束器和延遲片的更加緊湊的結構。在這種結構中，有以下事實：如圖9所示，在大多數(shù)微顯示器光源(例如LCD或LCOS光源)中，線性偏振的光被光學部件61使用。如圖所示，來自顯示器光源64的s偏振輸入光波62通過光導66的下表面68被耦合入光導66，其通常由光波傳輸材料組成。在從偏振分束器70反射之后，光波穿過光導66的表面72從基底耦合出去。光波隨后穿過四分之一波長延遲片74，被反射光學元件76(例如，平面鏡)反射，返回以再次穿過延遲片74，并穿過表面72再次進入光導66?，F(xiàn)在的p偏振光波穿過偏振分束器70并且穿過光導66的表面78從光導耦合出去。然后，光波穿過第二四分之一波長延遲片80，被組件82(例如，透鏡)在其反射表面84準直，返回以再次穿過延遲片80，并且穿過表面78再次進入光導66?，F(xiàn)在的s偏振光波從偏振分束器70反射，并且穿過附接至中間棱鏡54的出射表面86離開光導。反射表面76和84可通過金屬或電介質的涂層實現(xiàn)。

在圖9所示的實施例中，顯示源可以是LCD面板，然而，存在光學系統(tǒng)，尤其是其中需要高亮度成像特性的光學系統(tǒng)，優(yōu)選使用LCOS光源裝置作為顯示器光源。類似于LCD面板，LCOS光源面板包含由響應于控制電壓扭曲和配向的液晶填充的單元的二維陣列。然而，使用LCOS光源，單元被直接移植(graft)于反射硅芯片上。當液晶扭曲時，光的偏振在下面的鏡面表面的反射之后而被改變或不改變。這與偏振分束器一起引起了對光波的調制并產生圖像。反射技術意味著照明和成像光束共享相同的空間。這兩個因素需要向模塊增加特殊分光光學元件，以便使得能夠同時操作照明和成像功能。增加這樣的元件通常會使模塊復雜化，并且當使用LCOS光源作為顯示光源時，一些使用前部耦合進入元件或折疊棱鏡的模塊將會變得更大。例如，圖9的實施例可被修改以通過在顯示源64和分束器66之間插入另一個分束器來適應LCOS光源。然而，這種修改版本對于具有相對寬的FOV的系統(tǒng)可能是有問題的，其中準直模塊的焦距短于穿過雙分束器結構的光線的光程。

為了解決這個問題，如圖10所示，提供了修改的光學器件90，其中僅有一個反射表面84被定位為相鄰于光導66的表面78。因此，穿過這個光導66的光程大為縮短。如圖所示，從光源94發(fā)出的s偏振光波92進入棱鏡96，從偏振分束器98反射并照亮LCOS光源100的前表面。來自于“亮”像素的反射光波的偏振被旋轉成p偏振，且該光波隨后穿過分束器98，并且因此，穿過位于棱鏡96和66之間的偏振器102，并且偏振器102阻止從LCOS光源100的“暗”像素反射的s偏振光。光波隨后進入棱鏡66并穿過第二分束器70，穿過棱鏡66的表面78從棱鏡耦合出來，穿過四分之一波長延遲片80，被準直透鏡82在其反射表面84處準直，返回以再次穿過延遲片80，并穿過表面78再次進入棱鏡66?，F(xiàn)在的s偏振光波從偏振分束器70反射并穿過附接至中間棱鏡54的出射表面86從棱鏡66出射。

現(xiàn)在回到圖9，其中觀看者的眼睛24與光學棱鏡66位于傾斜邊緣50的同側，光學棱鏡66的尺寸主要在基底20的下側主表面26上延伸，且僅在上表面32上略微延伸。這種略微的延伸通過適當?shù)脑O計(例如，通過略微地增加傾斜邊緣50的角度α_sur3)可以被完全消除。

然而，對于圖10所示的實施例，光學元件90主要在基底20的下表面26上以及上表面32上延伸。

如圖11A所示，對于其中的準直模塊是由圖10的具有棱鏡66和96的光學組件90組成的光學系統(tǒng)，這種獨特的結構可以是優(yōu)選的。光學組件90被安裝于眼鏡框104和基底20之間。在這種情況下，觀看者的眼睛24位于基底20的傾斜邊緣50的相反側。光波穿過傾斜邊緣50朝向主表面32被耦合入基底20中，光波從該表面32朝向部分反射表面22反彈，并且從部分反射表面22穿過主表面32朝向觀看者的眼睛24離開基底。雖然存在光學組件90的朝向眼鏡的前部的向前延伸部106，棱鏡96的向后延伸部108是最小的，并且整個光學組件90可被很容易地集成于眼鏡的框104內。

圖11B所示為基于圖9所示的光學組件的修改例，其中觀看者的眼睛24位于基底20的傾斜邊緣50同側。從光學組件90發(fā)出的光波穿過傾斜邊緣50被耦合入基底20中，朝向主表面26進入基底20，光波從該表面26朝向主表面32反彈，并且從主表面32繼續(xù)朝向部分反射表面22，并且穿過主表面32朝向觀看者的眼睛24離開基底。

對于本技術領域的技術人員而言，顯然本發(fā)明并不局限于前面所列舉的實施例的細節(jié)，并且本發(fā)明可以以其他具體的形式實施而無需脫離本發(fā)明的精神或本質屬性。因此，這里的實施例在所有方面被視作是示例性的而非限制性的，本發(fā)明的范圍由附加的權利要求而非前述說明所指明的，并且因此與屬于權利要求的等價物的含義和范圍之內的所有變化都被包含在權利要求中。