[发明专利]使用全内反射图像的光学系统

说明书

相关应用的交叉引用

本申请要求申请日为2005年3月22日的美国临时专利申请60664254号按照美国法典第35编第119条(e)款的权利，其公开通过引用并入此处。

关于联邦资助的研究和开发的声明

本发明在美国陆军航空和导弹司令部合同N31P4Q-04-C-R280号下完成。政府拥有该发明的某些权利。

背景技术

通过眼镜透镜和面掩膜(face-mask)光学片传播图像已为人们所知。例如，参照美国专利5886822号。这里参照图1，光沿轴方向被引导，并且不希望其从外部表面透镜反射。另一已知的实施例讨论使用来自透镜或板片表面的全内反射以减小透镜的厚度或增加视场。例如，参照美国专利6384982号。

发明内容

提供了用于头盔显示器(head mounted display)的光学系统，其允许选择需要的模式以沿光导管轴向地传播或通过全内反射传播。更具体地说，该系统包括包含具有两个平行表面的固态光学元件的光导管。图像源包括显示元件和包含至少一个光源的照明元件。图像源将光导入光导管以传播到用户的眼睛。

照明元件和显示元件之间的准直系统包括聚光透镜元件和位于聚光透镜元件的焦距处的孔隙。在一个实施例中，孔隙和光源沿聚光透镜元件的轴向设置以便阻止来自照明元件的模式进入光导管，其中该模式可以通过在两个平行表面的全内反射而沿光导管传播。

在另一实施例中，照明元件包括另外的光源，而准直系统包括另外的孔隙。另外的光源和另外的孔隙设置在偏离于聚光透镜和显示元件的轴的位置，以便来自照明元件的模式进入光导管并通过两个平行表面的全内反射沿光导管传播。

在更进一步的实施例中，照明元件包括多个光源，而准直系统包括多个孔隙，每个孔隙都与光源相关。以这种方式，多个模式能够传播到光导管，并且至少一部分模式通过在两个平行表面上的全内反射在光导管中传播。能够顺次点亮光源以同时地提供不同的图像。能够同时点亮光源以提供具有宽视场的图像。能够配置光学系统以便多个模式的出瞳重叠。

附图说明

从以下结合附图的详细描述可以更全面地理解本发明：

图1是现有技术光学系统的示意图；

图2是光学系统的全内反射的一个模式的示意图；

图3是图2的光学系统的全内反射的相对的模式的示意图；

图4是单个光学系统中合成的多个虚像的示意图；

图5是去除左和右虚像的光学系统的示意图；

图6是能选择其中的模式以照射所选虚像的光学系统的示意图；

图7是能选择其中多个全内反射模式的光学系统的示意图；以及

图8是能选择其中多个全内反射模式的另外光学系统的示意图。

发明详述

本发明的目的是控制光通过透镜的传播以使得可以从透镜表面全内反射(TIR)或是将这种反射消除。通过设计用于照明LCD的背光系统而获得这种控制。

能够将透镜或板片视作多个模式能够在其中传播的波导，该多个模式中包括轴向模式，其不需要来自波导表面的任何反射。(这同多模光纤类似，在其中光线能够轴向地传播或通过光纤芯层和包层之间的界面处的反射而传播。)为了控制通过波导传播的模式，只需要控制入射到LCD上的光线。充分地准直为平行于光轴或与光轴有较小不同的光线将沿轴向传播，而以更大角度穿过LCD的光线会被反射。本方法允许通过对背光寻址以选择性地照亮波导模式。以这种方法，可以扩大或缩小图像的视场。

图1示出通过眼镜透镜向眼睛传送图像的现有技术方法。光由设置为与LCD 20相邻的背光外壳30中的一个或多个发光二极管产生。图1示出光40通过透镜10传播到眼睛(未示出)以形成虚像50的轴向路径。背光形成宽区域扩散源，其实际上不仅在轴向而且在一定角度范围内发射光。一些传播角在它们传播到眼睛时能够到达透镜的表面。图2示出这种传播的实例，其中光线以一定角度离开背光30，穿过LCD 20而进入透镜10，并从反射镜11反射。该角度导致了要入射到透镜10的表面61上的光路60，以使得通过TIR反射。此反射引起被从用户视场中心移置的虚像70。

如图3所示，对于在相反方向以一角度离开背光的光线，可以有相对的模式。在这种情况下，通过TIR从透镜10的内部前表面62反射光路65并导致移置到用户视场中心的左边的虚像71。