[发明专利]减少波导的闪烁和重影的用于图像的二维扩展的光学系统

说明书

一种光学系统采用波导，该波导包括：第一组部分反射表面(“小平面”)，其用于将从耦入区域朝向第二区域传播的图像照射逐渐地重定向；以及在第二区域中的第二组小平面，其用于朝向观察者的眼睛逐渐地耦出经重定向的图像照射。第一组小平面至少包括：靠近耦入区域的第一小平面、远离耦入区域的第三小平面、以及位于第一小平面与第三小平面之间的中间平面上的第二小平面。第二小平面位于中间平面的子区域中，使得从耦入区域传播到第三小平面的图像照射穿过中间平面而不穿过第二小平面。

技术领域

本发明涉及光学系统，并且特别地涉及用于对来自图像投影仪的图像进行二维扩展以显示给用户的光学系统。

背景技术

在图1A中示出了近眼显示光学引擎，其包括图像投影仪200，该图像投影仪通过透射耦合棱镜202T以及通过竖直孔径203V将具有角度场的图像光投射到波导204中。光在波导中传播，通过全内反射被反射。嵌入波导中的部分反射器206将图像从波导朝向具有眼球中心208的观察者反射出去(虚线箭头)。

图1B示出了通过使用在其背侧具有镜的反射耦合棱镜202R耦合到波导中的替选方式。

图1C示意性地示出了2D孔径扩展波导的正视图。此处，图像投影仪200通过耦合棱镜202使图像穿过横向孔径203L(203V也存在，但从该取向不可见)射入到波导204中。当图像光线220A被波导面之间的TIR反射时，图像光线在波导中横向传播。此处使用两组小平面：组206L通过将所引导的图像逐渐地反射到不同的引导方向220B来横向地扩展孔径，而小平面组206V通过将图像从波导上的区域210逐渐地耦出到观察者的眼睛上来竖直地扩展孔径。

发明内容

本发明是一种用于将在耦入区域处射入的图像照射引导至眼动箱以供用户观看的光学系统。

根据本发明的实施方式的教导，提供了一种用于将在耦入区域处射入的图像照射引导至眼动箱以供用户的眼睛观看的光学系统，该光学系统包括由透明材料形成的光导光学元件(light-guide optical element，LOE)，该LOE包括：(a)第一区域，其包含具有第一取向的平面的、相互平行的第一组部分反射表面；(b)第二区域，其包含具有第二取向的平面的、相互平行的第二组部分反射表面，第二取向不平行于第一取向；(c)一组相互平行的主外表面，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二者位于主外表面之间，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图像照射的一部分从LOE朝向眼动箱耦出，并且其中，第一组部分反射表面被定向成使得来自耦入区域的、通过主外表面处的内反射在LOE内传播的图像照射的一部分朝向第二区域偏转，其中，第一组部分反射表面包括：第一部分反射表面，其靠近耦入区域，以贡献于用户在眼动箱处观看到的视场的第一部分；第三部分反射表面，其在耦入区域远侧，以贡献于用户在眼动箱处观看到的视场的第三部分；以及第二部分反射表面，其位于第一部分反射表面与第三部分反射表面之间的中间平面中，以贡献于用户在眼动箱处观看到的视场的第二部分，其中，第二部分反射表面被部署在中间平面的子区域中，使得从耦入区域传播到第三部分反射表面、并且贡献于用户在眼动箱处观看到的视场的第三部分的图像照射穿过中间平面，而不穿过第二部分反射表面。

根据本发明的实施方式的另一特征，耦入区域包括耦入棱镜，该耦入棱镜具有作为第一区域中的主外表面之一的延续的第一平面表面，耦入棱镜具有垂直于主外表面测量的、大于LOE的厚度的厚度尺寸。

根据本发明的实施方式的另一特征，耦入棱镜呈现耦入表面和耦入棱镜之间的过渡线作为LOE，耦入表面在平行于主外表面的维度上限定耦入棱镜的光学孔径，并且过渡线在垂直于主外表面的维度上限定耦入棱镜的光学孔径。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一组部分反射表面还包括位于耦入棱镜的体积内的至少一个部分反射表面。