复合光导光学元件的制作方法

本发明涉及光学系统，并且特别地涉及用于向用户显示图像的光学系统。

背景技术：

1、各种类型的显示器并且特别是近眼显示器(near-eye displays，ned)通常采用一个或更多个波导，在波导中，图像从图像投影仪注入以通过全内反射(total internalreflection，tir)在波导内传播并且随后经由一个或更多个耦出元件(例如，部分反射内表面(“小平面”)、衍射光栅等)朝向观察者的眼睛耦出。这样的波导由透明基板制成，该透明基板具有沿波导的长度延伸的一对平行主外表面，图像及其共轭在该对平行主外表面之间反射。图像优选地是准直图像，并且波导优选地是平面的。为了最佳性能，图像及其共轭两者应当完全填充波导，使得与图像的每个像素和共轭图像的每个像素对应的照射存在于波导的厚度内的每个点处(对于有助于可以到达用户的眼睛的输出图像的波导的区域)。

2、可以通过提供具有耦入表面——该耦入表面的取向大致垂直于注入图像的主光线——的耦入棱镜来实现波导的填充，使得图像能够落在波导的一个表面的延伸区域上，以生成共轭图像。然而，特别是对于相对于主外表面以相对浅的角度(即，与表面的法线成接近90度)注入图像的实现方式，用于利用共轭图像填充波导所需的耦入区域的长度显著增加了波导的尺寸。这在图2a中示出，图2a示出了到波导10的典型耦入。从波导基板切割或者附接在波导基板上的耦入棱镜14用于以浅角度将光线40、41引导至波导中。当光线40、41在波导内传播时，光线41从波导的顶表面反射，从而变成光线40的共轭。从图1中可以明显看出，即使使用耦入棱镜，也需要相对大的输入孔径(并且因此需要较大的投影仪)以在波导内产生浅光线的共轭。

3、图2b所示的用于填充波导的替选方法是在波导10内部约中点处采用50％的分束器(或“混合器”)13，分束器13对主外表面之间的波导的厚度进行细分并且沿波导的长度平行于外表面延伸至少一部分路径。如图2a所示，分束器有效地部分反射光线以在波导内生成其共轭(例如光线41)，并且允许较小的输入孔径和楔形棱镜14。

4、尽管混合器13的存在允许使用较小的投影仪孔径和耦合棱镜，但是混合器本身显著地增加了波导的尺寸。混合器13所需的最小长度可以用公式lmini＝w·tan(φ)表示，其中w是波导的宽度，并且φ是视场的角度(相对于loe主表面的法线)的传播。因此，上述对混合器的最小长度的限制要求使波导更长以容纳混合器。另外，由于需要与波导表面平行，因此在将混合器包括在波导内部需要更高的精度来生产波导。

技术实现思路

1、本发明是一种用于将图像朝向用户引导以供观看的光学系统。

2、根据本发明的实施方式的教导，提供了一种用于将图像朝向用户引导以供观看的光学系统，该光学系统包括：(a)光导光学元件(light-guide optical element，loe)，其由透明材料形成并且具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面，以用于通过在第一主外表面和第二主外表面处的内反射来支持图像的传播，该loe具有用于将图像朝向用户的眼睛耦出的耦出布置，该loe具有耦入孔径；(b)图像投影仪，该图像投影仪包括：图像生成器，其用于生成图像；准直光学器件，其用于对图像进行准直；以及图像共轭生成器，该图像投影仪耦合至耦入孔径，以在准直图像和共轭图像入射到第一主外表面或第二主外表面中的任何一个表面上之前将准直图像及其共轭图像引入到耦入孔径中。

3、根据本发明实施方式的另一特征，图像共轭生成器包括第二图像生成器。

4、根据本发明实施方式的另一特征，图像共轭生成器包括与第一主外表面和第二主外表面不连续的至少一个反射表面。

5、根据本发明实施方式的另一特征，图像共轭生成器包括与第一主外表面和第二主外表面不平行的至少一个反射表面。

6、根据本发明实施方式的另一特征，图像共轭生成器包括光束倍增器，该光束倍增器包括至少一个分束器，该至少一个分束器部署在两个反射表面之间并且平行于两个反射表面。

7、根据本发明的实施方式的另一特征，光束倍增器包括分束器中的至少两个分束器，至少两个分束器插入在反射表面中的至少三个反射表面之间。

8、根据本发明实施方式的另一特征，光束倍增器具有与loe的厚度不同的外部厚度。

9、根据本发明实施方式的另一特征，光束倍增器的反射表面是在分层结构的层之间的界面处的反射表面，并且其中，分层结构的外表面是光束倍增器的光学非功能性表面。

10、根据本发明实施方式的另一特征，loe还包括与第一主外表面和第二主外表面倾斜部署的耦入反射器，该耦入反射器被部署成：将准直图像重定向为入射在第一主外表面上，并且将共轭图像重定向为入射在第二主外表面上。

11、根据本发明实施方式的另一特征，耦入反射器被部署成与第一主外表面和第二主外表面成45度。

12、根据本发明实施方式的另一特征，图像共轭生成器包括反射表面，该反射表面穿过与耦入反射器相邻的loe，反射表面的穿过loe的部分是角度选择性反射表面。

13、根据本发明实施方式的另一特征，角度选择性反射表面使用光学粘合剂来实现，该光学粘合剂具有比与耦入反射器相邻的loe的折射率低的折射率。

14、根据本发明的方面，还提供了一种光束倍增器，该光束倍增器包括透明板的堆叠，该透明板的堆叠限定多个平行界面平面，多个平行界面平面设置有涂层，所述涂层限定：(a)一组n个反射器，其中n至少为三；(b)一组至少n-1个部分反射分束器，分束器中的每一个插入在该组反射器中的两个相邻反射器之间。

技术特征：

1.一种用于将图像朝向用户引导以供观看的光学系统，所述光学系统包括：

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述图像共轭生成器包括第二图像生成器。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述图像共轭生成器包括与所述第一主外表面和所述第二主外表面不连续的至少一个反射表面。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述图像共轭生成器包括与所述第一主外表面和所述第二主外表面不平行的至少一个反射表面。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述图像共轭生成器包括光束倍增器，所述光束倍增器包括至少一个分束器，所述至少一个分束器部署在两个反射表面之间并且平行于所述两个反射表面。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述光束倍增器包括所述分束器中的至少两个分束器，所述至少两个分束器插入在所述反射表面中的至少三个反射表面之间。

7.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述光束倍增器具有与所述光导光学元件的厚度不同的外部厚度。

8.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述光束倍增器的所述反射表面是在分层结构的层之间的界面处的反射表面，并且其中，所述分层结构的外表面是所述光束倍增器的光学非功能性表面。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光导光学元件还包括与所述第一主外表面和所述第二主外表面倾斜部署的耦入反射器，所述耦入反射器被部署成：将所述准直图像重定向为入射在所述第一主外表面上，并且将所述共轭图像重定向为入射在所述第二主外表面上。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其中，所述耦入反射器被部署成与所述第一主外表面和所述第二主外表面成45度。

11.根据权利要求9所述的光学系统，其中，所述图像共轭生成器包括反射表面，所述反射表面穿过与所述耦入反射器相邻的所述光导光学元件，所述反射表面的穿过所述光导光学元件的部分是角度选择性反射表面。

12.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述角度选择性反射表面使用光学粘合剂来实现，所述光学粘合剂具有比与所述耦入反射器相邻的所述光导光学元件的折射率低的折射率。

13.一种光束倍增器，包括透明板的堆叠，所述透明板的堆叠限定多个平行界面平面，所述多个平行界面平面设置有涂层，所述涂层限定：

技术总结
一种用于将图像朝向用户引导以供观看的光学系统(100)，包括：光导光学元件(LOE)(10)，其具有平行主外表面(11a,11b)，以用于通过内反射来支持图像的传播；耦出布置，其用于将图像朝向用户的眼睛耦出；以及耦入孔径。图像投影仪(114)包括：图像生成器(32)，其用于生成图像；准直光学器件(31)，其用于对图像进行准直；以及图像共轭生成器(20,33,34)。图像投影仪耦合至耦入孔径，以在图像入射到主外表面上中的任何一个表面上之前将准直图像及其共轭图像引入到LOE中。图像共轭生成器可以是第二图像生成器(33)，或者可以采用与LOE的主外表面不连续的一个或更多个反射表面(22,23,24,34)。

技术研发人员：埃坦·罗宁
受保护的技术使用者：鲁姆斯有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13