專利名稱：光導光學設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基片導引的光學設備，具體地說，涉及包括由共用的光透射基片承載的多個反射表面的設備，也稱為光導。
本發(fā)明在很多成像應用領域中實施都具有優(yōu)勢，例如頭戴顯示器和平視顯示器、蜂窩電話、緊湊型顯示器、3-D顯示器、緊湊束擴展器和非成像應用比如平板指示器、緊湊型照明器和掃描儀。
背景技術：
對于緊湊的光學元件，重要的應用之一是應用于頭戴顯示器中，在這種頭戴顯示器中一光學模塊既用作成像透鏡又用作組合器，其中二維顯示器被成像在無窮遠并被反射進入觀察者的眼睛。這種顯示器可從空間光調(diào)制器(SLM)比如陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(LCD)、有機光發(fā)射二極管陣列(OLED)或者掃描光源和類似的裝置直接得到，或者借助于中繼透鏡或光纖束間接地得到。這種顯示器包括由通過準直透鏡成像在無窮遠并且借助于作為分別用于非透明和透明應用的組合器的反射或部分反射表面被傳輸進入觀察者的眼睛的元件(像素)陣列。通常，傳統(tǒng)的自由空間光學模塊被用作這些目的。然而，不幸的是，隨著該系統(tǒng)所需的視場(FOV)的增大，這種光學模塊就變得較重、龐大并且使用起來非常復雜，因此，即使對于中等性能的設備仍然不實用。這是所有類型的顯示器尤其是其中系統(tǒng)必須盡可能輕且緊湊的頭戴應用中的顯示器的主要缺陷。
為緊湊所做出的努力導致了幾種不同的復雜的光學方案，然而一方面所有的這些方案對于大多數(shù)實際的應用仍然不足夠緊湊，在另一方面，在可制造性方面所有這些方案仍然存在重要的缺陷。此外，由這些設計所產(chǎn)生的光學視角的眼睛運動框(eye-motion-box)通常非常小—一般小于8mm。因此，相對于觀察者的眼睛即使光學系統(tǒng)的小的移動，光學系統(tǒng)的性能也對此非常敏感，并且為方便地從這種顯示器中讀取文字不允許瞳孔充分地運動。
發(fā)明的公開本發(fā)明有利于尤其是在頭戴顯示器的應用中的非常緊湊的光導光學元件(LOE)的設計和制造。本發(fā)明允許相對較寬的FOV以及相對較大的眼睛運動框值。所得的光學系統(tǒng)提供了也適應眼睛的較大的運動的高質(zhì)量大圖像。本發(fā)明所提供的光學系統(tǒng)特別有利，因為它比已有技術的實施方案更加緊湊并且易于組合進即使具有專門結構的光學系統(tǒng)中。
本發(fā)明也能夠?qū)崿F(xiàn)改進了的平視顯示器(HUD)的結構。由于這類顯示器開始于至少三十年以前，故在該領域中已經(jīng)有了重要的發(fā)展。事實上，HUD已經(jīng)變得普及，如今不僅在所有現(xiàn)代化的戰(zhàn)斗機中而且在民用飛行器中HUD都起著重要的作用，在這些應用中HUD系統(tǒng)成為低可見度著陸操作的重要部件。此外，近幾年來已經(jīng)有將HUD安裝在汽車應用系統(tǒng)上的許多提議和設計，在那里它們有助于駕駛員駕駛和導航。然而，當前形式的HUD有幾個缺點。當前設計的所有的HUD都要求必須提供從位于距組合器一極大的距離處的顯示源來確保該顯示源照明整個組合器表面。結果，組合器-投影器HUD系統(tǒng)必定笨重而又龐大，并且要求相當大的安裝空間，這使得它安裝不便，甚至有時使用不安全。常規(guī)的HUD的較大的光學孔徑也提出了重要的光學設計的挑戰(zhàn)，使得HUD要么具有突出的性能，要么導致了高成本，只要要求高性能。特別是高質(zhì)量的全息HUD的色散是一個問題。
本發(fā)明另一個重要的應用涉及在緊湊的HUD中的實施方案，它可克服上述缺點。在本發(fā)明的HUD設計中，組合器可被連接在基片上的緊湊顯示源照明。因此，整個系統(tǒng)非常緊湊，并且能夠被容易地安裝于多種應用領域的各種各樣的結構中。另外，該顯示器的色散可忽略，因而，可以以包括傳統(tǒng)的白光光源的寬頻譜源操作。此外，本發(fā)明擴展了該圖像以使組合器的有效的面積遠大于實際上由光源實際照明的面積。
本發(fā)明的另一重要應用是提供一種具有真正的三維(3D)視圖的大顯示屏。在信息技術中當前的研究已經(jīng)導致越來越需要3-D顯示器。實際上，在市場上已經(jīng)有了各種各樣的3-D設備。然而，現(xiàn)有的系統(tǒng)要求用戶佩帶專用的設備來將用于左眼和右眼的圖像分開。這種“半自動觀看”系統(tǒng)已經(jīng)在許多專業(yè)應用中斷然確定。進一步擴展到它的領域則要求改善觀看舒適性的并更加適應雙目視覺的機理的“自由觀看”系統(tǒng)。已有技術對這種問題的解決方案具有各種缺陷，在圖像質(zhì)量和觀看舒適性方面它們具有類似于2-D顯示器的缺陷。然而，使用本發(fā)明可以實施不要求觀看幫助并且容易以標準的光學制造過程制造的真實的高質(zhì)量3-D自動立體鏡。
本發(fā)明的再一個應用是提供一種用于移動的手持式應用系統(tǒng)比如蜂窩電話的具有寬FOV的緊湊的顯示器。在今天的無線因特網(wǎng)可觸及的市場，可以使用足夠的帶寬用于全視頻傳輸。這種限制因素保持了在終端用戶的設備內(nèi)的顯示器的質(zhì)量。移動性要求限制了顯示器的物理尺寸，結果是以較差的圖像觀看質(zhì)量的直接顯示。本發(fā)明能夠使在物理上非常緊湊的顯示器具有非常大的虛擬圖像。這在移動通信中是一個重要特征，特別是用于可移動的因特網(wǎng)訪問，這種特征解決了它的實際實施方案中的一個主要局限。因此本發(fā)明能夠使在較小的手持式設備比如蜂窩電話中觀看全格式的因特網(wǎng)頁的數(shù)字內(nèi)容。
因此，本發(fā)明的各種目的是改進已知設備的缺點并根據(jù)特定的需要提供具有改進性能的其它光學部件和系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明提供一種光學設備，包括具有至少兩個主表面和邊緣的光透射基片；用來通過全內(nèi)反射將光耦合進所述基片中的光學裝置；和位于所述基片內(nèi)的至少一個部分反射表面。
附圖簡要說明參考下面的實例性附圖并結合某些優(yōu)選的實施例描述本發(fā)明以便更完整地理解本發(fā)明。
在詳細地具體參看附圖時，應當強調(diào)的是所表示的細節(jié)是作為實例，僅僅是為了圖解討論本發(fā)明優(yōu)選實施例的目的，而且是為了提供被認為是對本發(fā)明原理和概念上細節(jié)描述最有益和最易于理解的內(nèi)容。在這點上，沒有給出比基本理解本發(fā)明所需更詳細的結構細節(jié)。帶有附圖的說明被用來指導本領域普通技術人員在實際中如何以幾種形式實施本發(fā)明。
在附圖中附

圖1是現(xiàn)有技術的折疊式光學設備的一般形式的側視圖；附圖2是根據(jù)本發(fā)明的示例性的光導光學元件的側視圖；附圖3A和3B說明對于兩個入射角范圍在本發(fā)明中使用的有選擇性地反射表面的理想的反射和透射特性；附圖4所示為示例性分色鏡涂層的波長函數(shù)的反射曲線；附圖5所示為示例性分色鏡涂層的入射角度函數(shù)的反射曲線；附圖6所示為另一分色鏡涂層的波長函數(shù)的反射曲線；附圖7所示為另一分色鏡涂層的入射角度函數(shù)的反射曲線；附圖8所示為根據(jù)本發(fā)明的反射表面的示意性剖面圖；附圖9A和9B是說明有選擇性反射表面的示例性陣列的詳細剖面圖的附圖；附圖10所示為有選擇性反射表面的示例性陣列的詳細剖面圖的視圖，其中薄的透明層粘合在光導光學元件的底部；附圖11所示為對于不同的視角從有選擇性反射表面的示例性陣列反射的詳細剖面視圖；附圖12所示為利用旋轉入射光的偏振的半波片根據(jù)本發(fā)明的示例性裝置的剖視圖；附圖13所示為表示作為在投影顯示器的圖像上的FOV函數(shù)的亮度的模擬計算的兩個曲線和外部(透明的)景象；附圖14所示為具有根據(jù)本發(fā)明的四個部分反射表面的陣列的光導光學元件(LOE)構造的附圖；附圖15所示為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例具有四個部分反射表面的陣列的光導光學元件構造的附圖；
附圖16所示為利用了雙LOE構造沿兩個軸擴展束的方法的附圖；附圖17所示為根據(jù)本發(fā)明的設備的側視圖，利用了液晶顯示器(LCD)光源；附圖18所示為根據(jù)本發(fā)明的準直和折疊的光學元件的光學設計的附圖；附圖19所示為根據(jù)本發(fā)明在準直透鏡的前表面上耦合進基片的光的覆蓋區(qū)的附圖；附圖20所示為根據(jù)本發(fā)明的光學設計的等效的展開的附圖；附圖21所示為利用兩對平行的反射鏡實現(xiàn)較寬的視場根據(jù)本發(fā)明的光學設計的附圖；附圖22A是根據(jù)本發(fā)明擴展光的變型結構的頂視圖，22B是側視圖；附圖23所示為在標準眼鏡玻璃框上嵌入本發(fā)明的示例性實施例；附圖24所示為在可移動的手持式設備比如蜂窩電話內(nèi)實施本發(fā)明的實施例的示例性方法的附圖；附圖25所示為根據(jù)本發(fā)明的示例性HUD系統(tǒng)；附圖26所示為其中以顯示器源陣列照亮光導光學元件的本發(fā)明的示例性實施例；附圖27-29所示為根據(jù)本發(fā)明將三維圖像投影到觀看者的眼睛的成像系統(tǒng)的示例性實施例的附圖；附圖30所示為星光放大器(SLA)設備的常規(guī)實施方案的實施例；附圖31所示為使用根據(jù)本發(fā)明的設備的星光放大器(SLA)的改善的實施方案的示例性實施例；附圖32所示為利用具有常規(guī)的照亮設備的反射液晶顯示器(LCD)顯示源的根據(jù)本發(fā)明的設備的側視圖；附圖33所示為利用其中光導光學元件用于照亮顯示源的反射液晶顯示器(LCD)顯示源的根據(jù)本發(fā)明的設備的側視圖；
附圖35所示為根據(jù)本發(fā)明制造有選擇性反射表面的陣列的方法的附圖；附圖35所示為利用兩個棱鏡測量涂敷片在兩個不同的角度上的反射率的測量結構的附圖；附圖36所示為進一步運用折疊式棱鏡來使第二輸出束與入射輸入束對準并利用兩個棱鏡測量涂敷片在兩個不同的角度上的反射率的測量系統(tǒng)的附圖。
優(yōu)選實施例的詳細說明圖1所示為常規(guī)的折疊式光學結構，其中基片2被顯示源4照明。該顯示通過準直透鏡6準直。來自顯示源4的光通過第一反射表面8被耦合進基片2內(nèi)以使主光線10平行于基片平面。第二反射表面12將此光耦合出基片并進入觀察者14的眼睛中。盡管這種結構緊湊，但是它仍然存在一些嚴重的缺點，尤其是僅能實現(xiàn)非常有限的FOV。如圖1中所示，基片內(nèi)最大允許的離軸角是αmax=arctan[T-deye2l]----(1)]]>其中T是基片厚度；deye是所需的出瞳直徑，和l是反射表面8和12之間的距離。
在角度大于αmax時，光線在到達反射表面12之前就被從基片表面反射。從而，反射表面12在不希望的方向上被照明，并且產(chǎn)生重象。
因此，這種結構下可實現(xiàn)的最大視場是FOVmax≈2vαmax(2)其中v是基片的折射率。
通常折射率的值在1.5-1.6范圍內(nèi)。
一般，眼瞳孔的直徑是2-6mm。然而，為了適應顯示器的移動或不對準，需要較大的出瞳直徑。取最小所需的值為大約8-10mm，在眼睛的光軸和頭部側面之間的距離l通常在40和80mm之間。因而，即使對于8°的小FOV，所需的基片厚度大約是12mm。
已經(jīng)提出一些方法來克服上述的問題。這些方法包括利用基片內(nèi)的放大望遠鏡和非平行耦合方向。然而，即使用這些解決方法，即使僅考慮一個反射表面，該系統(tǒng)的厚度仍然受到類似的值的限制。FOV受限于在基片平面上反射表面12投影的直徑。由于這種限制，從數(shù)學上，最大可實現(xiàn)的FOV表示為FOVmax≈Ttanαsur-deyeReye----(3)]]>其中αsur是反射表面和基片平面法線間的角度，和Reye是觀察者眼睛和基片間的距離(一般是約30-40mm)。
在實際中，tanαsur不能比1大得太多；從而，對于如上所述8°的FOV的相同的參數(shù)，在此所要求的基片厚度大約是7mm，它是對先前的限制的改進。然而，當所需的視場增大時，基片厚度迅速增加。例如，對于15°和30°的所需的FOV，基片限制厚度分別是18mm或25mm。
為了克服上述的限制，本發(fā)明采用在光導光學元件(LOE)內(nèi)制造的有選擇性反射表面的陣列。圖2說明根據(jù)本發(fā)明的LOE的剖視圖。第一反射表面16被從位于該設備后的光源(未表示)發(fā)出的準直的顯示18照射。該反射表面16反射來自光源的入射光，以通過全內(nèi)反射將該光截獲在平面基片20內(nèi)。在從基片進行幾次反射之后，被截獲的波到達將從基片出來的光耦合進觀察者24的眼睛中的選擇性反射表面22的陣列。假定該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內(nèi)耦合波的離軸角度是αin，那么反射表面和基片平面法線間的角度αsur2是αsur2=αin2----(4)]]>從圖2可以看出，被截獲的光線從兩個不同的方向28、30到達反射表面。在該特定的實施例中，該被截獲的光線在從基片表面26經(jīng)過偶數(shù)次反射之后自這些方向中的一個方向28到達反射表面，其中被截獲的光線和反射表面法線間的入射角βref是
被截獲的光線從基片表面26經(jīng)過奇數(shù)次反射之后自第二個方向30到達反射表面，其中離軸角是αin′＝180°-αin，并且被截獲的光線和反射表面法線間的入射角是 為了避免不希望的反射和重象，重要的是該兩個方向中的一個方向上的反射被忽略不計。幸運的是，如果一個角度顯著小于另一個角度，那么就能得到該兩個入射方向間的所期望差別。先前提出了對這種需求的兩種解決方案，這種兩個方案利用了S-偏振光的反射特性，然而，這兩種方案都存在缺陷。第一種方案的主要缺陷是實現(xiàn)可接受的FOV要求相當大數(shù)量的反射表面。第二種結構的主要缺陷是具有αin的內(nèi)部角度的光線的不希望的反射。目前已經(jīng)描述了一種變型方案，這種變型方案利用P-偏振光的反射特性，在某些情況下也利用S-偏振光，并且提供了更淺的反射表面傾斜以使對于給定的應用要求更少的反射表面。
作為S-和P-偏振光的入射角度的函數(shù)的反射特性不同。例如考慮空氣/冕牌玻璃界面，雖然兩個偏振在零入射時反射4％，在邊界上的S-偏振光入射的菲涅耳反射單調(diào)上升并在切線入射上達到100％，P-偏振光的菲涅耳反射在布儒斯特角度上降低到0％，并且然后上升在切線入射上達到100％。因此，對于S-偏振光，可以設計在斜入射上具有高反射和在法線入射上具有幾乎零反射的涂層。此外，對于P-偏振光，也已經(jīng)設計在高入射角度上具有很低的反射而對于低入射角度具有高反射的涂層?？梢岳眠@種特性通過消除兩個方向中的一個方向上的反射來防止如上文所述的不希望的反射和重象。例如從公式(5)和(6)中選擇βref～25°，可以計算β′ref＝105°；αin＝130°；α′in＝50°；αsur2＝65° (7)如果現(xiàn)在確定β′ref沒有被反射但βref被反射的反射表面，則實現(xiàn)了理想的條件。附圖3A和3B所示為有選擇性反射表面的理想的反射特性。雖然具有βref～25°的離軸角度的光線(附圖3A)被部分地反射并從基片34耦合出，但是在β′ref～75°的離軸角度(它等效于β′ref～105°)上到達反射表面的光線36(附圖3B)通過反射表面34透射而沒有任何顯著的反射。
圖4所示為對于四個不同的入射角20°、25°、30°和75°(它們?nèi)慷际怯糜赑-偏振光)被設計成實現(xiàn)上述的反射特性的分色鏡涂層的反射曲線。在大角度光線的反射對于整個相應光譜可忽略的同時，在相同光譜上在20°、25°和30°的離軸角下的光線分別幾乎得到了恒定的反射率26％、29％和32％。顯然，反射率隨著入射光線的傾斜而增加。
附圖5所示為作為波長λ＝550nm的P-偏振光的入射角度的函數(shù)相同的分色鏡涂層的反射曲線。顯然，在這個曲線中具有兩個重要的區(qū)段在50°和60°之間反射率較低的區(qū)段和在15°和40°之間反射率隨著入射角單調(diào)增加的區(qū)段。因此，對于給定的FOV，只要可以確保所需的非常低的反射率的β′ref的整個角度頻譜位于在第一區(qū)段內(nèi)同時要求更高的反射的βref的整個角度頻譜位于第二區(qū)段內(nèi)，就可以確保僅將一個基片模型反射進觀察者的眼睛中并且確保無重象。
至此，僅分析了P-偏振光。對于使用偏振顯示源的系統(tǒng)(比如液晶顯示器(LCD))或者其中輸出亮度不是關鍵并且濾去S-偏振光的系統(tǒng)這種處理足夠。然而，對于未經(jīng)偏振的顯示源，比如CRT或OLED，亮度是關鍵，S-偏振光不能被忽略并且在設計的過程中必須考慮它。幸運的是，雖然比P-偏振光更富于挑戰(zhàn)性，但是對于如上文所討論的S-偏振光也可以設計具有相同的特性的涂層。即，對于β′ref的整個角度頻譜具有很低的反射率和對于βref的相應的角度頻譜具有更高的預定的反射的涂層。
附圖6和7所示為參考附圖4和5上文所述的相同的分色鏡涂層的反射曲線，但現(xiàn)在是用于S-偏振光。顯然，在兩種偏振的特性之間存在某些差別對于S-偏振，反射率很低的高角度的區(qū)段窄得多；對于S-偏振光在整個頻譜帶寬上對于給定實現(xiàn)恒定的反射率比對于P-偏振光難得多；最后，在要求更高的反射的βref的角度頻譜上的S-偏振光的單調(diào)特性與P-偏振光的特性相反，即S-偏振光的反射率隨著入射光線的傾斜度增加。顯然，在系統(tǒng)的光學設計的過程中可以利用兩個偏振在βref上的角度頻譜上的這種矛盾的特性來根據(jù)每種系統(tǒng)的特定的要求實現(xiàn)在整個光上的理想的反射率。
很明顯，第一反射表面16(附圖2)的反射率應當盡可能高，以便將來自顯示源的光盡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線間的角度αsur1是αsur1=αin+αo2;α′sur1=α′in+αo2----(8)]]>在上述的實例中αsur1和α′sur1的解分別是155°和115°。
圖8表示反射表面16的側視圖，該反射表面耦合來自顯示源(未表示)的光38并通過全內(nèi)反射將其截獲在基片20內(nèi)。如此處所描繪，該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的解是優(yōu)選的，這是由于在上面的實例中在該基片表面上的耦合面積比先前的解的耦合面積大4.5倍。對于其它的系統(tǒng)保持類似的改進比率。假設此耦合波照射整個反射表面區(qū)域，則從表面16反射之后，該耦合波照射基片表面上2S1＝2Ttan(α)的面積。另一方面，該基片平面上反射表面16的投影是S2＝Ttan(αsur2)。為了避免反射表面間的交疊或間隙，每個表面的投影都鄰近其相鄰表面的投影。從而，在一個循環(huán)周期(即，在從基片相同表面的兩次反射之間)中每個被耦合光線通過的反射表面22的數(shù)目N是N=2S1S2=2T·tan(αsur1)T·tan(αsur2)----(10)]]>在本實例中，在αsur2＝65°，αsur1＝115°時，解是N＝2；也即，在一個循環(huán)過程中每條光線通過2個不同的表面。這是對我們先前公開的方案的原理性改變和重要的改善，其中每個光線通過在一個循環(huán)周期中通過了6個不同的表面。對于給定的FOV要求減小反射表面的數(shù)量的能力涉及將反射表面投影在觀看平面上—因為在本公開方案中的角度越大，需要更少的反射表面跨越在圖像尺寸上。允許更少的反射表面簡化了LOE的實施方案并且確保了在其制造中重要的成本節(jié)省。
上文描述的關于附圖8的實施例是將輸入波耦合進基片的方法的實例。然而，輸入波也可借助于其它光學裝置被耦合進基片，包括(但不限于)折疊式棱鏡、光纖束、衍射光柵以及其它方案。
同樣，在如附圖2所示的實例中，輸入波和圖像波均位于基片的相同一側。然而，也可以設計其中輸入波和圖像波位于基片的相對側上的其它的結構。在某些應用中還可以將輸入波通過基片的一個外周側邊耦合進基片。
圖9A是將在基片內(nèi)截獲的光耦合進觀察者的眼睛中的有選擇性反射表面的陣列的詳細剖面視圖。正如所示，在每個循環(huán)中，被耦合光線都通過反射表面42，具有α′in＝130°的方向，由此在光線和反射表面的法線之間的角度是～75°，且來自這些面的反射可忽略不計。另外，在每個循環(huán)周期中光線兩次通過具有αin＝50°的反射表面44，這里入射角是25°并且光線的部分能量被耦合出基片。假設僅使用一個陣列的有選擇性反射表面22來將光耦合在觀察者的眼睛上，則最大FOV是FOVmax≈2Ttanαsur1-deyeReye----(11)]]>因此，對于上面的實例的相同參數(shù)，對于8°的FOV的極限基片厚度是大約2.8mm；對于15°和30°的FOV，極限基片厚度分別是3.7mm和5.6mm。與比上面討論的已有技術的解的有效厚度相比存在更加合理的值。此外，可以使用多于兩個的有選擇性反射表面。例如，對于三個有選擇性反射表面22，15°和30°的FOV的極限基片厚度大約分別為2.4mm和3.9mm。除了上述優(yōu)點之外引入類似的附加反射表面可以進一步減少極限光學厚度。
對于其中要求相對較小的FOV的結構，單個的部分反射表面可能足夠。例如，對于具有如下參數(shù)的系統(tǒng)Reye＝25mm；αsur＝72°和T＝5mm，甚至通過單個反射表面22可以實現(xiàn)中等的17°的FOV。部分光線在耦合進所需的方向之前與表面22交叉幾次。由于在基片內(nèi)對于BK7或類似的材料實現(xiàn)全內(nèi)反射條件的最小傳播角度是αin(min)＝42°，因此FOV的中心角度的傳播方向是αin(cen)＝48°。因此，投影圖像不垂直于該表面而是傾斜到12°的離軸。然而，對于許多應用這是可接受的。
如圖9B所示，每個有選擇性反射表面都被不同能量的光線照射。在光線被從基片20的下表面48反射后即照射右表面46的同時，左表面50被已經(jīng)通過部分反射表面46的光線照射，因此該光線具有較低的能量。為獲得具有均勻亮度的圖像，要求對在圖像的不同部分之間的強度差別進行補償。實際上，用兩種不同的涂層涂覆反射表面，由此表面46的反射率將低于表面50的反射率，以便補償這種非均勻照射。
在所得的圖像中另一可能的非均勻性可能由每個都到達有選擇性反射表面的不同光線的不同反射順序引起某些光線直接到達而沒有從有選擇性反射表面反射；另外的光線在一次或多次這樣的反射之后到達。這種效果在附圖9A中示出。光線在點52上第一有選擇性反射表面22交叉。光線的入射角度是25°并且光線的能量的一部分耦合出基片。然后光線以75°的入射角度在點42上與相同的有選擇性反射表面交叉而沒有明顯的反射，然后如25°的入射角度在點54上交叉，在這里另一部分光線能量從基片耦合出。與在附圖9B中所示的光線相反，僅經(jīng)歷從相同的表面反射一次。我們注意到在更小的入射角度上發(fā)生多次反射。因此，補償由這種多交叉引起的非均勻性的一種方法是設計反射率隨著入射角的降低而單調(diào)地增加的涂層，如在附圖5的范圍10-40°的反射率所示。難以完全補償在多交叉效應中的這種差值。然而，在實際中，人眼能夠容允亮度的極大變化而覺察不到。對于近視顯示器，眼睛綜合了從單個視角發(fā)射的所有的光并將它聚集在視網(wǎng)膜上的一個點上，因為眼睛的響應曲線是對數(shù)式，因此如果在顯示器的亮度上存在任何較小的變化都不容易看見。因此，即使在顯示器內(nèi)的亮度的均勻性適當?shù)刈兓?，人眼仍然感覺到高質(zhì)量的圖像。所要求的適當?shù)木鶆蛐钥衫肔OE容易實現(xiàn)。
然而，對于在距離眼睛一定的距離內(nèi)的顯示器，比如平視顯示器，由多次交叉引起的非均勻性不能容允。對于這種情況，要求一種克服非均勻性的更加系統(tǒng)的方法。附圖10所示為一種可能的方法。具有厚度Tadd的薄透明層55接合在LOE的底部上。在這種結構設置中，根據(jù)附圖9A以25°入射的示例性光線在三個點上與第一有選擇性反射表面22交叉，與這個表面僅交叉兩次并僅反射一次在點52上。這樣，不會發(fā)生兩次反射的效果。厚度Tadd可以被計算為使光學系統(tǒng)的整個FOV的兩次反射效果最小。例如，對于具有下面的參數(shù)的光學系統(tǒng)FOV＝24°；αsur＝64°；αin＝52°；v＝1.51和T＝4mm，應該增加具有Tadd＝2.1的厚度的層以完全消除不希望的兩次通過的效應。顯然，LOE的總的厚度現(xiàn)在是6.1mm而不是4mm，但對于其中組合器相對較大并且對于LOE要求機械強度的HUD系統(tǒng)，增加的厚度未必是個缺陷?？梢栽贚OE的頂部甚至在基片的兩側上增加透明層，其中根據(jù)光學系統(tǒng)的具體要求設定精確的結構。對于所提出的構造，不管Tadd的厚度是多少，至少某些光線與系統(tǒng)的有選擇性反射表面交叉兩次。例如，附圖10中，在具有25°的入射角的點52上光線通過第一反射表面22一次，其中一部分的光線的能量耦合出基片，在75°的入射角上通過一次但沒有明顯的反射。顯然，僅僅第一次交叉對由LOE形成的圖像具有貢獻。
在考慮視角時所得的圖像的不同部分從部分反射表面的不同部分發(fā)出，附圖11示出了這種效果基于所提出的結構的緊湊的LOE顯示系統(tǒng)的剖視圖。在此表示特定的視角58的單個平面波56僅照亮部分反射表面22的整個陣列的一部分。因此，對于在部分反射表面上的每個點，確定標稱視角，并且根據(jù)這個角度設計反射率。
如下地執(zhí)行LOE的各種部分反射表面的涂層設計對于每個特定的角度，從指定的眼睛瞳孔60的中心到部分反射表面繪制光線(考慮由斯涅爾定律引起的折射)。所計算的方向設定為標稱入射方向，根據(jù)該方向并且還考慮與這個特定的視角相關的先前的反射率設計特定的涂層。因此，對于每個視角，來自相關的表面的平均反射率非常接近所需的反射率。此外，如果要求的話，給LOE增加具有厚度Tadd的層。
具有不相同的有選擇性反射表面的LOE具有兩種結果。在透明系統(tǒng)中，比如在飛行員的頭戴顯示器中，在這種系統(tǒng)中觀看者將通過LOE看到外部景象，因此有選擇性反射表面的反射率應該相對較高。由于這里反射系數(shù)對于所有的有選擇性反射表面不同，因此存在的危險是這將也使通過基片觀看的外部景象具有非均勻圖像。在其它的情況下，這種可能的非均勻性是關鍵的，補償?shù)姆蔷鶆蛲繉涌梢栽黾拥交耐獠勘砻嫔弦匝a償基片的非均勻性并實現(xiàn)在整個FOV上的均勻亮度的視圖。
在非透明的系統(tǒng)中，比如虛擬顯示顯示器，基片是不透明的并且系統(tǒng)的透射不重要。然而，在這種情況下，反射率比之前更大，必須注意確保足夠的強度通過第一反射表面以便在整個FOV上實現(xiàn)均勻的亮度。應該考慮的另一個問題是光的偏振。如上文所討論，對于有選擇性反射表面涂層，優(yōu)選P-偏振光。幸運的是，某些緊湊的顯示源(例如向列型液晶顯示器)都是線性偏振。這也應用到其中使顯示源設置成入射光相對于反射表面S-偏振的情況。在這種情況下，可以設計S-偏振光的涂層或者可替換地以半波片旋轉源的偏振。如附圖12所示，從顯示源4發(fā)出的光被線性地S-偏振。通過使用半波片62，旋轉偏振以使所需的P-偏振光入射在耦合的反射表面22上。
為說明典型的透明系統(tǒng)的預期性能，已經(jīng)進行了計算機模擬，計算投影的顯示器和外部景象兩者的亮度。該系統(tǒng)具有如下的參數(shù)T＝4.3mm；Tadd＝0；αin＝50°；FOV＝24°；Reye＝25mm；v＝1.51；顯示源被S-偏振，有兩個有選擇性反射表面，以及標稱反射率是22％。附圖13所示為模擬結果，歸一化到所請求的標稱值。在兩個曲線圖中有某些小的波動，但這些變化在近視應用中不顯著。
至此，已經(jīng)討論了沿ξ軸的FOV。沿正交的η軸的FOV也應該考慮。沿η軸的FOV不取決于有選擇性反射表面的大小或數(shù)量，但取決于沿耦合到基片的輸入波的η軸的橫向尺寸。η軸的最大的可實現(xiàn)的FOV是FOVmax≈Dη-deyeReye+l/(νsinαin)----(12)]]>其中Dη是沿耦合進入基片的輸入波的η軸的橫向尺寸。
也就是說，如果所需的視場是30°，那么通過采用與以前使用的相同參數(shù)，極限橫向尺寸是42mm。以前已經(jīng)證明，沿耦合進入基片的輸入波的ξ軸的橫向尺寸由S1＝Ttan(αin)給定。厚度為T＝4mm的基片得到S1＝8.6mm。表面上看，LOE的橫向?qū)挾仁强v向尺寸的5倍。即使對于4∶3的縱橫比(同樣的視頻顯示)并且沿η軸的視場是22°，則必需的橫向尺寸大約是34mm，仍然是縱向尺寸的4倍。這種非對稱性產(chǎn)生的問題是要求具有高數(shù)值孔徑的準直透鏡或非常大的顯示源。在任何情況下，應用這種數(shù)字值大小，不可能得到所需的緊湊系統(tǒng)。
解決這個問題的一種替代方法表示在圖14中。不使用僅沿ξ軸的反射表面22的陣列，而是沿η軸設置另一反射表面22a、22b、22c、22d的陣列。這些反射表面被定位垂直于基片20沿ξ軸和η軸二等分線的平面。確定這些反射表面的反射率以獲得均勻的出射波。例如，對于四個反射表面，對于第一反射表面22a、第二反射表面22b、第三反射表面22c和第四有反射表面22d，表面的反射率應該分別為75％、33％、50％和100％。這種結構產(chǎn)生了波前序列，每個波前序列的入射強度為25％。通常，對于S-偏振光這種反射表面陣列容易設計。幸運的是，對與部分反射表面22a-22d相當?shù)豐-偏振的光進行與部分反射表面22相當?shù)腜-偏振。因此，如果以S-偏振影響在η軸中的圖像的垂直展開，則不需要半波片來旋轉在ξ軸上的水平擴展器上的光的偏振。在陣列組件22和22a-22d中所示的結構僅僅是例子。根據(jù)光學系統(tǒng)和所需的參數(shù)，其它用來增加沿兩軸的光波橫向尺寸的配置也是允許的，它們將在下文中描述。
附圖15所示為沿η軸擴展束的變型方法。在這種結構中對于S-偏振光表面22a、22b和22c的反射率是50％，這里22d是簡單的100％反射鏡。雖然這種方案的垂直擴展的橫向尺寸大于先前的結構，但是僅要求一種簡單的有選擇性反射涂層并且整個結構容易制造。一般地，對于每個特定的光學系統(tǒng)，根據(jù)特定的系統(tǒng)的要求可以選擇沿η軸擴展束的精確的方法。
假設在從反射表面22a-22d反射之后，對稱的準直透鏡6沿η軸的橫向尺寸由Sη＝NTtan(αin)給出，其中N是反射表面的數(shù)目?，F(xiàn)在沿η軸的最大可獲得的FOV是FOVηmax≈Sη-deyeReye+l/(νsinαin)=NTtan(αin)-deyeReye+l/(νsinαin)----(13)]]>由于反射陣列22a-22d可被定位在眼睛附近，因此可以預計在反射表面間的距離l將小于先前的實例。假設l＝40mm，并選擇參數(shù)T＝4mm；N＝4；αin＝65°；Reye＝25mm和v＝1.5，則所得的FOV是FOVηmax≈30° (14)這個結果優(yōu)于先前上文得到的值。
附圖16所示為利用雙LOE結構擴展沿兩個軸的束的另一方法。通過第一反射表面16a輸入波耦合進第一LOE 20a，然后沿ξ軸傳播。部分反射表面22a將光耦合出20a，然后通過反射表面16b耦合進第二20b。然后光沿η軸傳播，然后通過有選擇性反射表面22b耦合出。如圖所示，原始的束沿兩個軸擴展，其中總的擴展由分別在元件16a和22b的橫向尺寸之間的比率確定。在附圖16中給出的結構正好是雙LOE設置的一個實例。將兩個或多個LOE組合在一起以形成復雜的光學系統(tǒng)的其它結構也是可以的。例如，三個不同的基片(每個基片的涂層被設計成用于三種基本顏色中的一種)可以組合以形成三色顯示系統(tǒng)。在這種情況下，每個基片相對于其它的兩種顏色透明。這種系統(tǒng)對于其中要求三種單色顯示源的組合以形成最終的圖像的應用有用。有許多其它的實例，在這些實例中將幾個基片組合在一起以形成更加復雜的系統(tǒng)。
要解決的另一問題是系統(tǒng)的亮度。這個問題對于透明應用系統(tǒng)比較重要，在這種應用系統(tǒng)中希望顯示器的亮度與外部景象的亮度相當以允許可接受的對比率和通過組合器方便觀看。確保大部分系統(tǒng)的插入損失很小是不可能的。例如，如上文所描述對于附圖14的四表面組合器，因為沿η軸所要求的束擴展的緣故，光學波的亮度減小四倍。一般地對于N-反射表面亮度減小N倍。在原理上高亮度顯示源可以消除這種困難，但這種方法必然具有實際的局限。不僅高亮度顯示源非常昂貴，而且它們也具有與非常高的電流相關的高功率消耗。此外，在大部分顯示器中，存在對可實現(xiàn)的最大亮度的固有的局限。作為實例，對于當前用于小顯示器使用最多的顯示源的透射LCD，限制背照亮光功率以避免降低顯示器的分辨率和對比率的不希望的影響比如閃爍。因此，要求其它的方法來使來自光源的可用光的使用最佳化。
改善達到觀看者的眼睛的顯示器的亮度的一種可能的方法是根據(jù)觀看者的眼睛運動框(EMB)控制LOE的反射表面22的反射率。如附圖11所示，有選擇性反射表面22的整個陣列的每個反射表面僅通過整個FOV的一部分照亮。因此，每個表面的反射率可以被設定成使整個FOV的亮度最佳。例如，在附圖11中的右表面22a的反射率被設計成對于FOV的右邊部分具有更高的反射率，而對于FOV的左邊部分具有最低的可能的反射率，同時對于FOV的左邊部分左表面22b具有更高的反射率。類似的設計方法可應用于二維擴展系統(tǒng)。假設η是在附圖16中的垂直軸，反射表面22a的反射率可以被設計成使對于FOV的更低的部分下表面具有更高的反射率，而對于FOV的更高的部分具有最低的可能的反射率，同時對于FOV的上部分上表面具有更高的反射率。因此，其中由于橫向擴展的緣故亮度被減小的倍數(shù)可能比R小得多，這里R是在耦入表面16a和耦出表面22b的面積之間的比率。
改善系統(tǒng)的總體亮度的另一方法是通過控制顯示源的亮度而不改變輸入功率。如上文附圖11所示，通過反射鏡16耦合在基片20上的能量的一大部分反射進眼睛瞳孔60的附近。然而，為使可實現(xiàn)的亮度最大，理想的是從顯示源發(fā)射出的光大部分耦合進基片。
附圖17所示為顯示源是透射LCD的基片型顯示器的實例。從光源64發(fā)射并通過透鏡66準直的光照亮LCD 68。來自LCD的圖像通過光學部件70準直并反射到基片20。附圖18所示為準直/折疊式透鏡70的光學設計，而附圖19所示為在透鏡70的前表面上耦合進基片20的光的覆蓋區(qū)。通常，對于大多數(shù)顯示源，從顯示器中發(fā)出的光的存在蘭伯特(Lambertian)分布。即，能量非均勻地分布在2π球面度的整個角頻譜。然而，如附圖18和19所示，從顯示源中發(fā)出的僅僅一小部分的光實際地耦合進基片20。從在顯示表面上的每個點源中，僅僅～20-30°的小錐形的光實際照亮在前表面72上的覆蓋區(qū)并耦合進基片20。因此，如果從顯示器發(fā)出的光都集中在這個錐形里則可以實現(xiàn)亮度的極大增加。
實現(xiàn)在光源亮度上的這種方向性的一種方法是使用專用于LCD的有選擇性的擴散器。通常，常規(guī)的擴散器均勻地散射在所有的方向上的光?？商鎿Q地，有選擇性的擴散器可以擴展光以使來自每個點源的光分散到所要求的角錐中。在這種情況下，LCD表面照亮的功率仍然保持相同。對于20-30°的錐形，與蘭伯特源的π球面度相比，每個點源的光的分散角度減小超過50倍，光的亮度增加相同的倍數(shù)。因此，通過最小的設計和制造努力并且不增加相同的功率消耗，可以實現(xiàn)相同的亮度的極大改善。
不僅適合于LCD而且適合于其它的顯示源的一種變型方案是使用與顯示源的像素對準的微透鏡陣列。對于每個像素，微透鏡使從該像素發(fā)出到所需的角錐的發(fā)散束變窄。實際上，這種方案只有當像素的填充系數(shù)是較小的數(shù)量時才有效。這種方案的改善方式是設計在像素陣列中的像素的發(fā)射分布功能以使每個像素發(fā)散到所要求的角度。例如，在OLED顯示器中，通常做出努力以增加單個的LED的發(fā)散角以允許從較寬的角度觀看。然而，對于四個特定的LOE顯示應用系統(tǒng)，有利的是保持這種發(fā)散角較小，即大約20-30°，以使系統(tǒng)的亮度最佳化。
如上文參考附圖14和15所描述，沿垂直η方向也可以實現(xiàn)寬的FOV而不顯著地增加系統(tǒng)的體積。然而，還存在這種方案不夠的如下的情況。特別是對具有很寬的FOV和對在耦入反射表面16和耦出有選擇性反射表面22之間的距離l的限制的系統(tǒng)是這樣。附圖20所示為具有如下參數(shù)的展開的光學系統(tǒng)l＝70mm；T＝4mm；αin＝65°；Reye＝24mm；v＝1.51，眼睛運動框(EMB)是10mm并且所要求的垂直FOV是42°。如果跟蹤來自EMB 74的光線，我們發(fā)現(xiàn)光通過在耦出光學設備22上的EMB的投影，其中76、78和80分別是FOV的上部、中央和下部角度的投影。這意味著為實現(xiàn)所需的FOV所要求的耦入孔82是65mm；這是必定增加整個系統(tǒng)的尺寸的非常大的孔徑，即使基片仍然保持薄片?？商鎿Q地，只要40mm的更小的孔84允許，則可實現(xiàn)的垂直的FOV 86落在23°，它是所要求的FOV的幾乎一半。
附圖21所示為對這個問題的解決方案。不使用單個矩形片20，而是將片的兩個水平邊緣分別以兩對平行的反射表面88a、88b和90a和90b替換。雖然FOV的中央部分直接通過孔84投影，如前文所述，但是來自FOV的下部的光線從表面88a和88b反射，同時來自FOV的上部的光線從表面90a和90b反射。通常，在基片里面截獲的光線和反射表面88和90之間的角度足夠大以實施全內(nèi)反射，因此對于這些表面不要求特定的反射涂層。由于所有的光線從輸入孔直接行進或者從一對平行表面反射兩次，因此保持了每條光線的原始方向，并且不影響原始圖像。
實際上，重要的是確保通過表面88a所反射的每條光線在撞擊到孔84之前也由表面88b反射。為證實這個，檢查兩個光線路徑就足夠在點94上入射在表面88a上的極限角92的邊緣光線必須撞擊在表面88b到它與表面90a的交點98的右邊；此外，入射緊接著在它與表面90b的交點98的表面88a上的邊緣光線96必須在它與孔84交叉之前必須撞擊在表面88b上。由于兩個邊緣光線都復符合要求，因此入射在表面88a上的來自FOV的所有的光線必定也撞擊在表面88b上。對于42°的FOV本實例能夠使輸入孔極大地減小84∶40mm。顯然，在l非常大的情況下，兩對或更多對的反射表面的并排可用于實現(xiàn)所需的FOV，同時保持可接受的輸入孔。
附圖21的實施例正好是說明這種方法的簡單實施方案的實例。對于給定的FOV為減小該系統(tǒng)的孔或者可替換地對于給定的孔為增加可使用的FOV，使用平行的反射表面對并不限于基片型光學設備，在其他的光學系統(tǒng)中也可以使用，這些光學系統(tǒng)包括(但不限于)自由空間系統(tǒng)象平視顯示器、反射幻燈機潛望鏡。
顯然，如上文參考附圖21所描述，基片的輸入孔的橫向尺寸沿η軸是40mm，而沿ξ軸是8.5mm。附圖22A和22B所示為上文參考附圖14-15描述的變型實施例。這種方法包含在對稱的準直透鏡16和非對稱輸入孔之間的調(diào)整。輸入孔的橫向尺寸假設沿兩個軸分別為D和4D。具有2D的孔的透鏡6將圖像準直在基片上。前半部分的準直的光通過鏡子16a耦合進基片。兩對平行反射表面22a、22b和22c和22d將耦合的光朝外分束，然后將其反射回它的原始方向。后部分的經(jīng)準直的光通過基片20，然后通過棱鏡99折回到基片。第二鏡子16b將折回的光耦合到基片。顯然，按照要求，輸入孔的橫向尺寸沿兩個軸分別是D和4D。
上文參考附圖22所描述的方法具有某些優(yōu)點。該系統(tǒng)繞η軸對稱，并且更重要的是，沒有光強度損失。這種方法僅僅是一個實例，其它將對稱的輸入束轉換為非對稱耦合的光束的類似的方法也是可以的。沿η軸擴展圖像的適合的結構要求仔細分析系統(tǒng)的技術規(guī)范。
一般地，上文考慮的光導光學元件的所有的不同的結構相對于顯示應用的變型緊湊的光學設備具有幾種重要的優(yōu)點，它們包括1)輸入顯示源可以非?？拷?，因此整個光學系統(tǒng)非常緊湊并且重量輕，提供了不平行的形狀系數(shù)。
2)與其它的緊湊的顯示器結構相反，本發(fā)明提供了相對于輸入顯示源目鏡定位的靈活性。結合將顯示源定位在靠近擴展基片的能力，這種靈活性使得不需要使用其它的顯示器系統(tǒng)普通使用的離軸光學構造。此外，由于LOE的輸入孔比輸出孔的有效面積更小，因此準直透鏡6的數(shù)字孔徑比相當?shù)某Ｒ?guī)的成像系統(tǒng)所要求的小得多。因此，可以實施非常方便的光學系統(tǒng)，并且與離軸光學設備和高數(shù)值孔徑透鏡相關的許多困難比如場或色差都可以相對容易且有效地補償。
3)在本發(fā)明中有選擇性反射表面的反射系數(shù)在整個相關的頻譜上基本相同。因此，不管單色還是多色光源都可用作顯示源。LOE具有可忽略的波長依賴性，這確保了具有高分辨率的高質(zhì)量的彩色顯示。
4)因為來自輸入顯示器的每個點變換到平面波，該平面波從反射陣列的大部分反射到觀察者的眼睛，所以可以極大地放松對眼睛的精確位置的容差。這樣，觀察者可以看到整個視場，并且眼睛運動框比其它的緊湊的顯示器結構大得多。
5)由于來自顯示源的大部分強度耦合進基片，并且因為大部分這種耦合的能量是“再循環(huán)”的并耦合進觀察者的眼睛，因此甚至以具有較低的功率消耗的顯示源也可以實現(xiàn)相對較高的亮度的顯示器。
附圖23所示為其中LOE 20嵌入在眼鏡框100中的本發(fā)明的一種實施例。顯示源4、準直透鏡6和折疊式透鏡70組裝在眼鏡框的臂部102中，正好緊接著LOE 20的邊緣。對于其中顯示源是電子元件比如小的CRT、LCD或者OLED的情況，顯示源的驅(qū)動電子設備104可以組裝在臂102的后部里面。電源和數(shù)據(jù)接口106通過導線108和其它的通信裝置包括無線電或光學傳輸連接到臂102?？商鎿Q地，電池和微型數(shù)據(jù)鏈接電子設備可集成在眼鏡框中。
上文描述的實施例在透明和非透明的系統(tǒng)中都有用。在后一情況下不透明的層位于LOE的前面。不需要封閉整個OLE，通常僅僅其中顯示是可見的有效面積需要被阻封。這樣，該設備可以確保維持用戶的外圍視覺，重現(xiàn)計算機或電視顯示屏的觀看體驗，在這些設備中外圍視覺起重要的感知功能?？商鎿Q的是，在該系統(tǒng)的前面放置可變?yōu)V光器以使觀察者可以控制從外部景象發(fā)出的光的亮度級。這種可變的濾光器可以是機械控制的設備比如折疊式濾光器或者是兩個旋轉偏振器、電子地控制的設備或者甚至是自動設備，由此濾光器的透射率由外部背景的亮度確定。
關于在本實施例中利用LOE的精確方式有幾種變型方案。最簡單的選擇是使用用于一個眼睛的單個元件。另一選擇是使用用于每個眼睛的元件和顯示源，但具有相同的圖像?？商鎿Q地，可以投影相同的圖像的不同的部分，并且在兩個眼睛之間有一定的重疊，使FOV更寬。再一種可能選擇是投影兩個不同的景象，每眼睛一個，以便形成立體圖像。應用這種變型，引人注目的實施方案是可能的，包括3-維電影、高級的虛擬現(xiàn)實、訓練系統(tǒng)等。
附圖23的實施例正好是說明本發(fā)明的簡單實施方案的實例。由于構成該系統(tǒng)的核心的基片引導光學元件是非常緊湊的并且輕便的，因此可以安裝在各種各樣的結構中。因此，包括面罩、折疊式顯示器、單片眼鏡及其它的許多其它實施例也是可能的。這種實施例被設計成用于其中顯示器應該是近視的應用頭戴式、頭穿式或頭帶式。然而，還有顯示器不同地設置的應用。這種應用的實例是用于移動應用比如蜂窩電話的手持式設備。預計在不久的將來這些設備執(zhí)行要求大顯示屏的分辨率的新穎的操作，包括可視電話、因特網(wǎng)連接、電子郵件的訪問和高質(zhì)量的電視衛(wèi)星廣播的發(fā)射。應用已有的技術，小的顯示器可以嵌入到電話里面，然而，在目前這種顯示器將較差的質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)或者少數(shù)幾行的因特網(wǎng)或電子郵件數(shù)據(jù)直接投影到眼睛中。
附圖24所示為基于本發(fā)明的變型方法，通過將高質(zhì)量的圖像直接投影能夠在用戶的眼睛中這種變型方法不需要在移動裝置的小尺寸和在整屏格式顯示器上理想地看數(shù)字內(nèi)容之間的折衷。包括顯示源6、折疊式和準直光學設備70和基片20的光學模塊集成在蜂窩電話110的本體上，其中基片20替換電話的已有的保護性蓋窗。具體地，包括顯示源6和光學設備70的支撐部件的體積足夠小到在里面安裝現(xiàn)代的蜂窩設備的可接受的體積。為看通過該設備發(fā)射的整個顯示屏，用戶將該窗口定位在它的眼睛24的前面以方便地看具有高FOV的圖像，同時具有大眼睛運動框，并且舒適地眼睛放松地看。通過傾斜該設備以顯示圖像的不同的部分，也可以以眼睛更放松地看整個FOV。此外，由于光學模塊可以以透明的結構操作，因此該設備的雙操作也是可以的，即可選擇地可以原樣地維持常規(guī)的蜂窩顯示器112。這樣在顯示源6被切斷時通過LOE可以看低分辨率的顯示器。在第二模式中，指定用于電子郵件讀、因特網(wǎng)沖浪或者視頻操作，常規(guī)的顯示器112被切斷同時顯示源6將所要求的寬FOV圖像通過LOE投影在觀察者的眼睛中。在附圖24中所描述的實施例僅是一個實例，說明了除了頭戴顯示器之外的應用可以被實現(xiàn)。其它可能的手持式結構包括掌上計算機、嵌入在手表中的小顯示器、具有信用卡的尺寸和重量的口袋攜帶式顯示器等。
上文所描述的實施例是單色光學系統(tǒng)，即圖像投影在單個眼睛上。然而，有多種應用，比如頭戴顯示器(HUD)，其中理想的是將圖像投影在兩個眼睛上。直到最近，HUD系統(tǒng)已經(jīng)主要用于先進戰(zhàn)斗機和民用飛機上。已經(jīng)有無數(shù)方案和設計來將HUD安裝在汽車駕駛員前面以幫助駕駛導航或者在低可見度的情況下將熱圖像投影到他的眼睛。當前的航天HUD系統(tǒng)非常昂貴，單個單元的價格大約在幾十萬美元。此外，已有的系統(tǒng)非常大、笨重并且龐大，而且在小型飛行器和汽車中安裝非常麻煩。基于LOE的HUD可能提供非常緊湊且自包含的HUD的可能性，這這HUD容易安裝在受限制的空間中。還簡化了與HUD相關的光學系統(tǒng)的結構和制造成本，因此可能適合于改善航天的HUD以及將緊湊、低廉且用于汽車行業(yè)的消費的HUD。
附圖25所示為實現(xiàn)基于本發(fā)明的HUD系統(tǒng)的方法。來自顯示源4的光通過透鏡6準直到無窮遠處并通過第一反射表面16耦合進基片20。在第二反射陣列(未示)反射之后，光學波撞擊在將光耦合進觀察者的眼睛24的第三反射表面22上。整個系統(tǒng)可以是非常緊湊，重量輕，并具有幾毫米厚的大明信片的大小。具有幾立方厘米的體積的顯示源可以連接到基片的一個角上，在該角上電線將電力和數(shù)據(jù)傳輸給該系統(tǒng)。預計所提出的HUD系統(tǒng)的安裝將不比單個的商用聲頻系統(tǒng)的安裝更加復雜。此外，由于不需要用于圖像投影的外部顯示源，因此消除了將部件安裝在不安全的地方的需要。
由于典型HUD系統(tǒng)的出射光瞳比頭戴系統(tǒng)的出射光瞳大得多，因此預計需要如上文參考附圖14-16所描述的三陣列的結構實現(xiàn)所需的FOV。然而，有許多特殊的情況，包括具有小的垂直FOV的系統(tǒng)或者具有作為顯示源的垂直LED的系統(tǒng)，或者通過利用其中兩陣列結構就足夠的一對平行反射鏡(如上文參考附圖21所描述)。
除了用于機車的HUD系統(tǒng)之外，在附圖25中所示的實施例可用于其它的應用。這些實施例的一個可能的應用是計算機或電視的平板顯示器。這種顯示器的主要獨特特性是圖像不位于顯示屏平面上，而是聚焦在無窮遠處或者類似的方便的距離。已有的計算機顯示器的一個主要的缺陷是用戶必須將他的眼睛聚集在40和60cm之間的非?？拷木嚯x上，而健康人的眼睛的自然焦點在無窮遠處。許多人在計算機上工作了較長的持續(xù)時間之后出現(xiàn)頭痛。經(jīng)常用計算機工作的許多其它人易于患近視。此外，一些既患近視又患遠視的人需要專門的眼鏡來用計算機進行工作?；诒景l(fā)明的平板顯示器可能是用于具有上述問題并且不希望使用頭戴顯示器工作的人的合適解決方案。此外，本發(fā)明允許在顯示屏的物理尺寸方面極大地減小。由于通過LOE形成的圖像比該設備更大，因此在更小的框上可以實施更大的顯示屏。對于移動的應用比如膝上型計算機和掌上計算機這特別重要。
應用大顯示LOE可能出現(xiàn)的一個問題涉及它的亮度。理想地，為緊湊，有利的是使用微型顯示源，但是這必然減小顯示器亮度，因為與該源的有效照亮面積相比，LOE的有效照亮面積增加較大。因此，即使在利用前文描述的專門的措施之后，甚至對于非透明的應用，預計亮度減小。這種亮度的減小可以通過增加源的亮度或者利用一個以上的源解決。即，應用顯示源和它們相關的準直透鏡的陣列照亮LOE。附圖26所示為這種方法的實例。相同的圖像從顯示源4a至4d的陣列中產(chǎn)生，每個顯示源通過透鏡6a至6d的相關陣列準直以形成單個的準直的圖像，通過反射表面16將這種準直的圖像耦合進LOE 20中。乍一看這種方案顯得十分昂貴。通過固有的微型顯示器本身的低成本和減小準直透鏡的數(shù)值孔徑的能力消除由于增加它的部件造成的系統(tǒng)成本增加和使源圖像與專用電子設備的協(xié)調(diào)的需要。在這種結構中也不需要橫向擴展器，僅包括一個一維圖像擴展器LOE并因此增加亮度也是十分可行的。重要的是注意顯示源不必彼此相同并且具有不同的顯示源的更復雜的系統(tǒng)可以如下文解釋那樣地使用。
本發(fā)明的LOE顯示器的另一優(yōu)點是它非常扁平的形狀，甚至與已有的平板顯示器相比。另一差別是更加顯著的方向性觀看角度與普通的平板顯示器相比LOE顯示器可以從嚴重受限的角度范圍中看。這種有限的頭部運動框?qū)τ趩蝹€用戶的方便操作足夠，并且在許多情況下提供了保密性的附加優(yōu)點。
此外，基于LOE屏幕的圖像位于在顯示表面之后的遠平面而不是在它的物理平面上。圖像的感覺類似于通過窗口看它。這種結構特別適合于實施三維顯示。
在信息技術中的當前的發(fā)展已經(jīng)導致對3-D顯示器需求的增加。實際上，在市場上已經(jīng)有了各種各樣的3-D設備。然而，現(xiàn)有的系統(tǒng)要求用戶佩帶專用的設備來將用于左眼和右眼的圖像分開。這種“半自動觀看”系統(tǒng)已經(jīng)在許多專業(yè)應用中斷然確定。進一步擴展到它的領域則要求改善觀看舒適性并更加適應雙目視覺的機理的“自由觀看”系統(tǒng)。已有技術對這種問題的解決方案具有各種缺陷，在圖像質(zhì)量和觀看舒適性方面它們具有類似于2-D顯示器的缺陷。
附圖27A和27B所示分別為基于本發(fā)明實現(xiàn)3-D顯示器的可能的結構的正視圖和頂視圖。不使用單顯示源，而是將n個不同的顯示源1141、114n的陣列114設置在基片20的下部部分上，在這里每個顯示源投影以系統(tǒng)的景象的不同透視點獲得的圖像。來自每個顯示源的圖像以與上文參考附圖26所描述的相同的方式耦合進基片。在觀察者正觀察顯示器時，他的右眼24a和左眼24b分別看從顯示源114i和114j投影的圖像。因此，觀察者應用每個眼睛從不同的透視點看相同的景象。體驗非常接近在通過窗口看真實的3-D目標時的觀看體驗。如附圖28a-28b所示，在觀察者水平移動他的視線時他的眼睛看從不同的顯示源114k和114l投影的圖像；效果類似于在窗口上移動頭部，同時看外部景象。在觀察者垂直地移動他的視線時，如附圖29A-29B所示，眼睛看之前位于下部的顯示屏上的點。由于這些點位于靠近顯示源114，因此觀察者看到從比之前位于更靠近陣列114的中心的不同的顯示源114g和114h中發(fā)出的圖像。結果，觀察者的感覺類似于看更靠近窗口的景象。即，通過基片的景象被看作三維全景，其中該景象的下部部分更靠近觀察者。
上文參考附圖27-29所描述的實施例僅是一種實例。通過利用本發(fā)明也可以實現(xiàn)真實3-D顯示的具有不同的孔徑、方位點數(shù)等的其它結構。
本發(fā)明的另一可能的實施例是作為講詞提示器實施，比如用作給演講者或TV廣播員提供文字；在講詞提示器是透明的時，觀眾感覺到演講者目光接觸它們但他實際上正在閱讀文字。利用LOE，可以以連接到光學組件的很小的資源實施講詞提示器，不需要在該設備的附近設置大的顯示屏。
本實施例的另一可能的實施方案是用于個人數(shù)字助理(PDA)的顯示屏。當前使用的已有的常規(guī)顯示屏的尺寸在10厘米下。由于在可以閱讀這些顯示器之間的最小距離大約40厘米，因此可實現(xiàn)的FOV在15°下；因此，特別是只要涉及文字，在這些顯示器上的信息內(nèi)容就受到限制。應用在附圖24中所示的實施例可以在投影的FOV上做出重要的改進。圖像聚焦在無窮遠處，并且顯示屏可以設定在非?？拷^看者的眼睛。此外，由于每個眼睛看全部視場(TFOV)的不同部位，并且在它的中心存在重疊，因此可以實現(xiàn)在TFOV方面的另一增加。因此，具有40°或更大的FOV的顯示器是可行的。
在如上文所述的本發(fā)明的所有的實施例中，通過基片20透射的圖像源自電子顯示源比如CRT或LCD。然而，存在所透射的圖像可以是逼真景象的一部分的應用，比如在要求它將逼真景象耦合到光學系統(tǒng)中時。
附圖30所示為其中要求這種實施方案的星光放大器(SLA)116的應用。來自外部景象的圖像通過準直器18聚焦在SLA上，在SLA中圖像的電子信號被放大以形成通過目鏡120投影到觀看者的眼睛的綜合圖像。所示的構造在軍事、準軍事和民用應用中非常普遍。這種普遍使用的結構在使用者的前面朝前突出并使它在頭戴結構中長時間使用不方便。該設備相對笨重，并且除了它的對使用者的附近中的目標在物理上的干擾之外，它給使用者的頭部和頸部施加了費力的力矩。
更加方便的結構在附圖31中示出。在此，該設備沒有位于使用者的前面，而是在頭部的側面，在這里SLA的重心沿頭部的主軸對齊。該設備的方向被反向，即準直器118位于后部而目鏡120位于前面。現(xiàn)在，來自前面外部景象的圖像通過使用另一LOE 20b耦合進使用者眼睛。盡管附加的兩個光學元件20a和20b增加到原始的設備中，但是這些元件的重量與SLA的重量相比可忽略，而且總體結構比之前的結構方便得多。此外，由于安裝這些設備的容差非常不苛刻，因此可行的是這兩個元件被構造為模塊以使它們可以從它們的位置移開或者甚至被使用者刪除。在這種方式中，為了具有安裝的LOE的頭戴操作的方便定位或者為了安裝在標準的槍點上或其它的目的設備上以便不使用LOE模塊，可以重新配置SLA觀看者。也可以平移LOE以便容納與任一眼睛一起使用的設備。
在上文描述的所有的實施例中，利用LOE來發(fā)射光波以用于成像目的。然而，本發(fā)明不僅可用于成像，而且還可用于非成像的應用，主要是照亮系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中輸出波的光學質(zhì)量不是關鍵，重要的參數(shù)是強度和均勻的亮度。本發(fā)明例如可以應用于平板顯示器的背光照亮，大部分LCD系統(tǒng)，其中為了構造圖像需要以盡可能的亮度和均勻性的光照亮平板。其它的這種可能的應用包括但不限于用于房間照明或用于探照燈、指紋掃描儀的照明和3-維顯示全息的讀出波的扁平的不昂貴的替代品。
通過使用LOE設備可以極大地改進的一種照明是反射式LCD。附圖32所示為顯示源是反射LCD的基片型顯示器的實例。通過照明器122產(chǎn)生的光通過偏振器124，通過透鏡126準直，通過偏振分束器128反射并照亮LCD 130。從LCD反射的光的偏振在90°上旋轉1/4波長片，或者可替換的是通過LCD材料本身旋轉。來自LCD的圖像現(xiàn)在通過分束器被準直并通過透鏡132反射到基片20上。作為分束器構造的結果，整個照明系統(tǒng)較大并且笨重，并且對于頭戴系統(tǒng)肯定不夠緊湊。此外，因為分束器128的緣故，準直器132遠離顯示源，同時為了使象差最小的目的，要求場透鏡盡可能地接近顯示表面設置。
照明配置的改進形式在附圖33中示出。來自光源122的光耦合進照亮LCD 130的表面的另一LCD 134，在LCD 130的表面中部分反射表面對偏振敏感。顯然，在此整個系統(tǒng)比在附圖32中所示的系統(tǒng)緊湊得多，并且透鏡132位于更加靠近LCD表面。此外，由于LOE 134的輸入孔比分束器128的輸入孔小得多，因此準直透鏡126現(xiàn)在比以前小得多，因此具有更大的f-數(shù)。在附圖32中所示的照亮結構僅是一種實例。根據(jù)光學系統(tǒng)和所需的參數(shù)照亮反射或透射的LCD或者為其它任何照亮目的使用的其它結構設置也都是允許的。
要求解決的一個重要問題是LOE的制造過程，其中關鍵的部件是有選擇性反射表面22。附圖34所示為制造部分反射表面的陣列的可能的方法。多個透明平板138的表面以所要求的涂層140涂敷，然后將這些平板粘合在一起以形成層疊的形式142。然后通過切割、研磨和拋光從層疊形式將段144切下以形成反射表面146的所需的陣列，這些陣列可與其它的元件組裝在一起以實現(xiàn)整個LOE。對于每段144根據(jù)涂敷片138的實際尺寸和LOE的所要求的尺寸由每段144制造一個以上的陣列146。如附圖4-7所描述，有選擇性反射表面的所要求的涂層具有特定的角度和頻譜響應以便確保LOE的適當?shù)牟僮?。因此，重要的是精確地測量在LOE的最終制造之前的涂層的實際的性能。如上文所述，有兩個應該測量的角度區(qū)—其中反射率非常低的高入射角(通常在60°和85°之間)和其中表面的反射率用于將截獲的波的部分耦合到LOE外的低入射角(通常在15°和40°之間)。顯然，應該在這兩個區(qū)域測量涂層。測試過程的主要問題是以已有的測試設備測量如我們的情況那樣在兩個透明平板之間設置的涂層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)很困難。
附圖35所示為在非常高的入射角度上測量涂層150的反射的所提出的方法。首先具有角度α的兩個棱鏡152連接到涂敷片。入射束154以入射角度α撞擊在涂敷片上。一部分束156在原始方向上繼續(xù)并測量它的強度Tα。因此，考慮自外部表面的菲涅耳反射，在角度α上所測量的涂層的反射率可以計算為Rα＝1-Tα。此外，其它的部分束從涂敷的表面反射，通過全內(nèi)反射從下部棱鏡的外部表面再次反射，在角度3α上再次撞擊在涂敷的表面上，從上部棱鏡的外部表面通過全內(nèi)反射再次反射，然后在角度α上通過涂敷的表面反射并從棱鏡耦合出。在此，可以測量輸出束158的強度?？紤]菲涅耳反射，輸出束的強度是(Rα)2T3α。因此，從先前的步驟中得知反射率Rα，因此可以計算在角度3α上的反射率。有這樣的測試設備，其中輸出束必須定位在與入射束相同的軸上。附圖36所示為用于將該束變換為原始束的折疊式棱鏡160。使用適合的面罩或者阻擋層162可以阻擋原始光線154的殘余。
顯然，每對棱鏡可以測量在兩個角度-α和3α上的反射率。例如，如果頭部角度是25°，則在25°和75°上的反射率可以被同時測量。因此，對于涂敷片的適當?shù)臏y量通常要求較少數(shù)量的棱鏡對(2或3)。自然，在此所示的配置可用于測量在不同的波長以及兩種偏振(如果要求的話)上的這兩個角度的反射率。
顯然，對于在本領域的普通技術人員本發(fā)明并不限于前面示出的實施例的細節(jié)，在不脫離本發(fā)明的精神或者實質(zhì)特征的前提下本發(fā)明可以以其它的具體形式實施。因此，在所有的方面本發(fā)明都被認為是示例性的而不是限制性的，因此本發(fā)明的范圍通過附加的權利要求給定而不是前述的描述，因此在權利要求的等同物的意義和范圍內(nèi)的所有的變化都被認為包含在本發(fā)明內(nèi)。
權利要求
1.一種光學設備，包括具有至少兩個主表面和邊緣的光透射基片；用來通過全內(nèi)反射將光耦合進所述基片中的光學裝置；和位于所述基片內(nèi)的至少一個部分反射表面。
2.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述部分反射表面與所述基片的主表面不平行。
3.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中將光耦合進所述基片的所述光學裝置以一角度設置到所述主表面以使所述耦合的光的至少一部分以兩個不同的入射角度與所述部分反射表面交叉至少兩次。
4.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述主表面彼此平行。
5.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中對于一部分的角度頻譜所述部分反射表面具有可忽略的反射，而對于其它的角度頻譜具有重要的反射。
6.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中提供兩個或多個部分反射表面的陣列，其特征在于所述部分反射表面彼此平行并且與所述基片的主表面的任何邊緣不平行。
7.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述光學裝置是位于所述基片內(nèi)的波反射表面。
8.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述至少一個部分反射表面將通過全內(nèi)反射截獲的光耦合到所述基片之外。
9.根據(jù)權利要求1的光學設備，進一步包括從輸入光波形成輸出光波的裝置，其中所述輸入光波和輸出光波定位在所述基片的相同的側面上。
10.根據(jù)權利要求1的光學設備，進一步包括從輸入光波形成輸出光波的裝置，其中所述輸入光波定位在所述基片的一側上，而所述輸出光波定位在所述基片的另一側上。
11.根據(jù)權利要求1的光學設備，進一步包括從輸入光波形成輸出光波的裝置，其中所述輸入光波通過它的一個邊緣耦合進所述基片。
12.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述至少一個部分反射表面的反射在FOV上形成了具有均勻的亮度的視場。
13.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述至少一個部分反射表面的反射形成了具有預定的亮度分布的視場。
14.根據(jù)權利要求6的光學設備，其中每個所述部分反射表面的反射在反射表面上是非均勻的，形成了具有預定的亮度分布的視場。
15.根據(jù)權利要求6的光學設備，其中在所述部分反射表面之間的距離形成了具有預定的亮度的視場。
16.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中為P-偏振光計算所述部分反射表面的反射率。
17.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中為S-偏振光計算所述部分反射表面的反射率。
18.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中為未偏振光計算所述部分反射表面的反射率。
19.根據(jù)權利要求1的光學設備，進一步包括在所述基片中的第二組一個或多個反射或部分反射表面，所述第二組部分反射表面彼此平行并且與所述至少部分反射表面不平行。
20.根據(jù)權利要求19的光學設備，其中所述第二組反射或部分反射表面改變通過全內(nèi)反射耦合進所述基片的光的傳播的方向。
21.根據(jù)權利要求19的光學設備，其中所述第二多個部分反射表面的反射形成具有均勻的亮度分布的視場。
22.根據(jù)權利要求19的光學設備，其中所述第二多個部分反射表面的反射形成具有預定的亮度分布的視場。
23.根據(jù)權利要求1的光學設備，進一步包括通過所述基片支撐的至少一對反射表面，所述反射表面對彼此平行并且是所述基片的邊緣的一部分。
24.根據(jù)權利要求23的光學設備，其中所述至少一對反射表面改變通過全內(nèi)反射耦合進所述基片的傳播的方向然后將它反射回它的原始方向。
25.根據(jù)權利要求23的光學設備，其中所述至少一對反射表面的定位和取向?qū)τ诮o定的輸入孔形成了預定的視場。
26.根據(jù)權利要求23的光學設備，其中所述至少一對反射表面的定位和取向?qū)τ诮o定的視場形成了預定的輸入孔。
27.根據(jù)權利要求1的光學設備，進一步包括組合在一起以形成光學系統(tǒng)的至少兩個不同的基片。
28.根據(jù)權利要求27的光學設備，其中所述至少兩個基片的定位和取向?qū)τ诮o定的視場形成了預定的輸入孔。
29.根據(jù)權利要求27的光學設備，其中定位在所述至少兩個基片中的部分反射表面的反射形成了具有預定的亮度分布的視場。
30.根據(jù)權利要求1的光學設備，進一步包括顯示光源。
31.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述顯示光源是液晶顯示器(LCD)。
32.根據(jù)權利要求31的光學設備，其中擴散器設置在光源和所述LCD液晶之間并且是角度有選擇性的擴散器。
33.根據(jù)權利要求31的光學設備，其中所述擴散器的角度安排形成了預定的亮度分布。
34.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述顯示光源是具有散射角的有機光發(fā)射二極管顯示器(OLED)。
35.根據(jù)權利要求34的光學設備，其中所述二極管的散射角被設置成形成具有預定的亮度分布的視場。
36.根據(jù)權利要求21的光學設備，進一步包括與所述顯示光源橫向?qū)实奈⑼哥R陣列。
37.根據(jù)權利要求25的光學設備，其中計算所述微透鏡的焦距和位置以形成預定的亮度分布。
38.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述基片部分透明以允許透明操作。
39.根據(jù)權利要求1的光學設備，進一步包括設置在所述基片中或其上的不透明表面以便阻擋光從外部景象穿過基片進入。
40.根據(jù)權利要求1的光學設備，進一步包括被設置成衰減穿過基片的光的進入的可變透射表面以控制從外部景象通過所述設備的光的亮度。
41.根據(jù)權利要求40的光學設備，其中所述可變透射表面的透射率根據(jù)導向到穿過基片的光的亮度自動地確定。
42.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述至少一個部分反射表面將截獲的光波反射進被計算成要達到觀察者的一個眼睛中的方向。
43.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述至少一個部分反射表面將截獲的光波反射進被計算成要達到觀察者的兩個眼睛中的方向。
44.根據(jù)權利要求43的光學設備，進一步包括多個顯示光源。
45.根據(jù)權利要求44的光學設備，其中來自所述多個顯示光源的圖像形成三維圖像。
46.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述設備將來自外部景象的光耦合進所述基片。
47.根據(jù)權利要求1的光學設備，進一步包括星光放大器。
48.根據(jù)權利要求46的光學設備，其中該設備被構造成設置在觀察者的頭部的側面，物鏡設置在后面，而目鏡在前面。
49.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述設備被嵌入眼鏡框內(nèi)。
50.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述設備被嵌入移動通信裝置內(nèi)。
51.根據(jù)權利要求1的光學設備，其中所述至少部分反射表面反射所截獲的光波到計算要照亮目標的方向。
52.根據(jù)權利要求51的光學設備，其中所述目標是液晶顯示器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光學設備，包括具有至少兩個主表面和邊緣的光透射基片、用來通過全內(nèi)反射將光耦合進所述基片中的光學裝置和位于所述基片內(nèi)的至少一個部分反射表面。
文檔編號G02B27/00GK1650215SQ03809089
公開日2005年8月3日 申請日期2003年3月19日 優(yōu)先權日2002年3月21日
發(fā)明者雅各布·阿米塔伊 申請人:魯姆斯有限公司