專利名稱：基片導(dǎo)波的光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基片導(dǎo)波的光學(xué)裝置，具體說(shuō)，是涉及包括多個(gè)反射表面的裝置，該多個(gè)表面由普通光傳輸基片承載，這種裝置亦稱光波導(dǎo)。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)，對(duì)成像的大量應(yīng)用有利，諸如頭戴顯示器(head-mounted display，HMD)及平視顯示器(head-up display，HUD)、蜂窩電話、小型顯示器、3-D顯示器、小型光束擴(kuò)束器，和非成像應(yīng)用，諸如平板指示器、小型發(fā)光器和掃描器。
背景技術(shù)：
小型光學(xué)單元的一個(gè)重要應(yīng)用，是在HMD中的應(yīng)用，其中的光學(xué)組件既用作成像透鏡也用作組合器，在組合器中，把兩維的顯示成像在無(wú)窮遠(yuǎn)，然后反射進(jìn)觀察者的眼睛。顯示可以直接從空間光調(diào)制器(SLM)，如陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(LCD)、有機(jī)發(fā)光二極管陣列(OLED)、或掃描源及類似裝置獲得，也可以間接地，通過(guò)中繼透鏡或光纖束獲得。顯示包括的單元(象素)的陣列，通過(guò)準(zhǔn)直透鏡成像在無(wú)窮遠(yuǎn)，然后通過(guò)反射表面或部分反射表面的傳輸，送進(jìn)觀看者的眼睛，該反射表面或部分反射表面，充當(dāng)非透視的和透視的相應(yīng)應(yīng)用的組合器。通常是把常規(guī)的、自由空間的光學(xué)組件用于這些目的。隨著系統(tǒng)需要的視場(chǎng)(FOV)的增加，這類常規(guī)光學(xué)組件變得更大、更重、和塊頭更大，因此，即使是性能適中的裝置，也不能實(shí)現(xiàn)。這是所有類型顯示器的主要缺點(diǎn)，對(duì)頭戴的應(yīng)用尤甚，因?yàn)樵陬^戴的應(yīng)用中，系統(tǒng)必須盡可能輕盈和小型。
為小型化而作的努力，已經(jīng)得到一些不同復(fù)雜性的光學(xué)方案，所有這些方案，一方面，對(duì)實(shí)際的應(yīng)用仍不夠小型，另一方面，在可制作性上存在主要障礙。再有，從這些設(shè)計(jì)得到的光學(xué)視角的眼運(yùn)動(dòng)箱(eye-motion-box，EMB)一般都非常小—通常小于8mm。因此，即使光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于觀看者小的運(yùn)動(dòng)，光學(xué)系統(tǒng)的性能仍非常敏感，且對(duì)一般地從該顯示閱讀文本，也不允許有足夠的瞳孔運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明使非常小型的光波導(dǎo)光學(xué)單元(light-guide opticalelement，LOE)的結(jié)構(gòu)和制作變得容易，這種光波導(dǎo)光學(xué)單元，除其他應(yīng)用外，尤其用于頭戴顯示器。本發(fā)明能與相對(duì)大的EMB值一起實(shí)現(xiàn)相對(duì)寬的FOV值。得到的光學(xué)系統(tǒng)給出大的高質(zhì)量的像，該光學(xué)系統(tǒng)還適應(yīng)眼睛大的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明給出的光學(xué)系統(tǒng)，因?yàn)樗痊F(xiàn)有技術(shù)方案顯著地更小型，所以特別有利，而且它能容易地被哪怕有專門配置的光學(xué)系統(tǒng)所采用。
本發(fā)明還能實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的HUD的結(jié)構(gòu)。HUD已經(jīng)普及，現(xiàn)在，它們不但在最現(xiàn)代的戰(zhàn)斗機(jī)中，而且在民航機(jī)中起重要作用，在這些飛機(jī)中，HUD系統(tǒng)已成為低能見(jiàn)度著陸操作的關(guān)鍵部件。此外，近期對(duì)HUD在汽車中的應(yīng)用已經(jīng)有許多建議和設(shè)計(jì)，在該種應(yīng)用中，它們可能在駕駛和導(dǎo)航任務(wù)上幫助駕駛員。然而，現(xiàn)有技術(shù)的HUD存在若干顯著的缺點(diǎn)。所有目前設(shè)計(jì)的HUD，要求顯示源必須偏移到離組合器頗大的距離上，以保證該源能照射整個(gè)組合器表面。結(jié)果是，組合器-投影器HUD系統(tǒng)必然是大塊頭和大的，需要可觀的安裝空間，使它不便于安裝，有時(shí)用起來(lái)甚至不安全。常規(guī)HUD大的光學(xué)孔徑，還提出特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)難題，使HUD要么有折衷的性能，要么需要高性能但帶來(lái)高的費(fèi)用。高質(zhì)量的全息HUD的色散，是值得特別關(guān)注的。
本發(fā)明的一種重要應(yīng)用，涉及它實(shí)現(xiàn)了小型的HUD，從而減輕了前述的缺點(diǎn)。在本發(fā)明的HUD設(shè)計(jì)中，組合器用能附于基片上的小型顯示源照射。因此，整個(gè)系統(tǒng)非常小型并容易安裝在各種配置內(nèi)，便于廣泛應(yīng)用。此外，顯示的色散可以忽略，由此能用寬光譜的源工作，包括常規(guī)的白光光源。還有，本發(fā)明把像擴(kuò)大，使組合器的有效面積比光源的實(shí)際照射面積大得多。
本發(fā)明再一個(gè)應(yīng)用，是提供一種有寬FOV的小型顯示器，供移動(dòng)的、手持的例如蜂窩電話使用。今天的無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)接入市場(chǎng)，有足夠的帶寬可供完全視頻的傳輸。限制因素仍然是終端用戶裝置中顯示的質(zhì)量?？梢苿?dòng)性的要求，限制了顯示器的物理大小，結(jié)果，直接顯示的像的觀看質(zhì)量不良。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)有非常大的虛像但物理上非常小型的顯示器。這是移動(dòng)通信中關(guān)鍵的特征，特別是對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入，解決了它實(shí)際實(shí)施方案的主要限制之一。因此，本發(fā)明能在小的手持裝置，如蜂窩電話內(nèi)，實(shí)現(xiàn)全部格式互聯(lián)網(wǎng)頁(yè)的數(shù)字內(nèi)容的觀看。
因此，本發(fā)明的總的目標(biāo)，是減輕現(xiàn)有技術(shù)小型顯示器裝置的缺點(diǎn)，和按照具體要求，提供有改進(jìn)性能的其他光學(xué)部件及系統(tǒng)。
為此，本發(fā)明提供一種光學(xué)裝置，包括至少有兩個(gè)相互平行的主要表面及邊緣的光傳輸基片；通過(guò)內(nèi)反射把位于視場(chǎng)中的光波耦合進(jìn)所述基片的光學(xué)裝置；和至少一個(gè)位于所述基片中與基片主要表面不平行的部分反射表面，特征是，所述源發(fā)射位于給定視場(chǎng)中的光波，所述光波是準(zhǔn)直的，對(duì)所述光學(xué)裝置定義角分辨率，其中，位于所述準(zhǔn)直光波之一中的任何兩條不同光線之間的角偏移，小于所述角分辨率。


本發(fā)明將參照下面畫出的圖，結(jié)合一些優(yōu)選實(shí)施例來(lái)說(shuō)明，便于更完整的了解。
對(duì)專門詳細(xì)參照的圖，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，具體畫出的圖，是以舉例方式并只為說(shuō)明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的目的，并且提供認(rèn)為是最有用的內(nèi)容和容易了解本發(fā)明原理及概念的說(shuō)明。就此而言，除對(duì)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(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。結(jié)合圖所作的說(shuō)明，作用是引導(dǎo)本領(lǐng)域熟練人員，了解本發(fā)明的若干種形式如何實(shí)際實(shí)施。
附圖有圖1是現(xiàn)有技術(shù)折疊式光學(xué)裝置的側(cè)視圖；圖2是按照本發(fā)明的LOE實(shí)施例的側(cè)視圖；
圖3A和3B畫出本發(fā)明使用的選擇性反射表面，在兩種入射角范圍上需要的反射率和透射率特征；圖4對(duì)一種示例性二向色涂層，畫出P偏振作為波長(zhǎng)的函數(shù)的反射率曲線；圖5對(duì)一種示例性二向色涂層，畫出S偏振作為波長(zhǎng)的函數(shù)的反射率曲線；圖6對(duì)一種示例性二向色涂層，畫出作為入射角的函數(shù)的反射率曲線；圖7是按照本發(fā)明的反射表面的示意截面視圖；圖8是示意圖，畫出選擇性反射表面示例性陣列的細(xì)部截面視圖；圖9是示意圖，畫出選擇性反射表面另一個(gè)陣列的細(xì)部截面視圖；圖10對(duì)三種不同的視角，畫出選擇性反射表面示例性陣列的反射率的細(xì)部截面視圖；圖11對(duì)另外兩種二向色涂層，畫出作為入射角的函數(shù)的反射率曲線；圖12是示意圖，畫出利用雙LOE配置，沿兩個(gè)軸擴(kuò)展光束的方法；圖13畫出埋入標(biāo)準(zhǔn)眼鏡架中的本發(fā)明示例性實(shí)施例；圖14畫出按照本發(fā)明的示例性HUD系統(tǒng)；圖15畫出本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例，其中一負(fù)透鏡粘貼在LOE的表面；和圖16畫出本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例，其中一負(fù)透鏡和一正透鏡粘貼在LOE的表面。
具體實(shí)施例方式
圖1畫出常規(guī)折疊式光學(xué)裝置的布局，其中的基片2被顯示源4照射。該顯示通過(guò)準(zhǔn)直透鏡6準(zhǔn)直。來(lái)自顯示源4的光，通過(guò)第一反射表面8，以主光線10平行于基片平面的方式，耦合進(jìn)基片2。第二反射表面12把光耦合出基片，并進(jìn)入觀看者的眼睛14。這種配置的小型性暫且不論，它存在顯著的缺點(diǎn)；具體說(shuō)，能夠施加影響的只有非常有限的FOV。如圖1所示，在基片內(nèi)最大允許的離軸角是αmax=arctan(T-deye2l),---(1)]]>這里T是基片厚度；deye是需要的出瞳直徑；和l是反射表面8和12之間的距離。
角度大于αmax的光線，在到達(dá)反射表面12之前被基片表面反射。因此，反射表面12在不需要的方向上被照射，出現(xiàn)重影。
因此，這種配置可獲得的最大FOV是FOVmax≈2vαmax，(2)其中v是基片的折射率。
通常的折射率值在1.5-1.6的范圍。
一般說(shuō)，眼睛瞳孔的直徑是2-6mm。為適應(yīng)該顯示的運(yùn)動(dòng)或該顯示未對(duì)準(zhǔn)，必需更大的出瞳直徑。最小需要的值取約8-10mm，眼睛光軸與頭側(cè)面之間的距離l通常是在40到80mm之間。那么，即使對(duì)小的8°的FOV，需要的基片厚度將約為12mm。
已經(jīng)提出克服上述問(wèn)題的方法。這些方法包括，利用基片內(nèi)放大的望遠(yuǎn)鏡及非平行的耦合方向。但是，即使利用這些方案，而且即使只考慮一個(gè)反射表面，系統(tǒng)的厚度仍然限制在相同的值。FOV受反射表面12在基片平面上的投影的直徑限制。從數(shù)學(xué)上說(shuō)，由于這一限制，最大的可獲得的FOV，可以表示為FOVmax≈Ttanαsur-deyeReye---(3)]]>其中αsur是反射表面與基片平面法線之間的角度，和Reye是觀看者眼睛與基片之間的距離(通常約30-40mm)。
實(shí)際上，tanαsur不能比1大很多；因此，對(duì)上述8°的FOV的相同參數(shù)，這里需要的基片厚度約7mm，這是對(duì)前述限制的一種改進(jìn)。然而，隨著需要的FOV的增加，基片的厚度也迅速增加。舉例說(shuō)，對(duì)需要15°和30°的FOV，基片的極限厚度，分別是18mm或25mm。
要減輕上述限制，本發(fā)明利用制作在LOE內(nèi)的選擇性反射表面陣列。圖2按照本發(fā)明，畫出LOE的截面視圖。第一反射表面16被準(zhǔn)直的輸入平面波18照射，該平面波從裝置后面的顯示光源(未畫出)發(fā)出，其中的平面波18是給定FOV內(nèi)要耦合進(jìn)LOE中的一組光波之一。反射表面16通過(guò)全內(nèi)反射，把來(lái)自源的入射光反射，使光陷入平面基片20內(nèi)。經(jīng)過(guò)基片表面的幾次反射之后，陷入的波抵達(dá)選擇性反射表面陣列22，該陣列把光波23耦合出基片，進(jìn)入觀看者的EMB24。為避免重影，輸出的光波23應(yīng)是平面波，否則，代表顯示源單個(gè)點(diǎn)的不同光線，將以不同的入射角到達(dá)觀看者的EMB 24，從而觀看者看到的主像受重影干擾。為了避免這種現(xiàn)象，輸出的光波23，從而輸入的光波18，應(yīng)當(dāng)是平面波。就是說(shuō)，相同光波中兩條不同的光線的角偏移，應(yīng)當(dāng)小于αres，這里αres是該光學(xué)裝置的角分辨率。通常，對(duì)大多數(shù)目視系統(tǒng)，αres為～1-2毫弧度，但不同的裝置有不同的角分辨率。
假定源的中央波，以垂直于基片表面26的方向耦合出基片20，且基片20內(nèi)耦合波的離軸角是αin，那么反射表面與基片平面之間的角αsur2是αsur2=αin2,---(4)]]>從圖2可見(jiàn)，陷入的光線從兩個(gè)不同的方向28、30到達(dá)反射表面。在本特定實(shí)施例中，陷入的光線從這些方向之一28，經(jīng)過(guò)基片表面26的偶數(shù)次反射之后，到達(dá)反射表面，其中陷入的光線與反射表面法線之間的入射角βref是βref=αin-αsur2=αin2,---(5)]]>陷入的光線從第二方向30，經(jīng)過(guò)基片表面26的奇數(shù)次反射之后，到達(dá)反射表面，這里的離軸角是α′in＝180°-αin，而陷入光線與反射表面法線之間的入射角是 為了避免不需要的反射和重影，這兩個(gè)方向之一的反射率應(yīng)當(dāng)可以忽略。如果一個(gè)角顯著小于另一個(gè)，能夠獲得兩個(gè)入射方向之間需要的鑒別。能夠提供一種涂層，對(duì)大的入射角有非常低的反射率，而對(duì)小的入射角有高的反射率。通過(guò)消除沿該兩個(gè)方向之一的反射，能夠開發(fā)防止不需要的反射和重影的這一性質(zhì)。例如，選擇βref～25°，從方程式(5)和(6)可以算出β′ref＝105°；αin＝50°；α′in＝130°；αsur2＝25°。(7)現(xiàn)在如果確定，反射表面對(duì)β′ref是不反射的，但對(duì)βref是反射的，就獲得需要的條件。圖3A和3B畫出選擇性反射表面需要的反射率情況。離軸角βref～25°的光線32(圖3A)被部分反射并耦合出基片34，而以離軸角β′ref～75°相對(duì)于反射表面(該角相當(dāng)于β′ref～105°)到達(dá)的光線36(圖3B)，則通過(guò)反射表面34透射，沒(méi)有任何可察覺(jué)的反射。
圖4和5畫出按照獲得上述反射率特征設(shè)計(jì)的二向色涂層的反射率曲線，圖上曲線分別是對(duì)以P偏振和S偏振光的四種不同入射角20°、25°、30°、和75°畫出的。雖然在整個(gè)相關(guān)光譜上，大角度光線的反射率可以忽略，但在相同光譜上，離軸角為20°、25°、和30°的光線，對(duì)P偏振光分別獲得幾乎恒定的反射率26％、29％、和32％，而對(duì)S偏振光分別為32％、28％、和25％。明顯的是，對(duì)P偏振光，反射率隨入射光線的傾斜而下降，而對(duì)S偏振光則增加。
圖6畫出同一層二向色涂層的反射率曲線，圖上是對(duì)波長(zhǎng)λ＝550nm，作為兩種偏振的入射角的函數(shù)畫出的。曲線上有兩個(gè)有意義的區(qū)域在65°到80°之間，反射率非常低，又在15°到40°之間，反射率隨減小入射角單調(diào)變化(對(duì)P偏振光是增大，而對(duì)S偏振光是減小)。因此，對(duì)給定的FOV，只要能夠保證需要非常低反射率的β′ref的整個(gè)角譜，位于第一區(qū)域內(nèi)，同時(shí)，需要非常高反射率的βref的整個(gè)角譜，位于第二區(qū)域內(nèi)，就能保證只有一個(gè)基片模的反射，進(jìn)入觀看者的眼睛，從而保證沒(méi)有重影的像。
兩種偏振情況之間有些差別。主要的差別是，反射率非常低的大角度區(qū)域，S偏振光比P偏振光要窄很多，所以在整個(gè)光譜頻帶上，對(duì)給定角度要獲得恒定的反射率更難得多。因此，最好設(shè)計(jì)只用于P偏振光的LOE。要滿足這一點(diǎn)，可以使用偏振顯示源諸如LCD的系統(tǒng)，或者對(duì)輸出亮度不是決定性的系統(tǒng)，可以濾去S偏振光。但是，對(duì)非偏振的顯示源，如CRT或OLED，或者亮度是決定性的系統(tǒng)，S偏振光不能忽略，那么在設(shè)計(jì)時(shí)必須計(jì)及這一差別。另一種差別是，S偏振光在需要更高反射的角譜βref上的單調(diào)情況，與P偏振光是相反的，就是說(shuō)，S偏振光的反射率隨入射光線的傾斜而增加。兩種偏振在βref角譜上的矛盾情況，可以在系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)加以利用，根據(jù)每一系統(tǒng)的具體要求，對(duì)所有光獲得需要的反射率。
第一反射表面16(圖2)的反射率應(yīng)盡可能高，以便使盡可能多的光從顯示源耦合到基片上。假定源的中央波垂直地入射在基片上，即α0＝180°，那么第一反射表面與基片平面之間的角度αsur1是αsur1=αin2;αsur1′=αin′2.---(8)]]>在上述例子中，αsur1和α′sur1的解，分別是25°和65°。
圖7畫出反射表面16的截面視圖，該反射表面埋在基片20內(nèi)，并通過(guò)全內(nèi)反射，耦合來(lái)自顯示源(未畫出)的光38，使它陷入基片20內(nèi)。如這里畫出的，反射表面在基片40上的投影S1是S1＝T·tan(α)， (9)這里T是基片的厚度。
推薦使用α＝α′sur1的解，因?yàn)閷?duì)上述例子，基片表面上的耦合面積，比前一解的耦合面積大4.5倍還多。類似的比值對(duì)其他系統(tǒng)也成立。為避免像中有間隙或條紋，陷入的光應(yīng)覆蓋LOE的整個(gè)面積。要確保如此，反射表面16的邊緣與基片20的上表面40之間邊界線上的點(diǎn)，應(yīng)被單個(gè)光波在兩個(gè)不同位置進(jìn)入基片的兩條不同光線照射光線38a直接照射邊界線41，另一光線38b首先被反射表面16反射，然后在照射邊界線前，被基片的下表面42反射。
假定耦合波照射反射表面的整個(gè)面積，則從表面16反射之后，它在基片表面照射的面積是2S1＝2Ttan(α)。另一方面，反射表面22在基片平面上的投影是S2＝Ttan(αsur2)。為避免反射表面之間的重疊或間隙，每一表面的投影要貼近它鄰近的投影。因此，每一耦合光線在一個(gè)循環(huán)中(即從基片同一表面的兩次反射之間)通過(guò)的反射表面22的數(shù)量N是N=2S1S2=2T·cot(αsur1)T·cot(αsur2).---(10)]]>
在本例中，αsur2＝25°和αsur1＝25°，解是N＝2；就是說(shuō)，每一光線在一個(gè)循環(huán)中通過(guò)兩個(gè)不同表面。
上面所述參照?qǐng)D8的實(shí)施例，是把輸入光波耦合進(jìn)基片的方法的例子。但是，輸入波也可以通過(guò)其他光學(xué)裝置耦合進(jìn)基片，這些裝置包括(但不限于)，折疊式棱鏡、光纖束、衍射光柵、和其他方案。
還有，在圖2的例子中，輸入波和像波位于基片相同側(cè)。可以預(yù)見(jiàn)輸入波和像波位于基片相反側(cè)的另一種配置。同樣可能的是，在某些應(yīng)用中，輸入波是通過(guò)基片外圍側(cè)面之一耦合進(jìn)基片的。
圖8是選擇性反射表面陣列的細(xì)部截面視圖，這些表面把陷入基片內(nèi)的光耦合出來(lái)，然后進(jìn)入觀看者的眼睛。從圖可見(jiàn)，在每一循環(huán)中，被耦合的光線在43以α′in＝130°的角度，通過(guò)反射表面22，光線與反射表面法線之間的角度由此是～75°。從這些表面的反射可以忽略。此外，在每一循環(huán)中，光線以αin＝50°的角度，在44兩次通過(guò)反射表面22，這里的入射角是25°。光線能量的一部分，耦合出基片。假定用兩個(gè)選擇性反射表面22的一個(gè)陣列，把光耦合到觀看者的眼睛上，那么最大的FOV是FOVmax≈2Ttanαsur1-deyeReye.---(11)]]>因此，對(duì)上述各例相同的參數(shù)，對(duì)8°的FOV，極限基片厚度約為2.8mm；對(duì)15°和30°的FOV，極限基片厚度分別是3.7mm和5.6mm。這些數(shù)值比上面討論的現(xiàn)有技術(shù)方案有更為可取的值。再有，可以使用多于兩個(gè)選擇性反射表面。例如，對(duì)三個(gè)選擇性反射表面22，對(duì)15°和30°的FOV，極限基片厚度分別約2.4mm和3.9mm。如此類推，引入附加的反射表面，除別的優(yōu)點(diǎn)外，可以進(jìn)一步降低極限光學(xué)厚度。
對(duì)使用相對(duì)小的FOV的實(shí)施例，單個(gè)部分反射表面已足夠。例如，對(duì)有如下參數(shù)的系統(tǒng)Reye＝25mm；αsur＝72°；和T＝5mm，即使是用單個(gè)反射表面22，也能獲得17°適度的FOV。光線的一部分在耦合出來(lái)進(jìn)入需要的方向前，將穿過(guò)表面22若干次。因?yàn)閷?duì)BK7材料或類似的材料，在基片內(nèi)要獲得全內(nèi)反射的條件，最小的傳播角是αin(min)＝42°，F(xiàn)OV中央角的傳播方向是αin(cen)＝48°。結(jié)果是，投影的像不垂直于表面而略偏斜至離軸12°。無(wú)論如何，這對(duì)許多應(yīng)用是可以接受的。
如圖9所示，每一選擇性反射表面被不同強(qiáng)度的光線照射。當(dāng)右邊的表面46被剛剛從基片20下表面48反射之后的光線照射時(shí)，左邊的表面50被已經(jīng)通過(guò)部分反射表面46因而強(qiáng)度較低的光線照射。要獲得均勻亮度的像，必需對(duì)像不同部分之間的強(qiáng)度差進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)際上，用不同的涂層涂敷各反射表面，從而使反射表面46的反射率低于反射表面50的反射率，以補(bǔ)償不均勻的照明。
在得到的像中，另一個(gè)潛在的不均勻性，可能因不同光線到達(dá)每一反射表面的不同順序而產(chǎn)生一些光線沒(méi)有經(jīng)過(guò)選擇性反射表面的反射，直接到達(dá)；另一些光線是經(jīng)過(guò)一次或多次反射之后到達(dá)。圖8表明這種作用。某一光線在點(diǎn)52與第一選擇性反射表面22相交。該光線的入射角是25°，并把光線的一部分能量耦合出基片。然后，該光線在點(diǎn)43以75°的入射角與同一選擇性反射表面相交，沒(méi)有可察覺(jué)的反射，然后再在點(diǎn)54以25°入射角相交，光線能量的一部分在此被耦合出基片。相反，圖10所示的光線只經(jīng)受同一表面的一次反射。對(duì)較小的入射角，有更多的多次反射。因此，補(bǔ)償這種多次相交產(chǎn)生的不均勻的一種方法，是提供一種反射率隨入射角的降低而單調(diào)增加的涂層，如圖5畫出10到40°范圍的反射系數(shù)所示。對(duì)這種多次相交作用的差，難以完全補(bǔ)償。但是，實(shí)際上人眼允許仍然未被察覺(jué)的顯著的亮度變化。對(duì)貼近眼睛的顯示，眼睛匯集從單個(gè)觀看點(diǎn)發(fā)出的所有光，并把它聚焦在視網(wǎng)膜上的一個(gè)點(diǎn)，還因?yàn)檠劬Φ捻憫?yīng)曲線是對(duì)數(shù)的，顯示亮度中小小的變化，如果有的話，將不被察覺(jué)。因此，即使顯示中存在適度的照明不均勻性，人眼看到的是高質(zhì)量的像。所要求的適度不均勻性，容易用LOE獲得。
但是，對(duì)離眼睛一定距離的顯示，如HUD的顯示，由于多次相交作用產(chǎn)生的不均勻性，是不能允許的。對(duì)于這些情形，需要克服不均勻性的更為系統(tǒng)的方法。當(dāng)LOE有效面積相當(dāng)大而部分反射表面是小的時(shí)候，潛在的不均勻性問(wèn)題特別關(guān)鍵。例如，如圖10所示，即使對(duì)有大的面積的系統(tǒng)，也能設(shè)計(jì)有兩個(gè)反射表面的LOE。在這樣的情形下，以不同的涂層涂敷反射表面22，而表面46的反射率低于表面50的反射率(見(jiàn)圖9)也不能完全補(bǔ)償不均勻的照明。可能的解決方案，是對(duì)每一部分反射表面都使用非均勻反射涂層來(lái)補(bǔ)償非均勻性，從而在整個(gè)FOV上獲得均勻亮度的像。最簡(jiǎn)單的校正方法，是對(duì)每一反射表面都使反射率順陷入光線的傳播方向單調(diào)增加。這一增加可以連續(xù)的或逐步的。例如，如圖8所示，在點(diǎn)54的反射率高于在點(diǎn)52的反射率。但是，可以用更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)上的方法。
在計(jì)及視角時(shí)，應(yīng)當(dāng)指出，得到的像的不同部分，來(lái)自部分反射表面的不同部分。圖10根據(jù)提出的實(shí)施例畫出的小型LOE顯示系統(tǒng)，表明這種效應(yīng)。這里單個(gè)平面波56代表某一具體視角58，只照射部分反射表面22的一部分。因此，對(duì)部分反射表面上每一點(diǎn)，定義一標(biāo)稱視角，然后按照該角度來(lái)設(shè)計(jì)反射率。
LOE各個(gè)部分反射表面的涂層的設(shè)計(jì)，可按如下進(jìn)行對(duì)每一具體角度，畫出從指定眼睛的瞳孔60的中心到部分反射表面的光線(要按Snell定律考慮折射)。計(jì)算的方向設(shè)定為標(biāo)稱的入射方向，而具體涂層的設(shè)計(jì)，則按照該方向并考慮涉及該具體視角的以前的反射率。此外，反射表面每一段的涂層，要使該段對(duì)光線在該具體段中不被反射出去所產(chǎn)生的影響最小。因此，對(duì)每一視角，相關(guān)表面的平均反射率將十分接近需要的反射率。
圖11畫出有兩種不同反射率曲線的第一反射表面46(圖9)兩段不同的段。假定對(duì)點(diǎn)52和54(圖8)指定的反射角分別是35°和25°，且對(duì)兩個(gè)角度要求的反射率是30％，那么對(duì)以25°入射角的光線的第一段，要求反射率最小。因此，如圖11所示，點(diǎn)52上的反射率，對(duì)35°和25°的入射角分別是30％和～0％，而點(diǎn)54上的反射率，對(duì)25°和15°的入射角分別是30％和～0％。當(dāng)然，在本例中，該涂層的反射率曲線也可以作為橫軸的函數(shù)，逐步地或連續(xù)地變化。
至此，已經(jīng)討論的只有沿ξ軸的FOV。沿正交的η軸的FOV也應(yīng)考慮。沿η軸的FOV不依賴于選擇性反射表面的大小或數(shù)量，而依賴于耦合進(jìn)基片的輸入光波沿沿η軸的橫向尺寸。沿η軸可獲得的最大FOV是FOVmax≈Dη-deyeReye+l/(vsinαin),---(12)]]>這里Dη是耦合進(jìn)基片的輸入光波沿η軸的橫向尺寸。
就是說(shuō)，如果需要的FOV是30°，那么使用以上所述相同的參數(shù)，極限橫向尺寸是42mm。前面已經(jīng)表明，耦合進(jìn)基片的輸入光波沿ξ軸的縱向尺寸，由S1＝T tan(αin)給出。T＝4mm厚度的基片得到S1＝8.6mm。類似地，LOE的橫向擴(kuò)展，比縱向尺寸大5倍。即使是4∶3的像的縱橫比(如同標(biāo)準(zhǔn)的視頻顯示)，且FOV沿η軸是22°，則需要的橫向尺寸接近43mm，依舊比縱向尺寸大4倍。這種不對(duì)稱性是成問(wèn)題的它需要高數(shù)值孔徑的準(zhǔn)直透鏡或非常大的顯示源。無(wú)論如何，對(duì)這種數(shù)值的尺寸，不可能獲得需要的小型系統(tǒng)。
圖12畫出利用雙LOE配置，沿兩個(gè)軸擴(kuò)展光束的另一種方法。輸入光波被第一反射表面16a耦合進(jìn)第一LOE 20a，然后沿ξ軸傳播。部分反射表面22a把光耦合出LOE 20a，被反射表面16b耦合進(jìn)第二LOE 20b。該光然后沿η軸傳播，并被選擇性反射表面22b耦合出去。如圖所示，原來(lái)光束沿兩個(gè)軸被擴(kuò)展，而整個(gè)擴(kuò)展由單元16a和22b橫向尺寸之間的比值分別確定。圖12畫出的實(shí)施例，正是雙LOE配置的例子。其他用兩個(gè)或更多LOE組合一起，形成復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，同樣是可能的。例如，三片不同的基片，每一片的涂層設(shè)計(jì)成三基色之一，能夠組合成三色顯示系統(tǒng)。在這種情形下，每一基片對(duì)其他兩種基色是透明的。這樣的系統(tǒng)，對(duì)要求組合三種不同單色顯示源，以便產(chǎn)生最后的像的應(yīng)用是有幫助的。還有用若干片不同的基片組合在一起，形成更復(fù)雜的系統(tǒng)的其他例子。
一般說(shuō)來(lái)，所有上面考慮的光波導(dǎo)光學(xué)單元的不同配置，與別的顯示應(yīng)用的小型光學(xué)裝置相比，給出若干重要的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)包括1)輸入的顯示源能夠非常接近基片，使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)非常小型和輕盈，給出無(wú)可比擬的形狀因子。
2)與其他小型顯示配置相反，本發(fā)明給出輸入顯示源相對(duì)于接目鏡放置的靈活性。這一靈活性與把源放置在接近擴(kuò)展的基片的能力結(jié)合，減輕了其他顯示系統(tǒng)中常常必須使用離軸光學(xué)配置的必要性。此外，因?yàn)長(zhǎng)OE的輸入孔徑比輸出孔徑的有效面積小得多，所以準(zhǔn)直透鏡6(圖1)的數(shù)值孔徑，比相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)成像系統(tǒng)要求的小得多。結(jié)果是，能夠?qū)崿F(xiàn)顯著更方便的光學(xué)系統(tǒng)，而且，與離軸光學(xué)及高數(shù)值孔徑透鏡相關(guān)的許多困難，諸如場(chǎng)的或色的像差，能夠相對(duì)容易地和有效地補(bǔ)償。
3)本發(fā)明中的選擇性反射表面的反射率系數(shù)，在整個(gè)相關(guān)光譜上基本上是相同的。因此，單色和多色的光源都可以用作顯示源。LOE有可忽略的波長(zhǎng)依賴性，確保有高分辨率的高質(zhì)量彩色顯示。
4)因?yàn)閬?lái)自輸入顯示的每一點(diǎn)，都變換為平面波，該平面波從反射陣列的大部分反射進(jìn)觀看者的眼睛，對(duì)眼睛準(zhǔn)確位置的容限，能夠顯著地放寬。這樣，觀看者能夠看到整個(gè)視場(chǎng)，且眼運(yùn)動(dòng)箱比其他小型顯示配置明顯更大。
5)因?yàn)轱@示源光強(qiáng)的大部分被耦合進(jìn)基片，還因?yàn)樵擇詈系哪芰康拇蟛糠?，是“再循環(huán)的”并耦合出來(lái)，進(jìn)入觀看者的眼睛，所以即使用低功耗的顯示源，也能獲得比較高亮度的顯示。
圖13畫出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中的LOE 20是埋入眼鏡架68中的。顯示源4、準(zhǔn)直透鏡6、和折疊式透鏡70，組裝在眼鏡架的眼鏡腿72部分之內(nèi)，正好靠近LOE 20的邊緣。對(duì)顯示源是電子單元，如小CRT、LCD、或OLED的情形，顯示源的驅(qū)動(dòng)電子電路74，可以組裝在眼鏡腿72的后部。電源和數(shù)據(jù)接口76，可通過(guò)引線78或其他通信裝置與眼鏡腿72連接，該通信裝置包括無(wú)線電傳輸或光傳輸?；蛘?，把電池和微型數(shù)據(jù)鏈路的電子電路，集成在眼鏡架內(nèi)。
上述實(shí)施例可用于透視和非透視系統(tǒng)。在后一情形，不透明層位于LOE前面。不透明層不一定包藏整個(gè)LOE，通常只包藏有效面積，因?yàn)楸匦枳钃跤行娣e上的可見(jiàn)顯示。這樣，該裝置能夠保證維持用戶的周邊視覺(jué)，重現(xiàn)計(jì)算機(jī)或電視屏幕的觀看經(jīng)驗(yàn)，其中該種周邊視覺(jué)起重要的認(rèn)知功能作用?；蛘?，可以把可變?yōu)V光器放在系統(tǒng)前，使觀看者能控制外部景物的光的亮度。該可變?yōu)V光器可以是機(jī)械控制的裝置，如折疊式濾光器，也可以是兩片旋轉(zhuǎn)的偏振片，電子控制的裝置，甚至是自動(dòng)的裝置，據(jù)此使濾光器的透射率由外界背景的亮度確定。獲得需要的可變透射率濾光器的一種方法，是采用電致變色材料，以便對(duì)光透射率提供電控制，其中具有電可控光學(xué)性質(zhì)的材料，被納入分層的結(jié)構(gòu)內(nèi)。
至于精確利用本實(shí)施例中的LOE的方式，則有一些方式可供選擇。最簡(jiǎn)單的選擇是對(duì)一只眼睛使用單一的單元。另一種選擇是對(duì)每一只眼睛使用一個(gè)單元和一個(gè)顯示源，但有相同的像。或者，可以投影同一像的兩個(gè)不同部分，兩只眼睛之間有些重疊，以實(shí)現(xiàn)更寬的FOV。再有另一種可能性是，投影兩個(gè)不同的景物，每一眼睛一個(gè)，以建立立體的像。對(duì)后一種選擇，具有吸引力的可能的實(shí)施方案包括3維電影、先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)、訓(xùn)練系統(tǒng)、及其他。
圖13的實(shí)施例，正是說(shuō)明本發(fā)明簡(jiǎn)單實(shí)施方案的一個(gè)例子。因?yàn)闃?gòu)成本系統(tǒng)核心的基片導(dǎo)波的光學(xué)單元，是非常小型和輕盈，能夠安裝在大量的各種裝置中。因此，還可能有許多其他的實(shí)施例，包括護(hù)目鏡、折疊式顯示器、單片眼鏡、和許多許多。本實(shí)施例是專用于靠近眼睛的顯示器的頭戴的、系在頭上的、或用頭攜帶的。
上述實(shí)施例是單鏡光學(xué)系統(tǒng)，就是說(shuō)，像，是投影在單只眼睛上的。但是，存在各種應(yīng)用，諸如平視顯示器(HUD)，其中需要把像投影在兩只眼睛上。直到最近，HUD系統(tǒng)已經(jīng)主要地用于先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)和民航機(jī)。近來(lái)，為把HUD安裝在汽車駕駛員前面，以便有助于駕駛導(dǎo)航，或在低能見(jiàn)度條件時(shí)把熱成像投影進(jìn)駕駛員的眼睛，已經(jīng)提出許多建議和設(shè)計(jì)。目前的航空HUD系統(tǒng)是非常昂貴的，單個(gè)單元的價(jià)格，約數(shù)十萬(wàn)美元。此外，已有的系統(tǒng)非常大、重、和塊頭大，安裝在小的航空器中已很麻煩，更不用說(shuō)汽車了?；贚OE的HUD有可能提供非常小型的、齊備的HUD，容易安裝在受限制的空間內(nèi)?；贚OE的HUD還簡(jiǎn)化了涉及HUD的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和制作，從而有可能適用于改進(jìn)航空器的HUD，和適用于在汽車工業(yè)引入小型的、不昂貴的、消費(fèi)者使用的HUD。
圖14根據(jù)本發(fā)明，畫出使HUD系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)的方法。顯示源4的光被透鏡6準(zhǔn)直至無(wú)窮遠(yuǎn)，又通過(guò)第一反射表面16，耦合進(jìn)基片20中。經(jīng)第二反射陣列(未畫出)反射之后，光波落在第三反射表面22上，該第三反射表面22把光耦合出來(lái)，進(jìn)入觀看者眼睛24。整個(gè)系統(tǒng)可以非常小型和輕盈，大小如數(shù)毫米厚的大明信片。顯示源體積為數(shù)立方厘米，可以附于基片的一角，其中的電線能向系統(tǒng)發(fā)送功率和數(shù)據(jù)。可以預(yù)期，提供的HUD系統(tǒng)的安裝，將不比簡(jiǎn)單的商品音頻系統(tǒng)的安裝更復(fù)雜。此外，因?yàn)橄竦耐队安恍枰獠匡@示源，避免了必需把部件安裝在不安全的地方。
因?yàn)榈湫虷UD系統(tǒng)的出瞳比頭戴系統(tǒng)大得多，所以期望上面參照?qǐng)D12說(shuō)明的雙LOE配置，將是獲得需要的FOV所必需的。但是，可能存在一些特殊情形，其中包括有小的垂直FOV的系統(tǒng)，或以垂直LED陣列作為顯示源的系統(tǒng)，在這種特殊情形中，單個(gè)LOE配置已經(jīng)足夠了。
圖14所示實(shí)施例，除了用于車輛的HUD系統(tǒng)外，還可以有其他的應(yīng)用。這些實(shí)施例的一種可能應(yīng)用是，用作計(jì)算機(jī)或電視機(jī)的平板顯示器。這種顯示器的主要的獨(dú)有特征是，顯示的像不在屏幕平面，而是聚焦在無(wú)窮遠(yuǎn)，或聚焦于類似的方便的距離?，F(xiàn)有計(jì)算機(jī)顯示器的主要缺點(diǎn)之一，是用戶必須把他的眼睛聚焦在40到60cm的非常近的距離，而健康眼睛的自然焦距，是到無(wú)窮遠(yuǎn)。許多人在計(jì)算機(jī)上工作一段長(zhǎng)時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)頭痛。此外，有些人患有近視和遠(yuǎn)視，用計(jì)算機(jī)工作時(shí)需要戴專門的眼鏡。對(duì)受上述問(wèn)題困擾、又不愿用頭戴顯示器工作的人，那么本發(fā)明的平板顯示器，是一種恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。再有，本發(fā)明能使屏幕的物理大小顯著縮減。因?yàn)長(zhǎng)OE形成的像，比裝置還大，可以在更小的框架上實(shí)現(xiàn)大的屏幕。這一點(diǎn)對(duì)移動(dòng)的應(yīng)用，諸如膝上計(jì)算機(jī)和掌上計(jì)算機(jī)，特別重要。
本實(shí)施例再另一個(gè)可能的實(shí)施方案，是作為個(gè)人數(shù)字助手(PDA)的屏幕。目前正在使用的已有常規(guī)屏幕的大小，在10cm以下。由于這些顯示器能夠閱讀的最小距離，約為40cm，可獲得的FOV在15°以下；因此，在這些顯示器上，特別就文本所涉及的信息內(nèi)容，是有限的。能夠用圖10所示實(shí)施例對(duì)被投影的FOV作出明顯的改進(jìn)。像聚焦在無(wú)窮遠(yuǎn)，而屏幕可以位于十分接近觀看者的眼睛。此外，因?yàn)槊恳谎劬匆?jiàn)總視場(chǎng)(TFOV)的不同部分，不同部分在總視場(chǎng)的中心重疊，所以可以獲得TFOV另一種增大。因此，以40°或更大的FOV顯示是可行的。
在以上說(shuō)明的本發(fā)明所有實(shí)施例中，LOE傳輸?shù)南袷蔷劢乖跓o(wú)窮遠(yuǎn)的。但是，有些應(yīng)用中，傳輸?shù)南褚劢乖诟木嚯x，例如，患有近視和不能看清位于遠(yuǎn)距離的像的人。圖15根據(jù)本發(fā)明，畫出提供透鏡的一種方法。無(wú)窮遠(yuǎn)的像被反射表面16耦合進(jìn)基片20，然后被部分反射表面22陣列，反射進(jìn)觀看者的眼睛24。眼鏡鏡片82把像聚焦在方便的距離上，能可供選擇地校正觀看者眼睛的其他像差，包括像散。平凹鏡片82可以用它平坦的表面，粘貼在基片表面。但是，必須在鏡片和基片間留出薄的空氣隙84，以利用全內(nèi)反射，保證使像光線陷入基片內(nèi)。
此外，在以上說(shuō)明的本發(fā)明所有實(shí)施例中，假定外界景物位于無(wú)窮遠(yuǎn)。但是，有些應(yīng)用中，例如用于專業(yè)的或醫(yī)藥原料的應(yīng)用中，這里的外界景物位于更近的距離。圖16根據(jù)本發(fā)明，畫出實(shí)施雙透鏡配置的一種方法。無(wú)窮遠(yuǎn)的像80被反射表面22耦合進(jìn)基片20，然后被部分反射表面陣列22，反射進(jìn)觀看者的眼睛24。另一個(gè)更近距離的景物86被鏡片88準(zhǔn)直到無(wú)窮遠(yuǎn)，然后通過(guò)基片20進(jìn)入眼鏡。鏡片82把像80和86聚焦在方便的距離上，一般是外界景物86的原來(lái)距離上，并在需要時(shí)校正觀看者眼睛的其他像差。
圖15和16畫出的鏡片82和88，分別是簡(jiǎn)單的平凹鏡片及平凸鏡片。但是，為保持LOE的平面形狀，可以用Fresnel鏡片取代，該種Fresnel鏡片能夠通過(guò)精細(xì)步驟，用薄的模制的塑料板制成。此外，另一種作為如上所述替代固定鏡片的實(shí)現(xiàn)鏡片82或88的途徑，是采用電子控制的動(dòng)態(tài)透鏡。在有些應(yīng)用中，用戶不但需要能看到非準(zhǔn)直的像，而且還需要?jiǎng)討B(tài)地使像聚焦。最近已經(jīng)證明，能夠用高分辨率的空間光調(diào)制器(SLM)來(lái)形成全息單元。近來(lái)，用于此目的的最普遍的源是LCD裝置，但其他動(dòng)態(tài)的SLM裝置也可以使用。已知有數(shù)百線/mm的高分辨率動(dòng)態(tài)透鏡。該類電光控制的透鏡，能夠在本發(fā)明中用作需要的動(dòng)態(tài)單元，代替上面結(jié)合圖15和16中說(shuō)明的固定透鏡。從而，操作員能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)LOE投影的虛像和外界視野的實(shí)像，確定并設(shè)置準(zhǔn)確的焦平面。
顯然，對(duì)本領(lǐng)域熟練人員，本發(fā)明不受前面說(shuō)明實(shí)施例的細(xì)節(jié)的限制，并且在不偏離本發(fā)明的精神或本質(zhì)屬性下，可以按其他形式實(shí)施。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，本發(fā)明的實(shí)施例在所有方面都是說(shuō)明性的，而不是限制性的，本發(fā)明的范圍，由后面所附權(quán)利要求書指出，而不是由前面的說(shuō)明指出，且所有在權(quán)利要求書意義內(nèi)和與權(quán)利要求書等價(jià)范圍內(nèi)的變化，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為包含在權(quán)利要求書之中。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，包括有至少兩個(gè)相互平行的主要表面和邊緣的光傳輸基片；顯示光源；通過(guò)內(nèi)反射把光從該光源耦合進(jìn)所述基片的光學(xué)裝置；和至少一個(gè)位于基片中與基片所述主要表面不平行的部分反射表面，特征是，所述源發(fā)射位于給定視場(chǎng)中的光波，所述光波是準(zhǔn)直的；對(duì)所述光學(xué)裝置定義角分辨率；其中位于所述準(zhǔn)直光波之一中的任何兩條不同光線之間的角偏移，小于所述角分辨率。
2.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述光學(xué)裝置，是位于所述基片中的平面波反射表面，且其中所述平面波反射表面的邊緣，與一個(gè)所述基片所述主要表面之間的邊界線上的單個(gè)點(diǎn)，被在兩個(gè)不同位置進(jìn)入基片的所述準(zhǔn)直光波之一的兩條不同光線照射。
3.按照權(quán)利要求2的光學(xué)裝置，其中所述平面波反射表面，按一定角度相對(duì)于所述主要表面放置，使光線之一直接照射所述邊界線，而第二條光線首先被所述平面波反射表面反射，然后在照射所述邊界線前，被基片的另一個(gè)主要表面反射。
4.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述至少一個(gè)部分反射表面，把因內(nèi)反射陷入的準(zhǔn)直光波，耦合出所述基片。
5.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中位于所述視場(chǎng)內(nèi)的準(zhǔn)直光波，到達(dá)觀察者的眼睛。
6.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述至少一個(gè)部分反射表面的反射率，是一非均勻涂層。
7.按照權(quán)利要求7的光學(xué)裝置，其中所述至少一個(gè)部分反射表面的反射率，是單調(diào)地變化的。
8.按照權(quán)利要求7的光學(xué)裝置，其中所述至少一個(gè)部分反射表面的反射率，是逐漸地變化的。
9.按照權(quán)利要求7的光學(xué)裝置，其中所述至少一個(gè)部分反射表面的反射率，是連續(xù)地變化的。
10.按照權(quán)利要求7的光學(xué)裝置，其中所述至少一個(gè)部分反射表面的反射率，產(chǎn)生均勻亮度的視場(chǎng)。
11.按照權(quán)利要求7的光學(xué)裝置，其中所述至少一個(gè)部分反射表面的反射率，產(chǎn)生預(yù)定亮度的視場(chǎng)。
12.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述顯示光源是液晶顯示器。
13.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述顯示光源是有機(jī)發(fā)光二極管顯示器。
14.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述顯示光源是虛視網(wǎng)膜顯示器。
15.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述顯示光源，是按一定方式操作的液晶顯示器光源，該操作可在所述液晶顯示器的平面上，形成需要的像的Fourier變換。
16.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述基片是部分透明的，以實(shí)現(xiàn)透視操作。
17.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，還包括位于所述基片上或所述基片內(nèi)的不透明表面，以便阻擋外部景物的光穿過(guò)基片進(jìn)入。
18.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，還包括可變透射率表面，放置在衰減穿過(guò)基片的光進(jìn)入的位置，用于控制外部景物通過(guò)所述裝置的光的亮度。
19.按照權(quán)利要求18的光學(xué)裝置，其中所述可變透射率表面的透射率，根據(jù)穿過(guò)基片的光的亮度確定。
20.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述至少一個(gè)部分反射表面，反射陷入的波，使之進(jìn)入經(jīng)過(guò)計(jì)算可以到達(dá)觀察者兩只眼睛的方向。
21.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述裝置是安裝在眼鏡架中的。
22.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述裝置是放在平視顯示器中的。
23.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，還包括緊貼基片主要表面之一放置的透鏡。
24.按照權(quán)利要求23的光學(xué)裝置，其中所述透鏡是為校正觀看者眼睛像差而設(shè)計(jì)的眼鏡鏡片。
25.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，還包括緊貼基片第二個(gè)所述主要表面放置的準(zhǔn)直透鏡。
26.按照權(quán)利要求25的光學(xué)裝置，其中所述透鏡是為把準(zhǔn)直像聚焦在預(yù)定距離而設(shè)計(jì)的會(huì)聚透鏡。
27.按照權(quán)利要求25的光學(xué)裝置，其中所述透鏡是Fresnel透鏡。
28.按照權(quán)利要求25的光學(xué)裝置，其中所述透鏡是動(dòng)態(tài)透鏡。
29.按照權(quán)利要求28的光學(xué)裝置，其中所述動(dòng)態(tài)透鏡是用電子學(xué)方法控制的透鏡。
30.按照權(quán)利要求26的光學(xué)裝置，其中所述準(zhǔn)直透鏡是Fresnel透鏡。
31.按照權(quán)利要求26的光學(xué)裝置，其中所述準(zhǔn)直透鏡是動(dòng)態(tài)透鏡。
32.按照權(quán)利要求31的光學(xué)裝置，其中所述動(dòng)態(tài)透鏡是用電子學(xué)方法控制的透鏡。
全文摘要
本發(fā)明給出一種光學(xué)裝置，包括至少有兩個(gè)相互平行的主要表面(26)的光傳輸基片(20)和邊緣；顯示光源；通過(guò)內(nèi)反射把來(lái)自光源的光耦合進(jìn)基片(20)的光學(xué)裝置；和至少一個(gè)位于基片(20)內(nèi)與基片主要表面不平行的部分反射表面(22)，其中的源發(fā)射的光波位于給定視場(chǎng)中，該光波是準(zhǔn)直的，該光學(xué)裝置的角分辨率是確定的，且其中位于準(zhǔn)直光波之一中的任何兩條不同光線之間的角偏移，小于該角分辨率。
文檔編號(hào)G02B27/28GK1867853SQ200480029964
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月10日
發(fā)明者雅各布·阿米塔伊 申請(qǐng)人:魯姆斯有限公司