[发明专利]包括具有三阶段扩展的LOE的光学系统

说明书

一种光学系统，包括光导光学元件(LOE)，该光导光学元件具有处于不同取向的第一组相互平行的部分反射表面(204)和第二组相互平行的部分反射表面(206)。两组部分反射表面均位于平行主外表面之间。部署在耦入区域处的第三组至少部分反射表面(202)接收从具有光学孔径的投影仪(2)注入的图像照明，该光学孔径具有第一面内宽度，并且第三组至少部分反射表面经由图像照明的至少一部分在第三组至少部分反射小平面处的反射将图像照明朝向具有有效光学孔径的第一组部分反射小平面引导，该有效光学孔径具有大于第一宽度的第二宽度。

本发明的技术领域和背景技术

本发明涉及光学系统，并且特别地，本发明涉及包括用于实现光学孔径扩展的光导光学元件(LOE)的光学系统。

许多近眼显示系统包括放置在用户的眼睛之前的透明光导光学元件(LOE)或“波导”，其通过内反射在LOE内传送图像，然后通过合适的输出耦合机制将图像朝向用户的眼睛耦出。输出耦合机制可以基于嵌入的部分反射器或“小平面”，或者可以采用衍射图案。下面的描述将主要涉及基于小平面的耦出布置，但是应当理解，本发明的各种特征也适用于衍射布置。

US 6829095 B2的图13中描述了采用内部正交小平面的波导内的二维孔径扩展，该图13在此再现为图1A。在此，在括号中呈现了参考现有技术附图的附图标记。来自投影仪(20)的光在波导内传播，并且由小平面(22a)至(22c)朝向小平面(23)反射，该小平面(23)将光朝向观察者耦出。

PCT公开WO 2019/142177 A1公开了采用非正交小平面的类似构思。该PCT公开的图2和图29在此分别再现为图1B和图1C。第一组小平面(这里表示为(32))是非正交的，因此仅反射一种传播模式。所示的两种构造在包含两组小平面的区域是交叠(图1B)还是不交叠(图1C)方面不同。

发明内容

本发明是一种光学系统。

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注入的图像照明朝向用户引导以供观看的光学系统，该光学系统包括由透明材料形成的光导光学元件(LOE)，该LOE包括：(a)第一区域，其包含具有第一取向的第一组平面型的相互平行的部分反射表面；(b)第二区域，其包含具有不平行于第一取向的第二取向的第二组平面型的相互平行的部分反射表面；(c)一组相互平行的主外表面，该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均位于主外表面之间，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部分图像照明被从LOE朝向用户耦出，并且其中，第一组部分反射表面被定向成使得从耦入区域通过主外表面处的内反射在LOE内传播的部分图像照明被朝向第二区域偏转，其中，光学系统还包括部署在耦入区域处的第三组平面型的相互平行的至少部分反射表面，该第三组至少部分反射表面被部署成：接收从具有光学孔径的投影仪注入的图像照明，该光学孔径具有平行于主外表面测量的第一宽度；并且经由图像照明的至少一部分在第三组至少部分反射小平面处的反射将图像照明朝向具有有效光学孔径的第一组部分反射小平面引导，该有效光学孔径具有平行于主外表面测量的第二宽度，该第二宽度大于第一宽度。

根据本发明的实施方式的另一特征，第三组至少部分反射表面具有按照图像照明到达该第三组至少部分反射表面的顺序相继增大的反射率的第一序列，其中第一组部分反射表面具有按照图像照明到达该第一组部分表面的顺序相继增大的反射率的第二序列，第二序列以小于第一序列的最后反射率的反射率开始。

根据本发明的实施方式的另一特征，相继增大的反射率的第一序列的最后反射率大于90％。

根据本发明的实施方式的另一特征，被朝向第一组部分反射表面引导的图像照明的大部分恰好经历来自第三组至少部分反射表面的一次反射。

根据本发明的实施方式的另一特征，被朝向第一组部分反射表面引导的图像照明的大部分经历来自第三组至少部分反射表面的两次反射。