[发明专利]具有对称光束倍增的图像波导

说明书

用于显示图像的光学系统，包括波导(10)，该波导(10)具有两个主表面(12、14)以支持通过内反射传播图像照射。耦出构造(16、18)向用户的眼睛耦出图像照射。耦合有图像投影仪(20)以将图像照射引入波导中，从而通过内反射传播。波导还包含与耦出区域不同的对称光束倍增器区域，该对称光束倍增器区域具有在波导内部并且平行于其主表面的一个或更多个分束器(24)。对称光束倍增器可以用于在紧凑的耦入构造之后填充共轭图像，以及/或者可以用于作为两个光学孔径扩展构造(32，34)之间的中间级(36)来用图像填充波导。

技术领域和背景技术

本发明涉及光学系统，并且具体地涉及其中照射光束被对称地倍增的采用波导的图像显示系统。

作为用于实现本发明的示例性上下文，各种光学显示器采用光导光学元件(LOE)(可互换地称为“波导”或“基板”)以将图像从与用户的眼睛相对的图像投影仪传送到眼睛，该图像通常通过部分反射器的布置或者通过衍射光学元件耦出。

为了实现所观看图像的均匀性，波导应该被投影图像及其共轭图像均匀地“填充”。这对图像投影仪的尺寸和光学设计的各个其他方面施加了设计限制。

发明内容

本发明是具有对称光束倍增的光导光学系统。

根据本发明的实施方式的教导，提供了一种用于向用户的眼睛显示图像的光学系统，包括：(a)光导光学元件(LOE)，其具有平行的两个平面主外表面，以支持图像照射通过主外表面处的内反射在LOE内的传播；(b)耦出构造，其与LOE的耦出区域相关联并且被构造用于将图像照射的至少一部分从LOE向用户的眼睛耦出；以及(c)图像投影仪，其用于生成与准直图像对应的图像照射，该图像投影仪光学耦合至LOE，以将图像照射引入LOE，从而通过内反射在LOE内传播，其中，LOE还包括与耦出区域不同的对称光束倍增器区域，该对称光束倍增器区域具有n个内部平面分束器，其中n是正整数，每个分束器在LOE内部并且平行于主外表面，n个分束器将主外表面之间的LOE的厚度细分为相等厚度的(n+1)个层，并且其中，LOE和/或图像投影仪与LOE的耦合被构造为使得进入对称光束倍增器区域的图像照射：(i)使用与准直图像而不是准直图像的共轭对应的图像照射或者使用与准直图像的共轭而不是准直图像对应的图像照射来填充层中的至少两层；或者(ii)使用与准直图像和准直图像的共轭二者对应的图像照射来填充层中的仅一层。

根据本发明的实施方式的另一特征，LOE具有垂直于主外表面的输入孔径(aperture)，并且其中，n个分束器延伸直至输入孔径，并且其中，图像投影仪光学耦合至输入孔径，以使用准直图像而不是准直图像的共轭填充输入孔径。

根据本发明的实施方式的另一特征，LOE具有与层中的一层对应的输入孔径，并且其中，图像投影仪光学耦合至输入孔径，以使用准直图像和准直图像的共轭填充层中的所述一层。

根据本发明的实施方式的另一特征，n＝1，并且其中，分束器的反射率为1/2。

根据本发明的实施方式的另一特征，n＝2，并且其中，分束器中的第一分束器的反射率为1/2，并且分束器中的第二分束器的反射率为1/3。

根据本发明的实施方式的另一特征，耦出构造包括布置在LOE内并且相对于主外表面倾斜定向的多个相互平行的部分反射表面。

根据本发明的实施方式的另一特征，耦出构造包括与LOE相关联的至少一个衍射光学元件，并且所述至少一个衍射光学元件被构造用于将图像照射的一部分向用户的眼睛逐渐耦出。