[发明专利]包括具有二维扩展的光导光学元件的光学系统

说明书

一种光学系统，包括光导光学元件(LOE)，LOE具有第一组相互平行的部分反射表面以及与第一组相互平行的部分反射表面取向不同的第二组相互平行的部分反射表面。两组部分反射表面均位于一组相互平行的主外表面之间。在耦入位置处引入的图像照射沿LOE传播，被第一组部分反射表面朝向第二组部分反射表面重定向，图像照射在第二组部分反射表面被朝向用户的眼睛耦出。第一组部分反射表面被实现为位于向眼动箱填充所需图像而所需的位置处的部分表面。另外地或替选地，第一组部分反射表面的间隔跨LOE的第一区域变化。附加特征涉及投射仪和部分反射表面的相对取向，以提高紧凑性并且实现各种调整。

技术领域

本发明涉及光学系统，并且特别地，其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。

背景技术

许多近眼显示系统包括在用户的眼睛前放置的透明光导光学元件(LOE)或“波导”，LOE或波导通过内反射在LOE内传送图像，并且然后通过合适的输出耦合机制朝向用户的眼睛耦出图像。输出耦合机制可以基于嵌入的部分反射器或“小平面”，或者可以采用衍射模式。下面的描述将主要涉及基于小平面的耦出装置，但是应当理解，本发明的各种特征也适用于衍射装置。

发明内容

本发明是光学系统。

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射引导到眼动箱以供用户的眼睛观看的光学系统，光学系统包括由透明材料形成的光导光学元件(LOE)，LOE包括：(a)第一区域，其包含具有第一取向的第一组平坦的相互平行的部分反射表面；(b)第二区域，其包含具有与第一取向不平行的第二取向的第二组平坦的相互平行的部分反射表面；(c)一组相互平行的主外表面，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的图像照射的一部分被从LOE朝向眼动箱耦出，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内传播的图像照射的一部分被朝向第二区域偏转，其中，第一组部分反射表面的部分反射表面中的每一个包括形成LOE的一部分的两个板之间的交界平面处的部分反射涂层，并且其中，部分反射涂层位于交界平面的第一部分上，并且部分反射表面中的至少之一具有被结合以在两个板之间形成光学连续体的交界平面的第二部分。

根据本发明的实施方式的另一特征，从耦入区域开始在LOE内传播、被第一组部分反射表面中的一个部分反射表面偏转并且被第二组部分反射表面中的一个部分反射表面沿到达眼动箱的方向耦出的光线路径的包络限定第一组部分反射表面中的一个部分反射表面的成像区域，并且其中，第一组部分反射表面中的一个部分反射表面中的位于包络外的区域限定第一组部分反射表面中的一个部分反射表面的非成像区域，其中，非成像区域的大部分被结合以在两个板之间形成光学连续体。

根据本发明的实施方式的另一特征，第一组部分反射表面具有不均匀的间隔，使得靠近耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔小于远离耦入区域的相邻部分反射表面之间的间隔。

根据本发明的实施方式的另一特征，光学系统还包括图像投射仪，图像投射仪用于投射具有围绕光轴的角视场的准直图像，图像投射仪光学地耦合到LOE，以在耦入区域处将准直图像引入LOE中，作为通过主外表面处的内反射在LOE内传播的传播图像，传播图像被第一组部分反射表面部分地反射，以生成通过主外表面处的内反射在LOE内传播的经偏转传播图像，经偏转传播图像被第二组部分反射表面部分地反射，以生成从主外表面之一向外指向眼动箱的耦出图像，耦出图像的光轴相对于主外表面的法线倾斜，具有沿第二组部分反射表面的面内延伸方向的非零倾斜分量。

根据本发明的实施方式的另一特征，被配置用于利用主轴将图像投射到眼动箱，主轴包括与投射图像的第一水平或竖直轴对应的X轴，以及与投射图像的另一轴对应的Y轴，并且其中，第二组部分反射表面具有平行于主外表面的延伸方向，延伸方向具有相对于X轴的角度偏移。