[发明专利]基板引导的光学器件

说明书

本发明涉及基板引导的光学器件。一种光学系统，包括具有至少两个外部主表面和边缘的透光基板以及用于通过全内反射将光波耦合到基板中的光学元件。至少一个部分反射表面位于基板中，用于将光波耦合出基板，以及其折射率显著低于透光基板的折射率的至少一个透明层被光学附连到基板的主表面中的至少一个，从而限定接口平面。耦合在基板内的光波基本上全部从基板的主表面和透明层之间的接口平面反射。

本申请是申请日为2015年12月16日、申请号为201580070553.7、发明名称为“基板引导的光学器件”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及基板引导的光学器件，特别地，涉及包括由也被称为光导元件的常见透光基板承载的多个反射表面的器件。

背景技术

紧凑型光学元件的重要应用是在头戴式显示器(HMD)中，其中光学模块既充当成像透镜又充当组合器，其中二维图像源被成像到无穷远并被反射到观察者的眼睛中。显示源可以直接地从空间光调制器(SLM)(诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)、扫描源或类似设备)获得，或者间接地借助于中继透镜或光纤束获得。显示源包括通过准直透镜被成像到无穷远并借助于分别用于非透视应用和透视应用的组合器的反射或部分反射表面发送到观看者的眼睛中的元件(像素)阵列。通常，常规的自由空间光学模块用于这些用途。但是，随着系统的期望视场(FOV)增加，这种常规的光学模块变得更大、更重和更庞大，并因此即使对于中等性能的设备也是不切实际的。对于各种显示器，以及尤其是在其中系统应当必须尽可能轻且紧凑的头戴式应用中的显示器，这是主要缺点。

力求紧凑性导致几种不同的复杂光学解决方案，所有这些解决方案一方面对于大多数实际应用而言仍然不足够紧凑，并且另一方面在可制造性上承受主要缺点。此外，由这些设计得到的光学视角的眼睛运动盒(EMB)常常非常小——通常小于8mm。因此，光学系统的性能即使对于光学系统相对于观看者的眼睛的小的移动也是非常敏感的，并且不允许足够的瞳孔运动来舒适地从这种显示器读取文本。

包括在全部以本申请人的名义的公开内容No.WO01/95027、WO03/081320、WO2005/024485、WO2005/024491、WO2005/024969、WO2005/124427、WO2006/013565、WO2006/085309、WO2006/085310、WO2006/087709、WO2007/054928、WO2007/093983、WO2008/023367、WO2008/129539、WO2008/149339、WO2013/175465、IL 232197和IL 235642中的教导通过引用并入本文。

发明内容

本发明有助于开发用于HMD等应用的非常紧凑的光导光学元件(LOE)。本发明允许相对宽的FOV以及相对大的EMB值。得到的光学系统提供大的、高质量的图像，其还适应眼睛的大的移动。本发明提供的光学系统是特别有利的，因为它显著地比现有技术的实现方式更加紧凑，并且即使在具有专门配置的光学系统中，它仍能够容易地结合。

因此，本发明的广泛目的是减轻现有技术的紧凑光学显示设备的缺点，并根据具体需要提供具有改进的性能的其它光学部件和系统。

本发明可以被实现来有利于大量成像应用，诸如便携式DVD、蜂窝电话、移动电视接收器、视频游戏、便携式媒体播放器或任何其它移动显示设备。

LOE操作的主要物理原理在于通过来自LOE的外表面的全内反射将光波捕获在基板内。但是，存在需要将另一个光学元件附连至外表面中的至少一个的情形。在这种情况下，有必要确认，一方面，来自外表面的光波的反射将不会由于这种附连而劣化，并且另一方面，将光波从LOE耦合出和耦合进LOE的光学布置将不会受到干扰。因此，需要在外表面处添加角度敏感的反射光学布置，其一方面将基本上反射耦合在LOE内并以倾斜的角度撞击在表面上的整个光波，并且另一方面基本上透射以接近于法向入射撞击在表面上的光波。