Оптическая система, содержащая световодный оптический элемент с частично отражающими внутренними поверхностями
OPTICAL SYSTEM CONTAINING A LIGHT GUIDE OPTICAL ELEMENT WITH PARTIALLY REFLECTIVE INNER SURFACES

Область и предшествующий уровень техники изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к оптическим системам для использования в проекционных дисплеях и, в частности, рассматривает оптическую систему с применением световодного оптического элемента (LOE) с частично отражающими внутренними поверхностями.
В различных дисплеях, в частности, проекционных дисплеях (HUD) и окулярных дисплеях для дополненной или виртуальной реальности, используются световодные оптические элементы (LOE) с парой параллельных основных внешних поверхностей для передачи коллимированного изображения, распространяющегося внутри LOE вследствие внутреннего отражения. Изображение постепенно выводится из LOE обычно или непосредственно в направлении глаза, или в другой LOE, передающий изображение в глаз. В одном классе подобных устройств вывод изображения с LOE достигается с использованием набора взаимно параллельных частично отражающих поверхностей внутри LOE, размещенных наклонно относительно основных внешних поверхностей LOE. Постепенный вывод по ряду частично отражающих поверхностей приводит к умножению оптической апертуры, выведенной в LOE.
Традиционные LOE устанавливают жесткие требования в отношении отражающей способности частично отражающих поверхностей в зависимости от угла падения, обычно с требованием высокой передачи (почти полной передачи) подсветки изображения в заданных диапазонах углов и частичного отражения под другими углами относительно плоскости граней. На практике достичь практически полной передачи затруднительно. На фиг. 1А и фиг. 1В упрощенно изображен один типичный пример, в котором LOE 10 с параллельными основными поверхностями 12, 14 содержит набор частично отражающих поверхностей 16 (также называемых здесь взаимозаменяемо "гранями"). Типовой луч света 18 под углом, соответствующим заданному пикселю изображения, генерируемого из заданного места во входной оптической апертуре (не показано), распространяется вдоль LOE вследствие внутреннего отражения на поверхностях 12 и 14.
В обычном применении подсветка изображения, изображенная лучом 18, распространяется под более крутым углом в направлении основных поверхностей 12, 14 по сравнению с углом частично отражающих поверхностей 16. В результате каждый луч 18 подсветки может пересекать конкретную грань 16 несколько раз. Например, на фиг. 1А и фиг. 1В луч 18, распространяясь слева направо, пересекает третью грань три раза в местах, обозначенных 1, 2 и 3, соответственно. В результате свет, отраженный и выходящий из точки 1 (обозначенной а на фиг. 1В), будет сильнее, чем отраженный и выходящий из точки 3 (обозначенной b), что приводит к неравномерности выходного изображения.
Кроме того, обычно требуется, чтобы грань была прозрачной (без отражения) для луча 18 под углом падения, показанном в точке 2, поскольку любое отражение в указанном месте (пунктирная стрелка) еще больше уменьшит яркость распространяющегося света, достигающего точки 3, и создаст "фантом" из-за подсветки, распространяющейся в неверном направлении, что может привести к смещению части изображения в конечном изображении. Это требование полной прозрачности (нулевого отражения) выполнить затруднительно, и его выполнение становится все более затруднительным по мере увеличения углов падения (AOI).
Сущность изобретения
Настоящее изобретение представляет собой оптическую систему, содержащую световодный оптический элемент (LOE) с внутренними отражающими поверхностями.
В соответствии с принципами одного из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена оптическая система, содержащая: (а) световодный оптический элемент (LOE), имеющий пару параллельных основных внешних поверхностей; и (b) множество взаимно параллельных отражающих поверхностей внутри упомянутого LOE, при этом упомянутые отражающие поверхности наклонены под углом относительно упомянутых основных внешних поверхностей, при этом по меньшей мере одна из упомянутых отражающих поверхностей выполнена так, чтобы иметь высокую отражающую способность для углов падения больше чем 60 градусов относительно нормали и частичную отражающую способность для углов падения меньше чем 35 градусов к нормали.
В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутая высокая отражающая способность превышает 95% для углов падения больше чем 60 градусов.
В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутая частичная отражающая способность составляет не более чем 50%.
В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутый LOE содержит участок ввода, из которого вводная подсветка изображения распространяется вдоль LOE, и при этом упомянутая частичная отражающая способность изменяется между последовательными отражающими поверхностями так, чтобы по меньшей мере частично компенсировать уменьшение интенсивности упомянутой подсветки изображения, достигающей последовательных отражающих поверхностей.
В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутое множество взаимно параллельных отражающих поверхностей внутри упомянутого LOE также содержит отражающую поверхность ввода, образующую по меньшей мере часть устройства ввода, при этом упомянутая отражающая поверхность ввода имеет высокую отражающую способность для углов падения больше чем 60 градусов относительно нормали и отражающую способность по меньшей мере приблизительно 66% для углов падения меньше чем 35 градусов к нормали.
В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутое множество отражающих поверхностей, включая упомянутую отражающую поверхность ввода, является частью симметричного расположения двух наборов взаимно параллельных отражающих поверхностей, включая две отражающие поверхности ввода, при этом упомянутые две отражающие поверхности ввода сходятся, образуя шевронное расположение ввода.
В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения также предусмотрен проектор изображения, проецирующий коллимированное изображение, и при этом устройство ввода оптически вводит упомянутое коллимированное изображение в упомянутый LOE в качестве подсветки изображения первого порядка так, чтобы распространяться внутри упомянутого LOE вследствие внутреннего отражения на упомянутых основных гранях, причем подсветка изображения первого порядка охватывает первое угловое поле обзора, и упомянутое первое угловое поле обзора расположено под более крутыми углами относительно упомянутых основных поверхностей по сравнению с отражающими поверхностями.
В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения по меньшей мере часть упомянутой подсветки изображения первого порядка, распространяющейся вдоль упомянутого LOE, передается и затем отражается одной из упомянутых отражающих поверхностей для получения подсветки изображения второго порядка, охватывающей второй сектор обзора под меньшими углами относительно упомянутых основных поверхностей по сравнению с упомянутыми отражающими поверхностями.
В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутая подсветка изображения второго порядка отклоняется обратно к подсветке изображения первого порядка вследствие отражения в одной из последующих упомянутых отражающих поверхностей.
В соответствии с другой особенностью одного из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутые отражающие поверхности наклонены под углом 20-26°, и предпочтительно под углом 23-25°, к упомянутым основным внешним поверхностям упомянутого LOE.
С целью определения углов падения луча на плоскость угол падения определен как угол между направлением луча и нормалью к плоскости, так что луч, перпендикулярный поверхности, имеет угол падения, равный 0°, а угол, приближающийся к 90°, представляет собой скользящее падение на поверхность. Если не указано иное, фраза "малые углы падения" означает углы 0-35°, а "большие углы падения" означает углы 60-90°.
Термины "крутой" или "более крутой" используют для обозначения лучей с относительно малыми углами падения на плоскость, или для обозначения плоскости, наклоненной под относительно большим углом к исходной плоскости. И наоборот, термины "малый" или "меньший" используют для обозначения лучей с относительно большим углом, которые ближе к скользящему падению на поверхность, или для обозначения плоскости, наклоненной под относительно небольшим углом к исходной плоскости.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение описано ниже исключительно как пример со ссылками на прилагаемые фигуры, при этом:
фиг. 1А и фиг. 1В, рассмотренные выше, представляют собой упрощенные виды сбоку, на которых показана геометрия луча света, распространяющегося вдоль LOE, и набор наклонно ориентированных частично отражающих поверхностей внутри LOE, соответствующего определенным традиционным вариантам исполнения LOE;
Фиг. 2А, фиг. 2С, фиг. 2D и фиг. 2Е представляют собой упрощенные виды сбоку LOE, сконструированного и работающего в соответствии с принципами одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, на которых показаны различные траектории лучей для лучей изображения, распространяющихся вдоль LOE;
Фиг. 2В представляет собой увеличенный вид участка фиг. 2А, выделенного кружком с обозначением II; и
Фиг. 3 представляет собой упрощенное изображение оптической системы, использующей LOE, изображенный на фиг. 2А-2Е для получения окулярного дисплея.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Настоящее изобретение представляет собой оптическую систему, содержащую световодный оптический элемент.
Устройство и функционирование оптических систем в соответствии с настоящим изобретением могут быть лучше поняты со ссылкой на фигуры и сопроводительное описание.
Фиг. 2А-2Е представляют собой упрощенные изображения базовой реализации части оптической системы, содержащей световодный оптический элемент (LOE) 100, имеющий пару параллельных основных внешних поверхностей 102 и 104. Множество взаимно параллельных отражающих поверхностей 106а, 106b и 106с развернуты внутри LOE 100, наклоненных под углом относительно основных внешних поверхностей 102 и 104.
Характерной особенностью некоторых особо предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения является то, что по меньшей мере одна из отражающих поверхностей 106b, 106с выполнена так, чтобы иметь высокую отражающую способность для углов падения больше чем 60 градусов относительно нормали и частичную отражающую способность для углов падения меньше чем 35 градусов к нормали. "Высокая отражающая способность" в этом контексте в общем случае означает отражающую способность больше чем 90%, и более предпочтительно означает отражающую способность, превышающую 95%. В некоторых особо предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения высокая отражающая способность, достигаемая для углов падения больше чем 60 градусов, превышает 98%, и наиболее предпочтительно близка к 100%. В отличие от описанных выше известных подходов в этом аспекте настоящего изобретения близкая к нулю отражающая способность отражающих поверхностей в любом из диапазонов углов падения не требуется. Это значительно упрощает реализацию многослойных диэлектрических покрытий или других отражающих покрытий, наносимых на отражающие поверхности.
Использование отражающих поверхностей с высокой отражающей способностью под большими углами создает отличительные траектории лучей, отличающиеся от траекторий известного уровня техники. В частности, в отношении траекторий лучей, изображенных на фиг. 2А и фиг. 2С-2Е, а также на увеличении на фиг. 2В, доставленное в LOE коллимированное изображение (представленное введенными лучами 108 в различных отдельных положениях поперек апертуры, обозначенных А, В, С, D и Е), вводится в LOE в качестве подсветки изображения первого порядка, представленного лучами изображения 110а и их сопряженными лучами изображения 110b, для распространения в пределах LOE 100 вследствие внутреннего отражения на главных гранях 102, 104. Все изображенные лучи А-Е являются параллельными, что в коллимированном изображении указывает на то, что все они соответствуют подсветке от одного пикселя введенного изображения, где общее поле обзора (FOV) вводного изображения, называемого здесь "подсветкой изображения первого порядка", охватывает первое угловое поле обзора. Этот первый сектор обзора направлен под более крутыми углами к основным поверхностям, чем отражающие поверхности 106а, 106b, 106с. В результате этого более крутого угла первого сектора обзора по меньшей мере часть подсветки изображения первого порядка, распространяющейся вдоль LOE, подвергается отражению под большим углом падения одной из отражающих поверхностей, отклоняя лучи 110а для получения подсветки изображения второго порядка, представленной лучом 112, охватывающей второй сектор обзора под меньшими углами к основным поверхностям 102, 104 по сравнению с отражающими поверхностями 106а, 106b, 106с. При падении луча 112 на следующую отражающую поверхность подсветка 112 изображения второго порядка отклоняется обратно к подсветке 110а изображения первого порядка вследствие отражения в одной из последующих отражающих поверхностей. При падении лучей 110b на отражающие поверхности это происходит под малыми углами (менее чем 35 градусов), что приводит к частичному отражению для вывода подсветки изображения в виде лучей 114, а также частичному пропусканию лучей 110b, которое переносит вперед часть интенсивности подсветки для дальнейшего вывода вдоль LOE.
В изображенном здесь неограничивающем примере ввод лучей 108 изображения достигается с использованием отражающей поверхности 106а, выполненной в виде отражающей поверхности ввода с высокой отражающей способностью для углов падения выше чем 60 градусов относительно нормали и отражающей способностью более чем 50%, обычно по меньшей мере приблизительно 66%, для углов падения менее чем 35 градусов к нормали. Таким образом, первое отражение на грани 106а вводит подсветку изображения в подсветку 110b изображения первого порядка. Лучи А и В, изображенные на фиг. 2А-2С, входят в область входной апертуры и под углом, приводящим к их повторному отражению от грани 106а, что приводит к получению подсветки 112 изображения второго порядка, которая преобразуется обратно в подсветку 110а изображения первого порядка на грани 106b. Затем эта подсветка изображения первого порядка отражается от основной поверхности 104, чтобы стать 106а, пересекающей грань 106b, с получением лучей 114 вывода вследствие частичного отражения. Лучи А и В продолжают распространяться вдоль LOE, также пересекая грань 106с, где происходит дальнейшее частичное отражение, и затем подвергаются дополнительному отражению под большим углом на грани 106с для повторения вышеописанного процесса. Поскольку отражающая способность отражающих поверхностей при больших углах высока, преобразование в подсветку изображения второго порядка и обратно происходит без существенных потерь энергии или получения фантомных изображений. Кроме того, использование отражающих поверхностей, расположенных под относительно малыми углами, способствует реализации относительно тонкого и легковесного LOE. Предпочтительный наклон отражающих поверхностей относительно основных поверхностей LOE составляет от 20-26°, и наиболее предпочтительный - 23-25°.
Следует отметить, что различные лучи подвергаются вышеупомянутому преобразованию между подсветкой изображения первого и второго порядка в разных местах, а в некоторых случаях и не подвергаются вообще. Таким образом, на фиг. 2D показаны лучи С и D, которые подвергаются регулярному распространению подсветки изображения первого порядка между гранями 106а и 106b а затем подвергаются преобразованию в подсветку второго порядка путем отражения на задней поверхности второй отражающей поверхности 106b. На фиг. 2Е показан луч Е, для которого положение и угол вводного луча таковы, что луч остается в качестве подсветки изображения первого порядка на протяжении трех показанных здесь граней.
Эти различные отдельные типы оптических траекторий обеспечивают вывод подсветки изображения от LOE в диапазоне местоположений вдоль LOE и, как правило, взаимодействуют для получения в целом непрерывного общего выходного изображения в желаемой выходной области. Частичная отражающая способность отражающих поверхностей при малых углах предпочтительно варьируется между поверхностями для повышения однородности выходного изображения в соответствии со следующими принципами. Во-первых, при использовании первой грани 106а в качестве поверхности ввода отражающая способность для отражающей поверхности ввода предпочтительно составляет по меньшей мере 50%, и наиболее предпочтительно составляет примерно (1-1/n), где n - количество граней, если отражающая поверхность ввода не находится за пределами области, в которой требуется вывод, в случае чего можно использовать 100% отражатель.
Частичная отражающая способность под малыми углами остальных граней предпочтительно составляет примерно 1/n, где n для каждой грани - это количество оставшихся граней, на которых требуется вывод, включая текущую грань. Таким образом, например, для случая 3-гранной реализации, как показано, оптимальные значения отражающей способности для граней при малых и больших углах будут следующими:
и для 4-гранной реализации значения будут следующими:
Указанные выше свойства могут быть легко получены с помощью стандартных программных средств для проектирования многослойных покрытий, и фактически могут быть получены более равномерные и требующие меньшего количества слоев покрытия по сравнению с вышеупомянутыми традиционными конструкциями, требующими неотражающих свойств для определенных угловых диапазонов.
Приведенные выше иллюстративные значения отражающей способности пригодны для вариантов осуществления настоящего изобретения, в которых LOE используется для расширения в первом измерении оптической апертуры, служащей входом в другой LOE, находящийся напротив глаза, или для приложений виртуальной реальности. Для приложений, в которых LOE развертывается напротив глаза для приложений дополненной реальности, грань ввода развертывается вне поля обзора (или используется альтернативная конфигурация ввода), и предпочтительно большее количество граней с относительно низкой отражающей способностью при малых углах.
На фиг. 3 упрощенно показана общая оптическая система 200, содержащая проектор 202 изображения, выполненный так, чтобы проецировать коллимированное изображение. Проектор 202 изображения показан здесь лишь упрощенно и может представлять собой проектор любого типа, проецирующий коллимированное изображение. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения проектор изображения содержит источник света, пространственный модулятор света (например, жидкий кристалл на кремнии "LCOS") и коллимирующую оптику. Эти компоненты могут предпочтительно располагаться на поверхностях ряда известных светорасщепляющих призм, например, кубов светоделителя поляризованного пучка (PBS), с отражающей коллимирующей оптикой.
Устройство ввода, например, первые грани 106a, оптически вводит коллимированное изображение в LOE в качестве подсветки изображения первого порядка так, чтобы распространяться внутри LOE, с обменом между подсветкой изображения первого и второго порядка и прогрессивным выводом изображения, согласно вышеприведенному описанию. В одном особенно предпочтительном, но не ограничивающем, варианте осуществления настоящего изобретения, как показано здесь, набор отражающих поверхностей 106а, 106b и 106с является частью симметричного расположения двух наборов взаимно параллельных отражающих поверхностей 106а, 106b, 106с, 106a?, 106b? и 106с?, включая две отражающие поверхности ввода 106a и 106a?, которые сходятся, образуя шевронное расположение ввода.
Подсветка изображения вывода из LOE 100 показана здесь упрощенно с вводом в последующий LOE 204, который передает изображение напротив глаза наблюдателя и выводит его в направлении глаза наблюдателя. LOE 204 может быть выполнен с гранями 206, которые выполнены в соответствии с принципами настоящего изобретения, с высокой отражающей способностью под большими углами, или, иначе, может быть выполнен с применением традиционной технологии LOE, основанной на известных частично отражающих гранях и/или дифракционных оптических элементах для ввода и вывода.
Хотя ввод проецируемого изображения в LOE был приведен в этом описании в качестве примера отражающей поверхности ввода, следует понимать, что другие устройства ввода также могут быть полезно использованы. Дополнительные устройства включают, но без ограничения ими, различные виды призмы ввода, прикрепляемой к или выполненной как одно целое с одной из основных поверхностей и/или с боковой поверхностью LOE, обеспечивающей правильно наклоненную поверхность для прямого ввода проецируемого изображения в управляемый режим подсветки изображения первого порядка, а также различные устройства ввода на основе дифракционных оптических элементов.
Для дальнейшего повышения однородности интенсивности изображения вывода по всей выходной апертуре в комбинации с описанными выше функциями факультативно могут быть реализованы дополнительные функции. Согласно одному неограничивающему примеру одна или обе основные поверхности LOE изменены путем добавления пластины с параллельными поверхностями, оптически связанной с LOE, и с частично отражающей границей раздела между LOE и пластиной, полученной или введением граничного слоя из подходящего материала, или нанесением подходящих покрытий на одну или обе поверхности на границе раздела. Эта частично отражающая граница раздела служит в качестве "микшера", образующего перекрытие множества оптических траекторий, тем самым повышая однородность интенсивности изображения вывода по всей выходной апертуре LOE.
Следует понимать, что приведенные выше описания предназначены только в качестве примеров, и что многие другие варианты осуществления настоящего изобретения возможны без выхода за пределы объема настоящего изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.