УМНОЖИТЕЛЬ АПЕРТУРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА
APERTURE MULTIPLIER USING A RECTANGULAR WAVEGUIDE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к оптическим умножителям апертуры (optical aperture multipliers) и, в частности, относится к оптическому умножителю апертуры, который содержит прямоугольный волновод, а также отображающие устройства для отображения изображения рядом с глазом (near eye display) и отображающие устройства для отображения изображения на лобовом стекле (head up display), в которых используют такие умножители апертуры.
Для оптических устройств с отображением рядом с глазом или отображением на лобовом стекле требуется большая апертура, чтобы охватывать область, где расположен глаз наблюдателя (рамка движения глаз). Чтобы реализовать компактное устройство, изображение создается небольшим оптическим генератором изображения, имеющим малую апертуру, которую умножают для создания большой апертуры.
Был разработан подход к увеличению апертуры в одном измерении на основе плоского элемента из прозрачного материала с параллельными стенками, внутри которого распространяется изображение за счет внутреннего отражения. Часть волнового фронта изображения выводят из пластины, либо с помощью косоугольных частично отражающих элементов, либо с использованием дифракционного оптического элемента на одной поверхности пластины. Такую пластину упоминают в настоящем документе как одномерный волновод, поскольку он содержит волновой фронт изображения за счет внутреннего отражения в одном измерении. В плоскости плоского элемента (т.е. стенок плоского элемента) изображение должно быть коллимировано, чтобы поддерживать качество изображения в волноводе.
Метод распространения в плоском элементе вполне подходит для второй ступени умножения апертуры, на которой плоских элемент находится напротив глаза наблюдателя (например, линза очков для отображения рядом с глазом или окно для более крупного отображения на лобовом стекле) и образует конечную поверхность вывода, с которой изображение достигает глаза. Однако такой метод не является оптимальным для первой ступени умножения, на которой требования к ширине пластины по сравнению с шириной волнового фронта изображения добавляют устройству объем и вес.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение представляет собой оптический умножитель апертуры, который содержит прямоугольный волновод.
В соответствии с принципами варианта реализации настоящего изобретения предложен оптический умножитель апертуры, содержащий: (а) первый оптический волновод, имеющий направление удлинения, причем первый оптический волновод имеет первую и вторую пары параллельных стенок, образующих прямоугольное поперечное сечение, в котором множество частично отражающих поверхностей по меньшей мере частично пересекает первый оптический волновод, причем частично отражающие поверхности находятся под косым углом к направлению удлинения; и (b) второй оптический волновод, оптически связанный с первым оптическим волноводом, причем второй оптический волновод имеет третью пару параллельных стенок, образующих планарный волновод, причем множество частично отражающих поверхностей по меньшей мере частично пересекает второй оптический волновод, при этом частично отражающие поверхности находятся под косым углом к третьей паре параллельных стенок, причем оптическая связь и частично отражающие поверхности первого и второго волноводов выполнены таким образом, что, когда изображение входит в указанный первый оптический волновод с начальным направлением распространения при угле сопряжения, являющимся наклонным как к первой, так и ко второй парам параллельных стенок, оно продвигается за счет четырехкратного внутреннего отражения вдоль первого оптического волновода с долей интенсивности изображения, отраженного от частично отражающих поверхностях, так чтобы выводиться во второй оптический волновод и распространяться за счет двукратного отражения во втором оптическом волноводе, с долей интенсивности изображения, отраженного от частично отражающих поверхностях так, чтобы направляться наружу от одной из параллельных граней в качестве видимого изображения.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения первая пара параллельных стенок содержит первую стенку и вторую стенку, а вторая пара параллельных стенок содержит третью стенку и четвертую стенку, при этом конец первой стенки заканчивается на первом ближнем крае, а конец третьей стенки заканчивается на втором ближнем крае, при этом оптический умножитель апертуры дополнительно содержит устройство соединения отражателей, выполненное как одно целое или оптически связанное с оптическим волноводом, при этом устройство соединения отражателей содержит: (а) первый отражатель, выполненный в виде ближнего удлинения третьей стенки или в виде отражателя, параллельного и внешнего по отношению к третьей стенке, причем первый отражатель имеет ширину, перпендикулярную направлению удлинения, которая больше, чем ширина третьей поверхности, и (b) второй отражатель, выполненный в виде ближнего удлинения четвертой стенки или в виде отражателя, параллельного и внешнего по отношению к четвертой стенке, при этом второй отражатель, имеет ширину, перпендикулярную направлению удлинения, которая больше, чем ширина четвертой поверхности, так что, если смотреть вдоль оптической входной оси, первый и второй ближние края представляют видимую апертуру волновода, ограниченную первым и вторым ближними краями и изображениями первого и второго ближних краев, отраженных в устройстве соединения отражателей.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения, оптическая входная ось наклонена как к первому, так и ко второму отражателям.
Согласно еще одной особенности варианта реализации настоящего изобретения устройство соединения отражателей выполнено в виде соединительной призмы, сформированной как одно целое или оптически связанной с оптическим волноводом, при этом соединительная призма содержит соединительную поверхность в целом перпендикулярную оптической входной оси.
Согласно еще одной особенности варианта реализации настоящего изобретения устройство соединения отражателей выполнено в виде соединительной призмы, выполненной как одно целое или оптически связанной с оптическим волноводом, при этом соединительная призма выполнена как одно целое по меньшей мере с одним оптическим элементом устройства проецирования изображения.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения по меньшей мере один оптический элемент содержит светоделительную призму, имеющую входную грань, отражающую грань, внутренний наклонный светоделительный элемент и выходную грань в целом ортогональную первичному направлению распространения выходного изображения, и при этом по меньшей мере часть первого и второго отражателей соединительного отражателя проходит по плоскости выходной грани.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения устройство соединения отражателей выполнено в виде соединительной призмы, выполненной как одно целое или оптически связанной с оптическим волноводом, причем соединительная призма представляет собой наклонную отражающую поверхность для отражения входного светового потока вдоль оптической оси, перпендикулярной одному из первого и второго отражателей, чтобы падать на указанную видимую апертуру волновода.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения предложен также проектор изображения, выполненный для проецирования изображения, коллимированного в бесконечность вдоль оптической входной оси, так чтобы полностью перекрывать видимую апертуру волновода.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения также предусмотрен деполяризующий элемент, установленный на оптическом пути между проектором изображения и устройством соединения отражателей.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения первый оптический волновод оптически связан с торцевой поверхностью второго оптического волновода, причем торцевая поверхность проходит между третьей парой параллельных стенок.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения торцевая поверхность является ортогональной третьей паре параллельных граней. В соответствии с альтернативной особенностью варианта реализации настоящего изобретения торцевая поверхность является наклоненной под косым углом относительно третьей пары параллельных стенок.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения частично отражающие поверхности второго волновода пересекают первую из третьей пары параллельных стенок на ряде параллельных линий, и при этом торцевая поверхность соответствует первой из третьей пары параллельных стенок вдоль края, причем край не параллелен ряду параллельных линий.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения первый оптический волновод оптически связан с одной из третьей пары параллельных стенок.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения частично отражающие поверхности первого волновода находятся под косым углом, как к первой паре параллельных стенок, так и ко второй паре параллельных стенок.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения по меньшей мере одна стенка из первой и второй пар параллельных стенок покрыта слоями диэлектрического материала для образования диэлектрического зеркала.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения одна из стенок первого оптического волновода представляет собой соединительную стенку, через которую первый оптический волновод оптически связан со вторым оптическим волноводом, и при этом множество частично отражающих поверхностей первого волновода находится в перекрытии с таким соотношением, что в геометрической проекции частично отражающих поверхностей вдоль первичного направления распространения изображения на соединительную стенку большая часть площади, лежащей внутри проекции, включена в проекции по меньшей мере двух из частично отражающих поверхностей.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения также предусмотрено устройство проецирования изображения, связанное с первым волноводом, и выполненное для введения в первый волновод первого изображения с первым диапазоном отклонений угловых направлений, при этом четырехкратное внутреннее отражение создает второе, третье и четвертое сопряженные изображения, имеющие соответствующие второй, третий и четвертый диапазоны отклонений угловых направлений, причем множество частично отражающих поверхностей первого оптического волновода покрыто так, чтобы сделать их по существу прозрачными для лучей изображения, падающих внутри первого диапазона углов относительно частично отражающих поверхностей, и частично отражающими для лучей изображения, падающих во втором диапазоне углов, причем первый диапазон отклонений угловых направлений и косой угол множества частично отражающих поверхностей выбирают таким образом, что диапазон отклонений угловых направлений для трех из четырех сопряженных изображений является падающим на множество частично отражающих поверхностей в пределах первого диапазона углов, а диапазон отклонений угловых направлений только для одного из четырех сопряженных изображений является падающим на множество частично отражающих поверхностей во втором диапазоне углов.
Кроме того, в соответствии с принципами варианта реализации настоящего изобретения предложен оптический умножитель апертуры, содержащий: (а) оптический волновод, имеющий направление удлинения, причем оптический волновод имеет первую пару параллельных стенок, содержащую первую стенку и вторую стенку, и вторую пару параллельных стенок, содержащую третью стенку и четвертую стенку, причем пары параллельных стенок совместно образуют прямоугольное поперечное сечение, торец первой стенки заканчивается на первом ближнем крае, и торец третьей стенки заканчивается на втором ближнем крае; и (b) устройство соединения отражателей выполнено как одно целое или оптически связано с оптическим волноводом, при этом устройство соединения отражателей содержит: (i) первый отражатель, выполненный в виде ближнего удлинения третьей стенки или в виде отражателя, параллельного и внешнего по отношению к третьей стенки, причем первый отражатель имеет ширину, перпендикулярную направлению удлинения, которая больше, чем ширина третьей поверхности, и (ii) второй отражатель, выполненный в виде ближнего удлинения четвертой стенки или в виде отражателя, параллельного и внешнего по отношению к четвертой стенки, при этом второй отражатель, имеет ширину, перпендикулярную направлению удлинения, которая больше, чем ширина четвертой поверхности, так что, если смотреть вдоль оптической входной оси, первый и второй ближние края представляют видимую волноводную апертуру, ограниченную первым и вторым ближними краями и изображениями первого и второго ближних краев, отраженных в устройстве соединения отражателей.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения, оптическая входная ось наклонена как к первому, так и ко второму отражателям.
Согласно еще одной особенности варианта реализации настоящего изобретения устройство соединения отражателей выполнено в виде соединительной призмы, сформированной как одно целое или оптически связанной с оптическим волноводом, при этом соединительная призма представляет собой соединительную поверхность в целом перпендикулярную оптической входной оси.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения предложен также проектор изображения, выполненный для проецирования изображения, коллимированного в бесконечность вдоль оптической входной оси, так чтобы полностью перекрывать видимую апертуру волновода.
В соответствии еще с одной особенностью варианта реализации настоящего изобретения также содержится деполяризующий элемент, установленный на оптическом пути между проектором изображения и устройством соединения отражателей.
Кроме того, в соответствии с принципами варианта реализации настоящего изобретения предложен оптический умножитель апертуры, содержащий: (а) первый оптический волновод, имеющий направление удлинения, причем первый оптический волновод имеет первую и вторую пары параллельных граней, образующих прямоугольную поперечное сечение, при этом множество частично отражающих поверхностей по меньшей мере частично пересекает первый оптический волновод, частично отражающие поверхности находятся под косым углом к направлению удлинения, причем множество частично отражающих поверхностей первого оптического волновода покрыты так, чтобы сделать их по существу прозрачными для лучей, падающих в пределах первого диапазона углов, относительно частично отражающих поверхностей, и частично отражающими лучи, падающие во втором диапазоне углов; и (b) устройство проецирования изображения, связанное с первым волноводом, и развернутое для ввода в первый волновод первого изображения с первым диапазоном отклонений угловых направлений, причем первое изображение продвигается за счет четырехкратного внутреннего отражения вдоль первого оптического волновода, таким образом, создавая второе, третье и четвертое сопряженные изображения, имеющие соответствующие второй, третий и четвертый диапазоны отклонений угловых направлений, причем первый диапазон отклонений угловых направлений и косой угол множества частично отражающих поверхностей выбирают таким образом, что диапазон отклонений угловых направлений для трех из четырех сопряженных изображений падает на множество частично отражающих поверхностей в пределах первого диапазона углов, а диапазон отклонений угловых направлений только для одного из четырех сопряженных изображений падает на множество частично отражающих поверхностей во втором диапазоне углов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение описано здесь только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
На фиг. 1А и 1B приведены схематические виды сбоку и спереди, соответственно, оптического умножителя апертуры, созданного и действующего в соответствии с принципами варианта реализации настоящего изобретения;
На фиг. 2А и 2В приведены схематические диаграммы, иллюстрирующие две возможные геометрии лучей изображения, распространяющихся относительно частично отражающих внутренних граней в волноводах из оптического умножителя апертуры по фиг. 1А и 1В;
На фиг. 3 приведена схематическая двумерная проекция угловых отношений между различными отраженными изображениями и внутренними гранями оптического умножителя апертуры по фиг. 1А и 1В;
На фиг. 4A-4D приведены схематические виды в изометрии, отображающие взаимосвязь между различными сопряженными изображениями и их отражениями во внутренних гранях для оптического умножителя апертуры по фиг. 1А и 1В;
На фиг. 5A-5D представлены схематические виды взаимосвязи между различными лучами в сопряженных изображениях, распространяющихся вдоль двумерного волновода из оптического умножителя апертуры по фиг. 1А и 1В, для различных начальных направлений лучей и различных геометрических форм волновода;
На фиг. 6 представлен схематический вид в изометрии устройства соединения отражателей для сопряжения изображения с двумерным волноводом из оптического умножителя апертуры по фиг. 1А и 1В в соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения;
На фиг. 7 представлен вариант реализации устройства соединения отражателей по фиг. 6;
На фиг. 8А и 8В представлены виды в изометрии с разных точек наблюдения волновода и устройства соединения отражателей, эквивалентного фиг. 6, в которых устройство соединения отражателей выполнено как часть соединительной призмы;
На фиг. 9А и 9В представлены виды, аналогичные фиг. 8А и 8В, соответственно, отображающие вариант реализации соединительной призмы;
На фиг. 10А-10С представлен вид в изометрии, вид сверху и вид сбоку, соответственно, альтернативного варианта реализации соединительной призмы и двумерного волновода;
На фиг. 11, 12 и 13А представлены виды в изометрии трех дополнительных вариантов реализации соединительной призмы и двумерного волновода по фиг. 10А;
На фиг. 13В представлен вид сверху соединительной призмы и двумерного волновода по фиг. 13А;
На фиг. 14А-14С представлены схематические виды в изометрии трех ступеней при производстве соединительной призмы и двумерного волновода по фиг. 10А в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения;
На фиг. 15 представлен схематический вид сбоку, иллюстрирующий объединение устройства проецирования изображения с двумерным волноводом в соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения;
На фиг. 16 и 17 представлены схематические виды сбоку, иллюстрирующие два варианта реализации объединенного устройства проецирования изображения и двумерного волновода по фиг. 15;
На фиг. 18 представлен вид в изометрии примера реализации принципов фиг. 15-17 в трех измерениях;
На фиг. 19А-19С представлены схематические виды в изометрии, сбоку и сверху, соответственно, иллюстрирующие вариант геометрической формы связи между двумерным волноводом и одномерным волноводом в соответствии с дополнительным вариантом реализации настоящего изобретения;
На фиг. 20 приведен схематический вид в изометрии, отображающий взаимосвязь между различными сопряженными изображениями и их отражениями во внутренних гранях для оптического умножителя апертуры по фиг. 19А-19С;
На фиг. 21А-21С представлены схематические виды сбоку, иллюстрирующие три варианта реализации геометрической формы связи между двумерным волноводом и одномерным волноводом согласно принципам настоящего изобретения;
На фиг. 22А и 22В представлены схематические виды в изометрии и сбоку, соответственно, иллюстрирующие еще один вариант реализации соединения геометрической формы между двумерным волноводом под косым углом с одномерным волноводом, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;
На фиг. 22С-22Е представлены схематические виды сбоку, аналогичные фиг. 22В, иллюстрирующие различные варианты реализации;
На фиг. 23 представлен схематический вид сбоку оптического умножителя апертуры, аналогичного показанному на фиг. 1А, но с использованием преломляющего слоя, расположенного между двумя волноводами;
На фиг. 24 представлен вид, аналогичный фиг. 3, иллюстрирующий соответствующие угловые соотношения для устройства по фиг. 23;
На фиг. 25А-25С представлены виды сбоку устройства, аналогичного устройству, показанному на фиг. 1А, иллюстрирующие различные варианты реализации механической взаимосвязи двух волноводов;
На фиг. 25D представлен вид сбоку устройства, аналогичного устройству, показанному на фиг. 22Е, иллюстрирующий вариант реализации для механической взаимосвязи двух волноводов;
На фиг. 26 представлен вид спереди устройства, аналогичного устройству, показанному на фиг. 1В, иллюстрирующий относительный наклон между первым волноводом и направлением распространения изображения во втором волноводе;
На фиг. 27 представлен схематический вид в изометрии, иллюстрирующий реализацию двумерного волновода с внутренними частично отражающими гранями, наклоненными под косым углом относительно обоих рядов удлиненных параллельных внешних граней;
На фиг. 28 и 29А представлены изображения, аналогичные фиг. 3, иллюстрирующие геометрические угловые взаимоотношения для двух иллюстративных вариантов реализации устройства, использующего двумерный волновод по фиг. 27 с первой и второй ориентациями внутренней грани, соответственно;
На фиг. 29В представлен схематический вид в изометрии углов распространения изображения в двумерном волноводе, в соответствии с вариантом реализации по фиг. 29А;
На фиг. 30 представлен схематический вид спереди волновода в соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения, смежного с соседним волноводом для обеспечения повышения однородности;
На фиг. 31А и 31В представлены схематические виды волновода, иллюстрирующие влияние изменения внутреннего промежутка между гранями на однородность изображения, в соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения;
На фиг. 31С представлен вид спереди системы, аналогичной системе на фиг. 1В, иллюстрирующий многопутевой вариант реализации для повышения однородности изображения;
На фиг. 32А и 32В представлены еще два варианта многопутевых вариантов реализации системы, подобной той, которая показана на фиг. 1В;
На фиг. 33А представлен схематический вид спереди дополнительного альтернативного варианта реализации устройства, подобного показанному на фиг. 1В, с использованием внутренних граней, покрытых таким образом, чтобы избирательно отражать лучи с малыми углами падения;
На фиг. 33В представлен вид, аналогичный фиг. 3, иллюстрирующий угловые взаимоотношения между различными отраженными изображениями и внутренними гранями оптического умножителя апертуры по фиг. 33А;
На фиг. 33С представлен график, иллюстрирующий угловую зависимость коэффициента отражения для поляризованного излучения S и Р для граней с покрытием, используемых в устройстве по фиг. 33А;
На фиг. 34А-34Е представлены схематические виды в изометрии, иллюстрирующие последовательность ступеней производства двумерного волновода и соединительной призмы, в соответствии с аспектом настоящего изобретения;
На фиг. 35А и 35В представлены схематические виды спереди и сбоку, соответственно, иллюстрирующие потенциальное воздействие варианта реализации настоящего изобретения на интенсивность переданного вида непосредственно наблюдаемой сцены, и
На фиг. 35С и 35D представлен виды, подобные фиг. 35А и 35В, иллюстрирующие коррекцию интенсивности переданного изображения в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение представляет собой оптический умножитель апертуры, который содержит прямоугольный волновод.
Принципы и работа оптических умножителей апертуры в соответствии с настоящим изобретением могут быть лучше поняты со ссылкой на чертежи и сопровождающее описание.
Со ссылкой на фиг. 1А-35 показаны различные аспекты оптического умножителя апертуры, выполненного и действующего в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения. В общем, оптический умножитель апертуры в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения включает в себя первый оптический волновод 10, имеющий направление удлинения, показанное здесь произвольно как соответствующее оси «х». Первый оптический волновод 10 имеет первую и вторую пары параллельных стенок 12а, 12b, 14а, 14b, образующих прямоугольное поперечное сечение. В соответствии с некоторыми особенно предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения множество внутренних частично отражающих поверхностей 40, называемых здесь «гранями», по меньшей мере частично пересекает первый оптический волновод 10 под косым углом (то есть ни параллельно, ни перпендикулярно) к направлению удлинения.
Оптический умножитель апертуры предпочтительно также включает в себя второй оптический волновод 20, оптически связанный с первым оптическим волноводом 10, имеющий третью пару параллельных стенок 22а, 22b, образующих планарный волновод, т.е. такой, в котором другие два размера волновода 20 по меньшей мере на порядок меньше, чем расстояние между третьей парой параллельных стенок 22а, 22b. Здесь также множество частично отражающих граней 45 предпочтительно по меньшей мере частично пересекает второй оптический волновод 20 под косым углом к третьей паре параллельных стенок.
Оптическая связь между волноводами и развертывание, и конфигурация частично отражающих поверхностей 40, 45 таковы, что, когда изображение связано с первым оптическим волноводом 10 с начальным направлением 30 распространения с углом сопряжения, косым как относительно первой, так и второй пары параллельных стенок 12а, 12b, 14а, 14b, изображение продвигается за счет четырехкратного внутреннего отражения (изображения a1, а2, а3 и а4) вдоль первого оптического волновода 10 с долей интенсивности изображения, отраженного от частично отражающей поверхности 40, чтобы выводиться во второй оптический волновод 20, а затем распространяться за счет двукратного отражения (изображения b1, b2) внутри второго оптического волновода 20 с долей интенсивности изображения, отраженного от частично отражающих поверхностей 45, чтобы направляться наружу от одной из параллельных стенок как видимое изображение с, наблюдаемое глазом пользователя 47.
Как более конкретно показано на фиг. 1А и 1В, изображена первая иллюстрация реализации указанного описания. Первый волновод 10 упоминается здесь как двумерный волновод в том смысле, что он направляет введенное изображение в двух измерениях за счет отражения между двумя группами параллельных стенок, тогда как второй волновод 20 называется одномерным волноводом, направляющим введенное изображение только в одном измерении между одной парой параллельных стенок. Световой луч 30 от генератора оптического изображения (не изображен) вводят в первый волновод 10 под углом. Следовательно, свет распространяется вдоль волновода 10, отражаясь от всех четырех внешних стенок волновода, как показано на виде сбоку на фиг. 1А. В этом процессе создаются четыре сопряженных вектора a1, а2, а3 и а4 лучей, которые представляют собой то же изображение, которое внутренне отражено стенками.
Угол луча 30, который вводят в волновод 10, настроен на отражение от всех четырех внешних стенок этого волновода. Световой луч должен отражаться от нижней стенки 12b первого волновода 10, т.е. стенки, смежной со вторым волноводом 20, под малыми углами (скольжения) и должен передаваться от 10 к 20 под крутыми углами. Это свойство может быть получено за счет полного внутреннего отражения (total internal reflection, TIR) или с помощью оптического покрытия. Это оптическое свойство также может быть получено в виде дифракционной картины за счет комбинирования дифракции с передачей на одной и той же поверхности. Отражение от других трех стенок 12а, 14а и 14b первого волновода 10 может быть создано таким же образом или с использованием отражающего покрытия.
Часть направляемых световых лучей (например, a1 и а2) в первом волноводе 10 отражается внутренними параллельными частично отражающими элементами (гранями) 40 вниз на входную соединительную поверхность второго волновода 20. Во втором волноводе 20 эти лучи обозначены как b1 и b2.
Лучи b1 и b2 отражаются внешними стенками и становятся сопряженными, т.е. луч b1 отражается как b2, и наоборот (как показано на фиг. 1А). Внешняя передняя и задняя стенки 14а, 14b первого волновода 10 должны быть параллельны друг другу, и в этом варианте реализации, соответствующими внешним стенкам 22а, 22b второго волновода 20. Какое-либо отклонение от параллельности будет приводить к тому, что сопряженные изображения b1 и b2 не будут точно сопряженными изображениями, и качество изображения будет ухудшаться.
Внутренние грани 45 внутри второго волновода 20 отражают луч b2 за пределы волноводов и в глаз наблюдателя 47.
Процесс отражения внутренними гранями в волноводах 10 и 20 далее поясняется на фиг. 2А и 2В. Изображены две основные конфигурации, и они отличаются относительными углами световых лучей и граней. На этой схематической иллюстрации лучи a1, а2 и b1 изображены в виде одного и того же вектора (ссылка будет только на b1), поскольку одни и те же геометрические соображения применимы к каждому, как это видно на виде сбоку соответствующего волновода. Лучи а3, а4 и b2 также изображены как один и тот же вектор (ссылка будет только на b2).
Световые лучи b2 фактически представляют собой пучок лучей, распространяющийся в том же направлении, что и два вектора, изображенные на фиг. 2А. В этом случае один вектор отражается внешней стенкой, становясь b1, на внутреннюю грань 40 (или 45), где его часть отражается как c1. Другой вектор b2 отражается непосредственно гранью как вектор с2. Векторы c1 и с2 представляют нормальное изображение и призрачное изображение, но не обязательно в этом порядке. В этой конфигурации b1 и b2 падают на грань 45 с одной и той же стороны.
Между прочим, во всех случаях, когда изображение, представлено здесь световым лучом, следует отметить, что луч является лучом изображения, проходящим через образец, который обычно образован множеством лучей с немного отличающимися углами, каждый из которых соответствует точке или пикселю изображения. За исключением случаев, когда конкретно упоминается крайняя точка изображения, проиллюстрированные лучи обычно представляют собой барицентр изображения.
Фиг. 2В описывает, по существу, тот же процесс, но в котором геометрия такова, что b1 и b2 падают на грань 40 (или 45) с противоположных сторон.
В обоих случаях величина отражения для изображений c1 и с2 в S - и Р-поляризациях определяется покрытием на этих гранях. Предпочтительно одно отражение является изображением, а другое подавляется, так как оно соответствует нежелательному «призрачному» изображению. Подходящие покрытия для регулирования того, какие диапазоны углов падающих лучей отражаются, и какие диапазоны углов падающих лучей пропускаются, известны в данной области техники и подробно описаны в патентах США №№7391573 и 7457040, права на которые принадлежать правообладателям по настоящему изобретению.
Особенно предпочтительно создавать систему таким образом, чтобы «призрачные» изображения не перекрывали основные или сопряженные изображения (c1, перекрывающий с2). Процесс расчета соответствующего угла лучей при сохранении условий TIR для распространения изображений внутри волноводов и в то же время избегании призрачного перекрытия, описан на фиг. 3. На этих чертежах представлен схематический вид, который будет использован дополнительно ниже, чтобы представить дополнительные варианты реализации настоящего изобретения.
Таким образом, на фиг. 3 представлена проекция геометрии волноводов 10 и 20, в которой повороты изображены как расстояние вдоль прямолинейных осей («угловой промежуток»). Таким образом, диаграмма показывает сферические координаты в декартовых координатах. Это представление вводит различные искажения, а смещения вдоль разных осей являются некоммутативными (как и характер вращения вокруг разных осей). Тем не менее, эта форма диаграммы, как было установлено, упрощает описание и обеспечивает полезный инструмент для расчета системы. Для ясности направления вдоль осей X, Y и Z отмечены, согласно одной последовательности вращений.
Большие окружности представляют собой критический угол (граница полного внутреннего отражения, Total Internal Reflection, TIR) различных внешних стенок волноводов. Таким образом, точка вне окружности представляет собой угловое направление луча, который будет отражен за счет TIR, а точка внутри окружности представляет собой луч, который будет проходить через стенку и выходить из волновода. Окружности 57 и 59 представляют критический угол передней и задней внешних стенок 14а и 14b волновода 10 и 22а и 22b волновода 20. «Расстояние» между окружностями противоположных граней составляет 180 градусов. Окружности 61 и 63 представляют критический угол верхней и нижней внешних стенок 12а и 12b волновода 10. Штрихпунктирные линии 65 и 67 представляют ориентацию этих внешних стенок волноводов.
Как описано выше, изображение вводится в двумерный волновод 10, испытывая внутреннее отражение. В следующем примере все отражения основаны на TIR, поэтому введенное изображение a1 показано на фиг. 3, как находящееся за пределами какой-либо окружности. Квадратное изображение в угловом пространстве имеет квадратную форму.
Поскольку изображение a1 отражается от внешних стенок 12а, 12b,14а и 14b волновода 10 (представлено ориентациями 65 и 67), оно размножается на а2, а3, а4 и возвращается к a1 (схематически представлено четырьмя изогнутыми сплошными стрелками). Отражение каждого изображения имеет одинаковое угловое «расстояние» от каждой из стенок (линии 65 и 67) как само изображение, но с другой стороны, согласно принципу оптики, угол отражения равен углу падения.
Ориентация внутренних граней 40 (на фиг. 1B) изображена здесь как линия 70, которая расположена в соответствии с угловым наклоном граней. Поскольку изображения a1 или a2 встречают грань 70 (40), они отражаются на равное противоположное угловое расстояние от 70, как показано пунктирными линиями стрелок, на изображения b1 и b2, соответственно.
Поскольку b1 и b2 находятся в пределах границы 61 критического угла нижней внешней стенки первого волновода 10, они будут выведены за пределы этого волновода и во второй волновод 20.
Когда изображения b1 и b2 распространяются внутри волновода 20, они взаимно обмениваются отражением от передней и задней внешних стенок 22а и 22b, которые имеют угловую ориентацию 67 (отражение изображено как изогнутая сплошная двунаправленная стрелка).
Наконец, изображение b1 встречает внутренние грани 45 (фиг. 1А) в ориентации 72, и отражается в виде изображения с. Поскольку изображение с находится в пределах окружности 57 критического угла, оно выводится из второго волновода 20 и к глазу (47 на фиг. 1А).
Во всей данной конфигурации угол внутренних граней (70 и 72) не должен пересекать угловую форму (квадрат) любого из изображений, так как такое пересечение приведет к тому, что «призрачное» изображение будет перекрывать нормальное изображение.
Изображение с может быть рассчитано таким образом, что возникает под произвольным углом относительно волновода 20 (не обязательно перпендикулярно), как показано на фиг. 3, где с не центрируется в направлении Z.
Грани 40 и 45 предпочтительно снабжены покрытиями, как упомянуто выше, которые уменьшают или по существу устраняют отражение малоугловых изображений а3, а4 и b2, соответственно.
Процесс вычисления, описанный на фиг. 3, показан схематически в двумерных декартовых координатах для удобства и ясности представления. Окончательный точный расчет системы выполняют в сферических координатах, как показано на фиг. 4A-4D. Фиг. 4А отображает связь между изображениями a1-a4. На фиг. 4В показана связь a1 с b1 и а2 с b2 за счет отражения на гранях 40. Фиг. 4С представляет связь между b1 и b2 во втором волноводе 20. Фиг. 4D представляет связь от b1 до с за счет отражения на гранях 45.
Во время внутренних отражений внутри волновода 10 может происходить любое количество отражений в каждом измерении (у или z) в обоих направлениях, как показано на фиг. 5A-5D. На фиг. 5А изображено одно отражение на внешней стенке. В данном состоянии b1 происходит от a1. Однако, поскольку различные световые лучи с различным полем изображения имеют разные углы, в конечном итоге ориентация отражения может изменяться по мере распространения лучей вдоль оси х волновода 10. На фиг. 5В изображена другая ориентация, которая может эволюционировать, в результате чего b2 образуется посредством а2. Поэтому в каждой конструкции следует предполагать образование как b1, так и b2. Соотношение сторон волновода 10 может быть рассчитано так, чтобы имелось более чем одно отражение на внешней грани, как изображено на фиг. 5С. Для другого полевого угла ориентация отражений может изменяться, как показано на фиг. 5D. В действительности, некоторые особенно предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения гарантируют, что волновод 10 заполнен волюмометрически всеми четырьмя сопряженными изображениями a1-a4, так что оба изображения a1 и а2 всегда будут выводиться для получения b1 и b2, за исключением случаев, когда принимают специальные меры предосторожности для подавления одного из путей, как указано ниже.
Комбинированные отражения внешними гранями и внутренними гранями волноводов 10 и 20 расширяют исходную введенную апертуру как в измерении х, так и в измерении у. Волновод 10 расширяет апертуру в измерении х, а волновод 20 в измерении у (оси обозначены, как на фиг. 1В). Расширения апертуры первого волновода 10 предпочтительно достигают путем заполнения волновода изображением и последующим выведением изображения из волновода через грани непрерывным образом по длине волновода, как подробно описано ниже.
Соединительные устройства
Для получения однородной интенсивности по расширенной апертуре, вводимая начальная апертура луча должна быть однородной и должна «заполнять» волновод. Термин «заполнять» используется в этом контексте, чтобы указать, что лучи, соответствующие каждой точке (пикселю) в изображении, присутствуют во всем поперечном сечении волновода. В принципе, это свойство подразумевает, что если волновод 10 должен быть разрезан поперечно в любой точке, и если непрозрачный лист с малым отверстием был помещен поверх разрезанного конца, то малое отверстие может быть размещено в любом месте поперек поперечного сечения и будет приводить к полностью проецируемому изображению. В действительности, для двумерного волновода 10, это привело бы к проекции четырех полных изображений a1, а2, а3 и а4, из которых а2 и а4 являются инвертированными.
Чтобы обеспечить заполнение волновода входным изображением, слегка увеличенное входное изображение должно быть обрезано до нужного размера при входе в волновод. Это гарантирует, что полученные умножением смежные апертуры не будут перекрываться, с одной стороны, и не будут иметь промежутков с другой. Обрезку выполняют, когда световой луч вводят в волновод.
На фиг. 6-13В проиллюстрирован ряд конфигураций для достижения эффективного сопряжения изображения с первым волноводом 10. Вначале, как показано на фиг. 6 и 7, они схематически иллюстрируют выполнение зеркала в свободном пространстве соединительного устройства для обрезки входного изображения, чтобы равномерно заполнять первый волновод 10. В этом случае стенка 12а заканчивается на первом ближнем крае 16а, а стенка 14а заканчивается на втором ближнем крае 16b. Чтобы полностью заполнить волновод, особенно предпочтительной особенностью некоторых вариантов реализации настоящего изобретения является то, что оптический умножитель апертуры содержит устройство соединения отражателей, выполненное как одно целое, или оптически связанное с первым волноводом 10. Устройство соединения отражателей содержит первый отражатель 18а, выполненный как ближнее удлинение стенки 12b (фиг. 6) или как отражатель, параллельный и внешний по отношению к стенке 12b (фиг. 7), имеющий ширину, перпендикулярную направлению удлинения, которая больше, чем ширина поверхности 12b. Устройство соединения отражателей также содержит второй отражатель 18b, развернутый как ближнее удлинение стенки 14b (фиг. 6) или как отражатель, параллельный и внешний по отношению к стенке 14b, имеющий ширину, перпендикулярную направлению удлинения, которая больше, чем ширина поверхности 14b. В результате такого устройства соединения отражателей, если смотреть вдоль оптической входной оси (точки зрения на фиг. 6 и 7), по которой должно быть введено изображение, первый и второй ближние края 16а и 16b представляют видимую апертуру волновода, ограниченную первым и вторым ближним краями, и изображения первого и второго ближних краев, отраженные в устройстве соединения отражателей, в целом соответствуют видимой апертуре, которая равна четырехкратной (2×2) физической апертуре. Когда соединенные отражатели лежат снаружи относительно стенок волновода, видимая апертура состоит из трех изображений физической апертуры, немного отстоящих от самой физической апертуры, причем каждая апертура обрамлена всеми четырьмя краями физической апертуры. Это приводит к небольшому несоответствию вследствие уменьшения интенсивности изображения, приходящегося на «пространства» между утрачиваемыми апертурами, но при этом обеспечивается заполнение апертуры.
В одной предпочтительной геометрической форме, как показано здесь, оптическая входная ось наклонена как относительно первого, так и второго отражателя 18а и 18b. Как ясно видно на этих чертежах, требование к тому, чтобы отражатели имели размеры, большие, чем размеры волновода, здесь необходимо, чтобы обеспечить отсутствие возникновения обрезки изображения и неполного заполнения волновода. Таким образом, волновод надежно заполнен всеми четырьмя изображениями по всему его поперечному сечению.
Хотя использование зеркал со свободным пространством в некоторых случаях может быть допустимым, обычно выгодно выполнять устройство соединения отражателей в виде соединительной призмы, выполненной как одно целое, или оптически связанной с волноводом 10, в котором первый и второй отражатели 18а и 18b представлены гранями соединительной призмы 91. Еще одна грань соединительной призмы предпочтительно представляет собой соединительную поверхность, обычно перпендикулярную оптической входной оси, через которую вводят изображение. Примеры такого устройства показаны на фиг. 8А-8В и 9А-9В, причем фиг. 8А-8В геометрически эквивалентны фиг. 6, а фиг. 9А-9В геометрически эквивалентны фиг. 7. В этих случаях ближние «края» волновода 10 являются краями, образуемыми пересечением поверхностей соединительной призмы с поверхностями волновода. В данном случае другие смежные поверхности предпочтительно расположены снаружи под углом, так что свет, падающий за пределы этих ближних краев, будет отражаться (или передаваться) в направлениях, которые не входят в волновод. Необязательно, на эти поверхности может быть нанесен поглощающий материал, чтобы дополнительно предотвратить попадание рассеянного излучения в нежелательные места.
Дополнительный пример соединительной геометрической формы показан на фиг. 10А-10С, и более подробно объясняет ход образца волнового фронта во время сопряжения изображения с волноводом. В этом случае луч 30 вводят с произвольным поперечным размером 81 начальной апертуры, измеренным вдоль оси х, как показано на фиг. 10В. Передний конец этой апертуры обрезается первым ближним краем 16а, когда луч входит в волновод. Апертура луча, которая была обрезана с одной стороны во время входа, отражается противоположным соединительным отражателем 18а и/или его продолжающейся стенкой 12b назад к передней стенке 12а, где ее задняя сторона снова обрезается тем же самым первым ближним краем 16а. Когда луч распространяется вдоль волновода, его апертуры (84 и 88) теперь являются смежными без перекрытия или зазоров, тем самым заполняя волновод.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения второй размер апертуры луча обрезают одновременно посредством второго ближнего края 16b. Относительные ориентации ближних краев 16а и 16b не являются критическими. Например, хотя на фиг. 10А-10С край 16а показан наклонным относительно продольной оси х, альтернативная геометрическая форма, показанная на фиг. 11, в которой ближние края 16а и 16b перпендикулярны продольной оси х, в некоторых случаях может упростить изготовление. Два ближних края 16а и 16b предпочтительно пересекаются под углом, но это необязательно, если оптика достаточно широка, так что обрезка выполняется только ближними краями 16а и 16b и их отражениями. Пример без пересечения проиллюстрирован на фиг. 12.
Обрезка во втором измерении происходит аналогично описанной для первого измерения со ссылкой на фиг. 10В. Таким образом, на фиг. 10С, начальная необрезанная проецируемая апертура изображения имеет начальный вертикальный размер 92 апертуры, измеренный вдоль оси х. Когда оно входит под углом от участка 91 в волновод 10, его фронт обрезается вторым ближним краем 16b. После того, как луч 92 отражается от противоположной внешней стенки 14а и/или ее продолжения, его задняя сторона также обрезается вторым ближним краем 16b с соответствующим размером 94. Следовательно, все полученные отражением апертуры вдоль этого измерения теперь также являются смежными. Общий результат этой обрезки в двух измерениях состоит в том, что волновод 10 по существу заполнен всеми четырьмя изображениями/сопряженными изображениями a1-a4, что облегчает последующее непрерывное расширение апертуры вдоль двух измерений.
Упоры 16а и 16b могут быть получены с использованием поглощающего материала или преломляющего материала (такой призмы или покрытия). Например, на фиг. 10-13, они изображены как ступенчатая форма у входа в волновод, которая действует, чтобы рассеять доступный свет.
Соединительная призма 91 может быть изготовлена либо как одно целое с волноводом 10, либо путем присоединения двух компонентов известным способом. Некоторые особенно предпочтительные подходы к прикреплению этих компонентов будут описаны ниже.
Как указано выше, оптическая ось изображения, связанного с волноводом 10, наклонена под косым углом к обоим рядам параллельных граней. Однако это не обязательно требует наклонной ориентации проектора изображения, поскольку требуемый угол распространения изображения может быть достигнут за счет других оптических компонентов, таких как, например, дополнительное отражение на наклонной отражающей поверхности 91а соединительной призмы 91, развернутой для отражения входного светового потока вдоль оптической оси, перпендикулярной оси х, чтобы попасть на видимую апертуру волновода.
Такой вариант показан на фиг. 13А и 13В, причем наклонная отражающая поверхность 91а обеспечивает обратное зеркало. Как показано на фиг. 13В, в волновод входит произвольная (негабаритная) апертура 81, которая должна отражаться отражающей поверхностью 91а, будучи обрезанной посредством 16а. После одного отражения 82 задняя сторона апертуры обрезается 84 одним и тем же краем 16а.
Дополнительный свет 81 обрезается краем 16а с использованием двух механизмов: на входе дополнительный свет продолжает распространяться и передаваться наружу по краю (слева от) края 16а, тогда как после отражения от 82 до 84 задняя сторона волнового фронта справа от края 16а, таким образом, снова отражается посредством 91а под углами за пределами TIR или за пределами соответствующего изображения.
Край 16b продолжает обрезать перпендикулярную ось, как и раньше, в другом измерении. Необязательно, зеркало 91а может быть наклонено по двум осям, чтобы создавать желаемое направление распространения изображения, когда входное изображение 30 перпендикулярно одной стенке волновода.
Таким образом, в итоге, ввод изображения/луча в волновод 10 под нужным углом может быть достигнут с использованием призмы, зеркала, расположенного спереди, сзади или внутри волновода, или других известных способов. Все эти способы практически осуществимы, пока имеется описанная конфигурация с двойным упором.
Для достижения равномерной интенсивности на протяженной апертуре предпочтительно, чтобы обрезающие края 16а и 16b были с чистыми краями, с минимальными отклонениями и рассеянием. Остатки клея или других нарушающих элементов могут привести к ухудшению однородности. На фиг. 14А-14С иллюстрируется дополнительный аспект настоящего изобретения, применимый также в других контекстах, в которых должны быть соединены оптические элементы, что облегчает формирование чистого обрезающего края (или в других применениях, непрерывной внешней поверхности). Соответствующие внешние стенки (12а и 14b) волновода 10 сначала покрывают отражающим или защитным покрытием 1610. Затем край волновода 10 полируют в соответствии с требуемым обрезающим краем 1630 (16а и 16b) и, наконец, прикрепляют призму 1640. При таком креплении две другие стенки (на задней стороне вида, как показано) должны быть точным продолжением внешних поверхностей волновода 10, чтобы обеспечить соединенные отражатели в качестве продолжения этих стенок. Если эти стенки не являются непрерывными (как на фиг. 9b), то отражающее покрытие 1610 также должно предпочтительно покрывать противоположные стенки (12b и 14а). Этот подход также имеет отношение к системам с одномерными волноводами. Угол соединительных поверхностей может быть любой ориентации.
Следует заметить, что указанный способ, а именно, обеспечение защитного диэлектрического или отражающего покрытия перед отделкой поверхности для соединения двух оптических компонентов, решает широко распространенную проблему, выходящую за рамки конкретного применения, описанного в настоящем документе. В частности, когда необходимо соединить два компонента, чтобы обеспечить оптический путь от одного к другому, компоненты должны быть соединены посредством подходящего оптического клея, обычно с согласованным для компонентов показателем преломления. Для обеспечения оптимальной оптической связи вся поверхность раздела должна быть полностью покрыта клеем. С другой стороны, именно из-за желаемых оптических свойств клея, какой-либо избыток клея, нанесенного с поверхности раздела на внешнюю поверхность компонента, как правило, ухудшает оптические свойства компонента. При предварительном покрытии смежных поверхностей защитным покрытием, предпочтительно перед полировкой поверхности раздела, воздействие какого-либо избыточно нанесенного клея на внешние поверхности может быть уменьшено или устранено. Когда два компонента должны быть соединены таким образом, чтобы определенные поверхности находились на одном уровне после соединения, такое покрытие предпочтительно может быть выполнено на обоих компонентах перед соединением. В некоторых вариантах применения покрытие только с одной стороны или подмножества граней может быть достаточным, например, когда любой избыточный клей на некоторых поверхностях может быть легко удален после связывания посредством дополнительной операции полировки.
Указанные варианты реализации соединительных устройств предпочтительно используют вместе с проектором изображения, используемым для проецирования изображения, коллимированного в бесконечность вдоль оптической входной оси, чтобы полностью перекрывать видимую апертуру волновода. Может быть использован любой подходящий тип и техника проектора изображения, включая различные проекторы изображений в свободном пространстве. В некоторых случаях, чтобы обеспечить особенно компактное и надежное выполнение, проектор изображения может быть механически объединен (т.е. сформирован как одно целое или жестко связан) с соединительной призмой. Различные варианты реализации этого типа теперь будут описаны со ссылкой на фиг. 15-18.
Как показано на фиг. 15, проиллюстрировано приспособление компактного проектора изображения по патентной публикации РСТ № WO 2015/162611 для использования в контексте двумерного волновода, здесь под порядковым номером 503. Оно включает в себя поляризационный светоделитель (Illumination Polarizing Beam Splitter, PBS) 500, коллимирующий PBS 501, соединительную призму 502 (эквивалентную 91 на фиг. 10А-10С) соединенную с волноводом 503.
В следующем описании компоненты управления поляризацией (включая волновые пластины и поляризаторы) опущены для ясности. Свет 505 освещения поступает в призму 500 освещения и отражается внутренней поверхностью 507 на генератор 509 изображения, такой как жидкокристаллический дисплей на кремниевой подложке (liquid crystal on silicon, LCOS). Свет 511, отраженный от дисплея, переходит в коллимирующую призму 501, в которой поверхность 513 отражает свет на поверхность 515 с оптической мощностью для достижения коллимации света, чтобы формировать проецируемое изображение в бесконечности. Коллимированный свет проходит через соединительную призму 502 в волновод 503.
Поверхность 515 имеет ширину 517, которая выбрана достаточной для обеспечения всех углов входного изображения, необходимых для «заполнения» волновода 10 во всем поле зрения (field of view, FOV) изображения, от угла 518а с наибольшим углом изображения до наименьшего угла изображения 5186, и включающей в себя наименьший световой луч в FOV, обозначенный 519. Требуемый размер поверхности 515, в свою очередь, определяет требуемый размер призм 501 и 500. Более конкретно, как описано выше со ссылкой на фиг. 6-10С, желательно, чтобы волновод 10 был заполнен изображением и его сопряженными изображениями, что означает, что весь диапазон углов луча, охватываемых изображением, должен падать на всю ширину физической апертуры волновода, также как изображение этой апертуры в соединительных отражателях. Путем отслеживания этих лучей назад от апертуры волновода через коллимирующий PBS 501, можно определить минимальную требуемую ширину 517 коллимирующего PBS и, следовательно, также PBS 500, освещающего/формирующего изображение. Ближний край 523 (соответствующий краю 16а, указанному выше) затем выполняет обрезку волнового фронта изображения, как описано выше.
На фиг. 15 показано только одно измерение, но оси волновода наклонены относительно оси PBS, так что такая же обрезка изображения происходит в обоих измерениях, как описано выше.
В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения, который может быть использован также для ввода изображения в другой традиционный одномерный волновод, в коллимирующую призму 501 можно включить часть или всю соединительную призму 502, тем самым уменьшая размер системы. В альтернативных терминах часть коллимирующего PBS 501, лежащая ниже/за поверхностью 513, может быть обрезана, чтобы обеспечить требуемые сопряженные поверхности отражателя.
Один пример этого подхода проиллюстрирован здесь на фиг. 16. На этом чертеже свет распространяется, как на фиг. 15, и используется такая же нумерация. Здесь коллимирующая призма 526 отличается от призмы 501 тем, что она примыкает к ближнему краю 523 и имеет модифицированную нижнюю поверхность 528, образующую продолжение нижней поверхности волновода 503 для обеспечения соединительного отражателя. В данной конфигурации расстояние между оптической поверхностью 515 и обрезающим краем 523 существенно меньше, чем при реализации с фиг. 15. При отслеживании лучей обратно от оптической апертуры и видимой оптической апертуры по всему желаемому угловому полю зрения, можно заметить, что требуемые размеры поверхности 515 (и, следовательно, призмы 526) уменьшаются. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить размеры генерирующего изображение PBS 500.
Примеры на фиг. 15-17 иллюстрируют геометрическую форму поперечного сечения, подходящую для реализации либо с одномерным волноводом, либо с двумерным волноводом. При вводе в двумерный волновод, призма 526 (и 500, смежная с ней) имеет двумерный угол наклона относительно волновода 503 (как показано для соединительной грани соединительной призмы 91 на фиг. 10А-10С). Таким образом, геометрическая форма, показанная на фиг. 16, воспроизводится на другой оси (с разными углами). Вторая поверхность призмы 526, перпендикулярная поверхности 528, также будет продолжением второй поверхности волновода 503 (волновод 10 на предыдущих фигурах). Трехмерное представление такого узла показано на фиг. 18. В данном случае ориентации образующего изображение элемента, призм и волновода могут быть произвольными вращениями относительно друг друга, все в соответствии с требованиями каждой конкретной конструкции.
Конфигурации призмы 526 в соответствии с этим компактным выполнением предпочтительно удовлетворяют следующим условиям:
1) Свет от оптической поверхности 515 отражается непосредственно в волновод и не отражается поверхностью 513 (что эквивалентно приведенному выше описанию на фиг. 15).
2) Изображение обрезающего края 523 (представленное для части с наименьшим углом изображения пучком 521) не должно быть усечено, ни отражающей поверхностью 513, ни внешними поверхностями призмы 526.
3) Поверхность 528 должна быть продолжением поверхности волновода.
4) Для двумерного волновода указанные выше условия должны выполняться в обоих измерениях волновода.
На фиг. 17 показано, как эти ограничения могут определять степень, до которой возможно объединение соединительной призмы 502 с коллимирующей призмой 531. В данном примере угол сопряжения в волноводе очень малый. В результате, соединительная призма (до объединения) была бы очень большой, и такими же были бы коллимирующая и осветительная призмы. В данном варианте реализации соединительная призма была объединена с коллимирующей призмой 531 только до точки, в которой изображение обрезающего края для участка с наименьшим углом изображения (представленного как 521) не нарушается внешней поверхностью призмы 531. Данная точка 533 становится краем соединительной призмы. Размер 517 оптического элемента 515 затем определяется самым крутым угловым участком изображения, который должен беспрепятственно достигать края 523. Поскольку коллимирующая призма 531 этого размера не достигает прямого примыкания к краю 523, на входе в волновод 503 предусмотрена небольшая соединительная призма 535.
В каждом из указанных вариантов ввода изображений в волновод 10 представленные решения считаются выгодными для каких-либо применений вывода излучения, таких как описанный выше подход вывода излучения с частично отражающими гранями, (как описано в патентной публикации РСТ № WO 2017/141242 А2) или для применений с использованием дифракционных элементов для вывода излучения. Элементы наклонной грани и дифракционные элементы, используемые для вывода части излучения, падающего внутрь на поверхность волновода, известны в данной области техники и здесь подробно не описаны.
Соединение между первым и вторым волноводами
Соединение первого волновода 10 со вторым волноводом 20 в соответствии с конфигурацией, показанной на фиг. 1А и 1В, требует точного выравнивания волноводов, чтобы поддерживать качество изображения без создания двойных изображений. В частности, как лучше всего показано на фиг. 1А, 3 и 5D, два выходных изображения a1 и а2 из изображений в первом волноводе 10 вводятся во второй волновод 20 и продолжают взаимно обмениваться друг с другом как сопряженные изображения b1 и b2, распространяющиеся вдоль волновода 20. Для достижения хорошего качества внешние стенки волноводов 10 и 20 должны быть точно параллельными или перпендикулярными друг другу. Согласно варианту реализации, показанному на фиг. 1А и 1В, волновод 10 помещен поверх волновода 20. Между прочим, везде, где в настоящем документе делается ссылка на такие направления, как вверх, вниз, верх, низ и т.п., эти термины используют только для удобства представления и относятся к произвольной ориентации как показано на чертежах. Конечное устройство может быть развернуто в любой требуемой ориентации. Кроме того, нет никаких ограничений, связанных с относительной ориентацией соединительного устройства для введения изображения в первый волновод и соединительного устройства для вывода изображения из первого волновода во второй.
Фиг. 19А-19С иллюстрируют другую конфигурацию согласно варианту реализации настоящего изобретения для соединения волноводов путем размещения первого волновода 10 рядом с одной из параллельных стенок второго волновода 20, как лучше показано на фиг. 19А. Свет распространяется в первом волноводе 10 справа налево, как показано, как описано выше со ссылкой на фиг. 1А, и встречается с внутренними гранями волновода 10 (видны на виде сверху на фиг. 19С), которые здесь ориентированы для отклонения отклоняемого изображения, чтобы выводить изображение на стенку второго волновода 20 через промежуточный преломляющий слой 99 (подробнее описано ниже). Соединение находится под углом, выбранным так, чтобы луч света продолжал отражаться во втором волноводе 20, предпочтительно посредством TIR (сплошные стрелки на фиг. 19В). Сопряженный луч, который вводится во второй волновод 20 в направлении сопряжения (пунктирная стрелка на фиг. 19В), распространяется к смежному концу второго волновода 20 и теряется за счет внешнего рассеяния.
В этом варианте реализации заполнения второго волновода 20 сопряженным изображением из первого волновода 10 предпочтительно достигают путем выбора ширины первого волновода 10, достаточной для того, чтобы световой луч 101, возникающий под углом из дальнего конца (вверху, как показано на фиг. 19В) волновода 10 для самой малоугольной области изображения, не будет превышать другой конец 102 первого волновода 10.
Для реализации конфигурации, приведенной на фиг. 19А-19С, необходимо выполнить ряд условий. Во-первых, чтобы поддерживать распространение вдоль первого волновода 10, световой луч, вводимый в волновод 10, должен отражаться через границу раздела с преломляющим слоем 99. После отражения внутренними гранями волновода 10 световые лучи должны быть выведены через преломляющий слой 99 во второй волновод 20, но не должны выходить из противоположной внешней грани волновода 20. На фиг. 20 в сферических координатах изображен подход для реализации этой конфигурации, чтобы удовлетворить вышеуказанным условиям.
Таким образом, на фиг. 20, изображения 106LU, 106RU, 106LD и 106RD эквивалентны a1, а2, а3 и а4 на фиг. 1А. Критический угол между волноводом и воздухом представлен окружностями 107 и 108, которые эквивалентны 61 и 63, соответственно, на фиг. 3. Окружность 109 отображает критический угол между волноводом 10 и промежуточным преломляющим слоем 99 на фиг. 19В и 19С. Поскольку отношение показателей преломления волновода и преломляющего слоя 99 меньше, чем для воздуха, окружность TIR больше, чем на границе воздуха. Все четыре сопряженных изображения, распространяющихся вдоль первого волновода 10, находятся за пределами обеих окружностей 107 и 109, так что изображения распространяются посредством TIR вдоль волновода. Поскольку 106LU сталкивается с внутренней гранью волновода 10 (процесс, описанный как изображение с2 на фиг. 2А), оно сопряжено с 110LU (эквивалентно b1 на фиг. 1А), в то время как 106RU сопряжено с 110RU. Лучи 110LU и 110RU находятся в пределах критического угла 109, но за пределами критического угла 107. В результате они будут практически выходить из волновода 10 через слой 99 и в волновод 20, но не будут выходить в воздух из внешних стенок волновода 20.
Поскольку 110LU и 110RU отражаются в пределах второго волновода 20, они создают соответствующие им сопряженные изображения 110LD и 110RD, соответственно. Эти отражения эквивалентны b2 на фиг. 1А.
Как указано выше, в этом варианте реализации 110RU и 110RD рассеиваются, как изображено пунктирными стрелками на фиг. 19В. Изображения 110LD выводятся к глазу посредством внутренних граней второго волновода 20 (как показано выше в 45 на фиг. 1А).
Данный вариант реализации проиллюстрирован на фиг. 21А и 21В. На фиг. 21А лучи 110RU и 110RD (изображенные пунктирными стрелками) отражаются для перекрытия и усиления 110LU и 110LD (сплошные стрелки). Этой комбинации достигают путем введения отражателя 112 перпендикулярно и в конце второго волновода 20, как показано на фиг. 21А. Этот отражатель может приводить к отражению определенной части изображений 110RU и 110RD обратно, и повторному введению первого волновода 10 в противоположном направлении. Возможно, было бы желательно обеспечить отражающие покрытия на двух противоположных внешних гранях 114R и 114L первого волновода 10, чтобы содержать эти лучи после отражения внутренними гранями.
На фиг. 21В показана конфигурация, которая объединяет первый отражатель 114R волновода со вторым отражателем 112 волновода в виде единственного отражателя 116, сохраняя при этом те же функциональные возможности, что и конфигурация на фиг. 21А.
На фиг. 21С, волновод 10 также примыкает к волноводу 20, расположенному на расстоянии от промежуточного диэлектрика или воздушного зазора. Свет, выводимый из волновода 10 (сплошные стрелки), отражается задним зеркалом 117 на волноводе 20 в процессе, подобном описанному выше процессу со ссылкой на фиг. 13А и 13В. Угол зеркала 117 выбирают так, чтобы он соответствовал проходящему свету от волновода 10 до требуемого направляемого угла падения света в волноводе 20 (пунктирная линия). В некоторых случаях зеркало 117 выходит за край волновода 10 (как показано на фиг. 21С), в зависимости от углов вывода, создаваемых посредством реализации волновода 10 и используемых углов распространения изображения.
Различные геометрические формы вывода изображения с помощью внутренних граней (или дифракционных оптических элементов) могут быть применены к вариантам реализации, изображенным на фиг. 19А-21С, таким как, например, различные геометрические формы и соответствующие покрытия, описанные выше со ссылкой на фиг. 2А и 2В.
Варианты реализации по фиг. 19А-21В (НЕ 21С) в определенной степени ограничены в доступном поле зрения геометрическими требованиями, описанными со ссылкой на фиг. 20. Тем не менее, для широкого спектра применений этот вариант может быть особенно выгоден из-за соображений простоты конструкции и простоты изготовления.
Следующий ряд вариантов реализации соединения между первым волноводом 10 и вторым волноводом 20 показан на фиг. 22А-22Е. В этих вариантах реализации двумерный волновод 10 наклонен относительно второго волновода 20, так что только одно из изображений, выводимых из волновода 10, содержится и направляется в волноводе 20, как показано на фиг. 22В. Первый волновод 10 может быть установлен с требуемым наклоном относительно одномерного волновода 20 с использованием промежуточного прозрачного клина 730. Этот наклон выбирают так, чтобы сопрягать одно изображение из волновода 10 (сплошная стрелка, аналогичная сплошной стрелке на фиг. 19В) и не сопрягать другое изображение из волновода 10 (пунктирная стрелка, аналогичная пунктирной стрелке на фиг. 19В). Несопряженное изображение поглощается внешним поглотителем, например 736, или направляется в направлении, в котором оно будет невидимым наблюдателю. В качестве альтернативы, 736 может быть одномерным световозвращателем, который отражает свет (штрихпунктирная стрелка) обратно в волновод 10 в противоположном направлении, и сопрягается в волноводе 20, что эквивалентно пунктирной стрелке на фиг. 21А-21В. Согласно этому варианту, отражающее покрытие 737 может быть предусмотрено по меньшей мере на одной из внешних граней двумерного волновода 10, как показано на фиг. 22В. Для ясности представления на этих чертежах опущены внутренние грани волноводов.
Наклон волновода 10 относительно волновода 20 может быть выбран в соответствии с требуемыми углами волноводов и изображениями, распространяющимися между ними, и может быть использована прозрачная клиновидная соединительная призма 730 либо для уменьшения наклона относительно наклонной соединительной поверхности второго волновода 20, как показано на фиг. 22С, либо для увеличения угла, как показано на фиг. 22D. В одном особенно предпочтительном варианте реализации, как показано на фиг. 22Е, требуемый угол наклона первого волновода 10 относительно второго волновода 20 соответствует углу второй соединительной поверхности волновода, так что промежуточная соединительная призма не требуется. Чтобы реализовать этот вариант, выходной угол изображения, введенного во второй волновод 20, должен быть согласован с требуемым углом распространения в волноводе 20, а протяженность клина, сформированного наклонной торцевой поверхностью 734 и размерами волновода 10, должна быть такой, что заполнение второго волновода 20 изображением и его сопряженным изображением достигается аналогично тому, как описано выше со ссылкой на фиг. 6-12.
В каждом случае, для гарантии, что свойства волновода не будут ухудшены, на выходной стенке первого волновода 10 требуется разрыв поверхности раздела. В вариантах реализации, проиллюстрированных на фиг. 22А-22Е, промежуточная среда, обеспечивающая оптический разрыв между волноводом 10 и волноводом 20, представляет собой воздух, но также может быть использован любой другой преломляющий материал или покрытие. Варианты включают в себя дифракционную решетку, которая также может выполнять вывод, в качестве альтернативы внутренним частично отражающим граням, описанным выше.
Таким образом, на фиг. 22А-22Е показан наклон волновода 10, в соответствии с которым первый волновод 10 оптически связан с торцевой поверхностью 734 второго оптического волновода 20, которая проходит между третьей парой параллельных стенок 22а, 22b и наклонена под косым углом относительно них. Этот тип наклона может быть объединен со всеми другими вариантами конфигураций, представленными здесь, такими как, например, различные типы наклона внутренней грани, описанные ниже со ссылкой на фиг. 26-29.
Теперь, как показано на фиг. 23 и 24, они относятся к варианту реализации, который по существу аналогичен варианту реализации по фиг. 1А-1В, описанному выше, но иллюстрирует ряд переменных характеристик. Таким образом, на фиг. 23 показан вариант реализации, в котором промежуточный преломляющий слой 120 расположен между волноводами 10 и 20. Этот слой предпочтительно должен быть тонким, и может быть выполнен из различных материалов или многослойных покрытий. Наличие слоя 120 служит для увеличения окружности 61 критического угла по фиг. 3, показанного здесь как окружность 121 критического угла на схеме углового пространства на фиг. 24. Путем соответствующего выбора показателей преломления можно выбрать размер этой критической окружности, тем самым обеспечивая дополнительную степень свободы в оптической схеме, а в некоторых случаях облегчая реализацию с большим FOV, чем это может быть достигнуто с помощью воздушного зазора.
В независимом аспекте фиг. 24 также изображает вариант реализации, в котором а3 и а4 находятся на одной стороне угла 122 граней в волноводе 10 относительно a1 и а2. Это эквивалентно плану С1 на фиг. 2А.
В качестве еще одного независимого аспекта фиг. 24 также изображает конфигурацию, в которой волноводы 10 и 20 выполнены из материалов с различными показателями преломления. Для представления различных результирующих свойств, геометрические свойства второго волновода 20 нанесены отдельно на фиг. 24 на левой стороне чертежа, а угловые размеры изображений и окружностей критических углов отличаются на двух графиках.
Все вышеперечисленные варианты могут быть использованы в сочетании с любым из вариантов реализации, описанных здесь, для обеспечения дополнительных степеней свободы в конструкции системы, что будет понятно специалисту в данной области техники.
В различных вариантах реализации настоящего изобретения точное выравнивание и структурная устойчивость при относительном позиционировании компонентов, и в частности двух волноводов, могут иметь решающее значение для обеспечения высокого качества изображения. На фиг. 25A-25D представлен ряд различных вариантов узла устройства в соответствии с настоящим изобретением, которые обеспечивают различные дополнительные преимущества.
На фиг. 25А показан первый вариант реализации волновода 10 поверх волновода 20, с сохранением при этом качества внешней грани, параллельности и перпендикулярности, чтобы сохранить качество изображения. В соответствии с этим вариантом для волноводов 10 и 20 предусмотрена непрерывная общая внешняя оболочка 132. Согласно одному предпочтительному варианту реализации, внешняя оболочка 132 оптически соответствует материалу волноводов, так что реальный волновод фактически образуется внешними стенками оболочки 132, в то время как внутренние грани предусмотрены только между обращенными внутрь поверхностями раздела 134 оболочки. В этом случае внешняя оболочка 132 должна быть настолько тонкой, насколько это возможно, чтобы минимизировать оптические потери 136. Зазор, изображенный между волноводами 10 и 20, может представлять собой воздушный зазор или преломляющий зазор для управления критическим углом.
На фиг. 25В показан вариант реализации, аналогичный варианту реализации на фиг. 25А, но с добавлением оптических оболочек 142 также вдоль верхней и нижней части волновода 10. Использование таких оболочек может также способствовать получению высокого оптического качества (равномерности) вдоль этих поверхностей.
На фиг. 25С показан вариант реализации, в котором волновод 10 немного шире, чем волновод 20, чтобы обеспечить полное покрытие (заполнение) входа в волновод 20, несмотря на какой-либо зазор или отклонение в креплении между волноводами. В данном случае слой промежуточного преломляющего материала 149 предпочтительно покрывает всю нижнюю поверхность волновода 10.
Фиг. 25D относится к варианту реализации с геометрической формой, аналогичной фиг. 22А-22Е, выполненной с воздушным зазором между двумя волноводами. Чтобы зафиксировать относительные положения волноводов и уплотнить воздушный зазор между ними с минимальным нарушением внутренних отражений в волноводах, отражающее покрытие 1149 предпочтительно наносят на внешние стенки волноводов по меньшей мере в области, в которой должно быть выполнено присоединение. Затем присоединяющее приспособление 1150 присоединяют к каждому из этих покрытий для механического взаимного соединения волноводов и, предпочтительно, также создания уплотнения. Покрытие может быть расположено вблизи зазора или может простираться, чтобы покрывать все боковые стенки двумерного волновода.
Покрытие 1149 может быть металлическим отражающим покрытием или может представлять собой диэлектрическое покрытие, выбранное таким образом, чтобы угол скольжения светового сигнала изображения отражался, в то время как более крутые световые лучи от рассеяния или любые нежелательные изображения были переданы наружу.
Теперь, как показано на фиг. 26, в этом варианте реализации направление протяженности волновода 10 наклонено (непараллельно) относительно направления протяженности граней в пределах второго волновода 20. Другими словами, частично отражающие поверхности (грани 45) второго волновода 20 пересекают стенку 22а на группе параллельных линий 150, а соединительная торцевая поверхность второго волновода 20 встречает стенку 22а у края 151, причем край не параллелен ряду параллельных линий. Этот наклон изменяет угол вывода изображения, и может быть использован для удовлетворения требований к эргономичной конструкции в определенных вариантах применения, или может упростить некоторые ограничения по угловой конструкции. Эти угловые ограничения включают ограничение не превышать критический угол (прямоугольник изображения, не пересекающий окружность), или требование не иметь призрачного изображения, перекрывающего нормальное изображение (прямоугольник изображения, не пересекающий линию грани, такую как 122 на фиг. 24).
В варианте реализации на фиг. 26, углы граней в пределах первого волновода 10 выбраны так, что сопряженные изображения, подаваемые во второй волновод 20, распространяются перпендикулярно ко вторым граням волновода.
Наклон волновода 10 относительно 20 может в качестве альтернативы находиться в противоположен тому, что показан здесь, в зависимости от конфигурации грани (варианты на фиг. 2А и 2В), способа соединения (фиг. 19А-23), требуемого изображения FOV, и/или критического угла к воздуху и между волноводами (фиг. 24).
На фиг. 27 показан еще один вариант реализации настоящего изобретения, в котором частично отражающие поверхности первого волновода 10, обозначенные здесь 155, находятся под косым углом к обеим стенкам 12а и 14а. (Пунктирные линии предназначены для облегчения визуализации наклона граней, за счет изображения плоскости, перпендикулярной обеим внешним стенкам, и другой, наклонной относительно только одной стенки). Описание этого варианта реализации в угловом пространстве показано на фиг. 28. Исходное изображение в волноводе 10 представлено как a1-a4, имеющее «альбомное» (широкое) соотношение сторон. Изображения вводят в волновод как изображение a1 под углом кручения, чтобы получить конечное горизонтальное изображение. Плоскость двумерной наклонной внутренней грани 155 представлена как 157. Эта грань сопрягает a1 с b1, т.е. выведена из волновода 10 в волновод 20. С другой стороны, а2 сопряжено с b2, которое не находится в границе 159 критического угла, и поэтому не вводится в волновод 20, а вместо этого теряется. Изображение b1 создает свое собственное сопряженное изображение b3 в волноводе 20, и в конечном итоге выводится к глазу как изображение с (как описано выше). В данной конфигурации, требование к точности выравнивания между волноводами 10 и 20 ослабляется.
Согласно еще одному варианту реализации по фиг. 27, представленному в угловом пространстве на фиг. 29А и 29В, ориентация граней 40 может быть выбрана с двумерным наклоном, представленным как 110, и с подходящими покрытиями, чтобы избирательно отражать значительную долю только одного из четырех изображений, распространяющихся в первом волноводе 10. Таким образом, в геометрической форме, показанной на фиг. 29А, изображение а2 избирательно связано с b1, которое выводят для распространения и расширения в волноводе 20. Остальные изображения a1, а3 и а4 находятся при достаточно малых углах, так что при подходящем подборе покрытий можно практически устранить отражения этих изображений в гранях 40. Угловая дифференциация изображений (a1, а3 и а4 находятся ближе к плоскости грани, чем а2) лучше всего видна в трехмерном представлении на фиг. 29В. Таким образом, в одном особенно предпочтительном примере, грани 40 покрыты таким образом, чтобы сделать их по существу прозрачными (т.е. создавая отражение менее 5% падающего излучения в соответствующем диапазоне длин волн) для лучей, падающих между 55° и 85° к нормали к поверхности, и частично отражающими (обычно отражающими по меньшей мере 10% от интенсивности падающего излучения и значительно больше, как правило, по меньшей мере с вдвое большей интенсивностью отражения, чем «по существу прозрачный» угловой диапазон) для лучей, падающих под наклоном менее чем 45° к нормали. Угол ввода диапазона отклонения угловых направлений изображений и угол наклона грани затем может быть выбран таким образом, чтобы весь диапазон отклонения углов для трех изображений (здесь a1, а3 и а4) попадал практически в диапазон углов прозрачности, тогда как все углы изображения для одного изображения (здесь а2) находятся в пределах частичного отражения. Это приводит к выборочному выводу только одного изображения, что упрощает различные аспекты проектирования системы. Следует заметить, что выведенное изображение не обязательно должно быть тем же изображением, которое было первоначально создано, а вместо этого оно может быть инвертированным сопряженным изображением. При необходимости исходный элемент создания изображения может создавать инвертированное сопряженное изображение для ввода, так что правое изображение выводится из волноводов.
Улучшение однородности
Неоднородность в окончательном увеличенном освещении апертуры может иногда возникать из-за неоднородного освещения первоначальной проецируемой апертуры изображения или из неоптимальной обрезки этой апертуры. В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения любая такая неоднородность может быть сглажена путем реализации многопутевой конфигурации волновода.
Как конкретно показано на фиг. 30, изображен волновод 170 (который может представлять собой вид сбоку волновода 10 или 20), к которому примыкает соседний параллельный волновод 172. Промежуточная поверхность раздела между этими волноводами создает сопряжение света, так что часть света передается между волноводами, и остальная часть отражается внутри. Промежуточная стенка (между волноводами 170 и 172) и внешние стенки (сверху и снизу, как показано) являются параллельными. Частичное отражение на промежуточной поверхности раздела может быть основано на непрерывности покрытия или показателя преломления между волноводами. Отраженная апертура 174, распространяющаяся в волноводе 170, переходит в волновод 172 как 176 (обозначена как штриховая линия). Это изображение апертуры также выводится обратно в волновод 170 и за пределы выходной апертуры 178 вместе с «исходной» апертурой 179 посредством внутренних граней 40 или 45 (на этой фигуре не показано). Выходные апертуры 178 и 179 параллельны, но смещены по положению, что приводит к усреднению любой неоднородности в апертуре.
Другой источник воспринимаемой неоднородности относится к угловому перекрытию внутренних граней в разных полях зрения, как показано на фиг. 31А. В описываемой здесь области волновода (10 или 20) волновод содержит внутренние грани (два изображены как 2515 и 2517, которые эквивалентны 40 или 45). Большая часть выводимого света отражается от одной внутренней грани. Однако на краю грани существует неоднородность на внеосевых углах. Для области FOV, направленной влево (обозначенной как сплошные стрелки), область, обозначенная как 2520, не будет отражать никакого света, так как под этим углом имеется действительный зазор между светом, отраженным гранью 2515 и гранью 2517, что в результате воспринимается как темная полоса. С другой стороны, свет, выводимый направо (обозначенный пунктирными стрелками), имеет область 2525, внутри которой перекрывается свет, отраженный от 2515 и 2517, так что она будет отражать почти вдвое большее количество света. Следовательно, неоднородность на фиг. 31А будет изменяться примерно между 200% и 0% от средней интенсивности изображения на протяженной апертуре в разных областях FOV и положениях глаза.
В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения между гранями введено значительное перекрытие, как показано на фиг. 31В. В этом случае расстояние между соседними гранями уменьшается вдвое, что вызывает, в большинстве частей FOV при большинстве положений глаз, получение освещения от изображения через наложенные отражения от двух граней. Вблизи угловых оконечностей изображения и оконечностей граней все еще будут иметься изменения количества перекрывающихся граней, которые вносят вклад в определенные области изображения, как показано лучом 2540, который исходит только от одной грани, и луча 2545, которому содействовали три смежных грани. Тем не менее, неоднородность значительно снижается, что обычно соответствует примерно ±50%. Кроме того, изменение происходило в более тесно расположенных местах в апертуре, тем самым, заметность изменений стремилась к усреднению в зрачке наблюдателя и уменьшению.
Дальнейшее улучшение для уменьшения неоднородности может быть результатом введения «многопутевых» изображений, которые создаются перекрывающимися внутренними гранями, как показано на фиг. 31С. Свет, распространяющийся внутри волновода 10 (обозначенный как сплошные стрелки и обозначенный «а»), выводится (обозначен «b»), но часть света из b выводится обратно в «а» (обозначена пунктирными стрелками), прежде чем выводится как «b». Это введение туда и обратно между «а» и «b» вызывает усреднение интенсивности в апертуре при сохранении параллельности света, тем самым дополнительно улучшая однородность освещения.
Другой способ перекрестного взаимодействия в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения проиллюстрирован на фиг. 32А и 32В. На фиг. 32А внутренние грани 2670 (эквивалентны 40) имеют «обратную» ориентацию, так что отражают часть освещенности изображения, распространяющуюся посредством TIR справа налево (обозначена сплошными стрелками) на внутренних гранях вверх, на верхнюю внешнюю стенку 2675. Эта стенка покрыта таким образом, что она становится полным отражателем, тем самым отражая свет вниз (лучи 2672) в волновод 20.
Часть света, отраженная от верхней внешней поверхности 2675, снова отражается внутренними гранями (изображено пунктирными стрелками) и распространяется обратно вдоль волновода 10, пока не отражается другой внутренней гранью вниз как лучи 2680. Очевидно, что световые лучи 2672 и 2680 параллельны и смещены друг относительно друга, тем самым достигая перекрестного взаимодействия и сглаживания неоднородностей интенсивности изображения.
На фиг. 32В, внутренние грани изображены для вывода света вниз (вывод вверх также включен в этот вариант реализации), нижняя внешняя стенка 2705 выполнена в виде частично отражающего элемента, а верхняя внешняя стенка 2710 выполнена как полный (например, металлизированный) отражатель. В результате данной конфигурации часть света, которая отражается вниз внутренними гранями 40, которая обычно была бы выведена, вместо этого будет отражена обратно в первый волновод 10. Восходящие лучи (обозначенные пунктирными линиями) затем разделяются на множество путей с частью, проходящей через внутренние грани и отражающейся от верхней стенки 2710, а также частью, отражающейся назад в обратном направлении вдоль пути входящего луча, которая должна отражаться вверх на последующей внутренней грани. Лучи, отраженные от верхней стенки 2710, аналогичным образом могут проходить прямо через внутренние грани для вывода, или могут испытывать дополнительные пары отражений на внутренних гранях, которые должны быть выведены в другое место. Это многопутевое смешивание и перекрестное взаимодействие между изображениями также способствует уменьшению неоднородности.
Следует заметить, что вышеуказанные множественные внутренние отражения, которые происходят под большим углом к стенке вывода, также будут сталкиваться на передней и задней стенках волновода 10. В зависимости от углов лучей может оказаться предпочтительным дополнительное покрытие передней и задней поверхностей волновода 10 отражающим покрытием.
Как показано на фиг. 33А-33С, следует заметить, что в схемах, описанных выше со ссылкой на фиг. 3, 24, 28 и 29, выборочное частичное отражение на внутренних гранях рассчитано для возникновения падающих изображений a1 и а2, которые имеют относительно высокий наклон к грани, тогда как изображения а3 и а4 с низким углом наклона передаются. Как указано выше, покрытия грани, подходящие для достижения этих селективных свойств, известны в данной области техники, и описаны в более ранних патентах США №№7391573 и 7457040.
В качестве альтернативы этому подходу фиг. 33А-33С иллюстрируют вариант реализации, в котором изображение с низким наклоном представляет собой изображение, которое выводится, в то время как изображение с высоким наклоном передается через грань. Таким образом, на полярной диаграмме на фиг. 33В, это изображения а3 и а4, которые выведены для получения b1 и b2, тогда как изображения a1 и а2 проходят через внутреннюю грань 40 с минимальным отражением. Эта геометрическая форма луча проиллюстрирована на фиг. 33А и геометрически эквивалентна выводу луча с2 на фиг. 2А.
Фиг. 33С иллюстрирует пример углового коэффициента отражения внутренних граней, который может быть использован для достижения этой селективности. На этой диаграмме угол относительно нормали к грани, изображается вдоль оси х, тогда как коэффициент отражения каждой поляризации отображается на оси у. Сплошной квадрат представляет собой угловой диапазон а3 или а4. Очевидно, что S-поляризация будет частично отражена, тогда как Р-поляризация, в основном, передается (как описано в предыдущих вариантах реализации). Пунктирный квадрат представляет собой сопряженные изображения a1 или а2. Коэффициент отражения в обеих поляризациях является минимальным, поэтому они не отразятся от волновода 10.
Покрытия, необходимые для достижения этих профилей коэффициента отражения, могут быть получены с использованием покрытий, раскрытых в контексте одномерных волноводов, например, в вышеуказанных патентах США 7391573 и 7457040.
Схема поляризации
Отражающие свойства покрытий грани зависят от поляризации. Эта сильная зависимость может создавать неравномерный выход интенсивности изображения, проецируемого на наблюдателя, если поляризация не остается постоянной. Поэтому обычная практика при работе с одномерными волноводами заключается в том, чтобы освещать их с использованием одной поляризации (предпочтительно S) с ориентацией, ортогональной поверхностям волновода. Тогда эта ориентация поляризации остается неизменной по мере распространения света вдоль одномерного волновода.
В контексте двумерного волновода 10, в соответствии с принципами настоящего изобретения, использование одной поляризации для входного изображения не обеспечивает оптимального решения, поскольку свет падает на стенки под разными углами, что вызывает изменение ориентации поляризации через эти отражения. Следовательно, если в волновод вводят одну поляризацию, ее ориентация будет изменяться вдоль волновода, и однородность изображения будет ухудшена.
Вместо этого, в соответствии с некоторыми особенно предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения, изображения, введенные в первый волновод 10, выводятся в виде неполяризованного света (или псевдополяризованного света, как описано ниже) в двумерный волновод. При использовании неполяризованного входного сигнала, вращение поляризации не влияет на однородность изображения. Кроме того, хотя выведенные отражения от внутренних граней 40 создают в значительной степени поляризованный выход, частично поляризованные переданные изображения имеют свою поляризацию, непрерывно скремблируемую посредством последующего отражения на стенках волновода, тем самым способствуя однородности изображения, выводимого на последующих внутренних гранях.
Оптическое изображение может быть создано посредством сканирующего лазера, LCD, LCOS, DLP, OLED или другого устройства, излучающего свет. Если проецируемый свет поляризован или, если поляризацию вводят с помощью поляризованного делителя луча, то свет предпочтительно передается через деполяризатор перед поступлением в апертуру первого волновода 10. Деполяризатор может быть пассивным деполяризатором (например, деполяризатором «Lyot», деполяризатором «Cornu», или деполяризатором «Wedge») на основе изменения поляризации различных спектральных компонентов света. Например, ширина спектра красного, зеленого или синего светодиода может составлять порядка 50 нанометров, а кристаллический кварц толщиной 1 мм может обеспечить хорошую деполяризацию. Такой деполяризатор может быть введен на любой оптической поверхности раздела вдоль пути распространения изображения, которая находится за последним поляризующим элементом в устройстве проецирования изображения. Например, она может быть введена непосредственно ниже поляризованного делителя 513 луча по фиг. 16, или на промежуточной поверхности раздела между любыми элементами, которые соединены во время изготовления волновода.
В качестве альтернативы, жидкокристаллический индикатор с одной ячейкой может быть использован для быстрого переключения поляризации для достижения псевдодеполяризации, как воспринимаемых эффектов усреднения по времени визуального восприятия человека. Если жидкокристаллический индикатор изменяет введенную поляризацию света между двумя ортогональными состояниями в пределах времени одного кадра проецируемого изображения, тогда свет может рассматриваться как неполяризованный для этого варианта применения. В некоторых случаях предпочтительными может быть большее количество состояний (например, создаваемые за счет возбуждения жидкокристаллической ячейки уменьшенным напряжением для создания промежуточного состояния), но два ортогональных состояния обычно будут давать удовлетворительные результаты. Например, если частота кадров проецируемого изображения составляет 100 FPS (кадров в секунду), жидкокристаллический индикатор будет изменять поляризацию со скоростью 200 Гц, и будет находиться в каждой поляризации в течение нескольких миллисекунд.
После того как неполяризованный свет вводят в волновод 10, он сталкивается с первой внутренней гранью 40. Часть света отражается этой гранью. Поскольку отражение частично поляризовано, остальная часть света, который продолжает распространяться, также частично поляризована. Так, например, если это S-поляризация, которая частично отражена для вывода во второй волновод 20, проходящий свет частично Р-поляризован.
Этот проходящий свет продолжает подвергаться TIR или отражению до падения на последующие внутренние грани 40. Это TIR случайным образом вращает поляризацию света и в некоторой степени также деполяризует его. Это скремблирование поляризации (вращение и деполяризация) является выгодным, так как способствует однородности вывода вдоль волновода 10. Скремблирование поляризации усиливается (что выражено уравнениями Френеля), за счет использования высокой разности показателей преломления между волноводом 10 и окружающей его средой, например, там, где среда выше верхней внешней стороны волновода 10 представляет собой воздух.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом реализации в волноводе 10 используют двоякопреломляющий материал или покрытие для усиления деполяризации. Согласно другому предпочтительному варианту покрытие выполняют за пределами внешних стенок волновода 10 для усиления деполяризации. Вышеупомянутый процесс частичной поляризации на внутренней грани с последующей деполяризацией повторяется на каждой последующей внутренней грани.
Что касается света, отраженного на внутренних гранях 40 для вывода из волновода 10 и в волновод 20, этот свет, как правило, частично поляризован, как правило, с S-поляризацией, но может подвергаться дальнейшему изменению поляризации при каких-либо дополнительных отражениях, происходящих на боковых стенках волновода 10 перед выходом из первого волновода, и выходом волновода 10 в зазор между волноводами. Полученные поляризационные свойства выведенного света и ориентация какой-либо поляризации относительно второго волновода, таким образом, зависят от различных элементов используемой конкретной геометрии соединения. Может быть принят ряд вариантов относительно управления поляризацией во втором волноводе 20.
Необязательно, накопленное отклонение от s-поляризации может быть уменьшено путем размещения волновой пластины в зазоре между волноводами 10 и 20. Фактические параметры волновой пластины (или волновых пластин) должны определяться в соответствии с конкретной выходной поляризацией сопряженного света из волновода 10 относительно требуемой поляризации в волноводе 20. Необязательно, поляризатор может быть развернут между волноводами 10 и 20, чтобы уменьшить нежелательные поляризационные, рассеивающие и призрачные изображения.
Когда направления протяженности граней 45 ортогональны граням 40, S-поляризация, отражаемая гранями 40, ориентирована как Р-поляризация для граней 45. Если S-поляризация является оптимальной для граней 45, тогда между волноводами может быть развернута волновая пластина λ/2 в соответствии с поляризацией и тем, что желательно для граней 45. Эта λ/2 может быть размещена до или после ранее описанного поляризатора.
В альтернативном варианте реализации в некоторых случаях была обнаружена система для обеспечения приемлемых результатов без осуществления управления поляризацией между волноводами 10 и 20. В этом случае поляризация отраженного света от граней (b1 и b2) будет вращаться по мере его распространения по волноводу 20, создавая усреднение поляризации по граням 45 волновода 20. Дополнительной оптимизации этой конфигурации достигают за счет покрытия, которое отражает обе поляризации, как показано на фиг. 33С, в диапазоне 50°-75°. (В данном примере отражение двух поляризаций не равно, но обе они отражены в значительной степени.)
Также возможно введение деполяризатора в зазор между двумя волноводами (в дополнение к деполяризатору при введении изображения в первый волновод). Кроме того, или в качестве альтернативы, для волноводов могут быть использованы двоякопреломляющие материалы (например, некоторые пластмассы), что дополнительно усиливает свойства деполяризации в системе.
Процессы изготовления
Способы, подходящие для изготовления второго волновода 20, общеизвестны и описаны, например, в более раннем патенте США №6829095 правообладателя настоящего документа, как описано в настоящем документе со ссылкой на фиг. 32-36.
На фиг. 34А показан не имеющий ограничительного характера, но предпочтительный процесс, который может быть использован для получения первого волновода 10. Для ясности на чертежах внутренние грани изображены не в масштабе или без соблюдения плотности.
Ряд прозрачных параллельных пластин с покрытием соединен друг с другом в виде пакета 400. Пакет вырезан по диагонали (402), чтобы сформировать срез 404. При необходимости покровная прозрачная пластина 405 может быть прикреплена сверху и/или снизу (не изображена) от среза 404. Затем срез разрезают перпендикулярно краям граней (пунктирная линия), если необходим наклон одномерной грани, или диагонально (штрихпунктирная линия), если необходим наклон двумерной грани, для создания двумерного волновода 406.
Для многих вышеуказанных вариантов реализации к волноводу 10 затем прикрепляют соединительную призму. Примерная процедура прикрепления соединительной призмы показана на фиг. 34В-34Е. Срезанный двумерный волновод 406 показан на фиг. 34В с перекрывающимися гранями (две грани, отражающиеся по линии видимости). Это только не имеющий ограничительного характера пример, также возможны неперекрывающиеся грани.
Как показано на фиг. 34В, двумерный волновод 406 (изображенный непрозрачным для наглядности) разрезан, например, вдоль пунктирной линии, как показано. Этот разрез может быть в любой ориентации, но перпендикулярный разрез облегчает жесткие требования к соответствию показателя. Предпочтительно, как показано на фиг. 34С, разрез выполняют там, где существуют перекрывающиеся грани (см. торец разреза на фиг. 34С), чтобы поддерживать однородность освещения. В противном случае первая грань будет отражаться без перекрытия, что приведет к уменьшенному освещению. При необходимости может быть добавлено прозрачное удлинение 413, и призму 414 (эквивалентную 91, описанной выше, изображенной прозрачной) прикрепляют к 406, что создает двумерный волновод 416 с удлинением и соединительной призмой. В случаях, когда удлинение не требуется, для создания собранного волновода 417 к волноводу может быть непосредственно прикреплена соединительная призма 414. Дальний конец волновода может быть оставлен, чтобы обеспечить рассеяние какого-либо остаточного света, и может быть необязательно окрашен светопоглощающим материалом (например, черной краской) для минимизации рассеянных отражений.
Теперь, как показано на фиг. 35A-35D, наблюдатель видит мир через одномерный волновод 20. Следовательно, изменения прозрачности внутренних граней 45 (на фиг. 1) могут быть заметными и неудобными. Однако для поддержания равномерного освещения от волновода (виртуального изображения) коэффициент отражения внутренних граней должен быть выше от точки освещения волновода.
На фиг. 35A-35D освещение одномерного волновода изображено как толстая стрелка, а более высокий коэффициент отражения граней изображен как более темная прозрачность на виде спереди на фиг. 35А и 35С, а также более толстые линии на видах сбоку на фиг. 35В и 35D.
Участок 450 на фиг. 35А и 35В показывает прозрачное стекло в конце волновода. Этот участок не обеспечивает внутреннее освещение и используется только для непрерывности окна волновода для наблюдателя, за пределами области проецируемого изображения. Это обычно приводит к явному разрыву между участком 450 и последней гранью. Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, показанному на фиг. 35С и 35D, также применимому в системе, которая в противном случае является обычной, последний участок 454 преднамеренно выполнен менее прозрачным, тем самым уменьшая любой видимый разрыв в передаче вида реального мира между последней гранью и участком 454. Это делает данный участок изображения намного менее мешающим наблюдателю. Уменьшенная передача, требуемая для участка 454, также может быть достигнута с использованием покрытия верхней части участка 450.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения дополнительное окно 457 со ступенчато изменяющейся прозрачностью может быть введено рядом (спереди или сзади) в волновод. Ступенчато изменяющаяся прозрачность изменяется в направлении, противоположном к ступенчато изменяющейся прозрачности, которая возникает в результате расположения последовательно более толстых внутренних граней, тем самым компенсируя изменения вида реальных миров, просматриваемых через дисплей, и создавая приблизительно однородную общую комбинированную прозрачность.
В той степени, в которой прилагаемая формула изобретения была составлена без множества зависимостей, это было сделано только для удовлетворения формальных требований к юрисдикции, которые не допускают таких множественных зависимостей. Следует заметить, что все возможные комбинации признаков, которые будут подразумеваться посредством предоставления зависимых пунктов формулы, явно предусматриваются и должны рассматриваться как часть изобретения.
Понятно, что приведенные выше описания предназначены только для того, чтобы служить в качестве примеров, и что в рамках настоящего изобретения возможны многие другие варианты реализации, как определено в прилагаемой формуле изобретения.