КОМПАКТНАЯ СИСТЕМА НАШЛЕМНОГО ДИСПЛЕЯ
COMPACT HELMET-MOUNTED DISPLAY SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение относится к световодным оптическим устройствам с подложкой и, в частности, к устройствам, включающим отражающую поверхность на светопроводящей подложке.
Изобретение может быть с успехом использовано во многих применениях, связанных с формированием изображения, например, нашлемных дисплеях и индикаторах на лобовом стекле, сотовых телефонах, компактных дисплеях, 3D дисплеях, компактных расширителях пучка, а также применениях, не связанных с формированием изображения, например, плоских индикаторных панелях, компактных осветителях и сканерах.
Уровень техники
Одним из важных применений для компактных оптических элементов является их использование в нашлемном ("козырьковом") дисплее (HMD - от англ. head-mounted display), где оптический модуль выполняет одновременно функции линзы формирования изображения и устройства объединения изображений, в котором двумерный дисплей отображается на бесконечность и отражается в глаз наблюдателя. Дисплей может быть образован непосредственно либо пространственным модулятором света (ПМС), например, электроннолучевой трубкой (ЭЛТ), жидкокристаллическим дисплеем (ЖК-дисплей), матрицей органических светоизлучающих диодов (OLED - от англ. organic light-emitting diode), либо сканирующим источником или аналогичными устройствами, либо, опосредованно, посредством объектива переноса изображения или оптоволоконным пучком. Дисплей содержит матрицу элементов (пикселей), отображенных на бесконечность коллимирующей линзой и передаваемых в глаз наблюдателя посредством отражающей или частично отражающей поверхности, действующей в качестве объединителя для применений, не обеспечивающих или обеспечивающих "сквозное" видение ("непрозрачных" или "прозрачных"), соответственно. Обычно для этих целей используют известный пространственный оптический модуль. Когда желательное поле зрения (FOV - от англ. field of view) системы увеличивается, такой известный оптический модуль становится больше, тяжелее, объемнее и поэтому непрактичным даже для устройства с умеренными эксплуатационными характеристиками. Это является основным недостатком дисплеев всех типов, но особенно шлемов-дисплеев, где система обязательно должна быть максимально легкой и компактной.
Стремление к компактности привело к разработке нескольких различных сложных оптических решений, которые, с одной стороны, все же недостаточно компактны для большинства практических применений и, с другой стороны, имеют крупные недостатки в смысле возможности производства. Кроме того, размер выходного зрачка (ЕМВ - от англ. eye-motion-box) оптических углов зрения в этих конструкциях обычно очень мал - обычно меньше 8 мм. Соответственно, эксплуатационные характеристики такой оптической системы очень чувствительны даже к небольшим перемещениям оптической системы относительно глаза пользователя и не обеспечивают достаточного перемещения зрачка для удобного считывания текста с таких дисплеев.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение облегчает создание компактных подложек для, среди прочих применений, дисплеев-шлемов (HMD). Изобретение позволяет получить относительно широкие поля зрения (FOV) при относительно больших выходных зрачках (ЕМВ). Получаемая оптическая система дает большое и высококачественное изображение, которое также адаптировано к большим перемещениям глаза. Оптическая система, предложенная в настоящем изобретении, имеет особые преимущества, поскольку она значительно компактнее систем, известных из уровня техники, и может быть легко внедрена на практике даже в оптические системы, имеющие специализированные конструкции.
Другим применением настоящего изобретения является компактный дисплей с широким полем зрения для мобильных, переносных применений, например, сотовых телефонов. На современном рынке доступа к беспроводному интернету обеспечивается достаточно широкополосный доступ для передачи полноформатного видео. Ограничивающим фактором остается качество дисплея в устройстве конечного пользователя. Требование к мобильности ограничивает физический размер дисплеев, и результатом является дисплей непосредственного отображения с плохим качеством изображения. Настоящее изобретение предлагает физически очень компактный дисплей с очень большим виртуальным изображением. Это является одной из ключевых функций в мобильной связи, особенно для мобильного доступа в Интернет, и устраняет одно из главных ограничений для его осуществления на практике. Поэтому настоящее изобретение дает возможность просматривать цифровое содержание полноформатной страницы Интернета на небольшом ручном устройстве, например, мобильном телефоне.
Общей задачей настоящего изобретения, таким образом, является устранение недостатков существующих компактных оптических устройств формирования изображения и создание других оптических компонентов и систем, имеющих улучшенные характеристики, в соответствии с конкретными требованиями.
В соответствии с настоящим изобретением, предлагается оптическое устройство, содержащее светопроводящую подложку, имеющую по меньшей мере две главных поверхности и грани, оптический элемент для введения световых волн в подложку с использованием полного внутреннего отражения, и по меньшей мере одну плоскую отражающую поверхность, расположенную между двумя главными поверхностями светопроводящей подложки, имеющую по меньшей мере одну активную сторону, для выведения световых волн из подложки, отличающееся тем, что световые волны, каналируемые (удерживаемые) внутри подложки, отражаются по меньшей мере дважды активной стороной отражающей поверхности перед тем, как будут выведены из подложки.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания настоящее изобретение описано ниже в связи с некоторыми предпочтительными вариантами выполнения со ссылками на прилагаемые иллюстративные чертежи.
При конкретных ссылках на детальные чертежи подчеркивается, что приведенные данные используются только для примера и наглядного обсуждения предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения и представляют собой наиболее практически полезное и легко понятное описание принципов и концептуальных особенностей изобретения. В этом отношении не делается попытки представить конструкционные детали изобретения более подробно, чем это необходимо для понимания основ изобретения. Описание вместе с чертежами должно помочь специалистам в осуществлении на практике нескольких вариантов настоящего изобретения.
На чертежах:
на фиг. 1 представлен вид сбоку известного световодного оптического элемента;
на фиг. 2А и 2Б представлены чертежи, подробно иллюстрирующие сечение частных вариантов известных решеток избирательно отражающих поверхностей;
на фиг. 3 схематично представлен вид сечения известной отражающей поверхности с двумя разными падающими лучами;
на фиг. 4А и 4Б представлены виды сечения прозрачной подложки, имеющей поверхности ввода и вывода, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 5А, 5Б, 5В и 5Г представлены схематичные виды сечения отклоняющих отражающих поверхностей, направляющих выведенные световые волны в глаз наблюдателя, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 6 представлен график, иллюстрирующий отражение падающих световых волн от плоскости стыка, в функции угла падения, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 7 представлен график, иллюстрирующий отражение падающих световых волн от отражающей поверхности вывода, в функции угла падения, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 8А, 8Б и 8В представлены виды сечения оптических модулей, в которых к главной прозрачной подложке прикреплены корректирующие линзы, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 9А, 9Б, 9В и 9Г иллюстрируются сечения неактивных частей поверхностей вывода и способы их блокирования (9А-9В), или, напротив, их использования (9Г), в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 10А и 10Б показаны виды сечений прозрачных подложек, где два световых луча, введенные в подложку на расстоянии друг от друга, выводятся рядом друг с другом, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 11А, 11Б, 11В и 11Г схематично показаны виды сечений оптических устройств, в которых две разные прозрачные подложки оптически скреплены друг с другом, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 12А, 12Б, 12В и 12Г схематично показаны виды сечений оптических устройств, в которых внутри прозрачной подложки располагается зависящая от угла отражающая поверхность, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 13 представлен график, иллюстрирующий отражение падающих световых волн от зависящей от угла отражающей поверхности, в функции угла падения, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 14 представлен другой график, иллюстрирующий отражение падающих световых волн от зависящей от угла отражающей поверхности, в функции угла падения, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 15А и 15Б схематично показаны различные способы введения световых волн в прозрачную подложку с использованием прозрачной призмы, прикрепленной к одной из внешних поверхностей подложки, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 16А, 16Б и 16В схематично показаны различные способы смешивания связанных световых волн внутри подложки путем приклеивания оптическим клеем тонкой прозрачной пластины к одной из главных поверхностей подложки, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 17 представлен график, иллюстрирующий отражение падающих световых волн от плоскости раздела между тонкой прозрачной пластиной и главной поверхностью подложки, в функции угла падения, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 18А, 18Б и 18В схематично показаны сечения оптических устройств, в которых две разные прозрачные подложки оптически скреплены друг с другом, а одним из вводящих элементов является зависящая от угла отражающая поверхность, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 19 схематично показаны активные части поверхности вывода, соответствующие углу зрения и выходному зрачку системы;
на фиг. 20А, 20Б и 20В схематично показаны сечения оптических устройств, в которых оптически скреплены четыре разных прозрачных подложки, а двумя из вводящих элементов являются зависящие от угла отражающие поверхности, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 21А и 21Б представлены графики, иллюстрирующие отражение падающих световых волн от двух разных зависящих от угла поверхностей ввода в функции угла падения, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 22 схематично показаны активные части поверхности вывода, соответствующие углу зрения и выходному зрачку системы, в которой по меньшей мере частью вводящих элементов являются зависящие от угла отражающие поверхности;
на фиг. 23А, 23Б и 23В схематично показаны сечения оптических устройств, в которых отражающая поверхность встроена внутри прозрачной подложки, и выходная апертура системы расширена, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 24 представлен график, иллюстрирующий отражение падающих световых волн от частично отражающей поверхности, в функции угла падения, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 25А, 25Б и 25В представлены другие схематичные виды сечений отклоняющих отражающих поверхностей, направляющих выведенные световые волны в глаз наблюдателя, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 26 представлен чертеж, иллюстрирующий использование более двух порядков распространения связанных световых волн внутри подложки, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 27 представлен чертеж, иллюстрирующий способ изготовления требуемой прозрачной подложки, в соответствии с настоящим изобретением; и
на фиг. 28а-28д представлены чертежи, иллюстрирующие способ изготовления прозрачной подложки, в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание осуществления изобретения
in
sur2
На фиг. 1 представлен вид сечения известного в уровне техники световодного оптического элемента. Первая отражающая поверхность 15 освещена плоской световой волной 18, излучаемой источником-дисплеем 4 и коллимированной линзой 6, расположенной позади устройства. Отражающая поверхность 16 отражает падающий свет источника так, что свет каналируется внутри плоской подложки 20 благодаря полному внутреннему отражению. После нескольких отражений от главных поверхностей 26, 27 подложки, каналированные световые волны достигают решетки частично отражающих поверхностей 22, которые выводят свет из подложки в глаз 24 наблюдателя, имеющий зрачок 25. Полагая, что центральная световая волна источника выводится из подложки 20 в направлении, нормальном к поверхности 26 подложки, частично отражающие поверхности 22 являются плоскими и угол отклонения от оси связанной световой волны внутри подложки 20 равен α, тогда угол α между отражающими поверхностями и главными поверхностями составит:
Как видно на фиг. 1, каналированные лучи приходят на отражающие поверхности с двух разных направлений 28, 30. В этом конкретном варианте выполнения, каналированные лучи приходят на частично отражающую поверхность 22 с одного их этих направлений (28) после четного числа отражений от главных поверхностей 26 и 27 подложки, при этом угол  между каналированным лучом и нормалью к отражающей поверхности составит:
in
in
Каналированные лучи приходят на частично отражающую поверхность 22 со второго направления 30 после нечетного числа отражений от поверхностей 26 и 27 подложки, при этом угол отклонения от оси составляет α'=-α, а угол падения между каналированным лучом и нормалью к отражающей поверхности составляет:
где знак минус означает, что каналированный луч падает с другой стороны частично отражающей поверхности 22. Как далее показано на фиг. 1, для каждой отражающей поверхности, каждый луч сначала приходит на поверхность с направления 30, в то время как некоторые из лучей снова падают на поверхность с направления 28. С тем, чтобы предотвратить нежелательные отражения и ложные изображения (фантомы), нужно, чтобы отражение было пренебрежимо слабым для лучей, которые падают на поверхность со второго направления 28.
in
Важным для рассмотрения вопросом является фактический размер активной площади каждой отражающей поверхности. В результате различного числа последовательных отражений для разных лучей, достигающих каждой избирательно отражающей поверхности, потенциально может возникать неоднородность в получаемом изображении: некоторые лучи проходят без взаимодействия с избирательно отражающей поверхностью, а другие приходят после одного или двух частичных отражений. Это иллюстрируется на фиг. 2А. В предположении, например, что α=50°, луч 31 пересекает первую отражающую поверхность 22 в точке 32. Угол падения луча составляет 25°, и часть энергии луча выводится из подложки. Затем луч пересекает эту же частично отражающую поверхность в точке 34 под углом падения 75° без заметного отражения, и затем пересекает снова в точке 36 с углом падения, равный 25°, где из подложки отводится другая порция энергии луча. Луч 38, показанный на фиг. 2Б, напротив, претерпевает только одно отражение 40 от той же поверхности. На других частично отражающих поверхностях происходят другие многочисленные отражения.
На фиг. 3 иллюстрируется эта неоднородность на подробном виде сечения частично отражающей поверхности 22, которая выводит из подложки каналированный в ней свет и направлет в глаз 24 наблюдателя. Как показано, луч 31 отражается от верхней поверхности 27 вблизи линии 50, представляющей собой пересечение отражающей поверхности 22 с верхней поверхностью 27. Поскольку этот луч не падает на отражающую поверхность 22, его яркость остается прежней, и первый раз он падает на поверхность 22 в точке 52, отразившись два раза от обеих внешних поверхностей. В этой точке, световая волна частично отражается, и луч 54 выводится из подложки. Для других лучей, например, луча 38, проходящего сразу же под лучом 31, первое падение на поверхность 22 происходит в точке 56, перед тем, как он достигнет верхней поверхности 27, где световая волна частично отражается, и луч 58 выводится из подложки. Следовательно, когда он падает на поверхность 22 в точке 60, после двух отражений от внешних поверхностей 26, 27, яркость выведенного луча оказывается ниже, чем соседнего луча 54. В результате, все выведенные световые лучи с тем же углом ввода, что и у луча 31, достигающие поверхности 22 слева от точки 52, имеют меньшую яркость. В результате, отражение от поверхности 22 фактически оказывается "темнее" слева от точки 52 для этого конкретного угла ввода.
Подобные различия из-за воздействия многократных пересечений трудно компенсировать. На практике, однако, человеческий глаз допускает значительные вариации яркости, остающиеся незамеченными. В случае дисплеев, расположенных вблизи глаза (нашлемных дисплеев), глаз интегрирует свет, исходящий в одном угле зрения, и фокусирует его в одной точке на сетчатке и, поскольку чувствительность глаза носит логарифмический характер, небольшие вариации яркости дисплея, при их наличии, остаются незамеченными. Поэтому, даже при скромных уровнях однородности яркости дисплея, человеческий глаз воспринимает изображение как высококачественное. Требуемый невысокий уровень однородности может быть легко достигнут элементом, показанным на фиг. 1. Для систем с большим углом зрения (FOV), и там, где нужен большой выходной зрачок, для достижения нужной выходной апертуры требуется сравнительно большое число частично отражающих поверхностей. В результате, неоднородность из-за многочисленных пересечений с большим числом частично отражающих поверхностей становится более существенной, особенно в случае дисплеев, находящихся на расстоянии от глаза, например индикаторов на лобовом стекле (HUD - от англ. head-up display), и неоднородность становится неприемлемой. Здесь для преодоления неоднородности требуется более системный подход.
Поскольку "более темные" части частично отражающих поверхностей 22 вносят меньший вклад в выведение из подложки каналированных световых волн, их влияние на рабочие характеристики подложки может быть только негативным, т.е., на выходной апертуре системы будут более темные участки, а в изображении будут темные полосы. Прозрачность каждой из отражающих поверхностей, однако, однородна по отношению к световым волнам от внешней сцены. Поэтому, если между частично отражающими поверхностями имеется перекрытие для компенсации более темных частей на выходной апертуре, то лучи из выходной сцены, пересекающие эти перекрывающиеся области, будут страдать от двухкратного ослабления и на внешней сцене образуются более темные полосы. Это явление значительно снижает характеристики не только дисплеев, расположенных на расстоянии от глаза, например, индикаторов на лобовом стекле, но также и дисплеев, располагающихся вблизи глаза, и препятствует его использованию.
sur1
На фиг. 4А и 4Б представлены варианты выполнения, предназначенные для решения описанной проблемы, в соответствии с настоящим изобретением. Вместо частичного преодоления нежелательных вторичных отражений от частично отражающих поверхностей, эти отражения используются для расширения выходной апертуры оптической системы. Как показано на фиг. 4А, два луча 63, соответствующие плоским световым волнам, излучаемым дисплеем-источником и коллимируемым линзами (не показаны), входят в светопропускающую подложку 64, имеющую две параллельных главных поверхности 70, 72, под углом  падения относительно оси 61, нормальной главным поверхностям 70, 72 подложки. Эти лучи падают на отражающую поверхность 65, наклоненную под углом α к главным поверхностям подложки Отражающая поверхность 65 отражает падающие световые лучи так, что они удерживаются внутри плоской подложки 64 за счет полного внутреннего отражения от главных поверхностей. Угол  относительно оси между каналированным лучом и нормалью к главным поверхностям 70, 72 составляет:
sur2
sur1
out
После нескольких отражений от поверхностей подложки, каналированные световые лучи достигают второй плоской отражающей поверхности 67, которая выводит световые лучи из подложки. Если считать, что поверхность 67 наклонена относительно главных поверхностей под тем же углом, что и первая поверхность 65, т.е., поверхности 65 и 67 параллельны и α=α, то угол αмежду выведенными лучами и нормалью к плоскости подложки составит:
Другими словами, выведенные световые лучи наклонены к подложке под тем же углом, что и падающие световые лучи. В данном случае, поведение введенных световых волн аналогично поведению световых волн, показанных на фиг. 1, иллюстрирующей уровень техники. На фиг. 4Б, напротив, показана другая картина, где световые лучи 68, имеющие тот же угол  падения, что и лучи 63, падают на точки 69, расположенные с правой стороны отражающей поверхности 65. После первого отражения от поверхностей 65, когда связанные световые лучи каналируются внутри подложки под углом  к оси, световые лучи отражаются от верхней основной поверхности 70 и снова падают на точки 71 на поверхности 65. Световые лучи опять отражаются от поверхности 65, и угол относительно оси каналированных внутри подложки лучей теперь составляет:
После нескольких отражений от поверхностей подложки, каналированные световые лучи достигают второй отражающей поверхности 67. Световые лучи сначала падают на точки 74, расположенные с правой стороны (практически являющейся активной стороной) отражающей поверхности 67. После первого отражения от поверхности 67, когда связанные световые лучи все еще каналируются внутри подложки под углом  к оси, они отражаются от нижней главной поверхности 72 и снова падают на точки 76, находящиеся на правой стороне отражающей поверхности 67. Затем световые лучи снова отражаются, и теперь их угол с осью составляет:
out
Другими словами, световые лучи 68, отраженные дважды от отражающей поверхности 65 ввода, а также от активной стороны поверхности вывода, выводятся из подложки под тем же углом α к оси, что и другие два луча 63, отраженные только по одному разу от поверхностей 65 и 67, и который также является тем же входным углом падения этих четырех лучей на главные плоскости подложки.
Как показано на фиг. 4А и 4Б, оптический элемент 64 в настоящем изобретении в сравнении с известным элементом 20, представленным на фиг. 1-3, имеет ряд важных отличий: во-первых, разные лучи, образовавшиеся из одинаковых входных световых волн (например, лучи 63 и 68 на фиг. 4А и 4Б), распространяются внутри подложки с разыми углами относительно оси ( и , соответственно). Кроме того, некоторые из каналированных световых лучей падают на одну сторону отражающей поверхности вывода с разными углами падения и должны отразиться по меньшей мере дважды от этой поверхности, что бы быть выведенными из подложки. В результате, должна быть сформулирована надлежащая система обозначений для правильной записи различных параметров каналированных световых лучей внутри подложки. Для простоты, далее не принимается во внимание преломление вводимых или выводимых световых лучей в соответствии со вторым законом Снеллиуса при их входе в подложку или выходе из нее, и предполагается, что материалы оптических элементов, расположенные вблизи поверхностей подложки, аналогичны материалу подложки. Элемент должны быть отделен воздушным зазором или адгезивом с более низким коэффициентом преломления с тем, чтобы обеспечить полное внутреннее отражение каналированных лучей внутри подложки. В любом случае, учитываются только направления лучей внутри подложки. С тем чтобы различить разные "порядки распространения" каналированных световых волн, верхним индексом (i) будет обозначаться порядок i. Входные световые волны, падающие на подложку в нулевом порядке, обозначаются верхним индексом (0). После каждого отражения от отражающей поверхности ввода, порядок каналированного луча увеличивается на единицу от (i) до (i+1) где:
Аналогично, после каждого отражения от отражающей поверхности вывода, порядок каналированного луча уменьшается на единицу от (i) до (i-1), где:
Угловой спектр световых волн, расположенных в данном порядке, заключен между двух крайних углов этих порядков, а именно:
где  и  представляют минимальные и максимальные углы порядка (i), соответственно. Направление центральной световой волны изображения определяется углом:
Поле зрения изображения (FOV) внутри подложки составляет:
Поле зрения внутр подложки не зависит от порядка (i). Весь угловой спектр световых волн, находящийся в данном порядке (i), определяется как:
где
Углы падения световых лучей на отражающие поверхности ввода и вывода также могут быть обозначены как  соответственно, где:
и
Из уравнений (5) и (7) очевидно, что для того, чтобы выходное направление различных лучей, испытывающих разное число отражений от отражающих поверхностей, было одинаковым, две отражающие поверхности должны быть строго параллельны друг другу. Кроме того, любое отклонение между углами падения каналированных световых лучей на двух главных поверхностях вызовет, в каждом цикле отражения, изменение величины угла . Поскольку каналированные световые лучи более высокого порядка испытывают значительно меньшее число отражений от главных поверхностей подложки, чем лучи меньшего порядка, смещение низкого порядка будет значительно более заметным, чем смещение высокого порядка. В результате, необходимо, чтобы параллельность между главными поверхностями подложки соблюдалась с высокой точностью.
Для того, чтобы световые волны были введены в подложку 64 посредством полного внутреннего отражения, необходимо, чтобы поле зрения (FOV) угла изображения относительно оси внутри подложки удовлетворял уравнению:
cr
где α представляет собой критический угол для полного внутреннего отражения внутри подложки. С другой стороны, для того, чтобы световые волны могли быть выведены из подложки, необходимо, чтобы в полном поле зрения изображения угол относительно оси выходных световых волн удовлетворял соотношению:
Объединяя уравнения (9), (11), (12) и (17), получаем:
Для того, чтобы первые два порядка были полностью введены внутрь подложки, должно выполняться условие:
Кроме того, даже для материала, имеющего экстремально высокий коэффициент преломления, и даже если внешней средой, прилегающей к главным поверхностям подложки, является воздух, критический угол ограничен величиной
Объединяя уравнения (9), (12), (18), (20) и (21), получаем:
что дает, даже для небольшого FOV=10° внутри подложки, условие:
Объединение уравнений (19), (21) и (23) дает ограничивающее условие:
sur2
в котором  представляет угол наклона в воздухе, а именно, выведенное изображение значительно отклонено относительно нормали к плоскости подложки. Для больших полей зрения FOV и меньших α, угол отклонения будет увеличен. Обычно, однако, требуется, чтобы выведенное изображение, спроецированное на глаз наблюдателя, было бы ориентировано в основном нормально плоскости подложки.
Как показано на фиг. 5А, наклон изображения можно регулировать добавлением частично отражающей поверхности, наклоненной под углом  к поверхности 72 подложки. Как показано на чертеже, изображение отражается и поворачивается так, что снова проходит через подложку в основном нормально к главным поверхностям подложки. Как показано на фиг. 5Б, для сведения к минимуму дисторсии и хроматических аберраций, предпочтительно сделать поверхность 79 частью призмы 80 и завершить форму подложки 64 второй призмой 82, причем обе призмы должны быть выполнены из материала, аналогичного материалу подложки. Для получения минимальной толщины системы, как это показано на фиг. 5В, можно заменить одну отражающую поверхность 79 решеткой параллельных частично отражающих поверхностей 79а, 79b и т.д., где число частично отражающих поверхностей может быть определено в соответствии с требованиями системы.
(1)
(0)
Существуют два противоречивых требования, обусловленные наличием плоскости 83 стыка между подложкой 64 и призмой 80 (фиг. 5Г). С одной стороны, изображение F первого порядка должно отражаться от этой плоскости, в то время как изображение F нулевого порядка должно в основном проходить через нее после отражения от поверхности 67, без каких-либо заметных отражений. Кроме того, как показано на фиг. 5А-5В, после отражения от поверхности 79, оптическая волна проходит снова через плоскость 83 стыка и здесь опять требуется сведение к минимуму нежелательных отражений. Возможным способом решения этой задачи, как показано на фиг. 5Г, является использование воздушного зазора в плоскости 83 стыка. Предпочтительно, однако, для обеспечения жесткости системы, нанести на плоскость 83 стыка оптический клей для склеивания призмы 80 с подложкой 64. Этот способ иллюстрируется здесь оптической системой, имеющей следующие параметры:
d
d
cr
(1)
(2)
Световые волны имеют s-поляризацию. Оптическим материалом подложки 64 и призм 80 и 82 является стекло Schott N-SF57 с коэффициентом преломления n=1,8467 и оптический клей NOF 1315 с коэффициентом преломления n=1,315. При этом критический угол α>45,4°. Все оптические лучи в более высоких порядках F и F имеют угол относительно оси больше критического угла и, поэтому, они полностью отражаются от плоскости 83 стыка. Все оптические лучи в нулевом порядке падают на плоскость стыка под углом падения ниже критического угла и, поэтому, проходят через нее. Для сведения к минимуму отражений Френеля для световых волн, выводимых от плоскости стыка, предпочтительно, однако, использовать антиотражающее покрытие (АОП) в этой плоскости.
На фиг. 6 приведен график отражения от плоскости стыка, имеющей соответствующее АОП в зависимости от угла падения для трех разных длин волн: 450 нм, 550 нм и 650 нм, которые практически перекрывают область дневного зрения. Как показано на графике, отражение составляет 100% для углового спектра более 45°, при том, что отражение составляет менее 3% для углов падения {30°, 40°} нулевого порядка, а также для световых волн, которые проходят снова практически нормально к плоскости 83 после отражения от поверхности 79.
Другим требованием является то, что поверхность 67 будет отражающей для углов падения более высоких порядков , и при этом прозрачной для выводимых световых волн, проходящих через эту плоскость после выведения из подложки отражением поверхностью 79, и проходящих снова через плоскость 83 стыка. Другими словами, в приведенной в качестве примера частной системе, поверхность должна быть отражающей для углов падения более 40° и практически прозрачной для углов падения менее 15°. В данном случае, воздушный зазор между поверхностью 67 и призмой 82 также может считаться возможным решением, хотя здесь также предпочтительно склеить элементы друг с другом оптическим клеем. К диэлектрическому покрытию, которое должно быть нанесено на поверхность 67, предъявляется требование обеспечения отражения для углов падения в интервале  (при угле более 45° световые лучи полностью отражаются от поверхности), и прозрачности для углов падения менее 15°.
На фиг. 7 показан график отражения от плоскости стыка, покрытой соответствующим покрытием, обладающим угловой зависимостью, в функции угла падения для трех разных длин волн: 450 нм, 550 нм и 650 нм. Как показано, отражение составляет более 93% для углового спектра между 40° и 45°, и, в то время, менее 2% для углов падения менее 15°, в соответствии с требованиями. Что касается отражающей способности поверхности 79, то этот параметр зависит от назначения оптической системы. В системах, не обеспечивающих сквозного видения, например дисплеях виртуальной реальности, подложка может быть непрозрачной и пропускание системы не имеет значения. В этом случае, на поверхность можно нанести обычное высокоотражающее покрытие, либо металлическое, либо диэлектрическое. Поскольку, с одной стороны, отражение поверхностей 65 и 79 очень велико для падающих световых волн и, с другой стороны, отражение поверхностей 67 и 83 очень велико для световых волн, которые должны от них отражаться, и очень мало для световых волн, которые должны проходить через эти поверхности, общая эффективность оптической системы может быть высокой. В системах со сквозным видением, например, нашлемном или козырьковом дисплее для военных или профессиональных применений или систем с дополненной реальностью, где наблюдатель должен видеть внешнюю сцену через подложку, поверхность 79 должна быть по меньшей мере частично прозрачна. В результате, в этом случае на поверхность 79 должно быть нанесено частично отражающее покрытие. Точное соотношение между пропусканием и отражением покрытия должно быть определено в соответствии с различными требованиями оптической системы. В случае, если для отражения световых волн в глаз человека используется решетка частично отражающих поверхностей 79а, 79b …, коэффициент отражения покрытия должен быть одинаковым для всех частично отражающих поверхностей с тем, чтобы направлять в глаз наблюдателя однородное изображение, а также пропускать однородную внешнюю сцену.
Во всех вариантах выполнения изобретения, описанных выше, пропускаемое подложкой изображение фокусируется на бесконечность. Однако существуют применения или использования, где передаваемое изображение должно быть сфокусировано на близкое расстояние, например, для людей, страдающих близорукостью, которые не могут нормально воспринимать изображения на большом расстоянии. На фиг. 8А представлен вариант выполнения для реализации линзы, основанный на настоящем изобретении. Коллимированное изображение 84 вводится в подложку 64 посредством отражающей поверхности 65, отражается (один или два раза, в зависимости от порядка связанных лучей) отражающей поверхностью 67, обладающей избирательностью по углу падения, проходит через плоскость 83 стыка, частично отражается решеткой частично отражающих поверхностей 79а, 79b, и проходит снова через поверхность 83 в глаз 24 наблюдателя. Плоско-вогнутая офтальмологическая линза 86, прикрепленная к верхней поверхности 70 подложки, фокусирует изображения на удобное расстояние и, опционально, корректирует другие аберрации глаза наблюдателя, включая астигматизм. Поскольку линза 86 прикреплена к призме 82, которая не задействована в механизме каналирования оптических волн внутри подложки 64 посредством полного внутреннего отражения, для оптического прикрепления линзы 86 к призме 82 может быть использовано простое приклеивание. Существуют, однако, применения, например, показанное на фиг. 8Б, где линза 86 должна иметь увеличенную апертуру и, поэтому, должна быть прикреплена также и к верхней поверхности 70 подложки. В данном случае, поскольку эта поверхность участвует (активна) в каналировании световых волн внутри подложки, на плоскости 85 стыка между линзой и подложкой должен находиться изолирующий слой для обеспечения каналирования лучей изображения внутри подложки за счет полного внутреннего отражения. Возможным способом реализации этого является использование воздушного зазора в плоскости 85 стыка. Однако, более предпочтительным, как было показано выше, является нанесение оптического клея в плоскости стыка для склеивания призмы 82 с линзой 86. Как показано выше применительно к фиг. 6, соответствующее АОП может быть нанесено на плоскость 85 стыка для сведения к минимуму Френелевских отражений от этой плоскости.
Во всех вариантах выполнения изобретения, описанных выше, предполагается, что внешняя сцена располагается на бесконечности.
Существуют, однако, применения, например, для профессиональных нужд или медицинских работников, где внешняя сцена расположена на близких расстояниях. На фиг. 8В представлена система для реализации схемы с двумя линзами, основанной на настоящем изобретении. Коллимированное изображение 84 вводится в подложку 64 посредством отражающей поверхности 65, отражается отражающей поверхностью 67, обладающей избирательностью по углу падения, проходит через плоскость 83 стыка, частично отражается решеткой частично отражающих поверхностей 79а, 79b … и снова проходит через поверхность 83 в глаз наблюдателя. Другое изображение - изображение сцены 90 с небольшого расстояния коллимируется на бесконечность линзой 89 и затем проходит через подложку 64 в глаз. Линза 86 фокусирует изображения 84 и 90 на удобное расстояние, обычно на исходное расстояние внешней сцены 90, и корректирует другие аберрации глаза наблюдателя, если это необходимо. Поскольку нижняя поверхность 81 призмы 80 неактивна в отношении оптических волн, введенных внутрь подложки 64 за счет полного внутреннего отражения и направляемых в глаз наблюдателя отражающей поверхностью 79, можно оптически скрепить призму 80 с линзой 89, используя обычную технологию склеивания.
Изображенные на фиг. 8А-8В линзы 86 и 89, представляют собой простые плоско-вогнутую и плоско-выпуклую линзы, соответственно. Для сохранения плоской формы подложки, можно, однако, вместо них использовать линзы Френеля, которые могут быть выполнены из тонких прессованных пластин с мелкими уступами. Более того, альтернативным способом выполнения линз 86 и 89, вместо линз с неизменным фокусом, описанных выше, является создание электронно-управляемых динамических линз. Существуют применения, где требуется, чтобы пользователь имел возможность не только видеть неколлимированное изображение, но и динамически управлять фокусным расстоянием изображения. Некоторое время назад было показано, что высокоразрешающий пространственный модулятор света (ПМС) может быть использован для формирования динамического акустического элемента. В настоящее время, наиболее распространенными источниками для этой цели являются устройства с ЖК дисплеями, но также могут быть использованы и другие динамические ПМС устройства. Известны высокоразрешающие динамические линзы с разрешением в несколько сотен линий на мм. Электрооптически управляемые линзы этого типа могут быть использованы в качестве требуемых динамических элементов в настоящем изобретении, вместо линз с неизменным фокусом, описанных выше применительно к фиг. 8А-8В. При этом, оператор может определить и установить, в реальном масштабе времени, точные фокальные плоскости как виртуального изображения, проецируемого подложкой 64, так и реального изображения внешней сцены.
sur2
sur2
sur2
Представленный вариант выполнения настоящего изобретения, иллюстрированный фиг. 4-8, обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с вариантом выполнения уровня техники, показанным на фиг. 1-3. Главной причиной этого является то, что из-за малого угла α активная площадь выходной апертуры подложки, имеющей одну отражающую поверхность 67, значительно больше, чем у подложки, имеющей одну частично отражающую поверхность вывода, основанную на известных технологиях. Например, подложка с одной отражающей поверхностью 67, имеющая угол наклона α=10°, имеет выходную апертуру, для которой потребуется по меньшей мере 3-4 грани применительно к подложке в соответствии с известными технологиями, с той же толщиной, имеющей угол наклона α ~ 30°. В результате, процесс изготовления значительно упрощается по сравнению с известной подложкой. Кроме того, поскольку для многих применений для получения требуемой выходной апертуры требуется только одна грань, спроецированное изображение может быть значительно более гладким и с более высоким оптическим качеством, чем изображение многогранного элемента из уровня техники. Существуют, однако некоторые соображения, которые следует принимать во внимание, касающиеся выходной и входной апертур оптического устройства в соответствии с настоящим изобретением.
В отношении выходной апертуры, показанной на фиг. 9А, может возникнуть проблема ложного изображения (фантома) на краю отражающей поверхности 67. Как показано на чертеже, луч 91, имеющий угол  относительно оси, прослеживается от выходной апертуры обратно ко входной апертуре подложки 64. Луч 91 падает на отражающую поверхность в точке 93а и отражается не только дважды, но и трижды от отражающей поверхности 67. В результате, луч задерживается внутри подложки 64, имея угол  относительно оси, который расположен в третьем порядке введенных световых волн. Как показано на фиг. 9А, этот угол удовлетворяет соотношению  и, таким образом, не является "законным" углом. Видно, что луч 91 отражен от третьей точки 93с не в направлении нижней главной поверхности 72, а в направлении верхней поверхности 70. Поэтому луч 91 упадет на поверхность 72 под углом:
В результате, после нечетного числа отражений от главных поверхностей, луч будет отражен от входной поверхности 65 под углом:
Следовательно,
Очевидно, этим углом не обязательно должен быть требуемый угол
Используя, например, параметры примера, приведенного выше в отношении уравнения (23), и предположив, что  получим, что реальный луч, вводимый в подложку 64, для того, чтобы быть выведенным в виде луча 91, имеет направление  Другими словами, не только "правильный" луч, который должен быть выведен как луч 91, отсутствует в изображении и, следовательно, в изображении появится пропуск, но вместо этого здесь появляется другой луч, исходящий из "неправильного" направления, создающий ложное изображение.
Возможный путь преодоления этой проблемы показан на фиг. 9Б. Как показано, к нижней поверхности 72 подложки 64 приклеена плоская прозрачная пластина 95, образуя плоскость 96 стыка. Луч 91 отражается теперь только дважды от поверхности 67 перед тем, как быть введенным в подложку 64. В результате, связанный луч 97 распространяется внутри подложки с наклоном к оси под углом  что является "законным" направлением, и не создается фантома. В случае, когда необходимо свести к минимуму Френелевские отражения связанного луча 97 в точках 98 от плоскости 96 раздела, предпочтительно использовать оптический клей, имеющий коэффициент преломления близкий к коэффициенту преломления подложки 64 и пластины 95.
Альтернативный способ решения проблемы фантомных изображений иллюстрируется на фиг. 9В. В данном случае отражающая поверхность 79 сдвинута внутрь призмы 80 так, что она не перекрывает всей апертуры отражающей поверхности 67. Другими словами, лучи, которые отражаются на дальнем краю сегментом 99 отражающей поверхности 67, не отражаются обратно в глаз наблюдателя поверхностью 79. В результате, часть поверхности 67 практически заблокирована и сегмент 99 стал неактивным. Поэтому, луч 91, имеющий "неправильное" направление, не освещает глаза наблюдателя, и ложное изображение отсутствует. Точные параметры решения проблемы ложных изображений (если они существуют), например, какой вариант выполнения использовать, или выбор их комбинаций, толщина пластины 95 или сдвиг поверхности 79, могут быть определены в соответствии с различными параметрами оптической системы и требуемой общей толщины пластины.
Другая альтернатива для преодоления проблемы ложного изображения показана на фиг. 9Г. Как показано на чертеже, связанный луч 91 падает на нижнюю главную поверхность 72 перед падением на отражающую поверхность 65, имея угол  относительно оси, а именно, тот же угол к оси, что он имел, отражаясь от поверхности 67 в третьей точке 93с. В результате, связанный луч 91 отражается три раза от поверхности 65 в точках 93d, 93е и 93f перед тем, как быть выведенным из подложки с углом  к оси, который является "правильным" углом. Для компенсации тройного отражения от поверхности 67 тройным отражением от поверхности 65, лучу необходимо испытать то же число отражений от верхней поверхности 70, а также от нижней поверхности 72, а именно, если луч отразится от поверхности 67 вверх к поверхности 70, то он также должен отразиться от поверхности 72 вверх к поверхности 65. Обычно невозможно спроектировать оптическую систему так, чтобы все оптические лучи, отразившиеся три раза от поверхности 67, также бы отразились три раза от поверхности 65. Только небольшая часть лучей, освещающих сегмент 99 (фиг. 9В) поверхности 67 и, следовательно, отражающихся три раза от поверхности 67, достигают выходного зрачка оптической системы. Обычно, при надлежащем выборе различных параметров оптической системы, например, угла наклона отражающих поверхностей 65 и 67 и толщины, длины, и коэффициента преломления подложки, имеется возможность спроектировать систему так, что для большинства имеющих значение оптических лучей тройное отражение от поверхности 67 будет скомпенсировано тройным отражением от поверхности 65 так, что не будут появляться ложные изображения и пропуски в изображении.
Другим требующим рассмотрения вопросом является требования к размерам входной апертуры. С тем, чтобы избежать пропусков и полос в изображении, желательно, чтобы все порядки введенных световых волн заполняли подложку так, чтобы отражающая поверхность 67 была полностью освещена введенными световыми волнами. Как показано на фиг. 10А, для этого точки на линии 100 границы между краем отражающей поверхности 65 и нижней поверхности 72 подложки 64 должны быть освещены одной световой волной с двумя разными лучами, входящими в подложку в двух разных местах: лучом 101 (точечный пунктир), непосредственно освещающим поверхность 65 на линии 100 границы, и другим лучом 102 (штриховой пунктир), который сначала отражается отражающей поверхностью 65 в точке 103, а потом верхней поверхностью 70 подложки 64, перед освещением нижней поверхности 72 непосредственно слева от линии границы. Как показано на чертеже, два луча 101 и 102 из одной точки в дисплее-источнике, распространяющиеся в первом порядке внутри подложки, введены в подложку 64 на большом расстоянии друг от друга: луч 101 - с левого края, а луч 102 - приблизительно в центре поверхности 65, соответственно. Лучи эти, однако, выводятся выводящим элементом 67, расположенными рядом друг с другом в правой части поверхности 67. Поэтому, вся область поверхности 65 между точками 103 и 100 должна быть освещена световой волной, из которой образованы лучи 101 и 102. Следовательно, эта область должна быть полностью освещена всеми световыми волнами, которые вводятся в подложку.
Аналогично, как показано на фиг. 10Б, точки на линии 100 границы между краем отражающей поверхности 65 и нижней поверхностью 72 должны быть освещены одной световой волной, показанной выше на фиг. 10А с двумя другими разными лучами, входящими в подложку в двух разных местах: лучом 105 (штрихпунктирная линия), освещающим поверхность 65 по линии 100 границы, после одного отражения от поверхности 65 в точке, расположенной сразу справа от 103, и одного отражения от поверхности 70, и другим лучом 106 (сплошная линия), который отражается дважды отражающей поверхностью 65 и дважды - верхней поверхностью 70 подложки 64, перед освещением нижней поверхности 72 непосредственно слева от линии границы. Как показано, два луча 105 и 106 из одной точки на дисплее-источнике, распространяющиеся во втором порядке внутри подложки, вводятся в подложку 64 на расстоянии друг от друга: луч 105 вводится примерно в центре, а луч 106 - вблизи правого края поверхности 65, соответственно. Они, однако, выводятся выводящим элементом 67, расположенными рядом друг с другом, в левой части поверхности 67. Поэтому, вся область поверхности 65 между точками 103 и правым краем 104 поверхности 65 должна быть освещена световой волной, из которой были образованы лучи 105 и 106. Следовательно, эта область должна быть полностью освещена всеми световыми волнами, которые введены в подложку. По фиг. 10А и 10Б могут быть сделаны два вывода:
а. вся область поверхности 65 должна быть освещена световыми волнами, введенными в подложку, и
б. связанные световые волны первого порядка освещают левую часть поверхности 65 и выводятся из правой части поверхности 67, в то время как связанные световые волны второго порядка освещают правую часть поверхности 65 и выводятся из левой части поверхности 67.
Как показано на фиг. 10А-10Б, апертура поверхности 65 ввода сходна с апертурой поверхности 67 вывода. Однако существуют системы, имеющие широкое поле зрения и большой выходной зрачок и, поэтому, требуется большая выходная апертура. Кроме того, желательно, чтобы оптическая система в целом была как можно более компактной. Следовательно, необходимо свести к минимуму входную апертуру подложки. В результате, имеется противоречие между противоположными требованиями одновременного достижения большой выходной апертуры при малой входной апертуре. Поэтому, должен быть найден соответствующий способ сокращения входной апертуры для данной выходной апертуры или, наоборот, увеличения выходной апертуры при данной входной апертуре.
На фиг. 11А-11Г представлен вариант выполнения с увеличенной выходной апертурой для данной входной апертуры. Как показано на фиг. 11А, оптический луч 107, имеющий входное направление, определяемое углом  падает на оптический элемент 109, состоящий из двух подложек 110а и 110b, где нижняя поверхность 111а подложки 110а прикреплена к верхней поверхности 112b подложки 110b, определяя плоскость 117 стыка. В отличие от подложек, показанных на фиг. 4-10, вводящий элемент 114а верхней подложки 110а представляет собой не просто отражающую поверхность, как поверхность 65 подложки 64, а частично отражающую поверхность, благодаря чему входной луч 107 расщепляется на два луча (предпочтительно, имеющих одинаковую яркость) 107а и 107b, которые отражаются от поверхностей 114а и 114b и вводятся внутрь подложек 110а и 110b, соответственно, благодаря полному внутреннему отражению. В отличие от поверхности 114а, поверхность 114b может быть простой отражающей поверхностью. Как показано на чертеже, лучи 107а и 107b отражаются один раз от левых частей поверхностей 114а и 114b, соответственно, и распространяются внутри подложек в первом порядке, имея угол относительно оси . Следовательно, они выводятся из подложки одним отражением от правых частей поверхностей вывода 116а и 116b, имея выходной угол  На фиг. 11Б показан тот же вариант выполнения, в котором теперь входной луч 107 падает на правую сторону поверхностей 114а и 114b. В результате, лучи 107а и 107b отражаются дважды от поверхностей 114а и 114b, соответственно, и распространяются внутри подложек во втором порядке с углом
Следовательно, они выводятся из подложки посредством двойного отражения от левых частей поверхностей 116а и 116b вывода с выходным углом  Как можно заметить, поверхность 114а, которая практически представляет собой входную апертуру оптического устройства 109, имеет размер, равный примерно половине размера выходной апертуры, которая практически является комбинацией обеих поверхностей 116а и 116b.
(1)
(2)
(0)
Существует два противоречивых требования для плоскости 117 стыка между подложками 110а и 110b. С одной стороны, изображения F и Fпервых двух порядков должны отражаться от этой плоскости, в то время как отражение F нулевого порядка от верхней подложки 110а должно, в основном, проходить через нее после отражения от поверхности 116а без заметных отражений. Аналогично, поверхность 117 должна быть прозрачна для луча 107b, который проходит через поверхность 114а, имея входной угол . Кроме того, для систем, обеспечивающих сквозное видение, прозрачность оптического устройства 109 для практически нормального падающего света должна быть максимальной. Возможным способом достижения этого является использование воздушного зазора в плоскости 117 стыка. Альтернативным способом достижения этого при сохранении жесткости устройства является склеивание подложек 110а и 110b вместе, применяя способ склеивания клеем с малым коэффициентом преломления, что было проиллюстрировано выше в отношении плоскости 83 стыка на фиг. 5Г.
sur1
sur2
В варианте выполнения, показанном на фиг. 11А-11Б, две подложки 110а и 110b аналогичны друг другу, т.е., углы α наклона устройств 114а и 114b ввода, а также углы наклона α устройств 116а и 116b вывода одинаковы. Кроме того, обе подложки имеют одинаковую толщину. Возможно, однако, скрепить две подложки, имеющие различные характеристики. Как показано на фиг. 11В, верхняя подложка 110а имеет те же параметры, что и система, показанная выше применительно к уравнению (23). Нижняя подложка имеет, однако, следующие параметры:
d
d
cr
sur2
(0)
(0)
(1)
Световые волны имеют поляризацию. Оптическим материалом подложек 110а и 110b, как и ранее, является стекло Schott N-SF57 с коэффициентом преломления n=1,8467, а оптический клей NOA 1315 имеет коэффициент преломления n=1,315. Соответственно, критический угол α>45,4°. Поле зрения изображения, вводимого в устройство 109 и выводимого из него, увеличено от F={30°, 40°} в одиночной подложке 64 до F={24°, 40°} в элементе 109 с двойной подложкой. Все световые волны, распространяющиеся в первом порядке и имеющие поле зрения F={46°, 60°}, имеют углы относительно оси, превышающие критический угол и, поэтому, они полностью отражаются от плоскости 117 стыка между подложками. Поскольку фактическая выходная апертура каждой подложки непосредственно зависит от tan α, толщина нижней подложки 110b должна быть слегка увеличена с тем, чтобы уровнять выходные апертуры двух подложек. Выходная апертура элемента 109 удвоена по сравнению с выходной апертурой одиночной подложки 64 на фиг. 5А, а поле зрения увеличено на 6°. Расплатой за это является удвоенная толщина устройства и сокращение на 50% яркости выводимого изображения. В случае, когда левый край поверхности 116а неактивен, как это показано выше со ссылкой на фиг. 9А-9В, можно блокировать эту часть некоторым сдвигом нижней подложки 110b. Как показано на фиг. 11Г, отражающие поверхности 116а и 116b больше не коллинеарны. Левый край 118 поверхности 110а не совпадает с правым краем 120 подложки 110b, которая слегка сдвинута вправо, и, следовательно, неактивная часть 122 поверхности 110а практически заблокирована.
Еще один альтернативный вариант практического снижения входной апертуры оптического устройства иллюстрируется на фиг. 12А-12Б. В данном случае, используется то обстоятельство, что, как показано на фиг. 10А и 10Б, световые волны, падающие на левую часть поверхности 65 ввода, отражаются от нее только один раз, и, следовательно распространяются внутри подложки 64, имея угол  первого порядка относительно оси, в то время как световые волны, падающие на правую часть поверхности 65 ввода, отражаются от этой поверхности дважды и, значит, распространяются внутри подложки 64, имея угол  второго порядка относительно оси. Как показано на фиг. 12А, обладающая угловой зависимостью частично отражающая поверхность 124 встроена внутрь подложки 64. Поверхность 124 параллельна поверхности 65 ввода и поверхности 67 вывода, а именно, угол наклона поверхности 124 относительно главных поверхностей 64 составляет:
Для полного FOV изображения, распространяющегося внутри подложки 64, поверхность 124 в основном прозрачна для световых волн с углом падения
и, в основном, в равной степени частично отражает световые волны, имеющие угол падения
Кроме того, предполагается, что только левая часть 125 поверхности 65 ввода освещена световыми волнами изображения. Как показано на фиг. 12А, луч 127, падающий на левую часть 125 поверхности 65, введен в подложку 64 после одного отражения от поверхности 65 и, значит, распространяется внутри подложки 64, имея угол  относительно оси первого порядка. После нескольких отражений от главных поверхностей подложки 64, луч 127 падает на поверхность 124 в точке 128а. Поскольку луч падает на поверхность с левой стороны, он ведет себя аналогично лучам, падающим на поверхность 67, и, следовательно, уравнение (16) должно быть использовано для вычисления угла падения луча 127 в точку 128а. Следовательно,
В результате, выполняется условие уравнения (31), и луч 127 проходит через поверхность 124 без какого-либо заметного отражения. После одного отражения от верхней главной поверхности 70, луч 127 снова падает на поверхность 124 в точке 128b. Теперь луч падает на поверхность с правой стороны и поступает аналогично лучам, падающим на поверхность 65, и, следовательно, для вычисления угла падения луча 127 в точке 128b должно быть использовано уравнение (15). При этом,
В результате, выполняется условие уравнения (32), и луч 127 в основном поровну расщепляется поверхностью 124, а именно, примерно половина интенсивности светового луча проходит через поверхность 124 в виде луча 129 и продолжает распространяться внутри подложки 124 с тем же углом  относительно оси, в то время как вторая половина интенсивности луча отражается от поверхности 124 в виде луча 130, и продолжает распространяться внутри подложки 124 с углом относительно оси, равным:
В частности, луч 130 распространяется внутри подложки 64, имея угол  второго порядка относительно оси. После одного отражения от нижней главной поверхности 72 подложки 64, луч 129 надает на поверхность 124 в точке 128с. Поскольку луч снова падает на поверхность с левой стороны, он поступает по аналогии с лучами, падающими на поверхность 67, и, следовательно, уравнение (16) снова должно быть использовано для вычисления угла падения луча 129 в точку 128с и, снова
Условие уравнения (31) выполнено, луч 129 проходит через поверхность 124 без какого-либо существенного отражения и продолжает распространяться внутри подложки под углом первого порядка относительно оси. Следовательно, если вся левая часть 125 поверхности 65 освещена всеми световыми волнами, введенными в подложку, подложка 64, как было пояснено выше в отношении фиг. 10А, будет заполнена связанными световыми волнами первого порядка. После расщепления поверхностью 124, часть света будет продолжать заполнять подложку волнами первого порядка, в то время как часть света, отраженного поверхностью 124, будет теперь заполнять второй порядок связанных световых волн. В результате, в основном вся апертура поверхности 67 вывода будет освещена связанными волнами первого и второго порядка, и выходные световые волны будут выводиться из практически полной активной апертуры поверхности 67. В результате, в то время как выходной апертурой остается полная активная апертура поверхности 67, входная апертура подложки практически уменьшается вдвое. Расплатой за это является то, что яркость выводимых световых волн также снижается вдвое.
Аналогичный вариант выполнения для уменьшения вдвое входной апертуры показан на фиг. 12Б. В данном случае, только правая часть поверхности 65 ввода освещена входными световыми волнами. Как показано, луч 132 падает на правую часть 134 поверхности 65, вводится в подложку 64 после двух отражений от поверхности 65 и, в результате, распространяется внутри подложки 64, имея угол  второго порядка относительно оси. После накольких отражений от главных поверхностей подложки 64, луч 132 падает на поверхность 124 в точку 135а. Поскольку луч падает на поверхность с левой стороны, он ведет себя подобно лучам, которые падают на поверхность 67 и, следовательно, для вычисления угла падения луча 132 в точку 135а должно быть использовано уравнение (16). Следовательно,
В результате, выполняется условие уравнения (32), и луч 132 в основном поровну расщепляется поверхностью 124; примерно половина светового луча проходит через поверхность 124 в виде луча 136 и продолжает распространяться внутри подложки 124 с тем же углом  относительно оси, в то время как вторая половина светового луча отражается от поверхности 124 в виде луча 137, и продолжает распространяться внутри подложки 124 с углом относительно оси, равным:
В частности, луч 137 распространяется внутри подложки 64, имея угол  первого порядка относительно оси. После одного отражения от нижней главной поверхности 72 подложки 64, луч 137 надает на поверхность 124 в точке 135b. Поскольку луч падает на поверхность с левой стороны, он ведет себя по аналогии с лучами, падающими на поверхность 67, и, следовательно, уравнение (16) должно быть использовано для вычисления угла падения луча 127 в точку 128с. Таким образом,
условие уравнения (29) выполнено, луч 137 проходит через поверхность 124 без какого-либо существенного отражения и продолжает распространяться внутри подложки под углом первого порядка относительно оси.
Практическое применение варианта выполнения, проиллюстрированного на фиг. 12Б, аналогично применению варианта, показанного на фиг. 12А. Только половина входной апертуры 65 освещена входными световыми волнами, в то время как выходные световые волны выводятся из полной апертуры поверхности 67 вывода. Различие состоит в том, что в то время как на фиг. 12А только левая часть 125 поверхности 65 освещена входными световыми волнами, на фиг. 12Б используется правая часть 134 поверхности 65, но окончательный результат аналогичен, и используется полная выходная поверхность. Как правило, решение, какую часть поверхности 67 следует фактически использовать, зависит от различных параметров оптической системы.
Вариант выполнения, показанный на фиг. 12А-12Б, в котором зависящие от угла отражающие поверхности встроены внутрь подложки 64, может быть использован для других применений, не обязательно для уменьшения входной апертуры. Следует рассмотреть вопрос однородности входных световых волн, освещающих входную апертуру 65. Принимая, например, что яркость луча 101 на фиг. 10А ниже яркости луча 102 в результате несовершенства системы формирования изображения, эта неодинаковость вряд ли будет заметна при непосредственном наблюдении входной плоской волны ввиду удаленности лучей друг от друга. Однако после введения в подложку 64 эти условия изменяются, и два луча 101 и 102 распространяются внутри подложки 64 рядом друг с другом. В результате, два луча, отразившиеся от поверхности 67 и выведенные из подложки, имеют разную яркость. В отличие от входной световой волны, два луча теперь находятся рядом друг с другом, и эта неодинаковость будет хорошо видна в виде темной линии в выведенном изображении. Та же проблема возникает, если яркость луча 106 на фиг. 10В ниже, чем яркость луча 105, или наоборот.
На фиг. 12В представлен вариант выполнения, в котором решена проблема неоднородности. В данном случае, внутрь подложки 64 встроена такая же чувствительная к углу частично отражающая поверхность 124, но теперь вся входная апертура освещена входными световыми волнами. Как показано, два разных луча, а именно, луч 127, который освещает левую часть 125 вблизи центра поверхности 65, и луч 132, который освещает дальний край правой части 134 (и, следовательно, имеет меньшую яркость, чем луч 127), распространяются внутри подложки 64, имея углы первого и второго порядков относительно оси, соответственно. Два луча совпадают в точке 138 на поверхности 124 и, как было показано выше со ссылкой на фиг. 12А и 12Б, каждый из них частично отражался поверхностью 124 и частично проходил через нее. В результате, луч 139, который распространяется внутри подложки с углом первого порядка относительно оси, будет представлять собой смесь части луча 127, проходящего через поверхность 124, и части луча 132, которая отражается этой поверхностью. Кроме того, луч 140, распространяющийся внутри подложки с углом второго порядка относительно оси, будет представлять собой смесь части луча 132, которая проходит через поверхность 124, и части луча 127, которая отражается от этой поверхности. Лучи 139 и 140, таким образом, являются смесями исходных лучей 127 и 132, но, в отличие от исходных лучей, два луча 139 и 140, исходящие от поверхности 124, имеют теперь одинаковую яркость. В результате, считая, что полная апертура поверхности 65 освещена входными световыми волнами, однородность световых волн, которые будут исходить от поверхности 124, будет теперь значительно выше по всей выходной апертуре, чем раньше, и проблема неоднородности будет в значительной мере решена.
Другим вопросом, требующим рассмотрения, является параллельность между главными поверхностями подложки. Как было показано со ссылкой на фиг. 4А-4Б, две главные поверхности подложки 64 должны быть строго параллельны друг другу, поскольку любое отклонение углов падения на две главные поверхности каналированных световых лучей вызовет, в каждом цикле отражения, смещение угла  относительно оси, а поскольку каналированные световые лучи более высокого порядка испытывают значительно меньше отражений от главных поверхностей подложки, чем лучи более низких порядков, смещение низкого порядка будет более заметным, чем смещение угла более высоких порядков. Существуют, однако, применения, в которых требуется очень высокое разрешение. Кроме того, соотношение между длиной и толщиной подложки может быть большим и, следовательно, число отражений низкого порядка от главных поверхностей может меняться, и поэтому требуемая параллельность не может быть достигнута обычными средствами изготовления.
Возможный подход к решению этой проблемы проиллюстрирован на фиг. 12Г. Внутрь подложки 64 встроена чувствительная к углу отражающая поверхность 141, параллельная поверхностям 65 и 67, однако характеристики отражения этой поверхности отличаются от характеристик отражения поверхности 124 на фиг. 12А-12В. Для полного поля зрения (FOV) изображения, распространяющегося внутри подложки 64, поверхность 141, как и раньше, в основном прозрачна для световых волн, имеющих угол падения
Для световых волн, имеющих, однако, угол падения, равный
поверхность 141 теперь является в основном отражающей. Как и раньше, поверхность 141 будет в основном прозрачной для связанных световых лучей 127 и 132, падающих на нее в точках 142 и 144, соответственно, имеющих угол первого порядка относительно оси и падающих на правую сторону подложек. Однако, для точки 146, где сходятся лучи 127 и 132, имеющие угол первого порядка относительно оси при падении на левую сторону поверхности 141, и угол второго порядка относительно оси при падении на правую сторону поверхности 141, соответственно, поверхность 141 будет в основном отражающей. В результате, лучи 127 и 132 будут отражаться от поверхности 141, имея углы второго и первого порядка относительно оси, соответственно, а именно, лучи 127 и 132 обмениваются их углами относительно оси на точке 146 схождения. Поэтому, считая, что поверхность 141 расположена в центре подложки 64, посередине между поверхностями 65 и 67, лучи 127 и 132 испытывают одинаковое число отражений от главных поверхностей подложки 64. Полагая, что полная апертура поверхности 65 освещена входными световыми волнами, для каждой входной световой волны все связанные лучи будут иметь существенно одинаковое число отражений от главных поверхностей подложки 64, и вопрос параллельности будет, тем самым, в значительной степени решен.
Создание отражающей поверхности 124, имеющей угловую зависимость, которая используется в вариантах выполнения, показанных на фиг. 12А-12В, иллюстрируется в настоящем описании оптической системой, имеющей следующие параметры:
d
d
Световые волны имеют s-поляризацию. Оптическим материалом подложки 64 является стекло Schott N-SF6 с коэффициентом преломления n=1,8052, а оптический клей марки NTT 6205, прилегающий к положке 124, имеет коэффициент преломления n=1,71.
На фиг. 13 представлен график отражения от отражающей поверхности 124, покрытой подходящим чувствительным к углу диэлектрическим покрытием, в функции угла падения для трех разных длин волн: 450 нм, 550 нм и 650 нм. Видно, что отражение составляет примерно 50% для углового спектра между 57° и 67°, и при этом очень невелико для углов падения {33°, 43°} нулевого порядка.
d
Реализация отражающей поверхности 141, обладающей угловой зависимостью, использованной в варианте выполнения, показанном на фиг. 12Г, иллюстрируется здесь посредством оптической системы, имеющей те же параметры, что и показанные выше в уравнении 42, где в качестве оптического клея, прилегающего к поверхности 141, используется клей NOA 165 с показателем преломления n=1,52.
На фиг. 14 представлен график зависимости отражения от отражающей поверхности 141, покрытой подходящим диэлектрическим покрытием, обладающим угловой зависимостью, от угла падения для трех разных длин волн излучения: 450 нм, 550 нм и 650 нм. Как показано, отражение составляет 100% для углового спектра более 57°, при том, что практически отсутствует для углов падения {33°, 43°} нулевого порядка.
Во всех вариантах выполнения, показанных на фиг. 4-11, вводящим элементом является наклонная отражающая поверхность. Причиной этого является необходимость введения в подложку световых волн первого порядка, а также и второго порядка. Для вариантов выполнения, показанных на фиг. 12А-12Б, где в подложку вводятся только колебания первого или второго порядка посредством вводящего элемента, могут быть использованы и другие оптические средства. Как показано на фиг. 15А, к верхней главной поверхности 70 подложки 64 оптически прикреплена призма 148. Два световых луча 149 и 150 из одной входной световой волны падают на два края входной апертуры 152 призмы 148, где угол наклона световых лучей внутри призмы составляет  В то время как левый луч 149 освещает верхнюю главную поверхность 70 в непосредственной близости справа от края 153 призмы, правый луч 150 проходит через поверхность 70, полностью отражается от нижней поверхности 72 и падает на верхнюю поверхность 72 непосредственно слева от края 153. В результате, два луча 149 и 150 связаны внутри подложки 64, имея угол  относительно оси первого порядка, при этом распространяясь внутри подложки 64 в непосредственной близости друг к другу. После частичного отражения от поверхности 124 в точках 154 и 156, отраженные лучи 158 и 160 распространяются внутри подложки 64 рядом друг с другом, имея угол  второго порядка относительно оси. Следовательно, все лучи одних входных световых волн, покрывающие входную апертуру 152, будут заполнять подложку световыми волнами первого порядка, а после частичного отражения от поверхности 124, и также будут заполнять подложку световыми волнами второго порядка. В результате, выходные световые волны выводятся из подложки полной активной апертурой поверхности 67. Несколько отличающийся вариант выполнения показан на фиг. 15Б, где вводящим элементом является призма 162, которая оптически прикреплена к наклонной грани 163 подложки. Как показано на чертежах, в вариантах выполнения на фиг. 15А и 15Б входная апертура значительно меньше входной апертуры в вариантах выполнения, показанных на фиг. 4-11. Естественно, также возможно и осуществление модифицированных вариантов выполнения, в которых световые волны, имеющие углы относительно оси второго порядка, непосредственно введены в подложку с использованием призм ввода, аналогичных показанным на фиг. 15А и 15Б. В этом случае, световые волны, имеющие углы первого порядка относительно оси, будут созданы внутри подложки способом, аналогичным показанному на фиг. 12Б.
Другим вопросом, требующим рассмотрения, является однородность световых волн, расщепленных поверхностью 124 в вариантах выполнения, показанных на фиг. 12А-12В. Как показано, каналируемые лучи, имеющие угол  первого порядка относительно оси, частично отражаются только однократно от левой стороны поверхности 124. Как показано на фиг. 16А, имеются, однако, лучи, которые частично отражаются от поверхности 124 дважды. Видно, что луч 164 сначала частично отражается от поверхности 124 в точке 165, расположенной вблизи пересечения между поверхностью 124 и верхней главной поверхностью 70. Часть луча 164, проходящая через поверхность 124 в точке 165, отражается от нижней главной поверхности 72, проходит через поверхность 124, отражается от верхней поверхности 70 и затем частично отражается опять от поверхности 124 в точке 166. Поскольку яркость этой части луча была уже снижена вдвое при расщеплении в точке 165, яркость расщепленных лучей из точки 166 будет составлять примерно 25% от яркости исходного луча 164, а именно, луч 164 был расщеплен на три разных луча: луч 164а, который отразился от поверхности 124 в точке 165 и имел яркость примерно в половину яркости исходного луча 164, и лучи 164b и 164с, которые прошли через поверхность 164 в точке 165 и, затем, прошли опять или отразились, соответственно, поверхностью 164 в точке 166, и яркость которых составляет примерно четверть яркости исходного луча 164. В результате, имеются лучи в волнах изображения, имеющие меньшую яркость, чем другие, и эти вариации могут быть заметны в виде темных полос в выведенном изображении. Это явление пренебрежимо мало для световых волн, имеющих более высокие углы относительно оси в пределах поля зрения, но, однако, более существенно для световых волн, имеющих более низкие углы относительно оси.
С тем, чтобы решить проблему неравномерности изображения, выведенного из подложки, важно понимать разницу между этой проблемой и проблемой неравномерности обычного дисплея-источника, который излучает реальное изображение с плоскости дисплея. Обычно, неравномерность изображения, проецируемого обычным дисплеем-источником, вызвана неоднородностью самого дисплея, например, различные пиксели дисплея испускают световые волны, имеющие различную интенсивность. В результате, единственным способом решения проблемы неравномерности является прямое управление пикселями дисплея. Причина неравномерности изображения, описанного выше в отношении фиг. 16А, однако, совершенно иная. В данном случае, неравномерность вызвана неоднородностью различных лучей одной световой волны, которая ассоциирована с одним пикселем в изображении, а это значит, что разные лучи, принадлежащие одной плоской световой волне и, следовательно, имеющие одно направление, обладают разной интенсивностью. Поэтому, неравномерность этой плоской волны может быть устранена, если различные лучи этой неравномерной волны будут смешаны вместе. Для этого, предпочтительно, должны быть к подложке 64 добавлены надлежащие смешивающие устройства для улучшения однородности плоских волн, которые каналируются внутри подложки благодаря полному внутреннему отражению.
Как показано на фиг. 16Б, эта проблема неравномерности может быть решена прикреплением плоской прозрачной пластины 167 к одной из главных поверхностей 72 подложки 64, в которой на плоскость 168 стыка между подложкой 64 и прозрачной пластиной 167 нанесены светоделительные средства. Как показано на чертеже, два световых луча, 164 и 169, имеющие различные интенсивности, пересекаются друг с другом в точке 170, расположенной в плоскости 168 стыка. Луч 164, который на фиг. 16А расположен сверху, уже подвергся частичному отражению поверхностью 124 и, поэтому, имеет меньшую яркость, чем исходный луч. Другой луч 169, который проходит через плоскость стыка в точке 171 и отражается нижней поверхностью 172 пластины 167, еще не прошел через поверхность 124 и, следовательно, имеет более высокую интенсивность. Благодаря наличию нанесенных светоделительных средств, каждый из двух пересекающихся лучей частично отражается и частично проходит через поверхность стыка. В результате, два луча обмениваются друг с другом энергией, и выходящий из точки пересечения 170 луч 164d имеет интенсивность, которая ближе к средней интенсивности двух падающих лучей 164 и 169. В итоге, интенсивность луча 164d который частично отражается поверхностью 124 в точке 166, выше, чем прежде, и проблема неоднородности ослаблена. (На фиг. 16Б имеется больше пересечений и расщеплений лучей 164 и 169, но для упрощения чертежа изображено только одно пересечение в точке 170 и один выходящий из нее луч 164d). Помимо смешивания лучей 164 и 169 в точке 170, лучи 164 и 164с, выходящие из точки 166, смешиваются снова с другими лучами (не показаны) в точках 174 и 175, соответственно, на плоскости 168 стыка, и их интенсивности становятся еще ближе к средней интенсивности выведенной волны изображения.
Наиболее эффективным светоделительным средством является частично отражающее покрытие, нанесенное на плоскость стыка, которое обеспечивает пропускание половины приходящей волны и отражение другой половины. В этом случае, интенсивности исходящего луча 164d в основном равны средней интенсивности двух падающих лучей 164 и 169, и смешивание этих лучей является оптимальным вариантом. Основным недостатком способа, основанного на нанесении покрытия, является то, что для предотвращения аберраций и размытости изображения, должно строго соблюдаться направление каналируемых лучей внутри подложки. Поэтому, должна поддерживаться высокая степень параллельности трех отражающих поверхностей: верхней поверхности 70 подложки 64, нижней поверхности 172 пластины 167 и плоскости 168 стыка. В результате, внешние поверхности подложки 64 и плиты 167 должны иметь высокую параллельность и очень хорошее оптическое качество перед их скреплением. Нанесение оптического покрытия на одну из этих внешних поверхностей потребует, однако, процесса покрытия, который обычно деформирует поверхности покрываемой пластины, особенно, если эта пластина достаточно тонкая. Другой проблемой является то, что лучи света, отражающиеся от поверхности 67, пересекаются с плоскостью 168 стыка перед их выведением из подложки 64. В результате, простое отражающее покрытие не может быть просто нанесено на плоскость 168 стыка, поскольку эта плоскость должна также быть прозрачна для световых волн, выходящих из подложки 64, а также прозрачна для световых волн от внешней сцены для применений со сквозным видением. При этом световые волны должны проходить через плоскость 168 без существенных отражений при малых углах падения и должны частично отражаться при более высоких углах падения. Это требование усложняет процедуру нанесения покрытия и повышает возможность того, что покрытая пластина будет деформирована во время процесса нанесения. Следовательно, поскольку даже небольшая деформация будет ухудшать рабочие характеристики системы формирования изображения, должны применяться другие средства смешивания.
Альтернативный вариант выполнения представлен на фиг. 16В. В данном случае, подложка 64 и пластина 167 оптически скреплены с использованием оптического клея 176, коэффициент преломления которого существенно отличается от коэффициента преломления светопропускающей подложки 64 и плоской пластины 167. В результате различий между коэффициентами преломления и косыми углами падения каналируемых лучей, в сравнении с плоскостью 168 стыка, отражения Френеля от плоскости 168 будут существенными и световые волны, которые связаны внутри подложки, будут частично отражаться от плоскости стыка. На практике, падающие лучи отражаются дважды от плоскости 168 стыка, один раз - от плоскости стыка между подложкой 64 и клеем 176, а второй раз - от плоскости стыка между оптическим клеем и прозрачной пластиной 167. Как показано на чертеже, внутри подложки каналируются три разных луча - 164, 169 и 178. Два луча 169 и 178 пересекают друг друга в точке 171, расположенной на плоскости 168 стыка. В результате Френелевских отражений, каждый из двух пересекающихся лучей частично отражается и частично проходит через плоскость стыка. В результате, два луча обмениваются энергией между собой, и лучи 179 и 180, исходящие из точки 171 пересечения, обладают интенсивностями, близкими к средней интенсивности двух падающих лучей 169 и 178. Аналогично, два луча 164 и 179 пересекаются в точке 170, обмениваются между собой энергией, а исходящие из точки 170 пересечения лучи 181 и 182 обладают интенсивностями, близкими к средней интенсивности двух падающих лучей 164 и 179. Поэтому, три луча 164, 179 и 178 обмениваются энергией во время этого процесса и их интенсивности теперь ближе к средней интенсивности. Лучи 164 и 178 не обмениваются энергией непосредственно, но обмениваются косвенно, через два отдельных взаимодействия с лучом 179 в точках 170 и 171.
d
Оптимальное смешивание будет достигнуто, если отражения Френеля от плоскости 168 стыка близко к 50%. Поскольку, однако, отражение Френеля очень зависит от угла падения, невозможно подобрать оптимальный клей, имеющий коэффициент преломления, обеспечивающий, отражение Френеля, близкое к 50% для всего поля зрения связанного изображения, и, поскольку каналированные лучи пересекаются с плоскостью стыка не один раз, а, скорее, несколько раз, возможно найти средство смешивания, которое будет приемлемо даже для Френелевских отражений, сильно отличающихся от оптимальной величины 50%. Реализация плоскости 167 стыка смешивания лучей, используемой в вариантах выполнения, представленных на фиг. 16Б-16В, показана здесь для оптической системы, имеющей те же параметры, что приведены в уравнении 42, где оптическим клеем, используемым для склеивания подложки 64 с плоской пластиной 167, является клей NTT-E3341, имеющий коэффициент преломления n=1,43.
(1)
(2)
На фиг. 17 представлен график зависимости отражения от плоскости 167 стыка от угла падения на длине волны 550 нм (для других длин волн в области чувствительности глаза имеются аналогичные кривые) для всего поля зрения первого порядка F={45°, 55°}. Видно, что отражение составляет 100% для углового спектра более 53° в результате полного внутреннего отражения и, следовательно, для этих углов достигается эффект смешивания. Для полного поля зрения второго порядка F={69°, 79°}, все световые волны полностью отражаются внутри от плоскости 168 стыка и никакого эффекта смешивания для этого порядка не возникает. Как было показано выше, проблема неоднородности для лучей с такими углами в основном пренебрежимо мала. Для другого интервала спектра в углах  отражение составляет от 20% до 80%, и может быть достигнуто хорошее смешивание. Кроме того, показанное здесь устройство, не ограничено только использованием одной плоской пластины. Могут быть оптически прикреплены к одной или обеим главным поверхностям две или более плоских пластины, имеющие разную толщину и коэффициенты преломления, с использованием различных оптических клеев. В любом случае, точные параметры прозрачных пластин и клеев могут быть использованы в соответствии с различными требованиями системы.
В варианте выполнения 109, показанном на фиг 11А-11Г, предполагалось, что расщепитель 114а луча поровну делит каждый падающий луч на два луча, имеющие примерно одинаковую яркость, которые введены внутрь подложек 110а и 110b с использованием полного внутреннего отражения. В результате, расщепитель 114а луча не чувствителен к углу падения входной световой волны и, кроме того, выходная яркость уменьшена примерно на 50%. Фиг. 18А-18В иллюстрируют модифицированную версию устройства 109, в которой входной расщепитель 183 луча обладает зависимостью от угла падения входных световых волн и, благодаря эффективности оптической системы, имеет значительно улучшенные характеристики, а яркость выводимого изображения, в основном, сохраняется как у входного изображения. Для достижения такого результата, был использован тот факт, что световые волны, которые выводятся из подложки, не должны освещать всю активную поверхность вывода, как это было в вариантах выполнения, показанных на фиг. 11А-11Г.
sur1
min
max
(0)
Как показано на фиг. 19, где представлены лучи, которые должны падать на поверхность 79 для освещения выходного зрачка 197, две крайние и центральная световые волны изображения выводятся из подложки и направляются обратно в глаз 24 наблюдателя. Как показано на чертеже, световые волны 107R, 107М и 107L, имеющие углы  и  относительно оси нулевого порядка, освещают только части 67R, 67М и 67L отражающей поверхности 67 вывода, соответственно, и отражаются поверхностью 79 в выходной зрачок 197. В результате, можно найти способ, где введенные световые волны расщепляются так, что они будут освещать только требуемые соответствующие части поверхности 67, и исходная яркость будет сохранена. Для достижения этого, угловой диапазон световых волн F≡{α,α}, которые падают на входную поверхность 183 (фиг. 18А), делится на три существенно равных сегмента: ,  и . Задача данного варианта выполнения состоит в том, чтобы световые волны, имеющие более высокие углы падения в поле зрения (FOV) , были выведены из верхней подложки 110а обеими частями выводящего элемента 190а и 190b; световые волны, имеющие меньшие углы падения в FOV , были выведены из нижней подложки 110b обеими частями выводящего элемента 190с и 190d, а световые волны в FOV  были выведены из верхней подложки 110а нижним выводящим элементом 190а и из нижней подложки 110b верхним выводящим элементом 190с.
Для достижения этого, поверхность 183 должна отражать практически все световые волны в  так, чтобы они вводились в верхнюю подожку 110а и в основном передавали все световые волны в  так, чтобы они вводились отражающей поверхность 114 в нижнюю подложку 110b. Кроме того, часть световых волн в  должна быть отражена поверхностью 183 так, чтобы они были каналированы внутри верхней подложки 110а, но выводились только нижней частью выводящего элемента 190b, а часть световых волн в  должна проходить через поверхность 183 так, чтобы они были каналированы внутри нижней подложки 110b, но выводились только верхней частью выводящего элемента 190с. Как показано на фиг. 4А и 4Б, световые волны, которые распространяются внутри подложки с углом первого порядка относительно оси, выводятся из подложки верхней частью выводящего элемента 67, в то время как световые волны, распространяющиеся внутри подложки с углом второго порядка относительно оси, выводятся из подложки нижней частью выводящего элемента 67. Поэтому, для выполнения требований по введению световых волн в сегменте , необходимо световые волны в этом поле зрения вводить внутрь верхней подложки 110а во втором порядке углов относительно оси, а, значит, выводить нижней частью 190b и, кроме того, вводить внутрь нижней подложки 110b в первом порядке углов относительно оси, а, значит, выводить верхней частью 190с.
Следовательно, чувствительная к углу отражающая поверхность 183 должна обладать следующими тремя характеристиками во всем диапазоне дневного зрения:
m2
max
а) практически полное отражение для углового интервала {α,α};
min
m1
б) высокая прозрачность для углового интервала {α,α}; и
m1
m2
m1
m2
в) практически полное отражение для углового интервала {α,α} в верхней части 183а (фиг. 18В) поверхности 183 и высокая прозрачность в угловом интервале {α,α) в нижней части 183b (фиг. 18В) поверхности 183.
m1
m2
Эти требования можно выполнить путем нанесения на поверхности 183а и 183 диэлектрических покрытий, чувствительных к углу, но процесс нанесения таких покрытий может быть достаточно сложным. Более простым способом является приклеивание поверхностей 183а и 183b к неактивной части 177 устройства 109, используя оптические клеи, имеющие надлежащие коэффициенты преломления, которые обеспечивают получение критических углов α, и α, соответственно. Высокая прозрачность для углов более низких, чем соответствующие критические углы, может быть достигнута использованием надлежащих антиотражающих покрытий.
На фиг. 18А показаны два луча 184а и 184b от одной плоской входной волны, имеющей углы , которая падает на нижнюю и верхнюю части поверхности 183, соответственно. В результате условия (б), приведенного выше, лучи проходят через поверхность 183 и вводятся в нижнюю подложу 110b посредством отражающей поверхности 114, имея углы первого и второго порядка относительно оси, соответственно. В результате, лучи выводятся из подложки отражающими поверхностями 190с и 190d, соответственно. На фиг. 18Б показаны два луча 185а и 185b из одной плоской входной волны, имеющей углы падения , которая падает на нижнюю и верхнюю части поверхности 183, соответственно. В результате условия (а), приведенного выше, лучи отражаются от поверхности 183 и вводятся в верхнюю подложку 110а, имея углы первого и второго порядка относительно оси, соответственно. В результате, лучи выводятся из подложки отражающими поверхностями 190с и 190d, соответственно. На фиг. 18В показаны два луча 186а и 186b из одной плоской входной волны, имеющей углы падения , которые падают на поверхности 183b и 183а, соответственно. В результате условия (в), приведенного выше, луч 186b отражается от поверхности 183а и вводится в верхнюю подложку 110а, имея угол второго порядка относительно оси. В результате, луч выводится из подложки нижней отражающей поверхностью 190b. Кроме того, луч 186а проходит через поверхность 183b и вводится в нижнюю подложку 110b отражающей поверхностью 114, имея угол первого порядка относительно оси. В результате, луч выводится из подложки верхними отражающими поверхностями 190с, как и требуется.
Обычно бывает трудно приклеить поверхность 183 к неактивной части 177 так, чтобы две части 183а и 183b были приклеены к части 177 двумя различными клеями, без каких-либо перекрестных влияний между частями. Как показано на фиг. 18В, возможным способом преодоления этой проблемы является создание подложки 110а из двух пластинок 110аа и 110ab, скрепленных друг с другом по плоскости 198 стыка. В процессе изготовления верхней подложки 110а в виде комбинации 119аа и 110ab, должны быть решены три критических проблемы. Во-первых, для того, чтобы предотвратить каналирование световых волн второго порядка в верхней пластинке 110аа за счет полного внутреннего отражения от поверхности 189, важно, чтобы оптический клей, используемый для оптического прикрепления пластинок 110аа и 110abb, имел коэффициент преломления, близкий к коэффициенту преломления пластинок. Кроме того, для предотвращения искажения выводимого изображения, поверхности 183а и 183b ввода и поверхности 190а и 190b вывода должны быть строго коллинеарны, соответственно. Кроме того, поскольку будет трудно полностью предотвратить остаточные Френелевские отражения каналируемых световых волн, особенно с углами второго порядка относительно оси, плоскость 189 стыка должна быть параллельна главным поверхностям 111а и 112а подложки 110а.
m1
m2
Альтернативный вариант выполнения для осуществления требуемого расщепителя луча, обладающего угловой зависимостью, представлен на фиг. 20А-20В. Как показано на чертеже, все оптическое устройство 199 выполнено из четырех разных подложек 191а, 191b, 191с и 191d, которые соединены друг с другом оптическим клеем с образованием трех плоскостей 193а, 193b и 193с стыка, соответственно. Другое отличие от варианта выполнения, представленного на фиг. 18А-18В состоит в том, что здесь расщепители 183а и 183b луча поменялись местами, например, поверхности 183а и 183b приклеены к неактивной части 177 элемента 199 с использованием оптических клеев, имеющих надлежащие коэффициенты преломления так, чтобы теперь обеспечивать критические углы α и α на поверхностях 183b и 183а, соответственно.
На фиг. 20А показаны два луча 184а и 184b, образованные из одной плоской входной волны, имеющей углы падения , и падающие на поверхности 183b и 183а, соответственно. Также как и раньше, лучи проходят через поверхности и вводятся в подложки 191d и 191с посредством отражающих плоскостей 195b и 195а, соответственно. Хотя лучи, изображенные на чертежах, имеют углы относительно оси только первого порядка, ясно, что входные световые волны освещают полные области поверхностей 195а и 195b и, следовательно, заполняют целиком углы первого и второго порядка относительно оси, освещая, в результате, целиком активные площади поверхностей 190с и 190d, которые выводят их из подложек.
На фиг. 20Б показаны два луча 185а и 185b, образованные из одной плоской входной волны, имеющей углы падения , и падающие на поверхности 183b и 183а, соответственно. Также как и раньше, лучи отражаются от поверхностей и вводятся в подложки 191b и 191а, соответственно. Как было показано выше, входные световые волны освещают целиком площадь поверхностей 183а и 183b и, следовательно, заполняют целиком углы первого и второго порядка относительно оси, освещая, в результате, целиком активные площади поверхностей 190а и 190b, которые выводят их из подложек.
На фиг. 20В показаны два луча 186а и 186b, образованные из одной плоской входной волны, имеющей углы падения , и падающие на поверхности 183b и 183а, соответственно. Поскольку произошла взаимная передача функции расщепления света между поверхностями 183а и 183b, луч 186а теперь отражается от поверхности 183b и вводится в подложку 191b, и выводится отражающей поверхностью 190b. Кроме того, луч 186b теперь проходит через поверхность 183а и вводится в подложку 191с отражающей поверхности 195а, и, следовательно, выводится из подложки отражающей поверхностью 190с, как и требовалось.
Поскольку каждая из четырех подложек 191i (i=a, b, c, d) действуют независимо, больше не существует каких-либо ограничений на колинеарность каждых смежных поверхностей ввода и вывода, как это было ранее, согласно вариантам выполнения, представленным на фиг. 18А-18В. Единственное ограничение состоит в том, для каждой отдельной подложки 191i главные поверхности и поверхности ввода и поверхности вывода должны быть параллельны друг другу, соответственно. Более того, каждая отдельная подложка может иметь свою, отличающуюся толщину и другой угол наклона, согласующийся с требованиями оптической системы.
Реализация отражающих поверхностей 183а и 183b, использованных в вариантах выполнения на фиг. 18А-18В, показано здесь для оптической системы, имеющей следующие параметры подложки 110а на фиг. 18А-18В и подложек 191а и 191b на фиг. 20А-20В:
и следующие параметры для подложки 110b на фиг. 18А-18В и подложек 191с и 191d на фиг. 20А-20В:
(44)
d
d
d
(0)
Световые волны имеют s-поляризацию. Оптическим материалом подложки 64 является стекло Schott N-SF57 с показателем преломления n=1,846, а оптическими клеями, прилегающими к поверхностям 183а и 183b на фиг. 18А-18В (или поверхностям 183b и 183а на фиг. 20А-20В), являются клеи NTT-E3337 и NOA 1315, имеющие коэффициент преломления n=1,315 и n=1,42, соответственно. Общее поле зрения введенного изображения составляет F={30°, 46°} (что практически составляет FOV 30° в воздухе), а угловой интервал  разделен на три примерно равных сегмента: ,  и . На фиг. 21А представлен график зависимости отражения от отражающей поверхности 183а на фиг. 18В (или поверхности 183b на фиг. 20В), покрытой подходящим антиотражающим диэлектрическим покрытием, от угла падения для трех разных длин волн: 450 нм, 550 нм и 650 нм. Видно, что отражение составляет 100%, за счет полного внутреннего отражения, для углового спектра свыше 45,6°, в то время как для углов {39°, 44,5°} падения отражение очень мало. На фиг. 21Б представлен график зависимости отражения от отражающей поверхности 183b на фиг. 18В (или поверхности 183а на фиг. 20В), покрытой подходящим антиотражающим покрытием, от угла падения для трех разных длин волн: 450 нм, 550 нм и 650 нм. Видно, что отражение составляет 100%, за счет полного внутреннего отражения, для углового спектра свыше 50,7°, в то время как для углов {39°, 50°} падения отражение очень мало.
На фиг. 22 показаны две крайних и центральная световые волны изображения, которые выведены из подложки и направлены в глаз 24 наблюдателя. Видно, что световые волны 185, 186 и 184, имеющие углы ,  и  нулевого порядка относительно оси, каждая освещают только отражающие поверхности 190a-190b, 190b-190с и 190c-190d, соответственно, и отражаются поверхностью 79 в выходной зрачок 197. Протяженность выходного зрачка 197 определяется двумя крайними лучами 185R и 184L, которые отражаются от двух краев полной выводящей апертуры элемента 199, и вообще не зависит от лучей 185R и 184L, которые "сдвинуты" к центру выводящей апертуры в результате новой схемы построения. Следовательно, выходной зрачок 197 варианта выполнения, представленного на фиг. 18А-18В и 20А-20В, имеет столь же большую апертуру, что и выходной зрвчок варианта выполнения, показанного на фиг 11А-11В, при том, что выходная яркость удвоена.
sur1
min
max
j
1
min
1
2
1
2
j
j-1
j
2n-1
2n-2
max
j
1
2
j
На фиг. 20А, 20Б и 20В иллюстрируются основные принципы вариантов выполнения, содержащих две пары подложек, в которых выходная апертура увеличена вдвое без снижения яркости проецируемого изображения. Существуют системы, однако, имеющие большой выходной зрачок и удаленную от него входную апертуру, в которых существенно увеличена требуемая входная апертура главной подложки. В этих случаях, увеличение апертуры вдвое недостаточно и требуется дальнейшее увеличение. Для решения этой задачи, описанный выше способ увеличения может быть обобщен для получения коэффициентов увеличения n>2. Приняв, что требуется увеличение апертуры изображения с коэффициентом увеличения, равным n, следует скрепить друг с другом n пар прозрачных подложек, где для каждой пары поверхностей ввода, а также поверхностей вывода, поверхности будут прилегать друг к другу так, как, например, поверхности 183а и 183b, и 190а и 190b (фиг. 20А), соответственно, кроме того, все поверхности вывода должны располагаться, прилегая друг к друг, как поверхности 190i в варианте 199 выполнения. Угловой интервал световых волн, падающих на входную поверхность верхней пары F≡{α, α}, разделен теперь на 2n-1 практически равных сегментов птем определения 2n-2 разделенных равными угловыми промежутками α. Другими словами, F≡{α, α}, F≡{α, α) … F≡{α, α) и F≡{α, α}. Принимая обозначение подложек как S, где j является текущим индексом от низа (j=1) до верха (j=2n), получаем, что вводящими элементами подложек S и S от нижней пары являются обычными отражающими поверхностями. Всеми другими 2n-2 вводящими элементами являются частично отражающие поверхности, обладающие угловой зависимостью, выполняющие, для каждой подложки S, (j>2), следующие условия для всего интервала длин волн дневного зрения:
а. в основном полное отражение для углового интервала  и
б. в основном полная прозрачность для углового интервала
j
j-2
j
j-2
j-2
Другими словами, вводящий элемент подложки S должен отражать все падающие световые волны, имеющие угол падения больше предельного угла α, чтобы вводить эти световые волны внутрь подложки S, и практически передавать все другие световые волны к входной апертуре подложки S. Как было показано выше, простейшим способом выполнения этих требований является склеивание каждой соответствующей поверхности ввода со смежной неактивной частью данного варианта выполнения, используя оптические клеи, имеющие надлежащие коэффициенты преломления, обеспечивающие критические углы α. Как было описано ранее, высокая прозрачность для углов падения ниже соответствующих критических углов, может быть достигнута при использовании надлежащих антиотражающих покрытий.
Описанные выше варианты выполнения, содержащие n пар прозрачных подложек, будут обладать следующими характеристиками:
j-2
j
min
max
0
2n-1
1
2n
0
1
2n-2
2n-1
а. кроме нижней и верхней подложек, световые волны, введенные внутрь каждой подложки Sj (j=2…2n-1), находятся внутри углового интервала {α, α} (здесь углы α и α обозначены как α и α, соответственно). Световыми волнами, введенными в подложки S и S, являются волны в угловых интервалах {α, α} и {α, α), соответственно.
sur1
min
max
j-1
s
j
j
j+1
j
i+1
б. каждая световая волна (внутри углового интервала световых волн, которые надают на входную поверхность верхней пары F={α, α}), имеющая угол падения α<α<α(j=1…2n), вводится внутрь двух смежных подложек - S и S и, следовательно, выводится из этого варианта выполнения соответствующим выводящим элементом 190 и 190. Поэтому, каждая световая волна, которая введена внутрь этого варианта выполнения с использованием полного внутреннего отражения, выводится 1/n частью полного выводящего элемента. В надлежащей конструкции, однако, в основном все связанные световые волны будут покрывать заданный выходной зрачок системы.
Во всех вариантах выполнения, показанных на фиг. 11-20, одним из последствий расширения выходной апертуры является то, что толщина оптического модуля также соответственно увеличивается. Существуют, однако, применения, где требуется большая выходная апертура, при минимальной, насколько это возможно, толщине подложки. На фиг. 23А представлен вариант выполнения, в котором выходная апертура расширена без увеличения толщины подложки. Видно, что частично отражающая поверхность 198, обладающая угловой зависимостью, встроена внутрь подложки 200. Поверхность 198 параллельна поверхности 65 ввода и поверхности 67 вывода. Угол наклона поверхности 198 относительно главных поверхностей подложки 200 составляет:
Для полного поля зрения изображения, распространяющегося внутри подложки 200, поверхность 198 обладает практически равномерным частичным отражением, т.е., она равномерно отражает и пропускает введенные световые волны, имеющие угол падения
и полностью отражает световые волны с углом падения
Кроме того, поверхность в основном прозрачна для световых волн, которые выводятся из подложки и направляются в глаз наблюдателя, а также для световых волн от внешней сцены.
Как показано на фиг. 23А, луч 202 вводится в подложку 200 после одного отражения от поверхности 65 и, затем, распространяется внутри подложки 200 с углом  первого порядка относительно оси. После нескольких отражений от основных поверхностей подложки 200, луч 202 падает на поверхность 198 в точке 206а. Поскольку луч падает на эту поверхность с левой стороны, он ведет себя по аналогии с лучами, падающими на поверхность 67, и, таким образом, для вычисления угла падения луча 202 в точке 206а должно быть использовано уравнение (16), а именно:
В результате, удовлетворяется уравнение (46), и луч 202 в основном пополам расщепляется поверхностью 198, а именно, примерно половина интенсивности светового луча 202 отражается от поверхности 198 в виде луча 202а с углом  относительно оси и, значит, выводится из подложки 200 через нижнюю поверхность 72. Другая половина интенсивности светового луча 202 проходит через поверхность 198 в виде луча 202b и продолжает распространяться внутри подложки 200 с тем же углом  относительно оси. После одного отражения от верхней главной поверхности 70, луч 202b снова падает на поверхность 198 в точке 206b. Теперь луч падает на поверхность с правой стороны, и ведет себя аналогично лучу, падающему на поверхность 65, и, значит, для расчета угла падения луча 202b в точке 206b должно быть использовано уравнение (15), поэтому
В результате, выполняется условие уравнения (47), и луч 202b полностью отражается от поверхности 198 и продолжает распространяться внутри подложки 200 с углом относительно оси, равным
В частности, луч 202b распространяется внутри подложки 200, под углом  второго порядка относительно оси. После двух отражений от поверхности 67 ввода, луч 202b выводится из подложки 200, имея тот же угол  что и луч 202а.
Как также показано на фиг. 23А, другой луч 204 вводится в подложку 200 после двух отражений от поверхности 65 и, следовательно, распространяется внутри подложки под углом  второго порядка относительно оси. После нескольких отражений от главных поверхностей подложки 64, луч 204 падает на поверхность 198 в точке 207а. Поскольку луч падает на поверхность с левой стороны и ведет себя по аналогии с лучами, падающими на поверхность 67, для расчета угла падения луча 204 в точке 207а должно использоваться уравнение (16). Таким образом,
В результате, выполняется условие уравнения (47) и луч 204 полностью отражается от поверхности 198 и продолжает распространяться внутри подложки 200 с углом относительно оси, равным
В частности, луч 204 распространяется внутри подложки 200 с углом  первого порядка относительно оси. После одного отражения от нижней главной поверхности 72 подложки 200, луч 204 падает опять на поверхность 198 в точке 207b. По аналогии с поведением луча 202 в точке 206а, луч 204 практически поровну расщепляется поверхностью 198. Примерно половина интенсивности светового луча 204 отражается от поверхности 198 в виде луча 204а с углом  относительно оси и, таким образом, выводится из подложки 200 через нижнюю поверхность 70. Другая половина интенсивности светового луча 204 проходит через поверхность 198 в виде луча 204b и продолжает распространяться внутри подложки 200, имея тот же угол  относительно оси. После одного отражения от поверхности 67 вывода, луч 204а выводится из подложки 200, имея тот же угол  относительно оси, что и лучи 202а, 202b и 204а. В итоге, выходная апертура подложки 200 представляет собой комбинацию поверхностей 198 и 67. В результате практическая активная площадь выходной апертуры подложки 200 была удвоена по сравнению активной площадью выходной апертуры подложки 200, показанной на фиг. 4, в то время как толщина подложки осталась прежней. С другой стороны, яркость световых волн, выведенных из подложки 200, была сокращена на 50% в сравнении с яркостью в случае подложки 64.
Расширенный вариант выполнения, представленный на фиг. 23А, не ограничен одной подложкой или только одной частично отражающей поверхностью. Также возможно использование оптических систем, составленных из нескольких различных подложек, или нескольких различных частично отражающих поверхностей, встроенных внутри единой подложки. На фиг. 23Б показана оптическая система 208, в которой скреплены друг с другом две разные подложки 210а и 210b. Две частично отражающие поверхности 212а и 212b, имеющие такие же оптические характеристики, что и поверхность 198 на фиг. 23А, встроены внутрь подложек 210а и 210b, соответственно. Входной луч 214 расщепляется светоделительной поверхностью 216 на две части: луч 214а, который введен поверхностью 216 в подложку 210а, и луч 214b, который проходит через поверхность 216 и введен поверхностью 218 в подложку 210b. Связанные лучи 214а и 214b расщепляются поверхностями 212а и 21b, соответственно. Лучи 214аа и 214ba отражаются этими поверхностями и выводятся из подложки, в то время как лучи 214ab и 214bb проходят через эти поверхности и выводятся из подложки отражающими поверхностями 220а и 220b, соответственно. В результате, выходная апертура системы 208 составлена из четырех поверхностей: 212а, 212b, 220а и 220b, и активная площадь этой апертуры расширена соответственно. Как показано, в варианте 208 выполнения, поверхности 212b и 220b вывода нижней подложки 210b частично могут блокировать, при необходимости, неактивные части поверхностей 212а и 220а, соответственно.
В вариантах выполнения, показанных на фиг. 23А и 23Б, предполагалось, что частично отражающие поверхности, встроенные в подложки, поровну делят интенсивности падающих световых волн, а именно, отражение (и, значит, пропускание) поверхности составляет 50% во всем угловом спектре связанного изображения. Следует, однако, заметить, что в силу тех же доводов, рассмотренных в связи с фиг. 19 и 22, что световые волны, имеющие углы относительно оси в верхней части углового спектра изображения, по большей части выводятся в выходной зрачок частично отражающей поверхностью 198, световые волны с углами относительно оси в нижней части углового спектра изображения, по большей части выводятся в выходной зрачок отражающей поверхностью 67. В результате, будет предпочтительно использовать частично отражающее покрытие на частично отражающей поверхности, отражение которого больше и меньше 50% для верхней и нижней областей углового спектра, соответственно. В этом случае, поскольку яркость световых волн в верхней и нижней областях спектра зависит от отражения и пропускания частично отражающей поверхности 198, соответственно, она будет выше 50% для этих областей. С другой стороны, для световых волн в центральной области углового спектра, которая поровну выводится в выходной зрачок частично отражающей поверхностью 198 и отражающей поверхностью 67, отражение и, соответственно, яркость, будет составлять примерно 50%, что несколько ниже яркости на краях изображения. Для большей части дисплеев с задней и фронтальной подсветкой, например, ЖК-дисплеев или отражающих ЖК-панелей, подсветка, а значит, и яркость дисплея-источника, обычно выше в центре дисплея. В результате, неоднородность отражения частично отражающей поверхности может скомпенсировать неоднородность подсветки и, при этом, улучшить общую яркость выводимого изображения.
Альтернативный вариант 255 выполнения, в котором выходная апертура расширена без увеличения толщины подложки и без необходимости использования специального частично отражающего покрытия, как это необходимо для поверхности 198, представлен на фиг. 23В. Как показано на чертеже, внутрь подложки 258 встроена отражающая поверхность 256. Поверхность 256 имеет те же характеристики отражения, что и поверхность 67, и параллельна поверхности 65 ввода и поверхности 67 вывода. Угол наклона поверхности 256 относительно главных поверхностей подложки 258 составляет:
Как показано на фиг. 23В, луч 260 введен в подложку 258 после одного отражения от поверхности 65 и, следовательно, распространяется внутри подложки 258, имея угол  первого порядка относительно оси. После нескольких отражений от главных поверхностей подложки 258 луч 260 падает на поверхность 256. Поскольку луч падает на поверхность с правой стороны, он ведет себя так же, как лучи, падающие на поверхность 67 и, значит, он выводится из подложки 258 с углом  относительно оси, после чего отражается (или частично отражается в применениях, обеспечивающих сквозное видение) в глаз наблюдателя, по аналогии с тем, что показано на фиг. 5А-5В. Здесь, однако, не происходит беспрепятственного распространения отраженного луча в глаз наблюдателя, как это было в вариантах выполнения, показанных на фиг. 5А-5В. Вместо этого, отраженный луч падает на частично отражающую поверхность 264а, параллельную поверхности 79а, и вводится в плоскую призму 267, прикрепленную к верхней поверхности 70 подложки 268 по аналогии с тем, как призма 80 прикреплена к нижней поверхности 72 подложки. Таким образом, одним способом достижения поставленной выше задачи является использование воздушного зазора в плоскости 268 стыка между призмой 267 и подложкой 258, в то время как другим способом получения жесткой системы является нанесение в плоскости 268 стыка оптического клея с подходящим коэффициентом преломления, для склеивания призмы 268 с подложкой 258. Часть интенсивности светового луча 260, падающего на поверхность 264а, проходит через поверхность в виде луча 260а и продолжает распространяться в направлении глаза наблюдателя. Поскольку поверхности 79а и 264а параллельны, другая часть интенсивности светового луча 260 отражается от поверхности 264а в виде луча 260b с углом  относительно оси, и снова падает на поверхность 256. Луч падает на поверхность с левой стороны и ведет себя аналогично лучу, падающему на поверхность 65 и, далее, после двух отражений от поверхности 256, он распространяется внутри подложки 258 с углом  второго порядка относительно оси. После двух отражений от поверхности 67 вывода, луч 260b выводится из подложки 258, имея прежний угол  относительно оси, и отражается от поверхности 79d, параллельной поверхности 79а, в глаз наблюдателя, с тем же направлением, что и луч 260а.
Как также показано на фиг. 23В, другой луч 262 вводится в подложку 258 после двух отражений от поверхности 65 и распространяется внутри подложки с углом  второго порядка относительно оси. После нескольких отражений от главных поверхностей подложки 258, луч 262 падает на поверхность 256. Луч падает на поверхность с правой стороны и ведет себя по аналогии с лучами, падающими на поверхность 67, и далее, выводится из подложки 258 с углом  относительно оси, после чего отражается поверхностью 79b (или частично отражается в применениях, обеспечивающих сквозное видение), параллельной поверхности 79а, в глаз наблюдателя, по аналогии с лучом 260. Отраженный луч падает на частично отражающую поверхность 264b, параллельную поверхности 79b и 264а, и вводится внутрь призмы 267. Часть интенсивности светового луча 262, падающего на поверхность 264b, проходит через поверхность в виде луча 262а и продолжает распространяться в направлении глаза наблюдателя. Поскольку поверхности 79b и 264b параллельны, другая часть интенсивности светового луча 260 отражается от поверхности 264b в виде луча 262b с углом  относительно оси и падает снова на поверхность 256. Луч падает на поверхность с левой стороны и ведет себя по аналогии с лучом, падающим на поверхность 65 и, далее, после одного отражения от поверхности 256 он распространяется внутри подложки 258 с углом  первого порядка относительно оси. После одного отражения от поверхности 67 вывода, луч 262b выводится из подложки 258 с тем же углом  относительно оси и отражается от поверхности 79с, параллельной поверхности 79b, в глаз наблюдателя, с тем же направлением, что и луч 260а. Таким образом, все четыре луча - 260а, 260b, 262а и 262b, которые исходят из одной точки на дисплее-источнике, достигают глаза наблюдателя, имея одинаковое направление распространения.
В результате, выходная апертура подложки 258 представляет собой комбинацию поверхностей 256 и 67. Следовательно, практическая активная площадь выходной апертуры подложки 258 была удвоена по сравнению с активной площадью выходной апертуры подложки 64, показанной на фиг. 4, в то время как толщина подложки осталась прежней. С другой стороны, яркость световых волн, выходящих из подложки 258, была уменьшена по сравнению с яркостью волн из подложки 64. Существуют средства, однако, улучшить яркость выводимых световых волн. Для вариантов выполнения, в которых световые волны, введенные внутрь подложки, линейно поляризованы, например, систем, где дисплеем-источником являются ЖК-дисплей или отражающая ЖК-панель, частично отражающие поверхности 79i, а также 264i (i=a,b,…), могут быть выполнены как поляризационно-чувствительные отражающие поверхности. Эти поверхности отражают (или частично отражают) одну поляризацию (предпочтительно, s-поляризацию) и практически прозрачны для ортогональной поляризации (предпочтительно, р-поляризации). В таком случае, может быть достигнуто пропускание внешней сцены для применений, обеспечивающих сквозное видение), поскольку весь элемент 255 теперь в основном прозрачен для одной поляризации (ортогональной к поляризации световых волн, введенных внутрь подложки). В то время как отражающие поверхности 79i могут полностью отражать волны соответствующей поляризации (той же, что и поляризация световых волн, введенных в подложку), поверхности 254i должны частично отражать эту поляризацию, причем конкретный коэффициент отражения поверхностей может быть определен в соответствии с числом отражающих поверхностей 264i в системе. Для варианта выполнения, показанного на фиг. 23В, в котором две отражающие поверхности 256 и 67 встроены внутрь подложки 258, коэффициент отражения 0,5 может обеспечить полную эффективность по яркости 50% для световых волн, введенных внутрь подложки, и пропускание 50% для внешней сцены.
Вариант выполнения с расширением выходной апертуры посредством встраивания отражающей поверхности 256 в подложку 258, как показано на фиг. 23В, не сводится к одной отражающей поверхности. Для увеличения выходной апертуры подложки в n+1 раз, внутрь подложки может быть встроена решетка из n плоских отражающих поверхностей 256i (i=a, b, …), параллельных выходной отражающей поверхности 67. В результате, должно быть увеличено и число отражающих поверхностей 264i (i=a, b, …) для того, чтобы полностью покрыть выходную апертуру встроенных поверхностей 256i. Отражение и поперечная протяженность каждой отражающей поверхности 264i должны быть выбраны так, чтобы обеспечить однородность параметров световых волн, введенных в глаз наблюдателя.
Выполнение частично отражающей поверхности 198, встроенной в подложку 200, показанную на фиг. 23А, иллюстрируется ниже посредством оптической системой, имеющей следующие параметры:
d
d
cr
Световые волны имеют s-поляризацию. Оптическим материалом подложки 200 является стекло Schott N-SF57 с показателем преломления n=1,846, а оптическими клеями, прилегающими к поверхности 198, являются клеи NTT-АТ9390, имеющий коэффициент преломления n=1,49, следовательно, критический угол α=53,5°. Отражение поверхности 198 должно монотонно увеличиваться от 44% при  до
На фиг. 24 представлен график зависимости отражения от частично отражающей поверхности 198, покрытой соответствующим диэлектрическим покрытием, от угла падения для трех разных длин волн 450 нм, 550 нм и 650 нм. Как показано, отражение составляет 100%, за счет полного внутреннего отражения, для углового спектра {60°, 70°}. Кроме того, кривая отражения поднимается от 44% при 40° до 55% при 50°, и при этом проходит очень низко при углах падения менее 15°, что и требовалось.
На фиг. 5А-5Г представлены варианты выполнения, направляющие выводимые световые волны в глаз 24 наблюдателя, в которых световые волны отражаются обратно отражающей поверхностью 79 и проходят снова через подложку 64 в глаз наблюдателя. Альтернативная схема, в которой глаз наблюдателя располагается на другой стороне подложки, представлена на фиг. 25А-25В. Как показано на фиг. 25А, четыре луча, 222а, 222b, 222с и 222d, образованные из одной световой волны, вводятся в подложку 64 отражающей поверхностью 65, а затем выводятся поверхностью 67, имея угол  относительно оси. Выведенные световые лучи отражаются отражающей поверхностью 224, наклоненной под углом  относительно нижней главной поверхности 72 подложки, в глаз наблюдателя. Главным недостатком этого варианта выполнения является то, что велик продольный размер (вдоль оси у) отражающей поверхности 224, в результате чего оптическая система получается большой и громоздкой.
На фиг. 25Б показана альтернативная версия этого варианта выполнения, в которой после выходной апертуры подложки 64 располагается решетка параллельных отражающих (или, в альтернативном варианте, частично отражающих) поверхностей, имеющих тот же угол наклона, что и поверхность 224. Решетка 225 может быть встроена внутрь прозрачной призмы 226, имеющей, предпочтительно, коэффициент преломления, аналогичный коэффициенту преломления подложки 64. Теперь оптическая система может быть значительно более компактной, чем показанная на фиг. 25А, в зависимости от числа отражающих поверхностей в решетке 225 и толщины призмы 226. Видно, что отражающие поверхности, показанные на фиг. 25Б, располагаются рядом друг с другом, т.е., правая сторона каждой поверхности граничит с левой стороной проекции соседней поверхности. В предложенном варианте выполнения имеются отдельные проблемы. Как показано, луч 222b (пунктирная линия) отражается верхней частью поверхности 225а, которая (по крайней мере, частично) не позволяет продолжению луча 222b' (серая стрелка) достигнуть отражающей поверхности 225b в точке 227. В результате, часть поверхности 225b ниже точки 227 блокируется поверхностью 225а и фактически является неактивной (по меньшей мере, частично, в зависимости от коэффициента отражения поверхности 225а). Кроме того, представленная схема построения пригодна для центральных выведенных световых волн, но не для световых волн, имеющих более низкие углы относительно оси. Как показано, выведенный луч 228 (часть луча, еще связанная с подложкой, не показанная здесь), имеющий угол -0,5FOV относительно оси, блокируется нижней частью поверхности 225с.
На фиг. 25В показана модифицированная версия этого варианта выполнения, в которой нижние части отражающих поверхностей 225, содержащие неактивные части, обрезаны, а толщина призмы 226 соответственно уменьшена. Основной результат такой версии состоит в том, что отражающие поверхности 225 больше не примыкают друг к другу. Как показано, пересечение 230 выведенных световых волн с нижней поверхностью 232 призмы 226 имеет форму темных и светлых полос. Это существенно ухудшает рабочие характеристики дисплеев, расположенных на расстоянии от глаза, например, индикатора на лобовом стекле, где полосы будут хорошо заметны для глаз наблюдателя, и, поэтому, такой способ не может быть использован в таких применениях. В шлемофонных дисплеях, дисплеях-очках, глаз интегрирует световые волны, приходящие в одном угле зрения, и фокусирует их в одну точку на сетчатке, и, поскольку зависимость чувствительности глаза имеет логарифмический характер, небольшие вариации яркости дисплея, при их наличии, не будут заметны. Поэтому, если полосы расположены достаточно часто (т.е., поперечные размеры каждой полосы значительно меньше зрачка глаза), и если глаз расположен достаточно близко к подложке, наблюдатель может еще воспринимать высококачественное изображение даже и при наличии полос. Более того, активная площадь отражающих поверхностей 225 может быть еще урезана для снижения коэффициента заполнения освещенных областей на поверхности 232. В то время как проекция 230 отражающих поверхностей 225 на поверхность 232 является областями, через которые к глазу наблюдателя проходят выводимые световые волны проецируемого изображения, другие, не освещенные области 234, являются "щелями", через которые могут пройти световые волны к глазу в применениях, обеспечивающих сквозное видение. В результате, имеется возможность регулировать соотношение между яркостью проецируемого изображения и яркостью внешней сцены, посредством выбора надлежащего коэффициента заполнения проецируемых областей 230, соответственно. Кроме того, коэффициент отражения отражающих поверхностей 225 может быть достигнут посредством нанесения на поверхности оптического клея, коэффициент преломления которого ниже, чем у призмы 226, так, что косые углы падения выводимых световых волн на отражающие поверхности 225 будут превышать критический угол, обеспечивая полное внутреннее отражение световых волн от поверхностей. Вариант выполнения с "урезанной решеткой", показанный на фиг. 25В, отклоняющий выводимые волны в глаз наблюдателя, также может быть применен в вариантах выполнения, показанных на фиг. 5В. Это означает, что отражающие поверхности 79i (i=a, b …) больше не будут прилегать друг к другу, и соотношение между яркостью проецированного изображения и яркостью внешней сцены будет определяться надлежащим коэффициентом заполнения отражающих поверхностей 79i в призме 80, а также заданием коэффициента отражения поверхностей 79i. Кроме того, вариант выполнения с "урезанной решеткой" может быть также применим в варианте выполнения с поверхностями с многократным отражением, показанном на фиг. 23В. Другими словами, отражающие поверхности 264i (i=a, b …) не будут больше смежными друг с другом, а отношение между яркостью световых волн, проходящих через отражающие поверхности 264i для достижения глаза наблюдателя, и световых волн, которые отражаются этими поверхностями для введения обратно в подложку, будет определяться заданием надлежащего коэффициента заполнения отражающих плоскостей 264i в призме 267, а также заданием коэффициента отражения поверхностей 264i.
Вариант выполнения с изменением направления, показанный на фиг. 25Б и 25, в основном, применим для случаев, когда поверхности вывода являются полностью отражающими. Для вариантов выполнения, например, показанном на фиг. 23А и 23Б, где часть выводящих элементов являются частично отражающими поверхностями, следует следить за тем, чтобы световые волны от внешней сцены не проникали в частично отражающую поверхность 200, не отражались поверхностями в глаз наблюдателя и, следовательно, не создавали ложное изображение. Во всех вариантах выполнения, показанных выше, предполагалось, что световые волны с углами к оси только первого и второго порядков распространяются внутри подложки. Существуют, однако, системы, имеющие сравнительно небольшое поле зрения, где может быть использован даже и третий порядок. С учетом фиг. 5В и в предположении, что, например, оптическая система имеет следующие параметры:
d
d
(2)
(3)
(0)
(1)
(2)
(3)
где световые волны имеют s-поляризацию, оптическим материалом подложки является стекло Schott N-SF57 с показателем преломления n=1,846, а оптическим клеем, используемым для приклеивания подложки 64 к призме 80, является клей NTT-E3337 с коэффициентом преломления n=1,42, причем плоскость 83 стыка (фиг. 5Г) между подложкой 64 и призмой 80 перекрывает всю нижнюю главную поверхность 72, получим критический угол нижней поверхности  Границей между подложкой и коллимирующим элементом входных световых волн является воздушный зазор, и критический угол верхней поверхности поэтому составляет . Все оптические лучи в высших порядках F и F имеют углы относительно оси выше критических углов и поэтому они полностью отражаются от плоскости 83 стыка, а также от верхней поверхности 70. Кроме того, световые волны в первом порядке полностью отражаются от верхней поверхности 70 и, следовательно, они могут быть использованы для создания второго и третьего порядков в процессе ввода. С другой стороны, все оптические лучи в первом порядке падают на плоскость 83 стыка под углом падения ниже критического в данном случае, и, следовательно, они не могут распространяться внутри подложки за счет полного внутреннего отражения. Кроме того, во время процесса вывода световые волны, преобразованные в первый порядок отражением более высоких порядков от поверхности 67, проходят через плоскость 83 стыка и выводятся из подложки 64 как выходные световые волны посредством выводящего элемента 67. Входные световые волны существуют в нулевом порядке F выходные световые волны существуют в первом порядке F, в то время как световые волны внутри подложки распространяются в более высоких порядках F и F.
Следовательно, поскольку ширина фронта входных световых волн, требующаяся для создания высших порядков, значительно меньше, чем необходимо для выведения первого порядка, фактическая входная апертура системы будет существенно меньше выходной апертуры.
Как показано на фиг. 26, входной луч 250 падает на подложку 64 с углом . После трех отражений от поверхности 65 в точках 252а, 252b и 252с, этот луч вводится внутрь подложки и распространяется внутри нее, имея угол  третьего порядка относительно оси. После нескольких отражений от главных поверхностей подложки 64, луч 250 падает на поверхность 67. После двух отражений в точках 254а и 254b, он выводится из подложки 64 с углом  относительно оси. Световой луч 250 далее отражается от поверхности 79а в глаз 24 наблюдателя, в основном, нормально к главной поверхности подложки.
На фиг. 27а и 27b иллюстрируется способ изготовления прозрачных подложек. Во-первых, изготавливается набор призм 236 с требуемыми размерами. Эти призмы могут быть изготовлены из силикатного материала, например, Schott SF-57 с использованием обычной технологии шлифования и полирования, либо, иначе, они могут быть выполнены из полимера или материала, полученного зольгель технологией, с использованием инжекционного формования или литья. Затем на соответствующие поверхности этих призм наносятся необходимые оптические покрытия 237. Наконец, призмы склеиваются друг с другом для формирования заданной подложки 238. Для применений, где качество оптических поверхностей является критичным, в процесс изготовления может быть включена финальная операция полирования внешних поверхностей или по меньшей мере части из них.
На фиг. 28а-28д представлен другой способ изготовления прозрачных подложек. Несколько прозрачных плоских пластин 239, покрытых соответствующими оптическими покрытиями 240 на шаге (а) (при необходимости), склеивают с использованием соответствующих оптических клеев в форме 242 стопы, на шаге (б). Затем несколько сегментов 244 на шаге (в) тонкими слоями отделяются от стопы резанием, шлифованием и полированием, для создания требуемых подложек 246, на шаге (г). От каждого слоя 246 может быть отрезано несколько элементов 248, как показано на виде сверху, на шаге (д). На фиг. 27 и 28 проиллюстрированы способы изготовления подложек, имеющих только две отражающие поверхности. Для других применений, например, показанных на фиг. 12 или 23, где внутри подложек встроены отражающие поверхности, для изготовления нужно использовать большее число призм (фиг. 27), или плоских пластин (фиг. 28).
На фиг. 5-26 иллюстрируются различные элементы, которые могут быть введены в базовую конструкцию, показанную на фиг. 4А-4Б, включая: отклоняющие отражающие поверхности разных типов (фиг. 5 и 25); внешние корректирующие линзы (фиг. 8А-8В); блокирование неактивной части выводящих элементов (фиг. 9А-9В); специальная компенсационная конструкция (фиг. 9Г); объединение вместе нескольких подложек (фиг. 11, 18, 20 и 23Б); встраивание отражающей поверхности, обладающей угловой зависимостью, в подложку для сокращения входной апертуры (фиг. 12А-12Б) или для смешивания введенных световых волн (фиг. 12В-12Г); добавление различных вводящих элементов (фиг. 15А-15Б); приклеивание тонкой прозрачной пластины к одной (или более) из главных поверхностей подложки для смешивания введенных световых волн (фиг. 16Б-16В); использование поверхностей ввода, обладающих угловой зависимостью, для повышения яркости оптической системы (фиг. 18 и 20); встраивание частично отражающих поверхностей внутрь подложки или рядом с главными поверхностями подложки для увеличения выходной апертуры одинарной подложки (фиг. 23А-23В), и использование более двух порядков распространения связанных световых волн внутри подложки (фиг. 26). Наконец любая комбинация любого числа этих признаков может быть добавлена к базовому варианту выполнения, представленному на фиг. 4А-4Б, в соответствии с конкретными требованиями оптической системы.
Для специалистов в данной области будет очевидно, что изобретение не ограничивается приведенным выше подробным описанием показанных вариантов выполнения, и что настоящее изобретение может быть реализовано в других частных формах, без отступления от его существа и важнейших признаков. Настоящие варианты выполнения, поэтому, следует рассматривать во всех отношениях в иллюстративном, а не ограничивающем смысле, причем область притязаний изобретения определяется приложенной формулой, а не вышеприведенным описанием, а все изменения, попадающие под замысел и область эквивалентности формулы, в силу этого, считаются охватываемыми этой формулой.