基片导波的光学装置制造方法及图纸

本发明专利技术给出一种光学装置，包括至少有两个相互平行的主要表面（２６）的光传输基片（２０）和边缘；显示光源；通过内反射把来自光源的光耦合进基片（２０）的光学装置；和至少一个位于基片（２０）内与基片主要表面不平行的部分反射表面（２２），其中的源发射的光波位于给定视场中，该光波是准直的，该光学装置的角分辨率是确定的，且其中位于准直光波之一中的任何两条不同光线之间的角偏移，小于该角分辨率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及基片导波的光学装置，具体说，是涉及包括多个反射表面的装置，该多个表面由普通光传输基片承载，这种装置亦称光波导。本专利技术的实现，对成像的大量应用有利，诸如头戴显示器(head-mounted display，HMD)及平视显示器(head-up display，HUD)、蜂窝电话、小型显示器、3-D显示器、小型光束扩束器，和非成像应用，诸如平板指示器、小型发光器和扫描器。
技术介绍
小型光学单元的一个重要应用，是在HMD中的应用，其中的光学组件既用作成像透镜也用作组合器，在组合器中，把两维的显示成像在无穷远，然后反射进观察者的眼睛。显示可以直接从空间光调制器(SLM)，如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)、或扫描源及类似装置获得，也可以间接地，通过中继透镜或光纤束获得。显示包括的单元(象素)的阵列，通过准直透镜成像在无穷远，然后通过反射表面或部分反射表面的传输，送进观看者的眼睛，该反射表面或部分反射表面，充当非透视的和透视的相应应用的组合器。通常是把常规的、自由空间的光学组件用于这些目的。随着系统需要的视场(FOV)的增加，这类常规光学组件变得更大、更重、和块头更大，因此，即使是性能适中的装置，也不能实现。这是所有类型显示器的主要缺点，对头戴的应用尤甚，因为在头戴的应用中，系统必须尽可能轻盈和小型。为小型化而作的努力，已经得到一些不同复杂性的光学方案，所有这些方案，一方面，对实际的应用仍不够小型，另一方面，在可制作性上存在主要障碍。再有，从这些设计得到的光学视角的眼运动箱(eye-motion-box，EMB)一般都非常小—通常小于8mm。因此，即使光学系统相对于观看者小的运动，光学系统的性能仍非常敏感，且对一般地从该显示阅读文本，也不允许有足够的瞳孔运动。
技术实现思路
本专利技术使非常小型的光波导光学单元(light-guide opticalelement，LOE)的结构和制作变得容易，这种光波导光学单元，除其他应用外，尤其用于头戴显示器。本专利技术能与相对大的EMB值一起实现相对宽的FOV值。得到的光学系统给出大的高质量的像，该光学系统还适应眼睛大的运动。本专利技术给出的光学系统，因为它比现有技术方案显著地更小型，所以特别有利，而且它能容易地被哪怕有专门配置的光学系统所采用。本专利技术还能实现改进的HUD的结构。HUD已经普及，现在，它们不但在最现代的战斗机中，而且在民航机中起重要作用，在这些飞机中，HUD系统已成为低能见度着陆操作的关键部件。此外，近期对HUD在汽车中的应用已经有许多建议和设计，在该种应用中，它们可能在驾驶和导航任务上帮助驾驶员。然而，现有技术的HUD存在若干显著的缺点。所有目前设计的HUD，要求显示源必须偏移到离组合器颇大的距离上，以保证该源能照射整个组合器表面。结果是，组合器-投影器HUD系统必然是大块头和大的，需要可观的安装空间，使它不便于安装，有时用起来甚至不安全。常规HUD大的光学孔径，还提出特殊的光学设计难题，使HUD要么有折衷的性能，要么需要高性能但带来高的费用。高质量的全息HUD的色散，是值得特别关注的。本专利技术的一种重要应用，涉及它实现了小型的HUD，从而减轻了前述的缺点。在本专利技术的HUD设计中，组合器用能附于基片上的小型显示源照射。因此，整个系统非常小型并容易安装在各种配置内，便于广泛应用。此外，显示的色散可以忽略，由此能用宽光谱的源工作，包括常规的白光光源。还有，本专利技术把像扩大，使组合器的有效面积比光源的实际照射面积大得多。本专利技术再一个应用，是提供一种有宽FOV的小型显示器，供移动的、手持的例如蜂窝电话使用。今天的无线互联网接入市场，有足够的带宽可供完全视频的传输。限制因素仍然是终端用户装置中显示的质量。可移动性的要求，限制了显示器的物理大小，结果，直接显示的像的观看质量不良。本专利技术能实现有非常大的虚像但物理上非常小型的显示器。这是移动通信中关键的特征，特别是对移动互联网接入，解决了它实际实施方案的主要限制之一。因此，本专利技术能在小的手持装置，如蜂窝电话内，实现全部格式互联网页的数字内容的观看。因此，本专利技术的总的目标，是减轻现有技术小型显示器装置的缺点，和按照具体要求，提供有改进性能的其他光学部件及系统。为此，本专利技术提供一种光学装置，包括至少有两个相互平行的主要表面及边缘的光传输基片；通过内反射把位于视场中的光波耦合进所述基片的光学装置；和至少一个位于所述基片中与基片主要表面不平行的部分反射表面，特征是，所述源发射位于给定视场中的光波，所述光波是准直的，对所述光学装置定义角分辨率，其中，位于所述准直光波之一中的任何两条不同光线之间的角偏移，小于所述角分辨率。附图说明本专利技术将参照下面画出的图，结合一些优选实施例来说明，便于更完整的了解。对专门详细参照的图，应当强调，具体画出的图，是以举例方式并只为说明本专利技术优选实施例的目的，并且提供认为是最有用的内容和容易了解本专利技术原理及概念的说明。就此而言，除对本专利技术的基本理解必需之外，不试图更详尽表明本专利技术的结构细节。结合图所作的说明，作用是引导本领域熟练人员，了解本专利技术的若干种形式如何实际实施。附图有图1是现有技术折叠式光学装置的侧视图；图2是按照本专利技术的LOE实施例的侧视图； 图3A和3B画出本专利技术使用的选择性反射表面，在两种入射角范围上需要的反射率和透射率特征；图4对一种示例性二向色涂层，画出P偏振作为波长的函数的反射率曲线；图5对一种示例性二向色涂层，画出S偏振作为波长的函数的反射率曲线；图6对一种示例性二向色涂层，画出作为入射角的函数的反射率曲线；图7是按照本专利技术的反射表面的示意截面视图；图8是示意图，画出选择性反射表面示例性阵列的细部截面视图；图9是示意图，画出选择性反射表面另一个阵列的细部截面视图；图10对三种不同的视角，画出选择性反射表面示例性阵列的反射率的细部截面视图；图11对另外两种二向色涂层，画出作为入射角的函数的反射率曲线；图12是示意图，画出利用双LOE配置，沿两个轴扩展光束的方法；图13画出埋入标准眼镜架中的本专利技术示例性实施例；图14画出按照本专利技术的示例性HUD系统；图15画出本专利技术的一个示例性实施例，其中一负透镜粘贴在LOE的表面；和图16画出本专利技术的一个示例性实施例，其中一负透镜和一正透镜粘贴在LOE的表面。具体实施例方式图1画出常规折叠式光学装置的布局，其中的基片2被显示源4照射。该显示通过准直透镜6准直。来自显示源4的光，通过第一反射表面8，以主光线10平行于基片平面的方式，耦合进基片2。第二反射表面12把光耦合出基片，并进入观看者的眼睛14。这种配置的小型性暂且不论，它存在显著的缺点；具体说，能够施加影响的只有非常有限的FOV。如图1所示，在基片内最大允许的离轴角是αmax=arctan(T-deye2l),---(1)]]>这里T是基片厚度；deye是需要的出瞳直径；和l是反射表面8和12之间的距离。角度大于αmax的光线，在到达反射表面12之前被基片表面反射。因此，反射表面12在不需要的方向上被照射，出现重影。因此，这种配置可获得的最大FOV是FOVmax≈2vαmax，(2)其中v是基片的折射率。通常的折射率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学装置，包括：有至少两个相互平行的主要表面和边缘的光传输基片；显示光源；通过内反射把光从该光源耦合进所述基片的光学装置；和至少一个位于基片中与基片所述主要表面不平行的部分反射表面，特征是，所述源 发射位于给定视场中的光波，所述光波是准直的；对所述光学装置定义角分辨率；其中位于所述准直光波之一中的任何两条不同光线之间的角偏移，小于所述角分辨率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：雅各布阿米塔伊，
申请(专利权)人：鲁姆斯有限公司，
类型：发明
国别省市：IL[以色列]