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通過堆疊的LOE來提供視場的不同部分，并允許顯示器可以實(shí)現(xiàn)比單個波導(dǎo)所能傳輸?shù)母笠晥?/p>

（映維網(wǎng)Nweon?2023年07月10日）特定近眼顯示器會采用光導(dǎo)光學(xué)元件LOE以形成具有平行外部主表面，以及與主表面傾斜具有一組部分反射的內(nèi)部表面的透明材料模塊。準(zhǔn)直圖像由圖像投影儀產(chǎn)生并注入LOE，以便通過內(nèi)部反射在LOE內(nèi)傳播，直到由部分反射的內(nèi)部表面逐漸耦出用戶的眼睛。

可以通過這種布置顯示的視場角度尺寸受到幾何光學(xué)考慮的限制。針對這個問題，Lumus在名為“Display with stacked light-guide elements providing different parts of field of view”的專利申請中提出，可以通過堆疊的LOE來提供視場的不同部分，并允許顯示器可以實(shí)現(xiàn)比單個波導(dǎo)所能傳輸?shù)母笠晥觥?/p>

圖1-圖5顯示了相關(guān)的實(shí)現(xiàn)，其中眼睛假設(shè)位于指定的101區(qū)域：“眼動框/Eye Motion Box（EMB）”。EMB表示眼睛位置的范圍。兩個LOE 10和20與主表面14和23并置在一起，以這樣一種方式堆疊，它們保留了作為獨(dú)立波導(dǎo)的特性，可通過主表面的內(nèi)部反射引導(dǎo)光在每個LOE內(nèi)的傳播。這可以通過在并置表面之間保持氣隙來實(shí)現(xiàn)，方法是提供具有較低折射率的材料的中間層。

圖像投影儀100配置為投射與具有角度視場的準(zhǔn)直圖像相對應(yīng)的圖像照明，并光學(xué)耦合到復(fù)合光導(dǎo)裝置，以便引入通過在第一LOE 10內(nèi)反射傳播的圖像照明的第一部分和通過在第二LOE 20內(nèi)反射傳播的圖像照明的第二部分。

第一LOE 10包括具有第一多個相互平行的部分反射表面11的第一耦出配置，部分反射表面11部署在主表面13和14之間，并與主表面13和14成斜角。第一多個部分反射表面11位于復(fù)合光導(dǎo)裝置的第一區(qū)域中，用于耦出圖像照明的視場的第一部分。

第二LOE 20包括具有第二多個相互平行的部分反射表面21的第二耦出配置，部分反射表面部署在主要表面23和24之間，并與主要表面23和24成傾斜角度。所述第二多個部分反射表面21與所述第一多個部分反射表面11不平行，并且位于所述復(fù)合光導(dǎo)裝置的第二區(qū)域中，以用于耦出所述圖像照明的視場的第二部分。

即圖像照明15和25的第一和第二光線平行地從圖像投影儀100出現(xiàn)，并分別耦合到第一和第二光導(dǎo)光學(xué)元件10和20中，同時在第一和第二光導(dǎo)光學(xué)元件內(nèi)以不同角度傳播。

Lumus指出，這種設(shè)計存在諸多優(yōu)點(diǎn)。

由于每個波導(dǎo)只需要傳輸角視場的一個子區(qū)域，因此在耦輸配置的部分反射表面和各種其他組件中使用的角選擇涂層的設(shè)計要求相對寬松。具體來說，每個耦出表面在所需圖像對應(yīng)的角度范圍內(nèi)，對紅、綠、藍(lán)光最好是部分反射的，而對共軛圖像對應(yīng)的角度范圍內(nèi)的紅、綠、藍(lán)光則是高度透明的。如果所述屬性只需要圖像視場的一部分，則設(shè)計要求相當(dāng)寬松。

另外，這允許顯示器可以實(shí)現(xiàn)比單個波導(dǎo)所能傳輸?shù)母笠晥觥Ｔ诿總€波導(dǎo)中，視場中不需要由波導(dǎo)傳遞的部分可以允許超過角度限制，而且不會影響在眼動盒中可見的圖像質(zhì)量。同時，圖像的所有部分都來自單個圖像投影儀的事實(shí)降低了制造成本，并簡化了保持顯示圖像的不同部分之間對齊的任務(wù)。

圖1說明了具有兩個LOE 10和20的顯示器實(shí)現(xiàn)，每個LOE都形成透明材料的板結(jié)構(gòu)，或具有足夠折射率以支持波導(dǎo)傳播的其他材料。如前所述，每個LOE具有兩個主要平行表面13和14，一組內(nèi)部平行表面11，其部分反射涂層與主要表面呈斜角。

LOE任選地還包括與具有部分反射的主要表面平行的內(nèi)表面19，29，從而均勻化輸出強(qiáng)度分布。這種內(nèi)表面的一個特別優(yōu)選實(shí)現(xiàn)是在波導(dǎo)的中間平面上有一個表面，在與波導(dǎo)內(nèi)傳播的圖像照明對應(yīng)的角度范圍內(nèi)具有大約50%的反射率，并且在接近垂直穿過波導(dǎo)的視角處具有低反射率。

圖像投影儀100優(yōu)選配置為產(chǎn)生準(zhǔn)直圖像，即其中每個圖像像素的光是平行光束，準(zhǔn)直至無限遠(yuǎn)，并具有與像素位置對應(yīng)的角方向。因此，圖像照明跨越與二維角度視場相對應(yīng)的角度范圍。

圖像投影儀100包括至少一個光源，通常部署以照亮空間光調(diào)制器。所述空間光調(diào)制器調(diào)制所述圖像的每個像素的投影強(qiáng)度，從而產(chǎn)生圖像?；蛘?，圖像投影儀可以包括掃描裝置，其掃描來自激光光源的照明穿過投影儀的圖像平面，而光束的強(qiáng)度在逐像素的基礎(chǔ)上與運(yùn)動同步變化，從而為每個像素投影所需的強(qiáng)度。

在這里所示的特別優(yōu)選實(shí)施例中，圖像投影儀100通過主要表面24之一將圖像照明注入復(fù)合光導(dǎo)裝置中。在這種情況下，圖像照明的第一部分通過第一反射器12耦合到第一LOE 10中，并且圖像照明的第二部分通過第二反射器22耦合到第二LOE 20中。

盡管表面11和21不平行，并且反射器12和22不平行，如果這些表面與LOE的主表面之間的絕對角相等（即，表面12和14與表面11和14之間的絕對角度相等，表面22和24之間以及表面21和24之間的角度相等），則進(jìn)入兩個LOE的平行光線15和25將同樣平行地從內(nèi)表面陣列離開LOE（光線16和26）。

另外，如圖2所示，即便耦入表面和耦出表面陣列不平行于主表面或與主表面成相同的絕對角度，只要兩個LOE的角度差相同，則進(jìn)入兩個LOE的平行光線15和25將同樣平行地從內(nèi)部部分反射表面陣列離開LOE（光線16和26）。

在圖1和圖2的示例性實(shí)施方式中，第一反射器12和第二反射器22是非重疊關(guān)系的全反射器。在這種情況下，兩個LOE的輸入孔徑寬度大致等于每個輸入孔徑的總和。

在圖3所示的一組可選實(shí)施例中，第二反射器22是部分反射器，并且光通過第二反射器22后到達(dá)第一反射器12。在圖3中，反射器12和22是集成在LOE內(nèi)的內(nèi)部反射器，即在相應(yīng)主曲面的平面之間。輸入孔徑的空間重疊減小了輸入孔徑的總寬度。對于這種實(shí)現(xiàn)，對于靠近圖像投影儀的LOE，耦合表面反射率應(yīng)設(shè)置為50%。因此在圖3中，表面12和22重疊，表面22的反射率應(yīng)該約為50%。

在4A-4C中，第二反射器22位于第二LOE20的內(nèi)部，而第一反射器直接或間接與棱鏡120的表面相關(guān)聯(lián)，棱鏡120附著在遠(yuǎn)離圖像投影儀100的第一LOE120的主表面13上。

具體而言，在圖4A中，棱鏡120粘接在LOE 10上，光線通過棱鏡120的表面121反射并耦合到LOE中。

在圖4B所示的另一選擇方案中，與直接在棱鏡上形成反射面不同，棱鏡120可以與作為“第一反射面”的外反射面122配合，使得光線從棱鏡120輸出，從外表面122反射，再進(jìn)入棱鏡120，從而引導(dǎo)到LOE內(nèi)部。如圖4B所示，其中光線15由外表面122經(jīng)棱鏡120反射到LOE 10中。

在這種情況下，表面121可以設(shè)置AR涂層。任選地，外部反射面122的定位可以通過將相關(guān)表面粘附到LOE10和/或棱鏡120的非光學(xué)活性區(qū)域來固定。

在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，顯示器可具有允許對第一反射器的角度進(jìn)行微調(diào)的調(diào)節(jié)機(jī)制。所以在圖4B的實(shí)施中，可以使用主動對準(zhǔn)系統(tǒng)和過程來確保從兩個LOE射出的射線的平行性。在這樣的校準(zhǔn)過程中，一個單一的準(zhǔn)直光束耦合到兩個LOE。光束同樣在輸出端被測量，并通過部分反射的內(nèi)表面11和21陣列從LOE耦出。

如果21和22的角度差不等于11和12的角度差，則離開LOE 10的光線將不平行于LOE 20的光線。如果使用如圖4B所示的外反射鏡，則可以使用合適的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)傾斜反射鏡的俯仰和偏轉(zhuǎn)，直到光線16和26之間達(dá)到平行，然后通過粘合表面123和124來固定位置，以保持反射器122的方向。

另外，即使在圖4A所示的具有集成反射面121的棱鏡120的情況下，都可以通過提供一組角度差異較小的可互換棱鏡來實(shí)現(xiàn)類似的主動對準(zhǔn)過程。所述棱鏡可以暫時粘接在LOE10，并且選擇光線16和26之間角差最接近的棱鏡永久粘接在LOE10。

現(xiàn)在來看看圖5A-6C。第一光導(dǎo)光學(xué)元件10優(yōu)選地包括在第一LOE 10的主要表面13、14之間部署的第一組相互平行的、部分反射的偏轉(zhuǎn)表面17。所述第一組偏轉(zhuǎn)表面17部署為將在第一LOE內(nèi)傳播的圖像照明逐步偏轉(zhuǎn)至所述第一多個部分反射表面11。

類似地，第二LOE 20包括部署在第二光導(dǎo)光學(xué)元件20的主要表面23、24之間的第二組相互平行、部分反射的偏轉(zhuǎn)表面27。所述第二組偏轉(zhuǎn)表面27部署為將在第二LOE內(nèi)傳播的圖像照明的部分逐步偏轉(zhuǎn)至第二多個部分反射表面21。

在5A-6C中，第一LOE 10包括與第一組偏轉(zhuǎn)面17平行的第一內(nèi)部反射面18，并部署用于將在第一LOE內(nèi)傳播的圖像照明部分偏轉(zhuǎn)至第一組偏轉(zhuǎn)面。類似地，第二LOE 20包括第二內(nèi)部反射面28，其平行于第二組偏轉(zhuǎn)面27，并用于將在第二LOE內(nèi)傳播的圖像照明部分偏轉(zhuǎn)至第二組偏轉(zhuǎn)面。

圖5A和6A分別為第二LOE 20的正視圖和側(cè)視圖。5B和6B則顯示第一LOE 10的相似視圖。5C和6C顯示組裝顯示器的相應(yīng)視圖。

因此，除了通過圖1至4C的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)LOE在X方向上的孔徑擴(kuò)展之外，所述實(shí)施例同時實(shí)現(xiàn)了沿Y方向的孔徑擴(kuò)展的附加尺寸。偏轉(zhuǎn)表面17和27是部分反射表面，而內(nèi)部反射表面18和28平行于它們各自的偏轉(zhuǎn)表面。

由表面22從圖像投影儀100耦入的將由第二LOE 20引導(dǎo)的光被表面28反射，以便朝向偏轉(zhuǎn)表面27偏轉(zhuǎn)，在那里它被表面27漸進(jìn)地偏轉(zhuǎn)和反射。由于表面27和28都是平行的，來自陣列27的表面的最終偏轉(zhuǎn)的光線將平行于通過表面22耦合到LOE中的光。這同樣適用于由LOE 10內(nèi)部的表面18和17偏轉(zhuǎn)的射線。

因此，盡管表面27和17可能不平行，但耦合到第一LOE 10和第二LOE 20中的平行光線依然可以平行出現(xiàn)。

在一個實(shí)施例中，第一組偏轉(zhuǎn)曲面17與所述主要曲面13、14的平面交點(diǎn)線與第二組偏轉(zhuǎn)曲面27與所述主要曲面的平面交點(diǎn)線不平行。

在一個實(shí)施例中，第一組偏轉(zhuǎn)表面17和/或第二組偏轉(zhuǎn)表面27與LOE的主要表面正交。在這種情況下，直接像及其共軛像都被所述表面偏轉(zhuǎn)，并重定向到離耦區(qū)域。在備選實(shí)施例中，第一組偏轉(zhuǎn)表面17和/或第二組偏轉(zhuǎn)表面27斜向所述LOE的主要表面。在這種情況下，只有一個圖像逐漸偏轉(zhuǎn)到耦合出區(qū)域，而表面在與不需要的圖像對應(yīng)的入射角范圍內(nèi)優(yōu)選地基本透明。

上述屬性最優(yōu)選地對于不同顏色基本為均勻，從而允許通過每個LOE顯示彩色圖像視場的相關(guān)部分。

相關(guān)專利：Lumus Patent | Display with stacked light-guide elements providing different parts of field of view

名為“Display with stacked light-guide elements providing different parts of field of view”的Lumus專利申請最初在2022年4月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。

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原文鏈接：https://news.nweon.com/110144