光导光学元件的制作方法

本发明总体上涉及头戴式显示装置，并且特别涉及作为这样的装置的一部分的光导光学元件。

背景技术：

1、由观看者佩戴的用于同时观看真实场景以及来自显示装置的投影图像的装置是众所周知的，并且通常被称为“头戴式显示器”(hmd)或“近眼显示器”(ned)。这样的装置通常被构造为要配戴在观看者的头上的头盔或面具或者护目镜或眼镜，并且包括一个或两个图像投影仪(每个图像投影仪包括电光显示部件)和光学部件，以将投影图像传送到观看者的眼睛中。在本领域中已知的hmd的一些配置中，一个这样的光学部件是光导，其被定位在观看者的每只眼睛的前面。

2、这样的光导(也可互换地称为“波导”或“基板”)用于扩大视场(即，显示部件的屏幕的角度大小)和观看窗口(即，观看者的眼睛可以被定位于其中以观看整个显示屏的窗口，也被称为“眼动箱”)。通常，这样的光导是透明材料的块(或平板)，其具有两个平行的主表面，传送从显示部件投影的准直图像的光沿该主表面通过全内反射传播。块包括结构性耦出装置，其功能使得光的一部分穿过主表面之一朝向观看者的对应的眼睛耦出。

3、在被称为衍射光导的光导的一些配置中，耦出装置包括主表面之一中或两个主表面中的衍射结构。在被称为反射光导——特别是被称为“光导光学元件”(loe)——的其他配置中，耦出装置包括在块内部的一组成斜角的相互平行的部分反射表面(也可互换地称为小平面)。

4、在一些情况下，例如当hmd为眼镜形式时，可能期望耦出装置对于外部观察者而言较不可见或甚至不可见。

技术实现思路

1、本发明试图提供对头戴式显示器(hmd)中使用的光导的改进，使得将减少由外部观察者在通过这样的光导观察佩戴hmd的观看者的面部时否则会经历的不期望的可见性影响。这样的影响可能由以下引起：从观看者的眼睛和面部反射的光中的一部分被耦合到光导中，从而减弱了到达外部观察者的光，导致在外部观察者的视野中光导明显变暗并且遮挡观看者的面部和眼睛。现有技术的光导中的另一不期望的可见性影响可能由光导内的以下光引起：该光从端面反射并且向后传播，从而其被朝向外部观察者耦出，外部观察者将其感知为眩光。因此，本发明的某些实施方式提供了各种技术，以增加在观看者的面部与外部观察者之间穿过光导的光透射并且减少从光导朝向外部观察者投射的其他光的量。

2、将通过非排他性示例的方式、从包括部分反射表面的光导的配置的实施方式方面描述改进。现有技术的这样的反射光导或光导光学元件(loe)在例如题为“substrate-guided optical beam expander(基板引导的光束扩展器)”的美国专利第6,829,095号中描述，并且该专利通过引用并入本文。然而，根据本发明的改进整体或部分地也适用于用于hmd的光导的其他实施方式和配置。

3、具体地，公开了一种光导光学元件(loe)，用于由观看者的眼睛同时观看真实场景以及被引入到loe的投影图像，loe包括：

4、透明材料块，其具有第一主表面以及平行于第一主表面的第二主表面，使得被引入到loe的传送投影图像的光通过第一主表面和第二主表面处的内反射在loe内传播，以及

5、多个相互平行的部分反射表面，其在块的内部并且相对于第一主表面倾斜地定向，部分反射表面被配置成使光中的一部分穿过第二主表面耦出，

6、其中，部分反射表面中的每一个的反射率使得耦出的光的总功率小于被引入到loe的传送投影图像的光的总功率的三分之一。

7、在一些实施方式中，部分反射表面中的每一个的反射率使得耦出的光的总功率小于被引入到loe的传送投影图像的光的总功率的五分之一，并且在实施方式中的一些实施方式中小于十分之一。

8、在一些实施方式中，部分反射表面中的每一个的反射率小于13％，并且在一些实施方式中小于5％。

9、还公开了一种光导光学元件(loe)，用于由观看者的眼睛同时观看真实场景和投影图像，该投影图像由在第一取向上偏振的光传送并且被引入到loe，loe包括：

10、透明材料块，其具有第一主表面以及平行于第一主表面的第二主表面，使得被引入到loe的传送投影图像的光通过第一主表面和第二主表面处的内反射在loe内传播，以及

11、多个相互平行的部分反射表面，其在块的内部并且相对于第一主表面倾斜地定向，以使光中的一部分朝向观看者的眼睛耦出，

12、其中，部分反射表面中的每个部分反射表面在与主表面垂直的方向上对在第二取向上偏振的光的反射率小于该部分反射表面在该方向上对在第一取向上偏振的光的反射率的三分之一，第二取向与第一取向正交。

13、第一偏振取向相对于部分反射表面是s偏振的。在一些实施方式中，部分反射表面在包括垂直于第一主表面的方向的至少约30度的角度范围内对p偏振基本透明。

14、还公开了一种光导光学元件(loe)，用于由观看者的眼睛同时观看真实场景以及被引入到loe的投影图像，loe包括：

15、透明材料块，其具有第一主表面以及平行于第一主表面的第二主表面，使得被引入到loe的传送投影图像的光通过第一主表面和第二主表面处的内反射沿loe在第一方向上传播，在外部的并且平行于第一主表面的平面中限定了给定大小的眼动箱，以及

16、多个相互平行的部分反射表面，其在块的内部、沿第一方向顺序地布置并且相对于第一主表面倾斜地定向，以使光中的一部分朝向眼动箱耦出，

17、其中，部分反射表面的序列中的最后的部分反射表面对从该最后的部分反射表面朝向眼动箱内的任何点耦出的光中的部分的反射率是该最后的部分反射表面对在垂直于第一主表面和第二主表面的方向上行进的光的反射率的至少两倍。

18、在一些实施方式中，部分反射表面的序列中的最后的部分反射表面对从该最后的部分反射表面朝向眼动箱内的任何点耦出的光中的部分的反射率是该最后的部分反射表面对在垂直于第一主表面和第二主表面的方向上行进的光的反射率的至少四倍。

19、在实施方式中的一些实施方式中，块具有端面，在loe内传播的穿过部分反射表面的光照射在端面上，其中，端面涂覆有光吸收层，光吸收层被配置成吸收被引入到loe中并且未被耦出的光。光吸收层可以被实现为施加到粗糙端面的黑色涂料。

20、还公开了一种光学系统，用于由观看者同时观看自然场景以及近眼图像投影仪上的图像，光学系统包括：

21、根据权利要求1至10中任一项的loe；以及

22、支承结构，支承结构被部署成将loe支承在观看者的头部上并且使loe与观看者的至少一只眼睛呈面向关系。

技术特征：

1.一种光导光学元件loe，用于由观看者的眼睛同时观看真实场景和投影图像，所述投影图像由在第一取向上偏振的光传送并且被引入到所述loe，所述loe包括：

2.根据权利要求1所述的loe，其中，所述第一偏振取向相对于所述部分反射表面是s偏振的。

3.根据权利要求2所述的loe，其中，所述部分反射表面在包括与所述第一主表面垂直的方向的至少约30度的角度范围内对p偏振基本透明。

4.一种光导光学元件loe，用于由观看者的眼睛同时观看真实场景以及被引入到所述loe的投影图像，所述loe包括：

5.根据权利要求4所述的loe，其中，所述部分反射表面的序列中的最后一个部分反射表面对所述光中从所述最后一个部分反射表面朝向所述眼动箱内的任何点耦出的部分的反射率是所述最后一个部分反射表面对在与所述第一主表面和所述第二主表面垂直的方向上行进的光的反射率的至少四倍。

技术总结本申请公开了光导光学元件LOE，用于由观看者的眼睛同时观看真实场景和投影图像，投影图像由在第一取向上偏振的光传送并且被引入到LOE，LOE包括：透明材料块，其具有第一主表面以及平行于第一主表面的第二主表面，使得传送被引入到LOE的投影图像的光通过第一主表面和第二主表面处的内反射在LOE内传播，以及多个相互平行的部分反射表面，其在块的内部并且相对于第一主表面倾斜地定向，以使光中的一部分朝向观看者的眼睛耦出，其中，部分反射表面中的每个部分反射表面在与主表面垂直的方向上对在第二取向上偏振的光的反射率小于该部分反射表面在该方向上对在第一取向上偏振的光的反射率的三分之一，第二取向与所述第一取向正交。技术研发人员：乔纳森·基尔柏格,齐翁·艾森菲尔德受保护的技术使用者：鲁姆斯有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5