TWI880746B

TWI880746B - 用於觀看場景的透明光導和近眼顯示器

Info

Publication number: TWI880746B
Application number: TW113118218A
Authority: TW
Inventors: 喬納森格爾貝格; 齊翁艾森菲爾德
Original assignee: 以色列商魯姆斯有限公司
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2020-05-06
Publication date: 2025-04-11
Also published as: TW202436931A; CN118131484A; KR20250142979A; US20240419000A1; IL285571B2; JP7699376B2; WO2020225747A1; IL285571A; EP3966623A1; TW202043855A; US20210165231A1; TWI845670B; JP2025123285A; JP2022532688A; US12117614B2; KR102862815B1; IL285571B1; CN113439230B; KR20220003503A; CN113439230A

Abstract

一種用於同時觀看真實場景以及被引入到LOE中的投影圖像的光導光學元件(LOE，Light-guide Optical Element)，具有：透明塊，傳送投影圖像的光通過內反射沿該透明塊傳播；以及，多個內部部分反射表面，其被傾斜地定向並且被配置成將所述光的一部分耦出，其中，部分反射表面中的每一個的反射率使得耦出的光的總功率小於被引入到LOE的光的總功率的三分之一。在一些實施方式中，投影圖像的光是偏振的，並且部分反射表面對在正交取向上偏振的光的反射率大大降低。在一些實施方式中，部分反射表面對未到達觀看者的光的反射率大大降低。

Description

用於觀看場景的透明光導和近眼顯示器

本發明總體上涉及頭戴式顯示裝置，並且特別涉及作為這樣的裝置的一部分的光導光學元件。

由觀看者佩戴的用於同時觀看真實場景以及來自顯示裝置的投影圖像的裝置是眾所周知的，並且通常被稱為“頭戴式顯示器”(HMD，head-mounted display)或“近眼顯示器”(NED，near-eye display)。這樣的裝置通常被構造為要配戴在觀看者的頭上的頭盔或面具或者護目鏡或眼鏡，並且包括一個或兩個圖像投影儀(每個圖像投影儀包括電光顯示部件)和光學部件，以將投影圖像傳送到觀看者的眼睛中。在本領域中已知的HMD的一些配置中，一個這樣的光學部件是光導，其被定位在觀看者的每隻眼睛的前面。

這樣的光導(也可互換地稱為“波導”或“基板”)用於擴大視場(即，顯示部件的螢幕的角度大小)和觀看視窗(即，觀看者的眼睛可以被定位於其中以觀看整個顯示幕的視窗，也被稱為“眼動箱”)。通常，這樣的光導是透明材料的塊(或平板)，其具有兩個平行的主表面，傳送從顯示部件投影的準直圖像的光沿該主表面通過全內反射傳播。塊包括結構性耦出裝置，其功能使得光的一部分穿過主表面之一朝向觀看者的對應的眼睛耦出。

在被稱為衍射光導的光導的一些配置中，耦出裝置包括主表面之一中或兩個主表面中的衍射結構。在被稱為反射光導──特別是被稱為“光導光學元件”(LOE，Light-guide Optical Element)──的其他配置中，耦出裝置包括在塊內部的一組成斜角的相互平行的部分反射表面(也可互換地稱為小平面)。

在一些情況下，例如當HMD為眼鏡形式時，可能期望耦出裝置對於外部觀察者而言較不可見或甚至不可見。

本發明試圖提供對頭戴式顯示器(HMD)中使用的光導的改進，使得將減少由外部觀察者在通過這樣的光導觀察佩戴HMD的觀看者的面部時否則會經歷的不期望的可見性影響。這樣的影響可能由以下引起：從觀看者的眼睛和面部反射的光中的一部分被耦合到光導中，從而減弱了到達外部觀察者的光，導致在外部觀察者的視野中光導明顯變暗並且遮擋觀看者的面部和眼睛。現有技術的光導中的另一不期望的可見性影響可能由光導內的以下光引起：該光從端面反射並且向後傳播，從而其被朝向外部觀察者耦出，外部觀察者將其感知為眩光。因此，本發明的某些實施方式提供了各種技術，以增加在觀看者的面部與外部觀察者之間穿過光導的光透射並且減少從光導朝向外部觀察者投射的其他光的量。

將通過非排他性示例的方式、從包括部分反射表面的光導的配置的實施方式方面描述改進。現有技術的這樣的反射光導或光導光學元件(LOE)在例如題為“Substrate-guided optical beam expander(基板引導的光束擴展器)”的美國專利第6,829,095號中描述，並且該專利通過引用併入本文。然而，根據本發明的改進整體或部分地也適用於用於HMD的光導的其他實施方式和配置。

具體地，公開了一種光導光學元件(LOE)，用於由觀看者的眼睛同時觀看真實場景以及被引入到LOE的投影圖像，LOE包括：

透明材料塊，其具有第一主表面以及平行於第一主表面的第二主表面，使得被引入到LOE的傳送投影圖像的光通過第一主表面和第二主表面處的內反射在LOE內傳播，以及

多個相互平行的部分反射表面，其在塊的內部並且相對於第一主表面傾斜地定向，部分反射表面被配置成使光中的一部分穿過第二主表面耦出，

其中，部分反射表面中的每一個的反射率使得耦出的光的總功率小於被引入到LOE的傳送投影圖像的光的總功率的三分之一。

在一些實施方式中，部分反射表面中的每一個的反射率使得耦出的光的總功率小於被引入到LOE的傳送投影圖像的光的總功率的五分之一，並且在實施方式中的一些實施方式中小於十分之一。

在一些實施方式中，部分反射表面中的每一個的反射率小於13%，並且在一些實施方式中小於5%。

還公開了一種光導光學元件(LOE)，用於由觀看者的眼睛同時觀看真實場景和投影圖像，該投影圖像由在第一取向上偏振的光傳送並且被引入到LOE，LOE包括：

多個相互平行的部分反射表面，其在塊的內部並且相對於第一主表面傾斜地定向，以使光中的一部分朝向觀看者的眼睛耦出，

其中，部分反射表面中的每個部分反射表面在與主表面垂直的方向上對在第二取向上偏振的光的反射率小於該部分反射表面在該方向上對在第一取向上偏振的光的反射率的三分之一，第二取向與第一取向正交。

第一偏振取向相對於部分反射表面是S偏振的。在一些實施方式中，部分反射表面在包括垂直於第一主表面的方向的至少約30度的角度範圍內對P偏振基本透明。

還公開了一種光導光學元件(LOE)，用於由觀看者的眼睛同時觀看真實場景以及被引入到LOE的投影圖像，LOE包括：

透明材料塊，其具有第一主表面以及平行於第一主表面的第二主表面，使得被引入到LOE的傳送投影圖像的光通過第一主表面和第二主表面處的內反射沿LOE在第一方向上傳播，在外部的並且平行於第一主表面的平面中限定了給定大小的眼動箱，以及

多個相互平行的部分反射表面，其在塊的內部、沿第一方向順序地佈置並且相對於第一主表面傾斜地定向，以使光中的一部分朝向眼動箱耦出，

其中，部分反射表面的序列中的最後的部分反射表面對從該最後的部分反射表面朝向眼動箱內的任何點耦出的光中的部分的反射率是該最後的部分反射表面對在垂直於第一主表面和第二主表面的方向上行進的光的反射率的至少兩倍。

在一些實施方式中，部分反射表面的序列中的最後的部分反射表面對從該最後的部分反射表面朝向眼動箱內的任何點耦出的光中的部分的反射率是該最後的部分反射表面對在垂直於第一主表面和第二主表面的方向上行進的光的反射率的至少四倍。

在實施方式中的一些實施方式中，塊具有端面，在LOE內傳播的穿過部分反射表面的光照射在端面上，其中，端面塗覆有光吸收層，光吸收層被配置成吸收被引入到LOE中並且未被耦出的光。光吸收層可以被實現為施加到粗糙端面的黑色塗料。

還公開了一種光學系統，用於由觀看者同時觀看自然場景以及近眼圖像投影儀上的圖像，光學系統包括：

如請求項1至10中任一項的LOE；以及

支承結構，支承結構被部署成將LOE支承在觀看者的頭部上並且使LOE與觀看者的至少一隻眼睛呈面向關係。

10:LOE

11:塊

12:主表面，前表面

14:主表面，後表面

15:端面

16,16a,16b,16c:部分反射表面，小平面

17:觀察區域，觀看視窗，眼動箱

18:斜反射表面

19:入射窗

20:眼睛

22:圖像投影儀

24:耦合光學器件

25,27,45:箭頭(方向)

31,32,34:線

35:線，層

38,39,42:實線

41:長短劃線

43:短短劃線

51:矩形

52:豎直線

53:曲線(實線)

54:曲線(虛線)

本文中僅通過示例的方式，參照圖式描述本發明，在圖式中：

圖1A是用於頭戴式顯示器(HMD)中的示例性光導光學元件(LOE)的截面俯視圖；

圖1B是由外部觀察者感知的圖1A的LOE的示意性前視圖。

圖2是示出與現有技術的LOE中的部分反射表面的典型反射率值相比，沿根據本發明的LOE的部分反射表面的典型反射率值的圖。

圖3A是示出關於現有技術的LOE中的部分反射表面的兩個不同的正交偏振取向的典型反射率值的圖。

圖3B是示出關於根據本發明的LOE中的部分反射表面的兩個不同的正交偏振取向的典型反射率值的圖。

圖4A是圖1A的LOE的截面俯視圖，其示出了某些光線追跡；

圖4B是圖4A的LOE中的細節的放大視圖。

圖4C是在圖1B的LOE的三個部分反射表面根據方向的反射率的圖。

圖5A和圖5B各自是圖4A的LOE的截面俯視圖，分別示出了不具有和具有光吸收層的端面。

圖1A通過介紹的方式示意性地示出了頭戴式顯示器(HMD)，該HMD在該示例中被形成為要由觀看者佩戴的眼鏡，該HMD包括具有部分反射表面的光導光學元件(LOE)10，在佩戴HMD時，LOE 10被定位在觀看者的眼睛20的前面。此外，HMD還包括──

- 圖像投影儀22(其又包括電光顯示裝置或空間光調變器，例如LCOS(矽基型液晶顯示器，Liquid Crystal On Silicon)裝置)，其操作以根據向其饋送的信號生成圖像；以及準直光學元件，其被配置成投影與圖像的準直版本對應的光──未全部示出)以及

- 耦合光學器件24，以將投影圖像耦合到LOE 10。

在HMD的一些配置中，可以存在與一隻眼睛相關聯的單個圖像投影儀，在其他配置中，可以存在各自與觀察者的眼睛中的對應眼睛相關聯的兩個圖像投影儀，而在又一些其他配置中，可以存在單個圖像投影儀，其被佈置成將圖像投影到與對應的眼睛相關聯的兩個LOE中，或者投影到在兩隻眼睛前面延伸的單個長LOE中。

在圖1A中以水平截面圖示出了光導光學元件(LOE)10，其中具有對當準直圖像中的選擇的光線在LOE內傳播並且朝向觀察者傳播出去時的選擇的光線的追蹤。LOE 10基本上是縱長型塊11，其由透明材料製成，並且具有兩個相互平行的主表面──前表面12和後表面14。在塊11的一端附近存在與入射窗相關聯的耦入裝置，通過該耦入裝置準直圖像被引入到LOE中。在該示例中，耦入裝置是斜反射表面18，在後表面14上與該反射表面相鄰地限定了入射窗19。在其他LOE中，例如，入射窗可以在附接至主表面之一的成角度的棱鏡上，或者入射窗可以在塊的端面處。塊11中嵌入有全部相互平行的一系列斜的部分反射表面16，這些部分反射表面被稱為“小平面”。相鄰於整組部分反射表面16、在距後表面14一定距離且平行於後表面14處限定有觀察區域17，該觀察區域17也被稱為眼動箱，其表示以下區域：觀看者的眼睛可以位於該區域中以便能夠觀看整個圖像，從而允許眼睛的運動以及相對於眼睛20放置HMD的一些餘地。

注意，儘管在示出的示例中，入射窗在後表面上，但是在HMD的其他配置中，對應的LOE可以配置有在塊11的前表面或端面上的入射窗。本發明還處理了這樣的配置。

如選擇的光線所示，來自耦合光學器件24的圖像傳送光穿過入射窗19進入塊11，並且在該示例中被斜的反射表面18偏轉以在經歷來自主表面12和14的全內反射的同時沿塊11傳播。在入射窗在端面上的配置中，進入其中的光可以直接行進(即，不發生偏轉)以沿塊傳播。在該傳播期間，光被部分反射表面(小平面)16攔截，並且光的一部分被偏轉或耦出到觀看視窗(眼動箱)17。

為任何近眼顯示裝置(例如，增強現實裝置以及虛擬實境裝置)設計LOE的關鍵挑戰之一是使從光源到觀看者的眼睛的光通量最大化，以減少能量消耗，從而延長電池壽命。因此，在現有技術的反射LOE設計中，通常的做法是使小平面的總反射率最大化，以使到達觀看者的眼睛的圖像強度最大化。同時，小平面的反射率通常在小平面之間變化，以實現跨視場的以及在觀看視窗上的由觀看者感知到的均勻強度圖像。更具體地，當光沿塊11傳播並且光的一部分被第一小平面耦出時，剩餘的光的強度減小，從而要求隨後的小平面具有相應較高的反射率，使得耦出的光的強度保持不變；因此，光被攔截的最後的小平面應當具有最高的反射率。

設計LOE(特定於作為HMD的一部分的LOE)的另一挑戰是LOE對於使觀看者也能清楚地看到自然場景而言必須足夠透明。該要求與以上提及的對小平面的最大反射率的要求的衝突之處在於：高反射率實際上等同於低透射率，低透射率又使從自然場景到達觀看者的眼睛的光減弱。因此，用於HMD的傳統LOE的設計經受折衷，由此小平面的反射率被成比例地減小，以實現來自自然場景的光的透射率的期望的最小值。

然而，在某些傳統LOE設計中，小平面對於外部觀察者仍然基本可見(如上面的“發明內容”部分提及的)。這是由於小平面的透射率相對低，從而使從觀看者的面部和眼睛20反射、沿通常垂直於LOE的塊11的主表面12和14的方向穿過塊、到外部觀察者的眼睛(未顯示)的光減弱。該效果在圖1B中示意性地示出，圖1B是LOE 10的其對外部觀察者將呈現的前視圖。這裡，小平面16顯示為變化的暗色的條帶，因而使觀看者的面部模糊；最左邊的小平面呈現最暗色，這是由於其設計有最高的反射率，並且因此具有最低的透射率。在這些設計中，小平面還可能產生外部觀察者可見的眩光，這是由於剩餘的傳播光從塊11的端面15反射並且由小平面16耦出穿過前主表面12朝向觀察者的眼睛。

在下文中，將描述光導光學元件的示例性實施方式，該示例性實施方式包括新穎的特徵，這些新穎的特徵被設計成減小上述效果，例如小平面對外部觀看者的可見性。將根據適當的示例性實施方式來描述這些特徵中每一個。然而，如本領域普通技術人員容易想到的，一些其他實施方式可以同時包括這些特徵中的兩個或更多個特徵。此外，這些特徵中的一些或全部特徵可以被包括在各種配置的LOE──特別是反射LOE和衍射LOE──的實施方式中。

本發明的某些實施方式的指導原則是減小小平面的反射率，以增加小平面對於穿過LOE的光的整體透射率，從而使小平面看起來透明並且因此對於外部觀察者不可見。

此外，根據現有技術的典型的優化反射LOE設計，小平面的反射率沿LOE從首先遇到的小平面到最後遇到的小平面發生變化，在關注的入射角、偏振取向和光譜帶的範圍內通常從10%擴展到25%。入射角的關注的範圍是由LOE以及LOE作為其一部分的HMD的設計中的光學幾何考慮因素確定的。偏振取向和光譜帶的關注的範圍在很大程度上由圖像投影儀的特性或操作要求確定。注意，儘管最佳設計試圖在這些關注的範圍內優化小平面的反射率，但是關於在這些範圍之外的入射角、偏振取向和光譜帶的任何值的反射率值通常在設計中不受限制。因此，本發明的某些實施方式的另一指導原則是使這些範圍中的任何一個或更多個範圍之外的小平面的反射率減小或可能最小化，從而增加小平面對穿過LOE的光的透射率。

在本發明的第一示例性實施方式中，或者根據本發明的第一方面，每個小平面的總反射率──包括在關注的角度、偏振狀態和光譜帶的範圍內的總反射率與上面提及的現有技術設計中的總反射率相比通過設計被大大降低。

圖2是沿LOE的小平面的反射率值(上升線)以及傳播光的強度(下降線)的比較曲線。水平標度是沿LOE的相對距離，豎直標度是最大值的百分比。點線表示為用於虛擬實境裝置(其不在本發明的範圍之內)中而設計的LOE的最佳值。這裡，最佳設計要求將進入LOE的所有光能量耦出，以使觀看顯示圖像的效率最大化，同時保持耦出的光的強度均勻。因此，表示傳播光的強度的線31線性下降至幾乎為零，而表示相繼的小平面的反射率的線32隨著反射率的相應增加幾乎成指數上升。因此，朝向觀看者耦出的光的強度大致均勻。注意，這些線表示最佳設計值；實際上，傾斜線將在一定程度上類似於臺階──對應於小平面。

短劃線表示為用於頭戴式顯示器(HMD)中而設計的現有技術的LOE的典型值，其中，反射率被選擇為提供自然場景的相對清楚的視野。可以看到這些線與點線相似，但具有減小的斜率。因此，線性下降的線34再次從100(表示進入LOE的光的全部強度)開始，最後達到僅約50%，這表示傳播光能量的僅約50%(朝向觀看窗)被耦出。相應地，上升線35達到僅約42，這表示最後的小平面的反射率僅約為42%。這導致最後的小平面的在相關入射角處的透射率約為58%，並且在跨LOE的沿其觀看自然場景的方向上也大概相當地高──對於使場景看起來令人滿意地清楚而言足夠高。

如上所述，後者的透射率未高到足以避免使HMD的用戶的面部和眼睛模糊以及避免小平面對外部觀察者的伴隨的可見性。為了糾正這一點，與本發明的第一方面對應的本發明的示例性實施方式中的小平面的反射率被進一步大大降低，如圖2中的實曲線所示。這裡，上升的實線38達到僅約13，這表示最後的(即，最高反射率)小平面的總反射率優選地不大於約13%(並且在一些特別優選的實施方式中不大於約5%)，並且線性實線39僅下降至約63，這表示傳播光能量的僅約37%被耦出。因此，最後的小平面的透射率提升至近似87%，這大大降低了小平面對觀察用戶的面部的外部的人的可見性；其他小平面的透射率甚至更高。此外，作為結果，在該優選示例中，耦合到LOE中的圖像強度的至少63%繼續沿LOE傳播超過最後的小平面，並且因此浪費。在其他特別優選的示例中，傳播超過最後的小平面的耦入照明的比例大於三分之二，並且在某些特別優選的情況下大於80%或甚至90%。因此，在該實施方式中，已經作出反直覺的設計折衷，由此顯著降低了LOE的光學效率，以大大減小由外部觀看者觀察到的小平面的可見性或使其不可見。

注意到，在示例性實施方式中，相對於現有技術設計中的最後的小平面的反射率的值，最後的小平面的反射率降低了13%/42%=0.31倍。更一般地，在根據本發明的該第一方面的實施方式中，與傳統的最佳設計相比，小平面的反射率降低到0.5倍至0.1倍之間，優選地在0.4倍至0.25倍之間。

在與本發明的第二方面對應的本發明的第二示例性實施方式中，假設進入(或耦合到)LOE的圖像傳送光相對於小平面是S偏振的。在一些HMD中，這可能是由於圖像投影儀本身固有地發射偏振光(例如，液晶顯示器)，或者是由於偏振濾光器插在圖像投影儀(或準直元件)與LOE之間的路徑中。根據該第二方面的新穎特徵，相對於小平面對S偏振光的反射率，小平面對P偏振光的反射率被最小化或大大減小。在一些實施方式中，小平面在包括垂直於第一主表面的入射光方向的至少約30度的角度範圍內對P偏振基本透明。這可以使小平面對P偏振光的透射率最大化，從而使得從觀看者的面部發出的光中的更多光能夠到達外部觀察者，從而使小平面對外部觀察者更透明且較不可見。注意到，除了可以根據傳統方法或根據本發明的第一方面的針對S偏振光的反射率優化之外，還應用該特徵。術語“基本上透明”以其正常含義使用。在數量上，術語“基本上透明”通常是指透射率超過95%，並且最優選地超過98%。

圖3A以示例的方式示出了作為入射光束的角度的函數的在傳統LOE中典型的小平面對兩個偏振取向──即P偏振和與其正交的S偏振──的反射率。圖3B是與本發明的第二方面對應的示例性實施方式中的LOE的反射率的相似曲線。在該實施方式中，關注的入射角的範圍內的S偏振入射光的反射率被優化為表示高效顯示圖像傳輸和自然場景可見性之間的平衡的值──即通常在10%至25%的範圍內，或者優化為如上所述根據本發明的第一方面的降低的反射率。然而，在垂直於主塊表面的方向上或附近的P偏振入射光的反射率大大降低，如當與圖5A相比時在圖5B中清楚地看到的。優選地，該降低為至少四分之一，更優選地為至少八分之一。另外地或替選地，對於在該方向上的P偏振，反射率的值優選地不大於小平面對S偏振的對應的反射率的值的約三分之一，更優選地不大於約五分之一。

在對應於可以與前兩個方面中的一個方面或兩個方面組合的本發明的第三方面的本發明的第三示例性實施方式中，小平面中的任何小平面在不同於入射角的範圍的入射角處的反射率大大降低，其中入射角的範圍將沿LOE傳播的傳入的圖像傳送光朝向佩戴者的眼睛引導或更一般地朝向眼動箱引導。反射率因此降低的入射角的範圍尤其包括與穿過LOE的光的方向(例如，從觀看者的面部和眼睛朝向外部觀看者)對應的入射角。這等同於沿該方向的增加的透射率，從而使小平面較不可見。

現在將通過示例的方式、參照圖4A進一步說明本發明的第三方面，圖4A示出了示例性典型LOE 10的截面圖，其中，顯示信號光線(即，圖像傳送光)從左端穿過LOE傳播並借助於五個小平面16被偏轉(或被耦出)。示出的光線是最初從跨顯示的圖像的選擇的三個點發出的中心光線，即：被描繪為實線42的光線從圖像中的中心點發出；被描繪為長短劃線41的光線從圖像的最右邊的點(如觀看者所看到的)發出；被描繪為短短劃線43的光線從圖像的最左邊的點(如觀看者所看到的)發出。如從圖式中可以清楚地看到的，來自不同圖像點的光線通過不同的小平面到達眼睛20。例如，從最左邊的點(短短劃線)到達眼睛的光線主要通過第一(最左邊的)小平面16a，從中間點(實線)到達眼睛的光線主要通過第三(中間)小平面16b，而從最右點(長短劃線)到達眼睛的光線主要通過第五(最右邊的)小平面16c。對於每個這樣的光線，在對應的小平面處均存在獨特的入射角。更一般地，對於每個小平面，將存在(來自圖像的對應部分的)給定的入射角範圍，該入射角範圍將光線朝向眼動箱(EMB，eye motion box)17內的任何點引導，在該點處光線可以進入眼睛20。

現在請注意圖像傳送光傳播所穿過的小平面序列中的最後的(最右邊的)的小平面16c，該小平面在設計上具有最高的反射率(如上面所說明的以及例如在圖2的曲線的右端所示)；因此，該小平面16c是傳統上對穿過LOE的光的透射率最小並且因此對於外部觀察者最可見的小平面(例如，如由圖1B中的最左邊的帶所展示的)。在圖4B中放大示出了該小平面16c以及被其反射的光線，圖4B示出了在圖4A中被標記為細節的包圍區域。將觀察到，三個代表性光線以獨特的入射角到達，如圖式所標記的。因此，在本示例中，來自圖像左邊的光線(短短劃線)以約30度的角度入射，來自圖像中心的光線(實線)以約23度的角度入射，而來自圖像右邊的光線(長短劃線)以約16度的角度入射。注意到，相同的入射角也適用於所有其他小平面。

在該情況下，唯一關注的光線是來自從圖像的右側的光線(長短劃線)，這是由於該光線唯一地到達EMB 17。更一般地，入射角範圍接近16度，在該入射角範圍處從圖像的附近區域發出的光線被反射到EMB 17中。這是根據設計反射率必須保持為高(或者根據本發明的第一方面和/或第二方面反射率可能減小)的範圍。另一方面，根據本發明的第三方面，將小平面16c對處於與上述設計範圍明顯不同的角度的傳入光信號的反射率相對於設計範圍內的反射率值減小。

再次參照圖4A，可以看到，沿由豎直箭頭45指示的方向向上穿過LOE的光──例如從觀看者的面部朝向外部觀察者反射的光──以明顯不同於上述範圍的入射角穿過小平面16c(以及所有其他小平面)。如在圖4B中可以觀察到的，該角度約為23度。因此，在本示例中，應當大大減小該小平面16c對約23度的入射角範圍的反射率，以增加橫向上的透射率(箭頭45)，從而降低小平面的可見性。

更一般地，在根據本發明的第三方面的實施方式中，序列中的最後的小平面對從該小平面朝向眼動箱內的任何點耦出的光中的部分的反射率優選地至少是該小平面對沿垂直於主表面的方向行進的光的反射率的兩倍。

圖4C示意性地描繪了圖4A的小平面16c的設計目標，即，對於(到達EMB的光線的)在16度至21度的範圍內的入射角，相對高的反射率，如矩形51所描繪的，而對優選地在22度至25度的範圍內的較高的入射角，相對低的反射率，如由豎直線52所描繪的。在圖4C中還看到滿足這些要求的圖4A的小平面16c的反射率相對入射角的曲線53(實線)；將曲線53與傳統小平面的相似曲線54(虛線)進行比較。

注意到，類似的設計考慮也可以應用於LOE中的其他小平面，從而進一步降低了小平面對外部觀察者的可見性。

現在將參照圖5A和圖5B公開本發明的另一方面，其單獨是有用的或與本發明的上述方面中的任何一個或更多個方面組合是有用的，並且適用於光導(包括衍射波導)的所有配置。如圖5A所示，沿LOE 10傳播並且未被朝向觀看窗耦出的剩餘圖像傳送光繼續傳播並到達LOE的端面15。該光的至少一部分將從端面反射回去，並將沿LOE在反方向25上傳播，其中耦出裝置通常使該光的一部分向外方向27耦合離開用戶。這可能導致從LOE發出的並且對外部觀察者可見的不期望的輝光或眩光。該效果對於根據本發明的第一方面的LOE尤其顯著，這是由於注入圖像強度中的相對大的比例被所有小平面透射並且到達端面15。

為了減弱該效果，根據本發明的該方面並且如圖5B所示，將光吸收塗層、膜或層35施加到LOE 10的端面15。還可以有利地將光吸收塗層施加到LOE的其他三個側面中的任何側面。可以將光吸收塗層35方便地實現為黑色塗料層。在一些實施方式中，塗層可以被配置成具有粗糙的表面，這可以通過在施加塗料之前使LOE的邊緣粗糙或通過採用粗糙的膜或層(使用光學黏合劑等將該粗糙的膜或層結合至LOE的相關側面)來實現。

應當注意，圖式中所示的LOE的取向可以被視為“側注入”實現方式，其中，進入LOE的圖像照明在側邊緣附近進入並側向傳播。應當認識到，示出的所有特徵同樣適用於“自頂向下”實現方式，其中圖像從LOE的頂部注入並向下傳播，該“自頂向下”實現方式也落入本發明的範圍內。在某些情況下，其他中間取向也是適用的，並且除非明確被排除，否則也被包括在本發明的範圍內。

將認識到，以上描述中的數字示例僅是示例，並且可以在設計優化過程中變化。還應當認識到，在本發明的各種實施方式中，本發明的方面中的兩個或更多個方面可以被組合成優化的設計。

應當認識到，以上描述僅旨在用作示例，並且在所附申請專利範圍中所限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式也是可能的。

就所附申請專利範圍是在沒有多項引用的情況下撰寫的而言，這樣做僅是為了適應不允許這樣的多項引用的司法管轄區的形式要求。應當注意，通過使申請專利範圍多項引用而隱含的特徵的所有可能組合被明確地設想並且應當被認為是本發明的一部分。

31,32,34,35:線

38,39:實線

Claims

一種光導光學元件(LOE)，用於由觀看者的眼睛同時觀看真實場景和投影圖像，所述投影圖像由在第一取向上偏振的光傳送並且被引入到所述LOE，所述LOE包括：透明材料塊，其具有第一主表面以及平行於所述第一主表面的第二主表面，使得傳送被引入到所述LOE的投影圖像的光通過所述第一主表面和所述第二主表面處的內反射在所述LOE內傳播，以及多個相互平行的部分反射表面，其在所述塊的內部並且相對於所述第一主表面傾斜地定向，以使所述光中的一部分朝向所述觀看者的眼睛耦出，其中，所述部分反射表面中的每個部分反射表面在與所述主表面垂直的方向上對在第二取向上偏振的光的反射率小於該部分反射表面在所述方向上對在所述第一取向上偏振的光的反射率的三分之一，所述第二取向與所述第一取向正交，其中，傳送被引入到所述LOE的投影圖像的光相對於所述相互平行的部分反射表面是S偏振的，並且其中，相對於所述相互平行的部分反射表面對S偏振光的反射率，所述相互平行的部分反射表面對P偏振光的反射率減小。
如請求項1所述的LOE，其中，所述第一偏振取向相對於所述部分反射表面是S偏振的。
如請求項2所述的LOE，其中，所述部分反射表面在包括與所述第一主表面垂直的方向的至少約30度的角度範圍內對P偏振基本透明。
一種光導光學元件(LOE)，用於由觀看者的眼睛同時觀看真實場景以及被引入到所述LOE的投影圖像，所述LOE包括：透明材料塊，其具有第一主表面以及平行於所述第一主表面的第二主表面，使得傳送被引入到所述LOE的投影圖像的光通過所述第一主表面和所述第二主表面處的內反射沿所述LOE在第一方向上傳播，在外部與所述第一主表面平行的平面中限定了給定大小的眼動箱，以及多個相互平行的部分反射表面，其在所述塊的內部、沿所述第一方向順序地佈置並且相對於所述第一主表面傾斜地定向，以使所述光中的一部分朝向所述眼動箱耦出，其中，所述部分反射表面的序列中的最後一個部分反射表面對所述光中從所述最後一個部分反射表面朝向所述眼動箱內的任何點耦出的部分的反射率是所述最後一個部分反射表面對在與所述第一主表面和所述第二主表面垂直的方向上行進的光的反射率的至少兩倍，其中，所述透明材料塊具有端面，在所述LOE內傳播的穿過所述部分反射表面的光照射在所述端面上，並且其中，所述端面塗覆有光吸收層，所述光吸收層被配置成吸收被引入到所述LOE並且未被耦出的光。
如請求項4所述的LOE，其中，所述部分反射表面的序列中的最後一個部分反射表面對所述光中從所述最後一個部分反射表面朝向所述眼動箱內的任何點耦出的部分的反射率是所述最後一個部分反射表面對在與所述第一主表面和所述第二主表面垂直的方向上行進的光的反射率的至少四倍。