光导结构和光学器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总地涉及光学成像，具体地，涉及用于在背景图像中显示一个或多个虚拟对像的光导结构、利用一个或多个这样的光导结构的光学器件、以及被提供有一个或多个这样的光学器件的成像系统。
【背景技术】
[0002]具有增加真实性的常规光学器件，即用于显示虚像和背景图像的组合的光学器件，通常被制成面罩(helmet)或眼镜并且具有在使用者的眼睛或双眼前面的光学系统。具有增加真实性的光学器件以目镜(ey印iece)的组合为基础以放大由小型的IXD、LCoS、CRT或OLED形成的图像、或者放大基于例如分束立方体或半透明板的其它空间光调制器和图像组合器形成的图像。目镜和分束器常被制成整体式结构。这样的器件的缺点是其大尺寸和重量。
[0003]为了消除上述缺点，可以使用具有不同嵌入结构的光导。一个示例存在于公开了一种光波导的US8433172中，其中该光波导被提供有两个面:用于光束进入到光波导的注入截面、射出光束的提取截面。该提取截面包括位于光波导的上述两个面的其中之一的表面上的多个微结构。该微结构被制成具有计算角度的棱镜从而以相对于允许光束从光波导射出的相对表面的给定角度发送回光束。所述器件的主要缺点是由于被平坦表面分开的棱镜几何结构的性能引起的亮度不均匀性。
[0004]本发明的最接近的现有技术是在US7457040中描述的光学器件。图12显示了在该器件中包括的光导光学元件的侧视图。如图所示，光导光学元件包括具有至少两个主表面I la、I Ib以及边缘的平坦的光透射基板11、用于通过全内反射使光耦合在基板11中的光学装置12以及位于基板11内部的至少一个部分反射装置13。光学装置12的第一反射面被从位于该器件后面的光源(未示出)发出的平行光束照射。反射面反射入射光束使得光束通过全内反射被捕获在基板11内。在自基板11的表面IlaUlb的几个反射之后，被捕获的光束到达装置13的选择性反射面，该选择性反射面将光束耦合出基板11并到达观看者的眼睛14。所述器件的主要缺点是必须具有取决于入射角的预定反射率和透射率性能的昂贵涂层。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是消除现有技术已知的方案特有的上述缺点。
[0006]通过使用本发明实现的技术效果包括通过利用此处公开的光导结构而增加成像系统的视场和出瞳。
[0007]根据第一方面，提供一种光导结构。该光导结构包括第一部分、第二部分和中间部分，其中第一部分和第二部分通过该中间部分而联接到彼此。第一部分被配置来接收通过外部显示器发射的光线，并且由于全内反射，提供光线透过中间部分到第二部分的传播。第二部分被制为具有顶表面和底表面的台阶结构。顶表面具有相对于底表面倾斜的至少两个部分以及设置在所述至少两个倾斜部分之间且基本上平行于底表面的至少一个部分。由于第二部分的这样的台阶布置，从顶表面的倾斜部分反射的光线被向外输出。另外，台阶结构被配置来使入射在顶表面上的环境光通过自身且与所输出的光线一起朝向观看者提供。
[0008]在一个实施方式中，台阶结构的底表面和顶表面的所有部分可以是平坦的。
[0009]在另一实施方式中，台阶结构的顶表面的所有部分可以是弯曲的。
[0010]在另一实施方式中，第一部分、第二部分和中间部分的底表面可以彼此对齐。
[0011]在另一实施方式中，台阶结构的顶表面的不同部分的相接位置可以被圆化。
[0012]台阶结构的顶表面的所有部分可以具有相等的长度，或者台阶结构的顶表面的一些或所有部分可以具有不同的长度。
[0013]另外，第一部分、第二部分和中间部分可以被实现为整体式结构。
[0014]相对于台阶结构的底表面倾斜的所述部分的每个可以被涂覆有反射镜涂层。反射镜涂层可以对于通过外部显示器发射的光线的偏振敏感。
[0015]在另一实施方式中，光导结构可以进一步包括补偿部分。补偿部分的结构应该与第二部分的结构一致，因此补偿部分与第二部分相连(adjoin)而在其间没有间隙。
[0016]此外，中间部分的顶和底表面可以相对于第二部分的底表面倾斜，和/或中间部分的顶和底表面可以是弯曲的。
[0017]优选地，第一部分可以是凸起结构，特别是楔形结构。
[0018]根据第二方面，提供一种光学器件。光学器件包括:配置来发射光线的显示器；配置来沿着其光轴引导光线的光学装置；以及根据第一方面的至少一个光导结构。光导结构布置在光学装置的光轴上使得来自显示器的光线入射在第一部分上。
[0019]在一个实施方式中，显示器可以被制为微显示器以提供更好的紧凑性。
[0020]在其它实施方式中，光学装置可以包括目镜或准直透镜。
[0021]根据第三方面，提供一种成像系统。该系统包括:根据第二方面的至少一个光学器件；以及处理器，连接到光学器件且配置为处理图像用于通过光学器件向使用者显示。
[0022]该系统可以进一步包括配置为经由无线电波接收或发射交互内容的无线电接口。
[0023]该系统可以进一步包括配置为俘获图像且向处理器发送所俘获的图像的光学接口。该光学接口可以包括照相机、摄像放像机、聚光透镜或其任何组合。
[0024]该系统可以进一步包括声学接口，该声学接口配置为经由声波接收并发射交互内容。声学接口可以包括话筒、动力或骨导传感器、或其任何组合。
[0025]在一些实施方式中，该系统能够以面罩或眼镜的形式被制造。
[0026]本发明能够被应用在展览会、博物馆、电影院、音乐会和体育馆、露天大型运动场和运动会会场、被应用于广告业、汽车中、被应用在博弈和模拟系统中、以及在必须向使用者提供与周围背景不同的对像的虚像的其它场合。
[0027]本发明的其它特征和优点将在阅读以下详细描述且观察附图时明显。
【附图说明】
[0028]本发明的实质通过【附图说明】，在附图中:
[0029]图1显示了根据本发明的一个实施方式的光学器件；
[0030]图2示出了图1中的光学器件的工作原理；
[0031]图3-6显示了光导结构的第二部分的不同实施方式；
[0032]图7显示了第二部分具有偏振涂层的光导结构的侧视图；
[0033]图8显示了其中光导结构的所有部分彼此对准的光学器件；
[0034]图9显示了其中光导结构的中间部分具有曲面的光学器件；
[0035]图1Oa是其中使用LCoS技术的光学器件的3D视图；
[0036]图1Ob是在第二部分中具有多个台阶的光导结构的3D视图；
[0037]图1la示出了根据本发明的一个实施方式以眼镜形式制成的成像系统；
[0038]图1lb示出了图1la的眼镜的右眼镜腿的结构；
[0039]图12示出了从现有技术已知的光波导的内部的光线的行为。
【具体实施方式】
[0040]参考附图进一步更详细地描述了本发明的不同实施方式。然而，本发明可以以许多其它形式实施且不应被理解为限于在以下描述中存在的任何特定结构或功能。而是，这些实施方式被提供来使本发明的描述详细和完整。根据本描述，对于本领域的技术人员而言明显的是，本发明的范围涵盖此处公开的本发明的任何实施方式，而与本实施方式是否独立地实施或与本发明的任何其它实施方式协力地实施无关。例如，此处公开的器件实际上可以通过使用此处提供的许多实施方式实现。此外，应该理解的是，本发明的任何实施方式可以利用权利要求中存在的元件中的一个或多个实施。
[0041 ]词语“示例性”在此处以“作为一实例或示例”的含义被使用。此处被描述为“示例性”的任何实施方式不应必须被理解为优于其它实施方式或相对于其它实施方式具有优点。
[0042]图1示出了根据本发明的一个示例性实施方式的光学器件100。如图1所示，器件100包括显示器101 (被示意性地显示为一直线)、光学装置102以及光导结构。光导结构由第一部分103、第二部分104和中间部分105组成，其中第一和第二部分103、104通过中间部分105联接到彼此。光导结构的每个部分可以由适于光传播的任何已知材料制造，诸如玻璃、聚合物材料等。此外，光导结构的所有部分可以被制为整体结构。
[0043]显示器101被配置来朝向光学装置102发射光线。显示器101可以是现有技术中已知的任何类型，诸如IXD、LCoS、CRT、LED或OLED显示器。此外，如果必要，显示器101可以被制为微显示器以提供其紧凑性。
[0044]光学装置102可以具有任何适当的结构。例如，图1显示了由一个透镜组成的光学装置102。然而，本发明不限于光学装置的这样的结构，如果必要，可以包括多个不同的透镜或其它光学元件。透镜和/或其它光学元件的类型和数量的选择取决于具体应用，如应该对于本领域的普通技术人员而言明显的那样。具体地，光学装置102可以包含目镜、准直透镜等。光学装置沿着其光轴引导由显示器101发射的光线，由此形成出瞳106。
[0045]已经经过光学装置102的光线入射在与中间部分105的一个边缘联接的第一部分103上。优选地，光导的第一部分103被制为楔形结构，因而输入到第一部分103中的光线被捕获在其内部中并且由于全内反射被引导到中间部分105。然而，本发明不限于楔形结构的第一部分103，可以使用任何其它适当的结构，如对于本领域的技术人员而言应该是明显的那样。
[0046]如图1理解的，光线随后进入中间部分105并且由于从表面107和108的全内反射而在其内部传播。然后，光线进入与中间部分105的另一边缘联接的第二部分104。如图所示，第二部分104被制为具有顶表面和底表面的台阶结构。顶表面具有相对于底表面111倾斜的两个部分109和110以及位于部分109和110之间且平行于底表面111的部分112。照在部分109和110上的光线从其反射，然后穿过底表面111从第二部分104输出。例如，图1显示了从显示器101发出的光线中进入第二部分104