ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ СИСТЕМЫ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО КОМПАКТНОГО НАШЛЕМНОГО ДИСПЛЕЯ С МАЛОЙ ВХОДНОЙ АПЕРТУРОЙ Российский патент 2024 года по МПК G02B27/01 

Область техники

Настоящее изобретение относится к световодным оптическим устройствам с подложкой и, в частности, к устройствам, имеющим отражающие поверхности на светопропускающей подложке и решетку частично отражающих поверхностей, прикрепленных к подложке.

Использование изобретения может дать преимущество во многих устройствах формирования изображения, например, в нашлемных дисплеях и индикаторах на лобовом стекле, а также сотовых телефонах, компактных дисплеях и 3-D дисплеях.

Уровень техники

Одним из важных применений для компактных оптических элементов является их использование в нашлемном дисплее (HMD - от англ. head-mounted display), где оптический модуль выполняет одновременно функции линзы формирования изображения и устройства объединения изображений, в котором двумерный дисплей отображается на бесконечность и отражается в глаз наблюдателя. Дисплей может быть образован непосредственно либо пространственным модулятором света (ПМС), например, электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), жидкокристаллическим дисплеем (ЖК-дисплей), матрицей органических светоизлучающих диодов (OLED - от англ. organic light-emitting diode), либо сканирующим источником или аналогичными устройствами, либо, опосредованно, посредством объектива переноса изображения или оптоволоконным пучком. Дисплей содержит матрицу элементов (пикселей), отображенных на бесконечность коллимирующей линзой и передаваемых в глаз наблюдателя посредством отражающей или частично отражающей поверхности, действующей в качестве объединителя для применений, не обеспечивающих или обеспечивающих "сквозное" видение, соответственно. Обычно для этих целей используют известный пространственный оптический модуль. Когда желательное поле зрения (FOV от англ. field of view) системы увеличивается, размеры и вес такого известного оптического модуля растут, он становится громоздким и поэтому непрактичным даже для устройства с умеренными эксплуатационными характеристиками. Это является основным недостатком дисплеев всех типов, но особенно шлемов-дисплеев, где система обязательно должна быть максимально легкой и компактной.

Стремление к компактности привело к разработке нескольких различных сложных оптических решений, которые, с одной стороны, все же недостаточно компактны для большинства практических применений и, с другой стороны, имеют крупные недостатки в смысле возможности производства, стоимости и рабочих характеристик.

Принципы, изложенные в публикациях WO 2017/141239, WO 2017/141240, WO 2017/141242 и РСТ/ IL2018/051105, полностью включены в настоящее раскрытие посредством ссылки.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на создание компактных подложек для нашлемных дисплеев (HMD) и других применений. Изобретение характеризуется относительно широким полем зрения (FOV от англ. field of view) в сочетании с относительно большим выходным зрачком (ЕМВ - от англ. eye-motion box). Получившаяся в результате оптическая система обеспечивает формирование высококачественного широкоугольного изображения, которое также приспособлено к большим перемещениям глаза. Главным преимуществом предложенной в изобретении оптической системы является ее компактность в сравнении с существующими конструкциями, а также простота ее встраивания даже в оптические системы, имеющие узкоспециализированные конструкции.

Общая цель настоящего изобретения, таким образом, состоит в смягчении недостатков существующих компактных оптических устройств отображения, и в создании оптических компонентов и систем, имеющих улучшенные технические характеристики, соответствующие специальным требованиям.

В соответствии с настоящим изобретением, таким образом, предлагается оптическая система, представляющая собой оптическое устройство, включающее первую светопропускающую подложку, имеющую по меньшей мере две параллельные главные поверхности и два противоположных края (ребра); входную апертуру; выходную апертуру, расположенную рядом с одной из главных поверхностей подложки; выходной зрачок, характеризующийся апертурой; первый промежуточный элемент, имеющий по меньшей мере две поверхности, расположенные вне подложки, для введения приходящих световых волн, имеющих поле зрения, в подложку через входную апертуру; первую плоскую отражающую поверхность, активная площадь которой находится между двумя главными поверхностями светопропускающей подложки, для отражения световых волн приходящих от первого промежуточного элемента, для обеспечения полного внутреннего отражения от главных поверхностей подложки; вторую плоскую отражающую поверхность, параллельную первой плоской отражающей поверхности, имеющей активную площадь и расположенную между двумя главными поверхностями светопропускающей подложки, для выведения световых волн из подложки, и отклоняющий оптический элемент, имеющий по меньшей мере две поверхности, расположенные вне подложки, для отклонения световых волн, выведенных из подложки через выходную апертуру в выходной зрачок, причем входная апертура существенно меньше выходной апертуры, все приходящие световые волны проходят внутрь входной апертуры, все световые волны, выводимые из подложки второй плоской отражающей поверхностью, вводятся в подложку посредством отражения от первой отражающей поверхности, активная площадь первой отражающей поверхности подобна (близка по величине) активной площади второй отражающей поверхности, и каждая из введенных световых волн перекрывает полностью апертуру выходного зрачка.

Краткое описание чертежей

Изобретение описывается применительно к определенным предпочтительным вариантам осуществления со ссылкой на приведенные чертежи, иллюстрирующие изобретение и делающие его более понятным.

Что касается конкретных ссылок на чертежи, то следует подчеркнуть, что показанные детали приведены только в качестве примера и для иллюстрации при рассмотрении предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения, и демонстрации того, что представляется наиболее подходящим и хорошо понятным описанием принципов и важнейших особенностей изобретения. Поэтому не делалось попыток описания конструктивных особенностей изобретения с большей детальностью, чем это необходимо для понимания его основных положений.

Описание вместе с чертежами предназначено в качестве руководства специалистам для практической реализации нескольких форм изобретения.

На чертежах:

на фиг. 1 представлен вид сбоку известного частного варианта светопропускающей подложки;

на фиг. 2 представлен вид сбоку другого известного частного варианта светопропускающей подложки;

на фиг. 3А и 3Б иллюстрируются требуемые характеристики отражения и пропускания избирательно отражающих поверхностей, используемых в частном варианте известной светопропускающей подложки, для двух интервалов углов падения;

на фиг. 4 показана кривая зависимости коэффициента отражения от угла падения для частного варианта диэлектрического покрытия;

на фиг. 5 представлен схематичный вид сечения известной светопропускающей подложки, в которой как элементами ввода, так и элементами вывода являются дифракционные оптические элементы;

на фиг. 6А, 6Б, и 6В представлены виды сечения известной прозрачной подложки, имеющей поверхности ввода и вывода и отклоняющий элемент с частичным отражением;

на фиг. 7 схематично показаны активные части поверхности вывода, соответствующие углу зрения и выходному зрачку (ЕМВ) системы;

на фиг. 8А, 8Б, 8В и 8Г схематично показаны активные части поверхности ввода, соответствующие углу зрения и ЕМВ системы;

на фиг. 9А, 9Б, 9В и 9Г схематично показаны виды сечения вариантов осуществления со световодной подложкой, имеющий один элемент вывода, промежуточную призму и входную апертуру много меньшую по сравнению с выходной апертурой, в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 10 представлен график зависимости коэффициента отражения падающих световых волн на плоскость раздела от угла падения для трех разных длин волн;

на фиг. 11 представлен график зависимости угла падения на плоскость раздела двух разных световых волн и критического угла плоскости раздела от длины волны;

на фиг. 12А, 12Б и 12В представлены графики зависимости коэффициента отражения падающих световых волн на плоскость раздела от угла падения для трех разных длин волн, и углы падения двух конкретных световых волн;

на фиг. 13А, 13Б, 13В и 13Г схематично показаны виды сечения других вариантов осуществления со световодными подложками, имеющих один элемент вывода, промежуточную призму, и входную апертуру, размер которой существенно меньше размера выходной апертуры;

на фиг. 14А, 14Б, 14В и 14Г схематично показаны виды сечения еще одних вариантов осуществления со световодными подложками, имеющих один элемент вывода, промежуточную призму, и входную апертуру, размер которой существенно меньше размера выходной апертуры;

на фиг. 15 представлен график зависимости коэффициента отражения падающих световых волн на поверхность ввода от угла падения для трех разных длин волн;

на фиг. 16 представлен график зависимости угла падения двух разных световых волн на поверхность ввода от длины волны, и критический угол поверхности ввода;

на фиг. 17А, 17Б и 17В представлены графики зависимости коэффициента отражения падающих световых волн на поверхность ввода от угла падения для трех разных длин волн, и углов падения двух конкретных световых волн;

на фиг. 18А, 18Б, 18В и 18Г схематично показаны виды сечения вариантов осуществления со световодной подложкой, имеющих один элемент вывода, две промежуточные призмы и входную апертуру, размер которой существенно меньше размера выходной апертуры;

на фиг. 19А, 19Б, 19В и 19Г схематично показаны другие виды сечения вариантов осуществления со световодной подложкой, имеющих один элемент вывода, две промежуточные призмы и входную апертуру, размер которой существенно меньше размера выходной апертуры;

на фиг. 20А, 20Б, 20В и 20Г схематично показаны еще одни виды сечения вариантов осуществления со световодной подложкой, имеющих один элемент вывода, две промежуточные призмы и входную апертуру, размер которой существенно меньше размера выходной апертуры;

на фиг. 21 схематично показан вид сечения варианта осуществления с двумя смежными подложками с разными углами наклона поверхностей ввода;

на фиг. 22А, 22Б, 22В и 22Г схематично показаны виды сечения одной световой волны, введенной внутрь варианта осуществления со световодной подложкой, имеющего две прилегающие подложки;

на фиг. 23А, 23Б, 23В и 23Г схематично показаны виды сечения другой световой волны, введенной внутрь варианта осуществления со световодной подложкой, имеющего две смежные подложки;

на фиг. 24А, 24Б, 24В и 24Г схематично показаны виды сечения еще одной световой волны, введенной внутрь варианта осуществления со световодной подложкой, имеющего две смежные подложки;

на фиг. 25 схематично показан вид сечения трех разных световых волн, введенных внутрь варианта осуществления со световодной подложкой, имеющего две прилегающих подложки, промежуточную призму и входную апертуру, размер которой существенно меньше размера выходной апертуры;

на фиг. 26А и 26Б схематично показаны виды сечения вариантов осуществления со световодной подложкой, в которых нежелательные световые волны достигают выходного зрачка системы;

на фиг. 27 схематично показан вид сечения варианта осуществления со световодной подложкой, имеющий решетку поглощающих поверхностей для устранения полного внутреннего отражения от внешней поверхности;

на фиг. 28А, 28Б, 28В, 28Г, 28Д и 28Е представлены изображения, иллюстрирующие способ изготовления пластины с решеткой поглощающих поверхностей;

на фиг. 29А и 29Б схематично показаны виды сечения вариантов осуществления со световодной подложкой, в которых нежелательные рассеянные лучи поглощаются внутри тонкой пластины;

на фиг. 30 представлено изображение, иллюстрирующее способ расширения выходной апертуры по двум осям с использованием конструкции с двумя подложками; и

на фиг. 31А и 31Б схематично показаны другие виды сечений вариантов осуществления со световодной подложкой, использующие отражающие линзы в качестве коллимирующего элемента для поляризованных и неполяризованных источников-дисплеев.

Подробное описание осуществления изобретения

На фиг. 1 показан вид сечения известной светопропускающей подложки, в которой первая отражающая поверхность 16 освещается коллимированным световым пучком 12, исходящим из источника-дисплея 4 и коллимированным линзой 6, расположенной между источником 4 и подложкой 20 устройства. Отражающая поверхность 16 отражает падающий от источника 4 свет так, что световая волна оказывается каналированной внутри плоской подложки 20 благодаря полному внутреннему отражению. После нескольких отражений от главных поверхностей 26, 27 подложки 20, каналируемые световые волны достигают частично отражающего элемента 22, который выводит свет их подложки в глаз 24 наблюдателя, имеющий зрачок 25. В данном случае, входная апертура 17 подложки 20 определяется, как апертура, через которую входные световые волны входят в подложку, а выходная апертура 18 подложки определяется, как апертура, через которую каналируемые световые волны выходят из подложки. В случае подложки, показанной на фиг. 1, как входная, так и выходная апертуры совпадают с нижней поверхностью 26. Можно, однако, представить и другие конструкции, в которых вход и световые волны изображения от источника-дисплея 4 располагаются на противоположных сторонах подложки, или на одном из ребер подложки. Как показано на чертеже, активные площади входной и выходной апертур, которые, соответственно, представляют собой примерно проекции элемента 16 ввода и элемента 22 вывода на главную поверхность 26, аналогичны друг другу.

В системах нашлемных дисплеев (HMD) требуется, чтобы вся площадь выходного зрачка (ЕМВ) освещалась всеми световыми волнами, выходящими из источника-дисплея, чтобы обеспечить одновременное восприятие глазом наблюдателя всего поля зрения (FOV) проецируемого изображения. В результате, должна быть соответственно расширена выходная апертура системы. С другой стороны, необходимо, чтобы оптический модуль был легким и компактным. Поскольку поперечная протяженность коллимирующей линзы 6 определяется поперечными размерами входной апертуры подложки, желательно, чтобы входная апертура имела минимально возможный размер. В системах типа показанной на фиг. 1, где поперечные размеры входной апертуры и выходной апертуры одинаковы, эти требования оказываются внутренне противоречивыми. Большинство систем, основанных на такой оптической схеме, страдают от малого ЕМВ и малого достижимого FOV, а также имеют большой и громоздкий модуль формирования изображения.

Вариант осуществления, в котором по меньшей мере частично решается эта проблема, иллюстрируется на фиг. 2, где элементом, выводящим световые волны из подложки, является решетка частично отражающих поверхностей 22а и 22b и т.д. Выходная апертура в такой конструкции может быть расширена увеличением числа частично отражающих поверхностей, встроенных внутрь подложки 20. Таким путем возможно разработать и создать оптический модуль, имеющий малую входную апертуру и одновременно большую выходную апертуру. По чертежу видно, что каналируемые подложкой лучи приходят на отражающие поверхности с двух разных направлений 28, 30. В данном конкретном варианте осуществления, каналируемые лучи приходят на частично отражающую поверхность 22а с одного из этих направлений 28 после четного числа отражений от главных поверхностей подложек 26 и 27, при этом угол падения между каналируемым лучом и нормалью к отражающей поверхности составляет β_ref.

Каналируемые лучи приходят на частично отражающую поверхность 22b со второго направления 30 после нечетного числа отражений от поверхностей 26 и 27 подложки, при этом угол падения между каналируемым лучом и нормалью к отражающей поверхности составляет β_ref.

Как далее показано на фиг. 2, для каждой отражающей поверхности каждый луч сначала падает на поверхность с направления 30, после чего некоторые из лучей снова падают на эту поверхность с направления 28. Для того чтобы предотвратить нежелательные отражения и паразитные изображения, коэффициент отражения лучей, падающих на поверхность со второго направления 28, должен быть ничтожно малым.

Обеспечивающее выполнение этого требования решение, использующее угловую чувствительность тонкопленочных покрытий, было ранее предложено в Публикациях, упомянутых выше. Требуемая селекция между двумя направлениями падения может быть обеспечена, если один угол существенно меньше другого. Имеется возможность создать покрытие с очень низким коэффициентом отражения при больших углах падения и высоким коэффициентом отражения при малых углах падения. Это свойство может быть использовано для предотвращения нежелательных отражений и паразитных изображений посредством устранения отражения в одном из двух направлений.

На фиг. 3А и 3Б иллюстрируется желательные характеристики отражения частично отражающих поверхностей 34. В то время как луч 32 (фиг. 3А), отстоящий от оси на угол β_ref частично отражается и выводится из подложки 20, луч 36 (фиг. 3Б), падающий под углом к оси, равным к отражающим поверхностям 34, передается через отражающие поверхности 34 без заметных отражений.

На фиг. 4 показана кривая зависимости коэффициента отражения от угла падения для типичной частично отражающей поверхности этой конкретной системы, для S-поляризованного света с длиной волны λ=550 нм. Для цветного дисплея, аналогичные кривые коэффициента отражения должны быть получены для всех других длин волн в соответствующем видимом спектре, составляющем для большинства обычно используемых источников-дисплеев от 430 нм до 660 нм. На графике имеются две важных области: от 65° до 85°, где отражение очень мало, и от 10° до 40°, где отражение монотонно увеличивается с ростом углов падения. Как видно на фиг. 3 и 4, требуемый характер изменения коэффициента отражения частично отражающих поверхностей 22 варианта осуществления, показанного на фиг. 2, не является обычным. Более того, для сохранения низкого отражения в области больших углов, коэффициент отражения в области низких углов не может быть выше 20%-30%. Далее, для достижения однородной яркости по всему полю зрения (FOV), необходимо, чтобы коэффициент отражения частично отражающих поверхностей постепенно увеличивался к краю подложки и, в результате, максимально достижимая эффективность сравнительно мала и не может обычно превышать 10%.

Другой способ ввода световых волн в световодный оптический элемент и вывода из него основан на использовании дифракционных элементов. Как показано на фиг. 5, световые лучи 34 и 36 вводятся в прозрачную подложку 20 посредством дифракционного элемента 48, и после нескольких полных внутренних отражений от внешних поверхностей подложки, световые лучи выводятся из подложки вторым дифракционным элементом 50. Как показано на чертеже, луч 34 выводится по меньшей мере дважды в двух разных точках 52 и 54 на элементе 50. Соответственно для достижения однородности выходных световых волн, дифракционная эффективность элемента 50 должна постепенно повышаться вдоль оси ξ,. В результате, общая эф фективность оптической системы оказывается еще ниже, чем у системы, показанной на фиг. 2, и обычно не превышает нескольких процентов. Другими словами, в показанных на фиг. 2 и 5 вариантах осуществления значительное увеличение выходной апертуры по сравнению со входной апертурой достигается ценой значительного снижения эффективности оптического модуля в отношении яркости, а также усложнения процесса изготовления подложки.

На фиг. 6А и 6Б представлены варианты осуществления, в которых устраняются описанные выше недостатки. Вместо использования одного элемента (22 на фиг. 2, или 50 на фиг. 5), который предназначен одновременно для выведения световых волн из подложки 20 и для направления световых волн в глаз 24 пользователя, эти функции поделены между двумя разными элементами, а именно, один элемент, встроенный внутрь подложки, выводит световые волны из подложки, в то время как второй обычный частично отражающий элемент, находящийся за пределами подложки, отклоняет световые волны в глаз наблюдателя. Как показано на фиг. 6А, два луча 63 (пунктирные линии) из плоской световой волны, излучаемой источником-дисплеем и коллимируемой линзой (не показана), входят в светопропускающую подложку 64, имеющую две параллельные главные поверхности 70 и 72 подложки, через входную апертуру 86 под углом падения относительно главных поверхностей 70 и 72 подложки. Лучи падают на отражающую поверхность 65, наклоненную под углом α_surl к главным поверхностям подложки. Отражающая поверхность 65 отражает падающие световые лучи так, что световые лучи каналируются внутри плоской подложки 64 благодаря полному внутреннему отражению от главных поверхностей. Для различения "порядка распространения" каналированных в подложке световых волн вводится нижний индекс (i), определяющий порядок i волны. Падающие на подложку входные световые волны нулевого порядка будут обозначаться индексом (0). После каждого отражения от отражающей поверхности ввода, порядок каналированного луча увеличивается на единицу от . от оси между каналированным лучом первого порядка и нормалью к главным поверхностям 70, 72 составляет

После нескольких отражений от поверхностей подложки, каналированные световые лучи достигают второй плоской отражающей поверхности 67, которая выводит световые лучи из подложки. Предполагая, что поверхность 67 наклонена под тем же углом к главным поверхностям, что и первая поверхность 65, т.е., поверхности 65 и 67 параллельны и α_sur2=α_sur1, угол α_out между выводимыми лучами и нормалью к плоскости поверхности составляет

В результате, выведенные световые лучи наклонены относительно подложки под тем же углом, что и падающие световые лучи. Вплоть до этого момента, введенные световые волны распространяются аналогично световым волнам, показанным на фиг. 1. На фиг. 6А, показывающей два луча 68 (штрих-пунктирные линии), имеющие те же углы падения, что и у луча 63, и падающие на правую сторону отражающей поверхности 65, иллюстрируется другой характер распространения. После двух отражений от поверхности 65, световые волны вводятся в подложку 64 с использованием полного внутреннего отражения и угол наклона каналированных лучей внутри подложки теперь составляет

После нескольких отражений от главных поверхностей подложки, каналированные световые лучи достигают второй отражающей поверхности 67. Световые лучи 68 отражаются дважды от поверхности 67 вывода и выводятся из подложки под тем же углом α_out относительно оси, что и два других луча 63, отразившихся только один раз от поверхностей 65 и 67, который равен входному углу падения этих четырех лучей на главные плоскости подложки. Хотя все четыре луча падают на подложку и выводятся из нее под одним углом относительно оси, между ними имеется существенное различие: два световых луча 68, падающих на правую сторону отражающей поверхности 65, находятся ближе к правому краю 66 подложки 64, отражаются дважды от поверхностей 65 и 67, и выводятся из подложки на левой стороне поверхности 67, которая ближе к противоположному левому краю 69 подложки. С другой стороны, два световых луча 63, падающих на левую сторону отражающей поверхности 65, находятся ближе к центру подложки 64, отражаются однократно от поверхностей 65 и 67 и выводятся из подложки с правой стороны поверхности 67, находящейся ближе к середине подложки.

Как также показано на фиг. 6А и 6Б, угол α_out наклона изображения может регулироваться добавлением частично отражающей поверхности 79, наклоненной под углом α_γed к поверхности 72 подложки. Как показано на чертежах, изображение отражается и поворачивается так, что оно снова проходит через подложку в основном перпендикулярно главным поверхностям подложки и достигает глаз а 24 наблюдателя через выходную апертуру 89 подложки. Для сведения к минимуму дисторсии и хроматических аберраций, желательно встроить поверхность 79 в отклоняющую призму 80 и дополнить подложку 64 второй призмой 82, выполненной из того же материала, что и подложка, причем не обязательно совпадающего с материалом призмы 80. Для получения минимальной толщины системы, можно, как это показано на фиг. 6Б, заменить одну отражающую поверхность 79 решеткой параллельных частично отражающих поверхностей 79а, 79b и т.д., где количество частично отражающих поверхностей может быть определено в соответствии с требованиями системы. Другим способом изменения направления выведения световых волн в глаз наблюдателя является использование плоской мета-поверхности, структура которой определяется характеристическим размером менее длины волны.

В показанных здесь вариантах осуществления, предполагается, что внутри подложки распространяются только волны первого и второго порядка углов между осями. Существуют, однако, системы, имеющие сравнительно небольшой угол α_sur наклона поверхностей ввода и вывода, в которых могут быть использованы даже третий и четвертый порядки.

Как показано на фиг. 6В, входной луч 71 падает на подложку 64 под углом к оси После трех отражений от поверхности 65 в точках 75а, 75b, 75с, этот луч вводится внутрь подложки и распространяется внутри под углом третьего порядка. После нескольких отражений от главных плоскостей подложки 64, луч 71 падает на поверхность 67. После трех отражений от поверхности в точках 77а, 77b и 77с луч выводится из подложки 64, имея угол к оси. Далее световой луч 71 отражается поверхностью 79а в основном перпендикулярно главной поверхности подложки в глаз 24 наблюдателя. Обычно для систем, имеющих малое число порядков на вводе в подложку, нижний порядок будет вводиться в подложку и выводиться из нее на частях отражающих поверхностей, находящихся ближе к краям подложки, высший порядок будет вводиться и вводиться на частях отражающих подложек ближе к центру подложки, в то время как средний порядок будет вводиться и выводиться через центральные части поверхностей ввода и вывода.

Существует два противоречащих друг другу требования в части поверхности 67 вывода. С одной стороны, изображения первых трех порядков должны отражаться от этой плоскости, в то время как с другой стороны, изображение нулевого порядка из подложки 64 должно проходить через нее без существенных отражений, после отражения от поверхности 79. Кроме того, для систем, обеспечивающих сквозное видение, прозрачность оптической системы для падающего практически по нормали светового луча 83 от внешней сцены должна быть максимально возможной. Этого можно достигнуть, используя воздушный зазор в поверхности 67. Для построения жесткой системы предпочтительно, однако, нанести оптический клей на поверхность 67, для склеивания подложки 67 с призмой 82, используя оптический клей с показателем преломления существенно более низким, чему подложки. Бывают, однако, ситуации, когда требуется оптический клей с показателем преломления, обеспечивающим необходимое полное внутреннее отражение для всего вводимого FOV, очень малой величины - порядка 1,31-1,35. Оптический клей с требуемым показателем преломления имеется на рынке, однако обеспечиваемая прочность склеивания недостаточна и его устойчивость к внешним воздействиям также недостаточна для военных и специальных применений. Альтернативным решением является нанесение тонкой пленки диэлектрического материала на поверхность 67, с использованием покрытия центрифугированием. Показатель преломления материала нанесенного покрытия существенно ниже, чем у подложки и должен иметь подходящую величину, при которой обеспечивается требуемое полное внутреннее отражение от поверхности 67 для всего FOV. Теперь подложка 64 может быть приклеена к призме 82 посредством оптического клея с требуемой прочностью склеивания и устойчивостью к воздействию внешних условий, при этом ее конкретный показатель преломления может иметь любую разумную величину.

В любом из предложенных способов сведения к минимуму отражения Френеля проходящих световых волн от поверхности 67 вывода, желательно нанести на эту поверхность антиотражающее покрытие (AR - от англ. anti-reflective). В этом случае, общая эффективность прохождения световых волн через подложку может быть очень высокой, а именно, коэффициент отражении поверхности 67, выводящей световые волны из подложки, составляет 100% благодаря полному внутреннему отражению от этой поверхности, в то время как пропускание этой поверхностью световых волн, отраженных от поверхности 79, а также световых лучей от внешней сцены также близко к 100% благодаря AR покрытию. Аналогично, желательно приклеивать призму 80 к нижней поверхности 72 подложки 64 для формирования плоскости 81 раздела с использованием оптического клея с показателем преломления, существенно более низким, чем у подложки, при этом на плоскость раздела наносится подходящее AR покрытие. И в этом случае, полное внутреннее отражение от поверхности 72 может быть достигнуто нанесением на эту поверхность подходящего материала посредством центрифугирования покрытия и использования обычного оптического клея для приклеивания призмы 80 к поверхности 72. В результате яркость световых волн, выводимых поверхностью 67 из подложки, аналогична яркости входных световых волн перед их вводом в подложку поверхностью 65, и единственным фактором снижения их яркости является частичное отражение от поверхности 79. В результате, эффективность передачи яркости в варианте осуществления, представленном на фиг. 6А-6В, может быть выше на порядок величины по сравнению с эффективностью конструкций, показанных на фиг. 2 и 5.

Как показано выше в отношении фиг. 6А, в системах, обеспечивающих сквозное видение, например, в нашлемных дисплеях в применениях с дополненной реальностью, в которых наблюдатель может видеть внешнюю сцену сквозь подложку, частично отражающие поверхности 79 должны быть по меньшей мере частично прозрачными, чтобы пропускать внешние световые лучи 63 и 68 сквозь подложку и попадать в глаз 24 наблюдателя. Поскольку поверхности 79 являются только частично отражающими, только часть введенных световых волн 63 и 68 отражается поверхностями 79 и достигает глаза наблюдателя, в то время как другая часть световых волн 84 проходит сквозь поверхности 79, выводится из призмы 80 и не достигает глаза наблюдателя. Аналогично, поскольку поверхности 79 являются только частично пропускающими, только часть внешних световых лучей 83 проходит сквозь поверхности 79 и достигает глаза наблюдателя, в то время как другая часть световых лучей 85 отражается от поверхностей 79, выводится из призмы 80 и также не попадает в глаз наблюдателя. Естественно, эффективность проецируемого изображения может быть увеличена за счет внешней сцены и наоборот, а именно, при увеличении коэффициента отражения частично отражающих поверхностей 79, яркость выводимых лучей 63 и 68 возрастает. Вследствие этого, однако, падает коэффициент пропускания поверхностей 79 и, следовательно, соответственно снижается яркость внешнего изображения 83.

В отличие от вариантов осуществления, показанных на фиг. 1-5, поверхностью 79, отражающей выводимый свет из подложки в глаз наблюдателя, и одновременно пропускающей внешние лучи, является обычное частично отражающее зеркало, не обладающее какими-либо специальными или сложными характеристиками, как поверхности 22 и 50 вариантов осуществления, показанных на фиг. 2 и 5, соответственно. Благодаря этому, появляется возможность динамически управлять коэффициентом отражения (а, следовательно, коэффициентом пропускания) частично отражающих поверхностей 79, в соответствии с условиями внешнего освещения и особенностей изображения, проецируемого в глаз наблюдателя. Одним способом управления коэффициентом отражения поверхностей 79 является использование электрически переключаемого активно-пассивного зеркала, являющегося твердотельным тонкопленочным устройством, выполненным из специального жидкокристаллического материала, который можно быстро переключать между состояниями полного отражения, частичного отражения и полного пропускания. Другим способом создания переключаемого элемента 79 является формирование его в виде динамической метаповерхности. Требуемое состояние переключаемого зеркала может быть установлено либо вручную пользователем, либо автоматически, с использованием фотометра, управляющего коэффициентом отражения зеркала в соответствии с внешней яркостью. Это свойство может быть полезным в условиях, где проецируемое изображение нужным образом совмещено с внешней сценой, но яркость внешней сцены сравнительно велика и, следовательно, должна сильно подавляться, чтобы не слепить наблюдателя и не создавать помехи проецируемому изображению. С другой стороны, эффективность проецируемого изображения должна быть достаточно высока для достижения разумного контраста. Поэтому, динамическая поверхность 79 может быть переключена в первичное состояние отражения, когда коэффициент отражения переключаемого зеркала значительно выше его коэффициента пропускания. Как следствие, выведенные из подложки световые лучи 63 и 68 преимущественно отражаются от поверхности 79 в глаз наблюдателя, и общая эффективность оптической системы может превышать 90%, при этом будет хорошо видна и яркая внешняя сцена. В результате, потенциальная яркостная эффективность варианта осуществления, показанного на фиг. 6А-6В может превышать более чем на порядок эффективность конструкций, показанных на фиг. 2 и 5.

Как показано на фиг.6А-6В, апертура поверхности 65 ввода равна апертуре поверхности 67 вывода. Вследствие этого, активная площадь входной апертуры 86 равна активной площади выходной апертуры 89. В результате, несмотря на то, что потенциально яркостная эффективность варианта осуществления, показанного на фиг. 6А-6В может быть очень высокой, все еще остается недостаток равенства входной и выходной апертур. Поэтому необходимо найти способ уменьшения входной апертуры при данной величине выходной апертуры, либо, иначе, увеличения выходной апертуры при данной величине входной апертуры. Для решения этой задачи используется тот факт, что световые волны, выводимые из подложки, не обязательно должны освещать всю активную площадь поверхности ввода.

На фиг. 7 показаны лучи, которые должны падать на выходную апертуру поверхности 89 для освещения выходного зрачка (ЕМВ) 100, включая две крайних и центральную световые волны изображения, которые выводятся из подложки и отклоняются в глаз 24 наблюдателя. Как показано, световые волны 107В., 107М и 107L, имеющие углы от оси нулевого порядка, являющиеся минимальным, центральным и максимальным углами FOV, соответственно, освещают только части 67R, 67М и 67L отражающей поверхности 67 вывода, соответственно, и отражаются поверхностью 89 в ЕМВ 100. Таким образом, может быть сформулирован способ, в котором входная апертура подложки будет существенно уменьшена с тем, чтобы вводимые волны освещали только требуемую соответствующую часть поверхности 67 и, следовательно, будет сохранена исходная яркость.

На фиг. 8А-8Г показан обратный ход трех световых волн от ЕМВ ко входной апертуре 86 подложки 64. Как показано, световая волна 107L (штрих-пунктирные линии на фиг. 8А) падает на правую часть поверхности 65, каналируется подложкой с углом относительно оси после трех отражений от поверхности 65, выводится из подложки после трех отражений от поверхности 67, причем третье отражение, которое выводит световую волну из подложки, происходит на левой части поверхности 67. Световая волна 107М (пунктирная линия на фиг. 8Б) падает на центральную часть поверхности 65, каналируется подложкой с углом после двух отражений от поверхности 65 и выводится из подложки после двух отражения от поверхности 67, причем второе отражение, выводящее световую волну из подложки, происходит в центральной части поверхности 67. Световая волна 107В. (штриховые линии на фиг. 8В) падает на левую часть поверхности 65, каналируется в подложке с углом от оси после одного отражения от поверхности 65 и выводится из подложки после одного отражения от правой части поверхности 67. Как показано на фиг. 8Г, площадь боковой поверхности входной апертуры 86, перекрывающая поступающие световые волны по полному EOV, равна этой площади выходной апертуры 89 и, значит, в этом варианте осуществления задача сокращения входной апертуры 86 не была решена.

Следует, однако, заметить, что хотя входящие волны перекрывают значительную входную апертуру, они падают на входную апертуры с ориентацией, противоположной ориентации обычной оптической системы. Другими словами, при обратном прослеживании световых волн от входной апертуры 86, вместо расхождения, они сходятся, сближаясь друг с другом. В результате в оптическую систему может быть добавлена промежуточная призма, которая позволит свести прослеживаемые световые волны в зрачок значительно меньшего размера по сравнению с входной апертурой 86.

На фиг. 9А-9Г представлен вариант осуществления, показанный на фиг. 8А-8Г, в котором на входной апертуре 86 к подложке прикреплена промежуточная призма 108. Поверхность 110 призмы 108 может быть оптически соединена с верхней поверхностью 70 подложки 64, с формированием плоскости 111 раздела. Для уменьшения хроматической дисперсии, оптический материал призмы 108 должен быть сходен с материалом отклоняющей призмы 80. Кроме того, поверхность 112 призмы 108, на которую падают световые волны, должна быть ориентирована так, чтобы поступающие волны 107R, 107М и 107L падали на поверхность 112 под теми же углами, под которыми они выводятся из подложки 64 через верхнюю поверхность 70 в глаз 24 наблюдателя. Более того, поверхность 112 должна быть расположена в плоскости, где сходящиеся при прослеживании в обратном направлении световые волны имеют минимальную апертуру. Как показано на фиг. 9Г, приходящие световые волы, падающие на поверхность 112 внутри новой входной апертуры 86', размер которой значительно меньше, более чем вдвое, по сравнению с размером первоначальной входной апертуры, а также и выходной апертуры 89.

Плоскость 111 раздела предъявляет противоречивые требования к промежуточной призме 108 и подложке 64. С одной стороны, изображения первых трех порядков должны отражаться от этой плоскости, в то время как изображение ' нулевого порядка, входящее в подложку 64 через промежуточную призму 111, должно в основном проходить через нее без существенных отражений. Аналогично, плоскость 81 раздела между подложкой 64 и отклоняющей призмой 80 должна быть прозрачна для выводимых световых волн, имеющих входной угол после последнего отражения от поверхности 67, и, в то же время, должна хорошо отражать введенные световые волны, имеющие входные углы Кроме того, для систем, обеспечивающих сквозное видение, прозрачность оптической системы при нормальном (перпендикулярном) падении света через плоскость 81 раздела должна быть максимально высокой. Предпочтительным способом решения этой задачи является нанесение на эти плоскости раздела оптического клея, показатель преломления которого существенно меньше показателя преломления подложки или, в другом случае, нанесение на плоскость 81 раздела тонкой пленки, имеющей нужный показатель преломления, используя технологию покрытия центрифугированием. Кроме того, для сведения к минимуму отражений Френеля передаваемых световых волн от плоскостей 81 и 111 раздела, предпочтительно нанести на эти плоскости подходящее антиотражающее (AR) покрытие. В этом случае, общая эффективность передачи световых волн, взаимодействующих с этими плоскостями, может быть очень высокой. Другими словами, коэффициент отражения плоскости 111 при введении световых волн в подложку составляет 100% благодаря полному внутреннему отражению от этой поверхности, в то время как пропускание этой поверхности для падающих световых волн также близко к 100% благодаря наличию AR покрытия. Аналогично, коэффициент отражения световых волн, введенных в подложку 64 от поверхности 81, составляет 100% благодаря полному внутреннему отражению от этой поверхности, в то время как пропускание этой поверхности для световых волн, выводимых из подложки 64 в отклоняющую призму 80, а также для входящих световых волн от внешней сцены, также близко 100% благодаря наличию AR покрытия.

Для большинства систем формирования изображения данного назначения, оба требования должны выполняться по всему видимому спектру. Поэтому естественно, что число Аббе (коэффициент дисперсии) оптического клея (или, в другом случае, тонкой пленки, наносимой центрифугированием), прилегающего к поверхностям раздела, и оптического материала подложки, должны быть близкими для предотвращения нежелательных хроматических эффектов в изображении. Для достижения эффекта полного внутреннего отражения, показатели преломления подложки и клея (или тонкой пленки) должны существенно отличаться. В результате, бывает очень трудно выполнить это требование и обычно числа Аббе клея (или тонкой пленки) и оптического материала существенно отличаются. Хроматическая дисперсия из-за различий между числами Аббе может быть, однако, компенсирована выбором оптического материала для призм 108 и 80 ввода и отклонения, число Аббе которых отличается от числа Аббе подложки 64. При надлежащем выборе, различие между числами Аббе может вызывать хроматическую дисперсию, имеющую одинаковую величину и противоположное направление. В результате две вызванные хроматические дисперсии будут взаимно компенсироваться.

Другой вопрос, требующий рассмотрения, касается максимально достижимого FOV изображения, проецируемого в глаз наблюдателя. В большинстве конструкций нашлемных дисплеев (HMD) со световодной подложкой, как отражательных, так и дифракционных, световые волны выводятся из направляющей подложки по существу нормально к главным поверхностям подложки. В результате, в силу влияния преломления Снелла из подложки внешнее поле зрения (FOV) изображения составляет:

где FOV внутри подложки равно , а показатель преломления подложки равен v_s. Кроме того, порядки световых волн, введенных в подложку, должны быть строго разделены, а именно

Кроме этого, для обеспечения передачи всего нулевого порядка через плоскости 81 и 111 раздела и отражения всего первого порядка от этих плоскостей, должно выполняться следующее ограничение

где α_cr является критическим углом для плоскостей раздела. Таким образом, внутренний FOV ограничен условием

где обычно для подтверждения разделение между двумя порядками разница между углами должна поддерживаться порядка одного градуса.

Ограничение, устанавливаемое выражением (4), действует для систем, в которых показатели преломления подложки и элементов ввода и вывода одинаковы. Для ослабления указанных ограничений, может быть использован тот факт, что оптические световые волны входят в подложку 64 из промежуточной призмы 108 под очень острыми углами. Как показано на фиг. 9А-9Г, промежуточная призма 108 и отклоняющая призма 80 изготовлены из одного оптического материала, показатель преломления которого обладает следующим оптическим свойством

где v_p является показателем преломления призм 108 и 80. Кроме того, числа Аббе А_р, A_s призм и подложки, соответственно, выбираются так, чтобы скомпенсировать хроматическую дисперсию, индуцированную различием между числами Аббе подложки и оптического клея (или тонкой пленки), как было пояснено выше.

В результате различий между оптическими материалами подложек 64 и промежуточной и отклоняющей призм 108 и 80, и очень острых углов, которые образуют с плоскостями 111 и 81 раздела падающие на них лучи 107R, 107М и 107L, световые волны испытывают значительное преломление при прохождении поверхностей раздела. Поскольку призмы 108 и 80 имеют одинаковые оптические параметры, преломление на поверхностях 111 и 81 для каждой проходящей световой волны имеет одинаковую величину и противоположные направления, соответственно и, поэтому, они будут взаимно компенсироваться. Угол отклонения между двумя разными световыми лучами внутри призм в виде зависимости от отклонения внутри подложек может быть вычислен с использованием следующего приближенного выражения

где α_s и α_р являются углами отклонения от оси внутри подложки и призм, соответственно. Аналогично, угол отклонения между лучами в воздухе составит

Следовательно, отношение между углом отклонения в воздухе и внутри подложки 64 составит

или

Другими словами, путем изменения оптического материала призм 108 и 80, возможно увеличить FOV системы в воздухе в раз.

Реализация варианта осуществления, показанного на фиг. 9А-9Г, иллюстрируется здесь оптической системой, имеющей следующие расчетные параметры:

где световые волне не поляризованы, оптическим материалом подложки 64 является Ohara S-LAH88 с показателем преломления v_d=1,917 и числом Аббе A_d=31,6, оптическим материалом призм 81 и 111 является Schott N-BK7 с показателем преломления v_d=1,516 и числом Аббе A_d=65,5, оптическим клеем, прилегающим к поверхностям 81 и 111 на фиг. 9А-9Г, является NOA 148, имеющий показатель преломления v_d=1,48 и число Аббе A_d=48. Как показано на чертежах, FOV составляет 40° в воздухе, 26° внутри призм 111 и 81 и 13° внутри подложки 64. Таким образом, поле зрения в воздухе увеличено более чем втрое по сравнению с полем зрения в подложке, даже несмотря на то, что показатель преломления подложки менее 2. Максимальный угол в третьем порядке превышает 90° и, поэтому, это направление распространения является "запрещенным". Как показано на фиг. 9А-9В, третий порядок реализуется только для световых волн в нижней области FOV. Световые волны в верхней области FOV вводятся внутрь подложки после одного отражения от поверхности 65 ввода и, поэтому, распространяются только в первом порядке распространения, что не приводит к отмеченному противоречию.

На фиг. 10 представлены кривые зависимости коэффициента отражения AR покрытия, нанесенного на поверхности 81 и 111 раздела, от угла падения. В результате хроматической дисперсии из-за различий между числами Аббе подложки 64 и призм 81 и 111, наблюдается сильная зависимость критического угла от длины волн. При этом условие

должно, предположительно, выполняться по всему соответствующему видимому спектру, для удовлетворения условия, выражаемого уравнением (5). Другими словами, поле зрения внутри подложки должно быть сокращено до 12° и, следовательно, FOV в воздухе уменьшится до 36°.

Высокая дисперсия световых волн, входящих в подложку 64 через промежуточную призму 111, вызывает пространственное разделение каждой входящей волны белого света на компоненты с разными длинами волн. Например, крайняя световая волна 107R с углом отклонения от оси 20° для всего видимого спектра разделяется по направлениям распространения 36,2°, 36,6° и 36,8° для световых волн нулевого порядка, имеющих длину волны 450 нм, 550 нм и 650 нм, соответственно. Точными значениями параметров, приведенных в выражении (13), для трех разных длин волн являются

где подстрочные индексы sb, sg и sr обозначают параметры световых волн внутри подложки 64, имеющие длины волн 450 нм, 550 нм и 650 нм, соответственно, а подстрочные индексы surb, surg и surr обозначают параметры входящих световых волн, падающих на поверхность 65 ввода, имеющих те же длины волн, соответственно.

На фиг. 11 представлены направления распространения, а также критический угол α_cr, в форме зависимости от длины волны для всего рассматриваемого видимого спектра. Показано, что для полного спектра требования, приведенные в уравнениях (5)-(6), удовлетворяются без соблюдения ограничений уравнения (14), и сохраняются поля зрения по меньшей мере 13° в подложке и 40° в воздухе.

На фиг. 12А-12В представлены кривые зависимости коэффициента отражения AR покрытия, нанесенного на поверхности 81 и 111 раздела, для длины волны 450 нм, 550 нм и 650 нм, соответственно, на которых две вертикальные линии на графике обозначают направления распространения для каждой соответствующей волны. Как показано на графиках, для всех длин волн коэффициент отражения для угла составляет 100% в результате полного внутреннего отражения от плоскости раздела, в то время как пропускание для угла пренебрежимо мало, что и требовалось.

На фиг. 9А-9Г представлен вариант осуществления с широким полем зрения, равным 40° вдоль направления распространения световых волн внутри подложки 64, даже и при использовании всего одного элемента 67 вывода. Направления прихода входных световых волн расположены, однако, под очень острыми углами. Во многих применениях требуется, чтобы приходящие световые волны падали на подложку практически нормально к главным поверхностям 70 и 72 подложки. На фиг. 13А-13В представлена конструкция, в которой левая крайняя 107L, центральная 107М и правая крайняя 107R световые волны, соответственно, падают на подложку под прямым углом к нижней поверхности 72. Как показано на чертеже, световые волны входят в подложку и проходят через поверхность 65 ввода. Поскольку углы падения входных световых волн довольно малы, а на поверхность 65 нанесено антиотражающее покрытие, отражение световых волн от этой поверхности будет ничтожным. Световые волны, выходящие из подложки 64, входят в промежуточную призму 114 через ее нижнюю поверхность 116, прикрепленную к верхней поверхности 70 подложки, отражаются от отражающей поверхности 118 и снова входят в подложку 64 через ее верхнюю поверхность 70 под входным углом .

Световые волны теперь падают на поверхность 65 ввода по углами падения которые больше критического угла, и вводятся внутрь подложки аналогичным образом, как это показано выше со ссылкой на фиг. 9А-9Г. Как показано на фиг. 13Г, световые волны во всем FOV падают на поверхность 72 в пределах новой входной апертуры 86', которая значительно меньше, по меньшей мере втрое, первоначальной входной апертуры 86, а также выходной апертуры 89. В данном случае, входная апертура 86' не располагается вблизи промежуточной призмы 114, но находится скорее вблизи нижней главной поверхности 72 подложки. Вообще, оптическая система должна быть спроектирована так, чтобы входная апертура располагалась в удобном месте для расположения внешней поверхности коллимирующего модуля.

В варианте осуществления, показанном на фиг. 13А-13Г, световые волны падают на подложку на поверхность 72, и световые волны выходят из подложки в глаз наблюдателя через противоположную поверхность 70, так как глаз наблюдателя и источник-дисплей расположены с противоположных сторон подложки. Такое расположение предпочтительно для наблюдения сверху вниз, однако, существуют другие применения, например, в конструкции очков, где требуется, чтобы глаз наблюдателя и источник-дисплей располагались с одной стороны подложки.

На фиг. 14А-14В представлена схема построения, в которой левая крайняя 107L, центральная 107М и правая крайняя 107R световые волны, соответственно, падают на подложку практически нормально к верхней поверхности 70, с той же стороны, где расположен и глаз наблюдателя. На чертеже показана добавленная линза 6, иллюстрирующая возможность коллимирования световых волн, приходящих от дисплея-источника 4. Показано, что световые волны входят в подложку и проходят через поверхность 65 ввода без существенных отражений. Световые волны выходят из подложки 64, входят в промежуточную призму 120 через ее верхнюю поверхность 124, прикрепленную к нижней поверхности 72 подложки, отражаются от отражающей поверхности 122 и снова входят в подложку через нижнюю поверхность 72. Световые волны снова падают на поверхность 65 ввода под углом падения, величина которого меньше критического значения угла, проходят через поверхность 65, и полностью отражаются от верхней поверхности 70 подложки. Световые волны снова падают на поверхность 65 ввода теперь уже под углом превышающим критический угол, и вводятся в подложку также как это описано выше применительно к фиг. 13А-13В. Как показано на фиг. 14Г, световые волны во всем поле зрения падают на поверхность 70 в пределах новой входной апертуры 86', расположенной рядом с внешней поверхностью коллимирующей линзы 6, имеющей значительно меньший размер, чем исходная входная апертура 86.

В отличие от других схем построения, рассмотренных ранее, в варианте осуществления, показанном на фиг. 14А-14Г, световые волны падают на поверхность 65 ввода три раза. В первый раз, требование, чтобы световые волны проходили через поверхность 65 без заметных отражений, может быть легко выполнено нанесением на поверхность 65 AR покрытия. Для других двух падений, однако, существуют два противоречивых требования, предъявляемых поверхностью 65. С одной стороны, световые волны, падающие на эту поверхность в третий раз, имеющие углы падения, должны быть отражены от этой поверхности. С другой стороны, световые волны на эту поверхность во второй раз, имеющие углы падения, должны достаточно хорошо проходить сквозь нее без существенных отражений. Предпочтительным способом решения этой задачи, как было описано выше применительно к плоскостям 81 и 111 раздела, является нанесение на поверхность 65 ввода оптического клея или тонкой пленки центрифугированием, имеющими показатель преломления, величина которого значительно ниже показателя преломления подложки. Кроме того, для сведения к минимуму отражений Френеля световых волн, падающих второй раз на поверхность 65, необходимо нанести подходящее АН покрытие натри поверхности.

На фиг. 15 показаны кривые зависимости от угла падения коэффициента отражения AR покрытия, нанесенного на поверхность 65 ввода, для подложки, имеющей следующие параметры: световые волны неполяризованы, оптическим материалом подложки 64 является Ohara S-LAH98 с показателем преломления v_d=1,954 и числом Аббе A_d=32,32, оптическим клеем, прилегающим к поверхности 65, является NOA 1315 с показателем преломления v_d=1,315 и числом Аббе A_d=56. В результате хроматической дисперсии из -за различий чисел Аббе подложки 64 и оптического клея, критический угол сильно зависит от длины волны.

На фиг. 16 представлены направления распространения, а также критический угол α_сγ, в форме зависимости от длины волны для всего рассматриваемого видимого спектра. Показано, что для полного спектра имеется различие между угловым спектром второго и третьего падений, и спектры расположены соответственно ниже и выше кривой критического угла, как требуется.

На фиг. 17А-17В представлены кривые зависимости коэффициента отражения AR покрытия, нанесенного на поверхность 65 ввода, для длины волны 450 нм, 550 нм и 650 нм, соответственно, на которых две вертикальные линии на графике обозначают направления распространения и для каждой соответствующей волны. Как показано на графиках, для всех длин волн коэффициент отражения для третьего падения с углом падения составляет 100% в результате полного внутреннего отражения от плоскости раздела, в то время как пропускание для второго падения с углом падения пренебрежимо мало, что и требовал ось.

В то время как на фиг. 13А-13Г и 14А-14Г показаны варианты осуществления, в которых входные световые волны падают на подложку практически по нормали к главным поверхностям, существуют схемы построения, в которых необходимо, чтобы входные световые волны были ориентированы под острым углом к подложке. На фиг.18А-18Г показана модифицированная версия варианта осуществления, показанного на фиг. 13А-13Г. Световые волны, освещающие подложку под заданным углом, входят в подложку через поверхность 128 первой промежуточной призмы 126, прикрепленной к нижней поверхности 72 подложки 64, и проходят через поверхность 65 ввода без значительных отражений. Далее световые волны выходят из подложки 64, входят во вторую промежуточную призму 132 через нижнюю поверхность 136, прикрепленную к верхней поверхности 70 подложки, отражаются отражающей поверхностью 134 и возвращаются в подложку 64 через ее верхнюю поверхность 70. Световые волны отражаются поверхностью 65 ввода и каналируются внутри подложки обычным образом, как это показано выше со ссылкой на фиг. 13А-13Г.

На фиг. 19А-19Г представлена модифицированная версия варианта осуществления, показанного на фиг. 14А-14Г. Световые волны, освещающие подложку 64 под заданным углом, входят в подложку через поверхность 140 первой промежуточной призмы 138, прикрепленной к верхней поверхности 70 подложки, и проходят через поверхность 65 ввода без существенных отражений. Световые волны, выходящие из подложки 64, входят во вторую промежуточную призму 144 через ее верхнюю поверхность 148, прикрепленную к нижней поверхности 72 подложки, отражаются от отражающей поверхности 146, и снова входят в подложку 64 через ее нижнюю поверхность 72. Далее, световые волны снова падают на поверхность 65 ввода под углами падения, величина которых меньше величины критического угла, проходят через поверхность 65 и полностью отражаются от верхней поверхности 70 подложки. Световые волны снова падают на поверхность 65 ввода, теперь уже под углами падения, превышающими критический угол, и каналируются внутри подложки по аналогии с тем, как это было описано выше со ссылкой на фиг. 14А-14В.

На фиг. 14А-14Г и 19А-19Г показаны варианты осуществления, которые могут быть использованы в конструкции очков. Существуют, однако, случаи, в частности для применений на рынке потребительских товаров, где, из соображений эстетики, требуется, чтобы сворачивающая призма, прикрепленная к передней поверхности подложки 72, имела минимальный размер. На фиг. 20А-20Г представлены модифицированные версии вариантов осуществления, показанных на фиг. 14А-14Г и 19А-19Г, в которых световые волны, освещающие подложку 64 под заданным углом, входят в подложку через поверхность 228 первой промежуточной призмы 226, прикрепленной к верхней поверхности 70, и проходят через поверхность 65 ввода без существенных отражений. Световые волны, выходящие из подложки 64, входят во вторую промежуточную призму 220 через верхнюю поверхность 224, прикрепленную к нижней поверхности 72 подложки, отражаются от отражающей поверхности 222, и снова входят в подложку 64 через ее нижнюю поверхность 72. Здесь, однако, угол наклона отражающей поверхности 222 относительно главной поверхности 72, значительно меньше угла наклона поверхностей 122 и 146 в конструкциях, показанных на фиг. 14А-14Г и 19А-19Г, соответственно. В результате, световые волны снова падают на поверхность 65 ввода под углами , где ε является углом, определяемым конструктивными соображениями, но обычно превышающим 5°. Теперь даже максимальный угол падения оказывается значительно меньше критического угла и, следовательно, на поверхность 65 может быть нанесено более простое AR. Световые волны продолжают проходить через поверхность 65, снова входят в первую промежуточную призму 226 через ее нижнюю поверхность 230, прикрепленную к верхней поверхности 70 подложки. Волны далее полностью отражаются от внешней поверхности 228 и снова входят в подложку 64 через ее нижнюю поверхность 72. Угол наклона поверхности 228 выбирается так, чтобы скомпенсировать недостающий угол ε. В результате, световые волны с углом больше критического, имеющие теперь углы падения, снова падают на поверхность 65 ввода и вводятся в подложку так же, как это было описано в отношении фиг. 14А-14В и 19А-19Г.

Во всех описанных выше вариантах осуществления, большое поле зрения, составляющее 40° вдоль направления распространения внутри подложки, было достигнуто с использованием одной поверхности 67 вывода. В конструкциях с боковым вводом изображения, например, в очках, диагональ FOV может составлять 47° или 50°, в зависимости от формата источника-дисплея (9:1 6 ил и 3:4, соответственно). Для конструкций с вводом изображения сверху вниз, например, в нашлемных дисплеях, диагональный FOV может быть расширен до более чем 80° для формата источника 9:16. В предположении, для достижения максимальной эффективности по яркости, что предпочтительно использование одной поверхности вывода, для угловой ориентации этой поверхности возникают два противоречивых требования. С одной стороны, в результате ограничений, устанавливаемых уравнением (7), предпочтительно увеличивать угол для увеличения полного FOV, которое может быть введено в подложку. С другой стороны, протяженность выходной апертуры 89 подложки пропорциональна где d является толщиной подложки, а именно, выходная апертура, и, тем самым, выходной зрачок, будут увеличены сокращением . Также можно увеличить выходную апертуру увеличением толщины подложки, но и входная апертура увеличится соответственно. Кроме того, обычно требуется, чтобы подложка имела минимально возможную толщину.

На фиг. 21 представлена модифицированная версия варианта осуществления, показанного на фиг. 14А-14Г. Вместо использования одной подложки 64, представлена система 150, содержащая две прилегающие подложки 64а и 64b. Верхняя поверхность 70b подложки 64b оптически скреплена с нижней поверхностью 72а подложки 64а, образуя поверхность 152 раздела. Угол поверхностей 65b и 67b ввода и вывода устанавливается требуемым FOV в соответствии с уравнением (7), в то время как угол поверхностей 65b и 67b ввода и вывода устанавливается на нижнее значение

В результате, полное поле зрения может быть введено внутрь нижней подложки 64b. Для соблюдения требований уравнения (7), однако, только часть FOV может быть введена в верхнюю подложку 64а. Другими словами, поля зрения, веденные внутрь двух подложек, определяются выражениями

Нижняя часть при этом введена только в нижнюю подложку 64b, и для того, чтобы избежать перекрестных искажений с верхней частью FOV, она не вводится в верхнюю подложку 64а. Поскольку световые волны из нижней части FOV освещают глаз наблюдателя с левой части выходной апертуры, они должны выводиться из левой поверхности 67b вывода, то есть они должны передаваться в глаз только через нижнюю подложку 64b.

Таким образом, полное FOV может быть сохранено для всего выходного зрачка. Кроме того, выходная апертура возрастает на величину

Наоборот, для данной выходной апертуры, толщина двойной подложки может быть меньше в отношении

где представляют толщины подложек 64а и 64b, соответственно, a d является толщиной одной подложки, например, в варианте осуществления, показанном на фиг. 14А-14Б. Следовательно, преимущество варианта осуществления на фиг. 21 состоит в более широком поле зрения, определяемом большим углом , а также большей выходной апертурой, определяемой меньшим углом . Поскольку каждая из двух подложек 64а и 64b действуют независимо, каждая отдельная подложка может иметь отличающиеся параметры, помимо угла отклонения. Две подложки могут иметь, помимо прочего, разную толщину, показатель преломления и число Аббе, в соответствии с требованиями оптической системы. Более того, относительное расположение поверхностей 65а и 65b ввода, а также поверхностей 67а и 67b вывода, может устанавливаться свободно, для получения минимальной входной апертуры 86' (см. фиг. 25) и одновременно максимальной выходной апертуры 89 (см. фиг. 25) системы.

Как показано на фиг. 22А, 22Б и 22В, соответственно, три луча из левой крайней световой волны 153 (153а, 153b, 153с) вводятся в нижнюю подложку 64b после трех отражений от поверхности 65b, один луч 153d (фиг. 22Б) вводится после двух отражений, и два других луча, 153е, 153f (фиг. 22В) вводятся после одного отражения от поверхности 65b. Как показано на фиг. 22Г, все лучи выводятся из подложки 64b элементом 67b вывода и отклоняются для освещения всего выходного зрачка 100.

На фиг. 23А, 23Б и 23В, соответственно, показаны два луча из центральной световой волны 154 (154а, 154b), введенные в нижнюю подложку 64b после одного отражения от поверхности 65b, и выведенные поверхностью 67b, два луча (154с, 154d) введены в верхнюю подложку 64а после трех отражений от поверхности 65а и выведены поверхностью 67а, и два других луча 154е, 154f (фиг. 23В) введены в верхнюю подложку 64а после двух отражений от поверхности 65а и выведены поверхностью 67а. Как показано на фиг. 23Г, все три луча отклоняются отклоняющей призмой 80 для освещения всего выходного зрачка 100.

На фиг. 24А показаны два луча от правой крайней световой волны 155 (155а, 155b), введенные в верхнюю подложку 64а после двух отражений от поверхности 65а, и три других луча, 155с, 155d, 155е, введенных после одного отражения от поверхности 65а. Как показано на фиг. 24В, все три луча выводятся из подложки 64а посредством элемента 67а вывода и отклоняются для освещения полного выходного зрачка 100. Как показано на фиг. 25, световые волны в полном FOV, падающие на поверхность 70 внутри входной апертуры 86', которая существенно меньше выходной апертуры 89, освещают весь выходной зрачок.

Другой вопрос, требующий рассмотрения, касается паразитных изображений, которые можно наблюдать в изображении в результате нежелательных отражений рассеянных лучей от внешних поверхностей системы. Как показано на фиг. 26А, входной луч 160 вводится в подложку 64 после одного отражения от поверхности 65, после чего выводится из подложки после одного отражения от поверхности 67. Затем световой луч частично отражается поверхностями 79i и 79j в виде выходных лучей 160а и 160b в глаз наблюдателя в "надлежащем" направлении. Часть луча 160, однако, проходит через поверхность 79j, полностью отражается от нижней поверхности 162 призмы 80, после чего частично отражается от поверхности 79k, проходит насквозь через подложку 64, полностью отражается от верхней поверхности 70 подложки 64, снова проходит через подложку 64, после чего частично отражается от поверхности 79 т в виде выходного луча 160 с в глаз наблюдателя в "неправильном" направлении. Другими словами, рассеянный луч 160 с возникнет в виде паразитного изображения в проецируемом изображении. На фиг. 26А показано такое паразитное изображение, возникающее от световых волн введенного изображения. Другие паразитные изображения, могут, однако возникать как результат световых волн от внешней сцены. Как показано на фиг. 26Б, внешний луч 163 проходит через частично отражающую поверхность 79n, проходит через призму 80 и подложку 64 и достигает глаза наблюдателя, имея первоначальное направление, как луч 163а. Часть луча 163, однако, частично отражается от поверхности 79п, полностью отражается от нижней поверхности 162 призмы 80, частично отражается от поверхности 79о, проходит через подложку 64, полностью отражается от верхней поверхности 70 подложки 64, снова проходит через подложку 64 и затем частично отражается от поверхности 79р в виде выходного луча 163b в глаз наблюдателя в "неправильном" направлении. Таким образом, рассеянный луч 163b также будет присутствовать в виде паразитного изображения в проецируемом изображении.

Как показано на фиг. 26А и 26Б, главной причиной появления паразитных изображений являются нежелательные отражения от поверхности 162. Это явление типично не только для вариантов, представленных в настоящей заявке, но также и в других конструкциях со световодной подложкой. В отличие от этих других конструкций, полное внутреннее отражение от поверхности 162 не является обязательным для распространения световых волн внутри подложки и, поэтому, может быть полностью исключено. Возможным способом устранения нежелательных отражений от поверхности 162 является нанесение на эту подложку поглощающего слоя. Этот простой способ может быть использован для систем, не обеспечивающих сквозного видения, где внешняя поверхность 162 может быть полностью непрозрачной. Для систем, обеспечивающих сквозное видение, поскольку световые лучи от внешней сцены должны проходить через поверхность 162, чтобы попасть в глаз 24 наблюдателя, поверхность 162 не должна быть непрозрачной.

На фиг. 27 иллюстрируется более эффективный способ удаления полного внутреннего отражения от поверхности 162, при сохранении высокой прозрачности поверхности для световых лучей от внешней сцены. Как показано на чертеже, верхняя поверхность 166 тонкой плоской прозрачной пластины 167 оптически скреплена с нижней поверхностью 162 отклоняющей призмы 80. Внутри пластины 167 заключена решетка параллельных поглощающих поверхностей 168₁, 168₂ …, ориентированных нормально к поверхности 166. для обеспечения поглощения этими поверхностями всех световых лучей, падающих на поверхность 162, должно соблюдаться следующее соотношение:

где Т является толщиной пластины 167, D является расстоянием между двумя соседними поверхностями 168_i и 168_i+1, и является минимальным углом отклонения от нормали световых волн, падающих на пластину 167. Как показано на чертеже, луч 171 поглощается поверхностью 168_i после полного отражения от нижней поверхности 169 пластины 167, в то время как луч 172 поглощается при прямом падении на поверхность 168_j. Поскольку подложка 64 имеет малую толщину, и поглощающие поверхности располагаются нормально к главным поверхностям подложки, а значит и к линии визирования наблюдателя, пластина 167 сохраняет высокую прозрачность для световых лучей от внешней сцены.

На фиг. 28А-28Е иллюстрируется способ изготовления пластины 167. Изготавливается большое число прозрачных тонких пластин 174_i, имеющих толщину D (фиг. 27). Поскольку главные поверхности этих пластин должны быть поглощающими, нет необходимости в их полировке, и их параллельность не является критичной. На одну из главных поверхностей каждой пластины наносится тонкий поглощающий слой 175 (фиг. 28Б). Этим поглощающим слоем может быть, помимо прочего, черная краска, тонкое кремниевое покрытие, металлическое покрытие или покрытие любого поглощающего материала, который может быть нанесен тонким слоем. Пластины 176 затем склеиваются с использованием оптического клея с формированием пакета (фиг. 28В). Затем от пакета пластин 176 отрезается некоторое количество сегментов (фиг. 28Г) в направлении, нормальном главным поверхностям пластин 174_i, после чего производится обработка резанием, шлифованием и полированием для получения пластин имеющих толщину Т' (фиг. 28Д). Одна из главных поверхностей пластины приклеивается оптическим клеем к поверхности 162 (фиг. 28Е). Во многих случаях требуется, чтобы пластина 167 была очень тонкой, порядка 0,1 мм. В этом случае, могут возникнуть сложности с обработкой пластины 167' имеющей требуемую толщину Т. Поэтому, пластина, имеющая толщину Т'>Т, приклеивается к призме 80 и нижняя поверхность 169' приклеенной пластины 167'' будет подвергнута шлифованию и полированию для получения нужной толщины Т результирующей пластины 167.

На фиг. 29А и 29Б показаны варианты осуществления, аналогичные показанным на фиг. 26А-26Б, где пластина 167 прикреплена оптическим клеем к нижней поверхности 162 призмы 80. Как показано на чертеже, вместо того, чтобы полностью отражаться от поверхности 162 и продолжать распространение в системе, рассеянные световые лучи 160с и 163b поглощаются в пластине 167 и, следовательно, паразитные изображения, возникающие от проецируемого изображения, а также от внешней сцены, полностью устраняются. Этот способ ослабления паразитных изображений, возникающих от нежелательного полного внутреннего отражения, может быть также применен и к другим оптическим модулям, в которых происходит паразитное отражение рассеянных световых лучей от поверхности, которая должна быть прозрачной для падающего нормально света. Пластина 167 может быть, таким образом, прикреплена оптическим клеем к такой поверхности для подавления нежелательных отражений при сохранении требуемого пропускания поверхности.

Преимущества описанного выше сокращения поперечного размера входной апертуры становятся еще более очевидными, если требуется расширение апертуры вводимых световых волн в двух плоскостях. На фиг. 30 схематически иллюстрируется способ расширения луча по двум осям, использующий конструкцию с двойной подложкой. Для простоты, промежуточные призмы и отклоняющие элементы на чертеже опущены. Входное изображение 256 вводится через входную апертуру 274 в первую подложку 264а, конструкция которой аналогична одному из приведенных выше вариантов осуществления, посредством первой отражающей поверхности 265а, после чего распространяется вдоль оси η. Выводящий элемент 267а выводить свет из подложки 264а через выходную апертуру 276, после чего свет вводится во вторую главную подложку 264b вводящим элементом 265b через входную апертуру, которая совпадает с выходной апертурой 276 первой подложки 264а. Световые волны далее распространяются вдоль оси ξ и выводятся выводящим элементом 267b через выходную апертуру 278. Как показано на чертеже, исходное изображение 256 расширяется по двум осям, при этом общее расширение определяется соотношением между поперечными размерами апертур 274 и 278. Видно, что каждая световая волна (представленная на чертеже одной стрелкой) освещает только часть выходной апертуры 278, но все световые волны выводятся в выходной зрачок 100, имея нужные направления.

Во всех вариантах осуществления, рассмотренных выше, предполагалось, что источник-дисплей неполяризованный. Существуют, однако, микродисплеи, например ЖК дисплеи или ЖК на кремнии, свет которых имеет линейную поляризацию, и это может быть использовано для создания более компактной коллимирующей системы. На фиг. 31А показано, что входные волны 107L, 107М и 107R от дисплейного источника 4 света, имеющие р-поляризацию, вводятся в световод 279, обычно выполненный из светопропускающего материала, через его поверхность 280. Световые волны проходят через поляризационный расщепитель 282 пучка и выводятся из световода 279 через поверхность 283. Далее световые волны проходят через четвертьволновую замедляющую фазовую пластину 285, коллимируются линзой 286 на ее отражающей поверхности 289, возвращаются обратно в замедляющую пластину 285, проходя через нее, и снова входят в световод 279 через поверхность 283. Теперь s-поляризованные волны отражаются от поляризационного расщепителя 282 пучка и выходят из световода через нижнюю поверхность 290. Далее световые волны вводятся в подложку 64 через промежуточные призмы 226 и 220 так же, как это было показано ранее применительно к фиг. 20А-20Г. Отражающая поверхность 289 может быть реализована с использованием металлического или диэлектрического покрытия.

Применение отражающей коллимирующей линзы 286, показанной на фиг. 31А, имеет некоторые существенные преимущества, например, достижение высоких рабочих характеристик благодаря использованию небольшого числа оптических компонентов за счет дополнительных компактных коллимирующих модулей и т.д. Поэтому целесообразно использовать этот вариант осуществления также для источников неполяризованного света, например, на основе Micro LED и Micro OLED. В этом случае, главный недостаток состоит в том, что может быть использован только компонент источника-дисплея с одной поляризацией и, следовательно, достижимая яркость сокращается более чем вдвое. На фиг. 31Б иллюстрируется другой способ использования двух ортогональных поляризационных компонент неполяризованного источника-дисплея, позволяющий не терять яркости изображения. Как показано на чертеже, компоненты входных световых волн 107L, 107М и 107R от дисплейного источника 4 света с s-поляризацией вводятся в световод 279 через его правую поверхность 280. После отражения от поляризационного расщепителя 282 пучка, световые волны выводятся из подложки через поверхность 291 световода 279. Далее световые волны проходят через вторую четвертьволновую замедляющую пластину 293, коллимируются второй линзой 296 на ее отражающей поверхности 297, возвращаются, проходя снова через замедляющую пластину 293 и снова входят в световод 279 через поверхность 291. Далее уже р-поляризованные световые волны проходят через поляризационный расщепитель 282 пучка, выходят из световода через нижнюю поверхность 290 и вводятся в подложку 64 через промежуточные призмы 226 и 220, как было показано выше. Компонента источника света с р-поляризацией вводится в подложку как это показано на фиг. 31А. Две коллимирующие линзы должны быть идентичными и должны устанавливаться на поверхностях световода 279 с очень высокой точностью для предотвращения двоения изображения.

Для специалистов в данной области будет очевидно, что изобретение не ограничивается приведенным выше подробным описанием показанных вариантов осуществления, и что настоящее изобретение может быть реализовано в других частных формах, без отступления от его существа и важнейших признаков. Настоящие варианты осуществления, поэтому, следует рассматривать во всех отношениях в иллюстративном, а не ограничивающем смысле, причем область притязаний изобретения определяется приложенной формулой, а не вышеприведенным описанием, а все изменения, попадающие под замысел и область эквивалентности формулы, в силу этого, считаются охватываемыми этой формулой.

Следует, в частности, заметить, что признаки, приведенные со ссылкой на один или более вариантов осуществления, описаны скорее для иллюстрации, а не для ограничения этих вариантов осуществления. Таким образом, предполагается, что если не указано иначе или если конкретные комбинации являются очевидно недопустимыми, опциональные признаки, описанные здесь со ссылкой только на некоторые варианты осуществления, также применимы и для всех других вариантов осуществления.

Изобретение относится к световодным оптическим устройствам с подложкой. Оптическое устройство включает светопропускающую подложку, входную и выходную апертуры, выходной зрачок, промежуточный элемент, расположенный вне подложки, для введения световых волн в подложку через входную апертуру, первую отражающую поверхность между двумя главными поверхностями светопропускающей подложки для отражения введенных световых волн, вторую плоскую отражающую поверхность, параллельную первой плоской отражающей поверхности, расположенную между главными поверхностями светопропускающей подложки, для выведения световых волн из подложки, и оптический элемент для отклонения световых волн, выведенных из подложки, через выходную апертуру в выходной зрачок. Входная апертура существенно меньше выходной апертуры, при этом все приходящие световые волны проходят внутрь входной апертуры, все световые волны, выводимые из подложки второй плоской отражающей поверхностью, вводятся в подложку посредством отражения от первой отражающей поверхности, активная площадь первой отражающей поверхности подобна активной площади второй отражающей поверхности, и каждая из введенных световых волн перекрывает полностью апертуру выходного зрачка. 14 з.п. ф-лы, 75 ил.

1. Оптическое устройство, включающее:

первую светопропускающую подложку, имеющую по меньшей мере две параллельные главные поверхности и два противоположных края; входную апертуру;

выходную апертуру, расположенную возле одной из главных поверхностей подложки;

выходной зрачок, характеризующийся апертурой;

первый промежуточный элемент, имеющий по меньшей мере две поверхности, расположенные вне подложки, для введения приходящих световых волн, имеющих поле зрения, в подложку через входную апертуру;

первую плоскую отражающую поверхность, активная площадь которой находится между двумя главными поверхностями светопропускающей подложки, для отражения световых волн, приходящих от первого промежуточного элемента, для обеспечения полного внутреннего отражения от главных поверхностей подложки;

вторую плоскую отражающую поверхность, параллельную первой плоской отражающей поверхности, имеющую активную площадь и расположенную между двумя главными поверхностями светопропускающей подложки, для выведения световых волн из подложки, и

отклоняющий оптический элемент, имеющий по меньшей мере две поверхности, расположенные вне подложки, для отклонения световых волн, выведенных из подложки через выходную апертуру, в выходной зрачок,

причем входная апертура существенно меньше выходной апертуры, при этом обеспечивается, что все приходящие световые волны проходят внутрь входной апертуры, все световые волны, выводимые из подложки второй плоской отражающей поверхностью, вводятся в подложку посредством отражения от первой отражающей поверхности, активная площадь первой отражающей поверхности подобна активной площади второй отражающей поверхности, и каждая из введенных световых волн перекрывает полностью апертуру выходного зрачка.

2. Оптическое устройство по п. 1, в котором световые волны, введенные в подложку и выведенные из подложки, характеризуются яркостью, причем яркость световых волн, выведенных из подложки второй плоской отражающей поверхностью, в основном близка по величине яркости световых волн, введенных в подложку.

3. Оптическое устройство по п. 1, в котором первая и вторая плоские отражающие поверхности вводят световые волны в подложку и выводят из подложки, соответственно, с использованием полного внутреннего отражения.

4. Оптическое устройство по п. 1, в котором световые волны, введенные в подложку, испытывают одинаковое число отражений от первой и второй плоских отражающих поверхностей.

5. Оптическое устройство по п. 1, в котором световые волны, проходящие через входную апертуру и введенные в подложку, падают только на часть первой и второй плоских отражающих поверхностей.

6. Оптическое устройство по п. 5, в котором световые волны, проходящие через входную апертуру и апертуру выходного зрачка, падают только на часть первой отражающей поверхности ближе к одному из ребер подложки и выводятся из подложки только частью второй отражающей поверхности, расположенной ближе к другому краю подложки.

7. Оптическое устройство по п. 5, в котором световые волны, проходящие через входную апертуру и апертуру выходного зрачка, падают только на часть первой отражающей поверхности ближе к центру подложки и выводятся из подложки только частью второй отражающей поверхности, расположенной ближе к центру подложки.

8. Оптическое устройство по п. 5, в котором световые волны, проходящие через входную апертуру и апертуру выходного зрачка, падают только на центральную часть первой отражающей поверхности и выводятся из подложки только центральной частью второй отражающей поверхности.

9. Оптическое устройство по п. 1, дополнительно включающее второй промежуточный элемент, причем световые волны проходят через первый и второй промежуточные элементы перед их введением в подложку первой отражающей поверхностью.

10. Оптическое устройство по п. 1, в котором введенные световые волны проходят через первую плоскую отражающую поверхность по меньшей мере дважды перед их отражением этой поверхностью для ввода в подложку.

11. Оптическое устройство по п. 1, в котором первый промежуточный элемент и отклоняющий оптический элемент изготовлены из одного оптического материала, показатель преломления и число Аббе которого существенно отличаются от соответствующих параметров подложки, что вызывает первую хроматическую дисперсию световых волн, введенных в подложку.

12. Оптическое устройство по п. 11, в котором первый промежуточный элемент и отклоняющий оптический элемент оптически приклеены первым оптическим клеем к главным поверхностям подложки, причем число Аббе указанного первого клея существенно отличается от числа Аббе подложки, что вызывает вторую хроматическую дисперсию световых волн в подложке, причем первая и вторая хроматические дисперсии в основном взаимно компенсируются.

13. Оптическое устройство по п. 1, дополнительно содержащее вторую светопропускающую подложку, имеющую по меньшей мере две главные поверхности, два противоположных края и третью и четвертую плоские отражающие поверхности, параллельные друг другу, каждая из которых имеет угол наклона, причем две подложки оптически соединены, а угол наклона третьей и четвертой плоских отражающих поверхностей к главным поверхностям второй подложки меньше угла наклона первой и второй плоских отражающих поверхностей к главным поверхностям первой подложки.

14. Оптическое устройство по п. 1, дополнительно содержащее вторую светопропускающую подложку, имеющую по меньшей мере две главные поверхности, два противоположных края, и третью и четвертую плоские отражающие поверхности, входную и выходную апертуры, имеющие поперечные размеры, причем световые волны, выведенные из первой подложки, вводятся во вторую подложку, а поперечные размеры входной апертуры значительно меньше поперечных размеров выходной апертуры по двум разным осям.

15. Оптическое устройство по п. 1, дополнительно содержащее плоскую пластину, оптически соединенную с поверхностью отклоняющего оптического элемента, причем внутрь этой пластины встроена решетка плоских поглощающих поверхностей, расположенных в основном нормально к поверхности отклоняющего оптического элемента, плоская пластина в основном прозрачна к нормально падающим световым волнам, а световые волны, выводящиеся из подложки и падающие на плоскую пластину, поглощаются поглощающими поверхностями.