本發(fā)明涉及基片引導(dǎo)的光學(xué)設(shè)備，具體而言，涉及包括由共同的光傳輸基片(也被稱為光導(dǎo)元件)攜帶的多個(gè)反射面的設(shè)備。

背景技術(shù)：

緊湊型光學(xué)元件的一個(gè)重要應(yīng)用是頭戴式顯示器(hmd)，其中，光學(xué)模塊用作成像透鏡和組合器兩者，其中，二維圖像源被成像到無(wú)窮遠(yuǎn)處并且被反射到觀察者的眼睛中?？梢灾苯訌闹T如陰極射線管(crt)、液晶顯示器(lcd)、有機(jī)發(fā)光二極管陣列(oled)之類(lèi)的空間光調(diào)制器(slm)、掃描源或類(lèi)似的設(shè)備獲得顯示源，或者可以間接地通過(guò)中繼透鏡或者光纖束獲得顯示源。顯示源包括被準(zhǔn)直透鏡成像到無(wú)窮遠(yuǎn)處并且通過(guò)分別對(duì)于非透視應(yīng)用和透視應(yīng)用充當(dāng)組合器的反射或部分反射面?zhèn)鬏數(shù)接^看者的眼睛中的元素(像素)的陣列。通常，常規(guī)的自由空間光學(xué)模塊用于這些目的。然而，隨著系統(tǒng)的所希望的視場(chǎng)(fov)增大，這樣的常規(guī)光學(xué)模塊變得更大、更重和更笨重，因此，即使對(duì)于諸如系統(tǒng)之類(lèi)的中等性能的設(shè)備，也是不切實(shí)際的。這是各種顯示器、特別是頭戴式應(yīng)用中的主要缺點(diǎn)，其中系統(tǒng)必然應(yīng)該是盡可能輕并且緊湊的。

為緊湊性而作的努力導(dǎo)致若干個(gè)不同的復(fù)雜的光學(xué)解決方案，一方面，所有這些光學(xué)解決方案對(duì)于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用仍然不是充分緊湊的，另一方面，就可制造性而言，所有這些光學(xué)解決方案存在主要缺點(diǎn)。另外，由這些設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的光學(xué)視角的眼睛運(yùn)動(dòng)框(emb)通常非常小，通常小于8mm。因此，即使對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于觀看者的眼睛的小的移動(dòng)，光學(xué)系統(tǒng)的性能也非常敏感，并且不允許充分的瞳孔運(yùn)動(dòng)以從這樣的顯示器舒服地閱讀文本。

公開(kāi)號(hào)wo01/95027、wo03/081320、wo2005/024485、wo2005/024491、wo2005/024969、wo2005/124427、wo2006/013565、wo2006/085309、wo2006/085310、wo2006/087709、wo2007/054928、wo2007/093983、wo2008/023367、wo2008/129539、wo2008/149339、wo2013/175465和il232197(所有這些都在申請(qǐng)人名下)中所包括的教導(dǎo)都通過(guò)引用合并于此。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明促進(jìn)對(duì)用于hmd以及其他應(yīng)用的非常緊湊的光導(dǎo)光學(xué)元件(loe)的開(kāi)發(fā)。本發(fā)明允許相對(duì)寬的fov，以及相對(duì)大的emb值。作為結(jié)果的光學(xué)系統(tǒng)提供大的高質(zhì)量圖像，還適應(yīng)眼睛的大的運(yùn)動(dòng)。由本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)特別有益，因?yàn)樗旧媳痊F(xiàn)有技術(shù)的實(shí)現(xiàn)更緊湊，它還可以輕松地集成到甚至具有專門(mén)配置的光學(xué)系統(tǒng)中。

因此，本發(fā)明的廣泛目標(biāo)是減輕現(xiàn)有技術(shù)的緊湊的光學(xué)顯示設(shè)備的缺點(diǎn)，并且根據(jù)具體的要求提供具有改善的性能的其他光學(xué)組件和系統(tǒng)。

本發(fā)明可被實(shí)現(xiàn)為有利于大量的成像應(yīng)用，諸如便攜式dvd、蜂窩電話、移動(dòng)式電視接收機(jī)、視頻游戲、便攜式媒體播放器或任何其他移動(dòng)顯示設(shè)備。

loe的操作的主要物理原理是：光波從loe的外表面被俘獲在利用全內(nèi)反射的基片內(nèi)部。然而，存在需要將另一光學(xué)元件附連到至少一個(gè)外表面的情形。在該情況下，有必要確認(rèn)，一方面，來(lái)自外表面的光波的反射將不會(huì)被該附連劣化，另一方面，來(lái)往于loe的光波的耦出機(jī)制和耦入機(jī)制不會(huì)被干擾。結(jié)果，需要在外表面處添加角度敏感反射機(jī)制，該角度敏感反射機(jī)制將基本上反射被耦合在loe內(nèi)部并以傾斜角度照射在表面上的全部光波，并且基本上透射以接近于法向入射而照射在表面上的光波。

在以前的發(fā)明中(例如，在公開(kāi)wo2005/024491中所描述的)，說(shuō)明了向loe的表面應(yīng)用角度敏感薄膜介電涂層的反射機(jī)制。根據(jù)本發(fā)明，提出了使用空氣間隙薄膜的替代的反射機(jī)制，該機(jī)制包括蛾眼結(jié)構(gòu)。蛾的眼睛具有不尋常的特性：它們的表面被消除反射的自然的納米結(jié)構(gòu)的薄膜覆蓋。這使得蛾能在黑暗中看清楚，而沒(méi)有會(huì)向捕食者泄露其位置的反射。該結(jié)構(gòu)包括六邊形圖案的凸塊，每個(gè)凸塊大致200nm高，并且它們的中心間隔開(kāi)大約300nm。這種抗反射涂層起作用，因?yàn)橥箟K小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，如此，光將表面“看作”在空氣和介質(zhì)之間具有連續(xù)的折射率梯度，這通過(guò)有效地去除空氣透鏡界面來(lái)縮小反射。人類(lèi)使用該效果制造出了切實(shí)可行的抗反射薄膜，這是一種仿生的形式。蛾眼仿制品表明，對(duì)于這些結(jié)構(gòu)，幾乎完全消除了對(duì)通常入射光的反射。利用其他形狀和尺寸的這樣的密的不均勻的超精細(xì)周期性結(jié)構(gòu)的光學(xué)建模和試驗(yàn)證明，可以在較寬的波長(zhǎng)范圍(從uv到ir)和較寬的光入射角(0±60度)內(nèi)抑制反射。

根據(jù)本發(fā)明，蛾眼薄膜或任何類(lèi)似的超精細(xì)結(jié)構(gòu)不被用作抗反射薄膜。相反，利用特殊的超精細(xì)結(jié)構(gòu)作為所需要的角度敏感反射機(jī)制。當(dāng)需要將光學(xué)元件附連到loe的外表面時(shí)，將空氣間隙薄膜粘結(jié)到光學(xué)元件，以便在附連之后，超精細(xì)結(jié)構(gòu)面向loe。因此，當(dāng)loe內(nèi)部的耦入光波以不同的傾斜角度照射在超精細(xì)結(jié)構(gòu)上時(shí)，他們只“看見(jiàn)”周期性結(jié)構(gòu)的外部部分。因此，被傳入的光學(xué)光波“看見(jiàn)”的真實(shí)折射率接近于空氣的折射率，并且全內(nèi)反射機(jī)制被保留。另一方面，空氣間隙薄膜對(duì)來(lái)自外部場(chǎng)景的傳入的光波或從loe耦出的光波基本上是透明的。

因此，本發(fā)明提供了一種光學(xué)系統(tǒng)，包括：光傳輸基片，具有至少兩個(gè)外部主要表面和邊；光學(xué)元件，用于耦合光波進(jìn)入利用內(nèi)反射的所述基片；位于所述基片中的至少一個(gè)部分反射面，用于將光波從所述基片中耦出；至少一個(gè)透明空氣間隙薄膜，包括基座和在所述基座上構(gòu)建的定義浮雕構(gòu)造的超精細(xì)結(jié)構(gòu)；其中，所述空氣間隙薄膜附連到所述基片的主要表面之一，所述浮雕構(gòu)造面向所述基片，定義了界面平面，以便耦合在所述基片內(nèi)部的光波基本上完全從所述界面平面反射。

附圖說(shuō)明

參考下列說(shuō)明性圖、結(jié)合某些優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明，以便可以更全面地理解本發(fā)明。

現(xiàn)在詳細(xì)參考附圖，要強(qiáng)調(diào)的是，所示出的細(xì)節(jié)只作為示例，并且只是為了對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明性的討論的目的，以及為了提供被認(rèn)為對(duì)本發(fā)明的原理和概念方面最有用并且容易理解的描述的內(nèi)容而呈現(xiàn)的。關(guān)于這一點(diǎn)，并不試圖展示比基本理解本發(fā)明所需要的內(nèi)容更詳細(xì)的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。結(jié)合附圖的描述是給本領(lǐng)域的熟練人員指出方向，如何在實(shí)踐中可以實(shí)施本發(fā)明的幾種形式。

在附圖中：

圖1是示例性的現(xiàn)有技術(shù)loe的側(cè)視圖；

圖2是示出用于準(zhǔn)直來(lái)自顯示光源的輸入光波的現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)設(shè)備的示意圖；

圖3是示出用于準(zhǔn)直來(lái)自顯示光源的輸入光波并將其耦入到loe中的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的示意圖；

圖4是示出用于準(zhǔn)直來(lái)自顯示光源的輸入光波并將其耦入到基片中的另一現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的示意圖，其中，準(zhǔn)直模塊被附連到基片；

圖5示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中，根據(jù)本發(fā)明，負(fù)透鏡被附連到光導(dǎo)光學(xué)元件的外表面；

圖6示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中，根據(jù)本發(fā)明，負(fù)透鏡和正透鏡被附連到光導(dǎo)光學(xué)元件的外表面；

圖7a和圖7b是空氣間隙薄膜的示例性實(shí)施例的二維和三維示意圖，其中，在平坦的透明基片上構(gòu)建以比明視(photopic)區(qū)域的波長(zhǎng)更短的小間距排列的透明介電材料的超精細(xì)周期性結(jié)構(gòu)；

圖8a和圖8b分別示出示例性空氣間隙薄膜的側(cè)視圖和頂視圖；

圖9a和圖9b分別示出接近于基座的內(nèi)部橫截面的示例性空氣間隙薄膜的側(cè)視圖和頂視圖；

圖10a和圖10b分別示出接近于空氣的外部橫截面的示例性空氣間隙薄膜的側(cè)視圖和頂視圖；

圖11示出根據(jù)本發(fā)明的以一個(gè)傾斜角度照射在超精細(xì)結(jié)構(gòu)的上端的光波的側(cè)視圖；

圖12示出被附連到loe的外表面的空氣間隙薄膜，其中，根據(jù)本發(fā)明，耦合的光波照射在loe和薄膜之間的交界面上；

圖13a和圖13b分別示出根據(jù)本發(fā)明的眼鏡系統(tǒng)的前視圖和嵌入在兩個(gè)光學(xué)透鏡之間并被組裝在眼鏡鏡框內(nèi)部的loe的頂視圖；

圖14a、圖14b和圖14c分別示出根據(jù)本發(fā)明的非單塊光學(xué)元件，包括嵌入在前面正透鏡和后面負(fù)透鏡之間、一起安裝在鏡框內(nèi)部而不需粘接劑的loe；

圖15a、圖15b和圖15c分別示出根據(jù)本發(fā)明的用于使用外圍粘合技術(shù)將loe嵌入在兩個(gè)光學(xué)透鏡之間的替代方法；

圖16a、圖16b和圖16c分別示出根據(jù)本發(fā)明的用于將loe整體嵌入在兩個(gè)光學(xué)透鏡之間的替代方法，以及

圖17a、圖17b和圖17c分別示出根據(jù)本發(fā)明的嵌入在兩個(gè)平坦基片之間并被組裝在鏡框內(nèi)部的loe。

圖18示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中，耦入元件以及耦出元件是衍射光學(xué)元件，以及

圖19示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中，光學(xué)模塊被嵌入在手提式顯示系統(tǒng)中。

具體實(shí)施方式

圖1示出可在本發(fā)明中使用的包括平面基片20以及相關(guān)聯(lián)的組件的現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)系統(tǒng)(在下文中，也稱為“l(fā)oe”)的截面圖。由從光源的顯示器(未示出)準(zhǔn)直的光波18照射光學(xué)裝置(例如，反射面16)。反射面16反射來(lái)自光源的入射光波，使得光波被俘獲在被俘獲在loe的利用全內(nèi)反射的平面基片20內(nèi)部。在基片20的主要下表面26和上表面28的若干次反射之后，被俘獲的波到達(dá)有選擇性的部分反射面22的陣列，該部分反射面22將從基片出來(lái)的光耦合到觀看者的眼睛24的瞳孔25中。此處，loe的輸入表面將被視為輸入光波通過(guò)其進(jìn)入loe的表面，而loe的輸出表面將被視為被俘獲的波通過(guò)其離開(kāi)loe的表面。在圖1中所示出的loe的情況下，輸入表面和輸出表面兩者都在下表面26上。然而，還可以預(yù)想其他配置，其中，輸入波和圖像波可以位于基片20的相對(duì)的兩側(cè)，或者當(dāng)光通過(guò)基片的斜邊耦合到loe中。

如圖2所示，來(lái)自顯示光源4的s偏振輸入光波2通過(guò)其下表面30被耦合到準(zhǔn)直模塊6，該模塊通常由光波透射材料組成。在偏振分光鏡31的反射之后，光波通過(guò)準(zhǔn)直模塊6的表面32從基片中耦出。然后，光波穿過(guò)四分之一波長(zhǎng)延遲板34，被反射光學(xué)元件36(例如，平面鏡)反射，返回以再次穿過(guò)延遲板34，并通過(guò)表面32重新進(jìn)入準(zhǔn)直模塊6?，F(xiàn)在p偏振光波穿過(guò)偏振分光鏡31，并通過(guò)準(zhǔn)直模塊6的表面38從光導(dǎo)中耦出。然后，光波穿過(guò)第二個(gè)四分之一波長(zhǎng)延遲板40，被組件42(例如，透鏡)在其反射面44處準(zhǔn)直，返回以再次穿過(guò)延遲板34，并通過(guò)表面38重新進(jìn)入準(zhǔn)直模塊6。現(xiàn)在s偏振光波從偏振分光鏡31反射，并通過(guò)上表面46離開(kāi)準(zhǔn)直模塊。反射面36和44可以通過(guò)金屬涂層或者介電涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3示出由參考圖2詳述的組件構(gòu)成的準(zhǔn)直模塊6可以如何與基片20組合以形成光學(xué)系統(tǒng)。來(lái)自準(zhǔn)直模塊6的輸出光波48通過(guò)其下表面26進(jìn)入基片20。進(jìn)入基片20的光波從光學(xué)元件16反射，并被俘獲在基片中，如圖2中所示?，F(xiàn)在，準(zhǔn)直模塊6，包括顯示光源4、折疊棱鏡52和54、偏振分光鏡31、延遲板34和40、以及反射光學(xué)元件36和42，可以容易地集成到單個(gè)機(jī)械模塊中，并獨(dú)立于基片進(jìn)行組裝，即使具有不精確的機(jī)械容差。另外，延遲板34和40以及反射光學(xué)元件36和42可以分別粘接在一起，以形成單個(gè)元件。

將準(zhǔn)直模塊6的所有各種組件附連到基片20將是有益的，以形成單個(gè)緊湊元件，從而產(chǎn)生簡(jiǎn)化的機(jī)械模塊。圖4示出這樣的模塊，其中，準(zhǔn)直模塊6的上表面46在界面平面58處被附連到基片20的下表面26。該配置的主要問(wèn)題是，附連過(guò)程取消了基片20和準(zhǔn)直模塊6之間的以前存在的空氣間隙50(在圖3中示出)。該空氣間隙對(duì)于將輸入光波48俘獲在基片20內(nèi)部是必要的。被俘獲的光波48應(yīng)該在界面平面58的點(diǎn)62和64處被反射。因此，應(yīng)該在該平面處，無(wú)論是在基片20的主要表面26處，還是在準(zhǔn)直模塊6的上表面46處，應(yīng)用反射機(jī)制。然而，不能容易地應(yīng)用簡(jiǎn)單的反射涂層，因?yàn)檫@些表面還應(yīng)該對(duì)于在示例性點(diǎn)66處進(jìn)入和離開(kāi)基片20的光波是透明的。光波應(yīng)該以小入射角穿過(guò)平面48，并以較高的入射角反射。通常，穿過(guò)入射角在0°和15°之間，而反射入射角在40°和80°之間。

在上文所描述的本發(fā)明的各實(shí)施例中，耦合到loe中的圖像被準(zhǔn)直到無(wú)窮遠(yuǎn)處。然而，還存在傳輸?shù)膱D像應(yīng)該被聚焦到較近距離的應(yīng)用，例如，對(duì)于患近視并且不能正確地看見(jiàn)位于遠(yuǎn)距離處的圖像的人。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的使用透鏡的光學(xué)系統(tǒng)。來(lái)自無(wú)窮遠(yuǎn)處的圖像80通過(guò)反射面16被耦合到基片20中，然后被部分反射面22的陣列反射到觀看者的眼睛24中。(平凹)透鏡82將圖像聚焦于適當(dāng)?shù)木嚯x，并可任選地校正觀看者的眼睛的其他像差，包括散光。透鏡82可以在其平坦表面84處被附連到基片的表面。如以上關(guān)于圖4所述，必須在透鏡和基片之間保留薄的空氣間隙，以確保將圖像光波80俘獲在利用全內(nèi)反射的基片內(nèi)部。

另外，在與本發(fā)明相關(guān)的大多數(shù)應(yīng)用中，假設(shè)外部場(chǎng)景位于無(wú)窮遠(yuǎn)；然而，還存在外部場(chǎng)景位于較近距離處的專業(yè)應(yīng)用或醫(yī)學(xué)應(yīng)用。圖6示出基于本發(fā)明的用于實(shí)現(xiàn)雙透鏡配置的光學(xué)系統(tǒng)。來(lái)自無(wú)窮遠(yuǎn)處的圖像光波80通過(guò)反射面16被耦合到基片20中，然后被部分反射面22的陣列反射到觀看者的眼睛24中。來(lái)自近距離場(chǎng)景的另一圖像86被透鏡88準(zhǔn)直到無(wú)窮遠(yuǎn)處，然后穿過(guò)基片20進(jìn)入觀看者的眼睛24中。透鏡82將圖像80和86聚焦于適當(dāng)?shù)木嚯x，通常(但不一定始終)為外部場(chǎng)景圖像的原始距離，并在需要時(shí)校正觀看者的眼睛的其他像差。

圖5和圖6所示出的透鏡82和88分別是簡(jiǎn)單的平凹透鏡和平凸透鏡，然而，為保持基片的平面形狀，可以替代地使用菲涅耳透鏡，菲涅耳透鏡可以由帶有精細(xì)階梯的薄的模壓塑料板制成。此外，代替使用如上文所描述的固定透鏡，一個(gè)實(shí)現(xiàn)透鏡82或88的替代方式是使用以電子方式進(jìn)行控制的動(dòng)態(tài)透鏡。還存在用戶將不僅能夠看見(jiàn)非準(zhǔn)直的圖像，而且還動(dòng)態(tài)地控制圖像的聚焦的應(yīng)用。已經(jīng)示出可以使用高分辨率的空間光調(diào)制器(slm)來(lái)形成全息元件。目前，用于該目的的最流行源是lcd設(shè)備，但是也可以使用其他動(dòng)態(tài)slm設(shè)備。具有幾百行/mm的高分辨率的動(dòng)態(tài)透鏡是已知的?？梢允褂眠@種按照電光方式控制的透鏡作為本發(fā)明中的所希望的動(dòng)態(tài)元件，代替上文結(jié)合圖5和圖6所描述的固定透鏡。因此，用戶可以實(shí)時(shí)地確定并設(shè)置由基片投影的虛擬圖像和外部視圖的真實(shí)圖像兩者的準(zhǔn)確的焦平面。

如圖6所示，將透鏡82和88附連到基片20是有益的，以形成單個(gè)緊湊的簡(jiǎn)化機(jī)械模塊。清楚地，如上文所描述的主要問(wèn)題是，附連過(guò)程取消了基片20與透鏡82和88之間的以前存在的空氣間隙，該空氣間隙對(duì)于將圖像光波80俘獲在基片20內(nèi)部是必要的。被俘獲的圖像光波80應(yīng)該在界面平面84的點(diǎn)90處被反射，并在點(diǎn)92處透過(guò)相同的平面。因此，應(yīng)該在該平面處應(yīng)用如上文關(guān)于圖4所描述的類(lèi)似的部分反射機(jī)制。

為了獲得所需的部分反射機(jī)制，可以在基片的主要表面處應(yīng)用角度敏感的薄膜涂層；然而，該實(shí)施例的制造會(huì)復(fù)雜化并且昂貴。用于實(shí)現(xiàn)所需的部分反射機(jī)制的一種替代方式是將透明空氣間隙薄膜110附連到基片的主要表面，如圖7a和圖7b所示。術(shù)語(yǔ)“空氣間隙薄膜”涉及在其表面上具有以比明視區(qū)域的波長(zhǎng)更短的小間距排列的透明介電材料的超精細(xì)周期性結(jié)構(gòu)111的光學(xué)設(shè)備，例如，諸如具有密的(不均勻的)超精細(xì)周期性結(jié)構(gòu)111的蛾眼薄膜之類(lèi)的光學(xué)設(shè)備(下文簡(jiǎn)稱為“浮雕構(gòu)造(reliefformation)”)，該超精細(xì)周期性結(jié)構(gòu)111是在平坦的透明基片112(下文簡(jiǎn)稱為“基座”112或“基座薄膜”112)上構(gòu)建的。優(yōu)選地，浮雕構(gòu)造的高度應(yīng)該(但不一定始終)小于1微米。

如圖8a和圖8b所示，平行于空氣間隙薄膜110的表面的任何橫截面121都具有周期性的構(gòu)造，其中，浮雕構(gòu)造中的介電材料123的成比例部分作為與薄膜本身的距離的函數(shù)而逐漸地變化。

在圖9a、圖9b和圖10a和圖10b中進(jìn)一步可以看出，在接近于基座薄膜112的內(nèi)部橫截面124，即，超精細(xì)結(jié)構(gòu)111的下部部分，浮雕構(gòu)造126中的介電材料125的成比例部分最大，并且基本上接近于1，而在外部橫截面127，即，接近于超精細(xì)結(jié)構(gòu)111的上部部分，浮雕構(gòu)造129中的介電材料128的成比例部分最小，即，比在材料125中低得多，并且基本上等于零。

通常，當(dāng)光波穿過(guò)具有周期性結(jié)構(gòu)的光學(xué)設(shè)備時(shí)，發(fā)生光的衍射，并且零階的衍射光(即，透過(guò)設(shè)備而沒(méi)有任何衍射的光)的亮度顯著地減少。然而，當(dāng)超精細(xì)周期性結(jié)構(gòu)的間距比傳入的光波的波長(zhǎng)短得多時(shí)，沒(méi)有衍射發(fā)生。相反，由于光波“看見(jiàn)”具有包含在此介質(zhì)中的材料的平均折射率的介質(zhì)，因此可以獲得有效的抗反射特性。

另一方面，如圖11中所示，當(dāng)光波130以傾斜角度在結(jié)構(gòu)的上端照射在周期性的超精細(xì)結(jié)構(gòu)111上時(shí)，它們只“看見(jiàn)”周期性結(jié)構(gòu)的外部部分，其中，透明材料的成比例部分非常低。因此，由傳入的光波“看見(jiàn)”的實(shí)際折射率接近于空氣131的折射率。

結(jié)果，如圖12中所示，當(dāng)這樣的空氣隙薄膜被附連到基片20的外表面28時(shí)，耦合的光波130以高于臨界角的角度照射在基片和薄膜之間的交界面132上，由于邊界面中的類(lèi)似于空氣的折射率，被限制在薄膜和基片之間的空氣131提供光隔離。因此，來(lái)自外表面的耦入光波的全內(nèi)反射的現(xiàn)象將被保留，并且光波將被包含在基片內(nèi)部。

超精細(xì)結(jié)構(gòu)的幾何特征(諸如其高度、峰-峰和寬度)通?？梢栽?0到800納米之間。另外，超精細(xì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確形狀不一定是蛾眼的形狀?？梢允褂萌魏纹渌{米結(jié)構(gòu)形狀，諸如錐體、棱鏡、圓錐及其他。此外，超精細(xì)結(jié)構(gòu)也不一定是特定周期性的，雖然周期性結(jié)構(gòu)通常更加容易制造。然而，該超精細(xì)結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足下列要求：一方面，結(jié)構(gòu)應(yīng)該足夠堅(jiān)實(shí)，不會(huì)在附連處理期間收縮，另一方面，結(jié)構(gòu)的外部橫截面中的介電材料的成比例部分應(yīng)該基本上等于零，以在基片內(nèi)部維持全內(nèi)反射現(xiàn)象。另外，超精細(xì)結(jié)構(gòu)的基本元件的尺寸不應(yīng)該太大，以便避免衍射效應(yīng)。然而，將超精細(xì)結(jié)構(gòu)的厚度縮小到100nm以下可能會(huì)不希望地使得被俘獲的波通過(guò)空氣間隙薄膜滲透，并且使得全內(nèi)反射現(xiàn)象變差。結(jié)果，超精細(xì)結(jié)構(gòu)厚度的典型的所需值在200和300nm之間。

圖13a示出眼鏡系統(tǒng)140的前視圖，而圖13b示出嵌入在兩個(gè)光學(xué)透鏡141、142之間并被組裝在眼鏡鏡框143內(nèi)部的基片20的頂視圖?？梢钥闯觯鈱W(xué)元件之外，鏡框還可以包含其他附件，包括相機(jī)144、麥克風(fēng)145、耳機(jī)146、usb連接器、存儲(chǔ)卡、慣性測(cè)量單元(imu)等等。

圖14a、圖14b和圖14c示出非單塊光學(xué)元件150，包括嵌入在前面正透鏡151和后面負(fù)透鏡152之間、一起安裝在鏡框154內(nèi)部而無(wú)需粘接劑的基片20。空氣間隙薄膜110(圖14c)被放置或粘合在基片20與透鏡151、152之間，其中，超精細(xì)結(jié)構(gòu)111分別面向基片20的外表面26和28。可以使用壓敏膠粘劑(psa)將空氣間隙薄膜110直接粘結(jié)在光學(xué)透鏡151和152的平面表面上，或者可以使用模壓、注模、澆鑄、機(jī)器加工、軟光刻或任何其他直接制造方法來(lái)直接制造空氣間隙薄膜110作為透鏡的集成部件?？梢允褂脡毫蛘辰Y(jié)技術(shù)將嵌入的光學(xué)元件150組裝在鏡框154內(nèi)部。

圖15a、圖15b和圖15c中示出用于將基片20整體嵌入在兩個(gè)光學(xué)透鏡之間的替代方法。使用外圍粘合技術(shù)將基片20嵌入在光學(xué)透鏡之間。使用非光學(xué)粘接劑或?qū)⑺薪M件安裝在一起的任何其他高粘性的粘接劑156，將前透鏡151和后透鏡152粘結(jié)到基片20的外周邊緣。粘接劑的粘性應(yīng)該足夠高，以便防止粘接劑泄漏到被限制在薄膜110和基片20之間的氣穴131中。這樣的泄漏會(huì)消除為保留來(lái)自基片的外表面的光波的全內(nèi)反射所需的空氣間隙。例如，所需的粘接劑156可以是op-67-ls或任何室溫硬化(rtv)硅膠。

圖16a、圖16b和圖16c中示出了用于將基片20整體嵌入在兩個(gè)光學(xué)透鏡之間的另一個(gè)替代方法。嵌入的元件的生產(chǎn)過(guò)程如下：放置空氣間隙薄膜110，超精細(xì)結(jié)構(gòu)111面向基片20的外表面26和28；使用諸如靜電之類(lèi)的附連技術(shù)；準(zhǔn)備具有所需的元件的外部形狀的模具160；將基片20插入到模具中；將聚合物澆鑄或注入到模具中，通過(guò)uv或通過(guò)改變聚合物溫度來(lái)固化聚合物，最后，從模具中彈出嵌入的元件。如以上關(guān)于圖15a到圖15c所述，同樣重要的是，在注模處理期間超精細(xì)區(qū)域與注入的材料隔離，以便防止材料滲漏到基片20和空氣間隙薄膜110之間的氣穴131中。

圖13a到圖16c示出用于形成包括嵌入在兩個(gè)光學(xué)透鏡之間的基片的光學(xué)元件的不同方法，然而，還存在需要將平面元件附連到基片的外表面的實(shí)施例。在圖4中示出這樣的實(shí)施例的一個(gè)示例，其中，準(zhǔn)直元件6被附連到基片20。用于將平面元件附連到基片的其他原因可以是以機(jī)械方式保護(hù)基片以增強(qiáng)用戶的眼睛安全性，或在平面元件的外表面上應(yīng)用涂層以獲得各種特性，諸如，光致變色響應(yīng)、耐擦傷性、超級(jí)疏水性、有色(彩色)視圖、偏振、抗指紋等等。

在圖17a、圖17b和圖17c中示出嵌入在兩個(gè)平坦基片162和164之間并被組裝在框架166、167內(nèi)部的基片20?？梢允褂脵C(jī)械附連、外圍粘結(jié)或單塊制造來(lái)實(shí)現(xiàn)基片和平坦基片20的嵌入處理。嵌入處理可包括只將單個(gè)元件附連到基片的一個(gè)外表面，或組合不同的元件，諸如平坦基片以及彎曲的透鏡。

在到目前為止所示出的所有實(shí)施例中，用于從基片中耦出光波的元件是位于所述基片中的至少一個(gè)平坦的局部反射面，該局部反射面通常涂有部分反射介電涂層，并且不平行于所述基片的主要表面。然而，根據(jù)本發(fā)明的特殊反射性機(jī)制還可以用于其他耦出技術(shù)。圖18示出基片20，其中，耦入元件170或耦出元件172是衍射元件。另外，還可以使用諸如彎曲的局部反射面之類(lèi)的其他耦出元件和其他裝置。

圖13-圖17的各實(shí)施例只是示出了本發(fā)明的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的示例。由于構(gòu)成系統(tǒng)的核心的基片引導(dǎo)的光學(xué)元件非常緊湊并且重量輕，因此它可以安裝在大量的各種布置中。許多其他實(shí)施例也是可以的，包括遮光板、折疊顯示器、單片眼鏡以及更多。該實(shí)施例被設(shè)計(jì)用于顯示器應(yīng)該靠近眼睛、頭戴式的應(yīng)用。然而，存在顯示器位于不同位置的應(yīng)用。這樣的應(yīng)用的一個(gè)示例是用于移動(dòng)應(yīng)用的手持式設(shè)備，諸如，例如，智能電話或智能手表。這些智能設(shè)備的主要問(wèn)題是所要求的小尺寸和體積與所期望的高質(zhì)量圖像之間的矛盾。

圖19示出基于本發(fā)明的替代方法，該方法消除移動(dòng)設(shè)備的小尺寸與在完整格式顯示器上觀看數(shù)字內(nèi)容的期望之間的當(dāng)前所需的折衷。該應(yīng)用是手持式顯示器(hhd)，其通過(guò)將高質(zhì)量圖像直接投影到用戶的眼睛中，解決了獲得小的移動(dòng)設(shè)備和期望在完整格式顯示器上觀看數(shù)字內(nèi)容的以前對(duì)立的需求。包括顯示源4、折疊和準(zhǔn)直光學(xué)器件190以及基片20的光學(xué)模塊被集成到智能設(shè)備210的機(jī)身中，其中，基片20替換了電話的現(xiàn)有的保護(hù)罩窗口。具體而言，包括源4和光學(xué)特性190的支持組件的體積充分小，以容納在現(xiàn)代智能設(shè)備的可接受的體積內(nèi)部。為了觀看由設(shè)備傳輸?shù)娜聊?，設(shè)備的窗口被定位在用戶的眼睛24前方，利用高fov、大的眼睛運(yùn)動(dòng)框和舒服的出瞳距離(eye-relief)來(lái)觀察圖像。還可以通過(guò)傾斜設(shè)備以顯示圖像的不同部分，以較大的出瞳距離來(lái)觀看整個(gè)fov。另外，由于光學(xué)模塊可以以透視配置來(lái)操作，因此設(shè)備的雙態(tài)操作是可能的；即，存在將常規(guī)顯示器212維持原樣的選項(xiàng)。以此方式，當(dāng)顯示源4被關(guān)閉時(shí)，可以通過(guò)基片20觀看標(biāo)準(zhǔn)顯示器。在被設(shè)計(jì)用于巨大的因特網(wǎng)沖浪、或高質(zhì)量視頻操作的第二虛擬模式下，常規(guī)顯示器212被關(guān)閉，而顯示源4通過(guò)基片20將所要求的寬的fov圖像投影到觀看者的眼睛中。通常，在大多數(shù)手持式智能設(shè)備中，用戶可以通過(guò)使用嵌入在設(shè)備的前面窗口上的觸摸屏來(lái)操作智能設(shè)備。如圖19中所示，可以通過(guò)直接將觸摸屏220粘結(jié)在位于基片20上的外表面空氣間隙薄膜110，將觸摸屏220附連到智能設(shè)備。