[發明專利]包括具有兩個反射鏡的光瞳擴展器的觀察裝置

在審

• 申請號: 202010094918.2
• 申請日: 2020-02-14
• 公開（公告）號: CN111562672A
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發明（設計）人: N·達馬姆;J-L·巴爾東;J-L·布爾甘;P·庫安
• 申請（專利權）人: 泰勒斯公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01
• 代理公司: 北京戈程知識產權代理有限公司 11314
• 代理人: 程偉;王錦陽

本發明涉及包括具有兩個反射鏡的光瞳擴展器的觀察裝置，該觀察裝置包括光學組件和光導，所述光學組件包括顯示器(1)以及將該顯示器的圖像形成在無限遠處的光學系統；所述光導用于在兩個空間方向上擴展光瞳。根據本發明的光導包括：三個平面反射鏡(41、42、43)和兩個半反射板(44、45)，所述光學組件的光軸相對于第一平面反射鏡(41)的表面傾斜不為零且嚴格小于90度的角度，從光學組件輸出的光束通過平面反射鏡和半反射板的連續反射在光導內部傳輸，從光學組件輸出的光束向光導的外部的透射通過第二半反射板(45)的連續透射來進行。

技術領域

本發明的總體技術領域是觀察系統，其允許將由觀察裝置生成的圖像疊加在外部景觀上。這些裝置用于各種應用領域。這些裝置可以固定到諸如車輛儀表板或航空儀表板的結構上。于是稱為平視顯示器(HUD)。這些裝置也可以安裝在佩戴在用戶頭部的載體上。它們被稱為頭盔顯示器(helmet mounted displays，HMD)。

背景技術

圖1示出了能夠實現這種類型的觀察系統的第一結構。在該圖及隨后的附圖中，光學組件以粗實線繪制，光線以細線或虛線繪制。包含透鏡的光學元件用雙向箭頭表示。用太陽表示外部景觀。

該第一結構包括顯示器1、折線式(dog-legged)準直光學元件2和設置在觀察者Y的視場中的半反射平板3。由顯示器生成的圖像通過準直光學元件投射到無限遠處。半反射平板部分地將該圖像反射給觀察者，并且部分地透射外部景觀。因此，觀察者以重疊的方式看到外部景觀上的顯示器圖像。該解決方案的主要缺點在于，通過構造，觀察者的眼睛遠離系統的光瞳。因此，如果希望系統保持合理的重量和尺寸，則即時的觀察視場將受到限制。

圖2所示的觀察系統沒有此缺點。該觀察系統包括顯示器1、形成該顯示器的實像的倒像光學元件4以及將該實像的圖像形成在無限遠處的半透明的彎曲的光組合器5。已經證明，這樣的光組合能夠在觀察者的眼睛上形成光瞳的圖像。前述的限制已不存在，并且即時的觀察視場現在僅受光組合器的尺寸限制。但是，該解決方案還有其他缺點。光組合器必須是離軸組件。倒像光學元件和組合器的生產比較復雜。最終，獲得的系統是復雜、昂貴且相對龐大的。

為了減輕這些各種缺點，已經提出了所謂的光瞳擴展系統。有時使用縮寫EPE來指代此類系統，EPE為“出射光瞳擴展(Exit Pupil Expansion)”的縮寫。EPE系統的工作原理如圖3至圖9所示。EPE觀察系統包括顯示器1、具有出射光瞳的準直光學元件6以及由透明材料制成且具有平行平面的光導7。顯示器的被準直的光束例如經由光導的一個側面71進入光導。如在所示的情況下，可以使用棱鏡，也可以使用光柵(該光柵也被稱為入射光柵)來實現進入光導。

這些光束經由光導的平行面72和73的全反射傳輸通過光導，如圖3所示。

為了使觀察者能夠感知圖像，必須使其離開光導。有多種光學解決方案。通過第一示例，圖4的EPE系統的光導包括兩個平行的半反射板74和75，設置為提取一些準直光束。作為第二示例，圖5的光導包括執行相同功能的微結構或微棱鏡的陣列76。最后，圖6的光導包括衍射光柵77，該衍射光柵77使一些光在所需方向上朝著光導外部衍射。在圖6中，光柵位于光導的兩個面的其中一個面上。該光柵也可以位于光導的內部。

圖4至圖6所示的光導允許光瞳在給定的方向上擴展。為了在兩個空間方向上擴展光瞳，可以使用兩個耦合的光柵/陣列7和8，如圖7所示，這允許光瞳在兩個空間方向上擴展。這兩個方向不必彼此正交。在圖7中，第一光柵/陣列7允許光瞳在水平方向上延伸，第二光柵/陣列8允許光瞳在豎直方向上延伸。帶圓圈的十字表示光在垂直于頁面平面的平面中傳輸。

這些光瞳擴展系統可以面向觀察者設置，如圖8所示。在這種情況下，觀察者Y直接通過光導觀察景觀。可以稱為“透視”系統。

這些光瞳擴展系統還可以與光組合器結合，如圖9所示，其中光束通過半反射板9向觀察者反射，該半反射板9可以確保外部景觀的透射。