用于近眼顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】用于近眼顯示器的光學(xué)系統(tǒng)
[0001]背景
[0002]近眼顯示設(shè)備(諸如頭戴式顯示器)可以包括設(shè)置于設(shè)備內(nèi)的各種光學(xué)組件，諸如光源、圖像產(chǎn)生元件、透鏡系統(tǒng)和/或其他光學(xué)元件。這種光學(xué)組件可以占用相當(dāng)大量的空間，這可以導(dǎo)致具有龐大設(shè)計(jì)的近眼顯示器。由于一些近眼顯示器可以被配置成被用戶佩戴，因此龐大設(shè)計(jì)會(huì)使近眼顯示器從設(shè)計(jì)觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)是不舒適、不具吸引力的以及/或者以其他方式對(duì)終端用戶不具吸引力。
[0003]概述
[0004]此處公開(kāi)了涉及用于結(jié)合至近眼顯示設(shè)備中的緊湊光學(xué)系統(tǒng)的各實(shí)施例。例如，一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例提供了一種近眼顯示系統(tǒng)，該近眼顯示系統(tǒng)包括:光源；第一偏振光束分光表面，所述第一偏振光束分光表面被配置成接收來(lái)自光源的光；反光鏡，所述反光鏡被配置成反射經(jīng)過(guò)第一偏振光束分光表面的光；以及四分之一波片，所述四分之一波片位于第一偏振光束分光表面和反光鏡之間。近眼顯不系統(tǒng)還包括:第二偏振光束分光表面，所述第二偏振光束分光表面位于相對(duì)于第一偏振光束分光表面的一角度處；以及微型顯不器，所述微型顯示器被配置成接收由第二偏振光束分光表面反射的光并且產(chǎn)生圖像。
[0005]提供本概述是為了以精簡(jiǎn)的形式介紹將在以下詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述的一些概念。本概述并不旨在標(biāo)識(shí)所要求保護(hù)主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保護(hù)主題的范圍。而且，所要求保護(hù)的主題不限于解決該公開(kāi)的任一部分中所注的任何或全部缺點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方式。
[0006]附圖簡(jiǎn)述
[0007]圖1示出根據(jù)本公開(kāi)的一實(shí)施例的示例近眼顯示系統(tǒng)。
[0008]圖2示出根據(jù)本公開(kāi)的一實(shí)施例的用于示例近眼顯示系統(tǒng)的示例光學(xué)系統(tǒng)。
[0009]圖3示出根據(jù)本公開(kāi)的一實(shí)施例的示例照明組件。
[0010]圖4示意性地示出圖2的實(shí)施例的示意性描述。
[0011]圖5是描述根據(jù)本公開(kāi)的一實(shí)施例的引導(dǎo)光經(jīng)過(guò)近眼顯示系統(tǒng)的示例方法的流程圖。
[0012]圖6示出根據(jù)本公開(kāi)的一實(shí)施例的示例計(jì)算系統(tǒng)的框圖。
[0013]詳細(xì)描述
[0014]此處公開(kāi)了涉及供在近眼顯示系統(tǒng)中使用的緊湊光學(xué)系統(tǒng)的各實(shí)施例。簡(jiǎn)言之，所公開(kāi)的實(shí)施例包括緊湊折疊光學(xué)路徑，所述緊湊折疊光學(xué)路徑使用偏振光和偏振敏感的光學(xué)組件來(lái)引導(dǎo)光通過(guò)光學(xué)路徑。所公開(kāi)的各實(shí)施例允許照明系統(tǒng)被布置在相對(duì)于該光學(xué)系統(tǒng)的其他組件呈一角度處，并且因此可允許光學(xué)系統(tǒng)被結(jié)合到頭戴式顯示設(shè)備的一部分中，該頭戴式顯示設(shè)備符合用戶頭部的曲率。如此，光學(xué)系統(tǒng)可以便于緊湊且低調(diào)的近眼顯示設(shè)備的設(shè)計(jì)。
[0015]圖1示出包括顯示器104的頭戴式顯示設(shè)備形式的顯示設(shè)備102的非限制性示例。顯示器104可以包括任何適當(dāng)?shù)娘@示系統(tǒng)，包括但不限于波導(dǎo)顯示系統(tǒng)。顯示器104可以是至少部分透明的，因此允許來(lái)自背景場(chǎng)景的光通過(guò)透明顯示器到達(dá)用戶的眼睛。這可以允許使用顯示設(shè)備102來(lái)通過(guò)連同背景場(chǎng)景中的真實(shí)物體顯示可觀看的虛擬物體來(lái)視覺(jué)地?cái)U(kuò)增背景場(chǎng)景的外觀。
[0016]顯示設(shè)備102可以包括各種輸入和輸出設(shè)備。例如，除了顯示器104以外，顯示設(shè)備102還可以包括音頻輸出，諸如一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器。同樣，顯示設(shè)備102可以包括各種輸入傳感器，諸如話筒、一個(gè)或多個(gè)面向前(例如，遠(yuǎn)離用戶面向)的紅外和/或可見(jiàn)光相機(jī)、以及/或者一個(gè)或多個(gè)面向后(例如，面向用戶)的紅外和/或可見(jiàn)光相機(jī)。在一些實(shí)施例中，(諸)面前向的相機(jī)可以包括一個(gè)或多個(gè)深度相機(jī)以及相關(guān)聯(lián)的投光器。同樣，在一些實(shí)施例中，面向后的相機(jī)可以包括一個(gè)或多個(gè)眼睛跟蹤相機(jī)。而且，在一些實(shí)施例中，板載傳感器系統(tǒng)可以與一個(gè)或多個(gè)板外傳感器通信，所述一個(gè)或多個(gè)板外傳感器經(jīng)由顯示設(shè)備102的無(wú)線和/或有線通信系統(tǒng)將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至板載傳感器系統(tǒng)。
[0017]顯示設(shè)備102還包括允許顯示設(shè)備被佩戴在用戶頭部的一個(gè)或多個(gè)特征。在所示示例中，顯示設(shè)備102采用眼鏡形式，并且包括鼻架106、側(cè)件108和耳架110。在其他實(shí)施例中，頭戴式顯示器可以包括具有例如透視遮陽(yáng)板形式的顯示器的帽子或頭盔。雖然此處在頭戴式透視顯示器的上下文中描述，但此處描述的概念可適用于任何其他適當(dāng)?shù)娘@示系統(tǒng)，包括不是透視的顯示器。
[0018]圖2示出適合用于顯示設(shè)備102的光學(xué)系統(tǒng)200的示例實(shí)施例。如圖所述，光學(xué)系統(tǒng)200可被定位至顯示器104的一側(cè)，例如毗鄰鏡框的側(cè)件108。光學(xué)系統(tǒng)200可以包括用于產(chǎn)生光來(lái)照明微型顯示器204的照明系統(tǒng)202。照明系統(tǒng)202可被安裝于如下所述相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)200的其他光學(xué)組件的平面呈一角度處，以使光學(xué)系統(tǒng)可以基本符合用戶頭部的太陽(yáng)穴區(qū)域的曲率。照明系統(tǒng)202可以使用任何適當(dāng)?shù)墓庠?，包括但不限?一個(gè)或多個(gè)彩色發(fā)光二極管(LED)、一個(gè)或多個(gè)激光二極管、一個(gè)或多個(gè)白色LED、等等。
[0019]圖3示出適合用作圖2的照明系統(tǒng)202的照明系統(tǒng)300的示例。照明系統(tǒng)300包括第一光源302a、第二光源302b以及第三光源302c。在一些實(shí)施例中，光源302a_c可以對(duì)應(yīng)于RGB LED組件的紅色、綠色和藍(lán)色LED。在其他實(shí)施例中，可以使用RGB激光。RGB激光的使用可以提供輸出偏振光的潛在好處。如圖所示，第二光源302b和第三光源302c可以被定位于相對(duì)于第一光源302a呈一角度處，以及定位至其中光離開(kāi)照明系統(tǒng)300的方向。自每個(gè)光源發(fā)射出的光可以通過(guò)收集器和聚焦透鏡，對(duì)于光源302a_c分別在304a_c和306a_c示出。收集器和聚焦透鏡可以被配置成將從光源發(fā)射出的光引導(dǎo)通過(guò)二色光束分光器308以聚焦于微透鏡陣列。二色光束分光器308可以被配置成使來(lái)自第一光源302a的光通過(guò)并且反射來(lái)自第二光源302b和第三光源302c的光，以使來(lái)自每一個(gè)光源的光以相同方向離開(kāi)二色光束分光器308。將會(huì)注意，照明系統(tǒng)310可以圍繞離開(kāi)照明系統(tǒng)的光的光軸相對(duì)于下游光學(xué)元件轉(zhuǎn)動(dòng)，而不影響光通過(guò)下游光學(xué)元件。這可以允許照明系統(tǒng)302相對(duì)于其他光學(xué)元件被定位成基本符合用戶太陽(yáng)穴的輪廓。
[0020]再次參照?qǐng)D2，離開(kāi)照明系統(tǒng)的光可以通過(guò)其他光學(xué)元件一直到偏振光束分光器206。圖2描繪了偏振光束分光器206在光學(xué)系統(tǒng)200中的偏振光束分光不例位置，而圖4示出光在到達(dá)偏振光束分光器206之前通過(guò)微透鏡陣列400和負(fù)元件402形式的示例組件的路徑的示意性描述。在一些實(shí)施例中，光源附近的透鏡元件中的一個(gè)或多個(gè)(例如，負(fù)元件402)可以是非球面的。此外，微透鏡陣列400還可以被配置成與系統(tǒng)的微型顯示器的集光率匹配。盡管圖4為清楚起見(jiàn)示出單個(gè)光源302，但是將會(huì)理解，如上參照?qǐng)D3所述，可經(jīng)由二色光束分光器308組合多個(gè)光源。
[0021 ] 偏振光束分光器206可以包括第一偏振光束分光表面404和第二偏振光束分光表面406，其用于將光在折疊光學(xué)路徑中引導(dǎo)向微型顯不器204。第一偏振光束分光表面404可以被配置成對(duì)接收自光源302a-c的光偏振并使偏振光通過(guò)四分之一波片408 —直到反光鏡410。反光鏡410被配置成將光反射回通過(guò)四分之一波片408。在通過(guò)四分之一波片408兩次之后，光的偏振態(tài)與其首次經(jīng)過(guò)第一四分之一波片408之前的狀態(tài)相比轉(zhuǎn)動(dòng)了 90度。因此，來(lái)自反光鏡410的光隨后由第一偏振光束分光表面404朝向偏振光束分光器206的內(nèi)部全反射(TIR)表面412反射，在內(nèi)部全反射(TIR)表面412那里，通過(guò)內(nèi)部全反射表面使光反射朝向第二偏振光束分光表面406。第二偏振光束分光表面406然后使光以足以離開(kāi)TIR表面而無(wú)需內(nèi)部全反射的角度反射朝向TIR表面412。然后，離開(kāi)偏振光束分光器206的光可通過(guò)附加元件到達(dá)微型顯示器，所述附加元件為諸如雙合透鏡414以及偏振調(diào)整元件416 (諸如另一四分之一波片或補(bǔ)償器)，如以下更詳細(xì)描述。偏振光束分光器206可以深陷在適當(dāng)介質(zhì)中，以使由第一和第二偏振光束分光表面以及內(nèi)部全反射表面反射的光被維持在該介質(zhì)內(nèi)。
[0022]第一和第二偏振光束分光表面可以被定位在相對(duì)于彼此任何適當(dāng)?shù)慕嵌忍?。同樣，第二偏振光束分光表面也可以被定位在相?duì)于微型顯示器204任何適當(dāng)?shù)慕嵌忍?。例如，在一些?shí)施例中，第二偏振光束分光表面可以被定向成相對(duì)于微型顯不器204的縱軸20820至50度角。在一更具體不例中，第二偏振光束分光表面可以被定向成相對(duì)于微型顯示器204的縱軸20830度角。
[0023]任何適當(dāng)類型的微型顯示器設(shè)備可被用作微型顯示器204。例如，在一些實(shí)施例中，微型顯示器204可以包括硅上液晶(LCoS)顯示器。在這樣的實(shí)施例中，入射在微型顯示器204上的光被空間地調(diào)制以產(chǎn)生圖像，并且被反射回去朝向第二偏振光束分光表面406。從LCoS反射的光的偏振態(tài)相較于入射于LCoS上的光被轉(zhuǎn)動(dòng)。然而，由于諸如制造公差這樣的因素，LCoS可以不將反射光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)足完全九十度。因此，在這樣的實(shí)施例中，偏振調(diào)整器416可以包括補(bǔ)償器，補(bǔ)償器用于在光經(jīng)過(guò)第二偏振光束分光表面之前完成來(lái)自LCoS的光的轉(zhuǎn)動(dòng)。再次參照?qǐng)D2，該光然后可經(jīng)過(guò)投影光學(xué)元件210，并且被引導(dǎo)到顯示器(104)(例如，經(jīng)由波導(dǎo)或其他適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件)。
[0024]在其他實(shí)施例中，微型顯示器204可以包括另一類型的反射微型顯示器，諸如數(shù)字光處理(DLP)顯示器。在這種實(shí)施例中，偏振調(diào)整器416可以包括四分之一波片，該四分之一波片用于轉(zhuǎn)動(dòng)光以供傳輸經(jīng)過(guò)第二偏振光束分光表面。在又一些實(shí)施例中，微型顯不器可以包括透射微型顯示器，諸如透射的液晶微型顯示器。在這種實(shí)施例中，可以省略偏振調(diào)整器416。
[0025]圖5示出描述根據(jù)本公開(kāi)的一實(shí)施例的引導(dǎo)光經(jīng)過(guò)近眼顯示系統(tǒng)的示例方法500的流程圖。如502所指示，方法500包括自光源輸出光。如504所指示，來(lái)自光源的光可以被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)諸如微透鏡之類的各種組件，并且然后，如506所指示，經(jīng)過(guò)第一偏振光束分光表面，該第一偏振光束分光表面線性地偏振光?？梢岳斫猓谄渌麑?shí)施例中，可以使用光學(xué)上位于偏振光束分光器上游的另一偏振器來(lái)偏振光。
[0026]方法500還包括引導(dǎo)光的部分經(jīng)過(guò)第一四分之一波片朝向反光鏡，如508所指示。反光鏡將光的該部分反射回去經(jīng)過(guò)第一四分之一波片，以使偏振態(tài)通過(guò)兩次經(jīng)過(guò)該四分之一波片轉(zhuǎn)動(dòng)了總共九十度，并且朝向第一偏振光束分光表面，如510所指不。接著，方法500包括經(jīng)由第一偏振光束分光表面使光的該部分反射朝向第二