具有场曲率影响减轻的基于基板引导的光学系统技术方案

透光基板具有至少第一主外表面和第二主外表面。电子显示源发出光波。耦合输入光学装置将来自电子显示源的光波耦合至透光基板中以实现经耦合输入的光波在透光基板的主外表面之间的全内反射。光学元件部署在从电子显示源穿过进入透光基板的光波的光路中。光学元件限定使穿过光波的光线发散或会聚的场曲率。透镜部署在光路中并且减小场曲率。电子显示源具有与减小的场曲率匹配的曲率以抵消由减小的场曲率引起的光线的发散或会聚。

Substrate guided optical system with reduced field curvature

【技术实现步骤摘要】
具有场曲率影响减轻的基于基板引导的光学系统相关申请的交叉引用本申请要求于2018年5月27日提交的美国临时专利申请第62/677,001号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
本技术涉及基板引导光学装置，其包括由共同的透光基板承载的多个反射表面。
技术介绍
紧凑型光学元件的一个重要应用是在头戴式显示器(HMD)中，其中光学模块用作光学准直系统和合成器两者，其中二维图像源被成像为无限远并且被反射至观察者的眼睛中。显示源可以直接从空间光调制器(SLM)例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)、微型LED显示器、扫描源或类似装置获得，或者间接借助于中继透镜或光纤束获得。显示源包括由准直透镜成像为无限远并且通过反射或部分反射表面传输至观察者的眼睛中的元件(像素)的阵列，上述反射或部分反射表面分别用作用于非透视应用和透视应用的合成器。通常，常规的自由空间光学模块用于这些目的。然而，随着系统的期望视场(FOV)增加，这种常规的光学模块变得更大、更重且体积更大，因此，即使对于中等性能装置，诸如系统，也是不实际的。这是所有类型的显示器并且特别地在头戴式应用中的主要缺点，其中系统必须尽可能轻且紧凑。另外，与具有一定场曲率像差的准直系统结合使用的显示源的平坦性可能引起由观察者观看到的图像的劣化。对紧凑性的追求已经导致了若干不同的复杂光学解决方案，所有这些解决方案一方面对于大多数实际应用仍然不够紧凑，并且另一方面在可制造性方面存在主要缺点。此外，由这些设计得到的光学视角的眼睛动作区(EMB，eye-motion-box)的尺寸通常非常小，通常小于8mm。因此，即使对于光学系统相对于观察者的眼睛的小运动，光学系统的性能也非常敏感，并且不允许足够的瞳孔运动以用于从这种显示器舒适地阅读文本。
技术实现思路
本技术涉及具有基板引导光学元件和各种场曲率减轻部件的光学系统，在某些实施方式中，包括减轻场曲率的影响的场透镜装置，场曲率的影响的减轻是与准直光学器件结合使用平坦电子显示源的结果。其他实施方式包括弯曲电子显示源，其具有与光学系统的场曲率匹配(或至少部分地匹配)的曲率，从而抵消(或至少部分地抵消)由穿过光学系统的光线的发散或会聚引起的场曲率的影响。在所有实施方式中，电子显示源发出光波，该光波耦合至基板引导光学元件中，并且随后从基板引导光学元件耦合至观察者(即，观看者)的眼睛中作为图像。基板引导光学元件有助于经耦合输出的图像的扩展，使得观察者的眼睛的平面处的光学孔径的尺寸大于元件的输入处的光学孔径的尺寸。替选地，这种扩展可以被称为孔径倍增。根据本技术的实施方式的教导，提供了一种光学系统。该光学系统包括：透光基板，其具有包括至少第一主外表面和第二主外表面的多个表面；电子显示源，从该电子显示源发出光波；耦合输入光学装置，用于将从电子显示源发出的光波耦合至透光基板中以实现耦合输入的光波在透光基板的主外表面之间的全内反射；至少一个光学元件，所述至少一个光学元件部署在从电子显示源穿过进入透光基板的光波的光路中，所述至少一个光学元件限定使穿过光波的光线发散或会聚的光学系统的场曲率；以及至少一个透镜，所述至少一个透镜部署在位于电子显示源的下游且位于耦合输入光学装置的上游的光路中，至少一个透镜产生部分补偿的场曲率并且部分地补偿光学系统的场曲率以减小光学系统的场曲率，并且电子显示源是弯曲显示源，其具有与光学系统的减小的场曲率匹配的曲率以便抵消由减小的场曲率引起的穿过光线的发散或会聚。可选地，所述至少一个透镜是正焦度透镜。可选地，所述至少一个透镜是负焦度透镜。可选地，所述至少一个透镜包括凹表面。可选地，光学系统还包括：照射棱镜组件，用于将来自照射器的光定向至电子显示源以激励电子显示源发出光波，并且用于将从电子显示源发出的光波定向成朝向耦合输入光学装置。可选地，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至照射棱镜组件的至少一部分。可选地，照射棱镜组件包括至少一个棱镜和偏振敏感分束器，并且所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至所述至少一个棱镜的表面的至少一部分。可选地，光学系统还包括：光学模块，用于经由照射棱镜组件接收从电子显示源发出的光波，并且用于使接收到的光波准直并将经准直的光波定向至耦合输入光学装置。可选地，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至光学模块的至少一部分。可选地，光学模块包括一对棱镜和偏振敏感分束器，并且所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至棱镜中的至少之一的表面的至少一部分。可选地，所述至少一个透镜部署在位于照射棱镜组件的下游且位于光学模块的上游的光路中。可选地，光学模块包括至少一个光学元件。可选地，光学系统还包括：光学模块，用于使从电子显示源发出的光波准直，并且将经准直的光波定向至耦合输入光学装置。可选地，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至光学模块的至少一部分。可选地，光学模块包括一对棱镜和偏振敏感分束器，并且所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至棱镜中的至少之一的表面的至少一部分。可选地，光学模块还包括至少一个准直透镜。可选地，光学模块包括限定光学系统的场曲率的至少一个光学元件。可选地，电子显示源是微显示器。可选地，电子显示源是有机发光二极管显示器。根据本技术的教导的实施方式，还提供了一种光学系统。该光学系统包括：透光基板，其具有包括至少第一主外表面和第二主外表面的多个表面；电子显示源，从该电子显示源发出光波；耦合输入光学装置，用于将从电子显示源发出的光波耦合至透光基板中以实现耦合输入的光波在透光基板的主外表面之间的全内反射；以及至少一个光学元件，所述至少一个光学元件部署在从电子显示源穿过进入透光基板的光波的光路中，所述至少一个光学元件限定使穿过光波的光线发散或会聚的光学系统的场曲率，并且电子显示源是弯曲显示源，其具有与光学系统的场曲率匹配的曲率以抵消由场曲率引起的光线的发散或会聚。可选地，电子显示源是微显示器。可选地，电子显示源是有机发光二极管显示器。本公开内容的光学系统依赖于各种光学部件的组合，所述各种光学部件包括准直光学器件、各种棱镜组件(例如，照射和成像组件)以及上述基板引导光学元件和场透镜装置。这些部件的组合不是简单的组合，因为各个部件的具体设计参数是相互依赖的，并且根据光学系统的一个或多个其他部件或子部件的设计规范和独特属性来确定一个部件或子部件的设计规范。因此，通过本公开内容的光学系统的部件和子部件的组合产生协同作用，这有助于由观察者观看的图像的提高的品质。除非本文中另有定义，否则本文中使用的所有技术和/或科学术语具有与由本技术所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文中描述的那些类似或等同的方法和材料可以用于本技术的实施方式的实践或测试，但是下面描述了示例性方法和/或材料。在冲突的情况下，将以包括定义的专利说明书为准。另外，材料、方法和示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学系统，其特征在于，包括：/n透光基板，其具有包括至少第一主外表面和第二主外表面的多个表面；/n电子显示源，从所述电子显示源发出光波；/n耦合输入光学装置，用于将从所述电子显示源发出的光波耦合至所述透光基板中以实现耦合输入的光波在所述透光基板的所述主外表面之间的全内反射；/n至少一个光学元件，所述至少一个光学元件部署在从所述电子显示源穿过进入所述透光基板的光波的光路中，所述至少一个光学元件限定使穿过光波的光线发散或会聚的所述光学系统的场曲率；以及/n至少一个透镜，所述至少一个透镜部署在位于所述电子显示源的下游且位于所述耦合输入光学装置的上游的所述光路中，其中，所述至少一个透镜产生部分补偿场曲率并且部分地补偿所述光学系统的场曲率以减小所述光学系统的场曲率，并且其中，所述电子显示源是弯曲显示源，所述弯曲显示源具有与所述光学系统的减小的场曲率匹配的曲率以抵消由减小的场曲率引起的穿过光线的发散或会聚。/n

【技术特征摘要】
20180527 US 62/677,0011.一种光学系统，其特征在于，包括：
透光基板，其具有包括至少第一主外表面和第二主外表面的多个表面；
电子显示源，从所述电子显示源发出光波；
耦合输入光学装置，用于将从所述电子显示源发出的光波耦合至所述透光基板中以实现耦合输入的光波在所述透光基板的所述主外表面之间的全内反射；
至少一个光学元件，所述至少一个光学元件部署在从所述电子显示源穿过进入所述透光基板的光波的光路中，所述至少一个光学元件限定使穿过光波的光线发散或会聚的所述光学系统的场曲率；以及
至少一个透镜，所述至少一个透镜部署在位于所述电子显示源的下游且位于所述耦合输入光学装置的上游的所述光路中，其中，所述至少一个透镜产生部分补偿场曲率并且部分地补偿所述光学系统的场曲率以减小所述光学系统的场曲率，并且其中，所述电子显示源是弯曲显示源，所述弯曲显示源具有与所述光学系统的减小的场曲率匹配的曲率以抵消由减小的场曲率引起的穿过光线的发散或会聚。


2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜是正焦度透镜。


3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜是负焦度透镜。


4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜包括凹表面。


5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括：
照射棱镜组件，用于将来自照射器的光定向至所述电子显示源以激励所述电子显示源发出光波，并且用于将从所述电子显示源发出的光波定向成朝向所述耦合输入光学装置。


6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至所述照射棱镜组件的至少一部分。


7.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，所述照射棱镜组件包括至少一个棱镜和偏振敏感分束器，并且其中，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至所述至少一个棱镜的表面的至少一部分。


8.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，还包括：
光学模块，用于经由所述照射棱镜组件接收从所述电子显示源发出的光波，并且用于使接收到的光波准直并将经准直的光波定向至所述耦合输入光学装置。


9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至所述光学模块的至少一部分。


10.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·格尔贝格，
申请(专利权)人：鲁姆斯有限公司，
类型：新型
国别省市：以色列;IL