具有反射棱镜输入耦合器的光学系统技术方案

一种电子设备可包括产生光的显示模块以及将该光朝眼箱重定向的光学系统。该系统可包括在波导上的输入耦合器以及将该光朝该输入耦合器定向的透镜。该输入耦合器可包括棱镜，该棱镜具有将该光反射到该波导中的反射表面。该反射表面可弯曲以向该光提供屈光度。该棱镜可被配置为扩展该光的视场。双折射光束移位器可扩展该光的有效光瞳尺寸。该透镜可包括透镜元件，该透镜元件将该光会聚在该透镜元件与该波导之间的位置处。可切换面板可放置于该位置处并且在第一取向与第二取向之间来回切换以增加该光的有效分辨率。增加该光的有效分辨率。增加该光的有效分辨率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有反射棱镜输入耦合器的光学系统
[0001]本专利申请要求于2019年9月19日提交的美国临时专利申请第62/902,645号的优先权，该美国临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。

技术介绍

[0002]本专利技术整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于显示器的光学系统。
[0003]电子设备可包括向用户的眼睛呈现图像的显示器。例如，诸如虚拟现实和增强现实头戴式耳机之类的设备可包括具有允许用户观看显示器的光学元件的显示器。
[0004]设计设备诸如这些设备可能是有挑战性的。如果稍有不慎，用于显示内容的部件可能是难看且笨重的，并且可能未表现出期望的光学性能水平。

技术实现思路

[0005]电子设备诸如头戴式设备可具有为用户产生图像的一个或多个近眼显示器。头戴式设备可以是一副虚拟现实眼镜，或者可以是增强现实头戴式耳机，其允许观察者观看计算机生成的图像和观察者周围环境中的真实世界对象两者。
[0006]近眼显示器可包括产生光的显示模块以及将来自显示模块的光朝眼箱(eye box)重定向的光学系统。该光学系统可包括形成在波导上的输入耦合器和输出耦合器。输入耦合器可将来自显示模块的光重定向，使得该光在波导中朝输出耦合器传播。输出耦合器可将光耦合出波导并朝向眼箱。输出耦合器可包括衍射光栅结构诸如波导中的体积全息图。
[0007]输入耦合器可为安装到波导的反射输入耦合棱镜。透镜可引导来自显示模块的光穿过波导以到达输入耦合器。棱镜可接收穿过波导的来自透镜的光，并且可具有将光反射到波导中的反射表面。反射表面可弯曲以向反射光提供屈光度。这可以允许透镜相比于在棱镜不向光赋予屈光度的情况下具有更少的透镜元件。
[0008]该棱镜可被配置为扩展该光的视场。例如，可切换反射层可设置在反射表面上以用于扩展光的视场。如果需要，棱镜可为分体式棱镜，其包括具有第一反射表面的第一楔形物和安装到该第一反射表面的第二楔形物。第一反射表面可沿第一方向反射图像光，而第二反射表面在第二方向上反射图像光。偏振敏感膜可设置在第一反射表面上，并且可反射光的第一偏振，同时透射光的第二偏振。可切换偏振器可用于相继为棱镜提供第一偏振光和第二偏振光。在另一种合适的布置中，显示面板可同时为棱镜提供第一偏振光和第二偏振光。如果需要，可切换反射层可设置在第一反射表面上，并且可选择性地反射或透射来自显示模块的光。如果需要，双折射光束移位器可插置在显示器的光路上以用于扩展光的有效光瞳尺寸。
[0009]透镜可包括第一组透镜元件，该第一组透镜元件将来自显示模块的光会聚在该第一组透镜元件与该波导之间的位置处。能够在第一取向与第二取向之间切换的透明面板可放置于该位置处。透明面板可在第一取向与第二取向之间来回切换以增加光的有效分辨率。如果需要，第二组透镜元件可插置在该位置与波导之间。
附图说明
[0010]图1是根据一些实施方案的具有显示器的例示性系统的图示。
[0011]图2是根据一些实施方案的用于显示器的例示性光学系统的顶视图，该光学系统具有波导和输入耦合器。
[0012]图3是根据一个实施方案的由反射棱镜形成的例示性输入耦合器的顶视图。
[0013]图4是根据一个实施方案的由反射棱镜形成的例示性输入耦合器的顶视图，该反射棱镜具有弯曲的反射表面。
[0014]图5是根据一些实施方案的由反射棱镜形成的例示性输入耦合器的顶视图，该反射棱镜具有用于扩展显示器的视场的可切换反射部件。
[0015]图6是根据一个实施方案的由分体式反射棱镜形成的例示性输入耦合器的顶视图，该分体式反射棱镜具有用于扩展视场的偏振敏感型反射膜。
[0016]图7是根据一个实施方案的由分体式反射棱镜形成的例示性输入耦合器的顶视图，该分体式反射棱镜具有用于扩展视场的可切换反射部件。
[0017]图8是根据一些实施方案的例示性显示系统的顶视图，其中将不同偏振光同时提供给分体式反射棱镜，该分体式反射棱镜具有用于扩展视场的偏振敏感型反射膜。
[0018]图9是根据一些实施方案的可设置在波导上以用于扩展波导内的光瞳的例示性双折射光束移位器的透视图。
[0019]图10是示出根据一些实施方案的图9所示类型的例示性双折射光束移位器可如何使光穿过以到达具有分体式反射棱镜的输入耦合器的顶视图。
[0020]图11是示出根据一些实施方案的例示性分体式多元件透镜的顶视图，该分体式多元件透镜可将图像光提供给图2至图10所示类型的输入耦合器。
[0021]图12是示出根据一些实施方案的例示性可切换光移位元件可如何安装在图11所示类型的分体式多元件透镜内的顶视图。
[0022]图13是示出根据一些实施方案的图12所示类型的可切换光移位元件可如何在第一状态与第二状态之间调节以用于移位图像光的顶视图。
[0023]图14是根据一些实施方案的图像光的像素的前视图，其示出了图12和图13所示类型的例示性可切换光移位元件可如何增加图像光的有效分辨率。
[0024]图15是示出根据一些实施方案的输入耦合器可如何形成分体式多元件透镜的一部分的顶视图，该输入耦合器由具有弯曲的反射表面的反射棱镜形成。
[0025]图16是示出根据一些实施方案的由反射棱镜形成的输入耦合器可如何接收穿过色散补偿楔形物的图像光和/或可包括光吸收体的顶视图。
具体实施方式
[0026]图1中示出了一个例示性系统，其具有带有一个或多个近眼显示系统的设备。系统10可以是头戴式设备，其具有一个或多个显示器，诸如安装在支撑结构(壳体)20内的近眼显示器14。支撑结构20可具有一副眼镜(例如，支撑框架)的形状，可形成具有头盔形状的外壳，或者可具有用于帮助将近眼显示器14的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他配置。近眼显示器14可包括一个或多个显示模块诸如显示模块14A，以及一个或多个光学系统诸如光学系统14B。显示模块14A可安装在支撑结构诸如支撑结构20中。每个显示模
块14A可以发射光22(图像光)，使用光学系统14B中的相关联的一个将该光朝眼箱24处的用户眼睛重定向。
[0027]可使用控制电路16来控制系统10的操作。控制电路16可包括用于控制系统10的操作的存储和处理电路。电路16可包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路16中的处理电路可基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码(指令)可存储在电路16中的存储器上，并且在电路16中的处理电路上运行，以实现用于系统10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像渲染操作等)。
[0028]系统10可包括输入输出电路诸如输入
‑
输出设备12。输入
‑
输出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种显示系统，包含：显示模块，所述显示模块产生图像光；波导；安装到所述波导的反射输入耦合棱镜，其中所述反射输入耦合棱镜被配置为接收穿过所述波导的所述图像光，所述反射输入耦合棱镜被配置为将所述图像光反射到所述波导中，并且所述波导被配置为经由全内反射传播所反射的图像光；和输出耦合器，所述输出耦合器在所述波导上并且被配置为将所反射的图像光耦合出所述波导。2.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述输出耦合器包含嵌入在所述波导内的光栅介质中的衍射光栅结构，所述衍射光栅结构包含体积全息图，并且所述显示系统还包含在光学上插置在所述显示模块与所述波导之间的色散补偿楔形物。3.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述反射输入耦合棱镜具有被配置为将所述图像光反射到所述波导中的反射表面，所述显示系统还包含在所述反射表面上的反射层。4.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述反射层包含可切换反射层，所述可切换反射层能够在第一状态与第二状态之间调节，在所述第一状态下，所述可切换反射层在第一方向上将所述图像光反射到所述波导中，在所述第二状态下，所述可切换反射层在不同于所述第一方向的第二方向上将所述图像光反射到所述波导中，并且其中所述可切换反射层包含选自由以下项组成的组的结构：可切换液晶光栅和数字微反射镜器件。5.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述反射层包含选自由以下项组成的组的层：电介质层、金属层、三维金属结构层和衍射光栅层。6.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述反射表面包含被配置为向所述反射光提供屈光度的曲面。7.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述反射层覆盖所述反射表面的与已聚焦到所述反射表面上的所述图像光的光瞳叠置的一部分，并且其中所述显示系统还包含覆盖所述反射表面的其余部分的光学吸收体。8.根据权利要求3所述的显示器，还包含：透镜，所述透镜被配置为将来自所述显示模块的所述图像光朝所述波导定向，其中所述透镜被配置为将所述图像光会聚到插置在所述波导与所述透镜之间的位置处；和在所述位置处的透明板，所述透明板能够在第一取向与第二取向之间调节，在所述第一取向，所述透明板通过第一对准将所述图像光朝所述波导定向，在所述第二取向，所述透明板通过平行于所述第一对准并且从所述第一对准偏离的第二对准将所述图像光朝所述波导定向。9.根据权利要求3所述的显示器，其中所述波导具有相对的第一表面和第二表面，所述反射输入耦合棱镜包含安装到所述第一表面的第一楔形物和安装到所述第一楔形物的表面的第二楔形物，所述第二楔形物包括所述反射表面，所述第一楔形物的所述表面被配置为在第一方向上将所述图像光反射到所述波导中，并且所述反射表面被配置为在不同于所述第一方向的第二方向上将所述图像光反射到所述波导中。10.根据权利要求1所述的显示器，其中所述反射输入耦合棱镜具有被配置为将所述图像光反射到所述波导中的反射表面，所述显示器还包含：
插置在所述第一楔形物与所述第二楔形物之间的偏振敏感膜，其中所述偏振敏感膜被配置为在所述第一方向上反射所述图像光的第一偏振并且透射所述图像光的第二偏振，并且其中所述反射表面被配置为在所述第二方向上反射由所述偏振敏感膜透射的所述图像光的所述第二偏振。11.根据权利要求10所述的显示器，还包含：可切换偏振器，其中所述可切换偏振器能够在第一状态与第二状态之间切换，其中所述可切换偏振器被配置为在所述第一状态下将所述图像光的所述第一偏振透射穿过所述波导的所述第二表面，并且其中可切换偏振器被配置为在所述第二状态下将所述图像光的所述第二偏振透射穿过所述波导的所述第二表面。12.根据权利要求10所述的显示器，其中所述显示模块包含第一显示面板，所述第一显示面板被配置为朝所述反射输入耦合棱镜透射所述图像光的所述第一偏振，并且其中所述显示模块包含第二显示面板，所述第二显示面板被配置为同时朝所述反射输入耦合棱镜透射所述图像光的所述第二偏振。13.根据权利要求1所述的显示器，其中所述反射输入耦合棱镜具有被配置为将所述图像光反射到所述波导中的反射表面，所述波导具有相对的第一表面和第二表面，所述反射输入耦合棱镜包含安装到所述第一表面的第一楔形物和安装到所述第一楔形物的表面的第二楔形物，所述第二楔形物包括所述反射表面，所述第一楔形物的所述表面被配置为在第一方向上将所述图像光反射到所述波导中，并且所述反射表面被配置为在不同于所述第一方向的第二方向上将所述图像光反射到所述波导中，所述显示器还包含：插置在所述第一楔形物与所述第二楔形物之间的可切换反射层，其中所述可切换反射层能够在第一状态与第二状态之间切换，其中所述可切换反射层被配置为在所述第一状...

【专利技术属性】
技术研发人员：V，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：