用于增强现实和近眼头戴式设备的光学系统和显示引擎技术方案

一种用于增强现实(AR)和近眼设备的具有减小的尺寸和/或提高的效率的光学显示引擎，其包含LED、微型LED和/或OLED显示器。示例光学系统在使用偏振分束器、四分之一波片、半波片和诸如曲面镜或反射透镜的产生高光焦度的反射元件的紧凑型系统中针对偏振(或分离的非偏振)光提供不同的光路，其中重新组合对应于不同图像部分/通道的相反偏振的光。在多个观察平面处呈现图像和/或其部分以投影更逼真的合成图像，并且以不同的角分辨率呈现图像和/或其部分以使得能够从单个小且高效的显示器以高的表观分辨率创建大的复合视场。高的表观分辨率创建大的复合视场。高的表观分辨率创建大的复合视场。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于增强现实和近眼头戴式设备的光学系统和显示引擎
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年10月13日提交的题为“OPTICAL SYSTEMS FOR MICROLED DISPLAYS IN AUGMENTED REALITY AND NEAR
‑
EYE HEADSETS”的美国临时专利申请第63/090,763号的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。


[0003]本公开内容涉及用于显示器的光学显示引擎，显示器例如是发光显示器，诸如LED(发光二极管)显示器，包括微型LED显示器、OLED显示器和微型OLED显示器。更具体地，本专利技术涉及用于发光显示器(例如，LED显示器、量子点显示器、薄膜电致发光(TEEL)显示器、等离子显示器等)或透射显示器(例如，液晶显示器(LCD)等)的光学显示引擎；例如，可以在应用中利用的微型LED显示器包括但不限于投影仪、平视显示器、以及增强现实(AR)、混合现实(MR)和虚拟现实(VR)系统或设备(诸如头戴式耳机或其他近眼设备或系统)。

技术介绍

[0004]AR图像通常涉及将合成图像(例如，数字数据、数字内容媒体或计算机生成的图像(例如，3D图像))叠加到用户在真实世界中正看到的东西上。由于AR图像通常被投影到单个平面上以供用户观看，而用户自然地看到的真实世界图像出现在连续平面上，因此在合成图像与真实世界图像之间经常存在不匹配。因此，眼睛必须在两个观看视角之间进行调整，并且随着时间的推移，这可能导致视觉疲劳，例如，由于视觉辐辏调节冲突(VAC)而引起的疲劳。增加AR系统的大小以改善VAC可能是不可行的。典型的AR头戴式耳机是戴在面部或头部周围的设备。为了生成AR图像，头戴式耳机必须容纳许多部件，例如显示器(包括立体显示器)、光学部件(例如，光学显示引擎)和电源。因此，AR头戴式耳机可能体积大且在大小上也较大。增加AR系统或设备的大小或体积以解决VAC疲劳可能不会改善VAC，并且还可能降低现有部件的光功率。
附图说明
[0005]在本文中参照各种附图示出并描述了本公开内容，在附图中，适当地使用相似的附图标记来表示相似的系统部件，并且在附图中：
[0006]图1示出了根据本专利技术的实施方式的用于为非偏振光提供分离的光路的光学系统；
[0007]图2示出了根据本专利技术的实施方式的用于为选择性偏振光提供分离的光路的光学系统；
[0008]图3示出了根据本专利技术的实施方式的通过分离的光路路由并且入射在不同观察平面上的图像的各部分；
[0009]图4示出了根据本专利技术的实施方式的用于将图像的各部分路由到分离的观察平面的半波片(HWP)配置；
[0010]图5示出了根据本专利技术的实施方式的用于提供指向左眼和右眼的分离的光路的光学系统；
[0011]图6示出了根据本专利技术的实施方式的包括波导组合器的光学系统；
[0012]图7示出了根据本专利技术的实施方式的在不同观察平面上显示图像的光学系统的示意图；
[0013]图8A至图8C示出了根据本专利技术的实施方式的具有不同分辨率的各图像部分的投影。
[0014]图9A至图9B示出了根据本专利技术的实施方式的光学系统的近似尺寸。
[0015]图9C示出了根据比较示例的光学系统的近似尺寸。
[0016]
技术介绍

[0017]本文描述的示例实施方式提供了光学系统和光学显示引擎，其将从空间光调制器或显示器输出的电磁辐射(例如，光)分离或划分成不同偏振的光束，并且针对每个不同偏振的光束提供单独的光路，使得重新组合的光束能够被路由到、传输到不同的观察平面、或者由不同的观察平面接收或入射在不同的观察平面上。本文描述的光学显示引擎的部件被布置成使来自有限亮度显示器例如微型LED等的亮度和/或光功率最大化。此外，所公开的实施方式减小了显示系统或设备的大小以及/或者提高了显示系统或设备的效率，该显示系统或设备将显示器(例如，LED显示器，诸如微型LED显示器和/或OLED显示器)集成、包括或耦合(物理地和/或电气地)至这样的系统或设备中。为了本公开内容的目的，使用LED显示器作为示例来描述本专利技术。然而，本专利技术可应用于任何类型、形状和/或大小的发光显示器，并且这对于本领域的普通技术人员来说是明显的。本专利技术的实施方式可以接收非偏振光或线性偏振光，并且经由光学部件(例如，偏振分束器(PBS)、四分之一波片(QWP)和诸如镜或反射透镜的反射部件)的新颖布置或组合将不同偏振的光分量路由到分离的光路中。
[0018]本专利技术的实施方式借助于与不同类型的偏振相关联的分离的光路，在不同的观察平面上投影不同的图像或图像的部分。这在AR头戴式设备中可能是期望的，以便投影更逼真的合成图像(例如，计算机生成的图像或计算机生成的3D图像)，并且提高用户舒适度。
[0019]本专利技术的实施方式以不同的分辨率投影(或显示)图像或图像的部分，使得能够从单个小且高效的显示器以高的表观分辨率显示大的复合视场(FOV)。
[0020]根据本专利技术的一种显示系统包括偏振分束器(PBS)、定位在PBS的第一侧之外的第一四分之一波片(QWP)、定位成邻近第一QWP的第一反射元件、定位在PBS的第二侧之外的第二QWP、以及定位成邻近第二QWP的第二反射元件。通过至少PBS、第一QWP和第一反射元件的组合产生针对第一类型偏振的第一光路，并且通过至少PBS、第二QWP和第二反射元件的组合产生针对第二类型偏振的第二光路。在本专利技术的实施方式中，PBS被定位成经由第三侧接收来自显示设备的一个或更多个光束，并且经由第四侧将穿越第一光路和第二光路的一个或更多个光束输出至一个或更多个观察平面。在本专利技术的一些实施方式中，显示设备包括发光二极管(LED)、微型LED、有机LED(OLED)、微型OLED或液晶显示器(LCD)中的一个或更多个。在本专利技术的实施方式中，显示设备发射至少一个非偏振光束。PBS将非偏振光束分成具有第一类型偏振的第一光分量和具有第二类型偏振的第二光分量，将第一光分量反射到第一光路中而到达第一QWP和第一反射元件，并且将第二光分量透射到第二光路中而到达第二QWP和第二反射元件。在本专利技术的实施方式中，当第一光分量和第二光分量分别沿着第一
光路和第二光路行进时，第一光分量和第二光分量中的每一个的偏振被反转。例如，第一光分量在其进入PBS时是s偏振的(也称为σ偏振或横向电场(TE))，并且第一光分量在进入第一光路，穿过第一QWP到达第一反射元件，由第一反射元件反射，并且返回穿过第一QWP而进入PBS之后变成p偏振的(也称为π偏振或横向磁场(TM))，其中，PBS使第一光分量透射穿过第四侧。此外，第二光分量在其进入PBS时是p偏振的，并且第二光分量在进入第二光路，穿过第二QWP到达第二反射元件，由第二反射元件反射，并且返回穿过第二QWP而进入PBS之后变成s偏振的，其中，PBS使第二光分量透射穿过第四侧。
[0021]在本文描述的本专利技术实施方式的另一实施方本文档来自技高网...

【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，包括：偏振分束器(PBS)；定位在所述PBS的第一侧之外的第一四分之一波片(QWP)；定位成邻近所述第一QWP的第一反射元件；定位在所述PBS的第二侧之外的第二QWP；以及定位成邻近所述第二QWP的第二反射元件，其中，通过所述PBS、所述第一QWP和所述第一反射元件的组合来产生针对第一类型偏振的第一光路，并且通过所述PBS、所述第二QWP和所述第二反射元件的组合来产生针对第二类型偏振的第二光路。2.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述PBS被定位成经由第三侧接收来自显示设备的一个或更多个光束，并且经由第四侧将穿越所述第一光路和所述第二光路的所述一个或更多个光束输出至一个或更多个观察平面。3.根据权利要求2所述的显示系统，其中，所述显示设备包括发光二极管(LED)、微型LED、有机LED(OLED)、微型OLED、液晶显示器(LCD)中的一个或更多个。4.根据权利要求2所述的显示系统，其中，所述显示设备发射至少一个非偏振光束。5.根据权利要求4所述的显示系统，其中，所述PBS将所述非偏振光束分成具有所述第一类型偏振的第一光分量和具有所述第二类型偏振的第二光分量，将所述第一光分量反射到所述第一光路中而到达所述第一QWP和所述第一反射元件，并且将所述第二光分量透射到所述第二光路中而到达所述第二QWP和所述第二反射元件。6.根据权利要求5所述的显示系统，其中，当所述第一光分量和所述第二光分量分别沿着所述第一光路和所述第二光路行进时，所述第一光分量和所述第二光分量中的每一个的偏振被反转。7.根据权利要求6所述的显示系统，其中：所述第一光分量在其进入所述PBS时是s偏振的，并且在进入所述第一光路，穿过所述第一QWP到达所述第一反射元件，由所述第一反射元件反射，并且返回穿过所述第一QWP而进入所述PBS之后变成p偏振的，其中，所述PBS使所述第一光束透射穿过所述第四侧；以及所述第二光分量在其进入所述PBS时是p偏振的，并且在进入所述第二光路，穿过所述第二QWP到达所述第二反射元件，由第二反射元件反射，并且返回穿过所述第二QWP而进入所述PBS之后变成s偏振的，其中，所述PBS使所述第二光束透射穿过所述第四侧。8.根据权利要求4所述的显示系统，还包括：定位在所述显示设备与所述PBS之间的偏振器，其中，所述非偏振光束在其穿过所述偏振器时变成偏振光束；以及定位在所述偏振器与所述PBS之间的半波片(HWP)，其中，所述HWP使所述偏振光束的偏振旋转，其中，所述偏振光束取决于所述偏振的旋转被引导到所述第一光路或所述第二光路之一中。9.根据权利要求8所述的显示系统，其中，所述偏振光束在其进入所述PBS时是s偏振的，并且在进入所述第一光路，穿过所述第一QWP到达所述第一反射元件，由所述第一反射元件反射，并且返回穿过所述第一QWP而进入所述PBS之后变成p偏振的。
10.根据权利要求8所述的显示系统，其中，所述偏振光束在其进入所述PBS时是p偏振的，并且在进入所述第二光路，穿过所述第二QWP到达所述第二反射元件，由所述第二反射元件反射，并且返回穿过所述第二QWP而进入所述PBS之后变成s偏振的。11.根据权利要求8所述的显示系统，其中，所述HWP包括可控制的HWP，并且所述HWP耦合至控制器，所述控制器确定所述可控制的HWP如何使所述偏振光束的偏振旋转。12.根据权利要求11所述的显示系统，其中，所述可控制的HWP在不同的特定时刻使不同偏振光束的偏振旋转。13.根据权利要求8所述的显示系统，其中，所述HWP包括可寻址的HWP，所述可寻址的HWP还包括多个独立受控的元件，其中，所述独立受控的元件中的每一个使所述偏振光束的偏振旋转。14.根据权利要求13所述的显示系统，其中，所述多个独立受控的元件的单独部分使与单独图像部分相关联的不同光束的偏振旋转。15.根据权利要求14所述的显示系统，其中，所述可寻址的HWP包括空间光调制器或透射式空间光调制器中的一个或更多个。16.根据权利要求2所述的显示系统，其中，经由所述PBS的第四侧输出的所述一个或更多个光束入射在一个或更多个输入光栅上。17.根据权利要求16所述的显示系统，其中：所述一个或更多个输入光栅包括偏振敏感输入光栅，从所述第一光路出射的具有所述第二类型偏振的第一光束入射在第一输入光栅上，以及从所述第二光路出射的具有所述第一类型偏振的第二光束入射在第二输入光栅上。18.根据权利要求17所述的显示系统，其中，所述一个或更多个输入光栅包括电可切换的输入光栅。19.根据权利要求16所述的显示系统，其中，所述一个或更多个输入光栅中的每一个耦合至波导组合器。20.根据权利要求19所述的显示系统，还包括耦合至所述波导组合器的输出光栅，其中，所述一个或更多个光束沿着所述波导组合器传播，直到到达所述输出光栅。21.根据权利要求20所述的显示系统，其中：所述一个或更多个光束对应于合成图像，以及所述输出光栅将所述合成图像与现实组合以生成增强现实(AR)图像。22.根据权利要求19所述的显示系统，其中，所述输入光栅和/或所述输出光栅包括全息聚合物分散液晶(HPDLC)。23.根据权利要求1所述的显...

【专利技术属性】
技术研发人员：约舒亚，
申请(专利权)人：斯纳普公司，
类型：发明
国别省市：