CN105008981B - 用于近眼显示器的光学*** - Google Patents
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Abstract
此处公开了涉及用于结合至近眼显示设备中的紧凑光学***的各实施例。所公开的一个实施例提供了一种近眼显示***，该近眼显示***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来自光源的光；反光镜，所述反光镜被配置成反射经过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镜之间。近眼显示***还包括：第二偏振光束分光表面，所述第二偏振光束分光表面被定位于相对于第一偏振光束分光表面呈一角度处；以及微型显示器，所述微型显示器被配置成经由接收自第二偏振光束分光表面的光产生图像。
Description
背景
近眼显示设备(诸如头戴式显示器)可以包括设置于设备内的各种光学组件，诸如光源、图像产生元件、透镜***和/或其他光学元件。这种光学组件可以占用相当大量的空间，这可以导致具有庞大设计的近眼显示器。由于一些近眼显示器可以被配置成被用户佩戴，因此庞大设计会使近眼显示器从设计观点来说是不舒适、不具吸引力的以及/或者以其他方式对终端用户不具吸引力。
概述
此处公开了涉及用于结合至近眼显示设备中的紧凑光学***的各实施例。例如，一个公开的实施例提供了一种近眼显示***，该近眼显示***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来自光源的光；反光镜，所述反光镜被配置成反射经过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镜之间。近眼显示***还包括：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对于第一偏振光束分光表面的一角度处；以及微型显示器，所述微型显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产生图像。
提供本概述是为了以精简的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。而且，所要求保护的主题不限于解决该公开的任一部分中所注的任何或全部缺点的实现方式。
附图简述
图1示出根据本公开的一实施例的示例近眼显示***。
图2示出根据本公开的一实施例的用于示例近眼显示***的示例光学***。
图3示出根据本公开的一实施例的示例照明组件。
图4示意性地示出图2的实施例的示意性描述。
图5是描述根据本公开的一实施例的引导光经过近眼显示***的示例方法的流程图。
图6示出根据本公开的一实施例的示例计算***的框图。
详细描述
此处公开了涉及供在近眼显示***中使用的紧凑光学***的各实施例。简言之，所公开的实施例包括紧凑折叠光学路径，所述紧凑折叠光学路径使用偏振光和偏振敏感的光学组件来引导光通过光学路径。所公开的各实施例允许照明***被布置在相对于该光学***的其他组件呈一角度处，并且因此可允许光学***被结合到头戴式显示设备的一部分中，该头戴式显示设备符合用户头部的曲率。如此，光学***可以便于紧凑且低调的近眼显示设备的设计。
图1示出包括显示器104的头戴式显示设备形式的显示设备102的非限制性示例。显示器104可以包括任何适当的显示***，包括但不限于波导显示***。显示器104可以是至少部分透明的，因此允许来自背景场景的光通过透明显示器到达用户的眼睛。这可以允许使用显示设备102来通过连同背景场景中的真实物体显示可观看的虚拟物体来视觉地扩增背景场景的外观。
显示设备102可以包括各种输入和输出设备。例如，除了显示器104以外，显示设备102还可以包括音频输出，诸如一个或多个扬声器。同样，显示设备102可以包括各种输入传感器，诸如话筒、一个或多个面向前(例如，远离用户面向)的红外和/或可见光相机、以及/或者一个或多个面向后(例如，面向用户)的红外和/或可见光相机。在一些实施例中，(诸)面前向的相机可以包括一个或多个深度相机以及相关联的投光器。同样，在一些实施例中，面向后的相机可以包括一个或多个眼睛跟踪相机。而且，在一些实施例中，板载传感器***可以与一个或多个板外传感器通信，所述一个或多个板外传感器经由显示设备102的无线和/或有线通信***将传感器数据发送至板载传感器***。
显示设备102还包括允许显示设备被佩戴在用户头部的一个或多个特征。在所示示例中，显示设备102采用眼镜形式，并且包括鼻架106、侧件108和耳架110。在其他实施例中，头戴式显示器可以包括具有例如透视遮阳板形式的显示器的帽子或头盔。虽然此处在头戴式透视显示器的上下文中描述，但此处描述的概念可适用于任何其他适当的显示***，包括不是透视的显示器。
图2示出适合用于显示设备102的光学***200的示例实施例。如图所述，光学***200可被定位至显示器104的一侧，例如毗邻镜框的侧件108。光学***200可以包括用于产生光来照明微型显示器204的照明***202。照明***202可被安装于如下所述相对于光学***200的其他光学组件的平面呈一角度处，以使光学***可以基本符合用户头部的太阳穴区域的曲率。照明***202可以使用任何适当的光源，包括但不限于：一个或多个彩色发光二极管(LED)、一个或多个激光二极管、一个或多个白色LED、等等。
图3示出适合用作图2的照明***202的照明***300的示例。照明***300包括第一光源302a、第二光源302b以及第三光源302c。在一些实施例中，光源302a-c可以对应于RGB LED组件的红色、绿色和蓝色LED。在其他实施例中，可以使用RGB激光。RGB激光的使用可以提供输出偏振光的潜在好处。如图所示，第二光源302b和第三光源302c可以被定位于相对于第一光源302a呈一角度处，以及定位至其中光离开照明***300的方向。自每个光源发射出的光可以通过收集器和聚焦透镜，对于光源302a-c分别在304a-c和306a-c示出。收集器和聚焦透镜可以被配置成将从光源发射出的光引导通过二色光束分光器308以聚焦于微透镜阵列。二色光束分光器308可以被配置成使来自第一光源302a的光通过并且反射来自第二光源302b和第三光源302c的光，以使来自每一个光源的光以相同方向离开二色光束分光器308。将会注意，照明***310可以围绕离开照明***的光的光轴相对于下游光学元件转动，而不影响光通过下游光学元件。这可以允许照明***302相对于其他光学元件被定位成基本符合用户太阳穴的轮廓。
再次参照图2，离开照明***的光可以通过其他光学元件一直到偏振光束分光器206。图2描绘了偏振光束分光器206在光学***200中的偏振光束分光示例位置，而图4示出光在到达偏振光束分光器206之前通过微透镜阵列400和负元件402形式的示例组件的路径的示意性描述。在一些实施例中，光源附近的透镜元件中的一个或多个(例如，负元件402)可以是非球面的。此外，微透镜阵列400还可以被配置成与***的微型显示器的集光率匹配。尽管图4为清楚起见示出单个光源302，但是将会理解，如上参照图3所述，可经由二色光束分光器308组合多个光源。
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，其用于将光在折叠光学路径中引导向微型显示器204。第一偏振光束分光表面404可以被配置成对接收自光源302a-c的光偏振并使偏振光通过四分之一波片408一直到反光镜410。反光镜410被配置成将光反射回通过四分之一波片408。在通过四分之一波片408两次之后，光的偏振态与其首次经过第一四分之一波片408之前的状态相比转动了90度。因此，来自反光镜410的光随后由第一偏振光束分光表面404朝向偏振光束分光器206的内部全反射(TIR)表面412反射，在内部全反射(TIR)表面412那里，通过内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然后使光以足以离开TIR表面而无需内部全反射的角度反射朝向TIR表面412。然后，离开偏振光束分光器206的光可通过附加元件到达微型显示器，所述附加元件为诸如双合透镜414以及偏振调整元件416(诸如另一四分之一波片或补偿器)，如以下更详细描述。偏振光束分光器206可以深陷在适当介质中，以使由第一和第二偏振光束分光表面以及内部全反射表面反射的光被维持在该介质内。
第一和第二偏振光束分光表面可以被定位在相对于彼此任何适当的角度处。同样，第二偏振光束分光表面也可以被定位在相对于微型显示器204任何适当的角度处。例如，在一些实施例中，第二偏振光束分光表面可以被定向成相对于微型显示器204的纵轴20820至50度角。在一更具体示例中，第二偏振光束分光表面可以被定向成相对于微型显示器204的纵轴20830度角。
任何适当类型的微型显示器设备可被用作微型显示器204。例如，在一些实施例中，微型显示器204可以包括硅上液晶(LCoS)显示器。在这样的实施例中，入射在微型显示器204上的光被空间地调制以产生图像，并且被反射回去朝向第二偏振光束分光表面406。从LCoS反射的光的偏振态相较于入射于LCoS上的光被转动。然而，由于诸如制造公差这样的因素，LCoS可以不将反射光的偏振态转足完全九十度。因此，在这样的实施例中，偏振调整器416可以包括补偿器，补偿器用于在光经过第二偏振光束分光表面之前完成来自LCoS的光的转动。再次参照图2，该光然后可经过投影光学元件210，并且被引导到显示器(104)(例如，经由波导或其他适当的光学元件)。
在其他实施例中，微型显示器204可以包括另一类型的反射微型显示器，诸如数字光处理(DLP)显示器。在这种实施例中，偏振调整器416可以包括四分之一波片，该四分之一波片用于转动光以供传输经过第二偏振光束分光表面。在又一些实施例中，微型显示器可以包括透射微型显示器，诸如透射的液晶微型显示器。在这种实施例中，可以省略偏振调整器416。
图5示出描述根据本公开的一实施例的引导光经过近眼显示***的示例方法500的流程图。如502所指示，方法500包括自光源输出光。如504所指示，来自光源的光可以被引导经过诸如微透镜之类的各种组件，并且然后，如506所指示，经过第一偏振光束分光表面，该第一偏振光束分光表面线性地偏振光。可以理解，在其他实施例中，可以使用光学上位于偏振光束分光器上游的另一偏振器来偏振光。
方法500还包括引导光的部分经过第一四分之一波片朝向反光镜，如508所指示。反光镜将光的该部分反射回去经过第一四分之一波片，以使偏振态通过两次经过该四分之一波片转动了总共九十度，并且朝向第一偏振光束分光表面，如510所指示。接着，方法500包括经由第一偏振光束分光表面使光的该部分反射朝向第二偏振光束分光表面。在一些实施例中，由第一偏振光束分光表面反射的光可以从TIR表面反射朝向第二偏振光束分光表面，如以上关于图4所述。
继续，方法500接着包括，在514，使来自第二偏振光束分光表面的光的该部分反射经过TIR表面、在一些实施例中经过偏振调整器、并且朝向微型显示器以产生图像，如516所指示。在一些实施例中，可以使用反射性微型显示器，诸如LCOS或DLP(数字光处理)显示器，以使微型显示器将光反射回去朝向第二偏振光束分光表面，如518所指示。在其他实施例中，可以使用透射性微型显示器。在使用LCoS显示器的各实施例中，偏振调整器可以包括补偿器，而在使用另一类反射性微型显示器(例如，DLP显示器)的各实施例中，偏振调整器可以包括第二四分之一波片。
因此，此处公开的各实施例可以提供紧凑光学***，该紧凑光学***被配置成符合用户头部的轮廓，并因此可允许构造更紧凑且有吸引力的近眼显示***。在一些实施例中，此处描述的方法和过程可以涉及具有一个或多个计算设备的计算***。特别是，这样的方法和过程可以被实现为计算机应用程序或服务、应用编程接口(API)、库、以及/或者其他计算机程序产品。
图6示意性地示出可以实施上述方法和过程中的一个或多个的计算***600的非限制性实施例。计算***600以简化形式示出。计算***600可以采取以下形式：一个或多个近眼显示设备、头戴式显示设备、移动通信设备(例如，智能电话)、移动计算设备、平板电脑、服务器计算机、游戏控制台、家庭娱乐计算机、网络计算设备、个人电脑以及/或者其他计算设备。
计算***600包括逻辑机602和存储机604。计算***600还可以包括显示子***606、输入子***608、通信子***610和/或图6未示出的其他组件。
逻辑机602包括被配置成执行指令的一个或多个物理设备。例如，逻辑机器可以被配置成执行指令，所述指令是一个或多个应用、服务、程序、例程、库、对象、组件、数据结构或其他逻辑构造的一部分。这种指令可被实现以执行任务、实现数据类型、转换一个或多个组件的状态、实现技术效果、或以其他方式达成期望结果。
逻辑机可以包括被配置成执行软件指令的一个或多个处理器。另外或或者，逻辑机可以包括被配置成执行硬件或固件指令的一个或多个硬件或固件逻辑机。逻辑机的处理器可以是单核的或多核的，并且其上执行的指令可以被配置用于串行、并行和/或分布式处理。逻辑机的各个体组件可任选地分布在两个或更多个分开的设备之间，所述设备可以位于远程和/或被配置用于协同处理。逻辑机的各方面可以由在云计算配置中配置的远程可访问的、联网计算设备来虚拟化和执行。
存储机604包括一个或多个物理设备，所述一个或多个物理设备被配置成存储和保持可由逻辑机器执行以实现此处描述的方法和过程的指令(例如，计算机可读和/或机器可读指令)。例如，逻辑机602可以与传感器接口(例如，图1的显示设备102的输入传感器的接口)以及存储机604通信。当实现这样的方法和过程时，存储机604的状态可以被变换，例如以保持不同的数据。
存储机604可以包括可移动和/或内置设备。存储机器604可以包括光学存储器(例如，CD、DVD、HD-DVD、蓝光碟等)、半导体存储器(例如，RAM、EPROM、EEPROM等)和/或磁性存储器(例如，硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、MRAM等)、等等。存储机604可以包括易失性的、非易失性的、动态的、静态的、读/写的、只读的、随机存取的、依序存取的、位置可寻址的、文件可寻址的以及/或者内容可寻址的设备。
将会理解，存储机器604包括一个或多个物理设备。然而，此处描述的指令的各方面可替代地由通信介质(例如，电磁信号、光学信号等)来传播。
逻辑机602和存储机604的各方面可以被一起集成到一个或多个硬件逻辑组件中。这种硬件逻辑组件可以包括例如场可编程门阵列(FPGA)、程序和应用专用集成电路(PASIC/ASIC)、程序和应用专用标准产品(PSSP/ASSP)、片上***(SOC)以及复杂可编程逻辑器件(CPLD)。
显示子***606可用于呈现由存储机器604所保持的数据的视觉表示。例如，显示子***606可以包括图1的显示器104和/或光学***200的一个或多个元件。该视觉表示可以采用图形用户界面(GUI)的形式，图形用户界面可能被呈现为其中真实物体和虚拟物体两者均可通过透明显示器观察到的扩增现实图像。由于此处描述的方法和过程改变了存储机所保持的数据、且因此转换了存储机的状态，因此显示子***606的状态可同样地被转换成视觉地表示底层数据的变化。显示子***606可以包括使用实质上任何类型的技术的一个或多个显示设备。这种显示设备可以在共享包封中与逻辑机602和/或存储机604组合，或者这种显示器可以是***显示设备。
在包括输入子***608时，输入子***608可以包括一个或多个用户输入设备或与其对接，一个或多个用户输入设备包括但不限于触摸屏、键盘、鼠标、话筒或游戏控制器。在一些实施例中，输入子***可以包括所选择的自然用户输入(NUI)部件或与其对接。这种部件可以是集成的或***的，并且输入动作的转换和/或处理可以在板上或板外被处理。示例NUI部件可以包括用于语音和/或话音识别的话筒；用于机器视觉和/或手势识别的红外、彩色、立体和/或深度照相机；用于运动检测和/或意图识别的头部***、眼睛***、加速计和/或陀螺仪；以及用于评估大脑活动的电场感测部件。
在包括通信子***610时，通信子***610可以被配置成将计算***600与一个或多个其他计算设备通信耦合。通信子***610可以包括与一个或多个不同通信协议兼容的有线和/或无线通信设备。作为非限制性示例，通信子***可以被配置用于经由无线电话网络、或者有线或无线局域网或广域网来通信。在一些实施例中，通信子***可允许计算***600经由诸如因特网这样的网络将消息发送至其他设备和/或从其他设备接收消息。
将会理解，此处描述的配置和/或方法本质是示例性的，这些具体实施例或示例不应被视为限制性的，因为许多变体是可能的。此处描述的具体例程或方法可以表示任何数量的处理策略中的一个或多个。如此，所示和/或所述的各种动作可以以所示和/或所述顺序执行、以其他顺序执行、并行地执行，或者被省略。同样，上述过程的次序可以改变。
本公开的主题包括各种过程、***和配置以及此处公开的其他特征、功能、动作和/或属性、以及它们的任一和全部等价物的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。
Claims (10)
1.一种近眼显示***，包括：
光源；
沿着所述近眼显示***的光路设置在所述光源的下游的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来自所述光源的光；
沿着所述光路设置在所述第一偏振光束分光表面的下游的反光镜，所述反光镜被配置成将经过所述第一偏振光束分光表面的光反射回去朝向所述第一偏振光束分光表面；
四分之一波片，所述四分之一波片沿着所述光路位于所述第一偏振光束分光表面和所述反光镜之间；
沿着所述光路设置在所述第一偏振光束分光表面和所述反光镜的下游的第二偏振光束分光表面，所述第二偏振光束分光表面被定位在相对于所述第一偏振光束分光表面呈一角度处；以及
沿着所述光路设置在所述第二偏振光束分光表面的下游的微型显示器，所述微型显示器被配置成从接收自所述第二偏振光束分光表面的光产生图像。
2.如权利要求1所述的近眼显示***，其特征在于，还包括偏振调整器，所述偏振调整器位于所述第二偏振光束分光表面和所述微型显示器之间。
3.如权利要求1所述的近眼显示***，其特征在于，还包括内部全反射(TIR)表面，所述内部全反射表面被配置成将来自所述第一偏振光束分光表面的光反射至所述第二偏振光束分光表面。
4.如权利要求1所述的近眼显示***，其特征在于，还包括收集器和聚焦透镜，所述收集器和聚焦透镜在光发射方向上位于所述光源和所述第一偏振光束分光表面之间。
5.如权利要求1所述的近眼显示***，其特征在于，所述光源包括多个发光二极管。
6.如权利要求5所述的近眼显示***，其特征在于，还包括一个或多个二色光束分光器，所述一个或多个二色光束分光器被配置成反射来自所述多个发光二极管中的至少一个的光，并使来自所述多个发光二极管中另一个的光通过。
7.如权利要求1所述的近眼显示***，其特征在于，所述微型显示器包括硅上液晶显示器。
8.一种引导光经过近眼显示***的方法，所述方法包括：
从光源输出光；
基于来自所述光源的所述光的一部分的偏振使所述光的所述一部分通过第一偏振光束分光表面；
将所述光的所述一部分引导经过四分之一波片并且朝向反光镜，所述反光镜被配置成将所述光的所述一部分反射回去经过所述四分之一波片并且朝向所述第一偏振光束分光表面；
由所述第一偏振光束分光表面将所述光的所述一部分朝向第二偏振光束分光表面反射；
由所述第二偏振光束分光表面将所述光的所述一部分朝向微型显示器反射；以及
用所述微型显示器产生图像。
9.如权利要求8的方法，其特征在于，用所述微型显示器产生图像进一步包括：由所述微型显示器将所述光反射回去朝向所述第二偏振光束分光表面并且经过偏振调整器，所述偏振调整器位于所述微型显示器和所述第二偏振光束分光表面之间。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括在将来自所述光源的所述光引导至所述第一偏振光束分光表面之前，将所述光引导经过微透镜阵列。
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