TWM587757U - 具有場曲率影響減輕的基於基板引導的光學系統 - Google Patents

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Abstract

透光基板具有至少第一主外表面和第二主外表面；電子顯示源發出光波，耦合輸入光學裝置將來自電子顯示源的光波耦合至透光基板中以實現經耦合輸入的光波在透光基板的主外表面之間的全內反射；光學元件部署在從電子顯示源穿過進入透光基板的光波的光路中，光學元件限定使穿過光波的光線發散或會聚的場曲率，透鏡部署在光路中並且減小場曲率，電子顯示源具有與減小的場曲率匹配的曲率以抵消由減小的場曲率引起的光線的發散或會聚。

Description

具有場曲率影響減輕的基於基板引導的光學系統
本申請要求於2018年5月27日提交的美國臨時專利申請第62/677,001號的優先權，其全部公開內容通過引用併入本文。
本新型涉及基板引導光學裝置，其包括由共同的透光基板承載的多個反射表面。
緊湊型光學元件的一個重要應用是在頭戴式顯示器(HMD)中，其中光學模組用作光學准直系統和合成器兩者，其中二維圖像源被成像為無限遠並且被反射至觀察者的眼睛中。顯示源可以直接從空間光調製器(SLM)例如陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(LCD)、有機發光二極體陣列(OLED)、微型LED顯示器、掃描源或類似裝置獲得，或者間接借助於中繼透鏡或光纖束獲得。顯示源包括由准直透鏡成像為無限遠並且通過反射或部分反射表面傳輸至觀察者的眼睛中的元件(圖元)的陣列，上述反射或部分反射表面分別用作用於非透視應用和透視應用的合成器。通常，常規的自由空間光學模組用於這些目的。然而，隨著系統的期望視場(FOV)增加，這種常規的光學模組變得更大、更重且體積更大，因此，即使對於中等性能裝置，諸如系統，也是不實際的。這是所有類型的顯示器並且特別地在頭戴式應用中的主要缺點，其中系統必須盡可能輕且緊湊。另外，與具有一定場曲率像差的准直系統結合使用的顯示源的平坦性可能引起由觀察者觀看到的圖像的劣化。
對緊湊性的追求已經導致了若干不同的複雜光學解決方案，所有這些解決方案一方面對於大多數實際應用仍然不夠緊湊，並且另一方面在可製造性方面存在主要缺點。此外，由這些設計得到的光學視角的眼睛動作區(EMB，eye-motion-box)的尺寸通常非常小，通常小於8mm。因此，即使對於光學系統 相對於觀察者的眼睛的小運動，光學系統的性能也非常敏感，並且不允許足夠的瞳孔運動以用於從這種顯示器舒適地閱讀文本。
本新型涉及具有基板引導光學元件和各種場曲率減輕部件的光學系統，在某些實施方式中，包括減輕場曲率的影響的場透鏡裝置，場曲率的影響的減輕是與准直光學器件結合使用平坦電子顯示源的結果。其他實施方式包括彎曲電子顯示源，其具有與光學系統的場曲率匹配(或至少部分地匹配)的曲率，從而抵消(或至少部分地抵消)由穿過光學系統的光線的發散或會聚引起的場曲率的影響。在所有實施方式中，電子顯示源發出光波，該光波耦合至基板引導光學元件中，並且隨後從基板引導光學元件耦合至觀察者(即，觀看者)的眼睛中作為圖像。基板引導光學元件有助於經耦合輸出的圖像的擴展，使得觀察者的眼睛的平面處的光學孔徑的尺寸大於元件的輸入處的光學孔徑的尺寸。替選地，這種擴展可以被稱為孔徑倍增。
根據本新型的實施方式的教導，提供了一種光學系統。該光學系統包括：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個表面；電子顯示源，從該電子顯示源發出光波；耦合輸入光學裝置，用於將從電子顯示源發出的光波耦合至透光基板中以實現耦合輸入的光波在透光基板的主外表面之間的全內反射；至少一個光學元件，所述至少一個光學元件部署在從電子顯示源穿過進入透光基板的光波的光路中，所述至少一個光學元件限定使穿過光波的光線發散或會聚的光學系統的場曲率；以及至少一個透鏡，所述至少一個透鏡部署在位於電子顯示源的下游且位於耦合輸入光學裝置的上游的光路中，至少一個透鏡產生部分補償的場曲率並且部分地補償光學系統的場曲率以減小光學系統的場曲率，並且電子顯示源是彎曲顯示源，其具有與光學系統的減小的場曲率匹配的曲率以便抵消由減小的場曲率引起的穿過光線的發散或會聚。
可選地，所述至少一個透鏡是正焦度透鏡。
可選地，所述至少一個透鏡是負焦度透鏡。
可選地，所述至少一個透鏡包括凹表面。
可選地，光學系統還包括：照射棱鏡元件，用於將來自照射器的光定向至電子顯示源以激勵電子顯示源發出光波，並且用於將從電子顯示源發出的光波定向成朝向耦合輸入光學裝置。
可選地，所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至照射棱鏡元件的至少一部分。
可選地，照射棱鏡元件包括至少一個棱鏡和偏振敏感分束器，並且所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至所述至少一個棱鏡的表面的至少一部分。
可選地，光學系統還包括：光學模組，用於經由照射棱鏡元件接收從電子顯示源發出的光波，並且用於使接收到的光波准直並將經准直的光波定向至耦合輸入光學裝置。
可選地，所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至光學模組的至少一部分。
可選地，光學模組包括一對棱鏡和偏振敏感分束器，並且所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至棱鏡中的至少之一的表面的至少一部分。
可選地，所述至少一個透鏡部署在位於照射棱鏡元件的下游且位於光學模組的上游的光路中。
可選地，光學模組包括至少一個光學元件。
可選地，光學系統還包括：光學模組，用於使從電子顯示源發出的光波准直，並且將經准直的光波定向至耦合輸入光學裝置。
可選地，所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至光學模組的至少一部分。
可選地，光學模組包括一對棱鏡和偏振敏感分束器，並且所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至棱鏡中的至少之一的表面的至少一部分。
可選地，光學模組還包括至少一個准直透鏡。
可選地，光學模組包括限定光學系統的場曲率的至少一個光學元 件。
可選地，電子顯示源是微顯示器。
可選地，電子顯示源是有機發光二極體顯示器。
根據本新型的教導的實施方式，還提供了一種光學系統。該光學系統包括：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個表面；電子顯示源，從該電子顯示源發出光波；耦合輸入光學裝置，用於將從電子顯示源發出的光波耦合至透光基板中以實現耦合輸入的光波在透光基板的主外表面之間的全內反射；以及至少一個光學元件，所述至少一個光學元件部署在從電子顯示源穿過進入透光基板的光波的光路中，所述至少一個光學元件限定使穿過光波的光線發散或會聚的光學系統的場曲率，並且電子顯示源是彎曲顯示源，其具有與光學系統的場曲率匹配的曲率以抵消由場曲率引起的光線的發散或會聚。
可選地，電子顯示源是微顯示器。
可選地，電子顯示源是有機發光二極體顯示器。
本新型內容的光學系統依賴於各種光學部件的組合，所述各種光學部件包括准直光學器件、各種棱鏡元件(例如，照射和成像元件)以及上述基板引導光學元件和場透鏡裝置。這些部件的組合不是簡單的組合，因為各個部件的具體設計參數是相互依賴的，並且根據光學系統的一個或多個其他部件或子部件的設計規範和獨特屬性來確定一個部件或子部件的設計規範。因此，通過本新型內容的光學系統的部件和子部件的組合產生協同作用，這有助於由觀察者觀看的圖像的提高的品質。
除非本文中另有定義，否則本文中使用的所有技術和/或科學術語具有與由本新型所屬領域普通技術人員通常理解的含義相同的含義。儘管與本文中描述的那些類似或等同的方法和材料可以用於本新型的實施方式的實踐或測試，但是下面描述了示例性方法和/或材料。在衝突的情況下，將以包括定義的專利說明書為准。另外，材料、方法和示例僅是說明性的，並非旨在限制。
α邊緣‧‧‧角度
10‧‧‧基板
12,20‧‧‧耦合輸出光學裝置
14‧‧‧眼睛
15‧‧‧瞳孔
16,16T,16B‧‧‧主下表面
18,18T,18B‧‧‧主上表面
22‧‧‧傾斜邊緣
26,28,30‧‧‧主表面
32,38‧‧‧光線
34‧‧‧電子顯示源
36,90‧‧‧照射棱鏡元件
39‧‧‧彎曲圖像投射表面
40,46,54,96‧‧‧透光表面
41‧‧‧彎曲物體平面
44,74,100,106‧‧‧偏振分束器
50,120‧‧‧半波長延遲板
52,104‧‧‧准直光學模組
56‧‧‧上表面
58‧‧‧下表面
60‧‧‧側表面
64,110‧‧‧四分之一波長延遲板
66,72,112‧‧‧透鏡
70‧‧‧第二四分之一波長延遲板
67,73,113‧‧‧反射表面
80‧‧‧場透鏡
82,84,92‧‧‧表面
108,114‧‧‧透光側表面
122‧‧‧粘合表面
10T‧‧‧頂部
10B‧‧‧底部
12T,12B‧‧‧選擇性部分反射表面
20T,20B‧‧‧耦合輸入光學裝置
24,42,48,62,68,94,98,116,118‧‧‧棱鏡
在本文中僅通過示例的方式參照圖式描述了本新型的一些實施方 式。詳細地具體參照圖式，要強調的是，所示的細節是作為示例並且出於本新型的實施方式的說明性討論的目的。在這方面，通過圖式進行的描述使得本領域技術人員清楚如何實踐本新型的實施方式。
現在關注圖式，其中相似的圖式標記或字元指示相應或相似的部件。在圖式中：第1圖是根據本新型的實施方式的示例性光引導光學元件(LOE)的側視圖；第2圖是根據本新型的實施方式的照射棱鏡元件和具有附接至其的場透鏡的准直光學模組的示意圖；第3圖是根據本新型的實施方式的具有附接至其的場透鏡的照射棱鏡元件的示意圖；第4圖是根據本新型的實施方式的准直光學模組的示意圖；第5圖是具有對稱結構的LOE的配置的側視圖；以及第6圖是根據本新型的實施方式的來自彎曲的電子顯示源的光線通過准直光學器件的穿過的示意圖。
本新型涉及具有基板引導光學元件和場曲率影響減輕部件的光學系統，該場曲率影響減輕部件由准直光學器件與平坦電子顯示結合使用而得到。在某些實施方式中，場曲率減輕由補償光學系統的場曲率的場透鏡實現。在這樣的實施方式中，電子顯示源發出光波，該光波通過耦合輸入光學裝置耦合至基板引導光學元件中，並且耦合輸入的光波隨後通過一個或多個部分反射表面從基板引導光學元件耦合輸出至觀察者(即，觀看者)的眼睛中作為圖像。場透鏡通常部署在位於電子顯示源的下游且位於耦合輸入光學裝置的上游的光學系統的光路中。在某些非限制性實現方式中，場透鏡部署在位於照射棱鏡元件的下游且位於准直光學模組的上游的光路中。
在其他實施方式中，通過將電子顯示源實現為具有與光學系統的場曲率匹配(或至少部分地匹配)的曲率的彎曲的顯示源來實現場曲率減輕，從 而抵消(或至少部分地抵消)由穿過光學系統的光線的發散或會聚引起的場曲率的影響。
參照說明書及圖式，可以更好地理解根據本新型的光學系統的原理和操作。
在詳細解釋本新型的至少一個實施方式之前，要理解的是，本新型在其應用上不一定限於在下面的描述中闡述的以及/或者在圖式和/或示例中示出的構造的細節和部件的佈置和/或方法。本新型能夠具有其他實施方式或者能夠以各種方式來實踐或執行。首先，遍及本檔，對方向例如諸如上和下、頂和底等進行參考。這些方向性參考是示例性的，僅用於說明本新型及其實施方式。
現在參照圖式，第1圖示出了根據本新型內容的實施方式的光學系統的部件的截面圖。光學系統包括平面透光基板10及相關聯的部件(下文中也被稱為光引導光學元件或“Light-guide Optical Element，LOE”)。LOE用作光波導，其將光波從輸入光學表面引導至輸出光學表面。平面基板10包括彼此平行的主下表面16和主上表面18。耦合輸入光學裝置20由光波(由光線32表示)照射，該光波從電子顯示源(第1圖中未示出)准直。根據某些實施方式，耦合輸入光學裝置20包括基板10的傾斜邊緣22和棱鏡24。邊緣22以相對於基板10的主下表面16和主上表面18成一定傾斜角度取向，其中α邊緣是邊緣22與基板10的主下表面16和主上表面18的法線之間的角度。棱鏡24包括三個主表面26、28、30，其中表面26靠近基板10的邊緣22定位，並且表面28和30是拋光表面。在某些實施方式中，棱鏡24的折射率類似於基板10的折射率，然而在其他實施方式中，棱鏡24和基板10具有不同的折射率。光線32穿過表面28進入棱鏡24。表面28優選地垂直於入射光線(即，光線32)的中心光波取向。然後，光線32穿過表面26以穿過邊緣22進入基板10，從而光線32通過全內反射被捕獲在LOE的平面基板10內部。在基板10的主下表面16和主上表面18的若干次反射之後，被捕獲的波到達耦合輸出光學裝置12，耦合輸出光學裝置12將光波從基板10耦合至觀看者的眼睛14的瞳孔15中，這形成由觀看者觀看到的圖像。在某些優選實施方式中，耦合輸出光學裝置被實現為選擇性部分反射表面的陣列。
在本文中，LOE的輸入表面將被視為輸入光波穿過其進入LOE的表面，並且LOE的輸出表面將被視為被捕獲的波穿過其離開LOE的表面。在第1圖中所示的LOE的情況下，輸入表面位於傾斜邊緣22上，並且輸出表面位於下表面16上。然而，設想其他配置，其中輸入和圖像波可以位於基板10的同一側。在這樣的配置中，耦合輸入光學裝置20可以通過反射表面實現，該反射表面以相對於基板10的主要下表面16和主上表面18成一定傾斜角度取向，使得LOE的輸入表面位於主下表面16上，並且耦合輸入反射表面反射入射光波，使得光通過全內反射被捕獲在基板10內。還設想又一其他配置，其中輸入表面位於上表面18上並且輸出表面位於下表面16上。
為了向觀看者提供減小的像差的聚焦圖像，照射耦合輸入光學裝置20的光波應該是平面光波，並且從電子顯示源發出的光波的不同場的光線應該是盡可能接近彼此平行。准直光學器件的使用有助於至少部分地確保進入LOE的不同場的光線基本上彼此平行。然而，從電子顯示源發出的光波可能受到場曲率的影響，這可能在如下情況下出現：要成像的物體是垂直於光學系統的光軸的大致平坦的物體，並且通過具有一定場曲率像差的准直光學器件來成像，如在電子顯示源被實現為平坦顯示源(例如，矽上液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)微顯示器)的情況。對於對應於電子顯示源的偏心圖元的光波，尤其感受到場曲率的影響。場曲率使穿過光學系統的光波中的通過耦合輸入光學裝置20耦合至LOE中的一些光波成為具有發散或會聚光線(即，非平行光線)的非平面光波。由場曲率引起的非平面光波的影響在由觀看者觀看到的圖像中表現為遠離LOE的輸入孔的視場的中心的散焦圖像，以及圖像中的離散跳躍。
為了減輕場曲率的影響，在電子顯示源與LOE之間的光路中部署場透鏡。下面的段落描述了這樣的場透鏡的部署，特別是關於場透鏡在光路中相對於電子顯示源和光學系統的其他部件的位置。理想地，場透鏡應該被定位成盡可能靠近電子顯示源(即，盡可能靠近物體平面)，以便有利地影響更寬範圍的從電子顯示源發出的的光波的場。將明顯的是，光學系統的照射元件和准直光學器件的光學設計可能限制場透鏡與電子顯示源的接近度。
繼續參照第1圖，現在參照第2圖，光學系統的電子顯示源34、 照射棱鏡元件36和准直光學模組52。准直光學模組52部署在光學系統的在電子顯示源34與LOE之間的光路中，以允許光波(和代表性光線)從電子顯示源34穿過光學系統進入LOE，如將在下面更詳細地討論的。准直光學模組52包括一個或多個光學部件例如透鏡66、72和棱鏡62、68，上述光學部件當與平坦電子顯示源結合使用時是光學系統的場曲率影響的驅動因素。因此，准直光學模組52的光學部件中的一個或多個構成限定光學系統的場曲率的光學元件，這導致了在至LOE的輸入處的非平行光線束。電子顯示源34優選地被實現為微顯示器，其可以採用微顯示器技術領域中已知的各種顯示器之一的形式。在特定的非限制性實現方式中，電子顯示源34被實現為LCOS微顯示器。為了更好地描述場透鏡相對於光學系統的光學部件的部署，隨後在實現為LCOS微顯示器的電子顯示源34的非限制性上下文中描述了本新型內容的實施方式。然而，注意，電子顯示源34可以以包括例如有機發光二極體陣列(OLED)或其他合適的微顯示器的其他方式來實現。
繼續參照第2圖，照射棱鏡元件36接收來自照射源(未示出)的s偏振輸入光波，其被偏振分束器44朝向電子顯示源34反射，以照射電子顯示源34的圖像區域。回應於在電子顯示源34的圖像區域處的接收到的s偏振光波的照射，電子顯示源34被激勵(即，啟動)以生成從電子顯示源34的活性圖元發出的p偏振光波(即，光線38)形式的相應圖元輸出。從特定活性圖元發出的光波的光線對應於特定的場。p偏振光波(即，光線38)通過照射棱鏡元件36的棱鏡42的透光表面40耦合至照射棱鏡元件36中。p偏振光波(即，光線38)穿過透射p偏振光並反射s偏振光的偏振分束器44。偏振分束器44位於照射棱鏡元件36的棱鏡42的傾斜邊緣表面與棱鏡48的傾斜邊緣表面之間。光波通過棱鏡48的透光表面46耦合出照射棱鏡元件36，並且然後穿過半波長延遲板50，該半波長延遲板50將光波轉換為s偏振光。在進入准直光學模組52之前，現在的s偏振光波(即，光線38)穿過場透鏡80，該場透鏡80位於照射棱鏡元件36與准直光學模組52之間的光路中。
場透鏡80產生補償場曲率以便補償光學系統的場曲率。場透鏡80的光學特性(包括構成場透鏡80的材料的折射率以及透鏡表面的光焦度)能夠 產生補償場曲率。場透鏡80的補償場曲率抵消由場曲率影響引起的光線的發散或會聚，並且有效地使光學系統的場曲率變平，從而能夠在電子顯示源34的位置處形成平坦的物體平面。場透鏡80在視場的邊緣處比在視場的中心處更具有光學活性(即，對與電子顯示源34的偏心圖元對應的場更活躍)。因此，場透鏡80對來自電子顯示源34的邊緣處的圖元的光線比對來自電子顯示源34的中心附近的圖元的光線施加更多的校正焦度。場透鏡80可以根據從電子顯示源34至LOE的輸入光線的會聚或發散的方向被實現為正焦度透鏡或負焦度透鏡。
由於場透鏡80的光學特性(例如，場透鏡80的折射率和場透鏡80的表面的焦度)，通過由場透鏡80對在相同場中的光線的折射來實現場曲率的平坦化。進入場透鏡80的來自相同場的光線被場透鏡80的光學表面折射，使得來自相同(即，共同)場的光線在至耦合輸入光學裝置20的輸入處(即，在耦合至基板10中之前)彼此平行。儘管場透鏡80在第2圖中被描繪為單個透鏡，但是可以通過將場透鏡80實現為不止一個透鏡例如實現為雙合透鏡來實現場透鏡的場曲率平坦化效果。在第2圖中的場透鏡80的非限制性描繪中，場透鏡80被實現為包括表面82和84的凹透鏡。
場透鏡80可以部署在照射棱鏡元件36與准直光學模組52之間的光路中的各個位置處，並且在各種實現方式中可以光學地附接至照射棱鏡元件36或准直光學模組52的一部分。例如，在第2圖中所示的非限制性實現方式中，表面82的一部分例如經由光學粘合劑光學地附接至准直光學模組52的棱鏡62的透光表面54。透光表面54用作準直光學模組52的輸入表面。在另一非限制性實現方式中，場透鏡80的表面84的部分可以例如，經由光學粘合劑光學地附接至延遲板50或者附接至照射棱鏡元件36與延遲板50之間的棱鏡48的透光表面46。在又一非限制性實現方式中，場透鏡80可以機械地位於照射棱鏡元件36與准直光學模組52之間的光路中，使得表面82和84都不光學地附接至照射棱鏡元件36、延遲板50或准直光學模組52。機械定位可以經由附接至場透鏡80的邊緣表面的機械臂來實現，該場透鏡80還可以附接至承載光學系統的主要部件的機械體。
注意，場透鏡80還可以被實現為平凹透鏡，其中表面82不是凹 表面，而是光學平坦(即，平面)表面。
繼續參照第2圖，離開場透鏡80的s偏振光波(即，光線38)穿過透光表面54進入准直光學模組52。在位於准直光學模組52的棱鏡62的傾斜邊緣表面與棱鏡68的傾斜邊緣表面之間的偏振分束器74的反射之後，光波穿過准直光學模組52的上表面56耦合出准直光學模組52。然後，光波穿過四分之一波長延遲板64，由透鏡66例如透鏡的反射表面67反射回以再次穿過延遲板64，並且通過上表面56重新進入准直光學模組52。現在的p偏振光波穿過偏振分束器74，並且通過准直光學模組52的下表面58耦合出准直光學模組52。然後，光波穿過第二四分之一波長延遲板70，由透鏡72例如透鏡的反射表面73反射回以再次穿過延遲板70，並且通過下表面58重新進入准直光學模組52。現在的s偏振光波從偏振分束器74反射並且通過側表面60離開准直光學模組52。透鏡66和72對光波的組合效果得到穿過准直光波的側表面60離開准直光學模組52成為被准直的光波。反射表面67和73可以通過金屬或介電塗層來實現。離開准直光學模組52的s偏振光波被准直並受場透鏡80影響，使得來自每個離散場的光線彼此平行。耦合出准直光學模組52的平行光線經由耦合輸入光學裝置20耦合至LOE中(如第1圖中的光線32所示)。
在參照第1圖和第2圖描述的光學系統的實施方式中，場透鏡80相對靠近電子顯示源34定位。然而，由於光學系統的特定光學設計，電子顯示源34與照射棱鏡元件36的接近度防止場透鏡80更靠近電子顯示源34。在光學系統的替選實施方式中，照射棱鏡元件和准直光學模組可以設計成沿不同的軸取向。在這樣的實施方式中，場透鏡可以甚至更靠近電子顯示源定位，使得場透鏡是電子顯示源的最靠近的光學部件。
繼續參照第1圖和第2圖，現在參照第3圖至第5圖，根據本新型內容的實施方式的光學系統的各個部件。在該實施方式中，場透鏡80是電子顯示源34的最靠近的光學部件。此外，鑒於參照第1圖和第2圖描述的光學系統提供了一維孔徑擴展的功能，第3圖至第5圖中所示的光學系統提供了二維上的孔徑擴展的功能，即在第一維度(即，橫向孔徑擴展)上並且隨後在與第一維度正交的第二維度(即，垂直孔徑擴展)上。將在本新型內容的後續部分中更 詳細地描述二維孔徑擴展光學系統的光學部件。
參照第3圖，光學系統包括電子顯示源34和照射棱鏡元件90。類似於參照第1圖和第2圖描述的，照射棱鏡元件90接收來自照射源(未示出)的8偏振光波，該s偏振光波被偏振分束器100朝向電子顯示源34反射以照射電子顯示源34。照射電子顯示源34的光波是s偏振的，並且電子顯示源34的被照射的圖元被啟動以生成從電子顯示源34的活性圖元發出的p偏振光波(即，光線38)形式的相應圖元輸出。然後，p偏振光波穿過場透鏡80。
場透鏡80可以部署在電子顯示源34與照射棱鏡元件90之間的光路中的各個位置處。具體地，場透鏡80位於照射棱鏡元件90的輸入/輸出表面與電子顯示源34之間。輸入/輸出表面是照射棱鏡元件90的棱鏡94的透光表面92，其用作將來自照射源的光波從照射棱鏡元件90耦合出至電子顯示源34的輸出表面以及將來自電子顯示源34的光波耦合至照射棱鏡元件90中的輸入表面兩者。
類似於第2圖中所示的，第3圖中所示的場透鏡80可以被實現為不止一個透鏡，例如被實現為雙合透鏡。在第3圖中的場透鏡80的非限制性實現方式中，場透鏡80是凹透鏡，其中表面82的一部分例如經由光學粘合劑光學地附接至表面92。在另一非限制性實現方式中，場透鏡80的表面84的一部分可以例如經由光學粘合劑光學地附接至電子顯示源34的輸出表面。在又一非限制性實現方式中，場透鏡80可以機械地定位在電子顯示源34與照射棱鏡元件90之間的光路中，使得表面82和84都不光學地附接至照射棱鏡元件90或電子顯示源34。
在穿過場透鏡80之後，p偏振光波(即，光線38)穿過表面92並且隨後穿過偏振分束器100。偏振分束器100位於棱鏡94的傾斜邊緣表面與棱鏡98的傾斜邊緣表面之間。然後，通過穿過照射棱鏡元件90的棱鏡98的透光表面96，將p偏振光波(即，光線38)耦合出照射棱鏡元件90。p偏振光波(即，光線38)耦合至准直光學模組中，該准直光學模組與照射棱鏡元件90沿不同的軸取向。由於不同的軸向取向，耦合至准直光學模組中的照射棱鏡元件90取向上的p偏振光波實際上是在准直光學模組取向上的s偏振光波。
繼續參照第3圖，現在參照第4圖，第4圖示出了准直光學模組104，其具有與照射棱鏡元件90的軸向取向不同的軸向取向。准直光學模組104包括一個或多個光學部件，例如透鏡112和棱鏡116、118，上述光學部件是當與平坦顯示源結合使用時光學系統的場曲率影響的驅動因素。因此，准直光學模組104的光學部件中的一個或多個構成限定光學系統的場曲率的光學元件，這導致在至LOE的輸入處的非平行光線束。
在偏振分束器106的反射之後，偏振分束器106位於准直光學模組104的第一棱鏡116的傾斜邊緣表面與准直光學模組104的棱鏡118的傾斜邊緣表面之間，光波穿過准直光學模組104的透光側表面108被耦合出准直光學模組104。然後，光波穿過四分之一波長延遲板110，由透鏡112例如透鏡在其反射表面113准直，返回再次穿過延遲板110，並且穿過透光側表面108重新進入准直光學模組104。現在的p偏振光波穿過偏振分束器106並且穿過與透光側表面108相對的透光側表面114被耦合出准直光學模組104。在某些實施方式中，p偏振光波穿過半波長延遲板120，其將光波轉換為s偏振光。現在的s偏振光波(即，光線38)進入對稱LOE以執行孔徑擴展。在其他實施方式中，不存在半波長延遲板，並且進入對稱LOE的光波是p偏振的。在又一的實施方式中，進入對稱LOE的光波的偏振由對稱LOE相對於准直光學模組104的軸向取向的軸向取向來確定。
繼續參照第3圖和第4圖，現在參照第5圖，對稱LOE的非限制性實現方式。在非限制性實現方式中，對稱LOE由兩個相同的LOE構成，這兩個相同的LOE在結構上與參照第1圖描述的LOE大致類似，其中若干關鍵的差異將變得明顯。對稱LOE的基板被細分為對應於頂LOE的基板的頂部10T以及對應於底LOE的基板的底部10B。構成對稱LOE的LOE中的每個包括主下表面和主上表面，即頂LOE包括主下表面16T和主上表面18T，並且底LOE包括主下表面16B和主上表面18B。兩個LOE還包括相應的耦合輸入光學裝置20T和20B，其將來自准直光學模組104的光波耦合至相應的頂部10T和底部10B中。與第1圖中所示的LOE的描繪相反，頂部10T和底部10B的邊緣垂直於主下表面16T、16B和主上表面18T、18B，並且耦合輸入光學裝置20T和20B 被實現為嵌入在相應的基板部分(即，頂部10T、底部10B)內的部分反射表面。耦合輸入的光波通過全內反射被捕獲在相應的基板部分(頂部10T、底部10B)內，並且通過相應的選擇性部分反射表面12T、12B逐漸地耦合出。實際上，細分的部分(即，頂部10T、底部10B)可以製造為單獨的LOE，然後其通過兩個基板部分(即，頂部10T、底部10B)的粘合表面122附接。
然後，從對稱LOE耦合出的光波被耦合至附加的類似於參照第1圖描述的LOE的LOE中，以在與由對稱LOE執行的孔徑擴展維度正交的第二維度上進行孔徑擴展。注意，本新型內容的實施方式的場曲率減輕方法與其他多維孔徑擴展技術例如在申請人的共同擁有的美國專利第10,133,070號和美國專利申請序號第15/978,139號中公開的那些技術組合考慮，其全部公開內容通過引用併入本文。
儘管到目前為止所描述的光學系統涉及利用實現為一個或多個透鏡的場透鏡來減輕源於的大致平坦的電子顯示源(即，電子顯示源34)的場曲率的影響，但是可以有其他實施方式，其利用替代技術來減輕場曲率影響，顯著地降低這種影響的程度或者完全防止場曲率現象的發生。在一個這樣的實施方式中，電子顯示源34被實現為彎曲顯示源，例如彎曲的OLED微顯示器。彎曲的顯示源的曲率與光學系統的場曲率匹配。電子顯示源34的匹配曲率使(彎曲的)電子顯示源34能夠抵消由場曲率影響引起的穿過光線(即，耦合至LOE中的光線)的發散或會聚。因為可以例如經由類比或實驗確定光學系統的場曲率，因此還可以確定匹配(或部分地匹配)光學系統的場曲率所需的彎曲顯示器的曲率。通過利用彎曲的顯示源，要成像的物體(即，物體平面)不再是平坦的，因此當觀看由光學系統輸出的圖像時，消除了場曲率的影響。換句話說，來自准直光學系統例如准直光學模組52或104的出射光束(以及等效地，至LOE的入射光束)由平行光線組成。
第6圖示出了根據本新型內容的實施方式的這樣的彎曲電子顯示源34的示意圖。彎曲電子顯示源34具有從其發出光波(即，光線38)的彎曲圖像投射表面39，得到彎曲(即，非平坦)物體平面41。第6圖還示出了來自彎曲電子顯示源34的光線38通過准直光學器件(例如，准直光學模組52或 104)的穿過，該准直光學器件在圖式中被示意性地描繪為單個透鏡。可以看出，來自准直光學系統的出射光束由平行光線組成。
在其他實施方式中，電子顯示源34被實現為彎曲顯示源，其具有與光學系統的場曲率部分地匹配的曲率，使得當僅依賴於彎曲顯示源時，沒有完全消除場曲率的影響。換句話說，電子顯示源34的部分匹配的曲率使(彎曲的)電子顯示源34能夠部分地抵消由場曲率影響引起的穿過光線的發散或會聚。在這樣的實施方式中，與前述實施方式的場透鏡類似地部署的場透鏡與彎曲電子顯示源34結合使用以減輕場曲率的影響。這些實施方式可以用於有助於降低場透鏡80的焦度要求，因為部分匹配的彎曲顯示源降低(即，減小)場透鏡80需要施加以折射會聚或發散光線的校正焦度的量。在這樣的實施方式中，具有降低的校正焦度的場透鏡80產生部分補償的場曲率，其通過部分地抵消光線的發散或會聚來部分地補償光學系統的場曲率。通過產生部分補償的場曲率，場透鏡80產生光學系統的減小(但仍然存在)的場曲率影響，該場曲率影響相對於如果光學系統不包括場透鏡80而存在的場曲率影響減小。彎曲的電子顯示源34的曲率與光學系統的減小的場曲率匹配以抵消由減小的場曲率引起的穿過光線的發散或會聚，從而減輕未完全由場透鏡80減輕的剩餘的場曲率的影響。
根據本新型內容的實施方式的光學系統可以用作單目光學系統的一部分，其中圖像被投射至觀看者的單個眼睛中。替選地，可能需要將圖像投射至觀看者的雙眼中，例如在平視顯示器(HUD)應用和立體視覺系統中。在這樣的替選方案中，可以使用兩個光學系統，其中每個光學系統均部署有場透鏡和/或彎曲顯示源、照射棱鏡元件、准直光學模組和LOE以用於將圖像投射至觀看者的不同的眼睛中。例如，採用兩個光學系統的HUD可以安裝在汽車駕駛員的前面，例如集成至車輛的儀錶板中以便在低能見度條件下提供駕駛導航的說明或者將熱圖像投射至駕駛員的眼睛中。在這樣的實施方式中，可以部署熱感攝像機以拍攝真實場景的熱圖像。然後，可以將熱圖像提供給電子顯示源以使得能夠將對應於熱圖像的光波耦合輸入至LOE中。
注意，對於在上述示例中已遵循特定偏振波路徑的每個實例，偏振是可互換的。換句話說，在改變偏振分束器的取向時，每次提到的p偏振光可以 由s偏振光代替，並且每次提到的s偏振光可以由p偏振光代替。因此，在上述示例中，在照射棱鏡元件36和准直光學模組52中以及在照射棱鏡元件90和准直光學模組104中的特定分束器的具體使用不旨在是限制性的，並且出於說明性的目的而提供以便更好地描述根據本新型內容的實施方式的光學系統的操作。
儘管已經在被實現為LOE的光波導的背景內描述了本新型內容的實施方式的光學系統，但是本新型內容的光學系統可以適用於其他類型的光波導技術，包括依賴於衍射技術將光波耦合至光波傳輸基板中以及/或者耦合出光波傳輸基板的波導。例如，代替將耦合輸出光學裝置12實現為選擇性部分反射表面的陣列，耦合輸出光學裝置12可以被實現為一個或多個衍射元件，其沿基板10的主下表面16的部分延伸。作為另一示例，代替將耦合輸入光學裝置20實現為與棱鏡24一起的傾斜邊緣22，或者實現為以一定的傾斜角度取向的反射表面，可以將耦合輸入光學裝置實現為衍射元件，其沿著平面基板10的主下表面16或主上表面18的一部分延伸。
本新型內容的各種實施方式的描述已經出於說明的目的被呈現，但是不旨在窮舉或者限於所公開的實施方式。在不脫離所描述的實施方式的範圍和精神的情況下，許多修改和變型對於本領域普通技術人員來說將是明顯的。本文中選擇使用的術語是為了最好地解釋實施方式的原理、實際應用或對市場中發現的技術改進，或者為了使本領域普通技術人員能夠理解本文中所公開的實施方式。
如本文所用，除非上下文另有明確說明，否則單數形式“一(a)”、“一個(an)”和“該(the)”包括複數指代。
詞語“示例性”在本文中用於表示“用作示例、實例或說明”。被描述為“示例性”的任何實施方式不一定要被解釋為比其他實施方式優選或有利以及/或者排除來自其他實施方式的特徵的結合。
理解的是，為了清楚起見，在單獨的實施方式的上下文中描述的本新型的某些特徵也可以在單個實施方式中組合地提供。相反，為簡潔起見，在單個實施方式的上下文中描述的本新型的各種特徵也可以單獨地提供或以任何合適的子組合提供，或者適合於本新型的任何其他描述的實施方式。在各種實施方 式的上下文中描述的某些特徵不被認為是那些實施方式的必要特徵，除非該實施方式在沒有那些元件的情況下不起作用。
儘管已經結合本新型的具體實施方式描述了本新型，但是顯然許多替選方案、修改和變型對於本領域技術人員而言將是明顯的。因此，旨在涵蓋落入所附申請專利範圍的精神和廣泛範圍內的所有這些替選方案、修改和變型。

Claims (22)

  1. 一種光學系統，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個表面；電子顯示源，從所述電子顯示源發出光波；耦合輸入光學裝置，用於將從所述電子顯示源發出的光波耦合至所述透光基板中以實現耦合輸入的光波在所述透光基板的所述主外表面之間的全內反射；至少一個光學元件，所述至少一個光學元件部署在從所述電子顯示源穿過進入所述透光基板的光波的光路中，所述至少一個光學元件限定使穿過光波的光線發散或會聚的所述光學系統的場曲率；以及至少一個透鏡，所述至少一個透鏡部署在位於所述電子顯示源的下游且位於所述耦合輸入光學裝置的上游的所述光路中，其中，所述至少一個透鏡產生部分補償場曲率並且部分地補償所述光學系統的場曲率以減小所述光學系統的場曲率，並且其中，所述電子顯示源是彎曲顯示源，所述彎曲顯示源具有與所述光學系統的減小的場曲率匹配的曲率以抵消由減小的場曲率引起的穿過光線的發散或會聚。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中，所述至少一個透鏡是正焦度透鏡。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中，所述至少一個透鏡是負焦度透鏡。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中，所述至少一個透鏡包括凹表面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，還包括：照射棱鏡元件，用於將來自照射器的光定向至所述電子顯示源以激勵所述電子顯示源發出光波，並且用於將從所述電子顯示源發出的光波定向成朝向所述耦合輸入光學裝置。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的光學系統，其中，所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至所述照射棱鏡元件的至少一部分。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的光學系統，其中，所述照射棱鏡元件包括至少一個棱鏡和偏振敏感分束器，並且其中，所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至所述至少一個棱鏡的表面的至少一部分。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的光學系統，還包括：光學模組，用於經由所述照射棱鏡元件接收從所述電子顯示源發出的光波，並且用於使接收到的光波准直並將經准直的光波定向至所述耦合輸入光學裝置。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的光學系統，其中，所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至所述光學模組的至少一部分。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的光學系統，其中，所述光學模組包括一對棱鏡和偏振敏感分束器，並且其中，所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至所述棱鏡中的至少之一的表面的至少一部分。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的光學系統，其中，所述至少一個透鏡部署在位於所述照射棱鏡元件的下游且位於所述光學模組的上游的所述光路中。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的光學系統，其中，所述光學模組包括所述至少一個光學元件。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，還包括：光學模組，用於使從所述電子顯示源發出的光波准直並且將經准直的光波定向至所述耦合輸入光學裝置。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的光學系統，其中，所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至所述光學模組的至少一部分。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的光學系統，其中，所述光學模組包括一對棱鏡和偏振敏感分束器，並且其中，所述至少一個透鏡的至少一部分光學地附接至所述棱鏡中的至少之一的表面的至少一部分。
  16. 如申請專利範圍第13項所述的光學系統，其中，所述光學模組還包括至少一個准直透鏡。
  17. 如申請專利範圍第13項所述的光學系統，其中，所述光學模組包括限定所述光學系統的場曲率的所述至少一個光學元件。
  18. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中，所述電子顯示源是微顯示器。
  19. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中，所述電子顯示源是有機發光二極體顯示器。
  20. 一種光學系統，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個表面；電子顯示源，從所述電子顯示源發出光波；耦合輸入光學裝置，用於將從所述電子顯示源發出的光波耦合至所述透光基板中以實現耦合輸入的光波在所述透光基板的所述主外表面之間的全內反射；以及至少一個光學元件，所述至少一個光學元件部署在從所述電子顯示源穿過進入所述透光基板的光波的光路中，所述至少一個光學元件限定使穿過光波的光線發散或會聚的所述光學系統的場曲率，並且其中，所述電子顯示源是彎曲顯示源，所述彎曲顯示源具有與所述光學系統的所述場曲率匹配的曲率以抵消由所述場曲率引起的所述光線的發散或會聚。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的光學系統，其中，所述電子顯示源是微顯示器。
  22. 如申請專利範圍第20項所述的光學系統，其中，所述電子顯示源是有機發光二極體顯示器。
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