CN109313287B - 显示系统和光导 - Google Patents

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Abstract

描述一种显示系统，所述显示系统包括用于形成图像的成像器，以及投影透镜系统，所述投影透镜系统用于投影由成像器形成的图像。对于多个像素中的每个像素，成像器被构造为发射具有中心光线的光锥，所述中心光线具有随着成像器中的像素的位置而变化的方向。所述变化可以使通过投影透镜系统投影的图像的亮度增加至少30％。显示系统可包括光导，光导具有适于接收光的光插入部分；光传输部分，所述光传输部分被设置成从光插入部分接收光；以及被设置成从光传输部分接收光的光提取部分。

Description

显示系统和光导
背景技术
光学系统可以包括显示面板和透镜系统，该透镜系统从显示面板接收光并将光引向观看者的眼睛。
发明内容
在本描述的一些方面，提供了显示系统，其包括用于形成图像的成像器，以及用于将成像器形成的图像投影的投影透镜系统。成像器包括离散间隔开的多个像素。对于所述多个像素中的每个像素，所述成像器被构造为发射具有中心光线的光锥，所述中心光线具有随着成像器中的像素的位置而变化的方向。该变化使通过投影透镜系统投影的图像的亮度增加至少30％。
在本说明书的一些方面，提供显示系统，所述显示系统包括具有以光轴为中心的一个或多个透镜的投影透镜系统、光导和空间光调制器。光导包括适于接收光的光插入部分；光传输部分，其被设置成从光插入部分接收光；以及被配置为从光传输部分接收光的光提取部分。该光提取部分被构造为提供光输出中心光线方向，该光输出中心光线方向具有相对于光轴的角度，该角度随着光提取部分的输出表面上的位置而变化。光提取部分沿光轴与光插入部分分开，从而在光提取部分和光插入部分之间形成空间。空间光调制器与光提取部分光学连通，并且折叠光导使得光提取部分面向光插入部分。
在本说明书的一些方面，提供显示系统，所述显示系统包括：投影透镜系统，所述投影透镜系统具有一个或多个透镜并且具有最大横向光学活性尺寸；具有最大横向光学活性尺寸的成像器；以及光导。通过成像器形成的图像由投影透镜系统进行投影。光导从光源接收光并且包括设置在投影透镜系统和成像器之间的光提取部分。光提取部分包括多个离散间隔开的光提取结构，用于提取和引导所接收的光朝向成像器。投影透镜系统的最大横向光学活性尺寸不大于成像器的最大横向光学活性尺寸的80％。
在本描述的一些方面，提供光导，所述光导包括适于接收光的光插入部分；光传输部分，所述光传输部分设置成通过第一折叠部从光插入部分接收光；以及光提取部分，所述光提取部分设置成通过第二折叠部从光传输部分接收光。光提取部分与光插入部分隔开并面向光插入部分。
在本描述的一些方面，提供了光导，所述光导包括适于接收光的光插入部分；光传输部分，所述光传输部分被设置成从光插入部分接收光；以及光提取部分，所述光提取部分被设置成从光传输部分接收光。由光插入部分接收的光主要沿着第一方向传播。光传输部分具有第一区段，并且由光传输部分接收的光主要沿着第二方向在第一区段中传播。光提取部分接收的光主要沿着第三方向传播。第一方向和第二方向之间的第一夹角为至少140度，并且第一方向和第三方向之间的第二夹角小于40度。
在本说明书的一些方面，提供了包括投影透镜系统和光导的显示系统。光导包括适于接收光的光插入部分，以及设置成从光插入部分接收光的光提取部分。由光插入部分接收的光主要沿着第一方向传播。由光提取部分接收的光主要沿着第二方向传播。第一方向和第二方向之间的夹角为至少120度。光提取部分包括多个光提取特征，所述多个光提取特征适于从光提取部分朝投影透镜系统提取光。
附图说明
图1A为光学系统的剖视图；
图1B至图1C为显示器的剖视图；
图2A是光学系统的剖视图；
图2B是来自参考发光系统中的像素的光输出的剖视图；
图2C是来自发光系统中的像素的光输出的剖视图；
图3至图5是光学系统的剖视图；
图6至图8是发光系统的示意性剖视图；
图9是光重定向层的剖视图；
图10是发光学系统的剖视图；
图11A至图11B是包括光重定向元件的像素的剖视图；
图12至图15是发光系统的示意性剖视图；
图16A是光学系统的剖视图；
图16B至图16C分别是显示系统的剖视图和透视图；
图17至图22是发光系统的剖视图；
图23是透镜系统的剖视图；
图24是发光系统的剖视图；
图25是头戴式显示器的示意顶视图；
图26至图28为是光导的示意性剖视图；以及
图29是两个方向之间的夹角的示意图。
具体实施方式
显示系统可包括显示面板和从显示面板接收光并且透射光的至少一部分穿过显示系统的出射光瞳的透镜系统。透镜系统可包括反射偏振器、与反射偏振器相邻并与反射偏振器间隔开的部分反射器，以及设置在反射偏振器和部分反射器之间的四分之一波延迟器。部分反射器透射从显示板接收的光中的至少一些通过反射偏振器和出射光瞳。此类显示系统可以在紧凑系统中提供宽视野，该系统可以用在例如头戴式显示器诸如虚拟现实显示器中。可用的显示系统描述于共同未决的美国临时专利申请号62/214,049中，其提交于2015年9月3日并据此以引用方式并入本文，其程度为与本说明书不矛盾。
根据本说明书，已发现与传统的显示系统相比，通过改变显示面板的光输出使得适当地改变光输出方向或光输出的校准度中的一个或两个，通过出射光瞳透射的显示面板发出的光的部分可以显著增加。如本文别处另外所述，这可以通过在显示面板和部分反射器之间包括光重定向层(例如，通过在显示面板的表面上直接包括光重定向层)或者通过修改用于照亮显示面板的背光源来实现。
图1是包括发光系统132、透镜系统119和出射光瞳135的光学系统100的示意性剖视图。发光系统132适于提供可被透镜系统119有效地利用的光输出。发光系统132可包括光重定向层和/或至少部分地准直的背光源。合适的发光系统在本文别处另外描述。发光系统诸如发光系统132可被像素化，并且可被称为像素化系统或像素化显示器。光学系统100可以是可以用在例如头戴式显示器中的显示系统。
透镜系统119包括设置在发光系统132和出射光瞳135之间的第一光学叠堆110，第二光学叠堆120设置在第一光学叠堆110和出射光瞳135之间。第一光学叠堆110和第二光学叠堆120中的每个可以基本上是平面的，或者可以围绕一个或两个轴弯曲。在一些实施方案中，第一光学叠堆110和第二光学叠堆120中的每个沿正交的第一轴和第二轴朝向发光系统132凸出。在图1中提供了x-y-z坐标系。正交的第一轴和第二轴可以分别是x轴和y轴。
第一光学叠堆110包括具有分别相反的第一主表面114和第二主表面116的第一光学透镜112。第一光学叠堆110包括设置在第一主表面114上的部分反射器117。部分反射器117在期望的或预定的多个波长中具有至少30％的平均光学反射率，并且可以在期望的或预定的多个波长中具有至少30％的平均光学透射率，其可以是本文别处描述的任何波长范围。在一些实施方案中，部分反射器117在期望的或预定的多个波长中具有至少40％的平均光学反射率，并且在期望的或预定的多个波长中具有至少40％的平均光学透射率。
第二光学叠堆包括具有第一主表面124和第二主表面126的第二光学透镜122。第二光学叠堆120包括设置在第二主表面126上的反射偏振器127，并且包括设置在反射偏振器127上的四分之一波延迟器125。四分之一波延迟器125可为层合在反射偏振器127上的膜，或可为施加至反射偏振器127的涂层。光学系统100可包括一个或多个附加的延迟器。例如，第二四分之一波延迟器可包括在第一光学叠堆110中，并且可设置在第二主表面116上。包括在光学系统100中的第一四分之一波延迟器125和任何附加的四分之一波延迟器可为在预定的或期望的多个波长中的至少一个波长处的四分之一波延迟器。第二光学叠堆120可另选地被描述为包括第二透镜122和设置在第二透镜122上的反射偏振器127，并且第一四分之一波延迟器125可被视为设置在第二光学叠堆120上而不是包括在第二光学叠堆120中的单独的层或涂层。在这种情况下，第一四分之一波延迟器125可被描述为设置在第一光学叠堆110与第二光学叠堆120之间。在一些实施方案中，第一四分之一波延迟器125可不附接到第二光学叠堆120，并且在一些实施方案中，第一四分之一波延迟器125设置在第一光学叠堆110与第二光学叠堆120之间并与第一光学叠堆110和第二光学叠堆120间隔开。在其它实施方案中，第一四分之一波延迟器125可设置在部分反射器117上，并且可被描述为包括在第一光学叠堆110中，或可被描述为设置在第一光学叠堆110与第二光学叠堆120之间。
第一透镜112和第二透镜122中的一个或两个可为折射透镜。折射透镜为在透射率下提供所需光学功率的光学透镜。在一些实施方案中，第一透镜112和第二透镜122中的一个或两个可以在透射下具有低或基本为零的光学功率，并且可以由于一个或多个透镜的形状而在反射下提供光学功率。包括邻近彼此并间隔设置的反射偏振器和部分反射器的光学系统可称为折叠光学系统，因为此种系统提供折叠光路，如图1A所示。不提供此类折叠光路但包括折射透镜的光学系统可被描述为折射光学系统。
光线137和138各自通过出射光瞳135从发光系统132透射。光线138可以是中心光线，其光路限定用于光学系统100的折叠光轴140，该中心光线可以在折叠光轴140上居中。
发光系统132可包括任何合适类型的显示面板，包括例如液晶显示器(LCD)面板和有机发光二极管(OLED)显示器。显示面板130可为基本上平坦的或平面的(如图1A所示)，或可为弯曲的(如图1B所示)，或可包括相对于彼此以钝角设置的多个平坦的或平面的面板(例如，如图1C所示)。图1B是包括显示面板130b的发光系统132b的示意性剖视图，显示面板130b可以围绕至少一个轴弯曲并且可以朝向光学系统的一个或多个透镜凹入(例如，显示面板130b可以朝向透镜112和122弯曲)。显示面板130b可在一维(简单曲线)或二维(复合曲线)上弯曲。例如，显示面板130b可在正交的x方向和y方向中的一个或两个方向上弯曲。在二维上弯曲的显示面板可具有两个不同的曲率半径(例如，在x方向和y方向上的曲率可不同。此类显示器可称为环形)。图1C为包括基本上平面的面板130c-1、130c-2以及130c-3的发光系统130c的示意性剖视图。面板130c-1和130c-2相对于彼此以钝角θ1设置，并且面板130c-2和130c-3相对于彼此以钝角θ2设置。面板130c-1、130c-2以及130c-3被设置成面向光学系统的(一个或多个)透镜(例如，面板130c-1、130c-2以及130c-3可面向透镜112和透镜122)。显示面板130b和130c中的任一个可用于图1A的发光系统132，并且可用于本文别处所述的其他光学系统中。
再次参考图1A，光线137(并且类似地对于光线138)依次从发光系统132发射、透射穿过第二主表面116(以及其上的任何涂层或层)、透射穿过第一光学透镜112、透射穿过部分反射器117、透射穿过设置在反射偏振器127上的四分之一波延迟器125、从反射偏振器127反射出、向后透射穿过四分之一波延迟器125、从部分反射器117反射出、透射穿过四分之一波延迟器125、透射穿过反射偏振器127、透射穿过第二透镜122，并透射穿过出射光瞳135。光线137可以以偏振态从发光系统132发射，该偏振态在光线137穿过四分之一波延迟器125时旋转至第一偏振态。发光系统132可包括偏振调节元件以便提供所需的偏振态。发射在期望偏振态中的光的发光系统可导致高对比度图像。该第一偏振态可为反射偏振器127的阻挡态。在光线137穿过第一四分之一波延迟器125、从部分反射器117反射出并向后穿过四分之一波延迟器125之后，其偏振态为基本上与第一偏振态正交的第二偏振态。光线137可因此在其第一次入射在反射偏振器127上时从反射偏振器127反射出，并且可在其第二次入射在反射偏振器127上时透射穿过反射偏振器127。
其它光线(未示出)当在负Z方向上入射在部分反射器117上时从部分反射器117反射出，或当在正Z方向上入射在部分反射器117上时被部分反射器117透射。这些光线可离开光学系统100。
在一些实施方案中，由发光系统132发射并透射穿过出射光瞳135的基本上任何主光线在第一次或每次入射在第一光学叠堆110或第二光学叠堆120上时以小于约30度、小于约25度或小于约20度的入射角入射在第一光学叠堆110和第二光学叠堆120中的每个上。在本说明书的光学系统中的任一个中，由发光系统132发射并透射穿过出射光瞳134的基本上任何主光线在第一次或每次入射在反射偏振器或部分反射器上时以小于约30度、小于约25度或小于约20度的入射角入射在反射偏振器和部分反射器中的每个上。如果由发光系统发射并透射穿过出射光瞳的所有主光线的大部分(例如，约90％或更多，或约95％或更多，或约98％或更多)满足条件，则可以说基本上任何主光线都满足该条件。
在第一次由发光系统132发射的光入射在反射偏振器127上时，各种因素可以导致光部分地透射穿过反射偏振器127。这可引起出射光瞳135处不希望的重影或图像模糊。这些因素可包括在形成期间各种偏振部件的性能劣化和光学系统100中不希望的双折射。这些因素的效应可组合以降低光学系统100的对比率和效率。这些因素对对比度的影响在2015年9月3日提交的共同未决的美国临时专利申请号62/214,049中有更详细的描述，该申请先前通过引用并入本文。可通过使用相对薄的光学透镜(其例如可减少透镜中的不希望的双折射)以及使用薄的光学膜(其例如可减少由热成形光学膜引起的光学伪影)来最小化此类因素。在一些实施方案中，第一光学透镜112和第二光学透镜122各自的厚度为小于7mm、小于5mm或小于3mm，并且厚度可在例如1mm至5mm或1mm至7mm的范围内。在一些实施方案中，反射偏振器127的厚度可为小于75微米、小于50微米或小于30微米。在一些实施方案中，出射光瞳135处的对比率超过光学系统100的视场至少40，或至少50，或至少60，或至少80，或至少100，或至少150，或至少200，或至少300。
可以通过任何使薄膜变形或拉伸成所需形状的形成工艺将薄膜形成为复合曲线(绕两个正交轴弯曲)。合适的形成工艺可能会或可能不会包括在升高的温度下(热成形)。合适的形成工艺包括热成形和/或加压处理(经由施加压力使薄膜变形或拉伸成期望的形状)。已发现，当在本说明书的光学系统中使用时，通过形成在形成之前单轴取向的聚合物多层光学膜制成的围绕两个正交轴弯曲的凸反射偏振器是特别有利的。例如，已发现，与使用其他反射偏振器相比，当使用此种膜时，对比率可以显着更高。然而，也可以使用其他反射偏振器，诸如非单轴取向的多层聚合物膜反射偏振器或线栅偏振器。在一些实施方案中，单轴取向的多层反射偏振器是APF(先进偏振膜(Advanced Polarizing Film)，购自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company，St.Paul，MN))。在一些实施方案中，光学系统包括热成形的APF或压力形成的APF，并且光学系统中入射在热成形或压力形成的APF上的任何或基本上任何主光线具有低入射角(例如，小于约30度，小于约25度，或小于约20度)。
在一些实施方案中，可以使用包括基本平坦的反射偏振器而不是弯曲的反射偏振器的透镜系统。在一些实施方案中，反射偏振器绕一个轴弯曲，并且在一些实施方案中，反射偏振器绕两个正交轴弯曲。反射偏振器可以是多层光学膜，其基本上是平的或者基本上围绕轴或围绕两个正交轴弯曲。反射偏振器可以是线栅偏振器，其基本上是平的或者基本上围绕轴或围绕两个正交轴弯曲。
已发现，适当地选择各种主表面(例如，第二主表面126和第一主表面114)的形状，使光学系统可提供足够低的失真以使得图像不需要预失真。在一些实施方案中，发光系统132适于发射无失真图像。部分反射器117和反射偏振器127可具有不同的形状，该不同的形状被选择成使得透射穿过出射光瞳135的所发射的无失真图像的失真小于出射光瞳135处的视场的约10％，或小于约5％，或小于约3％。例如，出射光瞳处的视场可大于80度、大于90度或大于100度。
图2A是包括透镜系统219、发光系统232和出射光瞳235的光学系统200的剖视图。透镜系统219包括第一光学叠堆210和第二光学叠堆220。从像素241、242和243发射的光在图2A中示出。来自像素241的光247包括透射穿过出射光瞳235的中心的主光线。第一光学叠堆210包括透镜212和设置在面向出射光瞳235的透镜212的主表面上的部分反射器。第二光学叠堆220包括透镜222并且包括设置在面向发光系统232的透镜222主表面上的反射偏振器。包括四分之一波延迟器，其设置在反射偏振器上面向部分反射器，或设置在部分反射器上面向反射偏振器。透镜212和透镜222围绕正交轴(例如，x轴和y轴)朝向发光系统232凸出。在其它实施方案中，第一透镜和第二透镜中的一者或两者可具有一个或多个非凸出的表面。在一些实施方案中，一个透镜或两个透镜皆为平凸的，并且在一些实施方案中，一个透镜或两个透镜皆为平凹的。在一些实施方案中，一个透镜是平凸的，并且另一个是平凹的。在一些实施方案中，反射偏振器设置在朝向显示器凸出的表面上，并且四分之一波延迟器设置在平坦表面上。朝向显示器凸出的表面可为例如平凸透镜的弯曲表面(其设置成透镜的弯曲表面面向显示器)或平凹透镜的弯曲表面(其设置成透镜的平坦表面面向显示器)。
图2B至图2C示意性地示出了从发光系统232b的像素241b发射的光和由发光系统232c的像素241c发射的光，两者都对应于图2A的发光系统232的像素241。来自常规显示面板的光通常将发射在一束光239b中，该束可具有朗伯分布，该朗伯分布具有例如沿着垂直于显示面板的中心光线237b。在一些实施方案中，发光系统232c包括光重定向层，该光重定向层使中心光线237b的方向朝向主光线247的方向弯曲。在这些情况下，发光系统232b可在其他方面等同于发光系统232c，但不具有光重定向层。如本文别处另外描述的，该光重定向层可以包括多个光重定向元件，每个光重定向元件对应于显示面板中的不同像素组。在图2B中示出了主光线247和中心光线237b之间的角度α。在一些实施方案中，对于至少一个像素，对应于像素的光重定向元件减小了中心光线247c与由像素发射的主光线247之间的角度α。在一些实施方案中，发光系统232c包括至少部分地准直的背光源，该至少部分地准直的背光源可引导光输出，使得中心光线237c的方向朝主光线247的方向弯曲。如本文别处另外所述，至少部分地准直的背光源产生比朗伯输出基本上更准直的光输出。在这些情况下，发光系统232b可在其他方面等同于发光系统232c，但是具有产生基本朗伯输出的背光源，其中中心光线垂直于显示表面。
可以说减小由光重定向层接收的光的发散角的光重定向层至少部分地准直光。在一些实施方案中，对于至少一个像素，发光系统232c相对于其他等效发光系统232b的角度α减小至少5度，或至少10度。在一些实施方案中，对于大多数(超过一半)像素或者对于基本上所有像素，发光系统232c相对于其他等效发光系统232b的角度α减小了至少5度，或至少10度。
透镜系统219的受光角
Figure BDA0001898558710000091
在图2B至图2C中示出与不包括光重定向层或至少部分地准直的背光源的其他等效光发射系统232b的像素241b发射的光的比例相比，从发光系统232c的像素241c发射的更大比例的光在受光角
Figure BDA0001898558710000092
内。这可能是由于将中心光线更靠近主光线方向重定向和至少部分地准直光输出中的一个或两个。包括多个像素的发光系统也可以被称为像素化系统或像素化显示器，并且包括发光系统和透镜系统的光学系统可以被称为显示系统或成像系统。不包括光重定向部件(例如，光重定向层或至少部分地准直的背光源)的其他等效发光系统可以被称为参考像素化系统，并且包括参考像素化显示系统的对应显示系统可称为其他等效显示系统或参考显示系统。在一些实施方案中，对于多个像素中的每个像素，像素化系统适于发射具有中心光线的光锥，其中中心光线具有随像素化系统中的像素的位置而变化的方向，使得由在光学透镜系统的受光角内的像素化系统发出的总计光能比参考像素化系统的至少高30％，或至少高50％，或至少高100％，或至少高200％，或至少高300％，或至少高400％，除了参考像素化系统的中心光线的方向垂直于像素之外，参考像素化系统等同于所述像素化系统。
在一些实施方案中，本说明书的光学系统在光学系统的出射光瞳处的亮度比不包括光重定向部件的其他等效光学系统至少高20％，或至少高30％，或至少高100％，或至少高200％，或者至少高300％，或至少高400％。如本文别处另外描述的，光重定向组件可以是光重定向层、多个光重定向元件(例如，微透镜阵列或多个棱镜元件)、或至少部分地准直的背光源。
图3是包括发光系统332、出射光瞳335、整体光学叠堆310的光学系统300的示意性剖视图，该整体光学叠堆310包括具有第一主表面314和第二主表面316的光学透镜312。发光系统332可以是本文别处描述的发光系统中的任一个，并且可以包括例如光重定向层和/或部分准直的背光源。第一四分之一波延迟器325设置在光学透镜312的第一主表面314上，并且反射偏振器327设置在与光学透镜312相反的第一四分之一波延迟器325上。部分反射器317设置在光学透镜312的第二主表面316上，并且第二四分之一波延迟器315设置在与光学透镜312相反的部分反射器317上。光学系统300可以在折叠光轴340上居中，折叠光轴340可以由从发光系统332通过出射光瞳335透射的中心光线的光路限定。在一些实施方案中，光学透镜312为单片部件。
可以通过首先形成反射偏振器327来制造整体光学叠堆310，其中第一四分之一波延迟器325涂覆或层压到反射偏振器327，然后将所得到的膜热成形为所需形状。如在2015年9月3日提交的并且之前通过引用并入本文的共同未决的美国临时专利申请号62/214,049中另外描述，热成形工具可具有与期望形状不同的形状，使得膜在冷却后获得期望的形状。部分反射器317和第二四分之一波延迟器315可由以下方法制备：通过将四分之一波延迟器涂覆到部分反射器膜上，通过将部分反射器涂层涂覆到四分之一波延迟器膜上，通过将部分反射器膜和四分之一波延迟器膜层压在一起，或者通过在膜嵌件模塑工艺中首先形成透镜312(其可以在包括反射偏振器327和第一四分之一波延迟器325的薄膜上形成)，然后在第二主表面316上涂覆部分反射器317并在部分反射器317上涂覆四分之一波延迟器315。在一些实施方案中，提供包括反射偏振器327和第一四分之一波延迟器325的第一膜，提供包括部分反射器317和第二四分之一波延迟器315的第二膜，然后通过注射模制透镜312在膜嵌件成型工艺中的第一和第二热成形薄膜之间形成整体光学叠层310。在第一膜和第二膜可在注塑步骤之前热成形。本说明书的其他光学叠堆可以类似地通过热成形光学膜来制造，所述光学膜可以是涂层膜或层压体，并且使用膜嵌入模制工艺来制造光学叠堆。在膜嵌入模制工艺中可以包括第二膜，使得在模制过程中形成的透镜设置在膜之间。
在替代实施方案中，第一四分之一波延迟器325可设置在第二主表面316上而不是在第一主表面314上。可以通过将反射偏振器327热成形为期望的形状并将注射模制透镜312热成形到反射偏振器327上来形成整体光学叠堆。然后可以将第一四分之一波延迟器325涂覆(例如，旋涂)到第二主表面316上，并且然后可以将部分反射器317蒸汽涂覆到第一四分之一波延迟器325上。第二四分之一波延迟器可以涂覆到部分反射器上，或者设置在显示面板332上或者位于部分反射器317和显示面板332之间。
部分反射器317在期望的或预定的多个波长中具有至少30％的平均光学反射率，并且可以在期望的或预定的多个波长中具有至少30％的平均光学透射率，其可以是本文别处描述的任何波长范围。包括在光学系统300中的第一四分之一波延迟器325和任何另外的四分之一波延迟器可以是在预定或期望的多个波长中的至少一个波长处的四分之一波延迟器。多层反射偏振器327基本上透射具有第一偏振态(例如，在第一方向上线性偏振)的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光(例如，在与第一方向正交的第二方向上线性偏振)。如本文别处另外所述，多层反射偏振器327可以是聚合物多层反射偏振器(例如，APF)，或者可以是例如线栅偏振器。
光线337从发光系统332发射并透射穿过出射光瞳335。光线337穿过第二四分之一波延迟器315和部分反射器317透射到透镜312中并穿过透镜312。其他光线(未示出)在穿过第二四分之一波延迟器315之后从部分反射器317反射并从光学系统300中丢失。在第一次穿过透镜312之后，光线穿过第一四分之一波延迟器325并从反射偏振器327反射。发光系统332可适于发射具有沿着用于反射偏振器327的穿过轴偏振的光，使得在穿过第二四分之一波延迟器315和第一四分之一波延迟器325两者之后，它沿着用于反射偏振器327的阻挡轴偏振，并因此，当该光首次入射在反射偏振器327上时，它从反射偏振器327反射。在一些实施方案中，在发光系统332和第二四分之一波延迟器317之间包括线性偏振器，使得入射在第二四分之一波延迟器315上的光具有期望的偏振。在光线337从反射偏振器327反射之后，它通过第一四分之一波延迟器325和透镜312返回，然后从部分反射器317(未示出的其他光线透射穿过部分反射器317)穿过透镜312往回反射，然后再次入射在反射偏振器327上。在穿过第一四分之一波延迟器325，从部分反射器317反射并穿过第一四分之一波延迟器325返回后，光线337沿着用于反射偏振器327的穿过轴具有偏振。因此，光线337透射穿过反射偏振器327，然后透射穿过出射光瞳335。
图4是包括光学叠堆410、发光系统432和出射光瞳435的光学系统400的剖视图。发光系统432可以是本文别处描述的任何发光系统。从像素441、442和443发射的光在图4中示出。来自像素441的光包括穿过出射光瞳435的中心透射的主光线447。发光系统可包括多个光重定向元件，其转向和/或部分地准直显示面板的光输出，使得更大比例的光输出指向光学叠堆410的受光角。光学叠堆410包括透镜412、设置在面向出射光瞳435的透镜412的主表面上的反射偏振器427，以及设置在面向图像表面430的透镜412主表面上的部分反射器417。四分之一波延迟器包括在反射偏振器和透镜412之间或者部分反射器和透镜412之间的光学叠堆410中。透镜412围绕正交轴(例如，x轴和y轴)朝向图像表面430凸出。
图5是包括发光系统532、透镜系统519和出射光瞳535的光学系统500的剖视图。发光系统532可以是本文别处所述的发光系统中的任一个，并且可包括显示器面板和适于转向和/或部分准直显示面板的光输出的一个或多个光学部件(例如，光重新定向层和/或部分准直的背光源)，使得更大比例的光输出在透镜系统519的受光角内。
透镜系统519包括第一透镜512，光学叠堆520包括第二透镜522，并且光学叠堆560包括第三透镜562。光学叠堆520包括设置在第二透镜522的面向出射光瞳535的主表面上的部分反射器，并且包括设置在第三透镜562的面向图像表面530的主表面上的反射偏振器。四分之一波延迟器包括在设置在面向部分反射器的反射偏振器上的光学系统500中，或者设置在面向反射偏振器的部分反射器上。反射偏振器和部分反射器各自围绕正交轴(例如，x轴和y轴)朝向图像表面530凸出。示出了在发光系统532上的三个位置处的三束光线。各束中的光线在出射光瞳535处基本平行。
图6是包括像素化光源630和光重定向层650的发光系统632的示意性侧视图。例如，发光系统632可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。光重定向层650可与像素化光源630分离，或可附接到像素化光源630或与像素化光源630集成。像素化光源630包括离散间隔开的多个像素。例如，像素化光源630可包括具有1080×1920个像素的阵列的高清晰度显示面板。图6中示出了来自单个像素的光。像素641发射包括中心光线637的光锥639。光锥639为具有θ1的锥角的发散光。光重定向层650的每个部分或光重定向层650的每个光重定向元件接收由对应于该部分或光重定向元件的像素发射的光锥，并将接收到的光作为具有不同于所接收的光锥的中心光线的方向和透射光的锥角中的一个或两个的光锥进行透射。在图示实施方案中，部分656接收光锥639并将接收到的光作为具有中心光线647的光锥649透射。光锥649可以是发散光并且具有θ2的锥角。中心光线647具有与中心光线637不同的方向。在一些实施方案中，中心光线647的方向与中心光线639的方向之间的角度α可以是例如至少5度或至少10度，并且可以小于80度，或小于60度，或小于50度。锥角θ2可比锥角θ1低至少2度，或至少5度，或至少10度，或至少15度。在一些实施方案中，锥角θ1和θ2中的一个或两个可大于10度，或大于15度，或大于20度，或大于30度。在一些实施方案中，两者之间的角度α可以近似为零，并且锥角θ2可以基本上小于锥角θ1。在一些实施方案中，锥角θ1和θ2可大致相等，并且两者之间的角度α可基本上大于零。在一些实施方案中，角度α可基本上大于零，并且锥角θ2可基本上小于锥角θ1。
如本文别处另外所述，光重定向层650可以包括多个光重定向元件，每个光重定向元件对应于像素化光源630中的像素组。该像素组包括至少一个像素并且可包括单个像素或多个像素。在一些情况下，不同像素组可共享一个或多个通用像素。在其他情况下，没有两个不同的像素组包含通用像素。如果元件为离散元件或如果光重定向层包括突然变化的结构诸如微透镜或菲涅耳透镜，则可以说光重定向层包括多个光重定向元件。在一些实施方案中，光重定向层650可以包括多个部分，每个不同部分对应于像素化光源630中的不同像素组。在一些实施方案中，所述部分可以是离散的光重定向元件或多个离散的光重定向元件。在其他实施方案中，光重定向层可以包括多个基本上连续变化的部分，而没有突然变化的结构。
图7是包括像素化光源730和光重定向层750的发光系统732的示意性侧视图。例如，发光系统732可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。像素化光源730包括多个像素，所述多个像素包括至少第一像素751和第二像素752。像素741的图像751是位于像素741后面的虚拟图像(在来自像素化光源730的z方向上)。类似地，像素742的图像752是位于像素742后面的虚拟图像。图像751和752被设置在图像表面755上，图像表面755可以是基本上平面的或基本上非平面的。光重定向层750包括多个部分，每个不同部分对应于像素化光源730中的不同像素组。在图示实施方案中，每个像素组是单个像素。光重定向层750的部分756对应于像素741，并且光重定向层750的部分757对应于像素742。图像751和752可以位于距部分756和757不同的距离处。在一些实施方案中，光重定向层750包括多个透镜(或如本文别处所述的其他光重定向元件)，并且部分756和757各自包括透镜。图像751和752可以位于与部分756和757中的各个透镜不同的距离处。像素化光源730包括多个像素并且可发射第一图像。光重新定向层750可在多个像素后面形成第一图像的虚拟第二图像。在其他实施方案中，光重定向层可产生真实图像而非虚拟图像。这在图8中示出。
图8是包括像素化光源830和光重定向层850的发光系统832的示意性侧视图。例如，发光系统832可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。像素化光源830包括多个像素，所述多个像素包括至少第一像素851和第二像素852。像素841的图像851是位于像素841前面的真实图像(在来自像素化光源830的负z方向上)。类似地，像素842的图像852是位于像素842前面的真实图像。图像851和852设置在图像表面855上，图像表面855可以是基本上平面的或基本上非平面的。光重定向层850包括多个部分，每个不同部分对应于像素化光源830中的不同像素组。在图示实施方案中，每个像素组是单个像素。光重定向层850的部分856对应于像素841，并且光重定向层850的部分857对应于像素842。像素化光源830包括多个像素并且可发射第一图像。光重新定向层850可在多个像素前面形成第一图像的真实第二图像。图像851和852可以位于距部分856和857不同的距离处。在一些实施方案中，光重定向层850包括多个透镜(或如本文别处所述的其他光重定向元件)，并且部分856和857各自包括透镜。图像851和852可以位于与部分856和857中的各个透镜不同的距离处。
图9中示出了光重定向层的示例，图9是在层930上包括多个透镜954的光重定向层950的剖视图。例如，层930可以是显示面板或显示面板中的外层，并且多个透镜954可以直接形成在显示面板上。作为另外一种选择，例如，层930可为聚合物基板，并且光重定向层950可附接或层压至显示面板。可以是多个微透镜的多个透镜954可以以间距P周期性地布置。间距P可以类似于但是大于显示面板中的像素之间的间距。可以选择间距P，使得位于显示面板中心附近的透镜具有与对应像素大致对准的光轴，而远离显示面板中心的透镜具有从对应像素横向偏移的光轴(例如，显示面板的平面中的偏移，该平面可以平行于图9的x-y平面)。在一些实施方案中，偏移从显示面板的中心至显示面板的边缘单调增加。偏移的单调增加可为线性增加或非线性增加。
光重定向层，诸如包括微透镜阵列的那些，可以由各种不同的技术制成。此类技术包括光聚合物回流、灰度光刻、激光烧蚀、在图案化的疏水/亲水基板上浸涂可固化单体、可固化单体的喷墨印刷、金刚石车削、离子束或湿蚀刻，以及电沉积。其它合适的工艺包括包括双光子工艺，诸如美国专利号7,583,444(DeVoe等人)中所述的那些。
图10是发光系统1032的示意性侧视图，其包括多个离散间隔开的像素1044和包括多个光重定向元件1054的光重定向层1050。光重定向元件1054可以对应于透镜954。可以为显示面板中的所有像素或像素中的仅仅一些包括透镜。例如，包括发光系统1032的光学系统的光轴附近的像素区域可以可选地不包括光重定向元件。例如，发光系统1032可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。光重定向元件1056从像素1041接收光锥1039，并将所接收的光作为光锥1049进行透射。如本文别处另外所述，光锥1049可以具有从光锥1039的锥角和中心光线方向改变的锥角和中心光线方向中的一个或两个。多个像素1044沿表面1033设置，在图示实施方案中，表面1033为基本上平坦的表面。在其他实施方案中，表面1033可以是弯曲的。例如，弯曲显示面板(例如，LCD或OLED面板)可以包括多个像素。表面诸如表面1033(沿其设置像素)可被称为像素化表面。
图10中的多个像素由离散间隔开的暗线表示。在其他图中，像素可由暗线之间的开放空间表示。在图10中，暗线之间的空间表示相邻像素之间的间隙。像素1044具有像素宽度w，其可以是沿着像素的重复方向(例如，图10中的y方向)横跨像素的宽度，以及间隙g，其可以是沿重复方向的相邻像素之间的空间的宽度。在一些实施方案中，相邻像素间隔开像素宽度的约10％至约100％(例如，g/w在约0.1至约1的范围内)。在一些实施方案中，相邻像素之间的间隙包括光吸收材料1036，其可以是例如黑铬。例如，在OLED显示器中，光吸收黑色矩阵可包括在相邻像素之间，如本领域已知的。在相邻像素之间包括光吸收材料可以改善包括发光系统和具有部分反射器的透镜系统的光学系统中的对比度，因为入射到透镜系统上的被反射回发光系统的光可以至少部分地被光吸收材料吸收。在其他实施方案中，相邻像素之间的间隙为基本上透光的。例如，这可以是至少部分透明的显示面板的情况，诸如至少部分透明的OLED显示面板。在这种情况下，可以改善对比度，因为入射在透镜系统上的被反射回发光系统的光可以至少部分地透射穿过发光系统而不会通过透镜系统反射回来，这可能导致对比度的降低。在一些实施方案中，相邻像素之间的间距可以是小的。例如，在一些实施方案中相邻像素之间的间隙小于像素宽度的10％，或小于像素宽度的5％(例如，g/w小于0.1，或小于0.05)。在一些实施方案中，相邻像素之间的间隙g小于2微米，或小于1微米，或小于0.5微米。
图11A示出了包括光发射器1141和透镜1154a的像素1142。光发射器1141发射具有中心光线1137的光锥1139，并且透镜1154a接收光锥1139并将所接收的光作为具有中心光线1147的光锥1149进行透射。透镜1154a以光轴1140为中心，光轴1140与光发射器1141横向偏移距离d。例如，像素1142可以对应于像素1041和光重定向元件1056的组合。例如，包括多个像素1142的发光系统可分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。如本文别处另外所述，横向偏移距离d可从显示面板的中心到显示面板的边缘单调增加。
光重定向元件可以是透镜，其可以包括绕透镜的光轴旋转对称的球形或非球形部分，或者可以是可以具有一个或多个弯曲表面的棱镜元件。图11B示出了可用于代替透镜1154a的透镜或光重定向元件1154b。在一些实施方案中，多个光重定向元件1154b可以周期性地布置，其间距被选择为匹配像素化光源中的对应像素间距。像素化光源中的像素可沿像素化表面1133设置，该像素化表面1133可为基本上平坦的表面或基本上弯曲的表面。光重定向元件1154b包括相反的第一侧面1131a和第二侧面1131b以及连接第一侧面1131a和第二侧面1131b的弯曲表面1131c。光重定向元件1154b可被描述为具有透镜部分1194，透镜部分1194包括弯曲表面1131c和棱镜基部部分1196。基部部分1196可以具有正方形或矩形横截面，例如，在与包含光发射器1141b的表面1133平行的平面中(与图11B的x-y平面平行的平面)。例如，第一侧面1131a和第二侧面1131b可以是平面。基部部分1196可以具有圆形横截面，例如，在平行于表面1133的平面中。然后，第一侧面1131a和第二侧面1131b可为圆柱形基部1196的相对侧。在一些实施方案中，第一侧面1131a沿着表面1133的法线(沿着负z方向的法线)比第二侧1131b从表面1133更远地延伸。棱镜元件可被理解为包括棱镜部件(例如基部部分1196)和透镜部件(例如弯曲表面1131c)，其中透镜部件具有至少一个凸形表面。
光发射器1141b发射具有中心光线1137b的第一光锥。第一光锥由光重定向元件1154b接收，并作为具有中心光线1147b的第二光锥透射。中心光线1137a可以沿着第一锥轴，并且中心光线1137b可以沿着第二锥轴。例如，第一锥轴和第二锥轴之间的角度α可以是至少5度或至少10度，或者可以在5度至50度或60度的范围内。光重定向元件1154b可绕第一锥轴不对称。弯曲表面1131c可绕第一锥轴旋转地不对称并且绕轴1193基本上旋转对称，轴1193不平行于第一锥轴并且可以不平行于第二锥轴。
在一些实施方案中，成像系统包括多个光发射器1141b和多个光重定向元件1154b。光发射器1141b连同对应的光重定向元件1154b可被称为像素，并且成像系统可包括多个此类像素。在一些实施方案中，对于多个像素中的第一像素，第一锥轴和第二锥轴之间的第一角度大于5度，或大于10度，并且对于多个像素中的不同的第二像素，第一锥轴和第二锥轴之间的第二角度大于5度，或大于10度，并且不同于第一角度。在一些实施方案中，对于多个像素中的大多数像素，第一锥轴和第二锥轴不平行，并且在一些实施方案中，对于多个像素中的大多数像素，第一锥轴和第二锥轴之间的角度是至少5度，或至少10度，或在5度至50度或60度的范围内。
图12是发光系统1232的示意性侧视图，发光系统1232包括显示面板1230，显示面板1230包括离散间隔开的多个像素，并设置成从背光源1236接收光并通过光重定向层1250透射图案化的光。显示面板1230可为任何合适的空间光调制器，诸如液晶显示器(LCD)面板，或基于光栅的调制器，或基于干扰的调制器，或电致变色调制器或电泳调制器。在其他实施方案中，有机发光显示器(OLED)包括离散间隔开的多个像素，并且可以省略背光源1236。例如，发光系统1232可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。
在一些实施方案中，背光源1236可为至少部分地准直的背光源。如果来自背光源的光输出比朗伯光输出基本上更准直，则可以说背光源是至少部分地准直的背光源。在一些实施方案中，至少部分地准直的背光源的流明输出的至少50％在60度，或50度，或40度，或30度，或25度，或20度满宽锥中。在一些实施方案中，至少部分地准直的背光源的流明输出的至少60％在70度，或60度，或50度，或40度，或30度，或25度满宽锥中。
图13是包括像素1341、1342和1343的发光系统1332的示意性侧视图。例如，发光系统1332可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。每个像素适于发射具有中心光线和锥角的光锥。像素1341发射具有中心光线1347的光锥1349，在所示实施方案中，中心光线1347平行于光轴1340，光轴1340可以是设置成从发光系统1332接收光的透镜系统的光轴。像素1342发射具有全宽锥角θ的光锥。发光系统1332可以包括具有光重定向层的显示面板，该光重定向层适于减小由显示面板发射的光的锥角，该显示面板可以是例如LCD或OLED显示面板。在其他实施方案中，至少部分地准直的背光源可以与显示面板一起使用，以产生与用传统背光源产生的输出相比具有减小的锥角的输出。例如，至少部分地准直的背光源可产生光输出，使得至少50％的流明输出处于50度全宽锥体中或者在本文别处描述的用于部分准直背光源的范围中的任一个内。可包括光重定向层以另外减小锥角或可任选地省略光重定向层。在图示实施方案中，像素1341、1342和1343中的每个的光输出方向基本上平行于光轴1340。在其他实施方案中，光重定向层和/或至少部分地准直的背光源可改变从发光系统发射的光的方向。这在图14和图15中示出。
图14是包括像素1441、1442和1443的发光系统1432的示意性侧视图。例如，发光系统1432可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。每个像素发射具有锥角和中心光线的光锥。像素1441发射光锥1449，其具有沿与发光系统1432或者被设置成从发光系统1432接收光的透镜系统的光轴1440形成角度α的方向发射的中心光线1447。像素1442发射具有锥角θ的光锥。来自像素1441和1443中的每个的光朝向光轴1440弯曲，而来自像素1442的光基本上沿光轴1440发射。在一些实施方案中，来自像素1441、1442和1443中的每个的光至少部分地校准。在其他实施方案中，来自像素的光可具有改变而不被至少部分地准直的方向。在一些实施方案中，至少部分地准直的背光源用于从发光系统1432产生至少部分地准直的光输出。在一些实施方案中，背光源的第一部分被构造为在第一方向上发射至少部分地准直的光，并且背光源的不同第二部分被构造为在第二不同方向上发射至少部分地准直的光。例如，在来自对应于像素1441的位置处的背光源的光可以沿着中心光线1447的方向至少部分地校准，并且来自对应于像素1442的位置处的背光源的光可以沿着平行于光轴1440的方向至少部分地校准。在一些实施方案中，来自至少部分地准直的背光源的光可沿跨背光源的发射表面平滑变化的方向部分校准。
图15是包括像素1541、1542和1543的发光系统1532的示意性侧视图。每个像素发射具有锥角和中心光线的光锥。像素1541发射光锥1549，其具有沿与发光系统1532或者被设置成从发光系统1532接收光的透镜系统的光轴1540形成角度α的方向发射的中心光线1547。像素1542发射具有锥角θ的光锥。来自像素1541和1543中的每个的光被弯曲离开光轴1540，而来自像素1542的光基本上沿光轴1540发射。在一些实施方案中，来自像素1541、1542和1543中的每个的光至少部分地校准。在其他实施方案中，来自像素的光可具有改变而不被至少部分地校准的方向。在一些实施方案中，至少部分准直的背光用于产生来自发光系统1532的至少部分准直的光输出，如结合图14另外描述的。
图16A是光学系统1600的剖视图，光学系统1600包括透镜系统1619和发光系统1632，发光系统1632包括液晶显示面板1630和背光源1636，背光源1636是至少部分准直的背光源，并且可适于提供随位置而变化的输出方向。背光源1636包括光导1663，光导1663包括准直光学元件1660和光提取元件1665，光提取元件1665具有构造为使得光从光导1663提取作为至少部分准直的光的表面1667。背光源1636另外包括光源1661，光源1661被构造为将光注入校准光学元件1660中，以及设置成与光提取元件1665相邻的背反射器1668。光源1661可为任何合适的光源，诸如发光二极管(LED)或多个LED。来自光源1661的光在其穿过校准光学元件1660时可以通过校准光学元件1660的锥形几何形状至少部分地校准。光从光提取部分1665朝向背反射器1668提取，然后光从背反射器1668反射，并且作为沿着期望的输出方向朝向透镜系统1619的至少部分准直的光透射通过光提取部分1665。
在一些实施方案中，适于提供随位置变化的输出方向的至少部分准直的背光源与光重定向层组合。在此类实施方案中，背光源提供输出，该输出部分地朝向有待由透镜系统利用的期望方向被转向，并且光重定向层接收该部分转向的光并且在与透镜系统的期望方向更紧密匹配的方向上透射光。
校准元件1660为光导1663的光插入部分。光导1663另外包括光传输部分1664，光传输部分1664设置成通过第一折叠部1671从校准光学元件1660接收光，并通过第二折叠部1674将光传输到光提取元件1665。光提取元件1665的结构化表面1667可以包括光提取器，其被取向为沿着期望的输出方向产生光输出。例如，通过使用结构化的冲压工具，诸如结构化的镍冲压工具，可以适当地构造表面。合适的冲压工具可通过机加工(诸如通过单点金刚石机加工)制备。示例性的金刚石车削系统和方法可包括和利用例如PCT已公布的专利申请号WO 00/48037(Campbell等人)以及美国专利号7,350,442(Ehnes等人)和7,328,638(Gardiner等人)中所述的快速刀具伺服(FTS)。至少部分地准直的背光源可以包括适于沿期望的输出方向产生光输出的光栅。此类背光源由Fattal等人在以下文献中描述：“用于广角无草三维显示的多向背光源(A multi-directional backlight for a wide-angle,grasses-free three dimensional display)”，《自然(Nature)》，495卷，348-351页，2013年3月21日。在一些实施方案中，结构化表面1667可以包括一系列台阶1666，在台阶之间具有倾斜部分1669，例如在美国2013/0321913(Harold等人)中描述的，其在此在与现在的描述不矛盾的程度上通过引用并入本文。结构化表面1667中的台阶1666和倾斜部分1669可通过例如机加工来形成。倾斜部分1669使光从光提取元件1665提取。可以通过调节台阶1666之间的倾斜部分1669的斜率分布来调节此类背光源的输出方向的分布。在一些实施方案中，台阶具有如本文别处另外所述的弯曲形状(参见例如图16C)。
光学系统1600具有出射光瞳1635并且另外包括光学偏振器1670，其可以是反射偏振器、吸收偏振器、吸收和反射偏振器的组合，或者可以可选地被省略。
透镜系统1619包括第一光学透镜1610和第二光学透镜1620。第一透镜1610包括主表面1614，在主表面1614上设置有部分反射器，该部分反射器具有所需多个波长的至少30％的平均光反射率，如本文别处所述。第二透镜1620包括主表面1626，在主表面1626上设置有反射偏振器，该反射偏振器可以是热成形或压力成形的反射偏振器，并且可以是例如聚合物多层反射偏振器或线栅偏振器。四分之一波延迟器可设置在反射偏振器上。
例如，光学系统100、200、300、400、500或1600中的任一个可被称为显示系统或成像系统。这些光学系统中的任一个可用于头盔式显示器，诸如虚拟现实显示器。
图16B和图16C分别是包括用于形成图像的成像器1630b的显示系统1600b和用于投影由成像器1630b形成的图像的投影透镜系统1619b的剖视图和透视图。成像器1630b包括多个像素。对于所述多个像素中的每个像素，所述成像器被构造为发射具有中心光线的光锥。由于光提取元件1665的几何形状，中心光线具有随着成像器1630b中的像素的位置而变化的方向。在一些实施方案中，中心光线方向的变化将通过投影透镜系统投影的图像的亮度增加至少30％，或至少50％或至少100％，或至少200％。通过投影透镜投影的图像是图案化的光，其可以在整个图像中聚焦或不聚焦。例如，通过投影透镜投影的图像可以具有形成对焦图像的中心部分和可以不对焦的周边部分。投影透镜系统1619b可以是如图16B所示的折射透镜系统，或可以是折叠光学系统，其包括彼此相邻并彼此间隔开的第一部分反射器和第二部分反射器。例如，在一些实施方案中，投影透镜系统1619b对应于透镜系统119，并且第一部分反射器对应于部分反射器117，而第二部分反射器对应于反射偏振器127。在一些实施方案中，投影透镜系统1619b具有受光角，并且中心光线方向的变化使成像器1630b发出的光在受光角内增加至少30％，或至少50％或至少100％，或至少200％。
在一些实施方案中，投影透镜系统1619b具有最大横向光学活性尺寸D1，其小于成像器1630b的最大横向光学活性尺寸D2的约80％(或小于约60％，或小于约50％，小于约40％)。部件的最大横向光学活性尺寸是指最大侧向尺寸，其为部件的部分在图16B的x-y平面中最大的尺寸，所述部件的所述部分在形成显示系统1600b的输出中被光学利用。例如，像素化显示面板通常具有矩形区域的像素，其具有光学活性，并且在像素的矩形区域周围的一些边界区域不是光学活性的。最大横向光学活性尺寸在此情况下是像素的矩形区域的对角线。又如，透镜可具有接收和透射光的圆形区域，并且该圆形区域的直径在此情况下是最大横向光学活性尺寸。
显示系统1600b包括光导1663，光导1663具有光插入部分1660b和光提取部分1665b，光提取部分1665b与光插入部分1660b和成像器1630b光学连通。光导1663b被折叠从而使得光提取部分1665b面向光插入部分1660b。光导1663b包括光传输部分1664b，光传输部分1664b被构造为从第一折叠部1671b从光插入部分1660b接收光，并通过第二折叠部1673b将光传输到光提取部分1665b。成像器1630b可以是设置在光提取部分1665b和光插入部分1660b之间的反射空间光调制器(例如，硅上液晶(LCoS)面板)。可选地，成像器可以是设置在光提取部分附近的透射空间光调制器，与光插入部分相对，如图16A所示。在图16B的实施方案中，光从光提取部分1665b提取为朝向成像器1630b的至少部分准直的光，成像器1630b将成像的光朝向透镜系统1619b穿过光提取部分1665b反射回来。
透镜系统具有光轴1640b(平行于z轴)。光插入部分1660b和光提取部分1665b沿着透镜系统1619b的光轴1640b间隔开。光轴1640b与光插入部分1660b和光提取部分1665b相交。
在一些实施方案中，结构化表面1667b包括一系列的台阶1666b，在台阶1666b之间具有倾斜部分1669b，如针对图16A的结构化表面1667、台阶1666和倾斜部分1669所描述的。台阶1666或1666b可被描述为离散间隔开的光提取特征。可以使用适于从光提取部分提取光的其他离散间隔开的光提取特征来代替这些台阶。在一些实施方案中，光提取特征的形状通过围绕z轴的曲率的组合将光向成像器聚集，其沿着x轴聚集光，并且沿着y轴改变提取特征的角度，它沿y轴聚集光。提取特征可以是未涂覆的材料，依靠全内反射(TIR)提取光，或者可涂覆有金属或电介质反射器。作为另外一种选择，整个提取表面1667或1667b可涂覆有反射偏振器。这可以通过MacNeille偏振器、线栅偏振器或聚合物多层光学膜反射偏振器(诸如可从明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St Paul,MN)获得的APF或双亮度增强膜(DBEF))产生。反射偏振器可被成形为适形于提取元件。这可通过例如将粘合剂薄层施加到结构化表面1667或1667b，并将反射偏振器膜(诸如APF)施加到具有热和/或压力的表面以使膜适形于结构化表面来完成。光导1663或1663b的一个或多个表面可具有低折射率涂层，其中涂层的折射率能够在光导内保持TIR条件。在一些实施方案中，低折射率涂层具有比光导的折射率低约0.05至0.2的折射率(除非另有说明，折射率是指在532nm处测量的折射率)。低折射率涂层可以是光学厚的，并且可以具有例如至少0.5微米或至少1微米的物理厚度。
适用于光学系统1600或显示系统1600b的其他合适的光导在图26至图28中示出。
图26是光导2663的示意性剖视图，其包括适于接收光2638的光插入部分2660；光传输部分2664，光传输部分2664被设置成从光插入部分2660接收光，光传输部分2664具有第一区段2664-1和第二区段2664-2；以及光提取部分2665，所述光提取部分2665被设置成从光传输部分2664接收光。由光插入部分2660接收的光2638主要沿第一方向2681传播，由光传输部分2683接收的光主要沿第二方向2683在第一区段2664-1中传播，并且由光提取部分接收的光主要沿第三方向2685传播。第一方向2681和第二方向2683之间的第一夹角为至少140度，或至少150度，或至少160度，或约180度，并且第一方向和第三方向之间的第二夹角小于40度，或小于30度，或小于20度。在图示实施方案中，第一夹角约为180度，并且第二夹角约为零度。可以通过改变光插入部分2660的取向和/或光提取部分2685的取向来改变第一夹角和第二夹角，使得两个部分中的一个从x-y平面倾斜。两个方向之间的夹角指的是单位矢量沿两个方向的点积的反余弦(根据定义，其在0到180度的范围内)的原理值。例如，参考图29，其是两个方向之间的夹角的示意图，单位矢量2981和2985的点积的反余弦给出角度
Figure BDA0001898558710000241
该角度是沿单位矢量2981的第一方向以及沿单位矢量2985的第二方向之间的夹角。例如，由于夹角必须在0到180度之间，因此将夹角指定为大于140度等同于将夹角指定在例如140度和180度之间。
光传输部分2664被设置成通过第一折叠部2671从光插入部分2660接收光，并通过第二折叠部2674将光传输到光提取部分2665。第二折叠2674包括第一子折叠2674-1和第二子折叠2674-2。
图27是光导2763的示意性剖视图，光导2763包括适于接收光2738的光插入部分2760，以及被设置成从光插入部分2760接收光的光提取部分2765。光提取部分2765通过折叠2771从光插入部分2760接收光。由光插入部分2760接收的光主要沿着第一方向2781传播，并且由光提取部分2765接收的光主要沿着第二方向2765传播。第一方向2781和第二方向2785之间的夹角为至少120度，或至少140度，或至少160度。例如，夹角可以在160到180度的范围内，或者如图所示可以是大约180度。光提取部分2765可以包括多个光提取特征，适于将光从光提取部分朝向投影透镜系统提取，例如，如图16A至图16C所示。距零度5度内的角度可以被描述为大约零度，并且距180度5度内的角度可以被描述为大约180度。
光导2663和2763各自包括适于接收光的光插入部分；被设置成通过第一折叠部从光插入部分接收光的光传输部分；以及被设置成通过第二折叠部从光传输部分接收光的光提取部分。在每种情况下，光提取部分与光插入部分间隔开并面向光插入部分。在一些实施方案中，光提取部分和光插入部分可彼此接触，或可仅通过小间隙分开。图28是光导2863的示意性剖视图，其包括通过折叠2871彼此光学连接的光插入部分2860和光提取部分2865。光提取部分2865可以包括多个光提取特征，其适于从光提取部分2865朝向投影透镜系统提取光，例如，如图16A至图16C所示。光主要沿第一方向2881在光插入部分2860中传播，以及光主要沿第二方向2885在光提取部分2865中传播。第一方向2881和第二方向2885之间的夹角可在例如至少140度之内。
在一些实施方案中，光重定向层包括朝向像素化光源凹入的凹表面，凹表面的每个不同部分对应于像素化光源中的不同像素组。凹表面的部分可与像素组一一对应。这在图17中示出，图17是包括光重定向层1750和像素化光源1730的发光系统1732的示意性侧视图。例如，发光系统1732可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。在所示的实施方案中，光重定向层1750包括具有凹表面1758的单个光学元件，该凹表面1758朝向光重定向层1730凹入。像素化光源1730包括多个像素1744，该多个像素包括多个像素组，该像素组包括组1741a、1741b、1741c和1741d。凹表面1758包括多个部分1756a、1756b、1756c和1756d。每个不同部分对应于不同像素组。例如，来自像素组1741a的光可以穿过凹表面1758的部分1756a，并且可以基本上不穿过凹表面1758的其他部分。这可以通过将像素放置在凹表面1758附近来实现。在LCD面板包括多个像素的实施方案中，可如本文别处所述使用薄的外部玻璃层，以便将光重定向层1750定位成更靠近多个像素。在LCD面板包括多个像素的实施方案中，光重定向层1750可以由LCD面板的外玻璃层形成，如本文别处所述，以便将表面1758定位成靠近多个像素1744。在一些实施方案中，当像素化光源1732用于包括透镜系统的光学系统，例如包括如本文其他地方所述的部分反射器和反射偏振器的那些中时，来自穿过凹表面1758的除了与像素组相对应的部分之外的任何部分的一组像素的任何光，可以在透镜系统的受光角之外，因此不被光学系统利用。
图18是包括液晶显示面板1830、背光源1836和具有凹光重定向表面1858的光重定向层1850的发光系统1832的示意性剖视图。尽管图18中示出了液晶显示面板，光重定向层1850可以与例如其他类型的像素化显示器诸如OLED显示器一起使用。例如，发光系统1832可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。液晶显示面板1830包括设置在第一玻璃层1876和第二玻璃层1878之间的多个像素1844。多个像素1844包括第一像素1841和第二像素1842。第一偏振器1872设置在光重定向层1850与液晶显示面板1830之间，并且第二偏振器1873设置在液晶显示面板1830和背光源1836之间。如本文别处所述，背光源1836可为至少部分地准直的背光源。发光系统1832以光轴1840为中心。在所示实施方案中，光重定向层1850是单个光重定向元件。光重定向层1850包括凹光重定向表面1858，其朝向液晶面板1830凹入。凹光重定向表面1858包括适于从第一像素1841接收光的第一部分1856，并包括适于从第二像素1842接收光的第二部分1857。在一些实施方案中，凹光重定向表面1858包括多个不同部分，每个不同部分与多个像素1844中的不同像素或不同像素组一一对应。
图19是包括液晶显示面板1930、背光源1936和具有凹光重定向表面1958的光重定向层1950的发光系统1932的示意性剖视图。液晶显示面板1930包括设置在第一玻璃层1976和第二玻璃层1978之间的多个像素1944。光重定向层1950由第一玻璃层1976形成，例如，通过蚀刻第一玻璃层1976的外表面以形成凹光重定向表面1958。可用于形成凹光重定向表面1958的合适的玻璃蚀刻方法在本领域中是已知的，并且例如描述于美国专利公布号2002/0079289(Doh)中。合适的玻璃蚀刻剂包括六氟硅酸和氟化氢。
多个像素1944包括第一像素1941和第二像素1942。第一偏振器1972设置在凹光重定向表面1958上，并且第二偏振器1973设置在液晶显示面板1930和背光源1936之间。如本文别处所述，背光源1936可以是至少部分地准直的背光源。发光系统1932以光轴1940为中心。凹光重定向表面1958包括适于从第一像素1941接收光的第一部分1956，并且包括适于从第二像素1842接收光的第二部分1957。如本文别处另外所述，在一些实施方案中，凹光重定向表面1958包括多个不同部分，每个不同部分与多个像素1944中的不同像素或不同像素组一一对应。例如，发光系统1932可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。
在发光系统1832或1932的一些实施方案中，凹光重定向表面的每个不同部分对应于多个像素中的不同像素组，并接收具有第一锥角的由像素组中的像素发射的第一发散光，并将所接收的光作为第二发散光透射，所述第二发散光具有小于第一锥角的第二锥角。在一些实施方案中，在不处在适合于从发光系统接收光的透镜系统的受光角内的方向上，来自像素组中的像素的光或者基本上不透射穿过光重定向层的不对应于像素组的任何部分，或者至多部分透射穿过光重定向层的不对应于像素组的一部分。
图20是包括多个光重定向元件、液晶显示面板2030的发光系统2032的示意性剖视图，多个光重定向元件包括光重定向元件2056和2057，液晶显示面板2030具有由第一玻璃层2076和第二玻璃层2078之间的液晶层提供的多个离散间隔开的像素2044。与常规LCD显示器相比或与第二玻璃层2078相比，第一玻璃层2076可具有减小的厚度，以便将光重定向元件2056和2057定位成更靠近限定多个像素2044的孔。尽管在图20中示出了液晶显示面板，但是光重定向元件2056和2057可以与例如其他类型的像素化显示器，诸如OLED显示器一起使用。液晶显示面板2030设置在第一偏振器2072和第二偏振器2073之间，并且由背光源2036照明，该背光源2036可为至少部分地准直的背光源，如本文别处所述。每个光重定向元件可对应于多个像素中的像素组，其中该组可以是单个像素或多个像素。可为一些、大多数或所有像素包括光重定向元件。例如，除了位于发光系统2032或包括透镜系统和发光系统2032的光学系统的光轴附近的像素之外，可以为所有像素包括光重定向元件。例如，发光系统2032可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。光重定向元件中的每个可为棱镜元件，并且可任选地包括一个或多个弯曲表面。在替代实施方案中，多个微透镜可代替棱镜元件中的一些或全部使用。在其他实施方案中，包括菲涅耳透镜的光重定向层可代替单独的光重定向元件使用。这在图21中示出。
图21是包括光重定向层2150和液晶显示面板2130的发光系统2132的剖视图，液晶显示面板2130包括多个离散间隔开的像素2144。尽管在图21中示出了液晶显示面板，但是光重定向层2150可以与例如其他类型的像素化显示器，诸如OLED显示器一起使用。液晶面板2130设置在第一偏振器2172和第二偏振器2173之间并由背光源2136照明，该背光源2136可为至少部分地准直的背光源，如本文别处所述。光重定向层2150包括光重定向元件2156，并且可为菲涅耳透镜，或可为闪烁衍射光栅。在一些实施方案中，光重定向元件2156中的至少一些是同心环。每个光不同重定向元件2156可以对应于多个离散间隔开的像素2144中的不同像素组。例如，如果光重定向元件为同心环形元件，则对应光重定向元件的像素组可以是设置在同心环下方的多个像素。在其他实施方案中，可由其他类型的光重定向元件替代光重定向层2150。例如，光重定向层2150可为全息光学元件。
例如，发光系统2132可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。
图22是包括液晶显示面板2230的发光系统2232的示意性剖视图，液晶显示面板2230包括多个像素2244以及第一玻璃层2276和第二玻璃层2278。在第一玻璃层2276中形成包括透镜2256和2257的多个透镜。可以通过蚀刻第一玻璃层2276并用折射率不同于第一玻璃层2276的材料填充蚀刻出的区域来形成透镜。例如，可以使用更高折射率的材料以便减小由对应像素发射的光的发散角。合适的高折射率材料包括填充有高折射率纳米颗粒的聚合物材料，诸如美国专利号8,343,622(Liu等人)中所述的那些，其在此在与本说明书不矛盾的程度上并入本文。多个透镜中的每个不同透镜可以对应于多个像素中的不同像素组。每个像素组可为单个像素，或可包括多个像素。例如，发光系统2232可以分别使用用于光学系统100、200、300、400和500中的发光系统132、232、332、432和532中的任一个。
发光系统1732、1832、1932、2032、2132和2232的任一个中的光重定向层或光重定向元件可以适于将来自至少一个像素或大多数像素的光输出弯曲或朝向或者远离光重定向层或光重定向元件的光轴弯曲，或者朝向或远离结合了透镜系统和光重定向层或元件的显示系统的光轴弯曲。
在显示面板上包括光重定向层的替代方案是在透镜上包括光重定向层，该透镜设置成从显示面板接收光。图23是包括第一光学透镜2310和第二光学透镜2320的透镜系统2319的示意性剖视图。第一光学透镜2310包括相反的第一主表面2314和第二主表面2316，第一主表面2314为内主表面，并且第二主表面2316为外主表面。第二光学透镜2320包括相反的第一主表面2324和第二主表面2326。透镜系统2319包括可设置在第一透镜2310的第一主表面2314上的部分反射器。透镜系统2319还包括反射偏振器，该反射偏振器被构造为基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光。反射偏振器设置为与部分反射器相邻并且与部分反射器间隔开，并且可以设置在第二透镜2320上。在一些实施方案中，反射偏振器设置在第二主表面2326上。在一些实施方案中，四分之一波延迟器设置在反射偏振器上。如本文别处所述，部分反射器在所需的多个波长中可具有至少30％的平均光学反射率。
第一光学透镜2310的第二主表面2316包括多个光重定向元件2350，其包括光重定向元件2356和2357。每个光重定向元件适于接收第一光锥，并且将所接收的光作为第二光锥朝向部分反射器透射。例如，光重定向元件2356适于接收第一光锥2339并将所接收的光作为第二光锥2349透射。如本文别处另外所述，每个光重定向元件可以适于改变所接收的光锥的发散角和中心光线方向中的一个或两个。例如，可以分别使用透镜系统2319代替光学系统100或200中的透镜系统119或219。
包括在透镜系统2319中的反射偏振器可围绕一个或两个正交轴弯曲。在一些实施方案中，反射偏振器是多层聚合物膜，并且在一些实施方案中，反射偏振器是热成形或压力形成的多层反射偏振器诸如APF，如本文别处所述。
在一些实施方案中，包括像素化发光系统和透镜系统2319的显示系统被设置为接收由像素化系统在显示系统的出射光瞳处发射的光，其亮度比不包括多个光重定向元件2350的其他等效显示系统高至少30％。在一些实施方案中，出射光瞳处的显示系统的亮度比其他等效的显示系统的亮度至少高100％，或至少高200％，或至少高300％。
图24是包括发光系统2432的显示系统2400的一部分的示意性剖视图，发光系统2432包括多个发光像素2444。每个发光像素包括任选的光学透明的第一光重定向元件2456，其具有在期望的多个波长中的至少50％的平均光学透射率，以及光学反射的第二光重定向元件2457，其朝向第一光重定向元件2456凹入并具有在期望的多个波长中的至少50％的平均光学反射率，以及设置在第一光重定向元件2456和第二光重定向元件2457之间的发光材料2441。例如，发光材料2441可被包括在显示面板2430中，该显示面板2430可为例如至少部分透射的OLED显示面板。显示面板2430在图24中示出为基本上平面的面板，但是在其他实施方案中，显示面板可以是弯曲的(参见例如图1B)，或者可以包括多个平面部分，该平面部分不是全部在同一平面中(参见例如图1C)。在一些实施方案中，第二光重定向元件2457的中心2442位于发光材料2441内。例如，第二光重定向元件2457可以具有凹反射表面，该凹反射表面具有位于发光材料2441内的曲率中心或焦点。在一些实施方案中，由发光材料2441发射的光基本上由第一光重定向元件2456和第二光重定向元件2457校准。在一些实施方案中，省略了任选的第一光重定向元件2456，并且由发光材料2441发射的光基本上由第二光重定向元件2457校准。例如，面板2430中的发光材料可以发射发散的第一光锥2439，其从凹的第二光重定向元件反射并且作为基本上准直的光2449透射穿过第一光重定向元件。
例如，显示系统2400可另外包括透镜系统，诸如透镜系统119或219，其被设置成从发光系统2432接收光并将所接收的光中的至少一部分透射到显示系统2400的出射光瞳。
各种部件(例如，部分反射器、四分之一波延迟器、透射光学元件和反射光学元件)的光学透射率或反射率可以通过所需或预定的多个波长的平均值来指定。期望的或预定的多个波长可以是例如光学系统被设计为在其中操作的任何波长范围。预定或期望的多个波长可以是可见范围，并且可以例如是400nm至700nm的波长范围。在一些实施方案中，期望的或预定的多个波长可以是红外范围，或者可以包括红外、可见和紫外波长中的一个或多个。在一些实施方案中，期望的或预定的多个波长可为窄波长带，或多个窄波长带，并且部分反射器例如可为陷波反射器。在一些实施方案中，期望的或预定的多个波长包括至少一个连续波长范围，其具有不大于100nm或不大于50nm的半高全宽。
本说明书的光学系统中的任一个可用于诸如头戴式显示器(例如，虚拟现实显示器)的装置中。图25是头戴式显示器2590的示意性顶视图，其包括框架2592、第一显示部分2594a和第二显示部分2594b，所述显示部分可包括本说明书的光学系统中的任一个。在图示实施方案中，第一显示部分2594a包括透镜系统2519a和发光系统2532a，并且显示部分2594b包括透镜系统2519b和发光系统2532b。透镜系统2519a和2519b中的每个可包括反射偏振器和如本文别处所述的部分反射器。发光系统2532a和2532b中的每个可包括多个像素和光重定向层和/或至少部分地准直的背光源，如本文别处所述。在一些实施方案中，透镜系统2519a和2519b以光轴为中心(例如，与图25中的z轴平行的轴)，并且发光系统2532a和2532b相对于对应的光轴以钝角设置。在其他实施方案中，发光系统2532a和2532b设置成与对应的光轴成直角，并且可以以对应的光轴为中心。发光系统2532a和2532b的光重定向层可以重定向由对应像素输出的光，使得它在对应透镜系统的受光角内。在发光系统与透镜系统的光轴成钝角设置的实施方案中，发光系统的光重定向元件可包括弯曲表面，诸如弯曲表面1131c，其围绕光轴不对称。
实施例
实施例1
使用Zemax 15透镜设计软件对具有下表中所述元件的折叠光学透镜系统进行建模。
Figure BDA0001898558710000311
在上表中，OB是指物体，并且表面是以从止动表面(ST)到图像表面(IM)的顺序排列的。非球面多项式系数被取为零，除了表面7之外，其具有分别为0.000、-2.805×10-5、1.232×10-7、-1.936×10-10和-3.088×10-13的第二、第四、第六、第八和第十阶系数。
将透镜导入LightTools中，其中显示被创建具有中心和外围发射元件的显示平面。将每个元件浸入NBK7透镜中，所述透镜具有0.1mm的直径和0.05mm的半径。发射元件被设计成具有0.004mm见方的发射区域。优化透镜相对于发射元件的放置，以便在光瞳处提供均匀度和亮度的最佳组合。具有微透镜阵列的近眼显示器亮度为没有透镜阵列的情况的8.1倍(亮度增加710％)。
实施例2
类似于光学系统200的光学系统使用光线跟踪如下建模。光学叠堆210包括在透镜212的外表面(面向面板232的表面)上的四分之一波延迟器和在透镜212的内表面(面向出射光瞳235的表面)上的部分反射器。光学叠堆220包括在透镜222的外表面(面向透镜212的表面)上的线性偏振器，并且包括设置在线性偏振器上的四分之一波延迟器。四分之一波延迟器被建模为理想延迟器，部分反射器被建模为具有50％的透射率和50％的反射率，并且线性偏振器被建模为对于沿线性阻挡轴偏振的光具有1％透射率和99％反射率，并且对于沿正交线性通过轴偏振的光具有99％透射率和1％反射率。透镜如下表中被指定：
Figure BDA0001898558710000321
在下表中给出了用于透镜表面的二阶至八阶非球面多项式系数：
2阶 4阶 6阶 8阶
OB NA NA NA NA
ST NA NA NA NA
2 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
3 0.0000E+00 1.2455E-05 1.3936E-07 1.8601E-09
4 NA NA NA NA
5 0.0000E+00 -1.4624E-04 9.5699E-07 -6.0196E-09
6 0.0000E+00 1.2455E-05 1.3936E-07 1.8601E-09
7 0.0000E+00 -1.4624E-04 9.5699E-07 -6.0196E-09
8 0.0000E+00 -1.4624E-04 9.5699E-07 -6.0196E-09
9 NA NA NA NA
10 NA NA NA NA
11 NA NA NA NA
12 NA NA NA NA
IM NA NA NA NA
用于透镜表面的十阶和更高阶非球面多项式系数在下表中给出：
Figure BDA0001898558710000331
显示面板235被建模为产生明暗正方形的棋盘图案，每个正方形具有6mm×6mm的尺寸。显示板的尺寸为2.4cm×2.4cm。光输出被建模为具有垂直于显示面板表面的中心光线，并具有5度半宽半高(HWHM)的锥角。选择这点以模拟具有部分准直背光源或具有部分准直光输出的光重定向层的显示面板。为了比较，还对具有35度HWHM的锥角的传统显示面板进行了建模。接收器定位在出射光瞳235。对比度被计算为在明亮正方形处接收的平均功率对在暗正方形处接收的平均功率。对于部分准直(5度HWHM)情况，对比度确定为747，而对于传统情况(35度HWHM)，对比度确定为100。
实施例3
计算了光学系统1600(在图16a中描绘)和具有用不同背光源单元替换的背光1636的类似光学系统的相对效率。利用具有朗伯输出的背光源单元的光学系统的相对效率被定义为单位。然后将其他光学系统的相对效率定义为光学系统的出射光瞳1635处的亮度与具有朗伯输出的背光源单元的光学系统的出射光瞳1635处的亮度之比。当背光源单元包括一个亮度增强膜(BEF，可从明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN)获得)时，背光源单元的输出的全宽半高值(FWHM)在水平方向(显示器的宽度方向)上为44度，在垂直方向(显示器的高度方向)上为80度，并且光学系统的相对效率为1.4(亮度增加40％)。当背光源单元包括两个交叉的BEF时，来自背光源单元的输出在水平和垂直方向上均具有44度的FWHM，并且光学系统的相对效率为1.6(亮度增加60％)。当背光源单元包括适于在垂直于显示器的方向上(在负z方向上)提供高度校准的结构化表面1667时，来自背光源单元的输出在水平方向上具有16度的FWHM并且在垂直方向上具有12度的FWHM，并且光学系统的相对效率为2.4(亮度增加140％)。当背光源单元包括适于在转朝向透镜系统1619的方向上提供高度校准的结构化表面1667时，来自背光源单元的输出在水平方向上具有12度的FWHM并且在垂直方向上具有11度的FWHM，并且光学系统的相对效率为3(亮度增加200％)。结果在下表中概述。
Figure BDA0001898558710000341
以下为本说明书的示例性实施方案的列表。
实施方案1是一种显示系统，所述系统包括：
用于形成图像的成像器，所述成像器包括离散间隔开的多个像素；以及
投影透镜系统，所述投影透镜系统用于投影由所述成像器形成的所述图像，
其中对于所述多个像素中的每个像素，所述成像器被构造为发射具有中心光线的光锥，所述中心光线具有随着所述成像器中的所述像素的位置而变化的方向，所述变化使通过所述投影透镜系统投影的图像的亮度增加了至少30％。
实施方案2是根据实施方案1所述的显示系统，其中所述投影透镜系统包括折叠光学系统。
实施方案3是根据实施方案2所述的显示系统，其中所述折叠光学系统包括：
第一部分反射器，所述第一部分反射器在期望的多个波长中具有至少30％的平均光学反射率；以及
第二部分反射器，所述第二部分反射器邻近所述第一部分反射器并且与所述第一部分反射器间隔开。
实施方案4是根据实施方案3所述的显示系统，其中所述第二部分反射器是基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光的反射偏振器。
实施方案5是根据实施方案3所述的显示系统，其中所述第二部分反射器在所述期望的多个波长中具有至少30％的平均光学反射率。
实施方案6是根据实施方案1所述的显示系统，其中所述投影透镜系统包括折射光学系统。
实施方案7是根据根据实施方案1所述的显示系统，其中所述投影透镜系统具有受光角，并且所述中心光线方向的所述变化使由所述成像器发射的在所述受光角内的光增加至少30％。
实施方案8是根据实施方案1所述的显示系统，其中所述投影透镜系统具有光轴，并且所述中心光线与所述光轴之间的角度随着所述成像器中的所述像素的位置而变化。
实施方案9是根据实施方案1所述的显示系统，其中所述成像器具有表面法线，并且所述中心光线和所述表面法线之间的角度随着所述成像器中的所述像素的位置而变化。
实施方案10是根据实施方案1所述的显示系统，其中所述成像器是基本上平面的。
实施方案11是根据实施方案1所述的显示系统，其中所述成像器包括相对于彼此以倾斜角度设置的多个平面部分。
实施方案12是根据实施方案1所述的显示系统，其中所述成像器是弯曲的。
实施方案13是根据实施方案1所述的显示系统，其中所述投影透镜系统具有比所述成像器的最大光学活性尺寸的二分之一小的最大横向光学活性尺寸。
实施方案14是根据实施方案1所述的显示系统，另外包括光导，所述光导具有光插入部分和光提取部分，所述光提取部分与所述光插入部分和所述成像器光学连通。
实施方案15是根据实施方案14所述的显示系统，其中所述光插入部分和所述光提取部分沿所述透镜系统的光轴间隔开。
实施方案16是根据实施方案15所述的显示系统，其中所述光导另外包括光传输部分，所述光传输部分被构造为从所述光插入部分接收光并将所述光传输到所述光提取部分。
实施方案17是根据实施方案16所述的显示系统，其中所述光轴与所述光插入部分、所述光传输部分和所述光提取部分中的每个相交。
实施方案18是根据实施方案14所述的显示系统，其中折叠所述光导使得所述光提取部分面向所述光插入部分。
实施方案19是根据实施方案14所述的显示系统，其中由所述光插入部分接收的光主要沿第一方向传播，由所述光提取部分接收的光主要沿第二方向传播，以及所述第一方向和所述第二方向之间的夹角小于40度或大于140度。
实施方案20是根据实施方案14所述的显示系统，其中所述成像器包括透射空间光调制器，所述透射空间光调制器设置在所述光提取部分附近，与所述光插入部分相对。
实施方案21是根据实施方案14所述的显示系统，其中所述成像器包括设置在所述光提取部分和所述光插入部分之间的反射空间光调制器。
实施方案22是一种显示系统，所述显示系统包括：
投影透镜系统，所述投影透镜系统具有以光轴为中心的一个或多个透镜；
光导，所述光导包括：
适于接收光的光插入部分；
被设置成从所述光插入部分接收光的光传输部分；以及
光提取部分，所述光提取部分被设置成从所述光传输部分接收光，所述光提取部分被构造为提供光输出中心光线方向，所述光输出中心光线方向具有相对于所述光轴的角度，所述角度随着所述光提取部分的输出表面上的位置而变化，所述光提取部分沿所述光轴与所述光插入部分分开，在所述光提取部分和所述光插入部分之间形成空间；以及
与所述光提取部分光学连通的空间光调制器，
其中所述光导被折叠成使得所述光提取部分面向所述光插入部分。
实施方案23是根据实施方案22所述的显示系统，其中所述光轴与所述光插入部分及所述光提取部分相交。
实施方案24是根据实施方案23所述的显示系统，其中所述光轴与所述光传输部分相交。
实施方案25是根据实施方案22所述的显示系统，其中所述空间光调制器设置在所述透镜系统和所述光提取部分之间。
实施方案26是根据实施方案25所述的显示系统，其中所述空间光调制器是透射型液晶面板。
实施方案27是根据实施方案25所述的显示系统，其中反射器设置在所述光提取部分和所述光插入部分之间的所述空间中。
实施方案28是根据实施方案22所述的显示系统，其中所述空间光调制器设置在所述光提取部分和所述光插入部分之间的所述空间中。
实施方案29是根据实施方案28所述的显示系统，其中所述空间光调制器是反射液晶面板。
实施方案30是根据实施方案29所述的显示系统，其中所述反射液晶面板是硅基液晶(LCoS)面板。
实施方案31是根据实施方案22所述的显示系统，其中所述投影透镜系统包括折叠光学系统。
实施方案32是根据实施方案31所述的显示系统，其中所述投影透镜系统包括：
部分反射器，所述部分反射器在期望的多个波长中具有至少30％的平均光学反射率；以及
反射偏振器，所述反射偏振器基本上透射具有第一偏振态的光并且基本上反射具有正交的第二偏振态的光，
实施方案33是根据实施方案22所述的显示系统，其中所述投影透镜系统是折射光学系统。
实施方案34是根据实施方案22所述的显示系统，其中所述光学透镜系统具有比所述空间光调制器的最大横向光学活性尺寸的二分之一小的最大横向光学活性尺寸。
实施方案35是一种显示系统，所述显示系统包括：
投影透镜系统，所述投影透镜系统具有一个或多个透镜并且具有最大横向光学活性尺寸；
具有最大横向光学活性尺寸的成像器，所述投影透镜系统投影由所述成像器形成的图像；
光导，所述光导用于从光源接收光并且包括设置在所述投影透镜系统和所述成像器之间的光提取部分，所述光提取部分包括多个离散间隔开的光提取特征以便朝向所述成像器提取和引导所接收到的光，
其中所述投影透镜系统的所述最大横向光学活性尺寸不大于所述成像器的所述最大横向光学活性尺寸的80％。
实施方案36是根据实施方案35所述的显示系统，其中所述投影透镜系统的所述最大横向光学活性尺寸不大于所述成像器的所述最大横向光学活性尺寸的60％。
实施方案37是根据实施方案35所述的显示系统，其中所述投影透镜系统的所述最大横向光学活性尺寸不大于所述成像器的所述最大横向光学活性尺寸的50％。
实施方案38是根据实施方案35所述的显示系统，其中所述投影透镜系统的所述最大横向光学活性尺寸不大于所述成像器的所述最大横向光学活性尺寸的40％。
实施方案39是根据实施方案35所述的显示系统，其中所述光导另外包括与所述光提取部分光学连通的光插入部分。
实施方案40是根据实施方案39所述的显示系统，其中折叠所述光导使得所述光插入部分面向所述光提取部分。
实施方案41是根据实施方案39所述的显示系统，其中所述光导另外包括光传输部分，所述光传输部分被设置成通过第一折叠部从所述光插入部分接收光，并通过第二折叠部将所述光传输到所述光提取部分。
实施方案42是根据实施方案41所述的显示系统，其中所述透镜具有光轴，所述光轴与所述光插入部分和所述光提取部分相交。
实施方案43为根据实施方案42所述的显示系统，其中所述光轴与所述光传输部分相交。
实施方案44是根据实施方案39所述的显示系统，其中所述成像器设置在所述光提取部分和所述光插入部分之间。
实施方案45是根据实施方案44所述的显示系统，其中所述空间光调制器是反射液晶面板。
实施方案46是根据实施方案45所述的显示系统，其中所述反射液晶面板是硅基液晶(LCoS)面板。
实施方案47是根据实施方案38所述的显示系统，其中所述光插入部分包括光学元件，所述光学元件被构造为至少部分地校准被注入所述光插入部分中的光。
实施方案48是一种光导，所述光导包括：
适于接收光的插入部分；
光传输部分，所述光传输部分被设置成通过第一折叠部从光插入部分接收光；以及
光提取部分，所述光提取部分被设置成通过第二折叠部从所述光传输部分接收光，
其中所述光提取部分与所述光插入部分间隔开并面向所述光插入部分。
实施方案49是根据实施方案48所述的光导，其中所光插入部分包括光学元件，所述光学元件被构造成至少部分地校准被接收到所述光插入部分中的光。
实施方案50是根据实施方案48所述的光导，其中所述光提取部分具有相反的第一主表面和第二主表面，所述第一主表面包括多个离散间隔开的光提取特征，所述多个离散间隔开的光提取特征被设置成从所述光提取部分通过所述第二主表面朝向所述光插入部分提取光。
实施方案51是根据实施方案50所述的光导，其中反射偏光器设置在所述第一主表面上。
实施方案52是根据实施方案48所述的光导，另外包括设置在所述光提取部分和所述光插入部分之间的反射器，所述反射器接收从所述光提取部分提取的光并通过所述光提取部分反射回所述光。
实施方案53是一种显示系统，所述显示系统包括根据实施方案52所述的光导和透射空间光调制器，所述透射空间光调制器被设置成通过所述光提取部分接收从所述反射器反射的光。
实施方案54是一种显示系统，所述显示系统包括根据实施方案48所述的光导与设置在所述光提取部分和所述光插入部分之间的反射空间光调制器。
实施方案55是一种光导，所述光导包括：
适于接收光的光插入部分，由所述光插入部分接收的所述光主要沿第一方向传播；
光传输部分，所述光传输部分被设置成从所述光插入部分接收光，所述光传输部分具有第一区段，由所述光传输部分接收的所述光主要沿第二方向在所述第一区段中传播；以及
光提取部分，所述光提取部分被设置成从所述光传输部分接收光，由所述光提取部分接收的所述光主要沿第三方向传播，
其中所述第一方向和第二方向之间的第一夹角为至少140度，并且所述第一方向和第三方向之间的第二夹角小于40度。
实施方案56是根据实施方案55所述的光导，其中所述第一夹角为至少160度，并且所述第二夹角小于20度。
实施方案57是根据实施方案55所述的光导，其中所述光传输部分通过第一折叠部从所述光插入部分接收光，并且所述光提取部分通过第二折叠部从所述光传输部分接收光。
实施方案58是根据实施方案55所述的光导，其中所述光提取部分具有相反的第一主表面和第二主表面，所述第一主表面包括多个离散间隔开的光提取特征，所述多个离散间隔开的光提取特征被设置成从所述光提取部分通过所述第二主表面朝向所述光插入部分提取光。
实施方案59是一种显示系统，所述显示系统包括根据实施方案55所述的光导和透射空间光调制器，所述透射空间光调制器设置在所述光提取部分附近，与所述光插入部分相对。
实施方案60是一种显示系统，所述显示系统包括根据实施方案55所述的光导和反射空间光调制器，所述反射空间光调制器设置在所述光提取部分和所述光插入部分之间。
实施方案61是一种显示系统，所述显示系统包括：
投影透镜系统；
光导，所述光导包括：
适于接收光的光插入部分，由所述光插入部分接收的光主要沿第一方向传播；
光提取部分，所述光提取部分被设置成从所述光插入部分接收光，由所述光提取部分接收的所述光主要沿第二方向传播，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角为至少120度，
其中所述光提取部分包括多个光提取特征，所述多个光提取特征适于从所述光提取部分朝向所述投影透镜系统提取光。
实施方案62是根据实施方案61所述的显示系统，其中所述夹角至少为140度。
实施方案63是根据实施方案61所述的显示系统，其中所述夹角至少为160度。
实施方案64是根据实施方案61所述的显示系统，其中所述夹角为约180度。
实施方案65是根据实施方案61所述的显示系统，其中所述光提取部分通过折叠从所述光插入部分接收光。
实施方案66是根据实施方案61所述的显示系统，其中所述光提取部分面向所述光插入部分。
实施方案67是根据实施方案61所述的显示系统，另外包括与所述光提取部分光学连通的空间光调制器。
实施方案68是根据实施方案61所述的显示系统，其中所述空间光调制器设置在所述投影透镜系统和所述空间光调制器之间。
实施方案69是根据实施方案61所述的显示系统，其中所述光提取部分设置在所述空间光调制器和所述投影透镜系统之间。
实施方案70是根据实施方案61所述的显示系统，其中所述投影透镜系统包括折叠光学系统。
实施方案71是根据实施方案61所述的显示系统，其中所述投影透镜系统包括折射光学系统。
相关的光学系统描述于以下美国专利申请中，该专利申请据此全文以引用方式并入本文：光学系统(OPTICAL SYSTEM)(序列号62/347650)，该专利申请与本申请同日提交。
除非另外指明，否则针对附图中元件的描述应被理解为同样应用于其它附图中的对应元件。虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。

Claims (17)

1.一种显示系统，包括：
用于形成图像的成像器，所述成像器包括离散间隔开的多个像素；
以光轴为中心的投影透镜系统，所述投影透镜系统用于投影由所述成像器形成的所述图像；以及
光导，所述光导具有光提取部分，所述光提取部分被构造为提供光输出中心光线方向，所述光输出中心光线方向具有相对于所述光轴的角度，所述角度随着所述光提取部分的输出表面上的位置而变化，
其中光从所述光提取部分提取为朝向所述成像器的至少部分准直的光，所述成像器将成像的光朝向所述投影透镜系统穿过所述光提取部分反射回来，并且对于所述多个像素中的每个像素，所述成像器被构造为发射具有中心光线的光锥，所述中心光线具有随着所述成像器中的所述像素的位置而变化的方向，所述变化使通过所述投影透镜系统投影的图像的亮度增加了至少30％，并且
其中所述光提取部分具有结构化表面，所述结构化表面包括光提取特征，所述光提取特征通过围绕与所述光轴平行的轴线的曲率的组合将光向所述成像器聚集，所述光提取特征沿着与所述光轴正交的第一轴聚集光，并且沿着与所述光轴正交的第二轴改变所述光提取特征的角度，所述光提取特征沿着所述第二轴聚集光，所述第一轴与所述第二轴正交。
2.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述投影透镜系统包括折叠光学系统。
3.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述折叠光学系统包括：
第一部分反射器，所述第一部分反射器在期望的多个波长中具有至少30％的平均光学反射率；以及
第二部分反射器，所述第二部分反射器邻近所述第一部分反射器并且与所述第一部分反射器间隔开。
4.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述第二部分反射器是透射具有第一偏振态的光并且反射具有正交的第二偏振态的光的反射偏振器。
5.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述第二部分反射器在所述期望的多个波长中具有至少30％的平均光学反射率。
6.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述投影透镜系统包括折射光学系统。
7.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述投影透镜系统具有受光角，并且所述中心光线方向的所述变化使由所述成像器发射的在所述受光角内的光增加至少30％。
8.根据权利要求1所述的显示系统，其中成像器具有表面法线，并且所述中心光线和所述表面法线之间的角度随着所述成像器中的所述像素的位置而变化。
9.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述投影透镜系统具有比所述成像器的最大光学活性尺寸的二分之一小的最大横向光学活性尺寸。
10.一种显示系统，包括：
投影透镜系统，所述投影透镜系统具有以光轴为中心的一个或多个透镜；
光导，所述光导包括：
适于接收光的光插入部分；
光传输部分，所述光传输部分被设置成从所述光插入部分接收光；以及
光提取部分，所述光提取部分被设置成从所述光传输部分接收光，所述光提取部分被构造为提供光输出中心光线方向，所述光输出中心光线方向具有相对于所述光轴的角度，所述角度随着所述光提取部分的输出表面上的位置而变化，所述光提取部分沿所述光轴与所述光插入部分分开，在所述光提取部分和所述光插入部分之间形成空间；以及
与所述光提取部分光学连通的空间光调制器，
其中所述光导被折叠成使得所述光提取部分面向所述光插入部分，并且光从所述光提取部分提取为朝向所述空间光调制器的至少部分准直的光，所述空间光调制器将成像的光朝向所述投影透镜系统穿过所述光提取部分反射回来，并且
其中所述光提取部分具有结构化表面，所述结构化表面包括光提取特征，所述光提取特征通过围绕与所述光轴平行的轴线的曲率的组合将光向所述空间光调制器聚集，所述光提取特征沿着与所述光轴正交的第一轴聚集光，并且沿着与所述光轴正交的第二轴改变所述光提取特征的角度，所述光提取特征沿着所述第二轴聚集光，所述第一轴与所述第二轴正交。
11.一种显示系统，包括：
投影透镜系统，所述投影透镜系统具有一个或多个透镜并且具有最大横向光学活性尺寸；
具有最大横向光学活性尺寸的成像器，所述投影透镜系统投影由所述成像器形成的图像；
光导，所述光导用于从光源接收光并且包括设置在所述投影透镜系统和所述成像器之间的光提取部分，所述光提取部分包括多个离散间隔开的光提取特征以便朝向所述成像器提取和引导所接收到的光，其中光从所述光提取部分提取为朝向所述成像器的至少部分准直的光，所述成像器将成像的光朝向所述投影透镜系统穿过所述光提取部分反射回来，
其中所述投影透镜系统的所述最大横向光学活性尺寸不大于所述成像器的所述最大横向光学活性尺寸的80％，并且
其中所述光提取部分具有结构化表面，所述结构化表面包括光提取特征，所述光提取特征通过围绕与光轴平行的轴线的曲率的组合将光向所述成像器聚集，所述光提取特征沿着与所述光轴正交的第一轴聚集光，并且沿着与所述光轴正交的第二轴改变所述光提取特征的角度，所述光提取特征沿着所述第二轴聚集光，所述第一轴与所述第二轴正交。
12.一种光导，包括：
适于接收光的光插入部分；
光传输部分，所述光传输部分被设置成通过第一折叠部从光插入部分接收光；以及
光提取部分，所述光提取部分被设置成通过第二折叠部从所述光传输部分接收光，
其中所述光提取部分与所述光插入部分间隔开并面向所述光插入部分，
其中所述光提取部分具有相反的第一主表面和第二主表面，所述第一主表面包括多个离散间隔开的光提取特征，所述多个离散间隔开的光提取特征被设置成将从所述光提取部分通过所述第二主表面朝向所述光插入部分提取为至少部分准直的光，并且
其中所述光提取部分具有结构化表面，所述结构化表面包括光提取特征，所述光提取特征通过围绕与光轴平行的轴线的曲率的组合将光向所述光插入部分聚集，所述光提取特征沿着与所述光轴正交的第一轴聚集光，并且沿着与所述光轴正交的第二轴改变所述光提取特征的角度，所述光提取特征沿着所述第二轴聚集光，所述第一轴与所述第二轴正交。
13.根据权利要求12所述的光导，其中所述光插入部分包括光学元件，所述光学元件被构造成至少部分地校准被接收到所述光插入部分中的光。
14.一种光导，包括：
适于接收光的光插入部分，由所述光插入部分接收的所述光沿第一方向传播；
光传输部分，所述光传输部分被设置成从所述光插入部分接收光，所述光传输部分具有第一区段，由所述光传输部分接收的所述光沿第二方向在所述第一区段中传播；以及
光提取部分，所述光提取部分被设置成从所述光传输部分接收光，由所述光提取部分接收的所述光沿第三方向传播，
其中所述第一方向和所述第二方向之间的第一夹角为180度，并且所述第一方向和所述第三方向之间的第二夹角小于20度，并且
其中所述光提取部分具有结构化表面，所述结构化表面包括光提取特征，所述光提取特征通过围绕与光轴平行的轴线的曲率的组合将光沿着所述第三方向聚集，所述光提取特征沿着与所述光轴正交的第一轴聚集光，并且沿着与所述光轴正交的第二轴改变所述光提取特征的角度，所述光提取特征沿着所述第二轴聚集光，所述第一轴与所述第二轴正交。
15.根据权利要求14所述的光导，其中所述光提取部分具有相反的第一主表面和第二主表面，所述第一主表面包括多个离散间隔开的光提取特征，所述多个离散间隔开的光提取特征被设置成从所述光提取部分通过所述第二主表面朝向所述光插入部分提取光。
16.一种显示系统，包括：
投影透镜系统；
光导，所述光导包括：
适于接收光的光插入部分，由所述光插入部分接收的所述光沿第一方向传播；
光提取部分，所述光提取部分被设置成从所述光插入部分接收光，由所述光提取部分接收的所述光沿第二方向传播，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角为180度，
其中所述光提取部分包括多个光提取特征，所述多个光提取特征通过围绕与光轴平行的轴线的曲率的组合将光向所述投影透镜系统聚集，所述光提取特征沿着与所述光轴正交的第一轴聚集光，并且沿着与所述光轴正交的第二轴改变所述光提取特征的角度，所述光提取特征沿着所述第二轴聚集光，所述第一轴与所述第二轴正交。
17.根据权利要求16所述的显示系统，其中所述投影透镜系统包括折叠光学系统。
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