CN109387941B - 光学窗系统和包括其的透视型显示装置 - Google Patents

光学窗系统和包括其的透视型显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明构思提供一种光学窗系统和包括其的透视型显示装置。一种光学窗系统包括：路径转换构件，其被配置为将第一图像的光的路径从第一方向改变到第二方向，路径转换构件对第二方向上入射的光是半透明的；以及聚焦构件，其被配置为在第二方向上聚焦第一图像的光。此外，路径转换构件被构造为根据由路径转换构件在第一方向上的第一长度和路径转换构件在第二方向上的第二长度限定的满足预定条件的角度而占据空间，从而减小系统厚度并提供宽的视场。

Description

光学窗系统和包括其的透视型显示装置
技术领域
本公开涉及光学窗系统和透视(see-through)型显示装置。
背景技术
提供虚拟现实(VR)的头戴式显示器已经商用并且广泛用于娱乐产业。此外，头戴式显示器已经发展成适用于医学、教育领域及其它产业的类型。
增强现实(AR)显示器是VR显示器的高级形式，是将现实世界与VR相结合并能够引出现实与VR之间的交互的图像装置。现实与VR之间的交互是基于实时提供关于现实情境的信息的功能，并且现实的效果通过在现实世界的环境中叠加虚拟对象或信息而进一步增强。因此，AR显示器可以用于各种各样的应用，诸如工业中的功能辅助、现实娱乐系统、教育和医疗辅助。对于这些应用，长期确保装置的可靠性和耐用性是重要的。
发明内容
提供了光学窗系统和包括该光学窗系统的透视型显示装置。
另外的方面将在下面的描述中被部分地阐述且部分将自该描述是明显的，或者可以通过本示例性实施方式的实践而被了解。
根据一示例性实施方式的一方面，提供一种光学窗系统，其包括：路径转换构件，其被配置为将第一图像的光的路径从第一方向改变到第二方向，路径转换构件对第二方向上入射的光是半透明的；以及聚焦构件，其被配置为在第二方向上聚焦第一图像的光，其中路径转换构件被构造为根据由路径转换构件在第一方向上的第一长度和路径转换构件在第二方向上的第二长度限定的满足预定条件的角度而占据空间。
由tan-1(第二长度/第一长度)限定的角度可以小于45°。
由tan-1(第二长度/第一长度)限定的角度可以满足以下条件：5°≤角度≤30°。
聚焦构件可以包括半透明凹面镜，并且路径转换构件可以位于半透明凹面镜与观察者之间。
路径转换构件可以包括具有全息图案的第一全息光学元件，全息图案被构造为将第一方向上入射的第一图像的光改变为在第二方向上出射。
光学窗系统还可以包括位于路径转换构件与半透明凹面镜之间的第二全息光学元件，第二全息光学元件可以包括配置为将第二方向上入射的光朝半透明凹面镜以给定宽度散射的全息图案。
路径转换构件可以包括含多个楔形小平面的楔型棱镜，其中楔形小平面可以布置在与第一方向形成角度的第三方向上，以及其中楔形小平面中的一个或更多个可以相对于第一方向倾斜45°。
聚焦构件还可以包括偏振选择透镜，偏振选择透镜用于具有第一偏振态的光，并且对具有垂直于第一偏振态的第二偏振态的光基本上不具有屈光力，并且偏振选择透镜位于路径转换构件与观察者之间。
路径转换构件还可以包括全息光学元件，全息光学元件具有配置为将第一方向上入射的第一图像的光改变为在第二方向上出射的全息图案。
光学窗系统还可以包括偏振器，偏振器具有第二偏振方向上的偏振轴，位于与全息光学元件的面对偏振选择透镜的第二侧相反的全息光学元件的第一侧上。
路径转换构件可以包括含多个楔形小平面的楔型棱镜，其中楔形小平面可以布置在与第一方向形成角度的第三方向上，以及其中楔形小平面中的一个或更多个可以相对于第一方向倾斜45°。
光学窗系统还可以包括偏振器，偏振器具有第二偏振方向上的偏振轴，位于与楔型棱镜的面对偏振选择透镜的第二侧相反的楔型棱镜的第一侧上。
根据另一示例性实施方式的一方面，提供一种透视型显示装置，其包括：图像形成系统，其被配置为在第一方向上形成第一图像；路径转换构件，其被配置为将第一图像的光的路径改变为第二方向，路径转换构件对第二方向上入射的现实环境的第二图像是半透明的；以及聚焦构件，其被配置为在第二方向上聚焦第一图像的光，其中路径转换构件被构造为根据由路径转换构件在第一方向上的第一长度和路径转换构件在第二方向上的第二长度限定的满足预定条件的角度而占据空间。
由tan-1(第二长度/第一长度)限定的角度可以小于45°。
由tan-1(第二长度/第一长度)限定的角度可以满足以下条件：5°≤角度≤30°。
聚焦构件可以包括半透明凹面镜，并且路径转换构件可以位于半透明凹面镜与观察者之间。
路径转换构件可以包括第一全息光学元件，第一全息光学元件具有配置为将第一方向上入射的第一图像的光改变为在第二方向上朝半透明凹面镜出射的全息图案。
透视型显示装置还可以包括位于路径转换构件与半透明凹面镜之间的第二全息光学元件，第二全息光学元件包括配置为将从路径转换构件入射的光朝半透明凹面镜以给定宽度散射的全息图案。
路径转换构件可以包括含多个楔形小平面的楔型棱镜，其中楔形小平面可以布置在与第一方向形成角度的第三方向上，以及其中楔形小平面中的一个或更多个可以相对于第一方向倾斜45°。
楔型棱镜可以包括：第一棱镜，其包括镜面涂覆的多个楔形小平面；以及第二棱镜，其包括具有与第一棱镜相同的折射率的材料，第二棱镜与第一棱镜共用所述多个楔形小平面。
楔型棱镜可以包括：第一棱镜，其包括多个楔形小平面；以及第二棱镜，其包括具有与第一棱镜相同的折射率的材料，并且包括与所述多个楔形小平面平行的多个全反射小平面，其中第二棱镜与第一棱镜间隔开并且其间具有气隙。
透视型显示装置还可以包括位于路径转换构件与半透明凹面镜之间的全息光学元件，全息光学元件包括配置为将从路径转换构件入射的光朝半透明凹面镜以给定宽度散射的全息图案。
聚焦构件可以包括偏振选择透镜，偏振选择透镜用于具有第一偏振态的光，并且对具有垂直于第一偏振态的第二偏振态的光基本上不具有屈光力，并且偏振选择透镜可以位于路径转换构件与观察者之间。
偏振选择透镜可以包括：光学各向异性材料部分，其相对于具有第一偏振态的光和具有第二偏振态的光具有不同的折射率；以及光学各向同性材料部分，其具有与光学各向异性材料部分相对于拥有第二偏振态的光的折射率相同的折射率，其中光学各向异性材料部分与光学各向同性材料部分之间的界面可以是透镜表面。
偏振选择透镜可以包括含具有亚波长形状尺寸的纳米结构的超透镜(metalens)。
偏振选择透镜可以包括几何相位透镜。
路径转换构件可以包括全息光学构件，并且全息光学构件可以包括配置为将第一方向上入射的第一图像的光改变为在第二方向上朝偏振选择透镜出射的全息图案。
透视型显示装置还可以包括偏振器，偏振器具有第二偏振方向上的偏振轴，位于与全息光学元件的面对偏振选择透镜的第二侧相反的全息光学元件的第一侧上。
路径转换构件可以包括含多个楔形小平面的楔型棱镜，其中楔形小平面可以布置在与第一方向形成角度的第三方向上，以及其中楔形小平面中的一个或更多个可以相对于第一方向倾斜45°。
楔型棱镜可以包括：第一棱镜，其包括镜面涂覆的多个楔形小平面；以及第二棱镜，其包括具有与第一棱镜相同的折射率的材料，第二棱镜与第一棱镜共用所述多个楔形小平面。
楔型棱镜可以包括：第一棱镜，其包括多个楔形小平面；以及第二棱镜，其包括具有与第一棱镜相同的折射率的材料，第二棱镜包括与所述多个楔形小平面平行的多个全反射小平面，第二棱镜与第一棱镜间隔开并且其间具有气隙。
透视型显示装置还可以包括偏振器，偏振器具有第二偏振方向上的偏振轴，位于与楔型棱镜的面对偏振选择透镜的第二侧相反的楔型棱镜的第一侧上。
透视型显示装置可以是头戴式显示器(HMD)。
根据另一示例性实施方式的一方面，提供一种光学窗系统，其包括：路径转换构件，其被配置为将第一图像的光的路径从第一方向改变到第二方向，并且被配置为具有满足预定条件的对应于第一方向的第一长度和对应于第二方向的第二长度；以及聚焦构件，其被配置为在第二方向上聚焦第一图像的光。
在光学窗系统中，第一长度与第二长度之间的关系可以满足预定条件。
当第二长度与第一长度的比率小于1时可以满足预定条件。
附图说明
这些和/或另外的方面将由以下结合附图的对示例性实施方式的描述变得明显且更易理解，在附图中：
图1是示意性地示出根据一示例性实施方式的光学窗系统的配置的概念图；
图2A是示出根据一示例性实施方式的图1的光学窗系统中采用的路径转换构件所占据的空间的视场和尺寸的概念图；
图2B是示出一比较示例的路径转换构件所占据的空间的视场和尺寸的概念图；
图3是示出根据一示例性实施方式的透视型显示装置中的光学布置的视图；
图4是示出形成根据一示例性实施方式的在图3的透视型显示装置中采用的第一全息光学元件的方法的概念图；
图5是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置中的光学布置的视图；
图6是示出形成根据一示例性实施方式的在图5的透视型显示装置中采用的第二全息光学元件的方法的概念图；
图7是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置中的光学布置的视图；
图8是示出根据另一示例性实施方式的在图7的透视型显示装置中采用的楔型棱镜的形状的局部放大图；
图9是示出根据另一示例性实施方式的可在图7的透视型显示装置中采用的另一楔型棱镜的形状的局部放大图；
图10是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置中的光学布置的视图；
图11是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置中的光学布置的视图；
图12是示出根据一示例性实施方式的在图11的透视型显示装置中采用的偏振选择透镜的构造的视图；
图13是示出根据一示例性实施方式的可在图11的透视型显示装置中采用的另一偏振选择透镜的视图；
图14A和图14B分别是示出根据一示例性实施方式的透视型显示装置中可采用的偏振选择透镜的另一示例的剖视图和俯视图；
图15是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置中的光学布置的视图；
图16是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置中的光学布置的视图；以及
图17是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置中的光学布置的视图。
具体实施方式
现在将详细参照其示例在附图中示出的示例性实施方式，其中相同的附图标记始终指代相同的元件。就此而言，本示例性实施方式可以具有不同的形式，并且不应被解释为限于在此阐明的描述。因此，下面通过参照附图仅描述示例性实施方式以说明方面。当在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目中的一个或更多个的任何及所有组合。
在下文中，将参照附图描述本公开的实施方式。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件，并且为了图示的清楚，元件的尺寸可以被夸大。这里描述的示例性实施方式仅是为了例示的目的，并且可以在其中进行各种各样的修改。
在以下描述中，当一元件被称为“在”另一元件“之上”或“上”时，它可以在与所述另一元件接触的同时直接在所述另一元件上，或者可以在所述另一元件之上而不与所述另一元件接触。
当在此使用时，单数形式“一”和“该”旨在还包括复数形式，除非上下文清楚地另行指示。还将理解，这里使用的术语“包括”和/或“包含”指明所陈述的特征或元件的存在，但不排除一个或更多个另外的特征或元件的存在或添加。
随定冠词或指示代词提到的一元件可以被解释为该元件或多个元件，即使其具有单数形式。
方法的操作可以按适当的次序被执行，除非在次序方面明确地描述或者相反地描述。也就是，操作不限于操作被描述的次序。在本公开中，除非由权利要求限定，否则示例或示例性术语(例如“诸如”和“等”)用于描述的目的，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是示意性地示出根据一示例性实施方式的光学窗系统OW的配置的概念图。图2A是示出图1的光学窗系统OW中采用的路径转换构件PE所占据的空间SP的视场和尺寸的概念图，图2B是示出一比较示例的路径转换构件所占据的空间SP'的视场和尺寸的概念图。
参照图1，光学窗系统OW被配置为在改变第一图像的路径之后将第一图像发送给观察者，并允许观察者看到前方环境，例如现实环境或另一图像。在下文中，观察者的前方环境将被统称为现实环境RE。为此，光学窗系统OW包括：路径转换构件PE，其被配置为将第一图像的路径从第一方向改变到第二方向，并对第二方向上入射的光是半透明的；以及聚焦构件FE，其被配置为在第一图像的路径由路径转换构件PE改变之后将第一图像聚焦在观察者位置处。因此，第一图像的光L1以及从观察者的前侧入射的光L2即来自现实环境RE的光L2可以到达观察者位置。例如，第一方向可以是X轴方向。聚焦构件FE的位置被示为在观察者与路径转换构件PE之间，但不限于此。例如，路径转换构件PE可以位于观察者与聚焦构件FE之间。第二方向可以与Y轴方向平行，并且可以是正(+)或负(－)Y轴方向。
参照图2A，路径转换构件PE所占据的空间SP在第一方向上具有长度W并在第二方向上具有长度t，并且由长度W和t限定的角度θ满足以下条件：
θ＝tan-1(t/W)<45°(1)
该条件在增大光学窗系统OW的视场的同时尽可能减小光学窗系统OW的厚度。
根据另一示例性实施方式，路径转换构件被构造为具有满足预定条件的对应于第一方向的第一长度(W)和对应于第二方向的第二长度(t)。例如，路径转换构件被构造为占据空间SP，使得第一方向上的长度W与第二方向上的长度t之间的关系满足特定条件。
根据一示例性实施方式，第一方向上的长度W与第二方向上的长度t之间的关系使得由长度W和t限定的角度θ满足以下条件：
θ＝tan-1(t/W)<45°
根据另一示例性实施方式，第一方向上的长度W与第二方向上的长度t之间的关系使得由长度t和W限定的比率小于1。
在图2A中，仅示出了用于放置路径转换构件PE所需的空间SP，未示出路径转换构件PE。具有各种形状的路径转换构件PE可以位于空间SP中。例如，路径转换构件PE可以具有与空间SP相同的矩形剖面形状、对角分割的三角形剖面形状、或对角伸长的四边形剖面形状。路径转换构件PE在X轴方向上扩展第一图像。也就是，随着空间SP在第一方向上测量的长度W增加，观察者位置处的视场增大。此外，第二方向上的长度t相应地增加。第二方向上的长度t与光学窗系统OW的厚度密切相关。当光学窗系统OW邻近于观察者的眼睛定位时，例如当光学窗系统OW像眼镜一样被佩戴时，随着光学窗系统OW的厚度增加，佩戴便利性降低。
随着角度θ减小，光学窗系统OW的视场增大，并且光学窗系统OW的厚度减小。然而，因为路径转换构件PE具有改变第一图像的路径的功能，所以实际上不可能将角度θ设定为零。
在示例性实施方式中，条件(1)被提出以通过尽可能地减小角度θ而增大视场并减小系统厚度。根据一示例性实施方式，角度θ可以满足以下条件。
5°≤θ≤30°(2)
参照图2B，半反射镜HM被示为构造成将第一图像的路径改变至第二方向并对第二方向上入射的光半透明的示例构件。半反射镜HM相对于第一方向倾斜45°。
半反射镜HM所占据的空间SP'具有彼此相等的第一方向上的长度W'和第二方向上的长度t'，导致比以上示例性实施方式中的视场更窄的视场以及比以上实施方式中的系统厚度更大的系统厚度。
在下文中，将描述具有宽视场并能够减小系统厚度的各种各样类型的光学窗系统。示例性实施方式的光学窗系统可以在透视型显示装置中采用，因而将在下面被描述为透视型显示装置的部件。然而，光学窗系统不限于该应用。
图3是示出根据一示例性实施方式的透视型显示装置1000中的光学布置的视图，图4是示出形成图3的透视型显示装置1000中采用的第一全息光学元件120的方法的概念图。
透视型显示装置1000包括：图像形成系统DS，其被配置为在第一方向上形成第一图像的光L1；以及光学窗系统101，其被配置为改变第一图像的光L1的路径以将第一图像的光L1指引到观察者。此外，光学窗系统101对从观察者前侧入射的光是半透明的，并且被配置为将前侧现实环境RE与第一图像一起被提供到观察者的视野。
通过图像形成系统DS形成的第一图像可以是二维图像或三维图像，并且三维图像可以是全息图像、立体图像、光场图像、积分摄影(IP)图像等。此外，第一图像可以包括多视角图像或超多视角图像。
现在将描述图像形成系统DS的示例配置。下面描述的图像形成系统DS的配置是例示性配置，并且图像形成系统DS不限于此。
图像形成系统DS包括：光源10；显示器件20，其被配置为通过根据图像信息调制从光源10发射的光而形成图像；以及光学系统，其被配置为扩大或缩小图像并将图像发送到给定位置。
例如，显示器件20可以包括硅上液晶(LCoS)器件、液晶显示(LCD)器件、有机发光二极管(OLED)显示器件或数字微镜器件(DMD)。此外，显示器件20可以包括诸如微型发光二极管(LED)显示器件或量子点(QD)LED显示器件的下一代显示器件。
分束器30可以被提供在光源10与显示器件20之间。分束器30可以反射从光源10发射的光以朝向显示器件20改变光的路径，并且可以在光由显示器件20调制之后透过光。
透过分束器30的光可以传输到中继光学系统。中继光学系统可以包括一对中继透镜40和空间滤波器50。
中继透镜40包括两个透镜42和44，并且两个透镜42和44的焦距可以彼此相等或彼此不同。由显示器件20形成的图像可以取决于两个焦距的比率而放大或缩小。
空间滤波器50可以位于中继透镜40的两个透镜42和44的焦平面上或其附近。空间滤波器50可以具有诸如针孔的孔。空间滤波器50可以用于从穿过透镜42的光中去除噪声。
柱面透镜60包括第一柱面透镜62和第二柱面透镜64。穿过中继光学系统的光在穿过第一柱面透镜62和第二柱面透镜64的同时在Y轴方向和X轴方向上扩展。虽然示出了反射镜构件70位于第一柱面透镜62与第二柱面透镜64之间，但这是非限制性示例。在另一示例中，反射镜构件70的位置和第一柱面透镜62的位置可以颠倒。
光学窗系统101包括：第一全息光学元件120，其被配置为改变由图像形成系统DS形成的第一图像的光L1的路径，从而在(与Y轴平行的)第二方向上指引第一图像的光L1，第一全息光学元件120对在第二方向上传播的现实环境RE的光L2是半透明的；以及半透明凹面镜140，其被配置为在第一图像的路径由第一全息光学元件120改变之后将第一图像聚焦在观察者位置处。由图像形成系统DS形成的图像可以通过第一全息光学元件120被指引到半透明凹面镜140，然后可以被半透明凹面镜140反射和聚焦到观察者位置上。
由第一全息光学元件120所占据的空间的第一方向上的长度W和第二方向上的长度t限定的角度θ满足以下条件：
θ＝tan-1(t/W)<45°
角度θ可以满足以下条件：
5°≤θ≤30°
第一全息光学元件120可以位于观察者与半透明凹面镜140之间。第一全息光学元件120包括全息图案，使得第一方向上入射的光可以在第二方向上朝半透明凹面镜140指向。全息图案可以通过两个相干光束例如信号光束与参考光束之间的干涉形成。
参照图4，全息介质120'以与第一方向即X轴方向成角度θ被放置。然后，光在第一方向即X轴方向上作为参考光束LR投射，并且光在第二方向即Y轴方向上作为信号光束LS投射。全息介质120'可以是包括诸如光致抗蚀剂或光聚合物的材料的光敏介质。高度相干的激光束可以用作参考光束LR和信号光束LS。光学干涉图案可以通过在图4中所示的方向上入射到全息介质120'上的信号光束LS和参考光束LR形成在全息介质120'上，因而图3中所示的第一全息光学元件120可以被提供。
在第一方向上入射到第一全息光学元件120上的第一图像的光L1通过上述干涉图案朝半透明凹面镜140指向。半透明凹面镜140将入射光聚焦在观察者位置处。第一全息光学元件120具有仅针对第一方向上入射的光的上述路径转换功能，并对其它方向上入射的光基本上半透明。也就是，从观察者前侧入射的现实环境RE的光L2在没有路径变化的情况下传播。因此，观察者可以识别第一图像和观察者前方的现实环境RE两者。
图5是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置2000中的光学布置的视图，图6是示出形成图5的透视型显示装置2000中采用的第二全息光学元件130的方法的概念图。
透视型显示装置2000包括：图像形成系统DS，其被配置为在第一方向上形成第一图像；以及光学窗系统102，其被配置为通过改变第一图像的光L1的路径将第一图像的光L1聚焦在观察者位置处，光学窗系统102对现实环境RE的光L2是半透明的。
透视型显示装置2000不同于图3的透视型显示装置1000在于，光学窗系统102还包括第二全息光学元件130。
在透视型显示装置2000的光学窗系统102中，第二全息光学元件130被进一步提供在第一全息光学元件120与半透明凹面镜140之间。
第二全息光学元件130具有全息图案，使得在光的路径由第一全息光学元件120改变之后到达第二全息光学元件130的光可以以给定宽度朝半透明凹面镜140散射。全息图案可以通过两个相干光束例如信号光束和参考光束之间的干涉形成。
参照图6，在全息介质130'与第一方向平行地放置之后，光在第二方向上作为参考光束LR投射，并且相对于第二方向以一角度散射的光作为信号光束LS投射。相对于第二方向以一角度散射的光可以使用散射板SP被形成。然而，本公开不限于此。例如，可以使用透镜阵列。全息介质130'可以是包括诸如光致抗蚀剂或光聚合物的材料的光敏介质。高度相干的激光束可以用作参考光束LR和信号光束LS。光学干涉图案可以通过在图6中所示的方向上入射到全息介质130'上的信号光束LS和参考光束LR形成在全息介质130'上，因而图5中所示的第二全息光学元件130可以被形成。
在第二方向上入射到第二全息光学元件130上的第一图像的光L1在通过上述干涉图案以一角度散射的同时朝半透明凹面镜140指向。半透明凹面镜140将入射光聚焦在观察者位置处。此时，聚焦位置是如图5中所示的具有一定尺寸的区域。也就是，在保持光学窗系统102的尺寸的同时，拓宽了可通过其观察图像的眼动范围(eyebox)。
图7是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置3000中的光学布置的视图，图8是示出图7的透视型显示装置3000中采用的楔形棱镜170的形状的局部放大图。
透视型显示装置3000包括：图像形成系统DS，其被配置为在第一方向上形成第一图像；以及光学窗系统103，其被配置为通过改变第一图像的光L1的路径将第一图像的光L1聚焦在观察者位置处，光学窗系统103对现实环境RE的光L2是半透明的。
透视型显示装置3000不同于图3的透视型显示装置1000在于，光学窗系统103包括楔型棱镜170作为路径转换构件。
参照图8，楔型棱镜170包括布置在与第一方向成角度θ的方向上并相对于第一方向倾斜45°的多个楔形小平面WF。楔形小平面WF的每个相对于第一方向倾斜45°，使得入射光的方向可以改变90°，并且因为当在第一方向上被观察时，楔形小平面WF彼此交叠，所以可以减小系统厚度。也就是，楔型棱镜170所占据的空间的第一方向宽度和第二方向长度可以被确定以将角度θ调节至期望值。
如图8中所示，楔型棱镜170包括：第一棱镜175，其具有多个楔形小平面WF和形成在多个楔形小平面WF上的镜面涂覆膜MC；以及第二棱镜178，其包括具有与第一棱镜175相同的折射率的材料，并与第一棱镜175共用多个楔形小平面WF和镜面涂覆膜MC。因为第一棱镜175和第二棱镜178包括具有相同折射率的材料，所以楔型棱镜170的其中未形成镜面涂覆膜MC的部分实质上不具有光学界面，因而楔型棱镜170可以是半透明的。
图8的楔型棱镜170可以通过在其中包含具有与第一棱镜175相同的折射率的折射率匹配油的结构中放置第一棱镜175而不使用诸如第二棱镜178的结构被提供。
图9是示出图7的透视型显示装置3000中可采用的另一楔型棱镜171的形状的局部放大图。
参照图9，楔型棱镜171包括：第一棱镜175，其具有多个楔形小平面WF；以及第二棱镜179，其包括具有与第一棱镜175相同的折射率的材料和与多个楔形小平面WF平行的多个全反射小平面TR，其中第二棱镜179与第一棱镜175间隔开并且其间形成有气隙G。
因为第一棱镜175和第二棱镜179彼此间隔开，所以在第一方向上传播的第一图像的光L1可以在第二方向上被全反射小平面TR全反射。此外，因为第一棱镜175和第二棱镜179包括具有相同折射率的材料，并且第一棱镜175的楔形小平面WF和第二棱镜179的全反射小平面TR彼此平行，所以楔型棱镜171可以通过充分地减小气隙G而被制成为半透明的。
图10是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置4000中的光学布置的视图。
透视型显示装置4000不同于图7的透视型显示装置3000在于，光学窗系统104还包括全息光学元件130。
透视型显示装置4000包括：图像形成系统DS，其被配置为在第一方向上形成第一图像；以及光学窗系统104，其被配置为通过改变第一图像的光L1的路径将第一图像的光L1聚焦在观察者位置处，光学窗系统104对现实环境RE的光L2是半透明的。
光学窗系统104包括楔型棱镜170、半透明凹面镜140和全息光学元件130。全息光学元件130位于楔型棱镜170与半透明凹面镜140之间。全息光学元件130具有将从楔型棱镜170入射的光朝半透明凹面镜140以给定宽度散射的全息图案。
全息光学元件130与参照图5描述的第二全息光学元件130基本相同。
如果在第一图像的光L1的路径由楔型棱镜170改变之后第一图像的光L1在第二方向上入射到全息元件130上，则第一图像的光L1在由全息光学元件130的干涉图案以一角度散射的同时被指引到半透明凹面镜140。半透明凹面镜140将入射光聚焦在观察者位置处。此时，聚焦位置是如图10中所示的具有一定尺寸的区域。也就是，在保持光学窗系统104的尺寸的同时，可通过其观察图像的眼动范围被加宽。
图11是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置5000中的光学布置的视图，图12是示出图11的透视型显示装置5000中采用的偏振选择透镜500的构造的视图。
透视型显示装置5000包括：图像形成系统DS，其被配置为在第一方向上形成第一图像；以及光学窗系统105，其被配置为通过改变第一图像的光L1的路径将第一图像的光L1聚焦在观察者位置处，光学窗系统105对现实环境RE的光L2是半透明的。
透视型显示装置5000不同于上述透视型显示装置1000在于，光学窗系统105包括偏振选择透镜500作为聚焦构件。
偏振选择透镜500可以位于第一全息光学元件121与观察者之间。偏振选择透镜500用作用于具有第一偏振态的光的透镜，并且对具有垂直于第一偏振态的第二偏振态的光基本上不具有屈光力。因此，在入射到偏振选择透镜500上的光当中，具有第一偏振态的光被折射，具有第二偏振态的光透过偏振选择透镜500而没有折射。具有不同偏振态并在不同方向上入射到偏振选择透镜500上的光束可以以相同的路径传播，并且在这方面，偏振选择透镜500可以作为光学组合器操作。
参照图12，偏振选择透镜500包括：光学各向异性材料部分530，其相对于具有第一偏振态的光和具有第二偏振态的光具有不同的折射率；以及光学各向同性材料部分510，其具有与光学各向异性材料部分530相对于拥有第二偏振态的光所具有的折射率相同的折射率。例如，光学各向异性材料部分530可以具有相对于拥有第一偏振态的光的折射率ne以及相对于拥有第二偏振态的光的折射率no。例如，第一偏振态可以是由符号⊙表示的S偏振态，第二偏振态可以是由符号
Figure BDA0001575497470000141
表示的P偏振态。光学各向同性材料部分510相对于拥有第一偏振态的光和拥有第二偏振态的光具有相同的折射率，并且光学各向同性材料部分510的折射率可以是no。
光学各向异性材料部分530与光学各向同性材料部分510之间的界面BS是透镜表面。例如，如图12中所示，透镜表面可以具有能够将入射光朝观察者聚焦的凸透镜形状。
因此，如果具有各种偏振态的光入射到偏振选择透镜500上，则在光学各向异性材料部分530与光学各向同性材料部分510之间的界面BS处发生两个偏振分量的分离。也就是，相对于具有第一偏振态的光，界面BS用作具有不同折射率的材料之间的光学界面。因此，具有第一偏振态的光根据界面BS的形状在被折射的同时穿透界面BS。相对于具有第二偏振态的光，光学各向异性材料部分530和光学各向同性材料部分510是基本相同的材料，即其间基本上没有光学界面。因此，具有第二偏振态的光沿着与其入射路径相同的路径穿透界面BS。
因此，如果在第一方向上传播的第一图像的光L1是S偏振光，则偏振选择透镜500可以用作将第一图像的光L1聚焦在观察者位置处的透镜。
图13示出可在图11的透视型显示装置5000中采用的另一偏振选择透镜501。
偏振选择透镜501可以是包括具有亚波长形状尺寸的纳米结构NS的超透镜。亚波长形状尺寸意思是限定纳米结构NS的形状的诸如高度(h)或剖面长度D的尺寸小于入射光的波长。
纳米结构NS可以布置为形成能够以取决于位置的方式改变入射光的相位的形状尺寸分布，从而赋予超透镜期望的光学性能。纳米结构NS的尺寸可以根据位置确定，使得超透镜可以用作凸透镜。例如，如果纳米结构NS以纳米结构NS的剖面长度D在向外径向方向上减小的这样的方式被布置，则金属透镜可以用作凸透镜。在这种情况下，如果纳米结构NS具有形状各向异性，则超透镜相对于具有特定偏振态的光可以用作凸透镜。
使用光学各向异性材料和光学各向同性材料的情况以及包括具有形状各向异性的纳米结构的超透镜作为偏振选择透镜500和501的示例被示出。然而，本公开不限于此。
此外，几何相位透镜可以用作偏振选择透镜。几何相位透镜是能够几何相位调制的透镜，并且可以被配置为通过调节液晶的取向而用作各种光学系统。例如，几何相位透镜可以根据光的偏振而作为不同的光学系统操作。
图14A和图14B分别是示出在透视型显示装置中可采用的偏振选择透镜的另一示例的剖视图和俯视图。
参照图14A和图14B，偏振选择透镜502可以是包括形成图案的多个非线性材料元件的几何相位透镜。非线性材料元件可以使用液晶分子LC实现。偏振选择透镜502可以通过在薄玻璃板上排列液晶分子而形成。图14B的俯视图示出液晶分子LC的指向矢在各种各样的方向上二维取向的一示例图案。然而，本公开不限于所示的图案。
期望的光学性能可以通过调节液晶分子LC的取向即液晶分子LC的指向矢的排列而获得。例如，如图14A中所示，偏振选择透镜的功能可以通过以液晶分子LC相对于具有第一偏振态(⊙)的光作为透镜工作并且相对于具有第二偏振态
Figure BDA0001575497470000151
的光没有屈光力的这样的方式调节液晶分子LC的排列图案而获得。
图15是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置6000中的光学布置的视图。
透视型显示装置6000包括：图像形成系统DS，其被配置为在第一方向上形成第一图像；以及光学窗系统106，其被配置为通过改变第一图像的光L1的路径将第一图像的光L1聚焦在观察者位置处，光学窗系统106对现实环境RE的光L2是半透明的。
透视型显示装置6000不同于图11的透视型显示装置5000在于，光学窗系统106还包括偏振器180。
偏振器180具有第二偏振方向上的偏振轴。也就是，偏振器180仅透过来自现实环境RE的光L2的第二偏振分量。在第一全息光学元件121的两侧当中，偏振器180可以位于与面对偏振选择透镜500的一侧相反的一侧上。在图15中，偏振器180被示为附接到第一全息光学元件121的一侧。然而，偏振器180不限于此。也就是，根据另一示例性实施方式，偏振器180可以位于第一全息光学元件121与现实环境RE之间的任何位置处。
偏振器180是为了使偏振选择透镜500作为仅用于第一图像的光L1的透镜工作而被使用。因此，不需要透镜功能的现实环境RE的光L2被偏振器180转换成具有第二偏振态的光，从而原封不动地穿过偏振选择透镜500。
此外，具有第一偏振方向上的偏振轴的另一偏振器可以位于光学窗系统106的其上入射第一图像的光L1的入口侧上，从而将第一图像的光L1转换成具有第一偏振态的光。
图16是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置7000中的光学布置的视图。
透视型显示装置7000包括：图像形成系统DS，其被配置为在第一方向上形成第一图像；以及光学窗系统107，其被配置为通过改变第一图像的光L1的路径将第一图像的光L1聚焦在观察者位置处，光学窗系统107对现实环境RE的光L2是半透明的。
透视型显示装置7000不同于图7的透视型显示装置3000在于，光学窗系统107包括偏振选择透镜500作为聚焦构件。
由图像形成系统DS在第一方向上形成的第一图像的光L1由楔型棱镜170改变，使得第一图像的光L1可以在第二方向上传播，然后第一图像的光L1由偏振选择透镜500聚焦在观察者位置处。
在第二方向上传播的现实环境RE的光L2穿过具有半透明度的楔型棱镜170和偏振选择透镜500，然后观察者可以感知到现实环境RE的光L2。
参照图8和图9描述的楔型棱镜170和171中的任何一个可以在这里用作楔型棱镜170。
图17是示出根据另一示例性实施方式的透视型显示装置8000中的光学布置的视图。
透视型显示装置8000包括：图像形成系统DS，其被配置为在第一方向上形成第一图像；以及光学窗系统108，其被配置为通过改变第一图像的光L1的路径将第一图像的光L1聚焦在观察者位置处，光学窗系统108对现实环境RE的光L2是半透明的。
透视型显示装置8000不同于图16的透视型显示装置7000在于，光学窗系统108还包括偏振器185。
偏振器185具有第二偏振方向上的偏振轴。也就是，偏振器185仅透过来自现实环境RE的光L2的第二偏振分量。在楔型棱镜170的两侧当中，偏振器185可以位于与面对偏振选择透镜500的一侧相反的一侧上。在图17中，偏振器185被示为附接到楔型棱镜170的一侧。然而，偏振器185不限于此。也就是，偏振器185可以位于楔型棱镜170与现实环境RE之间的任何位置处。
偏振器185是为了使偏振选择透镜500作为仅用于第一图像的光L1的透镜工作而被使用。因此，不需要透镜功能的现实环境RE的光L2被偏振器185转换成具有第二偏振态的光，从而原封不动地穿过偏振选择透镜500。
此外，具有第一偏振方向上的偏振轴的另一偏振器可以位于光学窗系统108的其上入射第一图像的光L1的入口侧，从而将第一图像的光L1转换成具有第一偏振态的光。
上述透视型显示装置被配置为将由图像形成系统形成的图像与现实世界的图像一起提供给观察者，因而可以用于实现增强现实(AR)。
具有AR的显示装置可以通过在其上显示具有虚拟对象或信息的现实世界环境而增强现实的效果。例如，对于现实世界环境的额外信息可以通过图像形成系统形成在观察者位置处并且可以被提供给观察者。AR显示器可以应用于普适环境或物联网(IoT)环境。
现实世界的图像不限于现实环境RE的图像。例如，现实世界的图像可以是由其它图像装置提供的图像。因此，上述透视型显示装置可以用作能够一起显示两个图像的多图像显示装置。
上述透视型显示装置可以以可穿戴形式被提供。透视型显示装置的部件的全部或其中的一些可以被构造为是可穿戴的。
例如，透视型显示装置可以以头戴式显示器(HMD)的形式被应用。此外，透视型显示装置可以以眼镜型显示器或护目镜型显示器的形式被应用。
透视型显示装置可以与诸如智能电话的其它电子设备交互或者结合操作。例如，用于驱动透视型显示装置的控制器可以被包括在智能电话中。此外，如上所述的这样的透视型显示装置可以被包括在智能电话中，并且该智能电话可以用作透视型显示装置。
上述光学窗系统可以具有薄的厚度，但是可以提供相对宽的视场。
光学窗系统可以对经过一些路径的图像执行路径转换，并且可以传输经过其它路径的图像。因此，光学窗系统可以应用于各种显示装置。
采用光学窗系统的透视型显示装置可以具有薄的厚度并提供宽的视场。因此，透视型显示装置可以用作具有高耐用性的可穿戴装置。
已经在附图中描述和示出了示例性实施方式以帮助对本公开的理解。然而，这些示例性实施方式仅是不限制本公开的范围的示例。此外，将理解，本公开不限于在此示出和描述的那些。也就是，本领域普通技术人员可以在其中进行各种各样的修改。
应理解，这里描述的示例性实施方式应仅在描述性的意义上被考虑并且不是为了限制的目的。对每个实施方式内的特征或方面的描述通常应被认为可用于另外的示例性实施方式中的另外的相似特征或方面。
虽然已经参照附图描述了一个或更多个示例性实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种各样的改变而不背离如由所附权利要求限定的精神和范围。
本申请要求享有2017年8月9日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0101346号的优先权，其公开通过引用全文合并于此。

Claims (31)

1.一种光学窗系统，包括：
路径转换构件，其被配置为将第一图像的光的路径从第一方向改变到第二方向，所述路径转换构件对所述第二方向上入射的光是半透明的；以及
聚焦构件，其被配置为在所述第二方向上聚焦所述第一图像的所述光，
其中所述路径转换构件被构造为占据从所述聚焦构件的第一侧到所述聚焦构件的与所述第一侧相反的第二侧的，由所述路径转换构件在所述第一方向上的第一长度和所述路径转换构件在所述第二方向上的第二长度限定的空间，以及
其中跨整个所述空间，由tan-1(所述第二长度/所述第一长度)限定的角度小于45°。
2.根据权利要求1所述的光学窗系统，其中由tan-1(所述第二长度/所述第一长度)限定的所述角度满足以下条件：
5°≤所述角度≤30°。
3.根据权利要求1所述的光学窗系统，其中所述聚焦构件包括半透明凹面镜，以及
所述路径转换构件位于所述半透明凹面镜与观察者之间。
4.根据权利要求3所述的光学窗系统，其中所述路径转换构件包括第一全息光学元件，所述第一全息光学元件具有配置为将所述第一方向上入射的所述第一图像的光改变为在所述第二方向上出射的全息图案。
5.根据权利要求4所述的光学窗系统，还包括位于所述路径转换构件与所述半透明凹面镜之间的第二全息光学元件，所述第二全息光学元件包括配置为将所述第二方向上入射的光朝所述半透明凹面镜以给定宽度散射的全息图案。
6.根据权利要求3所述的光学窗系统，其中所述路径转换构件包括含多个楔形小平面的楔型棱镜，
其中所述楔形小平面布置在与所述第一方向形成所述角度的第三方向上，以及
其中所述楔形小平面中的一个或更多个相对于所述第一方向倾斜45°。
7.根据权利要求1所述的光学窗系统，其中所述聚焦构件包括偏振选择透镜，所述偏振选择透镜用于具有第一偏振态的光并且对具有垂直于所述第一偏振态的第二偏振态的光基本上不具有屈光力，以及
所述偏振选择透镜位于所述路径转换构件与观察者之间。
8.根据权利要求7所述的光学窗系统，其中所述路径转换构件包括全息光学元件，所述全息光学元件具有配置为将所述第一方向上入射的所述第一图像的光改变为在所述第二方向上出射的全息图案。
9.根据权利要求8所述的光学窗系统，还包括偏振器，所述偏振器具有第二偏振方向上的偏振轴，位于与所述全息光学元件的面对所述偏振选择透镜的第二侧相反的所述全息光学元件的第一侧上。
10.根据权利要求7所述的光学窗系统，其中所述路径转换构件包括含多个楔形小平面的楔型棱镜，
其中所述楔形小平面布置在与所述第一方向形成所述角度的第三方向上，以及
其中所述楔形小平面中的一个或更多个相对于所述第一方向倾斜45°。
11.根据权利要求10所述的光学窗系统，还包括偏振器，所述偏振器具有第二偏振方向上的偏振轴，位于与所述楔型棱镜的面对所述偏振选择透镜的第二侧相反的所述楔型棱镜的第一侧上。
12.一种透视型显示装置，包括：
图像形成系统，其被配置为在第一方向上形成第一图像；
路径转换构件，其被配置为将所述第一图像的光的路径改变到第二方向，所述路径转换构件对所述第二方向上入射的现实环境的第二图像是半透明的；以及
聚焦构件，其被配置为在所述第二方向上聚焦所述第一图像的所述光，
其中所述路径转换构件被构造为占据从所述聚焦构件的第一侧到所述聚焦构件的与所述第一侧相反的第二侧的，由所述路径转换构件在所述第一方向上的第一长度和所述路径转换构件在所述第二方向上的第二长度限定的空间，
其中跨整个所述空间，由tan-1(所述第二长度/所述第一长度)限定的角度小于45°。
13.根据权利要求12所述的透视型显示装置，其中由tan-1(所述第二长度/所述第一长度)限定的所述角度满足以下条件：
5°≤所述角度≤30°。
14.根据权利要求12所述的透视型显示装置，其中所述聚焦构件包括半透明凹面镜，以及
所述路径转换构件位于所述半透明凹面镜与观察者之间。
15.根据权利要求14所述的透视型显示装置，其中所述路径转换构件包括第一全息光学元件，所述第一全息光学元件具有配置为将所述第一方向上入射的所述第一图像的光改变为在所述第二方向上朝所述半透明凹面镜出射的全息图案。
16.根据权利要求15所述的透视型显示装置，还包括位于所述路径转换构件与所述半透明凹面镜之间的第二全息光学元件，所述第二全息光学元件包括配置为将从所述路径转换构件入射的光朝所述半透明凹面镜以给定宽度散射的全息图案。
17.根据权利要求14所述的透视型显示装置，其中所述路径转换构件包括含多个楔形小平面的楔型棱镜，
其中所述楔形小平面布置在与所述第一方向形成所述角度的第三方向上，以及
其中所述楔形小平面中的一个或更多个相对于所述第一方向倾斜45°。
18.根据权利要求17所述的透视型显示装置，其中所述楔型棱镜包括：
第一棱镜，其包括镜面涂覆的多个楔形小平面；以及
第二棱镜，其包括具有与所述第一棱镜相同的折射率的材料，所述第二棱镜与所述第一棱镜共用所述多个楔形小平面。
19.根据权利要求17所述的透视型显示装置，其中所述楔型棱镜包括：
第一棱镜，其包括多个楔形小平面；以及
第二棱镜，其包括具有与所述第一棱镜相同的折射率的材料，并且包括与所述多个楔形小平面平行的多个全反射小平面，
其中所述第二棱镜与所述第一棱镜间隔开并且其间具有气隙。
20.根据权利要求17所述的透视型显示装置，还包括位于所述路径转换构件与所述半透明凹面镜之间的全息光学元件，所述全息光学元件包括配置为将从所述路径转换构件入射的光朝所述半透明凹面镜以给定宽度散射的全息图案。
21.根据权利要求12所述的透视型显示装置，其中所述聚焦构件包括偏振选择透镜，所述偏振选择透镜用于具有第一偏振态的光，并且对具有垂直于所述第一偏振态的第二偏振态的光基本上不具有屈光力，以及
所述偏振选择透镜位于所述路径转换构件与观察者之间。
22.根据权利要求21所述的透视型显示装置，其中所述偏振选择透镜包括：
光学各向异性材料部分，其相对于具有所述第一偏振态的光和具有所述第二偏振态的光具有不同的折射率；以及
光学各向同性材料部分，其具有与所述光学各向异性材料部分相对于拥有所述第二偏振态的光的折射率相同的折射率，
其中所述光学各向异性材料部分与所述光学各向同性材料部分之间的界面是透镜表面。
23.根据权利要求21所述的透视型显示装置，其中所述偏振选择透镜包括含具有亚波长形状尺寸的纳米结构的超透镜。
24.根据权利要求21所述的透视型显示装置，其中所述偏振选择透镜包括几何相位透镜。
25.根据权利要求21所述的透视型显示装置，其中所述路径转换构件包括全息光学构件，并且所述全息光学构件包括配置为将所述第一方向上入射的所述第一图像的光改变为在所述第二方向上朝所述偏振选择透镜出射的全息图案。
26.根据权利要求25所述的透视型显示装置，还包括偏振器，所述偏振器具有第二偏振方向上的偏振轴，位于与所述全息光学构件的面对所述偏振选择透镜的第二侧相反的所述全息光学构件的第一侧上。
27.根据权利要求21所述的透视型显示装置，其中所述路径转换构件包括含多个楔形小平面的楔型棱镜，
其中所述楔形小平面布置在与所述第一方向形成所述角度的第三方向上，以及
其中所述楔形小平面中的一个或更多个相对于所述第一方向倾斜45°。
28.根据权利要求27所述的透视型显示装置，其中所述楔型棱镜包括：
第一棱镜，其包括镜面涂覆的多个楔形小平面；以及
第二棱镜，其包括具有与所述第一棱镜相同的折射率的材料，所述第二棱镜与所述第一棱镜共用所述多个楔形小平面。
29.根据权利要求27所述的透视型显示装置，其中所述楔型棱镜包括：
第一棱镜，其包括多个楔形小平面；以及
第二棱镜，其包括具有与所述第一棱镜相同的折射率的材料，所述第二棱镜包括与所述多个楔形小平面平行的多个全反射小平面，所述第二棱镜与所述第一棱镜间隔开并且其间具有气隙。
30.根据权利要求29所述的透视型显示装置，还包括偏振器，所述偏振器具有第二偏振方向上的偏振轴，位于与所述楔型棱镜的面对所述偏振选择透镜的第二侧相反的所述楔型棱镜的第一侧上。
31.根据权利要求30所述的透视型显示装置，其中所述透视型显示装置是头戴式显示器。
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