CN110088665A - 用于大视场光学透视型头戴式显示器的紧凑型光学结构设计 - Google Patents

Abstract

描述了一种为个人便携式显示器提供大视场(FOV)的光学结构的系统和方法。实施例的光学结构包括折反射光学配置，其被配置以产生放大弯曲中间图像，其中放大弯曲中间图像以适当的反射角被进一步放大并传输到观看者的眼睛。折反射光学配置可包括两个曲面镜和一个偏振棱镜。包括这种折反射光学配置的光学结构可以使用相对小尺寸的图像源来产生大的FOV。这种光学结构非常适用于大FOV光学透视(OST)头戴式显示器(HMD)。

Description

用于大视场光学透视型头戴式显示器的紧凑型光学结构设计

【技术领域】

本发明涉及光学结构，特别涉及提供大视场的光学结构设计，例如用于大视场光学透视型头戴式显示器。

【背景技术】

显示技术和电子行业发展迅猛，显示系统已经推出了各种尺寸，这些尺寸传统上是不可能的或不切实际的。例如，已经开发了各种形式的头戴式显示器，以在实时环境中向观看者提供图像和信息的显示。例如，在当今的军事、商业和消费者市场中都可以找到头戴式显示设备。

头戴式显示器是佩戴在观看者头部上的显示设备，其有一个或两个小显示器(如液晶显示器(LCD)或发光二极管(LED)显示面板)位于每个观众的眼前。光学头戴式显示设备具有反射显示图像的能力，允许观看者透视(see through)这些图像。

当今市场上，头戴式显示设备主要分为三种不同的配置类别：折射/反射、衍射和激光写入。每一种头戴式显示器配置都有相应缺点。例如，传统的折射/反射头戴式显示设备相对庞大，因此由于最终尺寸和造型限制而对许多应用有着不希望的或甚至不可接受的尺寸。而且，传统的折射/反射光学器件产生尺寸有限的窥视窗(eye box)，组合光学器件通常相当厚重。传统的衍射头戴式显示设备提供相当有限的视场(FOV)能力。对于大FOV(即>50°)头戴式显示器实施，光学系统体积庞大，例如由于需要大的图像源尺寸(如3.5英寸～0.7英寸)和/或庞大的光学结构需要。例如，US9250444的三重反射光学结构(其公开内容通过引用结合于此)，提供了大于50°的FOV，使用0.39英寸图像源尺寸，其代价是大的多镜面反射光学结构，既庞大又具有高制造成本。US8482859的一次偏振转换和一次反射光学结构(其公开内容通过引用结合于此)提供了小FOV(FOV<50°)，使用相对大的图像源尺寸(0.7英寸)，并且不适合透视传输(透视传输<50％)。US7675684的两次偏振转换和两次反射光学结构(其公开内容通过引用结合于此)，提供非常小的FOV(FOV<40°)，使用相对大的图像源尺寸(0.7英寸)，并且不适合透视传输(透视传输<50％)。传统激光写入器HMD配置中使用的相干光纤电缆非常昂贵。从上述内容可以看出，提供便宜的、轻便且紧凑的、宽FOV的、结合其他期望属性的头戴式显示器配置，对于传统实施方式来说是有难度的。

【发明内容】

本发明涉及提供光学结构的系统和方法，所述光学结构为个人便携式显示器，例如头戴式显示器或头盔式显示器(统称为HMD)，提供大视场(FOV)。光学结构包括折反射(catadioptric)(混合折射/反射)光学配置。本发明实施例的大FOV光学结构的折反射光学配置被配置以产生放大的弯曲中间图像，其中放大的弯曲中间图像以适当的反射角进一步被放大并传输到观看者的眼睛。因此，包括这种折反射光学配置的光学结构可以使用相对小尺寸的图像源(例如，微显示器≤0.40英寸对角线)来产生大的FOV(如>50°)。使用根据本文概念的光学结构实施的个人便携式显示器提供非常大的FOV(例如，60°～90°)，低的焦距与入射光瞳直径的比率(例如，F数值～1.0)，通过使用放大的弯曲中间图像，使用小的图像源尺寸(例如，0.39英寸用于FOV60，0.7英寸用于FOV90)，可以很好地补偿系统像差。因此，与相对小尺寸的图像源配合使用折反射光学配置来改善个人便携式显示系统的体积大小的问题，以向观看者提供大的FOV图像。

包括折反射光学配置的光学结构有助于实现廉价、轻便且紧凑、但提供大FOV的HMD设备。这种光学结构特别适用于大FOV光学透视(OST)HMD。根据本发明概念的光学结构的大FOV OST-HMD可以用于例如平视显示器、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、互联网(IoT)应用，包括本发明光学结构的大FOV OST-HMD可用于实施虚拟成像头戴式显示器，用于可穿戴个人显示器应用(如AR/VR)。例如，使用本发明光学结构的紧凑型的大FOV OST-HMD可以被AR/VR可穿戴产品制造商用于创建下一代低成本的、小尺寸的、大FOV透视显示的AR/VR智能眼镜。使用包括折反射光学配置的光学结构的大FOV OST-HMD可以例如降低可穿戴智能AR/VR眼镜产品进入门槛，允许更多公司进入AR/VR可穿戴市场。

本发明实施例的折反射光学配置包括两个曲面镜，用于产生放大弯曲中间图像并以适当反射角进一步放大该放大弯曲中间图像，其中使用第一曲面镜产生的放大弯曲中间图像提供弯曲的中继像平面，用于通过第二曲面镜进一步放大成像，并校正光学像差。例如，两个曲面镜的第一和第二曲面镜可以包括不同尺寸的、至少部分反射的曲面镜(例如，第一曲面镜尺寸<第二曲面镜尺寸)。折反射光学配置可以包括偏振转换棱镜组件，其包括偏振棱镜和两个曲面镜中的第一曲面镜，其中偏振转换棱镜组件被设置以产生放大弯曲中间图像，用于被两个曲面镜中的第二曲面镜进一步放大。除了上述偏振棱镜和第一曲面镜之外，偏振转换棱镜组件还可以包括四分之一波片和/或中继透镜，其被配置以与偏振棱镜和第一曲面镜配合以产生放大弯曲中间图像。折反射光学配置还可以包括部分反射弯曲组合镜组件，例如可以包括两个曲面镜中的第二曲面镜，其与一个部分反射板相关联地设置，并协作以对所述放大弯曲中间图像做进一步放大。折反射光学配置还可包括设置在偏振转换棱镜和图像源(如发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、液晶显示器(LCD)、硅上液晶(LCoS)显示器等)之间的透镜组件(如包括透镜组)，用于在光进入偏振转换棱镜组件之前控制来自显示器的光(例如，提供光准直、图像放大等)。

包括本发明折反射光学配置的光学结构便于实施，其中成像和照明共享同一光轴。例如，光源(如LED阵列、电致发光面板等)可以设置在与图像显示器共享的光轴上，以向其提供照明。这样的实施方式特别适合于为不发光的显示器(如LCoS显示器)或其他光照显示器提供照明，同时有助于实现小尺寸。

根据本发明实施例的包括折反射光学配置的光学结构便于实施，其中虚拟显示和眼睛感测共享同一光轴。例如，成像传感器(如红外(IR)传感器)可以布置在与虚拟图像共享的光轴上，用于眼睛跟踪(如眼睛运动检测、焦点跟踪、虹膜拍摄等)。这样的实施特别适合于实现与眼睛跟踪相关联的高级特征，同时有助于实现小尺寸。

前面已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的本发明的详细描述。在下文中将描述本发明的其他特征和优点，一起形成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应该理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作为一个基础，用于修改或设计成其他结构以实现本发明相同目的。本领域技术人员还应该认识到，这种等同结构并没有脱离所附权利要求中阐述的本发明精神和范围。当结合附图考虑时，从以下描述将更好地理解被认为是本发明特征的新颖特性，有关其组织和操作方法，以及其他目的和优点。然而，应该清楚地理解，提供的每个附图仅仅是为了说明和描述的目的，而不是作为对本发明限制的定义。

【附图说明】

为了更完整地理解本公开，现在参考以下结合附图的描述，其中：

图1A-1C显示本发明实施例的包括折反射光学配置的光学结构；

图2A和2B显示本发明实施例的包括折反射光学配置的光学结构的细节；

图3A和3B显示图解说明的本发明实施例的折反射光学配置运作的光线轨迹；

图4显示本发明实施例的包括光源的光学结构，该光源设置在与显示器共享的光轴上；

图5显示本发明实施例的包括眼睛感测装置的光学结构，该眼睛感测装置设置在与虚拟图像共享的光轴上。

【具体实施方式】

图1A-1C显示本发明实施例的折反射(catadioptric)光学配置的光学结构。特别地，图1A显示光学结构100的等距立体视图，图1B显示光学结构100的俯视图，图1C显示光学结构100的侧视图。观察者的眼睛150在图1A-1C中显示为窥视窗(eye box)(即，在其中形成有效可视图像的空间体积)相对于光学结构100的位置。

所示实施例的光学结构100包括折反射(混合折射/反射)光学配置。光学结构100包括显示器110，用于通过折反射(catadioptric)光学配置的操作将呈现给观看者的图像作为虚拟图像提供。例如，显示器110可以显示由数据生成的图像，而该数据由与显示器110连接的基于处理器的系统(未示出)提供。这种基于处理器的系统可以包括通用处理器(如Intel公司的CORE处理器、AMD公司的RADEON处理器、IBM公司的POWERPC处理器、高级精简指令集计算机机器(ARM)中央处理单元(CPU)核等)和/或专用处理器(如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)等)，其可在一个或多个代码段和/或其他形式的逻辑电路的控制下运行，以向显示器110提供图像数据。基于处理器的系统可包括一个或多个存储器(如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、磁存储器、光存储器等)，其适用于存储用于本发明的一个或多个指令集(如应用软件、固件、操作系统、小应用程序等)、数据(如配置参数、运行参数、收集的数据、处理的数据等)。

关于光学结构100，图1A-1C显示了各种光学组件，其被配置以将来自显示器110的光折射和反射以向观看者呈现虚拟图像。所示光学组件包括透镜组件120、偏振转换棱镜组件130、和部分反射弯曲组合镜组件140。在光学结构100的光学组件运行时，产生放大的弯曲中间图像，其以适当的反射角进一步放大并传送到观察者的眼睛，这将在下面进一步详细讨论。因此，包括折反射光学配置的光学结构100可以利用小尺寸的图像源(如显示器≤0.70英寸对角线，例如微显示器≤0.40英寸对角线)以产生大视场(FOV)(即FOV>50°，如60°～90°)。

如在图1C中所示的侧视图中可见，光学结构100的折反射光学配置可以将来自光学结构100外部的光与来自显示器110的前述虚像一起传递给观察者。包括折反射光学配置的光学结构100可以提供光学透视(OST)实现。此外，在示例性实施例中，关于外部光的透视传输率通过该光学结构相对较高(如传输率>50％)，该光学结构通过部分反射而不是偏振反射使来自光学结构外部的光通过。

从前述内容可以理解，光学结构100非常适合用于各种提供大FOV的个人便携式显示器中。例如，头戴式显示器或头盔式显示器(统称为HMD)，例如可用于平视显示器(HUD)、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、物联网(IoT)应用等，可以使用本发明概念的光学结构100来提供。应当理解，向显示器110提供图像数据的上述基于处理器的系统可以实施在个人便携式显示器内部(如与HMD设备集成)或其外部(如外部计算系统)。

图2A和2B显示本发明概念的折反射光学配置的光学结构的进一步细节。特别地，图2A显示了光学结构200的俯视图，图2B显示了光学结构200的侧视图。图2A和2B中所示的光学结构200采用了与图1A-1C中所示的折反射光学配置，因此包括透镜组件120、偏振转换棱镜组件130、和部分反射弯曲组合镜组件140，其配置以对来自显示器110的光进行折射和反射，以在其窥视窗(eye box)处呈现虚像(如由观察者的眼睛150表示)。但是，应当理解，与图1A-1C中的那些部件相比，图2A和2B所示光学结构的各种部件的部署是反的或镜像的(例如，可以用于适应主机设备内光学结构不同的取向)。下面详细描述可用于图2A和2B中的各种光学组件的细节。

关于本发明光学结构使用的显示器110可以包括能够提供适合于本文概念的折反射光学配置的图像的任何形式的图像源。例如，显示器110可以包括发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、液晶显示器(LCD)、硅上液晶(LCoS)显示器等。应当理解，某些配置的显示器110(如LED显示器、OLED显示器和背光LCD显示器)在其运行时发光，因此可以用作光学结构的发光源。但是，其他配置的显示器110(如LCoS显示器)在其运行时不发光，因此不提供光源给光学结构。然而，从下面的讨论中可以更好地理解，根据本发明实施例，可以使用任一种或两种配置的显示器110。不管显示器110的特定显示技术如何，实施例的显示器110优选是小尺寸图像源(如显示器≤0.70英寸对角线，例如微显示器≤0.40英寸对角线)以得到小的整体尺寸，例如用于个人便携式显示器，但通过光学结构的光学组件的协同运作产生大的FOV。

在光进入光学结构的一个或多个其他光学组件之前，光学结构200的透镜组件120对来自显示器110的光提供控制。例如，透镜组件120可以包括一个或多个透镜(如可以由消色差玻璃(achromatic glass)、塑料或其他光学透明材料形成)，在示例性实施例中显示为包括凸透镜221、凹透镜222和凸透镜223，如图2A和2B，其协同运作提供对显示器110的光准直和图像放大。例如，一个实施例的透镜组件120可包括塑料非球面透镜用于会聚和胶合球面玻璃透镜用于纠正色移。

光学结构200的偏振转换棱镜组件130提供放大的弯曲中间图像，例如可以提供弯曲的中继图像平面，通过具有光学像差(畸变/场曲线)校正的部分反射弯曲组合镜组件140进一步放大图像，所述图像是由显示器110的光产生的。因此，偏振转换棱镜组件130包括第一曲面镜231、偏振棱镜232、四分之一波片233、和中继透镜234，它们可协同运作以产生放大的弯曲中间图像。根据实施例，偏振棱镜232(例如，关于晶轴以特定角度(如68°)切割的方解石晶体，再次对角切割，并如图2A所示重新结合，例如使用一层透明粘合剂)包括紧凑型偏振棱镜，以提供偏振分束器。实施例的第一曲面镜231提供凹形弯曲的全反射表面(例如可由玻璃、塑料或适合于光学反射的其他材料形成，例如可提供具有反射涂层的球面、非球面光学表面或自由形状光学表面的透镜)，其表面朝向偏振棱镜232的面，其中曲面镜的曲率被配置以放大显示器110的图像。根据本发明实施例，第一曲面镜231被配置以将准直图像进一步放大，通过在偏振棱镜232内保持光反射和光路旋转，将光线反射到部分反射弯曲组合镜组件140。实施例的四分之一波片233，可以将线性偏振光转换成圆偏振光，反之亦然，可以包括一基本上透光的(如透射率>90％)薄膜(如聚合物相位差膜(polymerretarder film)，有λ/4相位延迟，450-700nm透射率大于90％)，该薄膜设置在偏振棱镜232的表面上，在偏振棱镜和第一曲面镜231之间。实施例的中继透镜234包括一个或多个透镜(如可以由消色差玻璃、塑料或其他光学透明材料形成)，如图2A和2B中显示为凹形透镜，设置为相对于偏振棱镜232的一个表面，该表面是与设置四分之一波片233和第一曲面镜231的那个表面相反，其形状要相应于偏振棱镜232的输出。

在偏振转换棱镜组件130的运作中，来自显示器110的光通过透镜组件120被提供给偏振转换棱镜组件130(例如，可以将显示器110的放大图像的准直光由透镜组件120提供给偏振转换棱镜组件130)。此后，入射到偏振棱镜232的光被线性偏振，并通过其中不同晶面的界面朝四分之一波片233折射。入射到四分之一波片233的光被圆偏振并被传递到第一曲面镜231。入射到第一曲面镜231的圆偏振光被反射回偏振棱镜232，并通过四分之一波片233。由第一曲面镜231反射的圆偏振光穿过四分之一波片233，被第二次线性偏振，偏振相移为90°。因此，来自第一曲面镜231的反射光产生的线性偏振光通过偏振棱镜232并入射到中继透镜234，然后通过中继透镜。根据本发明实施例，偏振转换棱镜组件130的前述运作产生输出放大的弯曲中间图像(例如，由透镜组120和第一曲面镜231形成)。

光学结构200的部分反射弯曲组合镜组件140对由偏振转换棱镜组件130产生的放大弯曲中间图像提供进一步放大。因此，部分反射弯曲组合镜组件140包括第二曲面镜241和部分反射板242，它们可协同运作以对放大的弯曲中间图像进一步放大。部分反射板242可以将放大弯曲图像的光重新引导到第二曲面镜241，部分反射板242可以包括部分反射(如反射～30％，透射～70％)的表面(如可以由消色差玻璃、塑料或其它光学透明材料形成)，其与偏振棱镜232的与第一曲面镜231位置相反的那个表面以及与第二曲面镜241的凹面成一角度设置。根据本发明实施例，部分反射板242被配置以将光/中间图像反射/旋转到第二曲面镜241，其中所提供的旋转使得光路成为自上而下的投影，通过紧凑布局保留眼睛前方的间隙以便观察透视区域。根据实施例，第二曲面镜241提供凹曲面的、部分反射的(如反射～20％，透射～80％)表面(如可以由消色差玻璃、塑料或其他光学透明材料形成，例如可以提供具有部分反射涂层的球面的、非球面光学表面或自由形状光学表面的透镜)，其关于偏振棱镜232的与第一曲面镜231相反位置的那个表面而放置，其中该曲面镜的曲率被配置以对放大的弯曲中间图像进行图像放大。根据本发明实施例，第二曲面镜241被配置以反射和放大由部分反射板242提供的弯曲中间图像，由此反射/准直/放大的光穿过部分反射板242并形成虚拟准直图像，朝向观察者的眼睛，具有大视场并且校正了光学像差(畸变/场曲线)。因此，第二曲面镜241可以为弯曲的中间图像提供进一步放大的成像，形成具有大视场的光学像差校正的虚拟准直图像。

在部分反射弯曲组合镜组件140运作时，由偏振转换棱镜组件130输出的放大弯曲中间图像入射到部分反射板242，至少部分地被部分反射板242反射到第二曲面镜241。入射到第二曲面镜241的放大弯曲中间图像被反射回到部分反射板242并且至少部分地穿过部分反射板242，被第二曲面镜241进一步放大。该进一步放大的图像作为光学像差校正的虚拟准直图像最终被传递到光学结构200的窥视窗(如观察者的眼睛150)。

从前述内容可以理解，光学结构200的折反射光学配置包括两个曲面镜(第一曲面镜231和第二曲面镜241)用于产生放大弯曲中间图像并且对该放大弯曲中间图像以适当的反射角度进一步放大。图3A和3B所示的光线轨迹图图形化地显示了折反射光学配置的上述运作，其中图3A显示了包含光线轨迹的光学结构200的俯视图，图3B显示了包含光线轨迹的光学结构200的侧视图。如图3A和3B所示，来自显示器110的光通过透镜组件120准直和放大。光入射到偏振棱镜232，并由第一曲面镜231反射通过偏振棱镜232到中继透镜234。光穿过中继透镜234，因此，通过透镜组件120和第一曲面镜231形成放大弯曲中间图像。放大弯曲中间图像被部分反射板242反射到第二曲面镜241上，然后以适当的反射角反射回来，通过部分反射板242，并传输到观察者的眼睛150。

因此，通过第二曲面镜241对放大弯曲中间图像进一步放大，从而使用小图像源提供大FOV的虚像。因此，光学结构200非常适合于个人便携式显示器(如HMD)实施。此外，第二曲面镜241和部分反射板242的部分反射配置，以及偏振转换棱镜130、透镜组件120和显示器110在观察者眼睛150的光轴之外的定位，有助于将光学结构200外部的光结合来自显示器110的上述虚拟图像传递到观察者的眼睛150。因此，光学结构200提供了OST实施，例如可以用于HUD、VR和AR应用。

，本发明实施例的折反射光学配置的光学结构还提供了除上述之外的优点。例如，如下面参考图4所讨论的，包括折反射光学配置的光学结构有助于使用外部光源照射显示器。在另一个示例中，如下面参考图5所讨论的，包括折反射光学配置的光学结构有助于眼睛感测功能与向观看者呈现虚拟图像。

图4显示光学结构200的一个实施例，其中光源(显示为LED光源410)设置在与显示器110共享的光轴上，以向其提供照明。例如，LED管411可以与LED光源410结合使用，以在偏振棱镜232的与显示器110相对的一侧提供准直照明。尽管在该示例中示出了LED光源，但是也可以使用其他配置的光源(如激光光源、电致发光光源等)。显示器110可以包括LCoS面板或需要外部照明的其他图像显示设备(例如没有内部照明源)。根据实施例，来自LED光源410的光穿过偏振棱镜232并被偏振棱镜232偏振，穿过透镜组件120的透镜，入射到显示器110上。根据一些实施例，可以在LED光源410和偏振棱镜232之间设置偏振板或薄膜，以对光提供改善的偏振纯度。入射在显示器110上的光照射显示图像，并通过透镜组件120的透镜返回到偏振棱镜232。由偏振棱镜232偏振的、从显示器110返回的光被偏振棱镜232反射，从而入射到四分之一波片233。通过四分之一波片233的光成为圆偏振光，入射到第一曲面镜231。第一曲面镜231反射光回来，穿过四分之一波片233，因此光变为第二线偏振光，偏振相移为90°。第二线性偏振光穿过偏振棱镜232并通过中继透镜234和部分反射弯曲组合镜组件140，传输到光学结构的窥视窗，如观察者的眼睛150所示。配置有如上所示光源的光学结构，使用共享的照明和成像路径，有助于实现紧凑尺寸，例如当图像源是LCoS时。从前述内容可以理解，这样的实施方式特别适合于为不发光显示器或以其他方式照明的显示器提供照明，同时有助于实现小型尺寸。

图5显示光学结构200的一个实施例，其中眼睛感测装置(示为成像传感器510)设置在与虚拟图像共享的光轴上，以便提供眼球跟踪(如眼球运动检测、焦点跟踪、虹膜拍摄等)。例如，成像传感器510(如红外(IR)传感器)可以与成像透镜511(如用于眼球跟踪的IR成像透镜)结合使用，以监视来自观察者眼睛150的光，以进行眼球跟踪确定(如使用基于处理器的系统，例如上述系统，连接到成像传感器510)。根据实施例，来自观察者眼睛150的红外光穿过部分反射弯曲组合镜组件140和中继透镜234，并因此入射到偏振棱镜232。入射到偏振棱镜232的红外光被偏振并因此被偏振棱镜232反射，入射到成像透镜511。入射到成像透镜511的红外光通过其到达成像传感器510。配置有上述成像传感器的光学结构由于轴上成像有助于拍摄无畸变的眼睛和/或虹膜，以及由于虚拟显示和眼睛注视感测图像使用同一光轴，而有助于眼睛跟踪的虚拟显示器用户界面的简化校准。从前述内容可以理解，这样的实施特别适合于实现与眼睛跟踪相关的高级特征，同时有助于实现小型尺寸。

以下提供示例性设计规范，用于包括折反射光学配置的光学结构的实施。提供示例性设计规范是用以帮助理解与上述光学结构100和200一致的光学结构实施。但是，应该理解的是，本发明概念的实施不受限于下面示例性实施例。下表所示的设计规范是用于光学结构的示例性实施例，包括折反射光学配置，提供60°视场：

应当理解，尽管这里已经参考单个显示器和相应的光学组件描述了光学结构的示例实施例，但是本发明的实施例可以包括一些或所有这些组件的多个实例。例如，显示器110和光学结构200的多个实例(例如，可以彼此相反或镜像，如图1A-1C与图2A和2B相比)可以包括在HMD中，为观看者的每个眼睛提供单独的虚拟图像(例如，光学结构100的方向用于观看者右眼，同时光学结构200的方向用于观看者的左眼)。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变更。此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用目前存在或稍后开发的执行基本相同功能的、或达到基本相同结果的方法、机器、制造、物质组合物、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。

Claims (31)

1.一种提供大视场FOV虚拟图像的光学结构，所述光学结构包括：

偏振转换棱镜组件，其被配置以从来自显示器的光产生一个放大弯曲中间图像；

部分反射曲面组合镜组件，其被配置以对所述放大弯曲中间图像进行进一步放大，并产生大FOV虚拟图像。

2.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述偏振转换棱镜组件和所述部分反射弯曲组合镜组件一起提供所述光学结构的折反射光学配置。

3.根据权利要求1所述的光学结构，还包括：

透镜组件，其设置在所述显示器和所述偏振转换棱镜组件之间的光路上，其中所述透镜组件被配置以准直光并放大所述显示器的图像，提供给所述偏振转换棱镜组件。

4.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述偏振转换棱镜组件包括：

偏振棱镜；

四分之一波片；

第一曲面镜。

5.根据权利要求4所述的光学结构，其中所述四分之一波片设置在所述偏振棱镜的一个表面和第一曲面镜的一个面之间，其中所述偏振棱镜被定位以向所述四分之一波片反射偏振光，其中所述第一曲面镜的反射表面被定位以向所述四分之一波片反射光线。

6.根据权利要求4所述的光学结构，其中所述偏振转换棱镜组件还包括：

中继透镜，其设置在所述偏振棱镜和所述部分反射弯曲组合镜组件之间。

7.根据权利要求4所述的光学结构，其中所述部分反射弯曲组合镜组件包括：

第二曲面镜；

部分反射板。

8.根据权利要求7所述的光学结构，其中所述第二曲面镜大于所述第一曲面镜。

9.根据权利要求7所述的光学结构，其中所述第二曲面镜和所述部分反射板对于来自所述显示器的光都是部分反射的。

10.根据权利要求9所述的光学结构，其中所述部分反射弯曲组合镜组件被定位以将来自所述光学结构外部的光与所述虚拟图像一起传递给观看者，作为一个透视显示器。

11.根据权利要求1所述的光学结构，还包括：

光源，其设置在所述偏振转换棱镜组件的与所述显示器相反的一侧，并被配置以通过所述偏振转换棱镜组件照射所述显示器。

12.根据权利要求1所述的光学结构，还包括：

成像传感器，其设置在所述偏振转换棱镜组件的与所述显示器相反的一侧，并被配置以跟踪观看者的眼睛。

13.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述大FOV提供一个大于50°的FOV。

14.根据权利要求13所述的光学结构，其中所述显示器是一个小显示器，其对角线测量的图像面积小于或等于0.70英寸。

15.根据权利要求13所述的光学结构，其中所述显示器是一个微显示器，其对角线测量的图像面积小于或等于0.40英寸。

16.根据权利要求1所述的光学结构，还包括：

个人便携式显示装置，其容纳所述偏振转换棱镜组件和所述部分反射弯曲组合镜组件。

17.根据权利要求16所述的光学结构，其中所述个人便携式显示装置包括头戴式显示器或头盔式显示器。

18.一种提供大视场FOV虚拟图像的方法，所述方法包括：

使用一个光学结构的偏振转换棱镜，从来自显示器的光产生一个放大弯曲中间图像，所述来自显示器的光入射在所述偏振转换棱镜组件上；

使用所述光学结构的部分反射弯曲组合镜组件，对所述放大弯曲中间图像进行放大，从而产生所述大FOV虚拟图像。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

使用设置在所述显示器和所述偏振转换棱镜组件之间的光路上的所述光学结构的一个透镜组件，对所述显示器提供的图像进行放大，其中使用所述透镜组件对所述显示器提供的图像进行放大，是在使用所述偏振转换棱镜产生所述放大弯曲中间图像之前进行放大图像的。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述偏振转换棱镜组件包括偏振棱镜、四分之一波片和第一曲面镜，其中所述四分之一波片设置在所述偏振棱镜的一个表面和所述第一曲面的一个面之间，其中所述偏振棱镜被定位以向所述四分之一波片反射偏振光，其中所述第一曲面镜的反射表面被定位以向所述四分之一波片反射光。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述偏振转换棱镜组件还包括中继透镜，其设置在所述偏振棱镜和所述部分反射弯曲组合镜组件之间。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述部分反射弯曲组合镜组件包括第二曲面镜和部分反射板，其中所述第二曲面镜大于所述第一曲面镜，其中所述第二曲面镜和所述部分反射板对于来自所述显示器的光都是部分反射的。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述部分反射弯曲组合镜组件被定位以将来自所述光学结构外部的光与所述虚拟图像一起传递给观看者，作为透视显示器。

24.根据权利要求18所述的方法，还包括：

使用一个光源照射显示器，所述光源设置在所述偏振转换棱镜组件的与所述显示器相反的一侧。

25.根据权利要求18所述的方法，还包括：

使用一个成像传感器跟踪观看者的眼睛，所述成像传感器设置在所述偏振转换棱镜组件的与所述显示器相反的一侧。

26.一种大视场FOV头戴式显示器HMD的光学系统，所述光学系统包括：

显示器；

透镜组件，其与所述显示器的图像源相对应地设置，并被配置以放大和准直来自显示器的光；

偏振转换棱镜组件，其第一表面与所述透镜组件相对应地设置，并被配置以接收来自显示器的由所述透镜组件放大和准直的光，通过偏振、折射和反射产生放大弯曲中间图像；

部分反射板，其与所述中继透镜相对应地设置，并被配置以接收并部分地反射所述放大弯曲中间图像；

第二曲面镜，其与所述部分反射板相对应地设置，并被配置以接收由所述部分反射板反射的放大弯曲中间图像，并通过放大和部分反射从而产生虚拟图像。

27.根据权利要求26所述的光学系统，其中所述偏振转换棱镜组件包括：

偏振棱镜，其第一表面与所述透镜组件相对应地设置，并被配置以接收、首先线性偏振、并反射来自显示器的由所述透镜组件放大和准直的光；

四分之一波片，其与所述偏振棱镜的第二表面相对应地设置，并被配置以接收并圆偏振来自显示器的先被所述偏振棱镜线性偏振和反射的光；

第一曲面镜，其与所述偏振棱镜的第二表面相对应地设置，并被配置以反射和放大来自显示器的由所述四分之一波片圆偏振的光，其中来自显示器的被所述第一曲面镜放大和反射的光，入射到所述四分之一波片上，再次被所述四分之一波片线性偏振，其关于来自显示器的先由所述偏振棱镜线性偏振的光，偏振相移为90°；

中继透镜，其与所述偏振棱镜的第三表面相对应地设置，并被配置以接收和成形来自显示器的由所述二分之一波片再次线性偏振并通过所述偏振棱镜的光，其中所述放大弯曲中间图像由所述偏振棱镜、四分之一波片、第一曲面镜和中继透镜对来自显示器的光而产生的。

28.根据权利要求27所述的光学系统，其中所述部分反射板被配置以接收并部分地反射来自所述显示器的由所述中继透镜成形的光，其中所述第二曲面镜被配置以接收来自所述显示器的被所述部分反射板部分反射的光，并部分地反射和放大来自显示器的被所述部分反射板部分反射的光，其中所述虚拟图像是由所述部分反射板和所述第二曲面镜从所述放大弯曲中间图像产生的。

29.根据权利要求26所述的光学系统，还包括：

光源，其设置在所述偏振转换棱镜组件的与所述显示器相反的一侧，并被配置以通过所述偏振转换棱镜组件照射所述显示器。

30.根据权利要求26所述的光学系统，还包括：

成像传感器，其设置在所述偏振转换棱镜组件的与所述显示器相反的一侧，并被配置以跟踪观看者的眼睛。

31.根据权利要求26所述的光学系统，其中所述虚拟图像是一个大FOV虚拟图像，大于50°的FOV。