CN110268301A - 用于头戴式显示器的光学系统 - Google Patents

Abstract

头戴式显示器可包括外壳中的显示系统和光学系统。该显示系统可具有产生与图像相关联的光的像素阵列。该显示系统还可具有线偏振器和四分之一波片，来自像素阵列的光穿过该线偏振器，光在穿过该四分之一波片之后穿过该四分之一波片。该光学系统可以是具有一个或多个透镜元件的折反射光学系统。透镜元件可包括平凸透镜和平凹透镜。部分反射镜可以形成在平凸透镜的凸表面上。反射偏振器可以形成在平凸透镜的平面表面或平凹透镜的凹表面上。额外的四分之一波片可以位于反射偏振器和部分反射镜之间。

Description

用于头戴式显示器的光学系统

本申请要求2016年8月2日提交的临时专利申请62/370,170；2016年9月6日提交的临时专利申请No.62/383,911；以及2017年2月16日提交的美国专利申请15/434,623的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。

背景技术

本发明整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于头戴式显示器的光学系统。

头戴式显示器，诸如虚拟现实眼镜，使用透镜来为用户显示图像。微显示器可为用户的每个眼睛生成图像。可将透镜放置在用户的每只眼睛和微显示器的一部分之间，使得用户可查看虚拟现实内容。

如果不加注意，则头戴式显示器可能佩戴起来非常笨重且令人疲劳。用于头戴式显示器的光学系统可能使用体积庞大且重的透镜布置。将头戴式显示器更多地与这种类型的光学系统一起使用可能令人不适。

因此，期望能够提供改进的头戴式显示器。

发明内容

一种头戴式显示器可包括显示系统和光学系统。显示系统和光学系统可由佩戴在用户头部上的外壳支撑。该头戴式显示器可在外壳佩戴于用户头部的同时使用显示系统和光学系统将图像呈现给用户。

显示系统可具有产生与图像相关联的图像光的像素阵列。显示系统还可具有线偏振器和四分之一波片，来自像素阵列的图像光穿过该线偏振器，光在穿过线偏振器之后穿过该四分之一波片。

该光学系统可以是具有由透明材料形成的一个或多个透镜元件并具有反射结构的折反射光学系统，透明材料诸如是玻璃或塑料。透镜元件可包括平凸透镜元件和平凹透镜元件。平凸透镜元件可具有凸表面和相对的平面表面。平凹透镜元件可具有凹表面和面对凸透镜元件的平面表面的相对的平面表面。

部分反射镜可以形成在平凸透镜元件的凸表面上。反射偏振器可以形成在平凸透镜的平面表面或平凹透镜的凹表面上。额外的四分之一波片可以位于反射偏振器和部分反射镜之间。

附图说明

图1是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的图示。

图2是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的图示，示出了头戴式显示器中例示性光学系统的部件。

图3是根据一个实施方案的具有另一例示性光学系统的头戴式显示器的图示。

图4和图5是根据一个实施方案的可结合到头戴式显示器光学系统中的类型的例示性透镜元件的横截面侧视图。

图6和图7是根据实施方案的额外的例示性头戴式显示器的图示。

图8和图9分别是根据一个实施方案的具有圆柱形表面的透镜元件的顶视图和侧视图。

图10是根据一个实施方案的在模具的模制操作期间的例示性透镜元件和反射偏振器的图示。

具体实施方式

头戴式显示器可用于虚拟现实和增强现实系统。例如，一副穿戴在用户头上的虚拟现实眼镜可用于向用户提供虚拟现实内容。

图1中示出了一种例示性系统，其中诸如一副虚拟现实眼镜的头戴式显示器用于向用户提供虚拟现实内容。如图1所示，虚拟现实眼镜(头戴式显示器)10可包括显示系统，诸如显示系统40，该显示系统形成图像并且可具有光学系统，诸如光学系统20，用户(例如，用户的眼睛46)可通过该光学系统在方向48中观看来查看由显示系统40产生的图像。

显示系统40可基于液晶显示器、有机发光二极管显示器、具有晶体半导体发光二极管管芯阵列的发光显示器和/或基于其他显示技术的显示器。系统40中可包括独立的左右显示器，用于用户的左眼和右眼或单一显示器可跨越两个眼睛。

可使用安装在眼镜(头戴式显示器)10中的控制电路42和/或安装于眼镜42外部的控制电路(例如，与便携式电子设备、膝上型计算机或其他计算设备相关联)向显示系统(显示器)40提供虚拟内容(例如，用于静止和/或活动图像的图像数据)。控制电路42可包括存储装置，诸如硬盘存储装置、易失性和非易失性存储器、用于形成固态驱动器的电可编程存储装置，以及其他存储器。控制电路42还可包括一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、图形处理器、基带处理器、专用集成电路和其他处理电路。电路42中的通信电路可用于传输和接收数据(例如，无线地和/或通过有线路径)。控制电路42可使用显示系统40来显示视觉内容，诸如虚拟现实内容(例如，与虚拟世界相关联的计算机生成的内容)，用于电影或其他媒体的预先录制的视频或其他图像。控制电路42使用显示系统40为用户提供虚拟现实内容的例示性配置有时可在本文中作为示例来描述。然而，一般来讲，可由控制电路42使用显示系统40和眼镜10的光学系统20来向用户呈现任何合适的内容。

输入-输出设备44可耦接到控制电路42。输入-输出设备44可用于收集来自用户的用户输入，可用于对眼镜10周围的环境进行测量，可用于向用户提供输出，和/或可用于向外部电子设备提供输出。输入-输出设备44可包括按钮、操纵杆、小键盘、键盘按键、触摸传感器、跟踪垫、显示器、触摸屏显示器、麦克风、扬声器、用于为用户提供视觉输出的发光二极管、传感器(例如，力传感器、温度传感器、磁性传感器、加速度计、陀螺仪和/或用于测量眼镜10的取向、位置和/或运动的其他传感器、接近传感器、电容性触摸传感器、应变仪、气体传感器、压力传感器、环境光传感器和/或其他传感器)。如果需要，输入-输出设备44可包括一个或多个相机(例如，用于捕获用户环境的图像的相机、用于通过查看眼睛46进行凝视检测操作的相机和/或其他相机)。

图2为眼镜10的横截面侧视图，其示出了光学系统20和显示系统40可如何由头戴式支撑结构诸如眼镜10的外壳12来支撑。外壳12可具有用于一副眼镜的框架的形状(例如，眼镜10可类似于眼镜)，可具有头盔的形状(例如，眼镜10可形成头盔安装的显示器)，可具有一副泳镜的形状，或者可具有允许外壳12被佩戴于用户头部上的任何其他适当外壳形状。有时在本文中可以描述如下的配置作为示例：在用户在方向48上查看系统20和显示系统40时，外壳12在用户眼睛(例如，眼睛46)前方支撑光学系统20和显示系统40。如果需要，外壳12可具有其他合适的配置。

外壳12可由塑料、金属、纤维复合材料诸如碳纤维材料、木材和其他天然材料、玻璃、其他材料和/或这些材料中的两种或更多种的组合形成。

输入-输出设备44和控制电路42可安装在具有光学系统20和显示系统40的外壳12中，和/或输入-输出设备44的部分和控制电路42可使用电缆、无线连接或其他信号路径耦接到眼镜10。

眼镜10的显示系统40和光学部件可被配置为使用轻重量和紧凑的布置来为用户46显示图像。光学系统10可例如基于折反射透镜。

显示系统40可包括诸如像素阵列14的图像源。像素阵列14可包括发射图像光的像素P的二维阵列(例如，有机发光二极管像素、由半导体管芯形成的发光二极管像素、具有背光的液晶显示器像素、具有前光的硅上液晶像素等)。偏振器(诸如线偏振器16)可放置在像素阵列14的前面和/或可被层压到像素阵列14以提供偏振图像光。线偏振器16可具有与图2的X轴对准的透光轴(例如)。显示系统40还可包括波片，诸如四分之一波片18，以提供圆偏振图像光。该四分之一波片的快轴18可相对于线偏振器16的透光轴对准于45度处。四分之一波片18可安装在偏振器16前方(在偏振器16和光学系统20之间)。如果需要，四分之一波片18可附着到偏振器16(和显示器14)。

光学系统20可包括透镜元件，诸如透镜元件26和32。透镜元件26可以是具有面向显示系统40的凸表面的平凸透镜(透镜元件)。任选的透镜元件32可以是具有面向用户(眼睛46)的凹表面S3的平凹透镜(透镜元件)。

光学结构，诸如部分反射涂层、波片、反射偏振器、线偏振器、防反射涂层和/或其他光学部件，可结合到眼镜10(例如，系统20等)中。这些光学结构可允许来自显示系统40的光线穿过和/或从光学系统20中的表面，诸如表面S1、S2和S3反射，由此为光学系统20提供所需的透镜光学能力。

例如，考虑图像光线R1。由于图像光线R1离开显示器14并穿过线偏振器16，因此光线R1变成与线偏振器16的透光轴对准的线性偏振。线偏振器16的透光轴可例如与图2的X轴对准。在穿过偏振器16之后，光线R1穿过波片18，其可为四分之一波片。当光线R1穿过四分之一波片18时，光线R1变成圆偏振的。

可在透镜元件26的凸表面上形成部分反射镜(例如，金属镜涂层或其他镜涂层，诸如具有50％透射率和50％反射率的电介质多层涂层)，诸如部分反射镜22。当圆偏振光线R1入射到部分反射镜22时，一部分光线R1将穿过部分反射镜22，成为强度减小的光线R2。光线R2将被透镜元件26的凸表面S1的形状折射(部分聚焦)。

光线R2为圆偏振光。第二四分之一波片，诸如四分之一波片28可被包括在光学系统20中，以将光线R2的圆偏振转换为线性偏振。四分之一波片28可例如将圆偏振光线R2转换为具有与图2的Y轴对准的线性偏振的光线R3。

反射偏振器30可与四分之一波片28相邻形成。在一种例示性配置中，反射偏振器30和四分之一波片28为平面层，并且可形成在透镜元件26的平面表面上。反射偏振器30可具有正交的反射轴和透光轴。平行于反射偏振器30的反射轴偏振的光将由反射偏振器30反射。垂直于反射偏振器30的反射轴并且因此平行于透光轴偏振的光将穿过反射偏振器30。在图2的例示性布置中，反射偏振器30具有与Y轴对准的反射轴，因此光线R3将在表面S2处从反射偏振器30反射，成为反射光线R4。

反射光线R4具有与Y轴对准的线性偏振。穿过四分之一波片28之后，光线R4的线性偏振将被转换成圆偏振(即，光线R4将变成圆偏振光线R5)。

圆偏振光线R5将行进穿过透镜元件26，并且光线R5的一部分将在Z方向上由透镜元件26的凸表面S1上的部分反射镜22反射，成为反射光线R6。来自表面S1的弯曲形状的反射为光学系统20提供了额外的光焦度。同时，光线R5通过部分反射镜22透射的部分被四分之一波片18从圆偏振光转换成线性偏振光。这种线性偏振光具有与Y轴对准的偏振，使得其被线偏振器16吸收。因此，在可由用户查看的图像中防止了来自光线R5的透射部分的对比度劣化和杂散光伪影。

光线R6为圆偏振的。在穿过透镜元件26和四分之一波片28之后，光线R6将变成线性偏振的(光线R7)，其中光线R7的线性偏振与图2的X轴对准，该X轴平行于反射偏振器30的透光轴。因此，光线R7将穿过反射偏振器30以向用户提供可视图像。

如果需要，眼镜10可包括额外的线偏振器，诸如清洁线偏振器34。清洁线偏振器34具有与反射偏振器30的透光轴对准的透光轴(即，在本示例中平行于X轴)，并因此将在光线R7到达查看者眼睛46之前从光线R7中移除任何残余的非X轴偏振。

如果需要，可将具有额外透镜元件表面(表面S3)的额外透镜元件，诸如元件32结合到光学系统20中。表面S3可以是凹的和/或凸的，并可以用于额外的聚焦、畸变校正等。元件32可以具有面向透镜元件26的平面表面和面向查看者46的弯曲表面(S3)。表面S3可为凹的、凸的、非球面、自由形式、部分凹和部分凸，或可具有其他合适的形状。系统20中的弯曲表面，诸如表面S1和/或S3可以是非球面，以改善呈现给用户的图像中的锐度或减小畸变。例如，可以放置透镜元件32，使其平面表面与反射偏振器30、四分之一波片28和元件26的平面表面相邻(即，反射偏振器30和四分之一波片28可以夹在透镜元件32和26的平面表面之间而没有空隙)。

尽管元件32提供了额外的聚焦能力，但如果需要，可以通过省去元件32而减小光学系统的复杂度和重量。此外，四分之一波片28不必位于元件26的平面表面上，而是可以位于部分反射镜22和反射偏振器30之间的任何位置处。例如，四分之一波片28可被移动至弯曲的部分反射镜22与元件26的凸表面之间的位置24。

图3是例示性配置中的眼镜10的横截面侧视图，其中光学系统包括平凸透镜元件26和平曲透镜元件32(例如，平凹、平-非球面等)，并且其中反射偏振器30形成在透镜元件32的弯曲表面S3上。由于表面S3是弯曲的，因此当反射偏振器30已经弯曲成表面S3的形状时，通过允许从反射偏振器30反射图像光，可以提供额外的光焦度和/或畸变校正能力或更大的显示视场。如果需要，可将四分之一波片28从图3所示的位置移动到与图3的反射偏振器30相邻的位置(例如，在位置50中)或可移动到图2的位置24。图3的配置仅为例示性的。

图4示出了如果需要，透镜元件32和26可如何通过系统20中的空隙分开。如果需要，可在元件32和/或26的平面表面上提供抗反射涂层以减少反射。

在图5的例示性配置中，系统20由具有额外弯曲表面的透镜元件形成。在这种布置中，元件32和26是凹凸透镜并在弯曲配对表面52处汇合。图4和图5的光学系统可包括四分之一波片、部分反射镜和反射偏振器，以形成如结合图2和图3的折反射透镜系统(透镜)20所述的折反射透镜。

在图6的例示性配置中，反射偏振器30已形成在额外透镜元件54的表面上。可使用光学透明的粘合剂(例如)将反射偏振器30和透镜元件54附着到透镜元件32的相邻弯曲表面。如果需要，透镜元件54面向用户46的表面可具有弯曲表面。如果需要，透镜元件54的厚度可为恒定的(例如，元件54的厚度可在其直径范围内变化小于10％或小于5％或其他合适的量)。此外，线偏振器34可形成在透镜元件54面对用户46的弯曲表面上，以有助于抑制杂散环境光的反射。线偏振器34可被取向成使得线偏振器34的透光轴与X轴对准，使得图像光的光线，诸如图2的光线R7将传递到用户46供查看，而穿过偏振器34(在-Z方向上)的环境光线将由于线偏振器34的X轴透光轴取向而变为X偏振的，并将因此不会被反射偏振器30(其具有利用Y轴取向的反射轴)反射。由于系统20中透镜元件的弯曲表面的原因，倾斜取向的环境光线也将趋于从用户46反射开。因此，线偏振器34的存在将有助于减少从系统20的向内一侧朝向用户46的杂散光反射。

透镜元件54的向外表面S4可以是弯曲的(例如，凸的)，并且透镜元件32的相对配对向内表面S5可以是对应弯曲的(例如，凹的)。对于一种例示性配置而言，表面S4和S5可以关于图6的Z轴旋转对称(例如，透镜元件54和32可以是圆顶透镜，并且表面S4和S5可以是圆顶透镜表面)。这允许透镜元件54相对于透镜元件32旋转(例如，使反射偏振器30对准到四分之一波片28等)。

在图6的示例中，表面S6和S7为平面的。这有助于避免在四分之一波片28上施加不期望的应力(例如，这可能由双折射拉伸膜形成)。图7中示出了用于使四分之一波片应力最小化的另一种例示性布置。在图7的示例中，表面S6和S7具有圆柱形弯曲形状(S6是凸的，S7是凹的，使得这些圆柱形形状配合在一起)。虽然图7的四分之一波片28为弯曲的，但四分之一波片28仅围绕单轴(Y轴)弯折(弯曲)而不围绕X轴弯折。因此，四分之一波片28没有复合曲率，复合曲率可能会在四分之一波片28上施加不期望的应力。为了比较，图8和图9示出了图7的透镜元件32和26的横截面侧视图。图8为沿Y轴查看的横截面侧视图。四分之一波片28插置于透镜元件32的圆柱形表面S6和透镜元件26的圆柱形表面S7之间，并且围绕平行于Y轴的轴弯折，如图8所示。图9为沿着X轴查看的图7的透镜元件32和26的横截面侧视图，示出了表面S6和S7如何不围绕X轴弯折。因为表面S6和S7具有这种圆柱形形状，所以四分之一波片28不表现出复合曲率，并且不暴露于不期望量的应力，使得四分之一波片28横跨透镜组件提供相对均匀的延迟。

图10示出了如何可以通过将塑料(聚合物)或其他材料注模到模具56中来形成诸如透镜元件54的透镜元件。反射偏振器30可以被放置在模具56中，使得在向模具56的内部腔体中注入塑料以形成透镜元件54时，反射偏振器30的反射表面抵靠模具表面S5’。可以高精度加工模具表面S5’，从而在模制操作期间向表面S5’挤压反射偏振器30将有助于增强反射偏振器30的反射表面的光滑度和精确度。类似地，如果需要，可以在注模操作期间通过靠着相对表面58模制反射偏振器30来形成反射偏振器30。

光学系统20中使用的透镜元件可以较薄，并由轻重量材料(例如，塑料)形成和/或可以由诸如玻璃的材料形成。重量的减少可有助于为用户46提供舒适的查看体验。在诸如元件54的透镜元件具有均匀厚度时，模制具有均匀光学性质包括低双折射率的一个或多个透镜元件可能更容易。

如结合图8和图9所述，当(例如，在四分之一波片28的相对侧上使用粘结剂层)将元件32和26粘结在一起时，四分之一波片28可插置于透镜元件32和26之间。如结合图6所述，表面S6和S7可以是平面的(例如，元件32可以是平凹元件，元件26可以是平凸元件)，或者表面S6和S7可以是弯曲的(例如，参见图7)。如结合图8和图9所述，表面S6和S7可以是圆柱形表面(围绕一个轴弯折的表面)。在这种配置中，四分之一波片28可仅沿一个轴弯折(例如，四分之一波片28可以不具有任何复合曲线)，由此减小四分之一波片28中的畸变，并帮助确保四分之一波片28提供的延迟是均匀的。

在光学系统20的组装期间，四分之一波膜的平面件可放置在元件32和26之间，在四分之一波膜的任一侧上具有光学粘合剂。然后可迫使元件32和26在一起，以分布粘合剂并围绕轴Y(平行于轴Y的轴)弯折四分之一波膜。为表面S6和S7提供圆柱形弯曲形状可使透镜元件32和26的厚度能够得以减小。为表面S6和S7使用圆柱形弯曲形状可以帮助在整个透镜元件上实现更均匀的厚度，并由此改善透镜元件的可模制性。在形成注模透镜元件时，模具腔体中厚度的均匀性能够帮助改善熔融塑料在被注入模具中以及熔体前沿流过模具腔体时流动的均匀性。模制期间存在均匀流动对于防止模制透镜中的流线可能是重要的，尤其是在透镜元件在边缘比在中心更厚时。更均匀的流动还可导致模制透镜元件中的低双折射率。对于诸如系统20的折反射光学系统而言，透镜元件中的低双折射有助于保持对图像光的偏振态的控制，使得减少杂散光和重影，并因此为用户46提供了没有杂散光伪影的高对比度图像。此外，在图8和图9中所示类型的配置中的波片28的圆柱形弯曲形状可帮助确保系统20中的光线以比平面波片配置更接近法线入射的角度穿过四分之一波片28。结果，由四分之一波片28提供的延迟在整个透镜元件上可以更均匀，并且因此提供给用户46的图像可在对比度方面更均匀而具有更少的重影伪影。

在设备10中，将图像光从非偏振光转换为线性偏振光，到圆偏振光，然后返回线性偏振光，返回圆偏振光并最终返回线性偏振光。为了使线性偏振光完全转换成圆偏振光，从而减少偏振椭圆度，可能理想的是，相对于偏振器的偏振轴对四分之一波片28和18进行精确地取向。例如，可能希望将四分之一波片18的快轴精确取向于相对于线偏振器16的偏振轴(透光轴)45度处，并将四分之一波片28的快轴精确取向于相对于反射偏振器30的偏振轴(透光轴)45度处。例如，在+/-1.5度或其他适当对准公差之内，可以将四分之一波片的快轴取向于相对于相应偏振器的偏振轴45度处。将四分之一波片精确对准到偏振器的偏振轴有助于确保光没有混合偏振态(非椭圆偏振)。因此，精确对准防止图像光的部分遵循形成重影图像的不期望路径，这会降低对比度并呈现出杂散光伪影。

线偏振器16和四分之一波片18可在层压期间对准。例如，可以将偏振膜和四分之一波膜的卷在重绕过程中彼此精确对准并利用光学透明粘合剂层压在一起，使得保持对准。然后，可将层压的偏振器/四分之一波膜附接到衬底，以安装到光学系统中或直接附接至与像素阵列14相关联的盖玻璃或其他结构。发光显示器，诸如由晶体半导体发光二极管管芯阵列形成的有机发光二极管显示器和发光二极管显示器，可以提供非偏转图像光，从而将层压的偏振器/四分之一波膜附接到像素阵列允许显示系统发射圆偏振光。

四分之一波片28也可与反射偏振器30精确对准。反射偏振器30可以弯曲形状(例如，通过利用热的热成形和差分压力或压力成形)直接形成到透镜元件32的凹表面或匹配透镜元件32的凹表面的模具(例如，图10的模具56)。然后可以在组装过程中对准四分之一波片28或反射偏振器30，其中两个透镜元件32和54与反射偏振器30和弯曲的四分之一波片28粘结。反射偏振器30或弯曲的四分之一波片28可以例如粘结到透镜元件32或54之一，并且系统20的其余元件可以期望的对准精确度被取向。偏振计可用于在对准期间通过光学系统20来测量，以确定存在多大椭圆度并且在组装期间使用此信息来引导对准。在图6所示类型的配置中，透镜元件32和26之间的界面为平面。在这种配置中，四分之一波片28可被粘结到平凸透镜元件26的平面侧，并且反射偏振器30可被粘结到平凹透镜元件32的凹面侧。然后可相对于彼此旋转透镜元件32和26，同时测量偏振椭圆度。一旦确定四分之一波片28令人满意地对准到反射偏振器30，就可以将光学系统20的部件粘结在一起以保持对准。

如果需要，可使用圆顶光学系统(具有圆顶形表面的透镜元件)来促进偏振器30和四分之一波片28的对准。例如，元件54的凸表面S4和元件32的凹表面S5可为圆顶形的，允许这些圆顶透镜元件在对准操作期间相对于彼此旋转。四分之一波片28可被粘结在透镜元件32和26之间。偏振器30可形成在透镜元件54的表面上。然后可将圆顶透镜元件54粘结到透镜元件32的表面S5，同时对准偏振器30和四分之一波片28。在粘结到透镜元件32之前，可以根据需要旋转圆顶透镜元件54，同时进行偏振测量以评估对准精确度。如果需要，反射偏振器30可被模制到透镜元件54的表面S4，如结合图10所述(例如，使用反射偏振器30作为模具56中的插入件)。在模制期间向用于元件54的光学塑料施加压力会在模制期间靠着模具56的壁挤压反射偏振器30，使得反射偏振器30的反射表面(例如，反射偏振器30的向外的表面)的精确度和光滑度由模具56的壁的精确度和光滑度确定，而该壁可以形成为符合光学规范。在模制之后，模制圆顶透镜54的厚度(例如，1-3mm)保持反射偏振器30的反射表面的表面精度，以便在组装期间易于处理。然后，(例如，使用液体光学透明粘合剂)将圆顶透镜54粘结到透镜元件32的配合圆顶形表面S5的过程所用的力可以充分小，从而不会劣化元件54的表面S4上反射偏振器30的反射表面的模制时表面精确度。

如图6所示，可以在元件54的眼睛侧(凹表面S8)上形成线偏振器34，以帮助防止来自环境的光的杂散反射。线偏振器34可为位于光学系统20和用户眼睛46之间的平坦或弯曲的独立层。线偏振器34也可附接到透镜元件54的表面S8(例如，内圆顶透镜表面)，或者可在透镜元件54的表面S4上形成偏振器30之前被层压到反射偏振器30。线偏振器34可相对于反射偏振器30对准，使得两个偏振器的透光轴对准。这样，线偏振器34吸收来自环境的光，该环境具有会被反射偏振器30反射的偏振态。来自具有被线偏振器34和反射偏振器30透射的偏振态的环境的光穿过四分之一波片28和四分之一波片18，最终具有被线偏振器16吸收的线性偏振态。这有助于减少杂散光反射，因为反射偏振器30以高反射率反射这种偏振态的光，这样有可能对从用户46后面或旁边进入设备10的光形成散射反射。同时，对准线偏振器34，使得线偏振器34的透射轴平行于反射偏振器30的透射轴，由此有助于使线偏振器34能够充当清洁偏振器，以改善来自像素阵列14的图像质量，同时将呈现给用户眼睛的图像光的亮度减小较小的量(例如，如果线偏振器34的透射率为40％则<20％，如果线偏振器34的透射率为45％则<10％)。线偏振器34可以是与非偏振光相比，透射率至少为40％，至少为43％，或至少为45％的高透射率偏振器。

在一个实施方案中，系统28中的四分之一波片可以由多层层压在一起的延迟膜形成。延迟膜的层可以彼此成角度取向，使得它们一起充当四分之一波片，在更宽光谱带宽上的波(也称为消色四分之一波)中测量时，延迟变化减小。例如，四分之一波片18和/或28的延迟可在波长范围为450-650nm上在+/-1.5°之内。

可以在插入圆顶透镜元件54的模制之前，向反射偏振器30的一个或多个表面涂布底漆(例如，增粘剂聚合物)。这可以帮助增加模制之后反射偏振器30和圆顶透镜元件54之间的粘结强度。

如果需要，反射偏振器30可具有由诸如聚碳酸酯或环状烯烃的材料形成的衬底，该材料与系统20中的透镜元件(例如丙烯酸酯或环状烯烃透镜元件)的热膨胀相匹配，从而在光学系统20暴露于来自显示系统40或环境的热时减小界面应力。

如果需要，插置于系统20的其他透镜元件和显示系统40之间的透镜元件26可由玻璃制成(其可具有比塑料更低的热膨胀和更高的耐热能力)，以帮助抵抗来自显示系统20的热效应。此外，可将软粘合剂或光学润滑脂用于透镜元件54和32之间的四分之一波片28，以在两个透镜元件和四分之一波片28之间实现具有减小的界面应力的某种差分热膨胀。

根据一个实施方案，提供了一种被配置为显示可由用户查看的图像的头戴式显示器，包括被配置为产生图像的像素阵列；与图像相关联的光穿过的线偏振器；从线偏振器接收光的第一平面四分之一波片；具有凸表面和相对的平面表面的平凸透镜元件；在凸表面上的部分反射镜；反射偏振器和第二平面四分之一波片，该第二平面四分之一波片在反射偏振器和部分反射镜之间。

根据另一个实施方案，该头戴式显示器包括额外的线偏振器，光在穿过反射偏振器之后穿过该额外的线偏振器。

根据另一个实施方案，第二平面四分之一波片形成在平凸透镜元件的平面表面处。

根据另一个实施方案，该头戴式显示器包括具有凹表面和相对的平面表面的平凹透镜元件，该平凹元件的平面表面平行于平凸透镜元件的平面表面。

根据另一个实施方案，平凸透镜元件的平面表面面对平凹透镜元件的平面表面。

根据另一个实施方案，反射偏振器形成在平凹透镜的凹表面处。

根据另一个实施方案，该头戴式显示器包括额外的透镜元件，该反射偏振器插置在额外的透镜元件和平凹透镜元件之间。

根据另一个实施方案，该头戴式显示器包括在额外的透镜元件的表面处的额外的线偏振器，该额外的透镜元件插置在额外的线偏振器和反射偏振器之间。

根据另一个实施方案，该头戴式显示器包括被配置为向像素阵列提供图像数据的控制电路以及耦接到控制电路的输入-输出设备。

根据另一个实施方案，该输入-输出设备包括相机。

根据一个实施方案，提供了一种被配置为显示可由用户查看的图像的头戴式显示器，包括被配置为产生图像的像素阵列；与图像相关联的光穿过的线偏振器；从线偏振器接收光的第一四分之一波片；具有第一相对表面和第二相对表面的第一透镜元件；具有第三相对表面和第四相对表面的第二透镜元件，该第三表面面对第二表面；具有第五相对表面和第六相对表面的第三透镜元件，该第五表面面对第四表面；在第一表面上的部分反射镜；插置在第二表面和第三表面之间的第二四分之一波片；以及在第四表面和第五表面之间的反射偏振器。

根据另一个实施方案，该头戴式显示器包括在第六表面处的额外的线偏振器，光在穿过反射偏振器之后穿过该额外的线偏振器。

根据另一个实施方案，该第一表面是凸表面，并且该第二表面是平面表面。

根据另一个实施方案，该第三表面是平面表面，该第四表面是凹表面，该第五表面是凸表面，并且该第六表面是凹表面。

根据另一个实施方案，该第二表面是凹表面，并且该第三表面是凸表面。

根据另一个实施方案，该第一表面是凸表面，该第二表面是凹表面，该第三表面是凸表面，并且该第二表面和该第三表面具有圆柱形形状。

根据另一个实施方案，第四表面和第五表面是圆顶形表面。

根据一个实施方案，提供了一种被配置为向用户呈现图像的头戴式设备，包括：被配置为穿戴在用户头上的支撑结构；由支撑结构支撑并且产生用于图像的光的显示系统；以及由外壳支撑并且在光从显示系统传递到用户时聚焦光的折反射光学系统，该折反射系统包括：具有凸第一表面并具有相对第二表面的第一透镜元件；在第一表面上的部分反射镜；在第二表面处的四分之一波片；具有在四分之一波片处的第三表面和相对的凹第四表面的第二透镜元件；在第四表面处具有反射轴并具有垂直于反射轴的透光轴的反射偏振器；以及具有在反射偏振器处的凸第五表面和相对的凹第六表面的第三透镜元件。

根据另一个实施方案，该头戴式设备包括在第六表面上的线偏振器。

根据另一个实施方案，第二表面和第三表面是平面的，并且四分之一波片是平面的。

根据另一个实施方案，第二表面和第三表面具有配对的圆柱形形状。

前述内容仅为例示性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (21)

1.一种头戴式显示器，所述头戴式显示器被配置为显示能够由用户查看的图像，所述头戴式显示器包括：

像素阵列，所述像素阵列被配置为产生所述图像；

线偏振器，与所述图像相关联的光穿过所述线偏振器；

第一平面四分之一波片，所述第一平面四分之一波片从所述线偏振器接收所述光；

平凸透镜元件，所述平凸透镜元件具有凸表面和相对的平面表面；

部分反射镜，所述部分反射镜在所述凸表面上；

反射偏振器；和

第二平面四分之一波片，其中所述第二平面四分之一波片在所述反射偏振器和所述部分反射镜之间。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，还包括额外的线偏振器，所述光在穿过所述反射偏振器之后穿过所述额外的线偏振器。

3.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述第二平面四分之一波片形成在所述平凸透镜元件的所述平面表面处。

4.根据权利要求1所述的头戴式显示器，还包括具有凹表面和相对的平面表面的平凹透镜元件，其中所述平凹元件的所述平面表面平行于所述平凸透镜元件的所述平面表面。

5.根据权利要求4所述的头戴式显示器，其中所述平凸透镜元件的所述平面表面面对所述平凹透镜元件的所述平面表面。

6.根据权利要求5所述的头戴式显示器，其中所述反射偏振器形成在所述平凹透镜的所述凹表面处。

7.根据权利要求6所述的头戴式显示器，还包括额外的透镜元件，其中所述反射偏振器插置在所述额外的透镜元件和所述平凹透镜元件之间。

8.根据权利要求7所述的头戴式显示器，还包括在所述额外的透镜元件的表面处的额外的线偏振器，其中所述额外的透镜元件插置在所述额外的线偏振器和所述反射偏振器之间。

9.根据权利要求1所述的头戴式显示器，还包括：

控制电路，所述控制电路被配置为向所述像素阵列提供图像数据；和

输入-输出设备，所述输入-输出设备耦接到所述控制电路。

10.根据权利要求9所述的头戴式显示器，其中所述输入-输出设备包括相机。

11.一种头戴式显示器，所述头戴式显示器被配置为显示能够由用户查看的图像，所述头戴式显示器包括：

像素阵列，所述像素阵列被配置为产生所述图像；

线偏振器，与所述图像相关联的光穿过所述线偏振器；

第一四分之一波片，所述第一四分之一波片从所述线偏振器接收所述光；

第一透镜元件，所述第一透镜元件具有相对的第一表面和第二表面；

第二透镜元件，所述第二透镜元件具有相对的第三表面和第四表面，其中所述第三表面面对所述第二表面；

第三透镜元件，所述第三透镜元件具有相对的第五表面和第六表面，其中所述第五表面面对所述第四表面；

部分反射镜，所述部分反射镜在所述第一表面上；

第二四分之一波片，其中所述第二四分之一波片在所述第二表面和所述第三表面之间；和

反射偏振器，所述反射偏振器在所述第四表面和所述第五表面之间。

12.根据权利要求11所述的头戴式显示器，还包括在所述第六表面处的额外的线偏振器，所述光在穿过所述反射偏振器之后穿过所述额外的线偏振器。

13.根据权利要求12所述的头戴式显示器，其中所述第一表面是凸表面，并且所述第二表面是平面表面。

14.根据权利要求13所述的头戴式显示器，其中所述第三表面是平面表面，所述第四表面是凹表面，所述第五表面是凸表面，并且所述第六表面是凹表面。

15.根据权利要求12所述的头戴式显示器，其中所述第二表面是凹表面，并且所述第三表面是凸表面。

16.根据权利要求12所述的头戴式显示器，其中所述第一表面是凸表面，所述第二表面是凹表面，所述第三表面是凸表面，并且所述第二表面和所述第三表面具有圆柱形形状。

17.根据权利要求11所述的头戴式显示器，其中所述第四表面和所述第五表面是圆顶形表面。

18.一种头戴式设备，所述头戴式设备被配置为向用户呈现图像，所述头戴式设备包括：

支撑结构，所述支撑结构被配置为穿戴在所述用户的头上；

显示系统，所述显示系统由所述支撑结构支撑并且产生用于所述图像的光；和

折反射光学系统，所述折反射光学系统由所述外壳支撑并且在所述光从所述显示系统传递到所述用户时聚焦所述光，其中所述折反射光学系统包括：具有凸的第一表面并具有相对第二表面的第一透镜元件；在所述第一表面上的部分反射镜；在所述第二表面处的四分之一波片；具有在所述四分之一波片处的第三表面和相对的凹的第四表面的第二透镜元件；在所述第四表面处的具有反射轴并具有垂直于所述反射轴的透光轴的反射偏振器；以及具有在所述反射偏振器处的凸的第五表面和相对的凹的第六表面的第三透镜元件。

19.根据权利要求18所述的头戴式设备，还包括在所述第六表面上的线偏振器。

20.根据权利要求19所述的头戴式设备，其中所述第二表面和所述第三表面是平面的，并且所述四分之一波片是平面的。

21.根据权利要求19所述的头戴式设备，其中所述第二表面和所述第三表面具有配对的圆柱形形状。