CN110573932B - 用于具有显示器的电子设备的光学系统 - Google Patents

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Abstract

电子设备可具有像素阵列。光源可照明像素阵列以产生图像光。图像光可穿过多元件透镜并且可使用输入耦合器诸如棱镜耦合到波导中。输出耦合器诸如衍射光栅可将图像光耦合出波导并朝向用户。用户可观看图像光并且可通过波导观察真实世界对象。波导可具有局部修改的部分，所述局部修改部分限定与多元件透镜的出射表面相距一定距离处的孔径光阑。所述多元件透镜可具有第一和第二消色差双合透镜以及介于所述第一和第二消色差双合透镜之间的第一单透镜和第二单透镜。多元件透镜的透镜元件可包括具有非球面表面的透镜元件。

Description

用于具有显示器的电子设备的光学系统
本专利申请要求于2017年6月6日提交的美国临时专利申请No.62/516,014的优先权，该美国专利申请全文据此以引用方式并入本文。
背景技术
本发明整体涉及电子设备，并且更具体地涉及具有显示器的电子设备。
电子设备通常包括显示器。例如，头戴式设备诸如虚拟现实或混合现实眼镜可具有用于为用户显示图像的显示器。光学系统可用于将图像光从显示器导向至用户的眼睛。
在头戴式设备中使用光学系统将图像从显示器提供给使用者的眼睛的过程具有引入图像失真的可能性。在形成足够紧凑以佩戴在使用者的头部上的光学系统中也可能出现挑战。如果不小心，则用于电子设备的光学系统可能过于庞大并且可能不表现出令人满意的光学性能。
发明内容
电子设备诸如头戴式设备可具有像素阵列。光源可照明像素阵列以产生图像光。当照明像素阵列时，来自光源的光可穿过棱镜。反射的图像光可穿过棱镜至多元件透镜。
图像光可穿过多元件透镜并且可使用输入耦合器诸如棱镜耦合到波导中。输出耦合器诸如衍射光栅可将图像光耦合出波导并朝向用户。用户可观看图像光并且同时可通过波导观察真实世界对象。
波导可具有厚度并且可具有局部修改的横向部分，所述局部修改的横向部分限定与多元件透镜的出射表面相距一定距离处的孔径光阑。所述多元件透镜可具有第一和第二消色差双合透镜以及介于所述第一和第二消色差双合透镜之间的第一单透镜和第二单透镜。多元件透镜的透镜元件可包括具有非球面表面的透镜元件。
附图说明
图1是根据实施方案的具有显示器的例示性电子设备的图示。
图2为根据一个实施方案的将图像光从显示器提供给用户的示例性光学系统的图示。
图3是根据一个实施方案的示例性光学系统的图示，示出了图像光可如何耦合到或出波导。
图4为根据一个实施方案的波导的端部部分的视图，其示出了波导的各部分可如何被修改以横向限制光以限定孔径光阑。
图5是根据实施方案的光学系统的示例性多元件透镜的横截面侧视图。
具体实施方式
头戴式设备和其他电子设备可用于虚拟现实和混合现实(增强现实)系统。这些设备可包括便携式消费电子设备(例如，便携式电子设备，诸如蜂窝电话、平板电脑、眼镜、其他可穿戴装置)、在驾驶舱、车辆等中的头顶显示器、基于显示器的装置(投影仪、电视机等)。诸如这些设备的设备可包括显示器和其他光学部件。将虚拟现实和/或混合现实内容提供给具有头戴式显示设备的用户(观察者)的设备构型在本文中作为示例描述。然而，这仅为例示性的。任何合适的装置都可用于向用户提供视觉内容，例如虚拟现实和/或混合现实内容。
佩戴在用户头部的头戴式设备诸如增强现实眼镜可用于向用户提供覆盖在真实世界内容顶部的计算机生成的内容。真实世界内容可由用户通过光学系统的透明部分直接查看。光学系统可用于将图像从显示系统中的一个或多个像素阵列路由至用户的眼睛。光学系统中可包括波导诸如由透明材料(诸如玻璃或塑料)的片形成的薄平面波导或其他光导，以将来自像素阵列的图像光输送至用户。显示系统可包括反射型显示器，诸如硅上液晶显示器、微电子机械系统(MEMS)显示器或其他显示器。
图1中示出了例示性电子设备诸如头戴式设备的示意图。如图1所示，头戴式设备10可具有可佩戴在头部的支撑结构，诸如支撑结构15。头戴式显示器10的部件可由支撑结构15支撑。支撑结构15(有时可被称为外壳)可被配置为形成一副眼镜的框架(例如，左右镜腿和其他框架构件)、可被配置为形成头盔、可被配置为形成一副护目镜，或者可具有其他可佩戴在头部的构型。
可使用控制电路16来控制设备10的操作。控制电路16可包括用于控制头戴式显示器10的操作的存储和处理电路。电路16可以包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路16中的处理电路可以基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码可存储在电路16中的存储装置上，并且在电路16中的处理电路上运行，以实现头戴式显示器10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、以产生向用户显示的图像内容的图像呈现操作等)。
头戴式设备10可包括输入-输出电路，诸如输入-输出设备12。输入-输出设备12可用于允许由头戴式显示器10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头戴式设备10提供用户输入。输入-输出设备12还可用于收集有关在其中操作头戴式设备10的环境的信息。设备12中的输出部件可允许头戴式设备10向用户提供输出，并且可用于与外部电气装置通信。
如图1所示，输入输出设备12可包括一个或多个显示器，诸如显示器14。显示器14可用于为头戴式设备10的用户显示图像。显示器14具有像素阵列以生成通过光学系统呈现给用户的图像。光学系统可包括光学部件，诸如波导，光学耦合器和透镜。光学系统可以具有透明部分，用户(观察者)可以通过该透明部分观察现实世界物体，同时计算机生成的内容通过在显示器14上产生计算机生成的图像而覆盖在现实世界物体顶上。
图2是用于在显示器14上将图像呈现给用户37的眼睛的示例性光学系统的图示。如图2所示，显示器35可包括照明源，诸如光源22。光源22可具有用于产生输出光的一个或多个发光部件24。发光部件24可以是例如发光二极管(例如，红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管、白色发光二极管和/或其他颜色的发光二极管)。照明也可使用光源诸如激光或灯来提供。
设备10中的显示器诸如示例性显示器14可为反射型显示器，诸如硅上液晶显示器、微电子机械系统(MEMS)显示器(有时称为数字微镜设备)或其他显示器。光学部件诸如棱镜20可插入显示器14的光源22和像素阵列18之间。如光线26所示，棱镜20可用于将照明从光源22耦合到显示器14，并且可用于将来自显示器14的像素阵列18的反射图像光耦合到透镜30。透镜30可用于将来自显示器14的图像光(例如，反射光26)提供至光学部件32。透镜30可具有相对宽的视场(例如，至少52°×52°，至少52°×30°等)。
光学部件32可包括波导(例如，由透明玻璃或塑料的透明层形成的波导)，用于将图像光(光26)耦合到波导中的输入耦合器，以及用于将图像光耦合出波导的输出耦合器(例如，以产生由用户37观看的发射光33)。
图3为图2的光学系统35的图示，其中为了清楚起见省略了棱镜20。如图3所示，从每个像素18反射的光线束可通过主光线26C和边缘光线26M来表征。主光线26C可垂直于像素18(例如，在1°内)。透镜30可以是远心的(被配置成接受远心光线)。在穿过透镜30时，来自每个像素的光线束可准直。对于光学系统35的一个示例性构型，显示器14中任何给定像素18的边缘光线和主光线将在角取向上变化小于0.5弧分。
在离开透镜30时，光线26可使用输入耦合器诸如棱镜34耦合到波导36中。如图3所示，光线26可例如进入波导36的表面40和棱镜34的共面表面42，并且随后可根据全内反射的原理沿着波导36的长度(例如，沿着图3的例子中的维度Z)传播。当以这种方式耦合到波导36中的来自显示器14的图像光到达输出耦合器38(例如，嵌入波导36中和/或形成于波导36和/或其他输出耦合器结构的表面上的涂层中的衍射光栅)时，输出耦合器38可用于将图像光作为发射光33耦合出波导36，以供用户37查看。如果需要，波导36可以是透明的，因此当在方向52上观看时，用户37可通过波导36观看真实世界对象，诸如对象50。
穿过波导36传播的图像光可(相对于图3的实例中的维度X)由波导36的厚度TW垂直限定(例如，1.5mm，1-2mm，至少0.5mm，小于3mm等)。可通过局部修改波导36的特性(例如，通过将吸收材料结合到波导36的选定区域中，通过用吸光材料的涂层覆盖波导36的选定部分和/或通过以其他方式将光吸收材料，反射结构，光栅和/或其他结构结合到波导36中)来提供横向图像光约束。如图4所示，例如，波导36的部分36B可包括阻止光传播的光限制结构，同时使部分36C透明以允许光传播。具体地讲，用于透射光的波导36的宽度的一部分可从波导36的全宽度FW(其通常大于厚度TW)局部减小至减小的宽度CW。因此，对波导36的这种选择性修改可横向地限定图像光(沿着图4的例子中的横向维度Y)。
波导36可以这种方式(包括部分36B)在波导36的入口处进行修改(例如，在与入射表面40相邻的波导36的长度L中)。L的值可为至少3mm、至少7mm、至少1cm、小于1.5cm、小于5mm或其他合适的尺寸。由于波导36的厚度TW的尺寸，光限制部分36B的横向限制(例如，波导36的透明入射部分36C的宽度CW)和竖直限制形成了用于系统35的孔径光阑。由这些波导结构形成的孔径光阑位于透镜30的最后表面与输出耦合器38之间(例如，在透镜30和用户37之间)。例如，这些结构可在距透镜30的输出表面相距6mm(或至少3mm，至少4mm，至少5mm，小于12mm，小于9mm等)的距离处形成直径为约2mm(或至少1mm，至少1.5mm，小于2.5mm，小于3mm等)的孔径。
透镜30的质量可通过在透镜30中使用多个透镜元件(透镜)并通过将多个非球面表面结合到这些透镜元件中来增强。透镜30的例示性配置如图5所示。如图5所示，透镜30可包括具有非球面表面A1(例如，接受图像光26的透镜30的入射表面)的初始透镜元件，诸如透镜元件30-1。透镜元件30-1可为负透镜并且可具有凹形输出表面S1。透镜元件30-1可附接到正透镜元件30-2以形成消色差双合透镜。透镜元件30-2的入射表面可以是与透镜元件30-1的凹形输出表面S1匹配的凸形表面。透镜元件30-2也可具有凸形的输出表面S2。表面S1和S2可为球形的。
在透镜30的出口处，透镜30可具有由透镜元件30-5和最终透镜元件30-6形成的另一个消色差双合透镜。元件30-5和30-6在表面S6处接合。透镜元件30-5可为正透镜元件，并且透镜元件30-6可为负透镜元件。透镜元件30-5的凸面入射表面S5和透镜元件30-6的凹形出射表面S7可为球形的。形成透镜元件30-5的凹形出射表面的表面S6和用于透镜元件30-6的匹配的凸形输入表面也可以是球形的。表面S7用作透镜30的出射表面，并且可位于由波导36形成的孔径光阑的约6mm(或至少1mm，至少2mm，至少3mm，至少4mm，至少5mm，小于10mm或其他合适的距离)处。
一对单透镜诸如透镜元件30-3和透镜元件30-4可位于透镜30的入口双合透镜和出射双合透镜之间。透镜元件30-3可为具有球形凸形入射表面S3和非球面出射表面A2的正透镜元件。透镜元件30-4可为具有球形凸形入射表面S4和非球面出射表面A3的正透镜元件。
棱镜20可由SF1玻璃形成，透镜元件30-1可由SF6玻璃形成，透镜元件30-2可由N-PK51玻璃形成，透镜元件30-3可由L-BAL42玻璃形成，透镜元件30-4可由L-LAL13玻璃形成，透镜元件30-5可由H-ZPK5玻璃形成，并且透镜元件30-6可由N-BK10玻璃形成。显示器14可具有覆盖像素18的覆盖玻璃层。用于显示器14的覆盖玻璃层可由BK7玻璃形成。
使用光学系统35的这种类型的光学布置方式，失真可小于5％并且亮度均匀度可为至少75％。如果需要，可以针对设备35使用其他类型的布置方式。例如，透镜30和系统35的其他光学部件可由不同的玻璃，聚合物，结晶材料和/或其他透明透镜材料形成。如果需要，可在形成透镜30时使用不同数量的透镜元件(例如，4-8，至少5，至少6，至少7，小于9，小于8，小于7等)。图2、图3、图4和图5的配置仅为示例性的。
根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括像素阵列，照明像素阵列以产生图像光的光源，具有多个透镜元件的透镜，该透镜元件包括具有接收图像光的入射表面的初始透镜元件，并且包括具有通过其射出图像光的出射表面的最终透镜元件，以及从透镜接收图像光以及形成位于与出射表面相距一定距离处的孔径光阑的波导。
根据另一个实施方案，该电子设备包括输入耦合器，该输入耦合器被配置为将图像光从透镜耦合到波导中。
根据另一个实施方案，电子设备包括被配置为将图像光耦合出波导的输出耦合器。
根据另一个实施方案，波导具有厚度和大于厚度的宽度的横截面轮廓，并且波导包括局部限制宽度以形成孔径光阑的修改部分。
根据另一实施方案，输入耦合器包括棱镜。
根据另一个实施方案，输出耦合器包括光栅。
根据另一个实施方案，电子设备包括支撑像素阵列的头戴式支撑结构。
根据另一个实施方案，像素阵列包括数字微镜设备。
根据另一个实施方案，透镜包括至少五个元件。
根据另一个实施方案，透镜包括至少两个双合透镜。
根据另一个实施方案，透镜的透镜元件包括至少两个非球面表面。
根据另一个实施方案，透镜元件包括第一消色差双合透镜，第二消色差双合透镜，以及第一消色差双合透镜和第二消色差双合透镜之间的第一单透镜和第二单透镜。
根据另一个实施方案，第一消色差双合透镜具有带非球面表面的负透镜元件。
根据另一个实施方案，第一单透镜具有非球面表面。
根据另一个实施方案，第二单透镜具有非球面表面。
根据一个实施方案，提供了一种光学系统，该光学系统包括像素阵列，照明像素阵列以产生图像光的光源，以及具有接收图像光的多个透镜元件的透镜，透镜元件包括第一消色差双合透镜，第二消色差双合透镜，以及第一消色差双合透镜和第二消色差双合透镜之间的第一单透镜和第二单透镜。
根据另一个实施方案，电子设备包括棱镜，光通过棱镜从光源传递到像素阵列，并且图像光穿过棱镜至透镜。
根据另一个实施方案，光学系统包括波导，该波导接收图像光的波导，并且具有限定图像光的孔径光阑的光修改部分。
根据一个实施方案，提供了一种透镜，该透镜包括第一消色差双合透镜，第二消色差双合透镜以及第一消色差双合透镜与第二消色差双合透镜之间的第一单透镜和第二单透镜，第一消色差双合透镜具有带非球面表面的负透镜元件，第一单透镜具有非球面表面以及第二单透镜具有非球面表面。
根据另一个实施方案，第一单透镜的非球面表面面向第二单透镜的球形表面。
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 (15)

1.一种电子设备，所述电子设备包括：
像素阵列；
光源，所述光源照明所述像素阵列以产生图像光；
具有多个透镜元件的透镜，所述多个透镜元件包括具有入射表面的初始透镜元件并且包括具有出射表面的最终透镜元件，所述入射表面接收所述图像光，所述图像光通过所述出射表面离开；
波导，所述波导接收来自所述最终透镜元件的所述图像光并且形成位于与所述出射表面相距一定距离处的孔径光阑，其中，所述波导具有被厚度分开的相对的第一表面和第二表面，并且其中，所述图像光被配置为通过使用全内反射从所述相对的第一表面和第二表面反射离开而沿所述波导传播；以及
输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将图像光从所述最终透镜元件耦合到所述波导中，其中，所述输入耦合器被附接到所述波导的所述第一表面，其中，所述图像光的第一部分被配置为离开所述最终透镜元件，通过所述输入耦合器的入射表面进入所述输入耦合器，并且通过所述第一表面进入所述波导，并且其中，所述图像光的第二部分被配置为离开所述最终透镜元件，并通过连接所述相对的第一表面和第二表面并且与所述输入耦合器的所述入射表面平行的第三表面进入所述波导，所述第三表面与所述第一表面成角度。
2.根据权利要求1所述的电子设备，还包括被配置为将所述图像光耦合出所述波导的输出耦合器。
3.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述波导具有厚度和大于所述厚度的第一宽度的横截面轮廓，并且其中所述波导包括限定用于所述图像光的孔径光阑的第一光阻挡部分和第二光阻挡部分，并且其中，小于所述第一宽度并平行于所述第一宽度的第二宽度将所述第一光阻挡部分和第二光阻挡部分分开。
4.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述输入耦合器包括棱镜。
5.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述输出耦合器包括光栅。
6.根据权利要求1所述的电子设备，还包括支撑所述像素阵列的头戴式支撑结构。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述像素阵列包括数字微镜设备。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述透镜包括至少五个元件。
9.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述透镜包括至少两个双合透镜。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述透镜的所述透镜元件包括至少两个非球面表面。
11.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述透镜元件包括第一消色差双合透镜，第二消色差双合透镜，以及介于所述第一消色差双合透镜和所述第二消色差双合透镜之间的第一单透镜和第二单透镜。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述第一消色差双合透镜具有带非球面表面的负透镜元件。
13.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述第一单透镜具有非球面表面。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述第二单透镜具有非球面表面。
15.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述透镜元件包括：
第一消色差双合透镜，其中所述第一消色差双合透镜包括所述初始透镜元件；
第二消色差双合透镜，其中所述第二消色差双合透镜包括所述最终透镜元件；以及
介于所述第一消色差双合透镜和所述第二消色差双合透镜之间的第一单透镜和第二单透镜，其中所述第一单透镜具有第一非球面出射表面，其中所述第二单透镜具有第二非球面出射表面，其中所述初始透镜元件是负透镜元件，并且其中所述初始透镜元件的所述入射表面是第三非球面表面。
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