CN110651206A - 用于增强现实的紧凑型近眼显示光学器件 - Google Patents

用于增强现实的紧凑型近眼显示光学器件 Download PDF

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CN110651206A CN201880033395.1A CN201880033395A CN110651206A CN 110651206 A CN110651206 A CN 110651206A CN 201880033395 A CN201880033395 A CN 201880033395A CN 110651206 A CN110651206 A CN 110651206A
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塞吉·比尔胡伊森
胡昕达
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Abstract

一种光学系统包括：第一滤光器堆栈，所述第一滤光器堆栈被配置为将从显示器接收到的光转换为第一圆偏振；第二滤光器堆栈，所述第二滤光器堆栈被配置为将从外部源接收到的光转换为第二圆偏振；以及第三滤光器堆栈，所述第三滤光器堆栈被配置为反射具有所述第一圆偏振的光并且透射具有所述第二圆偏振的光。所述光学系统还包括折射分束透镜，所述折射分束透镜被配置为将从所述第二滤光器堆栈接收到的光透射到所述第三滤光器堆栈。所述第二滤光器堆栈被定向为将从所述第一滤光器堆栈接收到的光反射到所述折射分束透镜上。所述光学系统被实施在诸如头戴式设备(HMD)等增强现实设备中，以将由所述显示器生成的图像与从外部源接收到的光组合。

Description

用于增强现实的紧凑型近眼显示光学器件
背景技术
增强现实(AR)系统通常利用头戴式显示器(HMD)设备，该HMD设备将从环境接收的光线和由显示器生成的光线聚焦到用户的眼睛上。穿戴HMD设备的用户因此观看了用虚拟图像“增强”的真实世界的场景。例如，HMD设备可以通过覆盖包括步行方向的虚拟图像来增强用户对陌生街道的视野。在支持AR功能的HMD中实施的光学系统通常包括：分束元件，该分束元件将外部光透射到用户的眼睛，并且将来自显示器的光反射到外部光的路径中；以及光学元件，该光学元件用于将光聚焦到用户的眼睛上。当前，提供AR功能的HMD设备的几种设计可用。在这些HMD设备中实施的光学系统包括：鸟浴光学器件(凹面镜和由分束器隔开的显示器，该分束器将虚拟图像与透视图像组合)、通过准直镜耦合到(几何或衍射)波导中的显示器、耦合到多个自由形式的反射镜的显示器以及耦合到自由形式的棱镜的显示器。
这些光学系统存在共同的缺陷：提供光功率(例如，光线的聚焦)的元件被放置在距用户的眼睛相对较远的位置，这减小了虚拟图像的视野。例如，传统AR系统的典型视野约为25°。可以通过增加AR系统的大小来增大视野，但是这在可穿戴HMD设备中是不可取的。此外，一些光学系统会使透视图像失真。例如，使用全内反射来将虚拟图像引导到用户的眼睛的几何波导可以在透视图像中生成分段阴影。针对另一示例，使用衍射来将虚拟图像引导到用户的眼睛的衍射波导可能会从不需要的衍射阶数生成重影。针对再一示例，自由形式的棱镜可能会产生导致眼睛疲劳的不均匀的透视失真。
附图说明
通过参照附图，可以更好地理解本公开，并且其众多特征和优点对于本领域技术人员来说显而易见。在不同附图中使用相同的附图标记指示类似或相同的项目。
图1是根据一些实施例的光学系统的第一示例的图，该光学系统将从显示器接收到的光与外部光组合以向用户的眼睛提供表示增强现实图像的基本平行的光线。
图2是根据一些实施例的光学系统的第二示例的图，其图示了由显示器生成的光线的光路的折叠以及光线与外部光的组合。
图3是根据一些实施例的光学系统的第三示例的图，该光学系统将从显示器接收到的光与外部光组合以向用户的眼睛提供表示增强现实图像的基本平行的光线。
图4是根据一些实施例的光学系统的第四示例的图，该光学系统将从显示器接收到的光与外部光组合以向用户的眼睛提供表示增强现实图像的基本平行的光线。
图5是根据一些实施例的光学系统的第五示例的图，该光学系统将从显示器接收到的光与外部光组合以向用户的眼睛提供表示增强现实图像的基本平行的光线。
图6是根据一些实施例的传统的鸟浴透镜系统与包括折射分束透镜系统的透镜系统的比较。
图7图示了根据一些实施例的显示系统，该显示系统包括被配置为经由显示器提供增强现实功能的电子设备。
具体实施方式
为诸如增强现实(AR)等应用提供增大的视野(例如，约80°)同时其体积比传统的AR光学系统小得多的光学系统包括：第一滤光器堆栈，该第一滤光器堆栈被配置为将从显示器接收到的光转换为第一圆偏振；第二滤光器堆栈，该第二滤光器堆栈被配置为将从外部源接收到的光转换为第二圆偏振；以及第三滤光器堆栈，该第三滤光器堆栈被配置为反射具有第一圆偏振的光并且透射具有第二圆偏振的光。该光学系统还包括折射分束凸透镜，该折射分束凸透镜被配置为将从第二滤光器堆栈接收到的光透射到第三滤光器堆栈。第二滤光器堆栈被定向为将从第一滤光器堆栈接收到的光反射到折射分束凸透镜上。第一圆偏振与第二圆偏振的方向相反。
第一滤光器堆栈的一些实施例包括：线性偏振器，该线性偏振器将光转换为第一线性偏振；以及四分之一波片，该四分之一波片将光从第一线性偏振转换为第一圆偏振。第二滤光器堆栈的一些实施例包括：四分之一波片，该四分之一波片将第一圆偏振转换为第一线性偏振；以及与偏振相关的分束器，该与偏振相关的分束器反射具有第一线性偏振的光，同时透射具有第二线性偏振的光。第三滤光器堆栈的一些实施例包括四分之一波片和与偏振相关的分束器，该与偏振相关的分束器被配置为反射具有第一线性偏振的光并且透射具有第二线性偏振的光。在一些实施例中，折射分束凸透镜是平凸的，并且该光学系统包括平凹透镜。平凹透镜的凹曲率与平凸透镜的凸曲率匹配。可以将平凸透镜的凸表面接合到平凹透镜的凹表面，或者可以将第三滤光器堆栈部署在平凸透镜和平凹透镜的平面表面之间。
图1是根据一些实施例的光学系统100的第一示例的图，该光学系统100将从显示器102接收到的光101与外部光103组合以向用户的眼睛105提供表示增强现实图像的基本平行的光线。光学系统100包括接收来自显示器102的光的第一滤光器堆栈110。滤光器堆栈110的一些实施例包括线性偏振器112，其将接收到的光101转换为第一线性偏振。例如，线性偏振器112可以将未偏振的(或部分偏振的)光转换为在与图1所示的线性偏振器112的较长尺寸平行的方向、在本文中称为y方向上偏振的光。滤光器堆栈110还包括四分之一波片114，其将线性偏振光转换为第一圆偏振。例如，四分之一波片114可以将在y方向上偏振的光转换为右旋圆偏振光。滤光器堆栈110的一些实施例与显示器102集成在一起。例如，线性偏振器112可以被层压(laminate)到显示器102的表面。然而，在其他实施例中，第一滤光器堆栈110通过气隙与显示器102分离。
光学系统100包括第二滤光器堆栈120，其透射具有第一偏振的光并且反射具有与第一偏振正交的第二偏振的光。例如，第二滤光器堆栈120可以被配置为透射具有左旋圆偏振的光并且反射具有右旋圆偏振的光。第二滤光器堆栈120包括四分之一波片122，其将圆偏振光转换为线性偏振光。例如，四分之一波片122可以将右旋圆偏振光转换为在y方向上偏振的光，并且四分之一波片122可以将左旋圆偏振光转换为在垂直于附图平面的方向——在本文中称为x方向，并且与y方向正交或横向——上偏振的光。第二滤光器堆栈120还包括与偏振相关的分束器123，其透射在第一方向上偏振的光并且反射在与第一方向正交或横向的第二方向上偏振的光。例如，与偏振相关的分束器123可以反射在y方向上偏振的光并且透射在x方向上偏振的光。第二滤光器堆栈120的一些实施例还包括透射线性偏振光的线性偏振器124。例如，线性偏振器124可以透射在x方向上偏振的光，同时滤出在y方向上偏振的光。
光学系统100还包括折射分束透镜系统125。在美国临时专利申请序列号62/531,225中描述了折射分束透镜系统125的示例，该申请通过引用全部并入本文。折射分束透镜系统125的一些实施例包括折射平凸透镜127和折射平凹透镜128。折射平凸透镜127包括与凸表面132相对的平面表面131。折射平凸透镜127由具有第一折射率的材料形成，并且将分束器涂层涂覆于凸表面132。例如，折射平凸透镜127可以由玻璃或塑料形成，并且凸表面132可以是半镀银表面。折射平凹透镜128包括与凹表面134相对的平面表面133。折射平凹透镜128可以由具有与第一折射率相同或不同的第二折射率的玻璃或塑料形成。凹表面134的曲率与凸表面132的曲率互补，例如，该曲率可以匹配。尽管在折射平凸透镜127与折射平凹透镜128之间示出了微小间隔，但是在光学系统100的一些实施例中，两个透镜彼此接触。折射分束透镜系统125的一些实施例具有在150mm至300mm范围内的焦距。例如，折射分束透镜系统125的焦距可以在180mm至280mm的范围内。
光学系统100包括第三滤光器堆栈135，其透射具有第一偏振的光并且反射具有与第一偏振正交的第二偏振的光。例如，第三滤光器堆栈135可以被配置为透射具有左旋圆偏振的光并且反射具有右旋圆偏振的光。第三滤光器堆栈135的一些实施例包括四分之一波片137，其将圆偏振光转换为线性偏振光。例如，四分之一波片137可以将右旋圆偏振光转换为在y方向上偏振的光，并且四分之一波片137可以将左旋圆偏振光转换为在x方向上偏振的光。第三滤光器堆栈135还包括与偏振相关的分束器138，其透射在第一方向上偏振的光并且反射在与第一方向正交或横向的第二方向上偏振的光。例如，与偏振相关的分束器138可以反射在y方向上偏振的光并且透射在x方向上偏振的光。第三滤光器堆栈135的一些实施例还包括透射线性偏振光的线性偏振器139。例如，线性偏振器139可以透射在x方向上偏振的光。
第三滤光器堆栈135的一些实施例粘合至折射分束透镜系统125。例如，四分之一波片137可以被层压到折射凸透镜127的平面表面131上。将第三滤光器堆栈135粘合至折射分束透镜系统125具有许多优点，包括减小光学系统100的大小，视野更大，减少在光学系统100中的光学表面处产生的Fresnel反射(或重影)的数量等。在其他实施例中，第三滤光器堆栈135通过气隙与折射分束透镜系统125分离。此外，如本文所讨论的，第三滤光器堆栈135的一些实施例被设置在折射平面凸透镜127与折射平面凹透镜128之间。
图2是根据一些实施例的光学系统200的第二示例的图，其图示了由显示器201生成的光线的光路的折叠以及光线与外部光的组合。光学系统200表示图1所示的光学系统100的一些实施例。最初，从显示器201出现的光线202是未偏振的或部分偏振的。光线202被引导到包括线性偏振器206的第一滤光器堆栈204上，该线性偏振器206将光线202转换为线性偏振光线208。例如，光线208可以在y方向上偏振。四分之一波片210将线性偏振光线208转换为具有第一圆偏振的光线212。例如，四分之一波片210可以将光线208从y方向上的线性偏振转换为右旋圆偏振的光线212。
第二滤光器堆栈214接收光线212。第二滤光器堆栈214包括四分之一波片216，该四分之一波片216将圆偏振光线212转换为线性偏振光线218。例如，四分之一波片216可以将右旋圆偏振光线212转换为在y方向上偏振的线性偏振光线218。第二滤光器堆栈214中的与偏振相关的分束器220反射一种线性偏振的光并且透射正交线性偏振的光。例如，与偏振相关的分束器220反射线性偏振光线218，然后该线性偏振光线218穿过四分之一波片216，并且转换为圆偏振光线222。例如，四分之一波片216可以将反射的线性偏振光线218从y方向上的偏振转换为右旋圆偏振。第二滤光器堆栈214相对于显示器201成一定角度，以将从显示器201接收到的反射光引导到折射分束透镜系统224上，该折射分束透镜系统224使用图1所示的折射分束透镜系统125的一些实施例来实施。
折射分束透镜系统224透射圆偏振光线222的一部分，然后该部分在被提供给第三滤光器堆栈226之前在折射分束透镜系统224内折射。第三滤光器堆栈226包括四分之一波片228，其将圆偏振光线222转换为线性偏振光线230。例如，四分之一波片228可以将右旋圆偏振光线222转换为在y方向上线性偏振的光线230。光线230被与偏振相关的分束器232反射，并且被四分之一波片228转换为圆偏振光线234。例如，光线230可以从y方向上的线性偏振转换为具有右旋圆偏振的光线234。光线234被折射分束透镜系统224折射，并且光线234的一部分从折射分束透镜系统224反射。反射使光线234的圆偏振反转，例如，反射将光线234转换为左旋圆偏振光线236。四分之一波片228将圆偏振光线236转换为线性偏振光线238。例如，光线236的左旋圆偏振被转换为光线238在x方向上的线性偏振。与偏振相关的分束器232和线性偏振器240透射线性偏振光线238。
光学系统200透射外部光线242的一部分，该外部光线242可以是未偏振的或部分偏振的。在所图示的实施例中，外部光线242被与偏振相关的分束器220过滤以生成线性偏振光线244。例如，光线244可以在x方向上偏振。四分之一波片216将光线244转换为圆偏振光线246。例如，可以将光线244从x方向上的线性偏振转换为左旋圆偏振光线246。折射分束透镜系统224透射圆偏振光线246的一部分，然后该部分在被提供给第三滤光器堆栈226之前在折射分束透镜系统224内折射。然后，四分之一波片228将圆偏振光线246转换为线性偏振光线248。例如，左旋圆偏振光线246可以被转换为在x方向上偏振的光线248。与偏振相关的分束器232和线性偏振器240透射线性偏振光线248。
图3是根据一些实施例的光学系统300的第三示例的图，该光学系统300将从显示器302接收到的光301与外部光303组合以向用户的眼睛305提供表示增强现实图像的基本平行的光线。光学系统300包括第一滤光器堆栈310，该第一滤光器堆栈310包括线性偏振滤光器312和四分之一波片314。光学系统300还包括第二滤光器堆栈315，其包括与偏振相关的分束器317和线性偏振器319。折射分束透镜系统320包括平凸折射透镜322和平凹折射透镜324。光学系统300还包括由四分之一波片327、与偏振相关的分束器329和线性偏振器331形成的第三滤光器堆栈325。
如本文所讨论的，第二滤光器堆栈315相对于第一滤光器堆栈310和折射分束透镜系统320以一定角度定向。例如，第二滤光器堆栈315可以相对于第一滤光器堆栈310和折射分束透镜系统320成45°角定向。将第二滤光器堆栈315相对于第一滤光器堆栈310和折射分束透镜系统320以一定角度定向允许第二滤光器堆栈315将从第一滤光器堆栈310接收的光导向折射分束透镜系统320。光学系统300与图1所示的光学系统100不同，因为四分之一波片335被层压到平凹折射透镜324的平面表面，而不是被实施为第二滤光器堆栈315的整体部分。
图4是根据一些实施例的光学系统400的第四示例的图，该光学系统400将从显示器402接收到的光401与外部光403组合以向用户的眼睛405提供表示增强现实图像的基本平行的光线。光学系统400包括第一滤光器堆栈410，其包括线性偏振滤光器412和四分之一波片414。光学系统400还包括第二滤光器堆栈415，其包括四分之一波片416、与偏振相关的分束器417和线性偏振器419。折射分束透镜系统包括平凸折射透镜422和平凹折射透镜424。光学系统400还包括由四分之一波片427、与偏振相关的分束器429和线性偏振器431形成的第三滤光器堆栈425。
如本文所讨论的，第二滤光器堆栈415相对于第一滤光器堆栈410和折射分束透镜系统420以一定角度定向。例如，第二滤光器堆栈415可以相对于第一滤光器堆栈410和折射分束透镜系统成45°角定向。将第二滤光器堆栈415相对于第一滤光器堆栈410和折射分束透镜系统420成一定角度定向允许第二滤光器堆栈415将从第一滤光器堆栈410接收到的光导向折射分束透镜系统420。光学系统400与图1所示的光学系统100和图3所示的光学系统300不同，因为平凸折射透镜422与平凹折射透镜424是分离的。在所图示的实施例中，第三滤光器堆栈425被设置在平凸折射透镜422与平凹折射透镜424之间。例如，四分之一波片427可以被层压到平凸折射透镜422的平面表面，并且线性偏振器431可以被层压到平凹折射透镜424的平面表面。
图5是根据一些实施例的光学系统500的第五示例的图，该光学系统500将从显示器502接收到的光501与外部光503组合以向用户的眼睛505提供表示增强现实图像的基本平行的光线。光学系统500包括第一滤光器堆栈510，该第一滤光器堆栈510包括线性偏振滤光器512和四分之一波片514。光学系统500还包括第二滤光器堆栈515，其包括与偏振相关的分束器517和线性偏振器519。折射分束透镜系统包括平凸折射透镜522和平凹折射透镜524。光学系统500还包括由四分之一波片527、与偏振相关的分束器529和线性偏振器531形成的第三滤光器堆栈525。
如本文所讨论的，第二滤光器堆栈515相对于第一滤光器堆栈510和折射分束透镜系统成一定角度定向。例如，第二滤光器堆栈515可以相对于第一滤光器堆栈510和折射分束透镜系统成45°角定向。将第二滤光器堆栈515相对于第一滤光器堆栈510和折射分束透镜系统520成一定角度定向允许第二滤光器堆栈515将从第一滤光器堆栈510接收到的光导向折射分束透镜系统520。光学系统500与图1所示的光学系统100和图3所示的光学系统300不同，因为平凸折射透镜522与平凹折射透镜524是分离的。在所图示的实施例中，第三滤光器堆栈525被设置在平凸折射透镜522与平凹折射透镜524之间。例如，四分之一波片527可以被层压到平凸折射透镜522的平面表面，并且线性偏振器531可以被层压到平凹折射透镜524的平面表面。光学系统500也与图1所示的光学系统100和图4所示的光学系统400不同，因为四分之一波片535被层压到平凹折射透镜524的凹表面，而不是被实施为第二滤光器堆栈515的整体部分。
图6是根据一些实施例的传统的鸟浴透镜系统605与包括折射分束透镜系统的透镜系统610的比较600。在所图示的实施例中，传统的鸟浴透镜系统605和透镜系统610向系统的用户提供相同的视野(20°)。然而，传统的鸟浴透镜系统605实施了沿着垂直于从用户到外部光源的视线的轴对准的显示器615和反射凹透镜620。分束器625被设置在显示器615与反射凹透镜620之间。因此，与在透镜系统610中提供光功率的元件即折射分束透镜系统630相比，提供光功率的元件即反射凹透镜620被设置为离用户更远。因此，即使两者都向用户提供了相同的视野，但是传统的鸟浴透镜系统605的尺寸也比透镜系统610的尺寸大两倍。
图7图示了根据一些实施例的显示系统700，该显示系统700包括被配置为经由显示器提供增强现实功能的电子设备705。电子设备705的所图示实施例可以包括便携式用户设备，诸如，HMD、平板计算机、启用计算的蜂窝电话(例如，“智能手机”)、笔记本计算机、个人数字助理、游戏机系统等。在其他实施例中，电子设备705可以包括固定设备，诸如，医学成像设备、安全成像传感器系统、工业机器人控制系统、无人机控制系统等。为了便于说明，本文在HMD系统的示例上下文中大体上描述了电子设备705；然而，电子设备705不限于这些示例实施方式。
在图7中将电子设备705示出为安装在用户的头部710上。如所图示的，电子设备705包括外壳715，该外壳715包括生成图像以呈现给用户的显示器720、721。可以使用图1所示的显示器102、图2所示的显示器201、图3所示的显示器302、图4所示的显示器402和图5所示的显示器502的一些实施例来实施显示器720、721。在所图示的实施例中，显示器720、721用于向对应的左眼和右眼显示立体图像。
由显示器720、721生成的光被提供给对应的第一滤光器堆栈725、726，其可以使用图1所示的第一滤光器堆栈110、图2所示的第一滤光器堆栈204、图3所示的第一滤光器堆栈310、图4所示的第一滤光器堆栈410和图5所示的第一滤光器堆栈510的一些实施例来实施。
第二滤光器堆栈730、731被定向为将从第一滤光器堆栈725、726接收到的光反射到对应的折射分束透镜系统735、736上。第二滤光器堆栈730、731还被配置为透射从外部源接收到的光。可以使用图1所示的第二滤光器堆栈120、图2所示的第二滤光器堆栈214、图3所示的第二滤光器堆栈315、图4所示的第二滤光器堆栈415和图5所示的第二滤光器堆栈515的一些实施例来实施第二滤光器堆栈730、731。可以使用图1所示的折射分束透镜系统125、图2所示的折射分束透镜系统224、图3所示的折射分束透镜系统320以及图4和5所示的折射分束透镜系统的一些实施例来实施折射分束透镜系统735、736。
来自折射分束透镜系统735、736的光被提供给对应的第三滤光器堆栈740、741，其可以使用图1所示的第三滤光器堆栈135、图2所示的第三滤光器堆栈226、图3所示的第三滤光器堆栈325、图4所示的第三滤光器堆栈425和图5所示的第三滤光器堆栈525的一些实施例来实施。如本文所讨论的，第三滤光器堆栈740、741的一些实施例被设置在用于实施折射分束透镜系统735、736的平凸折射透镜和平凹折射透镜的中间。
如本文所讨论的，使用折射分束透镜系统提供增强现实的光学系统具有优于传统光学系统的许多优点。将折射分束透镜系统放置在离用户眼睛较近的位置增大了潜在的视野(高达80°)，并且减小了光学系统的整体大小。例如，总轨道长度和使用折射分束透镜系统实施增强现实的头戴式设备可以小于30mm。实施折射分束透镜系统的光学系统还能够减少或消除光学透视失真和显示失真。由于折射分束透镜系统中的曲面提供了单反射光功率或单折射焦度，所以可以减少光学像差，这允许用户分辨较小的显示像素。实施折射分束透镜系统的光学系统的一些实施例可以提供更大的眼盒并且减少“瞳孔游泳”。球差、色差、像散和彗差也可以通过实施本文描述的折射分束透镜系统来减少。此外，折射分束透镜系统中的正折射元件可以平衡折射分束透镜系统的反射元件的场曲。
要注意的是，并非一般描述中的上述所有活动或元件都是必需的，特定活动或设备的一部分可能不是必需的，并且除了所描述的内容之外，还可以执行一个或多个另外的活动或者包括一个或多个另外的元件。更进一步地，列出活动的顺序不一定是执行活动的顺序。而且，已经参照特定实施例描述了概念。然而，本领域的普通技术人员要了解的是，可以进行各种修改和改变而不脱离在下面的权利要求中陈述的本公开的范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的，并且所有这种修改旨在被包括在本公开的范围内。
上面已经关于特定实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案出现或变得更加明显的任何(多个)特征都不应解释为任何或所有权利要求的关键、必需或必要特征。而且，上面公开的特定实施例仅是说明性的，因为可以以受益于本文的教导的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实践所公开的主题。除了在下面的权利要求中所描述的之外，没有意图限制本文所示的构造或设计的细节。因此，显而易见的是，上面公开的特定实施例可以被更改或修改，并且所有这种变型都被认为在所公开的主题的范围内。因此，本文所寻求的保护如下面的权利要求所陈述的。

Claims (23)

1.一种光学系统，所述光学系统包括：
第一滤光器堆栈，所述第一滤光器堆栈被配置为将从显示器接收到的光转换为第一圆偏振；
第二滤光器堆栈，所述第二滤光器堆栈被配置为将从外部源接收到的光转换为第二圆偏振；
第三滤光器堆栈，所述第三滤光器堆栈被配置为反射具有所述第一圆偏振的光并且透射具有所述第二圆偏振的光；以及
折射分束透镜，所述折射分束透镜被配置为将从所述第二滤光器堆栈接收到的光透射到所述第三滤光器堆栈，其中，所述第二滤光器堆栈被定向为将从所述第一滤光器堆栈接收到的光反射到所述折射分束透镜上。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一滤光器堆栈包括：
第一线性偏振器，所述第一线性偏振器用于将光转换为第一线性偏振；以及
第一四分之一波片，所述第一四分之一波片用于将所述光从所述第一线性偏振转换为所述第一圆偏振。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光学系统，其中，所述第二滤光器堆栈包括：
第二四分之一波片，所述第二四分之一波片用于将所述第一圆偏振转换为所述第一线性偏振；以及
第一偏振相关分束器，所述第一偏振相关分束器用于反射具有所述第一线性偏振的光并且透射具有第二线性偏振的光。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述第三滤光器堆栈包括：
第三四分之一波片；以及
第二偏振相关分束器，所述第二偏振相关分束器用于反射具有所述第一线性偏振的光并且透射具有所述第二线性偏振的光。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述折射分束透镜包括：
折射平凸透镜，所述折射平凸透镜具有与第一平面表面相对的凸分束表面；以及
折射平凹透镜，所述折射平凹透镜具有与第二平面表面相对的凹表面。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述折射平凸透镜的所述凸分束表面的第一曲率与所述折射平凹透镜的所述凹表面的第二曲率互补。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的光学系统，其中，所述第三四分之一波片被层压到所述第二平面表面。
8.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述第二滤光器堆栈被部署在所述折射平凸透镜的所述第一平面表面与所述折射平凹透镜的所述第二平面表面之间。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述第三四分之一波片被层压到所述折射平凸透镜的所述凸分束表面。
10.一种光学系统，所述光学系统包括：
第一显示器，所述第一显示器用于生成第一图像以呈现给用户的第一眼睛；以及
第一光学系统，所述第一光学系统被配置为将代表所述第一图像的光与从外部源接收到的光组合以提供给所述第一眼睛，其中，所述第一光学系统包括：
第一滤光器堆栈，所述第一滤光器堆栈被配置为将从所述第一显示器接收到的光转换为第一圆偏振；
第二滤光器堆栈，所述第二滤光器堆栈被配置为将从所述外部源接收到的光转换为第二圆偏振；
第三滤光器堆栈，所述第三滤光器堆栈被配置为反射具有所述第一圆偏振的光并且透射具有所述第二圆偏振的光；以及
第一折射分束透镜，所述第一折射分束透镜被配置为将从所述第二滤光器堆栈接收到的光透射到所述第三滤光器堆栈，其中，所述第二滤光器堆栈被定向为将从所述第一滤光器堆栈接收到的光反射到所述第一折射分束透镜上。
11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述第一滤光器堆栈包括：
第一线性偏振器，所述第一线性偏振器用于将光转换为第一线性偏振；以及
第一四分之一波片，所述第一四分之一波片用于将所述光从所述第一线性偏振转换为所述第一圆偏振。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的光学系统，其中，所述第二滤光器堆栈包括：
第二四分之一波片，所述第二四分之一波片用于将所述第一圆偏振转换为所述第一线性偏振；以及
第一偏振相关分束器，所述第一偏振相关分束器用于反射具有所述第一线性偏振的光并且透射具有第二线性偏振的光。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的光学系统，其中，所述第三滤光器堆栈包括：
第三四分之一波片；以及
第二偏振相关分束器，所述第二偏振相关分束器用于反射具有所述第一线性偏振的光并且透射具有所述第二线性偏振的光。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的光学系统，其中，所述折射分束透镜包括：
折射平凸透镜，所述折射平凸透镜具有与第一平面表面相对的凸分束表面；以及
折射平凹透镜，所述折射平凹透镜具有与第二平面表面相对的凹表面。
15.根据权利要求14所述的光学系统，其中，所述折射平凸透镜的所述凸分束表面的第一曲率与所述折射平凹透镜的所述凹表面的第二曲率互补。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的光学系统，其中，所述第三四分之一波片被层压到所述第二平面表面。
17.根据权利要求14所述的光学系统，其中，所述第二滤光器堆栈被部署在所述折射平凸透镜的所述第一平面表面与所述折射平凹透镜的所述第二平面表面之间。
18.根据权利要求17所述的光学系统，其中，所述第三四分之一波片被层压到所述折射平凸透镜的所述凸分束表面。
19.根据权利要求10所述的装置，进一步包括：
第二显示器，所述第二显示器用于生成第二图像以呈现给所述用户的第二眼睛；以及
第二光学系统，所述第二光学系统被配置为将代表所述第二图像的光与从所述外部源接收到的光组合以提供给所述第二眼睛，其中，所述第二光学系统包括：
第四滤光器堆栈，所述第四滤光器堆栈被配置为将从所述第二显示器接收到的光转换为所述第一圆偏振；
第五滤光器堆栈，所述第五滤光器堆栈被配置为将从所述外部源接收到的光转换为所述第二圆偏振；
第六滤光器堆栈，所述第六滤光器堆栈被配置为反射具有所述第一圆偏振的光并且透射具有所述第二圆偏振的光；以及
第二折射分束透镜，所述第二折射分束透镜被配置为将从所述第五滤光器堆栈接收到的光透射到所述第六滤光器堆栈，其中，所述第五滤光器堆栈被定向为将从所述第四滤光器堆栈接收到的光反射到所述第二折射分束透镜上。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第一眼睛是所述用户的左眼，并且所述第二眼睛是所述用户的右眼，以及其中，所述第一图像和所述第二图像是立体图像。
21.一种根据权利要求10至18中任一项所述的装置，进一步包括：
第二显示器，所述第二显示器用于生成第二图像以呈现给所述用户的第二眼睛；以及
第二光学系统，所述第二光学系统被配置为将代表所述第二图像的光与从所述外部源接收到的光组合以提供给所述第二眼睛，其中，所述第二光学系统包括根据权利要求1至9中任一项所述的光学系统。
22.一种方法，所述方法包括：
在第一滤光器堆栈处，将从显示器接收到的光转换为第一圆偏振；
在第二滤光器堆栈处，将具有所述第一圆偏振的光反射到折射分束透镜上；
在所述折射分束透镜处，折射所述第一圆偏振的所述光，并且将所述光提供给第三滤光器堆栈；
在所述第三滤光器堆栈处，将具有所述第一圆偏振的所述光反射回所述折射分束透镜；
从所述折射分束透镜的凸表面，反射具有所述第一圆偏振的所述光，使得所述反射光具有第二圆偏振；以及
通过所述第三滤光器堆栈，透射具有所述第二圆偏振的所述反射光以及在所述第二滤光器堆栈处从外部源接收到的具有所述第二偏振的光。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，折射所述光包括在所述折射分束透镜处反射所述光，所述折射分束透镜包括：
折射平凸透镜，所述折射平凸透镜具有与第一平面表面相对的凸分束表面；以及
折射平凹透镜，所述折射平凹透镜具有与第二平面表面相对的凹表面。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111290125A (zh) * 2020-03-31 2020-06-16 优奈柯恩(北京)科技有限公司 光学装置以及头戴式设备
CN114114696A (zh) * 2020-08-28 2022-03-01 佳能株式会社 观察装置
CN115639673A (zh) * 2022-05-18 2023-01-24 华为技术有限公司 一种显示装置和显示方法

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12013538B2 (en) 2017-07-03 2024-06-18 Holovisions LLC Augmented reality (AR) eyewear with a section of a fresnel reflector comprising individually-adjustable transmissive-reflective optical elements
US11002970B2 (en) 2019-02-06 2021-05-11 Google Llc Multi-focal catadioptric head mounted display with LC switch
CN110119029A (zh) * 2019-06-11 2019-08-13 浙江水晶光电科技股份有限公司 近眼成像装置及二次成像方法
US11586024B1 (en) 2019-08-05 2023-02-21 Meta Platforms Technologies, Llc Peripheral see-through pancake lens assembly and display device with same
US11579425B1 (en) * 2019-08-05 2023-02-14 Meta Platforms Technologies, Llc Narrow-band peripheral see-through pancake lens assembly and display device with same
KR20210022233A (ko) * 2019-08-19 2021-03-03 삼성디스플레이 주식회사 전자 장치 및 웨어러블 전자 장치
US11726336B2 (en) 2019-09-10 2023-08-15 Meta Platforms Technologies, Llc Active zonal display illumination using a chopped lightguide
US11391948B2 (en) 2019-09-10 2022-07-19 Facebook Technologies, Llc Display illumination using a grating
US11467332B2 (en) 2019-09-10 2022-10-11 Meta Platforms Technologies, Llc Display with switchable retarder array
US11835722B2 (en) 2019-09-17 2023-12-05 Meta Platforms Technologies, Llc Display device with transparent emissive display and see-through lens assembly
WO2021107720A1 (ko) * 2019-11-28 2021-06-03 삼성전자 주식회사 광학 장치, 이를 포함한 디스플레이 장치 및 광 경로 길이 확장 방법
KR102524150B1 (ko) * 2022-05-31 2023-04-21 한국전자기술연구원 투명 디스플레이를 이용한 대화면 직시형 증강현실 영상 제공 장치 및 방법
CN115047630A (zh) * 2022-06-30 2022-09-13 上海摩勤智能技术有限公司 一种ar光学系统及ar装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5050966A (en) * 1988-07-06 1991-09-24 Kaiser Aerospace & Electronics Corporation Optical combiner collimating apparatus
US6075651A (en) * 1999-01-28 2000-06-13 Kaiser Electro-Optics, Inc. Compact collimating apparatus
CN103901620A (zh) * 2014-03-20 2014-07-02 成都理想境界科技有限公司 一种头戴显示设备
CN106062615A (zh) * 2014-02-28 2016-10-26 微软技术许可有限责任公司 回成像系统中对偏振和衍射产物分辨率的控制

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6097543A (en) * 1992-02-07 2000-08-01 I-O Display Systems Llc Personal visual display
JP3411953B2 (ja) * 1996-04-24 2003-06-03 シャープ株式会社 光学装置および該光学装置を用いた頭部搭載型ディスプレイ
JP2002107655A (ja) * 2000-09-27 2002-04-10 Minolta Co Ltd 映像表示装置
US6563638B2 (en) * 2001-04-26 2003-05-13 Raytheon Company Wide-angle collimating optical device
KR102651578B1 (ko) * 2013-11-27 2024-03-25 매직 립, 인코포레이티드 가상 및 증강 현실 시스템들 및 방법들
US10078164B2 (en) * 2015-09-03 2018-09-18 3M Innovative Properties Company Optical system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5050966A (en) * 1988-07-06 1991-09-24 Kaiser Aerospace & Electronics Corporation Optical combiner collimating apparatus
US6075651A (en) * 1999-01-28 2000-06-13 Kaiser Electro-Optics, Inc. Compact collimating apparatus
CN106062615A (zh) * 2014-02-28 2016-10-26 微软技术许可有限责任公司 回成像系统中对偏振和衍射产物分辨率的控制
CN103901620A (zh) * 2014-03-20 2014-07-02 成都理想境界科技有限公司 一种头戴显示设备

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111290125A (zh) * 2020-03-31 2020-06-16 优奈柯恩(北京)科技有限公司 光学装置以及头戴式设备
CN114114696A (zh) * 2020-08-28 2022-03-01 佳能株式会社 观察装置
CN114114696B (zh) * 2020-08-28 2024-08-13 佳能株式会社 观察装置
CN115639673A (zh) * 2022-05-18 2023-01-24 华为技术有限公司 一种显示装置和显示方法
CN115639673B (zh) * 2022-05-18 2024-03-15 华为技术有限公司 一种显示装置和显示方法

Also Published As

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Application publication date: 20200103

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