CN111630438B - 具有窄角背光的头戴式显示器 - Google Patents

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Abstract

总体上涉及信息显示器的方法和系统，并且更具体地涉及用于信息显示器的发射光的窄角锥的背光组件的系统和方法。在诸如用作虚拟现实或增强现实系统的一部分的头戴式显示器配置中，发射光的窄角锥的背光组件可能特别有益，其中所述头戴式显示器包括将光从信息显示器引导到用户的眼睛的透镜组件。这种背光组件配置可有助于减少非期望的视觉效果，如泛光照明、重影图像、眩光和散射。

Description

具有窄角背光的头戴式显示器
相关申请的交叉引用
本PCT申请要求2019年2月11日提交的名称为“Head-Mounted Display withNarrow Angle Backlight”的共同转让的、共同未决的美国专利申请序列号16/273,054的优先权，所述美国专利申请要求2018年2月21日提交的美国临时专利申请序列号62/633,510的优先权。这两个申请序列号16/273,054和62/633,510以引用方式完全并入本文。
发明背景
1.技术领域
本公开总体上涉及用于信息显示器的背光，并且更具体地涉及用于在近眼或头戴式显示器中使用的发射光的窄角锥的背光的系统和方法。
2.背景技术
背光信息显示器(诸如液晶显示器(“LCD”))包括若干部件。这些部件中的两个是显示矩阵和光源或背光，所述显示矩阵在高度粒化的子像素的基础上阻挡光以产生所显示的图像。光源通常定位在显示矩阵后方并对所显示的图像进行照明。对于彩色显示器，背光通常发射广谱光，即白光。
传统上，背光显示器中使用的光源通常是一个或多个冷阴极荧光灯(“CCFL”)。在物理上，CCFL看起来一定程度地类似于用于商业办公大楼的荧光灯管的微型化版本。然而，CCFL以与那些商业荧光灯不同的方式产生光。最近，CCFL的使用已让位于使用一个或多个发光二极管(“LED”)作为信息显示器中的光源。目前，LED技术是用于LCD显示器的最常见的背光类型。可预期，在未来背光显示器中，新的发光技术有一天可取代LED。
近眼显示器技术可用于向用户呈现信息和图像，以作为虚拟现实(“VR”)或增强现实(“AR”)系统的一部分。这种近眼显示器可结合到头戴式显示器(“HMD”)装置或头戴式装置中。HMD可采用许多形式，包括头盔、头显、护目镜、面罩、眼镜和其他头部或眼部穿戴件。在一些实施方案中，虚拟现实和增强现实系统包括另外的部件，包括生成图像信息以驱动虚拟现实或增强现实环境的控制器或计算机。此类环境可用于单个用户或多个用户。虚拟现实系统和增强现实系统中的HMD可使用单个信息显示器或使用多个信息显示器来向用户呈现图像。尽管这些近眼信息显示器可被取向为直视，但通常信息显示器与HMD中的一个或多个透镜耦合。此类透镜可增强虚拟现实或增强现实体验。
具体地，虚拟现实和增强现实HMD通常使用一个或多个透镜以将与一个或多个信息显示器上显示的图像相关联的光引导到用户的一只或两只眼睛。除其他事项之外，透镜还用于使来自一个或多个信息显示器的光弯曲，以便对于用户来说，信息显示器看起来比实际位置要远。这为用户提供虚拟环境中的更大的景深，并且允许用户更容易地集中于所显示的图像上。透镜还可用于虚拟现实和增强现实头戴式装置中，以为用户增大信息显示器的视野。较大的视野可增强虚拟现实或增强现实系统的沉浸效果。透镜还可用于虚拟现实或增强现实头戴式装置中，以将来自单个显示器的光成形成使得针对用户的左眼和右眼单独定制由用户接收的光。使用针对每只眼睛单独定制的图像可致使用户感知立体或三维图像。
尽管可在虚拟现实和增强现实HMD中使用常规球面透镜，但通常使用具有菲涅耳特征的一个或多个透镜。这是因为：与常规透镜相比，菲涅耳透镜可针对给定物理透镜大小提供更大的透镜光学能力。在虚拟现实和增强现实头戴式装置中通常期望高透镜光学能力以实现上述目标中的一些或全部。
传统信息显示器(无论是诸如有机发光显示器(“OLED”)的直接发射显示器，还是诸如液晶显示器的背光显示器)通常都在广角锥或视野内发射光。这些传统显示器的角发散的范围可超过160度，并且甚至接近180度。当直接观看时，这种广角光通常并不引起非期望的效果。然而，当在诸如虚拟现实或增强现实系统中的HMD中采用传统信息显示器时，广角发射可导致非期望的结果。当信息显示器发射的光以超出透镜成像能力的入射角照在HMD的透镜上时，就是这种情况。此类光未正确地成像到用户的一只或两只眼睛。相反，以超出HMD的一个或多个透镜的聚焦能力的角度射入的光可导致非期望的视觉效果，如泛光照明、重影、眩光、散射和其他杂散光效果。这种杂散的非成像光可导致虚拟现实或增强现实头戴式装置的用户体验到非期望的视觉伪影。因此，期望解决本领域中的限制。
附图说明
以举例的方式，现在将参考未按比例绘制的附图。
图1描绘LCD显示器的现有技术背光组件的各方面。
图2描绘根据某些实施方案的LCD显示器的窄角背光组件的各方面。
图3描绘根据某些实施方案的具有窄角背光组件LCD的近眼显示器的各方面。
图4描绘根据某些实施方案的示例性窄角背光组件的各方面。
图5描绘根据某些实施方案的窄角背光组件的示例性角度限制层的视图。
图6描绘根据某些实施方案的示例性窄角背光组件的侧视图的各方面。
图7描绘根据某些实施方案的示例性窄角背光组件的顶视图的各方面。
图8描绘根据某些实施方案的示例性窄角背光组件的顶视图的各方面。
图9描绘根据某些实施方案的示例性窄角背光组件的侧视图的各方面。
图10A描绘根据某些实施方案的在示例性背光组件中使用的示例性楔形棱镜阵列的前视图的各方面。
图10B描绘图10A的示例性楔形棱镜阵列的侧视图的各方面。
具体实施方式
本领域普通技术人员将认识到，以下描述仅是说明性的，而决不是限制性的。受益于本公开，此类技术人员将容易想到其他实施方案。现在将详细地参考如在附图中所示的特定实现方式。贯穿附图和以下描述将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。
传统背光显示器的设计目标之一是宽视角。例如，使用面内切换(“IPS”)技术而非通常成本较低的扭曲向列(“TN”)技术的LCD显示器的卖点之一在于，使用面内切换的显示器产生具有更宽视角的图像。这些技术通常是指LCD显示器的显示矩阵部分。理论上，使用任一类型的技术的显示器都可使用相同的背光组件。更宽的视角允许信息显示器的用户即使在其远离显示器的轴线定位时也可看到优质图像。对于宽视角显示器，用户在偏轴位置中看到的内容将类似于用户在位于显示器的正前方时看到的内容。为了促进更宽的视角，传统背光显示器使用发射高达180度的广角光锥的背光组件。
诸如虚拟现实和增强现实系统的近眼显示系统的使用和普及程度正在增加。近眼显示器通常结合到头戴式显示装置或头戴式装置中。在一些实施方案中，HMD使用单个信息显示器向用户呈现图像，而其他实施方案使用多个信息显示器，诸如每只眼睛一个显示器。通常，HMD中的信息显示器与包括例如一个或多个透镜的透镜组件耦合。透镜组件可增强虚拟现实或增强现实体验。
当在包括透镜组件的HMD中使用传统信息显示器时，在传统用途中是期望目标的显示器的宽视角可能成为不利因素。这是因为：信息显示器发射的光的一部分以超出透镜成像能力的入射角照在HMD的透镜上。成像透镜具有数值孔径(“NA”)，所述NA与透镜可接受光并产生聚焦图像的光锥的角度范围相关。以超出此范围的角度照在透镜上的光将不会进行成像，而是将非期望地散射为杂散光和泛光照明，产生重影图像等。因此，可能期望限制到达HMD的透镜组件的光的角锥。
虽然出于所论述的原因，可能期望限制到达HMD的透镜组件的光的角锥，但与直觉相反，将信息显示器的光的角锥减小到接近零(即发射完全垂直于LCD矩阵的基本相干光的显示器)产生非期望的结果。这是因为：虽然用此类相干光产生的图像可通过典型HMD透镜组件聚焦，但透镜组件基本上会将光成像到单个点。因此，这种HMD的用户将看到聚焦图像的区域非常小。这种区域通常称为HMD的适眼区。当用户的眼睛在HMD的适眼区之外时，用户将无法看到令人满意的图像。为了适应HMD的用户之间的身体差异以及HMD相对于用户眼睛的定位方式的变化性，设计者可能希望提供适眼区具有足够大小的HMD。例如，10毫米适眼区(侧向地测量)可合适地适应各种各样的用户。一些设计者可能选择诸如5毫米或更小的较小适眼区，而一些设计者可能选择高达25毫米或更大的较大适眼区。
在透镜组件包括单个透镜的HMD中，设计者可使用期望的适眼区大小(或限定的适眼区范围)连同透镜的焦距来确定入射光的合适的近似角锥。与传统信息显示器的广角锥相比，在HMD配置中，10度至15度的角锥可能是最佳的。这种角锥可提供足够大小的适眼区，同时使光总体上进行成像而不是散射。一些设计者可能设计高达5度或10度的较窄角锥，并且一些设计者可能设计大于15度的更大的角锥。然而，设计者将不太可能力图使光的角锥大于约45度。
为了减小从背光信息显示器到达透镜组件的光的角锥，可使由背光组件发射的光的角锥变窄。对于背光LCD显示器，由显示器发射的光的角度通常类似于由背光组件产生的光的角度。换句话说，如果背光组件产生较大的光的角锥，则LCD显示器可能将发射较大的光的角锥；并且如果背光组件产生较小的光的角锥，则LCD显示器可能将发射较小的光的角锥。因此，在诸如虚拟现实和增强现实系统的HMD应用中可能期望低发散角背光组件。
图1示出现有技术背光LCD显示器的部件的侧视图。图1示出发射光120的背光组件100。背光组件中的光源可以是任何可用光源，诸如一个或多个CCFL或者一个或多个LED。传统上，背光组件中的光源本质上将是广谱的(即白光)，使得现有技术LCD显示器可跨可见光谱产生彩色图像。尽管为了简单起见，图1示出在背光组件的正面上的三个不同点处发射的光120，但普通技术人员将认识到，背光组件100跨其整个正面大致均匀地发射光。弧130反映由背光组件输出的光的角锥。在此实例中，背光组件可在约160度至180度的范围内发射光。现有技术LCD背光组件通常在高达将近180度的角度范围内发射光(差不多平行于背光组件的面的光)。这种发射角范围有时称为背光组件的视野或背光组件的光锥。图1还示出LCD110，LCD 110是液晶显示矩阵。本身由包括一个或多个偏振层、液晶层和薄膜晶体管层的若干部件组成的液晶显示矩阵是显示器中产生图像的部分。液晶显示矩阵通过在极其粒化的基础上遮挡背光的部分来产生图像。当从背光组件100发射的光120穿过LCD 110时，显示图像。为了清楚起见，图1示出背光组件100与LCD 110之间的分离。然而，在大多数实现方式中，这两个部件夹置在一起，它们之间的空间很小(如果有的话)。
在一些实施方案中，图2可描绘具有窄角背光组件的背光LCD显示器的部件的侧视图。图2示出发射光220的背光组件200。背光组件中的光源可以是任何可用光源，诸如一个或多个CCFL、一个或多个LED、一个或多个激光器、量子点、另一光源或它们中的任何一种的任何组合。为了允许显示器产生彩色图像，背光组件200中的一个或多个光源能够产生广谱或白光，并且可直接产生白光，或可产生单独颜色的光(诸如红色、绿色和蓝色)，这些光组合以大体上产生白光。尽管为了简单起见，图2示出在背光组件200的正面上的三个不同点处发射的光220，但普通技术人员将认识到，背光组件200期望地跨其正面大致均匀地发射光。弧230反映由背光组件200发射的光的角锥。虽然弧230是指从背光组件上的一点发射的光，但普通技术人员将认识到，跨背光组件200的正面发射的光将具有大致相同的角锥。在一些实施方案中，背光组件200在约15度的角度范围内发射光220。发射光220的角度范围在本文中也称为光锥(或弧230)的最大角度。光锥(或弧230)的最大角度以及与光锥相关联的主光线的方向可对应于适合于HMD应用的限定的适眼区范围，诸如约5毫米、10毫米或25毫米的适眼区范围。图2还示出LCD210，LCD 210是液晶显示矩阵，并且可与图1中的LCD 110相同。当从背光组件200发射的光220穿过LCD 210时，显示图像。为了清楚起见，图2示出背光组件200与LCD 210之间的分离。然而，在大多数实现方式中，这两个部件将夹置在一起，它们之间的空间很小(如果有的话)。
在某些实施方案中，图3可描绘头戴式显示器配置中(诸如虚拟现实或增强现实头戴式装置中)的具有窄角背光组件的背光LCD显示器。图3示出发射具有高达约20度的窄角锥的光330的背光组件300，所述角锥可表示光锥的最大角度。此光锥的最大角度(例如，其可以是约20度)以及与光锥相关联的主光线的方向可对应于适合于HMD应用的限定的适眼区范围，诸如约5毫米、10毫米或25毫米的适眼区范围。由背光组件300发射的光穿过LCD310，从而显示可见图像。离开LCD 310的光340随后穿过包括一个或多个透镜的透镜组件320。在某些实施方案中，透镜组件320中的一个或多个透镜可以是常规球面、非球面、菲涅耳或任何其他类型的成像透镜。透镜组件320可具有单一类型的透镜面，或者可以是这些透镜类型中的任一者的组合或其全部。在一些实现方式中，透镜组件320可具有可包括基于偏振的反射或折射光学系统的饼形构型。在这种情况下，透镜组件320可包括光学元件的组件，所述光学元件的组件被配置为至少部分地基于光的偏振使用轴向光学折叠将来自LCD310的光朝向用户的眼睛360引导。透镜组件320可包括除透镜之外的各种光学元件。例如，透镜组件320可包括至少一个偏振分束器和包括扭转液晶元件的基板。扭转液晶元件可被配置为修改透镜组件内光的相位。光350离开透镜组件，被朝向用户的眼睛360引导。在一些实施方案中，光350产生大致10毫米的适眼区。普通技术人员将认识到，图3并非意图描绘HMD系统的物理设计或布局，而是光在一些实施方案中的描绘部件之间的总体流动。
在某些实施方案中，头戴式显示器被设计成可被用户的左眼和右眼两者看到。这可使用单独的左和右LCD显示器来实现，或者可使用单个LCD显示器来实现。类似地，虚拟现实或增强现实头戴式装置可包括单个透镜组件，或者它可使用单独的左和右透镜组件。
在某些实施方案中，可修改来自传统背光显示器的广角背光以使所发射光的角锥变窄。图4示出用于在头戴式显示器中的背光显示器中使用的根据某些实施方案的示例性窄角背光组件的侧视图。在图4中，背光400是传统背光，其发射具有高达约160度至180度的较大角锥的光440。由背光400发射的光440与角度限制层410相互作用。在此配置中，背光组件可被视为与角度限制层410结合的背光400。即，角度限制层410可以是背光组件的部件。角度限制层410具有延伸的孔或管420，所述孔或管延伸通过角度限制层410，并允许期望角度范围内的光穿过以作为光450，同时使大于期望角度范围的角度的光衰减。孔或管420的阵列是被单独配置为使由背光400发射的光锥440衰减的光导体的阵列的实例。此衰减可至少部分地基于光400照在角度限制层410的光导体上的角度。例如，通过阻挡以太大以致无法穿过光导体(例如，孔或管420)中的每个的角度照在角度限制层410上的光，角度限制层410的光导体(例如，孔或管420)可减小由背光400发射的光锥440。角度限制层410中的延伸的孔或管420的尺寸将决定将穿过层的光的角度范围。具体地，孔或管420的直径连同角度限制层410的深度或者孔或管420的长度将决定将穿过角度限制层410的光的角度范围。在一些实施方案中，光导体(例如，孔或管420)中的每个具有一定的光导体的长度与光导体的宽度(例如，直径)的比，所述长宽比足够小，以基本上避免光锥450在光导体的出口处的衍射。在一些实施方案中，单个光导体的宽度(例如，直径)大于约10微米，以避免光锥450在光导体的出口处的衍射。大于所设计范围的角度的光将通过角度限制层410衰减。具有窄角锥的光450随后穿过LCD 430以显示图像。此光锥450的最大角度以及与光锥450相关联的主光线的方向可对应于适合于HMD应用的限定的适眼区范围，诸如约5毫米、10毫米或25毫米的适眼区范围。LCD 430是被配置为生成图像的像素化显示面板的实例。应当了解，可使用其他类型的像素化显示面板代替图4的LCD 430。在一些实现方式中，角度限制层410的延伸的孔或管420包括内表面，所述内表面使照在此表面上的光衰减。在没有此特征的情况下，在一些情形下，延伸的孔或管420可类似于光纤起作用，这不需要减小锥角。角度限制层410的孔或管420的内表面可以是基本上非反射(或防反射)的表面，诸如例如黑色和/或磨砂表面。在一些实现方式中，这种磨砂或粗糙表面可包括相对于光的一种或多种波长较大的随机放置和/或设定尺寸的表面起伏特征。
在一些实现方式中，角度限制层410的延伸的孔或管420可具有圆锥或锥形形状而不是圆柱形状。例如，这种圆锥形状的角度可提供对光450的锥角的修改。在这种情况下，延伸的孔或管420将包括基本上不使照在此表面上的光衰减的内表面(例如，反射表面是期望的)。
尽管在某些实施方案中，所描绘的角度限制层410包含孔(例如，中空光导体，其中空气是中空光导体内的流体介质)，但角度限制层410可包括由诸如玻璃或塑料等的透光材料或具有透光性质的另一种材料制成的部分(例如，杆)。因此，角度限制层410可包括光导体，所述光导体是孔/管或角度限制层410的由透光材料制成的部分。自然地，如果角度限制层410包括透光材料(而不是孔)，则实现目标角锥所需的管的尺寸将部分地取决于所使用材料的性质(例如，折射率)。
在一些实施方案中，包括角度限制层410的一个可能的缺点在于，层可能导致缺乏照明均匀性。这是因为存在孔的区域可能看起来较亮，而孔之间的区域可能看起来较暗。在信息显示器背光组件中，这种均匀性缺乏通常是不期望的。在一些实施方案中，可通过添加均化层(诸如定位在角度限制层410与像素化显示面板(例如，LCD 430)之间的均化层)来改进均匀性。在一些实施方案中，可简单地通过增加角度限制层410与像素化显示面板(例如，LCD 430)的背面之间的空间来改进均匀性。这种另外的空间将允许穿过孔或管420的光散布，这操作来使亮区域和暗区域均匀。
成像透镜具有数值孔径(“NA”)，所述NA与透镜可接受光并产生聚焦图像的光锥的角度范围相关。根据透镜组件320的NA，透镜组件能够引导相当大的角度的光(诸如大约160度的角度的入射光)并使其聚焦。即，透镜组件320可能够接受在零至约160度的角度范围内的角度的光锥，这取决于透镜组件320的NA。同时，离开角度限制层410并且穿过像素化显示面板(例如，LCD 430)以显示图像的光450具有相对窄的角锥，诸如以下光锥450：关于主光线成高达约45度，关于主光线成高达约15度，关于主光线成高达约10度，或关于主光线成高达约5度。因此，与图4的显示组件(例如，背光组件400、角度限制层410、像素化显示面板(例如，LCD 430)等)一起使用的透镜组件320能够引导关于主光线成一定角度的光并使其聚焦，所述角度显著大于光锥450关于主光线所成的最大角度。在此，“显著大于”可意指大至少50度。在一些实施方案中，此上下文中的“显著大于”可意指透镜组件320能够接受以使图像聚焦的光的角度可比光锥450的最大角度大至少115度。
在某些实施方案中，图5示出可与图4中的角度限制层410相同或类似的角度限制层510的前视图。图5进一步描绘角度限制层510中的管或孔520的前视图。管或孔520的所描绘的横截面是大致圆形的。然而，在某些实施方案中，也可使用其他孔或管的横截面形状。例如，可使用横截面为卵形、矩形、六边形等的孔。一般来说，孔的横截面偏离圆形越多，超出所设计的角度范围的光衰减将越缓慢。
应当注意的是，在这些实施方案以及贯穿本公开的实施方案中，在期望角度范围的边界处既不必也不可能存在二元截止。换句话说，如果期望角度范围高达15度，则不必毫无以16度或甚至20度或以上发射(或传输通过角度限制层)的光。相反，可能存在大于期望范围的光的缓慢衰减。实际上，在一些实施方案中，衰减可在期望边界(例如15度的角锥)处开始，并且扩展到远超此期望范围之处，直到所发射(或穿过角度限制层)的光的量变为难以察觉地小为止。在一些实施方案中，衰减可被设置为在期望范围内的角度处开始，但仍扩展到远超期望范围之处，直到所发射的光的量变为难以察觉地小为止。在这个意义上，当光锥据称具有“最大”角度时，术语“最大”不应被理解为光锥的角度范围的绝对二元截止，并且可能存在一些以大于“最大”角度的角度发射的光(例如，在15度的最大角度的情况下，一些光可能以16度或更大的角度发射)，但是超出此最大角度的光在角度变宽超出“最大”角度时缓慢衰减。
使用角度限制层的一个潜在非期望影响在于，层可能降低背光的效率。这是因为角度限制层通常使发射光的大于层的设计角度范围的部分衰减。因此，背光发射的超出设计角度范围的光并不对LCD进行照明。因此，在一些实施方案中，这种设计的预期效率可在10％至20％的范围内或更低，而剩余的80％至90％的光由角度限制层衰减。因此，为了产生与无角度限制层的显示器大致相等的显示器亮度，可能需要具有大约五至十倍的光输出或更多的背光。
图6示出用于在头戴式显示器中使用的根据某些实施方案的示例性窄角背光组件的侧视图。在图6中，窄角光源600将光引导到保角波导610中。窄角光源600包括发射具有窄角锥的光605的一个或多个光源。在某些实施方案中，窄角光源600包括多个光源以改进‘z’轴上(即在来自图6的维度中)的均匀性。在某些实施方案中，窄角光源600可包括诸如例如来自一个或多个激光器或一组或多组红绿蓝(RGB)激光器的相对相干光。在一些实施方案中，窄角光源600可包括一组一个或多个RGB红外(IR)激光器。在其他实施方案中，窄角光源600可包括一种或多种其他类型的发光源，诸如LED。在其他实施方案中，窄角光源600可包括并不自然地产生窄角光但当与准直透镜组件耦合时产生期望窄角光605的光源。一般来说，准直光是其光线基本上平行的光。因此，准直光在其传播时基本上不发散或会聚。然而，如应用于本文所述的实施方案，应当理解的是，所谓的“准直光”或“准直透镜”不需要指代被(或将被)完全准直的光。相反，此类术语与作为至少基本上准直的光束的光相关联，并因此可能存在光的一些发散或会聚。
光通过菲涅耳反射传播通过保角波导610。在一些实施方案中，可通过使用微结构或衍射元件(诸如光栅、微棱镜或抛物面球面)使光离开保角波导610的正面。在一些实施方案中，可通过使用分束器或涂层等使光离开保角波导610的正面。在一些实施方案中，保角波导610是保角空间均化器。光620以与进入波导且由窄角光源600发射的光605大致相同的角度范围离开保角波导610。尽管为了简单起见，图6示出光620在三个不同点处从波导610的正面发射，但普通技术人员将认识到，波导610期望地以大体上均匀的方式跨其正面发射光。窄角光源600连同保角波导610构成窄角背光组件。具有窄角锥的光620随后穿过LCD630以显示图像。此光锥620的最大角度以及与光锥620相关联的主光线的方向可对应于适合于HMD应用的限定的适眼区范围，诸如约5毫米、10毫米或25毫米的适眼区范围。为了清楚起见，图6示出保角波导610与LCD 630之间的分离。然而，在大多数实现方式中，这两个部件可能将夹置在一起，它们之间的空间很小(如果有的话)。在一些实施方案中，离开LCD630的光被引导到HMD的透镜组件。HMD的透镜组件将来自LCD630的图像聚焦在HMD的适眼区中。
在一些实施方案中，图7反映图6的窄角光源600和保角波导610的顶视图的各方面。图7反映在一些实施方案中，窄角光源600包括多个窄角光源700。在某些实施方案中，窄角光源700可包括诸如例如来自一个或多个激光器或一组或多组红绿蓝(RGB)激光器的相对相干光。在一些实施方案中，窄角光源700可包括一组一个或多个RGB红外(IR)激光器。在其他实施方案中，窄角光源700可包括一种或多种其他类型的发光源，诸如LED。在其他实施方案中，窄角光源700可包括并不自然地产生窄角光但当与准直透镜组件耦合时产生期望窄角光705的光源。此光锥705的最大角度以及与光锥705相关联的主光线的方向可对应于适合于HMD应用的限定的适眼区范围，诸如约5毫米、10毫米或25毫米的适眼区范围。多个窄角光源700被布置成使得从窄角光源700发射并进入保角波导710的光705大体上在‘z’轴维度上是均化的。
在一些实施方案中，图8反映图6的窄角光源600和保角波导610的顶视图的各方面。图8反映在一些实施方案中，窄角光源600包括耦合到第二保角波导880的窄角光源800。在图8中，窄角光源800将光引导到保角波导880中。在某些实施方案中，窄角光源800可包括诸如例如来自一个或多个激光器或一组或多组红绿蓝(RGB)激光器的相对相干光。在一些实施方案中，窄角光源800可包括一组一个或多个RGB红外(IR)激光器。在其他实施方案中，窄角光源800可包括一种或多种其他类型的发光源，诸如LED。在其他实施方案中，窄角光源可包括并不自然地产生窄角光但当与准直透镜组件耦合时产生期望窄角光815的光源。
光通过菲涅耳反射传播通过保角波导880。在一些实施方案中，可通过使用微结构或衍射元件(诸如光栅、微棱镜或抛物面球面)使光离开保角波导880。在一些实施方案中，可通过使用分束器或涂层等使光离开保角波导880。在一些实施方案中，保角波导880是保角空间均化器。光805以与进入波导且由窄角光源800发射的光815大致相同的角度范围离开保角波导880。此光锥805的最大角度以及与光锥805相关联的主光线的方向可对应于适合于HMD应用的限定的适眼区范围，诸如约5毫米、10毫米或25毫米的适眼区范围。进入保角波导810(图6的保角波导610的顶视图)的光805大体上在‘z’轴维度上是均化的。
使用一个或多个窄角光源的优点在于，与使用包括传统广角背光和角度限制层的背光组件的实施方案相比，所得背光组件可能更为高效。这是因为在某些实施方案中，与使用耦合到角度限制层的广角背光的实施方案相比，更多由窄角光源发射的光将到达LCD图像并对LCD图像进行照明。
在一些实施方案中，图9反映沿着光轴900的光学系统的一部分的顶视图的各方面，所述部分包括波导902、微透镜阵列(MLA)904、LCD 906和透镜组件908。虽然透镜组件908被描绘为单个透镜，但透镜组件可包括包含透镜或其他类型的反射和/或折射光学元件的一个或多个元件。波导902包括表面起伏或特征910(诸如楔形棱镜阵列)，以例如将波导902内携载的光解耦到波导外部并使其进入MLA 904中。在波导902与MLA 904之间可存在间隙912，但在其他情况下，这些元件可彼此物理接触，从而消除它们之间的这种间隙。在后一种情况下，波导902和MLA 904例如可以是单个整体元件，而不是夹置在一起的两个单独的部件。波导902和MLA 904无论是单个整体元件还是两个单独的部件均可称为背光组件905。MLA 904包括具有可跨MLA的区域变化的相应数值孔径(N.A.)的微透镜914的阵列。例如，与在相对靠近MLA 904的中心轴线的位置处的微透镜914B相比，在相对靠近MLA 904的外边缘的位置处的微透镜914A可具有不同的N.A.。因此，光锥916A的主光线可以与离开MLA 904的光锥916B不同的角度离开MLA 904。这些光锥916A、916B指向LCD 906的相应像素(其中两个在图中示出)。例如，光锥916A被引导通过LCD像素918，并且光锥916B被引导通过LCD像素920。离开像素918的光锥包括主光线922，并且离开像素920的光锥包括主光线924。在一些实施方案中，微透镜914被配置成使得离开MLA 904的光的主光线(例如，由背光组件905发射的光的主光线)对应于或至少基本上等同于透镜组件908的主光线。例如，光锥916A的主光线可基本上等同于主光线922。换句话说，由背光组件905发射的光的主光线的方向可基本上匹配与从LCD 906发射的光锥相关联的主光线的方向。就此而言，透镜组件908可决定离开背光组件905的主光线的方向。更具体地，期望或限定的适眼区范围(例如，限定的适眼区位置、区和/或大小)可决定将要由透镜组件908接收的主光线组(或入射光的近似角锥)，并因此可决定由背光组件905发射以实现期望的适眼区范围的主光线组(或光的近似角锥)。换句话说，背光组件905可被设计或配置为发射具有有着提供期望或限定适眼区范围的方向的相关联主光线组的光的角锥，同时使得光大体上进行成像而不是散射(例如，通过减少杂散光的量并增加总光学输出)。因此，由背光组件905发射的光锥的最大角度以及与光锥相关联的主光线的方向可对应于适合于HMD应用的限定的适眼区范围，诸如约5毫米、10毫米或25毫米的适眼区范围。在此，“对应于”限定的适眼区范围可意指背光组件905的输出NA和主光线被映射到限定或期望的适眼区范围。
图10A描绘根据某些实施方案的在示例性背光组件中使用的示例性楔形棱镜阵列的前视图的各方面，而图10B描绘图10A所示的示例性楔形棱镜阵列的侧视图的各方面。例如，图9的波导902可表示图10A和图10B所示的楔形棱镜阵列。楔形棱镜阵列可包括是楔形形状的第一棱镜1002(称为楔形棱镜1002)和可以是或可以不是楔形形状的第二棱镜1004。第二棱镜1004可从光源1008(例如，激光器光源)接收入射光1006，并且可通过内部反射将入射光1006朝向第一棱镜1002重新引导。在这种配置中，入射光1006在第二棱镜1004的边缘处接收，并且从第二棱镜1004的平面输出以作为重新引导的光1010。然后，重新引导的光1010可在第一棱镜1002(楔形棱镜1002)的边缘处接收，并且第一棱镜1002可通过内部反射将光1010朝向像素化显示面板(例如，朝向图9的LCD 906)重新引导。因此，发射光1012从第一棱镜1002的平面输出。此光1012由此从背光组件(诸如图9的背光组件905)发射。在一些实施方案中，光1012可穿过背光组件的另外的部件，之后光在像素化显示面板处接收。图10B所示的楔形棱镜1002在楔形棱镜1002的平面上(诸如在楔形棱镜1002的与从其发射光1012的平面相反的后面/背面上)包括多个特征，诸如棱镜1014。如图10A所示，第二棱镜1004还可在第二棱镜1004的平面上(诸如在从其发射重新引导的光1010的面上)具有表面特征1016，诸如多个棱镜。
可能存在未在此处呈现的其他组合。因此，应当理解，本文中的描述不应限于所公开的特定实施方案，并且如本领域技术人员易于了解的，意图包括修改和实施方案。
尽管以上描述包含许多具体细节，并且已在附图中描述和示出某些示例性实施方案，但应当理解，此类实施方案仅是说明性的而非限制性的，并且所要求保护的主题不限于所示和所述的特定构造和布置，因为本领域普通技术人员可想到各种其他修改，如以上所述。所要求保护的主题包括来自本文所公开的不同种类和/或实施方案的元件的任何组合或子组合。

Claims (17)

1.一种头戴式显示器，其包括：
显示组件，其包括：
背光组件，所述背光组件用于对像素化显示面板进行照明；以及
所述像素化显示面板，所述像素化显示面板定位在所述背光组件的前方并且被配置为生成具有对应的第一光锥的图像；以及
透镜组件，所述透镜组件被配置为将具有来自所述像素化显示面板的所述第一光锥的光引导并聚焦到所述头戴式显示器的用户的一只或两只眼睛，其中所述透镜组件能够以显著大于所述第一光锥的最大角度的角度引导光并使其聚焦，并且其中所述第一光锥的所述最大角度和与所述第一光锥相关联的主光线的方向对应于限定的适眼区范围，
其中所述背光组件包括：
背光，所述背光用于发射具有第二光锥的光；以及
角度限制层，所述角度限制层在所述像素化显示面板与所述背光之间，其中所述角度限制层包括单独进行以下操作的光导体的阵列：
至少部分地基于具有所述第二光锥的所述光照在所述光导体上的角度来使具有所述第二光锥的所述光衰减；以及
将具有所述第一光锥的光传递到所述像素化显示面板。
2.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述光导体中的每个包括暴露于具有所述第二光锥的所述光的基本上非反射的表面。
3.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述光导体中的每个具有大于约10微米的宽度。
4.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述光导体中的各个光导体是中空的。
5.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述光导体中的各个光导体是锥形的。
6.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述光导体中的各个光导体由实心透光材料制成。
7.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述第一光锥的所述最大角度是第一最大角度，其中所述背光包括发射具有第二最大角度的第二光锥的光源，并且其中所述第二光锥的所述第二最大角度与所述第一光锥的所述第一最大角度大致相同。
8.如权利要求7所述的头戴式显示器，其中所述光源包括准直透镜组件。
9.如权利要求7所述的头戴式显示器，其中所述光源包括产生相干光的至少一个激光器。
10.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中由所述背光组件发射的光的主光线的方向基本上匹配与所述第一光锥相关联的所述主光线的所述方向。
11.如权利要求7所述的头戴式显示器，其中所述背光组件包括维持所述第二光锥的角度的保角波导。
12.一种光学系统，其包括：
背光组件，所述背光组件用于对像素化显示面板进行照明；
所述像素化显示面板，所述像素化显示面板定位在所述背光组件的前方并且被配置为生成具有对应的第一光锥的图像；以及
光学子系统，所述光学子系统被配置为将来自所述像素化显示面板的所述第一光锥引导并聚焦到所述光学系统的用户的一只或两只眼睛，其中所述光学子系统能够以显著大于所述第一光锥的最大角度的角度引导光并使其聚焦，并且其中所述第一光锥的所述最大角度和与所述第一光锥相关联的主光线的方向对应于限定的适眼区范围，并且其中所述背光组件包括：
背光，所述背光用于发射具有第二光锥的光；以及
角度限制层，所述角度限制层在所述像素化显示面板与所述背光之间，其中所述角度限制层包括单独进行以下操作的光导体的阵列：
至少部分地基于具有所述第二光锥的所述光照在所述光导体上的角度来使具有所述第二光锥的所述光衰减；以及
将具有所述第一光锥的光传递到所述像素化显示面板。
13.如权利要求12所述的光学系统，其中所述光导体中的各个光导体包括暴露于具有所述第二光锥的所述光的基本上非反射的表面。
14.如权利要求12所述的光学系统，其中所述背光组件包括楔形棱镜阵列。
15.一种光学系统，其包括：
像素化显示面板，所述像素化显示面板被配置为生成具有对应的光锥的图像；
光学子系统，所述光学子系统被配置为将来自所述像素化显示面板的所述光锥引导并聚焦到所述光学系统的用户的一只或两只眼睛；以及
背光组件，所述背光组件定位在所述像素化显示面板的后方，并且被配置为通过发射最大角度显著小于所述光学子系统能够引导并聚焦到所述用户的所述一只或两只眼睛的光的角度的所述光锥来对所述像素化显示面板进行照明，其中所述光锥的所述最大角度和与所述光锥相关联的主光线的方向对应于限定的适眼区范围，
其中所述背光组件包括：
背光；以及
角度限制层，所述角度限制层包括光导体的阵列，以单独地使由所述背光发射的光衰减并传递具有有着所述最大角度的所述光锥的光。
16.如权利要求15所述的光学系统，其中所述背光包括光源，所述光源使用以下中的至少一者来发射具有所述最大角度的所述光锥：
产生相干光的激光器；或
准直透镜组件。
17.如权利要求15所述的光学系统，其中所述光导体中的各个光导体包括延伸通过所述角度限制层的孔，并且其中所述孔的内表面是基本上非反射的。
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