CN114051592A - 光学设备、图像显示器和验光装置 - Google Patents

Abstract

根据本公开的至少一个实施例的光学设备包括投影仪，该投影仪被配置为投影扫描光，该扫描光是处于预定偏振状态的光。包括在光学设备中的投影仪包括光学构件，该光学构件被配置为选择性地反射处于预定偏振状态的光。

Description

光学设备、图像显示器和验光装置

技术领域

本公开涉及一种光学设备、图像显示器和验光装置。

背景技术

近年来，与虚拟现实(VR)和增强现实(AR)相关的技术和产品越来越受到关注。特别是，期望将AR技术应用于工业领域作为显示数字信息的手段，该数字信息是真实空间中的附加值。开发了一种可用于行为(工作)环境的头戴式显示器(HMD)。

主流HMD是透射(透视)HMD，其使用户并行地在视觉上识别虚拟图像和真实空间中的对象等的真实图像。开始在市场出现经由部分反射膜或图像引导结构在眼睛前面显示虚拟图像的HMD以及经由部分反射膜直接在视网膜上渲染图像的视网膜渲染HMD。

公开了一种设备，该设备经由光学部件将扫描光投影在用户眼球的视网膜上以使该用户在视觉上识别具有投影光的图像(例如，参见PTL 1)。

[引用列表]

[专利文献]

[PTL 1]

JP-6209662-B

发明内容

[技术问题]

然而，PTL 1中的设备可能无法使用户正确地在视觉上识别真实空间和具有投影光的图像。

所公开技术的目的是提高对真实空间和具有投影光的图像的视觉识别性。

[问题解决方案]

根据所公开技术的实施例的光学设备包括投影仪，该投影仪被配置为投影扫描光，该扫描光是处于预定偏振状态的光。投影仪包括光学构件，该光学构件被配置为选择性地反射处于预定偏振状态的光。

[发明的有益效果]

使用所公开的技术，可以正确地在视觉上识别具有投影光的图像。

附图说明

附图旨在描绘本发明的示例实施例并且不应被解释为限制其范围。除非明确指出，否则不应认为附图是按比例绘制的。此外，贯穿多个视图，相同或类似的附图标记指定相同或类似的组件。

图1图示了根据第一实施例的图像显示器的配置的示例。

图2图示了根据实施例的扫描镜的配置的示例。

图3是图示根据实施例的控制器的硬件配置的示例的框图。

图4是图示根据实施例的控制器的功能配置的示例的框图。

图5A、5B和5C(图5)各自图示了根据实施例的反射液晶光学元件的配置的示例。

图5B图示了根据实施例的反射液晶光学元件的配置的示例。

图6图示了根据实施例的反射液晶光学元件的效果的示例。

图7图示了根据第一实施例的图像显示器的操作的示例。

图8图示了根据第二实施例的图像显示器的配置的示例。

图9图示了根据比较示例的图像显示器的效果的示例。

图10图示了根据第二实施例的图像显示器的效果的示例。

具体实施方式

[实施例描述]

本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。

在描述附图中所示的实施例时，为了清楚起见采用了特定术语。然而，本说明书的公开并不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定元件包括具有类似功能、以类似方式操作并实现类似结果的所有技术等同物。

下面参考附图描述实施例。贯穿附图，相同的附图标记被应用于相同或对应的组件，并且可以省略对其的冗余描述。

在实施例中，处于预定偏振状态的扫描光被光学构件选择性地反射以利用扫描光来投影图像。具有扫描光的图像被高效率地选择性反射，并且因此被低损耗地投影。相比之下，来自真实空间中的对象等的光(其包括除处于预定偏振状态的光之外的光)被高效率地透射通过光学构件。因此，在投影扫描光的表面上在视觉上明亮地识别具有扫描光的虚拟图像和真实空间中的对象等的真实图像两者。

在实施例中，描述了包括光学设备的图像显示器的示例。本文描述的作为图像显示器的示例是视网膜投影头戴式显示器(HMD)，该视网膜投影头戴式显示器(HMD)是可佩戴终端并使用麦克斯韦视图将图片或图像直接投影在用户的视网膜上。

在实施例中，描述了在用户的左眼球上显示图像的图像显示器的示例。然而，该图像显示器也可以应用于右眼球。此外，可以提供两个图像显示器并将其应用于两个眼球。

在实施例的描述中，图片与静止图片同义，并且图像与影片同义。激光射线与激光波束同义。激光射线是“光”的示例。

参考图1描述根据第一实施例的图像显示器100的配置。图1图示了图像显示器100的配置的示例。

如图1所示，图像显示器100包括激光源1、透镜2、开口构件301、减光元件302、偏振器41、四分之一波板42、扫描镜5、反射镜6和反射液晶光学元件7。图像显示器100包括眼镜框8和控制器20。

眼镜框8包括臂81和边沿82。边沿82保持眼镜透镜(未图示)。透镜2、开口构件301中、减光元件302、偏振器41、四分之一波板42、扫描镜5和反射镜6设置在臂81内部。反射液晶光学元件7设置在由边沿82保持的眼镜透镜8c的表面上。当用户将眼镜框8放在用户的耳朵上时，用户可以将图像显示器100佩戴在头上。

激光源1是一种半导体激光器，其发射具有单个波长或多个波长的激光射线。激光源1发射已经响应于来自控制器20的驱动信号而时间调制的激光射线。为了渲染单色图像，使用发射具有单个波长的激光射线的激光源。为了渲染彩色图像，使用发射具有多个波长的激光射线的激光源。在这种情况下，激光源1是“光源”的示例。

开口构件301是一种构件，其具有允许光从中穿过的开口。开口构件301允许入射激光射线的一部分从中穿过并且阻挡入射激光射线的剩余部分以将激光射线成形为所希望的截面形状或所希望的直径。开口构件301的开口的直径等于或小于由透镜2在1/e²光强度下准直的激光射线的直径。请注意，“e”是自然对数的底数。

开口构件301的直径被确定，使得在激光射线穿过开口构件301后激光射线入射到扫描镜5的截面的直径小于扫描镜5的有效直径。在实施例中，开口预期为圆形开口；然而，也可以是部分具有畸变或具有椭圆形状的开口。例如，开口构件301均匀化截面的光强度分布，以使激光射线进入所希望的状态，从而提高了图`像射线和图像的质量。

减光元件302是一种光学元件，其减少穿过的激光射线的光强度以获得关乎用户眼睛安全性的适当光强度。例如，减光元件302是中性密度(ND)滤光器，包括由树脂制成的板形构件，和设置在板形构件上并具有预定透射率的光学薄膜。

例如，关乎用户眼睛安全的适当光强度是在国际电工委员会(IEC)60825-1(其为与激光安全相关的国际标准)下的1级以下的光强度。由于减光元件302将从激光源1发射的激光射线减少到了所希望的强度，所以安全的激光射线被投影在视网膜上，从而确保用户眼睛安全。

偏振器41是一种光学元件，其转变入射光的偏振状态以获得在预定方向上振荡的线性偏振光。偏振器41可以采用被夹在一对透明板之间的偏振膜。例如，偏振膜是通过将碘添加到由聚乙烯醇(PVA)制成的偏振膜中并拉伸所得物以对准高聚物的方向而获得的。这对透明板可以采用玻璃或树脂，诸如三乙酸纤维素。

四分之一波板42是一种光学元件，其将入射的线性偏振光转变成右向圆偏振光和左向圆偏振光中的一者。四分之一波板42是由具有双折射的无机晶体材料(诸如晶体)制成的波板。包括偏振器41和四分之一波板42的配置是“偏振部分”的示例。

扫描镜5是一种镜子，其绕两个不同的轴旋转。扫描镜5旋转和改变其角度以提供在两个不同的方向上使用入射光进行扫描。在图1的示例中，扫描镜5提供在X方向(水平方向)和Y方向(垂直方向)上使用入射激光射线进行扫描。由于在激光射线被同步的情况下在X和Y方向上提供使用激光射线进行扫描，图片或图像经由反射液晶光学元件7被投影在用户眼球的视网膜上。扫描镜5是“扫描仪”的示例。

虽然在图1中省略了图示，但图像显示器100可以包括例如已知的同步检测光学系统以同步在X和Y方向上使用激光射线进行的扫描。

图1中箭头所指的X方向对应于主扫描方向，其中像素在时间上连续渲染并形成一系列像素组；而Y方向对应于副扫描方向，其与主扫描方向正交，并且在其中排列一系列像素。在主扫描方向上的扫描速度高于在副扫描方向上的扫描速度。

扫描镜5可以使用两轴微机电系统(MEMS)镜。扫描镜5的配置的细节将在后面参考图2进行描述。

反射镜6是这样一种镜子：其朝向反射液晶光学元件7反射使用扫描镜5扫描的激光射线。反射镜6的表面不限于平坦表面，并且可以具有希望的形状，例如凹表面或凸表面。

反射液晶光学元件7是一种平坦板形光学元件，其包括含有液晶分子的液晶膜。反射液晶光学元件7使用液晶分子对准结构，包括液晶分子的螺旋分子阵列、螺距和取向的局部改变，来反射(衍射)入射的右向圆偏振光和左向圆偏振光之一，并将光聚焦在眼球50的瞳孔52的中心附近的位置。

如图1中的区域P1至P3所示，反射液晶光学元件7取决于XY平面中的区域而朝向眼球50反射在不同方向上的激光射线。如上所述，反射液晶光学元件7具有一个区域对反射光的光聚焦效果的幅度与另一个区域不同的特性，使得反射光会聚在瞳孔52的中心附近的位置。随着光聚焦效果的幅度的增大，获得了类似于当依据用作透镜进行描述时焦距减小的效果。随着光聚焦效果的幅度的减小，获得类似于当依据透镜功进行能描述时焦距增大的效果。在图1的示例中，光聚焦效果的幅度从区域P1朝向区域P3增大。

上述效果源自反射液晶光学元件7中所包括的液晶分子对准结构，并通过调整在元件表面中的液晶分子的取向分布来提供。反射液晶光学元件7的结构细节和效果将在后面参考图5到7详细描述。

第一反射液晶光学元件7是“第一反射液晶光学元件”的示例。此外，反射液晶光学元件7是“光学构件”的示例，并进一步是“投影仪”的示例。反射液晶光学元件7的元件面是“反射表面”的示例。

控制器20是一种控制设备，该控制设备接收图像数据的输入，该图像数据的输入用作将渲染的图像的源，并且该控制设备基于输入图像数据来控制由激光源发射激光。控制器20控制扫描镜5的驱动以控制扫描镜5使用光进行扫描。

在图1中，已经描述了在臂81中设置激光源1和减光元件302的示例；然而，不限于此。激光源1和减光元件302可以设置在臂81的外部以将从激光源1发射并由减光元件302减少的激光射线引导到臂81的内部。控制器20可以设置在臂81中。替代地，控制器20可以设置在臂81的外部，并且驱动信号可以从控制器20供应到臂81的内部。

在图1中，已经描述了减光元件302布置在开口构件301和扫描镜5之间的示例；然而，不限于此。减光元件302可以布置在开口构件301和透镜2之间，并且可以布置在多个位置处。减光元件可以被省略，只要将被投影到用户的视网膜上的光的强度是安全的。减光元件302的适当布置可以缩小图像显示器100。

在图1中，已经描述了偏振器41和四分之一波板42布置在减光元件302和扫描镜5之间的示例；然而，偏振器41和四分之一波板42可以布置在开口构件301和减光元件302之间，也可以布置在开口构件301和透镜2之间。

在图1中，已经描述了反射液晶光学元件7设置在眼镜透镜8c的表面上的示例；然而，不限于此。反射液晶光学元件可以当眼镜透镜8c配置为导光板时设置在眼镜透镜8c的内部或设置在眼镜透镜8c的表面上。

激光源1不限于半导体激光器，并且可以使用固体激光器或气体激光器。偏振器41可以在透明板的最外表面上设置有保护膜以提高耐用性或设置有非反射涂层以防止反射。当需要更高的消光比时，希望使用例如线栅偏振器或金属色散偏振膜。

四分之一波板42不限于由无机液晶材料制成的波板，并且可以使用由有机材料制成的树脂膜(诸如通过拉伸具有双折射的聚碳酸酯)或者相位板，该相位板包括一对透明板和夹在透明板之间的高分子液晶相。

扫描镜5不限于MEMS镜，并且可以使用可以提供使用光进行扫描的光学元件，诸如多面镜或电流镜或者这些镜的组合。注意，希望使用MEMS镜，因为可以减小图像显示器100的尺寸和重量。MEMS镜的驱动系统可以采用任何系统，诸如静电系统、压电系统或电磁系统。

接下来描述图像显示器100中的激光射线的路径。

在图1中，激光源1发射的发散光(发散光的图示被省略)的激光射线被透镜2转变成基本平行的光。透镜的效果不限于使光基本平行，也可以使穿过透镜的光会聚或发散。基本平行的激光射线穿过开口构件301和减光元件302，并且被偏振器41和四分之一波板42转变为右向圆偏振光的激光射线。右向圆偏振光是“具有手性(chirality)的偏振状态”的一个示例。

转变为右向圆偏振光的激光射线提供使用扫描镜5在两轴方向上提供扫描，由反射镜6反射，并入射到反射液晶光学元件7。

例如，反射液晶光学元件7选择性地反射右向圆偏振光的入射激光射线并使激光射线入射在眼球50中。在眼球50中的入射光当在瞳孔52的中心附近的位置处时由反射液晶光学元件7的光聚焦功能会聚，并且然后在眼球50的深位置处的视网膜53上形成图像。视网膜53是“在其上投影光的表面”的示例。

上述视觉识别状态通常称为麦克斯韦视图。光穿过瞳孔52的中心附近的位置到达视网膜53，而与晶状体(crystalline lens)的聚焦调整无关。因此，理想地，在当用户调整眼睛聚焦在真实空间中的任何位置处时的聚焦状态下，用户都可以清晰地在视觉上识别投影图像。相比之下，在实际世界中，入射到眼球50的激光射线具有有限的直径(虽然直径很小)，并且因此由于晶体而对透镜效果具有影响。因此，在本公开的本实施例中，进行设计使得激光射线当入射到眼球50时具有从350μm到500μm的直径，并且具有正有限值的波束发散角度，即由于透镜2以及反射液晶光学元件7的光聚焦效果而成为发散光。

相应地，通过使用扫描镜5进行扫描而使用激光射线渲染的图像经由反射液晶光学元件7到达视网膜53，而与晶状体的调整无关。因此，当用户调整眼睛聚焦在真实空间中的任何位置处时，用户都可以清晰地在视觉上识别投影图像。换言之，在无聚焦状态下在视觉上识别通过使用扫描镜5进行扫描而使用激光射线渲染的图像。

图像显示器100可以改变施加到激光源1的电流或电压，并且可以改变将发射的激光射线的光强度。因此，可以根据使用图像显示器100的周围环境的亮度来改变图片或图像的亮度。

扫描镜5的配置的细节接下来参考图2进行描述。图2图示扫描镜5的配置的示例。在图2中，具有箭头的相应方向被称为α方向、β方向和γ方向。如图2所示，扫描镜5包括：支撑衬底91、可动部分92、曲折梁部分93，曲折梁部分94和电极耦合部分95。

在这些部分中，曲折梁部分93以曲折的方式形成以具有多个折叠部分，并且一端耦合到支撑衬底91而另一端耦合到可动部分92。曲折梁部分93包括梁部分93a和梁部分93b，该梁部分93a包括三个梁，该梁部分93b包括三个梁。梁部分93a的梁和梁部分93b的梁交替形成。包括在梁部分93a和梁部分93b中的每个梁分别包括压电构件。

类似地，曲折梁部分94以曲折的方式形成以具有多个折叠部分，并且一端耦合到支撑衬底91而另一端耦合到可动部分92。曲折梁部分94包括梁部分94a和梁部分94b，该梁部分94a包括三个梁，该梁部分94b包括三个梁。梁部分94a的梁和梁部分94b的梁交替形成。包括在梁部分94a和梁部分94b中的每个梁分别包括压电构件。梁部分93a和93b中的每一者中的梁的数目不限于三个，并且可以按希望地确定。

虽然梁部分93a、93b、94a和94b中包括的压电构件在图2中未图示，但是每个梁可以具有多层结构，并且压电构件可以设置为梁的层的一部分中的压电层。在以下描述中，梁部分93a和94a中包括的压电构件可以统称为压电构件95a，而梁部分93b和94b中包括的压电构件可以统称为压电构件95b。

当将相反相位的电压信号施加到压电构件95a和压电构件95b以弯曲曲折梁部分94时，相邻的梁部分在不同的方向上弯曲。弯曲被累积，从而产生旋转力以绕图2中的A轴以往复方式旋转反射镜92a。

可动部分92在β方向上夹在曲折梁部分93和曲折梁部分94之间。可动部分92包括反射镜92a、扭杆92b、压电构件92c和支撑件92d。

反射镜92a包括例如基座构件和由基座构件上的气相沉积提供的金属薄膜。金属薄膜包含例如铝(Al)、金(Au)或银(Ag)。扭杆92b的一端耦合到反射镜92a，在正α方向和负α方向上延伸，并且可旋转地支撑反射镜92a。

压电构件92c的一端耦合到扭杆92b，而另一端耦合到支撑件92d。当向压电构件92c施加电压时，压电构件92c以弯曲方式变形，从而在扭杆92b中产生扭曲。扭杆92b的扭曲产生旋转力，并且因此反射镜92a绕B轴旋转。

反射镜92a绕A轴的旋转使激光射线入射到反射镜92a以提供在α方向上的扫描。反射镜92a绕B轴的旋转使激光射线入射到反射镜92a以提供在β方向上的扫描。

支撑件92d围绕反射镜92a、扭杆92b和压电构件92c。支撑件92d耦合到压电构件92c并且支撑压电构件92c。支撑件92d间接支撑反射镜92a和耦合到压电构件92c的扭杆92b。

支撑衬底91围绕可动部分92、曲折梁部分93和曲折梁部分94。支撑衬底91耦合到曲折梁部分93和曲折梁部分94以支撑曲折梁部分93和曲折梁部分94。支撑衬底91还间接地支撑耦合到曲折梁部分93和曲折梁部分94的可动部分92。

构成扫描镜5的MEMS镜是使用微机械加工技术由硅或玻璃制成的。使用微机械加工技术，可以在衬底上与驱动器(诸如曲折梁部分)一体形成非常小的高精度可动镜。

具体地，绝缘体上硅(SOI)衬底例如通过蚀刻成形。反射镜92a、曲折梁部分93和94、压电构件95a和5b、电极耦合部分等等在成形的衬底上一体形成以形成MEMS镜。反射镜92a和其他组件可以在SOI衬底成形之后形成，或者可以在SOI衬底成形时形成。

SOI衬底是一种衬底，其中在由单晶硅(Si)制成的硅支撑层上设置氧化硅层，并且在氧化硅层上进一步设置由单晶硅制成的硅有源层。硅有源层在γ方向上的厚度小于在α方向和β方向上的维度。在这样的配置的情况下，由硅有源层制成的构件具有作为具有弹性的弹性部分的功能。

SOI衬底不必是平面的，并且可以具有例如曲率。只要衬底可以通过蚀刻等一体成形并且可以是部分弹性的，则用于形成MEMS镜的构件不限于SOI衬底。

当在主扫描方向上执行扫描时，将相反相位的正弦波形的电压施加到扫描镜5中包括的压电构件95a和95b，作为来自控制器20的驱动信号。正弦波形的电压的频率是与可动部分92绕A轴的共振模式对应的频率。当被施加有正弦波形的电压时，扫描镜5在低电压下以非常大的旋转角度以往复方式旋转。

对于驱动信号，可以使用锯齿波形的电压信号。锯齿波形可以通过叠加正弦波形来产生。波形不限于锯齿波形，并且可以使用锯齿波形的具有圆形顶点的波形或者锯齿波形的具有弯曲线性区域的波形。

接下来参考图3描述根据实施例的控制器20的硬件配置。图3是图示控制器20的硬件配置的示例的框图。

如图3所示，控制器20包括中央处理单元(CPU)22、只读存储器(ROM)23、随机存取存储器(RAM)24、光源驱动电路25以及扫描镜驱动电路26。这些组件经由系统总线27相互电耦合。

在这些组件中，CPU 22控制控制器20的操作。CPU 22使用RAM 24作为工作区并执行存储在ROM 23中的程序，以控制控制器20的整个操作并实现各种功能。

光源驱动电路25是一种电子电路，其电耦合到激光源1并向激光源1施加电流或电压以驱动激光源1。激光源1打开或关闭激光射线的发射或根据驱动信号来改变将发射的激光射线的光强度，该驱动信号从光源驱动电路25输出。

扫描镜驱动电路26是一种电子电路，其电耦合到扫描镜5并向扫描镜5施加电压以驱动扫描镜5。扫描镜5根据驱动信号来改变可动部分92中包括的反射镜92a旋转角度，该驱动信号从扫描镜驱动电路26输出。

接下来参考图4描述根据实施例的控制器20的功能配置。图4是图示控制器20的功能配置的示例的框图。如图4所示，控制器20包括发射控制器31、光源驱动器32、扫描控制器33和扫描镜驱动器34。

在这些组件中，发射控制器31和扫描控制器33的相应功能例如由CPU22来实现。光源驱动器32的功能例如由光源驱动电路25来实现，而扫描镜驱动器34的功能例如由光源驱动电路25来实现。

在这些组件中，发射控制器31接收图像数据的输入，该图像数据的输入是将渲染的图像的基础，并且发射控制器31基于接收的图像数据来将用于控制激光源1的驱动的控制信号输出到光源驱动器32。

扫描控制器33接收图像数据的输入，该图像数据的输入是将渲染的图像的基础，并且扫描控制器33基于接收的图像数据来将用于控制扫描镜5的驱动的控制信号输出到扫描镜驱动器34。

当在希望的位置处在视觉上识别的图像具有畸变等时，发射控制器31和扫描控制器33可以执行控制以校正畸变等。

光源驱动器32向激光源1施加电流或电压，以基于从发射控制器31输入的控制信号来驱动激光源1。扫描镜驱动器34向扫描镜5施加电压，以基于从扫描控制器33输入的控制信号来驱动扫描镜5。

接下来参考图5A和5B描述反射液晶光学元件7的配置的细节。图5A和5B图示反射液晶光学元件7的配置示例。图5A是反射液晶光学元件7的透视图。图5B图示了反射液晶光学元件7中包括的液晶指示器71的截面空间分布的一部分。图5C图示了反射液晶光学元件7中包括的液晶指示器71的(在元件表面中的)平面内空间分布的一部分。

如图5所示，反射液晶光学元件7的元件表面代表xy平面，该xy平面是平行于液晶指示器71或衬底表面的平面，并且截面代表垂直于元件表面的平面，例如xz平面。

如图5A所示，反射液晶光学元件7由平坦板形液晶膜形成。制造反射液晶光学元件7，使得使用光聚合性液晶材料形成希望的分子对准结构，然后通过使用UV射线进行照射来固定分子对准结构，并且消除衬底。聚合使液晶分子的取向和位置硬化，同时保持聚合之前的状态。因此，液晶分子对准结构可以代表聚合之前或之后的状态。

如图5B和5C所示，液晶分子对准结构被封闭在反射液晶光学元件7中，在该液晶分子对准结构中液晶指示器第71具有三维周期性。液晶指示器第71具有平均分子对准方向，在该平均分子对准方向上液晶分子沿其对准的长轴方向排列。

根据本发明实施例的液晶材料是向非手性分子制成的向列型液晶添加手性试剂的胆固醇液晶，或者是液分子具有手性的胆固醇液晶。在胆固醇液晶中，相邻分子之间的分子取向发生扭曲，从而形成螺旋周期性结构，该螺旋周期性结构在垂直于液晶指示器71的方向上具有手性。即，根据本公开的实施例的反射液晶光学元件7中封闭的液晶分子形成的液晶指示器71形成螺旋分子阵列，该螺旋分子阵列在垂直于元件表面的深度方向(即z方向)上具有手性。胆固醇液晶取决于螺旋的手性，并且因此具有选择性地反射同步手性圆偏振光的布拉格反射特性。

在反射液晶光学元件7中，调整螺旋结构的起始位置，即液晶指示器71在元件表面中的对准方向。即，如图5C所示，液晶指示器71在反射液晶光学元件7的元件表面中的平面内取向分布具有周期性阵列，其中分子取向从元件表面的基本中心部分在元件表面中周期性径向改变。更具体地，液晶指示器71具有取向分布，其中对准方向从元件中心部分在可以是希望的方向的径向方向上周期性旋转，并且周期从中心部分朝向边缘部分逐渐减小，即周期非线性改变。

注意，图5C示意性地图示了平面内空间分布的一部分，但不限于此。平面内空间分布可以基于元件尺寸和所需功能具有适当数目的周期。

在这样的平面内取向分布的情况下(例如，如图5B所示)，可以在反射液晶光学元件7中形成相位分布。在相位分布中，在螺旋分子阵列中，等相表面72在作为光的入射方向的正z方向上弯曲成凹形。即，局部变化的分子取向分布在反射光中提供凹相位偏差。因此，反射液晶光学元件7对在正z方向入射的光具有反射和聚焦效果。

如图1所示，反射液晶光学元件7取决于在xy平面中的区域而朝向眼球反射在不同方向上的激光射线。当反射液晶光学元件7沿平行于xy平面的a轴被划分为第一区域(相对于a轴的x-区域)和第二区域(相对于a轴的x+区域)时，在第一区域中的平面内取向分布与在第二区域中的平面内取向分布不对称。更具体地，包括图1中所示的P3区域的第二区域中的周期可以完全小于包括图1中所示的P1区域的第一区域中的周期。即，设置在区域上的凹相位偏差的曲率半径在第二区域中较小。换言之，第二区域中的光聚焦效果的幅度较大。如上所述，反射液晶光学元件7在元件表面包括至少两个具有不同的光聚焦效果的幅度的区域。因此，反射液晶光学元件7可以反射入射的激光射线，使得激光射线会聚在瞳孔52的中心附近的位置。即，反射液晶光学元件7起到非球面表面镜的功能或者进一步地起到自由形式表面镜的功能，并且可以提供麦克斯韦视图。

例如，当图5B所示的螺距73的数目(周期的数目)是六个或更多个时，这是希望的，因为可以提供峰值反射强度为90％或更高的高效率的反射。

可以将已知技术应用于使用由如上所述的液晶分子对准结构形成的相位分布来展现光学功能的技术(例如，Nature Photonics第10卷(2016)，第389页等)，并且因此本文省略了更详细的描述。

反射液晶光学元件7中的相位分布可以通过调整液晶指示器71在元件表面中的初始对准方向来调整。这样的调整可以使用光对准(photo alignment)技术。光对准技术在空间上划分施加在衬底上的对准膜，并使用在预定方向上偏振的线性偏振光对每个划分区域进行曝光，以在空间上调整液晶分子的初始对准方向。

液晶材料可以使用可聚合液晶材料和不可聚合液晶材料中的一者。手性试剂可以使用可聚合手性试剂和不可聚合手性试剂中的一者。可以使用一种手性试剂，或者可以组合并使用两种以上的手性试剂。当液晶分子具有手性时，可以省略手性试剂。

对于本公开的实施例提供的反射液晶光学元件7的制作方法，通过使用光聚合性液晶材料形成希望的分子对准结构，然后通过使用UV射线进行照射来固定结构，并且消除衬底。然而，不限于此。该实施例可以响应于请求而进行希望地改变，诸如堆叠在透明支撑衬底上的实施例，或者夹在透明支撑衬底之间的实施例。在液晶膜暴露于空气的实施例中，可以在最外表面上设置用于增加耐用性的保护膜等。

反射液晶光学元件7的形状不限于平坦板形，并且可以根据眼镜透镜8c的形式而为希望的适当形状，诸如弯曲表面形式。在这种情况下，反射液晶光学元件7的液晶对准结构根据眼镜透镜8c的形式进行调整，并且可以反射入射的激光射线，使得激光射线会聚在瞳孔52的中心附近的位置。

接下来参考图6描述反射液晶光学元件7的效果。图6图示了反射液晶光学元件7的效果的示例。图6图示了一个示例，其中右向圆偏振光61和左向圆偏振光62入射到具有向右扭曲螺旋阵列的液晶分子的反射液晶光学元件7。

由于如上所述的螺旋阵列具有手性，反射液晶光学元件7通过布拉格反射而反射圆偏振光，该圆偏振光是具有预定波段的光，并且具有与高衍射效率的液晶分子的螺旋旋转方向的手性相同的手性。在这种情况下，预定波段中的带宽Δλ由Δλ＝Δnpcosθ确定，其中Δn是液晶组合物的双折射，p是液晶的螺距，θ是光线的入射角。带宽Δλ可使用液晶组合物的双折射进行调整，并且约为30至100nm。与380至780nm的可见光带宽相比，这是非常窄的。

如图6所示，当入射到反射液晶光学元件7的激光射线是具有与液晶分子的螺旋旋转方向的手性相同的手性的右向圆偏振光61时，入射激光选择性地以理想的效率反射。

反射液晶光学元件7透射具有除预定波段之外的波段的光，并且透射具有预定波段的光，该预定波段的光是在与液晶分子的螺旋旋转方向成对的相反方向上具有手性的圆偏振光。在图6中，左向圆偏振光62透射通过反射液晶光学元件7。

虽然提供在反射光上的相位偏差由液晶指示器71在元件表面中的取向分布确定，但是胆固醇液晶的选择性反射特性不会因分子对准方向的改变而丧失。反射液晶光学元件7可以反射这样的光，该光是具有预定波段的光，并且该光是具有与液晶分子的螺旋阵列的手性相同的手性的圆偏振光。另外，反射液晶光学元件7可以使反射的圆偏振光会聚在瞳孔52的中心附近的位置，因为由平面内分子取向分布确定的相位偏差引起的光聚焦效果。

胆固醇液晶的螺距随温度改变。因此，希望使用结构被固定的液晶膜形成反射液晶光学元件7，使得预定波段不随温度改变。

图6图示了反射液晶光学元件7的示例，其中液晶分子形成向右螺旋阵列；然而，在本实施例中，可以使用液晶分子具有向左螺旋阵列的反射液晶光学元件7。在这种情况下，反射液晶光学元件7选择性地反射和会聚具有与液晶分子的螺旋旋转方向的取向的手性相同的手性的左向圆偏振光，以及透射除左向圆偏振光之外的光。

接下来参考图7描述图像显示器100的操作。图7图示了图像显示器100的操作。

参考图7，扫描镜5提供使用右向圆偏振光的激光射线进行扫描，并且反射镜6朝向反射液晶光学元件7折回激光射线。然后，反射液晶光学元件7选择性地以理想效率反射向右圆偏振射线，当在用户的眼球50的瞳孔52的中心附近的位置时会聚射线，并且然后投影到用户的视网膜53上。随着激光射线投影到视网膜53上用户可以在视觉上识别图像。

相比之下，来自真实空间中的对象70在负z方向上传播的光是具有宽波段的随机偏振光。因此，反射液晶光学元件7透射来自对象70的光中具有除预定波段之外的波段的光，并且透射除具有右向圆偏振光分量的光之外的光，即使当光在在预定的波段内时。

反射液晶光学元件7的预定波段的带宽与可见光的波段相比非常窄。因此反射液晶光学元件7具有良好的透射率。因此，从真实空间中的对象70朝向眼球50传播的光的主要部分透射通过反射液晶光学元件7，并且到达用户的视网膜53。因此，真实空间中的对象70的图像以足够的亮度在视觉上被识别。

这样，佩戴图像显示器100的用户可以在视觉上并行地识别虚拟图像和真实空间中对象的真实图像，并且可以在视觉上识别虚拟图像和处于明亮状态的真实空间中的真实图像。

相关技术公开了一种设备，其经由光学部件将扫描光投影到用户的眼球的视网膜上，以使用户在视觉上识别具有投影光的图像。然而，在相关技术的图像显示器中，诸如使虚拟图像和真实空间中的例如对象的真实图像并行地在视觉上被识别的透射HMD在以下之间具有折衷关系：透射通过眼镜的真实空间中的对象等的真实图像的亮度和由眼镜反射的虚拟图像的亮度。因此，当真实空间中的对象等的真实图像变亮时，投影的虚拟图像变暗，并且可能无法正确地在视觉上识别虚拟图像。

在本实施例中，反射液晶光学元件7选择性地反射右向圆偏振光的扫描光和使用扫描光投影图像。相比之下，反射液晶光学元件7高效率地透射来自真实空间的光。因此，具有虚拟图像被投影在他/她的视网膜上的用户可以明亮地在视觉上识别虚拟图像和真实空间中的对象等的真实图像两者。换言之，可以提高对具有投影光的图像和真实空间的视觉识别性。

在本实施例中，由于使用麦克斯韦视图直接将图像渲染在用户的视网膜上，所以当用户聚焦在真实空间中的任何位置时用户可以在视觉上并行地和清晰地识别图像。因此，例如，当用户是制造现场的工人时，用户可以在清楚的视野中正确地在视觉上识别诸如工作指令的数字内容，而不会中断真实空间中的工作，并且可以由于无聚焦状态而在没有视觉压力的情况下工作。

在本实施例中，使用平坦板形且薄的反射液晶光学元件7可以减小图像显示器100的尺寸，并且使得图像显示器100易于安装。

在本实施例中，反射液晶光学元件7包括液晶分子对准结构，其中聚焦效果的幅度取决于区域而变化。因此，激光射线可以正确地汇聚在瞳孔52的中心附近的位置，从而提供麦克斯韦视图。

当液晶分子螺旋阵列中的螺距73的数目为六个或更多个时，这是希望的，因为可以更高效率地反射激光射线。

在本实施例中，HMD被描述为图像显示器的示例。然而，诸如HMD的图像显示器不限于直接安装在用户头部上的图像显示器，也可以是经由构件(诸如紧固部分)间接安装在用户头部上的图像显示器。

在本实施例中，描述了使用液晶分子形成向右螺旋阵列的反射液晶光学元件7的示例；然而，也可以使用液晶分子形成向左螺旋阵列的反射液晶光学元件7。在这种情况下，来自激光源1的激光射线由偏振器41和四分之一波板42转变为左向圆偏振光，并入射到反射液晶光学元件7，从而获得与上述类似的有益效果。

在本实施例中，描述了使用具有一层的反射液晶光学元件7的示例；然而，可以使用以多层形式堆叠的多个反射液晶光学元件7。例如，反射液晶光学元件7可以包括三个层，包括具有预定的红色(R)波段的反射液晶光学元件，具有预定的绿色(G)波段的反射液晶光学元件，以及具有预定的蓝色(B)波段的反射液晶光学元件。因此，可以使用RGB激光源将全彩色图像投影到视网膜。

描述了根据第二实施例的图像显示器100a。

由于反射液晶光学元件的会聚反射光的功能，入射到眼球的激光射线的状态可能会在视野中改变。在这种情况下，激光射线的状态包括激光射线的直径和波束发散角度。当图像以不发生由于眼球运动而引起的渐晕的视角被投影时，入射到眼球的激光射线的状态希望在图像被投影到视网膜的范围内均匀化。

在本实施例中，激光射线经由校正反射液晶光学元件入射到反射液晶光学元件以均匀化由反射液晶光学元件反射并入射到眼球的激光射线的状态。

描述了根据第二实施例的图像显示器100a的配置。图8图示了图像显示器100a的配置的示例。图像显示器100a包括校正反射液晶光学元件9。校正反射液晶光学元件9是“第二反射液晶光学元件”的示例。

与反射液晶光学元件7一样，校正反射液晶光学元件9是平坦板形光学元件，其高效率地反射具有与预定波段的液晶分子的螺旋旋转方向的手性相同的手性的圆偏振光，并聚焦光。调整由校正反射液晶光学元件9中包括的液晶分子的平面内取向分布来确定的光聚焦效果，以在图像被投影到视网膜的范围内均匀化入射到眼球50的激光射线的状态。

在描述校正反射液晶光学元件9的效果之前，先参考图9描述根据比较示例的图像显示器。图9图示了根据比较示例的图像显示器的效果的示例。

参考图9，扫描镜5提供使用激光射线L1至L3进行扫描，激光射线L1至L3由反射镜6反射并然后入射到反射液晶光学元件7。在这种情况下，激光射线L2是对应于图像中心的激光射线。激光射线L1是对应于图像在X方向的一端的激光射线，而激光射线L3是对应于图像在X方向的另一端的激光射线。换言之，激光射线L1对应于图像被投影到的视网膜53的范围的一端，而激光射线L3对应于图像被投影到的视网膜53的范围的另一端。

激光射线L1在反射液晶光学元件7的区域P1中反射并入射到眼球50。激光射线L2在反射液晶光学元件7的区域P2中反射并入射到眼球50。激光射线L3在反射液晶光学元件7的区域P3中反射并入射到眼球50。

如上所述，在反射液晶光学元件7中，为了朝向眼球50反射激光射线，在瞳孔的中心附近的位置会聚激光射线，并然后将射线投影到视网膜53，区域P1至P3依次排列，使得光聚焦效果的幅度在正X方向上增加。

如图9所示，当在眼球50前面排列反射液晶光学元件时，光路长度按激光射线L1至L3的顺序增加。在激光射线L1至L3中，当入射到眼球50时激光射线的状态彼此不同。

例如，当预期穿过视野中心的激光射线L2以与图9中的Z轴基本平行的状态入射到眼球50时，激光射线L1以比激光射线L2更发散的状态入射到眼球。相比之下，激光射线L3以比激光射线L2更会聚的状态入射到眼球。这样，在根据比较示例的图像显示器的情况下，入射到眼球50的激光射线的状态在图像被投影的范围内变得不均匀，并且分辨率特性和聚焦特性可能不均匀。

接下来参考图10描述根据本实施例的图像显示器100a。图10图示了图像显示器100a的效果的示例。

参考图10，在校正反射液晶光学元件9的区域C1反射的激光射线入射到反射液晶光学元件7的区域P1。在校正反射液晶光学元件9的区域C2反射的激光射线入射到反射液晶光学元件7的区域P2。在校正反射液晶光学元件9的区域C3反射的激光射线入射到反射液晶光学元件7的区域P3。

反射液晶光学元件7和校正反射液晶光学元件9由相同的液晶材料制成，并且液晶分子形成具有与偏振光的手性相同的手性的向右螺旋阵列，该偏振光对应入射的右向圆偏振光的激光射线。如上所述，设计液晶分子对准结构，使得校正反射液晶光学元件9在光聚焦效果的幅度上抵消了反射液晶光学元件7，以在图像被投影的范围内均匀化入射到眼球50的激光射线的状态。

更具体地，确定液晶分子的平面内取向分布，使得反射液晶光学元件7具有幅度以正X方向上区域P1至P3的顺序增加的光聚焦效果，并且校正反射液晶光学元件9具有幅度以负X方向上区域C3至C1的顺序增加的光聚焦效果。

在这样的配置的情况下，在校正反射液晶光学元件9的具有大的幅度的光聚焦效果的区域C1中被反射的激光射线L1入射到反射液晶光学元件7的具有小的幅度的光聚焦效果的区域P1；以及在校正反射液晶光学元件9的具有小的幅度的光聚焦效果的区域C3中被反射的激光射线L3入射到反射液晶光学元件7的具有大的幅度的光聚焦效果的区域P3。

相应地，在每个区域中调整光聚焦效果的幅度之间的平衡，并且如图10所示，由反射液晶光学元件7反射并入射到眼球50的激光射线的状态以及激光射线的直径和波束发散角度被均匀化。

同样在根据本实施例的图像显示器100a的情况下，与上述图像显示器100一样，在眼球50中的入射光当在瞳孔52的中心附近的位置处时由反射液晶光学元件7的光聚焦功能会聚，并且然后使用麦克斯韦视图投影图像，这在眼球50的深位置处的视网膜53上形成图像。因此，在本实施例中，进行设计，使得作为麦克斯韦视图的希望条件，激光射线当激光射线入射到眼球50时具有从350μm到500μm的直径，并且具有正有限值的波束发散角度，即由于透镜2以及校正反射液晶光学元件9和反射液晶光学元件7的光聚焦效果而成为发散光。

如上所述，在本实施例中，激光射线经由校正反射液晶光学元件9入射到反射液晶光学元件7。因此，可以使由反射液晶光学元件7反射并入射到眼球50的激光射线的状态均匀化，以使用户在图像被投影的范围内在视觉上识别具有均匀分辨率特性和聚焦特性的图像。

在本实施例中，使用平坦板形且薄的校正反射液晶光学元件9可以减小图像显示器100a的尺寸和重量，并且允许易于安装图像显示器100a。除上述之外的有益效果类似于第一实施例中描述的那些。

接下来描述根据第三实施例的验光装置。

例如，根据本公开实施例的光学设备和图像显示器也可以应用于验光装置。验光装置代表能够执行诸如视力检查、眼屈光度检查、眼压检查、眼轴长度检查等各种检查的装置。验光装置是可以以非接触的方式检查眼球的装置。验光装置包括支撑受检者面部的支撑件、眼检查窗口、在眼检查期间将检查信息投影到受检者的眼球上的显示器部分、控制器和测量部分。受检者将面部紧固在支撑件上，并通过眼检查窗口注视投影在显示器部分上的检查信息。此时，根据本实施例的光学设备可以用于显示器部分。此外，使用根据本实施例的图像显示器实现眼镜形式的验光装置。因此，不再需要用于检查和大型验光装置的空间，并且可在任何地方以简单的配置进行检查。

上面已经描述了根据实施例的光学设备、图像显示器和验光装置；然而，本公开不限于上述实施例并且可以在本公开的范围内以各种方式修改和改进。

在本实施例中，眼镜形式的HMD被描述为图像显示器的示例。然而，诸如HMD的图像显示器不限于直接安装在“人”的头部上的图像显示器，也可以是经由构件(诸如紧固部分)间接安装在“人”的头部上的图像显示器。

上述实施例是说明性的，并不限制本发明。因此，根据上述教导，许多附加的修改和变化是可能的。例如，在本发明的范围内，不同说明性实施例的元件和/或特征可以相互组合和/或相互替代。

本专利申请基于2019年6月27日在日本专利局提交的日本专利申请第2019-120427号和2020年4月1日在日本专利局提交的日本专利申请第2020-066158号并要求它们的优先权，这两个专利申请的全部公开内容在此通过引用并入本文。

[附图标记列表]

1 激光源

2 透镜

301 开口构件

302 减光元件

41 偏振器

42 四分之一波板

5 扫描镜(扫描仪的示例)

6 反射镜

7 反射液晶光学元件(光学构件的示例、投影仪的示例、第一反射液晶光学元件的示例)

71 液晶指示器

72 等相表面

8 眼镜框

81 臂

82 边沿

9 校正反射液晶光学元件(第二反射液晶光学元件的示例)

20 控制器

22 CPU

23 ROM

24 RAM

25 光源驱动电路

26 扫描镜驱动电路

27 系统总线

31 发射控制器

32 光源驱动器

33 扫描控制器

34 扫描镜驱动器

35 瞳孔位置估计器

36 姿态控制器

37 级驱动器

50 眼球

52 瞳孔

53 视网膜

61 右向圆偏振光

62 左向圆偏振光

100 图像显示器

P 反射点

Claims (16)

1.一种光学设备，包括：

投影仪，所述投影仪被配置为投影扫描光，所述扫描光是处于预定偏振状态的光，所述投影仪包括：

光学构件，所述光学构件被配置为选择性地反射处于所述预定偏振状态的所述光。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，处于所述预定偏振状态的所述光是处于具有手性的偏振状态的光。

3.根据权利要求1或2所述的光学设备，其中，

处于所述预定偏振状态的所述光是处于具有手性的偏振状态的光，

处于具有手性的所述偏振状态的所述光是右向圆偏振光和左向圆偏振光中的一者，并且

所述光学构件是第一反射液晶光学元件。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学设备，其中，所述光学构件具有表面，所述表面被配置为选择性地反射所述光。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学设备，其中，所述光学构件具有第一表面，所述第一表面被配置为聚焦所述光。

6.根据权利要求5所述的光学设备，其中，所述光学构件具有与所述第一表面相反的第二表面并且透射处于偏振状态的光，所述处于偏振状态的光来自所述第二表面并且具有与处于所述预定偏振状态的所述光的手性成对的手性。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学设备，其中，所述光学构件由可聚合液晶材料制成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学设备，其中，

所述光学构件是第一反射液晶光学元件，

所述第一反射液晶光学元件包括具有三维周期性的液晶分子对准结构，

所述液晶分子对准结构在元件深度方向上具有具有手性的螺旋分子阵列，以及在元件平面内方向上具有从元件中心部分沿元件表面并在元件表面内周期性改变的分子取向的周期性阵列，并且

所述周期性阵列具有从所述元件中心部分沿所述元件表面并在所述元件表面内非线性改变的周期。

9.根据权利要求8所述的光学设备，其中，

所述周期阵列包括相对于所述元件中心部分划分的第一区域和第二区域，并且

在所述第一区域中的所述周期阵列与在所述第二区域中的所述周期阵列不对称。

10.根据权利要求8或9所述的光学设备，其中，所述螺旋分子阵列的周期的数目是六个或更多个。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学设备，其中，扫描仪被配置为使用所述扫描光来照射所述投影仪，所述扫描仪包括：

扫描镜，所述扫描镜被配置为绕两个不同的轴旋转；以及

反射镜，所述反射镜被配置为反射由所述扫描镜反射的光。

12.根据权利要求11所述的光学设备，其中，所述反射镜是具有反射表面的第二反射液晶光学元件，所述第二反射液晶光学元件被配置为选择性地反射并聚焦右向圆偏振光和左向圆偏振光中的一者。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的光学设备，其中，

所述光学构件是第一反射液晶光学元件，并且

所述第一反射液晶光学元件在元件表面内包括至少两个区域，所述区域具有不同幅度的光聚焦效果。

14.根据权利要求13所述的光学设备，其中，

扫描仪被配置为使用所述扫描光来照射所述投影仪，所述扫描仪包括第二反射液晶光学元件，所述第二反射液晶光学元件被配置为选择性地反射并聚焦右向圆偏振光和左向圆偏振光中的一者，

所述第二反射液晶光学元件在元件表面内包括至少两个区域，所述至少两个区域具有不同幅度的光聚焦效果，并且

与所述区域中的具有较大幅度的所述光聚焦效果的一个区域相比，所述区域中的具有较小幅度的所述光聚焦效果的另一个区域被设置为更靠近所述投影仪投影光的表面。

15.一种图像显示器，包括：

光源；

根据权利要求1至14中任一项所述的光学设备；以及

偏振部分，所述偏振部分被配置为将来自所述光源的光转变为处于所述预定偏振状态的光。

16.一种验光装置，包括：

根据权利要求1至14中任一项所述的光学设备和根据权利要求15所述的图像显示器中的至少一者。

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