CN115335732A

CN115335732A - 光学系统

Info

Publication number: CN115335732A
Application number: CN202180024058.8A
Authority: CN
Inventors: 伊恩·托马斯·麦肯; 罗里·托马斯·亚历山大·米尔斯
Original assignee: Snap Inc
Current assignee: Snap Inc
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2021-03-08
Publication date: 2022-11-11

Abstract

公开了一种用于向用户的眼睛呈现图像的光学系统。该系统包括波导，该波导被配置成朝向光动力元件输出准直光，光动力元件包括至少一个全息部件以产生光功率。光动力元件被配置成接收来自波导的输出准直光，并且将接收到的光朝向用户的眼睛引导，并且对被引导的光施加角度偏移，使得被引导的光形成虚拟图像平面。

Description

光学系统

背景技术

透视显示器可以用于在外部景物上覆盖图像和/或符号。这可以用于平视显示器(HUD)、头戴式显示器(HMD)或任何其他合适类型的显示器。

附图说明

图1示出了透视显示器。

图2示出了根据一些示例的光学系统。

图3示出了根据一些示例的可调节光学系统。

图4示出了根据一些示例的平视显示器。

图5示出了根据一些示例的偏移光学系统。

图6示出了根据一些示例的鸟浴(birdbath)光学装置。

具体实施方式

图1示出了透视显示器100。透视显示器100包括波导110和半反射元件130。可以将准直光输入至波导110中，并且朝向半反射元件130输出。半反射元件130将准直光通过波导110朝向用户的眼睛往回反射，并且还允许光从外部朝向用户的眼睛传递。由半反射元件反射的光基本上保持准直，并且因此用户感知到图像基本上聚焦在无限远处。在一些示例中，这可能降低用户体验，例如造成用户不适或头痛，尤其是如果用户期望聚焦在他们视野中的真实对象上并且还期望观看所显示的符号/图像，该符号/图像可能与真实对象相关联和/或与真实对象叠加。

图2示出了根据一些示例的光学系统200。光学系统包括扩展波导210和光动力元件230，该光动力元件230包括用于提供光功率的全息部件。可以将光输入至扩展波导210中，并且在至少一个维度上扩展，使得出射瞳孔的尺寸在至少一个维度上增加。输出元件220与光相互作用并且使光朝向光动力元件230输出。光被准直或基本上准直地输出。光动力元件230向准直光添加角度偏移，使准直光发散并且形成虚拟图像平面240。这使得用户能够感知由光学系统200显示的图像位于由虚拟图像平面240限定的波导后面一定距离。这可以减少一些用户的眼睛疲劳和头痛，得到更好的用户体验。

在一些示例中，光学元件230可以是透明的或半透明的，从而允许用户透过光动力元件230观看并且观看光学元件230之外的对象。在光学元件230不是透明的一些示例中，光学系统的光学几何形状可以使得用户仍然能够看到与用户视场中的真实对象叠加的图像。参照图4和图6对此进行更详细地说明。

在一些示例中，光动力元件230可以包括薄的正弯月形(凸凹)形状的元件。面向用户的凸侧可以涂覆有部分反射涂层(分束器涂层)，其将从波导发射的光朝向用户往回反射，同时使从波导发射的准直光发散，从而形成虚拟图像平面240。背对用户的凸侧的形状可以被设置为：当通过光动力元件230观看时，使外部世界视图的任何像差最小化。

在一些示例中，光学系统200可以被配置成补偿光学系统对穿过波导210和/或光动力元件230的外部光的影响，使得外部景物不失真。在一些示例中，补偿可以包括对光动力元件230的适配和/或添加。在一些示例中，补偿可以包括单独的光学元件。

在一些示例中，可以将准直光输入至波导210中。在一些示例中，可以将未准直的光输入至波导210中，并且光可以被波导210的部件准直。

在一些示例中，在光动力元件230与波导之间可以存在诸如空气间隙的间隙。在一些示例中，光动力元件可以耦接至波导230。

在一些示例中，光动力元件230可以包括全息部件，该全息部件给予光动力元件230光功率。这可以允许通过改变输入至光动力元件330的光的相位来改变光功率。

在一些示例中，全息部件可以是静态的，使得它不变化。在一些示例中，全息部件可以是动态的，使得其特性可以变化。在一些示例中，动态全息部件可以包括可寻址和可切换的反射屏幕(例如液晶显示器)。这可以允许通过改变光的相位以及/或者通过改变全息部件的特性来改变光功率。

图3示出了根据一些示例的可调节光学系统300。可调节光学系统300可以基本上与关于图2描述的光学系统200类似。可调节光学系统300包括扩展波导210和可调节光动力元件330。扩展波导210可以基本上与关于图2描述的扩展波导210类似。

可以控制可调节光学系统以改变系统的光功率。在一些示例中，可以控制光动力元件330以改变光功率。在一些示例中，可以将光功率改变成至少两种状态。在第一状态中，可调节光动力元件330具有第一光功率，产生距用户第一距离处的虚拟图像平面340a。在第二状态中，可调节光动力元件330具有不同于第一光功率的第二光功率，产生距用户第二距离处的虚拟图像平面340b。第一状态与第二状态的光功率的差异产生虚拟平面340a、虚拟平面340b的位置的差异350。

在一些示例中，可调节光动力元件330可以基于用户眼睛的跟踪信息(例如眼睛的焦点或注视方向)来调整其光功率。

在一些示例中，可调节光动力元件330可以在两点之间连续可调节。在一些示例中，可调节光动力元件330可以是离散可变的，使得可调节光动力元件330可以被设置为两点之间的有限数目的光功率。

在一些示例中，可以通过调整可调节光动力元件330的曲率来改变可调节光动力元件330的光功率。调整曲率可以产生像平面改变，但是焦点可以落在同一轴上，即焦点可以全部位于与波导的输出表面垂直的线上。

在一些示例中，可以通过调整可调节光动力元件330的形状来改变可调节光动力元件330的光功率。调整形状可以产生像平面改变，并且焦点可以落在不同的轴上，即焦点不都位于与波导的输出表面垂直的线上。

在一些示例中，可调节光动力元件330的光功率可以在没有光功率(即，基本上平的，焦点在无限远)与任何其他焦点之间变化。

在一些示例中，可调节光动力元件330可以包括微机电系统(MEMS)和/或压电器件。在一些示例中，可调节光动力元件330可以包括诸如反射液晶的电子有源元件。在一些示例中，可调节光动力元件330可以包括衍射、气动和/或液压装置。

在一些示例中，光动力元件330可以包括具有固定光功率的全息透镜。这可以允许针对波长来调谐透镜，因此与传统的银镜相比能够保持高透射率并且能够具有颜色选择性。可以附加地或替选地针对角度来调谐具有固定光功率的固定全息透镜。这可以允许透镜具有角度选择性，即反射来自已知视场的入射角，但透射所有其他光。

与元件通常是弯曲的和/或可能是厚的传统透镜或镜装置相比，具有固定光功率的全息透镜可以基本上是平的和/或薄的，即由两个玻璃或塑料板之间的全息层形成。如果全息透镜随后与眼睛成直线放置，则薄的和/或平的元件减轻了被施加到现实世界的任何失真。在透镜元件与波导成直线放置的一些示例中，使用薄的/平的全息透镜也可以集成作为波导的保护盖。

在一些示例中，光动力元件330可以包括具有诸如可变功率或反射率的可变功能的全息透镜。具有可变功能的全息透镜可以提供与具有固定光功率的全息透镜相同的所有特征。可以通过对全息介质的电操作或物理操作来改变光功率。可以改变反射率以操纵反射强度或完全“关闭”全息图(以及因此反射)的能力。与具有固定光功率的全息透镜类似，具有可变功能的全息透镜可以是基本上平的和/或薄的。

全息透镜也可以堆叠在一起以形成各种功能。例如，可以堆叠用于绿光和红光的全息透镜，其中它们具有不同的光功率或反射率。

在一些示例中，可调节光动力元件330可以包括薄的正弯月形(凸凹)形状的元件。面向用户的凸侧可以涂覆有部分反射涂层(分束器涂层)，其将从波导发射的光朝向用户往回反射，同时使从波导发射的准直光发散，从而形成虚拟图像平面240。背对用户的凸侧的形状可以被设置为：当通过可调节光动力元件330观看时，使外部世界视图的任何像差最小化。

图4示出了根据一些示例的折叠光学系统400。折叠光学系统400可以基本上与关于图2描述的光学系统200以及关于图3描述的可调节光学系统300类似。折叠光学系统400包括波导410、光动力元件430和组合器元件440。

波导410接收光，并且朝向光动力元件430输出准直光。光动力元件430将角度偏移添加到反射光，并且将反射光通过波导410反射到组合器440。

组合器440是至少半透明的，使得用户能够通过组合器440观看到外部景物。组合器将来自波导410的光反射朝向用户的眼睛，使得图像平面240看起来在组合器440后面。

光动力元件430可以是不透明的，因为没有理由要求透视光动力元件430。出于类似的原因，光动力元件440也可以是高反射性的。

折叠光学系统400可以用于平视显示器(HUD)或下视显示器，或任何其他合适的系统。

图5示出了偏移光学系统500。偏移光学系统500可以基本上与以下类似：关于图2描述的光学系统200、关于图3描述的可调节光学系统300、以及关于图4描述的折叠光学系统400。

偏移光学系统500包括偏移波导510和偏移光动力元件530。偏移波导接收偏移输入光550，偏移输入光550在至少一个维度上扩展并且沿偏移波导510向下传播。由于元件520的存在，光从偏移波导510输出。偏移波导510的类型可以导致在偏移波导510的两侧发射光(如图5所示)。朝向偏移光动力元件530发射的用户光560被偏移光动力元件530反射，并且添加角度偏移，使得光发散并且形成虚拟图像平面240。然后，光再次穿过波导，使得用户将图像看成是在虚拟平面540处形成的。非用户光570远离用户的眼睛并且远离偏移光动力元件530发射，使得非用户光570不被用户接收。这减少了用户观察到双图像的机会。

可以结合偏移波导510来设计偏移光动力元件530，以确保从偏移光动力元件530接收的光看起来聚焦在虚拟图像平面240上。

在一些示例中，偏移光动力元件530可以包括薄的正弯月形(凸凹)形状的元件。面向用户的凸侧可以涂覆有部分反射涂层(分束器涂层)，其将从波导发射的光朝向用户往回反射，同时使从波导发射的准直光发散，从而形成虚拟图像平面240。背对用户的凸侧的形状可以被设置为：当通过偏移光动力元件530观看时，使外部世界视图的任何像差最小化。

图6示出了根据一些示例的鸟浴型光学系统600，其中光不返回穿过波导。鸟浴型光学系统600包括鸟浴波导610、半反射镜620和鸟浴光动力元件630。鸟浴波导被配置成接收光并且朝向半反射镜620输出准直光。半反射镜620允许全部光或基本上全部光从鸟浴波导610朝向鸟浴光动力元件630传递。鸟浴光动力元件630将角度偏移施加到光上，使得光发散并且形成虚拟图像平面240。光从鸟浴光动力元件朝向半反射镜620反射。半反射镜620将来自鸟浴光动力元件630的光朝向用户反射。图6的装置允许鸟浴波导610和鸟浴光动力元件630中的至少一个是不透明的或基本上不透明的。

从用户的视角来看，半反射镜可以看起来对可见光是透明的或对可见光基本上是透明的。

附图仅示出了光学系统中的单色光。然而，这是为了方便和易于理解附图，并且取决于光学系统的使用，任何合适数量的颜色都可以是适当的。

在一些示例中，光动力元件可以是平的或基本上平的。

可以将全息部件或透镜定义为一种光学装置，该光学装置通过衍射原理构造由全息部件或透镜的光功率限定的新的会聚波前或发散波前。

Claims

1.一种用于向用户的眼睛呈现图像的光学系统，所述系统包括：

波导，被配置成朝向光动力元件输出准直光，所述光动力元件包括至少一个全息部件以产生光功率；

所述光动力元件被配置成接收来自所述波导的输出准直光，并且将所接收的光朝向所述用户的眼睛引导，并且对所引导的光施加角度偏移，使得所引导的光形成虚拟图像平面。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光动力元件被配置成接收来自所述波导的所述输出准直光，并且将所接收的光通过所述波导朝向所述用户的眼睛引导。

3.根据任何前述权利要求所述的光学系统，其中，所述波导被配置成在至少一个维度上扩展所述准直光。

4.根据权利要求4所述的光学系统，其中，通过改变所述光动力元件的形状和/或曲率来调整所述光功率。

5.根据任何前述权利要求所述的光学系统，其中，所述全息部件是动态可调节的。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述全息部件是连续动态可调节的或离散动态可调节的。

7.根据权利要求5或6所述的光学系统，其中，所述全息部件能够动态调节，以改变所述光功率。

8.根据任何前述权利要求所述的光学系统，其中，通过改变由所述光动力元件接收的光的相位来调整所述光功率。

9.根据任何前述权利要求所述的光学系统，其中，所述光动力元件的形状和/或曲率是连续可变的或离散可变的。

10.根据任何前述权利要求所述的光学系统，还包括在所述波导与所述用户的眼睛之间的光路径中的组合器。

11.根据任何前述权利要求所述的光学系统，其中，所述光动力元件包括高反射率涂层。

12.根据任何前述权利要求所述的光学系统，其中，所述光动力元件相对于所述波导的光轴倾斜。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其中，所述波导被配置成从所述波导的相对侧远离所述用户的眼睛发射所接收的光的一部分，所述准直光从所述波导朝向所述光动力元件发射，并且从倾斜的光动力元件反射的光通过所述波导朝向用户的眼睛发射。

14.根据任何前述权利要求所述的光学系统，其中，所述光动力元件基本上是平的。

15.一种包括根据权利要求1至14中任一项所述的光学系统的透视显示器。

16.根据权利要求14所述的透视显示器，其中，所述透视显示器是以下中的一个：头戴式显示器、平视显示器或下视显示器。