CN219676370U - 用于近眼显示器中的光学视场扩展装置 - Google Patents
用于近眼显示器中的光学视场扩展装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种用于近眼显示器中的光学视场(FOV)扩展装置，该装置包括第一表面，该第一表面接收来自近眼显示器的显示器投影仪的入射照明。可以包括多个入射照明场的入射照明由入射角孔径来表征。扩展装置与向观察者投影输出光的非顺序(NS)光学元件相邻。该装置的折射率大于NS光学元件的折射率。FOV扩展比率大于或等于预定阈值，该FOV扩展比率等于输出光的投影角孔径与入射照明的入射角孔径之间的比率。FOV扩展装置的第一表面在一个实施方式中是透明的，而在另一个实施方式中是反射的。
Description
相关申请的交叉引用
本申请涉及并且要求于2020年7月10日提交的并且题为“FOV EXPANSION BETWEENPOD AND LOE”的共同拥有的美国临时专利申请US 63/050232的优先权。以上临时申请的公开内容通过引用整体并入本文中。
技术领域
本实用新型涉及近眼显示器(Near-Eye Display，NED)眼镜，并且特别地，涉及用于近眼显示器的视场(field of view，FOV)扩展的基于波导的装置。
背景技术
使用近眼显示器的紧凑系统通常将来自显示器投影仪(Projector of Display，POD)的光投影到眼动盒(Eye Motion Box，EMB)。所投影的光穿过扩展显示器的孔径的诸如光导光学元件(Light-guide Optical Element，LOE)之类的非顺序(Non-Sequential，NS)光学元件，并且进入EMB。观察者的用户体验随着投影图像的FOV的角大小而改善。
在紧凑的NED系统中，对FOV大小的一个约束是POD的大小，POD的大小必须足够小以符合对NED系统的形状因数施加的要求。对可以在投影图像中容忍的最大失真和色差施加附加的约束。
实用新型内容
本实用新型提供光学FOV扩展(FOV Expansion，FE)装置，该装置将来自POD的光耦合到NS光学元件中，并且显著地扩展投影图像的角FOV。
根据当前公开的主题的一个方面，提供了一种用于近眼显示器中的光学视场(FOV)扩展装置。该装置包括第一表面，该第一表面接收来自近眼显示器的显示器投影仪(POD)的入射照明，入射照明具有入射角孔径。该装置还包括第二表面，该第二表面与第一表面形成顶角。第二表面与非顺序(NS)光学元件的表面接近并且与该非顺序光学元件的表面基本上平行，该非顺序光学元件投影具有投影角孔径的光。该装置的折射率大于NS光学元件的折射率。此外，该装置的FOV扩展比率大于或等于预定阈值，该FOV扩展比率被限定为投影角孔径与入射角孔径之间的比率。
根据一些方面，该装置的第一表面对入射照明是光学透明的。
根据一些方面，该装置的第一表面光学地反射入射照明。
根据一些方面，投影图像纵横比比POD纵横比大等于FOV扩展比率的因数。
根据一些方面，预定阈值是1.2。
根据一些方面，FOV扩展比率随着入射照明的入射角而增大。
根据一些方面，入射照明的入射角在35度与50度之间。
根据一些方面，该装置的折射率在1.70与1.94之间。
根据一些方面，该装置包括光学火石玻璃材料或光学丙烯酸材料。
根据一些方面，顶角具有在35度与50度之间的值。
根据一些方面，NS光学元件是光导光学元件。
根据一些方面，入射照明包括多个入射照明场。
根据一些方面，该装置引入光学像差和/或光学失真，该光学像差和/或光学失真通过向来自POD的入射照明施加的校正来补偿。
根据一些方面，该校正由空间光调制器以及/或者由校正光学元件来施加。
根据一些方面，入射照明由一个或更多个窄带照明源提供，以限制色差的影响。
根据一些方面，NS光学元件通过衍射光学元件将光耦出。
附图说明
在本文中参照附图仅通过示例的方式来描述本实用新型。相同的附图标记用于表示附图中相似或相同的元件。
图1：根据本实用新型的第一实施方式的用于将光耦合到LOE中的示例性FE装置的示意性截面图。
图2：示出了FE装置与LOE之间的界面处的入射角θ120与折射角θ130之间的高度非线性关系的示例性曲线图。
图3：根据本实用新型的第二实施方式的用于将光耦合到LOE中的示例性FE装置的示意性截面图。
具体实施方式
图1示出了根据本实用新型的第一实施方式100的用于将光耦合到LOE 130中的示例性FE装置120的示意性截面图。来自POD的光从多个入射照明场110a、110b和110c通过表面120c进入装置120。每个场被示出为在两条限制光线之间在一个维度上延伸。光线通过场110a的点划线、场110b的实线和场110c的点线来区分。入射角孔径110与从所有照明场进入装置120的光所对着的角度对应。
FE装置120被示出为例如具有棱柱形状，其三角形截面具有第一顶角120a、第二顶角120b以及等于180°-(120a+120b)的第三顶角。通过示例的方式，顶角120a可以在35度与50度之间。
照明场110b的入射光线与表面120c近似地正交，该表面120c是透明的并且与顶角120b相对。
为了提供具有紧凑形状因数的NED系统，优选地，FE装置120包括具有由n20表示的相对高折射率(refractive index，RI)的透明光学玻璃或丙烯酸材料；例如，n120可以在1.70至1.94的范围内。示例性光学玻璃材料是生态友好的重火石玻璃。根据光学制造领域的技术人员已知的方法，将玻璃切割并抛光并且用光学粘合剂将玻璃接合至LOE 130。
LOE 130在截面中被示出为包括基本上平行于X轴的两个主表面130a和130b，其中，表面130a与FE装置120接近。LOE的内表面130c是完全或部分反射表面。更一般地，如在2007年7月19日公布的授予Y.Amitai的题为“A Light Guide Optical Device”的澳大利亚专利申请第AU 2007203022号中所公开的，LOE 130可以包含至少部分反射的两个或更多个内表面，或甚至几组部分反射表面。例如，LOE 130包括具有由n130表示的折射率的透明光学玻璃或丙烯酸材料，n130通常小于n120。例如，n130可以在1.5至1.6的范围内。
FE装置120和LOE 130被具有低折射率n160的环境材料160包围或被包封在该环境材料160中。例如，n160的值可以在1.0与1.36之间。
在图1中，场110a、场110b和场110c的光线被示出为相继在表面120c上的环境-FE界面处以及在表面130a上的FE-LOE界面处折射。FE-LOE界面处的入射角和折射角分别由θ120和θ130表示。例如，θ120的值可以在35度至50度的范围内。折射角θ130的值满足斯涅尔定律，即：
sin(θ130)＝(n120/n130)sin(θ120) 式(1)
在FE-LOE界面处折射之后，光沿LOE的X轴方向行进，并且在倾斜表面130c处被反射。反射光在LOE的表面130b上的LOE-环境界面处经历折射(通常少量)，并且然后从LOE传递至观察者的眼睛。
投影角孔径150与离开LOE的所有光所对着的角度对应。FE装置的无量纲扩展比率被限定为投影角孔径150除以入射角孔径110。扩展比率的示例性值在1与1.60之间。
下表示出了通过图1中的光学配置的光线追踪模拟生成的示例性数值结果。
表1
为了理解FE装置的实际效用，考虑例如具有3:4的FOV纵横比的POD。如果如情况1中那样将1.25的扩展比率应用于FOV的较大侧，则投影图像将具有3:(4×1.25)＝3:5的纵横比，或将近似地具有10:16细长矩形FOV的投影图像格式。在情况2中，FE装置的效用甚至更大。在该情况下，扩展比率是1.60。因此，可以使用正方形形状的POD——即，具有约1:1的纵横比的POD——来提供10:16的投影图像格式，其中优选地将扩展应用于较小FOV轴。
图2是示出根据式(1)的横轴上的以度为单位的入射角θ120与纵轴上的以度为单位的折射角θ130之间的非线性关系的示例性曲线图。在入射角θ120为小值处，曲线图是近似线性的，其中斜率等于n120/n130＝1.94/1.60＝1.21。圆圈指示与表1中的情况1和情况2对应的点。在这些点处，曲线图是显著非线性的，并且斜率不仅大于1.21而且还随着θ120和θ130的值的增大而急剧增大。
图3示出了根据本实用新型的第二实施方式300的用于将光耦合到LOE 130中的示例性FE装置320的示意性截面图。FE装置320由与FE装置120的棱柱形状相似的棱柱形状来表征。内顶角为320a、320b和180°-(320a+320b)。320a和320b的示例性范围与图1中的对应顶角120a和120b的示例性范围相同。
在该实施方式中，FE装置320具有镜面表面320c。多个入射照明场310a、310b和310c中的来自POD的光首先穿过LOE 130的表面130b，并且然后由镜面表面320c反射回至LOE。如图1中那样，三个入射照明场的光线通过场310a的点划线、场310b的实线和场310c的点线来区分。入射角孔径310与从所有照明场进入LOE 130的光所对着的角度对应。
在如由角度θ320和θ330所指示的FE-LOE界面处折射之后，光沿LOE的X轴方向行进，并且在倾斜表面130c处被反射。反射光在LOE的表面130b上的LOE-环境界面处经历折射(通常少量)，并且然后从LOE传递至观察者的眼睛。
投影角孔径350与离开LOE的所有光所对着的角度对应。FE装置310的无量纲扩展比率被限定为投影角孔径350除以入射角孔径310。扩展比率的示例性值在1与1.60之间。
在图3中，照明场310b的光线以角度θ93进入LOE，其略微偏离表面110b的法线。可以通过改变顶角320a——即，反射表面320c与LOE表面130a之间的角度——来调整角度θ93。
在实施方式300中，例如，可以使用具有折射率n320的重火石玻璃，该折射率n320的值类似于FE装置120的折射率。FE原理与实施方式100中相同。对于非常紧凑的NED系统，使用n320的值较低(例如，更接近于LOE 130的值)的玻璃材料是不可取的。原因在于，为了实现可比较的FOV扩展，减小n320通常需要扩大FE装置，如短划线320c'和较大的顶角320a'所示。扩大FE装置会增加FE装置从LOE的表面130a的突出。
在一些情况下，输出图像可能遭受色差和/或梯形畸变效应。这些效应可以通过对POD光学器件施加的光学校正和/或通过对SLM施加的电子校正来减轻。使用诸如激光器的窄带宽照明源也有助于减少色差。
在以上描述中，已经用放置在LOE表面附近的FE装置对本实用新型进行了说明。更一般地，可以由另一类型的NS光学元件或者由通过衍射光学元件将光耦出的NS光学元件来代替LOE。
虽然已经针对三个入射照明场的情况对本实用新型进行了说明，但是对于光学设计领域的技术人员明显的是，本实用新型更一般地适用于一个或更多个入射照明场。
此外，在图1和图3中使用平面几何形状在一个空间维度中示出的FOV扩展也可以应用于多于一个空间维度中。例如，这可以通过使用多个FE装置来实现。
应当理解，以上描述仅旨在用作示例，并且在如上所述和如所附权利要求中限定的本实用新型的范围内，许多其他实施方式也是可能的。
Claims (16)
1.一种用于近眼显示器中的光学视场扩展装置，其特征在于，所述装置包括：
第一表面，被配置成接收来自所述近眼显示器的显示器投影仪的入射照明，所述入射照明具有入射角孔径；
第二表面，与所述第一表面形成顶角；所述第二表面与非顺序光学元件的表面接近并且与所述非顺序光学元件的表面平行；
所述非顺序光学元件投影具有投影角孔径的光；
其中，
所述光学视场扩展装置的折射率大于所述非顺序光学元件的折射率；并且
所述光学视场扩展装置的光学视场扩展比率大于或等于预定阈值，所述光学视场扩展比率被限定为所述投影角孔径与所述入射角孔径之间的比率。
2.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述第一表面对所述入射照明是光学透明的。
3.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述第一表面光学地反射所述入射照明。
4.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，投影图像纵横比比显示器投影仪纵横比大等于所述光学视场扩展比率的因数。
5.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述预定阈值是1.2。
6.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述光学视场扩展比率随着所述入射照明的入射角而增大。
7.根据权利要求6所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述入射角在35度与50度之间。
8.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述光学视场扩展装置的折射率在1.70与1.94之间。
9.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述光学视场扩展装置包括光学火石玻璃材料或光学丙烯酸材料。
10.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述顶角具有在35度与50度之间的值。
11.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述非顺序光学元件是光导光学元件。
12.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述入射照明包括多个入射照明场。
13.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述光学视场扩展装置引入光学像差和/或光学失真，所述光学像差和/或光学失真通过向来自所述显示器的投影仪的入射照明施加的校正来补偿。
14.根据权利要求13所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述校正由空间光调制器以及/或者由校正光学元件来施加。
15.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述入射照明由一个或更多个窄带照明源提供，以限制色差效应。
16.根据权利要求1所述的光学视场扩展装置，其特征在于，所述非顺序光学元件通过衍射光学元件将光耦出。
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| GR01 | Patent grant | ||
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