CN219891431U - 用于补偿色差的光学元件和显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于补偿色差的光学元件和显示系统。用于补偿色差的光学元件(24)包括两个楔形部件(26，28)，每个楔形部件具有不同的折射率和阿贝数。两个楔形部件具有相同的楔角，并且被接合在一起定向成使得外表面彼此平行。可以将光学元件(24)集成在图像投影仪(14)与波导(12)之间的光路径中，以补偿由近眼显示器的波导的面部曲线角和/或广角倾斜引入的线性色差。

Description

用于补偿色差的光学元件和显示系统

技术领域

本实用新型涉及光学系统，并且具体地涉及用于补偿线性色差的光学元件，以及采用该元件的光学系统。

背景技术

通常，为大的光谱带宽设计的光学系统(例如彩色显示器)会遭受色差。光学材料的折射率取决于入射光线波长。典型的玻璃色散对于较长的波长表现出较低的折射率。因此，当光传播通过光学系统时，具有不同波长的光线将经历变化的光路径，从而产生色差。这种色像差可能由透镜引起。像差行为于是将在其空间分布中呈径向。色差也可能由光学表面的不平行引起。所得到的色像差于是将是沿空间方向的线性变化，本文中称为“线性色差”。

当像差在径向方向上时，可以设计诸如双合透镜或三合透镜的消色差透镜来补偿像差。将消色差透镜材料选择为具有高阿贝数和低阿贝数的燧石或冕玻璃(或塑料)，使得能够消除色差。当色差为线性时，可以通过具有非平行平坦表面的复合棱镜来补偿色差。对棱镜顶角及其材料进行优化以校正系统波长色散。此外，可以使具有其自身的折射率、阿贝数和顶角的两个或甚至三个棱镜共轭以用于更准确的补偿。然而，这样的棱镜是大体积光学元件，其在诸如近眼显示器的其他紧凑光学系统中占据宝贵的空间。由于棱镜使光轴偏转，因此这样的棱镜还对系统设计施加几何约束。

在RGB图像的每种颜色被独立投影的彩色图像显示系统中，由于颜色之间的系统色像差引起的偏移还可以用除了硬件之外的解决方案来校正，例如用于投影系统的显示矩阵中的电子补偿，以及类似地用于成像系统的检测器中的电子补偿。补偿是通过电子地移位由每种颜色或波长生成的图像使得它们在最终的补偿图像中重叠来实现的。该方法的益处是灵活。理论上，可以校正任何类型的消色差(线性、径向或非常规分布)。其具有在光学器件中不需要额外空间的益处。然而，这需要特殊的电子设计和更高的功耗。另外，由于每种颜色的照射的光谱宽度(例如彩色LED的输出)，电子补偿不能解决单个颜色内的点扩展。

特别是在增强现实(AR)和虚拟现实(VR)光学引擎中，形状因子是最重要的。用于消色差目的的大体积光学元件不适用于这样的应用，并且由补偿棱镜引入的几何约束可能使系统架构显著复杂。另一方面，电子补偿具有如上提及的其自身缺点，并且没有解决由每种单独颜色的光谱带宽引起的色散和点扩展。

实用新型内容

本实用新型是一种用于补偿线性色差的光学元件，以及采用这样的元件的光学系统。

根据本实用新型的实施方式的教导，提供了一种用于补偿色差的光学元件，该光学元件包括：(a)第一楔形部件，其由第一透明材料形成，该第一透明材料具有第一折射率和第一阿贝数，第一楔形部件具有相对于第一接合表面以楔角倾斜的第一外表面；以及(b)第二楔形部件，其由第二透明材料形成，该第二透明材料具有与第一折射率不同的第二折射率以及与第一阿贝数不同的第二阿贝数，第二楔形部件具有相对于第二接合表面以楔角倾斜的第二外表面，其中，将第一接合表面接合至第二接合表面，其中第一楔形部件和第二楔形部件被定向成使得第一外表面平行于第二外表面。

根据本实用新型的实施方式的另一特征，楔角小于15度，并且优选地小于10度。

根据本实用新型的实施方式的另一特征，第一楔形部件和第二楔形部件具有限定正方形或矩形形状的边缘，并且其中，第一楔形部件和第二楔形部件的厚度变化的方向与边缘成斜角。

根据本实用新型的实施方式的教导，还提供了一种显示系统，包括：(a)图像投影仪，其生成准直投影图像；(b)光导光学元件(LOE)，其具有：一对相互平行的主外表面；耦入构造，其用于接收准直投影图像以通过主外表面处的内反射在波导内传播；以及耦出构造，其用于将准直投影图像从波导朝向观看者耦出；以及(c)以上提及的光学元件，其插入在图像投影仪与LOE之间的光路径中。

根据本实用新型的实施方式的另一特征，将光学元件的第一外表面接合至图像投影仪的表面。

根据本实用新型的实施方式的另一特征，将光学元件的第二外表面接合至耦入构造的表面。

根据本实用新型的实施方式的另一特征，将LOE安装在被构造用于在观看者的头部上支承LOE的支承结构上，该支承结构以相对于朝向观看者耦出的投影图像的主光线的面部曲线角支承LOE，光学元件被构造成至少部分地补偿由面部曲线角引入的色差。

根据本实用新型的实施方式的另一特征，支承结构以相对于朝向观看者耦出的投影图像的主光线的广角角度支承LOE，光学元件被构造成至少部分地补偿由广角角度引入的色差，作为替选方案或另外地，被配置成至少部分地补偿由面部曲线引入的色差。

附图说明

本文中参照附图仅以示例方式描述了本实用新型，在附图中：

图1A和图1B是使用根据本实用新型的教导构造和操作的光导光学元件(LOE)实现的光学系统的示意性等距视图，其分别示出了自顶向下构造和侧向注入构造；

图2A和图2B分别是图1A和图1B的LOE中之一相对于观看者的眼睛的布置的示意性俯视图和侧视图，其示出了在没有补偿板的情况下由系统生成的线性色差；

图3是来自图1A和图1B的光学系统的示出为具有附接的补偿板的图像投影仪的示意性表示；

图4A和图4B是分别以分解状态和组装状态示出的补偿板的示意性侧视图；

图5A和图5B是分别类似于图2A和图2B的视图，其示出了图4B的补偿板在图像投影仪与LOE之间的集成的效果；

图6A和图6B是分别以圆形和矩形外部形状实现的图4B的补偿板的示意性等距视图；以及

图7A和图7B分别是在轴上校正和离轴校正的情况下线性色差补偿的方向的示意图。

具体实施方式

本实用新型是一种用于补偿线性色差的光学元件，以及采用这样的元件的光学系统。

参照附图和所附描述，可以更好地理解根据本实用新型的光学元件的原理和操作。

在图1A和图1B中示意性地示出了采用光导光学元件(LOE)12的近眼显示器形式的装置(总体上标记为近眼显示器10)的示例性实现方式。这是系统的非限制性示例，在该系统的背景下，本实用新型的补偿元件被有利地使用(如下面详细描述的)。近眼显示器10采用光学地耦合以将图像注入到LOE(可互换地称为“波导”、“基板”或“平板”(slab))12中的紧凑图像投影仪(或“POD”)14，在LOE 12内，图像光通过一组相互平行的平坦外表面处的内反射被捕获在一个维度中。

LOE通常包括用于在一个维度或两个维度中扩展注入图像的光学孔径以及用于将图像照射朝向观察者的眼睛耦出(通常基于内部部分反射表面的使用或基于衍射光学元件的使用)的布置。在图2中还示意性示出的一个非限制性实现方式的集合中，从图像投影仪14注入到LOE 12中的光射向彼此平行并且相对于图像光的传播方向斜向倾斜的一组部分反射表面(可互换地称为“小平面”)，其中，每个相继的小平面使图像光的一部分偏转成偏转方向，其也在基板内通过内反射被捕获/引导。该第一组小平面17在图1A和图1B中没有单独示出，而是位于LOE的第一区域16中，并且在图2B中被示意性地示出。在相继的小平面处的该部分反射实现了第一维度的光学孔径扩展。在本实用新型的第一组优选但非限制性示例中，以上提及的一组小平面17与基板的主外表面正交。在该情况下，注入图像及其在区域16内传播时经历内反射的共轭两者均被偏转并且成为在偏转方向上传播的共轭图像。在替选的一组优选但非限制性示例中，第一组部分反射表面17相对于LOE的主外表面成斜角。在后一情况下，注入图像或其共轭形成在LOE内传播的期望偏转图像，同时可以例如通过在小平面上采用角度选择性涂层来使其他反射最少化，该角度选择性涂层使得小平面对于由不需要其反射的图像呈现的入射角的范围相对透明。

第一组部分反射表面将图像照射从通过全内反射(total internal reflection，TIR)被捕获在基板内的传播的第一方向偏转到也通过TIR被捕获在基板内的传播的第二方向。

然后，经偏转的图像照射进入第二基板区域18，第二基板区域18可以被实现为相邻的不同基板或实现为单个基板的延续，在该第二基板区域18中，耦出布置(另一组部分反射小平面19或衍射光学元件)逐渐地将图像照射的一部分朝向位于被限定为眼动箱(eye-motion box，EMB)的区域内的观察者的眼睛耦出，从而实现第二维度的光学孔径扩展。整个装置可以针对每个眼睛分别来实现，并且优选地，整个装置相对于用户的头部被支承，其中每个LOE 12面对用户的对应的眼睛。在此处示出的一个特别优选的选项中，将支承布置实现为具有用于相对于用户的耳朵来支承装置的侧部20的眼镜框。也可以使用其他形式的支承布置，包括但不限于头带、面罩(visor)或悬挂在头盔上的装置。

本文在附图和权利要求中参照X轴和Y轴，X轴在LOE的第一区域的大体延伸方向上水平(图1A)或竖直(图1B)延伸，Y轴垂直于X轴延伸，即在图1A中竖直延伸以及在图1B中水平延伸。

以非常近似的术语，可以认为第一LOE或LOE 12的第一区域16在X方向上实现孔径扩展，而第二LOE或LOE 12的第二区域18在Y方向上实现孔径扩展。应当注意，可以将如图1A中所示的取向视为“自顶向下”实现方式，在该实现方式中进入LOE的主(第二区域)的图像照射从上边缘进入，而可以将图1B中示出的取向视为“侧向注入”实现方式，在该实现方式中水平地布置此处被称为Y轴的轴。在其余附图中，将在类似于图1A的“自顶向下”取向的背景下示出本实用新型的某些实施方式的各种特征。然而，应当认识到，所有这些特征同样适用于也落入本实用新型的范围内的侧向注入实现方式。在某些情况下，其他中间取向也是适用的，并且除非明确排除，否则也被包括在本实用新型的范围内。尽管本文在实现二维扩展的LOE的背景下进行说明，但是应当注意，本实用新型也适用于其中LOE执行仅单个维度扩展的装置。

与本实用新型的装置一起采用的POD 14优选地被构造成生成准直图像，即，在准直图像中每个图像像素的光是具有与像素位置对应的角方向的准直到无限远的平行光束。因此，图像照射跨越与二维角视场对应的角度范围。

图3中示意性地示出了图像投影仪14的示例。图像投影仪14包括至少一个光源(未示出)，其通常被设置成照射空间光调制器30，例如前光LCOS芯片或背光LCD面板。空间光调制器对图像的每个像素的投影强度进行调制，从而生成图像。另一选项是使用发光显示器，例如OLED微显示器。替选地，图像投影仪可以包括通常使用快速扫描镜实现的扫描布置，该扫描布置跨投影仪的图像平面扫描来自激光光源的照射，同时在逐像素的基础上随着运动同步地改变光束的强度，从而针对每个像素投影期望强度。在所有这些情况下，提供准直光学器件32以生成被准直到无限远的输出投影图像。可以与图像生成器相邻地提供场透镜36。以上部件中的一些或全部通常被布置在一个或更多个偏振分束器(polarizing beam-splitter，PBS)立方体或本领域所公知的其他棱镜布置(包括PBS 34)的表面上。

图像投影仪14到LOE 12的光学耦合可以通过任何合适的光学耦合来实现，例如经由具有成斜角的输入表面的耦合棱镜、或者经由反射耦合布置、经由LOE的主外表面之一和/或侧边缘来实现。耦入构造的细节对于本实用新型并不重要，并且此处在图2A至图2B以及图5A至图5B中示意性地示出为应用于LOE的主外表面之一的楔形棱镜15的非限制性示例。

应当认识到，近眼显示器10包括各种附加部件，其通常包括用于致动图像投影仪14的控制器22(图1A至图1B)，该控制器22通常采用来自小型板载电池(未示出)或一些其他合适的电源的电力。将认识到，控制器22包括用于驱动图像投影仪的所有必要的电子部件，例如至少一个处理器或处理电路，所有这些均如本领域已知的。

出于美观的原因，AR近眼显示器的波导相对于用户的眼睛具有非垂直的取向。期望设计尽可能类似于常规眼镜的AR眼镜。因此，耦出的投影图像光轴不垂直于波导表面。这产生沿投影图像的线性色差。图像的颜色将出现移位。用户将看到以不同颜色复制的移位图像。此外，线性色差将增加不同图像场的PSF(如前所述)，使得即使进行电子校正，图像MTF也仍将受到影响。

在图2A和图2B中示意性地示出了由用户的面部上的近眼显示器的典型布置引起的这两个线性色差源。首先，如图2A的俯视图所示，近眼显示器与人面部的曲率的适配通常需要将LOE 12以相对于投影图像的主观看方向(中心场)的“面部曲线倾斜”布置。这导致投影图像以倾斜(非垂直)角从LOE表面离开，从而在LOE-空气边界处引起色散。

另外，如图2B的侧视图所示，近眼显示器通常以广角倾斜设置，使得LOE的下边缘比上边缘更接近面部。这也导致从LOE表面离开的投影图像的中心场的倾斜(非垂直)出射角，从而在LOE-空气边界处引起色散。这两种效应通常被组合，从而引起在图像的视场上水平和竖直变化的总体线性色差。

为了至少部分地补偿这些线性色差，根据本实用新型的方面，优选地将补偿元件插入在图像投影仪与LOE之间，使得构成图像投影仪的输出图像的准直光束在耦合到波导中之前传播通过补偿板。因此，通过补偿板有意地将特定的色差注入到准直光束中，以抵消从波导离开时生成的耦出色差。然后，耦出的准直光束将以减小的色差到达用户的眼睛。

在图4A和图4B中示出了根据本实用新型的用于补偿色差的光学元件(“补偿板”)24的实现方式的两个示例。光学元件包括由具有第一折射率和第一阿贝数的第一透明材料形成的第一楔形部件26。第一楔形部件26具有相对于第一接合表面40以楔角倾斜的第一外表面38。补偿板还包括由具有与第一折射率不同的第二折射率以及与第一阿贝数不同的第二阿贝数的第二透明材料形成的第二楔形部件28。第二楔形部件28具有相对于第二接合表面42以相同的楔角倾斜的第二外表面44。为了清楚地呈现，两个楔形部件在图4A中分开示出，但是如图4B中以第一接合表面40与第二接合表面42接合而组合示出，其中第一楔形部件26和第二楔形部件28以相反方向的楔角定向，使得第一外表面38平行于第二外表面44。

将直接地明显的是，补偿板24的形状因子是非常有利的，这是因为补偿板24是相对薄的平行面对元件，在不改变总体几何形状并且不显著增加光学系统的体积的情况下，可以将该补偿板容易地插入在光学系统的其他部件之间。作为示例，第一楔形部件和第二楔形部件所采用的楔角优选地小于15度，并且最优选地小于约10度。因此，对于约8毫米的示例性光学孔径，光学元件24的总体厚度优选地不大于约1.5毫米，并且在一些情况下，约1毫米或更小。然而，已经发现，通过适当选择用于第一楔形部件和第二楔形部件的材料的光学特性，可以实现对诸如上述这些的线性色差的高度补偿。

为了在光学元件24的紧凑实现方式中实现对色差的高效补偿，优选的是使第一楔形部件和第二楔形部件所采用的材料之间具有显著的阿贝数差，并且最优选地至少20的阿贝数差(ΔAbbe)。为了限制通过光学元件的主光线的偏转程度，优选的是，两种材料之间的折射率差(ΔRI)相对较小，并且最优选地不大于约0.3。

根据使用补偿板的背景，可能期望在表面中的一些或全部上提供抗反射涂层。在两个楔形部件的材料之间的折射率差较小时，通常不需要抗反射涂层。在要与具有显著不同的折射率的另一光学元件相邻地使用板时，抗反射涂层可以显著地增强系统性能。

补偿板24的外表面之间的平行度的精度通常不是关键的，并且即使外表面具有一度或更大的微小角度偏移，也可以获得实现方式的大部分优点，只要它们在整个装置几何形状的背景下仍然近似于平行表面即可。在某些情况下，可能优选的是，对于几分之一度的公差(例如，在约20弧分内，并且在一些情况下，约10弧分或更低)，外表面是平行的。

如图6A和图6B所示，补偿板24的外部形状可以是任何期望的形状，包括但不限于如图6A所示的圆形或如图6B所示的矩形(包括正方形)。提供限定正方形或矩形形状的直边缘可以有助于在系统组装期间正确对准补偿板。在某些情况下，板的面积可以大于需要补偿的光学孔径，例如如图6B中的虚线椭圆46示意性地示出的。在这种情况下，位于光学孔径46的区域之外的楔形部件26和楔形部件28的表面(例如由虚线48表示的拐角区域)，不需要被实现为楔形几何形状的延续，并且不需要被精加工到光学表面质量。

选择楔形部件的厚度变化的方向以提供对系统设计固有的线性色差的校正(或更准确地说，提供预先相反的失真，然后该失真被反转)。对于诸如仅由面部曲线倾斜或仅由广角倾斜生成的轴上色差，楔形厚度变化的方向可以在构造的轴之一上，如图7A所示。在面部曲线倾斜和广角倾斜两者均需要校正的情况下，或者在系统设计的其他方面规定了图像投影仪相对于波导轴的旋转取向的情况下，第一楔形部件和第二楔形部件的厚度变化的适当选择的方向通常与限定正方形或矩形形状的边缘成斜角，或者在圆形补偿板的情况下相对于图像投影仪的主轴成斜角。

图5A和图5B示出了作为显示系统10的一部分的补偿板24的示例性布置，其中将补偿板24插入在图像投影仪14与LOE 12之间的光路径中。根据一个特别优选的实现方式，如图3还示出的，将补偿板24的第一外表面38接合至图像投影仪14的表面。这实质上将补偿板变成投影仪组件的一部分，使得装置的组装特别方便和简单。

在某些实现方式中，将光学元件(补偿板)的第二外表面44接合至耦入构造15的表面。这导致如图5A和图5B所示的结构。

因此，如图5A和图5B所示的显示系统10可以至少部分地补偿由面部曲线角或由广角倾斜角或两者的组合引入的色差。

为了校正由多于一个波导倾斜(例如除了面部曲线波导倾斜之外的广角波导倾斜)产生的色差，补偿板应当相对于光轴对角线地定向。

尽管本文在具有用于光学孔径扩展和耦出的内部部分反射表面(小平面)的LOE(波导)的背景下进行说明，但是本实用新型同样可以有利地利用基于波导的显示器来实现，该基于波导的显示器采用用于图像的耦出、耦入和/或孔径扩展的衍射光学元件、或者反射和衍射技术的任何组合、或者任何其他图像投影技术。

另外，尽管在近眼显示器的背景下进行说明，但是本实用新型还可以有利地用于多种其他显示系统，例如，用于车辆风挡或窗户的汽车显示器中，其中设置规定了不垂直于主(中心场)图像投影方向的波导取向。

此外，本文中描述的光学元件24不限于在显示装置中的应用，并且可以有利地用于只要线性色差要被校正的多种其他光学系统中。当在显示器或其他光学系统中时，通过将紧凑的平行面对部件引入到光路经中来补偿线性色差的能力提供了设计灵活性，以优化其他设计参数(例如图像投影光学器件相对于眼镜框的几何形状、以及期望的面部曲线和广角倾斜取向)，而无需考虑由设计引入的线性色差，并且然后以对设计几何形状和尺寸的最小影响来校正该像差。

应当认识到，以上描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求中限定的本实用新型的范围内，许多其他实施方式是可能的。

Claims (10)

1.一种用于补偿色差的光学元件，所述光学元件包括：

(a)第一楔形部件，由第一透明材料形成，所述第一透明材料具有第一折射率和第一阿贝数，所述第一楔形部件具有相对于第一接合表面以楔角倾斜的第一外表面；以及

(b)第二楔形部件，由第二透明材料形成，所述第二透明材料具有与所述第一折射率不同的第二折射率以及与所述第一阿贝数不同的第二阿贝数，所述第二楔形部件具有相对于第二接合表面以所述楔角倾斜的第二外表面，

其中，所述第一接合表面接合至所述第二接合表面，其中所述第一楔形部件和所述第二楔形部件被定向成使得所述第一外表面平行于所述第二外表面。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述楔角小于15度。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述楔角小于10度。

4.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述第一楔形部件和所述第二楔形部件具有限定正方形或矩形形状的边缘，并且其中，所述第一楔形部件和所述第二楔形部件的厚度变化的方向与所述边缘成斜角。

5.一种显示系统，包括：

图像投影仪，所述图像投影仪生成准直投影图像；

光导光学元件，所述光导光学元件具有：一对相互平行的主外表面；耦入构造，所述耦入构造用于接收所述准直投影图像以通过所述主外表面处的内反射在波导内传播；以及耦出构造，所述耦出构造用于将所述准直投影图像从所述波导朝向观看者耦出；以及

根据权利要求1至4中的任意一项所述的光学元件，该光学元件插入在所述图像投影仪与所述光导光学元件之间的光路径中。

6.根据权利要求5所述的显示系统，其中，所述光学元件的所述第一外表面接合至所述图像投影仪的表面。

7.根据权利要求6所述的显示系统，其中，所述光学元件的所述第二外表面接合至所述耦入构造的表面。

8.根据权利要求5所述的显示系统，其中，所述光导光学元件安装在被构造用于在所述观看者的头部上支承所述光导光学元件的支承结构上，所述支承结构以相对于朝向所述观看者耦出的投影图像的主光线的面部曲线角支承所述光导光学元件，所述光学元件被构造成至少部分地补偿由所述面部曲线角引入的色差。

9.根据权利要求8所述的显示系统，其中，所述支承结构以相对于朝向所述观看者耦出的所述投影图像的主光线的广角角度支承所述光导光学元件，所述光学元件被构造成至少部分地补偿由所述面部曲线和由所述广角角度引入的色差。

10.根据权利要求5所述的显示系统，其中，将所述光导光学元件安装在被构造用于在所述观看者的头部上支承所述光导光学元件的支承结构上，所述支承结构以相对于朝向所述观看者耦出的所述投影图像的主光线的广角角度支承所述光导光学元件，所述光学元件被构造成至少部分地补偿由所述广角角度引入的色差。