DE202019102696U1

DE202019102696U1 - Substratführungsbasiertes optisches System mit Bildfeldwölbungseffekt-Verringerung

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Publication number: DE202019102696U1
Application number: DE202019102696.0U
Authority: DE
Original assignee: Lumus Ltd
Current assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2029-05-15

Abstract

Optisches System, umfassend:
ein lichtübertragendes Substrat, aufweisend eine Vielzahl von Oberflächen, beinhaltend mindestens eine erste und eine zweite Hauptaußenfläche;
eine elektronische Anzeigequelle, von welcher Lichtwellen ausstrahlen;
eine optische Einkoppelanordnung zum Einkoppeln von Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, in das lichtübertragende Substrat, um interne Totalreflexion der eingekoppelten Lichtwellen zwischen den Hauptaußenflächen des lichtübertragenden Substrats herbeizuführen;
mindestens ein optisches Element, das in einem optischen Pfad für Lichtwellen eingesetzt ist, um von der elektronischen Anzeigequelle in das lichtübertragende Substrat zu laufen, wobei das mindestens eine optische Element eine Bildfeldwölbung des optischen Systems definiert, die Lichtstrahlen der durchlaufenden Lichtwellen veranlasst, zu divergieren oder zu konvergieren; und
mindestens eine Linse, die in dem optischen Pfad eingesetzt ist, nachgeschaltet der elektronischen Anzeigequelle und vorgeschaltet der optischen Einkoppelanordnung, wobei die mindestens eine Linse eine teilweise kompensierende Bildfeldwölbung erzeugt und
teilweise die Bildfeldwölbung des optischen Systems kompensiert, um die Bildfeldwölbung des optischen Systems zu reduzieren, und wobei die elektronische Anzeigequelle eine gewölbte Anzeigequelle darstellt, die eine Wölbung aufweist, die mit der reduzierten Bildfeldwölbung des optischen Systems übereinstimmt, sodass sie der Divergenz oder
Konvergenz der durchlaufenden Lichtstrahlen entgegenwirkt, die durch die reduzierte Bildfeldwölbung veranlasst werden.

Description

QUERVERWEIS ZU ZUGEHÖRIGEN ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der vorläufigen US Patentanmeldung Nummer 62/677,001 , eingereicht 27. Mai 2018, in Anspruch, deren Offenbarung hierin in ihrer Gesamtheit durch Referenz eingeschlossen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf substratgeführte optische Geräte, die eine Mehrzahl reflektierender Oberflächen einschließen, die von einem gemeinsamen lichtdurchlässigen Substrat getragen werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein wichtiges Anwendungsgebiet für kompakte optische Elemente sind am Kopf befestigte Anzeigen (HMDs), wobei ein optisches Modul sowohl als optisches Kollimatorsystem als auch als Kombinierer dient, wobei eine zweidimensionale Bildquelle in das Unendliche abgebildet ist und in das Auge eines Beobachters reflektiert wird. Die Anzeigequelle bzw. Displayquelle kann direkt von jedem von einem räumlichen Lichtmodulator (SLM), wie z.B. einer Kathodenstrahlröhre (CRT), einem Flüssigkristall-Display (LCD), einer Anordnung organischer Leuchtdioden (OLED), einer Mikro-LED-Anzeige, einer Scanquelle oder ähnlichen Geräten, oder indirekt mittels einer Relaislinse oder einem optischen Faserbündel erhalten werden. Die Anzeigequelle umfasst eine Anordnung von Elementen (Pixeln), die durch eine Kollimatorlinse in das unendliche abgebildet und in das Auge des Beobachters mittels einer reflektierenden oder teilweise reflektierenden Oberfläche übertragen wird, die als ein Kombinator für nicht-transparente bzw. transparente Anwendungen wirkt. Typischerweise wird für diese Zwecke ein konventionelles, optisches Freiraummodul verwendet. Wenn sich das gewünschte Sichtfeld (FOV) des Systems vergrößert, wird solch ein konventionelles optisches Modul größer, schwerer und platzraubender, und ist daher sogar für ein Gerät mit mäßiger Leistung, wie z.B. einem System, unpraktisch. Das ist ein großer Nachteil für alle Arten von Anzeigen und vor allem bei am Kopf befestigten Anwendungen, wobei das System notwendigerweise so leicht und kompakt wie möglich sein sollte. Zusätzlich könnte die Flachheit der Anzeigequelle, die in Verbindung mit einem Kollimatorsystem verwendet wird, das einige Bildfeldwölbungs-Abbildungsfehler aufweist, zu einer Verschlechterung des vom Beobachter betrachteten Bildes beitragen.
Das Streben nach Kompaktheit hat zu mehreren unterschiedlich komplexen optischen Lösungen geführt, von denen alle auf der einen Seite für die meisten praktischen Anwendungen noch nicht kompakt genug sind und auf der anderen Seite im Sinne der Herstellbarkeit große Nachteile haben. Weiterhin ist die Augen-Bewegungs-Box (EMB) der optischen Sichtwinkel, die sich aus diesen Gestaltungen ergeben, für gewöhnlich sehr klein, typischerweise kleiner als 8mm. Somit ist die Leistung des optischen Systems sehr empfindlich, sogar für kleine Bewegungen des optischen Systems relativ zum Auge des Beobachters, und erlaubt nicht genügend Pupillenbewegung für das angenehme Lesen von Text von solchen Anzeigen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf optische Systeme ausgerichtet, die ein optisches Element mit Substratführung und verschiedene Bildfeldwölbungs-Verringerungs-Komponenten aufweisen, welche in bestimmten Ausführungsformen eine Feldlinsenanordnung beinhalten, die die Effekte der Bildfeldwölbung verringert, welches das Ergebnis der Verwendung einer flachen elektronischen Anzeigequelle in Kombination mit Kollimatoroptik ist. Andere Ausführungsformen beinhalten eine gewölbte elektronische Anzeigequelle, die eine Wölbung aufweist, die ganz (oder zumindest teilweise) mit der Bildfeldwölbung des optischen Systems übereinstimmt, und dadurch den Effekten der Bildfeldwölbung ganz (oder zumindest teilweise) entgegenwirkt, die durch Divergenz oder Konvergenz von Lichtstrahlen verursacht werden, die durch das optische System laufen. In allen Ausführungsformen strahlt die elektronische Anzeigequelle Lichtwellen aus, die mit dem optischen Element mit Substratführung gekoppelt werden, und anschließend aus dem optischen Element mit Substratführung in das Auge eines Beobachters (d.h. Zuschauer) als ein Bild ausgekoppelt werden. Das optische Element mit Substratführung ermöglicht die Ausdehnung des ausgekoppelten Bildes, sodass die Größe der optischen Apertur in der Ebene des Auges eines Beobachters größer ist als die Eingabe in das Element. Solch eine Ausdehnung kann alternativ als Aperturmultiplikation bezeichnet werden.
Gemäß den Lehren einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein optisches System bereitgestellt. Das optische System umfasst: ein lichtübertragendes Substrat, das eine Mehrzahl von Oberflächen aufweist, einschließlich mindestens einer ersten und einer zweiten Hauptaußenfläche; eine elektronische Anzeigequelle von der Lichtwellen ausstrahlen; eine optische Einkoppelanordnung zum Einkoppeln von Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle in das lichtübertragende Substrat ausstrahlen, um eine interne Totalreflexion der eingekoppelten Lichtwellen zwischen den Hauptaußenflächen des lichtübertragenden Substrats herbeizuführen; mindestens ein optisches Element, das in einem optischen Pfad für Lichtwellen eingesetzt ist, um von der elektronischen Anzeigequelle in das lichtübertragende Substrat zu laufen, wobei das mindestens eine optische Element eine Bildfeldwölbung des optischen Systems definiert, die Lichtstrahlen der durchlaufenden Lichtwellen veranlasst, zu divergieren oder zu konvergieren; und mindestens eine Linse, die in dem optischen Pfad der elektronischen Anzeigequelle nachgeschaltet und der optischen Einkoppelanordnung vorgeschaltet eingesetzt ist, die eine teilweise aufhebende Bildfeldwölbung erzeugt und teilweise die Bildfeldwölbung des optischen Systems aufhebt, sodass die Bildfeldwölbung des optischen Systems reduziert wird, und die elektronische Anzeigequelle eine gewölbte Anzeigequelle darstellt, die eine Wölbung aufweist, die mit der reduzierten Bildfeldwölbung des optischen Systems übereinstimmt, sodass sie der Divergenz oder Konvergenz der durchlaufenden Lichtstrahlen entgegenwirkt, die durch die reduzierte Bildfeldwölbung veranlasst werden.
Optional ist die mindestens eine Linse eine Linse mit positiver Brechkraft.
Optional ist die mindestens eine Linse eine Linse mit negativer Brechkraft.
Optional beinhaltet die mindestens eine Linse eine konkave Oberfläche.
Optional umfasst das optische System weiterhin: eine Beleuchtungsprismenbaugruppe, um Licht von einer Beleuchtung zu der elektronischen Anzeigequelle zu leiten, um die elektronische Anzeigequelle anzuregen, Lichtwellen auszustrahlen, und um die Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, in Richtung optischer Einkoppelanordnung zu leiten.
Optional ist mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse optisch an einen Abschnitt der Beleuchtungsprismenbaugruppe angeschlossen.
Optional beinhaltet die Beleuchtungsprismenbaugruppe mindestens ein Prisma und einen polarisationsempfindlichen Strahlenteiler, und mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse ist optisch an mindestens einen Abschnitt einer Oberfläche des mindestens einen Prismas angeschlossen.
Optional umfasst das optische System weiterhin: ein optisches Modul, um die Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, über die Beleuchtungsprismenbaugruppe zu empfangen, und um die empfangenen Lichtwellen zu kollimieren und die kollimierten Lichtwellen zu der optischen Auskoppelanordnung zu leiten.
Optional ist mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse optisch an mindestens einen Abschnitt des optischen Moduls angeschlossen.
Optional beinhaltet das optische Modul ein Paar Prismen und einen polarisationsempfindlichen Strahlenteiler, und mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse ist optisch an mindestens einen Abschnitt einer Oberfläche von mindestens einer der Linsen angeschlossen.
Optional ist die mindestens eine Linse in dem optischen Pfad eingesetzt, der Beleuchtungsprismenbaugruppe nachgeschaltet und dem optischen Modul vorgeschaltet.
Optional beinhaltet das mindestens eine optische Modul das mindestens eine optische Element.
Optional umfasst das optische System weiterhin: ein optisches Modul, um die Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, zu kollimieren und die kollimierten Lichtwellen zu der optischen Einkoppelanordnung zu leiten.
Optional ist mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse optisch an mindestens einen Abschnitt des optischen Moduls angeschlossen.
Optional beinhaltet das optische Modul ein Paar Prismen und einen polarisationsempfindlichen Strahlenteiler, und mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse ist optisch an mindestens einen Abschnitt einer Oberfläche von mindestens einer der Linsen angeschlossen.
Optional beinhaltet das optische Modul weiterhin mindestens eine Kollimatorlinse.
Optional beinhaltet das optische Modul das mindestens eine optische Element, das die Bildfeldwölbung des optischen Systems definiert.
Optional ist die elektronische Anzeigequelle ein Mikrodisplay.
Optional ist die elektronische Anzeigequelle ein organisches Leuchtdiodendisplay.
Gemäß einer Ausführungsform der Lehren der vorliegenden Erfindung ist auch ein optisches System bereitgestellt. Das optische System umfasst: ein lichtübertragendes Substrat, das eine Mehrzahl von Oberflächen aufweist, wobei es mindestens eine erste und eine zweite Hauptaußenfläche beinhaltet; eine elektronische Anzeigequelle von der Lichtwellen ausstrahlen; eine optische Einkoppelanordnung zum Einkoppeln von Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, in das lichtübertragende Substrat, um interne Totalreflexion der eingekoppelten Lichtwellen zwischen den Hauptaußenflächen des lichtübertragende Substrats herbeizuführen; und mindestens ein optisches Element, das in einem optischen Pfad für Lichtwellen eingesetzt ist, um von der elektronischen Anzeigequelle in das lichtübertragende Substrat zu laufen, wobei das mindestens eine optische Element eine Bildfeldwölbung des optischen Systems definiert, die Lichtstrahlen der durchlaufenden Lichtwellen veranlasst, zu divergieren oder zu konvergieren, und wobei die elektronische Anzeigequelle eine gewölbte Anzeigequelle darstellt, die eine Wölbung aufweist, die mit der Bildfeldwölbung des optischen Systems übereinstimmt, sodass sie der Divergenz oder Konvergenz der Lichtstrahlen entgegenwirkt, die durch die Feldwölbung veranlasst werden.
Optional ist die elektronische Anzeigequelle ein Mikrodisplay.
Optional ist die elektronische Anzeigequelle ein organisches Leuchtdiodendisplay.
Die optischen Systeme der vorliegenden Offenbarung beruhen auf einer Kombination verschiedener optischer Komponenten, beinhaltend Kollimatoroptik, verschiedene Prismenanordnungen (z.B. Beleuchtungs- und Abbildungsanordnungen), und das oben erwähnte optische Element mit Substratführung und Feldlinsenanordnung. Die Kombination solcher Komponenten sind keine einfachen Kombinationen, da die spezifischen Gestaltungsparameter der individuellen Komponenten voneinander abhängig sind, und die Gestaltungsspezifikationen einer Komponente oder Unterkomponente gemäß den Gestaltungsspezifikationen und den besonderen Eigenschaften einer oder mehrerer anderer Komponenten oder Unterkomponenten des optischen Systems festgelegt sind. Als Solches entsteht eine Synergie durch die Kombination der Komponenten und Unterkomponenten des optischen Systems der vorliegenden Offenbarung, die dem Bild, das vom Beobachter betrachtet wird, verbesserte Qualität verleiht.
Wenn hierin nicht anders definiert, haben alle technischen und/oder wissenschaftlichen Begriffe, die hierin verwendet werden, dieselbe Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu welchem die Erfindung gehört, verstanden wird. Obwohl Verfahren und Materialien, die ähnlich oder äquivalent zu denen sind, die hierin beschrieben sind, in der Praxis oder beim Testen von Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, sind exemplarische Verfahren und/oder Materialien unten beschrieben. Im Konfliktfall hat die die Patentbeschreibung, einschließlich Definitionen, Vorrang. Zusätzlich sind die Materialien, Verfahren und Beispiele nur erklärend, und nicht unbedingt beabsichtigt einzuschränken.
Figurenliste
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind hierin beschrieben, nur beispielsweise, mit Referenz zu den beigefügten Zeichnungen. Mit speziellem Bezug zu den Zeichnungen im Detail wird betont, dass die gezeigten Einzelheiten beispielhaft sind und zu Zwecken der anschaulichen Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung. In dieser Hinsicht macht die Beschreibung zusammengenommen mit den Zeichnungen für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet deutlich, wie Ausführungsformen der Erfindung ausgeführt werden können.
Die Aufmerksamkeit wird jetzt auf die Zeichnungen gelenkt, in denen ähnliche Bezugszeichen oder Zeichen dazugehörige oder ähnliche Komponenten zeigen. In den Zeichnungen:

1 ist eine Seitenansicht eines exemplarischen optischen Lichtführungselements (LOE), gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein schematisches Diagramm einer Beleuchtungsprismenbaugruppe und eines optischen Kollimatormoduls, das eine daran angeschlossene Feldlinse aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein schematisches Diagramm einer Beleuchtungsprismenbaugruppe, das eine daran angeschlossene Feldlinse aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein schematisches Diagramm eines optischen Kollimatormoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Seitenansicht einer Konfiguration eines LOE mit symmetrischer Struktur; und
6 ist ein schematisches Diagramm des Durchlaufs von Lichtstrahlen von einer gewölbten elektronischen Anzeigequelle durch Kollimatoroptik, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung ist auf die optischen Systeme gerichtet, die ein optisches Element mit Substratführung und Bildfeldwölbungseffekt-Verringerungskomponenten aufweisen, die von der Verwendung der Kollimatoroptik in Kombination mit einer flachen elektronischen Anzeige stammt. In bestimmten Ausführungsformen ist die Bildfeldwölbungsverringerung durch eine Feldlinse herbeigeführt, die die Bildfeldwölbung des optischen Systems kompensiert. In solchen Ausführungsformen strahlt die elektronische Anzeigequelle Lichtwellen aus, die durch eine optische Einkoppelanordnung in das optischen Element mit Substratführung eingekoppelt werden, und wobei die eingekoppelten Lichtwellen anschließend aus dem optischen Element mit Substratführung durch eine oder mehrere teilweise reflektierenden Oberflächen in das Auge eines Beobachters (d.h. Zuschauer) als ein Bild ausgekoppelt werden. Die Feldlinse ist im Allgemeinen in dem optischen Pfad des optischen Systems eingesetzt, der elektronischen Anzeigequelle nachgeschaltet und der optischen Einkoppelanordnung vorgeschaltet. In bestimmten nicht-limitierenden Implementierungen ist die Feldlinse in den optischen Pfad eingesetzt, einer Beleuchtungsprismenbaugruppe nachgeschaltet und einem optischen Kollimatormodul vorgeschaltet.
In anderen Ausführungsformen ist die Bildfeldwölbungsverringerung durch das Implementieren der elektronischen Anzeigequelle als eine gewölbte Anzeigequelle herbeigeführt, die eine Wölbung aufweist, die ganz (oder zumindest teilweise) mit der Bildfeldwölbung des optischen Systems übereinstimmt, und dadurch dem Effekt der Bildfeldwölbung ganz (oder zumindest teilweise) entgegenwirkt, der durch Divergenz oder Konvergenz von Lichtstrahlen verursacht wird, die durch das optische System laufen.
Die Prinzipien und Funktion des optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung können mit Bezug auf die der Beschreibung beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden.
Vor dem Erklären mindestens einer Ausführungsform der Erfindung im Detail, sollte verstanden werden, dass die Erfindung nicht notwendigerweise in ihrer Anwendbarkeit beschränkt ist auf die Konstruktionsdetails und die Anordnung der Komponenten und/oder Verfahren, die in der folgenden Beschreibung dargelegt sind und/oder in den Zeichnungen gezeigt sind und/oder auf die Beispiele. Die Erfindung kann andere Ausführungsformen haben oder auf verschiedene Arten praktiziert oder ausgeführt werden. Zunächst werden in diesem Dokument durchwegs Richtungsangaben wie z.B. höher und niedriger, oben und unten, und dergleichen gemacht. Diese Richtungsangaben sind beispielhaft, nur um die Erfindung und Ausführungsformen davon zu zeigen.
Jetzt Bezug nehmend auf die Zeichnungen, 1 zeigt eine Schnittdarstellung von Komponenten eines optischen Systems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das optische System beinhaltet ein ebenes lichtübertragendes Substrat 10 und dazugehörige Komponenten (nachstehend auch als ein optisches Lichtführungselement oder „LOE“ bezeichnet). Das LOE funktioniert als ein optischer Wellenleiter, der Lichtwellen von einer optischen Eingabeoberfläche zu einer optischen Ausgabeoberfläche leitet. Das ebene Substrat 10 beinhaltet eine untere Hauptoberfläche 16 und eine obere Hauptoberfläche 18, die zueinander parallel sind. Eine optische Einkoppelanordnung 20 wird durch Lichtwellen (dargestellt durch einen optischen Strahl 32) beleuchtet, die von einer elektronischen Anzeigequelle (nicht gezeigt in 1) kollimiert werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen beinhaltet die optische Einkoppelanordnung 20 eine abgeschrägte Kante 22 des Substrats 10 und ein Prisma 24. Die Kante 22 ist in einem schiefen Winkel in Bezug auf die untere und die obere Hauptoberfläche 16, 18 des Substrats 10 ausgerichtet, wobei αedge der Winkel zwischen der Kante 22 und der Normalen zu der unteren und der oberen Hauptoberfläche 16, 18 des Substrats 10 ist. Das Prisma 24 beinhaltet drei Hauptoberflächen 26, 28, 30, wobei sich die Oberfläche 26 neben der Kante 22 des Substrats 10 befindet, und Oberflächen 28 und 30 polierte Oberflächen sind. In bestimmten Ausführungsformen ist der Brechungsindex des Prismas 24 ähnlich zu dem Brechungsindex des Substrats 10, während in anderen Ausführungsformen das Prisma 24 und das Substrat 10 andere Brechungsindices aufweisen. Der optische Strahl 32 tritt durch die Oberfläche 28 in das Prisma 24 ein. Die Oberfläche 28 ist vorzugsweise normal zu der zentralen Lichtwelle des einfallenden Strahls (d.h. dem optischen Strahl 32) ausgerichtet. Der optische Strahl 32 durchläuft dann die Oberfläche 26, um in das Substrat 10 durch die Kante 22 einzutreten, wodurch der optische Strahl 32 innerhalb des ebenen Substrats 10 des LOE durch innere Totalreflexion gefangen ist. Nach einigen Reflektionen der unteren und der oberen Hauptoberfläche 16, 18 des Substrats 10, erreichen die gefangenen Wellen eine optische Auskoppelanordnung 12, die die Lichtwellen aus dem Substrat 10 in eine Pupille 15 eines Auges 14 eines Beobachters auskoppeln, wobei sie ein durch den Beobachter betrachtetes Bild bilden. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist die optische Auskoppelanordnung als eine Reihe von ausgewählten teilweise reflektierenden Oberflächen implementiert.
Hierin wird die Eingabeoberfläche des LOE als die Oberfläche angesehen, durch welche die Eingabelichtwellen in das LOE eintreten, und die Ausgabeoberfläche des LOE wird als die Oberfläche angesehen, durch welche die eingefangenen Wellen aus dem LOE austreten. Im Falle des in 1 gezeigten LOE befindet sich die Eingabeoberfläche auf der abgeschrägten Kante 22 und die Ausgabeoberfläche befindet sich auf der unteren Oberfläche 16. Andere Konfigurationen sind aber vorgesehen, in welchen sich die Eingabe- und Bildwellen auf derselben Seite wie das Substrat 10 befinden könnten. In solch einer Konfiguration kann die optische Einkoppelanordnung 20 durch eine reflektierende Oberfläche realisiert werden, die in einem schiefen Winkel ausgerichtet ist, in Bezug auf die untere und die obere Hauptoberfläche 16, 18 des Substrats 10, sodass sich die Eingabeoberfläche des LOE auf der unteren Hauptoberfläche 16 befindet und die reflektierende Einkoppeloberfläche die einfallenden Lichtwellen reflektiert, sodass das Licht innerhalb des Substrats 10 durch innere Totalreflexion gefangen ist. Noch weitere andere Konfigurationen sind vorgesehen, in welchen sich die Eingabefläche auf der oberen Oberfläche 18 und die Ausgabefläche auf der unteren Oberfläche 16 befindet.
Um dem Beobachter ein fokussiertes Bild mit geringeren Abbildungsfehlern bereit zu stellen, sollten die Lichtwellen, die die optische Einkoppelanordnung 20 beleuchten, ebene Lichtwellen sein, und die optischen Strahlen von unterschiedlichen Feldern der Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, sollten so parallel wie möglich zueinander sein. Die Verwendung von Kollimatoroptik hilft, um zumindest teilweise sicher zu stellen, dass die optischen Strahlen von unterschiedlichen Bereichen, die in das LOE eintreten, im Wesentlichen parallel zueinander sind. Aber die Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, können Effekten der Bildfeldwölbung ausgesetzt sein, welche auftreten können, wenn das abzubildende Objekt ein im Allgemeinen flaches Objekt normal zu der optischen Achse des optischen Systems ist, und durch Kollimatoroptik abgebildet wird, die etwas Bildfeldwölbungs-Abbildungsfehler aufweisen, wie im Falle wenn die elektronische Anzeigequelle als eine flache Anzeigequelle (z.B. eine Flüssigkristall auf Silikon (LCOS) Mikrodisplay) implementiert ist. Die Effekte der Bildfeldwölbung sind vor allem bei den Lichtwellen zu spüren, die außermittigen Bildpunkten der elektronischen Anzeigequelle entsprechen. Bildfeldwölbung veranlasst einige durch das optische System laufende Lichtwellen, die durch die optische Einkoppelanordnung 20 in das LOE eingekoppelt werden, nicht ebene Lichtwellen mit divergenten oder konvergenten Strahlen (d.h. nicht-parallele Strahlen) zu sein. Die Effekte von nicht ebenen Lichtwellen, veranlasst durch Bildfeldwölbung, zeigen sich im Bild, das der Beobachter ansieht, als unfokussierte Bilder, die weg von der Mitte des Sichtfeldes der Eingabeapertur zum LOE liegen, sowie als diskrete Sprünge im Bild.
Um die Effekte der Bildfeldwölbung zu verringern, ist eine Feldlinse in den optischen Pfad zwischen der elektronischen Anzeigequelle und dem LOE eingesetzt. Die folgenden Absätze beschreiben den Einsatz von solch einer Feldlinse, speziell bezüglich zu der Lage der Feldlinse in dem optischen Pfad relativ zu der elektronischen Anzeigequelle und den anderen Komponenten des optischen Systems. Idealerweise sollte die Feldlinse so nah wie möglich an der elektronischen Anzeigequelle positioniert werden (d.h. so nah wie möglich an der Objektebene), um vorteilhaft einen breiteren Bereich von Feldern der Lichtwellen zu beeinflussen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen. Wie sich zeigen wird, kann die optische Gestaltung der Beleuchtungsbaugruppe und Kollimatoroptik des optischen Systems die Nähe der Feldlinse zu der elektronischen Anzeigequelle beschränken.
Unter fortgesetzter Bezugnahme zu 1 wird nun auf 2 Bezug genommen, eine elektronische Anzeigequelle 34, eine Beleuchtungsprismenbaugruppe 36, und ein optisches Kollimatormodul 52 des optischen Systems. Das optische Kollimatormodul 52 ist in den optischen Pfad des optischen Systems eingesetzt, zwischen der elektronischen Anzeigequelle 34 und dem LOE, wobei es den Lichtwellen (und den repräsentativen Lichtstrahlen) erlaubt, das optische System von der elektronischen Anzeigequelle 34 in das LOE zu durchlaufen, wie nachstehend detaillierter besprochen wird. Das optische Kollimatormodul 52 beinhaltet eine oder mehrere optische Komponenten, z.B. Linsen 66, 72, und Prismen 62, 68, welche die Treiber von Bildfeldwölbungseffekten des optischen Systems sind, wenn sie in Kombination mit einer flachen elektronischen Anzeigequelle verwendet werden. Als Solches bilden eine oder mehrere der optischen Komponenten des optischen Kollimatormoduls 52 optische Elemente, die die Bildfeldwölbung des optischen Systems definieren, welches zu einem nicht-parallelen Strahl von Lichtstrahlen an der Eingabe zu dem LOE führt. Die elektronische Anzeigequelle 34 ist vorzugsweise als ein Mikrodisplay implementiert, welches die Form von einer von verschiedenen Anzeigen annehmen kann, die auf dem Gebiet der Mikrodisplaytechnologie bekannt sind. In einer speziellen nicht-limitierenden Implementierung ist die elektronische Anzeigequelle 34 als ein LCOS Mikrodisplay implementiert. Um den Einsatz der Feldlinse relativ zu den optischen Komponenten des optischen Systems besser zu beschreiben, sind die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nachfolgend im nicht-limitierenden Kontext der elektronischen Anzeigequelle 34 beschrieben, die als ein LCOS Mikrodisplay implementiert ist. Es ist aber zu beachten, dass die elektronische Anzeigequelle 34 auf andere Weisen implementiert werden kann, einschließlich z.B. als eine Anordnung organischer Leuchtdioden (OLED) oder anderer passender Mikrodisplays.
Unter fortgesetzter Bezugnahme zu 2 empfängt die Beleuchtungsprismenbaugruppe 36 s-polarisierte Eingabelichtwellen von einer Beleuchtungsquelle (nicht gezeigt), die von einem polarisierenden Strahlenteiler 44 in Richtung der elektronischen Anzeigequelle 34 reflektiert werden, um den Bildbereich der elektronischen Anzeigequelle 34 zu beleuchten. Als Antwort auf die empfangene Beleuchtung der s-polarisierten Lichtwellen im Bildbereich der elektronischen Anzeigequelle 34, wird die elektronische Anzeigequelle 34 angeregt (d.h. aktiviert), entsprechende Bildpunktausgabe in der Form von p-polarisierten Lichtwellen 38 zu erzeugen, die von den aktiven Bildpunkten der elektronischen Anzeigequelle 34 ausstrahlen. Die Lichtstrahlen von den Lichtwellen, die von einem bestimmten aktiven Bildpunkt ausstrahlen, entsprechen einem bestimmten Feld. Die p-polarisierten Lichtwellen 38 werden in die Beleuchtungsprismenbaugruppe 36 durch eine lichtdurchlässige Oberfläche 40 eines Prismas 42 der Beleuchtungsprismenbaugruppe 36 eingekoppelt. Die p-polarisierten Lichtwellen 38 durchlaufen den polarisierenden Strahlenteiler 44, der p-polarisiertes Licht überträgt und s-polarisiertes Licht reflektiert. Der polarisierende Strahlenteiler 44 ist zwischen einer schrägen Kantenoberfläche des Prismas 42 und einer schrägen Kantenoberfläche eines zweiten Prismas 48 der Beleuchtungsprismenbaugruppe 36 positioniert. Die Lichtwellen werden aus der Beleuchtungsprismenbaugruppe 36 durch eine lichtdurchlässige Oberfläche 46 des zweiten Prismas 48 ausgekoppelt, und durchlaufen dann eine Halbwellenverzögerungsplatte 50, die die Lichtwellen in s-polarisiertes Licht umwandelt. Die jetzt s-polarisierten Lichtwellen 38 durchlaufen eine Feldlinse 80, die in dem optischen Pfand zwischen der Beleuchtungsprismenbaugruppe 36 und dem optischen Kollimatormodul 52 positioniert ist, bevor sie in das optische Kollimatormodul 52 eintreten.
Die Feldlinse 80 erzeugt eine kompensierende Bildfeldwölbung, um die Bildfeldwölbung des optischen Systems zu kompensieren. Die optischen Eigenschaften der Feldlinse 80, beinhaltend den Brechungsindex des Materials, aus dem die Feldlinse 80 aufgebaut ist, sowie die optische Brechkraft der Linsenoberfläche, ermöglichen die Erzeugung der kompensierenden Bildfeldwölbung. Die kompensierende Bildfeldwölbung der Feldlinse 80 wirkt der Divergenz oder Konvergenz der Lichtstrahlen entgegen, die durch Bildfeldwölbungseffekte veranlasst werden, und reduziert wirksam die Bildfeldwölbung des optischen Systems, wodurch eine flache Objektebene am Ort der elektronischen Anzeigequelle 34 ermöglicht wird. Die Feldlinse 80 ist optisch aktiver an den Kanten des Sichtfeldes als der Mitte des Sichtfeldes (d.h. aktiver für Felder, die außermittigen Bildpunkten der elektronischen Anzeigequelle 34 entsprechen). Als solche setzt die Feldlinse 80 mehr korrigierende Brechkraft für die Lichtstrahlen ein, die von Bildpunkten an den Kanten der elektronischen Anzeigequelle 34 kommen, als für die Lichtstrahlen, die von Bildpunkten in der Nähe der Mitte der elektronischen Anzeigequelle 34 kommen. Die Feldlinse 80 kann entweder als eine Linse mit positiver Brechkraft oder mit negativer Brechkraft implementiert werden, abhängig von der Richtung der Konvergenz oder Divergenz der Eingabelichtstrahlen von der elektronischen Anzeigequelle 34 zum LOE.
Das Reduzieren der Bildfeldwölbung wird durch die Brechung der Lichtstrahlen in demselben Feld durch die Feldlinse 80 bewirkt, wegen den optischen Eigenschaften der Feldlinse 80 (z.B. dem Brechungsindex der Feldlinse 80 und der Brechkraft der Oberfläche der Feldlinse 80). Die Lichtstrahlen von demselben Feld, die in die Feldlinse 80 eintreten, werden durch die optischen Oberflächen der Feldlinse 80 gebrochen, sodass die Lichtstrahlen von demselben (d.h. gemeinsamen) Feld an der Eingabe zu der optischen Einkoppelanordnung 20 (d.h. bevor sie in das Substrat 10 eingekoppelt werden) parallel zueinander sind. Obwohl die Feldlinse 80 in 2 als eine einzelne Linse dargestellt ist, kann der Effekt der Reduzierung der Bildfeldwölbung der Feldlinse erzielt werden durch Implementieren der Feldlinse 80 als mehr als eine Linse, z.B. als eine Doppellinse. In der nicht-limitierenden Darstellung der Feldlinse 80 in 2 ist die Feldlinse 80 als eine konkave Linse implementiert, die konkave Oberflächen 82 und 84 beinhaltet.
Die Feldlinse 80 kann an verschiedenen Positionen im optischen Pfad zwischen der Beleuchtungsprismenbaugruppe 36 und dem optischen Kollimatormodul 52 eingesetzt sein, und sie kann in verschiedenen Implementierungen optisch an Abschnitte der Beleuchtungsprismenbaugruppe 36 oder des optischen Kollimatormoduls 52 angeschlossen sein. Zum Beispiel sind in der in 2 gezeigten nicht-limitierenden Implementierung Abschnitte der Oberfläche 82 optisch angeschlossen, zum Beispiel mittels optischem Kitt, an eine lichtdurchlässige Oberfläche 54 eines Prismas 62 des optischen Kollimatormoduls 52. Die Oberfläche 54 wirkt als die Eingabeoberfläche des optischen Kollimatormoduls 52. In einer anderen nicht-limitierenden Implementierung können optisch Abschnitte der Oberfläche 84 der Feldlinse 80, zum Beispiel mittels optischem Kitt, an die Verzögerungsplatte 50 oder an die Oberfläche 46 des zweiten Prismas 48 zwischen der Beleuchtungsprismenbaugruppe 36 und der Verzögerungsplatte 50 angeschlossen sein. In noch einer weiteren nicht-limitierenden Implementierung kann die Feldlinse 80 mechanisch im optischen Pfad zwischen der Beleuchtungsprismenbaugruppe 36 und dem optischen Kollimatormodul 52 positioniert sein, sodass keine der Oberflächen 82 und 84 optisch an die Beleuchtungsprismenbaugruppe 36, die Verzögerungsplatte 50 oder das optische Kollimatormodul angeschlossen ist. Die mechanische Positionierung kann mittels eines mechanischen Arms bewirkt sein, der an eine Kantenoberfläche der Feldlinse 80 angeschlossen ist, die auch an einen mechanischen Körper angeschlossen sein kann, der die Hauptkomponenten des optischen Systems trägt.
Es ist zu beachten, dass die Feldlinse 80 auch als eine plankonkave Linse implementiert sein kann, in welcher die Oberfläche 82 keine konkave Oberfläche ist, sondern vielmehr eine optisch flache (d.h. ebene) Oberfläche.
Unter fortgesetzter Bezugnahme zu 2 treten die s-polarisierten Lichtwellen 38, die aus der Feldlinse 80 austreten, in das optische Kollimatormodul 52 durch die Oberfläche 54 ein. Folgend einer Reflektion weg von einem polarisierenden Strahlenteiler 74, positioniert zwischen einer schrägen Kantenoberfläche des Prismas 62 und einer schrägen Kantenoberfläche eines zweiten Prismas 68 des optischen Kollimatormoduls 52, werden die Lichtwellen aus dem optischen Kollimatormodul 52 durch eine obere Oberfläche 56 des optischen Kollimatormoduls 52 ausgekoppelt. Die Lichtwellen durchlaufen dann eine Viertelwellenverzögerungsplatte 64, werden durch eine reflektierende Oberfläche 67 einer Komponente 66, z.B. eine Linse, reflektiert, kehren zurück, um die Verzögerungsplatte 64 wieder zu durchlaufen, und treten wieder in das optische Kollimatormodul 52 durch die Oberfläche 56 ein. Die jetzt p-polarisierten Lichtwellen durchlaufen den polarisierenden Strahlenteiler 74 und werden aus dem optischen Kollimatormodul 52 durch eine untere Oberfläche 58 des optischen Kollimatormoduls 52 ausgekoppelt. Die Lichtwellen durchlaufen dann eine zweite Viertelwellenverzögerungsplatte 70, werden durch eine reflektierende Oberfläche 73 einer zweiten Komponente 72, z.B. eine Linse, reflektiert, kehren zurück, um die Verzögerungsplatte 70 wieder zu durchlaufen, und treten wieder in das optische Kollimatormodul 52 durch die Oberfläche 58 ein. Die jetzt s-polarisierten Lichtwellen werden vom polarisierenden Strahlenteiler 74 reflektiert und treten aus dem optischen Kollimatormodul 52 durch eine Seitenoberfläche 60 heraus. Der kombinierte Effekt von den Komponenten 66 und 72 auf die Lichtwellen führt dazu, dass die Lichtwellen, welche aus dem optischen Kollimatormodul 52 durch die Seitenoberfläche 60 heraustreten, kollimiert sind, wobei die Lichtwellen. Die reflektierenden Oberflächen 67 und 73 können entweder durch eine metallische oder eine dielektrische Beschichtung verwirklicht sein. Die s-polarisierten Lichtwellen, die aus dem optischen Kollimatormodul 52 austreten, sind von der Feldlinse 80 kollimiert und beeinflusst, sodass die Strahlen von jedem einzelnen Feld parallel zueinander sind. Die parallelen Lichtstrahlen, die aus dem optischen Kollimatormodul 52 ausgekoppelt werden, werden in das LOE mittels der optischen Einkoppelanordnung 20 (wie durch den optischen Strahl 32 in 1 dargestellt) gekoppelt.
In der Ausführungsform des optischen Systems, beschrieben in Bezug auf 1 und 2, ist die Feldlinse 80 relativ nah an der elektronischen Anzeigequelle 34 positioniert. Aber die Nähe der elektronischen Anzeigequelle 34 zu der Beleuchtungsprismenbaugruppe 36, wegen dem speziellen optischen Design des optischen Systems, verhindert, dass die Feldlinse 80 näher an der elektronischen Anzeigequelle 34 positioniert wird. In alternativen Ausführungsformen des optischen Systems, können die Beleuchtungsprismenbaugruppe und das optische Kollimatormodul so gestaltet sein, dass sie entlang anderen Achsen ausgerichtet sind. In solchen Ausführungsformen kann die Feldlinse sogar näher an der elektronischen Anzeigequelle positioniert sein, sodass die Feldlinse die näheste optische Komponente an der elektronischen Anzeigequelle ist.
Unter fortgesetzter Bezugnahme zu 1 und 2, jetzt Bezug nehmend zu 3-5, verschiedenen Komponenten eines optischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In dieser Ausführungsform ist die Feldlinse 80 die näheste optische Komponente zu der elektronischen Anzeigequelle 34. Weiterhin, während das optische System, beschrieben unter Bezugnahme zu 1 und 2, Funktionalität für Aperturerweiterung in einer Dimension bereitstellt, stellt das in 3-5 dargestellte optische System weiterhin Funktionalität für Aperturerweiterung in zwei Dimensionen bereit, nämlich in einer ersten Dimension (d.h. laterale Aperturerweiterung) und nachfolgend in einer zweiten Dimension (d.h. vertikale Aperturerweiterung) orthogonal zu der ersten Dimension. Die optischen Komponenten des zweidimensionalen optischen Aperturerweiterungssystems werden detaillierter in nachfolgenden Abschnitten der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
Bezug nehmend auf 3 beinhaltet das optische System die elektronische Anzeigequelle 34 und eine Beleuchtungsprismenbaugruppe 90. Ähnlich zu dem was unter Bezugnahme zu 1 und 2 beschrieben ist, empfängt die Beleuchtungsprismenbaugruppe 90 s-polarisierte Lichtwellen von einer Beleuchtungsquelle (nicht gezeigt), welche von einem polarisierenden Strahlenteiler 100 weg in Richtung der elektronischen Anzeigequelle 34 reflektiert werden, um die elektronischen Anzeigequelle 34 zu beleuchten. Die Lichtwellen, die die elektronische Anzeigequelle 34 beleuchten, sind s-polarisiert, und die beleuchteten Bildpunkte der elektronischen Anzeigequelle 34 sind aktiviert, um entsprechende Bildpunkt-Ausgabe in der Form von p-polarisierten Lichtwellen 38 zu erzeugen, die von den aktiven Bildpunkten der elektronischen Anzeigequelle 34 ausstrahlen. Die p-polarisierten Lichtwellen durchlaufen dann die Feldlinse 80.
Die Feldlinse 80 kann an verschiedenen Positionen in dem optischen Pfad zwischen der elektronischen Anzeigequelle 34 und der Beleuchtungsprismenbaugruppe 90 eingesetzt werden. Insbesondere ist die Feldlinse 80 zwischen einer Eingabe-/Ausgabeoberfläche der Beleuchtungsprismenbaugruppe 90 und der elektronischen Anzeigequelle 34 positioniert. Die Eingabe-/Ausgabeoberfläche ist eine lichtdurchlässige Oberfläche 92 eines Prismas 94 der Beleuchtungsprismenbaugruppe 90, die sowohl als Ausgabeoberfläche für die Lichtwellen der Beleuchtungsquelle dient, um aus der Beleuchtungsprismenbaugruppe 90 zu der elektronischen Anzeigequelle 34 auszukoppeln, als auch als eine Eingabeoberfläche für die Lichtwellen der elektronischen Anzeigequelle 34, um in die Beleuchtungsprismenbaugruppe 90 eingekoppelt zu werden.
Ähnlich zu dem, was in 2 gezeigt ist, kann die in 3 beschriebene Feldlinse 80 als mehr als eine Linse implementiert werden, zum Beispiel als eine Doppellinse. In der nicht-limitierenden Implementierung der Feldlinse 80 in 3 ist die Feldlinse 80 eine konkave Linse, wobei Abschnitte der Oberfläche 82 optisch an die Oberfläche 92 angeschlossen sind, zum Beispiel über optischen Kitt. In einer anderen nicht-limitierenden Implementierung können Abschnitte der Oberfläche 84 der Feldlinse 80 optisch an die Ausgabeoberfläche der elektronischen Anzeigequelle 34 angeschlossen sein, zum Beispiel über optischen Kitt. In noch einer weiteren nicht-limitierenden Implementierung kann die Feldlinse 80 mechanisch in dem optischen Pfad zwischen der elektronischen Anzeigequelle 34 und der Beleuchtungsprismenbaugruppe 90 positioniert sein, sodass keine der Oberflächen 82 und 84 optisch angeschlossen sind an die Beleuchtungsprismenbaugruppe 90 oder die elektronischen Anzeigequelle 34.
Nachfolgend dem Durchlaufen der Feldlinse 80 durchlaufen die p-polarisierten Lichtwellen 38 die Oberfläche 92 und nachfolgend durch den polarisierenden Strahlenteiler 100. Der polarisierende Strahlenteiler 100 ist zwischen einer schrägen Kantenoberfläche des Prismas 94 und einer schrägen Kantenoberfläche eines zweiten Prismas 98 positioniert. Die p-polarisierten Lichtwellen 38 werden dann aus der Beleuchtungsprismenbaugruppe 90 ausgekoppelt durch das durchlaufen einer lichtdurchlässige Oberfläche 96 des zweiten Prismas 98 der Beleuchtungsprismenbaugruppe 90. Die p-polarisierten Lichtwellen 38 werden in ein optisches Kollimatormodul eingekoppelt, welches entlang einer anderen Achse als die der Beleuchtungsprismenbaugruppe 90 orientiert ist. Wegen der anderen axialen Orientierung sind die p-polarisierten Lichtwellen in der Beleuchtungsprismenbaugruppen 90-Orientierung, die in das optische Kollimatormodul eingekoppelt sind, eigentlich s-polarisierte Lichtwellen in der optischen Kollimatormodul-Orientierung.
Unter fortgesetzter Bezugnahme zu 3, jetzt Bezug nehmend zu 4, welche ein optisches Kollimatormodul 104 beschreibt, das eine axiale Orientierung aufweist, die anders ist als die axiale Orientierung der Beleuchtungsprismenbaugruppe 90. Das optische Kollimatormodul 104 beinhaltet eine oder mehrere optische Komponenten, zum Beispiel Linse 112 und Prismen 116, 118, welche die Treiber von Bildfeldwölbungseffekten des optischen Systems sind, wenn sie in Kombination mit einer flachen Anzeigequelle verwendet werden. Als Solches bilden eine oder mehrere der optischen Komponenten des optischen Kollimatormoduls 104 optische Elemente, die die Bildfeldwölbung des optischen Systems definieren, welches zu einem nicht-parallelen Strahl von Lichtstrahlen an der Eingabe des LOEs führt.
Folgend einer Reflektion weg von einem polarisierenden Strahlenteiler 106, positioniert zwischen einer schrägen Kantenoberfläche eines ersten Prismas 116 des optischen Kollimatormoduls 104 und einer schrägen Kantenoberfläche eins zweiten Prismas 118 des optischen Kollimatormoduls 104, werden die Lichtwellen aus dem optischen Kollimatormodul 104 durch eine lichtdurchlässige Seitenoberfläche 108 des optischen Kollimatormoduls 104 ausgekoppelt. Die Lichtwellen durchlaufen dann eine Viertelwellenverzögerungsplatte 110, werden durch eine Komponente 112, z.B. eine Linse, kollimiert, an deren reflektierender Oberfläche, kehren zurück, um die Verzögerungsplatte 110 wieder zu durchlaufen, und treten wieder in das optische Kollimatormodul 104 durch die Oberfläche 108 ein. Die jetzt p-polarisierten Lichtwellen durchlaufen den polarisierenden Strahlenteiler 106 und werden aus dem optischen Kollimatormodul 104 durch eine lichtdurchlässige Seitenoberfläche 114 gegenüber der Oberfläche 108 ausgekoppelt. In bestimmten Ausführungsformen durchlaufen die p-polarisierten Lichtwellen eine Halbwellenverzögerungsplatte 120, die die Lichtwellen zu s-polarisiertem Licht umwandelt. Die jetzt s-polarisierten Lichtwellen 38 treten in ein symmetrisches LOE ein, um Aperturerweiterung zu leisten. In anderen Ausführungsformen ist die Halbwellenverzögerungsplatte nicht vorhanden, und die Lichtwellen, die in das symmetrische LOE eintreten, sind p-polarisiert. In noch weiteren Ausführungsformen ist die Polarisation der Lichtwellen, die in das symmetrische LOE eintreten, durch die axiale Orientierung des symmetrischen LOE relativ zu der axialen Orientierung des optischen Kollimatormoduls 104 bestimmt.
Unter fortgesetzter Bezugnahme zu 3 und 4, jetzt Bezug nehmend zu 5, einer nicht-limitierenden Implementierung eines symmetrischen LOE. In der nicht-limitierenden Implementierung ist das symmetrische LOE aus zwei identischen LOEs hergestellt, die im Allgemeinen ähnlich im Aufbau zu dem LOE sind, das unter Bezugnahme zu 1 beschrieben ist, mit einigen Hauptunterschieden, die offensichtlich werden werden. Das Substrat des symmetrischen LOE ist unterteilt in einen oberen Abschnitt des Substrats 10T, das dem oberen LOE entspricht, und einen unteren Abschnitt des Substrats 10B, der dem unteren LOE entspricht. Jedes der LOEs, aus welchen das symmetrische LOE besteht, beinhaltet untere und obere Hauptoberflächen, und zwar beinhaltet das obere LOE untere und obere Hauptoberflächen 16T, 18T und das untere LOE beinhaltet untere und obere Hauptoberflächen 16B, 18B. Die zwei LOEs beinhalten auch jeweilige optische Einkoppelanordnungen 20T und 20B, welche die Lichtwellen von dem optischen Kollimatormodul 104 in die jeweiligen oberen und unteren Abschnitte 10T, 10B eingekoppelt haben. Entgegengesetzt zur Darstellung des LOE, das in 1 beschrieben ist, sind die Ränder der oberen und unteren Abschnitte 10T, 10B normal zu den oberen und unteren Hauptoberflächen 16T, 18T, 16B, 18B, und die optischen Einkoppelanordnungen 20T, 20B sind als teilweise reflektierende Oberflächen implementiert, die innerhalb der jeweiligen Substratabschnitte 10T, 10B eingebettet sind. Die eingekoppelten Lichtwellen sind innerhalb der jeweiligen Substratabschnitte 10T, 10B durch innere Totalreflexion gefangen, und werden graduell durch jeweilige ausgewählte teilweise reflektierende Oberflächen 12T, 12B ausgekoppelt. Die unterteilten Abschnitte 10T, 10B können eigentlich als separate LOEs hergestellt werden, welche dann über eine gekittete Oberfläche 122 der zwei Substratabschnitte 10T, 10B angeschlossen sind.
Die aus dem symmetrischen LOE ausgekoppelten Lichtwellen werden dann in ein zusätzliches LOE eingekoppelt, ähnlich zu dem unter Bezugnahme zu 1 beschriebenen LOE, um Aperturexpansion zu erfahren in einer zweiten Dimension orthogonal zu der Aperturexpansionsdimension, durchgeführt durch das symmetrische LOE. Es ist zu beachten, dass die Bildfeldwölbungsverringerungsmethoden der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Kombination mit anderen multi-dimensionalen Aperturexpansionstechniken angedacht sind, sowie zum Beispiel denjenigen, die dem Anmelder gemeinsam gehörenden US Patent Nummer 10,133,070 und US Patent Anmeldenummer 15/978,139 , deren Offenbarungen hierin in ihren Gesamtheiten durch Referenz eingeschlossen sind.
Obwohl die optischen Systeme wie bisher beschrieben die Verwendung einer Feldlinse, implementiert als eine oder mehr Linsen, betroffen haben, um die Effekte der Bildfeldwölbung zu verringern, die von der allgemeinen Flachheit einer elektronischen Anzeigequelle (d.h. die elektronische Anzeigequelle 34) stammen, wobei andere Ausführungsformen möglich sind, welche wechselnde Techniken verwenden, um Bildfeldwölbungseffekte zu verringern, die Stärke von solchen Effekten signifikant zu verringern, oder insgesamt das Auftreten des Bildfeldwölbungsphänomens zu verhindern. In einer solchen Ausführungsform ist die elektronische Anzeigequelle 34 implementiert als eine gewölbte Anzeigequelle, so wie zum Beispiel ein gewölbtes OLED Mikrodisplay. Die Wölbung der gewölbten Anzeigequelle ist an die Bildfeldwölbung des optischen Systems angepasst. Die angepasste Wölbung der elektronischen Anzeigequelle 34 ermöglicht der (gewölbten) elektronischen Anzeigequelle 34, der Divergenz oder Konvergenz der durchlaufenden Lichtstrahlen (d.h. den in das LOE eingekoppelten Lichtstrahlen), die durch Bildfeldwölbungseffekte veranlasst werden, entgegenzuwirken. Da die Bildfeldwölbung des optischen Systems bestimmt werden kann, z.B. über Simulation oder Experimentieren, kann die Wölbung einer gewölbten Anzeige, die zum Anpassen (oder teilweise Anpassen) der Bildfeldwölbung des optischen Systems benötigt wird, auch bestimmt werden. Durch die Verwendung einer gewölbten Anzeigequelle ist das abzubildende Objekt (d.h. die Objektebene) nicht länger flach, und daher werden die Effekte der Bildfeldwölbung beim Betrachten der Bildausgabe durch das optische System beseitigt. In anderen Worten, der ausgehende Strahl von der Kollimatoroptik, z.B. den optischen Kollimatormodulen 52 oder 104 (und entsprechend der eingehende Strahl zu dem LOE), besteht aus parallelen Lichtstrahlen.
6 zeigt eine schematische Darstellung von solch einer gewölbten elektronischen Anzeigequelle 34, gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die gewölbte elektronische Anzeigequelle 34 weist eine gewölbte Bildprojektionsoberfläche 39 auf, von welcher Lichtwellen (d.h. die Lichtstrahlen 38) ausstrahlen, resultierend in einer gewölbten (d.h. nicht flachen) Objektebene 41. 6 zeigt weiterhin den Durchlauf von Lichtstrahlen 38 von der gewölbten elektronischen Anzeigequelle 34 durch Kollimatoroptik (z.B. die optischen Kollimatormodule 52 oder 104), welche schematisch in der Figur als eine einzelne Linse dargestellt ist. Wie gesehen werden kann, besteht der ausgehende Strahl der Kollimatoroptik aus parallelen Lichtstrahlen.
In anderen Ausführungsformen ist die elektronische Anzeigequelle 34 als eine gewölbte Anzeigequelle implementiert, die eine Wölbung hat, die teilweise an die Bildfeldwölbung des optischen Systems angepasst ist, sodass die Effekte der Bildfeldwölbung nicht ganz beseitigt werden, wenn man sich auf die gewölbte Anzeigequelle allein verlässt. In anderen Worten ermöglicht die teilweise angepasste Wölbung der elektronischen Anzeigequelle 34 der (gewölbten) elektronischen Anzeigequelle 34, der Divergenz oder Konvergenz der durchlaufenden Lichtstrahlen, veranlasst durch die Bildfeldwölbungseffekte, teilweise entgegenzuwirken. In solchen Ausführungsformen wird eine Feldlinse, ähnlich eingesetzt wie die Feldlinse der bisher beschriebenen Ausführungsformen, in Kombination mit der gewölbten elektronischen Anzeigequelle 34 verwendet, um den Effekt der Bildfeldwölbung zu verringern. Solche Ausführungsformen können verwendet werden, um die Reduzierung der Brechkraftanforderungen der Feldlinse 80 zu begünstigen, da die teilweise angepasste gewölbte Anzeigequelle den Betrag korrigierender Brechkraft reduziert (d.h. verringert), die die Feldlinse 80 anwenden muss, um die konvergierenden oder divergierenden Lichtstrahlen zu brechen. In solchen Ausführungsformen erzeugt die Feldlinse 80, die reduzierte korrigierende Brechkraft aufweist, eine teilweise kompensierende Bildfeldwölbung, die die Bildfeldwölbung des optischen Systems durch teilweises Entgegenwirken der Divergenz oder Konvergenz der Lichtstrahlen teilweise kompensiert. Durch Erzeugen einer teilweise kompensierenden Bildfeldwölbung, produziert die Feldlinse 80 einen reduzierten (aber noch vorliegenden) Bildfeldwölbungseffekt des optischen Systems, der in Bezug auf den Bildfeldwölbungseffekt reduziert ist, der ansonsten vorliegen würde, falls das optische System keine Feldlinse 80 beinhalten würde. Die Wölbung der gewölbten elektronischen Anzeigequelle 34 ist an die reduzierte Bildfeldwölbung des optischen Systems angepasst, um der Divergenz oder Konvergenz der durchlaufenden Lichtstrahlen, veranlasst durch die reduzierte Bildfeldwölbung, entgegenzuwirken, um dadurch den verbleibenden Bildfeldwölbungseffekt zu verringern, der nicht ganz durch die Feldlinse 80 verringert ist.
Die optischen Systeme gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können als Teil eines mono-okularen optischen Systems verwendet werden, in welchem Bilder in ein einzelnes Auge des Beobachters projiziert werden. Alternativ kann es wünschenswert sein, Bilder in beide Augen des Beobachters zu projizieren, so wie in Head-Up Display (HUD) Anwendungen und Stereo-Vision Systemen. In solchen Alternativen können zwei optische Systeme verwendet werden, wobei jedes optische System, das eine Feldlinse und/oder eine gewölbte Anzeigequelle, eine Beleuchtungsprismenbaugruppe, ein optisches Kollimatormodul und ein LOE aufweist und eingesetzt ist zum Projizieren von Bildern in ein anderes Auge des Betrachters. Zum Beispiel kann ein HUD, das zwei optische Systeme benutzt, vor einem Autofahrer installiert werden, zum Beispiel integriert in das Armaturenbrett eines Fahrzeugs, um Unterstützung bei der Fahrnavigation bereitzustellen oder um Wärmebilder in die Augen des Fahrers bei Bedingungen schlechter Sicht zur projizieren. In solchen Ausführungsformen kann eine Wärmekamera eingesetzt werden, um Wärmebilder der Szene in der realen Welt zu erfassen. Die Wärmebilder können dann der elektronischen Anzeigequelle bereitgestellt werden, um Einkoppeln von Lichtwellen entsprechend den Wärmebildern in das LOE zu ermöglichen.
Es ist anzumerken, dass für jeden Fall, wo einem bestimmten polarisierten Wellenpfad in den oben beschriebenen Beispielen gefolgt wurde, die Polarisationen austauschbar sind. In anderen Worten könnte beim Ändern der Orientierung der polarisierenden Strahlenteiler jede Nennung von p-polarisiertem Licht durch s-polarisiertes Licht ersetzt werden, und umgekehrt. Als Solches sind die spezielle Verwendung der bestimmten Strahlenteiler in der Beleuchtungsprismenbaugruppe 36 und dem optischen Kollimatormodul 52, und in der Beleuchtungsprismenbaugruppe 90 und dem optischen Kollimatormodul 104, oben in den Beispielen beschrieben, nicht dazu bestimmt, limitierend zu sein, und für beschreibende Zwecke bereitgestellt, um die Funktion der optischen Systeme gemäß der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung besser zu beschreiben.
Obwohl das optische System der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung innerhalb des Zusammenhangs eines optischen Wellenleiters, implementiert als ein LOE, beschrieben wurde, kann das optische System der vorliegenden Offenbarung auf andere Arten optischer Wellenleitertechnologien angewendet werden, beinhaltend Wellenleiter, die auf Beugungstechniken beruhen, Lichtwellen in ein lichtwellenübertragendes Substrat ein- und/oder auszukoppeln. Zum Beispiel, anstatt die optische Auskoppelanordnung 12 als eine Reihe von ausgewählten teilweise reflektierenden Oberflächen zu implementieren, kann die optische Auskoppelanordnung 12 als ein oder mehrere Beugungselemente implementiert werden, die sich entlang Abschnitten der unteren Hauptoberfläche 16 des Substrats 10 erstrecken. Als ein weiteres Beispiel, anstatt dem Implementieren der optischen Einkoppelanordnung 20 als eine abgeschrägte Kante 22 zusammen mit einem Prisma 24, oder als eine reflektierende Oberfläche, orientiert in einem schiefen Winkel, kann die optische Einkoppelanordnung als ein Beugungselement implementiert werden, das sich entlang eines Abschnitts von entweder der unteren Hauptoberfläche 16 oder der oberen Hauptoberfläche 18 des ebenen Substrats 10 erstreckt.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wurden zu Beschreibungszwecken gezeigt, aber sind nicht dazu bestimmt, erschöpfend zu sein oder limitiert auf die offenbarten Ausführungsformen. Viele Modifikationen und Variationen werden dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet klar sein, ohne vom Umfang und Geist der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde ausgewählt, die Grundsätze der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber den am Markt gefundenen Technologien am besten zu erklären, oder anderen Durchschnittsfachmännern auf dem Gebiet zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.
Wie hierin verwendet, beinhaltet die Singularform „ein/eine“ und „der/die/das“ Pluralreferenzen, sofern der Zusammenhang nicht etwas anderes vorschreibt.
Das Wort „beispielhaft“ wird hierin verwendet im Sinne von „Dienen als Beispiel, Fall oder Beschreibung“. Jede Ausführungsform beschrieben als „beispielhaft“ ist nicht notwendigerweise auszulegen als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen und/oder um das Einbeziehen von Eigenschaften anderer Ausführungsformen auszuschließen.
Es ist verstanden, dass bestimmte Eigenschaften der Erfindung, welche für die Klarheit im Zusammenhang einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, auch in Kombination in einer separaten Ausführungsform bereitgestellt werden können. Umgekehrt können auch verschiedene Eigenschaften der Erfindung, die der Kürze halber im Zusammenhang einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, auch separat oder in irgendeiner passenden Unterkombination oder als passend in irgendeiner anderen beschriebenen Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt werden. Bestimmte im Zusammenhang verschiedener Ausführungsformen beschriebene Eigenschaften sind nicht als wesentliche Merkmale dieser Ausführungsformen anzusehen, sofern die Ausführungsform nicht nicht funktionsfähig ohne diese Elemente ist.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen davon beschrieben wurde, ist es ersichtlich, dass viele Alternativen, Modifikationen und Variationen offensichtlich für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet sind. Dementsprechend ist es beabsichtigt, alle solche Alternativen, Modifikationen und Variationen, die in den Geist und breiten Umfang der angehängten Ansprüche fallen, einzuschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62677001 [0001]
US 10133070 [0056]
US 15/978139 [0056]

Claims

Optisches System, umfassend: ein lichtübertragendes Substrat, aufweisend eine Vielzahl von Oberflächen, beinhaltend mindestens eine erste und eine zweite Hauptaußenfläche; eine elektronische Anzeigequelle, von welcher Lichtwellen ausstrahlen; eine optische Einkoppelanordnung zum Einkoppeln von Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, in das lichtübertragende Substrat, um interne Totalreflexion der eingekoppelten Lichtwellen zwischen den Hauptaußenflächen des lichtübertragenden Substrats herbeizuführen; mindestens ein optisches Element, das in einem optischen Pfad für Lichtwellen eingesetzt ist, um von der elektronischen Anzeigequelle in das lichtübertragende Substrat zu laufen, wobei das mindestens eine optische Element eine Bildfeldwölbung des optischen Systems definiert, die Lichtstrahlen der durchlaufenden Lichtwellen veranlasst, zu divergieren oder zu konvergieren; und mindestens eine Linse, die in dem optischen Pfad eingesetzt ist, nachgeschaltet der elektronischen Anzeigequelle und vorgeschaltet der optischen Einkoppelanordnung, wobei die mindestens eine Linse eine teilweise kompensierende Bildfeldwölbung erzeugt und teilweise die Bildfeldwölbung des optischen Systems kompensiert, um die Bildfeldwölbung des optischen Systems zu reduzieren, und wobei die elektronische Anzeigequelle eine gewölbte Anzeigequelle darstellt, die eine Wölbung aufweist, die mit der reduzierten Bildfeldwölbung des optischen Systems übereinstimmt, sodass sie der Divergenz oder Konvergenz der durchlaufenden Lichtstrahlen entgegenwirkt, die durch die reduzierte Bildfeldwölbung veranlasst werden.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine Linse eine Linse mit positiver Brechkraft ist.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine Linse eine Linse mit negativer Brechkraft ist.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine Linse eine konkave Oberfläche beinhaltet.
Optisches System gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine Beleuchtungsprismenbaugruppe, um Licht von einer Beleuchtung zu der elektronischen Anzeigequelle zu leiten, um die elektronische Anzeigequelle anzuregen, Lichtwellen auszustrahlen, und um die Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, in Richtung der optischen Einkoppelanordnung zu leiten.
Optisches System gemäß Anspruch 5, wobei mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse optisch an mindestens einen Abschnitt der Beleuchtungsprismenbaugruppe angeschlossen ist.
Optisches System gemäß Anspruch 5, wobei die Beleuchtungsprismenbaugruppe mindestens ein Prisma und einen polarisationsempfindlichen Strahlenteiler beinhaltet, und wobei mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse optisch an mindestens einen Abschnitt einer Oberfläche des mindestens einen Prismas angeschlossen ist.
Optisches System gemäß Anspruch 5, weiterhin umfassend: ein optisches Modul, um die Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, über die Beleuchtungsprismenbaugruppe zu empfangen, und um die empfangenen Lichtwellen zu kollimieren und die kollimierten Lichtwellen zu der optischen Auskoppelanordnung zu leiten.
Optisches System gemäß Anspruch 8, wobei mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse optisch an mindestens einen Abschnitt des optischen Moduls angeschlossen ist.
Optisches System gemäß Anspruch 8, wobei das optische Modul ein Paar Prismen und einen polarisationsempfindlichen Strahlenteiler beinhaltet, und wobei mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse optisch an mindestens einen Abschnitt einer Oberfläche von mindestens einer der Linsen angeschlossen ist.
Optisches System gemäß Anspruch 8, wobei die mindestens eine Linse in den optischen Pfad eingesetzt ist, nachgeschaltet der Beleuchtungsprismenbaugruppe und vorgeschaltet dem optischen Modul.
Optisches System gemäß Anspruch 8, wobei das mindestens eine optische Modul das mindestens eine optische Element beinhaltet.
Optisches System gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein optisches Modul, um die Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, zu kollimieren und die kollimierten Lichtwellen zu der optischen Einkoppelanordnung zu leiten.
Optisches System gemäß Anspruch 13, wobei mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse optisch an mindestens einen Abschnitt des optischen Moduls angeschlossen ist.
Optisches System gemäß Anspruch 13, wobei das optische Modul ein Paar Prismen und einen polarisationsempfindlichen Strahlenteiler beinhaltet, und wobei mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Linse optisch an mindestens einen Abschnitt einer Oberfläche von mindestens einer der Linsen angeschlossen ist.
Optisches System gemäß Anspruch 13, wobei das optische Modul weiterhin mindestens eine Kollimatorlinse beinhaltet.
Optisches System gemäß Anspruch 13, wobei das optische Modul das mindestens eine optische Element beinhaltet, das die Bildfeldwölbung des optischen Systems definiert.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei die elektronische Anzeigequelle ein Mikrodisplay ist.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei die elektronische Anzeigequelle ein organisches Leuchtdiodendisplay ist.
Optisches System, umfassend: ein lichtübertragendes Substrat, aufweisend eine Vielzahl von Oberflächen, beinhaltend mindestens eine erste und eine zweite Hauptaußenfläche; eine elektronische Anzeigequelle, von welcher Lichtwellen ausstrahlen; eine optische Einkoppelanordnung zum Einkoppeln von Lichtwellen, die von der elektronischen Anzeigequelle ausstrahlen, in das lichtübertragende Substrat, um interne Totalreflexion der eingekoppelten Lichtwellen zwischen den Hauptaußenflächen des lichtübertragenden Substrats herbeizuführen; und mindestens ein optisches Element, das in einem optischen Pfad für Lichtwellen eingesetzt ist, um von der elektronischen Anzeigequelle in das lichtübertragende Substrat zu laufen, wobei das mindestens eine optische Element eine Bildfeldwölbung des optischen Systems definiert, die Lichtstrahlen der durchlaufenden Lichtwellen veranlasst, zu divergieren oder zu konvergieren, und wobei die elektronische Anzeigequelle eine gewölbte Anzeigequelle darstellt, die eine Wölbung aufweist, die mit der Bildfeldwölbung des optischen Systems übereinstimmt, sodass sie der Divergenz oder Konvergenz der durchlaufenden Lichtstrahlen entgegenwirkt, die durch die Bildfeldwölbung veranlasst werden.
Optisches System gemäß Anspruch 20, wobei die elektronische Anzeigequelle ein Mikrodisplay ist.
Optisches System gemäß Anspruch 20, wobei die elektronische Anzeigequelle ein organisches Leuchtdiodendisplay ist.