TWM651362U - 用於近眼顯示器中的光學視場（ｆｏｖ）擴展的裝置 - Google Patents

用於近眼顯示器中的光學視場（ｆｏｖ）擴展的裝置 Download PDF

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Abstract

一種用於近眼顯示器的視場(field of view,FOV)擴展裝置，該裝置包括第一表面，該第一表面接收來自近眼顯示器的顯示器投影儀的入射照明。可以包括多個入射照明場的入射照明由入射角孔徑來表徵。擴展裝置與向觀察者投影輸出光的非順序(Non-Sequential,NS)光學元件相鄰。該裝置的折射率大於NS光學元件的折射率。FOV擴展比率大於或等於預定閾值，該FOV擴展比率等於輸出光的投影角孔徑與入射照明的入射角孔徑之間的比率。FOV擴展裝置的第一表面在一個實施方式中是透明的，而在另一個實施方式中是反射的。

Description

用於近眼顯示器中的光學視場(FOV)擴展的裝置
本創作涉及近眼顯示器(Near-Eye Display，NED)眼鏡，並且特別地，涉及用於近眼顯示器的視場(FOV)擴展的基於波導的裝置。
本創作涉及並且要求於2020年7月10日提交的並且題為“FOV EXPANSION BETWEEN POD AND LOE”的共同擁有的美國臨時專利申請US 63/050232的優先權。以上臨時申請的公開內容通過引用整體併入本文中。
使用近眼顯示器的緊湊系統通常將來自顯示器投影儀(Projector Of Display，POD)的光投影到眼動盒(Eye Motion Box，EMB)。所投影的光穿過擴展顯示器的孔徑的諸如光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)之類的非順序(Non-Sequential，NS)光學元件，並且進入EMB。觀察者的使用者體驗隨著投影圖像的FOV的角大小而改善。
在緊湊的NED系統中，對FOV大小的一個約束是POD的大小，POD的大小必須足夠小以符合對NED系統的形狀因數施加的要求。對可以在投影圖像中容忍的最大失真和色差施加附加的約束。
本創作提供光學FOV擴展(FOV Expansion，FE)裝置，該裝置將來自POD的光耦合到NS光學元件中，並且顯著地擴展投影圖像的角FOV。
根據當前公開的主題的一個方面，提供了一種用於近眼顯示器中的光學視場(FOV)擴展裝置。該裝置包括第一表面，該第一表面接收來自近眼顯示器的顯示器投影儀(POD)的入射照明，入射照明具有入射角孔徑。該裝置還包括第二表面，該第二表面與第一表面形成頂角。第二表面與非順序 (NS)光學元件的表面接近並且與該非順序光學元件的表面基本上平行，該非順序光學元件投影具有投影角孔徑的光。該裝置的折射率大於NS光學元件的折射率。此外，該裝置的FOV擴展比率大於或等於預定閾值，該FOV擴展比率被限定為投影角孔徑與入射角孔徑之間的比率。
根據一些方面，該裝置的第一表面對入射照明是光學透明的。
根據一些方面，該裝置的第一表面光學地反射入射照明。
根據一些方面，投影圖像縱橫比比POD縱橫比大等於FOV擴展比率的因數。
根據一些方面，預定閾值是1.2。
根據一些方面，FOV擴展比率隨著入射照明的入射角而增大。
根據一些方面，入射照明的入射角在35度與50度之間。
根據一些方面，該裝置的折射率在1.70與1.94之間。
根據一些方面，該裝置包括光學火石玻璃材料或光學丙烯酸材料。
根據一些方面，頂角具有在35度與50度之間的值。
根據一些方面，NS光學元件是光導光學元件。
根據一些方面，入射照明包括多個入射照明場。
根據一些方面，該裝置引入光學像差和/或光學失真，該光學像差和/或光學失真通過向來自POD的入射照明施加的校正來補償。
根據一些方面，該校正由空間光調製器以及/或者由校正光學元件來施加。
根據一些方面，入射照明由一個或更多個窄帶照明源提供，以限制色差的影響。
根據一些方面，NS光學元件通過衍射光學元件將光耦出。
100:第一實施方式
110:入射角孔徑
110a、110b、110c:場
120:FE裝置
120a:第一頂角
120b:第二頂角
120c:第一表面
130:LOE
130a:LOE主表面
130b:LOE主表面
130c:LOE的傾斜表面
150:投影角孔徑
160:環境材料
300:第二實施方式
310:入射角孔徑
310a、310b、310c:場
320:FE裝置
320a:內頂角
320a’:頂角
320b:內頂角
320c:鏡面表面
320c’:短劃線
350:投影角孔徑
θ120:入射角
θ130:折射角
θ320、θ330、θ93:角度
在本文中參照圖式僅通過示例的方式來描述本創作。相同的圖式標記用於表示圖式中相似或相同的元件。
圖1：根據本創作的第一實施方式的用於將光耦合到LOE中的示例性FE裝置的示意性截面圖。
圖2：示出了FE裝置與LOE之間的介面處的入射角θ120與折射角θ130之間的高度非線性關係的示例性曲線圖。
圖3：根據本創作的第二實施方式的用於將光耦合到LOE中的示例性FE裝置的示意性截面圖。
圖4A-4B以及圖5A-5B示出了分別與圖1和圖3對應的平面與立體視圖。
圖1和圖4A-4B示出了根據本創作的第一實施方式100的用於將光耦合到LOE 130中的示例性FE裝置120的示意性截面圖。來自POD的光從多個入射照明場110a、110b和110c通過第一表面120c進入FE裝置120。每個場被示出為在兩條限制光線之間在一個維度上延伸。光線通過場110a的點劃線、場110b的實線和場110c的點線來區分。入射角孔徑110與從所有照明場進入FE裝置120的光所對著的角度對應。
FE裝置120被示出為例如具有棱柱形狀(圖4B)，其三角形截面具有第一頂角120a、第二頂角120b以及等於180°-(120a+120b)的第三頂角。通過示例的方式，頂角120a可以在35度與50度之間。
照明場110b的入射光線與第一表面120c近似地正交，該第一表面120c是透明的並且與第二頂角120b相對。
為了提供具有緊湊形狀因數的NED系統，優選地，FE裝置120包括具有由n20表示的相對高折射率(refractive index，RI)的透明光學玻璃或丙烯酸材料；例如，n120可以在1.70至1.94的範圍內。示例性光學玻璃材料是生態友好的重火石玻璃。根據光學製造領域的技術人員已知的方法，將玻璃切割並拋光並且用光學黏合劑將玻璃接合至LOE 130。
LOE 130在截面中被示出為包括基本上平行於X軸的LOE主表面130a和LOE主表面130b，其中，LOE主表面130a與FE裝置120接近。LOE的傾斜表面(內表面)130c是完全或部分反射表面。更一般地，如在2007年7月19日公佈的授予Y.Amitai的題為“A Light Guide Optical Device”的澳大 利亞專利申請第AU 2007203022號中所公開的，LOE 130可以包含至少部分反射的兩個或更多個內表面，或甚至幾組部分反射表面。例如，LOE 130包括具有由n130表示的折射率的透明光學玻璃或丙烯酸材料，n130通常小於n120。例如，n130可以在1.5至1.6的範圍內。
FE裝置120和LOE 130被具有低折射率n160的環境材料160包圍或被包封在該環境材料160中。例如，n160的值可以在1.0與1.36之間。
在圖1中，場110a、場110b和場110c的光線被示出為相繼在第一表面120c上的環境-FE介面處以及在LOE主表面130a上的FE-LOE介面處折射。FE-LOE介面處的入射角和折射角分別由θ120和θ130表示。例如，θ120的值可以在35度至50度的範圍內。折射角θ130的值滿足司乃耳定律，即：sin(θ130)=(n120/n130)sin(θ120) 式(1)
在FE-LOE介面處折射之後，光沿LOE的X軸方向行進，並且在傾斜表面130c處被反射。反射光在LOE主表面130b上的LOE-環境介面處經歷折射(通常少量)，並且然後從LOE傳遞至觀察者的眼睛。
投影角孔徑150與離開LOE的所有光所對著的角度對應。FE裝置的無量綱擴展比率被限定為投影角孔徑150除以入射角孔徑110。擴展比率的示例性值在1與1.60之間。
下表示出了通過圖1中的光學配置的光線追蹤模擬生成的示例性數值結果。
Figure 112200177-A0305-02-0007-1
為了理解FE裝置的實際效用，考慮例如具有3：4的FOV縱橫比的POD。如果如情況1中那樣將1.25的擴展比率應用於FOV的較大側，則投影圖像將具有3：(4×1.25)=3：5的縱橫比，或將近似地具有10：16細長矩形FOV的投影圖像格式。在情況2中，FE裝置的效用甚至更大。在該情況下，擴展比率是1.60。因此，可以使用正方形形狀的POD──即，具有約1：1的縱橫比的POD──來提供10：16的投影圖像格式，其中優選地將擴展應用於較小FOV軸。
圖2是示出根據式(1)的橫軸上的以度為單位的入射角θ120與縱軸上的以度為單位的折射角θ130之間的非線性關係的示例性曲線圖。在入射角θ120為小值處，曲線圖是近似線性的，其中斜率等於n120/n130=1.94/1.60=1.21。圓圈指示與表1中的情況1和情況2對應的點。在這些點處，曲線圖是顯著非線性的，並且斜率不僅大於1.21而且還隨著θ120和θ130的值的增大而急劇增大。
圖3和圖5A-5B示出了根據本創作的第二實施方式300的用於將光耦合到LOE 130中的示例性FE裝置320的示意性截面圖。FE裝置320由與FE裝置120的棱柱形狀相似的棱柱形狀來表徵(圖5B)。內頂角為320a、320b和180°-(320a+320b)。320a和320b的示例性範圍與圖1中的對應頂角120a和120b的示例性範圍相同。
在該實施方式中，FE裝置320具有鏡面表面320c。多個入射照明場310a、310b和310c中的來自POD的光首先穿過LOE 130的LOE主表面130b，並且然後由鏡面表面320c反射回至LOE。如圖1中那樣，三個入射照明場的光線通過場310a的點劃線、場310b的實線和場310c的點線來區分。入射角孔徑310與從所有照明場進入LOE 130的光所對著的角度對應。
在如由角度θ320和θ330所指示的FE-LOE介面處折射之後，光沿LOE的X軸方向行進，並且在傾斜表面130c處被反射。反射光在LOE的LOE主表面130b上的LOE-環境介面處經歷折射(通常少量)，並且然後從LOE傳遞至觀察者的眼睛。
投影角孔徑350與離開LOE的所有光所對著的角度對應。FE裝置320的無量綱擴展比率被限定為投影角孔徑350除以入射角孔徑310。擴展比率的示例性值在1與1.60之間。
在圖3中，照明場310b的光線以角度θ93進入LOE，其略微偏離LOE主表面130b的法線。可以通過改變內頂角320a──即，鏡面表面320c與LOE主表面130a之間的角度──來調整角度093。
在第二實施方式300中，例如，可以使用具有折射率n320的重火石玻璃，該折射率n320的值類似於FE裝置120的折射率。FE原理與第一實施方式100中相同。對於非常緊湊的NED系統，使用n320的值較低(例如，更接近於LOE 130的值)的玻璃材料是不可取的。原因在於，為了實現可比較的FOV擴展，減小n320通常需要擴大FE裝置，如短劃線320c'和較大的頂角320a'所示。擴大FE裝置會增加FE裝置從LOE的LOE主表面130a的突出。
在一些情況下，輸出圖像可能遭受色差和/或梯形畸變效應。這些效應可以通過對POD光學器件施加的光學校正和/或通過對SLM施加的電子校正來減輕。使用諸如雷射器的窄頻寬照明源也有助於減少色差。
在以上描述中，已經用放置在LOE表面附近的FE裝置對本創作進行了說明。更一般地，可以由另一類型的NS光學元件或者由通過衍射光學元件將光耦出的NS光學元件來代替LOE。
雖然已經針對三個入射照明場的情況對本創作進行了說明，但 是對於光學設計領域的技術人員明顯的是，本創作更一般地適用於一個或更多個入射照明場。
此外，在圖1和圖3中使用平面幾何形狀在一個空間維度中示出的FOV擴展也可以應用於多於一個空間維度中。例如，這可以通過使用多個FE裝置來實現。
應當理解，以上描述僅旨在用作示例，並且在如上所述和如所附申請專利範圍中限定的本創作的範圍內，許多其他實施方式也是可能的。
100:第一實施方式
110:入射角孔徑
110a、110b、110c:場
120:FE裝置
120a:第一頂角
120b:第二頂角
120c:第一表面
130:LOE
130a:LOE主表面
130b:LOE主表面
130c:LOE的傾斜表面
150:投影角孔徑
160:環境材料
θ120:入射角
θ130:折射角

Claims (16)

  1. 一種用於近眼顯示器中的光學視場(FOV)擴展的裝置，所述裝置包括：第一表面，被配置成接收來自所述近眼顯示器的顯示器投影儀(POD)的入射照明，所述入射照明具有入射角孔徑；第二表面，與所述第一表面形成頂角；所述第二表面與非順序(NS)光學元件的表面接近並且與所述非順序光學元件的表面基本上平行；所述NS光學元件投影具有投影角孔徑的光；其中，所述裝置是棱柱形狀；所述裝置的折射率大於所述NS光學元件的折射率；並且所述裝置的FOV擴展比率大於或等於預定閾值，所述FOV擴展比率被限定為所述投影角孔徑與所述入射角孔徑之間的比率。
  2. 如請求項1所述的裝置，其中，所述第一表面對所述入射照明是光學透明的。
  3. 如請求項1所述的裝置，其中，所述第一表面光學地反射所述入射照明。
  4. 如請求項1所述的裝置，其中，投影圖像縱橫比比POD縱橫比大等於所述FOV擴展比率的因數。
  5. 如請求項1所述的裝置，其中，所述預定閾值是1.2。
  6. 如請求項1所述的裝置，其中，所述FOV擴展比率隨著所述入射照明的入射角而增大。
  7. 如請求項6所述的裝置，其中，所述入射角在35度與50度之間。
  8. 如請求項1所述的裝置，其中，所述裝置的折射率在1.70與1.94之間。
  9. 如請求項1所述的裝置，其中，所述裝置包括光學火石玻璃材料或光學丙烯酸材料。
  10. 如請求項1所述的裝置，其中，所述頂角具有在35度與50度之間的值。
  11. 如請求項1所述的裝置，其中，所述NS光學元件是光導光學元件。
  12. 如請求項1所述的裝置，其中，所述入射照明包括多個入射照明場。
  13. 如請求項1所述的裝置，其中，所述裝置引入光學像差和/或光學失真，所述光學像差和/或光學失真通過向來自所述POD的入射照明施加的校正來補償。
  14. 如請求項13所述的裝置，其中，所述校正由空間光調製器以及/或者由校正光學元件來施加。
  15. 如請求項1所述的裝置，其中，所述入射照明由一個或更多個窄帶照明源提供，以限制色差效應。
  16. 如請求項1所述的裝置，其中，所述NS光學元件通過衍射光學元件將光耦出。
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