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用于头戴式显示器的光学系统技术方案

技术编号:22174416 阅读:51 留言:0更新日期:2019-09-21 15:04
头戴式显示器可包括外壳中的显示系统和光学系统。该显示系统可具有产生与图像相关联的光的像素阵列。该显示系统还可具有线偏振器和四分之一波片,来自像素阵列的光穿过该线偏振器,光在穿过该四分之一波片之后穿过该四分之一波片。该光学系统可以是具有一个或多个透镜元件的折反射光学系统。透镜元件可包括平凸透镜和平凹透镜。部分反射镜可以形成在平凸透镜的凸表面上。反射偏振器可以形成在平凸透镜的平面表面或平凹透镜的凹表面上。额外的四分之一波片可以位于反射偏振器和部分反射镜之间。

Optical System for Head-mounted Display

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于头戴式显示器的光学系统本申请要求2016年8月2日提交的临时专利申请62/370,170;2016年9月6日提交的临时专利申请No.62/383,911;以及2017年2月16日提交的美国专利申请15/434,623的优先权,这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。
技术介绍
本专利技术整体涉及光学系统,并且更具体地讲,涉及用于头戴式显示器的光学系统。头戴式显示器,诸如虚拟现实眼镜,使用透镜来为用户显示图像。微显示器可为用户的每个眼睛生成图像。可将透镜放置在用户的每只眼睛和微显示器的一部分之间,使得用户可查看虚拟现实内容。如果不加注意,则头戴式显示器可能佩戴起来非常笨重且令人疲劳。用于头戴式显示器的光学系统可能使用体积庞大且重的透镜布置。将头戴式显示器更多地与这种类型的光学系统一起使用可能令人不适。因此,期望能够提供改进的头戴式显示器。
技术实现思路
一种头戴式显示器可包括显示系统和光学系统。显示系统和光学系统可由佩戴在用户头部上的外壳支撑。该头戴式显示器可在外壳佩戴于用户头部的同时使用显示系统和光学系统将图像呈现给用户。显示系统可具有产生与图像相关联的图像光的像素阵列。显示系统还可具有线偏振器和四分之一波片,来自像素阵列的图像光穿过该线偏振器,光在穿过线偏振器之后穿过该四分之一波片。该光学系统可以是具有由透明材料形成的一个或多个透镜元件并具有反射结构的折反射光学系统,透明材料诸如是玻璃或塑料。透镜元件可包括平凸透镜元件和平凹透镜元件。平凸透镜元件可具有凸表面和相对的平面表面。平凹透镜元件可具有凹表面和面对凸透镜元件的平面表面的相对的平面表面。部分反射镜可以形成在平凸透镜元件的凸表面上。反射偏振器可以形成在平凸透镜的平面表面或平凹透镜的凹表面上。额外的四分之一波片可以位于反射偏振器和部分反射镜之间。附图说明图1是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的图示。图2是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的图示,示出了头戴式显示器中例示性光学系统的部件。图3是根据一个实施方案的具有另一例示性光学系统的头戴式显示器的图示。图4和图5是根据一个实施方案的可结合到头戴式显示器光学系统中的类型的例示性透镜元件的横截面侧视图。图6和图7是根据实施方案的额外的例示性头戴式显示器的图示。图8和图9分别是根据一个实施方案的具有圆柱形表面的透镜元件的顶视图和侧视图。图10是根据一个实施方案的在模具的模制操作期间的例示性透镜元件和反射偏振器的图示。具体实施方式头戴式显示器可用于虚拟现实和增强现实系统。例如,一副穿戴在用户头上的虚拟现实眼镜可用于向用户提供虚拟现实内容。图1中示出了一种例示性系统,其中诸如一副虚拟现实眼镜的头戴式显示器用于向用户提供虚拟现实内容。如图1所示,虚拟现实眼镜(头戴式显示器)10可包括显示系统,诸如显示系统40,该显示系统形成图像并且可具有光学系统,诸如光学系统20,用户(例如,用户的眼睛46)可通过该光学系统在方向48中观看来查看由显示系统40产生的图像。显示系统40可基于液晶显示器、有机发光二极管显示器、具有晶体半导体发光二极管管芯阵列的发光显示器和/或基于其他显示技术的显示器。系统40中可包括独立的左右显示器,用于用户的左眼和右眼或单一显示器可跨越两个眼睛。可使用安装在眼镜(头戴式显示器)10中的控制电路42和/或安装于眼镜42外部的控制电路(例如,与便携式电子设备、膝上型计算机或其他计算设备相关联)向显示系统(显示器)40提供虚拟内容(例如,用于静止和/或活动图像的图像数据)。控制电路42可包括存储装置,诸如硬盘存储装置、易失性和非易失性存储器、用于形成固态驱动器的电可编程存储装置,以及其他存储器。控制电路42还可包括一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、图形处理器、基带处理器、专用集成电路和其他处理电路。电路42中的通信电路可用于传输和接收数据(例如,无线地和/或通过有线路径)。控制电路42可使用显示系统40来显示视觉内容,诸如虚拟现实内容(例如,与虚拟世界相关联的计算机生成的内容),用于电影或其他媒体的预先录制的视频或其他图像。控制电路42使用显示系统40为用户提供虚拟现实内容的例示性配置有时可在本文中作为示例来描述。然而,一般来讲,可由控制电路42使用显示系统40和眼镜10的光学系统20来向用户呈现任何合适的内容。输入-输出设备44可耦接到控制电路42。输入-输出设备44可用于收集来自用户的用户输入,可用于对眼镜10周围的环境进行测量,可用于向用户提供输出,和/或可用于向外部电子设备提供输出。输入-输出设备44可包括按钮、操纵杆、小键盘、键盘按键、触摸传感器、跟踪垫、显示器、触摸屏显示器、麦克风、扬声器、用于为用户提供视觉输出的发光二极管、传感器(例如,力传感器、温度传感器、磁性传感器、加速度计、陀螺仪和/或用于测量眼镜10的取向、位置和/或运动的其他传感器、接近传感器、电容性触摸传感器、应变仪、气体传感器、压力传感器、环境光传感器和/或其他传感器)。如果需要,输入-输出设备44可包括一个或多个相机(例如,用于捕获用户环境的图像的相机、用于通过查看眼睛46进行凝视检测操作的相机和/或其他相机)。图2为眼镜10的横截面侧视图,其示出了光学系统20和显示系统40可如何由头戴式支撑结构诸如眼镜10的外壳12来支撑。外壳12可具有用于一副眼镜的框架的形状(例如,眼镜10可类似于眼镜),可具有头盔的形状(例如,眼镜10可形成头盔安装的显示器),可具有一副泳镜的形状,或者可具有允许外壳12被佩戴于用户头部上的任何其他适当外壳形状。有时在本文中可以描述如下的配置作为示例:在用户在方向48上查看系统20和显示系统40时,外壳12在用户眼睛(例如,眼睛46)前方支撑光学系统20和显示系统40。如果需要,外壳12可具有其他合适的配置。外壳12可由塑料、金属、纤维复合材料诸如碳纤维材料、木材和其他天然材料、玻璃、其他材料和/或这些材料中的两种或更多种的组合形成。输入-输出设备44和控制电路42可安装在具有光学系统20和显示系统40的外壳12中,和/或输入-输出设备44的部分和控制电路42可使用电缆、无线连接或其他信号路径耦接到眼镜10。眼镜10的显示系统40和光学部件可被配置为使用轻重量和紧凑的布置来为用户46显示图像。光学系统10可例如基于折反射透镜。显示系统40可包括诸如像素阵列14的图像源。像素阵列14可包括发射图像光的像素P的二维阵列(例如,有机发光二极管像素、由半导体管芯形成的发光二极管像素、具有背光的液晶显示器像素、具有前光的硅上液晶像素等)。偏振器(诸如线偏振器16)可放置在像素阵列14的前面和/或可被层压到像素阵列14以提供偏振图像光。线偏振器16可具有与图2的X轴对准的透光轴(例如)。显示系统40还可包括波片,诸如四分之一波片18,以提供圆偏振图像光。该四分之一波片的快轴18可相对于线偏振器16的透光轴对准于45度处。四分之一波片18可安装在偏振器16前方(在偏振器16和光学系统20之间)。如果需要,四分之一波片18可附着到偏振器16(和显示器14)。光学系统20可包括透镜元件,诸如透镜元件26和32。透镜元件26可以是具有面向显示系统40的凸表面的平凸透镜(透镜元件)。任选的透镜元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种头戴式显示器,所述头戴式显示器被配置为显示能够由用户查看的图像,所述头戴式显示器包括:像素阵列,所述像素阵列被配置为产生所述图像;线偏振器,与所述图像相关联的光穿过所述线偏振器;第一平面四分之一波片,所述第一平面四分之一波片从所述线偏振器接收所述光;平凸透镜元件,所述平凸透镜元件具有凸表面和相对的平面表面;部分反射镜,所述部分反射镜在所述凸表面上;反射偏振器;和第二平面四分之一波片,其中所述第二平面四分之一波片在所述反射偏振器和所述部分反射镜之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.02 US 62/370,170;2017.02.16 US 15/434,6231.一种头戴式显示器,所述头戴式显示器被配置为显示能够由用户查看的图像,所述头戴式显示器包括:像素阵列,所述像素阵列被配置为产生所述图像;线偏振器,与所述图像相关联的光穿过所述线偏振器;第一平面四分之一波片,所述第一平面四分之一波片从所述线偏振器接收所述光;平凸透镜元件,所述平凸透镜元件具有凸表面和相对的平面表面;部分反射镜,所述部分反射镜在所述凸表面上;反射偏振器;和第二平面四分之一波片,其中所述第二平面四分之一波片在所述反射偏振器和所述部分反射镜之间。2.根据权利要求1所述的头戴式显示器,还包括额外的线偏振器,所述光在穿过所述反射偏振器之后穿过所述额外的线偏振器。3.根据权利要求1所述的头戴式显示器,其中所述第二平面四分之一波片形成在所述平凸透镜元件的所述平面表面处。4.根据权利要求1所述的头戴式显示器,还包括具有凹表面和相对的平面表面的平凹透镜元件,其中所述平凹元件的所述平面表面平行于所述平凸透镜元件的所述平面表面。5.根据权利要求4所述的头戴式显示器,其中所述平凸透镜元件的所述平面表面面对所述平凹透镜元件的所述平面表面。6.根据权利要求5所述的头戴式显示器,其中所述反射偏振器形成在所述平凹透镜的所述凹表面处。7.根据权利要求6所述的头戴式显示器,还包括额外的透镜元件,其中所述反射偏振器插置在所述额外的透镜元件和所述平凹透镜元件之间。8.根据权利要求7所述的头戴式显示器,还包括在所述额外的透镜元件的表面处的额外的线偏振器,其中所述额外的透镜元件插置在所述额外的线偏振器和所述反射偏振器之间。9.根据权利要求1所述的头戴式显示器,还包括:控制电路,所述控制电路被配置为向所述像素阵列提供图像数据;和输入-输出设备,所述输入-输出设备耦接到所述控制电路。10.根据权利要求9所述的头戴式显示器,其中所述输入-输出设备包括相机。11.一种头戴式显示器,所述头戴式显示器被配置为显示能够由用户查看的图像,所述头戴式显示器包括:像素阵列,所述像素阵列被配置为产生所述图像;线偏振器,与所述图像相关联的光穿过所述线偏振器;第一四分之一波片,所述第一四分之一波片从所述线偏振器接收所述光;第一透镜元件,所述第一透镜元件具有相对的...

【专利技术属性】
技术研发人员:S·A·卡恩N·朱G·B·米勒B·J·博尔曼T·安德森W·程J·N·波德
申请(专利权)人:苹果公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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