具有交错式光重定向器的光学系统技术方案

本公开涉及具有交错式光重定向器的光学系统。一种电子设备，该电子设备可以包括产生图像的显示器。显示器可以为光学系统生成光，该光学系统将光朝眼箱重定向。光学系统可以包括波导，该波导使光沿第一方向朝所述输出耦合器传播。输出耦合器可以将光朝眼箱耦合出波导，同时关于第一方向将光的奇偶性反转。耦合器可以包括第一元件，诸如一组部分镜或衍射光栅，该耦合器将光的第一部分沿第二方向重定向。耦合器可以包括第二元件，该第二元件将光的第二部分沿与第二方向相反的第三方向重定向。第一元件可以重定向第二部分，并且第二元件可以将第一部分朝眼箱重定向。

Optical system with interleaved optical redirector

【技术实现步骤摘要】
具有交错式光重定向器的光学系统本专利申请要求2019年8月13日提交的美国非临时专利申请16/539,818以及2018年9月24日提交的美国临时专利申请62/735,560的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。
本专利技术整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于显示器的光学系统。
技术介绍
电子设备可包括靠近用户的眼睛呈现图像的显示器。例如，诸如虚拟现实和增强现实头戴式耳机之类的设备可包括具有允许用户观看显示器的光学元件的显示器。设计设备诸如这些设备可能是有挑战性的。如果稍有不慎，用于显示内容的部件可能是难看且笨重的，并且可能未表现出期望的光学性能水平。
技术实现思路
电子设备诸如头戴式设备可具有为用户产生图像的一个或多个近眼显示器。头戴式设备可以是一副虚拟现实眼镜，或者可以是增强现实头戴式耳机，其允许观察者观看计算机生成的图像和观察者周围环境中的真实世界对象两者。近眼显示器可包括产生光的显示单元和将来自显示单元的光朝眼箱(eyebox)重定向的光学系统。该光学系统可包括形成在波导上的输入耦合器和输出耦合器。输入耦合器可将来自显示单元的光重定向，使得该光在波导中沿着朝输出耦合器的第一方向传播。输出耦合器可以将光耦合出波导并沿朝眼箱的第二方向耦合，同时关于第一方向将光的奇偶性(parity)反转。输出耦合器可以包括第一光重定向元件，该第一光重定向元件将光的第一部分沿第三方向重定向，并且可以包括第二光重定向元件，该第二光重定向元件将光的第二部分沿与第三方向相反的第四方向重定向。第一光重定向元件可以将由第二光重定向元件重定向的光的第二部分沿朝眼箱的第二方向重定向。第二光重定向元件可以将由第一光重定向元件重定向的光的第一部分沿朝眼箱的第二方向重定向。第一光重定向元件和第二光重定向元件可以共同定位(co-locate)在输出耦合器中(例如，交错或重叠)。第一光重定向元件和第二光重定向元件可包括相应衍射光栅组，诸如体积全息图。在另一合适的布置中，光重定向元件可包括部分反射镜。输出耦合器可以在宽视场上利用均匀强度光来填充大眼箱，同时减少或最小化通过输出耦合器的光的光路。附图说明图1是根据一些实施方案的具有显示器的例示性系统的图示。图2A是根据一些实施方案的具有光学系统的例示性显示系统的顶视图，该光学系统包括至少部分地嵌入在波导基板中的输入耦合器和输出耦合器。图2B是根据一些实施方案的具有光学系统的例示性显示系统的顶视图，该光学系统包括形成在波导基板上的输入耦合器和输出耦合器。图3是根据一些实施方案的具有交错式(共同定位)光重定向元件的例示性输出耦合器的前视图，其中光重定向元件反转传入图像的垂直轴线奇偶性。图4是根据一些实施方案的具有交错式光重定向元件的例示性输出耦合器的透视图。图5是示出根据一些实施方案的输出耦合器中的例示性交错的第一光重定向元件和第二光重定向元件如何沿不同方向重定向光的光线图。图6是示出根据一些实施方案的例示性交错的第一光重定向元件和第二光重定向元件可以如何由不同的衍射光栅组形成的顶视图。图7A和7B是示出根据一些实施方案的如何使用反射型或透射型衍射光栅形成例示性光重定向元件的底视图。图8是根据一些实施方案的由部分反射镜形成的例示性光重定向元件的透视图。具体实施方式图1中示出了一个例示性系统，其具有带有一个或多个近眼显示系统的设备。系统10可以是头戴式设备，其具有一个或多个显示器，诸如安装在支撑结构(壳体)8内的近眼显示器20。支撑结构8可具有一副眼镜(例如，支撑框架)的形状，可形成具有头盔形状的外壳，或者可具有用于帮助将近眼显示器20的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他构型。近眼显示器20可包括一个或多个显示模块诸如显示模块20A，以及一个或多个光学系统诸如光学系统20B。显示模块20A可安装在支撑结构诸如支撑结构8中。每个显示模块20A可以发射光38(图像光)，使用光学系统20B中的相关联的一个将该光朝眼箱24处的用户眼睛重定向。可使用控制电路16来控制系统10的操作。控制电路16可包括用于控制系统10的操作的存储和处理电路。电路16可以包括存储设备，诸如硬盘驱动器存储设备、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路16中的处理电路可以基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码可存储在电路16中的存储器上，并且在电路16中的处理电路上运行，以实现用于系统10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像渲染操作等)。系统10可包括输入输出电路诸如输入-输出设备12。输入-输出设备12可用于允许由系统10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头戴式设备10提供用户输入。输入-输出设备12还可用于收集有关在其中操作的系统10(例如，头戴式设备10)的环境的信息。设备12中的输出部件可允许系统10向用户提供输出，并且可用于与外部电子装置通信。输入-输出设备12可包括传感器和其他部件18(例如，用于采集与系统10中的显示器上的虚拟对象数字地合并的真实世界对象的图像的图像传感器、加速度计、深度传感器、光传感器、触觉输出设备、扬声器、电池、用于在系统10和外部电子装置之间通信的无线通信电路等)。显示模块20A可以是液晶显示器、有机发光二极管显示器、基于激光的显示器，或其他类型的显示器。光学系统20B可以形成允许观察者(参见例如眼箱24处的观察者的眼睛)观察显示器20上的图像的镜头。可以存在与用户的相应左眼和右眼相关联的两个光学系统20B(例如，用于形成左镜头和右镜头)。单个显示器20可为双眼产生图像，或者一对显示器20可用于显示图像。在具有多个显示器(例如，左眼显示器和右眼显示器)的配置中，可以选择由部件20B形成的镜头的焦距和位置，使得显示器之间存在的任何间隙对于用户将是不可见的(例如，使得左显示器和右显示器的图像无缝地重叠或合并)。如果需要，光学系统20B可包含部件(例如，光学组合器等)以允许来自真实世界图像或对象28的真实世界图像光与虚拟(计算机生成的)图像诸如图像光38中的虚拟图像被在光学上组合。在这种类型的系统(有时称为增强现实系统)中，系统10的用户可查看真实世界内容和覆盖在真实世界内容之上的计算机生成的内容两者。基于相机的增强现实系统也可用于设备10中(例如，相机捕获对象28的真实世界图像并且将该内容与光学系统20B处的虚拟内容进行数字合并的布置)。如果需要，系统10可以包括无线电路和/或其他电路，以支持与计算机或其他外部装置(例如，向显示器20提供图像内容的计算机)通信。在操作期间，控制电路16可以将图像内容提供给显示器20本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种显示系统，包括：/n显示模块；和/n光学系统，所述光学系统接收来自所述显示模块的光并将所述光沿第一方向重定向，其中所述光学系统包括输入耦合器、输出耦合器和使所述光沿第二方向传播的波导，所述输出耦合器包括：/n第一光重定向元件，所述第一光重定向元件被配置为将所述光沿第三方向和所述第一方向重定向，和/n第二光重定向元件，所述第二光重定向元件与所述第一光重定向元件重叠，并且被配置为将所述光沿所述第一方向和与所述第三方向相反的第四方向重定向。/n

【技术特征摘要】
20180924 US 62/735,560;20190813 US 16/539,8181.一种显示系统，包括：
显示模块；和
光学系统，所述光学系统接收来自所述显示模块的光并将所述光沿第一方向重定向，其中所述光学系统包括输入耦合器、输出耦合器和使所述光沿第二方向传播的波导，所述输出耦合器包括：
第一光重定向元件，所述第一光重定向元件被配置为将所述光沿第三方向和所述第一方向重定向，和
第二光重定向元件，所述第二光重定向元件与所述第一光重定向元件重叠，并且被配置为将所述光沿所述第一方向和与所述第三方向相反的第四方向重定向。


2.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第一光重定向元件被配置为将由所述第二光重定向元件沿所述第四方向重定向的光沿所述第一方向重定向。


3.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述第二光重定向元件被配置为将由所述第一光重定向元件沿所述第三方向重定向的光沿所述第一方向重定向。


4.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述第一光重定向元件包括处于第一取向的第一组部分反射镜，并且其中所述第二光重定向元件包括处于第二取向的第二组部分反射镜，所述第二组部分反射镜在所述第一组部分反射镜当中交错。


5.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述第一光重定向元件包括第一组体积全息图。


6.根据权利要求5所述的显示系统，其中所述第二光重定向元件包括第二组体积全息图。


7.根据权利要求6所述的显示系统，其中所述第一组中的每个体积全息图包括沿第一方向取向的折射率变化，并且其中所述第二组中的每个体积全息图包括沿与所述第一方向不同的第二方向取向的折射率变化。


8.根据权利要求6所述的显示系统，其中所述第一组体积全息图和所述第二组体积全息图包括反射全息图。


9.根据权利要求6所述的显示系统，其中所述第一组体积全息图和所述第二组体积全息图包括透射全息图。


10.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第一光重定向元件和所述第二光重定向元件被配置为关于所述第二方向反转所述光中的图像的奇偶性。


11.根据权利要求10所述的显示系统，其中所述显示模块被配置为发射在由所述光学系统接收的所述光中的图像的反转版本。


12.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第一光重定向元件和所述第二光重定向元件嵌入在所述波导中。


13.一种显示系统，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴世百，B·C·斯蒂尔，B·R·科奇洛沃，F·艾塔，G·B·米勒，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：美国;US