用于近眼显示器的具有细分光学孔径的投影仪配置和相应的光学系统技术方案

一种用于向观看者显示投影图像的光学系统，包括：光导光学元件，该光导光学元件具有两个主要平行表面并且被配置用于通过主要平行表面处的内反射将与准直到无限远的投影图像相对应的照明从耦入区域引导到耦出区域，在耦出区域中，照明的至少部分朝向观看者的眼睛被耦出；以及投影仪配置，该投影仪配置与光导光学元件的耦入区域相关联。该投影仪配置包括多个相邻光学布置，每个光学布置包括被布置用于投影照明的子集的准直光学器件，相邻光学布置协作以向耦出区域提供整个投影图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于近眼显示器的具有细分光学孔径的投影仪配置和相应的光学系统
本专利技术涉及虚拟现实和增强现实显示器，并且特别地涉及用于这样的显示器的投影仪配置，其中，用于将图像投影到光导光学元件中的整个光学孔径被细分为若干单独的较小的孔径。
技术介绍
许多虚拟现实和增强现实显示器采用具有两个主要平行平坦表面的光导光学元件(LOE)，在LOE内图像通过内反射传播。对应于准直图像的照明在通常在一侧的耦入区域处被引入到LOE中，并且通过内反射在LOE内传播，直到到达耦出区域，在该耦出区域中，照明被朝向观看者的眼睛耦出LOE。朝向眼睛耦出照明可以通过使用诸如在美国专利6,829,095、美国专利7,021,777、美国专利7,457,040、美国专利7,576,916中描述的一组倾斜角度部分反射内表面，或者通过使用一个或更多个衍射光学元件(也是本领域已知的)来进行。尽管LOE通过一维内反射引导照明，但是不引导平行于LOE平面的尺寸。因此，为了向观看者提供期望视场的全宽度，将图像照明引入到耦入区域的图像投影仪的面内尺寸需要相对较大。这导致投影仪光学器件的低f数，通常为f<1，并且对光学部件的光学设计和质量提出了相应严格的要求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于虚拟现实和增强现实平视显示器，特别地用于近眼显示器的投影仪配置和相应的光学系统，其中，图像投影系统的光学孔径被划分(细分)成若干区域，每个区域具有其自己的图像生成和/或照明子系统。根据本专利技术的某些实现方式，这可以减小光学引擎的整体形状因子，和/或可以增加光学性能，同时保持相对少量的光学部件(透镜)。根据本专利技术的教示，提供了一种用于向观看者显示投影图像的光学系统，该光学系统包括：(a)光导光学元件，其具有两个主要平行表面并且被配置用于通过在主要平行表面处的内反射将与准直到无限远的投影图像相对应的照明从耦入区域引导到耦出区域，在耦出区域中，照明的至少部分朝向观看者的眼睛耦出；以及(b)投影仪配置，其与光导光学元件的耦入区域相关联，该投影仪配置包括多个相邻光学布置，每个光学布置包括被布置用于投影照明的子集的准直光学器件，相邻光学布置协作以向耦出区域提供整个投影图像。根据本专利技术的实施方式的另一特征，光学布置中的每一个还包括空间光调制器部件，该空间光调制器部件生成与图像的一部分相对应的部分图像。根据本专利技术的实施方式的另一特征，所述多个相邻光学布置的空间光调制器部件由共享空间光调制器装置的相应区域提供。根据本专利技术的实施方式的另一特征，所述多个光学布置中的每一个的准直光学器件包括至少第一透镜和至少第二透镜，并且其中，用于所述多个光学布置的第一透镜一体地形成为第一透镜阵列并且用于所述多个光学布置的第二透镜一体地形成为第二透镜阵列。根据本专利技术的实施方式的另一特征，投影仪配置还包括形成有多个不透明挡板的挡板布置，该挡板布置介于第一透镜阵列与第二透镜阵列之间以减少所述多个光学布置的准直光学器件之间的串扰。根据本专利技术的实施方式的另一特征，所述多个光学布置包括各自的光束偏转光学元件，使得所有的光学布置以平行的光轴布置。根据本专利技术的实施方式的另一特征，光束偏转光学元件包括多个光束偏转棱镜。根据本专利技术的实施方式的另一特征，所有所述多个光学布置的准直光学器件都是相同的。根据本专利技术的实施方式的另一特征，所述多个光学布置中的每一个具有至少为2的f数，并且优选地具有至少为4的f数。根据本专利技术的实施方式的另一特征，光学系统被结合到头戴式支承结构中，该头戴式支承结构被配置成以与观看者的眼睛间隔开的关系支承光学系统，使得眼睛从限定眼动框(eye-motionbox)的位置范围观看光导光学元件，并且其中，耦出区域被配置成在眼动框内的所有位置处向观看者的眼睛传送视场，并且其中，光学布置中的相邻光学布置对视场的交叠但不相同的部分进行投影。根据本专利技术的实施方式的另一特征，照明的子集对应于从耦入区域的子区域投影的整个图像。根据本专利技术的实施方式的另一特征，用于光学布置的至少一个的照明的子集仅对应于图像的部分。根据本专利技术的实施方式的另一特征，耦出区域包括以与主要平行表面成倾斜角度布置的多个部分反射表面。根据本专利技术的实施方式的另一特征，耦出区域包括与主要平行表面中的一个相关联的至少一个衍射光学元件。根据本专利技术的实施方式的教示，还提供了一种用于经由光导光学元件从长度L和宽度W的有效孔径向用户的眼睛传送与图像相对应的照明的投影仪配置，该投影仪配置包括至少三个相邻的光学布置，每个光学布置包括：(a)空间光调制器部件，其生成与图像的至少一部分相对应的输出图像；以及(b)准直光学器件，其被布置用于经由光导光学元件向用户的眼睛投影作为准直图像的输出图像，准直光学器件具有出口孔径，其中，光学布置的出口孔径进行协作以跨越长度L的有效孔径，并且将用于向观看者显示图像所需的全部照明传送到光导光学元件中。根据本专利技术的实施方式的教示，用于光学布置中的至少一个的输出图像仅对应于要显示的图像的部分。附图说明在本文中，参照附图仅通过示例的方式描述了本专利技术，在附图中：图1A是从光导光学元件(LOE)朝向观看者的眼睛投影的视场(FOV)的示意性平面图；图1B是示出了来自LOE的活动区域的光的分布以在整个眼动框(EMB)上提供视场的类似于图1A的示意性平面图；图2A是示出LOE的耦入区域的所需长度尺寸以向EMB提供全FOV的LOE的示意性正视图；图2B是示意性地示出根据本专利技术的方面的将耦入区域细分为子孔径的类似于图2A的图；图3是示出来自给定子孔径的光可以到达眼动框的角度的范围的类似于图2B的图；图4A和图4B是分别示出根据自顶向下和侧面注入的LOE配置的图像角度视场的推荐数量的子孔径的示例的曲线图；图5是示出用于为本专利技术的某些实现方式选择划分孔径大小的冲突考虑因素的曲线图；图6A是适合于在本专利技术的某些实现方式中使用的透镜布置的示意性侧视图；图6B是采用与LOE相关联的多个图6A的透镜布置的显示系统的示意性正视图；图6C是图6B的显示系统的示意性侧视图；图7是被实现为便于组装的透镜阵列的图6B的显示系统的部件的示意性等距视图；图8A是示出使用光束折叠反射器来减小光学布置的大小的类似于图6C的显示系统的变型实现方式；图8B是光学孔径被细分为两个尺寸的类似于图6C的显示系统的另一变型实现方式；图9是用于实现本专利技术的光学架构的示意性表示，其中每个子孔径提供有投影图像的整个FOV；图10A是示出两个不同子孔径的主光线的取向的LOE的示意性正视图，其中每个孔径仅对落入EMB内的图像的部分进行投影；图10B是用于实现本专利技术的光学孔径的示意表示，其中与每个子孔径相关联的光学布置对与该子孔径的主光线对准的部分图像进行投影；图11A和图11B是示出使用光束偏转光学元件来重定向每个子孔径的主光线的分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于向观看者显示投影图像的光学系统，所述光学系统包括：/n(a)光导光学元件，所述光导光学元件具有两个主要平行表面并且被配置用于通过所述主要平行表面处的内反射将与准直到无限远的投影图像相对应的照明从耦入区域引导到耦出区域，在所述耦出区域中，至少部分所述照明朝向所述观看者的眼睛被耦出；以及/n(b)投影仪配置，所述投影仪配置与所述光导光学元件的所述耦入区域相关联，所述投影仪配置包括多个相邻光学布置，每个光学布置包括被布置用于投影所述照明的子集的准直光学器件，所述相邻光学布置协作以向所述耦出区域提供整个所述投影图像。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180514 US 62/670,8861.一种用于向观看者显示投影图像的光学系统，所述光学系统包括：
(a)光导光学元件，所述光导光学元件具有两个主要平行表面并且被配置用于通过所述主要平行表面处的内反射将与准直到无限远的投影图像相对应的照明从耦入区域引导到耦出区域，在所述耦出区域中，至少部分所述照明朝向所述观看者的眼睛被耦出；以及
(b)投影仪配置，所述投影仪配置与所述光导光学元件的所述耦入区域相关联，所述投影仪配置包括多个相邻光学布置，每个光学布置包括被布置用于投影所述照明的子集的准直光学器件，所述相邻光学布置协作以向所述耦出区域提供整个所述投影图像。


2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学布置中的每一个还包括空间光调制器部件，所述空间光调制器部件生成与所述图像的一部分相对应的部分图像。


3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述多个相邻光学布置的所述空间光调制器部件由共享空间光调制器装置的相应区域提供。


4.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中，所述多个光学布置中的每一个的所述准直光学器件包括至少第一透镜和至少第二透镜，并且其中，用于所述多个光学布置的所述第一透镜一体地形成为第一透镜阵列并且用于所述多个光学布置的所述第二透镜一体地形成为第二透镜阵列。


5.根据权利要求4所述的光学系统，其中，所述投影仪配置还包括形成有多个不透明挡板的挡板布置，所述挡板布置介于所述第一透镜阵列与所述第二透镜阵列之间，以减少所述多个光学布置的所述准直光学器件之间的串扰。


6.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中，所述多个光学布置包括各自的光束偏转光学元件，使得所有的所述光学布置被布置有平行的光轴。


7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述光束偏转光学元件包括多个光束偏转棱镜。


8.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中，所有所述多个光学布置的所述准直光学器件都是相同的。


9.根据任一前述权利要求所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐翁·艾森菲尔德，
申请(专利权)人：鲁姆斯有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL