【技术实现步骤摘要】
本公开涉及一种光学系统，该光学系统可以形成光学显示设备(例如头戴式显示器)的一部分。
技术介绍
1、在增强现实领域，使用透明组合器将虚拟图像以叠加在真实世界上的方式显示给用户，该透明组合器将来自投影仪的图像重定向到用户的眼睛。当前的解决方案通常使用由玻璃或塑料衬底制成的平坦或平面透明波导，其中光经由衍射光栅(或类似物)耦入(in-coupled)到波导，并且穿过波导内部(通过全内反射)到达类似的耦出器(out-coupler)，光在耦出器处耦出到用户的眼睛。在该领域中，波导的厚度通常为几毫米，它们也被称为“光导”。
2、参照图1，其示出了包括平面波导的这种光学系统的示意图。该光学系统包括：对象显示器(图像源)10；准直透镜20；平面波导30；耦入器(in-coupler)40(例如，光栅)；和耦出器50。图示出了来自对象显示器10上的一个点的光线60。这些光垂直于波导的表面入射。还图示出了单条光线70通过波导30并经由耦出器50到达用户眼睛80的路径。波导30的厚度在几毫米的数量级，耦入器40和耦出器50之间的间隔在厘米的数量级，耦入器40的光栅的侧向周期(lateral period)在几分之一微米的数量级。
3、在这种典型的平面波导设计中，对象显示器10由准直透镜20在该透镜20的焦距处成像。这在水平和竖向(切线和弧矢)平面均上校准了图像承载光。
4、准直光通过耦入器40耦合到波导中，耦入器40可以是线性衍射光栅或全息光栅(其他选项包括折射型光学器件，诸如棱镜)。其将光以大于临界角的角度衍
5、在本文考虑的设计中，衍射光栅、全息光栅、全息图、表面全息图、浮雕全息图、光刻产生的光栅、体光栅或倾斜光栅可以互换使用和互换操作使用。出于光线追踪的目的，重要的是光栅k矢量或动量矢量的光栅周期的侧向分量。特定的材料选择、生产方式和横截面可能会影响衍射效率、衍射级、机械柔性和波长带宽，但不影响像差和分辨率。当线性光栅接收准直光时，线性光栅衍射但保持该准直，即来自给定像素的所有光线改变方向但保持相互平行。
6、当光照射到波导的外侧表面时，由于全内反射(tir)，光反射回内部。这些角度由波导的折射率n决定。典型值为n＝1.5，临界角为42度，并且相对于法线的引导角(guidingangle)可能为60到70度。折射率较高的玻璃由于临界角较小而将允许更大的视野(fov)。
7、这种方法的一个优点是来自给定像素的所有光线均以相同的角度在平坦波导内传播。因此，允许光线在波导内部重叠或交换(swap)，而不会引起重影或鬼影的问题。
8、这可能是实现波导主要功能的关键：光瞳复制(pupil replication)。在增强现实(ar)领域，非常期望的是更小的光学器件。这意味着使用小型投影仪。小的投影仪产生小的光瞳(本质上是来自同一像素的光线束)，例如，可以通过查看普通双目显微镜的小光瞳(目镜上方漂浮的小亮点)来识别。
9、耦出器50(波导输出光栅)可以通过以小于100％的衍射效率(称为分数衍射效率)部分提取光来复制光瞳。例如，10％的衍射效率将提取10％的光，并让剩余的90％进一步传播。该过程将在传播的光与输出光栅50下一次相遇时重复。更先进的可变衍射效率光栅(variablediffraction efficiency grating)有助于平衡不同光瞳复制之间的光强。
10、这使得通过输出光栅提取光的任务变得鲁棒，因为输出光栅不需要位于特定的位置。波导的出射光瞳可以被视为在整个输出光栅50上延伸的一个连续光瞳。同样的，扩展的光瞳不会以场(显示器上原始像素的位置)的函数沿着输出光栅移动。
11、通过利用部分衍射先在一个方向上复制光瞳接着在另一个方向上复制光瞳(首先通过中间线性光栅，其次通过输出线性光栅)，实现了二维光瞳扩展。总共，将使用三个或更多个光栅，如在微软公司销售的hololens(rtm)的波导以及waveoptics，ltd.销售的波导中实现的那样。这种方法的限制是波导30的玻璃必须是平坦的，而消费者习惯于弯曲的玻璃。要将平坦波导与弯曲的处方眼镜结合在一起而不使设备变得更大也是困难的。还存在使用高度弯曲玻璃的应用，例如摩托车头盔的面罩(visor)、军用面罩、战斗机飞行员头盔、潜水面罩、消防隔热面罩、医疗防护、焊接面罩、飞机挡风玻璃、汽车或摩托车挡风玻璃等。试图将平坦波导安装在使用者和面罩之间的有限空间内是具有挑战性的。
12、还有基于自由空间反射光学器件的组合解决方案，但是这些解决方案通常具有小的眼动范围(eye-boxes)(图像可见的区域)。它们不适用于某些应用，而波导解决方案通常具有较大的眼动范围，这使得它们是期望的。大的眼动范围意味着ar眼镜设计的单一变化可以适应大多数人群，并且用户可以容易地看到虚拟图像。由于用户在瞳孔间距(ipd)上的差异，小的眼动范围意味着ar眼镜可能需要机械地调整或适应特定用户，从而增加了成本和复杂性。
13、在多种文献中已经建议使用弯曲波导，例如wo-2006/064301a1、us-2010/031571u9、de-102017119440a1、us-8,842,368b2、us-8,810,913b2、us-9,733,475b1、us-2018/0292593a1、us-2019/0317261a1、gb-2553382b、us-10,048,647b2、us-2016/0195720a1、us-2019/0072767a1、us-2018/0373115a1、us-2019/0369403a1和us-2018/0348527a1。类似的建议在kalinina、anastasiia和andrey putilin的“wide-field-of-view augmented reality eyeglasses using curved wedge waveguide(会议演示)”，digital optics for immersive displays ii.vol.11350,international society foroptics
14、and photonics,2020以及dehoog、edward、jason holmstedt和tin
15、aye的“field of view of limitations in see-through hmd using
16、geometric waveguides”，applied optics 55.22(2016):5924-5930中进行了讨论。
17、这些文献中的一些只是简单地提到了弯曲波导。这些文献中的其他一些更详细地讨论了弯曲波导，但没有一篇文献解释如何以连续的方式复制光瞳，而不会使来自同一像素的光线在投射到无限远时发散。对于这些方法，通常只有单个光瞳通过波导传播，这不允许光瞳扩展。其他设计依赖于眼球追踪。这些设计通常产生畸变的输出，并且本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光学系统，包括：
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述输入光学器件包括耦入光学器件，所述耦入光学器件被配置成将所述光耦合到所述圆筒状波导的表面中。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述耦入光学器件包括耦入线性衍射光栅，所述耦入线性衍射光栅具有恒定的周期，应用于曲面，并被布置成将所接收的光耦合到所述圆筒状波导中。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述耦入线性衍射光栅由柔性全息材料制成，和/或其中，所述耦入线性衍射光栅附接于所述圆筒状波导的内侧表面或外侧表面，和/或其中，所述耦入线性衍射光栅是能够切换的。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的光学系统，其中所述光学系统符合以下一项或多项：
6.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述输入光学器件包括波前整形设备，所述波前整形设备被配置成仅在单个平面中准直所接收的光。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述波前整形设备被配置成使得所述单个平面穿过所述圆筒状波导的圆筒轴线。
8.根据权利要求6或权利要求7所述
9.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述波前整形设备的柱面形状的取向正交于所述圆筒状波导的取向。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的光学系统，其中，所述波前整形设备包括多元件透镜或反射镜。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述输入光学器件还包括与所述圆筒状波导集成的波导部分。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述输入光学器件被配置成，相对于与所述圆筒轴线正交的平面的角度，将源自所述图像源的同一像素的入射在所述圆筒状波导表面上的所有光线设置成使得所述光线沿平行于所述圆筒轴线的方向或垂直于所述圆筒轴线的方向或由平行于所述圆筒轴线和垂直于所述圆筒轴线之间的矢量限定的方向传播通过所述圆筒状波导。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，还包括所述图像源和/或图像源安装装置，所述图像源和/或所述图像源安装装置限定了所述图像源的中心像素的位置，并且其中所述图像源的所述中心像素的位置和所述圆筒状波导之间的光程长度与所述圆筒状波导的曲率半径基本相同。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，还包括：
15.根据权利要求14所述的光学系统，其中，所述反射镜以及所述图像源和/或图像源安装装置被配置成使得来自所述图像源的光在到达所述反射镜之前穿过所述圆筒状波导。
16.根据从属于权利要求6的权利要求14或权利要求15的光学系统，其中，所述反射镜是波前整形设备。
17.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，还包括：
18.根据权利要求17所述的光学系统，其中，所述耦出光学器件包括耦出衍射光栅。
19.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述耦出衍射光栅具有以下一者或多者：充当柱面透镜的构造；弯曲光栅；内部光栅角，所述内部光栅角被布置成在一平面中准直所接收的光，或者在预定距离处将所接收的光在切线平面和弧矢平面中聚焦；布置成折射所接收的光的内部光栅角；在所述耦出衍射光栅的距从所述输入光学器件接收的光最近的一端处的不超过25％的衍射效率；沿着所述耦出衍射光栅的长度的可变衍射效率；以及，可切换衍射光栅构造。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的光学系统，其中，每个所述输入光学器件和/或所述耦出光学器件还包括相应的球面透镜；和/或其中所述耦出光学器件还包括柱面负透镜。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的光学系统，其中，所述输入光学器件和所述耦出光学器件各自的靠近所述圆筒状波导的部分位于所述圆筒状波导的相对侧。
22.根据权利要求17至21中任一权利要求所述的光学系统，还包括：
23.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述圆筒状波导是第一圆筒状波导，所述光学系统还包括：
24.一种光学显示设备，包括：
25.一种头戴式显示器，包括根据权利要求24所述的光学显示设备，其中，所述安装结构包括眼镜或面罩部件，所述圆筒状波导集成、嵌入或固定在所述眼镜或面罩部件上。
...【技术特征摘要】
1.一种光学系统，包括：
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述输入光学器件包括耦入光学器件，所述耦入光学器件被配置成将所述光耦合到所述圆筒状波导的表面中。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述耦入光学器件包括耦入线性衍射光栅，所述耦入线性衍射光栅具有恒定的周期，应用于曲面，并被布置成将所接收的光耦合到所述圆筒状波导中。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述耦入线性衍射光栅由柔性全息材料制成，和/或其中，所述耦入线性衍射光栅附接于所述圆筒状波导的内侧表面或外侧表面，和/或其中，所述耦入线性衍射光栅是能够切换的。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的光学系统，其中所述光学系统符合以下一项或多项：
6.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述输入光学器件包括波前整形设备，所述波前整形设备被配置成仅在单个平面中准直所接收的光。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述波前整形设备被配置成使得所述单个平面穿过所述圆筒状波导的圆筒轴线。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的光学系统，其中，所述波前整形设备具有柱面形状。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述波前整形设备的柱面形状的取向正交于所述圆筒状波导的取向。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的光学系统，其中，所述波前整形设备包括多元件透镜或反射镜。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述输入光学器件还包括与所述圆筒状波导集成的波导部分。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述输入光学器件被配置成，相对于与所述圆筒轴线正交的平面的角度，将源自所述图像源的同一像素的入射在所述圆筒状波导表面上的所有光线设置成使得所述光线沿平行于所述圆筒轴线的方向或垂直于所述圆筒轴线的方向或由平行于所述圆筒轴线和垂直于所述圆筒轴线之间的矢量限定的方向传播通过所述圆筒状波导。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，还包括所述图像源和/或图像源安装装置，所述图像源和/或所...
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