[發明專利]具有小的輸入孔口的高效緊湊型頭戴式顯示系統

在審

• 申請號: 202080026183.8
• 申請日: 2020-01-27
• 公開（公告）號: CN113678049A
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: Y·阿米泰
• 申請（專利權）人: 奧里姆光學有限公司
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B27/01
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉書航;陳嵐

一種光學器件包括：透光基板；輸入孔口和輸出孔口；眼部運動框；基板外部的中間元件，用于將光波通過輸入孔口耦合到基板中；在透光基板的兩個主表面之間的第一反射表面，用于反射耦合輸入的光波以實現從基板主表面的全內反射；定位在透光基板的主表面之間的平行于第一反射表面的第二平坦反射表面，用于將光波從基板耦合輸出；以及光學元件，用于將通過輸出孔口從基板耦合輸出的光波重定向到眼部運動框中。輸入孔口顯著小于輸出孔口，第一反射表面和第二反射表面的有效面積類似，并且每個耦合光波覆蓋眼部運動框的整個孔口。

技術領域

本發明涉及基于基板的光波引導的光學器件，并且特別涉及包括由透光基板承載的反射表面和附接到基板的部分反射表面陣列的器件。

本發明可以有利地實現在大量成像應用中，諸如頭戴式和平視顯示器，以及蜂窩電話、緊湊型顯示器和三維顯示器。

背景技術

緊湊型光學元件的一個重要應用是在頭戴式顯示器（HMD）中，其中光學模塊既充當成像透鏡又充當組合器，其中二維顯示被成像到無限遠并反射到觀察者的眼睛中。顯示器可以直接從諸如陰極射線管（CRT）、液晶顯示器（LCD）、有機發光二極管陣列（OLED）、掃描源和類似設備的空間光調制器（SLM）獲得，或者借助于中繼透鏡或光纖束間接獲得。顯示器包括元件（像素）陣列，所述元件（像素）陣列由準直透鏡成像到無限遠，并且借助于反射或部分反射表面透射到觀察者的眼睛中，該反射或部分反射表面分別用作非透視和透視應用的組合器。典型地，常規的自由空間光學模塊用于這些目的。隨著系統的期望視場（FOV）的增加，這樣的常規光學模塊變得更大、更重和更笨重，并且因此，即使對于中等性能的器件，也是不切實際的。這是所有種類顯示器、但尤其是在HMD中的主要缺點，其中系統應當盡可能輕和緊湊。

對緊湊性的需求已經導致了幾種不同的復雜光學解決方案，所有這些解決方案一方面對于大多數實際應用來說仍然不夠緊湊，并且另一方面，在可制造性、價格和性能方面經受重大缺陷。

公開號WO2017/141239、WO2017/141240、WO2017/141242和PCT/IL2018/051105中包含的教導通過引用并入本文。

發明內容

除了其他應用之外，本發明還促進為HMD提供緊湊型基板。本發明允許相對寬的FOV以及相對大的眼部運動框（EMB）值。所得的光學系統提供了大的高質量圖像，這也適應了眼睛的大幅移動。根據本發明的光學系統是特別有利的，這是因為它比現有技術的實現更加緊湊，而且它甚至可以容易地并入到具有專門化配置的光學系統中。

因此，本發明的廣泛目的是要減輕現有技術的緊湊型光學顯示器件的缺點，并根據具體要求提供具有改進性能的其他光學組件和系統。

根據本發明，因此提供了一種包括光學器件的光學器件，該光學器件包括具有至少兩個平行主表面和兩個相對邊緣的第一透光基板；輸入孔口；靠近基板的主表面之一定位的輸出孔口；具有孔口的眼部運動框；第一中間元件，具有定位在基板外部的至少兩個表面，用于將具有視場的光波通過輸入孔口耦合到基板中；第一平坦反射表面，具有定位在透光基板的兩個主表面之間的有效面積，用于反射耦合輸入的光波以實現從基板的主表面的全內反射；平行于第一平坦反射表面的第二平坦反射表面，具有有效面積并定位在透光基板的兩個主表面之間，用于將光波從基板耦合輸出；以及重定向光學元件，具有定位在基板外部的至少兩個表面，用于將通過輸出孔口從基板耦合輸出的光波重定向到眼部運動框中，其中輸入孔口顯著小于輸出孔口，第一反射表面的有效面積與第二反射表面的有效面積相似，并且每個耦合光波覆蓋眼部運動框的整個孔口。

附圖說明

結合某些優選實施例，參考以下說明性的圖來描述本發明，使得可以更全面地理解本發明。