[发明专利]用于增强现实的紧凑型近眼显示光学器件

说明书

一种光学系统包括：第一滤光器堆栈，所述第一滤光器堆栈被配置为将从显示器接收到的光转换为第一圆偏振；第二滤光器堆栈，所述第二滤光器堆栈被配置为将从外部源接收到的光转换为第二圆偏振；以及第三滤光器堆栈，所述第三滤光器堆栈被配置为反射具有所述第一圆偏振的光并且透射具有所述第二圆偏振的光。所述光学系统还包括折射分束透镜，所述折射分束透镜被配置为将从所述第二滤光器堆栈接收到的光透射到所述第三滤光器堆栈。所述第二滤光器堆栈被定向为将从所述第一滤光器堆栈接收到的光反射到所述折射分束透镜上。所述光学系统被实施在诸如头戴式设备(HMD)等增强现实设备中，以将由所述显示器生成的图像与从外部源接收到的光组合。

背景技术

增强现实(AR)系统通常利用头戴式显示器(HMD)设备，该HMD设备将从环境接收的光线和由显示器生成的光线聚焦到用户的眼睛上。穿戴HMD设备的用户因此观看了用虚拟图像“增强”的真实世界的场景。例如，HMD设备可以通过覆盖包括步行方向的虚拟图像来增强用户对陌生街道的视野。在支持AR功能的HMD中实施的光学系统通常包括：分束元件，该分束元件将外部光透射到用户的眼睛，并且将来自显示器的光反射到外部光的路径中；以及光学元件，该光学元件用于将光聚焦到用户的眼睛上。当前，提供AR功能的HMD设备的几种设计可用。在这些HMD设备中实施的光学系统包括：鸟浴光学器件(凹面镜和由分束器隔开的显示器，该分束器将虚拟图像与透视图像组合)、通过准直镜耦合到(几何或衍射)波导中的显示器、耦合到多个自由形式的反射镜的显示器以及耦合到自由形式的棱镜的显示器。

这些光学系统存在共同的缺陷：提供光功率(例如，光线的聚焦)的元件被放置在距用户的眼睛相对较远的位置，这减小了虚拟图像的视野。例如，传统AR系统的典型视野约为25°。可以通过增加AR系统的大小来增大视野，但是这在可穿戴HMD设备中是不可取的。此外，一些光学系统会使透视图像失真。例如，使用全内反射来将虚拟图像引导到用户的眼睛的几何波导可以在透视图像中生成分段阴影。针对另一示例，使用衍射来将虚拟图像引导到用户的眼睛的衍射波导可能会从不需要的衍射阶数生成重影。针对再一示例，自由形式的棱镜可能会产生导致眼睛疲劳的不均匀的透视失真。

附图说明

通过参照附图，可以更好地理解本公开，并且其众多特征和优点对于本领域技术人员来说显而易见。在不同附图中使用相同的附图标记指示类似或相同的项目。

图1是根据一些实施例的光学系统的第一示例的图，该光学系统将从显示器接收到的光与外部光组合以向用户的眼睛提供表示增强现实图像的基本平行的光线。

图2是根据一些实施例的光学系统的第二示例的图，其图示了由显示器生成的光线的光路的折叠以及光线与外部光的组合。

图3是根据一些实施例的光学系统的第三示例的图，该光学系统将从显示器接收到的光与外部光组合以向用户的眼睛提供表示增强现实图像的基本平行的光线。

图4是根据一些实施例的光学系统的第四示例的图，该光学系统将从显示器接收到的光与外部光组合以向用户的眼睛提供表示增强现实图像的基本平行的光线。

图5是根据一些实施例的光学系统的第五示例的图，该光学系统将从显示器接收到的光与外部光组合以向用户的眼睛提供表示增强现实图像的基本平行的光线。

图6是根据一些实施例的传统的鸟浴透镜系统与包括折射分束透镜系统的透镜系统的比较。

图7图示了根据一些实施例的显示系统，该显示系统包括被配置为经由显示器提供增强现实功能的电子设备。

具体实施方式