КОМПАКТНАЯ СИСТЕМА ДИСПЛЕЯ, УСТАНАВЛИВАЕМАЯ НА ГОЛОВЕ
COMPACT HEAD-MOUNTED DISPLAY SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение относится к оптическим устройствам под управлением подложки и, в частности, к устройствам, которые содержат множество отражающих поверхностей на общей светопроводной подложке, также называется световодным элементом.
Изобретение может быть внедрено в большом количестве устройств, формирующих изображения, таких как портативные DVD, сотовые телефоны, мобильные телевизионные приемники, видеоигры, портативные медиа-плееры или другие мобильные устройства визуализации.
Уровень техники
Одно применение для компактных оптических элементов касается дисплеев, устанавливаемых на голове (HMD), в которых оптический модуль служит и изображающей линзой и оптическим устройством индикации, в котором источник двухмерного изображения фокусируется на бесконечности и отражается в направлении глаза пользователя. Источник визуализации может создаваться или прямо из пространственного модулятора света (SLM), такого как электронно-лучевая трубка (CRT), жидкокристаллический дисплей (LCD), органическая светодиодная матрица (OLED), сканирующий источник или сходные устройства, или косвенно посредством объектива переноса, волоконно-оптического жгута или сходных устройств. Источник визуализации содержит матрицу элементов (пикселей), фокусируемых на бесконечности коллимирующей линзой и передаваемых в направлении глаза пользователя посредством отражающей или частично отражающей поверхности, действующей в качестве объединителя для непрозрачных и прозрачных применений соответственно. Обычно для этих целей используют известный пространственный оптический модуль. Когда желательное поле зрения (FOV) системы увеличивается, такой известный оптический модуль становится больше, тяжелее и объемнее, и поэтому, даже для устройства с умеренными эксплуатационными характеристиками, непрактичным. Это является основным недостатком всех типов дисплеев и особенно дисплеев, устанавливаемых на голове, где система обязательно должна быть максимально легкой и компактной.
Стремление к компактности привело к разработке нескольких различных сложных оптических решений, которые все, с одной стороны, все же недостаточно компактны для большинства практических применений и, с другой стороны, имеют крупные недостатки в отношении производства. Кроме того, размер выходного зрачка (ЕМВ) оптических углов зрения в этих конструкциях обычно очень мала - обычно меньше 8 мм. Соответственно, эксплуатационные характеристики такой оптической системы очень чувствительные даже для небольших перемещений оптической системы относительно глаза пользователя и не позволяют зрачку достаточно двигаться для удобного считывания текста с таких дисплеев.
Содержание публикаций № WO 01/95027, WO 03/081320, WO 2005/024485, WO 2005/024491, WO 2005/024969, WO 2005/124427, WO 2006/013565, WO 2006/085309, WO 2006/085310, WO 2006/087709, WO 2007/054928, WO 2007/093983, WO 2008/023367, WO 2008/129539, WO 2008/149339 и WO 2013/175465, все на имя Заявителя, включено в настоящий документ путем ссылок.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение облегчает использование очень компактного световодного оптического элемента (LOE) для, помимо прочих применений, HMD. Изобретение позволяет получить относительно широкие FOV при относительно больших значениях ЕМВ. Получаемая оптическая система дает большое и высококачественное изображение, которое также подходит к большим перемещениям глаза. Оптическая система, предложенная в настоящем изобретении, имеет особые преимущества, поскольку она значительно более компактная, чем системы, известные из уровня техники, и может быть легко внедрена на практике даже в оптические системы, имеющие специальные конфигурации.
Одной основной целью настоящего изобретения поэтому является устранение недостатков известных компактных оптических устройств визуализации и создание других компонентов и систем с улучшенными эксплуатационными характеристиками, соответствующих конкретным требованиям.
В соответствии с настоящим изобретением, предлагается оптическая система, содержащая светопроводящую подложку, имеющую, по меньшей мере, две основные поверхности и края; оптическую призму, имеющую, по меньшей мере, первую, вторую и третью поверхность, для введения световых волн, имеющих заданное поле зрения, в подложку с обеспечением полного внутреннего отражения; по меньшей мере, одну частично отражающую поверхность, расположенную в подложке, частично отражающая поверхность ориентирована непараллельно по отношению к основным поверхностям указанной подложки, для выведения световых волн из подложки; по меньшей мере, один из краев подложки наклонен под косым углом по отношению к основным поверхностям; вторая поверхность призмы прилегает к наклоненному краю подложки, и часть подложки, расположенная рядом с наклоненным краем, выполнена по существу прозрачной, отличающаяся тем, что световые волны входят в призму через первую поверхность призмы, проходят призму без отражения и входят в подложку через наклоненный край.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания настоящее изобретение описано ниже в связи с определенными лучшими вариантами осуществления со ссылками на прилагаемые иллюстративные чертежи
При конкретных ссылках на детальные чертежи подчеркивается, что приведенные данные даны только для примера и иллюстративного обсуждения лучших вариантов осуществления настоящего изобретения и представляют собой то, что считается наиболее полезным и легко понятным описанием принципов и концептуальных аспектов изобретения. В этом отношении не делается попытки представить конструкционные детали изобретения более подробно, чем это необходимо для понимания основ изобретения. Описание вместе с чертежами должно служить указанием для специалистов в данной области техники, как несколько форм изобретения могут быть осуществлены на практике.
На чертежах:
Фиг. 1 иллюстрирует диапазон оптических лучей, которые вводятся в LOE, в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 2 иллюстрирует диапазон оптических лучей, которые освещают входную апертуру LOE;
Фиг. 3 иллюстрирует известный из уровня техники вид сбоку примерного механизма введения, содержащего призму, оптически прикрепленную к одной из основных поверхностей LOE;
Фиг. 4 является другой принципиальной схемой, иллюстрирующей вид сбоку известного из уровня техники примерного механизма введения, содержащего призму, оптически прикрепленную к одной из основных поверхностей LOE;
Фиг. 5 иллюстрирует диапазон оптических лучей, освещающих входную апертуру LOE, в котором один из краев LOE наклонен под косым углом по отношению к основным поверхностям;
Фиг. 6 является принципиальной схемой, иллюстрирующей другую систему с диапазоном оптических лучей, освещающих входную апертуру LOE, в котором один из краев LOE наклонен под косым углом по отношению к основным поверхностям;
Фиг. 7 является принципиальной схемой, иллюстрирующей вариант осуществления оптической системы, вводящей входные световые волны от источника освещения дисплея в подложку, имеющей вспомогательную призму, прикрепленную к наклоненному краю LOE в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 8 иллюстрирует другой вариант осуществления оптической системы, вводящей входные световые волны от источника освещения дисплея в подложку, имеющей вспомогательную призму, прикрепленную к наклоненному краю LOE в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 9 является принципиальной схемой, иллюстрирующей устройство для коллимации входных световых волн от источника освещения дисплея, с использованием поляризационного светоделителя, в соответствии с настоящим изобретением, и
Фиг. 10 является принципиальной схемой, иллюстрирующей устройство для коллимации входных световых волн от источника освещения на основе жидких кристаллов на кремнии (LCOS), в соответствии с настоящим изобретением, и
Фиг. 11А и 11В являются двумя вариантами осуществления, показывающими вид сверху очков в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
m
m
m
Настоящее изобретение относится к оптическим устройствам под управлением подложки, в частности, к компактным HMD оптическим системам. Как правило, коллимированное изображение, имеющее ограниченное FOV направлено в подложку. Как проиллюстрировано на фиг. 1, изображение внутри LOE или, в дальнейшем, подложки 20 содержит диапазон плоских волн, имеющий центральные волны 14 и крайние волны 16 и 18. Угол между центральной волной 14 изображения и нормалью к плоскости основной поверхности 26, 32 является α. FOV внутри подложки 20 определяется как 2⋅Δα. Как следствие, углы между крайними волнами 16 и 18 изображения и нормалью к плоскости основных поверхностей являются α+Δα и α-Δα, соответственно. После нескольких отражений от поверхностей 26, 32 подложки 20, захваченные волны достигают массива селективно отражающих поверхностей 22, которые выводят световые волны из подложки в направлении глаза 24 пользователя. Для простоты, только лучи центральных волн 14 представлены как выведенные из подложки.
Объектом настоящего изобретения является нахождение механизма введения световой волны, который отличается от механизма введения из уровня техники и имеет более компактные размеры. На фиг. 2 проиллюстрирован диапазон лучей, которые введены в подложку 20, с минимальной требуемой входной апертурой 21. Для того, чтобы избежать изображения с пропусками или полосками, точки на граничной линии 25, между краем входной апертуры 21 и нижней поверхностью 26 подложки 20, должны быть освещены для каждой из входных световых волн двух разных лучей, которые входят в подложку из двух различных мест: один луч 30, который освещает граничную линию 25 непосредственно, и другой луч 31, который является первым отраженным верхней поверхностью 32 подложки после освещения граничной линии 25. Размер входной апертуры 21, как правило, определяется двумя крайними лучами: крайним правым лучом 34 самого высокого угла FOV, и крайним левым лучом 36 самого низкого угла FOV.
Возможный вариант осуществления направления крайних лучей в подложку 20 проиллюстрирован на фиг. 3. Здесь, источник входных световых волн 38, а также и коллимирующий модуль 40, например, коллимирующая линза, ориентированы на требуемый угол с осью по сравнению с основными поверхностями 26, 32 подложки 20. Передающая призма 44 расположена между коллимирующим модулем 40 и подложкой 20 и является оптически приклеенной к нижней поверхности 26 подложки 20, так что лучи света от источника визуализации 38 падают на основную поверхность 26 под углами, которые больше критического угла, для полного внутреннего отражения внутри подложки. В результате, все оптические световые волны изображения захваченные внутри подложки полным внутренним отражением от основных поверхностей 26 и 32. Хотя оптическая система, проиллюстрированная здесь является простой, она не является все таки самым компактным механизмом ввода. Это очень важный момент для оптических систем, которые должны соответствовать внешней форме очков, а также карманных или других дисплеев.
T
Для того чтобы минимизировать размеры коллимирующего модуля 40, апертура D входной поверхности 46 призмы ввода 44 должна быть как можно меньше. В результате, размеры призмы ввода также будут минимизированы соответственно, между тем, как введенные лучи входного FOV будут проходить через призму ввода 44.
L
Как проиллюстрировано на фиг. 4, для того, чтобы крайний правый луч 34 самого высокого угла FOV проходил через призму 44, апертура D выходной поверхности 21 призмы 44 должна выполнить требование
в котором d является толщиной подложки 20.
sur1
При этом, для того чтобы крайний левый луч 36 самого низкого угла FOV проходил через призму 44, угол α между левой поверхностью 48 призмы 44 и нормалью к основной поверхности 26 подложки 20 лет должны выполнить требование
sur2
Для минимизации хроматических аберраций оптических волн, проходящих через призму 44, предпочтительно ориентировать входную поверхность 46 призмы ввода 44, по существу, по нормали к центральной волне 14 изображения. В результате угол α между входной поверхностью 46 призмы 44 и нормалью к основной поверхности 26 подложки 20 является
in
in
Возьмем предельное неравенство выражения 2, чтобы минимизировать размеры призмы 44 выводим следующие внутренние углы призмы: угол между поверхностями 46 и 21 равен α; угол между поверхностью 48 и 21 равен 90°-α+Δα. В итоге, угол между поверхностями 46 и 48 равен 90°-Δα. Используя эти величины выводим
Возьмем предельное неравенство выражения 1 и вставив его в выражение 4 выводим
Хотя оптическая система, проиллюстрированная на фиг. 3 и 4 представляется простой, она по-прежнему не самый компактный механизм ввода, поскольку это важно для таких оптических систем, чтобы соответствовать внешней форме дисплеев, таких как очки или карманные дисплеи.
sur3
m
in
sur
sur3
in
sur3
in
Фиг. 5 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления ввода световых волн в подложку через один из ее краев. Здесь, световая волнопередающая подложка 20 имеет две основные параллельные поверхности 26 и 32 и края, причем, по меньшей мере, один край 50 ориентирован под косым углом по отношению к основным поверхностям и причем α является углом между краем 50 и нормалью к основной поверхности подложки. Обычно входящие коллимированные световые волны вводятся непосредственно из воздуха, или в качестве альтернативы, коллимирующий модуль 40 (фиг. 3) может быть прикреплен к подложке 20. В результате, это удобно для ввода центральной волны 14 перпендикулярно к наклоненной поверхности 50 для минимизации хроматических аберраций. К сожалению, это требование не может быть выполнено введением света непосредственно через поверхность 50. Как правило, даже для введенных изображений, имеющих умеренное FOV, угол α (фиг. 3) между центральной волной 14 изображения и нормалью к плоскости основных поверхностей удовлетворяет требованию α≥50°. В результате, если центральная волна 14 является в самом деле перпендикулярной к наклоненной поверхности 50, то соотношение α≤40° должно быть удовлетворено. Как следствие, результатом будет выполнение соотношений в системе α<α и, для сравнительно широкого FOV, даже α<<α+Δα.
Фиг. 6 иллюстрирует сложную ситуацию, в которой максимальный угол между захваченными лучами и основными поверхностями 26, 32 больше, чем угол между поверхностью ввода 50 и основными поверхностями. Как проиллюстрировано, точки на граничной линии 25, между краем входной апертуры 50 и нижней поверхностью 26 подложки 20, подсвечиваются только крайним левым лучом 35 волны, которая непосредственно освещает граничную линию 25. Другой крайний луч 34, который падает на край 51 поверхности ввода 50, сначала отражается верхней поверхностью 32 до освещения нижней поверхности другой линии 52, которая расположена на расстоянии Δx от граничной линии 25. Как проиллюстрировано, зазор Δx не подсвечивается вообще захваченными лучами крайней волны 34. Как следствие, будут появляться темные полосы и выведенные волны и качество изображения будут значительно хуже.
Эта ситуация решается вариантом осуществления, показанным на фиг. 7. Вспомогательная призма 54 вставляется между коллимирующим модулем 40 (фиг. 3) и наклоненным краем 50 подложки. Одна из поверхностей призмы 56 расположена рядом с наклоненным краем 50 подложки 20. В большинстве случаев, показатель преломления вспомогательной призмы должен быть равен показателю подложки 20. Тем не менее, существуют случаи, в которых для призмы может быть выбран другой показатель преломления, для того, чтобы компенсировать хроматические аберрации в системе. Входящие световые волны вводятся непосредственно из воздуха, или в качестве альтернативы, коллимирующий модуль 40 может быть прикреплен к вспомогательной призме 54. Во многих случаях, показатель преломления коллимирующего модуля 40 существенно отличается от показателя подложки 20, и, соответственно, отличается от показателя призмы 54. Следовательно, для минимизации хроматических аберраций, входная поверхность 58 призмы 54 должна быть ориентирована по существу перпендикулярно к центральной световой волны входящего луча. Кроме того, крайний левый луч самого низкого угла FOV должен проходить через призму 54. В результате, условия выражений (2) и (3) должны быть удовлетворены также для конфигурации на фиг. 7. Для устранения нежелательного явления темных полос, описанного со ссылкой на фиг. 6, отношение
S
должно быть удовлетворено, а именно, угол между наклоненным краем подложки и нормалью к основной поверхности подложки больше, чем самый высокий угол FOV. Соответственно, апертура D выходной поверхности 56 призмы 54 должна удовлетворять соотношению
p
S
sur1
Очевидно, поскольку световые волны входят в призму 54 через входную поверхность 58 призмы, напрямую пересекают призму без каких-либо отражений и входят в подложку через наклоненный край 50, расширение активной области D входной поверхности 58 относительно апертуры D выходной поверхности 56, минимально. Кроме того, как описано выше, для того чтобы крайний левый луч 36 (фиг. 4) самого низкого угла FOV прошел через призму 54, угол α между левой поверхностью 60 призмы 54 и нормалью к основная поверхность 26 подложки должен также удовлетворять соотношению выражения (2), а именно, угол между поверхностью 60 призмы 54 и нормалью к основным поверхностям подложки, меньше, чем самый низкий угол FOV. Поэтому, когда соотношения выражений (2), (6) и (7) удовлетворены, введенные световые волны от всего FOV будут полностью покрывать основные поверхности подложки без каких-либо полос или зазоров.
in
in
Как проиллюстрировано на фиг. 8, взяв предельные неравенства выражений (2), (6) и (7), внутренние углы призмы 54: угол между поверхностями 56 и 58 равен 2α-90°+Δα и угол между поверхностями 56 и 60 равен 180°-2α. В итоге, угол между поверхностями 58 и 60 равен 90°-Δα. Используя эти величины, выводим
P
в котором D является активной областью входной поверхности 58 вспомогательной призмы 54.
P
T
Таким образом, сравнением выражений (5) и (8), соотношение между активными областями D и D входных поверхностей призм 54 и 44 известной системы по фиг. 4, соответственно, является:
in
P
T
in
P
T
Очевидно, для узкого FOV, то есть Δα<<α, улучшение незначительно. Тем не менее, для относительно широкого FOV активная область D призмы 54 должна быть значительно уменьшена по сравнению с активной областью D призмы 44. Например, для Δα=12° и α=52° коэффициент уменьшения выражения (9) имеет существенное значение D/D≈0.7.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 3, коллимирующий модуль 40 является простым объективом переноса, однако, гораздо более компактные конструкции с использованием светоотражающих линз, поляризационных светоделителей и фазовых пластин могут быть использованы. В такой структуре, то обстоятельство, что в большинстве источников освещения микродисплеев, таких как LCD или LCOS источники освещения, свет, который линейно поляризован, используется оптическим компонентом 61, как это проиллюстрировано на фиг. 9. Как показано, s-поляризованные входные световые волны 62 от источника освещения дисплея 64, вводятся в световод 66, который обычно создают из передающего световые волны материала, через его нижнюю поверхность 68. После отражения поляризационным светоделителем 70, световые волны выводятся из подложки через поверхность 72 световода 66. Световые волны проходят через четвертьволновую фазовую пластину 74, отражаются отражающим оптическим элементом 76, например, плоским зеркалом, возвращаются снова к прохождению через фазовую пластину 74, и повторно входят в световод 66 через поверхность 72. Теперь р-поляризованные световые волны проходят через поляризационный светоделитель 70 и выводятся из световода через поверхность 78 световода 66. Световые волны затем проходят через вторую четвертьволновую фазовую пластину 80, коллимируются компонентом 82, например, линзой, на его отражающей поверхности 84, возвращаются снова к прохождению через фазовую пластину 80 и повторно входят в световод 66 через поверхность 78. Теперь s-поляризованные световые волны отражаются от поляризационного светоделителя 70 и выходят из световода через выходную поверхность 86, прикрепленную к вспомогательной призме 54. Отражающие поверхности 76 и 84 могут быть выполнены обе с помощью металлического или диэлектрического покрытия.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 9, источник дисплея может быть LCD панелью, однако, существуют оптические системы, в которых особенно требуются характеристики изображения высокой яркости, где предпочтительно использовать устройство LCOS источника освещения в качестве источника освещения дисплея. Подобно LCD панелям, панели LCOS источника освещения содержат двумерный массив ячеек, заполненных жидкими кристаллами, которые закручиваются и выравниваются в ответ на управляющие напряжения. С LCOS источником освещения, однако, ячейки трансплантируются непосредственно на отражающий кремниевый чип. Когда жидкие кристаллы закручиваются, поляризация света или изменяется, или не изменяется после отражения зеркальной поверхностью описано ниже Это, вместе с поляризационным светоделителем, приводит к модуляции световых волн и создает изображение. Отражающая технология означает, что световые пучки освещения и формирования изображения делят одно и то же пространство. Оба этих фактора обуславливают добавление специального светоделительного оптического элемента к модулю для того, чтобы обеспечить возможность одновременной работы функций освещения и формирования изображения. Добавление такого элемента обычно усложняет модуль, и при использовании LCOS источника освещения в качестве источника освещения дисплея некоторые модули, использующие фронтальный вводящий элемент или складывающуюся призму, становятся даже больше. Например, вариант осуществления на фиг. 9 может быть модифицирован, чтобы приспособить LCOS источник освещения, вставив другой светоделитель между источником дисплея 64 и светоделителем +66. Однако, этот модифицированный вариант может быть проблематичным для систем со сравнительно широким FOV, в котором фокусное расстояние коллимирующего модуля короче чем при использовании оптический путь лучей, проходящих через светоделитель двойной конфигурации.
Чтобы решить эту проблему, как это видно из фиг. 10, предусмотрен модифицированный оптический компонент 90, в котором только одна отражающая поверхность 84 расположена в непосредственной близости к поверхности 78 световода 66. Следовательно, оптический путь через этот световод 66 значительно короче. Как показано, s-поляризованные световые волны 92, исходящие от источника освещения 94, входят в призму 96, отражаются поляризационным светоделителем 98 и освещают переднюю поверхность LCOS источника освещения 100. Поляризация отраженных световых волн от "световых" пикселей поворачивается к р-поляризации и световые волны затем проходят через светоделитель 98, и как следствие, через поляризатор 102, который расположен между призмами 96 и 66 и блоки s-поляризованного света, который отражался от "темных" пикселей LCOS источника освещения 100. Световые волны затем входят в призму 66 и проходят через второй светоделитель 70, выводятся из призмы через поверхность 78 призмы 66, проходят через четвертьволновую фазовую пластину 80, коллимируются коллимирующей линзой 82 на ее отражающей поверхности 84, возвращаются снова к прохождению через фазовую пластину 80, и повторно входят в призму 66 через поверхность 78. Теперь s-поляризованные световые волны отражаются поляризационным светоделителем 70 и выходят из призмы 66 через выходную поверхность 86, которая прикреплена к вспомогательной призме 54.
sur3
Возвращаясь теперь к фиг. 9, на которой наклоненный край 50 расположен на стороне глаза пользователя 24, размеры оптической призмы 66, по существу, выступают за нижнюю основную поверхность 26 подложки 20, и только немного выступают за верхнюю поверхность 32. Это небольшое расширение может быть полностью устранено правильной конструкцией, например, небольшим увеличением угла α наклоненного края 50.
Для варианта осуществления, который проиллюстрирован на фиг. 10, однако, оптический компонент 90, по существу, выступает за нижнюю поверхность 26 подложки 20, а также за верхнюю поверхность 32.
Как проиллюстрировано на фиг. 11А, эта уникальная конфигурация может быть предпочтительной для оптических систем, в которых коллимирующий модуль образован из оптического компонента 90 по фиг. 10, имеющего призмы 66 и 96. Оптический компонент 90 устанавливается между оправой очков 104 и подложкой 20. В этом случае, наклоненный край 50 подложки 20 расположен на стороне, противоположной от глаза 24 пользователя. Световые волны вводятся в подложку 20 через наклоненный край 50 по направлению к основной поверхности 32, с поверхности 32 отражаются по направлению к частично отражающим поверхностям 22, и от них выходят из подложки через основную поверхность 32 по направлению к глазу пользователя 24. Даже при том, что имеется переднее удлинение 106 оптического компонента 90 в передней части очков, заднее удлинение 108 призмы 96 минимально, а весь оптический компонент 90, может быть легко интегрирован внутри оправы 104 очков.
Фиг. 11В представляет собой модификацию, основанную на оптическом модуле, проиллюстрированном на фиг. 9, в котором наклоненный край 50 подложки 20 расположен на стороне глаза 24 пользователя. Световые волны, выходящие из оптического компонента 90 вводятся в подложку 20 через наклоненный край 50, входят в подложку 20 по направлению к основной поверхности 26, от которой они отражаются по направлению к основной поверхности 32 и оттуда продолжаются по направлению к частично отражающим поверхностям 22, и выходят из подложки через основную поверхность 32 в направлении глаза пользователя 24.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение не ограничено подробностями вышеприведенных примеров вариантов осуществления и может быть осуществлено в других конкретных формах без отхода от его сути или существенных признаков. Приведенные варианты осуществления поэтому должны считаться во всех отношениях иллюстративными и не ограничительными, а объем изобретения определен в прилагаемой формуле изобретения, а не в вышеприведенном описании, и все изменения, которые подпадают под значение и серию эквивалентов пунктов формулы, поэтому считаются охваченными ими.