[发明专利]紧凑型头戴式显示系统

说明书

紧凑型头戴式显示系统。提供了光学装置，所述光学装置包括：具有至少两个主要表面和边缘的透光基片；用于将光波耦合到基片中以实现全内反射的光学元件；以及至少一个平坦反射表面，该平坦反射表面具有位于透光基片的两个主要表面之间的至少一个有效侧以用于将光波耦合离开基片，其特征在于，被捕获在基片内部的光波在被耦合离开基片之前被反射表面的有效侧反射至少两次。

本申请是申请号为201780024405 .0、申请日为2016年2月18日、题为“紧凑型头戴式显示系统”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及基片光波引导的光学装置，并且特别地涉及包括透光基片所带有的反射表面的装置。

本发明可以被实现成有利于大量成像应用（诸如，头戴式和平视显示器、蜂窝电话、紧凑型显示器、3-D显示器、紧凑型扩束器）以及非成像应用（诸如，平板指示器、紧凑型照明器和扫描仪）。

背景技术

紧凑型光学元件的重要应用之一是在头戴式显示器（HMD）中，其中，光学模块既用作成像透镜又用作组合器，其中二维显示被成像到无穷远并被反射到观察者的眼睛。显示器可以从诸如阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）、有机发光二极管阵列（OLED）或扫描源之类的空间光调制器（SLM）和类似装置直接获得，或借助于中继透镜或光纤束间接地获得。显示器包括由准直透镜成像到无穷远并且对于非透视和透视应用分别借助于用作组合器的反射或部分反射表面透射到观察者的眼睛中的元素（像素）阵列。通常，常规的自由空间光学模块被用于这些目的。随着系统的期望视场（FOV）增大，这种常规的光学模块变得更大、更重且更庞大，并且因此甚至对于中等性能的装置也是不切实际的。这对于所有类型的显示器来说是主要缺点，特别是在头戴式应用中，在头戴式应用中系统应当尽可能地轻且紧凑。

为紧凑性而作的努力已经导致若干个不同的复杂的光学方案，一方面，所有这些光学方案对于大多数实际应用来说仍然不是充分紧凑的，并且另一方面，所有这些光学方案在可制造性方面存在主要缺点。另外，由这些设计所产生的光学视角的眼睛运动框（EMB）通常非常小——通常小于8mm。因此，即使对于光学系统相对于观察者的眼睛的小的移动，光学系统的性能也非常敏感，并且不允许充分的瞳孔径运动以从这样的显示器方便地阅读文本。

发明内容

本发明有助于提供用于HMD以及其他应用的紧凑基片。本发明允许相对宽的FOV，以及相对大的EMB值。所得光学系统提供大的高质量图像，其还适应眼睛的大的运动。由本发明提供的光学系统是特别有利的，因为它比现有技术的实现方式显著地更紧凑，并且它仍能够被容易地集成，甚至集成到具有专门配置的光学系统中。

本发明的另一应用是提供具有宽FOV的紧凑型显示器，用于诸如蜂窝电话的移动手持应用。在今天的无线互联网接入市场中，足够的带宽可用于全视频传输。限制因素保持了最终用户的装置内的显示质量。移动性需求限制了显示器的物理尺寸，结果是具有差的图像观看质量的直接显示。本发明实现了具有大的虚像的物理上紧凑的显示器。这是移动通信中（特别是对于移动互联网接入来说）的关键特征，解决了其实际实现的主要限制之一。从而，本发明实现在诸如蜂窝电话之类的小型手持装置内观看全格式互联网页面的数字内容。

因此，根据具体需求，本发明的广泛目的是减轻现有技术的紧凑型光学显示装置的缺点，并提供具有改进性能的其它光学部件和系统。

因此，根据本发明，提供了光学装置，其包括：具有至少两个主要表面和边缘的透光基片；用于将光波耦合到基片中以实现全内反射的光学元件；以及至少一个平坦反射表面，该平坦反射表面具有位于透光基片的两个主要表面之间的至少一个有效侧（activeside）以用于将光波耦合离开基片，其特征在于，被捕获在基片内部的光波在被耦合离开基片之前被反射表面的有效侧反射至少两次。

附图说明

参照以下说明性附图结合某些优选实施例描述了本发明，以使得本发明可以更完整地被理解。