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具有场曲率影响减轻的基于基板引导的光学系统

阅读：349发布：2020-05-08

专利汇可以提供具有场曲率影响减轻的基于基板引导的光学系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且透光基板具有至少第一主外表面和第二主外表面。电子显示源发出光波。耦合输入光学装置将来自电子显示源的光波耦合至透光基板中以实现经耦合输入的光波在透光基板的主外表面之间的全内反射。光学元件部署在从电子显示源穿过进入透光基板的光波的光路中。光学元件限定使穿过光波的光线发散或会聚的场曲率。透镜部署在光路中并且减小场曲率。电子显示源具有与减小的场曲率匹配的曲率以抵消由减小的场曲率引起的光线的发散或会聚。，下面是具有场曲率影响减轻的基于基板引导的光学系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光学系统，其特征在于，包括：
透光基板，其具有包括至少第一主外表面和第二主外表面的多个表面；
电子显示源，从所述电子显示源发出光波；
耦合输入光学装置，用于将从所述电子显示源发出的光波耦合至所述透光基板中以实现耦合输入的光波在所述透光基板的所述主外表面之间的全内反射；
至少一个光学元件，所述至少一个光学元件部署在从所述电子显示源穿过进入所述透光基板的光波的光路中，所述至少一个光学元件限定使穿过光波的光线发散或会聚的所述光学系统的场曲率；以及
至少一个透镜，所述至少一个透镜部署在位于所述电子显示源的下游且位于所述耦合输入光学装置的上游的所述光路中，其中，所述至少一个透镜产生部分补偿场曲率并且部分地补偿所述光学系统的场曲率以减小所述光学系统的场曲率，并且其中，所述电子显示源是弯曲显示源，所述弯曲显示源具有与所述光学系统的减小的场曲率匹配的曲率以抵消由减小的场曲率引起的穿过光线的发散或会聚。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜是正焦度透镜。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜是负焦度透镜。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜包括凹表面。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括：
照射棱镜组件，用于将来自照射器的光定向至所述电子显示源以激励所述电子显示源发出光波，并且用于将从所述电子显示源发出的光波定向成朝向所述耦合输入光学装置。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至所述照射棱镜组件的至少一部分。
7.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，所述照射棱镜组件包括至少一个棱镜和偏振敏感分束器，并且其中，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至所述至少一个棱镜的表面的至少一部分。
8.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，还包括：
光学模块，用于经由所述照射棱镜组件接收从所述电子显示源发出的光波，并且用于使接收到的光波准直并将经准直的光波定向至所述耦合输入光学装置。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至所述光学模块的至少一部分。
10.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述光学模块包括一对棱镜和偏振敏感分束器，并且其中，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至所述棱镜中的至少之一的表面的至少一部分。
11.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜部署在位于所述照射棱镜组件的下游且位于所述光学模块的上游的所述光路中。
12.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述光学模块包括所述至少一个光学元件。
13.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括：
光学模块，用于使从所述电子显示源发出的光波准直并且将经准直的光波定向至所述耦合输入光学装置。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其特征在于，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至所述光学模块的至少一部分。
15.根据权利要求13所述的光学系统，其特征在于，所述光学模块包括一对棱镜和偏振敏感分束器，并且其中，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至所述棱镜中的至少之一的表面的至少一部分。
16.根据权利要求13所述的光学系统，其特征在于，所述光学模块还包括至少一个准直透镜。
17.根据权利要求13所述的光学系统，其特征在于，所述光学模块包括限定所述光学系统的场曲率的所述至少一个光学元件。
18.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述电子显示源是微显示器。
19.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述电子显示源是有机发光二极管显示器。
20.一种光学系统，其特征在于，包括：
透光基板，其具有包括至少第一主外表面和第二主外表面的多个表面；
电子显示源，从所述电子显示源发出光波；
耦合输入光学装置，用于将从所述电子显示源发出的光波耦合至所述透光基板中以实现耦合输入的光波在所述透光基板的所述主外表面之间的全内反射；以及至少一个光学元件，所述至少一个光学元件部署在从所述电子显示源穿过进入所述透光基板的光波的光路中，所述至少一个光学元件限定使穿过光波的光线发散或会聚的所述光学系统的场曲率，并且其中，所述电子显示源是弯曲显示源，所述弯曲显示源具有与所述光学系统的所述场曲率匹配的曲率以抵消由所述场曲率引起的所述光线的发散或会聚。
21.根据权利要求20所述的光学系统，其特征在于，所述电子显示源是微显示器。
22.根据权利要求20所述的光学系统，其特征在于，所述电子显示源是有机发光二极管显示器。

说明书全文

具有场曲率影响减轻的基于基板引导的光学系统

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2018年5月27日提交的美国临时专利申请第62/677,001号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 本实用新型涉及基板引导光学装置，其包括由共同的透光基板承载的多个反射表面。

背景技术

[0004] 紧凑型光学元件的一个重要应用是在头戴式显示器(HMD)中，其中光学模块用作光学准直系统和合成器两者，其中二维图像源被成像为无限远并且被反射至观察者的眼睛中。显示源可以直接从空间光调制器(SLM)例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管阵列(OLED)、微型LED显示器、扫描源或类似装置获得，或者间接借助于中继透镜或光纤束获得。显示源包括由准直透镜成像为无限远并且通过反射或部分反射表面传输至观察者的眼睛中的元件(像素)的阵列，上述反射或部分反射表面分别用作用于非透视应用和透视应用的合成器。通常，常规的自由空间光学模块用于这些目的。然而，随着系统的期望视场(FOV)增加，这种常规的光学模块变得更大、更重且体积更大，因此，即使对于中等性能装置，诸如系统，也是不实际的。这是所有类型的显示器并且特别地在头戴式应用中的主要缺点，其中系统必须尽可能轻且紧凑。另外，与具有一定场曲率像差的准直系统结合使用的显示源的平坦性可能引起由观察者观看到的图像的劣化。

[0005] 对紧凑性的追求已经导致了若干不同的复杂光学解决方案，所有这些解决方案一方面对于大多数实际应用仍然不够紧凑，并且另一方面在可制造性方面存在主要缺点。此外，由这些设计得到的光学视角的眼睛动作区(EMB，eye-motion-box)的尺寸通常非常小，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运动，光学系统的性能也非常敏感，并且不允许足够的瞳孔运动以用于从这种显示器舒适地阅读文本。实用新型内容

[0006] 本实用新型涉及具有基板引导光学元件和各种场曲率减轻部件的光学系统，在某些实施方式中，包括减轻场曲率的影响的场透镜装置，场曲率的影响的减轻是与准直光学器件结合使用平坦电子显示源的结果。其他实施方式包括弯曲电子显示源，其具有与光学系统的场曲率匹配(或至少部分地匹配)的曲率，从而抵消(或至少部分地抵消)由穿过光学系统的光线的发散或会聚引起的场曲率的影响。在所有实施方式中，电子显示源发出光波，该光波耦合至基板引导光学元件中，并且随后从基板引导光学元件耦合至观察者(即，观看者)的眼睛中作为图像。基板引导光学元件有助于经耦合输出的图像的扩展，使得观察者的眼睛的平面处的光学孔径的尺寸大于元件的输入处的光学孔径的尺寸。替选地，这种扩展可以被称为孔径倍增。

[0007] 根据本实用新型的实施方式的教导，提供了一种光学系统。该光学系统包括：透光基板，其具有包括至少第一主外表面和第二主外表面的多个表面；电子显示源，从该电子显示源发出光波；耦合输入光学装置，用于将从电子显示源发出的光波耦合至透光基板中以实现耦合输入的光波在透光基板的主外表面之间的全内反射；至少一个光学元件，所述至少一个光学元件部署在从电子显示源穿过进入透光基板的光波的光路中，所述至少一个光学元件限定使穿过光波的光线发散或会聚的光学系统的场曲率；以及至少一个透镜，所述至少一个透镜部署在位于电子显示源的下游且位于耦合输入光学装置的上游的光路中，至少一个透镜产生部分补偿的场曲率并且部分地补偿光学系统的场曲率以减小光学系统的场曲率，并且电子显示源是弯曲显示源，其具有与光学系统的减小的场曲率匹配的曲率以便抵消由减小的场曲率引起的穿过光线的发散或会聚。

[0008] 可选地，所述至少一个透镜是正焦度透镜。

[0009] 可选地，所述至少一个透镜是负焦度透镜。

[0010] 可选地，所述至少一个透镜包括凹表面。

[0011] 可选地，光学系统还包括：照射棱镜组件，用于将来自照射器的光定向至电子显示源以激励电子显示源发出光波，并且用于将从电子显示源发出的光波定向成朝向耦合输入光学装置。

[0012] 可选地，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至照射棱镜组件的至少一部分。

[0013] 可选地，照射棱镜组件包括至少一个棱镜和偏振敏感分束器，并且所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至所述至少一个棱镜的表面的至少一部分。

[0014] 可选地，光学系统还包括：光学模块，用于经由照射棱镜组件接收从电子显示源发出的光波，并且用于使接收到的光波准直并将经准直的光波定向至耦合输入光学装置。

[0015] 可选地，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至光学模块的至少一部分。

[0016] 可选地，光学模块包括一对棱镜和偏振敏感分束器，并且所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至棱镜中的至少之一的表面的至少一部分。

[0017] 可选地，所述至少一个透镜部署在位于照射棱镜组件的下游且位于光学模块的上游的光路中。

[0018] 可选地，光学模块包括至少一个光学元件。

[0019] 可选地，光学系统还包括：光学模块，用于使从电子显示源发出的光波准直，并且将经准直的光波定向至耦合输入光学装置。

[0020] 可选地，所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至光学模块的至少一部分。

[0021] 可选地，光学模块包括一对棱镜和偏振敏感分束器，并且所述至少一个透镜的至少一部分光学地附接至棱镜中的至少之一的表面的至少一部分。

[0022] 可选地，光学模块还包括至少一个准直透镜。

[0023] 可选地，光学模块包括限定光学系统的场曲率的至少一个光学元件。

[0024] 可选地，电子显示源是微显示器。

[0025] 可选地，电子显示源是有机发光二极管显示器。

[0026] 根据本实用新型的教导的实施方式，还提供了一种光学系统。该光学系统包括：透光基板，其具有包括至少第一主外表面和第二主外表面的多个表面；电子显示源，从该电子显示源发出光波；耦合输入光学装置，用于将从电子显示源发出的光波耦合至透光基板中以实现耦合输入的光波在透光基板的主外表面之间的全内反射；以及至少一个光学元件，所述至少一个光学元件部署在从电子显示源穿过进入透光基板的光波的光路中，所述至少一个光学元件限定使穿过光波的光线发散或会聚的光学系统的场曲率，并且电子显示源是弯曲显示源，其具有与光学系统的场曲率匹配的曲率以抵消由场曲率引起的光线的发散或会聚。

[0027] 可选地，电子显示源是微显示器。

[0028] 可选地，电子显示源是有机发光二极管显示器。

[0029] 本公开内容的光学系统依赖于各种光学部件的组合，所述各种光学部件包括准直光学器件、各种棱镜组件(例如，照射和成像组件)以及上述基板引导光学元件和场透镜装置。这些部件的组合不是简单的组合，因为各个部件的具体设计参数是相互依赖的，并且根据光学系统的一个或多个其他部件或子部件的设计规范和独特属性来确定一个部件或子部件的设计规范。因此，通过本公开内容的光学系统的部件和子部件的组合产生协同作用，这有助于由观察者观看的图像的提高的品质。

[0030] 除非本文中另有定义，否则本文中使用的所有技术和/或科学术语具有与由本实用新型所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文中描述的那些类似或等同的方法和材料可以用于本实用新型的实施方式的实践或测试，但是下面描述了示例性方法和/或材料。在冲突的情况下，将以包括定义的专利说明书为准。另外，材料、方法和示例仅是说明性的，并非旨在限制。附图说明

[0031] 在本文中仅通过示例的方式参照附图描述了本实用新型的一些实施方式。详细地具体参照附图，要强调的是，所示的细节是作为示例并且出于本实用新型的实施方式的说明性讨论的目的。在这方面，通过附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何实践本实用新型的实施方式。

[0032] 现在关注附图，其中相似的附图标记或字符指示相应或相似的部件。在附图中：

[0033] 图1是根据本实用新型的实施方式的示例性光引导光学元件(LOE)的侧视图；

[0034] 图2是根据本实用新型的实施方式的照射棱镜组件和具有附接至其的场透镜的准直光学模块的示意图；

[0035] 图3是根据本实用新型的实施方式的具有附接至其的场透镜的照射棱镜组件的示意图；

[0036] 图4是根据本实用新型的实施方式的准直光学模块的示意图；

[0037] 图5是具有对称结构的LOE的配置的侧视图；以及

[0038] 图6是根据本实用新型的实施方式的来自弯曲的电子显示源的光线通过准直光学器件的穿过的示意图。

具体实施方式

[0039] 本实用新型涉及具有基板引导光学元件和场曲率影响减轻部件的光学系统，该场曲率影响减轻部件由准直光学器件与平坦电子显示结合使用而得到。在某些实施方式中，场曲率减轻由补偿光学系统的场曲率的场透镜实现。在这样的实施方式中，电子显示源发出光波，该光波通过耦合输入光学装置耦合至基板引导光学元件中，并且耦合输入的光波随后通过一个或多个部分反射表面从基板引导光学元件耦合输出至观察者(即，观看者)的眼睛中作为图像。场透镜通常部署在位于电子显示源的下游且位于耦合输入光学装置的上游的光学系统的光路中。在某些非限制性实现方式中，场透镜部署在位于照射棱镜组件的下游且位于准直光学模块的上游的光路中。

[0040] 在其他实施方式中，通过将电子显示源实现为具有与光学系统的场曲率匹配(或至少部分地匹配)的曲率的弯曲的显示源来实现场曲率减轻，从而抵消(或至少部分地抵消)由穿过光学系统的光线的发散或会聚引起的场曲率的影响。

[0041] 参照说明书附图，可以更好地理解根据本实用新型的光学系统的原理和操作。

[0042] 在详细解释本实用新型的至少一个实施方式之前，要理解的是，本实用新型在其应用上不一定限于在下面的描述中阐述的以及/或者在附图和/或示例中示出的构造的细节和部件的布置和/或方法。本实用新型能够具有其他实施方式或者能够以各种方式来实践或执行。首先，遍及本文件，对方向例如诸如上和下、顶和底等进行参考。这些方向性参考是示例性的，仅用于说明本实用新型及其实施方式。

[0043] 现在参照附图，图1示出了根据本公开内容的实施方式的光学系统的部件的截面图。光学系统包括平面透光基板10及相关联的部件(下文中也被称为光引导光学元件或“LOE”)。LOE用作光波导，其将光波从输入光学表面引导至输出光学表面。平面基板10包括彼此平行的主下表面16和主上表面18。耦合输入光学装置20由光波(由光线32表示)照射，该光波从电子显示源(图1中未示出)准直。根据某些实施方式，耦合输入光学装置20包括基板10的倾斜边缘22和棱镜24。边缘22以相对于基板10的主下表面16和主上表面18成一定倾斜角度取向，其中α边缘是边缘22与基板10的主下表面16和主上表面18的法线之间的角度。棱镜24包括三个主表面26、28、30，其中表面26靠近基板10的边缘22定位，并且表面28和30是抛光表面。在某些实施方式中，棱镜24的折射率类似于基板10的折射率，然而在其他实施方式中，棱镜24和基板10具有不同的折射率。光线32穿过表面28进入棱镜24。表面28优选地垂直于入射光线(即，光线32)的中心光波取向。然后，光线32穿过表面26以穿过边缘22进入基板10，从而光线32通过全内反射被捕获在LOE的平面基板10内部。在基板10的主下表面16和主上表面18的若干次反射之后，被捕获的波到达耦合输出光学装置12，耦合输出光学装置12将光波从基板10耦合至观看者的眼睛14的瞳孔15中，这形成由观看者观看到的图像。在某些优选实施方式中，耦合输出光学装置被实现为选择性部分反射表面的阵列。

[0044] 在本文中，LOE的输入表面将被视为输入光波穿过其进入LOE的表面，并且LOE的输出表面将被视为被捕获的波穿过其离开LOE的表面。在图1中所示的LOE的情况下，输入表面位于倾斜边缘22上，并且输出表面位于下表面16上。然而，设想其他配置，其中输入和图像波可以位于基板10的同一侧。在这样的配置中，耦合输入光学装置20可以通过反射表面实现，该反射表面以相对于基板10的主要下表面16和主上表面18成一定倾斜角度取向，使得LOE的输入表面位于主下表面16上，并且耦合输入反射表面反射入射光波，使得光通过全内反射被捕获在基板10内。还设想又一其他配置，其中输入表面位于上表面18上并且输出表面位于下表面16上。

[0045] 为了向观看者提供减小的像差的聚焦图像，照射耦合输入光学装置20的光波应该是平面光波，并且从电子显示源发出的光波的不同场的光线应该是尽可能接近彼此平行。准直光学器件的使用有助于至少部分地确保进入LOE的不同场的光线基本上彼此平行。然而，从电子显示源发出的光波可能受到场曲率的影响，这可能在如下情况下出现：要成像的物体是垂直于光学系统的光轴的大致平坦的物体，并且通过具有一定场曲率像差的准直光学器件来成像，如在电子显示源被实现为平坦显示源(例如，硅上液晶(LCOS)微显示器)的情况。对于对应于电子显示源的偏心像素的光波，尤其感受到场曲率的影响。场曲率使穿过光学系统的光波中的通过耦合输入光学装置20耦合至LOE中的一些光波成为具有发散或会聚光线(即，非平行光线)的非平面光波。由场曲率引起的非平面光波的影响在由观看者观看到的图像中表现为远离LOE的输入孔的视场的中心的散焦图像，以及图像中的离散跳跃。

[0046] 为了减轻场曲率的影响，在电子显示源与LOE之间的光路中部署场透镜。下面的段落描述了这样的场透镜的部署，特别是关于场透镜在光路中相对于电子显示源和光学系统的其他部件的位置。理想地，场透镜应该被定位成尽可能靠近电子显示源(即，尽可能靠近物体平面)，以便有利地影响更宽范围的从电子显示源发出的的光波的场。将明显的是，光学系统的照射组件和准直光学器件的光学设计可能限制场透镜与电子显示源的接近度。

[0047] 继续参照图1，现在参照图2，光学系统的电子显示源34、照射棱镜组件36和准直光学模块52。准直光学模块52部署在光学系统的在电子显示源34与LOE之间的光路中，以允许光波(和代表性光线)从电子显示源34穿过光学系统进入LOE，如将在下面更详细地讨论的。准直光学模块52包括一个或多个光学部件例如透镜66、72和棱镜62、68，上述光学部件当与平坦电子显示源结合使用时是光学系统的场曲率影响的驱动因素。因此，准直光学模块52的光学部件中的一个或多个构成限定光学系统的场曲率的光学元件，这导致了在至LOE的输入处的非平行光线束。电子显示源34优选地被实现为微显示器，其可以采用微显示器技术领域中已知的各种显示器之一的形式。在特定的非限制性实现方式中，电子显示源34被实现为LCOS微显示器。为了更好地描述场透镜相对于光学系统的光学部件的部署，随后在实现为LCOS微显示器的电子显示源34的非限制性上下文中描述了本公开内容的实施方式。
然而，注意，电子显示源34可以以包括例如有机发光二极管阵列(OLED)或其他合适的微显示器的其他方式来实现。

[0048] 继续参照图2，照射棱镜组件36接收来自照射源(未示出)的s偏振输入光波，其被偏振分束器44朝向电子显示源34反射，以照射电子显示源34的图像区域。响应于在电子显示源34的图像区域处的接收到的s偏振光波的照射，电子显示源34被激励(即，激活)以生成从电子显示源34的活性像素发出的p偏振光波38形式的相应像素输出。从特定活性像素发出的光波的光线对应于特定的场。p偏振光波38通过照射棱镜组件36的棱镜42的透光表面40耦合至照射棱镜组件36中。p偏振光波38穿过透射p偏振光并反射s偏振光的偏振分束器
44。偏振分束器44位于照射棱镜组件36的棱镜42的倾斜边缘表面与第二棱镜48的倾斜边缘表面之间。光波通过第二棱镜48的透光表面46耦合出照射棱镜组件36，并且然后穿过半波长延迟板50，该半波长延迟板50将光波转换为s偏振光。在进入准直光学模块52之前，现在的s偏振光波38穿过场透镜80，该场透镜80位于照射棱镜组件36与准直光学模块52之间的光路中。

[0049] 场透镜80产生补偿场曲率以便补偿光学系统的场曲率。场透镜80的光学特性(包括构成场透镜80的材料的折射率以及透镜表面的光焦度)能够产生补偿场曲率。场透镜80的补偿场曲率抵消由场曲率影响引起的光线的发散或会聚，并且有效地使光学系统的场曲率变平，从而能够在电子显示源34的位置处形成平坦的物体平面。场透镜80在视场的边缘处比在视场的中心处更具有光学活性(即，对与电子显示源34的偏心像素对应的场更活跃)。因此，场透镜80对来自电子显示源34的边缘处的像素的光线比对来自电子显示源34的中心附近的像素的光线施加更多的校正焦度。场透镜80可以根据从电子显示源34至LOE的输入光线的会聚或发散的方向被实现为正焦度透镜或负焦度透镜。

[0050] 由于场透镜80的光学特性(例如，场透镜80的折射率和场透镜80的表面的焦度)，通过由场透镜80对在相同场中的光线的折射来实现场曲率的平坦化。进入场透镜80的来自相同场的光线被场透镜80的光学表面折射，使得来自相同(即，共同)场的光线在至耦合输入光学装置20的输入处(即，在耦合至基板10中之前)彼此平行。尽管场透镜80在图2中被描绘为单个透镜，但是可以通过将场透镜80实现为不止一个透镜例如实现为双合透镜来实现场透镜的场曲率平坦化效果。在图2中的场透镜80的非限制性描绘中，场透镜80被实现为包括凹表面82和84的凹透镜。

[0051] 场透镜80可以部署在照射棱镜组件36与准直光学模块52之间的光路中的各个位置处，并且在各种实现方式中可以光学地附接至照射棱镜组件36或准直光学模块52的一部分。例如，在图2中所示的非限制性实现方式中，表面82的一部分例如经由光学粘合剂光学地附接至准直光学模块52的棱镜62的透光表面54。表面54用作准直光学模块52的输入表面。在另一非限制性实现方式中，场透镜80的表面84的部分可以例如，经由光学粘合剂光学地附接至延迟板50或者附接至照射棱镜组件36与延迟板50之间的第二棱镜48的表面46。在又一非限制性实现方式中，场透镜80可以机械地位于照射棱镜组件36与准直光学模块52之间的光路中，使得表面82和84都不光学地附接至照射棱镜组件36、延迟板50或准直光学模块52。机械定位可以经由附接至场透镜80的边缘表面的机械臂来实现，该场透镜80还可以附接至承载光学系统的主要部件的机械体。

[0052] 注意，场透镜80还可以被实现为平凹透镜，其中表面82不是凹表面，而是光学平坦(即，平面)表面。

[0053] 继续参照图2，离开场透镜80的s偏振光波38穿过表面54进入准直光学模块52。在位于准直光学模块52的棱镜62的倾斜边缘表面与第二棱镜68的倾斜边缘表面之间的偏振分束器74的反射之后，光波穿过准直光学模块52的上表面56耦合出准直光学模块52。然后，光波穿过四分之一波长延迟板64，由部件66例如透镜的反射表面67反射回以再次穿过延迟板64，并且通过表面56重新进入准直光学模块52。现在的p偏振光波穿过偏振分束器74，并且通过准直光学模块52的下表面58耦合出准直光学模块52。然后，光波穿过第二四分之一波长延迟板70，由第二部件72例如透镜的反射表面73反射回以再次穿过延迟板70，并且通过表面58重新进入准直光学模块52。现在的s偏振光波从偏振分束器74反射并且通过侧表面60离开准直光学模块52。部件66和72对光波的组合效果得到穿过准直光波的侧表面60离开准直光学模块52成为被准直的光波的光波。反射表面67和73可以通过金属或介电涂层来实现。离开准直光学模块52的s偏振光波被准直并受场透镜80影响，使得来自每个离散场的光线彼此平行。耦合出准直光学模块52的平行光线经由耦合输入光学装置20耦合至LOE中(如图1中的光线32所示)。

[0054] 在参照图1和图2描述的光学系统的实施方式中，场透镜80相对靠近电子显示源34定位。然而，由于光学系统的特定光学设计，电子显示源34与照射棱镜组件36的接近度防止场透镜80更靠近电子显示源34。在光学系统的替选实施方式中，照射棱镜组件和准直光学模块可以设计成沿不同的轴取向。在这样的实施方式中，场透镜可以甚至更靠近电子显示源定位，使得场透镜是电子显示源的最靠近的光学部件。

[0055] 继续参照图1和图2，现在参照图3至图5，根据本公开内容的实施方式的光学系统的各个部件。在该实施方式中，场透镜80是电子显示源34的最靠近的光学部件。此外，鉴于参照图1和图2描述的光学系统提供了一维孔径扩展的功能，图3至图5中所示的光学系统提供了二维上的孔径扩展的功能，即在第一维度(即，横向孔径扩展)上并且随后在与第一维度正交的第二维度(即，垂直孔径扩展)上。将在本公开内容的后续部分中更详细地描述二维孔径扩展光学系统的光学部件。

[0056] 参照图3，光学系统包括电子显示源34和照射棱镜组件90。类似于参照图1和2描述的，照射棱镜组件90接收来自照射源(未示出)的s偏振光波，该s偏振光波被偏振分束器100朝向电子显示源34反射以照射电子显示源34。照射电子显示源34的光波是s偏振的，并且电子显示源34的被照射的像素被激活以生成从电子显示源34的活性像素发出的p偏振光波38形式的相应像素输出。然后，p偏振光波穿过场透镜80。

[0057] 场透镜80可以部署在电子显示源34与照射棱镜组件90之间的光路中的各个位置处。具体地，场透镜80位于照射棱镜组件90的输入/输出表面与电子显示源34之间。输入/输出表面是照射棱镜组件90的棱镜94的透光表面92，其用作将来自照射源的光波从照射棱镜组件90耦合出至电子显示源34的输出表面以及将来自电子显示源34的光波耦合至照射棱镜组件90中的输入表面两者。

[0058] 类似于图2中所示的，图3中所示的场透镜80可以被实现为不止一个透镜，例如被实现为双合透镜。在图3中的场透镜80的非限制性实现方式中，场透镜80是凹透镜，其中表面82的一部分例如经由光学粘合剂光学地附接至表面92。在另一非限制性实现方式中，场透镜80的表面84的一部分可以例如经由光学粘合剂光学地附接至电子显示源34的输出表面。在又一非限制性实现方式中，场透镜80可以机械地定位在电子显示源34与照射棱镜组件90之间的光路中，使得表面82和84都不光学地附接至照射棱镜组件90或电子显示源34。

[0059] 在穿过场透镜80之后，p偏振光波38穿过表面92并且随后穿过偏振分束器100。偏振分束器100位于棱镜94的倾斜边缘表面与第二棱镜98的倾斜边缘表面之间。然后，通过穿过照射棱镜组件90的第二棱镜98的透光表面96，将p偏振光波38耦合出照射棱镜组件90。p偏振光波38耦合至准直光学模块中，该准直光学模块与照射棱镜组件90沿不同的轴取向。由于不同的轴向取向，耦合至准直光学模块中的照射棱镜组件90取向上的p偏振光波实际上是在准直光学模块取向上的s偏振光波。

[0060] 继续参照图3，现在参照图4，图4示出了准直光学模块104，其具有与照射棱镜组件90的轴向取向不同的轴向取向。准直光学模块104包括一个或多个光学部件，例如透镜112和棱镜116、118，上述光学部件是当与平坦显示源结合使用时光学系统的场曲率影响的驱动因素。因此，准直光学模块104的光学部件中的一个或多个构成限定光学系统的场曲率的光学元件，这导致在至LOE的输入处的非平行光线束。

[0061] 在偏振分束器106的反射之后，偏振分束器106位于准直光学模块104的第一棱镜116的倾斜边缘表面与准直光学模块104的第二棱镜118的倾斜边缘表面之间，光波穿过准直光学模块104的透光侧表面108被耦合出准直光学模块104。然后，光波穿过四分之一波长延迟板110，由部件112例如透镜在其反射表面113准直，返回再次穿过延迟板110，并且穿过表面108重新进入准直光学模块104。现在的p偏振光波穿过偏振分束器106并且穿过与表面
108相对的透光侧表面114被耦合出准直光学模块104。在某些实施方式中，p偏振光波穿过半波长延迟板120，其将光波转换为s偏振光。现在的s偏振光波38进入对称LOE以执行孔径扩展。在其他实施方式中，不存在半波长延迟板，并且进入对称LOE的光波是p偏振的。在又一的实施方式中，进入对称LOE的光波的偏振由对称LOE相对于准直光学模块104的轴向取向的轴向取向来确定。

[0062] 继续参照图3和图4，现在参照图5，对称LOE的非限制性实现方式。在非限制性实现方式中，对称LOE由两个相同的LOE构成，这两个相同的LOE在结构上与参照图1描述的LOE大致类似，其中若干关键的差异将变得明显。对称LOE的基板被细分为对应于顶LOE的基板的顶部10T以及对应于底LOE的基板的底部10B。构成对称LOE的LOE中的每个包括主下表面和主上表面，即顶LOE包括主下表面16T和主上表面18T，并且底LOE包括主下表面16B和主上表面18B。两个LOE还包括相应的耦合输入光学装置20T和20B，其将来自准直光学模块104的光波耦合至相应的顶部10T和底部10B中。与图1中所示的LOE的描绘相反，顶部10T和底部10B的边缘垂直于主下表面16T、16B和主上表面18T、18B，并且耦合输入光学装置20T和20B被实现为嵌入在相应的基板部分10T、10B内的部分反射表面。耦合输入的光波通过全内反射被捕获在相应的基板部分10T、10B内，并且通过相应的选择性部分反射表面12T、12B逐渐地耦合出。实际上，细分的部分10T、10B可以制造为单独的LOE，然后其通过两个基板部分10T、10B的粘合表面122附接。

[0063] 然后，从对称LOE耦合出的光波被耦合至附加的类似于参照图1描述的LOE的LOE中，以在与由对称LOE执行的孔径扩展维度正交的第二维度上进行孔径扩展。注意，本公开内容的实施方式的场曲率减轻方法与其他多维孔径扩展技术例如在申请人的共同拥有的美国专利第10,133,070号和美国专利申请序列号第15/978,139号中公开的那些技术组合考虑，其全部公开内容通过引用并入本文。

[0064] 尽管到目前为止所描述的光学系统涉及利用实现为一个或多个透镜的场透镜来减轻源于的大致平坦的电子显示源(即，电子显示源34)的场曲率的影响，但是可以有其他实施方式，其利用替代技术来减轻场曲率影响，显著地降低这种影响的程度或者完全防止场曲率现象的发生。在一个这样的实施方式中，电子显示源34被实现为弯曲显示源，例如弯曲的OLED微显示器。弯曲的显示源的曲率与光学系统的场曲率匹配。电子显示源34的匹配曲率使(弯曲的)电子显示源34能够抵消由场曲率影响引起的穿过光线(即，耦合至LOE中的光线)的发散或会聚。因为可以例如经由模拟或实验确定光学系统的场曲率，因此还可以确定匹配(或部分地匹配)光学系统的场曲率所需的弯曲显示器的曲率。通过利用弯曲的显示源，要成像的物体(即，物体平面)不再是平坦的，因此当观看由光学系统输出的图像时，消除了场曲率的影响。换句话说，来自准直光学系统例如准直光学模块52或104的出射光束(以及等效地，至LOE的入射光束)由平行光线组成。

[0065] 图6示出了根据本公开内容的实施方式的这样的弯曲电子显示源34的示意图。弯曲电子显示源34具有从其发出光波(即，光线38)的弯曲图像投射表面39，得到弯曲(即，非平坦)物体平面41。图6还示出了来自弯曲电子显示源34的光线38通过准直光学器件(例如，准直光学模块52或104)的穿过，该准直光学器件在附图中被示意性地描绘为单个透镜。可以看出，来自准直光学系统的出射光束由平行光线组成。

[0066] 在其他实施方式中，电子显示源34被实现为弯曲显示源，其具有与光学系统的场曲率部分地匹配的曲率，使得当仅依赖于弯曲显示源时，没有完全消除场曲率的影响。换句话说，电子显示源34的部分匹配的曲率使(弯曲的)电子显示源34能够部分地抵消由场曲率影响引起的穿过光线的发散或会聚。在这样的实施方式中，与前述实施方式的场透镜类似地部署的场透镜与弯曲电子显示源34结合使用以减轻场曲率的影响。这些实施方式可以用于有助于降低场透镜80的焦度要求，因为部分匹配的弯曲显示源降低(即，减小)场透镜80需要施加以折射会聚或发散光线的校正焦度的量。在这样的实施方式中，具有降低的校正焦度的场透镜80产生部分补偿的场曲率，其通过部分地抵消光线的发散或会聚来部分地补偿光学系统的场曲率。通过产生部分补偿的场曲率，场透镜80产生光学系统的减小(但仍然存在)的场曲率影响，该场曲率影响相对于如果光学系统不包括场透镜80而存在的场曲率影响减小。弯曲的电子显示源34的曲率与光学系统的减小的场曲率匹配以抵消由减小的场曲率引起的穿过光线的发散或会聚，从而减轻未完全由场透镜80减轻的剩余的场曲率的影响。

[0067] 根据本公开内容的实施方式的光学系统可以用作单目光学系统的一部分，其中图像被投射至观看者的单个眼睛中。替选地，可能需要将图像投射至观看者的双眼中，例如在平视显示器(HUD)应用和立体视觉系统中。在这样的替选方案中，可以使用两个光学系统，其中每个光学系统均部署有场透镜和/或弯曲显示源、照射棱镜组件、准直光学模块和LOE以用于将图像投射至观看者的不同的眼睛中。例如，采用两个光学系统的HUD可以安装在汽车驾驶员的前面，例如集成至车辆的仪表板中以便在低能见度条件下提供驾驶导航的帮助或者将热图像投射至驾驶员的眼睛中。在这样的实施方式中，可以部署热感摄像机以拍摄真实场景的热图像。然后，可以将热图像提供给电子显示源以使得能够将对应于热图像的光波耦合输入至LOE中。

[0068] 注意，对于在上述示例中已遵循特定偏振波路径的每个实例，偏振是可互换的。换句话说，在改变偏振分束器的取向时，每次提到的p偏振光可以由s偏振光代替，并且每次提到的s偏振光可以由p偏振光代替。因此，在上述示例中，在照射棱镜组件36和准直光学模块52中以及在照射棱镜组件90和准直光学模块104中的特定分束器的具体使用不旨在是限制性的，并且出于说明性的目的而提供以便更好地描述根据本公开内容的实施方式的光学系统的操作。

[0069] 尽管已经在被实现为LOE的光波导的背景内描述了本公开内容的实施方式的光学系统，但是本公开内容的光学系统可以适用于其他类型的光波导技术，包括依赖于衍射技术将光波耦合至光波传输基板中以及/或者耦合出光波传输基板的波导。例如，代替将耦合输出光学装置12实现为选择性部分反射表面的阵列，耦合输出光学装置12可以被实现为一个或多个衍射元件，其沿基板10的主下表面16的部分延伸。作为另一示例，代替将耦合输入光学装置20实现为与棱镜24一起的倾斜边缘22，或者实现为以一定的倾斜角度取向的反射表面，可以将耦合输入光学装置实现为衍射元件，其沿着平面基板10的主下表面16或主上表面18的一部分延伸。

[0070] 本公开内容的各种实施方式的描述已经出于说明的目的被呈现，但是不旨在穷举或者限于所公开的实施方式。在不脱离所描述的实施方式的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域普通技术人员来说将是明显的。本文中选择使用的术语是为了最好地解释实施方式的原理、实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或者为了使本领域普通技术人员能够理解本文中所公开的实施方式。

[0071] 如本文所用，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数指代。

[0072] 词语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。被描述为“示例性”的任何实施方式不一定要被解释为比其他实施方式优选或有利以及/或者排除来自其他实施方式的特征的结合。

[0073] 理解的是，为了清楚起见，在单独的实施方式的上下文中描述的本实用新型的某些特征也可以在单个实施方式中组合地提供。相反，为简洁起见，在单个实施方式的上下文中描述的本实用新型的各种特征也可以单独地提供或以任何合适的子组合提供，或者适合于本实用新型的任何其他描述的实施方式。在各种实施方式的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施方式的必要特征，除非该实施方式在没有那些元件的情况下不起作用。

[0074] 尽管已经结合本实用新型的具体实施方式描述了本实用新型，但是显然许多替选方案、修改和变型对于本领域技术人员而言将是明显的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有这些替选方案、修改和变型。

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