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CN113767320A - 光学系统 - Google Patents

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CN113767320A CN202080032708.9A CN202080032708A CN113767320A CN 113767320 A CN113767320 A CN 113767320A CN 202080032708 A CN202080032708 A CN 202080032708A CN 113767320 A CN113767320 A CN 113767320A
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蒂莫西·J·林德奎斯特
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3M Innovative Properties Co
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Abstract

本发明公开了一种允许观察者(10)同时看到由电子显示器(20)产生的图像以及真实世界物体(30b)的光学系统(200)，该光学系统包括作为用于头戴式显示器的图像组合器的反射偏振器(41)和布置在同一组合器中的吸收偏振器(42)，以通过使来自该反射偏振器的环境反射最小化来减少眩光。为了防止吸收偏振器(42)阻挡线性偏振光源透射穿过组合器，提供弱吸收偏振器以允许偏振源的透射，同时仍使眩光最小化。

Description

光学系统
技术领域
本公开整体涉及用于显示图像的光学系统和透视光学系统。
背景技术
光学系统可包括在头戴式显示器(HMD)中以向观察者提供图像。光学系统可包括显示面板以及显示面板与观察者的眼睛之间的各种光学部件。
发明内容
本文所述的各个方面和实施方案涉及具有折叠光路的光学系统。
本说明书的一些方面涉及用于向观察者显示第一图像和第二图像的光学系统。光学系统包括不同的第一显示器和第二显示器以及光学叠堆。光学叠堆被构造为接收来自第一显示器的第一光线，并且反射所接收到的第一光线以供观察者观察。光学叠堆还被构造为接收来自第二显示器的不同于第一光线的第二光线，并且透射所接收到的第二光线以供观察者观察。光学叠堆包括面向第一显示器的反射偏振器，以及设置在反射偏振器上并且面向第二显示器的吸收偏振器。反射偏振器和吸收偏振器中的每一者包括正交的透光轴和阻光轴。对于波长在约400nm至约700nm的范围内的基本上为法向的入射光，反射偏振器反射沿反射偏振器的阻光轴偏振的入射光的至少70％，并且透射沿反射偏振器的透光轴偏振的入射光的至少70％。吸收偏振器吸收沿吸收偏振器的阻光轴偏振的入射光的至少50％和至多85％，并且透射沿吸收偏振器的透光轴偏振的入射光的至少70％。反射偏振器的阻光轴和吸收偏振器的阻光轴彼此成介于约5度至约40度之间的角度。
本公开的一些其他方面涉及用于向观察者显示虚拟图像的透视光学系统。该系统包括被构造为发射具有第一偏振态的第一图像的第一显示器，以及沿两个相互正交的方向弯曲的光学叠堆。光学叠堆被构造为接收所发射的第一图像并且反射所接收到的第一图像以供观察者观察。观察者观看第一图像的放大的虚拟图像，并且能够通过光学叠堆接收并看到真实世界场景中的偏振的真实世界物体。对于具有在预定波长范围内的至少一个波长并且沿基本上为法向的入射方向传播的光，光学叠堆反射沿第一偏振态偏振的入射光的至少70％，并且吸收具有正交的第二偏振态的入射光的至少50％和至多85％。当光学叠堆围绕从偏振的真实世界物体入射在光学叠堆上的光连续地旋转至少180度时，该偏振的真实世界物体保持可被观察者观察到。
本申请的这些方面和其它方面根据下面的具体实施方式将是显而易见的。然而，在任何情况下都不应将上面的总结理解为是对所要求保护的主题的限制，该主题仅仅由所附权利要求限定。
附图说明
将参考附图更详细地讨论本公开的各个方面，其中，
图1是根据本公开的某些方面的光学系统的示意图；
图2是根据某些实施方案的穿过反射偏振器和吸收偏振器的各个轴线的光的角取向的示意图；
图3是示出具有反射偏振器的光学系统中的透射率的曲线图；
图4是示出具有吸收偏振器的光学系统中的透射率的曲线图；并且
图5是示出具有反射偏振器和吸收偏振器的组合的光学系统中的透射率的曲线图。
图未必按照比例绘制。图中使用的相似数字指代相似的部件。然而，应当理解，在给定图中使用数字指代部件不旨在限制另一图中用相同数字标记的部件。
具体实施方式
本说明书的光学系统可用于头戴式显示器中，以在薄型紧凑系统中提供宽视场。在一些实施方案中，光学系统包括一个或多个光学透镜以及反射偏振器和吸收偏振器，该反射偏振器和吸收偏振器中的每一者可设置在一个或多个透镜上或该透镜中，以在图像源和观察者之间提供折叠光学路径。
作为用于具有线性偏振显示器的头戴式显示器(HMD)的图像组合器的反射偏振器产生高显示效率以及世界视图的有效透射率。然而，环境光的约50％从组合器反射，从而产生眩光。例如，对于查看HMD的用户的某个人，环境光将从组合器反射并且可能使得难以通过组合器观察用户的眼睛。为了减轻眩光，可以将吸收偏振器集成到反射偏振器组合器中，以形成“双偏振器组合器”。吸收偏振器吸收原本会被组合器中的反射偏振器反射的同一偏振态的光，因此减轻眩光。
在一些情况下，“双偏振器组合器”可以阻挡来自偏振源的透射，该偏振源例如有源矩阵液晶显示器如TV、计算机监视器、ATM、自助服务机等，以及用于数字计算器、时钟、手表、仪表板等中的分段液晶显示器。通常，这些偏振显示器具有0度、45度或90度的偏振取向。为了减轻阻挡来自偏振源的透射的“双偏振器组合器”的问题，可以将吸收偏振器旋转到上述三个优选取向中的一个优选取向以外的角度。例如，可将吸收偏振器旋转至15度或35度。在这种情况下，来自具有三个优选取向中的一个优选取向的偏振源的光将被“双偏振器组合器”透射。
在HMD用户旋转其头部的一些情况下，当吸收偏振器轴线与偏振源轴线对准时，偏振源的图像仍可被双偏振器组合器阻挡。
本公开的光学系统包括作为用于头戴式显示器的图像组合器的反射偏振器。吸收偏振器布置在同一组合器系统中，以通过使来自反射偏振器的环境反射最小化来减少眩光。为了防止吸收偏振器阻挡线性偏振光源(如液晶显示器)透射穿过组合器，提供弱吸收偏振器以允许偏振源的透射，同时仍使眩光最小化。
如图1和图2示意性地示出，用于向观察者(10)显示第一图像和第二图像的光学系统(200)包括不同的第一显示器(20)和第二显示器(30)。在一些实施方案中，第一显示器(20)可为电子显示器。在一些其他实施方案中，第二显示器(30)可为电子显示器(30a)，其中该电子显示器(30a)可发射偏振光。在一些方面，电子显示器(20,30a)包括液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)显示器中的一者或多者。在一些实施方案中，电子显示器可如图所示为基本上平坦的或平面的，或可为弯曲的，或可包括相对于彼此以钝角设置的多个平坦的或平面的面板。电子显示器(30a)可为广告牌等。在一些其他方面，第二显示器(30)是真实世界场景中的真实世界物体(30b)。
光学系统(200)包括光学叠堆(40)。在一些实施方案中，光学叠堆(40)为弯曲的。光学叠堆(40)被构造为接收来自第一显示器(20)的第一光线(50)，并且反射所接收到的第一光线(50)以供观察者观察。光学叠堆还被构造为接收来自第二显示器(30)的不同于第一光线(50)的第二光线(60a,60b)，并且透射所接收到的第二光线(60a,60b)以供观察者观察。
在一些实施方案中，光学叠堆包括面向第一显示器(20)的反射偏振器(41)，以及设置在反射偏振器(41)上并且面向第二显示器(30)的吸收偏振器(42)。吸收偏振器可经由粘合剂层(43)(诸如光学透明的粘合剂等)附接到反射偏振器。反射偏振器(41)可为宽带反射偏振器或陷波反射偏振器。在一些实施方案中，反射偏振器(41)可为高对比度反射偏振器。在一些实施方案中，反射偏振器(41)可包括线栅反射偏振器和多层聚合物反射偏振器中的一者或多者。在其他实施方案中，反射偏振器(41)可为多层光学膜偏振器。
反射偏振器(41)具有正交的透光轴(A1)和阻光轴(B1)。吸收偏振器(42)具有正交的透光轴(A2)和阻光轴(B2)。在一些实施方案中，对于波长在约400nm至约700nm的范围内的基本上为法向的入射光，反射偏振器(41)反射沿反射偏振器(41)的阻光轴(B1)偏振的入射光的至少70％，并且透射沿反射偏振器(41)的透光轴(A1)偏振的入射光的至少70％。吸收偏振器(42)吸收沿吸收偏振器(42)的阻光轴(B2)偏振的入射光的至少50％和至多85％，并且透射沿吸收偏振器(42)的透光轴(A2)偏振的入射光的至少70％。在一些实施方案中，吸收偏振器吸收沿吸收偏振器的阻光轴(B2)偏振的入射光的至少60％和至多85％。在一些其他实施方案中，吸收偏振器吸收沿吸收偏振器的阻光轴(B2)偏振的入射光的至少60％和至多80％。在一些其他实施方案中，吸收偏振器吸收沿吸收偏振器的阻光轴(B2)偏振的入射光的至少70％和至多85％。在其他实施方案中，吸收偏振器吸收沿吸收偏振器的阻光轴(B2)偏振的入射光的至少70％和至多80％。
例如，如图3中以图形方式表示，对于波长在约400nm至约700nm的范围内的基本上为法向的入射光，具有多层光学膜的光学系统(诸如高对比度双分组反射偏振器)中的透射率在透光轴中为约85％至90％，并且在阻光轴中为极少透射至没有透射。
在另一种情况下，如图4中以图形方式表示，对于波长在约400nm至约700nm范围内的基本上为法向的入射光，具有弱吸收偏振器的光学系统中的透射率在透光轴中为约75％至约85％，并且在阻光轴中为约10％至35％。
在一些方面，反射偏振器(41)的阻光轴(B1)和吸收偏振器(42)的阻光轴(B2)彼此成角度(偏差)(θ)。角度(θ)可介于约5度至约40度之间。在一些实施方案中，反射偏振器(41)的阻光轴(B1)和吸收偏振器(42)的阻光轴(B2)之间的角度(θ)可介于约10度至约30度之间，或介于15度至25度之间。
例如，图5示出了具有反射偏振器和弱吸收偏振器的组合的光学系统中的透射率，其中反射偏振器的阻光轴(B1)和吸收偏振器的阻光轴(B2)之间的角度(θ)为约22.5度。对于波长在约400nm至约700nm的范围内的基本上为法向的入射光，吸收偏振器透射沿吸收偏振器的阻光轴偏振的入射光的约5％。阻光轴上的此种透射可足以允许观察者看到例如发射偏振光的第二显示器(30a)。
本公开的另一个实施方案涉及用于向观察者(10)显示虚拟图像(21)的透视光学系统(200)。系统包括第一显示器(20)和光学叠堆(40)，该第一显示器被构造为发射具有第一偏振态(x)的第一图像(50)，该光学叠堆沿两个相互正交的方向(x,y)弯曲。观察者(10)的目镜与光学叠堆(40)一起形成由第一显示器(20)发射的图像(50)的放大的虚拟图像(21)。
光学叠堆(40)被构造为接收所发射的第一图像(50)并且反射所接收到的第一图像(50)以供观察者(10)观察。观察者观看第一图像(20)的放大的虚拟图像(21)，并且能够通过光学叠堆(40)接收并看到真实世界场景中的偏振的真实世界物体(30a)。在一些方面，对于具有在预定波长范围内的至少一个波长并且沿基本上为法向的入射方向(71)传播的光(70)，光学叠堆(40)反射沿第一偏振态偏振的入射光的至少70％，并且吸收具有正交的第二偏振态(y)的入射光的至少50％和至多85％。当光学叠堆(40)围绕从偏振的真实世界物体(30a)入射在光学叠堆(40)上的光(60a)连续地旋转至少180度时，偏振的真实世界物体(30a)保持为观察者可观察的。
在一些方面，透视光学系统(200)的光学叠堆(40)包括面向第一显示器的反射偏振器(41)，以及设置在反射偏振器(41)上并且面向偏振的真实世界物体(30a)的吸收偏振器(42)。反射偏振器和吸收偏振器(41,42)中的每一者具有正交的透光轴(A1,A2)和阻光轴(B1,B2)。反射偏振器(41)的阻光轴(B1)可沿第一偏振态取向。
对于波长在预定波长范围内的基本上为法向的入射光，反射偏振器(41)反射沿反射偏振器的阻光轴(B1)偏振的入射光的至少70％，并且透射沿反射偏振器(41)的透光轴(A1)偏振的入射光的至少70％。吸收偏振器(42)吸收沿吸收偏振器的阻光轴(B2)偏振的入射光的至少50％和至多85％，并且透射沿吸收偏振器的透光轴(A2)偏振的入射光的至少70％。反射偏振器(41)的阻光轴(B1)和吸收偏振器(42)的阻光轴(B2)彼此成角度(θ)。角度(θ)可介于约5度至约40度之间。在一些实施方案中，反射偏振器(41)的阻光轴(B1)和吸收偏振器(42)的阻光轴(B2)之间的角度(θ)可介于约10度至约30度之间，或介于15度至25度之间。
在一些方面，预定波长范围为约400nm至约700nm。在一些方面，预定波长范围可为蓝色波长范围、或绿色波长范围、或红色波长范围。至少一个波长可包括至少一个蓝色波长、至少一个绿色波长和至少一个红色波长。
除非另外指明，否则针对附图中元件的描述应被理解为同样应用于其他附图中的对应的元件。虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。

Claims (10)

1.一种光学系统，用于向观察者显示第一图像和第二图像，所述光学系统包括：
不同的第一显示器和第二显示器；和
光学叠堆，所述光学叠堆被构造为接收
来自所述第一显示器的第一光线，并且反射所接收到的第一光线以供所述观察者观察；和
来自所述第二显示器的不同于所述第一光线的第二光线，并且透射所接收到的第二光线以供所述观察者观察，其中，所述光学叠堆包括：
反射偏振器，所述反射偏振器面向所述第一显示器；和
吸收偏振器，所述吸收偏振器设置在所述反射偏振器上并且面向所述第二显示器，所述反射偏振器和所述吸收偏振器中的每一者包括正交的透光轴和阻光轴，使得对于波长在约400nm至约700nm的范围内的基本上为法向的入射光：
所述反射偏振器反射沿所述反射偏振器的所述阻光轴偏振的所述入射光的至少70％，并且透射沿所述反射偏振器的所述透光轴偏振的所述入射光的至少70％；并且
所述吸收偏振器吸收沿所述吸收偏振器的所述阻光轴偏振的所述入射光的至少50％和至多85％，并且透射沿所述吸收偏振器的所述透光轴偏振的所述入射光的至少70％，
其中所述反射偏振器的所述阻光轴和所述吸收偏振器的所述阻光轴彼此成介于约5度至约40度之间的角度。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第二显示器是真实世界场景中的真实世界物体。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述反射偏振器包括线栅反射偏振器和多层聚合物反射偏振器中的一者或多者。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述反射偏振器的所述阻光轴和所述吸收偏振器的所述阻光轴之间的所述角度介于约10度至约30度之间。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述吸收偏振器透射沿所述吸收偏振器的所述阻光轴偏振的所述入射光的约5％。
6.一种透视光学系统，用于向观察者显示虚拟图像，所述透视光学系统包括：
第一显示器，所述第一显示器被构造为发射具有第一偏振态的第一图像；和
光学叠堆，所述光学叠堆沿两个相互正交的方向弯曲，并且被构造为接收所发射的第一图像并且反射所接收到的第一图像以供所述观察者观察，所述观察者观看所述第一图像的放大的虚拟图像，所述观察者能够通过所述光学叠堆接收并看到真实世界场景中的偏振的真实世界物体，使得对于具有在预定波长范围内的至少一个波长并且沿基本上为法向的入射方向传播的光，所述光学叠堆
反射沿所述第一偏振态偏振的所述入射光的至少70％；以及
吸收具有正交的第二偏振态的所述入射光的至少50％和至多85％，
其中当所述光学叠堆围绕从所述偏振的真实世界物体入射在所述光学叠堆上的光连续地旋转至少180度时，所述偏振的真实世界物体保持能够被所述观察者观察到。
7.根据权利要求6所述的透视光学系统，其中所述预定波长范围为约400nm至约700nm。
8.根据权利要求6所述的透视光学系统，其中所述预定波长范围为蓝色波长范围。
9.根据权利要求6所述的透视光学系统，其中所述至少一个波长包括至少一个蓝色波长、至少一个绿色波长和至少一个红色波长。
10.根据权利要求6所述的透视光学系统，其中所述光学叠堆包括：
反射偏振器，所述反射偏振器面向所述第一显示器；和
吸收偏振器，所述吸收偏振器设置在所述反射偏振器上并且面向所述偏振的真实世界物体，所述反射偏振器和所述吸收偏振器中的每一者包括正交的透光轴和阻光轴，使得对于波长在所述预定波长范围内的基本上为法向的入射光：
所述反射偏振器反射沿所述反射偏振器的所述阻光轴偏振的所述入射光的至少70％，并且透射沿所述反射偏振器的所述透光轴偏振的所述入射光的至少70％；并且
所述吸收偏振器吸收沿所述吸收偏振器的所述阻光轴偏振的所述入射光的至少50％和至多85％，并且透射沿所述吸收偏振器的所述透光轴偏振的所述入射光的至少70％，
其中所述反射偏振器的所述阻光轴和所述吸收偏振器的所述阻光轴彼此成介于约5度至约40度之间的角度，并且
其中所述反射偏振器的所述阻光轴沿所述第一偏振态取向。
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