头戴式显示器的光学装置的制作方法

1.本发明涉及光学系统和显示技术领域，尤其涉及一种头戴式显示器的光学装置。


背景技术：

2.头戴式显示器(head mounted display，hmd)广泛应用于各种领域，包括工程设计，医学手术实践，军事模拟实践和视频游戏。例如，用户在玩视频游戏时佩戴hmd，用户可以在虚拟环境中获得更多的交互体验。与其他类型的显示设备不同，hmd直接戴在用户的头上，因此hmd可以直接与用户的面部接触，但是这也会带来两方面的问题。一方面，hmd内部使用了一定数量的led芯片，这些芯片产生的大量热量会直接辐射到用户的面部，给用户带来不适；另一方面，典型的主动冷却装置，例如风扇，用于冷却hmd内部的电路，这些冷却装置通常是笨重且昂贵的，从而增加了hmd的尺寸，重量和成本。因此，以上两方面的问题致使hmd不适合长时间（超过1小时）的戴在用户的头上。美国专利us20200200962a1在侧入式的背光模组上设置多个提取特征，其具有跨越波导的一个或多个表面的空间分布。多个提取特征将来自波导的光向外耦合并且空间分布使得向外耦合的光具有第一非均匀亮度分布以补偿显示面板非均匀亮度分布，使得引导到用户眼睛的图像光具有目标亮度分布。但是，侧入式的背光模组增加了hmd的重量和能耗，因而直下式mini led背光模组提供了更优的解决方案。
3.但是，采用直下式mini led背光模组作为背光源时，一方面需要提高和增强hmd图像成像的对比度和亮度；另一方面，hmd也不能使用过多的mini led芯片或者高密度排布的mini led背光模组，因为这样会增加能耗，而且散热问题也难以解决。为此，为采用更少的mini led芯片或密度更低的直下式mini led背光模组，在不增加能耗和解决散热问题的同时，提升直下式mini led背光模组的面光源传输到lcd面板进行图像成像的光能利用率，同时能够保持hmd图像成像的对比度和亮度。那么同时达到以上参数要求，就需要尽可能的减少直下式mini led背光模组的面光源传输到用户眼睛的光学过程中的光学损失。但是，以上需求对光学系统的设计提出了非常高的要求。
4.另外，传统的光学装置的角发散的范围可超过160度，甚至接近180度，在直接观看时，这种广角光通常并不引起非期望的视觉效果。然而，当在虚拟现实或增强现实的hmd中采用传统的光学装置时，广角发射的光以超出透镜成像能力的入射角照在hmd的透镜上时，此类光将不能正确地成像到用户的一只或两只眼睛，也即是，以超出hmd的一个或多个透镜的聚焦能力的角度射入的光会导致非期望的视觉效果，例如泛光照明、重影、眩光、散射和其他杂散光效果。这种杂散的非成像光可导致虚拟现实或增强现实hmd的用户体验到非期望的视觉伪影。为此减小光学装置的角发散范围是解决上述视觉伪影问题的关键。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种出光角度窄、光学损失少的头戴式显示器的光学装置。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种头戴式显示器的光
学装置，其包括：直下式mini led背光模组，其用于产生面光源；光纤膜，其包括光纤阵列，所述光纤阵列的一端具有用于接收所述面光源的耦合光输入表面，所述光纤阵列的另一端具有物理上面向眼睛方向并用于发射光的耦合光输出表面，其中，所述耦合光输入表面的表面积不小于所述耦合光输出表面的表面积以提升所述面光源的出光亮度；lcd面板，利用辐射到其上的所述面光源来产生显示图像，所述lcd面板设置在所述光纤膜的出光面上并与所述耦合光输出表面对准；成像透镜，设置在所述lcd面板的出光面上并与所述lcd面板的出光面对准，以在佩戴头戴式显示器时，使得从所述lcd面板发出的显示图像聚焦到眼睛。
7.所述直下式mini led背光模组的出光面上设置有多个微透镜结构，所述微透镜结构与所述光纤阵列中的光纤形成周期性对应分布。所述lcd面板为扭曲向列型lcd面板。
8.光学装置的光学路径本发明的光学装置的光学路径简化为5个阶段：a)第一阶段，从直下式mini led背光模组辐射出来的面光源，先经直下式mini led背光模组出光面上的微透镜结构进行折射和全反射，使得面光源的出光角度会有一定的偏转，趋向于准直光，从而使得出射光能够在光纤的纤芯和包层之间的界面发生全内反射而传播，减少因出射光辐射至包层而造成的光学损失，增加光在光纤内的光能传递效率。
9.b)第二阶段，光入射光纤膜后，光在光纤的纤芯中实现全反射传输。在该阶段中，光纤损耗可以被忽略。同时，光在光纤中传输时，基本上不会发散或者是会聚，这样限制了光纤膜的出光的角度，实现窄角度出光。进一步的，结合耦合光输入表面的表面积不小于耦合光输出表面的表面积。因此，光在光纤中传输前后的能量接近无损的条件下，通过耦合光输出表面收窄出光面积，导致光通量（luminous flux）提升，增加出光亮度。
10.c)第三阶段，从光纤膜辐射的窄角度、高亮度的出光，入射lcd面板产生高对比度的显示图像。因lcd面板呈现的图像是立体曲面的效果，会出现图像显示的非均匀性，mini led背光模组中光源的可控性，能够对头戴式显示器(hmd)视场图像进行全视场光学补偿，改善显示图像的均匀性，实现高亮度、高对比度、区域调光(local dimming，hdr)型显示。进一步的，lcd面板为采用tn型液晶面板，在虚拟现实或增强现实的hmd，用户的视角是固定的，tn型液晶面板的小视角出光正好满足需求，再结合光纤膜中的光纤本身就能够收窄出光角，tn型液晶面板的使用能够进一步限制出射光的扩散，实现窄角度出光，还能够减少光损。
11.d)第四阶段，从lcd面板辐射的窄角度、高亮度的出光，入射成像透镜。
12.e)第五阶段，成像透镜校正与图像光相关联的光学像差，并且将校正后的图像光呈现给头戴式显示器的用户。
13.本发明的光学装置，其一，由于每个微透镜结构和每个光纤一一对应设置，一方面可以使直下式mini led背光模组的面光源出光更加均匀；另一方面使得面光源的出光角度会有一定的偏转，使得进入光纤的光其入射角都在光纤的接收锥范围内，从而使得出射光能够在光纤膜内发生全反射，从而才能使得光沿着光纤传输而不会泄露出去，进而增加光在光纤膜内的光能传递效率。由于光在光纤膜内传输后不会扩散或会聚，使得经光纤膜传
播的出射光具有窄角度出光，并入射到lcd面板上进行图像显示。其二，mini led背光模组中的每个光源都是可驱动控制开闭的，能够对头戴式显示器(hmd)视场图像进行全视场光学补偿，实现高亮度背光、区域调光(local dimming，hdr)型背光。再结直下式合mini led背光模组的出光面设置的微透镜结构，不仅光损少、出光均匀，而且实现全视场的光学补偿，使得头戴式显示器(hmd)显示的曲面图像能够实现均匀高亮度，提高显示图像质量，给用户提供更优质的视场体验。其三，由于耦合光输入表面的表面积不小于耦合光输出表面的表面积，这使得射入到耦合光输入表面的面光源的光线量不小于耦合光输出表面射出的光线量，不仅可以提高面光源的出光亮度，而且使得直下式mini led背光模组的出光经光纤膜后，其出光的视角进行了收窄，提高面光源出光的亮度，提高lcd面板显示图像的亮度，进而使得佩戴头戴式显示器的成像更为清晰和明亮。
14.优选的，组成所述光纤阵列的各个光纤的直径，其在组成所述耦合光输入表面的输入端的横截面大于组成所述耦合光输出表面的输出端的横截面。
15.优选的，所述光学装置还包括折射材料层，其设置在所述耦合光输出表面和所述lcd面板之间，所述折射材料层具有大于空气的折射率，以收窄所述显示图像的视场角度。
16.优选的，所述折射材料层为具有电活性折射率可控的材料层。
17.优选的，述光纤阵列的外侧表面设置有阻止光外漏的第一反射性材料。
18.优选的，组成所述光纤阵列的各个光纤的外侧表面设置有能使光在光纤中实现全反射的第二反射性材料。
19.优选的，所述光纤膜还包括：第一光扩散层，其设置在所述耦合光输入表面的一侧；第二光扩散层，其设置在所述耦合光输出表面的一侧。
20.优选的，所述光纤阵列的延伸方向垂直于所述耦合光输出表面。
21.优选的，所述耦合光输入表面倾斜于所述耦合光输出表面。
附图说明
22.本发明及其优点将通过研究以非限制性实施例的方式给出，并通过所附附图所示的特定实施方式的详细描述而更好的理解，其中：图1是根据一个或多个实施例的头戴式显示器的立体图。
23.图2是根据一个或多个实施例的光学装置的爆炸视图。
24.图3是根据一个或多个实施例的光学装置的结构示意图。
25.图4是根据一个或多个实施例的设有微透镜结构的mini led背光模组之结构示意图。
26.图5是根据一个或多个实施例的单个微透镜结构的光学路径图。
27.图6是根据一个或多个实施例的光在光纤内全反射传输的光学路径图。
28.图7是根据一个或多个实施例的光在微透镜结构与光纤之间传输的光学路径图。
29.图8a是根据一个或多个实施例的光纤膜的截面视图。
30.图8b是另一根据一个或多个实施例的光纤膜的截面视图。
31.图9是根据一个或多个实施例的单个光纤的结构示意图。
32.图10是根据一个或多个实施例的光在光纤膜和lcd面板中传输的光学路径图。
33.图11是根据一个或多个实施例的光在光学装置中传输的光学路径图。
34.图12是根据一个或多个实施例的人工现实系统的框图。
具体实施方式
35.请参照附图中的图式，其中相同的组件符号代表相同的组件，本发明的原理是以实施在一适当的环境中来举例说明。以下的说明是基于所示例的本发明的具体实施例，其不应被视为限制本发明未在此详述的其它具体实施例。
36.本说明书所使用的词语“实施例”意指用作实例、示例或例证。此外，本说明书和所附权利要求中所使用的冠词“一”一般地可以被解释为意指“一个或多个”，除非另外指定或从上下文清楚导向单数形式。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.此外，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
41.本公开的实施例一种头戴式显示器的光学装置，其可以包括或结合人工现实系统来实现。人工现实系统是在呈现给用户之前已经以某种方式调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)、混杂现实、或其一些组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与捕获的(例如，现实世界)内容组合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其它某种组合，并且它们中的任何一个可以在单通道中或在多通道(诸如向观看者产生三维效果的立体视频)中呈现。另外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使
用(例如，在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，包括连接到主机系统的头戴式显示器或头戴式显示器(hmd)、独立ned、移动设备或计算系统、能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台、或其某种组合。
42.头戴式显示器，图1是根据一个或多个实施例的头戴式显示器100的结构示意图。在所示的实施例中，头戴式显示器100是hmd。头戴式显示器100可以是人工现实系统的一部分。在描述ar系统和/或mr系统的实施例中，头戴式显示器100的前侧110的部分在可见光波段(380nm至750nm)中至少部分透明，并且头戴式显示器100的位于头戴式显示器100的前侧110和用户的眼睛之间的部分至少部分透明(例如，部分透明的电子显示器)。
43.如图1所示，头戴式显示器100向佩戴者提供人工现实(例如，虚拟的、增强的等)内容。头戴式显示器100包括前刚性体120和绑紧带130。前刚性体120包括深度相机组件(dca)、照明孔140、成像孔150、背光显示组件(未示出)、惯性测量单元170、一个或多个位置传感器180和基准点190。
44.深度相机组件(dca)被配置为确定围绕头戴式显示器100的一些或全部的局部区域的深度信息。dca的照明源通过照明孔140发射红外光(例如，结构光、用于飞行时间的闪光照明等)。dca的成像设备捕获来自照明源的光，该光通过成像孔150从局部区域反射。dca使用捕获的图像从局部区域确定深度信息。
45.如图2和图3所示，头戴式显示器的光学装置也设置于前刚性体120内，光学装置包括直下式mini led背光模组301、光纤膜201、lcd面板401和成像透镜501。成像透镜501距离用户的眼睛最近，直下式mini led背光模组301距离用户眼睛最远。光纤膜201和lcd面板401位于直下式mini led背光模组301与成像透镜501之间，且lcd面板401靠近成像透镜501，光纤膜201靠近直下式mini led背光模组301。直下式mini led背光模组301产生面光源。光纤膜201内设有光纤阵列，并且光纤阵列由若干个光纤组成。光纤是一种圆柱形介质光纤膜201（非导电光纤膜201），通过全反射过程沿其轴传输。其中，光纤由包层2012、和被包层2012包围的纤芯2011组成，两者均由介电材料制成。面光源的光入射到光纤并在光纤内传输。lcd面板401接受来自光纤膜201的光，并将面光源的光产生显示图像。在佩戴头戴式显示器时，成像透镜501将lcd面板401发出的显示图像聚焦到用户眼睛中。如图2所示，前刚性体120内设有光学支架601，直下式mini led背光模组301、光纤膜201、lcd面板401和成像透镜501都安装固定在光学支架601上。为实现成像透镜501的可靠固定，成像透镜501的外边缘卡持在透镜框602中，透镜框602安装固定在光学支架601上。
46.如图3和图4所示，直下式mini led背光模组301的出光面上设置有多个微透镜结构3011，每个微透镜结构3011对应光纤膜201中的光纤阵列中的每个光纤形成一一对应分布。微透镜结构3011为凹入直下式mini led背光模组301的出光面的凹面透镜。由于每个微透镜结构3011和每个光纤一一对应设置，一方面可以使直下式mini led背光模组301的面光源出光更加均匀。另一方面使得面光源的出光角度会有一定的偏转，趋向于准直光。如图5所示，由于微透镜结构3011在直下式mini led背光模组301的出光面形成若干凹陷空腔，一般情况下，这些凹陷空腔中均填充着空气介质，而本领域技术人员应当可以理解，空气的折射率小于大多数已知材料的折射率。入射光穿过具有不同的折射率的材质时，满足斯涅尔定律(snell’s law)，即ni*sinδ＝nt*sinθ，其中，ni的含义为入射光一侧材料的折射率，δ的含义为入射角度，nt的含义为透射光一侧材料的折射率，θ的含义为出射角度。根据斯涅
尔定律(snell’s law)的原理，当光线相遇或入射到具有较小折射率的介质时，部分光线被从法线以大于入射角δ的相对于法线的出射角度θ折射。然而，以表面的法线方向射入介质的相遇表面(在本实施例中为材料-空气边界)的入射光(例如图5中的光线1a)不被折射而是继续以其入射方向沿直线传播。图5中的光线以相对于微透镜结构3011表面的法线成2α角度的入射角到达微透镜结构3011与空气介质的相遇表面，由于光线的入射角2α不等于零(0)，根据斯涅尔定律，光线以具有与入射角2α不同角度值的出射角2β被折射进入空气介质，光线发生折射，由于空气介质的折射率小于微透镜结构3011的折射率，光线的入射角2α小于其出射角2β。再结合如图5所示，经传输进入微透镜结构3011的光线以相对于其表面的法线的入射角3a到达微透镜结构3011和空气介质的相遇表面，光线的入射角3α大于该相遇表面处的临界角δc，在这种情况下，光线不射出微透镜结构3011，并在微透镜结构3011的表面发生反射，这被称为“全内反射”（total internal reflection，tir），使得入射角大于3α的出射光都能够“全内反射”到微透镜结构3011，再以入射角小于3α的方向射出，这能够减损光的损失。如上所述，当光线从具有较高反射系数的材料传播到具有较低反射系数的材料时，光线将根据上面阐明的斯涅尔定律公式而表现。根据该公式，随着入射角度的增加，出射角θ将会接近90度。然而，以临界角δc，以及对于所有大于临界角δc的角度，将会发生全内反射(即光线不是被折射而是将被反射并且通过表面传播)。正如本领域内技术人员将理解的那样，根据斯涅尔定律通过将出射角(折射角)设定为90度并且解出入射角来确定临界角δc。微透镜结构3011使得面光源的出光角度会有一定的偏转，趋向于准直光，从而使得出射光能够在光纤的纤芯2011和包层2012之间的界面发生全内反射而传播（如图7所示），减少因出射光辐射至包层2012而造成的光学损失，增加光在光纤内的光能传递效率。直下式mini led背光模组301的其它细节可以在例如中国专利申请cn113325628a和中国专利申请cn113376900a中找到，其全文通过引用结合于此。
47.结合图3所示，光纤膜201包括光纤阵列，光纤阵列由若干个光纤组成。光纤是一种圆柱形介质光纤膜201（非导电光纤膜201），通过全反射过程沿其轴传输。光纤由包层2012、被包层2012包围的纤芯2011组成，两者均由介电材料制成。为了将光信号限制在纤芯2011中，纤芯2011的折射率必须大于包层2012的折射率。介质的折射率是通过将真空中的光速初一该介质中的光速来计算的。因此，根据定义，真空的折射率为1。折射率越大，光在介质中传播的速度越慢。当在光密介质中传播的光以陡峭的角度（大于边界的临界角）撞击边界时，光被完全反射，这称为“全内反射”，如图6所示。这种效应用于光纤中以将光限制在纤芯2011中。光穿过光纤纤芯2011，在纤芯2011和包层2012之间的边界来回反射。因为光必须以大于临界角的角度撞击边界，所以只有在一定角度范围内进入光纤的光才能沿着光纤传播而不会泄露出去。这个角度范围称为光纤的接收锥。根据此原理，如图7所示，微透镜结构3011使一定的偏转，使得面光源的出射光在进入光纤时，结合图6所示，必须以大于临界角的角度传递到光纤的纤芯2011和包层2012之间的边界，也即是只有入射到光纤的入射光是在光纤的接收锥θ范围内，才能实现全反射，进而才能使得光沿着光纤传输而不会泄露出去（如图7所示，入射角2α的光经微透镜结构3011折射后，光的出射角2β的角度在光纤的接收锥θ范围内，能够实现全反射，如图7中反射的实线箭头所示，避免了辐射到包层2012上的光损失，如图7中射出包层2012上的虚线箭头所示），进而能够减少光损。由于光在光纤内以准直光传输，使得经光纤传输的出射光具有窄角度出光，并入射到lcd面板401上进行图像显
示。一般来说，准直光是其光线基本上平行的光，因此准直光在其传输使基本上不发散或会聚。然而如应用于本文所述的实施方案，应当理解的是，所谓的准直光或准直层不需要指代完全准直的光，而是指代基本上准直的光束的光，并因此可能存在的光的一些发散或会聚。
48.根据图7所示的微透镜结构3011和光纤模之间的光路图。一方面，直下式mini led背光模组301发出的光经微透镜结构3011会发生偏转，例如入射角2α变成出射角2β，使得进入光纤的光其入射角都在光纤的接收锥θ范围内，从而实现全反射，减少光损；另一方面，直下式mini led背光模组301发出的光经微透镜结构3011会发生偏转，使得部分光在微透镜结构3011内实现全反射，减少大角度出射光的光损，例如入射角3α的光线的全反射光光路，又反射回了微透镜结构3011，再将微透镜结构3011反射折射后射出，这样使得直下式mini led背光模组301出光更为均匀，也能够增强面光源的出光强度；第三个方面，头戴式显示器(hmd)给用户呈现的是一个曲面的视场，所以会造成显示图像的非均匀性，而直下式mini led背光模组301为面光源正好能够解决这个问题，因为直下式mini led背光模组301中的每个光源都是可驱动控制开关的，能够对头戴式显示器(hmd)视场图像进行全视场光学补偿，例如若某区域的图像显示不够更亮，则自动调控增加此区域中点亮光源的密度值，若某区域的图像显示不够暗，则自动调控降低此区域中点亮光源的密度值。因此，直下式mini led背光模组301能够实现高亮度背光、区域调光(local dimming，hdr)型背光等，再结合直下式mini led背光模组301的出光面设置的微透镜结构3011，不仅光损少、出光均匀，而且实现全视场（field of view，fov）的光学补偿，使得头戴式显示器(hmd)显示的曲面图像能够实现高亮度和高亮度均匀度，提高显示图像质量，给用户提供更优质的沉浸式视场体验。
49.补充解释：1、视场（field of view，fov）是在任何给定时刻看到的可观察世界的范围。在头戴式显示器(hmd)中，视场是人眼对显示图像敏感的立体角。
50.2、头戴式显示器(hmd)上视场（fov）的限制因素是成像透镜501，而非瞳孔。为了得到更宽广的视场，需要缩短瞳孔与成像透镜501间的距离，或增加成像透镜501的大小。
51.如图3、图8a和图8b，光纤阵列的入光面具有用于接收面光源的耦合光输入表面2013，光纤阵列的出光面具有物理上面向眼睛方向并用于发射光的耦合光输出表面2014，且耦合光输入表面2013的表面积不小于耦合光输出表面2014的表面积，例如耦合光输入表面2013中单个光纤的面为斜面，耦合光输出表面2014为竖直的平面，如图8a所示。例如耦合光输入表面2013的整个面为斜面，耦合光输出表面2014为竖直的平面，如图8b所示。当然，耦合光输入表面2013也可以为波浪形，耦合光输出表面2014为竖直的平面，同时满足耦合光输入表面2013的表面积不小于耦合光输出表面2014的表面积。这使得射入到耦合光输入表面2013的面光源的光线量不小于耦合光输出表面2014射出的光线量，这不仅可以提高面光源的出光亮度，而且使得直下式mini led背光模组301的出光经光纤模后，其出光的视角进行了收窄，提高面光源出光的亮度，提高lcd面板401显示图像的亮度，进而使得佩戴头戴式显示器的成像更为清晰和明亮。从直下式mini led背光模组301发出来的光，先经微透镜结构3011进行折射和全反射，提高出光均匀度，减少光损，减小出光角度，然后光射入光纤膜201，光在光纤的纤芯2011中实现全反射传输，因辐射至包层2012光损非常低，而且光在光纤中传输时，基本上不会发散或者是会聚，这样保证了光纤膜201的出光的角度的限制，实现窄角度出光，再结合耦合光输入表面2013的表面积不小于耦合光输出表面2014的表面
积，提升出光亮度，接着，窄角度高亮度均匀的光射入lcd面板401成型高对比度的显示图像，因lcd面板401呈现的图像是立体曲面的效果，会出现图像显示的非均匀性，直下式mini led背光模组301中光源的可控性能够进行全视场光学补偿，改善显示图像的均匀性。
52.本实施例中，光纤膜201是紧密贴合在lcd面板401的入光面，使得光纤膜201与lcd面板401的入光面之间几乎没有间隙，进一步能够减少光损。光纤膜201与直下式mini led背光模组301的出光面之间需要保留足够的间隙，因为直下式mini led背光模组301的led工作时会造成直下式mini led背光模组301发生一定的膨胀，若光纤膜201与直下式mini led背光模组301之间的间隙太小，待直下式mini led背光模组301热膨胀后将挤压光纤膜201，而光纤膜201中的光纤的主要成分是高纯度石英玻璃，压缩会造成光纤的结构破损，导致不可恢复的功能性损伤，因此，将光纤膜201紧密地贴合在lcd面板401的入光面，而lcd面板401其本身是没有多少能力输入和输出的，能够对光纤膜201起到很好的保护作用。
53.在可选的实施例中，lcd面板401采用扭曲向列型lcd面板。扭曲向列型lcd面板401也即是tn（twisted nematic display）型液晶面板。做简单的tn型液晶面板包括两个偏光片、两个带有透明电极的玻璃基板、ito（氧化锡）和夹在电极之间的薄液晶材料层。tn型液晶面板的优点是成本低，制造工艺简单，而且功耗低，有更快的响应时间（~1ms）和速度，其缺点是出光视角比较小。因虚拟现实或增强现实的hmd，用户的视角是固定的，tn型液晶面板的小视角出光正好满足需求，再结合光纤膜201中的光纤本身就能够收窄出光角，tn型液晶面板的使用能够进一步限制出射光的扩展，实现窄角度出光，再结合tn型液晶面板低成本、低功耗和高的响应速度(刷新率超过120hz)，还能有效避免hmd的眩晕感觉。
54.lcd面板401能够生成包括非均匀亮度分布的图像光，成像透镜501将从lcd面板401接收的光引导到用户眼睛，如图3所示。成像透镜501包括将图像光引导到用户眼睛的一个或多个光学元件。光学元件可以是光圈、菲涅耳透镜、折射透镜、反射表面、波片(例如四分之一波片)、衍射元件、光纤膜201、反射器(全反射器或部分反射器)、滤光器、影响从lcd面板401发射的图像光的任何其他合适的光学元件、或其一些组合。此外，成像透镜501可以包括不同光学元件的组合。在一些实施例中，成像透镜501中的一个或多个光学元件可以具有一个或多个涂层，例如抗反射涂层、二向色涂层等。在一些实施例中，存在多个光学元件，包括至少第一光学元件和第二光学元件，它们一起形成折叠光学系统(即，光在离开成像透镜501之前至少一次朝向lcd面板401反射回来)。在一些实施例中，扁平形透镜组件是折叠光学系统的示例。扁平形透镜组件的其它细节可以在例如美国专利申请第15/441,738号、美国专利申请第15/335,807号和第15/179,883号中找到，其全文通过引用结合于此。
55.在一些实施例中，成像透镜501放大从lcd面板401接收的光，并校正与图像光相关联的光学像差，并且将校正后的图像光呈现给头戴式显示器100的用户。通过成像透镜501对图像光的放大，允许lcd面板401的元件在物理上更小、重量更轻并且比更大的显示器消耗更少的功率。另外，放大可以增加显示的视场。例如，几乎所有显示的视场都被使用(例如，110度对角线)，并且在一些情况下，用户的所有视场别用于呈现所显示的媒体。
56.lcd面板401，利用辐射到其上的面光源来产生显示图像，lcd面板401设置在光纤膜201的出光面上并与耦合光输出表面2014对准，即光纤膜201直接贴在lcd面板401上，光纤膜201与lcd面板401之间留有尽可能少的间隙，减少光在空气层中传输的损失。
57.光纤膜201中的光纤阵列由多个光纤组成，各个光纤的直径，其输入端的横截面大
于其输出端的横截面，从而耦合光输入表面2013的表面积不小于耦合光输出表面2014的表面积。例如，如图8a和图8b所示，通过设置光纤阵列的延伸方向垂直于耦合光输出表面2014，耦合光输入表面2013倾斜于耦合光输出表面2014，也可以保耦合光输入表面2013的表面积不小于耦合光输出表面2014的表面积。
58.光纤膜201还可以包括：包括第一光扩散层和第二光扩散层，第一光扩散层设置在耦合光输入表面2013的一侧，第二光扩散层设置在耦合光输出表面2014的一侧。第二光扩散层或第一光扩散层外可以设有粘接层。光纤膜201通过粘接层粘结在lcd面板401。该粘接层、第一光扩散层和第二光扩散层可以均为透明膜层。其中，第二光扩散层的折射率可以小于光纤的折射率，进一步缩窄光的出光角。第一光扩散层和第二光扩散层均可以由透明树脂材料制成。通过设置该第一光扩散层和第二光扩散层，还可以避免光纤膜201中的多个光纤受到损伤，延长该光纤膜201的使用寿命。
59.为进一步减少光损，光纤阵列的四周外侧表面设置有阻止光外漏的第一反射性材料。第一反射性材料包括对可见光具有高反射率的铝（al）、银(ag)、汞(hg)等金属材料，或者布拉格反射结构材料，以及高分子材料中的至少一种。
60.同理，组成光纤阵列的各个光纤的包层2012的四周外侧表面设置有能使光在光纤中实现全反射的第二反射性材料，或者在各个光纤的包层2012之间的间隙内填充有第二反射性材料。该第二反射性材料的折射率比光纤的折射率要低，以光在每个光纤内都实现全反射，进一步减少光在光纤内的泄露，减少光损。具体的，每个光纤的结构（如图9所示）包括最内部的纤芯2011，纤芯2011外包裹有包层2012。光纤组合部件的具体尺寸可参考如下设置，例如纤芯2011直径为800μm，包层2012直径为1000μm。
61.在一些实施例中，光学装置还包括折射材料层，其设置在第二光扩散层和lcd面板401之间，折射材料层具有大于空气的折射率，以收窄led面板的显示图像的视场角度。优选的，折射材料层为具有电活性折射率可控的材料层，通过通电与否就能够控制折射材料的折射率，实现出射光的收窄，使得收窄led面板的显示图像的视场角度能够全部通过成像透镜501进入用户的眼睛。
62.本实施例中，光学装置的光学路径如图10和图11所示，图10表示光在光纤膜201中传输减少光损的光路图，图11表示光在光纤膜201和lcd面板401中传输减少光损的光路图。
63.本实施例的光学装置的光学路径简化为五个阶段，具体如下：第一阶段，如图10所示，从直下式mini led背光模组301辐射出来的面光源，先经直下式mini led背光模组301出光面上的微透镜结构3011进行折射和全反射，使得面光源的出光角度会有一定的偏转，趋向于准直光（结合图7所示），从而使得出射光能够在光纤的纤芯2011和包层2012之间的界面发生全内反射而传播（在图10中，光纤中实线箭头为能在光纤中传输的光，穿出光纤膜201的虚线箭头为在不设置光纤膜201情况下，损失的光），因此能够减少甚至避免因出射光辐射至包层2012而造成的光学损失，增加光在光纤内的光能传递效率。具体光路原理如下：在图10中，部分大角度辐射至包层2012上光，本应如穿出光纤的虚线箭头所示损失掉，但因光纤的全内反射传播路径，辐射至包层2012上光实际上会走实线箭头所示的光路，从而能够减少甚至避免光的损失，同时实现窄角度出光。
64.第二阶段，光入射光纤膜201后，光在光纤的纤芯2011中实现全反射传输。在该阶段中，光纤损耗可以被忽略。同时，光在光纤中传输时，基本上不会发散或者是会聚，这样限
制了光纤膜201的出光的角度，实现窄角度出光（如图10和图11中从光纤膜出射光线）。进一步的，结合耦合光输入表面2013的表面积不小于耦合光输出表面2014的表面积。因此，光在光纤中传输前后的能量接近无损的条件下，通过耦合光输出表面2014收窄出光面积，导致光通量（luminous flux）提升，增加出光亮度。
65.第三阶段，从光纤膜201辐射的窄角度、高亮度的出光，入射到lcd面板401（如图11所示），lcd面板401产生高对比度的显示图像。因lcd面板401呈现的图像是立体曲面，会出现图像显示的非均匀性，mini led背光模组301中光源的可控性，能够对头戴式显示器(hmd)视场图像进行全视场光学补偿，改善显示图像的均匀性，实现高亮度、高对比度、区域调光(local dimming，hdr)型显示。由于lcd面板401为采用tn型液晶面板，在虚拟现实或增强现实的hmd，用户的视角是固定的，tn型液晶面板的小范围出光的视角正好满足需求（水平可视角度和垂直可视角度均小于90
°
），再结合光纤膜201中的光纤本身就能够收窄出光角，tn型液晶面板的使用能够进一步限制出射光的扩展，实现窄角度出光，tn型液晶面板还能够进一步减少光损，具体光路原理如图11中所示，入射到tn型液晶面板中的光，经tn型液晶面板收窄后，实际上会如图中实线箭头所示照射到成像透镜501，避免了如虚线箭头所示的本应该损失掉的光，同时实现窄角度出光。
66.补充解释：1、视角是评价液晶显示屏性能的非常重要的指标，它是指达到以下两方面视觉要求的可视范围。首先是对比度，一般要求10：1的对比度。其次是灰阶，要求没有灰阶反转。综合以上两方面的要求，视角定义为在无灰阶反转的角度范围内，对比度为10：1时的角度。
67.2、水平可视角度表示以显示屏的垂直法线（即显示器正中间的垂直假想线）为准，在垂直于法线的左侧或右侧一定角度的位置上仍然能正常的观看显示内容，这个角度范围就是液晶显示屏的水平可视角度。
68.3、垂直可视角度则是以显示屏的水平发现为准，上下两侧的能够正常观看图像的角度范围就是液晶显示屏的垂直可视角度。
69.第四阶段，如图11所示，从lcd面板401辐射的窄角度、高亮度的出光，入射成像透镜501。
70.第五阶段，成像透镜501校正与图像光相关联的光学像差，并且将校正后的图像光呈现给头戴式显示器的用户，如图11所示。
71.根据图12所示，lcd面板401根据从控制台701接收的数据向用户显示2d或3d图像。在各种实施例中，lcd面板401包括单个电子显示器或多个电子显示器(例如，用于用户的每只眼睛的显示器)。直下式mini led背光模组301为面光源组件，直下式mini led背光模组301提供耦合到光纤膜201中的光，光纤膜201将光沿着光纤再通过lcd面板401和成像透镜501导向用户的眼睛。lcd面板401根据数据对来自光纤膜201的外耦合光进行空间调制，以形成要向用户显示的图像光。例如，lcd面板401为tn型液晶面板，空间调制光以形成图像光的一些其它显示器，或其一些组合。来自lcd面板401的图像光被引导到成像透镜501。直下式mini led背光模组301的可控亮度空间分布可抵消由头戴式显示器100的其它部件产生的到达眼罩的图像光的亮度中的误差。
72.成像透镜501放大从lcd面板401接收的图像光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给头戴式显示器100的用户。成像透镜501包括多个光学元件(例
如，形成扁平形透镜组件的光学元件)。成像透镜501中包括的示例光学元件包括：光圈、fresnel透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、反射表面、或影响图像光的任何其他合适的光学元件。此外，成像透镜501可包括不同光学元件的组合。在一些实施例中，成像透镜501中的一个或多个光学元件可具有一个或多个涂层，例如部分反射或抗反射涂层。
73.成像透镜501对图像光的放大和聚焦允许lcd面板401在物理上更小、重量更轻和比更大的显示器消耗更少的功率。另外，放大可以增加由lcd面板401呈现的内容的视场。例如，所显示的内容的视场使得所显示的内容使用用户的视场中的几乎所有(例如，水平视场大约110
°
)，并且在一些情况下使用用户的视场中的所有来呈现。另外，在一些实施例中，可以通过添加或移除光学元件来调节放大的量。
74.在一些实施例中，成像透镜501可被设计成校正一种或多种类型的光学误差。光学误差的实例包括筒形或枕形失真、纵向色差或横向色差。其它类型的光学误差可进一步包括球面像差、色差、由于透镜场曲率引起的误差、像散、任何其它类型的光学误差或其某种组合。在一些实施例中，提供给lcd面板401用于显示的内容被预失真，并且当成像透镜501从lcd面板401接收基于内容生成的图像光时，成像透镜501校正失真。
75.惯性测量单元170是基于从一个或多个位置传感器180中接收的测量信号和从dca 160接收的深度信息来生成指示头戴式显示器100的位置的数据的电子设备。位置传感器180响应于头戴式显示器100的运动生成一个或多个测量信号。位置传感器180的示例包括：一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一合适类型的传感器、一种类型的用于惯性测量单元170的误差校正的传感器、或其一些组合。位置传感器180可以位于惯性测量单元170的外部、惯性测量单元170的内部或其某种组合。
76.基于来自一个或多个位置传感器180的一个或多个测量信号，惯性测量单元170生成指示头戴式显示器100相对于头戴式显示器100的初始位置的估计的当前位置的数据。例如，位置传感器180包括用于测量平移运动(向前/向后、向上/向下、向左/向右)的多个加速度计和用于测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、滚转)的多个陀螺仪。在一些实施例中，惯性测量单元170快速采样测量信号，并从采样数据计算头戴式显示器100的估计的当前位置。例如，惯性测量单元170随时间对从加速度计接收的测量信号积分以估计速度向量，并且随时间对的速度向量积分以确定头戴式显示器100上基准点的估计的当前位置。可选地，惯性测量单元170将采样的测量信号提供给控制台701，控制台701解译数据以减少误差。基准点是可用于描述头戴式显示器100的位置的点。基准点通常可定义为空间中的点或与hmd的定向和位置相关的位置。
77.惯性测量单元170从控制台701接收一个或多个参数。一个或多个参数用于保持头戴式显示器100的跟踪。基于接收到的参数，惯性测量单元170可以调整一个或多个imu参数(例如，采样速率)。在一些实施例中，某些参数使得惯性测量单元170更新基准点的初始位置，使得它对应于基准点的下一位置。将基准点的初始位置更新为基准点的下一校准位置，有助于减少与惯性测量单元170估计的当前位置相关联的累积误差。累积误差(也称为漂移误差)导致基准点的估测位置随时间“漂移”远离基准点的实际位置。在头戴式显示器100的一些实施例中，惯性测量单元170可以是专用硬件部件在其他实施例中，惯性测量单元170可以是在一个或多个处理器中实现的软件部件。
78.i/o接口801是允许用户从控制台701发送动作请求和接收响应的设备。动作请求
是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束图像或视频数据的捕获的指令，或者是在应用程序内执行特定动作的指令。i/o接口801可以包括一个或多个输入设备。示例的输入设备包括：键盘、鼠标、游戏控制器、或用于接收动作请求并将动作请求通信到控制台701的任何其他合适的设备。由i/o接口801接收的动作请求被传送到控制台701，控制台701执行与该动作请求相对应的动作。在一些实施例中，i/o接口801包括惯性测量单元170，惯性测量单元170捕获指示i/o接口801相对于i/o接口801的初始位置的估计的位置的校准数据。在一些实施例中，i/o接口801可以根据从控制台701接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时提供触觉反馈，或者控制台701向i/o接口801通信指令，使得i/o接口801在控制台701执行动作时产生触觉反馈。
79.控制台701向头戴式显示器100提供内容以根据从dca 160、头戴式显示器100和i/o接口801中的一个或多个接收的信息进行处理。在图12所示的示例中，控制台701包括应用程序存储器703、跟踪模块704和引擎702。控制台701的一些实施例具有与结合图12描述的模块或部件不同的模块或部件。类似地，下面进一步描述的功能可以以与结合图12描述的不同的方式分布在控制台701的组件之间。
80.应用程序存储器703存储一个或多个应用程序以供控制台701执行。应用程序是一组指令，当由处理器执行时，生成向用户呈现的内容。由应用程序生成的内容可以响应于经由头戴式显示器100或i/o接口801的移动从用户接收的输入。应用程序的示例包括：游戏应用程序、会议应用程序、视频播放应用程序或其他合适的应用程序。
81.跟踪模块704使用一个或多个校准参数来校准人工现实系统，并且可以调整一个或多个校准参数以减少在确定头戴式显示器100或i/o接口801的位置时的误差。例如，跟踪模块704向dca 160传送校准参数，以调整dca 160的焦点，从而更准确地确定由dca 160捕获的结构化光学元件的位置。由跟踪模块704执行的校准还考虑从头戴式显示器100中的惯性测量单元170和/或包括在i/o接口801中的惯性测量单元170接收的信息。另外，如果头戴式显示器100的跟踪丢失(例如，dca160丢失至少阈值数量的结构化光学元件的视线)，则跟踪模块704可以重新校准人工现实系统的一些或全部。
82.跟踪模块704使用来自dca 160、一个或多个位置传感器180、惯性测量单元170或其某种组合的信息来跟踪头戴式显示器100或i/o接口801的移动。例如，跟踪模块704基于来自头戴式显示器100的信息确定头戴式显示器100在局部区域的映射中的基准点的位置。跟踪模块704还可以分别使用来自惯性测量单元170的指示头戴式显示器100的位置的数据或者使用来自包括在i/o接口801中的惯性测量单元170的指示i/o接口801的位置的数据来确定头戴式显示器100的基准点的位置或者i/o接口801的基准点的位置。此外，在一些实施例中，跟踪模块704可以使用来自惯性测量单元170的指示位置或头戴式显示器100的数据的部分以及来自dca 160的局部区域的表示来预测头戴式显示器100的未来位置。跟踪模块704向引擎702提供头戴式显示器100或i/o接口801的估计或预测的未来位置。
83.引擎702基于从头戴式显示器100接收的信息生成围绕头戴式显示器100的一些或全部的区域(即，“局部区域”)的3d映射。在一些实施例中，引擎702基于从dca 160接收的与用于计算深度的技术相关的信息来确定用于局部区域的3d映射的深度信息。引擎702可以使用来自一个或多个偏振结构光图案计算深度的一个或多个技术，来计算深度信息。在各种实施例中，引擎702使用深度信息来例如更新局部区域的模型，并且部分地基于更新的模
型生成内容。
84.引擎702还执行在人工现实系统内的应用程序，并从跟踪模块704接收头戴式显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某种组合。基于所接收的信息，引擎702确定要提供给头戴式显示器100以呈现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则引擎702生成用于头戴式显示器100的内容，该内容反应用户在虚拟环境中或在用附加内容增强局部区域的环境中的移动。此外，引擎702响应于从i/o接口801接收到的动作请求，在控制台701上执行的应用内执行动作，并向用户提供执行该动作的反馈。所提供的反馈可以是经由头戴式显示器100的视觉或听觉反馈，或者经由i/o接口801的触觉反馈。
85.在使用相同类型的直下式mini led背光模组、lcd面板和成像透镜的参考条件下，通过实验对比本实施例的光学装置和具有用不同背光源单元替换的类似光学系统的相对效率，如表ⅰ所示。利用具有朗伯输出的背光源单元的光学系统的相对效率被定义为单位。然后将其他光学系统的相对效率定义为光学系统的出射光瞳1635处的亮度与具有朗伯输出的背光源单元的光学系统的出射光瞳1635处的亮度之比。直下式mini led背光模组301在使用光纤膜201的条件下，lcd面板的光输出在水平方向(lcd面板的宽度方向)上具有60
°
的半峰全宽(fwhm)并且在垂直方向(lcd面板的高度方向)上具有60
°
的半峰全宽，并且光学系统具有3.0的相对效率(亮度增加200%)。
86.表ⅰ：由表ⅰ可以看出：本发明的光学装置由于组合采用了直下式mini led背光模组301和光纤膜201，能够达到高亮度值600（nit）、收敛角为60度和光传输相对效率为3。
87.通过实验计算，比较本发明的光学装置与是否采用光纤膜、采用的是ips面板或tn面板等各种光学系统的相对效率，如表ⅱ所示。
88.表ⅱ：由表ⅱ可以看出：本发明的光学装置，由于直下式mini led背光模组301结合了光纤膜201和tn面板，能够达到更高的亮度值750(nit)和更高的光传输相对效率3.75。
89.虽然在上文中已经参考一些实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的各个实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来
使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。