头戴式显示装置和光学显示系统的制作方法

头戴式显示装置和光学显示系统
1.资助性研究
2.本发明是在goertek电子有限公司依据项目6501-8684的资助下完成的。goertek电子有限公司拥有本发明中的某些权益。
技术领域
3.本公开涉及光学显示系统，更具体地，涉及头戴式显示装置和光学显示系统。


背景技术：

4.诸如头戴式显示器、平视显示器和通用成像系统等的显示装置要处理色差来改善成像质量。紧凑的色差校正系统将为此类显示装置带来许多好处。
5.例如，符合要求的虚拟现实(vr)头盔需要高质量的头戴式显示器(hmd)技术，这种技术能够在大视野内提供高成像质量，以便为用户提供身临其境的体验。常规技术下，hmd系统中仅采用单片透镜来放大显示面板，因为存在紧凑外形和轻重量的要求。然而，由于单片透镜的像差可控性有限，常规技术的vr hmd在边缘视场处存在显著的色差。使用传统的双片透镜可能导致重量较重并使得系统笨重。由此，实现了计算数字色差校正，特别是对于横向色差。在处理高分辨率图形时，计算数字色差校正将占用相当大的计算能力和存储器。因此，hmd中期望能够通过光学方法降低光学色差，以便提供高质量的虚拟图像，同时减轻计算图像处理的工作量。
6.hmd中的传统观看光学元件是由塑料制成的单片，以实现轻重量和批量生产的便利性。尽管采用复杂镜片堆叠能够有效地降低摄像器系统中的彩色和单色色差，但是观看光学组件可能太庞大且沉重以至于无法应用于头戴式应用。


技术实现要素：

7.本公开的一个目的是提供一种用于光显示系统的新技术解决方案。
8.根据本发明的第一方面，提供一种头戴式显示装置，包括：显示组件，该显示组件输出图像的光；透镜组件，该透镜组件被置于显示组件前方，以放大图像并产生第一方向的第一色差；以及平面光学组件，该平面光学组件被置于显示组件与透镜组件之间，其中该平面光学组件产生与第一方向相反的第二方向的第二色差以校正第一色差。
9.根据本公开的第二方面，提供一种光学显示系统，包括：第一圆偏振器，该第一圆偏振器将来自显示部件的图像的光转换成圆偏振光；平面光学组件；透镜组件，该透镜组件将图像放大并产生第一方向的第一色差；以及其中，该平面光学组件产生与第一方向相反的第二方向的第二色差以校正第一色差。
10.根据本公开的实施例，可以提供一种用于光学显示系统的紧凑外形。
11.从下文参考附图对根据本公开的示例性实施例的详细描述中，将显见到本公开的其他特征和其优点。
附图说明
12.并入本说明书并构成本说明书一部分的附图示出本公开的实施例，并且用于与其描述相结合来解释本发明的原理。
13.图1是根据本公开的示例性增强现实应用实施例的光学显示系统的示意性剖面图。
14.图2是根据一个实施例的平面光学组件的示意性剖面图。
15.图3是采用本公开中公开的色差校正技术的设备的初步实验结果。
16.图4是解释透镜组件和光学组件的色差的示意图。
17.图5是头戴式显示装置的示意图。
18.图6是具有平视显示器的车辆的示意图。
具体实施方式
19.现在将参考附图详细描述本公开的多种示例性实施例。应当注意，在这些实施例中阐述的部件和步骤、数值表达式和数值的相对设置并不会限制本公开的范围，除非另有明确地陈述。
20.下文对至少一个示例性实施例的描述本质上仅是说明性，绝对无意限制本发明、其应用或用途。
21.相关领域的技术人员公知的技术、方法和装置可能未做详细论述，但是在适当的情况下理应作为本发明的一部分。
22.在本文图示和论述的所有示例中，任何具体值应该被解释为仅是说明性和非限制性的。因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
23.要注意，相似的引用数字和字母指代后续附图中的相似的项，并且因此，一旦在一个附图中定义一个项，后续附图中可能不需要对其作进一步论述。
24.图5示出头戴式显示装置的示意图。头戴式装置40包括显示组件、透镜组件和平面光学组件。该显示组件、透镜组件和平面光学组件可以设在头戴式装置40的部件41内侧，并且可以是如图1所示的那些。头戴式显示装置40包括在其中支撑光学显示系统的支撑结构，并且由此可被观看者佩戴。
25.如图1所示，显示组件110输出图像的光。透镜组件121被置于在显示组件前方以放大图像。透镜组件121产生第一方向的第一色差。平面光学组件122被置于显示组件110与透镜组件121之间。平面光学组件122产生与第一方向相反的第二方向的第二色差以校正第一色差。
26.图4示出解释由透镜组件121和光学组件122执行的色差校正的示意图。在图4中，具有第一频率的第一光线，如红色光线被图示为虚线r，以及具有第二频率的第二光线，如蓝光线，被图示为实线b。
27.图4(a)示意性地示出经透镜组件121透射的光线。在图3中，第一光线r的焦距比第二光线b的焦距长。在图4(a)中，第一光线r会聚在较远位置处，而第二射线b聚集在较近的位置处。
28.图4(b)示意性地示出经光学组件122透射的光线。在图4(b)中，第二光线b的焦距比第一光线r的焦距长。在图4(a)中，第二光线b会聚在较远位置处，而第一光线r聚集在较
近的位置处。
29.图4(c)示意性地示出经由透镜组件121和光学组件122的组合透射的光线。因为光学组件122产生与透镜组件的方向相反的第二方向的第二色差，所以第一光线r和第二光线b会聚在相同位置处并且色差得以校正。
30.此处，光学组件122是平面的，并且因此能够提供紧凑外形。光学组件122的平面形状将有利于组装到头戴式显示装置中。紧凑的功能平面光学元件对于需要紧凑外形的应用具有某些优势。
31.在图1中，透镜组件121和光学组件122统一地指示为光学元件块120。它们可以组装在一起作为一个单元来出售。
32.来自显示组件110的光穿过光学元件块120，然后进入观看者的眼睛130。
33.显示组件或组装件110可以是常规lcd(液晶显示器)、oled(有机发光二极管)显示器、mini-led背光lcd、lcos(硅上液晶)显示器、micro-led显示器、光纤扫描显示器或本领域公知或将来出现的其他显示部件。显示部件110输出或适于输出偏振光(虚拟)图像。通常，如lcd和lcos显示器的显示部件产生偏振的输出。如果显示器输出不是固有偏振的，如由例如micro-led显示器、oled显示器或光纤扫描显示器所产生的光，则可以将偏振器和波片或延迟器设在如本领域中公知的显示器部件的外侧，以生成期望偏正态的输出光。来自显示部件110的光可以作为光线111按法向入射角透射光学元件块120，或作为光线112按斜向入射角透射。
34.透镜组件121可以是平凸透镜、双凸透镜、非球面透镜、菲涅耳透镜或以上透镜的混合类型。为了便于对准和固定，优选地使用与平面光学组件122相邻的菲涅耳或平面表面。为了便于对准和固定，透镜组件121具有朝向光学组件的平面表面。
35.透镜组件121可以是塑料透镜。例如，透镜组件121可以具有一个菲涅耳表面和一个非球面，两者都与平面光学组件122一起设计。或者，透镜组件121是单片透镜，其可以具有两个非球面，并且这两个表面都与平面光学组件122设计在一起。或者，单片透镜可以具有两个菲涅耳表面，二者与平面光学组件122设计在一起。
36.图2示出平面光学组件122的细节。图2示出圆偏振器210，其将来自显示组件110的光的偏振态转换成圆偏振。如果来自显示组件110的光是线偏振的，则可以在相同位置处以四分之一波片代替圆偏振器210。如果显示组件110产生圆偏振光，则可以省略圆偏振器210。或者，可以从平面光学组件122中移除圆偏振器210并将其纳入显示组件110中。例如，显示组件110可以包括显示部件和第一圆偏振器，第一圆偏振器与圆偏振器210相似并且将来自显示部件的光转换成圆偏振光。在这种情况中，平面光学组件122接收圆偏振光。该圆偏振光是右手或左手圆偏振光。
37.平面光学部件230可以是液晶衍射膜，优选为液晶聚合物衍射膜。平面光学组件122中包含的偏振相关平面光学元件还包括两个透明基板220，并且液晶衍射膜被夹在两个基板220之间。该液晶聚合物衍射膜可以具有与[nelson v.tabirian、david e.roberts、diane m.steeves以及brian r.kimball，“用于校正像差和偏振无关的衍射波片透镜”(diffractive waveplate lenses for correcting aberrations and polarization-independent functionality)，美国专利2018/0039003a9，其通过作为引用文献并入本文]中公开的透镜的那些属性类似的属性。由平面光学部件230完全衍射的圆偏振光线通过平
面光学元件转换到其相反旋向性，如光线111。一些光线，例如光线112，被平面光学部件230部分衍射，其中被衍射部分被转换到另一个正交旋向性为光线252，并且漏过部分保持其原旋向性为光线251。
[0038]
第二圆偏振器240阻挡来自平面光学元件的零级泄漏的光线，例如光线251，以消除非期望的虚影图像。
[0039]
平面光学部件230可以具有单层或多层结构，且该结构具有空间变化的各向异性。平面光学部件230具有相位剖面以校正光学组件121的色差。
[0040]
光学组件122中包括的平面光学部件230可以包括偏振相关平面光学元件，该偏振相关平面光学元件通过pancharatnam-berry相位来实现功能。衍射pancharatnam-berry相位光学元件成本低以及具有高质量宽带。衍射pancharatnam-berry相位光学元件可以由液晶(lc)聚合物制成，其表征为与如折射透镜的透镜组件121的色差相反的色差。因此，如图4(a)所示，平面光学组件122可以附接到如菲涅耳透镜的透镜组件121。校正头戴式显示装置的色差能够被校正。与常规衍射光学元件和超表面相比，衍射pancharatnam-berry相位光学元件的制造更简单且更具成本效益。衍射pancharatnam-berry相位光学元件具有动态相位。
[0041]
再者，衍射pancharatnam-berry相位光学元件是偏振敏感的。因此，可以通过第二偏振器240消除来自衍射泄漏的杂散光。具体地，偏振相关平面光学元件220、230接收右旋或左旋圆偏振光，并且将大部分右旋或左旋圆偏振光转换为左旋或右旋圆偏振光，并泄漏其余的右旋或左旋圆偏振光。偏振阻挡器240阻挡泄漏的右旋或左旋圆偏振光。即，偏振相关平面光学元件接收显示组件输出的圆偏振光，并且其将大部分圆偏振光转换成相反旋向性圆偏振光，并且漏过具有原旋向性的其余圆偏振光；以及偏振阻挡器，其阻挡漏过的圆偏振光。
[0042]
如图2所示，偏振阻挡器是第二圆偏振器240。第二圆偏振器240阻挡具有原旋向性的漏过的圆偏振光并使相反旋向性的圆偏振光通过。第二圆偏振器阻挡具有原旋向性的漏过的圆偏振光，并使相反旋向性的圆偏振光通过。
[0043]
此外，衍射pancharatnam-berry相位光学元件(或pancharatnam-berry相位透镜)通常具有厚度仅若干微米的平面物理几何形状，这样能够完美地满足在头戴式显示器中重量轻和紧凑的需求。
[0044]
如图1所示，光学显示系统120可以分开制造。参考图2，光学显示系统120包括：第一圆偏振器210，其将来自显示部件的图像的光转换成圆偏振光；平面光学组件122和透镜组件121，将图像放大并产生第一方向的第一色差。平面光学组件121产生与第一方向相反的第二方向的第二色差以校正第一色差。
[0045]
光学显示系统120已在上文在头戴式显示装置中描述，在此不再赘述。
[0046]
光学显示系统120可以被用于虚拟现实vr的头戴式显示装置或其他电子系统中。平面光学元件可以用于减少观看光学元件中的多色差和单色差。平面光学元件可以在整个视野内可见光谱中表现出偏振相关功能，宽带高效率。
[0047]
光学显示系统可以用于其他电子装置中。例如，它可以用在车辆的平视显示系统中。图6示出具有这种平视显示器51的车辆50。该光学显示系统可以被并入平视显示器51中以校正色差。
[0048]
图3是采用本专利中公开的色差校正技术的设备的初步实验结果。在电子显示器上显示图片，其具有蓝色、绿色和红色段的竖直条。图3(a)示出未采用平面光学组件的所感受的图像；图3(b)示出采用平面光学组件的所感受的图像。横向色差在图3(b)在色差校正之后几乎不可见。
[0049]
除了光学校正之外，还可以使用数字校正。例如，将平面光学部件230对通过光线的影响记录为查找表以用于数字校正。在电子显示设备中对平面光学元件引起的额外色差、失真、亮度变化和颜色变化进行数字方式的预补偿。
[0050]
尽管是通过示例详细演示本发明的一些具体实施例，但是本领域技术人员应该理解，上述示例仅旨在作为说明性的而不是限制本公开的范围。