[发明专利]用于投射增强现实内容的具有偏振体光栅的光学组件

说明书

一种用于从显示器投射光的光学组件包括第一光波导、反射光学元件和第一内耦合器。反射光学元件被配置为从显示器接收具有第一偏振的第一光，并将第一光反射为具有不同于第一偏振的第二偏振的第二光。第一内耦合器与第一光波导耦合。第一内耦合器被配置成接收和透射第一光。第一内耦合器还被配置成接收第二光并重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分在第一光波导内经历全内反射。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年6月10日提交的美国申请第16/436,729号的优先权，该申请的内容为了所有目的通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本申请总体上涉及显示设备，且更具体地说，涉及头戴式显示设备。

背景

头戴式显示设备(还称为头戴式显示器)作为向用户提供视觉信息的手段越来越受欢迎。例如，头戴式显示设备用于虚拟现实和增强现实操作。然而，传统头戴式显示器的尺寸和重量限制了它们的应用。

通常，需要具有宽视场的头戴式显示设备以改善用户体验。这使得减小头戴式显示设备的尺寸更具挑战性。

概述

因此，需要一种紧凑的头戴式显示设备，其能够以宽视场渲染图像，以增强用户对增强现实和/或虚拟现实的整体体验。

通过被配置为将光从显示器引导到用户眼睛的所公开的光学组件，减少或消除了与传统头戴式显示器相关联的上述缺陷和其他问题。该光学组件具有紧凑的配置，其提供了用于将图像从显示器投射到用户眼睛的折叠光路，从而增加了用于投射图像的有效焦距。增加的有效焦距为采用光学组件的头戴式显示设备带来更宽的视场。

根据一些实施例，一种用于从显示器投射光的光学组件包括第一光波导、反射光学元件和第一内耦合器(in-coupler)。反射光学元件被配置为从显示器接收具有第一偏振的第一光，并将第一光反射为具有不同于第一偏振的第二偏振的第二光。第一内耦合器与第一光波导耦合。第一内耦合器被配置成接收和透射第一光。第一内耦合器还被配置成接收第二光并重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分在第一光波导内经历全内反射。

在一些实施例中，第一内耦合器可以设置在显示器和反射光学元件之间，并且可以被配置为接收来自显示器的第一光，并且向反射元件透射第一光，而不改变第一光的方向或偏振。

在一些实施例中，第一内耦合器可以选自由以下项组成的组中：基于液晶的偏振选择元件、包括超表面(metasurface)的偏振选择元件、包括谐振结构化表面的偏振选择元件、包括连续手性层(chiral layer)的偏振选择元件以及包括双折射材料的偏振选择元件。基于液晶的偏振选择元件可以是偏振体光栅。第一内耦合器可以是透射光栅，其被配置为重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分以大于与第一光波导相关联的临界角的入射角进入第一光波导。第一内耦合器可以是反射光栅，其被配置为在第二光进入第一光波导之后重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分以大于临界入射角的入射角照射(impinge)在第一光波导的内表面上。

在一些实施例中，第一内耦合器和第一光波导的一部分可以位于显示器和反射光学元件之间。

在一些实施例中，第一内耦合器可以被配置成透射第二光的第二部分，并且第二光的第一部分可以具有第一波长范围，而第二光的第二部分具有不同于第一波长范围的第二波长范围。光学组件还可以包括第二光波导和与第二光波导耦合的第二内耦合器。第二内耦合器可以被配置为接收和透射第一光，并且接收第二光的第二部分并且重定向第二光的第二部分，使得第二光的第二部分在第二光波导内经历全内反射。

在一些实施例中，反射光学元件可以是与反射表面耦合的负弯月透镜(negativemeniscus lens)，并且反射光学元件还可以被配置为在第一光被反射时聚焦第一光，使得第二光比第一光更准直。