[发明专利]头戴式显示系统的线栅偏振器的偏振补偿

说明书

本公开大体上涉及用于改善光学系统的性能和效率的技术，该光学系统例如用于使用头戴式显示系统的光学系统。本公开的光学系统可以包括偏振反射折射光学器件，或利用线栅偏振器作为反射偏振器的“薄饼式光学器件”。线栅偏振器可能在波长上或在变化的入射角上不能均匀地执行。为了改善性能，在光学系统中提供空间变化偏振器，其用于为线栅偏振器提供偏振补偿，使得线栅偏振器在波长上和/或在入射角(例如，轴上和离轴)上表现更均匀。空间变化偏振器可以由液晶材料形成，例如多扭曲延迟器。

技术领域

本公开大体涉及光学系统，更具体地，涉及改进用于头戴式显示系统的光学系统的效率和性能。

背景技术

当前一代虚拟现实(VR)体验使用头戴式显示器(HMD)来创建，该HMD可被拴连到固定计算机(例如个人计算机(PC)、膝上型计算机或游戏控制台)，可以与智能电话和/或其相关联的显示器组合和/或集成，或者可以是独立的。通常，HMD是穿戴在用户头部上的显示设备，其在一只眼睛(单目HMD)或每只眼睛(双目HMD)的前面具有小的显示设备。显示单元通常是小型化的，并且可以包括例如CRT、LCD、硅基液晶(LCoS)、OLED技术或激光扫描束显示器。双目HMD具有向每只眼睛显示不同图像的能力。这种能力被用于显示立体图像。

随着智能电话、高清电视以及其它电子设备的发展，对具有增强性能的显示器的需求增加。虚拟现实和增强现实系统，特别是使用HMD的那些系统，已经进一步增加了这种需求。虚拟现实系统通常完全包住穿戴者的眼睛，并且在穿戴者前方用“虚拟”现实代替实际或物理视图(或实际现实)；而增强现实系统通常在穿戴者的眼睛前方提供一个或更多屏幕的半透明或透明覆盖物使得用附加信息增强实际视图；并且介导现实(mediatedreality)系统可以类似地将这样的信息呈现给观看者，该信息将现实世界元素与虚拟元素相结合。

然而，这种头戴式显示器(在观看者的眼睛和显示器之间具有减小的距离且通常具有完全模糊的视场)以传统显示器不能满足的方式增加了显示器的性能要求，更不用说以节省成本的水平来实现这些性能要求。微型显示器(例如OLED微型显示器)比传统显示器小得多，但涉及额外的挑战。例如，微型显示器需要焦距非常短的透镜。此外，因为用户的眼睛瞳孔尺寸是固定的，所以使用微型显示器的HMD的透镜的F/#减小，这容易增加特定透镜系统的像差(aberration)。此外，微型显示器具有小的像素。这增加了HMD光学器件的空间分辨率，并且还增加了为这种HMD设计和制造透镜的挑战。

发明内容

头戴式显示系统可以概括为包括显示子系统和光学系统，该显示子系统用于生成包括线偏振光的图像，光学系统包括：透镜元件，其接收来自显示子系统的光，透镜元件包括部分反射表面；线栅偏振器，其接收来自透镜元件的光；四分之一波片，其位于透镜元件和线栅偏振器之间；以及空间变化偏振器，其位于显示子系统和透镜元件之间，空间变化偏振器具有在空间变化偏振器的光学窗上变化的延迟以补偿入射到线栅偏振器上的离轴光。

空间变化偏振器可以包括多扭曲延迟器。空间变化偏振器可以在光学窗的中心处提供四分之一波延迟，并且可以朝向光学窗周边逐渐减小延迟。空间变化偏振器可以在窗的周边处提供八分之一波延迟。空间变化偏振器可以在光学窗的中心处提供第一延迟，并且可以在光学窗的周边处提供第二延迟，其中第二延迟小于第一延迟。空间变化偏振器的延迟可以在光学窗上线性地或非线性地变化。

头戴式显示系统还可以包括可操作地联接到空间变化偏振器的控制电路，该控制电路操作成选择性地调整由空间变化偏振器提供的延迟。

头戴式显示系统可以概括为包括显示子系统和光学系统，该显示子系统用于生成包括线偏振光的图像，光学系统包括：四分之一波片，其从显示子系统接收光；透镜元件，其接收来自四分之一波片的光，透镜元件包括部分反射表面；线栅偏振器，其从透镜元件接收光；以及空间变化偏振器，其位于透镜元件和线栅偏振器之间，空间变化偏振器具有在空间变化偏振器的光学窗上变化的延迟以补偿入射在线栅偏振器上的离轴光。