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改進亮度均勻性、對比度和亮度，并且減少光學(xué)偽影

（映維網(wǎng)Nweon?2023年08月11日）一系列的企業(yè)正在積極探索優(yōu)化AR/VR頭顯的不同方面。例如在名為“Optical system”中，3M就探索了一種旨在改進亮度均勻性、對比度和亮度，并且減少光學(xué)偽影的AR/VR光學(xué)系統(tǒng)。

這家公司認為，折疊光學(xué)透鏡模塊可以為VR/AR應(yīng)用提供緊湊的設(shè)計、高分辨率、寬視角和低畸變。然而，目前的顯示設(shè)備通常不是為折疊光學(xué)透鏡模塊設(shè)計。具體而言，以顯示表面法線為中心的顯示器的角度輸出輪廓可以在中心與折疊光學(xué)透鏡模塊匹配，并且可以在中心產(chǎn)生高對比度，但可以在遠場與折疊光學(xué)透鏡模塊不匹配，從而由于遠場的漸變而導(dǎo)致較低的光強。

另外，顯示器的廣角輸出輪廓可以用于實現(xiàn)更均勻的強度，然而，廣角顯示輸出可能以不同于最佳設(shè)計路徑的輸入路徑進入折疊光學(xué)透鏡模塊，從而導(dǎo)致拖影和對比度下降。

針對所述問題，3M構(gòu)思的光學(xué)系統(tǒng)基本上以光軸為中心，并且包括配置為生成圖像的顯示面板。光學(xué)系統(tǒng)配置為將所生成圖像的虛擬圖像顯示給設(shè)置在視窗內(nèi)光軸上的用戶眼睛。所述光學(xué)系統(tǒng)同時包括被配置為從其發(fā)射表面向顯示面板提供照明的照明源。發(fā)射表面的長度和寬度可以小于顯示面板。

從發(fā)射面每個位置發(fā)射的光錐包括一條基本上沿平行于光軸方向傳播的中心光線，其峰值強度和相應(yīng)的全寬W80和W30分別為最大值的80%和30%，W80和W30彼此在約30%以內(nèi)，即W80和W30之間的差小于W80的約30%。

光學(xué)系統(tǒng)同時包括設(shè)置在顯示面板和照明源的發(fā)射表面之間的光重定向膜，并包括多個光重定向元件，其配置為接收、傳輸和重定向從發(fā)射表面發(fā)射的光錐，從而確保傳輸?shù)墓忮F基本覆蓋顯示面板并因此作為相應(yīng)的圖像光錐傳輸。

透射光錐的中心射線與光軸之間的夾角可在整個顯示面板呈現(xiàn)空間變化。例如，靠近光軸的光的透射錐的中心光線可以基本上平行于光軸。然而，遠至光軸的光的透射錐的中心射線可向光軸傾斜。這可確保透射光錐基本覆蓋顯示面板。另外，這種設(shè)計可以通過減少遠場光的透射錐的漸暈來改善虛擬圖像的亮度均勻性。

3M指出，發(fā)明所述的光學(xué)系統(tǒng)可以提供改進的虛擬圖像亮度均勻性、對比度和亮度，并且可以減少光學(xué)偽影。另外，光學(xué)系統(tǒng)可以足夠緊湊。

圖1示出了光學(xué)系統(tǒng)300。光學(xué)系統(tǒng)300可用于AR和VR應(yīng)用。

光學(xué)系統(tǒng)300定義相互正交的X、Y和Z軸。Y軸和Z軸是光學(xué)系統(tǒng)300的平面內(nèi)軸，而X軸是沿光學(xué)系統(tǒng)300厚度的橫軸。換句話說，Y軸和Z軸沿光學(xué)系統(tǒng)300的平面布置，而X軸基本上垂直于光學(xué)系統(tǒng)300的平面。

光學(xué)系統(tǒng)300基本上以光軸10為中心。光軸10基本上平行于X軸。光軸10可以互換地稱為“光學(xué)系統(tǒng)軸10”。在其他實施例中，顯示面板30可以不以光軸10為中心。

發(fā)射的圖像31包括多個圖像光65的錐，每個圖像光65的錐從所發(fā)射的圖像31上的不同對應(yīng)位置66傳播，并包括沿中心軸68傳播的中心光線67。

光學(xué)系統(tǒng)300包括照明源50，其配置為從其發(fā)射面51向顯示面板30提供照明。照明源50可以配置為在給定視場處為特定眼睛位置提供虛擬圖像32的最大強度。

如圖1所示，發(fā)射面51發(fā)射出多個光錐60。通過發(fā)射表面51上的每個位置發(fā)射的光錐60包括基本沿平行于光軸10的方向傳播的中心光線61。在一個實施例中，每個光錐60的中心光線61與光軸10形成小于約5度的角度。

在其他實施例中，中心光線61與光軸10形成小于約4度、小于約3度、小于約2度或小于約1.5度的夾角。因此，光60的錐基本上在軸上，即它們的中心光線61基本上彼此平行。

光學(xué)系統(tǒng)300同時包括設(shè)置在顯示面板30和照明源50的發(fā)射面51之間的光重定向膜70。光重定向膜70配置為接收、傳輸和重定向通過發(fā)射面51發(fā)射的光錐60中的至少一部分，使得傳輸?shù)墓忮F基本上覆蓋在所述顯示面板30上，并以此作為相應(yīng)的圖像光錐65傳輸。

在一個實施例中，光重定向膜70的折射率范圍可從約1.45至約1.80。

所述光重定向膜70定義了面向所述顯示面板30的第一表面136和面向所述發(fā)射表面51的相對第二表面134。所述光重定向膜70可引起光錐60的角度擴展，使得所述透射光錐基本上覆蓋所述顯示面板30。所

述光重定向膜70可包括一組光重定向元件71、71’。在一個示例中，光重定向元件71,71 ‘可以是圓對稱。換句話說，光重定向元件71,71 ‘的陣列可以是菲涅耳透鏡的面。如上所述，光的透射錐進一步作為圖像光65的相應(yīng)錐透射。因此，光重定向膜70可以改善圖像31的亮度均勻性。

光學(xué)系統(tǒng)300進一步包括設(shè)置在顯示面板30和光圈擋板20之間的透鏡組件80。所述透鏡組件80設(shè)置在所述顯示面板30和所述光圈20之間，使得所述圖像光65的錐狀物在穿過所述透鏡組件80后穿過所述光圈20。

所述透鏡組件80包括透鏡90、91、部分反射器100和反射偏振器110中的至少一個。在一個實施例中，光學(xué)系統(tǒng)300包括透鏡90、91和部分反射器100和反射偏振器110中的至少一個。在光圈擋片20和所述顯示器30之間設(shè)置有透鏡90、91以及部分反射器100和反射偏振器110中的至少一個。

透鏡組件80包括透鏡90、91、部分反射器100和反射偏振器110。在這樣的實施例中，圖像光65的每一個錐在穿過至少一個透鏡90、91、部分反射器100和反射偏振器110中的每一個后，通過光圈擋片20。

在一個實施例中，圖像光65的每個錐體在被部分反射器100和反射偏振器110中的每個進一步反射至少一次后通過光圈擋片20。換句話說，圖像光65的每個錐在部分反射器100和反射偏振器110之間至少反射一次后，可以通過光圈擋片20。

光學(xué)系統(tǒng)300進一步包括延遲層145，使得對于圖像光65的至少一個錐體的中心光線67，延遲層145將中心光線67的相位改變至少20度、變至少25度、至少30度、至少35度、至少40度或至少45度等。延遲層145包括雙折射材料，而雙折射材料可包括石英、云母、塑料等。

透鏡組件80的相鄰組件彼此層壓在一起透鏡組件80的相鄰組件通過光學(xué)透明膠粘劑層或環(huán)氧樹脂層相互粘合。透鏡組件80的相鄰組件可以在它們之間包括氣隙。

例如，反射偏振片110和透鏡91可以相互疊層，反射偏振片110和緩速層145之間可以包括氣隙，延遲層145和透鏡90可以相互粘結(jié)，部分反射器100可以涂覆在透鏡90之上。

圖2示出了照明源50和顯示面板30。如圖所示，顯示面板30定義了長度L1和寬度W1。所述照明源50的發(fā)射面51定義了長度L和寬度w。

所述照明源50的發(fā)射面51小于所述顯示面板30。具體地說，發(fā)射面51在長度和寬度上可以小于顯示面板30。換句話說，發(fā)射面51的長度L可以小于顯示面板30的長度L1。類似地，發(fā)射面51的寬度W可以小于顯示面板30的寬度W1。

因此，發(fā)射面51的面積可以小于顯示面板30的表面積。

在圖2所示的實施例中，照明源50和顯示器30中的每一個都具有基本上矩形的形狀。然而，照明源50和顯示器30可以具有任何合適的形狀。

圖3描述了光錐60和圖像光錐65的亮度與極角的關(guān)系的圖124。極角在橫坐標(biāo)上以度數(shù)表示。亮度用坐標(biāo)表示。

圖形124包括強度分布69，其中包括對應(yīng)于0度或X-Z平面的第一圖形691，對應(yīng)于45度的第二圖形692，對應(yīng)于90度或y – z平面的第三圖形693，以及對應(yīng)于135度的第四圖形694。從光強分布69可以明顯看出，光錐60和像光錐65旋轉(zhuǎn)對稱。

參照圖1和3，光錐60的峰值強度為62，相應(yīng)的全寬分別為最大值W80和W30的80%和30%。圖3中W80用63表示，W30用64表示。W80與W30相差在30%左右，即W80與W30相差小于W80的30%左右。在一個實施例中，W80和W30彼此在約25%、約20%、約15%或約10%范圍內(nèi)。在圖3所示的實施例中，W80和W30彼此在約10%范圍內(nèi)。

峰值強度62具有全寬度WP。在一個實施例中，全寬度WP至少為15度，20度，或約25度。

在一個實施例中，由光重定向膜70傳輸?shù)墓獾拿總€透射錐分別在最大的80%和30%處具有峰值強度62 ‘和相應(yīng)的全寬度W ’ 80和W ’ 30。圖3中W ’ 80用63 ‘表示，W ’ 30用64 ‘表示。峰值強度62 ‘可以互換地稱為“峰值62 ’ ‘。

在一個實施例中，w80與w30彼此相差約30%以內(nèi)，即w80與w30之間的差異小于w80的約30%。從強度分布69可以明顯看出，峰值強度62′與峰值強度62基本相似。相應(yīng)的全寬W’80和W’30與相應(yīng)的全寬W80和W30基本相似。

因此，盡管它們的中心射線被不同的量抵消，由光重定向膜70透射的每一個光錐和通過發(fā)射表面51上的每一個位置發(fā)射的每一個光錐60可以具有實質(zhì)上相似的亮度寬度特性。

在一個實施例中，圖像光65的每個錐包括基本上平坦的峰62 ‘，其具有峰62 ‘的全寬度WP，變化小于約20%。在圖3所示實施例中，峰62′在全寬度WP上的百分比變化用X1表示。因此，X1小于20%左右。

在一個實施例中，圖像光65的每個錐包括具有全寬度WP的基本上平坦的峰62′，在所述峰62′上變化小于約15%、約10%或約5%。因此，X1小于約15%、約10%或約5%。

由于基本平坦的峰62′具有至少15度的全寬WP，因此在全寬WP范圍內(nèi)的角度，圖像光65的錐可能具有基本均勻的峰強度62′。所以，光學(xué)系統(tǒng)300可以提供圖像31的改進亮度均勻性。

從圖124中可以明顯看出，強度分布69具有尖銳的邊緣特征，使得光60的錐狀體和圖像光65的錐狀體在全寬WP內(nèi)具有相當(dāng)高的亮度強度，而在全寬WP外具有相當(dāng)?shù)偷牧炼葟姸?。另外，圖像光65的每個錐包括基本上平坦的峰62 ‘。

圖4A顯示了光重定向膜70。所述光重定向膜70包括光重定向元件71的規(guī)則陣列。

光重定向元件71朝向遠離發(fā)射表面51的方向。具體地說，光重定向元件71的規(guī)則陣列設(shè)置在光重定向膜70的第一表面136上。

圖4B顯示了光重定向膜70的另一示意圖。所述光重定向膜70包括光重定向元件71’的規(guī)則陣列。在所述實施例中，光重定向元件71’面向發(fā)射面51。具體地說，光重定向元件71’的規(guī)則陣列設(shè)置在光重定向膜70的第二表面134上。

光重定向元件71、71’可以具有不同的形狀和大小，使得通過光重定向膜70傳輸?shù)膱D像光65的錐狀物基本上覆蓋在顯示面板30上。

圖5A顯示了部分反射器100。部分反射器100可以包括金屬表面，而且部分反射器100可以包括一種或多種元素，如銀、鋁、不導(dǎo)電涂層等。

在一個實施例中，對于基本上正常入射光130和對于相互正交偏振狀態(tài)中的每一個，部分反射器100反射至少30%的入射光130并傳輸至少30%的入射光130。

相互正交的極化狀態(tài)可以沿著Y軸和Z軸延伸。對于基本上正常入射的光130和對于相互正交的偏振狀態(tài)中的每一種，部分反射器100反射至少35%、至少40%或至少45%的入射光130，并透射至少35%、至少40%或至少45%的入射光130。

圖5B顯示了反射偏振器110。反射偏振器110包括多個聚合層(未示出)，總數(shù)至少為10。在一個實施例中，反射偏振器110包括以堆疊形式設(shè)置的多個聚合物層。每一聚合物層具有小于約500nm的平均厚度。

聚合物層中的一層包括相對于另一層具有高折射率的材料。所述聚合物層中的至少一個包括雙折射材料。在一個實施例中，反射偏振器110可進一步包括至少一個中間層(未示出)，而中間層可包括具有低折射率的材料。

對于基本上正常入射的光131，反射偏振器110沿第一面內(nèi)方向反射至少60%偏振的入射光131，并沿正交的第二面內(nèi)方向透射至少60%偏振的入射光131。

在一個實施例中，對于基本上正常入射的光131，反射偏振器110反射沿第一面內(nèi)方向偏振的入射光131的至少55%、至少70%、至少75%、至少80%、至少85%或至少90%，并透射沿正交的第二面內(nèi)方向偏振的入射光131的至少55%、至少70%、至少75%、至少80%、至少85%或至少90%。

因此，反射偏振器110可以實質(zhì)上允許特定偏振的光通過，同時實質(zhì)上阻擋正交偏振的光。

在圖1和2中，來自顯示面板30的圖像光65的每個錐可設(shè)計為與來自照明源50的相應(yīng)錐光60相匹配。另外，透射光錐的中心射線與光軸10之間的角度可以在空間上跨顯示面板30變化。

例如，靠近光軸10的光的透射錐的中心光線可以基本上平行于光軸10。然而，遠至光軸10的光的透射錐的中心射線可向光軸10傾斜。這可以確保，盡管發(fā)射表面51在長度L和寬度W上小于顯示面板30，但透射光錐基本上覆蓋了顯示面板30。同時，這可以改善虛擬圖像32的亮度均勻性。

通過這種方式，，3M描述的VR/ AR用光學(xué)系統(tǒng)300可以足夠緊湊，并且可以提供虛擬圖像32的改進的亮度均勻性、對比度和亮度。另外，光學(xué)系統(tǒng)300可以大大減少光學(xué)偽影的出現(xiàn)，例如虛擬圖像32中的拖影圖像。

圖6示出了根光學(xué)系統(tǒng)400的示意圖視圖。光學(xué)系統(tǒng)400可以實質(zhì)上類似于根據(jù)圖1解釋的光學(xué)系統(tǒng)300。光學(xué)系統(tǒng)400和光學(xué)系統(tǒng)300之間的公共部件使用相同的參考數(shù)字。

如圖6所示，所述光學(xué)系統(tǒng)400包括顯示系統(tǒng)33、透鏡90、91和反射偏光鏡110。顯示系統(tǒng)33可以類似于圖1中所述的顯示面板30。然而，所述顯示系統(tǒng)33配置成生成包括多個圖像像素35的像素化圖像34。

另外，所述光學(xué)系統(tǒng)400配置成將所生成的像素化圖像34的虛擬圖像36對焦顯示給設(shè)置在光學(xué)系統(tǒng)軸10處或附近的用戶眼睛40，所述眼睛40的光軸41與光學(xué)系統(tǒng)軸10基本重合。

在一個實施例中，光學(xué)系統(tǒng)400同時包括視窗140。視窗140包括設(shè)置在光學(xué)系統(tǒng)軸10上的中心141。所述光學(xué)系統(tǒng)400配置成將所生成的像素化圖像34的虛擬圖像36顯示給設(shè)置在視窗140中的用戶眼睛40。所述眼睛40位于光學(xué)系統(tǒng)400的眼側(cè)401附近。

相關(guān)專利：3M Patent | Optical system

https://www.nweon.com/

名為“Optical system”的3M專利申請最初在 提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。

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