3M AR/VR光学专利改进了亮度均匀性、对比度和亮度，减少光学伪影

　　一系列的企业正在积极探索优化AR/VR头显的不同方面。例如在名为“Optical system”中，3M就探索了一种旨在改进亮度均匀性、对比度和亮度，并且减少光学伪影的AR/VR光学系统。

　　这家公司认为，折叠光学透镜模块可以为VR/AR应用提供紧凑的设计、高分辨率、宽视角和低畸变。然而，目前的显示设备通常不是为折叠光学透镜模块设计。具体而言，以显示表面法线为中心的显示器的角度输出轮廓可以在中心与折叠光学透镜模块匹配，并且可以在中心产生高对比度，但可以在远场与折叠光学透镜模块不匹配，从而由于远场的渐变而导致较低的光强。

　　另外，显示器的广角输出轮廓可以用于实现更均匀的强度，然而，广角显示输出可能以不同于最佳设计路径的输入路径进入折叠光学透镜模块，从而导致拖影和对比度下降。

　　针对所述问题，3M构思的光学系统基本上以光轴为中心，并且包括配置为生成图像的显示面板。光学系统配置为将所生成图像的虚拟图像显示给设置在视窗内光轴上的用户眼睛。所述光学系统同时包括被配置为从其发射表面向显示面板提供照明的照明源。发射表面的长度和宽度可以小于显示面板。

　　从发射面每个位置发射的光锥包括一条基本上沿平行于光轴方向传播的中心光线，其峰值强度和相应的全宽W80和W30分别为最大值的80%和30%，W80和W30彼此在约30%以内，即W80和W30之间的差小于W80的约30%。

　　光学系统同时包括设置在显示面板和照明源的发射表面之间的光重定向膜，并包括多个光重定向元件，其配置为接收、传输和重定向从发射表面发射的光锥，从而确保传输的光锥基本覆盖显示面板并因此作为相应的图像光锥传输。

　　透射光锥的中心射线与光轴之间的夹角可在整个显示面板呈现空间变化。例如，靠近光轴的光的透射锥的中心光线可以基本上平行于光轴。然而，远至光轴的光的透射锥的中心射线可向光轴倾斜。这可确保透射光锥基本覆盖显示面板。另外，这种设计可以通过减少远场光的透射锥的渐晕来改善虚拟图像的亮度均匀性。

　　3M指出，发明所述的光学系统可以提供改进的虚拟图像亮度均匀性、对比度和亮度，并且可以减少光学伪影。另外，光学系统可以足够紧凑。

　　图1示出了光学系统300。光学系统300可用于AR和VR应用。

　　光学系统300定义相互正交的X、Y和Z轴。Y轴和Z轴是光学系统300的平面内轴，而X轴是沿光学系统300厚度的横轴。换句话说，Y轴和Z轴沿光学系统300的平面布置，而X轴基本上垂直于光学系统300的平面。

　　光学系统300基本上以光轴10为中心。光轴10基本上平行于X轴。光轴10可以互换地称为“光学系统轴10”。在其他实施例中，显示面板30可以不以光轴10为中心。

　　发射的图像31包括多个图像光65的锥，每个图像光65的锥从所发射的图像31上的不同对应位置66传播，并包括沿中心轴68传播的中心光线67。

　　光学系统300包括照明源50，其配置为从其发射面51向显示面板30提供照明。照明源50可以配置为在给定视场处为特定眼睛位置提供虚拟图像32的最大强度。

　　如图1所示，发射面51发射出多个光锥60。通过发射表面51上的每个位置发射的光锥60包括基本沿平行于光轴10的方向传播的中心光线61。在一个实施例中，每个光锥60的中心光线61与光轴10形成小于约5度的角度。

　　在其他实施例中，中心光线61与光轴10形成小于约4度、小于约3度、小于约2度或小于约1.5度的夹角。因此，光60的锥基本上在轴上，即它们的中心光线61基本上彼此平行。

　　光学系统300同时包括设置在显示面板30和照明源50的发射面51之间的光重定向膜70。光重定向膜70配置为接收、传输和重定向通过发射面51发射的光锥60中的至少一部分，使得传输的光锥基本上覆盖在所述显示面板30上，并以此作为相应的图像光锥65传输。

　　在一个实施例中，光重定向膜70的折射率范围可从约1.45至约1.80。

　　所述光重定向膜70定义了面向所述显示面板30的第一表面136和面向所述发射表面51的相对第二表面134。所述光重定向膜70可引起光锥60的角度扩展，使得所述透射光锥基本上覆盖所述显示面板30。所

　　述光重定向膜70可包括一组光重定向元件71、71’。在一个示例中，光重定向元件71,71 ‘可以是圆对称。换句话说，光重定向元件71,71 ‘的阵列可以是菲涅耳透镜的面。如上所述，光的透射锥进一步作为图像光65的相应锥透射。因此，光重定向膜70可以改善图像31的亮度均匀性。

　　光学系统300进一步包括设置在显示面板30和光圈挡板20之间的透镜组件80。所述透镜组件80设置在所述显示面板30和所述光圈20之间，使得所述图像光65的锥状物在穿过所述透镜组件80后穿过所述光圈20。

　　所述透镜组件80包括透镜90、91、部分反射器100和反射偏振器110中的至少一个。在一个实施例中，光学系统300包括透镜90、91和部分反射器100和反射偏振器110中的至少一个。在光圈挡片20和所述显示器30之间设置有透镜90、91以及部分反射器100和反射偏振器110中的至少一个。

　　透镜组件80包括透镜90、91、部分反射器100和反射偏振器110。在这样的实施例中，图像光65的每一个锥在穿过至少一个透镜90、91、部分反射器100和反射偏振器110中的每一个后，通过光圈挡片20。

　　在一个实施例中，图像光65的每个锥体在被部分反射器100和反射偏振器110中的每个进一步反射至少一次后通过光圈挡片20。换句话说，图像光65的每个锥在部分反射器100和反射偏振器110之间至少反射一次后，可以通过光圈挡片20。

　　光学系统300进一步包括延迟层145，使得对于图像光65的至少一个锥体的中心光线67，延迟层145将中心光线67的相位改变至少20度、变至少25度、至少30度、至少35度、至少40度或至少45度等。延迟层145包括双折射材料，而双折射材料可包括石英、云母、塑料等。

　　透镜组件80的相邻组件彼此层压在一起透镜组件80的相邻组件通过光学透明胶粘剂层或环氧树脂层相互粘合。透镜组件80的相邻组件可以在它们之间包括气隙。

　　例如，反射偏振片110和透镜91可以相互叠层，反射偏振片110和缓速层145之间可以包括气隙，延迟层145和透镜90可以相互粘结，部分反射器100可以涂覆在透镜90之上。

　　图2示出了照明源50和显示面板30。如图所示，显示面板30定义了长度L1和宽度W1。所述照明源50的发射面51定义了长度L和宽度w。

　　所述照明源50的发射面51小于所述显示面板30。具体地说，发射面51在长度和宽度上可以小于显示面板30。换句话说，发射面51的长度L可以小于显示面板30的长度L1。类似地，发射面51的宽度W可以小于显示面板30的宽度W1。

　　因此，发射面51的面积可以小于显示面板30的表面积。

　　在图2所示的实施例中，照明源50和显示器30中的每一个都具有基本上矩形的形状。然而，照明源50和显示器30可以具有任何合适的形状。

　　图3描述了光锥60和图像光锥65的亮度与极角的关系的图124。极角在横坐标上以度数表示。亮度用坐标表示。

　　图形124包括强度分布69，其中包括对应于0度或X-Z平面的第一图形691，对应于45度的第二图形692，对应于90度或y – z平面的第三图形693，以及对应于135度的第四图形694。从光强分布69可以明显看出，光锥60和像光锥65旋转对称。

　　参照图1和3，光锥60的峰值强度为62，相应的全宽分别为最大值W80和W30的80%和30%。图3中W80用63表示，W30用64表示。W80与W30相差在30%左右，即W80与W30相差小于W80的30%左右。在一个实施例中，W80和W30彼此在约25%、约20%、约15%或约10%范围内。在图3所示的实施例中，W80和W30彼此在约10%范围内。

　　峰值强度62具有全宽度WP。在一个实施例中，全宽度WP至少为15度，20度，或约25度。

　　在一个实施例中，由光重定向膜70传输的光的每个透射锥分别在最大的80%和30%处具有峰值强度62 ‘和相应的全宽度W ’ 80和W ’ 30。图3中W ’ 80用63 ‘表示，W ’ 30用64 ‘表示。峰值强度62 ‘可以互换地称为“峰值62 ’ ‘。

　　在一个实施例中，w80与w30彼此相差约30%以内，即w80与w30之间的差异小于w80的约30%。从强度分布69可以明显看出，峰值强度62′与峰值强度62基本相似。相应的全宽W’80和W’30与相应的全宽W80和W30基本相似。

　　因此，尽管它们的中心射线被不同的量抵消，由光重定向膜70透射的每一个光锥和通过发射表面51上的每一个位置发射的每一个光锥60可以具有实质上相似的亮度宽度特性。

　　在一个实施例中，图像光65的每个锥包括基本上平坦的峰62 ‘，其具有峰62 ‘的全宽度WP，变化小于约20%。在图3所示实施例中，峰62′在全宽度WP上的百分比变化用X1表示。因此，X1小于20%左右。

　　在一个实施例中，图像光65的每个锥包括具有全宽度WP的基本上平坦的峰62′，在所述峰62′上变化小于约15%、约10%或约5%。因此，X1小于约15%、约10%或约5%。

　　由于基本平坦的峰62′具有至少15度的全宽WP，因此在全宽WP范围内的角度，图像光65的锥可能具有基本均匀的峰强度62′。所以，光学系统300可以提供图像31的改进亮度均匀性。

　　从图124中可以明显看出，强度分布69具有尖锐的边缘特征，使得光60的锥状体和图像光65的锥状体在全宽WP内具有相当高的亮度强度，而在全宽WP外具有相当低的亮度强度。另外，图像光65的每个锥包括基本上平坦的峰62 ‘。

　　图4A显示了光重定向膜70。所述光重定向膜70包括光重定向元件71的规则阵列。

　　光重定向元件71朝向远离发射表面51的方向。具体地说，光重定向元件71的规则阵列设置在光重定向膜70的第一表面136上。

　　图4B显示了光重定向膜70的另一示意图。所述光重定向膜70包括光重定向元件71’的规则阵列。在所述实施例中，光重定向元件71’面向发射面51。具体地说，光重定向元件71’的规则阵列设置在光重定向膜70的第二表面134上。

　　光重定向元件71、71’可以具有不同的形状和大小，使得通过光重定向膜70传输的图像光65的锥状物基本上覆盖在显示面板30上。

　　图5A显示了部分反射器100。部分反射器100可以包括金属表面，而且部分反射器100可以包括一种或多种元素，如银、铝、不导电涂层等。

　　在一个实施例中，对于基本上正常入射光130和对于相互正交偏振状态中的每一个，部分反射器100反射至少30%的入射光130并传输至少30%的入射光130。

　　相互正交的极化状态可以沿着Y轴和Z轴延伸。对于基本上正常入射的光130和对于相互正交的偏振状态中的每一种，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。

　　图5B显示了反射偏振器110。反射偏振器110包括多个聚合层(未示出)，总数至少为10。在一个实施例中，反射偏振器110包括以堆叠形式设置的多个聚合物层。每一聚合物层具有小于约500nm的平均厚度。

　　聚合物层中的一层包括相对于另一层具有高折射率的材料。所述聚合物层中的至少一个包括双折射材料。在一个实施例中，反射偏振器110可进一步包括至少一个中间层(未示出)，而中间层可包括具有低折射率的材料。

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

　　在一个实施例中，对于基本上正常入射的光131，反射偏振器110反射沿第一面内方向偏振的入射光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内方向偏振的入射光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可以实质上允许特定偏振的光通过，同时实质上阻挡正交偏振的光。

　　在图1和2中，来自显示面板30的图像光65的每个锥可设计为与来自照明源50的相应锥光60相匹配。另外，透射光锥的中心射线与光轴10之间的角度可以在空间上跨显示面板30变化。

　　例如，靠近光轴10的光的透射锥的中心光线可以基本上平行于光轴10。然而，远至光轴10的光的透射锥的中心射线可向光轴10倾斜。这可以确保，尽管发射表面51在长度L和宽度W上小于显示面板30，但透射光锥基本上覆盖了显示面板30。同时，这可以改善虚拟图像32的亮度均匀性。

　　通过这种方式，，3M描述的VR/ AR用光学系统300可以足够紧凑，并且可以提供虚拟图像32的改进的亮度均匀性、对比度和亮度。另外，光学系统300可以大大减少光学伪影的出现，例如虚拟图像32中的拖影图像。

　　图6示出了根光学系统400的示意图视图。光学系统400可以实质上类似于根据图1解释的光学系统300。光学系统400和光学系统300之间的公共部件使用相同的参考数字。

　　如图6所示，所述光学系统400包括显示系统33、透镜90、91和反射偏光镜110。显示系统33可以类似于图1中所述的显示面板30。然而，所述显示系统33配置成生成包括多个图像像素35的像素化图像34。

　　另外，所述光学系统400配置成将所生成的像素化图像34的虚拟图像36对焦显示给设置在光学系统轴10处或附近的用户眼睛40，所述眼睛40的光轴41与光学系统轴10基本重合。

　　在一个实施例中，光学系统400同时包括视窗140。视窗140包括设置在光学系统轴10上的中心141。所述光学系统400配置成将所生成的像素化图像34的虚拟图像36显示给设置在视窗140中的用户眼睛40。所述眼睛40位于光学系统400的眼侧401附近。

　　名为“Optical system”的3M专利申请最初在 提交，并在日前由美国专利商标局公布。