TW202530802A - 頭戴式顯示器的光照安全 - Google Patents

Abstract

根據本發明的一態樣，提供有一種整合進入頭戴式顯示器的光學系統，此光學系統包含：一顯示來源、一佈置來接收藉由顯示來源所發出之光的中繼透鏡裝置、一在中繼透鏡之輸出端的光圈，其中第一濾光片係定位於光圈內，以透射來自一或多個預定波長頻帶之光，並拒絕不在一或多個預定波長頻帶內的波長之光，一反射鏡佈置來接收來自光圈的光，此反射鏡包含一佈置來由給定角度之入射範圍反射來自一或多個預定波長頻帶的光之反射鏡塗層、及一佈置來接收來自反射鏡的光並將光引導朝頭戴式顯示器使用者之眼睛的組合器元件，此組合器元件包含：內表面，包含一佈置來僅反射來自預定之一或多個波長頻帶的光之反射組合器塗層；及外表面，包含一佈置來最大程度地減少朝眼睛的光之反射的抗反射組合器塗層，其中此內表面被定位成相對此外表面更接近眼睛。

Description

頭戴式顯示器的光照安全

本發明有關整合進入頭戴式顯示器之光學系統的總成。

頭戴式顯示器(HMD)係已知為向使用者顯示擴增實境之一種手段。擴增實境包括當呈現給使用者時將真實世界影像與虛擬影像疊加。光照安全有關光由HMD離開使得其不使用HMD的人亦能看見並理解之問題。

根據本發明的一態樣，提供有一種整合進入頭戴式顯示器的光學系統，此光學系統包含一顯示來源、一佈置來接收藉由顯示來源所發出之光的中繼透鏡裝置、一在中繼透鏡之輸出端的光圈，其中第一濾光片係定位於光圈內，以透射來自一或多個預定波長頻帶之光，並拒絕不在一或多個預定波長頻帶內的波長之光，一反射鏡佈置來接收來自光圈的光，此反射鏡包含一佈置來由給定角度之入射範圍反射來自一或多個預定波長頻帶的光之反射鏡塗層、及一佈置來接收來自反射鏡的光並將光引導朝頭戴式顯示器使用者之眼睛的組合器元件，此組合器元件包含：內表面，包含一佈置來僅反射來自預定之一或多個波長頻帶的光之反射組合器塗層；及外表面，包含一佈置來最大程度地減少朝眼睛的光之反射的抗反射組合器塗層，其中此內表面被定位成相對此外表面更接近眼睛。

於一態樣中，光學系統進一步包含：坐落在中繼透鏡裝置與反射鏡之間的光路中之第二反射鏡。

於一態樣中，其中第二反射鏡係塗覆有一反射鏡塗層，此反射鏡塗層佈置來由給定角度的入射範圍反射來自預定之一或多個波長頻帶的光。

在一態樣中，其中第一或第二反射鏡之塗層係塗佈於一佈置來吸收未藉由反射鏡塗層所反射的任何光之基板上。

在一態樣中，其中此基板包含一併入光吸收材料的不透明玻璃或晶體，且其中光吸收材料包含碳顆粒。

於一態樣中，其中反射鏡塗層係電介質塗層疊層。

在一態樣中，其中第一吸收濾光片係一種染料載入基板。

於一態樣中，其中反射組合器塗層之層數及/或厚度係小於反射鏡塗層及/或第一光圈濾光片的層數及/或厚度。

在一態樣中，其中抗反射組合器塗層係佈置來當使用頭戴式顯示器時透射及折射朝地面之光。

於一態樣中，其中抗反射組合器塗層透射未準直光。

在一態樣中，其中顯示來源包含一定位於顯示來源的輸出端之第二吸收濾光片，其中第二吸收濾光片被佈置成透射來自一或多個預定波長頻帶的光，並吸收不在一或多個預定波長頻帶內之波長的光。

於一態樣中，其中顯示來源係一發射型顯示器。

在一態樣中，中繼透鏡裝置係稜鏡式中繼透鏡，包含：第一稜鏡及第二稜鏡，其中由顯示來源發出之光經由第一表面進入第一稜鏡，於通過第二表面進入第二稜鏡之前被第二表面及第三表面反射經過第四表面，且經過第四表面進入第二稜鏡的光係在經過第六表面離開第二稜鏡之前被第五表面及第四表面反射。

於一態樣中，其中稜鏡式中繼透鏡進一步包含一定位在第一稜鏡與第二稜鏡之間的光圈，且其中光圈之大小及形狀與光學系統的出射光瞳之大小及形狀相關。

根據本發明的一態樣，提供有一種頭戴式顯示器，包含根據另一態樣之光學系統。

光照安全正成為擴增實境(AR)顯示器的一重要課題，因為用於一些應用，對於使用者來說重要的是，它們周圍之其他人看不到它們的AR顯示器上所顯示之內容和/或顯示器不會將大量的光投射或投影進入周圍環境。在業界(對於AR顯示器和頭戴式顯示器)中採用波導技術將光導引進入使用者之眼睛是很常見的，然而這些技術在安全性方面存在特殊之缺陷。具體來說，波導會向遠離使用者的多數方向中發射準直光，並藉由觀察波導顯示器之輸出端就能很輕易地看到某人佩戴的顯示器，這使得系統不安全。波導典型亦照亮一非常大之眼部有效視區(eye box)，導致於使用者的臉上投射大片光斑，且由於在波導內之光散射，它們可明顯發光，使得系統於裝置外殼被照亮時變得不隱蔽。

基於反射組合器的顯示器之優點在於可對其進行最佳化以避免其中一些問題，但在至使用者眼睛的最終「組合器反射」期間，仍然可能遇到光由使用者投射出去之問題。於此中所敘述的範例旨在最大限度地減少由使用者投射出之光，並確保系統盡可能「光照安全」，利用光學設計內的眾多優點來創建一隱蔽且安全之AR顯示器。

在此敘述一種用於HMD的光學系統，其提供改進之光照安全。從較高的層面來看，光學系統中之許多光學元件都經過修改，以當光通過光學系統時對其進行過濾。其結果是於不影響顯示器的峰值亮度之情況下，對光進行連續過濾以「清理」吞吐量。如果正確地選擇發射光源，且系統內的光學塗層被正確地最佳化，則在使用者之眼睛仍可達成高峰值亮度，可保留對外界的高透射率和最小著色，使用者之眼睛仍然可見，且顯示器對外部觀察者而言是「光照安全」的。藉由精確調節通過光學系統之光，可控制由組合器/遮光板元件朝眼睛反射的影像，以將光投射於一有限之眼部有效視區內，使得僅只頭戴式顯示器的使用者能觀看影像。此外，藉由過濾及/或去除光學系統中之特定波長的光，在中間點離開光學系統之光被最小化。

首先將描述整合進入頭戴式顯示器的光學系統(圖1及2)，接著描述如何將塗層和濾光片應用至光學元件(圖3-5)。

圖1顯示用於頭戴式顯示器之範例光學系統的示意圖。將理解的是，頭戴式顯示器可包含兩個獨立之光學系統，每一光學系統如圖1中所顯示，使每一隻眼睛用一個光學系統，且使兩個光學系統呈互補鏡像佈置，使得可創建雙目顯示器。光學系統100包含一顯示來源102、一中繼透鏡裝置104、一定位在中繼透鏡104的輸出端之光圈106、一第一反射鏡108、及一組合器112。圖1亦顯示佩戴者的眼睛114之位置。圖2顯示另一種情況，於此在中繼透鏡裝置104與第一反射鏡108之間的光學系統中包括第二反射鏡110。第二反射鏡用來進一步折疊光路116。將理解的是，兩面以上之反射鏡亦可被併入光學系統100。

顯示來源102(亦稱為光源)包含一或多個顯示器，每一顯示器包含複數個自發光像素(例如mLED、OLED等)。如上所述，於顯示來源102包含複數個顯示器之處，這可包含三個顯示器，紅、綠、藍三色各一個顯示器。使用多數個顯示器(而不是單一個顯示器)可實現高亮度、全彩顯示器的提供。

中繼透鏡裝置104可包含複數個透鏡(如圖1中所顯示)或單一透鏡。這些透鏡可為由任何適當之材料(例如塑膠或玻璃)製成。中繼透鏡裝置104係定位在顯示來源102與圖1之範例中的第一反射鏡108之間的光路上、及顯示來源102與圖1之範例中的第二反射鏡110之間的光路上。中繼透鏡裝置104將藉由顯示來源102所輸出端之光引向後續反射鏡，且具有一靠近或接近第一反射鏡108的正面之焦面(於圖1及2的兩種佈置中)。藉由顯示來源102所輸出端但未藉由中繼透鏡裝置104透射之任何光大部分經由使用擋板及吸收塗層於中繼透鏡裝置中被吸收，由而控制此部分光學系統內的雜散光。光圏106係定位在中繼透鏡104之輸出端，以控制通過系統的光吞吐量，並幫助適當地構建此系統之出射光瞳的大小及形狀。

第一反射鏡108用來折疊顯示來源102與組合器112之間的光路，使其更加緊湊。這導致頭戴式顯示器更小、更輕、及體積更小，因此佩戴起來更加舒適。這對於長時間佩戴頭戴式顯示器及/或於空間有限之環境(例如飛機內)中使用頭戴式顯示器尤為重要。第一反射鏡108包括至少一部分反射表面(反射鏡的正面或背面)。此外，第一反射鏡108之正面可能不是平坦的，而是在形狀中可替代地為凸面或凹面，使得它具有光學功率(亦即對入射至其正面上之光具有聚焦作用)。於第一反射鏡108具有光學功率之處，其因此輔助形成藉由佩戴者所觀看的影像。第一反射鏡108之正面亦可相對此系統的光軸偏心和傾斜。取決於所需之佈局及/或配置，使用不同的功率、傾斜及偏心之組合。將第一反射鏡108佈置成傾斜的亦可幫助補償藉由傾斜組合器110所造成之像差。

組合器112接收藉由第一反射鏡108所反射的光，並將光重定向朝佩戴者之眼睛114。組合器可包含一至少繞著第一軸線(例如X軸)傾斜的非球形表面形式，且亦可在垂直軸(例如Y軸)中偏心，亦即視野中之中心射線不會撞擊光學表面形式的中心。組合器112被佈置來將一或多個波長重定向朝使用者，以允許使用者與外界同時觀看藉由光學裝置所創建之虛擬顯示器(例如，通過藉由圖1中的虛線箭頭所指示之組合器112的光線)。非球面形狀被使用於幫助補償離軸像差。

在一些案例中，組合器112係由聚合物材料製成。其結果是一種非常適合在擴增實境光學設計中使用之高效且高透射率的組件。於大多數案例中，組合器112具有適合觀看符號表示法和外部世界之擴增實境視圖的透射率。

將理解的是，頭戴式顯示器包含一機械框架(圖1中未顯示)，此框架支撐圖1或圖2中所顯示之元件，並使它們保持彼此對齊。對於雙目頭戴式顯示器，此框架支撐如圖1或圖2中所顯示的兩個獨立之光學系統，使佩戴者的每一隻眼睛有一個光學系統，而使一個光學系統是另一個光學系統之互補鏡像。

如先前所述，具有圖1及2中所顯示的光學系統之許多光學元件都被過濾及/或塗覆，以當光通過光學系統時對其進行精確控制。此精確控制導致影像承載光由合光器112反射朝使用者的眼睛並被限制至預定之眼部有效視區內。圖3-5及在此中的相關討論敘述如何修改光學元件以達成此精確控制。

圖3顯示光圈106之示意圖。顯示一吸收部分302，其不允許光的透射。濾光片304係應用於光圈106內，以阻擋某些波長頻帶之光並允許預定波長頻帶的光透射。在其他案例中，可界定多於一個之預定波長頻帶。選擇此過濾後的波長頻帶，使得僅只藉由顯示來源發出之所需光譜係通過此系統。例如，如果HMD之目的是向使用者呈現單色之綠色顯示，則可在光圏中應用一狹窄的綠色帶通濾光片，其將顯示發射限制於一給定之FWHM帶寬內。由於應用在光圏中的濾光片係一透射元件，於一些案例中，濾光片可為吸收濾光片，而不是反射濾光片，以使系統中之背向散射減至最少。在一範例中，使用一染料負載基板，其作用來吸收通過系統的波長以外的波長。於另一範例中，可使用聚合物或層壓式濾光片來減少濾光片304之質量。

圖4顯示頭戴式顯示器的光學系統中所包括之反射鏡表面的示意圖。反射鏡108包含一塗層402，佈置來反射來自給定角度入射範圍之一或多個預定波長頻帶的光。在一些案例中，一或多個預定波長頻帶係與藉由濾光片304所透射之預定波長頻帶相同。於一些案例中，塗層402係亦應用至圖2中所說明的第二反射鏡110。圖4顯示入射在塗層402上之三條範例光路406、408及410。於此範例中，佈置圖4中的塗層402，使得在θ ₁之入射角的波長為λ ₁之光被反射。路徑406的光係由於其入射角(θ ₂)而未被反射，且路徑408之光係由於其波長(λ ₂)而未被反射。路徑410的光會被反射，因為它具有正確之波長並以正確的角度入射在塗層上。

藉由於反射鏡108上塗佈此塗層402，可精確地控制通過光學系統之光，使得減少光學系統中存在的冗餘光量。這提供一光照安全優勢，因為由組合器反射之光可被最佳化，以僅只向系統的眼部有效視區反射。塗層402使抵達組合器之光能夠具有將以可控的方式從組合器反射之預定特性，由而減少反射或折射朝向除眼部有效視區以外的任何其他區域之光(例如，遠離使用者的光)。

亦藉由將此塗層塗佈至第二反射鏡110，或於其他案例中，塗佈至多於兩個之反射鏡，光可在光學系統100中被過濾不止一次。因此，更多簡單的塗層可被塗佈至多數個反射鏡，因為所有期望之過濾不需要於一元件處發生，而是可在多數個光學元件施行。將簡單塗層塗佈至反射鏡的好處是降低製造複雜性，以及減少於製造所述塗層時出錯之可能性。塗佈至反射鏡的塗層亦與光圈106內之濾光片304協同工作，因此影像承載光在其通過光學系統時逐漸被過濾。例如，反射鏡塗層402及濾光片304可分別構造為不反射或不透射波長超出公共預定波長頻帶的光。

於一些案例中，佈置反射鏡108，使得未被塗層402反射之光係藉由反射鏡所吸收，且由而從光學系統移除。圖4顯示這是如何藉由將反射塗層402塗佈至吸收基板404來達成的範例。未被塗層反射之來自路徑406及408的光被透射及吸收進入此吸收基板，且由而從光學系統100移除。這提供由光學系統移除冗餘之光的額外好處，其減少可藉由頭戴式顯示器之非使用者看到光的可能性(例如，因為吸收基板不會導致任何光洩漏或散射)。在一些案例中，吸收基板是不透明之玻璃(例如黑色玻璃)或晶體。於其他案例中，吸收基板包含可被整合進入玻璃或晶體的結構之碳顆粒的吸收材料。

圖5顯示頭戴式顯示器之光學系統中所包括的組合器之示意圖。如先前所述，組合器亦被稱為遮光板，其被佈置成將光引導向使用者的眼睛之最終光學元件。圖5亦顯示組合器的放大影像(方框部分中所顯示)。

組合器112包含一內表面502，其佈置在組合器較接近使用者眼睛114之一側。內表面502向使用者的眼睛反射光。外表面504係位於組合器由頭戴式顯示器面朝外之一側。

圖5中顯示入射在組合器112的內表面502上之光路506。組合器之主要目的是將光從藉由光路508所顯示之內表面反射朝使用者的眼睛。然而，於許多案例中，光並不能完全被反射，這導致光510經過組合器112透射至外表面504。這可發生，因為當考慮發射型顯示來源之所有發射波長時，塗佈至組合器的內表面之塗層不可能具有100%的反射性能，因此當光入射至組合器上時，此光之一部分係經過組合器透射至外表面。

當透射光510撞擊外表面時，其可如藉由光路512所顯示地反射回朝使用者的眼睛。由於光被反射回朝使用者，這可具有許多弊端，這些包括使用者能夠看到此光之可能性、及光被反射至受限眼部有效視區外側的區域之可能性，此光將呈現為二次影像(亦即主要影像的副本，但角度發生位移)。二次影像可向使用者呈現誤導性或分散注意力之內容，且其可為令人滿意的是能減輕這些影響。反射至受限眼部有效視區外側之光可導致使用者的臉部無意中被照亮，以及會損害光照安全，因為可藉由非使用者看到此光，而此非使用者可為能夠看到被引導到受限眼部有效視區以外之光。為了克服這些問題，內表面502係塗覆有反射組合器塗層516，且外表面504係塗覆有抗反射組合器塗層518。

佈置反射組合器塗層516，以由給定角度的入射範圍反射具有一或多個預定波長頻帶之波長的光。在一些案例中，反射組合器塗層516係一電介質塗層疊層。當源自光源之光抵達組合器的內表面502時，其已經由整個光學系統中應用之塗層及濾光片經歷大量的過濾。因此，反射組合器塗層516可被最佳化至僅只於給定角度之入射範圍內反射離散及狹窄的波長帶寬，因為它本身只需要做極少的過濾。因此，與傳統實施方式相比，可使用更少的塗覆層或材料來簡化塗層，以達成所期望之性能。例如，在上述光學系統的案例中，反射組合器塗層516可包括更少之層及/或比塗佈至反射鏡108、110及應用於光圈中的濾光片304之塗層更薄。

藉由使反射組合器塗層516的層數及總厚度減至最少，可藉由減少塗覆層與塗層至基板介面之間的應力來改進塗層之穩定性。這對於最大限度地提高塗層附著力和性能/壽命及最大限度地降低分層風險非常有利的，此分層風險是當使用聚合物光學器件時之常見問題。當頭戴式顯示器被使用在組合器112暴露於不利條件的室外環境時，這是特別有利的。

此外，因為藉由反射組合器塗層516實施最低限度之過濾、或於一些案例中沒有過濾，其亦可純粹針對高反射進行最佳化。因此，組合器/遮光板可被最佳化，以同時對使用者的外界視角影響最小，且不影響使用者對外界視角之著色。

抗反射組合器塗層518是一種電介質塗層，使得能夠藉由最大限度地減少反射而將光射出遠離使用者。藉由光路514所顯示的透射經過抗反射組合器塗層518之光沒有被準直，意味著其係難以解析影像內容，即使可藉由非頭戴式顯示器使用者看到光，由而改進光照安全。此外，抗反射組合器塗層518幫助確保使用者的眼睛透過組合器保持高度可視性，這對於AR系統來說是理想之品質。

如藉由光路514所顯示，經過內表面502透射的光亦可經過外表面透射。這可導致頭戴式顯示器被製成非頭戴式顯示器使用者可看到。這亦可導致光照安全受到損害，因為光會無意中在不同方向中由光學系統逸出至受限之眼部有效視區(亦即遠離使用者)。為了克服此問題，當頭戴式顯示器在使用時(亦即當其被佩戴時)，此光可被折射朝地面。亦可藉由傾斜此組合器112來達成透射光514朝地面的折射。

總之(回頭參考圖1及2)，當光通過光學系統時，光圏106、反射鏡108、(可選地)第二反射鏡110、及組合器112的內表面502和外表面504都有助於使用塗層與濾光片對光進行過濾。連續及集體過濾之結果是，當光從組合器112的內表面502反射時，光被局限在一受限之眼部有效視區內，其減少使用者的眼睛以外之光的透射，由而改進光照安全。此外，因為光之過濾不是於一階段施行，而是經過光學系統逐步施行，因此可使用更簡單的塗層或濾光片，其降低製造複雜性並改進光學元件之使用壽命，且過濾總量可產生更可靠和精確的結果，而不是依賴單一元件作為濾光片。

雖然在圖1及2中未顯示，但光學系統可包含一額外之濾光片(例如，類似於圖3中所顯示和上述的濾光片304)。例如，此第二濾光片可例如定位在顯示來源102之輸出端的光路中(亦即於顯示來源102與中繼透鏡裝置104之間)，例如在顯示來源的蓋玻璃上。

於上述佈置之進一步變型中，中繼透鏡裝置104中的一或多個透鏡可具有一塗佈至其表面之濾光塗層。

在一些案例中，整個光學系統應用的塗層及濾光片可被佈置成使得它們都能反射或透射來自一共同之預定波長頻帶的光。這確保可精確地控制光經過光學系統之折射及反射，直到傳遞至受限的眼部有效視區。為了進一步改進光照安全，亦可塗覆/過濾顯示來源102及/或中繼透鏡104中之元件的一或多個，以去除來自光學系統100之光的不想要之波長。

於上述範例中，塗層被塗佈至反射鏡。在其他範例中，這些已塗覆的反射鏡之一或多個可藉由全息光學元件所取代，這些光學元件施行相同的光學功能，但使用不同之光學技術。

於光學系統的修改版本中，中繼透鏡裝置104被稜鏡式中繼光學器件600所取代。圖6顯示稜鏡式中繼光學器件600之詳細示意圖。第一及第二稜鏡602、604都包含三個表面，此等三個表面被塑形為具有光學功率：第一、第二及第三表面606、608、640，它們係第一稜鏡602的表面；和第四、第五及第六表面612、614、616，它們係第二稜鏡604之表面。例如，第一及第二稜鏡的表面可具有由以下之至少一種所界定的表面形式：球狀表面界定、非球狀表面界定、雙錐形表面界定、或高階多項式界定。第一及第二稜鏡可具有包括三個光學供電表面之實質上三角形橫截面。

光116(如藉由顯示來源102發出)經過第一表面606進入第一稜鏡602，並入射至第一稜鏡610的第二表面608上。第二表面608被佈置成藉由全內反射將由第一表面606所接收之光反射朝第一稜鏡的第三表面610(例如，由於其角度)。第三表面610被佈置成將由第二表面608所接收之光反射回至第二表面608。由於此入射角度，由第三表面610反射並入射至第二表面608上的光不會被進一步反射，而是經過第二表面608而朝向第二稜鏡604輸出端(例如經過可選之光圈618)。因此，第二表面608被佈置反射由第一角度範圍所接收的光，並透射由第二角度範圍所接收之光，在此第一角度範圍及第二角度範圍不會重疊。

光經過第四表面612進入第二稜鏡604，並反射離開第五表面614，第五表面614被佈置成將光反射回朝第四表面612。第四表面612被進一步佈置成藉由全內反射將光反射朝第六表面616。因此，第四表面612被佈置成反射由第三角度範圍所接收的光，並透射由第四角度範圍接收之光，於此第三角度範圍及第四角度範圍不會重疊。第六表面616被佈置成將由第四表面612所接收的光朝向光學系統中之下一個光學元件透射。例如，下一個光學元件係圖2中所顯示的第一反射鏡108。

由於全內反射被使用於反射入射在第二表面608及第四表面612上之光，這免除了對塗佈至此表面的塗層之需求，因此能降低光學系統的複雜性。它亦使同一表面(及此表面之同一部分)既能透射光又能反射光(包括同一波長的光)，而如果要替代地將簡單之反射塗層塗佈至此表面，則是不可能的。

圖6亦顯示一可選光圈618。於一些案例中，可選光圏618取代濾波光圏106。在其他案例中，可選光圈618被使用於與濾波光圈106一起包括在光學系統中。光圏618被定位於第二表面608與第四表面612之間的介面處。光圏618被使用於在佩戴者眼睛114之位置構建此系統的出射光瞳之大小及形狀。因此，光圈618的大小及形狀與提供給使用者眼睛114之出射光瞳的大小及形狀直接相關。將光圏618整合進入稜鏡式中繼光學器件600，而不是將其放置於光學系統中之其他位置(例如，如圖2中所顯示，在中繼透鏡之後)，意味著光學系統中所包括的組件數量減少，同時能夠控制經過光學系統之光吞吐量。以此方式包括光圏亦簡化整體組裝。光圏可被整合進入第二表面608、第四表面612或懸置於第一稜鏡602與第二稜鏡604之間。

第一稜鏡與第二稜鏡可藉由氣隙分開，以幫助促進全內反射，且在此等範例中，氣隙係於第二表面608與第四表面612之間。氣隙的厚度(亦即第二表面608與第四表面612之間的垂直距離)可為小於1 mm，或其可為在0.25 mm至0.5 mm之範圍內。氣隙的厚度亦可為與裝置之整體大小有關，使裝置越小，具有的氣隙越小。於一些範例中，氣隙之厚度可藉由定位在第一與第二稜鏡之間的光圈之寬度決定。第三表面610及第五表面614可塗覆有反射塗層，其施行與反射鏡塗層402相同的功能(亦即由給定角度之入射範圍反射來自預定波長頻帶的光)。已塗覆之第三表面610及第五表面614亦可包含吸收基板，反射鏡塗層402就塗佈至此吸收基板上。

稜鏡式中繼總成600有利於折疊及縮短光路，這意味著由於光學折疊(及在稜鏡式中繼總成600內使用塗層進行額外過濾)發生於每一稜鏡內，因此可最大限度地減少光學系統的組件數量。最大限度地減少組件數量允許光學系統更加緊湊，由而減小整合進入光學系統之HMD的大小及重量。

在此給出之任何範圍或裝置值都可擴展或變更，而不會失去所追求的效果，如對於技術熟練之人員來說是顯而易見的。

不言而喻，上文所述之好處及優點可與一實施例有關，或可與數個實施例有關。此等實施例並不局限於那些能解決任何或所有已陳述問題的實施例，也不局限於那些具有任何或所有已陳述好處及優點之實施例。

100:光學系統 102:顯示來源 104:中繼透鏡裝置 106:光圈 108:第一反射鏡 110:第二反射鏡 112:組合器 114:眼睛 116:光路 302:吸收部分 304:濾光片 402:塗層 404:吸收基板 406:光路 408:光路 410:光路 502:內表面 504:外表面 506:光路 508:光路 510:光 512:光路 514:光路 516:反射組合器塗層 518:抗反射組合器塗層 600:稜鏡式中繼光學器件 602:第一稜鏡 604:第二稜鏡 606:第一表面 608:第二表面 610:第三表面 612:第四表面 614:第五表面 616:第六表面 618:光圈

現在將僅以舉例的方式參考附圖敘述本發明之實施例： 圖1顯示一具有用於頭戴式顯示器的單一反射鏡之範例光學系統的示意圖； 圖2顯示一具有用於頭戴式顯示器之單一反射鏡的範例光學系統之示意圖； 圖3顯示一光圈的示意圖； 圖4顯示一已塗覆反射鏡表面之示意圖； 圖5顯示一已塗覆組合器的示意圖；及 圖6顯示稜鏡式中繼光學器件之示意圖。

100:光學系統

102:顯示來源

104:中繼透鏡裝置

106:光圈

108:第一反射鏡

112:組合器

114:眼睛

116:光路

Claims (15)

1. 一種整合進入頭戴式顯示器之光學系統(100)，該光學系統包含： 顯示來源(102)； 中繼透鏡裝置(104)，佈置來接收藉由該顯示來源(102)發出的光； 光圈(106)，在該中繼透鏡之輸出端，其中第一濾光片(204)係定位於該光圈內，以透射來自一或多個預定波長頻帶的光，並拒絕不在該一或多個預定波長頻帶內之波長的光； 反射鏡(108)，佈置來接收來自該光圈(106)之光，該反射鏡包含一佈置來由給定角度的入射範圍反射來自該一或多個預定波長頻帶之光的反射鏡塗層(302)；及 組合器元件(112)，佈置來接收來自該反射鏡(108)之光並將光引導朝該頭戴式顯示器使用者的眼睛(114)，該組合器元件包含： 內表面(402)，包含一佈置來僅反射來自該預定之一或多個波長頻帶的光之反射組合器塗層(406)；及 外表面(404)，包含一佈置來最大程度地減少朝該眼睛的光之反射的抗反射組合器塗層(408)，其中該內表面(402)被定位成相對該外表面(404)更接近該眼睛(114)。
2. 如請求項1之光學系統，進一步包含： 第二反射鏡(110)，坐落在中繼透鏡裝置(104)與該反射鏡(108)之間的光路中。
3. 如請求項2之光學系統，其中該第二反射鏡係塗覆有一反射鏡塗層(302)，該反射鏡塗層佈置來由給定角度的入射範圍反射來自該預定之一或多個波長頻帶的光。
4. 如請求項1至3中任一項之光學系統，其中該第一或該第二反射鏡的塗層係塗佈於一佈置來吸收未藉由該反射鏡塗層所反射之任何光的基板上。
5. 如請求項4之光學系統，其中該基板包含一併入光吸收材料的不透明玻璃或晶體，且其中該光吸收材料包含碳顆粒。
6. 如請求項1至5中任一項之光學系統，其中該反射鏡塗層係電介質塗層疊層。
7. 如請求項1至6中任一項之光學系統，其中該第一吸收濾光片係一種染料載入基板。
8. 如請求項1至7中任一項之光學系統，其中該反射組合器塗層的層數及/或厚度係小於該反射鏡塗層及/或該第一光圈濾光片之層數及/或厚度。
9. 如請求項1至8中任一項之光學系統，其中該抗反射組合器塗層係佈置來當使用該頭戴式顯示器時透射及折射朝該地面的光。
10. 如請求項1至9中任一項之光學系統，其中該抗反射組合器塗層透射未準直光。
11. 如請求項1至10中任一項之光學系統，其中該顯示來源包含一定位於該顯示來源的輸出端之第二吸收濾光片，其中該第二吸收濾光片被佈置成透射來自該一或多個預定波長頻帶的光，並吸收不在該一或多個預定波長頻帶內之波長的光。
12. 如請求項1至11中任一項之光學系統，其中該顯示來源係一發射型顯示器。
13. 如請求項1至12中任一項之光學系統，其中該中繼透鏡裝置係稜鏡式中繼透鏡，包含：第一稜鏡及第二稜鏡，其中由該顯示來源發出的光經由第一表面進入該第一稜鏡，於通過該第二表面進入該第二稜鏡之前被第二表面及第三表面反射經過第四表面，且經過該第四表面進入該第二稜鏡的光係在經過第六表面離開該第二稜鏡之前被第五表面及該第四表面反射。
14. 如請求項13之光學系統，其中該稜鏡式中繼透鏡進一步包含一定位在該第一稜鏡與該第二稜鏡之間的光圈，且其中該光圈之大小及形狀與該光學系統的出射光瞳之大小及形狀相關。
15. 一種頭戴式顯示器，包含如請求項1至14中任一項的光學系統。