用于頭戴式顯示器的輕質目鏡的制作方法
【專利摘要】一種目鏡包含目鏡框架、輸入耦合偏振分束器PBS、末端反射器和輸出耦合PBS。所述目鏡框架界定空氣腔，且包含用于將計算機產生的圖像CGI光接收到所述目鏡框架中的照明區(qū)以及待與用戶的眼睛對準的觀看區(qū)。所述輸入耦合PBS被支撐在所述目鏡框架內所述照明區(qū)處以將所述CGI光重新引導到沿著所述空氣腔朝向所述觀看區(qū)延伸的前向傳播路徑。所述末端反射器經安置以在所述目鏡框架內沿著反向傳播路徑往回反射所述CGI光。所述輸出耦合PBS被支撐在所述觀看區(qū)處以使沿著所述前向傳播路徑行進的所述CGI光通過，且重新引導沿著所述反向傳播路徑行進的所述CGI光離開所述目鏡框架的朝向眼睛側。
【專利說明】用于頭戴式顯示器的輕質目鏡
【技術領域】
[0001]本發(fā)明大體涉及光學元件的領域，且特定來說(但不排除其它)涉及近眼式光學系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]頭戴式顯示器(“HMD”)是一種佩戴在頭部上或周圍的顯示裝置。HMD通常并入有某種近眼式光學系統(tǒng)以在人眼的幾厘米內發(fā)出光圖像。單眼顯示器稱為單筒HMD，而雙眼顯示器稱為雙筒HMD。一些HMD僅顯示計算機產生的圖像(“CGI”)，而其它類型的HMD能夠在現(xiàn)實視圖上疊加CGI。此后一類型的HMD可充當用于實現(xiàn)擴增現(xiàn)實的硬件平臺。利用擴增現(xiàn)實，觀看者眼中世界的圖像以也稱為平視顯示器(“HUD”)的上覆CGI擴增。
[0003]HMD具有許多實際和休閑應用。航空航天應用允許飛行員在不將其視線離開飛行路徑的情況下看見重要飛行控制信息。公共安全應用包含地圖的策略性顯示和熱成像。其它應用領域包含視頻游戲、交通運輸和電信。隨著技術發(fā)展當然會存在新發(fā)現(xiàn)的實際和休閑應用；這些應用中的許多應用歸因于用于實施現(xiàn)有HMD的常規(guī)光學系統(tǒng)的成本、大小、重量、視場和效率而受到限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]參看以下圖式描述本發(fā)明的非限制性和非詳盡實施例，圖式中，除非另外指定，否貝IJ相同參考數(shù)字貫穿各圖指代相同零件。
[0005]圖1A說明使用輸入透鏡和兩個鏡面的第一常規(guī)近眼式光學系統(tǒng)。
[0006]圖1B說明使用角度靈敏二向色鏡的第二常規(guī)近眼式光學系統(tǒng)。
[0007]圖1C說明使用全息衍射光柵的第三常規(guī)近眼式光學系統(tǒng)。
[0008]圖2是根據本發(fā)明的實施例的目鏡的橫截面圖。
[0009]圖3是根據本發(fā)明的實施例的目鏡的透視圖。
[0010]圖4是根據本發(fā)明的實施例的目鏡的照明模塊的橫截面圖。
[0011]圖5A和5B說明根據本發(fā)明的實施例的目鏡的末端反射器的橫截面圖。
[0012]圖6A和6B說明根據本發(fā)明的實施例的線柵偏振器的前視圖和側視圖。
[0013]圖7是說明根據本發(fā)明的實施例目鏡將近眼式圖像遞送給用戶的操作過程的流程圖。
[0014]圖8是根據本發(fā)明的實施例以目鏡實施的雙筒HMD的俯視圖。
【具體實施方式】
[0015]提供用于頭戴式顯示器(“HMD”)目鏡的操作的系統(tǒng)、設備和方法的實施例。在以下描述中，陳述許多特定細節(jié)以提供對實施例的徹底理解。然而，相關領域的技術人員將認識到，本文描述的技術可在沒有所述特定細節(jié)中的一者或一者以上的情況下或以其它方法、組件、材料等實踐。在其它例子中，未詳細展示或描述眾所周知的結構、材料或操作以免混淆某些方面。
[0016]貫穿本說明書對“一個實施例”或“一實施例”的參考意味著結合實施例描述的特定特征、結構或特性包含在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書在各處短語“在一個實施例中”或“在一實施例中”的出現(xiàn)不一定全部指代同一實施例。此外，特定特征、結構或特性可在一個或一個以上實施例中以任何適宜的方式組合。
[0017]圖1A說明使用輸入透鏡和兩個鏡面的第一常規(guī)近眼式光學系統(tǒng)101。圖像源105輸出由兩個鏡面110和115反射的圖像，所述圖像形成接近眼睛的圖像120。圖像源105通常安裝在頭部上方或頭部的側部，而鏡面110和115使觀看者面部的前方周圍的圖像向其眼睛120彎曲。由于人眼通常不能聚焦于放置在幾厘米內的物體，所以此系統(tǒng)需要插入在第一鏡面110與圖像源105之間的透鏡125。透鏡125通過將圖像源105定位在透鏡125的焦點f內部而產生比鏡面115的實際位置從眼睛向后移位更遠的虛擬圖像。光學系統(tǒng)101受到由鏡面110和115的廣度以及透鏡125的大體積限制的相對小的視場影響?？赏ㄟ^將鏡面110和115放置在高折射率材料內以壓縮入射角而或多或少地改進所述視場，但波導的厚度快速增加以實現(xiàn)較大視場。
[0018]圖1B說明使用角度靈敏二向色鏡的第二常規(guī)近眼式光學系統(tǒng)102。光學系統(tǒng)102包含安置在波導140內的單一輸入耦合鏡面130和兩個輸出耦合二向色鏡135。此系統(tǒng)使用來自放置在無窮遠處的虛擬圖像的準直輸入光且使用全內反射(“TIR”)沿著波導140向下朝向輸出I禹合二向色鏡135導引輸入光。為在眼睛120處產生有用圖像,輸入光的每一入射角應對應于所發(fā)射光的單一輸出角。由于光可潛在地在向下軌道(射線段145)或向上軌道(射線段150)上反射離開輸出鏡面135，所以每一輸入角可潛在地導致多個輸出角，借此破壞輸出圖像。為克服此問題，光學系統(tǒng)102使用角度靈敏二向色鏡135，所述角度靈敏二向色鏡使具有足夠接近法線的入射角的光通過，同時反射具有足夠傾斜入射角的光。然而，使一些入射角通過同時反射其它入射角的二向色鏡110的性質限制了光學系統(tǒng)100的視場且降低了系統(tǒng)的光學效率。另外，這些二向色鏡涂層不提供銳角截斷，從而產生重像效應。角度靈敏二向色鏡涂層需要復雜且定制的涂層設計，其不具成本效益。
[0019]圖1C說明使用全息衍射光柵的第三常規(guī)近眼式光學系統(tǒng)103。光學系統(tǒng)103類似于光學系統(tǒng)102,但使用全息衍射光柵150替代鏡面130和135。衍射光柵150是低效反射器，因為其僅反射較高階衍射同時使第一階衍射通過，第一階衍射含有光學波前中的能量的最大部分。除了是較差的光學反射器外，輸入和輸出衍射光柵必須彼此精確調諧，否則輸出圖像將遭受色彩分離。實現(xiàn)輸入與輸出光柵150之間足夠的匹配需要對制造公差的極端控制，這通常較困難且成本較高。
[0020]圖2和3說明根據本發(fā)明的實施例與HMD —起使用的目鏡200。圖2說明目鏡200的橫截面圖，而圖3說明目鏡200的透視圖。目鏡200的所說明的實施例包含目鏡框架205、圖像源、輸入耦合偏振分束器(“？85”)210、輸出耦合？85215、透明板220、偏振旋轉器225和末端反射器。目鏡框架205的所說明的實施例包含照明區(qū)230和觀看區(qū)235。圖像源的所說明的實施例包含照明模塊240和顯示面板245。末端反射器的所說明的實施例包含凸透鏡250和反射層255。參看圖3，在一個實施例中，目鏡200進一步包含透明側部薄片 260。
[0021]在一個實施例中，目鏡框架205界定空氣腔且將內部組件保持在適當位置。在所說明的實施例中，輸入耦合PBS210和輸出耦合PBS215以與前向傳播路徑203成傾斜角(例如，45度)安裝在目鏡框架205內。前向傳播路徑203在目鏡框架205內從照明區(qū)230向觀看區(qū)235延伸。在圖3中說明的實施例中，框架205包含細長部件207和橫向部件209。橫向部件209耦合在數(shù)對細長部件207之間以穩(wěn)固地支撐框架。在一個實施例中，前向傳播路徑203與細長部件207大體平行，且與橫向部件209大體垂直。目鏡框架205可由金屬(例如，鎂金屬)制成，且可進一步制作為剛性金屬線框。在一些實施例中，保護性鞘套層(例如，透明側部薄片260;注意，僅說明兩個，但所有四側都可加上鞘套以進行保護)可固定到目鏡框架205以保護內部組件。保護性鞘套可在觀看區(qū)235中為透明的(例如，玻璃、石英、丙烯酸塑料、透明塑料、PMMA, ZE0NEX-E48R等)以允許周圍場景光270穿過目鏡200的周圍場景側201和朝向眼睛側202而到達眼睛120。觀看區(qū)235的半透明性質允許目鏡200通過以CGI光擴增周圍場景光270而向用戶提供擴增現(xiàn)實。
[0022]照明模塊240可使用發(fā)光二極管(“LED”)源(或多色LED陣列)實施，其經由輸入耦合PBS210照明顯示面板245。照明模塊240可輸出未偏振光(例如，P和S線性偏振分量兩者)或輸出偏振光(例如，僅P偏振分量)。照明模塊240和顯示面板245可在目鏡200的任一側上以相對配置安裝到照明區(qū)230中的框架205的外側。
[0023]輸入耦合PBS210定位在照明區(qū)230內，在照明模塊240與顯示面板245之間。輸入耦合PBS240可實施為線柵偏振器、多層薄膜偏振器或其它。輸入耦合PBS210操作以使第一線性偏振的光大體通過，同時大體上反射第二偏振的光。所述兩個線性偏振通常為正交線性偏振。顯示面板245(例如，LCOS、IXD面板等)將圖像數(shù)據提供到由照明模塊240輸出的照明光上以經由圖像像素陣列的選擇性反射而輸出計算機產生的圖像(“CGI”)光。顯示面板245的反射將入射燈光的偏振旋轉90度。
[0024]入射燈光反射后，CGI光(其已在偏振方面旋轉了 90度)即刻由輸入耦合PBS210重新引導且沿著前向傳播路徑203沿目鏡200向下傳播。在一個實施例中，CGI光沿著前向傳播路徑203沿目鏡200向下被引導而不需要全內反射(“TIR”)。換句話說，CGI光形成的光錐的橫截面形狀和發(fā)散度經限定以使得光線在不需要TIR離開目鏡200的側部(例如，透明側部薄片260)的情況下到達末端反射器。在一個實施例中，光錐發(fā)散角(例如，15度)由圖案化到照明模塊240、顯示面板245或目鏡框架205內其它地方上的全黑膜控制。
[0025]前向傳播路徑203經由目鏡框架205內的空氣腔延伸到反射層255。由目鏡框架205保護的空氣腔作為輕質光中繼器而操作以保護光學路徑。在一個實施例中，細長部件207的長度經選擇以使得末端反射器的焦平面大體與顯示面板245的發(fā)射孔徑一致。為實現(xiàn)焦平面與顯示面板245的發(fā)射孔徑對準，目鏡框架205的長度和反射層255的曲率半徑可結合彼此而選擇。
[0026]觀看區(qū)235的所說明的實施例包含由輸出耦合PBS215形成的反射表面。在一個實施例中，觀看區(qū)235部分透明，其允許外部(周圍)場景光270穿過目鏡200的外部場景側201和朝向眼睛側202以到達眼睛120。部分透明實施例促進擴增現(xiàn)實(“AR”)，其中CGI光疊加在外部場景光270上而到達用戶眼睛120。在另一實施例中，觀看區(qū)235實質上不透明(或甚至選擇性不透明)，這促進使用戶沉浸在由CGI光顯示的虛擬環(huán)境中的虛擬現(xiàn)實(“VR”)。
[0027]輸出耦合PBS215經配置以使與輸入耦合PBS210通過的偏振正交的線性偏振(例如，S偏振)通過，同時反射其它線性偏振(例如，P偏振)。輸入耦合PBS210可實施為線柵偏振器(見圖6A和6B)、多層薄膜偏振器或其它。在所說明的實施例中，偏振旋轉器225為夾在透明板220與凸透鏡250之間以消除四分之一波板的膜實施例中的缺陷并允許光學元件的抗反射涂層通過輸出耦合PBS215進入末端反射器中的四分之一波板偏振旋轉器。CGI光在被反射層225反射之后在其經由前向傳播路徑203和反向傳播路徑204兩次穿過四分之一波板期間在偏振方面旋轉90度。在一個實施例中，包含凸透鏡250和反射層255的末端反射器反射CGI光并使CGI光準直，使得沿著反向傳播路徑204行進的CGI光大體準直。如先前陳述，末端反射器的焦平面可經配置以與顯示面板245的發(fā)射孔徑一致或近似一致。使CGI光準直有助于眼睛120在近眼式配置中(例如，目鏡200放置在眼睛120的IOcm內且通常小于眼睛120的5cm)聚焦于發(fā)射離開朝向眼睛側202的CGI光。CGI光歸因于輸出耦合PBS215的傾斜定向(例如，相對于側部201和202近似45度)而被引導朝向眼睛120。在其它實施例中，末端反射器在不完全使CGI光準直的情況下會減小CGI光的發(fā)散度。在另外其它實施例中，末端反射器可實施為平面反射表面。
[0028]在其中末端反射器使CGI光準直的實施例中，由輸出耦合PBS215到朝向眼睛側202上的投影確定眼框(眼睛120內可看見CGI光的區(qū))。輸出耦合PBS215的大小由目鏡200的橫截面大小和形狀確定。參看圖3，在一個實施例中，目鏡200可具有實例橫截面尺寸D2 = D3 = 10mm。在其它實施例中，尺寸D2和D3不需要相等(例如，D2 = 10.2mm且D3=7.7mm)。目鏡200的總長Dl可基于典型用戶的鬢角與眼睛的分隔距離和/或末端反射器的焦平面距離來選擇。舉例來說，末端反射器可具有近似等于80mm的曲率半徑，且目鏡200可具有近似等于29.5mm的長度Dl。當然，可使用其它比率和尺寸。
[0029]圖4是根據本發(fā)明的實施例的照明模塊400的橫截面圖。照明模塊400表示圖2和3中說明的照明模塊240的一個可能實施方案。照明模塊400的所說明的實施例包含燈405、光擴展區(qū)410、反射表面415、亮度增強膜(“BEF”)420和425，以及偏振器430。
[0030]燈405可實施為單色LED、LED的多色陣列(例如，RGB)，或安裝到光擴展區(qū)410的側部的其它光源。從燈405發(fā)射的光照明擴展區(qū)410，擴展區(qū)410將光均勻地散布在較大橫截面上。在實施例中，擴展區(qū)410實施為透明聚合物體積，其中反射表面415(例如，金屬涂層)在其暴露的側部上。擴展區(qū)410安置在兩個堆疊的BEF420和425上。這些膜具有光功率且操作以減小燈光的發(fā)散度。在一個實施例中，BEF420和425為相對彼此旋轉90度的微棱鏡層。在所說明的實施例中，BEF420和425的堆疊安置在偏振器430上，偏振器430操作以將燈光偏振為單一線性偏振分量(例如，P偏振)以用于經由輸入耦合PBS210照明顯示面板245。因此，偏振器430經配置以輸出具有輸入耦合PBS210對其大體上透明的偏振分量的光。在一個實施例中，組件410、420、425和430在不使用膠水的情況下夾緊在一起。
[0031]圖5A和5B說明根據本發(fā)明的實施例的末端反射器500的橫截面圖。末端反射器500是圖2和3說明的末端反射器的一個可能實施方案。末端反射器500的所說明的實施例包含凸透鏡505和涂覆在凸透鏡505的凸端上方的凹反射器510。凸透鏡505由大體上透明材料(例如，玻璃、石英、丙烯酸塑料、透明塑料、聚碳酸酯、PMMA, ZE0NEX-E48R等)制成。凹反射器510由安置在凸透鏡505上方的反射材料(例如，金屬涂層)制成。在其中目鏡框架205界定空氣腔且前向傳播路徑203穿過空氣與實心表面的組合(例如，輸入耦合PBS210、輸出耦合PBS215、透明板220、偏振旋轉器225和凸透鏡250)的實施例中，凹反射器510可為超環(huán)面鏡，其具有兩個不同曲率半徑Rl和R2以校正散光光學像差。舉例來說，Rl可近似為81.87mm，且R2可近似為83.20mm。當然，可使用其它半徑組合。在其它實施例中，目鏡200可制作為其中內嵌有輸入耦合和輸出耦合PBS的實心件。在其它實施例中，末端反射器可制作為簡單凹鏡，而無凸透鏡。此外，凹反射器510可為非球面表面、自由形態(tài)表面或其它。
[0032]圖6A和6B說明根據本發(fā)明的實施例的線柵偏振器(“WGP”)600的前視圖和側視圖。WGP600表示輸入耦合PBS210和/或輸出耦合PBS215中的任一者或兩者的一個可能實施方案。WGP600的所說明的實施例包含大體彼此平行延伸的多個金屬線605 (或電線)。在一個實施例中，金屬線605安置在襯底610上，襯底610可為透明襯底。在一個實施例中，金屬線605可內嵌在襯底610內或被保護層615覆蓋。金屬線605可由鋁、錫、銅或其它導電材料制成。襯底610 (和保護層615)可由玻璃、石英、丙烯酸塑料，或例如Zeonex、PMMA、聚碳酸酯等其它透明材料制成。在一些實施例中，襯底610可包含一個或一個以上濾光器涂層(例如，抗反射涂層、彩色涂層、暗化涂層或其它)。鄰近金屬線605之間的間距通常經選擇為低于待偏振的波長。僅作為實例，所述間距可選擇為約lOOnm，而金屬線605的厚度可選擇為約30nm。當然，其它間距和厚度可根據應用和所要偏振特性而選擇。
[0033]在操作期間，當WGP600用包含具有第一線性偏振620的分量和具有第二線性偏振625的分量的未偏振光照明時,具有偏振620的分量大體上被反射,而具有偏振625的分量大體上不受影響而穿過。線性偏振620的電場沿著金屬線605的長度垂直激勵電子，這導致這些分量沿著反射路徑被輻射。相比之下，偏振625的電場在金屬線605上橫向激勵電子。由于金屬線605內的電子被水平限定，所以具有偏振625的分量穿過金屬線605。當然，如果WGP600用實質上僅具有偏振625的偏振光照明，那么所述光將大體上穿過。相比之下，如果WGP600用實質上僅具有偏振620的偏振光照明，那么所述光將大體上反射。在所說明的實施例中，線性偏振620與線性偏振625正交。
[0034]偏振光穿過WGP600或借此反射的角度隨至少入射光的波長和金屬線605之間的柵格間距而變。此外，通過相對于輸入光(例如，相對于CGI光)旋轉WGP600，可使得WGP600使P或S偏振通過或將其反射。因此，在一個實施例中，輸入耦合PBS210和輸出耦合PBS215兩者制造有以正交定向(例如線柵偏振器中的電線的90度相對物理定向)安裝在目鏡框架205內的WGP，借此不需要安置在輸入耦合PBS210與輸出耦合PBS215之間的二分之一波板偏振旋轉器。在一個實施例中，僅輸入耦合PBS210是使用WGP制造，而輸出耦合PBS215是使用多層薄膜PBS制造，其中輸入耦合位置處的WGP經定向以使相對于輸出耦合PBS215正交的偏振通過。
[0035]圖7是說明根據本發(fā)明的實施例目鏡200將近眼式圖像遞送給用戶的操作過程700的流程圖。一些或所有過程框在過程700中出現(xiàn)的次序不應視為限制性的。事實上，受益于本發(fā)明的所屬領域的一般技術人員將理解，一些過程框可以未說明的多種次序或甚至并行執(zhí)行。
[0036]在過程框705中，照明模塊240發(fā)射未偏振的燈光或具有經選擇以穿過輸入耦合PBS210的第一線性偏振(例如，說明為P偏振)的燈光。在穿過輸入耦合PBS210(過程框710)后，未偏振光即刻變?yōu)槠竦?，之后照明顯示面板245。顯示面板245通過選擇性地激活顯示面板內的圖像像素而將圖像數(shù)據調制到入射燈光上。當圖像像素被激活時，其反射其燈光的一部分(過程框715)。如此,所反射CGI光的偏振相對于輸入稱合PBS210反射的偏振(例如，說明為S偏振)旋轉90度。從顯示面板245發(fā)射的CGI光反射回到輸入耦合PBS245上，輸入耦合PBS245沿著前向傳播路徑203重新引導CGI光(過程框720)。應了解，P和S偏振的名稱(進而P被透射且S被反射)僅為例示性的?？蓪嵤┢渌穸ㄏ蚝退干?反射組合。
[0037]經重新引導的CGI光在空氣腔內沿著目鏡框架205向下傳播。在一個實施例中，目鏡框架205的長度僅提供圖像源與末端反射器之間的間隔偏移且不需要操作以限定或導引光波。因此，在這些實施例中，CGI光在無TIR且無外部表面反射的情況下沿著目鏡200向下通過。在過程框725中，CGI光沿著前向傳播路徑203穿過觀看區(qū)235。由于輸出耦合PBS215經配置以大體上使與由輸入耦合PBS210反射的偏振分量相同的偏振分量通過(SP，輸入耦合PBS210和輸出耦合PBS215反射相對于彼此正交的偏振分量且透射相對于彼此正交的偏振分量)，所以CGI光大體上在不受影響的情況下穿過輸出耦合PBS215。
[0038]在過程框730中，CGI光接著沿著前向傳播路徑203穿過偏振旋轉器225。如此，CGI光的偏振為圓偏振，因為偏振旋轉器225的所說明的實施例為四分之一波板旋轉器。
[0039]在過程框735中，CGI光被反射層255沿著反向傳播路徑204往回反射。在一個實施例中，反射層255為凹的且具有大體上使沿著反向傳播路徑204反射的CGI光準直的形狀。使CGI光準直會具有在無窮遠或接近無窮遠處虛擬移位CGI圖像的效應，借此有助于人眼120將CGI圖像對焦。當然，末端反射器可在不完全使光準直的情況下減小發(fā)散度，借此在小于無窮遠的位置處(例如，I到3米處)使虛擬圖像移位。
[0040]在過程框740中，沿著反向傳播路徑204行進的所反射CGI光再次穿過偏振旋轉器225，從而致使反向圓偏振的CGI光在與前向路徑正交的偏振方向上線性偏振。因此，在第二次穿過偏振旋轉器225之后，CGI光具有大體上被輸出耦合PBS215反射的偏振(例如，說明為P偏振)。在過程框745中，CGI光被輸出耦合PBS215反射且被重新引導離開目鏡200穿過朝向眼睛側202朝向眼睛120。
[0041]圖8是根據本發(fā)明的實施例使用一對近眼式光學系統(tǒng)801的頭戴式顯示器(“HMD”) 800的俯視圖。每一近眼式光學系統(tǒng)801可用目鏡200的實施例實施。近眼式光學系統(tǒng)801安裝到框架組合件，框架組合件包含鼻梁805、左耳臂810和右耳臂815。盡管圖8說明雙筒實施例，但HMD800也可實施為僅具有單一目鏡的單筒HMD。
[0042]兩個近眼式光學系統(tǒng)801緊固到可佩戴在用戶頭部上的眼鏡布置中。左耳臂810和右耳臂815擱置在用戶耳朵上，而鼻部組合件805擱置在用戶鼻部上?？蚣芙M合件經設定形狀和大小以將觀看區(qū)235定位在用戶的對應眼睛120的前方。當然，可使用具有其它形狀的其它框架組合件(例如，具有耳臂和鼻梁支撐件的面罩、單一鄰接頭戴式耳機部件、頭帶、防風鏡型護目鏡等)。
[0043]HMD800的所說明的實施例能夠向用戶顯示擴增現(xiàn)實。每一目鏡的觀看區(qū)允許用戶經由外部場景光270看到現(xiàn)實圖像。左和右(雙筒實施例)CGI光830可由耦合到目鏡的相應圖像源的一個或兩個CGI引擎(未說明)產生。CGI光830作為疊加在現(xiàn)實世界上以作為擴增現(xiàn)實的虛擬圖像而被用戶看到。在一些實施例中，外部場景光270可被阻擋或選擇性地阻擋以提供頭戴式虛擬現(xiàn)實顯示或抬頭顯示。[0044]本發(fā)明的所說明的實施例的以上描述(包含摘要中描述的內容)不希望為詳盡的或將本發(fā)明限于所揭示的精確形式。雖然本文出于說明性目的描述本發(fā)明的特定實施例和實例，但在本發(fā)明的范圍內的各種修改是可能的，如相關領域的技術人員將了解。
[0045]鑒于以上詳細描述可對本發(fā)明作出這些修改。所附權利要求書中使用的術語不應解釋為將本發(fā)明限于本說明書中揭示的特定實施例。而是，本發(fā)明的范圍應完全由所附權利要求書確定，應根據所確立的權利要求闡釋原則解釋所附權利要求書。
【權利要求】
1.一種用于頭戴式顯示器的目鏡，所述目鏡包括: 界定空氣腔的目鏡框架，所述目鏡框架包含用于將計算機產生的圖像CGI光接收到所述目鏡框架中的照明區(qū)以及待與用戶的眼睛對準的觀看區(qū)； 輸入耦合偏振分束器PBS，其被支撐在所述目鏡框架內所述照明區(qū)處以將所述CGI光重新引導到沿著所述空氣腔朝向所述觀看區(qū)延伸的前向傳播路徑； 反射器，其安置在所述目鏡框架的與所述照明區(qū)相對的末端處以在所述目鏡框架內沿著反向傳播路徑往回反射所述CGI光； 輸出耦合PBS，其被支撐在所述目鏡框架內所述觀看區(qū)處以使沿著所述前向傳播路徑行進的所述CGI光通過，且重新引導沿著所述反向傳播路徑行進的所述CGI光離開所述目鏡框架的朝向眼睛側；以及 偏振旋轉器，其安置在所述輸出耦合PBS與所述反射器之間所述CGI光的所述前向和反向傳播路徑中。
2.根據權利要求1所述的目鏡，其中所述輸出耦合PBS反射與所述輸入耦合PBS反射的所述CGI光的偏振分量大體上正交的所述CGI光的偏振分量。
3.根據權利要求1所述的目鏡，其中所述目鏡框架包括金屬框架，所述金屬框架包含: 細長部件，其從所述照明區(qū)向所述觀看區(qū)延伸且大體平行于所述前向傳播路徑而延伸；以及 橫向部件，其剛性地將所述細長部件固持在一起。
4.根據權利要求3所述的目鏡，其中所述金屬框架包括鎂金屬框架。
5.根據權利要求3所述的目鏡，其進一步包括: 大體上透明側部薄片，其安裝到所述金屬框架以保護所述金屬框架內部的組件，其中所述目鏡在所述觀看區(qū)中使周圍場景光穿過所述目鏡的周圍場景側和朝向眼睛側以用所述CGI光擴增所述周圍場景光。
6.根據權利要求5所述的目鏡，其中所述大體上透明側部薄片包括Zeonex薄片。
7.根據權利要求1所述的目鏡，其中所述輸入耦合PBS包括第一線柵偏振器。
8.根據權利要求7所述的目鏡，其中所述輸出耦合PBS包括第二線柵偏振器，其中所述第二線柵偏振器的電線經定向以與所述第一線柵偏振器的電線大體上正交而延伸。
9.根據權利要求7所述的目鏡，其中所述輸出耦合PBS包括薄膜偏振器，所述薄膜偏振器反射與所述第一線柵偏振器反射的所述CGI光的偏振分量大體上正交的所述CGI光的偏振分量。
10.根據權利要求1所述的目鏡，其進一步包括: 照明模塊，其安置在所述照明區(qū)處；以及 反射顯示面板，其安 置在所述照明區(qū)處以用于響應于所述照明模塊的照明而產生所述CGI 光， 其中所述反射顯示面板安置在所述照明區(qū)中所述目鏡的與所述照明模塊相對的側上，其中所述輸入耦合PBS安置在所述照明模塊與所述反射顯示面板之間。
11.根據權利要求10所述的目鏡，其中所述照明模塊包括: 透明擴展體積； 發(fā)光二極管，其安裝到所述透明擴展體積的側部以用燈光照明所述透明擴展體積；第一增光膜BEF，其鄰近于所述透明擴展體積而安置以沿著第一軸減小所述燈光的發(fā)散度； 第二 BEF，其鄰近于所述第一 BEF而安置以沿著第二軸減小所述燈光的所述發(fā)散度；以及 偏振器，其安置在所述第二 BEF與所述輸入耦合PBS之間。
12.根據權利要求1所述的目鏡，其中所述反射器包括涂覆到凸透鏡的表面上的凹面鏡。
13.根據權利要求12所述的目鏡，其中所述凹面鏡包括具有多個曲率半徑的超環(huán)面鏡。
14.一種用于向用戶的眼睛顯示計算機產生的圖像CGI光的頭戴式顯示器HMD，所述HMD包括: 目鏡，其包含: 界定空氣腔的目鏡框架，所述目鏡框架包含用于將計算機產生的圖像CGI光接收到所述目鏡框架中的照明區(qū)以及待與用戶的眼睛對準的觀看區(qū)； 圖像源，其在所述照明 區(qū)處安裝到所述目鏡框架以用于產生所述CGI光； 輸入耦合偏振分束器PBS，其被支撐在所述目鏡框架內所述照明區(qū)處以將從所述圖像源接收的所述CGI光重新引導到沿著所述空氣腔朝向所述觀看區(qū)延伸的前向傳播路徑；末端反射器，其安置在所述目鏡框架的與所述照明區(qū)相對的末端處以在所述目鏡框架內沿著反向傳播路徑往回反射所述CGI光；以及 輸出耦合PBS，其被支撐在所述目鏡框架內所述觀看區(qū)處以使沿著所述前向傳播路徑行進的所述CGI光通過，且重新引導沿著所述反向傳播路徑行進的所述CGI光離開所述目鏡框架的朝向眼睛側；以及 框架組合件，其用以支撐所述目鏡以佩戴在所述用戶的頭部上，其中所述觀看區(qū)定位在所述用戶的所述眼睛的前方。
15.根據權利要求14所述的HMD，其中所述HMD包括雙筒HMD，所述雙筒HMD包含由所述框架組合件支撐在所述用戶的另一眼睛前方的另一目鏡。
16.根據權利要求14所述的HMD，其中所述目鏡進一步包含: 偏振旋轉器，其安置在所述輸出耦合PBS與所述末端反射器之間所述CGI光的所述前向和反向傳播路徑中。
17.根據權利要求14所述的HMD，其中所述輸出耦合PBS反射與所述輸入耦合PBS反射的所述CGI光的偏振分量大體上正交的所述CGI光的偏振分量。
18.根據權利要求14所述的HMD，其中所述目鏡框架包括金屬框架，所述金屬框架包含: 細長部件，其從所述照明區(qū)向所述觀看區(qū)延伸且大體平行于所述前向傳播路徑而延伸；以及 橫向部件，其剛性地將所述細長部件固持在一起。
19.根據權利要求18所述的HMD，其中所述目鏡進一步包括: 大體上透明側部薄片，其安裝到所述金屬框架以保護所述金屬框架內部的組件，其中所述目鏡在所述觀看區(qū)中使周圍場景光穿過所述目鏡的周圍場景側和朝向眼睛側以用所述CGI光擴增所述周圍場景光。
20.根據權利要求14所述的HMD，其中所述輸入耦合PBS包括第一線柵偏振器。
21.根據權利要求20所述的HMD，其中所述輸出耦合PBS包括第二線柵偏振器，其中所述第二線柵偏振器的電線經定向以與所述第一線柵偏振器的電線大體上正交而延伸。
22.根據權利要求20所述的HMD，其中所述輸出耦合PBS包括薄膜偏振器，所述薄膜偏振器反射與所述第一線柵偏振器反射的所述CGI光的偏振分量大體上正交的所述CGI光的偏振分量。
23.根據權利要求14所述的HMD，其中所述圖像源包括: 照明模塊；以及 反射顯示面板，其用于響應于所述照明模塊的照明而產生所述CGI光， 其中所述反射顯示面板安置在所述照明區(qū)中所述目鏡的與所述照明模塊相對的側上，其中所述輸入耦合PBS安置在所述照明模塊與所述反射顯示面板之間。
24.一種用于頭戴式顯示 器的目鏡，所述目鏡包括: 目鏡框架，其包含用于將計算機產生的圖像CGI光接收到所述目鏡框架中的照明區(qū)以及待與用戶的眼睛對準的觀看區(qū)； 輸入耦合偏振分束器PBS，其被支撐在所述目鏡框架內所述照明區(qū)處以將所述CGI光重新引導到朝向所述觀看區(qū)延伸的前向傳播路徑； 末端反射器，其安置在所述目鏡框架的與所述照明區(qū)相對的末端處以在所述目鏡框架內沿著反向傳播路徑往回反射所述CGI光；以及 輸出耦合PBS，其被支撐在所述目鏡框架內所述觀看區(qū)處以使沿著所述前向傳播路徑行進的所述CGI光通過，且重新引導沿著所述反向傳播路徑行進的所述CGI光離開所述目鏡框架的朝向眼睛側， 其中所述輸出耦合PBS反射與所述輸入耦合PBS反射的所述CGI光的偏振分量大體上正交的所述CGI光的偏振分量。
25.根據權利要求24所述的目鏡，其進一步包括: 偏振旋轉器，其安置在所述輸出耦合PBS與所述末端反射器之間所述CGI光的所述前向與反向傳播路徑中。
26.根據權利要求24所述的目鏡，其中所述目鏡框架界定空氣腔，且所述前向傳播路徑沿著所述空氣腔內延伸。
27.根據權利要求24所述的目鏡，其中所述目鏡框架包括金屬框架，所述金屬框架包含: 細長部件，其從所述照明區(qū)向所述觀看區(qū)延伸且大體平行于所述前向傳播路徑而延伸；以及 橫向部件，其剛性地將所述細長部件固持在一起。
28.根據權利要求24所述的目鏡，其中所述輸入耦合PBS包括第一線柵偏振器，且所述輸出耦合PBS包括第二線柵偏振器，其中所述第二線柵偏振器的電線經定向以與所述第一線柵偏振器的電線大體上正交而延伸。
【文檔編號】G02B27/02GK103765294SQ201280041613
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年7月12日 優(yōu)先權日:2011年9月21日
【發(fā)明者】安諾亞吉·庫皮塔, 巴巴克·阿米爾帕爾維茲, 素密·夏爾馬 申請人:谷歌公司