具有使光彎曲及聚焦的衍射光柵的近眼式顯示器的制造方法
【專利摘要】一種近眼式光學(xué)系統(tǒng)包含具有透視顯示區(qū)的光學(xué)透射襯底及衍射元件的重復(fù)圖案。衍射元件的所述重復(fù)圖案跨越所述光學(xué)透射襯底的所述透視顯示區(qū)安置且被組織成反射衍射光柵，所述反射衍射光柵使投射到所述反射衍射光柵上的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像“CGI”光彎曲及聚焦。所述透視顯示區(qū)對投射到所述光學(xué)透射襯底的外部側(cè)上的外部周圍光為至少部分透射的且對投射到所述光學(xué)透射襯底的與所述外部側(cè)相對的內(nèi)部側(cè)上的所述CGI光為至少部分反射的。
【專利說明】具有使光彎曲及聚焦的衍射光柵的近眼式顯示器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體來說涉及光學(xué)器件的領(lǐng)域，且特定來說(但非排他性地)涉及近眼式光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]頭戴式顯示器(“HMD”)是佩戴于頭部上或圍繞頭部佩戴的顯示裝置。HMD通常并入有某一種類的近眼式光學(xué)系統(tǒng)以在距人眼幾厘米內(nèi)發(fā)射光圖像。單眼顯示器稱為單目式HMD，而雙眼顯示器稱為雙目式HMD。一些HMD僅顯示計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像(“CGI”)，而其它類型的HMD能夠?qū)GI疊加于現(xiàn)實(shí)世界視圖上。這后一種類型的HMD可用作用于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)的硬件平臺(tái)。在擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)的情況下，用覆疊的CGI擴(kuò)增觀看者的世界圖像(也稱為抬頭顯示器(“HUD”))。
[0003]HMD具有眾多的實(shí)用應(yīng)用及休閑應(yīng)用。航空航天應(yīng)用準(zhǔn)許飛行員在不使其眼睛離開飛行路徑的情況下看到極其重要的飛行控制信息。公共安全應(yīng)用包含地圖及熱成像的戰(zhàn)術(shù)顯示。其它應(yīng)用領(lǐng)域包含視頻游戲、交通運(yùn)輸及電信。隨著技術(shù)演變，必定存在新發(fā)現(xiàn)的實(shí)用應(yīng)用及休閑應(yīng)用；然而，這些應(yīng)用中的許多應(yīng)用由于用于實(shí)施現(xiàn)有HMD的常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)的成本、大小、視場及效率而受到限制。
[0004]圖1圖解說明使用安置于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)110的背側(cè)上的全息衍射光柵105的常規(guī)近眼式光學(xué)系統(tǒng)100。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)110將來自觀看者臉部的前方周圍的圖像源115的圖像光輸送到其眼睛120。由于人眼通常不能夠聚焦于放置在五到十厘米內(nèi)的物體上，因此此系統(tǒng)需要插置于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)110與圖像源115之間的透鏡125。通過將圖像源115定位于透鏡125的焦點(diǎn)內(nèi)側(cè)，透鏡125形成虛擬地從眼睛進(jìn)一步向后位移的圖像。透鏡125通常為龐大的元件。
[0005]光學(xué)系統(tǒng)100使用安置于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)110的背側(cè)上的全息衍射光柵105來代替常規(guī)平面鏡以將光耦入及耦出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)110。衍射光柵105為出于耦入及耦出目的而簡單地反射或重新引導(dǎo)光的單相衍射光柵。這些單相衍射光柵為效率低下的反射器，因?yàn)槠鋬H反射高階衍射而使含有光學(xué)波前中的最大能量部分的一階衍射通過。除不良光學(xué)反射器以外，輸入及輸出衍射光柵也必須被彼此精確地調(diào)諧，輸出圖像也將遭受色彩分離。實(shí)現(xiàn)輸入與輸出光柵105之間的充足匹配需要對制造公差的極端控制，此通常為困難且昂貴的。最終，光學(xué)系統(tǒng)100具有受在耦入與耦出衍射光柵105之間導(dǎo)引光的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)110的寬度約束的有限視場?？赏ㄟ^使用高折射率材料稍微地增加光學(xué)寬度以改進(jìn)視場，但最終波導(dǎo)結(jié)構(gòu)110的物理尺寸提供對視場的更大控制。增加波導(dǎo)結(jié)構(gòu)Iio的寬度導(dǎo)致龐大、沉重而不舒適且難看的目鏡。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]參考以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非詳盡實(shí)施例，其中在所有各視圖中相似參考編號指代相似部件，除非另有規(guī)定。[0007]圖1 (現(xiàn)有技術(shù))圖解說明使用用于光彎曲的單相耦入及耦出衍射光柵的常規(guī)近眼式光學(xué)系統(tǒng)。
[0008]圖2是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用使光彎曲及聚焦的衍射光柵的近眼式光學(xué)系統(tǒng)的功能框圖。
[0009]圖3圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的被組織成反射并聚焦光的反射衍射光柵的衍射元件的實(shí)例性重復(fù)圖案。
[0010]圖4是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于產(chǎn)生輪廓函數(shù)的迭代快速傅里葉變換過程的流程圖，所述輪廓函數(shù)描述反射并聚焦光的衍射光柵。
[0011]圖5是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有用硅上液晶顯示面板實(shí)施的光引擎的近眼式光學(xué)系統(tǒng)的功能框圖。
[0012]圖6是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有用微機(jī)電系統(tǒng)(“MEMS”)掃描鏡實(shí)施的光引擎的近眼式光學(xué)系統(tǒng)的功能框圖。
[0013]圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有反射涂層的衍射元件的實(shí)例性橫截面圖。
[0014]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有分色角度選擇性多層涂層的衍射元件的實(shí)例性橫截面圖。
[0015]圖9圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用以制作用于形成具有光彎曲及光聚焦性質(zhì)的衍射光柵的主模的電鍍技術(shù)。
[0016]圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的離散多相衍射元件的實(shí)例性橫截面圖。
[0017]圖11是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用反射衍射光柵的示范雙目式頭戴式顯示器。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下文描述用于具有使光彎曲及聚焦的衍射光柵的頭戴式顯示器(“HMD”)目鏡的系統(tǒng)、設(shè)備及操作方法的實(shí)施例。在以下描述中，陳述眾多特定細(xì)節(jié)以提供對所述實(shí)施例的透徹理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可在無所述特定細(xì)節(jié)中的一者或一者以上的情況下或借助其它方法、組件、材料等實(shí)踐本文中所描述的技術(shù)。在其它實(shí)例中，為避免使某些方面模糊，未詳細(xì)展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作。
[0019]在本說明書通篇中對“一個(gè)實(shí)施例”或“一實(shí)施例”的提及意指結(jié)合所述實(shí)施例所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在本說明書通篇中各個(gè)地方短語“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在一實(shí)施例中”的出現(xiàn)未必全部指代同一實(shí)施例。此外，在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例中，可以任何適合方式組合所述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。
[0020]圖2是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用使光彎曲及聚焦的衍射光柵的近眼式光學(xué)系統(tǒng)200的功能框圖。近眼式光學(xué)系統(tǒng)200的所圖解說明實(shí)施例包含衍射光柵205及光引擎210。
[0021]光引擎210可用多種不同顯示技術(shù)(例如，LCoS、IXD、數(shù)字微鏡、MEMS掃描鏡、量子點(diǎn)陣列、OLED等)來實(shí)施，但應(yīng)輸出具有窄波長帶的光，例如激光源(例如，激光二極管)的輸出。光引擎210可耦合到控制器，例如計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像(“CGI”)引擎，以輸出CGI光215。衍射光柵205由被組織成既反射(例如，彎曲)光又聚焦(例如，放大)光的反射衍射光柵的反射衍射元件的重復(fù)圖案制作而成。因此，如圖2中所圖解說明，從光引擎210發(fā)射的CGI光215具有發(fā)散光錐且傾斜地投射到衍射光柵205上。聚焦經(jīng)反射CGI光220 (例如，更改CGI光215內(nèi)的每一像素的發(fā)散度)且使CGI光220沿著不同于CGI光215的軌線反射。因此，衍射光柵205既使光彎曲又使光聚焦。衍射光柵205的反射特性使得其能夠用于將來自外圍位置的CGI光215輸送到眼睛120的前方。衍射光柵205的聚焦特性使得其能夠用于近眼式配置(例如，HMD)中而不需要額外龐大的外部聚焦光學(xué)器件。如果衍射光柵205嵌入或以其它方式安置于實(shí)質(zhì)上透明襯底中或?qū)嵸|(zhì)上透明襯底上，那么其可經(jīng)修整以供在透視顯示器中使用。
[0022]圖3圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使光反射及聚焦的實(shí)例性衍射光柵300。衍射光柵300為衍射光柵205的一個(gè)可能實(shí)施方案。衍射光柵300的所圖解說明實(shí)施例包含安置于光學(xué)透射襯底310中或光學(xué)透射襯底310上的反射衍射元件305。衍射光柵300并不僅僅響應(yīng)于無圖像燈光的照射而產(chǎn)生全息圖像；而是，衍射光柵300保存照射到其表面上的圖像，同時(shí)既反射又放大圖像(例如，CGI光215)。
[0023]光學(xué)透射襯底310可由多種實(shí)質(zhì)上或部分透明材料制作，例如玻璃、石英、丙烯酸、透明塑料、PMMA、ZE0NEX-E48R等。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)透射襯底310可為平坦平面表面或彎曲表面。彎曲表面實(shí)施例可促進(jìn)使用光學(xué)透射襯底310作為HMD或眼鏡框架的目鏡。個(gè)別衍射元件305為由反射材料形成或涂覆有反射材料(例如，金屬、分色膜等)的三維結(jié)構(gòu)且通過光學(xué)透射襯底310的介入間隙分離。在一個(gè)實(shí)施例中，所述反射材料為部分反射(例如，50%反射)鋁或銀涂層。這些結(jié)構(gòu)的部分反射性準(zhǔn)許充足的外部周圍光通過用于透視顯示器的衍射光柵300的背側(cè)?；蛘?，所述反射材料可為分色角度選擇性多層表面，所述分色角度選擇性多層表面對于實(shí)質(zhì)上法向于光學(xué)透射襯底310的表面照射的光為實(shí)質(zhì)上透明的，而對以充足傾斜角度投射到衍射光柵300上的CGI光215為實(shí)質(zhì)上反射的。雖然圖3圖解說明衍射元件305具有矩形平面圖輪廓，但其事實(shí)上可設(shè)計(jì)有其它平面圖輪廓形狀(例如，圓形、三角形、不規(guī)則形等)。
[0024]如上文所論述，由于衍射光柵300在被用光照射式不形成新的圖像而是反射及聚焦現(xiàn)有圖像。衍射光柵300包含跨越其表面的重復(fù)圖案315以執(zhí)行經(jīng)組合光彎曲與光聚焦功能。在一個(gè)實(shí)施例中，重復(fù) 圖案315可在每像素基礎(chǔ)上以CGI光215的圖像像素與重復(fù)
圖案315的實(shí)例之間的--對應(yīng)性重復(fù)。在其它實(shí)施例中，圖案315可以比恰好每像素基
礎(chǔ)甚至更精細(xì)的粒度重復(fù)。舉例來說，在一些實(shí)施例中，盡管衍射光柵300內(nèi)的最小重復(fù)圖案可小于給定圖像像素的照射斑大小，但衍射光柵300仍可在每像素基礎(chǔ)上以圖案315的實(shí)例與給定圖像像素之間的--對應(yīng)性重復(fù)。
[0025]圖4是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于產(chǎn)生輪廓函數(shù)的迭代快速傅里葉變換(“FFT”)過程的流程圖400，所述輪廓函數(shù)描述既使光彎曲又使光聚焦的衍射光柵的物理輪廓。所圖解說明過程可用于使用蓋師貝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton)迭代算法來制作衍射光柵200或300。所述過程通過界定圖像平面處的所要強(qiáng)度分布函數(shù)[Ip1 (X，y)]及初始相位函數(shù)[Ui=1(x，y)]而開始(框405)。所述圖像平面為CGI光220將對焦圖像遞送到眼睛120的位置。接著對所要強(qiáng)度分布函數(shù)及初始相位函數(shù)應(yīng)用FFT (框410)以獲得衍射光柵平面處的強(qiáng)度分布函數(shù)[Id(x，y)]及相位函數(shù)[Ud(x，y)](框415)。在框415處，相位函數(shù)[Ud(x，y)]表示衍射光柵的物理輪廓的第一迭代近似。然而，為了改進(jìn)所述近似，對相位函數(shù)[Ud(x，y)]進(jìn)行 迭代。在下一迭代之前，強(qiáng)加邊界條件(框420)，借此舍棄強(qiáng)度分布函數(shù)[Id(X，Y)]且僅使用相位函數(shù)[Ud(X，y)]。接著對相位函數(shù)[Ud(X，y)]應(yīng)用逆FFT(框425)以獲得在圖像平面處返回的強(qiáng)度分布函數(shù)[Ii(^y)]及相位函數(shù)[Ui(^y)]的下一迭代(框430)。在應(yīng)用下一 FFT迭代之前，再次強(qiáng)加邊界條件(框435)，借此再次通過FFT運(yùn)行原始所要強(qiáng)度分布函數(shù)[Ip1O^y)]連同最近迭代的相位函數(shù)[UiUd)](框440)以獲得衍射光柵平面處的強(qiáng)度分布函數(shù)[Id(x，y)]及相位函數(shù)[Ud(x，y)]的下一迭代(框445)。在框420處再次強(qiáng)加衍射光柵平面處的邊界條件且執(zhí)行迭代循環(huán)455多次(例如，數(shù)百次)直到衍射光柵平面處的相位函數(shù)[Ud(x，y)]充足收斂于一解上(決策框450)。此時(shí),相位函數(shù)[Ud(x，y)]充足地界定衍射光柵輪廓(框450)。
[0026]圖5是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有用硅上液晶(“LCoS”)顯示面板實(shí)施的光引擎的近眼式光學(xué)系統(tǒng)500的功能框圖。光學(xué)系統(tǒng)500是光學(xué)系統(tǒng)200的一個(gè)可能實(shí)施方案。光學(xué)系統(tǒng)500包含使用激光燈源530、偏振分束器(“PBS”)535及LCoS面板540實(shí)施的光引擎510。激光燈源530可使用多種激光源技術(shù)(包含激光二極管)來實(shí)施。在一個(gè)實(shí)施例中，激光燈源530輸出經(jīng)偏振光,但在其它實(shí)施例中,輸出燈光可為未偏振的。
[0027]在操作期間，輸出燈光(或其單個(gè)偏振)從PBS535被反射到LCoS面板540的表面上。LCoS面板540將CGI調(diào)制到所述燈光上以產(chǎn)生CGI光215。這樣一來，CGI光215的偏振被旋轉(zhuǎn)90度，此后以高效率通過PBS535。如上文所論述，CGI光215由衍射光柵205彎曲并聚焦到眼睛120上。
[0028]圖6是圖解說明具有用微機(jī)電系統(tǒng)(“MEMS”)掃描鏡實(shí)施的光引擎的近眼式光學(xué)系統(tǒng)600的功能框圖。光學(xué)系統(tǒng)600為光學(xué)系統(tǒng)200的一個(gè)可能實(shí)施方案。光學(xué)系統(tǒng)600包含使用激光燈源630及MEMS掃描鏡635實(shí)施的光引擎610。激光燈源630可使用多種激光源技術(shù)(包含激光二極管)來實(shí)施。
[0029]在操作期間，激光燈源630將單個(gè)像素光束615輸出到MEMS掃描鏡635上，MEMS掃描鏡635經(jīng)定位以反射單個(gè)像素光束615并使其跨越衍射光柵205進(jìn)行光柵掃描以產(chǎn)生到眼睛120的總體CGI光620。雖然一次僅向眼睛120顯示單個(gè)像素，但人眼的緩慢響應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致用戶感知總體CGI光6 20。如上文所論述，在一個(gè)實(shí)施例中，衍射光柵205上的重復(fù)
圖案在每像素基礎(chǔ)上以CGI光615的圖像像素之間的--對應(yīng)性重復(fù)。在一個(gè)實(shí)施例中，
衍射光柵圖案可在每像素基礎(chǔ)上改變以考慮到投射的CGI光615由于光柵掃描技術(shù)所致的角度差。
[0030]圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有反射涂層705的衍射元件700的實(shí)例性橫截面?zhèn)纫晥D。衍射元件700表示圖3中所圖解說明的衍射元件305的一個(gè)可能實(shí)施方案。衍射元件700的所圖解說明實(shí)施例為安置于光學(xué)透明襯底710上方的隆起結(jié)構(gòu)。衍射元件700包含反射涂層705，借此形成反射衍射光柵。反射涂層705可用例如金屬(例如，鋁、銀等)的多種不同反射材料來實(shí)施。在一個(gè)實(shí)施例中，反射涂層705可由部分反射材料(例如，50%鋁反射涂層)例作。部分反射涂層可改進(jìn)外部光穿過供在透視顯示器中使用的衍射光柵的透射率。
[0031]衍射元件700可使用多種技術(shù)制作到光學(xué)透明襯底710上。舉例來說，可直接在光學(xué)透明襯底710本身上由SU8光致抗蝕劑制成衍射元件700，且可使用激光光刻或到UV光的成角度暴露來實(shí)現(xiàn)反射表面的傾斜角度?；蛘?，可通過使用光致抗蝕劑(例如，SU8)圖案化光學(xué)透明襯底710 (例如， 玻璃襯底)的表面且接著向光學(xué)透明襯底710中蝕刻衍射元件700來制作衍射元件700。蝕刻技術(shù)可使用正性或負(fù)性光致抗蝕劑兩者連同適當(dāng)?shù)墓饪碳夹g(shù)。
[0032]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有分色角度選擇性多層涂層805的衍射元件800的實(shí)例性橫截面圖。衍射元件800可以類似于衍射元件700的方式制作，只不過傾斜或偏斜光柵表面涂覆有分色角度選擇性材料?？蛇x擇所述分色材料使得涂層805對傾斜入射的CGI光為反射的，而對具有實(shí)質(zhì)上法向于光學(xué)透射襯底810的入射的外部光為實(shí)質(zhì)上透明的。
[0033]圖9圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用以制作用于形成具有光彎曲及光聚焦性質(zhì)的衍射光柵的主模的電鍍技術(shù)。在所圖解說明的實(shí)施例中，在襯底910的表面上形成衍射結(jié)構(gòu)900?？墒褂媒Y(jié)合圖7所描述的技術(shù)?；蛘?，可由半導(dǎo)體材料(例如，硅、砷化鎵等)制作并使用常規(guī)技術(shù)蝕刻襯底910以在襯底910上形成隆起衍射光柵結(jié)構(gòu)900。隨后，可在表面上方形成電鍍層915且接著將其與襯底910分離以形成主模。接著可使用所述主模制作具有壓印到表面中的光柵結(jié)構(gòu)的目鏡。舉例來說，可使用塑料注射模制技術(shù)。
[0034]圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的離散多相衍射元件1000的實(shí)例性橫截面圖表示。多相衍射元件1000具有離散階梯狀側(cè)輪廓。類似于上文所揭示的其它衍射元件，多相衍射元件1000涂覆有反射材料1005且安置于光學(xué)透射襯底1010上方。離散多相衍射光柵的使用相對于圖7、8及9中所圖解說明的平滑模擬傾斜表面簡化了衍射光柵的制造；然而，所述多相衍射光柵提供比由離散單臺(tái)階(例如，矩形橫截面)衍射元件制作的衍射光柵大的光學(xué)效率。雖然圖10將衍射元件1000圖解說明為各自具有三個(gè)相位，但可使用具有兩個(gè)或兩個(gè)以上離散相位的衍射元件。
[0035]圖11是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用各自安置于對應(yīng)目鏡1105上的反射衍射光柵1101的示范雙目式HMD1100。每一反射衍射光柵1101可用衍射光柵205或300的實(shí)施例來實(shí)施。目鏡1105安裝到包含正面部件1110、左鏡腳延伸臂1115及右鏡腳延伸臂1120的框架組合件。雖然圖11圖解說明雙目式實(shí)施例，但HMD1100也可實(shí)施為具有僅單個(gè)目鏡及單個(gè)反射衍射光柵的單目式HMD。
[0036]兩個(gè)目鏡1105緊固到可佩戴在用戶的頭部上的眼鏡布置中。左鏡腳延伸臂1110及右鏡腳延伸臂1115擱置于用戶的耳朵上而鼻梁架1125擱置于用戶的鼻子上。所述框架組合件經(jīng)成形及定大小以將目鏡1105內(nèi)的透視顯示區(qū)1130定位于對應(yīng)眼鏡120的前方。當(dāng)然，可使用具有其它形狀的其它框架組合件(例如，具有耳臂及鼻梁架支撐件的護(hù)目鏡、單一連續(xù)頭戴式耳機(jī)部件、頭帶或泳鏡型眼鏡等)。
[0037]HMDl 100進(jìn)一步包含光引擎1140，光引擎1140安置于鏡腳延伸臂1115及1120的內(nèi)側(cè)表面上且經(jīng)定向以通過自由空間空氣用CGI光直接照射透視顯示區(qū)1130。控制器1150(例如，基帶管理控制器、圖形引擎等)及各種其它電子器件也可裝納于鏡腳延伸臂1115,1120或正面部件1110內(nèi)。
[0038]HMDl 100的所圖解說明實(shí)施例能夠向用戶顯示擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)。每一目鏡的觀看區(qū)準(zhǔn)許用戶經(jīng)由外部場景光1160看到現(xiàn)實(shí)世界圖像?？捎神詈系较鄳?yīng)光引擎1140的控制器1150內(nèi)的一個(gè)或兩個(gè)CGI引擎產(chǎn)生左及右(雙目式實(shí)施例)CGI光。所述CGI光可被用戶觀察為疊加在現(xiàn)實(shí)世界上的虛擬圖像而作為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)。
[0039]可從計(jì)算機(jī)軟件及硬件的角度來描述上文所解釋的過程。所描述的技術(shù)可構(gòu)成體現(xiàn)在有形或非暫時(shí)性機(jī)器(例如，計(jì)算機(jī))可讀存儲(chǔ)媒體內(nèi)的機(jī)器可執(zhí)行指令，當(dāng)由機(jī)器執(zhí)行時(shí)，所述指令將致使所述機(jī)器執(zhí)行所描述的操作。另外，所述過程可體現(xiàn)在硬件內(nèi)，例如專用集成電路(“ASIC”)或其它。
[0040]有形機(jī)器可讀存儲(chǔ)媒體包含以機(jī)器(例如，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)裝置、個(gè)人數(shù)字助理、制造工具、具有一組一個(gè)或一個(gè)以上處理器的任何裝置等)可存取形式提供(即，存儲(chǔ))信息的任何機(jī)構(gòu)。舉例來說，機(jī)器可讀存儲(chǔ)媒體包含可記錄/不可記錄媒體(例如，只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、磁盤存儲(chǔ)媒體、光學(xué)存儲(chǔ)媒體、快閃存儲(chǔ)器裝置等)。
[0041]包含發(fā)明摘要中所描述內(nèi)容的本發(fā)明的所圖解說明實(shí)施例的以上描述并非打算為窮盡性或?qū)⒈景l(fā)明限制于所揭示的精確形式。盡管出于說明性目的而在本文中描述本發(fā)明的特定實(shí)施例及實(shí)例，但如相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出各種修改。
[0042]可根據(jù)以上詳細(xì)描述對本發(fā)明做出這些修改。所附權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語不應(yīng)理解為將本發(fā)明限制于說明書中所揭示的特定實(shí)施例。而是，本發(fā)明的范圍將完全由所附權(quán)利要求書來確定，所述權(quán)利要求書將根據(jù)所創(chuàng)建的權(quán)利要求解釋原則來加以理解。
【權(quán)利要求】
1.一種用于向用戶顯示計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像“CGI”光的頭戴式顯示器“HMD”，所述HMD包括: 框架組合件，其用以支撐所述HMD以佩戴于所述用戶的頭部上； 目鏡，其緊固到所述框架組合件且經(jīng)定位以形成透視顯示器，所述目鏡包含: 光學(xué)透射襯底；及 衍射元件的重復(fù)圖案，其跨越所述光學(xué)透射襯底的觀看區(qū)安置且被組織成既使所述CGI光彎曲又使其聚焦的反射衍射光柵 '及 光引擎，其安裝到所述框架組合件且經(jīng)定向以用所述CGI光照射所述反射衍射光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HMD，其中衍射元件的所述重復(fù)圖案被組織成既使所述CGI光彎曲又對其進(jìn)行放大以使所述CGI光對焦以供近眼式顯示的所述反射衍射光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HMD，其中所述框架組合件包含: 正面部件，其用以支撐所述目鏡；及 鏡腳延伸臂，其耦合到所述正面部件且當(dāng)所述HMD由所述用戶佩戴時(shí)向后朝向所述用戶的耳朵延伸，其中所述光引擎安裝到所述鏡腳延伸臂中的一者。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的HMD，其中所述光引擎經(jīng)定位以在無介入波導(dǎo)光學(xué)器件的情況下通過自由空間空氣直接照射所述反射衍射光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的HMD，其中衍射元件的所述重復(fù)圖案在每像素基礎(chǔ)上以所述光引擎的像素與所述重復(fù)圖案的實(shí)例之間的一一對應(yīng)性重復(fù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HMD，其中所述衍射元件各自包括反射表面且所述衍射元件通過所述光學(xué)透射襯底上的介入間隙與鄰近衍射元件分離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的HMD，其中所述衍射元件各自包括具有傾斜于所述光學(xué)透射襯底的表面定向的所述反射表面的結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的HMD，其中所述衍射元件各自包括具有涂覆有所述反射表面的階梯輪廓的多相結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的HMD，其中所述反射表面包括部分反射金屬涂層。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的HMD，其中所述反射表面包括分色角度選擇性多層表面，所述分色角度選擇性多層表面對沿著所述CGI光從其始發(fā)的第一角度入射的光為實(shí)質(zhì)上反射的且對沿著實(shí)質(zhì)上法向于所述光學(xué)透射襯底的表面的第二角度入射的外部光為實(shí)質(zhì)上透明的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HMD，其中所述光引擎包括: 激光二極管燈，其用以輸出燈光； 硅上液晶“LCoS”面板，其用以響應(yīng)于所述燈光的照射而反射所述CGI光；及偏振分束器“PBS”，其定位于所述激光二極管燈與所述LCoS面板之間以將所述燈光重新引導(dǎo)到所述LCoS面板上且將所述CGI光傳遞到所述目鏡。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HMD，其中所述光引擎包括: 激光二極管源，其用以可控地輸出單個(gè)像素光束；及 微機(jī)電系統(tǒng)“ MEMS”掃描鏡，其經(jīng)定位以反射所述單個(gè)像素光束并使其跨越所述反射衍射光柵進(jìn)行光柵掃描以形成所述CGI光。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HMD，其中所述光學(xué)透射襯底包括具有彎曲表面的襯底。
14.一種用于頭戴式顯示器的設(shè)備，所述設(shè)備包括: 光學(xué)透射襯底，其具有透視顯示區(qū) '及 衍射元件的重復(fù)圖案，其跨越所述光學(xué)透射襯底的所述透視顯示區(qū)安置且被組織成反射衍射光柵，所述反射衍射光柵反射及放大投射到所述反射衍射光柵上的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像“CGI”光， 其中所述透視顯示區(qū)對投射到所述光學(xué)透射襯底的外部側(cè)上的外部周圍光為至少部分透射的且對投射到所述光學(xué)透射襯底的與所述外部側(cè)相對的內(nèi)部側(cè)上的所述CGI光為至少部分反射的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中衍射元件的所述重復(fù)圖案在每像素基礎(chǔ)上以所述CGI光的圖像像素與所述重復(fù)圖案的實(shí)例之間的--對應(yīng)性重復(fù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述衍射元件各自包括反射表面且所述衍射元件通過所述光學(xué)透射襯底上的介入間隙與鄰近衍射元件分離。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中所述衍射元件各自包括具有傾斜于所述光學(xué)透射襯底的表面定向的所述反射表面的結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中所述衍射元件各自包括具有涂覆有所述反射表面的階梯輪廓的離散多相結(jié)構(gòu)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中所述反射表面包括部分反射金屬涂層。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中所述反射表面包括分色角度選擇性多層表面，所述分色角度選 擇性多層表面對沿著所述CGI光從其始發(fā)的第一角度入射的光為實(shí)質(zhì)上反射的且對沿著實(shí)質(zhì)上法向于所述光學(xué)透射襯底的表面的第二角度入射的外部光為實(shí)質(zhì)上透明的。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括: 框架組合件，其用以支撐所述光學(xué)透射襯底以佩戴于用戶的頭部上；及 光引擎，其安裝到所述框架組合件且經(jīng)定向以用所述CGI光從所述內(nèi)部側(cè)照射所述反射衍射光柵。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中所述光引擎包括: 激光二極管燈，其用以輸出燈光； 硅上液晶“LCoS”面板，其用以響應(yīng)于所述燈光的照射而反射所述CGI光；及 偏振分束器“PBS”，其定位于所述激光二極管燈與所述LCoS面板之間以將所述燈光重新引導(dǎo)到所述LCoS面板上且將所述CGI光傳遞到所述透視顯示區(qū)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中所述光引擎包括: 激光二極管源，其用以可控地輸出單個(gè)像素光束；及 微機(jī)電系統(tǒng)“ MEMS”掃描鏡，其經(jīng)定位以反射所述單個(gè)像素光束并使其跨越所述反射衍射光柵進(jìn)行光柵掃描以形成所述CGI光。
【文檔編號】G02B27/02GK103890637SQ201280051632
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月24日
【發(fā)明者】伊赫?！べ惲x迪, 巴巴克·阿米爾帕爾維茲, 繆瀟宇 申請人:谷歌公司