本公開一般地涉及光學(xué)領(lǐng)域，并且具體地但不唯一地，涉及用于頭可穿戴式顯示器的目鏡。

背景技術(shù)：

頭戴式顯示器(“HMD”)或頭可穿戴式顯示器是戴在頭上或頭周圍的顯示設(shè)備。HMD通常結(jié)合某種近眼光學(xué)系統(tǒng)以產(chǎn)生置于用戶前面若干米的放大的虛擬圖像。單眼顯示器被稱為單目HMD而雙眼顯示器被稱作雙目HMD。一些HMD僅顯示計算機(jī)生成圖像(“CGI”)，而其它類型的HMD能夠?qū)GI疊加在現(xiàn)實世界景象上。后一類型的HMD通常包括某種形式的透視目鏡并且能用作用于實現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實的硬件平臺。由增強(qiáng)現(xiàn)實，觀察者的世界的圖像由覆蓋的CGI增強(qiáng)，同時被稱為平視顯示器(“HUD”)。

HMD具有眾多實際應(yīng)用和休閑應(yīng)用。航空應(yīng)用允許飛行員觀察重要的飛行控制信息而不用將他們的視線從飛行路線上移開。公共安全應(yīng)用包括地圖和熱成像的戰(zhàn)術(shù)顯示器。其它應(yīng)用領(lǐng)域包括視頻游戲、運(yùn)輸以及電通信。隨著技術(shù)的發(fā)展，必然有新發(fā)現(xiàn)的實際應(yīng)用和休閑應(yīng)用；然而，很多這些應(yīng)用由于用于實現(xiàn)現(xiàn)有HMD的常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)的成本、尺寸、重量、視場以及效率被限制。

附圖說明

本發(fā)明的非限制性及非詳盡的實施方式參考附圖被描述，其中相同附圖標(biāo)記貫穿各種視圖指代相同部分，除非另外地規(guī)定。圖不必需是按比例的，而是重點(diǎn)被放在示出被描述的原理上。

圖1示出具有單個內(nèi)耦合反射全息圖的顯示器，所述內(nèi)耦合反射全息圖具有指定衍射效率。

圖2示出根據(jù)本公開的實施方式的具有光波導(dǎo)的頭可穿戴式顯示器，所述光波導(dǎo)具有多個反射模式的內(nèi)耦合全息圖。

圖3是示出根據(jù)本公開的實施方式的具有光波導(dǎo)的目鏡的操作的過程的流程圖，所述光波導(dǎo)具有多個內(nèi)耦合全息圖。

圖4A-4C包括比較根據(jù)本公開的實施方式的單個反射全息圖與雙組合反射全息圖的離軸效率的圖。

圖5是示出根據(jù)本公開的實施方式的單個反射全息圖和雙組合反射全息圖的離軸衍射效率的圖。

圖6示出根據(jù)本公開的實施方式的具有光波導(dǎo)的頭可穿戴式顯示器，所述光波導(dǎo)具有透射模式內(nèi)耦合全息圖和反射模式內(nèi)耦合全息圖。

圖7示出根據(jù)本公開的實施方式的包括具有雙內(nèi)耦合全息圖的目鏡的示范頭可穿戴式顯示器。

具體實施方式

用于包括具有多個內(nèi)耦合全息圖的光波導(dǎo)的頭可穿戴式顯示器的系統(tǒng)、裝置及操作方法的實施方式在此被描述。在以下說明書中眾多具體細(xì)節(jié)被闡釋以提供實施方式的徹底的理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，此處描述的技術(shù)可以在沒有具體細(xì)節(jié)的一個或更多個的情況下，或用其它方法、部件、材料等仍能被實踐。在其它實例中，公知的結(jié)構(gòu)、材料或操作不被詳細(xì)示出或描述以避免使某些方面模糊。

貫穿本說明書提到的“一個實施方式”或“實施方式”意思是結(jié)合實施方式描述的具體特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)或特征被包括在本發(fā)明的至少一個實施方式中。因此，在貫穿本說明書的各種位置中，短語“在一個實施方式中”或“在實施方式中”的出現(xiàn)不是必需所有都指代相同實施方式。此外，具體特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)或特征可以以任意合適方式被結(jié)合到一個或更多實施方式中。

圖1示出包括光波導(dǎo)101以及用于將從顯示源115輸出的入射光110耦合到光波導(dǎo)101中的反射內(nèi)耦合全息圖105的顯示器100。顯示器100包括單個內(nèi)耦合反射全息圖105，單個內(nèi)耦合反射全息圖105以45度衍射并反射入射光110使得所述光能通過全內(nèi)反射(“TIR”)在光波導(dǎo)101中向下傳播。當(dāng)然，引起TIR的其它角度也可以被實現(xiàn)。由于在入射光110和在光波導(dǎo)101中向下傳播的衍射光120的路徑之間的大的角度Δ1(例如，45度)，顯示器100的內(nèi)耦合效率被減小。反射全息圖的衍射效率隨入射束和衍射束之間的角度Δ1的增加而減小。通常，當(dāng)角度Δ1是90度時衍射效率最低并且當(dāng)角度Δ1從90度場景移開的情況下衍射效率增加。

入射光110的內(nèi)耦合的效率能通過使顯示源115傾斜角度θ到一減小的角度Δ1而被增加。然而，顯示源115的傾斜θ的量被限制。使顯示源115傾斜θ“內(nèi)束”或向用戶的太陽穴區(qū)域推顯示源115，其經(jīng)常與為了工業(yè)設(shè)計目的的所需方向相反。常規(guī)眼鏡的鏡腳臂(temple arm)通常向用戶的耳朵外張。

圖2示出根據(jù)本公開的實施方式的具有光波導(dǎo)的頭可穿戴式顯示器200，所述光波導(dǎo)具有多個反射模式內(nèi)耦合全息圖。顯示器200的示出的實施方式包括目鏡205和顯示源210。目鏡205的示出的實施方式包括光波導(dǎo)215、內(nèi)耦合全息圖220和225以及外耦合光學(xué)元件230。光波導(dǎo)215包括側(cè)表面217和219、內(nèi)耦合區(qū)域235、中繼區(qū)域240以及外耦合區(qū)域245。顯示源210的示出的實施方式包括顯示面板250和準(zhǔn)直儀255。

內(nèi)耦合全息圖220和225被置于光波導(dǎo)215的內(nèi)耦合區(qū)域235。內(nèi)耦合全息圖220和225是衍射和反射入射光的反射全息圖。與圖1所示的單個內(nèi)耦合全息圖105相比，使用兩個內(nèi)耦合全息圖220和225用于分開穿過多個全息圖的角度偏離從而增加內(nèi)耦合光學(xué)系統(tǒng)的總體衍射效率。此外，內(nèi)耦合全息圖220和225是角度敏感和角度選擇性的。因此，內(nèi)耦合全息圖220被配置為基本穿過沿法線方向270入射的顯示光260，但是反射沿傾斜方向271入射的顯示光。對應(yīng)地，內(nèi)耦合全息圖225選擇性地反射沿方向270入射的顯示光260。如本領(lǐng)域中公知的，該角度選擇性能在寫全息圖時通過適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)的取向和參考波前被寫入體積全息圖中。

內(nèi)耦合全息圖220和225操作以共同將顯示光260的路徑重新定向足夠的總角度以在中繼區(qū)域240中的側(cè)表面217和219處引起全內(nèi)反射(“TIR”)條件，以引導(dǎo)顯示光260從內(nèi)耦合區(qū)域235到外耦合區(qū)域245。單獨(dú)地，內(nèi)耦合全息圖220和225可以不使顯示光260彎曲足夠的角度以引起TIR，但是它們共同地如此進(jìn)行，并且對于指定的重新定向Δ1的總量，相比于單個內(nèi)耦合全息圖105(見圖1)潛在地以更有效的方式進(jìn)行。分別通過內(nèi)耦合全息圖220和225在顯示光260的路徑上賦予的重新定向角度Δ2和Δ3被測量為在顯示光260的入射部分和顯示光260的相應(yīng)重新定向(衍射)部分之間的角度。因此，在示出的實施方式中，Δ2+Δ3＝Δ1。在一個實施方式中，Δ1＝45度而Δ2＝Δ3＝22.5。然而，應(yīng)當(dāng)理解Δ1不需要是45度，而是，僅需要足以導(dǎo)致顯示光260的路徑在與側(cè)表面217和219入射時達(dá)到臨界角度以在光波導(dǎo)215的中繼區(qū)域240中引起TIR。類似地，Δ2不需要等于Δ3，而是共同地，Δ2+Δ3應(yīng)該足以在中繼區(qū)域240中引起TIR。臨界角度將依賴于為光波導(dǎo)215選擇的材料的折射率。盡管未示出，此處公開的實施方式可以擴(kuò)展為包括大于兩個內(nèi)耦合全息圖以進(jìn)一步減小每個全息圖的重新定向角度以獲得更高的總體光學(xué)系統(tǒng)效率。

光波導(dǎo)215可以由玻璃、塑料、注模塑料或其它光學(xué)透射材料制造。內(nèi)耦合全息圖220和225以對立布置在內(nèi)耦合區(qū)域235中彼此面對地布置。盡管內(nèi)耦合全息圖220和225被示出為嵌入(內(nèi)部布置)光波導(dǎo)215中分別鄰近側(cè)表面217和219，但是，內(nèi)耦合全息圖220和225可替換地可以分別鄰近側(cè)表面217和291被表面安裝(外部布置)。

外耦合區(qū)域245包括用于將顯示光260重新定向到光波導(dǎo)215之外的外耦合光學(xué)元件230。外耦合區(qū)域245可以使用各種不同元件實現(xiàn)，所述各種不同元件包括反射全息圖(已示出)、傾斜的穿過外耦合區(qū)域245安置的分束器或偏振分束器(未示出)、或者其它折射、反射或衍射元件。當(dāng)然，外耦合光學(xué)元件230還可以使用多個全息圖被實現(xiàn)，多個全息圖使用與內(nèi)耦合區(qū)域相似的配置。

顯示源210可以使用用于顯示面板250的各種不同技術(shù)被實現(xiàn)，用于顯示面板250的各種不同技術(shù)包括液晶顯示(“LCD”)、硅基液晶(“LCoS”)顯示、發(fā)光二極管(“LED”)顯示、有機(jī)發(fā)光二極管(“OLED”)顯示、微型投影機(jī)，或其它微型顯示技術(shù)。在多個實施方式中，顯示面板250將包括設(shè)計用于在與內(nèi)耦合全息圖220和225的設(shè)計一致的波長下工作的諸如激光器的窄帶燈。由于內(nèi)耦合全息圖220和225是角度選擇性的，顯示源210還包括被定位以減小從顯示源210發(fā)射的顯示光260的角度發(fā)散的準(zhǔn)直儀255。在一些實施方式中，準(zhǔn)直儀255可以基本使顯示光260準(zhǔn)直。

目鏡205可配置為接收與光波導(dǎo)215有關(guān)的顯示源210的各種不同幾何形狀。在示出的實施方式中，顯示源210被定位成以基本垂直的角度照亮側(cè)表面217和內(nèi)耦合全息圖220。然而，在其它配置中，顯示光260可以傾斜入射到側(cè)表面217和內(nèi)耦合全息圖220上，如同特定工業(yè)設(shè)計所需的，包括內(nèi)束和外張布置兩者。這些內(nèi)束和外張布置能通過內(nèi)耦合全息圖220和225的角度選擇性的適當(dāng)?shù)木幊瘫徽{(diào)節(jié)。

圖3是示出根據(jù)本公開的實施方式的目鏡200的操作的過程300的流程圖。過程300中出現(xiàn)的一些或所有過程塊的順序不應(yīng)被認(rèn)為是限制。更確切地，受益于本公開的領(lǐng)域的普通技術(shù)人員之一將理解，過程塊的一些可以以未示出的各種順序被執(zhí)行，或者甚至被并行執(zhí)行。

在過程塊305中，顯示源210產(chǎn)生顯示光210。顯示光260可以是在內(nèi)耦合區(qū)域235處照亮側(cè)表面217的準(zhǔn)直光(過程塊310)。在進(jìn)入光波導(dǎo)215的初始入口上，由于內(nèi)耦合全息圖220的角度選擇性被配置為基本穿過沿方向270傳播的顯示光260，顯示光260穿過內(nèi)耦合全息圖220(過程塊315)。

一旦顯示光260初始穿過內(nèi)耦合全息圖220，它再次沿方向270穿過光波導(dǎo)215的內(nèi)耦合區(qū)域235傳播并且入射在內(nèi)耦合全息圖225上。然而，內(nèi)耦合全息圖225的角度選擇性被配置為使沿方向270傳播的顯示光260重新定向角度Δ3至方向271(過程塊320)。方向271使顯示光260至少暫時地置于向后傳播方向上，遠(yuǎn)離外耦合區(qū)域245移動。換言之，方向271包括遠(yuǎn)離外耦合區(qū)域245指向的矢量分量。

顯示光260再次穿過內(nèi)耦合區(qū)域235傳播并且入射到內(nèi)耦合全息圖220上，但是此時沿方向271。由于內(nèi)耦合全息圖220的角度選擇性，顯示光260通過反射性衍射被重新定向角度Δ2，此時沿向前傳播方向向外耦合區(qū)域245移動(過程塊325)。角度Δ3和Δ2的共同重新定向足以引起顯示光260在中繼區(qū)域240中的側(cè)表面219上的位置272處進(jìn)入TIR條件。在各種實施方式中，角度Δ3和Δ2能具有基本相等的角度大小，或者具有不同的角度大小，但是在任一情況下在中繼區(qū)域240中共同引起TIR。然而在其它實施方式中，如果中繼區(qū)域240由反射層(未示出)覆蓋并且不依賴TIR來引導(dǎo)顯示光260，那么角度Δ3和Δ2不需要共同足以引起TIR，但是由于角度偏離在兩內(nèi)耦合全息圖之間被分開，將仍改善內(nèi)耦合效率。

中繼區(qū)域240通過TIR引導(dǎo)顯示光260從內(nèi)耦合區(qū)域235到外耦合區(qū)域245(過程塊330)。最終，在過程塊245中，顯示光260通過布置在外耦合區(qū)域245處的外耦合光學(xué)元件230被重新定向到光波導(dǎo)215之外。如以上討論的，外耦合光學(xué)元件230可以使用各種不同元件被實現(xiàn)，諸如一個或兩個全息圖、衍射光柵、反射器、分束器、偏振分束器或其它元件。

圖4A-4C包括根據(jù)本公開的實施方式的比較單個反射全息圖與雙結(jié)合反射全息圖的離軸效率的圖。圖4A示出對于配置為Δ＝45度的重新定向角度的單個反射全息圖，在從布拉格相位匹配條件失諧的角度的范圍上的相對波長的反射性衍射效率。如示出的，在532nm的示例波長處，單個反射全息圖僅對于約+-4度的相對窄的角度范圍維持大于80％的效率。相比之下，圖4B示出對于配置為Δ＝22.5度的重新定向角度的單個反射全息圖的反射性衍射效率。如示出的，在532nm的示例波長處，單個反射全息圖對于約+-6度的更寬的角度范圍維持大于80％的效率。圖4C示出對于每個被配置為Δ＝22.5度的重新定向角度以及45度的組合重合定向角度的雙組合反射全息圖的反射性衍射效率。如示出的，在532nm的示例波長處，雙組合反射全息圖對于約+-6度的較寬的角度范圍維持大于80％的效率。因此，當(dāng)合并單獨(dú)使入射光重新定向一半(例如22.5度)的兩個內(nèi)耦合全息圖時，它們的組合角度效率基本保持不變。此外，近布拉格匹配區(qū)域外部的震蕩基本被減小。

圖5是示出根據(jù)本公開的實施方式的比較單個反射全息圖和雙結(jié)合反射全息圖的離軸衍射效率的圖。同樣，如示出的，雙組合反射全息圖具有更寬的角度響應(yīng)曲線。這為顯示器200提供相對于顯示器100的增強(qiáng)的FOV性能和更大的圖像均勻性。

圖6示出根據(jù)本公開的實施方式的具有光波導(dǎo)的頭可穿戴式顯示器600，所述光波導(dǎo)具有透射模式內(nèi)耦合全息圖和反射模式內(nèi)耦合全息圖。顯示器600的示出的實施方式包括目鏡605和顯示源210。目鏡605的示出的實施方式包括光波導(dǎo)615；內(nèi)耦合全息圖620和625；以及外耦合光學(xué)元件630。光波導(dǎo)615包括側(cè)表面617和619、內(nèi)耦合區(qū)域635、中繼區(qū)域640以及外耦合區(qū)域645。

內(nèi)耦合全息圖620和625被布置在光波導(dǎo)615的內(nèi)耦合區(qū)域635中。目鏡605與目鏡205類似，除了內(nèi)耦合全息圖620是通過透射性衍射將顯示光660重新定向角度Δ4的透射模式全息圖而內(nèi)耦合全息圖625是通過反射性衍射將顯示光660重新定向角度Δ5的反射模式全息圖。內(nèi)耦合全息圖620和625是角度敏感的。類似于目鏡205，內(nèi)耦合全息圖620和625使顯示光660在相反方向上重新定向。內(nèi)耦合全息圖630沿遠(yuǎn)離外耦合區(qū)域645的向后傳播方向?qū)@示光660重新定向角度Δ4并且內(nèi)耦合區(qū)域635沿朝向外耦合區(qū)域645的向前傳播方向?qū)@示光660重新定向角度Δ5。

外耦合區(qū)域645包括用于將顯示光660重新定向到光波導(dǎo)615之外的外耦合光學(xué)元件630。外耦合區(qū)域645可以使用各種不同元件實現(xiàn)，所述各種不同元件包括反射性全息圖(未示出)、傾斜地穿過外耦合區(qū)域645定位的分束器(已示出)或偏振分束器、或者其它折射、反射或衍射元件。

圖7示出根據(jù)本公開的實施方式的使用目鏡701的單目頭可穿戴式顯示器700。目鏡701可以由如以上討論的目鏡200或600的實施方式實現(xiàn)。目鏡701被安裝到框架組件上，框架組件包括鼻梁705、左耳鏡臂710以及右耳鏡臂715。外罩720和725可以包含包括微處理器、接口、一個或更多無線收發(fā)器、電池、照相機(jī)、揚(yáng)聲器等的各種電子設(shè)備。盡管圖7示出了單目實施方式，但是頭可穿戴式顯示器700還可以被實現(xiàn)為具有兩個目鏡701的雙目顯示器，當(dāng)戴顯示器700時，兩個目鏡701的每個與用戶的相應(yīng)的眼對準(zhǔn)。

透視片701被固定到鏡片構(gòu)造中或能被戴在用戶的頭上的頭可穿戴式顯示器中。左耳和右耳鏡臂710和715放在用戶的耳朵上同時鼻梁705放在用戶的鼻子上?？蚣芙M件被定形和依尺寸制造為將外耦合區(qū)域定位于在用戶的眼睛前面。具有其它形狀的其它框架組件可以被使用(例如，傳統(tǒng)鏡片框架、單接觸式耳機(jī)構(gòu)件、頭帶、谷歌型眼鏡等)。

頭可穿戴式顯示器700的示出的實施方式能夠為用戶顯示增強(qiáng)現(xiàn)實。在透視實施方式中，目鏡701允許用戶通過外部場景光761觀察現(xiàn)實世界圖像。左和右(雙目實施方式)顯示光760可以由安裝在用戶的中央視野外部的外圍角落中的顯示源210產(chǎn)生。顯示光760作為增強(qiáng)現(xiàn)實由用戶觀察為重疊在外部場景光761上的虛擬圖像。在一些實施方式中，外部場景光761可以被完全地、部分地或選擇性地阻擋。

本發(fā)明的示出的實施方式的以上描述，包括摘要中被描述的，不打算是窮盡的或?qū)⒈景l(fā)明限制于公開的確切形式。雖然本發(fā)明的具體實施方式及示例在此處為了說明性的目的被描述，各種變型在本發(fā)明的范圍內(nèi)是可能的，如同相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到的那樣。

本發(fā)明能根據(jù)以上詳細(xì)描述進(jìn)行這些變型。所附權(quán)利要求中使用的術(shù)語不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限制于本說明書中公開的具體實施方式。更確切地，本發(fā)明的范圍將完全由所附權(quán)利要求確定，其將要根據(jù)建立的權(quán)利要求解釋法則來解釋。