本公開(kāi)一般涉及光學(xué)領(lǐng)域，具體但非排他性地涉及頭部可戴顯示器的目鏡。

背景技術(shù)：

頭戴式顯示器(head mounted display，HMD)或者頭部可戴顯示器是戴在頭上或者頭部周圍的顯示設(shè)備。HMD通常包含某種近眼(near-to-eye)光學(xué)系統(tǒng)以創(chuàng)建放置在用戶前方幾米處的放大虛擬圖像。單眼顯示器被稱作單目HMD，而雙眼顯示器被稱作雙目HMD。一些HMD僅顯示計(jì)算機(jī)生成圖像(computer generated image，CGI)，而其他類型的HMD能夠?qū)GI疊加在真實(shí)世界視圖上。該后者類型的HMD典型地包括某種形式的透明目鏡，并且能夠用作實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的硬件平臺(tái)。使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，觀看者的世界圖像用重疊的CGI來(lái)增強(qiáng)，也被稱作平視顯示器(heads-up display，HUD)。

HMD具有許多實(shí)際應(yīng)用和休閑應(yīng)用。航空航天應(yīng)用允許飛行員在不使他們的眼睛離開(kāi)飛行路徑的情況下看到重要的飛行控制信息。公共安全應(yīng)用包括地圖和熱成像的戰(zhàn)術(shù)顯示。其他應(yīng)用領(lǐng)域包括視頻游戲、運(yùn)輸和電信。隨著技術(shù)發(fā)展，必然存在新發(fā)現(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用和休閑應(yīng)用。然而，這些應(yīng)用中的許多受限于被用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有HMD的常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)的成本、大小、重量、視野以及效率。

附圖說(shuō)明

參考下面的附圖來(lái)描述本發(fā)明的非限制性且非窮舉性的實(shí)施例，其中，除非另外指定，否則遍及各個(gè)視圖，相同的標(biāo)號(hào)指代相同的部件。附圖不一定按照比例，而是在例示所描述的原理時(shí)會(huì)加以強(qiáng)調(diào)。

圖1A是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的頭部可戴顯示器的目鏡的平面視圖例示。

圖1B是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的頭部可戴顯示器的目鏡的分解平面視圖例示。

圖2A和圖2B例示根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的包括透明目鏡的示例性單目頭部可戴顯示器。

圖2C例示根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的包括透明目鏡的示例性雙目頭部可戴顯示器。

圖3提供馳垂等式(sag equation)以及示例系數(shù)和坐標(biāo)，用于表征根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的與頭部可戴顯示器一起使用的示例性目鏡的表面。

具體實(shí)施方式

在本文中描述利用部分和全內(nèi)反射的頭部可戴顯示器的目鏡的系統(tǒng)和裝置的實(shí)施例。在下面的描述中，闡述許多具體的細(xì)節(jié)以提供對(duì)實(shí)施例的徹底理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)人員將意識(shí)到，在本文中所描述的技術(shù)能夠不使用特定細(xì)節(jié)中的一個(gè)或多個(gè)或者使用其他的方法、組件、材料等來(lái)實(shí)踐。在其他實(shí)例中，未詳細(xì)地示出或描述公知的結(jié)構(gòu)、材料或操作，以避免使某些方面模糊。

在本說(shuō)明書(shū)各處提及“一個(gè)實(shí)施例”或者“實(shí)施例”意味著，連同實(shí)施例所描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，遍及本說(shuō)明書(shū)在各個(gè)位置出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或者“在實(shí)施例中”未必全部指相同的實(shí)施例。而且，具體的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇M合。

圖1A和圖1B例示根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的用于頭部可戴顯示器的目鏡100。圖1A是平面視圖例示，而圖1B是其分解平面視圖例示。目鏡100的所例示的實(shí)施例包括光導(dǎo)組件105、附加組件107以及顯示源110。光導(dǎo)組件105的所例示的實(shí)施例包括輸入表面115、面朝眼睛的表面(eye-ward facing surface)120、面向世界的表面125、凹陷130(圖1B)、凹陷表面135、全內(nèi)反射(total internal reflection，TIR)部分140(圖1A)、部分反射部分145以及觀看區(qū)域150。附加組件107包括內(nèi)表面155和外表面160。在所例示的實(shí)施例中，部分反射層165沿著凹陷表面135與內(nèi)表面155之間的界面布置，并且部分反射涂層170沿著面朝眼睛的表面120布置。

在TIR部分140中，控制顯示光111的光路徑，使得經(jīng)由TIR實(shí)現(xiàn)在面朝眼睛的表面120和面向世界的表面125處的反射。在部分反射部分145中，光路徑在面朝眼睛的表面120和凹陷表面135上的入射角小于臨界角，使得TIR不再發(fā)生，因此，依賴于泄露的部分反射來(lái)引導(dǎo)顯示光111。可以經(jīng)由各種不同的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些部分反射。在一些實(shí)施例中，部分反射層165和部分反射涂層170設(shè)置用于引導(dǎo)顯示光111的泄露反射邊界。在其他實(shí)施例中，省略部分反射涂層170，并且在部分反射部分145中依賴于菲涅爾反射(Fresnel reflection)。

在所例示的實(shí)施例中，部分反射層165和部分反射涂層170在部分反射部分145內(nèi)分別布置在面朝眼睛的一側(cè)120和面向世界的一側(cè)125上。在其他實(shí)施例中，部分反射涂層170可以涂覆整個(gè)面朝眼睛的表面120，盡管因?yàn)閮?nèi)反射由于TIR而發(fā)生，所以涂層沿著TIR部分140實(shí)際上未使用。部分反射層165和部分反射涂層170可以實(shí)現(xiàn)為常規(guī)的分束器(beam splitter)(例如，非偏振分束器薄膜)?？梢愿鶕?jù)設(shè)計(jì)需求來(lái)選擇分割比(splitting ratio)，但是在一個(gè)實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)為50/50分束器。

在其他實(shí)施例中，部分反射層165和部分反射涂層170實(shí)現(xiàn)為偏振分束器(PBS)。在PBS實(shí)施例中，顯示源110輸出具有被選擇為充分地反射離開(kāi)部分反射層/涂層的偏振的偏振光。PBS設(shè)計(jì)能夠用于增加光學(xué)系統(tǒng)的效率。然而，在用PBS實(shí)現(xiàn)時(shí)，使用低應(yīng)力材料(例如，低應(yīng)力塑料或玻璃)以減小雙折射對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的影響能夠是有利的。偏振顯示光可以經(jīng)由液晶顯示器(LCD)、硅上液晶(LCoS)顯示器來(lái)生成，使用外部偏振濾波器或者其他方式。

在另外的實(shí)施例中，部分反射涂層170使用角度敏感的多層干涉涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)，以充分地反射具有第一入射角的顯示光111，同時(shí)充分地透射具有第二入射角的顯示光111。通過(guò)將部分反射涂層170上的部分反射的數(shù)量限制為僅兩個(gè)反射，能夠設(shè)計(jì)出在第一入射時(shí)充分地反射并且在第二入射時(shí)充分地透射的角度敏感設(shè)計(jì)以增加光學(xué)效率。例如，參考圖1A，在顯示光111進(jìn)入部分反射部分145之后，它在部分反射涂層170上在位置(1)處的第一入射角導(dǎo)致顯示光111的大于50％的反射(例如，80％反射)。在部分反射涂層170上在位置(2)處的第二入射角更接近法線，并且導(dǎo)致顯示光111的大約50％的透射(例如，80％透射)。在一個(gè)實(shí)施例中，多層干涉涂層是專門被調(diào)諧以反射/透射紅色、綠色和藍(lán)色光的窄帶的三重陷波濾波器。

在另外的實(shí)施例中，省略部分反射涂層170，并且面朝眼睛的表面120不用部分反射層涂覆。代替地，使用菲涅爾反射來(lái)部分地反射顯示光111。菲涅爾反射利用面朝眼睛的表面120處的折射率邊界。然而，由于菲涅爾反射的偏振依賴性，應(yīng)當(dāng)使用低應(yīng)力材料(例如，低應(yīng)力塑料或玻璃)，以減小雙折射對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的影響。

在操作期間，顯示源110將顯示光111從偏移離開(kāi)觀看區(qū)域150的外圍位置發(fā)射到光導(dǎo)組件105中。可以使用各種不同的顯示技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示源110，包括LCD、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯示器、LCoS顯示器或者其他方式。顯示光111可以包括計(jì)算機(jī)生成圖像。

顯示光111通過(guò)輸入表面115入射到光導(dǎo)組件105中。在所例示的實(shí)施例中，輸入表面115是沒(méi)有屈光力(optical power)的平坦表面。在其他實(shí)施例中，輸入表面115可以擁有具有屈光力的彎曲以將透鏡功能應(yīng)用到顯示光111。

在顯示光111通過(guò)輸入表面115進(jìn)入光導(dǎo)組件105中之后，它進(jìn)入到TIR部分140中。在光導(dǎo)組件105的TIR部分140內(nèi)，光學(xué)路徑的入射角使得顯示光155經(jīng)由TIR而內(nèi)反射離開(kāi)面朝眼睛的表面120和面向世界的表面125。TIR是基本上無(wú)損的反射并且因此是具有光學(xué)效率的。在所例示的實(shí)施例中，初始反射離開(kāi)面向世界的表面125，而總共四個(gè)TIR反射在TIR部分140內(nèi)發(fā)生。在其他實(shí)施例中，可以實(shí)現(xiàn)或多或少的TIR反射。更高數(shù)量的TIR反射可以通過(guò)選擇具有高折射率的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。更高指數(shù)的材料使得臨界角更加接近于法線，并且因此，TIR反射能夠在使用泄漏反射之前進(jìn)一步沿著光導(dǎo)組件105的長(zhǎng)度而保持。

顯示光111經(jīng)由TIR部分140內(nèi)的TIR反射引導(dǎo)至部分反射部分145。當(dāng)顯示光111進(jìn)入到部分反射部分145中時(shí)，在所例示的實(shí)施例中，部分反射層165和部分反射涂層170保持反射。這些反射將由于部分反射涂層/層的固有性質(zhì)而通常是有損的。然而，在到達(dá)觀看區(qū)域150內(nèi)的面朝眼睛的表面120上的發(fā)射區(qū)之前，部分反射層165和部分反射涂層170允許入射角接近法線。在觀看區(qū)域150內(nèi)，顯示光111沿著朝向眼睛153的朝眼睛的方向(eye-ward direction)離開(kāi)光導(dǎo)組件105。在各種實(shí)施例中，部分反射部分145在面朝眼睛的表面120和凹陷表面135之間部分地反射顯示光111的單個(gè)射線三次，并且部分透射在(2)處發(fā)生。雖然一些顯示光111在泄露反射(1)處離開(kāi)光導(dǎo)組件105，但是它并非沿著眼睛153所看到的軌跡而離開(kāi)。相反，部分透射(2)沿著朝眼睛的方向離開(kāi)。

面朝眼睛的表面120、面向世界的表面125以及凹陷表面135是彎曲表面，它們對(duì)顯示光111當(dāng)其在光導(dǎo)組件105內(nèi)反射時(shí)施加反射屈光力。當(dāng)顯示光111在觀看區(qū)域150中朝向眼睛153發(fā)射離開(kāi)光導(dǎo)組件105時(shí)，面朝眼睛的表面120也對(duì)顯示光111施加折射屈光力。這些表面的彎曲一起操作，以使用每個(gè)相繼的反射和最終的折射來(lái)調(diào)整顯示光111的聚散度，以便放大并虛擬地移置由顯示光111呈現(xiàn)給眼睛153的圖像。圖像被虛擬地向后移置離開(kāi)眼睛153一段距離(例如，1m至10m)，使得眼睛153能夠舒適地使近眼圖像聚焦。換言之，光導(dǎo)組件105的彎曲側(cè)起作用，以將顯示光111從外圍位置傳送到觀看區(qū)域150，同時(shí)在顯示源110和光導(dǎo)組件105之間沒(méi)有單獨(dú)的或者另外的校準(zhǔn)透鏡的情況下校準(zhǔn)或者幾乎校準(zhǔn)圖像。目鏡100的這種設(shè)計(jì)減少光學(xué)組件的數(shù)量并且降低它的制造和裝配復(fù)雜度。

圖3呈現(xiàn)馳垂等式，其具有指定面朝眼睛的表面120(S1)、凹陷表面135(S2)、面向世界的表面125(S3)以及輸入表面(S4)的示例性彎曲的示例性系數(shù)值。圖3也呈現(xiàn)用于定位表面S1至S4的示例性坐標(biāo)。當(dāng)然，可以實(shí)現(xiàn)其他彎曲、平坦表面和坐標(biāo)。具體地，雖然將表面S1和S3的所例示的實(shí)施例描述為球形表面，但是在其他實(shí)施例中，這些表面中的一個(gè)或多個(gè)可以描述為形式自由的表面、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球形表面、變形的非球形表面、超環(huán)面表面、澤爾尼克(Zernike)多項(xiàng)式表面、徑向基函數(shù)表面、x-y多項(xiàng)式表面、非均勻有理b樣條(non-uniform rational b-spline)表面或者其他。

在一個(gè)實(shí)施例中，面朝眼睛的表面120和面向世界的表面125是在TIR部分140中經(jīng)由TIR并且在部分反射部分145中經(jīng)由部分反射來(lái)反射顯示光111的清晰表面(clear surface)。清晰表面實(shí)現(xiàn)期望的工業(yè)設(shè)計(jì)特性，因?yàn)槟跨R100對(duì)于外部觀察者將表現(xiàn)為清晰的目鏡。在面朝眼睛的表面120與面向世界的表面125之間的厚度近似為4mm厚的情況下，目鏡100還實(shí)現(xiàn)期望的工業(yè)設(shè)計(jì)特性。所例示的設(shè)計(jì)能夠提供15度的對(duì)角線視野(field of view，F(xiàn)OV)，其中，眼眶水平約為6.47mm并且垂直約為7.27mm，并且眼睛間隙(eye relief)約為18mm。在一個(gè)實(shí)施例中，目鏡100沿著從近端到遠(yuǎn)端大約為30mm至34mm。當(dāng)然，能夠?qū)崿F(xiàn)其他尺寸。

參考圖1B，光導(dǎo)組件105的所例示的實(shí)施例包括在觀看區(qū)域150中的面向世界的表面125中所形成的凹陷130。凹陷130包括凹陷表面135，附加組件107的內(nèi)表面155匹配到凹陷表面135。凹陷表面135是與面向世界的表面125的不連續(xù)表面。在所例示的實(shí)施例中，凹陷的肩部形成在面向世界的表面125與凹陷表面135之間的不連續(xù)處。凹陷肩部使附加組件107能夠固定到凹陷130中并且提供平滑連續(xù)的外表面，同時(shí)針對(duì)附加組件107的尖部處的機(jī)械強(qiáng)度維持厚度。在其他實(shí)施例中，面向世界的表面125和凹陷表面135是不連續(xù)表面，它們形成彼此不連續(xù)的交叉而沒(méi)有凹陷肩部。因此，凹陷表面135包括從面向世界的表面125的連續(xù)延伸開(kāi)始凹陷的任何表面，以便于附加組件107的添加。類似地，凹陷130可以采取各種形狀，包括槽、凹室、楔形或者其他。

部分反射層165沿著凹陷表面135與內(nèi)表面155之間的界面布置。部分反射層165可以在將附加組件107匹配到光導(dǎo)組件105之前涂覆在任一表面上。在一個(gè)實(shí)施例中，使用光學(xué)粘合劑將組件結(jié)合在一起。光導(dǎo)組件105和附加組件107可以由具有相同折射率的兩種不同材料制造，或者二者由相同材料制造。

因?yàn)椴糠址瓷鋵?65和部分反射涂層170僅是部分反射的，并且光導(dǎo)組件105和附加組件107由光學(xué)透射材料(例如，透明塑料)制造，所以觀看區(qū)域150允許周圍場(chǎng)景光的至少一部分通過(guò)到達(dá)眼睛153。因此，目鏡100用為光學(xué)組合器，其將外部場(chǎng)景光與沿著朝眼睛的方向發(fā)射通過(guò)觀看部分150進(jìn)入到眼睛153中的顯示光111組合。由此，目鏡100能夠?qū)⒃鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示給眼睛153。

如所例示的那樣，附加組件107結(jié)合到光導(dǎo)組件105的凹陷130中。內(nèi)表面155被設(shè)計(jì)為具有彎曲，該彎曲平滑地匹配到凹陷表面135的彎曲。而且，外在表面160與面向世界的表面125形成平滑的、連續(xù)的外表面。在一個(gè)實(shí)施例中，外表面(包括面向世界的表面125)和面朝眼睛的表面120是具有將彼此的屈光力充分地彌補(bǔ)(offset)到正在通過(guò)的周圍光的互補(bǔ)彎曲的球形表面。換言之，進(jìn)入外表面160的周圍場(chǎng)景光的輸入角基本上等同于離開(kāi)面朝眼睛的一側(cè)120的周圍場(chǎng)景光的輸出角。因此，目鏡100使周圍場(chǎng)景光的至少一部分通過(guò)觀看區(qū)域150而基本上沒(méi)有透鏡化，從而允許用戶具有在目鏡100前方的周圍環(huán)境的基本上無(wú)失真的視圖。在其他實(shí)施例中，面向世界的表面125和面朝眼睛的表面120是具有非互補(bǔ)彎曲的表面，它們將校正的透鏡功率(lensing power)集體地提供給通過(guò)的周圍光。

如所述那樣，附加組件107和光導(dǎo)組件105由具有相同或者相似折射率的材料制造。這用于針對(duì)通過(guò)觀看區(qū)域150到達(dá)眼睛153的周圍場(chǎng)景光去除在內(nèi)表面155與凹陷表面135之間的界面處的屈光力。然而，部分反射層165的彎曲將透鏡功率應(yīng)用于內(nèi)部顯示光111。因?yàn)椴糠址瓷鋵?65具有擁有更大彎曲的更陡峭的角，施加于顯示光111的屈光力的實(shí)質(zhì)部分由部分反射表面165施加。在一些實(shí)施例中，部分反射層165也能夠彎曲，以引入用戶特定的校正處方。在一個(gè)實(shí)施例中，部分反射表面165是形式自由的表面。

光導(dǎo)組件105由比空氣具有更高的折射率的材料制造，以在TIR部分140內(nèi)引起TIR。光導(dǎo)組件105可以由光學(xué)級(jí)塑料(例如，Zeonex E-330-R)、玻璃或者其他制造。在一個(gè)實(shí)施例中，組件被注模成形，然后被處理以添加下面所述的各種光學(xué)涂層/層。附加組件107可以使用相似的制造技術(shù)由與光導(dǎo)組件105相同或者相似的材料制造。在一個(gè)實(shí)施例中，附加組件107由與光導(dǎo)組件105具有基本上相似的折射率的材料制造。

目鏡100的外表面可以用防指紋涂層涂覆。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，至少在TIR部分140中的面朝眼睛的表面120和面向世界的表面125兩者用防指紋涂層涂覆，以減小指紋油對(duì)這些表面處的全內(nèi)反射的影響。防指紋或者疏油涂層在本領(lǐng)域中是已知的。

圖2A和2B例示根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的使用目鏡201的單目頭部可戴顯示器200。圖2A是頭部可戴顯示器200的透視圖，而圖2B是它的頂視圖。如上所述，目鏡201可以使用目鏡100的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)。目鏡201安裝到框架配件，框架配件包括鼻梁205、左耳臂210和右耳臂215。外殼220和225可以包含各種電子產(chǎn)品，包括微處理器、接口、一個(gè)或多個(gè)無(wú)線收發(fā)器、電池、相機(jī)、揚(yáng)聲器、顯示源等。雖然圖2A和2B例示單目實(shí)施例，但是頭部可戴顯示器200也可以實(shí)現(xiàn)為具有兩個(gè)目鏡201的雙目顯示器，當(dāng)佩戴顯示器200時(shí)，兩個(gè)目鏡201均與用戶的各個(gè)眼睛對(duì)齊。

透明的目鏡201被縛牢到眼鏡配置中，所以頭部可戴顯示器能夠佩戴在用戶的頭上。左耳臂210和右耳臂215支托在用戶的耳朵上，同時(shí)鼻梁205支托在用戶的鼻子上。調(diào)整框架配件的形狀和大小，以將觀看區(qū)域150定位于用戶眼睛前方?？梢允褂镁哂衅渌螤畹钠渌蚣芘浼?例如，傳統(tǒng)眼鏡框、單個(gè)連續(xù)的耳機(jī)部件、頭帶、護(hù)目鏡型眼鏡等)。

如所述那樣，圖2A和2B例示具有僅覆蓋用戶視野的一部分的緊湊型透明目鏡的單目實(shí)施例。在其他實(shí)施例中，透明目鏡的面朝眼睛的表面和面向世界的表面能夠延伸，從而以雙目框架形成完整眼鏡透鏡。圖2C例示包括兩個(gè)透明的目鏡251的雙目頭部可戴顯示器250，目鏡251延伸跨越用戶視野的實(shí)質(zhì)部分。附加組件255可以布置在用戶的中央視覺(jué)中，以覆蓋他們的視野的大部分。如上所述，顯示光11可以在外圍鬢角區(qū)域處發(fā)射到目鏡215中，并且經(jīng)由TIR引導(dǎo)向附加組件255。附加組件255可以結(jié)合到被布置在每個(gè)透明的目鏡251的彎曲光導(dǎo)組件260內(nèi)的凹陷中。同樣如上所述，這些完整的眼鏡透鏡可以實(shí)現(xiàn)為處方或者非處方透鏡。

頭部可戴顯示器200或者250的所例示的實(shí)施例能夠?qū)⒃鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示給用戶。目鏡201或者251允許用戶經(jīng)由周圍場(chǎng)景光211看到真實(shí)世界圖像。左顯示圖像和右顯示圖像(圖2C中所例示的雙目實(shí)施例)可以由安裝在用戶的中央視覺(jué)之外的外圍角落中的顯示源110生成。顯示光111作為疊加在周圍場(chǎng)景光211上的虛擬圖像被用戶看到，作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。如上所述，在一些實(shí)施例中，目鏡201或者251的外表面可以具有非互補(bǔ)彎曲，以對(duì)周圍場(chǎng)景光211施加處方校正。

本發(fā)明的所例示的實(shí)施例的上面的描述(包括在摘要中所描述的內(nèi)容)不打算是詳盡的，也不打算將本發(fā)明限制為所公開(kāi)的精確形式。雖然為了例示性目的在本文中描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例以及示例，但是如相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到的那樣，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，各種修改是可能的。

能夠考慮上面的詳細(xì)描述對(duì)本發(fā)明做出這些修改。在權(quán)利要求書(shū)中所使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)當(dāng)解釋為將本發(fā)明限制于說(shuō)明書(shū)中所公開(kāi)的具體實(shí)施例。相反，本發(fā)明的范圍將完全由根據(jù)權(quán)利要求解釋的建立原則所解釋的權(quán)利要求來(lái)確定。