CN103718083B - 头戴式显示器和用于头戴式显示器的目镜 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种用于头戴式显示器的目镜，其包含照明模块、端面反射器、观看区域及偏振旋转器。所述照明模块在所述目镜内沿着前向传播路径提供CGI光。所述端面反射器安置在所述目镜的与所述照明模块相对的端处以在所述目镜内沿着反向传播路径将所述CGI光反射回。所述观看区域安置在所述照明模块与所述端面反射器之间且包含外耦合偏振光束分离器“PBS”。所述外耦合PBS使沿着所述前向传播路径行进的所述CGI光通过且将沿着所述反向传播路径行进的所述CGI光从所述目镜的朝眼睛侧重新引导出。所述偏振旋转器安置在所述外耦合PBS与所述端面反射器之间的所述前向及反向传播路径中。
Description
技术领域
本发明大体上涉及光学领域，且特定来说但不排他地，涉及近眼式光学系统。
背景技术
头戴式显示器(“HMD”)为在头部上或围绕头部佩戴的显示装置。HMD通常并入某种类别的近眼式光学系统以在人眼的几厘米之内发射光图像。单眼显示器称为单眼式HMD，而双眼显示器称为双眼式HMD。一些HMD仅显示计算机产生图像(“CGI”)，而其它类型的HMD能够在现实世界景物上叠加CGI。这后一种类型的HMD可充当用于实现增强现实的硬件平台。在增强现实的情况下，观看者的世界图像以重叠CGI增强(也称为抬头显示(“HUD”))。
HMD具有许多实际应用及休闲应用。航空应用允许飞行员在不使其眼睛离开飞行路径的情况下看见极其重要的飞行控制信息。公共安全应用包含地图及热成像的战术显示。其它应用领域包含视频游戏、交通运输及长途通信。随着技术发展，必定存在新发现的实际应用及休闲应用；然而，这些应用中的许多归因于用于实施现有HMD的常规光学系统的成本、尺寸、视界及效率而受到限制。
发明内容
一方面，本申请涉及一种用于头戴式显示器的目镜。所述目镜包括：照明模块，其用于在所述目镜内沿着前向传播路径提供计算机产生图像“CGI”光；凹端面反射器，其安置在所述目镜的与所述照明模块相对的端处以在所述目镜内沿着反向传播路径将所述CGI光反射回；观看区域，其待与用户的眼睛对准，所述观看区域安置在所述照明模块与所述凹端面反射器之间且包含外耦合偏振光束分离器“PBS”，所述外耦合PBS用于使沿着所述前向传播路径行进的所述CGI光通过且用于将沿着所述反向传播路径行进的所述CGI光从所述目镜的朝眼睛侧重新引导出；及偏振旋转器，其安置在所述外耦合PBS与所述凹端面反射器之间的所述CGI光的所述前向及反向传播路径中。所述照明模块包括：内耦合PBS；灯，其邻近于所述内耦合PBS而安置以将照明光引导到所述内耦合PBS上；显示面板，其与所述凹端面反射器相对而安置且直接面向所述凹端面反射器，其中所述内耦合PBS位于所述显示面板和所述凹端面反射器之间，使得所述内耦合PBS将来自所述灯的所述照明光重新引导到所述显示面板上且所述显示面板将所述照明光反射为通过所述内耦合PBS的沿着所述前向传播路径的所述CGI光；以及扩散表面，其与所述灯相对而安置且直接面向所述灯，其中所述内耦合PBS位于所述扩散表面和所述灯之间，以抑制非所要的全内反射从所述照明模块沿着所述目镜向下传播到所述观看区域。
另一方面，本申请涉及一种用于向用户的眼睛显示计算机产生图像“CGI”光的头戴式显示器“HMD”。所述HMD包括目镜和框架组合件，所述框架组合件用于支撑所述目镜以便佩戴在所述用户的头部上，其中观看区域定位在所述用户的所述眼睛前方。所述目镜包含：照明模块，其包含图像源以用于在所述目镜内沿着前向传播路径发射计算机产生图像“CGI”光；端面反射器，其安置在所述目镜的与所述照明模块相对的端处以沿着反向传播路径将所述CGI光反射回；观看区域，其待与所述眼睛对准，所述观看区域安置在所述照明模块与所述端面反射器之间且包含偏振光束分离器“PBS”，所述PBS用于使沿着所述前向传播路径行进的所述CGI光通过且用于将沿着所述反向传播路径行进的所述CGI光从所述目镜的朝眼睛侧重新引导出；及偏振旋转器，其安置在所述PBS与所述端面反射器之间的所述CGI光的所述前向及反向传播路径中。所述照明模块包括：内耦合PBS；灯，其邻近于所述内耦合PBS而安置以将照明光引导到所述内耦合PBS上；显示面板，其与所述端面反射器相对而安置且直接面向所述端面反射器，其中所述内耦合PBS位于所述显示面板和所述端面反射器之间，使得所述内耦合PBS将来自所述灯的所述照明光重新引导到所述显示面板上且所述显示面板将所述照明光反射为通过所述内耦合PBS的沿着所述前向传播路径的所述CGI光；以及扩散表面，其与所述灯相对而安置且直接面向所述灯，其中所述内耦合PBS位于所述扩散表面和所述灯之间，以抑制非所要的全内反射从所述照明模块沿着所述目镜向下传播到所述观看区域。
附图说明
参考附图描述本发明的非限制性且非穷举性实施例，其中相同参考数字在所有各种视图中指代相同部件，除非另有指定。
图1A说明使用输入透镜及两个镜面的第一常规近眼式光学系统。
图1B说明使用角度敏感分色镜的第二常规近眼式光学系统。
图1C说明使用全息衍射光栅的第三常规近眼式光学系统。
图2为根据本发明的实施例的目镜的俯视横截面图。
图3A为根据本发明的实施例的目镜的侧视图。
图3B为根据本发明的实施例的贯穿目镜的光中继器截面的横截面图。
图4为根据本发明的实施例的包含涂覆在顶部及底部的黑视层的目镜的侧视图。
图5为说明根据本发明的实施例的目镜将近眼式图像递送到用户的操作过程的流程图。
图6为根据本发明的实施例的包含与端面反射器完全相对的图像源的目镜的俯视横截面图。
图7为根据本发明的实施例的以目镜实施的双眼式HMD的俯视图。
图8为根据本发明的实施例的以大致遵循用户头部的轮廓的向后弯曲成角度的目镜实施的双眼式HMD的俯视图。
具体实施方式
描述用于头戴式显示器(“HMD”)目镜的系统、设备及操作方法的实施例。在以下描述中，阐述许多特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，本文中描述的技术可在没有所述特定细节中的一者或一者以上的情况下实践或可以用其它方法、组件、材料等等实践。在其它例子中，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以免模糊某些方面。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“一实施例”的参考意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各种地方出现短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定都指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可在一个或一个以上实施例中以任何合适方式组合。
图1A说明使用输入透镜及两个镜面的第一常规近眼式光学系统101。图像源105输出由两个镜面110及115反射的图像，所述两个镜面在眼睛120附近形成图像。图像源105通常安装在头部上方或安装到头部侧面，而镜面110及115使观看者脸部前方附近的图像朝向观看者的眼睛120弯曲。因为人眼通常不能够聚焦在放置在几厘米内的物体上，所以此系统需要插入在第一镜面110与图像源105之间的透镜125。通过将图像源105定位在透镜125的焦点f内，透镜125产生与镜面115的实际位置相比从眼睛更远地向后移位的虚像。光学系统101受制于由镜面110及115的范围以及透镜125的笨重性限制的相对小的视场。所述视场可通过将镜面110及115放置在高折射率材料内以压缩入射角来稍微地改善，但仍是非常有限的，且波导的厚度迅速增加以实现较大视场。
图1B说明使用角度敏感分色镜的第二常规近眼式光学系统102。光学系统102包含安置在波导140内的单个内耦合镜130及两个外耦合分色镜135。此系统使用来自放置在无穷远处的虚像的准直输入光且使用全内反射(“TIR”)来沿着波导140朝向外耦合分色镜135引导输入光。为在眼睛120处产生有用图像，输入光的每一入射角应对应于发射光的单个输出角。因为光可潜在地在向下轨迹(光线段145)或向上轨迹(光线段150)上从输出镜135反射离开，所以每一输入角可潜在地产生多个输出角，从而损坏输出图像。为克服此问题，光学系统102使用角度敏感分色镜135，所述角度敏感分色镜使具有充分接近法线的入射角的光通过同时反射具有充分倾斜的入射角的光。然而，分色镜110使一些入射角通过同时反射其它入射角的特性限制了光学系统100的视场且降低了所述系统的光学效率。此外，这些分色镜涂层不提供锐角截止，从而导致重影效应。最后，角度敏感分色镜涂层需要复杂且定制的涂层设计，这是没有成本效益的。
图1C说明使用全息衍射光栅的第三常规近眼式光学系统103。光学系统103与光学系统102类似，只是使用全息衍射光栅150来替代镜面130及135。衍射光栅150是低效率的反射器，因为其仅反射较高阶的衍射而使第一阶衍射通过，所述第一阶衍射含有光波前中的最大部分的能量。除了是较差的光学反射器之外，还必须使输入及输出衍射光栅相对于彼此精确地调整，否则输出图像将会经历分色。实现输入光栅150与输出光栅150之间的充分匹配需要对制造公差的极端控制，这通常是困难且昂贵的。
图2、3A及3B说明根据本发明的实施例的目镜200。图2说明目镜200的俯视横截面图，而图3A说明目镜200的侧视图且图3B说明目镜200的横截面端视图。目镜200的所说明的实施例包含照明模块205、光中继器210、观看区域215、偏振旋转器220、端面反射器225及保护性端盖230。照明模块205的所说明的实施例包含灯235、聚光透镜240、内耦合偏振光束分离器(“PBS”)245、显示器250(例如，硅面板上的液晶)及扩散表面(例如，磨砂表面)255。观看区域215的所说明的实施例包含外耦合PBS260。
灯235可使用发光二极管(“LED”)源(或多色LED阵列)来实施，其经由从内耦合PBS245的反射照亮显示器250。内耦合PBS245可实施为离散PBS块，灯235、聚光透镜240及显示器250结合到所述离散PBS块。内耦合PBS245操作以实质上使第一线性偏振的光通过(例如，使90％以上的P偏振通过)同时实质上反射第二偏振的光(例如，反射99％以上的S偏振)。两个线性偏振通常为正交线性偏振。显示器250(例如，LCOS、LCD面板等等)将图像数据赋予到由灯235输出的照明光上，以经由图像像素阵列的选择性反射而输出计算机产生图像(“CGI”)光。显示器250的反射使入射灯光的偏振旋转90度。
显示器250以相对配置安置在目镜200的与端面反射器225相对的侧上，使得其直接面向端面反射器225。在反射入射灯光之后，CGI光即刻沿着前向传播路径261在目镜200中向下传播。在一个实施例中，在不需要全内反射(“TIR”)的情况下沿着前向传播路径261在目镜200中向下引导CGI光。换句话说，由CGI光形成的光锥的横截面形状及发散度被约束使得光线在不需要从光中继器210的侧面的TIR的情况下到达端面反射器225。在一个实施例中，光锥发散角(例如，15度)由聚光透镜240控制。在一个实施例中，光锥横截面形状还由图案化到聚光透镜240上的黑视薄膜265控制。在其它实施例中，可将黑视薄膜265安置在其它地方，例如在PBS245的块结构与显示器250之间的界面处、在PBS245的块结构与光中继器210之间的界面处、在倾斜内耦合PBS245自身上或以其它方式安置。
在所说明的实施例中，显示器250安装到PBS245的块结构上。因为显示器250安置在目镜200的端面上，所以显示器250可以按纵向定向或横向定向安装(简单地通过旋转显示器250)。通过旋转显示器250，可配置目镜200来以纵向或横向模式显示CGI。
虽然图2及3A说明使用灯235及显示器250实施的照明模块205用于实施图像源，但可使用各种其它图像源技术。下文论述的图6说明使用其它图像源技术(例如背光液晶显示器(“LCD”)、有机LED(“OLED”)、量子点阵或其它图像源技术)的另一图像源实施实例。
光中继器210安置在照明模块205与观看区域215之间。光中继器210具有透明结构以允许CGI光沿着前向传播路径261通过。光中继器210可由固体透明材料(例如，玻璃、石英、丙烯酸、透明塑料、PMMA、ZEONEX-E48R等等)制成或可实施为具有CGI光通过的内部空气间隙的固体外壳。光中继器210作为光导管而操作以保护光路径，但可不使用TIR来引导或约束CGI光。在一个实施例中，光中继器210具有经选择使得端面反射器225的焦平面实质上与显示器250的发射孔一致的长度(如平行于前向传播路径261测量)。为实现焦平面与显示器250的发射孔的对准，光中继器210的长度及端面反射器225的曲率半径可结合彼此而进行选择。
观看区域215的所说明的实施例包含由外耦合PBS260形成的反射表面。在一个实施例中，观看区域215是部分透明的，这允许外部(环境)场景光270通过目镜200的外部场景侧201及朝眼睛侧202而到达眼睛120。部分透明的实施例促进增强现实(“AR”)，其中CGI光叠加在到用户眼睛120的外部场景光270上。在另一实施例中，观看区域215是实质上不透明的(或甚至选择性地不透明的)，这促进使用户沉浸在由CGI光显示的虚拟环境中的虚拟现实(“VR”)。
外耦合PBS260经配置以使与内耦合PBS245相同的线性偏振(例如，P偏振)通过，同时反射另一线性偏振(例如，S偏振)。在所说明的实施例中，偏振旋转器220为四分之一波板偏振旋转器。CGI光沿着前向传播路径261旋转45度且在由端面反射器225反射之后沿着反向传播路径263旋转另一个45度以实现总共90度的偏振旋转。在一个实施例中，端面反射器230反射且准直CGI光，使得沿着反向传播路径263行进的CGI光是准直的。如先前陈述，端面反射器225的焦平面可经配置以与安置在照明模块205中的图像源的发射孔一致或接近一致。准直CGI光帮助眼睛120聚焦在以近眼式配置(例如，目镜200放置在眼睛120的10厘米之内且通常放置在眼睛120的小于5厘米的范围内)从朝眼睛侧202发出的CGI光上。CGI光归因于外耦合PBS260的倾斜定向(例如，相对于侧201及202约45度)而被引导朝向眼睛120。在其它实施例中，端面反射器225在不完全准直CGI光的情况下减小CGI光的发散度。在又其它实施例中，端面反射器225为平坦反射表面。
在端面反射器225准直CGI光的实施例中，眼睛框(眼睛120可在其中观察到CGI光的区域)由外耦合PBS260到朝眼睛侧202上的投影确定。外耦合PBS260的尺寸受到目镜200的横截面尺寸及形状的约束。参考图3B，在一个实施例中，目镜200可具有实例横截面尺寸D1＝D2＝10mm。在其它实施例中，尺寸D1及D2不需要相等，且在一个实例中，D1可为D2的一半或小于一半(例如，5mm×10mm)。可基于典型用户的太阳穴到眼睛的间隔距离及/或端面反射器225的焦平面距离来选择目镜200的总长度。举例来说，端面反射器225可具有约等于80mm的曲率半径且光中继器210可具有约等于18mm的长度。当然，可使用其它比率及尺寸。
参考图2及3A两者，目镜200可由一系列光学对准但独立的模块制成。举例来说，内耦合PBS245、光中继器210及外耦合PBS260均可制造为接合在一起的独立物理元件。这些独立物理元件(例如，体积框、立方体等等)可共享共同横截面形状，从而促进平面界面表面处的对接。在一个实施例中，这些独立物理元件可安置在单个衬底(例如，上衬底305或下衬底310中的任一者)上或甚至夹置在上衬底305与下衬底310两者之间。衬底305及310中的一者或两者促进平面表面上的光学对准。此外，可在将物理组件放置在衬底305及310中的一者或两者上期间实现对端面反射器225的焦平面与显示器250的发射孔之间的光学对准的微调。举例来说，可在光中继器210与内耦合PBS245及/或外耦合PBS260之间引入空气间隙以实现端面反射器225与显示器250之间的恰当间隔距离。
参考图3B，目镜200的所说明的实施例包含沿着目镜200的伸长长度延伸的圆化边缘315。在一个实施例中，圆化边缘可沿着目镜200的包含内耦合PBS245、光中继器210、外耦合PBS260、偏振旋转器220及端面反射器225中的任一者或全部在内的整个长度延伸。个别物理组件可被制造有圆化边缘315，或所述边缘可在组装之后经机器圆化。圆化边缘315可改善目镜200的外观且改善其眼睛安全特性。
在一个实施例中，目镜200包含安置在目镜200的远端上的保护性端盖230。保护性端盖230涂覆在端面反射器225上且保护反射表面以帮助维持其光学聚焦及反射特性。在一个实施例中，保护性端盖230由经橡胶处理材料制成且向用户的眼睛提供额外保护。
返回到图2，在一个实施例中，目镜200包含一个或一个以上扩散表面255。扩散表面255可安置在物理块的包含PBS245的表面上。扩散表面255可安置在与灯235相对的侧上、可安置在邻近安装灯235的表面的底侧表面上且/或可安置在邻近安装灯235的表面的顶侧表面上。扩散表面255可实施为磨砂层(例如，磨砂涂层)或可通过使PBS245的侧面粗糙化来实施。扩散表面255操作以抑制从这些侧面的TIR以阻止起源于显示器250处的非所要反射进入光中继器210。
图4为根据本发明的实施例包含涂覆在顶部及底部上的黑视层的目镜400的侧视图。目镜400与目镜200类似，只是黑视层405及410中的一者或两者安置在目镜400的上表面及下表面上。黑视层405及410操作以阻碍外部环境光从上侧表面415或下侧表面420进入目镜400。然而，黑视层405及410不阻碍外部场景光270从外部场景侧201通过观看区域215直达朝眼睛侧202。黑视层405及410可沿着整个上侧表面415及下侧表面420安置，包含PBS245、光中继器210及观看区域215或其所选择部分在内。在一个实施例中，黑视层405及410可为黑色不透明漆。
图5为说明根据本发明的实施例的目镜200将近眼式图像递送到用户的操作过程500的流程图。过程框中的一些或所有在过程500中出现的顺序不应被认为是限制性的。而是，得益于本发明的所属领域的一股技术人员将理解，可以按照未说明的各种顺序执行或甚至并行地执行过程框中的一些。
在过程框505中，照明模块将具有P偏振的CGI光发射到光中继器210中，从而沿着前向传播路径261行进。在图2中说明的实施例中，如下产生P偏振CGI光。灯235产生具有P偏振及S偏振两者的非偏振光。减小从灯235发射的非偏振光的发散度且通过聚光透镜240限制光束横截面。接着，将非偏振光引导到容纳内耦合PBS245的物理块或模块的侧中。内耦合PBS245使P偏振分量通过同时反射S偏振分量。因为内耦合PBS245相对于灯235倾斜定位，所以经反射的S偏振分量被引导到显示器250(例如，LCOS面板)上。显示器250通过选择性地激活显示面板内的图像像素来将图像数据调制到入射灯光上。当图像像素被激活时，其反射其灯光部分。在这样做时，经反射的CGI光使其偏振旋转90度到P偏振。因为内耦合PBS245实质上能透过P偏振光，所以经反射的CGI光在实质上不受干扰的情况下通过内耦合PBS245而沿着前向传播路径261朝向光中继器210。应了解，对P偏振及S偏振的指定(其中P是透射且S是反射)仅为演示性的。可实施其它偏振定向及透射/反射组合。
在过程框510中，CGI光通过光中继器210。在一个实施例中，光中继器210仅提供图像源与端面反射器225之间的间隔偏移且不需要操作以约束或引导光波。因此，在这些实施例中，CGI光在没有TIR且没有外表面反射的情况下通过光中继器210。
在过程框515中，CGI光沿着前向传播路径261通过观看区域215。因为外耦合PBS260经配置以实质上使P偏振光通过，所以CGI光在实质上不被影响的情况下通过外耦合PBS260。
在过程框520中，CGI光接着沿着前向传播路径261通过偏振旋转器220。在这样做时，CGI光的偏振被旋转45度，这是因为偏振旋转器220的所说明的实施例为四分之一波板旋转器。
在过程框525中，通过端面反射器225沿着反向传播路径263将CGI光反射回。在一个实施例中，端面反射器225为准直反射器。因此，在此实施例中，沿着反向传播路径263行进的CGI光是实质上准直的光。准直CGI光具有将CGI图像虚拟地移位到无穷远处或接近无穷远处的作用，借此帮助人眼120使CGI图像聚焦。当然，端面反射器225可在不完全准直光的情况下减小发散度，借此将虚像移位到小于无穷远处的位置(例如，1到3米)。
在过程框530中，沿着反向传播路径263行进的经反射CGI光再次通过偏振旋转器220，从而致使CGI光被旋转另一个45度以实现从前向及反向传播路径的总共90度。因此，在第二次通过偏振旋转器220之后，CGI光具有S偏振。
在过程框535中，具有S偏振的CGI光被外耦合PBS260反射且通过朝眼睛侧202从目镜200被重新引导出而朝向眼睛120。
图6为根据本发明的实施例包含与端面反射器225完全相对的图像源601的目镜600的俯视图。除了照明模块605相对于照明模块205的变化之外，目镜600的所说明的实施例与目镜200类似。照明模块605包含图像源601，所述图像源直接面向目镜600的相对侧处的端面反射器225。图像源601可以用各种图像源/显示技术来实施，包含有机LED(“OLED”)面板、量子点阵、背光LCD或其它技术。因为图像源601安置在目镜600的末端上，所以照明模块605可不包含内耦合PBS。然而，在一个实施例中，照明模块605包含输入偏振器610以使从图像源601发射的CGI光偏振。在另一实施例中，可省略输入偏振器610，在此情形中，外耦合PBS260将把S偏振从外场景侧201反射出，同时使P偏振通过而朝向偏振旋转器225。
图7为根据本发明的实施例的使用一对近眼式光学系统701的头戴式显示器(“HMD”)700的俯视图。每一近眼式光学系统701可以用目镜200、目镜400、目镜600或其组合/变型的实施例实施。近眼式光学系统701安装到框架组合件，所述框架组合件包含鼻梁705、左耳臂710及右耳臂715。虽然图7说明双眼式实施例，但HMD700也可实施为单眼式HMD。
两个近眼式光学系统701紧固到可佩戴在用户的头部上的眼镜布置中。左耳臂710及右耳臂715搁在用户的耳朵上，而鼻组合件705搁在用户的鼻子上。所述框架组合件经成形且经定尺寸以在用户的对应眼睛120前方定位观看区域215。当然，可使用具有其它形状的其它框架组合件(例如，具有耳臂及鼻梁支撑件的护目镜、单个连续头戴式耳机构件、头带或护目镜型眼镜等等)。
HMD700的所说明的实施例能够向用户显示增强现实。每一目镜的观看区域允许用户经由外部场景光270观察现实世界图像。左及右(双眼式实施例)CGI光730可由耦合到目镜的相应图像源的一个或两个CGI引擎(未说明)产生。CGI光730被用户观察为叠加在现实世界上的虚像而作为增强现实。在一些实施例中，可阻断或选择性地阻断外部场景光270以提供头戴式虚拟现实显示或抬头显示。
图8为根据本发明的实施例以大致遵循用户头部的轮廓的向后弯曲成角度的目镜801实施的双眼式HMD800的俯视图。HMD800与HMD700类似，只是目镜801倾斜或弯曲成角度以更好地遵循用户头部的轮廓且提供更自然且在审美上令人愉悦的眼镜结构。然而，为了以适当的角度将CGI光引导到用户的眼睛120中，需要使观看区域中的内PBS表面820适当地弯曲成角度以补偿目镜801的倾斜。在一个实施例中，使PBS表面820弯曲成角度使得θ为约42度。这与图7中的约45度的定向形成对照。
对本发明的所说明的实施例的以上描述(包含在摘要中描述的内容)不希望为穷举性的或将本发明限于所揭示的精确形式。如所属领域的技术人员将认识到，虽然出于说明目的在本文中描述了本发明的特定实施例及本发明的实例，但各种修改在本发明的范围内是可能的。
在以上详细描述的背景下可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应被解释为将本发明限于说明书中揭示的特定实施例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求书确定，所附权利要求书将根据沿用已久的权利要求解释规则来解释。
Claims (31)
1.一种用于头戴式显示器的目镜，所述目镜包括：
照明模块，其用于在所述目镜内沿着前向传播路径提供计算机产生图像光；
凹端面反射器，其安置在所述目镜的与所述照明模块相对的端处以在所述目镜内沿着反向传播路径将所述计算机产生图像光反射回；
观看区域，其待与用户的眼睛对准，所述观看区域安置在所述照明模块与所述凹端面反射器之间且包含外耦合偏振光束分离器，所述外耦合偏振光束分离器用于使沿着所述前向传播路径行进的所述计算机产生图像光通过且用于将沿着所述反向传播路径行进的所述计算机产生图像光从所述目镜的朝眼睛侧重新引导出；及
偏振旋转器，其安置在所述外耦合偏振光束分离器与所述凹端面反射器之间的所述计算机产生图像光的所述前向及反向传播路径中，
其中，所述照明模块包括：
内耦合偏振光束分离器；
灯，其邻近于所述内耦合偏振光束分离器而安置以将照明光引导到所述内耦合偏振光束分离器上；
显示面板，其与所述凹端面反射器相对而安置且直接面向所述凹端面反射器，其中所述内耦合偏振光束分离器位于所述显示面板和所述凹端面反射器之间，使得所述内耦合偏振光束分离器将来自所述灯的所述照明光重新引导到所述显示面板上且所述显示面板将所述照明光反射为通过所述内耦合偏振光束分离器的沿着所述前向传播路径的所述计算机产生图像光；以及
扩散表面，其与所述灯相对而安置且直接面向所述灯，其中所述内耦合偏振光束分离器位于所述扩散表面和所述灯之间，以抑制非所要的全内反射从所述照明模块沿着所述目镜向下传播到所述观看区域。
2.根据权利要求1所述的目镜，其进一步包括：
保护性端盖，其在所述目镜的远端处安置在所述凹端面反射器上来以物理方式保护所述凹端面反射器。
3.根据权利要求2所述的目镜，其中所述保护性端盖包括经橡胶处理的端盖以进一步保护所述用户的所述眼睛。
4.根据权利要求1所述的目镜，其中所述凹端面反射器包括准直凹面镜，以将沿着所述前向传播路径具有锥形路径的所述计算机产生图像光改变到沿着所述反向传播路径具有实质上准直路径。
5.根据权利要求1所述的目镜，其中所述凹端面反射器具有用于将向所述用户显示的图像虚拟地移位到距离所述用户的所述眼睛1米与3米之间的曲率半径。
6.根据权利要求1所述的目镜，其进一步包括：
光中继器，其安置在所述照明模块与所述观看区域之间，其中所述计算机产生图像光在没有从所述光中继器的侧壁的全内反射的情况下被引导通过所述光中继器。
7.根据权利要求6所述的目镜，其中所述光中继器包括塑料。
8.根据权利要求6所述的目镜，其中以黑视层涂覆所述目镜的包含所述照明模块、所述光中继器及所述观看区域的至少部分的顶侧或底侧中的至少一者，以阻碍光通过所述顶侧或所述底侧中的所述至少一者进入所述目镜。
9.根据权利要求6所述的目镜，其中结合所述凹端面反射器的曲率半径选择所述光中继器的长度，使得所述凹端面反射器的焦平面实质上与所述照明模块内的图像显示器的出射孔一致。
10.根据权利要求6所述的目镜，其中所述光中继器包括与所述外耦合偏振光束分离器及所述照明模块分离且独立的物理模块，其中所述光中继器在平面界面表面处耦合到所述外耦合偏振光束分离器。
11.根据权利要求10所述的目镜，其中所述照明模块、所述光中继器及所述外耦合偏振光束分离器的所述独立物理模块共享共同横截面形状。
12.根据权利要求11所述的目镜，其中所述目镜的沿着所述目镜的伸长长度延伸的四个边缘包含圆化边缘，所述伸长长度包含所述照明模块、所述光中继器及所述外耦合偏振光束分离器的至少部分。
13.根据权利要求6所述的目镜，其进一步包括：
上衬底或下衬底中的至少一者，所述照明模块、所述光中继器及所述外耦合偏振光束分离器安置到所述上衬底或下衬底中的至少一者以提供机械对准。
14.根据权利要求1所述的目镜，其中所述显示面板包括硅上液晶面板。
15.根据权利要求14所述的目镜，其中所述扩散表面安置在包括所述内耦合偏振光束分离器的物理块的至少一侧上。
16.根据权利要求15所述的目镜，其中所述至少一个侧包含与所述灯安装到所述目镜的输入侧相对的侧。
17.根据权利要求15所述的目镜，其中所述灯及所述硅上液晶面板安装到包括所述内耦合偏振光束分离器的所述物理块。
18.根据权利要求14所述的目镜，其中所述照明模块进一步包括：
聚光透镜，其安置在所述灯与所述内耦合偏振光束分离器之间以减小从所述灯发射的所述照明光的发散度。
19.一种用于向用户的眼睛显示计算机产生图像光的头戴式显示器，所述头戴式显示器包括：
目镜，其包含：
照明模块，其包含图像源以用于在所述目镜内沿着前向传播路径发射计算机产生图像光；
端面反射器，其安置在所述目镜的与所述照明模块相对的端处以沿着反向传播路径将所述计算机产生图像光反射回；
观看区域，其待与所述眼睛对准，所述观看区域安置在所述照明模块与所述端面反射器之间且包含外耦合偏振光束分离器，所述外耦合偏振光束分离器用于使沿着所述前向传播路径行进的所述计算机产生图像光通过且用于将沿着所述反向传播路径行进的所述计算机产生图像光从所述目镜的朝眼睛侧重新引导出；及
偏振旋转器，其安置在所述外耦合偏振光束分离器与所述端面反射器之间的所述计算机产生图像光的所述前向及反向传播路径中；及
框架组合件，其用于支撑所述目镜以便佩戴在所述用户的头部上，其中所述观看区域定位在所述用户的所述眼睛前方，
其中，所述照明模块包括：
内耦合偏振光束分离器；
灯，其邻近于所述内耦合偏振光束分离器而安置以将照明光引导到所述内耦合偏振光束分离器上；
显示面板，其与所述端面反射器相对而安置且直接面向所述端面反射器，其中所述内耦合偏振光束分离器位于所述显示面板和所述端面反射器之间，使得所述内耦合偏振光束分离器将来自所述灯的所述照明光重新引导到所述显示面板上且所述显示面板将所述照明光反射为通过所述内耦合偏振光束分离器的沿着所述前向传播路径的所述计算机产生图像光；以及
扩散表面，其与所述灯相对而安置且直接面向所述灯，其中所述内耦合偏振光束分离器位于所述扩散表面和所述灯之间，以抑制非所要的全内反射从所述照明模块沿着所述目镜向下传播到所述观看区域。
20.根据权利要求19所述的头戴式显示器，其中所述目镜安装到所述框架组合件使得所述目镜向后弯曲成角度以大致遵循所述用户头部的轮廓，且其中所述偏振光束分离器的反射表面与所述目镜的所述朝眼睛侧形成小于45度的角度以补偿所述目镜相对于所述用户的所述头部的所述角度，使得所述计算机产生图像光被从所述目镜引导出且朝向所述眼睛。
21.根据权利要求19所述的头戴式显示器，其中所述头戴式显示器包括双眼式头戴式显示器，所述双眼式头戴式显示器包含在所述用户的另一眼睛前面支撑到所述框架组合件的另一目镜。
22.根据权利要求19所述的头戴式显示器，其中所述目镜进一步包括：
保护性端盖，其在所述目镜的远端处安置在所述端面反射器上来以物理方式保护所述端面反射器。
23.根据权利要求22所述的头戴式显示器，其中所述保护性端盖包括经橡胶处理的端盖以进一步保护所述用户的所述眼睛。
24.根据权利要求19所述的头戴式显示器，其中所述目镜进一步包括：
光中继器，其安置在所述照明模块与所述观看区域之间，其中所述计算机产生图像光在没有从所述光中继器的侧壁的全内反射的情况下被引导通过所述光中继器。
25.根据权利要求24所述的头戴式显示器，其中所述光中继器包括塑料。
26.根据权利要求24所述的头戴式显示器，其中以黑视层涂覆所述目镜的包含所述照明模块、所述光中继器及所述观看区域的至少部分的顶侧或底侧中的至少一者，以阻碍光通过所述顶侧或所述底侧中的所述至少一者进入所述目镜。
27.根据权利要求24所述的头戴式显示器，其中所述光中继器包括与所述外耦合偏振光束分离器及所述照明模块分离且独立的物理模块，其中所述光中继器在平面界面表面处耦合到所述外耦合偏振光束分离器。
28.根据权利要求27所述的头戴式显示器，其中所述照明模块、所述光中继器及所述外耦合偏振光束分离器的所述独立物理模块共享共同横截面形状。
29.根据权利要求28所述的头戴式显示器，其中所述目镜的沿着所述目镜的伸长长度延伸的四个边缘包含圆化边缘，所述伸长长度包含所述照明模块、所述光中继器及所述外耦合偏振光束分离器的至少部分。
30.根据权利要求19所述的头戴式显示器，其中所述显示面板包括硅上液晶面板。
31.根据权利要求30所述的头戴式显示器，其中所述扩散表面安置在包括所述内耦合偏振光束分离器的物理块的至少一侧上。
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