CN105229514B - 用于将图像光耦合到近眼显示器的投影光学系统 - Google Patents

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CN105229514B CN201480018280.7A CN201480018280A CN105229514B CN 105229514 B CN105229514 B CN 105229514B CN 201480018280 A CN201480018280 A CN 201480018280A CN 105229514 B CN105229514 B CN 105229514B
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Abstract

描述了用于将来自图像源的图像光光学地耦合到可佩戴近眼显示器设备的近眼显示器(NED)的投影光学系统的技术。投影光学系统和图像源构成投影光引擎。来自图像源的光被引导到沉浸在高折射率玻璃中的鸟浴反射光学元件。图像光被鸟浴元件反射并准直化，并在投影光引擎的外壳外部行进形成外部出射光瞳，这意味着出射光瞳在投影光引擎外部。波导光学地耦合外部出射光瞳的图像光。可使用的波导的示例为表面起伏光栅波导。

Description

用于将图像光耦合到近眼显示器的投影光学系统
背景
近眼显示器(NED)设备(诸如头戴式显示器(HMD)设备)可由用户佩戴以得到诸如增强现实(AR)体验或虚拟现实(VR)体验之类的体验。投影光引擎生成图像数据以供显示在NED设备的视野中。用于将来自投影光引擎的光耦合到近眼显示器的效率会影响图像质量和功率消耗，因为该引擎必须提供更多的照明来补偿失去的光。耦合出射光瞳处的光是非常高效的，因为出射光瞳是其中表示图像的光束具有最小截面并包含供显示的整个图像所在的区域。然而，许多投影光引擎都具有内部出射光瞳，这意味着出射光瞳在投影光引擎的各光学器件的内部。耦合来自具有内部出射光瞳的投影光引擎的光因用于在该光离开出射光瞳后重新捕捉图像数据的附加光学器件而低效的多，并且由于该光必须通过更多的光学器件而使图像光的光功率被削弱了。能够直接访问出射光瞳处的图像数据的显示器在提供质量图像方面要功率高效的多。
概述
本技术提供用于将投影光引擎的外部出射光瞳的图像光耦合到NED设备的近眼显示器(NED)中的一个或多个实施例。用于将来自投影光引擎的图像源的图像光耦合到近眼显示器的投影光引擎的投影光学系统的实施例包括可由用户佩戴的近眼显示器设备的支撑结构。高折射率玻璃区域由该支撑结构支撑。具有反射表面的鸟浴(birdbath)光学元件被沉浸在高折射率玻璃区域中，并被支撑结构定位成用于光学地耦合来自图像源的图像光。鸟浴光学元件将该图像光准直化，并使该图像光反射通过高折射率玻璃区域至外部出射光瞳。外部出射光瞳在投影光引擎的外部。
本技术提供了近眼显示器(NED)设备系统的一个或多个实施例。NED设备的一实施例包括近眼支撑结构，该近眼支撑结构支撑包括波导的近眼显示器(NED)。包括图像源和投影光学系统的投影光引擎也由该近眼支撑结构支撑，并具有外部出射光瞳。投影光学系统包括高折射率玻璃区域，具有反射表面的鸟浴光学元件沉浸在该高折射率玻璃区域中。鸟浴光学元件将来自图像源的图像光准直化并将该图像光反射到外部出射光瞳，并且近眼支撑结构将波导定位成用于光学地耦合外部出射光瞳的图像光。
本技术提供用于将来自投影光引擎的图像源的图像光耦合到近眼显示器的方法的一个或多个实施例。该方法的一实施例包括将来自图像源的图像光沿着在投影光学系统外壳内的高折射率玻璃区域中的第一光路光学地引导到该高折射率玻璃区域中的鸟浴反射光学元件。鸟浴反射光学元件将图像光准直化，并使该图像光沿着延伸通过高折射率玻璃区域至在投影光学系统外壳之外的外部出射光瞳的第二光路反射。该图像光可在第一光路和第二光路中的至少一者中被偏振化，并且近眼显示器的波导的输入光栅至少将出射光瞳的图像光耦合到该波导。
提供该概述以便以简化形式介绍概念的选集，所述概念在以下详细描述中被进一步描述。该概述不意图标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图被用来帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图简述
图1是描绘近眼显示器(NED)设备系统的一实施例的示例组件的框图。
图2A是NED设备的控制电路系统内包括计算机系统在内的各示例硬件组件的框图。
图2B是与具有外部出射光瞳的投影光引擎耦合的近眼显示器的一实施例的俯视图。
图3A是使用沉浸在高折射率玻璃中的鸟浴光学元件来提供外部出射光瞳的投影光引擎的一实施例的框图。
图3B是使用沉浸在高折射率玻璃中的鸟浴光学元件的投影光引擎的另一实施例的框图。
图3C是示出图3B中示出的波导示例的各层的俯视图的框图。
图4示出用于将具有外部出射光瞳的投影光引擎的一实施例定位成供使用眼镜架与NED设备中的近眼显示器光学耦合的支撑外壳结构的一实施例。
图5是从软件角度用于供近眼显示器设备显示图像数据的系统的一实施例的框图。
图6是用于将来自投影光引擎的图像源的图像光耦合到近眼显示器(NED)设备的近眼显示器的方法的一实施例的流程图。
图7是可用于实现网络可访问的计算系统、近眼显示器设备的伴随处理模块或控制电路系统的计算系统的一个实施例的框图。
详细描述
近眼显示器(NED)设备的一示例是头戴式显示器(HMD)设备，其是用户可佩戴的移动计算机设备。在使得顾客可佩戴计算机设备有用并因此有销路时，对重量、尺寸和电池寿命的实用考虑可以是用于解决期望其计算机设备随其一起移动的用户的移动性和舒适性需求的关键特征。将出射光瞳处的图像光耦合到近眼显示器(NED)中通过削减照明功率增加了效率并提供了良好的图像质量。具有外部出射光瞳的投影光引擎允许NED利用该增加的效率和图像质量。再次，出射光瞳是其中表示图像的光束具有最小截面并包含供显示的整个图像的区域。
图1是描绘近眼显示器(NED)设备系统的一实施例的各示例组件的框图。在所示的实施例中，该系统包括被通信地耦合到被标识为伴随处理模块4的另一计算机系统的作为头戴式显示器(HMD)设备2的近眼显示器(NED)设备。该示例中示出了无线通信，但也可实现经由模块4和显示设备2之间的线的通信。
在该实施例中，NED设备2采用框架115中眼镜的形状，其中相应的显示器光学系统14(14l和14r)被定位在NED设备的前部以在NED被用户佩戴时由每一只眼睛透视。在这一实施例中，每一显示器光学系统14使用投影显示器，其中图像数据被投影到用户眼睛中以生成图像数据的显示，从而使得该图像数据对于用户而言看上去位于用户前方的三维视野中的一位置处。例如，用户可能正在他的起居室中以光学透视模式玩击倒敌人直升机的游戏。如图2B中所示，直升机的图像对于用户而言看上去正飞过他起居室中的椅子的上方，但不在光学透镜116和118之间，因为用户无法聚焦于离人类眼睛如此之近的图像数据上。每个显示器光学系统14也被称为示器，并且两个显示器光学系统14一起也可以被称为显示器。
在该实施例中，框架115提供方便的眼镜框架作为用于将NED设备2的各元件保持在原位的近眼支撑结构以及用于电连接的管道。近眼支撑结构的一些其他示例是护目镜框架或护眼镜支撑。框架115包括鼻梁架104、顶端前部的覆盖部分117、针对该设备的左侧(130l)和右侧(130r)中的每一者的相应投影光引擎外壳130以及被设计成停留在用户的每一耳朵上的左和右镜腿或侧臂102l和102r。在该实施例中，鼻梁架104包括具有用于记录声音并向控制电路系统136传送音频数据的话筒110。在侧外壳单元130l和130r的外部是相应的面向外的相机113l和113r，这些相机捕捉在用户前面的现实环境的图像数据以用于映射什么在近眼显示器(NED)的视野内。
在该示例中，虚线128是连接到控制电路系统136(其也用虚线示出)的一些电连接路径的说明性示例。一个虚线电连接被标记128以避免使附图过于拥挤。在该示例中，电连接和控制电路系统136在虚线中以指示它们在顶端前部的覆盖部分117下面。在用于其他组件的侧臂中还可存在包括电源总线的延伸的其他电连接(未示出)，其他组件的一些示例是包括附加相机的传感器单元、耳机或单元等音频输出设备以及可能为附加处理器和存储器。示出了可用于将框架的各个部分连接在一起的诸如螺钉等连接器129的一些示例。
伴随处理模块4可采取各种实施例。在一些实施例中，伴随处理模块4采用可被佩戴在用户的身体(例如手腕)上的便携式形式，或者是如移动设备(例如，智能电话、平板、膝上型计算机)之类的单独便携式计算机系统。伴随处理模块4可以通过一个或多个通信网络50使用线或无线地(例如WiFi、蓝牙、红外、红外个域网、RFID传输、无线通用串行总线(WUSB)、蜂窝、3G、4G或其他无线通信手段)与一个或多个网络可访问计算机系统12(无论是位于附近还是远程位置)进行通信。在其他实施例中，伴随处理模块4的功能可被集成在显示设备2的软件和硬件组件中。图7中示出伴随处理模块4的硬件组件的一些示例。
可以充分利用一个或多个网络可访问计算机系统12来处理电力和远程数据访问。图7示出了计算机系统12的硬件组件的示例。组件的复杂性和数目可以因计算机系统12和伴随处理模块4的不同实施例而显著变化。
基于在控制电路系统136的一个或多个处理器上执行的应用(例如游戏和消息收发应用)、或向近眼显示器14提供图像数据的伴随处理模块4或远程计算机系统12、或这些的组合来标识要显示的图像数据。
图2A是NED设备的控制电路系统内包括计算机系统在内的各示例硬件组件的框图。控制电路系统136提供支撑头戴式、近眼显示器设备2的其他组件的各种电子装置。在该示例中，显示设备2的控制电路系统136包括：处理单元210；处理单元210可访问的存储器244，该存储器244用于存储处理器可读指令和数据；通信地耦合到处理单元210的通信模块137，该通信模块137可充当用于将NED设备连接到另一计算机系统的网络接口，另一计算机系统为诸如伴随处理模块4、另一NED设备的计算机系统或可通过因特网远程访问的计算机系统。电源239为控制电路系统136的各组件及显示设备2的其他组件(如捕捉设备113、话筒110、其他传感器单元)并为显示器14上用于显示图像数据的电源汲取组件(诸如光源以及像投影光引擎中的微显示器等与图像源相关联的电子电路系统)提供电力。
尤其在没有包含至少一个图形处理单元(GPU)的单独的伴随处理模块4的各实施例中，处理单元210可以包括一个或多个处理器，包括中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)，。存储器244表示系统可使用的各种类型的存储器，诸如用于执行期间的应用使用的随机存取存储器(RAM)、用于传感器数据(包括捕捉到的图像数据和显示数据)的缓冲器、用于指令和系统数据的只读存储器(ROM)或闪存、用于存储其他项(其一些示例是应用和用户简档数据)的其他类型的非易失性存储器。在该示例中，数据总线270的电连接会连接传感器单元257、显示驱动器246、处理单元210、存储器244和通信模块137。数据总线270还通过控制电路系统的所有被示出的元件都连接到以汲取电力的功率总线2从电源239得到电力。
控制电路系统进一步包括显示驱动器246，该显示驱动器246用于选择数字控制数据(例如控制比特)来表示图像数据，该图像数据可由投影光引擎(例如图2B中的120)的微显示器电路系统259和不同的有源组件驱动器对数字控制数据进行解码得到。微显示器可以是有源的透射、发射或反射设备。例如，微显示器可以是需要电力的硅上液晶(LCoS)设备或需要电力来移动各个体反射镜的基于微机电机器(MEM)的设备。有源组件驱动器的一个示例是显示照明驱动器247，其将数字控制数据转换成用于驱动照明单元222的模拟信号，照明单元222包括一个或多个光源，如一个或多个激光器或发光二极管(LED)等。在一些实施例中，显示单元可包括诸如波导之类的用于耦合投影光引擎中的出射光瞳处的图像光的一个或多个有源光栅253。(诸)有源光栅的控制器249将数字控制数据转换成用于改变一个或多个光栅的属性的信号。类似地，投影光引擎的一个或多个偏振器可以是有源偏振器255，可任选的(诸)有源偏振器的控制器251可驱动该有源偏振器255。控制器电路系统136可包括本文中没有示出但涉及NED设备的其他功能(诸如提供音频输出、标识头部取向和位置信息)的其他控制单元。
图2B是与具有外部出射光瞳121的投影光引擎120耦合的近眼显示器141的一实施例的俯视图。为了示出显示器光学系统14(在该情况下是针对左眼的14l)的各个组件，顶部框架部分117覆盖显示器14l的一部分以及投影光引擎120未被描绘。箭头142表示显示器光学系统14l的光轴。
在该实施例中，显示器14l和14r是光学透视显示器。在其他实施例中，它们可以是视频观看显示器。每一显示器都包括显示单元112，该显示单元112被示为在两个可选的透视透镜116和118之间并包括波导123。可选的透镜116和118是显示单元的保护罩。这些透镜中的一者或两者也可用于实现用户的眼镜处方(prescription)。在该示例中，当设备2被佩戴时，眼睛空间140近似用户眼睛的位置。波导将来自投影光引擎120的图像光形式的图像数据引导向用户眼睛空间140，同时还允许来自现实世界的光通过朝着用户的眼睛空间，由此允许用户除了观看来自投影光引擎120的虚拟特征的图像外，还具有在NED设备2的前方的空间的实际的直接视图。
在该俯视图中，投影光引擎120包括被示为弯曲表面的鸟浴反射光学元件234。该弯曲表面将光功率提供给它反射的光束235，由此也使这些光束准直化。仅一个光束被标记以防止使附图过度拥挤。在一些实施例中，鸟浴光学元件的曲率半径为至少-38毫米(mm)。这些光束被准直化，但来自不同的角度，因为这些光束是从弯曲表面的不同位置反射出的。因此，这些光束将在其自身的最小截面处交叉并并形成出射光瞳。
在一些实施例中，波导123可以是衍射波导。附加地，在一些示例中，波导123是表面起伏光栅(SRG)波导。输入光栅119耦合来自投影光引擎120的图像光。此外，波导具有使得该图像光以用户眼睛空间140的方向退出波导的多个出射光栅125。一个出射光栅125被标记以避免使附图过度拥挤。在该示例中，最外的输入光栅119足够宽，并被定位成在退出投影光引擎的光已抵达其出射光瞳121之前捕捉退出捕捉投影光引擎120的光。在该示例中，光学地耦合的图像光在波导的中央部分形成其出射光瞳。以下参见图3B以得到更详细的示例。以下描述的图3A提供使出射光瞳处的图像光与定位在该出射光瞳处的输入光栅耦合的波导的示例。
出射光瞳包括正被显示的完整图像的光，由此耦合出射光瞳处表示图像的光一次捕捉整个图像，并由此非常高效，并在显示器14中向用户提供完整图像的视图。输入光栅119能够耦合出射光瞳的图像光，因为出射光瞳在投影光引擎的外部。在一些示例中，出射光瞳在投影光引擎之外的0.5mm处。在其他示例中，出射光瞳被投影在投影光引擎之外的5mm处。
在所示的实施例中，投影光引擎120在左侧投影光引擎外壳130l中包括图像源(例如微显示器)以及投影光学系统，该图像源产生图像光，并且该投影光学系统折叠图像光的光路以在投影光引擎的外部形成出射光瞳121。该投影光引擎120的形状是适应示例外壳130l的形状的说明性示例，在图1中该形状符合框架115的各角落的边界从而减少了体积。该形状可被改变为容适归因于被实现的不同图像源技术的投影光引擎120的不同布置。
存在可用于实现图像源的不同图像生成技术。例如，可使用透射投影技术来实现微显示器。在这样的技术的一个示例中，光源被光学活性材料调制并且用白光从背后照亮。这些技术通常是使用具有强大背光和高光能量密度的LCD类型的显示器来实现的。其他微显示器使用用于使自照明单元的光被光学活性材料反射和调制的反射技术。取决于该技术，照明可以是白光源或RGB源。数字光处理(DLP)、数字微反射镜设备(DMD)、硅上液晶(LcOS)以及来自Qualcomm有限公司的显示技术全部都是高效的反射技术的示例(因为大多数能量从已调制结构反射离开)并且可被显示器使用。附加地，微显示器可使用其中光由该显示器生成的发射技术来实现。发射技术的一示例是有机发光二极管(OLED)技术。
图2B示出了头戴式显示设备2的一半。针对所示实施例，完整的头戴式显示器设备2可以包括具有另一组任选的透视透镜116和118、另一波导123的另一显示器光学系统14，并包括另一投影光引擎120以及另一面朝外的捕捉设备113。在一些实施例中，可能存在由两只眼睛来查看的连续显示、而不是针对每只眼睛的显示光学系统。在一些实施例中，单个图像生成单元120可以在光学上耦合至由两个眼睛查看到的连续显示或者在光学上耦合至针对各眼睛的分开的显示。在2010年10月15日提交的题为“Fusing Virtual Content IntoReal Content(将虚拟内容融合到现实内容中)”的美国专利申请序列号12/905952中示出头戴式个人A/V装置的附加细节。
图3A是投影光引擎120的一实施例的框图，该投影光引擎使用沉浸在高折射率玻璃区域225中的有助于折叠光路的鸟浴光学元件234来提供在投影光引擎外部的出射光瞳121。高折射率玻璃的一些示例是燧石玻璃和具有至少1.65的折射率的玻璃。侧视图示出了与鸟浴投影光学系统设计相关联的一些示例性基础元件。该实施例的各版本中可存在附加的光学元件。图像源223生成传播到高折射率玻璃区域225的图像光，该高折射率玻璃区域225包括光学引导元件232、具有弯曲的反射表面238的鸟浴光学元件234以及偏振器240所表示的一个或多个偏振光学元件。光学引导元件232将来自图像源223的图像光引导到鸟浴光学元件234(例如鸟浴透镜)的反射表面238并允许从弯曲表面238反射出的图像光通过并行进通过偏振器240。光学引导元件232的示例是分束器，并且分束器还可充当偏振器以使得鸟浴透镜234接收被一个或多个偏振光学元件240再次偏振的偏振光。一个或多个偏振光学元件240的一些实现示例可以是无源光学元件，如红色旋转波片或四分之一波片等。有源偏振器可在如上所述的一些实施例中使用。
图像光被偏振以实现到一个或多个输入光栅(诸如衍射波导的一个或多个输入光栅)的更高效的耦合。在一些示例中，波导可具有多层，并且入射图像光的偏振可用于将入射光过滤到波导的不同层。每一层具有其自己的输入光栅和退出光栅。某一层的输入光栅将特定偏振的光耦合到其层。其他偏振的光通过输入光栅以及层本身，以使得下一层的输入光栅基于其偏振而耦合接收到的光或使接收到的光通过。在一些实现中，不同的波长带(诸如不同的色彩)可被引导到不同的波导层以用于增强图象的亮度。不同波长带中的光可被偏振化以用于耦合到每一波长带的相应层中。例如见Nguyen等人的提交日为2012年8月31日题为“NED Polarization System for Wavelength Pass-Through(供波长通过的NED偏振系统)”的美国专利申请no.13/601,727。
一个或多个偏振光学元件在高折射率玻璃区域225内的布置可基于多个因素，包括波导123中的多个层、光栅的类型(例如表面起伏光栅)和用于在各层之中分发图像光的预定标准。光束235在从鸟浴弯曲反射表面238反射出时被准直化，但每一部分由于该弯曲表面而从不同的角度反射。(见图3C关于出射光瞳处具有其最小截面的多个光束的俯视图的示例。)在该示例中，波导123的输入光栅119将反射光束耦合在出射光瞳位置121附近。在该示例中，波导123可以是单层波导。在诸如图3B中的其他示例中，可在近眼显示器4中实现多层波导。
图3B是使用沉浸在高折射率玻璃中的鸟浴光学元件234的投影光引擎的另一实施例的框图。在该示例中，使用具有在1.7和1.8之间的折射率的高折射率玻璃。在该实施例中，投影光引擎120包括图像源和投影光学系统220。图像源被具体化为具有伴随补偿器光学元件228的反射性硅上液晶(LCoS)微显示器230。在该实施例中，微显示器230具有反射来自照明单元222的光以用于表示要显示的图像数据的LCoS表面231。LCoS表面231使它反射的光偏振；然而，可存在偏振误差。补偿器228是其补偿参数可在LCoS的制造期间被确定用以补偿在生产期间为LcOS表面测量的偏振误差的偏振光学元件。
在该实施例中，投影光学系统220包括在高折射率玻璃区域225之内的双合透镜(doublet)226以及在高折射率玻璃区域225之内的多个光学组件。双合透镜226校正彩色像差并且还向反射离开LCoS的图像光提供某种准直程度。这些光学元件包括被具体化为偏振照明分束器224的照明光学引导元件、被具体化为偏振分束器232的另一光学引导元件、四分之一波片236、具有弯曲反射表面238的鸟浴光学元件234和被具体化为包括红色旋转波片240的另一代表性偏振器240。在其他实施例中，如在使用包括其自己的照明单元222的透射性或发射性图像源的各实施例中，除了省略双合透镜以外，还可将照明分束器224从投影光学系统220中省略。
接着讨论光通过这些元件的光路。照明光和图像光的不同部分用不同的标号来标记以便于讨论对光的处理。为了避免使附图过于拥挤，在路径的每一阶段仅标记光束的一表示光线。由照明单元222生成的光229被引导到偏振照明分束器224，偏振照明分束器224以LCoS表面231的方向引导光233。在行进到表面231时，照明光通过双合透镜226和补偿器228。照明单元222可包括的照明源的一些示例是发光二极管(LED)和激光器。在一些实施例中，可存在分开的红色、绿色和蓝色照明源，而在其他实施例中，可存在白光源和用于表示不同色彩的滤光器。
在该实施例中，在照明单元222中使用色序LED设备。色序设备包括红色、蓝色和绿色LED，这些LED在关于LCoS的定时中按顺序方式打开以产生全色彩图像。在其他示例中，可使用激光器而非LED。LCoS表面231上的各个体显示元件被微显示器电路系统259控制以反射或吸收红色、绿色和蓝色光，以为图像数据表示色彩或由显示驱动器246所指示的灰度图的灰度阴影。
图像光237被偏振化并从LCoS表面231反射出，补偿器228由于其弯曲表面而被双合透镜226准直化或增加光功率。图像光237进入高折射率玻璃区域225、通过照明分束器224并截取偏振分束器232，偏振分束器232再次将经偏振的反射光241引导通过四分之一波片236(四分之一波片236再次被动地更改反射光的偏振状态)至鸟浴光学元件234的弯曲反射表面238，弯曲反射表面238对图像光进行准直化并将图像光反射回去通过四分之一波片236以得到另一偏振状态更改。四分之一波片提供圆偏振，而偏振分束器224、232一般充当线性偏振器。被鸟浴光学元件反射并两次被四分之一波片转变方向后，图像光243通过分束器232并且偏振状态又一次被红色旋转板240更改。红色旋转波片使红波长的偏振状态旋转九十(90)度。图像光235随后退出投影光引擎以实现到波导123的光学耦合。
如上所述，将各光学元件沉浸在高折射率玻璃中使光路长度延伸成足以允许使出射光瞳投影到在投影光引擎120外部的点的折叠。耦合波导内的出射光瞳处的光显著地增加了光耦合的效率，由此降低了功率。
图3B中示出了波导123的截面侧视图。波导123与眼睛区域140大致平行地延伸进入页面并进入近眼显示器14，并使小的多的量延伸到页面之外。在该实施例中，波导123是多层的，在该示例中具有四个示例性层256、258、262和264以及一中央波片260。线122指示投影光引擎120和波导123之间的距离。该附图不是按比例绘制的，但这样的光引擎和波导之间的距离的示例为约0.5mm。在中央波片260中的是要投影的出射光瞳的目标位置。在该示例中，再次不是按比例绘制的，出射光瞳被投影在从投影光引擎120到波导的中央波片260为约5mm之处。此外，在该示例中，波导123具有约1.7的折射率，该折射率在高折射率玻璃的范围内。
在该示例中，透视玻璃的外保护罩252包围图像光235通过的波导。波导123被定位在外壳130内，以便将出射光瞳121的图像光光学耦合在中央波片260中。四层中的每一层都具有其自己的输入光栅。输入光栅的示例是被制造成波导123中的每一层的表面的一部分的表面起伏光栅。层256首先接收已退出投影光引擎的图像光235，并通过其光学输入光栅119a耦合该光。类似地，层258通过其光学输入光栅119b耦合图像光235。中央波片层260耦合并改变其已接收到的图像光235(包括出射光瞳)的偏振状态。在图像光235的截面扩张时，层262经由光学输入光栅119c耦合图像光235，并且当图像光235的截面继续扩张时，层264使图像光235与其光学光栅119d耦合。
图3C是示出例如在图3B中参考鸟浴光学元件234示出的波导123的四层和中央波板的俯视图的框图(未按比例绘制)。中间元素没有被示出以更容易示出光束273、275和277。三层(例如，273a、273b和273c)的每一集合表示光束(例如，273)。每一光束可包括表示多个色彩的光。如上所述，每一光束被准直化。随着这些光束从弯曲表面上的不同位置反射出，这些光束的不同部分(在本文中被示为光线)交叉，并且光束的最窄截面发生在出射光瞳121处。在一些示例中，出射光瞳的直径为约3.0mm(再次没有按比例绘制)。
图4示出用于将具有外部出射光瞳的投影光引擎的一实施例定位成供使用眼镜架与NED设备中的近眼显示器光学耦合的支撑外壳结构1301的一实施例。支撑外壳结构130l也被称为投影光引擎外壳130l。该视图示出了如何使投影光引擎组件可适合放在外壳130l中的示例。移除保护罩以查看示例性布置。
外壳130l被连接到并毗邻框架顶部部分117和左侧臂120l以及框115的包围左侧显示单元112的一部分。在该示例中，电源馈源291被定位在外壳内部的左上侧，以从电源239为各组件提供电力。外壳130l上到处都是用于向各组件提供电力以及表示指令和值的数据的各示例性电连接228(228a、228b、228c、228d和228e)。电连接的一示例是诸如228b等与控制电路系统136对接的柔性电缆，其可在框架顶部部分117的内部(如图1所示)或在其他地方，诸如在侧臂102之上或之内。
在左下方开始是外壳结构222h，该外壳结构222h包括在被标记为222h的虚线包围的三维空间内的各组件，该外壳结构222h为照明单元222的各组件(诸如单元222的一个或多个光源)以及显示照明驱动器247中的一者或多者提供支撑和保护罩，显示照明驱动器247将数字指令转换成模拟信号以驱动如激光器或LED等组成照明单元222的一个或多个光源。柔性电缆228c也提供电连接。在该示例中，照明被引导到光学引导元件227(诸如反射镜)，该光学引导元件227在投影光学系统外壳220h之内。后面是在外壳220h之内的引导元件227和照明分束器224之间的附加元件(如另一偏振器)。
投影光学系统外壳220h包括投影光学耦合系统220的各组件，诸如先前讨论的各实施例。在该实施例中，外壳结构220h在虚线290下方延伸到箭头294，并包括如箭头298所指示的略微在虚线290上方延伸以及如箭头296所指示的在左边延伸的其部分，该外壳结构220h使各组件沉浸在高折射率玻璃中。在外壳220h的该视图中，从元件227反射出的照明被引导到照明分束器224，照明分束器224将光引导通过双合透镜外壳226h中的双合透镜226至由在本示例中在双合透镜226上方的外壳230h来定位的LCoS芯片230。如在图3B的实施例中从LCoS芯片230反射的光被偏振化并被反射到鸟浴光学器件234。鸟浴元件234的弯曲反射表面238的背面从该视图的页面向外朝向。反射的图像光被反射到页面中，其中波导123的具有一个或多个输入光栅的一部分(未示出)在该视图中延伸到显示单元112的左边和投影光学系统外壳220h的下边，以便耦合外部出射光瞳121(未示出)的图像光。
在一些实施例中，从LCoS外壳230h的顶部到投影光学外壳220h的由箭头294所指示的垂直底部的距离在20毫米之内。在一示例中，它为约17mm。如图3B的实施例中所布置的那样，被布置在这样的示例中的组件包括LCoS230、补偿器228、双合透镜226、照明分束器224、偏振分束器232、鸟浴光学元件234及偏振器236和240。此外，投影光学外壳220h从其最左侧296到箭头292处的右侧延伸在30毫米之内。
图5是从用于由近眼显示器设备显示图像数据的软件角度的一系统的一实施例的框图。图5解说了从软件角度来看的计算环境54的一实施例，该计算环境可由诸如NED系统8等系统、与一个或多个NED系统通信的一个或多个远程计算机系统12或这些的组合来实现。此外，NED系统可与其他NED系统通信以共享数据和处理资源。
如上所述，执行应用确定要显示哪些图像数据，其一些示例为电子邮件、虚拟书或游戏相关图像。在这一实施例中，应用162可正在NED系统8的一个或多个处理器上执行，并且与操作系统190和图像和音频处理引擎191通信。在所解说的实施例中，远程计算机系统12以及其他NED系统8也可正在执行该应用的一版本162N，远程计算机系统12与其他NED系统8通信以增强体验。
一个或多个应用的应用数据329也可被存储在一个或多个网络可访问的位置中。应用数据329的一些示例可以是针对以下各项的一个或多个规则数据存储：将动作响应链接到用户输入数据的规则、用于确定响应于用户输入数据要显示哪些图像数据的规则、可向姿势识别引擎193登记的自然用户输入(如与应用相关联的一个或多个姿势)的参考数据、一个或多个姿势的执行标准、可向声音识别引擎194登记的语音用户输入命令、可向图像和音频处理引擎191的可选物理引擎(未示出)登记的与应用相关的虚拟对象的物理模型、以及场景中的虚拟对象和虚拟图像的对象属性(如色彩、形状、面部特征、着装等)。
如图5的实施例中所示，计算环境54的软件组件包括与操作系统190通信的图像和音频处理引擎191。图像和音频处理引擎191的所示实施例包括对象识别引擎192、姿势识别引擎193、显示数据引擎195、声音识别引擎194、以及场景映射引擎306。附加功能可被添加为由……指示。各个体引擎和数据存储通过发送标识要处理的数据的请求以及接收数据更新的通知来提供对应用162可利用来实现其一个或多个功能的数据和任务的支持平台。操作系统190促进各个引擎和应用之间的通信。操作系统190使得以下对各个应用可用：对象识别引擎192已标识的对象、姿势识别引擎193已标识的姿势、声音识别引擎194已标识的语言或声音、以及来自场景映射引擎306的对象(现实对象或虚拟对象)的位置。
计算环境54还将数据存储在(诸)图像和音频数据缓冲器199中，图像和音频数据缓冲器199提供用于可从各种源捕捉或接收的图像数据和音频数据的存储器以及用于要被显示的图像数据的存储器空间。缓冲器可存在于NED(例如，作为总存储器244的一部分)上并且还可以存在于伴随处理模块4上。
在许多应用中，将显示与现实环境中的现实对象相关的虚拟数据。图像和音频处理引擎191的对象识别引擎192基于来自面向外的图像捕捉设备113的捕捉到的图像数据以及捕捉到的深度数据(如果可用)、或根据由捕捉设备113捕捉到的现实环境的图像数据通过立体观测确定的深度位置，来检测和标识出距检测和标识出显示器视野中的现实对象、它们的朝向以及它们的位置。对象识别引擎192通过标记对象边界(例如使用边缘检测)并且将对象边界与结构化数据200进行比较来将现实物体彼此区分开。除了标识出对象的类型以外，可以基于与所存储的结构数据200的比较来检测所标识出的对象的朝向。可通过一个或多个通信网络50访问的结构数据200可以存储要比较的结构化信息(诸如结构化模式)以及作为模式识别的基准的图像数据。基准图像数据和结构化模式也可在存储在基于云的存储322本地或可在基于云的存储322中访问的用户简档数据197中得到。
场景映射引擎306基于与对象识别引擎192以及使得将显示图像数据的一个或多个执行中的应用162的通信，来跟踪现实和虚拟对象在其中要显示图像数据的显示器视野的3D映射中或用户周围的体空间的3D映射中的位置、取向和移动。
应用162针对由图像数据所表示的且由应用控制的对象来标识显示器视野的3D映射中的目标3D空间位置。例如，直升机射击应用基于射击虚拟直升机的用户动作来标识直升机的位置和对象属性的改变。显示数据引擎195执行转换、旋转和缩放操作以用于以正确的大小和视角显示图像数据。显示数据引擎195将显示器视野中的目标3D空间位置与显示器单元112的显示坐标进行相关。例如，显示数据引擎可将可分开寻址的每一显示位置或区域的图像数据(例如像素)存储在Z缓冲器和分开的色彩缓冲器中。显示驱动器246将每一显示区域的图像数据转换成对微显示器电路系统259或显示照明驱动器247或两者的数字控制数据指令以供图像源控制图像数据的显示。
本技术可以用其他具体形式来实施而不背离其精神或实质特性。同样，对于模块、例程、应用、特征、属性、方法和其他方面的特定命名和划分并非是强制性的，且实现本技术或其特征的机制可具有不同的名称、划分和/或格式。
出于说明性目的，下面的方法实施例是在上述系统和装置实施例的上下文中描述的。然而，该方法实施例不限于在上述系统实施例中操作，而是可以在其他系统实施例中实现。此外，方法实施例可以在NED系统处于操作中并且适用的应用正在执的同时连续执行。
图6是用于将来自投影光引擎的图像源的图像光耦合到近眼显示器(NED)设备的近眼显示器的方法的一实施例的流程图。在该实施例中，该方法包括在步骤402将来自图像源的图像光沿着在投影光学系统外壳内的高折射率玻璃区域中的第一光路光学地引导到该高折射率玻璃区域中的鸟浴反射光学元件。如在图3A和3B的实施例中，分束器可用于执行该光学引导步骤。在步骤404鸟浴反射光学元件将图像光准直化，并使该图像光沿着延伸通过高折射率玻璃区域至在投影光学系统外壳之外的外部出射光瞳的第二光路反射。步骤406标识对图像光的偏振化可在第一光路和第二光路中的至少一者(如果不是两者的话)中执行。在步骤408，近眼显示器的波导的输入光栅可任选地至少将出射光瞳的图像光耦合到波导中。
图7是计算机系统的一个实施例的框图，该计算机系统可用于实现网络可访问的计算机系统12、伴随处理模块4、或近眼显示器(NED)设备的控制电路系统136的可主存计算环境54的软件组件中的至少一些组件的另一实施例。图7示出了示例性计算机系统900。在其最基本配置中，计算系统900通常包括一个或多个处理单元902，包括一个或多个中央处理单元(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)。计算机系统900还包括存储器904。取决于计算机系统的确切配置和类型，存储器904可以包括易失性存储器905(如RAM)、非易失性存储器907(如ROM、闪存等)或是两者的某种组合。该最基本配置在图7中由虚线906来例示出。另外，计算机系统900还可具有附加特征/功能。例如，计算机系统900还可包括附加存储(可移动和/或不可移动)，包括但不限于磁盘、光盘或磁带。这样的附加存储在图7中由可移动存储908和不可移动存储910示出。
计算机系统900还可包含允许该设备与其他计算机系统通信的(诸)通信模块912，包括一个或多个网络接口和收发机。计算机系统900还可具有诸如键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备等(诸)输入设备914。还可包括诸如显示器、扬声器、打印机等(诸)输出设备916。
附图中示出的示例计算机系统包括计算机可读存储设备的示例。计算机可读存储设备也是处理器可读存储设备。这样的设备包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任意方法或技术来实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动存储器设备。处理器或计算机可读存储设备的一些是RAM、ROM、EEPROM、高速缓存、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、记忆棒或卡、磁带盒、磁带、媒体驱动器、硬盘、磁盘存储或其他磁性存储设备、或能用于存储信息且可以由计算机访问的任何其他设备。
尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述特定特征或动作。相反，上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims (10)

1.一种近眼显示器设备，包括：
近眼支撑结构；
由所述近眼支撑结构支撑的近眼显示器(NED)，所述近眼显示器包括波导；
投影光引擎，包括由所述近眼支撑结构支撑的图像源和投影光学系统，并具有在所述投影光引擎外部的外部出射光瞳；
所述投影光学系统包括其中沉浸有具有反射表面的鸟浴反射光学元件的高折射率玻璃区域，所述鸟浴反射光学元件准直化来自所述图像源的图像光，并将所述图像光反射到所述外部出射光瞳；以及所述近眼支撑结构将所述波导定位成用于光学地耦合所述外部出射光瞳的图像光。
2.如权利要求1所述的近眼显示器设备，其特征在于，所述投影光学系统进一步包括分束器，所述分束器被所述支撑结构定位在所述高折射率玻璃区域中所述图像源和所述鸟浴反射 光学元件之间处，以用于将来自所述图像源的图像光光学地耦合到所述鸟浴反射光学元件；以及
光学地耦合在所述高折射率玻璃区域中所述鸟浴反射光学元件和所述外部出射光瞳之间处的一个或多个偏振器，所述一个或多个偏振器使从所述鸟浴反射光学元件反射的图像光偏振化。
3.如权利要求2所述的近眼显示器设备，其特征在于，所述一个或多个偏振器进一步包括被所述支撑结构定位在所述分束器和所述鸟浴反射光学元件之间处的四分之一波片，所述四分之一波片使来自所述图像源的朝向所述鸟浴反射光学元件行进的图像光偏振化并使从所述鸟浴反射光学元件反射的图像光偏振化。
4.如权利要求1所述的近眼显示器设备，其特征在于，所述图像源包括：
反射微显示器，所述反射微显示器通过反射来自一个或多个光源的光来生成图像光；
照明单元，所述照明单元包括生成光的所述一个或多个光源；以及照明引导元件，所述照明引导元件使来自所述照明单元的光偏振化并将该光引导到所述反射微显示器的反射表面，并使从反射微显示器反射的图像光通过；以及
所述照明引导元件被定位在所述高折射率玻璃区域内。
5.如权利要求1所述的近眼显示器设备，其特征在于，所述高折射率玻璃区域包括具有至少为1.65的折射率的玻璃。
6.如权利要求1所述的近眼显示器设备，其特征在于，所述波导是衍射波导。
7.如权利要求1所述的近眼显示器设备，其特征在于，所述波导是表面起伏光栅波导。
8.一种用于将来自投影光引擎的图像源的图像光耦合到近眼显示器的方法，包括：
将来自所述图像源的图像光沿着在投影光学系统外壳内的高折射率玻璃区域中的第一光路光学地引导到所述高折射率玻璃区域中的鸟浴反射光学元件；
由所述鸟浴反射光学元件将所述图像光准直化，并使所述图像光沿着延伸通过所述高折射率玻璃区域至在所述投影光学系统外壳之外的外部出射光瞳的第二光路反射；
在所述第一光路和所述第二光路中的至少一者中将所述图像光偏振化；以及
所述近眼显示器的波导的输入光栅至少将所述出射光瞳的图像光耦合到波导中。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述第一光路和所述第二光路中的至少一者中将所述图像光偏振化进一步包括由一个或多个偏振器在所述第二光路中将所述图像光偏振化，所述一个或多个偏振器包括四分之一波片和红色旋转波片。
10.如权利要求8或权利要求9所述的方法，其特征在于，将来自所述图像源的图像光沿着在投影光学系统外壳内的高折射率玻璃区域中的第一光路光学地引导到所述高折射率玻璃区域中的鸟浴反射光学元件是由分束器执行的。
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