CN107430283A - 具有光学耦合的头戴式成像设备 - Google Patents

Abstract

头戴式成像设备包括框架，其容纳左眼和右眼成像设备。每个成像设备向观察者的一只眼睛形成虚拟图像，并且包括投影仪、平面型波导和光学耦合器。投影仪由框架的镜腿构件支撑并沿着投影轴线发射中心投影光束。平面型波导通过输入孔径接纳投影光束并形成扩展的光束，扩展的光束从输出孔径被输出并被引导朝向观察者的眼睛。光学耦合器接收沿着第一轴线的中心投影光束，第一轴线相对于波导平面成钝角，并且光学耦合器使中心投影光束重定向成沿着第二轴线，第二轴线相对于波导表面成锐角。

Description

具有光学耦合的头戴式成像设备

技术领域

本发明总体上涉及电子显示器，并且更具体地，涉及形成虚拟图像的可穿戴式电子显示器。

背景技术

头戴式显示器（HMD）包括采用类似常规眼镜或太阳镜形式的近眼（near eye）显示器，头戴式显示器被开发用于一系列不同的用途，包括军事的、商业的、工业的、消防的以及娱乐应用。对于这些应用中的许多，形成虚拟图像存在有特别的价值，所述虚拟图像能够被视觉地叠加在位于HMD使用者的视场中的真实世界图像之上。

通常，为了使观看者接受，HMD光学器件必须满足若干基本要求，包括如下：

（i）足够的出瞳距离（eye relief）或眼间隙（eye clearance）。出瞳距离的范围基于观看者的舒适度和人眼自身的光学构造来限定。实际上，HMD光学器件的最后的光学表面与观看者的眼睛之间的距离优选为约20 mm之上；

（ii）适当的光瞳（pupil）尺寸。光瞳尺寸要求基于观看者面部结构的生理差异以及在观看期间的注视重定向（gaze redirection）。已发现，至少约10 mm直径的光瞳尺寸是期望的；

（iii）视场。宽的视场是优选的。对于许多视觉任务，例如选定目标（targeting）和目标识别，接近约50度的视场（FOV）被认为是期望的；

（iv）亮度。生成的虚拟图像应具有足够的亮度以便获得好的可视性和观看者舒适度。

方面（i）-（iii）涉及可视区（eyebox）。可视区涉及观察者的眼睛在其内可舒适地观看图像的体积。可视区的尺寸部分地取决于光从图像源到观看图像所在处的路径的长度以及图像源的尺寸，并且部分地取决于图像源的发散度（divergence）和/或光在其被图像源发射之后的准直性（collimation）。可视区的期望尺寸很大程度上取决于从显示器上期望得到的观看体验的质量。

除了光学要求之外，HMD设计还必须解决实际要素，例如可变的面部几何形状、在为了穿戴舒适度、重量和成本而减小尺寸的预期下的可接受的形态要素、以及使用的容易性。

大部分HMD系统的目标是使成像/中继（relay）系统尽可能地紧凑；然而，当使用常规光学器件时，存在基本的限制。光学系统的输出必须具有大到足以支持合理尺寸的虚拟图像的光瞳，并且还允许眼睛的一些运动。在双目系统中，还存在有在不同使用者之中改变眼内距离（intraocular distance）的问题以及对于允许该改变的光学系统的输出光瞳的需求。

若干近眼HMD装置使用平面型波导（waveguide）。这些装置采用一系列光学衍射光栅和全内反射（TIR），以侧向地转移投影系统的出射光瞳，使得投影系统可定位到观看路径的旁侧，例如在观看者头部旁边。光学波导还沿一个或两个维度来扩展出射光瞳，使得可减小成像光投影系统的尺寸。这使得投影系统的出射光瞳可以是相当小的，而同时放大了可视区，并允许将系统移动到观看者的位置线（line of site）外。同时，波导可以是透明的，因此虚拟图像可叠加在周围环境之上。

在投影光学器件的大部分被侧向地转移到使用者的视线外且是高度紧凑的情况下，仍然期望使投影部件构造成具有如下的形态要素，所述形态要素与眼镜更加一致且因此更能够被广大使用人群接受。已提出了若干方法以便使用棱镜或反射镜来折叠光路。然而，最终效果往往是难以处理投影部件的放置，例如使这些部件从波导更远地离开，从而增加了对头戴式装置的尺寸要求。

发明内容

本公开的目的是当使用紧凑的头戴式装置和类似的成像设备时增进图像呈现。有利地，本公开的实施例提供光耦合解决方案，其不仅与通常的眼镜的形态要素兼容，而且允许投影仪光学器件的使用能够提供足够的亮度和光瞳尺寸以便能够舒适观看。

从对所附权利要求和优选实施例的下面的详细描述的回顾并参考附图将更清晰地理解并领会本发明的这些和其他的方面、目的、特征和优点。

根据本公开的方面，这里提供有一种头戴式成像设备，所述头戴式成像设备具有框架，其容纳左眼成像设备和右眼成像设备，每个成像设备能够被激活以向观察者的眼睛形成虚拟图像。每个成像设备包括投影仪、平面型波导、以及光学耦合器。投影仪由框架的镜腿构件支撑，并能够被激活以沿着投影轴线发射包括中心投射光束的角度相关的光束集合。波导具有两个平面表面，并且被构造成在进入孔径处接纳投影光束，并被构造成形成扩展的光束，扩展的光束从输出孔径被输出并被引导朝向观察者的对应的眼睛。平面型波导的输出孔径与输入孔径间隔开。光学耦合器接收沿着第一轴线的中心投影光束，第一轴线相对于波导表面成钝角，并且光学耦合器使中心投影光束重定向成沿着第二轴线，第二轴线相对于波导表面成锐角。

从对所附权利要求和优选实施例的下面的详细描述的回顾并参考附图将更清晰地理解并领会本发明的这些和其他的方面、目的、特征和优点。

附图说明

尽管本说明书以具体地指出并清楚地要求保护本发明主题的权利要求结尾，但要相信的是，当结合附图时，从以下描述中，本发明将被更好地理解。

图1是示意性俯视图，其示出了根据本公开的实施例的HMD光学设备。

图2A、2B和2C是俯视图，其示意性地示出了平面型波导是如何操作的以将来自偏置投影仪的中心光束转移成朝向观看者的眼睛。

图3A是波导的输入区段的俯视图，其示出了由两个反射表面形成的光学耦合器。

图3B是波导的输入区段的俯视图，其示出了形成为棱镜的光学耦合器。

图3C是波导的输入孔径的放大俯视图，其示出了来自棱镜光学耦合器的表面的反射。

图4是透视图，其示出了用于生成虚拟图像的光学设备的部件。

具体实施方式

本具体实施方式尤其涉及如下的元件，所述元件形成依照本发明的设备的一部分、或与依照本发明的设备更加直接地协作。将要理解的是，没有具体示出或描述的元件可以采用本领域技术人员已知的各种形式。

在本文中它们被使用到的地方，术语“第一”、“第二”等不一定指示任何的序数、序列或优先关系，而仅仅用于使一个元件或一组元件与另一个元件或另一组元件更清楚地区分，除非另外说明。术语“顶部”和“底部”不一定指代空间位置，而是提供关于结构的相关信息，以便区分平面型（平坦式）波导的相对表面。

在本公开的上下文中，术语“观看者”、“操作者”、“观察者”和“使用者”被认为是等同的，并且指的是穿戴HMD观看装置的人。

如本文中所使用的，术语“可激活的（energizable）”涉及在接收功率时以及可选地在接收使能信号时执行所指示的功能的装置或一组部件。

术语“可致动的”具有其常规意义，例如，涉及能够响应于激励来实现动作的装置或部件，诸如响应于例如电信号的激励。

如本文中所使用的，术语“集合”指的是非空集合，如在初等数学中广泛理解的一组成员或元素的集合的概念那样。术语“子集”，除非另外明确陈述，否则在本文中指的是非空真子集，也就是说，指的是更大集合的子集，其具有一个或多个成员。对于集合S，子集可以包括整个集合S。然而，集合S的“真子集”被严格地包含在集合S中并且排除集合S中的至少一个成员。

在本公开的上下文中，术语“倾斜的”意味着成一角度，该角度不是90度的整数倍。例如，如果两条线、线性结构、或平面以远离平行至少约5度或更大的角度、或以远离正交至少约5度或更大的角度彼此发散或靠拢，则认为它们相对于彼此倾斜。

在本公开的上下文中，术语“耦合”意图指示两个或更多部件之间的物理关联、连接、关系或联系，使得一个部件的布置影响其所耦合到的部件的空间布置。对于机械耦合，两个部件不需要直接接触，但可经由一个或多个中介部件而联系。用于光学耦合的部件允许光能被输入到光学设备或从光学设备输出。术语“光束扩展器”和“光瞳扩展器”被认为是同义的，在本文中可互换地使用。

作为真实图像投影的替代，光学系统可产生虚拟图像显示。与用于形成真实图像的方法相对比，虚拟图像不形成在显示表面上。也就是说，如果显示表面定位在虚拟图像的感知位置处，则将不会有图像形成在该表面上。虚拟图像显示具有对于增强现实显示而言的若干固有优势。例如，虚拟图像的显见尺寸（apparent size）不受显示表面的尺寸或位置的限制。另外地，虚拟图像的源对象可能是小的；作为简单的示例，放大镜提供其对象的虚拟图像。与投影真实图像的系统相比，通过形成看上去远离一些距离的虚拟图像，可提供更真实的观看体验。提供虚拟图像还消除了如当投影真实图像时可能需要的任何补偿屏幕伪像（screen artifact）的需求。

图1的示意图以俯视图示出了具有框架58的HMD 10，其提供近眼显示器，如该术语被可穿戴式显示器领域的技术人员理解的那样。在随后的描述中，关于如在图1中所表示的观察者14的右眼来描述光路部件、间隔和约束。相同的特性和约束适用于左眼，具有在部件定位上的平行的部件和对应改变。

在光学成像设备12中，设置用于观看者或观察者14的每只眼睛的平面型波导20，平面型波导20相对于彼此成V形（chevron）钝角φ布置。观察者14具有通过透明波导20的对应的周围环境视场（FOV）或观看路径（view path）。FOV大体上以中心轴线CA为中心，所述中心轴线CA倾斜于平面型波导20。轴线CA与波导20表面的法线N成角度θ。波导20是由HMD 10提供的最后的光学元件，波导20用于形成呈现给观察者14的虚拟图像。

波导20由玻璃或其它透明的光学材料形成，并且具有两个或更多个嵌入式光栅，该嵌入式光栅与波导结构内的TIR协作，以调整成像光束的尺寸并使成像光束进入、沿着并离开波导20来重定向。这里，仅考虑来自角度相关的光束集合的中心输入光束26和中心输出光束28，所述角度相关的光束集合编码图像。波导20具有与如图2A、2B和2C中示出的入射输入光束26和出射输出光束28有关的特征行为。被引导通过输入孔径22的成像光例如由全内反射（TIR）沿着波导20传播，并通过输出孔径24出射。其嵌入式光栅的周期式结构和取向可沿波导表面的平面P中的两个正交方向加宽输入光束（在图2A-2C的视图中平面P与页面正交），从而有效地扩展了图像形成光学器件的光瞳尺寸。当输入光束26被引导成沿着平面P的法线N1时，输出光束28沿着平面P的法线N2出射，如图2a中所示。当输入光束26与平面P成一倾斜角度时，输出光束28以对应的倾斜角度出射，如在图2B和2C的示例中示出的。在图2B的构造中，输入光束26的轴线A1相对于波导20表面的位于输入孔径22与输出孔径24之间的部分Q1成钝角α1。得到的输出光束28以相同的钝角α1相对于部分Q1取向。轴线A1与输出光束28的轴线A2在波导20的外侧上的点16处相交，点16在观察者的视场FOV内。

在图2C的构造中，输入光束26的轴线A1相对于波导20的位于输入孔径22与输出孔径24之间的部分Q1成锐角α2。得到的输出光束28以相同的锐角α2（镜像的）相对于部分Q1取向。这里，轴线A1与输出光束28的轴线A2在波导20的观察者侧上的点18处相交，点18位于观察者的头部内。

返回参考图1，可看出的是，在HMD 10的实施例中，波导20必须展现图2C中所示的行为，以便对于观察者14形成虚拟图像。也就是说，输入光束26必须相对于波导20的位于输入孔径22与输出孔径24之间的部分Q1（以虚线轮廓线示出）成锐角取向。在这种关系下，得到的输出光束28相对于部分Q1成锐角而相似地取向，并因此相对于波导20表面的法线N倾斜，并且输出光束28被引导返回朝向眼睛。输入光束的轴线与输出光束的轴线在波导20的观察者侧上相交，如参考图2C所描述的。

如图1中所示，投影仪30沿着HMD 10的框架58的被称为镜腿（temple）构件32的部分定位。投影仪30可被激活，以沿着投影轴线A3发射中心投影光束。来自投影仪30的沿着轴线A3的输出光束相对于波导20的被示出为部分Q1的表面成钝角。因此，相对于波导20，轴线A3的角度取向与正确引导光以在可视区内形成图像所需要的方向相反，并且需要被重定向以使得其相对于部分Q1以锐角入射在波导20上。投影仪30可以是微型投影仪（pico-projector），例如，使用固态光源和某些类型的光束调制器（modulation），诸如来自例如德州仪器（Texas Instruments）的数字光处理（DLP）装置或微镜阵列（micromirror array）。透镜或其他装置将图像的空间信息转化成角度信息，角度信息呈角度相关的光束集合的形式。为了允许将微型投影仪和其他紧凑装置用作投影仪30，本公开的实施例采用光学耦合器40，光学耦合器40使光从投影仪轴线A3重定向到波导输入轴线26。

关于图1，光学耦合器40的功能可被理解成：沿着轴线26到波导20的入射光必须相对于波导20的位于输入孔径22与输出孔径24之间的部分Q1成锐角α2。然而，如图1示出的，来自投影仪30的轴线A3成钝角，沿相反的方向偏斜。

为了正确地重定向该光，光学耦合器40可具有若干可能的构造。图3A的俯视示意图示出了光学耦合器40，光学耦合器40具有两个不平行的反射表面42a和42b。在所示出的实施例中，这些表面是平面的；可设置一些弯曲部。

图3B的俯视图示出了被布置为棱镜44的光学耦合器40，其具有两个反射表面46a和46b。棱镜44优于图3A的实施例，因为有效缩短了光路，这允许投影光的较少的散开。

图3C的俯视图示出了被布置为棱镜50的光学耦合器40，其具有单个反射表面52，反射表面52被涂覆成或以其他方式被处理成是反射性的。沿着第一轴线A3传播的入射光相对于波导的位于输入孔径22与输出孔径之间的部分Q1成钝角取向。轴线A3与棱镜50的入射表面51大体上正交。沿着第二轴线A1的出射光与棱镜50的输出表面53大体上正交，并相对于波导20的位于输入孔径22与输出孔径之间的部分Q1成锐输入角取向，如前述参考图1-2C描述的。

图3C的棱镜50被构造成反射图像承载（image bearing）光束两次，一次使用来自输出表面53的TIR，一次来自反射表面52。对于棱镜实施例，例如图3B和3C中示出的那些，具有高折射率的光学材料有利于在有限的空间内使光弯折，且有利于缩短光路距离以减少投影光束的散开。

在图3A-3C中所示出的实施例的每个中，光学耦合器40接收沿着第一轴线A3的入射光，其相对于波导的位于输入孔径22与输出孔径之间的部分Q1成钝角。然而，从光学耦合器40输出的光被引导成沿着轴线A1，其成适当的角度以便从波导20将光引导到观察者的眼睛。

图4的透视图从观察者侧示出了用于生成对于左眼的虚拟图像的光学设备12。在所示出的实施例中，波导20具有三个嵌入式光栅38a、38b和38c，三个嵌入式光栅38a、38b和38c提供光路的转移和光瞳的放大。

投影仪光学器件设计

可以发现，使用各种显示技术的现代投影仪呈现相当紧凑的形态要素，具有与光学波导的进入孔径相匹配的光瞳尺寸，并具有提供适度明亮图像所需要的亮度。然而，在这些投影仪的投影光学器件内，在透镜系统内往往存在光阑（stop）（这可以是用作光阑的透镜孔径或物理的孔径）。这意味着虚拟图像中的每个场点的射线束在它们到达最后的最外侧的透镜表面之前是发散的。从图像生成器的角落发源的射线束通常被修剪（clip）（被晕映（vignetted）），并且随着它们离开投影光学器件而继续发散。从波导离开得越远，射线束中存在的发散越多。考虑到这个问题，本公开的实施例为利用对投影仪光学器件设计的改进而为HMD成像提供另外的优点。

在本公开的实施例中，光阑定位在最后的光学表面处或定位成超过最后的光学表面，最后的光学表面发射被投影的图像承载光束。光学设计领域的技术人员广泛已知用于以这种方式使光阑在光学设备中适当定位的方法。对于HMD 10中的光学设备12，该设计特征约束了被输送到光学耦合器40的光的光束宽度，并使耦合器40能够更加紧凑。参考图4的透视图，光阑54'被常规地设置在投影光学器件内。本公开的实施例被设计成将光阑54定位在投影透镜前方，使得光学耦合器40可将光阑54重新定位成大体上在波导20的输入孔径22处。由“大体上在输入孔径22处”意味着：至少在棱镜50的出射表面53之前，或以其他方式超过光学耦合器40的出射孔径。

已特别参照目前优选的实施例详细描述了本发明，但将理解的是，在本发明的精神和范围内，可实现变型和修改。因此，目前所公开的实施例在所有方面都被认为是示例性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求指示，并且落在其等同物的含义和范围内的所有改变意图被包括在其内。

波导制造

可使用各种工艺来制造和组装波导。入耦合（in-coupling）衍射光学器件和出耦合（out-coupling）衍射光学器件120可以以例如衍射光栅或体积全息器（volume hologram）的形式形成在输入和输出孔径处。入耦合和出耦合衍射光学器件中的至少一个可以是表面浮雕式衍射光栅。所谓的转向光学器件可作为另一个衍射光学器件或作为反射结构沿着波导形成在入耦合与出耦合衍射光学器件之间，以提供光束扩展。成像光导向器的波导基体是透明的光学材料，通常是玻璃或光学聚合物材料，其具有足够的折射率以便支持入耦合衍射光学器件、转向光栅、和出耦合衍射光学器件之间的TIR传输。

通常，光栅栅距或光栅周期是颜色通道（channel）的中心波长的从75%到约90%的值。例如，在示例性的实施例中，用于红色通道（620 - 670 nm）的入耦合衍射光学器件110_R具有510 nm的周期、205 nm的深度、50 / 50的填充、以及45度的斜度（slant）。例如，在恰当地对玻璃基体坯件进行表面处理之后，衍射部件可使用纳米压印方法形成在波导基体S的外表面上。

已具体参照目前优选的实施例详细描述了本发明，但将理解的是，在本发明的精神和范围内，可实现变型和修改。因此，目前所公开的实施例在所有方面都被认为是示例性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求指示，并且落在其等同物的含义和范围内的所有改变意图被包括在其内。

Claims (9)

1.一种头戴式成像设备，所述头戴式成像设备具有框架，其容纳左眼成像设备和右眼成像设备，每个成像设备能够被激活以向观察者的一只眼睛形成虚拟图像，其中，每个成像设备包括：

投影仪，所述投影仪能够被激活以沿着投影轴线发射包括中心投射光束的角度相关的光束集合，其中，所述投影仪由所述框架的镜腿构件支撑；

波导，所述波导具有两个平面表面，并且被构造成通过输入孔径接收中心投影光束，并被构造成形成扩展的中心光束，所述扩展的中心光束从输出孔径被输出并被引导朝向所述观察者的对应的眼睛，并且其中，所述波导的输出孔径与所述输入孔径间隔开；以及

光学耦合器，所述光学耦合器被构造成接收沿着第一轴线的中心投影光束，所述第一轴线相对于所述波导表面成钝角，其中，所述光学耦合器还被构造成使所述中心投影光束重定向成沿着第二轴线，所述第二轴线相对于所述波导表面成锐角。

2.如权利要求1所述的头戴式成像设备，其中，所述波导通过所述观察者侧上的平面表面来接纳并输出所述中心投影光束。

3.如权利要求1所述的头戴式成像设备，其中，所述光学耦合器包括两个至少部分地反射的表面以便反射所述中心投影光束。

4.如权利要求1所述的头戴式成像设备，其中，所述两个至少部分地反射的表面是不平行表面。

5.如权利要求1所述的头戴式成像设备，其中，所述至少部分地反射的表面中的一个反射在一个入射角范围之中的中心投影光束，并传输在第二入射角范围之中的中心投影光束。

6.如权利要求5所述的头戴式成像设备，其中，所述至少部分地反射的表面中的另一个反射在两个入射角范围之中的中心投影光束。

7.如权利要求1所述的头戴式成像设备，其中，所述光学耦合器是棱镜。

8.如权利要求1所述的头戴式成像设备，其中，所述投影仪具有光阑，所述光阑被布置成大体上在所述波导的输入孔径处。

9.如权利要求1所述的头戴式成像设备，其中，入耦合衍射光学器件定位在所述输入孔径处，并且出耦合衍射光学器件定位在所述输出孔径处。