CN107533226B - 具有堆叠光导的近眼式显示器 - Google Patents

Abstract

实施例描述了一种包括目镜的装置，该目镜具有前表面、与前表面间隔开的后表面和形成目镜的周边的边缘。目镜包括成角表面，以将从眼睛反射的光眼睛测量光引导到目镜中并将目镜之外的显示光引导到眼睛。第一波导形成在目镜中并从成角表面延伸到边缘，第一波导光学耦合到具有第一表面处理的成角表面的第一部分。并且第二波导形成在目镜中并从成角表面延伸到边缘，第二波导光学耦合到具有第二表面处理的成角表面的第二部分。

Description

具有堆叠光导的近眼式显示器

技术领域

所公开的实施例总体上涉及近眼式显示器，并且特别地但非排他地涉及具有堆叠波导的近眼式显示器。

背景技术

平视显示器(也称为头戴式显示器或HMD)允许用户在相关信息覆盖在场景上的同时观看场景，使得通过平视显示器观看的用户同时看到场景和相关信息。例如，在降落飞机时通过平视显示器观看的飞行员通过平视显示器看到前方机场(场景)，同时平视显示器投射飞行员降落飞机所需的信息，诸如速度，航向和高度(相关信息)。

在平视显示器的一些使用中，知晓用户正在观看的场景的哪个部分是有用的。实现此的一个方式是通过眼睛测量技术，但现有的眼睛测量技术有一些缺点。一些现有的眼睛测量技术针对眼睛测量和显示使用分离的光路径，但使平视显示器更加笨重和复杂并且不具流线型。

一些HMD包括定位在用户眼睛前方且靠近用户眼睛的紧凑型近眼式显示器。当相机和显示器偏轴时利用近眼式显示器在HMD中进行眼睛测量同时解决人体工程学配合和算法复杂性是困难的。已经开发了同轴方法——例如，对于显示器和眼睛传感器这两者使用相同的光导，但不是所有的显示设计都支持这种方法。当显示器和眼睛传感器布置成几乎同轴的配置时，问题显得更简单，这是因为该问题分解为二维方案。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性和非排他性实施例，其中，除非另有说明，否则相同的附图标记在整个不同的视图中表示相同部件。

图1A-1B分别是近眼式显示器的实施例的俯视图和前视图。

图1C-1D是近眼式显示器的替代实施例的前视图。

图2A-2B是近眼式显示器的替代实施例的俯视图。

图3是包括所描述的近眼式显示器的实施例的头戴式显示器的实施例的立体图。

图4是近眼式显示器的另一实施例的俯视图。

图5示出了用于制造诸如图1A-1B所示的近眼式显示的过程的实施例。

具体实施方式

描述了用于具有堆叠波导的近眼式显示器的装置、系统和方法的实施例。描述了具体细节以提供对实施例的理解，但相关领域技术人员将认识到，可以在不具有一个或多个具体细节或者利用其他方法、部件、材料等来实践本发明。在一些实例中，公知的结构、材料或操作未被详细地示出或描述，但仍包含在本发明的范围内。

整个本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着所描述的特征、结构或特性可包括在至少一个实施例中，使得“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定引用相同的实施例。此外，所描述的特征、结构或特征可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。

图1A-1B一起示出了近眼式显示器100的实施例；图1A是俯视图(在x-z平面中)，图1B是侧视图(在x-y平面中，如用户眼睛10所看到的)。显示器100包括目镜102，该目镜具有前表面101、后表面103和围绕目镜周边的边缘105。目镜102可以由对感兴趣的波长基本透明的任何种类的材料制成；例如，在一个实施例中，目镜102可以由诸如聚碳酸酯或光学级丙烯酸的塑料制成，但在其他实施例中，其可以由诸如玻璃的不同的材料制成。在所示实施例中，前表面101和后表面102是平面的，使目镜102基本上平坦，但在其他实施例中，前表面101和后表面103可以是弯曲的，导致目镜102也是弯曲的(参见例如图3)。

成角表面104被横向定位(即，在x方向上)在目镜102的基本上与眼睛10对准的一部分中(基本上在所示实施例中的目镜的中间)。成角表面104被定向成将从显示器116通过目镜102行进的显示光引导到用户的眼睛10，并且将由眼睛10反射的眼睛测量辐射通过目镜102引导到相机118。在所示实施例中，成角表面104从前到后(即，在z方向上)延伸通过目镜102的基本上整个深度，并且从顶部到底部(即，在y方向上)延伸目镜102的基本上整个高度。但在其他实施例中，成角表面104不需要延伸通过目镜102的全部深度或高度。

成角表面104包括具有第一表面处理的第一部分108和具有第二表面处理的第二部分112。在所示实施例中，第一部分108和第二部分112彼此邻接，但在其他实施例中，它们不需要邻接。此外，在所示实施例中，第一部分108位于第二部分112上方，但在其他实施例中，它们的位置可以颠倒(参见例如图1C-1D)。在一个实施例中，第一表面处理使得第一部分108为50/50(50％通过，50％反射)镜，并且第二表面处理是涂层，其使得第二部分112基本上反射诸如红外线的不可见的眼睛测量辐射，同时允许可见波长的光通过。其他实施例当然可以针对第一部分108和第二部分112使用其他第一表面处理和第二表面处理。

作为将不同的表面处理施加到成角表面104的第一部分108和成角表面104的第二部分112的结果，在目镜102中形成第一波导106和第二波导110。第一波导106基本上从显示器116通过光耦合器114和目镜102延伸到成角表面104的第一部分108。第二波导110基本上从成角表面104的第二部分112通过目镜102和光耦合器114延伸到相机118。第一波导106和第二波导110的高度(即，在y方向上的范围)和深度(即，在z方向上的范围)将通常与成角表面104的第一部分108和第二部分112的高度和深度相关。在所示实施例中，第一波导106和第二波导110被示出为在目镜102内的分离的波导，但在其他实施例中，不需要波导106和110之间的物理或光学分离。

光耦合器114沿着边缘105定位，使得显示器116和相机118可以光学地耦合到目镜102。更具体地，光耦合器114将显示器116耦合到第一波导106，并且还将眼睛测量相机118耦合到第二波导110。在所示实施例中，光耦合器114是棱镜或棱镜元件，但在其他实施例中，可以使用其他类型的光耦合器。并且在所示实施例中，光耦合器114是将显示器116和相机118这两者耦合到目镜102的单一件，但在其他实施例中，可以有多个光耦合器，使得显示器116和相机118通过分离的光耦合器耦合到目镜102。而且在所示实施例中，光耦合器114例如通过使用光学透明的粘合剂而附接到目镜102，但在其他实施例中，光耦合器114可以与目镜102一体成形。

显示器116和相机118经由光耦合器114光学耦合到目镜102。显示器116光学耦合到第一波导106，使得来自显示器116的显示光被输入到第一波导106中。在一个实施例中，显示器118是液晶硅(LCOS)显示器，但在其他实施例中，可以使用其他种类的显示器。显示器116还可以包括附加的光学器件，以在显示光被发射到第一波导106之前调节(即，聚焦或校准)由显示器116发出的显示光。

眼睛测量相机118光学耦合到第二波导110以接收从眼睛10反射的眼睛测量辐射，并且通过成角表面104的第二部分112耦合到第二波导110中。在一个实施例中，相机118可以是包括成像光学器件、诸如CMOS或CCD图像传感器的图像传感器(参见图4)和诸如用于处理由相机捕获的图像的处理电路和逻辑的附加元件的相机。眼睛测量辐射可以具有在可见范围内或在可见范围外的波长，但通常将具有与显示器116输出的波长不同的波长。在一个实施例中，眼睛测量辐射可以是红外线。

在近眼式显示器100的操作中，三个光路径可以在显示器中同时操作：显示光路径，眼睛测量辐射路径和环境光路径。显示光路径始于显示器116，其产生进入第一波导106并通过诸如全内反射的机制经由该波导行进到成角表面104的第一部分108的显示光。在由于其被表面处理而使第一部分108是50/50镜的实施例中，显示光的50％将通过镜，但50％将转向，使得其离开目镜102并被引导到用户的眼睛10中。

第二光路径是眼睛测量辐射的路径。眼睛测量辐射由用户的眼睛10朝向成角表面104的第二部分112反射。由眼睛10反射的眼睛测量辐射可以源自环境光，或者可以源自一个或多个眼睛测量辐射源，该眼睛测量辐射源发出眼睛测量波长的光并且被定位成将眼睛测量辐射朝向眼睛10引导(参见例如图4)。来自眼睛10的入射在第二部分112上的眼睛测量辐射被第二部分反射到第二波导110中，眼睛测量辐射通过该第二波导110行进到相机118。眼睛测量相机118然后可以使用所接收的眼睛测量辐射来为用户的眼睛10成像并测量其特征。

第三光路径是环境光路径。在第一部分108是50/50镜并且第二部分102是允许可见光通过的红外反射表面的实施例中，来自场景99的环境光的可见部分的至少一部分将通过第一部分108和第二部分112这两者并通过目镜102行进到用户的眼睛10，使得用户同时看到场景99和来自显示器116的信息。

图1C示出了平视显示器150的另一实施例。显示器150在结构上类似于显示器100。显示器100和150之间的主要区别在于显示器150的第一部分108和第二部分112——即第一波导106和第二波导110——彼此竖直地分离，而不是如显示器100那样邻接。显示器150中的三个光路径与显示器100中的三个光路径类似。

图1D示出了平视显示器175的另一个实施例。显示器175在结构上类似于显示器150；主要区别在于波导的定位。在显示器175中，第一波导106和第二波导110的位置颠倒，使得第二波导110在第一波导106上方，而不是下方。显示器175与显示器100类似地操作，其具有三个同时操作的光路径：显示光路径，眼睛测量辐射路径和环境光路径。

图2A示出了在许多方面与显示器100类似的近眼式显示器200。显示器100和200之间的主要区别在于，在显示器200中，波导被不同地堆叠。

显示器200包括具有前表面201、后表面203和围绕目镜周边的边缘205的目镜202。目镜202包括在z方向上堆叠而不是像显示器100那样在y方向上堆叠的第一波导204和第二波导208，这意味着一个波导堆叠在另一个波导前方，而不是在另一个波导上方。在所示实施例中，第二波导208堆叠在第一波导204的前方，但在其他实施例中，它们的位置可以颠倒。并且在所示实施例中，第一波导和第二波导构成目镜202的全部厚度——也就是说，第一波导204形成后表面203并且第二波导208形成前表面201，但在其他实施例中，第一波导204和第二波导208可以如图所示地堆叠但仍嵌入目镜202内，使得它们不形成目镜的前表面和后表面。在所示实施例中，目镜202是基本平坦的，但与其他实施例中的显示器100一样，前表面201和后表面203可以是弯曲的，导致目镜202也是弯曲的(参见例如图3)。

第一波导204和第二波导208可以由在感兴趣的波长中基本透明的任何种类的材料制成；在一个实施例中，例如，波导204和206可以由诸如聚碳酸酯或光学级丙烯酸的塑料材料制成，但在其他实施例中，它可以由诸如玻璃的不同材料制成。在一些实施例中，第一波导204和第二波导208这两者都可以由具有相同折射率的材料制成，但在其他实施例中，第一波导204和第二波导208不需要具有相同的折射率。在第一波导204和第二波导208具有类似的折射率的实施例中，它们可以沿着交界207用低折射率光学粘合剂结合在一起，使得全内反射可以在每个波导内分开发生。

第一成角表面206横向地(即，在x方向上)定位在目镜202的基本上与眼睛10对准的一部分中(在所示实施例中基本上在目镜的中间)。成角表面206被定向成将从显示器214通过波导204行进的显示光朝向眼睛10引导。在一个实施例中，成角表面206可以从前向后(即，在z方向上)延伸通过波导204的基本上整个深度，并且从顶部到底部(即，在y方向上)通过波导204的基本上整个高度。但在其他实施例中，成角表面206不需要延伸通过波导204的整个深度或高度。成角表面206的至少一部分具有使得成角表面206的该部分部分地反射的第一表面处理。例如，在一个实施例中，第一表面处理可以使成角表面206的第一部分为50/50(50％通过，50％反射)镜，但其他实施例当然可以使用其他的第一表面处理。

第二成角表面210横向地(即，在x方向上)定位在目镜202的基本上与眼睛10对准的一部分中(在所示实施例中基本上在目镜的中间)。第二成角表面210被定向为接收由眼睛10反射的入射眼睛测量辐射，并将其引导到波导208中，使得其行进到相机218。在一个实施例中，成角表面210可以从前到后(即，在z方向上)延伸通过波导208的基本上整个深度，并且可以从顶部到底部(即，在y方向上)延伸通过波导208的基本上整个高度。但在其他实施例中，成角表面210不需要延伸通过波导208的整个深度或高度。成角表面210的至少一部分具有使得成角表面210的处理部分至少部分地反射到眼睛测量辐射的第二表面处理。在一个实施例中，第二表面处理可以是涂层，其基本上反射诸如红外线的不可见的眼睛测量辐射，同时允许可见波长的光行进通过的。其他实施方式当然可以使用其他第二表面处理。

与在显示器100中一样，在显示器200中的三个光路径可以同时操作：显示光路径、眼睛测量辐射路径和环境光路径。显示光路径始于显示器214，其产生进入第一波导204并通过诸如全内反射的机制经由该波导行进到成角表面206的处理部分的显示光。在由于其表面处理而使第一部分108是50/50镜的实施例中，显示光的50％将通过镜，但50％将转向，使得其离开目镜202并被引导到用户的眼睛10中。

第二光路径是眼睛测量辐射的路径。眼睛测量辐射由用户的眼睛10朝向第一成角表面206反射，该第一成角表面由于是50/50镜而将一半的辐射传送到第二成角表面210。入射到第二成角表面210的处理部分的眼睛测量辐射被反射到第二波导208中，眼睛测量辐射通过该第二波导208行进到相机218。眼睛测量相机218然后可以使用所接收的眼睛测量辐射来为用户的眼睛10成像并测量其特征。

第三光路径是环境光路径。在第一成角表面206的至少一部分是50/50镜并且第二成角表面210的至少一部分是允许可见光通过的红外反射表面的实施例中，来自场景99的环境光的可见部分的至少一部分将通过第一成角表面206和第二成角表面210这两者并且通过目镜102行进到用户的眼睛10，使得用户同时看到场景99和来自显示器214的信息。

图2B示出了在许多方面与显示器200类似的近眼式显示器250。显示器200和250之间的主要区别在于成角表面被不同地定位。在显示器250中，第一成角表面206和第二成角表面横向偏移(即，在x方向上偏移)，但仍在眼睛10的视场内。显示器250中的三个光路径类似于显示器200中的三个光路径，除了环境光路径和眼睛测量光路径不需要行进通过两个成角表面。

图3示出了实现为一副眼镜的平视显示器300的实施例。平视显示器300包括一对目镜304，这一对目镜中至少一个可以是近眼式显示器，诸如近眼式显示器100、150、175、200或250。在所示实施例中，透镜304包括第一波导308和第二波导310。光耦合器312定位在透镜304的边缘上，并且显示器/相机组件314通过光耦合器光学耦合到透镜304——并因此耦合到第一波导308和第二波导310。

目镜304被安装到框架302，该框架包括左耳臂304和右耳臂(未示出)以将显示器300定位在用户头部上，其中，目镜304适当地定位在用户眼睛的前方。虽然该图示出了双眼实施例(两个目镜)，但平视显示器300也可以实现为单眼(一个目镜)实施例。当然，可以使用具有其他形状的其他框架组件(例如，具有耳臂和鼻梁支架的遮檐、单个连续的耳机构件、头带或护目镜型眼镜等)。

图4示出了近眼式显示器400的另一实施例。在一些实施例中，眼睛测量辐射可来自源自场景或源自周围区域的环境光，但在其他实施例中，其可能必需提供发出眼睛测量波长的辐射的照明。显示器400包括定位在成角表面104周围的一对眼睛测量辐射源402。眼睛测量辐射源402发出眼睛测量波长的辐射并且被定位和定向成将他们的眼睛测量辐射朝向用户的眼睛10引导，使得从眼睛10反射的眼睛测量辐射中的至少一些将朝向成角表面104而被引导。例如，在诸如图3所示的眼镜实施例中，源402可以被定位在框架上的某个位置。在一个实施例中，源402是红外LED，使得眼睛测量光具有红外范围中的波长。但在其他实施例中，源402可以是发出不同波长或波长范围的不同辐射源。通常，可能期望源402发出基本上照射眼睛10的辐射的宽光束。

除了源402之外或替代该源，显示器400可以包括定位在相机118上或附近的眼睛测量辐射源404。在所示实施例中，眼睛测量辐射源404定位在与相机118相关联的成像光学器件的任一侧上，使得眼睛测量辐射行进通过目镜102中的第二波导110(参见图1B)并且从第二部分112反射到眼睛10中。眼睛10然后将眼睛测量辐射反射回目镜102中，其中该眼睛测量辐射被第二部分112反射到第二波导110中并反射到相机118。虽然所示实施例示出了两个辐射源404，但其他实施例可以包括更多或更少的辐射源。在另外的实施例中，眼睛测量辐射源404可以不同于所示地定位。

图5示出了用于制造近眼式显示器100的过程的实施例，虽然所示过程也可以用于制造其他公开的显示器。目镜102的第一半部102A和第二半部102B首先由期望材料形成。第一半部102A包括第一成角表面104A，并且第二半部102B包括第二成角表面104B。第一表面处理和第二表面处理被施加到第一成角表面104A、第二成角表面104B或这两者的部分，然后将第一半部102A和第二半部102B放置在一起，使得成角表面104A和104B彼此配接，并且例如利用光学透明粘合剂结合以形成成角表面104。在通过连接半部102A和102B形成目镜102之后，光耦合器114使用光学透明粘合剂附接到目镜的边缘。并且在光耦合器114连接到目镜102之后，显示器116和相机114使用光学透明粘合剂或使用其他紧固装置连接到光耦合器114。在其他实施例中，显示器100当然可以通过与所示不同的过程来构造。

实施例的上述描述(包括摘要中描述的内容)并不旨在是排他性的或将本发明限制于所描述的形式。本发明的具体实施例和示例在本文中是为了示意性目的描述的，但如相关领域的技术人员将认识到的，在根据上文详细描述的本发明的范围内的各种修改是可能的。

所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书和权利要求中公开的具体实施例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求确定，所附权利要求将使用所建立的权利要求解释的理论来解释。

Claims (8)

1.一种用于近眼式显示器的装置，包括：

目镜，所述目镜具有前表面、与所述前表面间隔开的并且在第一方向和与所述第一方向正交的第二方向上延伸的后表面和形成所述目镜的周边的边缘，在所述目镜中具有单个成角表面，以将从眼睛反射的眼睛测量光引导到所述目镜中，并将显示光引导出所述目镜到所述眼睛；

第一波导，所述第一波导形成在所述目镜中并在所述第一方向上从所述单个成角表面延伸到所述边缘，所述第一波导光学耦合到具有第一表面处理的所述单个成角表面的第一部分；

第二波导，所述第二波导形成在所述目镜中并在所述第一方向上从所述单个成角表面延伸到所述边缘，所述第二波导光学耦合到具有第二表面处理的所述单个成角表面的第二部分，其中，所述第二表面处理与所述第一表面处理不同；

显示器，所述显示器定位在所述边缘处并光学耦合到所述第一波导，其中，所述显示器被配置为将所述显示光发射到所述第一波导中；以及

相机，所述相机定位在所述边缘处并光耦合到所述第二波导，其中，所述相机被配置为在所述显示光被发射到所述第一波导中的同时捕获来自所述第二波导的眼睛测量光；

其中，所述单个成角表面的第一部分在所述第二方向上从所述单个成角表面的第二部分偏移；并且

其中，所述单个成角表面的所述第一部分被配置为将从所述显示器通过所述第一波导行进的显示光朝向眼睛引导，并且所述单个成角表面的所述第二部分被配置为接收由眼睛反射的入射眼睛测量辐射并将所述入射眼睛测量辐射引导到所述第二波导中。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一表面处理使所述单个成角表面的所述第一部分为50/50镜。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二表面处理使所述单个成角表面的所述第二部分为红外反射器，所述红外反射器反射红外辐射光，但对可见波长的光是至少部分透明的。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述显示器和所述相机通过光耦合器光学耦合到所述边缘。

5.一种用于近眼式显示器的系统，包括：

框架，所述框架用于将一个或多个近眼式显示器保持在用户的眼睛前方，其中，所述一个或多个近眼式显示器中的至少一个包括：

目镜，所述目镜具有前表面、与所述前表面间隔开并且在第一方向和与所述第一方向正交的第二方向上延伸的后表面和形成所述目镜的周边的边缘，在所述目镜中具有单个成角表面，以将从眼睛反射的眼睛测量光引导到所述目镜中，并将显示光引导出所述目镜到所述眼睛，

第一波导，所述第一波导形成在所述目镜中并在所述第一方向上从所述单个成角表面延伸到所述边缘，所述第一波导光学耦合到具有第一表面处理的所述单个成角表面的第一部分，以及

第二波导，所述第二波导形成在所述目镜中并在所述第一方向上从所述单个成角表面延伸到所述边缘，所述第二波导光学耦合到具有第二表面处理的所述单个成角表面的第二部分；其中，所述第二表面处理与所述第一表面处理不同，其中，所述单个成角表面的第一部分在所述第二方向上从所述单个成角表面的第二部分偏移；

显示器，所述显示器定位在所述边缘处并光学耦合到所述第一波导，其中，所述显示器被配置为将所述显示光发射到所述第一波导中；以及

相机，所述相机定位在所述边缘处并光学耦合到所述第二波导，其中，所述相机被配置为在所述显示光被发射到所述第一波导中的同时捕获来自所述第二波导的眼睛测量光，

其中，所述单个成角表面的所述第一部分被配置为将从所述显示器通过所述第一波导行进的显示光朝向眼睛引导，并且所述单个成角表面的所述第二部分被配置为接收由眼睛反射的入射眼睛测量辐射并将所述入射眼睛测量辐射引导到所述第二波导中。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一表面处理使所述单个成角表面的所述第一部分为50/50镜。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第二表面处理使所述单个成角表面的所述第二部分为红外反射器，所述红外反射器反射红外光，但对可见波长的光至少部分是透明的。

8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述显示器和所述相机通过光耦合器光学耦合到所述边缘。

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