CN108604012B

CN108604012B - 用于增强的近眼可穿戴显示器的系统和方法

Info

Publication number: CN108604012B
Application number: CN201680082085.XA
Authority: CN
Inventors: 蔡靖波; H.S.埃尔-古劳里; R.琼克; M.迈尔斯; 庄奇理
Original assignee: Ostendo Technologies Inc
Current assignee: Ostendo Technologies Inc
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2036-12-19
Also published as: JP2019500649A; TWI720092B; CN108604012A; KR20180094013A; WO2017106873A1; JP7074672B2; US20190331925A1; US10345594B2; US10585290B2; TW201732369A; US20170176755A1

Abstract

提供了可穿戴的增强现实显示器系统。一个或多个发射显示器元件嵌入眼镜框架的鼻梁架区域中。透镜设有一组透射衍射光学元件和部分反射衍射光学元件。显示器输出被指向透镜元件，由此衍射元件继而将输出指向观察者的眼睛框。

Description

用于增强的近眼可穿戴显示器的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年12月18日提交的美国临时专利申请号 62/269,510的权益，其整体通过引用并入本文。

技术领域

本文的公开的一个方面总体上涉及可穿戴电子设备，并且更特别地，涉及增强现实（AR）近眼可穿戴显示器。

背景技术

随着集成电路和显示器尺寸以及相关成本按比例缩减，可穿戴光学电子设备变得寻常。可穿戴光学电子设备具有大量的商业、军事和消费者应用。常规的近眼可穿戴显示器解决方案常常使用麻烦的低分辨率方法而不考虑用户舒适度或美观性。

附图说明

在所附绘图的各图中通过示例的方式而非通过限制的方式图示了本文的实施例，在所附绘图中，同样的参考标记指示类似的元件。应当指出的是，在本公开中对本发明的“一”或“一个”实施例的参考不一定针对同一实施例，并且它们意味着至少一个。而且，为了简洁和减少图的总数目，可以使用给定的图来图示本发明的多于一个实施例的特征，并且对于给定的实施例而言，可能不是图中的所有元件都是需要的。

图1是等距后视图，其用于解释根据本文的实施例的嵌入在近眼显示器眼镜鼻梁架（bridge）区段的两侧处的两个成像器或光调制器，并且用于解释根据该实施例的从两个成像器生成、被眼镜透镜重定向到两个眼睛框（eye-box）中的光的光线轨迹。

图2A和图2B图示了光线轨迹，其用于解释根据本文的实施例的从近眼显示器的一侧处的成像器发出的光线被透射衍射光学元件（TDOE）指向眼镜透镜然后被部分反射衍射光学元件（RDOE）朝向眼睛瞳孔反射且聚焦在眼睛视网膜上。

图3是AR近眼显示器的顶视图，其用于解释如下实施例，其中两个成像器嵌入眼镜框架的鼻梁架区段内，并且从两个成像器生成的光的光线轨迹被眼镜透镜重定向到两个眼睛框中。

图4是AR近眼显示器的侧视图，其用于解释其中两个成像器嵌入眼镜框架的鼻梁架区段内的实施例。

图5是AR近眼显示器的立体等距横截面视图，其用于解释根据本文的实施例的嵌入眼镜框架的鼻梁架区段内的两个成像器，以及从两个成像器生成的光被眼镜透镜重定向到两个眼睛框中的光线轨迹。

图6是一个视图，其用于解释根据本文的实施例的图示了由AR近眼显示器观察者感知到的所形成的虚拟图像的位置的光线轨迹。

图7是正视图，其用于解释根据本文的实施例的由AR近眼显示器形成的一对眼睛框的尺寸和位置。

图8是一个视图，其用于解释根据本文的实施例的由成像器发出的光线并且被TDOE盖光学器件朝向AR近显示器透镜重定向、然后被嵌入透镜内的RDOE层并且朝向观察者的眼睛框反射的光线轨迹。

图9是示意性绘图，其用于解释根据本文的一个示例实施例的AR近眼显示器。

图10是透视等距后视图，其用于解释其中两个成像器被嵌入眼镜框架的鼻梁架区段的两侧处并且两个成像器被嵌入AR近眼显示器的臂组件中的实施例，并且用于解释根据本文的实施例的从四个成像器生成的光被眼镜透镜重定向到AR近眼显示器的两个眼睛框中的光线轨迹。

图11是顶视线条绘图，其用于解释根据一个示例实施例的AR近眼显示器，其示出根据本文的实施例的嵌入眼镜框架的鼻梁架区段内的两个成像器和嵌入AR近眼显示器的臂组件中的两个成像器，以及从四个成像器生成的光被眼镜透镜重定向到两个眼睛框中的光线轨迹。

具体实施方式

现在参考所附绘图解释若干实施例。无论何时均不明确限定各方面，本文的公开范围不仅仅限于所示出的部分，所示出的部分仅意在用于说明的目的。而且，虽然阐述了许多细节，但是应理解的是，可以在没有这些细节的情况下实践一些实施例。在其他情况下，未详细示出公知的电路、结构和技术，以便不使对本描述的理解模糊。

本文的发明人已经认识到需要一种具有小的形状因子并且非常适合于在例如美学上令人愉悦的消费者眼镜框架中使用的高分辨率、增强现实近眼可穿戴显示器。本文描述的实施例提供了这样的增强现实近眼可穿戴显示器。

本文的实施例可以包括可以嵌入普通眼镜框架的鼻梁架或框架中的一个或多个发射显示器元件（本文称为成像器或光调制器）。本文描述的实施例的一个或多个透镜可以包括透射衍射光学元件（TDOE）和部分反射衍射光学元件（RDOE）。显示器输出被指向透镜元件，由此衍射元件继而使输出指向观察者的眼睛框。

在一个实施例中，公开了一种近眼可穿戴显示器，其可以被配置为具有提供增强现实（AR）显示器系统的能力的普通（或典型）样子的一套消费者眼镜；在本文中被称为AR可穿戴显示器。在一个实施例中，眼镜具有弯曲的观察透镜。

在一个实施例中，所公开的AR可穿戴显示器使用嵌入在常规（或典型）样子的一套眼镜的框架底架内的一个或多个发射微像素光调制器，由此微像素光调制器是如下光电子半导体装置：其包括可独立寻址的全色发射微像素的阵列和被配置成驱动发射微像素阵列的电子电路系统；所有这些完全集成到体积上足够小以嵌入眼镜框架内的单个半导体芯片或封装中。

清楚地指出的是，本文的实施例不限于前面提及的光调制发射显示器元件的使用，并且可以使用诸如具有合适电学和光学特性的OLED或类似显示器元件的任何形式的电子显示器元件，并且这些电子显示器元件保持在针对本文公开的实施例的任何权利要求的精神和范围内。

在一个示例实施例中，嵌入在AR可穿戴显示器眼镜的框架内的发射微像素光调制器装置可以基于量子光子成像器或“QPI®”成像器。QPI®”是Ostendo Technologies股份有限公司的注册商标。参见H.El-Ghoroury等人于2010年3月19日提交的美国专利号8,049,231，是一种微发射固态发光结构技术，其具有集成到高分辨率GaN-GaAs分层像素阵列的背板中的功率和逻辑电路，并且具有直接集成在像素堆叠顶部上的微光学器件层。这种形式的成像器创建了占用非常小的体积的功率高效的显示器。

适用于供本文描述的实施例使用的示例QPI成像器（微发射固态发光显示器元件）包含但不限于标题均为“Quantum Photonic Imagers and Methods of FabricationThereof”并且被转让给本文的申请人的美国专利号7,623,560、7,829,902、8,567,960、7,767,479、8,049,231和8,243,770中公开的那些，其中的每个的全部内容均通过引用并入本文中。

上面提及的QPI成像器的特征在于在包含所有必要的显示器驱动电路系统的单个发射显示器装置中的高亮度、非常快的光多色强度和空间调制能力。在本文描述的实施例的上下文内，术语“成像器”和“光调制器装置”旨在涵盖包括发射微尺度固态光（SSL）发射像素的阵列的光电子装置。这样的装置的SSL发光像素可以是发光二极管（LED）或激光二极管（LD）或任何固态发光结构，该固态发光结构的开关状态由其上形成有或接合有该发射微尺度像素阵列的CMOS电路内所包含的驱动电路系统控制。

QPI成像器的发射微尺度像素阵列内的像素可以通过其驱动CMOS电路系统在空间上、色度上和时间上单独寻址，该驱动CMOS电路系统使得QPI成像器能够发射在空间上、色度上和时间上被调制的光。QPI成像器发射的多种颜色有利地共享相同的像素孔径。QPI成像器像素发射发散角在从±5°至±45°的范围内的准直（或非理想散射（non-Lamberitain））光。包括QPI成像器的发射阵列的像素的尺寸典型地在大致5-20微米的范围内，其中装置的典型发射表面积在大致15-150平方毫米的范围内。QPI成像器能够设计为在其发射像素阵列和成像器的物理边缘之间具有最小间隙，从而允许许多QPI成像器被平铺以创建任何任意尺寸的显示器区域。

由于投影中涉及的较小距离（投程（throw）），使用QPI成像器的投影显示器能够非常明亮而不需要显著的功率。考虑到非线性投影表面和投程，清楚地设计了上面列举的美国专利的QPI成像器的微光学器件和聚焦模块。当然，虽然QPI成像器对于用作成像器或光调制器或者在成像器或光调制器中使用而言是理想的，但是本文中的实施例不限于此，并且根据需要，其他成像器可以用作本公开的成像器或光调制器或者在本公开的成像器或光调制器中使用。

如图1中所图示的，至少两个发射微像素光调制器装置110a和110b可以嵌入眼镜框架100的鼻梁架区段内，每侧至少一个装置，并且每个被定位成使得其发射孔径光轴指向在它们相应侧的眼镜透镜120a和120b。

光调制器装置中的每个的发射孔径可以包含光学“盖”，以帮助使微像素光调制器的光轴指向在它们的相应侧的眼镜透镜，同时维持发射微像素光调制器装置完全嵌入眼镜鼻梁架区段的体积壳层内。在一个实施例中，与光调制器装置中的每个相关联的光学盖在体积上是紧凑的，以允许光调制器装置及其光学盖完全嵌入眼镜鼻梁架区段的体积壳层内。在一个实施例中，为了实现体积效率以使光调制器装置能够完全嵌入眼镜鼻梁架区段的体积壳层内，可以将光学盖提供为透射衍射光学元件（本文中的“TDOE”）。借助于本文讨论的将光调制器装置与衍射光学元件组合的布置，有可能提供包括具有弯曲透镜的眼镜的增强可穿戴显示器。因此，有可能提供接近面部装配的眼镜框架作为增强近眼装置。具有TDOE光学盖的眼镜框架的一个示例在图2A和图2B的示例中图示出。

转向图2A和图2B的实施例，类似于眼镜框架100，眼镜框架200包含光学透镜220和光调制器装置210。在图2A和图2B的实施例中，光调制器装置210的发射孔径包含TDOE光学盖215，以帮助使光调制器210的光轴指向眼镜透镜220。TDOE元件260沉积在透镜220的面向眼球230的表面上。从光调制器210发射的光由光学盖215指向TDOE元件260，然后部分地被反射衍射光学元件（RDOE）250反射，该反射衍射光学元件（RDOE）250嵌入在透镜220的面向周围场景的表面中。RDOE元件250使发射的光朝向眼球230的瞳孔反射并且使其聚焦在眼睛视网膜上。图6示出了光线轨迹，其图示了穿戴根据示例实施例的眼镜框架600的AR近眼显示器观察者所感知的形成的虚拟图像610的位置。眼镜框架600可以是例如图1中所示出的眼镜框架100或者图2A和图2B中所示出的眼镜框架200。

如图2A和图2B的实施例中图示的，诸如光学盖215的TDOE光学盖与光调制器装置210中的每个（例如，110a、110b）相关联。TDOE光学盖215可以被配置为使相应的阵列中的光调制器装置210的像素中的每个的主要光线在期望的角度方向上映射，使得从光调制器装置像素发射的光的主要光线在反射离开透镜220之后传递通过眼球230的中心，因此实现舒适观看所需的瞳孔匹配功能。因此，从光调制器装置像素中的每个发射的光可以被引导向瞳孔。图2A和图2B中所图示的光线可以表示可见光谱中的各种颜色。

另外，所描述的与光调制器装置中的每个（例如，210）相关联的TDOE光学盖215合意地使从光调制器装置像素中的每个发射的光的主要光线在期望方向上映射，使得在光学畸变和像差方面对投影到眼睛的视网膜上的虚拟图像的畸变进行了很好的校正。

应指出的是，在其他实施例中，TDOE光学盖215可以是可选的。例如，在其中来自每个光调制器装置像素的光锥是大的并且亮度水平转降是可接受的情况下，可以省略TDOE光学盖215。

可以使用表面浮雕或体积浮雕纳米压印技术来实现与光调制器装置210中的每个相关联的TDOE光学盖215。在一个实施例中，可以使用光刻工艺实现TDOE薄膜。在一个实施例中，TDOE光学盖可以具有在10至30微米的范围内（例如，10、13、15、20或30微米）的厚度。在一个实施例中，TDOE光学盖可以是布拉格光栅（例如，光纤布拉格光栅）。在一个实施例中，TDOE包括体全息光栅。在一个实施例中，光栅包括直线。在一个实施例中，光栅不是线性的。在一个实施例中，由光栅生成的面不是平面表面。例如，光栅可以由高阶多项式表达式构成。在一个实施例中，光栅不均匀并且是渐变的。例如，光栅可以是局部的和/或形状自由的，形状由眼镜透镜的曲率和近眼的视场决定。在一个实施例中，光栅的顶部和底部是对称的。在一个实施例中，光栅线在透镜的观察表面之上不连续（例如，不均匀）。在一个实施例中，TDOE不覆盖眼镜透镜的整个表面。在一个实施例中，光栅线可以不穿过整个光学图像。

如至少在图1、图2A、图2B和图9中图示的，眼镜的框架和透镜（例如，100、200）可以与人前额的曲率共形，其具有足够的曲率，以允许从光调制器装置像素发射的通过光学盖的光的主要光线与眼镜的弯曲透镜在基本上处于人眼的瞳孔的轴线上的预定位置处相交。在图2A和图2B的实施例中，从光调制器装置210的像素发射的通过TDOE光学盖215的光线入射在眼镜框架200的弯曲透镜上，并且被朝向近眼显示器200的观察眼睛框反射，观察眼睛框名义上包含近眼显示器穿戴者的眼睛瞳孔。

如图2A和图2B的光线轨迹中进一步图示的，在一个实施例中，近眼显示器的眼睛框的直径240可以是大约16 mm的直径，这足以容纳显示器穿戴者的瞳孔的标称位置加上用于眼睛扫视（即，当它将焦点从一个点改变到另一个点时的眼睛瞳孔运动）的裕量。图7是眼镜框架200的正视图，其示出根据一个示例实施例的由AR近眼显示器形成的一对眼睛框730a、730b相对于眼镜框架200的大致尺寸和位置。

图3描绘了包含两个成像器的实施例的顶视图，其中成像器310a和310b中的每个嵌入眼镜框架300的鼻梁架的一部分中。眼镜框架300可以类似于眼镜框架100或眼镜框架200。图4描绘了该实施例的侧视图，其中成像器310中的每个（分别地，310a和310b）嵌入眼镜框架300的鼻梁架的一部分中。图5示出了根据一个实施例的嵌入眼镜框架的鼻梁架部分中的两个成像器510a、510b的详细视图，该眼镜框架可以类似于眼镜框架100、200或300，以及光被指向观察者的眼睛框520a、520b中的光线轨迹。

图8图示了由成像器810发射的光被朝向在面向观察者眼球的表面上具有TDOE层830的AR近眼显示器透镜820重定向的光线轨迹。然后，发射的光被嵌入在透镜820内的RDOE层840朝向观察者眼睛框反射。图8中图示的光线束850（分别地850a、850b、850c）可以表示可见光谱中的各种颜色。

在一个实施例中，透镜820、光调制器装置810、TDOE 830和RDOE 840被配置成使得每束彩色光线（850a、850b、850c）在与图8所示出的基本相同的点处相遇，使得眼睛有可能看到增大的视场。在图8的实施例中，假设光调制器810的像素的发射角是平的，使得不需要（图2A和2B中所图示的）TDOE光学盖。

图8图示了从光调制器装置810发射的光与眼镜透镜820相互作用并且返回到眼睛的成像路径。图8中未示出的是来自周围环境的光通过眼镜透镜的前部透射到眼睛中。为了对这进行补偿，在一个实施例中，除了上面讨论的TDOE光学盖830之外，眼镜框架还具有提供在眼镜透镜820的外表面（例如，眼镜透镜的面向周围环境的表面）上的另一TDOE。该第二TDOE可以是第一TDOE 830的光学补充件。例如，第二TDOE可以具有与第一TDOE 830的斜率和方向相反的斜率和方向。因此，第二TDOE可以撤消透射通过透镜的光的光学效应。

再次参照图2A和图2B，在一个实施例中，还可以确定眼球230相对于眼镜框架200的尺寸（例如，角度、长度）。还确定眼睛框的尺寸，包含直径240。使用这些尺寸连同关于光调制器装置在眼镜框架的鼻梁架上的位置和所选择的图像放大倍数的信息，计算视场。假设由光调制器装置发射的光线应该被指向眼球中并且被准直，则考虑太阳镜表面和光线的方向。在一个实施例中，使用前述标准来计算用于设计TDOE和RDOE的参数。在一个实施例中，使用优化算法来计算参数。在一个实施例中，跟踪多个光线以在眼镜透镜的观察区域之上覆盖TDOE或RDOE的特征或对TDOE或RDOE的特征进行采样，并且计算每个位置处的特征。

在所描述的具有16 mm眼睛框的示例实施例中，近眼显示器的总视场（FOV）大致为10度。然而，当眼睛框尺寸减小到例如8 mm时，近眼显示器FOV增加到大于15度。应指出的是，8 mm的眼睛框足够大以容纳显示器穿戴者的眼睛瞳孔标称位置加上扫视。

近眼显示器眼镜的弯曲透镜的反射方面可以通过在眼镜的弯曲透镜内嵌入部分反射衍射光学元件（RDOE）薄膜来实现，所述反射衍射光学元件（RDOE）薄膜在图8的示例中由RDOE 840图示并且在图2A和图2B的示例中由RDOE 250图示。可以通过将DOE提供为涂覆在眼镜的弯曲透镜的一侧上然后进一步涂覆有聚合物的保护薄层的薄膜，来实现进入眼镜的弯曲透镜中的DOE的实施例。在一个实施例中，RDOE薄膜被提供在眼镜的观察透镜的外表面（例如，透镜的面向周围环境或场景的表面）上。

在一个实施例中，嵌入在近眼显示器的弯曲透镜内的RDOE薄膜具足够可透射，以便使得近眼显示器穿戴者能够通过近眼显示器的弯曲透镜看到周围环境，因此，使该实施例的近眼显示器成为具有AR能力的光学“透视”（OST）增强现实（AR）系统。在一个实施例中，RDOE薄膜是部分反射的。在一个实施例中，RDOE可以具有30％的反射率特性。在一个实施例中，RDOE的反射率可以在从20%-60％的范围内。应指出的是，如果RDOE的反射率特性太高，则近眼显示器穿戴者对周围环境的观察可能受到限制。然而，RDOE必须具有足够大的反射率特性以有效地反射从光调制器装置发射的光。因此，在一个实施例中，实现为体光栅的RDOE能够被构造成使得其在来自光调制器装置的光路中表现为高反射率部件，而对于透视光路基本透明。这种布置确保了更高的效率以及对环境场景亮度的几乎不降低。

嵌入在近眼显示器的弯曲透镜内的RDOE薄膜可以使用表面浮雕或体积浮雕纳米压印技术来实现。在一个实施例中，可以使用光刻工艺实现RDOE薄膜。在一个实施例中，RDOE光学盖可以具有在10-30微米的范围内（例如，10、13、15、20或30微米）的厚度。在一个实施例中，RDOE光学盖可以是布拉格光栅。在一个实施例中，RDOE包括体全息光栅。在一个实施例中，光栅包括直线。在一个实施例中，光栅不是线性的。在一个实施例中，由光栅生成的面不是平面表面。例如，光栅可以由高阶多项式表达式构成。在一个实施例中，光栅不均匀并且是渐变的。例如，光栅可以是局部的和/或形状自由的，形状由眼镜透镜的曲率和近眼的视场决定。在一个实施例中，光栅的顶部和底部是对称的。在一个实施例中，光栅线在透镜的观察表面之上不连续（例如，不均匀）。在一个实施例中，RDOE不覆盖眼镜透镜的整个表面。在一个实施例中，光栅线可以不穿过整个光学图像。

除了将从光调制器装置发射的光指向穿戴者的眼睛之外，嵌入在近眼显示器的弯曲透镜内的RDOE薄膜可以提供光学放大和倾斜像差校正，以确保近眼显示器穿戴者感知到经很好校正的虚拟图像。

在一个实施例中，近眼显示器的纳米压印TDOE和RDOE层被设计为使宽带光衍射。在一个实施例中，近眼显示器的纳米压印TDOE和RDOE层被设计成使覆盖可见光谱的宽带光衍射。

由DOE实现的衍射角典型地是波长相关的，并且导致透射通过与光调制器装置中的每个相关联的TDOE光学盖的光以及由嵌入在近眼显示器的弯曲透镜内的RDOE反射的光的颜色分离。通过将TDOE和RDOE各自实现为被设计成使具有可见光谱的一个子带的光衍射的多层，可以减轻这种颜色分离。

本文的实施例的近眼显示器的新颖特征使用TDOE和RDOE来补偿彼此的颜色分离。在这种颜色分离补偿方法中，TDOE和RDOE两者均是基于可见光谱中间的波长（大致550 nm波长）设计的；然后TDOE的衍射轴对准在RDOE的相反方向上，因此使得低于550 nm的波长的光被TDOE在一个方向上衍射，然后被RDOE朝向550 nm光的相同角度衍射回来。对于波长高于550 nm的光，发生类似的效果：所述光首先被TDOE在550 nm光的相对侧衍射，然后被RDOE朝向550 nm光的相同角度衍射回来。

本文的实施例的近眼显示器的另一新颖特征利用对红色和蓝色源图像的数字扭曲和缩放，来使用光调制器装置数字地进行校正，使得补偿颜色分离。

本文的实施例的AR近眼可穿戴显示器还包括耦合到AR近眼可穿戴显示器的每个透镜的输入图像孔径的至少一个图像源（或成像器），由此每个成像器能够生成包括许多多颜色像素的数字图像并且具有光学输出孔径，该光学输出孔径大致匹配AR近眼可穿戴显示器的透镜的输入图像孔径的面积和所需发散角。

（一个或多个）成像器光学耦合到AR近眼可穿戴显示器的透镜，以能够调制单视图图像或多视图光场图像。光学耦合到AR可穿戴显示器的透镜的成像器足够紧凑以耦合到透镜，而不会导致将阻碍AR可穿戴显示器观察者的视场的大突起。

在一个实施例中，光学耦合到AR可穿戴显示器的透镜的成像器通过以下来直接从它们的发射表面实现先决紧凑性：具有发射类型并且能够生成大致匹配透镜的输入图像孔径的面积和所需发散角的图像，而不需要包括导致阻碍AR可穿戴显示器观察者的视场的突起的庞大光学元件的光学接口（或中继器）。

光学耦合到AR可穿戴显示器的透镜的成像器可以被配置为生成具有在从大约1-15流明的范围内数字可控的亮度的视频图像。在一个实施例中，光学耦合到AR可穿戴显示器的透镜的成像器可以被配置为以使得能够实际集成在AR可穿戴显示器的紧凑配置中的最小功耗生成具有在从大约1-15流明的范围内数字可控的亮度的视频图像。

可以使用成像器的可控亮度水平来使得能够生成与AR可穿戴显示器的操作模式匹配的适当亮度水平。光学耦合到AR可穿戴显示器的透镜的成像器能够生成能够被数字控制的图像尺寸和形状（在被调制并耦合到透镜输入孔径上的像素的数量和边界方面），由此使用可控图像尺寸和形状来将具有可变受控尺寸和形状的图像耦合到AR可穿戴显示器的透镜的出射孔径上。

在一个实施例中，可以通过对光调制器装置的激励来控制图像亮度的均匀性。

转向图10和图11，这些图图示了如下实施例：其中两个成像器1100a、1100b被嵌入在鼻梁架区段的两侧，并且两个成像器1200a、1200b被嵌入在AR近眼显示器的臂组件中。图10和图11还示出了由四个成像器生成的光被眼镜透镜重定向到AR近眼显示器1000的两个眼睛框1300a、1300b中的光线轨迹。

因此，光学耦合到AR可穿戴显示器的透镜的成像器可以被配置为针对每个透镜的至少一个成像器（如先前所描述的）或者耦合到每个透镜的多个输入图像孔径上的多个成像器，由此每个成像器耦合到透镜孔径的不同区域。在涉及多个成像器的实施例中，可以使用多个DOE特征，例如，可以针对每个成像器使用一个DOE。这些DOE特征可以按区分布在眼镜透镜之上，或者它们可以在空间上重叠或混合在一起。

在一个实施例中，耦合到AR近眼可穿戴显示器的每个透镜的多个输入图像孔径上的多个成像器的使用，使得从不同成像器发射的光从不同方向会聚在观察者的眼睛瞳孔中的每个上，其中成像器与每个子区域相关联，调制不同的透视图，从而使得AR近眼可穿戴显示器能够显示多视图光场，其中，每个成像器耦合到透镜孔径的不同区域并且来自多个成像器的光学路径通过透镜子区域孔径。

耦合到AR近眼可穿戴显示器的每个透镜的多个输入图像孔径上的多个多视图光场成像器的使用使得能够调制光场，该光场以如下程度为观察者的瞳孔中的每个提供足够数量的视图（在一个实施例中，每个瞳孔8至12个视图，其中，沿水平视差至少六个视图）：其基本上消除了所谓的“视觉辐辏调节冲突”（VAC）效应（这引起严重的观察者不适），并且该效应在现有技术的近眼自动立体显示器中通常会遇到，因而使得所公开的AR近眼可穿戴显示器成为无VAC的显示器。

耦合到AR近眼可穿戴显示器的每个透镜的多个输入图像孔径上的多个成像器的使用进一步使得能够通过如下来增加显示器分辨率（在显示给观察者的像素数量的方面）：通过增加光学耦合到显示器透镜中的每个的成像器的数量；例如，使用两个成像器，每个成像器具有500,000个10微米像素，以实现每只眼睛一百万个像素；或者通过减小成像器的像素尺寸；例如，每只眼睛使用一个具有与在前示例相同的物理尺寸的成像器，但每个成像器具有一百万个五微米像素，以实现每只眼睛一百万个像素的相同显示器分辨率。

耦合到AR近眼可穿戴显示器的每个透镜的多个输入图像孔径上的多个成像器的使用实现每只眼高的像素分辨率的可利用性，其向观察者的瞳孔中的每个调制足够数量的视图，使得有可能向观察者调制数字全息图像。

根据一个实施例的AR近眼可穿戴显示器还可以包括每只眼睛至少一个眼睛跟踪传感器，眼睛跟踪传感器的输出用于检测观察者的眼睛的多个参数，包含但不限于每只眼睛的角度位置（或视角）、虹膜直径和两个瞳孔之间的距离。

根据一个实施例的AR近可穿戴显示器的眼睛跟踪传感器可以是一对微型相机，每个微型相机定位成对一只眼睛成像。在一个实施例中，AR近可穿戴显示器的眼睛跟踪传感器可以放置在相对于眼睛视场（FOV）的非阻碍位置，诸如眼镜的鼻梁架区段。

根据一个实施例的AR近眼可穿戴显示器的眼睛跟踪传感器可以被配置为检测跨AR近眼可穿戴显示器的多个显示器子区域的亮度和颜色均匀性，由此分析由眼睛跟踪传感器捕获的图像以确定显示器子区域中的每个的亮度和颜色，然后比较所确定的值，并且耦合到双模AR近眼可穿戴显示器的每个透镜的多个输入图像孔径上的多个成像器的亮度和或颜色其可以根据跨整个显示器孔径的颜色和亮度进行调整，以在预定阈值（例如10％）内是均匀的。

在不脱离本文讨论的实施例的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以进行许多更改和修改。因此，必须理解的是，已经仅出于示例的目的而阐述了所说明的实施例，并且该实施例不应该被视为限制如由要求本申请的优先权的任何后续申请中的任何权利要求限定的所描述的实施例。

例如，尽管事实上可以以某种组合阐述这样的权利要求的元素，但是必须清楚地理解的是，所公开的实施例可以包含在上面公开的更少、更多或不同元素的其他组合，即使在最初没有以这样的组合要求保护时。

本说明书中用于描述各种实施例的词语不仅要从它们的通常定义的含义的意义上来理解，而是还要包含超出通常定义的含义的范围的本说明书中的结构、材料或动作的特殊定义。因此，如果某个元素在本说明书的上下文中能够被理解为包含多于一个含义，则其在后续权利要求中的使用必须被理解为对于由说明书和词语本身所支持的所有可能含义是通用的。

因此，要求本申请的优先权的任何后续申请中的任何权利要求的词语或元素的定义应该当被定义为不仅包含字面上阐述的元素的组合，而且还包含用于以基本相同的方式执行基本相同的功能以获得基本相同的结果的所有等同结构、材料或动作。在这个意义上，因此预期可以对下面的这样的权利要求中的元素中的任何一个进行两个或更多元素的等同替换，或者单个元素可以替换这样的权利要求中的两个或更多元素。

尽管元素在上面可以被描述为以某些组合起作用并且甚至随后照此要求保护，但是应该清楚地理解的是，来自所要求保护的组合的一个或多个元素在一些情况下能够从该组合中切除，并且这样的要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变化。

如本领域普通技术人员所观察到的来自任何后续要求保护的主题的非实质性变化（现在已知的或以后想出的）被明确地预期为等同地在这样的权利要求的范围内。因此，本领域普通技术人员现在或以后已知的明显替换被定义为在所定义的元素的范围内。

因此，要求本申请的优先权的任何后续申请中的任何权利要求要被理解为包含上面具体说明和描述的内容、概念上等同的内容、能够明显替代的内容以及还有本质上合并本文公开的实施例的本质思想的内容。

Claims

1.一种增强现实显示器系统，包括：

光学透镜元件，具有第一透射衍射光学元件，第二透射衍射光学元件和部分反射衍射光学元件，所述第二透射衍射光学元件是所述第一透射衍射光学元件的光学补充件并且具有和所述第一透射衍射光学元件的斜率和方向相反的斜率和方向，以撤消来自周围环境透射通过透镜的光的光学效应；以及

发射显示器装置，被配置成输出光学图像，其中，所述发射显示器装置包括第三透射衍射光学元件，所述第三透射衍射光学元件使所述光学图像指向所述第一透射衍射光学元件，并且所述部分反射衍射光学元件朝向观察者的眼睛框部分反射作为所述光学图像的光学图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发射显示器装置嵌入眼镜框架中。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述发射显示器装置嵌入所述眼镜框架的鼻梁架区域中。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述部分反射衍射光学元件嵌入所述光学透镜元件的面向场景的表面中。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述部分反射衍射光学元件的反射率特性在20-60％的范围内。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一透射衍射光学元件沉积在所述光学透镜元件的面向所述发射显示器装置的表面上。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一透射衍射光学元件和所述部分反射衍射光学元件包括薄膜。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一透射衍射光学元件和所述部分反射衍射光学元件包括布拉格光栅。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一透射衍射光学元件和所述部分反射衍射光学元件包括体全息光栅。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一透射衍射光学元件和所述部分反射衍射光学元件包括渐变光栅，所述渐变光栅在所述光学透镜元件的观察表面之上不连续。

11.根据权利要求2所述的系统，还包括嵌入所述眼镜框架的臂中的第二发射显示器装置。

12.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个眼睛跟踪传感器，其用以获得眼睛的角度位置、虹膜直径和两个瞳孔之间的距离中的至少一个。

13.一种提供增强现实显示器系统的方法，所述方法包括：

通过发射显示器装置将光学图像输出到光学透镜元件，所述光学透镜元件包括第一透射衍射光学元件，第二透射衍射光学元件和部分反射衍射光学元件，所述第二透射衍射光学元件是所述第一透射衍射光学元件的光学补充件并且具有和所述第一透射衍射光学元件的斜率和方向相反的斜率和方向，以撤消来自周围环境透射通过透镜的光的光学效应；

通过所述第一透射衍射光学元件将所述光学图像指向所述部分反射衍射光学元件；

通过所述第二透射衍射光学元件将来自周围环境的光指向所述部分反射衍射光学元件；以及

通过所述部分反射衍射光学元件将所述光学图像反射到观察者的眼睛框。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，在表面浮雕纳米压印工艺中限定所述第一透射衍射光学元件和所述部分反射衍射光学元件。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，在体积浮雕纳米压印工艺中限定所述第一透射衍射光学元件和所述部分反射衍射光学元件。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述部分反射衍射光学元件的反射率特性在20-60％的范围内。

17.根据权利要求13所述的方法，还包括确定所述眼睛框的尺寸并且基于所述眼睛框的尺寸和所选择的图像放大倍数来计算视场。

18.根据权利要求13所述的方法，还包括通过第二发射显示器装置将第二光学图像输出到所述光学透镜元件。

19.根据权利要求13所述的方法，还包括跟踪眼睛的角度位置、虹膜直径和两个瞳孔之间的距离中的至少一个。