CN108700751A - 使用空间光调制器生成全息图像的头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

一种头戴式显示器装置包括发射高相干光束的光源(1)、扩展由所述光源发出的光束的光束扩展/发散元件(10)，以及会聚扩展的光束至观看区中的光束会聚元件(11)。来自光束会聚元件(11)的光束入射到空间光调制器(SLM)(12)上，并且SLM(12)用于将相位图案和/或振幅图案添加到光束以形成对佩戴头戴式显示装置的用户可见的全息虚拟图像。光束会聚元件(11)产生朝向眼睛会聚的光束或扫描光束轴，这使得能够显示虚拟或全息图像的大视场。

Description

使用空间光调制器生成全息图像的头戴式显示器

相关申请

本申请主张2015年4月15日提交的美国申请号14/636,833的优先权，其内容通过引用文献加入本文中。

技术领域

本发明应用于可穿戴显示器领域。它用于在头戴式显示器中实现轻量化设计。

背景技术

头戴式显示器(HMD)是一种在消费电子行业中日益普及的装置。HMD以及诸如头盔式显示器、智能眼镜和虚拟现实耳机的类似设备允许用户佩戴显示装置，使得不管人的移动而硬件保持固定在他们的头部。

当与环境传感器(如摄像机、加速度计、陀螺仪、指南针和测光仪)结合使用时，HMD可以为用户提供虚拟现实和增强现实的体验。虚拟现实允许用户完全被沉浸到虚拟世界中，其中用户看到的一切都来自显示装置。另一方面，提供增强现实的装置允许用户光学地看环境。由显示装置生成的图像被添加到场景中并且可与环境融合。

HMD的主要元件之一是安装在头部上的显示模块。然而，由于无辅助的人眼不能接受距离眼睛一定距离更近的图像，因此需要眼镜片对显示模块进行重新成像，使得显示看起来处于距用户舒适的观看距离。这种光学配置要求在目镜和显示模块之间有大量空间。此外，如果HMD需要显示具有高质量和宽视角的图像，则需要复杂的镜头。这些镜头经常使的装置非常笨重。

许多方法已被发明以消除HMD中重型镜头的需要。光场显示器使用具有微透镜阵列的高分辨率图像面板，以将图像子集合集成到视网膜的不同部分上。该方法导致图像具有低的有效分辨率。视网膜扫描显示器能够产生分辨率等于激光扫描仪的原始分辨率的图像。然而，严格要求将扫描镜对准眼睛的瞳孔意味着制造适合不同人体测量变化的HMD是非常困难的。

全息HMD通常会遇到几个问题。第一，图像质量通常较差，因为空间光调制器(SLM)仅可用于相位或振幅调制，但不能同时用于两者。计算全息图经常遭受由在视网膜上的不想要的区域中出现的光组成的所谓的零级。第二，在使用激光源的全息显示器中通常可以看到散斑。第三，理想的全息图像要求使用具有与光学波长相当的非常高分辨率或小像素尺寸的SLM。这也意味着全息图像通常需要非常高的计算负荷。最后，全息显示器的图像尺寸或视场(FoV)通常与SLM的像素尺寸成反比。虽然SLM技术的可用像素尺寸随着年限的增长而变小，但在可预见的将来它们仍然太大而无法生成大型全息虚拟图像。

US20090002787(Adrian等人，2009年1月1日公开)参考了使用光学系统通过使形成所显示图像的光发散来增加投影全息图像的尺寸。然而，在空间光调制器之后镜头的使用需求很大。这可以将HMD的重量增加到与基于HMD系统的传统目镜相似的重量。

US5854697A(Caulfield等人，1998年12月29日发布)描述了一种波导全息照明器，其包括薄衬底和用于透射光的平面。全息图安装在一个平面上以产生在空间强度调制发生的区域上具有均匀空间强度特性的全息图像。然而，该专利没有解决全息显示中图像尺寸小的问题。

WO2014064228A1(Tremblay等人，2014年10月2日公开)描述了一种照明装置，其包括用于照射空间光调制器的基本平面的光导元件。其中一个发明使用几个照明源来产生不同角度光谱的背光。WO2012062681A1(Fuetterer，2012年5月18日公开)描述了使用SLM在时空的不同部分中临时复用全息图像的片段以便产生更大的图像。该方法需要拼接几个离散图像，并且可能导致整个图像的不连续性。

WO2014209244A1(Urey，2014年12月31日公开)描述了一种使用针孔成像原理来实现广视场的装置。然而，所描述的HMD装置使用附接到SLM的后表面的微反射器矩阵，SLM经受制造和对准挑战的尺寸限制。来自镜像矩阵的像素化也可能导致HMD中的光学质量差，这加剧了SLM本身的像素大小限制。

WO2014151877A1(Cizmar等人，2014年9月25日公开)描述了一种头戴式显示器，其使用不完全准直的照明光束以通过允许零级散焦来消除零级光，从而在视网膜上扩散能量。然而，这些方法会降低全息图的图像对比度。

发明内容

该设计的原理涉及光学元件的使用来产生朝向或靠近眼睛的会聚扫描光束轴或会聚波前。空间光调制器(SLM)光学地位于入射照明光束和眼睛之间。空间光调制器将相位和/或振幅项添加到入射波前并形成全息图像。该全息图的可能图案可包括许多迷你菲涅耳透镜的叠加，其中当光束照射包含这种图案的SLM的局部区域时，产生点全息虚拟图像。然而，SLM还可以在计算机生成的全息图的已知技术中显示各种其他图案。通过将全息图编码到SLM中的局部区域，点图像将具有位于用户眼睛周围的有限观看区。

在示例性实施例中，头戴式显示装置包括发射高相干光束的光源；扩展由所述光源发出的光束的光束扩展/发散元件；会聚扩展的光束至观看区中的光束会聚元件；空间光调制器(SLM)，来自所述光束会聚元件的光束入射到所述空间光调制器(SLM)上，并且所述SLM用于将相位图案和/或振幅图案添加到光束以形成对佩戴头戴式显示装置的用户可见的全息虚拟图像。

在示例性实施例中，所述光束扩展元件用于形成由所述光源生成的光束的扩展光束波前，所述光束会聚元件用于会聚扫描光束轴，且所述SLM用于显示相位图案和/或振幅图案以形成全息虚拟图像，其中在用户的眼睛处所述光束波前的束腰的空间范围限定所述全息虚拟图像的所述观看区。

为了实现前述和相关目的，本发明包括在下文中充分描述并在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例仅表示可以采用本发明原理的各种方式中的一些。当结合附图考虑时，从以下对本发明的详细描述中，本发明的其他目的、优点和新颖特征将变得显而易见。

技术问题

本发明涉及一种可穿戴显示器的设计，该设计使得该装置相对于已知配置具有减轻的重量而不损害其他技术性能。该设计特别适用于头戴式显示器或具有虚拟现实(VR)和增强现实(AR)应用的智能眼镜。

发明的有益效果

本发明的一个方面是头戴式显示器或固定到头部的类似显示装置。示例性实施例使用光学元件来产生会聚扫描光束轴或朝向或靠近用户眼睛的会聚波前。空间光调制器(SLM)产生适合于实现本发明优点的特定图案的全息图像。通过将全息图编码到SLM中的局部区域，点图像将具有位于用户眼睛周围的有限观看区。

因为在到达SLM之前照明光束已经朝向眼睛或靠近眼睛会聚，所以SLM将不需要具有太小的像素来制造以大角度折射/衍射光。因此，全息图像的角度大小不受SLM的有限像素尺寸的限制。全息图中的点图像被编码到SLM的局部区域上，以这样的方式使得不同点图像的观看区重合。因为光束以大角度会聚，所以全息图像看起来对于用户而言具有大的角度尺寸。

附图说明

在附图中，相似的元件标号表示相同的部件或特征：

【图1】本发明的第一实施例，示出了主要的光学元件

【图2】第一实施例，示出了从微机电系统(MEMS)出射的激光束。图2(a)：在一个时间瞬间的扫描激光束。图2(b)：在两个不同的瞬间时间的扫描激光束。

【图3】第一实施例，示出了全息图像的观看区的视野和尺寸大小。

【图4】第一实施例，示出了实现/设计光会聚元件的可能形状。图4(a)：椭圆形镜子。图4(b)：转换成菲涅耳结构的反射镜。自由形式表面可具有接近椭圆体的曲率。图4(c)：光学元件具有压印到基板中的部分反射表面，基板两侧具有匹配的折射率。图4(d)：光学元件可以成形以形成会聚光线，使得代替将所有光线会聚到单个点，对应于宽视角的光线与近轴光线相比会进一步朝向眼睛的旋转枢轴会聚。图4(e)：对应于凝视方向上的宽视角的光线保持不受眼睛虹膜的阻挡。

【图5】第二实施例，其中静止的激光源被使用以代替扫描激光。

【图6】第三实施例，其中弯曲SLM单元被用于形成全息图。

【图7】第四实施例，其中光束会聚元件形成像散会聚波前。

【图8】第五实施例，其中高空间相干LED被使用以代替激光。

【图9】第六实施例，其中反射型SLM被使用以形成全息图。

【图10】第七实施例，其中光束会聚元件覆盖双眼。

【图11】第八实施例，其中SLM不是物理地位于眼睛前方，而是由光学元件反射使得全息图出现在眼睛前方。

【图12】第九实施例，其中电可切换元件被添加以移动全息图的观看区。

【图13】第十实施例，其中激光扫描器的y位置每个图像帧重置多次。

具体实施方式

本发明的一个方面是头戴式显示器或固定到头部的类似显示装置。在示例性实施例中，显示装置包括高相干光源，光束发散/扩展元件，光会聚元件和空间光调制器(SLM)。空间光调制器将相位和/或振幅项添加到入射波前并产生全息图像。该全息图的可能图案可以包括许多迷你菲涅耳透镜的叠加，其中当光束照射包含这种图案的SLM的局部区域时，点全息虚拟图像被形成。然而，SLM还可以在计算机生成的全息图的已知技术中显示各种其他图案。

因为在到达SLM之前照明光束已经朝向眼睛或靠近眼睛会聚，所以SLM将不需要具有太小的像素来制造以以大角度折射/衍射光。因此，全息图像的角度大小不受SLM的有限像素尺寸的限制。

全息图中的点图像被编码到SLM的局部区域上，使得不同点图像的观看区重合。因为光束以大角度会聚，所以全息图像看起来对于用户而言具有大的角度尺寸。

本发明的硬件是一种显示系统，其包括高空间相干光源、光束扩展/发散元件、光束会聚元件和空间光调制器。

在优选实施例中，光源是扫描激光束。源光束通过使用衍射或折射元件被扩展。接下来是光束会聚元件，其可以是曲面镜。曲面镜使出现的激光束轴朝向眼睛会聚。SLM位于曲面镜后面的光路中。在SLM之后，扫描光束的光束轴保持大致朝向眼睛会聚。然而，现在光束波前沿以小角度准直/发散，使得眼睛可以接纳光束。

尽管光束会聚元件被描述为大致曲面镜，但为了使光学器件更加紧凑，该元件也可以是分段自由形状镜子、菲涅耳自由形状镜子、光波导或具有记录相位/振幅全息特征的表面/体积。

随后的实施例描述了替代方案，例如使用固定光源或弯曲的SLM，以产生全息照明光束以及向用户呈现全息图像的方法。

实施例1

图1-4示出了本发明的第一实施例。头戴式显示装置包括发射高相干性光束的光源、扩展由光源发射的光束的光束扩展/发散元件、以及将扩展的光束会聚到观看区中的光束会聚元件。由会聚元件发射的光入射到空间光调制器(SLM)上，并且SLM被配置为将相位图案和/或振幅图案添加到光束以形成对于佩戴头戴式显示装置的用户可见的全息虚拟图像。如这里所使用的，术语“高相干性”被定义为意思是通过头戴式显示器中的各种光学器件放大之后出射的光束具有大于通常用户的眼睛瞳孔的相干区域。

图1显示了优选实施例中的组件。配置为扫描投影仪1的激光光源用作光源。从投影仪发出的调制激光束通过快速切换的镜子进行角度光栅化。这种投影仪可以基于快速切换双轴微机电系统(MEMS)镜进行二维光栅化激光束。然而，也可以使用其他已知机构用于扫描激光束，例如使用两个单轴扫描镜或声光扫描仪来代替MEMS镜。

激光束穿过光束扩展/发散元件10，其将光束扩展到大于MEMS镜的直径。扩展/发散束的腰尺寸使得在通过HMD系统中的所有后续光学器件和眼睛2的瞳孔3之后，光学器件将允许视网膜4上的小点。在优选实施例中描述的部件10是一种简单的光束扩展器，但也可以包括衍射光学器件、镜面光学器件或用于扩展或发散光束的折射光学器件。另外，如果扩展光源需要合适的光束质量，则部件10也可以具有多个光学元件。

扩展的激光束入射到光束会聚元件11上。会聚元件11使扫描激光束的光轴13以不同的时间在空间中朝向眼睛会聚。激光束的大会聚角200将允许看到具有大视场(FoV)的图像而不需要SLM以大角度偏转光。

从会聚元件11出射的光束遵循光路并且在进入眼睛的瞳孔3之前入射到空间光调制器(SLM)12上。SLM显示相位图案，其可以是与图像或一般全息图图案卷积的核(卷积矩阵)，从而产生眼睛可以容纳的图像。然而，代替或除了显示相位图案之外，SLM还可以向激光束引入振幅调制。

在优选实施例中，SLM12是能够在激光束的偏振中提供相位调制的透明的高分辨率LCD面板。然而，取决于光源的确切偏振状态，以及SLM是否能够进行相位和/或振幅调制，LCD面板还可以在像素矩阵的前面和/或后面包括偏振器，如在现有的液晶显示配置。与诸如反射SLM之类的竞争SLM技术相比，通过消除诸如分束器立方体之类的某些光学元件，LCD可以允许更轻量级的HMD设计。然而，也可以使用其他已知的SLM技术，例如硅上液晶(LCoS)和MEMS镜阵列来代替LCD面板，以实现本发明中描述的其他优点。

如果将透射SLM放置在眼睛前方，则用户仍然可以直接看到现实世界。这可以通过顺序地打开和关闭全息图，以及使会聚元件11部分透明，以及额外的已知有源光学器件来顺序地使现实世界变黑来实现。

瞬时扫描激光束13的激光束波前被示出在图2(a)中(元件14-16)，而图2(b)示出了在两个时刻的扫描激光束的波前。通常，光束扩展元件用于形成由光源形成的光束的扩展光束波前，并且光束会聚元件用于会聚扫描光束15的光束轴。SLM用于形成全息虚拟图像，其中在用户的眼睛处，扫描束腰19的重叠/交叉区域的空间范围限定了虚拟图像的观看区。参照图2(a)，扩展/发散激光束波前14被扩展并可以(但不是必须)由于元件10而被发散。SLM12显示相位全息图并产生弱发散/准直束波前16使得眼睛能够容纳全息图像。该光束16的发散使得由光束产生的虚拟图像的视距将测量在距眼睛20cm到无穷远之间。眼睛将该光束聚焦到视网膜上并将其解释为点图像。

使用激光扫描投影仪生成全息图与使用静态光源相比具有以下几个优点：

首先，光束扩展/发散元件10可能很小并且可能具有比光束会聚元件11更强的功率，因此会聚扫描激光束轴15可能已具有接近眼睛可以容纳的弱发散。如果是这种情况，那么由SLM12显示的相位掩模将不需要提供如此大的相位调节，因为SLM将不需要将会聚波前转变为发散波前。由于像素尺寸是SLM的主要限制技术之一，因此该配置可以提供与入射到SLM上的波前会聚的那些相比较高的图像质量。

除了在视网膜4上创建点之外，SLM12还可以产生单相轮廓，使得视网膜看到扩展图像。在这种情况下，SLM的相位轮廓将是许多点图像的全息图的叠加。

其次，因为光束按时间顺序地照射SLM的不同区域，所以可以减少彼此叠加的相位掩模的数量。通过每个图像帧显示多个全息图，可以按时间顺序分离几组叠加的相位掩模。这可以导致更简单的全息图生成算法和更好的图像质量。SLM仅需要每个图像帧更新一次或不多于少量次。

对于彩色图像，三个激光器可按顺序或以多路方式被扫描，并显示适当的全息相位图像。然后，图像的每个部分的亮度可以是激光亮度的变化和/或SLM上的全息图的透射的合并。

SLM可通过向光束添加相位图案和/或振幅图案从来自相位和/或振幅方法的光束创建全息视图以形成全息图像。相位和/或振幅全息图可以用另外的偏振器或具有偏振激光源制成。振幅全息图将需要额外的偏振器。

尽管附图已经将会聚光束轴描绘为直接通过眼睛的瞳孔会聚，但也可以具有这样的配置，其中未衍射光束会聚到靠近眼睛的区域而不是直接通过瞳孔。在这种情况下，只有通过SLM衍射的光才会进入眼睛。这对于使得非衍射零级光束对用户不可见是有用的。然而，也可以使用从观察者中消除或隐藏未衍射光束的其他已知方法。

图3是第一实施例的三维视图，更清楚地示出了设置的几何形状。除了SLM12的最大相位/振幅调制振幅/频率之外，系统的FoV 201由激光束轴的会聚角200限定。观看区202的尺寸(眼睛需要放置以观察整个图像的位置)由出射/衍射扫描激光束的重叠区域以及相位和/或振幅掩模图案17的尺寸限定。理想情况下，该区域应该大于眼睛的瞳孔并且为眼睛的旋转提供足够的空间。

装置显示的虚拟图像的位置还可以通过改变SLM上的相位图案全息图17的调制振幅/空间频率来控制。由SLM显示的示例性相位图案/内核可以采用菲涅耳透镜的形式。尽管相位图案/内核在整个SLM平面上可以是平移不变的，以便更快地计算时间，但是作为SLM上的位置的函数而变化的相位图案将提供更稳健的特征。例如，空间变化的相位图案可以校正轴外像差(由于光学元件和SLM的非理想的离轴行为或校正用户的眼睛处方)针对激光束的大扫描角度下产生的虚拟图像。或者，在SLM的边缘处具有具有高空间频率调制的相位图案可以增加图像的视场(FoV)。

优选实施例中的光束会聚元件11被配置为曲面镜，其中一侧涂有高反射率材料。该镜子的一种可能形状是如图4a所示的椭圆体的一部分。椭圆体包括两个焦点，允许从光源1到瞳孔3的无像差成像。镜子也可以制成如图4b所示的菲涅耳透镜，其中椭圆体/自由曲面的轮廓203被分段并制成成为一个薄的压缩元件。该元件也可以压印到如图4c所示的材料中，其中透明基板205的两侧具有匹配的折射率，并且弯曲的元件表面涂覆有薄且部分反射的涂层204。在这种情况下，穿透元件的光(来自现实世界)将不会经历折射透镜，因为与反射材料的间隙很薄，但是由反射材料204反射的光将看到具有光学能力的元件因为光被曲面反射。

通常，光束会聚元件可以是被优化以将一个点(光源)聚焦到另一个点(眼睛)的任意形状的通用自由形式元件。由于瞳孔3的有限区域和镜子的分割导致每个菲涅耳区域中的曲率中心的偏移，元件11的最佳形状可以是从椭圆体扰动的一些自由形状形状。这种自由表面可通过光学建模软件中的数值优化进行设计。

光束/光线207在较高或较宽角度的会聚点会聚在与光轴轴向的近轴(小角度)的光束/光线206不同的位置是可能的。当眼睛移动以便以高分辨率观察更宽的角度区域时，瞳孔3将随着这种眼睛移动而移动。使具有广角的光线207进一步向后会聚靠近眼睛旋转的枢轴将允许瞳孔拦截指向中央凹附近的该光束。指向远离中央凹的其他射线208通常不太重要，如果它们被眼睛的虹膜阻挡(虚线)，则对用户的观看体验的影响较小。这可以是可以结合到全息图的创建中的校准点或者通过镜子11的设计的机械设置。

虽然光束会聚元件被绘制成包括单个反射表面，但是这种元件在不失一般性的情况下也可以被配置为利用具有使用已知的提取方法来产生会聚/定向/准直光束的波导/光导型背光的扁平元件。扁平元件可用固定的激光器或LED光源或投影系统进行照明，以进行时序操作。背光和SLM面板可形成扁平模块化布置的基础，其中每个部件由一层堆叠组成。这种方法的优点在于显示器薄而轻，并且可以包括在不大于一副眼镜的眼睛单元中。

本说明书中的后续实施例将参考第一实施例进行，并且将仅讨论后续实施例与第一实施例之间的差异。

实施例2

第二实施例被示出在图5中，其中静态非扫描光源20被使用以代替扫描MEMS投影仪。光源20可包括分别产生多个激光束的多个激光元件，这些激光束可以是不同的颜色，例如红色、绿色和蓝色。然而，具有足以照亮全息图的高空间相干性的其他光源也可被使用，例如LED。激光元件可按时间顺序接通和断开以与SLM12同步，以便将不同颜色的全息图叠加在彼此之上。从光源20发出的光穿过光束发散元件21。元件21与第一实施例中的元件10不同，因为元件21用于以更大的角度发散光源发出的光而不是仅扩展光束。这种元件可以由简单的销孔制成。然而，发散元件还可包括其他折射/衍射部件，例如光束均化器或光束整形器光学器件，以在光束会聚元件11上产生更理想/均匀的振幅分布。

所产生的发散光束波前22以填充光束会聚元件11的大角度出射。光束22可以溢出或未填满光束会聚元件11。溢出的光束可在整个图像上提供具有更好亮度均匀性的全息图像。而未填满的光束可以允许更节能的装置。从光束会聚元件11射出的波前23朝向眼睛2会聚。与第一实施例不同，其中扫描光束轴的会聚角确定FoV，这里波前的会聚角确定全息图的FoV。

光束通过显示全息相位掩模的空间光调制器12，产生宽的FoV全息图。从某种角度来说，这里所需的相位掩模与第一实施例的不同之处在于它需要从大的会聚光束构造全息图。观看区的大小近似由眼睛瞳孔处的束腰确定。与第一实施例相比，这种配置提供了优点，因为它具有较低的制造成本和较少的部件。

实施例3

图6示出了第三实施例，其中使用了弯曲的SLM 30。SLM表面可以垂直于会聚光束轴或会聚光束波前。由于SLM技术(例如液晶面板)在光从其表面法线以大角度入射时经常遭遇性能问题，因此与扁平SLM相比，这种配置在提供更好的光学质量方面具有优势。

实施例4

图7a-b示出了第四实施例，其中光束会聚元件40具有散光特性。从该元件出射的光束轴朝向两个正交的像散线会聚。由于重叠的束腰的尺寸决定了HMD观看区的尺寸，因此这种元件将允许沿一个轴的较大观看区尺寸和沿正交轴的较宽FoV。该配置用于优化具有不同宽高比的显示器，并且还可用于校正用户眼中的处方。

实施例5

图8示出了第五实施例，其中具有高空间相干性的多个LED光源50被使用以代替激光器。光源可以是单个LED、不同位置的多个LED、可寻址LED的矩阵或不同颜色的LED。使LED与光轴的距离不同将允许全息图具有不同的观看区或图像处于空间中的不同位置；然而，使LED沿着光轴具有处于不同光学位置将允许全息图在扩展的深度范围产生点图像，而不需要在SLM中应用过大的相位调节。

LED的使用可以消除激光特有的问题，例如斑点的存在。理想的LED将具有窄的色谱，因为全息图可能引入色散。然而，如果SLM 12上显示的相位图案/核心关于每个全息点图像旋转对称，则窄谱可能不是关键的，因为通过变化的波长产生的所有点图像将沿着相同的视线。

实施例6

图9示出了第六实施例，其中反射SLM 61被使用以代替透射SLM。这种SLM可以基于硅上液晶(LCoS)或MEMS技术。这种系统的优点是较小的像素和双通光路径。较小的像素将允许更好的图像质量和更大的图像尺寸；而通过SLM的双通光路径会减小SLM所需的相位厚度，在某些情况下会提高开关速度。在该实施例中，分束器立方体60可用于将来自SLM的光引导到观看区中。在第一实施例中初始描述的光会聚元件可被制成折射透镜的形式，并且可以放置在分束器之前或者集成作为分束器光学器件的一部分。

实施例7

图10示出了第七实施例，其中单个光束会聚元件70被用于覆盖双眼。一个或多个SLM 71和一个或多个光源1被使用。这种配置可以允许更宽的FoV，因为相同的SLM和光会聚元件可被双眼共享。通过在不同时间顺序照射SLM的重叠区域的多个光源的使用，SLM可以产生具有不同观看区的全息图。

实施例8

图11示出了第八实施例，其中SLM 12物理上不位于眼睛前方，而是其图像被已知的光学元件80(例如用于反射来自SLM的光至观看区的镜面或其他反射器和光导)反射，使全息图看起来在眼睛的前面。如果元件80是部分透明的，那么这样的装置将允许用户直接观看真实世界，允许全息图像看起来漂浮在真实世界中的增强现实中的潜在应用。光源1可为如上所述扫描或非扫描。

实施例9

图12a-b示出了第九实施例，其中观看区引导元件90被放置在沿着HMD的光路靠近光源。该元件可以是光学相位延迟器、SLM或其他已知的移动光束的技术。如果与凝视跟踪器组合，则本实施例可以允许全息图的观看区根据用户的眼睛位置(91a-b)移动。这可以进一步改善周边视觉并因此改善视野。

实施例10

图13示出了第十实施例，其中由扫描激光器产生的激光束的光束扫描路径101不同于激光扫描投影仪中使用的传统方法。在一个图像帧期间，y轴光束如102指示那样复位几次至接近零的位置。在每次复位中，y轴通过束腰100限定的量进行偏移。在每一y轴复位之后，激光器产生不与前一路径完全重叠的光束路径。同时，在每一y复位的情况下，SLM 12可以显示逐渐移位的相位图案或者根本不显示移位。这可能是有用的，因为SLM通常具有比激光扫描器可以振荡慢得多的切换速度。利用MEMS装置可以实现每个y轴复位的光束路径的偏移。然而，光束路径偏移也可以使用已知能够替代激光束的其他附加部件来实现。

本发明的一个方面是头戴式显示装置。在示例性实施例中，头戴式显示装置备包括发射高相干光束的光源、扩展由光源发射的光束的光束扩展/发散元件、将扩展的光束会聚至观看区的光束会聚元件、以及将来自光束会聚元件的光束入射到其上的空间光调制器(SLM)。SLM用于将相位图案和/或振幅图案添加到光束以生成佩戴头戴式显示装置的用户可见的全息虚拟图像。头戴式显示装置可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，光源包括发射由扫描镜角度光栅化的调制激光束的扫描投影仪。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，扫描投影仪包括双轴微机电系统(MEMS)镜。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，光源包括静态非扫描光源，其包括可与SLM同步地顺序切换以叠加不同的全息虚拟图像的多个激光元件。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，光源包括一个或多个发光二极管(LED)，每个发光二极管分别产生全息虚拟图像，其中LED的位置产生不同的观看区或全息虚拟图像的不同位置。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，光源包括扫描激光器，并且沿垂直于光路的y轴的扫描由激光束的束腰限定的量进行偏移。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，SLM是透明液晶显示面板。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，光束扩展元件用于形成由光源生成的光束的扩展光束波前，光束会聚元件用于会聚扫描光束轴并且SLM用于显示相位图案和/或振幅图案以形成全息虚拟图像，其中在用户的眼睛处光束波前的束腰的空间范围限定全息虚拟图像的观看区。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，光束会聚元件是在一个弯曲侧上具有反射涂层的曲面镜。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，光束会聚元件被配置为菲涅耳透镜。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，光束会聚元件包括透明基板和具有反射涂层的弯曲元件。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，SLM是弯曲的。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，光束会聚元件是像散的以使光束朝两个正交的像散线会聚。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，SLM是反射SLM。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，所述装置进一步包括用于将来自所述SLM的光引导至观看区的分束器。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，所述光束会聚元件包括折射透镜。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，所述装置包括单个光束会聚元件与多个SLM和/或多个光源的组合。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，所述装置进一步包括用于将来自所述SLM的光束反射到观看区中的光学元件。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，所述光学元件是部分透明的。

在头戴式显示装置的示例性实施例中，所述装置进一步用于根据用户的眼睛位置移动观看区的观看区引导元件。

尽管已经关于某个实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员在阅读和理解本说明书和附图时可以想到等同的改变和修改。特别是关于由上述元件(部件、组件、装置、组合物等)执行的各种功能，用于描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应，除非另有说明，对于执行所述元件的指定功能的任何元件(即功能上等同的)，即使在结构上不等同于在本发明的示例性实施例或本发明的实施例中执行功能的所公开的结构。另外，虽然上面仅针对若干实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但是这样的特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合，这对于给定或特定的应用可能是期望的和有利的。

工业适用性

工业应用将主要用于可穿戴显示器，特别是用于实现轻型头戴式显示器(HMD)。使用全息型HMD的主要优点是所形成的图像内容中的所有3D光学深度线索的表现，以及允许在不损害FoV和分辨率的情况下制造轻质HMD装置的可能性。该系统重量轻，因为不需要大的目镜透镜。通过在空间光调制器之前使用光学元件来实现大的FoV全息图，以产生扫描光束轴或朝向眼睛会聚的波前。使用本发明制造的硬件可用于消费者和专业市场的虚拟现实(VR)和增强现实(AR)的领域。由本发明制造的HMD可以具有包括日常使用、游戏、娱乐、任务支持、医疗、工业设计、导航、运输、翻译、教育和培训的应用。

参考标号清单：

1：激光源

2：眼睛

3：眼睛的瞳孔

4：眼睛的视网膜

10：扩束/发散元件

11：光束会聚元件

12：空间光调制器(SLM)

13：瞬时激光束的光束轴

14：扩展/发散激光束波前

15：具有光束轴朝向/靠近眼睛的瞳孔会聚的扫描激光束

16：从SLM出射的点图像的发散波前

17：根据第一实施例通过空间光调制器向光添加的相位和/或振幅图案

18：由全息图创建的点的虚拟图像

19：扫描激光束的重叠区域。

20：根据第二实施例的静态(非扫描)激光源

21：根据第二实施例的光束发散元件

22：发散波前

23：朝向眼睛会聚的波前

30：根据第二实施例的弯曲的SLM

40：根据第四实施例的产生像散会聚波前的光束会聚元件

50：根据第五实施例的多个高空间相干LED光源

60：根据第六实施例的分束器立方体

61：根据第六实施例的反射SLM

70：根据第七实施例的光会聚元件

71：根据第七实施例的SLM

80：根据第八实施例的光导或反射器

90：根据第九实施例的观看区引导元件

91a-b：通过观看区引导元件切换的不同位置处的观看区/视点。

100：激光的束腰

101：激光束的扫描路径

102：激光扫描仪的y轴(激光关闭)的复位

200：根据第一实施例的激光束的会聚角

201：根据第一实施例的全息图像的视场

202：根据第一实施例的观看区的尺寸

203：根据第一实施例的椭圆体菲涅耳透镜的轮廓

204：根据第一实施方案的部分反射涂层

205：根据第一实施例的透明基板

206：从光轴从小角度(近轴)会聚的光的会聚点

207：对应于宽视角的光的会聚点

208：被眼睛/眼睛的虹膜阻挡的光线

Claims (20)

1.一种头戴式显示装置，包括：

发射高相干光束的光源；

扩展由所述光源发出的光束的光束扩展/发散元件；

会聚扩展的光束至观看区中的光束会聚元件；以及

空间光调制器(SLM)，来自所述光束会聚元件的光束入射到所述空间光调制器(SLM)上，并且所述SLM用于将相位图案和/或振幅图案添加到光束以形成对佩戴所述头戴式显示装置的用户可见的全息虚拟图像。

2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述光源包括发射调制激光束的扫描投影仪，所述调制激光束通过扫描镜角度光栅化。

3.如权利要求2所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述扫描投影仪包括双轴微机电系统(MEMS)镜。

4.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述光源包括包括多个激光元件的静态非扫描光源，所述多个激光元件与所述SLM同步地顺序切换以叠加不同的全息虚拟图像。

5.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述光源包括一个或多个发光二极管(LED)，每个发光二极管分别产生全息虚拟图像，其中LED的位置产生不同的观看区或全息虚拟图像的不同位置。

6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述光源包括扫描激光器，并且沿垂直于光路的y轴的扫描由所述激光束的束腰限定的量进行偏移。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述SLM是透明液晶显示面板。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述光束扩展元件用于形成由所述光源生成的光束的扩展光束波前，所述光束会聚元件用于会聚扫描光束轴，且所述SLM用于显示相位图案和/或振幅图案以形成全息虚拟图像，其中在用户的眼睛处所述光束波前的束腰的空间范围限定所述全息虚拟图像的所述观看区。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述光束会聚元件是在一个弯曲侧上具有反射涂层的曲面镜。

10.如权利要求1-8中任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述光束会聚元件被配置为菲涅耳透镜。

11.如权利要求1-8中任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述光束会聚元件包括透明基板和具有反射涂层的弯曲元件。

12.如权利要求1-11中任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述SLM是弯曲的。

13.如权利要求1-12中任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述光束会聚元件是像散的以使光束朝两个正交的像散线会聚。

14.如权利要求1-13中任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述SLM是反射SLM。

15.如权利要求14所述的头戴式显示装置，其进一步包括用于将来自所述SLM的光引导至观看区的分束器。

16.如权利要求14-15中任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述光束会聚元件包括折射透镜。

17.如权利要求1-16中任意一项所述的头戴式显示装置，包括单个光束会聚元件与多个SLM和/或多个光源的组合。

18.如权利要求1-17中任意一项所述的头戴式显示装置，其进一步包括用于将来自所述SLM的光束反射到观看区中的光学元件。

19.如权利要求18所述的头戴式显示装置，其特征在于：所述光学元件是部分透明的。

20.如权利要求1-19中任意一项所述的头戴式显示装置，其进一步包括用于根据用户的眼睛位置移动观看区的观看区引导元件。