CN109791253A - 具有光学耦合的头戴式成像设备 - Google Patents

Abstract

一种头戴式虚拟图像显示设备具有投影仪，该投影仪沿投影轴线引导图像承载光束。平面波导配置为通过输入孔径接收图像承载光束，并形成从波导的输出孔径输出的扩展的图像承载光束。光学耦合器配置为沿投影轴线接收图像承载光束，相对于波导重新定向投影轴线，使图像承载光束围绕投影轴线旋转，并沿重新定向的投影轴线引导旋转的图像承载光束通过波导的输入孔径。

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电子显示器。

背景技术

包括呈类似于常规眼镜或太阳镜的形式的近眼显示器的头戴式显示器(HMD)正在开发用于一定范围的各种用途，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。对于这些应用中的许多应用，在形成可在视觉上叠加在位于HMD用户的视场中的现实世界物体场景图像上的虚拟图像方面具有特殊价值。

总体上，HMD光学器件必须满足观看者接受的许多基本要求，包括以下：

(i)足够的良视距或眼睛间隙。良视距范围基于观看者舒适度和人眼本身的光学构造来限定。实际上，HMD光学器件的最后光学表面与观看者的眼睛之间的距离优选地高于约20mm。

(ii)适当的光瞳尺寸。光瞳尺寸要求基于观看者面部结构中的生理差异以及观看期间的凝视转向。已发现直径至少约10mm的入射光瞳尺寸是合乎需要的。

(iii)视场。宽视场是优选的。对于许多视觉任务，如瞄准和物体识别，认为接近约50度的视场(FOV)是合乎需要的。

(iv)亮度。生成的虚拟图像应具有足够的亮度，以获得良好的可视性和观看者舒适度。

方面(i)-(iii)涉及眼罩，其限定了一定容积，在该容积内，观察者的眼睛可舒适地观看虚拟图像。眼罩的尺寸部分地取决于从图像源到观察图像位置的光的路径长度和图像源尺寸，并且部分地取决于图像源的发散和/或在其由图像源发射之后的光的准直。眼罩的期望尺寸在很大程度上取决于从显示器所期望的观看体验的质量以及意图要在其上观看虚拟图像的眼睛位置的范围。

除了光学要求之外，HMD设计还应该考虑处理实际因素，如可变面部几何形状，预期为了穿着舒适性、重量和成本而减小尺寸的可接受的形状因子，以及易用性。

大多数HMD系统的目标是使成像/中继系统尽可能紧凑；然而，当使用常规光学器件时，存在基本限制。光学系统的输出应该具有足够大的光瞳以填充观看者的眼睛的瞳孔并且还允许眼睛的一些移动。在双目系统中，还存在不同用户之间的不同的眼内距离以及光学系统的输出光瞳需要允许这种情况的问题。

许多近眼HMD装置使用平面波导。这些装置通常采用一系列光学衍射光栅和全内反射(TIR)来沿侧向平移投影系统的出射光瞳，使得投影系统可位于观察路径的侧面，如在观看者的头部旁边。光波导还在一维或二维中扩展出射光瞳，使得可减小成像光投影系统的尺寸。这允许投影系统的出射光瞳非常小，同时放大眼罩并允许投影系统移出观看者的视场线(line of site)。同时，波导可为透明的，因此虚拟图像可叠加在周围环境上。

由于大量的投影光学器件沿侧向平移出用户的视线并且高度紧凑，因此仍然存在这样的希望：将投影构件构造成与眼镜更一致的形状因子，并因此更广泛的用户群体可接受。已经提出了许多途径来使用棱镜或镜子来弯折光路。然而，净效应通常是投影构件的笨拙放置，如使这些构件进一步从波导移除，从而提高了头戴式装置的尺寸要求。

所提出的途径的另一个困难涉及成像高宽比和装置形状因子，它们通常用于投影装置，并且已经适于与显微投影仪和所谓的“微型投影仪”装置一起使用。例如，投影的成像高宽比可为9比16(9:16)。相应地设计投影装置具有较短的垂直(高度)尺寸和较大的水平(宽度)尺寸。这使得采用具有波导HMD的常规投影仪设计变得麻烦；通过将投影仪旋转90度并允许投影仪贴靠观看者的头部紧贴地配合而不是水平向外延伸，将实现更合适的高宽比。然而，这种布置将减少可用的图像区域。

因此，存在对于这样的HMD的需要：其结合了更紧凑的投影仪并允许投影仪旋转并使投影仪位置靠近观看者头部的侧面。

发明内容

本公开的一个目的在于使用头戴式装置来推进虚拟图像呈现的技术。有利地，本公开的实施例提供了与眼镜的一般形状因子兼容的光耦合解决方案，并且允许使用被旋转并靠着观看者头部侧面配合的投影仪光学器件。

通过审阅优选实施例的以下详细描述和所附权利要求书，并通过参考附图，本发明的这些和其它方面、目的、特征和优点将更清楚地得到理解和了解。

根据本公开的一方面，提供了一种头戴式虚拟图像显示设备，包括：

a)投影仪，其沿投影轴线引导图像承载光束；

b)平面波导，其相对于投影轴线成钝角定向，其中波导配置为通过输入孔径接收图像承载光束，以扩展图像承载光束，并通过平面波导的输出孔径输出扩展图像条形光束，其中输出孔径沿平面波导与输入孔径间隔开；以及

c)光学耦合器，其配置为沿投影轴线接收图像承载光束，相对于平面波导重新定向投影轴线，使图像承载光束绕投影轴线旋转，以及引导旋转的图像承载光束沿重新定向的投影轴线通过平面波导的输入孔径。

光学耦合器可包括面向投影仪并且具有重新定向投影轴线的第一反射表面的第一棱镜；以及光学耦合到第一棱镜并具有进一步重新定向投影轴线的第二反射表面的第二棱镜。另外，光学耦合器还可包括第三棱镜，该第三棱镜光学耦合到第二棱镜并且具有第三反射表面，该第三反射表面还进一步使投影轴线相对于波导重新定向成锐角。投影仪的光阑可设置在光学耦合器内。

平面波导优选地配置成沿中心输入光束轴线通过输入孔径接收图像承载光束，并且光学耦合器优选地配置成将投影轴线重新定向成与中心输入光束轴线对准。另外，平面波导优选地配置为沿中心输出光束轴线通过输出孔径输出扩展的图像承载光束，并且中心输入光束轴线优选地在面对投影仪的平面波导的一侧上与中心输出光束轴线相交。

附图说明

尽管本说明书以特别指出并明确要求保护本发明的主题的权利要求书作出结论，但相信通过结合附图考虑的以下描述，本发明将得到更好的理解，在附图中：

图1是包括安装在观看者头部上的虚拟图像显示设备的HMD的俯视示意图。

图2A,2B和2C是平面波导的俯视示意图，其包括内耦合和外耦合衍射光学器件，用于以各种角度关系将图像承载光束导入和导出波导。

图3A是由三个直角棱镜形成的光学耦合器的透视图。

图3B是图3A的光学耦合器的分解视图。

图4A是用于正交地旋转由光轴穿过的图像的光学耦合器的透视图，该光轴具有延伸通过光学耦合器的正交线段。

图4B是用于正交地旋转由光轴穿过的图像的光学耦合器的类似透视图，该光轴具有延伸通过光学耦合器的非正交线段。

图5是用于正交地旋转由光轴穿过的图像的图4B的光学耦合器的透视图，该光轴具有延伸通过光学耦合器的非正交线段。

图6是图5的光学耦合器的俯视图，示出了穿过光学耦合器的光轴的备选路径。

图7A是光学耦合器的分解视图，示出了通过光学耦合器的单独棱镜的图像的渐进旋转。

图7B是示出倾斜表面在平面上的垂直投影的示意图。

图8是虚拟图像显示设备的透视图，该图像显示设备包括耦合到波导用于产生虚拟图像的投影仪。

图9是示出围绕延伸通过光学耦合器的棱镜的轴线成角度地分布的光路的示意图。

图10A,10B,10C,10D和10E示出了沿在光学耦合器内并穿过光学耦合器的光路的不同位置处的投影仪光束的正交横截面。

具体实施方式

本描述具体针对形成根据本发明的设备的一部分或更直接地与该设备协作的元件。应当理解，未特别示出或描述的元件可采用本领域中的技术人员公知的许多形式。

在本文中使用它们的地方，用语“第一”、“第二”等不一定表示任何序数、顺序或优先级关系，而是仅用于更清楚地将一个元件或元件集与另一元件或元件集区分开，除非另有规定。用语“顶部”和“底部”不一定指定空间位置，而是提供关于结构的相关信息。

在本公开内容的上下文中，用语“观看者”、“操作者”、“观察者”和“用户”被视为是等同的，且表示穿戴HMD观看装置的人。

如本文所使用的，用语“可激励的”指代装置或构件组在接收功率时、并且可选地在接收到启动信号时执行指示的功能的能力。

本文使用的用语“集”是指非空集，因为在初等数学中广泛理解元素集合或集中的成员的概念。除非另有明确说明，否则用语“子集”在本文中用于指代非空真子集，即，具有一个或多个成员的较大集的子集。对于集S，子集可包括整个集S。然而，集S的“真子集”严格包含在集S中并且排除集S中的至少一个成员。

在本公开内容的上下文中，用语“倾斜”是指不是90度的整数倍的角度。例如，如果两条线、线性结构或平面以远离平行至少约5度或更多、或远离正交至少约5度或更多的角度而远离彼此分开或朝向彼此会聚，则认为这两条线、线性结构或平面相对于彼此倾斜。“钝角”大于90°但小于180°。

在光学器件的上下文中的用语“耦合”或“耦合器”指的是这样的连接：通过该连接，光通过便于该连接的中间结构从一个光学介质或装置传播到另一个光学介质或装置。

作为真实图像投影的替代，光学系统可产生虚拟图像显示。相比于形成真实图像的方法，虚拟图形未形成在显示表面上。即，如果显示表面定位在虚拟图像的感知的位置，则没有图像会形成在该表面上。虚拟图像显示器具有增强的现实显示器的许多固有优点。例如，虚拟图像的外观尺寸不受显示表面的尺寸或位置限制。相比于投射真实图像的系统，形成看起来在一定距离之外的虚拟图像可提供更逼真的观看体验。提供虚拟图像也避免了补偿屏幕伪影—这在投影真实图像时可能是必要的—的任何需要。

图1中示出了在框架58内的HMD(头戴式显示器)10，框架58安装在观看者的面部上以提供近眼显示。在下面的描述中，参考如图1所示的观看者14的右眼描述光路构件、间隔和约束。相同的特征和约束可以可选地应用于左眼，具有并行的构件和构件定位的相应变化。

在双目虚拟图像显示设备12中，可为观看者14的每只眼睛提供平面波导20。在如图1所示的这种双目系统中，从俯视图考虑的两个平面波导20相对于彼此以钝"V形"角φ设置。根据本公开的实施例的单眼系统提供单个投影仪30和对应的波导20，以及如下面更详细描述的支持光学器件。观看者14具有相应的环境视场(FOV)或通过透明波导20的观看路径。FOV基本上围绕中心轴线CA定中，中心轴线CA可相对于平面波导20垂直或倾斜。在图1的示例性系统中，中心轴线CA是倾斜的，与平面波导20的法线N成角θ。

波导20由玻璃或其它透明光学材料形成，并且包含两个或更多个嵌入式光学光栅，其与波导结构内的TIR协作，以使入射的图像承载光束重新调整大小以及改变方向进入和离开波导20。例如，波导20具有相对于入射输入光束26和离开输出光束28的特征行为，如图2A,2B和2C所示。引导通过输入孔径22的图像承载光束沿波导20传播，如通过全内反射(TIR)，并通过输出孔径24离开波导20。其嵌入式光栅的周期性结构和定向使平面波导的平面P中的两个正交方向上的图像承载光束变宽，有效地扩大了由图像承载光束之间的重叠区域形成的光瞳尺寸。例如，当认为是图像承载光束的最中心的输入光束26指向平面P的法线N1时，相应的最中心输出光束28在平面P的法线N2处离开，如图2A所示。虽然这种布置通过使用图1的HMD是可行的，但是包括观看者解剖结构、构件封装和间隔、可用性和图像质量的实际因素大体上迫使将中心输入光束26以关于波导20以倾斜角入射的方式定向。

在对称保持布置中，当中心输入光束26以与平面P成倾斜入射角定向时，对应的中心输出光束28以相应的倾斜角离开，如图2B和2C的实例中所示。在图2B的配置中，中心输入光束26的轴线A1相对于波导20的平面P以钝角α1定向。中心输出光束28的轴线A2相对于平面P以相同的钝角α1定向。中心输入光束26的轴线A1在观看者的视场FOV内的波导20的外侧上的点16处与中心输出光束28的轴线A2相交。

在图2C的配置中，中心输入光束26的轴线A1(也称为中心输入光束轴线A1)相对于波导20的平面P以锐角α2定向。中心输出光束28的轴线A2(也称为中心输出光束轴线A2)相对于平面P以相同的锐角α2定向。这里，中心输入光束26的轴线A1在波导20的观看者侧的点18处与中心输出光束28的轴线A2相交。

在对称保持布置中使中心输出光束轴线A2等同于图1的FOV的中心轴线CA，中心输入光束轴线A1在波导20的观看者侧上与中心输出光束轴线A2相交，如图2C中所示。也就是说，沿轴线A1(以虚线轮廓示出)的中心输入光束26相对于波导20的平面P通过锐角α2来定向，与中心输出光束沿轴线A2的对称定向类似。利用这种关系，两个轴线A1和A2在波导20的观看者侧相交，如图2C所示。

还如图1所示，投影仪30沿HMD 10的框架58的一部分定位，其称为边撑(temple)部件32。为了配合观看者的头部，边撑部件32相对于波导20的平面P以钝角定向。投影仪30可为微型投影仪，例如，其使用固态光源和一些类型的光束调制，如来自Texas Instruments的微镜阵列或数字光处理(DLP)装置。投影仪的聚焦光学器件将由投影仪产生的真实图像编码为以投影轴线A3为中心的一组角度相关的图像承载光束。由于投影仪30如图所示沿边撑32安装，因此投影轴线A3也相对于波导20的平面P以钝角定向。因此，相对于波导20，投影轴线A3相对于波导20的平面P的角度定向相对于中心输入光束轴线A1的定向相反地偏斜，这是为了将光适当地引导到波导20中以沿着对应于预期FOV的中心轴线CA的中心输出光束轴线A2到达观看者的瞳孔所需要的。因此，投影仪30的投影轴线A3需要改变方向成与中心输入光束26的轴线A1对准。为了如图所示将投影仪30沿边撑32以紧凑构造安装，本公开的实施例采用光学耦合器40，其使来自投影轴线A3的光改变方向成与中心输入光束轴线A1对准。

投影仪30优选也是具有高宽比的类型，例如优选9:16的高宽比，其中所生成的图像的宽度超过所生成的图像的高度。不平衡的高宽比影响投影仪40及其光学器件的相应尺寸。通过使投影仪30绕投影轴线A3旋转90度，可使HMD更紧凑，使得编码图像的宽度尺寸的图像承载光束的角度范围正交于图1的视图定向。因此，除了将投影轴线A3与中心输入光束26的轴线A1对准之外，光学耦合器40还可布置成使编码图像沿相反方向旋转90度，以将编码图像的定向恢复，以意图作为虚拟图像查看。

图3A的透视图和图3B的分解图示出了根据本公开的实施例的光学耦合器40，用于重新定向由字母“R”示意性地表示的编码图像。光学耦合器40可由三个直角棱镜PM1,PM2和PM3组装而成，它们协作以旋转图像“R”。输入棱镜PM1的入射面沿投影轴线A3从投影仪30接收图像承载光。图像承载光从棱镜PM1的反射表面M1朝向中间棱镜PM2反射，从而弯折投影轴线A3作为标记为轴线A3'的内部弯折的投影轴线。棱镜PM2的反射表面M2进一步将图像承载光朝向棱镜PM3反射，从而进一步弯折内部弯折的投影轴线A3'。棱镜PM3的反射表面M3还进一步将图像承载光反射出光学耦合器40，从而又进一步弯折内部弯折的投影轴线A3'，其离开光学耦合器40作为标记为A3"的偏移投影轴线。沿偏移投影轴线A3''的图像承载光相对于其初始定向围绕投影轴线A3旋转90度，这示为图像“R”旋转经过90度。角度编码的图像承载光束可分别为准直光束(即，一束平行光线)的形式，该准直光束在两个正交平面中具有独特的角定向。在重叠的位置内，如在光学耦合器40的出口处，放置在该位置的透镜可在一个焦距之外的表面上形成真实图像，如图像“R”。在所示的版本中，偏移投影轴线A3"保持与投影轴线A3平行，具有光学耦合器40的旋转功能。

棱镜PM1,PM2和PM3的反射表面M1，M2和M3可为镜面，如电介质或金属化表面。备选地，在棱镜材料的折射率足够高的情况下，可使用全内反射(TIR)，消除了对用于弯折光轴A'的反射涂层的需要。棱镜PM1,PM2和PM3可沿它们的邻接面彼此粘合，如利用折射率匹配粘合剂。可沿光学耦合器40的输入和输出表面提供抗反射涂层。

虽然图3A和3B中所示的布置提供了图像“R”的期望旋转，但是也可能需要投影轴线A3与中心输入光束26的轴线A1的对准以适应眼镜框架，如框架58，其具有安装在投影仪上的边撑32，边撑32与波导20的平面P成钝角定向。

图4A以新的定向再现图3A和3B的光学耦合器40，以与作为图4B中的光学耦合器40A参照的光学耦合器的修改版本进行比较。在沿偏移投影轴线A3''从光学耦合器40以保持投影轴线A3的原始角定向的定向输出之前，图4A中以投影轴线A3为中心的图像承载光束在光学耦合器40内沿内部弯折的投影轴线A3'通过一系列三个正交弯折而传播。

图4B的光学耦合器40A使棱镜PM1相对于棱镜PM2倾斜，从而产生角度分离。如图所示，棱镜PM1相对于棱镜PM2围绕棱镜PM1和PM2的两个暴露面之间的交叉线成角度地旋转，从而产生由虚线L1示出的楔形分离。棱镜PM2和PM3的棱镜形状的其它轻微变化也可用于改变从图4A中所示的正交弯折产生的角度弯折。非正交弯折逐渐重新定向内部弯折的投影轴线A3'，使得从光学耦合器40A输出的偏移投影轴线A3"在空间上和角度上相对于投影轴线A3偏移。

图5示出了作为整体结构的光学耦合器40A的透视图，该整体结构能够执行图像“R”的期望旋转和进入光学耦合器40A的投影轴线A3与离开光学耦合器40A的偏移投影轴线A3"之间的期望角度偏移两者。在整体结构中，棱镜PM1和PM2之间的角度分离由光楔V填充，光楔V可形成为单独的光学器件或形成为邻接棱镜PM1或PM2中的任一个的一部分。

图6是类似于图1的视图的平面中的光学耦合器40A的俯视图，示出了偏移投影轴线A3"相对于投影轴线A3的空间和角度偏移。因此，光学耦合器40A可布置成既将从投影仪30输出的编码图像沿轴A3旋转过90度，又使偏移投影轴线A3"与中心输入光束26的轴线A1成角度地对准，使得图像承载光束适当地引导到波导20中，以沿对应于预期FOV的中心轴线CA的中心输出光束轴线A2到达观看者的瞳孔。

图7A中的光学耦合器40A的分解图示出了反射表面M1,M2和M3的相对定向，其重新定向内部弯折的投影轴线A3'并旋转图像定向。图7B中的示意图示出了在平面上的“表面投影”的几何意义。这里，与内部弯折的投影轴线A3'倾斜的反射表面M2沿投影轴线A3'投射到垂直于投影轴线A3'的平面P1上。该投影限定了区域W1，其形状和尺寸与被投影的表面M2的形状、尺寸和角度定向直接相关。

投影仪光学器件设计

使用多种显示技术的投影仪可以相当紧凑的形状因子存在，具有与光波导的入射孔径相当的光瞳尺寸，并且具有提供相当明亮的图像所需的亮度。然而，在这些投影仪的投影光学器件内，在镜头系统内通常存在光阑(这可为物理孔径或用作光阑的镜头孔径)。这意味着虚拟图像中的每个场点的光束开始在投影仪的最后最外侧透镜表面之前或该处在投影光学器件内发散。源自图像生成器的角的光束通常在它们从投影光学器件发散时剪切(渐晕)。从波导中移除越多，光束中存在的散射越大。考虑到这个问题，本公开的实施例为HMD成像提供了进一步的优点，其改进了投影仪光学器件设计。

在本公开的实施例中，光阑可定位在投影仪外部，超过发射投影的图像承载光束的投影仪的最后光学表面。光阑可被视为出口光瞳而不是物理光阑。这里示出的实施例将镜像表面定位在远程光瞳处或附近以形成光阑。对于HMD 10中的虚拟图像显示设备12，该设计特征限制了传送到光学耦合器40A的光的光束宽度，并使耦合器40A能够更紧凑。参看图8的透视图，可沿来自投影仪光学器件的光路在任何合适的位置提供光阑。本公开的实施例将光阑定位在投影透镜的前方，使得光学耦合器40A可将光阑重新定位为基本上在波导20的输入孔径22处。“基本上在输入孔径22处”意思是至少在棱镜PM3的出射表面的前方或以其它方式超出光学耦合器40A的出射孔径。光阑可备选地位于光学耦合器40A内。

根据本公开的实施例，虚拟图像显示设备12使用光学耦合器40A来提供来自投影仪30的投射光的光阑。在虚拟图像显示设备12的一个实例中，光学耦合器40A在内部反射表面处提供光阑并且具有角度布置，该角度布置改进了图3A和3B中所示的正交旋转构造，以适合于头戴式装置(HMD)的人体工程学布置。

因此，光学耦合器40A的布置考虑了角度相关的图像承载光束的扩展和光阑的位置两者。根据一个实施例，棱镜PM2上的反射镜M2为投影光学器件提供光阑。图9的示意图示出了耦合器40A沿内部弯折的投影轴线A3'的展开光路，其延伸穿过使用了图4B的修改的几何形状的棱镜PM1,PM2和PM3。光阑54在反射表面M2处或附近位于棱镜PM2内，反射表面M2本身位于从投影仪30输出的角度相关的图像承载光束的汇合处或附近。在光阑54处，三个所示的图像承载光束B1,B2和B3占据最小的集合横向区域。为了提供投射光的光阑，中间棱镜PM2的反射表面M2的尺寸使得其具有比耦合器40的输入或输出表面或第一棱镜PM1的反射表面M1小的面积，该反射表面M1接收来自投影仪30的入射光。中间棱镜PM2的尺寸也使得它具有比输出棱镜PM3的反射表面M3更小的面积，该反射表面M3将投射的光从光学耦合器40A朝波导20引导出来，例如，如先前关于图1所述。

更一般地，光学耦合器40A可具有与棱镜PM1,PM2和PM3的任何表面—包括PM1处的输入表面，PM3处的输出表面或中间反射表面M1,M2或M3中的任何表面—相关联的光阑54。对于反射表面M1,M2或M3中的至少一个，通过将反射弯折表面投影到垂直于改变方向的投影轴线A3'的平面上而限定的面积小于输入表面的表面积并且小于输出表面的表面积。具体而言，该关系在反射弯折表面用作光阑处—如关于图9和后续附图中的实例中的表面M2那样—保持。

图10A,10B,10C,10D和10E是沿垂直于投影轴线A3'的平面得到的正交视图，示出了在沿光学耦合器40A并在光学耦合器40A内的不同点处的五个图像承载光束B1,B2,B3,B4和B5的横截面。相对比例值显示这些图中每个的近似孔径大小。从前面的描述中可明显看出，耦合器40A内的投射光遇到许多反射表面，这些反射表面具有相对于入射光倾斜的相应表面法线。然而，光学耦合器40A的输入和输出(外部)表面优选地相对于由投影轴线表示的图像承载光束中的标称传播方向定向为处于或接近法线。图10A示出了入射在棱镜PM1的输入表面上的图像承载光束B1-B5之间的分布。图10B示出了接近镜子M1的图像承载光束B1-B5的正交横截面。图10C示出了接近镜子M2的图像承载光束B1-B5的正交横截面。在该点，孔径尺寸明显较小，因为镜子M2处于光阑处或非常靠近光阑。

图10D示出了接近镜子M3的图像承载光束B1-B5的正交横截面。图10E示出了输出表面处的光的正交横截面。特别是对于位于孔径光阑位置的镜子M2处的光，由镜子表面上的光的投射相对于垂直于改变方向的光轴的平面限定的面积小于其它表面处的光的面积。

大体上，较高折射率的玻璃(n> 1.6)对于减小耦合器40的光路尺寸是有利的。如前所述，本公开的虚拟图像显示设备可用于单目或双目光学系统。

本发明具体参照当前优选的实施例进行了详细描述，但将理解的是，变型和改型可在本发明的精神和范围内实现。当前公开的实施例因此在所有方面都被视为是示范性而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求书指出，且归入其等同物的意义和范围内的所有变化意图包含在其中。

参考元件：

10 HMD

12 虚拟图像显示设备

14 观看者

16 点

18 点

20 波导

22 输入孔径

24 输出孔径

26 中心输入光束

28 中心输出光束

30 投影仪

32 边撑部件

40 光学耦合器

40A 光学耦合器

54 光阑

58 框架

A1 中心输入光束轴线

A2 中心输出光束轴线

A3 投影轴线

A3' 内部弯折投影轴线

A3" 偏移投影轴线

B1,B2,B3,B4,B5 图像承载光束

CA 中心轴线

FOV 视场

L1 线

M1,M2,M3 反射表面

N1,N2 法线

P,P1 平面

PM1,PM2,PM3 棱镜

V 楔

W1 区域

α1 钝输入/输出角

α2 锐输入/输出角

θ 中心场角

φ V形角

Claims (22)

1.一种虚拟图像显示设备，包括：

a)投影仪，其沿投影轴线引导图像承载光束；

b)平面波导，其相对于所述投影轴线成钝角定向，其中所述波导配置为通过输入孔径接收所述图像承载光束，扩展所述图像承载光束，以及通过所述平面波导的输出孔径输出扩展的所述图像承载光束，其中所述输出孔径沿所述平面波导与所述输入孔径隔开；以及

c)光学耦合器，其配置为沿所述投影轴线接收所述图像承载光束，相对于所述平面波导重新定向所述投影轴线，使所述图像承载光束绕所述投影轴线旋转，以及引导旋转的所述图像承载光束沿所述重新定向的投影轴线通过所述平面波导的所述输入孔径。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学耦合器还配置为将所述投影轴线重新定向为相对于所述平面波导成锐角。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述平面波导还配置为沿中心输入光束轴线通过所述输入孔径接收所述图像承载光束，并且所述光学耦合器还配置为将所述投影轴线重新定向成与所述中心输入光束轴线对准。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述平面波导还配置为沿中心输出光束轴线通过所述输出孔径输出所述扩展的图像承载光束，并且所述中心输入光束轴线与所述中心输出光束轴线相交。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学耦合器具有输入表面和输出表面，并且所述光学耦合器具有至少一个反射弯折表面，所述反射弯折表面使所述投影轴线改变方向成与所述反射弯折表面成倾斜角，其中通过将所述一个反射弯折表面投影到垂直于所述改变方向的投影轴线的平面上而限定的面积小于所述输入表面的表面积，并且小于所述输出表面的表面积。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学耦合器由多个光学棱镜元件形成。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，每个光学棱镜元件具有1.6以上的折射率。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述光学棱镜元件中的一个或多个是直角棱镜。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述平面波导的两侧中的一侧面对所述投影仪，并且所述平面波导通过面对所述投影仪的一侧既接收又输出所述投射的光束。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学耦合器使用全内反射使所述投影轴线改变方向。

11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学耦合器使用一个或多个镜面使所述投影轴线改变方向。

12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述投影仪的光阑设置成基本上在所述平面波导的输入孔径处。

13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述投影仪的光阑设置在所述光学耦合器内。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述投影仪的光阑设置在所述光学耦合器内的反射表面处。

15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述投影仪的光阑设置在所述光学耦合器内的入射表面处。

16.一种头戴式显示器，具有容纳虚拟图像显示设备的框架，所述虚拟图像显示设备能够激励以向观看者的眼睛显示虚拟图像，其中所述虚拟图像显示设备包括：

a)能够激励以沿投影轴线发射图像承载光束的投影仪，其中所述投影仪联接到所述框架的边撑部件；

b)平面波导，其相对于所述投影轴线成钝角定向，其中所述平面波导配置为通过输入孔径接收所述图像承载光束，扩展所述图像承载光束，以及通过所述平面波导的输出孔径输出所述扩展的图像承载光束，其中所述输出孔径沿所述平面波导与所述输入孔径隔开；以及

c)光学耦合器，其配置为沿所述投影轴线接收所述图像承载光束，相对于所述平面波导重新定向所述投影轴线，使所述图像承载光束绕所述投影轴线旋转，以及引导所述旋转的图像承载光束沿所述重新定向的投影轴线通过所述平面波导的输入孔径。

17.根据权利要求16所述的显示器，其特征在于，所述平面波导还配置为沿中心输入光束轴线通过输入孔径接收所述图像承载光束，并且所述光学耦合器还配置为将所述投影轴线重新定向成与所述中心输入光束轴线对准。

18.根据权利要求17所述的显示器，其特征在于，所述平面波导还配置为沿中心输出光束轴线通过所述输出孔径输出所述扩展的图像承载光束，并且所述中心输入光束轴线在面对所述投影仪的所述平面波导的一侧上与所述中心输出光束轴线相交。

19.根据权利要求16所述的显示器，其特征在于，所述光学耦合器还配置为将所述投影轴线重新定向为相对于所述平面波导成锐角。

20.根据权利要求16所述的显示器，其特征在于，所述投影仪具有固态光源。

21.一种虚拟图像显示设备，包括：

a)投影仪，其联接到框架的边缘并且能够激励以沿投影轴线发射图像承载光束；

b)波导，其配置为通过输入孔径接收所述图像承载光束，并通过所述波导的输出孔径输出所述图像承载光束，其中所述输出孔径沿所述波导与所述输入孔径间隔开；以及

c)光学耦合器，其配置为沿所述投影轴线接收所述图像承载光束，将所述投影轴线重新定向为相对于所述波导成锐角，使所述图像承载光束绕所述投影轴线旋转，以及引导所述旋转的图像承载光束沿所述重新定向的投影轴线通过所述波导的输入孔径，

其中，所述光学耦合器包括：

(i)第一棱镜，其面向所述投影仪并具有重新定向所述投影轴线的第一反射表面；以及

(ii)第二棱镜，其光学地耦合到所述第一棱镜并具有进一步重新定向所述投影轴线的第二反射表面；

其中所述投影仪的光阑设置在所述光学耦合器内。

22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述光学耦合器还包括第三棱镜，所述第三棱镜光学地耦合到所述第二棱镜，并具有第三反射表面，所述第三反射表面还进一步使所述投影轴线重新定向成相对于所述波导成所述锐角。