CN115552295A - 使用波束转向元件的眼盒转向和视场扩展 - Google Patents

使用波束转向元件的眼盒转向和视场扩展 Download PDF

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Abstract

一种护目镜装置，包括：光导，其具有世界侧表面和眼睛侧表面；显示器，其定向为朝向所述光导发射光；以及波束转向元件，其包括第一偏振光栅，该第一偏振光栅沿显示器之间的光路定位。第一偏振光栅使显示器发射的光衍射成具有不同偏振的阶次，并且所述阶次被选择性地传送到不同的眼盒中。所述护目镜装置还包括框架，该框架支撑光导、显示器和第一偏振光栅。在一些情况下，所述不同偏振包括右圆偏振或左圆偏振，并且波束转向元件包括偏振相关滤光器，该偏振相关滤光器在第一状态中过滤右圆偏振光，并且在第二状态中过滤左圆偏振光。

Description

使用波束转向元件的眼盒转向和视场扩展
背景技术
可穿戴电子护目镜装置包括光学系统，所述光学系统放大显示图像并将虚拟图像递送到使用者的视场(FOV)中。该装置还允许使用者通过透镜或透视目镜看见外部世界。一些可穿戴电子护目镜装置结合了近眼光学系统以向使用者显示内容。例如，以前的护目镜设计包括位于头部可穿戴框架的镜腿或边缘区域中的微型显示器(“显示器”)，就像一副传统的眼镜。显示器生成诸如计算机生成的图像(CGI)的图像，这些图像通过诸如部署在头部可穿戴框架的透镜(或透视目镜)中的弯曲波导的光学元件被传送到使用者的FOV中。因此，可穿戴电子护目镜装置可以用作用于实施增强现实(AR)的硬件平台。增强现实的不同模式包括光学透视增强现实、视频透视增强现实或不透明(VR)模式。
发明内容
电子增强型护目镜装置潜在地具有多个实践和休闲应用，但是可穿戴电子护目镜装置的开发和采用已经受到用于实施现有护目镜装置的光学系统的质量、成本、大小、重量、厚度、视场和效率的限制。例如，传统设计的几何和物理约束导致显示器的低视场(FOV)。此外，潜在使用者人群表现出大范围的面部几何，其特征是鼻子几何的分布、耳尖到耳尖距离的分布以及瞳孔间距的分布(即，使用者瞳孔中心之间的距离)。单个可穿戴电子护目镜装置不可能在满足可穿戴装置的所有物理和几何约束时为所有使用者提供最优体验。例如，如果使用者的瞳孔落入装置中实施的光学系统产生的“眼盒(eyebox)”内，则使用者仅看见可穿戴电子护目镜装置显示的整个图像。然而，传统的可穿戴电子护目镜装置产生相对较小的眼盒，其贯穿面部几何的整个分布不涵盖瞳孔位置。因此，并非所有使用者都能够观看由可穿戴电子护目镜装置显示的图像。
所提出的解决方案的一个方面涉及一种护目镜装置，该护目镜装置包括：波导，其具有世界侧表面和眼睛侧表面；显示器，其定向为朝向所述波导发射光；波束转向元件，其包括沿所述显示器和所述波导之间的光路定位的第一偏振光栅和偏振相关滤光器中的至少一个，该波束转向元件被配置用以在至少两个不同状态下操作，其中，在所述至少两个状态中的第一状态中，光直接进入第一眼盒，并且在所述至少两个不同状态中的第二状态中，光直接进入第二眼盒，该第二眼盒的尺寸与第一眼盒不同，特别是第二眼盒的容积与第一眼盒的容积不同。在一个实施例中，第一偏振光栅被配置用以使显示器发射的光衍射成具有不同偏振的阶次，并且将所述阶次选择性地传送到不同的眼盒中，眼盒被定义为护目镜装置的使用者的眼睛瞳孔的空间中的三维容积。一般来说，“眼盒”是从电子护目镜装置中的光学波导出射的光的发射锥产生的。因此，护目镜装置及其波束转向元件可以被配置为提供不同几何和/或尺寸的发射锥。如本文所使用，术语“眼盒”是指空间中的三维(3D)容积，眼睛的瞳孔位于该空间内以便满足一个或多个观看体验标准。观看体验标准的一个示例是使用者看见放大的虚拟图像的四个边缘。在该情况下，眼盒是空间中的3D容积，使用者的瞳孔位于该空间内，以看见放大的虚拟图像的四个边缘。在一些实施例中，基于瞳孔直径、电子护目镜装置产生的发射锥的角范围、一组标准和用于标准的阈值来评估电子护目镜装置所产生的眼盒的容积和方向。在护目镜装置中使用波束转向元件例如允许在产生不同眼盒的至少两个不同的状态下选择性地操作护目镜装置。在第一状态下，表示图像的光线可以直接进入第一眼盒，而在第二状态下，光线可以直接进入第二眼盒。
在一个实施例中，使用者可以(例如，使用护目镜装置的开关、按钮或其他装置)将护目镜装置选择性地置于第一状态或第二状态，从而将所产生的眼盒移动通过与第一图像和第二图像对应的范围。因此，例如可以通过实施可切换波束转向元件来增加眼盒的有效大小。眼盒的大小可以是用于解决基于AR或VR的装置中的人群覆盖的可测量参数。在许多情况下，眼盒的大小决定了有多少使用者在穿戴护目镜装置时可以看见显示图像。使用本文所描述的技术，AR和VR应用的护目镜装置被创建为具有大的眼盒，以适应普通人群中越来越多的人。眼盒的位置或方向可以因此通过使用波束转向元件从一个位置移动到另一个位置。例如，波束转向元件可以在至少两个状态之间切换以及在至少两个不同的眼盒容积之间切换，所述至少两个状态与至少两个不同转向角对应，在所述至少两个不同转向角下，光从波束转向元件出射。
在一些实施例中，不同的偏振包括右圆偏振或左圆偏振。
在一些实施例中，右圆偏振与偏振光栅的+1阶次对应，而左圆偏振与偏振光栅的-1阶次对应。
在一些实施例中，对于右圆偏振光，第一偏振光栅使光以正偏移角发生衍射，并且对于左圆偏振光，第一偏振光栅使光以负偏移角发生衍射。
在一些实施例中，第一偏振光栅是基本消色差液晶偏振光栅。
护目镜装置的一些实施例包括偏振相关滤光器，该滤光器对从第一偏振光栅接收的光进行过滤，并且该偏振相关滤光器对处于第一状态下的右圆偏振光和处于第二状态下的左圆偏振光进行过滤。
护目镜装置的一些实施例包括位于光导的眼睛侧表面附近的第二偏振光栅，第二偏振光栅被配置用以将显示器发射的光选择性地传送到不同的视场(FOV)中。
在一些实施例中，第二偏振光栅被配置用以对表示不同FOV的内容进行时间复用，以呈现穿戴护目镜装置的使用者所感知的更大有效FOV。
在一些实施例中，第二偏振光栅包括可切换偏振光栅，该可切换偏振光栅在偏振之间切换以对表示不同FOV的内容进行时间复用。
所提出的解决方案的另一方面涉及一种护目镜装置，该护目镜装置包括：波导，其具有世界侧表面和眼睛侧表面；显示器，其定向为朝波导发射光；波束转向元件，其包括偏振光栅，该偏振光栅沿波导的眼睛侧和护目镜装置的使用者的眼睛之间的光路定位，例如，靠近波导的眼睛侧表面，该偏振光栅被配置用以将显示器发射的光选择性地传送到不同的视场FOV中；以及框架，其支撑波导、显示器和偏振光栅。在一些实施例中，如本文所讨论的，可以附加地包括可以在多个状态之间切换以提供不同眼盒容积的眼盒的附加波束转向元件。
总体而言，所提出的解决方案具体而言涉及一种护目镜装置，该护目镜装置包括：波导，其具有世界侧表面和眼睛侧表面；显示器，其定向为朝向所述波导发射光；至少一个波束转向元件，和框架，该框架支撑波导、显示器和所述至少一个波束转向元件，其中所述波束转向元件被配置用以(a)使显示器发射的光衍射成具有不同偏振的阶次并且将所述阶次选择性地传送到不同的眼盒中和/或(b)将显示器发出的光选择性地传送到不同的视场FOV中。
所提出的护目镜装置的实施例可以被配置为实施所提出的方法的实施例。因此，本文结合所提出的护目镜装置的实施例讨论的特征也适用于所提出的方法的相应实施例，反之亦然。
在一些实施例中，公开了一种方法，该方法包括在护目镜装置中中从显示器朝向第一偏振光栅发射光，该护目镜装置包括光导，该光导具有世界侧表面和眼睛侧表面，使从第一偏振光栅接收的光衍射成具有不同偏振的阶次，并且经由第一偏振光栅将所述衍射阶次中的一个衍射阶次经由所述光导的所述眼睛侧表面选择性地传送到多个眼盒中的一个中。
在一些实施例中，将显示器发射的光选择性地传送到多个眼盒中的一个中包括生成具有右圆偏振和左圆偏振的阶次。
在一些实施例中，右圆偏振与偏振光栅的+1阶次对应，而左圆偏振与偏振光栅的-1阶次对应。
在一些实施例中，使显示器发射的光发生衍射包括：对于右圆偏振光，使光以正偏移角发生衍射，并且对于左圆偏振光，使光以负偏移角发生衍射。
在一些实施例中，第一偏振光栅是基本消色差液晶偏振光栅。
在一些实施例中，选择性地传送衍射阶次中的一个衍射阶次包括在偏振相关滤光器处对处于第一状态下的右圆偏振光和处于第二状态下的左圆偏振光进行过滤。
该方法的一些实施例包括在位于光导的眼睛侧表面附近的第二偏振光栅处将显示器发射的光选择性地传送到不同的视场(FOV)中。
在一些实施例中，选择性地传送光包括表示不同FOV的时间复用内容，以呈现如穿戴护目镜装置的使用者所感知的更大有效FOV。
在一些实施例中，对内容进行时间复用包括在与不同FOV相关联的圆偏振之间切换。
在一些实施例中，公开了一种护目镜装置，该护目镜装置包括：光导，其具有世界侧表面和眼睛侧表面；显示器，其定向为朝向所述光导发射光；偏振光栅，其定位在所述光导的眼睛侧表面附近，该偏振光栅被配置用以将所述显示器发射的光选择性地传送到不同的视场(FOV)中；以及框架，其支撑所述光导、所述显示器和所述偏振光栅。
在一些实施例中，波束转向元件被配置用以对表示不同FOV的内容进行时间复用，以呈现如由穿戴护目镜装置的使用者所感知的较大的有效FOV。
在一些实施例中，波束转向元件包括可切换偏振光栅，该可切换偏振光栅在偏振之间切换以对表示不同FOV的内容进行时间复用。
在一些实施例中，提供了一种方法，该方法包括在护目镜装置中从显示器朝向第一偏振光栅发射光，该护目镜装置包括波导，该波导具有世界侧表面和眼睛侧表面。该方法还包括经由第一偏振光栅将显示器发射的光选择性地传送到不同的视场FOV中。
在一些实施例中，选择性地传送显示器发射的光包括表示不同FOV的时间复用内容，以呈现如由穿戴护目镜装置的使用者所感知的更大的有效FOV。
在一些实施例中，选择性地传送显示器发射的光包括在偏振之间切换，以使用可切换偏振光栅对表示不同FOV的内容进行时间复用。
附图说明
通过参考附图，本公开被更好理解，并且其许多特征和优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。
图1是头部宽度分布与瞳孔间距离(IPD)分布的散点图。
图2示出了用不同的发射锥为从电子护目镜装置中的光学光导出射的光产生的眼盒的两个比较。
图3是根据一些实施例的电子护目镜装置的设计的框图，该电子护目镜装置在标称出瞳距离平面处提供扩展的眼盒区域。
图4示出了根据一些实施例的电子护目镜装置的透视图，该电子护目镜装置具有用于每个使用者眼睛的波束转向元件和显示器。
图5示出了根据一些实施例的与图4的护目镜装置类似的护目镜装置的可替代实施例的边缘框架部分的前视图。
图6是根据一些实施例的使用波束转向元件产生增强型眼盒的光学系统的图示。
图7是根据一些实施例的消色差偏振光栅的图示。
图8是根据一些实施例的在第一状态和第二状态下操作的波束转向元件的框图。
图9是根据一些实施例的实施选择性波束转向以生成扩展的眼盒的光学系统的图示。
图10是根据一些实施例的使用波束转向元件产生扩展的感知视场(FOV)的光学系统的图示。
具体实施方式
图1至10公开了一种光学成像系统，该光学成像系统在可穿戴电子护目镜装置中实施，用以通过当使用者正穿戴该装置时沿着产生图像的显示器和将图像引向使用者眼睛的光学光导之间的光路部署第一波束转向元件来产生不同尺寸的眼盒，特别是不同容积的眼盒，并且因此例如用以产生较大的(或可调节的)眼盒。第一波束转向元件的一些实施例包括可切换偏振光栅，该可切换偏振光栅根据产生眼盒的衍射光线的阶次将眼盒移动不同的偏移。例如，偏振光栅产生衍射光的阶次，并且每个阶次都有相关联的圆利手性。对于右圆偏振光，偏振光栅使光以正偏移角发生衍射，并且对于左圆偏振光，偏振光栅使光以负偏移角发生衍射。因此，可以通过在与偏振光栅的+1阶次和-1阶次对应的右圆偏振和左圆偏振之间切换来切换眼盒的位置。一些实施例使用可切换偏振相关滤光器在右圆偏振和左圆偏振之间切换。在一些实施例中，光学成像系统通过在弯曲光学光导的输出区域附近部署第二波束转向元件来产生更大的视场(FOV)。第二波束转向元件可以包括可切换偏振光栅，该可切换偏振光栅(例如，通过使表示不同的FOV的帧交错)在偏振之间切换以对表示FOV的不同部分的内容进行时间复用，以呈现如由使用者感知的较大的有效FOV。可穿戴电子护目镜装置的一些实施例包括第一波束转向元件、第二波束转向元件或该第一波束转向元件和该第二波束转向元件两者。
图1是耳尖分布相比瞳孔间距离(IPD)分布的散点图100。散点图100的竖轴指示个体的耳尖之间的宽度(以毫米mm为单位)，并且横轴表示个体的IPD(以毫米为单位)。散点图100中的每个点表示个体的宽度和IPD的测量值。将具有每个宽度的测量值的个体数投影到分布105中，并且将具有每个IPD的测量值的个体数投影到分布110中。分布105、110由平均值(μ)和标准偏差(σ)表征。例如，IPD分布110的特征在于：
μIPD＝62mm
σIPD＝3.9mm
宽度分布105的特征在于：
μEtE＝145.6mm
σEtE＝7.5mm
其中EtE表示耳到耳的宽度。
图2示出了利用不同的发射锥产生的用于从电子护目镜装置中的光学光导出射的光的眼盒210、215的两个比较200、201。如本文所使用，术语“眼盒”是指空间中的三维(3D)容积，眼睛的瞳孔位于该空间内以满足一个或多个观看体验标准。观看体验标准的一个示例是使用者可以看见放大的虚拟图像的四个边缘。在该情况下，眼盒是空间中的3D容积，使用者的瞳孔位于该空间内，以看见放大的虚拟图像的四个边缘。在一些实施例中，基于瞳孔直径、电子护目镜装置产生的发射锥的角度范围、一组标准和用于标准的阈值来评估电子护目镜装置所产生的眼盒的容积和方向。
使用在水平尺寸上具有50°的全宽/半最大值(FWHM)和在竖直尺寸上具有30°的FWHM的发射锥来产生眼盒210。眼盒210在x方向上的尺寸为8.2mm，而在y方向上的尺寸为4.8mm。使用在水平尺寸上具有30°的FWHM而在竖直尺寸上具有50°的FWHM的发射锥来产生眼盒215。眼盒215在x方向上的尺寸为6.7mm，而在y方向上的尺寸为4.8mm。因此，水平尺寸上的附加20℉WHM改进使眼盒210相对于眼盒215增加了1.5mm。在所示的实施例中，光学系统的厚度限制了眼盒210、215沿y方向的大小。
图3是根据一些实施例的提供扩展眼盒的电子护目镜装置的设计300的框图。设计300包括：光学系统305，其被使用显示器实施以生成图像；波束转向元件，其用于选择性地修改表示图像的光线的方向；以及光学光导，其用于将表示图像的光线引向使用者的眼睛，如本文所讨论的。在所示的实施例中，光学系统305选择性地在产生不同眼盒的两种状态中的一种状态下工作。在第一状态下，光学系统305将表示图像的光线引入到第一眼盒310中，而在第二状态下，光学系统305将光线引入到第二眼盒315中。因此，由光学系统305产生的有效眼盒等于第一眼盒310和第二眼盒315的组合。光学系统305产生50°×30℉WHM的发射锥体，并且眼盒310、315的转向角分别为
Figure BDA0003934491420000091
光学系统305的一些实施例在产生两个以上不同的(可能是重叠的)眼盒的两个以上的状态下工作。光学系统305也可以产生不同的FWHM发射锥或转向角。
图4示出了根据一些实施例的具有用于每个使用者眼睛的波束转向元件401和显示器405的电子护目镜装置400的透视图。如本文所讨论的，在一些实施例中，波束转向元件401包括偏振相关光栅和可切换偏振相关滤光器。装置400包括至少框架410、一对光导402、以及用于每个使用者眼睛的波束转向元件401和显示器405。波束转向元件401也被称为偏振光栅透镜，其改变穿过其中的光的至少一个性质。装置400大体上示出了用于提供基于AR和VR的视觉的各种类型的护目镜装置中的部件及其布置。装置400提供基于双目AR的视觉。为了清楚起见，在该图中未示出使用者眼睛。
装置400具有普通眼镜的外观，并且安装在其中的显示器405几乎没有光泄漏。在所示出的实施例中，显示器405和波束转向元件101位于装置400中的相应腿部位置120处。在一些实施例中，光导402是弯曲的，并且在其他实施例中，光导402基本上是平面的。框架410将光导402固定在其顶侧114和底侧122之间。框架410和光导402成形为形状像一副普通眼镜的透镜。通常，光导402是透明的并且作为用于观看的透镜来操作。光导402定位在使用者前面，并且将来自相应显示器405的光406指引向使用者眼睛。
对于相应的显示器405，每个光导402包括具有电介质镜涂层的表面，该表面用作组合器，其中来自显示器405的光406和从世界侧413进入的光404被组合成结果图像417，结果图像417然后被指引向装置400的眼睛侧415处的使用者眼睛。来自世界侧413的光404穿过光导402到达光导402的眼睛侧415，而光404来源于护目镜装置400的世界侧413上的可视场景。
如所示出的，每个显示器405都安装在光导402的边缘425处，在相应光导402的腿部位置420处，并且每个显示器404都定位在框架410的内部或附近。光导402允许环境光404与在组合器表面处反射的显示光406相组合，为了清晰起见，该图中没有单独标注所述组合器表面。框架410包括两个臂411，这两个臂411从框架410的相应侧上的框架410的腿部位置朝向并超过使用者的耳朵(未图示)延伸。
在一些实施例中，装置400包括或容纳用以接收图像数据信号和向显示器405提供图像数据信号的部件。图像数据信号是显示灯406的源输入。例如，一个臂411包括用于接收包括图像数据信号的无线信号的无线部件。电力由本地能源诸如电池、太阳板或装置400本地的其他形式的能量提供。在另一示例中，线缆(未示出)用作从外部源向包括显示器405及其相应电子封装的各种部件提供电力的机制。除了具有电力线外，装置400中的一个或多个电线将图像数据信号递送到显示器405。在某些实施例中，图像数据信号源自计算装置或其他显示器驱动数据源(未示出)。
在光导402的外侧面处显示器405的放置是显示器405的放置的一个示例。在其他实施例中，显示器405位于框架410的顶部处或顶部中。每个光导402包括眼睛侧表面424和世界侧表面423。显示光406在到达使用者眼睛之前在这些表面423、424之间被反射，在每个表面423、424上被反射至少一次。
根据某些实施例，光导表面423、424中的每一个是弯曲的，并且在至少一个维度上是球形的(例如，沿着相对于相应光导402的焦点的固定半径是均匀的)，并且这些表面423、424中的每一个表面都具有彼此相似或近似相同大小的特征尺寸(例如，球形尺寸、半径、曲率参数集)，以便实施零光学功率(屈光度)光学透视功能。眼睛侧表面和世界侧表面也可以被设计为将处方矫正整合为光导的一部分。
为了描述，世界侧表面423是第一表面，并且眼睛侧表面424是第二表面。表面423、424中的每一个表面由装置400中的相同或不同物理部件提供。根据某些实施例，光导402的与显示器405和波束转向元件401相邻的表面425是弯曲的或自由形态的，以便矫正由于装置400的部件的特殊布置而产生的与显示器405和由此发射的光406相关的像散，如果有的话。光导402的与显示器405相邻的表面425是装置400的第三表面，并且相对于装置400的眼睛侧415处的结果图像417在一维或二维上弯曲。
光导402的另一(第四)表面，诸如组合器419处的表面，提供从显示器405朝向使用者眼睛的光406的最终反射，并且在至少一些实施例中，光导402的该第四表面也弯曲和以自由形态弯曲。该最终表面在本文中等同地称为组合器419或组合器表面。从其反射的图像417被称为光场并且被提供给使用者眼睛。在组合器419的其他实施例中，光导402的最终反射表面是旋转对称的非球面形状的表面、变形的非球面形状的表面、环形形状的表面、泽尔尼克(Zernike)多项式形状表面、径向基函数形状表面、x-y多项式形状表面或非均匀有理b样条形状的表面。
在操作中，当波束转向元件401从第一状态改变到第二状态时，图像417从第一位置移动到第二位置，如第二图像418所示。尽管第一图像417和第二图像408之间的移动基本上在图1中的竖直方向上，但是在其他实施例中，移位是竖直的或竖直和水平的组合。在一些实施例中，第一图像417及其在组合器419的表面上的位置与第二图像418的位置重叠，但为了清楚起见，其被示出为单独且有区别的位置。在波束转向元件401的第一状态和第二状态之间，当波束转向元件401关闭时，来自显示器405的图像的未图示位置被投影并且被提供给位于第一图像417和第二图像418之间的眼睛，如一个或多个其他图所示出的。
在一些实施例中，装置400的光导402的部件中的至少一些由于其相对于彼此的布置以及其组成和形状而作为用于从显示器405发射的光406的光学放大器操作。本文描述的技术适用于所有类型的透视装置，诸如眼镜、头盔、头戴式显示器(HMD)装置和防风罩，并且即使仅描述和示出了诸如护目镜装置400的护目镜装置，本文描述的技术也使能够实施计算机生成的和真实世界场景的光学合并以形成组合视图。
将护目镜装置400选择性地置于第一状态或第二状态(例如，为了清晰起见，使用开关、按钮或图1中未示出的其他装置)，将眼盒移动通过与第一图像417和第二图像418对应的范围。因此，通过实施可切换的波束转向元件401来增加眼盒的有效大小。眼盒的大小是用于解决基于AR或VR的装置中的人群覆盖的可测量参数。在许多情况下，眼盒的大小决定了穿戴HMD护目镜装置400时有多少使用者可以看见显示图像。使用本文所描述的技术，用于AR应用和VR应用的护目镜装置被创建为具有大的眼盒，以适应普通人群中越来越多的人。包含图像417、418的眼盒的位置或方向可以通过使用波束转向元件401从一个位置移动到另一个位置。通常，眼盒的大小是与特定装置相关联的多个变量和参数的因子，包括：显示器405及其发光元件的分辨率，发光元件的颜色均匀性、场曲率、畸变和瞳孔游动。
图5示出了根据一些实施例的类似于图4的护目镜装置400的护目镜装置500的替代实施例的边缘框架部分510的前视图。为了清楚起见，未示出装置500的臂。装置500的尺寸基于相对于瞳孔中心526定位的约4mm的瞳孔直径527。瞳孔直径527也称为瞳孔大小。用于左眼和右眼(未示出)的光导502中的每一个基于约53mm——诸如在50mm和60mm之间——的框架水平盒距离524和约44mm——诸如在40mm和50mm之间——的框架竖直盒距离531。光导502由约17.5mm的桥长度525分开。当使用者穿戴护目镜装置500时，桥长度525通常居中于中间位置530。拟合高度532是从底侧522向光导502的顶边缘526的距离，并且拟合高度是从底侧522到瞳孔中心526约23mm。边缘框架部分510基于约60mm到65mm范围中的瞳孔间距离(IPD)534，诸如基于62mm的IPD 534，且具有一个约为3.9mm的标准偏差。装置400、500及其部件被定大小用以适应具有62mm的IPD 534的使用者和该测量中的两个标准偏差。用于装置400、500的臂——诸如装置400的臂411——被定大小并且被定位用以适应约140mm至150mm范围中——诸如145.6mm——的耳尖，且具有一个约为7.5mm的标准偏差和两个为15mm的标准偏差。
就护目镜装置500的示例尺寸而言，光导502的某些实施例的厚度高达约5mm，并且优选地高达约4mm以及在约4mm以内。包括显示器505的部分光学元件占据了隐藏在装置500的边缘框架部分510中的约3.5mm的空间。边缘框架部分510的顶部具有高达5mm的(顶部)边缘厚度233，且一些实施例具有3.5mm或以下的边缘厚度233并且适应包括除光导502以外的光学和电子部件的各种部件。
为了支撑包括显示器505和PG 201的电子部件，示出了电子线缆212，并且电子线缆212将被耦合到一个或多个护目镜臂、边缘框架部分510的一部分或它们的组合。即，如图1所示的护目镜臂111中的一个或多个容纳具有两个或更多个电线的线缆212，用以向包括显示器405及其支撑电子封装的各种部件供电，并且用以向显示器405提供来自计算装置或其他显示器驱动数据源(未示出)的图像数据信号。在其他实施例中，边缘框架部分510或一个或多个臂包括或容纳用于接收信号并将信号无线地提供给显示器405的部件。在一些实施例中，电力由装置500本地的或来自装置500外部的源的电池或其他形式的能量提供。
在所示出的实施例中，显示器505定位在边缘框架部分510顶部的边缘厚度533的内侧，以提供约3:1宽高比的图像。相应的厚度为边缘框架部分510顶部中(在边缘厚度233内)用于容纳某些装置部件的头部空间的约3.5mm。对于产生约8:1宽高比的图像517、518的显示器505，边缘厚度533内的头部空间高达约4mm。为了减轻护目镜装置500的重量，尽管未示出，某些实施例在装置500中的基于AR或VR的视觉中是单目的(仅具有一个光导502、一个显示器505和一个波束转向元件501)，而其他实施例具有两个显示器505和两个波束转向元件501，用于两个光导中的每一个。
图6是根据一些实施例的光学系统600的图示，该光学系统600使用波束转向元件605生成增强的眼盒。光学系统600分别表示图3中所示的光学系统305的一些实施例以及图4和图5中所示的护目镜装置400、500的部分。光学系统600包括微显示器610，微显示器610生成图像并将所述图像中表示的光线提供给角度滤光器615，角度滤光器615将经过滤的光线提供给波束转向元件605。如本文所讨论的，波束转向元件605的一些实施例被实施为液晶偏振光栅。光学系统600还包括光导620，该光导620将从波束转向元件605接收的光线传送到位于使用者眼睛625前面的光导620内的出射位置。在所示的实施例中，波束转向元件605能在与两个不同转向角对应的两个状态之间切换，如从波束转向元件605出射的箭头所指示，并且能在两个不同的眼盒容积之间切换，如从光导620出射的在眼睛625的方向上的箭头所指示。
图7是根据一些实施例的消色差偏振光栅700的图示。消色差偏振光栅700用于实施图3所示的光学系统305、图4所示的波束转向元件401、图5所示的波束转向元件501和图6所示的波束转向元件605的一些实施例。例如，可以结合可切换偏振滤光器(为了清晰起见，图7中未示出)来实施消色差偏振光栅700以形成可切换偏振光栅。消色差偏振光栅700的一些实施例由可聚合液晶形成，这些可聚合液晶使用两个具有相反扭曲感的反对称手性圆偏振光栅，跨可见光波长范围以约100％的效率并发执行色差和偏振分离。
在操作中，消色差偏振光栅700接收非偏振光705，消色差偏振光栅700使非偏振光705发生衍射以形成具有不同圆偏振的出射光710、715。出射光710表示衍射图案中的+1阶次并且是右圆偏振的。出射光710的转向角为θ+1。出射光715表示衍射图案中的-1阶次并且是左圆偏振的。出射光715的转向角为θ-1。使用偏振相关滤光器(为了清晰起见，在图7中未示出)的状态将出射光710或出射光715选择性地提供给光导(诸如图6中所示的光导620)。例如，偏振相关滤光器在第一状态中可以使右圆偏振光710传输，而在第二状态下可以使左圆偏振光715传输。
图8是根据一些实施例的在第一状态801和第二状态802中工作的波束转向元件800的框图。波束转向元件800用于实施图3所示的光学系统305、图4所示的波束转向元件401、图5所示的波束转向元件501和图6所示的波束转向元件605的一些实施例。在所示的实施例中，波束转向元件800包括诸如图7所示的消色差偏振光栅700的偏振光栅805、偏振相关滤光器810以及控制器815，该控制器815提供信号以将偏振相关滤光器810的操作状态在其中偏振相关滤光器810过滤第一圆偏振的第一操作状态和其中偏振相关滤光器810过滤第二圆偏振的第二操作状态之间改变。
波束转向元件800接收非偏振光820，虽然在一些实施例中，光820至少被部分偏振。偏振光栅805使光820衍射成具有正交圆偏振——例如，分别为右圆偏振和左圆偏振——的
Figure BDA0003934491420000161
阶次。衍射光由箭头825、830表示，而正交圆偏振被表示为第一圆偏振135和第二圆偏振840。衍射光825、830冲击偏振相关滤光器810。当在第一状态801中操作时，偏振相关滤光器810将具有第二圆偏振840的光830滤出，并且仅具有第一圆偏振835的光825被传输。当在第二状态802中操作时，偏振相关滤光器810将具有第一圆偏振835的光825滤出，并且仅具有第二圆偏振840的光830被传输。
图9是根据一些实施例的实施选择性波束转向以生成扩展的眼盒的光学系统的图示。光学系统800被图示为处于第一状态901，该第一状态901被认为是标称状态，因为处于第一状态901的光学系统正在传输非偏振光，即，在光学系统中实施的0阶次偏振光栅。在第一状态901中，由光学系统中的显示器生成的第一图像911出现在使用者的视场(FOV)中的第一位置处。当在第二状态902中操作时，光学系统使具有第一圆偏振的光选择性地传输，例如，由光学系统中实施的偏振光栅产生的+1阶次。在第二状态902中，由显示器生成的第二图像912出现在使用者的FOV中相对于第一图像911的位置偏移的第二位置。当在第三状态903中操作时，光学系统使具有第二圆偏振的光选择性地传输，例如，由光学系统中实施的偏振光栅产生的-1阶次。在第三状态903中，由显示器生成的第三图像913出现在第三位置，该第三位置在使用者的FOV中相对于第一图像911的位置并且在与第二图像912相反的方向上偏移。
图10是根据一些实施例的使用波束转向元件1005产生扩展的感知视场(FOV)的光学系统1000的图示。光学系统1000包括微显示器1010，该微显示器1010生成图像并将该图像中表示的光线提供给光学元件1015、1020，光学元件1015、1020将经过滤的光线提供给光导1025，光导1025将光线传送到靠近波束转向元件1005的出射位置。如本文所讨论的，波束转向元件1005的一些实施例被实施为液晶偏振光栅。在所示的实施例中，波束转向元件1005能在与两个不同切换角度(
Figure BDA0003934491420000171
)对应的两个状态之间切换。
在缺失波束转向元件1005的情况下(或在波束转向元件1015中偏振光栅的0阶次)，从光导1025出射的光覆盖标称FOV 1030。然而，在与切换角度(
Figure BDA0003934491420000172
)相对应的状态之间进行切换扩展了使用者感知的有效FOV，例如，如果切换以足够高的频率发生的话。在一些实施例中，显示器1010生成表示使用来自不同FOV的场景的交错帧，并且这些帧与对应于切换角度(
Figure BDA0003934491420000173
)的状态之间的切换相协调。交错帧是通过波束转向元件1005的将光衍射到由切换角度+α指示的方向的第一状态和波束转向元件1005的将光衍射到由切换角度-α指示的方向的第二状态之间的时间复用产生的。由时间复用的交错帧产生的结果有效FOV 1035等于标称FOV 1030加上附加的张开角2α。尽管在图10中未描绘出，但是光学系统1000的一些实施例还包括附加的波束转向元件(诸如图8中所示的波束转向元件800)，该附加的波束转向元件被部署在光学元件1015、1020之间并且在多个状态之间切换以提供增强的眼盒容积，如本文所讨论的。
宽泛地讲，如上所描述的，这些实施例涉及透视HMD装置，诸如眼镜、头盔和防风罩，这些装置将计算机生成的和真实世界的光合并以向使用者眼睛形成组合的视图或组合的图像。为了改进先前的几何和设计，根据某些实施例，显示器被放置在光导的顶部或侧部，该光导通过框架以与一副传统眼镜类似的方式被保持在使用者一只眼睛或一双眼睛前面适当的位置。
本文描述的HMD装置中使用的技术可应用于结合各种类型的显示器使用。例如，这些技术可结合有机发光显示器(OLED)、有源矩阵OLED(AMOLED)显示器、硅上液晶(LCOS)显示器、发光二极管(LED)显示器、液晶显示器(LCD)和TFT(薄膜晶体管)LCD显示器使用。本文中对光导的引用包括一个或多个部件，所述一个或多个部件根据光导表面之间的实质性或全内反射(TIR)来反射光。所描述的实施例将光导与基于VR的装置或基于AR的装置中的某些部件组合，其中环境光与显示光组合以向使用者眼睛提供组合的图像。
在一些实施例中，上述技术的某些方面通过使用处理系统的一个或多个处理器来实施，所述一个或多个处理器执行软件诸如以便驱动电子显示器并提供内容以及操作PG。该软件包括一组或多组可执行指令，这些指令被存储或以其他方式有形地体现在非暂时性计算机可读存储介质上。软件包括指令和某些数据，当这些指令和数据由所述一个或多个处理器执行时，这些指令和数据操纵所述一个或多个处理器以执行上述技术的一个或多个方面。非暂时性计算机可读存储介质可以包括例如磁盘或光盘存储装置、固态存储装置，诸如闪存、高速缓存、随机存取存储器(RAM)或其他非易失性存储装置等。存储在非暂时性计算机可读存储介质上的可执行指令可以是以源代码、汇编语言代码、目标代码或由一个或多个处理器解释或以其他方式可执行的其他指令格式。
计算机可读存储介质可以包括计算机系统在使用期间可访问的任何存储介质或存储介质的组合，以向计算机系统提供指令和/或数据。这样的存储介质可以包括但不限于光学介质(例如，光盘(CD)、数字多功能盘(DVD)、蓝光盘)、磁介质(例如软盘、磁带或硬磁驱动器)、易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM)或高速缓存)、非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)或闪速存储器)或基于微机电系统(MEMS)的存储介质。计算机可读存储介质可以被嵌入在计算系统(例如，系统RAM或ROM)中、被固定地附接到计算系统(例如，硬磁驱动器)、被可移除地附接到计算机系统(例如，光盘或基于通用串行总线(USB)的闪速存储器)、或者经由有线或无线网络(例如，网络可访问存储器(NAS))耦合到计算机系统。
注意的是，并非所有上述大体描述的活动或元件都是必需的，可能不需要特定活动或装置的一部分，并且注意，除了所描述的那些之外，还可以执行一个或多个其他活动或包含一个或多个其他元件。此外，列出活动的次序不一定是执行活动的次序。此外，已经参考具体实施例描述了这些概念。然而，本领域普通技术人员理解，可以在不脱离权利要求所述的本公开范围的情况下进行各种修改和改变。相应地，说明书和附图将将被视为说明性的而非限制性的，并且所有这些修改均旨在被包含在本公开的范围内。
关于具体实施例，上文已经描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案出现或变得更加明显的任何特征不应被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或基本特征。此外，上述公开的实施例仅是说明性的，这是因为可以以对于受益于本文教导的本领域技术人员而言显而易见的不同但等效的方式来修改和实践所公开的主题。除下文权利要求中所述外，本文所示的构造或设计细节不受任何限制。因此很显然，可以改变或修改上面公开的实施例，并且所有这样的变化都被认为是在所公开的主题的范围内。相应地，本文所寻求的保护如以下权利要求所述。

Claims (24)

1.一种护目镜装置，包括：
光导，所述光导具有世界侧表面和眼睛侧表面；
显示器，所述显示器被定向为朝向所述光导发射光；
波束转向元件，所述波束转向元件包括第一偏振光栅，所述第一偏振光栅沿在所述显示器和所述光导之间的光路定位，其中所述第一偏振光栅被配置以将由所述显示器发射的光衍射成具有不同偏振的阶次，并且其中所述阶次被选择性地传送到不同的眼盒中；以及
框架，所述框架支撑所述光导、所述显示器和所述第一偏振光栅。
2.根据权利要求1所述的护目镜装置，其中，所述不同的偏振包括右圆偏振或左圆偏振。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的护目镜装置，其中，所述右圆偏振与所述偏振光栅的+1阶次对应，并且所述左圆偏振与所述偏振光栅的-1阶次对应。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的护目镜装置，其中，对于右圆偏振光，所述第一偏振光栅使光以正偏移角发生衍射，并且对于左圆偏振光，所述第一偏振光栅使光以负偏移角发生衍射。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的护目镜装置，其中，所述第一偏振光栅是基本消色差液晶偏振光栅。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的护目镜装置，其中，所述波束转向元件包括偏振相关滤光器，所述偏振相关滤光器对从所述第一偏振光栅接收的光进行过滤，其中所述偏振相关滤光器对处于第一状态中的右圆偏振光和处于第二状态中的左圆偏振光进行过滤。
7.根据权利要求1所述的护目镜装置，进一步包括：
第二偏振光栅，所述第二偏振光栅被定位于所述光导的所述眼睛侧表面附近，所述第二偏振光栅被配置用以将由所述显示器发射的光选择性地传送到不同的视场FOV中。
8.根据权利要求7所述的护目镜装置，其中，所述第二偏振光栅被配置以对表示所述不同的FOV的内容进行时间复用，以呈现由穿戴所述护目镜装置的使用者所感知的更大的有效FOV。
9.根据权利要求7或8所述的护目镜装置，其中，所述第二偏振光栅包括可切换偏振光栅，所述可切换偏振光栅在偏振之间切换，以对表示所述不同FOV的所述内容进行时间复用。
10.一种方法，包括：
在护目镜装置中从显示器朝向第一偏振光栅发射光，所述护目镜装置包括具有世界侧表面和眼睛侧表面的光导；
将从所述第一偏振光栅接收的光衍射成具有不同偏振的阶次；以及
经由所述第一偏振光栅，将所衍射的阶次中的一个经由所述光导的所述眼睛侧表面选择性地传送到多个眼盒中的一个眼盒中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将由所述显示器发射的所述光选择性地传送到所述多个眼盒中的一个眼盒中包括：生成具有右圆偏振和左圆偏振的阶次。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中，所述右圆偏振与所述偏振光栅的+1阶次对应，并且所述左圆偏振与所述偏振光栅的-1阶次对应。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其中，将由所述显示器发射的所述光衍射包括：对于右圆偏振光，使所述光以正偏移角发生衍射，并且对于左圆偏振光，使所述光以负偏移角发生衍射。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的方法，其中，所述第一偏振光栅是基本消色差液晶偏振光栅。
15.根据权利要求10至14中的任一项所述的方法，其中，将所衍射阶次中的一个选择性地传送包括：在偏振相关滤光器处，对处于第一状态的所述右圆偏振光和处于第二状态的所述左圆偏振光进行过滤。
16.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
在被定位于所述光导的所述眼睛侧表面附近的第二偏振光栅处，将由所述显示器发射的所述光选择性地传送到不同的视场FOV中。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，将所述光选择性地传送包括：对表示所述不同FOV的内容进行时间复用，以呈现由穿戴所述护目镜装置的使用者所感知的更大的有效FOV。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的方法，其中，对所述内容进行时间复用包括：在与所述不同FOV相关联的圆偏振之间切换。
19.一种护目镜装置，包括：
光导，所述光导具有世界侧表面和眼睛侧表面；
显示器，所述显示器被定向为朝向所述光导发射光；
波束转向元件，所述波束转向元件包括偏振光栅，所述偏振光栅沿在所述光导的眼睛侧表面和所述护目镜装置的使用者的眼睛之间的光路定位，所述偏振光栅被配置以将由所述显示器发射的光选择性地传送到不同的视场FOV中；以及
框架，所述框架支撑所述光导、所述显示器和所述偏振光栅。
20.根据权利要求19所述的护目镜装置，其中，所述波束转向元件被配置以对表示所述不同FOV的内容进行时间复用，以呈现由穿戴所述护目镜装置的使用者所感知的更大的有效FOV。
21.根据权利要求19或20所述的护目镜装置，其中，所述波束转向元件包括可切换偏振光栅，所述可切换偏振光栅在偏振之间切换，以对表示所述不同FOV的所述内容进行时间复用。
22.一种方法，包括：
在护目镜装置中从显示器朝向第一偏振光栅发射光，所述护目镜装置包括波导，所述波导具有世界侧表面和眼睛侧表面；
经由所述第一偏振光栅，将由所述显示器发射的光选择性地传送到不同的视场FOV中。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，将由所述显示器发射的所述光选择性地传送包括：对表示所述不同FOV的内容进行时间复用，以呈现由穿戴所述护目镜装置的使用者所感知的更大的有效FOV。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，将由所述显示器发射的所述光选择性地传送包括：使用可切换偏振光栅在偏振之间切换，以对表示所述不同FOV的所述内容进行时间复用。
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