CN117642675A - 用于眼镜的显示系统 - Google Patents

Abstract

一种用于包括镜片的头戴式设备(HMD)的显示系统，该显示系统包括：位于该HMD的该镜片上的显示区域，该镜片具有基角和前倾角；显示引擎和光学器件；以及在考虑该基角和该前倾角的情况下用于将该光学器件的输出重定向到该HMD的该镜片上的该显示区域的棱镜。

Description

用于眼镜的显示系统

相关申请

本申请要求2021年7月12日提交的美国临时申请第63/203,174号的优先权，并且将该申请的全部内容并入。

技术领域

本发明涉及显示器，尤其涉及将光引擎和光学器件的位置与图像位置去耦。

背景技术

在头戴式设备(HMD)中，设置显示、照明和投影光学器件的构造以及图像要投影到的位置非常复杂。

图1A示出了典型的显示器110、光学器件120和图像输出130。一般来说，照明和投影光学器件在一条线上，并且光学器件的输出向用户显示。

图1B和图1C示出了具有照明和投影光学器件150的典型的显示器140，该显示器140的输出被输入到波导160。这使得图像输出170从显示器140和光学器件150的位置移位。如图1C可见，当光学器件150的输出以一定角度输入耦合到波导160时，经波导160输出耦合的光也以一定角度出射。

附图说明

在附图的图中以示例而非限制的方式示出了本发明，并且在附图中相同的附图标号是指相似的元件，并且在附图中：

图1A是现有技术的标准显示引擎的一个实施方案的图示。

图1B是现有技术的具有波导的标准显示引擎的一个实施方案的图示。

图1C是当光以一定角度入射时现有技术的具有波导的标准显示引擎的一个实施方案的图示。

图2是具有棱镜的显示引擎的一个实施方案的图示，该棱镜提供相比于光学器件的位置成角度的输出。

图3A是包括消色差棱镜的系统的一个实施方案的图示。

图3B是具有消色差棱镜的系统的另一个实施方案的图示。

图4A至图4C是消色差棱镜的实施方案。

图5A是带有具有光学倍率的消色差棱镜的系统的一个实施方案的图示。

图5B是具有折射衍射棱镜的系统的一个实施方案的图示。

图6是具有棱镜和波导的系统的一个实施方案的图示。

图7A是使用消色差棱镜的具有两个出射光瞳的系统的一个实施方案的图示。

图7B是具有激光照明功能的具有两个出射光瞳的系统的一个实施方案的图示。

图8A和图8B是具有分色出射光瞳的系统的一个实施方案的图示。

图9A是利用波导的具有两个出射光瞳的系统的一个实施方案的图示。

图9B是利用两个波导的具有两个出射光瞳的系统的一个实施方案的图示。

图10是利用棱镜设计系统的一个实施方案的流程图。

图11A和图11B是示出本发明的系统的眼镜的一个实施方案的图示。

具体实施方式

本发明的系统提供了一种用于头戴式显示器的设计，该头戴式显示器能够使显示器和光学器件元件从显示图像的位置移位。使用棱镜移动出射光束角度，从而移动输出图像的位置。在一个实施方案中，棱镜被设计为使图像移位，使得输出轴不与该系统其余部分的轴线对齐。在一个实施方案中，使用消色差棱镜。

该设计考虑到向具有前倾角和基角的镜片的显示，从而实现了在头戴式设备(HMD)的外形中显示。在一个实施方案中，这使得显示系统能够安装在眼镜外形中，同时提供良好的光学性能。在一个实施方案中，使用消色差棱镜以避免色差。在另一个实施方案中，使用具有折射和衍射表面的棱镜。在一个实施方案中，可在消色差棱镜上施加倍率。在一个实施方案中，可通过波导将从棱镜重定向的光导向用户的眼睛。在一个实施方案中，该系统可包括用于不同颜色的多个出射光瞳，每个出射光瞳有单独的棱镜。

本发明的实施方案的以下详细描述参考了附图，在附图中，相同的附图标号指示相似的元件，从而以例证方式示出了实践本发明的具体实施方案。对这些实施方案的描述足够详细到使得本领域的技术人员能够实践本发明。本领域的技术人员应理解，可利用其他实施方案，并且可在不脱离本发明的范围的情况下进行逻辑、机械、电气、功能和其他改变。因此，以下详细描述不应被理解为限制性的，并且本发明的范围仅由所附权利要求限定。

图11A和图11B示出了眼镜的一个实施方案，这种眼镜可被设计为提供增强现实(AR)和/或虚拟现实(VR)和/或混合现实(MR)显示器。在一个实施方案中，图像显示在嵌入于眼镜镜片中的波导1150上。如图可见，波导1150相比于光学器件1130不处于垂直角度，而是与其成一复合角。在此图示中，光学器件嵌入在眼镜1100的臂1110中。在其他具体实施中，光学器件可定位在中心区域、眼睛上方或其他位置。然而，在任一构造中，光学器件1130的输出与波导的输入耦合器或用于显示的其他元件之间通常都会有复合角。光学器件1130的输出与基准平面之间的位移可由光轴角度(其具有顶部分量和侧面分量)显示。另外，镜片通常与顶部(基角)和侧面(前倾角)之间成角度。沿所有三个轴线都可有倾斜。不同角度的组合构成了波导(或其他显示元件)的输入耦合器与照明光学器件1130的光轴之间的总位移，称为复合角。由此，本发明的设计使用棱镜调节复合角，并使显示引擎和光学器件的位置与最终图像显示的位置去耦。此设计具有足够高的灵活性，可以适应包括眼镜、护目镜或其他任何显示构造的任何头戴式设备。当然，这些技术也适用于与眼镜无关的外形，其中显示和照明/投影光学器件与输出图像成一定角度而定位。

图2是具有棱镜的显示引擎的一个实施方案的图示，该棱镜提供相比于光学器件的位置成角度的输出。这种成角度的输出被设计为调节照明和投影光学器件220的光轴与图像输出240的优选角度之间的复合角，如上文所述。在一个实施方案中，显示器210可包括发光二极管(LED)显示器、微LED显示器、扫描激光显示器、液晶覆硅(LCoS)、数字微镜设备(DMD)或其他类型的显示器。显示器210的输出传输通过一个或多个照明和投影光学器件220。本领域已知对这类光学器件220的使用。光学器件220可包括照明光学器件、投影光学器件或照明光学器件和投影光学器件的组合。虽然光学器件220被示为单个框，但本领域的技术人员会理解这类光学器件可包括多个镜片和镜子。在一个实施方案中，照明和投影光学器件所包括的元件可包括一个或多个镜片、镜子、全息光学元件和其他光学元件。

光学器件220的输出被传输到棱镜230。棱镜230改变光的出射角度，从而将输出图像240定位在正确的角度，以用于显示。然而，使用单个棱镜230可能导致一些问题，如色差。该系统可利用对棱镜230的各种调整来解决这些色差。下文描述对棱镜230的示例性调整。

图3A是包括消色差棱镜的系统的一个实施方案的图示。消色差棱镜330能够在不造成色差的情况下改变来自照明和投影光学器件320的光的角度。在一个实施方案中，消色差棱镜330是具有不同折射率的不同类型的玻璃粘合而成的多个棱镜。在一个实施方案中，所使用的玻璃或其他材料的类型限定了楔形的数量。在一个实施方案中，根据光的带宽(即特定波长范围)、光瞳大小和偏转角度来选择消色差棱镜的形状、大小和材料。

在一个实施方案中，棱镜由三个楔形构成，每个楔形由肖特集团生产的玻璃制成。在一个示例性实施方案中，该三个楔形是N-PSK57玻璃、N-KZFS5玻璃和N-FK56玻璃。在一个示例性实施方案中，该三个楔形的折射率为1.58700、1.65412和1.48656。在另一个实施方案中，这些楔形可由诸如大原公司、豪雅光学公司和住友电气工业株式会社的其他制造商的玻璃列表中的材料制成。这些楔形中的每个楔形可由不同的材料制成。在一个实施方案中，这些楔形可由除玻璃以外的材料制成，如塑料、陶瓷或其他光学材料。或者，这些楔形可由两种类型的材料(M1和M2)制成，因此该三个楔形为M1/M2/M1构造。折射率越高，色散越大，因此消色差棱镜利用一系列折射率提供一系列色散，从而使系统平衡，并减少或消除了色差。在一个实施方案中，所使用的材料可包括玻璃、塑料和其他光学材料。

在一个实施方案中，消色差棱镜330可用光学透明的粘合材料使楔形相互粘合。在一个实施方案中，消色差棱镜330可以是靠近放置的非粘合楔形。在一个实施方案中，如图3A所示，消色差棱镜包括三个楔形。在一个实施方案中，这些楔形的大小不相同。

图3B是具有消色差棱镜的系统的另一个实施方案的图示。此构造示出了包括四个楔形的消色差棱镜370。在一个实施方案中，消色差棱镜370可包括两个或更多个楔形。

图4A至图4C是消色差棱镜的实施方案。消色差棱镜是一种被设计为将光重定向，而不会造成标准透镜会导致的光谱分离(也称为色差)的棱镜。

消色差棱镜410与所示的投影仪450的光轴成一定角度定位。在这种情况下，投影仪是照明和投影光学器件的输出，将光导向消色差棱镜410。在一个实施方案中，消色差棱镜410的楔形420、430、440彼此之间有移位，如图所示。在一个实施方案中，消色差棱镜410可移动光的角度，从而调节任何复合角，从而解决头戴式显示器的前倾角和基角倾斜。这使得在系统中光引擎可与波导的输入耦合器或其他输入元件有不同的取向，使得该系统能够安装到HMD外形中。在一个实施方案中，根据该设计安装到其中的HMD的构造选择构成消色差棱镜410的楔形的特定材料和材料次序。这使得本发明的结构能够适应多种HMD构造。

在一个实施方案中，可对棱镜进行修整，以产生经修整的消色差棱镜460、470。在一个实施方案中，基于所使用的光学器件的出射光瞳对经修整的棱镜进行修整，以确保该棱镜的大小能够捕获完整图像。修整棱镜的顶部和底部能够节省空间和重量，空间和重量都是头戴式设备的重要考虑因素。图4B和图4C示出了用于修整消色差棱镜的两种可能的构造，其中示出了光轴465、475。本领域的技术人员会理解这些只是示例性的修整方法，并且实际修整要根据图像大小和位置约束条件来选择。

图5A是带有具有光学倍率的消色差棱镜的系统的一个实施方案的图示。在此构造中，消色差棱镜530中的楔形中的一个或多个楔形施加有光学倍率。在一个实施方案中，这是通过为该楔形的外表面设置曲率以使光会聚或发散来实现的。在一个实施方案中，通过模制该楔形使其具有曲面，从而提供光学倍率。在另一个实施方案中，可将镜片胶合到棱镜，以提供光学倍率。在该图示中，第一楔形和第三楔形被示为具有光学倍率。所示的曲率有所夸张。在一些实施方案中，所有楔形都可具有光学倍率。在一些实施方案中，仅外侧的两个楔形可具有光学倍率。在一些实施方案中，仅这些楔形中的一个楔形可具有光学倍率。可使用其他构造。图5B示出了消色差棱镜535中的楔形都具有光学倍率并且这些楔形彼此靠近但不接触的一个实施方案。

图5C是具有折射/衍射棱镜的系统的一个实施方案的图示。在一个实施方案中，棱镜可以是单个棱镜，是具有衍射表面的折射元件，而不是具有三个或更多个楔形。在一个实施方案中，消色差棱镜中的楔形中的一个或多个楔形可以是折射/衍射棱镜。在一个实施方案中，棱镜570是具有衍射出射表面的折射元件。在一个实施方案中，可通过在棱镜570上设置衍射光栅制成该衍射出射表面。在一个实施方案中，衍射光栅可以是表面浮雕光栅、体相位全息光栅、数字平面全息光栅或其他光栅。

图6是具有棱镜和波导的系统的一个实施方案的图示。在一些实施方案中，棱镜630的输出不被直接输出到用户的眼睛。而是棱镜630的输出是波导的输入。这使得显示器610和光学器件620从图像输出670的位置进一步移动。如图可见，虽然照明和投影光学器件620与波导640成一定角度，但通过使用棱镜630可对那些角度进行校正，使得光以正确的角度进入波导640的输入耦合器650，并且通过输出耦合器660的图像输出670不会偏斜。在一个实施方案中，棱镜630可以是单个棱镜。在另一个实施方案中，棱镜630可以是上文所讨论的棱镜中的任何一种棱镜，例如消色差棱镜、折射/衍射棱镜，并且/或者可施加有光学倍率。通过使用棱镜630可对来自任意设计的光引擎的光加以引导，同时符合眼镜外形的约束条件。

图7A是使用消色差棱镜的具有两个出射光瞳的系统的一个实施方案的图示。在一个实施方案中，显示器710生成传输通过照明和投影光学器件720的光数据。照明和投影光学器件720的输出是分色的。随后这些分色输出被导向两个或更多个棱镜730、735，以产生图像输出740。在一个实施方案中，棱镜730、735按波长分开。在一个实施方案中，在选择用于构成消色差棱镜的棱镜的特性时，使用这些分色输出中的每个分色输出的光带宽。

在一个实施方案中，每个棱镜730、735对来自显示器710的颜色的子集进行重定向。在一个实施方案中，对于两个棱镜，其中一个棱镜可以是用于两种颜色(如红色和蓝色)的，而另一个棱镜是用于剩余颜色(如绿色)的。在另一个实施方案中，一个棱镜可以是用于两种颜色(红色和绿色)的，而另一个棱镜也是用于两种颜色(蓝色和绿色)的。可使用其他在棱镜之间区分颜色的方式。随后通过波导或其他元件对光进行组合，以用于显示。

图7B是具有激光照明功能的具有两个出射光瞳的系统的一个实施方案的图示。对于激光显示器750，每种颜色可使用单个棱镜770、775，而不使用消色差棱镜，因为激光光源的窄带宽可减轻色差问题。由此，棱镜770、775用于使光转向，而不是用于校正色差。在一个实施方案中，全色显示器中可使用三个输出光瞳和棱镜，每种颜色的光使用一个输出光瞳和棱镜。

图8A和图8B是具有分色出射光瞳的系统的一个实施方案的图示。在此图示中，示出了三种颜色的单独的棱镜。来自照明和投影光学器件820的分色图像数据被传输到该三种颜色的棱镜830、840、850。在一个实施方案中，该系统对于每种颜色包括单独的棱镜。在一个实施方案中，如图8B所示，棱镜830、840、850被布置成彼此之间有移位。在一个实施方案中，布置是三维的，并且这些棱镜可沿所有三个维度移位。在一个实施方案中，照明源可以不是共面的，由此出射光瞳相对于光学引擎会在不同的位置。

图9A是利用波导的具有两个出射光瞳的系统的一个实施方案的图示。显示器910生成图像数据，随后通过照明和投影光学器件920将该图像数据输出到两个或三个棱镜930、940。棱镜930、940的输出被耦合到波导950中。在一个实施方案中，波导具有用于颜色1的第一输入耦合器935和用于颜色2的第二输入耦合器945。如上文所述，“颜色1”和/或“颜色2”中的每一者可表示两种颜色，例如颜色1可以是红色和蓝色，而颜色2是绿色波长。所示出的波导输入耦合器可以沿两个轴移位。波导950包括用于将组合图像输出耦合到用户的输出耦合器955。虽然图9A示出了用于两个棱镜930、940的输出的单独的输入耦合器，但在另一个实施方案中，波导可以有用于对来自两个棱镜的图像进行输入耦合的单个输入耦合器。

图9B是利用两个波导的具有两个出射光瞳的系统的一个实施方案的图示。显示器910生成图像数据，随后通过照明和投影光学器件920将该图像数据输出到两个或三个棱镜930、940。在此构造中，每个棱镜930、940具有相关联的波导960、970。在一个实施方案中，波导960、970的输入耦合器935、945彼此偏置。在一个实施方案中，输出耦合器965、975位于彼此上方。在一个实施方案中，对于三棱镜系统，可以有三个单独的波导。在另一个实施方案中，对于三棱镜系统，可以有两个波导，其中一个波导对来自两个棱镜的数据进行传输。

以此方式，该系统可适应棱镜和波导的多种构造。

图10是利用棱镜设计系统的一个实施方案的流程图。过程开始于框1010处。在框1020，接收用于设计的HMD的构造。图11A和图11B示出了HMD眼镜的示例性构造。

在框1030，该过程基于该HMD构造确定显示引擎和光学器件的位置，该HMD构造对于眼镜包括玻璃镜片和框架的构造。在一个实施方案中，显示引擎的位置通常在眼镜臂中，靠近镜片。然而，在一些构造中，显示引擎和/或光学器件可沿眼镜臂进一步向后移动，或者可位于框架的中心部分上或其他位置。这限定了显示引擎和光学器件的光轴。

在框1040，计算出光轴与图像输出位置之间的复合角。在一个实施方案中，图像输出位置可由波导的输入耦合器限定。可基于基角、前倾角以及投影和中间光学器件框的输出的光轴计算出该复合角。

在框1050，过程基于该复合角计算出最佳的棱镜构造，以便将来自光学器件的光导向显示器。在一个实施方案中，棱镜构造限定了角度变化以及材料的选择，以避免色差。棱镜构造还包括施加到棱镜上的任何光学倍率。在一个实施方案中，棱镜构造包括消色差棱镜的形状、大小和材料。这些方面基于复合角、光的带宽(即特定波长范围)以及光瞳大小来选择。

在框1060，在一个实施方案中，该系统确定棱镜的修整，以使棱镜的大小最小。可对棱镜进行修整，以移除三角棱镜上未使用的部分。

在框1070，在一个实施方案中，生成定制的棱镜，使得光引擎和光学器件的位置与该HMD构造去耦。在一个实施方案中，显示引擎、光学器件和经修整的棱镜在框1080与HMD构造组装，从而实现AR/VR HMD。过程然后在框1090处结束。以此方式，本发明的过程使得设计能够适应多种HMD构造和约束条件。

图11A至图11B是使用本发明的系统的眼镜的一个实施方案的图示。如图可见，一副眼镜1100包括两个臂1110，这些臂耦合到中心部分1115。该中心部分1115支撑两个镜片。这些镜片具有基角1160和前倾角1170。在一个实施方案中，基角在1度与10度之间。在一个实施方案中，前倾角在1度与12度之间。在一个实施方案中，光轴角在0度与5度之间。

任何增强现实(AR)系统的输出都会被设计为与眼镜的复合位移角匹配。一般来说，显示引擎1120定位在眼镜臂1110中的每个臂中。照明和投影光学器件1130靠近显示引擎1120定位。然而，实际图像输出被设计为定位在眼镜镜片中的波导1150上。由此，如本文所述，棱镜1140用于实现这类眼镜的实际配置中的照明和投影光学器件的输出的定位。

在前述说明书中，已经参考本发明的具体示例性实施方案描述了本发明。然而，显然的是，可在不脱离如所附权利要求书中所阐述的本公开的更广泛的实质和范围的情况下对本公开进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是例示性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于包括镜片的头戴式设备(HMD)的显示系统，所述显示系统包括：

显示区域，所述显示区域位于所述HMD的所述镜片上，所述镜片具有基角和前倾角；

显示引擎和光学器件，所述光学器件用于生成图像，所述光学器件的输出具有光轴；

棱镜，所述棱镜在考虑基于所述基角、所述前倾角和所述光轴的复合角的情况下用于将所述光学器件的所述输出重定向到所述HMD的所述镜片上的所述显示区域。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述棱镜被设计为解决色差。

3.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述棱镜是消色差棱镜。

4.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述消色差棱镜包括三个楔形。

5.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述棱镜是经修整的。

6.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述棱镜是折射/衍射棱镜。

7.根据权利要求6所述的显示系统，其中所述棱镜的入射表面是折射表面，并且所述棱镜的出射表面是衍射表面。

8.根据权利要求1所述的显示系统，所述显示系统还包括：

波导，所述波导靠近所述棱镜定位，其中所述棱镜被配置为将所述图像导向到所述波导的输入耦合器，并且所述波导被配置为将所述输出导向到用户。

9.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述棱镜包括用于第一颜色的第一棱镜以及用于第二颜色的第二棱镜。

10.根据权利要求9所述的显示系统，其中所述第一颜色包括红色和蓝色，并且所述第二颜色包括绿色。

11.根据权利要求9所述的显示系统，其中所述棱镜包括用于第三颜色的第三棱镜。

12.根据权利要求9所述的显示系统，所述显示系统还包括：

第一波导，所述第一波导用于所述第一颜色；和

第二波导，所述第二波导用于所述第二颜色。

13.一种用于包括镜片的增强现实头戴式设备(HMD)的显示系统，所述显示系统包括：

波导，所述波导包括输入耦合器和输出耦合器，所述输出耦合器包括位于所述HMD的所述镜片上的显示区域；

显示引擎和光学器件，所述光学器件用于生成图像，所述光学器件的输出具有光轴；

棱镜，所述棱镜在考虑基于所述输出耦合器的基角、前倾角和所述光轴的复合角的情况下用于将来自所述光学器件的所述图像重定向到所述波导的所述输入耦合器。

14.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述棱镜被设计为解决色差。

15.根据权利要求14所述的显示系统，其中所述棱镜是消色差棱镜。

16.根据权利要求15所述的显示系统，其中所述消色差棱镜包括三个楔形。

17.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述棱镜是折射/衍射棱镜，并且所述棱镜的入射表面是折射表面，并且所述棱镜的出射表面是衍射表面。

18.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述棱镜包括用于所述图像中的不同颜色的多个棱镜。

19.根据权利要求18所述的显示系统，所述显示系统还包括：

波导，所述波导包括用于所述不同颜色的多个波导，其中所述多个棱镜中的每个棱镜具有相关联的波导。

20.一种用于增强头戴式设备(HMD)的显示系统，所述显示系统包括：

臂；

镜片，所述镜片具有基角和前倾角；

波导，所述波导位于所述镜片上，所述波导具有用于显示增强现实图像的输出耦合器；

显示引擎和光学器件，所述光学器件用于生成图像，所述光学器件的输出具有光轴；

棱镜，所述棱镜用于以与所述光轴成改变的角度将所述光学器件的所述输出导向到所述波导的输入耦合器，使得经所述输出耦合器输出耦合的所述图像成正确的角度，以用于显示，所述棱镜被设计为通过基于所述基角、所述前倾角和所述光轴的复合角改变所述图像的角度。