CN209728327U - 增强现实或虚拟现实显示装置 - Google Patents

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CN209728327U CN201822076438.4U CN201822076438U CN209728327U CN 209728327 U CN209728327 U CN 209728327U CN 201822076438 U CN201822076438 U CN 201822076438U CN 209728327 U CN209728327 U CN 209728327U
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Abstract

本实用新型公开了一种增强现实或虚拟现实显示装置。提供彩色投影仪以投射多个波长的光。第一波导和第二波导设置有相应的第一衍射光栅和第二衍射光栅，以将光耦合到第一波导和第二波导中。提供第一输出衍射光学元件和第二输出衍射光学元件，以将光耦合到第一波导和第二波导以外并朝向理论观看位置。投影仪被配置成沿与波导法向量成角度的方向向第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件提供光。第一输出衍射光学元件和第二输出衍射光学元件被配置成分别沿朝向波导法向量成角度的方向将光耦合到第一波导和第二波导以外。来自第一输出衍射光学元件的针对所选波长的光的角度输出与来自第二输出衍射光学元件的所选波长的光的角度输出不同。

Description

增强现实或虚拟现实显示装置
技术领域
本实用新型涉及增强现实或虚拟现实显示装置。
背景技术
在增强现实耳机中，透明波导被设置在用户的一只眼睛或两只眼睛的前面。光投影仪朝向波导发射光。光可以通过输入衍射光栅耦合到波导中。然后，光通过全内反射在波导内传播，并且输出衍射光栅将光耦合到波导以外并朝向观看者。在使用中，观看者可以看到来自其外部环境的透过透明波导的光以及来自投影仪的投射光。这可以提供增强现实体验。除了用户只能看到投射光而不能看到来自其外部环境的任何光之外，虚拟现实耳机以类似的方式工作。
增强现实和虚拟现实显示器领域中的一个挑战是提供宽视场多色图像。还期望提供如下增强现实显示器，其在用户的视场的边缘处提供增强现实图像，使得这些图像不会分散对用户视觉中心处的真实世界活动的注意力。由于水平线之下的观看模仿了汽车和航空工业中使用的传统显示面板和仪表板，因此特别期望提供水平线之下的观看。此外，期望将投影仪和电子器件放置在它们提供对用户视觉的最小干扰和对用户面部的最小遮挡的位置。
US 2012/0127577描述了能够提供宽视场的多色图像的光学装置。该系统的一个问题是，它不能容易地适应于在常规的耳机设计中提供水平线之下的观看。
本实用新型的目的是解决和克服这些问题中的一些问题。
实用新型内容
根据本实用新型的一方面，提供了一种增强现实或虚拟现实显示装置，包括：投影仪；波导；定位在波导中或波导上的输入衍射光学元件，其被配置成接收来自投影仪的光并将光耦合到波导中；以及定位在波导中或波导上的输出衍射光学元件，其被配置成将光朝向理论观看位置耦合到波导以外；其中，投影仪被配置成沿与输入衍射光学元件的位置处的波导法向量成角度的方向向输入衍射光学元件提供光，并且其中，输出衍射光学元件被配置成沿朝向输入衍射光学元件的位置处的波导法向量成角度的方向将光耦合到波导以外。
以这种方式，光沿朝向输入衍射光学元件的位置向后倾斜的方向被耦合到波导以外。这可以使在波导的一侧注入光，并且从波导的另一侧沿朝向输入位置向后倾斜的方向耦出光。在一种布置中，这可以便于在波导顶部注入光并且从波导底部处的输出衍射光学元件观看水平线之下。
优选地，投影仪沿远离输出衍射光学元件的位置成角度的方向提供光。在一种配置中，投影仪可以与理论观看位置设置在波导的同一侧。在替选配置中，投影仪可以与理论观看位置定位在波导的相对侧。
优选地，来自投影仪的光与波导法向量之间的角度小于25度。优选地，该角度大于约5度。
在使用中，投影仪优选地设置在理论观看位置之上的位置，并且输出衍射光学元件被设置在理论观看位置之下的位置。这可以利用安装在用户眼睛之上的投影仪为用户提供水平线之下的观看。这可以在仍然提供水平线之下的观看的同时为用户眼睛之上或许邻近用户的眉毛或摩托车头盔内的框架上的投影仪提供方便的安装水平。对于寻求在用户视场的边缘处提供信息而不会分散用户对视觉中心处发生的真实世界活动的注意力的许多增强现实应用来说，这可能是期望的。在一个示例中，水平线之下的增强现实图像可能能够在摩托车头盔护目镜中提供“仪表板”。以这种方式，图像可以提供有用的增强现实信息，而不影响用户对前方道路的视觉。
在替选(目前较不优选的)配置中，投影仪可以设置在理论观看位置之下的位置，并且输出衍射光学元件可以设置在理论观看位置之上的位置。这将为用户提供水平线之上的观看。
显示装置可以包括具有相应的输入衍射光学元件和输出衍射光学元件的多个波导，所述输入衍射光学元件和输出衍射光学元件在各自的波导中具有不同的特性。因此，可以一起使用波导的堆叠来提供不同的相应图像。优选地，每个波导中的色散是不同的，使得波导的堆叠提供互补效果。
相应的输入衍射光学元件和输出衍射光学元件可以在各自的波导中具有不同的间距。优选地，间距小于或至少基本上等于多色光的最短波长。在一个示例中，间距优选地小于400nm。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种增强现实或虚拟现实显示装置，包括：投影仪，其被配置成投射多个波长的光；第一波导和第二波导；定位在第一波导中或第一波导上的第一输入衍射光学元件，其被配置成接收来自投影仪的光并将光耦合到第一波导中；定位在第二波导中或第二波导上的第二输入衍射光学元件，其被配置成接收来自投影仪的光并将光耦合到第二波导中；定位在第一波导中或第一波导上的第一输出衍射光学元件，其被配置成将光朝向理论观看位置耦合到第一波导以外；定位在第二波导中或第二波导上的第二输出衍射光学元件，其被配置成将光朝向理论观看位置耦合到第二波导以外；其中，投影仪被配置成沿与第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件的相应位置处第一波导和第二波导的波导法向量成角度的方向向第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件提供光，并且其中，第一输出衍射光学元件和第二输出衍射光学元件被配置成分别沿朝向第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件的位置处的波导法向量成角度的方向将光耦合到第一波导和第二波导以外，其中，来自第一输出衍射光学元件的针于所选波长的光的角度输出与来自第二输出衍射光学元件的所选波长的光的角度输出不同。
以这种方式，来自每个波导的输出可以提供互补效应，使得与可以从单个波导提供的相比，一起使用波导可以输出更宽的角度范围。优选地，对于所选波长，第一输出衍射光学元件以二维或极坐标图提供一定范围的角度输出。对于相同的所选波长，第二输出衍射光学元件优选地提供部分交叠的范围的角度输出。以这种方式，可以从这对波导提供的角度范围比从其自身中的波导之一可能提供的角度范围更大。
投影仪优选地被配置成提供红光、绿光和蓝光。这些颜色中的至少两种分别通过第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件优选地耦合到第一波导和第二波导中的每一个中。在一些布置中，红光、绿光和蓝光的波长分别耦合到第一波导和第二波导中。以这种方式，每个波导可以提供红色波长、绿色波长和蓝色波长的不同范围的角度输出，以便从观看者的角度提供互补效果。这通过仔细选择波导的角度倾斜和衍射光学元件的间距来实现。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种操作增强现实或虚拟现实显示装置的方法，包括如下步骤：沿与输入衍射光学元件的位置处的波导法向量成角度的方向朝向定位在波导中或波导上的输入衍射光学元件提供来自投影仪的光；在输入衍射光学元件处将光耦合到波导中；在波导内从输入衍射光学元件朝向输出衍射光学元件完全内部地反射光；沿朝向输入衍射光学元件的位置处的波导法向量成角度的方向将光从输出衍射光学元件朝向理论观看位置耦合到波导以外。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种操作增强现实或虚拟现实显示装置的方法，包括如下步骤：沿与第一输入衍射光学元件的位置处的波导法向量成角度的方向朝向定位在第一波导中或第一波导上的第一输入衍射光学元件提供来自投影仪的多个波长的光；沿与第二输入衍射光学元件的位置处的波导法向量成角度的方向朝向定位在第二波导中或第二波导上的第二输入衍射光学元件提供来自投影仪的多个波长的光；在第一输入衍射光学元件处将光耦合到第一波导中；在第二输入衍射光学元件处将光耦合到第二波导中；在第一波导内从第一输入衍射光学元件朝向第一输出衍射光学元件完全内部地反射光；在第二波导内从第二输入衍射光学元件朝向第二输出衍射光学元件完全内部地反射光；沿朝向第一输入衍射光学元件的位置处的波导法向量成角度的方向将光从第一输出衍射光学元件朝向理论观看位置耦合到第一波导以外；沿朝向第二输入衍射光学元件的位置处的波导法向量成角度的方向将光从第二输出衍射光学元件朝向理论观看位置耦合到第二波导以外，其中，来自第一输出衍射光学元件的针对所选波长的光的角度输出与来自第二输出衍射光学元件的所选波长的光的角度输出不同。
附图说明
现在参照附图通过示例描述本实用新型的实施方式，在附图中：
图1是本实用新型的实施方式中的增强现实显示器中的光学装置的示意侧视图；
图2是本实用新型的实施方式中的增强现实显示器中的光学装置的示意平面图；
图3A至图3C提供了示出来自第一波导中的输出元件的红色、绿色和蓝色的角度输出的三个图；
图4A至图4C提供了示出来自第二波导中的输出元件的红色、绿色和蓝色的角度输出的三个图；
图5是本实用新型的实施方式中的由显示器产生的增强现实图像的示例；以及
图6是本实用新型的实施方式中的波导的堆叠的分解示意侧视图。
具体实施方式
图1是增强现实显示器中的光学装置的示意侧视图。显示器包括输入投影仪2和波导4。如WO2016/020643中所述，波导4包括输入光栅6和输出结构8，输入光栅6和输出结构8可以是光子晶体或交叉光栅。当从理论观看位置观看时，输出结构8被设置在表示用户的法向视场的观看窗10内。在该示例中，输出结构8被设置在观看窗10的下半部。
实际上，波导4设置为分离波导的堆叠。在一些实施方式中，两个或更多个波导可以设置在堆叠内。
波导4在靠近投影仪2和输入光栅6的位置处设置有表面法向量n0。投影仪2被配置成引导光，使得来自投影仪的光束对着(subtend)相对于波导法向量n0的角度a0。角度a0在5度至25度的范围内。当然，这种效果可以通过水平地投射光并使波导4相对于垂直方向远离投影仪2倾斜5度至25度的范围的角度来实现。
输入光栅6接收和衍射来自投影仪2的光。衍射光通过全内反射在波导4内朝向输出结构8传播。通过输出结构8将光耦合到波导4以外，以提供增强现实或虚拟现实图像。
在该配置中，观看位置与投影仪2在波导4的同一侧。然而，将这些设置在波导4的相对侧同样可行。
输出结构8在对着相对于输出结构8的位置处的波导法向量n1的角度a1的光束中将光耦合到波导4以外。耦出光被设置在朝向投影仪2的位置和朝向输入光栅6的位置处的法向量n0成角度的方向中。输出结构8设置在波导4上从观看者的角度看在水平线之下的位置处。耦出光向上成角度，使得从观看者的角度看光似乎是从水平线之下发出来。
有利地，这可以用于提供增强现实图像。图5是能够以这种方式产生的这种增强现实图像的示例，在该方式中，诸如速度、速度限制和方向的信息可以被叠加在由用户感知的真实世界中。叠加的增强现实图像呈现在用户的视场的下半部中，使得它们不会分散对用户视觉的中心处的对象的注意力。
可以通过使用波导4的堆叠来提供全色显示器。在一个示例中，两个波导4可以设置在堆叠中，两个波导4都由BK7玻璃制成。这对波导中的每个波导4在结构上类似，但是各自的输入光栅6和输出结构8的特性不同。在第一波导中，输入光栅6和输出结构8设置有约340nm的间距。在第二波导中，输入光栅6和输出结构8设置有约420nm的间距。光栅的间距对应于衍射特征的间隔。这对应于闪耀光栅中的凹槽的间隔或者光子晶体情况下的折射率结构的间隔。在第一波导4和第二波导4中，衍射结构的间距小于从投影仪2接收的多色光的最短波长。
堆叠中的每个波导4接收在输入光栅6处衍射并在输出元件8处耦合到波导4以外的多色光。在这个过程期间发生色散，并且对于不同波长在输出中存在角度差异。图3A至图3C包括示出来自第一波导的输出元件8的红色、绿色和蓝色的角度输出的图。图4A至图4C示出了来自第二波导的输出元件8的不同颜色的角度输出。
根据图3A至图3C清楚的是，随着光的波长增加，来自输出元件8的角度输出向下移动并移动到输出元件8的边。对于蓝光，光学输出在输出元件8内居中，并且是具有朝向基底向内倾斜的边的松饼形状。对于绿光，光学输出在形状上类似，但是向下移动并且具有较宽的视场。对于红光，光学输出仅呈现在输出元件8的最下角。
图4A至图4C示出了来自第二波导的光学输出，其中，输出结构设置有约420nm的间距。在这种布置中，蓝光居中地设置在用户的视场内。从观看者的角度看，来自第一波导的蓝光无法与来自第二波导的蓝光区分开，并且由此这些进行组合以提供输出元件8的下半部的良好覆盖。来自第二波导中的输出元件8的绿光居中地设置在用户的视场内，并且具有松饼形状。从观看者的角度看，来自第一波导和第二波导的绿光被组合以提供向下直至输出元件8的下角的良好的覆盖。以这种方式，可以在没有设置来自第二波导的绿光的区域中设置来自第一波导的绿光，并且可以在没有设置来自第一波导的绿光的区域中设置来自第二波导的绿光。来自第二波导中的输出元件8的红光被设置在用户的视场内的低的位置处。从观看者的角度看，来自第一波导和第二波导的红光被组合以提供向下直至输出元件8的下角的良好的覆盖。
图6是本实用新型的实施方式中的波导的堆叠的分解示意图。投影仪112利用为红色、绿色和蓝色的第一原色、第二原色和第三原色提供全色图像。在包括第一波导110和第二波导120的光学结构处接收来自投影仪112的光。由于第一波导110主要地用于承载蓝光，因此第一波导110有时被称为“蓝色波导”110。由于第二波导120主要地用于承载红光，因此第二波导120有时被称作“红色波导”120。
第一波导110和第二波导120各自包括两个主要的平坦平行面，并且由透明介质诸如折射率n为约1.7的玻璃制成。来自投影仪112的光透过第一波导110的前表面并入射在后表面上的第一输入衍射光栅102上。在一些实施方式中，第一输入衍射光栅102是周期为约340nm的闪耀反射光栅。
第二输入衍射光栅106设置在第二波导120的后表面上。该实施方式中的第二输入衍射光栅106是周期为约420nm的闪耀反射光栅。在不同的实施方式中，设想不同类型的光栅诸如二元光栅或具有正弦轮廓的光栅可以用于第一输入衍射光栅102和第二输入衍射光栅106。
第一输入衍射光栅102被配置成衍射来自投影仪112的入射光。特别地，由于其周期，第一输入衍射光栅102衍射大部分的蓝色波长、一些绿色波长和小部分的红色波长。衍射光通过全内反射在第一波导110内朝向扩展光栅104或输出元件传播。扩展光栅104对在第一波导110内完全内部地反射的光进行衍射，使得光被耦合到第一波导110以外并朝向观看者。扩展光栅104还提供光的一维扩展或二维扩展，使得它可以为观看者提供大的视野范围。从扩展光栅104输出的光朝向第一输入衍射光栅102的位置处的第一波导法向量n0成角度。从观看者的角度看，这提供了水平线之下的图像，以创建与图5所示的效果类似的效果。
未被第一输入衍射光栅102衍射的光被透射并且继续沿与从投影仪112输出光的方向相同的方向传播。来自第一输入衍射光栅102的透射光包括大部分的红色波长、约一半的绿色波长和小部分的蓝色波长。
滤光器114可选地定位在第一波导110与第二波导120之间。在该示例实施方式中，滤光器114是由塑料制成的蓝色截止滤光器，其被设计成基本上阻挡蓝色波长的光并使得红色波长和绿色波长能够朝向第二波导120传播。在该实施方式中，胶点116设置在滤光器114的边缘与第二波导120之间。这有时被称为胶垫。胶点116的宽度为约50μm。以这种方式，滤光器114通过约50μm的气隙与第二波导120的前表面分开。滤光器114的厚度为约0.5mm。
光直接透过滤光器114。因此，滤光器114与第一波导110和第二波导120的精确对准不是严格必要的。即使滤光器114与第一波导110和第二波导120之间存在轻微的未对准，光仍将沿与从投影仪112接收光的方向相同的方向透射到滤光器114以外。这降低了制造公差并且意味着可以更容易地制造光学装置。
滤光器114定位在第二波导120的邻近第二输入光栅106的一端。垫片118设置在第二波导120的邻近第二扩展光栅108的另一端。垫片118的厚度为约0.5mm，这与滤光器114的厚度相同。垫片118通过分别具有约50μm的厚度的胶点122固定到第二波导120。以这种方式，垫片118可以将第一波导110和第二波导120间隔开与滤光器114相同的量。这可以确保第一波导110和第二波导120的间隔沿着它们各自的长度是均匀的。胶111设置在第一波导110的边缘与滤光器114和垫片118之间，使得第一波导110和第二波导120可以连接在一起。
在另一实施方式中，滤光器114和垫片118可以粘附到第一波导110的后表面，而不是第二波导120的前表面。在另一替选方案中，滤光器114可以设置为第二波导120的前表面上的介电膜。在该实施方式中，该膜可以直接设置在第二波导120的表面上，使得没有气隙。在将滤光器设置为介电膜的情况下，可以省略垫片118。
穿过滤光器114的光透过第二波导120的前表面，并且然后入射在后表面上的第二输入衍射光栅106上。第二输入衍射光栅106衍射经滤波的光，并且将其耦合到第二波导120中以在第二波导120内完全内部地反射。衍射光然后在全内反射下在第二波导120内朝向扩展光栅108传播，该扩展光栅108对光再次衍射并将其耦合到第二波导120以外并朝向观看者。
分别由第一波导110和第二波导120中的第一扩展光栅104和第二扩展光栅108输出的光被组合，使得可以形成并由观看者体验全色增强现实图像。
邻近第二波导120设置着色覆盖130。胶132设置在着色覆盖130的相应边缘与第二波导120之间。由于另外第二输入衍射光栅106和第二扩展光栅108将暴露并且易受损坏，因此着色覆盖130为第二波导120提供保护。通过提供着色，可以降低来自外部世界的光的亮度并且增加增强现实光的对比度。这可以通过降低需要被提供至投影仪112的功率的量来达到期望的对比度水平来提高效率。在其他实施方式中，可以提供仅提供保护而不具有任何着色的覆盖130。
第一波导110和第二波导120具有约1mm的相应厚度。着色覆盖130也具有约1mm的厚度。在该示例实施方式中，垫片118和滤光器114具有约0.5mm的相应厚度，并且存在三层胶，每层具有约50μm的厚度。因此，堆叠的总厚度可以为约3.65mm。
对于不包括滤光器114的红光、绿光和蓝光耦合到第一波导110和第二波导120中的实施方式，如图3A至图3C以及图4A至图4C所示，从第一扩展光栅104和第二扩展光栅108输出的光在不同波长具有不同的角度特性。特别地，来自每个波导的角度输出可以提供互补效应，使得在任意给定波长处，与由任一波导提供的相比，一起使用波导可以输出更宽的角度范围。对于一些波长，来自一个波导的角度输出范围与来自另一波导的角度输出范围部分地交叠。

Claims (7)

1.一种增强现实或虚拟现实显示装置，包括：
投影仪，其被配置成投射多个波长的光；
第一波导和第二波导；
定位在所述第一波导中或所述第一波导上的第一输入衍射光学元件，所述第一输入衍射光学元件被配置成接收来自所述投影仪的光并将所述光耦合到所述第一波导中；
定位在所述第二波导中或所述第二波导上的第二输入衍射光学元件，所述第二输入衍射光学元件被配置成接收来自所述投影仪的光并将所述光耦合到所述第二波导中；
定位在所述第一波导中或所述第一波导上的第一输出衍射光学元件，所述第一输出衍射光学元件被配置成将光朝向理论观看位置耦合到所述第一波导以外；
定位在所述第二波导中或所述第二波导上的第二输出衍射光学元件，所述第二输出衍射光学元件被配置成将光朝向所述理论观看位置耦合到所述第二波导以外；
其中，所述投影仪被配置成沿与所述第一输入衍射光学元件和所述第二输入衍射光学元件的相应位置处所述第一波导和所述第二波导的波导法向量成角度的方向向所述第一输入衍射光学元件和所述第二输入衍射光学元件提供光，并且其中，所述第一输出衍射光学元件和所述第二输出衍射光学元件被配置成分别沿朝向所述第一输入衍射光学元件和所述第二输入衍射光学元件的位置处的所述波导法向量成角度的方向将光耦合到所述第一波导和所述第二波导以外，其中，来自所述第一输出衍射光学元件的针对所选波长的光的角度输出与来自所述第二输出衍射光学元件的所选波长的光的角度输出不同。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述投影仪沿远离所述第一输出衍射光学元件和所述第二输出衍射光学元件的位置成角度的方向提供光。
3.根据权利要求1或2所述的显示装置，其中，所述投影仪与所述理论观看位置被设置在所述第一波导和所述第二波导的同一侧。
4.根据权利要求1或2所述的显示装置，其中，来自所述投影仪的光与所述波导法向量之间的角度小于25度。
5.根据权利要求1或2所述的显示装置，其中，在使用中，所述投影仪被设置在所述理论观看位置之上的位置，并且所述第一输出衍射光学元件和所述第二输出衍射光学元件被设置在所述理论观看位置之下的位置。
6.根据权利要求1或2所述的显示装置，其中，所述第一输入衍射光学元件和所述第二输入衍射光学元件与所述第一输出衍射光学元件和所述第二输出衍射光学元件具有不同的间距。
7.根据权利要求1或2所述的显示装置，其中，对于所选波长，所述第一输出衍射光学元件提供一定范围的角度输出，并且对于相同的所选波长，所述第二输出衍射光学元件提供部分交叠的范围的角度输出。
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