CN211905859U - 增强现实或虚拟现实显示装置 - Google Patents

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Abstract

公开了增强现实或虚拟现实显示装置。在波导组件上设置第一输入光栅以接收来自第一投影仪的光并将光耦合到至少一个波导中。设置第二输入光栅以接收来自第二投影仪的光并将光耦合到至少一个波导中。输出衍射光学元件将光从至少一个波导朝向标称观看位置耦合出。第一投影仪沿与波导法向量成第一角度的方向向第一输入衍射光学元件提供光，并且第二投影仪被配置成沿与波导法向量成第二角度的方向向第二输入衍射光学元件提供光。输出衍射光学元件被配置成：针对来自第一投影仪的光在第一角度范围中将光从至少一个波导耦合出以及针对来自第二投影仪的光在第二角度范围中将光从至少一个波导耦合出，其中第一角度范围和第二角度范围不同但是部分交叠。

Description

增强现实或虚拟现实显示装置
技术领域
本实用新型涉及用于增强现实和虚拟现实应用的显示装置。
背景技术
在增强现实耳机中，在用户一只眼睛或两只眼睛的前面设置透明波导。光投影仪朝向波导透射光。可以通过输入衍射光栅将光耦合至波导中。然后通过全内反射使光在波导内传播，并且输出衍射光栅将光从波导耦合出并且朝向观看者。在使用中，观看者可以看到来自他们外部环境的光、通过透明波导透射的光以及来自投影仪的投影光。这可以提供增强现实体验。除了用户只能看到投影光，而不能看到来自他们外部环境的任何光之外，虚拟现实耳机以类似的方式工作。
在增强现实和虚拟现实显示装置领域中的一项挑战是提供宽视场多色图像，使得能够将增强现实图像定位在用户视场内的任何可能位置。迄今为止，许多增强现实系统仅在将增强现实图像定位成朝向用户视觉中心或特定角度限制内时有效。此外，期望将投影仪和电子设备定位成使得用户的外围视觉的干扰最小化并且使用户的面部的遮挡最小化。
本实用新型的目的是解决和克服这些问题中的一些。
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：第一投影仪和第二投影仪；波导组件，包括至少一个波导；定位在波导组件中或波导组件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从第一投影仪接收光并且将光耦合到至少一个波导中；定位在波导组件中或波导组件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从第二投影仪接收光并且将光耦合到至少一个波导中；定位在波导组件中或波导组件上的输出衍射光学元件，所述输出衍射光学元件被配置成将光从至少一个波导朝向标称观看位置耦合出；其中，第一投影仪被配置成沿与波导法向量成第一角度的方向向第一输入衍射光学元件提供光，并且第二投影仪被配置成沿与波导法向量成第二角度的方向向第二输入衍射光学元件提供光；其中，输出衍射光学元件被配置成：针对来自第一投影仪的光在第一角度范围中将光从至少一个波导耦合出；以及针对来自第二投影仪的光在第二角度范围中将光从至少一个波导耦合出，其中，第一角度范围和第二角度范围不同但是部分地交叠。
以这种方式，该装置可以将来自第一投影仪和第二投影仪交叠的视场缝接在一起。观看者优选地不能区分来自第一投影仪和第二投影仪的光，并且因此在包括第一角度范围和第二角度范围的连续观看角度范围中向观看者提供增强的视场。这通过使第一投影仪和第二投影仪相对于波导法向量以仔细选择的不同角度形成角度(angling)来实现，这在来自输出衍射光学元件的光中产生不同的角度输出。
在一些实施方式中，可以在同一波导内针对来自第一投影仪和第二投影仪的光提供不同的光学路径。这通过在输出衍射光学元件的任一侧上针对每个投影仪提供专用的输入衍射光学元件来实现。有利的是提供不同的光学路径以提供单独的通道并且以使通道之间的干扰最小化。
优选地，显示装置包括第一波导组件和第二波导组件，第一波导组件和第二波导组件分别包括至少一个波导。第一输入衍射光学元件优选地被配置成将来自第一投影仪的光耦合至第一波导组件中的至少一个波导中。第二输入衍射光学元件可以被配置成将来自第二投影仪的光耦合至第二波导组件中的至少一个波导中。以这种方式，第一波导组件和第二波导组件可以为用户提供不同的观看特性。每个波导组件或波导堆叠可以专用于处理来自特定投影仪的光。第一波导组件可以因此在第一角度范围中向用户提供光，并且第二波导组件可以在第二角度范围中向用户提供光。在其他实施方式中，可以在共享波导内提供第一角度范围和第二角度范围。
第一波导组件可以是波导的堆叠，并且可以存在分别定位在波导的堆叠中的每个波导中或每个波导上的多个第一输入衍射光学元件。第一投影仪可以被配置成提供由多个第一输入衍射光学元件耦合至波导的堆叠中的多个波长的光。这可以使得装置能够通过经由两个或三个波导耦合三原色来显示颜色增强现实图像。波导的堆叠中的第一输入衍射光学元件中的每一个可以具有被设计为将特定原色耦合至相关波导中的特性。通常，这是通过仔细选择衍射光栅的周期来实现，使得特定波长的光优先被相关光栅衍射并且被耦合至相关波导中以在其中被全内反射。
第二波导组件可以是波导的堆叠，并且可以存在分别定位在波导的堆叠中的每个波导中或每个波导上的多个第二输入衍射光学元件。第二投影仪可以被配置成提供由多个第二输入衍射光学元件耦合至波导的堆叠中的多个波长的光。以这种方式，可以针对每个投影仪提供波导的堆叠，使得可以在第一角度范围和第二角度范围中提供有色光。
在一些实施方式中，可以存在第三投影仪，第三投影仪被配置成沿与波导法向量成第三角度的方向向输入衍射光学元件提供光。输出衍射光学元件可以被配置成：针对来自第三投影仪的光在第三角度范围中将光从至少一个波导耦合出，其中，第二角度范围和第三角度范围部分地交叠。第三角度范围优选地不同于第一角度范围和第二角度范围，而且可以区别于第一角度范围和第二角度范围。以这种方式，第二角度范围可以与第一角度范围和第三角度范围两者部分地交叠。然而，第一角度范围优选地与第三角度范围不交叠。优选地，第二角度范围包括在第一角度范围与第三角度范围之间的角度，使得一起在第一角度范围与第三角度范围的界限之间提供连续的观看角度的范围。这使得该装置能够将单独的视场缝接在一起，以提供几乎占据整个观看者视觉范围的有效视场。
第一角度范围和第二角度范围以及第二角度范围和第三角度范围可以在至少一个维度上部分地交叠。优选地，从佩戴该装置的用户的角度看，至少一个维度是水平维度。通常，与竖直视场相比，人类具有更宽的水平视场。因此，将部分地交叠的角度范围缝接在一起通常在增强水平视场方面具有更大的效用。然而，在一些实施方式中，可以将竖直视场缝接在一起，使得从佩戴该装置的用户的角度看至少一个维度可以是竖直维度。
第一投影仪和第二投影仪可以被定位成使得第一投影仪和第二投影仪直接地向第一波导组件和第二波导组件提供光。在这种意义上，优选地，来自第一投影仪和第二投影仪的光在第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件处被接收到之前基本上没有所述光的衍射。优选地，第三投影仪也被定位成直接地向在第三波导组件中或第三波导组件上的第三输入衍射光学元件提供光。
第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件可以在第一波导组件和第二波导组件中彼此偏移，使得光能够分别从第一投影仪和第二投影仪直接地耦合至第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件。换句话说，在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组件和第二波导组件的表面法向量优选地彼此偏移。
优选地，第三输入衍射光学元件相对于第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件两者偏移。这可以使得来自第三投影仪的光能够直接耦合至第三衍射光学元件，而不会经受来自第一衍射光学元件或第二衍射光学元件的任何跨通道干扰。
在一个布置中，第一波导组件、第二波导组件和第三波导组件的端部可以以台阶状布置彼此偏移。这可以使得第一投影仪、第二投影仪和第三投影仪能够彼此相邻定位，从而以使得来自投影仪的光能够不受阻碍地传播至相关波导组件上的相关输入衍射光学元件。这可以通过将来自第一投影仪、第二投影仪和第三投影仪的光沿着专用路径耦合并且通过使相关路径之间的串扰最小化来改善光学输出。
第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件可以在输出衍射光学元件的任一侧上定位在波导组件中或波导组件上。以这种方式，第一输入衍射光学元件可以沿第一方向将来自第一投影仪的光朝向输出衍射光学元件耦合，并且第二输入衍射光学元件可以沿可以与第一方向相反的第二方向将来自第二投影仪的光朝向输出衍射光学元件耦合。这可以提高装置的紧凑性，这是因为可以在单个波导组件内提供针对来自第一投影仪和第二投影仪的光的专用光学路径。这可以有利地减小装置的厚度和重量。
在一个布置中，第一投影仪和第二投影仪可以设置成邻近第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件。然而，这在一些实施方式中可能是不利的，这是因为可以优选地将各种投影仪或光引擎组合在单个位置中，在该位置它们对用户的真实世界的外围视觉造成最小的干扰。在一些实施方式中，可以存在用于将来自第一投影仪的光耦合至第一输入衍射光学元件的潜望镜，使得第一投影仪和第二投影仪可以定位在输出衍射光学元件的相同侧。潜望镜可以使得来自第一投影仪的光能够沿着与第二投影仪的光学路径分离的光学路径耦合至波导组件中。然而，第一投影仪和第二投影仪两者可以定位在波导组件的相同侧，以改善耳机设计。有利的是，在增强现实装置中，这可以使得投影仪能够定位至用户的头部侧，靠近其太阳穴，因为在该位置处存在更多空间。另外，将投影仪组合在一起提供对用户的真实世界的外围视觉的降低的损害。
潜望镜优选地包括相对于来自第一投影仪的光成形成一定角度的反射表面。成角度的反射表面(angled reflective surface)可以相对于波导被定位成使得光在反射表面之间的波导内被全内反射。
第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件从用户的角度看可以被定位在输出衍射光学元件的上方和下方。第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件从用户的角度看可以被定位在输出衍射光学元件的左侧和右侧。以这种方式，该装置可以将视场缝接在一起，以提供增强的竖直视场或增强的水平视场。
在一些布置中，可以存在：第三投影仪和第四投影仪；以及第三输入衍射光学元件和第四输入衍射光学元件。第三输入衍射光学元件和第四输入衍射光学元件从用户的角度看可以被定位在输出衍射光学元件的上方和下方。以这种方式，可以在单个波导组件内设置四个单独的光学路径，从而将水平和竖直平面中的视场缝接在一起。这可以为用户提供大大改善的有效视场。
第一角度和第二角度可以分别被形成为离开输出衍射光学元件的角度。已经发现这在使第一角度范围和第二角度范围中的可用视场最大化方面有利。
在一些布置中，显示装置可以包括棱镜，该棱镜定位在第一投影仪与波导组件之间，以减小来自第一投影仪的光线在所述光线遇到波导组件的位置处的角度的扩散。可以在第二投影仪、第三投影仪与后续的投影仪之间设置类似的棱镜，以减小它们在遇到波导组件的位置处的角度的折射扩散，从而减小输入衍射光学元件的物理尺寸。
附图说明
现在参照附图通过示例的方式来描述本实用新型的实施方式，其中：
图1是本实用新型的实施方式中的增强现实显示装置中的光学装置的示意性侧视图；
图2A是示出对于从图1所示的第一投影仪发出的光的角度视场的图；
图2B是示出对于从图1所示的第二投影仪发出的光的角度视场的图；
图2C是示出对于从图1所示的第三投影仪发出的光的角度视场的图；
图3是本实用新型的另一实施方式中的增强现实显示装置中的光学装置的示意性侧视图；
图4A是示出对于从图3所示的第一投影仪发出的光的角度视场的图；
图4B是示出对于从图3所示的第二投影仪发出的光的角度视场的图；
图4C是示出对于从图3所示的第三投影仪发出的光的角度视场的图；
图5是本实用新型的另一实施方式中的增强现实显示装置中的光学装置的示意性侧视图；
图6是本实用新型的另一实施方式中的增强现实显示装置中的光学装置的示意性侧视图；
图7A是示出对于从图6所示的第一投影仪发出的光的角度视场的图；
图7B是示出对于从图6所示的第二投影仪发出的光的角度视场的图；
图8是本实用新型的另一实施方式中的增强现实显示装置中的光学装置的示意性侧视图；
图9A是示出对于从图8所示的第一投影仪发出的光的角度视场的图；
图9B是示出对于从图8所示的第二投影仪发出的光的角度视场的图；
图10是示出图8中描绘的第一投影仪和第二投影仪可以相对于用户的头部定位的示意图；
图11是本实用新型的另一实施方式中的增强现实显示装置中的光学装置的示意性侧视图；
图12是示出对于从图11所示的第一投影仪、第二投影仪、第三投影仪和第四投影仪发出的光的角度视场的图；
图13是示出图11中描绘的第一投影仪、第二投影仪、第三投影仪和第四投影仪可以相对于用户的头部定位的示意图；
图14A是一个布置中的波导的侧视图；以及
图14B是本实用新型的实施方式中的另一配置中的波导的侧视图。
具体实施方式
图1是增强现实显示装置中的光学装置的示意性侧视图。该显示装置包括第一输入投影仪2和第一波导堆叠4。该显示装置还包括第二输入投影仪12、第二波导堆叠14、第三输入投影仪22和第三波导堆叠24。
第一波导堆叠4包括输入光栅6和输出结构8，如在WO2016/020643中描述的，输出结构8可以是光子晶体或交叉光栅。因此，输出结构8可以接收在波导内被全内反射的光，并且可以在同步地将来自波导的光出耦合的同时提供二维扩展，使得用户可以观看到光。
第二波导堆叠14也包括输入光栅16和输出结构18，并且第三波导堆叠24包括输入光栅26和输出结构28。第一波导堆叠4具有表面法向量n1，第二波导堆叠14具有表面法向量n2，以及第三波导堆叠24具有表面法向量n3，表面法向量n1、n2和n3彼此平行，但是表面法向量n1、n2和n3在相应的输入光栅6、16、26的位置处彼此偏移。
第一投影仪2被配置成使得第一投影仪2投影的光束相对于波导法向量n1以角度a1对向。角度a1在从波导法向量n1沿逆时针方向测量的5度至25度的范围内。使用不同的术语，角度a1可以表示为从-25度至-5度的范围内的负角度。输入光栅6从第一投影仪2接收并且衍射光。衍射光通过全内反射在第一波导堆叠4内朝向输出结构8行进。通过输出结构8将光从第一波导堆叠4耦合出，以提供增强现实或虚拟现实图像。输出结构8在第一角度范围内提供增强现实图像。
图2A是示出由第一波导堆叠4中的输出结构8提供的第一角度范围7的图。用户的完整视场示出为具有48度的竖直范围以及75度的水平范围的矩形9。从实际的角度看，这表示了人类在无需转动人类的头部的情况下的可见视场的有效范围。第一角度范围7被设置成朝向可见视场的左边，具有±24度的竖直角度范围以及在约-37度至-5度之间的水平角度范围。以这种方式，第一投影仪2可以将增强现实图像定位在第一角度范围7内，该第一角度范围7被设置成朝向用户视场9的左手侧。
第二投影仪12被配置成将第二投影仪12投影的光束沿基本上平行于波导法向量n2的方向引导。换句话说，光束与波导法向量n2之间的角度为约0度。输入光栅16从第二投影仪12接收并且衍射光。衍射光通过全内反射在第二波导堆叠14内朝向输出结构18行进。通过输出结构18将光耦合出第二波导堆叠14，以提供增强现实或虚拟现实图像。
图2B是示出由第二波导堆叠14中的输出结构18提供的第二角度范围17的图。第二角度范围17居中设置在用户的视场内，具有±24度的竖直角度范围以及在约±16度之间的水平角度范围。因此，第二角度范围17与第一角度范围7在-5度至-16度之间部分地交叠。
第三投影仪22被配置成引导光，使得来自第三投影仪的光束相对于波导法向量n3以角度a3对向。角度a3在从波导法向量n3沿顺时针方向测量的5度至25度的范围内。输入光栅26从第三投影仪22接收并且衍射光。衍射光通过全内反射在第三波导堆叠24内朝向输出结构28行进。通过输出结构28将光从第三波导堆叠24耦合出，以提供增强现实或虚拟现实图像。
图2C是示出由第三波导堆叠24中的输出结构28提供的第三角度范围27的图。第三角度范围27被设置在用户视场的右边。与第一角度范围7和第二角度范围17相比，第三角度范围27具有减小的水平和竖直范围，这是由于以下事实：使第三投影仪22形成朝向第三输出结构28投影光的角度，而不是形成离开第三输出结构28的角度(与第一投影仪2是相同的情况)。第三角度范围27与第二角度范围17部分地交叠。然而，应当注意，第三角度范围27与第一角度范围7不交叠。
第一波导堆叠4、第二波导堆叠14和第三波导堆叠24中的每一个分别包括针对相应的原色的三个单独的波导。以第一波导堆叠4作为示例，可以通过使用堆叠中的三个不同的波导来提供全颜色显示，每个波导由高折射率(n为约1.7)玻璃制成。堆叠中的每个波导在结构上相似，并且每个波导包括输入光栅6和输出结构8。然而，在不同波导层中，相应的输入光栅6和输出结构8的特性不同。在第一波导层(未示出)中，输入光栅6和输出结构8被设置成具有240nm至300nm之间的间距。在第二波导层(未示出)中，输入光栅6和输出结构8被设置成具有280nm至360nm之间的间距。在第三波导层(未示出)中，输入光栅6和输出结构8被设置成具有330nm至420nm之间的间距。光栅的间距对应于衍射特征的分离。这对应于输入光栅中凹槽的分离。
第一投影仪2引导多色光朝向第一波导堆叠4。第一波导堆叠4中的第一层优先衍射红色波长的光，并且将这些红色波长耦合至第一层中。通常通过波导堆叠4中的第一层来透射绿色和蓝色波长。第一波导堆叠中的第二层中的输入光栅优先地衍射绿色光，使得可以将这些波长耦合至第二层中。蓝色波长被透射并且通过针对蓝色光进行优化的输入光栅优先地将蓝色波长耦合至波导堆叠4的第三层中。每个波导层具有输出结构8，该输出结构8具有下述光栅间距：所述光栅间距被优化以将相关波长从波导层耦合出并且朝向用户。以这种方式，每个波导层可以分别针对蓝色、绿色和红色进行优化，使得可以共同提供全颜色输出。
图3是用于在增强现实显示装置中使用的另一配置中的光学装置的示意性侧视图。在这种布置中，仅存在两个波导堆叠：第一波导堆叠104和第二波导堆叠114。第一投影仪102和第二投影仪112以与图1中描绘的布置基本上相似的方式定位。然而，在该配置中，第三投影仪122指向定位在第一波导堆叠104中或第一波导堆叠104上的输入光栅126。输入光栅126定位在输出结构108的与从第一投影仪102接收光的输入光栅106相反的侧上。
第三投影仪122被配置成引导光，使得光束相对于波导法向量n3以角度a3对向。角度a3在从波导法向量n3沿顺时针方向测量的5度至25度的范围内。然而，与图1所示的实施方式不同，第三投影仪122形成离开输出结构108的角度(然而在图1的布置中，第三投影仪22形成朝向输出结构28的角度)。输入光栅126从第三投影仪122接收并且衍射光。衍射光在第一波导堆叠104内朝向输出结构108行进。通过输出结构108将光从第一波导堆叠104耦合出，以提供增强现实或虚拟现实图像。因此，输出结构108将来自第一投影仪102和第三投影仪122的光朝向用户耦合。配置被选择使得来自第一投影仪102和第三投影仪122的光不与用于其他投影仪的输入光栅106、126相互作用，因为这会产生不期望的图像特征。
图4A是示出由第一波导堆叠104中的输出结构108提供的并且由第一投影仪102发射的光形成的第一角度范围107的图。与图2A相似，第一角度范围107被设置成朝向可见视场的左边，具有±24度的竖直角度范围以及在-37度与-5度之间的水平角度范围。
图4B是示出由第二波导堆叠114中的输出结构118提供的第二角度范围117的图。第二角度范围117居中设置在用户的视场109内，具有±24度的竖直角度范围以及在约±16度之间的水平角度范围。因此，第二角度范围117与第一角度范围107在-5度与-16度之间部分地交叠。
图4C是示出由第一波导堆叠104中的输出结构108提供的并且由第三投影仪122发射的光形成的第三角度范围127的图。第三角度范围127被设置成朝向用户视场的右边，具有±24度的竖直角度范围以及在+5度至+37度之间的水平角度范围。因此，第三角度范围127与第二角度范围117在+5度至+16度之间部分地交叠。
图4C中的第三角度范围127在水平和竖直程度中均大于图2C中的第三角度范围27。该效果是由于在图3中第三投影仪122形成离开输出结构108的角度，而在图1中第三投影仪22形成朝向输出结构28的角度而产生的。
图3中所描绘的布置当被实现在增强现实耳机中时可能会出现困难。出现此问题是因为输出结构108、118必须定位在用户的眼睛前面，这意味着第一投影仪102和第二投影仪112可以定位至用户的头部侧，而第三投影仪122必须定位成朝向用户的鼻梁。这可能会在一些情况下产生挑战，因为这意味着电子部件需要定位在超过一个位置中，这可能会增加用户的面部的遮挡，并且潜在地增加其中电子部件可能干扰用户外围视觉的位置的数目。图5是用于在增强现实显示装置中使用的另一配置中的光学装置的示意性侧视图，并且该光学装置被设计以减轻这些问题中的一些。
在图5的布置中存在两个波导堆叠：第一波导堆叠204和第二波导堆叠214。以与图1和图3描绘的布置基本上类似的方式定位第一投影仪202和第二投影仪212。第三投影仪222指向潜望镜230，潜望镜230具有被定向成使得光沿与其被耦合入的方向相同的方向从潜望镜230耦合出的反射表面。第三投影仪222定向成沿与潜望镜230的成角度的输入表面232正交的方向投影光。来自第三投影仪222的光然后在潜望镜230内被全内反射，直至光遇到将光从潜望镜耦合出并且朝向在第一波导堆叠204中或在第一波导堆叠204上的输入光栅226的成角度的反射表面234为止。将光从潜望镜230朝向输入光栅226耦合，使得光束相对于波导法向量n3以角度a3对向。角度a3在从波导法向量n3沿顺时针方向测量的5度至25度的范围内。与图3所示的实施方式相似，指向输入光栅226的光(来自潜望镜230中的反射表面234)形成离开输出结构208的角度。
图4A至图4C示出了由输出结构208、218提供的并且分别由第一投影仪202、第二投影仪212和第三投影仪222发射的光形成的第一角度范围107、第二角度范围117和第三角度范围127。以这种方式，从图5中的光学布置输出的角度范围与从图3中的光学布置输出的角度范围相同。然而，在图5的配置中，所有投影仪202、212、222可以以类似的位置中组合至输出结构208、218的一侧。在增强现实装置中，这是重要的，这是因为它能够使得将所有光引擎能够提供至耳机的一侧，提供至靠近其太阳穴的用户的头部侧，在该侧用于这些部件的空间是可用的。
图6是在增强现实显示装置中使用的另一配置中的光学装置的示意性侧视图。在这种布置中，仅存在一个波导堆叠，称为第一波导堆叠304。
第一投影仪302被配置成引导光，使得来自第一投影仪的光束相对于波导法向量n1以角度a1对向。角度a1在从波导法向量n1沿逆时针方向测量的5度至25度的范围内。使用不同的术语，角度a1可以表示为从-25度至-5度的范围中的负角度。输入光栅306从第一投影仪302接收并且衍射光。衍射光通过全内反射在第一波导堆叠304内朝向输出结构308行进。通过输出结构308将光从第一波导堆叠304耦合出，以提供增强现实或虚拟现实图像。输出结构308针对来源于第一投影仪302的光在第一角度范围内提供增强现实图像。
图7A是示出由第一波导堆叠304中的输出结构308提供的针对从第一投影仪302发出的光的第一角度范围307的图。第一角度范围307被设置成朝向可见视场的左边，具有±24度的竖直角度范围以及在约-38度至+1度之间的水平角度范围。以这种方式，第一投影仪302可以将增强现实图像定位在第一角度范围307内，该第一角度范围307被设置成朝向用户视场309的左手侧。
第二投影仪312指向潜望镜330，潜望镜330具有被定向成使得光沿与其被耦合入的方向相同的方向从潜望镜330耦合出的反射表面。将光从潜望镜330朝向输入光栅316耦合，使得光束相对于波导法向量n2以角度a2对向。角度a2在从波导法向量n2沿顺时针方向测量的5度至25度的范围内。与图3和图5所示的实施方式相似，指向输入光栅316的光(来自潜望镜330中的反射表面336)形成离开输出结构308的角度。
图7B是示出由第一波导堆叠304中的输出结构308提供的针对从第二投影仪312发出的光的第二角度范围317的图。第二角度范围317被设置成朝向可见视场的右边，具有±24度的竖直角度范围以及在约-1度至+38度之间的水平角度范围。以这种方式，第二投影仪312可以将增强现实图像定位在第二角度范围317内，该第二角度范围317被设置成朝向用户视场309的右手侧。第一角度范围307和第二角度范围317部分地交叠，并且交叠区域被设置在±1度之间。以这种方式，可以将第一角度范围和第二角度范围缝接在一起，以在表示大范围的用户的视场的水平±38度和竖直±24度内提供增强现实图像。在图6的布置中，这可以使用单个波导堆叠来实现，这在显示装置的厚度和重量方面提供了优势。
图8是用于在增强现实显示装置中使用的另一配置中的光学装置的示意性侧视图。这种布置展示了如何能够将增强现实图像缝接在一起以增强有效的竖直视场。第一投影仪402被定向成离开输出结构408以朝向输入光栅406投射光。来自第一投影仪402的光束相对于波导法向量n1以角度a1对向。角度a1在从波导法向量n1沿逆时针方向测量的5度至25度的范围内。
输出结构408针对来源于第一投影仪402的光在第一角度范围407内提供增强现实图像。图9A是示出由第一波导堆叠404中的输出结构408提供的针对从第一投影仪402发出的光的第一角度范围407的图。第一角度范围407被设置成朝向可见视场的下部，具有±24度的水平范围以及从+1度至-26度的竖直角度范围。以这种方式，第一投影仪402可以将增强现实图像定位在第一角度范围407内，该第一角度范围407被设置在用户视场409的下部中。
第二投影仪412也离开输出结构408定向，以朝向输入光栅416投射光。输入光栅416位于输出结构408的与用于第一投影仪402的输入光栅406相对的侧上。来自第二投影仪412的光束相对于波导法向量n2以角度a2对向。角度a2在5度至25度的范围内。
输出结构408针对来源于第二投影仪412的光在第二角度范围417内提供增强现实图像。图9B是示出由第一波导堆叠404中的输出结构408提供的针对从第二投影仪412发出的光的第二角度范围417的图。第二角度范围417被设置成朝向可见视场的上部，具有±24度的水平范围以及从-1度至+26度的竖直角度范围。以这种方式，第二投影仪412可以将增强现实图像定位在第二角度范围417内，该第二角度范围417被设置在用户视场409的上部中。第一角度范围407和第二角度范围417在竖直±1度之间的区域中部分地交叠。这可以使得两个角度范围能够被缝接在一起，从而向用户提供增加的视场。
图10是示出第一投影仪402和第二投影仪412可以相对于用户的头部定位的示意图。第一投影仪402可以定位在用户的眼睛上方，靠近用户的额头。第二投影仪412可以定位在用户的眼睛下方，靠近用户的脸颊。
图11是用于在增强现实显示装置中使用的另一配置中的光学装置的示意性侧视图。这种布置展示了如何能够将增强现实图像缝接在一起以增强有效的竖直和水平视场。在这种布置中，以参照图8的上述方式相对于第一波导堆叠504配置了第一投影仪502和第二投影仪512。参照图12，这提供了定位在用户视场的下部中的第一角度范围507，以及与第一角度范围507部分地交叠的第二角度范围517，该第二范围定位在用户视场的上部中。
另外，图11中的布置包括第三投影仪522和第四投影仪550。第三投影仪522指向第二波导堆叠514中的输入光栅526。来自第三投影仪522的光被输入光栅526衍射，并且在第二波导堆叠514内被全内反射至输出结构518，该输出结构518在第三角度范围527中将光从第二波导堆叠514耦合出。第三投影仪522的角度被形成为使得：提供朝向用户视场的左边的第三角度范围527，并且第三角度范围527与第一角度范围507和第二角度范围517部分地交叠。如上所述，这可以以多种方式来实现。例如，这可以使用类似于图6中的第一投影仪302配置的第三投影仪522来完成。
第四投影仪550指向第三波导堆叠524中的输入光栅536。来自第四投影仪550的光被输入光栅536衍射，并且在第三波导堆叠524内被全内反射至输出结构528，该输出结构528在第四角度范围557中将光从第三波导堆叠524耦合出。使第四投影仪550的角度被形成为使得：提供朝向用户视场的右边的第四角度范围557，并且第四角度范围557与第一角度范围507和第二角度范围517部分地交叠。如上所述，这可以以多种方式来实现。例如，这可以使用类似于图6中的第二投影仪312配置的第四投影仪550来完成。
如根据图12可以理解，第一角度范围507、第二角度范围517、第三角度范围527和第四角度范围557因此可以缝接在一起，以针对在竖直±24度之间以及在水平±49度之间的增强现实图像产生有效的视场。
图13是示出第一投影仪502、第二投影仪512、第三投影仪522和第四投影仪550可以相对于用户的头部定位的示意图。第一投影仪502可以定位在用户的眼睛上方，靠近用户的额头。第二投影仪512可以定位在用户的眼睛下方，靠近用户的脸颊。第三投影仪522和第四投影仪550可以定位在用户的头部侧。
图14A是其中光相对于表面法向量以一定角度被注入至波导中的波导600的侧视图。将光提供至波导600，使得可以通过设置在后表面上的输入衍射光栅602将光耦合至波导中。如图14A所示，在输入光束中的立体角内设置角度的扩散。这些光线在与波导600相互作用时被折射。折射角度的扩散意味着针对输入衍射光栅602提供了最小尺寸，使得所有折射光线都被有效地衍射。在一些配置中，输入衍射光栅602的物理尺寸可能会引入问题，这是因为一些衍射的光线将在初始衍射之后与输入光栅再次相互作用。这会导致不期望的观看特征。
图14B是其中在投影仪与波导600之间设置棱镜604的波导600的侧视图。棱镜604对来自投影仪的光的在遇到波导600之前提供初始折射，以减小输入光束中的角度的扩散。这可以有利地使得能够使用具有减小的物理尺寸的输入衍射光栅606。这是有利的，这是因为输入衍射光栅606可以对接收到的光进行衍射，使得接收到的光不与输入衍射光栅606再次相互作用，而在波导600内被全内反射以与诸如输出结构(未示出)的另一衍射特征进一步相互作用。可以在上述的任意实施方式中使用这样的棱镜，以减小输入光栅的物理尺寸并且提高增强现实图像的质量。

Claims (17)

1.一种增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，包括：
第一投影仪和第二投影仪；
波导组件，包括至少一个波导；
定位在所述波导组件中或所述波导组件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从所述第一投影仪接收光并且将光耦合至所述至少一个波导中；
定位在所述波导组件中或所述波导组件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从所述第二投影仪接收光并且将光耦合至所述至少一个波导中；
定位在所述波导组件中或所述波导组件上的输出衍射光学元件，所述输出衍射光学元件被配置成将光从所述至少一个波导朝向标称观看位置耦合出；
其中，所述第一投影仪被配置成沿与波导法向量成第一角度的方向向所述第一输入衍射光学元件提供光，并且所述第二投影仪被配置成沿与波导法向量成第二角度的方向向所述第二输入衍射光学元件提供光；
其中，所述输出衍射光学元件被配置成：针对来自所述第一投影仪的光在第一角度范围中将光从所述至少一个波导耦合出；以及针对来自所述第二投影仪的光在第二角度范围中将光从所述至少一个波导耦合出，其中，所述第一角度范围和所述第二角度范围不同但是部分地交叠。
2.根据权利要求1所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，包括第一波导组件和第二波导组件，所述第一波导组件和所述第二波导组件分别包括至少一个波导，并且其中，所述第一输入衍射光学元件被配置成将来自所述第一投影仪的光耦合至所述第一波导组件中的所述至少一个波导中，并且所述第二输入衍射光学元件被配置成将来自所述第二投影仪的光耦合至所述第二波导组件中的所述至少一个波导中。
3.根据权利要求2所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，所述第一波导组件是波导的堆叠，并且其中，存在分别定位在所述波导的堆叠中的每个波导中或每个波导上的多个第一输入衍射光学元件，并且其中，所述第一投影仪被配置成提供由所述多个第一输入衍射光学元件耦合至所述波导的堆叠中的多个波长的光。
4.根据权利要求3所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，所述第二波导组件是波导的堆叠，并且其中，存在分别定位在所述波导的堆叠中的每个波导中或每个波导上的多个第二输入衍射光学元件，并且其中，所述第二投影仪被配置成提供由所述多个第二输入衍射光学元件耦合至所述波导的堆叠中的多个波长的光。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，包括第三投影仪，所述第三投影仪被配置成沿与波导法向量成第三角度的方向向所述输入衍射光学元件提供光，并且其中，所述输出衍射光学元件被配置成：针对来自所述第三投影仪的光在第三角度范围中将光从所述至少一个波导耦合出，其中，所述第二角度范围和所述第三角度范围部分地交叠。
6.根据权利要求2所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，所述第一投影仪和所述第二投影仪被定位成使得所述第一投影仪和所述第二投影仪直接地向所述第一波导组件和所述第二波导组件提供光。
7.根据权利要求6所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，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在所述第一波导组件和所述第二波导组件中彼此偏移，使得光能够分别从所述第一投影仪和所述第二投影仪直接地耦合至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。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，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在所述输出衍射光学元件的任一侧上定位在所述波导组件中或所述波导组件上。
9.根据权利要求8所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，包括潜望镜，所述潜望镜用于将来自所述第一投影仪的光耦合至所述第一输入衍射光学元件，使得所述第一投影仪和所述第二投影仪能够被定位在所述输出衍射光学元件的相同侧上。
10.根据权利要求8所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，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从用户的角度看被定位在所述输出衍射光学元件的上方和下方。
11.根据权利要求9所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，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从用户的角度看被定位在所述输出衍射光学元件的上方和下方。
12.根据权利要求8所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，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从用户的角度看被定位在所述输出衍射光学元件的左侧和右侧。
13.根据权利要求9所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，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从用户的角度看被定位在所述输出衍射光学元件的左侧和右侧。
14.根据权利要求12所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，还包括：第三投影仪和第四投影仪；以及第三输入衍射光学元件和第四输入衍射光学元件，其中，所述第三输入衍射光学元件和所述第四输入衍射光学元件从用户的角度看被定位在所述输出衍射光学元件的上方和下方。
15.根据权利要求13所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，还包括：第三投影仪和第四投影仪；以及第三输入衍射光学元件和第四输入衍射光学元件，其中，所述第三输入衍射光学元件和所述第四输入衍射光学元件从用户的角度看被定位在所述输出衍射光学元件的上方和下方。
16.根据权利要求1至4中任一项所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，所述第一角度和所述第二角度分别被形成为离开所述输出衍射光学元件的角度。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的增强现实或虚拟现实显示装置，其特征在于，还包括：棱镜，所述棱镜定位在所述第一投影仪与所述波导组件之间，以减小来自所述第一投影仪的光线在所述光线遇到所述波导组件的位置处的角度的扩散。
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