DE102016225016B4

DE102016225016B4 - Okular für am Kopf tragbare Anzeigen, sowie am Kopf tragbare Anzeigen mit einem gekachelten Sichtfeld, die ein Einzel-Microdisplay verwenden

Info

Publication number: DE102016225016B4
Application number: DE102016225016.7A
Authority: DE
Inventors: Oscar A. Martinez; Ozan Cakmakci; James C. Dunphy
Original assignee: Google LLC
Current assignee: Google LLC
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2036-12-15
Also published as: GB201621687D0; GB2551233B; US20170357090A1; CN107490860B; CN107490860A; GB2551233A; US9964769B2; DE102016225016A1; DE202016106972U1

Abstract

Okular (400, 502, 702) für eine am Kopf tragbare Anzeige, wobei das Okular (400, 502, 702) Folgendes umfasst:einen gekrümmten Lichtleiter (400) zum Führen von Anzeigelicht durch Totalreflexion zwischen einer peripher angeordneten Eingangsfläche und einem Sichtbereich (165);einen Auskoppler (504, 704), der gegenüber dem Sichtbereich angeordnet ist, um das Anzeigelicht für die Zwecke der Ausgabe von dem gekrümmten Lichtleiter (400) entlang einer augenwärtigen Richtung umzuleiten, wobei der Auskoppler (504, 704) eine optische Achse aufweist und einen Satz reflektierender Oberflächen umfasst, der mindestens zwei individuelle reflektierende Oberflächen beinhaltet, um entlang der augenwärtigen Richtung einfallendes Anzeigelicht in mindestens zwei relativ zu der optischen Achse des Auskopplers (504, 704) verschiedene Richtungen zu reflektieren,der Satz reflektierender Oberflächen aufweisenda) eine Untermenge von einzelnen reflektierenden Oberflächen mit einem Polarisationsfilm, der ein Anzeigelicht mit einem ersten Polarisationszustand durchlässt, und eine Untermenge von einzelnen reflektierenden Oberflächen mit einem Polarisationsfilm, der ein Anzeigelicht mit einem zweiten Polarisationszustand durchlässt, oderb) eine polarisationsabhängige dielektrische Dünnfilmbeschichtung, sodass eine Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen Anzeigelicht mit einem ersten Polarisationszustand reflektiert und eine weitere Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen Anzeigelicht mit einem zweiten Polarisationszustand reflektiert, oderc) einen wellenlängenselektiven dielektrischen Dünnfilmüberzug, sodass eine erste Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen Anzeigelicht mit einer ersten Farbe reflektiert undi. eine zweite Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen Anzeigelicht mit einer zweiten Farbe reflektiert und eine dritte Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen Anzeigelicht mit einer dritten Farbe reflektiert, oderii. eine weitere Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen ein Anzeigelicht mit einer zweiten und einer dritten Farbe reflektiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die offenbarten Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf am Kopf tragbare Anzeigen (HWDs) und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf am Kopf tragbare Anzeigen, die ein Einzel-Mikrodisplay verwenden und ein gekacheltes (engl: „tiled“) Sichtfeld haben.
HINTERGRUND
Eine am Kopf tragbare Anzeige (Englisch: Head-wearable display, kurz „HWD“), wie sie zum Beispiel in der WO 2014/126692 A1 oder US 2003/0165017 A1 offenbart ist, ist eine Anzeigevorrichtung, die am oder um den Kopf getragen wird. HWDs beinhalten üblicherweise eine Art optisches Nahaufnahmesystem, um ein vergrößertes virtuelles Bild zu erzeugen, das wenige Meter vor dem Benutzer erstellt wird. Einzelaugen-Anzeigen werden als monokulare HWDs bezeichnet, während Dual-Augen-Anzeigen als binokulare HWDs bezeichnet werden. Einige HWDs zeigen nur ein computergeneriertes Bild (Englisch: Computer Generated Image, kurz „CGI“) an, während andere Arten von HWDs in der Lage sind, ein CGI einer realen Ansicht zu überlagern. Dieser letztere Typ von HWD beinhaltet typischerweise eine Form eines durchsichtigen Okulars und kann als Hardwareplattform zur Realisierung erweiterter Realität dienen. Mit erweiterter Realität wird das Bild des Betrachters von der Umwelt mit einem überlagerten CGI ergänzt, das auch als Heads-Up-Display („HUD“) bezeichnet wird.
HWDs haben verschiedene praktische und freizeitrelevante Anwendungen. Aerospace-Anwendungen ermöglichen es einem Piloten, wichtige Flugsteuerungsinformationen zu sehen, ohne ihre Augen von der Flugbahn abzuwenden. Öffentliche Sicherheitsanwendungen beinhalten taktische Anzeigen von Karten und thermische Bildgebung. Weitere Anwendungen sind Videospiele, Transport und Telekommunikation. Neue praktische und freizeitrelevante Anwendungen werden sicherlich gefunden, während sich die Technologie weiterentwickelt, aber viele dieser Anwendungen sind aufgrund der Kosten, der Größe, des Gewichts, der Dicke, des Sichtfeldes und der Effizienz herkömmlicher optischer Systeme, die zur Implementierung von existierenden HWDs verwendet werden, begrenzt.
Figurenliste
Nicht-einschränkende und nicht-erschöpfende Ausführungsformen/Implementierungen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei sich, wenn nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten beziehen.

1A-1B sind Oben- und Rückansichten jeweils einer Ausführungsform eines durchsichtigen Okulars für eine kopfgestellte Anzeige.
2A-2B sind Vorderansichten von Ausführungsformen von Auskoppler n.
3A-3B sind Vorderansichten von anderen Ausführungsformen von Auskoppler n.
Fig. 4A-4B sind perspektivische Ansichten von Ausführungsformen eines Paares von Okularteilen, die verwendet werden, um eine Ausführungsform eines durchsichtigen Okulars zu montieren.
5A-5C sind Diagramme einer Ausführungsform einer am Kopf tragbaren Anzeige mit durchsichtigem Okular und Ausführungsformen einer Anzeigequelle, die mit dem dargestellten Okular verwendet werden kann.
6A bis 6B sind Diagramme einer weiteren Ausführungsform einer am Kopf tragbaren Anzeige mit durchsichtigem Okular und Ausführungsformen einer Anzeigequelle, die mit dem dargestellten Okular verwendet werden kann.
7A-7B sind Diagramme einer weiteren Ausführungsform einer am Kopf tragbaren Anzeige mit durchsichtigem Okular und Ausführungsformen einer Anzeigequelle, die mit dem dargestellten Okular verwendet werden kann.
8A-8B sind Diagramme einer weiteren Ausführungsform einer am Kopf tragbaren Anzeige und Ausführungsformen einer Anzeigequelle, die mit dem dargestellten Okular verwendet werden kann.
9A-9B sind eine Draufsicht bzw. eine Rückansicht einer weiteren Ausführungsform eines durchsichtigen Okulars für eine am Kopf angebrachte Anzeige
10 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer binokularen am Kopf tragbaren Anzeige mit durchsichtigen Okularen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden Ausführungsformen einer Vorrichtung, eines Systems und eines Verfahrens für am Kopf tragbare Anzeigen unter Verwendung eines Einzel-Mikrodisplays und eines gekachelten Sichtfeldes („tiled view field“) beschrieben. Spezifische Details sind beschrieben, um ein Verständnis der Ausführungsformen zu liefern, aber der Fachmann erkennt, dass die Erfindung ohne eine oder mehrere der beschriebenen Details oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien usw. ausgeführt sein kann. In einigen Fällen werden bekannte Strukturen, Materialien oder Operationen nicht im Detail gezeigt oder beschrieben, sind aber dennoch in den Umfang der Erfindung eingeschlossen.
Eine Bezugnahme in dieser Beschreibung auf „eine einzige Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ bedeutet, dass ein beschriebenes Merkmal, eine Struktur oder ein Merkmal in mindestens einer beschriebenen Ausführungsform aufgenommen werden kann, sodass „in einer Ausführungsform“ nicht notwendigerweise alle dieselbe Ausführungsform bezeichnen. Darüber hinaus können die besonderen Merkmale, Strukturen oder Merkmale in geeigneter Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
1A-1B zeigen zusammen eine Ausführungsform eines gekrümmten Durchsicht-Okulars 100 mit einem gekachelten Sichtfeld. 1A ist eine Draufsicht des Okulars 100, 1B eine Rückansicht. Das Okular 100 beinhaltet einen gekrümmten Lichtleiter 105, eine Eingangsfläche 120, einen Auskoppler , der aus einem Satz reflektierender Flächen 125 und 130, Mantelschichten 140 und 142, einer umweltseitigen Oberfläche 143 und einer augenseitigen Oberfläche 144 besteht.
Das Okular 100 führt das Anzeigelicht 150 von der peripher angeordneten Anzeigequelle 160 zu dem Sichtbereich 165, wobei ein Auskoppler mit den reflektierenden Flächen 125 und 130 das Licht 150 aus dem Okular 100 in einer Richtung nach oben auslenkt. Obwohl sie als reflektierende Oberflächen beschrieben werden, weisen die Reflexionsflächen 125 und 130 bei den meisten Ausführungsformen ein Reflexionsvermögen zwischen 0 % und 100 % auf-mit anderen Worten, die reflektierenden Oberflächen sind teilweise reflektierend, sodass sie das Anzeigelicht in der Augenrichtung reflektieren können, während es dem Umgebungslicht 170 erlaubt, durchzugehen. In einer Ausführungsform können die reflektierenden Oberflächen 125 und 130 beispielsweise 50 % reflektierend sein, was bedeutet, dass sie 50 % des einfallenden Lichts reflektieren, aber die anderen 50 % durchlassen können. In verschiedenen Ausführungsformen können die reflektierenden Oberflächen 125 und 130 mit Strahlteilern, polarisierenden Strahlteilern, mehrschichtigen dichroitischen Filmen, halbversilberten Spiegeln usw. ausgebildet sein) die das einfallende Anzeigelicht 150 reflektieren, während zumindest ein Teil des Umgebungslichts 170, der durch die Weltseitenfläche 143 einfällt, durch den gekachelten Sichtbereich 165 zum Auge 175 gelangt. In verschiedenen Ausführungsformen können die reflektierenden Oberflächen 125 und 130 zusätzliche optische Elemente oder Beschichtungen wie Polarisatoren oder Filter beinhalten, sodass die reflektierenden Oberflächen einfallendes Licht unterschiedlich reflektieren.
Das Anzeigelicht 150, das durch die Reflexionsflächen 125 und 130 aus dem Okular 100 geleitet wird, wird als ein einheitliches Bild 180 emittiert, das über dem Umgebungslicht 170 überlagert ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Satz von reflektierenden Flächen 125 und 130 vertikal voneinander beabstandet (d.h. in der y-Richtung beabstandet), aber beide sind in einem zentralen Bereich des Sichtbereichs 165 positioniert. In anderen Ausführungsformen kann der Satz reflektierender Oberflächen unterschiedlich angeordnet sein, beispielsweise seitlich voneinander beabstandet (d. h. in x-Richtung beabstandet, siehe 9A-9B).
In der veranschaulichten Ausführungsform weist der Auskoppler einen Satz von zwei reflektierenden Oberflächen 125 und 130 auf, die im Wesentlichen aneinander stoßen, aber in anderen Ausführungsformen können mehr als zwei reflektierende Oberflächen vorhanden sein (siehe z. B. die 2B und 3A-3B) und die reflektierenden Flächen brauchen nicht zu stoßen. Allgemein gilt, je größer die Anzahl der reflektierenden Oberflächen in dem Satz ist, desto besser ist die Gleichförmigkeit des resultierenden Bildes und des Gesichtsfeldes. Die individuellen reflektierenden Oberflächen 125 und 130 sind unter einem Winkel relativ zueinander und unter verschiedenen Winkeln relativ zu einer optischen Achse 175 positioniert, sodass der Auskoppler mit seinem Satz reflektierender Oberflächen das Anzeigelicht in mindestens zwei verschiedenen Richtungen reflektiert. Die reflektierenden Oberflächen 125 und 130 können eine positive Brechkraft, eine negative Brechkraft oder überhaupt keine Brechkraft aufweisen und müssen nicht die gleiche Brechkraft aufweisen, ob positiv, negativ oder null.
Die Anzeigequelle 160 startet das Anzeigelicht 150 in die Eingangsfläche 120, die sich am Umfang oder am Rand des Okulars 100 befindet. Indem das Anzeigelicht 150 in Richtung des zentralen Bereichs des Okulars 100 geführt wird und beide reflektierenden Oberflächen 125 und 130 verwendet werden, ist das Sichtfeld („FOV“) des Okulars 100 ein expandiertes FOV, das als „gekachelt“ angesehen werden kann, da es durch Reflexionen von mehreren reflektierenden Oberflächen gebildet wird. Diese Auskoppler anordnung ermöglicht größere FOVs und eine verbesserte Benutzererfahrung innerhalb einer dünnen Linsenverkapselung (z. B. weniger als 4 mm).
Die Anzeigequelle 160 ist peripher von dem Sichtfeld des Benutzers positioniert. Der gekrümmte Lichtleiter 105 führt das Anzeigelicht 150, das über die Eingangsfläche 120 über die Totalreflexion („TIR“) empfangen wird, zu den reflektierenden Oberflächen 125 und 130. In einer Ausführungsform wird TIR an den Oberflächen 141 und 145 gefördert, indem sichergestellt wird, dass der Brechungsindex des gekrümmten Lichtleiters 105 höher als der Brechungsindex der Mantelschichten 140 und 142 ist, die mit der Welt- und Augenseite des gekrümmten Lichtleiters 105 übereinstimmen und sich über diese erstrecken. In anderen Ausführungsformen wird ein Klebstoff mit niedrigem Brechungsindex verwendet, um die verklebten Mantelschichten 140 und 142 mit dem gekrümmten Lichtleiter 105 zu verbinden. In dieser Klebstoffausführung mit niedrigem Index liefert der Klebstoff die Indexgrenze, um TIR zu fördern, während die Mantelschichten 140 und 142 als Schutzschichten dienen, die eine glatte, kontinuierliche Krümmung für die Weltseitenoberfläche 143 und die Augenseitenoberfläche 144 bereitstellen.
Als ein Beispiel kann der gekrümmte Lichtleiter 105 aus einem optischen Kunststoff mit einem Brechungsindex im Bereich zwischen 1,5 und 1,7 hergestellt sein, während der Klebstoff, der die Mantelschichten 140 und 142 verklebt, einen Brechungsindex von etwa 1,3 aufweisen kann. In anderen Ausführungsformen können die Mantelschichten 140 und 143 weggelassen werden und eine Luftgrenze mit dem gekrümmten Lichtleiter 105 liefert die TIR-Grenzfläche. Andere Material- und Indexbereiche können in anderen Ausführungsformen verwendet werden.
Die Komponenten des Okulars 100 sind miteinander verbunden, um eine einzige Durchsichtlinse zu bilden. In einer Ausführungsform haben die Weltseitenoberfläche 143 und die Augenseitenoberfläche 144 komplementäre Krümmungen, sodass das Okular 100 effektiv eine Brechkraft für das durchgehende Umgebungslicht 170 aufweist. In anderen Ausführungsformen können diese Krümmungen eine vorgeschriebene Linsenbildung bereitstellen. Die Krümmungen der Oberflächen 141 und 145, die sich an der Grenzfläche des gekrümmten Lichtleiters 105 mit den Mantelschichten 140 und 143 befinden, arbeiten zusammen, um die Vergenz des Anzeigelichts 150 mit jeder aufeinanderfolgenden Brechung/Reflexion einzustellen, um das vereinheitlichte Bild 180, das dem Auge 175 präsentiert wird, zu vergrößern und praktisch zu verschieben. Das Bild wird von dem Auge 175 praktisch um einen Abstand (z. B. 1 m bis 10 m) zurückversetzt, der es dem Auge 175 ermöglicht, bequem die Nah-zu-Auge-Anzeige in den Fokus zu bringen. Mit anderen Worten arbeiten die gekrümmten Seiten des Lichtleiters 105 sowohl zum Transportieren des Anzeigelichts 150 von der peripheren Stelle zum Sichtbereich 165, während gleichzeitig das Anzeigelicht kollimiert oder nahezu kollimiert wird. Diese Konstruktion des Okulars 100 verringert die Anzahl der optischen Komponenten und verringert ihre Herstellungs- und Montagekomplexität.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Anzeigequelle 160 innerhalb einer Vertiefung 185 angeordnet und geneigt, um der Weltseite zugewendet zu sein. In einer Ausführungsform ist die Eingangsfläche 120 ebenfalls so geneigt, dass ihre nach innen gerichteten Normalvektoren zur Weltseite geneigt sind. In dieser Konfiguration tritt das erste TIR-Reflexionsanzeige-Anzeigelicht 150 in den gekrümmten Lichtleiter 105 ein, wenn die Eingangsfläche 120 von der Weltseite weg ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die Eingangsfläche 120 eine gekrümmte Oberfläche mit refraktiver Brechkraft. Die Anzeigequelle 160 kann unter Verwendung verschiedener Mikroanzeigetechniken, wie beispielsweise einer Flüssigkristallanzeige („LCD“), eines Flüssigkristalls auf Silizium (LCOS), einer Anzeige einer organischen lichtemittierenden Diode („OLED“) oder auf andere Weise implementiert sein.
2A-2B veranschaulichen Ausführungsformen von Auskoppler n, die mit dem Okular 100 verwendet werden können. 2A veranschaulicht eine Ausführungsform des Auskoppler s 200, der einen Satz von zwei einzelnen reflektierenden Oberflächen s1 und s2 beinhaltet. Die Flächen s1 und s2 nehmen jeweils einen Teil der vertikalen Abmessung (v) des Kopplers und die gesamte horizontale Abmessung (u) des Kopplers ein. Anders ausgedrückt sind in den dargestellten Ausführungsformen die Flächen s1 und s2 horizontal verlaufende Streifen. In den dargestellten Ausführungsformen haben die Oberflächen s1 und s2 die gleiche vertikale Abmessung, aber in anderen Ausführungsformen ist dies nicht erforderlich. Die dargestellte Ausführungsform zeigt s1 und s2 als ebene Flächen, aber in anderen Ausführungsformen müssen s1 und s2 nicht planar sein, sondern können stattdessen gekrümmt sein, eine Kombination von planaren Facetten, Kombination von ebenen und gebogenen usw. Die Oberflächen s1 und s2 können positive Brechkraft, negative Brechkraft oder überhaupt keine Brechkraft aufweisen und müssen nicht die gleiche Brechkraft aufweisen, ob positiv, negativ oder null.
Wie auf der rechten Seite von 2A gezeigt, sind innerhalb des Satzes von reflektierenden Oberflächen die Flächen s1 und s2 in unterschiedlichen Winkelausrichtungen relativ zueinander und relativ zu einer optischen Achse positioniert. Als ein Ergebnis reflektieren die reflektierenden Oberflächen s1 und s2 einfallendes Anzeigelicht in verschiedenen Richtungen voneinander: Die Fläche s1 reflektiert in der Richtung r1 und die Oberfläche s2 reflektiert in der Richtung r2. In einer Ausführungsform kann die Reflexionsrichtung durch den Winkel des Hauptstrahls des reflektierten Lichts gemessen werden, die Reflexionsrichtung kann jedoch in anderen Ausführungsformen unterschiedlich gemessen werden.
2B veranschaulicht eine andere Ausführungsform eines Auskoppler s 250. Der Auskoppler 250 beinhaltet einen Satz von mehr als zwei individuellen reflektierenden Oberflächen-in diesem Fall drei Oberflächen s1, s2 und s3. Die Oberflächen s1, s2 und s3 nehmen jeweils einen Teil der vertikalen Abmessung (v) des Kopplers und die gesamte horizontale Abmessung (u) des Kopplers ein. Anders ausgedrückt kann diese Ausführungsform als eindimensionale Teilung des Kopplers betrachtet werden, bei der die Oberflächen s1, s2 und s3 horizontal verlaufende Streifen sind, die sich über die gesamte horizontale (u) Abmessung des Kopplers erstrecken, jedoch nur über einen Teil der vertikalen (v) Abmessung des Kopplers. Folglich sind die reflektierenden Oberflächen s1, s2 und s3 horizontal laufende Streifen (d. h. entlang der u-Richtung). In den dargestellten Ausführungsformen haben s1, s2 und s3 die gleiche vertikale Abmessung, aber in anderen Ausführungsformen ist deren Abmessung nicht erforderlich. In den dargestellten Ausführungsformen sind die Oberflächen s1-s3 eben, aber in anderen Ausführungsformen müssen s1-s3 nicht planar sein, sondern können stattdessen gekrümmt sein, eine Kombination von planaren Facetten, eine Kombination von ebenen und gekrümmten usw. In verschiedenen Ausführungsformen können die Oberflächen s1-s3 positive Brechkraft, negative Brechkraft oder überhaupt keine Brechkraft aufweisen und müssen nicht alle dieselbe Brechkraft haben, ob positiv, negativ oder null.
Wie auf der rechten Seite von 2B zu sehen ist, die Oberflächen s1, s2 und s3 in verschiedenen Winkelausrichtungen relativ zueinander und relativ zu einer optischen Achse positioniert. Als ein Ergebnis reflektieren die Oberflächen s1-s3 einfallendes Anzeigelicht in verschiedenen Richtungen voneinander: Die Oberfläche s1 reflektiert in Richtung r1, die Oberfläche s2 reflektiert in Richtung r2 und die Oberfläche s3 reflektiert in Richtung r3. In einer Ausführungsform kann die Reflexionsrichtung durch den Winkel des Hauptstrahls des reflektierten Lichts gemessen werden, die Reflexionsrichtung kann jedoch in anderen Ausführungsformen unterschiedlich gemessen werden.
In einigen Ausführungsformen reflektieren alle Oberflächen s1-s3 in verschiedenen Richtungen, wie dargestellt, sodass keine zwei reflektierenden Flächen in die gleiche Richtung reflektieren. Aber in den Ausführungsformen wie diese mit Kopplern mit einem Satz von mehr als zwei Oberflächen kann der Satz reflektierender Oberflächen Untermengen reflektierender Oberflächen beinhalten, die in derselben Richtung reflektieren. So können beispielsweise die Oberflächen s1 und s3 in einer Ausführungsform (nicht dargestellt), eine Untergruppe von Oberflächen bilden, die in derselben Richtung reflektieren (d. h. r1 und r3 sind dieselbe Richtung), während die Oberfläche s2 eine Untergruppe von Oberflächen bildet, die in einer anderen Richtung r2 reflektiert wird. In dieser Ausführungsform muss jede Untermenge nicht die gleiche Anzahl an individuellen reflektierenden Flächen aufweisen.
3A-3B veranschaulichen Ausführungsformen von Auskoppler n, die mit dem Okular 100 verwendet werden können. 3A veranschaulicht eine Ausführungsform eines Auskoppler s 300, der einen Satz von mehr als zwei individuellen reflektierenden Oberflächen-in diesem Fall vier reflektierende Oberflächen s1, s2, s3 und s4 beinhaltet. Jede der Oberflächen s1-s4 nehmen jeweils einen Teil der vertikalen Abmessung (v) des Kopplers und die gesamte horizontale Abmessung (u) des Kopplers ein. Das Ergebnis ist ein zweidimensional gekachelter oder tessellierter Auskoppler , bei dem die reflektierenden Oberflächen s1-s4 Kacheln sind, deren vertikale Abmessung ein Bruchteil der vertikalen Abmessung des optischen Kopplers ist v) und deren horizontale Abmessung ein Bruchteil der horizontalen (u) Abmessung des optischen Kopplers ist. In den dargestellten Ausführungsformen weisen die Oberflächen s1, s2, s3 und s4 alle die gleiche Größe auf, d.h. sie weisen die gleichen vertikalen und horizontalen Abmessungen und damit den gleichen Flächeninhalt auf, aber in anderen Ausführungsformen müssen die individuellen reflektierenden Oberflächen im Auskoppler nicht die gleichen Abmessungen aufweisen. Wie in den vorhergehenden Ausführungsformen müssen die Oberflächen s1-s4 nicht planar sein, sondern können stattdessen gekrümmt sein, eine Kombination von planaren Facetten, eine Kombination von ebenen und gekrümmten usw. Die Oberflächen s1-s4 können positive Brechkraft, negative Brechkraft oder überhaupt keine Brechkraft aufweisen und müssen nicht alle dieselbe Brechkraft aufweisen, ob positiv, negativ oder null.
Wie in den vorhergehenden Ausführungsformen ist jede der Oberflächen s1-s4 in einer Winkelausrichtung in Bezug auf die anderen und in einem Winkel relativ zu einer optischen Achse positioniert. In einer Ausführungsform reflektieren die Oberflächen s1-s4 einfallendes Anzeigelicht in verschiedenen Richtungen voneinander: Die Oberfläche s1 reflektiert in Richtung r1, die Oberfläche s2 reflektiert in Richtung r2, und die Oberfläche s3 reflektiert in Richtung r3 und so weiter, sodass keine zwei Oberflächen in derselben Richtung reflektieren. Aber in Ausführungsformen wie diese mit Kopplern mit einem Satz von mehr als 2 Oberflächen kann der Satz von Oberflächen s1-s4 Untermengen Oberflächen beinhalten, die in derselben Richtung reflektieren. So können beispielsweise die Oberflächen s1 und s4 eine Untergruppe von Oberflächen bilden, die in derselben Richtung reflektieren, während die Oberfläche s2 und s3 eine Untergruppe bilden, die beide in einer anderen Richtung als s1 und s4 reflektieren. In anderen Ausführungsformen muss jede Untermenge nicht die gleiche Anzahl an individuellen reflektierenden Oberflächen aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Reflexionsrichtung durch den Winkel des Hauptstrahls des reflektierten Lichts gemessen werden, die Reflexionsrichtung kann jedoch in anderen Ausführungsformen unterschiedlich gemessen werden.
3B veranschaulicht eine andere Ausführungsform eines Auskoppler s 350. Der Auskoppler 350 ist in den meisten Hinsichten bis 300 ähnlich, außer dass er einen Satz von neun individuellen reflektierenden Oberflächen s1-s9 beinhaltet. Wie der Auskoppler 300 ist auch der Auskoppler 350 eine zweidimensionale Aufteilung des Kopplers: Jede reflektierende Oberfläche nimmt einen Teil der gesamten horizontalen Abmessung (u) des Kopplers und einen Teil der vertikalen Abmessung (v) des Kopplers ein, sodass die Oberflächen s1-s9 Kacheln sind. In den dargestellten Ausführungsformen weisen s1-s9 die gleiche vertikale und horizontale Abmessung auf, aber in anderen Ausführungsformen müssen die Abmessungen der Flächen s1-s9 nicht die gleichen sein. Wie in früheren Ausführungsformen können die reflektierenden Oberflächen s1-s9 flach, gekrümmt, eine Kombination von ebenen Facetten, eine Kombination von ebenen und gekrümmten usw. sein und können positive Brechkraft, negative Brechkraft oder überhaupt keine Brechkraft aufweisen. In einigen Ausführungsformen reflektieren alle Oberflächen s1-s9 in verschiedenen Richtungen, sodass keine zwei reflektierenden Oberflächen in derselben Richtung reflektieren, aber in anderen Ausführungsformen kann der Satz reflektierender Oberflächen Untermengen reflektierender Oberflächen beinhalten, die in derselben Richtung reflektieren.
4A-4B veranschaulichen zusammen eine Ausführungsform eines gekrümmten Okulars 400, das aus zwei zusammengefügten Linsenkörpern 402 und 404 gebildet ist; 4A ist eine Explosionsansicht des Linsenkörpers 404, 4B eine Explosionsansicht des Linsenkörpers 402. Die dargestellte Ausführungsform ist ein gekrümmtes Okular mit einem Auskoppler, der einen Satz von zwei individuellen reflektierenden Oberflächen aufweist, aber auch Okulare mit anderen Ausführungsformen von Auskoppler n mit mehr als zwei individuellen reflektierenden Oberflächen können ähnlich aufgebaut sein.
Wie dargestellt, beinhaltet der Linsenkörper 404 einen dünnen Abschnitt 406, einen dicken Abschnitt 408 und Übergangsflächen 410 und 412, die am Übergang zwischen dem dünnen Abschnitt 406 und dem dicken Abschnitt 408 angeordnet sind. Ähnlich beinhaltet der Linsenkörper 402 einen dünnen Abschnitt 420, einen dicken Abschnitt 422 und Übergangsflächen 424 und 426, die am Übergang zwischen dem dünnen Abschnitt 420 und dem dicken Abschnitt 422 angeordnet sind. Wenn die Linsenkörper 402 und 404 zusammengefügt werden, passt sich die Übergangsfläche 412 mit der Übergangsfläche 426 zusammen, um eine der reflektierenden Oberflächen des Auskoppler s zu bilden, während die Übergangsfläche 410 mit der Übergangsfläche 424 zusammenpasst, um die andere reflektierende Oberfläche des Auskoppler s zu bilden. Obwohl nicht gezeigt, können, bevor die Linsenkörper 402 und 404 miteinander verbunden werden, zusätzliche Beschichtungen, wie Polarisationsfilme, Farbfilter, teilweise reflektierende Schichten, schaltbare Spiegel usw., auf die Übergangsflächen 410, 412, 424 und 426 aufgebracht werden.
Das gekrümmte Okular 400 ist als ein dünnes, gekrümmtes Okular mit einer Dicke von weniger als 8 mm und in einer Ausführungsform etwa 4,0 mm dick ausgebildet. In einer Ausführungsform sind die Objektivkörper 402 und 404 aus transparentem Kunststoff (z. B. Polycarbonat usw.) mit einem Brechungsindex von 1,64 gebildet, wobei jedoch der Brechungsindex umso dünner ist, als das gekrümmte Okular. Ein direkter Vorteil der Verwendung von Material mit höherem Index besteht darin, den Winkel zu reduzieren, bei dem TIR auftritt. Dies ermöglicht effektiv Entwürfe, die den Winkel des Auskoppler s verringern, was entweder die Größe der Eyebox für eine gegebene Lichtleiterdicke vergrößern oder die Gesamtdicke des Lichtleiters für eine gegebene Eyeboxgröße verringern kann. Die Verwendung von Material mit höherem Index für das gekrümmte Okular kann auch eine größere Flexibilität im Brechungsindex der Klebstoffe der optischen Qualität, die verwendet werden, um die Linsenkörper 402 und 404 miteinander zu verbinden, bereitstellen.
In einer Ausführungsform kann der Linsenkörper 402 unter Verwendung eines klaren Klebstoffs mit einem Brechungsindex, der kleiner als der Brechungsindex der Linsenkörper 402 und 404 ist, an den Linsenkörper 404 angepasst werden. Der klare Klebstoff mit niedrigem Index bildet eine innere Totalreflexionsgrenze zwischen den beiden Linsenkörpern 402 und 404, die eine innere Begrenzung des gekrümmten Lichtleiters 400 am dicken Abschnitt 422 des Linsenkörpers 402 definiert. In anderen Ausführungsformen können auch andere Beschichtungen, wie beispielsweise eine winkelempfindliche mehrschichtige dichroitische Beschichtung, verwendet werden. Noch andere Ausführungsformen können eine Materialbeschichtung mit niedrigem Index mit einem Standardindexkleber darüber verwenden, um eine im Wesentlichen einschichtige dichroitische Beschichtung zu bilden.
In einer Ausführungsform können die Krümmungen beider nach vorn gerichteten Oberflächen und die der wellenseitigen Oberfläche im Okular 400 als sphärische Oberflächen ausgeführt sein. In einer Ausführungsform liefert die der Welt zugewendete Oberfläche eine komplementäre Krümmung, um die Brechkraft der Krümmung der vom Umgebungslicht getroffenen Augen-Stirnfläche auszugleichen. In anderen Ausführungsformen können die Krümmungen der der Welt zugewendeten Oberfläche und der nach vorn weisenden Stirnfläche unausgewogen sein, um dem Umgebungslicht eine vorgeschriebene Linse zu verleihen. Somit wirkt das gekrümmte Okular 400 wie eine durchsichtige Anzeige, die Umgebungslicht mit Anzeigelicht kombiniert, um einem Benutzer eine erweiterte Realität anzuzeigen.
Gemeinsam stellen die Krümmung und die schlanke Natur des Okulars 400 ein wünschenswertes industrielles Design bereit. Das Okular 400 hat nicht nur ein wünschenswertes industrielles Design, sondern ist auch effizient, da idealerweise die einzige verlustbehaftete Sprungkraft für das Anzeigelicht 150, das von der Eingangsfläche 120 zu dem Auskoppler fährt, die einzige Umleitung durch den Auskoppler ist. Dies ermöglicht es dem optischen Koppler und Sichtbereich 160, wesentlich transparenter als reflektierend zu sein, wodurch die Durchsichtscharakteristik des Okulars 400 im Sichtbereich 170 verbessert wird.
5A-5C zeigen Ausführungsformen einer am Kopf tragbaren Anzeige (HWD) 500. Die HWD 500 beinhaltet ein Okular 502 mit einem Auskoppler 504, der darin ausgebildet ist, in einer Position, die im Wesentlichen mit dem Auge eines Benutzers ausgerichtet ist. Der Wellenleiter 506 ist im Okular 502 ausgebildet und erstreckt sich vom Auskoppler 504 zur Kante oder Peripherie des Okulars 502. Eine Anzeigequelle 508 mit einem optisch gekoppelten Polarisationsfilter 510 ist an der Peripherie des Okulars 502 positioniert, sodass sie ein Anzeigelicht in den Wellenleiter 506 starten kann. Obgleich rund dargestellt, kann das Okular 502, wie in den 4A-4B dargestellt, in anderen Ausführungsformen andere Formen aufweisen.
Der Auskoppler 504 beinhaltet einen Satz von vier reflektierenden polarisierenden Oberflächen, obwohl eine andere Anzahl an reflektierenden Oberflächen in anderen Ausführungsformen möglich ist; können in anderen Ausführungsformen zum Beispiel mehr als vier oder weniger als vier reflektierende polarisierende Oberflächen verwendet werden. Jede Polarisationsfläche weist einen von zwei Polarisationszuständen auf: s-polarisiert und p-polarisiert. In einer Ausführungsform kann jede reflektierende Polarisationsoberfläche durch Platzieren eines Polarisationsfilms darauf polarisiert werden, in anderen Ausführungsformen hingegen können polarisationsabhängige dielektrische Dünnfilmüberzüge für die Polarisation verwendet werden. In noch anderen Ausführungsformen können die reflektierenden Polarisationsoberflächen mit polarisierenden Reflektoren hergestellt werden, die aus abwechselnden Schichten aus normalem und doppelbrechendem Polymer hergestellt sind, wie beispielsweise die polarisierenden Reflektoren, die von der Firma 3M in Minneapolis, Minnesota, USA, hergestellt und potenziell transparenter hergestellt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Polarisation jeder reflektierenden Oberfläche fixiert sein, in anderen Ausführungsformen hingegen kann die Polarisation jeder reflektierenden polarisierenden Oberfläche schaltbar sein, sodass die Polarisation jeder reflektierenden Oberfläche bei einer ausgewählten Frequenz umgeschaltet werden kann zwischen Polarisationszuständen (z. B. zwischen s-Polarisation und p-Polarisation). In einer Ausführungsform könnte die Schaltrate 120 Hz beispielsweise betragen, um für jede Untermenge reflektierender polarisierender Oberflächen 60 Hz bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen kann die Schaltrate höher als 120 Hz sein.
In der dargestellten Ausführungsform sind zwei der vier reflektierenden Polarisationsflächen p-polarisierend, die anderen beiden s-polarisiert. Jede individuelle reflektierende Oberfläche in dem Satz von vier reflektierenden Oberflächen kann in einer anderen Richtung reflektieren oder sie können in Untermengen gruppiert werden, in denen reflektierende polarisierende Oberflächen in derselben Richtung reflektieren. So kann beispielsweise bei einer Ausführungsform, bei der die Polarisation individueller Oberflächen in dem Auskoppler 504 nicht umschaltbar ist, jede Untergruppe von Segmenten mit gleicher Polarisation in dieselbe Richtung zeigen, sodass in dieser Ausführungsform zwei einzigartige Untermengen -s und p erreicht werden. In einer anderen Ausführungsform, bei der die reflektierenden polarisierenden Oberflächen umschaltbar sind, kann eine Untergruppe von zwei reflektierenden Oberflächen eine p-polarisierte Oberfläche und eine s-polarisierte Oberfläche beinhalten, die beide in einer ersten Richtung reflektieren, während eine weitere Untermenge von zwei Flächen eine p-polarisierte Oberfläche und eine s-polarisierte Oberfläche umfassen kann, die beide in einer zweiten Richtung reflektieren. Auf diese Weise erhält jede Reflexionsrichtung beide Polarisationen.
5B-5C veranschaulichen Ausführungsformen von Polarisatoren, die optisch mit der Anzeige 508 gekoppelt sein können. 5B veranschaulicht einen Polarisator 512, der eine tessellierte Matrix von polarisierenden Zellen ist. Die Polarisationszellen alternieren reihenweise (in der Figur horizontal) und säulenweise (vertikal in der Figur) zwischen s-Polarisation und p-Polarisation. 5C zeigt eine Ausführungsform eines schaltbaren Polarisators 514. Zu jedem Zeitpunkt weist die gesamte Fläche des Polarisators 514 nur eine Polarisation auf, aber diese Polarisation kann zwischen s- und p-Polarisation bei einer ausgewählten Frequenz geschaltet werden. Die ausgewählte Frequenz ist hoch genug, dass die Polarisationsumschaltung von einem Benutzer nicht bemerkt wird; kann in einer Ausführungsform die Schaltrate beispielsweise 120 Hz betragen, um für jede Untermenge reflektierender Flächen 60 Hz bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen kann die Schaltrate höher als 120 Hz sein.
Im Betrieb der HWD 500 fährt das Anzeigelicht von der Anzeigequelle 508 durch den Polarisator 510 und wird in den Wellenleiter 506 gestartet. Das polarisierte Anzeigelicht bewegt sich durch den Wellenleiter 506 zum Auskoppler 504, der das polarisierte Anzeigelicht in Richtung des Auges eines Benutzers umleitet, wie in den 1A-1B gezeigt ist. In einer Ausführungsform, bei welcher der Polarisator 510 ein tesselierter Polarisator ist, wie beispielsweise der Polarisator 512, wird das Anzeigelicht, das p-polarisiert ist, durch individuelle reflektierende Oberflächen mit darauf befindlichen p-Polarisatoren reflektiert, und das s-polarisierte Anzeigelicht wird durch individuelle reflektierende Oberflächen mit s-Polarisatoren darauf reflektiert. In einer Ausführungsform, in welcher der Polarisator 510 ein schaltbarer Polarisator 514 ist, während das Anzeigelicht p-polarisiert ist, wird es durch individuelle reflektierende Oberflächen mit p-Polarisatoren auf ihnen reflektiert, und während das Anzeigelicht s-polarisiert wird, wird es durch individuelle reflektierende Oberflächen mit reflektiert S-Polarisatoren auf ihnen reflektiert. In einer Ausführungsform, in der sowohl der Polarisator 510 als auch die reflektierenden Polarisationsflächen in dem Auskoppler 504 schaltbar sind, können die Schaltfrequenzen des Polarisators 510 und der reflektierenden Polarisationsflächen in dem Auskoppler 504 synchronisiert werden, sodass der Benutzer kein Flimmern wahrnimmt.
6A-6B veranschaulichen Ausführungsformen einer am Kopf tragbaren Anzeige (HWD) 600. Die HWD 600 beinhaltet ein Okular 602 mit einem Auskoppler 604, der darin ausgebildet ist, in einer Position, die im Wesentlichen mit dem Auge eines Benutzers ausgerichtet ist. Obgleich rund dargestellt, kann das Okular 602, wie inFigs. 4A-4B dargestellt, in anderen Ausführungsformen andere Formen aufweisen. Der Wellenleiter 606 ist im Okular 606 ausgebildet und erstreckt sich von dem Auskoppler 604 zur Kante oder Peripherie des Okulars 602. Eine Anzeigequelle 608 mit einem optisch gekoppelten Polarisationsfilter 610 ist an der Peripherie des Okulars 602 positioniert, sodass sie ein Anzeigelicht in den Wellenleiter 606 starten kann.
Der Auskoppler 604 beinhaltet einen Satz von vier reflektierenden verspiegelten Oberflächen, obwohl eine andere Anzahl an verspiegelten Oberflächen in anderen Ausführungsformen möglich ist; können andere Ausführungsformen zum Beispiel mehr als vier oder weniger als vier schaltbare Spiegeloberflächen verwenden. Das Reflexionsvermögen der schaltbaren verspiegelten Oberflächen kann im Wesentlichen zwischen 0 % und 10 0% oder einem beliebigen Unterbereich davon mit einer ausgewählten Frequenz variiert werden. Die ausgewählte Frequenz ist hoch genug, dass die Spiegelumschaltung von einem Benutzer nicht bemerkt wird; kann in einer Ausführungsform die Schaltrate beispielsweise 120 Hz betragen, um für jede Untermenge reflektierender Flächen 60 Hz bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen kann die Schaltrate höher als 120 Hz sein. Im Allgemeinen wird die Spiegelschaltfrequenz mit der Anzeigefrequenz synchronisiert, sodass ein Benutzer kein Flimmern oder andere Störungen des Anzeigelichts wahrnimmt.
Wie bei anderen Ausführungsformen, kann jede individuelle reflektierende Oberfläche in dem Satz von vier reflektierenden Oberflächen in einer anderen Richtung reflektieren oder sie können in Untermengen gruppiert sein, innerhalb denen alle reflektierenden Oberflächen in die gleiche Richtung reflektieren. In der dargestellten Ausführungsform kann eine erste Untermenge reflektierender Flächen, die mit M1 bezeichnet ist, das Anzeigelicht in einer Richtung widerspiegeln, und eine zweite Untermenge von reflektierenden Oberflächen, die mit M2 bezeichnet ist, kann in einer zweiten Richtung reflektieren, sodass der Satz von verspiegelten Oberflächen das Anzeigelicht in zwei Richtungen reflektiert. Im Allgemeinen wird die Anzeigefrequenz mit der Spiegelschaltfrequenz synchronisiert, sodass ein Benutzer kein Flimmern oder andere Störungen des Anzeigelichts wahrnimmt.
6B veranschaulicht eine Ausführungsform einer Farbfilteranordnung 610, die mit der HWD 600 verwendet werden kann. Die Farbfilteranordnung 610 ist eine Matrix von tesselierten Farbfiltern. Die dargestellte Anordnung 610 verwendet das rot-grün-blaue (RGB) Primärfarbset mit individuellen roten, grünen und blauen Farbfiltern, die in dem bekannten Bayer-Muster angeordnet sind. Aber auch andere Ausführungsformen von Farbfilteranordnungen können andere Grundfarbensätze verwenden, z. B. Cyan-Magenta-Gelb (CMY) und können mehr als drei Farben beinhalten. In anderen Ausführungsformen kann die Farbfilteranordnung auch Filter beinhalten, die manchmal nicht als „Farben“, wie klare (farblose oder neutrale) Filter, betrachtet werden.
Im Betrieb der HWD 600 fährt das Anzeigelicht von der Anzeigequelle 608 durch Filteranordnung 610 und wird in den Wellenleiter 606 gestartet. Das farbgefilterte Anzeigelicht fließt durch den Wellenleiter 606 zum Auskoppler 604, wobei die schaltbaren Spiegelflächen M1 und M2 abwechselnd das farbgefilterte Anzeigelicht in Richtung des Auges eines Benutzers mit der ausgewählten Frequenz leiten oder umleiten. In einer Ausführungsform können die Schaltfrequenzen der gespiegelten Flächen M1 und M2 mit der Anzeige synchronisiert werden, damit das von jeder reflektierenden Oberfläche reflektierte Bild eindeutig ist.
7A-7B veranschaulichen eine Ausführungsform einer am Kopf tragbaren Anzeige (HWD) 700. Die HWD 700 ist in den meisten Punkten ähnlich zu HWD 600. Die HWD 700 beinhaltet ein Okular 702 mit einem Auskoppler 704, der darin ausgebildet ist, in einer Position, die im Wesentlichen mit dem Auge eines Benutzers ausgerichtet ist. Obgleich rund dargestellt, kann das Okular 702, wie in den 4A-4B dargestellt, in anderen Ausführungsformen andere Formen aufweisen. Der Wellenleiter 706 ist im Okular 706 ausgebildet und erstreckt sich von dem Auskoppler 704 zur Kante oder Peripherie des Okulars 702. Eine Anzeigequelle 708 mit einer daran optisch gekoppelten Farbfilteranordnung 710 ist am Umfang des Okulars 702 positioniert, sodass sie farbgefiltertes Anzeigelicht in den Wellenleiter 706 einleiten kann.
Die Farbfilteranordnung 710 ist eine Matrix von tesselierten Farbfiltern. Die dargestellte Anordnung verwendet das rot-grün-blaue (RGB) Primärfarbset, wobei die individuellen roten, grünen und blauen Farben im bekannten Bayer-Muster angeordnet sind. Andere CFA-Ausführungsformen können jedoch andere Primärfarbsätze (beispielsweise CMY) verwenden und können mehr als drei Farben beinhalten, und in einigen Ausführungsformen können auch Filter beinhaltet sein, die manchmal nicht als „Farben“, wie klare (farblose oder neutrale) Filter, betrachtet werden.
Der Auskoppler 704 beinhaltet einen Satz von vier reflektierenden polarisierenden Oberflächen, obwohl eine andere Anzahl an reflektierenden Oberflächen in anderen Ausführungsformen möglich ist; können andere Ausführungsformen zum Beispiel mehr als sechs oder weniger als sechs reflektierende polarisierende Oberflächen verwenden. In der dargestellten Ausführungsform sind rote, grüne und blaue Farbfilter auf den reflektierenden Oberflächen angeordnet, aber in einer anderen Ausführungsform kann der Satz reflektierender Oberflächen wellenlängenselektive dielektrische Dünnfilmüberzüge beinhalten, um eine Farbfilterung zu ermöglichen.
Wie bei anderen Ausführungsformen, kann jede individuelle reflektierende Oberfläche in dem Satz von sechs reflektierenden Oberflächen in einer anderen Richtung reflektieren oder sie können in Untermengen gruppiert werden, innerhalb denen alle reflektierenden Oberflächen in die gleiche Richtung reflektieren. In einer Ausführungsform können äquivalente farbige Oberflächen in dieselbe Richtung zeigen, um eindeutige Bilder für jedes gekachelte FOV zu erzielen, obwohl dies dazu führt, dass jedes gekachelte FOV eine andere Farbe aufweist. Daher kann in der dargestellten Ausführungsform eine Untergruppe von zwei Flächen zwei rote Flächen beinhalten, die in einer ersten Richtung reflektieren, eine andere Untergruppe kann zwei grüne Flächen beinhalten, die in einer zweiten Richtung reflektieren, und eine dritte Untergruppe kann zwei blaue Flächen beinhalten, die in einer dritten Richtung reflektieren. Im Betrieb der HWD 700 fährt das Anzeigelicht von der Anzeigequelle 708 durch Filteranordnung 710 und wird in den Wellenleiter 706 gestartet. Das farbgefilterte Anzeigelicht bewegt sich durch den Wellenleiter 706 zum Auskoppler 704, der das polarisierte Anzeigelicht in Richtung des Auges eines Benutzers umleitet, wie in den 1A-1B gezeigt ist.
8A-8B veranschaulichen eine Ausführungsform von am Kopf tragbaren Anzeigen (HWD) 800. Die HWD 800 beinhaltet ein Okular 802 mit einem Auskoppler 804, der darin ausgebildet ist, in einer Position, die im Wesentlichen mit dem Auge eines Benutzers ausgerichtet ist. Obgleich hier rund dargestellt, kann das Okular 802, wie in den 4A-4B dargestellt, in einigen Ausführungsformen andere Formen aufweisen. Der Wellenleiter 806 ist im Okular 802 ausgebildet und erstreckt sich von dem Auskoppler 804 zur Kante oder Peripherie des Okulars 802. Eine Anzeigequelle 808 weist eine Linsenanordnung 810 auf, die optisch damit gekoppelt ist und am Umfang des Okulars 802 positioniert ist, sodass sie ein Anzeigelicht in den Wellenleiter 806 einleiten kann.
Der Auskoppler 804 beinhaltet einen Satz von zwei individuellen reflektierenden Oberflächen M1 und M2, von denen M1 in einer Richtung reflektiert und M2 in eine andere Richtung reflektiert wird. Die Linsenanordnung 810 lenkt das Anzeigelicht von einem Teil der Anzeige 810 zu der reflektierenden Oberfläche M1 und zeigt Licht von einem anderen Teil der Anzeige 810 zur reflektierenden Oberfläche M2 an.
8B veranschaulicht eine Ausführungsform einer Linsenanordnung 810, die mit der HWD 800 verwendet werden kann. In der dargestellten Ausführungsform sind zylindrische Linsen 814 über der Anzeige 808 über den Pixeln 812 positioniert, sodass das Anzeigelicht von bestimmten Pixeln auf die reflektierende Oberfläche M1 gerichtet wird und das Anzeigelicht von anderen Pixeln auf die reflektierende Oberfläche M2 gerichtet wird. Andere Ausführungsformen der Linsenanordnung 810 können verschiedene Linsenanordnungen, wie z. B. Anordnungen von Mikrolinsen beinhalten und können das Anzeigelicht anders als dargestellt, beispielsweise in mehr Segmente unterteilen, wenn der Auskoppler 804 mehr reflektierende Oberflächen aufweist.
9A-9B veranschaulichen eine Ausführungsform einer am Kopf tragbaren Anzeige (HWD) 900. Die HWD 900 ist in den meisten Punkten ähnlich HWD 100 (siehe 1A-1B). Der primäre Unterschied zwischen den HWDs 900 und 100 ist, dass in HWD 900 die Reflexionsflächen, die den Auskoppler bilden, anders positioniert sind. In der HWD 900 ist der Satz von reflektierenden Oberflächen 125 und 130 horizontal voneinander beabstandet (d. h. in x-Richtung beabstandet), aber beide sind im Sichtbereich 165 positioniert. Dies steht im Gegensatz zu HWD, in dem die reflektierenden Oberflächen vertikal voneinander beabstandet sind (d. h. in der y-Richtung beabstandet sind, siehe 1A-1B). In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) können die reflektierenden Oberflächen sowohl horizontal als auch vertikal zueinander beabstandet sein. Wie in HWD 100, sind die individuellen reflektierenden Oberflächen 125 und 130 unter einem Winkel relativ zueinander und unter verschiedenen Winkeln relativ zu einer optischen Achse 175 positioniert, sodass der Auskoppler mit seinem Satz reflektierender Oberflächen das Anzeigelicht in mindestens zwei verschiedenen Richtungen reflektiert.
10 veranschaulicht eine Ausführungsform einer tragbaren Kopfdarstellung 1000, die eine linke und rechte Instanz von Okularen 100 und/oder 400 beinhaltet. Die am Kopf tragbare Anzeige 1000 beinhaltet die linken und rechten Instanzen des Okulars 400. Die Okulare 400 sind an einer Rahmenanordnung angebracht, die eine Nasenbrücke 1005, einen linken Ohrenarm 1010 und einen rechten Ohrenarm 1015 beinhaltet. Innenhohlräume 10100 und 225 innerhalb des linken Ohrenarms 1010 und des rechten Ohrenarms 1015 können verschiedene Elektronik einschließlich eines Mikroprozessors, Schnittstellen, eines oder mehrerer drahtloser Sendeempfänger, einer Batterie, eines Lautsprechers, eines Reglers usw. beinhalten. In einer Ausführungsform können entweder die Nasenbrücke 1005 oder die vorderseitigen Ecken der Ohrarme 1010 und 1015 ein Kameramodul zum Erfassen von nach vorne gerichteten Bildern der externen Szene oder der rückseitigen Bilder des oder der Augen des Benutzers enthalten. Obwohl die Figur eine binokulare Ausführungsform veranschaulicht, kann die am Kopf tragbare Anzeige 1000 auch als eine monokulare Anzeige implementiert werden, wobei nur ein gekrümmtes Okular 400 mit einem einzigen Benutzerauge ausgerichtet ist, wenn es getragen wird.
Die Okulare 400 sind so umrandet, dass sie sich an die Form der Rahmenanordnung anpassen und in einer Brillenanordnung befestigt sind, sodass eine am Kopf tragbare Anzeige am Kopf eines Benutzers getragen werden kann. Die linken und rechten Ohrenarme 1010 und 1015 liegen über den Ohren des Benutzers, während die Nasenbrücke 1005 über der Nase des Benutzers liegt. Die Rahmenanordnung ist so geformt und bemessen, dass sie Auskoppler vor den Augen des Benutzers positioniert. In einer Ausführungsform sind die Auskoppler relativ zu den Augen des Benutzers so positioniert, dass der Benutzer etwas nach unten (z. B. 7 Grad) und nach rechts oder links (z. B. 15 Grad) sieht, um das Anzeigebild zu sehen. Andere Winkel können implementiert werden und andere Rahmenanordnungen mit anderen Formen können verwendet werden (z. B. ein individuelles zusammenhängendes Headset-Element, ein Stirnband, Schutzbrillen usw.). Auskoppler arbeiten innerhalb den Sichtbereichen 160, um Anzeigelicht auf jedes Auge umzulenken, während das Umgebungslicht passieren kann, wodurch dem Benutzer eine erweiterte Ansicht der realen Welt zur Verfügung gestellt wird.
Die vorstehende Beschreibung der veranschaulichten Ausführungsformen der Erfindung, einschließlich des in der Zusammenfassung beschriebenen, soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarten präzisen Formen beschränken. Spezielle Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung sind hierin zu veranschaulichenden Zwecken beschrieben, aber verschiedene äquivalente Änderungen sind im Rahmen der Erfindung im Lichte der vorstehenden ausführlichen Beschreibung möglich, wie der Fachmann erkennen wird.
Die in den folgenden Ansprüchen verwendeten Begriffe sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie die Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen beschränken, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart sind. Es sollte vielmehr der Umfang der Erfindung vollständig durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden, die in Übereinstimmung mit etablierten Lehren der Anspruchsinterpretation auszulegen sind.

Claims

Okular (400, 502, 702) für eine am Kopf tragbare Anzeige, wobei das Okular (400, 502, 702) Folgendes umfasst: einen gekrümmten Lichtleiter (400) zum Führen von Anzeigelicht durch Totalreflexion zwischen einer peripher angeordneten Eingangsfläche und einem Sichtbereich (165); einen Auskoppler (504, 704), der gegenüber dem Sichtbereich angeordnet ist, um das Anzeigelicht für die Zwecke der Ausgabe von dem gekrümmten Lichtleiter (400) entlang einer augenwärtigen Richtung umzuleiten, wobei der Auskoppler (504, 704) eine optische Achse aufweist und einen Satz reflektierender Oberflächen umfasst, der mindestens zwei individuelle reflektierende Oberflächen beinhaltet, um entlang der augenwärtigen Richtung einfallendes Anzeigelicht in mindestens zwei relativ zu der optischen Achse des Auskopplers (504, 704) verschiedene Richtungen zu reflektieren, der Satz reflektierender Oberflächen aufweisend a) eine Untermenge von einzelnen reflektierenden Oberflächen mit einem Polarisationsfilm, der ein Anzeigelicht mit einem ersten Polarisationszustand durchlässt, und eine Untermenge von einzelnen reflektierenden Oberflächen mit einem Polarisationsfilm, der ein Anzeigelicht mit einem zweiten Polarisationszustand durchlässt, oder b) eine polarisationsabhängige dielektrische Dünnfilmbeschichtung, sodass eine Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen Anzeigelicht mit einem ersten Polarisationszustand reflektiert und eine weitere Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen Anzeigelicht mit einem zweiten Polarisationszustand reflektiert, oder c) einen wellenlängenselektiven dielektrischen Dünnfilmüberzug, sodass eine erste Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen Anzeigelicht mit einer ersten Farbe reflektiert und i. eine zweite Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen Anzeigelicht mit einer zweiten Farbe reflektiert und eine dritte Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen Anzeigelicht mit einer dritten Farbe reflektiert, oder ii. eine weitere Untermenge einzelner reflektierender Oberflächen ein Anzeigelicht mit einer zweiten und einer dritten Farbe reflektiert.
Okular (400, 502, 702) nach Anspruch 1, wobei der Satz reflektierender Oberflächen mehr als zwei individuelle reflektierende Oberflächen beinhaltet und mindestens eine Untermenge aus zwei oder mehr einzelnen reflektierenden Oberflächen beinhaltet, die einfallendes Anzeigelicht in der gleichen Richtung relativ zu der optischen Achse reflektieren.
Okular (400, 502, 702) nach Anspruch 1, wobei der Satz reflektierender Oberflächen mehr als zwei individuelle reflektierende Oberflächen beinhaltet, wobei jede einzelne reflektierende Oberfläche einfallendes Anzeigelicht in einer anderen Richtung relativ zu der optischen Achse reflektiert als jede andere individuelle reflektierende Oberfläche in dem Satz.
Okular (400, 502, 702) nach Anspruch 1, wobei der Satz reflektierender Oberflächen eine Untermenge von individuellen reflektierenden Oberflächen beinhaltet, die einen ersten Teil des Anzeigelichts reflektieren, und eine Untermenge von individuellen reflektierenden Oberflächen, die einen zweiten Teil des Anzeigelichts reflektieren.
Am Kopf tragbare Anzeige, umfassend: eine Anzeigequelle (508, 708) zum Erzeugen eines Anzeigelichts; ein Okular (400, 502, 702) nach Anspruch 1, um das Anzeigelicht zu einem Sichtbereich zu führen, und: eine Rahmenanordnung, um das Okular (400, 502, 702) zum Tragen auf einem Kopf eines Benutzers zu tragen, wobei der Sichtbereich vor einem Auge des Benutzers positioniert ist.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 5, ferner umfassend ein Okular (400, 502) mit dem Satz reflektierender Oberflächen, der die Untermenge von einzelnen reflektierenden Oberflächen mit einem Polarisationsfilm, der ein Anzeigelicht mit einem ersten Polarisationszustand durchlässt, und eine Untermenge von einzelnen reflektierenden Oberflächen mit einem Polarisationsfilm, der ein Anzeigelicht mit einem zweiten Polarisationszustand durchlässt, aufweist und umfassend einen Polarisator (510, 512), der optisch mit der Anzeigequelle 508) gekoppelt ist, um das Anzeigelicht zu polarisieren, wobei der Polarisator (510, 512) eine Anordnung von Polarisatoren einschließlich Zeilen und Spalten von Polarisationszellen beinhaltet, wobei die Polarisationszellen zeilen- und spaltenweise zwischen dem ersten Polarisationszustand und dem zweiten Polarisationszustand alternieren.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 5, ferner umfassend ein Okular (400, 502) mit dem Satz reflektierender Oberflächen, der die Untermenge von einzelnen reflektierenden Oberflächen mit einem Polarisationsfilm, der ein Anzeigelicht mit einem ersten Polarisationszustand durchlässt, und eine Untermenge von einzelnen reflektierenden Oberflächen mit einem Polarisationsfilm, der ein Anzeigelicht mit einem zweiten Polarisationszustand durchlässt, aufweist und umfassend Polarisator (510, 514), der optisch mit der Anzeigequelle (508) gekoppelt ist, um das Anzeigelicht zu polarisieren, wobei der Polarisator (510, 514) Folgendes umfasst: einen schaltbaren Polarisator (514), dessen gesamte Fläche zwischen dem ersten Polarisationszustand und dem zweiten Polarisationszustand mit einer ausgewählten Frequenz umschaltbar ist; und eine Schaltung, die mit dem schaltbaren Polarisator (514) gekoppelt ist, um die Polarisation zwischen dem ersten Polarisationszustand und dem zweiten Polarisationszustand bei der ausgewählten Frequenz umzuschalten.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 5, ferner umfassend, sofern der Satz reflektierender Oberflächen einen wellenlängenselektiven dielektrischen Dünnfilmüberzug gemäß Merkmal c) des Anspruchs 1 aufweist, eine Farbfilteranordnung (710), die optisch mit der Anzeigequelle (708) gekoppelt ist, wobei die Farbfilteranordnung 710) individuelle Farbfilter der ersten Farbe, einzelne Farbfilter der zweiten Farbe und einzelne Farbfilter der dritten Farbe beinhaltet.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 5, wobei der Satz reflektierender Oberflächen eine erste Untermenge reflektierender Oberflächen beinhaltet, die einen ersten Teil des Anzeigelichts reflektieren, und eine zweite Untermenge reflektierender Oberflächen, die einen zweiten Teil des Anzeigelichts reflektieren.