DE112016002468T5

DE112016002468T5 - Effizientes dünnes gekrümmtes okular für eine durchsichtige am kopf tragbare anzeige

Info

Publication number: DE112016002468T5
Application number: DE112016002468.1T
Authority: DE
Inventors: Ozan Cakmakci; Oscar A. Martinez; James Dunphy
Original assignee: Google LLC
Current assignee: Google LLC
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2016-05-05
Publication date: 2018-02-15
Also published as: FI20175956A; CN107533227A; GB2554223B; GB2554223A; KR20180015620A; WO2016195906A1; US20160357016A1; GB201716687D0; EP3304170A1; US10162180B2; CN107533227B; JP2018520373A; JP6595619B2

Abstract

Ein Okular für eine am Kopf tragbare Anzeige enthält eine gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente, einen Eingangskoppler und einen Ausgangskoppler. Die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente führt Anzeigelicht, das bei einer Eingangsregion empfangen ist, die peripher von einer Betrachtungsregion angeordnet ist, und emittiert das Anzeigelicht entlang einer dem Auge zugewandten Richtung in der Betrachtungsregion. Die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente enthält eine dem Auge zugewandte Oberfläche, die konkav ist, und eine der Umwelt zugewandte Oberfläche, die konvex ist. Der Eingangskoppler ist bei der Eingangsregion angeordnet, um das Anzeigelicht in die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente zu koppeln. Der Ausgangskoppler ist bei der Betrachtungsregion angeordnet, um das Anzeigelicht in Richtung zu der dem Auge zugewandten Richtung zur Ausgabe von der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente zurückzuführen. Der Ausgangskoppler ist teilweise durchlässig gegenüber Umgebungslicht, das durch die der Umwelt zugewandten Oberfläche einfällt. Das Anzeigelicht wird zwischen dem Eingangskoppler und dem Ausgangskoppler gänzlich durch eine interne Totalreflexion geführt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet der Optik und betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, Okulare für am Kopf tragbare Anzeigen.
HINTERGRUNDINFORMATION
Eine am Kopf angebrachte Anzeige (”HMD” = Head Mounted Display) oder eine am Kopf tragbare Anzeige ist eine Anzeigevorrichtung, die an oder über dem Kopf getragen wird. HMDs enthalten gewöhnlich eine Art optisches System in der Nähe des Auges, um ein vergrößertes virtuelles Bild zu erzeugen, das ein paar Meter vor dem Anwender angeordnet ist. Einaugenanzeigen werden als monokulare HMDs bezeichnet, während Zweiaugenanzeigen als binokulare HMDs bezeichnet werden. Einige HMDs zeigen nur ein computererzeugtes Bild (”CGI” = Computer Generated Image) an, während andere Arten von HMDs dazu fähig sind, ein CGI einer realen Ansicht zu überlagern. Diese letztere Art von HMD umfasst typischerweise eine Form von durchsichtigem Okular und kann als die Hardwareplattform dienen, um erweiterte Realität zu realisieren. Mit erweiterter Realität wird das Bild des Betrachters von der Umwelt mit einem darüber liegenden CGI erweitert, das auch als Kopf-oben-Anzeige bzw. Heads-up-Display (”HUD”) bezeichnet wird.
HMDs haben zahlreiche praktische und Freizeitanwendungen. Raumfahrtanwendungen erlauben einem Piloten, wichtige Flugsteuerungsinformationen zu sehen, ohne seinen Blick von der Flugroute abzuwenden. Öffentliche Sicherheitsanwendungen umfassen taktische Anzeigen von Karten und Wärmebildaufnahmen. Andere Anwendungsbereiche umfassen Videospiele, Beförderungsmittel und Telekommunikation. Bestimmt werden neue praktische Anwendungen und Freizeitanwendungen gefunden, während sich die Technologie entwickelt; viele dieser Anwendungen sind jedoch aufgrund der Kosten, der Größe, des Gewichts, des Gesichtsfelds und der Effizienz von verwendeten herkömmlichen optischen Systemen, die verwendet werden, um existierende HMDs zu implementieren, beschränkt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nicht beschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile überall in den verschiedenen Ansichten beziehen, sofern es nicht anders spezifiziert ist. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstäblich, sondern die Betonung wurde stattdessen auf die Veranschaulichung der beschriebenen Prinzipien gelegt.
1 stellt ein Okular für eine am Kopf tragbare Anzeige gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar.
2 stellt gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar, wie das Okular von einem einzelnen Anzeigenpixel ausgegebene Strahlenbündel zusammenheftet, um die Eyebox des Okulars zu erweitern.
3A und 3B stellen eine demonstrative monokulare am Kopf tragbare Anzeige einschließlich eines durchsichtigen Okulars gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar.
4 stellt eine demonstrative binokulare am Kopf tragbare Anzeige einschließlich durchsichtiger Okulare gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar.
5 stellt eine beispielhafte durchsichtige Erweiterungskomponente zum Anbringen an die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente des Okulars gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar.
6A–6D stellen verschiedene Beispiele von Eingangskopplern und Ausgangskopplern gemäß Ausführungsformen der Offenbarung dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin werden Ausführungsformen eines Systems und einer Vorrichtung für ein Okular einer am Kopf tragbaren Anzeige beschrieben, die interne Totalreflexionen zwischen Eingangs- und Ausgangskopplern unterstützen. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verstehen der Ausführungsformen bereitzustellen. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird jedoch erkennen, dass die hierin beschriebenen Techniken ohne ein oder mehrere der spezifischen Details ausgeführt werden können, oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien, etc. In anderen Fällen sind wohlbekannte Strukturen, Materialien oder Operationen nicht detailliert gezeigt oder beschrieben, um ein Verschleiern bestimmter Aspekte zu vermeiden.
Eine Bezugnahme überall in dieser Beschreibung auf ”eine einzige Ausführungsform” oder ”eine Ausführungsform” bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder eine Charakteristik, das oder die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, bei wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Somit beziehen sich das Auftreten der Phrase ”bei einer einzigen Ausführungsform” oder ”bei einer Ausführungsform” an verschiedenen Stellen überall in dieser Beschreibung nicht notwendigerweise insgesamt auf dieselbe Ausführungsform. Weiterhin können die bestimmten Merkmale, Strukturen oder Charakteristiken in jeder geeigneten Weise bei einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
1 stellt ein Okular 100 zur Verwendung mit einer am Kopftragbaren Anzeige gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar. Die dargestellte Ausführungsform des Okulars 100 enthält eine gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente 105, eine durchsichtige Ergänzungskomponente 110, einen Eingangskoppler 115, der bei einer Eingangsregion 120 angeordnet ist, und einen Ausgangskoppler 125, der bei einer Betrachtungsregion 130 angeordnet ist. Die dargestellte Ausführungsform der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente 105 enthält eine dem Auge zugewandte Oberfläche 135 und eine der Umwelt zugewandte Oberfläche 140.
Das Okular 100 ist gut zur Verwendung mit einer am Kopf tragbaren Anzeige (”HMDs”) geeignet. Wenn es mit einer HMD integriert ist, empfängt das Okular 100 Anzeigelicht 145, das durch eine Anzeigequelle 150 an einer Eingangsregion 120 erzeugt ist, die peripher von einer Betrachtungsregion 130 angeordnet ist, und sendet Anzeigelicht 145 entlang einer Augenrichtung in einer Betrachtungsregion 130 in Richtung zu einem Auge 155 eines Benutzers aus. Zwischen dem Eingangskoppler 115 und dem Ausgangskoppler 125 wird Anzeigelicht gänzlich durch eine interne Totalreflexion (”TIR”) zwischen der zum Auge gewandten Oberfläche 135 und der zur Umwelt gewandten Krümmung 140 geführt.
Bei der dargestellten Ausführungsform kann ein optischer Kombinator 160 mit einer HMD integriert sein, um Anzeigelicht 145 mit Infrarot-(”IR”-)Licht 165 entlang einem gemeinsamen Pfad durch das Okular 100 zu kombinieren. Beispielsweise wird vom Okular 100 empfangenes Infrarotlicht 165 durch einen optischen Kombinator zu einer Kamera 170 geführt, die konfiguriert sein kann, um IR-Licht 165 zu erfassen, um eine Bewegung des Auges 155 zu überwachen. Entsprechend führt der optische Kombinator 160 Anzeigelicht 145, das von einer Anzeigequelle 150 empfangen ist, in Richtung zum Okular 100 für eine Einkopplung in die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente 105 bei der Eingangsregion 120. Die dargestellte Ausführungsform des optischen Kombinators 160 enthält einen Spiegel 175 und einen wellenlängenselektiven Reflektor 180. Der Spiegel 175 kann als 100% reflektierende Oberfläche zum Reflektieren des Anzeigelichts 145 des sichtbaren Spektrums implementiert sein, während der wellenlängenselektive Reflektor 180 als ”kalter Spiegel” implementiert sein kann, der im Wesentlichen IR-Spektrallicht 165 durchlässt, während er im Wesentlichen Anzeigelicht 145 des sichtbaren Spektrums reflektiert. Bei einer Ausführungsform kann der wellenlängenselektive Reflektor 180 unter Verwendung einer mehrschichtigen dichromatischen bzw. zweifarbigen Beschichtung implementiert sein. Andere optische Kombinatorkonfigurationen können implementiert werden, um IR-Licht 165 und Anzeigelicht 145 zu multiplexen. Obwohl es nicht dargestellt ist, kann ein Infrarot-Emitter positioniert sein, um das Auge 155 mit IR-Licht 165 anzustrahlen.
Bei der dargestellten Ausführungsform fällt Anzeigelicht 150 durch die zum Auge gewandte Oberfläche 135 bei einer Eingangsregion 120 ein und tritt in eine gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente 105 ein. Ein Eingangskoppler 115 ist an der Eingangsregion 120 angeordnet und fungiert, um Anzeigelicht 145 entlang einer Bewegungsbahn bzw. Kurve innerhalb der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente 105 zurückzuführen, die eine TIR-Ausbreitung die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente 150 nach unten in Richtung zur Betrachtungsregion 130 und zum Ausgangskoppler 125 veranlasst. Bei einer Ausführungsform ist der Eingangskoppler 115 ein Spiegel (z. B. Silberbeschichtung oder eine andere reflektierende Beschichtung) mit einer Oberfläche in freier Form. Das Anzeigelicht 145 wird gänzlich über TIR vom Eingangskoppler 115 zum Ausgangskoppler 125 geführt, wo das Anzeigelicht 145 aus der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente 105 über eine schließliche Reflexion vom Ausgangskoppler 125 bei der Betrachtungsregion 130 zurückgeführt wird.
Der Ausgangskoppler 125 ist ein Teilreflektor oder Strahlteiler (z. B. dünne Silberbeschichtung) mit einer Oberfläche in freier Form. Bei einer Ausführungsform ist der Ausgangskoppler 125 mehr durchlässig gegenüber sichtbarem Licht als er reflektierend ist. Beispielsweise kann der Ausgangskoppler 125 zu 15% reflektierend und zu 85% durchlässig sein. Natürlich können andere Reflexions-/Transmissions-Verhältnisse implementiert sein. Demgemäß ist die Betrachtungsregion 130 teilweise transmittierend gegenüber Umgebungslicht 185, das durch die der Umwelt zugewandte Oberfläche 140 einfällt, sodass die Betrachtungsregion 130 durchsichtig ist. Eine durchsichtige Erweiterungskomponente 110 ist über der Betrachtungsregion 130 angeordnet, um eine komplementäre Krümmung entlang der der Umwelt zugewandten Oberfläche 140 bereitzustellen, um die optische Leistung der Krümmung der dem Auge zugewandten Oberfläche 135 zu versetzen, der durch das Umgebungslicht 135 begegnet wird. Bei einer Ausführungsform sind die durchsichtige Erweiterungskomponente 110 und die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente 105 aus denselben transparenten Materialien oder transparenten Materialien mit im Wesentlichen demselben Brechungsindex hergestellt. Somit arbeitet das Okular 100 als ein optischer Kombinator, der Umgebungslicht 185 mit Anzeigelicht 145 kombiniert, das aus der Betrachtungsregion 130 entlang einer dem Auge zugewandten Richtung in das Auge 155 emittiert wird. Auf diese Weise kann das Okular 100 dem Auge 155 eine erweiterte Realität anzeigen.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die durchsichtige Erweiterungskomponente 110 mit der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente 105 entlang einer Schnittstelle mit dem Ausgangskoppler 125, der dort dazwischen angeordnet ist, verbunden. Wie es oben angegeben ist, haben die der Umwelt zugewandte Oberfläche 140 und die dem Auge zugewandte Oberfläche 135 komplementäre Krümmungen, die im Wesentlichen eine optische Leistung von jeweils der anderen zu einem dort hindurch gehendem Umgebungslicht 185 versetzen. Anders ausgedrückt ist der Eingangswinkel von Umgebungsszenenlicht, das in die der Umwelt zugewandten Oberfläche 140 eintritt, im Wesentlichen äquivalent zu dem Ausgangswinkel von Umgebungsszenenlicht, das aus der dem Auge zugewandten Oberfläche 135 austritt. Als solches lässt das Okular 100 wenigstens einen Teilbereich von Umgebungslicht 185 durch die Betrachtungsregion 130 im Wesentlichen ohne eine Linsenwirkung durch, um dadurch dem Benutzer zu erlauben, eine im Wesentlichen unverzerrte Sicht auf die umgebende Umgebung vor dem Okular 100 zu haben. Bei anderen Ausführungsformen sind die der Umwelt zugewandte Oberfläche 140 und die dem Auge zugewandte Oberfläche 135 Oberflächen mit nicht komplementären Krümmungen, die dem durchlaufenden Umgebungslicht gemeinsam eine korrigierende Linsenleistung bereitstellen. Weiterhin gibt es durch Anpassen des Brechungsindex der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente 105 und der durchsichtigen Erweiterungskomponente 110 keine optische Leistung an der gekrümmten Schnittstelle bzw. -fläche des Ausgangskopplers 125 für durchlaufendes Umgebungslicht 185. Jedoch wendet die Krümmung des Ausgangskupplers 125 eine reflektierende Linsenleistung auf das interne Anzeigelicht 145 an.
Das Okular 100 kann als ein dünnes, gekrümmtes Okular mit einer Dicke von weniger als 4 mm implementiert sein. Bei einer Ausführungsform hat die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente 105 eine Dicke von etwa 3,5 mm, wenn es aus transparentem Material (z. B. OKP4HT-L, EP5000, Polykarbonat, etc.) mit einem Brechungsindex von 1,64 hergestellt ist. Je höher der Brechungsindex ist, umso dünner ist das Okular. Die Krümmungen von sowohl der dem Auge zugewandten Oberfläche 135 als auch der der Umwelt zugewandten Oberfläche 140 können als sphärische Oberflächen implementiert sein. Gemeinsam stellen die Krümmung und die schlanke Art des Okulars 100 ein erwünschtes Industriedesign zur Verfügung. Das Okular 100 hat nicht nur ein erwünschtes Industriedesign, sondern ist auch effizient, da der einzige verlustbehaftete Rückschlag für das Anzeigelicht 145, das von der Eingangsregion 120 zur Betrachtungsregion 130 wandert, die einzige Rückführung durch den Ausgangskoppler 125 ist. Dies lässt zu, dass der Ausgangskoppler 125 im Wesentlichen mehr durchlässig als reflektiv ist, um dadurch die Durchsichtigkeitscharakteristik des Okulars 100 in der Betrachtungsregion 130 zu verbessern.
Bei einer Ausführungsform erzeugen sphärische Krümmungen für die dem Auge zugewandte Oberfläche 135 und die der Umwelt zugewandten Oberfläche 140 zusammen mit Oberflächen in freier Form für den Eingangskoppler 115 und den Ausgangskoppler 125 eine Implementierung des Okulars 100, die ein Sichtfeld (”FOV” = field of view) von 15 Grad und eine unvignettierte Pupille mit einem Durchmesser von 4,6 mm bereitstellt, wenn die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente 105 aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex von 1,64 hergestellt ist. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform haben die dem Auge zugewandte Oberfläche 135 und die der Umwelt zugewandte Oberfläche 140 sphärische Radien von 90 mm bzw. 93,5 mm. Bei diesem Beispiel sind die Oberflächen in freier Form des Eingangskopplers 115 und des Ausgangskopplers 125 durch die folgenden Gleichungen definiert:
Bei einer Ausführungsform hat der Eingangskoppler 115 eine Gestalt in freier Form, die durch die Gleichungen 1 und 2 mit Koeffizientenwerten von x² = –3,0598E-03, y² = 4,6107E-04, x³ = 3,3378E-05, x²y = 4,8220E-06, (x, y, z) = (–28,5, 0, –3), und eine relative Neigung von 48,8 Grad definiert ist. Bei einer Ausführungsform hat der Ausgangskoppler 125 eine Gestalt in freier Form, die durch die Gleichungen 1 und 2 mit Koeffizientenwerten von x² = 4,6482E-03, y² = 5,6526E-03 und einer relativen Neigung von 26 Grad definiert ist. Natürlich können andere Koeffizientenausdrücke und/oder -werte und Dimensionen implementiert werden.
Das Okular 100 kann mit verschiedenen anderen Brillenmerkmalen kombiniert werden. Beispielsweise kann die der Umwelt zugewandte Oberfläche 140 eine nicht komplementäre Krümmung zu der dem Auge zugewandten Oberfläche 135 haben, um eine vorgeschriebene Linsenwirkung gegenüber Umgebungslicht einzuführen. Bei noch anderen Ausführungsformen können auf die der Umwelt zugewandten Oberfläche 140 photochromatische und/oder elektrochromatische Beschichtungen angewendet werden, um eine Schattierungseigenschaft gegenüber hellem Licht (z. B. Sonnenbrillen) bereitzustellen.
2 stellt gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar, wie das Okular 100 Strahlenbündel, die von einem einzelnen Anzeigepixel ausgegeben sind, zusammenheftet, um eine Eyebox des Okulars 100 zu erweitern. Die Strahlenbündel 205 und 210, die von einem einzigen Anzeigepixel 215 ausgegeben sind, werden in der Betrachtungsregion zusammengeheftet, um die Eyebox 220 zu erweitern, von welcher das Auge 155 das Anzeigepixel 215 wahrnehmen kann. Dieses Zusammenheften wird durch wirksames Einsetzen der unterschiedlichen Pfade erreicht, denen durch die Strahlenbündel 205 und 210 gefolgt wird. Tatsächlich folgt das Strahlenbündel 205 einem Pfad durch die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente 105 mit einer anderen Anzahl von TIR-Reflexionen/Aufprallen als das Strahlenbündel 210. Beispielsweise trifft bei der dargestellten Ausführungsform das Strahlenbündel 205 auf sieben Totalreflexionen (einschließlich fünf TIR-Reflexionen von den Oberflächen zugewandt zum Auge und zugewandt zur Umwelt 135, 140), während das Strahlenbündel 210 auf neun Totalreflexionen trifft (einschließlich sieben TIR-Reflexionen von den Oberflächen dem Auge zugewandt und der Umwelt zugewandt 135, 140).
Das Strahlenbündel 205 stellt eine Unter-Eyebox 220 bereit, von welcher das Auge 155 ein Anzeigepixel 215 wahrnehmen kann, während das Strahlenbündel 210 eine andere Unter-Eyebox 225 bereitstellt, von welcher das Auge 155 ein Anzeigepixel 215 wahrnehmen kann. Die Unter-Eyeboxen 220 und 225 sind nahtlos aneinandergeheftet, um eine erweiterte Eyebox 215 zu bilden. Dieses Aneinanderheften von Strahlenbündeln 205 und 210, um die Eyebox 220 zu erweitern, wird durch Konfigurieren der Krümmungen des Eingangskopplers 115, des Ausgangskopplers 125, der dem Auge zugewandten Oberfläche 135 und der der Umwelt zugewandten Oberfläche 140 erreicht.
Herkömmlich würden Strahlenbündel von einem einzelnen Anzeigepixel, die auf eine unterschiedliche Anzahl von Refiexionen innerhalb einer Lichtwellenleitung eines Okulars treffen, in einem schädlichen Geisterbild resultieren, das aus dem primären Bild zerlegt ist. Als solches strengen sich herkömmliche Optikentwickler an, das Geisterbild zu verhindern, zu blockieren oder auf andere Weise anzuordnen, bevor es das Auge 155 erreicht. Jedoch sucht das Design des Okulars 100 danach, diese Dualpfadreflexionen durch nahtloses Aneinanderheften von ihnen am Ausgang des Okulars 100 wirksam einzusetzen, um eine größere, erweiterte Eyebox 215 zu bilden.
Die 3A und 3B stellen eine monokulare am Kopf tragbare Anzeige 300 unter Verwendung eines Okulars 301 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar. 3A ist eine perspektivische Ansicht der am Kopf tragbaren Anzeige 300 während 3B eine Draufsicht auf dieselbe ist. Das Okular 301 kann mit Ausführungsformen des Okulars 100 implementiert sein, wie es oben beschrieben ist, oder irgendeinem der anderen Okularausführungsformen, die nachfolgend beschrieben sind (oder Kombinationen davon). Das Okular 301 ist an einer Rahmenanordnung angebracht, die einen Nasensteg 305, einen Arm für das linke Ohr 310 und einen Arm für das rechte Ohr 315 enthält. Gehäuse 320 und 225 können verschiedene Elektronik, einschließlich eines Mikroprozessors, Schnittstellen, eines oder mehrerer drahtlose Transceiver, einer Batterie, einer Kamera, eines Lautsprechers, einer Anzeigequelle, etc., enthalten. Obwohl die 3A und 3B eine monokulare Ausführungsform darstellen, kann die am Kopf tragbare Anzeige 300 auch als eine binokulare Anzeige mit zwei Okularen 301 implementiert sein, die jeweils mit einem jeweiligen Auge des Benutzers ausgerichtet sind, wenn die Anzeige 300 getragen wird.
Das durchsichtige Okular 301 ist in eine Augenglasanordnung gesichert, so dass die am Kopf tragbare Anzeige am Kopf eines Benutzers getragen werden kann. Die Arme für das linke und das rechte Ohr 310 und 315 ruhen über den Ohren des Benutzers, während der Nasensteg 305 über der Nase des Benutzers ruht. Die Rahmenanordnung ist geformt und bemaßt, um die Betrachtungsregion 130 vor einem Auge des Benutzers zu positionieren. Andere Rahmenanordnungen mit anderen Formen können verwendet werden (z. B. traditionelle Brillenrahmen, ein einzelnes benachbartes Headset- bzw. Hörsprechgarniturelement, ein Kopfband, Augenkleidung vom Schwimmbrillen- bzw. Schutzbrillentyp, etc.).
Wie es angegeben ist, stellen die 3A und 3B eine monokulare Ausführungsform mit einem kompakten durchsichtigen Okular dar, das nur einen Teilbereich des Gesichtsfelds des Benutzers bedeckt. Bei anderen Ausführungsformen können die dem Auge zugewandte und die der Umwelt zugewandte Oberfläche des durchsichtigen Okulars erweitert sein, um vollständige Brillenlinsen in einen binokularen Rahmen bzw. Gestell auszubilden. 4 stellt eine binokulare am Kopf tragbare Anzeige 400 dar, die zwei durchsichtige Okulare 401 enthält, die in einen Rahmen integriert sind, und welche Okulare sich über einen wesentlichen Teilbereich des Gesichtsfeldes des Benutzers erstrecken. Die durchsichtige Erweiterungskomponente (z. B. die durchsichtige Erweiterungskomponente 110 in 1) von jedem Okular 401 kann entwickelt sein, um sich über das gesamte Okular zu erstrecken, so dass keine Naht im mittleren Teilbereich des Okulars ausgebildet wird. Anzeigelicht 145 kann in Okulare 401 bei den peripheren Bügelregionen eingeführt und in Richtung zu Ausgangskopplern 125 über TIR geführt werden, wie es oben beschrieben ist. Diese vollständigen Brillenlinsen können mit oder ohne vorgeschriebene Krümmungen der äußeren Oberflächen implementiert sein.
5 stellt eine beispielhafte durchsichtige Erweiterungskomponente 501 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung dar, die sich über das gesamte Okular 500 erstreckt, um Oberflächennähte in der zentralen Region des Okulars zu vermeiden. Die dargestellte Ausführungsform des Okulars 500 enthält eine gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente 505, eine durchsichtige Erweiterungskomponente 501, einen Eingangskoppler 510 und einen Ausgangskoppler 515. Die dargestellte Ausführungsform der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente 505 enthält einen dicken Teilbereich 520 und einen dünnen Teilbereich 525. Die dargestellte Ausführungsform der durchsichtigen Erweiterungskomponente 501 enthält einen dicken Teilbereich 530 und einen dünnen Teilbereich 535.
Das Okular 500 ist ähnlich dem Okular 100 und arbeitet auf eine ähnliche Weise, außer dass der dünne Teilbereich 535 der durchsichtigen Erweiterungskomponente 501 angemessen zu der Umweltseite des dicken Teilbereichs 520 der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente 505 passt und sich über diese erstreckt. Gleichermaßen passt der dünne Teilbereich 525 der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente 505 angemessen zu der dem Auge zugewandten Seite des dicken Teilbereichs 530 der durchsichtigen Erweiterungskomponente 501 und erstreckt sich über diese. Der Ausgangskoppler 515 ist bei den Übergängen zwischen den dünnen und dicken Teilbereichen angeordnet. Die dünnen Teilbereiche 525 und 535 stellen kontinuierliche äußere Oberflächen ohne Nähte bereit, um dadurch das industrielle Design zu verbessern.
Bei einer Ausführungsform ist die durchsichtige Erweiterungskomponente 501 mit der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente 505 unter Verwendung eines Klebstoffs mit niedrigem Brechungsindex (niedriger als der Brechungsindex der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente 505 und der durchsichtigen Erweiterungskomponente 501) verbunden, um TIR bei der Schnittstellengrenze zu erhalten. Die dünnen Teilbereiche 525 und 535 können durch Schleifen oder Schmirgeln der Oberflächen der durchsichtigen Erweiterungskomponente 501 und der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente 505 hergestellt werden, um die erwünschte Dicke nach einem Verbinden der zwei Komponenten miteinander zu erreichen.
Die dargestellte Ausführungsform der am Kopf tragbaren Anzeigen 300 oder 400 kann eine erweiterte Realität zum Benutzer anzeigen. Die Okulare 301, 401 oder 500 erlauben, dass der Benutzer ein Bild der echten Welt über Umgebungslicht 185 sieht. Linke und rechte Anzeigebilder (binokulare Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist) können durch Anzeigequellen 150 erzeugt werden, die in peripheren Ecken außerhalb des zentralen Sichtbereichs des Benutzers angebracht sind. Das Anzeigelicht 145 wird durch den Benutzer als virtuelles Bild gesehen, das einem Umgebungslicht 185 als eine erweiterte Realität überlagert ist. Wie es oben angegeben ist, können bei einigen Ausführungsformen die äußeren Oberflächen dieser Okulare keine komplementären Krümmungen haben, um eine vorgeschriebene Korrektur dem Umgebungslicht 185 zuzuteilen.
Die 6A–6D stellen verschiedene alternative Beispiele von Eingangskopplern und Ausgangskopplem gemäß Ausführungsformen der Offenbarung dar, die in Verbindung mit den Okulardesigns (z. B. den Okularen 100, 301, 401 oder 500) verwendet werden können, die oben beschrieben sind.
Beispielsweise stellt 6A ein Okular 605 dar, wo ein Eingangskoppler 610 als eine Eingangsoberfläche ausgebildet ist, die in ein Ende der gekrümmten Wellenleiterkomponente 650 geformt ist. Anders ausgedrückt wird das Anzeigelicht 145 nicht durch die dem Auge zugewandte Oberfläche eingegeben, sondern vielmehr durch eine Endoberfläche nahe der Anzeigequelle 150.
6B stellt ein Okular 620 dar, wo der Ausgangskoppler als eine Anordnung oder als ein Feld von Prismenstrukturen 625 ausgebildet ist, die entlang der der Umwelt zugewandten Oberfläche 630 in der Betrachtungsregion angeordnet sind. Die Prismenstrukturen 625 können als ein Feld von kleinen schräg abgewinkelten teilweise reflektierenden Oberflächen implementiert sein. Bei der dargestellten Ausführungsform der 6B ist eine Vielzahl von durchsichtigen Erweiterungskomponenten 635 mit der gekrümmten Wellenleiterkomponente 640 hinter jeder reflektierenden Oberfläche verbunden. Obwohl es nicht dargestellt ist, kann das Okular 620 bei einigen Ausführungsformen weiterhin ein Feld von Prismenstrukturen als Eingangskoppler in der Eingangsregion enthalten. Ein Verwenden von Prismenstrukturen bei der Eingangsregion kann laterale chromatische Abweichungen kompensieren, die durch die Ausgangs-Prismenstrukturen 625 induziert sind.
6C stellt ein Okular 650 dar, wo der Ausgangskoppler als ein Hologramm 655 ausgebildet ist, der entlang der der Umwelt zugewandten Oberfläche 660 in der Betrachtungsregion angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform kann eine durchsichtige Erweiterungskomponente weggelassen werden. Weiterhin stellt 6C das Einschließen eines reflektierenden Hologramms 657 als einen Eingangskoppler dar, um eine Farbkorrektur für chromatische Abweichungen bereitzustellen, die durch das Ausgangs-Hologramm 655 induziert sind.
6D stellt ein Okular 670 dar, wo der Ausgangskoppler als ein Paar von teilweise reflektierenden Spiegelsegmenten 675 und 680 ausgebildet ist, die innerhalb der gekrümmten Wellenleiterkomponente 685 angeordnet sind. Die teilweise reflektierenden Spiegelsegmente 675 und 680 arbeiten, um die Eyebox weiter zu erweitern, von welcher Anzeigelicht 145 vom Okular 670 angeschaut werden kann. Anders ausgedrückt reflektieren die Spiegelsegmente 675 und 680 Anzeigelicht, das von einem einzelne Pixel ausgegeben ist, auf eine Weise, die die durch jedes Spiegelelement 675 und 680 reflektierten Bilder bei der Betrachtungsregion zusammenheftet, um die Eyebox zu erweitern, von welcher das einzelne Pixel angeschaut werden kann. Das teilweise reflektierende Spiegelsegment 680 ist hinter dem teilweise reflektierenden Spiegelsegment 675 angeordnet, so dass das Anzeigelicht 145 zuerst durch das teilweise reflektierende Spiegelsegment 675 laufen muss, bevor es das teilweise reflektierende Spiegelsegment 680 erreicht. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die teilweise reflektierenden Spiegelsegmente 675 und 680 beide gekrümmte Oberflächen in freier Form, während die der Umwelt zugewandte Oberfläche 690 und die dem Auge zugewandte Oberfläche 695 sphärische Oberflächen sind. Bei einer Ausführungsform ist die der Umwelt zugewandte Oberfläche 690 eine Sphäre mit einem Radius von 90 mm und ist die dem Auge zugewandte Oberfläche 695 eine Sphäre mit einem Radius von 92,5 mm. Bei einer Ausführungsform hat das teilweise reflektierende Spiegelsegment 675 eine Gestalt in freier Form, die durch die Gleichungen 1 und 2 definiert ist, und zwar mit Koeffizientenwerten von x² = 0,0035, y² = 0,00453, mit einer relativen Neigung von 23,25 Grad; hat das teilweise reflektierende Spiegelsegment 680 eine Gestalt in freier Form, die definiert ist durch die Gleichungen 1 und 2 mit Koeffizientenwerten von x² = 0,00457, y² = 0,00525, mit einer relativen Neigung von 26 Grad; und hat der Eingangskoppler 697 eine Gestalt in freier Form, die definiert ist durch die Gleichungen 1 und 2 mit Koeffizientenwerten von x² = –0,0053, y² = –0,00273, x³ = 7,142E-005, x²y = –6,076E-006, xy² = 5,2072E-005, (x, y, z) = (–28.5, 0, –3) mit einer relativen Neigung von 48,8 Grad. Natürlich können andere Koeffizientenwerte und Dimensionen implementiert sein.
Die obige Beschreibung von dargestellten Ausführungsform der Erfindung, einschließlich von dem, was in der Zusammenfassung beschrieben ist, soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarten präzisen Formen beschränken. Während spezifische Ausführungsformen von der und Beispiele für die Erfindung hierin zu illustrativen Zwecken beschrieben sind, sind verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung möglich, wie es Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden.
Diese Modifikationen können an der Erfindung angesichts der obigen detaillierten Beschreibung durchgeführt werden. Die in den folgenden Ansprüchen verwendeten Ausdrücke sollten nicht derart ausgelegt werden, dass sie die Erfindung auf die in der Beschreibung offenbarten spezifischen Ausführungsformen beschränken. Vielmehr soll der Schutzumfang der Erfindung gänzlich durch die folgenden Ansprüche bestimmt sein, die gemäß den etablierten Vorschriften einer Anspruchsinterpretation auszulegen sind.

Claims

Okular für eine am Kopf tragbare Anzeige, wobei das Okular umfasst: eine gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente zum Führen von Anzeigelicht, das bei einer Eingangsregion empfangen ist, die peripher von einer Betrachtungsregion angeordnet ist und die das Anzeigelicht entlang einer dem Auge zugewandten Richtung in der Betrachtungsregion emittiert, wobei die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente enthält: eine dem Auge zugewandte Oberfläche, die konkav ist; und eine der Umwelt zugewandte Oberfläche, die konvex ist und der dem Auge zugewandten Oberfläche gegenüberliegt; einen Eingangskoppler, der bei der Eingangsregion angeordnet ist, um das Anzeigelicht in die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente zu koppeln; und einen Ausgangskoppler, der bei der Betrachtungsregion angeordnet ist, um das Anzeigelicht in Richtung zu der dem Auge zugewandten Richtung zur Ausgabe von der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente zurückzuführen, wobei der Ausgangskoppler teilweise durchlässig gegenüber Umgebungslicht ist, das durch die der Umwelt zugewandte Oberfläche einfällt, so dass die Betrachtungsregion durchsichtig ist, wobei das Anzeigelicht zwischen dem Eingangskoppler und dem Ausgangskoppler gänzlich durch eine interne Totalreflexion geführt wird.
Okular nach Anspruch 1, wobei der Eingangskoppler und der Ausgangskoppler konfiguriert sind, um Lichtstrahlen des Anzeigelichts, das von einem einzelnen Pixel einer Anzeigequelle empfangen ist, entlang einem von zwei unterschiedlichen Pfaden durch die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente zurückzuführen, so dass eine erste Gruppe der Lichtstrahlen auf eine andere Anzahl von internen Totalreflexionen trifft als eine zweite Gruppe der Lichtstrahlen.
Okular nach Anspruch 2, wobei die erste Gruppe der Lichtstrahlen und die zweite Gruppe der Lichtstrahlen bei der Betrachtungsregion aneinanderheften, um eine Eyebox zu erweitern, von welcher das einzelne Pixel angeschaut werden kann.
Okular nach Anspruch 1, wobei in dem Eingangskoppler ein Spiegel umfasst ist, der eine erste Oberfläche in freier Form hat, und wobei das Anzeigelicht in die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente durch die dem Auge zugewandte Oberfläche eintritt.
Okular nach Anspruch 1, wobei der Ausgangskoppler einen Strahlteiler umfasst, der eine zweite Oberfläche in freier Form hat, wobei der Strahlteiler mehr durchlässig als reflektiv gegenüber sichtbarem Licht ist.
Okular nach Anspruch 5, das weiterhin eine durchsichtige Erweiterungskomponente umfasst, die über die Betrachtungsregion angeordnet ist, wobei der Ausgangskoppler entlang einer Schnittstelle zwischen der durchsichtigen Erweiterungskomponente und der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente angeordnet ist, wobei die durchsichtige Erweiterungskomponente und die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente einen im Wesentlichen selben Brechungsindex haben.
Okular nach Anspruch 6, wobei die durchsichtige Erweiterungskomponente einen dünnen Teilbereich und einen dicken Teilbereich hat und die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente einen dünnen Teilbereich und einen dicken Teilbereich hat, wobei der dünne Teilbereich der durchsichtigen Erweiterungskomponente angemessen zum dicken Teilbereich der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente passt und wobei der dünne Teilbereich der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente angemessen zum dicken Teilbereich der durchsichtigen Erweiterungskomponente passt, wobei der Ausgangskoppler an einem Übergang von den dicken Teilbereichen zu den dünnen Teilbereichen der durchsichtigen Erweiterungskomponente und der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente angeordnet ist.
Okular nach Anspruch 1, wobei der Eingangskoppler eine Eingangsoberfläche umfasst, die in eine Endoberfläche der gekrümmten Wellenleiterkomponente geformt ist, die nicht die dem Auge zugewandte Oberfläche ist.
Okular nach Anspruch 1, wobei der Ausgangskoppler ein Feld von Prismenstrukturen umfasst, die entlang der der Umwelt zugewandten Oberfläche angeordnet sind.
Okular nach Anspruch 1, wobei der Ausgangskoppler ein Hologramm umfasst, das entlang der der Umwelt zugewandten Oberfläche angeordnet ist.
Okular nach Anspruch 1, wobei der Ausgangskoppler ein erstes und ein zweites teilweise reflektierendes Spiegelsegment umfasst, die innerhalb der gekrümmten Wellenleiterkomponente angeordnet sind, um eine Eyebox des Anzeigelichts zu erweitern, wobei das zweite teilweise reflektierende Spiegelsegment hinter dem ersten teilweise reflektierenden Spiegelsegment angeordnet ist, so dass das Anzeigelicht durch das erste teilweise reflektierende Spiegelsegment laufen muss, bevor es das zweite teilweise reflektierende Spiegelsegment erreicht.
Okular nach Anspruch 11, wobei das erste und das zweite teilweise reflektierende Spiegelsegment gekrümmte Oberflächen in freier Form sind.
Okular nach Anspruch 1, wobei die dem Auge zugewandte Oberfläche und die der Umwelt zugewandte Oberfläche der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente beide sphärische Oberflächen sind.
Am Kopf tragbare Anzeige, umfassend: eine Anzeigequelle, um Anzeigelicht bei einem peripheren Standort zu erzeugen; eine gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente zum Führen des Anzeigelichts zu einer Betrachtungsregion, die von dem peripheren Standort versetzt ist und die das Anzeigelicht entlang einer dem Auge zugewandten Richtung in der Betrachtungsregion emittiert, wobei die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente enthält: eine dem Auge zugewandte Oberfläche, die konkav ist; und eine der Umwelt zugewandte Oberfläche, die konvex ist und der dem Auge zugewandten Oberfläche gegenüberliegt; einen Eingangskoppler, der bei der Eingangsregion angeordnet ist, um das Anzeigelicht in die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente zu koppeln; einen Ausgangskoppler, der bei der Betrachtungsregion angeordnet ist, um das Anzeigelicht in Richtung zu der dem Auge zugewandten Richtung zur Ausgabe von der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente zurückzuführen, wobei der Ausgangskoppler gegenüber Umgebungslicht teilweise durchlässig ist, das durch die der Umwelt zugewandte Oberfläche einfällt, so dass die Betrachtungsregion durchsichtig ist, wobei das Anzeigelicht zwischen dem Eingangskoppler und dem Ausgangskoppler gänzlich durch eine interne Totalreflexion geführt wird; und eine Rahmenanordnung, um die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente und die Anzeigequelle zum Tragen an einem Kopf eines Benutzers zu stützen, wobei die Betrachtungsregion vor einem Auge des Benutzers positioniert ist.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 14, wobei der Eingangskoppler und der Ausgangskoppler konfiguriert sind, um Lichtstrahlen des Anzeigelichts, das von einem einzelnen Pixel einer Anzeigequelle empfangen ist, entlang einem von zwei unterschiedlichen Pfaden durch die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente zurückzuführen, so dass eine erste Gruppe der Lichtstrahlen auf eine andere Anzahl von internen Totalreflexionen trifft als eine zweite Gruppe der Lichtstrahlen.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 15, wobei die erste Gruppe der Lichtstrahlen und die zweite Gruppe der Lichtstrahlen bei der Betrachtungsregion aneinanderhaften, um eine Eyebox zu erweitern, von welcher das einzelne Pixel angeschaut werden kann.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 14, wobei in dem Eingangskoppler ein Spiegel umfasst ist, der eine erste Oberfläche in freier Form hat, und wobei das Anzeigelicht in die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente durch die dem Auge zugewandte Oberfläche eintritt.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 14, wobei der Ausgangskoppler einen Strahlteiler umfasst, der eine zweite Oberfläche in freier Form hat, wobei der Strahlteiler mehr durchlässig als reflektierend gegenüber sichtbarem Licht ist.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 18, die weiterhin eine durchsichtige Erweiterungskomponente umfasst, die über der Betrachtungsregion angeordnet ist, wobei der Ausgangskoppler entlang einer Schnittstelle zwischen der durchsichtigen Erweiterungskomponente und der gekrümmten Lichtwellenleiterkomponente angeordnet ist, wobei die durchsichtige Erweiterungskomponente und die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente einen im Wesentlichen selben Brechungsindex haben.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 14, wobei der Eingangskoppler eine Eingangsoberfläche umfasst, die in eine Endoberfläche der gekrümmten Wellenleiterkomponente geformt ist, die nicht die dem Auge zugewandte Oberfläche ist.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 14, wobei der Ausgangskoppler entweder ein Feld von Prismenstrukturen umfasst, die entlang der der Umwelt zugewandten Oberfläche angeordnet sind, oder ein Hologramm, das entlang der der Umwelt zugewandten Oberfläche angeordnet ist.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 14, wobei der Ausgangskoppler ein erstes und ein zweites teilweise reflektierendes Spiegelsegment umfasst, die innerhalb der gekrümmten Wellenleiterkomponente angeordnet sind, um eine Eyebox des Anzeigelichts zu erweitern, wobei das zweite teilweise reflektierende Spiegelsegment hinter dem ersten teilweise reflektierenden Spiegelsegment angeordnet ist, so dass das Anzeigelicht durch das erste teilweise reflektierende Spiegelsegment laufen muss, bevor es das zweite teilweise reflektierende Spiegelsegment erreicht.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 22, wobei das erste und das zweite teilweise reflektierende Spiegelsegment gekrümmte Oberflächen in freier Form sind.
Am Kopf tragbare Anzeige nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: eine Infrarotkamera, um Augenbewegungen unter Verwendung von Infrarotlicht zu überwachen; und einen optischen Kombinator, der benachbart zur Eingangsregion angeordnet ist, wobei der optische Kombinator zum Kombinieren des Anzeigelichts und des Infrarotlichts zur Ausbreitung entlang einem gemeinsamen Pfad durch die gekrümmte Lichtwellenleiterkomponente dient.