TW202016595A - 近眼顯示器 - Google Patents

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Abstract

近眼顯示器包括光導光學元件LOE，LOE具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面。圖像投影儀將對應於圖像的照明引入LOE中，使得照明通過主外表面處的內反射在所述LOE內傳播。耦出裝置將照明朝向觀察者的眼睛從LOE耦出。耦出裝置可以是成斜角地被部署在LOE內的相互平行的部分反射表面集。用於抑制環境光源的反射的各種裝置包括被定向成避免周邊視場減小的遮擋擋板、各種非反射塗層以及偏振濾波器的各種部署。

Description

近眼顯示器
本發明涉及近眼顯示器，並且特別地涉及具有用於抑制明亮物件的重影圖像的各種特徵的近眼顯示器。
許多近眼顯示系統包括在使用者眼睛前放置的透明光導光學元件(LOE)或“波導”，其通過內反射在LOE內傳送圖像，並且然後通過合適的輸出耦合機制朝向使用者眼睛耦出圖像。輸出耦合機制可以基於嵌入的部分反射器或“小平面”，或者可以採用衍射模式。下面的描述將主要涉及基於小平面的耦出裝置，但是應當理解，本發明的各種特徵也能夠適用於衍射裝置。在應用於衍射元件的情況下，本文中所稱的小平面的延伸方向可以被認為是指衍射光柵的元件的方向。
波導和小平面至少部分透明，使得來自周圍(場景)的光可以穿過波導和小平面，允許用戶直接觀看現實世界。場景光線中的一些被小平面反射並且以各種角度到達眼睛，從而生成現實世界的不想要的“重影”圖像(反射)。
本發明是近眼顯示器。
根據本發明的實施方式的教導，提供了一種用於將圖像投射到觀察者的眼睛的近眼顯示器，近眼顯示器包括：(a)光導光學元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面以及邊緣；(b)支承裝置，其被配置用於在第二主外表面與觀察者的眼睛呈面向關係的情況下相對於觀察者的頭部支承LOE；(c)圖像投影儀，其用於投射對應於圖像的照明，圖像投影儀光學地耦合 至LOE以將照明引入LOE中，以便通過在第一主外表面和第二主外表面處的內反射在LOE內傳播；(d)耦出裝置，其被部署用於將照明朝向觀察者的眼睛從LOE耦出；以及(e)阻光擋板，其沿LOE的邊緣之一的大部分延伸並且從第二主外表面的平面突出，以便阻擋來自一定範圍掠射角的入射輻射到達第二主外表面的至少一部分，擋板在朝向觀察者的眼睛的方向上突出，從而與第二主外表面形成銳角。
根據本發明的實施方式的另一特徵，阻光擋板在朝向觀察者的眼球中心的方向上突出。
根據本發明的實施方式的另一特徵，耦出裝置包括多個相互平行的部分反射表面，部分反射表面與第一主外表面成斜角地被部署在LOE內。
根據本發明的實施方式的另一特徵，擋板和部分反射表面的部署阻止光線路徑在進入第一主外表面和第二主外表面之一並且經歷來自部分反射表面之一的單次反射之後到達觀察者的眼睛。
根據本發明的實施方式的另一特徵，部分反射表面具有平行於第二主外表面的延伸方向，並且其中，擋板與部分反射表面的延伸方向基本上平行地沿邊緣之一的大部分延伸。
根據本發明的實施方式的另一特徵，阻光擋板通過附接至LOE而被機械地支承。
根據本發明的實施方式的另一特徵，阻光擋板通過附接至支承裝置而被機械地支承。
根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種用於將圖像投射到觀察者的眼睛的近眼顯示器，近眼顯示器包括：(a)光導光學元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(b)支承裝置，其被配置用於在第二主外表面與觀察者的眼睛呈面向關係的情況下相對於觀察者的頭部支承LOE；(c)圖像投影儀，其用於投射對應於圖像的照明，圖像投影儀光學地耦合至LOE以將照明引入LOE中，以便通過在第一主外表面和第二主外表面處的內反射在LOE內傳播；以及(d)耦出裝置，其被部署用於將照明 朝向觀察者的眼睛從LOE耦出，其中，第一主外表面塗覆有多層塗層，多層塗層被配置成為以小於40度的入射角入射的可見光提供抗反射特性，並且為以大於70度的入射角入射的可見光的至少第一偏振提供高反射率。
根據本發明的實施方式的另一特徵，第二主外表面塗覆有多層塗層，多層塗層被配置成為以小於40度的入射角入射的可見光提供抗反射特性，並且為與以70度與85度之間的入射角入射的第一偏振垂直的、可見光的第二偏振提供低反射率。
根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種用於將圖像投射到觀察者的眼睛的近眼顯示器，近眼顯示器包括：(a)光導光學元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(b)支承裝置，其被配置用於在第二主外表面與觀察者的眼睛呈面向關係的情況下相對於觀察者的頭部支承LOE；(c)圖像投影儀，其用於投射對應於圖像的照明，圖像投影儀光學地耦合至LOE以將照明引入LOE中，以便通過在第一主外表面和第二主外表面處的內反射在LOE內傳播；(d)耦出裝置，其被部署用於將照明朝向觀察者的眼睛從LOE耦出；以及(e)微細百葉窗層，其與LOE的第一主外表面相關聯，微細百葉窗層阻擋從至少一個方向以大於70度的入射角入射的光進入LOE。
根據本發明的實施方式的另一特徵，微細百葉窗層包括具有延伸方向的一維微細百葉窗陣列，並且其中，在延伸方向基本上水準的情況下部署微細百葉窗層。
根據本發明的實施方式的另一特徵，微細百葉窗層包括具有基本上垂直的延伸方向的兩個微細百葉窗陣列。
根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種用於將圖像投射到觀察者的眼睛的近眼顯示器，近眼顯示器包括：(a)光導光學元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(b)支承裝置，其被配置用於在第二主外表面與觀察者的眼睛呈面向關係的情況下相對於觀察者的頭部支承LOE；(c)圖像投 影儀，其用於投射對應於圖像的照明，圖像投影儀光學地耦合至LOE以將照明引入LOE中，以便通過在第一主外表面和第二主外表面處的內反射在LOE內傳播；(d)耦出裝置，其被部署用於將照明朝向觀察者的眼睛從LOE耦出，LOE和耦出裝置限定以大於60度的入射角入射在第一主外表面和第二主外表面之一上並且朝向觀察者的眼睛離開LOE的至少一個高入射角偏振相關光學路徑，偏振相關光學路徑具有有利偏振取向；以及(e)偏振濾波器，其被部署用於防止沿偏振相關光學路徑前進的具有有利偏振取向的外部光到達觀察者的眼睛。
根據本發明的實施方式的另一特徵，偏振濾波器被部署成對進入第一主外表面的光進行濾波。
根據本發明的實施方式的另一特徵，偏振濾波器被部署成對朝向觀察者的眼睛離開第二主外表面的光進行濾波。
根據本發明的實施方式的另一特徵，朝向觀察者的眼睛從LOE出來的照明基本上被使用圖像偏振進行偏振，並且其中，偏振濾波器被部署成阻擋具有垂直於圖像偏振的偏振的光。
根據本發明的實施方式的另一特徵，還提供了第二偏振濾波器，第二偏振濾波器被部署成對進入第一主外表面的光進行濾波，偏振濾波器與第二偏振濾波器被對準以透射相同的偏振。
根據本發明的實施方式的另一特徵，還提供了橫向偏振遮光元件，橫向偏振遮光元件用於對沿觀察者的眼睛與LOE之間的路徑來自至少一個方向的光進行濾波，其中，橫向偏振遮光元件的偏振軸處於相對於偏振濾波器的偏振軸交叉的角度。
根據本發明的實施方式的另一特徵，還提供了橫向偏振遮光元件，橫向偏振遮光元件用於對沿觀察者的眼睛與LOE之間的路徑來自至少一個方向的光進行濾波。
根據本發明的實施方式的另一特徵，耦出裝置包括多個相互平行的部分反射表面，部分反射表面與第一主外表面成斜角地被部署在LOE內。
10‧‧‧光導光學元件/波導
101‧‧‧眼球
11A‧‧‧第一主外表面
130L、130R‧‧‧阻光擋板
11B‧‧‧第二主外表面
3A、3B、3C‧‧‧光導
2‧‧‧圖像投影儀
120‧‧‧場景光線
15‧‧‧側
124‧‧‧掠射光線
4‧‧‧物件
121R、123R、125L 125R‧‧‧點
6‧‧‧附圖標記
166、170‧‧‧角度範圍
14B、16B、18B‧‧‧向量
168‧‧‧前方
12B、104B‧‧‧平面
120‧‧‧後方
102、6SB‧‧‧源
32A‧‧‧重影
232‧‧‧第二偏振器
302‧‧‧基板
224、226‧‧‧反射角
300‧‧‧微細百葉窗層
228‧‧‧偏振器
150、154‧‧‧箭頭
123R/123L‧‧‧位置
P、S‧‧‧偏振
222‧‧‧小平面集
160U、160I‧‧‧偏振濾波器
200B、202B‧‧‧偏振取向
160S‧‧‧側偏振器
14A、16A、18A、20A、22A、23A、24A、26A、28A、106A、108A、110A、112A、122、124、124R、124L、20‧‧‧光線
14B、22B、24B、26B、28B、106B、112B‧‧‧向量
6UF、6DF、6UB、30A、32A、112A‧‧‧光源
13、100、155、152‧‧‧角度
12A、64A、68A、104A、40A、220‧‧‧部分反射表面/小平面
230‧‧‧偏振器
本文中僅以示例方式參照附圖描述了本發明，在附圖中：
第1A圖和第1B圖是使用根據本發明的教導構造和操作的近眼顯示器的觀察者的示意性側視圖和俯視圖，示出了可能引起要抑制的反射的各種環境光源；
第2A圖是第1A圖的近眼顯示器的放大示意性側視圖，示出了圖像照明的光線路徑以及來自環境光源的示例性“重影”光路的光線路徑；
第2B圖和第2C圖是示出第2A圖的圖像光線路徑和重影光線路徑的光線路徑的各個部分之間的角度關係的角度圖；
第3A圖是根據第1A圖的近眼顯示器的光導光學元件的放大示意性側視圖，示出了來自光導光學元件後側的環境光源的替選示例性“重影”光路集；
第3B圖是示出第3A圖的重影光線路徑的光線路徑的各個部分之間的角度關係的角度圖；
第3C圖是根據第1A圖的近眼顯示器的光導光學元件的變型實現方式的放大示意性側視圖；
第4圖和第5圖是示出通過第1A圖的近眼顯示器的觀察者的能視域範圍的示意性俯視圖；
第6圖是類似於第4圖的視圖，示出了來自光導光學元件後部的入射環境光線在光導光學元件的內部小平面處單次反射之後可以到達觀察者的眼睛的角度範圍；
第7圖是類似於第6圖的視圖，示出了對包含內部小平面的區域進行限制以抑制某些重影光路到達觀察者的眼睛的變型實現方式；
第8A圖和第8B圖是類似於第7圖的視圖，示出了根據本發明的實施方式的另一方面使用遮擋擋板以阻擋某些重影光路到達觀察者的眼睛，分別在有和沒有示例性光線路徑的情況下示出；
第8C圖是類似於第8A圖的視圖，示出了根據本發明的方面的雙目近眼顯示器的變型，該變型採用其之間以10度至30度之間的角度部署以更好地符合面部曲率的兩個非共面的光導光學元件，示出了該傾斜對擋板幾何結構的影響；
第9A圖是示出根據本發明的實現方式的反射率根據示例性部分反射表面(小平面)的塗層的入射角而變化的圖表；
第9B圖是對於未經修改的菲涅耳反射的反射率根據入射角而變化的對應圖表；
第10A圖是類似於第1A圖的示意性側視圖，示出了採用外部偏振濾波器的變型實現方式；
第10B圖是類似於第10A圖的視圖，示出了採用內部偏振濾波器的變型實現方式；
第10C圖和第10D圖分別是不使用和使用橫向偏振濾波器情況下的10B圖的實現方式的俯視圖；
第10E圖是類似於第10A圖的視圖，示出了採用內部偏振濾波器和外部偏振濾波器兩者的變型實現方式；
第11圖是本發明的實現方式的示意性俯視圖，示出了與觀察者直接觀看到的場景的能視域相比的來自環境光源的光線的典型入射角；
第12圖是示出根據本發明的實施方式的方面的、優選抗反射塗層的反射率特性根據光導光學元件的表面的入射角而變化的圖表。
第13圖是在根據本發明的實施方式的另一方面的近眼顯示器的實現方式中使用的微細百葉窗膜的示意圖；
第14A圖至第14C圖是在使用光導光學元件的近眼顯示器的各種實現方式中相對於小平面位置的眼睛位置的示意圖，該光導光學元件包括以不同取向的兩個不同的部分反射表面集；
第15A圖是使用光導光學元件的近眼顯示器的另一示例的示意圖，該光導光學元件包括以不同取向的兩個不同的部分反射表面集，
其中，兩個小平面集的主反射偏振向量類似地對準；
第15B圖是適於與第15A圖的光導光學元件一起使用的偏振濾波器的取向的示意圖；
第16A圖是基於第14A圖的光導光學元件的近眼顯示器的部分示意圖；
第16B圖是被實現為具有非均勻偏振濾波器的雙目顯示器的第16A圖的近眼顯示器的示意性俯視圖；以及
第16C圖是示出第16A圖和第16B圖的實現方式中反射率根據光導光學元件的部分反射表面的入射角而變化的圖表。
本發明是近眼顯示器。
參照附圖和所附描述可以更好地理解根據本發明的近眼顯示器的原理和操作。
“重影圖像”的介紹和分類
為了充分理解本發明的各個方面，重要的是識別到達光導光學元件(LOE)的入射光可能生成潛在地困擾觀察者的眼睛的“重影”的各種不同方向。
作為介紹，第1A圖示意性地示出了通過近眼顯示器進行觀看的觀察者。一般而言，近眼顯示器包括光導光學元件(LOE)或“波導”10，LOE或“波導”10具有平面的且相互平行的第一主外表面11A和第二主外表面11B，並且具有通常沒有光學活性的邊緣。圖像投影儀2光學地耦合至LOE 10，以在LOE中引入對應於圖像的照明，使得照明通過在主外表面11A和11B處內反射在所述LOE內傳播。圖像投影儀2至LOE 10的光學地耦合可以經由具有斜角度輸入表面的耦合棱鏡或者經由反射耦合裝置、經由LOE的側邊緣和/或LOE的主外表面之一來實現。
合適的圖像投影儀(或“POD”)的示例--例如，採用通常全部被設置在一個或更多個PBS立方體或其他棱鏡裝置的 表面上的照明源、諸如LCOS片的空間光調製器以及准直光學器件--是本領域公知的。類似地，用於將圖像耦合至LOE中的合適的耦入配置--例如，通過使用耦入反射器或通過呈適當角度的耦合棱鏡--是本領域公知的。圖像投影儀與LOE之間的耦合可以是直接的，或者可以是經由用於擴展跨其在LOE的平面中注入圖像的孔徑尺寸的附加的孔徑擴展裝置。為了表示的簡潔性，本文中將不再進一步討論投影儀和耦入配置，並且這裡僅示意性地表示其組合。
近眼顯示器還包括耦出裝置，耦出裝置被部署用於將照明朝向觀察者的眼睛從LOE耦出以供觀察者觀看。耦出裝置在本文中被示為多個相互平行的部分反射表面(或“小平面”)12A，部分反射表面12A與第一主外表面11A和第二主外表面11B成斜角地被部署在LOE 10內。小平面通常具有角度相關塗層，以如下面進一步討論的那樣在某些角度提供高透射並且在其他角度提供部分反射。包括這樣的小平面的LOE的各種實現方式可以從LUMUS公司(以色列)商購獲得。儘管本文中的描述主要涉及基於小平面的耦出裝置，但是本領域普通技術人員將理解，本發明的各個方面也適用於替選耦出裝置，例如基於衍射光學元件的耦出裝置。
本發明的近眼顯示器通常是頭戴式顯示器，並且因此優選地包括被配置用於在第二主外表面11B與觀察者的眼睛呈面向關係的情況下相對於觀察者的頭部支承LOE 10的支承裝置。支承裝置在第1B圖中被示意性地示為包括用於相對於觀察者耳朵支承顯示器的側15的眼鏡框架結構。這僅是還包括頭帶安裝結構以及與頭盔相關聯的顯示器的許多選項中的一個選項。支承裝置本身的細節對於本發明並不是關鍵的，並且在本文中不再詳細描述。
如第1A圖示意性所示，圖像投影儀2將對應於所需圖像的光(實線箭頭)注入波導中，並且該光朝向觀察者的眼睛從波導耦出。來自場景中的物件4的光(雙點劃線)在有一些強度降低的情況下穿過波導到達觀察者。外來外部光的各種可能的入射方向用附圖標記6加上指示方向的兩個字母代碼進行標記：上、下或側(分別為U、D或S)以及前或後(分別為F或B)。在圖1B的俯視圖中更 清楚地示出側方向。
第2A圖是示出圖像投影儀2、波導10和所選內部小平面12A的放大示意圖，內部小平面12A具有相對於形成波導的前部和後部的平行主外表面的角度13。在這裡示出的示例性配置中，投影儀位於頂部(如第1A圖中)。在該情況下，小平面通常是將光從波導並且朝向觀察者的眼睛耦出的水準延伸的部分反射器，儘管部分反射器不一定是精確地水準的。在該示例中，為了清楚呈現，僅示出了圖像的一個光束，但實際上，圖像的角度擴展(通常准直到無窮遠)沿波導投射並且朝向眼睛耦出。小平面的間距呈現為非均勻以有助於示出反射路徑，但小平面的間距通常是均勻的。
這裡，圖像的引導光用從波導的外部面反射的光線14A和16A表示。當光線16A入射在小平面之一上時，光線16A中的一部分朝向觀察者反射為光線18A。第2B圖示出了角空間中的相應光線方向，其中平面12B對應於小平面12A的平面角度，並且雙箭頭表示該平面的向量(垂直於當衍射元件執行耦出時可適用的平面)。向量14B、16B和18B分別表示光線14A、16A和18A的方向。第2B圖和第2C圖中的虛線角表示波導10的外部面的TIR角，即，落在示出的角度範圍內的諸如向量18B的光線將從波導逸出，而在該範圍之外的光線方向將被內部地反射。
波導和輸出耦合機制的任何架構通常固有來自場景的各種不期望的反射機制。光線20源自光源6UF(在用戶前方並且在經由波導觀看到的現實世界的正常視場上方的光源，這是典型的陽光或頂部照明的場景)並且作為光線22A折射到波導中。該光線在第2C圖的角空間中被示為向量22B。該光線的大多數將穿過波導並且作為光線20A折射出波導，光線20A處於正常視場之外並且不會干擾觀察者。然而，光線22A的一部分可以從小平面12A(平面12B)之一反射為光線24A(向量24B)。該光線將被LOE的外部面反射為光線26A(向量26B)並且再次被小平面12A之一反射為光線28A(向量28B)。向量28B與向量14B大致相同，因此光線將繼續以與14A(14B)相同的方式朝向觀察者的眼睛傳播。這被呈現為光線30A (相當於16A)和32A(相當於18A)。
生成干擾重影照明的另一可能的機制是從LOE的第二主外表面11B部分反射光線22A，然後從小平面12A部分反射該光線，從而生成輸出光線23A。
第3A圖描述了現實空間中在將圖像側向注入光導的情況下來自源102的“單次反射”的光學路徑，其中，小平面的延伸方向大致是豎直的。該源類似於第1B圖中的源6SB。第3B圖描述了角空間中的相同過程。來自源的光折射進波導作為光線106A(向量106B)，被小平面104A(平面104B)反射為光線112A(向量112B)並且折射出波導。與涉及多個小平面反射的其他類型的反射路徑相比，該過程涉及由小平面進行的僅一次反射。因此，在一些情況下，該單次相同側反射可能是特別明亮的反射。當場景源以遠離掠入射的角度照明時，反射角變大，如通過將光線110A和112A與光線106A和108A進行比較所示。
波導的幾何結構及其相對於眼睛的位置確定了將到達眼睛的反射的角度分佈。第4圖和第5圖示出了觀察者的頭部的俯視圖。波導和用戶眼睛的相對定位由諸如眼鏡框架支承結構或一些其他頭戴式支承結構的支承結構確定，為了簡化呈現在這裡省去了支承結構。在該示例中，如根據實線箭頭和小平面角度明顯的那樣，波導10配置有從側面引入的照明的圖像。該示例中的小平面指的是“豎直小平面”。
瞳可以在一定範圍的位置和取向內移動，但是如第4圖和第5圖所示來自中心場的中心光線在所有觀察方向上朝向中央凹穿過眼球101的中心。觀察者關注的角度場被描述為角度100。等效角度豎直地存在。為了清楚，在說明書中不包括用於擴大角度100的其他考慮，例如IPD或眼動範圍(eye-box)容差。
後側重影的幾何阻擋
根據第8A圖至第8C圖示出的本發明的實施方式的第一方面，近眼顯示器設置有阻光擋板(130L，130R)，阻光擋板(130L， 130R)沿LOE的邊緣之一的大部分延伸並且從第二主外表面的平面突出以阻擋來自一定範圍掠射角的入射輻射到達第二主外表面的至少一部分，擋板在朝向觀察者的眼睛的方向上突出，從而與第二主外表面形成銳角，並且最優選地在朝向觀察者的眼球中心的方向上突出。這確保擋板對觀察者的周邊視場的影響最小，使觀察者留下不受限制的視場的印象。
擋板優選地沿LOE的邊緣延伸，該邊緣與平行於主表面的部分反射表面的延伸方向基本上平行。根據幾何定義，平行於主表面的小平面的延伸方向可以被限定為部分反射表面之一位於其中的平面與第一主外表面的平面之間的相交線。本文中所使用的“基本上平行”優選地是指彼此平行或彼此在約20度內的方向。
根據第一選擇，阻光擋板130L、130R通過附接至LOE 10而被機械地支承。替選地，阻光擋板通過附接至支承裝置(未在這些附圖中示出)而被機械地支承。
用於實現擋板的優選幾何結構考慮如下。如上所述，第3A圖至第3C圖呈現了已經經歷根據光導(3A，3B)的後側上的照明的入射角而變化的單次反射或來自前側光導3C的單次反射的光線的角度依賴性。第6圖以部署在觀察者的頭部上的近眼顯示器的俯視圖示出了該角度依賴性的含義。波導10將場景光線120、光線122、掠射光線124從波導上的點121R、點123R、點125R朝向觀察者的眼球101的中心反射。
根據本發明的方面的某些實施方式，最後的小平面(即，離圖像投影儀最遠的小平面)位於由來自場景(124R或124L)的掠入射光線造成的臨界角光線的反射不再能夠到達眼睛101中心的位置，如第7圖中的點125L和點125R所示。右眼(或左眼)的波導中的小平面終止於光線124R(124L)反射到眼睛101中心上的點。根據第6圖，明顯的是，任何其他光線均不能反射到眼睛中心101上，因為那裡不存在反射光的小平面。
雖然在一些場景下，以上方法可以有效地避免來自後 側環境照明的單反射明亮重影，但對於一些應用，對“最後的小平面”的位置的幾何限制可能無法提供足夠的角度視場。根據本發明的另一方面，使用第6圖中示出的幾何關係並且在識別所需的角度視場的程度(例如，如第6圖所示延伸到位置123R)之後，可以識別以下有限的角度範圍(例如，從光線124到光線122的角度)，該有限的角度範圍需要被遮擋以避免來自需要輸出小平面的區域的單次反射重影到達觀察者的中心視覺。
根據這些原理實現的阻光擋板130L、130R通常相對小，從光學裝置的周邊大體上向後延伸，其中，與完全側擋裝置相比，對觀察者的周邊視覺的遮擋大大減小。在某些特別優選的實現方式中，擋板被實現為從光學裝置的周邊大體上朝向眼睛延伸，在一些情況下擋板與投影儀的一些特徵和/或框架側對準，以對觀察者的周邊視覺幾乎不具有遮擋影響。
在圖8A中，示出了這樣的遮擋擋板的示例。阻光擋板130R和130L在這裡被示為位於波導邊緣並且朝向眼球101定向的平面，如點劃線所示。對於預定義的虛擬FOV，具有小平面的波導10的長度被限定為位置123R(123L)。如第8B圖所示，限定後反射的光學路徑並且設置擋板130R(130L)長度，以阻擋由最後的小平面反射的光線的該光學路徑。如圖8C所示，傾斜波導也可以使用該散射阻擋。除了在美學上符合使用者的“面部曲線”之外，這樣的傾斜波導還通過針對給定長度的擋板跨波導的後表面投射更長的“陰影”來進一步放寬對擋板尺寸的要求。
因此，最優選地，阻光擋板130L、130R和部分反射表面的部署防止光線路徑在進入第一主外表面和第二主外表面之一並且經歷從部分反射表面之一的單次反射之後到達觀察者的眼睛。
排除高入射角光線
單獨或與本文中描述的其他方面結合均有用的本發明的實施方式的另一方面涉及用於管理以高入射角接近LOE 10的第一(外)主外表面11A的入射光線的方法。
再次參照第2A圖，注意到，現實世界光源的有問題的反射中的許多反射開始於諸如這裡示意性地示出為光線20的高角度入射光線。如果這樣的光線可以被排除而完全不進入LOE，則這將清楚地避免生成朝向觀察者的眼睛的引起麻煩的反射的入射輻射。
因此，波導10的外部小平面的適當塗層可以使場景反射減弱，如第11圖和第12圖所示。角度100表示觀察者通過波導10看周圍環境的角度場。
在第12圖中示出具有抗反射塗層的波導的第一(外)表面的角反射率的優選實現方式。角度範圍166表示角度100。在該範圍中，波導的透射率應當是最大的。來自範圍100之外的場景的光線源自前方168或後方120(受小平面反射、小平面或觀察者面部遮擋的限制)。這些光線的角度範圍被示為第10B圖中的170。根據本發明的一個方面，波導上的抗反射塗層被修改為在170處具有高反射率並且在角度範圍166處具有高透射率。(高角度處的高反射率是被設計用於垂直光入射的AR塗層的共同特性。)這大大減少了進入波導10的前向和後向場景照明以高角度進入並且通過內部小平面反射到眼睛上。
因此，根據本發明的實施方式的該方面的一個實現方式，第一(外)主外表面11A塗覆有多層塗層，該多層塗層被配置成為以小於40度的入射角入射的可見光提供抗反射特性，並且為以大於70度的入射角入射的可見光的至少第一偏振提供高反射率。根據對觀察者通過LOE直接觀看的能視域的特定要求以及有問題的環境照明可能入射的可能方向，可以優選地為多至50度的角度提供抗反射特性和/或為超過大約60度的角度提供高反射率，但是這些限制越接近，塗層需求變得要求越高，以致實現它們可能變得不現實或不合理地複雜。在本上下文中，“抗反射特性”優選地是指小於5%並且最優選地小於3%的反射率。在該上下文中的“高反射率”是指超過70%並且優選地超過80%、更優選地至少90%、並且在一些特別優選的情況下至少95%的反射率。
當考慮外部照明可能入射的角度範圍時，可能難以實 現對於整個FOV以及整個可見光譜的高入射角(小掠射角)的所期望的排除。因此，在本發明的特別優選的實現方式中，該反射率增強僅針對高角度入射照明的S偏振進行優化。如下所述，提供了替選解決方案，用於降低來自外部光源的P偏振照明的重影的可見性。
具體地，參照第2A圖的折射光線22A，根據以上方法，由於外表面的塗層，在光導的前主表面處折射並且透射穿過光導的前主表面的來自入射光線20的殘餘光可能基本上是p偏振的。重影反射光線路徑中的一些涉及隨後在基板的第二(後)主外表面11B處反射光線22A，以生成重影光線23A。然而，由於在離開主表面法線的介面處的折射，透射穿過後主表面11B的該光的任何部分將在與進入LOE的前主表面的環境光20的傳播方向基本上平行的急劇向下路徑20A上繼續，並且將不會干擾近眼顯示器的佩戴者的眼睛。因此提出在LOE的後表面塗覆抗反射塗層，以增加高入射角光線的透射。在所有角度實現P偏振的有效抗反射塗層更可行。因此，本發明的該第二方面對第一方面補充如下：具有S偏振的入射外部重影照明中的大部分可以通過第一主外前表面11A處的外部反射而被排除，而P偏振重影照明中的大部分可以在第二主外後表面11B處透射。其結果是：與現有的LOE相比，遵循第2圖中示出的路徑的整體重影照明大大減小。
因此，根據本發明的該方面，第二主外表面11B有利地塗覆有多層塗層，該多層塗層被配置成為以小於40度的入射角入射的可見光提供抗反射特性並且為與以70度與至少約85度(優選地接近90度)之間的入射角入射的第一偏振垂直的、可見光的第二偏振提供低反射率。
再次參照第2圖，關於可以生成重影32A的替選光線路徑，可以通過殘餘環境光形成重影，該殘餘環境光穿透到LOE中並且然後在相對受限的角度範圍內從光導的部分反射小平面反射(例如，從光線22A到光線24A或從光線26A到光線28A)，該角度範圍通常不同於顯示信號傳播的角度範圍(和偏振取向)。因此，提出了修改部分反射表面塗層的設計，以在這些特定角度範圍中的一個或兩 個內基本上減小反射率。具體地，抑制高角度光線的反射的小平面塗層將趨向於使進入被引導模式的光量(即，從光線22A到24A的反射)最小化，並且因此抑制重影32A的強度。
微細百葉窗膜變型
作為本發明的前一方面的替選的或另外的實現方式，可以使用百葉窗膜來實現對高角度入射光的排斥，該百葉窗膜被部署在LOE的外表面前方並且被配置成在期望的視場上提供來自外部場景的光的高透射的同時阻擋從高角度入射的光。微細百葉窗膜是已知的，並且通常用作用於將電腦顯示器的可視性限制到期望的視角範圍的“隱私膜”。這樣的膜的示例可以從3M©公司在高級光控制膜(Advanced Light Control Film,ALCF)的描述下商購獲得。
在第13圖中示意性地示出這樣的膜的結構，其中，膜的內層包含被支承在透明基板302中的不透明(或大大減弱)微細百葉窗300的陣列，基板302限定了入射光可以穿過膜的角度的幾何限制。商業可獲得的隱私膜通常包括一維微細百葉窗陣列，即，所有百葉窗以相同方向延伸。在該情況下，優選地相對於LOE部署膜，使得百葉窗水準延伸，從而阻擋來自上方的高角度外部光源。替選地，可以使用二維陣列微細百葉窗結構，其具有在兩個垂直方向上延伸的微細百葉窗(通常在膜結構的兩個單獨的層中，一個疊加在另一個上)以提供對來自所有側的高角度外部光源的排除。
為了避免影響LOE的光學特性以從主表面進行內反射，通常優選的是避免直接向LOE表面施加光控制膜。可選地，可以提供合適的結構以確保相鄰於LOE保持氣隙，並且在與LOE稍微間隔開的單獨的光學元件(透鏡等)上支承光控制膜。替選地，可以設置具有足夠低的有效折射率以保持LOE的光學特性的緩衝或“隔離”層。用於這樣的層的合適的材料的示例可以商購獲得，並且包括氣凝膠以及用於類似目的的各種其他材料。根據另一替選實現方式，可以設置通常使用多層電介質塗層來實現的角度選擇性反射塗層，以在允許在小角度下的高透射的同時模擬在LOE內傳播的圖像的相關角度範圍的TIR。該選擇還允許微細百葉窗膜直接光學附接至LOE 的塗覆表面而不損害LOE的光學特性。順便指出，在本文中提及與LOE的一個或兩個表面相關聯的偏振濾波器的情況下，所有以上提及的用於在不影響其光學特性的情況下相對於LOE施加支承微細百葉窗膜的選擇同樣能夠適用。
在特別優選的實現方式中，微細百葉窗層300與LOE 10的第一主外表面11A相關聯，並且阻擋從至少一個方向以大於70度的入射角入射的光進入LOE。在使用具有一維微細百葉窗陣列的微細百葉窗層300的情況下，微細百葉窗層優選地在延伸方向基本上水準的情況下部署。替選地，可以使用具有兩個具有基本上垂直的延伸方向的微細百葉窗陣列的微細百葉窗層。
偏振濾波
小平面上的塗層設計對反射濾波具有顯著影響。第9A圖示出了在小平面12A和40A上使用的典型塗層的角度反射率。在大多數情況下，反射率如所示是偏振相關的(或“偏振敏感的”)，這也是基本菲涅耳反射特性(第9B圖)所固有的。
箭頭150示出了對應於反射26A(B)至28A(B)的角度。對於該塗層並且在該入射角下，P偏振比S偏振更多地反射。箭頭154示出了具有低反射率和無偏振選擇性的角度反射22A(B)至24A(B)。在用於某些LOE的小平面的替選實現方式中，155和152表示具有明顯的主S偏振的反射角度。根據本發明的實施方式的方面，如現在將描述的那樣，可以使用對小平面斜角度和/或塗層輪廓的特定選擇來利用偏振相關特性以抑制真實世界反射。
由於反射(例如6UF或6DF)可以被控制成具有預定義的主偏振(例如，通過如上所述的合適的抗反射塗層，或通過小平面本身的特性)，因此通過如第10A圖所示在波導前方使用偏振濾波器或“偏振器”160U來有利地實現重影反射減弱。可以使用任何合適類型的偏振器，最優選地為結構(或“笛卡爾”)偏振器，並且通常使用吸收型偏振器。該偏振器將使來自場景中的物件4的非偏振光減弱50%(在許多情況下，無論如何都可能需要或期望)，但會使偏 振的上正面反射6UF或下正面反射6DF減弱更多。應當優選地相對於反射的小平面的取向(依賴於S或P阻擋為與小平面垂直或水準)來設置偏振器的取向。
在一些情況下，LOE和耦出裝置限定以大於60度的入射角入射在第一主外表面和第二主外表面之一上並且朝向觀察者的眼睛離開LOE的至少一個高入射角偏振相關光學路徑，其中，偏振相關光學路徑具有有利偏振取向。然後，有利地部署偏振濾波器以防止沿偏振相關光學路徑前進的具有有利偏振取向的外部光到達觀察者的眼睛。在圖10A的上述示例中，偏振濾波器160U被外部地部署成對進入第一(外)主外表面11A的光進行濾波。
本發明的實施方式的一個實現方式是具有小平面塗層的波導，該小平面塗層被設計成生成具有與耦出的投影圖像的偏振垂直的偏振的真實世界重影圖像的反射。在該情況下，可以如第10B圖和第10C圖中的偏振濾波器160I所示將偏振器放置在面向觀察者的內側，即，偏振濾波器被部署成對朝向觀察者的眼睛離開第二主外表面的光進行濾波的位置。該配置可以阻擋還源自波導的背面(例如6SB)並且兩次通過偏振器的反射投射到眼睛上，如第10C圖明顯的那樣。然而，僅在投影儀2投射的虛擬影像以該偏振器最小減弱或失真來照射眼睛的情況下，才應當使用該配置。換言之，其中朝向觀察者的眼睛從LOE耦出的圖像照明基本上被使用圖像偏振進行偏振，並且偏振濾波器160I被部署成阻擋具有垂直於圖像偏振的偏振的光。
在使用偏振器的每種情況下，將注意的是，偏振器的取向由小平面結構指定，偏振器的取向被定向以使得可能被小平面反射的真實世界重影照明的偏振被減弱，而不會顯著地被小平面集中的至少一個根據重影光線路徑以其特定入射角反射的偏振被允許通過。這導致在許多情況下與透射P偏振並且排斥來自水準表面的S偏振的正常偏振的太陽鏡部署有角度偏移(例如，至少20度，或至少30度，並且在某些情況下，在60度與120度之間)的偏振器取向。
第10D圖示出了在系統側上的側偏振器160S的實現方式。以此方式，偏振器與偏振濾波器160U的作用大致相同，用以 阻擋從波導(6SB)側反射的偏振。優選地，側偏振器與偏振濾波器160U或160I一起實現，因此場景的強度可見性從前方或周邊(側)是相同的。
如果偏振濾波器160I與側偏振器160S結合使用(如圖10D所示)，則160S的取向優選地垂直於160I(即，交叉偏振軸，例如一個豎直並且一個水準)，導致在保持周邊可見性的情況下完全阻擋所有側反射。
在一些波導和小平面架構中，虛擬注入圖像在線性偏振的情況下照射在眼睛上。在這樣的情況下，可以更接近眼睛使用偏振器(如圖10B所示)，其效果是對重影反射中的一些進行濾波。然而，除此之外，場景反射中的一些也在波導中的偏振旋轉之後在相同偏振處反射。由於該偏振旋轉不會發生在直接場景中的物件4的光線上，因此引入具有與偏振器230相同取向的第二偏振器232(第10E圖)將不會對直接場景中的物件4的光線產生任何附加的影響，但是會引入對反射6UF和6DF的附加減弱。
具有兩個小平面集的LOE的變型實現方式
根據本發明的LOE的某些實現方式採用兩個不同的非平行的部分反射表面集，以在LOE內實現二維的光學孔徑擴展。用於消除或減弱(統稱為“抑制”)現實世界照明(重影)的不需要的反射的上述特徵中的許多特徵同樣適用於2D擴展LOE。下面參照第14A圖至第16C圖說明這些應用中的一些中的各種另外的考慮。
在第14A圖中，小平面64A位於眼睛前方，以將引導圖像反射到眼睛上。小平面68A用於通過從光導內的一個引導圖像方向到不同引導圖像方向的反射來進行光學孔徑擴展，並且不耦合至眼睛。這使得在一些情況下將這些小平面定位在遠離眼睛相關場以消除小平面的直接反射的可見性是可行的。第14A圖示出了小平面68A位於低於眼睛中心的佈置。通過如第14B圖和第14C圖所示的非交疊架構可以進一步減少交疊，其中，眼睛通過僅具有一種類型的小平面的區域觀看。
第15A圖示出了兩個交疊的小平面集。在第10A圖至第10E圖中呈現的偏振結構可以同時應用於兩個小平面集。通過如第15A圖中由200A和202A所示將一個偏振設置為P偏振並且一個設置為S偏振來操縱來自兩個偏振的反射使其接近平行，從而提高偏振器效率。第15B圖示出了偏振取向(200B和202B)的交疊和優選偏振取向以阻擋組合偏振。
替選地，可以垂直於(或平行於)生成主反射的小平面來設置偏振器。
第16A圖示出了具有兩個小平面集的波導，其中，傾斜的小平面220集用於注入圖像的豎直孔徑擴展，並且豎直的小平面集222用於水準擴展。小平面220可以相對於波導的外部小平面傾斜。在該情況下，單個小平面反射通常將從後面進行，如第6圖所示。然而，如果小平面220垂直於(或接近垂直於)光導的外部面，則可以從光導前方的方向發生單次反射，如第16B圖的箭頭所示。
第16C圖示出了具有正面單次反射(第16B圖)的典型的反射角224和角度226的典型的小平面塗層的反射率(反射率如具有近似或準確垂直的小平面的3C所述)。明顯的是，背面反射傾向於在更接近垂直的角度224處，其中，電介質塗層將在偏振之間具有低差異，而正面反射角226將具有高差異。因此，根據本發明的方面，在波導的前方放置濾掉否則會引起顯著單次正面反射的偏振的偏振器228。
一些塗層例如線閘或雙折射電介質(如通過3M)在垂直角度也具有固有的偏振選擇性。在該情況下，側偏振器(第10D圖中的160S)可以有利地用於實現有效的反射減弱。
偏振器228可以被設計成在小平面220前方和小平面集222前方具有不同取向，因為小平面的不同取向將生成具有不同偏振的反射。可選地，可以使用在兩個期望的偏振取向之間逐漸轉變的非線性偏振器，以避免尖銳的邊界。
反射可以源自由多於一個的小平面集進行的多個反 射。例如，在第12A圖中，反射可以在由小平面68A反射之後具有一定程度的線性偏振，並且可以在由小平面64A反射之後變為任意偏振。在該情況下，應當計算反射的特定偏振，並且將非線性偏振器與波導一起使用。這可以包括具有線性偏振器的波片或其他雙折射材料。
投射到眼睛上的反射的光學特性可以跨波導變化。因此，可以跨波導非均勻地使用上述方法，以跨觀察者的整個視場來實現反射抑制。這可以包括(不限於)：
●可變偏振器
●可變波片
●平行和不平行小平面的可變塗層
●波導的外部面的可變塗層，以改變透射率和偏振
在所有以上描述中，自上而下的配置等同於側配置，並且豎直小平面等同於水準。換言之，佈置通常是可互換的；可以將系統旋轉90度。這包括擋板、塗層和偏振。
應當理解，以上描述僅旨在用作示例，並且在所附權利要求書中限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式是可能的。
10‧‧‧光導光學元件/波導
2‧‧‧圖像投影儀
4‧‧‧物件
6SB‧‧‧源
6UF、6DF、6UB‧‧‧光源

Claims (20)

  1. 一種用於將圖像投射到觀察者的眼睛的近眼顯示器，所述近眼顯示器包括：
    (a)光導光學元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面以及邊緣；
    (b)支承裝置，其被配置用於在所述第二主外表面與所述觀察者的眼睛呈面向關係的情況下相對於所述觀察者的頭部支承所述LOE；
    (c)圖像投影儀，其用於投射對應於所述圖像的照明，所述圖像投影儀光學地耦合至所述LOE以將所述照明引入所述LOE中，以便通過所述第一主外表面和所述第二主外表面處的內反射在所述LOE內傳播；
    (d)耦出裝置，其被部署用於將所述照明朝向所述觀察者的眼睛從所述LOE耦出；以及
    (e)阻光擋板，其沿所述LOE的所述邊緣之一的大部分延伸並且從所述第二主外表面的平面突出，以便阻擋來自一定範圍掠射角的入射輻射到達所述第二主外表面的至少一部分，所述擋板在朝向所述觀察者的眼睛的方向上突出，從而與所述第二主外表面形成銳角。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述阻光擋板在朝向所述觀察者的眼球中心的方向上突出。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述耦出裝置包括多個相互平行的部分反射表面，所述部分反射表面與所述第一主外表面成斜角地被部署在所述LOE內。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的近眼顯示器，其中，所述擋板和所述部分反射表面的部署阻止光線路徑在進入所述第一主外表面和所述第二主外表面之一並且經歷來自所述部分反射表面之一的單次反射之後到達所述觀察者的眼睛。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的近眼顯示器，其中，所述部分反 射表面具有平行於所述第二主外表面的延伸方向，並且其中，所述擋板與所述部分反射表面的所述延伸方向基本上平行地沿所述邊緣之一的大部分延伸。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述阻光擋板通過附接至所述LOE而被機械地支承。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示器，其中，所述阻光擋板通過附接至所述支承裝置而被機械地支承。
  8. 一種用於將圖像投射到觀察者的眼睛的近眼顯示器，所述近眼顯示器包括：
    (a)光導光學元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；
    (b)支承裝置，其被配置用於在所述第二主外表面與所述觀察者的眼睛呈面向關係的情況下相對於所述觀察者的頭部支承所述LOE；
    (c)圖像投影儀，其用於投射對應於所述圖像的照明，所述圖像投影儀光學地耦合至所述LOE以將所述照明引入所述LOE中，以便通過所述第一主外表面和所述第二主外表面處的內反射在所述LOE內傳播；以及
    (d)耦出裝置，其被部署用於將所述照明朝向所述觀察者的眼睛從所述LOE耦出，
    其中，所述第一主外表面塗覆有多層塗層，該多層塗層被配置成為以小於40度的入射角入射的可見光提供抗反射特性，並且為以大於70度的入射角入射的可見光的至少第一偏振提供高反射率。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的近眼顯示器，其中，所述第二主外表面塗覆有多層塗層，該多層塗層被配置成為以小於40度的入射角入射的可見光提供抗反射特性，並且為與以70度與85度之間的入射角入射的所述第一偏振垂直的、可見光的第二偏振提供低反射率。
  10. 一種用於將圖像投射到觀察者的眼睛的近眼顯示器，所述近 眼顯示器包括：
    (a)光導光學元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；
    (b)支承裝置，其被配置用於在所述第二主外表面與所述觀察者的眼睛呈面向關係的情況下相對於所述觀察者的頭部支承所述LOE；
    (c)圖像投影儀，其用於投射對應於所述圖像的照明，所述圖像投影儀光學地耦合至所述LOE以將所述照明引入所述LOE中，以便通過所述第一主外表面和所述第二主外表面處的內反射在所述LOE內傳播；
    (d)耦出裝置，其被部署用於將所述照明朝向所述觀察者的眼睛從所述LOE耦出；以及
    (e)微細百葉窗層，其與所述LOE的所述第一主外表面相關聯，所述微細百葉窗層阻擋從至少一個方向以大於70度的入射角入射的光進入所述LOE。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的近眼顯示器，其中，所述微細百葉窗層包括具有延伸方向的一維微細百葉窗陣列，並且其中，在所述延伸方向基本上水準的情況下部署所述微細百葉窗層。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的近眼顯示器，其中，所述微細百葉窗層包括具有基本上垂直的延伸方向的兩個微細百葉窗陣列。
  13. 一種用於將圖像投射到觀察者的眼睛的近眼顯示器，所述近眼顯示器包括：
    (a)光導光學元件(LOE)，其具有平面的且相互平行的第一主外表面和第二主外表面；
    (b)支承裝置，其被配置用於在所述第二主外表面與所述觀察者的眼睛呈面向關係的情況下相對於所述觀察者的頭部支承所述LOE；
    (c)圖像投影儀，其用於投射對應於圖像的照明，所述圖像投影 儀光學地耦合至所述LOE以將所述照明引入所述LOE中，以便通過所述第一主外表面和所述第二主外表面處的內反射在所述LOE內傳播；
    (d)耦出裝置，其被部署用於將所述照明朝向所述觀察者的眼睛從所述LOE耦出，所述LOE和所述耦出裝置限定以大於60度的入射角入射在所述第一主外表面和所述第二主外表面之一上並且朝向所述觀察者的眼睛離開所述LOE的至少一個高入射角偏振相關光學路徑，所述偏振相關光學路徑具有有利偏振取向；以及
    (e)偏振濾波器，其被部署用於防止沿所述偏振相關光學路徑前進的具有所述有利偏振取向的外部光到達所述觀察者的眼睛。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的近眼顯示器，其中，所述偏振濾波器被部署成對進入所述第一主外表面的光進行濾波。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的近眼顯示器，其中，所述偏振濾波器被部署成對朝向所述觀察者的眼睛離開所述第二主外表面的光進行濾波。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的近眼顯示器，其中，朝向所述觀察者的眼睛從所述LOE耦出的所述照明基本上被使用圖像偏振進行偏振，並且其中，所述偏振濾波器被部署成阻擋具有垂直於所述圖像偏振的偏振的光。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的近眼顯示器，還包括第二偏振濾波器，所述第二偏振濾波器被部署成對進入所述第一主外表面的光進行濾波，所述偏振濾波器與所述第二偏振濾波器被對準以透射相同的偏振。
  18. 如申請專利範圍第15項所述的近眼顯示器，還包括橫向偏振遮光元件，所述橫向偏振遮光元件用於對沿所述觀察者的眼睛與所述LOE之間的路徑來自至少一個方向的光進行濾波，其中，所述橫向偏振遮光元件的偏振軸處於相對於所述偏振濾波器的偏振軸交叉的角度。
  19. 如申請專利範圍第13項所述的近眼顯示器，還包括橫向偏 振遮光元件，所述橫向偏振遮光元件用於對沿所述觀察者的眼睛與所述LOE之間的路徑來自至少一個方向的光進行濾波。
  20. 如申請專利範圍第8項至第19項中任一項所述的近眼顯示器，其中，所述耦出裝置包括多個相互平行的部分反射表面，所述部分反射表面與所述第一主外表面成斜角地被部署在所述LOE內。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI798956B (zh) * 2021-11-24 2023-04-11 廣達電腦股份有限公司 眼球追蹤裝置以及眼球追蹤方法

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL237337B (en) 2015-02-19 2020-03-31 Amitai Yaakov A compact head-up display system with a uniform image
US11221294B2 (en) 2018-04-08 2022-01-11 Lumus Ltd. Optical sample characterization
WO2019224764A1 (en) 2018-05-23 2019-11-28 Lumus Ltd. Optical system including light-guide optical element with partially-reflective internal surfaces
MX2021002813A (es) 2018-09-09 2021-05-12 Lumus Ltd Sistemas opticos que incluyen elementos opticos de guia de luz con expansion bidimensional.
TWM642752U (zh) 2018-11-08 2023-06-21 以色列商魯姆斯有限公司 用於將圖像顯示到觀察者的眼睛中的顯示器
EP3867696B1 (en) 2018-11-08 2022-08-03 Lumus Ltd. Optical devices and systems with dichroic beamsplitter color combiner
KR102651647B1 (ko) 2019-03-12 2024-03-26 루머스 리미티드 이미지 프로젝터
KR20240008402A (ko) 2019-11-25 2024-01-18 루머스 리미티드 도파관의 표면을 폴리싱하는 방법
IL270991B (en) 2019-11-27 2020-07-30 Lumus Ltd A light guide with an optical element to perform polarization mixing
WO2021111447A1 (en) 2019-12-05 2021-06-10 Lumus Ltd. Light-guide optical element employing complementary coated partial reflectors, and light-guide optical element having reduced light scattering
EP4042232A4 (en) 2019-12-08 2022-12-28 Lumus Ltd. OPTICAL SYSTEMS WITH COMPACT IMAGE PROJECTOR
EP4127815A4 (en) * 2020-03-23 2023-09-20 Lumus Ltd. OPTICAL DEVICES FOR ATTENUATING GHOST IMAGES
US20230051619A1 (en) * 2020-06-01 2023-02-16 Lumus Ltd. Virtual image delivery system for near eye displays
WO2022044001A1 (en) * 2020-08-23 2022-03-03 Lumus Ltd. Optical system for two-dimensional expansion of an image reducing glints and ghosts from the waveduide
US20230359034A1 (en) * 2020-10-01 2023-11-09 Lumus Ltd. Compound light-guide optical elements
WO2022095594A1 (zh) * 2020-11-09 2022-05-12 Oppo广东移动通信有限公司 图像显示装置及可穿戴设备
WO2022264123A1 (en) * 2021-06-15 2022-12-22 Lumus Ltd. Encapsulated light-guide optical elements for near eye display
WO2024003754A2 (en) * 2022-06-28 2024-01-04 Lumus Ltd. A novel near eye display optical system

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0821974A (ja) * 1994-07-05 1996-01-23 Seiko Epson Corp 頭部装着型液晶表示装置
JP2012063633A (ja) * 2010-09-16 2012-03-29 Olympus Corp 頭部装着型表示装置
JP6127359B2 (ja) * 2011-09-15 2017-05-17 セイコーエプソン株式会社 虚像表示装置及び虚像表示装置の製造方法
CN103946732B (zh) * 2011-09-26 2019-06-14 微软技术许可有限责任公司 基于对透视、近眼显示器的传感器输入的视频显示修改
US8848289B2 (en) * 2012-03-15 2014-09-30 Google Inc. Near-to-eye display with diffractive lens
US9274338B2 (en) * 2012-03-21 2016-03-01 Microsoft Technology Licensing, Llc Increasing field of view of reflective waveguide
JP6244631B2 (ja) * 2013-02-19 2017-12-13 セイコーエプソン株式会社 虚像表示装置
JP6123342B2 (ja) * 2013-02-20 2017-05-10 ソニー株式会社 表示装置
JP6163791B2 (ja) * 2013-03-04 2017-07-19 セイコーエプソン株式会社 虚像表示装置
US20140347736A1 (en) * 2013-05-23 2014-11-27 Omnivision Technologies, Inc. Systems And Methods For Aligning A Near-Eye Display Device
JP6225657B2 (ja) * 2013-11-15 2017-11-08 セイコーエプソン株式会社 光学素子および画像表示装置並びにこれらの製造方法
IL291010B2 (en) * 2013-11-27 2024-01-01 Magic Leap Inc Virtual and augmented reality systems and methods
CN105829798B (zh) * 2013-12-23 2019-09-10 依视路国际公司 具有滤光功能的头戴式显示器
AU2014385317B2 (en) * 2014-03-03 2019-11-07 Eyeway Vision Ltd. Eye projection system
JP6317960B2 (ja) * 2014-03-10 2018-04-25 オリンパス株式会社 頭部装着型表示装置
KR20160132972A (ko) * 2014-03-18 2016-11-21 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 근안 디스플레이를 위한 저프로파일 이미지 조합기
US20160187651A1 (en) * 2014-03-28 2016-06-30 Osterhout Group, Inc. Safety for a vehicle operator with an hmd
US9798145B2 (en) * 2014-05-23 2017-10-24 Qualcomm Incorporated Method and apparatus for see-through near eye display
AU2015274283B2 (en) * 2014-06-14 2020-09-10 Magic Leap, Inc. Methods and systems for creating virtual and augmented reality
WO2017004695A1 (en) * 2015-07-06 2017-01-12 Frank Jones Methods and devices for demountable head mounted displays
US10234686B2 (en) * 2015-11-16 2019-03-19 Microsoft Technology Licensing, Llc Rainbow removal in near-eye display using polarization-sensitive grating
CN107167919B (zh) * 2016-03-07 2021-08-03 精工爱普生株式会社 导光装置以及虚像显示装置
CN106054393B (zh) * 2016-08-10 2019-02-01 成都虚拟世界科技有限公司 一种近眼显示系统以及虚拟现实设备
KR102170123B1 (ko) * 2016-12-14 2020-10-26 주식회사 엘지화학 차광막이 형성되어 있는 도파관 및 이의 제조방법
JP2018165744A (ja) * 2017-03-28 2018-10-25 セイコーエプソン株式会社 導光装置および表示装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI798956B (zh) * 2021-11-24 2023-04-11 廣達電腦股份有限公司 眼球追蹤裝置以及眼球追蹤方法

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Publication number Publication date
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