TW202409651A - 平衡外部光及顯示器中所產生影像光 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種近眼顯示器，其包含位於外部光至該顯示器之視窗區之路徑中用以使該外部光偏振成第一偏振狀態的第一偏振器、透視光波導及第二偏振器。該透視光波導設置於該第一偏振器與該視窗區之間的該路徑中用以在第二正交偏振狀態下將影像光輸送至該視窗區，同時以該第一偏振狀態透射該外部光。該第二偏振器設置於該透視光波導之下游的該路徑中用以調整該視窗區處之該外部光及該影像光的功率平衡。

Description

平衡外部光及顯示器中所產生影像光

本發明是關於視覺顯示裝置及相關組件、模組及方法。 相關申請案之參考

本申請案主張2022年5月12日提交之名稱為「主動視窗區解決方案及應用（Active Eyebox Solutions and Applications）」的美國臨時專利申請案第63/341,416號及2022年7月26日提交之名稱為「平衡外部光與顯示器中所產生影像光（Balancing External vs Generated Image Light in Displays）」的美國臨時專利申請案第63/392,430號之優先權，所述美國臨時專利申請案以全文引用之方式併入本文中。

視覺顯示器將資訊提供至觀看者，該資訊包含靜止影像、視訊、資料等。視覺顯示器在包含娛樂、教育、工程、科學、專業訓練、廣告之不同領域中均有應用，僅舉幾個範例。諸如電視機之一些視覺顯示器向若干使用者顯示影像，且諸如近眼顯示器（near-eye display；NED）之一些視覺顯示器系統意欲用於個別使用者。

人工實境系統通常包含配置以向使用者呈現內容之NED（例如，頭戴裝置或一副眼鏡）。近眼顯示器可顯示虛擬物件或將真實物件之影像與虛擬物件組合，如在虛擬實境（virtual reality；VR）、擴增實境（augmented reality；AR）或混合實境（mixed reality；MR）應用中。舉例而言，在AR系統中，使用者可藉由透過「組合器」組件看到而觀看與周圍環境疊加之虛擬物件（例如，電腦生成影像（computer-generated image；CGI））之影像。可穿戴顯示器之組合器典型地對外部光為可穿透的，但包含一些光路由光學件以將顯示光引導至使用者之視場中。 由於頭戴式顯示（Head-mounted display；HMD）或NED之顯示器通常穿戴於使用者之頭部上，因此對於使用者穿戴而言具有較重電池之大、笨重、不平衡及/或重型顯示裝置將會是繁瑣且不舒適。頭戴式顯示裝置需要緊密且高效光學件串，該光學件串將由微顯示器或光束掃描器產生之影像輸送至使用者之眼睛，使得所產生影像在所有光照條件下可見。

在一個態樣中，本發明揭示一種近眼顯示器，其包括第一偏振器、透視光波導及第二偏振器。第一偏振器位於外部光至近眼顯示器之視窗區之路徑中用以使外部光偏振成具有第一偏振狀態。透視光波導設置於第一偏振器與視窗區之間的路徑中用以在第二偏振狀態下將影像光輸送至視窗區，同時以第一偏振狀態透射外部光，其中第二偏振狀態與第一偏振狀態正交。第二偏振器位於透視光波導之下游的路徑中用以調整視窗區處之外部光及影像光的功率平衡。

在另一個態樣中，本發明揭示一種用於在近眼顯示器中調整影像光及外部光之相對亮度之方法，方法包括使外部光偏振成具有第一偏振狀態；在與外部光之共同光學路徑上以第二正交偏振狀態提供影像光；調整共同光學路徑中之一偏振器以改變外部光與影像光之間的亮度平衡。

在又一個態樣中，本發明揭示一種近眼顯示器，其包括圓偏振器、透視光波導及輸出偏振器。圓偏振器位於外部光至近眼顯示器之視窗區之一路徑中用以使外部光偏振至第一圓偏振。透視光波導設置於第一偏振器與視窗區之間的路徑中用以將影像光輸送至視窗區，透視光波導包括偏振光柵，偏振光柵位於路徑中用以選擇性將第二正交圓偏振之影像光耦合出光波導，同時將第一圓偏振之光透射通過光波導。輸出偏振器位於透視光波導之下游的路徑中用以調整視窗區處之外部光及影像光的功率平衡。

雖然結合各種實施例及範例描述本教示，但並不意欲本教示限於此類實施例。相反地，如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解的是，本教示內容涵蓋各種替代方案及等效者。本文中敍述本發明之原理、態樣及實施例，以及其特定範例之所有陳述意欲涵蓋其結構等效物及功能等效者之兩者。另外，意欲的是此等等效者包含當前已知等效者以及未來開發之等效者兩者，亦即，無論結構如何，所開發之進行相同功能的任何要素。

如本文所使用，術語「第一」、「第二」諸如此類並不意欲暗示順序次序，而是除非明確規定，否則意欲區分一個元件與另一元件。類似地，除非明確陳述，否則方法步驟之順序排序並不暗示其進行之順序次序。此外，如本文中所使用，如本文中所使用之術語「偏振光」涵蓋在一個偏振狀態下具有至少80%之光功率且在正交偏振狀態下不超過20%之光能的部分偏振光。類似地，「成第一（第二）偏振狀態之偏振光」意謂使光偏振，使得至少80%之光功率處於第一（第二）偏振狀態。術語「主要處於第一（第二）偏振狀態」意謂至少80%之光功率處於第一（第二）偏振狀態。在圖1及圖3至圖6中，類似附圖符號指示類似元件。

在AR顯示器中，顯示器所產生影像光需要足夠明亮以供所產生影像在外部可見環境之背景上是可辨別的。外部光可取決於AR顯示器之穿戴者或使用者位於何處而變化若干數量級。光照條件可顯著不同。舉例而言，光照亮度可在大白天與黑暗空間之間相差若干數量級。

根據本發明，近眼顯示器可配備有偏振選擇組合器元件，該偏振選擇組合器元件攜載一個偏振中之影像光，同時透過另一正交偏振透射外部光。可調整偏振器可置放於外部光及所產生影像光之共同光學路徑中，以傳播兩者之可調整部分。藉由調整偏振器，來自環境之外部光與內部所產生影像光之間的光功率比率可在廣泛範圍中調整，從而允許外部亮度條件之簡單及高效調節。

本發明之態樣提供一種近眼顯示器（近眼顯示器），其包含：第一偏振器，其位於外部光至近眼顯示器之視窗區之路徑中用以使外部光偏振成具有第一偏振狀態；及透視光波導，其設置於第一偏振器與視窗區之間的路徑中用以在第二偏振狀態下將影像光輸送至視窗區，同時在第一偏振狀態下透射外部光，其中第二偏振狀態與第一偏振狀態正交。第二偏振器設置於透視光波導下游之路徑中用以調整視窗區處之外部光及影像光的功率平衡。

在一些實施方案中，第二偏振器可為機械地可旋轉的以變化功率平衡。在一些實施方案中，第一偏振器可為電可調諧的以旋轉第一偏振器之透射軸。在以上實施方案中之任一者中，第一偏振器可為機械地可旋轉的用以調整第一偏振狀態。

第一及第二偏振狀態可為例如線偏振狀態。在此類實施方案中之一些中，偏振旋轉器可設置於第一偏振器與光波導之間。

在一些實施方案中，第一及第二偏振狀態為圓偏振狀態，且NED進一步包括光波導與第二偏振器之間的四分之一波板。在一些實施方案中，透視光波導可包括用於將影像光耦合出光波導之體積全像光柵。

在以上實施方案中之任一者中，NED可包括可操作地耦合至透視光波導用以將影像光提供至其上之側向偏移投影器。在一些實施方案中，投影器之亮度可為可調諧的。在以上實施方案中之任一者中，透視光波導可包含液晶光柵。

本發明之相關態樣提供一種用於在NED中調整影像光及外部光之相對亮度的方法。方法包括：使外部光偏振成具有第一偏振狀態；在外部光共同之光學路徑上以第二正交偏振狀態提供影像光；及調整共同光學路徑中之偏振器以改變外部光與影像光之間的亮度平衡。

在方法之一些實施方案中，調整可包括機械地旋轉偏振器。在方法之一些實施方案中，調整可包括電子地調諧偏振器以旋轉其透射軸。

在方法之一些實施方案中，偏振可包括機械地旋轉或電調諧輸入偏振器以調整第一偏振狀態。

在其中第一偏振狀態為線偏振的方法之實施方案中，方法可包含使處於第一偏振狀態之外部光傳播通過偏振旋轉器以調整第一偏振狀態。

在第一及第二偏振狀態為圓偏振狀態之實施方案中，方法可包含在調整之前使影像光及外部光傳播通過四分之一波板。

方法之以上實施方案中之任一者可包含組合外部光與影像光以沿著共同光學路徑傳播。以上實施方案中之任一者可包括將提供影像光之投影器的亮度調諧。

本發明之態樣提供一種NED，其包括：圓偏振器及透視光波導。圓偏振器位於外部光至NED之視窗區之路徑中用以使外部光偏振至第一圓偏振。透視光波導設置於第一偏振器與視窗區之間的路徑中用以將影像光輸送至視窗區。透視光波導包括偏振光柵，其位於路徑中用以選擇性將第二正交圓偏振之影像光耦合出光波導，同時將第一圓偏振之光透射通過該光波導。輸出偏振器設置於透視光波導下游之路徑中用以調整視窗區處之外部光及影像光的功率平衡。

現參照圖1，NED100包含位於示意性由點線展示之外部光106至近眼顯示器100之視窗區108的路徑104中之第一偏振器101，用以使外部光106至少部分偏振至第一偏振狀態。光波導110設置於第一偏振器101下游之路徑104中用以將影像光112輸送至視窗區108。藉由短劃線展示之影像光112藉由自路徑104及視窗區108側向偏移之投影器111產生。視窗區108界定一區域，其中使用者之眼睛150可經定位用於以良好品質觀看由投影器111所產生且由光波導110輸送至眼睛150之影像。在一個實施例中，影像光112至少部分地偏振地出射光波導110，使得至少80%之光功率處於與第一偏振狀態正交之第二偏振狀態。對於自視窗區108入射於光波導110之外表面115之上的外部光106，光波導110至少部分地為可穿透的，亦即「透視的」。外部光106在第一偏振狀態下傳播通過光波導110以透過其面向視窗區108之相對表面116出射光波導110，以在光波導110下游與影像光112共傳播。光波導110因此為組合器，其組合處於第一偏振狀態之外部光106與處於第二偏振狀態之影像光112以朝向視窗區108共傳播。

投影器111可包含掃描投影器或基於投影器之微型顯示器。在一些實施例中，投影器111可配置以提供處於明確界定之偏振狀態之影像光112。在一些實施例中，光波導110可將光波導110下游之影像光112之偏振的狀態變化至第二偏振狀態。

第二偏振器102在外部光106與影像光112共有之路徑104中設置於光波導110下游。第二偏振器102可操作以可變地調整視窗區108處之外部光106及影像光112的功率平衡。對於線偏振，外部光106可藉由第一偏振器101而例如沿著笛卡爾座標系統130之X軸偏振，且由光波導110外耦合之影像光112可沿著笛卡爾座標系統130之Y軸偏振。笛卡爾座標系統130之(X,Y)平面與光波導110之主相對表面115、表面116平行或相切（對於彎曲波導）。第二偏振器102朝向視窗區108傳輸外部光106之一部分及影像光112之一部分。第二偏振器102可包含例如線偏振器，其可在XY平面中旋轉以使影像光112及外部光106之透射部分在相對方向上變化，藉此調整視窗區108處之影像光及外部光之功率平衡。透過偏振器102透射之影像光112及外部光106之部分的光功率比率取決於線偏振器102在XY平面中之旋轉角，例如，在圖2中角度201處指示之角度α。舉例而言，當第二偏振器102經位向用於外部光106之最大衰減時，影像光112實質在無衰減之情況下傳播。且反之亦然，當第二偏振器102經位向用於影像光112之最大衰減時，外部光106實質在無衰減之情況下傳播。在近眼顯示器100之穿戴者在例如大白天之明亮外部環境中的情形中，可要求外部光106顯著衰減。外部光106之衰減亦可用以轉換近眼顯示器以作為虛擬實境顯示器操作。

圖2示意性說明XY平面中之線偏振器102之平面圖。線偏振器102具有透射軸211（「偏振軸211」）及垂直於透射軸211之阻擋軸212。線偏振器102透射實質在無衰減之情況下或在最小衰減之情況下沿著透射軸211線偏振的光，同時實質阻擋沿著正交透射軸211之軸212線偏振之光。偏振器102下游之沿著X軸及沿著Y軸偏振之光的光功率比率隨著線偏振器102在XY平面中之旋轉之角度α而變化。

在一個實施例中，NED 100可配置用以在XY平面中機械地，例如，人工地旋轉第二偏振器102，以調整視窗區108處之影像光112及外部光106之平衡。在另一實施例中，第二偏振器102可為電可調諧的，使得透射軸211在XY平面中有效地旋轉。在一些實施例中，第一偏振器101亦可為機械地可旋轉的或電可調諧的以調整傳播通過光波導110之外部光106之偏振狀態。

轉見圖3，進一步參照圖1，近眼顯示器300（圖3）為圖1之近眼顯示器100之實施例，其中第二偏振器102具體化為電可調諧輸出偏振器302。輸出偏振器302可例如藉由來自控制器330之電訊號，諸如電壓控制，以調整視窗區108處之影像光112及外部光106之功率平衡。

在所說明之實施例中，輸出偏振器302以固定線偏振器303（諸如，上文參照圖2所描述之一者）及固定之偏振器303上游之可調諧偏振旋轉器304而實施。可調諧偏振旋轉器304配置以使影像光112及外部光106之線偏振旋轉相同可變角度β。對於視窗區108處之功率平衡，使影像光束112及外部光束106之線偏振旋轉相同可變角度β實質等效於使固定偏振器303之透射軸旋轉角度α = -β。旋轉角β可響應於來自控制器330之控制訊號而電性變化。可調諧偏振旋轉器304可例如使用液晶（liquid crystal；LC）可變延遲器，繼而以四分之一波板（quarter wave plate；QWP）而具體化，其中LC延遲器及QWP使其快軸相對於彼此以45°位向。

在一些實施例中，控制器330可操作地耦接至投影器111以變化其亮度，以提供用於獨立於外部光106變化視窗區108處之影像光112之亮度的替代自由度。機械地可旋轉的第二偏振器102可與亮度電可調諧之投影器111組合。

轉見圖4，NED 400為圖1之NED 100及/或圖3之NED 300之實施例，其具有在第一偏振器101與光波導110之間的偏振旋轉器411。藉由調諧偏振旋轉器411，可調整偏振旋轉器411下游之外部光106之偏振狀態，使得第二偏振器102處之外部光106及影像光112之偏振狀態實質彼此正交。偏振旋轉器411可如上文參考偏振旋轉器304所描述；例如，偏振旋轉器411可包含具有與第一偏振器101之透射軸對準之快或慢軸之可變LC延遲器，且跟隨有適合地位向之QWP。

轉見圖5，NED 500為圖1之近眼顯示器100之實施例，且包含進行類似功能之元件。在此實施例中，可為投影器111之實施例之投影器511發射藉由光波導510輸送至視窗區508的影像光512。光波導510可為圖1、圖3及圖4之光波導110之實施例。偏振器501及偏振器502設置於光波導510之相對面處且與視窗區508相對。偏振器501及偏振器502可分別為NED 100之第一偏振器101及第二偏振器102之實施例。光波導510下游之影像光512至少部分地偏振成圓偏振狀態（「第一偏振狀態」），例如，右旋圓偏振（right-handed circular polarization；RCP）。設置於光波導510上游之外部光506之路徑中的第一偏振器501由此為圓偏振器，其配置以實質阻擋第一圓偏振（亦即，在此範例中之RCP）之光，且傳播正交圓偏振，例如，在此範例中之左旋圓偏振（left-handed circular polarization；LCP）之光。第二偏振器502為可調整的以在相對方向變化RCP及LCP光之透射部分。例如，第二偏振器502可調整以增加RCP光之透射部分，同時減小LCP光之透射部分。替代地，第二偏振器502可調整以減小RCP光之透射部分，同時增大LCP光之透射部分。因此，第二偏振器502可操作以調整視窗區508處之影像及外部光之功率平衡，及因此的相對亮度。

第二偏振器502可例如使用QWP 522繼而以可調整線偏振器524來具體化。QWP 522將入射於其上之LCP及RCP光束轉換成相互正交線偏振之兩個線偏振光束。如上文參照圖2所描述，可調整線偏振器524可為例如機械可旋轉線偏振器、或電可調諧線偏振器，例如，其可為圖3之NED 300之電可調諧輸出偏振器302的實施例。第一偏振器501可用線偏振器繼而以適合地位向之QWP來具體化，例如，如圖6中參照圓偏振器601所說明。

轉見圖6，NED 600為圖5之近眼顯示器500之實施例，且包含進行類似功能之元件。圖6之NED 600包含投影器611，例如，掃描投影器或基於微型顯示器之投影器及光瞳複製光波導610。光瞳複製光波導610包含用於將影像光612內耦合至光瞳複製光波導610中之內耦合器620、及用於將來自光瞳複製光波導610之影像光612之部分朝向視窗區608外耦合的外耦合器622。內耦合器620及外耦合器622之至少一者可使用偏振光柵，例如，偏振體積全像光柵實施，所述偏振光柵選擇性繞射圓偏振之一個手性光，同時傳播通過圓偏振之另一相對手性光。藉助於說明，光瞳複製光波導610配置以使得朝向光波導610下游之視窗區608傳播之外耦合的影像光612主要為LCP。舉例而言，內耦合器620及外耦合器622之至少一者可包含PVH光柵，其以右圓偏振光操作，亦即當傳播通過LCP光時使RCP光繞射。

光瞳複製光波導610可為「透視的」，亦即，對於外部光106至少部分地可穿透，其中外耦合器622朝向視窗區608，從而允許外部光606之至少LCP部分通過其朝向視窗區608傳播。NED 600可包含光波導610上游之外部光606路徑中之圓偏振器601用以使外部光606偏振，使得在偏振器601下游，外部光606偏振為與外耦合之影像光612之偏振正交的主要圓偏振，例如，RCP。圓偏振器601可包含線偏振器603繼而以適合地位向之QWP 605。在一些實施例中，QWP 605可為可調整的，亦即，機械地可旋轉的或電可調諧的，以具有相對於線偏振器603之偏振軸呈+45°或-45°之快軸或慢軸，以輸出具有所要手性圓偏振光，即以上範例中之RCP。

在光波導610下游，外部光606及影像光612沿著偏振成正交圓偏振之共同路徑而共傳播，在此範例中，RCP（外部光606）及LCP（外耦合之影像光612）。可調整輸出偏振器602設置於外部光及影像光之共同路徑中，且可為上文所描述之NED 500之輸出偏振器502之實施例。在所說明之實施例中，輸出偏振器602包含QWP 614繼而以可調整線偏振器616。QWP 614之功能為將RCP外部光606及LCP影像光612轉換成正交偏振狀態之線偏振光。線偏振器616之功能為調整已藉由QWP 614轉換成正交線偏振狀態之外部光606及影像光612的光功率或亮度之平衡。可使用其他形式之輸出圓偏振器。可調整線偏振器可為機械地可旋轉的或可旋轉電可調諧的，例如，如上文參照偏振器102及偏振器302所描述。

參見圖7，進一步參見圖1至圖6，一種用於調整影像光及近眼顯示器中之外部光之相對功率的方法700，例如，圖1之NED 100或圖3至圖6之NED 300、NED 400、NED 500及NED 600，包含藉由使用對應偏振器使（圖7；步驟710）外部光偏振成具有第一偏振狀態，諸如線或圓偏振狀態。在與外部光共同之光學路徑上，例如在圖1中之光路徑104上，在第二正交偏振狀態，諸如正交線偏振狀態或視情況可為相對手性之圓偏振狀態下，提供（步驟720，圖7）攜載例如人工所產生影像之影像之影像光以擴增外部世界視圖。位於共同光學路徑中之偏振器，例如，圖1或圖4中之第二偏振器102，分別為圖3、圖5及圖6之輸出偏振器302、輸出偏振器502或輸出偏振器602調整（圖7；步驟730）以改變外部光與影像光之間的功率平衡。

在一些實施例中，310處之偏振可包含機械地旋轉第一偏振器以調整第一偏振狀態。在一些實施例中，310處之偏振可包含使用偏振旋轉器，諸如圖4之偏振旋轉器411以調整第一偏振狀態。

在一些實施例中，步驟730處之調整包含機械地旋轉第二偏振器，例如圖1及圖4中之偏振器102、圖5中之偏振器524或圖6中之偏振器616。在一些實施例中，步驟730處之調整包含電子地調諧第二偏振器以旋轉其透射軸。此可包含例如使用偏振旋轉器，諸如圖3之可調諧偏振旋轉器304。

方法700可進一步包含組合外部光，例如，圖1之光106與影像光，例如，圖1之光112，以沿著共同光學路徑，例如圖1之路徑104傳播。組合可藉由光波導進行，該光波導將影像光朝向視窗區引導，例如，圖1、圖3及圖4之光波導110，圖5之光波導510或圖6之光波導610，及/或光波導之外耦合器，例如，圖6之光波導610之外耦合器622。

方法700之一些實施例可包含在組合之前，使處於第一偏振狀態下之外部光傳播通過例如圖4之旋轉器411之偏振旋轉器以調整第一偏振狀態。

在第一及第二偏振狀態為圓偏振狀態之方法700之實施例中，方法可包含在步驟730之調整之前，使影像光及外部光傳播通過例如圖6之QWP 614之四分之一波板。

在一些實施例中，方法700可包含將提供影像光之影像投影器之亮度調諧，例如，圖1、圖3、圖4之投影器111、圖5之投影器511或圖6之投影器611。

現參見圖8， AR近眼顯示器800為本文中所揭示之近眼顯示器中之任一者的實施方案，諸如圖1之近眼顯示器100及/或分別為圖3、圖4、圖5及圖6之近眼顯示器300、近眼顯示器400、近眼顯示器500及近眼顯示器600。圖8之AR近眼顯示器800包含對於各眼睛支撐之框架801；光引擎或影像投影器830，其用於提供攜載角域中影像之影像光束；光瞳複製光波導806，其包含本文中所揭示之波導中之任一者，其用於提供影像光束之多個偏移部分以跨視窗區812散佈角域中影像；及複數個視窗區照明器810，其展示為黑點，在面向視窗區812之表面上圍繞光瞳複製光波導806之通光孔徑而散佈。可對於各視窗區812提供眼睛追蹤攝像機804。

眼睛追蹤攝像機804之目的是判定使用者之兩個眼睛之位置及/或位向。視窗區照明器810對應照明視窗區812處之眼睛，以使眼睛追蹤攝像機804獲得眼睛之影像且提供參考反射，亦即亮點。亮點可充當所獲取眼睛影像中之參考點，從而藉由判定眼睛瞳孔影像相對於亮點位置之位置來促進眼睛凝視方向判定。為了避免因視窗區照明器810之光分散使用者之注意力，可使得視窗區照明器810發射對於使用者而言不可見之光。舉例而言，紅外光可用於照射視窗區812。

第一偏振器826及可調整第二或輸出偏振器828進一步設置於各光波導806之相對側，橫跨整個對應視窗區812。輸入偏振器826、輸出偏振器828具體化上文參照圖1、圖3、圖4所描述之第一偏振器101及第二偏振器102、或圖5之偏振器501及偏振器502、或者圖6之偏振器601及偏振器602。偏振器826、偏振器828之功能為調整視窗區812處之影像光及外部光的相對亮度。

轉見圖9，HMD 900為AR/VR可穿戴顯示系統之範例，為了較大程度沉浸於AR/VR環境中，該AR/VR穿戴顯示系統圍封使用者之面部。HMD 900可產生虛擬3D影像。HMD 900可包含能緊固於使用者頭部周圍之前本體902及帶子904。前本體902配置用以以可靠且舒適之方式置放於使用者眼睛前方。在一些實施例中，前本體902可為部分透明，以允許一些外部光進入穿戴者之眼睛。顯示系統980可設置於前本體902中以向使用者呈現AR/VR影像。顯示系統980可包含本文中所揭示之近眼顯示器中之任一者，諸如圖1之近眼顯示器100及/或分別為圖3至圖6之近眼顯示器300、近眼顯示器400、近眼顯示器500、近眼顯示器600。前本體902之側906可為不透明或透明。

在一些實施例中，前本體902包含定位器908及用於追蹤HMD 900之加速度之慣性量測單元（inertial measurement unit；IMU）910、以及用於追蹤HMD 900之位置的位置感測器912。IMU 910為基於自位置感測器912中之一或多者接收到之量測訊號而產生指示HMD 900的位置資料之電子裝置，所述位置感測器響應於HMD 900之運動而產生一或多個量測訊號。位置感測器912之範例包含：一或多個加速度計、一或多個陀螺儀、一或多個磁力計、偵測運動之另一適合類型的感測器、用於IMU 910之錯誤校正的一種類型之感測器，或以上各者之一些組合。位置感測器912可位於IMU 910外部、IMU 910內部、或在外部與在內部之一些組合。

定位器908由虛擬實境系統之外部成像裝置追蹤，使得虛擬實境系統能追蹤整個HMD 900之所在及位向。由IMU 910及位置感測器912產生之資訊可與藉由追蹤定位器908獲得之位置及位向進行比較，用以改良HMD 900之位置及位向之追蹤準確度。當使用者在3D空間中移動及轉動時，準確位置及位向對於向使用者呈現適當虛擬景物是至關重要的。

HMD 900可進一步包含深度攝像機組合件（DCA）911，其獲取描述環繞HMD 900中之一些或所有之局部區域的深度資訊資料。為了在3D空間中判定HMD 900之位置及位向之較佳準確度，深度資訊可與來自IMU 910之資訊進行比較。

HMD 900可進一步包含用於即時判定使用者眼睛之位向及位置的眼睛追蹤系統914。所獲得的眼睛之位置及位向亦允許HMD 900判定使用者之凝視方向且相應地調整由顯示系統980產生的影像。所判定凝視方向及輻輳角度可用於調整顯示系統980以減少輻輳調節衝突。方向及輻輳亦可用於如本文中所揭示之顯示器的出射光瞳轉向。此外，所判定之輻輳及凝視角度可用於與使用者互動、突顯物件、將物件帶至前景、產生額外物件或指標等。亦可提供音訊系統，其包含例如建置至前本體902中之一組小型揚聲器。

本發明之實施例可包含人工實境系統或可與人工實境系統一起實施。人工實境系統在向使用者呈現之前以某一方式調整透過感測所獲得之關於外部世界的感官資訊，諸如可視資訊、音訊、接觸（體感）資訊、加速度、平衡等。藉助於非限制性實例，人工實境可包含虛擬實境、擴增實境、混合實境、混雜（hybrid）實境或以上各者之一些組合及/或衍生者。人工實境內容可包含完整產生之內容或與所獲取之（例如，真實世界）內容組合之所產生內容。人工實境內容可包含視訊、音訊、體感或觸覺回饋或以上各者之一些組合。此內容中之任一者可在單一通道中或在多個通道中呈現，諸如在對觀看者產生三維效果之立體視訊中。此外，在一些實施例中，人工實境亦可與用於例如在人工實境中產生內容及/或以另外用於人工實境中（例如，在人工實境中進行活動）之應用、產品、配件、服務或以上各者之一些組合相關聯。提供人工實境內容之人工實境系統可實施於各種平台上，包含可穿戴顯示器，諸如連接至主機電腦系統之HMD、獨立式HMD、具有眼鏡之外觀尺寸的近眼顯示器、行動裝置或計算系統、或者能夠向一或多個觀看者提供人工實境內容之任何其他硬體平台。

本發明之範疇不受本文所描述之特定實施例限制。實際上，除本文中所描述之彼等之外，其他各種實施例及修改將自前述描述及隨附圖式而對於所屬領域中具通常知識者將會是顯而易見。舉例而言，在一些實施例中，可出射近眼顯示器之光瞳複製光波導的影像光為僅微弱偏振或實質非偏振，且視窗區處之功率平衡可藉由變化到達近眼顯示器之視窗區的偏振外部光之部分而調整。在一些實施例中，使用輸出偏振器變化到達視窗區之外部光部分可藉由調諧產生影像光的投影器之亮度來補充。此等其他實施例及修改意欲落入本發明之範疇內。此外，在可能之情況下，本文中參考特定實施例所描述之特徵可用於其他實施例中之任一者中。此外，儘管本文中已出於特定目的在特定環境中之特定實施方案之上下文中描述本發明，但所屬領域中具有通常知識者應認識到的是，其有效性不限於此，且本發明可出於任何數目個目的而有益地實施於任何數目個環境中。因此，下文闡述之申請專利範圍應鑒於本發明之完整廣度來解釋。

100、300、400、500、600:NED/近眼顯示器 101:第一偏振器 102:第二偏振器/偏振器/線偏振器 104:路徑 106:外部光/外部光束/光 108:視窗區 110:光波導 111:投影器 112:影像光/影像光束/光 115:外表面/主相對表面 116:相對表面/表面 130:笛卡爾座標系統 150:眼睛 201:角度 211:透射軸/偏振軸 212:阻擋軸/軸 302:電可調諧輸出偏振器/輸出偏振器/偏振器 303:線偏振器/偏振器 304:可調諧偏振旋轉器/偏振旋轉器 330:控制器 411:偏振旋轉器/旋轉器 500:近眼顯示器 501:偏振器/第一偏振器 502:偏振器/第二偏振器/輸出偏振器 506:外部光 508:視窗區 510:光波導 511:投影器 512:影像光 522:QWP 524:線偏振器/偏振器 600:近眼顯示器 601:圓偏振器 602:輸出偏振器 603:線偏振器 605:QWP 606:外部光 608:視窗區 610:光瞳複製光波導/光波導 611:投影器 612:影像光 614:QWP 616:線偏振器/偏振器 620:內耦合器 622:外耦合器 700:方法 710:步驟 720:步驟 730:步驟 800:AR近眼顯示器 801:框架 804:眼睛追蹤攝像機 806:光瞳複製光波導/光波導 810:視窗區照明器 812:視窗區 826:第一偏振器/輸入偏振器/偏振器 828:輸出偏振器/偏振器 830:光引擎或影像投影器 900:HMD 902:前本體 904:帶子 906:側 908:定位器 910:IMU 911:深度攝像機組合件 912:位置感測器 914:眼睛追蹤系統 980:顯示系統 LCP:左旋圓偏振 RCP:右旋圓偏振 α:角度 β:可變角度/旋轉角

現將結合圖式描述範例性實施例，在圖式中： [圖1]為本發明之近眼顯示器之示意性側視圖； [圖2]為可旋轉偏振器之示意平面圖； [圖3]為圖1之具有可電子地調諧之輸出偏振器的近眼顯示器之實施例之示意側視圖； [圖4]為具有用於外部光之偏振旋轉器之圖1的近眼顯示器之實施例之示意側視圖； [圖5]為具有可電子地調諧之輸出偏振器之圖1的近眼顯示器之實施例之示意側視圖； [圖6]為圖1之近眼顯示器之偏振體積全像件（polarization volume hologram；PVH）實施例的示意側視圖； [圖7]為用於調整圖1或圖2之近眼顯示器之影像光相對於外部光的亮度之方法流程圖； [圖8]為具有一副眼鏡之外觀尺寸之本發明可穿戴顯示器之視圖；以及 [圖9]為根據本發明之實施例之頭戴式顯示器的三維視圖。

100:NED/近眼顯示器

101:第一偏振器

102:第二偏振器/偏振器/線偏振器

104:路徑

106:外部光/外部光束/光

108:視窗區

110:光波導

111:投影器

112:影像光/影像光束/光

115:外表面/主相對表面

116:相對表面/表面

130:笛卡爾座標系統

150:眼睛

Claims (20)

1. 一種近眼顯示器，其包括： 第一偏振器，其位於外部光至該近眼顯示器之視窗區之路徑中用以使該外部光偏振成具有第一偏振狀態； 透視光波導，其設置於該第一偏振器與該視窗區之間的該路徑中用以在第二偏振狀態下將影像光輸送至該視窗區，同時以該第一偏振狀態透射該外部光，其中該第二偏振狀態與該第一偏振狀態正交；及 第二偏振器，其位於該透視光波導之下游的該路徑中用以調整該視窗區處之該外部光及該影像光的功率平衡。
2. 如請求項1之近眼顯示器，其中該第二偏振器可機械地旋轉以變化該功率平衡。
3. 如請求項2之近眼顯示器，其中該第一偏振器可機械地旋轉用以調整該第一偏振狀態。
4. 如請求項1之近眼顯示器，其中該第一偏振器電調諧以旋轉該第一偏振器之透射軸。
5. 如請求項1之近眼顯示器，其中該第一偏振狀態及該第二偏振狀態為線偏振狀態。
6. 如請求項1之近眼顯示器，其包括該第一偏振器與該光波導之間的偏振旋轉器。
7. 如請求項1之近眼顯示器，其中該第一偏振狀態及該第二偏振狀態為圓偏振狀態，該近眼顯示器進一步包括該光波導與該第二偏振器之間的四分之一波板。
8. 如請求項1之近眼顯示器，其包括側向偏移投影器，其可操作地耦接至該透視光波導用以將該影像光提供至該側向偏移投影器上。
9. 如請求項8之近眼顯示器，其中該投影器之亮度為可調諧。
10. 如請求項1之近眼顯示器，其中該透視光波導包含括用於將該影像光耦合出該光波導之體積全像光柵。
11. 如請求項1之近眼顯示器，其中該透視光波導包括液晶光柵。
12. 一種用於在近眼顯示器中調整影像光及外部光之相對亮度之方法，該方法包括： 使該外部光偏振成具有第一偏振狀態； 在與該外部光之共同光學路徑上以第二正交偏振狀態提供該影像光；及 調整該共同光學路徑中之一偏振器以改變該外部光與該影像光之間的亮度平衡。
13. 如請求項12之方法，其中該調整包括機械地旋轉該偏振器。
14. 如請求項12之方法，其中該調整包括電子地調諧該偏振器以旋轉該偏振器的透射軸。
15. 如請求項12之方法，其中該偏振包括機械地旋轉或電調諧輸入偏振器以調整該第一偏振狀態。
16. 如請求項12之方法，其包括組合該外部光與該影像光以沿著該共同光學路徑傳播。
17. 如請求項16之方法，其中該第一偏振狀態為線偏振，該方法包括在該組合之前使處於該第一偏振狀態之該外部光傳播通過偏振旋轉器，以調整該第一偏振狀態。
18. 如請求項12之方法，其中該第一偏振狀態及該第二偏振狀態為圓偏振狀態，該方法包括在該調整之前使該影像光及該外部光傳播通過四分之一波板。
19. 如請求項12之方法，其包括將提供該影像光之投影器之亮度調諧。
20. 一種近眼顯示器，其包括： 圓偏振器，其位於外部光至該近眼顯示器之視窗區之一路徑中用以使該外部光偏振至第一圓偏振； 透視光波導，其設置於該第一偏振器與該視窗區之間的該路徑中用以將影像光輸送至該視窗區，該透視光波導包括偏振光柵，該偏振光柵位於該路徑中用以選擇性將第二正交圓偏振之該影像光耦合出該光波導，同時將該第一圓偏振之光透射通過該光波導；及 輸出偏振器，其位於該透視光波導之下游的該路徑中用以調整該視窗區處之該外部光及該影像光的功率平衡。

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