具有枢转成像光导的头戴式显示器的制作方法

本发明一般涉及电子显示器，以及更特别地涉及使用成像光导来将载像光传送给观看者的头戴式(近眼式)显示器。

背景技术：

1、一直在针对包括军事应用、商业应用、工业应用、消防应用和娱乐应用在内的一系列各种各样的用途而开发包括单眼和双眼近眼式显示器在内的头戴式显示器(hmd)。对于这些应用中的许多应用而言，在形成可以被虚拟地叠加在处于hmd用户的视场中的显示世界图像上的虚拟图像方面存在特定的价值。结合了各种类型的波导的成像光导在狭窄的空间中将载像光中继转发给观看者，以用于将虚拟图像引导到观看者的瞳孔并且使得能够实现这种叠加功能。

2、在常规的成像光导中，通过诸如入耦合(in-coupling)衍射光栅之类的输入光耦合将来自图像源的经准直的角度相关光束耦合到一般被称为波导的光导基板中，该输入光耦合可以在基板的表面上形成或者被埋入基板内。其他类型的衍射光学器件可以被用作输入耦合，包括由诸如全息聚合物分散液晶(hpdlc)之类的具有可变折射率的交替式材料或者体积全息图所形成的衍射结构。衍射光学器件还可以被形成为表面起伏衍射光栅(surface relief diffraction gratings)。可以通过类似的输出光耦合将准直光束引导到波导外，该输出光耦合也可以采取衍射光学器件的形式。从波导射出的经准直的角度相关射束在离波导的适眼距离(eye relief distance)处进行叠覆，从而形成出射光瞳，在该出射光瞳内可以查看由图像源生成的虚拟图像。通过其可以在适眼距离处查看虚拟图像的出射光瞳区域被称为“眼箱(eyebox)”。

3、还可以将输出耦合布置用于扩大出射光瞳。例如，可以通过以下方式来在一个维度上扩大准直射束：通过在准直射束沿着输出耦合传播所处的方向上部分地偏移准直射束的被反射部分，或者通过沿着波导将来自不同位置的具有不同角度的准直射束射出，以在离波导的适眼距离处更有效地使准直射束进行叠覆。

4、在输入耦合与输出耦合之间沿着波导定位的所谓的“转向光学器件”可以被用于在第二维度上扩展光瞳大小。该扩展可以通过以下方式来实现：通过偏移准直射束的被反射部分以扩大射束自身的第二维度，或者通过将准直射束引导到输出耦合的不同区域，如此从不同位置射出具有不同角度的准直射束，以在眼箱内更有效地进行叠覆。转向光学器件还可以采取衍射光学器件的形式，以及特别是当位于输入耦合与输出耦合的衍射光栅之间时，还可以被称为中间光栅。

5、成像光导光学器件形成虚拟图像，该虚拟图像具有被定位在一定距离之外并且定位在观察者的视场内的真实对象的外观。如对于成像领域技术人员已知的是，通过从光学系统提供给眼睛的光射线的发散来综合模拟虚拟图像。这种光学效应形成了使其似乎在观察者的视场中的给定位置和距离处出现的“虚拟图像”；在射线实际进行发散所出自于的视场中并不存在对应的“真实”对象。所谓的“增强现实”观看系统通常采用虚拟成像系统来提供虚拟图像到所查看的真实世界场景上的叠加。用于形成可以与观看者的视场中的真实世界图像内容进行组合的虚拟图像的这种能力将增强现实成像设备与不允许同时的真实世界视图的其他虚拟图像设备相区分。

6、为观看者在所意图的位置处成功地形成虚拟图像要求光学装置满足各种几何要求和位置要求。这些要求通常约束设计和可用性因素，诸如观看者位置和光学系统相对于观看者眼睛的放置。由于观看者之间的解剖上的变化，光学系统例如可能不能够将虚拟图像精确定位在这样的位置处：在该位置中对于特定的观看者或目的而言将是最有用的。观看者可能想要使虚拟图像内容在视场内是可得到的，但是可能不想要这样的图像内容：该图像内容直接叠加到视场中的真实世界对象上并且使该真实世界对象部分模糊。根据多个先前的hmd光学器件设计所得到的严格约束可能使增强现实系统对于用于实用功能而言是不便的。

7、因此，可以领会的是，在被用于虚拟成像以及用于虚拟图像自身的相对放置的光学部件的放置方面提供了一些灵活性措施的方法和装置中将存在实用价值。

技术实现思路

1、本公开的目的是推进紧凑头戴式(近眼式)显示器内的图像呈现的领域。有利地，本公开的实施例提供了具有成像光导的可穿戴显示器，其提供用于向观看者呈现高分辨率宽视场(fov)内容的扩大的光瞳大小。此外，本公开的实施例还允许观看者在不去除可穿戴显示器并且不中断虚拟内容显示的可见性的情况下手动地调节虚拟图像内容的相对位置。

2、本发明的这些和其他方面、目标、特征和优点将根据对优选实施例和所附权利要求的以下详细描述的审阅以及通过参考附图而被更清楚地理解和领会。

3、根据本公开的一个方面，提供了一种可穿戴显示装置，其包括针对观看者的头部来支撑该显示装置的框架。安装于该框架内的投影器生成沿着路径投射的载像光的角度相关射束。成像光导在载像光束的路径中被耦合到框架的向前部分。该成像光导包括(a)波导，其具有由透明光学材料形成的基板，(b)入耦合衍射光学器件，其在波导上形成并且被设置成将载像光束引导到波导中，(c)转向光学器件，其在波导上形成并且被设置成在第一维度上对来自入耦合衍射光学器件的各个载像光束进行扩展以及将经扩展的载像光束朝向出耦合衍射光学器件进行引导。该出耦合衍射光学器件也在波导上形成，并且被设置成在第二维度上对各个载像光束进行扩展以及在观看者眼箱内形成虚拟图像。底座在观看者的前面对成像光导进行支撑并且提供用于波导相对于投影器的水平角度调节的竖直铰链。

技术特征：

1.一种可穿戴单眼型显示装置，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述铰链被布置在所述波导与所述投影器之间，以用于相对于所述投影器对所述波导进行角度调节。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述入耦合光学器件和出耦合光学器件中的一个或二者是衍射光学器件和棱镜中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述入耦合光学器件是在所述波导的平面内并且向外表面倾斜的镜。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述入耦合光学器件包括被布置在所述波导的平面内并且向所述波导的外表面倾斜的多个至少部分反射镜。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述出耦合光学器件包括被布置在所述波导的平面内并且向所述波导的外表面倾斜的多个至少部分反射镜。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述入耦合光学器件和所述出耦合光学器件包括多个周期性衍射元件，其中所述成像光导进一步包括中间转向光学器件，其可操作成将所述入耦合光学器件的经衍射的光输出引导到所述出耦合光学器件；

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述中间转向光学器件可操作成经由与沿第一传播方向来自所述入耦合光学器件的经衍射的光输出的多重衍射交会来产生光瞳扩展。

9.根据权利要求7所述的装置，其中所述出耦合光学器件可操作成经由与沿第二传播方向来自所述中间转向光学器件的经衍射的光输出的多重衍射交会来产生正交光瞳扩展，所述第一传播方向与所述第二传播方向正交。

10.根据权利要求7所述的装置，其中所述中间转向光学器件的间距匹配所述入耦合光学器件的间距和所述出耦合光学器件的间距。

11.根据权利要求7所述的装置，其中所述中间转向光学器件的衍射元件以基本上60度取向到沿第一传播方向来自所述入耦合光学器件的经衍射的光输出。

12.一种可穿戴显示装置，包括：

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一铰链被配置成在竖直平面中提供所述成像光导相对于所述投影器的角度调节。

14.根据权利要求12所述的装置，其中所述入耦合光学器件包括衍射光学器件和棱镜中的一个，并且其中所述出耦合光学器件包括衍射光学器件和棱镜中的一个。

15.根据权利要求12所述的装置，其中所述入耦合光学器件包括所述波导的平面内的镜，并且所述镜向所述波导的外表面倾斜。

16.根据权利要求12所述的装置，其中所述入耦合光学器件包括被布置在所述波导的平面内的多个至少部分反射镜，并且其中所述多个至少部分反射镜向所述波导的外表面倾斜。

技术总结框架针对观看者的头部来支撑显示装置。被安装于框架内的投影器生成载像光的射束。耦合到框架的向前部分的光导具有：波导；在波导上形成以用于将载像光束引导到波导中的入耦合衍射光学器件；在波导上形成以用于在第一维度上对来自入耦合衍射光学器件的各个载像光束进行扩展的转向光学器件；以及在波导上形成以用于在与第一维度正交的第二维度上对各个载像光束进行扩展并且在观看者眼箱内形成虚拟图像的出耦合衍射光学器件。底座在观看者的前面对光导进行支撑并且提供用于波导相对于投影器的角度调节的铰链。技术研发人员：R·J·舒尔茨,P·J·特拉弗斯,T·W·波特受保护的技术使用者：伊奎蒂公司技术研发日：技术公布日：2024/6/13