具有光学耦合的头戴式成像设备的制作方法

本发明总体上涉及电子显示器，并且更具体地，涉及形成虚拟图像的可穿戴式电子显示器。

背景技术：

1、头戴式显示器(hmd)包括采用类似常规眼镜或太阳镜形式的近眼(near eye)显示器，头戴式显示器被开发用于一系列不同的用途，包括军事的、商业的、工业的、消防的以及娱乐应用。对于这些应用中的许多，形成虚拟图像存在有特别的价值，所述虚拟图像能够被视觉地叠加在位于hmd使用者的视场中的真实世界图像之上。

2、通常，为了使观看者接受，hmd光学器件必须满足若干基本要求，包括如下：

3、(i)足够的出瞳距离(eye relief)或眼间隙(eye clearance)。出瞳距离的范围基于观看者的舒适度和人眼自身的光学构造来限定。实际上，hmd光学器件的最后的光学表面与观看者的眼睛之间的距离优选为约20mm之上；

4、(ii)适当的光瞳(pupil)尺寸。光瞳尺寸要求基于观看者面部结构的生理差异以及在观看期间的注视重定向(gaze redirection)。已发现，至少约10mm直径的光瞳尺寸是期望的；

5、(iii)视场。宽的视场是优选的。对于许多视觉任务，例如选定目标(targeting)和目标识别，接近约50度的视场(fov)被认为是期望的；

6、(iv)亮度。生成的虚拟图像应具有足够的亮度以便获得好的可视性和观看者舒适度。

7、方面(i)-(iii)涉及可视区(eyebox)。可视区涉及观察者的眼睛在其内可舒适地观看图像的体积。可视区的尺寸部分地取决于光从图像源到观看图像所在处的路径的长度以及图像源的尺寸，并且部分地取决于图像源的发散度(divergence)和/或光在其被图像源发射之后的准直性(collimation)。可视区的期望尺寸很大程度上取决于从显示器上期望得到的观看体验的质量。

8、除了光学要求之外，hmd设计还必须解决实际要素，例如可变的面部几何形状、在为了穿戴舒适度、重量和成本而减小尺寸的预期下的可接受的形态要素、以及使用的容易性。

9、大部分hmd系统的目标是使成像/中继(relay)系统尽可能地紧凑；然而，当使用常规光学器件时，存在基本的限制。光学系统的输出必须具有大到足以支持合理尺寸的虚拟图像的光瞳，并且还允许眼睛的一些运动。在双目系统中，还存在有在不同使用者之中改变眼内距离(intraocular distance)的问题以及对于允许该改变的光学系统的输出光瞳的需求。

10、若干近眼hmd装置使用平面型波导(waveguide)。这些装置采用一系列光学衍射光栅和全内反射(tir)，以侧向地转移投影系统的出射光瞳，使得投影系统可定位到观看路径的旁侧，例如在观看者头部旁边。光学波导还沿一个或两个维度来扩展出射光瞳，使得可减小成像光投影系统的尺寸。这使得投影系统的出射光瞳可以是相当小的，而同时放大了可视区，并允许将系统移动到观看者的位置线(line ofsite)外。同时，波导可以是透明的，因此虚拟图像可叠加在周围环境之上。

11、在投影光学器件的大部分被侧向地转移到使用者的视线外且是高度紧凑的情况下，仍然期望使投影部件构造成具有如下的形态要素，所述形态要素与眼镜更加一致且因此更能够被广大使用人群接受。已提出了若干方法以便使用棱镜或反射镜来折叠光路。然而，最终效果往往是难以处理投影部件的放置，例如使这些部件从波导更远地离开，从而增加了对头戴式装置的尺寸要求。

技术实现思路

1、本公开的目的是当使用紧凑的头戴式装置和类似的成像设备时增进图像呈现。有利地，本公开的实施例提供光耦合解决方案，其不仅与通常的眼镜的形态要素兼容，而且允许投影仪光学器件的使用能够提供足够的亮度和光瞳尺寸以便能够舒适观看。

2、从对所附权利要求和优选实施例的下面的详细描述的回顾并参考附图将更清晰地理解并领会本发明的这些和其他的方面、目的、特征和优点。

3、根据本公开的方面，这里提供有一种头戴式成像设备，所述头戴式成像设备具有框架，其容纳左眼成像设备和右眼成像设备，每个成像设备能够被激活以向观察者的眼睛形成虚拟图像。每个成像设备包括投影仪、平面型波导、以及光学耦合器。投影仪由框架的镜腿构件支撑，并能够被激活以沿着投影轴线发射包括中心投射光束的角度相关的光束集合。波导具有两个平面表面，并且被构造成在进入孔径处接纳投影光束，并被构造成形成扩展的光束，扩展的光束从输出孔径被输出并被引导朝向观察者的对应的眼睛。平面型波导的输出孔径与输入孔径间隔开。光学耦合器接收沿着第一轴线的中心投影光束，第一轴线相对于波导表面成钝角，并且光学耦合器使中心投影光束重定向成沿着第二轴线，第二轴线相对于波导表面成锐角。

4、从对所附权利要求和优选实施例的下面的详细描述的回顾并参考附图将更清晰地理解并领会本发明的这些和其他的方面、目的、特征和优点。

技术特征：

1.一种头戴式显示器，所述头戴式显示器具有框架，其容纳左眼成像设备和右眼成像设备中的至少一者，每个成像设备能够被激活以向佩戴者的一只眼睛形成虚拟图像，其中，每个成像设备包括：

2.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述输出表面和所述至少部分地反射的表面是不平行的平面表面。

3.如权利要求2所述的头戴式显示器，其中，所述输出表面反射在一个入射角范围之内的中心投影光束，并传输在第二入射角范围之内的中心投影光束。

4.如权利要求3所述的头戴式显示器，其中，所述至少部分地反射的表面反射在两个入射角范围之内的中心投影光束。

5.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述第二轴线和所述第三轴线在所述波导的佩戴者侧上靠拢。

6.一种头戴式显示器，其能够被激活以向佩戴者的眼睛形成虚拟图像，所述头戴式显示器包括：

7.如权利要求6所述的头戴式显示器，其中，所述波导通过所述佩戴者侧上的平面表面来接纳并输出所述中心投影光束。

技术总结头戴式成像设备包括框架，其容纳左眼和右眼成像设备。每个成像设备向观察者的一只眼睛形成虚拟图像，并且包括投影仪、平面型波导和光学耦合器。投影仪由框架的镜腿构件支撑并沿着投影轴线发射中心投影光束。平面型波导通过输入孔径接纳投影光束并形成扩展的光束，扩展的光束从输出孔径被输出并被引导朝向观察者的眼睛。光学耦合器接收沿着第一轴线的中心投影光束，第一轴线相对于波导平面成钝角，并且光学耦合器使中心投影光束重定向成沿着第二轴线，第二轴线相对于波导表面成锐角。技术研发人员：R·J·舒尔茨受保护的技术使用者：伊奎蒂公司技术研发日：技术公布日：2024/9/26