具有光束复制的投影仪-组合器显示器制造技术

一种近眼显示器(NED)包括图像复制器和图像组合器。图像复制器被配置为从诸如图像投影仪的源接收图像光的光束，并将该光束分离成图像光的多个第二光束。组合器被配置成将多个第二光束中继到NED的视窗，使得在视窗处的第二光束从彼此横向地偏移。可以通过复制和中继图像光束来增加NED的光学扩展量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有光束复制的投影仪-组合器显示器
本公开涉及视觉显示器和显示系统，且尤其是涉及可穿戴显示器。背景头戴式显示器(HMD)用于向用户提供虚拟影像，或者用附加信息或虚拟对象来增强真实场景。虚拟或增强影像可以是三维(3D)的，以增强体验并将虚拟对象匹配到由用户观察到的真实3D场景。在一些HMD系统中，用户的头部和/或眼睛位置和定向被跟踪，并且所显示的场景根据用户的头部定向和凝视方向被动态地调整以提供在所模拟或增强的3D场景内的沉浸体验。头戴式显示器(且尤其是近眼显示器(NED))的一个问题是光学系统的有限的光学扩展量(etendue)。光学扩展量可以被定义为显示器的视窗(eyebox)(即显示器的出射光瞳)的面积和显示器的视场立体角(solidangel)的乘积。具有大视场的现有的显示器(尤其是具有紧凑形状因子的那些显示器)倾向于具有小的视窗，并且具有小视场的现有的显示器倾向于具有大的视窗。为了更大程度地沉浸到虚拟或增强现实中，大视场是合乎需要的，而大视窗为用户提供将显示器放置在眼睛前方和眼睛旋转的自由和便利。较大的视窗对具有各自的头部大小和形状以及在眼睛之间的不同距离的不同用户提供较大程度的适应性。虽然视窗的大小可能取决于光学成像系统的放大倍数，但光学扩展量是放大倍数的不变量。由于光学扩展量不变性，提供较大的视窗导致较窄的视场，且扩宽视场导致较小的视窗。附图简述现在将结合附图描述示例性实施例，其中：图1是包括基于波导的图像复制器(imagereplicator)的本公开的近眼显示器(NED)示例的示意性侧视图；图2A是基于波导的一维(1D)图像复制器的示意性侧视图，该波导具有相对的盲(blind)镜面和半透明镜面；图2B是具有用于接收图像光的光束的侧表面的基于波导的图像复制器的示意性侧视图；图2C是包括由在两个反射器之间的气隙形成的波导的图像复制器的示意性侧视图；图2D是包括偏振选择性反射镜和波片的基于波导的图像复制器的示意性侧视图；图2E是包括输入耦合(in-coupling)和输出耦合(out-coupling)衍射光栅的基于波导的图像复制器的示意性侧视图；图2F是包括彼此成角度布置的一对波导的基于波导的二维(2D)图像复制器的示意性侧视图；图2G是包括一对光束扩展衍射光栅的基于波导的二维(2D)图像复制器的示意性平面图；图3是包括基于反射镜叠层的图像复制器的本公开的NED示例的示意性侧视图；图4A和图4B分别是包括反射镜的叠层的1D图像复制器的侧视图和俯视图；图4C是包括彼此成角度布置的反射镜的两个叠层的2D图像复制器的示意性侧视图；图5是配备有眼睛跟踪系统的近眼显示器的示意性侧视图；图6是包括多重体全息图(multiplexedvolumehologram)的本公开的用于近眼显示器的组合器的示意性侧视图；图7A是用于记录图6的多重体全息图的装置的示意性侧视图；图7B是图7A的所记录的全息图的回放的示意性侧视图；图8是示出在图6和图7A、图7B的多重体全息图的角度选择性与NED投影仪的出射光瞳之间的关系的示意图；图9A是根据本公开的合并图像复制器和组合器的眼镜形状因子近眼AR/VR显示器的等距视图；图9B是图9A的显示器的侧横截面视图；以及图10是根据本公开的合并图像复制器和组合器的头戴式显示器(HMD)的等距视图。详细描述虽然结合各种实施例和示例描述了当前的教导，但是意图并不是当前的教导被限制到这样的实施例。相反，如本领域中的技术人员将认识到的，当前的教导包含各种备选方案和等同物。在本文叙述本公开的原理、方面和实施例的所有陈述以及其具体示例意欲包含其结构和功能等同物。另外，意图是这样的等同物包括当前已知的等同物以及在将来开发的等同物两者，即，执行相同功能的所开发的任何元件，而不考虑结构。如在本文所使用的，除非明确说明，否则术语“第一”、“第二”等不意欲暗示顺序排序，而是意欲将一个元件与另一个元件区分开。类似地，除非明确说明，否则方法步骤的顺序排序并不暗示它们执行的顺序次序。根据本公开，可以通过复制图像光的光束并布置组合器元件以将图像光的所复制的光束以栅格状图案(grid-likepattern)重定向到视窗来增加近眼显示器的光学扩展量，使得在用户眼睛的任何位置处图像光的至少一个光束照射到眼睛的瞳孔上，从而扩展显示器的视窗，同时保持视场。根据本公开，提供了包括图像复制器和图像组合器的近眼显示器(NED)。图像复制器可以被配置为接收图像光的第一光束，并将第一光束分离(split)成图像光的平行于彼此传播的多个第二光束。组合器可以被配置为接收多个第二光束，并将多个第二光束中继到NED的视窗。组合器可以进一步被配置成根据第二光束的光线在组合器上的入射角来选择性地重定向第二光束的光线，使得从第一光束的相应光线分离并由组合器重定向的第二光束的光线平行于彼此，并在视窗处在第一方向上横向地偏移。在一些实施例中，第一光束是发散的，并且包括在角域(angulardomain)中的图像，由图像复制器分离的第二光束是发散的，并且由组合器中继到视窗的第二光束是会聚的，平行于彼此，并且包括在角域中的图像。组合器可以被制成角度和波长选择性的，用于将多个第二光束中继到视窗，同时在基本上没有修改的情况下将外部光传输到视窗。NED还可以包括用于提供包括在角域中的图像的第一发散光束的图像投影仪。在一些实施例中，图像复制器可以包括包含第一表面和第二表面的第一波导。当第一光束在第一波导中在第一表面和第二表面之间以锯齿形图案传播时，第一表面可以在图像光的波长处是部分地反射的，以在从第一表面反射时分离出多个第二光束中的第二光束。第一波导可以包括在第一表面处的涂层，例如金属涂层或电介质涂层。第二表面可以在图像光的波长处是完全反射的。第一波导的第一表面的反射率可以是在空间上变化的。第一波导可以包含衍射结构，其用于将第一光束输入耦合到第一波导中、从波导输出耦合多个第二光束中的第二光束或两者。衍射结构可以具有在空间上变化的衍射效率，用于使第二光束的光功率相等。衍射结构的光栅轴(gratingaxis)可以布置成与第一光束到衍射结构上的入射平面成锐角，使得在操作中第二光束在视窗处形成光束的二维(2D)栅格。在一些实施例中，第一波导包括在内部嵌入的四分之一波波片(internallyembeddedquarter-wavewaveplate)，并且第一波导的第一表面包括偏振选择性反射器。偏振选择性反射器可以被配置成透射具有第一偏振的第一光束。第一波导还可以包括用于接收图像光的第一光束的侧表面，其中侧表面与第一表面和第二表面成非正交角。在一些实施例中，第一波导包括包含第一表面的第一光学元件和包含第二表面的不同的第二光学元件，使得在操作中第一光束在第一光学元件和第二光学元件之间的气隙中传播。图像光可以包括多个颜色通道。波导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近眼显示器(NED)，包括：/n图像复制器，所述图像复制器用于接收图像光的第一光束，并将所述第一光束分离成图像光的平行于彼此传播的多个第二光束；以及/n组合器，所述组合器用于接收所述多个第二光束，并将所述多个第二光束中继到所述NED的视窗，其中，所述组合器被配置成根据所述第二光束的光线在所述组合器上的入射角来选择性地重定向所述第二光束的光线，使得从所述第一光束的相应光线分离并由所述组合器重定向的所述第二光束的光线平行于彼此，并在所述视窗处在第一方向上横向地偏移。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180823 US 16/111,1711.一种近眼显示器(NED)，包括：
图像复制器，所述图像复制器用于接收图像光的第一光束，并将所述第一光束分离成图像光的平行于彼此传播的多个第二光束；以及
组合器，所述组合器用于接收所述多个第二光束，并将所述多个第二光束中继到所述NED的视窗，其中，所述组合器被配置成根据所述第二光束的光线在所述组合器上的入射角来选择性地重定向所述第二光束的光线，使得从所述第一光束的相应光线分离并由所述组合器重定向的所述第二光束的光线平行于彼此，并在所述视窗处在第一方向上横向地偏移。


2.根据权利要求1所述的NED，其中，所述第一光束是发散的，并且包括在角域中的图像，由所述图像复制器分离的所述第二光束是发散的，并且由所述组合器中继到所述视窗的所述第二光束是会聚的、平行于彼此，并且包括所述在角域中的图像。


3.根据权利要求2所述的NED，其中，所述组合器是角度和波长选择性的，用于将所述多个第二光束中继到所述视窗，同时在基本上没有修改的情况下将外部光传输到所述视窗。


4.根据权利要求2所述的NED，还包括图像投影仪，所述图像投影仪用于提供包括所述在角域中的图像的所述第一发散光束。


5.根据权利要求1到权利要求4中的任一项所述的NED，其中，所述图像复制器包括包含第一表面和第二表面的第一波导，其中，当所述第一光束在所述第一波导中在所述第一表面和所述第二表面之间以锯齿形图案传播时，所述第一表面在所述图像光的波长处是部分地反射的，以在从所述第一表面反射时分离出所述多个第二光束中的第二光束。


6.根据权利要求5所述的NED，其中，所述第一波导包括在所述第一表面处的涂层，其中，所述涂层包括金属涂层或电介质涂层中的至少一种。


7.根据权利要求5所述的NED，其中，所述第二表面在所述图像光的波长处是完全反射的。


8.根据权利要求5所述的NED，其中，所述第一波导的第一表面的反射率是在空间上变化的。


9.根据权利要求5所述的NED，其中，所述第一波导包含用于下列操作中的至少一个的衍射结构：将所述第一光束输入耦合到所述第一波导中；或从所述波导输出耦合所述多个第二光束中的第二光束。


10.根据权利要求9所述的NED，其中，所述衍射结构具有在空间上变化的衍射效率，用于使所述第二光束的光功率相等。


11.根据权利要求5所述的NED，其中，所述衍射结构的光栅轴布置成与所述第一光束到所述衍射结构上的入射平面成锐角，使得在操作中所述第二光束在所述视窗处形成光束的二维(2D)栅格。


12.根据权利要求5所述的NED，其中，所述第一波导包括在内部嵌入的四分之一波波片，并且其中，所述第一波导的第一表面包括偏振选择性反射器。


13.根据权利要求12所述的NED，其中，所述偏振选择性反射器被配置成透射具有第一偏振的所述第一光束。


14.根据权利要求5所述的NED，其中，所述第一波导还包括用于接收图像光的所述第一光束的侧表面，其中，所述侧表面与所述第一表面和所述第二表面成非正交角。


15.根据权利要求5所述的NED，其中，所述第一波导包括包含所述第一表面的第一光学元件和包含所述第二表面的不同的第二光学元件，使得在操作中所述第一光束在所述第一光学元件和所述第二光学元件之间的气隙中传播。


16.根据权利要求5所述的NED，其中，所述图像光包括多个颜色通道，其中，所述波导的第一表面和第二表面在与所述多个颜色通道的波长不同的可见光的波长处是至少部分地透射的。


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【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁·梅莫内，
申请(专利权)人：脸谱科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US