CN104937476A - 头戴式显示器的光学组合器中的级联光学器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于头戴式显示器的设备，所述设备包含用于沿着正向传播路径射出显示光的显示模块。所述设备还包含光中继器以接收所述显示光。所述光中继器包含沿着所述正向传播路径安置的第一光学器件。所述光中继器还包含沿着所述正向传播路径安置于所述第一光学器件与所述显示模块之间的第二光学器件。所述第一光学器件经配置以沿向眼方向引导所述显示光，且所述第二光学器件经配置以沿向眼方向引导所述显示光。
Description
技术领域
本发明一般来说涉及光学器件，且特定来说(但非排他地)涉及头戴式显示器。
背景技术
头戴式显示器(“HMD”)为佩戴于头部上或围绕头部佩戴的显示装置。HMD通常并入某种近眼光学系统以形成位于观看者前面某处的虚拟图像。单眼显示器称为单目式HMD，而双眼显示器称为双目式HMD。闭塞式HMD(还称为沉浸式HMD)将虚拟图像投射于黑色背景上方(投射光学器件并非透视的)。透视HMD也投射虚拟图像，但其同时为透明的(或半透明的)，且投射光学器件称作组合器光学器件，这是因为其将虚拟图像组合于实境上。此些光学器件可比用于沉浸式HMD中的光学器件复杂。扩增实境为透视HMD的一个方面，其中虚拟图像叠加到实境。
HMD具有众多实际应用及休闲应用。在历史上，第一应用发现于航空应用中，航空应用准许飞行员在不使其眼睛脱离飞行路径的情况下看到至关重要的飞行控制信息(这些称为头盔式显示器且通常用于旋翼飞行器)。抬头式显示器(“HUD”)通常用于例如飞机及喷气式战斗机的非旋翼飞行器中，其中组合器位于挡风玻璃而非头盔上。HUD还用于汽车中，其中光学组合器可整合于挡风玻璃中或靠近于挡风玻璃。公共安全应用包含地图及热成像的战术显示器。其它应用领域包含视频游戏、交通运输及电信。随着技术演变，必定存在新发现的实际应用及休闲应用；然而，这些应用中的许多应用由于用于实施现有HMD的常规光学系统的大小、重量、视场及效率而受到限制。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有规定，否则贯穿各个视图的相似参考编号指代相似部件。
图1A描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块、光中继器、分束器及端反射器的实例性光学组合器的顶部横截面图。
图1B图解说明根据本发明的一实施例的经引导到图1A中所图解说明的光学组合器的用户的估计视场中的计算机产生的图像。
图2A描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块、光中继器及朝向光中继器的向眼侧引导显示光的全息光学器件的实例性光学组合器的顶部横截面图。
图2B图解说明根据本发明的一实施例的经引导到图2A中所图解说明的光学组合器的用户的估计视场中的三个计算机产生的图像。
图3描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块、光中继器及朝向光中继器的向眼侧引导显示光的可切换全息光学器件的实例性光学组合器的顶部横截面图。
图4是根据本发明的一实施例的包含耦合到显示模块、切换光学器件及眼睛追踪模块的控制器的HMD系统的示意性框图。
图5描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块、光中继器及可切换镜的实例性光学组合器的顶部横截面图。
图6描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块、光中继器、端反射器及可切换全息光学器件的实例性光学组合器的顶部横截面图。
图7A描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块、光中继器、端反射器及可切换全息光学器件的实例性光学组合器的顶部横截面图。
图7B图解说明根据本发明的一实施例的包含透射全息光学器件及分束器的实例性可切换全息光学器件。
图8描绘用户佩戴根据本发明的一实施例的包含光学组合器的双目式头戴式显示器的俯视图。
具体实施方式
本文中描述用于在光学组合器中使用级联式光学器件的设备及方法的实施例。在以下描述中，陈述众多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述具体细节中的一或多者的情况下实践或者可借助其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
本说明书通篇所提及的“一个实施例”或“一实施例”意指结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必全部指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任一适合方式组合于一或多个实施例中。
图1A描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块105、光中继器165、分束器131及端反射器183的实例性光学组合器100的顶部横截面图。光学组合器100可整合于帽子中以形成头戴式显示器(“HMD”)。显示模块105可通过发光二极管(“LED”)阵列、有机LED(“OLED”)阵列、量子点阵列、激光扫描器或其它来实施。显示模块105还可通过从背后照亮LCD显示器的光源(例如，激光、LED或灯泡)或反射光源的硅上液晶(“LCOS”)面板来实施。显示模块105可被视为“微型显示器”。端反射器183可为凹面镜。
在操作中，显示模块105沿着正向路径180朝向端反射器183射出显示光(其可为CGI光)。光中继器165可具有准许显示光的多数或大部分沿着正向路径180通过的透明结构。光中继器165可由固态透明材料(例如，玻璃、石英、丙烯酸、清透塑料、PMMA、ZEONEX-E48R等)制作或实施为具有显示光所通过的内气隙的固体外壳。光中继器165可操作以保护光学路径，但可未必使用全内反射(“TIR”)来导引或约束显示光。
沿着正向路径180，显示光遇到分束器131。分束器131朝向光学组合器100的外部场景侧反射显示光的第一部分且使显示光的第二部分通过。在一个实施例中，分束器131为45度50/50非偏光分束器，此意味其反射50％的光且使另外50％的光通过。由分束器131通过的显示光沿着正向路径180继续且端反射器183使显示光沿着反向路径185往回反射。沿着反向路径185的显示光遇到分束器131，分束器131使显示光的一部分沿着反向路径185朝向光学组合器100的向眼侧反射。图1A的所图解说明的实施例允许由显示模块105射出的显示光投射到用户的眼睛160中，此为图像175引导到眼睛160的方式。除将图像175引导到眼睛160中之外，光学组合器100(及本发明中引用的其它光学组合器)还可允许外部场景光155的至少一部分到达眼睛160(在一部分由分束器131反射之后)。在其它情形中，如果不透明光学器件定位于光学器件的外部场景侧上，那么所揭示的光学组合器中的光学器件还可用于非透视HMD中。
图1B图解说明根据本发明的一实施例的光学组合器100的用户的估计视场。HMD的典型用户可具有水平地几乎180°的自然视场(“FOV”)。来自光学组合器100的图像175可仅以用户的总FOV的15°(水平地)呈现给用户。在特定上下文中，以用户的总FOV的多于15°(水平地)将图像及信息呈现给用户将为有利的。
图2A描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块205、光中继器265及朝向光中继器265的向眼侧引导显示光的反射全息图231、232及233的实例性光学组合器200的顶部横截面图。光中继器265包含反射全息图231、232及233且经耦合以从所述显示模块接收显示光。由于一个以上光学器件(在此情形中，全息图231、232及233)经安置以接收显示光，因此光学器件可被视为呈“级联”或“级联式”配置。反射全息图231、232及233可为体积全息图。
如此项技术中已知，全息光学器件可经设计以反射特定波长的光同时使其它波长的光通过(称作体积全息图中的布拉格选择性，在光谱或角度两个方面)。另外，全息光学器件可经设计以依不同衍射级反射特定波长以操纵光经反射的角度(布拉格选择性的光谱方面)。依特定衍射级反射特定波长可促进将特定波长引导到眼睛160中。为完成特定波长的这些反射，全息光学器件按照已知角度及光学功能性(例如，透镜作用或准直功能性)经角度调谐。换句话说，为设计全息光学器件，设计者必须考虑待反射的所要光颜色、所要光颜色将照到全息光学器件的角度及将所要光颜色引导到所要位置的所需要衍射级(若有的话)。除反射特定波长之外，所属领域的技术人员理解：透镜作用功能性(具有类似于折射透镜的结果)可经设计到全息光学器件中。全息光学器件可具有优于折射/反射/反折射光学器件的优点：所述全息光学器件可取决于其经照射的方式(例如，入射角波长、偏光)而具有各种光学功能性。这些独特性质总结于体积全息图的众所周知的布拉格选择性中。体积全息图可为静态或动态的。
薄全息图或衍射光学器件可不能够实施体积全息图的布拉格选择性。然而，薄全息图可借助光学涂层及特殊制作技术约计或模拟布拉格选择性。举例来说，针对一个波长及入射角，全息图充当透明窗，且针对另一角度及/或波长，其可充当光栅或离轴透镜。
使用包含形成参考光束与第二光束之间的干扰图案的常规技术，全息图可经“写入”或“记录”到例如卤化银、光聚合物、重铬酸盐明胶或其它的光活性全息媒体中。干扰图案可在将其转化到全息媒体中之前在软件中经计算。所得全息光学器件可经设计为透射或反射的。全息媒体可从DuPontTM及其它公司购得。本发明中所描述的全息光学器件及可切换全息光学器件(“SHO”)可利用以上技术及设计技巧中的一或多者来完成与全息光学器件或可切换全息光学器件相关联地描述的功能操作。
使用上文所引用的技术及技巧中的一或多者，全息图231、232及233中的一者可经配置以朝向光中继器265的向眼侧引导并准直显示光(沿着正向路径280传播)，以便产生位于观看者前面几米处的虚拟图像。每一全息图231、232及233可基于来自显示模块205的显示光在其沿正向路径280向下传播时将遇到全息光学器件的角度而经调谐以反射特定波长的光(例如，在使用体积全息图的情况下使用布拉格选择性原理)。可需要考虑全息光学器件定位于光中继器265中的角度。
每一全息图231、232及233可经配置以将指定波长的光场准直到眼睛160上(通过将透镜作用功能性设计到全息光学器件中)。由于光学组合器200可经定位为太靠近于眼睛160以供用户聚焦于从显示模块205经引导到眼睛160中的图像，因此全息光学器件可需要将指定波长的光聚焦(例如，准直)到眼睛160以用于用户可读性。在一个实施例中，通过每一全息光学器件准直指定波长的光，使得引导到眼睛的图像对于用户显现为来自基本上无限远。在光学器件的领域中，“基本上无限远”或“无限远”有时被视为大于三米的焦距。
在操作中，显示模块205沿着正向传播路径280射出显示光。显示光沿着正向路径280遇到全息图231且全息图231朝向光中继器265的向眼侧引导并聚焦(例如，准直)显示光的第一光谱。全息图231可将显示光的第一光谱反射到眼睛160看到的第一图像区域中(其据称为针对此颜色及/或角度在布拉格上，所有其它光场据称为偏离布拉格且未遇上全息图231)。在所图解说明的实施例中，第一光谱中的显示光可形成图像275。不在显示光的第一光谱(针对全息图231在布拉格上)中的显示光可通过全息图231且沿着正向路径280继续直到其遇到全息图232(针对全息图232其在布拉格上)，光的其余部分针对232偏离布拉格且朝向全息图233继续(在波长及角度两个方面)。
全息图232可朝向光中继器265的向眼侧引导并聚焦显示光的第二光谱(或角视场)。全息光学器件232可将显示光的第二光谱反射到眼睛160看到的第二图像区域中。在所图解说明的实施例中，第二光谱中的显示光可形成图像276。不在显示光的第一或第二光谱中的显示光可通过全息光学器件232(偏离布拉格)且沿着正向路径280继续直到其遇到全息光学器件233(在布拉格上)。
全息图233可朝向光中继器265的向眼侧引导并聚焦(例如，准直)显示光的第三光谱。全息图233可将显示光的第三光谱(及/或角视场)反射到眼睛160看到的第三虚拟图像区域中。在所图解说明的实施例中，第三光谱中的显示光可形成图像277。不在显示光的第一、第二或第三光谱(或角视场)中的任何显示光可通过全息图233且退出光学组合器200。
全息图231可被视为正向离轴，全息光学器件232可被视为在轴上，且全息图233可被视为负向离轴，此由于其与眼睛160的相对定向及其引导显示光的方向。全息光学器件231可被视为针对显示光的第一光谱“在布拉格上”，全息光学器件232可被视为针对显示光的第二光谱在“在布拉格上”，且全息光学器件233可被视为针对显示光的第三光谱“在布拉格上”。
在一个实施例中，显示模块205包含三个不同光源。在一个实施例中，三个不同光源为各自经配置以发出不同颜色(例如，红色、绿色及蓝色“RGB”)的显示光的三个不同激光。在一个实施例中，三个不同光源为各自经配置以发出不同颜色(例如“RGB”)的显示光的三个不同LED。全息光学器件231、232及233可经配置以反射三个不同光源的不同颜色。
图2B图解说明根据本发明的一实施例的经引导到光学组合器200的用户290的估计视场中的三个计算机产生的图像。图像276在图像275与图像277之间呈现给用户的眼睛。在一个实施例中，以用户的总FOV的15°(水平地)呈现每一图像，因此以用户的总FOV的总计45°(水平地)呈现图像275、276及277。
全息光学器件231可经配置以将显示光的第一光谱引导到第一图像区域以将图像275引导到用户的眼睛160中。全息光学器件232可经配置以将显示光的第二光谱引导到第二图像区域以将图像276引导到用户的眼睛160中。全息光学器件233可经配置以将显示光的第三光谱引导到第三图像区域以将图像277引导到用户的眼睛160中。在所图解说明的实施例中，图像275、图像276及图像277是并排的，但在其它实施例中其可重叠或在图像之间呈现有空间。在一些上下文中，将图像引导于用户FOV 290的顶部部分中使得用户的正前方视线不被图像275、276及277阻碍可为有利的。在其它上下文中，可将图像引导到用户的FOV中的不同图像区域。
在一个实施例中，显示模块205耦合到控制显示模块205的控制器。控制器可连接到网络以接收信息并将信息发射给用户。控制器可指导显示模块205产生第一光谱中的显示光，此致使全息光学器件231显示邮件信息作为第一图像区域中的图像275。控制器可指导显示模块205产生第二光谱中的显示光，此致使全息光学器件232显示日历信息作为第二图像区域中的图像276。而且，控制器可指导显示模块205产生第三光谱中的显示光，此致使全息光学器件233显示社交媒体信息作为第三图像区域中的图像277。
在“同步模式”中，三个不同图像(275、276及277)可由显示模块205同步显示作为一个图像，同时全息光学器件231、232及233反射嵌入于一个图像中的其相应光谱。或者，在“交错模式”中，显示模块205可显示第一光谱中的图像275一时间周期，接着显示第二光谱中的图像276一时间周期，且接着显示第三光谱中的图像277一时间周期。在“交错模式”中，显示模块205可足够快地循环通过所述经显示图像以未被用户注意到(用户将感知到图像275、276及277经同步显示)，此归因于光在眼睛160上的持久性。下文讨论的显示模块还可在适用的情况下利用“同步模式”及“交错模式”。另外，图2B中所描绘的用户视场290可应用于下文所讨论的将图像呈现给用户的眼睛160的实施例。
现在参考图3，除图2A中所图解说明的静态全息图光学器件之外，还存在允许全息光学器件接通及断开或产生灰度衍射效率的可切换全息光学器件。当激活(接通)可切换全息光学器件时，其根据记录于全息媒体中的全息光学器件的定律影响光。然而，当解除激活(关断)可切换全息图时，可切换全息光学器件对于遇到可切换全息光学器件的光可显现为基本上透明的，且充当简单透明玻璃窗。当关断可切换全息光学器件时，其可由于与全息媒体相关联的折射率改变而稍微影响遇到其的光。
一种可切换全息光学器件技术称作全息聚合物分散液晶(“HPDLC”)。作为简洁概述，HPDLC技术使用电刺激来对准液晶(混合有光活性全息图媒体)以形成衍射光栅。电刺激可接着使液晶图案旋转以针对特定偏光显现为基本上透明的，使得液晶不再形成衍射光栅。HPDLC技术可在例如50us内或更快地从接通切换为关断。
图3描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块305、光中继器365以及朝向光中继器365的向眼侧引导显示光的可切换全息光学器件(“SHO”)331、332及333的实例性光学组合器300的顶部横截面图。应了解，全息光学器件231、232及233的特征及功能性可包含于SHO 331、332及333中。在所图解说明的实施例中，SHO 331、332及333中的每一者经配置以在经激活时朝向光中继器365的向眼侧引导并聚焦(例如，准直)显示光(沿着正向路径380传播)。每一SHO 331、332及333可基于来自显示模块305的显示光在其沿正向路径380向下传播时将遇到SHO的角度而经调谐以反射特定波长的光(使用布拉格选择性原理)。
每一SHO可对一个特定光谱(光谱带宽)或一个特定角度(角度带宽)仅具有一个布拉格选择性，且出于本发明的目的，那些全息光学器件将称为具有“单一选择性”。在所图解说明的实施例中，每一SHO可经配置以包含一个以上布拉格选择性，这是因为将一个以上布拉格选择性“记录”到给定全息媒体中是可能的。因此，在经激活时，SHO331、332及333中的每一者可经配置以朝向眼睛160引导显示光的多个特定光谱(例如，RGB)。在一个实施例中，每一SHO 331、332及333具有三个布拉格选择性波长。在一个实施例中，每一SHO 331、332及333经配置(在经激活时)以针对一组特定入射角或角度带宽将红色、绿色及黄色光反射到眼睛160上。出于本发明的目的，经配置以对一个以上特定光谱(具有一个以上布拉格选择性)操作的SHO将称为具有“多个选择性”。
每一SHO 331、332及333还可经配置以在经激活时将指定波长的光聚焦(例如，准直)到眼睛160上(通过将透镜作用功能性设计到全息光学器件中)。由于光学组合器300可经定位为太靠近于眼睛160以供用户聚焦于从显示模块305经引导到眼睛160中的图像，因此SHO可需要将指定波长的光聚焦(例如，准直)到眼睛160上以用于用户可读性。
图4是根据本发明的一实施例的包含耦合到显示模块405、切换光学器件431、432及433以及眼睛追踪模块440的控制器450的HMD系统400的示意性框图。HMD系统400可安置于HMD(例如，下文与图8相关联地描述的HMD 800)内。
在所图解说明的实施例中，控制器450经耦合以控制由显示模块405显示的显示光。控制器450可包含例如处理器、现场可编程门阵列(“FPGA”)或其它的逻辑电路。控制器450还可包含耦合到处理器的存储器。存储器可存储可由处理器存取及执行的图像、用户设定以及固件/软件，举例来说。
控制器450可连接到网络以接收并发射信息。在所图解说明的实施例中，HMD系统400使用到远程装置425(其可为服务器)的通信链路420(例如，有线或无线连接)通信。控制器450可从远程装置425接收数据，且配置数据以用于借助显示模块405显示。远程装置425可为经配置以将数据发射到HMD系统400的任何类型的计算装置或发射器，包含膝上型计算机、移动电话或平板计算装置等。远程装置425及HMD系统400可含有用以实现通信链路420的硬件，例如处理器、发射器、接收器、天线等。此外，远程装置425可采取与客户端装置(例如HMD系统400)通信且经配置以代表所述客户端装置执行功能的计算系统的形式或在所述计算系统中实施。此远程装置430可从另一HMD系统400接收数据，代表HMD系统400执行特定处理功能，且接着将所得数据发送回到HMD系统400。此功能性可称为“云”计算。
在图4中，通信链路420图解说明为无线连接；然而，还可使用有线连接。举例来说，通信链路420可为有线串行总线，例如通用串行总线或并行总线。有线连接也可为专有连接。通信链路420还可为使用(例如)无线电技术、以IEEE 802.11(包含任何IEEE 802.11修订)描述的通信协议、蜂窝技术(例如，GSM、CDMA、WiMAX或LTE)或者技术以及其它可能性的无线连接。远程装置430可经由因特网存取且可包含与特定web服务(例如，社交网络、照片共享、通讯簿等)相关联的计算集群。
在图4中，控制器450经耦合以控制接通(激活)及关断(解除激活)切换光学器件431、432及433。切换光学器件431、432及433可分别包含SHO 331、332及333。而且在所图解说明的实施例中，控制器450耦合到眼睛追踪模块440。眼睛追踪模块440可在用户的眼睛上成像且将图像数据报告给控制器450。控制器450可经配置以回应于来自眼睛追踪模块440的图像数据而控制显示模块405以及切换光学器件431、432及433。
在其中切换全息光学器件431、432及433分别包含SHO 331、332及333的实施例中，控制器450可激活及解除激活SHO 331、332及333作为控制什么图像经引导到眼眶160的方式。返回参考图3，在操作中，显示模块305沿着正向传播路径380射出显示光。显示光沿着正向路径380遇到SHO 331。
如果激活SHO 331，那么SHO 331朝向光中继器365的向眼侧引导并聚焦显示光的至少一部分。如果SHO 331具有单一反射性，那么其将把显示光的第一光谱反射到眼睛160看到的第一图像区域中。在所图解说明的实施例中，第一光谱中的显示光可形成图像375。不在显示光的第一光谱中的显示光可通过SHO 331且沿着正向路径380继续直到其遇到SHO 332。如果不激活SHO 332，那么显示光可将其视为实际上透明的且继续直到遇到SHO 333。如果不激活SHO 333，那么显示光可将其视为实际上透明的且退出光中继器365。如果激活SHO 332或333，那么其将反射并聚焦沿着正向路径380传播的任何显示光(在SHO 332或333经配置以反射并聚焦的其特定光谱内)。
如果SHO 331具有多个选择性(且经激活)，那么其将反射并聚焦SHO 331经配置以反射到眼睛160看到的第一图像区域中的显示光的特定光谱。此可使极少(如果有的话)显示光在正向路径380上传播超过SHO 331，尤其在SHO 331经调谐以选择性地反射显示模块305的光源所发出的相同光谱(例如RGB)的情况下。
如果控制器450已解除激活SHO 331，那么SHO 331对于沿着正向路径380传播的显示光将显现为基本上透明的，且显示光将继续传播直到其遇到SHO 332。如果由控制器450激活SHO 332，那么其可引导并聚焦SHO 332经配置以反射到眼睛160看到的第二图像区域中的显示光的特定光谱。
控制器450可经耦合以与射出来自显示模块305的显示光协调地选择性地激活SHO331、332及333。控制模块450可在激活SHO 331时致使显示模块305显示第一图像375。如果SHO 331针对显示模块305的红色、绿色及蓝色光源中的每一者具有多个选择性，那么SHO 331可将显示光的红色、绿色及蓝色光谱中的每一者反射并聚焦到眼睛160上作为图像375。
在将图像375显示到眼睛160上的时间周期(例如1ms)之后，控制器可解除激活SHO331。接着，控制器450可激活SHO 332且在激活SHO 332时致使显示模块305显示第二图像376。如果SHO 332针对显示模块305的红色、绿色及蓝色光源中的每一者具有多个选择性，那么SHO 332可将显示光的红色、绿色及蓝色光谱中的每一者反射并聚焦到眼睛160上作为图像376。
在将图像376显示到眼睛160上的时间周期(例如1ms)之后，控制器450可解除激活SHO 332。接着，控制器450可激活SHO 333且在激活SHO 333时致使显示模块305显示第三图像377。如果SHO 333针对显示模块305的红色、绿色及蓝色光源中的每一者具有多个选择性，那么SHO 333可将显示光的红色、绿色及蓝色光谱中的每一者反射并聚焦(例如，准直)到眼睛160上作为图像377。
尽管存在其中每一图像375、376及377未经引导到眼睛160的时间周期，但所属领域的技术人员理解：人眼的持久性可致使用户将图像375、376及377感知为持久图像。因此，控制器450可结合激活及解除激活SHO 331、332及333而致使显示模块405射出经协调以显示给眼睛160的交错图像(其可各自为RGB图像)。图像375、376及377可根据经更新数据(例如，邮件、日历、社交媒体警报或当日时间)而经更新。
在一个实施例中，图像375、376及377组合以形成联结在一起的图像。在一个实施例中，三个图像组合以将可读文本呈现给用户。举例来说，如果用户指示她想要读取文件或书，那么图像375可形成页的左侧的一部分，图像376可形成页的中间的一部分且图像377可形成页的右侧的一部分，使得所有三个图像用于将页呈现给用户。控制器450可必须结合选择性地激活SHO 331、332及333而指导显示模块305以将页呈现给用户。或者，如果每一SHO 331、332及333对不同颜色具有单一选择性，那么颜色模块305可仅仅显示一个图像，其中三个图像375、376及377嵌入于一个图像中作为SHO331、332及33经配置以针对其具有单一选择性的相应特定光谱。
另外，并入光学组合器300的HMD的用户可通过与HMD的用户接口(例如，触敏式元件)互动而选择停止邮件更新(举例来说)一段时间。如果用户已指示她不喜欢观看邮件更新，那么控制器450可解除激活SHO 331及/或致使显示模块405停止射出图像375。在一个实施例中，与用户的FOV中的不同图像区域对应的图像根据用户的偏好而可为用户配置的。
在一个实施例中，控制器450回应于眼睛追踪模块440而控制显示模块405以及切换光学器件431、432及433。眼睛追踪模块440可包含经定位以监视用户的眼睛160且在用户的眼睛160上成像的互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器。使用通过借助眼睛追踪模块440在眼睛160上成像而产生的凝视数据，控制器450可确定用户凝视的方向。回应于凝视方向，控制器450可与解除激活及激活SHO 331、332及333协调地控制显示模块305沿着正向传播路径380射出的图像以有利地选择哪些图像375、376及377应呈现给眼睛160。
图5描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块505、光中继器565以及可切换镜531、532及533的实例性光学组合器500的顶部横截面图。切换光学器件431、432及433可分别包含可切换镜531、532及533。可切换镜531、532及533可利用液晶可切换镜技术、薄膜电致变色技术或此项技术中已知的其它可切换镜技术。当激活可切换镜时，其反射一定比例的显示光(例如50％)且使剩余比例的显示光通过。
在操作中，显示模块505沿着正向传播路径580射出显示光。显示光沿着正向路径580遇到可切换镜531。如果激活可切换镜531，那么朝向光中继器565的外部场景侧反射一定比例的显示光，而剩余比例的显示光沿着正向路径580继续。如果激活可切换镜531，那么可解除激活可切换镜532及533，因此其对于剩余显示光将显现为基本上透明的，剩余显示光将沿着正向路径580传播直到遇到端反射器583。在所图解说明的实施例中，端反射器583为经配置以准直显示光且沿着反向传播路径585反射显示光的凹面镜。在显示光沿着反向路径585通过可切换镜532及533(其在经解除激活的情况下将显现为基本上透明的)之后，显示光将遇到经激活可切换镜531。沿着反向路径585传播的显示光的一部分将通过可切换镜531，但一定比例的显示光还将经引导到眼睛160看到的第一图像区域中作为图像575。由于端反射器583用作准直元件，因此眼睛160可能够更好地聚焦于图像575。
为将图像576投射到第二图像区域中，在显示模块505射出显示光时激活可切换镜532且解除激活可切换镜531及533。为将图像577投射到第三图像区域中，在显示模块505射出显示光时激活可切换镜533且解除激活可切换镜531及532。应了解，控制器450可与指导显示模块显示图像575、576及577协调地选择性地激活每一可切换镜531、532及533以同步可切换镜与经投射图像。如上文所讨论，图像可以足够快的速度循环使得用户由于人眼的光积分时间而感知到三个持久图像。
图6描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块605、光中继器665、端反射器683以及SHO 631、632及633的实例性光学组合器600的顶部横截面图。切换光学器件431、432及433可分别包含SHO 631、632及633。
在操作中，显示模块605沿着正向传播路径680射出显示光。显示光沿着正向路径680遇到SHO 631、632及633。然而，在所图解说明的实施例中，SHO 631、632及633未经角度调谐以对于从显示模块605射出的显示光的光谱为选择性的(或“在布拉格上”)。替代地，其经角度调谐以对于由端反射器683反射的显示光的光谱为选择性的。因此，甚至当激活SHO 631、632及633时，其对于沿着正向路径680传播的显示光为基本上透明的。
在所图解说明的实施例中，端反射器683为经配置以准直显示光且沿着反向传播路径585反射显示光的凹面镜。在显示光由端反射器683反射及准直且沿着反向路径685行进之后，其将遇到SHO 633。如果激活SHO 633，那么其可朝向眼睛160看到的第三图像区域引导显示光的第一光谱(如果其具有单一选择性)或多个光谱(如果其具有多个选择性)作为图像677。如果解除激活SHO 633，那么其对于沿着反向路径685传播的显示光将显现为基本上透明的。如果激活SHO 632，那么其可朝向眼睛160看到的第二图像区域引导显示光的第二光谱(如果其具有单一选择性)或多个光谱(如果其具有多个选择性)作为图像676。如果解除激活SHO 632，那么其对于沿着反向路径685传播的显示光将显现为基本上透明的。如果激活SHO 631，那么其可朝向眼睛160看到的第一图像区域引导显示光的第三光谱(如果其具有单一选择性)或多个光谱(如果其具有多个选择性)作为图像675。如果解除激活SHO 631，那么其对于沿着反向路径685传播的显示光将显现为基本上透明的。
应了解，控制器450可与指示显示模块显示图像675、676及677协调地选择性地激活每一SHO 631、632及633以同步SHO与经投射图像。如上文所讨论，图像可以足够快的速度循环使得用户由于人眼的光积分时间而感知到三个持久图像。
注意，SHO 631、632及633可未必包含经记录到其全息媒体中的任何透镜作用功能性，这是因为端反射器683可充分准直显示光以供用户聚焦于图像675、676及677。
图7A描绘根据本发明的一实施例的包含显示模块705、光中继器765、平面镜784以及SHO 731、732及733的实例性光学组合器700的顶部横截面图。如上文所讨论，全息图可经配置以操作为反射及透射全息图。图7B图解说明根据本发明的一实施例的包含可切换透射全息光学器件737及分束器739的实例性SHO(例如，731、732或733)。
在操作中，显示模块705沿着正向传播路径780射出显示光。显示光沿着正向路径680遇到SHO 731。在所图解说明的实施例中，SHO 731经角度调谐以在激活SHO 731时准直沿着正向路径780传播的显示光的第一光谱(如果其具有单一选择性)或多个光谱(如果其具有多个选择性)。如果激活SHO 731，那么其准直显示光的选定光谱，所述显示光接着遇到朝向光学组合器700的外部场景侧反射一定比例的显示光的分束器739。未经反射的经准直显示光朝向平面镜784继续。未经反射的经准直显示光可遇到SHO732及733。如果经解除激活，那么SHO 732及733的透射可切换全息光学器件737对于经准直显示光将显现为基本上透明的。然而，由于SHO 732及733也包含分束器739，因此某一比例的未经反射的经准直显示光将被反射出光学组合器700的外部场景侧。未被反射出光学组合器700的经准直显示光将沿着正向路径780继续。在平面镜784反射经准直显示光之后，经准直显示光沿着反向路径785继续。沿着反向路径785传播的经准直显示光将由于包含于SHO 732及733中的分束器739而再次失去一定比例的显示光。当经准直显示光最终到达SHO 731时，其将朝向眼睛160经反射于第一图像区域中作为图像775。注意，由于SHO 731已准直显示光，因此准直镜未必需要准直显示光以改进用户的可读性。
为将图像776投射于眼睛160看到的第二图像区域中，激活SHO 732。为将图像777投射于眼睛160看到的第三图像区域中，激活SHO 733。应了解，控制器450可与指示显示模块显示图像775、776及777协调地选择性地激活每一SHO 731、732及733以同步SHO与经投射图像。如上文所讨论，图像可以足够快的速度循环使得用户由于人眼的光积分时间而感知到三个持久图像。
图8描绘用户佩戴根据本发明的一实施例的包含光学组合器的双目式HMD 800的俯视图。可借助光学组合器200、300、500、600或700的实施例实施每一光学组合器801。光学组合器801安装到包含鼻梁架805、左耳臂810及右耳臂815的框架组合件。尽管图8图解说明双目式实施例，但HMD 800还可实施为仅包含一个光学组合器801的单目式HMD。光学组合器还可整合于不平坦衬底中，以便提供更适合玻璃样形式以用于零屈光度观看，且还用于验光眼镜观看(通过形成不平坦表面的弯曲表面的组合实施所述验光)。全息图可夹在非平面透镜样材料中的平坦衬底中，或可插入于透镜样衬底的前面或后面。
在所图解说明的实施例中，光学组合器801固定到可佩戴于用户的头部上的目镜布置中。左耳臂810及右耳臂815搁置于用户的耳朵上而鼻组合件805搁置于用户的鼻子上。所述框架组合件经成形及经定大小以将每一光学组合器801定位于用户的对应眼睛160前面。当然，可使用具有其它形状的其它框架组合件(例如，具有耳臂及鼻梁架支撑件的护目镜、单一连续头戴式耳机部件、头带或泳镜型眼镜等)。
HMD 800的所图解说明的实施例能够向用户显示扩增实境。每一光学组合器801可准许用户经由除来自显示模块的显示光(具有CGI)之外的外部场景光155看到现实世界图像。在此情形中，光学组合器801可将外部场景光及计算机产生的显示光两者呈现给用户的眼睛160。结果，显示光可被用户观察为叠加于真实世界上的虚拟图像而作为扩增实境。在一些实施例中，可阻挡或选择性地阻挡外部场景光155以提供遮阳特性且增加显示光的对比度。
在可包含控制器(例如，控制器450)的本发明的实施例(例如300、500、600及700)中，控制器可安置于左耳臂810或右耳臂815内，尽管其未在图8中经图解说明。在利用眼睛追踪模块的实施例中，眼睛追踪模块880可经定位以在眼睛160上成像。在图8中，根据本发明的一个实施例，眼睛追踪模块880放置于HMD 800中的实例性位置中。在其它实例中，一个眼睛追踪模块880或多个眼睛追踪模块可放置于其它位置中以在眼睛160上成像。
所揭示的光学组合器的一些实施例(例如200、300、500、600及700)可提供显示多于一些实施例中的信息(在较大FOV中)的潜在优点。此外，实施例200及300可不需要端反射器，此可降低成本且减小大小及重量。
应了解，图2A到7B中所描绘的实施例图解说明包含于光中继器中的三个全息光学器件或可切换光学器件。然而，应了解，本发明的教示还可适用于使两个全息光学器件或可切换光学器件包含于光中继器中。还应了解，根据本发明的教示，四个或四个以上全息光学器件或可切换光学器件可包含于光中继器中。
此外，应了解，在并入布拉格选择性的全息实施例中，指定光学器件可经配置以针对由显示模块的光源射出的光的特定波长为“在布拉格上”。因此，如果显示模块具有红色、绿色及蓝色光源，那么全息布拉格选择性可按照光源的特定波长经调谐以通过将总显示光的更大部分引导到眼睛而增加光学组合器的效率。另外，使用全息光学器件可比使用分束器更高效，这是因为分束器必定反射某一比例的显示光，而全息光学器件可经配置以利用显示光的更大部分以用于引导到眼睛。
除将图像(例如275、276及277)引导到眼睛160中之外，本发明中所讨论的光学组合器还允许外部场景光155的至少一部分到达眼睛160，这是因为全息光学器件(无论经激活还是经解除激活)可不经配置以影响(例如，选择性地反射或透射)来自与场景光155相同的角度的光。因此，使用全息光学器件的一个潜在优点为：包含于光中继器中的全息光学器件可不实质上影响用户对外部场景光155的感知，与其中外部场景光155可由于包含于光中继器中的滤波器及光束分离光学器件而减少或经色移的一些光学组合器相反。
就计算机软件及硬件方面来描述上文所阐释的过程。所描述的技术可构成体现于有形或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储媒体内的机器可执行指令，所述机器可执行指令在由机器执行时将致使所述机器执行所描述的操作。另外，所述过程可体现在例如专用集成电路(“ASIC”)或其它的硬件内。
有形非暂时性机器可读存储媒体包含以可由机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一组一或多个处理器的任何装置等)存取的形式提供(即，存储)信息的任何机制。举例来说，机器可读存储媒体包含可记录/非可记录媒体(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁碟存储媒体、光学存储媒体、快闪存储器装置等)。
包含发明摘要中所描述的内容的对本发明的所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但所属领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内作出各种修改。
可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应被理解为将本发明限于说明书中所揭示的特定实施例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，所附权利要求书将根据所建立的权利要求解释原则来加以理解。
Claims (24)
1.一种用于头戴式显示器“HMD”的设备，所述设备包括：
显示模块，其用于沿着正向传播路径射出显示光；
光中继器，其经光学耦合以接收所述显示光，其中所述光中继器包含：
第一可切换全息光学器件“SHO”，其沿着所述正向传播路径安置；及
第二SHO，其沿着所述正向传播路径安置于所述第一SHO与所述显示模块之间；及
控制器，其经耦合以选择性地激活所述第一及第二SHO，其中所述第一SHO经配置以在所述第一SHO由所述控制器激活时朝向所述光中继器的向眼侧引导所述显示光的至少第一部分，且其中所述第二SHO经配置以在所述第二SHO由所述控制器激活时朝向所述光中继器的所述向眼侧引导所述显示光的至少第二部分。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器还耦合到所述显示模块以协调所述显示光的所述射出与选择性地激活所述第一及第二SHO。
3.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括经定位以监视被带到接近于所述光中继器的所述向眼侧处的眼睛的眼睛追踪模块，其中所述控制器经耦合以接收由所述眼睛追踪模块产生的凝视数据且经耦合以响应于由所述眼睛追踪模块产生的所述凝视数据而选择性地激活所述第一及第二SHG。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一SHO经配置以在所述第一SHO由所述控制器激活时实质上准直所述显示光的所述第一部分，且经配置以在所述第一SHO未由所述控制器激活时对于沿着所述正向传播路径传播的所述显示光显现为基本上透明的，
且其中所述第二SHO经配置以在所述第二SHO由所述控制器激活时实质上准直沿着所述正向传播路径传播的所述显示光的所述第二部分，且经配置以在所述第二SHO未由所述控制器激活时对于沿着所述正向传播路径传播的所述显示光显现为基本上透明的。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述光中继器进一步包含沿着所述正向传播路径安置于所述第一SHO与所述第二SHO之间的第三SHO，其中所述控制器经耦合以选择性地激活所述第三SHO，且其中所述第三SHO经配置以在所述第三SHO由所述控制器激活时朝向所述光中继器的所述向眼侧引导所述显示光的至少第三部分。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一SHO包含写入有第一、第二及第三布拉格选择性的第一全息媒体以在所述第一SHO由所述控制器激活时致使所述显示光的第一、第二及第三光谱被准直且朝向所述光中继器的所述向眼侧反射，
且其中所述第二SHO包含写入有所述第一、第二及第三布拉格选择性的第二全息媒体以在所述第二SHO由所述控制器激活时致使所述显示光的所述第一、第二及第三光谱被准直且朝向所述光中继器的所述向眼侧反射，
且其中所述第三SHO包含写入有所述第一、第二及第三布拉格选择性的第三全息媒体以在所述第三SHO由所述控制器激活时致使所述显示光的所述第一、第二及第三光谱被准直且朝向所述光中继器的所述向眼侧反射。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述显示模块的光源包含：
第一光源，其发出所述显示光的所述第一光谱；
第二光源，其发出所述显示光的所述第二光谱；及
第三光源，其发出所述显示光的所述第三光谱。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一SHO包含第一全息聚合物分散液晶“H-PDLC”且所述第二SHO包含第二H-PDLC。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述显示模块包含硅上液晶“LCOS”显示器。
10.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括用于佩戴于用户的头部上的框架组合件，其中所述显示模块安装到所述框架组合件。
11.一种用于头戴式显示器“HMD”的设备，所述设备包括：
显示模块，其用于沿着正向传播路径射出显示光；及
光中继器，其经光学耦合以接收所述显示光，其中所述光中继器包含：
第一全息光学器件，其沿着所述正向传播路径安置且经配置以朝向所述光中继器的向眼侧引导并聚焦所述显示光的第一光谱；及
第二全息光学器件，其沿着所述正向传播路径安置于所述第二全息光学器件与所述显示模块之间，其中所述第二全息光学器件经配置以朝向所述光中继器的所述向眼侧引导并聚焦所述显示光的第二光谱且经配置以使所述显示光的所述第二光谱通过而到达所述第一全息光学器件。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述显示光的所述第一光谱包含第一图像且所述第一全息光学器件进一步经配置以将所述第一图像引导到第一图像区域，且其中所述显示光的所述第二光谱包含第二图像且所述第二全息光学器件进一步经配置以将所述第二图像引导到不同于所述第一图像区域的第二图像区域。
13.根据权利要求11所述的设备，其中所述光中继器进一步包含沿着所述正向传播路径安置于所述第一全息光学器件与所述第二全息光学器件之间的第三全息光学器件，其中所述第三全息光学器件经配置以朝向所述光中继器的所述向眼侧引导所述显示光的第三光谱。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一、第二及第三光谱为可见光的不同颜色，且其中所述显示光的所述第一光谱包含第一图像且所述第一全息光学器件进一步经配置以将所述第一图像引导到第一图像区域，所述显示光的所述第二光谱包含第二图像且所述第二全息光学器件进一步经配置以将所述第二图像引导到不同于所述第一图像区域的第二图像区域，且所述显示光的所述第三光谱包含第三图像且所述第三全息光学器件进一步经配置以将所述第三图像引导到不同于所述第一及第二图像区域的第三图像区域。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一全息光学器件包含经角度调谐以反射所述显示光的所述第一光谱的第一布拉格光栅，所述第二全息光学器件包含经角度调谐以反射所述显示光的所述第二光谱的第二布拉格光栅，且所述第三全息光学器件包含经角度调谐以反射所述显示光的所述第三光谱的第三布拉格光栅。
16.根据权利要求11所述的设备，其进一步包括用于佩戴于用户的头部上的框架组合件，其中所述显示模块安装到所述框架组合件。
17.一种用于头戴式显示器“HMD”的设备，所述设备包括：
显示模块，其用于沿着正向传播路径射出显示光；
端反射器，其经定位以使所述显示光沿着反向传播路径往回反射；
光中继器，其安置于所述显示模块与所述端反射器之间，其中所述光中继器包含：
第一可切换光学器件，其沿着所述正向传播路径安置；及
第二可切换光学器件，其沿着所述正向传播路径安置于所述第一可切换光学器件与所述显示模块之间；及
控制器，其经耦合以选择性地激活所述第一及第二可切换光学器件，其中所述第一可切换光学器件经配置以在所述第一可切换光学器件由所述控制器激活时朝向所述光中继器的向眼侧引导沿着所述反向传播路径传播的所述显示光，且其中所述第二可切换光学器件经配置以在所述第二可切换光学器件由所述控制器激活时朝向所述光中继器的所述向眼侧引导沿着所述反向传播路径传播的所述显示光。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述控制器还耦合到所述显示模块以协调所述显示光的所述射出与选择性地激活所述第一及第二可切换光学器件。
19.根据权利要求17所述的设备，其中所述端反射器经光学配置以接收沿着所述正向传播路径传播的所述显示光且将所述显示光反射为沿着所述反向传播路径传播的实质上经准直显示光。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述第一可切换光学器件包含第一可切换镜且所述第二可切换光学器件包含第二可切换镜。
21.根据权利要求19所述的设备，其中所述第一可切换光学器件包含第一可切换全息光学器件且所述第二可切换光学器件包含第二可切换全息光学器件。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所述第一可切换全息光学器件包含第一全息聚合物分散液晶“H-PDLC”且所述第二可切换全息光学器件包含第二H-PDLC。
23.根据权利要求17所述的设备，其中所述端反射器包含平面镜，且其中所述第一可切换光学器件包含第一可切换全息光学器件及第一分束器，且所述第二可切换光学器件包含第二可切换全息光学器件及第二分束器，所述第一及第二分束器面对所述平面镜，
其中所述第一可切换全息光学器件经配置以在所述第一可切换光学器件由所述控制器激活时实质上准直沿着所述正向传播路径传播的所述显示光且在所述第一可切换光学器件未由所述控制器激活时对于沿着所述正向传播路径传播的所述显示光显现为基本上透明的，
且其中所述第二可切换全息光学器件经配置以在所述第二可切换光学器件由所述控制器激活时实质上准直沿着所述正向传播路径传播的所述显示光且在所述第二可切换光学器件未由所述控制器激活时对于沿着所述正向传播路径传播的所述显示光显现为基本上透明的。
24.根据权利要求17所述的设备，其进一步包括用于佩戴于用户的头部上的框架组合件，其中所述显示模块安装到所述框架组合件。
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