[发明专利]具有枢转成像光导的头戴式显示器

说明书

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。

技术领域

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

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。

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）”。

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。

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。

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。