[发明专利]具有光学耦合的头戴式成像设备

说明书

一种头戴式虚拟图像显示设备具有投影仪，该投影仪沿投影轴线引导图像承载光束。平面波导配置为通过输入孔径接收图像承载光束，并形成从波导的输出孔径输出的扩展的图像承载光束。光学耦合器配置为沿投影轴线接收图像承载光束，相对于波导重新定向投影轴线，使图像承载光束围绕投影轴线旋转，并沿重新定向的投影轴线引导旋转的图像承载光束通过波导的输入孔径。

技术领域

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电子显示器。

背景技术

包括呈类似于常规眼镜或太阳镜的形式的近眼显示器的头戴式显示器(HMD)正在开发用于一定范围的各种用途，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。对于这些应用中的许多应用，在形成可在视觉上叠加在位于HMD用户的视场中的现实世界物体场景图像上的虚拟图像方面具有特殊价值。

总体上，HMD光学器件必须满足观看者接受的许多基本要求，包括以下：

(i)足够的良视距或眼睛间隙。良视距范围基于观看者舒适度和人眼本身的光学构造来限定。实际上，HMD光学器件的最后光学表面与观看者的眼睛之间的距离优选地高于约20mm。

(ii)适当的光瞳尺寸。光瞳尺寸要求基于观看者面部结构中的生理差异以及观看期间的凝视转向。已发现直径至少约10mm的入射光瞳尺寸是合乎需要的。

(iii)视场。宽视场是优选的。对于许多视觉任务，如瞄准和物体识别，认为接近约50度的视场(FOV)是合乎需要的。

(iv)亮度。生成的虚拟图像应具有足够的亮度，以获得良好的可视性和观看者舒适度。

方面(i)-(iii)涉及眼罩，其限定了一定容积，在该容积内，观察者的眼睛可舒适地观看虚拟图像。眼罩的尺寸部分地取决于从图像源到观察图像位置的光的路径长度和图像源尺寸，并且部分地取决于图像源的发散和/或在其由图像源发射之后的光的准直。眼罩的期望尺寸在很大程度上取决于从显示器所期望的观看体验的质量以及意图要在其上观看虚拟图像的眼睛位置的范围。

除了光学要求之外，HMD设计还应该考虑处理实际因素，如可变面部几何形状，预期为了穿着舒适性、重量和成本而减小尺寸的可接受的形状因子，以及易用性。

大多数HMD系统的目标是使成像/中继系统尽可能紧凑；然而，当使用常规光学器件时，存在基本限制。光学系统的输出应该具有足够大的光瞳以填充观看者的眼睛的瞳孔并且还允许眼睛的一些移动。在双目系统中，还存在不同用户之间的不同的眼内距离以及光学系统的输出光瞳需要允许这种情况的问题。

许多近眼HMD装置使用平面波导。这些装置通常采用一系列光学衍射光栅和全内反射(TIR)来沿侧向平移投影系统的出射光瞳，使得投影系统可位于观察路径的侧面，如在观看者的头部旁边。光波导还在一维或二维中扩展出射光瞳，使得可减小成像光投影系统的尺寸。这允许投影系统的出射光瞳非常小，同时放大眼罩并允许投影系统移出观看者的视场线(line of site)。同时，波导可为透明的，因此虚拟图像可叠加在周围环境上。

由于大量的投影光学器件沿侧向平移出用户的视线并且高度紧凑，因此仍然存在这样的希望：将投影构件构造成与眼镜更一致的形状因子，并因此更广泛的用户群体可接受。已经提出了许多途径来使用棱镜或镜子来弯折光路。然而，净效应通常是投影构件的笨拙放置，如使这些构件进一步从波导移除，从而提高了头戴式装置的尺寸要求。

所提出的途径的另一个困难涉及成像高宽比和装置形状因子，它们通常用于投影装置，并且已经适于与显微投影仪和所谓的“微型投影仪”装置一起使用。例如，投影的成像高宽比可为9比16(9:16)。相应地设计投影装置具有较短的垂直(高度)尺寸和较大的水平(宽度)尺寸。这使得采用具有波导HMD的常规投影仪设计变得麻烦；通过将投影仪旋转90度并允许投影仪贴靠观看者的头部紧贴地配合而不是水平向外延伸，将实现更合适的高宽比。然而，这种布置将减少可用的图像区域。