[发明专利]具有圆偏振器的图像光导

说明书

一种用于传送叠加在周围环境的视图内的虚拟图像的成像装置具有波导，该波导具有第一和第二表面。在平面表面之一上的向内耦合衍射光学器件被设置成将承载图像的光束引导到波导中。在波导的平面表面之一上的向外耦合衍射光学器件被布置成将来自波导的承载图像的光束朝向观看者眼箱引导。外罩保护了波导的至少一部分免受周围环境的不期望的环境影响，同时支持从眼箱对周围环境的观看。插入在波导和外罩之间的圆偏振器阻挡了到波导中的杂散光返回。

技术领域

本发明一般涉及电子显示器，并且更特别地涉及使用图像光导向观看者传送虚拟图像内容的显示器。

背景技术

头戴式显示器(HMD)正被开发用于各种各样的用途，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，形成虚拟图像是特别有价值的，该虚拟图像可以在视觉上叠加从HMD用户视野内在眼睛中形成的真实世界图像上。图像光导沿着透射波导将承载图像的光从观看者的视野之外的位置传送到与观看者的瞳孔对准的位置，同时通过波导保持观看者对环境的观看。

在这种传统的图像光导中，来自图像源的准直的、相对角度编码的光束通过输入耦合（诸如向内耦合衍射光学器件）来耦合到板状波导中，该输入耦合可以安装或形成在板状波导的表面上或埋入波导内。这种衍射光学器件可以形成为衍射光栅、全息光学元件或以其它已知的方式形成。例如，衍射光栅可以通过表面浮雕来形成。在沿着波导传播之后，衍射光可以通过类似的输出光栅被引导回波导之外，所述输出光栅可以被布置成沿着虚拟图像的一个维度提供瞳孔扩张。另外，转向衍射光学器件可沿着波导定位在输入光栅与输出光栅之间，以在虚拟图像的第二正交维度中提供瞳孔扩张。瞳孔扩张的两个维度限定了放大的眼箱（eyebox），观看者的瞳孔可以被定位在该眼箱内以观看由光导传送的虚拟图像。

传统的图像光导通常通过将准直光的角度编码光束传送到观看者眼箱来形成聚焦在光学无限远处的虚拟图像。然而，可能存在形成虚拟图像使得其看起来聚焦在某个较近的距离处（诸如在从1m到1.5m的范围内）的优点。使用近聚焦解决方案可以允许观看者在其中近距离处具有真实世界场景内容是有用的应用中具有增强现实成像的优点。

还存在对具有图像光导的头戴式光学成像装置的进一步益处，所述图像光导形成在无限远处的常规虚拟图像以及在离观看者的近距离处的另一虚拟图像二者。此外，该装置应当提供位于观看者的视野中的真实世界场景的良好可见性。

包括过亮环境的周围条件可能会降低叠加在这样的环境上的虚拟图像的对比度。灰尘、化学品和其它环境危害也可损害暴露于这些条件下的图像光导的持续性能。因此，需要提供针对此类环境危害的保护以确保用于增强现实应用的光学器件的恰当操作。

发明内容

本公开的实施例领先于使用紧凑的头戴式设备和类似的成像装置时现有技术的虚拟图像呈现。例如，本公开的某些实施例提供了一种光学成像装置，该光学成像装置通过防止已经离开光学成像装置的散射光再次进入光学成像装置，在减少散射光的影响的同时形成虚拟图像。这可以允许形成更清晰的虚拟图像，而没有降低图像质量的光学噪声的污染影响。

从阅读优选实施例的以下详细描述和所附权利要求，并参考附图，将更清楚地理解和认识本发明的这些和其它方面、目的、特征和优点。

根据本公开的一个方面，一种用于形成叠加在周围环境的视图内的虚拟图像的成像装置包括具有第一和第二表面的波导、在第一和第二表面中的一个上的向内耦合衍射光学器件、以及在第一和第二表面中的一个上的向外耦合衍射光学器件。向内耦合衍射光学器件将虚拟图像的承载图像的光束引导到波导中，以用于通过从第一表面和第二表面的内反射沿着波导传播。向外耦合衍射光学器件将承载图像的光束从波导引导朝向观看者眼箱，使得虚拟图像从眼箱内可观看。至少部分透明的外罩保护了波导的至少一部分免受周围环境的不期望的环境影响，同时支持通过波导和外罩两者从眼箱对周围环境的观看。插入在波导和外罩之间的圆偏振器阻挡了由于杂散光从外罩反射而到波导中的杂散光返回。