一种用于头可穿戴式显示器的光学装置包括光波导、内耦合全息图以及外耦合光学元件。光波导包括：用于将显示光接收到光波导中的内耦合区域；用于将显示光发射出光波导的外耦合区域；以及用于从内耦合区域到外耦合区域引导显示光的路径的中继区域。内耦合全息图中的第一个被布置在内耦合区域中以将显示光的路径重新定向第一角度。内耦合全息图中的第二个被布置在内耦合区域中第一内耦合全息图对面以使显示光的路径被重新定向第二角度使得显示光的路径在由第一和第二内耦合全息图重新定向之后在中继区域中进入全内反射条件。
1.一种用于头可穿戴式显示器的光学装置，所述光学装置包括：光波导，所述光波导包括：
用于通过所述第一侧表面将显示光接收到所述光波导中的内耦合区域；
用于将所述显示光发射出所述光波导的外耦合区域；以及
用于从所述内耦合区域到所述外耦合区域在所述第一和第二侧表面之间引导所述显示光的路径的中继区域；
紧接所述内耦合区域处的所述第一侧表面布置以将所述显示光的所述路径重新定向第一角度的第一内耦合全息图；
在所述第一内耦合全息图对面、紧接所述内耦合区域的所述第二侧表面布置的第二内耦合全息图，所述第二内耦合全息图将所述显示光的所述路径重新定向第二角度使得在由所述第一和第二内耦合全息图重新定向之后，所述显示光的所述路径在所述中继区域中进入全内反射TIR条件；以及布置在所述外耦合区域以使所述显示光重新定向到所述光波导之外的外耦合光学元件，其中所述第一和第二内耦合全息图包括反射全息图以及其中所述第一内耦合全息图进一步包括角度选择性反射全息图，其中所述第二内耦合全息图被配置为沿远离所述外耦合区域移动的向后传播方向反射和衍射所述显示光，同时所述第一内耦合全息图被配置为沿朝向所述外耦合区域移动的向前传播方向衍射和反射所述显示光。
2.如权利要求1所述的光学装置，其中所述第一和第二角度在所述显示光的入射部分以及在被所述第一或第二内耦合全息图中的给定一个重新定向之后的所述显示光的相应重新定向部分之间被测量。
3.如权利要求2所述的光学装置，其中所述第一和第二角度共同将所述显示光重新定向足够的总角度以在所述中继区域中引起所述TIR条件，但是所述第一或第二角度单独地将所述路径重新定向不足以在所述中继区域中引起所述TIR条件的角度。
4.如权利要求2所述的光学装置，其中所述第一和第二角度具有基本相等的角度大小。
5.如权利要求1所述的光学装置，其中所述第一内耦合全息图是角度选择性的以使通过所述第一侧表面进入所述光波导中的显示光穿过，但是反射从所述第二内耦合全息图反射到所述第一内耦合全息图的所述显示光。
6.如权利要求1所述的光学装置，其中所述第一内耦合全息图包括透射全息图以及其中所述第二内耦合全息图包括反射全息图。
7.如权利要求6所述的光学装置，其中所述第一内耦合全息图被配置为沿远离所述外耦合区域移动的向后传播方向透射性地衍射所述显示光，同时所述第二内耦合全息图被配置为沿朝向所述外耦合区域移动的向前传播方向反射性地衍射所述显示光。
用于产生所述显示光的显示源，其中所述显示源被布置为用所述显示光照亮在所述光波导的所述内耦合区域处的所述第一侧表面，其中所述显示源以与所述光波导相关的外张取向被布置使得所述显示光倾斜地进入所述光波导。
9.如权利要求1所述的光学装置，其中所述外耦合光学元件包括外耦合全息图、分束器、反射体或衍射光学元件中的至少一个。
10.如权利要求1所述的光学装置，其中所述外耦合光学元件包括：邻近于所述第一侧表面布置的第一外耦合全息图；以及
在所述第一外耦合全息图对面并且邻近于所述第二侧表面布置的第二外耦合全息图。
光波导，所述光波导包括用于将所述显示光接收到所述光波导中的内耦合区域；用于将所述显示光发射出所述光波导的外耦合区域；以及用于从所述内耦合区域到所述外耦合区域在内部引导所述显示光的路径的中继区域；
布置在所述内耦合区域以使所述显示光的所述路径重新定向第一角度的第一内耦合全息图；以及在所述内耦合区域中在所述第一内耦合全息图对面布置的第二内耦合全息图，所述第二内耦合全息图使所述显示光的所述路径重新定向第二角度使得在由所述第一和第二内耦合全息图重新定向之后，所述显示光的所述路径在所述中继区域中进入全内反射TIR条件；以及用来支撑所述显示源和所述目镜的框架组件，所述框架组件用以戴在用户的头上同时所述光波导的所述外耦合区域在所述用户的眼的前面被对准，其中所述第一和第二内耦合全息图包括反射全息图以及其中所述第一内耦合全息图进一步包括角度选择性反射全息图，其中所述第二内耦合全息图被配置为沿远离所述外耦合区域移动的向后传播方向反射和衍射所述显示光同时所述第一内耦合全息图被配置为沿朝向所述外耦合区域移动的向前传播方向衍射和反射所述显示光。
12.如权利要求11所述的头可穿戴式显示器，其中所述第一和第二角度在所述显示光的入射部分以及在被所述第一或第二内耦合全息图中的给定一个重新定向之后的所述显示光的相应重新定向部分之间被测量。
13.如权利要求12所述的头可穿戴式显示器，其中所述第一和第二角度共同使所述显示光的路径重新定向足以在所述中继区域中引起所述TIR条件的总角度，但是所述第一或第二角度单独地将所述路径重新定向不足以在所述中继区域中引起所述TIR条件的角度。
14.如权利要求12所述的头可穿戴式显示器，其中所述第一和第二角度具有基本相等的角度大小。
15.如权利要求11所述的头可穿戴式显示器，其中所述第一内耦合全息图是角度选择性的以穿过进入所述光波导中的所述显示光，但是反射从所述第二内耦合全息图反射到所述第一内耦合全息图的所述显示光。
16.如权利要求11所述的头可穿戴式显示器，其中所述第一内耦合全息图包括透射全息图以及其中所述第二内耦合全息图包括反射全息图。
17.如权利要求16所述的头可穿戴式显示器，其中所述第一内耦合全息图被配置为沿远离所述外耦合区域移动的向后传播方向透射性地衍射所述显示光同时所述第二内耦合全息图被配置为沿朝向所述外耦合区域移动的向前传播方向反射性地衍射所述显示光。
18.如权利要求17所述的头可穿戴式显示器，其中所述显示源包括：显示面板；以及
与所述显示面板的输出对准以减小从所述显示源发射到所述光波导中的所述显示光的分散的准直仪。
19.如权利要求18所述的头可穿戴式显示器，其中所述显示源以与所述光波导相关的外张取向被布置使得所述显示光倾斜地进入所述光波导中。
用于头可穿戴式显示器的具有多个内耦合全息图的光波导
技术领域
[0001] 本公开一般地涉及光学领域，并且具体地但不唯一地，涉及用于头可穿戴式显示器的目镜。
背景技术
[0002] 头戴式显示器(“HMD”)或头可穿戴式显示器是戴在头上或头周围的显示设备。HMD通常结合某种近眼光学系统以产生置于用户前面若干米的放大的虚拟图像。单眼显示器被称为单目HMD而双眼显示器被称作双目HMD。一些HMD仅显示计算机生成图像(“CGI”)，而其它类型的HMD能够将CGI叠加在现实世界景象上。后一类型的HMD通常包括某种形式的透视目镜并且能用作用于实现增强现实的硬件平台。由增强现实，观察者的世界的图像由覆盖的CGI增强，同时被称为平视显示器(“HUD”)。
[0003] HMD具有众多实际应用和休闲应用。航空应用允许飞行员观察重要的飞行控制信息而不用将他们的视线从飞行路线上移开。公共安全应用包括地图和热成像的战术显示器。其它应用领域包括视频游戏、运输以及电通信。随着技术的发展，必然有新发现的实际应用和休闲应用；然而，很多这些应用由于用于实现现有HMD的常规光学系统的成本、尺寸、重量、视场以及效率被限制。
附图说明
[0004] 本发明的非限制性及非详尽的实施方式参考附图被描述，其中相同附图标记贯穿各种视图指代相同部分，除非另外地规定。图不必需是按比例的，而是重点被放在示出被描述的原理上。
[0005] 图1示出具有单个内耦合反射全息图的显示器，所述内耦合反射全息图具有指定衍射效率。
[0006] 图2示出根据本公开的实施方式的具有光波导的头可穿戴式显示器，所述光波导具有多个反射模式的内耦合全息图。
[0007] 图3是示出根据本公开的实施方式的具有光波导的目镜的操作的过程的流程图，所述光波导具有多个内耦合全息图。
[0008] 图4A-4C包括比较根据本公开的实施方式的单个反射全息图与双组合反射全息图的离轴效率的图。
[0009] 图5是示出根据本公开的实施方式的单个反射全息图和双组合反射全息图的离轴衍射效率的图。
[0010] 图6示出根据本公开的实施方式的具有光波导的头可穿戴式显示器，所述光波导具有透射模式内耦合全息图和反射模式内耦合全息图。
[0011] 图7示出根据本公开的实施方式的包括具有双内耦合全息图的目镜的示范头可穿戴式显示器。
具体实施方式
[0012] 用于包括具有多个内耦合全息图的光波导的头可穿戴式显示器的系统、装置及操作方法的实施方式在此被描述。在以下说明书中众多具体细节被阐释以提供实施方式的彻底的理解。然而，相关领域技术人员将认识到，此处描述的技术可以在没有具体细节的一个或更多个的情况下，或用其它方法、部件、材料等仍能被实践。在其它实例中，公知的结构、材料或操作不被详细示出或描述以避免使某些方面模糊。
[0013] 贯穿本说明书提到的“一个实施方式”或“实施方式”意思是结合实施方式描述的具体特点、结构或特征被包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在贯穿本说明书的各种位置中，短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”的出现不是必需所有都指代相同实施方式。此外，具体特点、结构或特征可以以任意合适方式被结合到一个或更多实施方式中。
[0014] 图1示出包括光波导101以及用于将从显示源115输出的入射光110耦合到光波导101中的反射内耦合全息图105的显示器100。显示器100包括单个内耦合反射全息图105，单个内耦合反射全息图105以45度衍射并反射入射光110使得所述光能通过全内反射(“TIR”)在光波导101中向下传播。当然，引起TIR的其它角度也可以被实现。由于在入射光110和在光波导101中向下传播的衍射光120的路径之间的大的角度Δ1(例如，45度)，显示器100的内耦合效率被减小。反射全息图的衍射效率随入射束和衍射束之间的角度Δ1的增加而减小。通常，当角度Δ1是90度时衍射效率最低并且当角度Δ1从90度场景移开的情况下衍射效率增加。
[0015] 入射光110的内耦合的效率能通过使显示源115倾斜角度θ到一减小的角度Δ1而被增加。然而，显示源115的倾斜θ的量被限制。使显示源115倾斜θ“内束”或向用户的太阳穴区域推显示源115，其经常与为了工业设计目的的所需方向相反。常规眼镜的镜脚臂(temple arm)通常向用户的耳朵外张。
[0016] 图2示出根据本公开的实施方式的具有光波导的头可穿戴式显示器200，所述光波导具有多个反射模式内耦合全息图。显示器200的示出的实施方式包括目镜205和显示源210。目镜205的示出的实施方式包括光波导215、内耦合全息图220和225以及外耦合光学元件230。光波导215包括侧表面217和219、内耦合区域235、中继区域240以及外耦合区域245。
显示源210的示出的实施方式包括显示面板250和准直仪255。
[0017] 内耦合全息图220和225被置于光波导215的内耦合区域235。内耦合全息图220和225是衍射和反射入射光的反射全息图。与图1所示的单个内耦合全息图105相比，使用两个内耦合全息图220和225用于分开穿过多个全息图的角度偏离从而增加内耦合光学系统的总体衍射效率。此外，内耦合全息图220和225是角度敏感和角度选择性的。因此，内耦合全息图220被配置为基本穿过沿法线方向270入射的显示光260，但是反射沿倾斜方向271入射的显示光。对应地，内耦合全息图225选择性地反射沿方向270入射的显示光260。如本领域中公知的，该角度选择性能在写全息图时通过适当的目标的取向和参考波前被写入体积全息图中。
[0018] 内耦合全息图220和225操作以共同将显示光260的路径重新定向足够的总角度以在中继区域240中的侧表面217和219处引起全内反射(“TIR”)条件，以引导显示光260从内耦合区域235到外耦合区域245。单独地，内耦合全息图220和225可以不使显示光260弯曲足够的角度以引起TIR，但是它们共同地如此进行，并且对于指定的重新定向Δ1的总量，相比于单个内耦合全息图105(见图1)潜在地以更有效的方式进行。分别通过内耦合全息图220和225在显示光260的路径上赋予的重新定向角度Δ2和Δ3被测量为在显示光260的入射部分和显示光260的相应重新定向(衍射)部分之间的角度。因此，在示出的实施方式中，Δ2+Δ3＝Δ1。在一个实施方式中，Δ1＝45度而Δ2＝Δ3＝22.5。然而，应当理解Δ1不需要是45度，而是，仅需要足以导致显示光260的路径在与侧表面217和219入射时达到临界角度以在光波导215的中继区域240中引起TIR。类似地，Δ2不需要等于Δ3，而是共同地，Δ2+Δ3应该足以在中继区域240中引起TIR。临界角度将依赖于为光波导215选择的材料的折射率。
尽管未示出，此处公开的实施方式可以扩展为包括大于两个内耦合全息图以进一步减小每个全息图的重新定向角度以获得更高的总体光学系统效率。
[0019] 光波导215可以由玻璃、塑料、注模塑料或其它光学透射材料制造。内耦合全息图220和225以对立布置在内耦合区域235中彼此面对地布置。尽管内耦合全息图220和225被示出为嵌入(内部布置)光波导215中分别邻近侧表面217和219，但是，内耦合全息图220和
225可替换地可以分别邻近侧表面217和291被表面安装(外部布置)。
[0020] 外耦合区域245包括用于将显示光260重新定向到光波导215之外的外耦合光学元件230。外耦合区域245可以使用各种不同元件实现，所述各种不同元件包括反射全息图(已示出)、倾斜的穿过外耦合区域245安置的分束器或偏振分束器(未示出)、或者其它折射、反射或衍射元件。当然，外耦合光学元件230还可以使用多个全息图被实现，多个全息图使用与内耦合区域相似的配置。
[0021] 显示源210可以使用用于显示面板250的各种不同技术被实现，用于显示面板250的各种不同技术包括液晶显示(“LCD”)、硅基液晶(“LCoS”)显示、发光二极管(“LED”)显示、有机发光二极管(“OLED”)显示、微型投影机，或其它微型显示技术。在多个实施方式中，显示面板250将包括设计用于在与内耦合全息图220和225的设计一致的波长下工作的诸如激光器的窄带灯。由于内耦合全息图220和225是角度选择性的，显示源210还包括被定位以减小从显示源210发射的显示光260的角度发散的准直仪255。在一些实施方式中，准直仪255可以基本使显示光260准直。
[0022] 目镜205可配置为接收与光波导215有关的显示源210的各种不同几何形状。在示出的实施方式中，显示源210被定位成以基本垂直的角度照亮侧表面217和内耦合全息图220。然而，在其它配置中，显示光260可以倾斜入射到侧表面217和内耦合全息图220上，如同特定工业设计所需的，包括内束和外张布置两者。这些内束和外张布置能通过内耦合全息图220和225的角度选择性的适当的编程被调节。
[0023] 图3是示出根据本公开的实施方式的目镜200的操作的过程300的流程图。过程300中出现的一些或所有过程块的顺序不应被认为是限制。更确切地，受益于本公开的领域的普通技术人员之一将理解，过程块的一些可以以未示出的各种顺序被执行，或者甚至被并行执行。
[0024] 在过程块305中，显示源210产生显示光210。显示光260可以是在内耦合区域235处照亮侧表面217的准直光(过程块310)。在进入光波导215的初始入口上，由于内耦合全息图220的角度选择性被配置为基本穿过沿方向270传播的显示光260，显示光260穿过内耦合全息图220(过程块315)。
[0025] 一旦显示光260初始穿过内耦合全息图220，它再次沿方向270穿过光波导215的内耦合区域235传播并且入射在内耦合全息图225上。然而，内耦合全息图225的角度选择性被配置为使沿方向270传播的显示光260重新定向角度Δ3至方向271(过程块320)。方向271使显示光260至少暂时地置于向后传播方向上，远离外耦合区域245移动。换言之，方向271包括远离外耦合区域245指向的矢量分量。
[0026] 显示光260再次穿过内耦合区域235传播并且入射到内耦合全息图220上，但是此时沿方向271。由于内耦合全息图220的角度选择性，显示光260通过反射性衍射被重新定向角度Δ2，此时沿向前传播方向向外耦合区域245移动(过程块325)。角度Δ3和Δ2的共同重新定向足以引起显示光260在中继区域240中的侧表面219上的位置272处进入TIR条件。在各种实施方式中，角度Δ3和Δ2能具有基本相等的角度大小，或者具有不同的角度大小，但是在任一情况下在中继区域240中共同引起TIR。然而在其它实施方式中，如果中继区域240由反射层(未示出)覆盖并且不依赖TIR来引导显示光260，那么角度Δ3和Δ2不需要共同足以引起TIR，但是由于角度偏离在两内耦合全息图之间被分开，将仍改善内耦合效率。
[0027] 中继区域240通过TIR引导显示光260从内耦合区域235到外耦合区域245(过程块330)。最终，在过程块245中，显示光260通过布置在外耦合区域245处的外耦合光学元件230被重新定向到光波导215之外。如以上讨论的，外耦合光学元件230可以使用各种不同元件被实现，诸如一个或两个全息图、衍射光栅、反射器、分束器、偏振分束器或其它元件。
[0028] 图4A-4C包括根据本公开的实施方式的比较单个反射全息图与双结合反射全息图的离轴效率的图。图4A示出对于配置为Δ＝45度的重新定向角度的单个反射全息图，在从布拉格相位匹配条件失谐的角度的范围上的相对波长的反射性衍射效率。如示出的，在532nm的示例波长处，单个反射全息图仅对于约+-4度的相对窄的角度范围维持大于80％的效率。相比之下，图4B示出对于配置为Δ＝22.5度的重新定向角度的单个反射全息图的反射性衍射效率。如示出的，在532nm的示例波长处，单个反射全息图对于约+-6度的更宽的角度范围维持大于80％的效率。图4C示出对于每个被配置为Δ＝22.5度的重新定向角度以及
45度的组合重合定向角度的双组合反射全息图的反射性衍射效率。如示出的，在532nm的示例波长处，双组合反射全息图对于约+-6度的较宽的角度范围维持大于80％的效率。因此，当合并单独使入射光重新定向一半(例如22.5度)的两个内耦合全息图时，它们的组合角度效率基本保持不变。此外，近布拉格匹配区域外部的震荡基本被减小。
[0029] 图5是示出根据本公开的实施方式的比较单个反射全息图和双结合反射全息图的离轴衍射效率的图。同样，如示出的，双组合反射全息图具有更宽的角度响应曲线。这为显示器200提供相对于显示器100的增强的FOV性能和更大的图像均匀性。
[0030] 图6示出根据本公开的实施方式的具有光波导的头可穿戴式显示器600，所述光波导具有透射模式内耦合全息图和反射模式内耦合全息图。显示器600的示出的实施方式包括目镜605和显示源210。目镜605的示出的实施方式包括光波导615；内耦合全息图620和625；以及外耦合光学元件630。光波导615包括侧表面617和619、内耦合区域635、中继区域
640以及外耦合区域645。
[0031] 内耦合全息图620和625被布置在光波导615的内耦合区域635中。目镜605与目镜205类似，除了内耦合全息图620是通过透射性衍射将显示光660重新定向角度Δ4的透射模式全息图而内耦合全息图625是通过反射性衍射将显示光660重新定向角度Δ5的反射模式全息图。内耦合全息图620和625是角度敏感的。类似于目镜205，内耦合全息图620和625使显示光660在相反方向上重新定向。内耦合全息图630沿远离外耦合区域645的向后传播方向将显示光660重新定向角度Δ4并且内耦合区域635沿朝向外耦合区域645的向前传播方向将显示光660重新定向角度Δ5。
[0032] 外耦合区域645包括用于将显示光660重新定向到光波导615之外的外耦合光学元件630。外耦合区域645可以使用各种不同元件实现，所述各种不同元件包括反射性全息图(未示出)、倾斜地穿过外耦合区域645定位的分束器(已示出)或偏振分束器、或者其它折射、反射或衍射元件。
[0033] 图7示出根据本公开的实施方式的使用目镜701的单目头可穿戴式显示器700。目镜701可以由如以上讨论的目镜200或600的实施方式实现。目镜701被安装到框架组件上，框架组件包括鼻梁705、左耳镜臂710以及右耳镜臂715。外罩720和725可以包含包括微处理器、接口、一个或更多无线收发器、电池、照相机、扬声器等的各种电子设备。尽管图7示出了单目实施方式，但是头可穿戴式显示器700还可以被实现为具有两个目镜701的双目显示器，当戴显示器700时，两个目镜701的每个与用户的相应的眼对准。
[0034] 透视片701被固定到镜片构造中或能被戴在用户的头上的头可穿戴式显示器中。左耳和右耳镜臂710和715放在用户的耳朵上同时鼻梁705放在用户的鼻子上。框架组件被定形和依尺寸制造为将外耦合区域定位于在用户的眼睛前面。具有其它形状的其它框架组件可以被使用(例如，传统镜片框架、单接触式耳机构件、头带、谷歌型眼镜等)。
[0035] 头可穿戴式显示器700的示出的实施方式能够为用户显示增强现实。在透视实施方式中，目镜701允许用户通过外部场景光761观察现实世界图像。左和右(双目实施方式)显示光760可以由安装在用户的中央视野外部的外围角落中的显示源210产生。显示光760作为增强现实由用户观察为重叠在外部场景光761上的虚拟图像。在一些实施方式中，外部场景光761可以被完全地、部分地或选择性地阻挡。
[0036] 本发明的示出的实施方式的以上描述，包括摘要中被描述的，不打算是穷尽的或将本发明限制于公开的确切形式。虽然本发明的具体实施方式及示例在此处为了说明性的目的被描述，各种变型在本发明的范围内是可能的，如同相关领域技术人员将认识到的那样。
[0037] 本发明能根据以上详细描述进行这些变型。所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于本说明书中公开的具体实施方式。更确切地，本发明的范围将完全由所附权利要求确定，其将要根据建立的权利要求解释法则来解释。
