CN107490860B - 使用单个微显示器的具有平铺视场的头戴式显示器 - Google Patents

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Abstract

描述了用于头戴式显示器的目镜的实施方式。目镜包括弯曲的光导以及输出耦合器，该弯曲的光导用于经由全内反射在位于周围的输入表面和观看区域之间引导显示光，该输出耦合器跨观看区域设置以将显示光朝向眼睛的方向重新引导以用于从弯曲的光导输出。输出耦合器具有光轴并且具有反射表面的组，反射表面的组包括至少两个单独的反射表面，以相对于输出耦合器的光轴沿至少两个不同方向朝向眼睛的方向反射入射显示光。公开了并要求保护其它实施例。

Description

使用单个微显示器的具有平铺视场的头戴式显示器
技术领域
所公开的实施例总体上涉及头戴式显示器(HWD)，并且特别地、但不排他地涉及使用单个微显示器并具有平铺(tiled)视场的头戴式显示器。
背景技术
头戴式显示器(“HWD”)是佩戴在头部上或头部周围的显示装置。HWD通常包括某种靠近眼睛的光学***以创建放置在用户的前方几米处的放大的虚拟图像。单眼显示器被称为单眼HWD，而双眼显示器被称为双眼HWD。一些HWD仅显示计算机生成的图像(“CGI”)，而其它类型的HWD能够在真实世界视图上叠加CGI。后一种类型的HWD通常包括某种形式的透视目镜，并且可以用作用于实现增强现实的硬件平台。利用增强现实，通过也被称为平视显示器(“HUD”)的覆盖CGI来增强观看者的世界图像。
HWD具有各种实际和休闲应用。航空航天应用允许飞行员看到重要的飞行控制信息，而不需要让他们的眼睛离开飞行路径。公共安全应用包括地图和热成像的战术显示。其它应用包括视频游戏、交通运输和电信。随着技术的演进，新的实用和休闲应用肯定会被发现，但是由于用于实现现有HWD的常规光学***的成本、尺寸、重量、厚度、视场和效率，许多这些应用受到限制。
发明内容
本发明公开了一种用于头戴式显示器的目镜，所述目镜包括：弯曲的光导，其用于通过位于周围(peripherally-located)的输入表面和观看区域之间的全内反射来引导显示光；输出耦合器，其跨所述观看区域设置以将所述显示光朝向眼睛的方向重新定向以用于从所述弯曲的光导输出，所述输出耦合器具有光轴、并且包括反射表面的组，所述反射表面的组包括至少两个单独的反射表面，以相对于所述输出耦合器的光轴沿至少两个不同方向朝向所述眼睛的方向反射入射显示光。
本发明进一步公开了一种头戴式显示器，包括：显示源，其产生显示光；目镜，其将所述显示光引导到观看区域；和框架组件，其支撑所述目镜以佩戴在用户的头上，其中所述观看区域位于用户的眼睛的前方。所述目镜包括：弯曲的光导，其用于通过位于周围的输入表面和观看区域之间的全内反射来引导显示光；输出耦合器，其跨所述观看区域设置以将所述显示光朝向目镜方向重新定向以用于从所述弯曲的光导输出，所述输出耦合器具有光轴、并且包括反射表面的组，所述反射表面的组包括至少两个单独的反射表面，以相对于所述输出耦合器的光轴沿至少两个不同方向朝向所述眼睛的方向反射入射显示光。
附图说明
参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举性实施例，其中除非另有说明，否则相似的附图标记在各个视图中指代相似的部件。
图1A-1B分别是用于头戴式显示器的透视目镜的实施例的俯视图和后视图。
图2A-2B是输出耦合器的实施例的前视图。
图3A-3B是输出耦合器的其它实施例的前视图。
图4A-4B是用于组装透视目镜的实施例的一对目镜部件的实施例的透视图。
图5A-5C是包括透视目镜的头戴式显示器的实施例和可与所示的目镜一起使用的显示源的实施例的示意图。
图6A-6B是包括透视目镜的头戴式显示器的另一实施例和可与所示目镜一起使用的显示源的实施例的示意图。
图7A-7B是包括透视目镜的头戴式显示器的另一实施例和可与所示目镜一起使用的显示源的实施例的示意图。
图8A-8B是包括透视目镜的头戴式显示器的另一实施例和可与所示目镜一起使用的显示源的实施例的示意图。
图9A-9B分别是用于头戴式显示器的透视目镜的另一实施例的俯视图和后视图。
图10是包括透视目镜的双眼头戴式显示器的实施例的透视图。
具体实施方式
描述了使用单个微显示器和平铺视场的头戴式显示器的装置、***和方法的实施例。描述具体细节以提供对实施例的理解，但是相关领域的技术人员将认识到，本发明可以在没有所描述的细节中的一个或多个或者利用其它方法、组件、材料等的情况下实施。在一些情况下，公知的结构、材料或操作没有被详细示出或描述，但是其仍然被包含在本发明的范围内。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用是指所描述的特征、结构或特性可以包括在至少一个所描述的实施例中，使得“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全部指代相同的实施例。此外，所描述的特征、结构或特性能够以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。
图1A-1B一起示出具有平铺视场的弯曲透视目镜100的实施例。图1A是目镜100的顶视图，图1B是后视图。目镜100包括弯曲的光导105、输入表面120、由一组反射面125和130组成的输出耦合器、包覆层140和142、世界侧表面143和眼睛侧表面144。
目镜100将显示光150从位于周围的显示源160引导到观看区域165，其中包括反射表面125和130的输出耦合器将显示光150沿朝向眼睛的方向重新定向到目镜100外。虽然描述为反射表面，但在大多数实施例中，反射表面125和130将具有在0％和100％之间的反射率——换句话说，反射表面将是部分反射的，使得它们可以沿朝向眼睛的方向反射显示光，而允许环境光170通过。在一个实施例中，例如，反射表面125和130可以是50％反射的，这意味着它们反射50％的入射光，但允许另外50％通过。在不同的实施例中，反射表面125和130可以用反射入射显示光150的分束器、偏振分束器、多层二向色膜、半镀银镜等形成，而允许环境光170的至少一部分入射穿过世界侧表面143以通过平铺的观看区域165到达眼睛175。在各种实施例中，反射表面125和130可包括额外的光学元件或涂层，诸如偏振器或滤色器，使得反射表面不同地反射入射光。
由反射表面125和130重新定向到目镜100外的显示光150作为叠加在环境光170上的统一图像180发射。在所示实施例中，反射表面125和130的组彼此纵向间隔开(即，沿y方向间隔开)，但是都位于观看区域165的中心部分中。在其它实施例中，该组反射表面可以被不同地定位，例如彼此横向间隔开(即，沿x方向；参见图9A-9B)。
在所示的实施例中，输出耦合器具有基本上彼此邻接的一组两个反射表面125和130，但是在其它实施例中，可以存在两个以上的反射表面(参见例如，图2B和3A-3B)，并且反射表面不需要邻接。通常，组中的反射表面的数量越大，所得到的图像和视场的均匀性越好。单独的反射表面125和130相对于彼此成一定角度并且相对于光轴175以不同的角度定位，使得具有其反射表面组的输出耦合器沿至少两个不同方向反射显示光。反射表面125和130可以具有正的光学能力、负的光学能力或根本不具有光学能力，并且不需要具有相同的光学能力，无论是正的、负的还是零。
显示源160将显示光150发射到输入表面120中，输入表面120在目镜100的周围或边缘处。通过将显示光150朝向目镜100的中心区域引导并且使用反射表面125和130两者，目镜100的视场(“FOV”)是可以被认为是“平铺”的扩展的FOV，因为它是由来自多个反射表面的反射形成的。这种输出耦合器布置有助于较大的FOV和在薄透镜封装(例如，小于4mm)内的改善的用户体验。
显示源160从用户的视觉中心周围定位。弯曲的光导105通过全内反射(“TIR”)将通过输入表面120接收的显示光150引导到反射表面125和130。在一个实施例中，通过确保弯曲的光导105的折射率高于包覆层140和142的折射率来促进表面141和145处的TIR，包覆层140和142符合弯曲的光导105的世界侧和眼睛侧，并且跨弯曲的光导105的世界侧和眼睛侧延伸。在其它实施例中，使用低折射率粘合剂以将包覆层140和142接合到弯曲的光导105。在该低折射率粘合剂实施例中，粘合剂提供折射率边界以促进TIR，而包覆层140和142用作为世界侧表面143和眼睛侧表面144提供平滑、连续的曲率的保护层。
作为示例，弯曲的光导105可以由折射率在1.5和1.7之间的光学级塑料制成，而接合包覆层140和142的粘合剂可以具有近似1.3的折射率。在其它实施例中，可以省略包覆层140和143，并且具有弯曲的光导105的空气边界提供TIR界面。在其它实施例中可以使用其它材料和折射率范围。
目镜100的部件结合在一起以形成单个透视透镜。在一个实施例中，世界侧表面143和眼睛侧表面144具有互补的曲率，使得目镜100实际上对于穿过的环境光170具有零光学能力。在其它实施例中，这些曲率可以提供规定的透镜化。在具有包覆层140和143的弯曲的光导105的界面处的表面141和145的曲率一起操作，以用每个连续折射/反射来调整显示光150的聚散度以放大并虚拟地移位呈现给眼睛175的统一图像180。图像虚拟地从眼睛175移回一距离(例如，1m到10m)，使得眼睛175能够舒适地将靠近眼睛的显示对好焦。换句话说，光导105的弯曲侧面操作以将显示光150从周围位置运送到观看区域165，而同时准直或近似准直显示光。目镜100的这种设计减少了光学组件的数量并减少了其制造和组装的复杂度。
在所示实施例中，显示源160设置在凹部185内、并且倾斜以面向世界侧。在一个实施例中，输入表面120也倾斜，使得其向内法向矢量朝向世界侧倾斜。在该配置中，一旦显示光150通过输入表面120进入弯曲的光导105，第一TIR反射离开世界侧。在所示实施例中，输入表面120是具有折射光学能力的曲面。显示源160可以使用各种微显示技术来实现——诸如液晶显示器(“LCD”)、硅上液晶(LCOS)、有机发光二极管(“OLED”)显示器等。
图2A-2B示出了可以与目镜100一起使用的输出耦合器的实施例。图2A示出了输出耦合器200的实施例，其包括一组两个单独的反射表面s1和s2。表面s1和s2各自占据耦合器的垂直维度(v)的一部分和耦合器的所有水平维度(u)。换句话说，在所示的实施例中，表面s1和s2是水平延伸的条带。在所示的实施例中，表面s1和s2具有相同的垂直尺寸，但是在其它实施例中，表面s1和s2不需要。所示实施例将s1和s2示为平面的表面，但在其它实施例中，s1和s2不需要是平面的，而是可以是弯曲的、平面刻面的组合、平面刻面和弯曲的刻面的组合等。表面s1和s2可以具有正的光学能力、负的光学能力或根本没有光学能力，并且不需要具有相同的光学能力，无论是正的、负的还是零。
如图2A的右侧所示，在该组反射表面内，表面s1和s2定位为相对于彼此并且相对于光轴以不同的角度取向。结果，反射表面s1和s2沿彼此不同方向反射入射显示光：表面s1沿方向r1反射，并且表面s2沿方向r2反射。在一个实施例中，反射方向可以通过反射光的主光线的角度来测量，但是在其它实施例中可以不同地测量反射方向。
图2B示出了输出耦合器250的另一个实施例。输出耦合器250包括一组多于两个单独的反射表面——在该情况中是三个表面s1、s2和s3。表面s1、s2和s3每个占据耦合器的垂直维度(v)和耦合器的所有水平维度(u)。换句话说，该实施例可以被认为是耦合器的一维分割，其中表面s1、s2和s3是水平延伸的条带，其在耦合器的整个水平(u)维度上延伸，但是仅在耦合器的垂直(v)维度之上。结果，反射表面s1、s2和s3是水平延伸的条(即，沿u方向)。在所示的实施例中，s1、s2和s3具有相同的垂直和水平维度，但是在其它实施例中，它们的维度不必相同。在所示的实施例中，表面s1-s3是平面的，但是在其它实施例中，s1-s3不需要是平面的，而是可以是弯曲的、平面刻面的组合、平面和弯曲的组合等。在各种实施例中，表面s1-s3可以具有正的光学能力、负的光学能力或根本没有光学能力，并且不需要都具有相同的光学能力，无论是正的、负的还是零。
如在图2B的右侧所见，表面s1、s2和s3定位为相对于彼此并且相对于光轴以不同的角度取向。结果，表面s1-s3沿彼此不同方向反射入射的显示光：表面s1在方向r1上反射、表面s2在方向r2上反射并且表面s3沿方向r3反射。在一个实施例中，可以使用反射光的主光线的角度来测量反射方向，但是在其它实施例中，可以不同地测量反射方向。
在一些实施例中，所有表面s1-s3沿如图所示的不同方向反射，使得没有两个反射表面沿相同方向反射。但是在类似具有耦合器具有一组多于两个表面的这一实施例中，反射表面的组可以包括沿相同方向反射的反射表面的子组。例如，在一个实施例(未示出)中，表面s1和s3可以形成沿相同方向反射的表面的子组(即，r1和r3是相同方向)，而表面s2形成沿不同方向r2反射的表面的子组。在这种实施例中，每个子组不需要具有相同数量的单独的反射表面。
图3A-3B示出了可以与目镜100使用的输出耦合器的实施例。图3A示出了输出耦合器300的实施例，其包括一组多于两个单独的反射表面——在该情况中为四个反射表面s1、s2、s3和s4)。每个表面s1-s4占据垂直维度(v)的一部分和耦合器的水平维度(u)的一部分。结果是二维平铺的或镶嵌的输出耦合器，其中反射表面s1-s4平铺，其垂直维度是光耦合器的垂直维度(v)的一部分，并且其水平维度是光耦合器的水平(u)维度的一部分。在所示的实施例中，表面s1、s2、s3和s4都具有相同的维度——即它们具有相同的垂直和水平维度，并且因此具有相同的面积——但是在其它实施例中，输出耦合器中的单独的反射表面不需要具有相同的维度。如在前述实施例中，表面s1-s4不需要是平面的，而是可以是弯曲的、可以是平面刻面的组合、平面和弯曲的组合等。表面s1-s4可以具有正的光学能力、负的光学能力或根本没有光学能力，并且不需要都具有相同的光学能力，无论是正的、负的还是零。
如在之前的实施例中，表面s1-s4中的每一个定位为相对于其它表面并且相对于光轴以一角度取向。在一个实施例中，反射表面s1-s4沿彼此不同方向反射入射的显示光：表面s1沿方向r1反射，表面s2沿方向r2反射，并且表面s3沿方向r3反射等等，使得没有两个表面沿相同方向反射。但是，在类似具有输出耦合器具有一组多于两个表面的这一实施例中，表面s1-s4的组可以包括沿相同方向反射的表面的子组。例如，在一个实施例中，表面s1和s4可以形成沿相同方向反射的表面的子组，而表面s2和s3形成两者与s1和s4沿不同方向反射的子组。在其它实施例中，每个子组不需要具有相同数量的单独的反射表面。在一个实施例中，反射方向可以通过反射光的主光线角度来测量，但是在其它实施例中，可以不同地测量反射方向。
图3B示出了输出耦合器350的另一个实施例。输出耦合器350在大多数方面与300类似，除了它包括一组九个单独的反射表面s1-s9。类似于光输出耦合器300，输出耦合器350也是耦合器的二维分割：每个反射表面占据耦合器的总体水平维度(u)的一部分和耦合器的垂直维度(v)的一部分，使得表面s1-s9是平铺。在所示的实施例中，表面s1-s9具有相同的垂直和水平维度，但是在其它实施例中，表面s1-s9的维度不需要相同。如在前面的实施例中，反射表面s1-s9可以是平的、弯曲的、平面刻面的组合、平面和弯曲的组合等，并且可以具有正的光学能力、负的光学能力或根本没有光学能力。在一些实施例中，所有表面s1-s9沿不同方向反射，使得没有两个反射表面沿相同方向反射，但是在其它实施例中，该组反射表面可以包括沿相同方向反射的反射表面的子组。
图4A-4B一起示出了由两个配合的透镜体402和404形成的弯曲的目镜400的实施例；图4A是透镜体404的分解图，图4B是透镜体402的分解图。示出的实施例是具有输出耦合器的弯曲的目镜，该输出耦合器具有一组两个单独的反射表面，但是可以类似地构造具有带有多于两个单独的反射表面的输出耦合器的其它实施例的目镜。
如图所示，透镜体404包括薄部分406、厚部分408和设置在薄部分406和厚部分408之间的过渡处的过渡表面410和412。类似的透镜体402包括薄部分420、厚部分422以及设置在薄部分420和厚部分422之间的过渡处的过渡表面424和424。当透镜体402和404放在一起时，过渡表面412与过渡表面426配合以形成输出耦合器的反射表面的一个，而过渡表面410与过渡表面424配合以形成输出耦合器的另一个反射表面。尽管未示出，但是在透镜体402和404彼此配合之前，可以向过渡表面410、412、424和426施加额外的涂层，诸如偏振膜、滤色器、部分反射层、可切换的镜等。
弯曲的目镜400被实现为具有小于8mm的厚度的薄的、弯曲的目镜，并且在一个实施例中约为4.0mm厚。在一个实施例中，透镜体402和404由折射率为1.64的透明光学级塑料(例如，聚碳酸酯等)形成，但是折射率越高，弯曲的目镜可以越薄。使用较高折射率材料的直接好处是减小TIR发生的角度。这有效地使能了减小输出耦合器的角度的设计，其可以针对给定光导厚度增加眼眶的维度，或者针对给定眼眶尺寸减小光导的总厚度。使用较高折射率材料以用于弯曲的目镜也可以在用于将透镜体402和404接合在一起的光学级粘合剂的折射率中提供更大的灵活性。
在一个实施例中，透镜体402可使用折射率小于透镜体402和404的折射率的透明粘合剂与透镜体404配合。低折射率透明粘合剂在两个透镜体402和404之间形成全内反射边界，其限定了透镜体402的厚部分422处的弯曲的光导400的内部边界。在其它实施例中，也可以使用其它涂层，诸如角度敏感多层二向色涂层。在其它实施例中，可以使用低折射率材料涂层，其上具有标准折射率粘合剂，以实质上形成单层二向色涂层。
在一个实施例中，目镜400中的面向眼睛的表面和面向世界的表面两者的曲率可以实现为球形表面。在一个实施例中，面向世界的表面提供互补的曲率，以抵消由环境光遇到的朝向眼睛的表面的曲率的光学能力。在其它实施例中，面向世界的表面和面向眼睛的表面的曲率可以是不平衡的，以赋予环境光的指定透镜化。因此，弯曲的目镜400用作透视显示器，其将环境光与显示光组合以向用户显示增强现实。
总的来说，目镜400的曲率和纤薄的性质提供了期望的工业设计。目镜400不仅具有期望的工业设计，而且也是高效的，因为理想地，从输入表面120到输出耦合器的显示光150(来自显示源160)的唯一有损反弹是由输出耦合器的单一重新定向。这允许光学耦合器和观看区域165(图1)基本上比反射性更加透射，从而改善了目镜400在观看区域165中的透视特性。
图5A-5C示出头戴式显示器(HWD)500的实施例。HWD 500包括目镜502，其具有形成在其中的、将基本上与用户的眼睛对准的输出耦合器504。波导506形成在目镜502中，并从输出耦合器504延伸到目镜502的边缘或周围。具有光耦合偏振滤波器510的显示源508定位在目镜502的周围处，使得其可将显示光发射到波导506。目镜502可以如图4A-4B中所描述的，并且尽管被示出为圆形，但是在其它实施例中可以具有其它形状。
输出耦合器504包括一组的四个反射偏振表面，经管在其它实施例中可能有不同数目的反射表面；但是其它实施例，例如可以使用多于四个或少于四个反射偏振表面。每个偏振表面具有两种偏振状态之一：s偏振和p偏振。在一个实施例中，每个反射偏振表面可以通过在其上放置偏振膜而制成偏振，但是在其它实施例中，偏振相关的介电薄膜涂层可以用于偏振。在其它实施例中，反射偏振表面可以由偏振反射器制成并且可能地制成更透明的，该偏振反射器由正常和双折射聚合物的交替层制成，诸如由美国明尼苏达州的明尼阿波里斯市的3M公司制造的偏振反射器。
在一些实施例中，每个反射表面的偏振可以是固定的，但是在其它实施例中，每个反射偏振表面的偏振可以是可切换的，使得每个反射表面的偏振能够以选择的频率在偏振状态之间切换(例如，在s偏振和p偏振)。在一个实施例中，例如，切换速率可以是120Hz，以为反射偏振表面的每个子组提供60Hz。在其它实施例中，切换速率可以高于120Hz。
在所示的实施例中，四个反射偏振表面中的两个是p偏振的，另外两个是s偏振的。在该组四个反射表面中的每个单独的反射表面可以沿不同方向反射，或者它们可以被分组为子组，在该子组内反射偏振表面沿相同方向反射。例如，在输出耦合器504中的各个表面的偏振不可切换的实施例中，具有相同偏振的段的每个子组可以指向相同方向，使得在该实施例中实现两个唯一的子组s和p。在另一实施例中，例如反射偏振表面可切换的实施例中，两个反射表面的一个子组可以包括都沿第一方向反射的一个p偏振表面和一个s偏振表面，而两个表面的另一个子组可以包括沿第二方向反射的一个p偏振表面和一个s偏振表面。这样每个反射方向获得两个偏振。
图5B-5C示出了可以光学地耦接到显示器508的偏振器的实施例。图5B示出了作为偏振单元的镶嵌矩阵的偏振器512。偏振单元在s偏振和p偏振之间行方向(图中的水平方向)和列方向(图中的垂直方向)地交替。图5C示出了可切换的偏振器514的实施例。在任何时刻，偏振器514的整个区域仅具有一个偏振，但是该偏振能够以所选频率在s偏振和p偏振之间切换。所选频率足够高，使得用户不会注意到偏振切换；在一个实施例中，例如，切换速率可以是120Hz，以对于反射表面的每个子组提供60Hz。在其它实施例中，切换速率可以高于120Hz。
在HWD 500的操作中，来自显示源508的显示光行进通过偏振器510并且发射到波导506中。偏振显示光行进通过波导506到输出耦合器504，其将偏振的显示光重新定向到用户的眼睛，如图1A-1B中所示。在其中偏振器510是类似于偏振器512的镶嵌偏振器的实施例中，p偏振的显示光由其上具有p偏振器的单独的反射表面反射，并且s偏振的显示光被在其上具有s偏振器的单独的反射表面反射。在偏振器510像偏振器514那样可切换的实施例中，当显示光是p偏振的时，其由其上具有p偏振器的单独的反射表面反射，并且当显示光是s偏振的时，其由其上具有s偏振器的单独的反射表面反射。在其中偏振器510和输出耦合器504中的反射偏振表面都是可切换的实施例中，偏振器510和输出耦合器504中的反射偏振表面的切换频率可以同步，使得用户感知不到闪烁。
图6A-6B示出头戴式显示器(HWD)600的实施例。HWD 600包括目镜602，其中在与用户的眼睛基本上对准的位置中形成有输出耦合器604。目镜602可以如图4A-4B所述，并且尽管将其示出为圆形，但在其它实施例中其可具有其它形状。波导606形成在目镜606中并从输出耦合器604延伸到目镜602的边缘或周围。具有光学地耦接到其的滤色器阵列610的显示源608定位在目镜602的周围，使得其可发射显示光到波导606中。
输出耦合器604包括一组四个反射可切换镜像表面，尽管在其它实施例中可能具有不同数目的可切换镜像表面；但是其它实施例，例如可以使用多于四个或少于四个可切换镜像表面。可切换的镜面表面的反射率能够以所选的频率基本上在0％和100％之间或其任何子范围内变化。所选频率足够高，使得用户不会注意到镜面切换；在一个实施例中，例如，切换速率可以是120Hz，以对于反射表面的每个子组提供60Hz。在其它实施例中，切换速率可以高于120Hz。通常，镜面切换频率将与显示频率同步，使得用户感知不到显示光的闪烁或其它破坏。
如在其它实施例中，四个反射表面的组中的每个单独的反射表面可以沿不同方向反射，或者它们可以被分组成子组，其中所有反射表面沿相同方向反射。在所示的实施例中，标记为M1的反射表面的第一子组可以沿一个方向反射显示光，并且标记为M2的反射表面的第二子组可以沿第二方向反射，使得该组反射表面沿两个方向反射显示光。通常，显示频率将与镜面切换频率同步，使得用户不会察觉到显示光的任何闪烁或其它破坏。
图6B示出了可以与HWD 600一起使用的滤色器阵列610的实施例。滤色器阵列610是镶嵌的滤色器的矩阵。所示的阵列610使用以众所周知的拜耳模式(Bayer pattern)布置的单独的红色、绿色和蓝色滤色器的红-绿-蓝(RGB)原色组。但是其它滤色器阵列实施例可以使用其它原色组-例如青色-品红色-黄色(CMY)，并且可以包括多于三种颜色。在其它实施例中，滤色器阵列还可以包括有时不被严格认为是“颜色”的滤色器，如透明(无色或中性)滤色器。
在HWD 600的操作中，来自显示源608的显示光行进通过滤色器阵列610、并且被发射到波导606中。经滤色的显示光行进通过波导606到输出耦合器604，其中可切换镜面表面M1和M2以所选择的频率向用户的眼睛交替地传递或重新定向经滤色的显示光。在一个实施例中，镜面表面M1和M2的切换频率可以与显示器同步，使得由每个反射表面反射的图像是唯一的。
图7A-7B示出了头戴式显示器(HWD)700的实施例。HMD 700在大多数方面与HWD600类似。HWD 700包括目镜702，该目镜702在将基本上与用户的眼睛对准的位置形成输出耦合器704。目镜702可以如图4A-4B所述，尽管被示出为圆形，但在其它实施例中，其可具有其它形状。波导706形成在目镜706中并从输出耦合器704延伸到目镜702的边缘或周围。具有光学地耦接到其的滤色器阵列710的显示源708定位在目镜702的周围处，使得其可以将滤波的显示光发射到波导706中。
滤色器阵列710是镶嵌的滤色器的矩阵。所示的阵列使用红-绿-蓝(RGB)原色或组，其中单独的红色、绿色和蓝色以众所周知的拜耳图案排列。但是，其它CFA实施例可以使用其它原色组(例如，CMY)，并且可以包括多于三种颜色，并且在一些实施例中还可以包括有时不被严格认为是“颜色”的滤色器，如透明(无色或中性)滤色器。
输出耦合器704包括一组六个反射表面，尽管在其它实施例中可能有不同数目的反射表面；但是其它实施例，例如可以使用多于六个或少于六个反射表面。在所示的实施例中，红色、绿色和蓝色滤色器位于反射表面上，但在另一个实施例中，该组反射表面可以包括波长选择性介电薄膜涂层以提供滤色。
如在前述实施例中，六个反射表面的组中的每个单独的反射表面可以沿不同方向反射，或者它们可以被分组成子组，其中所有反射表面沿相同方向反射。在一个实施例中，等效的着色表面可以指向相同方向以针对每个平铺的FOV实现唯一的图像，尽管这导致每个平铺的FOV是不同的颜色。因此，在所示实施例中，两个表面的一个子组可以包括沿第一方向反射的两个红色表面，另一子组可以包括沿第二方向反射的两个绿色表面，并且第三子组可以包括沿第三方向反射的两个蓝色表面。在HWD 700的操作中，来自显示源708的显示光行进通过滤波器阵列710，并被发射到波导706中。滤色的显示光行进通过波导706到输出耦合器704，其将显示光重新定向到用户的眼睛，如图1A-1B上所示。
图8A-8B示出了头戴式显示器(HWD)800的实施例。HWD 800包括目镜802，其具有在其中形成在将基本上与用户的眼睛对准的位置中的输出耦合器804。目镜802可以如图4A-4B所述，并且尽管示出为圆形，但在其它实施例中，其可以具有其它形状。波导806形成在目镜802中并且从输出耦合器804延伸到目镜802的边缘或周围。显示源808具有光学地耦接到其并且被定位在目镜802的周围的透镜组件810，使得其可以将显示光发射到波导806中。
输出耦合器804包括一组两个单独的反射表面M1和M2，其中M1沿一个方向反射，并且M2沿另一方向反射。透镜组件810将显示光从显示器808的一部分引导到反射表面M1，并且从显示器810的另一部分到反射表面M2。
图8B示出了可与HWD 800一起使用的透镜组件810的实施例。在所示实施例中，圆柱透镜814跨显示器808在像素812之上定位，使得来自某些像素的显示光将被引导到反射表面M1和来自其它像素的显示光将被引导到反射表面M2。透镜组件810的其它实施例可以包括不同的透镜布置，例如微透镜阵列，并且如果输出耦合器804具有更多反射表面，则可以与所示不同地将显示光分割成例如更多的段。
图9A-9B示出了头戴式显示器900的替代实施例。HWD 900在大多数方面与HWD 100(参见图1A-1B)相关。HWD 900和100之间的主要区别在于，在HWD 900中，组成输出耦合器的反射面被不同地定位。在HWD 900中，反射表面125和130的组彼此水平地间隔开(即，沿x方向间隔开)，但是都定位于观看区域165中。这与HWD相反，其中反射表面彼此垂直间隔开(即，沿y方向间隔开；见图1A-1B)。在其它实施例(未示出)中，反射表面可以相对于彼此水平和垂直间隔。如在HWD 100中，单独的反射表面125和130相对于彼此成一定角度并且相对于光轴175以不同的角度定位，使得具有其反射表面的组的输出耦合器至少沿两个不同方向反射显示光。
图10示出了结合目镜100和/或400的左侧和右侧实例的头部可佩戴显示器1000的实施例。头部可佩戴显示器1000包括目镜400的左侧和右侧的实例。目镜400安装到框架组件，其包括鼻梁1005、左耳臂1010和右耳臂1015。左耳臂1010和右耳臂1015内的内腔10100和225可以包含各种电子器件，包括微处理器、接口、一个或多个无线收发器、电池、扬声器、控制器等。在一个实施例中，鼻梁1005或耳臂1010和1015的面向前的角部可以包含用于捕获外部场景的面向前的图像或用户的(一个或多个)眼睛的面向后的图像的相机模块。虽然该图示出了双目实施例，但是头戴式显示器1000也可以实现为单目显示器，其中在佩戴时仅一个弯曲的目镜400与仅单个用户眼睛对准。
目镜400被修边以符合框架组件的形状并且被固定到眼镜布置中，使得头戴式显示器可以佩戴在用户的头上。左耳臂和右耳臂1010和1015搁置在用户的耳朵上，而鼻梁1005搁置在用户的鼻子上。框架组件的形状和维度设置成将输出耦合器定位在用户的眼睛的前方。在一个实施例中，输出耦合器相对于用户的眼睛定位，使得用户稍微看向下(例如，7度)和向右或向左(例如，15度)以看显示图像。可以实现其它角度，并且可以使用具有其它形状的其它框架组件(例如，单个连续的耳机构件、头带、护目镜类型的眼镜等)。观看区域160内的输出耦合器***作为将显示光重新定向到每只眼睛，而允许环境光通过，从而向用户提供真实世界的增强视图。
包括摘要中描述的实施例的上述实施例的描述并不旨在是穷举的或将本发明限于所描述的形式。本文中出于说明的目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是如相关领域技术人员将认识到的，根据上述详细描述，在本发明的范围内的各种等同修改是可能的。
在所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制在说明书和权利要求书中公开的具体实施例。相反，本发明的范围完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将使用所建立的权利要求解释理论来解释。

Claims (30)

1.一种用于头戴式显示器的目镜，所述目镜包括：
弯曲的光导，其用于通过位于周围的输入表面和观看区域之间的全内反射来引导显示光；和
输出耦合器，其跨所述观看区域设置以将所述显示光朝向眼睛的方向重新定向以用于从所述弯曲的光导输出，所述输出耦合器具有光轴、并且包括反射表面的组，所述反射表面的组包括至少两个单独的反射表面，以相对于所述输出耦合器的光轴沿至少两个不同方向朝向所述眼睛的方向反射入射显示光。
2.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述单独的反射表面中的至少一个具有正的光学能力或负的光学能力。
3.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述反射表面的组包括多于两个单独的反射表面，并且包括两个或多个单独的反射表面的至少一个子组，所述子组中的两个或多个单独的反射表面相对于所述光轴沿相同方向反射入射显示光。
4.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述反射表面的组包括多于两个单独的反射表面，每个单独的反射表面与所述组中的任何其它单独的反射表面相对于所述光轴沿不同方向反射入射显示光。
5.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述反射表面的组包括其上具有传递具有第一偏振状态的显示光的偏振膜的单独的反射表面的子组、以及其上具有传递具有第二偏振状态的显示光的偏振膜的单独的反射表面的子组。
6.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述反射表面的组包括其上的偏振相关介电薄膜涂层，使得单独的反射表面的子组反射具有第一偏振状态的显示光、并且单独的反射表面的另一子组反射具有第二偏振状态的显示光。
7.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述反射表面的组包括其上具有传递具有第一颜色的显示光的滤色器的单独的反射表面的子组、其上具有传递具有第二颜色的显示光的滤色器的单独的反射表面的子组、以及其上具有传递具有第三颜色的显示光的滤色器的单独的反射表面的子组。
8.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述反射表面的组包括其上的波长选择性介电薄膜涂层，使得单独的反射表面的第一子组反射具有第一颜色的显示光、单独的反射表面的第二子组反射具有第二颜色的显示光、并且单独的反射表面的第三子组反射具有第三颜色的显示光。
9.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述反射表面的组包括其上具有传递具有第一颜色的显示光的滤色器的单独的反射表面的子组、以及其上具有传递具有第二颜色和第三颜色的显示光的滤色器的单独的反射表面的子组。
10.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述反射表面的组包括其上的波长选择性介电薄膜涂层，使得单独的反射表面的子组反射具有第一颜色的显示光、并且单独的反射表面的另一子组反射具有第二颜色和第三颜色的显示光。
11.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述反射表面的组包括反射所述显示光的第一部分的单独的反射表面的子组和反射所述显示光的第二部分的单独的反射表面的子组。
12.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述反射表面的组中的每个单独的反射表面是能够在反射状态和非反射状态之间切换的可切换的镜。
13.一种头戴式显示器，包括：
显示源，其产生显示光；
目镜，其将所述显示光引导到观看区域，所述目镜包括：
弯曲的光导，其用于通过位于周围的输入表面和观看区域之间的全内反射来引导显示光，
输出耦合器，其跨所述观看区域设置以将所述显示光朝向眼睛的方向重新定向以用于从所述弯曲的光导输出，所述输出耦合器具有光轴、并且包括反射表面的组，所述反射表面的组包括至少两个单独的反射表面，以相对于所述输出耦合器的光轴沿至少两个不同方向朝向所述眼睛的方向反射入射显示光；和
框架组件，其支撑所述目镜以佩戴在用户的头上，其中所述观看区域位于用户的眼睛的前方。
14.根据权利要求13所述的头戴式显示器，其中，所述单独的反射表面中的至少一个具有正的光学能力或负的光学能力。
15.根据权利要求13所述的头戴式显示器，其中，所述反射表面的组包括多于两个单独的反射表面，并且包括两个或多个单独的反射表面的至少一个子组，所述子组中的两个或多个单独的反射表面相对于所述光轴沿相同方向反射入射显示光。
16.根据权利要求13所述的头戴式显示器，其中，所述反射表面的组包括多于两个单独的反射表面，每个单独的反射表面与所述组中的任何其它单独的反射表面相对于光轴沿不同方向反射入射显示光。
17.根据权利要求13所述的头戴式显示器，其中，所述反射表面的组包括其上具有传递具有第一偏振状态的显示光的偏振膜的单独的反射表面的子组、以及其上具有传递具有第二偏振状态的显示光的偏振膜的单独的反射表面的子组。
18.根据权利要求17所述的头戴式显示器，还包括偏振器，所述偏振器被光学地耦接到所述显示源以偏振所述显示光，其中所述偏振器包括偏振器阵列，所述偏振器阵列包括偏振单元的行和列，其中所述偏振单元在所述第一偏振状态和所述第二偏振状态之间逐行和逐列地交替。
19.根据权利要求17所述的头戴式显示器，还包括光学地耦接到所述显示源以偏振所述显示光的偏振器，其中，所述偏振器包括：
可切换的偏振器，其整个区域能够以选定频率在所述第一偏振状态和所述第二偏振状态之间切换；和
电路，其耦接到所述可切换的偏振器，从而以所述选定频率在所述第一偏振状态和所述第二偏振状态之间切换所述偏振。
20.根据权利要求13所述的头戴式显示器，其中，所述反射表面的组包括其上的偏振相关介电薄膜涂层，使得单独的反射表面的子组反射具有第一偏振状态的显示光、并且单独的反射表面的另一子组反射具有第二偏振状态的显示光。
21.根据权利要求13所述的头戴式显示器，还包括光学地耦接到所述显示源的滤色器阵列，其中，所述滤色器阵列包括第一颜色的单独的滤色器、第二颜色的单独的滤色器、以及第三颜色的单独的滤色器。
22.根据权利要求21所述的头戴式显示器，其中，所述反射表面的组包括其上具有传递具有第一颜色的显示光的滤色器的单独的反射表面的子组、其上具有传递具有第二颜色的显示光的滤色器的单独的反射表面的子组、以及其上具有传递具有第三颜色的显示光的滤色器的单独的反射表面的子组。
23.根据权利要求21所述的头戴式显示器，其中，所述反射表面的组包括其上的波长选择性介电薄膜涂层，使得单独的反射表面的第一子组反射具有第一颜色的显示光、单独的反射表面的第二子组反射具有第二颜色的显示光、并且单独的反射表面的第三子组反射具有第三颜色的显示光。
24.根据权利要求21所述的头戴式显示器，其中，所述反射表面的组包括其上具有传递具有第一颜色的显示光的滤色器的单独的反射表面的子组、以及其上具有传递具有第二颜色和第三颜色的显示光的滤色器的单独的反射表面的子组。
25.根据权利要求21所述的头戴式显示器，其中，所述反射表面的组包括其上的波长选择性介电薄膜涂层，使得单独的反射表面的子组反射具有第一颜色的显示光、并且单独的反射表面的另一子组反射具有第二颜色和第三颜色的显示光。
26.根据权利要求13所述的头戴式显示器，其中，所述反射表面的组包括反射所述显示光的第一部分的反射表面的第一子组以及反射所述显示光的第二部分的反射表面的第二子组。
27.根据权利要求26所述的头戴式显示器，还包括光学地耦接到所述显示源的多个透镜，其中所述多个透镜中的一些透镜将所述显示光的所述第一部分引导到所述反射表面的第一子组，并且其中所述多个透镜的剩余将所述显示光的第二部分引导到所述反射表面的第二子组。
28.根据权利要求13所述的头戴式显示器，其中，所述反射表面的组中的每个单独的反射表面是能够在反射状态和非反射状态之间切换的可切换的镜。
29.根据权利要求28所述的头戴式显示器，还包括耦接到所述可切换的镜的电路，从而以选定频率在反射状态和非反射状态之间切换每个可切换的镜的反射状态。
30.根据权利要求29所述的头戴式显示器，其中，所选择的镜切换频率与所述显示器同步，使得由每个反射表面反射的图像是唯一的。
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