CN113631987A - 头戴式显示器 - Google Patents

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CN113631987A CN202080023009.8A CN202080023009A CN113631987A CN 113631987 A CN113631987 A CN 113631987A CN 202080023009 A CN202080023009 A CN 202080023009A CN 113631987 A CN113631987 A CN 113631987A
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徐大韩
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Abstract

公开了头戴式显示器，所述头戴式显示器可以通过使用全息光学元件实现图像来确保具有一定水平的眼动箱，所述眼动箱是佩戴者可以视觉上识别图像的区域；通过在显示源与全息光学元件之间的光路上布置透镜(成像透镜)来扩大佩戴者的视场(FOV)；以及通过调节显示源和透镜的位置来确保具有一定水平的眼动箱并且扩大佩戴者的视场(FOV)。

Description

头戴式显示器
技术领域
本发明要求于2019年9月30日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2019-0121202号的申请日的权益，其全部内容包括在本发明中。
本发明涉及头戴式显示器，并且特别地涉及这样的头戴式显示器：其佩戴在佩戴者的头部上以传输图像，并且能够通过用透镜将从显示源输出的光聚光以及基于佩戴者的身体信息调节透镜或显示源的位置来扩大视场。
背景技术
近来，随着对实现增强现实(augmented reality，AR)、混合现实(mixed reality，MR)或虚拟现实(virtual reality，VR)的显示装置的需求增加，已经开发了通过使用光学***将从小的图像显示元件输出的图像放大并允许佩戴者用他/她的眼睛观看产生的虚拟图像的显示装置，从而提供佩戴者感觉到犹如佩戴者通过在一定距离处的大屏幕观看图像的效果。此外，由于大多数这些显示装置以与眼镜相同的方式佩戴在佩戴者的头部上，因此它们被称为头戴式显示器(head mounted display，HMD)装置。
用于实现这样的头戴式显示器的光学***包括其中在外部视图可见的情况下实现图像的透视法(see-through method)以及其中外部视图不可见的闭视法(see-closedmethod)。其中，透视型头戴式显示器装置允许佩戴者能够同时观看外部视图和显示器图像。因此，佩戴者在佩戴头戴式显示器的情况下进行日常活动没有问题，并且头戴式显示器可以广泛地应用于IoT、导航等。
透视型头戴式显示器装置可以包括光学***，所述光学***包括显示元件和用于将从显示元件输出的显示光传输至佩戴者的眼睛的复数个光学组件。由于头戴式显示器装置需要被安装在佩戴者的头部上，因此该装置中使用的光学组件可能在重量和空间方面受到限制。为了解决这样的问题，已经研究了使用衍射光学元件(diffracted opticalelement，DOE)或全息光学元件(holographic optical element，HOE)的头戴式显示器装置。
上述背景技术是本发明人为了得到本发明的实施方案而拥有的技术信息或者在得到本发明的实施方案的过程中获取的技术信息，并且可以不必认为背景技术是在提交本发明的实施方案的申请之前对一般公众公开的公知技术。
公开内容
技术问题
当在头戴式显示器中使用衍射光学元件时，由于颜色分离效率低而可能发生图像串扰(image crosstalk)。当在头戴式显示器中使用衍射光学元件或全息光学元件时，如果另外使用光导，则光损失可能增加。
本发明的实施方案旨在提供头戴式显示器，所述头戴式显示器可以通过使用全息光学元件实现图像来确保具有一定水平的眼动箱，所述眼动箱是佩戴者可以视觉上识别图像的区域；以及通过在显示源与全息光学元件之间的光路上布置透镜(成像透镜)来扩大佩戴者的视场(field of view，FOV)。
此外，本发明的实施方案旨在提供可以通过调节显示源和透镜的位置来确保具有一定水平的眼动箱并扩大佩戴者的视场(FOV)的头戴式显示器。
本发明要解决的问题不限于前述问题，并且本领域技术人员将从以下描述中清楚地理解其他未提及的问题。
技术方案
本发明的一个实施方案提供了头戴式显示器，所述头戴式显示器佩戴在佩戴者的头部上以传输图像，所述头戴式显示器包括：显示源，所述显示源布置在佩戴者的眼睛的横向侧面并且被配置成输出图像显示光；第一透镜，所述第一透镜被配置成将图像显示光聚光；全息光学元件(HOE)，所述全息光学元件(HOE)布置在佩戴者的眼睛的前面并且被配置成将穿过第一透镜的图像显示光导向佩戴者的眼睛；和控制器，所述控制器被配置成调节显示源和第一透镜中的至少一者的位置。
根据本发明的一个实施方案，控制器可以包括：传感器单元，所述传感器单元布置在佩戴者的眼睛的前面并且被配置成获取佩戴者的身体信息；控制单元，所述控制单元被配置成基于所获取的身体信息计算第一透镜和显示源的预定位置；和操作单元，所述操作单元布置在佩戴者的眼睛的横向侧面并且被配置成将第一透镜和显示源的位置移动至预定位置。
根据本发明的一个实施方案，显示源可以包括液晶显示面板或有机发光二极管显示面板。
根据本发明的一个实施方案，头戴式显示器还可以包括第二透镜，所述第二透镜布置在佩戴者的眼睛的前面并且具有形成在其一个表面上的全息光学元件。
根据本发明的一个实施方案，外部光可以穿过第二透镜和全息光学元件中的至少一者，并且可以从面向佩戴者的眼睛侧的表面入射到佩戴者的眼睛上。
根据本发明的一个实施方案，显示源、第一透镜、第二透镜和控制器可以被安装在眼镜、护目镜和头盔中的至少一者上。
根据本发明的一个实施方案，可以设置有成对的左显示源和右显示源以分别与佩戴者的两只眼睛对应，可以设置有成对的左第一透镜和右第一透镜以分别与佩戴者的两只眼睛对应，可以设置有成对的左第二透镜和右第二透镜以分别与佩戴者的两只眼睛对应，以及可以设置有成对的左控制器和右控制器以分别与佩戴者的两只眼睛对应。
根据本发明的一个实施方案，显示源和第一透镜可以布置在眼镜腿(eyeglasstemple，
Figure BDA0003271769480000031
)内部使得来自显示源的图像显示光相对于全息光学元件的法线以预定角度倾斜入射。
根据本发明的一个实施方案，第一透镜可以具有经计算以满足佩戴者的眼睛对于图像的目标视场的焦距。
根据本发明的一个实施方案，经计算以满足佩戴者的眼睛对于图像的目标视场的焦距可以被记录在全息光学元件上。
根据本发明的一个实施方案，传感器单元可以位于眼镜框内部，以及控制单元和操作单元可以位于眼镜腿内部。
根据本发明的一个实施方案，身体信息可以为选自佩戴者的头部的形状、佩戴者的眼睛的位置、佩戴者的两只眼睛之间的距离及其组合中的一者。
根据本发明的一个实施方案，控制单元可以计算第一透镜和显示源的预定位置以满足佩戴者的眼睛对于图像的目标视场。
有益效果
根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器可以使用全息光学元件和透镜并且调节显示源和透镜的位置，从而确保具有一定水平的眼动箱并且扩大其中可以视觉上识别所实现的图像的视场。
根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器可以通过使用全息光学元件来减少图像串扰并提供具有清晰的颜色分离的图像。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器的示意图。
图2是用于说明通过根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器实现的视场的视图。
图3是用于说明通过根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器实现的眼动箱的视图。
图4是用于说明包括在根据多个实施方案的头戴式显示器中的组件的物理结构的视图。
图5是用于说明制造包括在根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器中的全息光学元件的一个示意图。
图6是用于说明制造包括在根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器中的全息光学元件的另一个示意图。
具体实施方式
通过参考以下结合附图的详细描述，本发明将变得明显。然而，本发明不限于这样的实施方案并且可以以各种形式实现。以下将描述的实施方案仅仅是为了使本发明的公开内容更完善并帮助本发明所属领域的技术人员完整地理解本发明的范围而提供的实施方案。本发明仅由所附权利要求的范围限定。
本文所使用的术语仅用于描述实施方案的目的，并不旨在限制本发明。
在本说明书中，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式旨在也包括复数形式。当在本文中使用时，所述组件、步骤、操作和/或元件的术语“包括”和/或“包含”不排除存在或添加一个或更多个另外的组件、步骤、操作和/或元件。
在本说明书中，诸如第一和第二的术语可以用于描述各个组件，但是组件不受术语限制。术语仅用于区分一个组件与另一个组件。
本发明的一个实施方案提供了头戴式显示器，所述头戴式显示器佩戴在佩戴者的头部上以传输图像，所述头戴式显示器包括：显示源，所述显示源布置在佩戴者的眼睛的横向侧面并且被配置成输出图像显示光；第一透镜，所述第一透镜被配置成将图像显示光聚光；全息光学元件(HOE)，所述全息光学元件(HOE)布置在佩戴者的眼睛的前面并且被配置成将穿过第一透镜的图像显示光导向佩戴者的眼睛；和控制器，所述控制器被配置成调节显示源和第一透镜中的至少一者的位置。
根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器可以使用全息光学元件和透镜并且调节全息光学元件和透镜的位置，从而确保具有一定水平的眼动箱并扩大其中可以视觉上识别所实现的图像的视场。
图1是根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器100的示意图。
根据本发明的一个实施方案，头戴式显示器100包括显示源110、第一透镜120、全息光学元件130和控制器160。参照图1，头戴式显示器100可以安装被在佩戴者的头部上，包含图像信息的图像显示光可以由位于佩戴者的眼睛10的横向侧面的显示源110输出，并且通过第一透镜120和全息光学元件130可以将输出的图像显示光导向佩戴者的眼睛。头戴式显示器100可以通过显示源110、第一透镜120、全息光学元件130形成包含图像信息的图像显示光的虚拟图像，并且佩戴者可以识别虚拟图像，犹如佩戴者通过在一定距离处的屏幕观看图像。此外，控制器160可以调节显示源和第一透镜120中的至少一者的位置以扩大佩戴者的视场。
根据本发明的一个实施方案，控制器160可以调节显示源110和第一透镜120中的至少一者的位置。如上所述，控制器160调节显示源110和第一透镜120中的至少一者的位置以调节全息光学元件130与第一透镜120之间的距离L1和/或第一透镜120与显示源110之间的距离L2，使得可以基于根据佩戴者变化的身体信息来最大限度地确保视场。
根据本发明的一个实施方案，控制器160可以包括：传感器单元，所述传感器单元布置在佩戴者的眼睛的前面并且被配置成获取佩戴者的身体信息；控制单元163，所述控制单元163被配置成基于所获取的身体信息计算第一透镜和显示源的预定位置；和操作单元165，所述操作单元165布置在佩戴者的眼睛的横向侧面并且被配置成将第一透镜和显示源的位置移动至预定位置。如上所述，通过调节全息光学元件130与第一透镜120之间的距离L1和/或第一透镜120与显示源110之间的距离L2，可以基于根据佩戴者变化的身体信息来最大限度地确保视场。
根据本发明的一个实施方案，传感器单元161可以布置在佩戴者的眼睛的前面并且获取佩戴者的身体信息。如上所述，由于传感器单元161布置在佩戴者的眼睛的前面，因此可以准确且容易地测量佩戴者的身体信息，并且通过获取身体信息，可以根据取决于佩戴者的身体条件来调节第一透镜和显示源。
根据本发明的一个实施方案，控制单元163可以基于所获取的身体信息来计算第一透镜和/或显示源的预定位置。具体地，当通过分析由传感器单元161获取的身体信息而获得的计算结果表明佩戴者的视场变窄或变宽时，控制单元163可以调节第一透镜和显示源的位置以最大限度地确保佩戴者的视场。
根据本发明的一个实施方案，操作单元165可以布置在佩戴者的眼睛的横向侧面并且可以将第一透镜和/或显示源的位置移动至预定位置。具体地，当控制单元163根据佩戴者的身体信息来确定位置时，操作单元165可以使第一透镜和/或显示源的位置移动以调节全息光学元件130与第一透镜120之间的距离L1和/或第一透镜120与显示源110之间的距离L2，从而根据佩戴者最大程度地确保视场。
根据本发明的一个实施方案，显示源110可以接收具有图像信息的电信号并且输出关于图像信息的图像显示光。显示源110可以是能够显示图像的小型显示面板。例如，显示源110可以包括液晶显示(LCD)面板或由有机发光二极管(OLED)构成的显示面板。
根据本发明的一个实施方案，第一透镜120用于将从显示源110发射的图像显示光聚光。显示源110和第一透镜120可以布置成使得从显示源110发射的图像显示光直接导向第一透镜120。
根据本发明的一个实施方案，全息光学元件130可以将穿过第一透镜120的图像显示光导向头戴式显示器100的佩戴者的眼睛10。即，穿过第一透镜120的图像显示光可以相对于全息光学元件130的法线以预定角度入射，以不同于具有同一角度的反射角的角度进行反射，并且被导向佩戴者的眼睛。全息光学元件130可以是被设计成使以一定角度入射的图像显示光在预先设计的方向(即，佩戴者的眼睛定位的方向)上衍射的反射式全息光学元件130。
在本发明的一个实施方案中，头戴式显示器100可以以眼镜的形式实现。根据一个实施方案的头戴式显示器100还可以包括布置在佩戴者的眼睛的前面的眼镜透镜，即，第二透镜150。在这样的情况下，显示源110和第一透镜120可以形成在眼镜腿(未示出)内部使得显示源110和第一透镜120被布置在佩戴者的眼睛10的横向侧面，以及第二透镜150的一个表面可以涂覆有膜形式的全息光学元件130。全息光学元件130可以形成在第二透镜150的在佩戴者的眼睛侧上的一个表面上，或者可以形成在第二透镜150的其上入射有从外部发射的光的另一个表面上。在示出的实施方案中，眼镜透镜(即，第二透镜)具有平坦形状；然而，本发明不限于此，以及第二透镜可以具有弯曲形状，或者根据眼镜框的形状，可以形成一对左第二透镜(眼镜透镜)和右第二透镜(眼镜透镜)以具有彼此不平行的光轴。
在根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器100中，显示源110和第一透镜120可以形成在眼镜腿(未示出)内部使得显示源110和第一透镜120被布置在佩戴者的眼睛10的横向侧面，以及在第二透镜150的一个表面上可以形成全息光学元件130。在这样的情况下，从显示源110发射的图像显示光可以在穿过第一透镜120的同时聚光，并且穿过第一透镜120的图像显示光可以以预定角度倾斜入射到全息光学元件130上，然后被衍射并入射到佩戴者的眼睛10上。因此，根据本发明的一个实施方案的呈眼镜形式的头戴式显示器100可以将包含特定信息的图像传输至佩戴者的眼睛10。
在根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器100中，全息光学元件130形成在第二透镜150上。因此，头戴式显示器100可以被配置成允许从第二透镜150的另一个表面上入射并穿过第二透镜150和/或全息光学元件130的外部光以及从形成在眼镜腿上的显示源110发射并被全息光学元件130衍射的图像显示光同时入射到佩戴者的眼睛10上。
根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器100可以具有双边对称结构以将图像信息传输至佩戴者的两只眼睛。所示出的实施方案被配置成将图像显示光传输至佩戴者的右眼睛；然而，本发明不限于此，并且头戴式显示器100还可以包括显示源、第一透镜、全息光学元件和控制器，其被设置在左眼镜腿和左眼镜透镜(第二透镜)上以将图像显示光传输至佩戴者的左眼睛。此外，头戴式显示器100还可以以护目镜或头盔以及眼镜的形式实现。
图2是用于说明通过根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器实现的视场的视图。根据本发明的一个实施方案，显示源110可以为小的矩形显示面板并且从矩形的各个点发射包含图像信息的图像显示光。参照图2，从显示源110发射的图像显示光可以在穿过第一透镜120的同时形成关于图像的中间图像111。从关于图像的中间图像111发射的光可以被全息光学元件130衍射并被导向佩戴者的眼睛10，从而形成关于中间图像的虚拟图像112。通过全息光学元件130和第一透镜120形成的虚拟图像112向佩戴有头戴式显示器100的佩戴者显示从显示源110发射的图像显示光中包含的图像信息。
此时，视场(FOV)可以通过将其中可以通过佩戴者的眼睛等在某个时刻观察到的由从显示源110的各点发射的图像显示光形成的虚拟图像的区域的尺寸表述为角度来表示。
根据本发明的一个实施方案，第一透镜120布置在显示源110与全息光学元件130之间的图像显示光的光路上，并且形成图像显示光的中间图像111。因此，这样的配置可以提供看起来犹如显示源110在形成有中间图像111的位置处发射图像显示光的效果，并且可以扩大由全息光学元件最终形成的虚拟图像的视场。更具体地，根据多个实施方案，与不具有第一透镜的比较例相比，当在显示源110与全息光学元件130之间***并布置有第一透镜时，视场可以扩大三倍或更多倍。
图3是用于说明通过根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器实现的眼动箱的视图。具体地，图3使用阴影示出了光路，通过其，从显示源110的两端和中心发射的图像显示光入射到佩戴者的眼睛上；以及示出了从各个光路入射到眼睛上的图像显示光可以入射的范围。参照图3，从显示源110的中心发射的图像显示光可以在与佩戴者的眼睛的视轴平行的入射范围(以阴影示出)内入射到佩戴者的眼睛上，以及从显示源110的两端发射的图像显示光可以在与相对于佩戴者的眼睛的视轴以一定角度(例如，视场的一半)左倾斜和右倾斜的方向平行的预定入射范围(以阴影示出)内入射。在这样的情况下，从显示源110的两端和中心发射的图像显示光的入射范围彼此重叠的部分可以被称为眼动箱(eye motionbox，EMB)。
在本说明书中，眼动箱(EMB)可以被限定为可以视觉上识别所实现的图像的区域。即，只有当佩戴者的眼睛可以放置在由构成头戴式显示器的光学***形成的眼动箱内时，佩戴者才可以准确地识别通过头戴式显示器传输的图像。因此，只有当确保具有一定水平或更高水平的眼动箱时，才可以在眼动箱中形成可以根据佩戴者的头部与眼睛之间的距离变化的视轴，并且只有当佩戴者的视轴形成在眼动箱内，才可以通过头戴式显示器实现待传输的图像。
在根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器100中，第一透镜120布置在显示源110与全息光学元件130之间。因此，与仅未设置第一镜透镜时相比，眼动箱的尺寸稍微减小。然而，头戴式显示器100可以确保用于提供图像的具有一定水平(例如，10mm×10mm)或更高水平的眼动箱并扩大视场。
发明实施方式
图4是用于说明包括在根据多个实施方案的头戴式显示器中的光学***的物理结构的视图。图4示出了全息光学元件130被一个虚拟透镜131替换使得由于图1至图3的任一者中的全息光学元件130的光学作用(例如，衍射)而导致的光路弯曲被展开并且被布置在如由显示源、第一透镜和佩戴者的眼睛或视轴形成的直线的同一条线上。在其中全息光学元件130被一个虚拟透镜131替换的所示结构中，可以根据显示源110的尺寸以及待记录在第一透镜120和全息光学元件130上的光学特性得到第一透镜120和全息光学元件130的合适焦距。
参照图4的(a)和(b)，假设图1至图3中的全息光学元件130的离轴反射结构(off-axis reflective structure)被展开并且显示源110、第一透镜120和佩戴者的眼睛10位于同一条直线上，可以得到第一透镜120的焦距FL2和待记录在全息光学元件130上的光学特性(例如，全息光学元件的焦距FL1或全息光学元件的尺寸的一半R1)。
在本发明的一个实施方案中，假设显示源110为具有约10mm的宽度和约7mm的高度的矩形显示面板，视场(FOV)由下式1得到。
式1
Figure BDA0003271769480000101
在上式1中，FOV表示可以通过佩戴者的眼睛在某个时刻看到的图像的虚拟图像的视场，ER表示眼睛10与全息光学元件130之间的直线距离，以及R1表示全息光学元件130的尺寸的一半。R1可以通过上式1获得，以及两倍的R1是为了实现FOV而待记录的全息光学元件的最小尺寸。
式2
Figure BDA0003271769480000102
通过上式2，可以通过ER(其为全息光学元件130与眼睛10之间的距离)和目标视场(FOV)得到待记录的全息光学元件110的最小尺寸(两倍的Rl)。
通过图4的(a)中示出的光，可以获得下式3。
式3
Figure BDA0003271769480000103
在上式3中，L1表示第一透镜120与虚拟透镜131之间的距离，L2表示第一透镜120与显示源110之间的距离，PD表示虚拟透镜131与显示源110之间的距离(L1+L2)，以及PS表示显示源110的水平距离。
通过上式3，第一透镜120与虚拟透镜131之间的距离可以推导为L1＝PD/{(1+PS)/2·R1}，以及第一透镜120与显示源110之间的距离可以推导为L2＝PD-L1。
此外，当FL1表示虚拟透镜131的焦距以及FL2表示第一透镜120的焦距时，可以通过将它们代入透镜公式来获得下式4和5。
式4
Figure BDA0003271769480000104
式5
Figure BDA0003271769480000111
通过上式4和5，待记录在全息光学元件130上的焦距FL1和第一透镜120(其另外布置在显示源110与全息光学元件130之间以扩大视场)的焦距FL2可以通过下式6和7得到。
式6
Figure BDA0003271769480000112
式7
Figure BDA0003271769480000113
在本发明的一个实施方案中，参照下表1，在将佩戴者的眼睛10与全息光学元件130之间的直线距离ER设定为21.0mm，虚拟透镜131与显示源110之间的距离PD(L1+L2)设定为60.0mm，显示源110的水平距离PS设定为10.0mm，以及视场(FOV)设定为35.0°的条件下，可以通过上式1至5如表1中所示得到全息光学元件的最小尺寸的一半R1、第一透镜120与虚拟透镜131之间的距离L1、第一透镜120与显示源110之间的距离L2、待记录在全息光学元件130上的焦距FL1、和第一透镜120(其另外设置在显示源110与全息光学元件130之间以扩大视场)的焦距FL2。设定成具有所得到的五个值的组件可以包括在头戴式显示器中以显示图像。
即，可以实现这样的头戴式显示器：其中待记录在全息光学元件130上的焦距为约13mm，第一透镜120的焦距为约11mm，第一透镜120与全息光学元件130之间的距离L1为约35mm，以及第一透镜120与显示源110之间的距离L2为约25mm。
表1
Figure BDA0003271769480000121
参照图1，根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器100可以以眼镜的形式实现，显示源110和第一透镜120可以形成在眼镜腿(未示出)内部使得显示源110和第一透镜120被布置在佩戴者的眼睛10的横向侧面，以及布置在佩戴者的眼睛10的前面的眼镜透镜(第二透镜)150的一个表面可以涂覆有膜形式的全息光学元件130。来自显示源110的图像显示光可以相对于全息光学元件130的法线或佩戴者的眼睛的视轴以角度θ入射，可以被全息光学元件130衍射，并且可以平行于全息光学元件130的法线或佩戴者的眼睛的视轴入射到佩戴者的眼睛上。例如，在其中眼镜中包括显示源110、第一透镜120、全息光学元件130的结构中，θ可以为约50°。此外，透镜120可以具有约10mm的焦距和约10mm的孔径。此外，全息光学元件130可以具有约20mm至约40mm的尺寸，其可以形成在第二透镜上。图5是用于说明制造包括在根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器中的全息光学元件的一个示意图。图6是用于说明制造包括在根据本发明的一个实施方案的头戴式显示器中的全息光学元件的另一个示意图。
根据本发明的一个实施方案，全息光学元件110可以制造成具有其中相对于全息光学元件的法线以预定角度入射的光以不同于具有同一角度的反射角不同的另一角度反射的衍射效率。具体地，全息光学元件可以被制造成具有其中相对于法线以50°入射的光相对于法线以0°反射的衍射效率。
根据本发明的一个实施方案，全息光学元件110可以被制造成具有通过参照图4描述的上式得到的最小尺寸。
根据本发明的一个实施方案，全息光学元件110可以被制造成使得通过参照图4描述的上式得到的焦距FL1被记录在全息光学元件上。
根据本发明的一个实施方案，传感器单元161可以设置在控制器外部。具体地，传感器单元161可以位于眼镜框上而不是眼镜腿上。如上所述，传感器单元161设置在控制器外部，使得可以简化头戴式显示器的结构并准确地获取佩戴者的身体信息。
根据本发明的一个实施方案，传感器单元161可以设置在眼镜框内部。具体地，传感器单元161可以位于布置在佩戴者的眼睛的前面并朝向佩戴者的眼睛所处的眼镜框内部。如上所述，传感器单元161被设置成在位于佩戴者的眼睛的前面的眼镜框内部朝向佩戴者的眼睛，使得可以准确地测量和/或获取佩戴者的身体信息。
根据本发明的一个实施方案，控制单元163和/或操作单元165可以位于眼镜腿内部。如上所述，控制单元163和/或操作单元165被设置在与佩戴者的眼睛的横向侧面对应的眼镜腿内部，使得可以简化头戴式显示器的结构并减少头戴式显示器的重量。
根据本发明的一个实施方案，身体信息可以为选自佩戴者的头部的形状、佩戴者的眼睛的位置、佩戴者的两只眼睛之间的距离及其组合中的一者。具体地，通过传感器单元161获取的身体信息可以为选自佩戴者的头部的形状、佩戴者的眼睛的位置、佩戴者的两只眼睛之间的距离及其组合中的一者，并且均可以在其对应于扩大佩戴者的视场所需的信息时获取。更具体地，身体信息可以包括佩戴者的瞳孔的尺寸、其中佩戴者的膈膜(diaphragm)关闭的状态、眼球在佩戴者的眼睛周围的骨骼处凹陷的深度等。通过根据身体信息来调节全息光学元件130与第一透镜120之间的距离L1和/或第一透镜120与显示源110之间的距离L2，可以基于根据佩戴者变化的身体信息来最大限度地确保视场。
根据本发明的一个实施方案，控制单元163可以计算第一透镜和显示源的预定位置以满足佩戴者的眼睛对于图像的目标视场。具体地，控制单元163可以基于所获取的佩戴者的身体信息来计算第一透镜和显示源的预定位置，操作单元165可以调节第一透镜和显示源的位置，使得可以通过调节全息光学元件130与第一透镜120之间的距离L1和/或第一透镜120与显示源110之间的距离L2基于根据佩戴者变化的身体信息来最大限度地确保视场。
参照图5和图6，根据多个实施方案的全息光学元件110可以通过以下来制造：将光敏材料140布置在透明基底133(例如，玻璃、塑料或眼镜透镜)上，并通过使用以预定角度发射至光敏材料的前表面和后表面的两束相干激光束在光敏材料上记录干涉图案。如图所示，干涉图案可以形成在其中第一激光束的轮廓(以阴影表示)和第二激光束的轮廓(以阴影表示)在光敏材料上彼此重叠的区域中，并且全息光学元件的尺寸可以由重叠区域确定。此外，当如上所述参照图4添加第一透镜120时，计算待记录在全息光学元件110上的焦距FL1，并且将第一激光束开始扩散的点与光敏材料140之间的垂直距离设定为所计算的焦距FL1，使得焦距FL1可以被记录在全息光学元件上。
参照图5，为了制造具有在添加第一透镜120时计算的焦距的全息光学元件，第一激光器发射在与光敏材料140的一个表面以焦距在垂直方向上间隔开的点处开始扩散的锥形光束。此时，第二激光器朝向光敏材料140的另一表面发射圆柱形光束。光敏材料140的其中通过第一激光束与第二激光束的相互作用形成干涉图案的区域可以为全息光学元件，并且确定全息光学元件的尺寸。在这样的情况下，光敏材料140的厚度和曝光时间被不同地记录，使得可以制造具有最大衍射效率的全息光学元件。
参照图6，为了制造由于在添加第一透镜120时计算的短焦距而具有短焦距的全息光学元件，可以使用这样的方法：其中第一激光器发射在与光敏材料140的一个表面以焦距在垂直方向上间隔开的点处开始扩散的锥形光束，以及第二激光器发射在朝向光敏材料140的另一个表面在聚光的同时行进的锥形光束。光敏材料140的其中通过第一激光束与第二激光束的相互作用而形成干涉图案的区域可以为全息光学元件，并且确定全息光学元件的尺寸。在这样的情况下，光敏材料140的厚度和曝光时间被不同地记录，使得可以制造具有最大衍射效率的全息光学元件。
虽然已经关于上述优选实施方案描述了本发明，但在不脱离本公开内容的主题和范围的情况下可以做出各种修正或修改。因此，所附权利要求将包括这样的修正或修改，只要它们属于本发明的主题即可。
[附图标记]
10：佩戴者的眼睛
100：头戴式显示器
110：显示源
111：中间图像
112：虚拟图像
120：第一透镜
130：全息光学元件
131：虚拟透镜
140：光敏材料
150：第二透镜
160：控制器
161：传感器单元
162：控制单元
163：操作单元

Claims (13)

1.一种头戴式显示器，所述头戴式显示器佩戴在佩戴者的头部上以传输图像，所述头戴式显示器包括：
显示源，所述显示源布置在所述佩戴者的眼睛的横向侧面并且被配置成输出图像显示光；
第一透镜，所述第一透镜被配置成将所述图像显示光聚光；
全息光学元件(HOE)，所述全息光学元件布置在所述佩戴者的眼睛的前面并且被配置成将穿过所述第一透镜的所述图像显示光导向所述佩戴者的眼睛；和
控制器，所述控制器被配置成调节所述显示源和所述第一透镜中的至少一者的位置。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述控制器包括：
传感器单元，所述传感器单元布置在所述佩戴者的眼睛的前面并且被配置成获取所述佩戴者的身体信息；
控制单元，所述控制单元被配置成基于所获取的身体信息计算所述第一透镜和所述显示源的预定位置；和
操作单元，所述操作单元布置在所述佩戴者的眼睛的横向侧面并且被配置成将所述第一透镜和所述显示源的位置移动至所述预定位置。
3.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述显示源包括液晶显示面板或有机发光二极管显示面板。
4.根据权利要求1所述的头戴式显示器，还包括：
第二透镜，所述第二透镜布置在所述佩戴者的眼睛的前面并且具有形成在其一个表面上的所述全息光学元件。
5.根据权利要求4所述的头戴式显示器，其中外部光穿过所述第二透镜和所述全息光学元件中的至少一者，并且从面向所述佩戴者的眼睛侧的表面入射到所述佩戴者的眼睛上。
6.根据权利要求4所述的头戴式显示器，其中所述显示源、所述第一透镜、所述第二透镜和所述控制器被安装在眼镜、护目镜和头盔中的至少一者上。
7.根据权利要求6所述的头戴式显示器，其中设置有成对的左显示源和右显示源以分别与所述佩戴者的两只眼睛对应，设置有成对的左第一透镜和右第一透镜以分别与所述佩戴者的两只眼睛对应，设置有成对的左第二透镜和右第二透镜以分别与所述佩戴者的两只眼睛对应，以及设置有成对的左控制器和右控制器以分别与所述佩戴者的两只眼睛对应。
8.根据权利要求6所述的头戴式显示器，其中所述显示源和所述第一透镜布置在眼镜腿内部使得来自所述显示源的图像显示光相对于所述全息光学元件的法线以预定角度倾斜入射。
9.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述第一透镜具有经计算以满足所述佩戴者的眼睛对于所述图像的目标视场的焦距。
10.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中经计算以满足所述佩戴者的眼睛对于所述图像的所述目标视场的焦距被记录在所述全息光学元件上。
11.根据权利要求6所述的头戴式显示器，其中所述传感器单元位于眼镜框内部，以及
所述控制单元和所述操作单元位于眼镜腿内部。
12.根据权利要求2所述的头戴式显示器，其中所述身体信息为选自所述佩戴者的头部的形状、所述佩戴者的眼睛的位置、所述佩戴者的两只眼睛之间的距离及其组合中的一者。
13.根据权利要求2所述的头戴式显示器，其中所述控制单元计算所述第一透镜和所述显示源的所述预定位置以满足所述佩戴者的眼睛对于所述图像的目标视场。
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