CN114442318A - 全息基板引导的头戴式透视显示器和记录***及智能眼镜 - Google Patents
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Abstract
本申请描述了全息基板引导的头戴式透视显示器和记录***及智能眼镜。本申请涉及使用记录的基板引导的全息连续透镜(SGHCL)和在漫射器上产生图像的扫描激光束或具有激光照射的微型显示器的头戴式透视显示器。体积SGHCL的高衍射效率产生虚拟图像的非常高的亮度。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年2月25日提交的共同未决的美国专利申请第16/800,531号的优先权，该美国专利申请通过引用并入本文中。
技术领域
本申请针对单色或全色的头戴式显示器(HMD)，其特征在于体积基板引导的全息反射连续透镜(SGHCL)光学器件包含扫描激光束或具有基于激光的照射的微型显示器。
背景技术
据估计，到2025年，增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和智能眼镜的销售组合收入将接近800亿美元。大约一半的收入与装置的硬件成正比，而光学器件是关键。然而，尽管有如此巨大的需求，但是这种装置仍然难以制造并且缺乏质量。一个原因是传统光学元件仅限于折射和反射定律，这需要笨重的定制光学元件，这些光学元件难以制造成在穿戴者的视野中形成可用的图像。另一个原因是折射光学材料重量重。还有另一个原因是当前装置提供了窄视场。另外的原因是当前装置具有显著的色散、串扰和劣化。另一个原因是基于衍射或全息光学器件的当前设计具有约仅10％至15％的低衍射效率(DE)。这些限制导致装置不令人满意。因此，存在对不能制造和提供质量HMD的问题的有效解决方案的需要，本公开内容解决了该问题。
发明内容
本公开内容涉及一种全息基板引导的头戴式透视显示器，其包括：(a)图像源，该图像源包括扫描激光束或具有基于激光的照射的微型显示器；以及(b)边缘照射的透明基板；以及(c)单体积SGHCL。
在一方面，全息基板引导的头戴式透视显示器包括：(a)图像源，其包括具有基于激光的照射的微型显示器；(b)边缘照射的透明基板，其包括成角度的边缘或折射率匹配的透明棱镜；以及(c)单体积全息透镜，其包括反射SGHCL，该单体积全息透镜的折射率与基板匹配，并且绕穿过SGHCL的中心的垂直对称轴旋转180°；其中，在回放时，入射引导束经历全内反射并且在布拉格条件下撞击SGHCL。
在另一方面，全息基板引导的头戴式显示器具有包括约3mm至6mm的厚度的基板。另一实施方式是基板和棱镜各自包括玻璃、石英、丙烯酸塑料、聚碳酸酯塑料或它们的混合物。又一选项是，基板包括单个板或多个板。再一选项是，基板包括成15°至25°角度的边缘或15°至25°的折射率匹配的棱镜。
在全息基板引导的头戴式显示器的一个实施方式中，微型显示器包括激光照射的单色或RGB(全色)的硅上液晶(LCOS)、数字光处理(DLP)或液晶显示器(LCD)。
在另一个实施方式中，全息基板引导的头戴式显示器具有与观看者的眼睛相对的基板，该基板包括抗反射涂层。在又一个实施方式中，基板包括弯曲的形状。在再一个实施方式中，基板包括处方眼镜。在又一个实施方式中，基板包括由相同材料或不同材料制成的单个体或多个体。在另一个实施方式中，基板包括包含以下的形状：矩形、椭圆形、圆形、泪滴形、六边形、具有圆角的矩形、正方形或它们的混合物。在另一实施方式中，基板的一个或更多个边缘包括光吸收涂层。
在全息基板引导的头戴式显示器的不同实施方式中，微型显示器直接附接至基板或相对于基板包括间隙。
在全息基板引导的头戴式显示器的另一实施方式中，SGHCL包括第一侧和第二侧，该第二侧与第一侧相对；并且其中，在回放时，SGHCL在第一侧上具有衍射束以及在第二侧上具有回放束。在又一个实施方式中，在回放时，SGHCL在同一侧具有衍射束和回放束。
在全息基板引导的头戴式显示器的一个实施方式中，检索到的图像包括单色或RGB(全色)图像。
在另一个实施方式中，全息基板引导的头戴式显示器包括聚焦的、调制的扫描激光束和漫射器。
本文中还包括一种记录体积反射SGHCL的方法，该方法包括：将两个束投射到与基板折射率匹配的全息聚合物上，其中，第一记录束从基板的边缘引导并且会聚到第一焦点，并且第二记录束是发散束，并且其中，两个束都覆盖所述全息聚合物。
记录体积反射SGHCL的方法的另一实施方式，基板与第一矩形块折射率匹配，该第一矩形块具有成角度的边缘或折射率匹配的棱镜；其中，第一记录束使用长焦距透镜来引导并且以在记录点O1中聚焦而会聚，并且第二记录束在由高数值孔径透镜产生的平面中以记录点O2中聚焦而发散；其中，将第二矩形块放置在全息聚合物的下面，以避免引导束从全息聚合物的底表面返回的全内反射，从而避免记录不希望的透射反射基板引导的全息连续透镜；其中，记录会聚束包括与基板和全息聚合物的小于或等于约48°的角度；其中，可靠的引导角度大于约12°；其中，将微型显示器或聚焦的激光束定位在记录会聚束和发散束的等效焦点处；其中，柱面透镜被用于会聚记录束以使像差最小化；其中，调整柱面透镜的位置、倾斜和聚焦以使像差最小化；其中，HMD图像包括来自无限远的虚拟图像；以及其中，会聚束与全息聚合物表面的最小角度包括约14°，并且会聚束与全息聚合物表面的最大角度包括约31°，其中，中心束具有15°至25°的角度。
本申请的HMD具有若干益处和优点。一个益处是虚拟图像的亮度非常高。第二个益处是，当用明亮的阳光或其他光从前方照射时，HMD不会受到眩光。另一个优点是HMD小、外形小并且重量轻。还有一个优点是，存在宽阔的视场(FOV)和较大的出瞳距，使得HMD可以与常规眼镜一起佩戴。还有又一个优点是DE增加到8倍。附加的优点是消除了遍及FOV的颜色变化。另一个优点是，与基于体积全息图的具有小范围接受角的常规全息透镜相比，体积SGHCL接受来自扫描激光束真实图像或基于激光的微型显示器的更宽范围的束角。
附图说明
图1是具有SGHCL和具有RGB激光照射的微型显示器的全色HMD的垂直几何结构的回放设置的一个实施方式的图示。
图2是用于记录具有一个引导的球形会聚束和一个球形发散束的反射RGB SGHCLHMD的设置的图示。
图3示出了用于红色、绿色和蓝色激光波长的混色箱。
图4示出了直接回放的反射RGB SGHCL，其中衍射束与回放束在基板的同一侧。
图5示出了反射RGB SGHCL在入射引导束经历全内反射之后正在被回放的图，其中衍射束在基板的与回放束相对的侧。
图6是用于记录具有两个球形束的反射RGB SGHCL的示例设置的照片，其中在记录反射SGHCL时不使用全息漫射器也不使用柱面透镜。
图7是当记录反射SGHCL时不使用全息漫射器也不使用柱面透镜的用于回放的示例设置的照片。
图8示出了当在记录SGHCL时不使用柱面透镜时在回放时检索到的虚拟图像的像差的图。
图9是反射RGB SGHCL HMD的优化记录设置的图示，该反射RGB SGHCL HMD具有一个引导束和第二束，该一个引导束穿过附加柱面透镜以减少像散，第二束是球形发散束。
图10示出了当使用具有常规漫射器的微型显示器时用柱面透镜记录的由具有SGHCL的HMD检索到的虚拟图像的示例的照片。
图11是具有SGHCL和处方光学器件的智能眼镜的一个实施方式的图示。
具体实施方式
本公开内容涉及具有基于薄全息部件(THC)的体积(厚)SGHCL和扫描激光束或具有基于激光的照射的微型显示器的HMD。可以使用微型显示器或可以将其替换为聚焦的调制扫描激光束，该聚焦调制扫描激光束在漫射器上绘制高分辨率的真实图像。HMD可以是全色(RGB)或单色的，其中针对单色输入单个激光波长，针对全色输入三色(RGB)激光束。
在一个实施方式中，全息基板引导的头戴式透视显示器包括：(a)图像源，其包括在漫射器上绘制真实图像的聚焦的、调制的、扫描激光束或放置在漫射器平面中的具有基于激光的照射的微型显示器；(b)边缘照射的透明基板；以及(c)单体积反射SGHCL。SGHCL是与基板折射率匹配的。
在另一实施方式中，全息基板引导的头戴式透视显示器包括：(a)图像源，其包括在漫射器上绘制真实图像的聚焦的调制扫描激光束或者放置在该平面的具有基于激光的照射的微型显示器；(b)边缘照射的透明基板，其包括成角度的边缘或折射率匹配的透明棱镜；以及(c)体积全息连续透镜，其包括反射基板引导的全息连续透镜(SGHCL)，该基板引导的全息连续透镜的折射率与基板匹配，并且绕穿过SGHCL的中心的垂直对称轴旋转180°；其中，在回放时，入射引导束经历全内反射并且在布拉格条件下撞击SGHCL。在该实施方式中，对眼睛的衍射发生在与微型显示器附近的基板侧相对的基板侧。
图1示出了具有体积RGB SGHCL的HMD的回放设置10的示例，该HMD具有微型显示器12，微型显示器12具有垂直几何结构的基于激光的RGB照射。微型显示器12可以是单色或全色的激光照射的前发光LCOS、DLP或具有激光背光的LCD。基板18是完全透明的以提供宽的透视FOV，并且可以由多种材料制成，例如玻璃、石英、丙烯酸塑料、聚碳酸酯塑料或它们的混合物。基板18可以是单板或多板，并且可以具有各种形状，包括矩形、椭圆形、圆形、泪滴形、六边形、具有圆角的矩形、正方形或它们的混合。基板18的与眼睛相对的侧可以涂覆有抗反射(AR)涂层以改善透视透射。如在处方眼镜中一样，基板18也可以是弯曲的以矫正不良的视力。可以将具有低折射率的凹玻璃的薄层附接至基板18的底部，以使其与处方眼镜兼容。对于n＝1.49的SGHCL 16，该层的折射率应当为n＝1.35，以在25°产生全内反射(TIR)。基板18的厚度可以在约3mm至6mm的范围内，但是如果需要可以更厚。基板18可以由单个单一体制成，或者可以包括由相同或不同透明材料制成的多个体。基板18的一些边缘也可以涂覆有光吸收涂层，例如黑色涂料。基板18也可以包含色料或染料。
基板18可以在一端成角度，或者还可以包括在回放时与基板18的端部折射率匹配的楔形棱镜14。成角度的边缘或附接的楔形棱镜14用于使从玻璃中的空气折射的束的像差最小化，并且可以根据回放角度、基板18的厚度以及SGHCL 16的尺寸在15°至25°之间变化。棱镜14可以是三角棱镜或梯形棱镜。棱镜14可以由多种材料制成，例如玻璃、石英、丙烯酸塑料、聚碳酸酯塑料或其混合物。棱镜14可以是与基板18相同的材料和/或成分，或者可以与基板18不同。
RGB激光照射的微型显示器12被定位成与基板18的成角度边缘或楔形棱镜14的表面平行，使得来自微型显示器12的中心束垂直于基板边缘18，从而还使折射像差最小化。微型显示器12可以直接附接至基板18，或者在微型显示器12与基板18之间可以存在间隙。该间隙允许微型显示器12沿光轴的调整，以聚焦虚拟图像并且以改变其外观像平面。在另一实施方式中，微型显示器12可以是单色微型显示器。
RGB SGHCL 16层压到基板18面向观看者眼睛的表面上。SGHCL 16可以覆盖一层约100um的薄玻璃以进行保护，并且该玻璃可以被AR涂覆以改善透射。在基板18的顶部上具有微型显示器12的回放几何结构利用具有图像纵横比为16:9的高清多媒体接口(HMDI)分辨率。如所示定位，这与3mm的基板18厚度和尺寸为5.16mm×3mm的微型显示器12相关。使用反射体积SGHCL，因为它的角度选择性远低于透射体积全息的角度选择性。
具有SGHCL的HMD的FOV可以比具有常规SGH光学器件的HMD的FOV大得多。同样，因为仅使用一个全息，所以具有SGHCL的RGB HMD比具有常规SGH的RGB HMD小得多且更轻。HMD可以是单色或全色。此外，HMD可以是单目、双目单筒或双目双筒的。当从前方照射时，具有SGHCL光学器件的HMD不会受到眩光，因为衍射光耦入到基板中并且不会到达眼睛。RGB HMD中的反射SGHCL如果旋转180°，则可以用作透射，同时保留反射全息图的优点，并且提供设计的灵活性和较大的出瞳距，因此可以在HMD下面佩戴常规眼镜。此外，此处，DE可以成倍地增加，直到高出约8倍。此外，由于高DE，FOV中没有色移且功耗低。
图2示出了对于具有记录点O1和记录点O2的反射RGB SGHCL的一个实施方式的具有两个球形束的记录***30的示例。使用长聚焦透镜32将一个记录RGB束会聚聚焦在点O1。另一RGB束以在由具有大数值孔径(F#＜1)的透镜44产生的点O2中聚焦而发散，以产生大FOV。两个束都应当覆盖薄的全息聚合物34，全息聚合物34被层压到与玻璃块42折射率匹配的玻璃基板40。为了全息图记录时的方便性和稳定性，可以使用约1mm的玻璃基板，并且在回放时可以消除该玻璃基板。15°至25°的楔形棱镜38在玻璃块42的与附接有基板40的侧相邻的侧上附接至玻璃块42。在一个实施方式中，使用20°楔形棱镜。将第二玻璃块36放置在全息聚合物34的下面，以避免束从全息聚合物34的底表面反射回来。为了经历TIR并且被引导，记录束可以与其中层压有全息聚合物34的玻璃基板40表面成不大于48°的角度，因为空气与玻璃之间边界的TIR角约为42°。与层压了全息聚合物34的玻璃基板40表面的最小角度不应当太小(<12°)，因为即使玻璃与全息聚合物之间的折射率的微小差异也会使浅引导束的传播成为问题，特别是考虑到全息材料的折射率在记录之前和之后略有不同(Δn～0.03)。引导束在记录和回放期间都应当可靠地传播。对于使用平均折射率n～1.48的全息材料，可靠的引导角应当>12°。在该示例中，球形引导束的中心束与全息聚合物表面的角度为20°并且使用附接至玻璃块42的楔形20°棱镜38以使记录从空气折射到玻璃中的球形束的像差最小化。在会聚束的介质中的最小角度和最大角度分别为14°和26°。选择使用大数值孔径(NA)透镜44产生的发散束的角度α以在回放时产生所需的FOV。
图3示出了用于产生用于全息图记录的RGB激光束的混色箱。混色箱包含各种镜，它们反射并合并彩色激光。如上所述，光将被引导到透镜32和透镜44。如图4和5所示，在记录并且处理该反射SGHCL之后，将对其进行回放。
图4示出了直接回放的记录的反射RGB SGHCL设置50。设置包括微型显示器52、玻璃基板54和附着至玻璃基板54的全息物(hologram)56。在回放时，衍射光束与来自微型显示器52束的回放束在玻璃基板54的同一侧，该微型显示器52束在布拉格条件下撞击厚反射SGHCL并且衍射到观看者的眼睛。
在图5中，回放设置70包括处方眼镜凸部分72、微型显示器74和玻璃基板80，微型显示器74和处方眼镜72附接至玻璃基板80。微型显示器74附接至玻璃基板80的一侧。全息物78附接至玻璃基板80的与附接处方眼镜72的表面不同的表面。具有低折射率的处方眼镜的凹部分76也附接至玻璃基板80的底部。微型显示器74和观察者的眼睛在全息物78的相对侧。反射RGB SGHCL绕穿过SGHCL的中心并垂直于SGHCL的侧面的对称轴旋转180°，以作为透射工作。图的左侧是放大的片段，其示出了回放束的一个光线经历TIR并且从SGHCL条纹反射。回放引导束撞击到不在布拉格处的SGHCL上，经历全内反射，然后它们处于布拉格，并且高效地向下衍射到眼睛。在回放时，SGHCL具有在SGHCL的不同侧的衍射束和回放束。此处，反射SGHCL用作透射。此外，出瞳距增加了几毫米，几乎是玻璃基板的厚度除以玻璃折射率。与透射全息图相比，由于较高波长选择性，反射SGHCL有助于增加FOV。
图6示出了用532nm激光束记录反射单色SGHCL的设置的图片。遵循图2的示意图以构建单色记录全息设置。将用于记录SGHCL的全息聚合物1层压在1mm基板2上，该基板2与玻璃块3折射率匹配。将20°棱镜5放置在玻璃块3的一端处。玻璃块4与全息聚合物1相对放置，以排除来自全息物的外侧的会聚引导束的TIR并且避免记录不希望的透射基板引导的全息图。
为了回放，使用与记录会聚束共轭的激光束相位。与图2所示的记录点O1相比，微型显示器被放置得更靠近所记录的SGHCL。通过将微型显示器定位为更靠近SGHCL，微型显示器的所有场点都在布拉格条件下符合所记录的SGHCL，因为微型显示器在垂直方向上定位的整个区域被记录束覆盖。由于从距离D1到更靠近SGHCL的该偏移，由厚全息图接受的来自微型显示器的沿布拉格退化方向的场点的束的角度范围增加。此外，当会聚到点O1的束与从点O2发散的束发生干涉时，检索到的束将变得准直，在所产生的条纹上进行衍射。与通常用一个准直束和另一球形束记录的常规全息透镜相比，这是连续透镜的显著优点。为了创建准直的检索到的束，将微型显示器放置在距SGHCL的距离FEQV处，满足下式(1)：
1/FEQV＝1/D1+1/D2 (1)
其中，D1和D2在图2中示出，并且FEQV是所记录的SGHCL的等效焦点。微型显示器的放大虚拟图像来自无限远，其中虚拟图像的每个点由准直束形成。当回放点源从O1中的位置移动到等效焦点FEQV的位置时，产生准直光束。
取决于微型显示器图像的纵横比，可以将微型显示器放置在符合SGHCL的记录布拉格平面的玻璃基板的水平边缘或垂直边缘。对于垂直图像尺寸几乎是水平尺寸的1/2倍的HDMI分辨率16(H)：9(V)，将微型显示器放在玻璃基板的顶部。这将确保最大的垂直FOV(基于布拉格角度选择性)和相当薄的基板(基于最小引导角)。SGHCL不会显著地限制水平FOV，因为角度选择性在非布拉格退化方向上低得多。根据HMD的几何形状以及通过移动微型显示器来调整聚焦的必要性，如图4和图5所示，可以将微型显示器直接附接至波导，或者如图1所示，在微型显示器与波导之间可以存在间隙，从而允许动态调整聚焦。
图7是基于图1所示的几何形状的回放设置的图片，用于使用具有黑白线对的不同空间频率的USAF分辨率测试目标来测试所记录的SGHCL。示出了具有SGHCL 8的玻璃基板9，其中，20°楔形棱镜10附接至基板9。保持器11附接至楔形棱镜10。束照射USAF目标，并且穿过楔形件行进到玻璃基板中，并且穿过SGHCL耦出，其中，获取到的衍射束由观看者的眼睛看到，并且可以用摄像装置捕获。
然而，检索到的虚拟图像显著地失真。图8示出了在SGHCL 96的记录时未使用柱面透镜的情况下的回放90时的像差。由于SGHCL 96相对于来自微显示器94束的入射的显著倾斜，来自靠近SGHCL 96的场点的束衍射为发散的，而来自远离SGHCL 96的场点的束衍射为会聚的。这些像差通过将柱面透镜添加至记录设置100来进行校正，如图9所示。
图9示出了对于具有记录点O1和记录点O2的反射RGB SGHCL的一个实施方式的具有两个束的记录***100的示例。一个记录RGB束使用长焦距球形消色差透镜106在在垂直平面中会聚聚焦在点O1，该透镜106具有在该平面中没有变化地进入并通过柱面透镜104的准直束102。而在水平平面中，束聚焦在点O1之前，柱面透镜束在水平平面中聚焦的一个位置在图9中用竖直虚线表示。这种布置消除了像散的存在。另一RGB束以在由具有大数值孔径(F#＜1)的透镜110产生的点O2中聚焦而发散，以产生大FOV。在一个实施方式中，透镜为40X和0.65数值孔径(NA)。两个束都应当覆盖薄的全息聚合物108，该全息聚合物被层压到与玻璃块120折射率匹配的玻璃基板116。为了全息图记录时的方便性和稳定性，可以使用约1mm的玻璃基板，并且在回放时可以去除该玻璃基板。15°至25°的楔形棱镜114在玻璃块120的与附接有基板116的侧相邻的侧上附接至玻璃块120。在一个实施方式中，使用20°楔形棱镜来使记录球形束从空气到玻璃中的折射的像差最小化。将第二玻璃块122放置在全息聚合物108的下面，以避免束从全息聚合物108的底表面反射回来。为了经历TIR并且被引导，记录束可以与其中层压有全息聚合物108的玻璃基板116表面成不大于48°的角度，因为空气与玻璃之间边界的TIR角约为42°。与全息聚合物108层压至其的玻璃基板表面的最小束角度不应当太小(<12°)，因为即使玻璃与全息聚合物之间的折射率的微小差异也会使浅引导束的传播成为问题，特别是考虑到全息材料的折射率在记录之前和之后略有不同(Δn～0.03)。引导束在记录和回放期间都应当可靠地传播。对于使用平均折射率n～1.48的全息材料，可靠的引导角应当>12°。在该示例中，球形引导束的中心束与全息聚合物表面的角度为20°，并且楔形20°棱镜114附接至玻璃块120。会聚束的介质中的最小角度和最大角度分别为14°和26°。选择使用大NA透镜110产生的发散束的角度α以在回放时产生所需的FOV。回放时的微型显示器位置以虚线示出。
在图10中示出了利用采用自动校正功能的摄像装置捕获的由具有SGHCL的HMD检索到的虚拟图像的示例。可以通过实现产生所需的预失真记录波前的加工的全息图，以及通过使微型显示图像预失真来消除现有像差。虚拟图像的估计FOV为>40°为>40°，眼动盒(eyebox)>10mm，并且出瞳距>20mm，这对于HMD是适当的。这是使用单个全息图在HMD中实现的最大FOV的示例。在回放时，由于后曝光处理中全息图收缩，所以应当调整激光波长，并且在布拉格中的回放波长应当短几纳米。图10中的一些图像模糊性可能是来自摄像装置对虚拟图像的聚焦不准确，但虚拟图像分辨率的显著降低是由用于产生眼动盒或出瞳扩展(EPE)的漫射器的粒度引起的。通过实现粒度较小的漫射器，可以显著提高分辨率。
图11示出了使用SGHCL的智能眼镜160的局部视图的示例。扫描聚焦激光束的特征在于位于与SGHCL 164相距FEQV距离的漫射器174的平面中的实像。在另一实施方式中，激光束聚焦至定位在距SGHCL 164的等效焦点处并且直接附接至基板的成角度的边缘或定位在几毫米的一定距离处的漫射器以实现更好的聚焦。显示器包括高折射率基板，该高折射率基板与处方眼镜光学器件162和吸收层176集成，从而防止激光束泄漏到空气中，以及使光从空气耦合到玻璃基板中，然后作为不希望的眩光耦出到眼睛。SGHCL 164被成型在处方玻璃透镜162的内部，以用于视力受损的用户。控制电子设备、微型三色激光投影仪、耳机和电池172包含在智能眼镜160的侧臂170内。扫描仪168位于电池172中包括的激光器附近，并且此处未单独显示。在侧臂170内存在与扫描仪168相邻的转向镜166，它们二者都包含在处方玻璃透镜162旁边。转向镜166将激光束重定向至漫射器174，因此它以使像差最小化的角度(通常接近法线)撞击漫射器174，并且作为以布拉格角撞击SGHCL 164的引导束进入基板。SGHCL 164和处方玻璃透镜162的体的折射率具有差异以满足边界上的TIR条件。这些智能眼镜160可以是单目、双目单筒或双目双筒的。智能眼镜将以小于约100克的重量如常规处方眼镜舒适地佩戴在面部上。整个组件基板/处方光学器件/SGHCL是高度透明的。为了最高的透明度，可以对外侧进行防反射涂覆或着色。在图11中仅描绘了框架的右侧。对于双目双筒HMD，左侧是所描绘的右侧的镜。对于单目HMD，左侧没有电子设备、激光投影仪和全息物，并且仅包含电池，这将减轻眼镜的总重量。
本发明的各个方面可以以如下方式实施：
1.一种全息基板引导的头戴式透视显示器，包括：
(a)图像源，所述图像源包括扫描激光束或具有激光照射的微型显示器；
(b)边缘照射的透明基板，以及；
(c)单体积基板引导的全息连续透镜。
2.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中：
(a)所述图像源包括具有基于激光的照射的微型显示器；
(b)所述边缘照射的透明基板包括成角度的边缘或折射率匹配的透明棱镜，以及；
(c)所述单体积基板引导的全息连续透镜包括反射基板引导的全息连续透镜，所述反射基板引导的全息连续透镜与所述基板折射率匹配，并且所述反射基板引导的全息连续透镜绕穿过所述基板引导的全息连续透镜的中心的垂直对称轴旋转180°；
其中，在回放时，入射引导束经历全内反射并且在布拉格条件下撞击所述基板引导的全息连续透镜。
3.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括约3mm至6mm的厚度。
4.根据2所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板和所述棱镜各自包括玻璃、石英、丙烯酸塑料、聚碳酸酯塑料或它们的混合物。
5.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括单板或多板。
6.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括成15°-25°角度的边缘或15°-25°的折射率匹配的棱镜。
7.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述微型显示器包括激光照射的单色或RGB(全色)硅上液晶微型显示器、数字光处理微型显示器或液晶显示器。
8.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板的与观看者的眼睛相对的侧包括抗反射涂层。
9.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括弯曲的形状。
10.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括处方眼镜。
11.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括由相同材料或不同材料制成的单个体或多个体。
12.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板的一个或更多个边缘包括光吸收涂层。
13.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述微型显示器直接附接至所述基板或相对于所述基板包括间隙。
14.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板引导的全息连续透镜包括第一侧和第二侧，所述第二侧与所述第一侧相对；并且其中，在回放时，所述基板引导的全息连续透镜在所述第一侧上具有衍射束以及在所述第二侧上具有回放束。
15.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，在回放时，所述基板引导的全息连续透镜在同一侧上具有衍射束和回放束。
16.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括包含以下的形状：矩形、椭圆形、圆形、泪滴形、六边形、具有圆角的矩形、正方形或它们的混合物。
17.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，检索到的图像包括单色图像或RGB(全色)图像。
18.根据1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，包括聚焦的、调制的扫描激光束和漫射器。
19.一种记录体积反射基板引导的全息连续透镜的方法，所述方法包括：将两个束投射到折射率与基板匹配的全息聚合物上，其中，第一记录束从所述基板的边缘引导并且会聚到第一焦点，并且第二记录束是发散束，并且其中，两个束都覆盖所述全息聚合物。
20.根据19所述的记录所述体积反射基板引导的全息连续透镜的方法，其中，所述基板与第一矩形块是折射率匹配的，所述第一矩形块具有成角度的边缘或折射率匹配的棱镜；
其中，第一记录束使用长焦距透镜来引导并且以在记录点O1中聚焦而会聚，并且第二记录束以在由高数值孔径透镜产生的平面中的焦点O2而发散；
其中，将第二矩形块放置在所述全息聚合物的下面，以避免引导束从所述全息聚合物的底表面返回的全内反射，从而避免记录不希望的透射基板引导的全息连续透镜；
其中，所述记录会聚束包括与所述基板和所述全息聚合物的小于或等于约48°的角度；
其中，可靠的引导角度大于约12°；
其中，将微型显示器或聚焦的激光束定位在所述记录会聚束和所述发散束的等效焦点处；
其中，柱面透镜被用于所述会聚记录束以使像差最小化；
其中，调整所述柱面透镜的位置、倾斜和聚焦以使像差最小化；
其中，HMD图像包括来自无限远的虚拟图像；以及
其中，会聚束与全息聚合物表面的最小角度包括约14°，并且所述会聚束与所述全息聚合物表面的最大角度包括约31°，其中，中心束具有15°至25°的角度。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本申请主题的替选实施方式对于本发明所属领域的普通技术人员将是明显的。应当理解，不意图或推定对关于在此示出的特定实施方式的限制。
Claims (22)
1.一种全息基板引导的头戴式透视显示器，包括：
(a)图像源，所述图像源包括扫描激光束或具有激光照射的微型显示器；
(b)边缘照射的透明基板；
(c)单体积基板引导的全息连续透镜；以及
(d)漫射器；
其中，所述扫描激光束在所述漫射器上产生图像，并且
其中，在回放时，入射引导束经历全内反射并且在布拉格条件下撞击所述基板引导的全息连续透镜。
2.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中：
(a)所述图像源包括具基于激光的照射的微型显示器；
(b)所述边缘照射的透明基板包括成角度的边缘或折射率匹配的透明棱镜；以及
(c)所述单体积基板引导的全息连续透镜包括反射基板引导的全息连续透镜，所述反射基板引导的全息连续透镜的折射率与所述基板匹配，并且绕穿过所述基板引导的全息连续透镜的中心的垂直对称轴旋转180°。
3.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括约3mm至6mm的厚度。
4.根据权利要求2所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板和所述棱镜各自包括玻璃、石英、丙烯酸塑料、聚碳酸酯塑料或它们的混合物。
5.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括单板或多板。
6.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括成15°-25°角度的边缘或15°-25°的折射率匹配的棱镜。
7.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述微型显示器包括激光照射的单色或RGB全色硅上液晶微型显示器、数字光处理微型显示器或液晶显示器。
8.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板的与观看者的眼睛相对的侧包括抗反射涂层。
9.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括弯曲的形状。
10.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括处方眼镜。
11.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括由相同材料或不同材料制成的单个体或多个体。
12.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板的一个或更多个边缘包括光吸收涂层。
13.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述微型显示器直接附接至所述基板或相对于所述基板包括间隙。
14.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板引导的全息连续透镜包括第一侧和第二侧，所述第二侧与所述第一侧相对；并且其中，在回放时，所述基板引导的全息连续透镜在所述第一侧上具有衍射束以及在所述第二侧上具有回放束。
15.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，在回放时，所述基板引导的全息连续透镜在同一侧上具有衍射束和回放束。
16.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，所述基板包括包含以下的形状：矩形、椭圆形、圆形、泪滴形、六边形、具有圆角的矩形、正方形或它们的混合。
17.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，其中，检索到的图像包括单色图像或RGB全色图像。
18.根据权利要求1所述的全息基板引导的头戴式透视显示器，包括聚焦的、调制的扫描激光束和漫射器。
19.一种记录体积反射基板引导的全息连续透镜的方法，所述方法包括：将两个束投射到折射率与基板匹配的全息聚合物上，其中，第一记录束从所述基板的边缘引导并且会聚到第一焦点，并且第二记录束是发散束，并且其中，两个束都覆盖所述全息聚合物。
20.根据权利要求19所述的记录体积反射基板引导的全息连续透镜的方法，其中，所述基板是与第一矩形块折射率匹配的，所述第一矩形块具有成角度的边缘或折射率匹配的棱镜；
其中，第一记录束使用长焦距透镜来引导并且以在记录点O1中聚焦而会聚，并且第二记录束以在由高数值孔径透镜产生的平面中的焦点O2发散；
其中，将第二矩形块放置在所述全息聚合物的下面，以避免引导束从所述全息聚合物的底表面返回的全内反射，从而避免记录不希望的透射基板引导的全息连续透镜；
其中，所述记录会聚束包括与所述基板和所述全息聚合物的小于或等于约48°的角度；
其中，可靠的引导角度大于约12°；
其中，将微型显示器或聚焦的激光束定位在所述记录会聚束和所述发散束的等效焦点处；
其中，柱面透镜被用于所述会聚记录束以使像差最小化；
其中，调整所述柱面透镜的位置、倾斜和聚焦以使像差最小化；
其中，HMD图像包括来自无限远的虚拟图像；以及
其中，会聚束与全息聚合物表面的最小角度包括约14°，并且所述会聚束与所述全息聚合物表面的最大角度包括约31°，其中，中心束具有15°至25°的角度。
21.一种用于反射RGB基板引导的全息连续透镜的记录***，包括：
a)玻璃基板；
b)层压至所述玻璃基板上的薄的全息聚合物；
c)附接至所述全息聚合物的第一玻璃块，其中所述第一玻璃块的折射率与所述玻璃基板匹配；
d)楔形棱镜，所述楔形棱镜在所述第一玻璃块的与所述玻璃基板相邻的一侧上附接至所述第一玻璃块；
e)附接至所述楔形棱镜的长焦距球形消色差透镜；
f)在所述球形消色差透镜附近的柱面透镜；
g)附接至所述玻璃基板的第二玻璃块；
h)在所述第二玻璃块附近的具有大数值孔径的透镜；以及
i)两个准直的RGB记录束，其中，使用所述长焦距球形消色差透镜使第一记录束在垂直平面中在点O1中聚焦而会聚，这消除了像散；其中，第二RGB记录束以在由具有大数值孔径的透镜产生的O2点中聚焦而发散。
22.一种智能眼镜，包括：
a)具有两个侧臂的框架；
b)在一侧具有吸收层的处方透镜；
c)在所述侧臂内的电池；
d)在所述侧臂内的耳机；
e)位于所述侧臂内的激光投影仪，用于投射激光束；
f)在所述侧臂内的扫描仪；
g)在所述框架内的转向镜，用于重定向所述激光束的路径；
h)与所述处方透镜相邻的漫射器；以及
i)与所述处方透镜集成的基板引导的全息连续透镜；
其中，具有图像的所述漫射器用作图像源。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US17/091,493 US20210263319A1 (en) | 2020-02-25 | 2020-11-06 | Head-mounted display with volume substrate-guided holographic continuous lens optics |
| US17/091,493 | 2020-11-06 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114442318A true CN114442318A (zh) | 2022-05-06 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110320112.5A Pending CN114442318A (zh) | 2020-11-06 | 2021-03-25 | 全息基板引导的头戴式透视显示器和记录***及智能眼镜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114442318A (zh) |
-
2021
- 2021-03-25 CN CN202110320112.5A patent/CN114442318A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220506 |