CN118103753A - 具有中间焦点的弯曲透视光导 - Google Patents

Abstract

一种头戴式显示器包括微显示器，该微显示器被配置成发射表示图像的光并将所发射的光提供给光学中继器，该光学中继器被包括在头戴式显示器中。光学中继器被配置成将由微显示器发射的图像放大预定倍数，使得在头戴式显示器的弯曲光导中形成基于放大图像的中间图像。然后，中间图像由弯曲光导提供给光学输出***，该光学输出***被包括在弯曲光导中或以其他方式耦合到弯曲光导。然后，光学输出***将中间图像的至少一部分提供给用户的眼睛。

Description

具有中间焦点的弯曲透视光导

背景技术

可穿戴电子眼部穿戴(eyewear)设备包括光学***，该光学***放大显示图像并将虚拟图像传送到用户的视场(FOV)中。在某些情况下，可穿戴电子眼部穿戴设备还允许用户透过透镜或透视(see-through)目镜看到外面的世界。一些可穿戴电子眼部穿戴设备结合了近眼光学***来向用户显示内容。这些设备有时称为头戴式显示器(HMD)。例如，传统的HMD设计包括位于头部穿戴式框架(就像一副传统的眼镜一样)的镜腿或边沿区域的微显示器。微显示器生成图像，诸如计算机生成图像(CGI)，这些图像通过光学元件(诸如部署在头部穿戴式显示器框架的透镜(或“光学组合器”)中的弯曲光导)传送到用户的视场中。因此，可穿戴电子眼部穿戴设备可以作为实现增强现实(AR)或混合现实(MR)的硬件平台。增强现实的不同模式包括光学透视增强现实、视频透视增强现实或不透明(VR)模式。

附图说明

通过参考附图，本公开可以被更好地理解，并且其众多特征和优点对于本领域技术人员来说变得显而易见。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。

图1和图2一起示出了根据一些实施例的采用光学组合器的头戴式显示器(HMD)，通过该光学组合器显示由HMD投影的图像。

图3是示出根据一些实施例的用于在光导中创建中间图像的示例过程的框图。

图4是示出根据一些实施例的用于在弯曲光导中形成中间图像的光学***的图。

图5是示出根据一些实施例的包括部分反射镜输出耦合器的光学输出***的图。

图6是示出根据一些实施例的包括回射器的光学输出***的图。

图7是示出根据一些实施例的包括楔形输出耦合器的光学输出***的图。

发明内容

本文描述的技术和***涉及在弯曲光导中形成中间图像。根据示例实施例，头戴式显示器可以包括微显示器，所述微显示器被配置成发射表示图像的光。另外，所述头戴式显示器可以包括光学中继器，所述光学中继器被配置成接收表示图像的光并将所述光提供给弯曲光导，使得基于所述图像的中间图像形成在所述弯曲光导中。此外，所述弯曲光导可以被配置成输出基于所述中间图像的光。

所述头戴式显示器可以进一步包括光学输出***，所述光学输出***被配置成接收基于所述中间图像的光并将基于所述中间图像的光朝向光学组合器的透镜反射。所述光学输出***可以包括例如回射器(retroreflector)，所述回射器被配置成接收基于所述中间图像的光并将基于所述中间图像的光反射回所述弯曲光导的一部分。此外，例如，光学输出***可以包括楔形输出耦合器。这种楔形输出耦合器可以包括设置在所述楔形输出耦合器的表面上的反射性光学涂层。另外，例如，所述光学输出***可以包括部分反射镜输出耦合器，所述部分反射镜输出耦合器被配置成将基于所述中间图像的光朝向所述光学组合器的所述透镜反射。此外，所述光学中继器可以被配置成将所述图像放大预定倍数。

所述头戴式显示器的所述光导可以包括一个或多个自由形状表面。此外，所述头戴式显示器可以包括F光阑，所述F光阑被配置成过滤表示图像的光的至少一部分。而且，所述中间图像可以基于表示图像的光的经过滤的至少一部分。

在另一个示例性实施例中，光导可以包括具有光学中继器的输入耦合器，所述光学中继器被配置成将从微显示器发射的且表示图像的光中继到所述光导的一部分，使得基于所述图像的中间图像形成在所述光导的所述一部分中的预定位置处。另外，所述光导可以包括第一非平面主表面和第二非平面主表面，所述第一非平面主表面和所述第二非平面主表面被配置成反射从所述输入耦合器接收的光并将所述光提供给光学输出***，所述光学输出***被配置成输出基于所述中间图像的光。

此外，所述光学中继器可以被配置成将所述图像放大预定倍数。所述光学输出***可以例如包括部分反射镜输出耦合器，所述部分反射镜输出耦合器被配置成朝向用户的眼睛输出基于所述中间图像的光。另外，所述光学输出***可以例如包括楔形输出耦合器。所述楔形输出耦合器可以包括设置在所述楔形输出耦合器的表面上的反射性光学涂层。而且，所述光学输出***可以例如包括回射器，所述回射器被配置成接收基于所述中间图像的光并将基于所述中间图像的光反射回所述光导的第二部分。所述光学输出***可以被包括在所述光导内。

另外，所述输入耦合器可以包括一个或多个自由形状表面。而且，从所述微显示器发射的且表示图像的光的至少一部分可以被F光阑过滤。所述中间图像可以基于从所述微显示器发射的且表示图像的光的经过滤的至少一部分。

在另一示例实施例中，一种方法可以包括通过微显示器发射表示图像的光。此外，所述方法可以包括在光学中继器处接收表示图像的光，并通过所述光学中继器将所述光提供给弯曲光导，使得基于所述图像的中间图像形成在所述弯曲光导中。

另外，所述方法可以包括通过所述光导将基于所述中间图像的光输出到光学输出***，所述光学输出***被配置成接收基于所述中间图像的输出光并将所述输出光朝向光学组合器的透镜反射。所述光学输出***可以包括例如回射器，所述回射器被配置成接收基于所述中间图像的光并将基于所述中间图像的光反射回所述弯曲光导的一部分。此外，所述光学输出***可以包括例如楔形输出耦合器。所述楔形输出耦合器可以包括设置在所述楔形输出耦合器的表面上的反射性光学涂层。另外，所述光学输出***可以包括例如部分反射镜输出耦合器，所述部分反射镜输出耦合器被配置成将基于所述中间图像的光反射到用户的眼睛。

此外，所述方法可以包括通过所述光学中继器将所述图像放大预定倍数。此外，所述弯曲光导可以包括一个或多个自由形状表面。另外，所述方法可以包括通过F光阑过滤表示图像的光的至少一部分。所述中间图像可以基于表示图像的光的经过滤的至少一部分

具体实施方式

头戴式显示器(HMD)潜在地具有多种实际和休闲应用，但是可穿戴电子显示器设备的开发和采纳一直受到用于实现现有显示器设备的光学***的光学、美学、制造工艺、厚度、视场和处方透镜限制所带来的约束。例如，传统设计的几何形状和物理约束导致显示器具有相对较小的FOV和相对较厚的光学组合器。

此外，虽然HMD的光学性能是其设计中的重要因素，但用户也非常关心可穿戴设备的美观性。独立于其性能限制，许多传统的可穿戴平视显示器一直难以在消费市场中找到吸引力，因为(至少部分原因是)它们缺乏时尚吸引力。一些可穿戴HMD在平面的透明组合器中采用平面(平坦)光导，并且因此与典型曲面眼镜和太阳镜镜片的更时尚且更流线型的外观相比，这些可穿戴HMD在用户脸上显得非常笨重且不自然。因此，期望将曲面透镜与光导集成在可穿戴平视显示器或眼部穿戴中，以便实现眼镜和太阳镜框架业界所期望的形状因数和时尚吸引力。

在设计HMD时，设计和重量考虑有利地建议薄的光学组合器(例如，在本文描述的一些实施例中约为2mm的量级)和最小光学元件数量。这些考虑意味着光学像差校正以及图像质量方面的挑战。例如，由于这些光学组合器的几何形状、功率和物理约束，在输出耦合光中出现不想要的像差和重影(ghosting)，这是由于例如这些光学组合器内部的光与来自外部源的光、光学组合器的表面的光或两者通过不期望的反射或衍射的相互作用。

如本文所用，术语“光导”是指下述光学组合器，该光学组合器使用全内反射(TIR)、部分内反射(PIR)、专用过滤器、反射性表面、反射性光学涂层(例如，金属化、干涉涂层)，将光引擎产生的显示光通过该显示光在光导的内部容积内的多个内反射相互作用，从光导的输入耦合器朝向光导的输出耦合器(当作为可穿戴显示设备的一部分操作时，通常朝向人类用户的眼睛)来传播。例如，该光导包括一个或多个反射性光学涂层，该一个或多个反射性光学涂层被配置成引起将光从该光导的输入耦合器传播到该光导的输出耦合器的反射。作为另一个示例，光导使用TIR、PIR或两者来将光从该光导的输入耦合器传播到该光导的输出耦合器。一般而言，术语“输入耦合器”和“输出耦合器”将被理解为指分别用于将显示光引导进或引导出光导的内部容积的任何类型的光学结构。此外，应当理解的是，以大于光导的临界角的入射角撞击在光导表面的界面上的光经由TIR在光导内进行内反射；相反，以小于临界角的入射角撞击在光导表面的界面上的光仅经历PIR。

为了帮助HMD实现期望的形状因数并改进用户体验，本文描述的***和技术致力于减小光学组合器的尺寸，同时还减少光学组合器中的伪影和重影。为了实现这一目标，HMD包括具有输入耦合器的弯曲光导，该输入耦合器具有一个或多个光学结构(例如，光学中继器)，该一个或多个光学结构被配置成在弯曲光导中的预定位置处形成中间图像。例如，HMD包括微显示器，该微显示器被配置成发射表示图像的光(例如，形成图像)并将所发射的光提供给弯曲波导的输入耦合器。该弯曲光导的输入耦合器包括具有一个或多个透镜的光学中继器，该光学中继器被配置成将来自该微显示器的所发射的光中继到该弯曲光导的另一部分。为了中继所发射的光，该光学中继器被配置成反转、放大或反转且放大由来自该微显示器的所发射的光所表示的图像，并将所中继的光提供给该弯曲光导的另一部分，使得基于由微显示器发射的图像的中间图像(例如，中间图像平面)形成在该弯曲光导的该部分内的预定位置处。例如，光学中继器被配置成放大由微显示器发射的图像，使得基于由微显示器发射的放大图像的中间图像形成在该弯曲光导的一部分中的预定位置处。然后，该弯曲光导将中间图像(例如，形成中间图像的光)提供(例如，经由TIR、PIR、反射性光学涂层)到光学输出***，该光学输出***被包括在该弯曲光导中或以其它方式耦合到该弯曲光导。该光学输出***例如包括一个或多个输出耦合器(例如，部分反射镜输出耦合器、楔形输出耦合器)、光导、反射镜、回射器或它们的任何组合，并且被配置成将该中间图像(例如，形成中间图像的光)提供到用户的眼睛。例如，光学输出***包括部分反射镜输出耦合器，该部分反射镜输出耦合器被配置成将从弯曲光导的一部分接收的光提供给用户的眼睛。作为另一个示例，光学输出***包括回射器，该回射器被配置成将从该弯曲光导的一部分接收的光反射回到该弯曲光导处，使得光然后被朝向用户的眼睛反射。作为又一示例，光学输出***包括楔形输出耦合器，该楔形输出耦合器包括例如具有第一弯曲表面和第二非平行弯曲表面的光导。在该楔形输出耦合器内，光经由PIR、TIR或两者传播，每次反弹离开楔形输出耦合器的表面的光都具有相应的(例如，不同的)入射角。一旦楔形输出耦合器中的光以预定的入射角反弹离开楔形输出耦合器的表面，光就通过相对的表面朝向用户的眼睛透射。

通过使用包括光学中继器的输入耦合器，以在弯曲光导中形成中间图像，该光学输出***所需的尺寸(例如，最小长度)随着光学中继器对由微显示器发射的图像(以形成中间图像)施加的放大的增加而减小。因此，增加光学中继器对由微显示器发射的图像施加的放大允许该光学输出***、弯曲光导或两者更小(例如更短)。具有更小的光学输出***、弯曲光导或两者，允许HMD能够更轻松地实现眼镜和太阳镜框架业界所期望的形状因数和时尚吸引力，从而改进用户体验。此外，在弯曲光导中形成中间图像有助于通过减少与来自外部光源(例如，来自HMD外部的光)的光、光导表面的光或两者的光的不想要的相互作用或衍射，来减少输出耦合光(例如，输出耦合图像)中的像差和重影的数量。

图1示出了采用光学组合器102的示例HMD 100，通过光学组合器102显示由HMD投影的图像。HMD 100具有包括框架106的支撑结构104，框架106容纳微显示器，该微显示器包括例如激光微显示器、发光二极管(LED)显示器、微型LED显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、自适应矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、硅基液晶(LCOS)显示器或它们的任意组合，并且被配置成生成可见光，以便经由光学组合器102朝向用户的眼睛投影图像，使得用户感知到所投影的图像如同通过光学组合器102显示在视场(FOV)区域108中。这样的图像包括例如能够在AR环境中显示、能够在HMD 100上显示、或能够在两者上显示的一个或多个图形界面图像。

支撑结构104还包括允许支撑结构104穿戴在用户眼睛前方的位置的部件。这种部件的示例是由用户的耳朵支撑的臂110和112。在一些实施例中，一根或多根带子(未示出)被配置成穿戴在用户头部周围、穿戴在用户头顶上或两者，该带子可以用来代替一个或多个臂，以将支撑结构104固定在用户眼睛前方。在一些实施例中，HMD 100被对称地配置为双目显示器，使得透镜元件114也是光学组合器，并且微显示器被容纳在框架106的靠近臂112的部分中，以将图像投影到透镜元件114内的FOV区域。框架106还包括设置在光学组合器102和透镜元件114之间的鼻架118。

在所描绘的示例中，HMD 100是近眼显示器***，其中支撑结构104被配置成穿戴在用户的头部上，并且其具有眼镜框的一般形状和外观(或“形状因数”)。支撑结构104包含或以其它方式包括有助于将图像朝向用户眼睛投影的各种部件，例如处理***(未示出)、光学***或两者。在一些实施例中，支撑结构104进一步包括各种传感器，例如，一个或多个前置摄像头、后置摄像头、其它光传感器、运动传感器、加速度计或它们的任何组合，仅举几例。根据实施例，支撑结构104进一步包括一个或多个连接接口，以及射频(RF)接口或其它无线接口，例如蓝牙(TM)接口、WiFi接口或两者，仅举几例。此外，在一些实施例中，支撑结构104包括一个或多个电池或其它便携式电源，以用于向电气和处理部件(例如，HMD 100的处理***的一个或多个处理器)供电。在一些实施例中，HMD 100的这些部件中的一些或全部完全或部分地包含在支撑结构104的内部容积内，诸如在支撑结构104的区域116中的臂110和框架106的部分内。应当注意的是，尽管描绘了示例形状因数，但在其它实施例中，HMD100可以具有与图1中描绘的眼镜框架不同的形状和外观。

在所描绘的实施例中，HMD 100的光学组合器102提供AR显示器，其中渲染的图形内容可以叠加在用户通过光学组合器102观看到的真实世界视图上或以其它方式结合真实世界视图来提供。例如，用于形成可感知图像或一系列图像的光可以由HMD 100的微显示器经由一系列光学元件(诸如至少部分地形成在光学组合器102中的光导以及设置在该微显示器和该光导之间的一个或多个透镜和/或过滤器)投影到适眼区(eyebox)。光学组合器102包括光导的至少一部分，该光导将由该光导的输入耦合器接收的显示光路由到HMD 100的用户的眼睛。此外，光学组合器102足够透明以允许用户透过光学组合器102观看，以向用户提供真实世界环境的视野，使得图像看起来叠加在用户真实世界环境的至少一部分上。

现在参考图2，HMD 100的光学组合器102包括光导120，该光导由包括相对的主表面的基底形成。光导120被配置成从微显示器接收表示图像的光(例如，用于形成可感知图像或一系列图像的光)并且使用TIR、PIR、反射性光学涂层(金属化、干涉涂层)、专用过滤器、光栅表面、反射性表面或它们的任何组合，以将光传输到另一点，例如用户的眼睛。例如，光导120被配置成从微显示器接收表示图像的一束或多束激光(例如，各自具有相应波长的光束)，并将至少一部分光束提供给用户的眼睛。为此，光导120包括一个或多个输入耦合器，该一个或多个输入耦合器被配置成接收来自微显示器的光。此类输入耦合器包括球面表面、自由形状表面、反射性光学涂层、光栅结构(例如，衍射光栅、全息图、全息光学元件、体积衍射光栅、体积全息图、表面浮雕衍射光栅、表面浮雕全息图)或它们的任何组合，其被配置成接收从微显示器发射的光并且将光的至少一部分提供给光导120的另一部分。根据实施例，光导120被配置成将光从输入耦合器传输到一个或多个光学输出***120，该一个或多个光学输出***被包括在光导中或以其它方式耦合到光导并且被配置成将所接收的光提供给光学组合器102的透镜、用户的眼睛或两者。例如，光导120包括一个或多个表面(例如球面表面、自由形状表面)、反射性光学涂层(例如金属化、干涉涂层)、光栅(例如衍射光栅、全息图、全息光学元件、体积衍射光栅、体积全息图、表面浮雕衍射光栅、表面浮雕全息图)、或它们的任何组合，其被配置成将光从输入耦合器传输到包括在光导120中或以其它方式耦合至光导120的一个或多个光学输出***。此类光学输出***包括例如部分反射镜输出耦合器、光导、反射镜、楔形输出耦合器、回射器或它们的任何组合，其被配置成向用户的眼睛提供所接收的光。例如，光导120被配置成将光从输入耦合器传输到包括在光导120中的部分反射镜输出耦合器，并且被配置成将光提供给光学组合器102的透镜、用户的眼睛或两者。作为另一个示例，光导120被配置成将光从输入耦合器传输到回射器，该回射器被配置成将从光导120接收的光反射回到光导120处(例如，在光导120的曲面反射镜处)，使得光然后被朝向用户的眼睛反射。作为又一示例，光导120被配置成将光从输入耦合器传输到楔形输出耦合器(例如，这样的输出耦合器，该输出耦合器包括第一弯曲表面、第二非平行弯曲表面、以及设置在这些表面上的一个或多个反射性光学涂层)，该输出耦合器被包括在光导120中并被配置成将光提供给光学组合器102的透镜、用户的眼睛或两者。在实施例中，该光学输出***的一个或多个输出耦合器(例如，部分反射镜输出耦合器、楔形输出耦合器)包括一个或多个自由形状表面、球面表面、反射性光学涂层(例如，金属化、干涉涂层)、光栅结构(例如，衍射光栅、全息图、全息光学元件、体积衍射光栅、体积全息图、表面浮雕衍射光栅、表面浮雕全息图)、或它们的任何组合，其被配置成从光导120的接收光并将至少一部分光提供给光学组合器102的透镜、用户的眼睛或两者。

根据实施例，光导120包括弯曲光导。也就是说，形成光导120的基底具有包括一条或多条曲线的形状(例如，弯曲形状)。例如，形成光导120的基底具有弯曲形状，该弯曲形状与一种或多种典型曲面眼镜和太阳镜镜片互补。为此，光导120包括基底的第一主表面(例如，距用户最远的面向世界的表面)和基底的第二相对主表面(例如，最接近用户的面向眼睛的表面)。在实施例中，形成光导120的基底的第一主表面、第二主表面或两者是非平面的，例如，每个主表面具有关于一个或多个轴线的一个或多个曲率半径。

在实施例中，光导120被配置成通过一个或多个光学中继器接收从微显示器发射的光。例如，光导120的输入耦合器包括光学中继器(为了清楚起见未示出)，其被配置成接收由微显示器发射的且表示一个或多个图像的光。然后，光学中继器将从微显示器发射的光中继到光导120的另一部分。例如，光学中继器包括一个或多个透镜，该一个或多个透镜被配置成接收光并将光中继到第二点，使得包括中继器的光学***被延伸(例如，包括光学中继器的光学***的焦距被增加)。为此，光学中继器中继表示图像的光，使得基于该图像(例如，图像的复制品)的中间图像(例如，中间图像平面)形成在该光学***的一部分内的预定位置处。作为示例，光学中继器被配置成接收从微显示器发射的且表示图像的光，并且被配置成将光提供给光导120，使得基于该图像(例如，图像的复制品)的中间图像(例如，中间图像平面)形成在光导120内的预定位置处。在实施例中，光学中继器被配置成形成中间图像，使得当与被中继的图像(例如，表示图像的中继的光)相比时，该中间图像被放大、反转或放大反转两者。也就是说，光学中继器对由所接收的光(例如，表示来自微显示器的图像的发射光)形成的图像进行放大、反转或放大反转两者，以形成中间图像。例如，光学中继器将由所接收的光形成的图像放大预定倍数，以在部分光导120中形成中间图像。

在光导120中形成中间图像之后，光导120被配置成(例如，经由TIR、PIR、反射性光学涂层)将表示中间图像的光(例如，在光导120中形成中间图像的光)提供到一个或多个光学输出***(例如，部分反射镜输出耦合器、光导、楔形输出耦合器、回射器)，该一个或多个光学输出***被配置成将该中间图像的至少一部分(例如，形成中间图像的光)输出到光学组合器102的透镜、用户的眼睛或两者。在实施例中，光学输出***具有如下长度(例如，最小长度)，该长度基于由该光学中继器施加到发射的图像的放大，以在光导120中形成中间图像。也就是说，该输出***的长度基于光学中继器放大图像以在光导120中形成中间图像的预定放大倍数。例如，随着预定放大倍数增加(例如，光学中继器将图像放大更高的预定倍数以形成中间图像)，光学输出***的最小长度减小。以此方式，包括在光导120中或以其它方式耦合到光导120的光学输出***的尺寸(例如，最小长度)减小，从而允许光学组合器102、光导120、光学输出***或它们的任何组合的尺寸(例如，长度、厚度)减少。减小光学组合器102、光导120、光学输出***或它们的任何组合的尺寸有助于HMD 100实现眼镜或太阳镜框架所期望的形状因数和时尚吸引力，从而改进用户体验。此外，在光导120中形成中间图像有助于通过减少光导120内的光与来自外部源(例如，来自HMD 100外部)的光、光导120的表面的光或两者的光的不想要的相互作用或衍射，来减少输出耦合到用户的眼睛的光(例如，图像)中的像差和重影的数量。

现在参考图3，示出了用于在光导的一部分中创建中间图像的示例过程300。在实施例中，示例过程300首先包括微显示器322，该微显示器322发射表示(例如，形成)图像328的光。这样的微显示器322包括例如激光微显示器、LED显示器、微型LED显示器、OLED显示器、AMOLED显示器、LCOS显示器、一个或多个扫描反射镜(例如，微机电***(MEMS)镜)或它们的任何组合，其被配置成发射表示(例如，形成)图像328的光。图像328包括例如能够在AR环境中显示、能够在HMD 100上显示或者能够在两者上显示的一个或多个图形界面图像。在示例过程300中，与光导120类似或相同地，在光导320的输入耦合器324处接收由微显示器322发射的且表示图像328的光。根据实施例，输入耦合器324包括光学中继器330，该光学中继器330被配置成接收由微显示器322发射的且表示图像328的光。光学中继器330包括例如一个或多个透镜，该一个或多个透镜被配置成接收光并将所接收的光中继到第二点，使得离光学中继器330预定距离来形成中间图像332(例如，中间图像平面)。作为示例，光学中继器330包括2f中继器、4f中继器或两者，其被配置成接收光并将光中继到第二点，使得中间图像332形成在距光学中继器330预定距离(例如，基于光学中继器330的所述一个或多个透镜的预定距离)的中间焦平面处。响应于接收到由微显示器322发射的且表示图像328的光，光学中继器330被配置成将所接收的光中继到光导320的至少另一部分(例如，主体)，与光导120相似或相同，使得基于图像328(例如，图像328的复制品)的中间图像332(例如，中间图像平面)形成在至少一部分光导320内。作为示例，光学中继器330中继所接收的光，使得基于光学中继器330的透镜的性质、光学中继器330的透镜的配置或两者，在光导320内的预定点处形成中间图像332。

在实施例中，光学中继器330放大、反转或放大反转图像328以形成中间图像332。例如，当在光导320中形成中间图像332时，光学中继器330将图像328放大预定倍数。放大的预定倍数例如基于光学中继器330的透镜的一个或多个性质、光学中继器330的透镜的配置或两者。根据实施例，光学中继器330被配置成将中间图像332形成为经过滤的图像。作为示例，光学中继器330包括一个或多个视场光阑，该一个或多个视场光阑被配置成在基于经过滤的图像(例如，基于图像328的未阻挡部分)形成中间图像332之前，过滤图像328的至少一部分(例如，通过阻挡形成图像328的光的至少一部分)。通过以这种方式使用视场光阑，中间图像332被过滤以减少不想要的光线，并且修剪视场。因此，隐藏了由微显示器产生的图像伪影。此外，以这种方式对中间图像进行过滤会影响频率空间，从而改进中间图像332的图像质量。

根据实施例，输入耦合器324进一步包括一个或多个表面、光栅或两者，其被配置成将所中继的光从光学中继器330提供到光导320的一部分(例如，主体)，使得中间图像332形成在光导320内的预定位置处。例如，输入耦合器324包括一个或多个自由形状表面、球面表面、反射性光学涂层、光栅结构(例如，衍射光栅、全息图、全息光学元件、体积衍射光栅、体积全息图、表面浮雕衍射光栅、表面浮雕全息图)或它们的任何组合，其被配置成传输光。自由形状表面包括例如光导320的这样的表面：该表面不具有关于一个或多个轴线的旋转对称性或连续平移，并且被配置成当中间图像332形成在光导320的预定部分内时向该中间图像332施加预畸变。例如，中间图像332的这种预畸变(例如，补偿)被配置成当光(例如，中间图像332)由光学输出***326输出时至少部分地抵消添加到该光的畸变。在实施例中，光导320被配置成向光学输出***326提供中间图像332(例如，形成中间图像332的光)，该光学输出***326被包括在光导320中或以其它方式耦合到光导320。光学输出***326包括例如部分反射镜输出耦合器、光导、反射镜、楔形输出耦合器、回射器或它们的任何组合，其被配置成向光学组合器的透镜、用户的眼睛或两者提供中间图像332(例如，形成中间图像332的光)。例如，光学输出***326包括光导320内的楔形输出耦合器，其被配置成向用户的眼睛提供中间图像332。作为另一示例，光学输出***326包括一个或多个回射器，该一个或多个回射器被包括在光导320中或以其他方式耦合到光导320，该一个或多个回射器被配置成将形成中间图像332的光反射回光导320(例如，光导320的曲面反射镜)，使得形成中间图像332的光反射在用户的眼睛上。

在实施例中，光学输出***326具有如下长度(例如，最小长度)，该长度基于光学中继器330对中间图像332的放大。也就是说，光学输出***326的长度基于光学中继器330施加到图像328的预定放大倍数，以形成中间图像332。为此，例如，随着光学中继器330施加到图像328的预定放大倍数增加，光学输出***326所需的长度减小。以这种方式，包括在光导320中或以其它方式耦合到光导320的光学输出***326的尺寸(例如，长度)被减小。这样，包括在光学输出***326中的任何部分反射镜输出耦合器、光导、镜、楔形输出耦合器、回射器或它们的任何组合的长度被减小，从而帮助包括光学输出***326的HUD实现眼镜或太阳镜框所期望的带有时尚吸引力的形状因数，从而改进用户体验。此外，在光导320的预定位置(例如，部分)处形成中间图像332有助于减少光导320内的光与来自外部源的光(例如，来自HMD 100外部的光)、光导320的表面的光或两者的光的不想要的相互作用或衍射。因此，输出耦合到用户眼睛的光(例如图像)中的像差和重影的数量减少，从而改进了用户体验。

现在参考图4，示出了用于在弯曲光导中形成中间图像的光学***400。为此，光学***400包括与微显示器322类似或相同的微显示器422，微显示器422被配置成发射表示(例如，形成)图像(与图像328类似或相同)的光434。例如，微显示器422发射光434。光434表示能够在AR环境中显示、能够在HMD 100上显示或能够在两者上显示的一个或多个图形界面图像。现在参考图4所示的示例实施例，光434由三个光线表示，每个光线表示例如相应的光波长，然而，在其它实施例中，光434可以包括任何数量的光线，每个光线表示任何数量的光波长。微显示器422包括例如激光微显示器、LED显示器、微型LED显示器、OLED微显示器、AMOLED微显示器、LCOS微显示器、一个或多个扫描反射镜(例如，MEMS反射镜)或它们的任何组合，其被配置成发射表示图像的光434。光学***400进一步包括与光导120、320类似或相同的弯曲光导420，其包括输入耦合器424。输入耦合器424被配置成通过TIR、PIR、反射性光学涂层(例如金属化、干涉涂层)或它们的任何组合，将接收的光提供给弯曲光导420的另一部分(例如，主体)。为了经由TIR、PIR、光学反射性涂层或它们的任何组合，向弯曲光导420的另一部分(例如，主体)提供中继的光436，输入耦合器424包括自由形状表面(例如，不具有关于轴线的旋转对称性或连续平移的表面)、球面表面、光学反射性涂层、光栅结构(例如，衍射光栅、全息图、全息光学元件、体积衍射光栅、体积全息图、表面浮雕衍射光栅、表面全息图光栅)或它们的任何组合，其被配置成将接收的光提供到弯曲光导420的一部分(例如，主体)。

在实施例中，输入耦合器424包括光学中继器430，该光学中继器430被配置成从微显示器422接收光434。光学中继器430包括例如一个或多个透镜，该一个或多个透镜被配置成接收光并将这种光中继(例如，提供光)到第二预定点，使得光学***400(例如，光学***400的光路)被延伸(例如，与没有光学中继器430的光学***相比，光学***400的焦距增加)。作为示例，光学中继器430包括一个或多个透镜，该一个或多个透镜形成2F透镜中继器、4F透镜中继器或两者，该一个或多个透镜被配置成将中继的光436提供到预定的第二点，使得光学***400被延伸。在实施例中，光学中继器430被配置成提供中继的光436，使得该中继的光436形成与中间图像332类似或相同且距光学中继器430预定距离的中间图像432(例如，中间图像平面)。例如，这样的预定距离基于光学中继器430的一个或多个透镜的性质、光学中继器430的一个或多个透镜的配置、或两者。光学中继器430被进一步配置成放大、反转或放大反转两者由光434表示的图像，以形成中间图像432。例如，光学中继器430被配置成以预定倍数来放大由光434表示的图像，以形成中间图像432。以这种方式，当与由光434表示的图像相比时，中间图像432被放大了预定倍数。另外，在实施例中，光学中继器430被配置成对由光434表示的图像进行过滤以形成中间图像432。例如，光学***400包括F光阑，该F光阑被配置成通过阻挡由光434表示的图像的至少一部分来过滤图像(例如，F光阑阻挡光434的至少一部分)，并且光学中继器430基于经过滤的图像来形成中间图像432。以这种方式，光学中继器430基于未被例如F光阑阻挡的光434形成经过滤的中间图像432。通过以这种方式使用F光阑，中间图像432被过滤以减少不想要的光线，并且修剪视场。这样，隐藏了由微显示器422产生的图像伪影。此外，以这种方式对中间图像432进行过滤会影响频率空间，从而改进中间图像432的图像质量。

根据实施例，输入耦合器424被配置成将从光学中继器430中继的光提供给弯曲光导420的另一部分(例如，弯曲光导420的主体)。弯曲光导420包括基底的第一主表面444(例如，距用户最远的面向世界的表面)和基底的第二相对主表面442(例如，最接近用户的面向眼睛的表面)。在实施例中，基底的第一主表面444、第二主表面442或两者是非平面的，例如，主表面442、444中的每一个主表面均具有关于一个或多个轴线的一个或多个曲率半径。在实施例中，输入耦合器424被配置成向弯曲光导420提供中继的光436，使得中继的光436在弯曲光导420内形成中间图像432(例如，中间图像平面)。例如，输入耦合器424被配置成将中继的光436提供到弯曲光导420，使得基于光学中继器430的透镜的性质、光学中继器430的透镜的配置、输入耦合器424的一个或多个表面(例如，包括在输入耦合器424中的弯曲光导420的一个或多个表面)，或它们的任何组合，在弯曲光导420内的预定位置处形成中间图像432。根据实施例，输入耦合器424包括一个或多个自由形状表面，该一个或多个自由形状表面被配置成向弯曲光导420的另一部分(例如，主体)提供中继的光436，使得中间图像432形成在弯曲光导420内的预定位置处。例如，这种自由形状表面被配置成当中间图像432在弯曲光导420内形成时对该中间图像应用预畸变。中间图像432的预畸变(例如，补偿)例如被配置成当中继的光436(例如，中间图像432)由光学输出***426作为输出光438输出时，至少部分地抵消被施加到中继的光436(例如，中间图像432)的畸变。

弯曲光导420(例如，弯曲光导420的主体)被配置成向与光学输出***326类似或相同的光学输出***426提供中间图像432(例如，形成中间图像432的光)。为了向光学输出***426提供中间图像432，弯曲光导420包括自由形状表面(例如，不具有关于轴线的旋转对称或连续平移的表面)、球面表面、反射性光学涂层、光栅结构(例如，衍射光栅、全息图、全息光学元件、体积衍射光栅、体积全息图、表面浮雕衍射光栅、表面全息图光栅)、或它们的任何组合，其被配置成向光学输出***426提供中间图像432。光学输出***426被包括在弯曲光导420中或以其它方式耦合到弯曲光导420，并且被配置成接收中间图像432(例如，形成中间图像432的光)并将中间图像432作为输出光438提供给用户的眼睛440。也就是说，光学输出***326被配置成引导中间图像432从弯曲光导420作为输出光438输出到用户的眼睛440。为此，光学输出***426包括一个或多个部分反射镜输出耦合器、楔形输出耦合器、回射器、光导、反射镜或它们的任何组合，其被配置成将中间图像432(例如，形成中间图像432的中继的光436)作为输出光438提供给用户的眼睛440。例如，光学输出***426包括部分反射镜输出耦合器，该部分反射镜输出耦合器被包括在弯曲光导420中并且被配置成将中间图像432(例如，中继的光436)作为输出光438提供给用户的眼睛440。在实施例中，由输出光438形成的图像(例如，中间图像432)包括由例如光学输出***426的表面施加的图像的畸变、外部光(例如，来自HMD 100外部的光)或两者。例如，输出光438的这种畸变与通过输入耦合器424、弯曲光导420、光学输出***426或它们的任何组合的一个或多个自由形式光栅结构施加到中继的光436的预畸变互补。也就是说，输出光438的畸变抵消了由输入耦合器424、弯曲光导420、光学输出***426或它们的任何组合的一个或多个自由形式光栅结构施加到中继的光436的预畸变的至少一部分(例如，全部)。

根据实施例，光学输出***426具有以下长度446(例如，最小长度)，该长度446基于施加于由光434表示的图像以形成中间图像432的放大。例如，光学输出***426的长度446(例如，最小长度)基于光学中继器430施加给由光434表示的图像以形成中间图像432的预定放大倍数。例如，随着由光学中继器430施加到由光434表示的图像的预定放大倍数增加，光学输出***426所需的长度446(例如，最小长度)减小。以此方式，包括在弯曲光导420中或以其它方式耦合到弯曲光导420的光学输出***426的尺寸(例如，长度)减小。因此，光学输出***426中所包括的任何部分反射镜输出耦合器、光导、楔形输出耦合器、回射器、反射镜或它们的任何组合的所需长度减小。

现在参考图5至图7，示出了包括示例光学输出***的光学***500。在实施例中，与光学***400类似或相同的光学***500包括微显示器422，该微显示器422被配置成将表示图像的光434发射到弯曲光导420的输入耦合器424。参见图5至图7所示的示例实施例，光434表示单个光线，该单个光线表示任何数量的光波长，然而，在其它实施例中，光434可以包括表示任何数量的光波长的任何数量的光线。输入耦合器424包括光学中继器430，该光学中继器430接收从微显示器422发射的光434并且中继该光434(例如，作为中继的光436)，使得中间图像432形成在弯曲光导420的预定部分(例如，主体中的预定位置)处。然后，弯曲光导420将中间图像432(例如，表示中间图像432的光)提供到与光学输出***326、426类似或相同的光学输出***，该光学输出***被配置成将中间图像432作为输出光438输出到用户的眼睛440。现在参考图5，在实施例中，光学输出***包括部分反射镜输出耦合器548。部分反射镜输出耦合器包括例如具有两个相对表面的部分反射镜并且被配置成反射相对于部分反射镜的表面具有第一入射角的光，并且透射相对于部分反射镜的表面具有不同的第二入射角的光。例如，部分反射镜输出耦合器548包括设置在弯曲光导420内的部分反射镜，使得在部分反射镜处接收的且具有第一预定入射角(例如，由于弯曲光导420内的光的TIR或PIR引起的入射角)的光朝向用户的眼睛440反射。

现在参考图6，在实施例中，光学输出***包括曲面反射镜(例如，部分反射镜)652以及一个或多个回射器650，其中该曲面反射镜被包括在弯曲光导420的表面内或表面上。回射器650包括例如一个或多个反射性表面，它们一起被配置成将接收的光反射回所接收的光的光源的方向。根据实施例，弯曲光导420向曲面反射镜(例如，部分反射镜)652提供表示中间图像432的光，该曲面反射镜652然后被配置成将表示中间图像432的光作为光654透射到回射器650。在接收光654之后，该回射器650将光654反射回曲面反射镜652，然后该曲面反射镜652被配置成将光654作为输出光438反射到用户的眼睛440。

现在参考图7，根据实施例，光学输出***包括楔形输出耦合器756，该楔形输出耦合器756被包括在弯曲光导420中(例如，形成弯曲光导420的至少一部分)。楔形输出耦合器756包括例如弯曲光导420的至少一部分，该至少一部分具有最接近用户的第一弯曲表面(例如，面向眼睛的表面)742和距离用户最远的第二相对的且不平行的弯曲表面(例如，面向世界的表面)744。每个表面742、744包括自由形状表面、球面表面、反射性光学涂层(例如，金属化、干涉涂层)或它们的任何组合。由于楔形输出耦合器756的表面742、744是弯曲的且不平行，因此光被配置成在其被提供给用户的眼睛440之前，通过TIR、PIR、光学涂层或它们的任何组合来行进。此外，当光传播通过楔形输出耦合器756时，光离开楔形输出耦合器756的表面742、744的每次连续的反弹或反射具有更小的(例如，更窄的)入射角。也就是说，光每次反射时相应的入射角是不同的。参考图7所示的示例实施例，当表示中间图像432的光传播通过楔形输出耦合器756时，表示中间图像432的光离开表面742、744的每次反弹(例如，反射)具有相应的入射角，其中每个连续的入射角变得更窄。一旦光(例如，表示中间图像432的光)以等于预定入射角的入射角反弹离开楔形输出耦合器756的表面742、744，光就反射离开表面742、744，使得所述光穿过楔形输出耦合器的相对表面742、744(例如，面向用户的表面)。作为示例，参考图7的说明性实施例，表示中间图像432的光在点758处以等于预定入射角的入射角反弹离开表面(例如，面向世界的表面)744。这样，表示中间图像432的光在点758处反射离开表面744，使得光穿过楔形输出耦合器756的表面742(例如，面向眼睛的表面)并且作为输出光438朝向用户的眼睛440行进。

根据实施例，楔形输出耦合器756进一步包括设置在楔形输出耦合器756的表面742(例如，面向眼睛的表面)上的反射性光学涂层760和设置在楔形输出耦合器756的表面744(例如，面向世界的表面)上的第二反射性光学涂层762。此类反射性光学涂层760、762包括例如金属化涂层、干涉涂层或两者，并且被配置成当中继的光436传播通过楔形输出耦合器756时增加中继的光436的PIR的光学效率(即，减少显示光损失的部分)。例如，如果表示中间图像432的光以小于预定临界入射角的入射角反弹离开楔形输出耦合器756的表面742、744，将发生PIR并且表示中间图像432的光的至少一部分将被透射出楔形输出耦合器756的表面742、744。为了帮助防止该光从PIR损失，反射性光学涂层760、762被配置成将损失的光(例如，表示中间图像432的光的一部分，其原本将被透射出楔形输出耦合器756的表面742、744)反射回楔形输出耦合器756的相对表面742、744。在某些实施例中，反射性光学涂层760、762为与楔形输出耦合器756内部的光相互作用提供相对高的反射率，同时保持基本上透明以允许来自真实世界的环境光透过楔形输出耦合器756并朝向用户的眼睛440行进。

在一些实施例中，上述技术的某些方面可以由执行软件的处理***的一个或多个处理器来实现。软件包括存储或以其它方式有形地体现在非暂时性计算机可读存储介质上的一个或多个可执行指令集合。软件可以包括指令和某些数据，这些指令和某些数据在由该一个或多个处理器执行时操纵该一个或多个处理器以执行上述技术的一个或多个方面。非暂时性计算机可读存储介质可以包括例如磁盘或光盘存储设备、固态存储设备，诸如闪存、高速缓存、随机存取存储器(RAM)或其它非易失性存储器设备等。存储在非暂时性计算机可读存储介质上的可执行指令可以是源代码、汇编语言代码、目标代码或由一个或多个处理器解释或以其它方式可执行的其它指令格式。

计算机可读存储介质可以包括在使用期间可由计算机***访问以向计算机***提供指令和/或数据的任何存储介质或存储介质的组合。这样的存储介质可以包括但不限于光学介质(例如，压缩光盘(CD)、数字多功能光盘(DVD)、蓝光光盘)、磁介质(例如，软盘、磁带或磁性硬盘驱动器)、易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM)或高速缓存)、非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)或闪存)或基于微机电***(MEMS)的存储介质。计算机可读存储介质可以被嵌入计算***(例如，***RAM或ROM)中，固定地附接到计算***(例如，磁性硬盘驱动器)，可移除地附接到计算***(例如，光盘或基于通用串行总线(USB)的闪存)，或者经由有线或无线网络(例如，网络可访问存储(NAS))耦合到计算机***。

注意，不需要上面在一般描述中描述的所有活动或元件，可以不需要特定活动或设备的一部分，并且除了所描述的那些之外，还可以执行一个或多个另外的活动或包括的元件。此外，列出活动的顺序不一定是它们被执行的顺序。而且，已经参考特定实施例描述了构思。然而，本领域普通技术人员理解，在不脱离下面的权利要求中阐述的本公开的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这些修改旨在包括在本公开的范围内。

上面已经关于特定实施例描述了益处、其它优点和问题的解决方案。然而，益处、优点、问题解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更明显的任何特征不应被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或必要特征。此外，以上公开的特定实施例仅是说明性的，因为所公开的主题可以以受益于本文教导的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实践。除了在下面的权利要求中描述的之外，不旨在限制本文所示的构造或设计的细节。因此，显而易见的是，上面公开的特定实施例可以被更改或修改，并且所有这样的变化被认为在所公开的主题的范围内。因此，本文所寻求的保护在所附权利要求书中阐述。

Claims (30)

1.一种头戴式显示器，包括：

微显示器，所述微显示器被配置成发射表示图像的光；和

光学中继器，所述光学中继器被配置成接收表示所述图像的光并将所述光提供给弯曲光导，使得在所述弯曲光导中形成基于所述图像的中间图像，

其中，所述弯曲光导被配置成输出基于所述中间图像的光。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，进一步包括：

光学输出***，所述光学输出***被配置成接收基于所述中间图像的光并朝向光学组合器的透镜引导基于所述中间图像的光。

3.根据权利要求2所述的头戴式显示器，其中，所述光学输出***包括回射器，所述回射器被配置成接收基于所述中间图像的光并使基于所述中间图像的光朝向所述弯曲光导的一部分反射回来。

4.根据权利要求2所述的头戴式显示器，其中，所述光学输出***包括楔形输出耦合器。

5.根据权利要求4所述的头戴式显示器，其中，所述楔形输出耦合器包括反射性光学涂层，所述反射性光学涂层设置在所述楔形输出耦合器的表面上。

6.根据权利要求2所述的头戴式显示器，其中，所述光学输出***包括部分反射镜输出耦合器，所述部分反射镜输出耦合器被配置成朝向所述光学组合器的所述透镜反射基于所述中间图像的光。

7.根据权利要求2所述的头戴式显示器，其中，所述光学中继器被配置成将所述图像放大预定倍数以形成所述中间图像。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的头戴式显示器，其中，所述弯曲光导包括一个或多个自由形状表面。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的头戴式显示器，进一步包括F光阑，所述F光阑被配置成过滤表示图像的所述光的至少一部分。

10.根据权利要求9所述的头戴式显示器，其中，所述中间图像是基于表示所述图像的光的经过滤的至少一部分。

11.一种光导，包括：

输入耦合器，所述输入耦合器包括光学中继器，所述光学中继器被配置成将从微显示器发射的、表示图像的光中继到所述光导的一部分，使得在所述光导的所述部分中的预定位置处形成基于所述图像的中间图像；以及

第一非平面主表面和第二非平面主表面，所述第一非平面主表面和所述第二非平面主表面被配置成反射从所述输入耦合器接收的光并将所述光提供给所述光学输出***，所述光学输出***被配置成输出基于所述中间图像的光。

12.根据权利要求11所述的光导，其中，所述光学中继器被配置成将所述图像放大预定倍数。

13.根据权利要求11至13中任一项所述的光导，其中，所述光学输出***包括部分反射镜输出耦合器，所述部分反射镜输出耦合器被配置成朝向用户的眼睛输出基于所述中间图像的光。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的光导，其中，所述光学输出***包括楔形输出耦合器。

15.根据权利要求14所述的光导，其中，所述楔形输出耦合器包括反射性光学涂层，所述反射性光学涂层设置在所述楔形输出耦合器的表面上。

16.根据权利要求11至13中任一项所述的光导，其中，所述光学输出***包括回射器，所述回射器被配置成接收基于所述中间图像的光并使基于所述中间图像的光朝向所述光导的第二部分反射回来。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的光导，其中，所述光学输出***被包括在所述光导内。

18.根据权利要求11至18中任一项所述的光导，其中，所述输入耦合器包括一个或多个自由形状表面。

19.根据权利要求11至18中任一项所述的光导，其中，从所述微显示器发射的表示所述图像的光的至少一部分被F光阑过滤。

20.根据权利要求19所述的光导，其中，所述中间图像是基于从所述微显示器发射的表示所述图像的光的经过滤的至少一部分。

21.一种方法，包括：

由微显示器发射表示图像的光；

在光学中继器处接收表示所述图像的光；以及

由所述光学中继器将所述光提供给弯曲光导，使得在所述弯曲光导中形成基于所述图像的中间图像。

22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：

由所述光导将基于所述中间图像的光输出到光学输出***，所述光学输出***被配置成接收基于所述中间图像的光并朝向光学组合器的透镜反射基于所述中间图像的光。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述光学输出***包括：

回射器，所述回射器被配置成接收基于所述中间图像的光并且使基于所述中间图像的光朝向所述弯曲光导的一部分反射回来。

24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述光学输出***包括楔形输出耦合器。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述楔形输出耦合器包括反射性光学涂层，所述反射性光学涂层设置在所述楔形输出耦合器的表面上。

26.根据权利要求22所述的方法，其中，所述光学输出***包括部分反射镜输出耦合器，所述部分反射镜输出耦合器被配置成使基于所述中间图像的光反射到用户的眼睛。

27.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：

由所述光学中继器将图像放大预定倍数。

28.根据权利要求21至28中任一项所述的方法，其中，所述弯曲光导包括一个或多个自由形状表面。

29.根据权利要求21至28中任一项所述的方法，进一步包括：由F光阑过滤表示所述图像的光的至少一部分。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述中间图像是基于表示所述图像的光的经过滤的至少一部分。