CN215982382U - 用于将图像显示到观察者的眼睛中的显示器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及用于将图像显示到观察者的眼睛中的显示器。该显示器包括光导光学元件(LOE)(20)和投影仪装置(10a)，该投影仪装置(10a)用于将图像注入到LOE中，以便通过在一对主面处进行的内部反射而在LOE内传播。该图像通过耦合输出装置而从LOE耦合出来，该耦合输出装置在此被例示为内部部分反射表面(22b)。该图像从LOE沿远离观察者的眼睛的方向(24b)被耦合出来，并且反射镜(30)将已耦合出来的图像通过LOE朝向观察者的眼睛(26)反射回来(32)。反射镜(30)优选地为选择性半透反射镜，并且可以是凸面的以提供所需的视像距离。

Description

用于将图像显示到观察者的眼睛中的显示器
技术领域
本发明创造涉及显示器，并且本发明创造特别地公开了下述显示器：在该显示器中，采用了一个或更多个反射镜，以用于将耦合出光导光学元件的图像朝向观察者的眼睛引导。
背景技术
在图像被从显示器朝向眼睛投影的特定应用、比如近眼显示***中，该图像应当被聚焦，以使其看起来像光线来自附近物体。然而，依靠波导的近眼显示***通常固有地产生源自无穷远的准直图像。可以引入折射透镜来实现所需的视深。
图1A示出了基于波导的显示器的基本结构。投影仪10a将准直到无穷远的图像光注入到光导光学元件或“LOE”(其可互换地被称为“波导”) 20中，以便通过全内反射(TIR)在波导内进行传播。耦合输出装置在此由波导内的部分反射内表面(其可互换地被称为“反射面”)22a例示，该部分反射内表面以相对于波导的主平行表面成斜角的方式定向，以便将光 24a朝向观察者的眼睛26反射。反射面的反射率通常是偏振敏感的，并且因此光24a主要是被偏振的。环境光28以最小的失真穿过波导和反射面。
图1B示出了用以从出现在有限距离处的波导中生成虚拟图像的现有技术方法。波导20对准直到无穷远的图像进行投影，而透镜21在有限距离处将图像转换为虚拟图像。透镜23相对于21具有相反的光功率，因此来自场景的光在通过***到达观察者26时不会聚(即保持其原始视深)。透镜21和透镜23可以在其表面上具有可变光功率(即，渐进式或“可变焦式”透镜)，从而产生虚拟图像的可变视距。在本示例中，25是附近的虚拟图像，并且27是较远的虚拟图像。基于这些原理的各种构型在作为 WO 2018/138714 A1所公布的共同转让专利申请中被公开，该专利申请的全部内容在此通过参引并入本文中，以用于公开可以使用本文中在下面所描述的原理有利地实施的特征和构型的目的。
在波导20与观察者的眼睛26之间安置透镜21通常要求波导定位成比将以其他方式所需要的更远离眼睛，并且因此对于给定的视野而言增加了波导和投影仪的尺寸的要求。
可以通过反射面(如图1A所描述的)或通过衍射光栅来执行将光耦合出波导。以下描述通过非限制性示例的方式仅涉及采用了用于耦合出图像的反射面的实施方案，但是本发明创造可以同样地使用用于耦合入图像和/或耦合出图像的衍射光学元件来实施，如对本领域的普通技术人员而言清楚的。
实用新型内容
本发明创造是具有反射镜的光导显示器。
根据本发明创造的实施方式的教示，提供了一种用于将图像显示到观察者的眼睛中的显示器，该显示器包括：(a)光导光学元件(LOE)，该光导光学元件具有一对平行主面；(b)投影仪装置，该投影仪装置用于将图像注入到LOE中，以便通过在一对主面处进行的内部反射而在LOE内传播；(c)耦合输出装置，该耦合输出装置用于将图像沿远离观察者的眼睛的方向从LOE耦合出来；以及(d)反射镜，该反射镜部署成将已耦合出来的图像通过LOE朝向观察者的眼睛反射回来。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，反射镜是部分透明的半透反射镜，从而允许观察者通过光导装置和半透反射镜观看真实场景。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，反射镜是偏振选择性反射镜。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，投影仪装置投影对被来自至少一个激光器的光所照射的图像进行投影，该激光器具有特征波长，并且其中，反射镜是配置成反射包括该特征波长的窄范围波长的颜色选择性反射镜。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，投影仪装置对被来自至少第一激光器的光所照射的图像以及被来自至少第二激光器的光所照射的第二图像进行投影，第一激光器具有第一特征波长，第二激光器具有与第一特征波长不同的第二特征波长，第一特征波长和第二特征波长对应于相同的感知颜色，其中，反射镜是颜色选择性反射镜，该颜色选择性反射镜配置成反射包括第一特征波长的窄范围波长、而对第二特征波长基本透明，显示器还包括第二颜色选择性反射镜，该第二颜色选择性反射镜配置成反射包括第二特征波长的窄范围波长，第一反射镜和第二反射镜形成有不同的曲率，使得图像和第二图像以不同的视觉焦距被朝向观察者的眼睛反射。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，反射镜是凸面反射镜。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，凸面反射镜是球面反射镜。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，凸面反射镜是曲率可调式反射镜，该曲率可调式反射镜具有能够在至少一个方向上调节的曲率。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，凸面反射镜是变焦反射镜。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，反射镜是与折射透镜结合到一起的表面，该折射透镜配置成为观察折射透镜之外的场景的观察者提供折射视觉矫正。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，与折射透镜结合到一起的反射镜是一副视力矫正眼镜的一部分，该视力矫正眼镜具有用于接合观察者的耳朵的侧部部分以及用于接合观察者的鼻子的桥接部分，并且其中， LOE、投影仪装置和耦合输出装置被实施为可拆卸单元，该可拆卸单元配置成用于与视力矫正眼镜进行可释放式接合。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，还设置有：(a)第二LOE，该第二LOE具有一对平行主面，在沿着观察方向观察时，第二LOE以与 LOE呈重叠关系的方式部署；(b)第二投影仪装置，该第二投影仪装置用于将第二图像注入到第二LOE中，以便通过在一对主面处进行的内部反射而在第二LOE内传播；以及(c)第二耦合输出装置，该第二耦合输出装置用于将第二图像从第二LOE耦合出来。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，第二耦合输出装置配置成将第二图像沿朝向观察者的眼睛的方向从第二LOE耦合出来。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，第二耦合输出装置配置成将第二图像沿远离观察者的眼睛的方向从第二LOE耦合出来，显示器还包括反射镜，该反射镜部署成将已耦合出来的第二图像通过第二LOE朝向观察者的眼睛反射回来，该第二反射镜具有与反射镜的曲率不同的曲率，使得图像和第二图像以不同的视觉焦距被朝向观察者的眼睛反射。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，反射镜和第二反射镜都是偏振选择性反射镜。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，第二反射镜具有与反射镜的偏振反射轴垂直的偏振反射轴。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，第二反射镜具有平行于反射镜的偏振反射轴的偏振反射轴，并且其中，在第二反射镜与LOE之间插置有半波片。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，耦合输出装置包括多个部分反射表面，所述多个部分反射表面以与一对平行主面成斜角的方式部署在 LOE内。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，还设置有第二投影仪装置，该第二投影仪装置用于将第二图像注入到LOE中，以便通过在一对主面处进行的内部反射而沿与图像的传播方向不同的传播方向在LOE内传播，第二图像通过部分反射表面被沿朝向观察者的眼睛的方向耦合出LOE。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，还在车辆的风挡的表面上设置有辅助反射镜，该辅助反射镜被部署在介于LOE与观察者的眼睛之间的光路中，其中，辅助反射镜具有非球面曲率，并且其中，反射镜被实施为具有非球面曲率，该非球面曲率被配置成光学地补偿辅助反射镜的非球面曲率。
根据本发明创造的实施方式的教示，还提供了一种用于将图像显示到观察者的眼睛中的显示器，该显示器包括：(a)半透反射镜，该半透反射镜位于车辆的风挡的表面上；以及(b)图像投影仪组件，该图像投影仪组件被部署成用于将图像照明朝向反射镜投影以便被朝向观察者的眼睛反射，以被观察者的眼睛视为图像，其中，半透反射镜是选择性反射镜，使得通过半透反射镜朝向观察者的眼睛所反射的图像照明的比例大于来自外部场景的被半透反射镜阻挡而不能通过风挡的光的比例。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，由图像投影仪组件所投影的图像照明至少部分地被偏振，并且其中，半透反射镜是偏振选择性反射镜。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，由图像投影仪组件所投影的图像照明由具有特征波长的至少一个激光器产生，并且其中，半透反射镜是配置成反射包括特征波长的窄范围波长的颜色选择性反射镜。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，图像投影仪组件包括：(a) 光导光学元件(LOE)，该光导光学元件具有一对平行主面；(b)投影仪装置，该投影仪装置用于将图像注入到LOE中以便通过在一对主面处进行的内部反射而在LOE内传播；(c)耦合输出装置，该耦合输出装置用于将图像沿远离半透反射镜的方向从LOE耦合出来；以及(d)投影仪反射镜，该投影仪反射镜被部署成将已耦合出来的图像通过LOE朝向半透反射镜反射回来。
根据本发明创造的实施方式的另一特征，半透反射镜具有非球面曲率，并且其中，投影仪反射镜被实施为具有非球面曲率，该非球面曲率配置成光学地补偿半透反射镜的非球面曲率。
附图说明
在本文中参照附图仅以示例的方式对本发明创造进行描述，在附图中：
图1A是上面所描述的采用光导光学元件(LOE)的传统增强现实 (AR)显示器的示意性侧视图；
图1B是上面所描述的如在专利公开号WO 2018/138714 A1中所公开的具有视觉渐变景深的增强现实显示器的示意性侧视图；
图2是根据本发明创造的实施方式的教示而构造和操作的显示器的示意性侧视图，其中，沿远离观察者的方向从LOE耦合出的图像通过反射镜而通过LOE并朝向观察者的眼睛被反射回来；
图3是与图2的视图类似的示意性侧视图，其图示了使用偏振选择性反射镜的图2的显示器的实施方案；
图4A是图2的显示器的变型实施方案的示意性侧视图，其采用了两个投影仪来显示距图像的视距不同的两个图像；
图4B是图示了根据本发明创造的变型实施方案的两个颜色选择性反射镜的反射光谱的图；
图4C是图2的显示器的变型实施方案的示意性侧视图，其采用了两个颜色选择性反射镜来显示距图像的视距不同的两个图像；
图5是图4A的显示器的变型实施方案的示意性侧视图，其中，每个图像经由单独的LOE传送；
图6是图2的显示器的变型实施方案的示意性侧视图，其采用了可变曲率反射镜来提供与图1B的装置功能上等效显示器；
图7A和图7B是图2的显示器的另外两个变型实施方案的示意性侧视图，其图示了反射镜分别与折射透镜的前表面和后表面结合；
图7C和图7D是用于与可拆卸的增强现实单元一起使用的一副支持 AR的眼镜的示意性等距图，其分别示出了增强现实装置被移除以及安装的情况；
图8是图2的显示器的另一变型实施方案的示意性侧视图，其采用了具有可调式可变曲率的反射镜；
图9A是图2的显示器的另一变型实施方案的示意性侧视图，其结合有液晶可调式光学元件；
图9B是图2的显示器的另一变型实施方案的示意性侧视图，其图示了用于结合多个附加折射透镜的可选位置；
图10是图2的显示器的另一变型实施方案的示意性侧视图，其采用了具有非对称可调节式可变曲率的反射镜；
图11A是图2的显示器的另一变型实施方案的示意性侧视图，其采用了双结构来实现四个图像的投影，其中，所述四个图像具有距这些图像的四个不同视距；
图11B是与图11A的显示器类似的显示器的示意性等距图，但是其中，一个子***相对于另一子***旋转以便避免对半λ波片的需要；
图12A是在头戴式构型中使用两个与图2的显示器类似的显示器来实施的近眼显示器的平面图，并且图示了可能被朝向观察者的眼睛反射的外部照明的可能路径；
图12B是与图12A的视图类似的视图，其表示了应用于显示器侧面处的侧向区域的偏振滤光镜如何可以用于消除图12A的有问题的反射；以及
图13是图示了本发明创造的在比如用于车辆的抬头显示器(HUD) 的情况下的方面的实施方案的示意性侧视图。
具体实施方式
本发明创造是具有反射镜的光导显示器。
参照附图和所附描述内容，可以更好地理解根据本发明创造的显示器的原理和操作。
通过对本发明创造的第一方面的概述，本发明创造的如由图2所例示的特定实施方式提供了用于将图像显示到观察者的眼睛中的显示器，其中，该显示器包括：光导光学元件(LOE)20，该光导光学元件(LOE) 20具有一对平行主面；以及投影仪装置10a，该投影仪装置10a用于将图像注入到LOE中以便通过在一对主面处进行内部反射而在LOE内传播。该图像通过耦合输出装置而从LOE耦合出来，该耦合输出装置在此被例示为内部部分反射表面(或反射面)22b。根据本发明创造的该第一方面，耦合输出装置——无论是基于反射面还是基于衍射元件——都特别地被配置成将图像沿远离观察者的眼睛的方向(射线24b)从LOE耦合出来，并且反射镜30部署成将已耦合出来的图像作为射线32通过LOE朝向观察者的眼睛26反射回来。
使用LOE 20的远侧的反射镜30以将图像反射回观察者可以提供许多显著优点中的一个或更多个优点。首先，将LOE定位在眼睛与反射镜之间通常有助于减轻眼部不适的实施方案，这又有助于减小LOE和投影仪的尺寸。此外，反射镜的定位为呈现具有一个或更多个视深级别或可调视像深度的图像开辟了新的可能性，以用于将装置与其他传统的视力矫正眼镜结合到一起，并且有助于如下面将进一步描述的一系列其他附加特征。
本发明创造的第二方面最优选地以与上述显示架构协同的方式使用，但也适用于一系列反射镜***置在介于图像投影仪与观察者之间的光路中的其他显示器架构，比如抬头显示器(HUD)构型。根据该第二方面，图像合成反射镜(例如图2中的反射镜30或图13中的反射镜1002)——通过该图像合成反射镜观察真实世界——是选择性半透反射镜，该选择性半透反射镜被实施成使得由该半透反射镜朝向观察者所反射的图像照明的比例大于来自外部场景的被半透反射镜阻挡而不能通过反射镜的光的比例。下面基于使用偏振选择性反射镜或者基于使用颜色选择性反射镜来对该概念的实施方案进行描述，所有这些将在下面被进一步详细说明。
在图2中以及贯穿该文献，图像投影仪10a仅示意性地被表示为矩形。图像投影仪优选地被配置成生成准直图像，即，在准直图像中，每个图像像素的光是平行光束、且以与像素位置相对应的角度方向被准直到无穷远。因此，图像照明跨越与二维角度视场相对应的角度范围，所有这些都应通过内部反射被捕获在LOE内并且然后被耦合出来。
图像投影仪14a包括至少一个光源，通常为LED或激光器，该光源可以被部署成照明空间光调制器、比如LCOS芯片。该空间光调制器对图像的每个像素的投影强度进行调制，从而生成图像。替代性地，图像投影仪可以包括通常使用快速扫描镜来实现的扫描装置，该扫描装置在投影仪的图像平面上扫描来自激光器光源的照明，同时光束的强度在逐个像素的基础上与运动同步变化，从而为每个像素投影所需的强度。在这两种情况下，提供准直光学器件以产生被准直到无穷远的输出投影图像。上述组件中的部分或全部部件通常布置在一个或更多个偏振分束器(PBS)立方体或其他棱镜装置的表面上，如在本领域中众所周知的。
图像投影仪14a与LOE 20的光学耦合在此通过部件的抵接而简单化地表示，但是图像投影仪14a与LOE 20的光学耦合通常实际上使用合适的光学耦合装置来实现，比如例如经由具有倾斜角度的输入表面的耦合棱镜、或者经由反射耦合装置、经由LOE的侧边缘和/或主要外表面中的一者来实现。耦合构型的细节对本发明创造并不是关键的，并且因此为了表示的简洁性而在此被省略。
将理解的是，显示器还包括各种附加部件，所述各种附加部件通常包括用于致动图像投影仪的控制器以及比如小型车载电池或一些其他合适的电源的电源。控制器包括所有必要的电子部件，比如至少一个处理器或处理电路以驱动图像投影仪，所有这些都是本领域中已知的。也在此，部件本身不是本发明创造的一部分，并且因此不详细讨论。通常被称为PODS 的合适的图像投影仪可以通过各种来源在市场上获得。
再次参照图2，在这种情况下，波导20中的反射面22b(或在衍射架构的情况下的衍射图案)被实施为“面向外部”，即被定向成将图像远离观察者26向外反射。因此，光24b从波导耦合出来到反射镜表面30上。反射镜面为凸出弯曲的，从而用作凸面反射透镜；因此，从面30反射的耦合出的光24b发散为光32。发散的光32生成虚拟图像52，该虚拟图像 52看起来处于期望的范围(而不是无穷远)处。反射镜30的曲率根据反射透镜的一般原理来确定该虚拟图像的距离。反射镜30是半透反射镜，使得环境光28可以穿过(其强度有些降低)，并且场景对观察者26是可见的。反射涂层可以是半透反射镜或偏振反射镜(如下面进一步描述的)。
反射涂层可以替代地被施加于表面31上，从而能够在曲率减小的情况下获得相同的光功率，因为反射发生在折射率显著高于空气的介质内。
附带说明的是，应当注意的是，为了说明的目的，附图中所图示的表面30的曲率被高度夸大。对于典型应用而言，提供所需视像深度所需的曲率范围在1米至8米的曲率半径的范围内，这对应于位于眼睛前方的透镜大小的半透反射镜上几乎无法察觉的表面偏转。
非反射表面(在该示例中为31)优选地被设计成引入来自背景的光的最小失真。在大多数情况下，该非反射表面将具有与30的形状大致相同的形状。提供表面30和表面31的元件可以是薄玻璃或塑料片或透镜，或者在一些情况下可以是用于部分反射箔或膜的中空框架式支撑结构件。
图3示出了与图2相同的基本架构，但是其中，偏振反射镜表面30 定向成反射S偏振(其在此被定义为平行于由反射面22b反射的偏振)并透射P偏振。这种偏光反射涂层(垂直入射光的偏光器)可以从各种来源获得，并且可以例如从3M公司(美国)获得。替代性地，可以使用线栅膜。
环境光28以非偏振的方式入射，而S偏振被反射镜30反射为射线 29，而P偏振穿过至观察者。这本身是有益的，因为环境中的S偏振光往往会被反射面散射并降低可见性。
表面31或底层片/透镜也可以被实施为吸收偏振片，该吸收偏振片吸收S偏振以防止S偏振光从外部场景反射，并且因此防止眼镜的“镜面”外观。
从基板20朝向反射镜表面30耦合出的虚拟图像光24b是S偏振的，并且因此被表面30作为照明32朝向观察者26反射。根据从反射面所反射的图像照明的偏振而定向的偏振选择性反射镜30的使用使虚拟图像的功率损耗减至最小、同时仅对环境光造成50％的损耗。这种损耗可以通过采用用于反射镜30的偏振选择性的半透反射镜而被进一步降低，其代价是降低了虚拟图像对眼睛的反射率，由此降低功率效率。例如，如果反射镜30反射了40％的S偏振光并且对P偏振光是基本透明的，则反射镜30 将反射从波导耦合出的40％图像照明，同时仅将来自外部场景的未偏振照明的总强度降低约20％。偏振选择性的半透反射镜可以使用与上面所描述的技术相同的技术来实现、比如例如具有适当的线厚度和间距的选择的线栅膜。
根据某些特别优选的实现方案，波导20的外面涂有抗反射(AR)涂层以抑制虚拟图像的多个不期望反射。
尽管偏振方案在下面描述的特定实施方式中未明确讨论，但是应当理解的是，图3的实施方案的偏振管理可以有利地实施在本文中下面所描述的变型中的每个变型中。
图4A示出了在波导的另一侧(相反边缘)引入第二投影仪10b的架构。来自该投影仪的图像照明(其示意性地由虚线箭头表示)被反射面作为图像照明34直接朝向观察者26的眼睛反射。因此，来自10b的虚拟图像被准直(聚焦到无穷远)，而来自10a的虚拟图像位于由凸面反射镜所限定的有限距离处。同时显示没有相互作用但位于不同视距的两个图像的能力为观察者提供了改进的深度感知。
根据本发明创造的某些实施方案，激光器光源可以用于投影仪10中的图像照明、用于照明空间光调制器的表面的照明源、或者在光束沿着扫描图案被扫描时通过调制激光强度直接生成图像。该激光器具有与激光器的特征波长紧密对应的窄光谱宽度。根据本发明创造的某些特别优选的实施方案，使用了颜色选择性反射镜，该颜色选择性反射镜对包括用于产生图像的一个或多个激光器的特征波长在内的窄带波长具有反射性，并且对其他可见波长是透明的。在该情况下的“窄带”被用于指位于目标波长附近的反射率，使得其对可见光谱范围内的宽带白色照明的总强度透射率的影响对应于小于每个“窄带”的总强度的2％，并且优选地每个波段小于 1％。另外或替代性地，“窄带”可以被表征成：该窄带在不大于约5nm 且更优选地不大于约3nm的波长范围Δλ内具有高反射率。
这种反射镜可以透射大部分可见光谱、而不只是透射激光，并且对外部场景的视图仅具有很小的影响。这种反射镜可以基于电介质涂层或布拉格全息图(或“厚全息图”)。图4B中的实线示出了这种涂层的光谱，其对三个分离的波长具有反射性，从而被有效地“调谐”以在用于照明图像的RGB分量的三个激光器(红色、绿色和蓝色)的特征波长处具有反射性。不同涂层的光谱反射率被标记为虚线，对应于反射镜，该反射镜被调谐到在波长上从第一组波长偏移的不同的波长组，该波长组优选地仍在观看者感知为红色、绿色和蓝色的范围内，适用于照明彩色图像的分量。明显的是，即使两个滤光片按顺序使用，大部分光谱也不会被反射。这些滤光片被使用在图4C中所描述的架构中。
在图4C中，投影仪10a根据图4B的反射光谱利用六个不同波长的激光器来投影两个图像。激光器中的三个激光器的波长对应于实线反射光谱的峰值反射波长，并且另外三个激光器的波长对应于图4B的虚线光谱的峰值反射波长。如前所述，两个图像被从投影仪10a注入到波导中，各自由来自激光器的组中的一个激光器的组的RGB照明进行照明，并且两个图像都从波导沿远离观察者的眼睛的方向被耦合出来。表面130被涂覆以将图4b的实线的反射率光谱显示为射线35，而表面132被涂覆以将图 4b的虚线的反射率光谱显示为射线37。由于两个反射表面130和132具有不同的曲率，因此它们产生具有不同焦距(视深)的两个图像。因为如图4B中所示出的其余光谱的高透射率，该构型可以实现高的场景透射率。
图4c的装置的替代性实施方案可以包括：表面130，该表面130作为具有如所描述的根据图4b的实线的反射率的光谱选择性反射表面；以及表面132，如所描述，该表面132对S偏振进行反射，从而避免对两个光谱选择性表面的需要。
图5示出了用于生成两个视场(即不同距离的两个图像)的另一可选实施方案。第二投影仪10c将图像(其示意性地用虚线箭头表示)投影到与前面描述的波导20相邻的波导38中。波导38中的耦合输出反射面与 20中的反射面的方向相反，从而将图像作为准直到无穷远的虚拟图像从 10c直接朝向观察者的眼睛耦合。因此，该架构在功能上完全等同于图4的架构，但是在两个不同波导之间的投影图像的分离在某些情况下可以提供有用的附加灵活性，以优化每一组反射面的设计参数。
反射透镜表面的曲率可以是任何期望的曲率，或者在特定应用中可以是平坦的。在许多实施方案中，稍微凸出的球面提供了特别简单且有用的实施方案，从而限定了所需的视像焦深。然而，也可以有利的使用各种类型和特性的非球面透镜，如将由下面的多个示例所例示的。
图6显示了下述架构：在该架构中，弯曲的反射表面40(其相当于 30)在其长度上具有可变的曲率。在该示例中，顶部部段没有曲率或曲率很小，使得由该部段所反射的虚拟图像27将位于远处或无穷远处。下部部段的曲率逐渐增大，使得下部场处的虚拟图像25将看起来更接近。连续曲率变化优选地用于生成与焦距(或“变焦”透镜)的渐进变化相对应的倾斜的虚拟图像平面29。在上述WO 2018/138714 A1中呈现了基于在近眼显示器的情况下使用(折射)变焦透镜的概念的附加实施方案，该专利通过参引并入本文中。根据本发明创造的教示，这些实施方案中的每个实施方案可以有利且更简单地使用基于反射光学器件的变焦透镜来实施。通过平面40及其相邻平面(如通过30和31)向场景光引入最小失真，并且不需要附加的光学元件来矫正来自真实场景的光的失真。
图7A示出了用于观察真实世界场景的折射透镜与用作如上所述的反射透镜的近端部分反射表面的组合。如果观察者需要处方眼镜(具有焦距、柱面或渐进参数)，则有益的是将规定的光学参数引入到透镜44a，透镜 44a距波导20更远地安置、即安置在光导的距眼睛较远的侧部。眼睛与波导之间的短距离使得能够减小波导尺寸并且因此节约照明功率。
在该透镜中，反射表面44a(其相当于30)被设计成将虚拟图像反射到具有预定虚拟距离和规定光学矫正的观察者。表面46a被设计成使得折射透镜42a的总体效果是在不失真且具有规定的光学参数的情况下透射背景。表面46a应当包括消除在透射时由表面44a所引入的任何失真。
在图7B中，示出了与7A中的架构相同的架构，除了反射表面在这种情况下是外表面46b之外。在这种构型中，可以减小反射镜的曲率(以折射率代替空气反射)，并且可以应用迭代方法来生成表面44b和46b的最佳形式。
图7C和图7D示出了“支持AR的眼镜”504的总体图，该“支持 AR的眼镜”504可以单独用作传统的视力矫正眼镜，但是已包括根据上面相对于图7A或图7B所限定的设计考虑所形成的半透反射镜表面。因此，反射镜与折射透镜结合到一起作为一副视力矫正眼镜504的一部分，该眼镜504包括用于接合观察者的耳朵的侧部部分和用于接合观察者的鼻子的桥接部分。LOE、投影仪装置和耦合输出装置一起被实施为用于一只眼睛或两只眼睛的可拆卸单元(或替代性地，单个双目镜单元)，该可拆卸单元配置成用于与视力矫正眼镜504进行可释放式接合。图7C示出了眼镜504可以单独用作传统视力矫正眼镜的分离状态，而图7D示出了增强现实(AR)构型，其中，可以利用从投影仪装置502所注入的来自 LOE 500的虚拟图像来增强直接观看的场景。LOE在此被安装在靠近观察者的眼睛一侧的透镜后面。
在图8中示意性地示出了可调焦距深度的实施方案。在柔性箔或其他柔性基板50上安置有反射涂层30a(其对增强现实应用是透明的、并且对虚拟现实是不透明的)。在该位置(50)处，表面30生成虚拟图像52(点虚线的会聚)。通过对箔54施加力，这改变了如在位置56处所图示的形状，从而使其具有不同的曲率。在该新的曲率下，虚拟图像更接近58(点 -点-虚线的会聚)。因此，通过修改施加至箔的力54，可以对距虚拟图像的距离进行调整。将注意的是，形状的变化应被理想地执行以保持所需的通常球形的反射镜形状。这可以有利地利用流体(气体或液体)压力来修改元件的形状而实现、或者通过利用电容而实现。如在此示意性图示的，也可以使用机械致动。实际上，所需的移位通常相对较小(且远小于图8的示意性图示的移位)，并且可能不需要精确地保持球面几何形状，因为眼睛可以很好地忍受有限程度的散光，特别是在短暂发生时。
图9A和图9B示出了本发明创造的其他实施方案，其中，另外的光功率通过附加光学元件而引入。
在图9A中，在波导与30之间引入了液晶可调光学元件(LCAOE) 60。当电压被施加至LCAOE时，其改变了源自于波导的透射的S偏振的光功率。来自背景的P偏振保持不变。该构型(相对于将LCD放置在波导的另一侧)的优点是光穿过LCAOE 60两次，从而使光的动态范围加倍。此外，在该构型中，波导与眼睛之间的距离保持最小，从而能够使得波导更小并且照明功率损耗更少。表面30可以是弯曲的(如所描绘的)、或者可以是平坦的。适合此应用的LCAOE装置可以从Deep Optics公司或奇景光电公司获得。
图9B示出了下述广义架构，其中，透镜被实施在眼睛与波导64c之间。透镜也被实施在反射镜的两侧作为64b和64a。在某些情况下，需要这些透镜中的一个或更多个透镜，以便在最小像差的情况下获得最佳图像质量。透镜64a和透镜64c可以是双折射的，以便获得对场景和对虚拟图像的不同光学功率。透镜中的一个透镜可以是可调透镜。如前所述，表面30a可以是平坦的或弯曲的。
在某些优选实施方案中，优选的是，波导的表面涂覆有抗反射(AR) 涂层以减少可能干扰标称图像的反射。这些反射的可见度的进一步降低可以通过在该构型中使用透镜64c来实现，该构型也可选地作为本文中所描述的其他构型的补充而提供。该透镜使波导表面的反射散焦，从而使它们不太明显。
图10相当于图8，除了在这种情况下，透镜修正力70从一侧不对称地施加之外。因此，虚拟图像72(与图8的位置58相比)不仅更接近而且被偏移。该偏移可以在视差(会聚)需要被光学补偿以匹配视像范围的情况下使用。进一步的精细补偿可以通过对被发送到显示器的数字图像信息的处理而以电子方式来执行。
图11A示出了用以生成也称为“光场”的多个焦点图像的架构。投影仪80a和80b将图像投影到波导中。这些图像的光与图4A中所描述的架构等效地被朝向观察者耦合出来。半λ波片82将投影光偏振从S偏振旋转到P偏振，该投影光偏振朝向观察者穿过反射表面84(相当于30)。投影仪10a和10b与相关的LOE和反射表面84一起如上文关于图4A所描述那样起作用。由投影仪10a、10b、80a和80b所投影的四个图像因此都到达眼睛26，但是各自都具有不同的光功率和视深：来自投影仪10b的图像被耦合出来作为无穷远处出现的准直图像；来自投影仪10a的图像仅通过从表面84反射而被修改；来自投影仪80b的图像通过透镜的折射效应而被修改，其表面84形成一个表面；来自投影仪80a的图像通过来自表面30的反射并且通过折射透镜而修改。因此，通过适当地选择折射透镜和两个反射表面的形式，能够针对合成的图像的不同分量投影具有四个不同视像深度的组合虚拟图像。
在一种变型但功能上等效的实施方案中，可以省掉波片82，并且具有附接的波导的投影仪80a、80b(沿着观察者视线的旋转轴线)旋转90 度。在图11B中示意性地示出了这种构型。
在图11A至图11B的构型中，四个焦平面同时被从具有低物理体积的***投影。该构型最适用于虚拟现实(VR)。由于场景光对观察者的透射率较低，因此对增强现实(AR)的应用可能受到限制。如果最右边的反射镜30和投影仪80a被省掉，则可以实施具有三个不同的视像深度的 AR应用。
图12示出了近眼显示眼镜87和使用者89的示意性俯视图。对应于上面所描述的实施方式中的任何实施方式以及所有实施方式的反射表面 30位于眼镜的前面。来自场景90的未偏振光源可以照明反射镜30，并且在某些情况下，来自反射镜30的S反射可以照明使用者的眼睛并且不利地影响可见性。
根据本发明创造的某些优选实施方式的另一方面，透射偏光片92被安置在眼镜的一侧(可能也安置在顶部)，如在图12B中所示出的。该偏光片92具有与反射偏光片30的透射轴的取向相同的取向。因此，穿过 92的透射的P偏振光也将透射穿过30并且将不会朝向观察者的眼睛反射。
贯穿本文献，在参照本发明创造的装置相对于观察者的一个眼睛或两只眼睛的取向和/或位置的情况下，该取向和/或位置优选地由下述支撑装置来限定：该支撑装置将装置相对于观察者的面部或头部支撑。这可能是眼镜框形状，其中，接触点位于观察者的鼻梁处且位于耳朵上方，或者其也可以是基于头带或基于直接抓住头部的头盔、或任何其他支撑结构。
在上述情况中的一些情况下，特别是在反射透镜被结合为向用户提供视力矫正的折射透镜的一部分的情况下，透镜可以有利地被实施为下述一副传统的“支持AR”的眼镜(镜片)：该“支持AR”的眼镜可以单独使用，并且可以与附加增强现实部件组合到一起，以根据需要使用。在这种情况下，图像投影***和光导可以可安装成通过附接至眼镜而被直接支撑，或者可以设置有如上面所描述的附加支撑装置。
尽管到目前为止本发明创造已经在近眼显示器的优选但非限制性示例的情况下被说明，但是应当注意的是，本发明创造的各个方面的实施方式可以有利使用在包括但不限于抬头显示器(HUD)的其他应用中。特别关注的HUD的一个子集是用于车辆的HUD，其中，图像照明可以从最优选地实施在车辆风挡的表面上的半透反射镜被反射。在图13中示意性地图示了这种应用的示例，HUD显示器1000包括：半透反射镜1002，其位于车辆风挡(未示出)的表面上；以及图像投影仪组件1004，其被部署成用于将图像照明朝向反射镜1002投影以便被朝向观察者1006的眼睛反射以被观察者视为图像。图像投影仪组件1004仅被示意性地表示，但是可以例如根据上面所描述的具有后侧反射镜的显示器架构中的任何显示器架构来实施。在使用了后侧反射镜(其未示出，但是相当于上面所描述的反射镜30或130)的情况下，投影仪反射镜可以有利地使用非球面曲率来实现，该非球面曲率被配置成光学地补偿半透反射镜1002的非球面曲率。使用反射部件来提供所需的光功率避免了色差问题，而又不会使光学装置过于复杂。
根据本发明创造的另一方面，无论是在具有如上面所描述的后反射镜的图像投影仪的情况下，还是在其他传统图像投影仪的情况下，都适用于采用半透反射镜1002，该半透反射镜1002是所选择的选择性反射镜，使得由半透反射镜朝向观察者的眼睛所反射的图像照明的比例大于来自外部场景的被半透反射镜阻挡而不能通过风挡的光的比例。
这种选择性反射率可以以多种方式来实现，其示例已经在上面进行了描述。在本发明创造的该方面的一组实施方案中，由图像投影仪组件1004 所投影的图像照明至少部分被偏振，并且半透反射镜1002是偏振选择性反射镜。在先前所描述的实施方案中，其中，半透反射镜的至少一部分垂直于入射图像辐射，偏振选择性仅可以使用结构偏振反射镜来实现。在图像以斜角入射到半透反射镜上的情况下，偏振敏感的反射可以替代性地通过适当设计的电介质多层涂层来实现，以产生在入射图像的整个角度范围内具有S偏振的高反射和P偏振的低反射率的偏振分束效应。如果图像投影仪组件的取向被选择成提供具有S偏振的输出图像，则在来自外部场景的至少一半未偏振光穿过半透反射镜到达眼睛时，可以反射高比例的图像照明。如果使用了部分反射分束器(例如，S偏振的40％反射和P偏振的最小反射)，则投影图像强度的40％可以被朝向观察者反射，而在周围的非偏振照明通过半透反射镜透射情况下，则为80％，其中，仅大约20％被拒绝。
根据在上面在图4B和图4C的情况下所讨论的另一替代性方法，由图像投影仪组件所投影的图像照明由具有特征波长的至少一个激光器产生，并且半透反射镜是配置成反射包括该特征波长的窄范围波长的颜色选择性反射镜。
将理解的是，上述描述仅意在用作示例，并且在本发明创造的由所附权利要求所限定的范围内，许多其他实施方式也是可能的。

Claims (25)

1.一种用于将图像显示到观察者的眼睛中的显示器，其特征在于，所述显示器包括：
(a)光导光学元件(LOE)，所述光导光学元件具有一对平行主面；
(b)投影仪装置，所述投影仪装置用于将图像注入到所述LOE中，以便通过在所述一对主面处进行的内部反射而在所述LOE内传播；
(c)耦合输出装置，所述耦合输出装置用于将所述图像沿远离所述观察者的所述眼睛的方向从所述LOE耦合出来；以及
(d)反射镜，所述反射镜部署成将已耦合出来的图像通过所述LOE朝向所述观察者的所述眼睛反射回来。
2.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述反射镜是部分透明的半透反射镜，从而允许所述观察者通过所述光导装置和所述半透反射镜观看真实场景。
3.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述反射镜是偏振选择性反射镜。
4.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述投影仪装置对被来自至少一个激光器的光所照射的所述图像进行投影，所述激光器具有特征波长，并且其中，所述反射镜是配置成反射包括所述特征波长的窄范围波长的颜色选择性反射镜。
5.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述投影仪装置对被来自至少第一激光器的光所照射的所述图像以及被来自至少第二激光器的光所照射的第二图像进行投影，所述第一激光器具有第一特征波长，所述第二激光器具有与所述第一特征波长不同的第二特征波长，所述第一特征波长和所述第二特征波长对应于相同的感知颜色，并且其中，所述反射镜是颜色选择性反射镜，所述颜色选择性反射镜配置成反射包括所述第一特征波长的窄范围波长、而对所述第二特征波长基本透明，所述显示器还包括第二颜色选择性反射镜，所述第二颜色选择性反射镜配置成反射包括所述第二特征波长的窄范围波长，所述第一反射镜和所述第二反射镜形成有不同的曲率，使得所述图像和所述第二图像以不同的视觉焦距被朝向所述观察者的所述眼睛反射。
6.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述反射镜是凸面反射镜。
7.根据权利要求6所述的显示器，其特征在于，所述凸面反射镜是球面反射镜。
8.根据权利要求6所述的显示器，其特征在于，所述凸面反射镜是曲率可调式反射镜，所述曲率可调式反射镜具有能够在至少一个方向上调节的曲率。
9.根据权利要求6所述的显示器，其特征在于，所述凸面反射镜是变焦反射镜。
10.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述反射镜是与折射透镜结合到一起的表面，所述折射透镜配置成为观察在所述折射透镜之外的场景的所述观察者提供折射视觉矫正。
11.根据权利要求10所述的显示器，其特征在于，与所述折射透镜结合到一起的所述反射镜是一副视力矫正眼镜的一部分，所述视力矫正眼镜具有用于接合所述观察者的耳朵的侧部部分以及用于接合所述观察者的鼻子的桥接部分，并且其中，所述LOE、所述投影仪装置和所述耦合输出装置被实施为可拆卸单元，所述可拆卸单元配置成用于与所述视力矫正眼镜进行可释放式接合。
12.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述显示器还包括：
(a)第二LOE，所述第二LOE具有一对平行主面，在沿着观察方向观察时，所述第二LOE以与所述LOE呈重叠关系的方式部署；
(b)第二投影仪装置，所述第二投影仪装置用于将第二图像注入到所述第二LOE中，以便通过在所述一对主面处进行的内部反射而在所述第二LOE内传播；以及
(c)第二耦合输出装置，所述第二耦合输出装置用于将所述第二图像从所述第二LOE耦合出来。
13.根据权利要求12所述的显示器，其特征在于，所述第二耦合输出装置配置成将所述第二图像沿朝向所述观察者的所述眼睛的方向从所述第二LOE耦合出来。
14.根据权利要求12所述的显示器，其特征在于，所述第二耦合输出装置配置成将所述第二图像沿远离所述观察者的所述眼睛的方向从所述第二LOE耦合出来，所述显示器还包括反射镜，所述反射镜部署成将已耦合出来的第二图像通过所述第二LOE朝向所述观察者的所述眼睛反射回来，所述第二反射镜具有与所述反射镜的曲率不同的曲率，使得所述图像和所述第二图像以不同的视觉焦距被朝向所述观察者的所述眼睛反射。
15.根据权利要求14所述的显示器，其特征在于，所述反射镜和所述第二反射镜都是偏振选择性反射镜。
16.根据权利要求15所述的显示器，其特征在于，所述第二反射镜具有与所述反射镜的偏振反射轴垂直的偏振反射轴。
17.根据权利要求15所述的显示器，其特征在于，所述第二反射镜具有平行于所述反射镜的偏振反射轴的偏振反射轴，并且其中，在所述第二反射镜与所述LOE之间插置有半波片。
18.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述耦合输出装置包括多个部分反射表面，所述多个部分反射表面以与所述一对平行主面成斜角方式部署在所述LOE内。
19.根据权利要求18所述的显示器，其特征在于，所述显示器还包括第二投影仪装置，所述第二投影仪装置用于将第二图像注入到所述LOE中，以便通过在所述一对主面处进行的内部反射而沿与所述图像的传播方向不同的传播方向在所述LOE内传播，所述第二图像通过所述部分反射表面沿朝向所述观察者的所述眼睛的方向而耦合出所述LOE。
20.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述显示器还包括位于车辆的风挡的表面上的辅助反射镜，所述辅助反射镜部署在介于所述LOE与所述观察者的所述眼睛之间的光路中，其中，所述辅助反射镜具有非球面曲率，并且其中，所述反射镜被实施为具有非球面曲率，所述非球面曲率配置成光学地补偿所述辅助反射镜的所述非球面曲率。
21.一种用于将图像显示到观察者的眼睛中的显示器，其特征在于，所述显示器包括：
(a)半透反射镜，所述半透反射镜位于车辆的风挡的表面上；
(b)图像投影仪组件，所述图像投影仪组件部署成将图像照明朝向所述反射镜投影以便被朝向所述观察者的所述眼睛反射，以被所述观察者的所述眼睛视为图像，
其中，所述半透反射镜是选择性反射镜，使得通过所述半透反射镜朝向所述观察者的所述眼睛所反射的所述图像照明的比例大于来自外部场景的被所述半透反射镜阻挡而不能通过所述风挡的光的比例。
22.根据权利要求21所述的显示器，其特征在于，由所述图像投影仪组件所投影的所述图像照明至少部分地被偏振，并且其中，所述半透反射镜是偏振选择性反射镜。
23.根据权利要求21所述的显示器，其特征在于，由所述图像投影仪组件所投影的所述图像照明由具有特征波长的至少一个激光器产生，并且其中，所述半透反射镜是配置成反射包括所述特征波长的窄范围波长的颜色选择性反射镜。
24.根据权利要求21所述的显示器，其特征在于，所述图像投影仪组件包括：
(a)光导光学元件(LOE)，所述光导光学元件具有一对平行主面；
(b)投影仪装置，所述投影仪装置用于将图像注入到所述LOE中以便通过在所述一对主面处进行的内部反射而在所述LOE内传播；
(c)耦合输出装置，所述耦合输出装置用于将所述图像沿远离所述半透反射镜的方向从所述LOE耦合出来；以及
(d)投影仪反射镜，所述投影仪反射镜部署成将已耦合出来的图像通过所述LOE朝向所述半透反射镜反射回来。
25.根据权利要求24所述的显示器，其特征在于，所述半透反射镜具有非球面曲率，并且其中，所述投影仪反射镜被实施为具有非球面曲率，所述非球面曲率配置成光学地补偿所述半透反射镜的所述非球面曲率。
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