头戴式显示设备的具有共享光学元件的左和右眼光路的制作方法

背景

虚拟现实(vr)和增强现实(ar)可视化系统开始进入主流消费者市场。ar头戴式显示(hmd)设备(“ar-hmd设备”)是此类技术的一种有前景的应用。ar-hmd设备包括使得用户能够看见叠加在用户对现实世界的视野上的虚拟内容的图像生成组件和光学器件。看起来像是叠加在用户的现实世界视野上的虚拟内容通常被称为ar或全息内容。vr和ar可视化系统可为用户提供娱乐、沉浸式的三维(3d)虚拟环境，在该虚拟环境中，这些用户能够可视地经历他们在现实生活中通常无法经历的事物。

概述

此处引入的技术包括用于头戴式显示设备的显示引擎组装件。在某些实施例中，显示引擎组装件包括用于分别在头戴式显示设备中生成左图像和右图像的第一成像器和第二成像器。左图像和右图像分别是单个立体图像的左分量和右分量。显示引擎进一步包括光学地耦合到第一成像器和第二成像器两者的光学波导。光学波导是用于将左图像传达到头戴式显示设备的用户的左眼的第一光路的部分，并且也是用于将右图像传达到头戴式显示设备的用户的右眼的第二光路的部分。在某些实施例中，光学波导是例如偏振分束器(pbs)。在某些实施例中，显示引擎组装件包括各自形成第一光路和第二光路两者的一部分的两个或更多个光学波导，其中的任何一者或多者可以是例如pbs。

根据附图和详细描述，该技术的其他方面将显而易见。

提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。

附图简述

在附图中的各图中作为示例而非限制解说了本公开的一个或多个实施例，其中相同的标记指示相似的元素。

图1示意性地解说了hmd设备中的左光路和右光路的示例。

图2a示意性地解说了hmd设备中其间共享至少一个pbs的左光路和右光路的示例。

图2b示意性地解说了hmd设备中其间共享每一个无源光学组件的左光路和右光路的示例。

图3更详细地示意性示出hmd设备中形成光路的组件的示例。

图4解说了其中共享鸟盆型pbs和共享线栅pbs可与其他光学组件物理地集成的光学器件组装件的示例。

图5a解说了供在hmd中使用的显示组装件的示例的左侧视图。

图5b解说了图5a的显示组装件的正视图。

图6a示出了图5a和5b的显示组装件的显示引擎组装件的正视图。

图6b示出了图5a和5b的显示组装件的显示引擎组装件的侧视图。

图6c示出了图5a和5b的显示组装件的显示引擎组装件的俯视图。

图6d示出了图5a和5b的显示组装件的显示引擎组装件的后视图。

图7解说了可纳入图5a和5b的显示组装件的ar-hmd的示例。

详细描述

在该描述中，对“一实施例”、“一个实施例”等的引用意味着描述的特定特征、功能、结构或特性被包括在本文中引入的技术的至少一个实施例中。这样的短语在本说明书中的出现不一定全部涉及同一实施例。另一方面，所涉及的各实施例也不一定是相互排斥的。

为了提供3d可视化，ar-hmd设备针对用户的左眼和右眼生成分开的全息图像，并且那些图像沿着分开但平行的光路传播到用户的眼睛。左图像和右图像表现为横向略微偏移，以便向用户提供3d视觉效果。本申请的发明人已确定为了使ar-hmd设备最优地工作，表示图像的光从该设备进入用户的眼睛的角度(被称为“瞄准线”)应当对于左眼和右眼两者都被精确地维持。甚至左图像和右图像之间的瞄准线角度的极小变化也可导致图像质量的降级。本申请的发明人进一步确定了甚至左图像和右图像之间的瞄准线的极小波动也可导致用户感觉极度不适，包括眼睛疼、头晕、头疼和/或恶心。因此，瞄准线稳定性在这样的hmd设备的设计中是重要的。

然而，维持ar-hmd设备中的左图像和右图像之间的瞄准线稳定性是一个挑战。左光路和右光路各自包括多个个体组件，包括一个或多个成像器、透镜、分束器、波导等。归因于设备的正常使用的机械应力和/或归因于来自电子器件的热量的热膨胀可引起各组件的相对移动，从而导致瞄准线的不可接受的变化。

此处引入的技术通过以下来解决该问题：在hmd设备中包括形成左光路和右光路两者的部分的至少一个光学波导，同时仍维持左光路和右光路之间的光学分离以及左光路和右光路的独立性。这样的由左光路和右光路共享(共用)的光学波导可例如为偏振分束器(pbs)。在某些实施例中，两个或更多个这样的共享光学波导(例如，pbs)被包括在hmd设备中，以进一步改善瞄准线稳定性。

相比于其中分开的pbs被用于左光路和右光路的设计，在左光路和右光路之间共享至少一个光学波导(例如，pbs)使得hmd对机械应力和热膨胀更不敏感，由此改善了左光路和右光路之间的瞄准线稳定性。附加地，它可降低组装期间发生错误的可能性，因为有更少的部件要组装。显而易见，对左光路和右光路使用分开的pbs和其他组件可能原本从制造的角度来看是优选的，因为它将允许使用更小的光学组件，而更小的光学组件生产起来成本较小，由此潜在地降低了该设备的总成本。然而，本申请的发明人已认识到，该因素可至少被本文中引入的其中至少一个pbs被左和右光路共享技术的所提供的更大的瞄准线稳定性盖过。

如图1所解说的，特定hmd设备(诸如举例而言ar-hmd设备)可包括分别用于生成用户的左眼和右眼的左眼图像和右眼图像的分开的光源10。光源10可包括例如针对左眼和右眼中的每一者的红、绿和蓝发光二极管。此外，该设备包括多个附加的光学元件11(11-1到11-n)，其中的一些光学元件可以是有源的，而其中的一些光学元件可以是无源的，其共同形成分别针对左图像和右图像的光路5l和右光路5r。在图1的实施例中，左光路5l和右光路5r由分开但相同(且平行)的光学组件11的集合形成。每一光路中的光学组件11可包括例如一个或多个透镜、分束器、微显示成像器、波导等。注意，这些光学组件中的一些可以是透射性的，一些可以是反射性的，而一些可以是既透射性又反射性的(选择性地或同时地)。此外，这些组件中的一些可以是有源的(例如，微显示成像器)，而其他是无源的。

理想地，对于左光路5l和右光路5r而言，瞄准线角度α应当是相同的。然而，在实践中，在光路中的或与光路接触的各组件的机械应力和/或热膨胀可引起各组件的移位、定位和/或变形。这些因素可引起左瞄准线角αl、右瞄准线角αr或两者相对于理想角以及相对于彼此变化，由此引起图像质量的降级和/或用户的不适。

图2a和2b解说了根据本文中引入的技术对该问题的解决方案。该技术包括使得至少一个光学组件被左光路25l和右光路25r共享。例如，在图2a中表示的某些实施例中，hmd设备包括由左光路25l和右光路25r共享的至少一个pbs22、24。该方法降低了左光路25l和右光路25r之间的瞄准线角变化的机会。理想地，至少每一个无源光学组件27(即，非光源10和成像器26)都会被在左光路25l和右光路25r之间共享，如图2b中所解说的。附加地，根据相同的材料块来形成给定光路中的两个或更多个毗邻组件可能是有利的。然而，在实践中，例如归因于设计或制造约束，这样的配置可能不是可达成的。因此，其中至少一个pbs被左光路和右光路共享(根据图2a，示出了两个共享pbs)的方案是可达成和有利的方案。

图3更详细地解说了可如何将一个或多个共享pbs纳入到hmd中的光路中。更具体地，图3示意性示出hmd设备中形成光路的组件的示例。为了便于解说，仅示出了一个光路，该光路代表左光路或右光路。所解说的组件可被包括在hmd设备内的显示引擎组装件内，如以下进一步描述的。注意，在实践中，光路可包括未示出的不与本描述密切相关的附加组件，和/或可忽略所解说的组件中的一些组件。

在图3所表示的实施例中，照明源包括红led31r、绿led31g和蓝led31b,其各自产生非偏振光(s偏振和p偏振)。来自红、绿和蓝led的光被透射经过一个或多个透镜32，并且随后由二向色反射镜33沿着光路进一步透射(在为绿光的情况下)或反射(在为红和蓝光的情况下)，这组合了红、绿和蓝光，以使得它们的路径在名义上沿着光轴对准。

经组合的红、绿和蓝光(统称为“光”)(在该图示中)向左传播通过一个或多个附加的光学元件，包括滤除s偏振光的p偏振器34。得到的p偏振光随后通过预偏振器35，并且随后通过线栅pbs36以撞击在成像器37上。在本实施例中，线栅pbs36是由左光路和右光路共享的两个光学组件中的一个光学组件，另一个光学组件是鸟盆型pbs38。为了简化示图，左光路和右光路对线栅pbs36和鸟盆型pbs38的共享在图3中没有被示出，但在图4中被示出，如以下所讨论的。

可作为硅上液晶(lcos)微显示器的成像器37例如由图像生成电子器件(未示出)控制以选择性地反射或吸收入射在其上的光以产生图像。注意，在一些实施例中，每一眼睛的光路可包括两个或更多个成像器(诸如，成像器37)。例如，每个光路多个成像器可被用于对每个眼睛多个图像的时间复用，或者以便用由第二(或附加)成像器生成的另一图像遮挡由第一成像器生成的一个图像的一部分

由成像器37反射的光被s偏振，并且被朝向线栅pbs36向后反射。线栅pbs36随后以90°角朝向一组附加光学器件(包括透镜39、后偏振器40和鸟盆型pbs38)向下反射该光。

“鸟盆型”pbs38被如此命名是因为其与呈鸟盆形状的反射透镜41一起使用。如图所示，鸟盆型pbs38包括内部光学界面42。为了创建界面42，鸟盆型pbs38可由(例如，用光学粘合剂)固定在一起并形成矩形盒的形状的两个正三角棱镜构成。

s偏振光最初碰撞在鸟盆型pbs38内部的界面42上，并以90°角朝向四分之一波片(qwp)43向右反射(四分之一波片在任一方向上以透射方式将入射光的偏振旋转45度)，并随后到鸟盆型透镜41，其中光被作为p偏振光朝向界面42向后反射。p偏振光随后透射经过界面42，并随后在左侧离开鸟盆型pbs38。离开鸟盆型pbs38的光随后通过色彩选择偏振器(csp)44以产生经p偏振的红和蓝光以及经s偏振的绿光，其经由输出透镜45离开光路。csp44在取决于波长的基础上旋转偏振。例如，在某些实施例中，仅绿光偏振被更改，但红和蓝在名义上未受影响。

图4解说了其中共享的线栅pbs36和共享的鸟盆型pbs38可与hmd设备的其他光学组件物理集成的光学器件组装件的示例。为了简化图示，图3中示出的一些组件在图4中没有被示出。箭头48l和48r分别指示源自左光源和右光源的入射光的方向。共享鸟盆型pbs38通过两个框架构件46被耦合到线栅pbs36。如图所示，框架构件46可在一端被耦合到鸟盆型pbs38的相对的小侧，并在另一端被耦合到线栅pbs36的“下游”表面(图4中不可见)。在一些实施例中，至少鸟盆型pbs38和框架构架46由相同的材料(诸如，光学级玻璃)形成；该构造有助于避免各组件之间的相对移动，该相对移动原本可由其热膨胀特性方面的失配引起。图4进一步示出以上提到的组件和成像器37以及各透镜39、41和45之间的空间关系的示例。附加地，电连接器48被耦合到成像器以提供成像器的电控制界面。

诸如图3和4中示出的配置之类的配置可被纳入到hmd设备中的显示组装件中。图5a和5b中解说了这样的显示组装件的示例，图5a和5b分别示出这样的显示组装件57的正交左侧视图和正视图。显示组装件57被设计成例如通过将光投影到用户眼睛中来在用户对其现实世界环境的视图上覆盖全息图像。显示组装件57包括显示引擎组装件50、波导承载器51和多个波导52。显示引擎组装件50容纳以上讨论的各组件，包括光源、共享pbs、透镜等。具体地，光源被包含在显示引擎组装件50的水平突出的部分54内，而成像器、共享线栅pbs、共享鸟盆型pbs和其他光学组件被容纳在显示引擎组装件50的垂直部分55内。图6a、6b、6c和6d分别示出显示引擎组装件50的正面、侧面、顶部和背面正交视图。

波导52包括针对左眼和右眼中的每一者的分开的红、绿和蓝波导。显示引擎组装件50的左和右光学输出端口65l和65r(图6d)分别光学地耦合到左和右输出透镜45(图3和4)，并分别被光学地耦合到波导52的左和右光学输入端口(未示出)。

波导承载器51用作波导52和显示引擎组装件50的安装结构，并用于将这些组件附连到hmd的其余组件，如以下进一步描述的。在所解说的实施例中，显示组装件还包括弯曲电路56，该弯曲电路56被电耦合到显示引擎组装件内的成像器和光源，并包括供连接到外部电子器件和电源(未示出)的连接器58。

图7解说了可纳入图5a和5b的显示组装件57(包括如上所述的一个或多个共享pbs)的ar-hmd70的示例。在某些实施例中，图5的显示组装件57被安装到底座71，各传感器和电子器件(未示出)也被安装到底座71上。底座71是包含传感器、电子器件和显示器组件的保护性密封护目镜组装件72的一部分。

hmd设备70包括附连到底座71的可调节头带(或其他类型的头部佩戴件)74，ar-hmd设备70可以通过该头带被佩戴在用户头部上。在某些实施例中，护目镜组装件72围住各传感器和其他组件(未示出)，诸如一个或多个话筒、可见光谱头部跟踪跟踪相机、红外(ir)光谱深度相机、ir照明源和可见光谱摄像机。护目镜组装件72还可围住各电子器件(未示出)以控制显示组装件的功能性和ar-hmd70的其他功能。

某些实施例的示例

本文中引入的技术的某些实施例被概括在以下被编号的示例中：

1.一种显示引擎组装件，包括：第一成像器，所述第一成像器用于在头戴式显示设备中生成左图像；第二成像器，所述第二成像器用于在所述头戴式显示设备中生成右图像，所述左图像和右图像分别是单个立体图像的左分量和右分量；以及光学地耦合到所述第一成像器和所述第二成像器的光学波导，所述光学波导是第一光路的部分以将所述左图像传达到所述头戴式显示设备的用户的左眼，并且是第二光路的部分以将所述右图像传达到所述头戴式显示设备的用户的右眼。

2.如示例1所述的显示引擎组装件，其中所述光学波导是第一偏振分束器。

3.如示例1或示例2所述的显示引擎组装件，进一步包括第二偏振分束器，所述第二偏振分束器是所述第一光路和所述第二光路的部分。

4.如示例1到3中的任一项所述的显示引擎组装件，其中所述第二偏振分束器是线栅分束器。

5.如示例1到4中的任一项所述的显示引擎组装件，其中所述第一偏振分束器至少部分由玻璃组成，所述显示引擎组装件进一步包括将所述第一偏振分束器耦合到所述第二偏振分束器的第一玻璃框架构件。

6.如示例1到5中的任一项所述的显示引擎组装件，进一步包括将所述第一偏振分束器耦合到所述第二偏振分束器的第二玻璃框架构件，其中所述第一和第二玻璃框架构件被耦合到所述第一偏振分束器的相对侧。

7.如示例1到6中的任一项所述的显示引擎组装件，其中所述第一偏振分束器被成形为矩形盒。

8.如示例1到7中的任一项所述的显示引擎组装件，进一步包括以下中的至少一者：第三成像器，所述第三成像器用于生成针对所述用户的所述左眼的第二左图像，所述第三成像器被光学地设置在所述第一偏振分束器和所述头戴式显示设备的第一照明源之间；或者第四成像器，所述第四成像器用于生成针对所述用户的所述右眼的第二右图像，所述第四成像器被光学地设置在所述第一偏振分束器和所述头戴式显示设备的第二照明源之间。

9.一种装置，包括：第一多个照明源；左成像器，所述左成像器用于基于来自所述第一多个照明源的光来生成针对头戴式显示设备的用户的左眼的左图像；第二多个照明源；右成像器，所述右成像器用于基于来自所述第二多个照明源的光来生成针对所述头戴式显示设备的所述用户的右眼的右图像；光学地耦合到所述左成像器和所述右成像器两者的第一偏振分束器，所述第一偏振分束器用于分别将所述左图像和所述右图像传达到所述显示引擎的左和右输出端口，其中所述第一偏振分束器至少部分地由玻璃组成；第二偏振分束器，所述第二偏振分束器设置在所述第一偏振分束器与所述左和右成像器之间的光路中；以及，将所述第一偏振分束器耦合到所述第二偏振分束器的多个玻璃框架构件。

10.如示例9所述的装置，其中所述第二偏振分束器是线栅分束器。

11.如示例9或示例10所述的装置，其中所述多个玻璃框架构件被耦合到所述第一偏振分束器的相对侧。

12.如示例9到示例11中的任一项所述的装置，其中所述第一偏振分束器被成形为矩形盒。

13.如示例9到12中的任一项所述的装置，进一步包括以下中的至少一者：第二左成像器，所述第二左成像器用于生成针对所述用户的所述左眼的第二左图像，所述第二左成像器光学地设置在所述第一偏振分束器和所述第一多个照明源之间；或，第二右成像器，所述第二左成像器用于生成针对所述用户的所述右眼的第二右图像，所述第二右成像器光学地设置在所述第一偏振分束器和所述第二多个照明源之间。

14.一种头戴式显示设备，包括：头部佩戴件，所述头戴式显示设备能通过所述头部佩戴件被安装到用户的头部；显示引擎，所述显示引擎被耦合到所述头部佩戴件，并包括用于生成针对所述头戴式显示设备的用户的左眼的左图像的第一成像器、用于生成针对所述头戴式显示设备的所述用户的右眼的右图像的第二成像器、左光学输出端口、右光学输出端口以及光学地耦合到所述第一成像器和所述第二成像器两者的第一偏振分束器，所述第一偏振分束器用于分别将所述左图像和所述右图像传达到所述左和右光学输出端口；分开地耦合到所述左和右光学输出端口的多个波导，所述多个波导用于分别朝向所述用户的左和右眼传达所述左和右图像；处理器，所述处理器用于控制所述头戴式显示设备的操作；以及，耦合到所述处理器的多个传感器。

15.如示例14所述的头戴式显示设备，其中，所述显示引擎组装件进一步包括第二偏振分束器，所述第二偏振分束器被设置在所述第一偏振分束器与所述第一和第二成像器之间的光路中。

16.如示例14或示例15所述的头戴式显示设备，其中所述第二偏振分束器是线栅分束器。

17.如示例14到示例16中的任一项所述的头戴式显示设备，其中所述第一偏振分束器至少部分由玻璃组成，所述显示引擎组装件进一步包括将所述第一偏振分束器耦合到所述第二偏振分束器的第一玻璃框架构件。

18.如示例14到17中的任一项所述的头戴式显示设备，其中所述显示引擎组装件进一步包括将所述第一偏振分束器耦合到所述第二偏振分束器的第二玻璃框架构件，其中所述第一和第二玻璃框架构件被耦合到所述第一偏振分束器的两个相对侧。

19.如示例14到18中的任一项所述的头戴式显示设备，其中所述第一偏振分束器被成形为矩形盒。

20.如示例14到19中的任一项所述的头戴式显示设备，其中所述显示引擎组装件进一步包括以下中的至少一者：第三成像器，所述第三成像器用于生成针对所述用户的所述左眼的第二左图像，所述第三成像器被光学地设置在所述第一偏振分束器和所述头戴式显示设备的第一照明源之间；或者第四成像器，所述第四成像器用于生成针对所述用户的所述右眼的第二右图像，所述第四成像器被光学地设置在所述第一偏振分束器和所述头戴式显示设备的第二照明源之间。

如本领域普通技术人员显而易见的，以上描述的特征和功能中的任意或全部可彼此组合，除了被以其它方式在上文中言明或者任何这样的实施例可能因为其功能或结构而不兼容。除了与物理可能性相违背，设想了(i)本文描述的方法/步骤可以任意顺序和/或以任意组合来执行，并且(ii)各个实施例的组件可以任意方式组合。

尽管用结构特征和/或动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上述特定特征和动作是作为实现权利要求书的示例而公开的，并且其他等价特征和动作旨在处于权利要求书的范围内。