可穿戴显示设备的光学系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请是要求2016年6月21日提交的先前提交的美国临时申请62/493,082的权益的非临时申请(non-provisionalapplication)。本申请还是2014年6月23日提交的专利申请pct/us2014//000153的部分继续申请(cip)，专利申请pct/us2014//000153是2013年6月27日提交的美国临时申请61/957,258的非临时申请。

本发明涉及一种用于将图像投射到衍射光学元件，使得能够以高分辨率和宽视野实现透视显示的显示系统。更具体地，本发明涉及一种适用于具有非常小的形状系数(formfactor)的可穿戴显示器的显示器。

背景技术：

近年来，可穿戴显示器在智能电话变得流行之后受到广泛的关注，并被市场很好地接受。可穿戴显示器提供免提操作的益处，以及以与常规视线相同的距离向穿戴该显示器的人示出图像。因为这些优势，存在对可穿戴显示器的巨大需要。然而，诸如头戴式显示器、平视显示器和眼镜型显示器之类的传统近眼显示器未向观看者提供令人满意的可穿戴显示器解决方案，这是因为这些传统显示器通常太重、太大且太暗。此外，这些传统的可穿戴显示器常常具有低分辨率，并且它们中的许多都不提供透视视图，并且大多数都很昂贵且仅可以显示小尺寸的图像。因此，存在对于提供轻、小、亮、具有带透视观看光路的高分辨率的可穿戴显示设备的迫切需要。进一步地，期望新的可穿戴设备是廉价的，其可以显示大图像，并且可以以隐秘的方式来穿戴，而不被其他人检测到该人正在穿戴这种可穿戴设备。

如图1和图1a中所示，kasai等人在专利us7460286中公开了作为一种类型的显示系统的眼镜，其利用全息光学元件来实现提供透视能力的光学器件。该显示系统沿垂直方向以来自显示设备的法线方向针对lcd显示器的表面投射图像，以投射包含被引入光波导中并朝向观看者的眼睛反射的图像的光。然而，由于波导的使用，视野和分辨率非常有限。

如图2和图2a中所示，mukawa等人在sid2008文摘issn/008-0966x/08/3901-0089中的“afullcoloreyeweardisplayusingholographicplanarwaveguides”公开了作为一种类型的显示系统的另一个眼镜，其利用两块全息光学元件板来实现透视能力。同样，这种类型的眼镜还使用波导，该波导限制了图像的分辨率和视野。

如图3中所示，levola在sid2006文摘issn0006-64·sid06digest0966x/06/3701-0064中的题为“noveldiffractiveopticalcomponentsforneartoeyedisplays”公开了通过将lcd设备定位于两只眼睛的中间来实现的另一个显示系统。然而，这种显示系统需要大的突出空间，这增大了形状系数，从而使得该设备作为可穿戴显示系统太大且不方便。上述三种类型的显示器使用全息光学元件(hoe)或衍射光学元件(doe)，并且所有这些光学显示器都具有大的色度像差、颜色串扰、大的场曲率像差和畸变像差的基本困难。mukawa等人解释了如何使用多个波导来减少颜色串扰，这使得系统更重和更厚，并且进一步地降低了光利用效率。kasai等人使用单个hoe，其提高了光利用效率，然后其他像差仍然存在，并且fob(视野)必须很小以使得这些像差将不会很明显。由于这些困难，存在提供新的和改进的可穿戴显示系统的迫切需要，使得可以消除上面所讨论的问题和限制。

如图4和图4a中所示，li等人在专利us7369317中公开了一种可附着到眼镜的紧凑的显示器和相机模块。该眼镜需要厚的pbs(偏振分束器)，并且fob(视野)相当小。附加地，由于显示器的存在非常明显，因此该眼镜并不隐秘。

诸如图1和图2中中所示的示例已经成功地向公众证明：通过使用全息图元件(holograms)和波导，具有透视图像的可穿戴显示器是可能的。然而，由于视野和分辨率的大小，这些系统具有有限的实用性。为了实现超过60度的超大视野和超过100万像素的高分辨率，有必要提供新的创新系统。本发明的一个观点是提供新的系统和设计，其实现了超过60度的视角和从100万到800万像素的高分辨率，诸如4k显示器。

技术实现要素：

本发明的一个目标是提供一种透视近眼显示器，其具有眼镜的全尺寸的视野。本发明的另一个目标是向可穿戴显示系统提供该系统的非常紧凑的光学器件和电子器件，该光学器件和电子器件可以嵌入眼镜的镜架中，如将在本发明的不同实施例中进一步说明的那样。具体地，本发明公开了诸如lcos、lcd或dmd之类的用于将图像从眼镜的镜架投射到眼镜的镜片的显示设备。如在不同实施例中所示的那样，本发明利用了眼镜和人眼的几何配置，其中将图像从眼镜的镜架投射到其眼睛镜片并反射到人眼。此外，为了保持外部场景的可见性，使用了全息图元件。全息图元件仅可以反射指定窄带宽的光，并且其余的光可以通过。由于全息图元件的该窄带选择性，它将反射具有指定带宽的图像光，并且该图像被叠加到外部图像上，使得观看者可以透过眼镜看到。与图1和图2中所示的传统显示系统不同，图像光直接从眼镜的镜架投射而不通过波导。这种布置允许比使用波导的光学投射的投射面积大得多的投射面积。因此，本发明的可穿戴显示设备使观看者能够以改进的分辨率看见更大的视野。附加地，抵消了由可穿戴设备的倾斜投射引起的大像差(诸如，像散(astigmatic)和逗点(comma))，以实现高分辨率。在本发明中，除了使用自由形状(free-form)的透镜和镜子之外，还通过同时组合几何光学器件和波光学器件来利用以新开发的技术实现的混合光学配置，解决了这些像差问题。

在图19和图22中示出了本发明的示例性实施例，其包含两个自由形状的透镜(1904和1906)、镜子(1905)和全息图元件(1902)。具体地，图19、图22示出了该系统可以如何作为可穿戴显示设备而被安装在人脸周围，其中自由形状的透镜被定义为具有计算机生成的表面的透镜，该计算机生成的表面不一定具有旋转对称性。

为了增加分辨率并使失真最小化，可以添加另一个透镜，如图20中所示。该实施例包括三个自由形状的透镜(2005、2006和2007)、自由形状的镜子(2004)和全息图元件(2002)。

图21中图示了本发明的另一个示例性实施例，其中三个自由形状的透镜用于增加视野。该示例性实施例示出了在不牺牲分辨率且没有失真的情况下具有67度视野的可穿戴显示设备。

附图说明

图1是如kasai在与us7460286有关的其公开技术报告中所示的现有技术的图像显示系统的横截面图。图1a是成功演示了透视能力的实际样品的照片。

图2和图2a是mukawa等人在sid2008文摘issn/008-0966x/08/3901-0089，“afullcoloreyeweardisplayusingholographicplanarwaveguides”中所示的可穿戴显示设备，其中图2a演示了透视能力。

图3是levola在sid2006文摘issn0006-64·sid06digest0966x/06/3701-0064，“noveldiffractiveopticalcomponentsforneartoeyedisplays”处报告的现有技术公开的另一个示例。

图4示出了具有透视能力的可穿戴显示器的另一个现有技术公开，该可穿戴显示器具有专利us7369317中描述的显示器和相机两者。图4a是使用类似光学配置的示例。

图5和图6是具有镜架的眼镜的示例性实施例，该镜架足够大以嵌入本发明的所有光学器件和电子器件，使得显示器的存在不引人注目。

图7图示了本发明的光路，其中来自眼镜的镜架的包含图像(7102)的投射光被朝向眼睛的瞳孔(7105)反射，并且该光被聚焦到视网膜(7107)上，以便在一定距离处在全息图元件的正面生成图像(7104)。

图8示出了另一实施例的光路，其中基本上平行的光线(8102)被投射到全息图元件(8103)并被反射到眼睛的瞳孔(8105)中，因此全息图元件充当了具有全息图元件与瞳孔之间的距离(8109)的焦距的凹面镜，该距离被确定为全息镜的焦距。

图9示出了将平行于镜轴(9104)的入射光线(9101)反射到单个焦点(9103)中的凹面镜(9102)，其中镜子(9102)的表面是球面或非球面。

图10示出了将入射光线(10101)以从镜轴倾斜的方向反射到单个焦点(10103)中的凹面镜(10102)，其中该镜子(10102)的表面是自由形状的以会聚在单个焦点(10103)处，并且焦距(f3)可以与先前示例的焦距(f1)作同样的调整。

图11图示了将入射光线(11101)以从水平轴倾斜的方向反射到水平轴上的单个焦点(11103)中的凹面镜(11102)，其中该镜子(11102)的表面是自由形状的以会聚在单个焦点(11103)处，并且焦距(f3)可以与先前示例的焦距(f1)作同样的调整。

图12图示了将入射光线(12101)以从水平轴倾斜的方向反射到水平轴上的单个焦点(12103)中的全息图元件(12102)，其中该全息图元件(12102)的表面是平坦的以会聚在水平轴上的单个焦点(12103)，并且焦距(f4)可以与先前示例的焦距(f1)作同样的调整。由于全息图元件的非常窄的波段选择性，因此只有指定带宽的光将被反射，并且大部分光将通过，从而创建透视眼镜显示器。

图13示出了位于焦距(13103)右侧处的对象(13101)，并且在全息镜(13104)的右侧处产生图像，由于该图像位于焦点之外，因此该图像是眼睛不可见的。

图14示出了当对象(14101)位于焦距(14103)的左侧处时在一定距离处创建了图像(即使存在眼镜的短焦距全息图元件)，该图像是在全息镜(14104)的左侧处创建的并且对眼睛来说是可见的，这是因为图像的位置可以在焦点中，该图教导了位于全息图元件(眼镜，14102)与全息图元件的焦点之间的对象是可见的，以供穿戴该眼镜的人观看。

图15图示了为什么实体对象不能处于眼镜(15120)与人眼(15125)之间的原因，这是因为当在眼镜与眼睛之间创建真实图像(15127)时会导致在距离(15129)处创建虚拟图像(15122)。

图16示出了眼球运动的效果，其中当眼睛沿倾斜方向(16130)观看图像时，眼球和瞳孔(16131)朝向对象移动。

图17指示了主光线应当在眼球中心处而不是在瞳孔表面交叉。这意味着全息图元件的焦点应当位于眼球的中心(17131)处。

图18示出了作为本发明另一个示例性实施例的简易的双透镜系统，其适合高达1k的分辨率，其中中继透镜(1806)接收来自显示器(1801)的光并传递到镜子(1805)，并且光束沿观看者的脸而弯曲被并投射到棱镜(1804)。棱镜产生了像差以补偿全息图的像差。

图19示出了本发明的另一个示例性实施例，其中使用了自由形状的透镜(1905、1906和1907)和自由形状的镜子(1904)，并且实现该镜子以显着减小光学器件的厚度。与先前两个透镜系统相比，这个三个透镜系统改进了分辨率。

图20示出了本发明的另一个示例性实施例，该示例性实施例通过实现四个自由形状的透镜(2005、2006、2007和2008)、自由形状的镜子(2004)和全息图元件(2002)，以提供将视野增加到以对角线的67度(水平地60度)的具有2k分辨率的系统。该系统还减小了透镜的宽度，这增加了实现制造小形状系数的产品的优势。

图21示出了虚像(2102)的位置，其中眼镜显示器(2101)将图像光投射到眼睛，并且到相反方向(2103)的图像光的外推线形成了平面上的虚像(2102)。

图22示出了图18中所描述的光学器件的形状，该形状适合3dcad中的面部，以检查如何使光学器件适合该面部并提供足够的间隙。

图23示出了图19中所描述的光学器件的形状，该形状适合3dcad中的面部，以检查如何使光学器件适合该面部并提供足够的间隙。

图24示出了眼睛中心(2003)处人的头部(灰色区域2411)和由全息图元件(2002)投射的光线(2409)的横截面图，其中光线与面部之间的间隙如(2410)所示。

图25示出了通过使用准直激光束(25103)和反射激光束(25102)以及基本上为凹面的自由形状的镜子(25105)来产生全息图(25101)的方法。

图26示出了通过使用准直激光束(26103)和反射激光束(26102)以及基本上为凹面的自由形状的镜子(26106)来产生全息图(26101)的另一个方法。

图27示出了通过使用通过棱镜(27120)的准直激光束(27103)和透射激光束(27121)以及基本上为凹面的自由形状的透镜(26106)来产生全息图(27101)的另一个方法。棱镜是为了避免在保持全息图(27101)的基板的表面处产生tir(全内反射)。

图28示出了本发明的另一个示例性实施例，其中将具有水平横截面(28102)和垂直横截面(28103)的激光束朝向全息图元件(28101)投射。该光束聚焦在切向(垂直)平面中的位置(28104)处和矢向(水平)平面中的另一个位置(28105)处，这两个位置之间具有固定的距离。

图29示出了具有自由形状的表面(2902和2903)以及其中有光束通过的透镜区域(2904)的自由形状的透镜(2901)的另一个示例性实施例。在本申请中，自由形状的表面被定义为在透镜区域内不具有同轴对称轴的表面。

图30示出了本发明的另一个示例性实施例。

图31显示了本发明的另一个示例性实施例，其中眼镜3101和显示区域(3102)具有可变光透射层。

具体实施方式

以下各种实施例的详细描述说明了各种透视显示可穿戴设备，该透视显示可穿戴设备具有在该设备中提供的多达4k(800万像素)的高分辨率和超过60度的大视野，该设备具有非常小的形状系数从而适合于眼睛的镜架内部。

图7示出了本发明的示例，其中在观看者的眼睛前生成如透视显示器那样的空中的图像(即，虚像)。将包含图像的光线(7102)从侧面朝向眼镜窗格(pane)(7101)投射，并且光学元件(7103)将光线反射到眼睛(7108)的瞳孔(7105)并聚焦到视网膜(7107)上。光学元件(7103)必须以与对称镜面反射不同的任意方向来反射光线(7102)，以使光学元件保持较薄。光学元件(7103)可以是全息图元件(hoe)或衍射光学元件(doe)。这两者都可以是用于生成图像的透视元件(7104)。半反射镜的使用需要镜子的倾斜，这会导致较厚的结构并且不适于该类型的应用。

图8示出了入射光线(8102)是基本上平行的光束，该光束不发散也不会聚，其中入射光线被投射到光学元件(8103)，其焦距约为眼镜窗格(8101)与眼睛的瞳孔(8105)之间的距离(8109)以聚焦在视网膜上(8107)。如果入射光线(8108)是发散的，则需要甚至更短的焦距。

图9至图12图示了作为最简单的情况的倾斜入射光线在水平轴(9104)上会聚到单个点(9103)中，其中入射光线(9101)平行于水平轴(9104)。光线(9101)被凹面镜(9102)反射并会聚在具有焦距f1的凹面镜的焦点(9103)处。镜子的曲率可以是允许有一些球面像差的球面，或者是没有球面像差的非球面表面。

图10图示了倾斜光线(10101)会聚到单个点(10103)中。倾斜入射光线利用球面镜或透镜而产生强烈的彗形(coma)像差和像散像差。具有自由形状表面的具有焦距f2的镜子(10102)可以最小化这些像差。可以在数学上来计算和优化该表面。该表面通常以多项式或样条函数来表示。

图11图示了具有自由形状表面的倾斜的镜子(11102)，以将倾斜光线(11101)会聚到水平轴(11104)上的一点(11103)中。倾斜的镜子(11102)需要更大的形状系数，并且不一定适合于纤薄的眼镜显示器。

图12图示了具有焦距f4的薄且平坦的镜子(12102)，其由全息图元件或doe制成，以将光束(12101)会聚到轴(12104)上的单个点(12103)中。全息图元件和doe能够在所控制的或预定的引导方向上反射光。尽管可以利用在数学上设计的全息图元件或doe的相移功能来最小化像差，但是一些残余的像差仍然存在，并且需要进一步减少以应用于投射高分辨率图像。本发明的如下所示的实施例将示出可以如何利用新的和改进的光学系统来进一步最小化这些残余的像差。

图13和图14示出了为了生成虚像供穿戴显示设备的人透视观看的对象的位置。如图13中所示，发射光的对象(13101)位于比进一步远离镜子(13102)的焦点(13103)更大的距离处，并且根据下面的公式，在位置(13104)处生成图像。

1/a+1/b＝1/f在镜子的右侧出，a，b和f为正。

根据上述的公式，在a>f，b>0的条件下，图像位于镜子的右侧处。图14示出了在镜子的左侧处生成了虚像(14104)，其中a<f，其中f是镜子(14102)的焦距。因此，对象(14101)位于镜子(14102)与焦点(14103)之间(请进一步解释示出图14的目的)。图15示出了实体发光对象位于玻璃透镜(15120)与眼睛(15125)之间的光路之外，并且真实图像(15127)位于镜子(15121)与眼睛(15125)之间的位置处。聚焦在(15127)处的倾斜入射光线(15124)在会聚点(15127)处产生真实图像，并且该真实图像是光投射对象以将光投射到镜子(15121)，并在距离(15129)处创建了虚像(15122)。眼睛(15125)观看虚像(15122)，并且感知到光线(15130)，该光线会聚到视网膜表面上的点(15126)中。因此，人眼(15125)看到位于(15122)处的点的图像。

图16示出了眼球运动的效果。随着观看者沿离轴的倾斜方向(16130)观看图像时，眼球的瞳孔(16131)朝向倾斜方向(16130)移动。如图17中所示，来自虚像的主光线也倾斜以穿过眼球中心(17132)处的轴。为了大视野(fov)，必须考虑如图17中所示的光学效应，即主光线应当在眼球的中心处而不是在瞳孔的表面交叉。因此，全息图元件的焦点应当位于眼球的中心处。

图18示出了优选实施例，其中光学元件包括位于眼镜(1802)处的全息图元件或doe，并通过衍射将具有针对特定波长的指定相位函数的光投射到眼球中心(1803)。光学元件，就像虚拟菲涅耳(fresnel)镜一样反射具有特定波长的光，其余的光将通过。对于观看者而言，由光学元件反射的图像和外部场景被叠加。具有位于(1801)处的光源的显示系统向中继透镜(1806)发射光。显示系统进一步包括反射lcos、透射lcd、反射微镜或具有窄带发光二极管或激光二极管的透射微快门。如图18中所示，显示系统包括具有自由形状表面(1804和1806)的两个透镜和镜子(1805)。利用双透镜系统实现的显示系统适用于高达1k的分辨率和40度的水平视野(fov)。图22处示出了该示例对人脸的适合度，镜子(1805)用于适合人脸的近似外围。

图19中示出了优选实施例的另一个示例，其中在玻璃透镜处的hoe或doe(下文中hoe代表hoe和doe两者)之后使用的三个透镜和具有自由形状表面的镜子。其中，具有自由形状表面的镜子(1904)有助于减小透镜(1905、1906和1907)的尺寸。

图20中图示了另一个优选实施例，该优选实施例是利用四个透镜和具有自由形状表面的镜子来实现的。倾斜的入射光线在hoe处引起高彗形像差和像散像差，这些像差在眼镜之前被补偿。图28中图示了所需的像差。入射光线在矢向平面(水平方向)上比在切向平面(垂直方向)上由hoe弯曲得更多。这导致了hoe的较短的水平焦距和较长的垂直焦距。这种差异必须由透镜和镜子来补偿，使得水平方向(28105)上的会聚点必须比垂直方向(28104)上的会聚点更接近hoe(28101)。这些校正可以使用具有自由形状表面的非对称透镜或镜子来完成。球面和非球面透镜或镜子具有旋转对称性，其在没有倾斜或轴外偏移的情况下不能产生这些非对称性。图23示出了该示例对面部的适合度。显示器和透镜相对地以直线布置，并且镜子布置成适合面部的近似外围。镜子有助于减小光学系统的宽度以嵌入眼镜的镜架中。图24示出了一个人戴着眼镜，其中具有来自面部外围的光线的间隙(2410)，其中灰色区域(2411)是眼睛中心处的面部的横截面(2103)。该示例的到hoe的入射角在hoe的中心处是60度，并且边缘区域甚至更大。这四个透镜系统提供了非常大的fov、水平上的60度和对角线上的67度，其中具有2k分辨率和全彩色，并且图像尺寸在2米距离处为2.3米宽，和1.3米高。

图25示出了另一个优选实施例，其中图示了hoe的制造方法。具有原色的激光光源与光学快门(25113)一起放置在(25114、25115和25116)处，并且二向色镜(25118、25119)用于将激光束组合成单个光束。多个波长光束被分成两个光束(25111和25112)。其中一个光束用透镜(25104)来准直并曝露全息图元件(25101)。同时，另一个光束(25111)被引导到自由形状表面的镜子(25105)并反射到全息图元件。镜子的表面必须被设计成使得反射光束的波前相位与hoe的相位看齐。

图26图示了另一个优选实施例。在分割组合光束之后，使用具有自由形状表面的圆镜(26106)来曝露全息图元件(26101)。波前相位必须与hoe的相位看齐，使得反射光产生与所设计的相同的虚像。

图27图示了优选实施例的另一个示例，其中具有自由形状表面的透镜(27106)用于与光束的波前相位看齐。准直光束(27103)被引导到棱镜(27120)，这避免了全息图元件的玻璃基板的引起的tir(全内反射)。图28示出了本发明的另一个示例性实施例，其中将具有水平横截面(28102)和垂直横截面(28103)的激光束朝向全息图元件(28101)投射。光束聚焦在切向(垂直)平面中的位置(28104)处和矢向(水平)平面中的另一位置(28105)处，这两个位置之间有固定的距离。

图29示出了具有自由形状表面(2902和2903)的自由形状透镜(2901)和光束通过的透镜区域(2904)的另一个示例性实施例。在本申请中，自由形状的表面被定义为在透镜区域内不具有同轴对称轴的表面

图30示出了本发明的另一个示例性实施例，其中3001是光束组合器，其将三个彩色光束(3014、3015和3016)组合成单个光束(3013)。例如，3002、3008和3009是蓝色激光器或led，蓝色激光在3种颜色中是最有效的。在激光器和led中很难找到有效的红色和绿色光源，但是非常有效的蓝色激光器和led可以在商业上获得。板3004具有将蓝光转换成红光的荧光粉，并且3012是具有将蓝光转换成绿光的荧光粉的板。光束(3014、3015和3016)被整合器(integrator)3001整合并形成单个光束(3013)。3015被镜子(3010)反射，并且3014被仅反射红光但是通过绿光的二向色镜(3005)反射，并且另一个二向色镜3006反射蓝光但是通过绿光和红光。

图31示出了本发明的另一个示例性实施例，其中眼镜3101和显示区域(3102)具有可变光透射层。3102中的图像在明亮的环境下将具有更好的对比度。

尽管本文中已经图示并描述了本发明的特定实施例，但应当认识到，本领域技术人员将会想到其他修改和改变。因此，应当理解的是，所附权利要求意图覆盖如落在本发明的真实精神和范围内的所有修改和改变。