[發明專利]用于將圖像光耦合到近眼顯示器的投影光學系統

有效

• 申請號: 201480018280.7
• 申請日: 2014-01-22
• 公開（公告）號: CN105229514B
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: D·D·博恩;N·內斯特洛維克;S·J·羅賓斯
• 申請（專利權）人: 微軟技術許可有限責任公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B17/08;G02B27/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 羅婷婷

描述了用于將來自圖像源的圖像光光學地耦合到可佩戴近眼顯示器設備的近眼顯示器(NED)的投影光學系統的技術。投影光學系統和圖像源構成投影光引擎。來自圖像源的光被引導到沉浸在高折射率玻璃中的鳥浴反射光學元件。圖像光被鳥浴元件反射并準直化，并在投影光引擎的外殼外部行進形成外部出射光瞳，這意味著出射光瞳在投影光引擎外部。波導光學地耦合外部出射光瞳的圖像光。可使用的波導的示例為表面起伏光柵波導。

背景

近眼顯示器(NED)設備(諸如頭戴式顯示器(HMD)設備)可由用戶佩戴以得到諸如增強現實(AR)體驗或虛擬現實(VR)體驗之類的體驗。投影光引擎生成圖像數據以供顯示在NED設備的視野中。用于將來自投影光引擎的光耦合到近眼顯示器的效率會影響圖像質量和功率消耗，因為該引擎必須提供更多的照明來補償失去的光。耦合出射光瞳處的光是非常高效的，因為出射光瞳是其中表示圖像的光束具有最小截面并包含供顯示的整個圖像所在的區域。然而，許多投影光引擎都具有內部出射光瞳，這意味著出射光瞳在投影光引擎的各光學器件的內部。耦合來自具有內部出射光瞳的投影光引擎的光因用于在該光離開出射光瞳后重新捕捉圖像數據的附加光學器件而低效的多，并且由于該光必須通過更多的光學器件而使圖像光的光功率被削弱了。能夠直接訪問出射光瞳處的圖像數據的顯示器在提供質量圖像方面要功率高效的多。

概述

本技術提供用于將投影光引擎的外部出射光瞳的圖像光耦合到NED設備的近眼顯示器(NED)中的一個或多個實施例。用于將來自投影光引擎的圖像源的圖像光耦合到近眼顯示器的投影光引擎的投影光學系統的實施例包括可由用戶佩戴的近眼顯示器設備的支撐結構。高折射率玻璃區域由該支撐結構支撐。具有反射表面的鳥浴(birdbath)光學元件被沉浸在高折射率玻璃區域中，并被支撐結構定位成用于光學地耦合來自圖像源的圖像光。鳥浴光學元件將該圖像光準直化，并使該圖像光反射通過高折射率玻璃區域至外部出射光瞳。外部出射光瞳在投影光引擎的外部。

本技術提供了近眼顯示器(NED)設備系統的一個或多個實施例。NED設備的一實施例包括近眼支撐結構，該近眼支撐結構支撐包括波導的近眼顯示器(NED)。包括圖像源和投影光學系統的投影光引擎也由該近眼支撐結構支撐，并具有外部出射光瞳。投影光學系統包括高折射率玻璃區域，具有反射表面的鳥浴光學元件沉浸在該高折射率玻璃區域中。鳥浴光學元件將來自圖像源的圖像光準直化并將該圖像光反射到外部出射光瞳，并且近眼支撐結構將波導定位成用于光學地耦合外部出射光瞳的圖像光。

本技術提供用于將來自投影光引擎的圖像源的圖像光耦合到近眼顯示器的方法的一個或多個實施例。該方法的一實施例包括將來自圖像源的圖像光沿著在投影光學系統外殼內的高折射率玻璃區域中的第一光路光學地引導到該高折射率玻璃區域中的鳥浴反射光學元件。鳥浴反射光學元件將圖像光準直化，并使該圖像光沿著延伸通過高折射率玻璃區域至在投影光學系統外殼之外的外部出射光瞳的第二光路反射。該圖像光可在第一光路和第二光路中的至少一者中被偏振化，并且近眼顯示器的波導的輸入光柵至少將出射光瞳的圖像光耦合到該波導。

提供該概述以便以簡化形式介紹概念的選集，所述概念在以下詳細描述中被進一步描述。該概述不意圖標識所要求保護的主題的關鍵特征或基本特征，也不意圖被用來幫助確定所要求保護的主題的范圍。

附圖簡述

圖1是描繪近眼顯示器(NED)設備系統的一實施例的示例組件的框圖。

圖2A是NED設備的控制電路系統內包括計算機系統在內的各示例硬件組件的框圖。

圖2B是與具有外部出射光瞳的投影光引擎耦合的近眼顯示器的一實施例的俯視圖。

圖3A是使用沉浸在高折射率玻璃中的鳥浴光學元件來提供外部出射光瞳的投影光引擎的一實施例的框圖。

圖3B是使用沉浸在高折射率玻璃中的鳥浴光學元件的投影光引擎的另一實施例的框圖。

圖3C是示出圖3B中示出的波導示例的各層的俯視圖的框圖。