[发明专利]具有衍射透镜的近眼式显示器

说明书

技术领域

本发明大体来说涉及光学装置，且特定来说(但非排他性地)涉及近眼式显示器。

背景技术

头戴式显示器(“HMD”)是佩戴于头部上或围绕头部佩戴的显示装置。HMD通常并入有某一种类的近眼式光学系统以在距人眼几厘米内发射光图像。单眼显示器称为单目式HMD，而双眼显示器称为双目式HMD。一些HMD仅显示计算机产生的图像(“CGI”)，而阻挡用户的外部视图。这些HMD显示器通常称为虚拟现实(“VR”)显示器。其它HMD能够将CGI叠加于现实世界视图上。此后一类型的HMD可充当用于实现扩增现实(“AR”)的硬件平台。在AR的情况下，用覆叠的CGI来扩增观看者对世界的图像。用于指代各种类型的HMD的另一术语为抬头显示器(“HUD”)。HUD为准许用户在不必向下看或以其它方式使其眼睛从其抬头向前位置显著离开的情况下观看CGI的任何显示器。VR及AR HMD两者均可实施为HUD。

HMD具有众多的实用应用及休闲应用。航空航天应用准许飞行员在不使其眼睛离开飞行路径的情况下看到极其重要的飞行控制信息。公共安全应用包含地图及热成像的战术显示。其它应用领域包含视频游戏、交通运输及电信。随着技术演变，必定存在新发现的实用应用及休闲应用；然而，这些应用中的许多应用当前由于用于实施现有HMD的常规光学系统的成本、大小、重量、有限视场、小眼镜盒或不良效率而受到限制。常规HMD的另一缺点是许多HMD并不十分适合于佩戴处方眼镜的个体。

图1图解说明使用具有内部部分反射镜110的波导105的常规近眼式光学系统100。为了在眼睛115处产生有用的图像，输入光的每一入射角应对应于所发射光的单个输出角。由于波导105将光120从输入侧导引到输出侧而在输入侧与输出侧之间具有多次内部反射，因此为了保持输入角及输出角的一一对应性，此系统使用放置于无穷远处的虚拟图像的经准直输入光120。对于放置成比无穷远近(即，小于经准直光)的图像，波导105开始在眼框内形成重像，此减小调制传递函数(“MTF”)及图像对比度且严重地减损用户体验。

对于大多数用户，放置于无穷远处的图像为舒适且容易聚焦的。然而，对于近视的用户，放置于无穷远处的图像为模糊的且在无处方透镜辅助的情况下难以(如果并非不可能)聚焦。因此，光学系统100包含折射处方透镜125，其增加经准直光120的发散度。光学系统100的缺点是，折射处方透镜125通常为庞大沉重的元件且必须放置于波导105与眼睛115之间。波导105在折射处方透镜125的外侧上的外部放置可导致看上去奇怪的眼镜，许多用户可能不愿意佩戴这样的眼镜且所述眼镜需要对光120应用与对外部周围光130应用的处方相同的处方。

附图说明

参考以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中在所有各视图中相似参考编号指代相似部件，除非另有规定。所述图式未必按比例绘制，而重点放在图解说明所描述的原理上。

图1图解说明常规近眼式光学系统。

图2图解说明根据本发明的实施例用于头戴式显示器(“HMD”)的包含衍射透镜的目镜。

图3A是图解说明根据本发明的实施例通过目镜将周围光递送到用户的眼睛的目镜操作过程的流程图。

图3B是图解说明根据本发明的实施例将计算机产生的图像(“CGI”)光递送到用户的眼睛的目镜操作过程的流程图。

图4A是根据本发明的实施例的线栅偏振器的前视图。

图4B是根据本发明的实施例的线栅偏振器的侧视图。

图5A图解说明根据本发明的实施例图案化到线栅偏振器中的实例性菲涅耳波带衍射透镜。

图5B是根据本发明的实施例菲涅耳波带衍射透镜的具有发散透镜功能的一部分的扩展视图。

图6图解说明根据本发明的实施例目镜可如何经配置以将波导嵌入于透镜内。

图7是根据本发明的实施例用具有集成式衍射透镜的两个目镜实施的HMD的俯视图。

具体实施方式

本文中描述用于近眼式显示器的具有集成式衍射透镜的目镜的设备、系统及操作方法的实施例。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对所述实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在无所述特定细节中的一或多者的情况下或借助其它方法、组件、材料等实践本文中所描述的技术。在其它实例中，为避免使某些方面模糊，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作。