具有衍射透鏡的近眼式顯示器的制造方法
【專利摘要】一種用于HMD的目鏡包含波導(dǎo)、周圍光偏振器及線柵偏振器，所述線柵偏振器具有圖案化到所述線柵偏振器中的具有透鏡功能的衍射透鏡。在所述波導(dǎo)的朝眼側(cè)與周圍側(cè)之間將經(jīng)偏振圖像光從顯示源導(dǎo)引到所述波導(dǎo)的觀看區(qū)域，其中通過所述朝眼側(cè)將所述經(jīng)偏振圖像光引導(dǎo)出所述波導(dǎo)。所述觀看區(qū)域使入射于所述周圍側(cè)上的周圍光通過而到達(dá)所述朝眼側(cè)。所述周圍光偏振器鄰近于所述周圍側(cè)而安置以將所述周圍光偏振為具有正交于第一偏振的第二偏振的經(jīng)偏振周圍光。所述線柵偏振器沿著所述觀看區(qū)域鄰近于所述朝眼側(cè)而安置。所述線柵偏振器經(jīng)定向以經(jīng)由衍射對所述經(jīng)偏振圖像光應(yīng)用所述透鏡功能。
【專利說明】具有衍射透鏡的近眼式顯示器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體來說涉及光學(xué)裝置，且特定來說（但非排他性地）涉及近眼式顯示器。
【背景技術(shù)】
[0002] 頭戴式顯示器（"HMD"）是佩戴于頭部上或圍繞頭部佩戴的顯示裝置。HMD通常 并入有某一種類的近眼式光學(xué)系統(tǒng)以在距人眼幾厘米內(nèi)發(fā)射光圖像。單眼顯示器稱為單目 式HMD，而雙眼顯示器稱為雙目式HMD。一些HMD僅顯示計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像（"CGI")，而阻 擋用戶的外部視圖。這些HMD顯示器通常稱為虛擬現(xiàn)實(shí)（"VR"）顯示器。其它HMD能夠 將CGI疊加于現(xiàn)實(shí)世界視圖上。此后一類型的HMD可充當(dāng)用于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)（"AR"）的硬 件平臺(tái)。在AR的情況下，用覆疊的CGI來擴(kuò)增觀看者對世界的圖像。用于指代各種類型的 HMD的另一術(shù)語為抬頭顯示器（"HUD")。HUD為準(zhǔn)許用戶在不必向下看或以其它方式使其 眼睛從其抬頭向前位置顯著離開的情況下觀看CGI的任何顯示器。VR及AR HMD兩者均可 實(shí)施為HUD。
[0003] HMD具有眾多的實(shí)用應(yīng)用及休閑應(yīng)用。航空航天應(yīng)用準(zhǔn)許飛行員在不使其眼睛離 開飛行路徑的情況下看到極其重要的飛行控制信息。公共安全應(yīng)用包含地圖及熱成像的戰(zhàn) 術(shù)顯示。其它應(yīng)用領(lǐng)域包含視頻游戲、交通運(yùn)輸及電信。隨著技術(shù)演變，必定存在新發(fā)現(xiàn)的 實(shí)用應(yīng)用及休閑應(yīng)用；然而，這些應(yīng)用中的許多應(yīng)用當(dāng)前由于用于實(shí)施現(xiàn)有HMD的常規(guī)光 學(xué)系統(tǒng)的成本、大小、重量、有限視場、小眼鏡盒或不良效率而受到限制。常規(guī)HMD的另一缺 點(diǎn)是許多HMD并不十分適合于佩戴處方眼鏡的個(gè)體。
[0004] 圖1圖解說明使用具有內(nèi)部部分反射鏡110的波導(dǎo)105的常規(guī)近眼式光學(xué)系統(tǒng) 100。為了在眼睛115處產(chǎn)生有用的圖像，輸入光的每一入射角應(yīng)對應(yīng)于所發(fā)射光的單個(gè)輸 出角。由于波導(dǎo)105將光120從輸入側(cè)導(dǎo)引到輸出側(cè)而在輸入側(cè)與輸出側(cè)之間具有多次內(nèi) 部反射，因此為了保持輸入角及輸出角的一一對應(yīng)性，此系統(tǒng)使用放置于無窮遠(yuǎn)處的虛擬 圖像的經(jīng)準(zhǔn)直輸入光120。對于放置成比無窮遠(yuǎn)近（S卩，小于經(jīng)準(zhǔn)直光）的圖像，波導(dǎo)105 開始在眼框內(nèi)形成重像，此減小調(diào)制傳遞函數(shù)（"MTF"）及圖像對比度且嚴(yán)重地減損用戶體 驗(yàn)。
[0005] 對于大多數(shù)用戶，放置于無窮遠(yuǎn)處的圖像為舒適且容易聚焦的。然而，對于近視的 用戶，放置于無窮遠(yuǎn)處的圖像為模糊的且在無處方透鏡輔助的情況下難以（如果并非不可 能）聚焦。因此，光學(xué)系統(tǒng)1〇〇包含折射處方透鏡125,其增加經(jīng)準(zhǔn)直光120的發(fā)散度。光 學(xué)系統(tǒng)100的缺點(diǎn)是，折射處方透鏡125通常為龐大沉重的元件且必須放置于波導(dǎo)105與 眼睛115之間。波導(dǎo)105在折射處方透鏡125的外側(cè)上的外部放置可導(dǎo)致看上去奇怪的 眼鏡，許多用戶可能不愿意佩戴這樣的眼鏡且所述眼鏡需要對光120應(yīng)用與對外部周圍光 130應(yīng)用的處方相同的處方。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006] 參考以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非詳盡實(shí)施例，其中在所有各視圖中相似 參考編號(hào)指代相似部件，除非另有規(guī)定。所述圖式未必按比例繪制，而重點(diǎn)放在圖解說明所 描述的原理上。
[0007] 圖1圖解說明常規(guī)近眼式光學(xué)系統(tǒng)。
[0008] 圖2圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于頭戴式顯示器（"HMD"）的包含衍射透鏡 的目鏡。
[0009] 圖3A是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例通過目鏡將周圍光遞送到用戶的眼睛的目 鏡操作過程的流程圖。
[0010] 圖3B是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像（"CGI"）光遞送到用 戶的眼睛的目鏡操作過程的流程圖。
[0011] 圖4A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的線柵偏振器的前視圖。
[0012] 圖4B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的線柵偏振器的側(cè)視圖。
[0013] 圖5A圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例圖案化到線柵偏振器中的實(shí)例性菲涅耳波帶 衍射透鏡。
[0014] 圖5B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例菲涅耳波帶衍射透鏡的具有發(fā)散透鏡功能的一部分 的擴(kuò)展視圖。
[0015] 圖6圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例目鏡可如何經(jīng)配置以將波導(dǎo)嵌入于透鏡內(nèi)。
[0016] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用具有集成式衍射透鏡的兩個(gè)目鏡實(shí)施的HMD的俯視 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本文中描述用于近眼式顯示器的具有集成式衍射透鏡的目鏡的設(shè)備、系統(tǒng)及操作 方法的實(shí)施例。在以下描述中，陳述眾多特定細(xì)節(jié)以提供對所述實(shí)施例的透徹理解。然而， 相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可在無所述特定細(xì)節(jié)中的一或多者的情況下或借助其它方 法、組件、材料等實(shí)踐本文中所描述的技術(shù)。在其它實(shí)例中，為避免使某些方面模糊，未詳細(xì) 展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作。
[0018] 在本說明書通篇中對"一個(gè)實(shí)施例"或"一實(shí)施例"的提及意指結(jié)合所述實(shí)施例所 描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在本說明書通篇中 各個(gè)地方短語"在一個(gè)實(shí)施例中"或"在一實(shí)施例中"的出現(xiàn)未必全部指代同一實(shí)施例。此 夕卜，在一或多個(gè)實(shí)施例中，可以任何適合方式組合所述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。
[0019] 圖2圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例供與頭戴式顯示器（"HMD"）一起使用的目鏡 200。目鏡200的所圖解說明實(shí)施例包含波導(dǎo)205、具有圖案化到其上的衍射透鏡的線柵偏 振器（"WGP"）210及偏振器215。波導(dǎo)205的所圖解說明實(shí)施例包含耦入?yún)^(qū)域220、觀看 區(qū)域225、周圍側(cè)227及朝眼側(cè)229。觀看區(qū)域225的所圖解說明實(shí)施例包含部分反射表面 230。耦入?yún)^(qū)域220的所圖解說明實(shí)施例包含反射表面235。當(dāng)結(jié)合HMD顯示器使用時(shí)，目 鏡200可與顯示源240光學(xué)耦合。顯示源240的所圖解說明實(shí)施例包含顯示面板245、偏振 器250及準(zhǔn)直透鏡255。
[0020] 顯示源240可由離散或集成組件（例如顯示面板245、偏振器250及準(zhǔn)直透鏡255) 制作以輸出經(jīng)準(zhǔn)直及經(jīng)偏振圖像光260。舉例來說，顯示面板245可實(shí)施為背照式液晶顯示 器（"LCD")、前照式硅上液晶（"LCoS"）顯示器、量子點(diǎn)陣列、微鏡顯示器、微型投影儀、發(fā) 光二極管（"LED"）陣列或其它。如果顯示面板245包含經(jīng)準(zhǔn)直激光源，那么可省略準(zhǔn)直透 鏡255。偏振器250可實(shí)施為吸收偏振器或反射偏振分束器（"PBS"）。雖然圖2將顯示 源240的組件圖解說明為在波導(dǎo)205外部，但在一些實(shí)施例中，一或多個(gè)組件可沿著圖像光 260的光學(xué)路徑嵌入于波導(dǎo)205內(nèi)。
[0021] 波導(dǎo)205由用于將圖像光260在周圍側(cè)227與朝眼側(cè)229之間從耦入?yún)^(qū)域220導(dǎo) 引到觀看區(qū)域225的光學(xué)透射材料制作。在所圖解說明的實(shí)施例中，周圍側(cè)227及朝眼側(cè) 229彼此實(shí)質(zhì)上平行。在一個(gè)實(shí)施例中，圖像光260經(jīng)由全內(nèi)反射（"TIR"）從耦入?yún)^(qū)域 220導(dǎo)引到觀看區(qū)域225。在其它實(shí)施例中，波導(dǎo)205的側(cè)表面的部分可涂覆有反射材料以 輔助波導(dǎo)205的光導(dǎo)引性質(zhì)。波導(dǎo)205進(jìn)一步對于在觀看區(qū)域225內(nèi)入射于周圍側(cè)227上 的周圍光265為光學(xué)透射的。充分接近法向地射到周圍側(cè)227上的周圍光265將通過波導(dǎo) 205而到達(dá)WGP210。波導(dǎo)205可由多種材料制作，例如玻璃、石英、光學(xué)級塑料（例如，丙烯 酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯、Ze 〇neX-E48R等）或其它。
[0022] 波導(dǎo)205的所圖解說明實(shí)施例包含以斜角安置于耦入?yún)^(qū)域220內(nèi)以將圖像光260 耦合到波導(dǎo)205中的反射表面235。反射表面235可為PBS (在此情況中，可省略偏振器 250)、鏡表面（例如，銀表面）、反射在特定角度內(nèi)接收的光的二向色鏡或其它?；蛘?，代替 反射表面235,耦入?yún)^(qū)域220可包含模制到波導(dǎo)205的端表面或朝眼側(cè)表面中的棱鏡或甚至 抗反射（"AR"）涂層以將圖像光260以適當(dāng)角度耦合到波導(dǎo)205中以促進(jìn)TIR。
[0023] 觀看區(qū)域225的所圖解說明實(shí)施例包含以斜角（例如，與周圍側(cè)及朝眼側(cè)成45 度）安置的三個(gè)部分反射表面230。然而，在其它實(shí)施例中，觀看區(qū)域225可包含僅單個(gè)反 射表面、兩個(gè)部分反射表面或三個(gè)以上部分反射表面。部分反射表面230可實(shí)施為非偏振 分束器、PBS、二向色反射器或其它。在又其它實(shí)施例中，耦入?yún)^(qū)域220及觀看區(qū)域225中的 一者或兩者可包含沿著周圍側(cè)227安置的一維或二維微鏡陣列（代替反射表面230及235) 以執(zhí)行耦入及耦出光彎曲。
[0024] 偏振器215鄰近于周圍側(cè)227而安置且沿著觀看區(qū)域225延伸以使入射周圍光 265偏振。偏振器215可實(shí)施為反射偏振器或吸收偏振器且甚至可實(shí)施為WGP。偏振器215 操作以將非偏振周圍光265偏振為具有實(shí)質(zhì)上正交于圖像光260的偏振P1的偏振P2的經(jīng) 偏振周圍光265。在一個(gè)實(shí)施例中，P1及P2為線性正交偏振。在所圖解說明的實(shí)施例中， 偏振器215為成形為處方透鏡以向周圍光265提供校正透鏡作用的吸收偏振器。在其它 實(shí)施例中，偏振器215可成形為不具有光學(xué)倍率的毛坯透鏡（例如，偏振太陽鏡）或偏振器 215可提供為離散元件（未圖解說明）。在后一實(shí)施例中，偏振器215可在觀看區(qū)域225中 涂覆或接合到波導(dǎo)205的周圍側(cè)227上。
[0025] WGP210鄰近于朝眼側(cè)229而安置且沿著觀看區(qū)域225延伸。WGP210包含線或納 米線，其經(jīng)定向以對偏振P1應(yīng)用衍射透鏡作用同時(shí)實(shí)質(zhì)上使偏振P2通過而不進(jìn)行衍射透 鏡作用（參見圖4A及4B)。WGP210經(jīng)圖案化成衍射透鏡（參見圖5A及5B)。WGP210的納 米線可由導(dǎo)電材料（例如，金屬線）制作。這些納米線可制作于獨(dú)立襯底上或直接制作于 朝眼側(cè)229本身上且沿著觀看區(qū)域225定位?？墒褂枚喾N技術(shù)來制作構(gòu)成WGP210的納米 線的圖案，包含壓印光刻或各種沉積/光刻/蝕刻及金屬剝離技術(shù)。
[0026] 圖3A及3B為圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的目鏡200的操作的流程圖。圖3A 圖解說明如何通過目鏡200將周圍光265遞送到用戶的眼睛201的過程301，而圖3B圖解 說明如何經(jīng)由目鏡200將圖像光260覆疊及遞送到眼睛201的過程302。過程框中的一些 或所有過程框出現(xiàn)在過程301及302中的次序不應(yīng)視為限制性。而是，受益于本發(fā)明的所 屬領(lǐng)域的一股技術(shù)人員將理解，可以未圖解說明的多種次序或甚至并行地執(zhí)行所述過程框 中的一些過程框。
[0027] 在過程框305中，非偏振周圍光265在目鏡200的觀看區(qū)域225中入射于周圍側(cè) 227上。周圍光265為用戶對超出目鏡200的周圍世界的外部視圖。在過程框310中，通過 偏振器215使入射周圍光265偏振。在一個(gè)實(shí)施例中，偏振器215涂覆到處方透鏡上或以 其它方式包含/模制有處方透鏡（決策框315)且因此根據(jù)處方對周圍光265進(jìn)行透鏡作 用（過程框320)。在另一實(shí)施例中，偏振器215為平坦涂層或包含有不對周圍光265進(jìn)行 透鏡作用的透鏡毛坯（決策框315)。
[0028] 在使周圍光265偏振之后，經(jīng)偏振周圍光265在觀看區(qū)域225中從周圍側(cè)227通 過波導(dǎo)205而到達(dá)朝眼側(cè)229 (過程框325)。偏振器215經(jīng)配置以使周圍光265沿著正交 于WGP210衍射的偏振的偏振P2而偏振。因此，在過程框330中，經(jīng)偏振周圍光265在實(shí)質(zhì) 上不受圖案化到WGP210中的衍射透鏡的透鏡功能的影響的情況下通過WGP210。因此，圖2 圖解說明不受WGP210影響的經(jīng)偏振周圍光265的光路徑。最終，在過程框335中，將周圍 光265遞送到用戶的眼睛201。
[0029] 現(xiàn)在轉(zhuǎn)到過程302,描述經(jīng)由目鏡200將CGI光260遞送到用戶眼睛201。在過程 框350中，顯示源240產(chǎn)生作為圖像光或CGI光260輸出的CGI。CGI光260在到達(dá)WGP210 之前經(jīng)偏振以具有正交于經(jīng)偏振周圍光265的偏振P2的偏振P1。在所圖解說明的實(shí)施例 中，顯示源240包含在波導(dǎo)205外部的偏振器250 ;然而，在其它實(shí)施例中，偏振器250可包 含于波導(dǎo)205內(nèi)。舉例來說，反射表面235可實(shí)施為沿著波導(dǎo)200反射P1偏振同時(shí)允許P2 偏振筆直通過且傳出波導(dǎo)200的周圍側(cè)227的PBS。在此實(shí)施例中，反射表面235操作以耦 入CGI光260且使CGI光偏振。在又一些實(shí)施例中，偏振器250可保持為安置于波導(dǎo)200 內(nèi)的獨(dú)立元件。
[0030] 在過程框360中，對CGI光260進(jìn)行準(zhǔn)直以保持輸入角對輸出角的--對應(yīng)性。由 于波導(dǎo)200經(jīng)由從周圍側(cè)及朝眼側(cè)的反射而導(dǎo)引CGI光260,因此CGI光260應(yīng)經(jīng)準(zhǔn)直以防 止輸出CGI光260的模糊或重像。在所圖解說明的實(shí)施例中，使用透鏡255來對CGI光255 進(jìn)行準(zhǔn)直。然而，在一些實(shí)施例中，顯示面板245可包含已經(jīng)準(zhǔn)直的經(jīng)準(zhǔn)直光源（例如，激 光源），在此情況中可省略獨(dú)立的準(zhǔn)直透鏡。準(zhǔn)直透鏡255可為折射、衍射或混合型透鏡。
[0031] 在過程框365中，經(jīng)由反射表面235將CGI光260耦合到波導(dǎo)200中。反射表面 235操作以將CGI光260的角度從接近法向入射重新引導(dǎo)為充分傾斜入射，以使得TIR將 CGI光260沿著波導(dǎo)200導(dǎo)引到觀看區(qū)域225 (過程框370)。在其它實(shí)施例中，可省略或用 如上文所描述的其它耦入技術(shù)來替換反射表面235。
[0032] 在過程框375中，通過部分反射表面230沿著觀看區(qū)域225將CGI光260重新引 導(dǎo)出波導(dǎo)200。在一個(gè)實(shí)施例中，部分反射表面230可具有可變反射率（例如，針對三個(gè)反 射表面：對于P1偏振為33%反射率、50%反射率、100%反射率）且為偏振選擇性的。
[0033] 經(jīng)重新引導(dǎo)CGI光260接著通過WGP210。WGP210為偏振選擇性的，且經(jīng)定向以使 CGI光260的P1偏振衍射（參見圖4A、4B)。如上文所提及，WGP210經(jīng)圖案化以包含應(yīng)用透 鏡作用功能的具有光學(xué)倍率的衍射透鏡（參見圖5A、5B)。在所圖解說明的實(shí)施例中，透鏡 作用功能增加 CGI光260的發(fā)散度以補(bǔ)償近視?？蓪?shí)施其它類型的透鏡作用功能。由于透 鏡作用功能為衍射的，因此其也為波長相依的。因此，衍射透鏡經(jīng)專門設(shè)計(jì)以對CGI光260 的波長進(jìn)行操作。最終，在過程框385中，將經(jīng)透鏡作用的CGI光260提供到眼睛201。由 于周圍光265及CGI光260兩者均遞送到眼睛201，因此稱CGI光260提供擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)，因?yàn)?其被用戶感知為擴(kuò)增或覆疊周圍光。
[0034] 圖4A及4B圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的未經(jīng)圖案化WGP400。圖4A為WGP400 的前視圖，而圖4B為其側(cè)視圖。WGP400圖解說明支持WGP210的偏振選擇性的基本原理。
[0035] WGP400包含彼此實(shí)質(zhì)上平行伸展的多個(gè)金屬線415 (或線）。在一個(gè)實(shí)施例中，金 屬線415安置于襯底405上，襯底405可為清透或透明襯底。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬線415 可嵌入于襯底405內(nèi)。金屬線415可由錯(cuò)、錫、銅或其它導(dǎo)電材料制作。襯底405可由玻 璃、石英、丙烯酸脂、塑料（例如，PMMA、Ze 〇neX-E48R等）或其它透明材料制作。在一些實(shí) 施例中，襯底405可包含一或多個(gè)濾光片涂層（例如，抗反射涂層、彩色涂層、暗化涂層或其 它）。襯底405可表示波導(dǎo)200的朝眼側(cè)229或接合到波導(dǎo)200的朝眼側(cè)229的襯底。鄰 近金屬線415之間的間距P通常經(jīng)選擇為低于待影響的波長。僅作為實(shí)例，可將所述間距 選擇為約l〇〇nm，而可將金屬線415的厚度選擇為約30mm到50nm。當(dāng)然，可根據(jù)應(yīng)用、波長 及所要偏振特性來選擇其它間距及厚度。
[0036] 在操作期間，當(dāng)用包含具有第一線性偏振P1的偏振分量421及具有第二線性偏振 P2的分量425的光420照射WGP400時(shí)，分量421實(shí)質(zhì)上被反射而分量425實(shí)質(zhì)上不受影響 地通過。第一線性偏振P1的電場沿著金屬線415的長度平行地激發(fā)電子，此導(dǎo)致分量421 沿著反射路徑輻射。相比之下，第二線性偏振P2的電場跨越金屬線415橫向地激發(fā)電子。 由于金屬線415內(nèi)的電子在橫向上受局限（由于納米線的厚度所致），因此分量425在金 屬線415之間實(shí)質(zhì)上不受影響地通過。當(dāng)然，如果用具有第二線性偏振P2的經(jīng)偏振光（例 如，經(jīng)偏振周圍光265)照射WGP400,那么所述光將實(shí)質(zhì)上不受影響地通過。相比之下，如果 用具有第一線性偏振P1的經(jīng)偏振光（例如，經(jīng)偏振CGI光260)照射WGP400,那么所述光將 實(shí)質(zhì)上反射。
[0037] 經(jīng)偏振光通過WGP400或由其反射的程度為至少入射光的波長及金屬線415之間 的柵格間距的函數(shù)。因此，可對WGP400的不同部分應(yīng)用不同分離間距（即，跨越線柵的不 均一間距）以使WGP400的光譜響應(yīng)在空間上變化。
[0038] 圖5A及5B圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用衍射透鏡（例如菲涅耳衍射透鏡圖 案）圖案化線柵偏振器如何形成用于賦予偏振選擇性透鏡作用功能的偏振選擇性衍射圖 案500。圖5B為圖5A的一部分的擴(kuò)展視圖。
[0039] 可通過將圖案設(shè)計(jì)到圖4A及4B中所圖解說明的WGP400的結(jié)構(gòu)中來形成衍射圖 案500。通過將衍射圖案設(shè)計(jì)到WGP400的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)反射的偏振（在圖4A及4B中圖解說 明為P1)將變?yōu)椴糠值胤瓷淝也糠值赝干?。根?jù)衍射圖案來使經(jīng)透射部分衍射。WGP400的 結(jié)構(gòu)可經(jīng)旋轉(zhuǎn)以選擇使哪一線性偏振衍射及使哪一線性偏振實(shí)質(zhì)上不受影響地透射。
[0040] 圖5A圖解說明圖案化成具有同心區(qū)505的菲涅耳波帶衍射圖案500的二元振幅 衍射透鏡?？扇缦卤碚鞣颇◣а苌鋱D案500，
[0041]
【權(quán)利要求】
1. 一種用于頭戴式顯示器的設(shè)備，其包括： 波導(dǎo)，其包含： 朝眼側(cè)及周圍側(cè)，在所述朝眼側(cè)與所述周圍側(cè)之間導(dǎo)引第一偏振的經(jīng)偏振圖像光；及 觀看區(qū)域，其用于通過所述朝眼側(cè)將所述經(jīng)偏振圖像光引導(dǎo)出所述波導(dǎo)，其中所述波 導(dǎo)的所述觀看區(qū)域使入射于所述周圍側(cè)上的周圍光通過而到達(dá)所述朝眼側(cè)； 周圍光偏振器，其鄰近于所述周圍側(cè)沿著所述波導(dǎo)的所述觀看區(qū)域而安置，以將所述 周圍光偏振為具有正交于所述第一偏振的第二偏振的經(jīng)偏振周圍光；及 線柵偏振器，其沿著所述波導(dǎo)的所述觀看區(qū)域鄰近于所述朝眼側(cè)而安置，所述線柵偏 振器包含圖案化到所述線柵偏振器中的具有透鏡功能的衍射透鏡，其中所述線柵偏振器經(jīng) 定向以使所述經(jīng)偏振周圍光實(shí)質(zhì)上不受所述透鏡功能影響地通過，同時(shí)經(jīng)由衍射對所述經(jīng) 偏振圖像光應(yīng)用所述透鏡功能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述衍射透鏡包括二元振幅衍射透鏡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述二元振幅衍射透鏡包括菲涅耳波帶板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述二元振幅衍射透鏡包括用以校正近視的發(fā)散 透鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述線柵偏振器安置于所述波導(dǎo)的所述朝眼側(cè) 上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述線柵偏振器的線經(jīng)定向以沿著所述第一偏振 實(shí)現(xiàn)衍射透鏡作用，同時(shí)沿著所述第二偏振實(shí)質(zhì)上不導(dǎo)致衍射透鏡作用。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述周圍光偏振器包括具有光學(xué)倍率的處方透 鏡。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述周圍光偏振器包括不具有光學(xué)倍率的毛坯透 鏡。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)的所述朝眼側(cè)及周圍側(cè)彼此實(shí)質(zhì)上平 行，且其中所述觀看區(qū)域包括傾斜于所述朝眼側(cè)及周圍側(cè)定向的多個(gè)部分反射表面。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)進(jìn)一步包括用以將所述經(jīng)偏振圖像光 從顯示源耦合到所述波導(dǎo)中的耦入?yún)^(qū)域。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述顯示源光學(xué)耦合到所述耦入?yún)^(qū)域以將所述 經(jīng)偏振圖像光提供為實(shí)質(zhì)上經(jīng)準(zhǔn)直的圖像。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述耦入?yún)^(qū)域包括以下各項(xiàng)中的一者：安置于 所述朝眼側(cè)與周圍側(cè)之間的傾斜反射表面、模制到所述波導(dǎo)中的棱鏡，或沿著所述朝眼側(cè) 安置以準(zhǔn)許所述經(jīng)偏振圖像光進(jìn)入到所述波導(dǎo)中的元件。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述顯示源包括： 顯示面板； 圖像偏振器；及 準(zhǔn)直透鏡。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述顯示源包括一或多個(gè)激光二極管。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)嵌入于所述周圍光偏振器的凹部或腔 內(nèi)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述周圍光偏振器形成到所述波導(dǎo)的所述周圍 偵讓。
17. -種頭戴式顯示器"HMD"，其包括： 顯示源，其用以產(chǎn)生第一偏振的經(jīng)偏振圖像光； 目鏡，其包含： 波導(dǎo)，其包含朝眼側(cè)及周圍側(cè)，在所述朝眼側(cè)與所述周圍側(cè)之間將所述經(jīng)偏振圖像光 從所述顯示源導(dǎo)引到觀看區(qū)域，所述觀看區(qū)域用于通過所述朝眼側(cè)將所述經(jīng)偏振圖像光引 導(dǎo)出所述波導(dǎo)，其中所述波導(dǎo)的所述觀看區(qū)域使入射于所述周圍側(cè)上的周圍光通過而到達(dá) 所述朝眼側(cè)； 周圍光偏振器，其沿著所述波導(dǎo)的所述觀看區(qū)域鄰近于所述周圍側(cè)而安置，以將所述 周圍光偏振為具有正交于所述第一偏振的第二偏振的經(jīng)偏振周圍光；及 線柵偏振器，其沿著所述波導(dǎo)的所述觀看區(qū)域鄰近于所述朝眼側(cè)而安置，所述線柵偏 振器包含圖案化到所述線柵偏振器中的具有透鏡功能的衍射透鏡，其中所述線柵偏振器經(jīng) 定向以經(jīng)由衍射對所述經(jīng)偏振圖像光應(yīng)用所述透鏡功能；及框架組合件，其用以支撐所述 目鏡及顯示源，以用于佩戴在用戶的頭部上。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的HMD，其中所述衍射透鏡包括二元振幅衍射透鏡。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的HMD，其中所述二元振幅衍射透鏡包括菲涅耳波帶板。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的HMD，其中所述二元振幅衍射透鏡包括用以校正近視的發(fā) 散透鏡。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的HMD，其中所述線柵偏振器的線經(jīng)定向以沿著所述第一偏 振實(shí)現(xiàn)衍射透鏡作用，同時(shí)沿著所述第二偏振實(shí)質(zhì)上不導(dǎo)致衍射透鏡作用。
22. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的HMD，其中所述波導(dǎo)的所述朝眼側(cè)及周圍側(cè)彼此實(shí)質(zhì)上平 行，且其中所述觀看區(qū)域包括傾斜于所述朝眼側(cè)及周圍側(cè)定向的多個(gè)部分反射表面。
23. -種操作頭戴式顯示器的方法，所述方法包括： 在波導(dǎo)內(nèi)沿著周圍側(cè)與朝眼側(cè)之間導(dǎo)引具有第一偏振的經(jīng)偏振圖像光； 引導(dǎo)所述經(jīng)偏振圖像光穿過鄰近于所述波導(dǎo)的所述朝眼側(cè)而安置的線柵偏振器，所述 線柵偏振器包含圖案化到所述線柵偏振器中的衍射透鏡； 借助所述衍射透鏡對所述經(jīng)偏振圖像光進(jìn)行透鏡作用；及 使穿過所述波導(dǎo)的所述周圍側(cè)及朝眼側(cè)入射的具有正交于所述第一偏振的第二偏振 的周圍光通過圖案化到所述線柵偏振器中的所述衍射透鏡而實(shí)質(zhì)上不進(jìn)行衍射透鏡作用。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述衍射透鏡包括二元振幅衍射透鏡。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述二元振幅衍射透鏡包括菲涅耳波帶板。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述二元振幅衍射透鏡包括用以校正近視的發(fā) 散透鏡。
27. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述線柵偏振器的線經(jīng)定向以沿著所述第一偏 振實(shí)現(xiàn)衍射透鏡作用，同時(shí)沿著所述第二偏振實(shí)質(zhì)上不導(dǎo)致衍射透鏡作用。
28. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其進(jìn)一步包括： 經(jīng)由所述經(jīng)偏振圖像光從多個(gè)部分反射表面的反射而通過所述波導(dǎo)的所述朝眼側(cè)從 所述波導(dǎo)發(fā)射所述經(jīng)偏振圖像光，所述多個(gè)部分反射表面安置于所述波導(dǎo)內(nèi)且沿著所述波 導(dǎo)的觀看區(qū)域定位且傾斜于所述朝眼側(cè)及周圍側(cè)定向，其中所述朝眼側(cè)及周圍側(cè)為實(shí)質(zhì)上 平行的側(cè)。
【文檔編號(hào)】G02B5/18GK104145208SQ201380010045
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月15日
【發(fā)明者】巴巴克·阿米爾帕爾維茲, 王嘉讓 申請人:谷歌公司