頭戴式顯示器眼球追蹤器集成系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種具有眼睛追蹤系統(tǒng)的頭戴式顯示器，包括：具有兩個主表面和邊緣的光傳輸基片(20)，用于通過全內(nèi)反射將光耦合到所述基片(20)中的光學(xué)裝置，不平行于基片(20)的主表面的由基片(20)支撐的部分反射表面(22a-22c)，近紅外光源(78)和投射明視光譜范圍內(nèi)的顯示源(92)，其中，來自光源(78)的光和來自顯示器光源(92)的光通過全內(nèi)反射被耦合到基片(20)中。
【專利說明】頭戴式顯示器眼球追蹤器集成系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成的頭戴式顯示器（HMD)系統(tǒng)，尤其涉及包括兩個組合單元：頭戴 式單元和眼球追蹤單元的系統(tǒng)。
[0002] 本發(fā)明可被有利地實現(xiàn)在許多成像應(yīng)用中，例如便攜式DVD、蜂窩電話、移動電視 接收器、游戲機、便攜式媒體播放器、或其他移動顯示設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0003] 緊湊光學(xué)元件的一個重要應(yīng)用是在HMD中，其中光學(xué)模塊既用作成像透鏡也用作 組合器（combiner),其中二維圖像源被成像至無限遠（infinity)并被反射到觀察者的眼睛 中。顯示源可直接從例如空間光調(diào)制器（SLM)(諸如陰極射線管（CRT)、液晶顯示器（LCD)、 有機發(fā)光二極管陣列（0LED)、掃描源）獲得，或者間接地通過中繼透鏡或光纖束獲得。顯示 源包括通過準(zhǔn)直透鏡被成像至無限遠并通過反射或部分反射表面被傳輸?shù)接^看者的眼睛 中的元件（像素）陣列，所述反射或部分反射表面分別用作用于非透視應(yīng)用或透視應(yīng)用的 組合器。通常，傳統(tǒng)的自由空間光學(xué)模塊被用于這些目的。然而，由于HMD系統(tǒng)的期望的視 場（F0V)增大，這種傳統(tǒng)的光學(xué)模塊變得更大、更沉并且更笨重（bulkier)，從而即使對中 等性能的設(shè)備，也是不切實際的。這對于所有類型的顯示器尤其是頭戴式應(yīng)用來說是主要 缺點，在該頭戴式應(yīng)用中，系統(tǒng)一定要盡可能地輕和緊湊。
[0004] 為緊湊所作的努力已經(jīng)得到了一些不同的復(fù)雜的光學(xué)解決方案，所有這些光學(xué)解 決方案，一方面對于大部分實際應(yīng)用仍然不夠緊湊，另一方面，在可制造性方面存在主要障 礙。此外，從這些設(shè)計得到的光學(xué)視角的眼部運動箱（eye-motion-box，EMB) -般都非常 小，通常小于8_。因此，即使是光學(xué)系統(tǒng)相對于觀看者的眼睛的很小的移動，光學(xué)系統(tǒng)的性 能也非常敏感，并且不允許瞳孔充分地運動以從這種顯示器舒適地閱讀文本。
[0005] 所有以本 申請人:的名義申請的編號為W001/95027，W003/081320，W02005/024485， W02005/024491, W02005/024969, W02005/124427, W02006/013565, W02006/085309, W02006/085310, W02006/087709, W02007/054928, W02007/093983, W02008/023367, W02008/129539和W02008/149339的公開文本中包括的教導(dǎo)通過引用合并于此。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明促進了非常緊湊的光導(dǎo)光學(xué)元件（light-guide optical element,L0E)用 于HMD，以及其他應(yīng)用。本發(fā)明允許與相對大的EMB值一起的相對寬的F0V。作為結(jié)果的光 學(xué)系統(tǒng)提供了大、高質(zhì)量的圖像，這也適應(yīng)眼睛的大的運動。因為本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)基 本上比觀有技術(shù)的實現(xiàn)方式更緊湊，而且本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)甚至可以容易地集成到具 有專用配置的光學(xué)系統(tǒng)中，所以本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)特別有利。
[0007] 被證明為對HMD設(shè)計有用的另一個光學(xué)功能是眼球追蹤，或者是感測相對于頭部 方向的眼球正在注視的方向。通常的眼球追蹤器會結(jié)合微型CCD相機以及用于照射瞳孔的 紅外LED。通過測量瞳孔的形狀和位置的改變，可以察覺到觀看者的眼睛正在注視的方向， 一旦被校準(zhǔn)就會具有非常適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度。結(jié)合頭部位置和眼睛位置的測量將解決現(xiàn)有的 HMD技術(shù)中固有的問題，因為投射的符號和瞄準(zhǔn)線會從屬于（be slaved to)觀看者正在注 視的方向，從而保持現(xiàn)有的人體追蹤行為。這對于將HMD和眼球追蹤器組合到同一個光學(xué) 模塊中是有利的。
[0008] 所以，本發(fā)明的主要目的是減輕現(xiàn)有技術(shù)的緊湊型光學(xué)顯示器裝置的缺點，并根 據(jù)特定需求提供具有改進性能的其他光學(xué)組件和系統(tǒng)。
[0009] 所以，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種光學(xué)系統(tǒng)，包括：具有至少兩個主表面和邊緣的光 傳輸基片，用于通過全內(nèi)反射將光波耦合到該基片中的至少一個光學(xué)裝置，由該基片支撐 的至少兩個部分反射表面，其中所述部分反射表面不平行于該基片的主表面，投射位于第 一光譜內(nèi)的光波的至少一個光源，和投射位于第二光譜內(nèi)的光波的至少一個顯示源，其特 征在于，來自光源的光波和來自顯示源的光波通過全內(nèi)反射被稱合到該基片中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 參照下面示出的附圖，結(jié)合一些優(yōu)選實施例來說明本發(fā)明，從而可以更完整地理 解本發(fā)明。
[0011] 詳細(xì)地參照具體的附圖，應(yīng)當(dāng)強調(diào)，示出的細(xì)節(jié)是以舉例的方式并且僅為了示意 性說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例的目的，并且以提供被認(rèn)為是最有用的內(nèi)容和容易理解本發(fā)明 原理及概念方面的描述的方式來呈現(xiàn)。就此而言，除對本發(fā)明的基本理解來說是必需的以 夕卜，不試圖更詳盡地示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。結(jié)合附圖所作的說明是為了指導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以在實際中如何實施本發(fā)明的若干種形式。
[0012] 在附圖中：
[0013] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)的示例性的L0E的側(cè)視圖；
[0014] 圖2A和圖2B示出了針對兩種入射角范圍的、在本發(fā)明中使用的選擇性 (selectively)反射表面的期望的反射特性和透射特性；
[0015] 圖3示出了示例性的介質(zhì)涂層的作為入射角的函數(shù)的反射率曲線；
[0016] 圖4是示出了示例性的選擇性反射表面陣列的詳細(xì)剖面圖的示意圖；
[0017] 圖5不出了現(xiàn)有技術(shù)的眼鏡HMD設(shè)備；
[0018] 圖6示出了 L0E的側(cè)視圖，顯示了從眼睛散射的并被耦合回到L0E中的光波； [0019] 圖7示出了具體部分反射表面的作為波長的函數(shù)的反射率曲線；
[0020] 圖8示出了另一個部分反射表面的作為波長的函數(shù)的反射率曲線；
[0021] 圖9示出了兩個不同的部分反射表面的作為入射角的函數(shù)的反射率曲線；
[0022] 圖10示出了 L0E的側(cè)視圖，顯示了從眼睛散射的并被耦合回到L0E中的、穿過出 射孔徑而被耦合出去的光波；
[0023] 圖11示出了 L0E的側(cè)視圖，顯示了從眼睛散射的并被耦合回到L0E中的光波，其 中僅僅部分光線穿過出射孔徑而被耦合出去；
[0024] 圖12示出了在兩個不同入射角時的反射濾光器的作為波長的函數(shù)的反射率曲 線.
[0025] 圖13示出了在兩個不同入射角時的透射濾光器的作為波長的函數(shù)的反射率曲 線.
[0026] 圖14示出了結(jié)合來自顯示源和光源的光波的光學(xué)系統(tǒng)；
[0027] 圖15不出了偏振分束器的作為波長的函數(shù)的反射率曲線；
[0028] 圖16示出了 L0E的另一個實施例的側(cè)視圖，該L0E具有兩個相鄰的部分反射表 面，用于將光波耦合輸出到觀看者的眼睛中。

【具體實施方式】
[0029] 圖1示出可在本發(fā)明中使用的現(xiàn)有技術(shù)的基片20和相關(guān)聯(lián)的元件（在下文中也 被稱作"L0E"）的剖面圖。諸如反射表面16的光學(xué)裝置被從位于L0E后方的光源（未示 出）發(fā)出光線的準(zhǔn)直顯示器18照射。反射表面16反射來自光源的入射光，從而通過全內(nèi) 反射將光限制（trap)在L0E的平面基片20內(nèi)部。在基片20的主要的下表面26和上表 面27上進行數(shù)次反射后，被限制的光波到達選擇性反射表面22的陣列處，該選擇性反射表 面22將從基片出射的光耦合到觀看者的具有瞳孔25的眼睛24中。此處，L0E的入射表面 將被視為是入射光波通過其進入L0E的表面，而L0E的出射表面將被視為是被限制的光波 通過其離開L0E的表面。在圖1所示的L0E的情況下，入射表面和出射表面都在下表面26 上。然而，也可預(yù)期其它配置，其中輸入光波和成像光波可位于基片20的相對側(cè)。假設(shè)光 源的中心光波在垂直于基片表面26的方向上從基片20被f禹合出去，反射表面22是平的， 并且被耦合在基片20內(nèi)部的光波的離軸角是a in，則在反射表面和基片平面的法線之間的 角asur2為：

【權(quán)利要求】
1. 一種光學(xué)系統(tǒng)，包括： 具有至少兩個主表面和邊緣的光傳輸基片； 用于通過全內(nèi)反射將光波耦合到該基片中的至少一個光學(xué)裝置； 由該基片支撐的至少兩個部分反射表面，其中所述部分反射表面不平行于該基片的主 表面； 投射位于第一光譜內(nèi)的光波的至少一個光源，和 投射位于第二光譜內(nèi)的光波的至少一個顯示源， 其特征在于，來自光源的光波和來自顯示源的光波通過全內(nèi)反射被耦合到該基片中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一光譜不同于第二光譜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一光譜在近紅外區(qū)域中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，第二光譜在明視范圍中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，耦合到該基片內(nèi)部的光波是第一角譜和第 二角譜的光波，并且位于第一角譜內(nèi)的角度小于位于第二角譜內(nèi)的角度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一部分反射表面對位于第一光譜且第一 角譜內(nèi)的光波是部分反射的，并且對位于第二光譜且第一角譜和第二角譜內(nèi)的光波基本上 是透明的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，第二部分反射表面對位于第二光譜且第一 角譜內(nèi)的光波是部分反射的，并且對位于第一光譜且第一角譜和第二角譜內(nèi)的光波、以及 位于第二光譜且所述第二光譜內(nèi)的光波基本上是透明的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一部分反射表面和第二部分反射表面 將來自光源和顯示源的光分別從該基片耦合出至觀看者的眼睛中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一部分反射表面通過全內(nèi)反射將從觀看 者的眼睛反射的并且位于第一光譜內(nèi)的光波耦合到該基片中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括眼球追蹤器，其中所述光源是所述追蹤器 的一部分。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，光學(xué)裝置將從觀看者的眼睛反射的光波 從該基片耦合出至所述眼球追蹤器中。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括附連到眼球追蹤器或嵌入在眼球追蹤器 中的光學(xué)檢測器，其中，被耦合到眼球追蹤器中的光波被聚焦到該檢測器中。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括第一傳輸光導(dǎo)，其中，來自光源和顯不源 的光波通過該傳輸光導(dǎo)被稱合到該基片中。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，該傳輸光導(dǎo)是偏振分束器。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括投射位于第二光譜中的光波的第二光 源。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括第二傳輸光導(dǎo)，其中，來自第一光源和第 二光源的光波通過第二傳輸光導(dǎo)被稱合到第一傳輸光導(dǎo)中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，第二傳輸光導(dǎo)是二向色分束器。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，顯示源是LCOS。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，LCOS被來自第二光源的光波照射。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括光學(xué)濾光器，該光學(xué)濾光器位于用于將光 波耦合到該基片中的裝置處。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，該光學(xué)濾光器對第一光譜是反射的，并且 對第二光譜基本上是透明的。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，該光學(xué)濾光器對第二光譜是反射的，并且 對第一光譜基本上是透明的。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一部分反射面和第二部分反射表面在橫 向上彼此分離。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，第一部分反射表面和第二部分反射表面彼 此相鄰地設(shè)置。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，部分反射表面陣列中的至少一個表面對位 于第二光譜且第一角譜內(nèi)的光波是部分反射的，并且對位于第一光譜且第一角譜和第二角 譜內(nèi)的光波、以及位于第二光譜且第二角譜內(nèi)的光波基本上是透明的。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括第二光學(xué)裝置，該第二光學(xué)裝置用于通過 全內(nèi)反射將光波稱合到該基片中，其中，來自第一光源的光波和來自顯不源的光波分別被 第一光學(xué)裝置和第二光學(xué)裝置通過全內(nèi)反射而耦合到該基片中。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，來自第一光源的光波和來自顯不源的光 波以給定的入射角照射到兩個光學(xué)裝置之一上，并且兩個光學(xué)裝置之一對于所述入射角的 在明視范圍內(nèi)的光波具有高反射率，而對于所述入射角的來自第一光源的光波具有高透射 率。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，來自第一光源的光波和來自顯不源的光 波以給定的入射角照射到兩個光學(xué)裝置之一上，并且兩個光學(xué)裝置之一對于所述入射角的 在明視范圍內(nèi)的光波具有高透射率，而對于所述入射角的來自第一光源的光波具有高反射 率。
29. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，眼球追蹤器檢測觀看者的眨眼模式。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中，眼球追蹤器用作疲勞駕駛警報單元。
【文檔編號】F21V8/00GK104395815SQ201380026959
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月21日
【發(fā)明者】Y·艾米泰 申請人:魯姆斯有限公司