用于近眼显示器的光组合器的制造方法
用于近眼显示器的光组合器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及光学元件，且明确地说但非排他地，涉及近眼显示器。
【背景技术】
[0002] 在光学领域中，组合器为从所述组合器的相同侧（反射/反射或透射/透射）或从 所述组合器的两个不同侧（反射/透射）将两个图像组合到一起的光学设备。很多时候， 光组合器使用于抬头显示器（"HUD"）中，其允许用户观看叠加到外部视图之上的计算机生 成的图像（"CGI"）。HUD使用户能观看所述CGI而无需远离其通常的观看点来看。术语 HUD起源于其在航空电子学中的使用，其使飞行员能在抬头向前看时观看信息，此与向下看 座舱仪器形成对比。一些常规的HUD包含全息组合器及有角透明衬底。
[0003]然而，全息组合器具有许多缺点。其制造起来昂贵、难以量产且具有有限的使用期 限（举例来说，由于温度、湿度、压力及其它恶劣的环境条件而开始劣化）。
[0004] 有角透明衬底组合器已经使用于汽车中，其用以在挡风玻璃上向驾驶员呈现HUD信息。这些光组合器由透明透视衬底构成，外部图像源在所述衬底上显示CGI。然而，由于 所述透明透视衬底通常为没有屈光力以免使外部FOV失真的平坦衬底，所以所述透明衬底 必须为有角的（举例来说，接近45度），且使用庞大的外部放大透镜以在显示区域上扩大 CGI。所述透明透视衬底组合器的庞大的外部透镜及有角性质不能使其很好的紧凑布置，例 如头戴式显示器（"HMD"）。
【附图说明】
[0005] 参考以下图式描述本发明的非限制性且非详尽实施例，其中相同元件符号贯穿各 个视图指代相同部件，除非另有说明。
[0006] 图1为根据本发明的实施例的包含三个色彩组合器层的衍射光组合器的系统级 横截面图。
[0007]图2为根据本发明的实施例的衍射光组合器的一部分的放大剖视图。
[0008] 图3为根据本发明的实施例的使用两个衍射光组合器的双眼头戴式显示器的俯 视图。
[0009] 图4为根据本发明的实施例的与远程装置通信的HMD控制系统的简化框图。【具体实施方式】
[0010] 本文描述用于组合图像的光学设备及系统的实施例。在以下描述中，陈述众多特 定细节以便提供对所述实施例的详尽理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在没有 一或多个特定细节的情况下或利用其它方法、组件、材料等等来实践本文所描述的技术。在 其它情况中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
[0011] 贯穿此说明书对"一个实施例"或"一实施例"的参考意味着与所述实施例相结合 而描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿此说明书在 多个地方出现短语"在一个实施例中"或"在一实施例中"并不一定都指代相同的实施例。 此外，在一或多个实施例中特定的特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
[0012] 图1为根据本发明的实施例的用于组合图像光150与外部场景光155的衍射光组 合器100的系统级横截面图。所说明的衍射光组合器100的实施例包含衬底105、第一色彩 组合器层（"CCL"）161、第二CCL162、第三CCL163、向眼侧（eye-wardside) 125 及外部场 景侧130。第一CCL161包含涂覆有第一滤色器181的第一衍射光栅171，第二CCL162包 含涂覆有第二滤色器182的第二衍射光栅172,且第三CCL163包含涂覆有第三滤光器183 的第三衍射光栅173。每一衍射光栅171、172及173嵌入在透明的、折射率匹配材料133中 (SP，夹在其间）。
[0013] 可使用多种透明任选透射式材料（举例来说，塑料、丙烯酸、热塑性塑料、聚甲基 丙烯酸甲酯（PMMA)、ZE0NEX-E48R、玻璃、石英等等）来制造衍射光组合器100的不同层。在 一个实施例中，衬底105及折射率匹配材料133为塑料。在另一实施例中，衬底105为玻璃， 而折射率匹配材料133是由二氧化硅制造而成。当然，可使用其它材料组合。
[0014] 图像源140定位在衍射光组合器100的与用户的眼睛145相同的侧（举例来说，向 眼侧125)上。图像源140以一角度定位以将图像光150投影到衍射光组合器100上。图 像源140可包含用于例如硅上液晶（"LCOS"）显示器、背光液晶显示器、有机发光二极管 ("OLED"）显示器、量子点阵列显示器、发光二极管（"LED"）阵列或其它的多种微显示器 及微微投影仪中的多种紧凑型图像源技术。现今，CRT管仍然用于HUD中，但可能较少用于 例如透视头戴式显示器（HMD)的较小装置中。
[0015] 在上文一些技术中，图像源140可包含作为背光的LED或像素级上的LED。在一 个实施例中，三种不同的LED色彩组合以形成所述图像光。在一个实施例中，使用红绿蓝 ("RGB"）LED配置。作为一实例，红LED可具有接近625nm的主波长，绿LED可具有接近 530nm的主波长，且蓝LED可具有接近470nm的主波长。每一LED的总光谱发射可集中在所 述主波长中的每一者的大约25nm内，意味着每一LED在50nm带宽内发射其大部分光（举 例来说，半峰全宽"FWHM"）。
[0016] 在上文一些技术中，图像源140可包含光源，所述光源包含发射三种不同光色彩 的激光器。所述三种不同光色彩可为红、绿及蓝。激光器光的每一色彩可具有大约O.lnm 的带宽。
[0017] 图2为根据本发明的实施例的衍射光组合器100的一部分的放大剖视图。在所说 明的实施例中，滤光器181、182及183涂覆其相应的衍射光栅171、172及173。在所说明的 实施例中，滤光器181及182为分别反射蓝及绿光的反射滤色器。在一个实施例中，滤色器 181、182为反射带通滤光器且实质上反射在所选频率中的光。第三滤光器183可部分地反 射可见光。举例来说，第三滤光器183可为部分反射（举例来说，50/50分束器）及部分透 射式滤光器。可将小于lOOnm的二氧化铝或二氧化铬（Cr02)层安置在衍射光栅173上以 形成所述部分反射及部分透射式滤光器。在部分反射可见光的另一实例中，第三滤光器183 反射红光且透射非红可见光。第三滤光器183可为反射红光的带通滤光器。滤光器181、 182及183可经配置以反射与给定实例不同的光色彩。
[0018] 当图像光150到达第一CCL161的第一滤色器183时，第一滤色器181反射图像 光150的蓝分量151。在一个实施例中，第一滤色器181反射与来自在图像源140的光源 (或蓝LED像素）中的蓝LED的蓝LED发射对应的50nm波段。在另一实施例中，第一滤色 器181反射与来自在图像源140的光源中的蓝激光器的蓝激光器发射对应的0.lnm波段。 当然，第一滤色器181可反射与这些实例不同的带宽。由于第一滤色器181安置在衍射光 栅171的结构上，所以图像光150的蓝分量151受衍射光栅171的衍射特性影响。
[0019] 第一衍射光栅171经配置以从图像源140接收图像光150且以在实质上与眼睛 145垂直的方向上引导蓝光的衍射级反射（使用第一滤色器181)蓝光以便将图像呈现给用 户。为了实现此反射，衍射光栅171的角度必须被调谐到图像源140从其投影的固定（且 已知）的角度以适当地将所希望的光色彩引导到眼睛145中。换句话说，为了设计衍射光 栅171，设计者必须考虑所希望的待反射的光色彩、所希望的光色彩将照射衍射光栅171的 角度及用以将所希望的光色彩实质上垂直引导进入眼睛145的所需要的衍射级。应理解， 衍射光栅171、172及173的所说明的衍射结构仅为说明性的，且根据特定设计变量，可使用 其它衍射结构来将图像光150反射到眼睛145中。
[0020] 在图1中，可观察到，当相应的衍射光栅反射图像光150 (包含蓝分量151、绿分量 152及红分量153)时，所述据图像光违反了反射定律。这是因为在图1及2中，衍射光栅 171、172及173经调谐而以负衍射级（而另一级被抑制）反射其相应的光色彩。以特定的 衍射级反射所述色彩可促使在实质上与眼睛145垂直的方向上将相应色彩引导到眼睛145 中。
[0021] 参看图2,因为衍射光栅171嵌入在具有相同衍射折射率的折射率匹配材料133 中，所以第一滤色器181未反射的色彩"看"不到衍射光栅171-一对其来说几乎是透明的。 因此，第一滤色器181未反射的图像光150的色彩继续通过光组合器100传播直到到达衍 射光栅172。以下情况可为有利的：滤光器181、182及183相对薄以使得所述滤光器与折 射率匹配材料133之间的任何折射率差异最低程度地影响通过安置在衍射结构上的滤光 器而行进的图像光。
[0022] 在到达衍射光栅172之后，第二滤色器182反射图像光15 0的绿分量152。在一个 实施例中，第二滤色器182反射与来自在图像源140的光源（或绿LED像素）中的绿LED的 绿LED发射对应的50nm波段。在另一实施例中，第二滤色器182反射与来自在图像源140 的光源中的绿激光器的绿激光器发射对应的0.lnm波段。当然，第二滤色器182可反射与 这些实例不同的带宽。由于第二滤色器182安置在衍射光栅172的结构上，所以图像光150 的绿分量152受衍射光栅172的衍射特性影响。
[0023] 与衍射光栅171类似，衍射光栅172经配置以从图像源140接收图像光150且经 配置而以在实质上与眼睛145垂直的方向上引导绿光的衍射级反射（使用第二滤色器182) 绿光以便将图像呈现给用户。第二衍射光栅172的角度被调谐到定位图像源140以适当地 将绿分量152引导到眼睛145中的角度。
[0024] 第一滤色器181未反射的及第二滤色器182未反射的图像光150的色彩通过因为 折射率匹配材料133而几乎透明的衍射光栅172行进。在所说明的实施例中，第三滤光器 183为部分反射、部分透射式滤光器。在一个实施例中，第三滤光器183为反射一半入射光 且透射另一半入射光的50/50反射滤光器。由于图像光150可由蓝、绿及红光分量151、152 及153组成，所以实质上除了红光分量153之外的所有图像光150可能已经由第一及第二 衍射光栅反射。因此，第三滤光器183可简单反射一半红光分量153。行进到衍射光栅173 的任何非红光可简单地遵循反射定律（通常反射除了垂直于眼睛145之外的光）或因其它 原因被散射。一半红分量153可穿过第三衍射光栅173,然而由于衍射光栅173经调谐而 以实质上与眼睛145垂直地引导红光153的衍射级来衍射红光153,因此另一半红分量153 实质上与眼睛145垂直地被反射。
[0025] 第三滤光器183可为经调谐以反射红光的带通滤光器。在一个实施例中，第三滤 光器183反射与来自在图像源140的光源中的红LED的红LED发射对应的50nm波段。在 另一实施例中，第三滤光器183反射与来自在图像源140的光源（或红LED像素）中的红 激光器的红激光器发射对应的0.lnm波段。当然，第三滤光器183可反射与这些实例不同 的带宽。
[0026] 如果第三滤光器183为经调谐以反射红光153的带通滤光器，那么第一及第二滤 色器181及182未反射的非红光将简单地穿过CCL163且通过衬底105。由于衍射光栅173 经调谐而以实质上垂直于眼睛145而引导红光153的衍射级来衍射红光153,因此由红带通 滤光器反射的红光153将实质上垂直于眼睛145而被反射。
[0027] 以下情况可为有利的：第三滤光器183使用50/50反射滤光器而不是带通滤光器 来保护为了到达眼睛145而必须通过衍射光组合器100行进的外部场景光155的色彩完整 性。光组合器100意欲将来自图像源140的CGI图像与用户的环境中的真实场景图像组 合。在光组合器100内使用反射带通滤光器有效地移除来自外部场景光155的那些色彩， 此将导致场景图像的可感知的色彩移位。因此，通过对于第三滤光器183使用50/50反射 光学元件，衍射光栅173可仍然反射一半红分量153,同时仍然使来自外部场景155的一半 红光传播到眼睛145。图像源140可经修改以包含图像光150中的两倍多的红光以便考虑 到50/50反射光学元件。
[0028] 在注意到外部场景光155中的潜在色彩移位的情况下，如果滤光器183为带通的， 那么窄化带通滤光器181、182及183的带宽可为有利的。所反射的色彩带宽越窄，用户可 感知到的色彩移位量就越低。为了使反射滤光器181、182及183的带宽保持为低，LED光 源可经滤光以发射比未经滤光的LED窄的光谱特征，未经滤光的LED通常将允许反射滤光 器181、182及183也窄化其带通带宽，此又将减小外部场景光155的色彩移位。饱和色彩 纯度也可随着蓝、绿及红光分量151、152及153的带宽变窄而改善。如果蓝、绿及红光分量 151、152及153具有较窄的带宽，那么衍射光栅171、172及173还可被更精确地调谐以引导 其相应光色彩。
[0029] 如果在图像源140中使用蓝、绿及红激光器作为光源，那么蓝、绿及红光分量151、 152及153可具有非常小的波长带宽（举例来说，小于lnm)。在此情况中，第一、第二及第 三滤光器181、182及183可经调谐以反射图像光150的非常窄的带宽。反射图像光150的 小带宽可为有利的，因为朝向眼睛145传播的外部场景光155将具有经滤光器181、182及 183移除的非常小的带宽。使用从外部场景光155移除的小于lnm的带宽，与在无光组合器 100的情况下观看外部场景光155相比，眼睛145将可能几乎检测不到色彩移位。
[0030] 返回参看图1，透射式分散元件（"TDE") 143安置于图像源140与光组合器100之 间。在一个实施例中，TDE143包含透射式衍射光栅。在一个实施例中，TDE143固定到图 像源140。在另一实施例中，TDE143安置于第一CCL161上。TDE143经配置而以对第一、 第二及第三色彩光进行位置校正的角度将图像光150分散成第一、第二及第三色彩光以在 与进入TDE143的所述图像光相同的相对位置（举例来说，像素位置）中进入眼睛145。在 所说明的实施例中，所述第一、第二及第三色彩光为蓝、绿及红分量151、152及153。不同的 光色彩的角度取决于图像源140相对于第一CCL161的安装角度。所述不同色彩光的角度 还取决于第一、第二及第三CCL161、162及163的厚度及其折射率。
[0031] 在无TDE元件143的情况中，图像光150内的图像中的像素可具有蓝、绿及红分 量。然而，如果那一像素的蓝、绿及红分量中的每一者在基本上相同的位置处入射在第一 CCL161上，那么绿及红分量将行进较长距离以分别由第二CCL162及第三CCL163反射。 较长的行进距离将导致绿及红分量在不同位置退出第一CCL161 (在由CCL162及163反 射之后）。因此，图像150的原始像素的蓝、绿及红分量朝向眼睛145传播时将位于不同的 位置中。因此，在图1中，TDE元件143经配置以分离出蓝、绿及红分量且以将对所述色彩 分量进行位置校正的角度朝向光组合器100引导所述蓝、绿及红分量使其在基本上相同的 位置退出，此保持图像光150中的每一像素的色彩完整性。换句话说，不同的光分量在不同 的相对位置处进入第一CCL161以便在基本上相同的位置退出第一CCL161，以使得在呈 现给眼睛145之后保持图像完整性。
[0032] 图3为根据本发明的实施例的使用两个衍射光组合器301的双眼头戴式显示器 ("HMD") 300的俯视图。可使用衍射光组合器100的实施例来实施每一衍射光组合器301。 光组合器301安装到框架组合件，所述框架组合件包含鼻梁305、左耳臂310及右耳臂315。 尽管图3说明双眼实施例，但HMD300还可实施为单眼HMD。
[0033] 在所说明的实施例中，将两个光组合器301紧固到可戴于用户头部的镜片布置 中。左耳臂310及右耳臂315支托在用户的耳朵上，而鼻组合件305支托在用户的鼻上。所 述框架组合件经成形且经设定大小以将每一光组合器301定位在用户的对应眼睛145的前 面。当然，可使用具有其它形状的其它框架组合件（举例来说，具有耳臂及鼻梁支撑件的面 罩、单个连续的耳机部件、头带、护目镜式眼镜等等）。
[0034]HMD300的所说明实施例能够将扩增实境显示给用户。每一光组合器301允许用 户经由外部场景光155看到实景图像。安装到左耳臂310及右耳臂315的图像源140可产 生左及右（双眼实施例）图像光150。用户看到的图像光150为叠加到作为扩增实境的实 景上的虚拟图像。在一些实施例中，外部场景光155可被阻断或选择性地阻断以提供遮阳 特性且增加图像光150的对比度。
[0035] 图4为根据本发明的实施例的与远程装置430通信的HMD控制系统410的简化框 图。HMD控制系统410可安置于HMD300内。在实例实施例中，HMD控制系统410使用通信 链路420 (举例来说，有线或无线连接）与远程装置430通信。
[0036] 因此，HMD控制系统410可包含图像源140、处理器414及存储器418。处理器414 可从远程装置430接收数据，且利用图像源140配置用于显示的数据。处理器414可为任 何类型的处理器，例如（举例来说）微处理器或数字信号处理器。
[0037]HMD控制系统410可进一步包含板上数据存储装置，例如耦合到处理器414的存储 器418。存储器418可存储可由（举例来说）处理器414读取及执行的软件。
[0038] 远程装置430可为任何类型的计算装置或的 发射器，包含膝上型计算机、移动电 话或平板计算装置等等，其经配置以将数据发射到HMD控制系统410。远程装置430及HMD 控制系统410可含有用以启用通信链路420的硬件（例如，处理器、发射器、接收器、天线等 等）。
[0039] 此外，远程装置430可采用计算系统的形式或以计算系统实施，所述计算系统与 客户端装置（例如，HMD控制系统410)通信且经配置以代表所述客户端装置执行功能。此 类远程装置430可从另一HMD控制系统410接收数据，代表HMD控制系统410执行特定处 理功能且接着将所得数据发送回到HMD控制系统410。此功能性被称为"云"计算。
[0040] 在图4中，将通信链路420说明为无线连接；然而，也可使用有线连接。举例来说， 通信链路420可为例如通用串行总线或并行总线等的有线串行总线。有线连接还可为专 有连接。通信链路420还可为使用（举例来说）Bluclooth?无线电技术、IEEE802. 11 (包 含任何IEEE802. 11修订版本）中所描述的通信协议、蜂窝技术（例如，GSM、CDMA、UMTS、 EV-DO、WiMAX或LTE)或Zigbcc?技术以及其它可能性的无线连接。远程装置430可经由因 特网接入，且可包含与特定网络服务（举例来说，社交网络、照片共享、地址薄等等）相关联 的计算集群。
[0041] 本发明所说明的实施例的上文描述，包含说明书摘要中所描述的内容，不希望为 详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。本文中出于说明目的而描述本发明的特定实施 例及实例，但相关领域的技术人员应认识到，在本发明的范围内，多种修改是可能的。
[0042] 鉴于上文详细的描述，可对本发明进行这些修改。所附权利要求书中所使用的术 语不应被解释为将本发明限于说明书所揭示的特定实施例。实情是，本发明的范围将完全 由所附权利要求书确定，所述权利要求书应根据权利要求书解释的公认原则来加以解释。
【主权项】
1. 一种具有向眼侧及外部场景侧的光组合器，所述光组合器包括： 包含涂覆有第一滤光器的第一衍射光栅的第一色彩组合器层"CCL"，所述第一滤光器 经配置以反射第一色彩光且使第二及第三色彩光通过； 包含涂覆有第二滤光器的第二衍射光栅的第二CCL，所述第二滤光器经配置以反射所 述第二色彩光且使所述第三色彩光通过；以及 包含涂覆有第三滤光器的第三衍射光栅的第三CCL，所述第三滤光器经配置以部分地 反射可见光，其中所述第一、第二及第三衍射光栅各自嵌入在折射率匹配材料中且为经配 置而以一角度接收图像光且以在实质上与用户的眼睛垂直的方向上引导所述图像光中的 所述第一、第二及第三色彩光的衍射级分别反射所述第一、第二及第三色彩光以将图像呈 现给所述用户的角度调谐衍射光栅。2. 根据权利要求1所述的光组合器，其进一步包括安置于所述第一CCL与所述图像光 的图像源之间的透射式分散元件"TDE"，所述TDE经配置而以对所述第一、第二及第三色彩 光进行位置校正的角度将所述图像光分散成所述第一、第二及第三色彩光以在与所述图像 光进入所述TDE的相同的相对位置中进入所述用户的所述眼睛，对所述第一、第二及第三 色彩光进行位置校正的所述角度取决于所述图像源相对于所述第一CCL的安装角度且取 决于所述第一、第二及第三CCL的厚度。3. 根据权利要求2所述的光组合器，其中所述TDE包含衍射光栅。4. 根据权利要求1所述的光组合器，其进一步包括安置在所述光组合器的所述外部场 景侧上的透明衬底。5. 根据权利要求1所述的光组合器，其中所述第一滤光器为带通滤光器，且所述第二 滤光器为带通滤光器。6. 根据权利要求1所述的光组合器，其中所述第一色彩光具有的波长比所述第二色彩 光短，且所述第二色彩光具有的波长比所述第三色彩光短。7. 根据权利要求1所述的光组合器，其中图像源发射所述图像光，且所述图像源具有 包含发射所述第一色彩光的第一色彩LED、发射所述第二色彩光的第二色彩LED及发射所 述第三色彩光的第三色彩LED的光源，且其中所述第一及第二滤光器分别经配置以实质上 反射所述第一及第二色彩LED发射的半峰全宽"FWHM"带宽。8. 根据权利要求7所述的光组合器，其中所述第三滤光器为反射一定百分比的可见光 的分束器，且所述第三色彩LED的亮度级对应于所述第三滤光器所反射的所述百分比的可 见光。9. 根据权利要求1所述的光组合器，其中所述第一滤光器为第一带通滤光器，所述第 二滤光器为第二带通滤光器，且所述第三滤光器为第三带通滤光器。10. 根据权利要求9所述的光组合器，其中图像源发射所述图像光，且所述图像源具有 包含至少发射所述第一、第二及第三色彩光的激光器的光源，且所述第一、第二及第三带通 滤光器经窄化调谐以分别反射所述第一、第二及第三色彩光而不产生所述用户的眼睛可感 知的所述外部场景光的色彩移位。11. 一种组合图像光与外部场景光的头戴式显示器"HMD"，所述HMD包括： 图像源，其用以产生包含第一、第二及第三色彩光的所述图像光； 光组合器，其包含：包含涂覆有第一滤光器的第一衍射光栅的第一色彩组合器层 "CCL"，所述第一滤光器经配置以反射所述第一色彩光且使所述第二及第三色彩光通过； 包含涂覆有第二滤光器的第二衍射光栅的第二CCL，所述第二滤光器经配置以反射所述第 二色彩光且使所述第三色彩光通过；以及包含涂覆有第三滤光器的第三衍射光栅的第三 CCL，所述第三滤光器经配置以部分地反射可见光； 用于佩戴到用户头部的框架组合件，所述框架组合件支撑所述图像源且将所述光组合 器定位到所述用户的眼睛前面；以及 定位于所述图像源与所述光组合器之间的透射式分散元件"TDE"，所述TDE经配置而 以多个角度将所述图像光衍射成所述第一、第二及第三色彩光，其中所述第一、第二及第三 衍射光栅各自嵌入在折射率匹配材料中，且为经配置而以在实质上与所述HMD的用户的眼 睛垂直的方向上引导从所述TDE接收的所述第一、第二及第三色彩光的衍射级分别反射所 述第一、第二及第三色彩光的角度调谐衍射光栅。12. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述TDE经配置而以对所述第一、第二及第三色 彩光进行位置校正的角度将所述图像光衍射成所述第一、第二及第三色彩光以在与所述图 像光进入所述TDE的相同的相对位置中进入所述用户的所述眼睛，对所述第一、第二及第 三色彩光进行位置校正的所述角度取决于所述图像源相对于所述第一CCL的安装角度且 取决于所述第一、第二及第三CCL的厚度。13. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述TDE包含衍射光栅。14. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述第一滤光器为带通滤光器，且所述第二滤光 器为带通滤光器。15. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述第一色彩光具有的波长比所述第二色彩光 短，且所述第二色彩光具有的波长比所述第三色彩光短。16. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述图像源具有包含发射所述第一色彩光的第 一色彩LED、发射所述第二色彩光的第二色彩LED及发射所述第三色彩光的第三色彩LED的 光源。17. 根据权利要求16所述的HMD，其中所述第三滤光器为反射一定百分比的可见光的 分束器，且所述第三色彩LED的亮度级对应于所述第三滤光器所反射的所述百分比的可见 光。18. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述图像源包含包括至少发射所述第一、第二及 第三色彩光的激光器的光源。19. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述光组合器包含安置在所述HMD的外部场景 侧上的透明衬底。20. 根据权利要求11所述的HMD，其进一步包括HMD控制系统电路，所述HMD控制系统 电路包含用以从远程装置无线地接收媒体内容的天线、耦合到所述天线的处理器，其中所 述图像源耦合到所述处理器以接收用以显示到所述用户的所述眼睛的媒体内容。
【专利摘要】本发明提供一种光组合器，其包含第一、第二及第三色彩组合器层“CCL”。所述第一CCL包含涂覆有第一滤光器的第一衍射光栅，所述第一滤光器经配置以反射第一色彩光且使第二及第三色彩光通过。所述第二CCL包含涂覆有第二滤光器的第二衍射光栅，所述第二滤光器经配置以反射所述第二色彩光且使所述第三色彩光通过。所述第三CCL包含涂覆有第三滤光器的第三衍射光栅，所述第三滤光器经配置以部分地反射可见光。所述衍射光栅各自嵌入在折射率匹配材料中，且为经配置而以一角度接收图像光且以将所述图像光中的所述第一、第二及第三色彩光引导到用户的眼睛的衍射级分别反射所述光的角度调谐衍射光栅。
【IPC分类】G02B27/02
【公开号】CN104903774
【申请号】CN201380069079
【发明人】安诺亚吉·库皮塔, 王嘉让
【申请人】谷歌公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年12月10日
【公告号】US8947783, US20140185142, WO2014107272A1
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及光学元件，且明确地说但非排他地，涉及近眼显示器。
【背景技术】
[0002] 在光学领域中，组合器为从所述组合器的相同侧（反射/反射或透射/透射）或从 所述组合器的两个不同侧（反射/透射）将两个图像组合到一起的光学设备。很多时候， 光组合器使用于抬头显示器（"HUD"）中，其允许用户观看叠加到外部视图之上的计算机生 成的图像（"CGI"）。HUD使用户能观看所述CGI而无需远离其通常的观看点来看。术语 HUD起源于其在航空电子学中的使用，其使飞行员能在抬头向前看时观看信息，此与向下看 座舱仪器形成对比。一些常规的HUD包含全息组合器及有角透明衬底。
[0003]然而，全息组合器具有许多缺点。其制造起来昂贵、难以量产且具有有限的使用期 限（举例来说，由于温度、湿度、压力及其它恶劣的环境条件而开始劣化）。
[0004] 有角透明衬底组合器已经使用于汽车中，其用以在挡风玻璃上向驾驶员呈现HUD信息。这些光组合器由透明透视衬底构成，外部图像源在所述衬底上显示CGI。然而，由于 所述透明透视衬底通常为没有屈光力以免使外部FOV失真的平坦衬底，所以所述透明衬底 必须为有角的（举例来说，接近45度），且使用庞大的外部放大透镜以在显示区域上扩大 CGI。所述透明透视衬底组合器的庞大的外部透镜及有角性质不能使其很好的紧凑布置，例 如头戴式显示器（"HMD"）。
【附图说明】
[0005] 参考以下图式描述本发明的非限制性且非详尽实施例，其中相同元件符号贯穿各 个视图指代相同部件，除非另有说明。
[0006] 图1为根据本发明的实施例的包含三个色彩组合器层的衍射光组合器的系统级 横截面图。
[0007]图2为根据本发明的实施例的衍射光组合器的一部分的放大剖视图。
[0008] 图3为根据本发明的实施例的使用两个衍射光组合器的双眼头戴式显示器的俯 视图。
[0009] 图4为根据本发明的实施例的与远程装置通信的HMD控制系统的简化框图。【具体实施方式】
[0010] 本文描述用于组合图像的光学设备及系统的实施例。在以下描述中，陈述众多特 定细节以便提供对所述实施例的详尽理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在没有 一或多个特定细节的情况下或利用其它方法、组件、材料等等来实践本文所描述的技术。在 其它情况中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
[0011] 贯穿此说明书对"一个实施例"或"一实施例"的参考意味着与所述实施例相结合 而描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿此说明书在 多个地方出现短语"在一个实施例中"或"在一实施例中"并不一定都指代相同的实施例。 此外，在一或多个实施例中特定的特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
[0012] 图1为根据本发明的实施例的用于组合图像光150与外部场景光155的衍射光组 合器100的系统级横截面图。所说明的衍射光组合器100的实施例包含衬底105、第一色彩 组合器层（"CCL"）161、第二CCL162、第三CCL163、向眼侧（eye-wardside) 125 及外部场 景侧130。第一CCL161包含涂覆有第一滤色器181的第一衍射光栅171，第二CCL162包 含涂覆有第二滤色器182的第二衍射光栅172,且第三CCL163包含涂覆有第三滤光器183 的第三衍射光栅173。每一衍射光栅171、172及173嵌入在透明的、折射率匹配材料133中 (SP，夹在其间）。
[0013] 可使用多种透明任选透射式材料（举例来说，塑料、丙烯酸、热塑性塑料、聚甲基 丙烯酸甲酯（PMMA)、ZE0NEX-E48R、玻璃、石英等等）来制造衍射光组合器100的不同层。在 一个实施例中，衬底105及折射率匹配材料133为塑料。在另一实施例中，衬底105为玻璃， 而折射率匹配材料133是由二氧化硅制造而成。当然，可使用其它材料组合。
[0014] 图像源140定位在衍射光组合器100的与用户的眼睛145相同的侧（举例来说，向 眼侧125)上。图像源140以一角度定位以将图像光150投影到衍射光组合器100上。图 像源140可包含用于例如硅上液晶（"LCOS"）显示器、背光液晶显示器、有机发光二极管 ("OLED"）显示器、量子点阵列显示器、发光二极管（"LED"）阵列或其它的多种微显示器 及微微投影仪中的多种紧凑型图像源技术。现今，CRT管仍然用于HUD中，但可能较少用于 例如透视头戴式显示器（HMD)的较小装置中。
[0015] 在上文一些技术中，图像源140可包含作为背光的LED或像素级上的LED。在一 个实施例中，三种不同的LED色彩组合以形成所述图像光。在一个实施例中，使用红绿蓝 ("RGB"）LED配置。作为一实例，红LED可具有接近625nm的主波长，绿LED可具有接近 530nm的主波长，且蓝LED可具有接近470nm的主波长。每一LED的总光谱发射可集中在所 述主波长中的每一者的大约25nm内，意味着每一LED在50nm带宽内发射其大部分光（举 例来说，半峰全宽"FWHM"）。
[0016] 在上文一些技术中，图像源140可包含光源，所述光源包含发射三种不同光色彩 的激光器。所述三种不同光色彩可为红、绿及蓝。激光器光的每一色彩可具有大约O.lnm 的带宽。
[0017] 图2为根据本发明的实施例的衍射光组合器100的一部分的放大剖视图。在所说 明的实施例中，滤光器181、182及183涂覆其相应的衍射光栅171、172及173。在所说明的 实施例中，滤光器181及182为分别反射蓝及绿光的反射滤色器。在一个实施例中，滤色器 181、182为反射带通滤光器且实质上反射在所选频率中的光。第三滤光器183可部分地反 射可见光。举例来说，第三滤光器183可为部分反射（举例来说，50/50分束器）及部分透 射式滤光器。可将小于lOOnm的二氧化铝或二氧化铬（Cr02)层安置在衍射光栅173上以 形成所述部分反射及部分透射式滤光器。在部分反射可见光的另一实例中，第三滤光器183 反射红光且透射非红可见光。第三滤光器183可为反射红光的带通滤光器。滤光器181、 182及183可经配置以反射与给定实例不同的光色彩。
[0018] 当图像光150到达第一CCL161的第一滤色器183时，第一滤色器181反射图像 光150的蓝分量151。在一个实施例中，第一滤色器181反射与来自在图像源140的光源 (或蓝LED像素）中的蓝LED的蓝LED发射对应的50nm波段。在另一实施例中，第一滤色 器181反射与来自在图像源140的光源中的蓝激光器的蓝激光器发射对应的0.lnm波段。 当然，第一滤色器181可反射与这些实例不同的带宽。由于第一滤色器181安置在衍射光 栅171的结构上，所以图像光150的蓝分量151受衍射光栅171的衍射特性影响。
[0019] 第一衍射光栅171经配置以从图像源140接收图像光150且以在实质上与眼睛 145垂直的方向上引导蓝光的衍射级反射（使用第一滤色器181)蓝光以便将图像呈现给用 户。为了实现此反射，衍射光栅171的角度必须被调谐到图像源140从其投影的固定（且 已知）的角度以适当地将所希望的光色彩引导到眼睛145中。换句话说，为了设计衍射光 栅171，设计者必须考虑所希望的待反射的光色彩、所希望的光色彩将照射衍射光栅171的 角度及用以将所希望的光色彩实质上垂直引导进入眼睛145的所需要的衍射级。应理解， 衍射光栅171、172及173的所说明的衍射结构仅为说明性的，且根据特定设计变量，可使用 其它衍射结构来将图像光150反射到眼睛145中。
[0020] 在图1中，可观察到，当相应的衍射光栅反射图像光150 (包含蓝分量151、绿分量 152及红分量153)时，所述据图像光违反了反射定律。这是因为在图1及2中，衍射光栅 171、172及173经调谐而以负衍射级（而另一级被抑制）反射其相应的光色彩。以特定的 衍射级反射所述色彩可促使在实质上与眼睛145垂直的方向上将相应色彩引导到眼睛145 中。
[0021] 参看图2,因为衍射光栅171嵌入在具有相同衍射折射率的折射率匹配材料133 中，所以第一滤色器181未反射的色彩"看"不到衍射光栅171-一对其来说几乎是透明的。 因此，第一滤色器181未反射的图像光150的色彩继续通过光组合器100传播直到到达衍 射光栅172。以下情况可为有利的：滤光器181、182及183相对薄以使得所述滤光器与折 射率匹配材料133之间的任何折射率差异最低程度地影响通过安置在衍射结构上的滤光 器而行进的图像光。
[0022] 在到达衍射光栅172之后，第二滤色器182反射图像光15 0的绿分量152。在一个 实施例中，第二滤色器182反射与来自在图像源140的光源（或绿LED像素）中的绿LED的 绿LED发射对应的50nm波段。在另一实施例中，第二滤色器182反射与来自在图像源140 的光源中的绿激光器的绿激光器发射对应的0.lnm波段。当然，第二滤色器182可反射与 这些实例不同的带宽。由于第二滤色器182安置在衍射光栅172的结构上，所以图像光150 的绿分量152受衍射光栅172的衍射特性影响。
[0023] 与衍射光栅171类似，衍射光栅172经配置以从图像源140接收图像光150且经 配置而以在实质上与眼睛145垂直的方向上引导绿光的衍射级反射（使用第二滤色器182) 绿光以便将图像呈现给用户。第二衍射光栅172的角度被调谐到定位图像源140以适当地 将绿分量152引导到眼睛145中的角度。
[0024] 第一滤色器181未反射的及第二滤色器182未反射的图像光150的色彩通过因为 折射率匹配材料133而几乎透明的衍射光栅172行进。在所说明的实施例中，第三滤光器 183为部分反射、部分透射式滤光器。在一个实施例中，第三滤光器183为反射一半入射光 且透射另一半入射光的50/50反射滤光器。由于图像光150可由蓝、绿及红光分量151、152 及153组成，所以实质上除了红光分量153之外的所有图像光150可能已经由第一及第二 衍射光栅反射。因此，第三滤光器183可简单反射一半红光分量153。行进到衍射光栅173 的任何非红光可简单地遵循反射定律（通常反射除了垂直于眼睛145之外的光）或因其它 原因被散射。一半红分量153可穿过第三衍射光栅173,然而由于衍射光栅173经调谐而 以实质上与眼睛145垂直地引导红光153的衍射级来衍射红光153,因此另一半红分量153 实质上与眼睛145垂直地被反射。
[0025] 第三滤光器183可为经调谐以反射红光的带通滤光器。在一个实施例中，第三滤 光器183反射与来自在图像源140的光源中的红LED的红LED发射对应的50nm波段。在 另一实施例中，第三滤光器183反射与来自在图像源140的光源（或红LED像素）中的红 激光器的红激光器发射对应的0.lnm波段。当然，第三滤光器183可反射与这些实例不同 的带宽。
[0026] 如果第三滤光器183为经调谐以反射红光153的带通滤光器，那么第一及第二滤 色器181及182未反射的非红光将简单地穿过CCL163且通过衬底105。由于衍射光栅173 经调谐而以实质上垂直于眼睛145而引导红光153的衍射级来衍射红光153,因此由红带通 滤光器反射的红光153将实质上垂直于眼睛145而被反射。
[0027] 以下情况可为有利的：第三滤光器183使用50/50反射滤光器而不是带通滤光器 来保护为了到达眼睛145而必须通过衍射光组合器100行进的外部场景光155的色彩完整 性。光组合器100意欲将来自图像源140的CGI图像与用户的环境中的真实场景图像组 合。在光组合器100内使用反射带通滤光器有效地移除来自外部场景光155的那些色彩， 此将导致场景图像的可感知的色彩移位。因此，通过对于第三滤光器183使用50/50反射 光学元件，衍射光栅173可仍然反射一半红分量153,同时仍然使来自外部场景155的一半 红光传播到眼睛145。图像源140可经修改以包含图像光150中的两倍多的红光以便考虑 到50/50反射光学元件。
[0028] 在注意到外部场景光155中的潜在色彩移位的情况下，如果滤光器183为带通的， 那么窄化带通滤光器181、182及183的带宽可为有利的。所反射的色彩带宽越窄，用户可 感知到的色彩移位量就越低。为了使反射滤光器181、182及183的带宽保持为低，LED光 源可经滤光以发射比未经滤光的LED窄的光谱特征，未经滤光的LED通常将允许反射滤光 器181、182及183也窄化其带通带宽，此又将减小外部场景光155的色彩移位。饱和色彩 纯度也可随着蓝、绿及红光分量151、152及153的带宽变窄而改善。如果蓝、绿及红光分量 151、152及153具有较窄的带宽，那么衍射光栅171、172及173还可被更精确地调谐以引导 其相应光色彩。
[0029] 如果在图像源140中使用蓝、绿及红激光器作为光源，那么蓝、绿及红光分量151、 152及153可具有非常小的波长带宽（举例来说，小于lnm)。在此情况中，第一、第二及第 三滤光器181、182及183可经调谐以反射图像光150的非常窄的带宽。反射图像光150的 小带宽可为有利的，因为朝向眼睛145传播的外部场景光155将具有经滤光器181、182及 183移除的非常小的带宽。使用从外部场景光155移除的小于lnm的带宽，与在无光组合器 100的情况下观看外部场景光155相比，眼睛145将可能几乎检测不到色彩移位。
[0030] 返回参看图1，透射式分散元件（"TDE") 143安置于图像源140与光组合器100之 间。在一个实施例中，TDE143包含透射式衍射光栅。在一个实施例中，TDE143固定到图 像源140。在另一实施例中，TDE143安置于第一CCL161上。TDE143经配置而以对第一、 第二及第三色彩光进行位置校正的角度将图像光150分散成第一、第二及第三色彩光以在 与进入TDE143的所述图像光相同的相对位置（举例来说，像素位置）中进入眼睛145。在 所说明的实施例中，所述第一、第二及第三色彩光为蓝、绿及红分量151、152及153。不同的 光色彩的角度取决于图像源140相对于第一CCL161的安装角度。所述不同色彩光的角度 还取决于第一、第二及第三CCL161、162及163的厚度及其折射率。
[0031] 在无TDE元件143的情况中，图像光150内的图像中的像素可具有蓝、绿及红分 量。然而，如果那一像素的蓝、绿及红分量中的每一者在基本上相同的位置处入射在第一 CCL161上，那么绿及红分量将行进较长距离以分别由第二CCL162及第三CCL163反射。 较长的行进距离将导致绿及红分量在不同位置退出第一CCL161 (在由CCL162及163反 射之后）。因此，图像150的原始像素的蓝、绿及红分量朝向眼睛145传播时将位于不同的 位置中。因此，在图1中，TDE元件143经配置以分离出蓝、绿及红分量且以将对所述色彩 分量进行位置校正的角度朝向光组合器100引导所述蓝、绿及红分量使其在基本上相同的 位置退出，此保持图像光150中的每一像素的色彩完整性。换句话说，不同的光分量在不同 的相对位置处进入第一CCL161以便在基本上相同的位置退出第一CCL161，以使得在呈 现给眼睛145之后保持图像完整性。
[0032] 图3为根据本发明的实施例的使用两个衍射光组合器301的双眼头戴式显示器 ("HMD") 300的俯视图。可使用衍射光组合器100的实施例来实施每一衍射光组合器301。 光组合器301安装到框架组合件，所述框架组合件包含鼻梁305、左耳臂310及右耳臂315。 尽管图3说明双眼实施例，但HMD300还可实施为单眼HMD。
[0033] 在所说明的实施例中，将两个光组合器301紧固到可戴于用户头部的镜片布置 中。左耳臂310及右耳臂315支托在用户的耳朵上，而鼻组合件305支托在用户的鼻上。所 述框架组合件经成形且经设定大小以将每一光组合器301定位在用户的对应眼睛145的前 面。当然，可使用具有其它形状的其它框架组合件（举例来说，具有耳臂及鼻梁支撑件的面 罩、单个连续的耳机部件、头带、护目镜式眼镜等等）。
[0034]HMD300的所说明实施例能够将扩增实境显示给用户。每一光组合器301允许用 户经由外部场景光155看到实景图像。安装到左耳臂310及右耳臂315的图像源140可产 生左及右（双眼实施例）图像光150。用户看到的图像光150为叠加到作为扩增实境的实 景上的虚拟图像。在一些实施例中，外部场景光155可被阻断或选择性地阻断以提供遮阳 特性且增加图像光150的对比度。
[0035] 图4为根据本发明的实施例的与远程装置430通信的HMD控制系统410的简化框 图。HMD控制系统410可安置于HMD300内。在实例实施例中，HMD控制系统410使用通信 链路420 (举例来说，有线或无线连接）与远程装置430通信。
[0036] 因此，HMD控制系统410可包含图像源140、处理器414及存储器418。处理器414 可从远程装置430接收数据，且利用图像源140配置用于显示的数据。处理器414可为任 何类型的处理器，例如（举例来说）微处理器或数字信号处理器。
[0037]HMD控制系统410可进一步包含板上数据存储装置，例如耦合到处理器414的存储 器418。存储器418可存储可由（举例来说）处理器414读取及执行的软件。
[0038] 远程装置430可为任何类型的计算装置或的 发射器，包含膝上型计算机、移动电 话或平板计算装置等等，其经配置以将数据发射到HMD控制系统410。远程装置430及HMD 控制系统410可含有用以启用通信链路420的硬件（例如，处理器、发射器、接收器、天线等 等）。
[0039] 此外，远程装置430可采用计算系统的形式或以计算系统实施，所述计算系统与 客户端装置（例如，HMD控制系统410)通信且经配置以代表所述客户端装置执行功能。此 类远程装置430可从另一HMD控制系统410接收数据，代表HMD控制系统410执行特定处 理功能且接着将所得数据发送回到HMD控制系统410。此功能性被称为"云"计算。
[0040] 在图4中，将通信链路420说明为无线连接；然而，也可使用有线连接。举例来说， 通信链路420可为例如通用串行总线或并行总线等的有线串行总线。有线连接还可为专 有连接。通信链路420还可为使用（举例来说）Bluclooth?无线电技术、IEEE802. 11 (包 含任何IEEE802. 11修订版本）中所描述的通信协议、蜂窝技术（例如，GSM、CDMA、UMTS、 EV-DO、WiMAX或LTE)或Zigbcc?技术以及其它可能性的无线连接。远程装置430可经由因 特网接入，且可包含与特定网络服务（举例来说，社交网络、照片共享、地址薄等等）相关联 的计算集群。
[0041] 本发明所说明的实施例的上文描述，包含说明书摘要中所描述的内容，不希望为 详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。本文中出于说明目的而描述本发明的特定实施 例及实例，但相关领域的技术人员应认识到，在本发明的范围内，多种修改是可能的。
[0042] 鉴于上文详细的描述，可对本发明进行这些修改。所附权利要求书中所使用的术 语不应被解释为将本发明限于说明书所揭示的特定实施例。实情是，本发明的范围将完全 由所附权利要求书确定，所述权利要求书应根据权利要求书解释的公认原则来加以解释。
【主权项】
1. 一种具有向眼侧及外部场景侧的光组合器，所述光组合器包括： 包含涂覆有第一滤光器的第一衍射光栅的第一色彩组合器层"CCL"，所述第一滤光器 经配置以反射第一色彩光且使第二及第三色彩光通过； 包含涂覆有第二滤光器的第二衍射光栅的第二CCL，所述第二滤光器经配置以反射所 述第二色彩光且使所述第三色彩光通过；以及 包含涂覆有第三滤光器的第三衍射光栅的第三CCL，所述第三滤光器经配置以部分地 反射可见光，其中所述第一、第二及第三衍射光栅各自嵌入在折射率匹配材料中且为经配 置而以一角度接收图像光且以在实质上与用户的眼睛垂直的方向上引导所述图像光中的 所述第一、第二及第三色彩光的衍射级分别反射所述第一、第二及第三色彩光以将图像呈 现给所述用户的角度调谐衍射光栅。2. 根据权利要求1所述的光组合器，其进一步包括安置于所述第一CCL与所述图像光 的图像源之间的透射式分散元件"TDE"，所述TDE经配置而以对所述第一、第二及第三色彩 光进行位置校正的角度将所述图像光分散成所述第一、第二及第三色彩光以在与所述图像 光进入所述TDE的相同的相对位置中进入所述用户的所述眼睛，对所述第一、第二及第三 色彩光进行位置校正的所述角度取决于所述图像源相对于所述第一CCL的安装角度且取 决于所述第一、第二及第三CCL的厚度。3. 根据权利要求2所述的光组合器，其中所述TDE包含衍射光栅。4. 根据权利要求1所述的光组合器，其进一步包括安置在所述光组合器的所述外部场 景侧上的透明衬底。5. 根据权利要求1所述的光组合器，其中所述第一滤光器为带通滤光器，且所述第二 滤光器为带通滤光器。6. 根据权利要求1所述的光组合器，其中所述第一色彩光具有的波长比所述第二色彩 光短，且所述第二色彩光具有的波长比所述第三色彩光短。7. 根据权利要求1所述的光组合器，其中图像源发射所述图像光，且所述图像源具有 包含发射所述第一色彩光的第一色彩LED、发射所述第二色彩光的第二色彩LED及发射所 述第三色彩光的第三色彩LED的光源，且其中所述第一及第二滤光器分别经配置以实质上 反射所述第一及第二色彩LED发射的半峰全宽"FWHM"带宽。8. 根据权利要求7所述的光组合器，其中所述第三滤光器为反射一定百分比的可见光 的分束器，且所述第三色彩LED的亮度级对应于所述第三滤光器所反射的所述百分比的可 见光。9. 根据权利要求1所述的光组合器，其中所述第一滤光器为第一带通滤光器，所述第 二滤光器为第二带通滤光器，且所述第三滤光器为第三带通滤光器。10. 根据权利要求9所述的光组合器，其中图像源发射所述图像光，且所述图像源具有 包含至少发射所述第一、第二及第三色彩光的激光器的光源，且所述第一、第二及第三带通 滤光器经窄化调谐以分别反射所述第一、第二及第三色彩光而不产生所述用户的眼睛可感 知的所述外部场景光的色彩移位。11. 一种组合图像光与外部场景光的头戴式显示器"HMD"，所述HMD包括： 图像源，其用以产生包含第一、第二及第三色彩光的所述图像光； 光组合器，其包含：包含涂覆有第一滤光器的第一衍射光栅的第一色彩组合器层 "CCL"，所述第一滤光器经配置以反射所述第一色彩光且使所述第二及第三色彩光通过； 包含涂覆有第二滤光器的第二衍射光栅的第二CCL，所述第二滤光器经配置以反射所述第 二色彩光且使所述第三色彩光通过；以及包含涂覆有第三滤光器的第三衍射光栅的第三 CCL，所述第三滤光器经配置以部分地反射可见光； 用于佩戴到用户头部的框架组合件，所述框架组合件支撑所述图像源且将所述光组合 器定位到所述用户的眼睛前面；以及 定位于所述图像源与所述光组合器之间的透射式分散元件"TDE"，所述TDE经配置而 以多个角度将所述图像光衍射成所述第一、第二及第三色彩光，其中所述第一、第二及第三 衍射光栅各自嵌入在折射率匹配材料中，且为经配置而以在实质上与所述HMD的用户的眼 睛垂直的方向上引导从所述TDE接收的所述第一、第二及第三色彩光的衍射级分别反射所 述第一、第二及第三色彩光的角度调谐衍射光栅。12. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述TDE经配置而以对所述第一、第二及第三色 彩光进行位置校正的角度将所述图像光衍射成所述第一、第二及第三色彩光以在与所述图 像光进入所述TDE的相同的相对位置中进入所述用户的所述眼睛，对所述第一、第二及第 三色彩光进行位置校正的所述角度取决于所述图像源相对于所述第一CCL的安装角度且 取决于所述第一、第二及第三CCL的厚度。13. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述TDE包含衍射光栅。14. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述第一滤光器为带通滤光器，且所述第二滤光 器为带通滤光器。15. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述第一色彩光具有的波长比所述第二色彩光 短，且所述第二色彩光具有的波长比所述第三色彩光短。16. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述图像源具有包含发射所述第一色彩光的第 一色彩LED、发射所述第二色彩光的第二色彩LED及发射所述第三色彩光的第三色彩LED的 光源。17. 根据权利要求16所述的HMD，其中所述第三滤光器为反射一定百分比的可见光的 分束器，且所述第三色彩LED的亮度级对应于所述第三滤光器所反射的所述百分比的可见 光。18. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述图像源包含包括至少发射所述第一、第二及 第三色彩光的激光器的光源。19. 根据权利要求11所述的HMD，其中所述光组合器包含安置在所述HMD的外部场景 侧上的透明衬底。20. 根据权利要求11所述的HMD，其进一步包括HMD控制系统电路，所述HMD控制系统 电路包含用以从远程装置无线地接收媒体内容的天线、耦合到所述天线的处理器，其中所 述图像源耦合到所述处理器以接收用以显示到所述用户的所述眼睛的媒体内容。
【专利摘要】本发明提供一种光组合器，其包含第一、第二及第三色彩组合器层“CCL”。所述第一CCL包含涂覆有第一滤光器的第一衍射光栅，所述第一滤光器经配置以反射第一色彩光且使第二及第三色彩光通过。所述第二CCL包含涂覆有第二滤光器的第二衍射光栅，所述第二滤光器经配置以反射所述第二色彩光且使所述第三色彩光通过。所述第三CCL包含涂覆有第三滤光器的第三衍射光栅，所述第三滤光器经配置以部分地反射可见光。所述衍射光栅各自嵌入在折射率匹配材料中，且为经配置而以一角度接收图像光且以将所述图像光中的所述第一、第二及第三色彩光引导到用户的眼睛的衍射级分别反射所述光的角度调谐衍射光栅。
【IPC分类】G02B27/02
【公开号】CN104903774
【申请号】CN201380069079
【发明人】安诺亚吉·库皮塔, 王嘉让
【申请人】谷歌公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年12月10日
【公告号】US8947783, US20140185142, WO2014107272A1
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