CN111587393A - 用于遮挡功能的紧凑显示器的方法和系统 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，渲染图像的方法包括提供具有至少一个透镜的眼镜。显示模块首先通过空间光调制器将来自现实世界环境的图像路由，使得现实世界场景的选择性部分可以被遮挡。得到的图像然后与另一个计算机生成的虚拟图像合成，然后路由到观察者。在另一个实施例中，在显示模块内部设置有电驱动的可切换遮挡机构，其允许仅在需要时才提供遮挡功能的能力。

Description

用于遮挡功能的紧凑显示器的方法和系统

本申请要求于2018年1月3日提交的美国临时专利申请第62/613,369号、于2018年2月10日提交的美国临时专利申请第62/740,119号和2018年2月16日提交的巴黎合作条约(PCT)申请第PCT/US2018/000016号的优先权，以其整体通过引用合并于此。

技术领域

本发明通常涉及用于显示图像的系统和方法，以及更特别地涉及例如在增强现实、虚拟现实或混合现实应用中使用的头戴式显示器(HMD)和近眼显示器(NED)。

背景技术

头戴式装置通常包括显示器。这些用于增强现实、虚拟现实或混合现实应用程序。

图1显示现有技术头戴式显示器HMD架构100。头戴式显示器HMD架构100包括由用于创建虚拟内容112的显示空间光调制器(SLM)110和合成器光学件120。合成器光学元件120合成现实世界图像130和虚拟图像112。当通过他们的眼球150看时，观察者感知被合成的图像140。

传统的合成器光学元件120将来自两个输入端口(即：现实世界侧130和虚拟SLM侧110)的照度值相加，并且因此在观察者的眼睛处的净照度是在这两个输入端口处的照度的简单的总和。当观察者的周围环境黑暗时，将虚拟内容112保真地显示到观察者的眼睛150。或者，当有任何光背景对观察者可见时，如在典型的周围日光环境中；所显示的内容的很大一部分由于周围背景的光亮变得冲洗掉或模糊。这在图1中在合成的图像140中描述，其中树132是在周围的现实世界场景130中，填充虚拟图像112的背景。观察者的眼睛感觉虚拟图像的某些部分是透视的，并且因此给出的印象是虚拟内容不是实体地存在其前面。当观察者绕着现实世界场景移动他们的头部时，其他对象(例如汽车134)显现在被感觉图像144中显示的这个透视虚拟内容的背景中。虚拟内容的这种透视特性使这种现有技术的HMD架构使用非常有限，因为观察者的大脑看到透视虚拟内容和背景中可见的现实世界场景之间的冲突。

还有其他场景，例如明亮的室内灯、从相对来车侧可见的明亮的前灯、以及户外或从窗户进入的阳光，可能引起虚拟内容的冲洗掉。典型地，为了防止由于存在明亮的环境光而导致冲洗掉，虚拟内容的照度被增加，这导致更高的能耗并影响系统的整体大小和重量。同样，这种环境照度的存在会导致减小的动态范围和浪费的位深。所感觉的颜色域也会减少，并且会影响整体图像质量。

如果要在周围现实环境光线充足的情况下表现黑暗的虚拟对象，则可以投射的最暗的黑色等于周围环境的照度(其是明亮的)。这意味着虚拟图像将被冲洗掉，并且由于其缺少对比度，虚拟对象可能显现为非现实。

因此，期望提供一种用于头戴式显示器HMD电子装置的显示系统，所述显示系统以空间可选择方式提供对环境照度的控制，使得观察者根据需要并在需要的地方可以体验高的对比度。而且，期望防止当由于环境光的存在具有照度竞争时能耗增加。还优选的是减少系统的尺寸和成本，同时还采用低功耗。

发明内容

本公开一般地涉及增强现实显示系统，并且更具体地涉及具有增强功能的显示系统。

增强现实(AR)是一种根本性的变化性技术，可以实现访问和感觉我们日常生活中必不可少的数字信息的新颖和独特的方式。AR技术被认为是继诸如智能手机形式的移动计算之后的下一个大型平台。

AR显示器可以是头戴式显示器(HMD)、抬头显示器(HUD)或其他传统的显示器，例如移动设备或计算机。如图1所示，传统的AR显示架构使用合成器以将计算机生成的虚拟内容叠置在现实世界场景的顶部。

在使用简单的光学合成器的情况下，来自两个场景的照度相加，使得虚拟对象缺乏逼真的表现。合成器通常具有部分透射和反射，这允许现实场景与虚拟内容的合成。例如，具有50％/50％透射和反射的合成器将允许来自现实场景和虚拟SLM侧的每一个的照度的一半，使其到达观察者的眼睛。当周围的现实世界环境光线昏暗时，不同照度的虚拟对象可以被叠置在现实世界场景上。但是当周围环境是典型的室内白天情况且光线充足时，则渲染的虚拟对象需要比第一种情况更明亮，使得该对象能够在场景中突出并且引人注目。典型的微型显示技术调制光，使得黑像素没有朝向观察者发射的光。例如，微型显示器发射1000Cd/m²用于全白色(8位图像中的灰度级为255)，并且发射1Cd/m²用于黑色(8位图像中的灰度级为0)。这意味着微型显示器具有1000：1的原始开/关对比率。让我们假设，在典型的白天室内家庭或办公室情况下，其中环境照度为250lux。假设背景为典型的浅色漫射白色涂料，其随机散射回入射光。因此，来自周围白墙的结果照度为～80Cd/m²。由于在HMD中，使用50/50合成器的以上示例，来自SLM的像素的光的50％与来自周围场景的光的50％合并。因此，在从SLM投射的全白像素的情况下，我们净得540Cd/m²(＝0.5x80+0.5x1000)的照度到观察者。而在从SLM投射的黑像素的情况下，我们得到40.5Cd/m²(0.5x80+0.5x1)的净照度到观察者。因此，如被观察者目击的净全开/全关对比度为13.33(＝540/40.5)。回想一下，原始的微型显示器开/关对比率为1000：1。这意味着使用典型的部分透射/反射合成器会导致对比度损失大约两个数量级。在此所列的示例是用于具有50/50合成器的非常典型的室内使用情况。通常，趋势是使用更高照度的更亮的日光类型的室内照明用途，并且还设计具有例如70％/30％的用于环境光的高透明度的合成器。在70％的透射率和30％的反射率的合成器的情况下，使用上述微型显示器照度和对比度具有到观察者的眼睛大约6：1净对比度，情况甚至更糟。此外，在其中具有甚至更高环境照度的情景下(例如，阳光从室外阳光的窗户倾泻而下)，对比度降低到甚至更低的值。在如此低的净对比度值的情况下，使用高的位深和高的动态范围无法达到目的，因为大部分虚拟内容低于阈值照度可分辨性。因此，观察者在这种情景中不能得到黑的感觉并且大部分内容将被冲洗掉。

增加净对比度的一个方案是增加微型显示器的照度。尽管从原则上讲它是有帮助的，但以能量消耗为代价，并且由于HMD应用需要更大的电池尺寸而尺寸增加。另一种代替方案是对合成器进行着色，使得现实世界环境场景具有较低的透明度，而微型显示器位于壳体内部，从而其免受着色合成器的较低的透明度的影响。例如，50％的着色将使环境照度降低2倍，并且因此到观察者的净对比度增加2倍。尽管它有助于净对比度，但是以使整个环境场景变暗为代价，并且由于这种统一的着色方法，现实世界场景中可能存在昏暗的物体，这些物体变得很难被完全看到。

为了克服这种低的净对比度的限制，需要能够以控制方式减少来自周围场景的光，使得其中希望投射虚拟对象的位置，能够首先减去周围现实环境的照度，并且然后用更宽的动态范围渲染虚拟对象。有时，这种减少光的能力称为相互遮挡。这种在空间上控制照度的能力允许高的净对比度、低的功耗、小的形状尺寸、长的电池寿命操作和高的环境照度，而无需不得不喷涂着色涂层。

除了性能上的利益，这种技术能够实现独特的用途案例，诸如魔术地使对象消失。例如，首先，空白空间被成像。其次，对象被引入这个空间并图像被记录。第三，在使用相互遮挡技术的情况下，这个对象被阻挡出观察者的视线。第四，借助虚拟内容SLM，可以投影第一图像的一部分，该部分覆盖第一对象轮廓内的区域。这使观察者感觉到对象好像魔术地消失。这种技术具有巨大的变化性，因为它可以实时修改或遮挡图像的特定部分，以防止观察者看到。一个例子就是正试图解决汽车引擎盖中的电气问题的汽车修理工。在传统的HMD技术的情况下，维修人员不能移除引擎盖中引擎设备的不想要的部分；以及这种其他部件和系统，例如：液压系统，阻挡维修人员对整个电气系统的视线。在相互遮挡技术的情况下，液压系统可能被完全地阻挡出维修人员的视线，并且代替地可以使用虚拟内容SLM仅仅投影电气系统，使得维修人员可以以及时和有效方式专注诊断和解决问题。这种技术可以减少大量成本并提高客户满意度。

另一个例子是在黑暗中驾车，来自相对车辆的明亮前灯饱和驾驶员的视力并阻止驾驶员识别他们前方道路上对象的能力。使用相互遮挡显示技术，只有其中明亮前灯来自的特定相反方向可以被选择性地调暗到如下程度：不饱和驾驶员的视力并且允许对于相关每个人道路安全。注意，驾驶员的其余视场并没有变暗，如果只是提供一个着色窗户的情况就应是如此，从而增强了驾驶员的视力，并提供了更安全、更愉快的驾驶体验。

用现实世界对象渲染虚拟对象的遮挡非常简单：现实对象在虚拟对象的前面，因此仅需要在现实对象边界结束的地方渲染虚拟对象。相反地，当虚拟对象是在现实世界对象的前面时，只能尝试在使用常规的AR显示架构时增加虚拟显示的照度。这增加了显示照明的能耗。由于显示器的对比度与黑度成反比相关，因此优选代替地将来自周围现实世界环境的光路由(route)到空间光调制器(SLM)。这个SLM作为可选的遮挡掩模，以控制周围现实世界场景的局部对比度，并且因此提供更好的遮挡功能。SLM不需要非常复杂，而是可以简单如二元振幅SLM。SLM也不必是色框序列，因为其全部所做只是来自周围环境的入射光的快门。扭曲的向列型LCoS是简单的选择，其对波长(颜色)和折射率相当不敏感。来自这个遮挡SLM的光然后可以与来自另一个SLM的光合成，生成虚拟内容用于增强现实世界场景。这种遮挡控制是根本上独特的功能，因为能够从现实场景中选择地减去对象，在广告和营销中具有巨大的应用。

在本公开中，我们教导了提供相互遮挡功能的方法和系统。表现各种解决方案，包括块体-光学、紧凑的基于波导的光学器件以及用于HMD应用的平面光场调制方法。

图2显示了我们的具有遮挡功能的突破性光学架构。它描述了环绕式设计，显示用于遮挡SLM和增强SLM两者的基于偏振的块体光学合成器OC以及相应的偏振多路和路由方案。OC包括光可以进入和/或退出的多个端口。首先，来自周围现实世界场景202的光206通过第一吸收性线性偏振器LP210沿优选的线性方向212线性偏振。反射偏振器220具有基本上平行于线性方向212的反射偏振轴R_RP，并且所述反射偏振器RP 220以一定角度定向，使得所述反射偏振器RP将在第一端口沿着线性方向212从LP入射的偏振光反射到第二端口。空间光调制器SLM 230位于所述OC的第二端口上。四分之一波片QWP和反射镜位于所述OC的第三端口，第三端口反过来位于所述OC的第二端口的相反位置。四分之一波片QWP 240使其慢轴位于在其基板平面内与线性方向212成大约45度角。基于来自控制器234的命令，SLM调制来自第二端口的入射偏振光，并依次以线性偏振的两种状态中的至少一种状态提供射出的调制光。从所述SLM射出的调制光在OC的第二端口处反射回去；其中从第二端口线性偏振的调制光的状态中的一种状态相对于线性方向212基本上垂直偏振，并且因此该状态从反射偏振器RP220传输并在第三端口处出射。在光学合成器OC的第三端口中的四分之一波片QWP240和反射镜250的合成体对光进行操作，并在光学合成器OC的第三端口处将光反射回去，但是这次，光平行于反射偏振轴R_RP在线性方向212上线性偏振，使得反射偏振器RP 220反射这个光并且路由这个光到第四端口。这个光在光学合成器OC的第四端口中的出瞳处出射，用于观察者的观看，因此允许到观察者的眼睛290的透视图。然而，从空间光调制器SLM出射的线性偏振的调制光的另一种状态相对于R_RP在线性方向212上基本上平行偏振，并且因此该状态从反射偏振器RP 220反射，并且在第一端口处出射，因而朝向现实世界场景退出光学合成器OC；因此，光线从观察者的眼睛离开的这种路由，使观察者感觉透视图的阻挡。由于空间光调制器SLM被像素化，因此可以随意阻挡或衰减来自特定对象和方向的光。

跟随图1的示例，如果UFO被描述为观察者前面的虚拟对象，可以包括微型显示器280、线性偏振器285和第二反射偏振器RP2 270。微型显示器280连接到所述控制器234，并且接收虚拟对象图像282。反射偏振器RP2 270反射基本上垂直于线性方向212的线性偏振的光，因此允许被图像232遮挡的现实场景光与如通过微型显示器280生成的虚拟图像光282合成。注意，可以包括另一个线性偏振器260，用于清理目的，以减小自透视路径或空间光调制器SLM路径的任何不希望的光泄漏。空间光调制器SLM 230显示由控制器234提供的遮挡掩模232，对应于也由所述控制器234提供的显示在282中UFO的图像，使得直接地在虚拟对象后面的现实世界场景内容被阻止，免于分散观察者注意力，从而对观察者显示看起来逼真的和身临其境的图像292。当观察者绕着现实世界场景移动其头部时，其他物理对象不分散观察者的注意力，并且虚拟内容的沉浸感得以保持，如294所示。由于空间光调制器SLM允许偏振光的灰色阴影控制，因此也能够控制虚拟内容的透明的量。

此外，有源光学元件224被利用以在所述空间光调制器SLM处形成现实世界场景的图像，用于调制目的。这样的元件224允许从现实世界场景发出的光场对某个深度平面进行成像。如果不同的深度位置将被聚焦，可以提供诸如机械或机电的任何平移装置；或者可调焦光学元件可以被利用用于此目的。在另一个实施例中，有源光学元件224可以是折射的或反射的。有源光学元件224也可以与反射偏振器220位于同一基板上，使得光学系统紧凑且效率更高。

在另一个实施例中，另一个有源光学元件244被利用，被用来定位在光学合成器OC的第四端口中的眼罩处中继系统的出瞳(exit pupil)。注意，在本公开中，术语“眼罩”与术语“出瞳”同义使用，意思是观察者可以放置其眼睛以观看显示的图像的位置。有源光学元件244可以是折射的或反射的。在另一个实施例中，有源光学元件也可以与反射偏振器220或反射镜250位于同一基板上，使得光学系统紧凑且效率更高。

此外，如果期望增加头戴式显示器HMD的视场，则可以设置诸如机械的或机电的旋转装置；或光束转向光学装置，以旋转反射偏振器220，使得现实世界场景的不同部分(例如在204中所示)可能由空间光调制器SLM230遮挡。这可以按需执行，使得如果观察者改变他们的注视，则反射偏振器RP 220相应地旋转，以将现实世界场景的不同角度部分带入观察者的视场FOV，并且相应地遮挡对象，例如在294中所示。因此，可以提供用于跟踪这种按需FOV转向的观察者的视线方向的装置。

如图2所示，光学合成器OC包括其中光能够进入和/或退出的四个端口。现在，在图3(a)、图3(b)和图3(c)中，我们显示实施例，其中光学合成器OC包括其中光能够进入和/或退出的多于四个端口。这是紧凑架构，利用共同定位在单个立方空间中的两个反射偏振器RP，以减少整个系统的尺寸和重量。图3(a)显示两个反射偏振器RP的透视图，使得反射偏振器RP的相对空间和角度取向对读者清楚地可见。第一反射偏振器320在形状上显示为矩形，使得其边缘通过点A、C、G和E标注，形成矩形ACGE。用于第一反射偏振器320的偏振反射轴R_RP平行于在附图中的Y轴。第二反射偏振器370也在形状上显示为矩形，使得其边缘通过点A、B、G和H标注，形成矩形ABGH。用于第二反射偏振器370的偏振反射轴R_RP2平行于在附图中的X轴，使得两个反射偏振器反射光的正交线性偏振。注意，两个反射偏振器320和370具有两个共同的顶点，即：A和G。注意，线AG形成用于两个反射偏振器320和370的对角线。为了使两个平面彼此交叉，需要沿着交叉线的切口。在图3(a)中，切口显示在第二反射偏振器370中，使其被切成两个三角形的部分：ΔABG和ΔAHG。另外，也可以采用其他切割方法，例如将两个反射偏振器中的每一个都切割切口一半，使得在彼此上部分地滑动，或者一个反射偏振器被设计为比另一个反射偏振器稍大，并且在其中切出一个槽，以滑动通过其的另一个反射偏振器。优选不切割反射来自现实世界场景的光的第一反射偏振器320，因为任何切割可能使光通过它泄漏并最终进入观察者的眼睛，从而对图像质量产生负面影响。相反地，在第二反射偏振器370中的切口，仅引起对于来自虚拟内容微型显示器380的光的小的介入损耗。对于反射偏振器还优选地，是在实践上尽可能薄的基板上，使得切割不会降低图像质量和在视觉上不会引起注意。由于切口是在瞳孔平面中或附近，只要其厚度最小，就不会可见到引起注意的程度。图3(b)和3(c)分别地显示偏振路由方案的俯视图和侧视图，显示了以下部件：线性偏振器310和385、反射偏振器320和370、空间光调制器SLM330、四分之一波片QWP340、反射镜350、控制器334、微型显示器380和观看者的眼球390。对于相应元件，这些部件的功能与以上图2中描述的相同。为了简单起见，省略了诸如透镜的光有源元件，因为它们保持与以上图2中描述相同。图3和图2所示的架构之间的一个区别是，来自用于虚拟内容的微型显示器380的光也通过反射偏振器320，这会引起小的介入损耗，而在图2中并非如此。可以利用适当的抗反射涂层来将这种介入损耗保持在可以忽略的水平。注意在图3中，仅显示透视偏振状态。其他正交的偏振状态通过LP2吸收。

在另一个实施例中，光学合成器OC的第六端口可以被利用于相机，以在观察者的视线内完美地观看现实世界场景，从而提供关于由观看者所观察的场景的有用信息。

图4描述了非常紧凑的平面架构400，用于在透视显示应用中的遮挡功能。图4显示紧凑的布局，其中来自现实世界场景的光402首先到达第一小透镜阵列420，其中小透镜阵列在每个小透镜的焦平面中形成空间图像。透射的空间光调制器SLM 430放置在该焦平面中，该焦平面与第一小透镜阵列相距距离D1，用470表示。第二小透镜阵列440位于与空间光调制器SLM相距距离D2(表示为480)处，使得第二小透镜阵列转换回空间图像进入角光场。这个角光场到达位于一定距离以外的出瞳，用于通过观察者的眼球450观看。由于第一小透镜阵列在空间光调制器SLM平面处形成空间图像，控制器434命令空间光调制器SLM以衰减来自所述SLM的选择的像素的图像光，使得在通过第二小透镜阵列440之后，观察者450从对象的透视图中可以感觉，在现实世界场景中相应角度位置处的对象的可见强度被阻止或减弱。

在这样的架构中列出的部件允许显示系统非常紧凑和轻便，因而能够将它们并入典型的处方眼镜外形尺寸中。总厚度可能为几毫米，并且重量小于10克。功率消耗也被设想为非常小，因为对于该应用可以采用通常白的或透明模式LC类型，从而仅当需要遮挡时某些像素才消耗功率。对于HMD应用，这可以允许非常长的电池寿命。这种平面遮挡显示架构的紧凑性质允许与任何HMD架构集成，无论是基于平面波导还是基于体块合成器，因此都可以实现各种各样的应用。为了使透镜阵列较少引人注目，可以在显示器的外侧壳体上使用反射偏振器(RP)，使得反射偏振器RP的偏振反射轴与用于显示器的第一线性偏振器正交。由于包含所述反射偏振器RP，这使得插入损失最小。

在一个实施例中，所述第一透镜阵列和第二透镜阵列与SLM之间的距离D1(标注470)和D2(标注480)等于阵列中各个小透镜的焦距。

在另一个实施例中，该系统可以包括用于动态地调整SLM与第一透镜阵列之间的光路距离D1的装置，使得在现实世界场景中距离观察者不同深度位置处(诸如近或远)的现实对象可以从观察者的视线中被正确遮挡或衰减。例如，如果在无限远处观看现实世界对象，则距离D1等于小透镜的焦距；或者，当将更近的现实世界对象将被聚焦时，SLM可以从第一透镜阵列移开，使得SLM是在用于附近对象的图像平面中。SLM将相应地移动更靠近第二透镜阵列。由于距离D2现在小于透镜的焦距，因此虚拟图像形成在实际的现实世界对象位置，并且因此为观察者正确地渲染对象。

在另一个实施例中，系统可以包括用于距离D1和D2的光学路径距离调节的装置，例如：机械的、压电的、电气的、电子的、光学的、电-光的或光-机械的。基于从眼睛跟踪系统收集的聚散度和调节信息，可以在反馈回路中控制距离。此外，在又一个实施例中，可以包括液晶单元，使得其提供光学路径长度改变机构，并且因而改变在焦点中的现实世界场景中的深度距离。这种LC层可以进一步被像素化以改变显示器的通光孔上的深度焦平面。

空间光调制器SLM可以从如下组中的一个选择：透射液晶显示器、透射MEMS快门阵列、扭曲向列液晶、超扭曲向列液晶、垂直对齐的液晶、平行摩擦液晶、反平行摩擦液晶、π型液晶、铁电液晶、分散聚合物液晶、聚合物稳定的液晶或聚合物网络液晶。扭曲向列型LCD面板是很好的选择，因为它们对波长(颜色)和偏振不敏感。

在用于基于液晶的SLM的另一个实施例中，该系统将还包括：面向现实世界场景定位的第一吸收性线性偏振器LP1；其中，LP1是为了偏振从现实世界场景入射到其上的光场；和面向眼罩定位的第二吸收性线性偏振器LP2，使得两个偏振器使其偏振透射轴彼此基本上平行或基本上垂直。当电源关闭时，对于显示系统优选是具有通常白色或透视模式，使得观察者的眼睛于外景大多可见。对于TN或STN LCD类型，这对偏振器LP1和LP2将具有垂直取向，使得显示通常透视。对于其他LCD类型，两个偏振器LP1和LP2将具有平行取向，并且它们的偏振方向将也需要与选择的特定的LC单元的向列方向对齐。

为了与现成的偏光太阳镜兼容，优选地，第一线性偏振器LP1定向为其透射轴垂直，以阻挡来自阳光的大部分眩光。

在另一个实施例中，系统还可以包括挡板阵列，以防止光从一个小透镜泄漏到SLM的相邻像素中。这些在图4中显示为阵列410、460和490。

在另一个实施例中，SLM具有多个不同的像素尺寸，使得可以根据它们在FOV内部的角度位置来遮挡或衰减各种角度尺寸的现实世界对象。作为示例，SLM可以在FOV的中心具有精细的像素分辨率，而在FOV的周边具有逐渐粗略的像素分辨率。

图5显示了使用平面波导的平面架构，用于非常紧凑的遮挡功能显示解决方案。系统500包括面对现实世界场景定位的第一吸收性线性偏振器510；其中线性偏振器510是为了在将从现实世界场景入射到其上的光场引导至第一波导520a之前偏振该光场。波导520a是基本上平面光学部件，其具有输入-耦合光栅522和输出-耦合光栅524。来自现实世界场景的入射光场首先遇到光栅522，光栅522将光耦合进入波导，光在那里历经全内反射(TIR)，直到遇到输出-耦合光栅524，输出-耦合光栅迫使光朝向SLM输出-耦合。可以利用诸如透镜的适当的有源光学元件将角光场转换成在SLM平面处的空间图像。可以控制SLM来调制要遮挡的现实世界场景的选择性区域。然后，在透镜的帮助下将调制后的图像转换回角域，并且然后通过第一波导520a和第二波导520b传输。第二波导520b具有相同的输入-耦合光栅和输出-耦合光栅，以相应地耦合光。四分之一波片540和反射镜550结合使用，以将入射光的偏振在双通道几何图形中旋转90度。光的这种旋转的偏振然后遇到第二波导，并与光栅526输入-耦合，在波导内部全内反射TIR，直到光遇到出光栅528，并且然后路由到波导外部，第二线性偏振器560位于其中以完成光的振幅调制。光然后朝向眼罩路由，用于观察者的眼睛590。

这种基于平面波导的遮挡显示架构的紧凑性质允许与任何HMD架构集成，无论是基于平面波导还是基于整体合成器，能够实现各种各样的应用。图5中显示的一个示例，微型显示器标注为580，并且第三平面波导标注为570，用于合成器，其中来自第二线性偏振器560的光与来自增强微型显示器580的光通过使用输入-耦合光栅572合成，用于合适的偏振，并且两个偏振都出射在眼罩中，因此允许虚拟内容具有适当的遮挡功能。

在另一个实施例中，系统可以利用第二平面波导，用于合并来自SLM530的被遮挡的光和来自微型显示器580的虚拟图像内容。这可以通过使用平面波导的正交边缘以及通过自微型显示器580的窄带光谱发射来实现。

在另一个实施例中，该系统可以利用黑色涂层534，用于防止在透视路径中光泄漏，从而提高图像质量。

注意，尽管仅显示单个视图，但虚拟内容SLM的波导合成器可以正交地定位(图5中的平面外)，同时仍利用偏振多路。而且，虽然这些波导仅显示有单个输入/输出耦合器，但有可能利用多于一个耦合器，用于输入、输出和并且用于瞳孔扩大目的。

图6显示了平面结构，显示用于遮挡SLM和增强SLM两者的基于偏振的紧凑波导合成器。遮挡SLM显示为DLP技术。还显示了相应的偏振路由和多路方案。部件部分号码跟随来自图5的号码并且不变。注意，在用于二元微型镜的打开状态下，其路由来自周围场景的光到观察者。而在关闭状态下，微型镜路由光远离观察者，因而创建黑暗状态。与图5相似，注意，虽然仅显示单个视图，但虚拟内容SLM的波导合成器有可能正交定位(图6中的平面外)，同时仍利用偏振多路。而且，虽然这些波导仅显示有单个输入/输出耦合器，但有可能利用多于一个耦合器，用于输入、输出和并且用于瞳孔扩大目的。

在另一个实施例中，与图6中显示的用于遮挡掩模的DLP SLM相对的反射镜650，可以用活塞式单相SLM代替，以允许选择性地控制整个视场上的对象是在焦点上。通过散焦视场的无关部分，这也可以用于强调特定对象。

在又另一个实施例中，焦点可调透镜被使用以调节渲染场景的虚拟焦平面。可调的焦点允许观察者的眼睛调节在现实场景中的自然位置处。可以设计光学系统，使得人类观察者的眼睛调节度和发散度被测量，以确定他们的调节距离，并相应地聚焦可调透镜，使得显示的图像也位于相同的距离处。焦点可调透镜可以由电活性聚合物、电润湿透镜或液晶或MEMS类型柔性薄膜镜制造。提取光栅经过精心设计，以确保考虑到观察者的调节情况，并确保多路光栅被多路以在适当变化的深度处渲染内容。

而且，第一基于波导的合成器可以是可以反射S和P偏振的s-p相位光栅(或光栅组)。这能够使用效率更高且偏振和波长不敏感的DLP成像器。这样防止使用偏振光并且保持高效率。第二基于波导的合成器用于投射虚拟内容的AR，并且可以是全息布拉格光栅或表面起伏光栅。

图7教导非偏振DLP环绕架构，显示光路由方案。系统700包括两个反射镜7l0a和710b、棱镜720、DLP SLM 730、反射偏振器740、两个四分之一波片750a，750b、两个反射镜760a和760b、虚拟内容微型显示器780和合成器770。注意，块体光学合成器可用于遮挡SLM和增强SLM。还显示相应的光路由和多路方案。这种基于DLP的微型显示技术能够使光系统有较高的通量。注意，偏振选择性窄带反射偏振器770用于多路来自环境场景的宽光谱带与来自虚拟内容SLM780的窄偏振光谱带。用于透视路径的光学效率可以接近50％，这使其是用于遮挡的非常好的候选。

在一些附图中，未显示例如用于聚焦的透镜或反射镜的具有光功率的光学部件，但是本领域技术人员可以想象它们在适当位置的利用，例如但不限于光收集、聚焦和放大，而不偏离如在本公开中教导的基本概念。

图8(a)描述具有中心视场810的显示拓扑，具有遮挡功能，而周边830具有扩展的虚拟显示而没有遮挡功能。图8(b)显示通过使用光束转向技术而具有遮挡功能的更宽的中心视场820。周边可以具有扩展的虚拟显示830，而没有遮挡功能。通过使用眼动追踪机制监视观察者的眼睛，可以在反馈回路中对遮挡显示的转向进行注视控制。

图9描述系统框图，显示用于能够遮挡显示的决策树。

值得注意的是，所有合成器和平面波导的边缘都应涂成黑色以防止杂散光透射或反射。

选择所有块体合成器的厚度，使得合成器的边缘不会模糊图像的任何重要部分。优选地，这些被设计为比健康的人眼的分辨率更薄。

在另一个实施例中，遮挡微型显示器的对比度被控制，使得用户可以决定他们是否要完全遮挡，或者不遮挡，或者能够调节的一些部分遮挡。出于安全原因，或者可能对个人喜好有用，可能需要这种可调整的用户控制。这种对比度的控制可以通过控制位深有助于最小化能耗。例如，如果优选非常低能耗，则只能利用二元控制棒(完全遮挡)。中间遮挡将需要更高的位深，并且因此将在遮挡微型显示器上消耗更高的功率。在不需要遮挡的情况下，遮挡微型显示器的能耗可以忽略不计。

在另一个实施例中，平面波导被设计成它们本身不垂直于来自现实世界视图的进入入射光。可以利用一个小的角度，例如与法向入射相距10-15度。在又另一个实施例中，平面波导在水平面和垂直平面上都远离法向入射倾斜，使得HMD的工业设计能够具有时髦的外观。

在另一个实施例中，平面波导在至少一个轴上是弱弯曲的，使得这些在其工业设计中表现时髦。它们可以是面对现实世界凸出，而面对观察者的眼睛凹入，使得光从凸面到凹面穿过就能够消除光功率，并且因此防止任何图像质量伪像。

在又一个实施例中，提供了附加部件，使得人类观察者眼睛的折光力被原位测量，以确定他们的眼睛聚焦在什么深度距离，从而渲染在该特定深度位置(距离)处的数字内容。这可以被使用以确定在远离当前调节位置的聚焦深度的深度处的不想要的分辨率，从而最小化能耗和带宽需要。IR二极管(激光或LED)可以包括在照明中，具有合成器和光学器件设计使得自动折射镜包含在照明系统中，用于此类原位调节(折光力)测量。这样的设备可以提供巨大的能量节约并且因此电池寿命提升。观察者的调节测量的知识允许确定他们的视觉和认知兴趣。这个知识可以实现目标数字(或虚拟)内容演示，例如在适当深度距离处的目标广告。

如在一些附图中描述用于块体合成器的反射偏振器可以由多种材料制成，例如但不限于：线栅偏振器、麦克尼尔偏振分束器、多层光学膜或全息材料，例如聚合物膜或基于块体晶体的全息材料，例如掺铁型铌酸锂等。

反射偏振器可以被层压到玻璃基板上，或者使用薄膜涂层工艺喷溅射到玻璃上基板上，或者使用指数匹配的光学胶粘剂胶合。

用于反射偏振器件的玻璃基板可以是平面光学板，或者具有适当角度的表面的玻璃棱镜，从而提供适当地路由偏振和波长的功能。

可以适当地使用抗反射涂层以最小化不想要的反射并增强遮挡微型显示器的棱镜。

可以提供机构，用于旋转立方合成器元件或其部分，诸如允许FOV的转向。旋转可以在一个轴或两个轴上进行，使得同时控制“遮挡”微型显示器和“增强”微型显示器。立方合成器可以安装在一个或多个电动机上，以成角度地转向反射偏振器，使得遮挡微型显示器的FOV可以增加，用于环境遮挡。如果合成器的某些侧面无法可用于安装电动机，则可以提供蜘蛛腿样式框架，使得蜘蛛腿的端部被连接到需要被旋转的反射偏振器，因而旋转轴被设置在适当的位置。

尽管在这些图中未显示透镜元件，但是本领域技术人员可以理解合适的透镜，它们的光学行为，例如F/数和位置，从而完成光学系统功能。另外，在光学设计中可以包括可调透镜，从而可以根据观察者的喜好动态地改变遮挡微型显示器需要聚焦的位置。可以提供用于原位测量用户调节距离的装置，并且可以将可调透镜的焦点调整为专门聚焦于该特定深度位置。

遮挡式微型显示器原则上是一种光阀，它可以来自透射或反射的多种显示技术，例如但不限于：硅基液晶(LCoS)、微型机电系统(MEMS)数字光处理或数字微型镜设备、液晶显示器(LCD)、反射型LCD，透反射型LCD、高温多晶硅(HTPS)LCD、基于MEMS的快门等。

增强微型显示器原则上是SLM，可以来自自发光、透射或反射等多种显示技术，例如但不限于：微型有机发光二极管(micro-OLED)、微型发光二极管(micro-LED)、硅基液晶(LCoS)，微型机电系统(MEMS)数字光处理或数字微型镜设备、液晶显示器(LCD)、反射型LCD、透反射型LCD、高温多晶硅(HTPS)LCD、基于MEMS的快门、调相SLM，例如LCoS或基于MEMS的活塞型相位调制器等。

注意，尽管在这些设计中显示各种偏振，但是其不必然全面，并且本领域技术人员可以预见其他变化，但是原则上不背离本发明的提出的架构。例如，大多数环境日光被随机偏振。但是在一天的一些时间期间，具有平行于水平(水平地)偏振的主要阳光偏振。因此，可能期望设计一些组件以优选地阻挡大部分水平的环境光，以使得投射的虚像不会被水平偏振的环境光的高亮度冲洗掉。相反地，可能的情景是其中输入偏振器被定向以阻止垂直偏振的环境光。偏振的这个选择取决于设计和应用，并且因此可以改变。图8(a)和图8(b)中的线性折偏振器可以被设计使得用户可以手动旋转它，也可以通过电子控制以相应地定向它，以根据需要允许水平偏振环境光或垂直偏振环境光。

在另一个实施例中，提供了增强现实头戴式显示器，其中投影光学引擎位于眼镜的镜腿中。光学引擎将出瞳中继到光束转向镜所位于的眼镜的鼻托架上。这个光束转向镜将投射的光反射在可能具有光功率的合成器上。合成器的光功率使其离开光束转向镜2f距离，并且也离开观察者的瞳孔2f距离，其中f是合成器的焦距。光束转向镜允许视场(FOV)被动态地和按需转向，并且因此表现比没有光束转向的情况更大的FOV。

在另一个实施例中，提供增强现实头戴式显示器，其中投影光学引擎位于在眼镜的镜腿中。光学引擎将出瞳中继到光束转向镜上，该转向镜放在眼眉上方靠近眼睛。光束转向镜将投射的光反射在可能具有光功率的合成器上。合成器的光功率使其离开光束转向镜2f距离，并且也离开观察者的瞳孔2f距离，其中f是合成器的焦距。光束转向镜允许视场(FOV)被动态地和按需转向，并且因此表现比没有光束转向的情况更大的FOV。

在另一个实施例中，提供增强现实头戴式显示器，其中显示光学引擎位于眼镜的眼镜腿中，并且计算引擎位于配戴者的头部后面，并且连接到眼镜的两个眼镜腿尖端。计算引擎可以是智能电话或与显示光学引擎电连接的其他计算设备。要显示给眼镜配戴者的虚拟内容源自计算引擎。每当智能电话电连接到AR HMD眼镜时，就可以关闭集成在计算引擎(例如：智能电话)中的常规平板显示器，从而节省大量电量。

注意，本申请中术语“微型显示器”和“SLM”可互换使用。

附图说明

为了更全面地理解本公开及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1常规的光学透视增强现实显示架构；

图2具有遮挡功能的突破性光学架构；

图3紧凑的光学架构，其中两个基于偏振的块体合成器集成在一起，以在紧凑的立方空间中包括遮挡SLM和增强SLM，不考虑关于眼睛的相对方向，图3(a)显示透视图，图3(b)显示俯视图和图3(c)显示侧视图；

图4非常紧凑的平面架构，使用两个透镜阵列用于在透视显示应用中遮挡功能；

图5紧凑的平面架构，使用两个平面波导用于在透视显示应用中的遮挡功能；

图6紧凑的平面架构，使用两个平面波导用于在使用DLP SLM的透视显示应用中的遮挡功能；

图7非偏振DLP环绕式架构，显示光路由方案。注意，块体光学合成器用于遮挡SLM和用于增强SLM。还显示了相应的光路由和多路方案；

图8(a)和8(b)显示拓扑，具有用于遮挡的可操纵的广视场，而周边具有没有遮挡功能的扩展的虚拟显示；以及

图9系统块图，显示用于遮挡功能显示的决策树。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种电子显示装置，包括：

控制器；

至少一个基于偏振的光学合成器OC，位于观察者的视线内，并且靠近观察者的眼睛；所述OC具有多个端口，并且包括：

吸收性线性偏振器LP，具有透射轴T_LP；所述LP位于所述OC的面向现实世界场景的第一端口；

至少一个反射偏振器RP，具有反射偏振轴R_RP，反射偏振轴R_RP基本上平行于T_LP；

至少一个空间光调制器SLM，位于所述OC的第二端口；所述SLM包括：

多个像素；从而每个像素能够调制光；并且所述SLM连接至所述控制器；

至少一个有源光学元件S1，位于所述LP与所述SLM之间的光路上；

四分之一波片QWP，QWP的慢轴定位于与T_LP大约成45度的位置；

和反射镜；

其中所述QWP和所述反射镜位于所述OC的第三端口；其中所述第三端口位于与所述OC的第二端口相对的位置；

至少一个有源光学元件S2，位于所述RP与在所述OC的第三端口中的所述反射镜之间的光路上；

其中所述LP使来自所述OC的第一端口的来自现实世界场景的入射光沿所述LP的透射轴T_LP以优选的线性方向偏振；其中所述RP以一角度定向，使得其将入射偏振光从第一端口中的所述LP反射到所述第二端口；

其中所述有源光学元件S1在所述SLM处形成现实世界场景的图像用于调制目的；

其中所述SLM调制来自所述第二端口的入射偏振光，并且依次以线性偏振的两种状态中的至少一种状态提供射出调制光；其中，从所述SLM射出的所述调制光在所述OC的第二端口反射回去；其中来自所述第二端口的线性偏振的调制光的状态中的一种状态相对于R_RP基本上垂直地偏振，并且因此该状态从RP传输并且在所述第三端口处出射；

其中所述有源光学元件S2在位于所述OC的第四端口中的眼罩处中继出瞳；所述第四端口位于与所述第一端口相对的位置；

其中在所述OC的第三端口中的所述QWP和反射镜的合成体对光进行操作并且在所述OC的第三端口处将该光反射回去，但是这次该光平行于R_RP被线性地偏振；其中所述RP反射该光并且将该光路由到所述第四端口；其中光在所述OC的第四端口中的所述出瞳处出射，用于观察者的观看，从而允许透视图到达观察者；

其中从所述SLM出射的线性偏振的调制光的状态中的另一种状态相对于R_RP基本上平行偏振，并且因此从RP反射并且在所述第一端口处出射，从而朝向现实世界的场景离开OC；其中这种远离观察者的眼睛的光的路由给予观察者像素级选择的阻挡透视图的感觉。

2.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括：

微型显示器MD，用于创建数字虚拟图像内容；

第二反射偏振器RP2，具有反射偏振轴R_RP2，反射偏振轴R_RP2基本上垂直于T_LP以及R_RP；所述RP2以一角度定向，使得所述RP2将来自所述MD的入射偏振光反射到所述第四端口；

至少一个有源光学元件S3，位于所述MD和所述第二反射偏振器RP2之间，使得在所述OC的第四端口处所形成的用于MD图像的出瞳与现实世界场景的所述出瞳共同定位，因此SLM调制的现实世界场景与MD创建的数字虚拟内容叠置在眼罩中，用于观察者的观看。

3.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，所述SLM为以下中的一种：硅基液晶、微型机电系统、数字光处理或数字微型镜器件。

4.根据权利要求2所述的电子显示装置，其中，所述MD为以下中的一种：硅基液晶、微型机电系统(MEMS)、数字光处理或数字微型镜器件、微型有机发光二极管、微型发光二极管或微型机电系统共振扫描镜。

5.根据权利要求2所述的电子显示装置，其中，另一个线性偏振器包括在两个所述反射偏振器RP和RP2之间，用于清理目的，以减少自透视路径或SLM路径的任何不希望的光泄漏。

6.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括：调节在所述有源光学元件S1和所述SLM之间的光路长度的装置，使得在现实世界场景中的不同深度位置能够被聚焦并且被适当地遮挡；这种装置可以是诸如机械的或机电的移动件；或可调焦光学元件。

7.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，有源光学元件S1可以是折射的、反射的、衍射的或全息的。

8.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，所述有源光学元件S1与反射偏振器RP位于同一基板上。

9.根据权利要求2所述的电子显示装置，其中，两个反射偏振器RP和RP2彼此对角线交叉地共同定位在单一立方空间内。

10.根据权利要求9所述的电子显示装置，其中，两个反射偏振器RP和RP2中的至少一个反射偏振器具有沿着其对角线行进的切口，而另一个反射偏振器通过所述切口滑动。

11.根据权利要求10所述的电子显示装置，其中，两个反射偏振器RP和RP2中的至少一个反射偏振器沿着其对角线被切割成两个基本上平行的块。

12.根据权利要求1和2所述的电子显示装置，其中，RP和/或RP2从如下组中的至少一个选择：线栅偏振器、多层光学膜、缺口反射型偏振片、布拉格反射偏振器、体积相位光栅、全息光栅、体积多路全息光栅、角度多路全息光栅、偏振多路全息光栅、液晶光栅、聚合液晶光栅、麦克尼尔型薄膜涂层立方体。

13.根据权利要求2所述的电子显示装置，其中，所述反射偏振器RP和RP2中的至少一个是弯曲的，使得其另外具有所述有源光学元件S1，S2或S3的功能。

14.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，所述设备是透视头戴式显示器。

15.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，至少一个所述有源光学元件是可变焦光学元件。

16.根据权利要求2所述的电子显示装置，包括用于调节所述微型显示器MD和所述有源光学元件S3之间的光路长度的装置，使得投影到眼罩中的虚拟对象看起来是在现实世界场景中距离观察者例如近或远的变化深度位置处。

17.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，设有例如机械的或机电的；或光束转向光学的旋转机构，以旋转反射偏振器RP，使得现实世界场景的不同部分能够被SLM遮挡。

18.根据权利要求17所述的电子显示装置，其中，所述旋转机构被连接到观察者的注视方向。

19.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括：至少一个可切换的偏振旋转器；所述偏振旋转器能够根据来自控制器的命令将线性偏振输入光切换成两个输出线性偏振状态中的一个状态；其中所述线性偏振状态中的一个状态绕过SLM并且基本上通过所述反射偏振器传输并在所述OC的第四端口中的眼罩处出射；其中所述线性偏振状态中的第二状态基本上平行于T_LP，使得该光被RP反射并且被路由至在所述OC的第二端口中的所述SLM。

20.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括反射偏振器和相机；其中所述反射偏振器定位于吸收性线性偏振器之前，更靠近现实世界场景，使得所述反射偏振器将来自现实世界场景的光的至少一个线性偏振朝向所述相机反射。

21.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括至少一个四分之一波片QWP，定位于在所述OC的第一端口上的吸收性线性偏振器LP之前，更靠近现实世界场景：其中所述QWP使其慢轴定位于与LP的传输轴T_LP成大约45度角，使得其随机化从现实世界场景入射在电子显示装置上的光的偏振。

22.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括：增强型SLM和基于波导的部分透明的透视合成器；其中所述波导位于所述OC的第四端口中。

23.一种电子显示装置，包括：

控制器；

第一透镜阵列，面对现实世界；所述透镜阵列用于将光从角域转换为空间域；

至少一个空间光调制器SLM，包括像素阵列；因此每个像素可以调制光；并且所述SLM连接至所述控制器；其中所述SLM与所述第一透镜阵列相距第一距离D1；

第二透镜阵列，位于观察者的眼睛附近；所述透镜阵列用于将光从空间域转换回角域；其中所述第二透镜阵列位于与所述SLM相距第一距离D2处；

其中所述控制器命令所述SLM以调制来自所述SLM的选择的像素的光，使得观察者感觉在现实世界场景中相应角度位置处的对象从其视线中被像素级选择地阻挡或调制其可见强度。

24.根据权利要求23所述的电子显示装置，其中，所述第一透镜阵列和第二透镜阵列与所述SLM之间的所述距离D1和D2等于在阵列中的单个小透镜的焦距。

25.根据权利要求23所述的电子显示装置，包括：用于动态地调节所述SLM和所述第一透镜阵列之间的光路距离D1的装置，使得在现实世界场景中距离观察者例如近或远的变化深度位置处的现实对象能够从观察者的视角被合适地阻挡或衰减。

26.根据权利要求24所述的电子显示装置，其中，所述用于光路径距离调节的装置为以下中的一种：机械的、电气的、压电的、电子的、光学的、电子-光学的或光学-机械的。

27.根据权利要求23所述的电子显示装置，其中，所述SLM为以下中的一种：透射液晶显示器、透射MEMS快门阵列、扭曲向列液晶、超扭曲向列液晶、垂直排列液晶、平行摩擦液晶、反平行摩擦液晶、π细胞液晶、铁电液晶、聚合物分散液晶、聚合物稳定液晶或聚合物网络液晶。

28.根据权利要求23所述的电子显示装置，包括：至少一个吸收性线性偏振器LP1，面向现实世界场景定位；其中所述LP1用于偏振从现实世界场景入射在其上的光场。

29.根据权利要求28所述的电子显示装置，包括至少一个第二吸收性线性偏振器LP2，面对眼罩定位，其中，所述LP1和LP2对的偏振透射轴彼此基本上平行或彼此基本上垂直。

30.根据权利要求29所述的电子显示装置，反射偏振器RP合并在显示器的外侧壳体上，使得所述RP的偏振反射轴垂直于用于显示器的第一线性偏振器的透射轴。

31.根据权利要求23所述的电子显示装置，包括挡板阵列，以防止光从一个小透镜泄漏进入所述SLM的相邻像素并控制方向性。

32.根据权利要求23所述的电子显示装置，其中，所述SLM具有多个不同的像素尺寸，使得各种角度尺寸的现实世界对象能够根据其在FOV内部的角度位置被遮挡或衰减。

33.根据权利要求31所述的电子显示装置，其中，所述SLM在FOV的中心具有精细的像素分辨率，并且在所述FOV的周边具有逐渐较粗的像素分辨率。

34.根据权利要求23所述的电子显示装置，包括：增强型SLM和基于波导的部分透明的透视合成器；其中所述波导位于OC的所述第四端口中。

35.一种电子显示装置，包括：

控制器；

至少两个平面波导，位于现实世界场景和观察者眼睛之间；每个所述平面波导具有一对输入-耦合和输出-耦合光栅；

至少一个空间光调制器SLM，包括像素阵列；从而每个像素可以调制光；

并且所述SLM连接至所述控制器；

至少一个透镜；

至少一个反射镜；

其中，所述SLM位于所述第一平面波导的第一输出-耦合光栅和所述透镜之间；

其中光场从现实世界场景通过第一平面波导、输入-耦合和输出-耦合光栅路由到所述SLM；其中，所述透镜在所述SLM上形成现实世界场景的空间图像；因此，所述控制器命令所述SLM以衰减来自所述SLM的选择的像素的光；因此，所述调制图像光从所述反射镜反射，并且遇到所述第二平面波导、第二对输入-耦合和输出-耦合光栅并且出射在眼罩中，使得观察者感觉在现实世界场景中相应角度位置处的对象从其视线中被像素级选择地阻挡或调制其可见强度。

36.根据权利要求35所述的电子显示装置，包括：至少一对线性偏振器；和四分之一波片QWP，其慢轴定位于与其中一个所述偏振器的传输偏振轴成大约45度；其中所述QWP位于在所述反射镜之前。

37.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，所述SLM为以下中的一种：硅基液晶、微型机电系统、数字光处理或数字微型镜器件。

38.根据权利要求35所述的电子显示装置，包括：

微型显示器MD，用于创建数字虚拟图像内容；和

第三平面波导；

其中所述第三平面波导将来自所述SLM的光合并，因此SLM调制的现实世界场景与MD创建的数字虚拟内容叠置在眼罩中，用于观察者的观看。

39.根据权利要求38所述的电子显示装置，其中，所述MD为以下中的一种：硅基液晶、微型机电系统(MEMS)、数字光处理或数字微型镜器件、微型有机发光二极管、微型发光二极管或微型机电系统共振扫描镜。

40.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，所述SLM能够在0％到99％的透明度范围内调制入射到每个像素上的光。

41.根据权利要求23所述的电子显示装置，其中，所述SLM能够在0％到99％的透明度范围内调制入射到每个像素上的光。

42.根据权利要求35所述的电子显示装置，其中，所述SLM能够在0％到99％的透明度范围内调制入射到每个像素上的光。

43.一种电子显示装置，包括：

控制器；

至少一个光学合成器元件，位于真实世界场景与观察者的眼睛之间；

至少一个空间光调制器SLM，包括像素阵列；因此每个像素可以调制光；并且所述SLM连接至所述控制器；

至少一个弯曲的光学表面；

其中所述弯曲的光学表面位于所述合成器和所述SLM之间；

其中来自真实世界场景的光场路由通过所述合成器和所述弯曲的光学表面，从而在所述SLM上形成真实世界场景的空间图像；因此，所述控制器命令所述SLM以调制来自所述SLM的所选择的像素的光；

因此，所述SLM基本上将来自真实世界场景图像的选定像素的光选择性地调制成多个输出状态；其中至少第一所述输出状态基本上是透明的，而第二输出状态是基本上不透明的；

因此，将所述选择性调制的光场路由到出射光瞳，用于被观察者的眼睛观看；

因此，观察者的眼睛感觉在现实世界场景中相应角度位置处的对象从他/她的视角中的对象的可见性中被选择性地调制。

44.根据权利要求43所述的电子显示装置，包括至少一个瞳孔中继机构；所述瞳孔中继机构位于SLM和观察者的眼睛之间；并且所述瞳孔中继机构负责用于将真实世界场景的被调制SLM图像的瞳孔中继进入观察者的眼睛。

45.根据权利要求43所述的电子显示装置，其中，所述SLM为以下中的一种：硅基液晶、微型机电系统、数字光处理或数字微型镜器件。

46.根据权利要求43所述的电子显示装置，其中，所述合成器是自由空间合成器。

47.根据权利要求43所述的电子显示装置，包括至少一个线性偏振器和四分之一波片QWP，四分之一波片QWP的慢轴定向于与所述线性偏振器的传输偏振轴成大约45度角，其中所述QWP定位在所述反射镜前面。

48.根据权利要求43所述的电子显示装置，其中将合成器浸入光学介质中。

49.根据权利要求43所述的电子显示装置，其中合成器是波导合成器。

50.根据权利要求43所述的电子显示装置，包括微型显示器MD，用于创建数字虚拟图像内容的装置。

51.根据权利要求50所述的电子显示装置，包括第二合成器，用于从所述微型显示器MD注入数字虚拟图像内容，从而将现实世界场景的透明度调制SLM图像与MD创建的数字虚拟内容叠加在眼罩中，用于观察者的观看，因此为观察者提供具有高对比度和宽动态范围的图像。

52.根据权利要求43所述的电子显示装置，包括：相机，基本上位于现实世界场景的观察者的视点附近；所述相机连接到所述控制器；从而，所述相机提供与场景图像有关的信息到控制器，例如照明、照明方向和方位、饱和度、强度、照度、白点、动态范围以及类似的信息；所述控制器确定哪些图像像素被选择性地衰减或调暗，并通过命令将该图像像素传送到SLM，用于有选择地控制相应的SLM像素，以影响图像像素对观察者的能见度。

53.根据权利要求43所述的电子显示装置，其中，所述多个输出状态的透明度范围为0％至99％。

54.一种电子显示装置，包括：

控制器；

至少一个空间光调制器SLM，包括像素阵列；从而每个像素都能够调制光；并且所述SLM被连接至所述控制器；

至少一个图像形成元件；

其中所述电子显示装置位于从现实世界的场景发出的光场和观察者的眼之间；

其中所述图像形成元件将来自所述真实世界场景的所述光场转换成在所述SLM上的真实世界场景的空间图像，并且反之亦然；

因此，所述控制器命令所述SLM调制来自所述SLM的选定像素的光；

因此，所述SLM将来自真实世界场景图像的选定像素的光基本上选择性地调制成多个输出状态；其中至少第一所述输出状态基本上是透明的，而第二输出状态是基本上不透明的；

因此，将所述选择性调制的光场路由到出射光瞳，用于被观察者的眼睛观看；

因此，观察者的眼睛感觉在现实世界场景中相应角度位置处的对象从他/她的视角中的对象的可见性中被选择性地调制。

55.根据权利要求54所述的电子显示装置，其中，所述SLM基本上在本质上是透射的。

56.根据权利要求54所述的电子显示装置，其中，所述SLM为以下中的一种：液晶显示器、基于高温多晶硅的液晶显示器、透反射式液晶显示器、平行排列的液晶显示器、反平行排列的液晶显示器、扭曲向列液晶显示器、超扭曲向列液晶显示器、垂直排列液晶、平行摩擦液晶、反平行摩擦液晶、π细胞液晶显示器、铁电液晶、聚合物分散液晶、聚合物稳定的液晶或聚合物网络液晶以及透射MEMS快门阵列。

57.根据权利要求54所述的电子显示装置，其中，所述至少一个图像形成元件包括至少一个透镜阵列。

58.根据权利要求54所述的电子显示装置，包括附加光学元件以校正图像直立度和方向。

59.根据权利要求54所述的电子显示装置，包括至少一个瞳孔中继机构；所述瞳孔中继机构位于SLM和观察者的眼睛之间；其中所述瞳孔中继机构将由所述SLM调制的光场中继到观察者的眼睛处的出瞳中。

60.根据权利要求54所述的电子显示装置，包括至少一个线性偏振器。

61.根据权利要求54所述的电子显示装置，包括至少一个圆形偏振器。

62.根据权利要求60所述的电子显示装置，包括至少一个四分之一波片QWP，其慢轴与所述线性偏振器的透射偏振轴成大约45度角。

63.根据权利要求54所述的电子显示装置，其中，所述控制器通过用户界面接收所述命令。

64.根据权利要求54所述的电子显示装置，其中，所述多个输出状态包括至少一个半透明状态。

65.根据权利要求54所述的电子显示装置，其中，所述多个输出状态的透明度范围为0％至99％。

Claims (39)

1.一种电子显示装置，包括：

控制器；

至少一个基于偏振的光学合成器OC，位于观察者的视线内，并且靠近观察者的眼睛；所述OC具有多个端口，并且包括：

吸收性线性偏振器LP，具有透射轴T_LP；所述LP位于所述OC的面向现实世界场景的第一端口；

至少一个反射偏振器RP，具有反射偏振轴R_RP，反射偏振轴R_RP基本上平行于T_LP；

至少一个空间光调制器SLM，位于所述OC的第二端口；所述SLM包括：

多个像素；从而每个像素能够调制光；并且所述SLM连接至所述控制器；

至少一个有源光学元件S1，位于所述LP与所述SLM之间的光路上；

四分之一波片QWP，QWP的慢轴定位于与T_LP大约成45度的位置；

和反射镜；

其中所述QWP和所述反射镜位于所述OC的第三端口；其中所述第三端口位于与所述OC的第二端口相对的位置；

至少一个有源光学元件S2，位于所述RP与在所述OC的第三端口中的所述反射镜之间的光路上；

其中所述LP使来自所述OC的第一端口的来自现实世界场景的入射光沿所述LP的透射轴T_LP以优选的线性方向偏振；其中所述RP以一角度定向，使得其将入射偏振光从第一端口中的所述LP反射到所述第二端口；

其中所述有源光学元件S1在所述SLM处形成现实世界场景的图像用于调制目的；

其中所述SLM调制来自所述第二端口的入射偏振光，并且依次以线性偏振的两种状态中的至少一种状态提供射出调制光；其中从所述SLM射出的所述调制光在所述OC的第二端口反射回去；其中来自所述第二端口的线性偏振的调制光的状态中的一种状态相对于R_RP基本上垂直地偏振，并且因此该状态从RP传输并且在所述第三端口处出射；

其中所述有源光学元件S2在位于所述OC的第四端口中的眼罩处中继出瞳；所述第四端口位于与所述第一端口相对的位置；

其中在所述OC的第三端口中的所述QWP和反射镜的合成体对光进行操作并且在所述OC的第三端口处将该光反射回去，但是这次该光平行于R_RP被线性地偏振；其中所述RP反射该光并且将该光路由到所述第四端口；其中光在所述OC的第四端口中的所述出瞳处出射，用于观察者的观看，从而允许透视图到达观察者；

其中从所述SLM出射的线性偏振的调制光的状态中的另一种状态相对于R_RP基本上平行偏振，并且因此从RP反射并且在所述第一端口处出射，从而朝向现实世界的场景离开OC；其中这种远离观察者的眼睛的光的路由给予观察者阻挡透视图的感觉。

2.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括：

微型显示器MD，用于创建数字虚拟图像内容；

第二反射偏振器RP2，具有反射偏振轴R_RP2，反射偏振轴R_RP2基本上垂直于T_LP以及R_RP；所述RP2以一角度定向，使得所述RP2将来自所述MD的入射偏振光反射到所述第四端口；

至少一个有源光学元件S3，位于所述MD和所述第二反射偏振器RP2之间，使得在所述OC的第四端口处所形成的用于MD图像的出瞳与现实世界场景的所述出瞳共同定位，因此SLM调制的现实世界场景与MD创建的数字虚拟内容叠置在眼罩中，用于观察者的观看。

3.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，所述SLM为以下中的一种：硅基液晶、微型机电系统、数字光处理或数字微型镜器件。

4.根据权利要求2所述的电子显示装置，其中，所述MD为以下中的一种：硅基液晶、微型机电系统(MEMS)、数字光处理或数字微型镜器件、微型有机发光二极管、微型发光二极管或微型机电系统共振扫描镜。

5.根据权利要求2所述的电子显示装置，其中，另一个线性偏振器包括在两个所述反射偏振器RP和RP2之间，用于清理目的，以减少自透视路径或SLM路径的任何不希望的光泄漏。

6.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括：调节在所述有源光学元件S1和所述SLM之间的光路长度的装置，使得在现实世界场景中的不同深度位置能够被聚焦并且被适当地遮挡；这种装置可以是诸如机械的或机电的移动件；或可调焦光学元件。

7.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，有源光学元件S1可以是折射的、反射的、衍射的或全息的。

8.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，所述有源光学元件S1与反射偏振器RP位于同一基板上。

9.根据权利要求2所述的电子显示装置，其中，两个反射偏振器RP和RP2彼此对角线交叉地共同定位在单一立方空间内。

10.根据权利要求9所述的电子显示装置，其中，两个反射偏振器RP和RP2中的至少一个反射偏振器具有沿着其对角线行进的切口，而另一个反射偏振器通过所述切口滑动。

11.根据权利要求10所述的电子显示装置，其中，两个反射偏振器RP和RP2中的至少一个反射偏振器沿着其对角线被切割成两个基本上平行的块。

12.根据权利要求1和2所述的电子显示装置，其中，RP和/或RP2从如下组中的至少一个选择：线栅偏振器、多层光学膜、缺口反射型偏振片、布拉格反射偏振器、体积相位光栅、全息光栅、体积多路全息光栅、角度多路全息光栅、偏振多路全息光栅、液晶光栅、聚合液晶光栅、麦克尼尔型薄膜涂层立方体。

13.根据权利要求2所述的电子显示装置，其中，所述反射偏振器RP和RP2中的至少一个是弯曲的，使得其另外具有所述有源光学元件S1，S2或S3的功能。

14.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，所述设备是透视头戴式显示器。

15.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，至少一个所述有源光学元件中是可变焦光学元件。

16.根据权利要求2所述的电子显示装置，包括用于调节所述微型显示器MD和所述有源光学元件S3之间的光路长度的装置，使得投影到眼罩中的虚拟对象看起来是在现实世界场景中距离观察者例如近或远的变化深度位置处。

17.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，设有例如机械的或机电的；或光束转向光学的旋转机构，以旋转反射偏振器RP，使得现实世界场景的不同部分能够被SLM遮挡。

18.根据权利要求17所述的电子显示装置，其中，所述旋转机构被连接到观察者的注视方向。

19.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括：至少一个可切换的偏振旋转器；所述偏振旋转器能够根据来自控制器的命令将线性偏振输入光切换成两个输出线性偏振状态中的一个状态；其中所述线性偏振状态中的一个状态绕过SLM并且基本上通过所述反射偏振器传输并在所述OC的第四端口中的眼罩处出射；其中所述线性偏振状态中的第二状态基本上平行于T_LP，使得该光被RP反射并且被路由至在所述OC的第二端口中的所述SLM。

20.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括反射偏振器和相机；其中所述反射偏振器定位于吸收性线性偏振器之前，更靠近现实世界场景，使得所述反射偏振器将来自现实世界场景的光的至少一个线性偏振朝向所述相机反射。

21.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括至少一个四分之一波片QWP，定位于在所述OC的第一端口上的吸收性线性偏振器LP之前，更靠近现实世界场景：其中所述QWP使其慢轴定位于与LP的传输轴T_LP成大约45度角，使得其随机化从现实世界场景入射在电子显示装置上的光的偏振。

22.根据权利要求1所述的电子显示装置，包括：增强型SLM和基于波导的部分透明的透视合成器；其中所述波导位于所述OC的第四端口中。

23.一种电子显示装置，包括：

控制器；

第一透镜阵列，面对现实世界；所述透镜阵列用于将光从角域转换为空间域；

至少一个空间光调制器SLM，包括像素阵列；因此每个像素可以调制光；

并且所述SLM连接至所述控制器；其中所述SLM与所述第一透镜阵列相距第一距离D1；

第二透镜阵列，位于观察者的眼睛附近；所述透镜阵列用于将光从空间域转换回角域；其中所述第二透镜阵列位于与所述SLM相距第一距离D2处；

其中所述控制器命令所述SLM以衰减来自所述SLM的选择的像素的光，使得观察者感觉在现实世界场景中相应角度位置处的对象从其视线中被阻挡或衰减其可见强度。

24.根据权利要求23所述的电子显示装置，其中，所述第一透镜阵列和第二透镜阵列与所述SLM之间的所述距离D1和D2等于在阵列中的单个小透镜的焦距。

25.根据权利要求23所述的电子显示装置，包括：用于动态地调节所述SLM和所述第一透镜阵列之间的光路距离D1的装置，使得在现实世界场景中距离观察者例如近或远的变化深度位置处的现实对象能够从观察者的视角被合适地阻挡或衰减。

26.根据权利要求24所述的电子显示装置，其中，所述用于光路径距离调节的装置为以下中的一种：机械的、电气的、压电的、电子的、光学的、电子-光学的或光学-机械的。

27.根据权利要求23所述的电子显示装置，其中，所述SLM为以下中的一种：透射液晶显示器、透射MEMS快门阵列、扭曲向列液晶、超扭曲向列液晶、垂直排列液晶、平行摩擦液晶、反平行摩擦液晶、π细胞液晶、铁电液晶、聚合物分散液晶、聚合物稳定液晶或聚合物网络液晶。

28.根据权利要求23所述的电子显示装置，包括：至少一个吸收性线性偏振器LP1，面向现实世界场景定位；其中所述LP1用于偏振从现实世界场景入射在其上的光场。

29.根据权利要求28所述的电子显示装置，包括至少一个第二吸收性线性偏振器LP2，面对眼罩定位，其中，所述LP1和LP2对的偏振透射轴彼此基本上平行或彼此基本上垂直。

30.根据权利要求29所述的电子显示装置，反射偏振器RP合并在显示器的外侧壳体上，使得所述RP的偏振反射轴垂直于用于显示器的第一线性偏振器的透射轴。

31.根据权利要求23所述的电子显示装置，包括挡板阵列，以防止光从一个小透镜泄漏进入所述SLM的相邻像素并控制方向性。

32.根据权利要求23所述的电子显示装置，其中，所述SLM具有多个不同的像素尺寸，使得各种角度尺寸的现实世界对象能够根据其在FOV内部的角度位置被遮挡或衰减。

33.根据权利要求31所述的电子显示装置，其中，所述SLM在FOV的中心具有精细的像素分辨率，并且在所述FOV的周边具有逐渐较粗的像素分辨率。

34.根据权利要求23所述的电子显示装置，包括：增强型SLM和基于波导的部分透明的透视合成器；其中所述波导位于OC的所述第四端口中。

35.一种电子显示装置，包括：

控制器；

至少两个平面波导，位于现实世界场景和观察者眼睛之间；每个所述平面波导具有一对输入-耦合和输出-耦合光栅；

至少一个空间光调制器SLM，包括像素阵列；从而每个像素可以调制光；并且所述SLM连接至所述控制器；

至少一个透镜；

至少一个反射镜；

其中，所述SLM位于所述第一平面波导的第一输出-耦合光栅和所述透镜之间；

其中光场从现实世界场景通过第一平面波导、输入-耦合和输出-耦合光栅路由到所述SLM；其中，所述透镜在所述SLM上形成现实世界场景的空间图像；因此，所述控制器命令所述SLM以衰减来自所述SLM的选择的像素的光；因此，所述调制图像光从所述反射镜反射，并且遇到所述第二平面波导、第二对输入-耦合和输出-耦合光栅并且出射在眼罩中，使得观察者感觉在现实世界场景中相应角度位置处的对象从其视线中被阻挡或衰减其可见强度。

36.根据权利要求35所述的电子显示装置，包括：至少一对线性偏振器；和四分之一波片QWP，其慢轴定位于与其中一个所述偏振器的传输偏振轴成大约45度；其中所述QWP位于在所述反射镜之前。

37.根据权利要求1所述的电子显示装置，其中，所述SLM为以下中的一种：硅基液晶、微型机电系统、数字光处理或数字微型镜器件。

38.根据权利要求35所述的电子显示装置，包括：

微型显示器MD，用于创建数字虚拟图像内容；和

第三平面波导；

其中所述第三平面波导将来自所述SLM的光合并，因此SLM调制的现实世界场景与MD创建的数字虚拟内容叠置在眼罩中，用于观察者的观看。

39.根据权利要求38所述的电子显示装置，其中，所述MD为以下中的一种：硅基液晶、微型机电系统(MEMS)、数字光处理或数字微型镜器件、微型有机发光二极管、微型发光二极管或微型机电系统共振扫描镜。

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