用于虚拟和增强现实的分离光瞳光学系统以及用于使用其显示图像的方法与流程

用于虚拟和增强现实的分离光瞳光学系统以及用于使用其显示图像的方法
1.本申请是申请日为2016年05月04日、申请号为201680025736.1、名 称为"用于虚拟和增强现实的分离光瞳光学系统以及用于使用其显示图像 的方法"的专利申请的分案申请。


背景技术：

2.现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实
”ꢀ
(统称为“混合现实”)体验的系统的发展，其中将数字再现的图像或其 部分以他们似乎是或可能被认为是真实的方式呈现给用户。虚拟现实或
ꢀ“
vr”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而不会对其他实际的真 实世界视觉输入具有透明度；增强现实或“ar”场景通常涉及将数字或虚 拟图像信息呈现为对用户周围的实际世界的可视化的增强。因此，ar场 景涉及对其他实际的真实世界视觉输入具有至少部分透明度的数字或虚拟 图像信息的呈现。人类视觉感知系统是非常复杂的，并且产生有助于其他 虚拟或真实世界图像元素中的虚拟图像元素的舒适、自然、丰富的呈现的 ar或vr技术是具有挑战性的。
3.大脑的可视化中心从双眼和其部件相对于彼此的运动获得有价值的感 知信息。双眼相对于彼此的聚散运动(即，光瞳朝向或远离彼此的旋转运 动以汇聚眼睛的视线来注视在对象上)与眼睛的晶状体的聚焦(或“调节”) 密切相关。在正常情况下，在已知为“调节
‑
聚散反射 (accommodation
‑
vergence reflex)”的关系下，改变眼睛的晶状体的焦 点或调节眼睛来聚焦在不同的距离处的对象上将会自动地导致对相同的距 离的聚散的匹配变化。同样地，在正常情况下，聚散的变化将引发调节的 匹配变化。如与大多数常规的立体ar或vr配置一样，针对这种反射的 工作已知在用户中产生眼睛疲劳、头痛或其他形式的不适。
4.立体可穿戴眼镜通常具有用于左眼和右眼的两个显示器，其被配置为 显示具有稍微不同的元素呈现的图像，使得人类视觉系统感知到三维透视 图。对于许多用户而言，这种配置已经发现是不舒服的，这是因为聚散和 调节之间的不匹配(“聚散
‑
调节冲突”)，该不匹配必须被克服以感知三 维图像。实际上，一些用户不能容忍立体配置。这些限制应用到ar和 vr系统。因此，大多数常规的ar和vr系统不是最优地适合于以对用 户舒适和最大限度地有用的方式呈现丰富的双目三维体验，部分原因在于 现有系统不能解决人类感知系统的一些基本方面，包括聚散
‑
调节冲突。
5.ar和/或vr系统还必须能够在相对于用户的各种感知位置和距离处 显示虚拟数字内容。ar和/或vr系统的设计也呈现许多其他挑战，包括 系统递送虚拟数字内容的速度、虚拟数字内容的质量、用户眼睛的放松(解 决聚散
‑
调节冲突)、系统的尺寸和便携性和其他系统和光学挑战。
6.解决这些问题(包括聚散
‑
调节冲突)的一种可能的方法是在多个深 度平面处投影图像。为了实现这种类型的系统，一种方法是使用大量的光 学元件(例如，光源、棱镜、光栅、滤光器、扫描光学器件、分束器、反 射镜、半反射镜、快门、眼睛片等)以便以足够大的数
量(例如六个)深 度平面投影图像。这种方法的问题在于，以这种方式使用大量的部件必然 需要比期望的更大的形状因数，并且限制了可以减小系统尺寸的程度。这 些系统中的大量光学元件还导致更长的光路，在该光路中，光和包含在光 中的信息可能被退化。这些设计问题导致繁琐的系统，其也是功率密集的。 这里描述的系统和方法被配置为解决这些挑战。


技术实现要素：

7.在涉及成像系统的一个实施例中，系统包括被配置为产生多个空间分 离的光束的光源。系统还包括配置为修改多个光束的注入光学系统，使得 由从注入光学系统出射的多个光束中的光束形成的各个光瞳在空间上彼此 分离。系统还包括具有内耦合(in
‑
coupling)光栅的导光光学元件，该光 内耦合光栅被配置为允许多个光束中的第一光束进入该导光光导元件中， 同时将多个光束中的第二光束从该导光光学元件排除，使得第一光束通过 导光光学元件以基本上全内反射传播。
8.在一个或多个实施例中，该多个光束中的每个光束与该多个光束中的 其他光束在至少一个光特性方面不同。该至少一个光特性可以包括颜色和/ 或偏振。
9.在一个或多个实施例中，光源包括多个子光源。多个子光源可以在空 间上彼此分离。多个子光源可以包括第一和第二组子光源，并且其中第一 组的子光源沿着成像系统的光路从第二组的子光源移位。
10.在一个或多个实施例中，光源是被配置为产生多个空间分离的光束的 单一光源。该系统还可以包括配置为将来自光源的光分割成单独的发射区 域和位置的掩模覆盖层。
11.在一个或多个实施例中，系统还包括第一空间光调制器，其被配置为 用图像数据对多个光束中的第一光束编码。该系统还可以包括第二空间光 调制器，其被配置为用图像数据对多个光束中的第二光束编码。第一和第 二空间光调制器可以被配置为交替激活。第一和第二空间光调制器可以具 有彼此空间移位的相应的图像场。第一和第二空间光调制器可以被配置为 在不同的深度平面处生成图像。
12.在一个或多个实施例中，系统还包括具有相应的多个内耦合光栅的多 个导光光学元件，该光源包括多个子光源，并且相应的多个子光源和内耦 合光栅相对于第一空间光调制器围绕光轴旋转。
13.在一个或多个实施例中，系统还包括被配置为修改由与导光光学元件 相邻的多个光束中的光束形成的光瞳形状的掩模。该系统还可以包括被配 置为修改由与导光光学元件相邻的多个光束中的光束形成的光瞳的尺寸的 光学元件。注入光学系统可以沿着成像系统的光路具有偏心横截面。内耦 合光栅可以被配置为使得多个光束中的第一光束仅与内耦合光栅相遇一 次。
14.在一个或多个实施例中，系统还包括被配置为增加光源的数值孔径的 光瞳扩展器。光瞳扩张器可以包括其上设置有棱镜图案的膜。光源和注入 光学系统可以被配置为使得由从注入光学系统出射的多个光束形成的各个 光瞳具有多个尺寸。
15.在涉及使用光学系统显示图像的方法的另一实施例中，该方法包括光 源产生第一光束。该方法还包括空间光调制器用第一图像数据对第一光束 编码。该方法还包括：注入光学系统修改第一光束，使得第一光束寻址第 一导光光学元件上的第一内耦合光栅，从
而进入第一导光光学元件，但不 进入第二导光光学元件。此外，该方法包括光源产生第二光束。此外，该 方法包括空间光调制器用第二图像数据对第二光束编码。该方法还包括注 入光学系统聚焦第二光束，使得第二光束寻址第二导光光学元件上的第二 内耦合光栅，从而进入第二导光光学元件，但不进入第一导光光学元件。
16.在一个或多个实施例中，由从注入光学系统出射的第一和第二光束形 成的第一和第二光瞳在空间上彼此分离。由从注入光学系统出射的第一和 第二光束形成的第一和第二光瞳也可以具有不同的尺寸。
17.在一个或多个实施例中，该方法还包括光源产生第三光束。该方法还 包括空间光调制器用第三图像数据对第三光束编码。此外，该方法包括注 入光学系统聚焦第三光束，使得第三光束寻址在第三导光光学元件上的第 三内耦合光栅，从而进入第三导光光学元件，但不进入第一或第二导光光 学元件。从注入光学系统出射的第三光束可以形成第三光瞳。第一、第二 和第三光瞳可以在空间上彼此分开。第一、第二和第三光瞳可以在与注入 光学系统的光路正交的平面中形成三角形的顶点。第一光束可以包括蓝光， 并且第一光瞳小于第二和第三光瞳。第一光束可以包括绿光，并且第一光 瞳大于第二和第三光瞳。
18.在一个或多个实施例中，该方法包括修改第一和第二光束以缩小第一 和第二光瞳的相应形状。
19.在一个或多个实施例中，光源包括被配置为产生第一和第二光束的第 一和第二空间分离的子光源。该方法可以包括通过停用第二子光源同时保 持第一子光源处于激活状态来改变图像颜色和/或图像深度。
20.在一个或多个实施例中，第一光束包括红光和蓝光，第二光束包括绿 光。
附图说明
21.附图示出了本发明的各种实施例的设计和实用性。应当注意，附图未 按比例绘制，并且在所有附图中，相似结构或功能的元件由相似的参考标 号表示。为了更好地了解如何获得本发明的各种实施例的上述和其它优点 和目的，将通过参考在附图中示出的其具体实施例对以上简要描述的本发 明进行更详细的描述。理解这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，并且 因此不应被认为是限制其范围，将通过使用附图以附加的特征和细节来描 述和解释本发明，其中：
22.图1至3是各种增强现实系统的详细示意图；
23.图4是描绘根据又一实施例的增强现实系统的焦平面的图；
24.图5是描绘根据一个实施例的增强现实系统的框图；
25.图6和14是根据两个实施例的增强现实系统的各种部件的详细示意 图；
26.图7a
‑
7c，8a
‑
8c和15a描绘了由根据各种实施例的增强现实系统产 生的子光瞳和超光瞳(super
‑
pupil)的配置；
27.图9至图13是根据各种实施例的增强现实系统的各种部件的示意图；
28.图15b描绘了在根据一个实施例的增强现实系统的导光光学元件处形 成的子光瞳；
29.图16是根据又一实施例的增强现实系统的各种部件的分解图；
30.图17a和17b描绘了根据一个实施例的增强现实系统的窄注入光学系 统，以及由
此形成的所得到的子光瞳和超光瞳；
31.图18a
‑
18c和19描绘了由根据各种实施例的增强现实系统产生的子 光瞳和超光瞳的形状和配置；
32.图20a和20b描绘了由根据各种实施例的增强现实系统产生的子光瞳 和超光瞳的形状和配置；
33.图20c和20d描绘了根据两个实施例的增强现实系统的导光光学元 件，其中导光光学元件被配置为与分别对应于图20a和20b中描绘的子光 瞳和超光瞳的光束一起使用；
34.图21描绘了根据一个实施例的增强现实系统的导光光学元件，其中导 光光学元件被配置为与特定波长的光一起使用；
35.图22a和22b是根据两个实施例的增强现实系统的部件的分解图；
36.图22c和22d描绘了分别由图22a和22b所示的增强现实系统产生 的子光瞳和超光瞳的配置；
37.图23和24是根据两个实施例的增强现实系统的部件的示意图，其中 系统具有两个slm；
38.图25是根据另一实施例的增强现实系统的各种部件的示意图；
39.图26至28和30是描绘根据各种实施例的增强现实系统的部件的图；
40.图29是由图28所示的增强现实系统形成的分离的子光瞳的详细示意 图；
41.图31和32是根据两个实施例的简单增强现实系统的分解图；
42.图33是根据又一实施例的增强现实系统的光源和光瞳扩展器的示意 图；
43.图34a和35a描绘了由根据两个实施例的增强现实系统产生的子光瞳 和超光瞳的配置；
44.图34b和35b描绘了由根据两个实施例的增强现实系统产生的显示像 素。
具体实施方式
45.本发明的各种实施例涉及在单个实施例中或在多个实施例中用于实现 光学系统的系统、方法和制品。在详细描述、附图和权利要求中描述了本 发明的其它目的、特征和优点。
46.现在将参考附图详细描述各种实施例，其被提供为本发明的说明性示 例，以使本领域技术人员能够实践本发明。值得注意的是，下面的附图和 示例并不意味着限制本发明的范围。当本发明的某些元件可以使用已知的 组件(或方法或工艺)部分或完全实现时，将仅描述对理解本发明所必需 的这些已知组件(或方法或工艺)的那些部分，将省略对这些已知部件(或 方法或过程)的其它部分的详细描述，以免模糊本发明。此外，各种实施 例包括这里以说明性方式而提及的部件的现在和将来已知的等同物。
47.光学系统可以独立于ar系统来实现，但是为了说明的目的，关于ar 系统描述了下面的许多实施例。
48.问题和解决方案总结
49.用于在各种深度处产生虚拟图像的一种类型的光学系统包括许多光学 部件(例如，光源、棱镜、光栅、滤光器、扫描光学器件、分束器、反射 镜、半反射镜、快门、眼睛片，等)，随着3d体验/场景的质量(例如， 成像平面的数量)和图像的质量(例如，图像颜色的数
量)增加，这些光 学部件在数量上增加，因此增加了ar和vr系统的复杂性、尺寸和成本。 随着3
‑
d场景/图像质量的增加，光学系统的尺寸越来越大，这对ar和 vr系统的最小尺寸造成了限制，导致具有降低的效率的繁琐的系统。
50.下面的公开描述了用于使用多平面聚焦光学元件的来创建3d感知的 系统和方法的各种实施例，其通过提供具有较少部件和增加的效率的光学 系统来解决该问题。特别地，本文描述的系统利用具有空间分离的子光源 的光源和注入光学系统来产生对应于各个子光源的空间分离的光束。在这 些空间分离的光束离开注入光学系统之后，它们向下聚焦到邻近导光光学 元件(“loe”；例如，平面波导)的空间分离的子光瞳(对应于各个子 光源)。子光瞳可以在x、y和z方向上彼此空间分离。子光瞳的空间分 离允许用于不同loe的入耦合光栅的空间分离，使得每个子光瞳寻址不 同loe的入耦合光栅。因此，可以通过激活和去激活子光源来选择性地 照射loe。该光学系统设计利用分离的子光瞳的优点来减少光源和loe 之间的光学元件的数量，从而简化和减小ar和vr系统的尺寸。
51.说明性光学系统
52.在描述分离的光瞳发明的实施例的细节之前，本公开现在将提供说明 性光学系统的简要描述。虽然实施例可以与任何光学系统一起使用，但是 描述了具体系统(例如，ar系统)以说明下面的实施例的技术。
53.实现ar系统的一种可能的方法使用嵌入有深度平面信息的多个体积 相位全息图、表面浮雕全息图或导光光学元件来产生看起来源于相应深度 平面的图像。换句话说，衍射图案或衍射光学元件(“doe”)可以嵌入 在loe中或压印在loe上，使得当准直光(具有基本平坦的波前的光束) 沿着loe基本上完全内反射时，它在多个位置处与衍射图案相交并且至 少部分地朝向用户的眼睛出射。doe被配置为使得从loe出射的光被 流出(verged)，使得它们看起来源于特定的深度平面。可以使用光学聚 光透镜(“聚光器”)产生准直光。
54.例如，第一loe可以被配置为将看起来源自光学无限远深度平面(0 屈光度)的准直光递送到眼睛。另一loe可能被配置为递送看起来源自2 米的距离(1/2屈光度)的准直光。又一个loe可以被配置为递送看起来 源自1米的距离(1屈光度)的准直光。通过使用堆叠的loe组件，可以 理解，可以创建多个深度平面，其中每个loe被配置为显示看起来源自 特定深度平面的图像。应当理解，该堆叠可以包括任何数量的loe。然而， 至少需要n个堆叠的loe才能生成n个深度平面。此外，可以使用n、 2n或3n个堆叠的loe来在n个深度平面上生成rgb彩色图像。
55.为了向用户呈现3
‑
d虚拟内容，ar系统将虚拟内容的图像投射到用 户的眼睛中，使得它们看起来源自z方向上(即，正交地远离用户的眼睛) 的各种深度平面。换句话说，虚拟内容可能不仅在x和y方向上变化(即， 在与用户眼睛的中心视轴正交的2d平面中)，而且也可能看起来在z方 向上变化，使得用户可以感知对象非常接近或处于无限距离或其间的任何 距离。在其他实施例中，用户可以同时感知在不同的深度平面处的多个对 象。例如，用户可能会看到虚拟的龙从无穷远出现并向用户奔跑。替代地， 用户可以同时看到与用户3米的距离处的虚拟鸟和距用户臂长(约1米) 的虚拟咖啡杯。
56.多平面聚焦系统通过将图像透射在位于在z方向上距用户的眼睛的相 应固定距离处的多个深度平面的一些或全部上来产生可变深度的感知。现 在参考图4，应当理解，多
平面聚焦系统通常在固定深度平面202(例如， 图4所示的六个深度平面202)处显示帧。虽然ar系统可以包括任何数 量的深度平面202，但是一个示例性的多平面聚焦系统在z方向上具有六 个固定的深度平面202。在六个深度平面202中的一个或多个处生成虚拟 内容中，创建3
‑
d感知使得用户感知到在距用户眼睛不同距离处的一个或 多个虚拟对象。如图4所示，假设人眼对在距离上比看起来远的对象更近 的对象更敏感，更深的平面202生成得更接近眼睛。在其他实施例中，深 度平面202可以以彼此相等的距离放置。
57.深度平面位置202通常以屈光度测量，屈光度是光学功率的单位，其 等于以米测量的焦距的倒数。例如，在一个实施例中，深度平面1可以是 1/3屈光度远，深度平面2可以是0.3屈光度远，深度平面3可以是0.2屈 光度远，深度平面4可以是0.15屈光度远，深度平面5可以是0.1屈光度 远，深度平面6可表示无穷远(即0屈光度远)。应当理解，其他实施例 可以在其他距离/屈光度处生成深度平面202。因此，在以策略性放置的深 度平面202处生成虚拟内容时，用户能够以三维感知虚拟对象。例如，当 在深度平面1上显示时，用户可以将第一虚拟对象感知为正在靠近他，而 另一虚拟对象在深度平面6处出现在无限远处。替代地，虚拟对象可以首 先在深度平面6处显示，然后深度平面5，等等，直到虚拟对象看起来非 常接近用户。应当理解，为了说明的目的，上述示例被显着简化。在另一 实施例中，所有六个深度平面可以集中在距用户的特定焦距上。例如，如 果要显示的虚拟内容是距离用户半米的咖啡杯，则可以在咖啡杯的各个横 截面处生成所有六个深度平面，为用户提供咖啡杯的高度粒化的3
‑
d视图。
58.在一个实施例中，ar系统可以作为多平面聚焦系统而工作。换句话 说，所有六个loe可以同时被照射，使得随着光源将图像信息快速传送 到loe 1、然后loe 2、然后loe 3等，看起来源自六个固定深度平面 的图像以快速连续的方式产生。例如，可以在时间1处注入包括在无限远 的天空的图像的期望图像的一部分，并且可以利用保持光准直的loe 1090 (例如，图4中的深度平面6)。然后可以在时间2处注入更靠近的树枝 的图像，并且可以利用被配置为产生看起来源自10米远的深度平面(例如， 图4的深度平面5)的图像的loe 1090；然后可以在时间3处注入笔的图 像，并且可以使用被配置为产生看起来源自1米远的深度平面的图像的 loe 1090。这种类型的范例可以以快速时间顺序(例如，以360hz)的方 式重复，使得用户的眼睛和大脑(例如，视觉皮层)感知到输入是相同图 像的全部部分。
59.ar系统需要投射看起来源自沿着z轴的各个位置(即，深度平面) 的图像(即，通过发散或会聚光束)，以生成用于3d体验的图像。如本 申请中所使用的，光束包括但不限于从光源辐射的光能(包括可见光能和 不可见光能)的定向投影。生成看起来源自各种深度平面的图像符合或同 步用户眼睛对于该图像的聚散和调节，并减少或消除聚散
‑
调节冲突。
60.图1描绘了用于在单个深度平面处投射图像的基本光学系统100。系 统100包括光源120和具有衍射光学元件(未示出)和与其相关联的内耦 合光栅192(“icg”)的loe 190。衍射光学元件可以是任何类型的， 包括体积或表面浮雕。在一个实施例中，icg 192可以是loe 190的反射 模式镀铝部分。在另一实施例中，icg 192可以是loe 190的透射衍射部 分。当系统100在使用中时，来自光源120的“虚拟”光束经由icg 192 进入loe 190，并通过基本上全内反射(“tir”)沿着loe 190传播， 以便显示给用户的眼睛。光束是“虚拟”的，因为它按照系统100的指示 编码不存在的“虚拟”对象或其一部分的图像。应当理解，尽管图1中仅 示出了一个光束，但是编码图像的大量光束可以通过相同的icg 192从宽 范围的角
度进入loe 190。“进入”或被“允许”到loe中的光束包括 但不限于与loe相互作用以便沿着loe通过基本上tir传播。图1所示 的系统100可以包括各种光源120(例如，led、oled、激光器和被掩 模的广域/宽带发射器)。在其他实施例中，来自光源120的光也可以经由 光纤电缆(未示出)递送到loe 190。
61.图2描绘了另一光学系统100'，其包括光源120和相应的多个(例如， 三个)loe 190和内耦合光栅192。光学系统100'还包括三个分束器或分 色镜162(以将光引导到相应的loe)和三个快门164(以便控制loe何 时被光源120照射)。快门164可以是任何合适的光学快门，包括但不限 于液晶快门。
62.当系统100'在使用时，来自光源120的虚拟光束被三个分束器162分 成三个虚拟光子束/小束(beamlet)。三个分束器162还将子束朝向相应 的内耦合光栅192重定向。在子束通过相应的内耦合光栅192进入loe 190 之后，它们通过基本上tir沿着loe 190传播，其中它们与附加的光学 结构相互作用，导致向用户的眼睛的显示(例如，由子束编码的虚拟对象)。 在光路的远侧上的内耦合光栅192的表面可以涂覆有不透明材料(例如 铝)，以防止光通过内耦合光栅192到下一个loe 190。在一个实施例中， 分束器162可以与波长滤光器组合以生成红色、绿色和蓝色子束。在这样 的实施例中，需要三个loe 190来在单个深度平面处显示彩色图像。在另 一实施例中，loe 190可以各自呈现在用户的视场内横向成角度地偏移的 较大的单个深度平面图像区域的一部分，或者相似颜色或者不同颜色(形 成“平铺视场”)。虽然所有三个虚拟光小束都被描绘为穿过相应的快门 164，但是通常只有一个小束在任何一个时间被选择性地允许通过相应的快 门164。以这种方式，系统100'可以将由光束和子束编码的图像信息与loe 190协调，通过该loe 190将子束和在其中编码的图像信息递送到用户的 眼睛。
63.图3描绘了具有相应多个(例如，六个)分束器162、快门164、icg 192和loe 190的又一光学系统100”。如上文在图2的讨论期间所解释的， 需要三个单色loe 190以在单个深度平面处显示彩色图像。因此，该系统 100”的六个loe 190能够在两个深度平面处显示彩色图像。
64.光学系统100”中的分束器162具有不同的尺寸。光学系统100”中的快 门164具有对应于各个分束器162的尺寸的不同尺寸。光学系统100”中 的icg 192具有对应于各个分束器162的尺寸的不同尺寸以及分束器162 和它们各自的icg192之间的束路径的长度。在一些情况下，分束器162 和它们各自的icg 192之间的束路径距离越长，光束越发散，并且需要更 大的icg 192来内耦合光。
65.如图1
‑
3所示，随着深度平面、场贴片和/或生成的颜色的数量增加(例 如，随着ar场景质量的增加)，loe 190的数量和其他光学系统部件的 数量增加。例如，单个rgb彩色深度平面需要至少三个单色loe 190。 结果，光学系统的复杂性和尺寸也增加。清晰流的要求(即，没有光束交 叉污染或“串扰”)导致光学系统的复杂性和尺寸随着越来越多的loe 以大于线性的方式增加。除了光分束器162和lc快门164之外，更复杂 的光学系统可以包括其他光源、棱镜、光栅、滤光器、扫描光学器件、反 射镜、半反射镜、眼睛片等。由于光学元件的数量增加，光学器件的所需 工作距离也增加。随着工作距离的增加，光强和其他光学特性降低。此外， 由工作距离对视场的几何约束对光学系统100中的光学元件的数量施加实 际限制。
1090.。注入光学系统1060被配置为使得光瞳彼此空间移位。在一些 实施例中，注入光学系统1060被配置为仅在x和y方向上空间地移位光 束。在这样的实施例中，光瞳形成在一个x、y平面中。在其他实施例中， 注入光学系统1060被配置为在x，y和z方向上空间地移位光束。
73.光束的空间分离形成不同的光束和光瞳，其允许将内耦合光栅放置在 不同的束路径中，使得每个内耦合光栅主要仅由一个不同的光束(或一组 光束)寻址(例如，相交或入射)。这又有利于空间分离的光束进入loe 组件1090的相应loe 1090，同时最小化来自多个子光源中的其它子光源 1022的其他光束的进入(即，串扰)。来自特定子光源1022的光束通过 其上的内耦合光栅(图5中未示出，参见图1
‑
3)进入相应的loe 1090。 相应loe 1090的内耦合光栅被配置为与来自多个子光源1022的空间分离 的光束相互作用，使得每个空间分离的光束仅与一个loe 1090的内耦合 光栅相交。因此，每个空间分离的光束主要进入一个loe 1090。因此， 由slm 1040在来自每个子光源1022的光束上编码的图像数据可以沿单个 loe 1090有效地传播，用于递送给用户的眼睛。
74.然后，将每个loe 1090被配置为将看起来源自所期望的深度平面或 fov角位置的图像或子图像投射到用户的视网膜上。因此，相应的多个 loe 1090和子光源1022可以选择性地投射看起来源自空间中各种深度平 面或位置的图像(由slm 1040在控制器1030的控制下的进行同步编码)。 通过以足够高的帧速率(例如，以60hz的有效全容积帧率对于六个深度 平面的360hz)，使用相应的多个loe 1090和子光源1022中的每一个依 次投射图像，系统1000可以生成在各种深度平面处的虚拟对象的三维图 像，虚拟对象开起来同时存在于三维图像中。
75.控制器1030与图像生成处理器1010、光源1020(子光源1022)和 slm 1040通信并且可操作地耦合以通过指示slm 1040用来自图像生成 处理器1010的合适的图像信息对来自子光源1022的光束编码来协调图像 的同步显示。
76.ar系统还包括可选的眼睛跟踪子系统1050，其被配置为跟踪用户的 眼睛并确定用户的焦点。在一个实施例中，如下面将讨论的，基于来自眼 睛跟踪子系统的输入，可以仅激活子光源1022的子集以照射loe 1090的 子集。基于来自眼睛跟踪子系统1050的输入，可以激活对应于特定loe 1090的一个或多个子光源1022，使得图像在与用户的焦点/调节一致的期 望深度平面处产生。例如，如果用户的眼睛彼此平行，则ar系统1000 可激活对应于被配置为将准直光递送到用户的眼睛的loe 1090(例如， 图4中的loe 6)的子光源1022，使得图像看起来源于光学无限远。在另 一示例中，如果眼睛跟踪子系统1050确定用户的焦点在1米远处，则可以 替代地激活对应于被配置为大致在该范围内聚焦的loe 1090的子光源 1022。应当理解，在该特定实施例中，在任何给定时间仅激活一组子光源 1022，而其他子光源1020被去激活以节省功率。
77.图6所示的ar系统2000被配置为产生在x、y和z方向上空间分 离的子光瞳302。该系统2000中的光源2020包括在x、y和z(即沿着 光路)方向彼此偏移的两组子光源2022a、2022b。系统2000还包括聚光 器2070、可选的偏振器2072、分束器2026、slm 2024、注入光学系统2060 和loe 2090的堆叠。在使用中，来自子光源2022a、2022b的多个光束按 照列出的顺序通过以上列出的系统部件。子光源2022a、2022b在x、y和 z方向上的移位产生具有在x、y和z方向上移位的焦点的光束，从而增 加空间分离的子光瞳302和loe 2090的数量，其可在系统2000中被照射。
78.图7a至7c和8a至8c描绘了由类似于图6所示的各种ar系统2000 生成的超光瞳300内的子光瞳302的各种空间布置。尽管子光瞳302被描 绘为在x、y平面内空间分离，但是子光瞳302也可以在z方向上空间分 离。由具有相同颜色的光束形成的子光瞳302可以最大限度地在空间上分 离(如图8a至8c所示)，以减少被配置为传播相同颜色的光的loe 2090 之间的串扰。此外，在像图6中描绘的那样的系统2000中，其形成在z 方向上彼此分离的子光瞳302，可以通过切换子光源2022a、2022b来切换 颜色和/或深度平面和/或视场立体角段，而不需要快门。
79.图9至图11描绘了ar系统2000，其中光源2020(例如，具有空间 移位的红色、绿色和蓝色子光源(例如，led)的成角度移位rgb平板) 被成角度地位移(相对于光路)，以产生与相应的loe 2090相邻的空间 移位的彩色子光瞳。除了x和y方向之外，成角度地移位光源2020改变 红色、绿色和蓝色子光源在z方向上的相对位置。在图9中，使用数字光 处理(“dlp”)slm 2024对来自光源2020的空间移位的光束进行图像 数据的编码。从dlp slm 2024反射的光束进入注入光学2060，其进一步 在空间上分离光束，从而形成对应于每个光束的空间分离的子光瞳。空间 分离和准直的光束通过相应的内耦合光栅(未示出)进入相应的loe 2090， 并且如上所述在loe 2090中传播。在一个实施例中，图9中描绘的三个 光束可以是不同波长的光(例如，红色、绿色和蓝色)。通过修改ar系 统2000的各种部件的配置，子光瞳的空间分离可以不同于子光源的空间分 离。
80.除了来自光源2020的光束聚焦在作为mems反射镜slm 2024的 slm 2024的表面上之外，图10所示的系统2000类似于图9所示的系统 2000。图10中的注入光学系统2060被配置为进一步空间分离从mems 反射镜slm 2024反射的光，以生成对应于每个光束的空间分离的子光瞳。
81.除了光源2020是作为组合的rgb图像源的光纤扫描显示器(“fsd”) 之外，图11所示的系统2000类似于图9所示的系统2000。slm 2024 是体积相位或闪耀的全息光学元件，它们将来自fsd 2020的rgb光束 重新引导并空间分离成空间分离的子束，该子束包括不同颜色的光和/或被 配置用于不同深度平面的光。在一个实施例中，三个子束分别包括红色、 绿色和蓝色光。图11中的注入光学系统2060的功能类似于图9中的系统 2060，以产生对应于每个子束的空间分离的子光瞳。
82.除了将分束器2026添加到光路中之外，图12所示的系统2000类似于 图9所示的系统。来自光源2020的空间移位的光束反射离开分束器2026 并到slm 2024上，在本实施例中，slm 2024是lcos或flcos。空间 位移的光束反射离开slm 2024，通过分束器2026，并且进入注入光学系 统2060。图12中的注入光学系统2060的功能类似于图9中的系统2060， 以产生对应于每个束的空间分离的子光瞳。
83.图13描绘了与图12所示的ar系统非常类似的ar系统2000。在图 10所示的系统2000中，将来自图12所示的系统2000的分束器2026替换 为偏振分束器2028，其可以包括反射线栅偏振器或偏振敏感的二色性涂 层。ar系统2000还包括设置在光源2020和线栅偏振器2028之间的聚光 器2070。来自光源2020的光束通过聚光器2070和偏振分束器2028并且 到lcos slm 2024上。光束反射离开slm 2024和分束器2026并到注入 光学系统2060中。图13中的注入光学系统2060的功能与图12中的系统 2060类似，产生对应于每个光束的空间分离的子光瞳。图13示出了子光 瞳可以相对于光路在x、y和z方向上空间分离。图13描绘了
形成注入 光学系统2060的三个透镜，然而注入光学系统2060的其它实施例可以包 括更少或更多个透镜。例如，图14描绘了ar系统2000，该ar系统2000 包括具有中继透镜2080的注入光学系统2060，以将发散的光束集合转换 成会聚的光束集合，并且外部光瞳在不同的loe 2090上重合并由不同的 loe 2090传播。
84.图15a描绘了由根据一个实施例的ar系统2000生成的超光瞳300 内的在x、y平面中的子光瞳302的空间布置。图15b示描绘了系统2000 的六个loe 2090的堆叠和形成图15a中描绘的子光瞳302的光束与loe 2090中的每一个相交的相应区域306。由于相应的loe 2090与图15a所 示的光瞳302的变化的z距离以及其他光学特性，区域306具有不同的尺 寸。如图15b所示，形成各种子光瞳302的光束可以通过形成与相应光束 所寻址的相应loe2090上的区域306相邻的内耦合光栅来选择性地耦合 到相应的loe2090中。
85.图16描绘了ar系统2000的另一实施例，其被配置为产生在类似于 图15a所示的图案的超光瞳300内的x、y平面中的子光瞳302的空间布 置。系统2000包括具有在空间上彼此分离的多个子光源的光源2020。系 统2000还包括聚光器2070、偏振分束器2026、lcos slm 2024、注入光 学系统2060和loe 2090的堆叠。堆叠的每个loe 2090具有内耦合光栅 2092，如上所述，内耦合光栅2092与由不同光束交叉的区域306共处。因 此，每个光束沿单个loe 2090传播到用户的眼睛。
86.所公开的ar系统2000利用空间分离的子光源2022和注入光学系统 2060以使得不同的光束和子光瞳302能够寻址被配置为允许光进入不同的 loe 2090的内耦合光栅。因此，系统2000使得多个子光源2022能够寻 址相应的loe 2090，同时最小化其间的光学部件的数量。这既减少系统 尺寸又提高系统效率。
87.其他实施例和特征
88.可以选择ar系统2000中的光学部件的几何形状，以保持子光瞳302 的空间分离，同时减小系统的尺寸。例如，在图17a中，注入光学系统2060 的截面形状是圆角矩形(即具有圆角和圆形短边的矩形)。如图17a和17b 所示，如果寻址slm 2024的光束在空间上彼此分离，则本实施例中的注 入光学系统2060将形成类似的空间分离的子光瞳302。
89.图18a至18c描绘了由各种ar系统2000产生的各个超光瞳300内 的在x、y平面中的子光瞳302的各种空间布置和形状。除了控制子光瞳 302的空间布置外，ar系统2000还被配置为控制子光瞳的形状。各种子/ 超光瞳形状包括方形/椭圆形(图18a)、饼状/圆形(图18b)和同心圆/ 圆形(图18c)。在一个实施例中，通过在子光源2022处或其附近进行掩 蔽/滤波来形成光瞳形状。在另一实施例中，使用衍射光学器件形成光瞳形 状。在又一个实施例(例如，图18c)中，光瞳形状由子光源2022的z 轴移位形成。
90.图19描绘了由ar系统2000生成的超光瞳300内的在x，y平面中 的子光瞳302的另一空间布置。除了空间移位之外，图19中的子光瞳302、302s也具有两个或更多的尺寸。在一个实施例中，较小子光瞳302s由包 括蓝光的光束形成，并且较大的子瞳302由包括红光和绿光的光束形成。 形成图19所示的子光瞳图案的ar系统2000可以利用人眼的降低的聚焦 蓝光的能力(例如，相对于红光和绿光)以及增加的聚焦绿光的能力(例 如相对于红光和蓝光)的优点来在给定尺寸的超光瞳300内(例如，通过 显示具有减小的尺寸的蓝色子光瞳302s)呈现更多的光瞳，并且因此呈现 更多的视觉信息。
91.调制子光瞳302、302s的尺寸(例如，直径)(例如，基于与光源相 关联的尺寸和/或
光学器件)有助于更有效的光学系统设计。与较小的子光 瞳(例如，302s)相比，更大的子光瞳(例如，302)可以在光学系统中提 供增加的图像分辨率。因此，设计具有多个子光瞳尺寸的光学系统能够基 于被寻址的颜色和/或深度平面来选择聚焦深度。光学系统2000可以包括 较小的蓝色光源和较大的红色和绿色光源，以实现较小的蓝色子光瞳 302s。这种设计利用人眼无法像聚焦红光和绿光一样来很好地聚焦蓝光的 优点。因此，蓝光分辨率可以低于红光和绿光的分辨率。该设计允许在光 学系统2000的超光瞳300内改进的子光瞳302、302s的混合，并且还可以 允许并入更多的子光瞳302、302s(并且因此更多的深度平面通道)，而 基本上没有增加光学系统2000的尺寸。
92.图20a和20b描绘了由相应的ar系统2000产生的相应超级光瞳300 内的在x、y平面中的两组子光瞳302。尽管图20a和20b中的相应子光 瞳302大致相等，20a(圆形)和20b(矩形)中的子光瞳302的形状不 同。形成图20b所示的子光瞳图案的ar系统2000可以利用人眼的焦点 优先地由一个维度(例如，矩形子光瞳300的长轴)到另一个维度(例如， 矩形子光瞳300的短轴)驱动，以使能相对于用户焦点的更有效的子光瞳 堆叠。
93.图20b中的子光瞳302的形状也可以减小内耦合光栅2092的尺寸(比 较图20d与图20c)。这反过来又减少了光束与内耦合光栅2092的相遇 的次数，这减少了来自loe 2090的光的不期望的外耦合(通过与内耦合 光栅2092的第二次相遇)，从而增加了沿loe 2090传播的光束的强度。
94.图21描绘了ar系统2000，其中两个光束被配置为提供沿着三个loe 2090传播的光。系统2000包括子光源(未示出)和slm(未示出)，其 生成在空间上彼此分离的第一和第二光束304a、304b。第一光束304a包 括红光和蓝光，形成品红色光束。第二光束304b包括绿光。第一光束304a 与形成在第一和第二loe 2090a、2090b上的内耦合光栅2092对准(例如， 通过注入光学系统(未示出))，第一和第二loe 2090a，2090b被调谐 以分别传播蓝光和红光。由于第一loe 2090a的特性，进入第一loe 2090a的任何红光将不会在其中传播。黄色滤光器2094被放置在形成在第 一和第二loe 2090a、2090b上的内耦合光栅2092之间，以吸收穿过第一 loe 2090a的任何蓝光。因此，仅来自第一光束304a的红光进入第二loe 2090b并在其中传播。
95.与先前描述的ar系统一样，第二光束304b穿过第一和第二loe 2090a、2090b并(通过内耦合光栅2092)进入被调谐以传播绿光的第三 loe 2090c。图21中描绘的ar系统2000利用了在单个光束中组合红光 和蓝光以减少光束(和子光源)的数量的能力，以为不同主颜色的loe 提供光，从而减少ar系统2000的大小。
96.图22a和22b描绘具有不同几何形状的注入光学系统2060a、2060b 的两个替代的ar系统2000。结果，ar系统2000产生不同的子光瞳302 /超光瞳300图案(见图22c和22d)。图22a和22b所示的ar系统2000 还具有不同几何形状和光学特性的分束器2026a、2026b，以符合相应注入 光学系统2060a、2060b的形状。如从图22c和22d中的子光瞳302/超光 瞳300图案可以看出，图22b所示的ar系统2000生成的子光瞳302数 量是图22a所示的ar系统2000的两倍。如图22a和22b所示，类似的 尺寸节省扩展到注入光学系统2060a、2060b和分束器2026a、2026b。
97.在一个实施例中，图22d所示的图案中的六个子光瞳302包括品红光、 类似于图21所示的系统2000。使用类似于图21所示的那些品红光和loe 2090结构，图22b所示的ar系统
2000可以为数量是图22a所示的ar 系统2000的三倍的loe 2090提供光。例如，图22a所示的ar系统2000 产生六个子光瞳302，以为六个loe 2090(例如，每个具有三种颜色的两 个深度层)提供光。另一方面，图22b所示的ar系统2000生成12个子 光瞳302，以为18个loe 2090(例如，每个具有三种颜色的六个深度层) 提供光。loe 2090的数量的该三倍的增加是通过超光瞳300尺寸、注入 光学系统2060尺寸和分束器2026尺寸小于两倍的增加而实现的。
98.图23描绘了ar系统2000的又一个实施例。与图13所示的ar系统 2000类似，该ar系统2000包括具有两组子光源2022a、2022b的光源2020、 聚光器2070、可选的偏振器2072、分束器2026、第一slm 2024a、注入 光学系统2060和loe 2090的堆叠。除了这些光学元件之外，系统2000 还包括可选的半波片2074(在聚光器2070和可选的偏振器2072之间)、 第二slm 2024b(在分束器2026和注入光学系统2060之间)和去偏振器 2076(在第一和第二slm 2024a、2024b和注入光学系统2060之间)。
99.在使用中，来自子光源2022a、2022b的多个光束以所列出的顺序通 过或反射离开以上列出的系统部件，如由三个添加的部件所修改的。与图 13所示的ar系统2000一样，子光源2022a、2022b在z方向上的移位产 生具有在z方向上移位的焦点的光束，从而增加空间分离的子光瞳302以 及可以在系统2000中被照射的loe 2090的数量。在一些实施例中，第一 和第二slm 2024a、2024b可以具有叠加的图像场，并且可以交替地激活 以减少系统等待时间并增加帧率(例如，使用两个30hz的slm 2024a、 2024b以以60hz投射图像)。在替代实施例中，第一和第二slm 2024a、 2024b可以具有移位半个像素的图像场并且被同时激活以增加系统分辨 率。在这些实施例中，第一和第二slm 2024a、2024b可以被配置为通过 时间复用来增加深度平面的数量。在另一实施例中，第一和第二slm 2024a、2024b可以同时产生图像场，使得可以在观察者视场内同时显示两 个深度平面。
100.图24描绘了与图23所示的ar系统非常相似的ar系统2000。在图 24所示的系统2000中，将来自图23所示的系统2000的分束器2026替换 为线栅偏振器2028，消除了对图23中可选的偏振器2072的需要。图24 中的系统2000以与图23中的系统2000非常相似的方式起作用，以容纳以 上描述的两个slm 2024a、2024b。图24描绘了形成注入光学系统2060 的三个透镜，然而注入光学系统2060的其它实施例可以包括更少或更多个 透镜。
101.图25描绘了ar系统2000的又一个实施例。系统2000包括两组光源 2020、slm 2024、照射成形光学器件(分束器2026、偏振器2072等)、 注入光学器件2060，其被配置为将光(和图像数据)协同地引导到loe 2090的堆叠。独立的光学元件组产生彼此空间分离的独立的子光瞳组，从 而有效地加倍了可以由系统200照射的loe 2090的数量，同时最小化系 统2000的尺寸。*
102.图26示意性地描绘了被配置为生成空间分离的子光瞳302的简单ar 系统2000。系统2000包括光源2020。聚光器2070、透射式slm 2024、 注入光学系统2060和loe 2090。光源2020可以包括具有400μm直径并 且彼此间隔开(从边缘到边缘)400μm的三个子光源2022a、2022b、2022c (例如，led)。聚光器2070和注入光学系统2060可以各自具有6.68mm 的有效焦距。透射式slm 2024可以是具有1080x 1080x 4.2um和 3.2074mmseim
‑
d的规格的lcos。使用这样的部件，系统2000可以产生 对应于三个子光源2022a、2022b、2020c并且每个具有400μm直径并且 在loe 2090处彼此间隔开400μm的三个子光瞳302a、302b、302c。
103.图27描绘了被配置为产生子光瞳302的ar系统2000的另一实施例。 系统2000包括
子光源(未示出)、分束器2026、半波片2074、注入光学 系统2060和多个loe 2090。光源2020可以包括多个子光源(例如，led)。 分束器2026可以是10mm偏振分束器(pbs)棱镜。注入光学系统2060 可以包括三个透镜。使用这样的部件，系统2000可以产生设置在六个loe 2090堆叠中的第二loe 2090的后面并对应于子光源的子光瞳302。
104.图28是图27所示的ar系统2000的另一描绘。两个系统中的光学元 件是相同的，然而，图28所示的系统2000中的光学元件被示出为具有射 线组，该射线组产生设置在六个loe 2090堆叠中的第二loe 2090的后 面的三个子光瞳302。图28示出了全超级光瞳的射线组。图29详细示出 了图28的三个子光瞳302。
105.图30描绘了与图10所示的ar系统非常相似的ar系统2000的另一 实施例。系统2000包括包含多个子光源2022(例如，led和/或附接到子 光源的光纤的光源2020、形成聚光器2070的两个透镜、线性偏振器2072、 三带通滤波器2078、分束器2026、slm 2024(例如，lcos)、半波片 2074、注入光学系统2060和两个loe 2090。该系统被配置为在第二loe 2090的后面产生与子光源2022的1:1图像相对应的子光瞳302。在图30 所示的实施例中，光路通过在光源2020和分束器2026之间的约29.9mm 的第一长度和在分束器2026和第二loe 2090之间的约26mm的第二长度 形成近似直角。
106.图31是被配置为生成对应于光源2020的子光瞳302的简单ar系统 2000的示意图。系统2000包括led光源2020、聚光器2070、slm 2024、 中继光学系统2080、注入光学系统2060和loe 2090。聚光器2070可以 具有40mm的焦距。slm 2024可以是lcos。中继光学系统2080可以包 括两个透镜：焦距为100mm的第一透镜；和焦距为200mm的第二透镜。 注入光学系统可以是有效焦距为34.3mm的复合透镜。使用该系统2000， led光源2020之间的3.5mm的间隔在loe 2090处产生子光瞳302之间 的大约2.25mm的间隔。
107.图32是与图31所示的ar系统非常相似的另一简单ar系统2000的 示意图。两个系统2000中的光学元件非常相似。不同之处在于：(1)第 二透镜(中继光学系统2080的形成部分)具有120mm的焦距；和(2) 注入光学系统具有26mm的有效焦距。使用该系统2000，led光源2020 之间的3.5mm的间隔在loe 2090处产生子光瞳302之间大约3.2mm的 间隔。
108.在另一实施例中，ar系统可以被配置为同时提供多平面聚焦。例如， 通过三个同时的焦平面，可以通过激活对应的子光源来照射主聚焦平面(例 如，基于测量的眼睛调节)，并且 余裕和
‑
余裕(即，一个焦平面更近， 一个更远)也可以通过激活相应的子光源来照射，以提供大的焦距范围， 在该大的焦距范围内，在平面需要更新之前用户可以调节。如果用户切换 到更近或更远的焦点(即，如通过调节测量确定的)，则该增加的焦距范 围可以提供时间优势。然后，新的聚焦平面可以成为中间深度的聚焦平面， 其中， 和
–
余裕再次准备好快速切换到任一个，而系统赶上。
109.在每个loe 2090接收并传播来自单独的对应子光源2022的注入光的 实施例中，每个子光源1022可以以合理的速度操作，同时系统2000维持 足够高的刷新率以快速地生成要注入到多个loe 2090中的不同图像/图像 的部分。例如，第一loe 2090可以首先被注入有来自于第一子光源的光， 该来自于第一子光源的光携带在第一时间由slm 1040编码的天空的图 像。接下来，第二loe 2090可以被注入有来自第二子光源1022的光，该 来自第二子光源1022的光携带在第二时间由slm 1040编码的树枝的图 像。然后，第三loe 2090可以被注入有来自第三子光源1022的光，该来 自第三子光源1022的光携带在第三时间由该
slm 1040编码的笔的图像。 可以重复该过程以在各种深度平面处提供一系列图像。因此，通过使多个 子光源2022代替单个光源2020快速产生要馈送到多个loe 2090中的所 有图像，每个子光源2022可以以合理的速度操作，以将图像仅注入到其相 应的loe 2090。
110.在包括眼睛跟踪子系统1050的ar系统1000的另一实施例中，对应 于具有位于靠近在一起的深度平面的两个loe 1090的两个子光源1022可 以同时被激活，以构成眼睛跟踪子系统中的误差容限，并且通过不仅在一 个深度上，而是在彼此非常接近的两个深度平面处投射虚拟内容来解释其 他系统缺陷和检测到的用户眼睛聚焦/调节。
111.在ar系统1000的另一实施例中，为了增加光学器件的视场，可以采 用平铺方法，包括两组(或多组)堆叠的loe1090，每组具有对应的多个 子光源。因此，一组堆叠的loe 1090和对应的子光源1022可以被配置为 将虚拟内容递送到用户的眼睛的中心，而另一组堆叠的loe 1090和对应 的子光源1022可以被配置为将虚拟内容递送给用户眼睛的周边。与图5 所示的实施例和以上描述类似，每个堆叠可以包括用于六个深度平面的六 个loe 1090。一起使用两个堆叠，用户的视场显着增加。此外，具有loe 1090的两组不同的堆叠和两组多个相应的子光源1022提供了更多的灵活 性，使得与投射到用户眼睛的中心的虚拟内容相比，稍微不同的虚拟内容 可以投射在用户的眼睛的周边。
112.光瞳扩展器
113.应当理解，上面讨论的堆叠的doe/导光光学元件1090、2090可另外 用作出射光瞳扩展器(“epe”)，以增加光源1020、2020的数值孔径， 由此增加系统1000、2000的分辨率。光源1020、2020产生小直径/光斑尺 寸的光，并且epe可以扩展从导光光学元件1090、2090出射的光的表观 光瞳，以增加系统分辨率。在ar系统的其它实施例中，系统可以包括除 epe之外的正交光瞳扩展器(“ope”)以在x方向和y方向上扩展光。
114.其他类型的光瞳扩展器可以被配置为在采用光源1020、2020的系统中 类似地起作用。虽然光源1020、2020提供高分辨率、亮度并且是紧凑的， 但它们具有小的数值孔径(即，小光斑尺寸)。因此，ar系统1000、2000 通常采用某种类型的光瞳扩展器，其基本上用于增加所产生的光束的数值 孔径。虽然一些系统可能使用用作epe和/或ope的doe来扩展由光源 1020、2020产生的窄光束，但是其他实施例可以使用扩散器来扩展窄光束。 扩散器可以通过蚀刻光学元件产生散射光的小面来产生。在另一变型中， 可以产生类似于衍射元件的工程化扩散器，以保持具有期望数值孔径的清 晰光斑尺寸，其类似于使用衍射透镜。在其他变型中，系统可以包括被配 置为增加由光源1020、2020产生的光的数值孔径的pdlc扩散器。
115.图33描绘了子光源2022(例如，led)和光瞳扩展器2024，它们都 被配置为用于ar系统2000中以产生对应于子光源2022的子光瞳302。 光瞳扩展器2024是其上布置有棱镜图案的膜2023。棱镜图案修改从子光 源2022发出的光束，以将子光源2022的表观尺寸从实际源尺寸2022s改 变为较大的虚拟源尺寸2024s。也可以通过改变子光源2022和光瞳扩展 器2024之间的距离来修改虚拟源尺寸2024s。
116.减少slm伪影
117.图34a示出了超光瞳300内的子光瞳302的空间布置，类似于15a所 示的子光瞳。如图34a所示，ar系统2000可以被配置为使得相应的子光 瞳302在x、y平面中空间分离。图34a还描绘了通过对应于在圆形超光 瞳300中的大约一点处的子光瞳302c的光束的衍射而形
成的伪影308。光 束被slm(例如，dlp或lcos)像素边界和结构衍射，并且形成沿着x 和y轴与子光瞳302c对准的一系列伪影308。
118.由于对应于显示像素的结构(如图34b所示)的slm的结构，伪影 308沿着x轴和y轴对准。返回到图34a，显然两个伪影308a、308b至 少部分地与相应的子光瞳302a、302b重叠。因此，在对应于图34a所示 的子光瞳302图案的系统2000中，对应于子光瞳302c的束的光将进入子 光瞳302a和302b。伪影308a、308b将在旨在通过光瞳308a和308b显示 的图像中产生不期望的伪影(即杂散光)。虽然图34a仅描绘了对应于子 光瞳302c的伪影308，但是其他子光瞳302中的每一个将具有它们自己的 一组伪影(为了清楚而未示出)。因此，串扰将与系统2000中的子光瞳 302的数量成比例增加。
119.图35a描绘了类似于图34a所示的超光瞳300内的子光瞳302的空间 布置。然而，ar系统2000的子光源2022和内耦合光栅已经相对于slm 围绕光轴顺时针旋转(例如，大约30度)，以便减少光束之间的slm产 生的衍射串扰。由于slm的结构对应于显示像素的结构(如图35b所示)， 伪影308保持沿x轴和y轴对准。如图35a所示，相对于slm和显示像 素栅格旋转子光源2022减少了衍射能量和内耦合光栅之间的重叠，从而减 少杂散光、对比度问题和彩色伪影。特别地，伪影308a和308b不再与子 光瞳302a和302b重叠。然而，伪影308d现在部分地重叠子光瞳302d， 但是比图34a所示的重叠程度更小。因此，在该实施例中，系统2000被 配置为使得子光源2022和内耦合光栅相对于slm围绕光轴旋转(例如， 约30度)，以便减少光束之间的(slm产生的)衍射串扰。
120.上述ar系统被提供作为可以从更多空间有效的光学器件中受益的各 种光学系统的示例。因此，本文描述的光学系统的使用不限于所公开的ar 系统，而是适用于任何光学系统。
121.本文描述了本发明的各种示例性实施例。在非限制的意义上可以参考 这些示例。它们被提供以说明本发明的更广泛应用的方面。可以对所描述 的本发明进行各种改变，并且可以替换等同物，而不脱离本发明的真实精 神和范围。此外，可以进行许多修改以使特定情况、材料、物质的组成、 方法、方法动作或步骤适于本发明的目标、精神或范围。此外，如本领域 技术人员将理解的，本文所描述和示出的各个变型中的每一个具有分立的 部件和特征，其可以容易地与其他几个实施例中的任何一个的特征分离或 组合，而不脱离本发明的范围或精神。所有这些修改旨在在与本公开相关 的权利要求的范围内。
122.本发明包括可以使用主题装置来执行的方法。这些方法可以包括提供 这种合适装置的动作。这样的提供可以由最终用户执行。换句话说，“提 供”动作仅需要最终用户获得、访问、接近、定位、设置、激活、上电或 在主题方法中提供必要的装置的其他动作。本文所述的方法可以以逻辑上 可能的所述事件的任何顺序以及以所列举的事件顺序进行。
123.以上已经阐述了本发明的示例性实施例以及关于材料选择和制造的细 节。关于本发明的其它细节，可以结合以上参考的专利和出版物以及本领 域技术人员通常已知或理解的方式来理解这些。就通常或逻辑上采用的附 加动作而言，关于本发明的基于方法的实施例也是如此。
124.另外，虽然已经参照可选地结合各种特征的若干实例描述了本发明， 但是本发明不限于如本发明的每个变型所预期的那样描述或指出的。在不 脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种 改变，并且可以替代等同物(不论本文是
否阐述还是为了简洁起见包括在 内)。此外，在提供了值的范围的情况下，应当理解，在该范围的上下限 和在该所阐述的范围内的任何其它阐述的或中间的值之间的每个中间值都 包含在本发明内。
125.而且，可以设想，所描述的本发明变型的任何可选特征可以独立地阐 述和要求保护，或与本文描述的任何一个或多个特征组合。对单数项目的 引用包括存在相同项目的复数的可能性。更具体地说，如本文和与其相关 的权利要求书所使用的，单数形式“一个(a)”，“一个(an)”，“所 述(said)”和“该(the)”包括复数对象，除非另有明确说明。换句话 说，使用这些冠词允许上述描述以及与本公开相关联的权利要求中的主题 项目的“至少一个”。还需要注意的是，可起草这种权利要求以排除任何 可选要素。因此，该声明意在结合权利要求要素的表述而用作如“单独”、
ꢀ“
仅”等这种排他性术语的使用或者“否定”限制的使用的先行基础。。
126.在不使用这种排他性术语的情况下，在与本公开相关的权利要求中的 术语“包括”应允许包括任何附加要素，而不考虑给定数量的要素是否列 举在这种权利要求中，或者特征的添加是否被视为变换在权利要求中所陈 述的要素的性质。除了本文具体定义之外，本位所使用的全部科技术语应 在维持权利要求有效的同时被提供尽可能宽的通常理解的含义。
127.本发明的宽度并不限于所提供的示例和/或本说明书，而是仅由与本公 开相关的权利要求语言的范围限定。
128.在前面的说明书中，已经参照其具体实施例描述了本发明。然而，显 而易见的是，在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其 进行各种修改和改变。例如，参考方法动作的特定顺序来描述上述方法流 程。然而，可以改变许多描述的方法动作的顺序，而不影响本发明的范围 或操作。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。

技术特征：
1.一种操作成像系统的方法，所述方法包括：通过光源来产生多个空间分离的光束；使用空间光调制器利用图像数据对所述多个空间分离的光束中的每个光束进行编码，以提供多个编码的光束；在注入光学系统处接收所述多个编码的光束；使用所述注入光学系统修改所述多个编码的光束，以产生与所述多个编码的光束中的各个编码的光束相关联的空间分离的光瞳；允许在多个导光光学元件的各个导光光学元件的内耦合光栅处的所述多个编码的光束中的每个光束，同时从所述多个导光光学元件的所述各个导光光学元件中排除所述多个编码的光束中的其他光束；以及所述多个编码的光束中的每个光束通过所述多个导光光学元件中的所述各个导光光学元件以全内反射传播。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个空间分离的光束中的每个光束在至少一个光特性方面不同于所述多个空间分离的光束中的其他光束。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个光特性包括颜色。4.根据权利要求1所述的方法，其中，产生所述多个空间分离的光束包括使用多个子光源。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个子光源在空间上彼此分离。6.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述多个空间分离的光束包括使用单一光源。7.根据权利要求6所述的方法，还包括：用掩模覆盖层覆盖所述单一光源，以形成单独的发射区域和位置。8.根据权利要求1所述的方法，其中，每个所述内耦合光栅相对于所述空间光调制器绕光轴旋转。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光源还包括第二多个空间分离的光束，并且所述空间光调制器被配置为利用第二图像数据对所述第二多个空间分离的光束中的每一个光束进行编码。10.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括使用掩模来修改所述空间分离的光瞳中的一个或多个的形状。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述掩模与所述多个导光光学元件相邻。12.根据权利要求1所述的方法，还包括使用光学元件来修改一个或多个所述空间分离的光瞳的尺寸，其中，所述光学元件与所述多个导光光学元件相邻。13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述注入光学系统的特征在于沿着所述成像系统的光路的偏心截截面。14.根据权利要求1所述的方法，其中，允许在多个导光光学元件的各个导光光学元件的内耦合光栅处的所述多个编码的光束中的每个光束包括：仅遇到所述内耦合光栅一次。15.根据权利要求1所述的方法，还包括使用光瞳扩展器来增加所述光源的数值孔径。16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述光瞳扩展器包括其上布置有棱镜图案的膜。17.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述多个编码的光束中的各个编码的光束相
关联的在空间分离的光瞳中的每一个的特征在于多个尺寸中的一个。
技术总结
一种成像系统包括被配置为产生多个空间分离的光束的光源。该系统还包括被配置为修改多个光束的注入光学系统，使得由从注入光学系统出射的多个光束中的光束形成的各个光瞳在空间上彼此分离。该系统还包括具有内耦合光栅的导光光学元件，该内耦合光栅被配置为允许多个光束中的第一光束进入导光光学元件中，同时将多个光束中的第二光束从导光光学元件排除，使得第一光束通过导光光学元件以基本上全内反射传播。反射传播。反射传播。


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：奇跃公司
技术研发日：2016.05.04
技术公布日：2021/6/29