CN105074539A - 对准不敏感图像输入耦合 - Google Patents

Abstract

本文中公开了涉及将光按以下方式耦合到近眼显示设备的波导中的各实施例：即被配置成能容忍这些波导彼此不对准和/或这些波导与其他光学器件不对准的方式。例如，所公开的一个实施例提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括一个或多个波导，其中每一波导都包括光输入耦合和光输出耦合，该光输入耦合被配置成在该波导的第一侧接收光以将该光耦合到该波导中，该光输出耦合被配置成在该波导的第二侧将光从该波导发射出，该波导的第二侧与该波导的第一侧相对。

Description

对准不敏感图像输入耦合

背景

近眼显示设备可利用各种光学技术来将图像递送到用户的眼睛。例如，近眼增强现实显示器可利用被纳入透视显示器中的一个或多个波导，该透视显示器被配置成放置在用户的眼睛的前方。在这样的设备中，波导可在该波导的输入耦合处接收来自微显示器的图像，并将该图像传送到输出耦合处，该输出耦合被配置成将图像引导向用户的眼睛。

概述

本文中公开了涉及将光按以下方式耦合在近眼显示设备的波导中的各实施例：即被配置成能容忍这些波导彼此不对准和/或这些波导与其他光学器件不对准的方式。例如，所公开的一个实施例提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括一个或多个波导，其中每一波导都包括光输入耦合和光输出耦合，该光输入耦合被配置成在该波导的第一侧接收光以将该光耦合到该波导中，该光输出耦合被配置成在该波导的第二侧从该波导发射光，该波导的第二侧与该波导的第一侧相对。

提供本概述是为了以精简的形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中所提及的任何或所有缺点的实现。

附图简述

图1示出了在示例使用环境中的近眼显示设备的一实施例。

图2示出了根据本公开的一实施例的显示设备的框图。

图3示意性地示出了波导堆叠的一示例实施例。

图4示意性地解说了在输入耦合和输出耦合在每一波导的同一侧的情况下各波导不对准的影响。

图5示意性地解说了根据本公开的一实施例的在输入耦合和输出耦合在每一波导的相对侧上的情况下各波导不对准的影响。

图6示意性地解说了根据本公开的一实施例的在波导堆叠的边缘周围引导光以到达在每一波导与输出耦合相对侧处的输入耦合。

图7A和7B示意性地解说了在输入耦合和输出耦合在波导的同一侧上的情况下该波导相对于投射光学器件不对准的影响。

图8A和8B示意性地解说了根据本发明的一实施例的在输入耦合和输出耦合在波导的相对侧上的情况下该波导相对于投射光学器件不对准的影响。

图9示出了描绘操作波导显示器的方法的一实施例的流程图。

图10示出了计算设备的示例实施例。

详细描述

如上所述，近眼显示器可利用被纳入(透视或其他)显示器中的一个或多个波导，该显示器被配置成被放置在用户的一个或两个眼睛前方。在这样的设备中，波导可在输入耦合处接收来自微显示器的图像，并将该图像传送到输出耦合处，该输出耦合被配置成将图像引导向用户的眼睛。

彩色近眼显示器可利用波导堆叠来显示彩色图像，以使得对每一色彩利用单独的波导。此外，可为每一色彩提供多个波导以为每一色彩提供与可用每一色彩一个波导实现的视野相比更宽的视野。然而，如以下更详细描述的，波导堆叠中的某波导与该堆叠中的其他波导和/或其他光学器件(诸如透射光学器件)的不对准可在由该波导输出的光的角度方面引起附加的误差。如果两个波导间在平行性方面的偏离大于人类眼睛的视觉分辨率，则这样的误差可被人类眼睛检测到。小误差(例如，各波导在平行性方面彼此在角度上偏移1/2到1弧分)可表现为模糊图像，而大误差(例如，大于1弧分)可表现为多个图像。

因此，公开了涉及对因每一波导的输入耦合和输出耦合在该波导的相对侧而引起的此类对准误差具有较小敏感度的波导显示器的各实施例。在此类显示器中，因不对准引起的误差可基本上抵消，而不是在每一耦合处叠加地增加。

在详细讨论这样的实施例之前，参考图1描述近眼显示设备102的使用环境100的示例实施例。更具体地，图1示出了正佩戴着近眼显示设备102来查看该使用环境的增强现实图像的用户104。所描绘的近眼显示设备102采用允许用户104的两只手与其他对象自由交互的头戴式设备(HMD)的形式。近眼显示设备102包括透视显示系统，该透视显示系统被配置成允许向用户104视觉增强该环境的外观。换言之，透视显示器允许来自环境的光通过该透视显示器，以使得用户104可直接看见实际环境，此外还可看见被显示成该实际环境的覆盖图的一个或多个虚拟对象。

在所描绘的示例中，近眼显示设备102正以一个或多个虚拟对象105的形式显示涉及与环境100中的一个或多个对象有关的信息的增强图像。可按任何合适的方式来获得所显示的信息。例如，所显示的信息可被存储在近眼显示设备102的本地、可经由网络112从远程服务106和数据库108中检索和/或可按任何其他合适的方式接收。

图2示出了适于与图1的近眼显示设备102一起使用的显示子系统200的框图。显示子系统200包括被配置成向微显示器204提供光以产生图像的光源202。光源202可利用任何合适的一个或多个光源，包括但不限于一个或多个激光二极管光源。作为更具体的示例，光源202可利用红光激光二极管、绿光激光二极管和蓝光激光二极管中的每一种中的一个或多个。

光源202可将光投射到一个或多个微显示器204上。在一些实施例中，单个微显示器可被用来按色彩场序方式生成图像，而在其他实施例中，可针对每一色彩使用单独的微显示器以允许对各色彩的同时显示。此外，在一些实施例中，可针对每一眼睛使用单独的微显示器(或多个微显示器的布置)。可使用任何合适类型的微显示器，包括但不限于一个或多个硅上液晶(LCOS)微显示器。在又一些实施例中，可使用一个或多个发射型微显示器(例如，有机光发射设备微显示器)，以使得光源202可被省略。

控制器206可向光源202和微显示器204发送控制信号以控制经由微显示器204对图像的显示。来自微显示器的光可随后被耦合到波导堆叠208中以供递送到用户的眼睛210。波导堆叠208包括多个波导，诸如针对不同色彩(例如，红色、绿色和蓝色)的单独波导，如在212处所显示的。此外，在一些实施例中，可为每一色彩提供多个波导以帮助为每一色彩提供与可通过每一色彩一个波导实现的视野相比更宽的视野。将理解，这些实施例是出于示例的目的来描述的，并且不旨在以任何方式进行限制。例如，单色彩显示器可利用单个波导。

图3是包括三个波导300a、300b和300c的波导堆叠208的一实施例的示意表示。如所描绘的，每一波导通过间隔物与毗邻的波导间分隔开，如302a-d处所示出的。由于人类眼睛的敏感性，如果每一波导的输入耦合和输出耦合在该波导的同一侧，则这些波导在平行性方面相对于彼此的任何偏离都可导致模糊图像或多个图像，这取决于这些波导之间的角度的大小。这在图4中示意性地解说，其示出两组平行的光线400a、400b进入两个不平行的波导404a、404b的输入耦合402a、402b。如果这些波导之间与平行性有关的角度被表达为θ，则每一组初始平行的光线在离开波导对的输出耦合406a、406b之际在平行性方面有角度地偏移2θ的角度。因此，误差在每一耦合处叠加地聚集。

相反，图5解说了两个非平行波导500a、500b，其各自具有在该波导的相对侧的输入耦合502a、502b和输出耦合504a、504b。通过这样的配置，取代误差叠加地聚集，使由于不对准而在输入耦合502a、502b处引起的任何误差偏移在输出耦合504a、504b处引起的相对误差，从而导致净误差的显著降低。由此，通过利用在波导的相对侧处的输入耦合和输出耦合，由波导的不对准引起的误差可被显著地减少。这可有助于简化生产，因为与输入耦合和输出耦合在每一波导的同一侧的波导显示设备(例如，各波导在平行性方面小于1弧分)相比，可放宽与波导以及用于分隔这些波导的间隔物的构造和装配有关的容忍度(例如，各波导在几度的平行性内)。

将理解，输入耦合502a、502b和输出耦合504a、54b可按任何合适的方式(诸如经由衍射和/或反射机制)将光耦入和耦出波导500a、500b。将进一步理解，将输入耦合和输出耦合定位在波导的相对侧上的减少效果在该输入耦合和输出耦合的规定(prescription)相同时可最大。然而，在一些实施例中，输入耦合和输出耦合在合适的情况下可具有不同的规定。

可按任何合适的方式将光递送到输入耦合。例如，在一些实施例中，可将光从在(诸)波导的与用户的眼睛同一侧的光源(例如，发射型微显示器或空间光调制微显示器)递送到在(诸)波导的相对侧处的(诸)输入耦合处。在这样的实施例中，一个或多个反射结构可用于从(诸)波导的边缘周围接收光并将光反射回(诸)输入耦合。将理解，术语“反射结构”表示用于反射光的任何合适的结构，包括但不限于金属反射镜、多层介电反射镜、内部全反射元件等。图6示出了这样的配置的一示例实施例，其中两个反射镜600a、600b用于将光反射到包括四个波导的波导堆叠602的输入耦合中。在其他实施例中，可使用任何其他合适布置和数目的反射元件。此外，在又一些实施例中，光源可在显示器的与用户的眼睛相对的侧上。在一些这样的实施例中，可将光输入到输入耦合中，而不利用反射结构。

除了减少由波导不对准引起的误差外，将波导显示器的输入耦合和输出耦合定位在波导的相对侧上还可有助于纠正波导相对于光学系统中的其他光学器件的不对准。例如，图7A和7B示意性地描绘了在波导的同一侧处包括输入耦合702和输出耦合704的单个波导700的一实施例，并且还描绘了投射光学器件706，该投射光学器件706被放置成使得来自该投射光学器件706的光经由输入耦合702传递到波导700中。图7A解说了波导700与投射光学器件正确地对准，而图7B解说了波导700相对于投射光学器件706倾斜。如图所示，当波导700相对于投射光学器件706倾斜时，光由于与投射光学器件的不对准而以有角度地移位方向离开该波导。

相反，在波导的相对侧上具有输入耦合和输出耦合的波导中，在输入耦合处引入的角度偏移减少了输出耦合处的角度偏移，从而使得光以预期方向离开波导。例如，图8A-8B示意性地解说了在波导800的相对侧处包括输入耦合800和输出耦合802的单个波导800的一实施例，并且还描绘了投射光学器件806，该投射光学器件806被放置成使得来自该投射光学器件806的光经由输入耦合802传递到波导800中。图8A解说了波导800与投射光学器件正确地对准，而图8B解说了波导800相对于投射光学器件806倾斜。如图所示，即使在波导相对于投射光学器件806倾斜时，光也沿着与合适地对准的示例中基本上相同的方向离开波导。因此，利用输入耦合和输出耦合位于波导的相对侧的波导可有助于减少该波导与波导堆叠外部的光学器件的不对准，以及减少由波导堆叠中的各非平行波导引起的误差。

图9示出了描绘用于操作波导近眼显示器的方法900的一实施例的流程图。波导显示器可包括一个或多个波导。例如，彩色波导显示器可针对每一显示的色彩包括一波导以及潜在地针对每一色彩包括一个以上波导，以增加波导显示器的视野。近眼显示器可被纳入到任何合适类型的显示设备中，包括但不限于头戴式显示设备。

方法900包括在902将光从光源(例如，图像产生元件)引导到位于波导的第一侧处的输入耦合中。如所描绘的，该耦合可包括反射耦合904和衍射耦合906中的一个或多个。在波导显示器包括多个波导的堆叠的情况下，光可经由衍射和/或反射机制被耦合到该波导堆叠的每一波导中。

在一些实施例中，光源可在波导显示器的与用户的眼睛相同的一侧处。由此，在这样的实施例中，方法900可进一步包括在波导的边缘周围引导光(如908处所指示的)以便将该光耦合到在输入耦合处的波导中。可使用任何合适的一个或多个反射结构。各实施例包括但不限于反射镜、多层介电反射镜和内部全反射结构。

继续，方法900接着包括在910引导来自输入耦合的光通过波导，并随后经由在波导的与波导输入耦合相对的第二侧处的输出耦合从该波导出来。通过这种方式，与有输入和输出耦合在同一侧的波导相比，可因波导彼此不对准(例如，在波导堆叠中的波导不并行的情况下)和/或(诸)波导与其他光学器件(诸如投射光学器件)不对准而引起的误差可被减少。

图10示意性地示出了可以执行上述方法和过程之中的一个或多个的计算系统600的非限制性实施例。以简化形式示出了计算系统1000。计算系统1000可采取头戴式透视显示设备及任何其他合适的计算系统的形式，任何其他合适的计算系统包括但不限于：游戏控制台、个人计算机、服务器计算机、平板计算机、家庭娱乐计算机、网络计算设备、移动计算设备、移动通信设备(例如，智能电话)和/或其他计算设备。

计算系统1000包括逻辑机1002和存储机1004。计算系统1000可任选地包括显示子系统1006、输入子系统1008、通信子系统1010和/或在图10中未示出的其他组件。

逻辑机1002包括被配置成执行指令的一个或多个物理设备。例如，逻辑机可被配置为执行作为以下各项的一部分的机器可读指令：一个或多个应用、服务、程序、例程、库、对象、组件、数据结构、或其它逻辑构造。这些指令可被实现为执行任务、实现数据类型、变换一个或多个组件的状态、取得技术效果或以其他方式得到所期望的结果。

逻辑机可包括被配置成执行软件指令的一个或多个处理器。作为补充或替换，逻辑机可包括被配置成执行硬件或固件指令的一个或多个硬件或固件逻辑机。逻辑机的处理器可以是单核或多核，且在其上执行的指令可被配置为串行、并行和/或分布式处理。逻辑机的各个组件可任选地分布在两个或更多单独设备上，这些设备可以位于远程和/或被配置成进行协同处理。逻辑机的各方面可由以云计算配置进行配置的可远程访问的联网计算设备来虚拟化和执行。

存储机1004包括被配置成保存可由逻辑机执行以实现此处所述的方法和过程的指令的一个或多个物理设备。例如，图2的控制器206可包括逻辑机1002和/或存储机1004和/或于其进行起作用的通信，以便控制光源202和/或微显示器204。在实现这些方法和过程时，可以变换存储机1004的状态(例如，保存不同的数据)。

存储机1004可以包括可移动和/或内置设备。存储机1004可包括光学存储器(例如，CD、DVD、HD-DVD、蓝光盘等)、半导体存储器(例如，RAM、EPROM、EEPROM等)和/或磁存储器(例如，硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、MRAM等)等等。存储机1004可包括易失性、非易失性、动态、静态、读/写、只读、随机存取、顺序存取、位置可寻址、文件可寻址和/或内容可寻址设备。

可以理解，存储机1004包括一个或多个物理设备。然而，本文描述的指令的各方面可另选地由通信介质作为信号(例如，电磁信号、光学信号等)来传播，而不是被存储在物理设备上。

逻辑机1002和存储机1004的各方面可被一起集成到一个或多个硬件逻辑组件中。这些硬件逻辑组件可包括例如现场可编程门阵列(FPGA)、程序和应用专用的集成电路(PASIC/ASIC)、程序和应用专用的标准产品(PSSP/ASSP)、片上系统(SOC)以及复杂可编程逻辑器件(CPLD)。

在被包括时，显示子系统1006可用于呈现由存储机1004保存的数据的视觉表示。该视觉表示可采取图形用户界面(GUI)的形式。由于此处所描述的方法和过程改变了由存储机保持的数据，并由此变换了存储机的状态，因此同样可以转变显示子系统1006的状态以视觉地表示底层数据的改变。显示子系统1006可包括实际上利用任何类型的技术的一个或多个显示设备，包括但不限于本文中描述的近眼显示系统。可将此类显示设备与逻辑机1002和/或存储机1004组合在共享封装中，或者此类显示设备可以是外围显示设备。

在被包括时，输入子系统1008可以包括诸如键盘、鼠标、触摸屏、话筒或游戏控制器之类的一个或多个用户输入设备或者与其对接。在某些实施例中，输入子系统可以包括所选的自然用户输入(NUI)部件或与其结合。这样的部件可以是集成式的或者是外设，并且输入动作的转换和/或处理可以在板上或板下处理。NUI部件的示例可包括用于语言和/或语音识别的微电话；用于机器版本和/或姿势识别的红外、色彩、超声波和/或深度相机；用于运动检测和/或意图识别的头部跟踪器、眼睛跟踪器、加速计和/或陀螺仪；以及用于评估脑部活动的电场感测部件。

当包括通信子系统1010时，通信子系统710可以被配置成将计算系统1000与一个或多个其他计算设备可通信地耦合。通信子系统1010可包括与一个或多个不同的通信协议兼容的有线和/或无线通信设备。作为非限制性示例，通信子系统可被配置成用于经由无线电话网络或者有线或无线局域网或广域网来进行通信。在一些实施例中，该通信子系统可允许计算系统1000经由网络(比如因特网)向其他设备发送消息和/或从其他设备接收消息。

应该理解，此处所述的配置和/或方法在本质上示例性的，且这些具体实施例或示例不是局限性的，因为众多变体是可能。此处所述的具体例程或方法可表示任何数量的处理策略中的一个或多个。由此，所示出和/或描述的各个动作可以按所示出和/或描述的顺序、按其他顺序、并行执行或者被忽略。同样，可以改变上述过程的次序。

本公开的主题包括各种过程、系统和配置、此处所公开的其他特征、功能、动作，和/或特性，以及其任何和全部等效方案的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。

Claims (10)

1.一种近眼显示设备，包括：

一个或多个波导；

每一波导的光输入耦合，所述光输入耦合被配置成在所述波导的第一侧处接收光以将所述光耦合到所述波导中；以及

每一波导的光输出耦合，所述光输出耦合被配置成在所述波导的第二侧处从所述波导发射光，所述波导的所述第二侧与所述波导的所述第一侧相对。

2.如权利要求1所述的近眼显示设备，其特征在于，进一步包括多个波导，其中所述多个波导中的每一波导经由一个或多个间隔物与毗邻的波导分隔开。

3.如权利要求1所述的近眼显示设备，其特征在于，一个或多个光输入耦合包括衍射耦合。

4.如权利要求1所述的近眼显示设备，其特征在于，一个或多个光输入耦合包括反射耦合。

5.如权利要求1所述的近眼显示设备，其特征在于，对于每一波导而言，所述输入耦合和所述输出耦合具有相同的规定。

6.如权利要求1所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备包括头戴式显示器。

7.一种将光引导到近眼显示器的用户的方法，所述方法包括：

将光从光源引导到在波导的第一侧处的输入耦合中；

引导光通过所述波导到输出耦合；以及

引导光从在所述波导的第二侧处的所述输出耦合中出来，其中所述第二侧不同于第一侧。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述近眼显示器包括波导堆叠，并且其中将光从光源引导到在波导的第一侧处的输入耦合中包括在所述波导的第一侧处将光耦合到所述波导堆叠的每一波导中。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将光从光源引导到输入耦合中包括经由一个或多个反射元件将从所述光源接收到的光重新引导到所述输入耦合中。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，将从所述光源接收到的光重新引导包括经由一个或多个反射结构的布置来在波导的边缘周围并朝向所述输入耦合反射所述光。