CN107533166A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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
背景技术
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。
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。
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。
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。
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。
发明内容
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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：
图1至3是各种增强现实系统的详细示意图；
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；
图5是描绘根据一个实施例的增强现实系统的框图；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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
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。
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。
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。
问题和解决方案总结
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。
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。
说明性光学系统
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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LOE190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LOE190。“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。
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。
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。
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。
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。
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。
分离光瞳增强现实系统
现在参考图5，现在将描述解决光学系统复杂性和尺寸问题的分离光瞳AR系统1000的示例性实施例。系统1000使用如上所述的堆叠的导光光学元件组件1090。AR系统1000通常包括图像生成处理器1010、光源1020、控制器1030、空间光调制器(“SLM”)1040、注入光学系统1060以及至少一组堆叠的LOE 1090，其用作多平面聚焦系统。该系统还可以包括眼睛跟踪子系统1050。应当理解，其他实施例可以具有多组堆叠的LOE 1090，但是下面的公开内容将集中在图5的示例性实施例上。
图像生成处理器1010被配置为生成要向用户显示的虚拟内容。图像生成处理器可以将与虚拟内容相关联的图像或视频转换为可以以3D投射给用户的格式。例如，在生成3-D内容时，可能需要对虚拟内容进行格式化，使得特定图像的一些部分在特定的深度平面处显示，而其他部分的在其他深度平面处显示。在一个实施例中，可以在特定深度平面处生成所有图像。在另一实施例中，图像生成处理器可以被编程为向左右眼提供稍微不同的图像，使得当一起观看时，虚拟内容对于用户的眼睛呈现出一致和舒适。
图像生成处理器1010还可以包括存储器1012、GPU 1014、CPU 1016以及用于图像生成和处理的其它电路。图像生成处理器1010可以被编程有要呈现给AR系统1000的用户的期望的虚拟内容。应当理解，在一些实施例中，图像生成处理器1010可以容纳在可佩戴的AR系统1000中。在其他实施例中，图像生成处理器1010和其它电路可以容纳在耦合到可佩戴光学器件的带包中。图像生成处理器1010可操作地耦合到光源1020和一个或多个空间光调制器(下面描述)，该光源1020投射与期望的虚拟内容相关联的光。
光源1020是紧凑的并且具有高分辨率。光源1020包括可操作地耦合到控制器1030(下面描述)的多个空间上分离的子光源1022。例如，光源1020可以包括以各种几何配置设置的特定颜色的LED和激光器。替代地，光源1020可以包括类似颜色的LED或激光器，每个激光器链接到显示器的视场的特定区域。在另一实施例中，光源1020可以包括诸如白炽灯或荧光灯的广域发射器，其具有用于分割发射区域和位置的掩模覆盖层(mask overlay)。尽管子光源1022在图5中直接连接到AR系统1000，但是只要光纤的远端(远离子光源1022)在空间上彼此分离，都可以通过光纤(未示出)将子光源1022连接到系统1000。系统1000还可以包括被配置为准直来自光源1020的光的聚光器(未示出)。
在各种示例性实施例中，SLM 1040可以是反射性的(例如，DLP DMD、MEMS镜像系统、LCOS或FLCOS)、透射的(例如，LCD)或发射的(例如FSD或OLED)。可以选择空间光调制器的类型(例如，速度、尺寸等)以改善3-D感知的创建。尽管以较高刷新速率操作的DLP DMD可以容易地并入到固定的AR系统1000中，但可佩戴AR系统1000通常使用较小尺寸和功率的DLP。DLP的功率改变如何创建3-D深度平面/焦平面。图像生成处理器1010可操作地耦合到SLM 1040，SLM 1040用期望的虚拟内容对来自光源1020的光进行编码。来自光源1020的光可以在其反射离开SLM 1040、从SLM 1040发射或经过SLM 1040时被编码有图像信息。
参考图5，AR系统1000还包括注入光学系统1060，其被配置为将来自光源1020(即，多个空间分离的子光源1022)和SLM 1040的光引导到LOE组件1090。注入光学系统1060可以包括被配置为将光引导到LOE组件1090中的一个或多个透镜。注入光学系统1060被配置为形成空间分离的和不同的光瞳(在从注入光学系统1060出射的光束的相应焦点处)，其邻近对应于来自光源1020的子光源1022的空间分离的和不同的光束的LOE 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。
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LOE1090。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LOE1090有效地传播，用于递送给用户的眼睛。
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。
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。
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。
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。
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。
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”)SLM2024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。
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。
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。
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。
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LCOSSLM 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。
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。
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 SLM2024、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LOE2090传播到用户的眼睛。
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。
其他实施例和特征
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。
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。
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。
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。
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19B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。
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。
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。
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。
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。
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LOE2090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。
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SLM2024b(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SLM2024a、2024b和注入光学系统2060之间)。
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。
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。
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。*
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。
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。
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LOE2090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。
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。
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LOE2090处产生子光瞳302之间的大约2.25mm的间隔。
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。
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。
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。
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。
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。
光瞳扩展器
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。
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。
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。
减少SLM伪影
图34A示出了超光瞳300内的子光瞳302的空间布置，类似于图14B和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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。。
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。
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。
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。

Claims (33)

1.一种成像系统，包括：
被配置为产生多个空间分离的光束的光源；
被配置为修改所述多个光束的注入光学系统，使得由从所述注入光学系统出射的所述多个光束中的光束形成的各个光瞳在空间上彼此分离；和
具有内耦合光栅的导光光学元件，所述内耦合光栅被配置为允许所述多个光束中的第一光束进入所述导光光学元件中，同时将所述多个光束中的第二光束从所述导光光学元件排除，使得所述第一光束通过导光光学元件以基本上全内反射传播。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个光束中的每个光束与所述多个光束中的其它光束在至少一个光特性方面不同。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少一个光特性包括颜色。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少一个光特性包括偏振。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源包括多个子光源。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述多个子光源在空间上彼此分离。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述多个子光源包括第一和第二组子光源，并且其中所述第一组的子光源沿着成像系统的光路从所述第二组的子光源移位。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源是被配置为产生所述多个空间分离的光束的单一光源。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括被配置为将来自所述光源的光分割成单独的发射区域和位置的掩模覆盖层。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括第一空间光调制器，其被配置为用图像数据对所述多个光束中的第一光束编码。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括第二空间光调制器，其被配置为用图像数据对所述多个光束中的第二光束编码。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一和第二空间光调制器被配置为交替激活。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一和第二空间光调制器具有彼此空间移位的相应的图像场。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一和第二空间光调制器被配置为在不同的深度平面处生成图像。
15.根据权利要求10所述的系统，还包括具有相应的多个内耦合光栅的多个导光光学元件，
其中所述光源包括多个子光源，并且
其中所述相应的多个子光源和内耦合光栅相对于所述第一空间光调制器围绕光轴旋转。
16.根据权利要求1所述的系统，还包括被配置为修改由与所述导光光学元件相邻的所述多个光束中的光束形成的光瞳的形状的掩模。
17.根据权利要求1所述的系统，还包括被配置为修改由与所述导光光学元件相邻的所述多个光束中的光束形成的光瞳的尺寸的光学元件。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述注入光学系统沿着所述成像系统的光路具有偏心横截面。
19.根据权利要求1所述的系统，其中所述内耦合光栅被配置为使得所述多个光束中的第一光束仅与所述内耦合光栅相遇一次。
20.根据权利要求1所述的系统，还包括配置为增加所述光源的数值孔径的光瞳扩展器。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述光瞳扩展器包括其上设置有棱镜图案的膜。
22.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源和所述注入光学系统被配置为使得由从所述注入光学系统出射的所述多个光束形成的各个光瞳具有多个尺寸。
23.一种使用光学系统显示图像的方法，包括：
光源产生第一光束；
空间光调制器用第一图像数据对所述第一光束编码；
注入光学系统修改所述第一光束，使得所述第一光束寻址第一导光光学元件上的第一内耦合光栅，从而进入所述第一导光光学元件，但不进入第二导光光学元件；
所述光源产生第二光束；
所述空间光调制器用第二图像数据对所述第二光束编码；以及
所述注入光学系统聚焦所述第二光束，使得所述第二光束寻址所述第二导光光学元件上的第二内耦合光栅，从而进入所述第二导光光学元件，但不进入所述第一导光光学元件。
24.根据权利要求23所述的方法，其中由从所述注入光学系统出射的所述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。
25.根据权利要求24所述的方法，其中由从所述注入光学系统出射的所述第一和第二光束形成的第一和第二光瞳具有不同的尺寸。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括：
所述光源产生第三光束；
所述空间光调制器用第三图像数据对所述第三光束编码；以及
所述注入光学系统聚焦所述第三光束，使得所述第三光束寻址所述第三导光光学元件上的第三内耦合光栅，从而进入所述第三导光光学元件，但不进入所述第一或第二导光光学元件，
其中从所述注入光学系统出射的所述第三光束形成第三光瞳，并且
其中所述第一、第二和第三光瞳在空间上彼此分离。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一、第二和第三光瞳在与所述注入光学系统的光路正交的平面中形成三角形的顶点。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一光束包括蓝光，并且所述第一光瞳小于所述第二和第三光瞳。
29.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一光束包括绿光，并且所述第一光瞳大于所述第二和第三光瞳。
30.根据权利要求25所述的方法，还包括修改所述第一和第二光束以缩小所述第一和第二光瞳的相应形状。
31.根据权利要求23所述的方法，其中所述光源包括被配置为产生所述第一和第二光束的第一和第二空间分离的子光源，所述方法还包括通过停用所述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。
32.根据权利要求23所述的方法，其中所述光源包括被配置为产生所述第一和第二光束的第一和第二空间分离的子光源，所述方法还包括通过停用所述第二子光源同时保持所述第一光源处于激活状态来改变图像深度。
33.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一光束包括红光和蓝光，并且所述第二光束包括绿光。
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