CN108139651A - 照射器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于产生看起来从与实际光源不同的位置发出的照射的光学装置。该装置包括具有相对的第一平面和第二平面的波导。光源被定位成将光引导到波导中。跨波导形成衍射光学元件(DOE)。DOE经由全内反射分布进入波导的光并将光耦合出所述第一面的表面。

Description

照射器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年5月19日提交的标题为“照射器”(“ILLUMINATOR”)的美国临时专利申请No.62/163,724的优先权，其全部内容通过引用并入于此。
技术领域
本发明涉及用于产生看起来从与实际光源不同的位置发出的照射的光学设备。这样的光学设备对于各种摄影或视频捕捉情况是有用的，在这种情况下，在需要的地方放置实际的物理光源是不切实际的或不可能的。
背景技术
大多数摄影或视频捕捉情况需要某种形式的照射。所需的照射可以例如通过连接到照相机的闪光灯来提供。但是，在许多情况下，提供所需的照射可能是一个挑战。
一种这样的情况涉及由此处的受让人开发的用于为用户产生增强现实的显示系统。在这样的系统中，用户将被提供有包括用于观看外面世界的窗口的头戴式设备。该窗口将具有生成图像信息并将该图像信息投影到用户眼中的能力。在这样的系统中，可以生成模拟对象的图像并将其添加到真实世界场景中。下面提供了这种窗口的更详细的描述。
有兴趣向这种头戴式显示器增加某些功能。例如，有兴趣包括用于监视用户的注视方向的照相机。随时知道用户正在看向哪里有很多好处。例如，人的注视的知识可以被用来控制显示系统。注视方向的知识可以用作选择工具来控制鼠标指针或其模拟。注视方向的知识可以用来选择视场中的物体。用照相机捕捉注视信息可以通过提供照射眼睛的光源来改善。
头戴式显示器中感兴趣的另一个特征是通过诸如虹膜识别的生物测量来识别用户的可能性。虹膜识别系统将包括用于捕捉虹膜图像的相机。如果提供照射源，则可以改进捕捉虹膜信息的过程。
本发明的照射设备与本文的受让人用于产生增强现实的窗口的结构有一些相似之处。尽管在本文中将讨论本发明的实施例，但是应当理解，本发明不限于增强现实系统，而是实际上可以用于需要照射的任何情况下，特别是在需要产生虚拟照射源的情况下。
本主题的设备包括平面波导，其具有与被提出用于增强现实的结构类似的结构。在2015年1月15日公布的美国专利公开号2015/001677中可以找到用于产生增强现实的设备的描述，其公开内容通过引用并入本文。
如在后面的公开中所描述的和在本文的图1中所示的，光学系统100可以包括主波导装置102，该主波导装置102包括平面波导1。平面波导设置有一个或多个衍射光学元件(DOE)2，用于控制平面波导内的光的全内反射。该光学系统还包括光学耦合器系统104和控制系统106。
如在图2中最好地示出的，主平面波导1具有第一端部108a和第二端部108b，第二端部108b沿着主平面波导1的长度110与第一端部108a相对。主平面波导1具有第一面112a和第二面112b，至少第一和第二面112a、112b(统称为112)沿主平面波导1的长度110的至少一部分形成部分内反射光路(由箭头114a和虚线箭头114b示出，统称为114)。主平面波导1可以采取为以小于限定的临界角度撞击面112的光提供基本全内反射(TIR)的多种形式。平面波导1可以例如采取玻璃、熔融石英、丙烯酸或聚碳酸酯的窗格(pane)或平面的形式。
DOE 2(在图1和图2中用双点划线示出)可以采取中断TIR光路114的多种形式，提供在沿着平面波导1的长度110的至少一部分延伸的平面波导1的内部118和外部120之间的多个光路(由箭头116a和虚线箭头116b示出，统称为116)。DOE 2可以有利地将线性衍射光栅的相位函数与圆形或径向对称波带片的相位函数组合，从而允许定位明显的物体和针对明显的物体的焦平面。DOE可以形成在波导的表面上或其内部。
参照图1，光学耦合器子系统104将光光学地耦合到波导装置102。或者，如果不使用耦合器，则光可以直接耦合到波导108b的边缘。如图1所示，光学耦合器子系统可以包括光学元件5，例如反射表面、反射镜、二向色镜或棱镜，以将光光学地耦合到主平面波导1的边缘122。光还可以通过前面或背面112被耦合到波导装置中。光学耦合器子系统104可以附加地或可选地包括准直光的准直元件6。
控制子系统106包括一个或多个光源和驱动电子器件，其产生可以以空间和/或时间变化的光的形式编码的图像数据。如上所述，准直元件6可以使光准直，并且准直的光被光学地耦合到一个或多个主平面波导1中(在图1和2中仅示出一个主波导)。
如图2所示，光沿着主平面波导传播，具有至少一些由TIR传播产生的反射或“反弹”。要注意的是，一些实施方式可以在内部光路中采用一个或多个反射器，例如可以利于反射的薄膜、电介质涂层、金属化涂层等。沿着波导1的长度110传播的光在沿着长度110的各种位置处与DOE 2相交。DOE 2可以被结合在主平面波导1内，或者邻接或邻近主平面波导1的一个或多个面112。DOE 2完成至少两个功能。DOE 2改变光的角度，导致一部分光摆脱TIR，并且经由主平面波导1的一个或多个面112从内部118向外部120出射。DOE 2还可以被配置为引导耦合出的光线来控制在期望出现的观看距离处的物体的虚拟位置。因此，通过主平面波导1的面112a观看的人可以看见仿佛来自特定观看距离的虚拟光源。
如将在下面讨论的，可以使用上面讨论的DOE和波导技术来配置本主题的照射器。
发明内容
公开了一种用于产生看起来从与实际光源不同的位置发出的照射的光学装置。该装置包括具有相对的第一平面和第二平面的波导。光源被定位成将光引导到波导中。跨波导形成衍射光学元件(DOE)。DOE经由全内反射分布进入波导的光，并将光耦合出所述第一面的表面。
在一个实施例中，DOE被配置成准直出射光，以便模拟位于距波导无限远距离处的光源的光场。在另一实施例中，DOE被配置为使出射光发散，从而模拟距波导预定距离的光源的光场。在优选实施例中，光源产生在光谱的红外区域中的辐射的窄带宽。
例如，DOE可以被配置成使得光线垂直于第一面而离开所述第一面，或者使得光线以在与第二面相对的空间中产生虚拟源的方式离开所述第一面；或者使得光线以在与第二面相对的空间中产生至少两个虚拟源的方式离开所述第一面。
另外，光源可以产生红外辐射。第二面可以设置有对红外辐射反射的涂层。
来自光源的光可以经由波导的第一面和/或经由波导的第二面被引导到波导中。在另一实施例中，来自光源的光源可以经由波导的边缘被引导到波导中。在这样的实施例中，照射器可以包括沿着第一波导的边缘延伸的第二波导。第二波导可以接收来自光源的辐射并沿第一波导的平行于边缘的轴分布光。
附图说明
图1是示出根据一个示例性实施例的包括波导装置、用于将光耦合到波导装置或从波导装置耦合光的子系统以及控制子系统的光学系统的示意图。
图2是示出根据一个示例性的实施例的包括平面波导和位于平面波导内的至少一个衍射光学元件的波导装置的正视图，示出了包括全内反射光路和在平面波导的外部和内部之间的光路的多个光路。
图3是示出根据本发明的第一实施例形成的照射器的示意图，其中，虚拟光源处于无限远处。
图4是示出根据本发明的第二实施例形成的照射器的示意图，其中，虚拟光源是距离波导一定有限距离的空间中的点。
图5是示出根据本发明的第三实施例形成的包括分布波导的照射器的示意图。
具体实施方式
图3示出了根据本发明制造的照射设备10的第一实施例。该设备可以用于需要照射的各种各样的应用中。该设备对于头戴式显示器特别有用，用于实现诸如注视跟踪或虹膜识别的特征。
设备10包括平面波导20。在波导中形成一个或多个衍射光学元件(DOE)22。DOE可以形成在波导的表面上或嵌入波导内。
提供光源24用于产生用于照射的光辐射。可以使用各种各样的光源。在优选实施例中，光源产生单个波长或窄波带。在一个示例中，光源24是发光二极管(LED)。LED的光输出被引导到波导中。光可以被引导到波导的任一侧或者沿着其边缘引导。然后光通过全内反射在波导中传播。
DOE被布置成在沿着波导的表面的各个点处耦合出光。在图3的实施例中，耦合出的光线基本上垂直于波导的表面。这种方法模拟了光源位于距波导无限远处和光基本准直的情况。
图4示出了根据本发明的第二实施例的设备10b。在图4的实施例中，波导20a的DOE22a被布置成产生发散光线以模拟位于距波导的相对侧特定距离处的点源30的效果。虚拟光源的特定位置通过配置DOE来控制。
可以将DOE布置成将虚拟光源放置到从相当靠近波导到相当远的任何位置中。该选择将取决于为特定应用提供最佳照射。例如，如果使用眼睛的照射来捕捉虹膜的图像，则将虚拟源远离波导移动以产生更均匀的照射可能是更好的。
对于增强现实应用，优选的是，光源发射在红外光谱中的照射，使得辐射对于用户是不可见的。通过这种方式，照射器将不会干扰真实世界或生成到达用户的图像的计算机。使用红外照射对于虹膜识别是特别有用的，因为在这个波长范围内可获得虹膜的更高级别的细节。
在使用红外源的系统中，可能优选的是，提供在波导的侧面32(32a)(与透射侧相对)上反射红外辐射的涂层。红外线涂层可以最小化由于在该侧上的漏光造成的损失。红外涂层不会干扰来自真实世界的可见光传输通过波导并进入用户的眼睛中。
图4的实施例示出了如何配置DOE以模拟来自单个点源的光。在本发明的范围内，将DOE配置成产生模拟从两个或更多个虚拟光源发出的光的发散光线。这可以通过将DOE的像素的一部分分配给一个虚拟源以及将DOE的像素的另一部分分配给另一个虚拟源来实现。当然，通过使用两个波导30a可以获得相似的结果。这两个波导将彼此平行对准。每个波导30a将被配置成模拟在不同位置处的点光源。
各种瞳孔跟踪系统被配置成需要多个光源来从眼睛产生多次反射。可以想象，可以产生多个虚拟点源的本发明的实施例可以用于实现这些类型的瞳孔跟踪系统。
图5是包括具有DOE 52的平面波导50的系统10c的图。系统10c还包括与波导50的边缘对准的第二波导56。第二波导56包括DOE 58。光源54将光引导到第二个波导中。光经由全内反射跨第二波导56扩散。光离开第二波导56并进入波导50。在这个实施例中，波导56用来沿其轴(图5的垂直轴)分布光。波导50然后沿着图5的水平轴分布光。使用第二波导可以改善耦合效率。
尽管已经参照一些优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以在此做出各种改变和修改，而不会改变由所附权利要求限定的本发明的范围和精神。

Claims (10)

1.一种照射器，包括：
具有相对的第一平面和第二平面的第一波导；
定位成将光引导到所述波导中的光源；和
跨所述波导形成的衍射光学元件(DOE)，所述DOE用于经由全内反射将从所述光源进入所述波导的所述光跨所述波导扩散，并将所述光耦合出所述第一面的表面。
2.如权利要求1所述的照射器，其中，所述DOE被配置成使得光线垂直于所述第一面而离开所述第一面。
3.如权利要求1所述的照射器，其中，所述DOE被配置为使得光线以在与所述第二面相对的空间中产生虚拟源的方式离开所述第一面。
4.如权利要求1所述的照射器，其中，所述DOE被配置为使得所述光线以在与所述第二面的相对空间中产生至少两个虚拟源的方式离开所述第一面。
5.如权利要求1所述的照射器，其中，所述光源产生红外辐射。
6.如权利要求5所述的照射器，其中，所述第二面设置有对红外辐射反射的涂层。
7.如权利要求1所述的照射器，其中，来自所述光源的所述光经由所述波导的第一面被引导到所述波导中。
8.如权利要求1所述的照射器，其中，来自所述光源的所述光经由所述波导的第二面被引导到所述波导中。
9.如权利要求1所述的照射器，其中，来自所述光源的所述光经由所述波导的边缘被引导到所述波导中。
10.如权利要求9所述的照射器，还包括沿所述第一波导的所述边缘延伸的第二波导，所述第二波导用于接收来自所述光源的辐射，并沿所述第一波导的平行于所述边缘的轴分布所述光。
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