CN108700712B - 虚拟和增强现实系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种成像系统包括光源，所述光源被配置为生成光束。所述系统还包括第一导光光学元件和第二导光光学元件，所述第一导光光学元件和第二导光光学元件具有相应的第一入射部分和第二入射部分，并且被配置为通过全内反射传播所述光束的相应的至少第一部分和第二部分。所述系统进一步包括光分配器，所述光分配器具有光分配器入射部分、第一出射部分和第二出射部分。所述光分配器被配置为分别将所述光束的第一部分和第二部分导向所述第一入射部分和所述第二入射部分。所述光分配器入射部分和所述第一出射部分沿第一轴对齐。所述光分配器入射部分和所述第二出射部分沿与第一轴不同的第二轴对齐。

Description

虚拟和增强现实系统及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月29日提交的序列号为62/301,502，代理案卷号为ML.30059.00，名称为“VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY SYSTEMS AND METHODS(虚拟和增强现实系统及方法)”的美国临时申请的优先权。本申请涉及以下专利申请：2014年7月14日提交的序列号为14/331,218，代理案卷号为ML.20020.00，名称为“PLANAR WAVEGUIDEAPPARATUS WITH DIFFRACTION ELEMENT(S)AND SYSTEM EMPLOYING SAME(具有一个或多个衍射元件的平面波导装置及使用其的系统)”的美国实用新型专利申请；2014年11月27日提交的序列号为14/555,585，代理案卷号为ML.20011.00，名称为“VIRTUAL AND AUGMENTEDREALITY SYSTEMS AND METHODS(虚拟和增强现实系统及方法)”的美国实用新型专利申请；2015年5月29日提交的序列号为14/726,424，代理案卷号为ML.20016.00，名称为“METHODSAND SYSTEMS FOR VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY(用于虚拟和增强现实的方法和系统)”的美国实用新型专利申请；2015年5月29日提交的序列号为14/726,429，代理案卷号为ML.20017.00，名称为“METHODS AND SYSTEMS FOR CREATING FOCAL PLANES IN VIRTUALAND AUGMENTED REALITY(用于在虚拟和增强现实中创建焦平面的方法和系统)”的美国实用新型专利申请；2015年5月29日提交的序列号为14/726,396，代理案卷号为ML.20018.00，名称为“METHODS AND SYSTEMS FOR DISPLAYING STEREOSCOPY WITH A FREEFORM OPTICALSYSTEM WITH ADDRESSABLE FOCUS FOR VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY(用具有用于虚拟和增强现实的可寻址焦点的自由形态光学系统显示立体观视的方法和系统)”的美国实用新型专利申请；以及2015年5月4号提交的序列号为62/156,809，代理案卷号为ML.30058.00，名称为“SEPARATED PUPIL OPTICAL SYSTEMS FOR VIRTUAL AND AUGMENTEDREALITY AND METHODS FOR DISPLAYING IMAGES USING SAME(用于虚拟和增强现实的分离式光瞳光学系统以及用其显示图像的方法)”的美国临时专利申请。上述专利申请的全部内容通过引用明确地全部并入此文，就像完整阐述一样。

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”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以其看起来真实或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及以对其他实际的现实世界视觉输入不透明的方式呈现数字或虚拟图像信息。增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，作为对用户周围的实际世界的可视化的增强(即，对其他实际的现实世界视觉输入透明)。因此，AR场景涉及以对其他实际的现实世界视觉输入透明的方式呈现数字或虚拟图像信息。人类视觉感知系统非常复杂，并且产生有助于与其它虚拟或现实世界的图像元素一起舒适、自然、丰富地呈现虚拟图像元素的VR或AR技术极具挑战性。

大脑的可视化中心从双眼和其部件相对于彼此的动作得到有用的感知信息。两只眼睛相对于彼此的聚散运动(即，瞳孔向着彼此或远离彼此以会聚眼睛的视线来注视对象的转动动作)与眼睛的晶状体的聚焦(或“调节(accommodation)”)紧密相关。在正常情况下，根据已知的“调节-聚散度(vergence)反射”关系，改变眼睛的晶状体的焦点或调节眼睛以聚焦在处于不同距离处的对象上会自动引起聚散度的与同一距离匹配的变化。同样，在正常情况下，聚散度变化会引发调节的匹配变化。已知违背此反射起作用(如大多数常规的立体AR或VR配置所做的那样)会使用户产生眼疲劳、头痛或其它形式的不适。

立体可穿戴眼镜一般以用于左眼和右眼的两个显示器为特征，这两个显示器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。已经发现这类配置由于在三维中感知图像所必需克服的聚散度与调节之间的失配(“聚散度-调节冲突”)而使许多用户不舒适。实际上，一些用户不能耐受立体配置。这些限制了AR和VR系统二者的应用。因此，大多数传统的AR和VR系统不是最适合以对用户来说舒适且最有用的方式来呈现丰富的双目三维体验，部分原因是现有系统未能解决一些人类感知系统的基本方面的问题，包括聚散度-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系统的设计也带来了许多其他挑战，包括系统在传送虚拟数字内容时的速度、虚拟数字内容的质量、用户的眼睛缓解(解决聚散度-调节冲突)、系统的尺寸和便携性、以及其他系统和光学挑战。

解决这些问题(包括聚散度-调节冲突)的一种可能方法是使用多个导光光学元件将光投射到用户的眼睛，使得该光和由该光呈现的图像看起来起源于来自多个深度的平面。导光光学元件被设计为使与数字或虚拟对象对应的虚拟光耦入并通过全内反射(“TIR”)传播，然后耦出所述虚拟光以向用户的眼睛显示所述数字或虚拟对象。在AR系统中，导光光学元件也被设计为对来自实际的现实世界对象(例如，从实际的现实世界对象反射)的光透明。因此，在AR系统中，导光光学元件的部分被设计为反射虚拟光以经由TIR传播，同时对来自现实世界对象的现实世界光透明。

为了实现多个导光光学元件系统，来自一个或多个光源的光必须可控地分布到每个导光光学元件系统。一种方法是使用大量光学元件(例如，光源、棱镜、光栅、滤波器、扫描光学器件、分束器、反射镜、半反射镜、光闸、目镜等)以在足够大量的(例如，六个)深度平面处投影图像。该方法的问题在于以这种方式使用大量部件必然需要比期望的更大的形状因子，并且限制了系统尺寸能够被减小的程度。这些系统中的大量光学元件也导致更长的光路，光和其中包含的信息将在光路上退化。这些设计问题导致笨重且耗电量大的系统。本文中描述的系统和方法被配置为解决这些挑战。

发明内容

本发明的实施例涉及用于便于一个或多个用户的虚拟现实和/或增强现实交互的设备、系统和方法。

在一个实施例中，一种成像系统包括光源，所述光源被配置为生成光束。所述系统还包括第一导光光学元件和第二导光光学元件，所述第一导光光学元件和所述第二导光光学元件具有相应的第一入射部分和第二入射部分，并且被配置为通过全内反射至少传播所述光束的相应的第一部分和第二部分。所述系统进一步包括光分配器，所述光分配器具有光分配器入射部分、第一出射部分和第二出射部分。所述光分配器被配置为将所述光束的所述第一部分和所述第二部分分别导向所述第一入射部分和所述第二入射部分。所述光分配器入射部分和所述第一出射部分沿第一轴对齐。所述光分配器入射部分和所述第二出射部分沿与所述第一轴不同的第二轴对齐。

在一个或多个实施例中，所述第一导光光学元件、所述第二导光光学元件和所述光分配器被配置为使得：当所述光束与所述第一出射部分相互作用时，所述光束的第一出射子束(beamlet)从所述光分配器出射，并且经由所述第一入射部分进入所述第一导光光学元件，并且当所述光束与所述第二出射部分相互作用时，所述光束的第二出射子束从所述光分配器出射，并且经由所述第二入射部分进入所述第二导光光学元件。所述系统还可以包括第一光闸和第二光闸，所述第一光闸和所述第二光闸被配置为分别选择性地遮断所述第一出射部分和所述第二出射部分与所述第一入射部分和所述第二入射部分之间的第一光路和第二光路。所述第一导光光学元件和所述第二导光光学元件可以被设置在所述光分配器的相反侧上。

在一个或多个实施例中，所述系统还包括聚焦衍射光学元件，所述聚焦衍射光学元件被设置在所述第一导光光学元件和所述第二导光光学元件之间。所述聚焦衍射光学元件可以被配置为将所述光束的所述第二出射子束朝向所述第二导光光学元件的所述第二入射部分聚焦。

在一个或多个实施例中，所述第一出射部分是第一分束器，并且其中，所述第二出射部分是第二分束器。所述第一分束器和所述第二分束器可以具有不同的尺寸。所述第一入射部分和所述第二入射部分可以具有与所述第一分束器和所述第二分束器的不同尺寸相对应的不同尺寸。所述光分配器入射部分可以是接收分束器，所述接收分束器被配置为将所述光束分成分别被导向所述第一分束器和所述第二分束器的第一分裂子束和第二分裂子束。

在一个或多个实施例中，所述接收分束器是二向色分束器。所述第一分裂子束可以包括绿光，并且所述第二分裂子束包括红光和蓝光。

在一个或多个实施例中，所述接收分束器是偏振分束器，并且其中，所述光束包括偏振光。所述偏振光可以包括绿光。所述光分配器还可以具有延迟滤波器，所述延迟滤波器被配置为改变所述光束的一部分的偏振角。所述光束的该部分可以包括蓝光。

在一个或多个实施例中，所述接收分束器是X-立方体分束器。

在一个或多个实施例中，所述系统还包括沿所述第一轴设置的第三分束器，使得所述第一分束器位于所述光分配器分束器和所述第三分束器之间。所述第一分束器可以是二向色分束器，其被配置为将所述光束分成第一分裂子束和第二分裂子束。所述第一分束器和所述第三分束器可以被配置为使得所述第一分裂子束被导向所述第一入射部分，并且所述第二分裂子束被导向所述第三分束器。所述第一分裂子束可以包括绿光，并且所述第二分裂子束可以包括红光和蓝光。

在一个或多个实施例中，所述第一分束器是偏振分束器，并且其中，所述光束包括偏振光。所述偏振光可以包括绿光。所述光分配器还可以具有延迟滤波器，所述延迟滤波器被配置为改变所述光束的一部分的偏振角。所述光束的该部分可以包括蓝光。

在另一实施例中，一种成像系统包括光源，所述光源被配置为生成光束。所述系统还包括第一导光光学元件，所述第一导光光学元件具有第一入射部分并且被配置为通过全内反射传播所述光束的至少第一部分。所述系统进一步包括第二导光光学元件，所述第二导光光学元件具有第二入射部分并且被配置为通过全内反射传播所述光束的至少第二部分。此外，所述系统包括光分配器，所述光分配器具有光分配器入射部分、第一出射部分和第二出射部分，并且被配置为将至少部分所述光束导向所述第一导光光学元件和所述第二导光光学元件中。所述光分配器入射部分被设置在所述第一出射部分和所述第二出射部分之间。

在一个或多个实施例中，所述光分配器入射部分是二向色分束器。所述光分配器入射部分可以是X-立方体分束器。

在又一实施例中，一种成像系统包括光源，所述光源被配置为生成光束。所述系统还包括第一导光光学元件，所述第一导光光学元件具有第一入射部分并且被配置为通过全内反射传播所述光束的至少第一部分。所述系统进一步包括第二导光光学元件，所述第二导光光学元件具有第二入射部分并且被配置为通过全内反射传播所述光束的至少第二部分。此外，所述系统包括光分配器，所述光分配器具有第一耦出光栅(out-couplinggrating)和第二耦出光栅。所述第一导光光学元件、所述第二导光光学元件和所述光分配器被配置为使得：当所述光束与所述第一耦出光栅相互作用时，所述光束的第一出射子束从所述光分配器出射，并且经由所述第一入射部分进入所述第一导光光学元件，以及当所述光束与所述第二耦出光栅相互作用时，所述光束的第二出射子束从所述光分配器出射，并且经由所述第二入射部分进入所述第二导光光学元件。

在一个或多个实施例中，所述第一耦出光栅是动态光栅或静态光栅。所述第二耦出光栅可以是动态光栅或静态光栅。

在再一实施例中，一种成像系统包括光源，所述光源被配置为生成母光束。所述系统还包括导光光学元件，所述导光光学元件被配置为通过全内反射传播所述光束的至少一部分。所述光源包括分束器，所述分束器被配置为将所述母光束分成第一光束和第二光束。

在一个或多个实施例中，所述系统还包括第一光闸和第二光闸，所述第一光闸和所述第二光闸被配置为分别选择性遮挡所述第一光束和所述第二光束。

在又一实施例中，一种成像系统包括光源，所述光源被配置为生成母光束。所述系统还包括第一导光光学元件，所述第一导光光学元件被配置为通过全内反射传播所述光束的第一部分。所述系统进一步包括第二导光光学元件，所述第二导光光学元件被配置为通过全内反射传播所述光束的第二部分。所述光束的所述第一部分包括绿光，并且所述光束的所述第二部分包括红光和蓝光。所述第一导光光学元件和所述第二导光光学元件被配置为将所述光束的所述第一部分和所述第二部分导向用户的第一眼睛和第二眼睛。所述第一导光光学元件和所述第二导光光学元件还被配置为在同一深度平面处呈现第一图像和第二图像。

在再一实施例中，一种成像系统包括光源，所述光源被配置为生成光束。所述系统还包括第一导光光学元件，所述第一导光光学元件具有入射部分并且被配置为通过全内反射传播所述光束的至少一部分。所述系统进一步包括第二导光光学元件。此外，所述系统包括反射涂层，所述反射涂层被设置在所述第二导光光学元件的与所述第一导光光学元件相邻的表面上。所述反射涂层被配置为在所述入射部分处将传输通过所述入射部分的光反射回去。

本发明的另外的和其他目的、特征和优点将在具体实施方式、附图和权利要求中描述。

附图说明

附图示出了本发明的各种实施例的设计和效用。应当注意，附图未按比例绘制，并且在所有附图中，相似的结构或功能的元件由相同的参考标记表示。为了更好地理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具体实施例来对上面简要描述的本发明进行更详细的描述。应当理解，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被认为限制其范围，通过使用附图，本发明将用附加的特性和细节来进行描述和解释，在附图中：

图1至图3是各种光学系统的详细示意图；

图4是示出光学系统的焦平面的图；

图5是光学系统的导光光学元件的详细示意图；

图6是光学系统的导光光学元件的详细透视图；

图7是光学系统的详细示意图；

图8是根据一个实施例的光学系统的详细示意图；

图9是根据一个实施例的光学系统的详细透视图；

图10是图9所示的光学系统的光分配器的俯视图；

图11是根据一个实施例的光分配器的俯视图；

图12是根据一个实施例的光学系统的详细透视图；

图13至图15是根据两个实施例的光学系统的详细示意图；

图16是根据一个实施例的光学系统的详细透视图；

图17是根据一个实施例的光学系统的详细示意图；

图18和图19是根据两个实施例的光学系统的详细示意图；

图20是根据一个实施例的光分配器的俯视图；

图21、图22和图23是根据一个实施例的光学系统的详细透视图、俯视图和侧视图；

图24是根据一个实施例的光学系统的详细透视图；

图25是根据一个实施例的光分配器的详细透视图；

图26是根据一个实施例的光学系统的示意图；

图27是被配置为用于图26所示的光学系统的导光光学元件和两个光分配器的示意图；

图28和图29是根据两个实施例的光学系统的示意图。

具体实施方式

本发明的各种实施例在单个实施例或多个实施例中涉及用于实现光学系统的方法、系统和制品。在具体实施方式、附图以及权利要求中描述了本发明的其他目的、特征以及优点。

现在将参考附图详细描述各种实施例，附图被提供作为本发明的例示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，以下附图和示例不旨在限制本发明的范围。在可以使用已知部件(或方法或过程)部分地或完全地实现本发明的某些要素的情况下，将仅描述这样的已知部件(或方法或过程)中的对本发明的理解所必需的那些部分，且将省略这样的已知部件(或方法或过程)中的其他部分的详细描述以不使本发明模糊。另外，各种实施例包含对本文中以例示的方式提到的部件的现在或未来已知的等同物。

所述光学系统可以独立于AR系统来实现，但在下面许多实施例仅为了说明的目的而关于AR系统进行描述。

问题和解决方案的概要

用于在各种深度处生成图像的一类光学系统包括许多光学部件(例如，光源、棱镜、光栅、滤波器、扫描光学器件、分束器、反射镜、半反射镜、光闸、目镜等)，随着3D体验/场景的质量(例如，成像平面的数量)和图像质量(例如，图像颜色的数量)的增加，所述光学部件的数量增加，从而增加AR和VR系统的复杂性、尺寸和成本。随着3D场景/图像质量的增加而增大的光学系统尺寸限制了AR和VR系统的尺寸，导致系统笨重且效率降低。

以下公开描述了使用多平面聚焦光学元件来创建3D感知的系统和方法的各种实施例，所述系统和方法通过提供具有更少部件和更高效率的光学系统来解决所述问题。特别地，本文描述的系统利用包括各种系统部件和设计的各种光分配系统来减小光学系统的尺寸，同时选择性地将来自一个或多个光源的光分配到呈现高质量的AR和VR场景所需的多个导光光学元件(“LOE”，例如平面波导)。

例示性光学系统

在描述光分配系统的实施例的细节之前，现在本公开将简要描述例示性光学系统。尽管实施例可以被用于任何光学系统，但描述了具体系统(例如AR系统)以说明作为实施例的基础的技术。

一种实现AR系统的可能的方法使用被嵌入有深度平面信息的多个体相位全息图、表面浮雕全息图或导光光学元件，以生成看起来源自相应深度平面的图像。换言之，衍射图案或衍射光学元件(“DOE”)可以被嵌入在LOE内或压印在LOE上，使得准直光(具有基本平面波前的光束)沿着LOE基本被全内反射，所述准直光在多个位置处与衍射图案相交并朝向用户的眼睛出射。DOE被配置为使得从LOE通过其出射的光被聚散，从而它们看起来源自特定的深度平面。可以使用光学聚光透镜(“聚光器”)生成准直光。

例如，第一LOE可以被配置为向眼睛传送看起来源自光学无限远深度平面(0屈光度)的准直光。另一LOE可以被配置为传送看起来源自2米的距离(1/2屈光度)的准直光。又一LOE可以被配置为传送看起来源自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。应该理解，堆叠可以包括任何数量的LOE。然而，需要至少N个堆叠的LOE来生成N个深度平面。此外，N、2N或3N个堆叠的LOE可被用于在N个深度平面处生成RGB彩色图像。

为了向用户呈现3D虚拟内容，增强现实(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方向上的各种深度平面(即，正交地远离用户的眼睛)。换言之，虚拟内容不仅可以在X和Y方向上(即，在与用户眼睛的中心视轴正交的2D平面中)改变，而且也可以看起来在Z方向上改变，使得用户可以感知到对象非常靠近或处于无限远距离或其间的任何距离处。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，用户可以看到虚拟的龙从无限远处出现并朝向用户行进。或者，用户可以同时看到距用户3米距离处的虚拟的鸟和距用户手臂长度(约1米)处的虚拟的咖啡杯。

多平面聚焦系统通过位于在Z方向上距用户的眼睛相应的固定距离处的多个深度平面中的一些或全部上投影图像来创建可变深度的感知。现在参考图4，应当理解，多平面聚焦系统一般在固定深度平面202(例如，图4所示的六个深度平面202)处显示帧。尽管AR系统可包括任何数量的深度平面202，但是一个示例性多平面聚焦系统在Z方向上具有六个固定深度平面202。在六个深度平面202中的一个或多个上生成虚拟内容时，创建3D感知，使得用户在距用户眼睛不同的距离处感知一个或多个虚拟对象。假定人眼对距离较近的对象比看起来很远的对象更敏感，则距眼睛越近生成的深度平面202越多，如图4所示。在其他实施例中，深度平面202可以定位在彼此相距相等的距离处。

通常以屈光度度量深度平面位置202，屈光度是光焦度(optical power)的单位，光焦度等于以米为单位度量的焦距的倒数。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可以表示无限远(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，在策略性定位的深度平面202处生成虚拟内容时，用户能够以三维方式感知虚拟对象。例如，当在深度平面1中显示时，用户可以将第一虚拟对象感知为靠近他，而另一个虚拟对象看起来在深度平面6处的无限远处。或者，虚拟对象可以首先被显示在深度平面6处，然后在深度平面5处，依此类推，直到虚拟对象看起来非常靠近用户。应当理解，为了说明性目的，上述示例被显著简化。在另一个实施例中，全部六个深度平面可以集中在距用户特定焦距处。例如，如果待显示的虚拟内容是距用户半米远的咖啡杯，则可以在咖啡杯的各个横截面处生成全部六个深度平面，从而向用户提供咖啡杯的高度粒化的3D视图。

在一个实施例中，AR系统可以作为多平面聚焦系统工作。换言之，全部六个LOE可以被同时照亮，以使得看起来源自六个固定深度平面的图像快速连续地生成，其中光源快速地将图像信息传送到LOE 1，然后是LOE 2，然后是LOE 3等。例如，可以在时间1处注入包括光学无限远处的天空的图像的所需图像的一部分，并且可以利用使光保持准直(例如，图4中的深度平面6)的LOE 1090。然后，可以在时间2处注入更近的树枝的图像，并且可以利用被配置为创建看起来源自10米远的深度平面(例如，图4中的深度平面5)的图像的LOE1090；然后，可以在时间3处注入笔的图像，并且可以利用被配置为创建看起来源自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)方式重复，使得用户的眼睛和大脑(例如视觉皮层)感知该输入是同一图像的全部部分。

需要AR系统投影看起来源自沿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。如在本申请中所使用的，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)的定向投射。生成看起来源自各深度平面的图像符合用户针对该图像的眼睛的聚散度和调节，并最小化或消除聚散度-调节冲突。

图1示出了用于在单个深度平面处投影图像的基本光学系统100。系统100包括光源120和LOE 190，LOE 190具有衍射光学元件(未示出)和与衍射光学元件相关联的耦入光栅(in-coupling grating)192(“ICG”)。光源120可以是任何合适的成像光源，包括但不限于DLP、LCOS、LCD和光纤扫描显示器。这样的光源可以被用于本文描述的任何系统100。衍射光学元件可以是任何类型，包括立体的或表面浮雕。ICG 192可以是LOE 190的反射式镀铝部分。或者，ICG 192可以是LOE 190的透射衍射部分。当使用系统100时，来自光源120的虚拟光束210经由ICG 192进入LOE 190，并通过基本全内反射(“TIR”)沿着LOE 190传播，以向用户的眼睛显示。光束210是虚拟的，因为它按照系统100的指示对图像或其部分进行编码。应当理解，尽管图1仅示出了一个光束，但是对图像编码的多个光束可以通过同一ICG 192而从宽范围的角度进入LOE。光束“进入”或“被准许进入”LOE包括但不限于光束与LOE相互作用以通过基本TIR沿LOE传播。图1所示的系统100可以包括各种光源120(例如LED、OLED、激光器和遮蔽的宽区域/宽带发射器)。来自光源120的光也可以经由光纤光缆(未示出)被传送到LOE 190。

图2示出了另一光学系统100'，所述光学系统100'包括光源120和相应的多个(例如，三个)LOE 190，以及耦入光栅192。光学系统100'还包括三个分束器162(以将光导向相应的LOE)和三个光闸164(以控制LOE何时被照亮)。光闸164可以是任何合适的光学光闸，包括但不限于液晶光闸。在图2中示意性示出了分束器162和光闸164，而没有指定用于例示光学系统100'的功能的配置。下述实施例包括解决光学系统的各种问题的具体光学元件配置。

当使用系统100'时，来自光源120的虚拟光束210被三分束器162分成三个虚拟光亚束/子束210'。三分束器还将子束重新导向相应的耦入光栅192。子束通过相应的耦入光栅192进入LOE 190之后，它们通过基本TIR(未示出)沿着LOE 190传播，在这里它们与附加的光学结构相互作用从而向用户的眼睛显示。在光路的远侧上的耦入光栅192的表面可以涂覆有不透明材料(例如铝)以防止光通过耦入光栅192传输到下一个LOE 190。分束器162可以与波长滤波器组合以生成红色、绿色和蓝色子束。需要三个单色LOE 190来在单个深度平面处显示彩色图像。或者，LOE 190可以各自在用户的视野内横向角度移位地呈现较大的单个深度平面图像区域的一部分，所述视场可以是相同颜色的或不同颜色的(“平铺(tile)视场”)。尽管全部三个虚拟光子束210'被描绘为传输通过相应的光闸164，但是通常在任何一个时间选择性地仅允许一个子束210'传输通过相应的光闸164。以这种方式，系统100'可以将由束210和子束210'编码的图像信息与这样的LOE 190进行协调：通过该LOE 190，子束210和在其中被编码的图像信息将被传送到用户的眼睛。

图3示出了再一个光学系统100″，其具有相应的多个(例如六个)分束器162、光闸164、ICG 192和LOE 190。如在上面图2的讨论期间所解释的，在单个深度平面处显示彩色图像需要三个单色LOE 190。因此，此系统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″中的光闸164具有与相应分束器162的尺寸相对应的不同尺寸。

光学系统100″中的ICG 192具有与相应分束器162的尺寸和分束器162与其相应的ICG 192之间的束路径的长度相对应的不同尺寸。分束器162与其相应的ICG 192之间的束路径的距离越长，束发散越强，并且耦入光需要的ICG 192越大。如图3所示，分束器162越大也需要ICG 192越大。尽管分束器162越大允许光源120具有的扫描角度越大，因此，具有的视场(“FOV”)越大，但是它们需要的ICG 192也越大，这容易受到“第二次遭遇问题”的影响。

第二次遭遇问题

图3中示出了第二次遭遇问题。图3中所示的虚拟光子束210'通过ICG 192进入LOE190。ICG 192的尺寸使得当子束210'通过TIR传播通过LOE 190时，所述子束210'在第二位置212处遭遇ICG 192。此第二次遭遇允许光从LOE 190非有意的耦出，从而降低沿着LOE190传播的光的强度。因此，增加ICG 192的尺寸使得子束210'在TIR期间与所述ICG 192第二次遭遇，这将降低用于选出的LOE 190的光学系统100”的效率。下面描述解决第二次遭遇问题的实施例。

尽管此问题被描述为“第二次”遭遇问题，但是ICG 192越大可能导致一系列重复遭遇，这将进一步降低光学效率。此外，如图1至图4所示，随着所生成的深度平面、场块(field tile)或颜色的数量增加(例如，随着AR场景质量的增加)，LOE 190和ICG 192的数量增加。例如，单个RGB颜色深度平面需要至少三个具有三个ICG 192的单色LOE 190。因此，在这些光学元件处无意地耦入现实世界光的机会也增加。而且，现实世界光可以沿着LOE190全部被耦入，包括在耦出光栅(未示出)处。因此，生成可接受的AR场景所需的光学元件数量的增加加剧了系统100的第二次遭遇问题。

光瞳扩展器

如图5所示，上述LOE 190的部分可用作出射光瞳扩展器196(“EPE”)以增加光源120在Y方向上的数值孔径，从而增加光学系统100的分辨率。由于光源120产生小直径/斑点尺寸的光，EPE 196使从LOE 190出射的光的光瞳的表观(apparent)尺寸扩展以增加系统分辨率。除了EPE 196之外，AR系统100可以进一步包括正交光瞳扩展器194(“OPE”)，以使光在X(OPE)和Y(EPE)这两个方向上都扩展。关于EPE 196和OPE 194的更多细节在上面引用的序列号为14/555,585的美国实用新型专利申请和序列号为14/726,424的美国实用新型专利申请中进行了描述，其内容先前已通过引用而被并入。

图5示出了具有ICG 192、OPE 194和EPE 196的LOE 190。图5从俯视图示出了LOE190，该俯视图与来自用户眼睛的视图类似。ICG 192、OPE 194和EPE 196可以是任何类型的DOE，包括立体或表面浮雕。

ICG 192是这样的DOE(例如线性光栅)：其被配置为准许来自光源120的虚拟光束210通过TIR传播的DOE(例如线性光栅)。图5所示的系统100中，光源120被设置在LOE 190的侧面。

OPE 194是这样的DOE(例如线性光栅)：其在横向平面中(即，垂直于光路)倾斜，使得传播通过系统100的虚拟光束210将被横向偏转90度。OPE 194也是部分透明的，并且沿着光路部分地反射，使得光束210部分地传输通过OPE 194以形成多个(例如11个)子束210'。在所示的系统100中，光路沿着X轴，并且OPE 194被配置为使子束210'向Y轴折曲。

EPE 196是这样的DOE(例如，线性光栅)：其在Z平面(即，垂直于X和Y方向)上倾斜，使得传播通过系统100的子束210'将在Z平面中且朝向用户的眼睛被偏转90度。EPE 196也是部分透明的，并且沿着光路(Y轴)部分地反射，使得子束210'部分地传输通过EPE 196以形成多个(例如七个)子束210'。为了清楚起见，仅标记选出的束210和子束210'。

OPE 194和EPE 196二者也是沿Z轴至少部分透明的，以允许现实世界光(例如，从现实世界对象反射出的现实世界光)在Z方向传输通过OPE 194和EPE 196到达用户眼睛。对于AR系统100，ICG 192也是沿Z轴至少部分透明的，以准许现实世界光进入。然而，当ICG192、OPE 194或EPE 196是LOE 190的透射衍射部分时，它们可能无意地将现实世界光耦入到LOE 190中。如上所述，该无意地耦入的现实世界光可能被耦出到用户眼睛中形成鬼影。

图6示出了包括具有ICG 192、OPE 194和EPE 196的LOE 190的另一光学系统100。该系统100还包括光源120，所述光源120被配置为经由ICG 192将虚拟光束210导入LOE190。如上面参考图5所述，光束210被OPE 194和EPE 196分成子束210'。此外，当子束210'传播通过EPE 196时，它们也经由EPE 196从LOE 190朝向用户眼睛出射。为了清楚起见，仅标记选出的束210和子束210'。

多深度光学系统

图7示出了包括多个(例如四个)LOE 190的光学系统100，每个LOE 190具有ICG192、OPE 194和EPE 196。多个LOE 190中的每一个可以被配置为向用户眼睛传送光，使得所述光具有特定的颜色和/或看起来源自特定的深度平面。系统100还包括光源120，所述光源120被配置为将虚拟光束210导入光分配器300。光分配器300被配置为将光束210分成多个(例如四个)子束210'，并且将子束210'导向相应的光闸164和光闸164后面的相应的ICG192。

光分配器300具有多个(例如四个)分束器162。分束器162可以是任何类型，包括但不限于部分反射分束器、二向色分束器(例如二向色镜棱镜)，和/或偏振分束器(诸如线栅分束器)。在图7所示的系统100中，仅一个光闸164是打开的以仅允许一个子束210'寻址其相应的ICG 192并通过TIR传播通过其相应的LOE 190。图7示意性地示出了分束器162和光闸164，而没有指定用于例示光学系统100的功能的配置。下面描述的实施例包括解决光学系统的各种问题的特定光学元件配置。

如上面参考图6所述，子束210'被OPE 194和EPE 196进一步分成子束210'。如上所述，子束210'也经由EPE 196从LOE190朝向用户的眼睛出射。为了清楚起见，仅标记选出的重复系统部件、束210和子束210'。

此外，ICG 192被描绘在顶部LOE 190的顶表面上以及在系统100中的四个LOE 190中的每一个的侧面上。此侧视图示出了LOE 190堆叠中的每一个的ICG 192被设置于在其LOE 190的面上的不同位置，以允许LOE 190的堆叠中的每个ICG 192被分配设备中的分别的分束器162寻址。因为每个分束器162由其相应的ICG 192通过可控光闸分开，所以系统100可以选择一个LOE 190在特定时间被子束210'照亮。尽管示意性示出的光闸164和ICG192的位置看起来仅沿X轴变化，但是位置可以沿任何空间轴(X、Y或Z)变化。

图8示出了根据一个实施例的光学系统100，所述光学系统100包括多个(例如五个)LOE 190，每个LOE 190具有ICG 192、OPE 194和EPE 196。所述多个LOE 190中的每一个可被配置为将光传送到用户的眼睛，使得光具有特定颜色和/或看起来源自特定深度平面。系统100还包括光源120，所述光源120被配置为将虚拟光束210导入光分配器300。光分配器300被配置为将光束210分成多个(例如五个)子束210'，并将子束210'导向相应的光闸164和光闸164后面的相应ICG 192。

图8中示出的光分配器300是具有ICG 192和多个(例如五个)耦出光栅302(“OCG”)的整体光学元件。ICG 192被配置为耦入来自光源120的虚拟光束210，使得其在光分配器300中通过基本TIR传播。OCG可以是动态光栅(例如PDLC)或静态光栅。OCG 302沿着光分配器300的纵轴和TIR光路串联布置。每个OCG被配置为将光束210的一部分(例如子束210')在切线附近导向光分配器300，并从光分配器300导出，并导向相应LOE 190中的相应ICG 192。光束210的另一部分以更倾斜的角度反射离开OCG 302，并且通过基本TIR继续传播通过光分配器。束210的此另一部分与剩余的多个OCG 302相互作用，这些OCG 302与系统100中的每个LOE 190对应。

与图7所示的系统100类似，图8所示的系统100还包括将光分配器300从相应的ICG192分开的多个(例如五个)光闸164。尽管示意性示出的OCG 302、光闸164和ICG 192的位置看起来仅沿X轴变化，但这些位置可沿任何空间轴(X、Y或Z)变化。

如上所述，光分配器300被配置为将虚拟光束210分成多个(例如五个)子束210'。尽管图8所示的每个OCG 302将子束210'重新导向光分配器300的对侧以出射，但是在其他实施例中，OCG 302也可以允许子束210'通过其出射。在这样的实施例中，OCG 302可以被设置在光分配器的与光闸164和LOE 190相邻的表面上。图8所示的系统100中，仅一个光闸164是打开的以仅允许一个子束210'寻址其相应的ICG 192，并且通过TIR传播通过其相应的LOE 190。然而，其他子束210'被描绘为传输通过它们相应的关闭的光闸164以例示它们的路径。

如上面参考图6所述，子束210'被OPE 194和EPE 196进一步分成子束210'。如上所述，子束210'也经由EPE 196从LOE 190朝向用户的眼睛出射。为了清楚起见，仅标记选出的重复的系统部件、束210和子束210'。

此外，ICG 192被描绘在顶部LOE 190的顶表面上以及在LOE 190上的全部侧面上。此侧视图示出了LOE 190的堆叠中的每一个的ICG 192被设置于在其LOE 190的表面上的不同位置，以允许LOE 190的堆叠中的每个ICG 192由分配设备中的分别的分束器162寻址。因为每个分束器162由其相应的ICG 192通过可控光闸分开，所以系统100可以选择一个LOE190在特定时间被子束210'照亮。

图8所示的系统还包括可选的聚焦光学元件304，所述可选的聚焦光学元件304通过将发散子束210'聚焦在位于光分配器300与对应的LOE 190中的对应的ICG 192之间的LOE 190处来解决上述第二次遭遇问题。将发散子束210'聚焦在聚焦光学元件304处使得子束210'会聚到ICG 192上，从而减小了耦入由光分配器300传送的全部范围的子束210'所需的ICG 192的尺寸。

图9示出了根据另一实施例的光学系统100，所述光学系统100包括多个(例如四个)LOE 190，每个LOE 190具有ICG 192、OPE 194和EPE 196。多个LOE 190中的每一个可被配置为将光传递到用户的眼睛，使得光具有特定颜色和/或看起来源自特定深度平面。系统100还包括光源120，所述光源120被配置为将虚拟光束210导入光分配器300。光分配器300被配置为将光束210分成多个(例如四个)子束210'，并且将子束210'导向相应的光闸164和所述光闸164后面的相应ICG 192。

光分配器300具有以“L”形布置的多个(例如五个)分束器162。“L”形由耦入分束器308和与其连接的两个“臂”306形成。每个臂306包括两个分束器162。臂306中的分束器162可以是任何类型，包括但不限于部分反射分束器、二向色分束器(例如二向色镜棱镜)或偏振器分束器(诸如线栅分束器)。二向色分束器和偏振分束器分别基于波长(即颜色)和偏振来分光。虽然在此实施例中的耦入分束器308是部分反射分束器(例如，50％反射、50％透射)，但是在其他实施例中的耦入分束器308可以是二向色分束器或偏振分束器。

耦入分束器308被配置为准许来自光源120的虚拟光束210进入，并将所述虚拟光束210分成两个子束210'以沿着两个臂306通过TIR传播。两个子束210'传播通过臂306，并且以与光束210与图7所示的光分配器300中的分束器162相互作用类似的方式与臂306中的分束器162相互作用。尽管图9中的光闸164被示出为关闭的，它们被配置为一次打开一个以仅允许一个子束210'寻址其相应的ICG 192并通过TIR传播通过其相应的LOE 190。如上面参考图6所述，在LOE 190中，子束210'被OPE 194和EPE 196进一步分成子束210'。如上所述，子束210'也经由EPE 196从LOE 190朝向用户的眼睛出射。为了清楚起见，仅标记选出的重复系统部件、束210和子束210'。因为每个分束器162由其相应的ICG 192通过可控光闸分开，所以系统100可以选择一个LOE 190在特定时间被子束210'照亮。

图9所示的“L”形的光分配器300导致光闸164在图9所示的系统100中以近似的“L”形定位。“L”形的光分配器300还导致ICG 192在图9所示的系统100中以近似“L”形定位。与图7所示的线形相比，图9中所示的“L”形是ICG 192的更紧凑的空间分布。“L”形也为来自相邻ICG 192的光的无意耦入提供较少的机会。这两个特征从图10中都是显而易见的，图10是图9所示的光分配器300的俯视图。

图11是根据再一实施例的光分配器300的俯视图。在该光分配器300中，耦入分束器308和形成臂306的分束器162具有不同的尺寸。较大的分束器162、分束器308可以适应具有较大扫描角度和伴随的较大FOV的光。可以基于与分束器162对应的LOE 190的扫描角度要求来优化分束器162的尺寸。例如，可以通过至少平衡以下扫描角度考量/度量来优化系统100和/或分束器162的尺寸：系统100中的LOE 190的数量和大小；最大化FOV大小；最大化出瞳尺寸；减轻第二次遭遇问题(例如，通过减小ICG 192的尺寸)。

图9至图11中的光分配器300的形状要求系统100的LOE 190中的光闸164和ICG的对应的布置。此外，光分配器300的形状导致光源120与光分配器300之间的特定位置关系，这又导致对应的整体系统分布。

图12示出了根据又一个实施例的光学系统100。图12中的系统100与图9所示的系统几乎相同。区别在于第二耦入分束器308'的添加。如图9所示，不同之处在于增加了第二耦入分束器308'。第二耦入分束器308'被配置为允许光源120从光分配器300的平面下方而不是在光分配器300的平面内对光分配器300寻址。该设计变化允许光源120(在一些实施例中光源120可以是相当大的)定位在系统100中的不同位置。

图13示意性示出了根据另一实施例的光学系统100。在此实施例中，光分配器300由具有不同尺寸的分束器162形成，这允许根据与分束器162对应的LOE 190的扫描角度要求来优化系统100。在一些实施例中，系统100和/或分束器162的尺寸可以通过至少平衡以下扫描角度考量/度量来优化：系统100中的LOE 190的数量和大小；最大化FOV大小；最大化出瞳尺寸；减轻第二次遭遇问题(例如，通过减小ICG 192的尺寸)。例如，第一分束器162-1是边长为1.5mm的立方体。对应的第一光闸164-1的长度为1.5mm。第二分束器162-2是边长为1mm的立方体。对应的第二光闸164-2的长度为1mm。第三分束器162-3是边长为1.5mm的立方体。对应的第三光闸164-3的长度为1.2mm。第四分束器162-4是边长为2mm的立方体。对应的第四光闸164-4的长度为1.8mm。

系统100还包括相应的多个(例如四个)LOE 190和与其对应的ICG 192。如图13所示，光闸164和ICG 192的尺寸(例如长度)是(1)光源120与对应的分束器162之间的距离和(2)对应的分束器与对应的ICG 192之间的距离的函数。这是因为当它们与分束器162、光闸164和ICG 192相互作用时，这些距离将确定虚拟光束210和子束210'是会聚还是发散。为了清楚起见，仅标记选出的光束210和子束210'。尽管图13中的光闸164被示出为关闭的，但是它们被配置为一次打开一个以仅允许一个子束210'寻址其相应的ICG 192并通过TIR传播通过其相应的LOE 190。图13中的子束210'被示出为传输通过它们相应的关闭的光闸164以例示它们的路径。

图14示意性示出了根据再一实施例的光学系统100。与图13所示的光分配器相同，图14所示的光分配器300由具有不同尺寸的分束器162形成，这允许根据与分束器162对应的LOE 190的扫描角度要求来优化系统100。例如，系统100和/或分束器162的尺寸可以通过至少平衡以下扫描角度考量/度量来优化：系统100中的LOE 190的数量和尺寸；最大化FOV大小；最大化出瞳尺寸；减轻第二次遭遇问题(例如，通过减小ICG 192的尺寸)。与图13所示的系统100不同，图14所示的系统100包括设置在分束器162的相反侧上的LOE 190和光闸164。这种配置缩短了一些LOE 190的光路，从而减小了用于发散光子束210'的对应的ICG192的尺寸。通过避免第二次遭遇问题，减小ICG 192的尺寸提高了光学效率。在分束器162的相反侧上设置LOE 190(和光闸164)需要一些分束器162-1、162-2将光沿第一正交方向导入，而其他分束器162-3、162-4将光沿相反的第二正交方向导入。

为了清楚起见，在图14中仅标记选出的束210和子束210'。尽管图14中的光闸164被示出为关闭的，但是它们被配置为一次打开一个以仅允许一个子束210'寻址其相应的ICG 192并通过TIR传播通过其相应的LOE 190。图14中的子束210'被示出为传输通过它们的相应的关闭的光闸164以例示它们的路径。

图15和图16示出了根据另外两个实施例的光学系统100。图15和图16所示的系统100与图9和图12所示的系统100类似，因为图9、图12、图15和图16所示的系统100各自都具有四个LOE 190。系统100中的区别由其中的不同配置的光分配器300驱动。图15中的光分配器300具有两个平行臂306(由分束器162形成)，它们由耦入分束器308连接并在X和Y轴上彼此偏移。图16中的光分配器300具有两个垂直臂306(由分束器162形成)，它们由耦入分束器308连接并在Y轴上彼此偏移。

图15和图16中的光分配器300的不同配置导致光闸164(仅在图16中示出)和LOE190的配置不同。不同的光分配器300、光闸164和LOE 190配置可用于定制光学系统100的三维覆盖区(footprint)，以提供特定的设备形状因子。为了清楚起见，图15和图16中仅包括并标记选出的系统部件、束210和子束210'。尽管图16中的光闸164被示出为关闭的，但是它们被配置为一次打开一个以仅允许一个子束210'寻址其相应的ICG 192并通过TIR传播通过其相应的LOE 190。

图17示意性示出了根据另一实施例的光学系统100，所述光学系统100具有多个(例如五个)LOE 190。图17所示的系统100与图14所示的系统100类似，因为系统100包括设置在分束器162的相反侧上的LOE 190和光闸164。如上所述，这种配置缩短了一些LOE 190的光路，从而减小了用于发散光子束210'的相应的ICG 192的尺寸，并且减轻了第二次遭遇问题。

图14和图17所示的系统100之间的主要区别在于：图17中所示的光分配器300是整体光学元件而不是如图14所示的多个分束器162。图17中的光分配器300包括不规则形状的DOE 310，所述DOE 310被配置为将虚拟光束210分成多个(例如五个)子束210'，并将那些子束210'导向相应的光闸164和光闸164后面的相应的ICG 192。不规则形状的DOE 310中的部分被配置为引导具有较大尺寸或扫描角度的子束210'，从而增加系统100的分辨率。

为了清楚起见，在图17中仅包括并标记选出的系统部件、束210和子束210'。尽管图17中的光闸164被示出为关闭的，但是它们被配置为一次打开一个以仅允许一个子束210'寻址其相应的ICG 192并通过TIR传播通过其相应的LOE 190。

图18至图20示出了根据三个其他实施例的光学系统100和位于其中的光分配器300。图18至图20所示的系统100和光分配器300与图9、图12、图15和图16所示的系统100和光分配器300类似，然而，这些系统100各自具有不同的光分配器300和LOE 190配置。图18至图20所示的系统100和光分配器300彼此类似，因为它们都容纳用于六个LOE的六个通道。由于在单个深度平面处显示彩色图像需要三个单色LOE 190，因此这些系统100的六个LOE190可以在两个深度平面处显示彩色图像。

图18至图20(以及图9、图12、图15和图16)所示的系统100的区别由其中不同配置的光分配器300驱动。图18中的光分配器300具有三个臂306-1、306-2、306-3(由分束器162形成)，所述三个臂306-1、306-2、306-3由两个耦入分束器308连接。两个臂306-1、306-2是平行的，但在Y轴和Z轴上彼此偏移。另一个臂306-3垂直于前两个臂306-1、306-2，并且在X轴和Y轴上偏离另外两个臂306-1、306-2。臂306-1、306-2、306-3中的分束器162可以是任何类型，包括但不限于部分反射分束器、二向色分束器(例如二向色镜棱镜)或偏振分束器(诸如线栅分束器)。尽管在该实施例中的耦入分束器308是部分反射分束器，但是在其他实施例中的耦入分束器308可以是二向色分束器或偏振分束器。

图19中的光分配器300具有两个臂306-1、306-2(由分束器162形成)，所述两个臂306-1、306-2由耦入分束器308连接。臂306-1、306-2被设置在一个轴上，耦入分束器308位于其间。耦入分束器308是X-立方体分束器，其被配置为将光束210的一半导入第一臂306-1，并且将另一半导入第二臂306-2。臂306-1、306-2中的一些分束器162可以是偏振分束器，其被配置为基于其偏振重新定向仅一种颜色的光。

例如，与耦入分束器308(在第一臂306-1和第二臂306-2的每一者中)相邻的第一分束器162-1可被配置为将绿光(具有0度偏振)重新定向到分束器162-1之外，同时允许红光和蓝光(每个具有90度偏振)行进通过分束器162-1。延迟滤波器312被设置在第一分束器162-1和第二分束器162-2之间。延迟滤波器312被配置为仅将红光的偏振从90度变为0度，将蓝光的偏振保持在90度。第二分束器162-2可以被配置为将红光(在传输通过延迟滤波器312之后具有0度偏振)重定向到分束器162-2之外，但允许蓝光(具有90度偏振)行进通过分束器162-2。第三“分束器”162-3可以用简单的45度反射镜代替。或者，第三分束器162-3可以是二向色分束器，其被配置为将蓝光重定向到分束器162-3之外。

图20中的光分配器300具有三个臂306-1、306-2、306-3(由分束器162形成)，所述三个臂306-1、306-2、306-3由耦入分束器308连接。臂306-1、306-2、306-3形成逆时针旋转90度的“T”形，其中，耦入分束器308处于“T”形的连接处。耦入分束器308是二向色分束器或二向色镜棱镜，其配置为将红光导入第一臂306-1，并将蓝光导入第三臂306-3，并允许绿光传输通过进入第二臂306-2。每个分束器162可以是部分反射的，以将一部分彩色光导出分束器并导入对应的LOE(未示出)。

二向色分束器、二向色镜棱镜、偏振分束器和延迟滤波器可被用于设计各种光分配器300，所述光分配器300被配置为生成具有特定颜色的子束210'。

图18至图20中的光分配器300的不同配置导致光闸164和LOE 190(仅在图18和19中示出)的配置不同。不同的光分配器300、光闸164和LOE 190配置可被用于定制光学系统100的三维覆盖区，以提供特定的设备形状因子。为了清楚起见，在图18至图20中仅包括并标记选出的系统部件、束210和子束210'。尽管图16中的光闸164被示出为关闭的，但是它们被配置为一次打开一个，以仅允许一个子束210'寻址其相应的ICG 192并通过TIR传播通过其相应的LOE 190。

图21至图23分别从透视图、俯视图和侧视图示出了根据另一实施例的光学系统100。图21至图23所示的系统100和光分配器300与图9、图12、图15、图16和图18至图20所示的系统100和光分配器300类似，然而，这些系统100各自具有不同的光分配器300和LOE 190配置。图21至图23所示的系统100和光分配器300与图18至图20所示的系统100和光分配器300类似，因为他们都容纳用于六个LOE的六个通道。

图21至图23所示的光分配器300具有两个臂306-1、306-2(由分束器162形成)，所述两个臂306-1、306-2由两个耦入分束器308连接。臂306-1、306-2是平行的但在Z轴上彼此偏移。耦入分束器308是部分反射分束器，其被配置为将光束210的一半导入第一臂306-1，并且将另一半导入第二臂306-2。第二耦入“分束器”308可以用简单的45度反射镜代替。臂306-1、306-2中的一些分束器162可以是偏振分束器，其被配置为基于其偏振重定向仅一种颜色的光。

例如，第一延迟滤波器312被设置在耦入分束器308与第一分束器162-1之间。第一延迟滤波器312被配置为将红光和蓝光的偏振从0度改变为90度，而将绿光的偏振保持在0度。与耦入分束器308和第一延迟滤波器312相邻的第一分束器162-1可以被配置为将绿光(具有0度偏振)重定向到分束器162-1之外，但允许红光和蓝光(每个具有90度偏振)行进通过分束器162-1。

第二延迟滤波器312被设置在第一分束器162-1和第二分束器162-2之间。第二延迟滤波器312被配置为仅将红光的偏振从90度改变为0度，而保持蓝光具有90度偏振。第二分束器162-2可以被配置为将红光(在传输通过第二延迟滤波器312之后具有0度偏振)重定向到分束器162-2之外，但是允许蓝光(具有90度偏振)行进通过分束器162-2。第三“分束器”162-3可以是简单的45度反射镜。替代地，第三分束器162-3可以是二向色分束器，其被配置为将蓝光重定向到分束器162-3之外。半波片314被设置在第三分束器162-3与LOE 190之间，以将蓝光恢复到0度偏振。第一和第二臂306-1、306-2中的分束器162-1、162-2、162-3以类似的方式起作用。

图24示出了根据另一实施例的光学系统100。图24所示的系统100与图21至图23所示的系统100类似，然而，该系统100中的光分配器300具有不同纵横比的分束器162。图21至图23所示的分束器162是具有相等边(例如3mm)的立方体。图24所示的分束器162是3mm×3mm×5mm。Z方向上的5mm尺寸意味着光被引导通过的分束器162的面(即Y-Z平面和X-Z平面)具有3:5的纵横比。此纵横比增加了扫描角度的方向性。

图25示出了与图24所示的光分配器300类似的光分配器300，因为这两个光分配器300中的分束器162都具有3:5的纵横比。然而，尽管图24中的两个耦入分束器308具有实际相同的尺寸，但是图25中的两个耦入分束器308具有不同的尺寸。例如，图25中的第一耦入分束器308-1是5mm×3mm×5mm，并且第二耦入分束器308-2是5mm×3mm×3mm。改变耦入分束器308的尺寸改变了两个臂306-1、306-2的扫描角度。

图26示出了根据另一实施例的光学系统100。系统100包括多个LOE 190、第一分配器300-1和第二光分配器300-2、以及双光束光源120。双光束光源120被配置为将单个虚拟光束210分成两个空间上分离的子束210'，这两个子束210'可以被分别导入第一光分配器300-1和第二光配器300-2。双光束光源120包括两个分束器162、两个光闸164和各种聚焦光学元件316。分束器162可以是任何类型，包括但不限于部分反射分束器、二向色分束器(例如二向色镜棱镜)或偏振分束器(诸如线栅分束器)。将两个分束器162和光闸164从光分配器300移动到光源120中，并将一个光分配器300分成两个光分配器300-1、300-2，这改变了整个系统配置和形状因子。

图27示出了根据另一实施例的多个LOE 190和两个光分配器300-1、300-2，其被配置为用于图26所示的系统100。图27中的光分配器300-1、300-2包括相应的耦入分束器308，所述耦入分束器308比形成光分配器300-1、300-2的分束器的尺寸大以允许更大的扫描角度。

图28示意性示出了根据又一实施例的光学系统100。此系统100将红光与蓝光组合到一个LOE 190中，以将在一个深度平面处呈现可接受的彩色图像所需的LOE 190的数量从三个减少到两个。因此，图28所示的系统100使用八个而不是十二个LOE 190在四个深度平面处生成可接受的全色图像。减少LOE 190和对应的光学元件(例如透镜、分束器162、光闸164等)的数量减小了系统100的整体尺寸。

图29示出了根据另一实施例的光学系统100。图29所示的系统100解决了无意的耦出问题。系统100包括光源120和三个LOE 190。光源120被配置为将虚拟光束210导向第一LOE 190-1的ICG 192。虽然ICG 192被配置为将束210导入第一LOE 190-1以通过TIR传播通过LOE 190-1，但是仅束的第一部分210'被导入第一LOE 190-1。因为ICG 192的效率小于100％(例如50％)，所以束的第二部分210″传输通过ICG 192并从第一LOE 190-1中输出。束的该第二部分210″可以从系统100中逸出，如图29中的虚线210″′所示，从而降低光学效率和光束密度。

图29中的系统100通过在光源120距ICG 192的另一侧上设置镜面涂层318来解决该问题。特别地，镜面涂层318被设置在第二LOE 190-2的最靠近ICG 19的一侧上。镜面涂层318和ICG 192被配置为使得束的第二部分210″从镜面涂层318反射并重新进入第一LOE190-1的ICG 192。此光210″被耦入到第一LOE 190-1中，并通过TIR传播通过LOE 190-1，从而提高系统100的光学效率和光束密度。

尽管一些实施例被描述为使用延迟滤波器312、偏振分束器162和半波片314来配置光分配器300以重定向不同颜色的光，但是所述具体实施例仅是例示性的而不是限制性的。因此，这样的光分配器300可以被配置为以任何颜色顺序输出彩色光。

尽管一些实施例被描述为具有四个通道，但是这些系统仍然可以被用于在两个深度平面处呈现可接受的全色虚拟图像，因为可以使用同一通道将蓝光和红光传送到两个LOE。使用单个蓝色/红色通道设计以减少部件数量的光学系统在上面引用的序列号为62/156,809的美国临时专利申请中进行了描述，所述专利申请的内容先前已通过引用被并入。使用此设计，可以使用两个通道(绿色和红色/蓝色)在一个深度平面处呈现可接受的全色虚拟图像。

提供上述AR系统作为可受益于更多选择性反射的光学元件的各种光学系统的示例。因此，本文所述的光学系统的用途不限于所公开的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。在非限制性的意义上参考这些实施例。提供这些示例是为了示出本发明的更广泛的可应用方面。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可用等同物替换。另外，可以进行很多修改以使特定情形、材料、物质的组成、过程、过程动作或步骤适应本发明的目的、精神或范围。此外，如本领域技术人员将理解的，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，在此描述和说明的每个单独的变型具有分立的部件和特征，其可以容易地与其他若干实施例的任意一个的特征分离或组合。全部这样的修改旨在落入与本公开相关联的权利要求的范围之内。

本发明包括可以使用主题设备执行的方法。所述方法可以包括提供这样的合适设备的动作。这种提供可以由终端用户执行。换言之，“提供”动作仅需要终端用户的获得、访问、接近、定位、设置、激活、通电或其它动作，以在主题方法中提供必要的设备。在此所述的方法可按逻辑上可能的所述事件的任何顺序以及以所述的事件顺序来执行。

以上已经阐述了本发明的示例性方面以及关于材料选择和制造的细节。对于本发明的其它细节，这些其他细节可结合以上引用的专利和出版物以及本领域的技术人员通常知道或理解的来理解。在如通常或逻辑上采用的附加动作的方面，关于本发明的基于方法的方面也是如此。

此外，虽然已经参考可选地包括各种特征的若干示例描述了本发明，但是本发明并不限于被描述或指示为关于本发明的每个变型所预期的。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变化，并且等同物(无论是本文所述的还是为了简洁起见而未被包括的)可被代替。此外，如果提供值的范围，则应当理解，在该范围的上限和下限之间的每个中间值和在该所述范围中的任何其它所述值或中间的值被包括在本发明之内。

此外，可预期的是，所描述的发明变型的任何可选特征可以独立地或者与本文描述的任何一个或多个特征组合来阐述和要求权利。对单数项目的引用包括存在多个相同项的可能性。更具体地，除非另有具体说明，当在本文和与本文相关联的权利要求中所使用时，单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”包括复数指示对象。换言之，所述冠词的使用允许有上述说明书以及与本公开相关联的权利要求中的主题项中的“至少一个”。还应注意，这样的权利要求可以被撰写为排除任何可选要素。因此，本声明旨在作为使用与权利要求要素的叙述相关的如“单独”、“仅”等排他性术语或使用“否定”限制的先行基础。

在不使用这种排他性术语的情况下，与本公开相关联的权利要求中的术语“包括”应允许包括任何附加要素，不管在这样的权利要求中是否列举了给定数量的要素，或者特征的添加可以被视为转变在这样的权利要求中阐述的要素的性质。除非本文中具体限定，否则本文使用的全部技术术语和科学术语在保持权利要求有效性的同时被赋予尽可能宽的通常理解的含义。

本发明的广度不限于所提供的示例和/或主题说明书，而是仅由与本公开相关联的权利要求语言的范围限制。

在前述说明书中，已经参考本发明的具体实施例对本发明进行了描述。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，可以对本发明进行各种修改和改变。例如，参考过程动作的特定顺序来描述上述过程流程。然而，可以改变许多所描述的过程动作的排序而不影响本发明的范围或操作。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (33)

1.一种成像系统，包括：

光源，其被配置为生成光束；

第一导光光学元件，其具有第一入射部分，并且被配置为通过全内反射传播所述光束的至少第一部分；

第二导光光学元件，其具有第二入射部分，并且被配置为通过全内反射传播所述光束的至少第二部分；以及

光分配器，其具有光分配器入射部分、位于第一臂上的第一出射部分和位于第二臂上的第二出射部分，并且被配置为将所述光束的所述第一部分和所述第二部分分别导向所述第一入射部分和所述第二入射部分，

其中，所述光分配器入射部分和所述第一出射部分沿第一轴对齐，

其中，所述光分配器入射部分和所述第二出射部分沿与所述第一轴不同的第二轴对齐，

其中，所述第一臂沿所述第一轴延伸，

其中，所述第二臂沿所述第二轴延伸，

其中，所述光分配器被配置为将所述光束的所述第一部分和所述第二部分分别沿第三轴和第四轴导向所述第一入射部分和所述第二入射部分，

其中，所述第三轴垂直于所述第一轴，

其中，所述第四轴垂直于所述第二轴，并且

其中，所述第三轴平行于所述第四轴。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一导光光学元件、所述第二导光光学元件和所述光分配器被配置为使得：

当所述光束与所述第一出射部分相互作用时，所述光束的第一出射子束从所述光分配器出射，并且经由所述第一入射部分进入所述第一导光光学元件，以及

当所述光束与所述第二出射部分相互作用时，所述光束的第二出射子束从所述光分配器出射，并且经由所述第二入射部分进入所述第二导光光学元件。

3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括第一光闸和第二光闸，所述第一光闸和所述第二光闸被配置为分别选择性地遮断所述第一出射部分和所述第二出射部分与所述第一入射部分和所述第二入射部分之间的第一光路和第二光路。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一导光光学元件和所述第二导光光学元件被设置在所述光分配器的相反侧上。

5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括聚焦衍射光学元件，所述聚焦衍射光学元件被设置在所述第一导光光学元件和所述第二导光光学元件之间，

其中，所述聚焦衍射光学元件被配置为将所述光束的所述第二出射子束朝向所述第二导光光学元件的所述第二入射部分聚焦。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一出射部分是第一分束器，并且其中，所述第二出射部分是第二分束器。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一分束器和所述第二分束器具有不同的尺寸。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一入射部分和所述第二入射部分具有与所述第一分束器和所述第二分束器的不同尺寸相对应的不同尺寸。

9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述光分配器入射部分是接收分束器，所述接收分束器被配置为将所述光束分成分别被导向所述第一分束器和所述第二分束器的第一分裂子束和第二分裂子束。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述接收分束器是二向色分束器。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一分裂子束包括绿光，并且所述第二分裂子束包括红光和蓝光。

12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述接收分束器是偏振分束器，并且其中，所述光束包括偏振光。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述偏振光包括绿光。

14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述光分配器还具有延迟滤波器，所述延迟滤波器被配置为改变所述光束的一部分的偏振角。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述光束的所述一部分包括蓝光。

16.根据权利要求9所述的系统，其中，所述接收分束器是X-立方体分束器。

17.根据权利要求6所述的系统，进一步包括沿所述第一轴设置的第三分束器，使得所述第一分束器位于所述光分配器分束器和所述第三分束器之间。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一分束器是二向色分束器，其被配置为将所述光束分成第一分裂子束和第二分裂子束，并且其中，所述第一分束器和所述第三分束器被配置为使得所述第一分裂子束被导向所述第一入射部分，并且所述第二分裂子束被导向所述第三分束器。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述第一分裂子束包括绿光，并且所述第二分裂子束包括红光和蓝光。

20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一分束器是偏振分束器，并且其中，所述光束包括偏振光。

21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述偏振光包括绿光。

22.根据权利要求20所述的系统，其中，所述光分配器还具有延迟滤波器，所述延迟滤波器被配置为改变所述光束的一部分的偏振角。

23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述光束的所述一部分包括蓝光。

24.根据权利要求1所述的系统，

其中，所述光分配器入射部分被设置在所述第一出射部分和所述第二出射部分之间。

25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述光分配器入射部分是二向色分束器。

26.根据权利要求24所述的系统，其中，所述光分配器入射部分是X-立方体分束器。

27.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一出射部分和所述第二出射部分分别是第一耦出光栅和第二耦出光栅，并且

其中，所述第一导光光学元件、所述第二导光光学元件和所述光分配器被配置为使得：

当所述光束与所述第一耦出光栅相互作用时，所述光束的第一出射子束从所述光分配器出射，并且经由所述第一入射部分进入所述第一导光光学元件，以及

当所述光束与所述第二耦出光栅相互作用时，所述光束的第二出射子束从所述光分配器出射，并且经由所述第二入射部分进入所述第二导光光学元件。

28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述第一耦出光栅是动态光栅。

29.根据权利要求27所述的系统，其中，所述第一耦出光栅是静态光栅。

30.根据权利要求27所述的系统，其中，所述第二耦出光栅是动态光栅。

31.根据权利要求27所述的系统，其中，所述第二耦出光栅是静态光栅。

32.根据权利要求1所述的系统，

其中，所述光束的所述第一部分包括绿光，

其中，所述光束的所述第二部分包括红光和蓝光，

其中，所述第一导光光学元件和所述第二导光光学元件被配置为将所述光束的所述第一部分和所述第二部分导向用户的第一眼睛和第二眼睛，以及

其中，所述第一导光光学元件和所述第二导光光学元件还被配置为在同一深度平面处呈现第一图像和第二图像。

33.根据权利要求1所述的系统，还包括：

反射涂层，其被设置在所述第二导光光学元件的与所述第一导光光学元件相邻的表面上，

其中，所述反射涂层被配置为在所述第一入射部分处将传输通过所述第一入射部分的光反射回去。

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