CN109642716B - 包括厚介质的虚拟现实、增强现实和混合现实系统及相关方法 - Google Patents

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Abstract

头戴式成像系统包括被配置为产生光束的光源。该系统还包括光导光学元件，其具有在0.1mm和1.5mm之间的厚度，并且被配置为通过全内反射传播光束的至少一部分。该系统还包括光导光学元件的进入部分和离开部分，其被配置为基于光的入射角、光的曲率半径和/或光的波长选择性地允许访问离开部分的光离开光导光学元件。

Description

包括厚介质的虚拟现实、增强现实和混合现实系统及相关 方法
背景技术
现代计算和显示技术促进了用于所谓的“混合现实(MR)”、“虚拟现实(VR)”和“增强现实(AR)”体验的系统的发展。这可以通过头戴式显示器向用户呈现计算机生成的图像来完成。该图像创建了使用户沉浸在模拟环境中的感官体验。VR场景通常仅涉及计算机生成的图像的呈现，而不是也包括实际的现实世界图像。
AR系统通常采用模拟元素补充现实世界环境。例如，AR系统可以经由头戴式显示器向用户提供周围现实世界环境的视图。然而，计算机生成的图像也可以呈现在显示器上，以增强现实世界环境。这种计算机生成的图像可以包括与现实世界环境情境相关的元素。这些元素可以包括模拟的文本、图像、对象等。MR系统还将模拟的对象引入到现实世界环境中，但这些对象通常具有比AR系统更大程度的交互性的特征。模拟的元素经常可以实时交互。人类视觉感知系统非常复杂，因此开发促进在其它虚拟或现实世界图像元素中的虚拟图像的舒适的、感觉自然的、丰富的呈现的VR/AR/MR技术是有挑战性的。大脑的可视化中心从双眼及其组成部分彼此相对的运动中获得有价值的感知信息。两只眼睛相对彼此的聚散运动(即瞳孔朝向或远离彼此以会聚眼睛的视线来注视对象的滚动运动)与眼睛晶状体的聚焦(或“调节”)密切相关。在正常情况下，改变眼睛晶状体的聚焦调节眼睛以聚焦在不同距离处的对象，将会在被称为“调节聚散度反射(accommodation-vergence reflex)”的关系下自动地引起在聚散度上的匹配改变而达到相同的距离。同样，在正常情况下，聚散度的改变将引发调节的匹配改变。与大多数传统的立体VR/AR/MR配置一样，知道对抗这种反射会在用户中产生眼睛疲劳、头痛或其它形式的不适。
立体可穿戴眼镜通常具有用于左眼和右眼的两个显示器，两个显示器被配置为显示具有略微不同的元素呈现的图像，以使得人类视觉系统感知到三维视角。已经发现这样的配置对于许多用户来说是不舒服的，因为存在聚散和调节之间的不匹配(“聚散-调节冲突”)，必须克服该不匹配以在三维中感知图像。实际上，一些用户不能容忍立体配置。这些限制适用于VR、AR和MR系统。因此，大多数传统的VR/AR/MR系统并非最适合于以对用户来说舒适且最大程度有用的方式呈现丰富的双眼三维体验，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，包括聚散-调节冲突。
VR/AR/MR系统还必须能够在相对于用户的各个感知位置和距离处显示虚拟数字内容。VR/AR/MR系统的设计也带来许多其它挑战，包括系统提供虚拟数字内容的速度、虚拟数字内容的质量、用户的良视距(解决聚散-调节冲突)、系统的尺寸和便携性以及其它系统和光学挑战。
解决这些问题(包括聚散-调节冲突)的一种可能方法是使用多个光导光学元件将光投射到用户的眼睛，以使得光和由光渲染的图像看起来源自多个深度平面。光导光学元件被设计成内耦合对应于数字或虚拟对象的虚拟光并通过全内反射(“TIR”)传播它，然后外耦合虚拟光以便向用户的眼睛显示数字或虚拟对象。在AR/MR系统中，光导光学元件也被设计成对来自(例如，反射)实际的现实世界对象的光是透明的。因此，在AR/MR系统中，光导光学元件的一部分被设计成反射虚拟光以便经由TIR传播，同时对来自现实世界对象的现实世界光是透明的。
为了实现多个光导光学元件系统，来自一个或多个源的光必须可控地分布到每个光导光学元件系统。一种方法是使用大量光学元件(例如光源、棱镜、光栅、滤光器、扫描光学器件、分束器、反射镜、半反射镜、快门、目镜等)以足够数量(例如，六个)的深度平面来投影图像。这种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形状因子更大的形状因子，并且限制了系统尺寸可以减小的程度。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该光路上削减。这些设计问题导致繁琐的耗电量大的系统。在此描述的系统和方法被配置为解决这些挑战。
发明内容
本发明的实施例通过使用单个厚(例如，大约0.1毫米至大约1.5毫米或“mm”厚)光导光学元件(例如，波导)提供改进的系统，其被配置为对具有窄范围的光曲率、方向和/或波长的光进行内耦合和外耦合，以实现入射角、曲率半径和/或波长的选择性。由于材料的较大动态范围，因此波导允许对多个焦平面和/或波长进行复用。由于形成光导光学元件的材料的厚度有利于角度或/和波长的选择性，因此只有一部分沿着波导传播的光线被外耦合。因此，对应于窄角度和场曲率范围和/或窄波长范围的光束将会从波导外耦合。波导有利于形成保持角度和波前曲率的内耦合光栅和外耦合光栅，这允许精确控制用于内耦合和外耦合的各光线的位置和方向。因此，可以使用在单个聚合物层中具有多个外耦合光栅的单个厚光导光学元件对多个视平面进行复用。
在一个实施例中，一种头戴式成像系统包括光源，其被配置为产生光束。该系统还包括光导光学元件，其具有在0.1mm和1.5mm之间的厚度。光导光学元件包括进入部分和离开部分。光导光学元件被配置为通过全内反射传播光束的至少一部分。光导光学元件的离开部分被配置为基于光的入射角选择性地允许访问离开部分的光离开光导光学元件。
在另一个实施例中，一种头戴式成像系统包括光源，其被配置为产生光束。该系统还包括光导光学元件，其具有在0.1mm和1.5mm之间的厚度。光导光学元件包括进入部分和离开部分。光导光学元件被配置为通过全内反射传播光束的至少一部分。光导光学元件的离开部分被配置为基于光的波长选择性地允许访问离开部分的光离开光导光学元件。
在又一个实施例中，一种头戴式成像系统包括光源，其被配置为产生光束。该系统还包括光导光学元件，其具有在0.1mm和1.5mm之间的厚度。光导光学元件包括进入部分和离开部分。光导光学元件被配置为通过全内反射传播光束的至少一部分。光导光学元件的离开部分被配置为基于光的曲率半径选择性地允许访问离开部分的光离开光导光学元件。
在一个或多个实施例中，光导光学元件允许通过光导光学元件复用具有多个焦平面的光。光导光学元件可允许通过光导光学元件复用具有多个波长的光。光导光学元件可允许通过光导光学元件复用具有多个曲率半径的光。离开部分可包括对应于特定深度平面的外耦合光栅。
在一个或多个实施例中，该系统还包括可变焦元件，其被配置为在光束通过进入部分进入光导光学元件之前通过调节至少一个焦点来调节光束的曲率。至少基于光导光学元件或内耦合光栅的厚度，光束的一部分可以被选择以离开光导光学元件。
下面在具体的说明书、附图和权利要求中描述本发明的方面、目的和优点的更多细节。前面的一般性描述和下面的具体描述都是示例性和解释性的，并非旨在限制本发明的范围。
附图说明
附图示出了本发明的各个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以相同的附图标记表示。为了更好地理解如何获得本发明的各个实施例的上述和其它优点及目的，对于上面简要描述的本发明的更具体的描述，将通过参照附图中示出的其特定实施例来呈现。应当理解，这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应被认为是对其范围的限制，将通过使用附图的采用附加特征和细节来描述和解释本发明，在附图中：
图1是根据一个实施例的光学系统的详细示意图。
图2示出了根据一个实施例的使用单个厚光学元件的角度复用。
图3示出了根据一个实施例的使用单个厚光学元件的曲率复用。
图4示出了根据一个实施例的使用单个厚光学元件的光谱复用。
图5是根据一个实施例的描绘光学系统的焦平面的示意图。
图6是根据一个实施例的光学系统的光导光学元件的详细示意图。
图7是根据一个实施例的光学系统的光导光学元件的详细透视图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述各个实施例，各个实施例被提供作为本发明的说明性示例，以使得本领域技术人员能够实践本发明。值得注意的是，以下附图和示例并不意味着限制本发明的范围。在使用已知部件(或方法或过程)可以部分或完全实现本发明的某些元件的情况下，将仅描述对理解本发明所必需的这些已知部件(或方法或过程)的那些部分，并且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，各个实施例包含通过说明的方式在此提及的部件的当前和未来已知的等同物。
现在将参照附图详细描述各个实施例，各个实施例被提供作为本发明的说明性示例，以使得本领域技术人员能够实践本发明。值得注意的是，以下附图和示例并不意味着限制本发明的范围。在使用已知部件(或方法或过程)可以部分或完全实现本发明的某些元件的情况下，将仅描述对理解本发明所必需的这些已知部件(或方法或过程)的那些部分，并且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，各个实施例包含通过说明的方式在此提及的部件的当前和未来已知的等同物。
在此描述的光学系统可以独立于VR/AR/MR系统实现，但仅用于说明目的，关于VR/AR/MR系统描述下面的许多实施例。
问题和解决方案
一种用于在各个深度处生成图像的光学系统包括数量增加的许多光学部件(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、目镜等)，因此随着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)的提升，VR/AR/MR系统的复杂性、尺寸和成本增加。随着3D场景/图像质量的提升，光学系统的尺寸增加，其限制了VR/AR/MR系统的尺寸，导致光学效率降低的繁琐系统。
为了实现多个光导光学元件头戴式成像系统，必须可控制地分布来自一个或多个源的光。传统解决方案涉及使用利用各种光分布系统(包括各种系统部件和设计)的系统，以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布到需要渲染高质量VR/AR/MR场景的多个光导光学元件(例如，平面波导)。使用这些多光导光学元件类型系统的问题在于，薄衍射元件在沿波导传播的光线的衍射中具有很小的光谱和角度选择性。这限制了单个波导提供多个视图平面和/或原色的能力。
因此，在传统解决方案中，需要多个波导来提供多个视图平面和原色。传统系统通过使用堆叠的光导光学元件(“LOE”)组件来创建多个深度平面，每个LOE被配置为显示看起来源自特定深度平面的图像。应当注意，堆叠可包括任何数量的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可用于在N个深度平面处生成RGB彩色图像。然而，使用多个波导产生了许多问题，例如对于多平面开关元件的要求、对准层的难度、所得目镜的厚度以及来自多个表面反射的散射效应。
以下公开内容描述了使用单个厚光导光学元件来创建3D感知的系统和方法的各个实施例，该厚光导光学元件通过提供具有更少部件和更高效率的光学系统来解决上述问题。特别地，在此描述的系统利用单个厚光导光学元件来减少光学系统部件的数量，同时基于入射角、曲率半径和光的波长选择性地将来自一个或多个光源的光分布到需要渲染高质量VR/AR/MR场景的光导光学元件。
说明性光学系统
在描述光分布系统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，但是描述了特定系统(例如，VR/AR/MR系统)以说明实施例的基础技术。
为了向用户呈现3D虚拟内容，VR/AR/MR系统将虚拟内容的图像投影到用户的眼睛中，使得它们看起来源自Z方向上(即，正交地远离用户的眼睛)的各个深度平面。换句话说，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，但是它也可以看起来在Z方向上改变，使得用户可以感知到对象非常地靠近或处于无穷远距离或其间的任何距离。在其它实施例中，用户可以在不同的深度平面处同时感知多个对象。例如，用户可以看到虚拟的龙从无穷远处出现并朝用户奔跑。或者，用户可以同时看到距离用户3米远处的虚拟的鸟和距离用户手臂长度(大约1米)的虚拟的咖啡杯。
多平面聚焦系统通过在多个深度平面中的一些或全部深度平面上投影图像来创建可变深度的感知，该多个深度平面位于距用户眼睛的Z方向上的各个固定距离处。现在参照图5，应当理解，多平面聚焦系统通常在固定深度平面502(例如，图5所示的六个深度平面502)处显示帧。尽管VR/AR/MR系统可以包括任何数量的深度平面502，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深度平面502。在六个深度平面502生成一个或多个虚拟内容时，创建3D感知，使得用户在距用户眼睛的不同距离处感知一个或多个虚拟对象。假定人眼对看起来较远的对象比距离更近的对象更为敏感，则在更靠近眼睛处生成多个深度平面502，如图5所示。在其它实施例中，深度平面502可以采用彼此相等的距离放置。
通常以屈光度测量深度平面位置502，屈光度是屈光力的单位，其等于以米为单位测量的焦距的倒数。例如，在一个实施例中，深度平面1可以是1/3屈光度，深度平面2可以是0.3屈光度，深度平面3可以是0.2屈光度，深度平面4可以是0.15屈光度，深度平面5可以是0.1屈光度，深度平面6可以表示无穷远(即0屈光度)。应当理解，其它实施例可以在其它距离/屈光度处生成深度平面502。因此，在策略性放置的深度平面502处生成虚拟内容时，用户能够感知三维的虚拟对象。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，而另一个虚拟对象在深度平面6处看起来在无穷远处。或者，可以首先在深度平面6处显示虚拟对象，然后在深度平面5处显示虚拟对象，依此类推，直到虚拟对象看起来非常靠近用户。应当理解，出于说明性目的明显简化了上述示例。在另一个实施例中，全部六个深度平面可以集中在远离用户的特定焦距上。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全部六个深度平面，从而为用户提供咖啡杯的高度粒化的3D视图。
在一个实施例中，VR/AR/MR系统可以用作多平面聚焦系统。换句话说，单个LOE190被照亮，使得看起来源自六个固定深度平面的图像与将图像信息快速传递到LOE的光源同时生成。例如，可以在时间1注入包括光学无穷远处的天空图像的期望图像的一部分，并且可以利用保持光的准直的LOE 190(例如，图5的深度平面6)。然后，可以在时间2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5的深度平面5)的图像的LOE 190；接着，可以在时间3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。这种类型范例能以快速时序(例如，360Hz)方式重复，使得用户的眼睛和大脑(例如，视觉皮层)将输入感知为同一图像的全部。
一些VR/AR/MR系统对看起来源自沿Z轴的各个位置(即，深度平面)的图像进行投影(即，通过发散或会聚光束)，以生成用于3D体验的图像。在本申请中所使用的光“束”或光“线”包括但不限于从光源辐射的光能(包括可见和不可见光能)的定向投影。生成看起来源自各个深度平面的图像符合用户的眼睛对该图像的聚散和调节，并最小化或消除了聚散-调节冲突。
实现VR/AR/MR系统的一种可能方法是使用单个厚体相位全息图，或者嵌入有对应于不同深度平面信息的光栅的光导光学元件(“LOE”)，以生成看起来源自各个深度平面的图像。换句话说，衍射图案或衍射光学元件(“DOE”)可以嵌入在LOE内或压印在LOE上，使得光沿着LOE基本上全部内反射时，它在多个位置处与衍射图案相交并且朝向用户的眼睛出射。DOE被配置为使得从LOE通过其出射的光被边缘(verge)为使得它们看起来源自特定的深度平面。
厚LOE还允许DOE(例如，内耦合和外耦合光栅)在整个波长上保持波前的曲率。这允许光在进入LOE之前被聚焦，从而通过使可变焦距元件(“VFE”)远离眼镜的“透镜”而使显示器的厚度最小化。如此，控制耦合到目镜中的光的方向和曲率将直接对应于将从眼镜的“透镜”出来的各光线的方向和曲率。
目镜(即，LOE)通过使用用于记录的边缘引入参考光束和用于显示的类似照明光束来应用边缘照明全息的原理，以允许简化的显示器配置。此类型显示器将全息图(即，LOE)、其支撑的显示结构和照明光源集成到紧凑的装置中。
传统上，反射全息图和透射全息图被认为是不同的类型，每个都具有其自身独特的光学特性。反射全息图和透射全息图之间的关键差异在于它们的条纹的几何取向。直接原因是它们各自参考光束的不同方向，因为透射类型垂直于全息图的面传播，并且反射类型平行于全息图的面传播。
系统还采用Kogelnik的耦合波理论来利用体光栅和全息图中的衍射。Kogelnik的理论假设只有两个平面波在有限厚度光栅内外传播。Kogelnik的耦合波理论是一种成功的方法，其用于理解正弦体光栅中的衍射，并且提供用于计算衍射效率的解析公式。假设第一波是照明“参考”波，第二“信号”波是全息图的响应。该双波假设基于如下假设：与高阶模式耦合的可以忽略不计。
图1描绘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具有内耦合光栅192(“ICG”)和外耦合光栅198(“OCG”)。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。这种光源可与在此描述的任何系统100一起使用。ICG 192和OCG 198可以是任何类型的衍射光学元件，包括体积或表面浮雕。ICG 192和OCG 198可以是LOE 190的反射模式镀铝部分。或者，ICG192和OCG 198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，通过基本全内反射(“TIR”)沿着LOE 190传播并经由OCG 198离开LOE 190，用于显示到用户的眼睛。光束210是虚拟的，因为它根据系统100的指示对图像或其一部分进行编码。应当理解，尽管在图1中仅示出了一个光束，但是编码图像的多个光束可以通过相同的ICG 192从宽角度范围进入LOE 190并通过一个或多个OCG 198离开。“进入”或被“准许进入”到LOE中的光束包括但不限于与LOE相互作用的光束，以便通过基本TIR沿着LOE传播。图1中描绘的系统100可以包括各种光源120(例如，LED、OLED、激光器和掩蔽的宽域/宽带发射器)。来自光源120的光也可以经由光纤电缆(未示出)传送到LOE 190。
用于EDGE的厚介质
图2描绘了使用单个厚光导光学元件190的角度复用。在一些实施例中，厚光学元件的厚度在大约0.1mm至大约1.5mm之间。在其它实施例中，厚光学元件的厚度大约为0.5mm。厚全息光学元件能够在通过其引导的光的角度、曲率半径和波长方面实现更精确的选择性。通过控制耦合到波导中的光的方向和曲率，系统可以控制将从波导耦合出的各光线的方向和曲率。系统还可以产生具有较小调制指数的非常有效的全息图(即，看起来源自不同深度平面的图像)。通过以非常小的比例调制块状材料和光栅的折射率来形成全息图。
厚LOE根据各种属性(例如，波长、曲率半径和/或内耦合角度)选择光线，允许系统通过波导控制光线输出。由于材料的较大动态范围，允许通过单个元件复用多个焦平面和波长(例如，颜色)。在一些实施例中，材料动态范围是0.01调制，使得对于给定的衍射效率复用可以复用更多的全息图。使用单个厚全息光学元件的好处在于，由于角度和波长的高选择性以及整个波导中波曲率的保持，因此仅需要一个波导。
反射(其中衍射光从与入射光线相同侧出射)几何全息图和透射(其中衍射光从与入射光线的相对侧出射)几何全息图可以采用波导实现。如Kogelnik的耦合波理论所述，优选使用反射全息图来实现波长选择性。
如图2所示，只有对应于非常窄的角度和曲率半径范围的光线从波导外耦合。通过控制光源生成的光的入射角范围、波长范围和曲率半径范围，系统可以控制将从波导外耦合的各光线203的方向和曲率。只有少数性光线被衍射出来，因为光束的选择性是由形成光导光学元件190的材料的厚度和其中形成的光学元件决定。
LOE可以在光在波导内传播的整个范围内是选择性的。LOE是选择性的曲率半径范围取决于其中形成光栅的聚合物层205的厚度。例如，对于具有1mm厚的聚合物层的厚LOE，LOE曲率半径范围可以是大约1m。LOE的波长选择性取决于LOE是用于透射模式还是反射模式，以及全息图的曲率。在反射模式中，波长选择性可以小至几纳米。LOE对入射角、曲率半径和波长的差异的灵敏度取决于LOE的几何形状，并且可以相互影响。
如上所述，可以控制各出射光线203的位置和方向，因为波导保持了角度和波前曲率，从而允许通过控制输入光来选择性地控制各出射光线的位置和方向。因此，可以在多个光栅位置处复用多个观看平面光瞳，以实现光瞳扩展。
系统还可以通过控制由全息图衍射的球面光线的光的曲率(即，曲率半径)来改变深度平面。在现有技术的系统中，(即，准直光的)平面波不具有任何曲率。然而，该系统允许特定波前的曲率与进入不同方向的特定光线匹配。
可以基于产生干涉图案的干涉光束将光栅207写入聚合物层205中。根据输入光束的各种特性，光栅207可将各个光束衍射到多个地方、一个地方或根本不衍射。每个光栅207将一组光束从预定输入方向衍射到另一个预定可选择输出方向。这样，只有窄光束才会被聚合物层205中的光栅207衍射。与聚合物材料的整个深度围内的体积相互作用的光允许光束分量相长地相加。聚合物材料可具有大约0.1mm至大约1.5mm的厚度。这儿仅允许一阶光束内耦合以及一阶光束外耦合。此外，系统可利用LOE和其中形成光栅207的聚合物层205的叠加，以基于光线的输入来扩展全息图外部透射或反射的光线的视角。
复用允许系统使用单个目镜在各个深度平面处生成图像，从而改变虚拟对象的表观深度。在一些实施例中，系统将包含能够对内耦合到波导的光的波前曲率进行调节的可变聚焦元件(VFE)。VFE可被配置为改变投射光的焦点(即，波前曲率)并将光传输到用户的眼睛。此外如上所述，输入光栅可以被编程使得只有特定角度和波长的光线被内耦合。角度复用还能够补偿输入物镜的失真。
图3描绘了使用单个厚光学元件301的曲率复用。体全息图足够厚以保持内耦合到波导301的光的波前曲率。在一些实施例中，基于光栅的图案通过控制光源产生的光的入射角范围、波长范围和曲率半径范围，系统能够控制将从波导301外耦合的各光线303的曲率。在一些实施例中，由于光栅的所选角度，各光线305将不会从波导301外耦合。基于例如光束角度的选择性，仅外耦合少数可选择曲率光线(例如，303)。
在一些实施例中，系统将在单个目镜/波导中复用多个深度平面。然而，系统不能仅使用现有的波导和光栅，因为它们只接受将被平行衍射的直波(即，准直光束)。这样使用单个波导不会创建深度。另一方面，所公开的系统将输出波前曲率与输入波前曲率相匹配。全息图可以被配置为仅在光具有进入目镜的预定方向、角度和曲率的情况下衍射一块光。
如上所述，由于波导在角度和波前曲率方面都是可选择的，因此可以控制各个出射光线303的位置和曲率，从而允许通过控制输入光线的入射角范围和输入光线的曲率半径范围来选择性地控制各个出射光线的位置和曲率。因此，可以在多个光栅位置处保持曲率的复用。
图4描绘了使用单个厚光学元件的光谱复用。体全息图对光谱尤其敏感。在一些实施例中，这允许在单层波导中复用R 401、G 403和B 405颜色分量。在其它实施例中，色散补偿可允许使用更宽带宽的光源，诸如超辐射发光二极管(“SLED或SLD”)或混沌激光器以减少散斑。
光瞳扩展器
如图6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，从而提高系统100的分辨率。由于光源120产生小直径/光斑尺寸的光，因此EPE 196扩展了从LOE 190出射的光的光瞳的表观尺寸，从而增加系统分辨率。除了EPE 196之外，VR/AR/MR系统100还可以包括正交光瞳扩展器194(“OPE”)，以在X方向(OPE)和Y(EPE)方向上扩展光。关于EPE 196和OPE 194的更多细节在上面引用的美国实用新型专利申请序号为14/555,585和美国实用新型专利申请序号为14/726,424中有所描述，其内容先前已通过引用并入本文。
图7描绘了另一个光学系统100，其包括具有ICG 192、OPE 194和EPE 196的LOE190。系统100还包括光源120，其被配置为经由ICG 192将虚拟光束210引导到LOE 190中。如上面针对图6所述，光束210被OPE 194和EPE 196分成小光束210'。此外，当小光束210'传播通过EPE 196时，它们也经由EPE 196朝向用户的眼睛离开LOE 190。为清楚起见，仅标记选择光束210和小光束210'。
提供上述VR/AR/MR系统作为可受益于更具选择性反射的光学元件的各种光学系统的示例。因此，在此描述的光学系统的使用不限于所公开的VR/AR/MR系统，而是适用于任何光学系统。
在此描述了本发明的各种示例实施例。以非限制性意义参考这些示例。提供示例是以说明本发明的更广泛适用的方面。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的发明进行各种改变并且可以替换等同物。此外，可以进行很多修改以适应针对本发明的目的、精神或范围的特定情况、材料、物质的组合物、过程、的过程动作或步骤。进一步地，如本领域的技术人员所知道的，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，在此描述和示出的每个单独的变形具有独立的组件和特征，其可容易地与其他若干实施例的任意一个的特征分离或组合。所有这些修改意在处于与本公开相关的权利要求的范围之内。
本发明包括可使用主体装置执行的方法。该方法可包括提供这种合适的装置的动作。这种提供可由终端用户执行。换言之，“提供”动作仅需要终端用户的获得、访问、处理、定位、设置、激活、通电或其它动作，以在该方法中提供必要的装置。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。
以上已经描述了本发明的示例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，可结合以上参考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。这在关于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同样成立。
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表示为针对本发明的每个变形所预期的。在不脱离本发明的实际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，并且可用等同(无论是本文所陈述的还是为了简洁的目的而未被包括的)来代替。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或者在该说明的范围中的任何其它中间值被包括在本发明之内。
此外，可预期的是，所描述的发明变形的任何可选特征可独立或结合在此描述的任何一个或多个特征来陈述和要求权利。引用单数项包括可能存在相同项的复数。更具体地，如在此和在相关的权利要求中所使用的，只要不具体说明，单数形式“一”、“所述”和“该”包括复数对象。换言之，在以上描述以及与本公开相关的权利要求中，冠词的使用允许“至少一个”目标项。还需要注意的是，可起草这种权利要求以排除任何可选元件。因此，该声明意在结合权利要求要素的表述而用作使用如“单独”、“仅”等这种排他性术语的先行基础，或者使用“否定”限制。
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”应允许包括任何其它要素，而不考虑给定数量的要素是否列举在这种权利要求中，或者添加特征可被视为变换在权利要求中所述的要素的性质。除了在此特别定义之外，在此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款的通常理解的含义。
本发明并不限于所提供的示例和/或本说明书，而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，参照过程动作的特定顺序来描述上述过程。然而，在不影响本发明的范围或操作的情况下可以改变许多所描述的过程动作的顺序。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种头戴式成像系统，包括：
光源，其被配置为产生光束；
光导光学元件，其具有在0.1mm和0.5mm之间的厚度，并且包括进入部分和离开部分，
其中，所述光导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；以及
其中，所述光导光学元件的所述离开部分被配置为基于光的入射角选择性地允许访问所述离开部分的光离开所述光导光学元件。
2.一种头戴式成像系统，包括：
光源，其被配置为产生光束；
光导光学元件，其具有在0.1mm和0.5mm之间的厚度，并且包括进入部分和离开部分，
其中，所述光导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；以及
其中，所述光导光学元件的所述离开部分被配置为基于光的波长选择性地允许访问所述离开部分的光离开所述光导光学元件。
3.一种头戴式成像系统，包括：
光源，其被配置为产生光束；
光导光学元件，其具有在0.1mm和0.5mm之间的厚度，并且包括进入部分和离开部分，
其中，所述光导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；以及
其中，所述光导光学元件的所述离开部分被配置为基于光的曲率半径选择性地允许访问所述离开部分的光离开所述光导光学元件。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中，所述光导光学元件允许通过所述光导光学元件复用具有多个曲率半径的光。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中，所述离开部分包括对应于特定深度平面的外耦合光栅。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，还包括：
可变焦元件，其被配置为在所述光束通过所述进入部分进入所述光导光学元件之前通过调节至少一个焦点来调节所述光束的曲率。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中，至少基于所述光导光学元件或内耦合光栅的厚度，选择光束的一部分以离开所述光导光学元件。
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