CN110352370A - 头戴式显示系统 - Google Patents

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Abstract

一种电子设备，诸如头戴式显示器，可具有产生图像的显示系统。该显示系统可具有一个或多个像素阵列(26‑1、26‑2)，诸如硅基液晶像素阵列。来自该显示系统的图像可由输入耦合器系统(114X、114Y)耦合到波导(116)中，并且可使用输出耦合器系统(120X、120Y)在多个图像平面中耦合出该波导。输入耦合器系统和输出耦合器系统可包括单个耦合器、耦合器堆叠和平铺耦合器阵列。复用技术，诸如波长复用、偏振复用、时分复用、具有包括不同角度取向范围的图像光的复用、和/或可调谐透镜技术，可用于在多个图像平面中向用户呈现图像。

Description

头戴式显示系统
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2018年2月12日的美国专利申请15/894,736和提交于2017年3月7日的临时专利申请62/468,109的优先权，所述专利申请据此以引用方式全文并入本文。
技术领域
本申请整体涉及具有显示器的设备，并且更具体地涉及头戴式显示器。
背景技术
头戴式显示器可用于显示虚拟现实内容和增强现实内容。显示增强现实内容的头戴式显示器可与真实世界对象的计算机生成的图像重叠。显示器和光学系统可用于生成图像并用于向用户呈现那些图像。
然而，如果不小心的话，用于在头戴式显示器中为用户显示内容的部件可能不美观且笨重，并且可能不表现出所需的光学性能水平。
发明内容
电子设备，诸如头戴式显示器，可具有用于产生图像的显示系统。具有一个或多个波导以及输入耦合器系统和输出耦合器系统的光学系统可用于将图像分配给用户。
该显示系统可具有一个或多个像素阵列，诸如硅基液晶像素阵列。来自该显示系统的图像可通过输入耦合器系统耦合到一个或多个波导中，并且可使用输出耦合器系统在多个图像平面中耦合出波导。输入耦合器系统和输出耦合器系统可包括单个耦合器、耦合器堆叠和平铺耦合器阵列。耦合器可以是薄平面体积全息器或用于将光耦合进和耦合出细长条形波导的上表面和下表面的其他光学耦合器。
复用技术，诸如波长复用、偏振复用、时分复用、具有包括不同角度取向范围的图像光的角度复用、和/或透镜可调谐技术，可用于在多个图像平面中向用户呈现图像。
附图说明
图1为根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的示意图。
图2为根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的顶视图。
图3为根据一个实施方案的用于头戴式显示器的例示性光学系统和相关联的显示系统的示意图。
图4为根据一个实施方案的显示器的横截面侧视图，该显示器包括多个区域，其具有用于产生由光学系统呈现在多个图像平面中的图像的多个相应像素阵列。
图5为根据一个实施方案的包括一组单独的显示器的例示性显示器配置的横截面侧视图，其中每个单独的显示器具有显示相应图像的像素阵列。
图6为根据一个实施方案的例示性光学系统的横截面侧视图，该例示性光学系统具有波导、横向相邻(平铺)像素阵列，以及各自响应于具有不同角度取向范围的光线以用于在头戴式显示器中的多个图像平面中呈现图像的相关联的全息输入耦合器和堆叠全息输出耦合器。
图7为根据一个实施方案的具有堆叠输入耦合器和堆叠输出耦合器的例示性光学系统的横截面侧视图，其中堆叠输入耦合器各自响应于单独的相应偏振，堆叠输出耦合器各自响应于单独的相应偏振。
图8为根据一个实施方案的例示性光学系统的横截面侧视图，该例示性光学系统具有用于不同偏振的平铺显示器和输入耦合器，以及响应于不同偏振以在多个图像平面中呈现图像的堆叠输出耦合器。
图9为根据一个实施方案的例示性光学系统的横截面侧视图，该例示性光学系统具有用于在多个图像平面中呈现图像的单个输入耦合器和可切换输出耦合器堆叠。
图10为根据一个实施方案的具有显示器的例示性光学系统的横截面侧视图，该例示性光学系统向堆叠输入耦合器提供多个不同波长的光，该堆叠输入耦合器响应于不同相应波长或波长组的光，并且该例示性光学系统具有多个堆叠的输出耦合器，每个输出耦合器响应于所述波长或波长组中的一个不同波长或波长组，从而在多个图像平面中呈现图像。
图11为根据一个实施方案的例示性光学系统的横截面侧视图，该例示性光学系统具有产生不同相应波长的图像并且与在不同相应波长下工作的输入耦合器重叠的多个平铺像素阵列，并且该例示性光学系统具有在不同波长下工作以在多个图像平面中呈现图像的堆叠输出耦合器。
图12为根据一个实施方案的具有显示器的例示性光学系统的横截面侧视图，该例示性光学系统向多波长输入耦合器提供多个不同波长的光，并且该例示性光学系统具有在多个图像平面中呈现图像的多波长输出耦合器。
图13为根据一个实施方案的具有可调谐透镜、波导以及用于在多个图像平面中呈现图像的输入耦合器和输出耦合器的例示性光学系统的图。
图14为根据一个实施方案的具有多个波导和平铺横向相邻输入耦合器的例示性光学系统的横截面侧视图。
图15为根据一个实施方案的具有多个波导和堆叠输入耦合器及堆叠输出耦合器的例示性光学系统的横截面侧视图。
具体实施方式
头戴式显示器和其他设备可用于虚拟现实和增强现实系统。这些设备可包括便携式消费电子设备(例如，便携式电子设备诸如蜂窝电话、平板电脑、眼镜、其他可穿戴装置)、在驾驶舱、车辆等中的头顶显示器、基于显示器的装置(投影仪、电视机等)。诸如这些设备的设备可包括显示器和其他光学部件。将其中虚拟现实和/或增强现实内容提供给具有头戴式显示器的用户的设备配置在本文中作为示例描述。然而，这仅为例示性的。任何合适的装置都可用于向用户提供虚拟现实和/或增强现实内容。
佩戴在用户头部的头戴式显示器(诸如一副增强现实眼镜)可用于向用户提供覆盖在真实世界内容顶部的计算机生成的内容。真实世界内容可由用户通过光学系统的透明部分直接查看。光学系统可用于将图像从显示系统中的一个或多个像素阵列路由至用户的眼睛。波导可包括在光学系统中。输入光学耦合器可用于将图像从一个或多个像素阵列耦合到波导中。输出光学耦合器可用于将图像耦合出波导以供用户查看。输出耦合器可被配置为在多个图像平面中显示图像。
光学系统的输入耦合器和输出耦合器可形成诸如布拉格光栅的结构，其将光从显示器耦合到波导中，并将光在多个图像平面中耦合出波导以供用户查看。输入光学耦合器和输出光学耦合器可由体积全息器或其他全息耦合元件形成。输入耦合器和输出耦合器可以例如由薄的聚合物层和/或使用激光来记录全息图案的其他光学耦合器结构形成。在一些配置中，光学耦合器可以由可动态调节的设备形成，诸如由微机电系统(MEMS)部件、液晶部件(例如，可调谐液晶光栅、聚合物分散液晶设备)或其他可调节光学耦合器形成的可调节光栅。
图1中示出了例示性头戴式显示器的示意图。如图1所示，头戴式显示器10可以具有控制电路50。控制电路50可包括用于控制头戴式显示器10的操作的存储和处理电路。电路50可以包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路50中的处理电路可以基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路和其他集成电路。软件代码可存储在电路50中的存储装置上，并且在电路50中的处理电路上运行，以实现用于头戴式显示器10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像呈现操作等)。
头戴式显示器10可包括输入-输出电路52。输入-输出电路52可用于允许由头戴式显示器10从外部装置(例如，拴系电脑、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)，或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头戴式显示器10提供用户输入。输入-输出电路52还可用于采集有关头戴式显示器10的工作环境的信息。电路52中的输出部件可允许头戴式显示器10向用户提供输出，并且可用于与外部电气装置通信。
如图1所示，输入-输出电路52可包括一个或多个显示器，诸如显示器26。显示器26可用于为头戴式显示器的用户显示图像。显示器26具有像素阵列以生成通过光学系统呈现给用户的图像。如果需要，光学系统可以具有透明部分，用户(观察者)可以通过该透明部分观察真实世界对象，同时计算机生成的内容通过在显示器26上产生计算机生成的图像而覆盖在真实世界对象的顶部上。
光学部件54可以用于形成向用户呈现图像的光学系统。部件54可以包括静态部件，诸如波导、静态光学耦合器和固定透镜。部件54还可以包括可调节的光学部件，诸如可调节偏振器、可调谐透镜(例如，液晶可调谐透镜、基于电光材料的可调谐透镜、可调谐液体透镜、微机电系统(MEMS)可调谐透镜、或其他可调谐透镜)、可动态调节耦合器(例如，可调节MEMS光栅或其他耦合器)、可调节液晶全息耦合器(诸如可调节液晶布拉格光栅耦合器)、可调节全息耦合器(例如，诸如可调谐布拉格光栅耦合器、聚合物分散的液晶设备的电光设备)、耦合器、透镜和由电光材料(例如，铌酸锂或其他表现出电光效应的材料)形成的其他光学设备，或其他静态和/或可调谐光学部件。部件54可用于从显示器26接收和修改光(图像)，以及用于向用户提供图像以供查看。在一些配置中，部件54中的一个或多个可以堆叠，使得光穿过串联的多个部件。在其他配置中，部件可以横向展开(例如，可以使用平铺的横向相邻耦合器组在波导或波导组上布置多个显示器)。也可以使用其中存在平铺和堆叠的配置。
输入-输出电路52可包括部件，诸如用于采集数据和用户输入以及用于向用户提供输出的输入-输出设备60。设备60可以包括传感器70、音频部件72和用于采集来自用户或设备10周围的环境的输入并用于向用户提供输出的其他部件。例如，设备60可以包括键盘、按钮、操纵杆、用于触控板和其他触敏输入设备的触摸传感器、相机、发光二极管、和/或其他输入-输出部件。
输入-输出电路52中的相机或其他设备可面向用户的眼睛并且可追踪用户的注视。传感器70可包括位置和运动传感器(例如，罗盘、陀螺仪、加速度计、和/或用于监测头戴式显示器10的位置、取向和移动的其他设备、卫星导航系统电路诸如用于监测用户位置的全球定位系统电路等)。例如，控制电路50可使用传感器70监测其中用户头部相对于周围环境取向的当前方向。也可使用传感器70监测用户头部的移动(例如，向左和/或向右运动，以追踪屏幕上的对象和/或查看另外的真实世界对象)。
如果需要，传感器70可以包括测量环境光强度和/或环境光颜色的环境光传感器、力传感器、温度传感器、触摸传感器、电容式接近传感器、基于光的接近传感器、其他接近传感器、应变计、气体传感器、压力传感器、湿度传感器、磁传感器等。音频部件72可以包括用于采集语音命令和其他音频输入的麦克风，以及用于提供音频输出的扬声器(例如，耳塞、骨传导扬声器、或用于向用户的左耳和右耳提供声音的其他扬声器)。如果需要，输入-输出设备60可包括触觉输出设备(例如，振动部件)、发光二极管和其他光源，以及其他输出部件。电路52可包括有线和无线通信电路74，该有线和无线通信电路允许头戴式显示器10(例如，控制电路50)与外部装置(例如，遥控器、操纵杆和其他输入控制器、便携式电子设备、计算机、显示器等)通信，并且允许在头戴式显示器10的不同位置处的部件(电路)之间传送信号。
头戴式显示器10的部件可由头戴式支撑结构诸如图2的例示性支撑结构16支撑。支撑结构16可被配置为形成一副眼镜的框架(例如，左镜腿和右镜腿和其他框架构件)、可被配置为形成头盔、可被配置为形成一副护目镜，或者可具有其他可佩戴在头部的配置。
光学系统84可以支撑在支撑结构16内，并且可以用于从显示器26向用户(例如，参见图2的用户90的眼睛)提供图像。利用一个例示性配置，显示器26可以位于光学系统84的外(边缘)部分88中，并且可以具有产生图像的一个或多个像素阵列。可以使用输入耦合器系统将与图像相关联的光耦合到外部分88中的波导中。波导可横穿中间区域82。在系统84的中心部分86中(在来自输入耦合器系统和显示器26的波导的相对端处)，由一个或多个输出耦合器形成的输出耦合器系统可以将光耦合出波导。该光可以沿方向92穿过可选透镜80以供用户90查看。光学系统84的部分86可以是透明的，使得用户90可以通过系统84的该区域查看诸如对象30的外部对象，而系统84将计算机生成的内容(由控制电路50生成的图像内容)与对象(诸如对象30)重叠。
光学系统84可被配置为在不同图像平面94(例如，在距用户90不同的相应距离的虚拟图像位置)中显示来自显示器26的不同图像。这允许将远处对象(例如，某个风景中的山峰)呈现在远处图像平面94(参见例如远场图像平面94D)中，并且允许在近处图像平面(例如，近场图像平面94N)中呈现近处对象(例如，用户的视场中的人的面部)，从而向用户90提供三维图像内容。其他对象(例如，虚拟对象30V)还可以呈现在中间距离图像平面(例如，中间图像平面94I，其距用户90的距离与图2所示示例中的外部对象30相同)中。通过在远处图像平面中显示远方对象以及在附近图像平面中显示近处对象，可自然地为用户显示三维图像，同时使眼睛疲劳和不适最小化。
图3中示出了例示性头戴式设备的一部分。设备10可包括一个或多个像素阵列，诸如像素阵列26。像素阵列26由像素26P形成。显示器26中可以有任何合适数量的像素26P(例如，0至1000、10至10,000、1000至1,000,000、1,000,000至10,000,000、多于1,000,000、少于1,000,000、少于10,000、少于100等)。像素阵列26可具有任何合适类型的显示器像素(例如，像素阵列26可形成显示器，诸如有机发光二极管显示器、具有由发光二极管阵列形成的像素阵列的显示器(其中每个该发光二极管由相应的晶体半导体芯片形成)、液晶显示器、硅基液晶显示器、微机电系统显示器或任何其他合适的显示器)。在图3所示的例示性配置中，像素阵列26形成显示系统100的一部分，其中像素阵列26由来自照明系统的光照明。照明系统包括光源104和光学耦合器102。光源104可包括一个或多个发光部件106。部件106可以是例如发光二极管，诸如红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管、白色发光二极管和/或发光二极管、灯、或一种或多种其他颜色的其他光源。光学耦合器102可以是分束器或有助于将来自光源104的光108朝向像素阵列26引导的其他光学部件。
如图3所示，来自光源104的光108可由耦合器102朝向像素阵列26(例如，硅基液晶像素阵列)的表面引导。光108由像素26P反射，这些像素生成供用户90查看的图像。反射光108R(例如，对应于由像素26P的阵列形成的图像的图像光)穿过耦合器102和可选透镜110。该反射图像光(图像112)由光学系统84的输入部分88中的输入耦合器系统接收。
如图3所示，光学系统84可包括一个或多个波导，诸如波导116。图3示出了用于向用户的左眼90提供图像的左手波导，但系统84通常可包括用于向用户的双眼提供图像光的波导结构。波导116可由透明材料诸如透光玻璃或塑料形成。在一个例示性配置中，每个波导116具有沿轴线X在相对的第一端部和第二端部之间延伸的细长条形形状。例如，波导116的高度(沿维度Y的宽度)可以为约1mm至100mm、至少2mm、至少5mm、小于50mm或其他合适的大小。波导116的厚度(沿维度Z)可以为约3mm、1mm至5mm、至少0.1mm、至少0.5mm、至少1.5mm、至少3mm、小于4mm、小于5mm或其他合适的厚度。沿维度X，左手波导116可在用户面部的约一半上延伸，并且右手波导116可在用户面部的另一半上延伸。因此，波导116沿维度X的长度可以为约10mm至300mm、至少5mm、至少20mm、至少40mm、至少80mm、至少100mm、至少130mm、小于200mm、小于150mm、小于100mm、小于90mm等。波导116可以是直的(如图3所示)或者可具有包在用户头部上的弯曲形状。
系统84可在部分88中具有输入耦合器系统。该输入耦合器系统可包括一个或多个输入耦合器，诸如输入耦合器114。来自显示器26的图像光112可使用输入耦合器114耦合到波导116中。图3的输入耦合器114为反射耦合器(光从耦合器114反射到波导116中)。如果需要，诸如输入耦合器114的输入耦合器可为透射耦合器(光在穿过耦合器114时耦合到波导116中)。
在波导116内，已耦合到波导116中的光可根据全内反射的原理沿维度X传播。然后可由输出部分86中的输出耦合器系统将光118耦合出波导116。输出耦合器系统可包括一个或多个输出耦合器诸如输出耦合器120，其将光118耦合出波导116，如光122所示。之后，光122可沿方向92穿过透镜诸如透镜80，以供用户90查看。
系统84中的输入耦合器和输出耦合器可以是全息耦合器(例如，体积全息器)。耦合器可以是平面到平面耦合器(无限焦距)，或者可以具有相关联的有限焦距f(例如，这些耦合器可具有相关联的正透镜光焦度或负透镜光焦度)。例如，有限焦距输出耦合器的使用可用于在多个相应的图像平面处显示来自像素阵列26的图像。
设备10可使用像素阵列26来提供每单位时间的多个图像(例如，每“帧”图像数据)。这些图像可呈现在多个不同焦平面94中，如图2所示。显示器26可使用复用方案通过光学系统84向用户呈现多个图像。复用方案可基于对特定偏振敏感的输入耦合器和/或输出耦合器的使用(偏振复用)，可基于对不同波长的光敏感的输入耦合器和/或输出耦合器的使用(波分复用)，可基于对不同角度的入射/出射光敏感的输入耦合器和/或输出耦合器的使用(例如，配置为在不同的光线取向角范围或其他光角度复用方案中最有效地反射光的光栅)，可使用时分复用，可在光离开显示器26的路径中使用可调谐透镜，并且/或者可使用其他合适的复用技术。
要支持复用方案诸如这些复用，可能期望为设备10提供多个图像(例如，用于在第一图像平面中显示的第一图像、用于在第二图像平面中显示的第二图像，用于在第三图像平面中显示的第三图像等)。利用一个例示性布置，单个显示器(例如，单个硅基液晶显示器)可具有单个像素阵列(例如，图3所示的像素阵列26)，其依次显示这些图像中的每个图像。然后可使用时分复用将图像呈现在多个不同的图像平面中。在另一个例示性布置中，单个显示器可被分割成多个区域，每个区域具有其自身的相应像素阵列，并且每个区域用于显示多个图像中的相应单独的一个图像。这种类型的方案在图4的横截面侧视图中示出。如图4所示，显示器26D可具有多个子区域，诸如区域26A。每个区域26A均可包含像素26P的可独立调节阵列。公共基板26SUB(例如，硅基液晶显示器上的公共硅晶片)可用于为显示器26D中的所有像素26P提供显示驱动器电路(例如，像素电路等)，即使每个区域26A用于显示其自身的单独图像。区域26A可布置成行(例如，1×N组区域26A可用于在N个相应图像平面中显示N个相应图像)，或者区域26A可布置成矩形阵列(例如，N×M组区域可用于在N×M个相应图像平面中显示N×M个相应图像)。如果需要，可使用N个单独的显示器26D来显示多个图像，每个显示器具有其自身的相应的像素26P阵列，如图5所示。图5所示的显示器26D可布置成线、成矩形阵列或其他合适的图案。
图6中示出了例示性的基于角度的复用方案。在图6所示的例示性光学系统84中，部分88中的输入耦合系统具有多个输入耦合器114-1、114-2...。各个输入耦合器可接收来自不同像素阵列的相应图像(例如，像素阵列26-1可向输入耦合器114-1提供第一图像，像素阵列26-2可向输入耦合器114-2提供第二图像等)。这种类型的布置有时可被称为平铺(横向相邻)布置，因为每个像素阵列可位于相应的横向相邻的拼片位置(例如，一系列相邻矩形拼片中的矩形像素阵列位置)，并且输入耦合器以平铺图案横向相邻。
像素阵列26-1和26-2可由如图4所示的单个显示器上的数组像素26P形成(例如，像素阵列26-1和26-2可以是同一显示器的一部分并且可以由硅基液晶显示器中的公共硅基板形成)，或者可形成在硅基液晶显示器布置中的单独的相应硅基板上(例如参见图5所示的显示器26D)。
系统84的输出部分86可具有重叠的输出耦合器120-1、120-2...的堆叠。图6所示的输出耦合器系统中的各个输出耦合器可对不同的相应光角度(光线的取向角度范围)敏感。例如，耦合器120-1可被配置为沿方向92有效地耦合角度为A1至A2的光，耦合器120-2可配置为沿方向92耦合角度为A3至A4的光等。来自每个像素阵列的输出图像可分别与这些范围中的每个范围相关联(例如，来自像素阵列26-1的输出可具有取向角度为A1至A2的光等)。输入耦合器114-1可有效地将角度为A1至A2的光从像素阵列26-1耦合到波导116中，输入耦合器114-2可有效地将角度为A3至A4的光从像素阵列26-2耦合到波导116中等。在传播来自像素阵列26-1、26-2等的图像光期间，可保留与每个图像相关联的角度范围。因此，由像素阵列26-1提供的图像将由耦合器120-1耦合出波导116，由像素阵列26-2提供的图像将由耦合器120-2耦合出波导116等。各个输出耦合器可具有不同的相关联的焦距(例如，耦合器120-1的焦距可以是无限的，因此耦合出波导116的图像可在位于无限远位置处的图像平面中呈现给用户，耦合器120-2的焦距可以是1米，因此耦合出波导116的图像可以在位于距离用户1米处的图像平面中呈现给用户等)。这使得系统84可以在多个相应的图像平面处为用户呈现多个图像。
图7是例示性基于偏振的复用系统的横截面侧视图。如图7所示，像素阵列26可生成使用x偏振敏感输入耦合器114X耦合到波导116中或使用y偏振敏感输入耦合器114Y耦合到波导116中的图像。像素阵列26可输出具有线性偏振(例如，沿X轴)的光的图像。可调节偏振旋转器124(例如，液晶偏振旋转器或其他合适的电可调节偏振旋转器)可接收来自控制电路50的控制信号，该控制信号引导旋转器124将来自显示器26的光穿过部分88中的输入耦合器系统，而无需进行任何偏振调节(例如，使得由显示器26提供的图像的x偏振不发生改变)，或者引导旋转器124将来自显示器26的光的偏振旋转90°(例如，以将x偏振光转换为y偏振光)。x偏振的图像使用输入耦合器114X耦合到波导116中，并且y偏振的图像使用输入耦合器114Y耦合到波导116中。当耦合到波导116中的光沿着波导116的长度通过部分86中的输出耦合系统时，该光的偏振态保持不变。在部分86中，输出耦合器120X将来自波导116的x偏振图像沿方向92耦合出波导116。输出耦合器120Y对y偏振光敏感，因此从显示器26耦合出y偏振图像。耦合器120X和120Y可具有不同的焦距，使得来自显示器26的x偏振图像和y偏振图像可显示在不同的图像平面中。如果需要，可使用偏振复用技术，其中光是右旋圆偏振的或左旋圆偏振的。在图7所呈现的示例中(X偏振或Y偏振的)线性偏振光的使用作为示例。
图8示出了光学系统84的另一种例示性偏振复用布置。在图8所示的示例中，x偏振输入耦合器114X和y偏振输入耦合器114Y附接至波导116，以横向相邻平铺布置的方式沿波导116的长度彼此相邻，并且像素阵列26-1和26-2同样以平铺方式布置。阵列26-1和26-2可由单个显示器的子区域形成(例如参见图4)或可形成在单独的显示器中(例如参见图5)。
图9所示的光学系统84的例示性布置使用时分复用在多个图像平面处显示来自显示器26的图像。在系统84的部分88中，输入耦合器114将来自显示系统100的像素阵列26的图像耦合到波导116中。与这些图像相关联的光从输入耦合器114传播到系统84的部分86中的输出耦合器系统。输出耦合器系统中的输出耦合器可包括可动态调节的输出耦合器(例如，可切换全息液晶耦合器元件、可切换MEMS设备或其他可动态调节的输出耦合器设备)。各个输出耦合器可具有不同的相关联的焦距，使得光在多个图像平面中耦合出波导116。在工作期间，显示器26输出图像I1、I2、I3...的序列，每个图像与相应的图像平面位置相关联。与由显示器26对这些图像的显示同步，控制电路50调节可调节输出耦合器120SW1、120SW2、120SW3...的状态，使得在不同图像平面中为用户显示图像I1、I2和I3。例如，当图像I1经由波导116被传送至部分86时，控制电路50可激活耦合器120SW1，同时停用耦合器120SW2和120SW3。当图像I2经由波导116被传送至部分86时，控制电路50可激活耦合器120SW2，同时停用耦合器120SW1(在停用时其是透明的)和120SW3。在显示器26正在输出图像I3时，耦合器120SW3可激活并且耦合器120SW1和耦合器120SW2停用。耦合器120SW1可利用第一光焦度沿方向92引导图像I1(例如，耦合器120SW1可具有第一焦距)，耦合器120SW2可利用第二光焦度沿方向92引导图像I2(例如，耦合器120SW2可具有不同于第一焦距的第二焦距)，并且耦合器120SW3可利用第三光焦度沿方向92引导图像I3(例如，耦合器120SW3可具有不同于第一焦距和第二焦距的第三焦距)。在该场景中，图像I1将呈现在第一图像平面(例如，位于与第一焦距相关联的距用户90第一距离的图像平面)中，图像I2将呈现在第二图像平面(例如，位于与第二焦距相关联的距用户90第二距离的图像平面)中，并且图像I3将呈现在第三图像平面(例如，位于与第三焦距相关联的距用户90第三距离的图像平面)中。如果需要，能够在部分86中的可切换输出耦合器的堆叠中包括附加可切换输出耦合器(例如，以使得附加时分复用图像内容可在相应的附加图像平面位置处显示)。
在图9所示类型的配置和设备10的其他多焦平面显示器配置中，在不同图像平面处显示的图像的帧速率可能不同。例如，近场内容(例如，在最靠近用户90的图像平面位置处显示的图像)可比远场内容(例如，远处竞争，诸如某个风景中的云或远山)刷新地更频繁。如果需要，也可使用其中使用相同帧速率提供每个图像平面位置的图像的配置。
在图10的例示性配置中，波分复用用于向用户呈现多个图像平面中的图像。图10的像素阵列26被配置为产生多个波长的图像(例如，诸如红色波长的第一波长的第一图像、诸如绿色波长的第二波长的第二图像，以及诸如蓝色波长的第三波长的第三图像)。在工作期间，控制电路50可引导显示器26依次显示红色图像、蓝色图像和绿色图像。这些图像被传送至部分86中的输出耦合器系统。该输出耦合器系统可包括堆叠输出耦合器，其被配置为以不同波长将光沿方向92引导出波导116。例如，耦合器120L1可沿方向92引导红色图像而不影响蓝色图像和绿色图像，耦合器120L2可沿方向92引导绿色图像而不影响红色图像和蓝色图像，并且耦合器120L3可沿方向92引导蓝色图像而不影响红色图像和绿色图像。输出耦合器120L1、120L2和120L3可具有不同的焦距，使得在不同图像平面位置处显示红色图像、绿色图像和蓝色图像。如果需要，可存在多个不同的红色输出耦合器，各个红色输出耦合器具有不同的红色工作波长(例如，彼此偏移20nm或其他合适的量的红色波长)，并且各个红色输出耦合器具有不同的焦距。同样，绿色图像和蓝色图像可通过使用多个堆叠的绿色输出耦合器(各个绿色输出耦合器具有不同的绿色工作波长和不同焦距)和多个堆叠的蓝色输出耦合器(各个蓝色输出耦合器具有不同的蓝色工作波长和不同的焦距)显示在不同图像平面中。在诸如这些的配置中，显示系统100的像素阵列26可被配置为分别以每个红色波长、每个绿色波长和每个蓝色波长产生图像，从而在多个不同图像平面中向用户呈现全彩色图像。
图11的系统84的例示性配置使用平铺像素阵列26L1、26L2、26L3等，各个像素阵列输出不同相应波长的图像。像素阵列26L1、26L2、26L3等可形成在公共显示器基板上，或可提供多个单独的显示器基板，每个显示器基板包括单个像素阵列或多个像素阵列的组。
图12是光学系统84的例示性配置的示意图，其中显示系统100的像素阵列26显示具有不同相应波长的图像(例如，连续的红色图像、绿色图像、蓝色图像或一组不同红色波长、一组不同绿色波长和一组不同蓝色波长的连续图像等)，并且其中输入耦合器114和输出耦合器120各自被配置为将这些波长中的每个波长的光耦合进或耦合出波导116。多波长耦合器可用于替代在图12的系统和/或设备10的其他例示性光学系统84中以不同的相应波长工作的堆叠耦合器。
如果需要，可使用可调谐透镜来向用户呈现在多个不同图像平面中的图像。例如，考虑图13中的光学系统84的例示性配置。在图13的光学系统84中，可调谐透镜126已插置在显示系统100的像素阵列26和系统84的输入部分88之间。部分88中的光学耦合器114可用于将来自像素阵列26的光耦合到波导116中。在输出部分86，输出耦合器120可用于将来自像素阵列26的图像的光沿方向92朝向用户导向。在工作期间，像素阵列26可生成不同的相关联的图像平面的一系列图像。当每个图像从像素阵列26输出时，控制电路50可调节透镜126，使得透镜126表现出相应的焦距。透镜126可以是可调谐液晶透镜或其他可调节透镜。通过与像素阵列26产生的不同图像同步地将透镜126调节到不同焦距，图像可以在各种不同的相应图像平面上沿方向92向用户90呈现。如果需要，诸如透镜126的可调谐透镜可放置在输出耦合器120和用户之间。在这种类型的布置中，可以在耦合器120和的外部对象诸如对象30(图3)之间放置补偿可调节透镜(动态调节以表现出与透镜126的焦距相反的焦距)，使得用户对真实世界对象的查看不会因对透镜126所做的焦距调节而离焦。
如图14所示，光学系统84可具有多个波导116(例如，第一波导116L、第二波导116T，以及如果需要的话，一个或多个附加波导116)。波导可如图14所示彼此重叠，或者可以以非重叠或部分重叠的布局布置。每个波导可接收来自单个像素阵列或来自平铺像素阵列组的图像。在图14的示例中，光学系统84具有经由输入部分88中的输入耦合器114T向波导116T提供图像的第一像素阵列26T，并且具有经由输入部分88中的输入耦合器114L向波导116L提供图像的第二像素阵列26L。输入耦合器114T和114L可以是将入射平面波耦合到出射平面波的体积全息器(有时称为平面到平面体积全息器或平面到平面输入耦合器)。
输出耦合器120L和120T可堆叠在光学系统84的部分86中。输出耦合器120L可具有第一焦距(例如，输出耦合器120L可以是具有无限焦距的平面到平面输出耦合器)，并且输出耦合器120T可具有不同于第一焦距的第二焦距(例如，第二焦距可以是有限焦距)。利用这种类型的布置，来自像素阵列26L的图像可以在位于无穷远处的图像平面中提供给用户，并且来自像素图像26T的图像可以在距用户有限距离处的图像平面中提供给用户。如果需要，可使用附加波导、附加输入耦合器和附加输出耦合器以及附加像素阵列在附加图像平面中显示图像。
像素阵列26T和26L可以在相同波长或不同波长下工作。在一个例示性配置中，像素阵列26T可提供第一组波长(第一红色波长R1、第一绿色波长G1和第一蓝色波长B1)的光，并且像素阵列26L可提供第二组波长(第二红色波长R2、第二绿色波长G2和第二蓝色波长B2)的光。如果需要，可使用具有用于像素阵列26T和/或26L的不同组波长的配置。
图15的光学系统84的例示性配置具有多个波导116T和116L。光学系统84的输入部分88具有一组堆叠输入耦合器114L和114T，每个输入耦合器将图像光耦合到波导116L和116T中的相应一个波导中。图15的系统84可使用复用方案，诸如偏振复用方案或其他复用布置的波长。例如，系统84可具有诸如偏振旋转器124的可调节偏振旋转器。显示系统100的像素阵列36可生成线性偏振图像。输入耦合器114L和114T可对具有正交偏振的光敏感，使得当旋转器124处于第一状态时，来自像素阵列26的图像光由耦合器114L耦合到波导116L中，并且当旋转器124处于第二状态(使图像偏振旋转90°的状态)时，来自像素阵列26的图像光穿过耦合器114L，并由耦合器114T耦合到波导116T中。
通常，可在系统84中使用可调谐透镜、波长复用、时分复用、偏振复用、单个和/或多个波导、重叠或非重叠波导以及单个像素阵列和/或多个横向相邻像素阵列的平铺图案的任何合适的组合，以在多个不同焦距处为用户显示图像。图5至图15的配置仅为例示性的。
根据一个实施方案，提供了一种电子设备，其包括显示系统、光学系统、输入耦合器系统，以及输出耦合器系统；所述显示系统具有以平铺图案布置的多个横向相邻像素阵列，该像素阵列被配置为产生图像；所述光学系统具有输入部分和输出部分，所述光学系统被配置为在多个图像平面中显示图像，并且所述光学系统包括在输入部分和输出部分之间延伸的波导；所述输入耦合器系统具有以平铺图案布置在输入部分中的多个横向相邻输入耦合器，每个输入耦合器被配置为将来自像素阵列中的相应一个像素阵列的图像耦合到波导中；所述输出耦合器系统被配置为将图像在输出部分中耦合出波导，所述输出耦合器系统被配置为在不同的相应图像平面中呈现来自各个像素阵列的图像。
根据另一个实施方案，该电子设备包括被配置为支撑显示系统和光学系统的头戴式支撑结构。
根据另一个实施方案，该输出耦合器系统包括输出部分中的多个堆叠的输出耦合器，并且各个输出耦合器具有不同的相应焦距，并被配置为将图像从像素阵列中的不同的相应像素阵列耦合出波导。
根据另一个实施方案，该堆叠的输出耦合器为全息输出耦合器。
根据另一个实施方案，该全息输出耦合器中的各个全息输出耦合器被配置为将不同相应波长的光耦合出波导。
根据另一个实施方案，该体积全息输出耦合器中的各个体积输出耦合器被配置为将不同的相应偏振的光耦合出波导。
根据另一个实施方案，该全息输出耦合器中的各个全息输出耦合器被配置为将具有不同的相应取向角度范围的光耦合出波导。
根据另一个实施方案，该横向相邻像素阵列形成在公共硅基板上。
根据另一个实施方案，该横向相邻像素阵列中的各个像素阵列形成在不同的相应硅基板上。
根据另一个实施方案，该像素阵列包括硅基液晶像素阵列，并且波导具有细长条形形状。
根据一个实施方案，提供了一种电子设备，其包括显示系统、光学系统、输入耦合器系统、输出耦合器系统以及头戴式支撑结构；所述显示系统被配置为产生图像，所述光学系统被配置为在多个图像平面中显示图像，所述光学系统包括具有相对的第一端部和第二端部的波导；所述输入耦合器系统位于第一端部处并且具有将图像耦合到波导的平面到平面全息输入耦合器的堆叠；所述输出耦合器系统位于第二端部处并且具有全息输出耦合器的堆叠，各个全息输出耦合器具有不同的相应焦距；所述头戴式支撑结构被配置为支撑所述显示系统和光学系统。
根据另一个实施方案，所述显示系统被配置为产生多个图像，各个图像与不同的波长组的图像光相关联。
根据另一个实施方案，该电子设备包括显示系统和输入耦合器系统之间的可调节偏振旋转器。
根据另一个实施方案，该显示系统包括硅基液晶像素阵列和具有发光二极管的光源。
根据另一个实施方案，该输出耦合器的堆叠包括至少一个平面到平面输出耦合器。
根据一个实施方案，提供了一种电子设备，其包括显示系统、第一波导、第二波导、第一平面到平面全息耦合器、第二平面到平面全息耦合器以及输出耦合器系统；所述显示系统具有多个像素阵列，所述像素阵列至少包括被配置为产生第一图像的第一像素阵列和被配置为产生第二图像的第二像素阵列；所述第一平面到平面全息耦合器被配置为将第一图像耦合到第一波导中；所述第二平面到平面全息耦合器被配置为将第二图像耦合到第二波导中；所述输出耦合器系统配置为在不同的相应第一图像平面和第二图像平面中显示第一图像和第二图像，所述输出耦合器系统包括被配置为将第一图像耦合出第一波导的具有第一焦距的第一全息耦合器以及被配置为将第二图像耦合出第二波导的具有第二焦距的第二全息耦合器。
根据另一个实施方案，该第一像素阵列和第二像素阵列形成在相应的第一硅基板和第二硅基板上。
根据另一个实施方案，该第一像素阵列和第二像素阵列形成在公共硅基板上。
根据另一个实施方案，该第一全息输出耦合器和第二全息输出耦合器在输出耦合器堆叠中重叠，并且第一图像穿过第二全息输出耦合器。
根据另一个实施方案，该第一像素阵列和第二像素阵列包括硅基液晶像素阵列。
前述内容仅为例示性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任何组合实施。

Claims (20)

1.一种电子设备，包括：
显示系统，所述显示系统具有以平铺图案布置的多个横向相邻像素阵列，其中所述像素阵列被配置为产生图像；和
光学系统，所述光学系统具有输入部分和输出部分，其中所述光学系统被配置为在多个图像平面中显示所述图像，并且其中所述光学系统包括：
波导，所述波导在所述输入部分和所述输出部分之间延伸；
输入耦合器系统，所述输入耦合器系统具有以平铺图案布置在所述输入部分中的多个横向相邻输入耦合器，其中所述输入耦合器中的每个输入耦合器被配置为将来自所述像素阵列中的相应一个像素阵列的图像耦合到所述波导中；和
输出耦合器系统，所述输出耦合器系统被配置为将图像在所述输出部分中耦合出所述波导，其中所述输出耦合器系统被配置为将来自所述横向相邻像素阵列中的各个像素阵列的所述图像呈现在不同的相应图像平面中。
2.根据权利要求1所述的电子设备，还包括头戴式支撑结构，所述头戴式支撑结构被配置为支撑所述显示系统和所述光学系统。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述输出耦合器系统包括在所述输出部分中的多个堆叠的输出耦合器，并且其中各个输出耦合器具有不同的相应焦距并且被配置为将图像从所述像素阵列中的不同的相应像素阵列耦合出所述波导。
4.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述堆叠的输出耦合器为全息输出耦合器。
5.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述全息输出耦合器中的各个全息输出耦合器被配置为将不同的相应波长的光耦合出所述波导。
6.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述体积全息输出耦合器中的各个体积全息输出耦合器被配置为将不同的相应偏振的光耦合出所述波导。
7.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述全息输出耦合器中的各个全息输出耦合器被配置为将具有不同的相应取向角度范围的光耦合出所述波导。
8.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述横向相邻像素阵列形成在公共硅基板上。
9.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述横向相邻像素阵列中的各个像素阵列形成在不同的相应硅基板上。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述像素阵列包括硅基液晶像素阵列，并且其中所述波导具有细长条形形状。
11.一种电子设备，包括：
显示系统，所述显示系统被配置为产生图像；
光学系统，所述光学系统被配置为在多个图像平面中显示所述图像，其中所述光学系统包括：
波导，所述波导具有相对的第一端部和第二端部；
输入耦合器系统，所述输入耦合器系统在所述第一端部处，所述输入耦合器系统具有平面到平面全息输入耦合器的堆叠，以将所述图像耦合到所述波导中；
输出耦合器系统，所述输出耦合器系统在所述第二端部处，所述输出耦合器系统具有全息输出耦合器的堆叠，所述全息输出耦合器中的各个全息输出耦合器具有不同的相应焦距；和
头戴式支撑结构，所述头戴式支撑结构被配置为支撑所述显示系统和所述光学系统。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述显示系统被配置为产生多个图像，所述多个图像中的各个图像与不同的波长组的图像光相关联。
13.根据权利要求11所述的电子设备，还包括：
可调节偏振旋转器，所述可调节偏振旋转器位于所述显示系统和所述输入耦合器系统之间。
14.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述显示系统包括硅基液晶像素阵列和具有发光二极管的光源。
15.根据权利要求11所述的电子设备，其中输出耦合器的所述堆叠包括至少一个平面到平面输出耦合器。
16.一种电子设备，包括：
显示系统，所述显示系统具有多个像素阵列，其中所述像素阵列包括至少第一像素阵列和第二像素阵列，所述第一像素阵列被配置为产生第一图像，所述第二像素阵列被配置为产生第二图像；
第一波导；
第二波导；
第一平面到平面全息耦合器，所述第一平面到平面全息耦合器被配置为将所述第一图像耦合到所述第一波导中；
第二平面到平面全息耦合器，所述第二平面到平面全息耦合器被配置为将所述第二图像耦合到所述第二波导中；和
输出耦合器系统，所述输出耦合器系统被配置为在不同的相应第一图像平面和第二图像平面中显示所述第一图像和所述第二图像，其中所述输出耦合器系统包括第一全息耦合器和第二全息耦合器，所述第一全息耦合器具有被配置为将所述第一图像耦合出所述第一波导的第一焦距，所述第二全息耦合器具有被配置为将所述第二图像耦合出所述第二波导的第二焦距。
17.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述第一像素阵列和所述第二像素阵列形成在相应的第一硅基板和第二硅基板上。
18.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述第一像素阵列和所述第二像素阵列形成在公共硅基板上。
19.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述第一全息输出耦合器和所述第二全息输出耦合器在输出耦合器堆叠中重叠，并且其中所述第一图像穿过所述第二全息输出耦合器。
20.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述第一像素阵列和所述第二像素阵列包括硅基液晶像素阵列。
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