CN111133368A - 具有分离的相位和幅度调制器的近眼3d显示器 - Google Patents

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Abstract

增强现实眼镜包括近眼显示器，其包括与空间相位调制器或有源区板调制器耦合并与眼睛耦合光学部件光学耦合的图像幅度调制光光学源。该图像幅度调制光源可包括发光2D显示面板或耦合到图像调幅器的光源。该眼睛耦合光学可包括体全息衍射光栅。

Description

具有分离的相位和幅度调制器的近眼3D显示器
技术领域
本发明涉及近眼显示器。更具体地，本发明涉及近眼三维(3D)显示器。
背景技术
自从智能手机问世，公众已经广泛实现了具有能够进行通用计算和多媒体通信的多用且始终可用的设备的巨大效用。尽管如此，智能手机的显著缺点是相对小的屏幕尺寸。智能手机显示屏仅是小型笔记本电脑屏幕的尺寸的小部分。
现在预期，智能手机最终将被增强现实眼镜代替或必不可少地增强，除其他事项外，增强现实眼镜将有效地为用户提供用户可随意访问的相对大视场3D影像输出系统，无论是用于商务还是娱乐目的。
不仅超过笔记本电脑能承担的屏幕尺寸且不具有携带笔记本电脑的麻烦，增强现实眼镜还将提供无缝集成真实世界和虚拟内容的新型混合真实应用。这不仅保持了用户与真实世界的联系，从而阻止了有时与过度使用智能手机相关的退出真实世界互动的社交现象，而且还实现了对物理世界的新型扩充，例如：自动生成与上下文相关的信息叠加在自动识别的真实世界对象上；通过显示给对方的各方的3D化身的远程人员之间的通信；以及混合真实游戏，其包括表现逼真的虚拟内容，例如尊从真实世界中物理对象的边界。
发明内容
增强现实眼镜的一方面是通过透明目镜显示虚拟内容。一种类型的透明目镜基于波导，该波导包括用于控制承载虚像的光的传播的透明衍射光学元件。这样的波导目镜的一个问题是它们将承载虚拟图像的光传输到用户眼睛的低效率。该低效率导致较高功耗，以及由此的较短电池寿命和相关的热管理要求。
另外，为了增强虚拟内容的真实性，希望在不同深度处显示内容。适当地在距用户一定距离处显示内容需要弯曲用于产生内容的虚拟图像的光的波前。曲率与虚像距离反相关。为了在使用基于波导的目镜时实现多个虚像距离，使用了波导的叠层，每个波导具有不同的耦出光学部件。后一种方法实际上将可提供的虚拟距离限制为较小的有限数量，例如，2个选择的距离。
此处描述的实施例改善了通过光学部件队列和到用户眼睛耦合3D图像的效率，并且在能够控制虚拟图像的深度方面更加全面。
本发明的实施例提供了包括近眼显示器的增强现实眼镜，该近视显示器包括耦合到空间相位调制器的图像强度调制光源，该空间相位调制器可跨图像强度调制光源接收的光束施加空间变化的相位调制。该空间相位调制器还耦合到眼睛耦合光学部件。该图像幅度调制光源可采用例如耦合到2D像素化幅度调制器(例如，硅上液晶(LCoS)调制器或数字微镜器件(DMD)调制器)的光源、或发光2D显示面板(例如，有机发光二极管(OLED)显示面板)的形式。空间相位调制器也可采用LCoS调制器的形式。眼睛耦合光学部件可采取离轴体全息衍射光栅的形式，该光栅以与将光重定向到用户的眼睛的角度相比的相对高的入射角接收光，从而允许近眼显示器的一部分被定位在用户眼睛的一侧。在一些实施例中，光源和眼睛耦合光学部件之间的光路径可在到达空间相位调制器之前到达幅度调制器。该近眼显示器可进一步包括设置在幅度调制器和空间相位调制器之间的分束器。
附图说明
附图说明了本发明的优选实施例的设计和效用，其中类似的元件被公共标号引用。为了更好地理解如何获得本发明的上述和其他优点和目的，将通过参考附图中所示的本发明的具体实施例来呈现对上述本发明的更具体的描述。
了解到这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应被视为对其范围的限制，将通过使用附图以附加的具体性和细节来描述和解释本发明，其中：
图1是根据本发明的一些实施例的近眼显示器的框图；
图2是根据本发明的一些实施例的近眼显示器的框图；
图3示出了根据本发明的一些实施例的一对增强现实眼镜；
图4是根据本发明的一些实施例的具有透射式图像幅度调制器和透射式相位调制器的近眼显示器的示意图；
图5是根据本发明的一些实施例的具有反射幅度调制器和反射相位调制器的近眼显示器的示意图；
图6是根据本发明的一些实施例的具有透射幅度调制器和反射相位调制器的近眼显示器的示意图；
图7是根据本发明的一些实施例的具有反射幅度调制器和透射相位调制器的近眼显示器的示意图；
图8是根据本发明的一些实施例的包括LCoS幅度调制器和LCoS相位调制器之间的分束器的近眼显示器的示意图；
图9是根据本发明的一些实施例的包括DMD光调制器和LCoS相位调制器之间的棱镜对的近眼显示器的示意图；
图10是根据本发明的一些实施例的包括图像幅度调制光的OLED源和相位调制器之间的分束器的近眼显示器的示意图；
图11是根据本发明的一些实施例的近眼显示系统的框图；
图12是根据本发明的一些实施例的可在空间相位调制器上形成的菲涅耳透镜的图示；
图13是根据本发明的一些实施例的菲涅耳透镜的图示，菲涅耳透镜可形成在空间相位调制器上，并且被从中心横向移动以使光沿着到用户的眼睛的路径偏转；
图14是根据本发明的一些实施例在图2所示的显示器中包括的有源区板调制器上形成的区板透镜的描绘；
图15是根据本发明的一些实施例能够在图2所示的显示器中包括的有源区板调制器上形成的区板图案的格栅的图示；以及
图16是本发明的一些实施例的操作的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明一些实施例的近眼显示器100的框图。参考图。如图1所示，近眼显示器100包括图像幅度调制光源102。如图所示，图像幅度调制光源102包括相干光源104(例如，一个或多个激光二极管(LD))和图像幅度调制器106。图像幅度调制器106可例如包括LCoS调制器、DMD调制器或透射液晶调制器。作为图2所示的替代，如图1所示，图像幅度调制光源可采取像素化的发光显示面板的形式，例如OLED显示面板或微型LED显示面板。
图像幅度调制光源102被光学耦合到空间相位调制器108。在本说明书中，术语“光学耦合”可包括沿着光路的传播，该光路可包括：自由空间和/或一个或多个光学元件，例如，例如透镜，反射镜和导光管。空间相位调制器108可例如包括零扭曲电控双折射液晶(ZTECBLC)调制器。可将空间相位调制器108配置成单菲涅耳透镜配置，包括菲涅耳透镜格栅的配置，或者非格栅配置的多个菲涅耳透镜的叠加。单菲涅耳透镜配置可用于向从图象幅度调制光源102接收的所有光赋予共同的波前曲率。菲涅耳透镜的格栅和非格栅多菲涅耳透镜配置可用于将不同的波前曲率赋予到从图像幅度调制光源接收到的光的不同区域。在每种情况下，波前曲率都是虚拟图像距离的倒数(reverse)。将波前曲率设置为虚拟图像距离的倒数有助于产生更逼真的印象，即，由图像幅度调制器106输出的虚拟图像处于相对于用户位置的虚拟图像距离处。
空间相位调制器108与眼睛耦合光学部件光学耦合。眼睛耦合光学部件可例如采用全息体积衍射光栅或包括折射和/或反射表面的镜面目镜的形式。图像幅度调制光和空间相位调制光可对应于全息图(例如计算机生成的全息图)的幅度和相位调制分量。
图2是根据本发明一些实施例的近眼显示器200的框图。该显示系统包括图像幅度调制光源202，其包括光学耦合至图像幅度调制器206的光源204。光源204可例如包括发光二极管(LED)或LD。可使用任何其他合适的光源。
图像幅度调制光源202与有源区板调制器208光学耦合。有源区板调制器208可通过呈现包括交替亮环和暗环的区板图案来可重构地形成变化焦距的区板。有源区板调制器208可是反射光调制器或透射光调制器。有源区板调制器可使用例如DMD调制器、LCoS调制器或透射式液晶(LC)调制器来实现。有源区板调制器208可用于呈现单个区板图案、多个区板图案的格栅或区板图案的非格栅叠加。单区板图案可用于将波前曲率赋予从图像幅度调制光源202接收的图像调制光。另一方面，多个区板图案可用于将不同的波前曲率赋予从图像幅度调制光源202接收的图像调制光的不同部分。在每种情况下，波前曲率对应于由近眼显示器200呈现的反转虚拟图像距离图像。近眼显示系统所呈现图像的深度感知通过基于到所呈现图像中的虚拟内容(例如，有生命和无生命对象)的预定距离来弯曲用于呈现图像的光的波前来增强。在实施多个区板图案的情况下，承载第一虚拟对象的图像(例如，书)的图像调制光的第一部分可由第一区板图案发散以具有对应于到第一虚拟对象的第一希望距离的倒数的第一曲率，以及承载第二虚拟对象(例如，化身)的图像调制光的第二部分可由第二区板图案发散，以具有对应于到第二虚拟对象的第二希望距离的倒数的第二曲率。有源区板调制器208耦合到眼睛耦合光学部件210。
图3示出了根据本发明实施例的一对增强现实眼镜300。增强现实眼镜300包括连接到前框架部分306的左镜腿(temple)302和右镜腿304。左体全息衍射光栅目镜308和右体全息衍射光栅目镜310安装在前框架部分306中。左3D图像产生器312安装在左镜腿302上，右3D图像产生器314安装在右镜腿304上。左3D图像产生器312包括左保护光学窗口316，右3D图像产生器314包括右保护光学窗口318。示意性示出了用户的左眼位置320和右眼位置322。左目镜308被配置成从左3D图像产生器312向左眼位置320反射(或以其他方式重定向)光，右目镜310被配置成从右3D图像产生器314向右眼位置反射(或以其他方式重定向)光。左、右3D图像产生器312、314可均包括与空间相位调制器108组合的图像幅度调制光源102，或者可包括与有源区板调制器208组合的图像幅度调制光源202。左右体全息衍射光栅目镜308、310是眼睛耦合光学部件110和眼睛耦合光学部件210的可能实施例。左眼跟踪相机324和右眼跟踪相机326安装在前框架部分306上。
使用左右图像产生器312、314显示的虚拟内容可包括不同深度处的一个或多个虚拟对象。眼睛跟踪相机324、326可用于确定用户正在观看的哪个特定虚拟对象。基于用户正在观看的特定虚拟对象的希望深度，空间相位调制器108或有源区板调制器208可用于形成负屈光力(power)透镜，该负屈光力透镜将发散(向用户凸出)波前曲率赋予从图像幅度调制光源102或202的光。光的曲率半径被适当地设置为等于用户正在观看的(如由眼睛跟踪相机324、326确定)的特定虚拟对象的深度。每个特定虚拟对象的深度可由一个或多个程序确定，例如，生成虚拟对象的增强现实程序。此外，由空间相位调制器108或有源区板调制器208形成的负透镜图案可被横向移动以偏转光，使得在被目镜308、310重定向之后，光将入射到用户的瞳孔上。
参考图12，示出了可由显示器100的空间相位调制器108形成的衍射菲涅耳透镜图案1200。用焦距描述衍射菲涅耳透镜图案1200。衍射菲涅耳透镜图案可响应于使用眼睛跟踪相机324326检测到用户正在观看位于等于焦距的深度(与用户的距离)处的虚拟内容而生成。焦距可根据需要依赖于用户和用户正在观看的虚拟内容之间的距离被改变。衍射菲涅耳透镜图案的焦距可随着用户改变其注视的方向而调整，使得产生的波前曲率将对应于与用户当前正在观看的虚拟内容相关联的距离。
参考图13，示出了第二菲涅尔透镜图案1300。第二透镜图案1300相对于居中的第一菲涅耳透镜图案横向移动。第二菲涅尔透镜图案基于由眼睛跟踪相机324、326确定的用户眼睛位置的移动而被横向移动，以便沿着光路径(包括由目镜308、310的重定向)偏转光以适于用户观看。菲涅耳透镜图案1300可向任何方向移动，以便跟踪用户的注视并通过瞳孔耦合到用户的眼睛中。在一些实施例中，一个或多个菲涅耳透镜图案的位置移动对应于由眼睛跟踪相机324、326确定的用户注视方向的移动。
参考图14，示出了负区板图案1400。负区板图案1400可形成在有源区板调制器208上，并且可用于代替负衍射菲涅耳图案1200，以使从图像幅度调制光源202接收的光的波前具有基于(例如，等于)到由眼睛跟踪相机324、326确定的用户正在观看的虚拟对象的距离的曲率半径。负区板图案1400也可基于从眼睛跟踪相机324、326获得的关于用户的瞳孔的位置的信息横向移动以将光偏转到用户的瞳孔。
本领域技术人员将理解，虽然本公开涉及在特定实施例中跟踪用户的瞳孔，但是可使用其他解剖学的眼睛成像或定位。例如，可获得视网膜图像并随时间聚集以提供视网膜图，其中由眼睛跟踪相机324、326在给定时间获得的任何单视网膜图像对应于眼睛的注视方向。也就是说，当瞳孔改变注视方向时，它将提供可变位置的孔，通过该孔，眼睛跟踪相机324、326将接收视网膜的图像数据，该视网膜的可变位置对应于新的注视方向。
参考图15，示出了包括左上区板模式1502、右上区板图案1504、左下区板图案1506和右下区板图案1508的四个区板图案1500的格栅。在该示例配置中，左上区板图案1502和左下区板图案1506相同，右上区板图案1504和右下区板图案1508不同。四个区板图案1502、1504、1506、1508的每个特定区板图案具有与到特定虚拟对象或虚拟场景的一部分的距离相关(例如，等于)的负焦距，该特定虚拟对象或虚拟场景的一部分以入射在特定区板图案上(例如1502、1504、1506、1508)的从图像调制光源102、202发射的强度/幅度调制的光呈现。因此，例如，虚拟蜜蜂的图像可通过格栅1500中的区板图案1502、1504、1506、1508中的一个耦合，虚拟蝴蝶的图像可通过格栅1500中的区板图案1502、1504、1506、1508中的另一个耦合。尽管在图15中未示出，但是，与菲涅尔透镜1300的情况一样，也可基于用户瞳孔的移动来移动区板图案1502、1504、1506、1508中的每一个区板图案，以便将光引导到用户瞳孔中，并确保对应的虚拟对象和区板图案对齐。
图16是本发明的某些实施例的操作的示意图。光幅度调制器1602图像调制光以呈现三个虚拟对象。幅度调制光的第一部分1604用于呈现第一虚拟对象，幅度调制光的第二部分1606用于呈现第二虚拟对象，幅度调制光的第三部分1608用于呈现第三虚拟对象。幅度调制光的三个部分1604、1606、1608中的每一个具有有限的发散角。有限发散角可归因于(例如激光)照射光幅度调制器的光的高度准直和光幅度调制器1602增加光发散的有限程度。光幅度调制器1602可包括产生出射光锥的像素，其发散可具有由入射照射的发散、衍射和/或反射或透射扩散光学材料的包含而施加的上限和/或下限。幅度调制光的第一、第二和第三部分1604、1606、1608分别入射在可在相位调制器1616上动态形成的第一、第二和第三菲涅耳透镜图案1610、1612、1614上。动态形成的菲涅耳透镜图案1610、1612、1614中的每一个具有选择的焦距，以将特定的光场曲率赋予幅度调制光的第一、第二和第三部分1604、1606、1608。依赖于到达相位调制器1616的幅度调制光的部分1604、1606、1608发散，动态形成的菲涅耳透镜图案1610、1612、1614可具有正焦距或负焦距。然而，通常，在与相位调制器1616交互之后，光将以与虚拟对象距离相关的曲率半径发散(而不是会聚)。注意，在一些实施例中，目镜308、310可具有光学屈光力，在这种情况下，到达用户眼睛位置320、322的光的波前曲率是目镜308、310的光学屈光力和动态形成的菲涅耳透镜图案1610、1612、1614的光学屈光力的函数。在后一种情况下，离开相位调制器1616的光可能会聚。如图16的右侧所示，波前曲率控制光的第一部分1618由幅度调制光的第一部分1604通过第一动态形成的菲涅耳透镜图案1610的作用形成。类似地，通过第二动态形成的菲涅耳透镜1612的作用，由幅度调制光的第二部分1606形成波前曲率控制光的第二部分1620。波前曲率控制光的第三部分1622由幅度调制光的第三部分1608通过第三动态形成的菲涅耳透镜1614的作用形成。在图3所示的实施例的情况下，波前曲率控制光的三个部分1618、1620、1622通过体全息衍射光栅目镜被光耦合到用户的眼睛位置320、322。备选地，其他类型的目镜可用于将波前曲率控制光的三个部分1618、1620、1622耦合到用户眼睛位置。尽管图16示出了在三个虚拟深度处显示的三个虚拟对象，但是其他实施例是可能的。例如，可利用由一个或多个动态形成的菲涅耳透镜的作用形成的幅度调制光的一个或多个部分，在一个或多个深度处显示一个或多个虚拟对象。在一些实施例中，一个菲涅耳透镜可用于确定一个虚拟对象或虚拟内容的一个区域的深度。在一些实施例中，一个菲涅耳透镜可用于确定多于一个的虚拟对象或虚拟内容的多于一个的区域的深度。
图4是根据本发明的一些实施例的具有透射图像幅度调制器402和透射相位调制器404的近眼显示器400的示意图。通过显示器400的光路径401如图所示。光源406与透射式图像幅度调制器402光学耦合。透射图像幅度调制器402与透射相位调制器404光学耦合。透射相位调制器404可经由光路折叠反射镜408或其他合适的光重定向器光学地耦合到位于用户眼睛位置412前面的体全息衍射光栅目镜410。根据一个实施例，光源406、透射图像幅度调制器402和透射相位调制器404用作左或右3D图像产生器312、314。注意，图4所示的特定布局将适合用作右图像产生器。根据替代实施例，可用于形成一个或多个区板图案的第二透射幅度调制器替代透射相位调制器404。在一些实施例中，可添加额外的光重定向器部件，例如准直反射镜或透镜、棱镜或分束器，以便将光引导到眼睛位置。
图5是根据本发明实施例的具有反射幅度调制器502和反射相位调制器504的近眼显示器500的示意图。指示通过显示器500的光路径501。光源506与反射幅度调制器502光学耦合。由反射幅度调制器502反射的幅度调制光入射到反射相位调制器504上。由反射相位调制器504重定向的幅度和相位调制光经由光路折叠反射镜508或其他合适的光重定向器被定向到体全息衍射光栅目镜510，其将从光路折叠反射镜508接收的光重定向到用户的眼睛位置512。在一些实施例中，当光被引导到眼睛位置时，可沿着光路径501布置附加的光重定向器部件，例如准直反射镜、透镜、棱镜、分束器、偏振选择滤波器或波片。
反射幅度调制器502例如可是LCoS调制器或DMD调制器。例如，反射相位调制器504可是零扭曲电控双折射(ZTECB)LCoS调制器。根据替代实施例，如上文在图2的上下文中所讨论的，用于形成一个或多个区板图案的第二反射幅度调制器可替代反射相位调制器504。
图6是根据本发明实施例的具有透射幅度调制器602和反射相位调制器604的近眼显示器600的示意图。指示通过显示器600的光路径601。光源606与透射幅度调制器602光学耦合。来自光源606的光，在通过透射幅度调制器602的传输过程中被幅度调制，入射到覆盖在反射相位调制器604上的覆盖窗口608上。覆盖窗口608的外表面610可具有减反射涂层(在图6中不可见)。具有大于空气的折射率的覆盖窗口608可用于减小反射相位调制器604上的入射角。反射相位调制器604通过覆盖窗口608反射的光入射到体全息衍射光栅目镜612上。全息衍射光栅目镜612可位于眼位置614的前面。全息衍射光栅目镜612可向眼位置614反射经透射幅度调制器602调制幅和经反射相位调制器604调制相位的光。在一些实施例中，附加的光重定向器部件(例如先前关于图4-5所描述的那些)被添加以便沿光路径引导光或控制偏振。例如，透射幅度调制器602可是液晶调制器。反射相位调制器可例如是ZTECB LCoS调制器。注意，根据替代实施例，如上文在图2的上下文中所讨论的，用于形成一个或多个区板图案的反射幅度调制器可替代反射相位调制器610。
图7是根据本发明实施例的具有反射幅度调制器702和透射相位调制器704的近眼显示器700的示意图。指示通过显示器700的光路径701。光源706与反射幅度调制器702光学耦合。在反射幅度调制器702上设置有覆盖窗口712。通过具有大于1的折射率，覆盖窗口712可用于减小反射幅度调制器上的入射角。可在覆盖窗口712的外表面714上提供减反射涂层(在图7中不可见)。由反射幅度调制器702调制和反射的来自光源706的光通过透射相位调制器704定向到体全息衍射光栅目镜708，并由全息衍射光栅目镜708定向到用户的眼睛位置710。在一些实施例中，附加的光重定向器部件(例如先前关于图4-6所描述的那些)可被添加，以便沿光路引导光或控制偏振。
图8是根据本发明另一实施例的包括LCoS幅度调制器830和LCoS相位调制器832之间的分束器828的近眼显示器800的示意图。光引擎834用作近眼显示器800的红绿蓝(RGB)光源，尽管可使用其他合适的光引擎配置。参考图8，在一些实施例中，红色激光二极管802通过红色激光准直透镜804光学地耦合到红绿蓝(RGB)二向色组合器立方体808的红光输入面806中。绿色激光二极管810通过绿色激光准直透镜812光学耦合到RGB二向色组合器立方体808的绿光输入面814中。类似地，蓝色激光二极管816通过蓝色激光准直透镜818光学耦合到RGB二向色组合器立方体808的蓝光输入面820中。RGB二向色组合器立方体808具有输出面822。RGB二向色组合器立方体808包括设置为45度的红色反射二向色反射镜(短波长通过反射镜)824，以便通过输出面822反射来自红色激光二极管802的光。RGB二向色组合器立方体808还包括设置为135度(垂直于红色反射二向色反射镜824)的蓝色反射二向色反射镜(长波长通过)826，以便将光从蓝色激光二极管816反射到输出面822。来自绿色激光二极管810的光通过(透射通过)红色反射二向色反射镜824和蓝色反射二向色反射镜826传递到输出面822。红色反射二向色反射镜824和蓝色反射二向色反射镜826可被实现为薄膜光学干涉膜。或者，光引擎可利用光子芯片代替RGB组合器立方体808来组合来自激光二极管802、810、816的光。
离开RGB组合器立方体的输出面822的光可通过可选的光束扩展器836，该光束扩展器836可包括其后是正透镜840的负透镜838，正透镜840可是伽利略望远镜配置，以便输出准直光。备选地，仅提供负透镜838。根据另一替代实施例，可提供激光束整形光学部件来代替光束扩展器836。例如，可提供被配置成产生一个或多个基本上均匀的矩形截面光束的激光束整形光学部件。
离开光束扩展器836的光，或者在没有光束扩展器836的情况下，离开光引擎834的光进入分束器844的输入面842，并传播到嵌入在分束器844内以45度取向的部分反射器846，在一些实施例中，该部分反射器846的方向为45度。例如，部分反射器846可是中性密度50％反射器。光由部分反射器846反射到LCoS幅度调制器830。光路850在图8中示出。光路径850的反射部分852从光引擎834延伸到LCoS幅度调制器830。光路850的反射部分852在部分反射器846处反射。光被LCoS幅度调制器830选择性地反射，从而有效地被幅度调制。LCoS幅度调制器830反射的光通过穿过部分反射器846并到达LCoS相位调制器832的光路径850的透射部分854，LCoS相位调制器832在将光反射回部分反射器846的过程中对光进行相位调制。相位调制器832可被配置为菲涅耳透镜的反射类似物(analog)、菲涅耳透镜的格栅阵列的反射类似物或多个菲涅耳透镜的非格栅叠加的反射类似物。相位调制器832用于将从LCoS幅度调制器830接收的图像调制光赋予全局波前曲率或空间变化局部波前曲率。波前曲率或曲率可为近眼显示器800输出的图像设置一个或多个有效的虚拟图像距离。备选地，相位调制器形成的菲涅耳透镜图案的屈光力可考虑沿光路径850的其它光学元件的屈光力而设置，使得到达用户眼睛位置866的光具有与包含在近眼显示器800输出的图像中的一个或多个虚拟对象对应的波前曲率或曲率。备选地，代替相位调制器，可提供用于产生区板图案的第二幅度调制器。
LCoS相位调制器832反射的光被部分反射器846反射到光路折叠反射镜858，该光路折叠反射镜858通过保护光学窗口860将光反射到体全息目镜862。体全息目镜862包括光栅或其它光重定向特征864，其被定向以便将光衍射朝向用户的眼睛位置866。近眼显示器800可用于图3所示的增强现实眼镜300中
图9是根据本发明又一实施例的包括数字微镜器件(DMD)光调制器906和LCoS相位调制器908之间的一对棱镜902、904的近眼显示器900的示意图。由公共参考标记指示的近眼显示器900的某些元件与图8中所示的近眼显示器800共享，并且参考上面的描述以了解其细节。离开光束扩展器836的光，或者在不使用光束扩展器836的情况下，离开RGB组合器立方体808(或者替代的光引擎，例如基于光子芯片的光引擎)的光进入棱镜902、904对的第一棱镜902的输入面910。然后，光到达第一棱镜902的第二倾斜表面912，并且在倾斜表面912处被TIR反射到第三表面914。光离开第三表面并到达DMD光调制器906。DMD光调制器906包括可在输入视频信号的控制下取向到两个取向之一的二维微镜阵列(图9中未示出)。在“关-状态”取向中，微镜以高于第二倾斜表面912处的全内反射(TIR)的临界角的角度反射(在重新进入第三表面914时折射后)光。另一方面，在“开-状态”取向中，微镜以低于第二倾斜表面912处的全内反射(TIR)临界角的角度反射(在重新进入第三表面914时折射后)光。为了实现灰度(例如，8位，0-255光电平)调制的效果，控制每个微镜处于开-状态的帧周期的百分比。在“开-状态”下由微镜反射的光通过第三表面914跨过间隙916到该对棱镜902、904的第二棱镜904的第一倾斜表面918并进入第二棱镜904。此后，光到达并离开第二棱镜904的第二表面920，并且入射LCoS相位调制器908。LCoS相位调制器908相位调制光并穿过第二棱镜的第二表面920反射回光。由于光没有垂直地入射在LCoS相位调制器908上，所以它也以一定角度反射，并且入射光线方向和反射光线方向之间的差异使得当光到达第二棱镜的第一倾斜表面918时，光高于临界角度，因此反射到第二棱镜904的第三出射表面922。如上文参照图8所述，从第三出射表面922出射的光被传播到眼位置866。
图10是根据本发明的另一个实施例的包括图像强度调制光的OLED源1002和空间相位调制器1004之间的分束器828的近眼显示器1000的示意性表示。可采用OLED微显示器形式的图像强度调制OLED光源1002是发射显示器，因此图8和图9所示的部件(例如，激光二极管、准直透镜、RGB组合器立方体)在图10所示的近眼显示器1000中不被使用。来自图像强度调制OLED光源1002的一部分通过分束器828耦合到空间相位调制器1004。空间相位调制器1004可采用LCoS相位调制器的形式。在一些实施例中，分束器可采用中性密度(neutraldensity)分束器的形式，该中性密度分束器反射入射光的特定部分(例如，名义上1/2)并传输入射光的特定部分。由空间相位调制器反射和相位调制的光的一部分被在嵌入到分束器828中的反部分反射器846处反射朝向折叠反射镜858，因此通过上面参照图8更全面描述的光路径传播到用户眼睛位置866。在一些实施例中，其它合适的光重定向部件(例如，先前关于图4-7描述的那些)可除了折叠反射镜858之外被附加地使用或代替折叠反射镜858。
图11是根据本发明的一些实施例的近眼显示系统1100的框图。系统1100包括耦合到左眼跟踪相机324、右眼跟踪相机326的处理器1102、图形处理单元(GPU)1104和存储器1106。例如，存储器1106可包括晶体管电路，使得处理器1102、GPU 1104和存储器1106的组合形成更大的电子电路。存储器1106可包括由处理器1102和GPU 1104执行的游戏引擎1108。游戏引擎1108维护(例如，存储和更新)3D场景数据1110，并实现右眼虚拟摄像机1112和左眼虚拟摄像机1114，右眼虚拟摄像机1112和左眼虚拟摄像机1114在定义3D场景数据1110的3D虚拟环境中通过坐标偏移彼此不同。坐标偏移对应于人眼的间距，并且可选地为每个用户设置。对于每个虚拟相机1112、1114，固定到头部取向方向的视锥体(frustum)被限定并用于选择用于渲染的3D场景数据的一部分。GPU 1104包括Z缓冲器1116、右帧缓冲器1118和左帧缓冲器1120。右眼虚拟相机1112耦合到右眼帧缓冲器1118并将右眼场景数据传输到右眼帧缓冲器1118。类似地，左眼虚拟相机1114耦合到左眼帧缓冲器1120并将左眼场景数据提供给左眼帧缓冲器1120。游戏引擎1108还向GPU 1104的Z缓冲器1116提供用于3D场景数据1110中的点的深度坐标信息。
处理器1102进一步耦合到左空间相位/区板调制器驱动器1122和右空间相位/区板调制器驱动器1124。GPU 1104耦合到左空间幅度调制器驱动器1126和右空间幅度调制器驱动器1128，使得右眼图像和左眼图像可分别从右帧缓冲器1118和左帧缓冲器1120输出到左空间幅度调制器1126和右空间幅度调制器驱动器1128。左空间相位/区板调制器1122耦合到左空间相位或区板调制器108L、208L，以及右空间相位/区板调制器1124耦合到右空间相位或区板调制器108R、208R，使得每个调制器驱动器驱动(例如控制)各自的区板调制器。
根据一种操作模式，处理器1102从眼睛跟踪相机324、326接收指示用户正在观看的方向的信息。处理器1102从Z缓冲器1116访问指示与用户正在寻找的方向相对应或最接近的虚拟内容的深度的信息。然后，处理器1102发送菲涅耳透镜图案或区板图案到空间相位/区板调制器驱动器1122、1124，该菲涅耳透镜图案或区板图案具有基于与用户正在寻找的方向相对应或最接近的虚拟内容的深度。考虑到空间幅度调制器106L、206L、108R、208R和用户眼睛位置之间的路径中的任何其他光学元件(例如目镜308、310)的屈光力，设置发送到驱动器1124、1124的菲涅耳透镜或区板图案的焦距，以便到达用户眼睛的光的波前曲率将为与用户所观察的方向相关联(对应或最接近)的来自Z缓冲器的值的倒数。此外，在一些实施例中，发送到空间相位/区板调制器驱动器的菲涅耳透镜或区板图案被移动(如图13所示)，以基于从眼睛跟踪相机324、326获得的关于用户的瞬时瞳孔位置的信息将光转向用户的瞳孔。
根据替代实施例，处理器1102从Z缓冲器访问指示多个虚拟对象的深度的信息。然后，处理器1102生成菲涅耳透镜图案或区板图案的格栅，其中，多个菲涅耳透镜图案或区板图案中的每一个具有这样的焦距，该焦距被选择为基于从Z缓冲区所访问的信息将到达用户眼睛位置的光的曲率设置为与对应虚拟对象的距离匹配的值。根据前一实施例的变化，多个菲涅耳透镜图案或区板图案以非格栅布置设置。
上文所述的光学耦合可包括通过光相对定位的光学部件之间的自由空间传播的耦合，该光学部件被相对定位为从一个部件传播的光被第二部件接收。在本申请中，图像强度调制光、图像调制光、幅度调制光、图像幅度调制光和图像调制光可互换使用，以指示在随图像随时间变化而改变幅度(即，给定波长的强度)的光中编码的图像数据。

Claims (31)

1.一种近眼显示系统，包括：
光源，
空间幅度调制器，
空间相位调制器，以及
眼睛耦合光学部件，其中所述光源通过所述空间幅度调制器和所述空间相位调制器被光学耦合到所述眼睛耦合光学部件。
2.根据权利要求1所述的近眼显示系统，还包括从所述光源到所述眼睛耦合光学部件的光路径，其中所述光路径在到达所述空间相位调制器之前首先到达所述空间幅度调制器。
3.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中所述光源包括激光二极管。
4.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中所述眼睛耦合光学部件包括衍射光栅。
5.根据权利要求4所述的近眼显示系统，其中所述衍射光栅包括体全息光栅。
6.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中所述空间相位调制器包括硅上液晶(LCoS)调制器。
7.根据权利要求6所述的近眼显示系统，其中所述空间幅度调制器包括硅上液晶(LCoS)调制器。
8.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中所述空间幅度调制器包括数字微镜器件(DMD)。
9.根据权利要求8所述的近眼显示系统，还包括设置在所述空间幅度调制器和所述空间相位调制器之间的棱镜。
10.根据权利要求1所述的近眼显示系统，还包括位于所述空间幅度调制器和所述空间相位调制器之间的分束器，
其中，存在从所述光源到所述眼睛耦合光学部件的光路径，
其中，由所述分束器反射的所述光路径的反射部分从所述光源延伸到第一部件，
其中，透射通过所述分束器传输的所述光路径的透射部分从所述第一部件延伸到第二部件。
11.根据权利要求10所述的近眼显示系统，其中所述第一部件是空间幅度调制器，其中所述第二部件是所述空间相位调制器。
12.一种产生虚拟内容的方法，包括
通过光源产生光，
通过空间幅度调制器修改所述光的幅度，其中输出是幅度调制光，
通过空间相位调制器修改所述幅度调制光的相位，其中输出是幅度和相位调制光，以及
通过眼睛耦合光学部件将所述幅度和相位调制光耦合到眼睛。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括通过设置在所述空间幅度调制器和所述空间相位调制器之间的至少一个棱镜反射所述光。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括通过设置在所述空间幅度调制器和所述空间相位调制器之间的至少一个分束器来分割所述光。
15.一种近眼显示系统，包括：
用于产生图像的像素化发射光源；
与所述像素化发射光源光学耦合的空间相位调制器；
与所述空间相位调制器光学耦合的眼睛耦合光学部件，其中所述空间相位调制器被沿着所述像素化发射光源和所述眼睛耦合光学部件之间的光路径设置。
16.根据权利要求15所述的近眼显示系统，其中所述像素化发射光源包括有机发光二极管面板。
17.根据权利要求16所述的近眼显示系统，其中所述像素化发射光源包括微发光二极管面板。
18.一种近眼显示系统，包括：
图像幅度调制光源；
与所述图像幅度调制光源光学耦合的空间相位调制器；
与所述空间相位调制器光学耦合的眼睛耦合光学部件。
19.根据权利要求18所述的近眼显示系统，还包括耦合到所述空间相位调制器的相位调制器驱动器，其中所述空间相位调制器驱动器被配置为在所述空间相位调制器上生成衍射透镜图案。
20.根据权利要求19所述的近眼显示系统，其中所述相位调制器驱动器被配置为接收深度信息并基于所述深度信息产生衍射透镜图案。
21.根据权利要求19所述的近眼显示系统，还包括：
眼睛跟踪相机；
耦合到所述图像幅度调制光源、所述空间相位调制器和眼睛跟踪相机的电路，其中该电路被配置为：
驱动所述图像幅度调制光源以显示包括多个虚拟对象的场景；
从所述眼睛跟踪相机接收指示用户正在观看的所述多个虚拟对象中的特定虚拟对象的信息；以及
驱动所述空间相位调制器，以基于与根据来自所述眼睛跟踪相机的所述信息识别的所述多个虚拟对象中的所述特定虚拟对象相关联的距离来调整光波前曲率。
22.根据权利要求21所述的近眼显示系统，其中所述电路进一步被配置为驱动空间相位调制器以产生基于来自所述眼睛跟踪相机的所述信息移动的菲涅耳图案。
23.根据权利要求19所述的近眼显示系统，其中所述相位调制器驱动器被配置为产生衍射透镜图案阵列，以及所述衍射透镜图案被包括在所述衍射透镜图案阵列中。
24.根据权利要求18所述的近眼显示系统，还包括耦合到所述空间相位调制器的相位调制器驱动器，其中所述空间相位调制器驱动器被配置为产生衍射透镜图案的叠加。
25.一种近眼显示系统，包括：
图像幅度调制光源；
有源区板调制器，其被设置为从所述图像幅度调制光源接收光；以及
眼睛耦合光学部件，用于接收来自所述有源区板调制器的光。
26.根据权利要求25所述的近眼显示系统，其中所述有源区板调制器包括硅上液晶光调制器。
27.根据权利要求25所述的近眼显示系统，其中所述有源区板调制器包括数字微镜器件光调制器。
28.根据权利要求25所述的近眼显示系统，其中所述眼睛耦合光学部件包括体全息衍射光栅。
29.根据权利要求25所述的近眼显示系统，还包括：
眼睛跟踪相机；
耦合到所述图像幅度调制光源、所述有源区板调制器和所述眼睛跟踪相机的电路，其中该电路被配置为：
驱动所述图像幅度调制光源以显示包括多个虚拟对象的场景；
从所述眼睛跟踪相机接收指示用户正在观看的所述多个虚拟对象中的特定虚拟对象的信息；以及
驱动所述有源区板调制器以基于与根据来自所述眼睛跟踪相机的所述信息识别的所述多个虚拟对象中的所述特定虚拟对象相关联的距离来调整光波前曲率。
30.根据权利要求29所述的近眼显示系统，其中所述电路被进一步配置为驱动所述有源区板调制器以产生基于来自所述眼睛跟踪相机的所述信息移动的区板图案。
31.一种近眼显示系统，包括：
光源，
数字微镜调制器阵列，
空间相位调制器，以及
眼睛耦合光学部件，其中所述光源通过所述数字微镜调制器阵列和所述空间相位调制器被光学耦合到所述眼睛耦合光学部件。
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