CN111352240A - 经光提取特征的空间分布补偿背光显示组件的非均匀亮度 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及经由光提取特征的空间分布补偿背光显示组件的非均匀亮度。一种头戴式设备，包括显示块和光学块。显示块包括：波导，被配置为接收来自光源组件的光；多个提取特征，其具有跨越波导的一个或多个表面的空间分布，其中，多个提取特征将来自波导的光向外耦合，并且空间分布使得向外耦合的光具有第一非均匀亮度分布；以及显示面板，被配置为调制外耦合光以形成图像光，其中，图像光具有部分基于第一非均匀亮度分布的亮度分布。光学块包括被配置为将图像光引导到眼罩的光学元件，并且光学块添加被第一非均匀亮度分布补偿的第二非均匀亮度分布，使得引导到眼罩的图像光具有目标亮度分布。

Description

经光提取特征的空间分布补偿背光显示组件的非均匀亮度
技术领域
本公开总体上涉及背光显示器，并且具体地，涉及用于经由光提取特征的空间分布补偿背光显示组件中的非均匀亮度。
背景技术
一些传统的头戴式显示器(HMD)包括HMD的显示器的光路中的部件，该部件可导致显示的图像的非均匀亮度。例如，在背光显示器中，显示面板可能导致图像光中的非均匀亮度。非均匀亮度降低了图像质量，并且可能对用户使用HMD产生不利影响。
发明内容
使用光提取特征的空间分布来补偿非均匀亮度。显示块包括波导、多个提取特征和显示面板。波导被配置成接收来自光源组件的光。多个提取特征具有横跨波导的一个或多个表面(例如，前表面和/或后表面)的空间分布。多个提取特征将来自波导的光(例如，在眼罩的方向上)向外耦合，并且空间分布使得外耦合光具有第一非均匀亮度分布。显示面板被配置为调制外耦合光以形成图像光。图像光具有部分基于第一非均匀亮度分布的亮度分布。
然后，图像光可以穿过光学块。光学块包括第一光学元件和第二光学元件，第一光学元件和第二光学元件一起生成折叠光学系统，折叠光学系统被配置成将图像光引导到眼罩。折叠光学系统添加由第一非均匀亮度分布补偿的第二非均匀亮度分布，使得定向到眼罩的图像光具有目标亮度分布。在一些实施例中，显示块和光学块可以是头戴式设备的一部分。
附图说明
图1是根据一个或多个实施例的头戴式设备的图。
图2是根据一个或多个实施例的图1中的头戴式设备的前刚性体的横截面。
图3是示出根据一个或多个实施例的背光显示器组件的图。
图4是根据一个或多个实施例的具有提取特征的波导的横截面。
图5是根据一个或多个实施例的波导上的提取特征的横截面。
图6是根据一个或多个实施例的具有以空间分布布置在波导的前表面上的多个提取特征的显示块的图。
图7是根据一个或多个实施例的人工现实系统的框图。
附图仅出于说明的目的描绘了各种实施例。本领域技术人员将从下面的讨论中容易地认识到，在不背离本文所描述的原理的情况下，可以采用本文所示的结构和方法的替代实施例。
具体实施方式
一种用于显示图像的头戴式设备，包括具有光源组件的显示块，该光源组件向波导提供光，该波导具有分布在波导的一个或多个表面上的提取特征。提取特征在朝向显示面板的方向上将来自波导的光向外耦合，其中外耦合光具有依赖于提取特征的空间分布的第一非均匀亮度分布。显示面板调制外耦合光以形成具有亮度分布的图像光。包括一个或多个元件的光学块将图像光引导到眼罩。
头戴式设备的至少一个部件引入由提取特征的空间分布生成的第一非均匀亮度分布补偿的非均匀亮度分布。例如，显示面板和/或光学块可以引入由第一非均匀亮度分布补偿的非均匀亮度分布，以提供眼罩处的图像光的目标亮度分布。在一些实施例中，光学块包括形成折叠光学系统的光学元件，例如扁平形透镜组件。波导上提取特征的空间分布抵消了折叠光学系统在眼罩处引入的图像光的亮度分布的误差。提取特征的空间分布可能是不均匀的。例如，每单位面积的多个提取特征的密度可以在显示块的光轴附近相对较低，并且离光轴较远的距离处相对较高。以这种方式，提取特征的空间分布可以被调整以抵消由头戴式设备的一个或多个部件引起的显示图像的亮度分布中的任何不希望的非均匀性。
本公开的实施例可以包括或结合人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实、或其一些组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与捕获的(例如，现实世界)内容组合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，并且它们中的任何一个可以在单通道中或在多通道(诸如向观看者产生三维效果的立体视频)中呈现。另外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，包括连接到主机系统的头戴式设备或头戴式显示器(HMD)、独立NED、移动设备或计算系统、能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台、或其某种组合。
头戴式设备
图1是根据一个或多个实施例的头戴式设备100的示图。在所示的实施例中，头戴式设备100是HMD。头戴式设备100可以是人工现实系统的一部分。在描述AR系统和/或MR系统的实施例中，头戴式设备100的前侧110的部分在可见光波段(～380nm至750nm)中至少部分透明，并且头戴式设备100的位于头戴式设备100的前侧110和用户的眼睛之间的部分至少部分透明(例如，部分透明的电子显示器)。
头戴式设备100向佩戴者提供(例如，虚拟的、增强的等)内容。头戴式设备100包括前刚性体120和带130。前刚性体120包括深度相机组件(未示出)、照明孔140、成像孔150、背光显示组件(未示出)、惯性测量单元(IMU)170、一个或多个位置传感器180和基准点190。
深度相机组件(DCA)被配置为确定围绕头戴式设备100的一些或全部的局部区域的深度信息。DCA的照明源通过照明孔140发射红外光(例如，结构光、用于飞行时间的闪光照明等)。DCA的成像设备捕获来自照明源的光，该光通过成像孔150从局部区域反射。DCA使用捕获的图像从局部区域确定深度信息。
背光显示组件被配置为呈现内容。如下面关于图2至图6所述，背光显示组件包括光学块和显示块。显示块生成包括非均匀亮度分布的图像光，非均匀亮度分布用于抵消由例如光学块的组件和/或显示块的显示面板引起的亮度误差。图像光的非均匀亮度分布可以是导致用户观看的图像中的意外误差的误差亮度分布。光学块将图像光引导到佩戴者的每只眼睛的眼罩。
IMU 170是基于从一个或多个位置传感器180接收的测量信号生成IMU数据的电子设备。基准点是可用于描述头戴式设备100的位置的点。位置传感器180响应于头戴式设备100的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器180的示例包括：一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一合适类型的传感器、用于IMU 170的误差校正的传感器的类型、或其某种组合。在图1所示的实施例中，位置传感器180位于IMU 170内，并且IMU 170和位置传感器180都不对头戴式设备100的用户可见。位置传感器180可以位于IMU 230外部、IMU 230内部、或其某种组合。
图2是根据一个或多个实施例的图1中的头戴式设备100的前刚性体120的剖面200。如图2所示，前刚性体120包括背光显示组件205和DCA 210。
背光显示组件205向眼罩215提供图像光。眼罩215是用户的眼睛220所在的前刚性体120的位置。为了说明的目的，图2示出了与单只眼睛220相关联的剖面200，但是与背光显示组件205分开的另一背光显示组件205可以向用户的另一只眼睛提供图像光。在一些实施例中，单个背光显示组件205可以向用户的双眼提供图像光。背光显示组件205包括显示块225和光学块230。
显示块225生成包括非均匀亮度分布的图像光。非均匀亮度分布补偿由显示块225、光学块230、头戴式设备100的一些其它组件或其一些组合引起的亮度误差。下面参照图3详细讨论显示块。
光学块230将从显示块接收的光引导到眼罩215。光学块230包括将图像光引导到眼罩215的一个或多个光学元件。光学元件可以是光圈、菲涅耳透镜、折射透镜、反射表面、波片(例如四分之一波片)、衍射元件、波导、反射器(全反射器或部分反射器)、滤光器、影响从显示块225发射的图像光的任何其他合适的光学元件、或其一些组合。此外，光学块230可以包括不同光学元件的组合。在一些实施例中，光学块230中的一个或多个光学元件可以具有一个或多个涂层，例如抗反射涂层、二向色涂层等。在一些实施例中，存在多个光学元件，包括至少第一光学元件和第二光学元件，它们一起形成折叠光学系统(即，光在离开光学块230之前至少一次朝向显示块225反射回来)。在一些实施例中，扁平形透镜组件是折叠光学系统的示例。扁平形透镜组件的其它细节可以在例如美国专利申请第15/441,738号、美国专利申请第15/335,807号和第15/179,883号中找到，其全文通过引用结合于此。
光学块230可添加由显示块225发射的图像光的非均匀亮度分布抵消的非均匀亮度分布，使得定向到眼罩215的图像光具有目标亮度分布。目标亮度分布是图像光的亮度分布，其中由光学块230、显示块225、头戴式设备100的一些其它组件或其一些组合引入的非均匀性已经减小到小于某个阈值(例如小于1％)。
在一些实施例中，光学块230放大从显示块225接收的光并且校正与图像光相关联的光学像差，并且将校正后的图像光呈现给头戴式设备100的用户。通过光学块230对图像光的放大允许显示块225的元件在物理上更小、重量更轻并且比更大的显示器消耗更少的功率。另外，放大可以增加显示的媒体的视场。例如，显示的媒体的视场使得使用几乎所有(例如，110度对角线)，并且在一些情况下使用所有用户的视场来呈现显示的媒体。
如图2所示，前刚性体120还包括DCA 210，用于确定围绕头戴式设备100的一些或全部的在局部区域235中的一个或多个对象的深度信息。DCA 210包括光生成器240、成像设备245和控制器250，控制器250可耦合到光生成器240和成像设备245两者，光生成器240通过照明孔140发射光。根据本公开的实施例，光生成器240被配置为根据由控制器250生成的发射指令用结构光255照射局部区域235。控制器250被配置成基于发射指令来控制光生成器240的某些组件的操作。控制器250向光生成器240的多个衍射光学元件提供发射指令，以控制由结构光255照明的局部区域235的视场。
光生成器240可包括多个发射器，每个发射器发射具有某些特性(例如，波长、偏振、相干性、时间行为等)的光。发射器之间的特性可以相同或不同，并且发射器可以同时操作或单独操作。在一个实施例中，多个发射器可以是例如激光二极管(例如边缘发射器)、无机或有机LED、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、一些其它源或其一些组合。在一些实施例中，光生成器240中的单个发射器或多个发射器可以发射具有结构化光图案的光。
成像设备245包括一个或多个相机，相机被配置为通过成像孔150捕获从局部区域235反射的结构光255的部分。成像设备245捕获用结构光255照射的局部区域235中的一个或多个对象的一个或多个图像。控制器250还被配置为基于反射的结构光的捕获部分来确定一个或多个对象的深度信息。在一些实施例中，控制器250将所确定的深度信息提供给控制台(图2中未示出)。控制台和/或头戴式设备100可以利用深度信息来例如生成用于由背光显示组件205呈现的内容。
图3是示出根据一个或多个实施例的背光显示组件205的图。背光显示组件205包括显示块225和光学块230的实施例。在其他实施例中，背光显示组件205可以包括所示组件之外的附加组件。
显示块225生成具有第一非均匀亮度分布的图像光。显示块225包括光源组件305、波导310和显示面板315。在一些实施例中，显示块225可包括附加组件。例如，显示块225可以包括波导310和显示面板315之间的扩散器。
光源组件305在第一光带中生成光。光源组件305包括在第一光带中生成光的一个或多个源元件。第一光带至少包括可见光带中的光。例如，源元件可以是发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、激光二极管、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、微LED、在第一光带中发射光的一些其它设备、或其一些组合。光源组件305可以包括在可见波段的一个或多个颜色通道(例如，红、绿、蓝、白等)中发射光的多个源元件。在一些实施例中，来自光源组件305的光在与背光显示组件205的光轴320不同的方向上耦合到波导310中。在其它实施例中，光源组件305可以定位成与图3所示的不同。
波导310将来自光源组件305的光导向显示面板315。波导310包括内耦合区域325、前表面330和与前表面330相对的后表面335。光轴320在中心点340处与前表面330相交。光在内耦合区域325处耦合到波导310中。在一些实施例中，波导310由光学透明材料形成。例如，波导310可以由玻璃、塑料、半导体材料、对第一光带中的光基本上透明的任何其它材料、或其某种组合形成。在一些实施例中，波导310具有曲率并且不是平坦的。在一些实施例中，内耦合的光经由全内反射(TIR)传播通过波导310。在一些实施例中，前表面330和后表面335中的一个或两者可以涂覆有至少部分反射表面。例如，后表面可涂有100％反射表面(对于可见光带中的光)，并且前表面330可涂有80％反射表面(对于可见光带中的光)。
前表面330和/或后表面335中的一个或两者可包括使光从波导310向外耦合(例如朝向显示面板315)的提取特征。例如，在所示实施例中，前表面330包括包含提取特征345的多个提取特征。
提取特征在空间分布中沿着前表面330和/或后表面335中的一个或两个布置，该空间分布在外耦合光中引入第一非均匀亮度分布。第一非均匀亮度分布补偿由头戴式设备的其他组件(例如，显示面板315和/或光学块230)造成的亮度分布中的误差。波导310的区域中的提取特征的较高空间密度(相对于具有较低空间密度的提取特征的波导310的其他区域)导致该区域处的外耦合光的增加(相对于其他区域)。提取特征的空间分布基于由头戴式设备的其他组件引入的亮度分布中的误差来确定。例如，如果已知其他组件在显示图像的外围区域(相对于显示图像的其他部分)中引起暗淡，则提取特征的空间分布被设计成使得沿着波导310的外围(该外围通常对应于显示图像的外围区域)的提取特征的密度，高于波导310的其他区域(例如，中心区域)。由此，这种提取特征的空间分布可产生非均匀亮度分布，该非均匀亮度分布沿显示图像的外围区域补偿暗度，导致显示图像具有目标亮度分布。因此，通过调整提取特征的空间分布，使得它在一些区域中较高而在其他区域中较低，在外耦合光中产生非均匀亮度分布，从而减轻由头戴式设备的其他部件引起的亮度分布中的误差。
显示面板315调制来自波导310的外耦合光以形成与要向用户显示的图像内容相对应的图像光。显示面板315在空间上调制从波导310接收的第一光带中的外耦合光。在一些实施例中，显示面板315包括覆盖液晶阵列的滤色器阵列。滤色器阵列可以是例如Bayer图案、另一种颜色图案或其某种组合。滤色器阵列和液晶阵列调制来自波导310的第一光带中的外耦合光以形成图像光。在一些实施例中，显示面板可包括附加光学元件。在一些实施例中，显示面板315具有曲率并且不是平坦的。例如，显示面板315可以具有与波导310的曲率匹配的曲率。显示面板315朝向光学块230发送图像光。
显示面板315可以将非均匀亮度分布引入向用户显示的图像光，该非均匀亮度分布被提取特征的空间分布的第一非均匀亮度分布补偿。例如，从显示面板的外围发送的图像光可能比在显示面板315的中心处的光亮度低。在一些情况下，发送的图像光的亮度可根据距光轴320或中心点340的距离而减小。由显示面板315引入的非均匀亮度不限于上面讨论的示例性空间关系，并且一些实施例可以包括具有不同空间关系的其他非均匀亮度分布。
光学块230将从显示面板315发送的光沿着光轴320引导到眼罩215。在所示实施例中，光学块230包括一起形成折叠光学系统的第一光学元件350和第二光学元件355。在所示实施例中，折叠光学系统是扁平形透镜组件。应注意，光学元件350和光学元件355中的一个或两者可将光学功率给予(例如，具有弯曲的前表面和/或后表面的)光。例如，在扁平形透镜组件的一个实施例中，光学元件350包括涂覆有部分反射器(例如，50：50反射器)的后表面360和涂覆有四分之一波片的前表面365。而且光学元件355包括涂覆有四分之一波片的后表面370和涂覆有反射线偏振器的前表面375。在一些实施例中，后表面360还可以具有涂覆在部分反射器顶部上的线性偏振器。
在一些实施例中，光学块230包括形成折叠光学系统的多于两个的光学元件。例如，光学块230可包括形成折叠光学系统的四个光学元件。扁平形透镜组件的其它细节可以在例如美国专利申请第15/441,738号、美国专利申请第15/335,807号和第15/179,883号中找到，其全文通过引用结合于此。光学块230的实施例不限于本文讨论的示例。
光学块230可添加由显示块225发射的图像光的非均匀亮度分布补偿的非均匀亮度。由光学块230添加的非均匀亮度分布在本文中也称为误差分布。例如，误差分布在围绕中心区域的外围区域处的图像光的亮度可能比在中心区域中的图像光的亮度低。在一些情况下，误差分布可以具有根据距光轴320或中心点340的距离而减小的图像光的亮度。由光学块230引入的误差分布不限于上面讨论的示例性空间关系，并且一些实施例可以包括具有不同空间关系的其他非均匀亮度分布。
由于光学块230的误差分布被显示面板315的非均匀亮度分布抵消，所以传送到眼罩215的图像光具有目标亮度分布，该目标亮度分布又被提取特征的空间分布的第一非均匀亮度分布抵消。提取特征的空间分布提供抵消亮度分布中的任何非预期误差的益处，否则该益处可能存在于传送到眼罩215的图像光中，产生目标分布。可以使用空间分布的不同配置来实现各种目标亮度分布。目标亮度分布是图像光的亮度分布，其中由光学块230、显示块225、头戴式设备100的一些其它组件或其一些组合引入的非均匀性已经减小到小于某个阈值(例如小于1％)。
在一些实施例中，显示面板315的非均匀亮度分布和光学块230的误差分布一起导致在眼罩215处的图像光在外围区域中具有比在由外围区域围绕的中心区域中更低的亮度，波导的提取特征具有对应的空间分布。在这种情况下，外围区域比中心区域更远离光轴320。为了补偿图像光中的亮度误差，提取特征的空间分布包括在外围区域中的提取特征的空间密度高于在中心区域中的提取特征的空间密度。在外围区域处从波导310向外耦合的光的增加抵消了由于显示块和光学块230而在外围区域处的图像光的减少，导致在容限内(例如，亮度的空间变化小于1％)在空间上均匀的目标亮度分布。
虽然以上讨论的示例性实施例以外围区域和中心区域为特征，但是本公开的实施例不限于这种配置。其他实施例可以包括具有与上述示例中讨论的具有不同的提取特征的对应空间密度的不同区域。
在一些实施例中，包括显示块225和光学块230的背光显示组件205被配置为向用户传送光，以便向头戴式设备100的用户显示图像内容。光源组件305通过内耦合区域325将光内耦合到波导310中。光沿与光轴320不同的方向穿过波导310。提取特征345在沿着光轴320朝向显示面板315的方向上将光向外耦合。显示面板315在空间上调制外耦合光以形成图像光，该图像光由光学块230操纵并指向用户的眼罩。提取特征345的空间分布抵消指向眼罩的图像光的亮度分布中的误差，其可由显示面板315和/或光学块230(和/或潜在的其它组件)引入。因此，减少了由于图像光的亮度分布中的误差(例如，非预期的不均匀性)导致的头戴式设备100的不良用户体验的变化。
光提取
图4是根据一个或多个实施例的具有提取特征420的波导410的剖面400。波导410是波导310的实施例。来自光源组件305的光被内耦合到波导410中，并且光在波导中沿与光轴320不同的方向在内部传播。
波导410包括多个提取特征420，该多个提取特征将来自波导420的光向外耦合以形成向外耦合光430。为了便于说明，在图4中示出了多个提取特征420的一部分。此外，尽管图4所示的提取特征420针对固定值x，沿着基本平行于y轴的轴发生，但是波导410上的多个提取特征更一般地分布在平面上，该平面基本平行于由x轴和y轴形成的平面。外耦合光可以被引导到显示面板(例如，显示面板315)和/或显示面板之前的一些中间光学元件。
提取特征420在波导410的表面上的空间分布向外耦合光430引入第一非均匀亮度分布，该第一非均匀亮度分布用于抵消由头戴式设备的组件(例如，光学块230、显示面板315、另一组件或其某种组合)引起的亮度误差。例如，显示面板可在提供给光学块(例如，光学块230)的图像光的亮度分布中引入误差。类似地，光学块可在指向眼罩的图像光的亮度分布中引入误差。亮度分布中的这些误差通常可以描述为亮度分布中的非均匀性。提取特征420的空间分布使得外耦合光430的第一非均匀亮度分布抵消由头戴式设备的其他组件引入到图像光的亮度分布中的误差，从而导致眼罩处的图像光的目标亮度分布。目标亮度分布是用于向用户提供图像内容的亮度分布。在一些实施例中，目标亮度分布是均匀的亮度分布。
如图4所示，提取特征420的空间分布包括中心区域440和围绕中心区域440的外围中心区域450。提取特征420的空间密度(每单位面积的提取特征)在外围区域450中比在中心区域440中高。外围区域450中的提取特征420的较高密度导致外围区域450中的外耦合光的量增加。因此，外耦合光430中的第一非均匀亮度分布被空间调制，使得外围区域450中的外耦合光430比中心区域440中的外耦合光430更亮。在这种情况下，外耦合光430的第一非均匀亮度分布抵消由头戴式设备100的其他部件引入的外围区域450处的亮度分布的误差(例如，相对于图像光的其他部分的光变暗)，导致在眼罩215处的目标亮度分布，其显著减小空间非均匀性。除在外围区域450处的调光之外，其它实施例可包括由头戴式设备100的组件引入的亮度分布中的其它类型的误差。在这种情况下，提取特征420的其他空间分布可以对应于亮度分布中的误差。
在可选实施例中，提取特征420在外围区域450中的空间密度可以低于在中心区域440中的空间密度，并且因此在外围区域450中的外耦合光430的亮度可以低于在中心区域440中的外耦合光430的亮度。在一些实施例中，提取特征420在外围区域450中的空间密度根据距中心点340的距离而增加。中心点340是波导410和光轴320的轴上交点。在一些实施例中，提取特征420的空间分布相对于平行于x轴的轴和/或平行于y轴的轴对称、绕光轴320旋转对称、绕平行于光轴320的某个轴旋转对称、或其一些组合。在一些实施例中，提取特征420的空间分布相对于平行于x轴的轴和/或平行于y轴的轴是不对称的。
此外，如图4所示，本公开的实施例不限于具有中心区域和外围区域的配置。在一些实施例中，提取特征420的空间密度不依赖于区域，并且根据距中心点340的距离而增加。虽然图4所示的空间分布包括中心区域440和外围区域450，但是空间分布可以具有更多的区域，在每个区域中具有提取特征420的形状、大小和空间密度的各种配置。在其他实施例中，利用提取特征420的空间密度的其他变化来配置空间分布。
波导410可以向显示面板和光学块提供外耦合光430。提取特征420的空间分布可在外耦合光430中提供第一非均匀亮度分布，该第一非均匀亮度分布抵消由光学块、显示块、头戴式设备100的其它组件或其某种组合引入的传送到眼罩的光的亮度中的误差，导致目标亮度分布。目标亮度分布可对应于用户的图像内容的最佳观看体验，而不存在传送到眼罩的光的亮度中的误差。
图5是根据一个或多个实施例的波导510上的提取特征的剖面。波导510是图4所示的波导410的实施例。如图5所示，光通过内部反射(例如，TIR)沿与光轴320不同的方向在波导510中传播，并且通过提取特征520从波导510向外耦合。提取特征520是图4所示的提取特征420的一个实施例。提取特征520可以具有几种形式中的一种，例如如图5所示是凹的微穹顶结构。其他实施例包括提取特征，其例如是棱锥结构、凸形微穹顶结构、突出点结构、多面体结构、棱镜结构、导致光从波导向外耦合的一些其他结构、或其一些组合。提取特征520可以具有从几纳米宽到几毫米宽的尺寸范围。提取特征520的尺寸可对应于第一光带中的波长光。提取特征520可以由与波导510相同的材料形成，并且可以是光学透明的，但是也可以由与波导不同的材料形成，并且可以具有与波导510不同的不透明度。
由于入射角小于波导520的临界角，所以在提取特征520处入射的光不被内部反射，并且因此通过波导510的设置提取特征520的表面向外耦合。类似地，在提取特征位于波导510的后表面530上的实施例中，提取特征弯曲光，使得其在前表面540上的下一次入射小于临界角，从而导致光从波导510向外耦合。
然后，如图3所示，来自波导520的外耦合光430可沿着光轴320朝向并穿过显示面板。在一些实施例中，光轴320垂直于光源组件的方向；然而，本公开的实施例不限于此布置。在一些实施例中，如图5所示，波导510具有曲率并且不是平坦的。
提取特征的空间分布
图6是根据一个或多个实施例的具有布置在波导630的前表面上的空间分布620中的多个提取特征610的显示块600的图。显示块600是显示块225的实施例。来自光源组件605的光通过内耦合区域(未示出)内耦合到波导630，并且经由全内反射行进通过波导630。光源组件605是光源组件305的实施例。来自光源组件605的内耦合光在沿着y轴的方向上入射。然后，提取特征外耦合光，将其沿光轴(未示出)的方向引导，光轴平行于z轴从页面中出来。光轴在中心点640处与波导630的前表面相交。
提取特征的空间分布620将第一非均匀亮度分布引入到外耦合光，其可抵消由头戴式设备100的其它组件引起的亮度分布中的误差。如图6所示，空间分布620表征提取特征610根据距中心点640的距离的较高空间密度。在这种情况下，提取特征610的空间密度在波导630的外围处比在中心点640附近高，导致第一非均匀亮度分布，其在外围处的外耦合光的亮度比在中心处的外耦合光的亮度高。第一非均匀亮度分布可补偿由头戴式设备100的其它组件引入的外围处的图像光的调光，从而导致目标亮度分布。在一些实施例中，目标亮度分布是容限内的空间均匀分布。例如，容限可以是亮度的1％或更小的空间变化。
在一些实施例中，头戴式设备100包括用于向用户的每只眼睛提供图像光的两个显示块600。在其他实施例中，头戴式设备100可以包括用于向用户的双眼提供图像光的单个显示块。在一些实施例中，显示块可以不将光传送到用户的眼睛，而是传送到一些其他对象或表面。例如，显示块可以是将图像光投射到墙上的投射系统的一部分。而且提取特征的空间分布被用来抵消由投射系统的其它组件引起的亮度分布中的误差。
如图6所示，提取特征610的空间密度在y维和x维两者中根据距中心点640的距离而增加。在其他实施例中，空间分布620可以具有其他配置。例如，提取特征610的空间密度可以在x维或y维中的一个维中变化，但在其他维中不变化。在一些实施例中，空间分布620可以对于平行于x轴的轴对称、对于平行于y轴的轴对称，或者对于平行于z轴并与中心点640相交的光轴(未示出)旋转对称。其他实施例可以包括空间分布620，其随着参考方向的角度而变化，例如随着相对于y轴的角度。在其它实施例中，光源组件605可定位成不同于图6所示的具有不同取向的内耦合区域。例如，光源组件605可以定位于波导630的左侧，并且内耦合区域可以是波导630的左侧面。在这种情况下，来自光源组件605的入射光在沿着x轴的方向上定向。
在一些实施例中，波导630是弯曲的。波导630的前表面或后表面可以相对于z轴不平坦。
显示块600可以向头戴式设备100的操纵和/或引导图像光的其他组件提供图像光。提取特征610的空间分布620提供第一非均匀亮度分布，其可抵消由头戴式设备100的其它组件引入的亮度误差。提取特征610的空间分布620的使用允许头戴式设备100的设计自由，其中由头戴式设备100的其他组件引入的亮度分布中的误差不限制或降低头戴式设备100的图像质量。
系统环境
图7是根据一个或多个实施例的人工现实系统700的框图。人工现实系统700可以在人工现实系统环境中操作。在一些实施例中，图7所示的人工现实系统700包括：头戴式设备705和耦合到控制台715的输入/输出(I/O)接口710。尽管图7示出了包括一个头戴式设备705和一个I/O接口710的示例的人工现实系统700，但在其它实施例中，人工现实系统700中可以包括任意数量的这些部件。例如，可以有多个头戴式设备705，每个头戴式设备705具有相关联的I/O接口710，每个头戴式设备705和I/O接口710与控制台715通信。在可选配置中，不同和/或附加组件可包括在人工现实系统700中。此外，结合图7所示的一个或多个部件描述的功能，可以以与在一些实施例中结合图7所描述的不同的方式分布在部件之间。例如，控制台715的一些或全部功能由头戴式设备705提供。
头戴式设备705向用户呈现内容，内容包括具有计算机生成的元素(例如，二维(2D)或三维(3D)图像、2D或3D视频、声音等)的物理的现实环境的虚拟和/或增强视图。头戴式设备705可以是例如包括显示块(例如，显示块225)的HMD或NED。在一些实施例中，呈现的内容包括经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现的音频，该外部设备从头戴式设备705、控制台715或两者接收音频信息，并且基于音频信息呈现音频数据。头戴式设备705可包括一个或多个刚性体，其可刚性地或非刚性地耦合在一起。刚性体之间的刚性体耦合导致耦合的刚性体作为单个刚性实体。相反，刚性体之间的非刚性耦合允许刚性体相对于彼此移动。头戴式设备705的一个实施例是上面结合图1描述的头戴式设备100。
头戴式设备705包括DCA 720、显示块725、光学块730、一个或多个位置传感器735和IMU 740。头戴式设备705的一些实施例具有与结合图7描述的那些不同的部件。此外，结合图7描述的各种部件所提供的功能可以不同地分布在其他实施例中的头戴式设备705的部件之间。
DCA 720捕获描述围绕一些或全部头戴式设备705的区域的深度信息的数据。DCA720可以使用数据(例如，基于结构化光的捕获部分)来计算深度信息，或者DCA 720可以将该信息发送到诸如控制台715的另一设备，该另一设备可以使用来自DCA 720的数据来确定深度信息。
DCA 720包括光生成器、成像设备和控制器，控制器可以耦合到光生成器和成像设备两者。DCA 720的光生成器被配置为根据来自控制器的发射指令用结构光照射局部区域。结构光可以处于红外波段。DCA 720的成像设备被配置为捕获从局部区域中的一个或多个对象反射的结构化光的部分的一个或多个图像。DCA 720的控制器生成发射指令并将发射指令提供给DCA 720的光生成器。DCA 720的控制器还被配置为至少部分地基于所捕获的反射结构光的部分的一个或多个图像来确定一个或多个对象的深度信息。
显示块725根据从控制台715接收的数据向用户显示2D或3D图像。在各种实施例中，显示块725包括单个电子显示器或多个电子显示器(例如，用于用户的每只眼睛的显示器)。在一些实施例中，显示块包括光源组件、波导和显示面板。光源组件提供耦合到波导中的光，波导将光沿着光轴通过显示面板导向用户的眼罩。布置在波导的一个或多个表面上的提取特征具有空间分布，将从光源组件接收的光朝向显示面板向外耦合。显示面板根据数据对来自波导的外耦合光进行空间调制，以形成要向用户显示的图像光。例如，显示面板可以是液晶显示面板，空间调制光以形成图像光的一些其它显示器，或其一些组合。来自显示面板的图像光被引导到光学块730。提取特征的空间分布可抵消由头戴式设备705的其它部件产生的到达眼罩的图像光的亮度中的误差。显示块725可以是图2和图3中的显示块225的实施例。
光学块730放大从显示块725接收的图像光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给头戴式设备705的用户。光学块730包括多个光学元件(例如，形成扁平形透镜组件的光学元件)。光学块730中包括的示例光学元件包括：光圈、Fresnel透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、反射表面、或影响图像光的任何其他合适的光学元件。此外，光学块730可包括不同光学元件的组合。在一些实施例中，光学块730中的一个或多个光学元件可具有一个或多个涂层，例如部分反射或抗反射涂层。
光学块730对图像光的放大和聚焦允许显示块725在物理上更小、重量更轻和比更大的显示器消耗更少的功率。另外，放大可以增加由显示块725呈现的内容的视场。例如，所显示的内容的视场使得所显示的内容使用用户的视场中的几乎所有(例如，大约110度对角线)，并且在一些情况下使用用户的视场中的所有来呈现。另外，在一些实施例中，可以通过添加或移除光学元件来调节放大的量。
在一些实施例中，光学块730可被设计成校正一种或多种类型的光学误差。光学误差的实例包括筒形或枕形失真、纵向色差或横向色差。其它类型的光学误差可进一步包括球面像差、色差、由于透镜场曲率引起的误差、像散、任何其它类型的光学误差或其某种组合。在一些实施例中，提供给显示块725用于显示的内容被预失真，并且当光学块730从显示块725接收基于内容生成的图像光时，光学块730校正失真。光学块730可以是图2和图3中的光学块230的实施例。
IMU 740是基于从一个或多个位置传感器735中接收的测量信号和从DCA 720接收的深度信息来生成指示头戴式设备705的位置的数据的电子设备。位置传感器735响应于头戴式设备705的运动生成一个或多个测量信号。位置传感器735的示例包括：一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一合适类型的传感器、一种类型的用于IMU 740的误差校正的传感器、或其一些组合。位置传感器735可以位于IMU 740的外部、IMU 740的内部或其某种组合。
基于来自一个或多个位置传感器735的一个或多个测量信号，IMU 740生成指示头戴式设备705相对于头戴式设备705的初始位置的估计的当前位置的数据。例如，位置传感器735包括用于测量平移运动(向前/向后、向上/向下、向左/向右)的多个加速度计和用于测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、滚转)的多个陀螺仪。在一些实施例中，IMU 740快速采样测量信号，并从采样数据计算头戴式设备705的估计的当前位置。例如，IMU 740随时间对从加速度计接收的测量信号积分以估计速度向量，并且随时间对的速度向量积分以确定头戴式设备705上基准点的估计的当前位置。可选地，IMU 740将采样的测量信号提供给控制台715，控制台715解译数据以减少误差。基准点是可用于描述头戴式设备705的位置的点。基准点通常可定义为空间中的点或与HMD的705的定向和位置相关的位置。
IMU 740从控制台715接收一个或多个参数。一个或多个参数用于保持头戴式设备705的跟踪。基于接收到的参数，IMU 740可以调整一个或多个IMU参数(例如，采样速率)。在一些实施例中，某些参数使得IMU 740更新基准点的初始位置，使得它对应于基准点的下一位置。将基准点的初始位置更新为基准点的下一校准位置，有助于减少与IMU 740估计的当前位置相关联的累积误差。累积误差(也称为漂移误差)导致基准点的估测位置随时间“漂移”远离基准点的实际位置。在头戴式设备705的一些实施例中，IMU 740可以是专用硬件部件在其他实施例中，IMU 740可以是在一个或多个处理器中实现的软件部件。
I/O接口710是允许用户从控制台715发送动作请求和接收响应的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束图像或视频数据的捕获的指令，或者是在应用程序内执行特定动作的指令。I/O接口710可以包括一个或多个输入设备。示例的输入设备包括：键盘、鼠标、游戏控制器、或用于接收动作请求并将动作请求通信到控制台715的任何其他合适的设备。由I/O接口710接收的动作请求被传送到控制台715，控制台715执行与该动作请求相对应的动作。在一些实施例中，I/O接口710包括IMU 740，IMU740捕获指示I/O接口710相对于I/O接口710的初始位置的估计的位置的校准数据。在一些实施例中，I/O接口710可以根据从控制台715接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时提供触觉反馈，或者控制台715向I/O接口710通信指令，使得I/O接口710在控制台715执行动作时产生触觉反馈。
控制台715向头戴式设备705提供内容以根据从DCA 720、头戴式设备705和I/O接口710中的一个或多个接收的信息进行处理。在图7所示的示例中，控制台715包括应用程序存储器755、跟踪模块760和引擎765。控制台715的一些实施例具有与结合图7描述的模块或部件不同的模块或部件。类似地，下面进一步描述的功能可以以与结合图7描述的不同的方式分布在控制台715的组件之间。
应用程序存储器755存储一个或多个应用程序以供控制台715执行。应用程序是一组指令，当由处理器执行时，生成向用户呈现的内容。由应用程序生成的内容可以响应于经由头戴式设备705或I/O接口710的移动从用户接收的输入。应用程序的示例包括：游戏应用程序、会议应用程序、视频播放应用程序或其他合适的应用程序。
跟踪模块760使用一个或多个校准参数来校准人工现实系统700，并且可以调整一个或多个校准参数以减少在确定头戴式设备705或I/O接口710的位置时的误差。例如，跟踪模块760向DCA 720传送校准参数，以调整DCA 720的焦点，从而更准确地确定由DCA 720捕获的结构化光学元件的位置。由跟踪模块760执行的校准还考虑从头戴式设备705中的IMU740和/或包括在I/O接口710中的IMU 740接收的信息。另外，如果头戴式设备705的跟踪丢失(例如，DCA 720丢失至少阈值数量的结构化光学元件的视线)，则跟踪模块760可以重新校准人工现实系统700的一些或全部。
跟踪模块760使用来自DCA 720、一个或多个位置传感器735、IMU 740或其某种组合的信息来跟踪头戴式设备705或I/O接口710的移动。例如，跟踪模块760基于来自头戴式设备705的信息确定头戴式设备705在局部区域的映射中的基准点的位置。跟踪模块760还可以分别使用来自IMU 740的指示头戴式设备705的位置的数据或者使用来自包括在I/O接口710中的IMU 740的指示I/O接口710的位置的数据来确定头戴式设备705的基准点的位置或者I/O接口710的基准点的位置。此外，在一些实施例中，跟踪模块760可以使用来自IMU740的指示位置或头戴式设备705的数据的部分以及来自DCA 720的局部区域的表示来预测头戴式设备705的未来位置。跟踪模块760向引擎765提供头戴式设备705或I/O接口710的估计或预测的未来位置。
引擎765基于从头戴式设备705接收的信息生成围绕头戴式设备705的一些或全部的区域(即，“局部区域”)的3D映射。在一些实施例中，引擎765基于从DCA 720接收的与用于计算深度的技术相关的信息来确定用于局部区域的3D映射的深度信息。引擎765可以使用来自一个或多个偏振结构光图案计算深度的一个或多个技术，来计算深度信息。在各种实施例中，引擎765使用深度信息来例如更新局部区域的模型，并且部分地基于更新的模型生成内容。
引擎765还执行在人工现实系统700内的应用程序，并从跟踪模块760接收头戴式设备705的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某种组合。基于所接收的信息，引擎765确定要提供给头戴式设备705以呈现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则引擎765生成用于头戴式设备705的内容，该内容反应用户在虚拟环境中或在用附加内容增强局部区域的环境中的移动。此外，引擎765响应于从I/O接口710接收到的动作请求，在控制台715上执行的应用内执行动作，并向用户提供执行该动作的反馈。所提供的反馈可以是经由头戴式设备705的视觉或听觉反馈，或者经由I/O接口710的触觉反馈。
其他考虑
本公开的实施例的以上描述是为了说明的目的而呈现的；它并不是旨在穷举或将本公开限制于所公开的精确形式。相关领域的技术人员可以理解，根据上述公开，许多修改和变化是可行的。
本说明书的一些部分在信息的操作的算法和符号表示方面描述本公开的实施例。这些算法描述和表示通常由数据处理领域的技术人员使用，以将他们工作的实质有效地传达给本领域的其他技术人员。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上被描述，但应理解为通过计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，也被证明，在不失一般性时，有时将这些操作安排称为模块也是方便的。所描述的操作及其相关模块可体现在软件、固件、硬件或其任何组合中。
本文描述的任何步骤、操作或过程可以单独地或与其他设备组合地用一个或多个硬件或软件模块来执行或实现。在一个实施例中，用计算机程序产品实现软件模块，计算机程序产品包括包含计算机程序代码的计算机可读介质，计算机程序代码可由计算机处理器执行以执行所描述的步骤、操作或过程中的任一个或所有。
本公开的实施例还可涉及用于执行本文中的操作的装置。该装置可以为所需的目的而专门构造，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这样的计算机程序可以存储在非瞬时的、有形的计算机可读存储介质中，或者适合于存储电子指令的任何类型的介质中，该介质可以耦合到计算机系统总线。此外，本说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计以增加计算能力的体系结构。
本公开的实施例还可以涉及由本文描述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中该信息存储在非瞬时的、有形的计算机可读存储介质上，并且可以包括计算机程序产品的任何实施例或本文描述的其他数据组合。
最后，在说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导目的而被选择的，并且它可能没有被选择来描绘或限定本发明的主题。因此，本公开的范围旨在不受此详细描述的限制，而是受基于此的申请发布的任何权利要求的限制。因此，实施例的公开旨在说明但不限制在所附权利要求中阐述的公开的范围。

Claims (20)

1.一种头戴式设备，包括：
显示块，包括：
波导，被配置为接收来自光源组件的光，
多个提取特征，所述多个提取特征具有跨越所述波导的一个或多个表面的空间分布，其中，所述多个提取特征将来自所述波导的光向外耦合，并且所述空间分布使得外耦合光具有第一非均匀亮度分布，以及
显示面板，被配置为调制所述外耦合光以形成图像光，其中，所述图像光具有部分基于所述第一非均匀亮度分布的亮度分布；以及
光学块，包括被配置为将所述图像光引导到眼罩的一个或多个光学元件，并且所述光学块添加被所述第一非均匀亮度分布补偿的第二非均匀亮度分布，使得引导到所述眼罩的所述图像光具有目标亮度分布。
2.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，从所述显示面板输出的所述图像光的亮度分布包括误差亮度分布，并且所述第一非均匀亮度分布抵消所述误差亮度分布。
3.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述提取特征选自由以下结构构成的组：半圆顶结构、突出的棱镜结构、点、导致光从所述波导向外耦合的一些其它结构、以及它们的一些组合。
4.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述波导的所述一个或多个表面包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面比所述第二表面更靠近所述眼罩，并且所述多个提取特征的空间分布横跨所述第一表面。
5.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述波导的所述一个或多个表面包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面比所述第二表面更靠近所述眼罩，并且所述多个提取特征的空间分布横跨所述第二表面。
6.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述波导的所述一个或多个表面包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面比所述第二表面更靠近所述眼罩，并且所述多个提取特征的空间分布横跨所述第二表面和所述第一表面。
7.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述提取特征的空间分布具有中心区域和围绕所述中心区域的外围区域，并且其中，所述提取特征的空间密度在所述外围区域中比在所述中心区域中高。
8.根据权利要求7所述的头戴式设备，其中，所述外围区域中的提取特征的空间密度根据距所述波导的轴上交叉点和所述显示块的光轴的距离而增加。
9.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述提取特征的空间分布使得提取特征的空间密度根据距所述波导的轴上交叉点和所述显示块的光轴的距离而增加。
10.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述目标亮度分布是均匀分布。
11.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述一个或多个光学元件包括形成扁平形透镜组件的第一光学元件和第二光学元件。
12.根据权利要求1所述的头戴式设备，其中，所述头戴式设备是头戴式显示器。
13.一种显示块，包括：
光源组件；
波导，被配置为接收来自所述光源组件的光；
多个提取特征，所述多个提取特征具有跨越所述波导的一个或多个表面的空间分布，其中，所述多个提取特征将来自所述波导的光向外耦合，并且所述空间分布使得外耦合光具有第一非均匀亮度分布；以及
显示面板，被配置为调制所述外耦合光以形成图像光，其中，所述图像光具有部分基于所述第一非均匀亮度分布的亮度分布，
其中，光学块包括一起生成折叠光学系统的第一光学元件和第二光学元件，所述折叠光学系统被配置为将所述图像光引导到眼罩，并且所述折叠光学系统添加被所述第一非均匀亮度分布补偿的第二非均匀亮度分布，使得引导到所述眼罩的所述图像光具有目标亮度分布。
14.根据权利要求13所述的头戴式设备，其中，从所述显示面板输出的所述图像光的亮度分布包括误差亮度分布，并且所述第一非均匀亮度分布抵消所述误差亮度分布。
15.根据权利要求13所述的头戴式设备，其中，所述波导的所述一个或多个表面包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面比所述第二表面更靠近所述眼罩，并且所述多个提取特征的空间分布横跨所述第一表面。
16.根据权利要求13所述的头戴式设备，其中，所述波导的所述一个或多个表面包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面比所述第二表面更靠近所述眼罩，并且所述多个提取特征的空间分布横跨所述第二表面。
17.根据权利要求13所述的头戴式设备，其中，所述波导的所述一个或多个表面包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面比所述第二表面更靠近所述眼罩，并且所述多个提取特征的空间分布横跨所述第二表面和所述第一表面。
18.根据权利要求13所述的头戴式设备，其中，所述提取特征的空间分布具有中心区域和围绕所述中心区域的外围区域，并且其中，提取特征的空间密度在所述外围区域中比在所述中心区域中高。
19.根据权利要求13所述的头戴式设备，其中，所述提取特征的空间分布使得提取特征的空间密度根据距所述波导的轴上交叉点和所述显示块的光轴的距离而增加。
20.根据权利要求13所述的头戴式设备，其中，所述目标亮度分布是均匀分布。
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