CN111433660B - 使用几何相位透镜的紧凑型多色光束组合器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种多色光源设备，该设备包括：第一光源，其被配置为发射第一颜色的光；第二光源，其被配置为发射不同于第一颜色的第二颜色的光；以及第一几何相位透镜，其与用于第一颜色的光的第一焦距和用于第二颜色的光的不同于第一焦距的第二焦距相关联。第一光源位于距第一几何相位透镜第一距离处，且第二光源位于距几何相位透镜的不同于第一距离的第二距离处。还公开了一种头戴式显示系统，该系统包括多色光源设备、被配置用于调制来自多色光源设备的光的光调制器以及一个或更多个透镜。

Description

使用几何相位透镜的紧凑型多色光束组合器
技术领域
本申请大体上涉及显示设备，且更具体地说，涉及头戴式显示设备。
背景
头戴式显示设备(在本文也称为头戴式显示器)作为向用户提供视觉信息的装置正变得越来越流行。
头戴式显示设备的使用案例包括虚拟现实和增强现实，其中计算机生成的图像或对象呈现给用户。对于虚拟和增强现实操作，头戴式显示设备通常包括光源和用于调制要显示给用户的光的各种光学部件。这种光学部件会增加头戴式显示设备的尺寸和重量，这会降低这种设备的用户满意度。
概述
因此，需要一种头戴式显示器，其在不增加重量和尺寸的情况下执行虚拟现实和增强现实操作。头戴式显示设备通常需要多个光源来生成和投影多色图像(例如，红色、绿色和蓝色光源)。由多个光源产生的光被用一组光学部件引导、准直并组合成单个光束。这种光学部件会增加设备的整体尺寸和重量。因此，用于将多种颜色组合成单个共线光束的紧凑光源设备是期望的。
通过所公开的显示设备，减少或消除了与传统头戴式显示器相关的上述缺陷和其他问题。在一些实施例中，设备是头戴式显示设备。在一些实施例中，设备是便携式的。
根据一些实施例，多色光源设备包括：第一光源，其被配置为发射第一颜色的光；第二光源，其被配置为发射不同于第一颜色的第二颜色的光；以及第一几何相位透镜，其与第一颜色的光的第一焦距和第二颜色的光的不同于第一焦距的第二焦距相关联。第一光源位于距第一几何相位透镜第一距离处，以及第二光源位于距几何相位透镜不同于第一距离的第二距离处。
根据一些实施例，头戴式显示设备包括上述多色光源设备、被配置用于调制来自多色光源设备的光的光调制器、以及被配置用于将来自光调制器的调制光导向用户眼睛的一个或更多个透镜。
根据一些实施例，一种方法包括将来自第一光源的第一颜色的光透射通过与第一颜色的光的第一焦距相关联的第一几何相位透镜。该方法还包括将来自与第一光源不同且分离的第二光源的不同于第一颜色的第二颜色的光透射通过与用于第二颜色的光的第二焦距相关联的第一几何相位透镜，该第二焦距不同于第一焦距。该方法还包括将来自与第一光源和第二光源不同且分离的第三光源的不同于第一颜色和第二颜色的第三颜色的光透射通过与用于第三颜色的光的第三焦距相关联的第一几何相位透镜，该第三焦距不同于第一焦距和第二焦距。第一颜色的光、第二颜色的光和第三颜色的光在穿过第一几何相位透镜后被共线准直。
因此，所公开的实施例提供了头戴式显示设备，其包括用于将来自红色、绿色和蓝色光源的光准直并组合成单个共线准直光束的紧凑型多色光源设备。这种头戴式显示设备具有减小的重量和尺寸，这又增加了用户对这种设备的满意度。
附图简述
为了更好地理解所描述的各种实施例，应该结合以下附图参考以下实施例的描述，在附图中，相同的附图标记指代所有附图中的相应部分。
图1是根据一些实施例的显示设备的透视图。
图2是根据一些实施例的包括显示设备的系统的框图。
图3A是根据一些实施例的显示设备的等轴视图。
图3B是根据一些实施例的显示设备的示意图。
图4A是根据一些实施例的光源设备的示意图。
图4B是根据一些实施例的光源设备的示意图。
图4C是根据一些实施例的光源设备的示意图。
图4D是根据一些实施例的图4A的光源设备的侧视图的示意图。
图4E是根据一些实施例的光源设备的示意图。
图5A是根据一些实施例的聚焦红色、绿色和蓝色光的几何相位透镜的示意图。
图5B是根据一些实施例的几何相位透镜的示意图。
这些图没有按比例绘制，除非另有说明。
详细描述
用于提供增强和/或虚拟现实视图的传统头戴式显示设备包括近眼光场显示器，该显示器包括用于产生图像光并通过一个或更多个透镜向用户的眼睛提供图像光的显示器。由于头戴式显示设备所需的光学部件(例如，透镜、透镜部件、光源、光调制器)的复杂性，需要紧凑且重量轻的部件，从而增加用户对设备的满意度。
为了多色图像的生成和投影，头戴式显示设备通常包括多个光源(例如，红色、绿色和蓝色光源)。需要额外的光学器件来引导、准直和组合用于多色图像的多色光源。需要用于将多种颜色组合成单个共线光束的紧凑光源设备。
现在将参考实施例，其示例在附图中示出。在以下描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对各种描述的实施例的理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施各种所描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、部件、电路和网络，以免不必要地模糊实施例的各个方面。
还将理解，尽管术语第一、第二等在某些情况下在本文用于描述各种元素，但这些元素不应该被这些术语所限制。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。例如，第一透镜可以被称为第二透镜，并且类似地，第二透镜可以被称为第一透镜，而不脱离各种描述的实施例的范围。第一透镜和第二透镜都是透镜，但它们不是同一个透镜。
在本文的各种描述的实施例的描述中使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是为了进行限制。如在各种所描述的实施例和所附权利要求的描述中所使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有指示。还将理解，本文使用的术语“和/或”指的是并包括一个或更多个相关列出项目的任何和所有可能的组合。还将理解，术语“包括(includes)”、“包括(including)”、“包含(comprises)”和/或“包含(comprising)”当在本说明书中使用时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。术语“示例性”在本文是在“用作示例、实例或说明”的意义上而不是在“代表同类中最好的”意义上使用。
图1示出了根据一些实施例的显示设备100。在一些实施例中，显示设备100被配置为穿戴在用户的头上(例如，通过具有眼镜(spectacles)或眼镜(eyeglasses)的形式，如图1所示)，或者被包括作为用户将要穿戴的头盔的一部分。当显示设备100被配置为穿戴在用户的头上或作为头盔的一部分被包括时，显示设备100被称为头戴式显示器。可替代地，显示设备100被配置为放置在用户的一只或两只眼睛附近的固定位置，而不是头戴式的(例如，显示设备100被安装在诸如汽车或飞机的交通工具中，用于放置在用户的一只或两只眼睛前面)。
在一些实施例中，显示设备100包括下面参考图2描述的一个或更多个部件。在一些实施例中，显示设备100包括图2中未示出的附加部件。
图2是根据一些实施例的系统200的框图。图2中所示的系统200包括显示设备205(其对应于图1中所示的显示设备100)、成像设备235和输入接口240，每个都耦合到控制台210。虽然图2示出了包括一个显示设备205、成像设备235和输入接口240的系统200的示例，但是在其他实施例中，系统200中可以包括任何数量的这些部件。例如，可以有多个显示设备205，每个显示设备205具有相关联的输入接口240，并且由一个或更多个成像设备235监控，其中每个显示设备205、输入接口240和成像设备235与控制台210通信。在替代配置中，系统200中可以包括不同的和/或附加的部件。例如，在一些实施例中，控制台210经由网络(例如，互联网)连接到系统200，或者作为显示设备205的一部分是独立的(例如，物理上位于显示设备205内部)。在一些实施例中，显示设备205用于通过添加真实环境的视图来创建混合现实。因此，显示设备205和系统200可以传递虚拟现实、混合现实和增强现实。
在一些实施例中，如图1所示，显示设备205是向用户呈现媒体的头戴式显示器。显示设备205呈现的媒体的示例包括图像、视频、音频或其某种组合中的一个或更多个。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从显示设备205、控制台210或两者接收音频信息，并且基于音频信息呈现音频数据。在一些实施例中，显示设备205使用户沉浸在虚拟环境中。
在一些实施例中，显示设备205还充当增强现实(AR)头戴式装置(headset)。在这些实施例中，显示设备205利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、现实世界环境的视图。此外，在一些实施例中，显示设备205能够在不同类型的操作之间循环。因此，基于来自应用引擎255的指令，显示设备205可以作为虚拟现实(VR)设备、AR设备、眼镜或其某种组合(例如，没有光学校正的眼镜、为用户光学校正的眼镜、太阳镜或其某种组合)来操作。
显示设备205包括电子显示器215、一个或更多个处理器216、眼睛跟踪模块217、调整模块218、一个或更多个定位器220、一个或更多个位置传感器225、一个或更多个位置摄像机222、存储器228、惯性测量单元(IMU)230、一个或更多个反射元件260或其子集或超集(例如，具有电子显示器215、一个或更多个处理器216和存储器228而没有任何其他所列出的部件的显示设备205)。显示设备205的一些实施例具有与这里描述的模块不同的模块。类似地，功能可以以与这里描述的方式不同的方式在模块之间分配。
一个或更多个处理器216(例如，处理单元或核心)执行存储在存储器228中的指令。存储器228包括高速随机存取存储器，例如DRAM、SRAM、DDR RAM或其他随机存取固态存储器设备；并且可以包括非易失性存储器，例如一个或更多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备或其他非易失性固态存储设备。存储器228或者可替代地存储器228内的非易失性存储器设备包括非暂时性计算机可读存储介质。在一些实施例中，存储器228或存储器228的计算机可读存储介质存储用于在电子显示器215上显示一个或更多个图像的程序、模块、数据结构和/或指令。
电子显示器215根据从控制台210和/或处理器216接收的数据来向用户显示图像。在各种实施例中，电子显示器215可以包括单个可调显示元件或多个可调显示元件(例如，用于用户每只眼睛的显示器)。在一些实施例中，电子显示器215被配置成通过将图像投影到一个或更多个反射元件260上来向用户显示图像。
在一些实施例中，显示元件包括一个或更多个发光设备和相应的发射强度阵列。发射强度阵列是电光像素阵列、光电像素阵列、动态调节每个设备发射的光量的某个其他设备的阵列或它们的某种组合。这些像素被放置在一个或更多个透镜后面。在一些实施例中，发射强度阵列是LCD(液晶显示器)中基于液晶的像素的阵列。发光设备的示例包括：有机发光二极管、有源矩阵有机发光二极管、发光二极管、激光器、荧光光源、能够放置在柔性显示器中的某种类型的器件、或者它们的某种组合。发光设备包括能够产生用于图像生成的可见光(例如，红色、绿色、蓝色等)的设备。发射强度阵列被配置成选择性地衰减单独的发光设备、发光设备组或它们的某种组合。可替代地，当发光设备被配置成选择性地衰减单独发射设备和/或发光设备组时，显示元件包括这种发光设备的阵列，而没有单独的发射强度阵列。在一些实施例中，电子显示器215将图像投射到一个或更多个反射元件260，反射元件260将至少一部分光朝向用户的眼睛反射。
一个或更多个透镜将光从发光设备阵列(可选地通过发射强度阵列)引导至每个眼动范围(eyebox)内的位置，并最终到达用户视网膜的背面。眼动范围是位于显示设备205附近的用户(例如，穿戴显示设备205的用户)的眼睛所占据的区域，用于观看来自显示设备205的图像。在某些情况下，眼动范围表示为10mm x 10mm的正方形。在一些实施例中，一个或更多个透镜包括一个或更多个涂层，例如抗反射涂层。
在一些实施例中，显示元件包括红外(IR)检测器阵列，该红外检测器阵列检测从观看用户的视网膜、角膜表面、眼睛晶状体或其某种组合后向反射的IR光。IR检测器阵列包括一个或更多个IR传感器，每个IR传感器对应于观看用户的眼睛的瞳孔的不同位置。在替代实施例中，可以采用其他和/或附加的眼睛跟踪系统。
眼睛跟踪模块217确定用户眼睛的每个瞳孔的位置。在一些实施例中，眼睛跟踪模块217指示电子显示器215用IR光照射眼动范围(例如，通过显示元件中的IR发射设备)。
发射的IR光的一部分将穿过观看用户的瞳孔，并从视网膜向用于确定瞳孔位置的IR检测器阵列后向反射。可替代地，从眼睛表面的反射也可以用来确定瞳孔的位置。IR检测器阵列扫描后向反射，并在检测到后向反射时识别哪些IR发射设备处于活动状态。眼睛跟踪模块217可以使用跟踪查找表和所识别的IR发射设备来确定每只眼睛的瞳孔位置。跟踪查找表将IR检测器阵列上的接收信号映射到每个眼动范围中的位置(对应于瞳孔位置)。在一些实施例中，跟踪查找表是通过校准过程生成的(例如，用户查看图像中的各种已知参考点，并且在查看参考点的同时眼睛跟踪模块217将用户瞳孔的位置映射到IR跟踪阵列上接收的相应信号)。如上所述，在一些实施例中，系统200可以使用除了上述嵌入式IR跟踪系统之外的其他眼睛跟踪系统。在一些实施例中，眼睛跟踪使用近红外光(NIR)代替IR光。
调整模块218基于确定的瞳孔位置生成图像帧。在一些实施例中，这向显示器发送离散图像，显示器将子图像拼接在一起的，因此，相干拼接图像将出现在视网膜的背面。调整模块218基于检测到的瞳孔位置来调整电子显示器215的输出(即，生成的图像帧)。调整模块218指示电子显示器215的部分将图像光传递到所确定的瞳孔位置。在一些实施例中，调整模块218还指示电子显示器不要将图像光传递到除了确定的瞳孔位置之外的位置。调整模块218可以例如阻挡和/或停止其图像光落在所确定的瞳孔位置之外的发光设备，允许其他发光设备发射落在所确定的瞳孔位置之内的图像光，平移和/或旋转一个或更多个显示元件，动态调整透镜(例如，微透镜)阵列中的一个或更多个有源透镜的曲率和/或屈光力，或者它们的某种组合。
可选定位器220是相对于彼此和相对于显示设备205上的特定参考点位于显示设备205上的特定位置的对象。定位器220可以是发光二极管(LED)、角立方体反射器(cornercube reflector)、反射标记、与显示设备205的操作环境形成对比的一类光源、或其某种组合。在定位器220是有源的(即，LED或其他类型的发光设备)的实施例中，定位器220可以发射可见光波段(例如，约400nm至750nm)、红外波段(例如，约750nm至1mm)、紫外波段(约100nm至400nm)、电磁光谱的某个其他部分或其某种组合中的光。
在一些实施例中，定位器220位于显示设备205的外表面之下，该外表面对于定位器220发射或反射的光的波长是透明的，或者足够薄以至于基本上不会衰减定位器220发射或反射的光的波长。此外，在一些实施例中，显示设备205的外表面或其他部分在光的波长的可见光波段中是不透明的。因此，定位器220可以在外表面下发射在IR波段中的光，该外表面在IR波段中是透光的，但在可见光波段中是不透光的。
惯性测量单元(IMU)230是基于从一个或更多个位置传感器225接收的测量信号来生成校准数据的电子设备。位置传感器225响应于显示设备205的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器225的示例包括：一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU 230的误差校正的一种类型的传感器或者其某种组合。位置传感器225可以位于IMU 230的外部、IMU 230的内部或这两种位置的某种组合。
基于来自一个或更多个位置传感器225的一个或更多个测量信号，IMU 230生成指示显示设备205相对于显示设备205的初始位置的估计位置的第一校准数据。例如，位置传感器225包括测量平移运动(向前/向后、向上/向下、向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、横滚)的多个陀螺仪。在一些实施例中，IMU 230对测量信号进行采样，并根据采样数据计算显示设备205的估计位置。例如，IMU 230对从加速度计接收的测量信号在时间上求积分以估计速度矢量，并对速度矢量在时间上求积分以确定显示设备205上参考点的估计位置。可替代地，IMU 230向控制台210提供采样的测量信号，控制台210确定第一校准数据。参考点是可以用来描述显示设备205的位置的点。虽然参考点通常可以被定义为空间中的点，但是实际上参考点被定义为显示设备205内的点(例如，IMU 230的中心)。
在一些实施例中，IMU 230从控制台210接收一个或更多个校准参数。如下面进一步讨论的，一个或更多个校准参数用于保持对显示设备205的跟踪。基于接收到的校准参数，IMU 230可以调整一个或更多个IMU参数(例如，采样率)。在一些实施例中，某些校准参数使得IMU 230更新参考点的初始位置，使得其对应于参考点的下一个校准位置。将参考点的初始位置更新为参考点的下一个校准位置有助于降低与所确定的估计位置相关联的累积误差。累积误差(也称为漂移误差)导致参考点的估计位置随着时间的推移而“漂移”离开参考点的实际位置。
成像设备235根据从控制台210接收的校准参数来生成校准数据。校准数据包括显示定位器220的观察位置的一个或更多个图像，这些图像可由成像设备235检测到。在一些实施例中，成像设备235包括一个或更多个静态摄像机、一个或更多个视频摄像机、能够捕获包括一个或更多个定位器220的图像的任何其他设备、或者其某种组合。另外，成像设备235可以包括一个或更多个滤波器(例如，用于增加信噪比)。可选地，成像设备235被配置为在成像设备235的视场中检测从定位器220发射或反射的光。在定位器220包括无源元件(例如，后向反射器)的实施例中，成像设备235可以包括照亮一些或所有定位器220的光源，定位器朝着成像设备235中的光源后向反射光。第二校准数据从成像设备235被传递到控制台210，并且成像设备235从控制台210接收一个或更多个校准参数以调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、ISO、传感器温度、快门速度、光圈等)。
在一些实施例中，显示设备205包括一个或更多个反射元件260。在一些实施例中，电子显示设备205包括单个反射元件260或多个反射元件260(例如，用于用户每只眼睛的反射元件260)。在一些实施例中，电子显示设备215将计算机生成的图像投影到一个或更多个反射元件260上，然后反射元件260将图像朝向用户的眼睛反射。计算机生成的图像包括静止图像、动画图像和/或其组合。计算机生成的图像包括看起来是二维和/或三维对象的对象。在一些实施例中，一个或更多个反射元件260是部分透明的(例如，一个或更多个反射元件260具有至少15％的透射率)，这允许环境光透射。在这样的实施例中，由电子显示器215投影的计算机生成的图像与透射的环境光(例如，透射的环境图像)叠加，以提供增强现实图像。
输入接口240是允许用户向控制台210发送动作请求的设备。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应用，或者是在应用内执行特定动作。输入接口240可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备包括：键盘、鼠标、游戏控制器、触摸控制器、来自大脑信号的数据、来自人体其他部分的数据、或者用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台210的任何其他合适的设备。由输入接口240接收到的动作请求被传递到控制台210，控制台210执行对应于动作请求的动作。在一些实施例中，输入接口240可以根据从控制台210接收到的指令来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210向输入接口240传送指令，使得输入接口240在控制台210执行动作时生成触觉反馈。
控制台210根据从成像设备235、显示设备205和输入接口240中的一个或更多个接收的信息来向显示设备205提供媒体以呈现给用户。在图2所示的示例中，控制台210包括应用储存器245、跟踪模块250和应用引擎255。控制台210的一些实施例具有与结合图2描述的模块不同的模块。类似地，下面进一步描述的功能可以以与这里描述的不同的方式在控制台210的部件之间分配。
当应用储存器245被包括在控制台210中时，应用储存器245存储用于由控制台210执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，其当由处理器执行时用于生成用于呈现给用户的内容。由处理器基于应用生成的内容可以响应于经由显示设备205或输入接口240的移动从用户接收的输入。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、教育应用、视频回放应用或其他合适的应用。
当跟踪模块250被包括在控制台210中时，跟踪模块250使用一个或更多个校准参数来校准系统200，并且可以调整一个或更多个校准参数以减少显示设备205的位置确定中的误差。例如，跟踪模块250调整成像设备235的焦点，以获得显示设备205上观察到的定位器的更精确的位置。此外，由跟踪模块250执行的校准还考虑从IMU 230接收到的信息。另外，如果失去对显示设备205的跟踪(例如，成像设备235失去对至少阈值数量的定位器220的视线)，则跟踪模块250重新校准系统200的一些或全部。
在一些实施例中，跟踪模块250使用来自成像设备235的第二校准数据来跟踪显示设备205的移动。例如，跟踪模块250使用来自第二校准数据的观察定位器和显示设备205的模型来确定显示设备205的参考点的位置。在一些实施例中，跟踪模块250还使用来自第一校准数据的位置信息来确定显示设备205的参考点的位置。此外，在一些实施例中，跟踪模块250可以使用第一校准数据、第二校准数据或其某种组合的部分来预测显示设备205的未来位置。跟踪模块250向应用引擎255提供显示设备205的估计或预测的未来位置。
应用引擎255在系统200内执行应用，并从跟踪模块250接收显示设备205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。基于接收到的信息，应用引擎255确定要提供给显示设备205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，则应用引擎255生成用于显示设备205的内容，该内容反映用户在虚拟环境中的移动。此外，应用引擎255响应于从输入接口240接收的动作请求来在控制台210上执行的应用内执行动作，并且向用户提供动作被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由显示设备205的视觉或听觉反馈，或者是经由输入接口240的触觉反馈。
图3A是根据一些实施例的显示设备300的等轴视图。在一些其他实施例中，显示设备300是某个其他电子显示器(例如，数字显微镜、移动设备、智能手机等)的一部分。在一些实施例中，显示设备300包括发光设备阵列310和一个或更多个透镜330。在一些实施例中，显示设备300还包括发射强度阵列322和IR检测器阵列324。
发光设备阵列310向观看用户发射图像光和可选的IR光。发光设备阵列310可以是例如LED阵列、微LED(microLED)阵列、OLED阵列或其某种组合。发光设备阵列310包括发射可见光波段中的光的发光设备320(并且可选地包括发射IR光的设备)。
发射强度阵列322被配置成选择性地衰减从发光阵列310发射的光。在一些实施例中，发射强度阵列322由多个液晶单元或像素、发光设备组或其某种组合组成。每个液晶单元或者在一些实施例中液晶单元组是可寻址的，以具有特定的衰减水平。例如，在给定时间，一些液晶单元可以被设置为无衰减，而其他液晶单元可以被设置为最大衰减和/或处于某个中间衰减水平。以这种方式，发射强度阵列322能够控制从发光设备阵列310发射的图像光的哪一部分被传递到一个或更多个透镜330。在一些实施例中，显示设备300使用发射强度阵列322来促进向用户的眼睛340的瞳孔350的位置提供图像光并且最小化向眼动范围中的其他区域提供的图像光的量。
一个或更多个透镜330接收来自发射强度阵列322(或直接来自发射设备阵列310)的经修改的图像光(例如，衰减光)，并将经移位的图像光引导至瞳孔350的位置。
可选的IR检测器阵列324检测已经从眼睛340的视网膜、眼睛340的角膜、眼睛340的晶状体或其某种组合后向反射的IR光。IR检测器阵列324包括单个IR传感器或多个IR敏感检测器(例如光电二极管)。在一些实施例中，IR检测器阵列324与发光设备阵列310分离。在一些实施例中，IR检测器阵列324被集成到发光设备阵列310中。
在一些实施例中，发光设备阵列310和发射强度阵列322组成显示元件。可替代地，显示元件包括发光设备阵列310(例如，当发光设备阵列310包括可单独调节的像素时)，而没有发射强度阵列322。在一些实施例中，显示元件另外包括IR阵列。在一些实施例中，响应于瞳孔350的确定位置，显示元件调节发射的图像光，使得显示元件输出的光被一个或更多个透镜330朝向瞳孔350的确定位置折射，而不是朝向眼动范围中的其他位置折射。
图3B是根据一些实施例的显示设备370的示意图。显示设备370包括光源设备380和光调制器390。在一些实施例中，光源设备380包括上面参照图3A描述的发光设备阵列310。在一些实施例中，光源设备370包括下面参照图4A-4D描述的光源设备。光源设备380产生图像光382-1，并将图像光382-1提供给光调制器390。在一些实施例中，图像光382-1包括多种颜色的光(例如，红色、绿色和蓝色)。在一些实施例中，图像光382-1是组合多种颜色的单个共线光束。光调制器390被配置成调制来自光源设备380的图像光382-1。在一些实施例中，光调制器390包括调节来自光源设备370的图像光382-1的一个或更多个光学部件。在一些实施例中，调节图像光382-1包括例如扩展光、准直光、调整光的定向、光的某个其他调整或其一些组合。一个或更多个光学部件可以包括例如透镜、液体透镜、反射镜、孔径、光栅或其某种组合。在一些实施例中，光调制器390包括被配置为操纵调制图像光382-2的一个或更多个扫描光学元件(例如，一个或更多个扫描镜，例如一个或更多个二维MEMS(微机电系统)镜)。在一些实施例中，光调制器390包括输出波导或与输出波导耦合，输出波导包括一个或更多个耦合元件和一个或更多个去耦元件(例如，包括衍射光栅的一个或更多个耦合元件和一个或更多个去耦元件)。一个或更多个耦合和去耦元件一起被配置成引导和扩展调制图像光382-2。输出波导在二维中扩展调制图像光382-2，并将调制图像光382-2输出到用户的眼睛(例如，图3A所示的眼睛340)。在一些实施例中，扩展调制图像光382-2包括瞳孔复制(pupil replication)。在一些实施例中，输出波导是波导组合器，该波导组合器将图像光382-2与从显示设备370外部透射的环境光进行组合，以生成增强现实图像。在一些实施例中，显示设备370可选地包括一个或更多个透镜330，用于向用户的眼睛传输调制图像光382-2。
在2017年7月14日提交的标题为“Temporally Incoherent and SpatiallyCoherent Source for Waveguide Displays”的专利申请15,650,612和2017年9月14日提交的标题为“Waveguide Display with a Small Form Factor,a Large Field of View,and a Large eyebox”的专利申请15,706,190中描述了用于输出波导和波导显示器的方法和设备，这两个申请中的每一个的内容通过引用以其整体并入本文。
在一些实施例中，光源设备380和/或光调制器390包括一个或更多个处理器和/或存储器(例如，上面参照图2描述的一个或更多个处理器216和/或存储器228)，用于存储和执行用于利用光源设备380和/或光调制器390生成和提供图像的指令。
图4A是根据一些实施例的光源设备400的示意图。光源设备400对应于上面参照图3B描述的光源设备380。光源设备400将来自两个或更多个光源的光准直并组合成单个光束。光源设备400包括两个或更多个光源(例如，光源402-1、402-2和402-3)。在一些实施例中，光源402-1、402-2和402-3是二极管激光器和/或超发光发光二极管(SLED)。光源402-3发射蓝光(例如，波长范围在450和470nm之间，用光线412-3示出)，光源402-2发射绿光(例如，波长范围在510和540nm之间，用光线412-2示出)，并且光源402-1发射红光(例如，波长范围在610和650nm之间，用光线412-1示出)。在一些实施例中，光源412-3发射波长为450nm的蓝光，光源412-2发射波长为520nm的绿光，并且光源412-1发射波长为650nm的红光。在一些实施例中，光源设备400包括发射红外光(例如，波长范围在750和1000nm之间)的光源。在一些实施例中，光源402-1、402-2和402-3是(沿y方向的)宽度范围为0.5mm至1mm并且(沿x方向的)长度范围为0.5mm至1mm的二极管激光器。在一些实施例中，光源402-1、402-2和402-3是宽度为0.3mm、长度为1mm的二极管激光器。光源设备400还包括几何相位透镜410-1。几何相位透镜410-1与不同颜色的不同焦距相关联。几何相位透镜410-1与对于红色的第一焦距、对于绿色的第二焦距和对于蓝色的第三焦距相关联。下面参照图5A和图5B描述几何相位透镜410-1及其功能。几何相位透镜410-1限定光轴404。距离L描述了光源402-1、402-2和402-3与几何相位透镜410-1的光轴404之间沿着方向x的距离。在一些实施例中，距离L在0.5至4mm的范围内。在一些实施例中，距离L为2mm。光源402-1位于沿y方向距离几何相位透镜410-1的距离M-1处，光源402-2位于沿y方向距离几何相位透镜410-1的等于M-1和M-2的总和的距离处。距离M-2是光源402-1和402-2之间的距离。光源403-3位于沿y方向距离几何透镜的等于M-1、M-2和M-3的总和的距离处，其中M-3是光源402-2和光源402-3之间的距离。在一些实施例中，M-1的范围从0.5mm到4mm，M-2的范围从0.3mm到3mm，并且M-3的范围从0.2mm到2mm。在一些实施例中，M-1是2mm，M-2是0.92mm，并且M-3是0.78mm。几何相位透镜410-1和光源402-1之间的光学距离被定义为等于距离M-1和L的总和。在一些实施例中，几何相位透镜410-1和光源402-1之间的光学距离对应于关于红色的几何相位透镜410-1的第一焦距。几何相位透镜410-1和光源402-2之间的光学距离被定义为等于距离M-1、M-2和L的总和。在一些实施例中，几何相位透镜410-1和光源402-2之间的光学距离对应于关于绿色的几何相位透镜410-1的第二焦距。几何相位透镜410-1和光源402-3之间的光学距离被定义为等于距离M-1、M-2、M-3和L的总和。在一些实施例中，几何相位透镜410-1和光源402-3之间的光学距离对应于关于蓝色的几何相位透镜410-1的第三焦距。在一些实施例中，各个光源和几何相位透镜410-1之间的光学距离和焦距彼此不对应。例如，在一些情况下，光源的出射光瞳不与用于限定距离L的光源的最外边缘精确对准。
光源402-1、402-2和402-3(沿着方向x)平行发射光，并且光被反射器406-1、406-2和406-3导向几何相位透镜410-1。在一些实施例中，反射器406-1、406-2和406-3的直径范围为1mm至6mm。在一些实施例中，直径为2mm。在一些实施例中，反射器406-1、406-2和406-3是二向色镜(dichroic mirror)，其选择性地反射一定颜色范围的光，同时通过其他颜色的光。在图4A中，反射器406-1是反射红光同时通过其他颜色(例如，绿色和蓝色)的二向色镜。反射器406-2是反射绿光同时通过其他颜色(例如，蓝光)的二向色镜。在一些实施例中，反射器406-3是反射蓝光的二向色镜。可替代地，在一些实施例中，反射器406-3是反射镜。可替代地，在一些实施例中，光源402-3被定位成使得由光源402-3发射的光线412-3垂直于几何相位透镜410-1投射，即，光源402-3被定向成与几何相位透镜410-1成90度并且面向几何相位透镜410-1。在这样的实施例中，省略了反射器406-3，并且光线412-3直接透射通过反射器406-2。在一些实施例中，反射器406-1、406-2和406-3可以耦合在一起以形成反射器阵列。在一些实施例中，反射器阵列包括三个棱镜，每个棱镜涂覆有二向色性表面或反射镜面，并且耦合或附着在一起(例如，通过粘合剂)以形成单片反射器阵列。
图4A所示的配置展示了将光源402-1、402-2和402-3与几何相位透镜410-1(沿着方向x)平行定位的紧凑方式。在一些实施例中，光源设备400的总尺寸约为5mm x 4mm x3mm。这种配置允许通过调节距离M-1、M-2、M-3和/或L(例如，调节光源402-1、402-2和402-3相对于几何相位透镜410-1的沿方向x和/或方向y的位置)来方便地设置光源402-1、402-2和402-3与几何相位透镜410-1之间的相应光学距离。光源402-1的出射光瞳和几何相位透镜410-1之间的光学距离等于M-1和L之和。光源402-1的出射光瞳和几何相位透镜410-1之间的光学距离等于M-1、M-2和L之和。光源402-3的出射光瞳和几何相位透镜410-1之间的光学距离等于M-1、M-2、M-3和L之和。光源402-1、402-2和402-3的位置被设置成使得光线412-1、412-2和412-3在通过几何相位透镜410-1之后被共线准直。在图4A中，光源402-1、402-2和402-3被定位成使得各个光源的出射光瞳对准，并且(沿着方向x)距离L对于每个光源保持相同。在这种配置中，(沿y方向)距离M-1、M-2和M-3被设置为定义光源402-1、402-2和402-3的出射光瞳与几何相位透镜410-1之间的相应距离。可替代地，在一些实施例中，距离L(沿着方向x)被单独设置以定义光源402-1、402-2和402-3的出射光瞳与几何相位透镜410-1之间的相应距离。在一些实施例中，光源402-1、402-2和402-3的位置沿着方向x和y设置。
光源设备400还包括四分之一波片408。四分之一波片408是消色差的四分之一波片。在图4A中，四分之一波片408位于光路上，在反射器406-1、406-2和406-3与几何相位透镜410-1之间。四分之一波片408被配置用于在由相应光源402-1、402-2和402-3发射的光线412-1、412-2和412-3照射到几何相位透镜410-1之前，朝向几何相位透镜410-1透射光线412-1、412-2和412-3。四分之一波片408被配置成将具有线偏振的光线412-1(红色)转换成具有圆偏振的光线412-1，将具有线偏振的光线412-2(绿色)转换成具有圆偏振的光线412-2，并将具有线偏振的光线412-3(蓝色)转换成具有圆偏振的光线412-2。需要四分之一波片408来从光源402-1、402-2和402-3发射的线偏振光产生圆偏振光(例如，光源402-1、402-2和402-3是激光二极管或SLED)。
在一些实施例中，光源设备400可选地包括在几何相位透镜410-1之后的位于光轴404上的变形棱镜对，用于将组合的共线光束转换成旋转对称的。图4B是根据一些实施例的光源设备420的示意图。除了光源设备420包括单波长四分之一波片408-1、408-2和408-3之外，光源设备420对应于上面参照图4A描述的光源设备400。在图4B中，四分之一波片408-1位于光源402-1的出射光瞳和反射器406-1之间的光路上。四分之一波片408-2位于光源402-2的出射光瞳和反射器406-2之间的光路上。四分之一波片408-3位于光源402-3的出射光瞳和反射器406-3之间的光路上。四分之一波片408-1被配置成将具有线偏振的光线412-1(红色)转换成具有圆偏振的光线412-1。四分之一波片408-2被配置成将具有线偏振的光线412-2(绿色)转换成具有圆偏振的光线412-2。四分之一波片408-3被配置成将具有线偏振的光线412-3(蓝色)转换成具有圆偏振的光线412-3。
图4C是根据一些实施例的光源设备430的示意图。光源设备430对应于上面参照图4A描述的光源设备400，除了光源设备430包括两个几何相位透镜——透镜410-1和410-2。几何相位透镜410-2沿着光轴404定位，与几何相位透镜410-1相距距离N-1，并且平行于几何相位透镜410-1。几何相位透镜410-2与对于红色的第四焦距、对于绿色的第五焦距和对于蓝色的第六焦距相关联。几何相位透镜410-2和光源402-1之间的光学距离被定义为等于距离N-1、M-1和L的总和。在一些实施例中，几何相位透镜410-2和光源402-1之间的光学距离对应于关于红色的几何相位透镜410-2的第四焦距。几何相位透镜410-2和光源402-2之间的光学距离被定义为等于距离N-1、M-1、M-2和L的总和。在一些实施例中，几何相位透镜410-2和光源402-2之间的光学距离对应于关于绿色的几何相位透镜410-2的第五焦距。几何相位透镜410-2和光源402-3之间的光学距离被定义为等于距离N-1、M-1、M-2、M-3和L的总和。在一些实施例中，几何相位透镜410-2和光源402-3之间的光学距离对应于关于蓝色的几何相位透镜410-2的第六焦距。在一些实施例中，光源设备430包括几何相位透镜的堆叠(例如，包括三个或更多个几何相位透镜的堆叠)。多个几何透镜可以提高聚焦效率。
图4D是根据一些实施例的光源设备400的侧视图的示意图。图4D示出了支架(mount)414上的几何相位透镜410-1和光源402-1。支架414被配置为固定图4A所示的光源设备400的部件。在一些实施例中，支架414包括在光源设备400中。在一些实施例中，支架400与光源设备400分离。
图4E是根据一些实施例的光源设备440的示意图。光源设备440对应于上面参照图4A描述的光源设备400，除了光源设备440还包括光源402-4和反射器406-4之外。光源402-4发射近红外(NIR)光(例如，波长范围在750-1400nm之间，用光线412-4示出)。反射器406-4是二向色镜，其选择性地反射由光源402-4发射的光，同时通过其他颜色。在图4E中，反射器406-4是反射NIR光同时通过其他颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的二向色镜。几何相位透镜410-3对应于上面参照图4A描述的几何相位透镜410-1，除了几何透镜410-3还与光源402-4发射的NIR光的第四焦距相关联之外。在一些实施例中，由光源402-4发射的NIR光用于照亮眼动范围以进行眼睛跟踪，如以上关于图2所述。在一些实施例中，光源402-1发射红外(IR)光而不是近NIR光。
如上关于图4A所述，光源设备400包括几何相位透镜410-1。几何相位透镜410-1是具有空间变化光轴的光学半波片。在一些实施例中，几何相位透镜400是球面透镜、非球面透镜、平面透镜或柱面透镜。几何相位透镜是头戴式显示器中成像光学器件的理想选择，因为单层几何相位透镜相对较薄，因此重量较轻。在一些实施例中，几何相位透镜410-1具有范围从1mm到6mm的直径。在一些实施例中，直径是2mm。在一些实施例中，几何相位透镜410-1具有在0.2-1mm之间变化的厚度。几何相位透镜对于具有不同波长的光具有不同的延迟(例如，几何相位透镜410-1对于红色、绿色和蓝色光具有不同的延迟)，这导致颜色色散。几何相位透镜的焦距f由光轴的空间分布φ(r)和入射光的波长λ决定。在一个实施例中，几何相位透镜的焦距与入射光的波长λ成线性比例。例如，
Figure BDA0002520199240000191
其中r是光轴所在的圆的半径，f是焦距，π是常数(即通常近似为3.14159)；以及λ是入射光的波长。
图5A是根据一些实施例的聚焦红色、绿色和蓝色光的几何相位透镜410-1的示意图。在图5A中，几何相位透镜410-1在焦点502-1聚焦红光504-1，在焦点502-2聚焦绿光504-2，并在焦点502-3聚焦蓝光504-3。焦距的差异被用作光源设备400的优点。不同的焦距用于将光源402-1、402-2和402-3分别发射的红色、绿色和蓝色光组合并准直为单个光束。
几何相位透镜通常是为特定的光波长而设计的。几何相位透镜部分基于入射光的偏振来增加或去除光功率。例如，如果右旋圆偏振(RCP)光入射到几何相位透镜上，则几何相位透镜充当正透镜(即，它使光会聚)，或者如果左旋圆偏振(LCP)光入射到几何相位透镜上，则几何相位透镜充当负透镜(即，它使光发散)。几何相位透镜还可以在输出入射光之前反转入射光的旋向(handedness)(例如，将LCP改变为RCP，反之亦然)。如果入射光处于设计波长，则LCP光变为RCP光，反之亦然。如果入射光不在设计波长，由于入射光波长的非半波厚度，它在存在漏光的情况下以椭圆偏振光出射。漏光会影响呈现给用户的图像质量。然而，可以通过使用多个几何相位透镜(例如，图4C中的几何相位透镜410-1和410-2)来最小化泄漏。此外，通过多个几何相位透镜可以提高总的聚焦效率。此外，由于当前公开中使用的几何相位透镜重量轻且尺寸小，增加多个几何透镜不会显著增加头戴式显示设备的尺寸和/或重量。
用于头戴式显示设备的几何相位透镜在2017年4月11日提交的题为“GeometricPhase Lens Alignment in an Augmented Reality Head Mounted Display”的专利申请15,484,422和2017年5月19日提交的题为“Fabrication of Nano-Scale AlignmentPatterns for Liquid Crystals to Create Switchable Optical Components”的专利申请62,509,032中有更详细的描述，这些专利申请中的每个的内容通过引用以其整体并入本文。
图5B是根据一些实施例的几何相位透镜510的示意图。几何相位透镜510对应于上面参照图4A描述的几何相位透镜410-1。在一些实施例中，几何相位透镜510是厚度在0.5-1mm之间变化的平面透镜。在一些实施例中，几何透镜510是球面或非球面透镜。几何相位透镜510包括具有图案化涂层的基底516。在一些实施例中，基底516(例如，玻璃)涂覆有一层或更多层图案化的聚合液晶。在一些实施例中，透镜510是包括涂覆有图案化高折射率材料(例如，GaP、SiN或TiO2)的基底516的超透镜(metalen)。在一些实施例中，图案由小的子结构(例如，子结构512和514)组成。子结构512具有第一光轴，子结构514具有第二光轴。子结构514的第二光轴不平行于子结构512的第一光轴。在一些实施例中，子结构512和514充当波片。多个子结构的光轴跨透镜510旋转，以产生用于聚焦光的适当相位分布。这种设计提供了重量轻且小的几何相位透镜，其放大率和数值孔径(NA)与传统的大体积高NA物镜相当。由于头戴式显示设备的重量和尺寸限制，这种透镜对于头戴式显示设备是理想的。
在一些实施例中，子结构512和514是纳米柱(例如，由高折射率材料组成的纳米柱)。为了起到类似球形透镜的作用，透镜510的多个纳米柱各自旋转角度θ(x,y)，如下式：
Figure BDA0002520199240000201
其中λ是入射光的波长，f是焦距，x和y是每个纳米柱的坐标。为了最大化偏振转换效率，对纳米柱的尺寸进行了优化。
鉴于这些原理，我们现在转向光源设备的某些实施例。
根据一些实施例，多色光源设备包括被配置成发射第一颜色的光的第一光源、以及被配置成发射不同于第一颜色的第二颜色的光的第二光源。例如，在图4A中，光源设备400包括发射红色光线412-1的光源402-1和发射绿色光线412-2的光源402-2。多色光源设备还包括与第一颜色的光的第一焦距和第二颜色的光的不同于第一焦距的第二焦距相关联的第一几何相位透镜。例如，在图4A中，光源设备400包括几何相位透镜410-1。如图5A所示，几何相位透镜410-1在焦点502-1聚焦红光504-1，在焦点502-2聚焦绿光504-2。第一光源位于距第一几何相位透镜第一距离处，第二光源位于距几何相位透镜不同于第一距离的第二距离处。例如，光源402-1位于距离几何相位透镜410-1的等于距离M-1和L之和的光学距离处。光源402-2位于距离几何相位透镜410-1的等于距离M-1、M-2和L之和的光学距离处。
在一些实施例中，第一光源、第二光源和第一几何相位透镜被定位成使得第一颜色的光和第二颜色的光在通过第一几何相位透镜之后被共线准直。例如，在图4A中，光源402-1和402-2被定位成使得各自的光线412-1和412-2在通过几何相位透镜410-1之后被共线准直。
在一些实施例中，第一距离对应于第一焦距，第二距离对应于第二焦距。例如，等于距离M-1和L之和的光学距离对应于图4A中关于红光的几何相位透镜410-1的焦距。等于距离M-1、M-2和L之和的光学距离对应于图4A中关于绿光的几何相位透镜410-1的焦距。
在一些实施例中，第一几何相位透镜的第一部分对应于具有第一轴的第一半波片，第一几何相位透镜的第二部分对应于具有不平行于第一轴的第二轴的第二半波片。例如，图5B中的几何相位透镜510示出了多个子结构(例如，子结构512和514)。子结构512是具有第一光轴的半波片，子结构514是具有第二光轴的半波片。第二光轴不平行于第一光轴。
在一些实施例中，第一几何相位透镜包括涂覆有一层或更多层聚合液晶的基底。例如，几何相位透镜510包括具有一层或更多层图案化聚合液晶的基底516。在一些实施例中，图案包括多个子结构(例如，子结构512和514)。
在一些实施例中，第一几何相位透镜包括具有多个纳米柱的基底。例如，在图5B中，几何相位透镜510包括具有多个纳米柱(例如，子结构512和514)的基底516。
在一些实施例中，第一颜色是红色，以及第二颜色是绿色。例如，在图4A中，光源402-1发射红光，且光源402-2发射绿光。
在一些实施例中，第一光源的出射光瞳位于距第一几何相位透镜第一距离处，第二光源的出射光瞳位于距第一几何相位透镜第二距离处。例如，光源402-1的出射光瞳位于距离几何相位透镜410-1的等于距离M-1和L之和的光学距离处。光源402-2的出射光瞳位于距离几何相位透镜410-1的等于距离M-1、M-2和L之和的光学距离处。
在一些实施例中，多色光源设备还包括第三光源，该第三光源被配置成发射不同于第一颜色和第二颜色的第三颜色的光(例如，图4A中的光源402-3发射蓝光)。第一几何相位透镜与第三颜色的光的第三焦距相关联，该第三焦距不同于第一焦距和第二焦距(例如，在图5A中，几何相位透镜410-1将蓝光504-3聚焦在焦点502-3处)。第三光源位于距第一几何相位透镜第三距离处，该第三距离不同于第一距离和第二距离(例如，在图4A中，光源402-3位于距几何相位透镜410-1的等于M-1、M-2、M-3和L之和的距离处)。
在一些实施例中，多色光源设备还包括两个或更多个二向色镜。两个或更多个二向色镜包括第一二向色镜和第二二向色镜，第一二向色镜被配置为将来自第一光源的光导向第一几何相位透镜，第二二向色镜被配置为将来自第二光源的光导向第一几何相位透镜。例如，光源设备400包括反射器406-1和406-2，反射器406-1和406-2被配置成将相应的红色光线412-1和绿色光线412-2导向几何相位透镜410-1。反射器406-1是二向色镜，其选择性地反射红光，同时通过其他颜色。反射器406-2是二向色镜，其选择性地反射绿光，同时通过其他颜色。
在一些实施例中，多色光源设备还包括反射器，该反射器被配置成将来自第三光源的光导向第一几何相位透镜。例如，在图4A中，反射器406-3被配置成将蓝色光线412-3导向几何相位透镜410-1。
在一些实施例中，第一颜色是红色，第二颜色是绿色，且第三颜色是蓝色(例如，在图4A中，光源402-1发射红光，光源402-2发射绿光，且光源402-3发射蓝光)。
在一些实施例中，多色光源设备还包括第四光源，该第四光源被配置成发射不同于第一颜色、第二颜色和第三颜色的第四颜色的光(例如，在图4E中，光源设备440包括四个光源设备402-1、402-2、402-3和402-4)。第一几何相位透镜与第四颜色的光的第四焦距相关联，第四焦距不同于第一焦距、第二焦距和第三焦距(例如，几何相位透镜410-3与光源402-4发射的光的第四焦距相关联)。第四光源位于距第一几何相位透镜第四距离处，该第四距离不同于第一距离、第二距离和第三距离。
在一些实施例中，第一光源的出射光瞳位于距第一几何相位透镜第一距离处，第二光源的出射光瞳位于距第一几何相位透镜第二距离处，并且第三光源的出射光瞳位于距第一几何相位透镜第三距离处，该第三距离不同于第一距离和第二距离。例如，光源402-1的出射光瞳位于距离几何相位透镜410-1的等于距离M-1和L之和的光学距离处。光源402-2的出射光瞳位于距离几何相位透镜410-1的等于距离M-1、M-2和L之和的光学距离处。光源402-2的出射光瞳位于距离几何相位透镜410-1的等于距离M-1、M-2、M-3和L之和的光学距离处。
在一些实施例中，多色光源设备还包括四分之一波片，该四分之一波片被配置为在来自第一光源的第一颜色的光、来自第二光源的第二颜色的光和来自第三光源的第三颜色的光照射到第一几何相位透镜上之前，透射第一颜色的光、第二颜色的光和第三颜色的光。例如，在图4A中，四分之一波片408被配置成在由相应光源402-1、402-2和402-3发射的光线412-1、412-2和412-3照射到几何相位透镜410-1之前，将光线412-1、412-2和412-3朝向几何相位透镜410-1透射。
在一些实施例中，四分之一波片被配置成将具有线偏振的第一颜色的光转换成具有圆偏振的第一颜色的光，将具有线偏振的第二颜色的光转换成具有圆偏振的第二颜色的光，并将具有线偏振的第三颜色的光转换成具有圆偏振的第三颜色的光。例如，在图4A中，四分之一波片408被配置成将具有线偏振的光线412-1(红色)转换成具有圆偏振的光线412-1，将具有线偏振的光线412-2(绿色)转换成具有圆偏振的光线412-2，并将具有线偏振的光线412-3(蓝色)转换成具有圆偏振的光线412-2。
在一些实施例中，多色光源设备还包括第一四分之一波片、第二四分之一波片和第三四分之一波片。第一四分之一波片被配置成将具有线偏振的第一颜色的光转换成具有圆偏振的第一颜色的光。第二四分之一波片不同于第一四分之一波片，并且与第一四分之一波片分离，并且被配置成将具有线偏振的第二颜色的光转换成具有圆偏振的第二颜色的光。第三四分之一波片与第一四分之一波片和第二四分之一波片不同且分离，并且被配置成将具有线偏振的第三颜色的光转换成具有圆偏振的第三颜色的光。例如，图4B中的光源设备420包括四分之一波片408-1、408-2和408-3。四分之一波片408-1被配置成将具有线偏振的光线412-1(红色)转换成具有圆偏振的光线412-1。四分之一波片408-2被配置成将具有线偏振的光线412-2(绿色)转换成具有圆偏振的光线412-2。四分之一波片408-3被配置成将具有线偏振的光线412-3(蓝色)转换成具有圆偏振的光线412-3。
在一些实施例中，多色光源设备还包括第二几何相位透镜，该第二几何相位透镜与第一颜色的光的第四焦距和第二颜色的光的不同于第四焦距的第五焦距相关联。第一光源位于距第二几何相位透镜第四距离处。第二光源位于距第二几何相位透镜第五距离处，该第五距离不同于第四距离。例如，图4C中的光源设备430包括几何相位透镜410-2。类似于关于图5A中的几何相位透镜410-1所描述的，几何相位透镜410-2与不同颜色波长的不同焦距相关联。例如，几何相位透镜410-2与对于红色的第四焦距、对于绿色的第五焦距和对于蓝色的第六焦距相关联。几何相位透镜410-2的焦距比几何相位透镜410-1的相应焦距更长。几何相位透镜410-2和光源402-2之间的光学距离被定义为等于距离N-1、M-1、M-2和L的总和。在一些实施例中，几何相位透镜410-2和光源402-2之间的光学距离对应于关于绿色的几何相位透镜410-2的第五焦距。
在一些实施例中，第二几何相位透镜与第三颜色的光的第六焦距相关联，该第六焦距不同于第四焦距和第五焦距。第三光源位于距第二几何相位透镜第六距离处，该第六距离不同于第四距离和第五距离。例如，几何相位透镜410-2和光源402-3之间的光学距离被定义为等于图4C中距离N-1、M-1、M-2、M-3和L的总和。在一些实施例中，几何相位透镜410-2和光源402-3之间的光学距离对应于关于蓝色的几何相位透镜410-1的第六焦距。
根据一些实施例，头戴式显示设备包括上述多色光源设备、被配置用于调制来自多色光源设备的光的光调制器、以及被配置用于将来自光调制器的调制光导向用户眼睛的一个或更多个透镜。例如，在图3B中，显示设备370包括光源设备380、光调制器390和一个或更多个透镜330。光源设备380对应于图4A中的光源设备400。光调制器390被配置用于调制来自光源设备380的图像光382-1。一个或更多个透镜330将调制图像光382-2导向用户的眼睛。
根据一些实施例，一种方法包括将来自第一光源的第一颜色的光透射通过与第一颜色的光的第一焦距相关联的第一几何相位透镜(例如，在图4A中将光源402-1发射的光线412-1透射通过几何相位透镜410-1)。该方法还包括将来自第二光源的不同于第一颜色的第二颜色的光透射通过与对于第二颜色的光的不同于第一焦距的第二焦距相关联的第一几何相位透镜，该第二光源与第一光源不同且分离(例如，在图4A中将光源402-2发射的光线412-2透射通过几何相位透镜410-1)。该方法还包括将来自第三光源的不同于第一颜色和第二颜色的第三颜色的光透射通过与第三颜色的光的第三焦距相关联的第一几何相位透镜，该第三焦距不同于第一焦距和第二焦距，第三光源与第一光源和第二光源不同且分离(例如，在图4A中将由光源402-3发射的光线412-3透射通过几何相位透镜410-1)。第一颜色的光、第二颜色的光和第三颜色的光在通过第一几何相位透镜之后被共线准直(例如，光线412-1、412-2和412-3在通过几何相位透镜410-1之后被共线准直)。
尽管一些不同的附图以特定的顺序示出了多个逻辑阶段，但是不依赖于顺序的阶段可以被重新排序，并且其他阶段可以被组合或分解。虽然特别提到了一些重新排序或其他分组，但是对于本领域的普通技术人员来说，其他的排序或分组将是明显的，因此本文呈现的排序和分组并不是替代方案的穷举列表。此外，应该认识到，这些阶段可以用硬件、固件、软件或其任意组合来实现。
为了解释的目的，已经参考具体实施例描述了前面的描述。然而，上述说明性讨论并不旨在穷举或将权利要求的范围限制到所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。选择实施例是为了最好地解释权利要求书的基本原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最佳地使用具有各种修改的实施例，以适合预期的特定用途。

Claims (16)

1.一种多色光源设备，包括：
第一光源，其被配置为发射第一颜色的光；
第二光源，其被配置为发射不同于所述第一颜色的第二颜色的光；
第三光源，其被配置为发射不同于所述第一颜色和所述第二颜色的第三颜色的光；和
第一透镜，其与用于所述第一颜色的光的第一焦距、用于所述第二颜色的光的第二焦距以及用于所述第三颜色的光的第三焦距相关联，所述第二焦距不同于所述第一焦距，所述第三焦距不同于所述第一焦距和所述第二焦距，其中：
所述第一光源位于距所述第一透镜的第一距离处；
所述第二光源位于距所述第一透镜的与所述第一距离不同的第二距离处；以及
所述第三光源位于距所述第一透镜的第三距离处，所述第三距离不同于所述第一距离和所述第二距离；
其中：
所述第一颜色、所述第二颜色和所述第三颜色包括红色、绿色和蓝色；所述第一透镜是第一几何相位透镜；
所述设备还包括第一二向色镜和第二二向色镜，所述第一二向色镜被配置为将所述第一颜色的光反射到所述第一透镜同时通过其他颜色的光，所述第二二向色镜被配置为将所述第二颜色的光反射到所述第一透镜同时通过其他颜色的光；
所述设备还包括反射镜，所述反射镜被配置为将所述第三颜色的光反射到所述第一透镜；以及
所述第一光源、所述第二光源、所述第三光源、所述第一二向色镜、所述第二二向色镜、所述反射镜和所述第一几何相位透镜被定位成使得：
所述第三颜色的光从所述反射镜穿过所述第二二向色镜和所述第一二向色镜到达所述第一透镜；
所述第二颜色的光从所述第二二向色镜穿过所述第一二向色镜到达所述第一透镜；并且
所述第一颜色的光、所述第二颜色的光和所述第三颜色的光在穿过所述第一几何相位透镜之后被共线准直。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一距离对应于所述第一焦距；和
所述第二距离对应于所述第二焦距。
3.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一几何相位透镜的第一部分对应于具有第一轴的第一半波片，并且所述第一几何相位透镜的第二部分对应于具有第二轴的第二半波片，所述第二轴不平行于所述第一轴。
4.根据权利要求3所述的设备，其中：
所述第一几何相位透镜包括涂有一层或更多层聚合液晶的基底。
5.根据权利要求3所述的设备，其中：
所述第一几何相位透镜包括具有多个纳米柱的基底。
6.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一颜色是红色；和
所述第二颜色是绿色。
7.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一光源的出射光瞳位于距所述第一几何相位透镜的所述第一距离处；和
所述第二光源的出射光瞳位于距所述第一几何相位透镜的所述第二距离处。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括：
第四光源，其被配置为发射第四颜色的光，所述第四颜色不同于所述第一颜色、所述第二颜色和所述第三颜色，其中：
所述第一几何相位透镜与用于所述第四颜色的光的第四焦距相关联，所述第四焦距不同于所述第一焦距、所述第二焦距和所述第三焦距；和
所述第四光源位于距所述第一几何相位透镜的第四距离处，所述第四距离不同于所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离。
9.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一光源的出射光瞳位于距所述第一几何相位透镜的所述第一距离处；
所述第二光源的出射光瞳位于距所述第一几何相位透镜的所述第二距离处；和
所述第三光源的出射光瞳位于距所述第一几何相位透镜的第三距离处，所述第三距离与所述第一距离和所述第二距离不同。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括：
四分之一波片，其被配置为在来自所述第一光源的所述第一颜色的光、来自所述第二光源的所述第二颜色的光和来自所述第三光源的所述第三颜色的光照射在所述第一几何相位透镜上之前，透射所述第一颜色的光、所述第二颜色的光和所述第三颜色的光。
11.根据权利要求10所述的设备，其中：
所述四分之一波片被配置成将具有线偏振的所述第一颜色的光转换成具有圆偏振的所述第一颜色的光，将具有线偏振的所述第二颜色的光转换成具有圆偏振的所述第二颜色的光，并将具有线偏振的所述第三颜色的光转换成具有圆偏振的所述第三颜色的光。
12.根据权利要求1所述的设备，还包括：
第一四分之一波片，其被配置为将具有线偏振的所述第一颜色的光转换成具有圆偏振的所述第一颜色的光；
第二四分之一波片，所述第二四分之一波片与所述第一四分之一波片不同并且分离，并且被配置成将具有线偏振的所述第二颜色的光转换成具有圆偏振的所述第二颜色的光；和
第三四分之一波片，所述第三四分之一波片与所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片不同并且分离，并且被配置为将具有线偏振的所述第三颜色的光转换成具有圆偏振的所述第三颜色的光。
13.根据权利要求1所述的设备，还包括：
第二几何相位透镜，其与用于所述第一颜色的光的第四焦距和用于所述第二颜色的光的不同于所述第四焦距的第五焦距相关联，其中：
所述第一光源位于距所述第二几何相位透镜的第四距离处；和
所述第二光源位于距所述第二几何相位透镜的第五距离处，所述第五距离不同于所述第四距离。
14.根据权利要求13所述的设备，其中：
所述第二几何相位透镜与对于所述第三颜色的光的不同于所述第四焦距和所述第五焦距的第六焦距相关联；和
所述第三光源位于距所述第二几何相位透镜的第六距离处，所述第六距离不同于所述第四距离和所述第五距离。
15.一种头戴式显示系统，包括：
根据权利要求1所述的多色光源设备；
光调制器，其被配置用于调制来自所述多色光源设备的光；和
一个或更多个透镜，其被配置用于将来自所述光调制器的调制光导向用户的眼睛。
16.一种方法，包括：
将来自第一光源的第一颜色的光透射通过与对于所述第一颜色的光的第一焦距相关联的第一透镜；
将来自与所述第一光源不同且分离的第二光源的不同于所述第一颜色的第二颜色的光透射通过与对于所述第二颜色的光的不同于所述第一焦距的第二焦距相关联的所述第一透镜；
将来自与所述第一光源和所述第二光源不同且分离的第三光源的第三颜色的光透射通过所述第一透镜，所述第一透镜与对于所述第三颜色的光的不同于所述第一焦距和所述第二焦距的第三焦距相关联，所述第三颜色不同于所述第一颜色和所述第二颜色，
其中：
所述第一颜色、所述第二颜色和所述第三颜色包括红色、绿色和蓝色；
所述第一透镜是第一几何相位透镜；
所述方法还包括第一二向色镜和第二二向色镜，所述第一二向色镜被配置为将所述第一颜色的光反射到所述第一透镜同时通过其他颜色的光，所述第二二向色镜被配置为将所述第二颜色的光反射到所述第一透镜同时通过其他颜色的光；
所述方法还包括反射镜，所述反射镜被配置为将所述第三颜色的光反射到所述第一透镜；以及
所述第一光源、所述第二光源、所述第三光源、所述第一二向色镜、所述第二二向色镜、所述反射镜和所述第一几何相位透镜被定位成使得：
所述第三颜色的光从所述反射镜穿过所述第二二向色镜和所述第一二向色镜到达所述第一透镜；
所述第二颜色的光从所述第二二向色镜穿过所述第一二向色镜到达所述第一透镜；并且
所述第一颜色的光、所述第二颜色的光和所述第三颜色的光在穿过所述第一几何相位透镜之后被共线准直。
CN201880078061.6A 2017-12-06 2018-12-06 使用几何相位透镜的紧凑型多色光束组合器 Active CN111433660B (zh)

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