CN113544573B - Ar、hmd和hud应用的光波导中的非均匀亚瞳孔反射器和方法 - Google Patents

Ar、hmd和hud应用的光波导中的非均匀亚瞳孔反射器和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113544573B
CN113544573B CN202080020078.3A CN202080020078A CN113544573B CN 113544573 B CN113544573 B CN 113544573B CN 202080020078 A CN202080020078 A CN 202080020078A CN 113544573 B CN113544573 B CN 113544573B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pattern
time
diffraction
sharpness
growth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202080020078.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113544573A (zh
Inventor
阿德里安·斯坦纳德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meta Platforms Technologies LLC
Original Assignee
Meta Platforms Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Meta Platforms Technologies LLC filed Critical Meta Platforms Technologies LLC
Publication of CN113544573A publication Critical patent/CN113544573A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113544573B publication Critical patent/CN113544573B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/004—Scattering dots or dot-like elements, e.g. microbeads, scattering particles, nanoparticles
    • G02B6/0041—Scattering dots or dot-like elements, e.g. microbeads, scattering particles, nanoparticles provided in the bulk of the light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0065—Manufacturing aspects; Material aspects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/013—Head-up displays characterised by optical features comprising a combiner of particular shape, e.g. curvature

Abstract

利用基于图案生长模型的方法来确定用于增强现实(AR)、头戴式显示器(HMD)和/或平视显示器(HUD)应用的光学组合器(100、200、300、400、600、700和800)或其他部件中的反射点(108)的图案。提供了包括以生长图案布置的反射点(108)的光学组合器(100、200、300、400、600、700和800)。

Description

AR、HMD和HUD应用的光波导中的非均匀亚瞳孔反射器和方法
本专利文件的公开的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人复制专利文件或专利公开，因为它出现在专利和商标局的专利文件或记录中，但除此之外保留所有版权。
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年1月9日提交的并且标题为“Non-uniform sub-pupilreflectors and methods in Optical Waveguides for AR,HMD and HUD applications”的美国临时申请第62790458号的权益。上述专利申请的全部内容通过引用被并入本文，如同完全阐述一样。
技术领域
实施例涉及光学装置和方法。更具体地但非排他地，实施例涉及结合反射点的增强现实图像和/或虚拟现实光学部件。附加地或替代地，实施例涉及包括反射点的光波导。附加地或替代地，实施例涉及确定用于增强现实(AR)、头戴式显示器(HMD)和/或平视显示器(HUD)应用的光波导或其他部件中的反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合的方法。
背景
光波导是许多增强现实显示器或虚拟现实系统中的基本部件。
依赖于衍射技术的现有系统导致30％的光和图像以与佩戴者相反的方向衍射出显示器，并且部分反射系统可以反射高达20％的光和图像。需要提供改进的光波导，其防止不想要的光和图像被从显示器的相对侧引导到佩戴者，例如在夜间操作期间杂散光需要被最小化的军事应用中，或者在佩戴者的眼睛和面部表情的可见性被向外耦合的计算机生成的图像阻碍的一般增强现实应用中。
概述
本申请提出了优化光波导中每个反射点的分布和形状所需的分析和技术，使得MTF对于人眼可以处于最佳，并且衍射效应可以被显著降低。
包括反射点的前述光波导的非限制性例子在2016年7月8日提交的标题为“Optical Combiner Apparatus”的US专利申请号15/206,111(现在的US公开号US-2018-0011322-A1，公开于2018年1月11日)中被描述，并且其全部内容通过引用被并入，如同在本文中完全阐述一样。
根据第一方面，提供了一种光学组合器。光学组合器可以包括光学透明衬底和图案化区域，该图案化区域被包括在光学透明衬底中并且沿着衬底的波传播轴设置。图案化区域可以是部分光学反射的和部分光学透明的。图案化区域可以包括光学透明衬底的多个光学透明区域和相对于光学透明衬底波传播轴倾斜的多个光学反射区域。
通过在光学衬底中包括部分光学反射的和部分光学透明的图案化区域，提供了更容易制造且具有更好性能的改进的光学组合器。
根据另一方面，提供了一种增强现实光学组合器。光学组合器可以包括用于接收光学图像并通过其观看远处的现实世界场景的透明光波导衬底，以及布置在透明光波导内用于反射所接收的光学图像的多个反射元件。多个反射元件可以以这样的方式布置，使得当使用光学组合器时，接收的光学图像被反射并叠加在现实世界场景视图上，从而允许观看远处的现实世界场景，同时观看叠加在现实世界场景上的光学图像。
根据又一方面，提供了一种增强现实光学装置。增强现实光学装置可以包括头戴式显示器和被支撑在头戴式显示器上的至少一个前述光学组合器。
根据其他方面，提供了组合光线的方法。在一个方面，一种组合光线的方法包括沿着光学透明波导衬底的长度向包括在所述光学透明衬底中的图案区域传播第一光学图像光线；穿过光波导衬底的宽度透射第二光学图像光线；以及从所述图案区域的反射区域在沿着所述衬底的不同点处选择性地将所述第一光学图像光线反射出所述光学衬底；所述反射的第一光学图像光线叠加在透射出所述光学透明衬底的所述第二光学图像光线上。
第一光学图像光线可以是计算机生成的光线。第二光学图像光线可以来自远处的现实世界场景。图案区域可以是如前文阐述的图案区域。
根据一些实施例，光学组合器可以包括透明光波导衬底，用于接收包括多条光学图像光线的光学图像，并通过其观看远处的现实世界场景；其中所述透明光波导衬底包括一定体积的光学透明材料，该材料具有用于接收所述远处的现实世界场景的光线的背面、与所述背面相对的用于允许所述远处的现实世界场景的所述光线从所述透明光波导衬底出射的正面、用于接收所述光学图像的光学图像接收端或侧面、以及从所述光学图像接收侧面或端沿着所述透明光波导衬底的所述体积延伸的光学传播轴；布置在所述透明光波导衬底内的多个反射元件，用于反射所接收的光学图像；其中所述多个反射元件包括相对于光学图像波传播轴以相同角度倾斜的多个反射点，并且其中所述多个反射点垂直于光学图像传播轴横向间隔开并且沿着所述光学透明衬底的体积间隔开；所述透明光学衬底的多个横向延伸的光学透明区域，所述多个横向延伸的光学透明区域插入横向间隔开的反射点之间；多个反射点和多个横向延伸的光学透明区域横向地并沿着所述透明光学衬底的体积分布，使得未被分布在更靠近所述光学图像接收端或侧面的反射点反射的光学图像光线选择性地穿过相邻横向间隔开的反射点之间的所述横向延伸的光学透明区域，而不被反射点反射，直到它们被沿着所述光学透明衬底的所述体积设置在不同点的反射点选择性地反射得更远离所述光学图像接收端或侧面，从而所述选择性反射的光学图像光线一起形成被接收的光学图像的反射图像。
根据一些方面，提供了一种光学组合器。该光学组合器可以包括光学透明衬底；以及图案化区域，其被包括在所述光学透明衬底中，并沿着所述衬底的波传播轴设置；其中所述图案化区域是部分光学反射的和部分光学透明的；其中所述图案化区域包括所述光学透明衬底的多个光学透明区域和多个光学反射亚瞳孔点(optically reflective sub-pupildot)，所述多个光学反射亚瞳孔点相对于所述光学透明衬底的波传播轴倾斜；并且其中所述图案化区域是生长图案区域。
根据另一方面，提供了一种通过工艺构造的光学组合器。该工艺可以包括：提供光学透明衬底；以及在所述光学透明衬底中，在横穿所述衬底的波传播轴的至少一个公共平面或不同平面中结合至少一个图案化区域；其中所述图案化区域是部分光学反射的和部分光学透明的；其中在所述光学透明衬底中在设置成横穿所述衬底的波传播轴的至少一个公共平面或不同平面中结合至少一个图案化区域包括以下步骤：通过根据图案生长模型生长多个光学反射亚瞳孔点的图案来确定多个光学反射亚瞳孔点的图案，以及在所述光学透明衬底中在所述公共平面或不同平面中以根据图案生长模型生长的图案布置所述多个光学反射亚瞳孔点。
根据又一方面，提供了一种确定用于光学组合器的多个光学反射亚瞳孔点的图案的方法。该方法包括：a)根据图案生长模型在第一时间t-1提供光学反射亚瞳孔点的初始生长图案；b)在第一时间t-1对所述初始生长图案执行MTF分析；c)基于在步骤b)中执行的所述MTF分析来确定锐度(acutance)A；d)在第一时间t-1对所述初始生长图案执行FFT分析；e)基于在步骤d)中执行的所述FFT分析来确定衍射；f)在第二时间t重复步骤a)至e)；和g)根据确定的锐度A和衍射来选择在特定时间的生长图案。
根据又一方面，一种包括内容的计算机可读介质，该内容被配置成使处理器执行生长用于光学组合器的多个光学反射亚瞳孔点的图案的方法，该方法包括：a)根据图案生长模型在第一时间t-1提供光学反射亚瞳孔点的初始生长图案；b)在第一时间t-1对所述初始生长图案执行MTF分析；c)基于在步骤b)中执行的所述MTF分析来确定锐度A；d)在第一时间t-1对所述初始生长图案执行FFT分析；e)基于在步骤d)中执行的所述FFT分析来确定衍射；f)在第二时间t重复步骤a)至e)；和g)根据确定的锐度A和衍射来选择在特定时间的生长图案。
根据又一方面，一种用于生长反射点的图案的设备包括数据处理器，该数据处理器被配置为：a)根据图案生长模型在第一时间t-1提供光学反射亚瞳孔点的初始生长图案；b)在第一时间t-1对所述初始生长图案执行MTF分析；c)基于在步骤b)中执行的所述MTF分析来确定锐度A；d)在第一时间t-1对所述初始生长图案执行FFT分析；e)基于在步骤d)中执行的所述FFT分析来确定衍射；f)在第二时间t重复步骤a)至e)；和g)根据确定的锐度A和衍射来选择在特定时间的生长图案。
附图简述
为了本发明可以被更容易地理解，现在将参考附图，其中：
图1是根据实施例的示例性光学组合器的前透视图，对于该光学组合器，反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合是可配置的；
图2A是根据与图像投影仪一起使用的实施例的光学组合器的俯视图，对于该光学组合器，反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合是可配置的；
图2B是图2A的光学组合器的前视图；
图3A是根据实施例的稀疏孔径反射器(sparse aperture reflector)的前视图，对于该反射器，反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合是可配置的；
图3B是图3A的稀疏孔径反射器的侧视图；
图4A是根据实施例的稀疏孔径反射器的前视图，对于该反射器，反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合是可配置的；
图4B是图4A的稀疏孔径反射器的侧视图；
图5是大体上示出根据一个实施例的增强现实图像组合器如何组合图像的示意图；
图6是详细示出根据实施例的增强现实图像组合器如何组合图像的示意图；
图7是根据实施例的增强现实头戴式显示眼镜的前视图；
图8是根据实施例的增强现实头戴式显示头盔的前视图；
图9是根据另一实施例的示例性光学组合器的前透视图；和
图10是示出根据一个实施例的光学组合器的反射元件相对于它们被设置在其中的公共平面以不同角度倾斜的局部视图；
图11(a)是示出对于不同孔径的衍射受限MTF的曲线图，用于解释本技术的实施例的方法和装置的目的；
图11(b)示出了具有400μm孔径和10％边界的单个元件，用于解释本技术的实施例的方法和装置的目的；
图11(c)示出了图11(b)的具有400μm孔径和10％边界的单个元件的MTF与频率的关系，用于解释本技术的实施例的方法和装置的目的；
图11(d)示出了具有400μm孔径和60％边界的单个元件；
图11(e)示出了图11(d)的具有400μm孔径和60％边界的单个元件的MTF与频率的关系；
图12(a)示出了根据实施例的30μm大小的六边形的对数网格；
图12(b)示出了图12(a)的对数网格的MTF与频率的关系；
图12(c)示出了图12(a)的对数网格的衍射；
图13示出了根据一个实施例的生成亚瞳孔反射器的图案的方法；
图14示出了根据实施例的由图13的图案生成方法生成的提供高性能的分布式反射器点形状的示例图案；
图15示出了图14(稀疏孔径反射器)的反射器点的生成图案的MTF与特殊频率的关系，与人眼的MTF和空间频率的关系进行了比较；
图16通过显示整个2.5mm×2.5mm光瞳窗口的相对强度与角度的关系，示出了图14的随机元件的净衍射；
图17是示出用于图案生长的图灵扩散方程(Turing diffusion equation)的基本原理的方程式图；
图18示出了根据实施例的由图13的方法产生、通过利用图17进行修改、通过改变生产降解(production degradation)和扩散参数进行修改的生长图案反射器(grownpattern reflector)；
图19示出了图18(稀疏孔径反射器)的反射器点的生成图案的MTF与特殊频率的关系，与人眼的MTF与特殊频率的关系进行了比较；
图20通过显示反射率与角度的关系，示出了图18的随机元件的衍射；
图21示出了根据另一个实施例的由图13的方法产生、通过利用图17进行修改、通过改变生产降解和扩散参数进行修改的生长图案反射器；
图22示出了图21的反射器(稀疏孔径反射器)的反射器点的生成图案的MTF与特殊频率的关系，与人眼的MTF与特殊频率的关系进行了比较；和
图23通过显示反射率与角度的关系，示出了图21的随机元件的衍射；和
图24是计算机系统形式的机器的实施例的图解表示。
优选实施例的详细描述
在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了具体细节，例如特定实施例、过程、技术等，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说将明显的是，本发明可以在偏离这些具体细节的其他实施例中实施。
本申请中描述的技术特征可用于构建与光波导或其他部件相关的装置的各种实施例，其中反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合被配置用于增强现实(AR)、头戴式显示器(HMD)和/或平视显示器(HUD)应用。
本申请中描述的技术特征可用于构建用于配置用于增强现实(AR)、头戴式显示器(HMD)和/或平视显示器(HUD)应用的光学组合器中的反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合的方法的各种实施例。
首先将参考在2018年1月11日公布的标题为“Optical Combiner Apparatus”的US-2018-0011322-A1中描述的光波导，其全部内容通过引用被并入，如同在本文中完全阐述一样，其是包括反射点的光波导的例子，根据本技术的一些方面，反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合是可配置的。为此，现在参考附图，图1示出了根据实施例的示例性光学组合器的前视图。光学组合器100由光学透明波导衬底105形成。衬底105具有沿着波导衬底的长度延伸的波传播轴106。进入衬底105的光学接收端或侧面的光学图像光线沿着传播轴106传播通过衬底。
衬底105是透视衬底，由光波导衬底材料(例如但不限于玻璃或塑料)制成。进入衬底背面的光线150穿过衬底材料并从衬底正面射出。位于衬底一侧并透过衬底的正面看的观察者可以透过衬底材料观察到位于衬底的另一侧的对象、场景等。
图案化区域107被包含在光学透明衬底的体积中。图案化区域107是部分光学反射的和部分光学透明的。图案化区域107包括光学透明衬底105的多个光学透明区域109和相对于光学透明衬底波传播轴106倾斜的多个光学反射区域108。为了清楚起见，没有示出所有的反射区域，并且不是所有示出的反射区域108和透明区域109都标记有参考数字。在衬底的一端捕获的光学图像光线140沿着传播轴106传播，进入图案化区域107，并在沿着衬底105的不同点被倾斜的光学反射区域108选择性地反射。反射的光学图像光线142离开衬底105的正面。
为了便于说明，光线140仅被示出为直通光线(straight through rays)。存在数不清的其他光线沿着波导弹射，而不是直接穿过波导，这些没有被示出(在图2A、图2B和图6中给出了弹射光线的例子)。在一些实施例中，图案化区域107是规则的图案化区域。在一些其他实施例中，图案化区域107是不规则的图案化区域、或规则的图案化区域与不规则的图案化区域的组合。
图案化区域可以采取各种形式。在一些实施例中，图案化区域107的光学反射区域108是分布在光学透明衬底105中的多个光学反射元件，例如如图1所示，并且光学透明区域109是光学透明衬底材料105中未被多个反射元件占据的区域。在一些其他实施例中，图案化区域107是反向设计，其中光学透明区域包括多个孔径或开口，这些孔径或开口形成在衬底中所包括的反射材料层或体积中，并且光学反射区域包括光学反射材料。
在图1的光学组合器中，光学反射区域108包括作为反射点的光学反射元件。为了便于解释和可视化，在图1和其他附图中，反射点被放大并且未按比例示出。此外，不是所有的反射点都被示出。在实践中，例如典型地，在衬底中有数千个小的反射点，并且这些点足够小，以至于人眼不容易看到它们，从而它们基本上不会破坏光学组合器的透视性能。在一些实施例中，光学反射元件可以是其他类型的离散反射元件，例如反射符号、字符等，而不是反射点。
在一些实施例中，至少一些反射点中的每一个或其他元件是全反射的。在一些其他实施例中，至少一些反射点或其他反射元件中的每一个都是部分反射的。例如，至少一些反射点各自具有5-100％之间的反射率。在一些实施例中，至少一些反射元件的反射率相同。在一些实施例中，至少一些反射元件的反射率不同。
光学反射点各自由反射材料制成，例如但不限于单个反射金属层或多个反射氧化物层或其他材料。反射点材料可以通过已知的沉积技术沉积。在一些实施例中，利用包覆成型的反射层进行的注射成型以及光学3D打印可用于形成包括图案区域的光学衬底。在图1的实施例中，反射点分布在沿着衬底的长度间隔开的多个不同平面115、120、125、130中。每个平面115、120、125、130在衬底105的顶侧和底侧之间延伸，并且相对于传播轴106倾斜，如图1所示。每个平面中的反射点具有规则的图案和形状，例如图1所示的正方形点的矩形矩阵。然而，在其他实施例中，一个或更多个平面中的反射点的图案可以具有其他规则形状的矩阵或图案，或者可以具有不规则的图案。此外，如下文将更详细解释的，每个反射点或至少一些反射点的形状、大小、倾斜和/或间距可以相同或者可以彼此不同。
另外，在一些实施例中，反射点108分布在超过每个不同平面115、120、125、130延伸的衬底的体积部分中。作为示例，图1示出了反射点108分布在不同的平面115、120、125、130中，并且还占据这些平面之间的衬底的中间区域。在光学组合器的一些实施例中，反射点108不是分布在不同的平面中，而是分布在沿着波导衬底的长度间隔开的不同体积部分中。
在任何情况下，不管反射元件在不同的实施例中如何精确分布，反射元件可以形成沿着衬底105的长度间隔开的组。例如，在图1中，第一反射点组101被布置用于部分反射沿着衬底105的长度传播的光学图像光线。沿着波导进一步间隔开的后续组102、103、104的反射元件被布置用于反射未被第一组反射元件反射的光学图像光线。
围绕不同平面和/或不同体积部分分布的每组反射点以及其间的光学透明衬底间隙共同作为部分反射的独立反射器操作。图1示出了四个这样的独立反射器。然而，在其他实施例中，光学组合器可以具有任意数量的这样的反射器，范围从单个反射器到许多许多反射器。
光学组合器100是由反射元件组成的极其简单的结构，而不是由在每个反射器的整个区域上涂覆有一组复杂的反射层的反射器组成。
光学组合器作为光学图像组合器的操作非常简单，当形成图像的光线沿着波导衬底传播时，其中一些光线撞击第一反射器的反射点并被重新导向眼睛。大多数光线错过反射点，因为这些点只占据第一反射器的一小部分区域。例如，如果这些点占据了总面积的5％，那么总反射率也约为5％，并且95％的图像能量传递通过到下一个反射器，以此类推。反射点反射已经直通地传播到衬底中的光线140，但也反射经由宽的“弹射”到达并以掠射角撞击反射点的其他光线140(参见例如图2A、图2B和图6中所示的光学组合器，以了解弹射的入射光线和来自反射点的反射的例子)。
在一些实施例中，第一反射器(点组101)具有相对低的反射率(小面积的点)，并且随后的反射器具有更大的反射率(更大面积的点)，沿着波导衬底越远，反射率增大。改变点面积与光学透明间隙的比率，以获得为每个反射器选择的反射率。
在又一些实施例中，所有反射点108分布在沿着波导的长度延伸的整个衬底体积中，而不是占据不同的平面和/或不同的体积部分。在这样的实施例中，反射点108和它们之间的光学透明间隙或区域有效地形成一个延伸穿过衬底体积的连续的部分反射反射器。图9示出了根据实施例的一个这样的光学组合器900。反射点108被示出分布在衬底105的整个体积中。如已经提及的，为了便于说明，不是所有的反射点都被示出。此外，图9中所示的点的特定图案仅仅是示例点图案。反射点108仍然被布置成使得沿着连续的反射器越远，相对反射率从低到高增大。
在光学组合器的又一些其他实施例中，光学衬底是非透视衬底。
图2A和图2B分别示出了根据实施例的用于与光学图像发生器一起使用的光学组合器的俯视图和前视图。光学组合器200是玻璃或塑料的平板205(平坦的、平行的侧面)，或用于近眼显示器的其他光学透明波导。在替代实施例中，波导是弯曲的，并且面可以不一定是平行的。光学组合器200类似于光学组合器100，但是为了便于制造，每个部分反射的反射器是由反射点或其他类型的反射元件的表面图案组成的稀疏孔径反射表面。在图2A和图2B中示出有四个这样的反射器215、220、225、230的阵列，但是光学组合器200可以具有任意数量以及通常为3个和6个的这样的反射器。反射器215在阵列中具有最低的反射率，反射器220具有次低的反射率，反射器225具有次高的反射率，并且反射器240具有最高的反射率。作为示例，在一些实施例中，第一反射器215具有大约5-7％的反射率，第二反射器220具有大约10％的反射率，第三反射器225具有20％的反射率，并且第四反射器230具有大约80％的反射率。
稀疏孔径表面反射器215-230包括多个反射点(例如点108)或其他反射元件，它们形成在表面上，并且可以具有许多不同的配置。在一些实施例中，反射点或其他元件是任意形状，并且在随机位置以矩阵形式布置在表面上。反射点可以以确定性的方式或根据随机函数被定位在表面四处。
在图2A和图2B中，用于产生光学图像光线140的光源是图像投影仪265。在图2A和图2B中描绘了简化的情况，示出了如何使用棱镜270将源自投影仪265的单个光线275光学耦合到波导衬底205中。然而，其他光耦合方法也是可能的，包括直接注入波导的端部，例如如图1中所示的光线140一样。在其他实施例中，可以使用其他光学发生器来代替投影仪265，或者除了投影仪265之外，还可以使用其他光学发生器。
图3A和图3B更详细地示出了一个这样的稀疏孔径反射器表面，其分别示出了根据一个实施例的稀疏孔径反射器系统(用作图2A和图2B的光学组合器中的一个或更多个反射器215–230)的平面图和侧视图。为了便于制造，稀疏孔径反射器系统330具有在规则的XY节距(pitch)305上的反射点180或其他元件的简单矩阵350。图3A所示矩阵中的每个黑色正方形区域包含多个反射点。作为示例，每个正方形包含数百个较小的大约20微米大小的正方形。在图3A和图3B中，反射矩阵350承载在单独的光学透明衬底上，当与其他反射器组装时，该衬底形成光波导衬底205的一部分。在一些其他实施例中，反射矩阵350直接形成在波导衬底205的中间区域的表面上(参见例如图2A和图2B的中间区域245-260)。稀疏孔径反射器表面330的高度A通常是但不限于35-50mm，但将根据所期望的特定光学组合器特性而变化。稀疏孔径反射器表面的宽度B根据光学组合器中所需的反射器的数量以及根据光波导衬底的厚度来确定。反射点或其他元件的厚度T1将变化，但通常是但不限于0.1-1微米(um)。
图4A和图4B分别示出了根据另一实施例的稀疏孔径反射器系统(用作图2A和图2B的光学组合器中的一个或更多个反射器215-230)的平面图和侧视图。稀疏孔径反射器系统400在反射点或其他元件的布置和参数上不同于系统300。如图4A和图4B所示，在反射器系统的正面上图案化的反射点具有一些不同的形状。点形状是规则形状和/或随机形状。作为示例，在图4A和图4B中，第一点420具有任意形状，并且第二点415具有任意形状。反射点具有不同的分离距离。对于不同的反射点，反射点的厚度也可以变化。光学组合器的性能和成像可以通过优化各种反射器参数来控制和改善，包括但不限于以下参数：点的形状(规则或随机形状)、点特征的最小尺寸、点特征的最大尺寸、表面上的随机化程度、点反射材料的厚度、点之间的最小间距、点之间的最大间距和点占据的面积分数。在一些实施例中，至少一些反射点或其他元件具有完全或基本反射的前侧和完全或基本吸收的后侧。如图4A和图4B所示，一些反射点或元件包括埋式浮雕反射器(buried relief reflector)460和正浮雕反射器(positive relief reflector)455。
在本文描述的光学组合器的一些实施例中，光学衬底中的至少一些反射元件108等彼此以不同的角度倾斜，和/或至少一些反射元件彼此平行地倾斜。此外，在一些进一步的实施例中，一些反射元件相对于由反射元件占据的平面单独倾斜。作为示例，图10是根据一个实施例的光学组合器的局部视图，示出了反射元件(在这种情况下为矩形反射点)1002、1008相对于它们在光学衬底中所占据的公共平面1000以不同的角度倾斜。第一反射点1002相对于公共平面1000在x轴上倾斜第一角度1004，而第二反射点1008相对于公共平面在x轴上倾斜第二角度1010，第二角度1010不同于第一角度1004。此外，第一反射点1002相对于公共平面1000在Z轴上倾斜第三角度1006，而第二反射点1008相对于公共平面1000在Z轴上倾斜第四角度1012，第四角度1012不同于第三角度1006。在其他实施例中，至少一些反射元件可以在x、y、z平面(或其任意组合)上不同地或以相同的方式倾斜。
与已知的波导反射器相比，所述实施例的光学组合器具有许多优点。实施例的光学组合器对输入偏振不敏感，这与已知的组合器不同，已知的组合器在通过反射器传输方面需要仔细的偏振控制。实施例的光学组合器具有固有的宽带光学带宽，这与已知的组合器不同，已知的组合器需要仔细的设计以确保在大范围的入射角上保持反射率。实施例的光学组合器不太复杂，因为反射点或其他元件的图案可以使用单层反射材料来制造。相比之下，在已知的组合器中，每个反射器阵列将需要20到30个单独的仔细沉积的层来形成一个反射表面。与已知的组合器相比，光学组合器易于制造并且坚固(robust)，已知的组合器由于高度复杂的多层反射膜和该多层的易碎性质而难以制造。
在一些方面，光学组合器可以用于组合增强现实图像和现实世界场景。如图5所示，增强现实图像组合器515是一种光学结构，其用光学投射的计算机生成的图像510覆盖现实世界场景505，并将组合的图像中继到观察者的一只或两只眼睛500中。光学组合器515是前文参考图1-4描述的任何一个光学组合器。多个反射点以这样的方式布置，使得当使用光学组合器时，接收到的计算机生成的光学图像被反射并叠加在现实世界场景视图上。
为了更充分地说明如何在增强现实图像组合器中组合图像，参考图6，图6是根据实施例的增强现实光学组合器系统的简化示意图。该图展示了包含在波导内的光学投射的计算机图形光线如何被中继到观察者的眼睛中，以及来自现实世界场景的光线如何穿过。光学组合器600可以是前文参考图1-4描述的任何一个光学组合器。然而，为了便于解释，图6已经被大大简化，以示出三个间隔开的稀疏反射器，并且在每个稀疏反射器上仅示出四个反射点。作为示例，源自投射的图像615的引导光线620、625、630在光波导衬底的光学接收端被捕获，并被朝向观察者的眼睛605中继。具体而言，源自在波导中捕获的投射的图像615的示例引导光线620被从稀疏区域反射器n＝1 635上形成的反射元件中继离开，朝向观察者的眼睛605。此外，源自投射的图像615并在波导中被捕获的示例引导光线625穿过稀疏区域反射器635的透明区域和稀疏区域反射器n＝2 640的后续透明区域。此外，源自在波导中捕获的投射的图像615的示例引导光线630被从稀疏区域反射器n＝2上形成的反射元件中继离开，朝向观察者的眼睛605。源自真实场景的任意光线束650穿过光学组合器。
在一些方面，一个或更多个光学组合器被结合在头戴式显示器中。在一些实施例中，一对光学组合器被包括在眼镜或护目镜形状因子增强现实头戴式显示器中。图7示出了根据一个实施例的一副头戴式显示眼镜的前视图。眼镜或护目镜型头戴式显示器700具有处理模块705，该处理模块705生成计算机形成的图像用于双目观看。头戴式显示器中包括左眼光学组合器和投影系统710以及右眼光学组合器和投影系统715。每个系统710、715中的光学组合器是本文参考或不参考图1-6描述的实施例的任何一个光学组合器。光学图像投影仪265和光学耦合件270例如可以形成投影仪系统的一部分。光学机械框架(opto-mechanical frame)720牢固地保持光学部件并保持在正确的几何对准中。
在一些实施例中，形成的图像用于单目观看，并且光学组合器和投影系统710、715中只有一个被包括在头戴式显示器中。
在一些实施例中，其中结合了一个或更多个光学组合器的头戴式显示器是头盔形状因子增强现实头戴式显示器。图8示出了根据一个实施例的头戴式显示头盔的前视图。头盔头戴式显示器800具有处理模块805，其生成用于双目观看的计算机形成的图像。头戴式显示器中包括左眼光学组合器和投影系统815以及右眼光学组合器和投影系统820。每个系统815、820中的光学组合器是本文参考或不参考图1-6描述的实施例的任何一个光学组合器。光学图像投影仪265和光学耦合件270可以例如形成投影仪系统的一部分。光学机械子框架810牢固地保持光学部件并保持在正确的几何对准中。光学机械子框架810由机械坚固的头盔外壳835支撑。
在一些实施例中，形成的图像用于单目观看，并且光学组合器和投影系统815、820中只有一个被包括在头戴式显示器中。
现在将参考根据本技术的各方面，用于在图1至图10所示的和前文针对增强现实(AR)、头戴式显示器(HMD)和/或平视显示器(HUD)应用描述的实施例的光波导中配置公共平面或不同平面中的反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合的方法。现在还将参考光学组合器和/或其部件，其中反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合根据这样的方法来配置。
将会理解，用于在光波导中配置反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合的方法不限于在上面关于图1至图10描述的上述近眼光波导的实施例中配置反射点，并且在其他实施例中，该方法可以用于在其他光波导和/或光学组合器中配置反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合，但是这些其他光波导和/或光学组合器依赖于或可以使用在一个或更多个公共平面或不同平面中的图案化反射点来反射或部分地反射计算机生成的图像。此外，将会理解，其中反射点的形状、大小和分布中的任何一个或组合根据本技术的一些实施例的方法被配置的光学组合器和装置，可以是不同于上面关于图1至图10描述的近眼光波导的实施例但是依赖于或者可以使用在一个或更多个公共或不同平面中的图案化反射点来反射或部分地反射计算机生成的图像的光波导和/或光学组合器。
定义：亚瞳孔反射器/亚瞳孔大小(sub-pupil-sized)是指尺寸低于人眼的最小典型瞳孔大小，即<2mm。为了使区域成为半反射的，尺寸必须<400微米的尺寸(例如直径<400微米的圆，或边长<400微米的正方形)。光学衬底中的每个反射点形成一个光学孔径。可以使用简单的几何结构来考虑反射点的倾斜或倾角(inclination)，以从根据建模计算的孔径确定反射点的形状和尺寸。因为有多个反射点，所以有多个亚瞳孔光学孔径。因此，采用以下方法进行建模是有利的。如上文已经指出的，反射点的形状可以是规则的或不规则的形状，并且不以任何方式受限于附图中所示的形状。
在包含亚瞳孔大小的反射点的透明反射器表面上形成图像的过程需要特殊处理以最小化透视和反射图像上的衍射效应，以及仔细分析两种情况下的模量传递函数(MTF)(分辨率对比度)。
为了计算任意孔径形状的MTF，我们注意到成像系统的光学传递函数根据傅里叶变换由下式给出：
OTF＝|H(f,η)|e-is(f，η)＝MTFe-iθ(f，η) (1)
其中θ(f,η)是相位传递函数(PTF)，取决于空间频率f和取向角η——这告诉我们在像平面上每个空间频率处的细节相对于物平面上的细节在位置上偏移了多少。当像平面的轴与对称点扩散函数(symmetrical point spread function)的对称轴相同时，那么对于所有频率，PTF为零，参见C.W.a.O.Becklund,Introduction To The optical TransferFunction,SPIE,2010，其全部内容通过引用被并入，如同在本文中完全阐述一样。
冲激函数h(f,η)的傅里叶变换H(f,η)的模是MTF，见等式(2)。
冲激函数h(f,η)本身与衍射受限系统中孔径的衍射图案有关。这意味着快速傅里叶变换(或FFT)也可以被用来确定PSF：
h(f，η)＝[FFT|P(x，y)|]2 (2)
其中P(x,y)是孔径函数。绝对平方意味着H(f,η)的运算不会撤销孔径函数的FFT。总之：MTF是由PSF的傅里叶变换给出的。PSF是光瞳函数的傅里叶变换的绝对值的平方，见等式(2)——即衍射受限OTF是衍射孔径P(x,y)的2D自相关。
因此，傅里叶变换方法允许我们计算我们定义的任何任意光瞳函数的MTF。在图11(a)中示出了来自G.Boreman,Modulation Transfer Function in Optical and Electro-Optical Systems,SPIE,2001的案例研究，其全部内容通过引用被并入，如同在本文中完全阐述一样，图11(a)是对于不同孔径的衍射受限MTF(Y轴表示MTF的百分数，并且x轴表示空间频率)，其中示出了小范围的简单孔径——感兴趣的圆形孔径、正方形孔径和被遮蔽的圆形孔径，边长为a的正方形孔径显示为在直径为a的圆形孔径的MTF上方的y＝-x线。通过检查可以看出，正方形包含更大的面积，因此对更多的空间频率开放，这些空间频率加起来提供了更平坦的MTF响应。面积与该正方形相同的圆将简单地具有更高的截止频率(因为a将增大)，但仍呈现相同的滚降曲线。
为了在数学软件包例如
Figure GDA0004136995040000171
中建模，我们从模型空间开始，并定义表示每个空间点的像素采样率(分辨率)——例如每微米10个像素。标度(scaling)：MTF的截止频率可从下式导出：
Figure GDA0004136995040000172
其中，对于人眼的EFL(～24.2mm)和孔径阵列的直径D，F/#＝EFL/D——对于MTF标度，波长以mm表示(以提供lp/mm)，并且其中EFL＝有效焦距(上面给出为约24.2mm)。
对于衍射平面，如果FFT阵列在一个方向上包含N个像素，那么频率跨度为±N/2(根据奈奎斯特定理，这是频谱的基础)。因此，空间频率标度是：
Figure GDA0004136995040000173
需要注意的一点是，由于位移了距离EFL，衍射图案的空间尺寸将与原始孔径/图像的标度不同。空间范围是等式(4)的倒数，由下式给出：
Figure GDA0004136995040000174
空间步长由下式设定大小：
Figure GDA0004136995040000175
角度标度很容易通过下式获得：
Figure GDA0004136995040000176
对于MTF，我们还可以通过下式进行lp/mm(LPS每mm)到lp/°的转换：
Figure GDA0004136995040000181
其中x是观看宽度的物理范围，并且θ是对着眼睛的角度。这在与人眼的角度分辨率性能进行比较时有用。
对于FFT的计算，重要的是提供与最大的元件大小成比例的填充边界。如果不这样做，会导致低于截止频率的错误细节，如以下图11(b)-图11(e)所表明的：
图11(b)示出了根据实施例的具有400μm孔径和10％边界的单个元件，该实施例是针对图11(a)中的理论结果的测试特征——具有a/2遮蔽的孔径。图11(c)示出了图11(b)的具有400μm孔径和10％边界的单个元件的MTF与频率的关系。图11(b)和图11(c)显示了具有不充分的阵列填充的孔径在截止频率以下产生错误的MTF细节的情况。
图11(d)示出了根据实施例的具有400μm孔径和60％边界的单个元件。图11(e)说明了图11(d)的具有400um和60％孔径的单个元件的MTF与频率的关系。图11(d)和图11(e)显示了具有合适的阵列填充的孔径在截止频率以下产生正确的MTF轮廓的情况，与图11(a)的理论曲线一致。
因此，增加FFT边界填充>60％的效果导致与图11(a)中具有a/2遮蔽的孔径一致的MTF轮廓。
然后，我们可以扩展该分析，以考虑不同的形状和布置对MTF和衍射的影响，例如非均匀分布的六边形反射器：图12(a)示出了根据实施例的30um大小的六边形的对数网格。该网格具有14.4866％的反射率和157个元件。图12(b)示出了图12(a)的对数网格的MTF与频率的关系。图12(c)示出了图12(a)的对数网格的衍射。
已经确定了以下问题。至少一些实施例允许图像被亚眼睛瞳孔大小的(sub-eye-pupil-sized)反射区域朝向人眼重定向，由于这种尺寸限制，它需要反射区域的仔细分布，以便最小化伪影(artefact)，例如MTF和图像强度的衍射和退化。
已经提供了技术方案。迄今为止，还没有已知的在近眼显示器中使用亚瞳孔大小的反射点/形状的图案来产生用于成像的反射表面的尝试。本申请涵盖了要解决的新图案成形技术。额外的新颖性来自锐度在显示器上的应用，锐度是一种用于基于MTF确定相机系统中的主观图像清晰度(sharpness)的度量。
MTF优化始于理解使用如此小的反射元件在MTF上的后果，如等式(3)中的截止频率所证明的。对于2-3mm的瞳孔直径，人眼通常能够大概分辨高达30周期/θ的角频率(参见A.Guirao等人，“Average Optical Performance of the Human Eye as a Function ofAge in a Normal Population”，pp203-213，OKS，1999年1月，第40卷，第1号，其全部内容通过引用被并入，如同在本文中完全阐述一样)(对应于1弧分的细节)，但是峰值在8周期/θ处。这表明19lp/mm的峰值和71lp/mm处的截止。
等式(3)表明，对于反映计算机生成的图像的全部细节，不大于0.5mm的亚瞳孔反射器大小将是足够的。然而，投影仪显示器本身基本上在分辨率上更受限制。具有偏振光学器件和准直镜(本领域众所周知)的传统LCOS投影仪设计通常可以最多达到9lp/θ——这主要是由于光学和光学机械的限制，而不是仅由于显示面板分辨率。
然后，通过计算锐度，可以改进优化以更贴近人眼响应。这是人眼感知到的图像相对于其亮度的清晰度(参见C.W.a.O.Becklund，Introduction To The optical TransferFunction,SPIE,2010，其全文并入本文，以及由
Figure GDA0004136995040000192
在http://www.imatest.com/docs/sqf/发表的Documentation-Current v5.2,Acutance and SQF(Subjective QualityFactor)，其全文并入本文)。
这个相对新的度量被用于相机成像系统，以将透镜性能与人眼进行比较，因此这是该度量在显示成像以及HMD方面的新应用，迄今为止的首次应用。
Figure GDA0004136995040000191
其中，CSF(f)是人眼的对比敏感度函数，f是所考虑的频率范围的上边界(单位，周期/θ)——眼睛支持的最大频率或反射孔径的最大频率，以较高者为准。
衍射的最小化
我们从衍射曲线中注意到，从原点向外积分，同时逐段乘以当前径向坐标r，给出了衍射曲线的模量下的加权面积，使得外边缘处存在的能量(光)越多，积分的结果值就越高。这形成了一种数值度量的基础，通过这种度量，衍射可以被最小化——在所有光能量都不被衍射的理想情况下，光将在原点，其中r＝0，因此衍射被积分式产生0。
Figure GDA0004136995040000201
/>
用于亚瞳孔反射器的最佳图案
表明的是，当光瞳采样区域内没有两个相同的点源时，衍射被最小化。还表明，当反射点越大时，MTF越高。因此，可能创建形状和分布是非周期性的一系列形状，同时允许给定的长度。
如果图案生成允许除了随机位置之外添加随机点，人们可以发现分布式反射器形状，例如下面提供非常高性能的那些：图14示出了根据实施例的提供高性能的分布式反射器点形状的示例图案，其由允许除了随机位置之外添加随机点的图13的图案生成方法生成。该图案包括随机分布的100um-400um大小的随机多边形。网格的反射率为30％，并且有80个元件(多边形)。图15示出了图14(稀疏孔径反射器)的反射器点的所生成图案的MTF与特殊频率的关系，与人眼的MTF与特殊频率的关系进行了比较。图16通过显示反射率与角度的关系，示出了图14的随机元件的衍射。
对于优化策略，我们还注意到两个众所周知的心理视觉原理：
亮度的变化比颜色的变化更重要：人类视网膜包含约1.2亿个对亮度敏感的视杆细胞，但只有约600万个对颜色敏感的视锥细胞。低频变化比高频变化更重要。人眼擅长判断低频光变化，比如对象的边缘。它在判断高频光变化方面不太准确，比如繁杂(busy)图案或纹理中的细微细节。伪装之所以有效，部分原因是高频图案破坏了被伪装对象的低频边缘。这建议了基于以下内容的额外策略：
1.准连续的反射器形状(根据图灵生长模型)；
2.具有针对特定颜色和角度而优化的反射涂层(电介质)使得获得更大的净反射面积的部分反射分布。
在一些实施例中，最有用的方法是应用图灵反应扩散模型，以允许伪随机环境中的图案“生长”。它以艾伦·图灵(Alan Turing)的名字命名，并且最初用于以数学方式描述诸如动物伪装的图案形成。图13示出了根据一个实施例的优化图案生长的这样一种方法，该方法可用于生成亚瞳孔反射器的图案。一旦初始提供了生长图案1301(作为非限制性示例，图14或18给出了用以生长图案的分布的示例起点)，第一过程1302和第二过程1305都继续。在一些实施例中，第一过程和第二过程串联执行，但是在其他实施例中可以并行执行。分别为过程1302和1305提供单独的输出和计算。过程1302包括在步骤1303中执行MTF分析。此后，过程1302包括在步骤1304中计算锐度A(见等式9)。如果在步骤1304中计算出的锐度At大于当前最高值At-1(见步骤1308)，则图案可以被保持是可能的(见步骤1310)。否则，如果计算出的锐度At不大于At-1(见步骤1308)，则第一过程返回到提供生长图案的步骤1301，并且该过程再次开始。第二过程1305包括在步骤1306中执行FFT分析(见等式10)。此后，过程1305进一步包括计算衍射D(r)。在一些实施例中，这可以是经积分的衍射和/或径向加权(见步骤1307)。如果在步骤1307中计算出的D(r)小于当前最低值Dt-1(见步骤1309)，则保持/选择在步骤1301中提供的生长图案，以用作光学组合器中的反射点的图案(假设第一过程1302也产生可以保持相同的图案的确定(见步骤1304、1308、1310))，否则如果计算出的衍射Dt不小于Dt-1(见步骤1309)，则第二过程返回到提供生长图案的步骤1301，然后该过程再次开始。这里t是现在时间，t-1是以前时间。因此，当At大于At-1且Dt小于Dt-1时，选择用于与光学组合器一起使用的生长图案。与现有的光学组合器相比，具有根据所选择的生长图案布置的反射点的光学组合器减少了伪影，例如MTF和图像强度的衍射和退化。
生长图案化反射器(图灵扩散算法)
现在将更详细地参考根据本技术的一些方法可以采用的反应-扩散建模过程，以生长用于制造生长图案反射器的反射点的图案。
一个基本的解释可以在Kestrels and Cerevisiae，来自Kele W.Cable的Histories of Science，在2010年12月1日发表的Alan Turing’s Reacti on-DiffusionModel-Simplification of the Complex(https://phylogenous.wordpress.com/2010/12/01/alan-turings-reaction-diffusion-model-simplificatio n-of-the-complex/)中找到，其全部内容通过引用被并入，如同在本文中完全阐述一样——一系列不同的不对称图案可以以受控的方式生长。不对称性被用来减少衍射效应。图17是示出根据实施例的取自Kestrels and Cer evisiae的用于图案生长的图灵扩散方程的基本原理的方程式图。
图17概述了产生用于图案形成的反应-扩散过程的原理数学关系，最初由艾伦·图灵在他1952年的论文“The chemical basis of morphogenesi s”中定义(见文章:Thechemical basis of morphogenesis，Alan Mathiso n Turing，出版日期：1952年8月14日https://doi.org/10.1098/rstb.1952.0012，第237卷，第641期，由:Royal Society出版，其全部内容通过引用被并入，如同在本文中完全阐述一样)。这是一个双组分反应-扩散系统，其中两种均匀分布的反应性化合物(称为“形态发生素(morphogen)”)u和v占据一定的空间(在我们的例子中，瞳孔大小的区域作为示例)。两种形态发生素都可以从组织中最初产生它们的地方分散开(spread away)(或“扩散”)(我们以随机分布的方式开始该过程)。一种形态发生素u缓慢地扩散，并在附近部位用作发育的激活剂。第二种形态发生素v是第一种形态发生素的抑制剂，并且从其起源处更快速地分散，因此作用范围更广。正是这两种形态发生素的相互作用(或“反应”)允许在发育过程中自主生成空间图案。分散速率由分别用于激活剂和抑制剂的扩散系数Du和Dv以及拉普拉斯空间算子△u和△v决定。反应包括由F(uv)和G(u,v)控制的生产以及由duu和dvv控制的降解。我们得到了非线性动态系统的F(u,v)和G(u,v)(参见Physica A:Statistical Mechanics and its Applications第419卷，2015年2月1日，第487-497页，Pattern formation and Turing instability in anactivator-inhibitor system with power-law coupling,F.A.dos S.Silva R.L.VianaS.R.Lopes,https://doi.org/10.1016/j.physa.2014.09.059,Elsevier，其全部内容通过引用被并入，如同在本文中完全阐述一样)：
Figure GDA0004136995040000232
其中ρu和ρv分别是激活剂和抑制剂的生产率。替代的反应-扩散生长模型的例子可以在例如Hearn DJ(2019)Turing-like mechanism in a stochastic reaction-diffusion model recreates three dimensional vascular patterning of plantstems.PLoS ONE 14(7):e0219055.https://doi.org/10.1371/journal.pone.0219055中找到，其全部内容通过引用被并入，如同在本文中完全阐述一样，其也产生类似的图案。
在一些其他实施例中，可以采用其他的反应-扩散模型。此外，在其他实施例中可以采用其他类型的生长图案。
图18至图23示出了使用图13的方法产生、通过利用图17进行修改、通过改变生产降解和扩散参数进行修改的生长图案反射器的示例。图18示出了反射率为29％的生长图案反射器。图19示出了图18(稀疏孔径反射器)的反射器点的所生成图案的MTF与特殊频率的关系，与人眼的MTF与特殊频率的关系进行了比较。图20通过显示反射率与角度的关系，示出了图18的随机元件的衍射。图21示出了反射率为44％的生长图案反射器。图22示出了图21的反射器(稀疏孔径反射器)的反射器点的所生成图案的MTF与特殊频率的关系，与人眼的MTF与特殊频率的关系进行了比较。图23通过显示反射率与角度的关系，示出了图21的随机元件的衍射。对比图22和图19的MTF曲线，我们看到MTF响应对净反射率的敏感度远低于具有简单几何形状的情况下的敏感度，这表明了这种不对称丝状图案化的实用性。
虽然基于上述图灵反应扩散模型(以及还有实施例的其他反应扩散模型)的生长模型具有至少2种用于反应的化合物(u，v)，但在其他实施例中，可能存在多于2种化合物，例如但不限于3种和4种化合物用于对产生图案的反应进行建模。
在本技术的其他方面，反射点的图案是通过利用图案生长模型来提供的，该图案生长模型不一定是反应扩散模型的图灵反应模型。在一些实施例中，图案生长模型基于反应扩散建模过程。在一些实施例中，反应扩散模型过程从随机种子开始，使用经验发现的特定范围内的降解和扩散参数的随机数来给出特定聚类。作为非限制性示例，图14或图18给出了用于生长反射点的图案的分布的示例起点。在一些实施例中，扩散参数是固定的，并且在一些其他实施例中，扩散参数从头至尾迭代。在一些实施例中，生产和降解系数随机地变化百分之几，以提供催化剂或群体(population)。图13示出了根据一些实施例的优化图案生长的方法，该方法可用于生成亚瞳孔反射器点的图案，并且该方法利用反应扩散建模过程，例如但不限于图17所示的反应扩散过程。
根据本技术的方面，根据依据本文参考图11至图23描述的任意一个或更多个实施例的用于生成反射点的图案的方法，确定光学组合器或光波导中的反射点的图案。
在一些实施例中，根据依据本文参考图11至图23描述的任何一个或更多个实施例的用于生成反射点的图案的方法，确定本文参考图1至图10描述的光波导或系统100、200、300、400、600、700和800的任何一个或更多个实施例的公共平面或不同平面中的反射点的图案。
例如，在一些实施例中，图2的光学组合器200的稀疏孔径反射器215、220、225、230中的任何一个或更多个的反射点108的图案根据依据本文参考图11至图23描述的实施例的用于生成反射点的图案的方法中的任何一种或更多种来确定。在一些实施例中，稀疏孔径反射器215、220、225、230中的一个或更多个是生长图案反射器，由此根据这里描述的生长图案的方法的任何一个实施例(包括参考图13描述的实施例，该实施例通过利用图17进行修改，通过改变生产降解和扩散参数进行修改)来确定反射器点的图案。
此外，作为示例，在一些实施例中，图3的稀疏孔径反射器330的反射点的图案是根据依据本文参考图11至图23描述的实施例的用于生成反射点的图案的方法中的任何一种或更多种来确定的。在一些实施例中，一个或更多个稀疏孔径反射器330是生长图案反射器，由此根据本文描述的生长图案的方法的任何一个实施例(包括参考图13描述的实施例，该实施例通过利用图17进行修改，通过改变生产降解和扩散参数进行修改)来确定反射器点的图案。作为示例，图3A中示出的每个黑色正方形可以对应于以图案布置的多个反射点，该图案对应于根据这里阐述的生长反射点的图案的方法中的任何一种来提供的生长图案。例如，图3A所示的每个黑色正方形可以是根据生长图案(例如但不限于图18或图21所示的生长图案网格)布置的多个反射点。
此外，进一步作为示例，在一些实施例中，根据依据本文参考图11至图23描述的实施例的用于生成反射点的图案的方法中的任何一种或更多种，确定光学组合器100的不同平面115、120、125、130中的任何一个或更多个平面中的反射点108的图案。在一些实施例中，光学组合器100的公共平面或不同平面115、120、125、130中的任何一个或更多个中的反射点108的图案是根据本文描述的生长图案的方法中的任何一种或更多种(包括参考图13描述的实施例，通过利用图17进行修改，通过改变生产降解和扩散参数进行修改)确定的生长图案。
此外，在一些实施例中，光学组合器的任何一个或更多个不同平面(包括图10的不同平面1000)中的反射点的图案是根据依据本文参考图11至图23描述的实施例的用于生成反射点的图案的方法中的任何一种或更多种来确定的。在一些实施例中，任何一个或更多个公共平面或不同平面(包括不同平面1000)中的反射点108的图案是根据这里描述的生长图案的方法中的任何一种或更多种(包括参考图13描述的实施例，通过利用图17进行修改，通过改变生产降解和扩散参数进行修改)确定的生长图案。
根据本技术的一些方面，在光学衬底中以生长图案布置反射点的任何一种方法都可以用于针对光学组合器的进一步优化策略。
对于光波导，需要相对于彼此保持构成图像的光线角度，为此，反射平面，即包含图案的平面，需要彼此平行。为了制造方便，它们被限制为一系列不同的平行平面，但是只要每个反射元件彼此平行，它们就可以分布在任何地方，受到优化(作为示例，参见图9)。
根据其他方面，这里公开的实施例的任何光学组合器都是通过一种工艺构造的，在该工艺中，光学反射亚瞳孔点以对应于由任何一种前述图案生长模型生长的图案的图案布置。上面参考图3A、图3B以及图4A和图4B阐述了构造光学组合器的非限制性示例。
至少一些实施例的独特特征允许具有小反射特征(点)的波导成像，所述小反射特征(点)可以具有吸收涂层或抗反射涂层以抑制二次图像形成，其中在较高入射角下，传统的介电涂层会出现困难和伪影。
用于确定最佳反射器配置的新技术，大大提高了成像分辨率(MTF)以更适合人类视觉，并减少了衍射效应。
图24是计算机系统4401形式的机器的实施例的图解表示，在该计算机系统4401内，一组指令用于使机器执行这里讨论的任何一种或更多种方法，包括在执行这里描述的任何一个过程或过程的组合中使用的计算机实现的方法步骤，包括但不限于根据这里描述或设想的任何一个图案生长模型确定多个反射点的图案的任何一种方法。在各种示例实施例中，机器作为独立设备操作，可以连接(例如，联网)到其他机器，或者集成在头戴式显示器或平视显示器本身中。在网络化部署中，机器可以在服务器-客户端网络环境中以服务器或客户端机器的身份操作，或者可以在对等(或分布式)网络环境中作为对等机器操作。机器可以是机器人施工标记设备(robotic construction marking device)、基站、个人计算机(PC)、平板电脑PC、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、便携式音乐播放器(例如便携式硬盘驱动器音频设备，例如动态影像专家组音频层3(MP3)播放器)、web设备、网络路由器、交换机或网桥、或者能够执行指定该机器要采取的动作的一组指令(顺序的或其他方式)的任何机器。此外，虽然仅说明了单个机器，但是术语“机器”也应当被理解为包括单独地或联合地执行一组(或多组)指令以执行本文讨论的任何一种或更多种方法的任何机器集合。
计算机系统4401的实施例包括处理器或多个处理器4405(例如，中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或两者)以及主存储器4410和静态存储器4415，它们通过总线4420与彼此通信。计算机系统4401可以进一步包括视频显示器4435(例如，液晶显示器(LCD))。计算机系统4401还可以包括字母数字输入设备4430(例如，键盘)、光标控制设备(例如，鼠标)、语音识别或生物统计验证单元(未示出)、驱动单元4437(也称为磁盘驱动单元)、信号生成设备4440(例如，扬声器)和网络接口设备4445。计算机系统4401可以进一步包括数据加密模块(未示出)，用于加密数据。
驱动单元4437包括计算机或机器可读介质4450，其上存储了体现或利用本文描述的任何一种或更多种方法或功能的一组或更多组指令和数据结构(例如，指令4455)。指令4455也可以在由计算机系统4401执行期间完全或至少部分地驻留在主存储器4410和/或处理器4405内。主存储器4410和处理器4405也可以构成机器可读介质。
还可以利用多种众所周知的传输协议(例如，超文本传输协议(HTTP))中的任何一种经由网络接口设备4445在网络上发送或接收指令4455。虽然机器可读介质4450在示例实施例中被示为单个介质，但是术语“计算机可读介质”应当被理解为包括存储一组或更多组指令的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓存和服务器)。术语“计算机可读介质”还应被理解为包括能够存储、编码或携带由机器执行并使机器执行本申请的任何一种或更多种方法的一组指令的任何介质，或者能够存储、编码或携带由这样一组指令使用或与这样一组指令相关联的数据结构的任何介质。因此，术语“计算机可读介质”应被理解为包括但不限于固态存储器、光和磁介质以及载波信号。这种介质还可以包括但不限于硬盘、软盘、闪存卡、数字视频盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。本文描述的示例实施例可以在包括安装在计算机上的软件的操作环境中、在硬件中、或在软件和硬件的组合中实现。
并非计算机系统4401的所有部件都是必需的，因此如果不需要，计算机系统4401的部分可以被移除，例如输入/输出(I/O)设备(例如，输入设备4430)。本领域技术人员将认识到，互联网服务可以被配置为向耦合到互联网服务的一个或更多个计算设备提供互联网接入，并且这些计算设备可以包括一个或更多个处理器、总线、存储器设备、显示设备、输入/输出设备等。此外，本领域的技术人员可以理解，互联网服务可以耦合到一个或更多个数据库、储存库、服务器等，这些可以被使用以便实现本文描述的本公开的任何实施例。
如本文所用，术语“模块”还可以指专用集成电路(“ASIC”)、电子电路、执行一个或更多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或处理器组)、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其他合适部件中的任何一种。
所附权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合如具体要求保护的其他要求保护的元件来执行功能的任何结构、材料或动作。出于说明和描述的目的，已经呈现了本技术的描述，但是本技术的描述并不旨在穷尽或局限于所公开形式的本技术。在不脱离本技术的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是明显的。选择和描述示例性实施例是为了最好地解释本技术的原理及其实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解本技术以获得具有适合于所设想的特定用途的各种修改的各种实施例。
以上参考根据本技术的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本技术的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或用于生产机器的其他可编程数据处理装置的处理器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现在流程图和/或框图的一个或更多个框中指定的功能/动作的装置。
这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，这些指令可以指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现在流程图和/或框图的一个或更多个框中指定的功能/动作的指令的制品。
计算机程序指令也可以加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他设备上，以使在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实现在流程图和/或框图的一个或更多个框中指定的功能/动作的过程。
图中的框图示出了根据本公开的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，框图可以表示模块、代码段或代码部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应当注意，在一些替代实现中，框中提到的功能可以不按图中提到的顺序进行。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意到，框图和/或流程图中的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者由专用硬件和计算机指令的组合来实现。
在整个这个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意味着关于该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“根据一个实施例”(或具有类似含义的其他短语)在整个这个说明书各处的出现不一定都指同一实施例。此外，特定特征、结构、或特性可以在一个或更多个实施例中以任何适当的方式被组合。此外，根据本文讨论的上下文，单数术语可以包括其复数形式，并且复数术语可以包括其单数形式。类似地，连字符术语(例如，“按-需”)可以偶尔与其非连字符版本(例如，“按需”)互换使用，大写条目(例如，“软件(Software)”)可以与其非大写版本(例如，“软件(software)”)互换使用，复数术语可以用或不用撇号表示(例如，PE's或PEs)，以及斜体术语(例如，“N+1”)可以与其非斜体版本(例如，“N+1”)互换使用。这种偶尔的互换使用不应被视为相互不一致。
此外，一些实施例可以用“用于”执行任务或一组任务“的装置”来描述。应该理解的是，“用于......的装置(means for)”在本文可以用结构(例如处理器、存储器、诸如相机的I/O设备或其组合)来表达。替代地，“用于......的装置”可以包括描述功能或方法步骤的算法，而在其他实施例中，“用于......的装置”用数学公式、文字(prose)来表达，或被表达为流程图或信号图。
本文使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例的目的，而并不旨在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文清楚地另外指出，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在也包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
如果任何公开通过引用被并入本文，并且这种并入的公开与本公开部分地和/或全部冲突，则在冲突的范围内、和/或更广泛的公开、和/或更广泛的术语定义，以本公开为准。如果这种并入的公开部分地和/或全部相互冲突，则在冲突的范围内，以较晚日期的公开为准。
此处使用的术语可能意味着直接或间接、全部或部分、暂时或永久、立即或延迟、同步或异步、行动或不行动。例如，当一个元件被称为在另一个元件“上”、“连接”或“耦合”到另一个元件时，则该元件可以直接在另一个元件上、连接或耦合到另一个元件，和/或可以存在中间元件，包括间接和/或直接变型。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。这里的描述是说明性的，而不是限制性的。通过阅读本公开，本技术的许多变化对于本领域技术人员来说将变得明显。
在本文提及的所有出版物(包括下面列出的那些)、专利和专利申请通过引用以其整体被并入，如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指示为通过引用以其整体被并入。
参考文献
[1]C.W.a.O.Becklund,Introduction To The optical Transfer Function,SPIE,2010。
[2]J.Goodman,Introduction To Fourier Optics,Roberts&CompanyPublishers,2005。
[3]G.Boreman,Modulation Transfer Function in Optical and Electro-Optical Systems,SPIE,2001。
[4]A.Guirao等人，“Average Optical Performance of the Human Eye asaFunction of Age in a Normal Population”，pp203-213，OKS，1999年1月，第40卷，第1期。
[5]Carl Zeiss,Camera Lens Division,2008年12月，H.H.Nasse的How to ReadMTF Curves,http://kurtmunger.com/sitebuildercontent/sitebui lderfiles/zeissmtfcurves1.pdf。
[6]当前版本5.2，Acutance and SQF(Subjective Quality Factor)，由
Figure GDA0004136995040000311
在http://www.imatest.com/docs/sqf/出版。
[7]Kestrels and Cerevisiae,来自Kele W.Cable的Histories of Science,Alan Turing’s Reaction-Diffusion Model-Simplification of the Complex，发表于2010年12月1日，https://phylogenous.wordpress.com/2010/12/01/alan-turings-reaction-diffusion-model-simplification-of-the-complex/)。
[8]The chemical basis of morphogenesis,Alan Mathison Turing，出版于：1952年8月14日https://doi.org/10.1098/rstb.1952.0012，第237卷，第641期，出版物：Royal Society。
[9]Physica A:Statistical Mechanics and its Applications第419卷，2015年2月1日，第487-497页，Pattern formation and Turing instability in an activator-inhibitor system with power-law coupling,F.A.dos S.SilvaR.L.Viana S.R.Lopes，https://doi.org/10.1016/j.physa.2014.09.059,Elsevier,https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378437114008358。
[10]Hearn DJ(2019)Turing-like mechanism in a stochastic reaction-diffusion model recreates three dimensional vascular patterning of plantstems,PLoS ONE 14(7):e0219055.https://doi.org/10.1371/journal.pone.0219055或https://journals.plos.org/plosone/article？id＝10.1371/journal.pone.0219055#sec001。

Claims (27)

1.一种光学组合器，包括：
光学透明衬底；和
图案化区域，其被包括在所述光学透明衬底中，并且沿着所述衬底的波传播轴设置；
其中，所述图案化区域是部分光学反射的和部分光学透明的；
其中，所述图案化区域包括所述光学透明衬底的多个光学透明区域和多个光学反射亚瞳孔点，所述多个光学反射亚瞳孔点相对于所述光学透明衬底的波传播轴倾斜；并且
其中，所述图案化区域是生长图案区域；
其中，所述生长图案区域根据反应扩散生长模型来确定。
2.根据权利要求1所述的光学组合器，其中，所述反应扩散生长模型包括图灵反应扩散生长模型。
3.根据权利要求1所述的光学组合器，其中，所述光学透明衬底包括光波导衬底。
4.根据权利要求3所述的光学组合器，其中，所述光学透明衬底包括近眼光波导衬底。
5.一种通过工艺构造的光学组合器，所述工艺包括：
提供光学透明衬底；和
在所述光学透明衬底中，在横穿所述衬底的波传播轴的至少一个公共平面或不同平面中结合至少一个图案化区域；其中，所述图案化区域是部分光学反射的和部分光学透明的；
其中，在所述光学透明衬底中在设置成横穿所述衬底的波传播轴的所述至少一个公共平面或不同平面中结合所述至少一个图案化区域包括以下步骤：
通过根据图案生长模型生长多个光学反射亚瞳孔点的图案来确定所述多个光学反射亚瞳孔点的图案，以及
在所述光学透明衬底中，在所述公共平面或不同平面中以根据所述图案生长模型生长的所述图案来布置所述多个光学反射亚瞳孔点。
6.根据权利要求5所述的光学组合器，其中
通过根据图案生长模型生长多个光学反射亚瞳孔点的图案来确定所述多个光学反射亚瞳孔点的图案的步骤包括：通过根据反应扩散生长模型生长所述多个光学反射亚瞳孔点的图案来确定所述多个光学反射亚瞳孔点的图案。
7.根据权利要求6所述的光学组合器，其中
通过根据反应扩散生长模型生长所述多个光学反射亚瞳孔点的图案来确定所述多个光学反射亚瞳孔点的图案的步骤包括：通过根据图灵反应扩散生长模型生长所述多个光学反射亚瞳孔点的图案来确定所述多个光学反射亚瞳孔点的图案。
8.根据权利要求5所述的光学组合器，其中，提供光学透明衬底包括提供光学上为近眼光波导衬底的光波导衬底。
9.根据权利要求5所述的光学组合器，其中
通过根据图案生长模型生长多个光学反射亚瞳孔点的图案来确定所述多个光学反射亚瞳孔点的图案的步骤包括：
a)根据图案生长模型在第一时间t-1提供光学反射亚瞳孔点的初始生长图案；
b)在所述第一时间t-1对所述初始生长图案执行MTF分析；
c)基于在步骤b)中执行的所述MTF分析来确定锐度A；
d)在所述第一时间t-1对所述初始生长图案执行FFT分析；
e)基于在步骤d)中执行的所述FFT分析来确定衍射；
f)在第二时间t重复步骤a)至e)；和
g)根据所确定的锐度A和衍射来选择在特定时间的生长图案。
10.根据权利要求9所述的光学组合器，
其中，所述图案生长模型包括反应扩散生长模型；并且其中
基于在步骤d)中执行的所述FFT分析来确定衍射的步骤包括基于在步骤d)中执行的所述FFT分析对径向加权的衍射进行积分。
11.根据权利要求10所述的光学组合器，其中
根据所确定的锐度A和衍射来选择在特定时间的生长图案的步骤(g)包括：
如果在所述第二时间t确定的锐度A大于在先前的第一时间t-1的锐度A，并且如果在当前第二时间t的积分的衍射小于在先前的第一时间t-1的积分的衍射，则选择在当前第二时间t获得的生长图案。
12.根据权利要求11所述的光学组合器，其中
根据所确定的锐度A和衍射来选择在当前第二时间t的生长图案的步骤(g)进一步包括：
如果在当前第二时间t确定的锐度A不大于在先前的第一时间t-1的锐度A，并且如果在当前第二时间t的积分的衍射不小于在先前的第一时间t-1的积分的衍射，则重复步骤(a)至(f)，直到在当前第二时间t确定的锐度A大于在先前的第一时间t-1的锐度A且在当前第二时间t的积分的衍射小于在先前的第一时间t-1的积分的衍射。
13.根据权利要求12所述的光学组合器，其中，所述反应扩散生长模型是图灵反应扩散生长模型。
14.一种确定用于光学组合器的多个光学反射亚瞳孔点的图案的方法，所述方法包括在计算机中：
a)根据图案生长模型在第一时间t-1提供光学反射亚瞳孔点的初始生长图案；
b)在所述第一时间t-1对所述初始生长图案执行MTF分析；
c)基于在步骤b)中执行的所述MTF分析来确定锐度A；
d)在所述第一时间t-1对所述初始生长图案执行FFT分析；
e)基于在步骤d)中执行的所述FFT分析来确定衍射；
f)在第二时间t重复步骤a)至e)；和
g)根据所确定的锐度A和衍射来选择在特定时间的生长图案。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述图案生长模型包括反应扩散生长模型。
16.根据权利要求15所述的方法，其中
基于在步骤d)中执行的所述FFT分析来确定衍射的步骤包括基于在步骤d)中执行的所述FFT分析对径向加权的衍射进行积分。
17.根据权利要求16所述的方法，其中
根据所确定的锐度A和衍射来选择在特定时间的生长图案的步骤(g)包括：
如果在所述第二时间t确定的锐度A大于在先前的第一时间t-1的锐度A，并且如果在当前第二时间t的积分的衍射小于在先前的第一时间t-1的积分的衍射，则选择在当前第二时间t获得的生长图案。
18.根据权利要求17所述的方法，其中
根据所确定的锐度A和衍射来选择在当前第二时间t的生长图案的步骤(g)进一步包括：
如果在当前第二时间t确定的锐度A不大于在先前的第一时间t-1的锐度A，并且如果在当前第二时间t的积分的衍射不小于在先前的第一时间t-1的积分的衍射，则重复步骤(a)至(f)，直到在当前第二时间t确定的锐度A大于在先前的第一时间t-1的锐度A且在当前第二时间t的积分的衍射小于在先前的第一时间t-1的积分的衍射。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述反应扩散生长模型是图灵反应扩散生长模型。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述图案生长模型包括随机生成的图案生长模型。
21.一种包括内容的计算机可读介质，所述内容被配置成使处理器执行一种生长用于光学组合器的多个光学反射亚瞳孔点的图案的方法，所述方法包括：
a)根据图案生长模型在第一时间t-1提供光学反射亚瞳孔点的初始生长图案；
b)在所述第一时间t-1对所述初始生长图案执行MTF分析；
c)基于在步骤b)中执行的所述MTF分析来确定锐度A；
d)在所述第一时间t-1对所述初始生长图案执行FFT分析；
e)基于在步骤d)中执行的所述FFT分析来确定衍射；
f)在第二时间t重复步骤a)至e)；和
g)根据所确定的锐度A和衍射来选择在特定时间的生长图案。
22.根据权利要求21所述的计算机可读介质，其中，所述图案生长模型包括反应扩散生长模型。
23.根据权利要求22所述的计算机可读介质，其中
基于在步骤d)中执行的所述FFT分析来确定衍射的步骤包括基于在步骤d)中执行的所述FFT分析对径向加权的衍射进行积分。
24.根据权利要求23所述的计算机可读介质，其中
根据所确定的锐度A和衍射来选择在特定时间的生长图案的步骤(g)包括：
如果在所述第二时间t确定的锐度A大于在先前的第一时间t-1的锐度A，并且如果在当前第二时间t的积分的衍射小于在先前的第一时间t-1的积分的衍射，则选择在当前第二时间t获得的生长图案。
25.根据权利要求24所述的计算机可读介质，其中
根据所确定的锐度A和衍射来选择在当前第二时间t的生长图案的步骤(g)进一步包括：
如果在当前第二时间t确定的锐度A不大于在先前的第一时间t-1的锐度A，并且如果在当前第二时间t的积分的衍射不小于在先前的第一时
间t-1的积分的衍射，则重复步骤(a)至(f)，直到在当前第二时间t确定的锐度A大于在先前的第一时间t-1的锐度A且在当前第二时间t的积分的衍射小于在先前的第一时间t-1的积分的衍射。
26.根据权利要求25所述的计算机可读介质，其中，所述反应扩散生长模型是图灵反应扩散生长模型。
27.根据权利要求21所述的计算机可读介质，其中，所述图案生长模型包括随机生成的图案生长模型。
CN202080020078.3A 2019-01-09 2020-01-09 Ar、hmd和hud应用的光波导中的非均匀亚瞳孔反射器和方法 Active CN113544573B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962790458P 2019-01-09 2019-01-09
US62/790,458 2019-01-09
PCT/US2020/012995 WO2020146683A1 (en) 2019-01-09 2020-01-09 Non-uniform sub-pupil reflectors and methods in optical waveguides for ar, hmd and hud applications

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113544573A CN113544573A (zh) 2021-10-22
CN113544573B true CN113544573B (zh) 2023-05-30

Family

ID=71516631

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080020078.3A Active CN113544573B (zh) 2019-01-09 2020-01-09 Ar、hmd和hud应用的光波导中的非均匀亚瞳孔反射器和方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11662513B2 (zh)
EP (1) EP3908878A4 (zh)
JP (1) JP2022516730A (zh)
KR (1) KR20210111278A (zh)
CN (1) CN113544573B (zh)
WO (1) WO2020146683A1 (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10649209B2 (en) 2016-07-08 2020-05-12 Daqri Llc Optical combiner apparatus
US10481678B2 (en) 2017-01-11 2019-11-19 Daqri Llc Interface-based modeling and design of three dimensional spaces using two dimensional representations
US11125993B2 (en) 2018-12-10 2021-09-21 Facebook Technologies, Llc Optical hyperfocal reflective systems and methods, and augmented reality and/or virtual reality displays incorporating same
KR20210100175A (ko) 2018-12-10 2021-08-13 페이스북 테크놀로지스, 엘엘씨 하이퍼보컬 뷰포트(hvp) 디스플레이를 위한 적응형 뷰포트
KR20210111278A (ko) 2019-01-09 2021-09-10 페이스북 테크놀로지스, 엘엘씨 Ar, hmd 및 hud 애플리케이션을 위한 광학 도파관들의 불-균일한 서브-동공 반사기들 및 방법들
EP4033288A4 (en) * 2019-09-18 2023-11-15 Letinar Co., Ltd AUGMENTED REALITY OPTICAL DEVICE HAVING IMPROVED OPTICAL EFFICIENCY
EP4224241A4 (en) * 2020-09-29 2024-03-27 Sony Semiconductor Solutions Corp DISPLAY DEVICE
US11863730B2 (en) 2021-12-07 2024-01-02 Snap Inc. Optical waveguide combiner systems and methods

Family Cites Families (120)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001242411A (ja) 1999-05-10 2001-09-07 Asahi Glass Co Ltd ホログラム表示装置
US3121992A (en) 1944-03-31 1964-02-25 Aerojet Engineering Corp Decomposition of nitroparaffins in jet propulsion motor operation
GB1525573A (en) 1975-09-13 1978-09-20 Pilkington Perkin Elmer Ltd Lenses
US4220400A (en) 1977-02-22 1980-09-02 Honeywell Inc. Display apparatus with reflective separated structure
US4968117A (en) 1983-09-02 1990-11-06 Hughes Aircraft Company Graded index asperhic combiners and display system utilizing same
US4545646A (en) 1983-09-02 1985-10-08 Hughes Aircraft Company Process for forming a graded index optical material and structures formed thereby
US4767186A (en) 1987-10-06 1988-08-30 North American Philips Consumer Electronics Corp. Front projection screen with rear light concentrating lens array
FR2647556B1 (fr) 1989-05-23 1993-10-29 Thomson Csf Dispositif optique pour l'introduction d'une image collimatee dans le champ visuel d'un observateur et casque comportant au moins un tel dispositif
US5050946A (en) 1990-09-27 1991-09-24 Compaq Computer Corporation Faceted light pipe
US5202950A (en) 1990-09-27 1993-04-13 Compaq Computer Corporation Backlighting system with faceted light pipes
US8730129B2 (en) 1990-12-07 2014-05-20 Dennis J Solomon Advanced immersive visual display system
US6392689B1 (en) 1991-02-21 2002-05-21 Eugene Dolgoff System for displaying moving images pseudostereoscopically
US5253637A (en) 1992-03-12 1993-10-19 Maiden Miles M Hyperfocal tracking solar thermal collector
WO1994014152A1 (en) 1992-12-04 1994-06-23 Virtual Vision, Inc. A head mounted display system
RU2069835C1 (ru) 1993-12-09 1996-11-27 Андрей Юрьевич ГАВРИЛОВ Оптический прицел
US5535025A (en) 1994-02-01 1996-07-09 Hughes Training, Inc. Helmet mounted off axis liquid crystal display with a fiber optic wedge and a curved reflector
US5991085A (en) 1995-04-21 1999-11-23 I-O Display Systems Llc Head-mounted personal visual display apparatus with image generator and holder
JP3167095B2 (ja) 1995-07-04 2001-05-14 キヤノン株式会社 照明装置とこれを有する露光装置や顕微鏡装置、ならびにデバイス生産方法
EP0785457A3 (en) 1996-01-17 1998-10-14 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Optical device and three-dimensional display device
JP3284045B2 (ja) 1996-04-30 2002-05-20 キヤノン株式会社 Ｘ線光学装置およびデバイス製造方法
US6204974B1 (en) 1996-10-08 2001-03-20 The Microoptical Corporation Compact image display system for eyeglasses or other head-borne frames
US5886822A (en) 1996-10-08 1999-03-23 The Microoptical Corporation Image combining system for eyeglasses and face masks
US6057966A (en) 1997-05-09 2000-05-02 Via, Inc. Body-carryable display devices and systems using E.G. coherent fiber optic conduit
US5959726A (en) * 1997-07-25 1999-09-28 Neopath, Inc. Modulation transfer function test compensation for test pattern duty cycle
US6129435A (en) 1998-04-09 2000-10-10 Nike, Inc. Decentered protective eyewear
US6262019B1 (en) 1998-04-30 2001-07-17 Vit-Immune, L. C. Method of treatment of glutathione deficient mammals
US6222677B1 (en) 1999-04-12 2001-04-24 International Business Machines Corporation Compact optical system for use in virtual display applications
JP2000338299A (ja) 1999-05-28 2000-12-08 Mitsubishi Electric Corp Ｘ線露光装置、ｘ線露光方法、ｘ線マスク、ｘ線ミラー、シンクロトロン放射装置、シンクロトロン放射方法および半導体装置
JP2003502711A (ja) 1999-06-21 2003-01-21 ザ マイクロオプティカル コーポレイション 軸から外れている光学設計を使用する接眼レンズ・ディスプレイ・レンズ・システム
US6288846B1 (en) 1999-09-24 2001-09-11 Arizona Carbon Foil Co., Inc. Variable focal-length lens assembly
CA2386856A1 (en) 1999-10-14 2001-04-19 Stratos Product Development Llc Virtual imaging system
US6577311B1 (en) 1999-12-16 2003-06-10 Picture Iq Corporation Techniques for automatically providing a high-resolution rendering of a low resolution digital image in a distributed network
JP2001330797A (ja) 2000-03-17 2001-11-30 Olympus Optical Co Ltd 偏心光学系を用いたカラー画像表示方式及び撮像方式
US6236511B1 (en) 2000-03-20 2001-05-22 Rockwell Collins, Inc. Beam combining optical element
CZ302883B6 (cs) 2000-06-05 2012-01-04 Lumus Ltd. Optické zarízení obsahující svetlem propustnou podložku
US6563648B2 (en) 2000-10-20 2003-05-13 Three-Five Systems, Inc. Compact wide field of view imaging system
JP4717196B2 (ja) 2000-10-26 2011-07-06 キヤノン株式会社 画像観察装置および画像観察システム
EP1736812B1 (en) 2000-12-15 2010-04-14 Samsung Electronics Co.,Ltd. Wearable display system comprising a waveguide
TWI224698B (en) * 2001-04-19 2004-12-01 Ibm Discrete pattern, optical member, light guide plate, side light device and light transmitting liquid crystal display device using the discrete pattern, method and program for generating the discrete pattern, computer-readable storage medium on which
US6607286B2 (en) 2001-05-04 2003-08-19 Lumileds Lighting, U.S., Llc Lens and lens cap with sawtooth portion for light emitting diode
US6771423B2 (en) 2001-05-07 2004-08-03 Richard Geist Head-mounted virtual display apparatus with a near-eye light deflecting element in the peripheral field of view
US20020186179A1 (en) 2001-06-07 2002-12-12 Knowles Gary R. Optical display device
DE10136507A1 (de) 2001-07-17 2003-04-03 Zeiss Carl Geometrischer Strahlteiler und Verfahren zu seiner Herstellung
JP4014837B2 (ja) 2001-10-05 2007-11-28 三菱電機株式会社 透過型スクリーンおよび投写型表示装置
US7012756B2 (en) 2001-11-14 2006-03-14 Canon Kabushiki Kaisha Display optical system, image display apparatus, image taking optical system, and image taking apparatus
CN1221842C (zh) 2002-01-23 2005-10-05 索尼公司 图像显示装置和图像投影设备
IL148804A (en) 2002-03-21 2007-02-11 Yaacov Amitai Optical device
TWI271580B (en) 2002-12-27 2007-01-21 Hon Hai Prec Ind Co Ltd Reflective plate and plane light source with the same
FI20030583A (fi) 2003-04-16 2004-10-17 Upstream Engineering Oy Dataprojektori
WO2004109349A2 (en) 2003-06-10 2004-12-16 Elop Electro-Optics Industries Ltd. Method and system for displaying an informative image against a background image
US7061695B2 (en) 2003-11-04 2006-06-13 Eastman Kodak Company Three element optical system
JP4605152B2 (ja) 2004-03-12 2011-01-05 株式会社ニコン 画像表示光学系及び画像表示装置
US7639208B1 (en) 2004-05-21 2009-12-29 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Compact optical see-through head-mounted display with occlusion support
US7350919B2 (en) 2004-12-03 2008-04-01 Searete Llc Vision modification with reflected image
JP2009503793A (ja) 2005-07-28 2009-01-29 ライト プレスクリプションズ イノベーターズ エルエルシー バックライトおよびフロントライト用のエテンデュ保存型照明光学部品
US7418202B2 (en) 2005-08-04 2008-08-26 3M Innovative Properties Company Article having a birefringent surface and microstructured features having a variable pitch or angles for use as a blur filter
US7736006B2 (en) 2005-11-21 2010-06-15 Microvision, Inc. Substrate-guided display with improved image quality
US20070177275A1 (en) 2006-01-04 2007-08-02 Optical Research Associates Personal Display Using an Off-Axis Illuminator
US7513674B1 (en) 2006-01-20 2009-04-07 Kevin Gerard Donahue See-through one-way light-emitting light guide
CZ307329B6 (cs) 2006-05-15 2018-06-13 Varroc Lighting Systems, s.r.o. Světelné zařízení pro motorové vozidlo, obsahující planární světlovod
US7876489B2 (en) 2006-06-05 2011-01-25 Pixtronix, Inc. Display apparatus with optical cavities
US7506987B2 (en) 2007-03-02 2009-03-24 Technology Solutions & Invention Llc Two-sided corner-cube retroreflectors and methods of manufacturing the same
TR200701489A2 (tr) 2007-03-09 2008-10-21 Vai̇zoğlu Orhan Kozmetik formülasyonlar
US7991257B1 (en) 2007-05-16 2011-08-02 Fusion Optix, Inc. Method of manufacturing an optical composite
US7952059B2 (en) 2007-06-13 2011-05-31 Eyes Of God, Inc. Viewing system for augmented reality head mounted display with rotationally symmetric aspheric lenses
US7656585B1 (en) 2008-08-19 2010-02-02 Microvision, Inc. Embedded relay lens for head-up displays or the like
US20090067178A1 (en) * 2007-09-11 2009-03-12 Kismart Corporation Method of forming light-scattering dots inside the diffusion plate and light guide plate by laser engraving
US20100149073A1 (en) 2008-11-02 2010-06-17 David Chaum Near to Eye Display System and Appliance
JP4858512B2 (ja) 2008-08-21 2012-01-18 ソニー株式会社 頭部装着型ディスプレイ
BRPI0918865A2 (pt) 2008-09-19 2017-03-21 Univ California sistema e método para captação de energia solar e método de fabricação relacionado
JP4636164B2 (ja) 2008-10-23 2011-02-23 ソニー株式会社 頭部装着型ディスプレイ
WO2010062481A1 (en) 2008-11-02 2010-06-03 David Chaum Near to eye display system and appliance
JP4674634B2 (ja) 2008-12-19 2011-04-20 ソニー株式会社 頭部装着型ディスプレイ
DE102009010537B4 (de) 2009-02-25 2018-03-01 Carl Zeiss Smart Optics Gmbh Strahlvereiniger und Verwendung eines solchen in einer Anzeigevorrichtung
DE102009010538B4 (de) 2009-02-25 2022-02-03 tooz technologies GmbH Multifunktionsglas mit einer optisch wirksamen Fläche, die zumindest teilweise eine Fresnel-Struktur mit mehreren Fresnel-Segmenten aufweist, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Multifunktionsglases
FR2943456A1 (fr) 2009-03-19 2010-09-24 Centre Nat Rech Scient Procede de lithographie electronique a imagerie de cathodoluminescence.
US20120081800A1 (en) 2009-04-20 2012-04-05 Dewen Cheng Optical see-through free-form head-mounted display
WO2010124028A2 (en) 2009-04-21 2010-10-28 Vasylyev Sergiy V Light collection and illumination systems employing planar waveguide
US8094377B2 (en) 2009-05-13 2012-01-10 Nvis, Inc. Head-mounted optical apparatus using an OLED display
JP5402293B2 (ja) 2009-06-22 2014-01-29 ソニー株式会社 頭部装着型ディスプレイ、及び、頭部装着型ディスプレイにおける画像表示方法
JP5316391B2 (ja) 2009-08-31 2013-10-16 ソニー株式会社 画像表示装置及び頭部装着型ディスプレイ
US20110083741A1 (en) 2009-10-01 2011-04-14 RNY Solar LLC Multiconverter system comprising spectral separating reflector assembly and methods thereof
US20110157600A1 (en) 2009-12-30 2011-06-30 USA as represented by the Administrator of the Optical wave-front recovery for active and adaptive imaging control
US20110155331A1 (en) 2009-12-31 2011-06-30 Kerry Lopin Two tone venetian blind for absorbing and reflecting heat
US20110213664A1 (en) 2010-02-28 2011-09-01 Osterhout Group, Inc. Local advertising content on an interactive head-mounted eyepiece
WO2011106797A1 (en) 2010-02-28 2011-09-01 Osterhout Group, Inc. Projection triggering through an external marker in an augmented reality eyepiece
GB201005964D0 (en) 2010-04-09 2010-05-26 The Technology Partnership Plc Embedded grating structure
US9110200B2 (en) 2010-04-16 2015-08-18 Flex Lighting Ii, Llc Illumination device comprising a film-based lightguide
US8593375B2 (en) 2010-07-23 2013-11-26 Gregory A Maltz Eye gaze user interface and method
US8988463B2 (en) 2010-12-08 2015-03-24 Microsoft Technology Licensing, Llc Sympathetic optic adaptation for see-through display
US20130147686A1 (en) 2011-12-12 2013-06-13 John Clavin Connecting Head Mounted Displays To External Displays And Other Communication Networks
US8384999B1 (en) 2012-01-09 2013-02-26 Cerr Limited Optical modules
KR102264765B1 (ko) 2012-01-24 2021-06-11 더 아리조나 보드 오브 리전츠 온 비핼프 오브 더 유니버시티 오브 아리조나 컴팩트한 시선추적 기능의 헤드 탑재형 디스플레이
US9239415B2 (en) 2012-03-08 2016-01-19 Google Inc. Near-to-eye display with an integrated out-looking camera
US8848289B2 (en) 2012-03-15 2014-09-30 Google Inc. Near-to-eye display with diffractive lens
US8964292B1 (en) 2012-06-25 2015-02-24 Rawles Llc Passive anisotropic projection screen
TWI481901B (zh) 2012-12-03 2015-04-21 Wistron Corp 頭戴式顯示裝置
US9252015B2 (en) 2012-12-12 2016-02-02 Fudan University Ultra-shallow junction semiconductor field-effect transistor and method of making
JP2015046328A (ja) * 2013-08-28 2015-03-12 富士フイルム株式会社 導光板、これを含むバックライトユニットおよび液晶表示装置、ならびに光学シート
US11402629B2 (en) 2013-11-27 2022-08-02 Magic Leap, Inc. Separated pupil optical systems for virtual and augmented reality and methods for displaying images using same
CN107219628B (zh) 2013-11-27 2020-05-01 奇跃公司 虚拟和增强现实系统与方法
US9766463B2 (en) 2014-01-21 2017-09-19 Osterhout Group, Inc. See-through computer display systems
US9753206B2 (en) * 2014-08-18 2017-09-05 New Optics, Ltd Light guide plate, and backlight unit and display device including the same
JP6887953B2 (ja) 2015-03-16 2021-06-16 マジック リープ，インコーポレイティド 健康を損う疾病を診断して治療する方法及びシステム
US10810797B2 (en) 2015-05-22 2020-10-20 Otoy, Inc Augmenting AR/VR displays with image projections
US10007115B2 (en) 2015-08-12 2018-06-26 Daqri, Llc Placement of a computer generated display with focal plane at finite distance using optical devices and a see-through head-mounted display incorporating the same
US11189392B2 (en) 2015-09-25 2021-11-30 Osaka University X-ray microscope
WO2017096241A1 (en) 2015-12-02 2017-06-08 Augmenteum, Inc. System for and method of projecting augmentation imagery in a head-mounted display
US10623722B2 (en) 2016-05-13 2020-04-14 Microsoft Technology Licensing, Llc Head-up multiplex display with redirection optic
US10191993B2 (en) 2016-06-01 2019-01-29 Sca Promotions Network based sweepstakes gaming system incorporating an alternative method of contestant entry
US10649209B2 (en) 2016-07-08 2020-05-12 Daqri Llc Optical combiner apparatus
US10481678B2 (en) 2017-01-11 2019-11-19 Daqri Llc Interface-based modeling and design of three dimensional spaces using two dimensional representations
CN108627904A (zh) 2017-03-17 2018-10-09 江苏日月照明电器有限公司 一种出光率大的平板灯导光板网点布置结构
CN206757088U (zh) 2017-03-17 2017-12-15 江苏日月照明电器有限公司 一种出光率大的平板灯导光板网点布置结构
US10565964B2 (en) 2017-04-24 2020-02-18 Intel Corporation Display bandwidth reduction with multiple resolutions
US10466487B2 (en) 2017-06-01 2019-11-05 PogoTec, Inc. Releasably attachable augmented reality system for eyewear
US10488666B2 (en) 2018-02-10 2019-11-26 Daqri, Llc Optical waveguide devices, methods and systems incorporating same
US11125993B2 (en) 2018-12-10 2021-09-21 Facebook Technologies, Llc Optical hyperfocal reflective systems and methods, and augmented reality and/or virtual reality displays incorporating same
KR20210100175A (ko) 2018-12-10 2021-08-13 페이스북 테크놀로지스, 엘엘씨 하이퍼보컬 뷰포트(hvp) 디스플레이를 위한 적응형 뷰포트
KR20210111278A (ko) 2019-01-09 2021-09-10 페이스북 테크놀로지스, 엘엘씨 Ar, hmd 및 hud 애플리케이션을 위한 광학 도파관들의 불-균일한 서브-동공 반사기들 및 방법들

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022516730A (ja) 2022-03-02
EP3908878A4 (en) 2022-04-06
KR20210111278A (ko) 2021-09-10
CN113544573A (zh) 2021-10-22
US20200225400A1 (en) 2020-07-16
EP3908878A1 (en) 2021-11-17
WO2020146683A1 (en) 2020-07-16
US11662513B2 (en) 2023-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113544573B (zh) Ar、hmd和hud应用的光波导中的非均匀亚瞳孔反射器和方法
US11125993B2 (en) Optical hyperfocal reflective systems and methods, and augmented reality and/or virtual reality displays incorporating same
US20230280594A1 (en) Method and system for high resolution digitized display
US11935206B2 (en) Systems and methods for mixed reality
EP3314324B1 (en) Holographic near-eye display
JP2023071781A (ja) 光を再指向させるためのメタ表面および製造方法
EP3414617B1 (en) Optical combiner and applications thereof
US10962786B2 (en) Optical waveguide devices, methods and systems incorporating same
RU2719568C1 (ru) Устройство дополненной реальности и способ его функционирования
WO2013062654A1 (en) Near-to-eye display with diffraction grating that bends and focuses light
CN107741666B (zh) 一种显示装置
US20200064630A1 (en) Optical system with dispersion compensation
JP2020518851A (ja) 構造物面を有する仮想および拡張現実装置
US11966053B2 (en) Optical system with dispersion compensation
US20220128746A1 (en) Apodized grating coupler
US20240094537A1 (en) Uniform incoupler for conical incidence
US20240118468A1 (en) Rainbow reduction for waveguide displays
CN117642654A (zh) 具有抗反射性质的波导

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: California, USA

Applicant after: Yuan Platform Technology Co.,Ltd.

Address before: California, USA

Applicant before: Facebook Technologies, LLC

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant