CN113906329A - 用于投射增强现实内容的具有偏振体光栅的光学组件 - Google Patents

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CN113906329A CN202080041246.7A CN202080041246A CN113906329A CN 113906329 A CN113906329 A CN 113906329A CN 202080041246 A CN202080041246 A CN 202080041246A CN 113906329 A CN113906329 A CN 113906329A
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Abstract

一种用于从显示器投射光的光学组件包括第一光波导、反射光学元件和第一内耦合器。反射光学元件被配置为从显示器接收具有第一偏振的第一光，并将第一光反射为具有不同于第一偏振的第二偏振的第二光。第一内耦合器与第一光波导耦合。第一内耦合器被配置成接收和透射第一光。第一内耦合器还被配置成接收第二光并重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分在第一光波导内经历全内反射。

Description

用于投射增强现实内容的具有偏振体光栅的光学组件
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年6月10日提交的美国申请第16/436,729号的优先权，该申请的内容为了所有目的通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及显示设备，且更具体地说，涉及头戴式显示设备。
背景
头戴式显示设备(还称为头戴式显示器)作为向用户提供视觉信息的手段越来越受欢迎。例如，头戴式显示设备用于虚拟现实和增强现实操作。然而，传统头戴式显示器的尺寸和重量限制了它们的应用。
通常，需要具有宽视场的头戴式显示设备以改善用户体验。这使得减小头戴式显示设备的尺寸更具挑战性。
概述
因此，需要一种紧凑的头戴式显示设备，其能够以宽视场渲染图像，以增强用户对增强现实和/或虚拟现实的整体体验。
通过被配置为将光从显示器引导到用户眼睛的所公开的光学组件，减少或消除了与传统头戴式显示器相关联的上述缺陷和其他问题。该光学组件具有紧凑的配置，其提供了用于将图像从显示器投射到用户眼睛的折叠光路，从而增加了用于投射图像的有效焦距。增加的有效焦距为采用光学组件的头戴式显示设备带来更宽的视场。
根据一些实施例，一种用于从显示器投射光的光学组件包括第一光波导、反射光学元件和第一内耦合器(in-coupler)。反射光学元件被配置为从显示器接收具有第一偏振的第一光，并将第一光反射为具有不同于第一偏振的第二偏振的第二光。第一内耦合器与第一光波导耦合。第一内耦合器被配置成接收和透射第一光。第一内耦合器还被配置成接收第二光并重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分在第一光波导内经历全内反射。
在一些实施例中，第一内耦合器可以设置在显示器和反射光学元件之间，并且可以被配置为接收来自显示器的第一光，并且向反射元件透射第一光，而不改变第一光的方向或偏振。
在一些实施例中，第一内耦合器可以选自由以下项组成的组中：基于液晶的偏振选择元件、包括超表面(metasurface)的偏振选择元件、包括谐振结构化表面的偏振选择元件、包括连续手性层(chiral layer)的偏振选择元件以及包括双折射材料的偏振选择元件。基于液晶的偏振选择元件可以是偏振体光栅。第一内耦合器可以是透射光栅，其被配置为重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分以大于与第一光波导相关联的临界角的入射角进入第一光波导。第一内耦合器可以是反射光栅，其被配置为在第二光进入第一光波导之后重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分以大于临界入射角的入射角照射(impinge)在第一光波导的内表面上。
在一些实施例中，第一内耦合器和第一光波导的一部分可以位于显示器和反射光学元件之间。
在一些实施例中，第一内耦合器可以被配置成透射第二光的第二部分，并且第二光的第一部分可以具有第一波长范围，而第二光的第二部分具有不同于第一波长范围的第二波长范围。光学组件还可以包括第二光波导和与第二光波导耦合的第二内耦合器。第二内耦合器可以被配置为接收和透射第一光，并且接收第二光的第二部分并且重定向第二光的第二部分，使得第二光的第二部分在第二光波导内经历全内反射。
在一些实施例中，反射光学元件可以是与反射表面耦合的负弯月透镜(negativemeniscus lens)，并且反射光学元件还可以被配置为在第一光被反射时聚焦第一光，使得第二光比第一光更准直。
在一些实施例中，光学组件还可以包括在显示器和第一波导之间的一个或更多个透镜。一个或更多个透镜可以包括被配置成聚焦第一光的第一透镜。
根据一些实施例，一种从电子显示器投射光的方法包括将来自显示器的具有第一偏振的第一光透射通过一个或更多个光学部件。一个或更多个光学部件包括第一内耦合器和第一光波导。该方法包括由反射光学元件接收透射通过一个或更多个光学部件的第一光，并且由反射光学元件将第一光反射为具有不同于第一偏振的第二偏振的第二光。该方法包括由第一内耦合器接收第二光，并且由第一内耦合器重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分在第一光波导内经历全内反射。
在一些实施例中，第一内耦合器可以选自由以下项组成的组中：基于液晶的偏振选择元件、包括超表面的偏振选择元件、包括谐振结构化表面的偏振选择元件、包括连续手性层的偏振选择元件以及包括双折射材料的偏振选择元件。基于液晶的偏振选择元件是偏振体光栅。第一内耦合器和第一光波导的一部分可以位于显示器和反射光学元件之间。
在一些实施例中，该方法还可以包括通过第一内耦合器透射第二光的第二部分。第二光的第一部分可以具有第一波长范围，而第二光的第二部分可以具有不同于第一波长范围的第二波长范围。一个或更多个光学部件还可以包括第二光波导和与第二光波导耦合的第二内耦合器。该方法还可以包括利用第二内耦合器接收第二光的第二部分，并且利用第二内耦合器重定向第二光的第二部分，使得第二光的第二部分在第二光波导内经历全内反射。
根据一些实施例，一种显示设备包括显示器、第一光波导和反射光学部件。显示器被配置为输出具有第一偏振的第一光。反射光学元件被配置为接收来自显示器的第一光，并将第一光反射为具有不同于第一偏振的第二偏振的第二光。第一内耦合器与第一光波导耦合。第一内耦合器被配置为接收和透射第一光并接收第二光，并且重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分在第一光波导内经历全内反射。
在一些实施例中，由显示器输出的第一光可以对应于一个或更多个图像，第一光波导还可以被配置为透射来自显示设备外部的对象的光，并且显示设备可以被配置为输出来自第一光波导的第二光的第二部分，使得第二光的第二部分与来自对象的光组合，使得一个或更多个图像与对象一起被显示设备的用户感知。
在一些实施例中，显示设备还可以包括一个或更多个输出耦合器，该输出耦合器与第一光波导耦合，并且位于与第一内耦合器相距一定距离的位置处。一个或更多个输出耦合器可以被配置为将第二光的第一部分从第一光波导朝向用户的眼睛重定向。
附图简述
本专利或申请文件包含以彩色展示的至少一个附图。具有彩色附图的本专利或专利申请公布的副本经请求并支付必要的费用后将由专利局提供。
为了更好地理解所描述的各个实施例，应当结合以下附图来参考下面的实施例的描述，在所有附图中，相同的附图标记指示相应的部件。
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3是根据一些实施例的显示设备的等轴视图(isometric view)。
图4A是示出根据一些实施例的显示设备的示意图。
图4B包括示出了根据一些实施例的透射偏振体光栅(图(I))和反射偏振体光栅(图(II))的示意图。
图4C是示出根据一些实施例的增强现实应用中的图4A的显示设备的示意图。
图4D是示出根据一些实施例的显示设备的示意图。
图4E是示出根据一些实施例的显示设备的示意图。
图4F是示出根据一些实施例的显示设备的示意图。
图5A是示出根据一些实施例的显示设备的示意图。
图5B是示出根据一些实施例的显示设备的示意图。
图5C-图5D是示出根据一些实施例的图5A的显示设备的示意图。
图5E是示出根据一些实施例的显示设备的示意图。
图5F是示出根据一些实施例的显示设备的示意图。
图5G-图5H是示出根据一些实施例的显示设备的示意图。
图6A是示出根据一些实施例的显示设备的示意图。
图6B-图6C是示出根据一些实施例的显示器的示意图。
图7A-图7D是示出根据一些实施例的偏振体光栅的示意图。
除非另有说明，否则这些图不是按比例绘制的。
详细描述
本公开提供了一种头戴式显示设备(或显示设备)，其包括用于将增强现实内容投射到用户眼睛的光学组件。光学组件包括反射器和具有偏振选择性内耦合器的一个或更多个波导。光学组件被配置成接收来自显示器的光。来自显示器的光对应于包括增强现实内容的图像。光学组件的一个或更多个光波导被配置成向用户的眼睛输出光的至少一部分。一个或更多个波导还被配置为透射来自显示设备外部的光，从而将来自显示器的图像与真实世界的视图相结合。
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，以便提供对各种所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显而易见的是，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。
还应当理解，尽管在某些情况下，术语第一、第二等在本文用于描述各种元素，但这些元素不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。例如，第一光波导可以被称为第二光波导，并且类似地，第二光波导可以被称为第一光波导，而不脱离所描述的各种实施例的范围。第一光波导和第二光波导都是光波导，但它们不是同一个光波导。
在本文各种所描述的实施例的描述中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不旨在是限制性的。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，除非上下文清楚地另有指示，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式。还应当理解，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。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(includes)”、“包括(including)”、“包含(comprises)”和/或“包含(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“示例性的”在本文中是在“用作示例、实例或说明”的意义上使用的，而不是在“代表同类中最好”的意义上使用的。
图1示出了根据一些实施例的显示设备100的透视图。在一些实施例中，显示设备100被配置成佩戴在用户的头上(例如，通过具有眼镜(spectacles)或眼镜(eyeglasses)的形式，如图1所示)或作为将由用户佩戴的头盔的一部分被包括。当显示设备100被配置成佩戴在用户的头上时，显示设备100被称为头戴式显示器。替代地，显示设备100被配置用于在固定位置处放置在用户的一只或两只眼睛附近，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)。如图1所示，显示设备100包括显示器110。显示器110被配置用于向用户呈现视觉内容(例如，增强现实内容、虚拟现实内容、混合现实内容或其任意组合)。在一些实施例中，显示器110是夹式显示器(clip-on display)。夹式显示器被配置为耦合到(例如，夹在)头戴式装置(headset)的框架(例如，护目镜的框架)以显示视觉内容。夹式显示器还被配置为不与头戴式装置的框架耦合。
在一些实施例中，显示设备100包括本文参考图2所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所示的系统200包括显示设备205(其对应于图1所示的显示设备100)、成像设备235和输入接口240，它们各自耦合到控制台210。虽然图2示出了包括显示设备205、成像设备235和输入接口240的系统200的示例，但在其他实施例中，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都与控制台210通信。在替代配置中，不同部件和/或附加部件可以被包括在系统200中。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(self-contained)(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用于通过添加现实环境的视图来创建混合现实。因此，本文描述的显示设备205和系统200可以传送增强现实、虚拟现实和混合现实。
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。由显示设备205呈现的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频、音频或它们的某种组合。在一些实施例中，经由外部设备(例如，扬声器和/或耳机)来呈现音频，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基于该音频信息来呈现音频数据。在一些实施例中，显示设备205使用户沉浸在增强环境中。
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。在这些实施例中，显示设备205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作为虚拟现实(VR)设备、增强现实(AR)设备、作为眼镜或其某种组合(例如，没有光学校正的眼镜、针对用户进行了光学校正的眼镜、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、一个或更多个位置照相机222、存储器228、惯性测量单元(IMU)230、一个或更多个光学组件260或其子集或超集(例如，具有电子显示器215、光学组件260而没有任何其他列出的部件的显示设备205)。显示设备205的一些实施例具有不同于这里描述的那些模块的模块。类似地，功能可以以不同于这里描述的方式分布在模块中。
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或者替代地在存储器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、模块和数据结构、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可以包括单个可调整显示元件或多个可调整显示元件(例如，用户的每只眼睛对应一个显示器)。在一些实施例中，电子显示器215被配置成通过一个或更多个光学组件260向用户投射图像。
在一些实施例中，显示元件包括一个或更多个发光器件和相应的空间光调制器阵列。空间光调制器是电光像素阵列、光电像素阵列、动态调整由每个器件传输的光量的某种其他器件阵列、或它们的某种组合。这些像素被放置在一个或更多个透镜的后面。在一些实施例中，空间光调制器是LCD(液晶显示器)中基于液晶的像素阵列。发光器件的示例包括：有机发光二极管、有源矩阵有机发光二极管、发光二极管、能够放置在柔性显示器中的某种类型的器件、或它们的某种组合。发光器件包括能够生成用于图像生成的可见光(例如，红色、绿色、蓝色等)的器件。空间光调制器被配置成选择性地衰减单个发光器件、发光器件组、或它们的某种组合。替代地，当发光器件被配置成选择性地衰减单个发射器件和/或发光器件组时，显示元件包括这种发光器件的阵列，而没有单独的发射强度阵列(emissionintensity array)。
一个或更多个光学组件260中的一个或更多个光学部件将来自发光器件阵列的光(可选地通过发射强度阵列)引导至每个视窗(eyebox)内的位置。视窗是被正在观看来自显示设备205的图像的显示设备205的用户(例如，佩戴显示设备205的用户)的眼睛所占据的区域。在一些实施例中，视窗被表示为10mm×10mm的正方形。在一些实施例中，一个或更多个光学部件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IR检测器阵列检测从观看用户的视网膜、从角膜的表面、眼睛的晶状体或它们的某种组合逆反射(retro-reflect)的IR光。IR检测器阵列包括一个IR传感器或多个IR传感器，该多个IR传感器中的每一个对应于观看用户的眼睛瞳孔的不同位置。在替代实施例中，也可以采用其他眼睛跟踪系统。
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(例如，经由显示元件中的IR发射器件)照亮视窗。
发射的IR光的一部分将穿过观看用户的瞳孔，并从视网膜朝向IR检测器阵列逆反射，该IR检测器阵列用于确定瞳孔的位置。替代地，离开眼睛表面的反射光也被用于确定瞳孔的位置。IR检测器阵列扫描逆反射，并在检测到逆反射时识别出哪些IR发射器件处于活动状态。眼睛跟踪模块217可以使用跟踪查找表和所识别的IR发射器件来确定每只眼睛的瞳孔位置。跟踪查找表将IR检测器阵列上接收到的信号映射到每个视窗中的位置(对应于瞳孔位置)。在一些实施例中，跟踪查找表是经由校准过程生成的(例如，用户看图像中的各个已知参考点，并且眼睛跟踪模块217将在看参考点时用户的瞳孔的位置映射到在IR跟踪阵列上接收到的相应信号)。如上面所提到的，在一些实施例中，系统200可以使用除了本文描述的嵌入式IR眼睛跟踪系统之外的其他眼睛跟踪系统。
调整模块218基于所确定的瞳孔位置生成图像帧。在一些实施例中，这将离散图像发送到显示器，显示器将子图像平铺在一起，因此连贯的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的一些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所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器件、允许其他发光器件发射落入所确定的瞳孔位置内的图像光、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(refractive power)、或者这些操作的某种组合。
可选的定位器220是相对于彼此并且相对于显示设备205上的特定参考点位于显示设备205上特定位置的对象。定位器220可以是发光二极管(LED)、锥体棱镜(corner cubereflector)、反射标记(reflective marker)、与显示设备205的操作环境形成对比的一种类型的光源、或它们的某种组合。在定位器220是有源的(即，LED或其他类型的发光器件)的实施例中，定位器220可以发射在可见光波段(例如，约400nm至750nm)中、在红外波段(例如，约750nm至1mm)中、在紫外波段(约100nm至400nm)中、电磁波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的外表面下面，该外表面对于由定位器220发射或反射的光的波长是透明的，或者足够薄而基本上不衰减由定位器220发射或反射的光。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波段中是透明的，但在可见光波段中是不透明的。
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、或者它们的某种组合。位置传感器225可以位于IMU 230的外部、IMU 230的内部或者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生成第一校准数据，该第一校准数据指示相对于显示设备205的初始位置的显示设备205的估计位置。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对测量信号进行快速采样，并从采样的数据计算显示设备205的估计位置。例如，IMU 230在时间上对从加速度计接收的测量信号进行积分以估计速度向量，并在时间上对速度向量进行积分以确定显示设备205上参考点的估计位置。替代地，IMU 230向控制台210提供所采样的测量信号，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。尽管参考点通常可以被定义为空间中的点；但是，在实践中，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减少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(drift error))导致参考点的估计位置随着时间的推移偏离参考点的实际位置。
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的所观察的位置的一个或更多个图像，这些位置由成像设备235可检测。在一些实施例中，成像设备235包括一个或更多个静止照相机、一个或更多个摄像机、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、或它们的某种组合。此外，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)。成像设备235被配置成可选地在成像设备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，逆反射器(retroreflector))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，这些定位器朝着成像设备235中的光源逆反射光。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包括一个或更多个光学组件260，其可以包括单个光学组件260或多个光学组件260(例如，用于用户的每只眼睛的光学组件260)。在一些实施例中，一个或更多个光学组件260从电子显示器215接收计算机生成的图像的图像光，并将图像光导向用户的一只或两只眼睛。计算机生成的图像包括静止图像、动画图像和/或它们的组合。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，电子显示器215将计算机生成的图像投射到一个或更多个反射元件(未示出)，并且一个或更多个光学组件260接收来自一个或更多个反射元件的图像光并将图像光引导至用户的眼睛。在一些实施例中，一个或更多个反射元件是部分透明的(例如，该一个或更多个反射元件具有至少15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％的透射率(transmittance))，这允许环境光的透射。在这样的实施例中，由电子显示器215投射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、来自大脑信号的数据、来自人体其他部位的数据、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接收到的动作请求可以被传送到控制台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，本文进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式分布在控制台210的部件当中。
当应用储存器245被包括在控制台210中时，应用储存器245存储由控制台210执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时被用来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的移动或输入接口240而从用户接收的输入。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、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降低显示设备205位置确定中的误差。例如，跟踪模块250调整成像设备235的焦点以获得在显示设备205上的被观察到的定位器的更准确的位置。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。此外，如果失去对显示设备205的跟踪(例如，成像设备235失去至少阈值数量的定位器220的视线)，则跟踪模块250重新校准部分或全部系统200。
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使用被观察的定位器根据第二校准数据和显示设备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的估计位置或预测的未来位置。
应用引擎255执行在系统200内的应用，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用于呈现给用户的内容。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为显示设备205生成反映(mirror)用户在增强环境中的移动的内容。另外，应用引擎255响应于从输入接口240接收到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经由输入接口240的触觉反馈。
图3是根据一些实施例的显示设备300的等距视图，其对应于显示设备100(见图1)的一部分或全部。在一些实施例中，显示设备300包括发射表面310(例如，光发射器件阵列)和光学组件(例如，光学组件260)，该光学组件具有一个或更多个光学部件330(例如，下面参考图4A-7D描述的透镜、反射器、波导和/或偏振选择性内耦合器中的一个或更多个)。在一些实施例中，显示设备300还包括IR检测器阵列。
在一些实施例中，发光器件阵列310向光学部件330发射图像光和可选的IR光。发光器件阵列310可以是例如，LED阵列、微LED(microLED)阵列、OLED阵列或它们的某种组合。发光器件阵列310包括发射在可见光中的光的发光器件320(并且可选地包括发射在IR中的光的器件)。
在一些实施例中，显示设备300包括发射强度阵列，其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，发射强度阵列由多个液晶单元或像素、发光器件组、或它们的某种组合组成。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。以这种方式，发射强度阵列能够控制从发光器件阵列310发射的图像光的哪一部分被传递到一个或更多个光学部件330。在一些实施例中，显示设备300使用发射强度阵列来促进向用户的眼睛340的瞳孔350的位置提供图像光，并且最小化向视窗中的其他区域提供的图像光的量。
可选的IR检测器阵列检测已经从眼睛340的视网膜、眼睛340的角膜、眼睛340的晶状体或其某种组合逆反射的IR光。IR检测器阵列包括单个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检测器阵列与发光器件阵列310分离。在一些实施例中，IR检测器阵列被集成到发光器件阵列310中。
在一些实施例中，发光器件阵列310和发射强度阵列构成显示元件。替代地，显示元件包括发光器件阵列310(例如，当发光器件阵列310包括可单独调整的像素时)，而不包括发射强度阵列。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，响应于所确定的瞳孔350的位置，显示元件调整发射的图像光，使得显示元件输出的光被一个或更多个光学部件330朝向所确定的瞳孔350的位置折射，而不是朝向另一个假定的位置折射。
在一些实施例中，除了发光器件阵列310之外，或者代替发光器件阵列310，显示设备300包括与多个滤色器耦合的一个或更多个宽带光源(例如，一个或更多个白色LED)。
一个或更多个光学部件330从发射表面310接收图像光(或修改的图像光，例如衰减的光)，并将图像光引导至用户眼睛340的瞳孔350的检测或假定的位置。在一些实施例中，一个或更多个光学部件包括一个或更多个光学组件260。
图4A是示出根据一些实施例的显示设备400-A的示意图。根据一些实施例，显示设备400-A包括被配置为发射具有第一偏振的图像光(例如，第一光412)的电子显示器(显示器)410，以及被配置为将来自显示器410的图像光朝向用户的眼睛430投射的光学组件420。
如图4A所示，光学组件420包括第一光波导440、与第一光波导440耦合的第一内耦合器450和反射光学元件460。
在一些实施例中，第一内耦合器450是偏振选择元件。例如，偏振选择元件透射具有第一偏振(例如，第一圆偏振或第一线性偏振)的光，并重定向具有不同于第一偏振的第二偏振(例如，与第一圆偏振正交的第二圆偏振或与第一线性偏振正交的第二线性偏振)的光。在一些实施例中，第一内耦合器450是基于液晶的偏振选择元件、包括超表面的偏振选择元件、包括谐振结构化表面的偏振选择元件、包括连续手性层的偏振选择元件或包括双折射材料的偏振选择元件。例如，包括连续手性层的偏振选择元件可以对圆偏振光具有选择性。作为另一个示例，包括超表面或谐振结构的偏振选择元件可以对线性偏振光或圆偏振光具有选择性。在一些实施例中，第一内耦合器450是偏振体光栅(PVG)(例如，下面参照图7A-图7D描述的偏振体光栅700)。PVG(例如，PVG 700)对于入射到其上的光的圆偏振、入射角和/或波长范围是选择性的。例如，PVG 700可以透射具有第一圆偏振的光，并衍射具有与第一圆偏振正交的圆偏振的光。
在一些实施例中，如图4A所示，第一内耦合器450和第一光波导440的一部分位于显示器410和反射光学元件460之间。第一光波导440和第一内耦合器450被配置成接收由显示器410发射的图像光(例如，第一光412)，并且将图像光(例如，第一光412)朝向反射光学元件460透射，而不改变其方向或偏振。在一些实施例中，图像光412具有第一圆偏振，并且反射光学元件460被配置为接收图像光412并将图像光412反射为具有第二圆偏振的第二光414。第二圆偏振不同于第一圆偏振(即，第一圆偏振对应于右旋圆偏振，并且第二圆偏振对应于左旋圆偏振，反之亦然)。在一些实施例中，如图4F所示，图像光412具有第一线性偏振，并且光学组件420还包括被配置为将图像光412转换成具有第一圆偏振的第一光413的光学元件463。然后，反射光学元件460被配置为接收第一光413并将第一光413反射为具有第二圆偏振的第二光414，并且光学元件463被配置为将第二光414从具有第二圆偏振转换为具有与第一线性偏振正交的第二线性偏振。
第一内耦合器450还被配置成接收从反射光学元件460反射的第二光414，并且衍射或重定向第二光414的至少一部分，即第二光414的第一部分414-A。由于第一内耦合器450的重定向，第二光414的第一部分414-A以大于与第一光波导440相关联的临界角的入射角θ1照射在第一光波导440的表面上，如图4A的插图所示。临界角指的是入射角，大于该入射角，穿过密度较大的介质(例如，波导440)到达密度较小的介质(例如，波导440外部的空气)的表面的光被全反射(即，临界角是大于其则发生全内反射的入射角)。因此，第二光414的第一部分414-A在第一光波导440内经历全内反射，并通过全内反射的重复发生而传播通过波导，如图4A中第二光414的第一部分414-A的之字形光路所示。
在一些实施例中，显示器410对应于显示设备300的发光器件阵列310。在一些实施例中，显示器410是被配置成发射具有特定偏振的光的二维显示器。在一些实施例中，显示器410是微发光二极管(microLED)阵列、与偏振分束器耦合的硅基液晶(LCOS)显示器或与偏振分束器耦合的铁电LCOS(fLCOS)显示器。
如图4A所示，显示设备400-A还包括与第一光波导440耦合的一个或更多个输出耦合器480。一个或更多个输出耦合器480位于与第一内耦合器450相距一定距离的位置处。一个或更多个输出耦合器480被配置为将第二光414的第一部分414-A的至少一部分从第一光波导440朝向用户的眼睛430重定向。在一些实施例中，一个或更多个输出耦合器480包括一个或更多个表面浮雕光栅(surface relief grating)。在一些实施例中，一个或更多个输出耦合器480包括一个或更多个反射器、一个或更多个部分反射器、一个或更多个光栅、一个或多个可调谐液晶部件和/或一个或更多个偏振体光栅。在一些实施例中，一个或更多个输出耦合器480被配置成将第二光414的第一部分414-A重定向到眼睛430，同时还扩展光412在光学组件420中光学扩展量(etendue)。光学扩展量是指光在光学系统中的一种特性，其表征光在面积和角度上的“扩散(spread out)”程度。由于与一个或更多个输出耦合器480的多次相互作用，光412的原始输入光瞳面积(pupil area)通过复制而增加。
在一些实施例中，光学组件420还包括在显示器410和第一波导440之间的一个或更多个透镜470，如下面参考图5A-图5B所论述的。
在一些实施例中，显示设备400-A是头戴式显示设备。在一些实施例中，显示设备400-A对应于上面参考图1描述的显示设备100。在一些实施例中，显示设备400-A是被配置为耦合到头戴式装置的框架(例如护目镜框架)的夹式显示器。
光学组件420提供了从显示器410到用户眼睛430的折叠光路，导致增加的视场同时保持用于头戴式显示设备的光学组件420的紧凑尺寸。在一些实施例中，对应于显示器410和反射光学元件460的反射表面461之间的距离的距离D等于或小于3mm、5mm、7mm、10mm、15mm、20mm、25mm或30mm，而光学组件提供的光路可以比距离D长例如两倍、三倍或甚至五倍。
第一内耦合器450可以是透射光栅或反射光栅。图4B包括示出了根据一些实施例的与第一光波导440耦合的透射光栅450-A(图(I))以及与第一光波导440耦合的反射光栅450-B(图(II))的示意图。透射光栅450-A或反射光栅450-B可以用作显示设备400-A的第一内耦合器450。透射光栅450-A和反射光栅450-B各自被配置为透射具有第一偏振的光，而不改变其方向或偏振。透射光栅450-A还被配置为透射和重定向具有第二偏振的光。反射光栅450-B还被配置成反射和重定向具有第二偏振的光。图4B的图(I)示出了透射光栅450-A被用作光学组件420中的第一内耦合器450，并且被设置在第一光波导440的外表面441-A上，使得第二光414在传播通过第一光波导440的任何部分之前照射在第一内耦合器450上。透射光栅450-A被配置为重定向第二光414的第一部分414-A，使得第二光414的第一部分414-A以大于与第一光波导440相关联的临界角的入射角θ1进入第一光波导440。第二光414的第一部分414-A因此在照射到第一光波导440的相对内表面443-A上时经历全内反射。图4B的图(II)示出了设置在第一光波导440的外表面441-B上的反射光栅450-B，使得第二光414在照射到反射光栅450-B上之前传播通过第一光波导440。反射光栅450-B被配置成将第二光414的第一部分414-A朝向第一光波导440的相对的内表面443-B偏转，使得第二光414的第一部分414-A以大于与第一光波导440相关联的临界角的入射角θ1照射到相对的内表面443-B上。第二光414的第一部分414-A由此经历全内反射并继续沿着第一光波导440传播。
在一些实施例中，透射光栅450-A或反射光栅450-B可以是涂覆在第一光波导440的外表面上的薄膜。在一些实施例中，透射光栅450-A或反射光栅450-B可以至少部分嵌入第一光波导440中。
图4C是示出根据一些实施例的增强现实应用中的显示设备400-A的示意图。如图4C所示，显示器410输出的图像光412对应于一个或更多个图像(例如，图像492)。如上关于图4A所述，光学组件420被配置为将显示器410输出的图像光412朝向显示设备400-A的用户的眼睛430投射。第一光波导440还被配置为光学组合器，以透射来自显示设备400-A外部的光(例如来自位于显示设备400-A外部的对象494的光490)。在图4C中，对象494被示出为显示设备400-A的用户正在查看的带框图片。从第一光波导440输出的图像光与来自对象494的光490组合或重叠，以在用户的眼睛430中形成组合图像496。结果，用户对对象494的感知被由显示器410输出的图像492增强，如图4C所示。
如图4C所示，一个或更多个输出耦合器480被配置为扩展光412在光学组件420中的光学扩展量。由于与一个或更多个输出耦合器480的多次相互作用，光412的原始输入光瞳面积通过复制而增加。
图4D是示出根据一些实施例的显示设备400-B的示意图。除了显示设备400-B中的光学组件420还包括第二光波导442和与第二光波导442耦合的第二内耦合器452之外，显示设备400-B对应于上面参考图4A描述的显示设备400-A。第二光波导442平行于第一光波导440定位。在一些实施例中，第二内耦合器452选自由以下项组成的组中：基于液晶的偏振选择元件、包括超表面的偏振选择元件、包括谐振结构化表面的偏振选择元件、包括连续手性层的偏振选择元件以及包括双折射材料的偏振选择元件。在一些实施例中，第二内耦合器452是PVG(例如，下面参照图7A-图7D描述的偏振体光栅700)，并且对于入射到其上的光的偏振、入射角和/或波长范围是选择性的。第二内耦合器452和第二光波导442的至少一部分设置在显示器410和反射光学元件460之间。
如图4D所示，除了偏振选择性之外，第一内耦合器450还是波长选择性的。在一些实施例中，由第一内耦合器450重定向的第二光414的第一部分414-A在第一波长范围内。因此，第一内耦合器450还被配置成透射具有不同于第一波长范围的第二波长范围的第二光414的第二部分414-B，同时重定向第二光414的第一部分414-A。类似于第一内耦合器450，第二内耦合器452被配置成接收和透射具有第一偏振的第一光412。第二内耦合器452还被配置为接收具有第二偏振和第二波长范围的第二光414的第二部分414-B，并且重定向第二光414的第二部分414-B的至少一部分(即第二光414的第三部分414-C)，使得第三部分414-C以大于与第二光波导442相关联的临界角的入射角θ2照射在第二光波导442的表面上。因此，第三部分414-C将在第二光波导442内经历全内反射，并通过一系列全反射事件继续传播通过波导。在一些实施例中，入射角θ2不同于入射角θ1。
在一些实施例中，第一波长范围和第二波长范围对应于不同的颜色或颜色范围。例如，第一波长范围对应于红光(例如，第一波长范围为从635nm到700nm对应于红色)，而第二波长范围对应于绿光(例如，第一波长范围为从520nm到560nm对应于绿色)。在一些实施例中，第一波长范围对应于第一颜色的第一部分和第二颜色的第一部分，而第二波长范围对应于第一颜色的第二部分和第二颜色的第二部分。例如，第一波长范围对应于红光的第一部分和绿光的第一部分(例如，第一波长范围是从635nm到650nm和从520nm到540nm)，而第二波长范围对应于红光的第二部分和绿光的第二部分(例如，第一波长范围是从650nm到700nm和从540nm到560nm)。在一些实施例中，波长范围是三种颜色的组合，例如红色、绿色和蓝色(例如，范围从450nm到490nm的蓝色)。
图4E是示出根据一些实施例的显示设备400-C的示意图。除了显示设备400-C的光学组件420包括第三光波导444和与第三光波导444耦合的第三内耦合器454之外，显示设备400-C对应于上面参考图4D描述的显示设备400-B。第三光波导444平行于第一光波导442和第二光波导442定位。在一些实施例中，第三内耦合器454选自由以下项组成的组中：基于液晶的偏振选择元件、包括超表面的偏振选择元件、包括谐振结构化表面的偏振选择元件、包括连续手性层的偏振选择元件以及包括双折射材料的偏振选择元件。在一些实施例中，第三内耦合器454是PVG(例如，下面参照图7A-图7D描述的偏振体光栅700)，并且对于入射到其上的光的偏振、入射角和/或波长范围是选择性的。第三内耦合器454和第三光波导444的至少一部分设置在显示器410和反射光学元件460之间。
如图4E所示，除了偏振选择性之外，第二内耦合器452还是波长选择性的。在一些实施例中，由第一内耦合器450重定向的第二光414的第一部分414-A在第一波长范围内，而由第二内耦合器452重定向的第二光414的第三部分414-C在第二波长范围内。因此，第一内耦合器450和第二内耦合器452被配置成透射第四部分414-D(该第四部分414-D是第二光414的第二部分414-B的一部分，具有第三波长范围)，同时分别重定向第二光414的第一部分414-A和第三部分414-C。类似于第一内耦合器450和第二内耦合器452，第三内耦合器454被配置成接收和透射具有第一偏振的第一光412。第三内耦合器454还被配置为接收具有第二偏振和第三波长范围的第二光414的第四部分414-D，并且重定向第二光414的第四部分414-D的至少一部分(即第二光414的第五部分414-E)，使得第四部分414-D以大于与第三光波导444相关联的临界角的入射角θ3照射在第三光波导444的表面上。因此，第二光414的第五部分414-E将在第三光波导444内经历全内反射，并通过一系列全反射事件继续传播通过该波导。在一些实施例中，入射角θ3不同于入射角θ1和/或入射角θ2。
在一些实施例中，第一波长范围、第二波长范围和第三波长范围对应于不同的颜色或颜色范围。例如，第一波长范围对应于红光，第二波长范围对应于绿光，而第三波长范围对应于蓝光。在一些实施例中，第一波长范围对应于第一颜色的第一部分、第二颜色的第一部分和第三颜色的第一部分，而第二波长范围对应于第一颜色的第二部分、第二颜色的第二部分和第三颜色的第三部分。例如，第一波长范围对应于红光的第一部分、绿光的第一部分和蓝光的第一部分(例如，第一波长范围是从635nm到650nm、从520nm到540nm和从450nm到470nm)，第二波长范围对应于红光的第二部分、绿光的第二部分和蓝光的第二部分(例如，第一波长范围是从650nm到670nm，从540nm到550nm，以及从470nm到480nm)，而第三波长范围对应于红光的第三部分、绿光的第三部分和蓝光的第三部分(例如，第一波长范围是从670nm到700nm，从550nm到560nm，以及从480nm到490nm)。
图5A是示出根据一些实施例的显示设备400-D的示意图。除了一个或更多个透镜470被示出为包括第一透镜422和第二透镜424之外，显示设备400-D对应于上面关于图4D描述的显示设备400-B。第一透镜422和第二透镜424设置在显示器410和第一光波导440之间。第一透镜422被配置为聚焦由显示器410输出的第一光412。在一些实施例中，第一透镜422是双凸透镜，如图5A所示。在一些实施例中，第二透镜424被配置成减少由显示器410输出的第一光412形成的图像中的像差。在一些实施例中，第二透镜424是弯月透镜，如图5A所示。
在一些实施例中，反射光学元件460包括与反射表面462-1耦合的负弯月透镜462，如图5A所示(例如，反射光学元件460是曼金反射镜(Mangin mirror))。在一些实施例中，反射光学元件460包括球面或非球面，或者它们的组合。如图5A所示，负弯月透镜462具有非球面(例如，表面462-1)和球面(例如，反射表面462-2具有球面形状)。反射光学元件460被配置为将第一光412反射并聚焦为第二光414，使得第二光414比第一光412更准直。如图5A所示，包括光线412-1和412-2的第一光412被反射光学元件460反射和聚焦为包括被准直的光线414-1和414-2的第二光414。
透镜(包括第一透镜422、第二透镜424和负弯月透镜462)的特性(例如，尺寸、厚度、形状、焦距等)被优化以获得期望的光学特性。在一些实施例中，这种透镜包括球面、非球面、平面和/或自由曲面透镜表面，或其任意组合。
图5B是示出根据一些实施例的显示设备400-E的示意图。除了一个或更多个透镜470包括第三透镜426和第四透镜428之外，显示设备400-E对应于上面关于图4D描述的显示设备400-B。第三透镜426和第四透镜428都是弯月透镜，并且第三透镜426和第四透镜428的组合被配置成聚焦由显示器410输出的第一光412(包括光线412-1和412-2)，并且减少由第一光412形成的图像中的像差。
显示设备400-E和上面关于图4D描述的显示设备400-B之间的另一个区别在于，图5B的反射光学元件460包括与反射表面464-1耦合的负弯月透镜464。负弯月透镜464具有两个球面(包括表面464-1和具有球面形状的反射表面464-1)。如上所述，反射光学元件460被配置为将包括光线412-1和412-2的第一光412反射并聚焦为包括光线414-1和414-2的第二光414，使得第二光414比第一光412更准直。如图5B所示，光线414-1和414-2被准直。
图5C-图5D是示出根据一些实施例的显示设备400-D的示意图。图5C示出了显示器410输出的第一光412(例如，光线412-1)被反射表面462-1反射。第一光412具有第一圆偏振。第一光412包括当它们从显示器410传播到反射光学元件460时发散的光线412-1。如图所示，第一光412透射通过第二透镜474和第一透镜472并被其聚焦，使得第一光412的发散度(divergence)减小。第一光412透射通过与第一内耦合器450耦合的第一光波导440和与第二内耦合器452耦合的第二光波导442。第一光412然后被反射光学元件460接收。第一光412被反射光学元件460的反射表面462-1反射为具有第二圆偏振的第二光414。在一些实施例中，从反射表面462-1反射的第二光414基本上是准直的。图5D示出了向第一光波导440传播的第二光414。具有第一波长范围的第一部分414-A被第一内耦合器450重定向，并且具有第二波长范围的第二部分414-B被第二内耦合器452重定向。在一些实施例中，第二光414的第一部分414-A被第一内耦合器450反射，使得第二光414的该部分414-A通过全内反射传播通过第一光波导440的一部分(如图5D的插图所示)。第二光414的第二部分414-B透射通过第一内耦合器和第二光波导442。第二光414的第二部分414-B然后被第二内耦合器452反射，使得第二光414的第三部分414-C通过全内反射传播通过第二光波导442的一部分。图5E和图5F是示出包括两个或更多个显示器的显示设备的示意图。在一些实施例中，这种多显示器设备可以提供增大的视场，其具有为用户眼睛视场的不同部分提供图像光的单独投影仪。在一些实施例中，这种多显示器设备可以提供增大的视场(例如，第一显示器以较高分辨率向视场的较小区域提供光，而第二显示器同时以较低分辨率向视场的较大区域提供光)。在一些实施例中，多显示器设备包括输出不同颜色的光的多个显示器(例如，主要输出红色光的第一显示器、主要输出蓝色光的第二显示器和主要输出绿色光的第三显示器)。
图5E是示出根据一些实施例的显示设备500-A的示意图。如图5E所示，显示设备500-A包括对应于多个波长范围(例如，第一波长范围、第二波长范围)中相应波长范围的多个显示组件(例如，显示组件501-1、501-2)，以及对应于多个显示组件中相应显示组件的多个光波导(例如，波导540-1、540-2)。在一些实施例中，显示设备500-A中的多个显示组件的相应显示组件包括被配置为输出相应波长范围内的图像光的相应显示器、被配置为聚焦从相应显示器输出的图像光的相应透镜组件、具有相应反射表面的相应反射光学元件、以及被配置为重定向相应波长范围内的图像光使得相应波长范围内的图像光通过全内反射传播通过相应光波导的一部分的相应内耦合器。
例如，显示组件501-1包括被配置为输出第一波长范围内的图像光512-1的显示器510-1、被配置为聚焦从显示器510-1输出的图像光512-1的透镜组件520-1、具有反射表面562-1的反射光学元件560-1、以及被配置为重定向从反射表面562-1反射的图像光512-1使得第一波长范围内的图像光512-1通过全内反射传播通过光波导540-1的一部分的内耦合器550-1。同样，显示组件501-2包括被配置为输出第二波长范围内的图像光512-2的显示器510-2、被配置为聚焦从显示器510-2输出的图像光512-2的透镜组件520-2、具有反射表面562-2的反射光学元件560-2、以及被配置为重定向从反射表面562-2反射的图像光512-2使得第二波长范围内的图像光512-2通过全内反射传播通过光波导540-2的一部分的内耦合器550-2。
图5F是示出根据一些实施例的显示设备500-B的示意图。如图5F所示，显示设备500-B包括对应于多个波长范围(例如，第一波长范围、第二波长范围、第三波长范围)中相应波长范围的多个显示组件(例如，显示组件500-1、500-2、500-3)，以及多个光波导(例如，波导540-1、540-2)。在一些实施例中，显示设备500-B中的多个显示组件中的相应显示组件包括被配置为输出相应波长范围内的图像光的相应显示器、被配置为聚焦从相应显示器输出的图像光的相应透镜组件、具有相应反射表面的相应反射光学元件以及被配置为重定向相应波长范围内的图像光使得相应波长范围内的图像光通过全内反射传播通过多个光波导中的至少一个光波导的一部分的至少一个相应内耦合器。
例如，显示组件501-1包括被配置为输出第一波长范围内的图像光512-1的显示器510-1、被配置为聚焦从显示器510-1输出的图像光512-1的透镜组件520-1、具有反射表面562-1的反射光学元件560-1、以及被配置为重定向从反射表面562-1反射的图像光512-1使得第一波长范围内的图像光512-1通过全内反射传播通过光波导540-1的一部分的内耦合器550-1。同样，显示组件501-2包括被配置为输出第二波长范围内的图像光512-2的显示器510-2、被配置为聚焦从显示器510-2输出的图像光512-2的透镜组件520-2、具有反射表面562-2的反射光学元件560-2、以及被配置为重定向从反射表面562-2反射的图像光512-2使得第二波长范围内的图像光512-2通过全内反射传播通过光波导540-2的一部分的内耦合器550-2。
此外，显示组件501-3包括被配置为输出第三波长范围内的图像光512-3的显示器510-3、被配置为聚焦从显示器510-3输出的图像光512-3的透镜组件520-3、具有反射表面562-3的反射光学元件560-3、被配置为重定向从反射表面562-3反射的图像光的第一部分514使得第三波长范围内的图像光的第一部分514通过全内反射传播通过光波导540-1的一部分的第一内耦合器551以及被配置为重定向从反射表面562-3反射的图像光的第二部分516使得第三波长范围内的图像光的第二部分516通过全内反射传播通过光波导540-2的一部分的第二内耦合器552。在一些实施例中，图像光的第一部分514以第一入射角范围内的入射角入射到第一内耦合器551上，而图像光的第二部分514以第二入射角范围内的入射角入射到第二内耦合器552上。
图5G和图5H是示出根据一些实施例的显示设备400-F的示意图。除了显示设备400-F包括第一内耦合器554和第二内耦合器556之外，显示设备400-F对应于上面参考图5A描述的显示设备400-D。第一内耦合器554被配置为重定向以第一入射角范围内的入射角入射到第一内耦合器554上的光，而第二内耦合器556被配置为重定向以第二入射角范围内的入射角入射到第二内耦合器556上的光。第二内耦合器556还被配置成透射以第一入射角范围内的入射角入射到第二内耦合器556上的光，而不对其进行重定向。例如，从显示器410上的第一位置输出的第一光412-1被反射表面462-1反射为图像光414-1。图像光414-1基本上是准直的，并以第一入射角范围内的入射角入射到第一内耦合器554和第二内耦合器556上。如图5G所示，第二内耦合器556被配置为透射图像光414-1，而第一内耦合器554被配置为重定向图像光414-1的部分518-1，使得图像光414-1的部分518-1通过全内反射传播通过光波导442的一部分。从显示器410上的第二位置输出的第二光412-2被反射表面462-1反射为图像光414-2。图像光414-2基本上是准直的，并且以第二入射角范围内的入射角入射到第二内耦合器556上。第二内耦合器556被配置为重定向图像光414-2的部分518-2，使得图像光414-2的部分518-2通过全内反射传播通过光波导440的一部分。
图6A是示出根据一些实施例的显示设备600-A的示意图。除了显示设备600-A的光学组件610-A还包括四分之一波片(QWP)630和反射器620之外，显示设备600-A对应于上面关于图4A描述的显示设备400-A，并且包括对应于光学组件420的光学组件610-A。另外，在显示设备600-A中，反射元件460位于显示器410和第一光波导440之间。反射光学元件460被配置成接收从显示器410输出的第一光412。反射光学元件460然后被配置成透射第一光(这里标记为第一光612)的一部分，而不改变其偏振或方向。例如，反射光学元件460是部分反射器，例如被配置为透射50％的光同时反射50％的光的50/50反射镜。具有第一圆偏振的第一光612朝向反射器620透射通过第一波导440和第一内耦合器450。如图所示，反射器620与QWP 630光学耦合。在一些实施例中，反射器620耦合或附接到QWP 630，如图6B-图6C所示。QWP是一种光学延迟器(optical retarder)(例如，四分之一波片)，其被配置为在透射光的同时将圆偏振光改变为线性偏振光，反之亦然。QWP 630被配置成将圆偏振光612改变为线性偏振光。反射光学元件460被配置成接收具有线性偏振的光612，并且反射该光而不改变其偏振。QWP 630还被配置成接收具有线性偏振的光612，并将偏振从线性偏振改变回第一圆偏振。然后，具有第一圆偏振的光612再次透射通过第一光波导440和第一内耦合器450。反射光学元件460被配置为接收来自第一光波导440的光612，并将光612的一部分反射为具有第二圆偏振的光614。光学元件450被配置为接收具有第二圆偏振的光614，并且反射光614，使得光614在第一光波导440内部经历全内反射，并且继续传播通过第一光波导440。
图6B-图6C是示出根据一些实施例的显示设备600-B的示意图。除了显示设备600-B包括分别与第一内耦合器450、第二内耦合器452和第三内耦合器454耦合的第一光波导440、第二光波导442和第三光波导444之外，显示设备600-B对应于关于图6A描述的显示设备600-A。如图6B所示，第一光412-3从显示器410上的第一位置发射，而在图6C中，第一光412-4从显示器410上的第二位置发射。在图6B和图6C中，第一光412包括用红色示出的第一波长范围、用绿色示出的第二波长范围和用蓝色示出的第三波长范围。第一内耦合器450被配置为反射红光，第二内耦合器452被配置为反射绿光，而第三内耦合器454被配置为反射蓝光。图6A和图6B示出了从显示器410的不同位置发射的第一光412-3和412-4的传播。
图7A-图7D是示出根据一些实施例的偏振体光栅(PVG)700的示意图。在一些实施例中，PVG对应于上面参考图4A、图4D和图4E描述的内耦合器(例如，第一内耦合器450、第二内耦合器452和第三内耦合器454)。在一些实施例中，PVG 700是液晶PVG，其包括以螺旋结构排列的液晶层(例如，由胆甾型液晶形成的液晶)。PVG部分地基于入射光的偏振来增加或去除光功率。PVG对光的圆偏振具有选择性。当圆偏振光的状态(旋向性)沿着液晶的螺旋轴时，PVG与圆偏振光相互作用，并且从而改变光的方向(例如反射、折射或衍射光)。同时，在改变光的方向的同时，PVG还改变了光的偏振。相比之下，PVG透射具有相反圆偏振的光，而不改变其方向或偏振。例如，PVG将RCP光的偏振改变为LCP光，并同时在透射LCP光的同时重定向光而不改变其偏振或方向。在一些实施例中，PVG对波长范围和/或入射角也是选择性的。如果入射光处于设计波长，则RCP光被重定向并转换为LCP光，而具有在设计波长范围之外的波长的RCP光被透射，而不进行其偏振转换。如果入射光具有处于设计的入射角范围的入射角，则RCP光被转换成LCP光并被重定向，而具有在设计的入射角范围之外的入射角的RCP光被透射，而不进行其偏振转换。
图7A示出了在入射光704沿z轴进入光栅的情况下的PVG 700的三维视图。图7B示出了在多个液晶(例如，液晶702-1和702-2)具有不同取向的情况下的PVG 700的x-y平面图。液晶的取向沿x轴沿D和D'之间的参考线是恒定的，如图7D所示，该图示出了液晶沿参考线的详细平面图。如图7C所示，定义为液晶方位角旋转180度时沿y轴的距离的间距在整个光栅中是恒定的。图7C示出了PVG 700的y-z横截面视图。PVG 700具有螺旋结构708，其螺旋轴对应于y轴对齐。螺旋结构产生具有多个衍射平面(例如，平面710-1和710-2)的体积光栅。PVG 700的衍射平面延伸穿过光栅。在图7C中，衍射平面710-1和710-2相对于z轴倾斜。螺旋结构708定义了PVG 700的偏振选择性，因为具有对应于螺旋轴的圆偏振旋向性的光被衍射，而具有相反旋向性的圆偏振的光没有被衍射。螺旋结构708还定义了PVG 700的波长选择性，因为波长接近螺旋间距(例如，图7C中的螺旋间距712)的光被衍射，而其他波长的光不被衍射。
根据这些原理，我们现在转向本公开的某些实施例。
根据一些实施例，一种用于从显示器(例如，显示器410)投射光的光学组件(例如，图4A中的光学组件420)包括第一光波导(例如，第一光波导440)、反射光学元件(例如，反射光学元件460)和第一内耦合器(例如，第一内耦合器450)。反射光学元件被配置为从显示器接收具有第一偏振的第一光(例如，第一光412)，并将第一光反射为具有不同于第一偏振的第二偏振的第二光(例如，第二光414)。第一内耦合器与第一光波导耦合。第一内耦合器被配置成接收和透射第一光。第一内耦合器还被配置成接收第二光并重定向第二光的第一部分(例如，第二光414的第一部分414-A)，使得第二光的第一部分在第一光波导内经历全内反射。
在一些实施例中，第一内耦合器设置在显示器和反射光学元件之间(例如，在图4A中，第一内耦合器450设置在显示器410和反射光学元件460之间)。第一内耦合器被配置为接收来自显示器的第一光，并且朝向反射元件透射第一光，而不改变第一光的方向或偏振。
在一些实施例中，第一内耦合器选自由以下项组成的组中：基于液晶的偏振选择元件、包括超表面的偏振选择元件、包括谐振结构化表面的偏振选择元件、包括连续手性层的偏振选择元件以及包括双折射材料的偏振选择元件。
在一些实施例中，基于液晶的偏振选择元件是偏振体光栅。(例如，第一内耦合器450是图7A-图7D中的PVG 700)。
在一些实施例中，第一内耦合器是透射光栅(例如，图4B中的透射光栅450-A)，其被配置为重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分以大于与第一光波导相关联的临界角的入射角(例如，入射角θ1)进入第一光波导。临界角是大于其则发生全内反射的入射角。第一内耦合器设置在第一光波导的第一表面(例如，第一光波导440的第一表面441-A)上，使得第二光在照射到第一内耦合器上之后照射到第一光波导上。
在一些实施例中，第一内耦合器是反射光栅(例如，反射光栅450-B)，其被配置为在第二光进入第一光波导之后重定向第二光的第一部分，从而使得第二光的第一部分以大于临界入射角的入射角(例如，入射角θ1)照射在第一光波导的内表面(例如，第一光波导440的第二表面442-A)上。在该实施例中，第二光的第一部分照射第一光波导内的反射光栅。第一内耦合器设置在第一光波导的第二表面(例如，第一光波导440的第二表面442-A)上，使得第二光在照射到第一内耦合器上之前照射到第一光波导上。
在一些实施例中，第一内耦合器和第一光波导的一部分位于显示器和反射光学元件之间(例如，在图4A中，第一内耦合器450和第一光波导440的一部分位于显示器410和反射光学元件之间)。
在一些实施例中，第一内耦合器被配置成透射第二光的第二部分(例如，在图4D中，第一内耦合器450透射第二光414的第二部分414-B)。第二光的第一部分具有第一波长范围，而第二光的第二部分具有不同于第一波长范围的第二波长范围。
在一些实施例中，该光学组件还包括第二光波导和与第二光波导耦合的第二内耦合器(例如，图4D中的第二光波导442和第二内耦合器452)。第二内耦合器被配置成接收和透射第一光(例如，第一光412)。第二内耦合器还被配置成接收第二光的第二部分(例如，第二光414的第二部分414-B)并重定向第二光的第二部分，使得第二光的第二部分在第二光波导内经历全内反射(例如，第二光414的第三部分414-C)。
在一些实施例中，反射光学元件是与反射表面耦合的负弯月透镜(例如，在图5A中，反射光学元件460包括透镜462和反射表面462-1)。反射光学元件还被配置成在第一光被反射时聚焦第一光，使得第二光比第一光更准直(例如，在图5A中第二光414被准直)。
在一些实施例中，光学组件还包括在显示器和第一波导之间的一个或更多个透镜(例如，图5A中的透镜422和透镜424)。在一些实施例中，一个或更多个透镜包括被配置成聚焦第一光的第一透镜(例如，透镜422)。在一些实施例中，一个或更多个透镜包括一个或更多个透镜中的第二透镜(例如，透镜424)，该第二透镜被配置成减少由第一光形成的图像中的像差。
根据一些实施例，一种从电子显示器投射光的方法包括将来自显示器的具有第一偏振的第一光透射通过一个或更多个光学部件(例如，图4A)。一个或更多个光学部件包括第一内耦合器和第一光波导(例如，第一光波导440和第一内耦合器450)。该方法包括由反射光学元件(例如，反射光学元件460)接收透射通过一个或更多个光学部件的第一光，并且由反射光学元件将第一光反射为具有不同于第一偏振的第二偏振的第二光。该方法包括由第一内耦合器接收第二光，并且由第一内耦合器重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分在第一光波导内经历全内反射。
在一些实施例中，第一光透射通过一个或更多个光学部件，而方向或偏振没有改变(例如，图4A)。
在一些实施例中，第一内耦合器选自由以下项组成的组中：基于液晶的偏振选择元件、包括超表面的偏振选择元件、包括谐振结构化表面的偏振选择元件、包括连续手性层的偏振选择元件以及包括双折射材料的偏振选择元件。
在一些实施例中，基于液晶的偏振选择元件是偏振体光栅。(例如，第一内耦合器450是图7A-图7D中的PVG 700)。
在一些实施例中，第一内耦合器和第一光波导的一部分位于显示器和反射光学元件之间(例如，图4A)。
在一些实施例中，该方法还包括通过第一内耦合器透射第二光的第二部分。第二光的第一部分具有第一波长范围，而第二光的第二部分具有不同于第一波长范围的第二波长范围(例如，图4D)。
在一些实施例中，一个或更多个光学部件还包括第二光波导和与第二光波导耦合的第二内耦合器(例如，图4D中的第二光波导442和第二内耦合器452)。该方法还包括用第二内耦合器接收第二光的第二部分。该方法还包括用第二内耦合器重定向第二光的第二部分，使得第二光的第二部分在第二光波导内经历全内反射。
根据一些实施例，显示设备(例如，图4A中的显示设备400-A)包括显示器、第一光波导和反射光学部件。显示器被配置为输出具有第一偏振的第一光。反射光学元件被配置为接收来自显示器的第一光，并将第一光反射为具有不同于第一偏振的第二偏振的第二光。第一内耦合器与第一光波导耦合。第一内耦合器被配置为接收和透射第一光并接收第二光，并且重定向第二光的第一部分，使得第二光的第一部分在第一光波导内经历全内反射。
在一些实施例中，由显示器输出的第一光对应于一个或更多个图像(例如，图4C中的图像492)。第一光波导还被配置为透射来自显示设备外部的对象的光(例如，来自显示设备400-A外部的对象494的光490)。显示设备被配置为输出来自第一光波导的第二光的第二部分，使得第二光的第二部分与来自对象的光组合，使得一个或更多个图像与对象一起被显示设备的用户感知(例如，组合的图像496)。
在一些实施例中，显示设备还包括一个或更多个输出耦合器，该一个或更多个输出耦合器与第一光波导耦合，并且位于与第一内耦合器相距一定距离的位置处(例如，图4A中的一个或更多个输出耦合器480)。一个或更多个输出耦合器被配置成将第二光的第一部分从第一光波导朝向用户的眼睛重定向(例如，第二光414的第一部分414-A)。在一些实施例中，一个或更多个输出耦合器包括一个或更多个表面浮雕光栅。在一些实施例中，一个或更多个输出耦合器包括一个或更多个反射器、一个或更多个光栅、一个或更多个可调谐液晶部件和/或一个或更多个偏振体光栅。
尽管各个附图示出了特定部件或特定部件组相对于一只眼睛的操作，但是本领域普通技术人员将理解，可以相对于另一只眼睛或两只眼睛执行类似的操作。为简洁起见，此处不再重复这些细节。
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。虽然具体提及了某种重新排序或其他分组，但是对于本领域普通技术人员来说，其他的重新排序或分组将是显而易见的，因此本文呈现的排序和分组并不是替代方案的穷举性列表。此外，应当认识到，可以用硬件、固件、软件或其任意组合来实现这些阶段。
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是穷举的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 (15)

1.一种用于从显示器投射光的光学组件，包括：
第一光波导；
反射光学元件，其被配置为从所述显示器接收具有第一偏振的第一光，并将所述第一光反射为具有不同于所述第一偏振的第二偏振的第二光；
与所述第一光波导耦合的第一内耦合器，所述第一内耦合器被配置成：
接收和透射所述第一光；和
接收所述第二光并重定向所述第二光的第一部分，使得所述第二光的所述第一部分在所述第一光波导内经历全内反射。
2.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述第一内耦合器设置在所述显示器和所述反射光学元件之间，并且被配置为从所述显示器接收所述第一光，并且朝向所述反射元件透射所述第一光，而不改变所述第一光的方向或偏振。
3.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述第一内耦合器是透射光栅，所述透射光栅被配置为重定向所述第二光的所述第一部分，使得所述第二光的所述第一部分以大于与所述第一光波导相关联的临界角的入射角进入所述第一光波导。
4.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述第一内耦合器是反射光栅，所述反射光栅被配置为在所述第二光进入所述第一光波导之后重定向所述第二光的所述第一部分，使得所述第二光的所述第一部分以大于临界入射角的入射角照射在所述第一光波导的内表面上。
5.根据权利要求1所述的光学组件，其中：
所述第一内耦合器被配置成透射所述第二光的第二部分，并且
所述第二光的所述第一部分具有第一波长范围，而所述第二光的所述第二部分具有不同于所述第一波长范围的第二波长范围；并且，可选地所述光学组件还包括：
第二光波导；和
与所述第二光波导耦合的第二内耦合器，所述第二内耦合器被配置成：
接收和透射所述第一光；和
接收所述第二光的所述第二部分并重定向所述第二光的所述第二部分，使得所述第二光的所述第二部分在所述第二光波导内经历全内反射。
6.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述反射光学元件是与反射表面耦合的负弯月透镜，并且所述反射光学元件还被配置成在所述第一光被反射时聚焦所述第一光，使得所述第二光比所述第一光更准直。
7.根据权利要求1所述的光学组件，还包括位于所述显示器和所述第一波导之间的一个或更多个透镜，所述一个或更多个透镜包括被配置为聚焦所述第一光的第一透镜。
8.一种从电子显示器投射光的方法，所述方法包括：
将来自所述显示器的具有第一偏振的第一光透射通过一个或更多个光学部件，所述一个或更多个光学部件包括第一内耦合器和第一光波导；
由反射光学元件接收透射通过所述一个或更多个光学部件的所述第一光；
由所述反射光学元件将所述第一光反射为具有不同于所述第一偏振的第二偏振的第二光；
由所述第一内耦合器接收所述第二光；和
由所述第一内耦合器重定向所述第二光的第一部分，使得所述第二光的所述第一部分在所述第一光波导内经历全内反射。
9.根据权利要求1所述的光学组件或根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一内耦合器选自由以下项组成的组中：基于液晶的偏振选择元件、包括超表面的偏振选择元件、包括谐振结构化表面的偏振选择元件、包括连续手性层的偏振选择元件以及包括双折射材料的偏振选择元件。
10.根据权利要求9所述的光学组件或方法，其中，所述基于液晶的偏振选择元件是偏振体光栅。
11.根据权利要求1所述的光学组件或根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一内耦合器和所述第一光波导的一部分位于所述显示器和所述反射光学元件之间。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括：
由所述第一内耦合器透射所述第二光的第二部分，其中，所述第二光的所述第一部分具有第一波长范围，而所述第二光的所述第二部分具有不同于所述第一波长范围的第二波长范围；并且，可选地
其中，所述一个或更多个光学部件还包括第二光波导和与所述第二光波导耦合的第二内耦合器，所述方法还包括：
用所述第二内耦合器接收所述第二光的所述第二部分；和
用所述第二内耦合器重定向所述第二光的所述第二部分，使得所述第二光的所述第二部分在所述第二光波导内经历全内反射。
13.一种显示设备，包括：
根据权利要求1的光学组件；和
显示器，其被配置为输出具有第一偏振的所述第一光。
14.根据权利要求13所述的显示设备，其中：
由所述显示器输出的所述第一光对应于一个或更多个图像；
所述第一光波导还被配置为透射来自所述显示设备外部的对象的光；和
所述显示设备被配置为输出来自所述第一光波导的所述第二光的所述第二部分，使得所述第二光的所述第二部分与来自所述对象的所述光组合，使得所述一个或更多个图像与所述对象一起被所述显示设备的用户感知。
15.根据权利要求13所述的显示设备，还包括一个或更多个输出耦合器，所述一个或更多个输出耦合器与所述第一光波导耦合，并且位于与所述第一内耦合器相距一定距离的位置处，其中，所述一个或更多个输出耦合器被配置为：
将所述第二光的所述第一部分从所述第一光波导朝向用户的眼睛重定向。
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