CN114442323A - 平铺波导显示器 - Google Patents

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CN114442323A CN202210032300.2A CN202210032300A CN114442323A CN 114442323 A CN114442323 A CN 114442323A CN 202210032300 A CN202210032300 A CN 202210032300A CN 114442323 A CN114442323 A CN 114442323A
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Abstract

本申请涉及平铺波导显示器。波导显示器包括光源、源波导、输出波导和控制器。来自每个光源的光耦合到源波导中。源波导包括具有基于接收图像光的全内反射和一阶衍射的条件确定的恒定周期的光栅。发射的图像光在几个入口位置耦合到输出波导中。输出波导在偏离入口位置的位置处输出扩展的图像光，并且发射的扩展图像光的位置/方向部分地基于光源的方向。每个扩展图像光与由输出波导发射的扩展图像光的视场相关联。

Description

平铺波导显示器
本申请是申请日为2017年11月15日，申请号为201780071951.X，发明名称为“平铺波导显示器”的申请的分案申请。
技术领域
本公开总体涉及近眼显示器系统，并且更具体地涉及平铺波导显示器。
背景技术
近眼光场显示将图像直接投影到用户的眼睛中，包括近眼显示器(NED)和电子取景器。传统的近眼显示器(NED)通常具有显示元件，该显示元件产生在到达用户眼睛之前穿过一个或多个透镜的图像光。另外，虚拟现实系统和/或增强现实系统中的NED通常需要紧凑且重量轻，并且为了易于使用而提供具有宽视野的大出射光瞳。然而，设计具有宽视场的传统NED可能导致相当大的透镜，以及相对庞大且重的NED。
发明内容
波导显示器用于向用户呈现媒体。波导显示器包括发射对应于图像的第一部分的第一图像光的第一光源；发射对应于图像的第二部分的第二图像光的第二光源，所述第二部分不同于图像的第一部分；包括第一入口区域、第二入口区域、第一出口区域和第二出口区域的源波导；包括第三入口区域和第三出口区域的输出波导，以及产生并向源波导提供扫描指令的控制器。
源波导在第一入口区域内耦合第一图像光，在至少一个维度上扩展第一图像光，并且经由第一出口区域输出扩展的第一图像光。源波导在第二入口区域内耦合第二图像光，在第一维度上扩展第二图像光，并且经由第二出口区域输出扩展的第二图像光。输出波导在第三入口区域内耦合第一图像光和第二图像光，将扩展的第一图像光和扩展的第二图像光在与第一维度正交的至少一个维度上扩展，以生成放大图像的一部分，并经由第三出口区域将放大图像的一部分输出到眼动范围。在一些配置中，扩展的第一图像光沿第一方向传播，且扩展的第二图像光沿与第一方向相反的第二方向传播。
在一些实施例中，源波导在第一区域接收第一图像光，在第二区域接收第二图像光，第一区域和第二区域位于源波导的边缘。第一入口区域可包括第一耦合元件，且第二入口区域可包括第二耦合元件，第一耦合元件和第二耦合元件中的每一个包括基于形成源波导的材料的折射率选择的光栅周期的光栅元件。
本申请还提供了以下内容：
1)一种波导显示器，包括：
第一光源，被配置为发射对应于图像的第一部分的第一图像光；
第二光源，被配置为发射对应于所述图像的第二部分的第二图像光，所述图像的所述第二部分不同于所述图像的所述第一部分；
包括第一入口区域，第二入口区域，第一出口区域和第二出口区域的源波导，所述源波导被配置为：
在所述第一入口区域内耦合所述第一图像光，在至少一个维度上扩展所述第一图像光，并且经由所述第一出口区域输出经扩展的所述第一图像光，以及
在所述第二入口区域内耦合所述第二图像光，在第一维度上扩展所述第二图像光，并经由所述第二出口区域输出经扩展的所述第二图像光；以及
包括第三入口区域和第三出口区域的输出波导，所述输出波导被配置为在所述第三入口区域内耦合所述第一图像光和所述第二图像光，在与所述第一维度正交的至少一个维度上扩展经扩展的所述第一图像光和经扩展的所述第二图像光以生成放大图像的一部分，并经由所述第三出口区域将所述放大图像的所述部分输出到眼动范围。
2)根据1)所述的波导显示器，其中，所述源波导在第一区域接收所述第一图像光，并且在第二区域接收所述第二图像光，所述第一区域和所述第二区域位于所述源波导的相对边缘处。
3)根据1)所述的波导显示器，其中，所述第一入口区域包括第一耦合元件，并且所述第二入口区域包括第二耦合元件，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件中的每一者还包括多个光栅周期的光栅元件，所述光栅周期基于形成所述源波导的材料的折射率选择。
4)根据1)所述的波导显示器，其中，所述源波导与第一视场和第二视场相关联，所述第一视场和所述第二视场中的每一个是形成所述源波导的材料的折射率的函数。
5)根据4)所述的波导显示器，其中，基于来自所述第一光源的所述第一图像光和来自所述第二光源的所述第二图像光的倾斜角度来确定所述第一视场和所述第二视场中的每一个。
6)根据1)所述的波导显示器，其中，经扩展的所述第一图像光沿第一方向传播，并且经扩展的所述第二图像光沿与所述第一方向相反的第二方向传播。
7)根据1)所述的波导显示器，其中，内耦合的所述第一图像光和内耦合的所述第二图像光中的每一个在所述源波导内经历全内反射。
8)根据1)所述的波导显示器，其中，内耦合的所述第一图像光和内耦合的所述第二图像光中的每一个在所述源波导内经历一阶衍射。
9)根据1)所述的波导显示器，还包括第一源波导和第二源波导，所述第一源波导沿第一维度扩展，且所述第二源波导沿垂直于所述第一维度的第二维度扩展。
10)根据1)所述的波导显示器，其中，所述第三入口区域包括第一耦合元件和第二耦合元件，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件中的每一个还包括多个光栅周期的光栅，所述光栅周期基于形成所述输出波导的材料的折射率而选择。
11)一种源波导，包括：
第一入口区域，被配置为将对应于来自第一光源的图像的第一部分的第一图像光内耦合，所述源波导在至少一个维度上扩展所述第一图像光；
第二入口区域，被配置为将对应于来自第二光源的图像的第二部分的第二图像光内耦合，所述图像的第二部分不同于所述图像的第一部分，所述源波导在至少一个维度上扩展所述第二图像光；
第一出口区域，被配置为输出经扩展的所述第一图像光；以及
第二出口区域，被配置为输出经扩展的所述第二图像光。
12)根据11)所述的源波导，其中，所述源波导在第一区域接收所述第一图像光，并在第二区域接收所述第二图像光，所述第一区域和所述第二区域位于所述源波导的相对边缘。
13)根据11)所述的源波导，其中，所述第一入口区域包括第一耦合元件，并且所述第二入口区域包括第二耦合元件，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件中的每一个还包括多个光栅周期的光栅元件，所述光栅周期基于形成所述源波导的材料的折射率选择。
14)根据11)所述的源波导，其中，所述源波导与第一视场和第二视场相关联，所述第一视场和所述第二视场中的每一个是形成所述源波导的材料的折射率的函数。
15)根据14)所述的源波导，其中，基于来自所述第一光源的所述第一图像光和来自所述第二光源的所述第二图像光的倾斜角度来确定所述第一视场和所述第二视场中的每一个。
16)根据11)所述的源波导，其中，经扩展的所述第一图像光沿第一方向传播，并且经扩展的所述第二图像光沿与所述第一方向相反的第二方向传播。
17)根据11)所述的源波导，其中，内耦合的所述第一图像光和内耦合的所述第二图像光中的每一个在所述源波导内经历全内反射。
18)根据11)所述的源波导，其中，内耦合的所述第一图像光和内耦合的所述第二图像光中的每一个在所述源波导内经历一阶衍射。
19)根据11)所述的源波导，还包括至少第一源波导和第二源波导，所述第一源波导沿第一维度扩展，且所述第二源波导沿垂直于所述第一维度的第二维度扩展。
20)一种波导显示器，包括：
第一光源，被配置为发射对应于图像的第一部分的第一图像光；
第二光源，被配置为发射对应于不同于所述图像的所述第一部分的、所述图像的第二部分的第二图像光；
源波导包括第一入口区域，第二入口区域，第一出口区域和第二出口区域，所述源波导被配置为：
在所述第一入口区域内耦合所述第一图像光，在至少一个维度上扩展所述第一图像光，并且经由所述第一出口区域输出扩展的所述第一图像光，以及
在所述第二入口区域内耦合所述第二图像光，在第一维度上扩展所述第二图像光，并经由所述第二出口区域输出扩展的所述第二图像光；以及
输出波导包括第三入口区域和第三出口区域，所述输出波导被配置为在所述第三入口区域内耦合所述第一图像光和所述第二图像光，在与所述第一维度正交的至少一个维度上扩展经扩展的所述第一图像光和经扩展的所述第二图像光以生成放大图像的一部分，并经由所述第三出口区域将所述放大图像的所述部分输出到眼动范围。
21)根据20)所述的波导显示器，其中，所述源波导在第一区域接收所述第一图像光，并且在第二区域接收所述第二图像光，所述第一区域和所述第二区域位于所述源波导的相对边缘处。
22)根据20)或21)所述的波导显示器，其中，所述第一入口区域包括第一耦合元件，并且所述第二入口区域包括第二耦合元件，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件中的每一个还包括多个光栅周期的光栅元件，所述光栅周期基于形成所述源波导的材料的折射率选择。
23)根据20)至22)中任一项所述的波导显示器，其中，所述源波导与第一视场和第二视场相关联，所述第一视场和所述第二视场中的每一个是形成所述源波导的材料的折射率的函数；
可选地，其中，基于来自所述第一光源的所述第一图像光和来自所述第二光源的所述第二图像光的倾斜角度来确定所述第一视场和所述第二视场中的每一个。
24)根据20)至23)中任一项所述的波导显示器，其中，扩展的所述第一图像光沿第一方向传播，并且扩展的所述第二图像光沿与所述第一方向相反的第二方向传播。
25)根据20)至24)中任一项所述的波导显示器，其中，内耦合的所述第一图像光和内耦合的所述第二图像光中的每一个在所述源波导内经历全内反射；和/或
其中，内耦合的所述第一图像光和内耦合的所述第二图像光中的每一个在所述源波导内经历一阶衍射。
26)根据20)至25)中任一项所述的波导显示器，还包括第一源波导和第二源波导，所述第一源波导沿第一维度扩展，且所述第二源波导沿垂直于所述第一维度的第二维度扩展。
27)根据20)至26)中任一项所述的波导显示器，其中，所述第三入口区域包括第一耦合元件和第二耦合元件，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件中的每一个还包括多个光栅周期的光栅，所述光栅周期基于形成所述输出波导的材料的折射率而选择。
28)一种源波导，包括：
第一入口区域，被配置为将对应于来自第一光源的图像的第一部分的第一图像光内耦合，所述源波导在至少一个维度上扩展所述第一图像光；
第二入口区域，被配置为将对应于来自第二光源的、图像的第二部分的第二图像光内耦合，所述图像的第二部分不同于所述图像的第一部分，所述源波导在至少一个维度上扩展所述第二图像光；
第一出口区域，被配置为输出经扩展所述的第一图像光；以及
第二出口区域，被配置为输出经扩展的所述第二图像光。
29)根据28)所述的源波导，其中，所述源波导在第一区域接收所述第一图像光，并在第二区域接收所述第二图像光，所述第一区域和所述第二区域位于所述源波导的相对边缘。
30)根据28)或29)所述的源波导，其中，所述第一入口区域包括第一耦合元件，并且所述第二入口区域包括第二耦合元件，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件中的每一个还包括多个光栅周期的光栅元件，所述光栅周期基于形成所述源波导的材料的折射率选择。
31)根据28)至30)中任一项所述的源波导，其中，所述源波导与第一视场和第二第一视场相关联，所述第一视场和所述第二视场中的每一个是形成所述源波导的材料的折射率的函数；
可选地，其中，基于来自所述第一光源的所述第一图像光和来自所述第二光源的所述第二图像光的倾斜角度来确定所述第一视场和所述第二视场中的每一个。
32)根据28)至31)中任一项所述的源波导，其中，扩展的所述第一图像光沿第一方向传播，并且扩展的所述第二图像光沿与所述第一方向相反的第二方向传播。
33)根据28)至32)中任一项所述的源波导，其中，内耦合的所述第一图像光和内耦合的所述第二图像光中的每一个在所述源波导内经历全内反射；和/或
其中，内耦合的所述第一图像光和内耦合的所述第二图像光中的每一个在所述源波导内经历一阶衍射。
34)根据28)至33)中任一项所述的源波导，还包括至少第一源波导和第二源波导，所述第一源波导沿第一维度扩展，且所述第二源波导沿垂直于所述第一维度的第二维度扩展。
在涉及波导显示器和源波导的所附权利要求中特别公开了根据本发明的实施例，其中，在一个权利要求类别中提到的任何特征，例如，波导显示器也可以在另一个权利要求类别(例如，源波导、系统、方法、存储介质和计算机程序产品)中要求保护。附加权利要求中的依赖性或引用仅出于正式原因而被选择。然而，也可以要求保护由于故意参考任何先前的权利要求(特别是多个依赖性)而产生的任何主题，使得无论在所附权利要求中选择的依赖性如何，都公开并且可以要求保护权利要求及其特征的任何组合。可以要求保护的主题不仅包括所附权利要求中阐述的特征的组合，还包括权利要求中的任何其他特征组合，其中权利要求中提到的每个特征可以与权利要求中的任何其他特征或其他特征的组合结合。此外，本文描述或描绘的任何实施例和特征可以在单独的权利要求中和/或与本文描述或描绘的任何实施例或特征或所附权利要求的任何特征的任何组合中要求保护。
附图说明
图1是根据实施例的NED的图。
图2是根据实施例的图1中所示的NED的横截面。
图3A示出根据实施例的平铺波导显示器的等距视图。
图3B示出根据实施例的图3A的平铺波导显示器的替代视图。
图3C示出根据实施例的包括多个平铺波导组件的波导显示器的等距视图。
图4示出根据实施例的平铺波导显示器的横截面。
图5是根据实施例的包括NED的系统的框图。
附图仅出于说明的目的描绘了本公开的实施例。在不脱离本文所述的本公开的原理或益处的情况下，本领域技术人员将从以下描述中容易地认识到，可以采用本文所示的结构和方法的替代实施例。
具体实施方式
平铺波导显示器(也称为“波导显示器”)是可以加宽从波导显示器发射的图像光的视场的显示器。在一些实施例中，波导显示器被结合到例如作为人工现实系统的一部分的近眼显示器(NED)中。波导显示器包括平铺波导组件和输出波导。平铺波导组件包括：发射对应于图像的第一部分的第一图像光的第一光源；发射对应于图像的第二部分的第二图像光的第二光源，所述第二部分不同于图像的第一部分；包括第一入口区域、第二入口区域、第一出口区域和第二出口区域的源波导；以及包括第三入口区域和第三出口区域的输出波导。来自第一光源和第二光源中的每一个的光耦合到源波导中，该源波导沿着源波导在特定位置处发射图像光。第一光源和第二光源中的每一个可以通过小出射光瞳将一维线图像投影到无限观看距离。一维线图像可以通过例如使用线性阵列源和准直透镜形成。源波导包括多个光栅元件，其具有基于接收的图像光的全内反射和一阶衍射的条件确定的恒定周期。为了形成二维图像，在相对于由第一光源和第二光源投射的一维线图像正交的方向上逐行扫描源波导。源波导可以围绕投影的一维线图像的轴平铺，以形成二维图像。发射的图像光在多个入口位置处耦合到输出波导中。输出波导在偏离入射位置的位置处输出多个扩展图像光，并且发射的扩展图像光的位置/方向部分地基于第一光源和第二光源的定向。多个扩展图像光中的每一个与由输出波导发射的扩展图像光的视场相关联。在一些示例中，平铺波导显示器的总视场可以是每个扩展图像光的视场的总和。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或者与人工现实系统结合实施。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混合现实、或其一些组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与捕获的(例如，真实世界)内容结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，并且其中的任何一个可以在单个频道或多个频道中呈现(诸如向观看者产生三维效果的立体视频)。另外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立HMD、移动装置或计算系统、或者能够向一个或多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或者与人工现实系统结合实施。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混合现实、或其一些组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括与捕获的(例如，真实世界)内容结合的完全生成的内容或生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，并且其中的任何一个可以在单个频道或多个频道中呈现(诸如向观看者产生三维效果的立体视频)。另外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，包括连接到主计算机系统的HMD、独立HMD、移动装置或计算系统、或者能够向一个或多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
图1是根据实施例的近眼显示器(NED)100的图。NED 100向用户呈现媒体。由NED100呈现的媒体的示例包括一个或多个图像、视频、音频或其某种组合。在一些实施例中，经由从NED 100、控制台(未示出)或两者接收音频信息并基于音频信息呈现音频数据的外部装置(例如，扬声器和/或耳机)呈现音频。NED 100通常被配置为作为人工现实NED运行。在一些实施例中，NED 100可以利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、真实世界环境的视图。
图1中所示的NED 100包括框架105和显示器110。框架105耦合到一个或多个一起向用户显示媒体的光学元件。在一些实施例中，框架105可表示眼镜框架。显示器110被配置为供用户查看由NED 100呈现的内容。如下面结合图2所讨论的，显示器110包括至少一个波导显示组件(未示出)，用于将一个或多个图像光引导到用户的眼睛。波导显示组件包括至少一个或多个平铺波导显示器。波导显示组件还可以包括例如叠层波导显示器、变焦波导显示器或它们的一些组合。平铺波导显示器是可以加宽从波导显示器发射的图像光的视场的显示器。变焦波导显示器是可以调节从平铺波导显示器发射的图像光的焦深的显示器。
图2是根据实施例的图1中所示的NED 100的横截面200。显示器110包括至少一个显示组件210。出射光瞳230是当用户佩戴NED 100时眼睛220所处的位置。为了说明的目的，图2示出与单眼220和单个显示组件210相关联的横截面200，但是在未示出的替代实施例中，与图2所示的波导显示组件210分开的另一个波导显示组件将图像光提供给用户的另一只眼睛220。
如下面在图2中所示，显示组件210被配置为通过出射光瞳230将图像光引导到眼睛220。显示组件210可以由具有一个或多个折射率的一种或多种材料(例如，塑料、玻璃等)组成，其有效地使NED 100的重量最小化并且拓宽视场(下文中缩写为“FOV”)。在替代配置中，NED 100包括在显示组件210和眼睛220之间的一个或多个光学元件。光学元件可以用于例如校正从显示组件210发射的图像光中的像差，放大从显示组件210发射的图像光，从显示组件210发射的图像光的一些其他光学调整，或其某种组合。光学元件的示例可包括光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器或影响图像光的任何其他合适的光学元件。
在一些实施例中，显示组件210包括一个或多个平铺的波导显示器。在一些实施例中，平铺波导显示器可以是堆叠波导显示器或变焦显示器的一部分。平铺波导显示器是可以加宽从波导显示器发射的图像光的视场的显示器。堆叠波导显示器是通过堆叠其各自的单色光源具有不同颜色的平铺波导显示器而产生的多色显示器(例如，红-绿-蓝(RGB)显示器)。
图3A示出根据实施例的波导显示器300的等距视图。在一些实施例中，波导显示器300(也可以称为平铺波导显示器)是NED 100的组件(例如，显示组件210)。在备选实施例中，波导显示器300是一些其他NED的一部分，或将显示图像光引向特定位置的其他系统。
波导显示器300至少包括平铺波导组件310、输出波导320、和控制器330。出于说明的目的，图3A示出与单眼220相关联的波导显示器300，但在一些实施例中，另一个波导显示器与波导显示器300分开(或部分分离)，将图像光提供给用户的另一只眼睛。在部分分离的系统中，可以在每只眼睛的波导显示器之间共享一个或多个组件。
平铺波导组件310产生图像光。平铺波导组件310包括多个光源、源波导和控制器(例如，如下面关于图4进一步描述的)。平铺波导组件310产生图像光340并将其输出到输出波导320的耦合元件350。
输出波导320是将图像光输出到用户的眼睛220的光波导。输出波导320在一个或多个耦合元件350处接收图像光340，并将所接收的输入图像光引导到一个或多个解耦元件360。在一些实施例中，耦合元件350将来自平铺波导组件310的图像光340耦合到输出波导320中。耦合元件350可以是例如衍射光栅、全息光栅、将图像光340耦合到输出波导320中的一些其他元件，或其某种组合。例如，在耦合元件350是衍射光栅的实施例中，选择衍射光栅的间距使得发生全内反射，并且图像光340在内部朝向解耦元件360传播。例如，衍射光栅的间距可以在300nm至600nm的范围内。
解耦元件360将来自输出波导320的全内反射图像光解耦。解耦元件360可以是例如衍射光栅、全息光栅、将图像光解耦出输出波导320的一些其他元件、或其某种组合。例如，在解耦元件360是衍射光栅的实施例中，选择衍射光栅的间距以使入射的图像光离开输出波导320。例如，衍射光栅的间距可以在300nm至600nm。选择衍射光栅的间距，使得来自多个光源的图像光340在输出波导320内经历全内反射，而不会通过更高阶衍射(例如，二阶反射)泄漏。通过改变进入耦合元件350的图像光340的方向和位置来控制从输出波导320射出的图像光的方向和位置。在一些实施例中，从输出波导320射出的图像光的方向与图像光340的方向相同。在一个示例中，从输出波导320出射的图像光的位置由平铺波导组件310的多个光源的位置、耦合元件350的位置和解耦元件360的位置控制。至少一个光源的方向的任何变化以覆盖总FOV的一部分导致从输出波导320射出的图像光覆盖总FOV的相同部分。通过使用覆盖整个FOV的多个光源获得总FOV。另外，总FOV是输出波导320的折射率、衍射光栅的间距、平铺波导组件310的光源总数以及要求通过二阶衍射不从输出波导320发出泄漏光的函数。
输出波导320可以由促进图像光340的全内反射的一种或多种材料组成。输出波导320可以由例如硅、塑料、玻璃或聚合物或它们的一些组合构成。输出波导320具有相对小的形状因子。例如，输出波导320沿X维度可以是大约50mm宽，沿着Y维度是30mm长，沿着Z维度是0.5-1mm厚。
控制器330控制平铺波导组件310的扫描操作。控制器330至少基于一个或多个显示指令确定平铺波导组件310的显示指令。显示指令是渲染一个或多个图像的指令。在一些实施例中，显示指令可以仅仅是图像文件(例如，位图)。可以从例如VR系统的控制台接收显示指令(例如，如下面结合图5所述)。显示指令是由平铺波导组件310用于生成图像光340的指令。显示指令可包括例如图像光源类型(例如，单色、多色)，用于特定光源组件的标识符、用于特定平铺波导组件的标识符、扫描速率、源的方向、一个或多个照明参数(下面参考图4描述)或其某种组合。控制器330接收控制与离开输出波导320的图像光的总视场相关联的扩展光370的方向的显示指令。例如，总视场可以是平铺波导组件310的多个光源中的每一个的视场的总和。在一些实施例中，总视场可以是多个光源中的每一个的视场的加权和，其中基于来自不同光源的视场之间的重叠量确定每个单独视场的权重。在一些实施例中，控制器330还接收包括标识符信息的显示指令，以选择接收显示指令的平铺波导组件。控制器330包括这里未示出以免模糊本公开的其他方面的硬件、软件和/或固件的组合。
图3B示出根据实施例的波导显示器300的替代视图。图3B是图3A的波导显示器300的实施例，并且上面参考图3A描述的所有细节也适用于图3B。图3B示出一个或多个反射图像光315通过平铺波导组件310的传播。
平铺波导组件310接收来自光源组件410A和410B中的每一个的图像光，下面结合图4详细描述，并且沿着两个相反方向扩展每个图像光。平铺波导组件310产生经历全内反射并且通常沿负X维度传播的反射光315A。平铺波导组件310产生经历全内反射并且通常沿正X维度传播的反射光315B。反射光315的传播方向基于衍射光栅的间距和来自多个光源中的每一个的图像光的全内反射的出现，以获得所需的入射角范围，以实现特定阶的感兴趣的衍射。例如，为了实现正的一阶衍射(+1)，耦合元件350的衍射光栅的间距被设计成使得反射光315B沿正X方向传播。类似地，耦合元件350的另一个衍射光栅的间距被设计成使得反射光315A沿负X方向传播以实现负的一阶衍射(-1)。平铺波导组件310产生图像光340并将其输出到输出波导320。在一些实施例中，图像光340包括图像光340A和图像光340B。如图3B所示，图像光340在输出波导320处经历全内反射。图像光340通过解耦元件360作为扩展光370分离并到达眼睛220。在一些实施例中，扩展光370A表示在垂直于输出波导320的表面的方向上发射的扩展图像光。扩展光370B表示以与输出波导320的表面倾斜的角度发射的图像光。在一些配置中，扩展图像光370B的倾斜角可以在-30度至+30度的范围内。
图3C是根据实施例的包括多个平铺波导组件310A和310B的波导显示器380的等距视图。图3C是图3A的波导显示器300的实施例。图3C的波导显示器380包括平铺波导组件310A、平铺波导组件310B、输出波导320B和控制器330。平铺波导组件310A和310B基本上类似于图3A的平铺波导组件。除了耦合元件350B之外，输出波导320B在结构上类似于图3A的输出波导320。耦合元件350B是图3A的耦合元件350的实施例。
平铺波导组件310A将图像光340A输出到耦合元件350A。平铺波导组件310B将图像光340B输出到耦合元件350B。图像光340A和340B是图3A的图像光340的实施例。在图3C的示例中，平铺波导组件310A沿x维度定向，并且平铺波导组件310B沿着与平铺波导组件310A偏移的相同x维度定向。在一些实施例中，偏移由眼动范围的期望尺寸，总FOV和眼睛间隙距离确定。偏移还与定义需要多大的输出区域(例如40mm×30mm)以给出给定总FOV的眼动范围的期望尺寸以及眼睛间隙距离相关联。
图4示出根据实施例的波导组件300的横截面400。平铺波导组件300的横截面400包括源组件410A、源组件410B和源波导430。
源组件410A和410B根据来自控制器330的显示指令产生光。源组件410A包括源440A和光学系统450A。源440A是产生至少相干或部分相干图像光的光源。源440A可以是例如激光二极管、垂直腔表面发射激光器、发光二极管、可调谐激光器或发射相干或部分相干光的一些其他光源。源440A发射可见波段的光(例如，从约390nm至700nm)的光，并且它可以发射连续或脉冲的光。在一些实施例中，源440A可以是发射特定波长(例如，532纳米)的光的激光器。源440A根据从控制器330接收的一个或多个照明参数发光。照明参数是源440A用于产生光的指令。照明参数可以包括例如源波长、脉冲速率、脉冲幅度、光束类型(连续或脉冲)，影响发射光的其他参数，或其某种组合。除了来自控制器330的显示指令中的标识符信息之外，源组件410B在结构上类似于源组件410A。
在一些实施例中，源组件410A和源组件410B位于源波导430的相对端。源组件410A产生沿负z维度引导并由源波导430内耦合的图像光，以便向负x维度传播。源组件410B产生沿正z维度引导并由源波导430内耦合的图像光，以便向正x维度传播。
光学系统450包括调节来自光源440的光的一个或多个光学组件。调节来自光源440的光可以包括例如扩展、准直、根据来自控制器330的指令调整方向，其他一些光的调整或其一些组合。一个或多个光学组件可包括例如透镜、镜子、光圈、光栅或其一些组合。从光学系统450(以及源组件410)发射的光被称为图像光455。光学系统450将图像光455朝着源波导430输出。
源波导430是光波导。源波导430可以由促进图像光455的全内反射的一种或多种材料组成。源波导430可以由例如硅、塑料、玻璃或聚合物、折射率低于2的材料或它们的一些组合构成。源波导430具有相对小的形状因子。例如，源波导430沿X维度可为约50mm长、沿Y维度为约3mm宽、沿Z维度为0.5-1mm厚。
源波导430包括耦合元件460A和解耦元件470。源波导430接收在耦合元件460A处从源组件410A发射的图像光455A。耦合元件460A将来自光源组件410A的图像光455A耦合到源波导430中。耦合元件460A可以是例如衍射光栅、全息光栅、反射表面、棱镜结构、源波导430的主体的侧面或边缘、将图像光455A耦合到源波导430中的一些其他元件，或其某种组合。例如，在耦合元件460A是衍射光栅的实施例中，选择衍射光栅的间距使得发生全内反射，并且图像光455A在内部朝向解耦元件470传播。例如，衍射光栅的间距可以在300nm至600nm的范围内。
解耦元件470将全内反射图像光455A与源波导430分离。在一些实施例中，解耦元件470包括衍射光栅设计的变化(例如，间距)，使得图像光的解耦合在衍射光栅的一些部分中，对于给定的入射角范围更有效。解耦元件470可以是例如衍射光栅、全息光栅、反射表面、棱镜结构、源波导430的主体的侧面或边缘、将图像光从源波导430解耦的一些其他元件，或其某种组合。例如，在解耦元件470是衍射光栅的实施例中，选择衍射光栅的间距以使入射图像光离开源波导430。可以通过改变离开源组件410A的图像光的方向，改变源组件410A的方向或其某种组合来改变从源波导430射出的图像光的方向。例如，衍射光栅的间距可以在300nm至600nm的范围内。
在使用衍射光栅作为耦合元件的典型近眼显示器(NED)系统中，FOV的限制基于满足两个物理条件：(1)耦合到源波导430中的图像光的全内反射的发生和(2)耦合元件460A和460B在其各自图像源的FOV上的一阶衍射的存在。基于衍射光栅的NED系统使用的常规方法依赖于满足上述两个物理条件，以通过使用具有高折射率的材料实现大FOV(例如，高于40度)，其中所述方法向NED系统添加明显重且昂贵的组件。相反，波导显示器300依赖于通过分离耦合元件460A和460B将FOV分成两个半空间，每个耦合元件被配置为分别接收图像光455A和图像光455B。因此，耦合元件460A内的衍射光栅的间距值确定图像光455A的一阶衍射的极限和源波导430内的图像光455A的全内反射的极限。
由于耦合元件460A和耦合元件460B都将图像光反射到同一解耦元件470，因此衍射光栅的间距是相同的，以便形成非失真图像。在这种情况下，光源被配置为提供FOV的一半，例如，图像光455A提供从-FOV/2到0并且图像光455B提供从0到FOV/2。在第二示例中，图像光455A提供从0到FOV/2，并且图像光455B提供从-FOV/2到0。选择衍射光栅的间距，使得对应于图像光455A的FOV耦合到正的第一(+1)衍射级中，图像光455B的FOV耦合到负的第一(-1)衍射级中。为了最大化呈现给用户眼睛的显示器的亮度，耦合元件460A和耦合元件460B的光栅轮廓被分开设计，以分别优化耦合到所需衍射级的光量。另外，可以调整衍射光栅的间距，以通过衍射到更高阶衍射模式来最小化源波导430的光泄漏。
解耦元件470将图像光440A和图像光440B输出到输出波导320。解耦元件470内的衍射光栅的间距的值被选择为等于耦合元件460A和耦合元件460B的间距的值，以便为呈现给用户眼睛的显示器中的图像光形成未失真的图像。设计光栅轮廓，使得在利用解耦元件470每次截取图像光时，光部分地与源波导430分离。具有解耦元件470的光的多个部分衍射导致沿图像光440的x维度的总扩展。
离开源波导430的图像光440A至少沿一个维度扩展(例如，可以沿x维度伸长)。如上参考图3A所述，图像光440耦合到输出波导320。
在一些实施例中，解耦元件470在沿源波导430内捕获的图像光的传播方向上具有延伸的长度。解耦元件470可以表示源波导430的出射光瞳。
控制器330通过向源组件410A提供显示指令来控制源组件410A。显示指令使源组件410A渲染光，使得离开输出波导320的解耦元件360的图像光扫描出一个或多个2D图像。例如，显示指令可以使平铺波导组件310从源组件410(例如使用MicroLED和准直透镜的一维阵列)产生的图像光的1-D阵列图案生成二维图像。控制器330通过向源波导430提供扫描指令来控制源波导430。扫描指令使源波导430根据扫描图案(例如，光栅，隔行扫描等)执行源波导430的扫描操作。显示指令控制从光源440发射的光的强度，并且光学系统450通过快速调整发射光的方向来扫描图像。如果足够快，人眼将扫描的图案集成到单个2D图像中。显示指令还控制源波导430的旋转方向(例如，顺时针或逆时针)和速度。
在一些配置中，可以根据与图像光455A和图像光455B对应的视场的总和来确定平铺波导显示器310的总视场。在典型的NED系统中，视场被限制为平铺波导显示器310的总视场的一半，因为使用两个源组件没有视场的分裂。另外，平铺波导显示器310具有光源组件410A和410B的形状因子的弛豫，因为每个源440A和440B的视场是用于具有单个光源的波导显示器的视场的一半。
图5是根据实施例的包括NED 100的系统500的框图。图5所示的系统500包括NED100、成像装置535和VR输入接口540，它们各自耦合到VR控制台510。虽然图5示出包括一个NED 100、一个成像装置535和一个VR输入接口540的示例系统500，但是在其他实施例中，系统500中可以包括任何数量的这些组件。例如，可以存在多个NED 100，每个NED 100具有相关联的VR输入接口540并且由一个或多个成像装置535监视、每个NED 100、VR输入接口540和成像装置535与VR控制台510通信。在替代配置中，不同和/或附加组件可以包括在系统500中。类似地，一个或多个组件的功能可以以与此处描述的方式不同的方式分布在组件之间。例如，VR控制台510的一些或所有功能可以包含在NED 100内。另外，在一些实施例中，VR系统500可以被修改为包括其他系统环境，例如AR系统环境，或者更一般地人工现实环境。
IMU 130是电子装置，其基于从一个或多个位置传感器125接收的测量信号生成指示NED 100相对于NED 100的初始位置的估计位置的快速校准数据。位置传感器125响应于NED 100的运动，产生一个或多个测量信号。位置传感器125的示例包括：一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、另一种合适类型的检测运动的传感器、一种用于IMU 130的校正的传感器、或其某种组合。位置传感器125可以位于IMU 130的外部、IMU130的内部、或者它们的一些组合。在图5所示的实施例中，位置传感器125位于IMU 130内，并且IMU 130和位置传感器125都对用户不可见(例如，位于NED 100的外表面下方)。
基于由一个或多个位置传感器125生成的一个或多个测量信号，IMU 130生成指示NED 100相对于NED 100的初始位置的估计位置的快速校准数据。例如，位置传感器125包括多个加速计以测量平移运动(前/后、上/下、左/右)和多个陀螺仪以测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、滚动)。在一些实施例中，IMU 130快速采样来自各种位置传感器125的测量信号，并根据采样数据计算NED 100的估计位置。例如，IMU 130随时间积分从一个或多个加速度计接收的测量信号以估计速度矢量并且随时间积分速度矢量以确定NED 100上的参考点的估计位置。参考点是可以用来描述NED 100的位置的点。虽然参考点通常可以定义为空间中的点；然而，实际上，参考点被定义为NED 100内的点(例如，表示IMU 130的中心的参考点115)。
成像装置535根据从VR控制台510接收的校准参数产生慢校准数据。成像装置535可包括一个或多个像机、一个或多个摄像机、一个或多个滤波器(例如，用于增加信噪比)，或其任何组合。成像装置535被配置为检测在成像装置535的FOV中发射或反射的图像光。在NED 100包括无源元件(例如，逆向反射器)的实施例中，成像装置535可以将图像光逆向反射到成像装置535中的图像光源。慢速校准数据从成像装置535传送到VR控制台510，并且成像装置535从VR控制台510接收一个或多个校准参数以调整一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、ISO、传感器温度、快门速度、光圈等)。
VR输入接口540是允许用户向VR控制台510发送动作请求的装置。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程序或在应用程序内执行特定动作。VR输入接口540可以包括一个或多个输入装置。示例输入装置包括：键盘，鼠标，游戏控制器或用于接收动作请求并将所接收的动作请求传送到VR控制台510的任何其他合适的装置。由VR输入接口540接收的动作请求被传送到VR控制台510，其执行与动作请求相对应的动作。在一些实施例中，VR输入接口540可以根据从VR控制台510接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时提供触觉反馈，或者VR控制台510将指令传送到VR输入接口540，使得VR输入接口540在VR控制台510执行动作时产生触觉反馈。
VR控制台510向NED 100提供根据从以下中的一个或多个接收的信息的媒体以呈现给用户：成像装置535、NED 100和VR输入接口540。在图5所示的示例中，VR控制台510包括应用程序商店545、跟踪模块550和VR引擎555。VR控制台510的一些实施例具有与结合图5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此处描述的方式不同的方式分布在VR控制台510的组件之间。
应用程序商店545存储一个或多个应用程序以供VR控制台510执行。应用程序是一组指令，当由处理器执行时，生成用于呈现给用户的内容。由应用程序生成的内容可以响应于通过NED 100或VR输入接口540的移动从用户接收的输入。应用程序的示例包括：游戏应用程序、会议应用程序、视频回放应用程序或其他合适的应用程序。
跟踪模块550使用一个或多个校准参数来校准VR系统500，并且可以调整一个或多个校准参数以减少确定NED 100的位置时的误差。例如，跟踪模块550调整成像装置535的焦点以获得在VR头盔上更准确的位置。此外，由跟踪模块550执行的校准还考虑从IMU 530接收的信息。另外，如果NED 100的跟踪丢失，则跟踪模块550重新校准一些或整个系统环境500。
跟踪模块550使用来自成像装置535的慢校准信息跟踪NED 100的移动。跟踪模块550还使用来自快速校准信息的位置信息确定NED 100的参考点的位置。另外，在一些实施例中，跟踪模块550可以使用快速校准信息，慢速校准信息或其某种组合的部分来预测NED100的未来位置。跟踪模块550将NED 100的估计或预测的未来位置提供给VR引擎555。
VR引擎555在系统500内执行应用程序并从跟踪模块550接收NED100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。在一些实施例中，由VR引擎555接收的信息可以用于产生到波导显示组件515的信号(例如，显示指令)，该信号确定呈现给用户的内容的类型。例如，如果接收的信息指示用户已向左看，则VR引擎555通过确定在波导显示组件515中操作的源和波导的类型，为NED 100生成镜像用户在虚拟环境中的移动的内容。例如，VR引擎555可以产生显示指令，该指令将使波导显示组件515产生具有红色、绿色和蓝色的内容。另外，VR引擎555响应于从VR输入接口540接收的动作请求，在VR控制台510上执行的应用内执行动作，并向用户提供执行动作的反馈。所提供的反馈可以是经由NED100的视觉或听觉反馈或经由VR输入接口540的触觉反馈。
其他配置信息
已经出于说明的目的呈现了本公开的实施例的前述描述；其并非旨在穷举或将本公开限制于所公开的精确形式。相关领域的技术人员可以理解，鉴于以上公开内容，许多修改和变化是可能的。
本说明书的一些部分在关于信息的操作的算法和符号表示方面描述了本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来有效地将其工作的实质传达给本领域其他技术人员。虽然在功能上、计算上或逻辑上描述这些操作，但应理解为由计算机程序或等效电路、微代码等实现。此外，在不失一般性的情况下，将这些操作安排称为模块，有时也证明是方便的。所描述的操作及其相关模块可以体现为软件、固件、硬件或其任何组合。
本文描述的任何步骤、操作或过程可以单独地或与其他装置组合地用一个或多个硬件或软件模块来执行或实现。在一个实施例中，软件模块用计算机程序产品实现，该计算机程序产品包括含有计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码可以由计算机处理器执行以执行所描述的任何或所有步骤、操作或过程。
本公开的实施例还可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以为所需目的而专门构造，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算装置。这样的计算机程序可以存储在非暂时性有形计算机可读存储介质中，或者可以耦合到计算机系统总线的适合于存储电子指令的任何类型的介质中。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多个处理器设计以提高计算能力的架构。
本公开的实施例还可以涉及通过本文描述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息存储在非暂时性有形计算机可读存储介质上，并且可以包括计算机程序产品的任何实施例或本文描述的其他数据组合。
最后，说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导目的而选择的，并且可能未选择它来描绘或限制本发明的主题。因此，本公开的范围旨在不受该详细描述的限制，而是受基于此在本申请上发布的任何权利要求的限制。因此，实施例的公开内容旨在说明而非限制本公开的范围，本公开的范围在随后权利要求书中阐述。

Claims (12)

1.一种波导显示器，包括：
第一光源，所述第一光源被配置为发射第一光；
第二光源，所述第二光源被配置为发射第二光；以及
第一波导，所述第一波导接收所述第一光和所述第二光并且输出第一图像光和第二图像光，所述波导包括外耦合光栅，所述外耦合光栅被配置成在第一视场(FOV)外耦合所述第一图像光以及在第二FOV外耦合所述第二图像光，所述第一图像光对应于所述第一光和图像的第一部分，以及所述第二图像光对应于所述第二光和所述图像的第二部分，
其中，所述第一FOV和所述第二FOV中的每一个是形成所述第一波导的材料的折射率的函数。
2.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述波导显示器的总FOV是所述第一FOV和所述第二FOV的总和。
3.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述波导显示器的总FOV是以第一权重加权的所述第一FOV和以第二权重加权的所述第二FOV的总和，所述第一权重和所述第二权重是基于在所述第一FOV和所述第二FOV之间的重叠量确定的。
4.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述第一波导被配置成沿两个相反方向扩展所述第一光和所述第二光中的每一个。
5.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述第一波导包括第一耦合元件和第二耦合元件，所述第一耦合元件内耦合所述第一光，所述第二耦合元件内耦合所述第二光，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件中的每一个包括多个光栅周期的光栅，所述光栅周期是基于形成所述第一波导的材料的折射率选择的。
6.根据权利要求1所述的波导显示器，还包括第二波导，所述第二波导被配置成将来自所述第一光源的所述第一光引导到所述第一波导，以及将来自所述第二光源的所述第二光引导到所述第一波导。
7.根据权利要求6所述的波导显示器，其中，所述第二波导被配置成在第一区域接收所述第一光以及在第二区域接收所述第二光，所述第一区域和所述第二区域位于所述第二波导的相对边缘处。
8.根据权利要求7所述的波导显示器，其中，在所述第一区域和所述第二区域之间的偏移是根据以下中的至少一个确定的：眼动范围的期望尺寸、总FOV和眼睛间隙距离。
9.根据权利要求7所述的波导显示器，其中，所述第一图像光和所述第二图像光围绕轴沿相反方向传播，并且所述第二波导的相对边缘沿所述轴定向。
10.根据权利要求6所述的波导显示器，其中，所述第二波导被配置成在第一入口区域内耦合所述第一光以及在第二入口区域内耦合所述第二光，所述第一入口区域包括第一耦合元件以及所述第二入口区域包括第二耦合元件，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件中的每一个还包括多个光栅周期的光栅元件，所述光栅周期是基于形成所述第二波导的材料的折射率选择的。
11.根据权利要求6所述的波导显示器，其中，所述第一光和所述第二光中的每一个在所述第二波导内经历全内反射或一阶衍射。
12.根据权利要求1所述的波导显示器，还包括第二波导和第三波导，所述第二波导沿第一维度扩展，以及所述第三波导沿垂直于所述第一维度的第二维度扩展。
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