CN115808798A - 全息虚拟现实显示器 - Google Patents

全息虚拟现实显示器 Download PDF

Info

Publication number
CN115808798A
CN115808798A CN202210827539.9A CN202210827539A CN115808798A CN 115808798 A CN115808798 A CN 115808798A CN 202210827539 A CN202210827539 A CN 202210827539A CN 115808798 A CN115808798 A CN 115808798A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pupil
light
waveguide
display
coupled
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.)
Pending
Application number
CN202210827539.9A
Other languages
English (en)
Inventor
J·金
W·洛佩斯
D·P·利布基
M·古帕库玛
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.)
Nvidia Corp
Original Assignee
Nvidia Corp
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 Nvidia Corp filed Critical Nvidia Corp
Publication of CN115808798A publication Critical patent/CN115808798A/zh
Pending legal-status Critical Current

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
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B27/0103—Head-up displays characterised by optical features comprising holographic elements
    • 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
    • G02B27/0081—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. enlarging, the entrance or exit pupil
    • 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
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/04—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/08—Synthesising holograms, i.e. holograms synthesized from objects or objects from holograms
    • G03H1/0808—Methods of numerical synthesis, e.g. coherent ray tracing [CRT], diffraction specific
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2294—Addressing the hologram to an active spatial light modulator
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/013—Eye tracking input arrangements
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
    • G06T19/006—Mixed reality
    • 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
    • G02B27/0149—Head-up displays characterised by mechanical features
    • G02B2027/015—Head-up displays characterised by mechanical features involving arrangement aiming to get less bulky devices
    • 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
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic
    • 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
    • G02B2027/0178—Eyeglass type
    • 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
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2223/00—Optical components
    • G03H2223/16—Optical waveguide, e.g. optical fibre, rod
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2223/00—Optical components
    • G03H2223/17—Element having optical power
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2223/00—Optical components
    • G03H2223/19—Microoptic array, e.g. lens array
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2223/00—Optical components
    • G03H2223/20—Birefringent optical element, e.g. wave plate
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2223/00—Optical components
    • G03H2223/22—Polariser
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2223/00—Optical components
    • G03H2223/23—Diffractive element

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Software Systems (AREA)

Abstract

本公开涉及全息虚拟现实显示器。虚拟现实(VR)显示器是以为观看者模拟真实体验的方式呈现图像或视频的计算机显示器。在许多情况下，VR显示器被实现为头戴式显示器(HMD)，它在用户的视线范围内提供显示。由于当前的HMD由显示面板和放大镜组成，两者之间有间隙，因此HMD的正常功能将它的设计限制为盒状外形因数，从而对舒适性和美观性产生负面影响。本公开提供了VR显示器的一种不同配置，其允许改进的舒适性和美观性，具体包括至少一个相干光源、耦合到所述至少一个相干光源以从其接收光的至少一个光瞳复制波导，以及耦合到所述至少一个光瞳复制波导以调制光的至少一个空间光调制器。

Description

全息虚拟现实显示器
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2021年4月16日提交的，题为“具有全息光学的虚拟现实显示器(VIRTUAL REALITY DISPLAY WITH HOLOGRAPHIC OPTICS)”的美国临时申请No.63/176,108的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开与虚拟现实显示器有关。
背景技术
虚拟现实(VR)显示器是以为观看者模拟真实体验的方式呈现图像或视频的计算机显示器。例如，VR显示器可以呈现三维(3D)环境，它可能是交互式的，也可能不是。VR显示器对于使用VR的各种应用非常有用，例如娱乐(例如，视频游戏)、教育(例如，培训)和商业(例如，会议)等。
在许多情况下，VR显示器被实现为头戴式显示器(HMD)。根据定义，HMD佩戴在用户的头上，以在用户的视线范围内提供显示。通过观看显示，用户能够体验VR。为了鼓励更广泛地使用HMD，重要的是将HMD设计重点放在更舒适的外形、更高的性能和更好的美学上。
然而，迄今为止，HMD的典型配置限制了它们的舒适性和美观性。特别是，HMD目前由显示面板和放大镜(即目镜)组成。为了给用户提供可感知的图像，显示面板与镜头之间的距离应略小于镜头的焦距。由于在给定孔径尺寸下制造非常短的焦距镜头是不可行的，因此当前的HMD具有盒状外形，因此无法复制传统形式的眼镜，这对其舒适性和美观性都有负面影响。
需要解决这些问题和/或与现有技术相关的其他问题。
发明内容
公开了一种用于全息虚拟现实(VR)显示器的装置和相关方法。VR显示器包括至少一个相干光源、耦合到所述至少一个相干光源以接收来自其的光的至少一个光瞳复制波导、以及耦合到所述至少一个光瞳复制波导以调制所述光的至少一个空间光调制器。
附图说明
图1示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导和空间光调制器的VR显示器。
图2示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导、空间光调制器和线性偏振器的VR显示器的实现。
图3示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导、空间光调制器和几何相位透镜的VR显示器的实现。
图4示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导、空间光调制器、几何相位透镜和四分之一波片的VR显示器的实现。
图5示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导、空间光调制器、线性偏振器、几何相位透镜和四分之一波片的VR显示器的实现。
图6A示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导和空间光调制器的VR显示器的实现，其中VR显示器表现出高衍射级。
图6B示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导和空间光调制器的VR显示器的实现，其中由至少一个光瞳复制波导接收的光的入射角是可调节的。
图7示出了根据实施例的光瞳复制波导的实现。
图8示出了根据实施例的HMD的操作方法。
图9示出了根据实施例的示例性计算系统。
具体实施方式
图1示出了根据实施例的具有相干光源、光瞳复制波导和空间光调制器的VR显示器100。在本说明书的上下文中，VR显示器100是被配置为显示VR图像和/或VR视频以供用户观看的设备。在一个实施例中，VR显示器100可以是能够佩戴在用户头上以在用户视线内提供显示的HMD，或者VR显示器100可以是这种HMD的子组件。
如图所示，VR显示器100包括至少一个相干光源102、至少一个光瞳复制波导104和至少一个空间光调制器106。当VR显示器100的这些元件在下文描述为至少部分地彼此耦合(并且显示为直接耦合)时，应当注意，在本说明书的上下文中，术语“耦合”可以指任何直接耦合(即，其间没有任何元件)、任何间接耦合(即，有一个或更多个元件位于其间的空间)、部分耦合、完全耦合和/或能够连接不同元件的任何其他耦合。元件之间的任何间隙或空间可能未填充(例如由空气组成)或可能填充有某种物质，例如抗反射涂层。
同样在本说明书的上下文中，相干光源102是指能够输出为至少部分地相干(例如仅部分相干、完全相干等)的任何类型的光(例如普通光、用数据编码等)的任何光源。相干光可以指至少部分地具有相同频率的光子束，例如由激光源输出的激光束。在一个实施例中，VR显示器100可以包括单个相干光源102，可选地具有以多种不同颜色输出光的能力。在另一个实施例中，VR显示器100可以包括多个相干光源102，每个都能够输出不同颜色的光。在多个相干光源102的情况下，相干光源102可以被时分复用，使得光由相干光源102以时分复用的方式输出。
在一个实施例中，相干光源102可以包括发射光的点光源、反射由点光源发射的光的凹面镜、以及引导由凹面镜反射的光的分束器.
相干光源102耦合到至少一个光瞳复制波导104使得至少一个光瞳复制波导104接收来自相干光源102的光。例如，前述分束器可以将由凹面镜反射的光引导到光瞳复制波导104。在本说明书的上下文中，光瞳复制波导104是指包括至少一个光复制元件或功能的任何波导(其可以包括光导)。例如，光瞳复制波导104可以使用至少一个光复制元件或功能来复制从相干光源102接收到的光(例如，如图1中的箭头所示，在光瞳复制波导104的输出处复制从相干光源102接收到的光)。
在一个实施例中，至少一个光瞳复制波导104可以包括衍射表面光栅(或DOE)波导、全息体光栅(或HOE)波导、基于部分反射镜的波导以及具有至少一种光复制元件或功能的其他可能的波导。在另一实施例中，至少一个光瞳复制波导104可以包括具有至少一个波导耦合器的光瞳复制波导。例如，至少一个光瞳复制波导104可以包括具有波导输入耦合器(waveguide in-coupler)和波导输出耦合器(waveguide out-coupler)的光瞳复制波导。波导输入耦合器可以折射从相干光源102接收到的光，以使其通过光瞳复制波导104传播到波导输出耦合器，该输出耦合器可以转而将光导向至少一个空间光调制器106，如稍后再次更详细地描述的。
在任何情况下，光瞳复制波导104可以被配置为使得当经过光瞳复制波导104行进时，至少部分地保持由相干光源102输出的光的相干性。另外，光瞳复制波导104可以被配置成使得在经过光瞳复制波导104行进时，至少部分地保持由相干光源102输出的光的偏振。此外，光瞳复制波导104可以被配置成使得输入到光瞳复制波导104的光的方向(其可以垂直于光瞳复制波导104或以相对于光瞳复制波导104的任何其他角度)在由光瞳复制波导104输出时，被至少部分地保持。
至少一个光瞳复制波导104被耦合到至少一个空间光调制器106以调制光。在本说明书的上下文中，空间光调制器106指的是至少部分地在空间上改变光的调制(即，改变具有空间图案的光的特性)的任何装置或组件。因此，空间光调制器106可以对由光瞳复制波导104传输(例如输出)的光至少部分地施加空间变化调制。例如，空间光调制器106可以是仅相位空间光调制器或以仅相位图操作的空间光调制器。在一个实施例中，至少一个空间光调制器106可以直接耦合到至少一个光瞳复制波导104，它们之间没有空间(即间隙)。在一个实施例中，至少一个空间光调制器106可以间接耦合到至少一个光瞳复制波导104，其间具有空间(和/或一些其他材料或组件)。
空间光调制器106可以是VR显示器100的显示平面。在一个实施例中，空间光调制器106可以在空间光调制器106后面创建VR图像或视频(从VR显示器100的用户的眼睛的角度来看)。在另一个实施例中，空间光调制器106可以是反射式空间光调制器106。在一个实施例中，空间光调制器106使用从图像源接收的像素数据来驱动。作为一种选择，VR显示器100的接收器可以从远程源接收像素数据。当然，在另一个实施例中，像素数据可以相对于VR显示器100本地生成。
通过VR显示器100的这种配置，可以减小或消除至少一个光瞳复制波导104和至少一个空间光调制器106之间的任何间隙。结果，VR显示器100的横截面厚度，或者特别是至少一个光瞳复制波导104和至少一个空间光调制器106的组合横截面厚度可以是2.5毫米(mm)。在一个实施例中，VR显示器100的横截面厚度，或者特别是至少一个光瞳复制波导104和至少一个空间光调制器106的组合横截面厚度，可以小于5毫米(mm)。在另一实施例中，VR显示器100的横截面厚度，或者特别是至少一个光瞳复制波导104和至少一个空间光调制器106的组合横截面厚度可以小于4mm。在又一些实施例中，这样的组合横截面厚度可以小于3mm，等等。
此外，即使在上述间隙被减小或消除的情况下，VR显示器100显示的VR图像和/或视频的质量也可以相对于传统VR显示器得到改善。在一个实施例中，这可以通过使用相干长度大于空间光调制器106的长度的相干光源102来实现，从而确保光干涉。此外，VR显示器100的上述配置可以支持三维(3D)VR图像和/或视频。例如，空间光调制器106可能能够在空间光调制器106平面(虚拟)之后显示3D图像和/或视频。
作为一种选择，VR显示器100可以被配置为使得光不被偏振。作为另一种选择，VR显示器100可以被配置为使得光被偏振。作为又一选择，VR显示器100可以不必包括分束器。作为又一选择，VR显示器100可以是无滤波器的，并且例如可以依赖于使用模拟来确定将由空间光调制器106使用的相位和幅度的传播管道(算法)，或者例如可以依赖于考虑瞳孔直径效应的相位泛化算法，这两者都在下面更详细地描述。
应当注意，虽然上面将VR显示器100描述为包括相干光源102、光瞳复制波导104和空间光调制器106，但可以设想其他实施例，其中VR显示器包括附加元件。下面描述的图2-7提供了VR显示器的其他可能的实施例(实施方式)。仅作为示例，在一个实施例中，VR显示器可以包括至少一个偏振器，其可以是线性偏振器(例如，至少参见图2)。在另一个实施例中，VR显示器可以包括至少一个透镜，例如几何相位透镜(例如至少参见图3)。在又一个实施例中，VR显示器可以包括与透镜结合使用的至少一个偏振器或四分之一波片(例如，至少参见图4)。在又一个实施例中，VR显示器可以包括线性偏振器、几何相位透镜和四分之一波片的组合(例如，至少参见图5)。在进一步的实施例中，VR显示器可以包括动态眼框(例如，至少参见图6B)。此外，图8描述了根据本文描述的一个或更多个实施例配置的HMD的操作方法。
现在将根据用户的需要，阐述关于可以实现前述框架所利用的各种可选架构和特征的更多说明性信息。应强烈注意，以下信息仅用于说明目的，不应解释为以任何方式进行限制。在排除或不排除所描述的其他特征的情况下，可以任选地结合以下任何特征。例如，在一个实施例中，VR显示器100可以包括接收器，该接收器通过网络从远程源接收像素数据(例如，表示VR图像或VR视频)，以通过VR显示器100来显示。远程源可以是任何能够通过网络将像素数据传输到VR显示器100的计算机系统。例如，远程源可以是服务器、视频游戏控制台、移动设备(例如用户的)或任何其他计算机系统，例如下面参考图9所描述的。VR显示器100可以使用有线或无线连接到网络，以便从远程源接收像素数据。
图2示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导、空间光调制器和线性偏振器的VR显示器的实现200。应当注意，前述定义和/或描述可以同样适用于以下描述。
如图所示，至少一个光瞳复制波导104耦合到至少一个相干光源102以从其接收光。此外，至少一个线性偏振器108耦合在光瞳复制波导104和至少一个空间光调制器106之间。至少一个线性偏振器108对从光瞳复制波导104输出的光进行偏振。在一个实施例中，至少一个线性偏振器108根据至少一个空间光调制器106的偏振对光进行偏振。当然，虽然示出了线性偏振器108，但应注意其他类型的偏振器(其指的是根据一些预定义的偏振对光进行偏振的组件或设备)可以使用。在本文所述的其他实施例中，偏振器可以不必与空间光调制器106结合使用，特别是在由光瞳复制波导104输出的光与空间光调制器106的偏振对齐的情况下或在空间光调制器106不需要任何特定的光偏振即可按预期工作的情况下。
在本实施例中，光由至少一个相干光源102传输通过至少一个光瞳复制波导104。由至少一个光瞳复制波导104输出的光转而通过线性偏振器108传输到空间光调制器106以对其进行调制。空间光调制器106输出的调制光然后被传输以输出到用户的眼睛。
图3示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导、空间光调制器和几何相位透镜的VR显示器的实现300。应当注意，前述定义和/或描述可以同样适用于以下描述。
如图所示，至少一个光瞳复制波导104耦合到至少一个相干光源102以从其接收光。至少一个光瞳复制波导104耦合到至少一个空间光调制器106以调制光。至少一个空间光调制器106还耦合到至少一个几何相位透镜110。在所示实施例中，至少一个空间光调制器106耦合到至少一个光瞳复制波导104的第一面以调制光。此外，关于本实施例，至少一个几何相位透镜110耦合到至少一个光瞳复制波导104的与至少一个光瞳复制波导104的第一面相对的第二面。
至少一个几何相位透镜110可以是由VR显示器的用户的眼睛观看的VR显示器的元件(即，可以是VR显示器的目镜)。特别地，在本实施例中，调制光可以从至少一个空间光调制器106传输到至少一个几何相位透镜110，以输出到VR显示器的用户的眼睛。在一个实施例中，至少一个几何相位透镜110可以使光偏振。在另一实施例中，至少一个几何相位透镜110可以创建看起来离用户更远的虚拟图像。
在一个实施例中，几何相位透镜110可以是Pancharatnam-Berry相位透镜。在一个实施例中，几何相位透镜110可以是偏振相关液晶透镜，其用作用于特定输入光束偏振的正透镜。当然，虽然示出了几何相位透镜110，但应该注意可以使用其他类型的透镜。在本文所述的其他实施例中，透镜可以不与空间光调制器106结合使用。
在本实施例中，光由至少一个相干光源102传输通过至少一个光瞳复制波导104。由至少一个光瞳复制波导104输出的光转而被传输到空间光调制器106以对其进行调制。由空间光调制器106输出的调制光然后通过几何相位透镜110传输以输出到用户的眼睛。
图4示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导、空间光调制器、几何相位透镜和四分之一波片的VR显示器的实现400。应当注意，前述定义和/或描述可以同样适用于以下描述。
与图3的实现300类似，至少一个光瞳复制波导104耦合到至少一个相干光源102以从其接收光。至少一个光瞳复制波导104耦合到至少一个空间光调制器106以调制光。至少一个空间光调制器106进一步(间接地)耦合到至少一个几何相位透镜110。在本实施例中，另外，至少一个四分之一波片112位于(耦合)在空间光调制器106和几何相位透镜110之间。四分之一波片112先于光被传输到几何相位透镜110移位从空间光调制器106接收的光的相位。
在一个实施例中，四分之一波片112耦合在空间光调制器106和几何相位透镜110之间，使得线性偏振的衍射光可以有效地转换为右旋圆偏振光(根据几何相位透镜110的需要)，然后光又将被几何相位透镜110左旋圆偏振。应当注意，虽然示出了四分之一波片112，但是在其他实施例中可以使用偏振器。当然，在又一些实施例中，可不必将偏振器或几何相位透镜110与几何相位透镜110结合使用。
在本实施例中，光由至少一个相干光源102传输通过至少一个光瞳复制波导104。由至少一个光瞳复制波导104输出的光又传输通过空间光调制器106对其进行调制。由空间光调制器106输出的调制光然后传输通过四分之一波片112并又通过几何相位透镜110以输出到用户的眼睛。
图5示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导、空间光调制器、线性偏振器、几何相位透镜和四分之一波片的VR显示器的实现500。应当注意，前述定义和/或描述可以同样适用于以下描述。
如图所示，至少一个光瞳复制波导104耦合到至少一个相干光源102以从其接收光。此外，至少一个空间光调制器106间接耦合到至少一个光瞳复制波导104的第一面以调制该光。位于(耦合)在至少一个空间光调制器106和至少一个光瞳复制波导104之间的是线性偏振器108。
至少一个空间光调制器106进一步(间接地)耦合到至少一个几何相位透镜110。特别地，至少一个四分之一波片112位于(耦合)在空间光调制器106和几何相位透镜110之间。四分之一波片112使从空间光调制器106接收并输入到几何相位透镜110的光的相位移位。
在本实施例中，光由至少一个相干光源102传输通过至少一个光瞳复制波导104。由至少一个光瞳复制波导104输出的光又传输通过线性偏振器108到达空间光调制器106以对其进行调制。由空间光调制器106输出的调制光然后传输通过四分之一波片112并进而通过几何相位透镜110以输出到用户的眼睛114。如图所示，目标平面相对于用户的眼睛114的位置位于空间光调制器106的后面。
本实施例示出具有波长λ的相干和准直光被输入耦合并穿过厚度为tw的光瞳复制波导104，然后其以会聚角θc输出耦合。之后，光在具有厚度tp的线性偏振器108处被偏振，并且光在空间光调制器106处被调制，在空间光调制器106中，其像素间距为ps、像素数为Nx×Ny、宽度为ws并且高度为是hs。利用衍射角θs，调制光再次通过光瞳复制波导104，然后通过厚度为tq的四分之一波片112，然后在厚度为tL且焦距为fL的几何相位透镜110处折射。此时，中心光线将利用水平视场(FOV)θv在眼距de距离处创建视点，并且其眼框we由衍射角θs决定。de、θv和we可以使用表1中所示的等式计算。
表1
Figure BDA0003744588130000091
Figure BDA0003744588130000092
以及
Figure BDA0003744588130000093
其中线性偏振器108的厚度tp、四分之一波片112的厚度tq和几何相位透镜110的厚度tL被忽略。空间光调制器106产生位于空间光调制器106后面距离dh的三维(3D)图像。然后几何相位透镜110放大3D图像并将其移回至可感知距离di。
图6A示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导和空间光调制器的VR显示器的实现600，其中VR显示器表现出高衍射级。应当注意，前述定义和/或描述可以同样适用于以下描述。
如图所示，实现600包括与图5的实现500相同的配置。然而，如上所述，实现600示出了这种配置所表现的高衍射级(表示为“HDOs”)。特别地，空间光调制器106像素的周期性结构可以产生重复的高衍射级，每个都显示相同的全息图像，并且它们由于目镜而以间隔wh沿瞳孔平面会聚。如果wh小于瞳孔直径wp，则可以在相位计算过程中考虑HDOs(例如，高阶梯度下降，或HOGD)，如下文更详细描述。
在一个实施例中，眼框we和衍射级重复间距wh的失配可以通过选择像素间距ps和焦距fL来匹配眼框we和衍射级重复间距wh来解决。通过这样做，可以实现连续的眼框。然而，在该实施例中，与中心瓣相比高衍射级的强度可能较低。
在另一个实施例中，可以通过改变由光瞳复制波导104接收的光的入射光角来在平面上修改视点。该实施例关于图6B示出和描述。
图6B示出了根据一个实施例的具有相干光源、光瞳复制波导和空间光调制器的VR显示器的实现650，其中由至少一个光瞳复制波导接收的光的入射角是可调节的。应当注意，前述定义和/或描述可以同样适用于以下描述。
如图所示，实现650具有与实现600相同的配置，除了由光瞳复制波导104接收的光的入射光角度是可调节的。特别地，由于光瞳复制波导104被设计为再现具有一定范围的入射光角(θi)的光场，因此整个空间光调制器106照明的方向可以由小输入光束方向控制，这导致一个动态的眼框。
在一个实施例中，可以根据使用VR显示器的用户的当前注视方向来调节光的入射角。在一个实施例中，VR显示器或包括VR显示器的装置(例如HMD)可以包括注视跟踪设备以确定用户的当前注视方向。利用注视跟踪设备(例如相机、传感器等)，该装置可以通过简单地改变由相干光源102提供的输入光束的方向来跟随用户的注视并围绕中心瓣移动。
在一个实施例中，VR显示器可以包括至少一个光束控制单元(未示出)，其耦合到光瞳复制波导104以调节光输入到光瞳复制波导104的入射角。光束控制单元可以是能够接收来自相干光源102的光并在输入到光瞳复制波导104之前调节光的入射角的任何设备。例如，光束控制单元可以包括可调节反射镜(例如折叠反射镜)，其位置、角度等是可调节的，以在输入到光瞳复制波导104之前改变从相干光源102接收的光的入射角。作为另一个示例，光束控制单元可以是透镜移位器。在一个实施例中，光束控制单元可以耦合到光瞳复制波导104的输入耦合器，下面将参考图7对其进行更详细的描述。
由于VR显示器不是麦克斯韦式(Maxwellian)视图显示器而是创建特定的眼盒，因此不一定需要VR显示器始终将视点精确地重定向到瞳孔中心。此外，所需的移动部件(即镜头光束转向单元)对VR显示器的形状因数影响最小。此外，与全息光学元件图像组合器相比，光瞳复制波导104具有更小的角度选择性并且可以覆盖更宽的输入k-向量。最大入射光角θi,max由光瞳复制波导104的折射率和厚度tw决定，并且其通常足以覆盖用户的眼球运动。
在一些实施例中，对于VR显示器可能存在设计权衡。例如，当空间光调制器106尺寸ws变大时，视场θv变大，而当空间光调制器106像素间距ps变小时，眼盒we变大。因此，θv和we都受到空间光调制器106的特性的限制。对于可穿戴形状因数，眼距de可以以小于20毫米为目标。更短的目镜焦距fL和更大的会聚角θc有利于可穿戴形状因数。尽管短眼距对于可穿戴形状因数和大的视场来说可能是至关重要的，但它可能会导致小的眼盒并使高阶更靠近中心。反过来，光瞳可以用作具有基于场景亮度的动态光圈的傅里叶滤波器。
如果高衍射级间隔wh小于最小瞳孔直径(例如，2mm)，则用户可以始终观察到高衍射级。在这种情况下，可以使用算法来计算将由空间光调制器106使用以产生期望输出的相位图。最初，空间光调制器106处的复波前使用相位图和单位幅度来模拟。这是傅里叶变换(FT)以移动到频域(称为FFT幅度和FFT相位)。重复频域以产生更高阶的副本(即重复FFT幅度和FFT相位副本)。然后通过将波前乘以2D sinc幅度和角谱法(ASM)相位延迟来执行传播，因此导致传播FFT幅度和传播FFT相位，2D sinc幅度说明了空间光调制器106的像素的有限大小。通过将传播FFT幅度和传播FFT相位从频域转换回来计算算法的输出，以产生空间光调制器106要使用的传播幅度和传播相位。
重复频域和2D sinc幅度的一起使用产生准确模拟更高阶的传播管道。以这种方式，空间光调制器106可以利用传播幅度和传播相位进行优化，使得空间光调制器106产生期望的输出。使用这种算法，当VR显示器中不存在滤光时，可以提高图像质量。无需滤光器可以反过来实现更紧凑的VR显示器，而没有牺牲图像质量。此外，利用更高阶的光将增加VR显示器的光学扩展量，而无需添加额外的硬件组件。
如果wh在瞳孔直径范围内，则用户可以基于瞳孔直径感知高衍射级。另一方面，如果高衍射级足够分离，则用户的眼睛可能看不到高衍射级(即用户的瞳孔将作为“自然”滤波器工作，不会看到高衍射级)，因此可以忽略高衍射级和瞳孔直径。由于空间光调制器106本身可能不满足该条件，因此可以使用具体考虑瞳孔直径效应的相位生成算法，如下所述。在一个实施例中，可以利用具有较小像素间距或场景亮度控制的空间光调制器106来放宽该条件。
在一个实施例中，处理器(如下图9所示)可以被包括在VR显示器或包括这种VR显示器的设备(例如HMD)中，用于合成输入图像的相位图。特别地，可以合成相位图，使得高衍射级的间隔大于使用VR显示器的用户的瞳孔直径。
在示例性实施例中，相位图可以用HOGD和HOGD-CITL(相机在环全息)算法合成。这些算法对高衍射级的传播进行建模，以实现良好的图像质量，而无需光学滤除高阶。当瞳孔收集来自多个衍射级的光时，表2中所示的等式中详述的这种高衍射级传播可以提供良好的图像质量。在这个等式中，φ是空间光调制器106的相位图，ps是空间光调制器106的像素间距，α是要优化的阶数的集合，λ是波长，z是空间光调制器106和目标平面之间的距离，而Mp是瞳孔掩模。
表2
Figure BDA0003744588130000121
Figure BDA0003744588130000122
Figure BDA0003744588130000123
Figure BDA0003744588130000124
在这些等式中，u是传播波前，U是具有高阶的空间光调制器106波前的频率表示，H是频域中的ASM核，A是由于SLM的像素间距和瞳孔的孔径而衰减的该ASM核。瞳孔的孔径用掩蔽项Mp来解释，它将HOGD算法扩展到我们称为Pupil-HOGD的算法。在该算法中，瞳孔掩模Mp可以使相位图被优化，同时考虑瞳孔执行的波前滤波。在此处，瞳孔滤波是针对de＝fL的情况建模的，其中直径为wp的瞳孔充当直径为wp/(λfL)的傅里叶域中的圆形滤波器。由此，瞳孔孔径可以简单地通过将掩模Mp构造为对于该圆形滤波器内的频率为1，否则为0来建模。
除了对瞳孔孔径进行建模之外，HOGD和HOGD-CITL算法还扩展为使用掩蔽多平面损失产生RGBD内容的相位图，如表3中所示的等式中所概述。在这些等式中，atarget是所需的目标幅度而D(x,y)是所需的目标深度图。使用掩码m(·)在J目标平面上分解所需场景，这些掩码是通过在多平面分解中将目标深度图量化到最近的深度z(·)生成的。
表3
Figure BDA0003744588130000125
Figure BDA0003744588130000126
最小化这个目标会产生相位图以显示所需的3D内容。对于多平面HOGD算法，这个目标可以直接用Pytorch中的Adam优化器进行优化。HOGD-CITL算法通过将模拟传播的梯度与捕获的VR显示器输出配对来增强这种优化。这些算法可以在NvidiaTM RTX3090显卡上运行，并针对每个目标平面上的内容进行交替优化步骤，以限制内存使用。
应当注意，可以使用诸如红外注视跟踪器的注视跟踪设备来捕获和测量用户的瞳孔直径。实际上，由于瞳孔反射，任何用户的瞳孔直径都会随着场景强度的变化而变化(例如，如果目标场景比前一帧亮得多，那么由于新一帧将减小瞳孔大小，所以pupil-HOGD将不起作用)。然而，用户的瞳孔直径不一定要针对每张图像进行精确测量，而是可以根据场景强度来校准用户的瞳孔反射。例如，一个模型可以每个用户校准一次，并根据场景亮度集成到pupil-HOGD中，以获得优化的观看体验。
图7示出了根据一个实施例的光瞳复制波导的实现700。光瞳复制波导可以包括上述实施例中描述的光瞳复制波导104。应当注意，前述定义和/或描述可以同样适用于以下描述。
如图所示，输入耦合器116将光(来自相干光源102)引导到光瞳复制波导104中，并且输出耦合器118将光引导出光瞳复制波导104。如图所示，光瞳复制波导104沿输出耦合器复制输入耦合的k向量(光)。
图8示出了根据实施例的HMD的操作方法800。在一个实施例中，方法800可以使用VR显示器的实现100(在图1中描述)作为HMD来执行，使得HMD包括至少一个相干光源、耦合到至少一个相干光源的至少一个光瞳复制波导，以及耦合到至少一个光瞳复制波导的至少一个空间光调制器。
在实施例中，HMD可以是增强现实(AR)显示器或混合现实(MR)显示器。因此，HMD不一定限于VR显示器，但是，通过与图1的VR显示器100类似的配置，HMD还可以包括用于捕获实时图像的相机以创建AR或MR图像和/或视频。当然，以上关于各种附图描述的任何实施例可以在执行本方法800的HMD的上下文中使用。
在操作802中，来自至少一个相干光源的光被至少一个光瞳复制波导接收。在操作804中，光从至少一个光瞳复制波导传输到至少一个空间光调制器。在操作806中，利用至少一个空间光调制器调制光。
在一个实施例中，HMD还可以包括耦合到至少一个光瞳复制波导的至少一个偏振器(例如，线性偏振器)。该至少一个偏振器可以根据空间光调制器的偏振对光进行偏振。在该实施例中，方法800可以包括使用至少一个偏振器对由至少一个光瞳复制波导输出的光进行偏振。
在一个实施例中，HMD还可以包括耦合到至少一个空间光调制器的至少一个透镜(例如几何相位透镜)。在这个实施例中，方法800可以包括使用透镜使光偏振。作为进一步的选择，HMD还可以包括耦合到至少一个透镜的至少一个四分之一波片。在该实施例中，方法800可以包括使用至少一个四分之一波片移位输入到透镜的光的相位。
在一个实施例中，HMD可以被配置为使得由至少一个光瞳复制波导接收的光的入射角是可调节的。在该实施例中，方法800然后可以包括根据使用头戴式显示器的用户的当前注视方向来调节光的入射角。在一个实施例中，HMD可以包括用于确定用户的当前注视方向的注视跟踪设备。在另一实施例中，HMD可以包括至少一个光束控制单元，其耦合到至少一个光瞳复制波导(例如耦合到至少一个光瞳复制波导的输入耦合器)，从而使用至少一个光束控制单元调整光的入射角。
在一个实施例中，HMD还可以包括用于合成输入图像的相位图的处理器。在该实施例中，方法800可以包括使用该处理器合成输入图像的相位图。在一个实施例中，可以合成相位图，使得高衍射级的间隔大于使用头戴式显示器的用户的瞳孔直径。
在又一实施例中，HMD可以包括接收器。在该进一步的实施例中，方法800可以包括由接收器通过网络从远程源接收像素数据，以通过HMD显示。HMD可以执行方法800以将像素数据作为VR图像或视频输出以供用户观看。远程源可以是下面关于图9描述的示例性计算系统。
图9示出了根据实施例的示例性计算系统900。图8的方法800的HMD(未示出)或图1或上述任何其他实施例(也未示出)的VR显示器100，可以与系统900通信以接收系统900的输出并且向系统900提供输入。仅作为示例，HMD/VR显示器可以从系统900接收像素数据形式的虚拟图像。HMD/VR显示器和系统900可以位于相同的环境中，或者远程(例如，系统900可以位于云中)。应当注意，HMD/VR显示器可以通过有线连接或无线网络连接(例如WiFi、蜂窝网络等)与系统900通信。作为一种选择，系统900中所示的一个或更多个组件可以在HMD/VR显示器内实现。
如图所示，系统900包括至少一个中央处理器901，其连接到通信总线902。系统900还包括主存储器904(例如随机存取存储器(RAM)等)。系统900还包括图形处理器906和显示器908。
系统900还可以包括辅助存储910。辅助存储910包括例如硬盘驱动器和/或可移动存储驱动器，代表软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器、闪存驱动器或其他闪存等。可移动存储驱动器以众所周知的方式从可移动存储单元读取和/或写入到可移动存储单元。
为此，计算机程序或计算机控制逻辑算法可以存储在主存储器904、辅助存储910和/或任何其他存储器中。这样的计算机程序在被执行时使系统900能够执行各种功能，包括例如HMD 102的校准、实况视频的形成以及显示器104上像素的着色，如上所述。计算机程序在执行时还可以实现实况视频与虚拟环境的集成，以向用户提供改进的虚拟现实、混合现实或增强现实。存储器904、存储910和/或任何其他存储是非暂时性计算机可读介质的可能示例。
系统900还可以包括一个或更多个通信模块912。该通信模块912可用于促进系统900与一个或更多个网络之间和/或与一个或多个设备(例如游戏控制台、个人计算机、服务器等)之间的通信，通过各种可能的标准或专有有线或无线通信协议(例如，通过蓝牙、近场通信(NFC)、蜂窝通信等)。
还如图所示，系统900可以包括一个或更多个输入设备914。输入设备914可以是有线或无线输入设备。在各种实施例中，每个输入设备914可以包括键盘、触摸板、触摸屏、游戏控制器、遥控器或能够被用户用来向系统900提供输入的任何其他设备。
虽然上面已经描述了各种实施例，但是应该理解它们只是作为示例的方式呈现而不是限制。因此，优选实施例的广度和范围不应受任何上述示例性实施例的限制，而应仅根据以下权利要求及其等同物来定义。
本公开的至少一个实施例可以根据以下条款进行描述：
1.一种装置，包括：
虚拟现实(VR)显示器，包括：
至少一个相干光源，
至少一个全息波导，其耦合到至少一个相干光源以接收来自其的光，以及
至少一个空间光调制器，其耦合到至少一个全息波导以调制光。
2.如条款1所述的装置，其中所述VR显示器还包括至少一个放大镜。
3.如条款2所述的装置，其中所述至少一个放大镜包括菲涅耳透镜。
4.如条款2所述的装置，其中所述至少一个放大镜包括全息透镜。
5.如条款2所述的装置，其中所述VR显示器还包括耦合在所述至少一个放大镜和所述至少一个全息波导之间的至少一个偏振元件。
6.如条款2所述的装置，其中所述至少一个放大镜和所述至少一个全息波导直接耦合，其间没有空间。
7.如条款1所述的装置，其中所述VR显示器还包括耦合在所述至少一个全息波导和所述至少一个空间光调制器之间的至少一个四分之一波元件。
8.如条款1所述的装置，其中所述至少一个全息波导包括背光全息波导。
9.如条款1所述的装置，其中所述至少一个全息波导包括具有至少一个波导耦合器的全息波导。
10.如条款1所述的装置，其中所述至少一个全息波导包括其中包括波导输入耦合器和波导输出耦合器的全息波导。
11.如条款1所述的装置，其中所述至少一个空间光调制器直接耦合到所述至少一个全息波导，其间没有空间。
12.如条款1所述的装置，其中所述装置被配置为使得所述光不被偏振。
13.如条款1所述的装置，其中所述装置被配置为使得所述光被偏振。
14.如条款1所述的装置，其中所述VR显示器不包括分束器。
15.如条款1所述的装置，其中所述至少一个全息波导和所述至少一个空间光调制器的组合横截面厚度小于10mm。
16.如条款1所述的装置，其中所述至少一个全息波导和所述至少一个空间光调制器的组合横截面厚度小于7mm。
17.如条款1所述的装置，其中所述VR显示器还包括接收器，用于通过网络从远程源接收像素数据，以通过所述VR显示器进行显示。
18.如条款1所述的装置，其中所述相干光源包括发射所述光的点光源、反射由所述点光源发射的光的凹面镜、以及引导由所述凹面镜反射的光到全息波导的分束器。
19.如条款1所述的装置，其中所述VR显示器是无滤波器的。
20.如条款19所述的装置，其中将由所述空间光调制器使用的相位和幅度是基于使用在所述空间光调制器的频域中的相位和幅度的多个高阶副本的模拟来确定的。
21.如条款19所述的装置，其中将由所述空间光调制器使用的相位和幅度是基于使用二维(2D)sinc幅度的模拟来确定的，所述二维(2D)sinc幅度说明了所述空间光调制器的有限像素间距。
22.如条款19所述的装置，其中将由所述空间光调制器使用的相位和幅度是基于如下的模拟来确定的，在该模拟中：
使用输入相位和输入幅度模拟所述空间光调制器处的复波前，
所述输入相位和输入幅度被变换以移动到所述空间光调制器的频域，
重复所述频域以在所述频域中产生所述输入相位和输入幅度的多个高阶副本，
所述输入相位和输入幅度的所述多个高阶副本乘以角谱法(ASM)相位延迟和二维(2D)sinc幅度以导致所述频域中的传播幅度和传播相位，所述二维(2D)sinc幅度说明了所述空间光调制器的有限像素间距，并且
将所述频域中的所述传播幅度和传播相位从所述频域转换回来，以产生所述空间光调制器将使用的所述相位和幅度。
23.如条款1所述的装置，还包括：
耦合到所述全息波导的第一侧的几何相位透镜，以及
与所述空间光调制器一起耦合到所述全息波导的第二侧的四分之一波片，其中所述四分之一波片耦合在全息波导和空间光调制器之间。
24.一种方法，包括：
在头戴式显示器中，包括至少一个相干光源、耦合到所述至少一个相干光源的至少一个全息波导、以及耦合到所述至少一个全息波导的至少一个空间光调制器，使得至少一个全息波导和至少一个空间光调制器的组合横截面厚度小于10mm：
由至少一个全息波导接收来自所述至少一个相干光源的光；
将来自所述至少一个全息波导的光传输到至少一个空间光调制
器；和
利用所述至少一个空间光调制器调制所述光。
25.如条款24所述的方法，其中所述头戴式显示器还包括至少一个放大镜，并且所述方法还包括：
使调制光传输透过所述至少一个放大镜。
26.如条款25所述的方法，其中所述至少一个放大镜包括菲涅耳透镜。
27.如条款25所述的方法，其中所述至少一个放大镜包括全息透镜。
28.如条款25所述的方法，其中所述头戴式显示器还包括耦合在所述至少一个放大镜与所述至少一个全息波导之间的至少一个偏振元件，并且所述方法还包括：
利用所述至少一个偏振元件对调制光进行偏振，
其中该偏振的调制光被传输透过所述至少一个放大镜。
29.如条款25所述的方法，其中所述至少一个放大镜和所述至少一个全息波导直接耦合，其间没有空间。
30.如条款24所述的方法，其中所述头戴式显示器还包括耦合在所述至少一个全息波导与所述至少一个空间光调制器之间的至少一个四分之一波元件，并且所述方法还包括：
利用所述至少一个四分之一波元件修改来自所述至少一个全息波导的光，
其中，经修改的光被所述至少一个空间光调制器接收。
31.如条款24所述的方法，其中所述至少一个全息波导包括背光全息波导。
32.如条款24所述的方法，其中所述至少一个全息波导包括具有至少一个波导耦合器的全息波导。
33.如条款24所述的方法，其中所述至少一个全息波导包括其中包括波导输入耦合器和波导输出耦合器的全息波导。
34.如条款24所述的方法，其中所述至少一个空间光调制器直接耦合到所述至少一个全息波导，其间没有空间。
35.如条款24所述的方法，其中所述光不是偏振的。
36.如条款24所述的方法，还包括：
偏振所述光。
37.如条款24所述的方法，其中所述头戴式显示器不包括分束器。
38.如条款24所述的方法，其中所述至少一个全息波导和所述至少一个空间光调制器的组合横截面厚度小于7mm。
39.如条款24所述的方法，其中所述头戴式显示器还包括接收器，并且所述方法还包括：
由所述接收器通过网络从远程源接收像素数据，以通过所述头戴式显示器显示。
40.如条款24所述的方法，其中所述相干光源包括发射所述光的点光源、反射由所述点光源发射的光的凹面镜、以及引导由所述凹面镜反射的光到全息波导的分束器。
41.如条款24所述的方法，其中将由所述空间光调制器使用的相位和幅度是基于使用所述空间光调制器的频域中的相位和幅度的多个高阶副本的模拟来确定的。
42.如条款24所述的方法，其中将由所述空间光调制器使用的相位和幅度是基于使用二维(2D)sinc幅度的模拟来确定的，所述二维(2D)sinc幅度说明了所述空间光调制器的有限像素间距。
43.如条款24所述的方法，其中将由所述空间光调制器使用的相位和幅度是基于以下模拟来确定的，在该模拟中：
使用输入相位和输入幅度模拟所述空间光调制器处的复波前，
所述输入相位和输入幅度被变换以移动到所述空间光调制器的频域，
重复所述频域以在该频域中产生所述输入相位和输入幅度的多个高阶副本，
所述输入相位和输入幅度的多个高阶副本乘以角谱法(ASM)相位延迟和二维(2D)sinc幅度以导致所述频域中的传播幅度和传播相位，所述二维(2D)sinc幅度说明了所述空间光调制器的有限像素间距，并且
将所述频域中的传播幅度和传播相位从该频域转换回来，以产生所述空间光调制器将使用的所述相位和幅度。

Claims (30)

1.一种装置，包括：
虚拟现实VR显示器，包括：
至少一个相干光源，
耦合到所述至少一个相干光源以从其接收光的至少一个光瞳复制波导，以及
耦合到所述至少一个光瞳复制波导以调制光的至少一个空间光调制器。
2.如权利要求1所述的装置，所述VR显示器还包括：
至少一个偏振器，其耦合到所述至少一个光瞳复制波导以偏振由所述至少一个光瞳复制波导输出的光。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述至少一个偏振器是线性偏振器。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述至少一个偏振器根据所述空间光调制器的偏振对所述光进行偏振。
5.如权利要求1所述的装置，所述VR显示器还包括：
至少一个透镜，其耦合到所述至少一个空间光调制器。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述至少一个透镜是几何相位透镜。
7.如权利要求5所述的装置，所述VR显示器还包括：
至少一个偏振器，其耦合到所述至少一个透镜以偏振输入到透镜的光。
8.如权利要求5所述的装置，所述VR显示器还包括：
至少一个四分之一波片，其耦合到所述至少一个透镜。
9.如权利要求1所述的装置，其中由所述至少一个光瞳复制波导接收的所述光的入射角是可调节的。
10.如权利要求9所述的装置，其中根据使用所述VR显示器的用户的当前注视方向来调节所述光的入射角。
11.如权利要求10所述的装置，所述装置还包括：
用于确定所述用户的当前注视方向的注视跟踪设备。
12.如权利要求9所述的装置，所述VR显示器还包括：
至少一个光束控制单元，其耦合到所述至少一个光瞳复制波导，其中所述至少一个光束控制单元被配置为调节所述光的入射角。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述至少一个光束控制单元被耦合到所述至少一个光瞳复制波导的输入耦合器。
14.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括：
用于合成输入图像的相位图的处理器。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述相位图被合成以使得高衍射级的间隔大于使用所述VR显示器的用户的瞳孔直径。
16.一种方法，包括：
头戴式显示器包括至少一个相干光源、耦合到所述至少一个相干光源以从其接收光的至少一个光瞳复制波导、以及耦合到所述至少一个光瞳复制波导以调制光的至少一个空间光调制器：
由所述至少一个光瞳复制波导接收来自所述至少一个相干光源的光；
将来自所述至少一个光瞳复制波导的光传输至所述至少一个空间光调制器；以及
利用所述至少一个空间光调制器调制所述光。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述头戴式显示器还包括耦合到所述至少一个光瞳复制波导的至少一个偏振器，并且所述方法还包括：
使用所述至少一个偏振器对由所述至少一个光瞳复制波导输出的所述光进行偏振。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述至少一个偏振器是线性偏振器。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述至少一个偏振器根据所述空间光调制器的偏振来偏振所述光。
20.如权利要求16所述的方法，其中所述头戴式显示器进一步包括耦合到所述至少一个空间光调制器的至少一个透镜。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述至少一个透镜是几何相位透镜，并且所述方法还包括：
使用所述几何相位透镜偏振所述光。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述头戴式显示器还包括耦合到所述至少一个透镜的至少一个偏振器，并且所述方法还包括：
使用所述至少一个偏振器对输入到所述透镜的光进行偏振。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述头戴式显示器还包括耦合到所述至少一个透镜的至少一个四分之一波片，并且所述方法还包括：
使用所述至少一个四分之一波片移位光的相位。
24.如权利要求16所述的方法，其中所述头戴式显示器被配置以使得由所述至少一个光瞳复制波导接收的所述光的入射角是可调节的。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述方法进一步包括：
根据使用所述头戴式显示器的用户的当前注视方向调节所述光的入射角。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述头戴式显示器还包括用于确定所述用户的当前注视方向的注视跟踪设备。
27.如权利要求25所述的方法，其中所述头戴式显示器还包括耦合到所述至少一个光瞳复制波导的至少一个光束控制单元，其中使用所述至少一个光束控制单元调节所述光的入射角。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述至少一个光束控制单元被耦合到所述至少一个光瞳复制波导的输入耦合器。
29.如权利要求16所述的方法，其中所述头戴式显示器还包括用于合成输入图像的相位图的处理器，并且所述方法包括：
使用所述处理器合成所述输入图像的相位图。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述相位图被合成以使得高衍射级的间隔大于使用所述头戴式显示器的用户的瞳孔直径。
CN202210827539.9A 2021-04-16 2022-07-13 全息虚拟现实显示器 Pending CN115808798A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163176108P 2021-04-16 2021-04-16
US17/475,081 US20220334392A1 (en) 2021-04-16 2021-09-14 Holographic virtual reality display
US17/475,081 2021-09-14
US17/670,337 US11892629B2 (en) 2021-04-16 2022-02-11 Holographic virtual reality display
US17/670,337 2022-02-11

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115808798A true CN115808798A (zh) 2023-03-17

Family

ID=83601299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210827539.9A Pending CN115808798A (zh) 2021-04-16 2022-07-13 全息虚拟现实显示器

Country Status (3)

Country Link
US (2) US20220334392A1 (zh)
CN (1) CN115808798A (zh)
DE (1) DE102022121399A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220334392A1 (en) 2021-04-16 2022-10-20 Nvidia Corporation Holographic virtual reality display
CN116862730B (zh) * 2023-09-05 2023-11-21 山东劳动职业技术学院（山东劳动技师学院） 一种vr全息教学管理系统

Family Cites Families (44)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100410727C (zh) * 2004-03-29 2008-08-13 索尼株式会社 光学装置以及虚像显示装置
US9335604B2 (en) * 2013-12-11 2016-05-10 Milan Momcilo Popovich Holographic waveguide display
WO2012062681A1 (de) * 2010-11-08 2012-05-18 Seereal Technologies S.A. Anzeigegerät, insbesondere ein head-mounted display, basierend auf zeitlichen und räumlichen multiplexing von hologrammkacheln
CN102918444B (zh) * 2011-03-25 2015-12-23 松下电器产业株式会社 显示装置
US9235057B2 (en) * 2012-05-18 2016-01-12 Reald Inc. Polarization recovery in a directional display device
CN105324605B (zh) * 2013-02-22 2020-04-28 瑞尔D斯帕克有限责任公司 定向背光源
US9392129B2 (en) * 2013-03-15 2016-07-12 John Castle Simmons Light management for image and data control
US9494800B2 (en) * 2014-01-21 2016-11-15 Osterhout Group, Inc. See-through computer display systems
US20160018651A1 (en) * 2014-01-24 2016-01-21 Osterhout Group, Inc. See-through computer display systems
WO2016023133A1 (en) * 2014-08-14 2016-02-18 Mtt Innovation Incorporated Multiple-laser light source
WO2016046514A1 (en) * 2014-09-26 2016-03-31 LOKOVIC, Kimberly, Sun Holographic waveguide opticaltracker
EP3304188B1 (en) * 2015-05-27 2020-10-07 RealD Spark, LLC Wide angle imaging directional backlights
US10761599B2 (en) * 2015-08-04 2020-09-01 Artilux, Inc. Eye gesture tracking
US10983340B2 (en) * 2016-02-04 2021-04-20 Digilens Inc. Holographic waveguide optical tracker
WO2017147527A1 (en) * 2016-02-24 2017-08-31 Magic Leap, Inc. Polarizing beam splitter with low light leakage
US10025170B2 (en) * 2016-06-13 2018-07-17 Microsoft Technology Licensing, Llc Avoiding interference by reducing spatial coherence in a near-eye display
JP6993405B2 (ja) * 2016-08-22 2022-01-13 マジック リープ， インコーポレイテッド ウェアラブルディスプレイデバイスのためのディザリング方法および装置
US10254542B2 (en) * 2016-11-01 2019-04-09 Microsoft Technology Licensing, Llc Holographic projector for a waveguide display
IL269290B1 (en) * 2017-03-21 2024-05-01 Magic Leap Inc Methods, devices and systems for illuminating spatial light modulators
CN110679147B (zh) * 2017-03-22 2022-03-08 奇跃公司 用于显示系统的基于深度的凹式渲染
US10712567B2 (en) * 2017-06-15 2020-07-14 Microsoft Technology Licensing, Llc Holographic display system
AU2018338222A1 (en) * 2017-09-21 2020-03-19 Magic Leap, Inc. Augmented reality display with waveguide configured to capture images of eye and/or environment
US11256093B2 (en) * 2017-12-11 2022-02-22 Magic Leap, Inc. Waveguide illuminator
US11112613B2 (en) * 2017-12-18 2021-09-07 Facebook Technologies, Llc Integrated augmented reality head-mounted display for pupil steering
CN110095866B (zh) * 2018-01-29 2020-07-28 京东方科技集团股份有限公司 增强现实装置、增强现实系统及其信息提示方法
US11256004B2 (en) * 2018-03-20 2022-02-22 Invensas Bonding Technologies, Inc. Direct-bonded lamination for improved image clarity in optical devices
US10877214B2 (en) * 2018-05-04 2020-12-29 Facebook Technologies, Llc Diffraction gratings for beam redirection
US11256086B2 (en) * 2018-05-18 2022-02-22 Facebook Technologies, Llc Eye tracking based on waveguide imaging
US11423814B2 (en) * 2018-08-02 2022-08-23 Meta Platforms Technologies, Llc Wearable display with coherent replication
US10642048B2 (en) * 2018-08-07 2020-05-05 Facebook Technologies, Llc Reflective circular polarizer for head-mounted display
US10705353B1 (en) * 2018-12-18 2020-07-07 Facebook Technologies, Llc Waveguide with coherent interference mitigation
JP2022525165A (ja) * 2019-03-12 2022-05-11 ディジレンズ インコーポレイテッド ホログラフィック導波管バックライトおよび関連する製造方法
US20200301239A1 (en) * 2019-03-18 2020-09-24 Microsoft Technology Licensing, Llc Varifocal display with fixed-focus lens
US11493760B2 (en) * 2019-03-27 2022-11-08 Meta Platforms Technologies LLC Waveguide concentrator for light source
WO2020219092A1 (en) * 2019-04-26 2020-10-29 Digilens Inc. Holographic waveguide illumination homogenizers
US11099412B2 (en) * 2019-05-20 2021-08-24 Facebook Technologies, Llc Optical waveguide beam splitter with plural partial extraction features for display
US11822083B2 (en) * 2019-08-13 2023-11-21 Apple Inc. Display system with time interleaving
US11762197B2 (en) * 2019-08-13 2023-09-19 Apple Inc. Display systems with geometrical phase lenses
US11592608B2 (en) * 2019-09-10 2023-02-28 Meta Platforms Technologies, Llc Switchable polarization retarder array for active zonal illumination of display
EP4078288A4 (en) * 2019-12-19 2023-06-07 Lumus Ltd. IMAGE PROJECTOR WITH A PHASE IMAGE GENERATOR
US20210364808A1 (en) * 2020-05-22 2021-11-25 Facebook Technologies, Llc Compact light source
US20220004003A1 (en) * 2020-07-02 2022-01-06 Avegant Corp. Illumination Waveguide
CN114637112A (zh) * 2020-12-16 2022-06-17 三星电子株式会社 用于提供3d增强现实的增强现实装置及其操作方法
US20220334392A1 (en) * 2021-04-16 2022-10-20 Nvidia Corporation Holographic virtual reality display

Also Published As

Publication number Publication date
US20220334392A1 (en) 2022-10-20
US20220334395A1 (en) 2022-10-20
DE102022121399A1 (de) 2023-03-16
US11892629B2 (en) 2024-02-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Maimone et al. Holographic near-eye displays for virtual and augmented reality
US11281006B2 (en) Virtual reality, augmented reality, and mixed reality systems including thick media and related methods
US11281003B2 (en) Near eye dynamic holography
US20110157667A1 (en) Holographic Image Display Systems
JP7317003B2 (ja) 別個の位相および振幅変調器を伴う接眼３ｄディスプレイ
CN115808798A (zh) 全息虚拟现实显示器
US10989880B2 (en) Waveguide grating with spatial variation of optical phase
US20200043391A1 (en) Wearable Display With Coherent Replication
EP3792681B1 (en) Multi-image display apparatus using holographic projection
US20220091560A1 (en) Lightguide based holographic display
Yoneyama et al. Holographic head-mounted display with correct accommodation and vergence stimuli
US11885967B2 (en) Phase structure on volume Bragg grating-based waveguide display
Moon et al. Accommodation-capable holographic waveguide head-up display with extended field of view
Su et al. Binocular dynamic holographic three-dimensional display for optical see-through augmented reality using two spatial light modulators
JP2003015079A (ja) 立体像表示方法及び表示装置
WO2023114113A1 (en) Waveguide with polarization volume hologram grating
Kim et al. A structure of optical see-through head mounted display
TWI843319B (zh) 用於計算光學系統之虛擬影像之全像圖的方法、電腦可讀取媒體及系統
RU2780511C1 (ru) Устройство дополненной реальности на основе изогнутного волновода, способ работы упомянутого устройства, очки дополненной реальности на основе упомянутого устройства
Moon et al. Enlarged Eye-Box Accommodation-Capable Augmented Reality with Hologram Replicas
CN118226729A (zh) 一种扩大眼盒的光场显示系统以及全息图计算方法
OOI Optimization of Computer generated holography rendering and optical design for a compact and large eyebox Augmented Reality glass
CN117075347A (zh) 一种大眼瞳箱全息近眼显示装置和显示方法

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