用于具有出瞳扩展器的光学系统的系统和方法技术方案

提供了用于扩展包括一个或多个波导的系统的出瞳的架构。各种实施例包括具有一个或多个波导的显示设备。一个或多个波导的一个或多个物理/光学参数和/或输入到波导中的光的波长可以随着入射光入射到波导上的角度改变而改变，以便保持从一个或多个波导发射的输出光束不同小束之间的相位相关性。

System and method for optical system with pupil dilator

A structure for extending the pupil exit of a system including one or more waveguides is provided. Various embodiments include display devices with one or more waveguides. One or more physical/optical parameters of one or more waveguides and/or the wavelength of light input into the waveguide can vary with the angle of incident light incident on the waveguide, so as to maintain the phase correlation between different small beams of output light emitted from one or more waveguides.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于具有出瞳扩展器的光学系统的系统和方法相关申请的交叉引用本申请主张2016年9月21日提交的序列号为62/397,759的，名称为“SYSTEMSANDMETHODSFOROPTICALSYSTEMSWITHEXITPUPILEXPANDER(用于具有出瞳扩展器的光学系统的系统和方法)”的美国临时专利申请的优先权益，该申请的全部公开内容通过引用并入此文。
本公开涉及虚拟现实和增强现实成像和可视化系统。
技术介绍
现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，在这些系统中，数字再现的图像或其一部分以看起来是真实的或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及以对其它实际的真实世界视觉输入不透明的方式呈现数字或虚拟图像信息；增强现实或“AR”场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对用户周围真实世界的可视化的增强。例如，参考图1，该图示出了增强现实场景1000，其中AR技术的用户看到真实世界公园状设置1100，该设置以人、树、建筑物以及位于背景中的混凝土平台1120为特征。除了这些项目之外，AR技术的用户还可以感知到他“看到”站在真实世界平台1120上的机器人雕像1110，以及看起来是大黄蜂的化身的正在飞舞的卡通式化身角色1130，尽管这些元素在真实世界中不存在。事实证明，人类视觉感知系统非常复杂，并且开发促进虚拟图像元素在其它虚拟或真实世界的图像元素中舒适、感觉自然、丰富呈现的VR或AR技术也极具挑战性。本文公开的系统和方法解决了与VR和AR技术有关的各种挑战。
技术实现思路
本文公开的主题的一个创新方面在一种光学系统中实现，该光学系统包括：图像投射系统、波导和控制系统。该图像投射系统被配置为以可见光谱范围内的多个波长发射相干光束。该波导包括第一边缘、第二边缘和设置在该第一边缘与该第二边缘之间的对反射表面对。该反射表面对由具有间隙高度d的间隙隔开。该波导包括具有折射率n的材料。该反射表面对具有反射率r。从图像投射系统发射的光束以输入角θ耦合到波导中。输入光可以耦合通过第一边缘或第二边缘中的一者或耦合通过反射表面中的一者。控制系统被配置为改变从包括以下各项的组中选择的至少一个参数：来自该多个波长的波长、间隙高度d、折射率n和反射率r。该至少一个参数的改变与输入角θ的改变相关。在光学系统的各种实施例中，图像投射系统被配置为以扫描速率改变发射的光束的输入角θ。控制系统可以被配置为以基本上等于扫描速率的调制速率调制至少一个参数。控制系统可以被配置为调制至少一个参数，调制速率被配置为使得对于输入角θ的所有值，满足等式2ndsinθ＝m，其中m为整数，λ是光束的波长。在各种实施例中，该至少一个参数可以是来自该多个波长的波长。在各种实施例中，该至少一个参数可以是间隙高度d。在各种实施例中，该至少一个参数可以是该折射率n。在各种实施例中，该至少一个参数可以是该反射率r。在各种实施例中，图像投射系统可以包括光纤。在各种实施例中，所发射的光束可以是准直的。该多个波长可以包括红色、绿色和蓝色光谱区域中的波长。该波导可以包括声光材料、压电材料、电光材料、微机电系统(MEMS)。该波导可以被配置为扩展和倍增所发射的光束的出瞳扩展器。该波导可以被配置为将光束扩展到光斑尺寸大于1mm。本文讨论的光学系统的各种实施例可以集成在增强现实(AR)设备、虚拟现实(VR)设备、近眼显示设备、或包括以下至少一项的眼镜中：框架、一个或多个镜片或一个或多个耳柄。本文公开的主题的一个创新方面在一种光学系统中实现，该光学系统包括：图像投射系统、多个堆叠波导和控制系统。该图像投射系统被配置为以可见光谱范围内的多个波长发射相干光束。该多个堆叠波导中的每个波导包括第一边缘、第二边缘和设置在该第一边缘与该第二边缘之间的反射表面对。该反射表面对由具有间隙高度d的间隙隔开。该波导包括具有折射率n的材料。该反射表面对具有反射率r。该控制系统，其被配置为改变从包括以下各项的组中选择的至少一个参数：来自该多个波长的波长、间隙高度d、折射率n和反射率r。从图像投射系统发射的光束以输入角θ耦合到波导中。输入光可以耦合通过第一边缘或第二边缘中的一者或耦合通过反射表面中的一者。该至少一个参数的改变与输入角θ的改变相关。在各种实施例中，该多个堆叠波导中的每个波导可以具有相关联的深度平面。从每个波导发射的光束可以看起来源自该波导的相关联的深度平面。来自该多个堆叠波导的不同波导可以具有不同的相关联的深度平面。上面讨论的光学系统的各种实施例可以集成在增强现实(AR)设备、虚拟现实(VR)设备、近眼显示设备、或包括以下至少一项的眼镜中：框架、一个或多个镜片或一个或多个耳柄。本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中进行阐述。通过阅读说明书、附图和权利要求，其它特征、方面和优点将变得显而易见。本
技术实现思路
和以下具体实施方式并不旨在限定或限制本专利技术主题的范围。附图说明图1示出了具有由人观看到的某些虚拟现实对象和某些实际现实对象的增强现实场景的图示。图2示意性地示出了可穿戴显示系统的示例。图3示意性地示出了使用多个深度平面模拟三维图像的方法的各方面。图4示意性地示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。图5示出了可以由波导输出的示例出射光束。图6是示出用于产生多焦体积显示、图像或光场的包括波导装置、将光耦合到波导装置或从波导装置光学耦合光的光学耦合器子系统、以及控制子系统的光学系统的示意图。图7示出了接收以角θ入射到波导上并且通过多次全内反射传播通过波导的输入光束的波导。图8A-1示出了来自波导的实施例的光输出，该波导的实施例从非相干光源接收光。图8B-1示出了来自图8A-1所示的波导的光输出的点扩散函数。图8A-2示出了来自波导的实施例的光输出，该波导的实施例从相干光源接收光。图8B-2示出了来自图8A-2所示的波导的光输出的点扩散函数。图8A-3示出了来自波导的实施例的光输出，该波导的实施例从相干光源接收光。图8B-3示出了来自图8A-3所示的波导的光输出的点扩散函数。图8C示出了具有包含从波导的实施例输出的均匀相位的连续波前的光束，该波导的实施例从相干输入光源接收光，并且其中形成输出光束的光束之间的光路长度差是入射光波长的整倍数。图9A示意性地示出了显示波导折射率“n”相对于输入角余弦的改变的曲线图。图9B示意性地示出了显示波导反射表面“d”之间的间距相对于输入角余弦的改变的曲线图。图9B-1示出了包括三个层的波导的实施例，每个层具有可变的反射率。图9C示意性地示出了显示入射光波长λ相对于输入角余弦的改变的曲线图。图10示出了包括多个空间复用全息结构的波导的实施例，该全息结构被配置为输出以可变入射角入射的光的相位同步小束阵列。提供附图是为了阐述某些示例实施例，而非旨在限制本公开的范围。贯穿附图，相同的参考标号指示相同的部件。具体实施方式概述为了使三维(3D)显示器产生真实的深度感，并且更具体地说，为了产生模拟的表面深度感，需要显示器的视场中的每个点生成与其虚拟深度对应的调节响应。如果对显示点的调节响应与该点的虚拟深度(由会聚和立体视觉的双眼深度线索确定的)不对应，则人眼会经历调节冲突，从而导致不稳定的成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学系统，包括：图像投射系统，所述图像投射系统被配置为以可见光谱范围内的多个波长发射相干光束；波导，其包括第一边缘、第二边缘和设置在所述第一边缘与所述第二边缘之间的反射表面对，所述反射表面对被具有间隙高度d的间隙隔开，所述波导包括具有折射率n的材料，所述反射表面对具有反射率r，从所述图像投射系统发射的所述光束以输入角θ被耦合到所述波导中；以及控制系统，其被配置为改变从包括以下各项的组中选择的至少一个参数：来自所述多个波长的波长、所述间隙高度d、所述折射率n和所述反射率r，其中，所述至少一个参数的改变与所述输入角θ的改变相关。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.21 US 62/397,7591.一种光学系统，包括：图像投射系统，所述图像投射系统被配置为以可见光谱范围内的多个波长发射相干光束；波导，其包括第一边缘、第二边缘和设置在所述第一边缘与所述第二边缘之间的反射表面对，所述反射表面对被具有间隙高度d的间隙隔开，所述波导包括具有折射率n的材料，所述反射表面对具有反射率r，从所述图像投射系统发射的所述光束以输入角θ被耦合到所述波导中；以及控制系统，其被配置为改变从包括以下各项的组中选择的至少一个参数：来自所述多个波长的波长、所述间隙高度d、所述折射率n和所述反射率r，其中，所述至少一个参数的改变与所述输入角θ的改变相关。2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述图像投射系统被配置为以扫描速率改变所发射的光束的所述输入角θ。3.根据权利要求1和2中任一项所述的光学系统，其中，所述控制系统被配置为以基本上等于所述扫描速率的调制速率来调制所述至少一个参数。4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其中，所述控制系统被配置为调制所述至少一个参数，所述调制速率被配置为使得对于所述输入角θ的所有值，满足等式2ndsinθ＝mλ，其中，m为整数，λ是所述光束的波长。5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学系统，其中，所述至少一个参数是来自所述多个波长的波长。6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学系统，其中，所述至少一个参数是所述间隙高度d。7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学系统，其中，所述至少一个参数是所述折射率n。8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学系统，其中，所述至少一个参数是所述反射率r。9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学系统，其中，所述图像投射系统包括光纤。10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学系统，其中，所发射的光束是准直的。11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学系统，其中，所述多个波长包括红色、绿色和蓝色光谱区域中的波长。12.根据权利要求1至11中任一项所述的光学系统，其中，所述波导包括声光材料。13.根据权利要求1至12中任一项所述的光学系统，其中，所述波导包括压电材料。14.根据权利要求1至13中任一项所述的光学系统，其中，所述波导包括电光材料。15....

【专利技术属性】
技术研发人员：J·G·麦克纳马拉，
申请(专利权)人：奇跃公司，
类型：发明
国别省市：美国,US