具有改进的衍射光栅结构的虚拟和增强现实系统和方法技术方案

公开了用于3D显示系统的改进的衍射结构。改进的衍射结构包括位于波导基底和顶部光栅表面之间的中间层。顶部光栅表面包括对应于第一折射率值的第一材料，底层包括对应于第二折射率值的第二材料，并且基底包括对应于第三折射率值的第三材料。

Virtual and augmented reality systems and methods with improved diffraction grating structure

An improved diffraction structure for the 3D display system is disclosed. The improved diffraction structure consists of the middle layer between the waveguide base and the top of the grating surface. The top grating surface includes the first material corresponding to the first refractive index value, and the bottom layer includes second materials corresponding to the second refractive index value, and the substrate includes third materials corresponding to the third refractive index value.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改进的衍射光栅结构的虚拟和增强现实系统和方法
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，其中数字再现的图像或其部分以它们似乎是或可能被认为是真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而不会对实际的真实世界视觉输入具有透明度。增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，其作为对用户周围的实际世界的可视化的增强。例如，参考图1，描绘了增强现实场景(4)，其中AR技术的用户看到以背景中的人、树、建筑物为特征的现实公园般的场景(6)和混凝土平台(1120)。除了这些项目之外，AR技术的用户还认为他“看到”站立在真实世界平台(1120)上的机器人雕像(1110)和一个飞过的漫画式的化身人物(2)，其似乎是一只大黄蜂的拟人化，尽管这些元素(2，1110)在现实世界中并不存在。事实证明，人类视觉感知系统是非常复杂的，并且制作VR或AR技术有助于虚拟图像元素以及其他虚拟或现实世界图像元素的舒适、感觉自然、丰富的呈现是具有挑战性的。当向AR系统的用户呈现3D虚拟内容时存在许多挑战。向用户呈现3D内容的中心前提是创建多个深度的感知。换句话说，可能希望一些虚拟内容看起来更接近用户，而其他虚拟内容似乎来自更远的地方。因此，为了实现3D感知，AR系统应被配置为相对于用户在不同焦平面处传送虚拟内容。为了使3D显示器产生深度的真实感觉，并且更具体地，产生表面深度的模拟感觉，希望显示器的视野中的每个点产生对应于其虚拟深度的调节响应。如果对显示点的调节响应不对应于该点的虚拟深度，如由会聚和立体视觉的双眼深度暗示所确定的，则人类视觉系统可能经历适应冲突，导致不稳定的成像、有害的眼睛疲劳、头痛，并且如果没有调节信息，几乎完全缺乏表面深度。因此，需要改进的技术来实现解决传统方法的这些和其他问题的3D显示器。这里描述的系统和技术被配置为与典型人类的视觉配置一起工作以应对这些挑战。
技术实现思路
本专利技术的实施例涉及用于促进一个或多个用户的虚拟现实和/或增强现实交互的设备、系统和方法。根据一些实施例的用于将增强现实内容传递给用户的增强现实(AR)显示系统包括：图像生成源，用于提供一个或多个图像数据帧；光调制器，用于传输与一个或多个图像数据帧相关联的光；衍射光学元件(DOE)，用于接收与所述一个或多个图像数据帧相关联的光并将光引导到用户的眼睛，所述DOE包括衍射光栅结构，所述衍射光栅结构具有对应于波导折射率的波导基板、表面光栅和布置在波导基板和表面光栅之间的中间层(本文中也称为“底层”)，其中底层对应于不同于波导折射的底层衍射率。根据本专利技术的一些实施例，衍射光栅结构被用于DOE，其包括位于波导基板和顶部光栅表面之间的底层。顶部光栅表面包括对应于第一折射率值的第一材料，底层包括对应于第二折射率值的第二材料，并且基底包括对应于第三折射率值的第三材料。可以使用相同或不同材料的任何组合来实现这些结构部分中的每一个，例如，其中所有三种材料都不同(并且全部三种对应于不同的折射率值)时，或者其中两层共享相同的材料(例如，三种材料中的两种是相同的，因此共享与第三种材料的折射率值不同的共同折射率值)。可以使用任何合适的材料来实现改进的衍射光栅结构的任何层。因此，各种组合是可用的，其中一个折射率的底层与另一个折射率的顶部光栅以及第三折射率的基底一起组合，并且其中调整这些相对值提供了衍射效率依赖于入射角的大量变化。提出了具有不同折射率层的分层波导。呈现了各种组合和排列以及相关的性能数据以说明功能。优点包括增加的角度，其提供与光栅的增加的输出角度，并且因此与目镜增加的视场。此外，抵消随角度的衍射效率的正常降低的能力在功能上是有益的。在一些实施例中，波导基底，底层和表面光栅对应于不同的折射率值。例如，表面光栅可以对应于与底层衍射率相比更高的表面光栅折射率，并且底层衍射率与波导折射率相比更高。在一些实施例中，波导基底，底层和表面光栅中的至少两个对应于共同的折射率值。例如，表面光栅可以对应于与波导折射率相同的表面光栅折射率，并且底层衍射率不同于波导折射率和表面光栅折射率。此外，表面光栅可以对应于与底层衍射率相同的表面光栅折射率，并且波导衍射率不同于底层折射率和表面光栅折射率。在一些实施例中，底层包括不均匀的厚度。当从光注入位置增加距离时，底层的不均匀厚度可以从相对较薄变为相对较厚。此外，底层可以包括不均匀的底层折射率。例如，随着从光注入位置的距离增加，底层的不均匀底层折射率可以从与波导折射率相对类似变化到与波导折射率不同。在一些实施例中的系统包括具有堆叠在一起的多个衍射光栅结构的堆叠波导组件。此外，DOE可以在导通状态和关闭状态之间切换。该系统可以被实施为可头戴式可穿戴式系统。在至少一个实施例中，衍射光栅结构包括在表面光栅上的顶层。顶层可以用于形成用于堆叠衍射光栅结构的间隙层，并且顶层包括相对较低的折射率。此外，顶层也可用于提供衍射效应，例如，其中顶层具有相对较高的折射率。在详细描述、附图和权利要求中描述了本专利技术的附加和其他目的、特征和优点。附图说明图1示出了在一个所示实施例中通过穿戴式AR用户设备的增强现实(AR)的用户视角。图2示出了传统的立体3D模拟显示系统。图3示出了根据本专利技术的一些实施例的用于实现立体3D模拟显示系统的改进方法。图4A-4D示出了用于解决为人类VR和/或AR提供高质量、舒适感知的显示系统的目的的各种系统、子系统和组件。图5示出了利用改进的衍射结构的系统的示例配置的平面图。图6示出了堆叠的波导组件。图7示出了DOE。图8和9示出了示例衍射图。图10和11示出了注入光束的两个波导。图12示出了波导堆叠。图13A示出了实现具有波导基底和顶部光栅表面但没有底层的衍射结构的示例性方法。图13B示出了示例模拟结果的图表。图13C示出了图1的注释版本。图14A示出了实现具有波导基板、底层和顶部光栅表面的衍射结构的示例性方法。图14B示出了实现具有波导基底、底层、光栅表面和顶表面的衍射结构的示例性方法。图14C示出了实现具有波导基板、底层、光栅表面和顶表面的衍射结构的堆叠的示例性方法。图15A示出了实现具有高折射率波导基板、低折射率底层和低折射率顶部光栅表面的衍射结构的示例性方法。图15B示出了示例模拟结果的图表。图16A示出了实现具有低折射率波导基底、高折射率底层和低折射率顶部光栅表面的衍射结构的示例性方法。图16B显示了示例模拟结果的图表。图17A示出了实现具有低折射率波导基板、中等折射率底层和高折射率顶部光栅表面的衍射结构的示例性方法。图17B示出了示例模拟结果的图表。图18A-D示出了底层特性的修改。具体实施方式根据本专利技术的一些实施例，采用了衍射结构，其包括位于波导基底和顶部光栅表面之间的底层/中间层。顶部光栅表面包括对应于第一折射率值的第一材料，底层包括对应于第二折射率值的第二材料，并且基底包括对应于第三折射率值的第三材料。这种方法的一个优点是适当选择三层的相对折射率允许结构通过更大范围的入射光获得更大的视野，这是由于最低的总内部反射角随着折射率的增加而减小。可以增加衍射效率，从而允许“更亮”的光输出到图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于向用户传递增强现实内容的增强现实(AR)显示系统，包括：图像生成源，用于提供一个或多个图像数据帧；光调制器，用于传送与所述一个或多个图像数据帧相关联的光；衍射光学元件(DOE)，用于接收与一个或多个图像数据帧相关联的光并将光引导到用户的眼睛，所述DOE包括衍射结构，该衍射结构具有对应于波导折射率的波导基板、表面光栅以及布置在波导基板和表面光栅之间的底层，其中底层对应于不同于波导折射率的底层衍射率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.26 US 62/107,9771.一种用于向用户传递增强现实内容的增强现实(AR)显示系统，包括：图像生成源，用于提供一个或多个图像数据帧；光调制器，用于传送与所述一个或多个图像数据帧相关联的光；衍射光学元件(DOE)，用于接收与一个或多个图像数据帧相关联的光并将光引导到用户的眼睛，所述DOE包括衍射结构，该衍射结构具有对应于波导折射率的波导基板、表面光栅以及布置在波导基板和表面光栅之间的底层，其中底层对应于不同于波导折射率的底层衍射率。2.根据权利要求1所述的系统，其中所有波导基底、底层和表面光栅对应于不同的折射率值。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述表面光栅对应于与所述底层衍射率相比更高的表面光栅折射率，并且所述底层衍射率与所述波导折射率相比较高。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述波导基底、所述底层和所述表面光栅中的至少两个对应于共同的折射率值。5.根据权利要求4所述的系统，其中所述表面光栅对应于与所述波导折射率相同的表面光栅折射率，并且所述底层衍射率不同于所述波导折射率和所述表面光栅折射率。6.根据权利要求4所述的系统，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·D·泰克尔斯特，M·A·克卢格，P·M·格列柯，B·T·朔文格特，
申请(专利权)人：奇跃公司，
类型：发明
国别省市：美国,US