虚拟/增强现实系统中具有内向指向角度的准直光纤扫描仪设计技术方案

一种用于虚拟图像生成系统的显示子系统。显示子系统包括平面波导装置和光纤，该光纤具有相对于平面波导设备固定的远侧末端以及靠近远侧末端的开孔。显示子系统进一步包括至少一个光源，其耦合光纤并被配置为从光纤的开孔发射光；以及机械驱动组件，光纤被安装到驱动组件。机械驱动组件被配置为根据扫描图案将光纤的开孔移位。显示子系统进一步包括光学波导输入装置，该光学波导输入装置被配置为将来自光纤的开孔的光引导到平面波导装置，使得平面波导装置向终端用户显示一个或多个图像帧。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】虚拟/增强现实系统中具有内向指向角度的准直光纤扫描仪设计
本专利技术总体上涉及被配置为便于用于一个或多个用户的交互式虚拟或增强现实环境的系统和方法。
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”体验的系统的发展，其中数字再现的图像或其部分以其看起来是真实的或者可能被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实(VR)场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对于其它实际的真实世界的视觉输入不透明，而增强现实(AR)场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现作为对终端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技术的用户看到以人、树木、背景中的建筑物和混凝土平台8为特征的真实世界公园状设置6。除了这些项目之外，AR技术的终端用户同样感知到他“看到”站在真实世界平台8上的机器人雕像10，以及正飞行的卡通式化身角色12，通过该化身角色看起来像大黄蜂的化身，即使这些元素10、12在真实世界中不存在。事实证明，人类的视觉感知系统是非常复杂的，并且产生有助于除虚拟或真实世界的图像元素之外的虚拟图像元素的舒适、自然、丰富呈现是具有挑战性的。VR和AR系统通常利用至少松散地耦合到用户头部的头戴式显示器(或头盔式显示器或智能眼镜)，并且因此在终端用户的头部移动时移动。如果显示系统检测到终端用户的头部运动，则可以更新显示的数据，以考虑头部姿态(即用户头部的取向和/或位置)的变化。作为示例，如果佩戴头戴式显示器的用户在显示器上观看三维(3D)对象的虚拟表示并且在3D对象出现的区域周围走动，则该3D对象可以对于每一个视点被重新渲染，给终端用户他或她在占据真实空间的对象周围走动的感觉。如果头戴显示器用于在虚拟空间(例如，丰富的虚拟世界)内呈现多个对象，则头部姿态的测量可用于重新渲染场景以匹配终端用户的动态变化的头部位置和取向并提供虚拟空间的增强沉浸感。使能AR(即，现实和虚拟元素的同时观看)的头戴式显示器可以具有几种不同类型的配置。在通常被称为“视频透视”显示器的一个这种配置中，相机捕捉真实场景的元素，计算系统将虚拟元素叠加到捕捉的真实场景上，并且非透明显示器将合成图像呈现给眼睛。另一种配置通常被称为“光学透视”显示器，其中终端用户可以透视显示系统中的透明(或半透明)元素以直接观看来自环境中真实对象的光。通常被称为“组合器”的透明元素将来自显示器的光线叠加在终端用户对真实世界的视角之上。VR和AR系统通常利用具有投影子系统和位于终端用户的视场前方的显示表面的显示系统，并且投影子系统依次将图像帧投影在该显示表面上。在真实的三维系统中，显示表面的深度可以以帧率或子帧率控制。投影子系统可以包括一个或多个光纤，来自一个或多个光源的光以限定的图案发射不同颜色的光到该一个或多个光纤中；以及扫描设备，其以预定图案扫描光纤以创建依次向终端用户显示的图像帧。在一个实施例中，该显示系统包括一个或多个平面波导，该一个或多个平面波导通常平行于用户的视场，并且来自光纤的光被注入到该平面波导中。一个或多个线性衍射光栅嵌入在波导内以改变沿着波导传播的入射光的角度。通过将光的角度改变为超出全内反射(TIR)的阈值，光从波导的一个或多个侧面逃离。线性衍射光栅具有低的衍射效率，因此每次光遇到线性衍射光栅时，只有一小部分光能被引导出波导。通过沿着光栅在多个位置处将光耦合出，显示系统的出射光瞳有效地增加。显示系统可以进一步包括使来自光纤的光准直的一个或多个准直元件以及将准直的光光学地耦合到波导的边缘或从波导的边缘光学地耦合的一个或多个光学耦合元件。在典型的光纤扫描显示系统中，每根光纤充当振动悬臂，其从支点扫过较大的偏转，以便根据设计的扫描图案扫描光。然而，由于准直光的大的偏转，光学耦合元件的尺寸必须相对较大，从而增加了显示系统的尺寸。光学耦合元件的该尺寸在堆叠波导结构的情况下变得更成问题，该堆叠的波导结构需要与距扫描光纤更远距离的波导相关联的光学元件以适应扫描准直光的较大跨度。例如，参考图2，显示系统20的一个实施例包括一个或多个光源22，其生成以空间和/或时间变化的光的形式编码的图像数据；光学地耦合到光源22的光纤24；以及将从光纤24的远端离开的光准直的准直元件26。显示系统20进一步包括压电元件28，光纤24安装到压电元件28或安装在压电元件28中作为固定自由的柔性悬臂；以及驱动电子器件30，其电耦合到压电元件22以激活电激励压电元件28，从而使光纤24的远端以产生围绕支点34的偏转32的预定扫描图案振动。显示系统20包括波导装置38，该波导装置38包括大体上平行于终端用户的视场的多个平面波导40a-40e；以及与平面波导40中的每一个相关联的一个或多个衍射光学元件(DOE)42a-42e。源自光纤24的光沿着平面波导40中的选定平面波导传播并且与相应的DOE42相交，使光的一部分朝向终端用户的眼睛离开波导装置38的面，其取决于所选的平面波导40而聚焦在一个或多个观看距离处。显示系统20进一步包括以衍射光学元件(DOE)44a-44e形式的光学耦合元件，其集成在相应平面波导40a-40e的端部内，并将准直光反射到平面波导40中的选定平面波导中。如可以看出的，随着每一个DOE44与光纤24的端部之间的距离增加，相应的DOE44的长度必须增加以便适应光纤24的偏转角度的增加的线性跨度。由于最大的DOE44，并且在这种情况下，由于DOE44e，这必然增加了波导装置38的尺寸和复杂性。作为另一个示例，参考图3，显示系统50的另一个实施例类似于图2的显示系统10，例外之处在于显示系统50包括以光学分配波导52的形式的光学耦合元件，该光学分配波导52具有将准直光反射到平面波导40中选定的平面波导的DOE54a-54e。分配波导52的宽度必须足够大以适应光纤24的偏转角的最大线性跨度，从而必然增加波导装置38的尺寸和复杂性。因此，需要减小用于将来自一个或多个光纤的光耦合到虚拟现实或增强现实环境中的一个或多个平面波导中的光学耦合元件的尺寸。
技术实现思路
本专利技术的实施例涉及用于便于一个或多个用户的虚拟现实和/或增强现实交互的装置、系统和方法。虚拟图像生成系统可以例如包括存储三维场景的存储器和被配置为渲染三维场景的多个合成图像帧的控制子系统，在这种情况下，显示子系统可以被配置为向终端用户依次显示多个图像帧。根据本专利技术，提供了用于供终端用户使用的虚拟图像生成系统的显示子系统。显示子系统包括平面波导装置。在一个实施例中，平面波导装置被配置为定位在终端用户的眼睛的前方。在另一个实施例中，平面波导装置具有部分透明的显示表面，该部分透明的显示表面被配置为定位在终端用户的眼睛和周围环境之间的视场内。在又一个实施例中，显示子系统进一步包括被配置为由终端用户佩戴的框架结构，在该情况下，框架结构承载平面波导装置。显示子系统进一步包括光纤，该光纤具有相对于平面波导装置固定(例如，安装)的远侧末端和靠近远侧末端的开孔(aperture)。显示子系统进一步包括耦合到光纤并被配置为从光纤的开孔发射光的至少一个光源，以及机械驱动组件，光纤被安装到驱动组件。机械驱动组件被配置为根据扫描图案移动光纤的开孔。在一个实施例中，机械驱动组件包括光纤安装到其上的压电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于供终端用户使用的虚拟图像生成系统的显示子系统，包括：平面波导装置；光纤，其具有相对于所述平面波导装置固定的远侧末端以及靠近所述远侧末端的开孔；至少一个光源，其耦合到所述光纤并被配置为从所述光纤的所述开孔发射光；机械驱动组件，其中所述光纤安装至所述驱动组件，所述机械驱动组件被配置为根据扫描图案移动所述光纤的所述开孔；光学波导输入装置，其被配置为将来自所述光纤的所述开孔的所述光引导到所述平面波导装置，使得所述平面波导装置向所述终端用户显示一个或多个图像帧。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.20 US 62/194,7461.一种用于供终端用户使用的虚拟图像生成系统的显示子系统，包括：平面波导装置；光纤，其具有相对于所述平面波导装置固定的远侧末端以及靠近所述远侧末端的开孔；至少一个光源，其耦合到所述光纤并被配置为从所述光纤的所述开孔发射光；机械驱动组件，其中所述光纤安装至所述驱动组件，所述机械驱动组件被配置为根据扫描图案移动所述光纤的所述开孔；光学波导输入装置，其被配置为将来自所述光纤的所述开孔的所述光引导到所述平面波导装置，使得所述平面波导装置向所述终端用户显示一个或多个图像帧。2.根据权利要求1所述的显示子系统，其中所述光纤的所述远侧末端安装到所述平面波导装置。3.根据权利要求1所述的显示子系统，进一步包括被配置为将来自所述光纤的光准直的准直元件，其中所述光学波导输入装置被配置为将来自所述准直元件的准直光引导到所述平面波导装置。4.根据权利要求3所述的显示子系统，其中所述准直元件安装在所述光纤的所述开孔上。5.根据权利要求4所述的显示子系统，其中所述准直元件是透镜。6.根据权利要求5所述的显示子系统，其中所述透镜是微透镜。7.根据权利要求3所述的显示子系统，其中所述准直元件安装到所述平面波导装置。8.根据权利要求1所述的显示子系统，其中从所述光纤的所述开孔发射的所述光向内会聚到较小区域。9.根据权利要求1所述的显示子系统，其中从所述光纤的所述开孔发射的所述光向内会聚到焦点。10.根据权利要求8所述的显示子系统，其中所述较小区域位于所述光学波导输入装置内。11.根据权利要求1所述的显示子系统，其中所述机械驱动组件包括所述光纤安装到的压电元件，以及被配置为将电信号传送到所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·L·约，L·E·埃德温，A·M·舒尔克，
申请(专利权)人：奇跃公司，
类型：发明
国别省市：美国,US