用于在虚拟/增强现实系统中扫描光纤的微透镜准直器技术方案

一种由终端用户使用的用于虚拟图像生成系统的显示子系统包括：平面波导设备；光纤；至少一个光源，其被配置为从光纤的远端发射光；以及准直元件，其被安装到光纤的远端用于准直来自光纤的光。虚拟图像生成系统还包括机械驱动组件，光纤安装到驱动组件。机械驱动组件被配置为根据扫描图案使光纤的远端与准直元件一起移位。虚拟图像生成系统还包括光波导输入设备，其被配置为将来自准直元件的准直光导向平面波导设备，以使得平面波导设备向终端用户显示图像帧。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在虚拟/增强现实系统中扫描光纤的微透镜准直器
本专利技术通常涉及被配置为促进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
现代计算技术和显示技术已经促进了用于所谓“虚拟现实”体验或者“增强现实”体验的系统的发展，其中，数字再现的图像或者其部分以看起来是真实或者可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视觉输入并不透明，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技术的用户看见以在背景中的人、树、建筑为特征的真实世界的公园状的设置6以及实体平台8。除了这些项以外，AR技术的终端用户也感知他“看见”站在真实世界的平台8上的机器人雕像10，以及看起来是蜜蜂的化身的正在飞行的卡通式的头像角色12，即使这些元素10、12在真实的世界中不存在。事实证明，人类的视觉感知系统是非常复杂的，开发一项促进虚拟图像元素在其它虚拟或现实世界图像元素中的舒适的、感觉自然的、丰富呈现的VR或AR技术是极具挑战的。VR和AR系统通常采用至少宽松地耦接到用户头部的头戴式显示器(或头盔式显示器、或智能眼镜)，且因此，当终端用户的头部移动时移动。如果由显示系统检测到终端用户的头部运动，则能更新正在显示的数据以考虑头部姿态(即，用户头部的朝向和/或位置)的变化。作为示例，如果穿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对象能对每个视点进行重新渲染，给终端用户他或她在占据真实空间的对象周围走动的感知。如果头戴式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，则头部姿态的测量能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方向并提高虚拟空间的沉浸感。启用AR的头戴式显示器(即，现实和虚拟元素的同时观看)能具有几种不同类型的配置。在通常被称为“视频透视”显示器的一个这样的配置中，照相机捕获真实场景的元素，计算系统将虚拟元素叠加到所捕获的真实场景上，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，其中终端用户能透视显示系统中的透明(或半透明)元件以直接观看来自环境中的真实对象的光。通常被称为“组合器”的透明元件将来自显示器的光叠加在终端用户的真实世界的观看之上。VR和AR系统通常采用具有投影子系统和位于终端用户视场前方的显示表面的显示系统，并且投影子系统在显示表面上顺序投影图像帧。在真正的三维系统中，显示表面的深度可以帧速率或子帧速率来控制。投影子系统可以包括一个或多个光纤，其中来自一个或多个光源的光以设定图案发射不同颜色的光到光纤中；以及扫描装置，其以预定图案扫描光纤以创建顺序向终端用户显示的图像帧。在一个实施例中，显示系统包括一个或多个通常平行于用户的视场的平面波导，且来自光纤的光被注入到该平面波导中。在波导内嵌入一个或多个线性衍射光栅以改变沿着波导传播的入射光的角度。通过改变光的角度超过全内反射(TIR)的阈值，光从波导的一个或多个侧面逸出。线性衍射光栅具有低衍射效率，因此，光每次遇到线性衍射光栅时，只有一部分光能被导出波导。通过在沿着光栅的多个位置处外耦合(outcoupling)光，有效增加显示系统的出射光瞳。显示系统可进一步包括将来自光纤的光进行准直的一个或多个准直元件，以及将准直光光耦合到波导边缘或将来自波导边缘的准直光进行光耦合的一个或多个光耦合元件。在典型的光纤扫描显示系统中，每个光纤用作振动悬臂，该悬臂从支点扫过较大的偏转以根据设计的扫描图案来扫描光。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；光耦合到光源22的光纤24；以及对从光纤24的远端出射的光进行准直的准直元件26。显示系统20进一步包括压电元件28，光纤24被安装到压电元件28或安装在压电元件28中，作为非固定柔性悬臂；以及驱动电子器件30，其被电耦合到压电元件22以激活电激励压电元件28，从而导致光纤24的远端以预定的扫描图案振动，创建围绕支点34的偏转32。显示系统20包括波导设备38，其包括一般平行于终端用户的视场的多个平面波导40a-40e；以及与每个平面波导40相关联的一个或多个衍射光学元件(DOE)42a-42e。源自光纤24的光沿所选择的平面波导40传播且与相应的DOE42相交，导致部分光朝向终端用户的眼睛从波导设备38的面出射，在取决于所选择的平面波导40的一个或多个观看距离处聚焦。显示系统20进一步包括以衍射光学元件(DOE)44a-44e形式的光耦合元件，其集成在各平面波导40a-40e的端部内，并将准直光反射到所选择的平面波导40中。可以看出，随着每个DOE44与光纤24的端部之间的距离增加，各DOE44的长度必需增加以适应光纤24的偏转角度的增加的线性跨度。由于最大DOE44(这种情况下指DOE44e)，这必然增加了波导设备38的尺寸和复杂性。作为另一个示例，参考图3，显示系统50的另一个实施例与图2的显示系统10类似，除了显示系统50包括以具有DOE54a-54e的光分布波导52形式的光耦合元件，其将准直光反射到所选择的平面波导40中。分布波导52的宽度必须足够大以适应光纤24的偏转角度的最大线性跨度，从而必然增加波导设备38的尺寸和复杂性。在上述两个实施例中，由于由移动光纤24施加的限制(横向偏转、扫过/曲率半径以及顶锥角)，与移动光纤24相比固定的准直元件26的设计趋向于复杂。特别地，准直元件26由较多透镜的堆叠组成，以适应光纤顶端的不同位置和角度。特别值得注意的是，光纤24的顶端在来回扫描时倾向于展现出鞭打动作，尽管其有利地增加扫描角度以增加视场，但不利地导致光纤顶端的角度偏离其相对于光纤24的扫描曲率的标称垂直方向。这对准直元件26的设计增加了更多的限制。例如，具有这种结构的典型准直元件26可由40毫米长的十四个透镜堆叠组成。因此，需要在虚拟现实或增强现实环境中减小准直元件的尺寸和复杂性，同时保留或甚至增强光纤的鞭打动作。
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/或增强现实交互的装置、系统和方法。根据本专利技术，提供了一种由终端用户使用的用于虚拟图像生成系统的显示子系统。所述虚拟图像生成系统可例如包括存储三维场景的存储器和被配置为渲染所述三维场景的多个合成图像帧的控制子系统，在这种情况下，所述显示子系统可被配置为向所述终端用户顺序显示多个图像帧。所述显示子系统包括平面波导设备。在一个实施例中，所述平面波导设备被配置为位于所述终端用户的眼睛的前方。所述平面波导设备可具有部分透明的显示表面，其被配置为位于所述终端用户的眼睛与周围环境之间的视场中。在一个实施例中，所述显示子系统可进一步包括被配置为由所述终端用户佩戴的框架结构，在这种情况下，所述框架结构可承载平面波导设备。所述显示子系统进一步包括：光纤；至少一个光源，其被配置为从所述光纤的远端发射光；以及准直元件(例如，诸如微透镜的单透镜)，其被安装到所述光纤的远端用于准直来自所述光纤的光。所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由终端用户使用的用于虚拟图像生成系统的显示子系统，包括：平面波导设备；光纤；至少一个光源，其被配置为从所述光纤的远端发射光；准直元件，其被安装到所述光纤的远端用于准直来自所述光纤的光；机械驱动组件，所述光纤安装到所述机械驱动组件上，所述机械驱动组件被配置为根据扫描图案使所述光纤的所述远端与所述准直元件一起移位；光波导输入设备，其被配置为将来自所述准直元件的准直光导向所述平面波导设备，以使得所述平面波导设备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】2015.10.05 US 62/237,1891.一种由终端用户使用的用于虚拟图像生成系统的显示子系统，包括：平面波导设备；光纤；至少一个光源，其被配置为从所述光纤的远端发射光；准直元件，其被安装到所述光纤的远端用于准直来自所述光纤的光；机械驱动组件，所述光纤安装到所述机械驱动组件上，所述机械驱动组件被配置为根据扫描图案使所述光纤的所述远端与所述准直元件一起移位；光波导输入设备，其被配置为将来自所述准直元件的准直光导向所述平面波导设备，以使得所述平面波导设备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，所述机械驱动组件被配置为根据所述扫描图案围绕支点使所述光纤的所述远端与所述准直元件一起移位，以使得输出光从与所述支点重合的纵轴发散。3.根据权利要求1所述的显示子系统，其中，所述光纤被安装到所述机械驱动组件，作为非固定柔性悬臂。4.根据权利要求1所述的显示子系统，其中，所述准直元件包括透镜。5.根据权利要求1所述的显示子系统，其中，所述准直元件包括单个透镜。6.根据权利要求5所述的显示子系统，其中，所述单个透镜是微透镜。7.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：压电元件，所述光纤安装到所述压电元件上；以及驱动电子器件，其被配置为将电信号传送到所述压电元件，从而导致所述光纤根据所述扫描图案振动。8.根据权利要求1所述的显示子系统，其中，所述光纤以一阶振动模式振动。9.根据权利要求1所述的显示子系统，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·T·朔文格特，L·E·埃德温，I·L·约，A·M·舒尔克，W·H·韦尔奇，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