具有被配置为捕获眼睛和/或环境的图像的波导的增强现实显示器制造技术

头戴式显示系统可包括相机、至少一个波导、被配置为使得光被耦合到所述波导中并在其中被引导的至少一个耦合光学元件、以及至少一个耦出元件。至少一个耦出元件可被配置为将在所述波导内引导的光从所述波导耦出并且将所述光引导至所述相机。相机可以相对于所述至少一个耦出光学元件设置在光路中以接收光的至少一部分，该光的至少一部分经由耦合元件被耦合到所述波导中并在其中被引导并且通过所述耦出耦合元件被从所述波导耦出使得可由所述相机捕获图像。

An augmented reality display with a waveguide configured to capture images of eyes and / or the environment

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有被配置为捕获眼睛和/或环境的图像的波导的增强现实显示器相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C§119(e)要求2017年9月21日提交的名称为“AUGMENTEDREALITYDISPLAYWITHEYEPIECECONFIGUREDTOCAPTUREIMAGESOFEYEANDENVIRONMENT(具有被配置为捕获眼睛和/或环境的图像的波导的增强现实显示器)”的美国临时申请No.62/561645的优先权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
本公开涉及包括增强现实成像和可视化系统的光学装置。
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被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实(或者“VR”)场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对于其他实际的真实世界的视觉输入不透明；增强现实(或者“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。混合现实(或者“MR”)场景是一种AR场景并且通常涉及集成到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，MR场景可以包括AR图像内容，该AR图像内容看起来被真实世界中的对象阻挡或者另外被感知为与该对象交互。参考图1，示出了增强现实场景10。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30为特征的真实世界公园状设置20。用户同样感知到他/她“看到”站在真实世界平台30上的诸如机器人雕像40的“虚拟内容”，以及飞过的卡通式化身角色50，该化身角色看起来是大黄蜂的化身。这些元素50、40是“虚拟的”，因为它们在真实世界中不存在。因为人类的视觉感知系统是复杂的，并且产生有助于连同其他虚拟或真实世界的图像元素一起的虚拟图像元素的舒适、自然、丰富呈现的AR技术是具有挑战性的。本文公开的系统和方法解决了与AR和VR技术相关的各种挑战。偏振分束器可用于显示系统中，以将偏振光引导至光调制器，然后将该光引导至观看者。一般地，存在减小显示系统的尺寸的持续要求，由此，也存在减小显示系统的组成部分的尺寸的持续要求，该组成部分包括利用偏振分束器的组成部分。
技术实现思路
本文描述的各种实现方式包括被配置为向眼睛提供光照和/或映射像投射的显示系统。附加地或可选地，显示系统可以对眼睛和/或环境成像。在一些实施例中，头戴式显示系统被配置为将光投射到用户的眼睛以在所述用户的视场中显示增强现实图像内容。头戴式显示系统可以包括被配置为支撑在用户的头部上的框架。该显示系统还可以包括图像投影仪，该图像投影仪被配置为将图像投射到用户的眼睛中以在用户的视场中显示图像内容。该显示系统可以包括相机、至少一个波导、被配置为使得光被耦合到所述波导中并在其中被引导的至少一个耦合光学元件、以及至少一个耦出(out-coupling)元件。该至少一个耦出元件可以被配置为将在所述波导内引导的光从所述波导耦出，并且将所述光引导至所述相机。相机可以设置在相对于所述至少一个耦出光学元件的光路中，以接收光的至少一部分，该光经由耦合元件耦入到所述波导中并在其中被引导并且通过所述耦耦出元件使该光从所述波导中耦出，从而可以由所述相机捕获图像。附图说明图1示出了通过AR装置的增强现实(AR)的用户视图。图2示出了可穿戴显示系统的示例。图3示出了用于为用户模拟三维图像的常规显示系统。图4示出了使用多个深度平面模拟三维图像的方法的方面。图5A-5C示出了曲率半径与焦点半径之间的关系。图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。图7示出了由波导输出的出射光束的示例。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多种不同分量颜色形成的图像。图9A示出了堆叠波导组的示例的横截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入(incoupling)光学元件。如本文所讨论的，波导堆叠可以包括目镜。图9B示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。图9C示出了图9A和9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。图10示意性地示出了示例成像系统的横截面侧视图，该示例成像系统包括目镜、图像投影仪、用于照射眼睛的光源以及用于捕获眼睛图像的相机。图11A示意性地示出了用于照射眼睛的光源和用于将图像注入眼睛的图像投影仪，它们均朝着目镜的波导上的耦入光学元件发射光。图11B示意性地示出了耦合到波导中的来自光源和来自图像投影仪的投射光。图11C示意性地示出了耦入光如何通过全内反射传播通过波导。图11D示意性地示出了从目镜耦出的来自光源和来自图像投影仪的光。图11E示意性地示出了波导和耦合光学元件，其被配置为至少沿耦合光学元件的全尺寸(例如，沿x方向)传播耦入光。进入眼睛的光被示出为来自扩展光源(例如，成像光将捕获视网膜的区域)。图12A是示意性地示出从眼睛出射的从视网膜反射并入射到目镜上的光的横截面视图。图12B示意性地示出了耦入到目镜的波导中的示例光。图12C示意性地示出了来自眼睛的准直的耦入光，该准直的耦入光通过波导朝着成像装置传播。图12D示意性地示出了传播到一个或多个耦出光学元件的来自眼睛的耦入光。图12E示意性地示出了来自眼睛的光，该光通过耦出光学元件从波导耦出并被引导至相机，使得可由相机捕获眼睛(例如，视网膜)的图像。图13A示意性地示出了成像系统如何能够对眼睛(例如，视网膜)的各个部分进行成像，这可以使能要被确定的眼睛的取向和跟踪的眼睛位置。图13B示出了顺序显示的注视目标的图案，该注视目标用于使眼睛在对视网膜成像的各种不同的方向上定向。所得图像对应于视网膜的不同部分。例如，当将眼睛在各个方向上定向以观看在显示器上不同定位的注视目标时，由相机捕获的图像包括视网膜的不同部分。这些图像可以被组合以形成视网膜的较大映射或合成图像。图14A示意性地示出了成像系统的横截面图，该成像系统包括目镜和用于收集来自目镜前方的环境的光的相机。来自环境的光被示出为从环境中的一个或多个物理对象反射出或者发射出。来自目镜前方的环境中的对象的光的收集可以使能环境图像被捕获。图14B示意性地示出了来自环境的光，该光被耦合光学元件耦合到目镜的波导中。图14C示意性地示出了一种成像系统，该成像系统使用目镜前方的诸如折射光学元件(例如，诸如宽视场透镜的透镜)的有焦度的(powered)光学元件收集来自环境的光。图15A示意性地示出了示例性成像系统，其包括用于接收来自照射源的光并将光耦合到目镜的波导中的偏振选择耦入光学元件。目镜还包括用于使光从波导耦出的偏振选择光耦合元件。偏振器可以用于使来自照射源的光偏振，以及半波延迟器可以用于使线性偏振光的取向旋转，使得该光通过偏振选择耦入光学元件转入波导。图15B示意性地示出了来自眼睛的光(例如，来自被来自照射源的红外光照射的视网膜的光)，其被耦合回到波导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种头戴式显示系统，其被配置为将光投射到用户的眼睛以在所述用户的视场中显示增强现实图像内容，所述头戴式显示系统包括：/n框架，其被配置为支撑在所述用户的头部上；/n图像投影仪，其被配置为将图像投射到所述用户的眼睛中以在所述用户的所述视场中显示图像内容；/n相机；/n至少一个波导；/n至少一个耦合光学元件，其被配置为使得光被耦合到所述波导中并在其中被引导；以及/n至少一个耦出元件，其被配置为将在所述波导中引导的光从所述波导耦出并将所述光引导至所述相机，/n其中，所述相机设置在相对于所述至少一个耦出光学元件的光路中以接收所述光中的至少一部分，所述光中的所述至少一部分经由所述耦合元件被耦合到所述波导中并在其中被引导，并且通过所述耦出耦合元件被从所述波导耦出，使得能够由所述相机捕获图像。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170921 US 62/561,6451.一种头戴式显示系统，其被配置为将光投射到用户的眼睛以在所述用户的视场中显示增强现实图像内容，所述头戴式显示系统包括：
框架，其被配置为支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为将图像投射到所述用户的眼睛中以在所述用户的所述视场中显示图像内容；
相机；
至少一个波导；
至少一个耦合光学元件，其被配置为使得光被耦合到所述波导中并在其中被引导；以及
至少一个耦出元件，其被配置为将在所述波导中引导的光从所述波导耦出并将所述光引导至所述相机，
其中，所述相机设置在相对于所述至少一个耦出光学元件的光路中以接收所述光中的至少一部分，所述光中的所述至少一部分经由所述耦合元件被耦合到所述波导中并在其中被引导，并且通过所述耦出耦合元件被从所述波导耦出，使得能够由所述相机捕获图像。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个耦合光学元件被配置为使得来自佩戴所述头戴式显示系统的所述用户前方的环境的光被耦合到所述至少一个波导中并且在其中被引导，使得能够由所述相机捕获所述环境的图像。


3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个耦合光学元件被配置为使得从佩戴所述头戴式显示系统的所述用户的所述眼睛反射的光被耦合到所述至少一个波导中并在其中被引导，使得能够由所述相机捕获所述眼睛的图像。


4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个耦合光学元件被配置为使得从佩戴所述头戴式显示系统的所述用户的所述眼睛反射的光被耦合到所述波导中并在其中被引导，使得能够由所述相机捕获所述眼睛的图像，所述系统被配置为对所述眼睛的前部成像。


5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个耦合光学元件被配置为使得从佩戴所述头戴式显示系统的所述用户的所述眼睛反射的光被耦合到所述波导中并在其中被引导，使得能够由所述相机捕获所述眼睛的图像，所述系统被配置为对所述眼睛的角膜表面成像。


6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个耦合光学元件被配置为使得从佩戴所述头戴式显示系统的所述用户的所述眼睛反射的光被耦合到所述波导中并在其中被引导，使得能够由所述相机捕获所述眼睛的图像，所述系统被配置为对所述用户的眼睛的视网膜成像。


7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括设置在所述框架上的目镜，所述目镜被配置为将光引导到所述用户的眼睛中以向所述用户的视场显示增强现实图像内容，所述目镜的至少一部分是透明的且在所述用户佩戴所述头戴式显示器时被设置在所述用户的眼睛前方的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户前方的环境的光透射到所述用户的眼睛以提供所述用户前方的所述环境的视图。


8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述目镜被配置为接...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·西奈，B·弗里德曼，M·A·克鲁格，吴哲宇，N·梅塔夫，
申请(专利权)人：奇跃公司，
类型：发明
国别省市：美国;US