虚拟/增强现实系统中的偏振保持光纤技术方案

本发明专利技术涉及虚拟/增强现实系统中的偏振保持光纤。一种用于由终端用户使用的虚拟图像生成系统的显示子系统包括：显示器；光纤，其具有偏振保持(PM)传输光纤部和非PM扫描光纤部；光源，其被配置为将线性偏振光束注入所述传输光纤部中，使得所述线性偏振光束从所述扫描光纤部发射；机械扫描驱动组件，所述扫描光纤部被固定在该机械扫描驱动组件中，其中所述机械扫描驱动组件被配置为使所述扫描光纤部移位以扫描所发射的光束；以及显示器，其被配置为接收所扫描的光束并为所述终端用户生成图像。收所扫描的光束并为所述终端用户生成图像。收所扫描的光束并为所述终端用户生成图像。

【技术实现步骤摘要】
虚拟/增强现实系统中的偏振保持光纤
[0001]本申请是申请日为2017年1月19日、PCT国际申请号为PCT/US2017/014138、中国国家阶段申请号为201780007235.5、专利技术名称为“虚拟/增强现实系统中的偏振保持光纤”的申请的分案申请。


[0002]本专利技术一般地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

[0003]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(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。
[0004]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，以及飞过的卡通式化身角色12，该化身角色看起来是大黄蜂的化身，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、丰富呈现是具有挑战性的。
[0005]VR和AR系统通常利用至少松散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)，并且因此在终端用户的头部移动时移动。如果显示子系统检测到终端用户的头部运动，则可以更新正显示的数据，以考虑头部姿态(即用户头部的取向和/或位置)的变化。
[0006]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。如果头戴式显示器被用于在虚拟空间(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增强的在虚拟空间中的沉浸感。
[0007]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子系统中的透明(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“合成器”的透明元素将来自显示器的光叠加在终端用户对真实世界的视图之上。
[0008]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
显示子系统，投影子系统顺序地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顺序地向终端用户显示的图像帧。
[0009]在典型的头戴式VR/AR系统中，理想地将显示子系统设计为尽可能轻，以最大化用户的舒适度。为此，VR/AR系统的各种组件可以物理地包含在分布式系统中，该分布式系统包括显示子系统本身以及可从用户头部远程定位的控制子系统。例如，控制子系统可以被包含在腰包徽章中，该腰包徽章可被固定到用户腰部。由于重量、热量和形状因素考虑，理想地使光源位于远离用户头部的位置(例如，在腰包徽章中)，因此必须在控制子系统远离显示器的情况下设置光源的位置。
[0010]因此，必须将光纤从远程光源路由(route)到位于用户头部上的显示子系统的一部分。例如，参考图2，使用单模光纤20，通过将光从远程光源22传播(传输功能)到扫描设备24来既执行传输功能也执行扫描功能，其中单模光纤20被操纵，由此以预定的扫描图案扫描光(扫描功能)。
[0011]为了防止显示给用户的图像出现颜色失真(在偏振激光传播通过具有高度偏振敏感性的显示器的衍射光学系统之后)，必须在整个光纤中保持从光源注入光纤的光的偏振。在普通光纤中，由于光纤的圆对称性，两种偏振模式(例如，垂直和水平偏振)具有相同的标称相速度。然而，这种光纤中的微量的随机双折射或光纤中的弯曲将导致从垂直偏振模式到水平偏振模式的微量串扰。并且，由于可应用微小耦合系数的即使较短部分的光纤具有数千波长的长度，因此即使相干地应用的两种偏振模式之间的小耦合也会导致向水平模式的大功率传输，从而完全改变波的净偏振状态。由于耦合系数是非故意的并且是施加到光纤上的任意应力或弯曲的结果，因此偏振的输出状态本身将是随机的，并且随着这些应力或弯曲的变化而变化。
[0012]因此，由于光纤必须在远程光源与头戴式显示器子系统之间路由的曲折路径(当它跨越人体颈部和躯干时，可能相当长)，光纤可能发生不同的弯曲(由于用户的身体运动等)并因此发生应变，从而显著地改变行进通过光纤的光的偏振。
[0013]已知使用偏振保持光纤(PM光纤)，该PM光纤是单模光纤，其中线性偏振光(如果适当地发射到光纤中)在传播期间保持线性偏振，以特定的线性偏振态离开光纤。PM光纤在传播过程中通过有意地在光纤中引入系统线性双折射来保持线性偏振，因此存在两种界限清楚的偏振模式，这两种偏振模式以极为不同的相速度沿着光纤传播。可以使用多种不同的PM光纤设计以在光纤中产生双折射。例如，光纤可以是几何不对称的，或具有不对称的折射率分布，诸如使用椭圆形包层的设计、在包层内使用另一材料的棒的设计，或使用结构化芯光纤(例如，光子带隙光纤)以永久地在光纤中诱发应力的设计。
[0014]虽然投影子系统可以在考虑PM光纤的情况下设计，但是预先存在的扫描设备被设计为与非PM光纤一起操作，非PM光纤呈现出不同于PM光纤的机械特性。在这种情况下，当非PM光纤被偏振保持光纤代替时，扫描设备将不会以相同的方式操作。特别地，具有高度不对称弯曲刚度的PM光纤将具有与具有对称弯曲刚度的非PM光纤非常不同的动态特性。因此，PM光纤将不会实现作为用于显示设备的默认扫描模式的共振螺旋扫描。此外，光纤的远端通常是锥形的，以提高工作频率并因此提高分辨率，从而产生更好的性能。然而，在PM光纤
利用应力诱发元件的情况下，这些附加元件将影响扫描设备的扫描场。因此，必须重新设计扫描设备以适应PM光纤的替代使用，这将导致VR/AR系统的额外成本。
[0015]因此，需要一种低成本解决方案，其在连接在远程光源与头戴式显示器子系统之间的光纤中保持线性偏振，而不必重新设计显示子系统中的扫描设备。

技术实现思路

[0016]本专利技术的实施例涉及便于用于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。
[0017]根据本专利技术的第一方面，一种用于由终本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于由终端用户使用的虚拟图像生成系统的显示子系统，包括：复合光纤，其是偏振保持PM传输光纤部和被拼接到所述PM传输光纤部的非PM扫描光纤部的复合；光源，其被配置为将线性偏振光束注入所述PM传输光纤部中，使得所述线性偏振光束从所述非PM扫描光纤部发射；以及显示器，其被配置为接收所述光束并基于所述光束为所述终端用户生成图像，其中，所述非PM扫描光纤部在驱动组件内被拼接到所述PM传输光纤部。2.根据权利要求1所述的显示子系统，其中所述显示器包括平面波导装置。3.根据权利要求1所述的显示子系统，其中所述PM传输光纤部包括具有圆形不对称横截面的包层。4.根据权利要求1所述的显示子系统，其中所述PM传输光纤部包括圆形对称的包层、以及被配置为在所述包层中引发应变的至少一个附加的元件。5.根据权利要求1所述的显示子系统，其中所述显示器被集成到头戴式单元中，并且所述光源被包含在远程控制单元中，所述远程控制单元被配置为由所述终端用户穿戴且远离所述头戴式单元。6.根据权利要求5所述的显示子系统，其中所述控制单元被配置为...

【专利技术属性】
技术研发人员：I，
申请(专利权)人：奇跃公司，
类型：发明
国别省市：