具有注视跟踪的波导显示器制造技术

一种显示器可包括波导。输入耦合器可将图像光耦合到该波导中，并且输出耦合器可将该图像光耦合出该波导。该波导上的表面起伏光栅可将红外光耦合到该波导中并且可将该红外光耦合出该波导。该表面起伏光栅可附加地或替代地将被反射的红外光耦合到该波导中并且耦合出该波导并朝向红外传感器耦合。该表面起伏光栅还可形成用于该图像光的交叉耦合器。该红外传感器可基于该被反射的红外光而收集红外传感器数据。控制电路可基于该红外传感器数据而执行注视跟踪操作。该输入和输出耦合器还可由表面起伏光栅形成或可包括其他光学部件。面起伏光栅形成或可包括其他光学部件。面起伏光栅形成或可包括其他光学部件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有注视跟踪的波导显示器
[0001]本申请要求于2021年2月11日提交的美国临时专利申请63/148,496号的优先权，该美国临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。

技术介绍

[0002]本专利技术整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于显示器的光学系统。
[0003]电子设备可包括向用户的眼睛呈现图像的显示器。例如，诸如虚拟现实和增强现实头戴式耳机之类的设备可包括具有允许用户观看显示器的光学元件的显示器。
[0004]设计设备诸如这些设备可能是有挑战性的。如果稍有不慎，用于显示内容的部件可能是难看且笨重的，可消耗过多电力，并且可能未表现出期望的光学性能水平。

技术实现思路

[0005]电子设备诸如头戴式设备可具有为用户产生图像的一个或多个近眼显示器。头戴式设备可以是一副虚拟现实眼镜，或者可以是增强现实头戴式耳机，其允许观察者观看计算机生成的图像和观察者周围环境中的真实世界对象两者。
[0006]显示器可包括显示模块、红外发射器、红外传感器和波导。显示模块可生成可见波长下的图像光。红外发射器可发射红外光。输入耦合器可将图像光耦合到波导中。输出耦合器可将图像光耦合出波导并且朝向眼箱耦合。波导上的表面起伏光栅可将红外光耦合到波导中。在由表面起伏光栅耦合到波导中的红外光已经从波导的表面反射至少一次之后，表面起伏光栅可将红外光耦合出波导并且朝向眼箱耦合。显示器可包括与表面起伏光栅分离的用于图像光的交叉耦合器，或者表面起伏光栅也可形成用于图像光的交叉耦合器。交叉耦合器可将图像光重定向到输出耦合器，并且可以可选地扩展图像光。输入耦合器和输出耦合器还可由表面起伏光栅形成(例如，在与用于将红外光耦合到波导中和耦合出波导的表面起伏光栅相同的光栅介质层中)。替代地，输入和输出耦合器可包括棱镜、部分反射器、百叶窗式反射镜、体积全息图、元光栅、薄膜全息图等。
[0007]表面起伏光栅可从眼箱接收反射的红外光。反射的红外光可为由表面起伏光栅耦合出波导的红外光的版本，其已经在眼箱处从用户眼睛的一部分反射。表面起伏光栅可将反射的红外光耦合到波导中。在反射的红外光已经从波导的表面反射至少一次之后，表面起伏光栅可将反射的红外光耦合出波导并且朝向红外传感器耦合。红外传感器可基于由表面起伏光栅耦合出波导的反射的红外光而生成红外传感器数据。控制电路可基于红外传感器数据而执行注视跟踪操作。
附图说明
[0008]图1是根据一些实施方案的具有显示和注视跟踪能力的例示性显示系统的图。
[0009]图2是根据一些实施方案的例示性光学系统的顶视图，该光学系统具有向波导提供图像光的显示模块并且具有用于执行注视跟踪的红外发射器和红外传感器。
[0010]图3是根据一些实施方案的具有可见光输入耦合器、可见光交叉耦合器、可见光输
出耦合器以及执行用于注视跟踪的红外输入耦合和红外输出耦合的光栅结构的例示性波导的前视图。
[0011]图4是根据一些实施方案的具有形成可见光输入耦合器、可见光交叉耦合器、可见光输出耦合器、红外输入耦合器和红外输出耦合器的表面起伏光栅的例示性波导的横截面底视图。
[0012]图5是示出根据一些实施方案的例示性可见光交叉耦合器如何也可执行红外输入耦合和红外输出耦合以用于注视跟踪的二维k空间图。
[0013]图6是示出根据一些实施方案的多个波导可如何用以将图像光和红外光重定向到眼箱的横截面底视图。
具体实施方式
[0014]图1中示出了一个例示性系统，其具有带有一个或多个近眼显示系统的设备。系统10可以是头戴式设备，其具有一个或多个显示器，诸如安装在支撑结构(外壳)20内的近眼显示器14。支撑结构20可具有一副眼镜(例如，支撑框架)的形状，可形成具有头盔形状的外壳，或者可具有用于帮助将近眼显示器14的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他配置。近眼显示器14可包括一个或多个显示模块诸如显示模块14A，以及一个或多个光学系统诸如光学系统14B。显示模块14A可安装在支撑结构诸如支撑结构20中。每个显示模块14A可发射光22(在本文中有时被称为图像光22)，使用光学系统14B中的相关联光学系统将该光朝眼箱24处的用户眼睛重定向。图像光22可为例如包含和/或表示诸如场景或对象之类的可视事物的光(例如，使用由控制电路提供给显示模块的图像数据调制到图像光上)。
[0015]可使用控制电路16来控制系统10的操作。控制电路16可包括用于控制系统10的操作的存储和处理电路。电路16可包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路16中的处理电路可基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码(指令)可存储在电路16中的存储器上，并且在电路16中的处理电路上运行，以实现用于系统10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像渲染操作等)。
[0016]系统10可包括输入输出电路诸如输入
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输出设备12。输入
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输出设备12可用于允许由系统10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向系统10提供用户输入。输入
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输出设备12还可用于收集有关在其中操作的系统10(例如，头戴式设备10)的环境的信息。设备12中的输出部件可允许系统10向用户提供输出，并且可用于与外部电子装置通信。输入
‑
输出设备12可包括传感器和其他部件18(例如，用于收集与系统10中的显示器上的虚拟对象数字地合并的真实世界对象的图像的面向世界的相机(诸如图像传感器)、加速度计、深度传感器、光传感器、触觉输出设备、扬声器、电池、用于在系统10与外部电子装备之间通信的无线通信电路等)。如果需要，部件18可包括注视跟踪传感器，该注视跟踪传感器在眼箱24处从用户的眼睛收集注视图像数据以实时跟踪用户的注视的方向。注视跟踪传感器可包括至少一个红外
(IR)发射器，该至少一个IR发射器发射从用户的眼睛的部分反射离开的红外或近红外光。至少一个红外图像传感器可从反射红外或近红外光收集红外图像数据。例如，控制电路16可处理所收集的红外图像数据以识别或跟踪用户的注视的方向。
[0017]显示模块14A(在本文中有时称为显示引擎14A、光引擎14A或投影仪14A)可包括反射式显示器(例如，具有产生照明光(该照明光从反射式显示面板反射以产生图像光)的光源的显示器，诸如硅上液晶(LCOS)显示器、硅上铁电液晶(fLCOS)显示器、数字微镜设备(DMD)显示器或其他空间光调制器)、发射式显示器(例如，微发光二极管(uLED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、基于激光的显示器等)或其他类型的显示器。显示模块14A中的光源可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种显示系统，包括：波导，所述波导被配置为引导图像光；光源，所述光源被配置为生成红外光；表面起伏光栅，所述表面起伏光栅位于所述波导上，其中所述表面起伏光栅被配置为衍射所述红外光；以及控制电路，所述控制电路被配置为至少部分地基于由所述表面起伏光栅衍射的所述红外光而执行注视跟踪操作。2.根据权利要求1所述的显示系统，还包括：输入耦合器，所述输入耦合器位于所述波导上并被配置为将所述图像光耦合到所述波导中，其中所述表面起伏光栅被配置为衍射由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述图像光。3.根据权利要求2所述的显示系统，还包括：输出耦合器，所述输出耦合器位于所述波导上并被配置为将所述图像光耦合出所述波导，所述表面起伏光栅被配置为将所述图像光朝向所述输出耦合器重定向。4.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述输入耦合器包括输入耦合棱镜。5.根据权利要求4所述的显示系统，其中所述输出耦合器包括一组体积全息图。6.根据权利要求4所述的显示系统，其中所述输出耦合器包括百叶窗式反射镜。7.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述输入耦合器包括一组体积全息图。8.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述输入耦合器包括第一附加表面起伏光栅，并且所述输出耦合器包括第二附加表面起伏光栅。9.根据权利要求8所述的显示系统，还包括：表面起伏光栅介质，所述表面起伏光栅介质层叠在所述波导上，其中所述表面起伏光栅、所述第一附加表面起伏光栅和所述第二附加表面起伏光栅形成在所述表面起伏光栅介质中。10.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述表面起伏光栅被配置为将所述红外光耦合到所述波导中，耦合到所述波导中的所述红外光被配置为从所述波导的表面反射，并且所述表面起伏光栅被配置为将已经从所述波导的所述表面反射的所述红外光耦合出所述波导。11.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述表面起伏光栅被配置为将所述红外光耦合到所述波导中，耦合到所述波导中的所述红外光被配置为从所述波导的表面反射，并且所述表面起伏光栅被配置为将已经从所述波导的所述表面反射的所述红外光耦合出所述波导。12.根据权利要求11所述的显示系统，还包括：传感器，其中所述表面起伏光栅被配置为接收被反射的红外光，所述表面起伏光栅被配置为将所述被反射的红外光耦合到所述波导中，所述被反射的红外光被配置为从所述波导的所述表面反射，所述表面起伏光栅被配置为将已经从所述波导的所述表面反射的所述被反射的红外光耦合出所述波导并朝向所述传感器耦合，所述传感器被配置为基于由所述表面起伏光栅耦合出所述波导的所述被反射的红外光而生成传感器数据，并且所述控制电路被配置为至少部分地基于所述传感器数据而执行所述注视跟踪操作。
13.根据权利要求11所述的显示系统，还包括：输入耦合器，所述输入耦合器位于所述波导上并被配置为将所述图像光耦合到所述波导中；输出耦合器，所述输出耦合器位于所述波导上并被配置为将所述图像光耦合出所述波导；以及交叉耦合器，所述交叉耦合器位于所述波导上与所述表面起伏光栅分离，其中所述交叉耦合器被配置为朝向所述输出耦合器重定向由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述图像光。14.一种显示系统，包括：波导，所述波导被配置为引导图像光；表面起伏光栅结构，所述表面起伏光栅结构位于所述波导上，其中所述表面起伏光栅结构被配置为：接收被反射的红外光，将所述被反射的红外光耦合到所述波导中，以及在所述被反射的红外光已经从所述波导的表面反射至少一次之后，将所述被反射的红外光耦合出所述波导；图像传感器，所述图像传感器被配置为基于由所述表面起伏光栅结构耦合出所述波导的所述被反射的红外光而生成图像传感器数据...

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